CN110711932A - 镀锌钢电阻焊中减轻液态金属脆化开裂的焊接凸缘预处理 - Google Patents

镀锌钢电阻焊中减轻液态金属脆化开裂的焊接凸缘预处理 Download PDF

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Abstract

一种减轻镀锌钢电阻焊接中液态金属脆化裂纹的方法，包括：通过以下方式改性钢构件的至少一个面以形成第一工件：将第一层中的含锌材料施加到钢构件的至少一个面上；以及在第一含锌材料层上喷涂第二含铜材料层。使第一工件的该至少一个面与钢材料的第二工件邻接。执行焊接操作以将第一工件接合到第二工件。电阻焊接操作的温度使含锌材料与含铜材料局部熔化以形成含锌材料和含铜材料的黄铜合金。

Description

镀锌钢电阻焊中减轻液态金属脆化开裂的焊接凸缘预处理
技术领域
本公开涉及焊接，包括铁素体、奥氏体或复杂多相微结构的镀锌钢的电阻焊接。
背景技术
汽车车辆使用高强度钢(HSS)，例如第3代HSS，作为结构构件，例如用作负载梁加强件、B柱加强件、车顶纵梁内部加强件、前顶盖和顶盖横梁构件、板体(panel body)侧梁加强件、加强前纵梁和后纵梁、和加强地板横梁。在这些应用中使用HSS允许在冲击期间(例如在碰撞期间)发生预定变形。第3代HSS在本文中定义为拉伸强度(MPa)×伸长率≥25,000的钢。包括第3代HSS的高强度钢通常涂覆有诸如锌的涂层作为电镀保护层，以使钢的氧化减小到最低。理想的是利用诸如电阻焊接的快速焊接技术来接合包括第3代HSS的钢部件，快速焊接技术能够将焊接部位的温度局部地升高到大约1500摄氏度或更高。当焊接镀锌HSS部件时，在约400摄氏度下熔化的液态锌与钢相互作用，这与电阻焊接期间工件加热和冷却产生的应变和应力一起可能导致液态金属脆化(LME)开裂。
液态金属脆化(也称为液态金属诱导脆化)是指某些韧性金属在在暴露于特定液态金属时拉伸延展性急剧下降或发生脆性断裂的现象。对于在热浸镀锌期间或在随后的制造期间(例如焊接期间)遭受延展性损失和开裂的若干种钢，实际上发生了LME。例如，当电镀保护涂层的熔融锌起作用从而在基础钢材料中引起裂缝时，在电阻焊接期间，HSS镀锌钢的焊接接头附近或焊接接头中可能出现裂缝。
因此，虽然目前镀锌的第3代HSS部件实现了其改善可成形性和能量吸收的预期目的，但是还需要一种新的和改进的预处理系统和方法来减轻镀锌钢电阻焊接中的液态金属脆化裂纹。
发明内容
根据若干方面，一种用于减少涂层钢(包括镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM(锌、铝、镁合金)钢)焊接中液态金属脆化裂纹的预处理方法，包括将含锌材料和含铜材料层叠在钢构件的至少一个面上以形成第一工件。使第一工件的该至少一个面与钢材料的第二工件邻接。执行焊接操作以将第一工件接合到第二工件。焊接操作的温度产生含锌材料和含铜材料的合金。
在本公开的另一方面，在层叠步骤中，将含锌材料直接施加到钢构件上，并且随后将含铜材料施加到含锌材料上。
在本公开的另一方面，在层叠步骤中，将含铜材料直接施加到钢构件上，并且随后将含锌材料施加到含铜材料上。
在本公开的另一方面，该方法还包括利用热喷涂装置施加含铜材料。
在本公开的另一方面，该方法还包括在高于400摄氏度的温度下施加含铜材料。
在本公开的另一方面，该方法还包括选择含铜材料的铜含量，以使含锌材料和含铜材料的合金的熔化温度大于或等于400摄氏度。
在本公开的另一方面，该方法还包括选择基本上纯的铜作为含铜材料。
在本公开的另一方面，该方法还包括选择硅青铜作为含铜材料。
在本公开的另一方面，电阻焊接操作的温度使得含锌材料与含铜材料合金化，以形成黄铜材料合金。
在本公开的另一个方面，钢构件限定为涂层钢，该涂层钢选自中等强度钢、高强度钢和包括第3代高强度钢的高级高强度钢中的任何一种。
根据若干方面，一种减轻涂层钢(包括镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM(锌、铝、镁合金)钢)电阻焊接中液态金属脆化裂纹的方法，包括：通过将第一层中的含锌材料施加到钢构件的至少一个面上，以及在第一含锌材料层上喷涂第二含铜材料层来改性钢构件的该至少一个面以形成第一工件；使第一工件的该至少一个面与钢材料的第二工件邻接；以及执行电阻焊接操作以将第一工件接合到第二工件，其中电阻焊接操作的温度局部地熔化含锌材料和含铜材料，以产生含锌材料和含铜材料的黄铜合金。
在本公开的另一方面，第一层含锌材料限定为锌合金，该锌合金还包括下列中的至少一种：锑、铝、铋、钴、金、铁、铅、镁、汞、镍、银、钠、碲和锡。
在本公开的另一方面，该方法还包括向第一层含锌材料中添加以下至少一种：炮铜，包括铜、锡和锌；青铜，定义为具有铜和锌的仿金铜和镀金青铜中的一种；包括铜、铝和锌的合金；铜、铝、锌和锡的合金；包括镍、铜和锌的镍合金；具有锌、铅和锡的焊料；以及具有锌、铝、镁和铜的锌合金。
在本公开的另一方面，该方法还包括在邻接步骤之前通过以下方式改性第二工件的至少一个面：将第一层中的含锌材料施加到第二工件的至少一个面上；以及在第一含锌材料层上喷涂第二含铜材料层；
在本公开的另一方面，该方法还包括在邻接步骤期间将第二工件的第二含铜材料层定向成面对第一工件的该至少一个面。
在本公开的另一方面，第二含铜材料层的施加厚度范围为约0.01毫米至约0.5毫米，包括端值。
在本公开的另一方面，含铜材料的铜含量按成分超过90％。
根据若干方面，一种经预处理以在涂层钢(包括镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM(锌、铝、镁合金)钢)电阻焊接中减轻液态金属脆化裂纹的焊接组件，包括：第一工件，具有钢构件；含锌材料，限定了施加到钢构件的至少一个面上的第一层；和含铜材料，限定了施加到第一含锌材料层上的第二层。钢材料的第二工件邻接第一工件的该至少一个面。将第一工件接合到第二工件的电阻焊接接头具有含锌材料和含铜材料的黄铜合金，该黄铜合金通过电阻焊接操作的温度在焊接接头附近形成。
在本公开的另一方面，钢构件限定为第3代高强度钢。
在本公开的另一方面，选择含铜材料的铜含量，以使含锌材料和含铜材料的合金的熔化温度大于或等于400摄氏度。
根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是已知的电阻焊接组件的俯视图；
图2是图1的电阻焊接组件的侧视图；
图3是图1的电阻焊接组件的焊接接头的俯视图，其示出了液态金属脆化裂纹；
图4是沿图1的截面4截取的横截面正视图；
图5是铜-锌二元相图的图表；
图6是本公开的减轻镀锌钢电阻焊接中液态金属脆化裂纹的预处理方法的组装流程图；
图7是根据图6修改的组装流程图；
图8是使用本公开的方法的电阻焊接头的俯视图；以及
图9是沿图8的截面9截取的横截面正视图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参照图1至图4，示出了已知的组件10，其具有利用电阻焊接接头16固定到第二金属凸缘14的第一金属凸缘12。具体参照图2，第一金属凸缘12和第二金属凸缘14中的任何一个或两个均可以具有诸如锌的电镀材料的预设涂层。在焊接操作之前，将第一锌层18施加在第一金属凸缘12上，并将相对的第二锌层20施加在第二金属凸缘14上。具体参照图3和图4，焊接接头16的平面图和横截面示出了存在于焊接接头16的边界24处形成的液态金属脆化裂纹22。
参照图5，二元相图26示出了在摄氏度范围28内的熔化温度差异与在纯铜32和纯锌34之间变化的组成百分比范围30之间的关系。二元相图26还示出了华氏度范围36内的相同数据。曲线38表示熔化温度的变化，其范围在大约400摄氏度的第一点40(纯锌在419.5摄氏度下熔化)到大约1100摄氏度的第二点42(纯铜在1085摄氏度下熔化)之间。
根据本公开，已经发现，在焊接之前通过在镀锌钢材料的锌层上添加含铜层，在随后的焊接过程中，锌层的“游离锌”涂层在约400摄氏度时熔化，并与铜合金层中的铜合金化。在熔融锌有机会通过液态金属脆化(LME)机制使钢破裂之前，这种合金化过程将锌涂层从钢材料表面吸走。根据本公开，锌和铜一起合金化形成多种可能的黄铜相之一的黄铜，这使得熔点从锌的熔点升高至高于第一点40(约400摄氏度)。熔点的提高与合金化过程一起作用将锌材料从钢的表面吸走并防止钢的LME或显著降低钢的LME。本方法有效地防止或显著降低相关汽车用钢中的LME，包括当用于涂层(例如镀锌和镀锌退火)HSS钢，如第3代HSS时。
参照图6并再次参照图5，在第一工件46上进行了减轻涂层钢(包括镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM(锌、铝、镁合金)钢)电阻焊接中液态金属脆化裂纹的方法。根据若干方面，第一工件46包括例如由第3代HSS制成的金属板48。将诸如锌的材料的涂层50预先施加到金属板48上，用于对钢基材进行电镀保护。锌材料涂层50的厚度约为0.005毫米至约0.08毫米，包括端值。
在施加步骤52中，将含铜材料54的熔融液滴喷射或施加到工件46的涂层50上，从而形成第一沉积层56。含铜材料54可以通过附加制造(例如通过热喷涂装置58)施加，或者可以利用机械方法施加。含铜材料54可以是例如纯铜材料或含铜材料，例如硅青铜。根据若干方面，可类似地在板48的与第一沉积层56相对的面上形成第二沉积层60。第一沉积层56和第二沉积层60中的每一个的厚度范围均为大约0.01毫米到大约0.5毫米(包括端值)，然而作为第一沉积层56和第二沉积层60添加的含铜材料54的厚度不受限制。根据若干方面，含铜材料54的热喷涂应用在高于约400摄氏度的第一点40的高温下进行，以提高铜或硅青铜材料与锌的粘附性，并在焊接操作之前开始锌与铜或硅青铜的结合过程。
在随后的组装操作中，形成了焊接子组件62，工件46定位成使第一沉积层56(或者第二沉积层60)与第二工件66的锌涂层64直接接触。根据若干方面，第二工件66包括金属板68，金属板68可以是例如但不限于第3代HSS的钢，或者可能受或可能不受LME机构影响的低强度钢。如果第一工件46和第二工件66都是高强度钢，例如第3代HSS材料，并且在焊接期间易受LME影响，则两个工件的锌或铜材料的最外层对齐以彼此相对，以促进两个工件的锌和铜材料的合金化。在随后的预焊接操作70中，使第一电极72与第一工件46的外表面74直接接触，并使第二电极76与第二工件66的方向相反的第二表面78直接接触。然后由第一电极72施加第一力80，并且由第二电极76施加方向相反的第二力82，以迫使第一工件46与第二工件66邻接。
在焊接步骤84中，电阻焊接电流由第一电极72施加并流经第二电极76穿过第一工件46和第二工件66，以形成焊接接头86。在形成焊接接头86期间，涂层50中的锌熔化并与含铜材料54的铜材料合金化形成青铜合金。为了使熔融锌材料保持与钢材料接触而导致液态金属脆化的可能性最小化，理想的是在焊接步骤84中合金化的青铜材料的熔点尽可能接近参照图5论述的纯铜的大约1100摄氏度的第二点42。因此，含铜材料54具有高铜含量是有利的，高铜含量定义为铜含量按成分超过90％，例如在为硅青铜的情况下。在焊接步骤84之后并且在冷却焊接接头86之后，电阻焊接组件88完成。
根据若干方面，除了纯铜和硅青铜之外，含铜材料54还可包括以下作为示例的金属，其可单独组合或与涂层50的锌组合以制造本公开的“锌合金”：锑、铝、铋、钴、金、铁、铅、镁、汞、镍、银、钠、碲和锡。其他可接受的含锌合金包括：青铜-炮铜(铜、锡、锌)；青铜-仿金铜(镀金青铜)(铜、锌)；德瓦达合金-(铜、铝、锌)；北欧金-(铜、铝、锌、锡)；镍合金-德国银(镍、铜、锌)；焊料-(锌、铅、锡)；以及锌合金-查马克(Zamak)(锌、铝、镁、铜)。如本文所述的硅青铜的成分为约96％的铜、3％的硅和1％的锰。
参照图7并且再次参照图6，应注意，通过将层反转来从工件46处改性用于生产工件90的材料层。例如，从例如由第3代HSS制成的金属板48'开始，将含铜材料54的熔融液滴直接喷涂或施加到金属板48'上，使得第一沉积层56'直接接触金属板48'。随后，在涂覆步骤92中，将锌材料的涂层50'施加到第一沉积层56'的含铜材料上。类似的组装操作形成了与焊接子组件62类似的焊接子组件94。焊接子组件94形成为其金属板48'定位成使涂层50'(或者可选地，面向外的涂层96)与第二工件100的锌涂层98直接接触。根据若干方面，第二工件100包括金属板102，金属板102可以例如是钢，例如但不限于第3代HSS、低强度钢或碳钢。然后，执行类似于预焊接操作70的预焊接操作，以及类似于参照图6描述的焊接步骤84的焊接操作，以形成电阻焊接组件(未示出)。
参照图8和9，并再次参照图5至图7，示出了焊接接头104，焊接接头104使用本公开的减轻涂层钢(包括镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM(锌、铝、镁合金)钢44)电阻焊接中液态金属脆化裂纹的方法形成。焊接接头104在焊接区106中没有表现出LME裂纹，但在该焊接区中使用已知焊接工艺(例如参照图3所示)形成的焊接接头普遍存在LME裂纹。
本公开的减轻涂层钢(镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM(锌、铝、镁合金)钢44)电阻焊接中液态金属脆化裂纹的方法提供了若干优点。这些优点包括使锌涂层与另一种材料(例如硅青铜、铜等)合金化，使得锌元素在镀锌钢的电阻焊接期间不会渗透到钢的晶界中形成LME裂缝的有益效果。合金化过程还可以有利地在镀锌涂层中的锌和硅青铜之间开始，或者在电阻焊接之前的热喷涂过程中在镀锌涂层中的锌和铜之间开始。在电阻焊接过程中，镀锌涂层中的锌与硅青铜或铜合金之间也会发生合金化过程。
尽管参照电阻焊接描述了本公开，但是本公开的方法也可以应用于所有熔焊工艺，包括电弧焊接工艺、激光焊接工艺等。本公开的方法还适用于熔焊多个工件。
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。不应将这些变型视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种减轻涂层钢焊接中液态金属脆化裂纹的方法，所述涂层钢包括镀锌钢、镀锌退火钢和ZAM钢，所述ZAM表示锌、铝、镁合金，所述方法包括：
在钢构件的至少一个面上层叠含锌材料和含铜材料以形成第一工件；
使所述第一工件的所述至少一个面与钢材料的第二工件邻接；以及
执行焊接操作以将所述第一工件接合到所述第二工件，其中所述焊接操作的温度产生所述含锌材料和所述含铜材料的合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述层叠步骤中，将所述含锌材料直接施加到所述钢构件上，并且随后将所述含铜材料施加到所述含锌材料上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述层叠步骤中，将所述含铜材料直接施加到所述钢构件上，并且随后将所述含锌材料施加到所述含铜材料上。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括利用热喷涂装置施加所述含铜材料。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在高于400摄氏度的温度下施加所述含铜材料。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述含铜材料的铜含量，以使所述含锌材料和所述含铜材料的合金的熔化温度大于或等于400摄氏度。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括选择基本上纯的铜作为所述含铜材料。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括选择硅青铜作为所述含铜材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻焊接操作的温度使得所述含锌材料与所述含铜材料合金化，以形成黄铜或含铜和锌的其它合金。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述钢构件限定为涂层钢，所述涂层钢选自中等强度钢、高强度钢和包括第3代高强度钢的高级高强度钢中的任何一种。
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