环形光束激光焊接Al-Si镀层22MnB5钢的组织与性能研究.pdf
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1、Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月环形光束激光焊接Al-Si镀层22MnB5钢的组织与性能研究张旭志1,2,张家志1,丁建武3,刘进辉3,杨上陆11.中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 2018002.中国科学院大学,北京 1000843.光惠(上海)激光科技有限公司,上海 201702摘要:使用可调环形光斑光纤激光焊接工艺,对铝硅镀层22MnB5钢进行激光拼焊,研究了中心激光束和环形激光束不同功率配比对焊缝宏观形貌、显微组织和力学性能的影响。结果表明,中心激光束和环形激光束的配比对焊缝熔宽的影响
2、较小,当两者配比为1 1时,焊缝表面的塌陷量最小。随着环形激光束功率的增大,焊缝中心区域的硬度值先增大后减小,当中心激光束和环形激光束的激光功率均为1 500 W时,取得最大值为448.5 HV。当中心激光束功率为2 000 W、环形激光束功率为0 W时,硬度值最小,为310.2 HV。在环形光斑激光作用区域,熔合线边缘会产生条带状铁素体,拉伸形变过程中裂纹在铁素体处萌生扩展,是焊接接头失效的主要原因。当中心激光束和环形激光束功率均为1 500 W时,接头抗拉强度和延伸率最高,接头断裂在焊缝熔合线附近;当中心激光束功率小于环形激光束功率时,焊缝裂纹从焊缝上边缘熔合线开始萌生;当中心激光束功率大
3、于等于环形激光束功率时,裂纹由下边缘熔合线处萌生。关键词:铝硅镀层;激光焊接;环形光斑;功率配比;力学性能中图分类号:TG456.7 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2023)07-0031-09Study on Microstructure and Properties of Al-Si Coated 22MnB5 Steel by Ring Beam Laser WeldingZHANG Xuzhi1,2,ZHANG Jiazhi1,DING Jianwu3,LIU Jinhui3,YANG Shanglu11.Shanghai Institute of Optical Pr
4、ecision Machinery,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100084,China3.GW(Shanghai)Laser Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201702,ChinaAbstract:The effect of different power ratios of the central laser beam and the annular laser beam on the ma
5、croscopic morphology,microstructure and mechanical properties of the weld was investigated using an adjustable annular spot fiber laser welding process for laser sputtering of aluminum-silicon coated 22MnB5 steel.The results show that the ratio of the central laser beam and the annular laser beam ha
6、s a small effect on the weld melt width,and the collapse of the weld surface is minimized when the ratio is 1 1.The hardness value in the central region of the weld increases and then decreases as the power of the annular laser beam increases,achieving a maximum value of 448.5 HV when the laser powe
7、r of both the central and annular laser beams is 1 500 W.The minimum hardness value is 310.2 HV when the power of the central laser beam is 2 000 W and the power of the annular laser beam is 0 W.In the area of the annular spot laser action,the fusion line edge will Strip ferrite,tensile deformation
8、process cracks sprouted at the ferrite expansion,is the main cause of failure of welded joints.When the center laser beam and ring laser beam power is 1 500 W,the joint tensile strength and elongation is the highest,the joint fracture in the vicinity of the weld fusion line.When the center laser bea
9、m power is less than the annular laser beam power,the weld crack starts from the upper edge of the weld fusion line,and when the center laser beam power is greater 收稿日期:2023-06-05作者简介:张旭志(1999),男,硕士研究生,主要从事铝硅镀层激光焊接的研究。通讯作者:杨上陆(1975),男,研究员,博士生导师,主要从事先进激光制造技术及先进焊接的研究。E-mail:。DOI:10.7512/j.issn.1001-23
10、03.2023.07.052023 年than or equal to the annular laser beam power,the crack starts from the lower edge of the fusion line.Keywords:Al-Si coating;laser welding;ring beam;different power ratio;mechanical property引用格式:张旭志,张家志,丁建武,等.环形光束激光焊接Al-Si镀层22MnB5钢的组织与性能研究 J.电焊机,2023,53(7):31-39.Citation:ZHANG Xuz
11、hi,ZHANG Jiazhi,DING Jianwu,et al.Study on Microstructure and Properties of Al-Si Coated 22MnB5 Steel by Ring Beam Laser WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):31-39.0 前言使用高强度钢来制造汽车车身可以实现汽车轻量化,达到节能减排和提高车辆安全的目的1-2。热成形钢是一种先进的高强度钢,经热冲压成形后其极限抗拉强度能够到达1 500 MPa,延伸率大于5%,广泛应用于A柱、B柱和门环等安全结构件3。为避免在热冲压过程
12、中板材的氧化和脱碳,通常在其表面预制镀层。镀层包括Al-Si、Zn-Ni、Zn镀层,凭借耐高温和耐腐蚀的优异性能,Al-Si镀层成为目前应用最为广泛的热成形钢镀层4。为降低生产成本并提高零件设计灵活性,拼焊成为了生产具有定制性能的汽车部件的最常用方法。激光焊接具有热输入小、变形小、精度高以及效率高的优点,成为汽车车身拼焊的主要手段。Al-Si镀层热成形钢在激光焊接过程中,表面的Al-Si镀层熔化进入焊缝,由于熔池流动性较低且凝固速度快,容易形成Al元素偏析,并导致铁素体的形成5,经热冲压后,焊缝中-铁素体转变为更稳定的-铁素体6,拉伸形变过程中,不均匀分布的铁素体导致应力集中在焊缝,裂纹沿着条
13、带状铁素体萌生扩展。Gerhards等7使用“”形状路径的震荡激光束焊接Al-Si涂层22MnB5钢,加速熔池的流动性,焊接接头的极限载荷提升了10 kN,延伸率提高了一倍。Sun等8使用了脉冲波激光束焊接Al-Si镀层22MnB5钢,相较于连续波激光束,脉冲波激光焊接在搅拌熔池的同时增加了熔池流动方向的多样性,加速Al元素的扩散以减小Al的偏析。作为环形激光束和高斯激光束的结合,可调环形光斑技术是激光焊接工艺技术的一大创新。环形激光器有望稳定由中心激光点引起的激光小孔。Wang等9验证了可调环形光斑焊接铝合金时有利于提升锁孔稳定性和表面质量。张明军等10对AZ31铝镁合金进行了可调环形光斑光
14、纤激光焊接试验研究,发现环形激光束的加入可以改善铝镁合金激光接头延伸率。Masoud等11将环形光斑和单光斑进行比较,通过调节中心和环形激光束的功率分布,观察到焊接过程中的飞溅大量减少,环形光斑激光焊接过程更为稳定。Sun12利用可调环形激光束对高强度铝合金进行了远程激光焊,发现适当的芯环功率比可以限制两块板之间的界面附近形成柱状晶粒,从而细化焊接区的晶粒。目前将环形光斑应用于Al-Si镀层22MnB5热成形钢的研究较少。本文采用可调环形光斑光纤激光焊接了Al-Si镀层22MnB5钢对接接头,通过调节中心激光束和环形激光束的功率配比,深入分析了接头的成形、显微组织以及力学性能。1 试验设备及方
15、法试验用材料为Al-Si镀层22MnB5热成形钢,厚度为1.5 mm,采用对接接头形式,其化学成分如表1所示。热冲压前后Al-Si镀层和母材的微观组织如图1所示。热成形母材的显微组织以珠光体和铁素体为主,在母材和Al-Si镀层之间是Fe-Al 金属间化合物(Intermetallic compound,IMC),Al-Si 镀层总厚度为30 m。热冲压后母材显微组织为全马氏体组织,由于在热成形过程中基体中的Fe和镀层中Al、Si的相互扩散,导致Fe-Al IMC层变厚。镀层在热冲压的过程中还会形成孔洞,孔洞主要的产生原因为:一方面,由于Al原子向外或者向基材扩散时产生Al原子空位并形成孔洞;另
16、一方面是因为Al原子与污染物反应产生氢气形成孔洞13。表2列出了Al-Si镀层钢在热冲压前后的机械性能。表1Al-Si镀层22MnB5钢化学成分(质量分数,wt.%)Table 1The chemical composition of the as-received 22MnB5(wt.%)C0.23Si0.5Mn1.05Cr0.17Al0.05FeBal.32第 7 期张旭志,等:环形光束激光焊接 Al-Si 镀层 22MnB5 钢的组织与性能研究试验采用环形光斑激光器和普雷茨特YW52激光头,光纤激光器的中心激光功率最大为4 000 W,操作光纤芯径50 m,环形激光功率最大为2 000
17、W,操作光纤芯径为150 m。两束激光通过准直镜(焦距150 mm)、聚焦镜(焦距300 mm)后,得到可调环形光斑,中心激光束和环形激光束的焦斑直径分别为0.1 mm和0.3 mm。可调环形光斑激光焊接Al-Si镀层22MnB5钢示意如图所示,试验焊接参数如表3所示。焊接过程中没有保护气体。焊接后将拼焊好的Al-Si镀层22MnB5钢放置在马弗炉中,在930 下加热持续5 min,然后将拼焊件进行冲压淬火。使用线切割将淬火后的板材切割出金相样品和拉伸试样,其尺寸如图3所示。对金相样品进行研磨抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀5 s。通过电子显微镜观察微观结构和断裂形态,通过X射线能谱仪测量
18、化学成分。在500 g下测量维氏硬度,持续10 s。采用万能拉伸试验机在常温下进行焊接接头拉伸性能测试,加载速率为3 mm/min。2 试验结果及分析2.1 焊缝成形及工艺影响输入功率为激光焊接主要工艺参数变量,因此通过固定总功率3 000 W,改变中心激光和环形激光的功率配比来研究不同功率配比下的焊缝成形规律。由于使用设备环形激光功率为最高2 000 W的限制,所以当中心功率或者环形功率为0 W时,另一激光功率设置为2 000 W,焊接过程中无保护气体。图4为中心功率和环形功率不同配比下焊缝的表面和截面形貌。在不同的功率配比下,焊缝表面均无明显的鱼鳞纹且粗糙不平,在焊缝边缘处会产图2可调环形
19、光斑激光焊接Al-Si镀层22MnB5钢示意Fig.2Schematic diagram of laser welding表3Al-Si镀层22MnB5钢激光焊接工艺参数Table 3Al-Si plated 22MnB5 steel laser welding parameters序号1#2#3#4#5#中心激光功率/W01 0001 5002 0002 000环形激光功率/W2 0002 0001 5001 0000焊接速度/(m min-1)3.63.63.63.63.6离焦量/mm00000图3拉伸试样示意(单位:mm)Fig.3Schematic diagram of tensile
20、 sample(Unit:mm)(a)热冲压前(b)热冲压后图122MnB5钢的镀层状态和微观结构Fig.1Coating status and microstructure of 22MnB5 steel表2Al-Si镀层22MnB5钢在热冲压前后的力学性能Table 2Mechanical properties of Al-Si coated 22MnB5 steel in the as-received and hot-stamping conditions热冲压前热冲压后屈服强度/MPa383.2101 176.950抗拉强度/MPa542.0101 576.850延伸率/%24.41
21、6.90.4332023 年生大量的金属熔渣。在激光焊接过程中,Al-Si镀层熔化扩散到熔池中,熔池边缘Al含量高于熔池中心。从焊缝截面可知未形成气孔或裂纹等缺陷。如图5所示,可调环形光斑激光焊接Al-Si镀层1#2#3#4#5#图4不同中心功率和环形功率配比下的焊缝表面和截面形貌Fig.4Surface and cross-sectional morphology of the weld seam with different central power and annular power ratios34第 7 期张旭志,等:环形光束激光焊接 Al-Si 镀层 22MnB5 钢的组织与性能
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