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馬氏體鉻鋼是一種面向未來(lái)的鋼材品種，重量輕、耐腐蝕，是汽車應(yīng)用的理想鋼材。這些材料在電動(dòng)汽車防碰撞電池盒的設(shè)計(jì)中尤其需要。因此，位于德國(guó)亞琛的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（FraunhoferILT），使用以此材料制造的復(fù)雜組件作為激光焊接和熱處理的演示組件。
作為德國(guó)古里克工業(yè)研究聯(lián)盟聯(lián)合會(huì)（AiF）研究項(xiàng)目FAAM的一部分，由鋼應(yīng)用研究協(xié)會(huì)（FOSTA）支持，來(lái)自各行業(yè)的專家和研究機(jī)構(gòu)于2020年夏天召開了最終在線會(huì)議，討論了各等級(jí)鋼材的現(xiàn)狀。會(huì)議聚焦馬氏體鉻鋼帶來(lái)的新的輕型結(jié)構(gòu)解決方案，以及多種物件之間的焊接技術(shù)和頂面接縫。
作為高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼的焊接和熱處理的演示 組件，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的電池盒非常 輕巧，在建造和測(cè)試階段均帶有防撞框架（圖片 來(lái)源：Fraunhofer ILT）
具體來(lái)說(shuō)就是，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研究了以馬氏體微觀架構(gòu)X46Cr13（1.4034）硬鉻鋼在類似及不同的接頭上焊接，做裝配應(yīng)用的表現(xiàn)。這種鋼由于含碳量高，被認(rèn)為很難焊接。那些不同接頭是由硬化高錳鋼（1.4678）、壓制硬化錳硼鋼（1.5528）、高強(qiáng)度雙相鋼（1.0944）和冷軋細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼（1.0984）組合而成。
弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所焊接切割部門的MartinDahmen解釋說(shuō)：“我們主要關(guān)注不同材料的混合、冶金及最終性能。”
熱處理產(chǎn)生更好的連接效果
熱處理可以提高焊接質(zhì)量。為此，在加工工序之外（車間現(xiàn)場(chǎng)外），對(duì)同類型1.4034接頭的線狀接縫在搭接接頭中進(jìn)行300℃~700℃的熱處理。在隨后的剪切拉伸試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量有所提高。“我們發(fā)現(xiàn)在400℃~500℃時(shí)能夠獲得最高強(qiáng)度和最低硬度，”Dahmen解釋說(shuō)，“值得注意的是，在400℃時(shí)，斷裂表面的高延性破壞比例很高。”研究人員的目標(biāo)是縮短保溫時(shí)間，以便使用激光輻射進(jìn)行熱處理。
不同焊縫的反應(yīng)各不相同
但是應(yīng)用不同化合物會(huì)產(chǎn)生怎樣的結(jié)果呢？回火行為不同，結(jié)果就不同。對(duì)1.4034鋼和雙相細(xì)晶組織鋼組合的研究表明，回火溫度為400℃也能實(shí)現(xiàn)很好的效果。這種情況與其他材料不同：處理硬質(zhì)錳硼鋼時(shí)要小心，因?yàn)樗鼈冊(cè)?00℃時(shí)就會(huì)失去強(qiáng)度，而這個(gè)溫度對(duì)1.4034鋼沒(méi)有很大影響。
不同焊接接頭之間 的沖壓硬化馬氏體鉻鋼（頂端厚度 0.9 mm）和高錳鋼（底 端厚度 1.2 mm）（圖 片來(lái)源：Fraunhofer ILT）
表面涂層改善了激光熱處理
實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)為未來(lái)的激光熱處理帶來(lái)解決方案。研究所展示了一種在半導(dǎo)體激光器的下游加工過(guò)程中有效的回火方法。測(cè)量的硬度值表明溫度可達(dá)650℃，這是將材料回火卻不損失其強(qiáng)度的最高溫度。激光熱處理允許在搭接處進(jìn)行選擇性熱處理，以便只對(duì)關(guān)鍵材料進(jìn)行加工。表面的光學(xué)特性可以專門用于熱處理。對(duì)此Dahmen進(jìn)行了相應(yīng)描述：“焊縫吸收程度增加導(dǎo)致焊縫和熔合線回火，而熱影響區(qū)接收的熱量輸入較少。調(diào)整強(qiáng)度分布，就有可能顯著提高效率。”
電池盒顯示焊接質(zhì)量
測(cè)試表明，激光不能對(duì)硬化奧氏體和冷軋細(xì)晶粒組織鋼進(jìn)行熱處理。在400℃時(shí)，激光可以回火處理1.4034/雙相鋼DP980這樣的材料組合。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所計(jì)劃在未來(lái)項(xiàng)目中利用這些結(jié)果進(jìn)一步發(fā)展基于激光的加工過(guò)程。
這些結(jié)果可作為依據(jù)，計(jì)算、設(shè)計(jì)安裝有防撞架的電池盒。模塊載體由超高強(qiáng)度和超延展性鋼的混合材料組成。當(dāng)碰撞架由非硬化高錳鋼制成時(shí)，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所用高比能吸收來(lái)吸收沖擊力。高比能吸收來(lái)自于變相孿晶。得益于這種組合，電池的空載重量約為70公斤，大大低于傳統(tǒng)的鋼電池盒，后者的整體設(shè)計(jì)重量可達(dá)150公斤。
無(wú)需工具的充氣流程
建造和測(cè)試將很快進(jìn)行：防撞架將在內(nèi)部壓力模具中成型。這種效果相當(dāng)于液壓成形，但沒(méi)有工具和溫度控制。Dahmen解釋道：“我們將兩塊板材平行焊接在一起。用一種壓力介質(zhì)給組件充氣，充出想要的形狀。”他還表示：“科學(xué)家認(rèn)為，端面接縫的研究前景非常廣闊，今后還將開展更廣泛的研究項(xiàng)目。”
針對(duì)此應(yīng)用領(lǐng)域，總部位于德國(guó)柏林的Scansonic應(yīng)用技術(shù)公司的ChristophWendt開發(fā)了一種特殊的激光頭，并在這些接縫處進(jìn)行了密集操作。Dahmen總結(jié)了這一工藝的優(yōu)勢(shì)表示：“該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更窄的凸緣，既能節(jié)省材料，又能減輕重量。”
位于德國(guó)杜塞爾多夫的鋼應(yīng)用研究協(xié)會(huì)（FOSTA）進(jìn)行的IFG19556N/P1175研究項(xiàng)目“研究馬氏體不銹鋼維護(hù)焊接條件以及焊接接頭的技術(shù)設(shè)計(jì)”，通過(guò)德國(guó)工業(yè)聯(lián)合會(huì)研究協(xié)會(huì)（AiF）得到了聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能量部的支持，成為德國(guó)聯(lián)邦議院決定實(shí)施的促進(jìn)工業(yè)合作研究（IGF）項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所與帕德博恩大學(xué)材料與連接技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以及達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)可靠性、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和機(jī)器聲學(xué)研究部門合作進(jìn)行。
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