本發(fā)明涉及一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的冷卻裝置及工藝，通過改變焊縫金屬的結(jié)晶形態(tài)，使熔化的焊縫金屬晶粒細(xì)化，改善異質(zhì)接頭的組織，從而達到提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭的強韌性，屬于焊接與連接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

汽車輕量化技術(shù)是輕量化設(shè)計、輕量化材料和輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用。汽車輕量化后保證碰撞安全性的一個重要手段就是采用多材料組合結(jié)構(gòu)設(shè)計和高強鋼，在碰撞要求高的部位使用高強鋼或厚板，在強度要求低的部位使用低強鋼或薄板，將不等厚板和不同強度級別的高強鋼通過激光焊接，再經(jīng)精密塑性成型后焊接裝配制造汽車各種安全結(jié)構(gòu)件，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，改善汽車安全結(jié)構(gòu)件的強度和剛度，降低整車的制造成本、重量和裝配公差，提高原材料的利用率和車身整體的穩(wěn)定性能。多材料組合結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)難點就是不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭的韌性亟待提高。不等厚異質(zhì)高強鋼因材料厚度、微觀組織、化學(xué)成分、物理屬性、力學(xué)性能和加工成型工藝存在較大差別，激光焊接過程中熱和力分布不均，導(dǎo)致激光焊接過程較難控制；高強鋼合金元素含量豐富，加工工藝復(fù)雜，對熱過程和成分變化敏感，激光焊接時合金元素氧化和燒損嚴(yán)重，材料受熱重熔完全破壞了母材原有組織平衡狀態(tài)，使焊縫金屬具有一種特殊的過飽和鑄態(tài)組織，焊縫金屬與母材金屬之間的組織狀態(tài)存在較大的差別，降低接頭的強韌性，結(jié)果導(dǎo)致不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接后的拼焊板材在后續(xù)的精密塑性成型過程中出現(xiàn)的焊縫偏移、斷裂等引起的焊接接頭提前開裂和塑性成型性能降低等問題，如圖1所示。圖1汽車前縱梁激光焊接接頭精密塑形后焊縫斷裂

焊接接頭的力學(xué)性能取決于焊縫金屬的化學(xué)成分和其所處的組織狀態(tài)，而焊接接頭組織是由焊縫的化學(xué)成分和焊接熱過程共同作用的結(jié)果。不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接得到的焊縫固態(tài)相變的組織比同質(zhì)高強鋼的焊縫要復(fù)雜的多，根據(jù)不等厚異質(zhì)高強鋼焊縫混合后的化學(xué)成分和冷卻條件的不同，可以出現(xiàn)不同的組織，除鐵素體和珠光體之外，還可能出現(xiàn)多種形態(tài)的貝氏體和馬氏體，上述組織的出現(xiàn)對焊縫金屬的性能尤其是其強韌性具有重要的影響。此外，焊縫是處在非平衡狀態(tài)下凝固和固態(tài)相變，相變后的組織也不會像原始母材那樣均質(zhì)，是過飽和鑄態(tài)組織，對焊縫金屬的強韌性也有一定的影響。目前，研究人員對高強度鋼激光焊接的研究主要集中在各種高強鋼的焊接性，焊接規(guī)范參數(shù)對接頭組織和性能的影響，功率密度、激光脈沖波形、激光脈沖寬度、離焦量、焊接速度和保護氣體等工藝參數(shù)的優(yōu)化，在熔池形成過程、焊接接頭成型性能、接頭微觀組織、接頭軟化機制、接頭拉伸失效機制、接頭疲勞特性等方面研究取得了可喜的成果。但是，不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接獲得的接頭韌性低于母材的韌性的技術(shù)難題仍然未能完全解決，不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接后的拼焊板材在后續(xù)的精密塑性成型過程引起的焊接接頭開裂，降低拼焊板材的塑性成型性能。盡管在焊接領(lǐng)域用于改善焊縫金屬組織和性能的技術(shù)很多，諸如(1)向焊縫中添加某些合金元素，起到固溶強化和變質(zhì)處理；(2)調(diào)整焊接工藝，振動結(jié)晶、高頻超聲振動、電磁振動、焊后熱處理、錘擊焊道、跟蹤回火處理、快速冷卻等。但是，不等厚異質(zhì)高強度鋼激光焊接，應(yīng)用于汽車輕量化薄板拼焊，焊接的板材薄，板材厚度通常只有1.0mm-1.5mm；焊縫長，焊縫長度通常在1000mm-2000mm，現(xiàn)有用于改善焊縫金屬組織和性能的技術(shù)從工藝上在不等厚異質(zhì)高強度鋼激光焊接過程中很難實現(xiàn)。至今為止，對于如何改善不等厚異質(zhì)高強度鋼激光焊接接頭組織，提高焊接接頭的強韌性相關(guān)應(yīng)用技術(shù)和工藝尚未見詳細(xì)報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性冷卻裝置及工藝，在激光焊接工裝夾具中設(shè)計一套冷卻裝置，通過控制焊縫的冷卻速度，降低對接頭熱影響區(qū)的組織影響，改變焊縫金屬凝固組織的形態(tài)，細(xì)化晶粒，改善塑性、韌性，從而提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭的強韌性。

本發(fā)明的技術(shù)方案結(jié)合附圖說明如下：所述一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的冷卻裝置，在激光焊接工裝夾具中設(shè)計一套冷卻裝置，所述激光焊接工裝夾具由激光器1、焊接板材2、紫銅條塊3、電磁吸盤4、工作臺5、過冷水入口6、導(dǎo)管7和過冷水出口8組成，所述工作臺5上表面布置有條狀的紫銅條塊3，所述紫銅條塊3內(nèi)設(shè)過冷水孔，并通導(dǎo)管7連接，紫銅條塊3的過冷水入口6和過冷水出口8與過冷水源連通，所述焊接板材2通過電磁吸盤4平整、牢固的吸附在紫銅條塊3上，所述激光器1安裝在焊接板材2上方的焊縫處。

工作臺5主要用于焊接板材2焊接時的精確定位，焊接板材2精確定位后，通過4-電磁吸盤4將待焊接板材2吸牢后即可焊接，電磁吸盤4夾具可快速夾緊焊接板材2，比液壓或氣動夾具節(jié)省裝配時間，保證板材的平整度、精確定位和接頭間隙對中。不等厚異質(zhì)高強鋼是通過移動激光器1產(chǎn)生的激光熱源進行焊接，焊接過程中通過過冷水入口6，導(dǎo)管7和過冷水出口8組成的冷卻裝置來控制焊縫的冷卻速度。

本發(fā)明的技術(shù)核心內(nèi)容是通過焊接工裝夾具中的冷卻裝置控制激光焊接焊縫的冷卻速度。

本發(fā)明所述一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的工藝方法，技術(shù)核心內(nèi)容是通過焊接工裝夾具中的冷卻裝置調(diào)節(jié)過冷水的溫度和流速來控制焊縫的冷卻速度，包括以下工藝步驟：

第一步，將待焊接的板材放置于工作臺5精確定位；

第二步，將待焊接板材2通過電磁吸盤4吸牢在工作臺5的紫銅條塊3上，保證焊接板材的平整度、精確定位和接頭間隙對中；

第三步，接通過冷水，通過過冷水入口6，導(dǎo)管7和過冷水出口8組成的冷卻裝置控制過冷水的溫度和流速，所述過冷水為乙二醇和純凈水混合的水溶液，過冷水成分按質(zhì)量百分比計Wt/％：乙二醇40～60％，純凈水40～60％，所述過冷水或通過市售購買，過冷水溫度控制在零下20℃～40℃范圍，流速控制在0.2～0.4m³/min。

第四步，采用激光焊焊接高強度鋼結(jié)構(gòu)件，激光焊機為CO₂激光器，焊接功率P＝1.5kw，焊接速度V＝2000mm/min，離焦量F＝0mm，側(cè)吹氣為純Ar，流量為30L/min，接頭形式為對接，采用中心聚焦的方式進行，焊縫長度為1000mm。

所述高強鋼材材選用DP1180和DP590，DP1180抗拉強度1281MPa，伸長率7.5％，厚度1.2mm；DP590抗拉強度690MPa，伸長率26％，厚度1.5mm，進行不等厚異質(zhì)激光焊接試驗。

不等厚異質(zhì)高強鋼焊接接頭組織是由焊縫混合后的化學(xué)成分和冷卻條件共同作用的結(jié)果。當(dāng)不等厚異質(zhì)高強鋼板厚和焊接工藝參數(shù)一定時，焊縫混合后的化學(xué)成分是確定的，此時焊接接頭組織取決于冷卻條件。在激光焊接工裝夾具中設(shè)計一套冷卻裝置，提高不等厚異質(zhì)高強鋼焊接接頭的冷卻速度，可以增大液態(tài)焊縫金屬的過冷度，促進液態(tài)金屬的形核過程，降低合金元素的微觀偏析，抑制焊縫區(qū)馬氏體、鐵素體晶粒長大，從而形成均勻細(xì)小的微觀組織，提高不等厚異質(zhì)高強鋼焊接接頭的強度、塑性和成型性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述的一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的工藝和方法，在激光焊接工裝夾具中設(shè)計一套冷卻裝置，通過控制激光焊接焊縫的冷卻速度，降低對接頭熱影響區(qū)的組織影響，改變焊縫金屬凝固組織的形態(tài)，細(xì)化晶粒，改善塑性、韌性，從而提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭的強韌性，見圖3和圖4所示。

附圖說明

圖1汽車前縱梁激光焊接接頭精密塑形后焊縫斷裂。

圖2激光焊接工裝夾具。

圖3未使用冷卻裝置的焊接接頭形貌和組織，其中：

(a)接頭截面形貌；

(b)焊縫組織。

圖4使用冷卻裝置的焊接接頭形貌和組織，其中：

(a)接頭截面形貌；

(b)焊縫組織。

圖中：1-激光器；2-焊接板材；3-紫銅；4-電磁吸盤；5-工作臺；

6-過冷水入口；7-導(dǎo)管；8-過冷水出口

具體實施方式

通過以下給出的實施例對本發(fā)明方法作進一步具體闡述。

本發(fā)明所述的一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的工藝和方法，在激光焊接工裝夾具中設(shè)計一套冷卻裝置，通過控制焊縫的冷卻速度，降低對接頭熱影響區(qū)的組織影響，改變焊縫金屬凝固組織的形態(tài)，細(xì)化晶粒，改善塑性、韌性，從而提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭的強韌性。

本發(fā)明所述一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的工藝和方法，包括以下工藝步驟：

第一步，將待焊接的板材放置于5-工作臺精確定位；

第二步，將待焊接的板材通過電磁吸盤吸牢后，保證板材的平整度、精確定位和接頭間隙對中；

第三步，接通過冷水，通過6-過冷水入口，7-導(dǎo)管和8-過冷水出口組成的冷卻裝置控制過冷水的溫度和流速。本發(fā)明上所述的過冷水為乙二醇和純凈水混合的水溶液，過冷水成分按質(zhì)量百分比計(Wt/％)：乙二醇40-60％，純凈水40-60％。本發(fā)明上所述的過冷水也可以通過市售購買。過冷水溫度控制在零下20℃-零下40℃范圍，流速控制在0.2-0.4m3/min。

第四步，進行激光焊接。高強鋼材料選用DP1180和DP590，DP1180抗拉強度1281MPa，伸長率7.5％，厚度1.2mm；DP590抗拉強度690MPa，伸長率26％，厚度1.5mm，進行不等厚異質(zhì)激光焊接試驗。采用激光焊焊接高強度鋼結(jié)構(gòu)件，激光焊機為CO2激光器，焊接功率P＝1.5kw，焊接速度V＝2000mm/min，離焦量F＝0mm，側(cè)吹氣為純Ar，流量為30L/min，接頭形式為對接，采用中心聚焦的方式進行，焊縫長度為1000mm。

下述所有實施例均按上述工藝步驟和工藝參數(shù)進行激光焊接，實施例見下表1。

表1過冷水溫度、流速及其焊接接頭性能

本發(fā)明所述的一種提高不等厚異質(zhì)高強鋼激光焊接接頭韌性的工藝和方法，按照上述工藝步驟和成分進行激光焊接所達到的技術(shù)指標(biāo)：

(1)細(xì)化焊縫金屬晶粒，接頭焊縫區(qū)晶粒尺寸通過蔡氏顯微鏡在Axio Imaging軟件上隨機選五處進行測量，晶粒尺寸平均值4.3μm-5.0μm，晶粒尺寸減小了39.0％；

(2)接頭韌性提高，接頭室溫橫向拉伸試驗參考標(biāo)準(zhǔn)《GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法》在CSS電子萬能試驗機上完成，接頭伸長率14.7％-15.3％，接頭伸長率提高了8.1％。