CN106232285A - 用于制备旨在用于焊接随后在压力下硬化的涂覆有铝的钢板的方法和装置，对应的焊接坯件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对意在用于制造钢焊接坯件的板进行制备的方法，该方法包括以下顺序步骤：提供至少一种第一预涂覆钢板(11)和至少一种第二预涂覆钢板(12)，所述至少一种第一预涂覆钢板(11)和所述至少一种第二预涂覆钢板(12)由钢基材(25、26)和预涂层(15、16)构成，预涂层(15、16)由与所述钢基材接触的金属间合金层(17、18)制成，在预涂层(15、16)的上面安置有铝层、铝合金层或铝基金属层(19、20)，板(11)包括主要表面(111)、相反的主要表面(112)和至少一种次要表面(71)，第二板(12)具有主要表面(121)、相反的主要表面(122)和至少一种次要表面(72)；随后使第一板(11)和第二板(12)移动而靠近在一起，在面向彼此布置的次要表面(71)与次要表面(72)之间留下0.02mm至2mm的间隙(31)，使第一板(11)和第二板(12)移动在一起的事实限定了与于板(11)和板(12)的主要表面垂直的中间平面(51)；以及随后通过在主要表面(111)和(121)上进行熔融和气化同时去除位于板(11)的边缘区域(61)中的金属合金层(19)和位于板(12)的边缘区域(62)中的金属合金层(20)，边缘区域(61)和(62)为主要表面(111)和(121)的最靠近中间平面(51)并且位于中间平面(51)的两侧的区域。本发明还涉及一种焊接坯件和一种用于制造这些焊接坯件的装置。

Description

用于制备旨在用于焊接随后在压力下硬化的涂覆有铝的钢板 的方法和装置，对应的焊接坯件

本发明主要涉及用于对旨在用以焊接的镀铝钢板进行制备的方法。

本发明还涉及用于由上述镀铝钢板制造焊接坯件的方法。

本发明还主要涉及用于由上述焊接坯件制造压制硬化部件的方法，这些压制硬化部件待用作机动车辆中的结构部件或安全部件。

已知焊接钢部件可以由具有不同组分和/或厚度的、被连续对接焊接的钢坯件来制造。在一种已知的制造方法中，这些焊接坯件例如通过冷冲压来进行冷加工。根据第二种已知的制造方法，这些焊接坯件被加热至使钢可以奥氏体化的温度，随后在成形模具中进行的热成形和快速冷却。本发明涉及该第二种制造方式。

钢的组成被选择成使得可以执行加热步骤和热成形步骤并使最终的焊接部件获得高机械强度、高冲击强度以及良好的耐腐蚀性。由于这种类型的钢部件的吸收冲击的能力，这些钢部件特别是在汽车工业中得到了应用并且更特别地用于抗侵入部件、结构部件或有助于机动车辆的安全性的部件的制造。

在表现出上面提到的应用所需的特性的钢中，如在公开EP 971044中所描述的涂覆钢板特别是包括铝合金或铝基合金的预涂层。例如通过在除了具有铝以外还以受控量具有硅和铁的浴中进行热浸镀来对板进行涂覆。在热成形和冷却之后，可以获得主要马氏体显微组织，并且机械拉伸强度可以超过1500MPa。

一种用于制造焊接钢部件的已知方法包括：获得如公开EP 971044中所描述的至少两个钢板，所述至少两个钢板用以进行对接焊接以获得焊接坯件，可选地对该焊接坯件进行切割；随后在例如通过热冲压执行热成形操作之前对焊接坯件进行加热，以给予钢部件以其应用所需的形状。

一种已知的焊接技术是激光焊。与其他焊接技术如缝焊或弧焊相比，该技术在灵活性、质量和生产率方面具有优势。然而，在包括熔融步骤的组装方法中，铝基预涂层(由顶部上设有金属合金层的、接触钢基材的金属间合金层构成)在焊接操作期间在熔融区内利用钢基材而被稀释，该熔融区是在焊接操作期间液化并在该焊接操作之后凝固以在两个板之间形成结合的区域。

随后可以发生两种现象：

-第一种现象是，由一部分预涂层在熔融区中的稀释造成的熔融金属中的铝含量的增大导致金属间化合物的形成。这些化合物在施加机械应力时会成为裂纹的起始位点。

-第二种现象是，铝(其在熔融区域中为呈固溶体状态的α源(alphagenic)元素)在先于热冲压的加热步骤期间阻碍该区域中的奥氏体转变。因此，不再能够在接着热成形的冷却之后在熔融区域中获得完全回火组织，并且焊接接头包括铁素体。此时，熔融区具有小于其相邻的两个板的硬度和机械拉伸强度。

为了防止上述第一种现象，公开EP 2007545描述了一种包括去除位于将经受焊接操作的板的边缘上的合金金属表层以留下金属间合金层的方法。这种去除可以通过擦、机加工或通过施加激光束来进行。在施加激光束的情况下，使用板的边缘作为基准点，去除区的宽度由一定宽度的激光束的纵向运动限定或者甚至通过使小于该宽度的激光束振荡来限定。金属间合金层被保留，以确保满意的耐腐蚀性并且防止先于成形操作的热处理期间的脱碳和氧化现象。

为了防止上面提到的第二种现象，公开WO 2013014512描述了一种方法：该方法除了包括去除上述金属层以外，还包括在焊接之前消除存在于板的切割边缘(该切割边缘的存在可以由切割操作引起)上的铝、以及通过填充金属丝产生焊接接头，从而以特定比例增大熔融区域的碳含量。

在上述参考公开中所描述的方法中，当金属合金层的去除是包括熔融的现象(例如借助激光束的去除)的结果时，存在已溢出板的切割边缘(也被称为次要面)的大致显著量的铝。随后的焊接通过稀释导致这种铝结合到熔融区域中并且获得焊接接头，该焊接接头的机械强度和/或韧性小于基体金属的机械强度和/或韧性。

由于关于模具或激光束定位坯料的困难、工具在去除由机械装置来执行时的快速磨损或者铝在于切割边缘上进行激光烧蚀的情况下可能飞溅在预制备面上，用于通过机械加工、刮擦或借助脉冲激光的烧蚀来去除已溢出切割边缘的铝的不同方法执行起来较棘手。

此外，在去除位于板的边缘上的铝金属层之后，下面的材料具有较黯淡且较暗的外观。已知，激光焊接需要关于由待组装的板形成的接头的平面非常精确地定位激光束。激光束的这种定位和引导或“焊缝跟踪”通常由能够对反射光束的在与焊接接头成直角的方向上的变化进行检测的传感器来控制，其中，接合平面看起来显著地更暗。然而，在对已从边缘去除金属层的两个板进行焊接之前的并排布置在配合平面的水平处仅得到小的难以检测的对比度变化，因此激光束的引导以显著较小的精度受到控制。

因此，期望研发一种不具有上述缺点的用于对预涂覆有铝的板的边缘区域进行制备的方法。

期望得到一种经济的制备方法，该制备方法使得可以消除在借助熔融和气化的去除之后对溢出次要面的铝或铝合金进行清洁的昂贵、费时且复杂的操作。

还期望得到一种下述制备方法，该制备方法确保由预涂覆有铝或铝合金的板制造的焊接接头中的铝含量小于0.3％。

还期望得到一种提高在对预涂覆有铝或铝合金的板(这些金属层已在边缘上去除)进行焊接期间的焊缝跟踪的准确性的方法。

本发明的目的是解决上述问题。

为此，本发明的目的是一种对用于制造焊接钢坯件的板进行制备的方法，该方法包括以下连续步骤：

-获得至少一种第一预涂覆钢板11和至少一种第二预涂覆钢板12，所述至少一种第一预涂覆钢板11和所述至少一种第二预涂覆钢板12由钢基材25、26和预涂层15、16构成，预涂层15、16由顶部上设有铝金属或铝合金或铝基合金层19、20的、接触钢基材的金属间合金层17、18构成，第一板11包括主要面111、相反的主要面112和至少一个次要面71，第二板12包括主要面121、相反的主要面122和至少一个次要面72，随后，

-第一板11和第二板12定位成在面向彼此的次要面71与次要面72之间留下0.02mm至2mm的间隙31，第一板11和第二板12的定位限定了与第一板11和第二板12的主要面垂直的中间平面51，随后，

-借助同时在主要面111和121上进行熔融和气化，在板11的边缘区域61中去除金属合金层19并且在板12的边缘区域62中去除金属合金层20，边缘区域61和62为主要面111和121的最靠近中间平面51并且位于中间平面51的两侧的区域。

优选地，借助熔融和气化的同时去除由跨该中间平面51的激光束来执行。

边缘区域61的宽度和边缘区域62的宽度优选地为0.25mm至2.5mm。

在一个特定方案中，边缘区域61的宽度与边缘区域62的宽度相等。

在另一方案中，边缘区域61的宽度与边缘区域62的宽度不同。

优选地，在主要面111、121和112、122上借助熔融和气化同时进行去除。

在一个特定方案中，金属合金层19、20从第一钢板11和第二钢板12中的每一者的边缘区域61、62去除，从而将第一钢板11和第二钢板12的各自的金属间合金层17、18留在原位。

在本发明的一种方案中，基材25、26具有不同的钢组成。

在一个特定方案中，预涂层15、16具有不同的厚度。

有利地，预涂层15、16的金属合金层19、20以重量浓度表示包括8％至11％的硅、2％至4％的铁，组成的余量是铝和不可避免的杂质。

次要面71与次要面72之间的间隙31有利地大于0.04mm并且非常有利地大于0.06mm。

本发明的另一目的是一种用于制造焊接坯件的方法，该方法的特征在于，获得通过根据权利要求1至10中的任一项所述的方法制备的至少一种第一板11和第二板12，以及在第一板11和第二板12上的借助熔融和气化的去除操作之后，在借助熔融和气化的去除区域中沿着由上述中间平面51限定的平面执行对第一板11和第二板12的焊接操作少于一分钟。

优选地，焊接操作由至少一种激光束95来执行。

优选地，焊接操作同时由两个激光束来执行，这两个激光束的中一个激光束执行主要面111和121的侧边的焊接，这两个激光束中的另一个激光束执行相反的主要面112和122的侧边的焊接。

借助熔融和气化的去除有利地由激光束80来执行，并且使得可以执行去除和焊接操作的装置组合成单件设备，该单件设备相对于第一板11和第二板12的位移速度相同。

优选地，通过同时使用至少一种激光束95和填充条82来执行焊接操作。

在一个特定方案中，去除步骤由跟踪中间平面51的装置来引导，对平面51在时刻t的位置进行限定的坐标(x-y)由计算机化手段来记录，并且坐标(x-y)用于引导随后进行的焊接操作。

在本发明的一种方案中，去除步骤由跟踪中间平面51的第一装置来引导，并且焊接由跟踪中间平面并独立于第一装置的第二装置来引导。

在本发明的另外的方案中，板11和12在借助熔融和气化的去除操作期间由夹持装置98夹持，该夹持在焊接操作完成之前并且至少在焊接操作期间由装置98保持不变。

本发明的另外的目的是一种由焊接坯件制造压制硬化件的方法，该方法包括以下顺序步骤：

-获得根据上述方法中的任意方法制造的至少一种焊接坯件，随后，

-对焊接坯件进行加热，从而以使基材25、26获得部分或完全奥氏体结构的方式通过钢基材25、26与预涂层15、16之间的合金化来形成金属间合金化合物，随后，

-使焊接坯件热成形以获得部件，随后，

-以足以在基材25、26中至少部分地形成马氏体或贝氏体的速率对该部件进行冷却，由此实现压制硬化。

优选地，焊接坯件的热成形通过热冲压操作来进行。

本发明的另外的目的是一种焊接坯件，该焊接坯件通过对至少一种第一预涂覆钢板11和至少一种第二预涂覆钢板12进行组装来构造，第一预涂覆钢板11和第二预涂覆钢板12由钢基材25、26和预涂层15、16构成，预涂层15、16由顶部上设有铝金属、铝合金或铝基合金层19、20的、接触钢基材的金属间合金层17、18构成，第一板11具有主要面111和相反的主要面112，第二板12具有主要面121和相反的主要面122，借助熔融和气化在板11的边缘区域61中去除金属合金层19并且从板12的边缘区域62中去除金属合金层20，焊接坯件具有至少一种焊接接头52，所述至少一种焊接接头52限定与第一板11和第二板12的主要面垂直的中间平面51和垂直于该中间平面51的横截面52a、52b...52n，该焊接坯件的特征在于层17和18的由预涂层于边缘区域61和62中的熔融和气化之后凝固引起的形貌特征在截面52a、52b...52n中在中间平面51的两侧相同。

边缘区域61的宽度与边缘区域62的宽度之和沿着焊接接头的变化优选小于10％。

优选地，预涂层15、16的金属合金层19、20包括以重量浓度表示的8％至11％的硅和2％至4％的铁，组成的余量由铝和不可避免的杂质构成。

本发明的另外的目的是一种用于制造焊接坯件的装置，该装置包括：

-输送至少一种第一钢板11和至少一种第二钢板12的装置91，所述至少一种第一钢板11和所述至少一种第二钢板12预涂覆有铝、铝合金或铝基合金，

-用于板的定位装置92，定位装置92用以在板11与板12之间获得中间平面51，

-用于板的夹持装置98，

-使得可以产生激光束80的至少一种源，激光束80用以通过熔融和气化来同时在第一板11和第二板12的边缘区域61、62中去除铝金属、铝合金或铝基合金层，

-至少一种引导装置94，所述至少一种引导装置94使得可以关于中间平面51定位激光束80，

-至少一种源，所述至少一种源使得可以产生激光束95，用于在已去除铝金属层的区域61、62中对板11和12进行焊接，以获得焊接接头，

-至少一种装置，所述至少一种装置使得可以获得板11和12相对于激光束80和95的相对位移，

-激光束80和95，所述激光束80和95相对于中间平面51位于单条线上并且以彼此相距固定距离64的方式定位。

优选地，激光束80与激光束95之间的距离64为0.5mm至2m。距离64有利地小于600mm。在一个特定方案中，距离64小于5mm。

在一个有利的方案中，激光束80从烧蚀头发射并且激光束95从焊接头发射，烧蚀头和焊接头利用用于激光束80和95的共用的聚焦装置形成紧凑元件。

有利地，引导装置94还使得可以参照中间平面51定位激光束95。

在一个特定方案中，该装置还包括用于构造上述焊接接头的填充条装置82。

该装置有利地还包括使得可以在与激光束95所运行的面相反的面上执行焊接的激光束。

本发明的另外的目的是一种根据上述特性的压制硬化部件用于制造车辆特别是汽车的结构部件、抗侵入部件或冲击吸收部件的用途。

本发明的其他特性和优点根据以下描述将变得明显，以下描述以示例性的方式并参照附图给出，在附图中：

-图1示出了待焊接的预涂覆有铝的板的显微截面图，该板的边缘已根据现有技术的方法进行了制备。

-图2是示出了端对端放置的两个金属板在根据本发明的用于从边缘同时去除金属层的处理之后的示意图。

-图3示出了端对端放置的两个板(已通过同时的边缘烧蚀去除了这两个板的金属预涂层)之间的定位间隙对预涂层沿着这些板的次要面的流动的影响。

-图4是本发明的一个优先实施方案的示意图。

-图5是示出了根据本发明的优选装置的图示。

-图6a是根据本发明构造的激光焊接接头的正视图。显微图6c)和6c)详细地示出了已发生烧蚀的两个区域的表面，这两个区域对称地位于焊接接头的两侧。

-图7a是用于制造预涂覆有金属涂层的焊接坯件的常规方法的步骤的示意图。出于比较的目的，图7b示出了根据本发明的用于制造预涂覆有金属涂层的焊接坯件的方法。

应当指出的是，图示并非尝试重现不同元件彼此之间的相对尺寸，而是仅意在便于对本发明的不同构成部件进行描述。

在现有技术的方法中，在金属合金层的去除是熔融的结果的情况下，存在溢出次要面的大致显著量的铝。这种情况在图1中示出，图1示出了1mm厚的预涂覆有铝合金的钢板1的宏观截面，已通过利用激光束进行的熔融和气化来从钢板1去除表面金属合金层。图1还示出了具有2μm至25μm厚的铝预涂层2的钢基材1。在宏观图中示出了板的两个主要面中的仅一个主要面。在板的一个主要面的边缘上，已使用脉冲激光束来去除金属铝层，从而使金属间层留在原位，由此产生烧蚀区域3。由于因激光束而产生的蒸汽压力或等离子，液态铝被排出至区域3的边缘，由此产生铝积聚区域5。该烧蚀操作还在次要面上形成了由铝层的一部分构成的流4，流4的长度可以达到大约0.4mm。与在激光束作用(impact)于完全气化的有机涂层的情况下所发生的相反，激光束作用于金属涂层不会导致该金属涂层由于气化而完全消失、而是部分地气化和熔融。

发明人已表明，可以通过以下方法来防止沿着次要面的这种流动现象。如图2中所示，获得预涂覆钢板的至少两个板11和12，板11和12可以具有相同的厚度或不同的厚度。图2示出了第一替代性方案。在该阶段，板11和12不一定是矩形的，并且板11和12的轮廓的几何形状与待制造的最终部件的几何形状有关，最终部件的几何形状将通过随后的成形操作来获得。此处的术语“板”按广义来使用以意指通过切割由带材、卷材或板获得的任意物体。

这些板由钢基材25和26构成，钢基材25和26可以根据期望厚度特别地呈热轧板或冷轧板的形式。基材的组成根据最终部件上的机械特性的期望分布可以相同或不同。这些钢是能够在奥氏体化处理之后经受马氏体或贝氏体淬火的可热处理的钢。板的厚度优选地在大约0.5mm至4mm之间，即特别是在制造汽车工业的结构部件或加强部件中所使用的厚度范围。

板11和12分别包括主要面111、112和主要面121、122。在这些面中的每个面的表面上存在预涂层15和16，在板1和2中，预涂层15和16的厚度和组分可以相同或不同。这些预涂层15和16都是通过浸渍在镀铝浴中获得的。

预涂层15本身由下列项构成：

-金属间合金层17，金属间合金层17与基材25接触。金属间合金层17是由板连续穿过镀铝浴期间的基材25与镀铝浴的熔融金属之间的反应形成的Fe_xAl_y型的合金层。该层通常具有3μm至10μm的厚度。镀铝浴是铝或铝合金的浴，在该浴中存在按重量百分数计大于50％的铝，或铝基合金。在铝基合金的情况下，铝是合金的主要成分。

-金属合金层19，金属合金层19的组成与铝、铝合金或铝基合金的浴的组成几乎相同。

同样地，在板12中，预涂层16由表面金属层和与基材26接触的金属间合金层构成。

优选地，金属合金预涂层19、20可以包括按重量计8％至11％的硅、2％至4％的铁，组成的余量由铝和不可避免的杂质构成。硅的添加使得可以特别是减小金属间层17的厚度。

这两个板11和12可以定位成使得其主要面111和112处于同一平面41中。以这种方式，同时设置在这两个板上方的激光束将与这两个板同等程度地相互作用。然而，这两个板11和12还可以不精确地定位在同一平面中，即激光束的焦点没有关于这两个板的具有相同预涂层的表面精确地定位在同一水平上。例如在两个板11和12厚度之间存在差异的情况下会遇到这种情况。发明人已证实，即使在这种情况下，特别是在没有预涂层沿着次要面流动的情况下，在使用根据本发明的方法时仍获得了期望结果。

这两个板11和12定位成使其次要面71和72端对端地放置。因此，这种定位限定了板11与板12之间的与板11和12的主要面垂直的中间平面51以及限定了这些板之间的间隙31。

根据本发明，随后通过包括熔融和气化的方法在板11的边缘部分61和板12的边缘部分62上同时去除各自的金属合金层19和29。通常，大多数的这种去除是由于熔融现象。这排除了纯粹地通过气化去除层19和20的方法。也被称为烧蚀的这种去除优选地由脉冲激光束来执行。高功率和高能量密度的激光作用于预涂层上导致该预涂层的表面的液化和气化。由于等离子压力，液化的预涂层朝向正在进行烧蚀的区域的边缘排出。具有适当参数的一系列短激光脉冲导致金属层19和20的烧蚀，从而使金属间合金层17和18留在原位。然而，根据成品部件上所需的耐腐蚀性的程度，还可以去除金属间层17和18的大致较大部分，例如该层的大于50％。因此，朝向预涂覆板的边缘61和62指向的脉冲激光束与这些板的相对平移时的相互作用导致金属层19和20的去除。

在板11和12上同时执行烧蚀，即熔融和气化装置同时施加至面向彼此的边缘区域61和62。特别地，当烧蚀利用激光束来执行时，激光束以跨中间平面51的方式作用于区域61和62。在一个优选方案中，使用了具有矩形形状的脉冲激光束。还可以使用更小的激光束，使该更小的激光束摆动以使得该激光束覆盖待加工的宽度。该方法还可以使用分成两个矩形分束的主光束来执行，每个分束均横跨中间平面51。这两个分束可以关于平面51对称地定位，或者可以在焊接方向上相对于彼此纵向地偏离。这两个分束可以具有相同或不同的尺寸。

在这些不同的同时烧蚀方案中，将预期的是，因由于激光束的作用导致的熔融而产生的铝将在重力和由激光束产生的等离子压力的作用下溢出次要面71和72。

出人意料地，发明人已示出，当间隙31为0.02mm至2mm时，次要面71和72不经历铝的流动。不受限于理论，认为次要面71和72被由于板11和12的切割产生的非常薄的铁和/或铝氧化物层覆盖。一方面考虑到该薄的氧化物和液态铝之间的界面张力，另一方面考虑到特定间隙31，板11与板12之间的没有液态铝的表面弯曲以在液体没有流动到空间31中的情况下形成润湿角。0.02mm的最小间隙使得激光束可以在板11与板12之间通过，从而去除可能位于次要面上的铝的潜在痕迹。此外，如下面将要说明的，在该方法的一个变化方案中，紧接着烧蚀操作之后执行焊接。当距离31小于0.02mm时，存在下述可能性：由于板11和12的两个相向部分的因烧蚀和焊接操作而产生的热膨胀，这两个相向部分将不会彼此接触，从而导致了不希望的塑性变形。

间隙31有利地大于0.04mm，这使得可以使用机械切割方法，该机械切割方法的容差不需要以非常精确的方式来控制，这又使得可以降低生产成本。

此外，如上面所说明的，焊接激光束的引导在在边缘上已去除涂层的板的情况下由于这些板的更暗的外观而更困难。发明人已示出，大于0.06mm的间隙31的宽度使得可以显著地增大接合平面(该接合平面看起来与边缘烧蚀区域不同)的光学对比度，并且因此确保了焊接关于中间平面51恰当定位。

此外，发明人已发现，如图3中所示的实验结果所表明的，当间隙31大于2mm时，上面所说明的机制对于阻止液态铝的流动不再起作用。

该间隙可以有利地为0.02mm至0.2mm。

对于烧蚀过程，可以有利地使用标称功率为几百瓦的Q开关型激光器，该激光器提供持续时间为大约1/50纳秒、最大功率为1兆瓦至20兆瓦的脉冲。这种类型的激光器使得可以例如获得2mm(在垂直于中间平面51的方向上)乘以在该中间平面的长度的方向上的1mm或小于1mm(例如0.5mm)的矩形激光束的作用区域。激光束的位移又使得可以在平面51的两侧产生烧蚀区域61和62，而不出现沿着面71和72的流动。

烧蚀区域61和62的形貌自然而然地适于随后的焊接状况、特别是适于焊接区域的宽度。因此，根据随后发生的焊接过程的性质和功率，烧蚀区域61和62中的每一者的宽度均可以为0.25mm至2.5mm，或者例如在混合激光弧焊或等离子焊接的情况下为0.25mm至3mm。烧蚀条件将选择成使得烧蚀区域61的宽度与烧蚀区域62的宽度之和大于焊接区的宽度。

如果板11和12相同，则可以指定烧蚀区域61和62的宽度也相同。然而，还可以例如利用激光束关于中间平面51沿侧向方向水平移动来将这些烧蚀区域的宽度指定成不同。

根据本发明，可以仅在主要面的一个侧边上执行烧蚀。因此，图2示出了仅在主要面111和121的侧边上执行同时的边缘烧蚀的这种情况。

然而，为了在待于板上执行的焊接期间尽可能使铝的引入最小化，还可以优选地在所有的面(即面111、121、112、122)上执行同时的边缘烧蚀。出于这个目的，在借助激光焊接的烧蚀的情况下，可以有利地使用“功率开关”类型的装置，该装置将激光束的功率分成下述部分：一部分用于面111和121的同时烧蚀，另一部分用于面112和122的同时烧蚀。还可以使用与第一激光器分离的第二激光器。

在该同时的烧蚀操作之后，将存在适合焊接的两个板，其中，已从这两个板的边缘去除金属合金层。这种焊接可以稍后完成并且板可以保持面向彼此或分离。板可以容易地分离，这是因为根据本发明的方法使得可以限制液态铝在板之间的流动以使得凝固流不会产生任何不希望有的机械结合。

然而，发明人还发现，可以在以上述方式制备的板上有利地执行一列式的(in-line)焊接操作。由于没有铝溢出次要面，可以在不需要从流水线移除板的情况下，立即对所准备的板进行焊接并且随后在清洁之后对这些板进行重新定位。同时的烧蚀操作与焊接操作之间所经过的时间间隔少于一分钟，这使面71和72上的氧化最小化并且获得了更高的生产率。此外，当该时间间隔较短时，在已通过烧蚀操作来预热的板上完成焊接以使得可以减小待应用于焊接的能量的量。

还可以使用适合焊接接头所需的厚度和生产率以及质量状况的任何连续焊接方法，并且特别是可以使用：

-激光焊，

-特别是利用TIG(“钨极惰性气体”)、等离子、MIG(“金属惰性气体”)或MAG(“金属活性气体”)方法的电弧焊，

-电子束焊。

激光焊是一种由于该方法所固有的高能量密度而可以有利地使用的方法，该方法使得可以获得在小的比例内变化的较窄的熔融区域。该方法可以单独使用或如图5中所示的那样结合填充条82来使用。在这种情况下，由于填充条的组成不同于板25和26的组成，因而可以改变熔融区域的组成。结合激光束和填充条的焊接方法又可以包括仅由激光束或通过混合激光-TIG焊接方法(即，激光束与由配备有非熔化电极的TIG焊炬发出的电弧结合)来使填充条熔融的方法，或焊炬配备有熔化电极棒的混合激光-MIG焊接方法。

根据本发明的一个变化方案，执行同时的烧蚀操作和焊接操作的装置组合成单件设备。该设备关于板以单一的相对移位速率被驱动。在该设备中，同时烧蚀速率与焊接速度相同，这使得可以在最佳的生产率和效率的条件下进行制造。

图4示出了本发明的一个优先变化方案。该图示出了具有铝、铝合金或铝基合金的预涂层的板11和12。第一激光束80执行板11的边缘区域61和板12的边缘区域62的同时烧蚀，其中，该激光束横跨板11和12的中间平面。第二激光束81在板的底面上同时执行相同的操作。在一个变化方案(未在图4中示出)中，仅一个激光束80执行烧蚀，没有在相反面上执行烧蚀。将在没有必要于随后将产生的焊接区中获得非常低的铝含量时使用该变化方案。

在距离该第一烧蚀区域一定距离64处，激光束95执行对板11和12的焊接以产生焊接区域63。利用本身已知并且示意性表示地为96的装置来保持烧蚀装置与焊接装置之间的距离恒定。板11和12关于该组合件96沿着由97指示的路径移位。

板11和12有利地利用未在图4中示出的夹持装置来夹持。在借助激光束80和81的烧蚀操作期间夹持板。在本身由激光束95执行的焊接过程中保持这种夹持。以这种方式，在板11与板12之间不存在相对位移并且借助激光束95的焊接可以以更高的精度来执行。

激光束80、81的作用点与激光束95的作用点之间的最大距离特别是取决于焊接速度。如上所述，焊接速度将特别地确定成使得激光束(80、81)的作用与激光束95的作用之间所经过的时间少于一分钟。该最大距离可以优选地小于2m以使得该设备特别紧凑。

这些作用点之间的最小距离64可以减小至0.5mm。小于0.5mm的距离会导致烧蚀束80、81与在借助激光束95的焊接期间固有地存在的“匙孔”之间存在不希望的相互作用。

还可以通过将烧蚀头和焊接头两者(这些头限定为发射激光束的装置)组合成单个更紧凑的头以获得较短的距离64，其中，该单个更紧凑的头可以对于烧蚀和焊接操作使用例如同一聚焦元件。

非常小的距离64使得可以利用特别紧凑的单元来实施该方法并且继续使得由激光束80和81输送的一定量的热能添加至由激光束95输送的线性焊接能量，由此增大该方法的总能量效率。非常小的距离使得可以缩短焊接坯件的单位生产所需的周期时间，并且因此提高生产率。特别是在距离64小于600mm或甚至小于5mm时，获得这些效果。

图5是根据本发明的优选装置的示意图。该装置包括以下元件：

-操作台A，操作台A具有本身已知的输送装置91，输送装置91使得可以输送至少一种第一钢板11和至少一种第二钢板12，所述至少一种第一钢板11和所述至少一种第二钢板12预涂覆有铝或铝合金或铝基合金。

-操作台B，操作台B具有用于这些板11和12的本身也已知的定位装置92。在对板进行定位之后，由此限定了虚拟的中间平面51。

-操作台C，操作台C具有用于这些板11和12的夹持装置98，夹持装置98本身已知，并且夹持装置98可以是例如磁性的、机械的或液压的夹持装置。

-操作台D，操作台D具有本身已知的至少一种引导装置94，所述至少一种引导装置94使得可以检测中间平面51并且参照该中间平面定位激光束80。该装置可以包括例如由光束照明的中间平面区域和用于反射激光束的光敏CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器，这使得可以定位中间平面在给定时刻的位置(x,y)。这使得可以对烧蚀激光束80的定位进行控制，激光束80位于相关的焊接方向上的下游，使得激光束80的位置与烧蚀区域的期望位置相一致。

-使得可以获得激光束80的至少一种源，激光束80用以借助熔融和气化同时在中间平面51的两侧上在边缘区域上去除金属铝层。如上所述，第二激光束81(未在图5中示出)还可以在相反的面上执行相同的操作。

-使得可以获得激光束95的至少一种源，激光束95在去除金属铝层61、62的区域中对板11和12进行焊接，以获得焊接接头。所使用的激光源可以从波长为10μm的CO₂气体激光式的激光源或波长为1μm的固态激光源中选择。考虑到板的厚度(该厚度通常小于3mm)，CO₂气体激光器的功率将大于或等于3kW、或者甚至达7kW；在固态激光器的情况下，该功率将大于或等于2kW、或者甚至等于4kW。

可选地，可以在下部部分中、即在相反面上施加类型类似于激光束95的第二激光束。这种布置使得可以提高焊接速度和/或减小源95的单位功率。

该激光束95可以由其自己的与装置94分离的引导装置引导(这种情况未在图5中示出)或由装置94引导。发明人已发现，这后一种解决方案是特别有利的，这是因为其使得可以将焊接精确地定位在已执行烧蚀的区域中，即使得可以完全协调烧蚀和焊接这两个步骤。

-可选地，该组合件可以包括填充条装置82，以由于填充条的组成与板25和26的组成不同而改变熔融区的组分。

板11和12从操作台A朝向操作台D移动以获得所述板相对于激光束80和95的相对位移，激光束80和95相对于中间平面51定位在同一条线上，并且以彼此相距固定距离64的方式定位。

如上所述，距离64为0.5mm至2μm、优选地为0.5mm至600mm或为0.5mm至5mm。

由根据本发明的方法获得的焊接坯件具有以下特定特性：

-如图5中所示，坯料的焊接在已经受借助激光束95的同时烧蚀的坯料11和12上沿着中间平面51顺序连接地进行。烧蚀导致涂层的熔融和气化，其中，发生涂层的随后凝固以形成特定的波纹，所述波纹的间隔为脉冲持续时间和烧蚀束的前进速度的函数。在图5中所示的方法中，凝固形貌在平面51的两侧是相同的，这是因为烧蚀是利用横跨该接合平面的激光束来执行的。图6还示出了利用图5中所示的方法产生的焊接接头的正视宏观图。已经历同时烧蚀的区域13和14位于焊缝23的两侧。如果考虑沿着横截面52a面向彼此定位的区域21和22，会发现凝固形貌相同。对于其他截面52b...52n来说，同样如此。此外，当焊接激光束95作用于待组装的两个板时，在下述区域上发生这种作用：所述区域的反射率在平面51的两侧上相同，使得在该平面的两侧获得绝对相等的熔深(depth of penetration)。因此，本发明使得可以获得最终焊接接头的非常规则的几何形状和铝在焊缝中的非常均匀的稀释，而不管所涉及的横截面52a、52b......52n如何。

-另一方面，在现有技术中，已观察到利用激光束以纵向位移的方式一次仅在一个板上执行烧蚀，该激光束使用板的边缘作为基准点。然而，不管在切割板的操作中所采取的预防措施如何，所制备的边缘的平直度都不可避免地相对于理想直线包括某一变化，其中，该变化可以通过标准偏差σ₁来量化。此外，激光束的纵向位移本身经受其位置在横向方向上的变化，该变化可以通过标准偏差σ₂来量化。因此，该方法产生了下述板：该板的烧蚀区域的宽度在烧蚀操作的纵向方向上具有标准偏差变化(σ₁+σ₂)。在该操作之后，这两个板靠近彼此放置并且随后进行焊接。结果是焊接坯件，该焊接坯件的烧蚀区域的总宽度包括一定的偏差，该偏差是与所述两个板中的每个板相关联的偏差之和，即，2(σ₁+σ₂)。

-出于比较的目的，在根据本发明的方法中，通过使用单个基准平面、中间平面51来执行烧蚀，并且以单个步骤执行烧蚀操作以使得烧蚀区域的总宽度在纵向方向上的偏差等于2(σ₁+σ₂)，即与现有技术相比于减小了一半。沿着焊接接头的不同位置处所取的总烧蚀区域的宽度测量结果表明，宽度偏差小于10％。

总之，图7a和图7b示意性地示出了用于制造预涂覆有金属涂层的焊接坯件的常规方法的步骤与根据本发明的方法的步骤的比较。

在常规方法(图7a)的情况下，在每个板的边缘上均执行金属预涂层的烧蚀，其中，该操作在每个板上单独地进行(步骤A1)。随后(步骤A2)，去除因步骤A1产生的已溢出切割边缘的预涂层。在板的中间储存之后(步骤A3)，对板进行定位以用于其借助焊接的组装(步骤A4)。在这种定位之后，在边缘烧蚀区域中的凝固结构之间不存在对称性，其中，这些结构相对于板的中间的配合平面随机地定位。随后对板进行焊接(步骤A5)。

在根据本发明的方法的情况下(图7b)，同时去除位于端对端放置的板的边缘上的金属预涂层，从而保持板之间的特定间隙(步骤B1)。该操作导致凝固结构在中间定位平面的两侧相同且对称的情况。随后，在没有中间步骤的情况下，立即对由此制备的板进行组装(步骤B2)。

因此，明显的是，根据常规方法构造的焊接接头和根据本发明构造的焊接接头在紧邻由焊接产生的熔融金属的凝固区中的形貌特性方面不同。

通过非限制性实施例的方式，以下实施方案对由本发明实现的优点进行说明。

实施例：

获得1.2mm厚的钢板，该钢板具有按重量计的以下组分：0.23％的C、1.19％的Mn、0.014％的P、0.001％的S、0.27％的Si、0.028％的Al、0.034％的Ti、0.003％的B以及0.18％的Cr，余量由铁和因加工而产生的杂质构成。这些坯料在每个面上均包括30μm厚的预涂层。该预涂层由与钢基材接触的5μm厚的金属间层构成，该钢基材包括按重量计50％的铝、按重量计40％的铁和按重量计10％的硅。该金属间合金层因钢基材与铝合金浴之间的反应而产生。

金属间层顶部上设有25μm厚的金属层，该金属层按重量计包括9％的硅、3％的铁以及余量由铝和不可避免的杂质构成。这些板的尺寸为400mm×800mm。将在400mm长的边上执行焊接。

这些板中的两个板定位成使得其相向边缘之间的间隙为0.1mm。随后利用平均功率为800W的脉冲激光来去除这些板的边缘上的金属层。

这种烧蚀由两个激光束在板的相反的两个面中的每个面上同时执行。板相对于射光束处于恒定速度为V＝6m/分钟的运动状态。激光束中的每个激光束均聚焦以获得2mm×0.5mm的矩形聚焦点，从而相对于这两个板的中间平面在横向方向上延伸2mm的距离。以这种方式，同时产生这样的两个板：在这两个板中的每个板上、几乎1mm的宽度上从所述板的边缘去除金属层。这种烧蚀操作由紧接所述两个脉冲烧蚀激光束的上游定位的传感器来引导，该传感器对这两个板之间的中间平面的位置(位置标识为x₀)进行检测。该传感器以距离烧蚀束大约100mm的距离d₁的方式定位。在传感器的水平高度处，中间平面的位置坐标(x₀，y₀)在时刻t₀由计算机化手段记录。当板以速度v移动时，该平面位置在时刻到达脉冲烧蚀束的水平高度。由于激光束的引导装置，在时刻t₁时发生的激光束在板上的精确作用位置适于使得该精确作用位置与基于中间平面的位置限定的烧蚀区域精确地相对应。

在烧蚀之后，以距离脉冲激光束200mm的固定距离d₂的方式定位的激光束使得可以在这些板之间产生焊接接头。焊接在氦的保护下以0.6kJ/cm的线性功率执行，以防止脱碳、氧化和吸氢现象。烧蚀操作与焊接之间经过的时间长度为2秒。

此处再次利用位于烧蚀操作的上游的传感器来引导焊接激光束。在时刻t₀记录的中间平面的位置在时刻到达焊接激光束的水平高度处。焊接激光束的精确作用位置随后利用激光束的光学引导装置来进行调整，使得该精确作用位置以先前限定的中间平面的位置为中心。

图6a是示出了所获得的激光焊接接头的正视宏观图，在该激光焊接接头中，焊缝23被已同时进行烧蚀的两个区域13和14包围。总烧蚀宽度24平均为1.92mm并且在焊接坯件的长度上偏差小于10％。

图6b和图6c是区域21和22的表面的放大图，区域21和22对称地位于横向于焊接接头的截面52a的两侧。已发现，这些区域21和22的凝固皱褶在焊接接头的两侧上相同并且具有连续特征。

此外，使用卡斯塔因(Castaing)微探针来分析由此产生的焊接区的铝含量。铝含量保持低于0.3％，这清楚地表明铝在次要面上的量在烧蚀步骤之后且在焊接之前几乎为零。

本发明的条件下组装的焊接坯件随后在炉中加热至900℃的温度并且被保持处于此温度，其中，炉中的总保持时间为6分钟。随后对加热坯料进行热冲压以形成下述部件：该部件被保持在冲压的压制工具中，从而以比钢的临界马氏体回火速率大的速率冷却该部件。

还发现，热冲压件上的焊接区不包含任何脆的Fe-Al金属间化合物，并且熔融区的硬度几乎等同于基体金属的硬度。

因此，本发明使得可以由具有焊接接头的镀铝板经济地生产用于汽车工业的结构部件和安全部件。

Claims (34)

1.一种制备待用于制造焊接钢坯件的板的方法，所述方法包括下面所指出的顺序步骤：

-获得至少一预涂覆第一钢板(11)和至少一第二预涂覆钢板(12)，所述至少一第一预涂覆钢板(11)和至少一第二预涂覆钢板(12)由钢基材(25、26)和预涂层(15、16)制成，所述预涂层(15、16)由顶部上设有铝金属或铝合金铝基合金层(19、20)的接触所述钢基材的金属间合金层(17、18)构成，第一板(11)包括主要面(111)、相反的主要面(112)和至少一个次要面(71)，第二板(12)包括主要面(121)、相反的主要面(122)和至少一个次要面(72)，随后，

-所述第一板(11)和所述第二板(12)定位成在面向彼此的所述次要面(71)与所述次要面(72)之间留下0.02mm至2mm的间隙(31)，所述第一板(11)和所述第二板(12)的定位限定了垂直于所述第一板(11)和所述第二板(12)的所述主要面的中间平面(51)，随后，

-借助同时在所述主要面(111)和所述主要面(121)上进行熔融和气化，在所述板(11)的边缘区域(61)中去除金属合金层(19)，并且在所述板(12)的边缘区域(62)中去除金属合金层(20)，所述边缘区域(61)和所述边缘区域(62)为所述主要面(111)和所述主要面(121)的最靠近所述中间平面(51)并且位于所述中间平面(51)的两侧的区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，这种借助熔融和气化的同时去除通过跨所述中间平面(51)的激光束来执行。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的制备方法，其中，所述边缘区域(61)的宽度和所述边缘区域(62)的宽度为0.25mm至2.5mm。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的制备方法，其中，所述边缘区域(61)的宽度与所述边缘区域(62)的宽度相等。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的制备方法，其中，所述边缘区域(61)的宽度与所述边缘区域(62)的宽度不同。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的制备方法，其中，同时在所述主要面(111)、所述主要面(121)和所述主要面(112)、所述主要面(122)上执行借助熔融和气化的所述去除。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，从所述至少一第一钢板(11)和第二钢板(112)中的每一者的所述边缘区域(61、62)去除各自的金属合金层(19、20)以使其各自的金属间合金层(17、18)留在原位。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的制备方法，其中，所述基材(25、26)具有不同的钢组成。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的制备方法，其中，所述预涂层(15、16)具有不同厚度。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的制备方法，其中，所述预涂层(15、16)的所述金属合金层(19、20)包括以重量百分数表示的8％至11％的硅、2％至4％的铁，组成的余量是铝和不可避免的杂质。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的制备方法，其中，所述间隙(31)大于0.04mm。

12.根据权利要求1至10中的任一项所述的制备方法，其中，所述间隙(31)大于0.06mm。

13.一种用于制造焊接坯件的方法，其中，获得由根据权利要求1至12中的任一项所述的方法制备的至少一第一板(11)和至少一第二板(12)，并且其中，在所述至少一第一板(11)和至少一第二板(12)上借助熔融和气化的去除操作之后，在借助熔融和气化的去除区域中沿着由所述中间平面(51)限定的平面对所述至少一第一板(11)和至少一第二板(12)执行焊接操作少于一分钟。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述焊接操作由至少一激光束(95)来执行。

15.根据权利要求13或14中的任一项所述的制造方法，其中，所述焊接操作由两激光束同时执行，一个激光束实现所述主要面(111)和所述主要面(121)的侧边的焊接，另一个激光束实现所述相反的主要面(112)和相反的主要面(122)的侧边的焊接。

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的制造方法，其中，借助熔融和气化的所述去除由激光束(80)来执行，并且使得能够进行所述去除和所述焊接操作的装置组合成单件设备，所述单件设备相对于所述至少一第一板(11)的相对移位速度与所述单件设备相对于所述至少一第二板(12)的相对移位速度相同。

17.根据权利要求14至16中的任一项所述的制造方法，其中，同时使用至少一激光束(95)和一个填充条(82)来执行所述焊接操作。

18.根据权利要求14至17中的任一项所述的制造方法，其中，所述去除步骤利用跟踪所述中间平面(51)的装置来引导，其中，限定在时刻t的所述平面(51)的位置的坐标(x-y)由计算机化手段记录，并且用于引导随后执行的所述焊接操作。

19.根据权利要求13至16中的任一项所述的制造方法，其特征在于所述去除步骤利用跟踪所述中间平面(51)的第一装置来引导，所述焊接利用跟踪所述中间平面并且独立于所述第一装置的第二装置来引导。

20.根据权利要求13至19中的任一项所述的制造方法，其中，所述板(11)和所述板(12)在所述借助熔融和气化的去除操作期间由夹持装置(98)夹持，所述夹持在直到所述焊接操作完成之前并且至少在所述焊接操作期间借助所述装置(98)而保持不变。

21.一种用于由焊接坯件制造压制硬化部件的方法，其包括以下顺序步骤：

-获得如权利要求13至20中的任一项所述而制造的至少一焊接坯件，随后，

-对所述至少一焊接坯件进行加热，以通过所述钢基材(25、26)与所述预涂层(15、16)之间的合金化来产生金属间合金化合物并且使所述基材(25、26)获得部分或完全奥氏体组织，随后，

-使所述至少一焊接坯件热成形来获得部件，随后，

-以足以在所述基材(25、26)中至少部分地形成马氏体或贝氏体的速率对所述部件进行冷却，由此实现压制硬化。

22.根据权利要求21所述的制造方法，其中，所述至少一焊接坯件的所述热成形通过热冲压操作来进行。

23.一种焊接坯件，所述焊接坯件通过至少一第一预涂覆钢板(11)和至少一第二预涂覆钢板(12)的组合件来制造，所述至少一第一预涂覆钢板(11)和所述至少一第二预涂覆钢板(12)由钢基材(25、26)和预涂层(15、16)构成，所述预涂层(15、16)由顶部上设有铝金属、铝合金或铝基合金层(19、20)的、接触所述钢基材的金属间合金层(17、18)构成，第一板(11)具有主要面(111)和相反的主要面(112)，第二板(12)具有主要面(121)和相反的主要面(122)，借助熔融和气化在所述至少一板(11)的边缘区域(61)中去除所述金属合金层(19)和在所述至少一板(12)的边缘区域(62)中去除所述金属合金层(20)，所述焊接坯件具有至少一焊接接头(52)，所述至少一焊接接头(52)限定垂直于所述至少一第一板(11)和所述至少一第二板(12)的所述主要面的中间平面(51)，和垂直于所述中间平面(51)的截面(52a)、(52b)......(52n)，所述层(17、18)的由所述预涂层于所述边缘区域(61)和所述边缘区域(62)中的熔融和气化之后凝固而产生的形貌特征在所述截面(52a)、(52b)......(52n)中在所述中间平面(51)的两侧上是相同的。

24.根据权利要求23所述的焊接坯件，其中，所述边缘区域(61)的宽度与所述边缘区域(62)的宽度之和沿着所述焊接接头的变化优选小于10％。

25.根据权利要求21至23中任一项所述的焊接坯件，其中，所述预涂层(15、16)的所述金属合金层(19、20)包括以重量浓度表示的8％至11％的硅、2％至4％的铁，组成的余量由铝和不可避免的杂质构成。

26.一种用于制造焊接坯件的装置，其包括：

-输送至少一第一钢板(11)和至少一第二钢板(12)的装置(91)，所述至少一第一钢板(11)和至少一第二钢板(12)预涂覆有铝、铝合金或铝基合金，

-用于所述板的定位装置(92)，以在所述板(11)与所述板(12)之间获得中间平面(51)，

-用于所述板的夹持装置(98)，

-使得能够产生激光束(80)的至少一种源，以借助熔融和气化来同时在所述至少一第一板(11)和第二板(12)的边缘区域(61、62)中去除铝金属、铝合金或铝基合金层，

-至少一种引导装置(94)，所述至少一种引导装置(94)使得能够相对于所述中间平面(51)定位所述激光束(80)，

-使得能够产生激光束(95)的至少一种源，所述激光束(95)用于在已去除所述铝金属层的所述区域(61、62)中对所述板(11)和所述板(12)进行焊接，以获得焊接接头，

-至少一种装置，所述至少一种装置使得能够获得所述板(11)和所述板(12)相对于所述激光束(80)和所述激光束(95)的相对位移，

-所述激光束(80)和所述激光束(95)，其参照所述中间平面(51)位于单一线上并且以彼此相距固定距离(64)的方式定位。

27.根据权利要求25所述的装置，其中，所述激光束(80)与所述激光束(95)之间的所述距离(64)为0.5mm至2m。

28.根据权利要求27所述的装置，所述距离(64)小于600mm。

29.根据权利要求27所述的装置，所述距离(64)小于5mm。

30.根据权利要求26所述的装置，其中，所述激光束(80)从烧蚀头发射并且所述激光束(95)从焊接头发射，所述烧蚀头和所述焊接头形成紧凑元件，所述紧凑元件的聚焦装置为所述激光束(80)和所述激光束(95)两者所共用。

31.根据权利要求26至30中的任一项所述的装置，其中，所述引导装置(94)还使得能够参照所述中间平面(51)来定位所述激光束(95)。

32.根据权利要求26至31中的任一项所述的装置，其中，所述装置还包括用于获得所述焊接接头的填充条装置(82)。

33.根据权利要求26至32中的任一项所述的装置，其中，所述装置还包括使得能够在与所述激光束(95)所运行的面相反的面上实现焊接的激光束。

34.一种根据权利要求21或22中所述而制造的钢部件用于制造车辆、特别是汽车中的结构部件、抗侵入部件或冲击吸收部件的用途。