[发明专利]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

说明书

本发明公开了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，属于焊接与连接技术领域。通过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，通过控制焊缝的冷却速度，改变焊缝金属凝固组织的形态，细化晶粒，焊接得到的焊缝晶粒尺寸平均值4.3μm‑5.0μm，晶粒尺寸减小了39.0％；接头伸长率14.7％‑15.3％，接头伸长率提高了8.1％。

技术领域

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。

发明内容