CN103906595A - 采用粉末气流方式焊接经涂层的板材的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以对焊的方式焊接经涂层的板材（1）的方法和装置。在根据本发明的方法中通过至少一个气流通道（10）以这种方式对焊接熔体（6）输送至少一种粉末气流（9）形式的粉末状焊接添加料（8），即从气流通道（10）出来的粉末气流（9）朝向焊接熔体（6）并具有至少2m/s的排出速度，以使得焊接添加料（8）和焊接熔体（6）强烈混合，混合时在焊接熔体中形成流体漩涡（12）。根据本发明的装置包括至少一个在熔焊板材材料时产生和/或聚焦能量射束（3）的焊接机头和至少一个输送粉末气流（9）形式的粉末状焊接添加料（8）的气流通道（10），通道区段（10）的纵轴和能量射束（3）的射束轴有15度和75度范围中的夹角。

Description

采用粉末气流方式焊接经涂层的板材的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种采用对焊的方式焊接经涂层的板材的方法和装置。
背景技术
在过去的几年中，由钢构成的构件的热成型已经在汽车制造业中开创。对此，经常制造定制的产品（所谓的“tailored products”），这些产品由具有不同板厚度和/或材料的、相互焊接在一起的多个板坯组成并且在具有相对小的板厚度以及随之具有轻的重量的情况下提供了高的载重能力。为热成型和加压淬火而设置的板坯通常涂有有机或无机的保护层和/或抗腐蚀保护层，从而避免使工件在热成型之前在热状态下生成氧化皮。对此通常使用铝合金、优选使用铝硅合金作为涂层材料。然而，在焊接这些经涂层的板材时会出现问题，即，涂层成份、特别是铝到达焊接熔体中并且在焊缝中和铁形成Fe-Al化合物，该化合物具有相对低的强度并且会削弱构件在焊缝处的性能，甚至能够导致构件故障。也可以考虑使用锌涂层。在这种情况下会发生这样的问题，即，锌在焊接过程中沉积在晶界上，由此会降低焊缝中的最大拉应力和压应力。
为了解决这种缺陷已经提出所谓的涂层去除工艺，借助该涂层去除工艺剥蚀了例如待焊接的板材棱边的边缘上的金属涂层（例如参见DE202007018832U1）。然而这种工艺非常繁琐而且昂贵。
此外，由现有技术已知可以对焊接熔体加入焊接添加料，从而使焊缝以及制成的构件的强度得到改善。因此例如由JP07041841A已知一种用于接合以对焊设置的钢板的激光焊接工艺，在该激光焊接工艺中，对焊接熔体加入细碳粉，从而获得富含碳的焊接熔体并随之获得较硬的焊缝。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种方法和一种装置，借助该方法以及装置能够以经济的方式将经涂层的板材焊接在一起，而不会由于来自相互接合的板材的保护层边缘的涂层主要成份混入而在焊缝中发生强度损失。
在工艺方面，通过具有权利要求1的特征的工艺方法以及在装置方面，通过具有权利要求9的特征的装置实现了该目的。
从属权利要求给出了根据本发明的方法以及根据本发明的装置的优选以及有利的设计。
依据根据本发明的方法，通过至少一个气流通道以这样的方式对待焊接板材的接缝中所产生的焊接熔体输送至少一种粉末气流形式的粉末状焊接添加料，即，从气流通道出来的粉末气流朝向焊接熔体并且具有至少2m/s的排出速度，由此使得焊接添加料和焊接熔体强烈地混合，混合时在该焊接熔体中形成流体漩涡。
通过引入颗粒大小合适的粉末状焊接添加料能够在焊接熔体中弥漫式地混合并且构成合金。因为焊接时间相当短，特别是对激光焊接来说，在激光焊接过程中熔化阶段的持续时间通常仅在约6ms至125ms的范围中，所以借助填充金属条形式的焊接添加料不能和待焊接的材料（板坯）实现充分的混合。通过使用具有比较小的颗粒、优选具有小的金属颗粒的粉末状焊接添加料能够在非常短的熔化阶段期间、特别是在激光焊接过程中实现尽可能均匀的合金混合。
为了实现均匀的或大致上均匀的焊缝接合而不会通过涂层中的优选锌成份、特别优选铝成份或铝硅成份产生不利的影响，本发明还使得粉末状焊接添加料和焊接熔体进行强烈地混合，由此在焊接熔体中形成流体漩涡。这种流体漩涡（搅流）主要由粉末气流、优选由金属粉末气流的动力引起。根据本发明朝向焊接熔体的粉末气流的排出速度至少是2m/s；该排出速度例如在2m/s至50m/s的范围中，特别是在2m/s和40m/s之间，优选在2m/s和30m/s之间。焊接熔体中所产生的流体漩涡（搅流）有助于使焊接添加料和材料合金能够完全或基本上完全混合。
根据本发明的方法的优选设计具有这样的特点，即，粉末状焊接添加料的颗粒具有20μm至160μm范围中的颗粒大小，优选具有20μm至120μm范围中的颗粒大小。如果粉末状焊接添加料的颗粒大小相应地比较细，那么由此有利于合金快速地以及尽可能均匀地混合。
根据本发明的方法的另一个有利设计，使得从气流通道出来的粉末气流倾斜朝向焊接熔体，由此粉末气流的射束轴和由板材所限定的、包含焊接熔体的工件平面之间夹有15度至75度范围中的夹角、优选夹有25度至65度范围中的夹角。在焊接机头的典型进给速度情况下，粉末气流束相对于包含焊接熔体的工件平面的这种倾斜设置有利于在焊接熔体中形成流体漩涡，从而有利于使焊接添加料和熔融的工件材料尽可能快速以及尽可能均匀的混合。
依据根据本发明的另一个优选设计使用保护气体作为产生粉末气流的气体。该保护气体防止焊接熔体的氧化以及保护焊接熔体免受氧化而削弱焊缝性能。作为产生粉末气流的气体而使用的保护气体例如可以是CO2、氩气、氮气、氦气或由氩气、氦气、氮气和/或CO2组成的混合气体。
依据根据本发明的方法的另一个优选设计，替代性地或额外地在保护气体氛围中进行板材的焊接。
根据本发明的装置包括至少一个用于熔焊板材材料时产生和/或聚焦能量射束的焊接机头、优选激光束焊接机头和至少一个用于将粉末气流形式的粉末状焊接添加料输送到待相互焊接在一起的板材的焊接熔体的气流通道，其中，气流通道具有在焊接添加料排出孔终止的通道区段，该通道区段的纵轴倾斜于从焊接机头出来的能量射束的射束轴、优选激光束的射束轴延伸，其中，通道区段的纵轴和能量射束的射束轴有15度和75度范围中的夹角，并且气流通道设有调整工具（例如能够调整的气流节流阀），该节流阀能够使粉末气流调整到具有至少2m/s的排出速度。
根据本发明的装置具有和根据本发明的方法相同的优势，因此，为了避免重复请参考上面的描述。
为了在焊接熔体中产生所希望的流体漩涡而使粉末气流获得足够高的气流速度（排出速度），依据根据本发明的装置的有利设计使得气流通道和/或其在焊接添加料排出孔终止的通道区段具有圆锥的通道形状，其中气流通道及其通道区段朝向排出孔方向逐渐变细。终止的通道区段也可以具有圆柱形的通道形状或圆柱形和圆锥形相结合的通道形状。
根据本发明的装置的另一个有利设计具有这样的特点，即，气流通道和/或其在焊接添加料排出孔终止的通道区段具有基本为圆形的横截面形状。由此能够进一步改善焊接添加料和工件合金（熔融阶段）的混合。
依据根据本发明的装置的另一个有利设计，使得气流通道和/或其在焊接添加料排出孔终止的通道区段朝排出孔方向具有一个或多个狭窄处。这种设计也能够有利于优化焊接添加料和工件合金（熔融阶段）的混合。
附图说明
下面根据描述实施例的附图详细阐述本发明。其中：
图1示意性地示出了用于在以高的气流速度输送焊剂的情况下将经涂敷了铝合金的板材相互接合的激光束焊接过程，其中在纵剖面图中示出了焊缝；
图2示意性地示出了根据图1的焊接过程，其中在截面图中示出了需要以对焊的方式相互焊接的板材以及焊接熔体；以及
图3示意性地示出了具有气流通道的激光焊接机头用于以高的气流速度输送粉末状焊接添加料。
具体实施方式
图1和2示出了根据本发明的方法的原理示意图。附图标记1和2表示需要以对焊的方式相互焊接的板材。至少其中一个板材或两个板材1、2涂有铝、优选涂有Al-Si合金。板材1、2是优选由钢、特别是硼锰钢构成的板坯或带材。板材1、2能够具有不同的板材厚度和/或材料。
板材1、2优选借助至少一束激光束3相互焊接在一起。然而，根据本发明也可以替代性地借助其他合适的焊接装置将板材1、2相互焊接在一起，例如借助光子射束焊接装置或者电弧焊接装置。
优选在保护气体氛围中焊接板材1、2。该保护气体氛围在图1和2中由四个相互平行的箭头4示出。
待相互连接在一起的板材1、2沿其接缝受到熔化，从而能够将熔化的材料相互混合并在凝固之后形成焊缝5。板材1、2的焊接熔体（熔融阶段）在图1和2中由比较细密的阴影线和附图标记6标示出。凝固的焊接熔体、即焊缝5在图1中由额外的斜线标示出。
图1中通过箭头7示出了根据本发明的装置的焊接机头的进给方向。
根据本发明，将至少一种粉末状焊接添加料8引入到焊接熔体6中。焊接添加料8以粉末气流9的形式通过至少一个气流通道（喷嘴通道）10输送到焊接熔体6。焊接添加料8由焊剂或金属粉构成。该金属粉在其成份中优选和至少一个待焊接的板材1、2的工件合金基本相同。粉末状焊接添加料8也可以替代性地或额外地包含提高强度的成份或者仅由这种成份构成。焊接添加料8的颗粒具有20μm至160μm范围中的大小，优选具有20μm至120μm范围中的大小。
在焊接机头进给过程中从气流通道10出来的粉末气流9朝向焊接熔体6。对此，气流通道10的、在排出孔11终止的通道区段在焊接机头的进给方向上设置在焊接能量射束或激光束3的前面。
粉末气流9的排出速度至少是2m/s，由此使得焊接熔体6和焊接添加料8强烈地混合，在混合过程中焊接熔体6中形成流体漩涡12（参见图1）。粉末气流9的排出速度优选在2m/s至30m/s范围中。
粉末气流9的气体优选是保护气体，例如是氩气、CO2、氮气、氦气或由氩气、氮气、氦气和/或CO2组成的混合气体。
射在工件、即板材1、2上的焊接能量射束或激光束3以直角或近似直角的位置对准工件1、2。而从气流通道10出来的粉末气流9倾斜朝向焊接熔体6，因此粉末气流9的射束轴和由板材1、2所限定的、包含焊接熔体6的工件平面之间夹有15度至75度范围中的角度α。
通过气流通道10的特殊设计获得了粉末气流9的高气流速度。粉末气流9的这种高气流速度包含重要的动能部分，该动能部分在焊接熔体6中转化成流体漩涡12。该漩涡12使得粉末状焊接添加料8和工件合金能够均匀或基本上均匀地进行混合并且避免形成针状的Fe-Al共晶体，该共晶体仅具有相对低的强度。
图3示意性地示出了激光焊接机头13的下面区段。该激光焊接机头13包含一个（未示出的）光学系统，借助该光学系统能够使激光束3聚焦并且使激光束焦点指向待相互焊接板材的接合位置上。
在图3所示的实施例中，焊接机头13上装配有大致上呈圆柱形的空心体14，该空心体具有小管形状的气流通道（喷嘴通道）10，通过该气流通道能够将上述粉末状焊接添加料8以高的气流速度输送给激光束3的工作点以及焊接熔体6。气流通道（喷嘴通道）10倾斜于空心体14的纵向中轴和激光射束轴延伸。喷嘴通道10的内径例如在0.6mm至1.2mm之间。在位于排出孔11对面的、气流通道10的末端上连接有输送软管15，粉末状焊接添加料通过该输送软管输送给喷嘴通道10。
气流通道（喷嘴通道）10优选形成为圆锥形并且朝向其对应于焊接熔体6的排出孔11方向逐渐变细。替代性地或补充性地，气流通道10朝排出孔11方向也能够具有一个或多个狭窄处。对此气流通道10的内部横截面形状能够分别形成为圆形或者具有基本为圆形的横截面形状。
本发明的设计并不局限于图3所示的、根据本发明的激光焊接装置的激光焊接机头的实施例。具体来说能够有多种变体，这些变体也应用在和所示实施例不同的、在权利要求中所给出的本发明的设计中。

Claims (14)

1.一种以对焊的方式焊接经涂层的板材（1、2）的方法，在所述方法中，通过至少一个气流通道（10）以这样的方式对焊接熔体（6）输送至少一种粉末气流（9）形式的粉末状焊接添加料（8），即从气流通道（10）出来的粉末气流（9）朝向焊接熔体（6）并且具有至少2m/s的排出速度，由此使得焊接添加料（8）和焊接熔体（6）强烈地混合，混合时在所述焊接熔体（6）中形成流体漩涡（12）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述板材（1、2）借助至少一束激光束（3）相互焊接在一起。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述焊接添加料（8）由金属粉末构成。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述粉末状焊接添加料（8）的颗粒具有20μm至160μm范围中的颗粒大小。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，这样设置所述粉末气流（9），即，所述粉末气流从气流通道（10）排出速度在2m/s至50m/s的范围中。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，从气流通道（10）出来的所述粉末气流（9）倾斜朝向所述焊接熔体（6），由此粉末气流（9）的射束轴和由板材（1、2）所限定的、包含焊接熔体（6）的工件平面之间夹有15度至75度范围中的角度（α）。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，使用保护气体作为产生粉末气流（9）的气体。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，在保护气体氛围中进行板材（1、2）的焊接。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，待相互焊接在一起的板材（1、2）的至少其中一个是由钢、优选由硼锰钢构成的板材，所述板材用铝、优选用Al-Si合金进行了涂层。
10.一种用于焊接经涂层的板材（1、2）的装置，特别是用于进行根据权利要求1至9中任意一项所述方法的装置，所述装置包括至少一个用于熔焊板材材料时产生和/或聚焦能量射束（3）的焊接机头（13）、优选激光束焊接机头和至少一个用于将粉末气流（9）形式的粉末状焊接添加料（8）输送到待相互焊接在一起的板材（1、2）的焊接熔体（6）的气流通道（10），其中，所述气流通道（10）具有在焊接添加料排出孔（11）终止的通道区段，所述通道区段的纵轴倾斜于从焊接机头（13）出来的能量射束（3）的射束轴、优选激光束的射束轴延伸，其中，所述通道区段（10）的纵轴和能量射束（3）的射束轴有15度和75度范围中的夹角，并且所述气流通道（10）设有多个调整工具，所述调整工具能够使粉末气流（9）调整到至少2m/s的排出速度。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述气流通道（10）和/或其在焊接添加料排出孔（11）终止的通道区段具有圆锥形的通道形状，其中所述气流通道和通道区段朝向排出孔（11）方向逐渐变细。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述气流通道（10）和/或其在焊接添加料排出孔（11）终止的通道区段具有基本为圆形的横截面形状。
13.根据权利要求10至12中任意一项所述的装置，其特征在于，所述气流通道（10）和/或其在焊接添加料排出孔（11）终止的通道区段朝排出孔方向具有一个或多个狭窄处。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的装置，其特征在于，所述气流通道（10）的、在焊接添加料排出孔（11）终止的通道区段在朝向焊接机头（13）的进给方向（7）上设置在能量射束（3）的前面。
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