CN109551107A - 一种混合光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光/电弧混合焊接方法，该激光/电弧混合焊接方法使用在单个焊接熔池中组合在一起的电弧和激光束，通过熔化可消耗的焊丝来向所述焊接熔池提供熔融金属，其中，所述焊接熔池形成在包括铝表面镀层的至少一个钢件上，所述方法使用保护气体，其特征在于，所述可消耗焊丝包含重量含量至少3％的一种或多种γ化元素(特别是从C、Mn、Ni和N中选出的γ化元素)，并且所述保护气体由氦气和/或氩气以及另外的体积含量至少10％的氮气或氧气形成。本发明的方法特别适用于焊接用在汽车制造领域中的拼焊板，或者适用于管道焊接。

Description

一种混合光焊接方法

技术领域

本发明涉及一种用于焊接包含铝基表面镀层(特别是铝/硅镀层)的钢件/钢制工件的激光/电弧混合焊接方法，该方法使用包含一种或多种γ化元素的焊丝，并且优选地使用由氩气和/或氦气以及小比例的氮气或氧气形成的保护气体。

背景技术

称为镀铝钢的特定钢材(诸如USIBORTM钢材)因为镀有铝或者镀有铝基合金，在热拉伸之后具有很高的机械性能，并且因此为了减轻重量，这种钢材越来越多地用于汽车制造领域。

具体地，这些钢材设计为热处理后在热拉伸操作期间淬火，由此得到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建议使用激光/电弧混合焊接方法焊接这种类型的镀铝钢。在现有技术中激光/电弧混合焊原理是众所周知的。

然而，在实践中已发现：在镀有铝或者镀有铝合金(特别是铝/硅的合金)的钢件经受混合焊接操作(该混合焊接操作使用由氦气/氩气混合气体形成的保护气氛)以及焊后热处理(该焊后热处理包括在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比母材金属和焊缝金属区域的拉伸强度小的相(区)。

具体地，在由此而得到的焊缝中该带有低拉伸强度的相构成易碎区，如下文将解释的。这些较易碎的区域以白色相区群岛的形式出现在马氏体区域中，这些白色相区聚集有来自于表面层的铝。

分析显示，所述相包含大比例的铝(大于2％)，这将阻止在其预拉伸热处理阶段出现钢的奥氏体转变，也就是说，该相以铁素体的形式保持，并且结果是该相比工件的经历了马氏体/贝氏体转变的剩余部分软。

在焊接、拉伸和随后的热处理之后，在接头的机械性能试验期间，没有进行马氏体转变的相区会导致焊接接头破裂或者甚至切断，这是因为焊缝的这些区域包含铝并且它们的强度比沉积金属的强度低。

发明内容

所面对的问题是如何提供一种电弧/激光混合焊方法，该方法能够提高在用于焊接镀有包括铝的镀层的钢件的操作期间形成的焊缝的机械性能。更加具体地，该问题是如何在热拉伸(典型地在大约920℃下进行热拉伸)和在拉拔工具中进行淬火(典型地是800℃和500℃之间的大约30℃/s的冷却速率)之后在焊缝金属区域(也就是，在焊缝中)获得均匀的马氏体微结构。

本发明的技术方案因此是一种使用在单个焊接熔池中组合在一起的电弧和激光束和使用保护气体的激光/电弧混合焊接方法，其中，在所述焊接熔池中焊缝金属通过熔化可消耗焊丝来提供，所述焊接熔池形成在包括铝基表面镀层的至少一个钢件中，其特征在于，所述可消耗焊丝包含重量含量至少3％的一种或多种γ化元素(élémentsgamagènes，奥氏体化元素)，并且所述保护气体由氦气和/或氩气以及体积含量至少10％的作为附加成分的氮气或氧气形成。

根据情况，本发明的方法可以包括一个或多个如下的特征:

-所述γ化元素选自碳(C)、锰(Mn)、镍(Ni)和氮(N)；

-所述可消耗焊丝至少包含Mn；

-特别是对于金属芯焊丝而言，所述γ化元素可以以金属或合金的形式来提供，例如是包含碳的铁合金或者石墨(对于碳而言)、电解锰或者铁合金(对于锰而言)、元素镍、或者是包含氮的铬铁合金(对于氮而言)；

-所述可消耗焊丝包含从C、Mn、Ni和N中选择的多个γ化元素；

-所述可消耗焊丝包含重量含量至少5％的一种或多种γ化元素；

-所述可消耗焊丝包含重量含量至多约20％的γ化元素；

-所述可消耗焊丝此外包含铁；

-所述焊丝是带芯焊丝，特别是金属芯焊丝，或者实心焊丝；

-所述保护气体包含氦气和氩气的混合气体；

-所述保护气体由氦气和/或氩气以及体积含量小于9％的氮气或氧气形成，优选氮气，是因为在气体中氮气的存在特别地能够提供额外的γ化元素；

-所述保护气体包含体积含量至少2％的所述至少一种附加的氧气或者氮气成分；

-所述保护气体包含体积含量至少4％的作为附加成分的氮气；

-所述保护气体包含体积含量至少5％的作为附加成分的氮气；

-所述保护气体包括体积含量至多8％的作为附加成分的氮气；

-所述保护气体包括体积含量至少5.5％以及至多7.5％的氮气；

-在所使用的保护气体中，在氩气中或者在氦气/氩气混合气体中加入大约6％至7％的氮气；

-在氩气中或者在氦气/氩气混合气体中加入的氧气的体积含量小于8％；

-在氩气中或者在氦气/氩气混合气体中加入的氧气的含量是大约3％至5％；

-所述保护气体由氦气和/或氩气以及体积含量为4％至8％的氮气形成；

-所述一个或多个钢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；

-所述一个或多个金属工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；

-所述一个或多个金属工件由碳钢制成；

-所述可消耗焊丝被所述电弧熔化，所述电弧优选是借助于MIG(熔化极惰性气体保护焊)焊炬获得的电弧；

-产生激光束的激光发生器是CO2激光发生器、纤维激光发生器或者盘式激光发生器；

-待焊接的所述一个或多个工件选自拼焊板和管件；

-多个工件被焊接在一起，特别是两个工件；

-所述多个工件以平头对接构型定位和焊接；

-待焊接的所述一个工件或多个工件具有0.2mm至3mm之间的厚度，该厚度是在待形成的焊缝平面中，也就是说，在其中金属熔化以形成焊缝的位置处，例如与待焊接的一个工件或多个工件的边缘面平齐；

-所述镀层覆盖所述一个工件或多个工件的至少一个表面，但是优选地在所述一个工件或多个工件的端部边缘上(也就是，例如薄板的边缘面上)不存在或几乎不存在铝基镀层；

-所述一个或多个金属工件包含一表面镀层，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％，也就是说，该表面镀层包含的铝是硅的9倍；

-所述一个或多个金属工件包含一表面镀层，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；

-多个工件焊接在一起，典型地是两个工件；所述的工件可以是相同的或者不同的，特别是在形状、厚度等方面；

-所述钢件由高含量合金钢(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)形成；

-所述焊丝是实心焊丝或者带芯焊丝，焊丝具有0.5mm至5mm之间的直径，典型地在大约0.8mm至2.5mm之间的直径；

-当考虑焊接方向时，在焊接期间，激光束先于MIG电弧；

-MIG焊接形态是短电弧类型；

-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；

-气体的压力是2bar至15bar之间，例如约4bar。

-气体的流速是5升/分钟至40升/分钟之间，典型地约25升/分钟；

--激光束的焦点聚焦在待焊接的工件上方，优选地在待焊接的工件上方3mm至6mm的距离处；以及

-填充焊丝和激光束之间的距离必须在2mm至3mm之间。

具体实施方式

下面借助于以下试图体现根据本发明的激光/电弧混合焊接方法的效果的示例可以更好地理解本发明。

出于此目的，使用CO2激光源和MIG电弧焊炬对钢件(该钢件镀有大约30μm厚的铝/硅合金镀层，其中铝和硅的重量含量分别为90％和10％)进行激光/电弧混合焊接试验。更具体地，在以下的示例1至3中，待焊接的工件是以平头对接构型放置的由镀铝(Al/Si)Usibor1500TM钢制成的拼焊板。

在示例1至3中，所使用的保护气体以25升/分钟的速率和4bar的压力配送，并且焊接速率是4m/min。借助于由AirLiquidWeldingFrance销售的协同模式(EN131)的Digi@wave500(短电弧/短电弧+)获得大约15V的焊接电压以及大约139A的焊接电流。

示例1

在该示例中，工件的厚度是1.7mm。

所采用的气体是ARCAL37混合气体(组分：体积含量为70％的氦气，体积含量为30％的氩气)，同时向该混合气体中加入体积含量为3％的氧气，AirLiquide销售有该ARCAL37混合气体。

所使用的焊炬是OTC销售的MIG焊炬，该焊炬供给有1.2mm直径的填充焊丝，该焊丝除了包括铁之外，还包括重量含量大约为20％的锰，并以3m/min的速度输送。

激光源是CO2激光振荡器，所采用的功率是8千瓦。

所得到的结果显示，如果所获得的焊道具有均匀的微结构，那么在焊缝区域含有高比例的锰(即，重量含量大约20％的Mn)将使得该试验的结果远好于焊道中锰含量很少(即，大约2％的锰)的试验的结果。

在淬火热处理(800℃至500℃之间的约30℃/s的冷却速率)之后，接头的拉伸强度等于淬火后的母材金属的拉伸强度，而当焊道中只含有2％的锰时，拉伸强度不超过100MPa(Rm)。

该第一示例表明在焊丝中γ化元素(在此处，20％的锰)的存在促使在淬火之后在焊缝金属区域出现具有均匀的马氏体微结构的焊道。

示例2

在该示例中，工件厚度是2.3mm，并且所采用的气体是由ARCAL37和体积含量为3％的氧气形成的混合气体。

所使用的焊炬是OTCMIG焊炬，该焊炬供给Nic535(实心焊丝)的具有1.2mm直径的填充焊丝，该焊丝包含铁、以及作为γ化元素的0.7％碳(C)和2％锰(Mn)，该焊丝以3m/min的速率输送。

激光源是12千瓦的CO2激光振荡器。

得到的结果显示焊丝中的γ化元素(也就是，Mn和C)的量足以抵消由在焊缝金属区域中铝的存在造成的抑制奥氏体转变的效应。具体地，显微照片显示白色相区完全消失或者已大大地减少。

此外，观察到在奥氏体化和淬火之后，接头的拉伸强度等于母材金属的拉伸强度。

该第二示例也表明了在焊丝中γ化元素(在此处，Mn和C)的存在促使在淬火之后在焊缝金属区域得到具有均匀的马氏体微结构的焊道。

示例3

示例3与上述示例2类似，除了根据本发明的激光/电弧混合焊接方法用于焊接厚度为2.3mm的工件和使用由70％的氦气和30％的氩气形成的ARCAL37混合气体以及6％的附加氮气作为保护气体。

焊炬、填充焊丝以及其他的焊接条件与示例2的相同。

以对比的方式，也进行了只使用ARCAL37混合气体(也就是没有加入氮气)的试验。

得到的结果显示，使用含有γ化元素的焊丝和相结合地使用通过向包含70％的氦气和30％的氩气(也就是ARCAL37)的混合气体添加6％的N2而形成的保护气体所得到的结果比当保护气体不含氮气但焊丝相同时所得到的结果好。

具体地，当混合气体中存在氮气时，结果明显地改善，这种改善效果与混合气体中的氮气含量成比例地增加。因此，显微照片显示白色相区已完全消失，并且此外，在奥氏体化和淬火之后，接头的拉伸强度与母材金属的拉伸强度相同。

氮气的含量越高，改善效果越明显，但是氮气体积含量最好低于10％，建议在氩气中或在氩气/氦气混合气体中加入体积含量为6％至7％的氮气。

一般地，在试验(示例1至3)中得到的结果清楚地显示，在可消耗焊丝中γ化元素的存在允许大大提高镀有由铝/硅合金制成的表面层的钢的焊接质量，特别地允许在焊缝金属区域得到均匀的马氏体微结构。

需要注意的是，在如下的情况下，改善效果更加明显：

-同步地增加保护气体中氮气的含量，但是氮气体积含量最好低于10％，建议在氩气中或氩气/氦气混合气体中加入约6％至7％的氮气；或者

-增加氧气的含量，但是氧气体积含量最好低于10％，建议在氩气中或在氩气/氦气混合气体中加入约3％至5％的氧气。

本发明的方法特别适用于焊接用在汽车制造领域中的拼焊板，或者适合用于焊接管件。

Claims (10)

1.一种混合光焊接方法，在该焊接熔池中焊缝金属通过熔化可消耗焊丝来提供，所述焊接熔池在包括铝基表面镀层的至少一个钢件中形成，其特征在于，所述可消耗焊丝包含重量含量至少3％至多20％的一种或多种γ化元素，并且所述保护气体由氦气和/或氩气以及体积含量小于10％的氮气或氧气形成。

2.如权利要求1所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述γ化元素选自C、Mn、Ni和N。

3.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述至少一个钢件包括铝基表面镀层，该铝基表面镀层具有5μm至100μm之间的厚度。

4.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述至少一个钢件包括铝基表面镀层，该铝基表面镀层具有等于或小于50μm的厚度。

5.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述至少一个钢件由带有铝硅(Al/Si)基表面镀层的钢制成。

6.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述至少一个钢件由带有铝硅(Al/Si)基表面镀层的钢制成，所述表面镀层包含重量含量大于70％的铝。

7.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述可消耗焊丝由所述电弧熔化。

8.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，产生激光束的激光发生器是CO2激光发生器、纤维激光发生器或者盘式激光发生器。

9.如权利要求1或2所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，待焊接的一个或多个工件选自拼焊板和管。

10.如权利要求1所述的一种混合光焊接方法，其特征在于，所述可消耗焊丝包括从C、Mn、Ni和N中选出的多种γ化元素。