一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的冷却装置及工艺的制作方法

本发明涉及一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的冷却装置及工艺，通过改变焊缝金属的结晶形态，使熔化的焊缝金属晶粒细化，改善异质接头的组织，从而达到提高不等厚异质高强钢激光焊接接头的强韧性，属于焊接与连接技术领域。

背景技术：

汽车轻量化技术是轻量化设计、轻量化材料和轻量化制造技术的集成应用。汽车轻量化后保证碰撞安全性的一个重要手段就是采用多材料组合结构设计和高强钢，在碰撞要求高的部位使用高强钢或厚板，在强度要求低的部位使用低强钢或薄板，将不等厚板和不同强度级别的高强钢通过激光焊接，再经精密塑性成型后焊接装配制造汽车各种安全结构件，优化车身结构，改善汽车安全结构件的强度和刚度，降低整车的制造成本、重量和装配公差，提高原材料的利用率和车身整体的稳定性能。多材料组合结构设计的技术难点就是不等厚异质高强钢激光焊接接头的韧性亟待提高。不等厚异质高强钢因材料厚度、微观组织、化学成分、物理属性、力学性能和加工成型工艺存在较大差别，激光焊接过程中热和力分布不均，导致激光焊接过程较难控制；高强钢合金元素含量丰富，加工工艺复杂，对热过程和成分变化敏感，激光焊接时合金元素氧化和烧损严重，材料受热重熔完全破坏了母材原有组织平衡状态，使焊缝金属具有一种特殊的过饱和铸态组织，焊缝金属与母材金属之间的组织状态存在较大的差别，降低接头的强韧性，结果导致不等厚异质高强钢激光焊接后的拼焊板材在后续的精密塑性成型过程中出现的焊缝偏移、断裂等引起的焊接接头提前开裂和塑性成型性能降低等问题，如图1所示。图1汽车前纵梁激光焊接接头精密塑形后焊缝断裂

焊接接头的力学性能取决于焊缝金属的化学成分和其所处的组织状态，而焊接接头组织是由焊缝的化学成分和焊接热过程共同作用的结果。不等厚异质高强钢激光焊接得到的焊缝固态相变的组织比同质高强钢的焊缝要复杂的多，根据不等厚异质高强钢焊缝混合后的化学成分和冷却条件的不同，可以出现不同的组织，除铁素体和珠光体之外，还可能出现多种形态的贝氏体和马氏体，上述组织的出现对焊缝金属的性能尤其是其强韧性具有重要的影响。此外，焊缝是处在非平衡状态下凝固和固态相变，相变后的组织也不会像原始母材那样均质，是过饱和铸态组织，对焊缝金属的强韧性也有一定的影响。目前，研究人员对高强度钢激光焊接的研究主要集中在各种高强钢的焊接性，焊接规范参数对接头组织和性能的影响，功率密度、激光脉冲波形、激光脉冲宽度、离焦量、焊接速度和保护气体等工艺参数的优化，在熔池形成过程、焊接接头成型性能、接头微观组织、接头软化机制、接头拉伸失效机制、接头疲劳特性等方面研究取得了可喜的成果。但是，不等厚异质高强钢激光焊接获得的接头韧性低于母材的韧性的技术难题仍然未能完全解决，不等厚异质高强钢激光焊接后的拼焊板材在后续的精密塑性成型过程引起的焊接接头开裂，降低拼焊板材的塑性成型性能。尽管在焊接领域用于改善焊缝金属组织和性能的技术很多，诸如(1)向焊缝中添加某些合金元素，起到固溶强化和变质处理；(2)调整焊接工艺，振动结晶、高频超声振动、电磁振动、焊后热处理、锤击焊道、跟踪回火处理、快速冷却等。但是，不等厚异质高强度钢激光焊接，应用于汽车轻量化薄板拼焊，焊接的板材薄，板材厚度通常只有1.0mm-1.5mm；焊缝长，焊缝长度通常在1000mm-2000mm，现有用于改善焊缝金属组织和性能的技术从工艺上在不等厚异质高强度钢激光焊接过程中很难实现。至今为止，对于如何改善不等厚异质高强度钢激光焊接接头组织，提高焊接接头的强韧性相关应用技术和工艺尚未见详细报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性冷却装置及工艺，在激光焊接工装夹具中设计一套冷却装置，通过控制焊缝的冷却速度，降低对接头热影响区的组织影响，改变焊缝金属凝固组织的形态，细化晶粒，改善塑性、韧性，从而提高不等厚异质高强钢激光焊接接头的强韧性。

本发明的技术方案结合附图说明如下：所述一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的冷却装置，在激光焊接工装夹具中设计一套冷却装置，所述激光焊接工装夹具由激光器1、焊接板材2、紫铜条块3、电磁吸盘4、工作台5、过冷水入口6、导管7和过冷水出口8组成，所述工作台5上表面布置有条状的紫铜条块3，所述紫铜条块3内设过冷水孔，并通导管7连接，紫铜条块3的过冷水入口6和过冷水出口8与过冷水源连通，所述焊接板材2通过电磁吸盘4平整、牢固的吸附在紫铜条块3上，所述激光器1安装在焊接板材2上方的焊缝处。

工作台5主要用于焊接板材2焊接时的精确定位，焊接板材2精确定位后，通过4-电磁吸盘4将待焊接板材2吸牢后即可焊接，电磁吸盘4夹具可快速夹紧焊接板材2，比液压或气动夹具节省装配时间，保证板材的平整度、精确定位和接头间隙对中。不等厚异质高强钢是通过移动激光器1产生的激光热源进行焊接，焊接过程中通过过冷水入口6，导管7和过冷水出口8组成的冷却装置来控制焊缝的冷却速度。

本发明的技术核心内容是通过焊接工装夹具中的冷却装置控制激光焊接焊缝的冷却速度。

本发明所述一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的工艺方法，技术核心内容是通过焊接工装夹具中的冷却装置调节过冷水的温度和流速来控制焊缝的冷却速度，包括以下工艺步骤：

第一步，将待焊接的板材放置于工作台5精确定位；

第二步，将待焊接板材2通过电磁吸盘4吸牢在工作台5的紫铜条块3上，保证焊接板材的平整度、精确定位和接头间隙对中；

第三步，接通过冷水，通过过冷水入口6，导管7和过冷水出口8组成的冷却装置控制过冷水的温度和流速，所述过冷水为乙二醇和纯净水混合的水溶液，过冷水成分按质量百分比计Wt/％：乙二醇40～60％，纯净水40～60％，所述过冷水或通过市售购买，过冷水温度控制在零下20℃～40℃范围，流速控制在0.2～0.4m³/min。

第四步，采用激光焊焊接高强度钢结构件，激光焊机为CO₂激光器，焊接功率P＝1.5kw，焊接速度V＝2000mm/min，离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min，接头形式为对接，采用中心聚焦的方式进行，焊缝长度为1000mm。

所述高强钢材材选用DP1180和DP590，DP1180抗拉强度1281MPa，伸长率7.5％，厚度1.2mm；DP590抗拉强度690MPa，伸长率26％，厚度1.5mm，进行不等厚异质激光焊接试验。

不等厚异质高强钢焊接接头组织是由焊缝混合后的化学成分和冷却条件共同作用的结果。当不等厚异质高强钢板厚和焊接工艺参数一定时，焊缝混合后的化学成分是确定的，此时焊接接头组织取决于冷却条件。在激光焊接工装夹具中设计一套冷却装置，提高不等厚异质高强钢焊接接头的冷却速度，可以增大液态焊缝金属的过冷度，促进液态金属的形核过程，降低合金元素的微观偏析，抑制焊缝区马氏体、铁素体晶粒长大，从而形成均匀细小的微观组织，提高不等厚异质高强钢焊接接头的强度、塑性和成型性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的工艺和方法，在激光焊接工装夹具中设计一套冷却装置，通过控制激光焊接焊缝的冷却速度，降低对接头热影响区的组织影响，改变焊缝金属凝固组织的形态，细化晶粒，改善塑性、韧性，从而提高不等厚异质高强钢激光焊接接头的强韧性，见图3和图4所示。

附图说明

图1汽车前纵梁激光焊接接头精密塑形后焊缝断裂。

图2激光焊接工装夹具。

图3未使用冷却装置的焊接接头形貌和组织，其中：

(a)接头截面形貌；

(b)焊缝组织。

图4使用冷却装置的焊接接头形貌和组织，其中：

(a)接头截面形貌；

(b)焊缝组织。

图中：1-激光器；2-焊接板材；3-紫铜；4-电磁吸盘；5-工作台；

6-过冷水入口；7-导管；8-过冷水出口

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明所述的一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的工艺和方法，在激光焊接工装夹具中设计一套冷却装置，通过控制焊缝的冷却速度，降低对接头热影响区的组织影响，改变焊缝金属凝固组织的形态，细化晶粒，改善塑性、韧性，从而提高不等厚异质高强钢激光焊接接头的强韧性。

本发明所述一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的工艺和方法，包括以下工艺步骤：

第一步，将待焊接的板材放置于5-工作台精确定位；

第二步，将待焊接的板材通过电磁吸盘吸牢后，保证板材的平整度、精确定位和接头间隙对中；

第三步，接通过冷水，通过6-过冷水入口，7-导管和8-过冷水出口组成的冷却装置控制过冷水的温度和流速。本发明上所述的过冷水为乙二醇和纯净水混合的水溶液，过冷水成分按质量百分比计(Wt/％)：乙二醇40-60％，纯净水40-60％。本发明上所述的过冷水也可以通过市售购买。过冷水温度控制在零下20℃-零下40℃范围，流速控制在0.2-0.4m3/min。

第四步，进行激光焊接。高强钢材料选用DP1180和DP590，DP1180抗拉强度1281MPa，伸长率7.5％，厚度1.2mm；DP590抗拉强度690MPa，伸长率26％，厚度1.5mm，进行不等厚异质激光焊接试验。采用激光焊焊接高强度钢结构件，激光焊机为CO2激光器，焊接功率P＝1.5kw，焊接速度V＝2000mm/min，离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min，接头形式为对接，采用中心聚焦的方式进行，焊缝长度为1000mm。

下述所有实施例均按上述工艺步骤和工艺参数进行激光焊接，实施例见下表1。

表1过冷水温度、流速及其焊接接头性能

本发明所述的一种提高不等厚异质高强钢激光焊接接头韧性的工艺和方法，按照上述工艺步骤和成分进行激光焊接所达到的技术指标：

(1)细化焊缝金属晶粒，接头焊缝区晶粒尺寸通过蔡氏显微镜在Axio Imaging软件上随机选五处进行测量，晶粒尺寸平均值4.3μm-5.0μm，晶粒尺寸减小了39.0％；

(2)接头韧性提高，接头室温横向拉伸试验参考标准《GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法》在CSS电子万能试验机上完成，接头伸长率14.7％-15.3％，接头伸长率提高了8.1％。