一种高强度低密度钢材焊接工艺制造技术

本发明专利技术属于焊接技术领域，公开了一种高强度低密度钢材焊接工艺，包括以下步骤：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；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；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，得到焊缝中析出Fe3Al相的退火件。采用本发明专利技术中的技术方案为Fe‑Mn‑Al‑C系低密度钢提供了一种焊接工艺，得到的工件力学性能高。

A Welding Process for High Strength and Low Density Steel

The invention belongs to the field of welding technology, and discloses a welding process for high strength and low density steel, which includes the following steps: preheating, holding the steel to be welded for 20-45 minutes at 300-350 C, and the thickness of the steel is 2-3.5mm; welding, using TIG welding process to obtain welding parts, welding voltage is 10-14V, welding current is 120-160A, and welding process. Inert gas is used as shielding gas, the shielding gas flow rate is 7-9L/min and the welding speed is 13-17cm/min. After annealing, the welded parts obtained by step 2 are put into the heat treatment furnace with initial temperature of 400-450 degrees C, heated to 680-730 degrees C for 1-2 hours, then cooled to 300-350 degrees C in the heat treatment furnace, and the welded parts are cooled to room temperature to obtain the precipitation of Fe3Al phase in the weld. Annealed parts. The technical scheme of the invention provides a welding process for the low density steel of Fe Mn Al C system, and the mechanical properties of the workpiece obtained are high.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度低密度钢材焊接工艺
本专利技术属于焊接工艺
，具体涉及一种高强度低密度钢材焊接工艺。
技术介绍
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，专利技术人做了大量的试验。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保护焊等通过专利技术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，因此本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供如下基础方案：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：专利技术人通过大量的研究，研发了一种高强度低密度钢材焊接工艺，专利技术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，在对本专利技术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，在对本专利技术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。而专利技术人通过对本专利技术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，而专利技术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，终锻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：所述步骤2中的惰性气体为纯度高于99.99％的氩气。4.根据权利要求1所述的一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：所述步骤2中的焊接件焊缝凝固完毕后，立刻对焊缝进行敲打。5.根据权利要求1所述的一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：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。6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种高强度低密度钢材焊接工艺，其特征在于：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。7.根据权利要求6所述的一种高强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋业华，郑椿，冯晶，种晓宇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53