CN102985216B - 用含氮气和/或氧气的气体对镀铝钢部件的电弧/激光混合焊方法 - Google Patents

用含氮气和/或氧气的气体对镀铝钢部件的电弧/激光混合焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用在单个焊接熔池中组合在一起的电弧和激光束的激光/电弧混合焊接方法，通过熔化可消耗的焊丝来向所述焊接熔池提供熔融的金属，其中所述焊接熔池形成在包括铝表面镀层的至少一个钢部件上，并且使用保护气体，其特征在于，所述保护气体包括从氩气和氦气中选出的至少一种主要成分，并且包括从氮气和氧气中选出的至少一种附加成分。

Description

用含氮气和/或氧气的气体对镀铝钢部件的电弧/激光混合焊方法
技术领域
本发明涉及一种使用保护气体对钢部件进行激光/电弧混合焊接的方法，该钢部件包括铝基表面镀层，特别是铝硅镀层，所述保护气体由氩气和/或氦气以及向其中添加的小比例的氮气或氧气形成。
背景技术
某些钢材因为镀有铝或者铝基合金而被称为镀铝钢，诸如USIBORTM钢，在热拉伸之后具有很高的机械性能，因此为了减轻重量，这种钢材越来越多地用于机动车辆的制造领域。
确实，这些钢材设计为热处理后在热拉伸操作期间淬火，由此而得到的机械性能使得能够与标准高屈服强度钢相比非常显著地减轻车辆的重量。这些钢主要用于制造缓冲梁、车门加强件、中心柱、车窗柱等。
文件EP-A-1878531提出一种使用激光/电弧混合焊接方法焊接这种类型的镀铝钢的方法。在现有技术中激光/电弧混合焊原理是众所周知的。
然而，在实践中已观察到，在使用由氦气/氩气混合物形成的保护气氛对镀有铝或者铝合金（特别是铝/硅类型的合金）的钢部件进行的混合焊以及焊后热处理（包括在920℃下进行热拉伸，然后在拉拔工具中进行淬火（30℃/s））之后，在焊接接头处经常出现拉伸强度比母材金属和焊缝金属区低的相。
然而，如下文将解释的，该具有较低拉伸强度的相构成所得到的焊缝的易碎区。这些较易碎的区域以群岛的形式出现在马氏体区域中，这些较易碎的区域包含白色的聚集有来自于表面层的铝的相。
在分析之后，可以确定该相包含大比例的铝（大于2%），这使得钢在热拉伸之前在热处理期间不会出现奥氏体转变，也就是说，该相以δ铁素体的形式保持，并且其结果是该相的硬度比该部件的已经历马氏体/贝氏体转变的余下部分的硬度低。
然而，因为焊缝中已渗入铝的这些区域具有比沉积金属更低的抗裂性，没有转变为马氏体相的相会导致在焊接、热处理及随后的拉伸之后在接头的机械评定期间出现裂缝或者甚至因为焊接接头受剪而断裂。
发明内容
因此，所面对的问题是提出一种在镀有包括铝的层的钢部件的焊接操作期间的电弧/激光混合焊方法，该方法可提高焊接接头的机械性能。更加具体地，该问题是在热拉伸（典型地在大约920℃进行热拉伸）和在拉拔工具中进行淬火（典型地是800℃和500℃之间的30℃/s的冷却速率）之后，能够在焊缝金属区域（也就是说在焊接接头中）获得均匀的马氏体类型的微结构。
本发明的技术方案是一种使用（特别是在单个焊接熔池中）组合在一起的电弧和激光束的激光/电弧混合焊接方法，其中，通过熔化可消耗的焊丝来提供焊缝金属，所述焊接熔池形成在至少一个包括铝基表面镀层的钢部件上，其中还使用保护气体，其特征在于，所述保护气体包括从氩气和氦气中选出的至少一种主要成分，并且包括从氮气和氧气中选出的至少一种附加成分。
根据本发明，因此，在通过将待焊接的部件彼此接触（特别是端对端的接触）而形成的接头平面处，通过在彼此组合以熔化待焊接的一个或多个部件的金属的激光束和电弧的同时作用下熔化这些部件的成分钢来获得焊接熔池以及因此随后的焊接接头，同时，借助于也被熔化（优选地通过电弧熔化焊丝）的可消耗焊丝，还可以获得额外的焊缝金属，由此获得的焊缝金属沉积在形成于待组装的一个部件或多个部件上的焊接熔池中。
为了解决上述的问题，根据本发明，将一混合气体用作焊接区域（特别是焊接熔池）的保护气氛，该混合气体由如下成分形成：一方面，仅作为混合气体主要成分的氩气、氦气或两者，另一方面，作为附加成分的氮气或者氧气或者这两者，以构成二元混合气体：氩气/氮气，氩气/氧气，氦气/氧气或者氦气/氮气，或者三元混合气体：氩气/氦气/氮气或者氩气/氦气/氧气，或者甚至四元混合气体：氩气/氦气/氧气/氮气。在所有的情况下，在混合气体中，主要成分（即氩气或者氦气）的比例或者主要成分（即氩气和氦气）的比例之和比附加成分（即氮气或者氧气）的比例或者附加成分（即氮气和氧气）的比例之和大。
在可使用的这些各种混合气体中，特别地优选两种混合气体，也就是包含至多10%并且有利地约3%至7%的氮气（按体积百分含量计）的氩气/氮气混合气体或者氩气/氦气/氮气混合气体，这是因为这两种混合气体如下文所述可产生很好的结果。一般地，应当注意，在本发明的情况下，除非另外指明，所有给出的百分比例（%）都是体积百分比（%体积）。
事实上，使用保护气体混合物（一方面，含有氩气和/或氦气，另一方面，含有氮气和/或氧气）进行电弧/激光混合焊接，使得可以在镀铝钢部件的组装过程中获得不含或者几乎不含发白的铁素体岛群的马氏体微结构的焊接接头，因为氧气或者氮气的添加使得可以捕获铝（该铝来自于表面层并且在所述表面层在电弧和激光束的作用下熔化期间被释放）。
通过氧气或者氮气捕获铝导致形成Al2O3或者AlN类的化合物，因此避免形成铁素体或者其他有害的金属间化合物。事实上，因此而形成的氧化铝或者氮化铝漂浮在熔池的表面，因此防止铝溶解在焊接熔池中。
其结果是抑制或者至少很大程度上降低铝向焊缝的渗入，并且由于通常所观察到的发白铁素体相区全部消失或者几乎全部消失，因此拉伸强度提高。
根据情况，本发明的方法可包括一个或多个以下的特征：
-所述保护气体包括体积含量从1%至20%的所述至少一种附加成分。
-所述保护气体包括体积含量从1%至15%的所述至少一种附加成分。
-所述保护气体包括体积含量至少为2%的所述至少一种附加成分。
-所述保护气体包括体积含量至多为10%的所述至少一种附加成分。
-所述保护气体的附加成分仅包括氮气。
-所述保护气体包括体积含量至少4%的氮气作为附加成分。
-所述保护气体包括体积含量至少5%的氮气作为附加成分。
-所述保护气体包括体积含量至多8%的氮气作为附加成分。
-所述保护气体包括体积含量至多7%的氮气作为附加成分。
-所述保护气体包括体积含量至少5.5%和至多6.5%的氮气。
-所述保护气体是氦气/氩气/氮气的混合气体或者氩气/氮气的混合气体。
-所述一个或多个钢部件包括铝基表面镀层，该表面镀层具有5μm至100μm之间的厚度，优选地小于或等于50μm的厚度。所述镀层覆盖所述一个或多个部件的至少一个表面，但是优选地在所述一个或多个部件的端部边缘（也就是，例如薄板的边缘）不存在或几乎不存在铝基镀层。
-所述的一个或多个的金属部件由带有铝硅基表面镀层的钢制成，优选地所述表面镀层包含重量含量大于70%的铝。
-所述的一个或多个金属部件由带有主要包含铝和硅（Al/Si）的表面镀层的钢制成。
-所述的一个或多个金属部件包含一表面镀层，该表面镀层基于铝和硅，其中所包含的铝的比例是所包含的硅的比例的5至100倍，例如铝的重量含量是90%，硅的重量含量是10%，也就是，表面镀层包含的铝是硅的9倍。
-所述的一个或多个金属部件包含一表面镀层，该表面镀层基于铝和硅，其中所包含的铝的比例是所包含的硅的比例的5至50倍，特别是所包含的铝的比例是所包含的硅的比例的5至30倍，特别是所包含的铝的比例是所包含的硅的比例的5至20倍。
-数个部件彼此焊接，典型地是两个部件；所述部件可以是相同的或者不同的，特别是在形状、厚度等方面。
-所述部件由高含量合金钢（合金元素的重量大于5%）、低含量合金钢（合金元素的重量小于5%）或者非合金钢（例如碳钢）制成。
-所述焊丝是实心焊丝或者药芯焊丝。
-所述焊丝具有0.5mm至5mm之间，典型地在大约0.8mm至2.5mm之间的直径。
-所述可消耗焊丝被电弧（优选地借助于MIG（熔化极惰性气体保护焊）焊炬获得的电弧）熔化。
-所述可消耗焊丝包含碳和/或锰（碳含量最少为0.1%和锰含量最少为2%）。
-待焊接的所述一个或多个部件选自拼焊板和管件。
-待焊接的所述一个或多个部件是消声器的构件。
-所述多个部件以平头对接构型来定位和焊接。
-所述电弧由MIG（金属焊丝惰性气体保护焊）型焊炬产生。
-所述激光束由CO2、YAG、纤维（特别是镱或者铒纤维）或盘式激光发生器或设备来产生。
-当考虑焊接方向时，在焊接期间，激光束先于MIG电弧。
-MIG焊接类型是短电弧类型。
-焊接电压小于20V，典型地位于11V至16V之间。
-焊接强度/焊接电流小于200A，典型地位于118A和166A之间。
-焊接速度小于20m/min，典型地位于4m/min和6m/min之间。
-待焊接的所述一个或多个部件具有0.8mm至2.5mm之间，优选地位于1.8mm至2.3mm之间的厚度。该厚度位于待形成的接头平面处，也就是说，在金属熔化以形成焊接接头的位置处，例如在待焊接的所述一个或多个部件的端部边缘处。
-所述焊接接头具有马氏体类型的结构。
-气体的压力是2bar至15bar之间，例如4bar。
-气体的流速是10l/min至40l/min之间，典型地是25l/min。
-激光束的焦点聚焦在待焊部件的上方3mm至6mm的范围内。
-填充焊丝和激光束之间的距离必须在2mm至3mm之间。
-数个部件彼此焊接，典型地为两个部件。
-本发明中所使用的气体混合物可以通过使用气体混合器以期望的比例来混合混合物的组成成分而就地直接制成，也可以是以预分装的形式，也是说，在封装工厂制成后用适当的气体容器（例如焊接气瓶）运送到气体混合物使用的地方。
具体实施方式
下面通过以下的说明以及所实施的用于体现本发明的电弧/激光混合焊方法的效果的示例将更好地理解本发明。
示例
根据本发明的激光/电弧混合焊方法在使用CO2类型的激光源和MIG电弧焊炬对镀有大约30μm厚的铝/硅合金层（其中铝和硅的重量含量分别为90%和10%）的钢部件进行混合焊接期间产生很好的结果。
被焊接的部件具有2.3mm的厚度。
在所进行的试验中，所使用的以25升/分钟的速率、压力4bar配送的气体为：
-试验A（对照试验）：由70%氦气和30%氩气形成的ARCAL37混合气体。
-试验B：向ARCAL37混合气体中添加6%的氮气。
-试验C：向ARCAL37混合气体中添加3%的氧气。
ARCAL37混合气体由AirLiquide出售。
所使用的焊炬是参考OTC的MIG焊炬，该焊炬进给有Nic535类型（含有0.7%碳和2%锰）的具有1.2mm直径的填充焊丝，该焊丝的供给速率是3m/min。
焊接电压大约是15V，并且焊接电流大约是139A，借助于由AirLiquidWeldingFrance销售的协同模式（EN131）的Digiwave500类型（短弧/短弧+）的电焊机获得该电流和电压。
激光源是功率为12千瓦的CO2激光振荡器。
所达到的焊接速率是4m/min。
待焊接的部件是由Usibor1500TM类型的镀铝钢（Al/Si）制成的平头对接定位拼焊板。
所得到的结果显示在氩气/氦气混合气体中存在氮气所得到的结果远好于保护气体中不含有氮气的试验的结果。
类似地，在氩气/氦气混合气体中小比例氧气的存在使得可以抵消由焊缝金属区域中铝的存在造成的抑制奥氏体转变的效应。
事实上，通过使用根据本发明的氩气和/或氦气以及氮气和/或氧气的混合气体，可以看到结果显著改进，这种改进与混合气体中的氮气或者氧气的含量成比例地增加。事实上，显微照片显示在两种情况下，白相区已完全消失，而在单单使用ARCAL37混合气体的情况中并非如此。
此外，通过氧气或者氮气的添加，在奥氏体转变和淬火之后，接头的抗裂性与母材金属的抗裂性相同。
在这些试验中获得的结果显示，向氩气和/或氦气中加入氮气使得可以大大地提高镀有铝/硅合金表面层的钢的焊接质量，特别是，在焊缝金属区域获得均匀的马氏体类型的微结构。
当氮气的含量增加但是体积含量最好小于10%时，改进的效果甚至更加明显，因此建议在氩气中或在氩气/氦气中加入约6%-7%的氮气。
当氧气的含量增加但是体积含量最好小于10%时，改进的效果同样更加明显，因此建议在氩气中或在氩气/氦气中加入约3%-5%的氮气。
本发明的方法特别地适用于焊接用在机动车制造领域中的拼焊板、焊接特别是用于车辆的消声器的构件，以及适用于管件的焊接。

Claims (15)

1.一种使用彼此组合的电弧和激光束的激光/电弧混合焊接方法，在包括铝基表面镀层的至少一个钢部件上形成焊接熔池，其中，通过熔化可消耗焊丝来提供焊缝金属，并且还使用保护气体，其特征在于，所述保护气体包括从氩气和氦气中选出的至少一种主要成分，并且包括从氮气和氧气中选出的至少一种附加成分。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护气体包括体积含量从1％至20％的所述至少一种附加成分。
3.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述保护气体包括体积含量从2％至10％的所述至少一种附加成分。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体的附加成分仅包括氮气。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体的附加成分包括体积含量从4％至7％的氮气。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体是氦气/氩气/氮气的混合气体或者氩气/氮气的混合气体。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述表面镀层具有5μm至100μm之间的厚度。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个钢部件由带有铝硅基表面镀层的钢制成。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述可消耗焊丝被所述电弧熔化。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述可消耗焊丝包含碳和/或锰，碳含量最少为0.1％，锰含量最少为2％。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待焊接的所述至少一个钢部件选自拼焊板、管件或者消声器的构件。
12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钢部件以平头对接构型定位和焊接。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述镀层的厚度小于或等于50μm。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述表面镀层包含重量含量大于70％的铝。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电弧是由MIG焊炬获得的电弧。
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