用来激光焊接热轧钢板的方法及其设备的制作方法
专利名称：用来激光焊接热轧钢板的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在卷材连续生产工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，此方法将两块热轧钢板焊接在一起。更具体来说，本发明涉及一种激光焊接方法，此方法将热轧钢板焊接在一起，而且接缝的微结构的硬化程度降低，以确保稳定的焊接质量。
背景技术：
本发明涉及一种在卷材连续生产工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，此方法将两块热轧钢板焊接在一起。更具体来说，本发明涉及在卷材连续生产工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，该方法确保在包括突然加热和突然冷却的激光焊接过程中，发生低温变形的钢焊缝轻度变硬，以确保稳定的焊接质量。
生产片状金属的技术领域非常需要能够获得更高生产率和质量，以及更大尺寸的产品的连续生产工艺。
已发现这样的连续生产工艺可以将其应用拓展到电工钢或铁素体不锈钢之类的高质量钢。
代表性的卷材连续生产工艺为同步进行的酸浸和串联式带材冷轧(PCM)处理。可通过分别进行酸浸和串联式带材冷轧(TCM)由热卷材(hot coil)制得冷卷材(cold coil)。但是也可通过PCM制造冷轧卷材。相对于分别采用酸浸和TCM处理，PCM法可以显著地提高生产率，因此近来PCM法的应用正在增加。
TCM领域中非常重要的一点是将前一轧钢板的末端与后一轧钢板连接起来的技术。用于TCM的连接技术包括固态连接和焊接。
对于焊接，在TCM生产线的进口处将前一轧钢板的末端与下一轧钢板焊接起来形成焊缝，然后使其通过后面的冷轧生产线。此时，如果焊缝质量很差，则焊缝在通过后面的冷轧生产线时会断裂，可能会阻断整个工艺。因此，对于TCM生产线，在热卷材和冷卷材中获得高质量的焊缝都是至关重要的。尤其是与现有的酸浸和TCM生产线相比，PCM生产线更长，其中的环节更多，因此对焊接的质量标准的要求比现有生产线更加严格。
TCM生产线中的焊接例子包括反复进行短路和电弧放电的闪光对接焊，以及使用高强度加热源的激光焊接。
闪光对接焊所需的热输入很大，因此在选择焊接材料上面临问题。例如，电工钢、铁素体不锈钢和高碳钢的结合强度不足，在冷轧过程中偶尔会发生断裂。特别是高碳钢的碳含量很高，因此被认为不适于闪光对接焊。另外，在特定的程序和条件下重复进行这种焊接的时候，每条焊缝的质量都不均匀，因此其重现性有问题。
激光焊接具有更高的能量密度，而所需的热输入少于现有的闪光对接焊，因此得到极佳的焊接质量。
但是当在TCM工艺中对高碳钢进行激光焊接的时候，会在焊接金属中造成孔隙和针孔，还会在焊接金属和热影响区(HAZ)中产生裂纹。
所述孔隙和针孔与焊接材料中的碳含量紧密相关。已知在焊接过程中，熔融金属中的碳会与空气中的氧气反应，产生CO气体。在熔融金属固化的过程中被包裹的CO气体残留下来，从而形成孔隙。
因此，很重要的是降低熔融金属中的碳含量，尤其是可以使用合适的焊接材料来消除孔隙的产生。
焊缝的断裂与焊缝微结构变硬有关。对于高碳钢，主要是由于在焊接的过程中，突然的加热和冷却过程产生了马氏微结构，造成高碳钢在焊缝处发生断裂。在这里，焊接金属和热影响区的微结构同时变硬，使得必须采取复杂而多样的方法补救该问题。
下面是一些对钢进行TCM处理的常规技术，这些技术使钢的微结构变硬。
首先，日本待公开专利申请第H5-50276号揭示了一种对焊缝进行的热处理，在此热处理中，根据热轧钢板的碳含量，在一定的时间内，使用固定热源将焊缝保持在特定的热处理温度。然而，根据热处理持续的时间，这种方法将延长总焊接时间。
在日本待公开专利申请第H5-132719号中揭示了另一种常规的技术。该技术涉及激光焊接焊缝，然后在1分钟内，在至少400℃、最高Ac1点的温度下对焊缝进行处理。然而，可以在至少400℃、最高Ac1点的温度下，以相当长的时间进行焊接，以完全消除变硬的微结构。同样，对于激光焊接中所需的突然冷却，应当在焊接之后的几分钟内对焊缝进行突然加热，以进行热处理，从而使得热处理过程显著地复杂化。
日本待公开专利申请第H8-57502号揭示了另一种常规的焊接技术，在此技术中，将具有优良的可焊性的低碳钢插入高碳钢的连接处之间。这使得焊接处理的数量比其它焊接方法增加了不止一倍，而且每次都需要制备前导带材，因此不适于大规模生产。
日本待公开专利申请第H8-215872号揭示了另一种技术，在此技术中，当激光焊缝通过将要被加热的铁素体和珠光体的混合区域的时候，对焊缝进行冷却。在此激光焊接中，加热和冷却的突变比电弧焊接更快，因此焊缝几乎不会转化为铁素体和珠光体的混合区域。尤其是，高碳钢在焊接的时候，会严重变硬。
在日本待公开专利申请第2000-317642号中揭示了另一种常规技术，在此技术中，对结合部进行激光焊接，然后对热轧钢板进行热处理。然而，在此情况下，由于是激光焊接，焊缝突然冷却，在热处理之前转化为马氏微结构，从而产生微裂纹。因此这种技术几乎无法用于PCM之类的需要高质量焊接的生产线。
日本待公开专利申请第2001-353587号提出了另一种常规的技术，在此技术中，在高碳钢和低碳钢的多相材料之间的连接处中使用填充焊丝。在此方法中不使用热处理，将激光束辐照到低碳钢上，以防焊缝中出现裂纹。但是这种技术也无法消除未熔融的高碳钢中热影响区中产生的变硬的微结构。
在日本待公开专利申请第2000-317642号中揭示了另一种常规的技术。这种技术使用闪光对接焊对焊缝进行热处理。在日本专利申请公开第H5-132719号、第2000-317642号和第2004-76159号中揭示了类似的用来对焊缝进行热处理的技术，但它们采用的方法不同。这些方法都无法确保包含至少0.5％的碳的高碳钢获得稳定质量的焊缝。
尽管上述在TCM中连接钢板的技术有很多种，但是这些技术都仅能应用于具有较低碳含量的高碳钢，或者不要求高焊接质量的生产线。
因此，人们需要一种技术，这种技术能够用来对包含至少0.5％的碳的高碳钢以及强度至少为450MPa的钢(例如用于汽车的高强度钢材)进行TCM操作，以保证焊点具有良好的质量，所述钢材在进行激光焊接、接着冷却之后，包含马氏体或贝氏体之类的硬化微结构。
发明内容
通过本发明来解决现有技术中的上述问题，因此本发明的一个方面是提供一种激光焊接方法，该焊接方法确保激光焊缝的微结构发生较少的硬化，以确保稳定的焊接质量，从而显著提高连续生产工艺的生产率。
本发明另一方面提供一种用于连续生产的激光焊接设备，通过该设备使得激光焊缝的微结构发生较少的硬化，以确保稳定的焊接质量，从而显著提高连续生产工艺的生产率。
根据本发明一个方面，本发明提供了用来在连续生产卷材的工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，该方法包括将两块易发生低温转化的热轧钢板互相对接；将所述热轧钢板对接的部分激光焊接起来，形成焊缝；用压制机对热轧钢板的焊缝进行压制。
较佳的是，所述热轧钢板的焊缝是在Ac1-Ac3的温度下进行压制的。较佳的是，所述焊缝是在等于或小于75MPa的压力下进行压制的。较佳的是，压制后焊缝的厚度减小的比例等于或小于5.8％。较佳的是，使用精轧辊以垂直于热轧钢板的方式对焊缝进行垂直压制。
所述易发生低温转化的热轧钢板包括选自以下的一种钢材包含至少0.5重量％的碳的高碳钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。
较佳的是，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％的铬的碳钢，或者包含最高至0.1重量的碳和0-1.22重量％的铬的镍合金。所述焊接材料包括选自金属丝、粉末和膜的一种。
较佳的是，在激光焊接之前，将热轧钢板的对接部分预热至600-800℃。较佳的是，在激光焊接之后，将对接部分的焊缝后加热至800-1100℃。
所述连续生产卷材的工艺包括选自以下的一种酸浸和串联式冷轧生产线、酸浸和上油生产线、退火和酸浸生产线、酸浸生产线和串联式冷轧生产线。
根据本发明另一个方面，本发明提供了一种激光焊接的板材，这种板材包括容易通过激光焊接发生低温转化，而且接缝与同接缝相邻的部分之间的硬度差异等于或小于90Hv的热轧钢板。
根据本发明另一方面，本发明提供了一种用于连续生产工艺的激光焊接设备，该设备适合用来对易低温转化的热轧钢板进行激光焊接。所述激光焊接设备包括用来焊接热轧钢板的激光焊接装置；用来在所述焊接装置的前端对热轧钢板的焊缝进行预热的预热装置；用来在所述焊接装置的末端对热轧钢板进行后加热的后加热装置；在所述后加热装置的末端对热轧钢板的焊缝进行压制的压制机。
结合附图阅读以下详述，可以更好地理解本发明的以上目的、特征和其它的目的、特征以及其它的优点，在附图中图1是本发明的激光焊缝的硬度分布图；图2是本发明的示例性激光焊接设备的示意图；图3是显示本发明的激光焊缝热循环的图；图4是根据本发明进行激光焊接之后，硬度随所加压力的变化而变化的图示；图5是根据本发明对SK85钢进行PCM处理之后的激光焊缝的图片。
具体实施例方式
下面将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。
在此说明书中，“易发生低温转化的热轧钢板”表示一些热轧钢板，当通过激光焊接将它们连接起来形成焊缝，然后进行冷却的时候，这些热轧钢板的焊缝的微结构在低温下发生转化。所述低温转化微结构表示包含马氏体和贝氏体的微结构。所述在激光焊接后易发生低温转化的热轧钢板还包含高碳钢或高强度钢。
所述高碳钢表示包含至少0.5重量％的碳的钢。例如，所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。在本发明中，除非另外说明，百分数表示重量百分数。根据本发明，包含至少0.5％的碳的钢可理解为包括在高碳钢范围之内。在本文中，可以向高碳钢加入Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb之类的合金元素，以使得高碳钢具有特殊的功能。
所述高碳钢设计成抗张强度为450MPa、主要用于汽车的钢材，例如易发生低温转化的钢。易发生低温转化的钢的例子包括双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。高强度钢通常被认为是易发生低温转化的钢。双相钢包含具有延展性铁素体和坚硬的马氏体特征的两个相。双相钢以很少的合金元素确保了优良的可加工性和高强度。同时，TRIP钢由延展性铁素体、坚硬的贝氏体和在高温下处于亚稳态的奥氏体组成。在TRIP钢中，亚稳态的奥氏体相被转化为非常坚硬的马氏体。CP钢渗入马氏体或贝氏体微结构中。上文所述容易发生低温转化的钢材在激光焊接之后，其微结构发生相转化。
如上所述，在高碳钢或易发生低温转化的钢中，当对该钢材进行激光焊接、然后冷却的时候，焊缝的微结构在低温下相转化为例如具有很强脆性的马氏体或贝氏体。通过这种方式，焊缝中的低温转化微结构产生裂纹或断裂。
另外，在此说明书中，“焊缝”表示在连续生产卷材的工艺中，将前一热卷材的末端与后一热卷材激光焊接起来的时候，所形成的连接部分。在这里，焊缝包括被激光熔化然后固化的熔融金属，以及被激光的热源影响的热影响区(HAZ)。
另外，在此说明书中，“连续生产卷材的工艺”表示在热轧或冷轧生产线中连续生产卷材。在这里，所述连续生产工艺包括对连接在一起的热轧钢板进行抛光的抛光处理，或者所有连续生产处理，例如熔融镀锌处理或退火处理。
首先，根据本发明一个方面，将会基于对具有低温转化微结构的激光焊缝进行的微结构测试和Erichsen测试来检测焊缝中发生硬化的原因。
本发明人证明了焊缝金属和热影响区分别发生硬化主要是由于马氏体、贝氏体和碳化物造成的。
通过对焊缝使用压制技术，控制焊缝的化学组成，以及将焊缝加热处理至一定的程度，可以在一定程度上除去这种硬化的微结构。
本发明提出了在之后的处理中压制焊缝、通过使用碳含量小于热轧钢板的焊接材料来减小焊缝金属的碳含量，以及对焊缝进行热处理，以减小硬度的方法。
微结构硬化的焊缝的质量不仅受到上述焊缝硬度的影响，而且还受到其总体硬度分布的影响。
也即是说，可通过热处理在一定程度上降低高碳钢焊缝的硬度。然而，如图1所示，焊缝和热轧钢板的硬度出现差异，因此几乎无法达到能够符合所述标准的焊缝质量。
因此，根据本发明，对焊缝进行热处理和压制，以减小其硬化程度。另外，如图1中箭头所示，通过这些处理还使焊缝的总体硬度分布趋向均匀，从而保证了易发生低温转化的钢具有稳定的焊缝质量。
另外，在PCM之类的连续生产工艺中，如果焊接和热处理独立地进行，会延长焊接时间，从而降低总体生产速率。另外，热轧钢板中碳含量的增大会导致热处理时间延长。
因此，根据本发明，如图1所示，为了解决这些问题，将热处理装置和压制机设计成与焊接装置整合在一起，从而可以对热轧钢板的焊缝进行焊接、热处理和压制。
在关于图2的叙述中，本发明的焊接设备大体上由焊接装置10、热处理装置20和压制机30组成。这三个装置整合为一体。图2是显示本发明焊接设备的示意图，图中这些装置并未整合在一起。但是可通过现有的技术方法将这些设备设计成整合在一起的结构，因此不再详述。
本发明的焊接装置10包括用来产生激光的激光发生器12，以及用来提供焊接材料的填料供应装置16。热处理装置20作为所有装置的热源，用来迅速地加热移动的热轧钢板。优选的热源是高频感应线圈。热处理装置20由预热器22和后加热器24组成，预热器22安装在焊接装置10的上游，用来对焊接之前的热轧钢板40进行加热，后加热器24用来对焊接之后的热轧钢板50进行加热。另外，在焊接之后，压制机30立刻使用精轧辊对热轧钢板进行压制。
当使用本发明的焊接设备将移动的热轧钢板焊接在一起的时候，首先将下一热卷40的前端和上一热卷50的末端对接起来，在用预热器22加热之后，通过焊接装置10焊接起来。使用后加热器24对将热轧钢板连接起来的焊缝60进行后加热。然后使通过后加热装置24的焊缝冷却，使其通过紧邻地安装在后加热装置24的下游的压制机30，从而进行焊接后加热转化(PWHD)或压制。
在本发明中，对焊缝的热处理和压制优选一起进行，但是也可独立进行或者有选择地进行。
当使用本发明的焊接设备焊接移动的热轧钢板的时候，这些钢板也使焊接设备移动。在这里，热轧钢板可以沿与焊接设备相同或相反的方向移动。当热轧钢板沿与焊接设备相同的方向移动的时候，较佳的是，所述热轧钢板移动的速度与焊接设备相同，或者热轧钢板移动得更快。
图3是显示当使用根据本发明一实施方式的可移动焊接设备进行焊接的时候，热轧钢板的焊缝的热循环过程及其随后的微结构状态的图。
本发明提出了一种控制焊缝的硬化，从而对具有低温转化微结构的热轧钢板实施连续生产工艺的方法。该方法包括控制焊缝的化学组成、对焊缝进行热处理和压制。
下文中将对这些方法进行解释。
首先将解释控制焊缝化学组成的方法。
该方法用来控制包含大部分熔融金属的焊接材料。较佳的是，所述焊接材料由填料供应装置16向焊缝60提供，焊接材料基本包含最高至0.1％的碳和0-1.22％的铬。这种焊接材料采用具有高抗张强度的碳钢和镍合金。由于碳钢能够保证更稳定的焊接质量，因此是优选的。
当未采用最佳焊接参数的时候，由不锈钢和镍合金组成的焊接材料对高碳钢(即基质材料)的浸润性降低，有基质材料元素未完全稀释其中。这有时会使得焊缝变得很脆。但是本发明并不限于镍合金。
较佳的是，根据本发明，所述焊缝金属配制成包含最高至0.4％的碳。这是由于在激光焊接中，极少量的焊接材料熔融并填入焊缝中，使得基质材料以更大的比率(与常规的电弧焊接相比)稀释于其中。
例如，当所述热轧钢板是包含至少0.85％的碳的高碳钢的时候，焊接材料应包含约最高至0.1重量％的碳，从而在稀释率最高设定为30％的情况下，将焊缝金属中的碳含量保持在最高0.4％。
另外，在焊缝金属和热影响区的附近，Cr与热轧钢板中的碳反应，生成碳化铬。因此所述焊接材料应优选包含最高至1.22％的铬。
因此，根据本发明，优选的是，所述焊接装置提供的焊接材料是包含最高至0.1％的碳和0-1.22％的铬的碳钢或镍合金。碳钢和镍合金的主要组成分别是铁和镍。根据本发明可使用的焊接材料可以是满足上述碳和铬的条件的常规的碳钢或镍合金。所述焊接材料优选为金属丝的形式，但是也可采用粉末或膜的形式。
下文中将解释对焊缝进行热处理的方法。
在本发明中，对焊缝的热处理分为预热和后加热。在焊接之前进行预热，以防焊点出现裂纹，在焊接后进行后加热处理，以减轻焊点的硬化。
在对易于低温转化的热轧钢板进行激光焊接且对焊缝仅进行后处理的时候，焊缝在焊接之后、后加热之前快速冷却，因此有可能造成焊缝断裂。
因此，优选对易发生低温转化的焊接材料进行预热，以缓解由于激光焊接造成的快速冷却。
当在本发明一个实施方式中使用可移动热处理装置的时候，如果预热温度仅略高于马氏体转化温度(Ms)，焊接材料将无法充分发挥作用，因此优选应预热至高于该温度的温度。
因此，根据本发明一个实施方式，较佳的是，将高碳钢的焊缝预热至600-800℃。最高600℃的预热温度无法确保将移动的热轧钢板预热足够的时间，因此会使得焊缝的质量不够令人满意。另一方面，至少800℃的预热温度会使得焊缝由于过度的热输入而变形，使得焊缝远不够结实。
另外，根据本发明，对焊缝的后加热以两种方式进行。
第一种方式是回火，在此方式中，在较长的时间内在等于或低于Ac1的温度下对焊缝进行后加热，将马氏体微结构转化为回火的马氏体，从而使其具有延展性。
第二种方式是在激光焊接中对冷却热循环进行主动控制，将焊缝转化为铁素体和珠光体微结构。
回火法需要较长的热处理，因此确保具有充足的延展性。但是在具有很快的生产速率的卷材生产线中，这种冗长的后加热会降低生产率。因此，在使用可移动热源的激光焊接系统中，更优选在激光焊接之后减轻冷却循环的方式。
优选将焊缝后加热至800-1100℃，更优选加热至950-1100℃。根据本发明一实施方式，优选在不固定时间的条件下对焊缝进行后加热，然后使其自然冷却。
当后加热至最高800℃的温度时，由于热输入不足，在冷却之后会在焊缝中产生马氏体微结构，使得减少硬化的效果不足。另一方面，如果后加热温度至少为1100℃，会由于过度的热输入使得焊缝的微结构变粗糙，或者部分地产生具有硬化微结构的马氏体，使得焊缝的物理性质变差。
最后将解释对所述焊缝进行压制的方法。
如果依照本发明所述对焊缝的高温区域进行压制，与热处理相比，将会显著减小其硬度。
对正在Ac1至Ac3的温度下冷却的焊缝进行压制。在此温度下进行的压制将减小奥氏体的尺寸，很容易将所述焊缝转化为铁素体和珠光体微结构。
另外，在等于或低于Ac1的温度下进行的压制还会使热影响区硬化，将硬度增大到一定程度，从而使连接点的总体硬度分布趋向均匀。
较佳的是，在冷却热轧钢板的过程中，当该热轧钢板的温度为Ac1至Ac3时，以等于或小于75兆帕的压力对其进行压制。至少75兆帕的压力使焊缝变形，在其低温区域造成少量断裂。
另外，当对焊接后处于冷却过程中、焊缝转化为马氏体或贝氏体微结构的钢进行压制的时候，焊缝厚度的减小率等于或小于5.8％。
如上所述，在根据本发明控制高碳钢焊缝硬化的光学方法中，焊缝和基质材料(即热轧钢板)之间的维氏硬度差异(Hv)等于或小于90Hv。如果如上所述，热轧钢板的硬度差异为90Hv，则该热轧钢板可以在要求高强度的连续生产工艺中连续生产而不会发生断裂。这也不会影响焊缝中的变形。本发明优选可用于厚度为0.5-6毫米的热轧钢板。
本发明的激光焊接可用于所有连续生产卷材的方法，这些方法包括例如酸浸和串联式冷轧(PCM)生产线、酸浸和上油生产线(POL)、退火和酸浸生产线(APL)、酸浸生产线(PL)和串联式冷轧(TCM)生产线。
下面将通过实施例的形式解释本发明的优选实施方式。
下面将结合高碳钢解释本发明的实施例，高碳钢是一种微结构硬化的钢。但是很容易理解，本发明的范围不限于高碳钢。
实施例这些实施例使用具有表1所示组成的高碳钢的热轧钢板。热轧钢板的厚度为2.0毫米，使用最大输出功率为12千瓦的CO2激光焊接装置焊接起来。这些实施例使用具有表1所示的低碳化学组成的金属丝填料(0.9毫米)作为焊接材料。
表1
在一定条件下采用所述激光焊接装置将这些热轧钢板激光焊接起来，使得焊缝不含孔未填满之类的焊接缺陷。在这里，激光器的输出功率为8.4kW，焊接速率为4.5米/分钟，连接处的间隔为0.15毫米。
使用具有20w×2001mm的加热源的高频感应加热炉，通过改变输出，沿焊接线移动，对焊缝进行热处理。
分别以大约100℃/s的加热速率，预热至723℃和后加热至1005℃对焊缝进行热处理，然后自然冷却(空气冷却)。
在热处理焊缝的时候，将R型高温计点焊接在焊接边缘处，以测量通过高频感应加热炉加热的焊缝的温度变化历程。从温度变化历程曲线中获得的最高温度确定为热处理温度。
使用安装在后加热处理装置下游的宽度为20毫米的移动辊进行压制。在焊接和热处理之后对焊缝进行压制。
根据上述条件得到的焊缝达到了PCM生产线的标准Erichsen高度等于或大于4毫米。因此，用Erichsen测试仪测量质量。为了评价焊缝的质量，对直至裂缝出现之前的焊缝塑性变形高度进行测量。
首先，表2显示了对包含0.85％的碳的SK85钢的质量评价结果。
表2
注)HC*......... 热处理条件PC**............ 压力(MPa)HH***............ 焊缝最高硬度(Hv)HD****...... 硬度差异(Hv)(焊缝-基质材料)
EH*****...... Erichsen高度(毫米)如表2所示，当SK85钢的焊缝未得到热处理的时候，该焊缝在焊接之后立刻产生裂纹，因此无法获得能够满足该标准的焊缝。
另外，当仅进行预热和后加热中的一种操作的时候，焊缝无法获得合格的质量。
相反，当本发明的预热和后加热操作都进行时，发现焊缝的质量相对于仅使用其中一种操作的情况有所提高。
改变压力，对上述经过处理的焊缝进行压制。
图4显示了当对SK85钢的焊缝进行压制的时候，沿焊缝纵向的硬度分布。
压力的增大导致Erichsen高度和质量的提高。
如图4所示，通过压制减小了焊缝的最大硬度和硬度差异，使得整个焊缝中的硬度分布更加均匀。
等于或小于75兆帕的压力可以线性地增大Erichsen高度。但是等于或大于75兆帕的压力会使焊缝严重变形，使低温区过度硬化，产生微裂纹。
如图4所示，0MPa的压力还会显著增大熔融金属中的硬度，相对减小热影响区中的硬度。但是已经发现，当压力从30MPa增大到75MPa的时候，焊缝的硬度差异梯度较小，因此沿焊缝纵向的硬度分布更加均匀。
表3显示了对包含0.5％的C的S50C钢的质量评价结果。
表3
注)HT*热处理PC**压力(MPa)TRR***焊缝厚度减小比HH****焊缝最大硬度(Hv)
HD*****硬度差(Hv)(焊缝-基质材料)EH******Erichsen高度(mm)从表3中可以看出，在不考虑焊接材料和热处理法的情况下，对S50C钢的激光焊接总体上优于SK85钢的质量。
另外，如表3所示，发现对于焊缝转化为马氏体或贝氏体微结构的钢，当在焊接之后冷却的时候，在Ac1至Ac3的温度下对其进行压制的时候，其焊接质量很优异，而且厚度减小到等于或小于5.8％。
这明显是由于钢中包含较低的C含量，因此硬化程度较小而造成的。
所述钢材在进行焊接然后压制的时候，像SK85一样发生Erichsen高度增加、最大硬度和硬度差异变小，从而显著提高了焊接质量。
上文揭示了本发明优选的实施方式。但是本发明并不限于这些实施例中所述的用于高碳钢的连续生产工艺的焊接条件。本发明可用于包括在本发明范围内的连续生产工艺的各种焊接条件。
如上所述，根据本发明示例性的实施方式，一种用于连续生产工艺的激光焊接提供了人们尚未采用的焊接条件，从而可以连续生产具有低温转化微结构的钢板。
另外，在实施例中，为了确保不含焊接缺陷的可靠的激光焊接点，将热轧钢板焊接在一起，以连续生产包含至少0.5％的碳的钢。另外，如图5所示，本发明可以连续生产而不会在激光焊缝中产生断裂。
另外，除了本发明以外，无论钢中的碳含量是多少，焊接时间都可以缩短到通常的钢所需的25秒。这可以显著提高连续生产工艺的生产率。
另外，在本发明的焊接条件下，容易发生低温转化的钢可以耐受施加于连续生产工艺的很强的压缩负荷力，以及架子之间的张力，从而可以以无断裂的焊缝进行连续生产。
尽管已经结合优选实施方式展示和描述了本发明，但是本领域技术人员可以显而易见地看到，可以在不背离所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的前提下对其进行修改和改变。
权利要求
1.一种在连续生产卷材的工艺中用于热轧钢板的激光焊接方法，该方法包括将两块易发生低温转化的热轧钢板互相对接；将所述热轧钢板对接的部分激光焊接起来，形成焊缝；用压制机对热轧钢板的焊缝进行压制。
2.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的温度下对所述热轧钢板的焊缝进行压制。
3.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在等于或小于75MPa的压力下对所述焊缝进行压制。
4.如权利要求1-3中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述压制后的焊缝的厚度以等于或小于5.8％的比例减小。
5.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，使用精轧辊沿垂直于热轧钢板的方向对焊缝进行压制。
6.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述易发生低温转化的热轧钢板包括选自以下的一种包含至少0.5重量％的碳的高碳钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。
7.如权利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。
8.如权利要求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％的铬的碳钢，或者包含最高至0.1重量％的碳和0-1.22重量％的铬的镍合金。
9.如权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接材料包括选自金属丝、粉末和膜的一种。
10.如权利要求1或7所述的激光焊接方法，其特征在于，在进行激光焊接之前，将所述热轧钢板的对接部分预热至600-800℃。
11.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接之后，将对接部分的焊缝后加热至800-1100℃。
12.如权利要求10所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接之后，将对接部分的焊缝后加热至800-1100℃。
13.如权利要求12所述的激光焊接方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的温度、等于或小于75MPa的压力下，对焊缝进行压制。
14.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述连续生产卷材的工艺包括选自以下的一种酸浸和串联式冷轧生产线、酸浸和上油生产线、退火和酸浸生产线、酸浸生产线和串联式冷轧生产线。
15.一种激光焊接的板材，所述板材包含容易通过激光焊接的发生低温转化的热轧钢板，在焊缝和与焊缝相邻部分之间的硬度差异等于或小于90Hv。
16.如权利要求15所述的激光焊接的板材，其特征在于，所述易发生低温转化的热轧钢板包括选自以下的一种包含至少0.5重量％的碳的高碳钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。
17.如权利要求16所述的激光焊接的板材，其特征在于，所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。
18.一种用于连续生产工艺的激光焊接设备，该设备适合用来对易低温转化的热轧钢板进行激光焊接，所述激光焊接设备包括用来焊接热轧钢板的激光焊接装置；用来在所述焊接装置的前端对热轧钢板的焊缝进行预热的预热装置；用来在所述焊接装置的末端对热轧钢板进行后加热的后加热装置；用来在所述后加热装置的末端对热轧钢板的焊缝进行压制的压制机。
全文摘要
一种用来在连续生产卷材的工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法。将两块易发生低温转化的热轧钢板互相对接起来。将热轧钢板的对接部分激光焊接起来，形成焊缝。用压制机对所述热轧钢板的焊缝进行压制。本发明使得焊缝的微结构以较小的程度硬化，确保焊缝具有稳定的质量。
文档编号C22C38/20GK1990156SQ200610172810
公开日2007年7月4日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者禹仁秀, 朴浚植, 郑谱永, 金正吉, 李钟凤 申请人:Posco公司
技术领域：
本发明涉及一种在卷材连续生产工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，此方法将两块热轧钢板焊接在一起。更具体来说，本发明涉及一种激光焊接方法，此方法将热轧钢板焊接在一起，而且接缝的微结构的硬化程度降低，以确保稳定的焊接质量。
背景技术：
本发明涉及一种在卷材连续生产工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，此方法将两块热轧钢板焊接在一起。更具体来说，本发明涉及在卷材连续生产工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，该方法确保在包括突然加热和突然冷却的激光焊接过程中，发生低温变形的钢焊缝轻度变硬，以确保稳定的焊接质量。
生产片状金属的技术领域非常需要能够获得更高生产率和质量，以及更大尺寸的产品的连续生产工艺。
已发现这样的连续生产工艺可以将其应用拓展到电工钢或铁素体不锈钢之类的高质量钢。
代表性的卷材连续生产工艺为同步进行的酸浸和串联式带材冷轧(PCM)处理。可通过分别进行酸浸和串联式带材冷轧(TCM)由热卷材(hot coil)制得冷卷材(cold coil)。但是也可通过PCM制造冷轧卷材。相对于分别采用酸浸和TCM处理，PCM法可以显著地提高生产率，因此近来PCM法的应用正在增加。
TCM领域中非常重要的一点是将前一轧钢板的末端与后一轧钢板连接起来的技术。用于TCM的连接技术包括固态连接和焊接。
对于焊接，在TCM生产线的进口处将前一轧钢板的末端与下一轧钢板焊接起来形成焊缝，然后使其通过后面的冷轧生产线。此时，如果焊缝质量很差，则焊缝在通过后面的冷轧生产线时会断裂，可能会阻断整个工艺。因此，对于TCM生产线，在热卷材和冷卷材中获得高质量的焊缝都是至关重要的。尤其是与现有的酸浸和TCM生产线相比，PCM生产线更长，其中的环节更多，因此对焊接的质量标准的要求比现有生产线更加严格。
TCM生产线中的焊接例子包括反复进行短路和电弧放电的闪光对接焊，以及使用高强度加热源的激光焊接。
闪光对接焊所需的热输入很大，因此在选择焊接材料上面临问题。例如，电工钢、铁素体不锈钢和高碳钢的结合强度不足，在冷轧过程中偶尔会发生断裂。特别是高碳钢的碳含量很高，因此被认为不适于闪光对接焊。另外，在特定的程序和条件下重复进行这种焊接的时候，每条焊缝的质量都不均匀，因此其重现性有问题。
激光焊接具有更高的能量密度，而所需的热输入少于现有的闪光对接焊，因此得到极佳的焊接质量。
但是当在TCM工艺中对高碳钢进行激光焊接的时候，会在焊接金属中造成孔隙和针孔，还会在焊接金属和热影响区(HAZ)中产生裂纹。
所述孔隙和针孔与焊接材料中的碳含量紧密相关。已知在焊接过程中，熔融金属中的碳会与空气中的氧气反应，产生CO气体。在熔融金属固化的过程中被包裹的CO气体残留下来，从而形成孔隙。
因此，很重要的是降低熔融金属中的碳含量，尤其是可以使用合适的焊接材料来消除孔隙的产生。
焊缝的断裂与焊缝微结构变硬有关。对于高碳钢，主要是由于在焊接的过程中，突然的加热和冷却过程产生了马氏微结构，造成高碳钢在焊缝处发生断裂。在这里，焊接金属和热影响区的微结构同时变硬，使得必须采取复杂而多样的方法补救该问题。
下面是一些对钢进行TCM处理的常规技术，这些技术使钢的微结构变硬。
首先，日本待公开专利申请第H5-50276号揭示了一种对焊缝进行的热处理，在此热处理中，根据热轧钢板的碳含量，在一定的时间内，使用固定热源将焊缝保持在特定的热处理温度。然而，根据热处理持续的时间，这种方法将延长总焊接时间。
在日本待公开专利申请第H5-132719号中揭示了另一种常规的技术。该技术涉及激光焊接焊缝，然后在1分钟内，在至少400℃、最高Ac1点的温度下对焊缝进行处理。然而，可以在至少400℃、最高Ac1点的温度下，以相当长的时间进行焊接，以完全消除变硬的微结构。同样，对于激光焊接中所需的突然冷却，应当在焊接之后的几分钟内对焊缝进行突然加热，以进行热处理，从而使得热处理过程显著地复杂化。
日本待公开专利申请第H8-57502号揭示了另一种常规的焊接技术，在此技术中，将具有优良的可焊性的低碳钢插入高碳钢的连接处之间。这使得焊接处理的数量比其它焊接方法增加了不止一倍，而且每次都需要制备前导带材，因此不适于大规模生产。
日本待公开专利申请第H8-215872号揭示了另一种技术，在此技术中，当激光焊缝通过将要被加热的铁素体和珠光体的混合区域的时候，对焊缝进行冷却。在此激光焊接中，加热和冷却的突变比电弧焊接更快，因此焊缝几乎不会转化为铁素体和珠光体的混合区域。尤其是，高碳钢在焊接的时候，会严重变硬。
在日本待公开专利申请第2000-317642号中揭示了另一种常规技术，在此技术中，对结合部进行激光焊接，然后对热轧钢板进行热处理。然而，在此情况下，由于是激光焊接，焊缝突然冷却，在热处理之前转化为马氏微结构，从而产生微裂纹。因此这种技术几乎无法用于PCM之类的需要高质量焊接的生产线。
日本待公开专利申请第2001-353587号提出了另一种常规的技术，在此技术中，在高碳钢和低碳钢的多相材料之间的连接处中使用填充焊丝。在此方法中不使用热处理，将激光束辐照到低碳钢上，以防焊缝中出现裂纹。但是这种技术也无法消除未熔融的高碳钢中热影响区中产生的变硬的微结构。
在日本待公开专利申请第2000-317642号中揭示了另一种常规的技术。这种技术使用闪光对接焊对焊缝进行热处理。在日本专利申请公开第H5-132719号、第2000-317642号和第2004-76159号中揭示了类似的用来对焊缝进行热处理的技术，但它们采用的方法不同。这些方法都无法确保包含至少0.5％的碳的高碳钢获得稳定质量的焊缝。
尽管上述在TCM中连接钢板的技术有很多种，但是这些技术都仅能应用于具有较低碳含量的高碳钢，或者不要求高焊接质量的生产线。
因此，人们需要一种技术，这种技术能够用来对包含至少0.5％的碳的高碳钢以及强度至少为450MPa的钢(例如用于汽车的高强度钢材)进行TCM操作，以保证焊点具有良好的质量，所述钢材在进行激光焊接、接着冷却之后，包含马氏体或贝氏体之类的硬化微结构。
发明内容
通过本发明来解决现有技术中的上述问题，因此本发明的一个方面是提供一种激光焊接方法，该焊接方法确保激光焊缝的微结构发生较少的硬化，以确保稳定的焊接质量，从而显著提高连续生产工艺的生产率。
本发明另一方面提供一种用于连续生产的激光焊接设备，通过该设备使得激光焊缝的微结构发生较少的硬化，以确保稳定的焊接质量，从而显著提高连续生产工艺的生产率。
根据本发明一个方面，本发明提供了用来在连续生产卷材的工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法，该方法包括将两块易发生低温转化的热轧钢板互相对接；将所述热轧钢板对接的部分激光焊接起来，形成焊缝；用压制机对热轧钢板的焊缝进行压制。
较佳的是，所述热轧钢板的焊缝是在Ac1-Ac3的温度下进行压制的。较佳的是，所述焊缝是在等于或小于75MPa的压力下进行压制的。较佳的是，压制后焊缝的厚度减小的比例等于或小于5.8％。较佳的是，使用精轧辊以垂直于热轧钢板的方式对焊缝进行垂直压制。
所述易发生低温转化的热轧钢板包括选自以下的一种钢材包含至少0.5重量％的碳的高碳钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。
较佳的是，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％的铬的碳钢，或者包含最高至0.1重量的碳和0-1.22重量％的铬的镍合金。所述焊接材料包括选自金属丝、粉末和膜的一种。
较佳的是，在激光焊接之前，将热轧钢板的对接部分预热至600-800℃。较佳的是，在激光焊接之后，将对接部分的焊缝后加热至800-1100℃。
所述连续生产卷材的工艺包括选自以下的一种酸浸和串联式冷轧生产线、酸浸和上油生产线、退火和酸浸生产线、酸浸生产线和串联式冷轧生产线。
根据本发明另一个方面，本发明提供了一种激光焊接的板材，这种板材包括容易通过激光焊接发生低温转化，而且接缝与同接缝相邻的部分之间的硬度差异等于或小于90Hv的热轧钢板。
根据本发明另一方面，本发明提供了一种用于连续生产工艺的激光焊接设备，该设备适合用来对易低温转化的热轧钢板进行激光焊接。所述激光焊接设备包括用来焊接热轧钢板的激光焊接装置；用来在所述焊接装置的前端对热轧钢板的焊缝进行预热的预热装置；用来在所述焊接装置的末端对热轧钢板进行后加热的后加热装置；在所述后加热装置的末端对热轧钢板的焊缝进行压制的压制机。
结合附图阅读以下详述，可以更好地理解本发明的以上目的、特征和其它的目的、特征以及其它的优点，在附图中图1是本发明的激光焊缝的硬度分布图；图2是本发明的示例性激光焊接设备的示意图；图3是显示本发明的激光焊缝热循环的图；图4是根据本发明进行激光焊接之后，硬度随所加压力的变化而变化的图示；图5是根据本发明对SK85钢进行PCM处理之后的激光焊缝的图片。
具体实施例方式
下面将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。
在此说明书中，“易发生低温转化的热轧钢板”表示一些热轧钢板，当通过激光焊接将它们连接起来形成焊缝，然后进行冷却的时候，这些热轧钢板的焊缝的微结构在低温下发生转化。所述低温转化微结构表示包含马氏体和贝氏体的微结构。所述在激光焊接后易发生低温转化的热轧钢板还包含高碳钢或高强度钢。
所述高碳钢表示包含至少0.5重量％的碳的钢。例如，所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。在本发明中，除非另外说明，百分数表示重量百分数。根据本发明，包含至少0.5％的碳的钢可理解为包括在高碳钢范围之内。在本文中，可以向高碳钢加入Mo、V、Ti、W、B、Nb和Sb之类的合金元素，以使得高碳钢具有特殊的功能。
所述高碳钢设计成抗张强度为450MPa、主要用于汽车的钢材，例如易发生低温转化的钢。易发生低温转化的钢的例子包括双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。高强度钢通常被认为是易发生低温转化的钢。双相钢包含具有延展性铁素体和坚硬的马氏体特征的两个相。双相钢以很少的合金元素确保了优良的可加工性和高强度。同时，TRIP钢由延展性铁素体、坚硬的贝氏体和在高温下处于亚稳态的奥氏体组成。在TRIP钢中，亚稳态的奥氏体相被转化为非常坚硬的马氏体。CP钢渗入马氏体或贝氏体微结构中。上文所述容易发生低温转化的钢材在激光焊接之后，其微结构发生相转化。
如上所述，在高碳钢或易发生低温转化的钢中，当对该钢材进行激光焊接、然后冷却的时候，焊缝的微结构在低温下相转化为例如具有很强脆性的马氏体或贝氏体。通过这种方式，焊缝中的低温转化微结构产生裂纹或断裂。
另外，在此说明书中，“焊缝”表示在连续生产卷材的工艺中，将前一热卷材的末端与后一热卷材激光焊接起来的时候，所形成的连接部分。在这里，焊缝包括被激光熔化然后固化的熔融金属，以及被激光的热源影响的热影响区(HAZ)。
另外，在此说明书中，“连续生产卷材的工艺”表示在热轧或冷轧生产线中连续生产卷材。在这里，所述连续生产工艺包括对连接在一起的热轧钢板进行抛光的抛光处理，或者所有连续生产处理，例如熔融镀锌处理或退火处理。
首先，根据本发明一个方面，将会基于对具有低温转化微结构的激光焊缝进行的微结构测试和Erichsen测试来检测焊缝中发生硬化的原因。
本发明人证明了焊缝金属和热影响区分别发生硬化主要是由于马氏体、贝氏体和碳化物造成的。
通过对焊缝使用压制技术，控制焊缝的化学组成，以及将焊缝加热处理至一定的程度，可以在一定程度上除去这种硬化的微结构。
本发明提出了在之后的处理中压制焊缝、通过使用碳含量小于热轧钢板的焊接材料来减小焊缝金属的碳含量，以及对焊缝进行热处理，以减小硬度的方法。
微结构硬化的焊缝的质量不仅受到上述焊缝硬度的影响，而且还受到其总体硬度分布的影响。
也即是说，可通过热处理在一定程度上降低高碳钢焊缝的硬度。然而，如图1所示，焊缝和热轧钢板的硬度出现差异，因此几乎无法达到能够符合所述标准的焊缝质量。
因此，根据本发明，对焊缝进行热处理和压制，以减小其硬化程度。另外，如图1中箭头所示，通过这些处理还使焊缝的总体硬度分布趋向均匀，从而保证了易发生低温转化的钢具有稳定的焊缝质量。
另外，在PCM之类的连续生产工艺中，如果焊接和热处理独立地进行，会延长焊接时间，从而降低总体生产速率。另外，热轧钢板中碳含量的增大会导致热处理时间延长。
因此，根据本发明，如图1所示，为了解决这些问题，将热处理装置和压制机设计成与焊接装置整合在一起，从而可以对热轧钢板的焊缝进行焊接、热处理和压制。
在关于图2的叙述中，本发明的焊接设备大体上由焊接装置10、热处理装置20和压制机30组成。这三个装置整合为一体。图2是显示本发明焊接设备的示意图，图中这些装置并未整合在一起。但是可通过现有的技术方法将这些设备设计成整合在一起的结构，因此不再详述。
本发明的焊接装置10包括用来产生激光的激光发生器12，以及用来提供焊接材料的填料供应装置16。热处理装置20作为所有装置的热源，用来迅速地加热移动的热轧钢板。优选的热源是高频感应线圈。热处理装置20由预热器22和后加热器24组成，预热器22安装在焊接装置10的上游，用来对焊接之前的热轧钢板40进行加热，后加热器24用来对焊接之后的热轧钢板50进行加热。另外，在焊接之后，压制机30立刻使用精轧辊对热轧钢板进行压制。
当使用本发明的焊接设备将移动的热轧钢板焊接在一起的时候，首先将下一热卷40的前端和上一热卷50的末端对接起来，在用预热器22加热之后，通过焊接装置10焊接起来。使用后加热器24对将热轧钢板连接起来的焊缝60进行后加热。然后使通过后加热装置24的焊缝冷却，使其通过紧邻地安装在后加热装置24的下游的压制机30，从而进行焊接后加热转化(PWHD)或压制。
在本发明中，对焊缝的热处理和压制优选一起进行，但是也可独立进行或者有选择地进行。
当使用本发明的焊接设备焊接移动的热轧钢板的时候，这些钢板也使焊接设备移动。在这里，热轧钢板可以沿与焊接设备相同或相反的方向移动。当热轧钢板沿与焊接设备相同的方向移动的时候，较佳的是，所述热轧钢板移动的速度与焊接设备相同，或者热轧钢板移动得更快。
图3是显示当使用根据本发明一实施方式的可移动焊接设备进行焊接的时候，热轧钢板的焊缝的热循环过程及其随后的微结构状态的图。
本发明提出了一种控制焊缝的硬化，从而对具有低温转化微结构的热轧钢板实施连续生产工艺的方法。该方法包括控制焊缝的化学组成、对焊缝进行热处理和压制。
下文中将对这些方法进行解释。
首先将解释控制焊缝化学组成的方法。
该方法用来控制包含大部分熔融金属的焊接材料。较佳的是，所述焊接材料由填料供应装置16向焊缝60提供，焊接材料基本包含最高至0.1％的碳和0-1.22％的铬。这种焊接材料采用具有高抗张强度的碳钢和镍合金。由于碳钢能够保证更稳定的焊接质量，因此是优选的。
当未采用最佳焊接参数的时候，由不锈钢和镍合金组成的焊接材料对高碳钢(即基质材料)的浸润性降低，有基质材料元素未完全稀释其中。这有时会使得焊缝变得很脆。但是本发明并不限于镍合金。
较佳的是，根据本发明，所述焊缝金属配制成包含最高至0.4％的碳。这是由于在激光焊接中，极少量的焊接材料熔融并填入焊缝中，使得基质材料以更大的比率(与常规的电弧焊接相比)稀释于其中。
例如，当所述热轧钢板是包含至少0.85％的碳的高碳钢的时候，焊接材料应包含约最高至0.1重量％的碳，从而在稀释率最高设定为30％的情况下，将焊缝金属中的碳含量保持在最高0.4％。
另外，在焊缝金属和热影响区的附近，Cr与热轧钢板中的碳反应，生成碳化铬。因此所述焊接材料应优选包含最高至1.22％的铬。
因此，根据本发明，优选的是，所述焊接装置提供的焊接材料是包含最高至0.1％的碳和0-1.22％的铬的碳钢或镍合金。碳钢和镍合金的主要组成分别是铁和镍。根据本发明可使用的焊接材料可以是满足上述碳和铬的条件的常规的碳钢或镍合金。所述焊接材料优选为金属丝的形式，但是也可采用粉末或膜的形式。
下文中将解释对焊缝进行热处理的方法。
在本发明中，对焊缝的热处理分为预热和后加热。在焊接之前进行预热，以防焊点出现裂纹，在焊接后进行后加热处理，以减轻焊点的硬化。
在对易于低温转化的热轧钢板进行激光焊接且对焊缝仅进行后处理的时候，焊缝在焊接之后、后加热之前快速冷却，因此有可能造成焊缝断裂。
因此，优选对易发生低温转化的焊接材料进行预热，以缓解由于激光焊接造成的快速冷却。
当在本发明一个实施方式中使用可移动热处理装置的时候，如果预热温度仅略高于马氏体转化温度(Ms)，焊接材料将无法充分发挥作用，因此优选应预热至高于该温度的温度。
因此，根据本发明一个实施方式，较佳的是，将高碳钢的焊缝预热至600-800℃。最高600℃的预热温度无法确保将移动的热轧钢板预热足够的时间，因此会使得焊缝的质量不够令人满意。另一方面，至少800℃的预热温度会使得焊缝由于过度的热输入而变形，使得焊缝远不够结实。
另外，根据本发明，对焊缝的后加热以两种方式进行。
第一种方式是回火，在此方式中，在较长的时间内在等于或低于Ac1的温度下对焊缝进行后加热，将马氏体微结构转化为回火的马氏体，从而使其具有延展性。
第二种方式是在激光焊接中对冷却热循环进行主动控制，将焊缝转化为铁素体和珠光体微结构。
回火法需要较长的热处理，因此确保具有充足的延展性。但是在具有很快的生产速率的卷材生产线中，这种冗长的后加热会降低生产率。因此，在使用可移动热源的激光焊接系统中，更优选在激光焊接之后减轻冷却循环的方式。
优选将焊缝后加热至800-1100℃，更优选加热至950-1100℃。根据本发明一实施方式，优选在不固定时间的条件下对焊缝进行后加热，然后使其自然冷却。
当后加热至最高800℃的温度时，由于热输入不足，在冷却之后会在焊缝中产生马氏体微结构，使得减少硬化的效果不足。另一方面，如果后加热温度至少为1100℃，会由于过度的热输入使得焊缝的微结构变粗糙，或者部分地产生具有硬化微结构的马氏体，使得焊缝的物理性质变差。
最后将解释对所述焊缝进行压制的方法。
如果依照本发明所述对焊缝的高温区域进行压制，与热处理相比，将会显著减小其硬度。
对正在Ac1至Ac3的温度下冷却的焊缝进行压制。在此温度下进行的压制将减小奥氏体的尺寸，很容易将所述焊缝转化为铁素体和珠光体微结构。
另外，在等于或低于Ac1的温度下进行的压制还会使热影响区硬化，将硬度增大到一定程度，从而使连接点的总体硬度分布趋向均匀。
较佳的是，在冷却热轧钢板的过程中，当该热轧钢板的温度为Ac1至Ac3时，以等于或小于75兆帕的压力对其进行压制。至少75兆帕的压力使焊缝变形，在其低温区域造成少量断裂。
另外，当对焊接后处于冷却过程中、焊缝转化为马氏体或贝氏体微结构的钢进行压制的时候，焊缝厚度的减小率等于或小于5.8％。
如上所述，在根据本发明控制高碳钢焊缝硬化的光学方法中，焊缝和基质材料(即热轧钢板)之间的维氏硬度差异(Hv)等于或小于90Hv。如果如上所述，热轧钢板的硬度差异为90Hv，则该热轧钢板可以在要求高强度的连续生产工艺中连续生产而不会发生断裂。这也不会影响焊缝中的变形。本发明优选可用于厚度为0.5-6毫米的热轧钢板。
本发明的激光焊接可用于所有连续生产卷材的方法，这些方法包括例如酸浸和串联式冷轧(PCM)生产线、酸浸和上油生产线(POL)、退火和酸浸生产线(APL)、酸浸生产线(PL)和串联式冷轧(TCM)生产线。
下面将通过实施例的形式解释本发明的优选实施方式。
下面将结合高碳钢解释本发明的实施例，高碳钢是一种微结构硬化的钢。但是很容易理解，本发明的范围不限于高碳钢。
实施例这些实施例使用具有表1所示组成的高碳钢的热轧钢板。热轧钢板的厚度为2.0毫米，使用最大输出功率为12千瓦的CO2激光焊接装置焊接起来。这些实施例使用具有表1所示的低碳化学组成的金属丝填料(0.9毫米)作为焊接材料。
表1
在一定条件下采用所述激光焊接装置将这些热轧钢板激光焊接起来，使得焊缝不含孔未填满之类的焊接缺陷。在这里，激光器的输出功率为8.4kW，焊接速率为4.5米/分钟，连接处的间隔为0.15毫米。
使用具有20w×2001mm的加热源的高频感应加热炉，通过改变输出，沿焊接线移动，对焊缝进行热处理。
分别以大约100℃/s的加热速率，预热至723℃和后加热至1005℃对焊缝进行热处理，然后自然冷却(空气冷却)。
在热处理焊缝的时候，将R型高温计点焊接在焊接边缘处，以测量通过高频感应加热炉加热的焊缝的温度变化历程。从温度变化历程曲线中获得的最高温度确定为热处理温度。
使用安装在后加热处理装置下游的宽度为20毫米的移动辊进行压制。在焊接和热处理之后对焊缝进行压制。
根据上述条件得到的焊缝达到了PCM生产线的标准Erichsen高度等于或大于4毫米。因此，用Erichsen测试仪测量质量。为了评价焊缝的质量，对直至裂缝出现之前的焊缝塑性变形高度进行测量。
首先，表2显示了对包含0.85％的碳的SK85钢的质量评价结果。
表2
注)HC*......... 热处理条件PC**............ 压力(MPa)HH***............ 焊缝最高硬度(Hv)HD****...... 硬度差异(Hv)(焊缝-基质材料)
EH*****...... Erichsen高度(毫米)如表2所示，当SK85钢的焊缝未得到热处理的时候，该焊缝在焊接之后立刻产生裂纹，因此无法获得能够满足该标准的焊缝。
另外，当仅进行预热和后加热中的一种操作的时候，焊缝无法获得合格的质量。
相反，当本发明的预热和后加热操作都进行时，发现焊缝的质量相对于仅使用其中一种操作的情况有所提高。
改变压力，对上述经过处理的焊缝进行压制。
图4显示了当对SK85钢的焊缝进行压制的时候，沿焊缝纵向的硬度分布。
压力的增大导致Erichsen高度和质量的提高。
如图4所示，通过压制减小了焊缝的最大硬度和硬度差异，使得整个焊缝中的硬度分布更加均匀。
等于或小于75兆帕的压力可以线性地增大Erichsen高度。但是等于或大于75兆帕的压力会使焊缝严重变形，使低温区过度硬化，产生微裂纹。
如图4所示，0MPa的压力还会显著增大熔融金属中的硬度，相对减小热影响区中的硬度。但是已经发现，当压力从30MPa增大到75MPa的时候，焊缝的硬度差异梯度较小，因此沿焊缝纵向的硬度分布更加均匀。
表3显示了对包含0.5％的C的S50C钢的质量评价结果。
表3
注)HT*热处理PC**压力(MPa)TRR***焊缝厚度减小比HH****焊缝最大硬度(Hv)
HD*****硬度差(Hv)(焊缝-基质材料)EH******Erichsen高度(mm)从表3中可以看出，在不考虑焊接材料和热处理法的情况下，对S50C钢的激光焊接总体上优于SK85钢的质量。
另外，如表3所示，发现对于焊缝转化为马氏体或贝氏体微结构的钢，当在焊接之后冷却的时候，在Ac1至Ac3的温度下对其进行压制的时候，其焊接质量很优异，而且厚度减小到等于或小于5.8％。
这明显是由于钢中包含较低的C含量，因此硬化程度较小而造成的。
所述钢材在进行焊接然后压制的时候，像SK85一样发生Erichsen高度增加、最大硬度和硬度差异变小，从而显著提高了焊接质量。
上文揭示了本发明优选的实施方式。但是本发明并不限于这些实施例中所述的用于高碳钢的连续生产工艺的焊接条件。本发明可用于包括在本发明范围内的连续生产工艺的各种焊接条件。
如上所述，根据本发明示例性的实施方式，一种用于连续生产工艺的激光焊接提供了人们尚未采用的焊接条件，从而可以连续生产具有低温转化微结构的钢板。
另外，在实施例中，为了确保不含焊接缺陷的可靠的激光焊接点，将热轧钢板焊接在一起，以连续生产包含至少0.5％的碳的钢。另外，如图5所示，本发明可以连续生产而不会在激光焊缝中产生断裂。
另外，除了本发明以外，无论钢中的碳含量是多少，焊接时间都可以缩短到通常的钢所需的25秒。这可以显著提高连续生产工艺的生产率。
另外，在本发明的焊接条件下，容易发生低温转化的钢可以耐受施加于连续生产工艺的很强的压缩负荷力，以及架子之间的张力，从而可以以无断裂的焊缝进行连续生产。
尽管已经结合优选实施方式展示和描述了本发明，但是本领域技术人员可以显而易见地看到，可以在不背离所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的前提下对其进行修改和改变。
权利要求
1.一种在连续生产卷材的工艺中用于热轧钢板的激光焊接方法，该方法包括将两块易发生低温转化的热轧钢板互相对接；将所述热轧钢板对接的部分激光焊接起来，形成焊缝；用压制机对热轧钢板的焊缝进行压制。
2.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的温度下对所述热轧钢板的焊缝进行压制。
3.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在等于或小于75MPa的压力下对所述焊缝进行压制。
4.如权利要求1-3中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述压制后的焊缝的厚度以等于或小于5.8％的比例减小。
5.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，使用精轧辊沿垂直于热轧钢板的方向对焊缝进行压制。
6.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述易发生低温转化的热轧钢板包括选自以下的一种包含至少0.5重量％的碳的高碳钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。
7.如权利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。
8.如权利要求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％的铬的碳钢，或者包含最高至0.1重量％的碳和0-1.22重量％的铬的镍合金。
9.如权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接材料包括选自金属丝、粉末和膜的一种。
10.如权利要求1或7所述的激光焊接方法，其特征在于，在进行激光焊接之前，将所述热轧钢板的对接部分预热至600-800℃。
11.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接之后，将对接部分的焊缝后加热至800-1100℃。
12.如权利要求10所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接之后，将对接部分的焊缝后加热至800-1100℃。
13.如权利要求12所述的激光焊接方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的温度、等于或小于75MPa的压力下，对焊缝进行压制。
14.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述连续生产卷材的工艺包括选自以下的一种酸浸和串联式冷轧生产线、酸浸和上油生产线、退火和酸浸生产线、酸浸生产线和串联式冷轧生产线。
15.一种激光焊接的板材，所述板材包含容易通过激光焊接的发生低温转化的热轧钢板，在焊缝和与焊缝相邻部分之间的硬度差异等于或小于90Hv。
16.如权利要求15所述的激光焊接的板材，其特征在于，所述易发生低温转化的热轧钢板包括选自以下的一种包含至少0.5重量％的碳的高碳钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复合相(CP)钢。
17.如权利要求16所述的激光焊接的板材，其特征在于，所述高碳钢由以下组分组成至少0.5重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.3-0.6重量％的锰、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％的铜、最高至3重量％的镍、0.05-0.5重量％的铬、至少0.05重量％的铝，余量为铁和不可避免的杂质。
18.一种用于连续生产工艺的激光焊接设备，该设备适合用来对易低温转化的热轧钢板进行激光焊接，所述激光焊接设备包括用来焊接热轧钢板的激光焊接装置；用来在所述焊接装置的前端对热轧钢板的焊缝进行预热的预热装置；用来在所述焊接装置的末端对热轧钢板进行后加热的后加热装置；用来在所述后加热装置的末端对热轧钢板的焊缝进行压制的压制机。
全文摘要
一种用来在连续生产卷材的工艺中对热轧钢板进行激光焊接的方法。将两块易发生低温转化的热轧钢板互相对接起来。将热轧钢板的对接部分激光焊接起来，形成焊缝。用压制机对所述热轧钢板的焊缝进行压制。本发明使得焊缝的微结构以较小的程度硬化，确保焊缝具有稳定的质量。
文档编号C22C38/20GK1990156SQ200610172810
公开日2007年7月4日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者禹仁秀, 朴浚植, 郑谱永, 金正吉, 李钟凤 申请人:Posco公司
最新回复(0)