马氏体铬钢是一种面向未来的钢材品种，重量轻、耐腐蚀，是汽车应用的理想钢材。这些材料在电动汽车防碰撞电池盒的设计中尤其需要。因此，位于德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所（FraunhoferILT），使用以此材料制造的复杂组件作为激光焊接和热处理的演示组件。

作为德国古里克工业研究联盟联合会（AiF）研究项目FAAM的一部分，由钢应用研究协会（FOSTA）支持，来自各行业的专家和研究机构于2020年夏天召开了最终在线会议，讨论了各等级钢材的现状。会议聚焦马氏体铬钢带来的新的轻型结构解决方案，以及多种物件之间的焊接技术和顶面接缝。

作为高强度和超高强度钢的焊接和热处理的演示 组件，弗劳恩霍夫激光技术研究所的电池盒非常 轻巧，在建造和测试阶段均带有防撞框架（图片 来源：Fraunhofer ILT）

具体来说就是，弗劳恩霍夫激光技术研究所研究了以马氏体微观架构X46Cr13（1.4034）硬铬钢在类似及不同的接头上焊接，做装配应用的表现。这种钢由于含碳量高，被认为很难焊接。那些不同接头是由硬化高锰钢（1.4678）、压制硬化锰硼钢（1.5528）、高强度双相钢（1.0944）和冷轧细晶结构钢（1.0984）组合而成。

弗劳恩霍夫激光技术研究所焊接切割部门的MartinDahmen解释说：“我们主要关注不同材料的混合、冶金及最终性能。”

热处理产生更好的连接效果

热处理可以提高焊接质量。为此，在加工工序之外（车间现场外），对同类型1.4034接头的线状接缝在搭接接头中进行300℃~700℃的热处理。在随后的剪切拉伸试验中，研究人员发现焊缝质量有所提高。“我们发现在400℃~500℃时能够获得最高强度和最低硬度，”Dahmen解释说，“值得注意的是，在400℃时，断裂表面的高延性破坏比例很高。”研究人员的目标是缩短保温时间，以便使用激光辐射进行热处理。

不同焊缝的反应各不相同

但是应用不同化合物会产生怎样的结果呢？回火行为不同，结果就不同。对1.4034钢和双相细晶组织钢组合的研究表明，回火温度为400℃也能实现很好的效果。这种情况与其他材料不同：处理硬质锰硼钢时要小心，因为它们在300℃时就会失去强度，而这个温度对1.4034钢没有很大影响。

不同焊接接头之间 的冲压硬化马氏体铬钢（顶端厚度 0.9 mm）和高锰钢（底 端厚度 1.2 mm）（图 片来源：Fraunhofer ILT）

表面涂层改善了激光热处理

实验得出的数据为未来的激光热处理带来解决方案。研究所展示了一种在半导体激光器的下游加工过程中有效的回火方法。测量的硬度值表明温度可达650℃，这是将材料回火却不损失其强度的最高温度。激光热处理允许在搭接处进行选择性热处理，以便只对关键材料进行加工。表面的光学特性可以专门用于热处理。对此Dahmen进行了相应描述：“焊缝吸收程度增加导致焊缝和熔合线回火，而热影响区接收的热量输入较少。调整强度分布，就有可能显著提高效率。”

电池盒显示焊接质量

测试表明，激光不能对硬化奥氏体和冷轧细晶粒组织钢进行热处理。在400℃时，激光可以回火处理1.4034/双相钢DP980这样的材料组合。弗劳恩霍夫激光技术研究所计划在未来项目中利用这些结果进一步发展基于激光的加工过程。

这些结果可作为依据，计算、设计安装有防撞架的电池盒。模块载体由超高强度和超延展性钢的混合材料组成。当碰撞架由非硬化高锰钢制成时，弗劳恩霍夫激光技术研究所用高比能吸收来吸收冲击力。高比能吸收来自于变相孪晶。得益于这种组合，电池的空载重量约为70公斤，大大低于传统的钢电池盒，后者的整体设计重量可达150公斤。

无需工具的充气流程

建造和测试将很快进行：防撞架将在内部压力模具中成型。这种效果相当于液压成形，但没有工具和温度控制。Dahmen解释道：“我们将两块板材平行焊接在一起。用一种压力介质给组件充气，充出想要的形状。”他还表示：“科学家认为，端面接缝的研究前景非常广阔，今后还将开展更广泛的研究项目。”

针对此应用领域，总部位于德国柏林的Scansonic应用技术公司的ChristophWendt开发了一种特殊的激光头，并在这些接缝处进行了密集操作。Dahmen总结了这一工艺的优势表示：“该技术能实现更窄的凸缘，既能节省材料，又能减轻重量。”

位于德国杜塞尔多夫的钢应用研究协会（FOSTA）进行的IFG19556N/P1175研究项目“研究马氏体不锈钢维护焊接条件以及焊接接头的技术设计”，通过德国工业联合会研究协会（AiF）得到了联邦经济和能量部的支持，成为德国联邦议院决定实施的促进工业合作研究（IGF）项目的一部分。该项目由弗劳恩霍夫激光技术研究所与帕德博恩大学材料与连接技术实验室以及达姆施塔特技术大学系统可靠性、自适应结构和机器声学研究部门合作进行。