CN104602860A - 激光焊接方法和使用该方法焊接的金属 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接方法，所述方法能够防止在焊缝上形成的如气孔或凹坑的缺陷并提高激光焊接过程中的焊缝的成形性，并且涉及使用所述方法制备的焊接构件。在通过照射激光至待焊接部分进行焊接的激光焊接方法中，提供了包括将保护气体供应至激光照射部和激光照射部的后侧的激光焊接方法，以及具有通过所述方法形成的焊缝的焊接构件。

Description

激光焊接方法和使用该方法焊接的金属
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法，更具体而言，涉及一种用于拼焊板(Tailor Welded Blanks，TWB)的激光焊接方法。
背景技术
在汽车行业，根据环保法规的加强，最近采用了高强度钢材料以达到减轻车身的重量的目的。此外，成形方法的趋势为采用拼焊板(TWB)、液压成形和其它方法取代现有的冲压工艺。
拼焊板是指所谓的“定制切割和焊接的钢板”。拼焊板为在将具有不同厚度、强度和材料的钢板切割为合适的尺寸和形状之后、通过将切割的钢板焊接而被加工成具有所需的形状的物品。相比直接焊接加工后的加工钢板的情况，拼焊板可以大大降低成本。虽然可应用的焊接方法包括激光焊接、电阻缝焊接、等离子焊接等，主要应用的是激光焊接。
激光焊接的特征在于，其不仅能使用高效能量束进行高速生产，还得到优异的焊接质量。然而，一直存在着某些类型的钢和钢接头中出现如气孔和凹坑的焊接缺陷的问题。通常，凹坑发生在气孔缺陷频繁发生的条件下，这意味着在一个缺陷中，当内孔的气体分压升高时，焊缝被暴露于焊珠的表面。
由于为了满足车身的轻量化要求，存在厚度差异大的材料中的接头的增加，因而更显著地产生气孔或凹坑缺陷，这已成为一个严重的问题。图1说明了可发生在具有不同厚度的焊接材料的情况中的气孔和凹坑缺陷的一个实例。
提供了以下的用于TWB的激光焊接技术。
专利文件1(日本专利特许公开第Heisei 8-174246号)提出通过控制焊珠的倾角提高焊接的压力成形性的技术。具体地，该技术保证了具有tave×tanl0<df<tave×tan30(tave＝(t1+t2)/2)范围内的材料之间的台阶高度(df)的压力成形性，其中t1代表厚板侧的材料的板厚，t2代表了薄板侧的材料的板厚。虽然此技术通过消除焊接的台阶高度降低了对压模的损伤，但是该技术不足以解决焊接的气孔或凹坑缺陷。
专利文件2(日本专利特许公开第Heisei 8-257773号)提出一种互换对接接头的焊接方法，即对接接头被激光束交织以达到在对接接头上形成良好的焊珠和防止具有不同厚度的激光焊接板的情况中的焊接缺陷的目的。虽然此方法能够扩展在激光焊接中一贯被指出的接头之间的间隙，但是，由于焊接线被延长而增加了焊接时间，并且在消除气孔缺陷方面本质上存在局限性。
专利文件3(日本专利特许公开第Heisei 7-266081号)提出一种具有包含碳(C)、锰(Mn)和硅(Si)作为基本组分，以及铁和其它杂质的平衡组分的成分的实心焊丝(电阻率为ρ≥3.2×107Ω·m)和一种使用保护性气体的焊接方法，其中，惰性气体，如氩气(Ar)和氦气(He)，与活性气体如二氧化碳(CO2)和氧气(O2)混合作为电弧焊丝用于表面处理后的钢板，此方法在抗孔方面是优异的，并且无如凹坑、气孔和其他此类缺陷，以及一种焊接施工方法。通过在提高焊丝的电阻率后逐渐降低热输入以确保预定的热输入而不提高焊接电流可以抑制气孔的产生。然而，在用于TWB的激光焊接的情况下基本不使用焊接材料是一个原则，并且这类问题被指出，当采用焊接材料时，难以保证焊接的表面质量，以及单位成本的增加。
专利文件4(日本专利特许公开第2001-138085号)提出一种采用保护性气体的方法，其中，二氧化碳与惰性气体以80至95％的混合比例混合，以提高渗透特性并防止激光焊接的气孔缺陷。它们的作用被认为在钥孔焊接(如激光焊接)中是不显著的，尽管惰性气体(如氧气或二氧化碳)具有在普通热传导型焊接中通过降低熔融金属的表面张力而促使深穿透的特点。此外，在上述专利发明中，可以判断有必要更详细地检测活性气体的作用，因为得到的结果是活性气体(如氧气)反而加重焊接中的气孔的产生。
专利文件5(日本专利特许公开第2001-300751号)从被供应的用于抑制激光焊接过程中产生的等离子体的氦气残留在钥孔中导致孔的形成的事实出发，提出了维持尤其是材料厚度的1.1至1.2或以上的范围内的穿透深度的焊接条件以达到充分排出氦气的目的。尽管通过焊接条件(即在目标钢型具有10mm或以上的厚度的钢铁材料的情况下的热输入)可以控制穿透深度，但实际上难以保证预定的穿透厚度，因为在如本发明的目标钢材料的厚材料的情况下，焊接条件的范围窄。
专利文件6(日本专利特许公开第2010-89138号)提出了通过向锌中加入添加剂来减少熔融金属中的锌蒸气的方法，以抑制锌表面处理的钢板的激光焊接中的气孔的形成，从而在锌蒸气产生之前使锌与添加剂反应。然而，此方法在实际施工中涉及许多问题，如除施工单位价格的增加外，还有涂覆量的控制。
专利文件7(日本专利特许公开第2003-311453号)是关于通过持续保持搭接接头之间的间隙来抑制锌表面处理的钢板的搭接接头中形成的气孔，从而将激光焊接过程中产生的锌蒸汽容易地排出的方法。但是，难以将该技术应用于拼焊板组件的激光焊接，所述拼焊板组件具有接头的形状的限制，并且尤其针对于对接接头。
(专利文件1)日本专利特许公开第Heisei 8-174246号
(专利文件2)日本专利特许公开第Heisei 8-257773号
(专利文件3)日本专利特许公开第Heisei 7-266081号
(专利文件4)日本专利特许公开第2001-138085号
(专利文件5)日本专利特许公开第2001-300751号
(专利文件6)日本专利特许公开第2010-89138号
(专利文件7)日本专利特许公开第2003-311453号
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供一种能够防止焊缝中的如气孔或凹坑的缺陷的形成和提高激光焊接过程中的焊缝的成形性的激光焊接方法，以及使用所述方法制造的焊接构件。
技术方案
在通过向焊接部照射激光进行焊接的激光焊接方法中，提供了包括向激光照射部和激光照射部的后侧提供保护气体的激光焊接方法。
此外，本发明提供了包括通过向待焊接部分照射激光而焊接的焊缝的激光焊接构件，其中，焊缝中包含以重量计的125ppm或以下的氮。
有益效果
本发明具有以下优点，提供了一种拼板构件，所述拼板构件通过防止气孔或凹坑缺陷(即使在存在厚度差的材料之间的激光焊接过程中)能够获得优异的焊接特性并保证与基体材料相同水平的良好的成形性能。
附图说明
从结合附图做出的以下详细描述中将更清楚地理解本发明的以上和其它方面、特征和其它优点，其中：
图1为示出形成于拼焊构件的焊接接头中的气孔和凹坑缺陷的照片。
图2为示出激光焊接过程中的焊缝的氮含量和气孔度的图表。
图3为示意性地示出本发明的焊接方法的一个实施方式的模拟图。
图4为通过实施例中的焊缝的放射性分析成像的气孔的照片。
图5为观察实施例中的焊缝的埃氏杯突试验结果的照片；以及
图6为示出本发明的焊接方法中的一个优选的激光照射位置的模拟图。
最佳实施方式
下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。
本发明人已经深入研究了在进行激光焊接的情况下，特别是在具有不同厚度的焊接钢板的情况下的气孔或凹坑缺陷的原因，以制造拼板构件。因此，已经认识到，激光焊缝的气孔缺陷与焊缝的氮含量密切相关，如图2所示。
如图2所示，可以确认的是当焊缝中含有约125ppm或以上的氮时，气孔和凹坑缺陷集中形成于焊缝中。
引入焊缝的氮主要来自于含有氮的周围的空气，因为通过激光焊接过程中产生的高温等离子体而接触焊缝周围的氮气被解离并被带入与焊缝接触，并且由于冷却过程中的固溶度的降低，氮气被排至气孔。
因此，本发明人通过开发一种方法完成了本发明，该方法通过在激光焊接过程中将惰性气体喷至激光照射部分的后侧(下部激光焊接部分)和激光照射部分(上部激光焊接部分)以冷却等离子体，从而能够抑制等离子体的增长，并通过防止空气中的氮被直接带入接触等离子体，从而能够抑制气孔或凹坑缺陷的形成。
本发明提供一种方法，该方法通过在激光照射过程中控制保护气体的供应来抑制空气中的氮与等离子体的接触，从而能够抑制焊缝中的缺陷的形成。此外，本发明提供一种通过控制激光束照射部位和热输入能够抑制焊缝中的缺陷的形成的激光焊接方法。
具体实施方式
尽管结合示例性实施方式展示和描述了本发明，本领域的技术人员应当清楚的是，可以做出修改和变化而不违背所附权利要求限定的本发明的特点和范围。
下文将详细描述本发明。
首先，详细描述本发明的激光焊接方法。本发明的激光焊接方法的特征在于在通过将激光照射至待焊接的部分来实施焊接的激光焊接方法的激光照射过程中，将保护气体供应至激光照射部和激光照射部的后侧。
待焊接的部分是指一种或多种钢材料进行对焊接的部分，并且，即使当钢材料具有不同的厚度时也可采用两种或多种钢材料。尽管旨在制造汽车部件的钢材料可具有高强度的特点，但是他们并不局限于高强度的特点，它们被期望用于激光焊接过程中气孔缺陷引发问题的所有钢材料中。
在焊接具有不同厚度的钢材料的焊接接头的情况下，通常难以设定适当的热输入。在焊接过程中，一个较厚的钢材料(所谓的“厚钢板”)相比较薄的钢材料(所谓的“薄钢板”)可能不能充分熔融，并且如果基于厚钢板的热输入将热输入施于薄钢板，由于薄钢板可能过分熔融，则可能易于形成如熔毁(meltdown)或气孔的焊接缺陷。热输入的升高导致等离子体的温度升高，使得气孔容易形成，并且，过度熔融的金属沿重力方向向下滴产生凹陷(underfill)或熔毁。
因此，本发明提出一种方法，如图6所示，将激光束的照射位置移向厚钢板以首先熔化厚钢板，然后局部熔化薄钢板。也就是说，本发明中的激光优选地照射从具有不同厚度的钢板的界面至厚钢板的距离为0.1至0.25mm的位置。因此，厚钢板的熔融金属移向薄钢板以保证金属焊缝的预定的颈部厚度并有助于焊缝的强度提高。如果所述距离小于0.1mm，则薄钢板被熔化形成焊缝缺陷，并且，如果所述距离超过0.25mm，则产生仅厚钢板被熔化的现象。
本发明中的热输入优选地为0.83至3.0kW·min/m。如果所述热输入低于0.83kW·min/m，则由于厚钢板的熔融量，难以将厚钢板移向薄钢板，如果所述热输入超过3.0kW·min/m，则由于厚钢板过度熔化而存在熔毁的问题。
对于激光焊接方法的类型没有特别的限制，只要它们能够被本发明的领域中的技术人员采用，则为充分的。特别地，本发明的激光焊接方法中的CO2激光焊接方法在其技术效果方面是优异的。CO2激光焊接方法的效果在本发明的抑制气孔形成效果方面可以被最大化，因为在CO2激光焊接方法的情况下，存在高的形成焊缝中的气孔的可能性。
参照图3详细描述了本发明。图3为示出可用于本发明的焊接方法的装置的一个实施方式的模拟图表。
本发明的激光焊接方法包含在激光照射过程中同时供应保护气体至激光照射部和激光照射部的后侧。一种通过与激光照射方向相同轴向的同轴喷嘴10供应保护气体的方法和一种通过侧喷嘴20从横向供应保护气体的方法可被用作将保护气体供应至激光照射部的方法。以与激光照射方向相同的轴向供应保护气体的方法具有通过阻断激光束与空气的反应从而防止激光束的散射的效果。另一方面，从横向供应保护气体的方法具有通过消除焊接过程中产生的等离子体从而能够改善焊接中的激光束的效率下降的优点。
本发明的激光焊接方法可包括在激光照射过程中通过下喷嘴30将保护气体供应至照射部的后侧。在防止焊缝中的气孔或凹坑缺陷的形成方面存在限制，其中，仅对焊缝的照射表面(焊缝的上部)实施保护。特别地，当焊接薄钢板时，进行穿孔焊接(piercing welding)，在穿孔焊接情况中，从焊缝的后侧与焊缝的上侧相同水平地产生高温等离子体，并且氮气通过等离子体也集中地渗透至焊缝中。因此，也可将保护气体供应至后侧以阻断空气中的氮与从激光照射表面的后侧(底部)产生的等离子体的反应。
在持续生产具有长焊接线的产品(如TWB)的情况下，存在保护焊缝的整个后侧的设计结构困难，并且存在消耗大量的气体来保护如此大的面积的问题。通过认识到高温等离子体有助于气孔的形成的事实，本发明可获得即使采用少量的保护气体也能有效地防止气孔或凹坑缺陷的形成的效果，因此将惰性气体直接喷至等离子体产生部位。存在一个优点，通过抑制气孔或凹坑缺陷的形成可以保证优异的成形性，从而抑制在焊缝的成形过程中的裂缝等的产生。
除了将保护气体供应至激光照射部和激光照射部的后侧，所述方法还可包括在激光照射后从后侧额外地将保护气体供应至激光照射部或激光照射部的后侧。在图3中，置于焊接头的后侧的上保护箱40和下保护箱50为用于在激光照射后额外地将保护气体供应至激光照射部或激光照射部的后侧的装置。
激光焊接是一种利用高效激光束的方法，以高速焊接为特征。在激光焊接的情况下，除了安装同轴喷嘴10、侧喷嘴20和下喷嘴30(如图3所示)之外，如果需要，需要在焊接头的后侧安装上保护箱40和下保护箱50，因为存在实施焊接后的焊缝的后侧的焊缝暴露在空气中的可能。在此情况下，存在通过抑制氮的混合以及在冷却过程中将焊缝隔绝空气从而改善焊缝的表面材料的效果，从而抑制焊缝的氧化现象。
惰性气体，如氦(He)气、氩(Ar)气和其它惰性气体可用作所供应的保护气体，并且也可以使用惰性气体的混合物。氦气更有效，因为氦气具有比氩气更高的电离能，从而减少了产生的等离子体的量。
优选地，以15至40l/min的流速供应所述保护气体。仅当流速为15l/min或以上时可保证好的效果，当流速低于15l/min时，降低保护效果从而增加空气中的氮的混入。同时，尽管当流速超过40l/min时，保护气体在防止气孔的形成方面是有效的，存在熔融部分剧烈颤动导致焊珠表面差的质量的问题，并且应降低焊接速度以补偿冷却效应引起的热输入。由于如果保护气体的流速增加则经济可行性劣化，所以优选地维持保护气体的流速至15至20l/min的范围。
下文详细描述了本发明的一个焊接构件。本发明的焊接构件具有优选地包含以重量计的125ppm或以下的氮的焊缝。
所述焊缝的氮为在激光焊接加工过程中来自周围的空气的氮气，其中，超过以重量计的125ppm的氮含量增加形成气孔或凹坑缺陷的可能性，并且可为焊缝的成形过程中的焊缝的破裂或断裂的原因。也就是说，激光焊缝中的氮气的固溶度(也就是固溶在先共析铁素体中)的极限为以重量计的125ppm。因此，在氮固化在先共析铁素体中的激光焊接钢材料的情况下，优选地控制焊缝的氮含量至以重量计的125ppm或以下以抑制气孔或凹坑缺陷的形成。
下文将参照以下实施例和对比实施例更详细地描述本发明。然而，所提供的以下实施例和对比实施例仅用于阐述的目的，而不应被视为以任何方式限制本发明的范围。
(实施例1)
分别制备了具有下表1所示的成分(wt％，剩余成分为铁和不可避免的杂质)和厚度的冷轧钢板(CR)和镀锌钢板(GI)。
[表1]
使用A和B的冷轧钢板和镀锌钢板实施了激光焊接。此时，使用6kW的CO2激光焊机实施了激光焊接，并且在通过初步测试气孔的形成相对显著的条件(如6kW的激光输出和2m/min的焊接速度)下实施了对接焊接。
在KS B0845下测定了激光焊缝的气孔缺陷。当钢材料具有10mm或以下的厚度时，如果在10×10mm的可视测试区域内的缺陷点为1或以下，则其被分类为等级1；如果所述缺陷点为3或以下，则分类为等级2；如果所述缺陷点为6或以下则分类为等级3；以及如果所述缺陷点超过6，则分类为等级4。此处，如果气孔的直径为1mm或以下，则所述缺陷点给定为1；如果其在1-2mm的范围内，则为2；如果其在2-3mm的范围内，则为3；以及如果其在3-4mm的范围内，则为6。
用杯突试验机(Erichsen tester)评估了所述激光焊接的成形性。考虑到厚度，将形成裂缝的位置进行了分类，并且裂缝形成于焊缝上的情况被评估为失败，裂缝形成于基体材料上的情况被评估为合格。
在改变激光焊接过程中的保护条件后进行了激光焊接。从结果上看，评估了气孔的发生和成形性并将结果示于下表2中。使用图3的激光焊机实施了表2中的保护方法。参照图3，在与激光照射方向相同方向上实施的保护方法(10)，在相对于激光照射方向的横向实施的保护方法(20)，以及在激光照射部的后侧实施的保护方法(30)在表2中分别表示为①、②和③。
[表2]
(在上表2中，④和⑤分别表示图3中的焊缝的后部中的上保护和焊接后部中的下保护。)
根据发明实施例，从表2中所示的结果可以看出，在激光焊接过程中将保护气体喷至了激光照射部分和激光照射部分的后侧(下焊接部)，保护气体的类型和流速满足本发明的范围。从结果上看，所有的本发明实施例保证优异的气孔发生等级(即抑制了气孔发生)，裂缝发生在基体材料上而非焊缝上。从这些结果看来，可以证实的是，提高了焊缝的可加工性。
在对比实施例1至6中，没有将保护气体供应至激光照射部的后侧(下焊接部)。可以确定的是冷轧钢板和镀锌钢板中都产生了大量的气孔，由于加工过程中在焊缝中产生了裂缝，所以其可加工性变差。与发明实施例相比较，对比实施例7为保护气体的流速略微不足的情况。所述保护气体的流速没有落入本发明的范围内，因此难以获得本发明中可达到的抑制气孔的发生的作用。在对比实施例8和9中，下焊接部中的保护气体使用氩气和氮气，可以确定的是此情况下的气孔减少效果与使用氦气的情况相比略差。
图4(a)和4(b)为通过对比实施例1和本发明实施例1中的焊缝的放射性分析得到的照片。如图4所示，观察到在对比实施例1中的焊缝处形成了气孔，但在本发明实施例1中的焊缝处没有形成气孔。
图5(a)和5(b)为示出对比实施例1和本发明实施例1中的焊缝的杯突试验结果的照片。如图5所示，观察到在对比实施例中的焊缝处形成了气孔但在本发明实施例1中的焊缝处没有形成气孔。
(实施例2)
通过使用表1中的CR-A(薄板)和CR-B(厚板)，在实施焊接时，在下表3的条件下改变激光照射过程中的从界面至厚板的距离并改变焊接热输入的情况下，测定了焊缝的焊接缺陷和破裂发生率，结果显示在表3中。
通过以20l/min的流速将氦气供应至激光照射部和激光照射部的后部实施了焊接，并通过改变激光输出和焊接速度控制焊接热输入。
在表3中，通过关注焊珠的形状观察了焊接缺陷，通过设定一个标准情况来确定凹陷，该标准情况是焊接的金属部分与基体材料相比下垂0.1mm。另外，熔毁是指凹陷现象是引起熔融金属滴落和广泛形成的空洞的主要原因的情况。使用杯突试验机评估了焊缝的破裂发生率。即通过将球推至焊接接头观察了焊缝的裂缝。
[表3]
(激光束的位置为从厚板和薄板之间的界面至厚板的距离)
如表3所示，可以理解的是，当激光束的照射位置增加时，焊接热输入的范围(不引起焊接缺陷和焊接断裂发生)增加。也就是说，如本发明实施例10，当激光束的位置为0mm时，其展现好的特性使得焊接热输入为0.83kW·min/m。然而，在激光束位置为0.1至0.25mm的发明实施例11至19中，可以理解的是，焊接热输入扩大至0.83至5kW·min/m。然而，在激光束位置为0.3mm的对比实施例20至24中，无论焊接热输入为多少，由于未焊接而观察到焊缝的断裂的结果。
同时，当所述焊接热输入大于本发明的范围3kW·min/m时，无论激光束的位置是多少，都可观察到发生了焊缝的缺陷。

Claims (11)

1.一种激光焊接方法，通过用激光照射待焊接的部位进行焊接，所述方法包含将保护气体供应至激光照射部和激光照射部的后侧。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中待焊接的部位为将具有不同厚度的钢材料对接并焊接的部位。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中以激光照射方向的轴向和横向的至少一个方向供应待供应至激光照射部的所述保护气体。
4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中在激光焊接后，额外地供应所述保护气体至激光照射部或激光照射部的后侧。
5.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中所述保护气体包含氦气、氩气和他们的气体混合物中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中以15至40l/min的流速供应保护气体。
7.根据权利要求6所述的激光焊接方法，其中以15至20l/min的流速供应保护气体。
8.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中激光的焊接热输入在0.83至3.0kW·min/m的范围内。
9.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其中激光的照射位置从具有不同厚度的板之间的界面至厚板的距离为0.1至0.25mm。
10.一种激光焊接构件，包含通过将激光照射至待焊接部位而焊接的焊缝，其中所述焊缝中含有以重量计的125ppm或以下的氮。
11.根据权利要求10所述的激光焊接构件，其中所述焊缝是通过权利要求1至9所展示的激光焊接方法中的任何一种形成的。
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