專利名稱：用來激光焊接熱軋鋼板的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在卷材連續(xù)生產(chǎn)工藝中對熱軋鋼板進行激光焊接的方法，此方法將兩塊熱軋鋼板焊接在一起。更具體來說，本發(fā)明涉及一種激光焊接方法，此方法將熱軋鋼板焊接在一起，而且接縫的微結(jié)構(gòu)的硬化程度降低，以確保穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種在卷材連續(xù)生產(chǎn)工藝中對熱軋鋼板進行激光焊接的方法，此方法將兩塊熱軋鋼板焊接在一起。更具體來說，本發(fā)明涉及在卷材連續(xù)生產(chǎn)工藝中對熱軋鋼板進行激光焊接的方法，該方法確保在包括突然加熱和突然冷卻的激光焊接過程中，發(fā)生低溫變形的鋼焊縫輕度變硬，以確保穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。
生產(chǎn)片狀金屬的技術(shù)領(lǐng)域非常需要能夠獲得更高生產(chǎn)率和質(zhì)量，以及更大尺寸的產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)工藝。
已發(fā)現(xiàn)這樣的連續(xù)生產(chǎn)工藝可以將其應(yīng)用拓展到電工鋼或鐵素體不銹鋼之類的高質(zhì)量鋼。
代表性的卷材連續(xù)生產(chǎn)工藝為同步進行的酸浸和串聯(lián)式帶材冷軋(PCM)處理?？赏ㄟ^分別進行酸浸和串聯(lián)式帶材冷軋(TCM)由熱卷材(hot coil)制得冷卷材(cold coil)。但是也可通過PCM制造冷軋卷材。相對于分別采用酸浸和TCM處理，PCM法可以顯著地提高生產(chǎn)率，因此近來PCM法的應(yīng)用正在增加。
TCM領(lǐng)域中非常重要的一點是將前一軋鋼板的末端與后一軋鋼板連接起來的技術(shù)。用于TCM的連接技術(shù)包括固態(tài)連接和焊接。
對于焊接，在TCM生產(chǎn)線的進口處將前一軋鋼板的末端與下一軋鋼板焊接起來形成焊縫，然后使其通過后面的冷軋生產(chǎn)線。此時，如果焊縫質(zhì)量很差，則焊縫在通過后面的冷軋生產(chǎn)線時會斷裂，可能會阻斷整個工藝。因此，對于TCM生產(chǎn)線，在熱卷材和冷卷材中獲得高質(zhì)量的焊縫都是至關(guān)重要的。尤其是與現(xiàn)有的酸浸和TCM生產(chǎn)線相比，PCM生產(chǎn)線更長，其中的環(huán)節(jié)更多，因此對焊接的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求比現(xiàn)有生產(chǎn)線更加嚴(yán)格。
TCM生產(chǎn)線中的焊接例子包括反復(fù)進行短路和電弧放電的閃光對接焊，以及使用高強度加熱源的激光焊接。
閃光對接焊所需的熱輸入很大，因此在選擇焊接材料上面臨問題。例如，電工鋼、鐵素體不銹鋼和高碳鋼的結(jié)合強度不足，在冷軋過程中偶爾會發(fā)生斷裂。特別是高碳鋼的碳含量很高，因此被認(rèn)為不適于閃光對接焊。另外，在特定的程序和條件下重復(fù)進行這種焊接的時候，每條焊縫的質(zhì)量都不均勻，因此其重現(xiàn)性有問題。
激光焊接具有更高的能量密度，而所需的熱輸入少于現(xiàn)有的閃光對接焊，因此得到極佳的焊接質(zhì)量。
但是當(dāng)在TCM工藝中對高碳鋼進行激光焊接的時候，會在焊接金屬中造成孔隙和針孔，還會在焊接金屬和熱影響區(qū)(HAZ)中產(chǎn)生裂紋。
所述孔隙和針孔與焊接材料中的碳含量緊密相關(guān)。已知在焊接過程中，熔融金屬中的碳會與空氣中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生CO氣體。在熔融金屬固化的過程中被包裹的CO氣體殘留下來，從而形成孔隙。
因此，很重要的是降低熔融金屬中的碳含量，尤其是可以使用合適的焊接材料來消除孔隙的產(chǎn)生。
焊縫的斷裂與焊縫微結(jié)構(gòu)變硬有關(guān)。對于高碳鋼，主要是由于在焊接的過程中，突然的加熱和冷卻過程產(chǎn)生了馬氏微結(jié)構(gòu)，造成高碳鋼在焊縫處發(fā)生斷裂。在這里，焊接金屬和熱影響區(qū)的微結(jié)構(gòu)同時變硬，使得必須采取復(fù)雜而多樣的方法補救該問題。
下面是一些對鋼進行TCM處理的常規(guī)技術(shù)，這些技術(shù)使鋼的微結(jié)構(gòu)變硬。
首先，日本待公開專利申請第H5-50276號揭示了一種對焊縫進行的熱處理，在此熱處理中，根據(jù)熱軋鋼板的碳含量，在一定的時間內(nèi)，使用固定熱源將焊縫保持在特定的熱處理溫度。然而，根據(jù)熱處理持續(xù)的時間，這種方法將延長總焊接時間。
在日本待公開專利申請第H5-132719號中揭示了另一種常規(guī)的技術(shù)。該技術(shù)涉及激光焊接焊縫，然后在1分鐘內(nèi)，在至少400℃、最高Ac1點的溫度下對焊縫進行處理。然而，可以在至少400℃、最高Ac1點的溫度下，以相當(dāng)長的時間進行焊接，以完全消除變硬的微結(jié)構(gòu)。同樣，對于激光焊接中所需的突然冷卻，應(yīng)當(dāng)在焊接之后的幾分鐘內(nèi)對焊縫進行突然加熱，以進行熱處理，從而使得熱處理過程顯著地復(fù)雜化。
日本待公開專利申請第H8-57502號揭示了另一種常規(guī)的焊接技術(shù)，在此技術(shù)中，將具有優(yōu)良的可焊性的低碳鋼插入高碳鋼的連接處之間。這使得焊接處理的數(shù)量比其它焊接方法增加了不止一倍，而且每次都需要制備前導(dǎo)帶材，因此不適于大規(guī)模生產(chǎn)。
日本待公開專利申請第H8-215872號揭示了另一種技術(shù)，在此技術(shù)中，當(dāng)激光焊縫通過將要被加熱的鐵素體和珠光體的混合區(qū)域的時候，對焊縫進行冷卻。在此激光焊接中，加熱和冷卻的突變比電弧焊接更快，因此焊縫幾乎不會轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體的混合區(qū)域。尤其是，高碳鋼在焊接的時候，會嚴(yán)重變硬。
在日本待公開專利申請第2000-317642號中揭示了另一種常規(guī)技術(shù)，在此技術(shù)中，對結(jié)合部進行激光焊接，然后對熱軋鋼板進行熱處理。然而，在此情況下，由于是激光焊接，焊縫突然冷卻，在熱處理之前轉(zhuǎn)化為馬氏微結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生微裂紋。因此這種技術(shù)幾乎無法用于PCM之類的需要高質(zhì)量焊接的生產(chǎn)線。
日本待公開專利申請第2001-353587號提出了另一種常規(guī)的技術(shù)，在此技術(shù)中，在高碳鋼和低碳鋼的多相材料之間的連接處中使用填充焊絲。在此方法中不使用熱處理，將激光束輻照到低碳鋼上，以防焊縫中出現(xiàn)裂紋。但是這種技術(shù)也無法消除未熔融的高碳鋼中熱影響區(qū)中產(chǎn)生的變硬的微結(jié)構(gòu)。
在日本待公開專利申請第2000-317642號中揭示了另一種常規(guī)的技術(shù)。這種技術(shù)使用閃光對接焊對焊縫進行熱處理。在日本專利申請公開第H5-132719號、第2000-317642號和第2004-76159號中揭示了類似的用來對焊縫進行熱處理的技術(shù)，但它們采用的方法不同。這些方法都無法確保包含至少0.5％的碳的高碳鋼獲得穩(wěn)定質(zhì)量的焊縫。
盡管上述在TCM中連接鋼板的技術(shù)有很多種，但是這些技術(shù)都僅能應(yīng)用于具有較低碳含量的高碳鋼，或者不要求高焊接質(zhì)量的生產(chǎn)線。
因此，人們需要一種技術(shù)，這種技術(shù)能夠用來對包含至少0.5％的碳的高碳鋼以及強度至少為450MPa的鋼(例如用于汽車的高強度鋼材)進行TCM操作，以保證焊點具有良好的質(zhì)量，所述鋼材在進行激光焊接、接著冷卻之后，包含馬氏體或貝氏體之類的硬化微結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明來解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，因此本發(fā)明的一個方面是提供一種激光焊接方法，該焊接方法確保激光焊縫的微結(jié)構(gòu)發(fā)生較少的硬化，以確保穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，從而顯著提高連續(xù)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)率。
本發(fā)明另一方面提供一種用于連續(xù)生產(chǎn)的激光焊接設(shè)備，通過該設(shè)備使得激光焊縫的微結(jié)構(gòu)發(fā)生較少的硬化，以確保穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，從而顯著提高連續(xù)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)率。
根據(jù)本發(fā)明一個方面，本發(fā)明提供了用來在連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝中對熱軋鋼板進行激光焊接的方法，該方法包括將兩塊易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板互相對接；將所述熱軋鋼板對接的部分激光焊接起來，形成焊縫；用壓制機對熱軋鋼板的焊縫進行壓制。
較佳的是，所述熱軋鋼板的焊縫是在Ac1-Ac3的溫度下進行壓制的。較佳的是，所述焊縫是在等于或小于75MPa的壓力下進行壓制的。較佳的是，壓制后焊縫的厚度減小的比例等于或小于5.8％。較佳的是，使用精軋輥以垂直于熱軋鋼板的方式對焊縫進行垂直壓制。
所述易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板包括選自以下的一種鋼材包含至少0.5重量％的碳的高碳鋼、雙相(DP)鋼、相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼和復(fù)合相(CP)鋼。所述高碳鋼由以下組分組成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的錳、最高至0.05重量％的磷、最高至0.05重量％的硫、最高至0.5重量％的銅、最高至3重量％的鎳、0.05-0.5重量％的鉻、至少0.05重量％的鋁，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
較佳的是，用于焊接的材料包括含有最高至1重量％的碳和0-1.22重量％的鉻的碳鋼，或者包含最高至0.1重量的碳和0-1.22重量％的鉻的鎳合金。所述焊接材料包括選自金屬絲、粉末和膜的一種。
較佳的是，在激光焊接之前，將熱軋鋼板的對接部分預(yù)熱至600-800℃。較佳的是，在激光焊接之后，將對接部分的焊縫后加熱至800-1100℃。
所述連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝包括選自以下的一種酸浸和串聯(lián)式冷軋生產(chǎn)線、酸浸和上油生產(chǎn)線、退火和酸浸生產(chǎn)線、酸浸生產(chǎn)線和串聯(lián)式冷軋生產(chǎn)線。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面，本發(fā)明提供了一種激光焊接的板材，這種板材包括容易通過激光焊接發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化，而且接縫與同接縫相鄰的部分之間的硬度差異等于或小于90Hv的熱軋鋼板。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，本發(fā)明提供了一種用于連續(xù)生產(chǎn)工藝的激光焊接設(shè)備，該設(shè)備適合用來對易低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板進行激光焊接。所述激光焊接設(shè)備包括用來焊接熱軋鋼板的激光焊接裝置；用來在所述焊接裝置的前端對熱軋鋼板的焊縫進行預(yù)熱的預(yù)熱裝置；用來在所述焊接裝置的末端對熱軋鋼板進行后加熱的后加熱裝置；在所述后加熱裝置的末端對熱軋鋼板的焊縫進行壓制的壓制機。


結(jié)合附圖閱讀以下詳述，可以更好地理解本發(fā)明的以上目的、特征和其它的目的、特征以及其它的優(yōu)點，在附圖中圖1是本發(fā)明的激光焊縫的硬度分布圖；圖2是本發(fā)明的示例性激光焊接設(shè)備的示意圖；圖3是顯示本發(fā)明的激光焊縫熱循環(huán)的圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明進行激光焊接之后，硬度隨所加壓力的變化而變化的圖示；圖5是根據(jù)本發(fā)明對SK85鋼進行PCM處理之后的激光焊縫的圖片。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施方式。
在此說明書中，“易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板”表示一些熱軋鋼板，當(dāng)通過激光焊接將它們連接起來形成焊縫，然后進行冷卻的時候，這些熱軋鋼板的焊縫的微結(jié)構(gòu)在低溫下發(fā)生轉(zhuǎn)化。所述低溫轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)表示包含馬氏體和貝氏體的微結(jié)構(gòu)。所述在激光焊接后易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板還包含高碳鋼或高強度鋼。
所述高碳鋼表示包含至少0.5重量％的碳的鋼。例如，所述高碳鋼由以下組分組成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的錳、最高至0.05重量％的磷、最高至0.05重量％的硫、最高至0.5重量％的銅、最高至3重量％的鎳、0.05-0.5重量％的鉻、至少0.05重量％的鋁，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。在本發(fā)明中，除非另外說明，百分?jǐn)?shù)表示重量百分?jǐn)?shù)。根據(jù)本發(fā)明，包含至少0.5％的碳的鋼可理解為包括在高碳鋼范圍之內(nèi)。在本文中，可以向高碳鋼加入Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb之類的合金元素，以使得高碳鋼具有特殊的功能。
所述高碳鋼設(shè)計成抗張強度為450MPa、主要用于汽車的鋼材，例如易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼。易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼的例子包括雙相(DP)鋼、相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼和復(fù)合相(CP)鋼。高強度鋼通常被認(rèn)為是易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼。雙相鋼包含具有延展性鐵素體和堅硬的馬氏體特征的兩個相。雙相鋼以很少的合金元素確保了優(yōu)良的可加工性和高強度。同時，TRIP鋼由延展性鐵素體、堅硬的貝氏體和在高溫下處于亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體組成。在TRIP鋼中，亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體相被轉(zhuǎn)化為非常堅硬的馬氏體。CP鋼滲入馬氏體或貝氏體微結(jié)構(gòu)中。上文所述容易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼材在激光焊接之后，其微結(jié)構(gòu)發(fā)生相轉(zhuǎn)化。
如上所述，在高碳鋼或易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼中，當(dāng)對該鋼材進行激光焊接、然后冷卻的時候，焊縫的微結(jié)構(gòu)在低溫下相轉(zhuǎn)化為例如具有很強脆性的馬氏體或貝氏體。通過這種方式，焊縫中的低溫轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋或斷裂。
另外，在此說明書中，“焊縫”表示在連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝中，將前一熱卷材的末端與后一熱卷材激光焊接起來的時候，所形成的連接部分。在這里，焊縫包括被激光熔化然后固化的熔融金屬，以及被激光的熱源影響的熱影響區(qū)(HAZ)。
另外，在此說明書中，“連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝”表示在熱軋或冷軋生產(chǎn)線中連續(xù)生產(chǎn)卷材。在這里，所述連續(xù)生產(chǎn)工藝包括對連接在一起的熱軋鋼板進行拋光的拋光處理，或者所有連續(xù)生產(chǎn)處理，例如熔融鍍鋅處理或退火處理。
首先，根據(jù)本發(fā)明一個方面，將會基于對具有低溫轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)的激光焊縫進行的微結(jié)構(gòu)測試和Erichsen測試來檢測焊縫中發(fā)生硬化的原因。
本發(fā)明人證明了焊縫金屬和熱影響區(qū)分別發(fā)生硬化主要是由于馬氏體、貝氏體和碳化物造成的。
通過對焊縫使用壓制技術(shù)，控制焊縫的化學(xué)組成，以及將焊縫加熱處理至一定的程度，可以在一定程度上除去這種硬化的微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出了在之后的處理中壓制焊縫、通過使用碳含量小于熱軋鋼板的焊接材料來減小焊縫金屬的碳含量，以及對焊縫進行熱處理，以減小硬度的方法。
微結(jié)構(gòu)硬化的焊縫的質(zhì)量不僅受到上述焊縫硬度的影響，而且還受到其總體硬度分布的影響。
也即是說，可通過熱處理在一定程度上降低高碳鋼焊縫的硬度。然而，如圖1所示，焊縫和熱軋鋼板的硬度出現(xiàn)差異，因此幾乎無法達(dá)到能夠符合所述標(biāo)準(zhǔn)的焊縫質(zhì)量。
因此，根據(jù)本發(fā)明，對焊縫進行熱處理和壓制，以減小其硬化程度。另外，如圖1中箭頭所示，通過這些處理還使焊縫的總體硬度分布趨向均勻，從而保證了易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼具有穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量。
另外，在PCM之類的連續(xù)生產(chǎn)工藝中，如果焊接和熱處理獨立地進行，會延長焊接時間，從而降低總體生產(chǎn)速率。另外，熱軋鋼板中碳含量的增大會導(dǎo)致熱處理時間延長。
因此，根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，為了解決這些問題，將熱處理裝置和壓制機設(shè)計成與焊接裝置整合在一起，從而可以對熱軋鋼板的焊縫進行焊接、熱處理和壓制。
在關(guān)于圖2的敘述中，本發(fā)明的焊接設(shè)備大體上由焊接裝置10、熱處理裝置20和壓制機30組成。這三個裝置整合為一體。圖2是顯示本發(fā)明焊接設(shè)備的示意圖，圖中這些裝置并未整合在一起。但是可通過現(xiàn)有的技術(shù)方法將這些設(shè)備設(shè)計成整合在一起的結(jié)構(gòu)，因此不再詳述。
本發(fā)明的焊接裝置10包括用來產(chǎn)生激光的激光發(fā)生器12，以及用來提供焊接材料的填料供應(yīng)裝置16。熱處理裝置20作為所有裝置的熱源，用來迅速地加熱移動的熱軋鋼板。優(yōu)選的熱源是高頻感應(yīng)線圈。熱處理裝置20由預(yù)熱器22和后加熱器24組成，預(yù)熱器22安裝在焊接裝置10的上游，用來對焊接之前的熱軋鋼板40進行加熱，后加熱器24用來對焊接之后的熱軋鋼板50進行加熱。另外，在焊接之后，壓制機30立刻使用精軋輥對熱軋鋼板進行壓制。
當(dāng)使用本發(fā)明的焊接設(shè)備將移動的熱軋鋼板焊接在一起的時候，首先將下一熱卷40的前端和上一熱卷50的末端對接起來，在用預(yù)熱器22加熱之后，通過焊接裝置10焊接起來。使用后加熱器24對將熱軋鋼板連接起來的焊縫60進行后加熱。然后使通過后加熱裝置24的焊縫冷卻，使其通過緊鄰地安裝在后加熱裝置24的下游的壓制機30，從而進行焊接后加熱轉(zhuǎn)化(PWHD)或壓制。
在本發(fā)明中，對焊縫的熱處理和壓制優(yōu)選一起進行，但是也可獨立進行或者有選擇地進行。
當(dāng)使用本發(fā)明的焊接設(shè)備焊接移動的熱軋鋼板的時候，這些鋼板也使焊接設(shè)備移動。在這里，熱軋鋼板可以沿與焊接設(shè)備相同或相反的方向移動。當(dāng)熱軋鋼板沿與焊接設(shè)備相同的方向移動的時候，較佳的是，所述熱軋鋼板移動的速度與焊接設(shè)備相同，或者熱軋鋼板移動得更快。
圖3是顯示當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明一實施方式的可移動焊接設(shè)備進行焊接的時候，熱軋鋼板的焊縫的熱循環(huán)過程及其隨后的微結(jié)構(gòu)狀態(tài)的圖。
本發(fā)明提出了一種控制焊縫的硬化，從而對具有低溫轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)的熱軋鋼板實施連續(xù)生產(chǎn)工藝的方法。該方法包括控制焊縫的化學(xué)組成、對焊縫進行熱處理和壓制。
下文中將對這些方法進行解釋。
首先將解釋控制焊縫化學(xué)組成的方法。
該方法用來控制包含大部分熔融金屬的焊接材料。較佳的是，所述焊接材料由填料供應(yīng)裝置16向焊縫60提供，焊接材料基本包含最高至0.1％的碳和0-1.22％的鉻。這種焊接材料采用具有高抗張強度的碳鋼和鎳合金。由于碳鋼能夠保證更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，因此是優(yōu)選的。
當(dāng)未采用最佳焊接參數(shù)的時候，由不銹鋼和鎳合金組成的焊接材料對高碳鋼(即基質(zhì)材料)的浸潤性降低，有基質(zhì)材料元素未完全稀釋其中。這有時會使得焊縫變得很脆。但是本發(fā)明并不限于鎳合金。
較佳的是，根據(jù)本發(fā)明，所述焊縫金屬配制成包含最高至0.4％的碳。這是由于在激光焊接中，極少量的焊接材料熔融并填入焊縫中，使得基質(zhì)材料以更大的比率(與常規(guī)的電弧焊接相比)稀釋于其中。
例如，當(dāng)所述熱軋鋼板是包含至少0.85％的碳的高碳鋼的時候，焊接材料應(yīng)包含約最高至0.1重量％的碳，從而在稀釋率最高設(shè)定為30％的情況下，將焊縫金屬中的碳含量保持在最高0.4％。
另外，在焊縫金屬和熱影響區(qū)的附近，Cr與熱軋鋼板中的碳反應(yīng)，生成碳化鉻。因此所述焊接材料應(yīng)優(yōu)選包含最高至1.22％的鉻。
因此，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的是，所述焊接裝置提供的焊接材料是包含最高至0.1％的碳和0-1.22％的鉻的碳鋼或鎳合金。碳鋼和鎳合金的主要組成分別是鐵和鎳。根據(jù)本發(fā)明可使用的焊接材料可以是滿足上述碳和鉻的條件的常規(guī)的碳鋼或鎳合金。所述焊接材料優(yōu)選為金屬絲的形式，但是也可采用粉末或膜的形式。
下文中將解釋對焊縫進行熱處理的方法。
在本發(fā)明中，對焊縫的熱處理分為預(yù)熱和后加熱。在焊接之前進行預(yù)熱，以防焊點出現(xiàn)裂紋，在焊接后進行后加熱處理，以減輕焊點的硬化。
在對易于低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板進行激光焊接且對焊縫僅進行后處理的時候，焊縫在焊接之后、后加熱之前快速冷卻，因此有可能造成焊縫斷裂。
因此，優(yōu)選對易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的焊接材料進行預(yù)熱，以緩解由于激光焊接造成的快速冷卻。
當(dāng)在本發(fā)明一個實施方式中使用可移動熱處理裝置的時候，如果預(yù)熱溫度僅略高于馬氏體轉(zhuǎn)化溫度(Ms)，焊接材料將無法充分發(fā)揮作用，因此優(yōu)選應(yīng)預(yù)熱至高于該溫度的溫度。
因此，根據(jù)本發(fā)明一個實施方式，較佳的是，將高碳鋼的焊縫預(yù)熱至600-800℃。最高600℃的預(yù)熱溫度無法確保將移動的熱軋鋼板預(yù)熱足夠的時間，因此會使得焊縫的質(zhì)量不夠令人滿意。另一方面，至少800℃的預(yù)熱溫度會使得焊縫由于過度的熱輸入而變形，使得焊縫遠(yuǎn)不夠結(jié)實。
另外，根據(jù)本發(fā)明，對焊縫的后加熱以兩種方式進行。
第一種方式是回火，在此方式中，在較長的時間內(nèi)在等于或低于Ac1的溫度下對焊縫進行后加熱，將馬氏體微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為回火的馬氏體，從而使其具有延展性。
第二種方式是在激光焊接中對冷卻熱循環(huán)進行主動控制，將焊縫轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體微結(jié)構(gòu)。
回火法需要較長的熱處理，因此確保具有充足的延展性。但是在具有很快的生產(chǎn)速率的卷材生產(chǎn)線中，這種冗長的后加熱會降低生產(chǎn)率。因此，在使用可移動熱源的激光焊接系統(tǒng)中，更優(yōu)選在激光焊接之后減輕冷卻循環(huán)的方式。
優(yōu)選將焊縫后加熱至800-1100℃，更優(yōu)選加熱至950-1100℃。根據(jù)本發(fā)明一實施方式，優(yōu)選在不固定時間的條件下對焊縫進行后加熱，然后使其自然冷卻。
當(dāng)后加熱至最高800℃的溫度時，由于熱輸入不足，在冷卻之后會在焊縫中產(chǎn)生馬氏體微結(jié)構(gòu)，使得減少硬化的效果不足。另一方面，如果后加熱溫度至少為1100℃，會由于過度的熱輸入使得焊縫的微結(jié)構(gòu)變粗糙，或者部分地產(chǎn)生具有硬化微結(jié)構(gòu)的馬氏體，使得焊縫的物理性質(zhì)變差。
最后將解釋對所述焊縫進行壓制的方法。
如果依照本發(fā)明所述對焊縫的高溫區(qū)域進行壓制，與熱處理相比，將會顯著減小其硬度。
對正在Ac1至Ac3的溫度下冷卻的焊縫進行壓制。在此溫度下進行的壓制將減小奧氏體的尺寸，很容易將所述焊縫轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體微結(jié)構(gòu)。
另外，在等于或低于Ac1的溫度下進行的壓制還會使熱影響區(qū)硬化，將硬度增大到一定程度，從而使連接點的總體硬度分布趨向均勻。
較佳的是，在冷卻熱軋鋼板的過程中，當(dāng)該熱軋鋼板的溫度為Ac1至Ac3時，以等于或小于75兆帕的壓力對其進行壓制。至少75兆帕的壓力使焊縫變形，在其低溫區(qū)域造成少量斷裂。
另外，當(dāng)對焊接后處于冷卻過程中、焊縫轉(zhuǎn)化為馬氏體或貝氏體微結(jié)構(gòu)的鋼進行壓制的時候，焊縫厚度的減小率等于或小于5.8％。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明控制高碳鋼焊縫硬化的光學(xué)方法中，焊縫和基質(zhì)材料(即熱軋鋼板)之間的維氏硬度差異(Hv)等于或小于90Hv。如果如上所述，熱軋鋼板的硬度差異為90Hv，則該熱軋鋼板可以在要求高強度的連續(xù)生產(chǎn)工藝中連續(xù)生產(chǎn)而不會發(fā)生斷裂。這也不會影響焊縫中的變形。本發(fā)明優(yōu)選可用于厚度為0.5-6毫米的熱軋鋼板。
本發(fā)明的激光焊接可用于所有連續(xù)生產(chǎn)卷材的方法，這些方法包括例如酸浸和串聯(lián)式冷軋(PCM)生產(chǎn)線、酸浸和上油生產(chǎn)線(POL)、退火和酸浸生產(chǎn)線(APL)、酸浸生產(chǎn)線(PL)和串聯(lián)式冷軋(TCM)生產(chǎn)線。
下面將通過實施例的形式解釋本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
下面將結(jié)合高碳鋼解釋本發(fā)明的實施例，高碳鋼是一種微結(jié)構(gòu)硬化的鋼。但是很容易理解，本發(fā)明的范圍不限于高碳鋼。
實施例這些實施例使用具有表1所示組成的高碳鋼的熱軋鋼板。熱軋鋼板的厚度為2.0毫米，使用最大輸出功率為12千瓦的CO2激光焊接裝置焊接起來。這些實施例使用具有表1所示的低碳化學(xué)組成的金屬絲填料(0.9毫米)作為焊接材料。
表1

在一定條件下采用所述激光焊接裝置將這些熱軋鋼板激光焊接起來，使得焊縫不含孔未填滿之類的焊接缺陷。在這里，激光器的輸出功率為8.4kW，焊接速率為4.5米/分鐘，連接處的間隔為0.15毫米。
使用具有20w×2001mm的加熱源的高頻感應(yīng)加熱爐，通過改變輸出，沿焊接線移動，對焊縫進行熱處理。
分別以大約100℃/s的加熱速率，預(yù)熱至723℃和后加熱至1005℃對焊縫進行熱處理，然后自然冷卻(空氣冷卻)。
在熱處理焊縫的時候，將R型高溫計點焊接在焊接邊緣處，以測量通過高頻感應(yīng)加熱爐加熱的焊縫的溫度變化歷程。從溫度變化歷程曲線中獲得的最高溫度確定為熱處理溫度。
使用安裝在后加熱處理裝置下游的寬度為20毫米的移動輥進行壓制。在焊接和熱處理之后對焊縫進行壓制。
根據(jù)上述條件得到的焊縫達(dá)到了PCM生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)Erichsen高度等于或大于4毫米。因此，用Erichsen測試儀測量質(zhì)量。為了評價焊縫的質(zhì)量，對直至裂縫出現(xiàn)之前的焊縫塑性變形高度進行測量。
首先，表2顯示了對包含0.85％的碳的SK85鋼的質(zhì)量評價結(jié)果。
表2

注)HC*......... 熱處理條件PC**............ 壓力(MPa)HH***............ 焊縫最高硬度(Hv)HD****...... 硬度差異(Hv)(焊縫-基質(zhì)材料)
EH*****...... Erichsen高度(毫米)如表2所示，當(dāng)SK85鋼的焊縫未得到熱處理的時候，該焊縫在焊接之后立刻產(chǎn)生裂紋，因此無法獲得能夠滿足該標(biāo)準(zhǔn)的焊縫。
另外，當(dāng)僅進行預(yù)熱和后加熱中的一種操作的時候，焊縫無法獲得合格的質(zhì)量。
相反，當(dāng)本發(fā)明的預(yù)熱和后加熱操作都進行時，發(fā)現(xiàn)焊縫的質(zhì)量相對于僅使用其中一種操作的情況有所提高。
改變壓力，對上述經(jīng)過處理的焊縫進行壓制。
圖4顯示了當(dāng)對SK85鋼的焊縫進行壓制的時候，沿焊縫縱向的硬度分布。
壓力的增大導(dǎo)致Erichsen高度和質(zhì)量的提高。
如圖4所示，通過壓制減小了焊縫的最大硬度和硬度差異，使得整個焊縫中的硬度分布更加均勻。
等于或小于75兆帕的壓力可以線性地增大Erichsen高度。但是等于或大于75兆帕的壓力會使焊縫嚴(yán)重變形，使低溫區(qū)過度硬化，產(chǎn)生微裂紋。
如圖4所示，0MPa的壓力還會顯著增大熔融金屬中的硬度，相對減小熱影響區(qū)中的硬度。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力從30MPa增大到75MPa的時候，焊縫的硬度差異梯度較小，因此沿焊縫縱向的硬度分布更加均勻。
表3顯示了對包含0.5％的C的S50C鋼的質(zhì)量評價結(jié)果。
表3

注)HT*熱處理PC**壓力(MPa)TRR***焊縫厚度減小比HH****焊縫最大硬度(Hv)
HD*****硬度差(Hv)(焊縫-基質(zhì)材料)EH******Erichsen高度(mm)從表3中可以看出，在不考慮焊接材料和熱處理法的情況下，對S50C鋼的激光焊接總體上優(yōu)于SK85鋼的質(zhì)量。
另外，如表3所示，發(fā)現(xiàn)對于焊縫轉(zhuǎn)化為馬氏體或貝氏體微結(jié)構(gòu)的鋼，當(dāng)在焊接之后冷卻的時候，在Ac1至Ac3的溫度下對其進行壓制的時候，其焊接質(zhì)量很優(yōu)異，而且厚度減小到等于或小于5.8％。
這明顯是由于鋼中包含較低的C含量，因此硬化程度較小而造成的。
所述鋼材在進行焊接然后壓制的時候，像SK85一樣發(fā)生Erichsen高度增加、最大硬度和硬度差異變小，從而顯著提高了焊接質(zhì)量。
上文揭示了本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。但是本發(fā)明并不限于這些實施例中所述的用于高碳鋼的連續(xù)生產(chǎn)工藝的焊接條件。本發(fā)明可用于包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的連續(xù)生產(chǎn)工藝的各種焊接條件。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明示例性的實施方式，一種用于連續(xù)生產(chǎn)工藝的激光焊接提供了人們尚未采用的焊接條件，從而可以連續(xù)生產(chǎn)具有低溫轉(zhuǎn)化微結(jié)構(gòu)的鋼板。
另外，在實施例中，為了確保不含焊接缺陷的可靠的激光焊接點，將熱軋鋼板焊接在一起，以連續(xù)生產(chǎn)包含至少0.5％的碳的鋼。另外，如圖5所示，本發(fā)明可以連續(xù)生產(chǎn)而不會在激光焊縫中產(chǎn)生斷裂。
另外，除了本發(fā)明以外，無論鋼中的碳含量是多少，焊接時間都可以縮短到通常的鋼所需的25秒。這可以顯著提高連續(xù)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)率。
另外，在本發(fā)明的焊接條件下，容易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的鋼可以耐受施加于連續(xù)生產(chǎn)工藝的很強的壓縮負(fù)荷力，以及架子之間的張力，從而可以以無斷裂的焊縫進行連續(xù)生產(chǎn)。
盡管已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施方式展示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以顯而易見地看到，可以在不背離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神和范圍的前提下對其進行修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種在連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝中用于熱軋鋼板的激光焊接方法，該方法包括將兩塊易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板互相對接；將所述熱軋鋼板對接的部分激光焊接起來，形成焊縫；用壓制機對熱軋鋼板的焊縫進行壓制。
2.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的溫度下對所述熱軋鋼板的焊縫進行壓制。
3.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在等于或小于75MPa的壓力下對所述焊縫進行壓制。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的激光焊接方法，其特征在于，所述壓制后的焊縫的厚度以等于或小于5.8％的比例減小。
5.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，使用精軋輥沿垂直于熱軋鋼板的方向?qū)缚p進行壓制。
6.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板包括選自以下的一種包含至少0.5重量％的碳的高碳鋼、雙相(DP)鋼、相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼和復(fù)合相(CP)鋼。
7.如權(quán)利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，所述高碳鋼由以下組分組成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的錳、最高至0.05重量％的磷、最高至0.05重量％的硫、最高至0.5重量％的銅、最高至3重量％的鎳、0.05-0.5重量％的鉻、至少0.05重量％的鋁，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1或7所述的激光焊接方法，其特征在于，用于焊接的材料包括含有最高至1重量％的碳和0-1.22重量％的鉻的碳鋼，或者包含最高至0.1重量％的碳和0-1.22重量％的鉻的鎳合金。
9.如權(quán)利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接材料包括選自金屬絲、粉末和膜的一種。
10.如權(quán)利要求1或7所述的激光焊接方法，其特征在于，在進行激光焊接之前，將所述熱軋鋼板的對接部分預(yù)熱至600-800℃。
11.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接之后，將對接部分的焊縫后加熱至800-1100℃。
12.如權(quán)利要求10所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接之后，將對接部分的焊縫后加熱至800-1100℃。
13.如權(quán)利要求12所述的激光焊接方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的溫度、等于或小于75MPa的壓力下，對焊縫進行壓制。
14.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝包括選自以下的一種酸浸和串聯(lián)式冷軋生產(chǎn)線、酸浸和上油生產(chǎn)線、退火和酸浸生產(chǎn)線、酸浸生產(chǎn)線和串聯(lián)式冷軋生產(chǎn)線。
15.一種激光焊接的板材，所述板材包含容易通過激光焊接的發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板，在焊縫和與焊縫相鄰部分之間的硬度差異等于或小于90Hv。
16.如權(quán)利要求15所述的激光焊接的板材，其特征在于，所述易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板包括選自以下的一種包含至少0.5重量％的碳的高碳鋼、雙相(DP)鋼、相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼和復(fù)合相(CP)鋼。
17.如權(quán)利要求16所述的激光焊接的板材，其特征在于，所述高碳鋼由以下組分組成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的錳、最高至0.05重量％的磷、最高至0.05重量％的硫、最高至0.5重量％的銅、最高至3重量％的鎳、0.05-0.5重量％的鉻、至少0.05重量％的鋁，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
18.一種用于連續(xù)生產(chǎn)工藝的激光焊接設(shè)備，該設(shè)備適合用來對易低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板進行激光焊接，所述激光焊接設(shè)備包括用來焊接熱軋鋼板的激光焊接裝置；用來在所述焊接裝置的前端對熱軋鋼板的焊縫進行預(yù)熱的預(yù)熱裝置；用來在所述焊接裝置的末端對熱軋鋼板進行后加熱的后加熱裝置；用來在所述后加熱裝置的末端對熱軋鋼板的焊縫進行壓制的壓制機。
全文摘要
一種用來在連續(xù)生產(chǎn)卷材的工藝中對熱軋鋼板進行激光焊接的方法。將兩塊易發(fā)生低溫轉(zhuǎn)化的熱軋鋼板互相對接起來。將熱軋鋼板的對接部分激光焊接起來，形成焊縫。用壓制機對所述熱軋鋼板的焊縫進行壓制。本發(fā)明使得焊縫的微結(jié)構(gòu)以較小的程度硬化，確保焊縫具有穩(wěn)定的質(zhì)量。
文檔編號C22C38/20GK1990156SQ200610172810
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者禹仁秀, 樸浚植, 鄭譜永, 金正吉, 李鐘鳳 申請人:Posco公司