馬氏體鉻鋼是一種面向未來的鋼材品種，具有重量輕、耐腐蝕的特點，這種鋼也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。近期，弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）使用以此材料制造的復雜組件，作為激光焊接和熱處理的演示組件。

研究人員以馬氏體微觀架構X46Cr13（1.4034）硬鉻鋼為對象，研究其在類似和不同的接頭上焊接做裝配應用的表現(xiàn)。在過去，這種類型的鋼由于含碳量高，常常被認為難以焊接。

這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Martin Dahmen解釋說：“我們主要關注不同材料的混合、冶金及最終性能。”

熱處理產生更好的連接效果

熱處理可以提高焊接質量。為此，在加工工序之外（車間現(xiàn)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。在隨后的剪切拉伸試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)焊縫質量有所提高。

“我們發(fā)現(xiàn)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，斷裂表面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。

■不同焊接接頭之間的沖壓硬化馬氏體鉻鋼（頂端厚度0.9mm）和高錳鋼（底端厚度1.2mm）（圖片來源：Fraunhofer ILT）

不同焊縫的反應各不相同

但是應用不同化合物會產生怎樣的結果呢？回火行為不同，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400℃也能實現(xiàn)很好的效果。這種情況與其他材料不同：處理硬質錳硼鋼時要小心，因為它們在300℃時就會失去強度，而這個溫度對1.4034鋼沒有很大影響。

表面涂層改善了激光熱處理

實驗得出的數(shù)據為未來的激光熱處理帶來解決方案。研究所展示了一種在半導體激光器的下游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，以便只對關鍵材料進行加工。表面的光學特性可以專門用于熱處理。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(qū)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(fā)展基于激光的加工過程。

這些結果可作為依據，計算、設計安裝有防撞架的電池盒。模塊載體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制成時，弗勞恩霍夫激光技術研究所用高比能吸收來吸收沖擊力。高比能吸收來自于變相孿晶。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，后者的整體設計重量可達150公斤。

作為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）

無需工具的充氣流程

建造和測試將很快進行：防撞架將在內部壓力模具中成型。這種效果相當于液壓成形，但沒有工具和溫度控制。Dahmen解釋道：“我們將兩塊板材平行焊接在一起。用一種壓力介質給組件充氣，充出想要的形狀。”他還表示：“科學家認為，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目。”

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

位于德國杜塞爾多夫的鋼應用研究協(xié)會（FOSTA）進行的IFG 19556 N/P1175研究項目“研究馬氏體不銹鋼維護焊接條件以及焊接接頭的技術設計”，通過德國工業(yè)聯(lián)合會研究協(xié)會（AiF）得到了聯(lián)邦經濟和能量部的支持，成為德國聯(lián)邦議院決定實施的促進工業(yè)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帕德博恩大學材料與連接技術實驗室以及達姆施塔特技術大學系統(tǒng)可靠性、自適應結構和機器聲學研究部門合作進行。