CN106488824B - 用于接合两个坯件的方法 - Google Patents

Abstract

用于接合第一坯件和第二坯件的方法，其中所述第一坯件和第二坯件包括具有包括铝或铝合金层的涂层的钢基材。该方法包括选择待接合到第二坯件的第一坯件的第一部分，以及选择待接合到该第一部分的第二坯件的第二部分，并且将第一部分焊接到第二部分。所述焊接包括使用激光束和弧焊焊炬，其中所述弧焊焊炬包括焊丝电极，其中所述焊丝电极由包括γ化元素的钢合金制成，可选择地由包括γ化元素的不锈钢合金制成，以及将激光束和弧焊焊炬两者沿焊接方向移动，并且其中在该焊接方向上，弧焊焊炬位于激光束的前面。

Description

用于接合两个坯件的方法

本申请要求于2014年5月9日提交的欧洲专利申请EP14167675.9的权益

技术领域

本披露涉及用于接合两个坯件的方法，以及用于在接合两个坯件之后获得产品的方法。

技术背景

用于生产金属件的新材料和工艺的开发以低成本降低部件重量为目的在汽车工业中极其重要。为了实现这些目的，业界开发了超高强度钢(UHSS)，其表现出优化的每重量单位最大强度和有利的可成形性能。这些钢被设计成在热处理之后获得微结构，其赋予良好的机械性能并使得它们特别适合于将钢坯件形成为特定汽车部件所用的热冲压工艺。由于在热冲压过程中坯件经受腐蚀性环境，钢通常被涂覆以避免腐蚀和氧化。

为了试图最小化部件的重量同时考虑结构要求，可以使用所谓的“激光拼焊坯件(tailored blank)”技术。在这些技术中，部件可以由通过焊接具有任选不同厚度、不同材料、尺寸和性质的若干坯件而获得的复合金属坯件制成。至少在理论上，使用这种技术可以优化材料的使用。可以接合不同厚度的坯件，或者可以例如使用所需要的每种材料的特定性质将钢坯件与涂覆的钢坯件接合。

这些坯件可以被“边对边”(“对接(butt-joining)”)焊接。这些所谓的激光拼焊坯件经设计被热冲压，并且然后被制造以形成汽车部件。激光拼焊焊接坯件可以用于结构部件，例如门、B-柱、梁、地板、保险杠等。

类似地，“拼接”坯件是已知的，其中多个坯件不必“边对边”地焊接，而是可以使用坯件的部分或完全重叠。

在汽车工业中使用的钢的实例是22MnB5钢。为了避免在加热和成形过程中脱碳和氧化皮的形成，提供具有铝-硅涂层的22MnB5。从安赛乐米塔尔钢铁公司(Arcelor Mittal)可商购的1500P和500P是用于激光拼焊和拼接坯件中的钢的实例。

拼接坯件和激光拼焊坯件也可以在其他工业中使用或有用。

1500P是以铁氧体-珠光体条件供应的。机械性能与这种结构有关。在加热、热冲压和随后的快速冷却(淬火)之后，获得马氏体微结构。结果，最大强度和屈服强度显着增加。

以下以重量百分比(其余为铁(Fe)和不可避免的杂质)概括1500P的成分：

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	B	N
									0.24	0.27	1.14	0.015	0.001	0.17	0.036	0.003	0.004

如前所述，Usibor 1500P提供有铝硅(AlSi)涂层以防止腐蚀和氧化损坏。然而，这种涂层具有与其焊接行为相关的显着效应。如果Usibor 1500P坯件在没有任何进一步措施的情况下进行焊接，涂层的铝可能进入焊接区并且这能够导致所得部件的机械性能的显着降低并增加焊接区断裂的可能性。

为了克服这个问题，在DE202007018832 U1中提出了一种方法，其包括在靠近焊接间隙的区域中去除(例如通过激光消融)涂层的一部分。该方法的缺点是，需要额外的步骤来生产(激光拼焊)坯件和部件，并且尽管工艺的重复性质，该附加步骤需要复杂质量工艺，具有提高的报废部件数量。这导致焊接步骤的成本增加并且限制了该技术在工业中的竞争力。

US20080011720提出了一种用于通过激光束对至少一个金属工件进行激光焊接的方法，所述工件具有包含铝的表面，其特征在于激光束与至少一个电弧结合以熔化金属并焊接所述工件(一个或更多)。激光位于电弧前面允许使用含有有利于在整个熔化区域保持奥氏体结构的诱导γ相(Mn，Ni，Cu等)的元素的焊芯焊丝/金属丝或类似物。

US2014027414披露了一种包括混合焊接装置的混合焊接系统和焊接方法。混合焊接装置包括激光器、具有非熔融电极的电弧焊机和焊丝进给/送丝装置。电弧焊机提供电弧而不进给焊丝。焊丝进给装置被布置和设置成将焊丝进给到位于激光束的突出部和电弧之间的处理区域。激光器和电弧焊机被布置和设置成朝向至少两个相邻部件传递能量以形成公共熔池。

US2013043219披露了一种使用产生焊池的高强度能量源和至少一个电阻填充焊丝来焊接或接合工件的方法和系统，其中电阻填充焊丝被加热到其熔化温度或其附近并沉积到焊池中。

EP2511041披露了一种混合焊接设备，其包括用于焊接具有导致全焊透焊接的大约3.0毫米的大间隙的至少两个相邻部件的系统和方法。该焊接系统包括具有散焦激光束的混合焊接机、电弧焊机以及邻近至少两个相邻部件中的一个或更多个的至少一个桥接件。散焦激光束和电弧焊机被布置和设置成将能量传递到至少两个相邻部件上以产生公共熔池，其可操作以提供全焊透焊接从而以高恒定焊接速度桥接间隙，以便利用焊接接合两个相邻的部件。

然而，已经发现与沿焊接区的深度的填充材料的仅部分稀释相关的问题，这导致焊接强度降低。

这里，坯件可以被认为是尚未经历一个或更多个加工步骤(例如变形、机加工、表面处理或其它)的制品。这些制品可以是基本上平的板或具有更复杂的形状。

在本文所述的焊接方法的实例中，避免或至少部分减少上述缺点。

发明内容

在第一方面，本发明提供一种用于接合第一坯件和第二坯件的方法，其中第一坯件和第二坯件包括具有包括铝层或铝合金层的涂层的钢基材。该方法包括选择待接合到第二坯件的第一坯件的第一部分，以及选择待接合到第一部分的第二坯件的第二部分；并将第一部分焊接到第二部分。所述焊接包括激光束和弧焊焊炬，其中弧焊焊炬包括焊丝电极，其中所述焊丝电极由包括γ化(gammageneic)元素的钢合金制成，可选择地由包括γ化元素的不锈钢合金制成，并且其中在焊接方向上，所述弧焊焊炬位于激光束的前面。

根据该方面，焊接组合激光束和弧焊焊炬。组合这两种类型的焊接有时被称为“混合激光焊接”。激光束和弧焊焊炬一起在焊接区中作用，彼此影响和支支持。单独与激光焊接和电弧焊接相比，组合激光器和电弧可以增加焊道熔深度和焊接速度两者。使用混合激光焊接可以获得高品质和成本有效的焊接。

激光器和/或电弧(或与电弧组合)的功率应足以熔化这些坯件的第一和第二部分。优选地，坯件的第一和第二部分沿着坯件的整个厚度熔化，使得填充材料也可以存在于整个厚度上。因此可以改善所得的最终工作产品的微结构。

不希望受任何理论束缚，相信焊接特性的改进是由于引导弧焊焊炬的电极材料的熔化。由于激光束跟随弧焊焊炬，电极材料随后在整个焊接区中混合。激光束产生一种键孔(keyhole)，其使得熔融材料能够在整个焊接区中混合。

铝可以存在于焊接区中，但是其在热变形工艺例如热冲压后不会导致更差的机械性能。由于电极线包括稳定奥氏体相的γ化元素。这些γ化元素被引入焊接区并与熔体混合，并且因此可以通过加热获得奥氏体(γ相铁，γ-Fe)。在热变形后的快速冷却(淬火)过程中，可以因此获得具有令人满意的机械特性的马氏体微结构。

因此，不需要去除铝或铝合金层，例如在一些现有技术方法中提出的。当例如焊接涂覆的钢坯件时，由于不再需要中间工艺步骤，这可以更快速和更便宜地完成。

γ化元素在本文中被理解为在使γ相(即奥氏体相)更活泼的化学元素。γ化元素(或“奥氏体稳定剂元素”)可以选自包括镍(Ni)、碳(C)、锰(Mn)、铜(Cu)和氮(N)的组。虽然“铁氧体稳定剂元素”的添加可以抵消“奥氏体稳定剂元素”的作用，但是针对填料的成分也考虑其它因素时，任选地这些“铁氧体稳定剂元素”仍然能够是合适的组分。例如，为了提升硬度，钼(Mo)可以是合适的元素并且例如对于耐腐蚀性，硅(Si)和铬(Cr)可以是合适的组分。

铝合金在本文中应理解为其中铝是主要元素的金属合金。

优选地，电极线或填充焊丝中的γ化元素的量足以补偿诸如Cr，Mo，Si，Al和Ti(钛)的α化元素的存在。A化元素促进α铁(铁氧体)的形成。这可能导致机械性能降低，因为在热冲压和淬火之后得到的微结构可以包括马氏体贝氏体和铁氧体。

在一些实例中，可以使用MAG(金属活性气体)焊接弧。作为替代，可以使用其它焊接弧，例如MIG(金属惰性气体)，TIG(钨惰性气体)或等离子体弧。

不同的激光器可以用于激光焊接，例如Nd-YAG(钕掺杂的钇铝石榴石)和具有足够功率的CO2激光器。Nd-YAG激光器可商购，并且构成成熟的技术。这种类型的激光器还可以具有足够的功率以熔化坯件的部分(与电弧一起)，并且允许改变激光器的焦点的宽度，并因此改变焊接区的宽度。减小“光斑(spot)”的尺寸增加了能量密度。

保护气体可以朝向焊接区供给，从而保护焊接免受空气中的污染物的影响。在一些实例中，氦或基于氦的气体可以用作保护气体。作为替代，可以使用基于氩的气体。

可以使用不同的填充焊丝(或焊丝电极)，这取决于所使用的弧焊焊炬。在使用MAG焊接弧的混合激光焊接方法中，可以使用碳钢填料和含有奥氏体稳定元素“γ化元素”的填料。

奥氏体稳定元素抵消Al的铁氧体稳定效应，因此最小化(或避免)最终焊接接头中的铁氧体。

在其它实施方案中，填料可以含有奥氏体稳定元素并且可以具有下列重量百分比的成分：0％-0.3％的碳，0％-1.3％的硅，0.5％-7％的锰，5％-22％的铬，6％-20％的镍，0％-0.4％的钼，0％-0.7％的铌，以及余量的铁和不可避免的杂质。

发明人已经发现这些混合物的填料获得非常令人满意的机械性能的最终工件产品(即在热冲压和淬火之后)。

上述各种方法可以用于通过对接两个坯件形成例如激光拼焊坯件。一个坯件或两个坯件可以包括具有包括铝层或铝合金层的涂层的钢基材。具体地，可以使用AlSi涂层。例子包括使用Usibor。

在第二方面，本发明提供了一种用于形成产品的方法，包括形成坯件，包括根据本文所述的焊接方法中的任一种接合第一和第二坯件的方法，并且随后加热所述坯件，以及热变形所加热的坯件并最终淬火。加热可以包括在变形之前在炉中的热处理。热变形可以包括例如热冲压或深冲压。

附图说明

下面将参照附图描述本披露的非限制性实例，其中：

图1a和图1b示意性地示出接合两个坯件的第一实例；

图2a-2b示意性地示出根据一个实施方式的激光束和弧焊焊炬的一种示例性布置；

图3a和图3b示意性地示出焊接后填充材料对所得微结构的影响；并且

图4a和图4b示出根据激光束和弧焊焊炬的相对位置，填充材料在整个焊道中的分布。

具体实施方式

图1a和图1b示意性地示出将第一坯件A与第二坯件B接合的方法的第一实例。第一坯件的第一部分或区域A1将被接合到第二坯件的第二部分或区域B2。在该实例中，两个坯件将被对接，即边对边焊接。

在该实例中，坯件A和B都可以是涂覆的钢，例如，Usibor两个坯件都包括钢基材1，在其上提供涂层2。所施加的涂层是铝-硅(Al87Si10Fe3)。由于涂层的施加过程，所得涂层具有金属合金层4和金属间化合物层3。

图1b进一步示出根据混合激光焊接的一个实例的接合方法。示意性地示出具有激光头21的激光焊接机20，激光束从激光头21射出。还示意性地示出弧焊焊炬30。弧焊焊炬可以包括电极线32，并且保护气体可以如箭头示意性地示出的那样离开喷嘴31。

在混合过程中，弧焊焊炬和激光束合作形成焊道。在弧焊焊炬中，因此可以在电极线和这些部分之间产生电弧。该电弧熔化电极线以及坯件的部分。随着电极线(有时也称为“填充焊丝”)熔化，可以填充坯件之间的任何间隙，并可以产生焊道。另一方面，激光束被聚焦以产生具有高能量密度的光斑。当激光束照射第一和第二部分时，该光斑可以被加热到汽化温度，从而由于逸出的金属蒸气在待焊接的部分中产生蒸气腔。这种蒸气腔可以被称为键孔，并且可以沿着待焊接的部分的整个厚度实现深的焊接效果。

可以看出，在这种情况下，不需要在焊接之前去除钢基材的涂层，从而简化并且加速了制造。这可以带来显着的成本降低。同时，合适成分的电极线或填充焊丝可以确保在Usibor的标准热处理之后和在诸如热冲压的热变形工艺之后获得良好的机械性能。

Usibor坯件的标准处理将是在例如炉中加热所得的坯件，以使得(除其他之外)基础钢奥氏体化。然后，坯件可以被热冲压以形成例如保险杠梁或柱。在热变形后的快速冷却期间，因此可以得到具有令人满意的机械特性的马氏体。标准处理不以任何方式受到本文提出的结合方法的影响。具体地，由于供应到焊接区中的电极线的元素，即使存在铝，也能够在焊道的区域中获得马氏体结构。

图2a示意性地示出沿焊缝C将第一坯件A接合到第二坯件B，其中弧焊焊炬30根据焊接方向定位在激光束20的前面。

图2b示意性地示出图2a的侧视图。焊炬30可以具有在10°和35°之间的角度，可选择地在14°和30°之间的角度，而激光束20可以相对于垂直于第一部分的平面具有在0°和15°之间的角度，可选择地具有在4°和10°之间的角度。

在本文所示的所有实例中，目前，平板形状的坯件被接合在一起。应当清楚本文披露的方法的实例也可以应用于不同形状的坯件。

在混合焊接坯件的概念验证的初始测试之后，本发明人进行了广泛测试以针对填充材料、焊弧和激光束相对于焊接方向的位置、焊丝进给率、焊接速度和激光器功率来优化焊接过程。

在这些测试中，将两个1.4mm厚的平的Usibor板对接，并将结果与两个平的22MnB5未涂覆硼钢板进行比较。

测试了两种混合激光焊接拓扑，即相对于焊接方向，焊弧位于激光束前方和激光束位于焊弧前方。

测试四种不同的填料，其中两种是碳钢填料并且其中两种是包含γ化元素的奥氏体稳定填料。这些填料的特性和成分通过重量百分比(其余为铁(Fe)和不可避免的杂质)概括如下：

表1：填料的特性和成分

发现使用奥氏体稳定不锈钢填料，如在填料样品C和D中，由于形成马氏体而不是铁氧体，可以避免铁氧体的形成。因此，能够获得良好的焊接接头强度。

图3a表示在920℃的温度下22MnB5未涂覆的硼钢坯件中的奥氏体和铁氧体相与铝含量的关系的部分。铁氧体和奥氏体形成的百分比取决于铝的量。在铝含量的质量在至少1％时，铁氧体相首先出现。

图3b表示在920℃的温度下，奥氏体和铁氧体相与22MnB5和奥氏体稳定不锈钢填料OK Autorod 16.95(可商购自)的混合物(50/50)的铝含量的关系的部分。OKAutorod 16.95的重量百分比成分为：0.08％C、0.9％Si、7％Mn、18.7％Cr、8.1％Ni、0.2％Mo、0.1％Cu、0.04％并且剩余为Fe和不可避免的杂质。现在仅在铝含量为至少3％的质量时出现铁氧体相。因此，添加这些奥氏体稳定不锈钢填充材料增加了形成铁氧体相所需的铝的质量含量。换句话说，由于填料，能够在焊接区允许更多的铝，同时仍然保持机械性能，即仍然确保奥氏体的存在。

图4a和图4b示出镍、铝、硅、铬和锰在厚度为1.4mm的两个平坦Usibor板的焊接线中的分布和含量。在两个实施例中，使用奥氏体稳定不锈钢填料。水平轴线示出毫米为单位的焊接线的深度，其中0对应于焊接线的顶表面并且1.9毫米对应于焊接线的底表面。竖直轴线表示焊道中心的元素的重量百分比含量。

具体地，图4a示出在利用激光束和弧焊焊炬的混合激光焊接的情况下，上述元素沿着两个平板的焊接线的深度的分布和含量，该激光束和弧焊焊炬以下列方式定位：激光束位于弧焊焊炬的前面。在该实例中，使用奥氏体稳定不锈钢填料，具体是C样品(参见表1)奥氏体稳定不锈钢填料。

具体地，图4b示出在利用激光束和弧焊焊炬的混合激光焊接的情况下，上述元素沿着两个平板的焊接线的深度的分布和含量，激光束和弧焊焊炬以下列方式定位：弧焊焊炬在激光束前面。在该实例中，使用奥氏体稳定不锈钢填料，具体是D样品(参见表1)奥氏体稳定不锈钢填料。

在几次测试之后，其中不同的填料与其中激光束在弧焊焊炬前面和弧焊焊炬在激光束前面两者的混合激光焊接连用，发明人已经发现与弧焊焊炬位于激光束前面相比，当激光束位于弧焊焊炬的前面时，铝含量和分布沿着焊接深度不同。

当激光束在焊接方向上位于弧焊焊炬的前面时，奥氏体稳定不锈钢填料不会到达焊道的底部。由于铁氧体形成而不是奥氏体形成，铝可能在热变形工艺例如热冲压后在焊接区中导致更差的机械性能。

当弧焊焊炬在焊接方向上位于激光束的前面时，填料中的奥氏体稳定元素到达焊道的底部。因此，在热变形工艺例如热冲压之后，铝在焊接区中不会导致较差的机械性能。奥氏体稳定元素的这种更好的分布通过使用混合激光焊接来实现，其中弧焊焊炬沿焊接方向位于激光束的前面，其中使用碳钢填料或奥氏体稳定填料。如图3b所示，当铁氧体相开始时，使用奥氏体稳定填料增加了铝的质量含量。因此，铝在焊接区的影响被最小化，并且获得具有良好机械性能的焊接接头。

而且已经发现，使用其中弧焊焊炬位于激光束的前面的混合激光焊接，当在待焊接的两个坯件之间存在间隙时提高焊接品质。由于焊炬在激光束前面的定位而导致的全熔透，可以焊接两个坯件之间高达约0.7mm的间隙。另一方面，当激光束位于弧焊焊炬的前面时，坯件之间的最大间隙为大约0.2mm。在激光束的前面设置弧焊焊炬提高了焊接的可制造性并且可以减小坯件的制造公差。

已经进行了几个强度测试，比较被对接的两个平坦的22MnB5未涂覆的硼钢板和两个1.4mm厚的平坦的Usibor板的焊接强度。还测试了填料和混合激光配置的影响。下表总结了这些测试的结果。

表2：试验结果，拉伸强度

获得良好的机械性能，其中两个Usibor坯件通过激光混合焊接进行焊接，其中根据焊接方向弧焊焊炬位于激光束前面。具体地，当使用含有奥氏体稳定材料的填料时，获得高的拉伸强度。获得的拉伸强度可以与未焊接的Usibor产品和焊接的22MnB5未涂覆硼产品进行比较。

这些良好的机械性能可以使用相对高的焊接速度获得，从而改进制造工艺并减少焊接时间。在各种实例中可以实现5-12m/min的焊接速度。

尽管这里仅披露了若干实例，但是其他替代方案、修改、使用和/或其等效也是可能的。此外，还覆盖了所描述的实例的所有可能的组合。因此，本披露的范围不应由具体实例限制，而是应当仅通过正确解读所附权利要求书来确定。

Claims (7)

1.一种用于接合第一坯件(A)和第二坯件(B)的方法，其中所述第一坯件和所述第二坯件包括具有涂层(2)的硼合金可硬化钢基材(1)，所述涂层包括铝层或铝合金层，所述方法包括：

选择待接合到所述第二坯件的所述第一坯件的第一部分(A1)，并选择待接合到所述第一部分的所述第二坯件的第二部分(B2)，

将所述第一部分(A1)焊接到所述第二部分(B2)，其中，

焊接包括使用激光束(20)和弧焊焊炬(30)，其中

所述弧焊焊炬(30)包括填充焊丝电极(32)，其中，

沿焊接方向移动所述激光束(20)和所述弧焊焊炬(30)二者，焊接区中的所述第一坯件的所述第一部分和所述第二坯件的所述第二部分在焊接期间被熔化，其特征在于

在所述焊接方向上，所述弧焊焊炬(30)位于所述激光束(20)的前面，并且

所述填充焊丝电极(32)由包括下列重量百分比的成分的不锈钢合金制成：0％-0.3％的碳，0％-1.3％的硅，0.5％-7％的锰，5％-22％的铬，6％-20％的镍，0％-0.4％的钼，0％-0.7％的铌以及余量的铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述弧焊焊炬(30)相对于垂直于所述第一部分(A1)的平面具有10°-35°的角度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述弧焊焊炬(30)相对于垂直于所述第一部分(A1)的平面具有14°-30°的角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束(20)相对于垂直于所述第一部分的平面具有0°-15°的角度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述激光束(20)相对于垂直于所述第一部分的平面具有4°-10°的角度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一坯件和所述第二坯件对接，所述第一部分(A1)是所述第一坯件的边缘并且所述第二部分(B2)是所述第二坯件的边缘。

7.一种用于形成产品的方法，其包括：

通过根据权利要求1所述的方法接合第一坯件和第二坯件形成坯件，

加热所述坯件，以及

使所加热的坯件热变形和淬火。