CN112533725A - 至少两个金属基底的组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过至少一个点焊接头点焊在一起的至少两个金属基底的组件，用于制造根据本发明的组件的方法(这样的方法包括两个步骤)，以及该组件用于制造机动车辆的用途。

Description

至少两个金属基底的组件

本发明涉及至少两个金属基底的组件和用于制造该组件的方法。本发明特别好地适用于制造机动车辆。

考虑到节省车辆的重量，已知使用高强度钢板以实现更轻重量车身并改善碰撞安全性。还尤其使用硬化部件以降低车辆的重量。实际上，这些钢的拉伸强度为最小1200MPa并可以高至2500MPa。硬化部件可以涂覆有具有良好的耐腐蚀性和热特性的基于铝或基于锌的涂层。

通常，用于制造经涂覆的硬化部件的方法包括以下步骤：

A)提供预涂覆有作为基于铝或锌的常规涂层的金属涂层的钢板，

B)切割经涂覆的钢板以获得坯件，

C)在高温下对坯件进行热处理以在钢中获得完全奥氏体显微组织，

D)将坯件转移至压制工具中，

E)使坯件热成形以获得部件，

F)使步骤E中获得的部件冷却以在钢中获得这样的显微组织：其为马氏体或马氏体-贝氏体或者由至少75％等轴铁素体、5％至20％马氏体和小于或等于10％的量的贝氏体构成。

该方法通常后接两个经涂覆的硬化部件或者一个经涂覆的硬化部件与另一个金属基底的焊接。由于涂层硬且厚，因此非常难以实现基于铝或锌的经涂覆的硬化部件的焊接。

专利申请GB2468011公开了一种施加电流以进行板组件的电阻焊接的方法，其中至少一个板的材料为高张力材料，该方法包括：

-第一步骤，在第一预定的持续时间内，连续施加一定量的第一安培数，该安培数使高张力材料的接合位置的表面软化；

-第二步骤，当已经经过第一预定的持续时间时，将通电量从第一安培数转换至第二安培数，从而引起熔核在接合位置处生长；以及

-第三步骤，在第二预定的持续时间内连续施加第二安培数。

该方法专用于高张力材料或热冲压材料。热冲压材料可以涂覆有镀层。然而，没有说明镀层的性质。

专利申请EP 3020499公开了一种电阻点焊方法，包括：

-脉动过程，使用与采用逆变器直流法的点焊电源连接的一对焊接电极将两个或更多个重叠的钢板(包括至少一个高张力的钢板)的板组件夹紧，并且在用焊接电极压制钢板的同时，进行复数次电流通过和电流通过停止的重复；以及

-连续的电流通过过程，其中在脉动过程之后，在用焊接电极压制钢板的同时，使电流连续地通过比脉动过程的最大电流通过时间更长的时间段。

然而，该方法仅专用于涂覆有常规的基于锌的涂层或基于铝的涂层的热冲压钢板。实际上，在实施例中，在经铝涂覆的1500MPa热冲压钢板、经镀锌扩散退火涂覆的1500MPa级热冲压钢板和经ZnO皮处理的经Al涂覆的1500MPa级热冲压钢板上测试了该方法。在该专利申请中不包括包含其他元素的基于铝或锌的特定涂层。

专利申请EP3085485公开了一种电阻点焊方法，该电阻点焊方法焊接包括叠加的高张力钢板的复数个钢板，在所述电阻点焊方法中，

传导系统是使用逆变器DC焊接电源的脉动传导，以及

在形成脉动传导的复数个电流脉冲中，

在各自电流脉冲处，可变地对传导时间、定义为传导停止时间的电流脉冲的间隔、和通过电流脉冲施加的焊接电流进行控制。

然而，该方法专用于通过常规基于锌的(纯Zn、Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Mg-Al等)涂层或常规基于铝的(Al-Si等)涂层与基础材料的钢之间的合金反应而在其表面上包含金属间化合物和铁的固溶体的热冲压钢板。这些表面形成有主要由锌或铝构成的氧化物层。此外，有时主要由铁和铝的金属间化合物构成的涂层的表面形成有主要由氧化锌构成的膜。在实施例中，在涂覆有包含9重量％的Si和Fe以及非常少量的ZnO的铝涂层的合金的热冲压钢板上，以及在经镀锌扩散退火涂覆的热冲压钢板上测试了该方法。通常，这些涂层的天然氧化物层的厚度为10nm至100nm。当在奥氏体化之前将ZnO的薄层沉积在基于铝的经涂覆的硬化部件上时，ZnO和基于铝的涂层合金化。由于在基于铝的涂层上沉积了非常薄的ZnO层，因此主要由铝构成的天然氧化物在奥氏体化之后仍然非常薄，即10nm至100nm，从而容易焊接。在该专利申请中不包括包含其他元素的基于铝或锌的特定涂层。

近来，已开发用于热成形钢板的新涂层。专利申请WO2017017521公开了一种涂覆有合金涂层的可磷酸化的硬化部件，该合金涂层包含0.4重量％至20.0重量％的锌、1.0重量％至3.5重量％的硅、任选的1.0重量至4.0重量的镁，其中比率Zn/Si为3.2至8.0。专利申请WO2017/017514公开了一种涂覆有合金涂层的硬化部件，该合金涂层包含2.0重量％至24.0重量％的锌、1.1重量％至7.0重量％的硅和任选的1.1％至8.0％的镁，余量为铝，其中比率Al/Zn大于2.9以改善液体金属抗脆化(LME)。专利申请WO2017/017513公开了一种涂覆有涂层的牺牲钢板，该涂层包含2.0重量％和24重量％的锌、7.1重量％至12.0重量％的硅、任选的1.1重量％至8.0重量％的镁、余量为铝，其中比率Al/Zn大于2.9并在压制硬化的方法之后获得经涂覆的牺牲硬化部件。这些特定的涂层具有微米厚度的天然氧化物层。由于天然氧化物层的厚度和硬度，这些涂层很难焊接。

然而，尚未开发出焊接这些特定的经涂覆的压制硬化部件的方法。

因此，本发明的目的是提供用于制造近来开发的涂覆有基于铝或锌的特定涂层的硬化部件的焊接方法。特别是对于生产线，目的是对于这样特定的经涂覆的硬化部件获得等于或大于1kA的焊接范围。

这个目的通过提供根据权利要求1所述的组件来实现。所述组件还可以包括权利要求2至10中的任何特征。

另一个目的通过提供根据权利要求11所述的用于制造该组件的焊接方法来实现。所述焊接方法还可以包括权利要求12至22的特征。

最后，又一个目的通过提供根据权利要求23所述的组件的用途来实现。

本发明的其他特征和优点将根据本发明的以下详细描述而变得明显。

为了说明本发明，将特别地参照以下附图描述非限制性实例的各种实施方案和试验：

图1示出了根据本发明的一个实施方案。

图2至图5示出了根据本发明的点焊循环的实施例。

名称压制硬化钢部件意指拉伸强度高至2500MPa以及更优选高至2000MPa的热成形钢板或热冲压钢板。例如，拉伸强度大于或等于500MPa，有利地大于或等于1200Mpa，优选大于或等于1500MPa。

本发明涉及通过至少一个点焊接头点焊在一起的至少两个金属基底的组件，所述组件包括：

-第一金属基底，所述第一金属基底为涂覆有以下的硬化钢部件：

■合金涂层，所述合金涂层包含0.1重量％至11.0重量％的锌，0.1重量％至20重量％的硅，任选的0.1重量％至20重量％的镁，任选的选自Sr、Sb、Pb、Ti、Ca、Mn、Sn、La、Ce、Cr、Zr或Bi中的另外的元素，每种另外的元素的按重量计的含量小于0.3重量％，以及任选的来自进给锭料或来自钢基底通过包含铁的熔浴的残留元素，余量为铝，所述合金涂层直接覆盖有

■包含ZnO和任选的MgO的天然氧化物层，

-所述点焊接头包括熔核；并且所述点焊接头为使得在其顶部上不存在天然氧化物层和/或合金涂层的至少一部分的点焊接头。

不希望受任何理论的束缚，似乎当组件包括在硬化部件上的以上特定的涂层(该涂层尤其包含0.1重量％至11.0重量％的锌)时，焊接范围等于或大于1kA。实际上，似乎由于硬化钢被空气氧化而引起ZnO和任选的MgO天然地存在于硬化钢部件的表面上。认为当锌含量在本发明的范围之外，即大于11.0重量％时，包含ZnO和任选的MgO的天然氧化物层的厚度更显著，导致差的焊接品质。优选地，硬化钢部件的合金涂层包含3.0重量％至9.5重量％以及更优选6.5重量％至9.5重量％的锌。实际上，不希望受任何理论的束缚，认为当涂层包含这些量的锌时，进一步改善焊接范围的范围。

优选地，硬化钢部件的合金涂层包含0.1重量％至12.0重量％、更优选0.1重量％至6.0重量％、并且有利地2重量％至6.0重量％的硅。

有利地，硬化钢部件的合金涂层包含0.1重量％至10.0重量％、优选0.1重量％至4.0重量％的镁。

任选地，涂层包含高至5重量％的铁。

在一个优选实施方案中，第二金属基底为钢基底或铝基底。优选地，第二钢基底为根据本发明的硬化钢部件。

在另一个优选实施方案中，组件包括作为钢基底或铝基底的第三金属基底。在这种情况下，存在两个或多个点焊接头。

本发明还涉及用于制造根据本发明的组件的焊接方法，包括以下步骤：

A.提供至少两个金属基底，其中第一金属基底为涂覆有以下的硬化钢部件：

■合金涂层，所述合金涂层包含0.1重量％至11.0重量％的锌、0.1重量％至20重量％的硅，任选的0.1重量％至20重量％的镁，任选的选自Sr、Sb、Pb、Ti、Ca、Mn、Sn、La、Ce、Cr、Zr或Bi中的另外的元素，每种另外的元素的按重量计的含量小于0.3重量％以及任选的来自进给锭料或来自钢板通过熔浴的残留元素，余量为铝，所述合金涂层直接覆盖有

■包含ZnO和任选的MgO的天然氧化物层，

B.使用包括焊接电极和点焊电源的点焊机施加点焊循环，该点焊电源通过步骤A)的至少两个金属基底施加逆变直流电，所述点焊循环包括以下子步骤：

i.具有通过使用与点焊电源连接的焊接电极接合在一起的所述至少两个金属基底施加的脉动电流(Cp)的至少一个脉动，以及紧接在之后，

ii.具有通过至少两个金属基底施加的焊接电流(Cw)的焊接步骤，以及

其中电流Cp与电流Cw不同并且其中脉动持续时间小于焊接持续时间。

不希望受任何理论的束缚，似乎在包括涂覆有包含0.1重量％至11.0重量％的锌的特定涂层的至少一个硬化钢部件的两个金属基底上进行的根据本发明的焊接方法允许焊接范围等于或大于1kA并降低在组件表面上的飞溅。实际上，认为至少一个脉动破坏了存在于经涂覆的硬化钢部件上的ZnO和任选的MgO阻挡层，从而为焊接电流打开路径。然而，如果锌含量在本发明的范围之外，则认为ZnO和任选的MgO阻挡层太厚而不能被至少一个脉动破坏。

如图1中所示，使用包括焊接电极1、1’和点焊源2的点焊机(未示出)。在该实施例中，电极允许接合涂覆有根据本发明的涂层4、4’、4”的两个硬化钢部件3、3’。在焊接期间，熔核5通过扩散形成在两个硬化钢部件之间。熔核为残留涂层和钢部件的合金。由于根据本发明的点焊循环，认为在熔核中除去了涂层的至少一部分。此外，在点焊接头6、6’的顶部，认为不存在天然氧化物层和/或合金涂层的至少一部分。实际上，似乎至少一个脉动破坏了天然氧化物层并且通过熔化并除去点焊接头的顶部上的和熔核中的涂层而开始在经涂覆的两个硬化钢部件之间进行焊接。因此，电流可以流经两个硬化钢部件，从而允许焊接的改善。最后，认为在至少一个脉动与焊接步骤之间不需要冷却。实际上，如果在这些步骤之间进行冷却，则由于钢部件开始固化，在两个硬化钢部件之间存在熔核停止形成的风险。相反，当不进行冷却时，似乎钢部件以液体形式保持并可以容易地接合在一起。

优选地，在步骤B.i)中，脉动电流(Cp)为0.1kA至30kA，优选为0.1kA至20kA，更优选为8.0kA至20kA并且有利地为8.0kA至15kA。

有利地，在步骤B.i)中，脉动持续时间为5毫秒至60毫秒，优选为4毫秒至30毫秒。

优选地，在步骤B.ii)中，焊接电流(Cw)为0.1kA至30kA，优选为0.1kA至20kA，更优选为0.1kA至10kA并且有利地为1kA至7.5kA。

有利地，在步骤B.ii)中，焊接持续时间为150毫秒至500毫秒并且更优选为250毫秒至400毫秒。

在一个优选实施方案中，电流Cp低于电流Cw。

在另一个优选实施方案中，电流Cp大于电流Cw。实际上，不希望受任何理论的束缚，本发明人发现当Cp大于Cw时，焊接范围进一步改善。

优选地，焊接力为50daN至550daN。

在一个优选实施方案中，在点焊循环期间的焊接力为350daN至550daN。

在另一个优选实施方案中，在点焊循环期间的焊接力为50daN至350daN。在这种情况下，似乎在电极中心处存在更好的电流定位，从而允许更好的焊接性。

优选地，焊接频率为500Hz至5000Hz，更优选为500Hz至3000Hz并且例如为800Hz至1200Hz。

优选地，焊接步骤B.ii)包括复数个脉冲，至少一个脉动B.i直接后接焊接步骤的第一个脉冲。在这种情况下，在脉动与第一个脉冲之间不存在冷却。第一个脉冲后接一个或更多个脉冲，在每个随后的脉冲之间存在中断持续时间。优选地，中断持续时间为20毫秒至80毫秒并且优选为30毫秒至60毫秒。

根据本发明的点焊循环可以具有不同的形状。图2示出了其中点焊循环21具有包括矩形脉动峰22和矩形焊接峰23的矩形形状的一个优选实施方案。图3示出了其中点焊循环31具有包括抛物线脉动峰32和抛物线焊接峰33的抛物线形状的另一个优选实施方案。图4示出了其中点焊循环41具有包括三角形脉动峰42和三角形焊接峰43的三角形状的另一个优选实施方案。根据另一些实施方案，点焊循环具有包括抛物线脉动峰和矩形焊接峰的抛物线和矩形形状，或包括三角形脉动峰和矩形焊接峰的三角形和矩形形状。

图5示出了其中点焊循环包括一个脉动B.i直接后接焊接步骤的第一个脉冲的一个优选实施方案。在该实施例中，点焊循环51具有包括矩形脉动峰52和三个矩形焊接峰53、53’、53”的矩形形状。

最后，本发明涉及根据本发明的组件用于制造机动车辆的用途。

现在将以仅用于提供信息而进行的试验来说明本发明。试验不是限制性的。

实施例1:焊接测试

试验1是用包含9重量％的硅、3重量％的铁、余量为铝的常规涂层热浸涂的

1500钢板。

试验2至10是用包含3重量％的硅、2重量％的镁、锌、余量为铝的涂层热浸涂的

1500钢板。取决于试验，锌的百分比从5重量％至12重量％变化。

然后将钢板在900℃的奥氏体化温度下压制硬化5分钟。

然后，对于各试验，将两个相同的压制硬化钢焊接在一起。

根据规范SEP1220-2确定焊接范围。焊接测试从3kA开始并每两次点焊增加0.2kA。当在相同电流水平下发生两次连续的飞溅时，得到飞溅极限。当达到飞溅极限时，以0.1kA的步长降低焊接电流以在相同的电流水平下具有三个连续的焊接样品而不喷溅。电流水平定义为电流范围的上焊接限：Imax。

其后，得到下限Imin。通过使用4√t的标准完成Imin寻找，其中t为板厚度。该标准定义了保证焊接品质和强度的最小可接受直径值。为了进行确认，获得了具有比最小焊接直径更优异的焊接直径的五个连续的焊接样品。

对于试验1、3、5、8和10，焊接循环仅包括具有通过根据规范SEP1220-2的Imin和Imax定义的焊接电流Cw的焊接步骤。对于试验2、4、6、7和9，焊接循环包括具有脉动电流Cp的脉动和具有通过根据规范SEP1220-2的Imin和Imax定义的焊接电流Cw的焊接步骤。

频率为1000Hz。获得的Imin、Imax和焊接电流范围在下表1中。

*：根据本发明

试验3、5、8和10是不可焊接的，即未达到规范SEP1220-2中定义的Imin和Imax的标准。根据本发明的试验的焊接范围等于或大于1kA。

Claims (23)

1.一种通过至少一个点焊接头点焊在一起的至少两个金属基底(3、3’)的组件，所述组件包括：

-第一金属基底(3)，所述第一金属基底(3)为涂覆有以下的层的硬化钢部件：

■合金涂层(4)，所述合金涂层(4)包含0.1重量％至11.0重量％的锌，0.1重量％至20重量％的硅，可选择地包括的0.1重量％至20重量％的镁，可选择地包括的选自Sr、Sb、Pb、Ti、Ca、Mn、Sn、La、Ce、Cr、Zr或Bi中的另外的元素，每种所述另外的元素的按重量计的含量小于0.3重量％，以及可选择地包含的来自进给锭料或来自钢基底通过包含铁的熔浴的残留元素，余量为铝；以及

■包含ZnO和任选的MgO的天然氧化物层，所述天然氧化层直接覆盖所述合金涂层(4)；

-并且，所述点焊接头包括熔核(5)，在所述点焊接头的顶部(6)上不存在所述天然氧化物层和/或所述合金涂层的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述硬化钢部件的所述合金涂层包含3.0重量％至9.5重量％的锌。

3.根据权利要求2所述的组件，其中所述硬化钢部件的所述合金涂层包含6.5重量％至9.5重量％的锌。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其中所述硬化钢部件的所述合金涂层包含0.1重量％至12.0重量％的硅。

5.根据权利要求4所述的组件，其中所述硬化钢部件的所述合金涂层包含0.1重量％至6.0重量％的硅。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中所述硬化钢部件的所述合金涂层包含0.1重量％至10.0重量％的镁。

7.根据权利要求6所述的组件，其中所述硬化钢部件的所述合金涂层包含0.1重量％至4.0重量％的镁。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，其中第二金属基底(3’)为钢基底或铝基底。

9.根据权利要求8所述的组件，其中第二钢基底为根据权利要求1至7中任一项所述的硬化钢部件。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，包括作为钢基底或铝基底的第三金属基底。

11.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的组件的焊接方法，包括以下步骤：

A.提供至少两个金属基底(3、3’)，其中第一金属基底(3)为涂覆有以下的硬化钢部件：

■合金涂层(4)，所述合金涂层(4)包含0.1重量％至11.0重量％的锌，0.1重量％至20重量％的硅，可选择地包括的0.1重量％至20重量％的镁，可选择地包括的选自Sr、Sb、Pb、Ti、Ca、Mn、Sn、La、Ce、Cr、Zr或Bi中的另外的元素，每种所述另外的元素的按重量计的含量小于0.3重量％，以及任选的来自进给锭料或来自钢板通过熔浴的残留元素，余量为铝；

■包含ZnO和任选的MgO的天然氧化物层，所述天然氧化层直接覆盖所述合金涂层(4)；

B.使用包括焊接电极(1、1’)和点焊电源(2)的点焊机施加点焊循环，所述点焊电源(2)通过步骤A)的所述至少两个金属基底施加逆变直流电，所述点焊循环(21、31、41、51)包括以下子步骤：

i.具有通过使用与所述点焊电源连接的焊接电极接合在一起的所述至少两个金属基底施加的脉动电流(Cp)的至少一个脉动(22、32、42、52)，以及紧接在之后，

ii.具有通过所述至少两个金属基底施加的焊接电流(Cw)的焊接步骤(23、33、43、53)，以及

其中所述电流Cp与所述电流Cw不同并且其中脉动持续时间小于焊接持续时间。

12.根据权利要求11所述的焊接方法，其中在步骤B.i)中，所述脉动电流(Cp)为0.1kA至30kA。

13.根据权利要求11或12所述的焊接方法，其中在步骤B.i)中，所述脉动持续时间为5毫秒至60毫秒。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的焊接方法，其中在步骤B.ii)中，所述焊接电流(Cw)为0.1kA至30kA。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的焊接方法，其中在步骤B.ii)中，所述焊接持续时间为150毫秒至500毫秒。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的焊接方法，其中焊接力为50daN至550daN。

17.根据权利要求16所述的焊接方法，其中在所述点焊循环期间的所述焊接力为350daN至550daN。

18.根据权利要求16所述的焊接方法，其中在所述点焊循环期间的所述焊接力为50daN至350daN。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的焊接方法，其中所述电流Cp低于或高于所述电流Cw。

20.根据权利要求11至19中任一项所述的焊接方法，其中焊接频率为500Hz至5000Hz。

21.根据权利要求11至20中任一项所述的焊接方法，其中所述焊接步骤B.ii)包括复数个脉冲，所述至少一个脉动B.i直接后接所述焊接步骤的第一个脉冲。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的焊接方法，其中点焊循环形状(21、31、41、51)选自：

●包括矩形脉动峰(22)和矩形焊接峰(23)的矩形形状，

●包括抛物线脉动峰(32)和抛物线焊接峰(33)的抛物线形状，

●包括三角形脉动峰(42)和三角形焊接峰(43)的三角形形状，

●包括抛物线脉动峰和矩形焊接峰的抛物线和矩形形状，以及

●包括三角形脉动峰和矩形焊接峰的三角形和矩形形状。

23.根据权利要求1至10中任一项所述的组件、或根据权利要求11至22中任一项所述的方法获得的组件用于制造机动车辆的用途。

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