CN111107960A

CN111107960A - 用于接合两个坯件的方法以及获得的坯件和产品

Info

Publication number: CN111107960A
Application number: CN201880051619.1A
Authority: CN
Inventors: A·里克尔梅; E·维拉爱费勒; P·卢比奥桑切斯; M·伊利亚纳格雷戈里
Original assignee: Autotech Engineering SL
Current assignee: Autotech Engineering SL
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-05-05
Also published as: JP7142033B2; WO2019030249A1; US11813696B2; KR20200040229A; US20200180077A1; RU2019144109A; EP3441178A1; EP3664954B1; KR102499123B1; EP3664954A1; ES2908271T3; JP2020529319A; RU2019144109A3

Abstract

本发明涉及一种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所述第二坯件中的至少一个包括至少一个铝层或铝合金层。具体地，所述方法包括：放置用于焊接的所述第一坯件和所述第二坯件；跟随焊接路径对所述第一坯件和所述第二坯件进行激光焊接，由此形成拼焊坯件，其中所述焊接路径结合了沿焊接方向的线性运动和大体上横向于所述焊接方向的振荡运动，然后将所述拼焊坯件热变形并淬火以形成部件，其中在不使用填料的情况下进行焊接。

Description

用于接合两个坯件的方法以及获得的坯件和产品

本申请要求享有于2017年8月9日提交的欧洲专利申请EP17382563.9的权益。

本发明涉及用于接合两个坯件的方法，以及通过该方法获得或可获得的产品。具体地，本发明涉及用于激光焊接具有铝涂层或铝合金涂层的钢基材的方法。

背景技术

以减轻部件重量为目的低成本生产金属件的新材料和工艺的开发在汽车工业中至关重要。通常，在汽车工业中，高强度钢坯件或超高强度钢(UHSS)坯件用于制造结构骨架的部件。车辆(例如汽车)的结构骨架在这种意义上可以包括例如保险杠、柱(A柱、B柱、C柱)、侧面防撞梁、门槛板(rocker panel)和减震器。

为了实现这些目的，业界已经开发了超高强度钢(UHSS)，该超高强度钢表现出每单位重量的优化最大强度且表现出有利的可成型性性能。UHSS可以具有为至少1000MPa，优选大约1500MPa或最高2000MPa或更高的极限拉伸强度。

这些钢中的一些被设计为在热处理之后获得微观结构，这赋予良好的机械性能并且使它们尤其适于用来使钢坯件成型为特定汽车零件的热冲压工艺。由于在热冲压工艺过程中坯件经受侵蚀性气氛，因此所述钢通常被涂覆以避免腐蚀和氧化。

在尝试使部件的重量最小化同时符合结构要求时，可以使用所谓的“拼焊坯件(tailored blank)”技术。在这些技术中，部件可以由复合金属坯件制成，该复合金属坯件是通过焊接具有不同厚度、尺寸和性能的若干个坯件获得的。至少在理论上，使用此种技术可以优化材料的使用。可以将不同厚度的坯件接合，或可以将钢坯件与涂覆的钢坯件接合，例如在需要它们的情况下使用每种材料的特定性能。

为了避免在成型工艺过程中脱碳和结垢，22MnB5被呈现有铝硅涂层。下面按重量百分比计概述了22MnB5的组分(其余为铁(Fe)和杂质)：

C	0.20–0.25
		Si	0.15–1.35
Mn	1.10–1.25
		P	<0.025
S	<0.008
		Cr	0.15-0.30
Ti	0.02-0.05
		B	0.002-0.004
N	<0.009

具有类似化学组分的若干22MnB5钢是商业上可得的。但是，22MnB5钢中每种组分的确切含量在不同制造商间可能略有变化。

1500P以铁素体-珠光体相被提供。它是以均质图案分布的细晶粒结构。机械性能与此结构有关。在加热、热冲压工艺以及随后的淬火之后，产生了马氏体微观结构。结果，最大强度和屈服强度显著增加。

下面按重量百分比计概述了

1500P的组分(其余为铁(Fe)和不可避免的杂质)：

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

如之前所提及的，

1500P被提供有铝硅(AlSi)涂层，以便防止腐蚀和氧化损坏。但是，此涂层具有与其焊接行为有关的明显缺点。如果在没有任何其他措施的情况下焊接

1500P坯件，则该涂层的铝可能进入到焊接区内并且这可以导致所得部件的机械性能明显降低，且增大焊接区中弱断裂的可能性。

焊缝中铝的存在避免了在进一步的热变形工艺中产生马氏体。另外，高铝浓度导致产生金属间化合物。这样的金属间化合物通常是脆性的，这意味着较弱的焊接，并且在诸如热冲压的热变形工艺之后，金属间化合物可能导致较弱的接合。如果不采取措施，则焊接的极限拉伸强度可能会从例如1500MPa降低至例如900MPa，当所得部件经受弯曲载荷(例如冲击力)时这可能导致焊接区中的局部破裂。

为了克服这类问题，在WO 2007/118939中提出了一种方法，该方法涉及移除(例如通过激光烧蚀)靠近焊接间隙的区域中的涂层的一部分。此方法具有的缺点是，需要附加步骤来生产(拼焊)坯件和部件，且尽管该工艺具有重复性质，但是此附加步骤要求将要被废弃的零件的数目增多的复杂质量过程。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。

US2008/0011720提出了一种用于通过激光束来激光焊接至少一个金属工件的工艺，所述工件具有含有铝的表面，特征在于该激光束与至少一个电弧结合以使金属熔化并且焊接所述工件。在该弧前面的激光允许使用包芯焊丝或含有诱发有利于维持整个熔化区的奥氏体结构的γ相(Mn、Ni、Cu等)的元件的类似物。

然而，已经发现填料材料沿焊接区的深度仅部分稀释的问题，所述问题导致焊接强度降低。此外，填料材料可能在焊接区中不均质地分布。这可能导致在某些区域中材料累积(“隆起物”)，因此局部地影响焊接区的性能。也就是说，焊接区的机械性能可能变化。另一个问题可能是可能需要在施加填料材料之前预加热填料材料，这是因为否则电弧可能不能够使它熔化。

总之，仍然需要提供获得加强焊接的方法，这避免或至少减少一些前面提及的问题。

在整个本发明中，坯件可以被认为是尚未经历一个或多个处理步骤(例如变形、机械加工、表面处理或其他)的物品。这些物品可以是大体上平坦的板或具有更复杂的形状。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供了一种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所述第二坯件中的至少一个包括至少一个铝层或铝合金层，所述方法包括：

·放置用于焊接的所述第一坯件和所述第二坯件；

·跟随焊接路径对所述第一坯件和所述第二坯件进行激光焊接，以及

·将焊接的坯件热变形并淬火以形成部件，

其中所述焊接路径结合了沿焊接方向的线性运动和大体上横向于所述焊接方向的振荡运动，其中在不使用填料的情况下进行焊接。

根据此方面，铝可以存在于焊接区中，但是在诸如热冲压的热变形工艺之后，铝不会导致较差的机械性能。焊接区的拉伸强度可以与所得部件(resulting component)的相邻部分具有相同水平。足够频率的振荡运动会导致整个焊接区的铝的稀释，以使得铝的浓度局部地非常低，以至于不会导致金属间零件(intermetallic parts)，也不会避免在典型的热变形和淬火工艺中形成马氏体。

因此，当待要焊接有涂层的钢坯件时，不需要像在某些现有技术方法中所提出的那样完全或部分地去除铝层或铝合金层。这样，由于去除涂覆层的中间工艺步骤不是必需的，因此以更快和更廉价的方式进行两个坯件的焊接工艺。另一方面，由于不需要在焊接区中添加任何填料，因此避免了与利用填料材料的高速气流相关的所有缺点。

通常，所述第一坯件和所述第二坯件的接合类型选自由边对边对接接合、重叠接合和搭接接合组成的组，优选地是边对边对接接合。

应当理解，术语“边对边对接接合”是指一部件的窄表面与另一部件的窄表面接合的情况(参见图1c)。这种边对边(或对接接合或边对边对接接合)构造通常用于获得拼焊坯件。

通常，所述第一坯件和/或所述第二坯件包括具有涂层的钢基材，所述涂层包括铝层或铝合金层，其中所述钢基材优选地是超高强度钢。

在本发明的优选实施方案中，所述焊接路径的振荡运动遵循大体上圆形的环图案，或者替代地为往复线性运动。遵循往复线性运动的图案的实施例是但不限于锯齿形和正弦形图案。

通常，所述焊接路径的振荡运动具有在400Hz-1500Hz之间，优选地在600Hz-1200Hz之间，更优选地在700Hz至1000Hz的范围内的频率。

通常，所述焊接路径具有在0.5mm-10mm之间，优选地在0.5mm-5mm之间，更优选地在0.5mm-3mm之间，最优选地在0.8mm-2mm之间的宽度。在一些实施例中，具有在0.8mm–1.2mm之间的宽度的焊接路径是优选的。

所述激光束的光斑可以是任何形状，例如圆形，并且其尺寸可以在0.2mm至1mm的范围内，优选地在0.5mm至1mm的范围内。

在本发明的另一个实施方案中，所述激光束具有在0.5kW至10kW的范围内，优选地在3kW至6kW的范围内的最大功率。在有利的实施方案中，使用4kW的最大功率。还可以使用保护气体(例如氩气或氦气)以避免生锈。

在某些情况下，可以在激光束的振荡运动期间动态地控制激光束的功率，特别是可以在不止一遍使用激光的那些小区域中或激光方向突然改变以形成振荡运动的那些光斑区域中调节激光束的功率。激光束的功率的此动态控制的有益效果是取决于待焊接坯件的特定特性沿焊接路径在焊接过程中适应功率的可能性。

取决于由激光束所描述的振荡运动的图案类型和/或激光光斑的宽度，焊接区的某些区域可能会在更多时间期间经受激光束的施加，或者与其他地区相比经受不止一遍激光束的施加。在这方面，可以在焊接工艺过程中调节所施加的激光束的功率，以便例如在比其他区域更多时间期间或在与其他区域相比时不止一遍地施加激光束的情况下避免这些提及的特别暴露于激光束的区域的过热。

在其他实施方案中，特别是在具有不同厚度的两个坯件待焊接在一起的情况下，可以在焊接工艺过程中调节所施加的激光束的功率，以使得将激光束的最大功率施加在较厚的坯件上，而然后将相同的激光束调节为较低功率并由此将其施加到较薄的坯件上。

类似地，在待焊接的坯件具有不同涂层厚度的情况下，也可以施加激光束的功率的动态控制。在这种情况下，还优选通过在具有较厚涂层的坯件上使用激光束的最大功率同时在具有较薄厚度的坯件上调节激光束的较低功率来施加激光束的功率的动态控制。

已令人惊讶地发现，当所使用的激光束的较低功率在最大功率的10％至50％的范围内，优选地在15％至45％的范围内时，达到了用于在本发明的振荡焊接工艺过程中使用动态控制的激光功率获得焊接的坯件部件的最佳结果。此较低功率也可以称为最小功率。例如，通过将为最大功率的10％至50％的最小功率施加到其上不止一遍施加激光束的小区域中，避免了该小区域的过热，铝被正确地混合在焊接区域中，因此避免了在焊接区中形成铁素体夹杂物。

通常，沿焊接方向的线性运动是通过激光束以在1m/min至10m/min的范围内，优选地在2m/min至8m/min的范围内，更优选地在3m/min至5m/min的范围内的速率进行的。在有利的实施方案中，沿焊接方向的线性运动是由激光束以4m/mm的速率进行的。

以这样的方式选择振荡运动，使得涂层中存在的铝量在焊接区中被充分地稀释，因此铝的平均重量浓度应始终低于5％，优选地低于3％，更优选地低于1％。

本发明的方法可用于通过对接接合两个坯件来形成例如拼焊坯件。坯件之一或两个坯件可包括具有涂层的钢基材，所述涂层包括铝层或铝合金层。拼焊坯件(TWB)技术用于局部地适应部件的性能。在拼焊坯件技术中，可以接合不同厚度或不同材料的坯件。

用于将具有不同厚度的两个坯件焊接在一起的通常对接接合构造包括：将两个坯件定位，使得将它们的基部(下表面)放置在同一几何平面中，两个坯件通过它们的边缘之一接触。当使用对接接合构造时，激光束跟随焊接方向移动，同时垂直于待焊接的两个坯件的表面而移动。

附图说明

下面将参考附图描述本公开内容的非限制性实施例，其中：

图1a、图1b和图1c例示了用于接合两个坯件的三种不同的构造；

图2例示了接合两个坯件的优选实施例；

图3例示了激光束焊接两个坯件的实施例；

图4和图5例示了根据本发明一些实施例的焊接路径图案；

图6例示了根据本发明的另一实施例的激光束焊接两个坯件的实施例；以及

图7例示了用于形成产品的方法的流程图。

具体实施方式

图1a、图1b和图1c例示了用于将具有钢基材121和涂层111的第一坯件A与具有钢基材122和涂层112的第二坯件B接合的三种不同的构造。

图1a例示了用于以重叠接合构造将第一坯件A与第二坯件B接合的方法的实施例，即将第一坯件A放置在第二坯件B上方。将激光束施加在第一坯件A的外表面上，并且坯件A的施加激光束的区域在其整个厚度(140)上被熔化，而第二坯件B的由激光到达的区域不必在其整个厚度(140)上被熔化。

图1b描绘了用于以搭接接合构造将第一坯件A与第二坯件B接合的方法的实施例，即将第一坯件A放置在第二坯件B上方，第一坯件A相对于第二坯件B至少部分地滑动。将激光束施加在两个坯件之间的、对激光设备来说可从外部进入的接触区(140)上。

图1c示出了用于以边对边构造(也称为“对接接合”或“边对边对接接合”)将第一坯件A与第二坯件B接合的方法的实施例。边对边焊接包括：将第一坯件A放置在第二坯件B旁边，使得两个坯件通过它们的侧向部段接触，并在两个坯件之间的接合处(140)上方施加激光束。

图2例示了用于将第一坯件A与第二坯件B接合的方法的优选实施例。第一坯件A的第一区域131将接合至第二坯件B的第二部分或区域132。在此实施例中，两个坯件A、B将对接接合，即边对边焊接。

在图2的实施例中，第一坯件A和第二坯件B都可以是有涂层的UHSS基材，例如有涂层的22MnB5钢基材，诸如例如

1500P。因此，两个坯件均包括钢基材121、122，可以在所述钢基材上设置涂层111、112。所施加的涂层可以是铝或铝合金，例如铝硅。图2示出了单个涂层111、112。然而，也可以使用多个涂层。在钢基材的顶表面和底表面上都设置涂层。

图3例示了具有激光头222的激光焊接设备221的横截面视图，激光束220从该激光头222射出。激光束220能够熔化焊池230中的坯件A、B的区域131、132(参见图2)。在此实施例中，坯件131、132的区域贯穿其整个厚度被熔化。在这方面，钢基材材料121、122以及涂层111、112的涂层材料在焊接池230中被整个混合。

通常，激光束的光斑可以具有任何形状，例如圆形。光斑尺寸，也称为光束直径，可以在0.2mm至1mm的范围内，优选地在0.5mm至1mm的范围内。

激光束具有在0.5kW至10kW的范围内，优选地在3kW至6kW的范围内的最大功率。保护气体，例如氩气或氦气，也可以用来避免坯件的表面的生锈，特别是焊接区的生锈。

图4示出了跟随平行于边对边接合的焊接方向320的焊接图案310的实施例的俯视图。在此实施例中，焊接图案310包括沿焊接方向(即，跟随焊缝)的大体上线性运动和大体上垂直于焊接方向的振荡运动的组合。在此实施例中，以预定频率重复大体上圆形的环，即具有接近0的偏心率的环，并且叠加在沿焊接方向的线性运动上执行这种运动。然而，也可以使用椭圆形的环，即具有在0和1之间的偏心率的环，或者其他非线性图案。

如上所提及的，为了避免特别是在施加更多时间的激光束的区域(330，340)的任何不希望的过热，在振荡焊接工艺过程中动态地控制激光束功率。使用为激光束的最大功率的20％至45％的激光束的较低功率。在这种情况下，获得在焊接中不存在铁素体夹杂物的均质硬度分布(profile)，由此提高了焊接区的质量。

焊接图案的频率可以在400Hz至1500Hz之间，优选地在600Hz至1200Hz之间，且更优选地在700Hz至1000Hz之间。换句话说，激光束以400Hz至1500Hz，优选地以600Hz至1200Hz，且更优选地以700Hz至1000Hz的频率沿焊接图案振荡。已经发现700Hz至800Hz之间的特定频率范围是特别有利的。同时，激光束以1m/min至10m/min范围内的速率，优选地以2m/min至8m/min范围内的速率在焊接图案的方向上线性地移动。

已经发现，具有高频率的焊接图案能够稀释整个焊接区中的铝，使得整个焊接区中的铝的平均重量浓度总是低于5％，特别是低于3％，更特别是低于1％。已经发现，如果可以避免在金属间层中存在铝同时使外层中的铝的量最小化，则热变形模具淬火后的焊接区的所得强度会得到改善。

焊缝中低的铝浓度将不能够产生金属间化合物，因此不会削弱焊接区。

因此，当根据本发明实施线性和振荡的焊接路径图案时，不需要在焊接之前去除坯件A、B的铝层涂层111、112。既不需要部分烧蚀，也不需要完全烧蚀。可以简化热成型部件的制造，从而降低成本并且使操作更加快速。

图5示出了跟随由箭头指示的焊接方向的替代焊接图案401、402的俯视图。焊接图案401例示了锯齿形图案，而焊接图案402示出了正弦形形状。可以使两个焊接图案401、402的频率变化，以便产生没有高的铝浓度而同时具有所需强度的焊接。在这种情况下，出于与以上提及的相同的原因，优选使用动态地控制的激光束。

图6示出了本发明的方法的替代实施方案。在这种情况下，替代地可以跟随中间横截平面(P)内的焊接方向箭头(WD)并相对于垂直于焊接的坯件的表面的法线方向(N)形成角度α地施加激光束。已经发现，激光束的这种倾斜是特别有利的，特别是在待焊接的两个坯件和/或其涂层具有不同的厚度的情况下。通常，相对于法线方向(N)，角度α可以在0至70度的范围内，优选地在10度至50度的范围内。

图7示出了根据本发明的工艺的流程图，以获得最终的热冲压和模具淬火产品。首先，根据本文公开的任何实施例的焊接工艺510可以用于焊接第一坯件A和第二坯件B。可以在例如炉中将所得的焊接的坯件加热520到大约其奥氏体化温度。然后，可将坯件热变形530，例如热冲压，以形成具有特定几何构造的部件，例如B柱部件。在热变形工艺之后，可以对坯件进行淬火540以获得马氏体微观结构，该马氏体微观结构给出令人满意的机械特性，特别是在焊接的坯件的焊接区中。

尽管本文仅公开了数个实施例，但是这些实施例的其他替代、修改、用途和/或等同物也是可能的。此外，所描述的实施例的所有可能的组合被涵盖。因此，本公开内容的范围不应由具体实施例限制，而应仅通过对所附权利要求的合理解读来确定。

Claims

1.一种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所述第二坯件中的至少一个包括至少一个铝层或铝合金层，所述方法包括：

·放置用于焊接的所述第一坯件和所述第二坯件；

·将焊接的坯件热变形并淬火以形成部件，

其中，

所述焊接路径结合了沿焊接方向的线性运动和大体上横向于所述焊接方向的振荡运动，其中在不使用填料的情况下进行焊接。

2.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的接合选自由边对边对接接合、重叠接合和搭接接合组成的组。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一坯件和所述第二坯件的接合是边对边对接接合，由此形成拼焊坯件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述第一坯件和/或所述第二坯件包括具有涂层的钢基材，所述涂层包括铝层或铝合金层，并且其中所述钢基材优选地是超高强度钢。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述焊接路径的振荡运动遵循大体上圆形的环图案。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述振荡运动是往复线性运动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述振荡运动具有在400Hz-1500Hz之间，优选地在600Hz-1200Hz之间的频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述振荡运动具有在700Hz-1000Hz之间的频率。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述焊接路径具有在0.5mm-10mm之间，优选地在0.8mm-1.2mm之间的宽度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述激光束具有在0.2mm至1mm的范围内，优选地在0.5mm至1mm的范围内的光斑尺寸。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述激光束具有在0.5kW至10kW的范围内，优选地在3kW至6kW的范围内的最大功率。

12.根据权利要求1所述的方法，其中在所述振荡运动期间动态地控制所述激光束的功率，并且其中使用在最大功率的10％至50％之间的最小功率，优选地使用在最大功率的20％至45％之间的最小功率。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中沿所述焊接方向的线性运动是由所述激光以在1m/min至10m/min的范围内，优选地在2m/min至8m/min的范围内的速率进行的。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述焊接区与所述部件的相邻部分具有大体上相同的拉伸强度。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中在焊接之前没有完全地或部分地去除铝涂层。