CN109641309A - 在使用有针对性的感应热传导的情况下高强度细粒度构件的激光束-msg混合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

用于不可拆卸地接合两个或更多个构件由高强度钢制成的激光束‑MSG混合焊接方法、优选一种用于应用于防御技术的方法，其中，接合位置周围的区域被感应加热到100℃至300℃，其中，将接合位置周围的区域加热到150℃至最高200℃。

Description

在使用有针对性的感应热传导的情况下高强度细粒度构件的 激光束-MSG混合焊接方法
本发明涉及用于不可拆卸地接合两个或更多个由高强度钢制成的构件的激光束-MSG混合焊接方法。
存在有许多用于不可拆卸地接合两个由金属材料制成的构件的接合方法。
其中一种接合方法是激光束焊接方法，在该激光束焊接方法中接合位置借助于对准接合位置的激光束熔化并随后固化。
除激光束焊接方法以外还有金属-保护气体焊接方法，该焊接方法是一种可普遍使用的焊接方法，该焊接方法能够在使用现代焊接电源和电线推进单元的情况下良好地被控制。所述金属-保护气体焊接方法(也称为MSG焊接方法或MIG或MAG方法)也可以非常好地通过全机械焊接进行。
最后已知将上述两种方法组合成一种混合方法，即激光束-MSG混合焊接方法。由此，尤其是在全机械焊接时能够实现在焊接速度以及接合位置的承载能力方面进一步改进。
当然所述承载能力在极端应力的情况下达到其极限。这种极端应力例如是射击由防弹钢制成的构件(例如车辆构件)，所述构件由至少两个部件组成，它们由于其造型不能一体式构造，而是由两个接合在一起的部件组成。所述接合位置、通常在较长的延伸尺寸上的焊缝在这种高应力的情况下(例如该应力通过射击或爆炸出现)是不可接受的弱点。
所述弱点在所使用的高强度钢(例如细粒度钢)时通过如下方式出现，即通过使用激光束-MSG混合焊接方法设定高的速度，从而在实施所述焊接方法之后产生接合位置的快速冷却，并且由此在所述区域中待接合的两个构件的材料变脆。由此，接合位置不能承受所需的应力。
此外，在使用由防弹钢制成的构件时需要的是，所述钢为了达到预先给定的强度值在其制造时被添加有合金元素，以便达到钢(例如钢板)的预先给定的强度值。然而，这本身带来的缺点是：所述合金元素中的至少一种或其组合造成高强度钢在接合过程(实施焊接过程)中在所谓的被热量影响的区域(WEZ)中容易形成非常坚硬的组织成分，所述区域直接位于接合件或接缝旁边。直接在接合位置旁边的所述区域如已经描述的冷却得越快，在WEZ中的这种硬化越高。然而，所述冷却不利地导致所述区域相对于其周围环境(邻近的冷钢区域)冷却得越快。这种特性通过使用借助激光的接合方法再次被放大，因为对于所述方法来说与传统焊接相比存在非常高的温度梯度。由此以不利的并且在以后的应用中对于安全关键的方式产生硬化的和脆性的接合区域，所述接合区域在极端应力下倾向于形成裂纹。
由Lahdo、Rabi(等人)的文章：Laserstrahl-MSG-Hybridschweiβen vonfür den Einsatz im Stahlbau(在期刊Stahlbau中，第84卷，2015年第12版，第1016至1022页，ISSN 0038-9145)已知一种用于接合由高强度钢制成的风力设备的(例如钢管塔的)民用构件的激光束-MSG混合焊接方法，在该方法中接合位置周围的区域被感应加热到190摄氏度的温度。然而，诸如风力设备这种民用构件不经受任何极端情况，例如从外部射击或有针对性地引起的爆炸。因此，在这样的结构中也完全足够的是，对于应该被接合在一起的构件使用高强度钢，所述高强度钢具有最大450HV的硬度(大约420HBW)以及最大690MPa的屈服强度(S690QL质量的细粒度结构钢)。
由Bach，Fr.-W.(等人)的文章：Verbessertes Umformverhalten durch serielleinductive von (在期刊Materialwissenschaft und Werkstofftechnik中，第33卷，2002年第7版，第410至414页，ISSN 0049-8688已知，使用具有感应再加热激光束焊缝的激光束焊接，以便在刚度增加并且安全要求增加时满足对机动车辆轻量化提高的要求。为此，在承载结构中使用所谓的拼接板，其中，所述拼接板然而非常薄(通常小于1mm)，因为在汽车领域中已知在对安全关键的区域中也节省材料，以减小车辆的重量，这在这里特别重要。因此，在所述现有技术中使用具有1毫米的最大金属板厚度的材料H340，以便由此形成两个构件，这两个构件借助激光束焊接应该不可拆卸地相互连接。由此构成的成品构件(最初由两个单独的构件组成)在最大300HV的显微硬度时具有最大420MPa的屈服强度。这种方式构成的构件满足对机动车辆轻量化的要求，但是在射击下或当这种车辆经受爆炸时不符合对安全关键的安全要求。
因此本发明的任务在于，如此改进一种用于不可拆卸地接合至少两个由防弹钢(在军用和/或民用中具有初级人员保护的防弹特性的钢)制成的构件的激光束-MSG混合焊接方法，使得所述构件也承受得住极高的应力、尤其是射击或爆炸应力。
该任务通过以下方式来解决：接合位置周围的区域被感应加热至150℃至300℃。
感应加热(也称作预加热，即在焊接过程期间或之后的预处理或后处理中的外部供热)具有如下优点：虽然待接合的两个构件不是在其整体上(这然而根据构件的几何延伸尺寸也是可以考虑的)被加热，而是接合位置周围的这种区域被加热，使得经接合的构件的在接合位置周围的“冷区域”的所描述的不利影响显著减少或完全消除。这意味着接合位置周围的、尤其是接合缝周围的区域被加热，从而有效地避免接合位置的区域在实施激光束-MSG混合焊接方法之后太快地冷却。由此有效地避免形成硬化的、脆性的以及因此易于形成裂纹的区域。
加热到100℃至300℃的范围具有所述效果的优点：即待接合的构件的在接合位置周围的区域被加热得温度越高，该区域冷却得越慢。这里要注意的是，所述加热不是在对高强度细粒度结构钢的组织变化有影响的温度下进行的。在此，所述加热不仅与所使用的高强度钢相关，而且与待接合构件的几何延伸尺寸(面积)及其材料厚度相关。
加热温度的一个特别重要的范围是150℃至200℃的范围，因为在该温度范围内感应加热可以快速地并且在合理的费用支出情况下被实施并且同时避免易于形成裂纹的区域。这必然和有利地适用于处理由防弹钢制成的构件(尤其是对于在防御技术领域中的应用)，因为由此形成装甲构件的接合部件的机械技术性能在该接合区域中以及所述接合区域周围令人意想不到地明显增强。
为了遵循对构造有接合构件的装置的保护要求，还需要使用高强度钢、尤其是防弹钢，所述钢除其加工之外也具有特定的材料特性。
已被证实的是，为了实现随后制成的由至少两个不可拆卸地接合的构件组成的装置的所希望的特性，制成所述构件的高强度钢具有至少690MPa的屈服强度以及至少420HBW的硬度。也就是说，根据本发明具有至少690MPa的屈服强度以及至少420HBW的硬度的高强度钢被使用并且借助激光束-MSG复合焊接方法相互不可拆卸地接合。将接合位置周围的区域感应加热到100摄氏度至300摄氏度结合材料特性实现使用两个或更多个钢构件制成的装置的极端强度。尤其在射击构件(例如所述车辆构件)时或构件经受爆炸时，所述构件基于材料特性和接合参数的组合特别好地承受得住。
在本发明的进一步改进方案中，在实施所述焊接方法之前和/或之后有针对性地进行加热。在所有三种情况中都确保待接合的构件具有这样的能量，利用该能量实现在实施焊接之后缓慢冷却的效果。在实施焊接过程之前或之后加热到预先给定的温度范围是特别有利的，以避免高强度钢在焊接过程完成之后在被热量影响的区域中倾向于形成非常硬的组织成分。
在本发明的进一步改进方案中，所述焊接方法根据待接合构件的材料厚度以规定的速度实施。由此，不仅有利地能够非常快速地焊接并且因此与沿接缝的传统焊接相比以明显更高的焊接速度焊接，而且由于感应加热也可以实现接合构件所需的机械技术性能，所述特性优化地与材料厚度相协调。因此，有利地满足和实现两个目标：与部分机械化的和/或全机械化的焊接过程相比的高焊接速度和在极端应力下的高承载能力。
在本发明的进一步改进方案中，用于感应加热的感应线圈以规定的速度、优选以与激光束速度相同的速度在激光束的前面和/或后面移动。就此，用于激光束-MSG混合焊接方法的装置可以有利地与用于加热的装置(通常为感应线圈)相互组合。这意味着，待加热区域超前于和/或滞后于所述焊接装置，使得由此总是实现所需要的加热以避免在实施焊接方法之后太快地冷却。因此，用于焊接和用于加热的装置可以以简单的方式彼此耦联。
此外，接合位置的加热还具有以下优点：首先可以制作较长的焊缝。迄今为止，利用已知的焊接方法不可能在一次焊接中焊接较长的尤其是在待接合构件的整个长度上延伸的焊缝。必须总是逐步地(例如往复方法)焊接，以便使构件的不希望的变形最小化。概括地，因此优点在于：优化设定接合区域的机械技术性能、基于企业经济方面考虑的较高的焊接速度以及几乎无变形地焊接超大尺寸构件。
用于防御技术上使用的上述具有感应热传导的激光束-MSG复合焊接方法的应用是非常特别有利的，因为在此使用由高强度防弹钢制成的构件并且在使用中承受极高的应力、尤其是通过射击或爆炸产生的应力。待接合构件应用于静止的或移动的装置，例如装甲车等。
用于防御技术上使用的高强度钢组(没有限制)的示例是具有根据TL2350-0000高达质量Z的材料特性的结构组，正如根据标准：CEN ISO/TR 15608，表1，第3组的那样。
在本发明的进一步改进方案中，高强度钢具有至少800MPa的屈服强度和至少450HBW的硬度。这意味着，使用具有所述材料特性的高强度钢，以便将其通过上述方法不可拆卸地接合。基于改进的、即增强的材料性能，保护作用由此再次提高。
要使用的高强度钢的一种特别优选的选择在于，每种构件的高强度钢具有在至少1000MPa至最多1750MPa的范围内的屈服强度和在至少475HBW至最多550HBW的范围内的硬度。由于使用具有所述材料特性的高强度钢，在接合之前和/或之后的感应加热可以优化地与待接合的构件相协调。通过使用具有所述材料特性(屈服强度和硬度)的钢能够使得具有这种接合构件的装置满足特别高的要求。
备选于此地，当高强度钢具有在至少1100MPa至最多1650MPa的范围内的屈服强度以及在至少420HBW至最多530HBW的范围内的硬度时，可以形成由根据本发明的高强度钢制成的装置。同样，为了在射击或经受爆炸时实现装置需要的稳定性，因此可以使用一种替代的材料，该材料可以被用于构成所述装置。
在本发明的进一步改进方案中规定，所述至少两个待接合的构件具有至少3毫米(3mm)的材料厚度。通过所述最小材料厚度确保，当这样的装置(例如车辆)遭受射击或经受爆炸时，装置(诸如用于民用或军用车辆构件)足够强地确定尺寸。根据本发明规定的制成构件的高强度钢的材料特性、构件的不可拆卸的接合以及最小材料厚度总体上实现对装置有利的整体保护，其也满足最高的安全性要求。
屈服强度Re是材料特性参数并且是指如下应力，直到该应力在单轴和无扭矩拉伸应力下材料不显示任何持久的塑性变形。在此屈服强度是屈服点。在低于该值时，材料在去应力之后弹性地返回到其原始形状，而在超过该值时仍然保留形状变化，在一种样品中是延长。根据材料特性，屈服强度或屈服极限被用于确定材料的弹性极限。屈服强度可以借助已建立和标准化的拉伸试验简单地被确定并且在技术方面具有极大的意义。所述屈服强度以单位“MPa”(兆帕斯卡)或“N/mm2”(牛顿每平方毫米)给出。
硬度是材料抵抗另一个物体的机械侵入的机械阻力。根据作用的类型区分不同类型的硬度。因此，硬度不仅是对较硬的物体的阻力，而且是对较软的以及相同硬度的物体的阻力。硬度用单位“HB”(布氏硬度)或“HBW”(布氏硬度，W代表测试球压头的材料，即碳化钨硬质金属)给出并且根据已建立的标准化测量方法确定。
长久以来存在相应的换算表用于将单位“HB”或“HBW”的硬度指示转换成单位“HV”(维氏硬度)，反之亦然。

Claims (10)

1.一种用于不可拆卸地接合两个或更多个由高强度钢制成的构件的激光束-MSG混合焊接方法，其中，将接合位置周围的区域感应加热到100℃至300℃，其中，所述高强度钢具有至少690MPa的屈服强度以及至少420HBW的硬度。
2.用于应用于防御技术的根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将在接合位置周围的区域加热到150℃至最高200℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述加热有针对性地在实施焊接方法之前和/或之后进行。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述焊接方法根据待接合构件的材料厚度以规定的速度实施。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将接合位置周围的区域感应加热一段可预先给定的时间。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于感应加热的感应线圈以规定的速度、优选以与激光束速度相同的速度在激光束的前面和/或后面移动。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述高强度钢具有至少800MPa的屈服强度以及至少450HBW的硬度。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述高强度钢具有在至少1000MPa至最高1750MPa的范围内的屈服强度以及在至少475HBW至最高550HBW范围内的硬度。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述高强度钢具有在至少1100MPa至最高1650MPa的范围内的屈服强度以及在至少420HBW至最高530HBW范围内的硬度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个待接合的构件具有至少3毫米的材料厚度。
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