CN112584958A - 用于制造至少两个金属基底的组件的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造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的方法、能够根据该方法获得的组件以及该组件的用于制造机动车辆的用途，该方法包括两个步骤。

Description

用于制造至少两个金属基底的组件的焊接方法

本发明涉及用于制造至少两个金属基底的组件的方法以及该组件。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并且可以高达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)提供预涂覆有是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处获得的部件冷却以在钢中获得这样的显微组织：该显微组织为马氏体或马氏体-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EP3020499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包括至少一个高张力的钢板的两个或更多个重叠的钢板的板组件夹紧，并且在用焊接电极压制钢板的同时，进行电流通过和电流通过停止的多次重复；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和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叠置的包括高张力钢板的多个钢板，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，并且在形成脉动传导的多个电流脉冲中，在各自的电流脉冲处，对传导时间、定义为传导停止时间的电流脉冲的间隔、以及通过电流脉冲施加的焊接电流进行可变地控制。

然而，该方法专用于通过常规的基于锌的(纯Zn、Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Mg-Al等)或常规的基于铝的(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的铝涂层和非常少量的ZnO的合金的热冲压钢板上、以及在经镀锌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在10nm与100nm之间。当在奥氏体化之前将薄的ZnO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非常薄，即10nm至100nm，从而使得容易焊接。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。

专利申请GB2468011公开了一种用于施加电流以对板组件进行电阻焊接的方法，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，该一定量的第一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。此外，在第一步骤中，施加低安培数以使接合位置的表面软化，并且在第二步骤中，施加高安培数以使熔核在高张力材料的接合位置处生长。然而，第一步骤中的低安培数不足以焊接特定的经涂覆的热冲压部件，其中，涂层包含除锌或铝以外的其他元素。

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、可选的1.0重量至4.0重量的镁，其中，比率Zn/Si在3.2与8.0之间。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％的硅和可选的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(sacrificial)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、可选的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硬化部件的方法。

因此，本发明的目的是提供易于实现的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。特别是对于生产线而言，目的是对于这样的特定的经涂覆的硬化部件获得等于或大于1kA的焊接范围。

该目的通过提供根据权利要求1所述的用于制造该组件的焊接方法来实现。该焊接方法还可以包括权利要求2至10的特征。

另一目的通过提供根据权利要求11所述的组件来实现。该组件还可以包括权利要求12至20的任何特征。

最后，又一目的通过提供根据权利要求21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施例的各种实施方案和试验：

图1示出了根据本发明的一实施方案。

图2至图5示出了根据本发明的点焊循环的实施例。

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。

名称硬化钢部件意指拉伸强度高达2500Mpa且更优选地高达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，优选地大于或等于1500MPa。

本发明涉及用于制造组件的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：

A.提供至少两个金属基底，其中，第一金属基底是涂覆有以下的硬化钢部件：

■合金涂层，该合金涂层包含锌、硅、可选的镁，余量为铝，该合金涂层直接覆盖有

■包含ZnO和可选的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)的所述至少两个金属基底施加逆变器直流电，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)的一个脉动，以及紧接在之后，

ii.具有通过所述至少两个金属基底的焊接电流(Cw)的焊接步骤，并且

其中，点焊循环期间的焊接力在50daN与350daN之间，电流Cp与电流Cw不同并且脉动持续时间短于焊接持续时间。

不希望受任何理论的束缚，应当认为根据本发明的在两个金属基底上进行的焊接方法允许焊接范围等于或大于1kA并减少在组件表面上的涂覆飞溅，其中，所述两个金属基底至少包括涂覆有包含锌、硅、可选的镁、余量为铝的特定涂层的硬化钢部件。实际上，应当认为，由于硬化钢被空气氧化，ZnO和可选的MgO自然地存在于硬化钢部件的表面上。应当认为的是，脉动破坏了存在于经涂覆的硬化钢部件上的ZnO氧化物层和可选的MgO氧化物层和/或合金涂层的至少一部分，从而为焊接电流打开了路径。此外，应当认为，根据本发明的包括一个脉冲的方法易于在工业规模上实施。最后，应当认为，当焊接力在daN 50与350daN之间时，由于电流更多地集中在电极中心，从而使得更好地移除合金涂层和/或氧化物层，因此焊接得到改善。然而，当焊接力超出本发明的范围、即高于350daN时，由于电流扩散在经涂覆的硬化部件的较大表面上，因此存在熔核在所述至少两个金属基底之间的界面处不形成的风险。

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，电极允许连接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，应当认为在熔核中去除了涂层的至少一部分。此外，在点焊接头的顶部6、6’上，应当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，应当认为至少一个脉动破坏天然氧化物层并且通过熔融并去除点焊接头的顶部上的和熔核中的涂层而开始经涂覆的两个硬化钢部件之间的焊接。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，应当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，存在使熔核在两个硬化钢部件之间的形成停止的风险。相反，当不进行冷却时，应当认为钢部件以液体形式保持并可以容易地连接在一起。

优选地，在步骤B.i)中，脉动电流(Cp)在0.1kA与30kA之间，优选地在0.1kA与20kA之间，更优选地在8.0kA与20kA之间并且有利地在8.0kA与15kA之间。

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)在0.1kA与30kA之间，优选地在0.1kA与20kA之间，更优选地在0.1kA与10kA之间并且有利地在1kA与7.5kA之间。

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。

在一优选实施方案中，电流Cp低于电流Cw。

在另一优选实施方案中，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，点焊循环期间的焊接力在100daN与250daN之间、更优选地在150daN与250daN之间。

优选地，焊接频率在500Hz与5000Hz之间，更优选地在500Hz与3000Hz之间并且例如在800Hz与1200Hz之间。

优选地，焊接步骤B.ii)包括多个脉冲，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。根据其他实施方案，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。

本发明还涉及能够利用根据本发明的方法获得的、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，第一金属基底是涂覆有以下的硬化钢部件：

■合金涂层，该合金涂层包含锌、硅、可选的镁，余量为铝，该合金涂层直接覆盖有

■包含ZnO和可选的MgO的天然氧化物层，

-所述点焊接头包括熔核，并且所述点焊接头使得在所述点焊接头的顶部上不存在天然氧化物层和/或合金涂层的至少一部分。

不希望受任何理论的束缚，应当认为当组件包括在使用根据本发明的焊接方法所焊接的硬化部件上的以上特定的涂层时，焊接范围等于或大于1kA。实际上，应当认为尽管天然氧化物层的厚度高于现有技术的涂层，但是根据本发明的焊接方法破坏了天然氧化物层并且去除了天然氧化物层和/或合金涂层的至少一部分，从而允许组件具有良好的可焊接性。

优选地，硬化钢部件的合金涂层包含0.1重量％至40.0重量％的锌、更优选地在0.1重量％与20.0重量％之间的锌、并且有利地在5.0重量％与14重量％之的锌、并且例如在7.0重量％与12.0重量％之间的锌。

优选地，硬化钢部件的合金涂层包含0.1重量％至20.0重量％的硅、更优选地0.1重量％至12.0重量％的硅、并且有利地0.1重量％至6.0重量％的硅、并且例如2.0重量％至6.0重量％的硅。

优选地，硬化钢部件的合金涂层包含0.1重量％至20.0重量％的镁、0.1重量％至10.0重量％、优选地0.1重量％至4.0重量％的镁。

可选地，涂层包含选自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％以及可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。例如，铁的量高达5重量％。

在优选的实施方案中，第二金属基底是钢基底或铝基底。优选地，第二钢基底是根据本发明的硬化钢部件。

在另一优选实施方案中，组件包括是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。

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

实施例1:同质焊接测试

试验1至18是用包含3重量％的硅、2重量％的镁、12重量％的锌、余量为铝的涂层进行热浸涂的

1500钢板。试验19是用包含3重量％的硅、2重量％的镁、10重量％的锌、余量为铝的涂层进行热浸涂的

1500钢板。然后将钢板在880℃与900℃之间的奥氏体化温度下压制硬化3分钟至7分钟。

然后，对于每个试验，将两个相同的压制硬化部件焊接在一起。

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。该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是板厚度。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缝直径更优异的焊缝直径的五个连续的焊接样品。

对于试验1至12和17至19，焊接循环可选地包括一个具有脉动电流Cp的脉动、以及一个具有通过根据规范SEP1220-2的Imin和Imax定义的焊接电流Cw的焊接步骤。对于试验13至16，焊接循环包括一个具有脉动电流Cp的脉动以及三个或四个具有通过根据规范SEP1220-2的Imin和Imax定义的焊接电流Cw的焊接步骤，在每个焊接步骤之间执行临时停止。

频率是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5、6、11、12和16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。

实施例2：异质焊接测试

使用包含3重量％的硅、2重量％的镁、12重量％的锌、余量为铝的涂层对Usibor1500钢板进行热浸涂。然后将钢板在900℃的奥氏体化温度下压制硬化5分钟。将钢板与涂覆有锌涂层的DP600钢号(C：0.14重量％，Mn：2.1重量％和Si：0.4重量％)焊接在一起。如实施例1中那样确定焊接范围。频率是1000Hz。获得的Imin、Imax和焊接电流范围在下表2中。

*：根据本发明

试验22是不可焊接的。根据本发明的试验的焊接范围等于或大于1kA。

实施例3：电极寿命测试

电极寿命定义为测试条在达到低于所定义的最小焊缝直径的八个焊缝中的多于两个焊缝之前的最终焊缝数目。最小焊缝直径为4.7mm。

使用根据本发明的包括一个脉动和焊接步骤的焊接方法将根据试验7制备的两个经涂覆的硬化钢部件焊接在一起。在10毫秒期间，脉动电流为10kA。针对实施例1中的试验7所确定的焊接电流为Imax。利用电极在所述两个经涂覆的硬化部件上进行多个点焊，并且针对每个点焊测量焊缝直径。结果在下表3中。

*：根据本发明

根据本发明，焊缝直径总是高于关于试验7的最小焊缝直径。

Claims (21)

1.一种用于制造组件的焊接方法，所述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)是涂覆有以下层的硬化钢部件：

■合金涂层(4)，所述合金涂层(4)包含锌、硅、可选的镁，余量为铝，

■包含ZnO和可选的MgO的天然氧化物层，该天然氧化物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器直流电，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的焊接电流(Cw)的焊接步骤(23、33、43、53)，以及

其中，所述点焊循环期间的焊接力在50daN与350daN之间，所述电流Cp与所述电流Cw不同并且脉动持续时间短于焊接持续时间。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，在步骤B.i)中，所述脉动电流(Cp)在0.1kA与30.0kA之间。

3.根据权利要求1或2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。

4.根据权利要求1至3中的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)在0.1kA与30kA之间。

5.根据权利要求1至4中的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。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的焊接方法，其中，所述点焊循环期间的所述焊接力为100daN至250daN。

7.根据权利要求6所述的焊接方法，其中，Cp低于或高于Cw。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的焊接方法，其中，焊接频率为500Hz至5000Hz。

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其中，所述焊接步骤B.ii)包括多个脉冲，至少一个脉动B.i直接后接所述焊接步骤的第一个脉冲。

10.根据权利要求1至9中的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)的矩形形式，

●包括抛物线脉动峰(32)和抛物线焊接峰(33)的抛物线形式，

●包括三角形脉动峰(42)和三角形焊接峰(43)的三角形形式，

●包括抛物线脉动峰和矩形焊接峰的抛物线和矩形形式，以及

●包括三角形脉动峰和矩形焊接峰的三角形和矩形形式。

11.一种能够根据权利要求1至10获得的、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)是涂覆有以下的硬化钢部件：

■合金涂层(4)，所述合金涂层(4)包含锌、硅、可选的镁，余量为铝，

■包含ZnO和可选的MgO的天然氧化物层，该天然氧化物层直接覆盖所述合金涂层(4)，

-所述点焊接头包括熔核(5)；并且所述点焊接头使得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。

12.根据权利要求11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40.0重量％的锌。

13.根据权利要求12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20.0重量％的锌。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的组件，其中，所述硬化钢部件的所述合金涂层包含0.1重量％至20.0重量％的硅。

15.根据权利要求14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15.0重量％的硅。

16.根据权利要求11至15中的任一项所述的组件，其中，所述硬化钢部件的所述合金涂层包含0.1重量％至20.0重量％的镁。

17.根据权利要求16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。

18.根据权利要求11至17中的任一项所述的组件，其中，第二金属基底是钢基底或铝基底。

19.根据权利要求18所述的组件，其中，所述第二钢基底是根据权利要求11至17中的任一项所述的硬化钢部件。

20.根据权利要求11至19中的任一项所述的组件，包括第三金属基底，所述第三金属基底是钢基底或铝基底。

21.一种根据权利要求11至20中的任一项所述的组件或能够根据权利要求1至10中的任一项所述的方法获得的组件的用于制造机动车辆的用途。

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