CN113710404B - 熔焊由可模压硬化钢制成的一个或多个钢板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于熔焊由可模压硬化钢，优选锰硼钢制成的一个或多个钢板(1、2)的方法，其中该钢板或多个钢板中的至少一个具有含铝的金属涂层(4)，并且其中在将填充材料(11)送入仅通过至少一束激光束产生的熔池(9)中的情况下进行熔焊。为了提高焊缝(14)的淬透性，无论待彼此焊接的钢板是相同还是不同材质等级的钢板和/或不同板厚的钢板，通过一个或多个光学元件在熔池上产生具有不同能量分布的单个激光焦斑(16)，使得激光焦斑(16)具有较小激光焦斑区域(16.1)和较大激光焦斑区域(16.2)，其中较大激光焦斑区域照射的面积是由较小激光焦斑区域照射的面积的至少2倍，优选至少3倍，并且其中在较小激光焦斑区域中引入与在较大激光焦斑区域相比每单位面积更高的激光能量功率。根据本发明的方法的特征在于高生产率以及相对低的能量消耗。此外，在设备技术方面，该方法可以以相对较少的花费来实施。

Description

熔焊由可模压硬化钢制成的一个或多个钢板的方法
技术领域
本发明涉及一种用于熔焊一个或多个由可模压硬化钢，优选锰硼钢制成的钢板的方法，其中该钢板或多个钢板中的至少一个具有由铝制成的金属涂层，例如Al-Si涂层，并且其中在将填充材料送入仅通过至少一束激光束产生的熔池中的情况下进行熔焊。
背景技术
由钢板制成的定制板坯(所谓的定制坯料)用于汽车制造，以在尽可能低的车身重量下来满足高碰撞安全要求。为此，不同材质等级和/或不同板厚的单个板坯或带材通过激光焊接在对接接头中接合在一起。这样，车身部件的不同位置可以适应于不同的负载。由此可以在高负荷区域的位置使用更厚或更高强度的钢板，而在其他位置可以使用更薄的钢板或由相对较软的深冲等级材料制成的钢板。这种定制的板材坯使得车身上不需要额外的加强部件。这节省了材料并能够减轻车身的总重量。
由锰硼钢制成的板材用于现代车身结构，其通过带有快速冷却的热成型实现高强度。在交付状态下，即在热成型之前，锰硼钢具有约为600MPa的抗拉强度和铁素体-珠光体组织结构。通过模压硬化，即在成型前加热到奥氏体化温度，然后在成型期间或之后快速冷却，可以调整得到完全马氏体组织结构，其抗拉强度可达2000MPa。这种类型的部件通常由所谓的拼焊坯料制成；这意味着，在满足要求的不同板材厚度和/或材质等级之间进行连接，通常是通过激光束焊接。
在对拼焊板进一步加工的热成型和硬化过程中，其焊缝的硬化程度通常应与组成拼焊板的钢板坯的基材相同。保证这一点例如在焊接不同厚度的、在接头处具有相对加大的厚度跳跃的钢板时会给热成型工艺带来重大挑战。用于适当硬化过程的工艺窗口(参数窗口)则相对较小。此外，硬化过程很敏感，必须非常精确地设置，这通常会给用户带来与生产技术相关的限制。
可热成型、可模压硬化钢板的熔焊进一步受到铝制表面涂层的限制。这种涂层，例如铝硅涂层，通常设置用于防止工件在热成型过程中起氧化皮。然而，这种表面涂层对焊缝质量有非常不利的影响。这是因为通过涂层钢板的熔焊，除了基材以外还熔化了含铝表面涂层，从而将铝带入了焊缝。如果焊缝中的铝含量在2％到10重量％之间，则会形成铁素体区域(相)，其导致焊缝强度降低。在这种情况下，焊缝的强度低于基材的强度，因此无论所接合的板厚组合如何，都会预期到焊缝中所涉及的部件的失效。
为了防止形成铁素体，根据现有技术，在焊接过程之前通过机械工具或激光束烧蚀至少部分去除待焊接在一起的板边棱的边缘区域中的表面涂层(参见EP 2 007 545B1)。然而，对于表面涂层的这种部分去除而言需要额外的工艺步骤，这既昂贵又费时并且因此降低了这里所说明类型的部件的制造的经济性。
US 2008/0011720 A1说明了一种激光电弧复合焊接方法，其中由锰硼钢制成的具有包含铝的表面层的板坯在对接接头中接合在一起。当使用MIG焊枪时，在填充焊丝的尖端由钨焊条产生电弧或形成电弧。填充焊丝可包含合金元素(例如Mn、Ni和Cu)，其诱导钢转化为奥氏体组织结构并有助于维持熔池中的奥氏体转化。这种混合焊接方法旨在使涂有铝硅基涂层的热成型锰硼钢板能够在不事先去除待产生的焊缝区域中的涂层材料的情况下进行焊接，但尽管如此，仍应确保位于板坯对接边棱处的铝不会导致焊缝中部件的抗拉强度降低。通过在激光束后面设置电弧，熔池将被均质化，并且因此消除了会产生铁素体组织结构的、大于1.2重量％的局部铝浓度。
由于电弧的产生，这种已知的复合焊接方法能耗水平相对较高。此外，焊接速度相对较低。此外，通过激光电弧复合焊接产生的焊缝的焊缝形状不利于进一步成型，有可能需要后续加工。
由EP 2 919 942 B1已知一种使用填充焊丝在对接接头中对可模压硬化的锰硼钢板材进行激光束焊接的方法，其中填充焊丝包含锰、铬、钼、硅和/或镍中的至少一种合金元素，该元素在由激光束产生的熔池中促进形成奥氏体，并且其中该至少一种的合金元素以比钢板的可模压硬化钢中高至少0.1重量％的质量比例存在于填充焊丝中。填充焊丝具有以下成分：0.05至0.15重量％的C、0.5至2.0重量％的Si、1.0至2.5重量％的Mn、0.5至2.0重量％的Cr+Mo、1.0至4.0重量％的Ni,其余为铁和不可避免的杂质。此外，填充焊丝具有比钢板的可模压硬化钢低至少0.1重量％的碳质量比例。该方法的特征还在于，所使用的钢板没有涂层或通过在焊接前沿着待焊接在一起的对接边棱去除其在边缘区域中的涂层而部分地去涂层。
EP 2 737 971 A1说明了一种激光束焊接方法，其用于使用填充焊丝由涂层钢板制造拼焊板坯，其中钢板由硼合金钢构成并具有铝硅涂层或锌涂层。填充焊丝含有碳或锰，其中该元素在填充焊丝中的质量比例比在经涂层钢板的基材中更大。因此，与钢板基材相比，填充焊丝的碳含量应高0.1至0.8重量％，其锰含量应高1.5至7.0重量％。这是为了避免由于涂层材料渗透到激光束产生的熔池中而导致焊缝强度相对于模压硬化钢板降低。
EP 2 736 672 B1公开了一种通过使用填充焊丝的激光束焊接由涂层钢板制造部件的方法，其中钢板具有铝基涂层，在焊接前，该涂层在沿着要焊接在一起的接头边棱的边缘区域中被去除到在此还存留有金属间合金层的程度。填充焊丝在此具有以下组成：0.6至1.5重量％的C，1.0至4.0重量％的Mn，0.1至0.6重量％的Si，最大2.0％重量的Cr，最大0.2重量％的Ti，其余为铁和由于加工引起的杂质。
DE 10 2017 120 051 A1公开了一种用于激光束焊接由可模压硬化的锰硼钢制成的钢板的方法，其中钢板中的至少一个具有铝涂层。激光束焊接通过将填充焊丝送入仅由激光束产生的熔池中来进行，其中填充焊丝包含至少一种奥氏体稳定的合金元素。为保证在能耗较低，生产率较高的情况下实现焊缝在模压硬化后具有与基材相当的强度，将激光束设置为横向于焊接方向振荡的方式，其中振荡频率至少为200Hz。该方法具有成本优势，因为在该方法中无需去除待焊接板材边棱的边缘处的铝涂层。然而，激光束的振荡会降低可达到的焊接速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开头所述类型的方法，通过该方法可以将钢板接合在一起，其中至少一个钢板由可模压硬化的钢制成并具有含铝的金属涂层，使得其焊缝在热成型(模压硬化)后具有与基材相当的强度和硬度，其中该方法应具有生产率高和能耗相对较低的特征。尤其应给出一种开头提到的类型的方法，通过该方法可以提高焊缝的淬透性，无论要焊接在一起的钢板是相同材料等级的钢板还是不同材质等级的钢板和/或不同厚度的钢板。此外，实施该方法所需的设备技术花费应该相对较低。因此，应实现一种开头提到的类型的方法，通过该方法可以将具有铝基涂层的可模压硬化钢制成的板材以经济的方式焊接在一起，并且通过该方法改善了焊缝的淬透性，使得适当的硬化工艺的工艺窗口扩大。尤其应该实现高焊接速度。
为了实现该目的的至少某些方面，提出了根据本发明的方法。在说明书中示出了根据本发明的方法的有利设计方案。
在开头提到的类型的激光束焊接方法中，本发明通过熔池上的一个或多个光学元件产生具有不同能量分布的单个激光焦斑，使得激光焦斑具有较小激光焦斑区域和较大激光焦斑区域，其中较大激光焦斑区域照射的面积是由较小激光焦斑区域照射的面积的至少2倍，优选至少3倍，并且其中在较小激光焦斑区域中引入与在更大激光焦斑区域相比每单位面积更高的激光能量功率。
所说明的根据本发明的激光焦斑中的能量分布具有这样的效果，即与使用常规激光焊接束产生的熔池中的温度分布和流动相比，其温度分布以及熔池中的流动发生变化。较小激光焦斑区域，也可以称为主焦斑，其与较大激光焦斑区域(副焦斑)相比，每单位面积引入的激光能量功率更高，主要用于深焊接，而较大激光焦斑区域支持焊接过程。通过较小激光焦斑区域引入的激光能量功率可以与通过较大激光焦斑区域引入的激光能量功率具有相同或大致相同的水平。例如，分别向较小激光焦斑区域和较大激光焦斑区域中引入约4.5kW的激光能量功率。然而，在本发明的框架中，通过较小激光焦斑区域引入的激光能量功率与通过较大激光焦斑区域引入的激光能量功率具有显著不同的水平。在较大激光焦斑区域中引入的能量与在较小激光焦斑区域中引入的能量相比分布在更大的面积上。因此，在较大激光焦斑区域(副焦斑)中引入的能量的影响不同于主焦斑中的能量的影响。通过这种不同的能量输入或能量分布，可以实现熔池更高的均质化，从而改善焊缝的淬透性。从而增大了用于适当硬化工艺的工艺窗口。
控制能量分布，使较小激光焦斑区域(主焦斑)产生深焊过程，而外部或较大激光焦斑区域的能量不超过用于深焊的能量阈值范围。例如，阈值范围处于大约1000kW/cm2的功率密度。
根据本发明的方法提供的优点尤其在于，在焊接过程之前不需要部分去除待焊接在一起的板材边棱的边缘区域中的含铝表面涂层。因此，根据本发明的方法的一个优选设计方案规定，该方法在基本上无需预先去除，尤其是无需预先从待焊接在一起的板材边棱的边缘区域部分去除含铝的表面涂层的情况下进行。
与对待在对接接头中焊接的涂层钢板的边缘预先去涂层之后进行的激光束焊接相比，根据本发明的方法能够优化焊缝几何形状，准确说实现了更大的承载板材横截面。这在焊缝上后续遭受动态载荷时特别有利。
正如在内部测试中所证明的，根据本发明的方法的另一个优点是焊接飞溅物的形成显著减少。发明人认为减少焊接飞溅物形成的一个原因是激光焦斑中有针对的不同的能量分布和由此产生的特殊熔池流动。
激光束能量在激光焦斑中的分布有很大差异。在根据本发明的方法中通过一个或多个光学元件实现激光焦斑中不同的能量分布或经匹配的能量输入。例如，这可以通过一个或多个衍射或折射光学元件和/或直接通过使用一个或多个相应布置的光纤来实现。相应改进的激光焊接头例如可以具有两个不同的衍射或折射光学元件，尤其是透镜，其可以在轴向和/或径向方向上相对于彼此移位。可以以紧凑的构建方式实现相应改进的激光焊接头。
在单个激光焦斑中产生不同能量分布的另一种可能性是分割激光束并引导由此获得的部分激光束通过不同的衍射或折射光学元件，尤其是透镜，其中以这种方式调制的部分激光束然后再次合并成一束激光束，并且将这样合成的激光束指向待焊接在一起的钢板边棱的接合接头。这种改进的激光焊接头也可以以紧凑的构建方式实现。
在单个激光焦斑中产生不同能量分布的另一种可能性是将两个或多个不同的、例如由相似或不同的激光源产生的激光束组合在激光束光学器件中，从而由此产生的激光束产生具有不同能量分布的单个组合激光焦斑。
用于引导激光焊接头或相应待焊接工件的装置在本发明的前述设计方案中分别可以以常规方式实施，即根据本发明的方法不需要更复杂的机械布置或引导装置，在用于执行用于熔焊由模压硬化钢制成的一个或多个钢板的这种类型的方法的传统激光焊接系统中通常是这种情况。与此相对，用于激光电弧复合焊接的设备，例如从US2008/0011720A1已知的设备，由于焊接装置较长的影响区域，需要相对复杂的机械布置和焊接设备或待焊接工件的引导，尤其是当沿着弧形的板材边棱轮廓焊接时。使用根据本发明的方法可以产生相对较小熔池和相应精细的焊缝。根据本发明的焊接方法的特征在于低故障敏感性和高过程稳定性。
此外，根据本发明的方法尤其与激光电弧复合焊接相比能够以相对低的能量消耗实现高焊接速度。
本发明的一个有利设计方案的特征在于激光束在熔焊期间基本上没有振荡地运行。基本上没有振荡意味着不会故意使激光束振荡。尤其是由此可以实现相对高的焊接速度。此外，因此可以相对容易地实现激光焊接头的保持或光学元件在激光焊接头中的保持。
本发明的另一有利设计方案规定，通过其产生具有不同能量分布的激光焦斑的一个或多个光学元件形成为使得较小激光焦斑区域在较大激光焦斑区域中的位置可以相对于后者进行调整。因此，激光焦斑中不同的能量输入或不同的能量分布可以最佳地匹配于相应的焊接条件。例如，在与焊接方向平行和/或横向延伸的方向上调整较小激光焦斑区域在较大激光焦斑区域内的位置。优选地，较小激光焦斑区域在较大激光焦斑区域内的位置被设置成使得较小激光焦斑区域基本上布置在较大激光焦斑区域的中间，或者在焊接方向上观察，布置在较大激光焦斑区域中心的前面。
较大激光焦斑区域和/或较小激光焦斑区域的形状例如可以是圆形、椭圆形、正方形或矩形。尤其地，如果在根据本发明的方法中激光焦斑中的不同能量分布或经匹配的能量输入通过一根或多根相应布置的光纤实现，则可以产生较大激光焦斑区域和/或较小激光焦斑区域的基本上圆形的形状。
根据本发明的有利设计方案，较大激光焦斑区域具有长形的形状，尤其是蛋形、椭圆形或矩形形状，其中较大激光焦斑区域的纵轴基本上沿焊接方向延伸。由此在接头处得到相对较大的熔池面积，从而在一定的焊接速度下有更多的时间为熔池除气直到焊缝固化。
本发明的另一有利设计方案的特征在于，较大激光焦斑区域的纵向延伸是较小激光焦斑区域的平均直径或最大直径的至少2倍，优选至少2.5倍，特别优选至少3倍。发明人方面的实验表明，以这种方式可以实现流入熔池并保留在焊缝中的铝的非常均匀的分布。
根据本发明，在将填充材料(也称为焊接填料)引入仅通过至少一束激光束产生的熔池中的情况下进行熔焊。焊接填料有多个作用。一方面，可以通过焊接填料的合适合金元素来最小化从涂层流入焊接熔体中的铝的铁素体形成效应，从而可以提高焊缝的淬透性。另一方面，通过添加基本上不含铝的填充材料可将焊缝的铝含量降至最低。此外，由于在熔池中引入填充材料，熔池中的流动运动增加或更强，因此焊缝组分均质化。
填充材料优选以丝或粉末的形式供应到熔池中。可以以高能效和高数量精度将丝状填充材料送入熔池。通过引入合适粒度的粉末状焊接填料，可以在熔池中非常均匀地混合焊接填料。通常，激光焊接期间熔化阶段的持续时间仅在大约6ms到125ms的范围内。由于激光焊接的焊接时间相对较短，因此与使用填充焊丝相比，使用粉末焊接填料可以实现与待焊接钢更好的混合。通过使用具有相对小颗粒，优选小金属颗粒的粉末状焊接填料，在熔化阶段的非常短的时间内也可以实现非常均匀的合金完全混合。粉末状焊接填料的颗粒具有例如20μm至160μm范围内、优选20μm至160μm范围内的粒度。
优选地，通过至少一个流动通道以气体粉末流的形式供应粉末状填充材料，其中从流动通道出来的气体粉末流指向熔池并且具有至少2m/s，优选至少10m/s，特别优选至少15m/s的出口速度，使得实现焊接填料与熔池的湍流完全混合，其中在熔池中产生流动涡流。这些流动涡流(湍流)尤其是由气体粉末流的动力学引起的。指向熔池的气体粉末流的出口速度的上限例如可以是50m/s，尤其是40m/s或30m/s。
在实施根据本发明的方法时供应给熔池的填充材料优选基本上不含铝。在本发明的上下文中，不含铝或基本上不含铝的填充材料被理解为是指除了不可避免的杂质或不可避免的痕量水平之外不包含任何铝的焊接填料。
为了改进焊缝的淬透性，本发明的另一设计方案设定，填充材料包含选自镍、铬和/或碳中的至少一种的合金元素。为了提高焊缝的淬透性，填充材料优选包含5至12重量％的Ni、5至25重量％的Cr和0.05至0.4重量％的C，选择性至少一种其他合金元素，以及其余为铁和不可避免的杂质。填充材料的铬含量在5至25重量％范围内是有利的，以降低焊缝的临界冷却速度，从而进一步改善焊缝的淬透性。
根据本发明的方法的一个优选设计方案的特征在于，这里使用的填充材料具有以下组成：0.05至0.4重量％的C，0至2.0重量％的Si，0至3.0重量％的Mn，4至25重量％的Cr，0至0.5重量％的Mo，5至12重量％的Ni，其余为Fe和不可避免的杂质。内部测试表明，在使用根据本发明的方法的情况下，利用这种填充材料可以非常可靠地确保在对拼焊板坯进行后续热成型(模压硬化)期间焊缝完全转变为马氏体组织结构。
根据本发明的方法的另一有利设计方案的特征在于，将优选呈丝状的填充材料以这样的方式供给到熔池中，使得将填充材料直接供给到较小激光焦斑区域中。这里，优选呈丝状的填充材料与较小激光焦斑区域相切或基本上指向较小激光焦斑区域。这确保了在深焊过程中，熔融的填充材料围绕熔池中的蒸汽毛细管流动。由此，填充材料与在接合接头，即对接接头或搭接接头中熔化的钢板材料更好地混合，从而实现更均匀的焊缝。
根据本发明的方法的另一有利设计方案的特征在于，以拖曳方式供应优选呈丝状的填充材料。拖曳式的填充材料供应，尤其是焊丝供应，意味着当沿焊接方向观察时，填充材料在熔池的前方供应或从前方供给至较小激光焦斑区域。这种设计方案还实现了填充材料与在接合接头，即对接接头或搭接接头中熔化的钢板材料的更好混合，从而实现更均匀的焊缝。
根据本发明的方法的另一有利设计方案的特征在于，以焊丝形式供应的填充材料以这样的方式供给到熔池中，使得焊丝的中心轴线与至少一个待焊接的钢板或待焊接在一起的钢板的表面围成小于50°、优选小于45°、特别优选小于30°、尤其在10°和30°之间的锐角。结果，可以实现将填充材料最佳地供给到深焊区域中，尤其是在蒸汽毛细管的方向上。
根据另一个有利的设计方案，优选地呈焊丝形式的填充材料在送入(流入)熔池之前，通过加热装置加热到至少60℃、优选至少100℃、优选至少150℃，尤其至少180℃的温度。与使用未加热的填充焊丝相比，这可以显著提高焊接速度。因为加热的填充焊丝的尖端可以用激光束更快地熔化。此外，通过在送入焊接熔体之前加热填充焊丝，焊接过程变得更加稳定。预热焊丝的温度上限低于焊丝失去其形状稳定性或者其形状稳定性对于可靠的焊丝进给来说太低的温度。焊丝预热的上限例如在大约在250℃至300℃的范围内。
优选使用锰硼钢作为可模压硬化的钢。在根据本发明的方法的优选设计方案中，选择待焊接的钢板或待焊接在一起的钢板中的至少一个，使得其具有以下成分的可模压硬化的钢：0.10至0.50重量％的C，最大0.40重量％的Si，0.50至2.0重量％的Mn，最大0.025重量％的P，最大0.010％的S，最大0.60重量％的Cr，最大0.50重量％的Mo，最大0.050重量％的Ti，0.0008至0.0070重量％的B和至少0.010重量％的Al，其余为Fe和不可避免的杂质。由这种钢板制成的部件在模压硬化后具有高强度。由不同的或相同的锰硼钢制成的板材可以用根据本发明的方法焊接在一起，以便通过模压硬化提供具有最大化强度的定制板材半成品。
根据本发明的方法不仅可以用于在对接接头中连接几块相同或不同板厚的钢板坯，其中至少一块钢板坯由模压硬化钢制成并设有含铝涂层，而且也可用于激光束焊接由模压硬化钢，优选锰硼钢制成的单个板状或带状的钢板，其具有含铝涂层，其中在后一种情况下，待焊接在一起的板材边棱要通过成形，例如通过折边或滚压成形移动成叠置，使得其最终在对接接头中朝向彼此布置。
此外，根据本发明的方法还可用于在搭接接头中对由模压硬化钢，优选锰硼钢制成的一个或多个钢板进行激光束焊接。
根据本发明的方法的另一有利设计方案的特征在于，在对接接头中接合一个或多个钢板，其中在待接合的对接接头中将间隙设置得尽可能小，优选几乎“技术零间隙”，该间隙的平均间隙宽度在0.01至0.15mm的范围内，优选在0.06至0.15mm的范围内。
根据本发明的方法的另一优选设计方案规定，以至少4m/min，优选至少5m/min，特别优选以6至12m/min范围内的焊接速度接合该一个或多个钢板。
为了获得尽可能均匀且可以毫无问题地硬化的焊缝以及非常好的焊缝几何形状，有利的是，根据本发明方法的另一优选设计方案，填充材料以焊丝的形式供应，其中焊丝以焊接速度的40％至90％范围内的供应速度供应。
本发明的另一设计方案设定，熔池在激光焊接期间至少在其背离激光束的一侧施加有保护气体。保护气体保护焊接熔体免受氧化，氧化会导致焊缝削弱。保护气体例如可以是纯的氩气、CO2、氦气、氮气，或者是氩气、氦气、氮气和/或CO2的混合气体。
本发明的另一有利设计方案设定，熔池在激光焊接期间至少在其面向激光束的一侧不施加保护气流。发明人的实验表明，这可以显著减少焊接飞溅物的出现。
附图说明
下面参照示出实施例的附图更详细地解释本发明。图中示意性地示出：
图1用于实施根据本发明的熔焊方法的装置的部件的透视图，其中，借助于激光束将两个厚度基本相同的可模压硬化的钢板使用填充焊丝在对接接头中彼此焊接在一起；
图2用于实施根据本发明的熔焊方法的装置的部件的透视图，其中借助于激光束将两个厚度基本不同的可模压硬化的钢板使用填充焊丝在对接接头中彼此焊接在一起；
图3用于实施根据本发明的熔焊方法的装置的部件的透视图，其中，借助于激光束将两个厚度基本相同的可模压硬化的钢板使用填充焊丝在对接接头中彼此焊接在一起；
图4a在实施根据本发明的方法时产生的激光焦斑的俯视图；和
图4b在实施根据本发明的方法时产生的另一个激光焦斑的俯视图。
具体实施方式
在图1至图3中绘出了用于实施根据本发明的方法的激光束焊接装置。相应的装置包括底座(未示出)，由相同或不同材质的钢制成的两个带材或板坯1、2布置在该底座上，使得其要焊接在一起的边棱在对接接头中彼此贴靠。钢板1、2中的至少一个由可模压硬化的钢，优选锰硼钢制成。钢板1、2在对接接头中以十分之几毫米的尽可能小的间隙3接合。例如，间隙3的宽(宽度)小于0.2mm，优选小于0.15mm。如果钢板1、2由不同材质等级的钢制成，则一个钢板1或2具有例如相对较软的深冲等级，而另一个钢板2或1由更高强度的钢构成。
组成待相互连接的钢板1、2中的至少一个钢板的可模压硬化钢可以例如具有以下化学成分：
0.10至0.50重量％的C，
最大0.40重量％的Si，
0.50至2.0重量％的Mn，
最大0.025重量％的P，
最大0.010重量％的S，
最大0.60重量％的Cr，
最大0.50重量％的Mo，
最大0.050重量％的Ti，
0.0008至0.0070重量％的B，和
最少0.010重量％的Al，
其余为Fe和不可避免的杂质。
在交货状态下，即在热处理和快速冷却之前，可模压硬化钢板1或2的屈服极限Re优选至少为300MPa；其抗拉强度Rm例如至少为480MPa，其断裂延伸率A80优选至少为10％。热成型(模压硬化)后，即加热至约900℃至950℃的奥氏体化温度，在此温度下成型，然后快速冷却，模压硬化钢板的屈服极限Re约为1100MPa,抗拉强度Rm约1500MPa至2000MPa，断裂延伸率A80约为5％。
钢板1、2设有由铝制成的金属涂层4。例如，这是一种铝硅涂层。涂层4优选在两侧施加到基材上，例如通过热浸涂层，其中将由可模压硬化的钢，优选锰硼钢制成的带材引导通过Al-Si熔池，过量涂层材料被从带材上吹掉，随后对经涂层的带材进行后续处理，尤其是加热。涂层4的铝含量可以在70重量％至90重量％的范围内。
替代性地，待焊接的钢板1、2中的仅一个可具有含铝涂层4。此外，必要情况下涂层4可仅施加到一个或多个钢板1、2的一侧上，例如通过物理气相沉积(PVD)或电解涂层工艺。
如图1和3所示，钢板1、2可以具有基本相同的厚度。板厚例如在0.8至3.0mm的范围内，优选在1.8mm至3.0mm的范围内，而在相应板侧面上的金属表面涂层4的厚度可以小于100μm，尤其小于50μm。
在钢板1、2上方，绘出了激光焊接头5的一部分，其设有用于激光束6的成形和对准的光学器件，尤其是聚焦透镜7。例如，通过Nd:YAG激光设备产生激光束6，其可提供5kW至10kW的功率。
用于供应保护气体的管线8可以选择性地分配给激光焊接头5。保护气体管线8的嘴部例如基本上指向焊缝14的新产生的区段，准确说使得熔池9本身不或至少不直接施加有保护气流。8.1表示作为保护气源的压缩气罐。优选使用纯氩气或例如氩气、氦气和/或二氧化碳的混合物作为保护气体。熔焊方法的替代性或进一步的设计方案(未示出)设定，熔池9的下侧或者说背离激光束6的侧面以及焊缝14的下侧施加有保护气体。
此外，为激光焊接头5分配有引导线10，通过该引导线将例如丝状的填充材料(焊接填料)11供应到熔池9中，其中，焊丝11的尖端在熔池9中熔化。焊接填料11基本上不含铝。例如，其具有以下化学组成：
0.05至0.4重量％的C，
0至2.0重量％的Si，
0至3.0重量％的Mn，
4至25重量％的Cr，
0至0.5重量％的Mo，和
5至12重量％的Ni，
其余为Fe和不可避免的杂质。
代替丝状焊接填料(填充焊丝)11，也可以将气体粉末流形式的粉末状焊接填料供应到熔池9中。在此，粉末状焊接填料可以具有与上述填充焊丝11相同的化学成分。上述保护气体中的一种优选用作载气以将粉末状焊接填料供给到熔池9中。
根据本发明，激光焊接头5具有一个或多个光学元件，通过这些光学元件在熔池9上产生具有不同能量分布的单个激光焦斑16，使得激光焦斑16具有较小激光焦斑区域16.1和较大激光焦斑区域16.2(另请参见图4a和4b)。较大激光焦斑区域16.2照射的面积是较小激光焦斑区域16.1所照射的面积的至少2倍，优选至少3倍，其中在较小激光焦斑区域16.1中引入与在较大激光焦斑区域16.2中相比每单位面积更高的激光能量功率。较小激光焦斑区域16.1和较大激光焦斑区域16.2可以具有不同的能级，其彼此独立。例如，较小激光焦斑区域16.1和较大激光焦斑区域16.2中都可以具有4kW至5kW范围内的激光能量功率，然而其中该能量或功率在较大激光焦斑区域16.2中分布在明显更大的面积上。较小激光焦斑区域16.1主要用于深焊，而较大激光焦斑区域16.2则支持焊接过程。
较大激光焦斑区域16.2具有长形的形状，例如蛋形、椭圆形或矩形形状。其纵轴基本上沿相应的焊接方向WD延伸，即基本上平行于该方向。较小激光焦斑区域16.1可以具有基本上圆形的形状或长形的形状(见图4a和4b)。
激光焊接头5的产生具有不同能量分布的激光焦斑的一个或多个光学元件例如可以是分配给聚焦透镜7的衍射或折射光学元件和/或更小的附加聚焦透镜7.1(见图1和2)。
用于产生具有不同能量分布的单个激光焦斑16的另一种方式在图3中绘出。在此示意性示出的激光焊接头5具有聚焦透镜7，该聚焦透镜具有与其相对应的光导或光纤束7.2。
激光焊接头5的光学元件7、7.1或7、7.2优选形成为使较小激光焦斑区域16.1在较大激光焦斑区域16.2内的位置可以相对于该较大激光焦斑区域16.2进行调整。例如，较小激光焦斑区域16.1在较大激光焦斑区域16.2内的位置可以在平行于和/或横向于焊接方向WD(X方向和/或Y方向)延伸的方向上进行调整。该调整可能性在图4a和4b中由虚线双箭头18、19示意性地指示。例如，较小聚焦透镜7.1、至少一个的衍射或折射光学元件或光导7.2相对于聚焦透镜7可径向调节的方式安装在激光焊接头5中。
如果通过聚焦透镜7和分配给聚焦透镜的光导或光纤束7.2实现激光焦斑中不同的能量分布，则激光焦斑区域16.1和16.2相对于彼此的位置可以例如通过散焦激光束6来改变。
此外，在图4a以及图4b中可以看出，较大激光焦斑区域16.2的纵向延伸是较小激光焦斑区域16.1的平均直径或最大直径的至少2倍，优选至少2.5倍，特别优选至少3倍。
图2中所绘出的示例性实施例与图1和3中所示的示例的不同之处在于钢板1、2'具有不同的厚度，从而在对接接头上存在厚度跃升d。例如，一个钢板2'具有0.8mm至1.2mm范围内的板厚，而另一钢板1具有1.6mm至3.0mm范围内的板厚。此外，待在对接接头中相互接合在一起的钢板1、2'的材质等级也可能不同。例如，较厚的板坯1由强度较高的钢制成，而较薄的钢板坯2'具有相对较软的深冲材质等级。钢板1、2'同样可以以十分之几毫米的尽可能小的间隙3接合在一起。
在图2中所绘出的实施例中，在激光焊接过程中，熔池9在其面向激光束6的一侧没有施加保护气流。然而，熔池9的背离激光束6的一侧以及焊缝14的背离激光束6的一侧优选施加有保护气体。
各个激光焦斑16中的所述特殊的或经匹配的能量分布具有改变温度分布以及由此改变熔池9中的流动的效果。这导致焊缝14更好的均质化。在此，5m/min和更高的焊接速度有利于焊缝14的均匀性。填充焊丝11优选地以焊接速度的40％至90％的速度供应。
填充焊丝11优选地以这样的方式供给到熔池9中，即焊丝11与较小激光焦斑区域16.2相切或基本上直接指向较小激光焦斑区域16.2。另外，优选以拖拽方式供应焊丝(见图1和图3)。
此外，在图1至3中可以看出，填充焊丝11以这样的方式被供给到熔池9中，使得焊丝11的中心轴与至少一个的待焊接的钢板1、2或彼此待焊接在一起的钢板1、2的表面成锐角，该锐角例如在10°到45°的范围内，优选在10°到30°之间的范围内。
本发明的实施方案不限于附图中示意性示出的实施例。相反，也可以想到与所示示例不同的设计的许多变体。例如，在本发明的范围中，在流入到熔池9之前，也可以通过加热装置将填充材料11，尤其是焊丝形式的填充材料加热到至少60℃的温度。例如，填充焊丝11在流入熔池9之前被加热到100℃至300℃范围内的温度，优选地在150℃至250℃范围内的温度。

Claims (35)

1.熔焊由可模压硬化钢制成的一个或多个钢板(1、2)的方法，其中该钢板或多个钢板中的至少一个具有含铝的金属涂层(4)，并且其中在将填充材料送入仅通过至少一束激光束(6)产生的熔池(9)中的情况下进行熔焊，其特征在于，通过一个或多个光学元件在熔池(9)上产生具有不同能量分布的单个激光焦斑(16)，使得激光焦斑具有较小激光焦斑区域(16.1)和较大激光焦斑区域(16.2)，其中较大激光焦斑区域(16.2)照射的面积是由较小激光焦斑区域(16.1)照射的面积的至少2倍，并且其中在较小激光焦斑区域(16.1)中引入与在较大激光焦斑区域(16.2)相比每单位面积更高的激光能量功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于熔焊由锰硼钢制成的一个或多个钢板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，较大激光焦斑区域(16.2)照射的面积是由较小激光焦斑区域(16.1)照射的面积的至少3倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(6)在熔焊期间基本上没有振荡地运行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过其产生具有不同能量分布的激光焦斑(16)的一个或多个光学元件(7.1、7.2)形成为使得较小激光焦斑区域(16.1)在较大激光焦斑区域(16.2)中的位置可以相对于后者进行调整。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，较小激光焦斑区域(16.1)在较大激光焦斑区域(16.2)内的位置在与焊接方向(WD)平行和/或横向延伸的方向(X，Y)上调整。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，较大激光焦斑区域(16.2)具有长形的形状，其中较大激光焦斑区域(16.2)的纵轴基本上沿焊接方向(WD)延伸。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，较大激光焦斑区域(16.2)具有蛋形、椭圆形或矩形形状。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，较大激光焦斑区域(16.2)的纵向延伸是较小激光焦斑区域(16.1)的平均直径或最大直径的至少2倍。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，较大激光焦斑区域(16.2)的纵向延伸是较小激光焦斑区域(16.1)的平均直径或最大直径的至少2.5倍。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，较大激光焦斑区域(16.2)的纵向延伸是较小激光焦斑区域(16.1)的平均直径或最大直径的至少3倍。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)以丝或粉末的形式供应。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)除了不可避免的杂质或不可避免的痕量水平之外不包含任何铝。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)包含选自镍、铬和/或碳中的至少一种合金元素。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)具有以下组成：
0.05至0.4重量％的C，
0至2.0重量％的Si，
0至3.0重量％的Mn，
4至25重量％的Cr，
0至0.5重量％的Mo，
5至12重量％的Ni，
其余为Fe和不可避免的杂质。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可模压硬化钢具有以下组成：
0.10至0.50重量％的C，
最大0.40重量％的Si，
0.50至2.0重量％的Mn，
最大0.025重量％的P，
最大0.010重量％的S，
最大0.60重量％的Cr，
最大0.50重量％的Mo，
最大0.050重量％的Ti，
0.0008至0.0070重量％的B和
至少0.010重量％的Al，
其余为Fe和不可避免的杂质。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对接接头中接合一个或多个钢板(1、2)，其中在待接合的对接接头中设置平均间隙宽度在0.01至0.15mm的范围内的间隙(3)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在对接接头中接合一个或多个钢板(1、2)，其中在待接合的对接接头中设置平均间隙宽度在0.06至0.15mm的范围内的间隙(3)。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以至少4m/min的焊接速度接合一个或多个钢板(1、2)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，以至少5m/min的焊接速度接合一个或多个钢板(1、2)。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，以6至12m/min范围内的焊接速度接合一个或多个钢板(1、2)。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)以焊丝的形式供应，其中焊丝以焊接速度的40％至90％范围内的供应速度供应。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，熔池(9)在激光焊接期间至少在其面向激光束(6)的一侧不施加保护气流。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)以这样的方式供给到熔池(9)中，使得将填充材料(11)直接供给到较小激光焦斑区域(16.2)中。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，填充材料呈丝状。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述填充材料(11)是焊丝的形式，其中以拖曳方式供应所述填充材料(11)。
27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以焊丝形式供应的填充材料(11)以这样的方式供给到熔池(9)中，使得焊丝的中心轴线与至少一个待焊接的钢板(1、2)或待焊接在一起的钢板(1、2)的表面围成小于50°的锐角。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，以焊丝形式供应的填充材料(11)以这样的方式供给到熔池(9)中，使得焊丝的中心轴线与至少一个待焊接的钢板(1、2)或待焊接在一起的钢板(1、2)的表面围成小于45°的锐角。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，以焊丝形式供应的填充材料(11)以这样的方式供给到熔池(9)中，使得焊丝的中心轴线与至少一个待焊接的钢板(1、2)或待焊接在一起的钢板(1、2)的表面围成小于30°的锐角。
30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，以焊丝形式供应的填充材料(11)以这样的方式供给到熔池(9)中，使得焊丝的中心轴线与至少一个待焊接的钢板(1、2)或待焊接在一起的钢板(1、2)的表面围成在10°和30°之间的锐角。
31.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充材料(11)在送入熔池(9)之前，通过加热装置加热到至少60℃的温度。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，填充材料(11)在送入熔池(9)之前，通过加热装置加热到至少100℃的温度。
33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，填充材料(11)在送入熔池(9)之前，通过加热装置加热到至少150℃的温度。
34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，填充材料(11)在送入熔池(9)之前，通过加热装置加热到至少180℃的温度。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的方法，其特征在于，填充材料呈焊丝形式。
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