CN111531278B

CN111531278B - 将钢激光焊接到延性铁上的方法

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Publication number: CN111531278B
Application number: CN202010081625.0A
Authority: CN
Inventors: H.李; S.J.周
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2040-02-06
Also published as: CN111531278A; US20200246917A1; DE102020100520A1; US11517980B2

Abstract

公开了一种激光焊接钢基材和延性铁基材的方法，以及可通过实践所公开的方法形成的激光焊接的组件。所公开的激光焊接方法包括在钢基材和延性铁基材之间形成激光焊接接头。该激光焊接接头包含含有奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自作为激光焊接工艺一部分而交互混合钢基材和延性铁基材的熔融部分的组成。构成激光焊接接头的熔合区的奥氏体铁合金具有2重量%或更高的碳含量和60%或更高的镍当量，并且可在焊接之前不预热钢基材和延性铁基材的情况下或不使用填丝来将外来金属引入由激光束产生的熔融基材材料中的情况下实现。

Description

将钢激光焊接到延性铁上的方法

背景技术

制造某些制品，尤其是复杂的多部件结构如汽车，有时可能需要将钢基材和延性铁基材接合。钢基材和/或延性铁基材的合金含量使得使用激光将所述基材熔接在一起变得更为长期复杂。实际上，随着铁合金的碳含量或碳当量的增加，合金的硬度增加，并且因此合金的可焊性降低，这是由于当在规定的激光焊接操作期间产生的熔融基材材料快速固化时，在焊接接头的熔合区和周围的热影响区内形成硬且脆的显微组织相（例如马氏体）。这些硬且脆的显微组织相更容易发生各种形式的破裂，包括来自热冲击的淬火破裂和/或氢诱导的冷破裂。所造成的焊接接头缺乏韧性或抗断裂性可最终增加接头在经受负载时过早失效的敏感性。

过去已经使用了几种方法来提高钢基材和延性铁基材的可焊性。值得注意的是，这些先前的努力曾要求在接合位置处预热钢基材和延性铁基材以及将镍基填丝供给到激光束中以将相应的镍合金交互混合到由激光束产生的熔融基材材料中。预热钢基材和延性铁基材减少了由激光束产生的熔融钢和延性铁材料与该基材的更冷的、周围的、未受影响的基部之间的温度差异。这有助于使当熔融材料固化时可能产生的收缩应力最小化，减缓熔融材料的热损失速率，并且因此减缓熔融材料的固化速率，以有助于使硬的显微组织相的形成最小化，并且允许氢在熔融材料固化时从中逸出。这些所得效果中的每一个都可以降低完成的焊接接头在受应力时破裂的趋势。使用镍基填丝将外来金属引入由激光束产生的熔融基材材料中，并且因此将熔融基材材料的组成改变为在固化时不太可能形成硬的显微组织相的组成。

实施预热程序和使用镍基填丝不总是可用的选择，或者在某些情况下至少不是优选的。例如，钢基材和/或延性铁基材可以预先进行热处理以通过回火或一些其它处理获得某一组机械性能。预热基材或将外来金属引入由激光束产生的熔融材料中可能扰乱所述基材中的一个或两个的仔细规定的性质，并且将不确定性引入接合过程和基材如预期地那样执行随后焊接的能力。为此，通常使用机械紧固件例如螺栓、铆钉、流钻螺钉（flow drillscrews）和铆螺母来连接钢和延性铁基材。然而，机械紧固件增加了制品的重量，并且安装起来耗时且劳动密集。因此，不需要预热或使用镍基填丝的用于激光焊接钢基材和延性铁基材的替代技术将是有利的。

发明内容

根据本公开的一个实施方案的激光焊接钢基材和延性铁基材的方法包括若干步骤。一个步骤包括使钢基材的接合表面抵靠延性铁基材的接合表面，以在所述基材之间限定焊缝。接合表面进行界面接触，以建立从焊缝延伸的接合界面。该方法的另一步骤包括将激光束导向钢基材和延性铁基材。激光束具有中心纵轴。该方法的又一步骤包括用所述激光束形成激光焊接接头。该激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金或由奥氏体铁合金构成的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自钢基材和延性铁基材的组成。熔合区沿着钢基材和延性铁基材的接合界面延伸一定深度，并进一步侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中。侵入到延性铁基材中的熔合区的体积大于侵入到钢基材中的熔合区的体积。

根据上述实施方案的方法可以包括附加步骤或者被进一步限定。例如，熔合区的奥氏体铁合金可具有2重量%或更大的碳含量、6%或更小的铬当量以及60%或更大的镍当量。作为另一个例子，将激光束导向钢基材和延性铁基材的步骤可以包括使激光束的中心纵轴相对于焊缝朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束冲击延性铁基材而不是钢基材。此外，在又一例子中，钢基材和延性铁基材可配合以限定凹槽，并且由钢基材的接合表面和延性铁基材的接合表面限定的焊缝可位于所述凹槽内。并且，在又一个例子中，钢基材可具有包含铁、0.60 wt%至1.10 wt%的碳、0.9 wt%至1.80 wt%的铬和0.15 wt%至0.70 wt%的硅的组成，并且延性铁基材可具有包含铁、3.0 wt%至4.2 wt%的碳和2.2 wt%至3.0 wt%的硅的组成。

在根据上述实施方案的方法中，形成激光焊接接头的步骤可以包括：熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分，以产生包含交互混合的来自钢基材的钢材料和来自延性铁基材的延性铁材料的熔融基材材料，以及通过以300℃/s至600℃/s之间的速率冷却熔融基材材料将熔融基材材料固化成激光焊接接头。在一种实现方式中，熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：沿焊缝推进激光束的束点，以在束点后面形成熔融基材材料的轨迹。在另一个实现方式中，熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：在适当位置脉冲激光束，以在激光束的束点下方并由此向外形成和生长熔融基材材料的池。

根据本公开的另一个实施方案的激光焊接钢基材和延性铁基材的方法包括若干步骤。一个步骤包括使钢基材的接合表面抵靠延性铁基材的接合表面，以在所述基材之间限定焊缝。接合表面进行界面接触，以建立从焊缝延伸的接合界面。该方法的另一步骤包括将激光束导向钢基材和延性铁基材。激光束具有中心纵轴。该方法的又一步骤包括用激光束熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分，以产生包含交互混合的来自钢基材的钢材料和来自延性铁基材的延性铁材料的熔融基材材料。该方法的另一步骤包括将熔融基材材料固化成激光焊接接头，所述激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金或由奥氏体铁合金构成的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自钢基材和延性铁基材的组成。熔合区沿着钢基材和延性铁基材的接合界面延伸一定深度，并进一步侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中。所述熔合区的奥氏体铁合金具有2重量%或更高的碳含量和60%或更高的镍当量。

根据上述实施方案的方法可以包括附加步骤或者被进一步限定。例如，将熔融基材材料固化成激光焊接接头的步骤可包括：以300℃/s至600℃/s之间的速率冷却熔融基材材料。在另一个例子中，侵入延性铁基材中的熔合区的体积大于侵入钢基材中的熔合区的体积。在又一个例子中，将激光束导向钢基材和延性铁基材的步骤可以包括：使激光束的中心纵轴相对于焊缝朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束冲击延性铁基材而不是钢基材。在又一个例子中，熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分的步骤的一个实现方式包括：沿焊缝推进激光束的束点，以在束点后面形成熔融基材材料的轨迹。熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分的步骤的另一个实现方式包括：在适当位置脉冲激光束，以在激光束的束点下方并由此向外形成和生长熔融基材材料的池。

根据上述实施方案的方法的钢基材和延性铁基材可具有某种组成。例如，钢基材可具有包含铁、0.60 wt%至1.10 wt%的碳、0.9 wt%至1.80 wt%的铬和0.15 wt%至0.70 wt%的硅的组成，并且延性铁基材可具有包含铁、3.0 wt%至4.2 wt%的碳和2.2 wt%至3.0 wt%的硅的组成。此外，在一个实现方式中，形成在钢基材中的缺口和形成在延性铁基材中的缺口可配合以限定凹槽，并且由钢基材的接合表面和延性铁基材的接合表面限定的焊缝可位于所述凹槽内。此外，在根据上述实施方案的方法的具体实践中，钢基材可以是滚动轴承的外座圈，并且延性铁基材可以是偏置链轮的轮缘。

根据本公开的一个实施方案的激光焊接的组件包括钢基材、延性铁基材和激光焊接接头，所述激光焊接接头将钢基材和延性铁基材熔焊在一起。激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金或由奥氏体铁合金构成的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自钢基材和延性铁基材的组成。所述熔合区侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中，并且所述熔合区的奥氏体铁合金具有2重量%或更大的碳含量、6%或更小的铬当量和60%或更大的镍当量。在上述激光焊接组件的一个实现方式中，侵入延性铁基材的熔合区的体积大于侵入钢基材的熔合区的体积。

具体地说，本公开涉及以下各项。

1. 一种激光焊接钢基材和延性铁基材的方法，所述方法包括：

使钢基材的接合表面抵靠延性铁基材的接合表面，以在所述基材之间限定焊缝，接合表面进行界面接触，以建立从焊缝延伸的接合界面；

将激光束导向钢基材和延性铁基材，所述激光束具有中心纵轴；和

用激光束形成激光焊接接头，激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自所述钢基材和所述延性铁基材的组成，熔合区沿着钢基材和延性铁基材的接合界面延伸一定深度，并进一步侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中，并且其中侵入延性铁基材中的熔合区的体积大于侵入钢基材中的熔合区的体积。

2. 如第1项所述的方法，其中所述熔合区的奥氏体铁合金具有2重量%或更大的碳含量、6%或更小的铬当量和60%或更大的镍当量。

3. 如第1项所述的方法，其中将激光束导向钢基材和延性铁基材包括：使激光束的中心纵轴相对于焊缝朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束冲击延性铁基材而不是钢基材。

4. 如第1项所述的方法，其中形成激光焊接接头包括：

熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分，以产生包含交互混合的来自钢基材的钢材料和来自延性铁基材的延性铁材料的熔融基材材料；以及

通过以300℃/s至600℃/s之间的速率冷却熔融基材材料，将熔融基材材料固化成激光焊接接头。

5. 如第4项所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：沿着焊缝推进激光束的束点，以在束点之后形成熔融基材材料的轨迹。

6. 如第4项所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：在适当位置脉冲激光束，以在激光束的束点下方并由此向外形成和生长熔融基材材料的池。

7. 如第1项所述的方法，其中所述钢基材具有包含铁、0.60 wt%至1.10 wt%的碳、0.9 wt%至1.80 wt%的铬和0.15 wt%至0.70 wt%的硅的组成，并且其中所述延性铁基材具有包含铁、3.0 wt%至4.2 wt%的碳和2.2 wt%至3.0 wt%的硅的组成。

8. 如第1项所述的方法，其中钢基材和延性铁基材配合以限定凹槽，并且其中，由钢基材的接合表面和延性铁基材的接合表面限定的焊缝位于所述凹槽内。

9. 一种激光焊接钢基材和延性铁基材的方法，所述方法包括：

将激光束导向钢基材和延性铁基材，激光束具有中心纵轴；

用激光束熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分，以产生包含交互混合的来自钢基材的钢材料和来自延性铁基材的延性铁材料的熔融基材材料；以及

将熔融基材材料固化成激光焊接接头，该激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自所述钢基材和所述延性铁基材的组成，熔合区沿钢基材和延性铁基材的接合界面延伸一定深度，并进一步侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中，并且其中，熔合区的奥氏体铁合金具有2重量%或更多的碳含量和60%或更多的镍当量。

10. 如第9项所述的方法，其中，将熔融基材材料固化成激光焊接接头包括以300℃/s至600℃/s之间的速率冷却熔融基材材料。

11. 如第9项所述的方法，其中侵入延性铁基材的熔合区的体积大于侵入钢基材的熔合区的体积。

12. 如第9项所述的方法，其中将激光束导向钢基材和延性铁基材包括：使激光束的中心纵轴相对于焊缝朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束冲击延性铁基材而不是钢基材。

13. 如第9项所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：沿着焊缝推进激光束的束点，以在束点之后形成熔融基材材料的轨迹。

14. 如第9项所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：在适当位置脉冲激光束，以在激光束的束点下方并由此向外形成和生长熔融基材材料的池。

15. 如第9项所述的方法，其中所述钢基材具有包含铁、0.60 wt%至1.10 wt%的碳、0.9 wt%至1.80 wt%的铬和0.15 wt%至0.70 wt%的硅的组成，并且其中所述延性铁基材具有包含铁、3.0 wt%至4.2 wt%的碳和2.2 wt%至3.0 wt%的硅的组成。

16. 如第9项所述的方法，其中形成在钢基材中的缺口和形成在延性铁基材中的缺口配合以限定凹槽，并且其中，由钢基材的接合表面和延性铁基材的接合表面限定的焊缝位于所述凹槽内。

17. 如第9项所述的方法，其中，所述钢基材是滚动轴承的外座圈，并且所述延性铁基材是偏置链轮的轮缘。

18. 一种激光焊接的组件，其包括：

钢基材；

延性铁基材；和

激光焊接接头，所述激光焊接接头将所述钢基材和所述延性铁基材熔焊在一起，所述激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自钢基材和延性铁基材的组成，其中熔合区侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中，并且其中，熔合区的奥氏体铁合金具有2 wt%或更大的碳含量、6%或更小的铬当量和60%或更大的镍当量。

19. 如第18项所述的激光焊接的组件，其中侵入延性铁基材中的熔合区的体积大于侵入钢基材中的熔合区的体积。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施方案在激光焊接钢基材和延性铁基材期间这两个基材的截面图；

图2是在激光焊接期间图1中所示的钢基材和延性铁基材沿剖面线2-2的平面图；

图3是图1-2中所示的钢基材和延性铁基材连同将这两个基材熔焊在一起而形成激光焊接组件的激光焊接接头的截面图；

图4包括两个表，其示出了根据本公开的一个实施方案的钢基材和延性铁基材的优选组成；

图5是根据本公开的另一个实施方案在激光焊接钢基材和延性铁基材期间这两个基材的平面图；

图6是图5所示的钢基材和延性铁基材连同将这两个基材熔焊在一起而形成激光焊接组件的激光焊接接头的截面图；以及

图7是操作安装的滚动轴承和偏置链轮的横截面图，以及说明如何根据本公开的实践将这两个部件激光焊接在一起的图示。

具体实施方式

公开了一种激光焊接钢基材和延性铁基材的方法，以及可通过实践所公开的方法形成的激光焊接组件。如下面将要进一步解释的，所公开的激光焊接方法包括：在钢基材和延性铁基材之间形成激光焊接接头。该激光焊接接头包含含有奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自作为激光焊接工艺一部分而交互混合钢基材和延性铁基材的熔融部分的组成。该铁合金的奥氏体显微组织相（γ相）具有面心立方（FCC）晶格，并且比在将铁合金（包括延性铁和钢的那些铁合金）从高温快速冷却时通常形成的亚稳态马氏体显微组织相更具延展性，并具有明显更大的韧性（即，抗断裂性）。在所公开的激光焊接方法中，通过确保由激光束产生的熔融基材材料具有某个最小碳含量和镍当量含量（其因此也存在于固化的铁合金中）并且通过在熔融基材材料过渡到激光焊接接头时控制熔融基材材料的冷却速率，在激光焊接接头的熔合区中产生奥氏体铁合金。

现在参考图1-3，描述该激光焊接方法的一个优选实施方案。如图1所示，该方法包括：将钢基材10和延性铁基材12放在一起形成工件14中以准备激光焊接。钢基材10优选是高碳低铬的合金钢，其组成为包含作为主要合金成分的铁、以及0.60 wt%至1.10 wt%的碳、0.9 wt%至1.80 wt%的铬和0.15 wt%至0.70 wt%的硅，其中所有合金元素的总量为3 wt%或更少。也可存在于钢基材的组成中的几种额外合金元素包含至多1.80重量%的锰、至多0.025重量%的磷、至多0.025重量%的硫和至多0.25重量%的钼，以及工业上可接受的杂质。钢基材10可以是渗碳的（即表层强化的）或未渗碳的。如果是渗碳的，则钢基材10具有拥有上述合金组成的芯和包围该芯的渗碳表层。渗碳表层包含额外的0.6 wt%至1.0 wt%的碳，其注入到基材10中，达到通常1-2 mm的表层深度。在高温下，例如850℃至1090℃，该额外的碳注入钢基材10中，在该温度下，加入的碳被溶解在所述钢的稳定奥氏体相的固溶体中，随后对基材进行淬火，通常在油或水基聚合物溶液中，以将表层深度内的钢的奥氏体相转变为更硬的马氏体相。

延性铁基材12具有的组成包含作为主要合金成分的铁，以及3.0重量%至4.2重量%的碳和2.2重量%至3.0重量%的硅。也可存在于该组成中的几种额外合金元素包含至多1.0重量%的锰、至多0.06重量%的镁、至多0.3重量%的镍、至多0.8重量%的钼、至多0.06重量%的磷、至多0.035重量%的硫和至多0.40重量%的铜，以及工业上可接受的杂质。延性铁具有良好的抗扭强度、抗冲击性和抗疲劳性以及耐磨性，并且其增强的延展性（与灰口铸铁相比）可归因于析出的碳采取球形石墨结核的形状的事实，所述球形石墨结核分散在通常包含珠光体和/或铁素体的铁基基质内。球形石墨结核是由球化元素（如镁）形成的，所述球化元素与石墨析出物相互作用并迫使各向同性生长成球状体。当分散在整个铁基基质中时，球形石墨结核倾向于抑制响应于应力的裂纹的产生。尽管钢基材10和延性铁基材12的组成可以进行一些变化，但适用于所公开方法的几种可商购的钢和延性铁的组成分别在图4的表1和表2中列出。

当将钢基材10和延性铁基材12放在一起形成工件14时，钢基材10的接合表面16抵靠延性铁基材12的接合表面18。这些接合表面16、18在抵靠的同时直接接触，并且建立从焊缝22延伸的接合界面20。如图2中最佳示出的，焊缝22是接合界面20的可见边界线，在此处钢基材10和延性铁基材12开始远离接合界面20。在一个优选实施方案中，焊缝22位于由钢基材10和延性铁基材12配合限定的凹槽24内。特别地，可以在钢基材10和延性铁基材12的每一个中形成构成半凹槽的缺口26、28。缺口26、28的每一个可以是具有斜平表面的倒角缺口(如图所示)、具有以80°至130°范围内的角度相交的两个平表面的边缘榫头缺口、或具有凹弧表面的边缘拱形缺口，这里仅列举了侵入式缺口轮廓的几个选择。然而，对于所公开的激光焊接方法的实践，凹槽24不是强制性的，并且因此，不必在所有实施方案中都形成。

一旦将钢基材10和延性铁基材12放在一起形成工件14（其可以通过合适的固定设备定位和保持位置），将激光束32导向钢基材10和延性铁基材12。激光束32的能量沿着激光束32的中心纵轴34向前传播。激光束32冲击在钢基材10和延性铁基材12的每一个上，同时其能量聚焦在束点36上并跨越其分布。激光束32可以是固态激光束或CO₂激光束，并且其可以相对于基材10、12和焊缝22移动或前进，这如下进行：通过以固定的取向瞄准激光束32以形成激光头，然后移动工件14、激光头或两者以实现激光束与基材10、12的期望的相对移动。此外，激光束32可以是连续激光或脉冲激光，并且其在束点36处可以实现的功率密度足以至少熔化钢基材10和延性铁基材12中的每一个，并且如果需要的话，足以在激光束32的正下方另外产生一个包括蒸发金属，通常是等离子体的集中的柱状锁孔。

然后使用激光束32形成将钢基材10和延性铁基材12熔合在一起的激光焊接接头38 (图3)。激光焊接接头38具有包含奥氏体铁合金的熔合区40，该奥氏体铁合金具有源自钢基材10和延性铁基材12的组成，并且是它们的组合。围绕熔合区40在激光焊接接头38的外部存在热影响区(HAZ)。如图3所示，激光焊接接头38的熔合区40沿着在钢基材10和延性铁基材12的接合表面16、18之间建立的接合界面20延伸，达到部分穿透（如图所示）或完全穿透接合界面20的深度42。通过使合金具有特定化学组成并且以特定的冷却速率从熔融状态固化合金，以奥氏体显微组织相而不是硬而脆的马氏体显微组织相形成构成熔合区40的铁合金。奥氏体铁合金的化学组成和规定的冷却速率的组合优选如以下更详细描述的那样实现。

构成熔合区40的奥氏体铁合金的化学组成包含特定量的碳以及最小镍当量和任选的最大铬当量。更具体而言，该奥氏体铁合金具有2重量%或更大的碳含量、60%或更大的镍当量、以及6%或更小的铬当量。镍当量和铬当量中的每一个是经验重量百分比，其分别使不同合金元素的组合效果与镍和铬的当量相关。镍当量和铬当量通过以下公式计算（所有元素缩写表示该特定元素的重量百分比）：

Ni_当量（wt%）= Ni + （30

C）+ （0.5/>

Mn）

Cr_当量（wt%）= Cr + Mo +（1.5

Si）+ （0.5/>

Nb）。

除了特定的化学组成之外，如下文所述，以300℃/s至600℃/s之间的冷却速率，将由激光束32产生的熔融基材材料团固化成铁合金，以帮助确保奥氏体显微组织相。

现在具体参考图1和2，描述了一种用于产生具有奥氏体铁合金熔合区40的激光焊接接头38的具体方法。这里，作为将激光束32导向钢基材10和延性铁基材12的一部分，激光束32的中心纵轴34相对于焊缝22朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束32冲击延性铁基材12而不是钢基材10。结果，激光束32的束点36仍然覆盖焊缝22，但是与钢基材10相比，更大比例的束点36被投射到延性铁基材12上。在这一点上，形成激光焊接接头38包括：用偏移的激光束32熔化钢基材10的一部分44和延性铁基材12的一部分46，以产生熔融基材材料48的集合，该集合包括来自钢基材10的熔融部分44的钢材料和来自延性铁基材12的熔融部分46的延性铁材料的交互混合物。然后，通过以300℃/s至600℃/s之间的冷却速率冷却熔融基材材料48，将熔融基材材料48固化成激光焊接接头38。对激光焊接接头38没有尺寸或形状限制。

激光焊接接头38可以是细长缝焊接接头，如这里所示，其可以是整体针脚图案或完全连续缝图案的焊法。在这方面，熔化钢基材10的一部分44和延性铁基材12的一部分46包括：使激光束32的束点36相对于焊缝22并沿着焊缝22前进，从焊缝22上的一个位置前进到焊缝22上的另一个位置。束点36的前进在束点36的向前移动后方形成熔融基材材料48的轨迹，该轨迹沿着接合界面20在深度方向上延伸到深度42 '并且横向延伸到基材10、12中。通过在束点36的前进期间使激光束32朝向延性铁基材12偏移，延性铁基材12被激光束32熔化的部分46在重量数量上大于钢基材10的被熔化的部分44，这进而将比钢材料更大量的富碳的延性铁材料供给到熔融基材材料48的轨迹中。这确保了在熔融基材材料48内，并因此确保了在从其固化出的熔合区40的奥氏体铁合金内获得2 wt%的必要的最小碳含量以及必要的最小镍当量和最大铬当量。在许多情况下，焊缝22和激光束32的中心纵轴34之间的偏移距离50在0.010 mm至0.200 mm的范围内，随着偏移距离50增加，供给到熔融基材材料48的轨迹中的延性铁材料与钢材料的重量比增加，反之亦然。

当激光束32的能量输入停止并且熔融基材材料48通过损失热量到周围工件14而冷却时，由激光束32产生的熔融基材材料48的轨迹固化，如图2和3所示。激光束32的光束特性可以指示熔融基材材料48的轨迹在其过渡到构成激光焊接接头38的熔合区40的奥氏体铁合金时的冷却速率。事实上，冷却速率取决于多个因素，最显著的是激光束32的功率、激光束32沿焊缝22的行进速度（其影响输入到钢基材10和延性铁基材12中的每一个中的局部热量输入)、熔融基材材料48的轨迹的尺寸、以及钢基材10和延性铁基材12的吸收率和热物理性质。因此可以控制激光束32以获得期望的冷却速率，这可以通过计算或通过过程建模来进行实验确认。例如，在一种方法中，通过将激光束的功率水平限制到2 kW或更小，将激光束32的束点36沿焊缝22的行进速度限制到6m/min或更小，以及将熔融基材材料48的轨迹穿透接合界面20的深度42 ' （其最终等于激光焊接接头38的熔合区40的深度42）限制到3mm或更小，熔融基材材料48的轨迹的冷却速率可以控制在300℃/s和600℃/s之间。

熔融基材材料48的轨迹固化成激光焊接接头38以提供激光焊接的组件52，其中钢基材10和延性铁基材通过接头38熔焊在一起。激光焊接的组件52在图3中大体示出。在该特定实施方案中，焊接接头38的熔合区40除了沿着钢基材10和延性铁基材12的接合界面20延伸到其深度42之外，还侧向（即，在横向于深度42的方向上）侵入钢基材10和延性铁基材12中的每一个中。由于激光束32朝向延性铁基材12的偏移，从而导致延性铁基材12的被激光束32熔化的部分46比钢基材10的被熔化的部分44更大且重量更多，因此侵入延性铁基材12的熔合区40的体积54大于侵入钢基材10的熔合区40的体积56。熔合区40的侵入体积54和侵入体积56之间的分界为恢复平面58，其沿着钢基材10和延性铁基材12之间建立的原始接合界面20对准。

激光焊接接头38的熔合区40包含奥氏体铁合金，该奥氏体铁合金与马氏体显微组织相相比是有延性和有韧性的，并且在用激光束32冲击基材10、12之前，钢基材10和延性铁基材12都不需要预热到高于室温（即25℃）。也不需要实施为了改变基材材料48的化学性质而将填丝进料到激光束32中以将外来金属引入到熔融工件材料48的轨迹中。避免预热和使用填丝的能力是引入注意的，因为它有助于确保钢基材10和延性铁基材12的机械性能不被改变。除了在熔合区40中形成奥氏体铁合金同时避免预热和使用填丝之外，在由钢基材10和延性铁基材12配合限定的凹槽24内形成激光焊接接头38可以增强接头38的功能。通过在凹槽24内形成激光焊接接头38，由于基材10、12在凹槽24位置处的增加的可变形性，施加到焊接接头38附近的钢基材10和/或延性铁基材12的任何应力将总是被引导到焊接接头38并集中在其中。将应力集中在激光焊接接头38中可能是优选的，因为奥氏体铁合金可以比钢基材10和/或延性铁基材12的本体金属更具抗断裂性。

现在参考图5和6，描述了用于获得具有奥氏体铁合金熔合区140的激光焊接接头138的另一种方法。在该特定实施方案的以下讨论中，与在前述实施方案的描述中使用的附图标记相对应的附图标记将用于标识具有相同功能的相同元件。为此，除非另外特别说明，否则对图1-3中所示的前述实施方案的各方面的描述同样适用于以下实施方案的用相应附图标记标识的各方面。这里将只讨论图5和6所示实施方案的材料差异。具体地，在本方法中，激光焊接接头138可以是圆形（当从上方观察时）点焊接头，而不是在上面描述的细长缝焊接接头，同时预热和使用填丝也不是必需的。出于有关在包含在焊接接头138的熔合区140中的铁合金中获得特定组成的相同原因，激光焊接方法可利用如上所述的偏移激光束132。然而，不是使束点136沿着焊缝122前进，而是在适当位置脉冲激光束132，同时束点136保持固定在焊缝122上的单个位置处。

激光束132的脉冲以循环光脉冲160输送激光能量，该循环光脉冲在激光束132的束点136的下方并由此向外产生和生长熔融基材材料148的池，如图5所示。可以控制激光束132的平均功率和脉冲重复率（即，每秒的脉冲数）来为每个脉冲160实现脉冲能量，当重复输送时和在总量上，该脉冲能量足以熔化钢基材110和延性铁基材112，并且还足以使所得的熔融工件材料148的池沿着接合界面120在深度方向上生长到一定深度并由此向外进入基材10、12中达到指定尺寸和体积，同时还在冷却和固化成激光焊接接头138时，在熔融基材材料148的池中实现在300℃/s至600℃/s之间的期望冷却速率。在固化时，所形成的激光焊接接头138的熔合区140沿着接合界面120延伸，并且部分穿透（如图所示）或完全穿透接合界面120。与前面一样，熔合区包含奥氏体铁合金，同时熔合区还具有侵入延性铁基材112的体积154，由于激光束132朝向延性铁基材112的偏移，该体积154大于熔合区140侵入钢基材110的体积156。并且，与前面一样，为了增强激光焊接接头138的功能，接头138可以形成在由钢基材110和延性铁基材112配合限定的凹槽124内。

本文所述的激光焊接方法，包括缝焊和点焊方法，可应用于多种情况。在一个具体应用中，现在参照图7，该方法可用于熔焊由钢构成的滚动轴承262和由延性铁构成的链轮264。滚动轴承262可包括分别具有相对的外圆周表面和内圆周表面的内座圈266和外座圈268，在所述外圆周表面和内圆周表面之间设置有多个滚动元件270，诸如滚珠或滚轴。链轮264可以是偏置链轮，其包括中心轮毂272以及悬垂于凸缘276的轴向延伸轮缘274，该凸缘276从中心轮毂272径向延伸并环绕中心轮毂272。轴向延伸的轮缘274包括多个周向间隔开的外齿280，其与滚轴链282啮合以传递扭矩。如图7所示，安装和操作时，链轮264的中心轮毂272可以花键连接或以其它方式连接到轴284（例如变速器输出轴）上。传统上，滚动轴承262已经嵌套在由链轮264的轮缘274限定的凹窝286内，并且通过外座圈268和轮缘274之间的过盈配合保持位置，从而允许链轮264和外座圈268一起旋转，同时内座圈266在壳体或其它固定结构的支撑毂288上滑动并且过盈配合到其上。

然而，在一些情况下，滚动轴承262，特别是外座圈268，可能轴向蠕动或步动而远离链轮264，这可能降低轴承262的操作寿命。为了解决这个问题，可以采用本公开的激光焊接方法将滚动轴承262和链轮264熔焊在一起。如本文所用的，并且在上述激光焊接方法的情况下，滚动轴承262的外座圈268构成所述钢基材，而偏置链轮264的轮缘274构成所述延性铁基材。外座圈268的外圆周表面290和轮缘274的内圆周表面292构成接触的接合表面，该接触的接合表面以上述方式建立接合界面320。可以如上所述，将激光束332导向钢基材和延性铁基材并且操作，以形成部分穿透或完全穿透接合界面320的激光焊接接头338。激光焊接接头338可以是细长缝焊或点焊，这取决于设计偏好和其它制造和/或产品规范。可以在基材之间，在围绕环形接合界面320的多个间隔开的位置处，形成多于一个的这种激光焊接接头338，所述环形接合界面320建立在滚动轴承262的外座圈268与偏置链轮264的轮缘274之间。

对优选的示例性实施方案和具体实例的以上描述本质上仅仅是描述性的；它们并不意在限制所附权利要求的范围。在所附权利要求中使用的每个术语应当被赋予其普通和习惯的含义，除非在说明书中另外明确并毫无疑义地声明。

Claims

1.一种激光焊接钢基材和延性铁基材的方法，所述方法不需要预热或使用镍基填丝，并且所述方法包括：

用激光束形成激光焊接接头，激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自所述钢基材和所述延性铁基材的组成，熔合区沿着钢基材和延性铁基材的接合界面延伸一定深度，并进一步侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中，并且其中侵入延性铁基材中的熔合区的体积大于侵入钢基材中的熔合区的体积，

其中形成激光焊接接头包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔合区的奥氏体铁合金具有2重量％或更大的碳含量、6％或更小的铬当量和60％或更大的镍当量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将激光束导向钢基材和延性铁基材包括：使激光束的中心纵轴相对于焊缝朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束冲击延性铁基材而不是钢基材。

4.根据权利要求1所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：沿着焊缝推进激光束的束点，以在束点之后形成熔融基材材料的轨迹。

5.根据权利要求1所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：在适当位置脉冲激光束，以在激光束的束点下方并由此向外形成和生长熔融基材材料的池。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述钢基材具有包含铁、0.60wt％至1.10wt％的碳、0.9wt％至1.80wt％的铬和0.15wt％至0.70wt％的硅的组成，并且其中所述延性铁基材具有包含铁、3.0wt％至4.2wt％的碳和2.2wt％至3.0wt％的硅的组成。

7.根据权利要求1所述的方法，其中钢基材和延性铁基材配合以限定凹槽，并且其中，由钢基材的接合表面和延性铁基材的接合表面限定的焊缝位于所述凹槽内。

8.一种激光焊接钢基材和延性铁基材的方法，所述方法不需要预热或使用镍基填丝，并且所述方法包括：

将激光束导向钢基材和延性铁基材，激光束具有中心纵轴；

将熔融基材材料固化成激光焊接接头，该激光焊接接头具有包含奥氏体铁合金的熔合区，该奥氏体铁合金具有源自所述钢基材和所述延性铁基材的组成，熔合区沿钢基材和延性铁基材的接合界面延伸一定深度，并进一步侵入钢基材和延性铁基材中的每一个中，并且其中，熔合区的奥氏体铁合金具有2重量％或更多的碳含量和60％或更多的镍当量，

其中将熔融基材材料固化成激光焊接接头包括以300℃/s至600℃/s之间的速率冷却熔融基材材料，并且

其中侵入延性铁基材的熔合区的体积大于侵入钢基材的熔合区的体积。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将激光束导向钢基材和延性铁基材包括：使激光束的中心纵轴相对于焊缝朝向延性铁基材偏移，使得更多的激光束冲击延性铁基材而不是钢基材。

10.根据权利要求8所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：沿着焊缝推进激光束的束点，以在束点之后形成熔融基材材料的轨迹。

11.根据权利要求8所述的方法，其中熔化钢基材的一部分和延性铁基材的一部分包括：在适当位置脉冲激光束，以在激光束的束点下方并由此向外形成和生长熔融基材材料的池。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述钢基材具有包含铁、0.60wt％至1.10wt％的碳、0.9wt％至1.80wt％的铬和0.15wt％至0.70wt％的硅的组成，并且其中所述延性铁基材具有包含铁、3.0wt％至4.2wt％的碳和2.2wt％至3.0wt％的硅的组成。

13.根据权利要求8所述的方法，其中形成在钢基材中的缺口和形成在延性铁基材中的缺口配合以限定凹槽，并且其中，由钢基材的接合表面和延性铁基材的接合表面限定的焊缝位于所述凹槽内。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述钢基材是滚动轴承的外座圈，并且所述延性铁基材是偏置链轮的轮缘。