本发明涉及激光焊接技术领域，特别涉及一种钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法。
背景技术：
微合金化钢一种典型的高强度钢，已经广泛应用于汽车、工程机械、桥梁、高层建筑等领域。该类型的钢材主要利用微合金元素Nb、V、Ti、Mo等的细晶强化、析出强化、固溶强化等特点提高钢材的强度。
焊接是该钢材连接的主要方式之一。激光拼焊技术作为一种高能量密度的焊接技术，具有热输入小、焊接速度高、焊缝深宽比大、焊接质量高、不需要添加焊丝等优点，较传统的焊接方法如电弧焊、氩弧焊等具有更快的凝固速度和更短的高温停留时间，为微合金化钢的连接提供了一种新的途径。但是，就现有激光拼焊方法而言，焊接过程中必须施加保护气来保证焊接区不被氧化，进而保证焊接区的力学性能。因此，惰性气体如氦气、氩气和氮气是激光焊接过程中的首选保护气，不同类型的保护气适用于不同的钢材。此外，在纯惰性气体保护下进行激光焊接，焊缝区的显微组织容易形成单一的马氏体并夹杂细小的氧化物。
当激光拼焊技术应用于钛微合金化碳锰钢时，在纯惰性气体保护下进行激光焊接，焊缝区的显微组织形成单一的马氏体，致使焊缝区的强韧性不高。同时，采用纯惰性保护气体进行焊接保护，增大了焊接成本，焊接环境受到制约。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法，以在提高焊缝区结构强韧性地同时，降低焊接成本，减少焊接环境的制约。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法，使用激光在惰性气体和氧气混合的保护气体中或者在空气中对钛微合金化碳锰钢板的焊接部位进行焊接。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，所述钛微合金化碳锰钢板的焊接布置形式为平放对接。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，对接的两块所述钛微合金化碳锰钢板之间的焊缝宽度小于所述钛微合金化碳锰钢板的厚度的10％。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，所述惰性气体为氮气，所述氮气在所述保护气体中所占体积的比例为75％～95％。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，所述钛微合金化碳锰钢板中的钛含量为0.02％～0.2％。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，所述激光的功率为4kw～8kw。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，所述激光的扫描速率为1.2m/min～3m/min。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，所述钛微合金化碳锰钢板的厚度为4mm～10mm。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，在进行激光拼焊之前，还包括去除所述钛微合金化碳锰钢板的表面氧化层，并用丙酮清洗所述钛微合金化碳锰钢板表面的油污。
优选的，在上述的激光拼焊方法中，通过光纤激光器进行激光拼焊。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法中，使用激光在惰性气体和氧气混合的保护气体中或者在空气中对钛微合金化碳锰钢板的焊缝进行焊接。通过该激光拼焊方法得到的焊缝区内具有熔化母材所得到的钛元素，钛元素与保护气体或空气中的氧气所提供的氧元素氧化结合得到含钛氧化物，由于激光焊接具有极短的高温停留时间和亚快速凝固速度，因此，使得形成的含钛氧化物的尺寸恰好可成为针状铁素体的形核点，最终获得含有针状铁素体和马氏体的混合组织的全熔透焊缝，该焊缝的强韧性比在纯惰性气体中得到的纯马氏体组织焊缝韧性强。且惰性气体和氧气混合的保护气体或者空气与纯惰性气体相比，降低了惰性气体的使用量，降低了焊接成本，在空气中进行激光焊接，不受焊接环境的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法的流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供了一种钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法，提高了焊缝区的结构强韧性，同时，降低了焊接成本，减少了焊接环境的制约。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种钛微合金化碳锰钢的激光拼焊方法，使用激光在惰性气体和氧气混合的保护气体中或者在空气中对钛微合金化碳锰钢板的焊接部位进行焊接。钛微合金化碳锰钢板含有钛元素，钛元素的含量优选为0.02％～0.2％，以下简称钢板。
通过该激光拼焊方法得到的焊缝区内具有熔化母材所得到的钛元素，母材即为钛微合金化碳锰钢板，钛元素与保护气体或空气中的氧气所提供的氧元素氧化结合得到含钛氧化物，由于激光焊接具有极短的高温停留时间和亚快速凝固速度，因此，使得形成的含钛氧化物的尺寸恰好可成为针状铁素体的形核点，最终获得含有针状铁素体和马氏体的混合组织的全熔透焊缝，该焊缝的强韧性比在纯惰性气体中得到的纯马氏体组织焊缝韧性强。且惰性气体和氧气混合组成的保护气体或者空气与纯惰性气体相比，减小了惰性气体的使用量，降低了焊接成本，在空气中进行激光焊接，不受焊接环境的限制，可在野外实施焊接。
在本实施例中，钢板的焊接布置形式优选为平放对接，即将相邻的两块钢板平放后对接，对接处的缝隙距离即为焊缝的宽度。平放对接布置能够进一步提高焊接连接强度。
进一步地，在本实施例中，焊缝宽度小于钢板厚度的10％。优选地，钢板的厚度为4mm～10mm，较小的焊缝能够更好地实现两块钢板的熔融连接。
在本实施例中，在由惰性气体和氧气混合组成的保护气体中，惰性气体优选为氮气，氮气在保护气体中所占的体积比例为75％～95％，相应地，氧气所占的比例为5％～25％。通过调节保护气体中氧气的比例以调控焊缝中钛氧化物颗粒的数量和尺寸，从而控制形成的针状铁素体的含量，控制焊缝的强韧性。惰性气体采用氮气，进一步降低了焊接成本。当然，惰性气体还可以为氦气、氩气等。
在本实施例中，激光的功率为4kw～8kw，通过高功率的激光快速熔融钢板焊接处，实现两块钢板的连接。
进一步地，激光的扫描速率为1.2m/min～3m/min，以保证钢板焊接处充分熔化，并能够快速凝固。
如图1所示，为了进一步提高激光焊接质量，在本实施例中，激光拼焊方法在进行激光焊接时，还包括以下步骤，先去除钢板表面氧化层，即氧化铁皮，并筒丙酮清洗钢板表面的油污。将经过净化处理的两块钢板置于工作台上，并使两块钢板紧密接触，保持焊缝宽度小于钢板厚度的10％。
优选采用光纤激光器发射激光。当然，还可以采用其它激光焊接设备。
本实施例提供了一种具体的激光拼焊方法，包括以下步骤：
S101、将600MPa级热轧钛微合金化碳锰钢(钛含量为0.02％)切割成厚度为4mm的钢板，并用角向抛光机将钢板表面氧化铁皮去除，然后用丙酮去除钢板表面的油污和杂质；
S102、将钢板平放在焊接试验台上，并用焊接夹具将钢板固定，保证两块钢板对接处的间隙为0.25mm；
S103、利用光纤激光器对钢板进行拼焊，光斑直径为0.3mm，焊接速度为3.0m/min，激光功率为6kw，在保护气体或空气中进行焊接，保护气体中的氮气占80％，氧气占20％，不添加焊丝施焊。
焊后观察焊缝宏观形貌优良，无明显飞溅，且为全熔透焊缝。拉伸断裂位置出现在母材区。焊缝的冲击功为30J(55mm×10mm×2.5mm)，母材(55mm×10mm×2.5mm)的冲击功为20J。焊缝内部组织观察表明，焊缝显微组织由针状铁素体和板条马氏体组成，针状铁素体含量约为25％。
本实施例提供了第二种具体的激光拼焊方法，包括以下步骤：
S201、将800MPa级热轧钛微合金化碳锰钢(钛含量为0.10％)切割成厚度为10mm的钢板，并用角向抛光机将钢板表面氧化铁皮去除，然后用丙酮去除钢板表面的油污和杂质；
S202、将钢板平放在焊接试验台上，并用焊接夹具将样品固定，保证两块钢板对接处的间隙为0.3mm；
S203、利用光纤激光器对试验板进行拼焊，光斑直径为0.3mm，激光焊接速度为1.2m/min，激光功率为6kw，在保护气体或空气中进行激光焊接，保护气体中的氮气占95％，氧气占5％，不添加焊丝施焊。
焊后观察焊缝宏观形貌优良，无明显飞溅，且为全熔透焊缝。拉伸断裂位置出现在母材区。焊缝的冲击功为50J(55mm×10mm×5.0mm)，母材(55mm×10mm×5.0mm)的冲击功为42J。焊缝内部组织观察表明，焊缝显微组织由针状铁素体、板条马氏体和少量贝氏体组成，针状铁素体含量约为5％。
本实施例提供了第三种具体的激光拼焊方法，包括以下步骤：
S301、将800MPa级热轧钛微合金化碳锰钢(钛含量为0.20％)切割成厚度为7mm的钢板，并用角向抛光机将钢板表面氧化铁皮去除，然后用丙酮去除钢板表面的油污和杂质；
S302、将钢板平放在焊接试验台上，并用焊接夹具将样品固定，保证两块钢板的对接处间隙为0.3mm；
S303、利用光纤激光器对试验板进行拼焊，光斑直径为0.3mm，焊接速度为2.4m/min，激光功率为6kw，在保护气体或空气中进行激光焊接，保护气体中的氮气占85％，氧气占15％，不添加焊丝施焊。
焊后观察焊缝宏观形貌优良，无明显飞溅，且为全熔透焊缝。拉伸断裂位置出现在母材区。焊缝的冲击功为60J(55mm×10mm×5.0mm)，母材(55mm×10mm×5.0mm)的冲击功为50J。焊缝内部组织观察表明，焊缝显微组织由针状铁素体和板条马氏体组成，针状铁素体含量约为18％。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。