本发明属于焊接工艺
技术领域：
，具体涉及一种高强度低密度钢材焊接工艺。
背景技术：
：随着中国经济持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势，截至2018年底，全国机动车保有量达3.27亿辆。研究表明：汽车燃油消耗与其车身自重成线性关系，在其他条件不变的前提下，汽车重量每减少10％，燃油消耗可降低6～8％，而每减少1l的燃油消耗，就会少排放2.45kg的co2，可见减小汽车尾气的排放对环境的影响是非常大的。另外，在航空航天领域，航天器的减重也是意义非凡的，不仅降低油耗，减少排放，也降低运营成本，进而提升航程。fe-mn-al-c系低密度钢，由于其具备优异的力学性能以及低密度、耐腐蚀等优点，可开发用作低能耗、低co2排放的轻量化汽车车身材料，这种低密度高强度的优点依赖于一些轻元素的添加，如c，al，mn，这些元素的加入也决定了材料的相结构。根据奥氏体稳定元素(mn，c)与铁素体形成元素(al，si)的比例，铁锰铝碳钢可分为奥氏体单相钢、奥氏体基双相钢、铁素体基双相钢和铁素体单相钢，而不同种铁锰铝碳钢的力学性能有所差异，在寻求一种既具备高强度和高耐腐蚀性能，同时又具备较低密度的铁锰铝碳钢，发明人做了大量的试验。另外由于目前fe-mn-al-c系低密度钢还处于理论研究阶段，还未投入到实际的生产应用当中，因此该系列材料的制备及焊接工艺均处于探索的阶段，而钢材常用的焊接方式，如电弧焊、co2保护焊等通过发明人的试验发现这些工艺在对fe-mn-al-c系低密度钢的焊接性能上有很多不利的影响，因此本发明主要为寻找一种适用于fe-mn-al-c系低密度钢的焊接工艺，保证fe-mn-al-c系低密度钢焊接后力学性能有所提升。技术实现要素：本发明意在提供一种适用于高强度低密度钢材的焊接工艺，以提升工件焊接后的力学性能。为实现上述目的，本发明提供如下基础方案：一种高强度低密度钢材焊接工艺，所述钢材的化学通式为fe-29mn-9al-0.9c，包括以下步骤：步骤1：预热，将待焊接的钢材在300～350℃温度下保温20～45min，所述钢材的厚度为2～3.5mm；步骤2：焊接，采用tig焊接工艺进行焊接得到焊接件，焊接电压为10～14v，焊接电流为120～160a，焊接过程中采用惰性气体作为保护气体，保护气体流速为7～9l/min，焊接速度13～17cm/min；步骤3：退火处理，将采用步骤2得到的焊接件放入初始温度为400～450℃热处理炉中，升温至680～730℃，保温1～2h，后在热处理炉中冷却至300～350℃，取出焊接件冷却至室温，得到退火件，所述退火件的组织结构由铁素体相、奥氏体相及fe3al相组成。本技术方案的有益效果：发明人通过大量的研究，研发了一种高强度低密度钢材焊接工艺，发明人在研发过程中首先采用了钢材焊接最常用的两种焊接工艺，一是电弧焊，在对本发明中的钢材焊接之后发现，大量的al2o3出现，使得焊缝形成了大量的裂纹，焊接件的力学性能大幅度的降低；二是co2保护焊，在对本发明中的钢材进行焊接后发现，焊缝中形成的al2o3减少，但得到的焊接件晶粒粗大，力学性能如抗拉强度、塑形等大幅度的下降。而发明人通过对本发明中的钢材进行了大量的研究分析后得到了本方案中的焊接工艺。综上所述，本技术方案具有以下技术效果：1、本方案中钢材在预热之后，钢材焊接区域的组织软化，效果在于，一方面，软化后的组织在焊接时，向外飞溅的焊渣减少，降低对操作人员的危险性，另一方面，相较于未预热直接进行焊接的方式，由于该种方式tig焊接中的高温电极与低温(室温)的钢材接触，促使钢材焊接区的晶粒长大，而减少了铁素体第二相的析出，使得焊缝的脆性提高，塑形降低，而本方案中tig焊接中的高温电极与高温(300～350℃)的钢材接触，使得焊接区中铁素体能够快速从奥氏体中析出，对晶粒的生长影响较小，晶粒不会快速的生长。2、本方案中的退火处理旨在对步骤2中的焊接件进行退火处理，消除焊缝处的应力，同时对铁素体和奥氏体两相的晶粒进行均匀化处理，以提高焊缝的力学性能，而发明人发现在这个过程中，还析出了fe3al相，对焊缝处的结构起到了弥散强化的作用。而析出fe3al相的原因在于我们退火处理工艺步骤的设置，首先与通常将焊接件随炉升温(将焊接件放入热处理炉中，从室温开始加热)不同，本方案中焊接件放入时，热处理炉的初始温度已经达到了400～450℃，这样焊接件能够快速的升温，这样使得fe3al相快速析出，此时析出的fe3al相尺寸较小，且未在奥氏体相中均匀的分布；因此当焊接件在680～730℃，保温1～2h的过程中，fe3al相长大，且逐渐的均布在铁素体与奥氏体两相之间；在焊接件取出之前，将热处理炉的温度降低到了300～350℃，这样处理的目的是避免焊接件过快的冷却，使得fe3al相不稳定，fe3al相迅速长大反而使得焊缝的力学性能下降。进一步，所述步骤1中的钢材在预热前，对钢材的表面进行除锈、去油污和打磨处理。有益效果：这样处理是避免钢材表面的锈迹或油污对形成焊缝的影响。进一步，所述步骤2中的惰性气体为纯度高于99.99％的氩气。有益效果：高纯度的氩气是为了降低焊接时钢材中的al原子与氧气接触的机会，降低焊缝中al2o3的含量，进而提高焊接件的力学性能。进一步，所述步骤2中的焊接件在焊缝凝固完毕后，立刻对焊缝进行敲打。有益效果：由于焊接应力和焊缝的变形主要是焊后焊缝发生缩短所引起的，因此使焊缝适当延展伸长，可以补偿缩短，从而减小焊接应力和变形；因此在焊接完成后，通过对焊缝进行敲击可以适当的延伸焊缝，减小应力和变形。进一步，所述步骤3中热处理炉的升温速率为120～150℃/h，热处理炉的降温速率为80～100℃/h。有益效果：通过实验证明，采用该升温速率与降温速率能够保证焊缝中的fe3al相能够稳定均匀的弥散分布在奥氏体相之间。进一步，所述fe-29mn-9al-0.9c钢材原料包括质量百分比为51.35％的纯铁、3.6％的铬铁、5.3％的镍铁、0.95％的石墨碳、0.3％的单质硅、29％的电解锰和9.5％的铝块。有益效果：采用上述配比制备的fe-29mn-9al-0.9c钢材强度达到905mpa，其密度为6.82g/cm3，与纯铁密度7.86g/cm3相比，密度降低了13.2％，具有优良的减重潜力。进一步，所述fe-29mn-9al-0.9c钢材的制备工艺，包括以下步骤：步骤(1)：装料，将质量百分比为51.35％的纯铁、3.6％的铬铁、5.3％的镍铁、0.05％的石墨碳和0.3％的单质硅放置在真空感应炉的坩埚内，将29％的电解锰、0.9％的石墨碳和9.5％的铝块分别放置在真空感应炉的原料槽内，抽真空使真空感应炉内压强降到20pa以下；步骤(2)：熔化，启动真空感应炉使坩埚中的原料熔化，待原料完全熔化后，关闭电源；步骤(3)：合金化，再次打开真空感应炉的电源，采用30～35kw功率加热，将原料槽中的电解锰和石墨碳加入坩埚中，10～15min后将原料槽内的铝块加入坩埚中；0.8～1.5h后去除真空，出钢浇注，冷却后得到钢锭；步骤(4)：锻造，将步骤3得到的钢锭在1050～1100℃温度下进行初锻，于850～900℃温度下进行终锻，终锻后空冷至室温。本技术方案的有益效果：采用上述工艺制备的钢材中夹杂物较少，钢材的纯度较高，力学性能和加工性能较好。进一步，所述fe-29mn-9al-0.9c钢材的制备工艺步骤(1)中的原料在装料之前对原料的表面进行除锈和去油污处理。有益效果：进行除锈和去油污处理能够尽量降低钢水中夹杂物的含量，提高钢锭的纯度。进一步，所述fe-29mn-9al-0.9c钢材的制备工艺步骤(2)中包括三个阶段，第一阶段，真空感应炉加热功率为10kw，加热时间为10min；第二阶段，将真空感应炉的功率调至50kw，直到原材料完全熔化为钢水；第三阶段，将真空感应炉的功率下调至30kw，30～35min后关闭真空感应炉的电源。有益效果：分阶段的加热使得原料逐层熔化，而逐层熔化的方式使得原料中的气体及非金属夹杂物也逐层的被排出去，避免原料过快的熔化，其内部的气体和夹渣物来不及排出即溶解在钢水中。进一步，所述fe-29mn-9al-0.9c钢材的制备工艺步骤(4)中的钢锭在锻造之前放入热处理炉中，加热至1180℃，保温2h。有益效果：这样处理的目的在于使得钢锭中的成分均匀化，使得钢锭中的合金均匀的扩散到各晶粒中，减少合金在晶界处的聚集，进而提高了钢锭的可塑性。附图说明图1为本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺实施例3的工艺示意图；图2为本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺实施例3得到的焊缝金相组织图；图3为本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺实施例3焊缝处的拉伸应力应变曲线图；图4为本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺实施例9得到的焊缝金相组织图；图5为本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺实施例9焊缝处的拉伸应力应变曲线图。具体实施方式下面通过具体实施方式进一步详细说明：本发明提供了一种高强度低密度钢材焊接工艺，其中本发明中高强度低密度钢材的化学通式为fe-29mn-9al-0.9c，其原料包括质量百分比为51.35％的纯铁、3.6％的铬铁、5.3％的镍铁、0.95％的石墨碳、0.3％的单质硅、29％的电解锰和9.5％的铝块，该钢材的制备工艺包括以下步骤：步骤(1)：装料，在装料前对上述原料的表面进行除锈和去油污处理，后将质量百分比为51.35％的纯铁、3.6％的铬铁、5.3％的镍铁、0.05％的石墨碳和0.3％的单质硅放置在真空感应炉的坩埚内，将29％的电解锰、0.9％的石墨碳和9.5％的铝块分别放置在真空感应炉的原料槽内，打开真空机组抽真空使真空感应炉内压强降到20pa以下。步骤(2)：熔化，启动真空感应炉使坩埚中的原料熔化，包括三个阶段，第一阶段，真空感应炉加热功率为10kw，加热时间为10min；第二阶段，将真空感应炉的功率调至50kw，直到坩埚中的原材料完全熔化为钢水；第三阶段，将真空感应炉的功率下调至30kw，30～35min后关闭真空感应炉的电源，由于此时原料中大部分氧与石墨碳反应，生成co或co2，另外原料中的挥发性杂质排出，使得真空感应炉的真空度降低，因此需要对真空感应炉重新抽真空处理，具体为：打开充气阀门，向真空感应炉内充入氩气，同时打开真空机组，直至真空感应炉内的压强降至0.12mpa以下。步骤(3)：合金化，再次打开真空感应炉的电源，采用30～35kw功率加热，将原料槽内的电解锰和石墨碳加入坩埚中，10～15min后将原料槽内的铝块加入坩埚中；0.8～1.5h左右待钢水的液面平稳后，去除真空，即打开真空感应炉的放气阀，使真空感应炉内的气压恢复大气压，出钢浇注，冷却后得到钢锭，后将钢锭放入热处理炉内加热至1180℃，保温2h，进行均匀化处理。步骤(4)：锻造，将步骤3得到的钢锭在1050～1100℃温度下进行初锻，于850～900℃温度下进行终锻，终锻后空冷至室温。通过上述工艺制备的fe-29mn-9al-0.9c钢材抗拉强度达到905mpa，与纯铁抗拉强度170～270mpa相比，该钢材的抗拉强度大幅度提高，另外fe-29mn-9al-0.9c钢材的密度为6.82g/cm3，与纯铁密度7.86g/cm3相比，密度降低了13.2％，具有优良的减重潜力。本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺，发明人通过大量的实验得出了在本发明的参数范围内，得到的工件的抗拉强度高、组织的稳定性较好，而本申请中列举了其中的10组进行了说明。表1一种高强度低密度钢材焊接工艺的实施例1-10中的各工艺参数现以实施例3为例，对本发明一种高强度低密度钢材焊接工艺进行说明。一种高强度低密度钢材焊接工艺，包括以下步骤，如图1所示，为本实施例的工艺的示意图：步骤1：预热，在预热前先采用砂轮机对钢材的外周进行打磨处理，直至钢材的外周光亮，再采用丙酮对fe-29mn-9al-0.9c钢材表面进行除油污处理，将处理后的钢材在300℃温度下的热处理炉中保温20min。步骤2：焊接，采用tig焊接工艺，即非熔化极惰性气体保护电弧焊，焊接电压为10v，焊接的电流为120a，焊接过程中采用纯度高于99.99％的氩气作为保护气体，保护气体的流速为7l/min，焊接速度为13cm/min；焊接完成后得到焊接件，待焊接件的焊缝凝固完毕后，立刻采用工具锤轻敲焊接件的焊缝，工具锤敲击产生的振动使得焊缝的应力得到释放。步骤3：将步骤2中冷却至室温的焊接件装入初始温度为400℃的热处理炉中，按照120℃/h速率升温至680℃，保温1h，后在热处理炉中以90℃/h的速率冷却至300℃，后取出冷却至室温得到退火件，其中退火件的组织结构由铁素体相、奥氏体相及fe3al相组成。实施例1-2、4-10与实施例3的焊接工艺相同，区别仅在于如表1所示的各个工艺参数不同。另外设置6组对比例与实施例1-10进行对比实验。表2为对比例1-6各工艺参数(“--”表示无该参数)对比例1-5与实施例1-10采用的钢材相同，区别仅在于如表2所示的焊接参数不同，对比例6与实施例3的区别在于没有经过退火处理步骤。利用实施例1-10、对比例1-6提供的工件进行以下实验：1、室温拉伸实验：将采用实施例1-10和对比例1-6的工艺制备的工件加工为拉伸试件，利用日本岛津生产的型号为ags-x100kn拉力试验机，最大试验载荷100kn，试验载荷精度为显示值的±0.5％以内，试验速率调整范围为0.001～800mm/min，速度精度为±0.1％，返回速度为1100mm/min，位置检测分辨率为0.033μm，数据采样间隔：1ms。将实施例1-10、对比例1-6的拉伸试件放入拉力试验机，并夹紧，使试样处于无应力状态。在测试软件中校准载荷并归零，输入拉伸试样尺寸，设定拉伸速率为3mm/min。开始定速率拉伸，直至试样断裂，保存数据。如表3所示，表3中a表示各试件的抗拉强度(mpa)；b表示各试件发生断裂的应变(％)。如图2和图4所示，为实施例3与实施例9的拉伸应力应变曲线图，从图2和图4中可以看出，拉伸试样的弹性形变阶段较短，在应力为300mpa左右，应变为1.5％左右时，拉伸试样所受应力迅速增大。在应变为1.5％到8％的阶段时，拉伸试样已经开始发生塑形变形，但应力变化速率远大于常规的强化阶段。当应变大于8％时，进入强化阶段，这时候试件的强度随着应变增加，提高速度变得较为缓慢，在达到极限抗拉强度后，很快发生断裂，颈缩阶段很短。由此可以表明试件的抗拉强度较大，且塑形变形阶段承受的应变较大。表3为实施例1-10各试件的抗拉强度与断裂时的应变表表4为对比例1-6各试件的抗拉强度与断裂时的应变表对比例123457a810790705765730580b2827.825.227.226.212由表3和表4可知，采用本发明中提供的焊接工艺，得到的工件抗拉强度高，甚至超过了母材的拉伸强度，焊缝的力学性能得到极大的改善，另外塑形变形过程中承受的应变较大，其中以实施例3的工艺参数为最佳，而未经过退火处理步骤的工件抗拉强度低，塑形变形过程中能承受的应变也较小。2、金相检测：将实施例1-10、对比例1-6提供的焊接件采用线切割切下10×5×2mm的块状，利用型号为eclipsema200，尼康所生产的光学显微镜进行金相观察。采用尼康cfi60光学系统，放大倍数为50～2000倍，12v100w卤素灯照明，然后用树脂进行冷镶样法制备出直径为30mm的镶嵌样品。接下来依次使用200#、400#、600#、800#、1000#、1200#型号的金相砂纸人工手磨，随后使用金刚石抛光膏在抛光机上对样品表面进行抛光处理，使试样表面为光滑镜面。抛光后的试样采用6％硝酸酒精溶液进行腐蚀，腐蚀的时间大致在1.5min左右，腐蚀后用大量蒸馏水冲洗，然后酒精冲洗，与此同时用吹风机热风吹干。最后使用光学显微镜对处理后的试样进行金相组织观察。以实施例3与实施例9为例，如图3与图5所示，退火件的焊缝处，较为均匀的弥散分布有fe3al相，且图5中析出的fe3al相相较于图3中的更多，但结合拉伸实验可知，实施例9所得的退火件的拉伸强度要低于实施例3，因此在退火处理过程中析出的fe3al相并非越多越好。以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。当前第1页12