馬氏體(ti) 鉻鋼是一種麵向未來的鋼材品種，重量輕、耐腐蝕，是汽車應用的理想鋼材。這些材料在電動汽車防碰撞電池盒的設計中尤其需要。因此，位於(yu) 德國亞(ya) 琛的弗勞恩霍夫激光技術研究所（FraunhoferILT），使用以此材料製造的複雜組件作為(wei) 激光焊接和熱處理的演示組件。

作為(wei) 德國古裏克工業(ye) 研究聯盟聯合會(hui) （AiF）研究項目FAAM的一部分，由鋼應用研究協會(hui) （FOSTA）支持，來自各行業(ye) 的專(zhuan) 家和研究機構於(yu) 2020年夏天召開了最終在線會(hui) 議，討論了各等級鋼材的現狀。會(hui) 議聚焦馬氏體(ti) 鉻鋼帶來的新的輕型結構解決(jue) 方案，以及多種物件之間的焊接技術和頂麵接縫。

作為(wei) 高強度和超高強度鋼的焊接和熱處理的演示 組件，弗勞恩霍夫激光技術研究所的電池盒非常 輕巧，在建造和測試階段均帶有防撞框架（圖片 來源：Fraunhofer ILT）

具體(ti) 來說就是，弗勞恩霍夫激光技術研究所研究了以馬氏體(ti) 微觀架構X46Cr13（1.4034）硬鉻鋼在類似及不同的接頭上焊接，做裝配應用的表現。這種鋼由於(yu) 含碳量高，被認為(wei) 很難焊接。那些不同接頭是由硬化高錳鋼（1.4678）、壓製硬化錳硼鋼（1.5528）、高強度雙相鋼（1.0944）和冷軋細晶結構鋼（1.0984）組合而成。

弗勞恩霍夫激光技術研究所焊接切割部門的MartinDahmen解釋說：“我們(men) 主要關(guan) 注不同材料的混合、冶金及最終性能。”

熱處理產(chan) 生更好的連接效果

熱處理可以提高焊接質量。為(wei) 此，在加工工序之外（車間現場外），對同類型1.4034接頭的線狀接縫在搭接接頭中進行300℃~700℃的熱處理。在隨後的剪切拉伸試驗中，研究人員發現焊縫質量有所提高。“我們(men) 發現在400℃~500℃時能夠獲得最高強度和最低硬度，”Dahmen解釋說，“值得注意的是，在400℃時，斷裂表麵的高延性破壞比例很高。”研究人員的目標是縮短保溫時間，以便使用激光輻射進行熱處理。

不同焊縫的反應各不相同

但是應用不同化合物會(hui) 產(chan) 生怎樣的結果呢？回火行為(wei) 不同，結果就不同。對1.4034鋼和雙相細晶組織鋼組合的研究表明，回火溫度為(wei) 400℃也能實現很好的效果。這種情況與(yu) 其他材料不同：處理硬質錳硼鋼時要小心，因為(wei) 它們(men) 在300℃時就會(hui) 失去強度，而這個(ge) 溫度對1.4034鋼沒有很大影響。

不同焊接接頭之間 的衝(chong) 壓硬化馬氏體(ti) 鉻鋼（頂端厚度 0.9 mm）和高錳鋼（底 端厚度 1.2 mm）（圖 片來源：Fraunhofer ILT）

表麵塗層改善了激光熱處理

實驗得出的數據為(wei) 未來的激光熱處理帶來解決(jue) 方案。研究所展示了一種在半導體(ti) 激光器的下遊加工過程中有效的回火方法。測量的硬度值表明溫度可達650℃，這是將材料回火卻不損失其強度的最高溫度。激光熱處理允許在搭接處進行選擇性熱處理，以便隻對關(guan) 鍵材料進行加工。表麵的光學特性可以專(zhuan) 門用於(yu) 熱處理。對此Dahmen進行了相應描述：“焊縫吸收程度增加導致焊縫和熔合線回火，而熱影響區接收的熱量輸入較少。調整強度分布，就有可能顯著提高效率。”

電池盒顯示焊接質量

測試表明，激光不能對硬化奧氏體(ti) 和冷軋細晶粒組織鋼進行熱處理。在400℃時，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研究所計劃在未來項目中利用這些結果進一步發展基於(yu) 激光的加工過程。

這些結果可作為(wei) 依據，計算、設計安裝有防撞架的電池盒。模塊載體(ti) 由超高強度和超延展性鋼的混合材料組成。當碰撞架由非硬化高錳鋼製成時，弗勞恩霍夫激光技術研究所用高比能吸收來吸收衝(chong) 擊力。高比能吸收來自於(yu) 變相孿晶。得益於(yu) 這種組合，電池的空載重量約為(wei) 70公斤，大大低於(yu) 傳(chuan) 統的鋼電池盒，後者的整體(ti) 設計重量可達150公斤。

無需工具的充氣流程

建造和測試將很快進行：防撞架將在內(nei) 部壓力模具中成型。這種效果相當於(yu) 液壓成形，但沒有工具和溫度控製。Dahmen解釋道：“我們(men) 將兩(liang) 塊板材平行焊接在一起。用一種壓力介質給組件充氣，充出想要的形狀。”他還表示：“科學家認為(wei) ，端麵接縫的研究前景非常廣闊，今後還將開展更廣泛的研究項目。”

針對此應用領域，總部位於(yu) 德國柏林的Scansonic應用技術公司的ChristophWendt開發了一種特殊的激光頭，並在這些接縫處進行了密集操作。Dahmen總結了這一工藝的優(you) 勢表示：“該技術能實現更窄的凸緣，既能節省材料，又能減輕重量。”

位於(yu) 德國杜塞爾多夫的鋼應用研究協會(hui) （FOSTA）進行的IFG19556N/P1175研究項目“研究馬氏體(ti) 不鏽鋼維護焊接條件以及焊接接頭的技術設計”，通過德國工業(ye) 聯合會(hui) 研究協會(hui) （AiF）得到了聯邦經濟和能量部的支持，成為(wei) 德國聯邦議院決(jue) 定實施的促進工業(ye) 合作研究（IGF）項目的一部分。該項目由弗勞恩霍夫激光技術研究所與(yu) 帕德博恩大學材料與(yu) 連接技術實驗室以及達姆施塔特技術大學係統可靠性、自適應結構和機器聲學研究部門合作進行。