CN102985209B - 使用氧化性气体弧焊镀铝金属部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用保护气体焊接至少一个包含铝基表面镀层的金属部件的电弧焊方法。根据本发明，所述金属部件的金属仅通过电弧来熔化，而不使用任何激光束。本发明特征在于，所述保护气体包含由氩气和/或氦气、氮气以及从氧气和二氧化碳中选择的氧化剂混合组成的混合物。

Description

使用氧化性气体弧焊镀铝金属部件的方法

技术领域

本发明涉及一种使用保护气体电弧焊钢部件的方法，该钢部件包含铝基表面镀层，特别是铝硅镀层，所述保护气体由氮气、氩气和/或氦气组成并包含按体积计算小于10%的CO₂或O₂。

背景技术

某些镀有铝或铝基合金的钢（例如USIBOR^TM钢）在热拉伸后具有非常高的机械性能，因此为了减轻重量，这些钢在汽车制造领域使用日益增加。确实，这些钢被设计为经过热处理后在热拉伸操作过程中淬火，由此获得的机械性能使得能够与标准高屈服强度钢相比显著减轻车辆重量。它们主要用于制造缓冲梁、车门加强部件、中心柱、车窗柱等。

其他镀有铝或铝合金的钢由于具有耐腐蚀和耐热性也被使用。特别应提及的是用于外部构架或开关箱的钢，用于消声器、热隔板、锅炉外套、烟囱内衬以及在电厂中或在石化行业中应用的和钢。

理论上，所有传统弧焊方法，例如MIG焊、MAG焊或其他硬钎焊方法都可以用于这些镀铝钢的装配。

但是，在实践中已观察到，在弧焊镀有铝或铝合金的部件之后，在焊接接头的焊缝金属区出现具有低拉伸强度的相。该相由金属间化合物或δ铁素体组成。

以Usibor钢为例，经过分析，该相包含高比例的铝，这导致在其热处理期间在热拔之前没有钢的奥氏体转变，即该相保持在δ铁素体形态，其结果是与部件的经历马氏体/贝氏体转变的其余部分相比硬度低。

然而，该未转变的相可以导致接头的裂纹或甚至断裂。确实，焊缝中这些具有渗入铝的包含δ铁素体相的区域与母材金属相比具有低的抗裂性。

文件EP-A-1878531已经推荐了一种激光-电弧混合焊带有铝基表面镀层的钢部件的方法。

尽管这种方法在一些案例中得到好的结果，但是因为需要使电弧的作用与激光束的作用结合，其实施复杂。

此外，它使得需要投资弧焊电源以及最重要的是激光焊电源，这将导致高额的成本和可能影响总体工艺生产率的额外的维护操作。

MIG焊的应用目标是螺柱焊接或各种由镀铝钢板制成的零件的焊接，或是如消声器案例一样将两块板材焊接在一起。

因此，面对的问题是推荐一种实施简单的焊接方法，使得可以在焊接镀有铝或铝合金的钢部件的过程中，获得良好的焊接接头机械性能，特别是拉伸性能，也可以获得填充金属的稳定过渡。

发明内容

本发明的解决方案是一种使用保护气体电弧焊至少一个包含铝基表面镀层的钢部件的方法，其中该方法仅通过电弧熔化所述金属部件的金属，不包含任何激光束参与金属的熔化，其特征在于所述保护气体由氩气和/或氦气、氮气（N₂）及从氧气（O₂）和二氧化碳气体（CO₂）中选择的氧化剂混合组成。

因为气体混合物包括氩气、氦气或两者，在其中不仅加入氮气而且还加入O₂或CO₂，以组成Ar/N₂/CO₂,Ar/N₂/O₂,He/N₂/O₂或He/N₂/CO₂三元气体混合物或Ar/He/N₂/O₂或Ar/He/N₂/CO₂四元气体混合物，因此气体混合物至少是三元的。

根据已有规定，“用于电弧焊的方法”的表述被理解为定义一种焊接方法，该方法仅通过电弧熔化金属，因此不包括引入任何激光束参与熔化待焊部件的金属。由此，电弧/激光混合焊方法不包含于本发明领域，电弧单独存在所起的作用与被激光束辅助的电弧并不完全相同。

根据情况，本发明方法可包含一种或多种下述特征：

-保护气体包含至少0.025%和至多30%体积的氮气。

-保护气体包含至少0.025%和至多20%体积的氮气。

-保护气体包含至少0.025%和至多15%体积的氮气。

-保护气体包含至少3%体积的氮气。

-保护气体包含至少4%体积的氮气。

-保护气体包含少于10%体积的氮气。

-保护气体包含至多9%体积的氮气。

-保护气体包含至多8%体积的氮气。

-保护气体包含至多10%体积的氧气或CO₂。

-保护气体包含至多8%体积的氧气或CO₂。

-保护气体包含至少1%体积的氧气或CO₂。

-保护气体包含至少5%体积的氮气和/或至多7%体积的氮气，优选为约6%的氮气。

-保护气体包含至少5.5%体积的氮气和至多6.5%体积的氮气。

-钢部件包含厚度为5μm到100μm之间，优选为小于或等于50μm的铝基表面镀层。

-金属部件由带有铝硅基表面镀层的钢制成。

-金属部件包含铝硅基表面镀层，该镀层包含的铝的比例为硅的比例的5倍到100倍，例如90%重量比例的铝和10%重量比例的硅，即表面镀层中铝含量为硅含量的9倍。所述镀层覆盖所述一个或多个部件的至少一个表面，但是在所述一个或多个部件的端部边缘上即例如板材边缘上没有或几乎没有铝基镀层。

-所述一个或多个金属部件包含铝硅基表面镀层，该表面镀层包含的铝的比例为硅的比例的5倍到50倍，特别地，铝的比例为硅的比例5倍到30倍，特别地，铝的比例为硅的比例的5倍到20倍。

-所述方法是带有可消耗填充焊丝，例如实心或药心焊丝的MIG焊方法。

-待焊的所述一个或多个部件是一个或多个汽车部件。

-焊接电压介于14V到35V之间。

-焊接强度/焊接电流介于80A到300A之间。

-待焊的所述一个或多个部件的厚度介于0.6mm到2.5mm之间，优选为1mm到2mm之间。该厚度位于待形成的接头面，即位于其中金属被电弧熔化以形成焊接接头的位置，例如待焊部件的端部边缘处。

-气体压力介于2bar到15bar之间，优选为小于12bar，特别是大约4-8bar。

-气体流速小于30l/min，一般地小于25l/min,根据所考虑的应用，典型地介于约15到20l/min之间。

-数个部件彼此焊接，典型地是两个部件，所述部件特别是在形状、厚度等方面可以相同或不同。

-所述部件由高合金钢（合金元素重量百分数>5%）、低合金钢（合金元素重量百分数<5%）或非合金钢（例如碳钢）制成。

-所述焊丝是实心焊丝或药芯焊丝。

-所述焊丝的直径介于0.5mm到5mm之间，典型地介于大约0.8mm到2.5mm之间。

具体实施方式

下面基于接下来的描述可更好地理解本发明。

因此，建议的解决方案是通过电弧和特定的保护气体实现镀铝部件的焊接，也就是说，所述部件包含铝或铝合金例如Al/Si合金的表面镀层。

根据本发明，在焊接过程中应用保护气体，该保护气体使得可以在铝上得到稳定的电弧，并减少待焊金属部件中铝基镀层的溶解。

此特定的保护气体包含氩气和/或氦气，以及另外的按体积计算为0.025%到30%（优选为3%到10%）的氮气和2%体积的氧气或CO₂。

此气体混合物通过铝和氮之间的反应导致具有较好的电发射率（émissivitéélectrique）的氮化铝的形成，从而减少电弧移动和阴极斑点的尺寸，因此导致焊接电弧的稳定。

此外，该氮化铝漂浮在熔池表面，从而可以阻止部件表面处的铝的溶解。这样可以抑制或至少显著减少铝向焊缝中的渗入，并且由于（通常可观察到的）δ铁素体或金属件化合物形式的相全部或几乎全部消失，因此可以改善拉伸强度。

此外，小比例的氧化剂（即O₂或CO₂）的存在使得可以增加电弧的稳定性和改善填充金属的熔化。

所使用的气体混合物可以在现场通过使用气体混合器按照期望的比例混合所期望的混合物的组分来制成，或者采用预先分装的形式，即在封装工厂制成后用合适的气体容器例如焊接气瓶运输到气体使用的地方。

示例

本发明方法在手工MIG弧焊Usibor1500^TM部件（也就是说，所述部件镀有一30μm的铝/硅(Al/Si)合金层，铝和硅重量比例分别为90%和10%）的操作期间获得良好的效果。

此被焊部件的厚度为1.2mm。

在所开展的试验中，以流速20l/min、压力4bar输送的所使用的气体（体积%）为：

试验A（对比例）：纯氩气。

试验B（对比例）：由氩气和2%体积的氮气（N₂）形成的混合物。

试验C（对比例）：由氩气和4%的N₂形成的混合物。

试验D（对比例）：由氩气和6%的N₂形成的混合物。

试验E（对比例）：由氩气和8%的N₂形成的混合物。

试验F（对比例）：由氩气和8%的CO₂形成的混合物。

试验G（本发明）：由氩气和6%的N₂和8%的CO₂形成的混合物。

试验H（本发明）：由氩气和6%的N₂和1%的CO₂形成的混合物。

所用的焊炬是Dinsee基准MIG焊炬，该焊炬进给有直径为1.2mm的Nertalic88(ER100SG:AWS,A5.28)型填充焊丝，其送丝速率为2.8到3.5m/min。

焊接电压约15V，电流约128A，焊接电源为法国液化空气焊接公司出售的Digiwave400型(短弧/短弧+)的合作模式(EN131)的电焊机。

所达到的焊接速度为20cm/min。

待焊接在一起的部件形成约45°的角，由所述角的顶部形成一接头面。

获得的结果显示在氩气中存在N₂的效果远远好于单独使用氩气。

确实，单独使用氩气（试验A），电弧不稳定，过渡无规律（大的熔滴）。氩气保护的所有接头外观差。特别是可以观察到焊道边缘处缺少润湿以及焊道具有严重的凸起。此外，在焊接过程中，观察到形成大的熔融金属液滴飞溅和大量的烟尘。

相反地，采用Ar/N₂混合物，试验结果显著改善，该改善与混合物中N₂含量成比例地增加。

因此，采用含2%N₂的Ar/N₂混合物（试验B），金属过渡比试验A更加稳定，但是焊道不是完全没有任何缺陷。确实，尽管断弧现象很少发生或几乎不存在，但是电弧稳定性仍然可能偶尔地被干扰。焊接过程中形成大熔滴的现象也减少。在氩气中加入2%的氮气事实上首先是改进了焊道的顶部/底部的润湿。

通过增加氩气中氮气添加量到4%（试验C），其他参数特别是电参数不变，可以观察到表面外观的全面改善和焊道顶部/底部边缘处可接受的润湿，焊道的表面外观也得到改善：浅的凝固线和焊缝中心处不是非常大的凸起。这些结果是让人满意的和可以再现的。在准确和更加稳定的过渡的情况下，焊丝的熔化良好。角接头的试验结果在焊道顶部/底部边缘具有可以接受的润湿。另一方面，熔池仍然保持轻微的“冷”并且在某些情况下可能难以处理。

增加氮气添加量到6%（试验D）导致全面的和更加显著的表面外观的改善和焊道顶部/底部边缘处良好的润湿。焊道表面仅具有非常浅的凝固线并且还具有非常小的中心凸起。

在试验E中，氩气中加入了8%的氮气。焊道表面的粗糙度进一步降低，润湿良好，几乎没有粘附性飞溅。从操作角度来看，氩气中加入8%的氮气使得可以在焊丝熔化良好的情况下获得稳定的过渡。有趣的是，采用此混合气，可以获得实际的操作“灵活性”——因为它使得能够调整参数（送丝速度变化或电压变化），而该调整在纯氩气的情况下不能实现，并且不一定与在所试验的其他氩气/氮气混合物的情况下一样容易实现。

试验F，单单在氩气中加入8%的CO₂导致形成接头所需的电弧稳定性，但是焊道外观变差，对接头机械性能有害的δ铁素体区域保留。

因此在氩气中仅加入CO₂不能解决与δ铁素体的形成有关的问题，但是另一方面使得可以稳定电弧和改进可焊接性。

另一方面，试验G显示在氩气和6%氮气的混合物中加入8%的CO₂使得可以消除δ铁素体区域，与试验E相比增加了电弧的稳定性。另一方面焊道外观变差。

试验H显示在氩气和6%氮气的混合物中加入1%的CO₂使得可以消除δ铁素体区域，与试验E相比增加电弧稳定性，并且使得可以获得良好的焊道外观。

因此，在Ar/N₂混合物中加入CO₂使得可以解决与δ铁素体的形成有关的问题，同时导致良好的电弧稳定性。

这些试验结果清楚地显示在氩气中加入氮气和小比例的氧化剂，尤其是CO₂或O₂，可以显著地改善镀有铝/硅合金表面层的钢的焊接质量。

随着含氮量的增加，改善的效果越加显著，因此建议在氩气中至少加入8%的氮气。

然而，并行进行的射线探伤已显示，当还希望避免在熔敷金属中形成气孔时，该氮气含量必须不能过多。

确实，在试验B到E的焊道上进行的射线探伤显示，对于高至约6%的氮气含量，气孔的水平按照某些标准例如标准NF-EN287-1,NFENISO5817和EN462-1W10的推荐是可以接受的。

另一方面，从氩气中加入8%的氮气（试验E）开始，在焊道的起始处有时会产生气孔。这些气孔意味着按照此百分比例混合气焊接的接头可能不满足标准要求。

因此，优选的是将氮气含量限制到6%或者在焊道上的起始或终端在产生气孔的位置设置附加件。

另外，还进行显微试验以在焊接完成后观察焊道的结构。

这些试验显示，对于试验A中的焊道，由于覆盖部件的Al/Si层中铝和硅的溶解产生以白色区域形式存在的塑性相。这些区域包含对焊接接头机械性能有害的δ铁素体。

相反地，在检验试验B到E中的焊道以后，发现通过在保护气体中加入氮气可以显著减少δ铁素体区域。从加入4%的氮气开始，焊缝金属区域中不再出现δ铁素体区域。

这说明当期望避免在于镀有铝/硅层的钢部件（例如Usibor型钢）上形成的焊道中形成δ铁素体区域，在氩气中加入氮气是有利的。应该注意到，另外一些试验已显示全部或一些氩气可以被氦气代替，而不会失去由加入氮气所取得的有益效果。

因此，使用这样一种混合气体：比例小于10%体积，优选是介于4%到8%体积之间，有利地介于大概5%到7%体积之间，更加特别地是6%体积的氮气，剩余为氩气和/或氦气。

此外，关于氧气或CO2的存在，可以认为它们对改善电弧稳定性和可焊接性的影响是显著的。

Claims (13)

1.一种使用保护气体电弧焊至少一个包含铝基表面镀层的金属部件的方法，其中仅通过电弧熔化所述金属部件的金属，而不包含任何激光束，其特征在于，所述保护气体由氩气和/或氦气、氮气以及从氧气(O₂)和二氧化碳(CO₂)中选择的氧化剂混合组成，所述保护气体包含至少0.025％体积和至多30％体积的氮气，以提高焊接接头的拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含至多10％体积的氧气或CO₂。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含至少3％体积的氮气或少于10％体积的氮气。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含至少4％体积的氮气和至多8％体积的氮气。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含5％体积到7％体积的氮气。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属部件包含一铝基表面镀层，该镀层厚度介于5到100μm之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述镀层厚度小于或等于50μm。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属部件由带有铝硅基表面镀层的钢制成。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属部件包含一铝硅基表面镀层，该镀层包含的铝的比例是硅的比例的5到100倍。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法是一种带有可消耗填充焊丝的MIG焊方法。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待焊的部件是一个或多个汽车部件。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，数个部件彼此焊接。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述数个部件为两个部件。