CN114786861B - 制造焊接结构体的方法及由此制造的焊接结构体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造焊接结构体的方法及由此制造的焊接结构体，所述焊接结构体可以有效地抑制对具有超高强度的镀锌钢板进行点焊时产生的焊接LME裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接结构体，并且涉及一种制造焊接结构体的方法及由此制造的焊接结构体，所述焊接结构体的抗点焊裂纹性优异。
背景技术
孪生诱导塑性钢(Twinning Induced Plasticity steel，以下也称作“TWIP钢”)具有900Mpa级的高强度和40％以上的延展性，因此作为高强度-高延展性的新一代汽车用钢板备受关注。
然而，将含有大量的锰(Mn)和铝(Al)的高锰高铝TIWP钢用作基础钢板的镀锌钢板的情况下，在点焊过程中，镀层中的锌(Zn)被溶解成为液相的熔融锌，该熔融锌会渗入母材的晶界中。因此，会引发在母材中产生裂纹而发生脆性断裂的所谓的焊接液态金属致脆(Liquid Metal Embrittlement，以下称作“LME”)。
作为用于防止产生如上所述的焊接LME的方法，以往提出了通过粒度细化来分散应力，以分散Ti、Nb、Mo及Zr系析出物或复合析出物的方法等，但这种方法在抑制产生LME裂纹方面存在局限性。
(现有技术文献)
(专利文献1)日本公开专利特开2006-265671号
发明内容
要解决的技术问题
本发明的一个方面的目的在于，提供一种制造焊接结构体的方法及由此制造的焊接结构体，所述焊接结构体可以有效地抑制具有超高强度的镀锌钢板的点焊时产生的焊接LME裂纹。
本发明的技术问题并不受限于上述内容。本发明所属的技术领域的技术人员从本发明的说明书的全部内容中理解本发明的附加技术问题是没有任何困难的。
技术方案
本发明的一个方面提供一种制造焊接结构体的方法，其特征在于，包括以下步骤：准备两(片)以上的被焊接材料，所述被焊接材料是基础钢板和所述基础钢板的至少一面上设置有镀锌层的镀锌钢板；将所述被焊接材料叠在一起进行层叠；将焊棒电极置于所述被焊接材料的待焊接部位；以及所述被焊接材料和所述焊棒电极之间插入填充金属并进行点焊，其中，所述点焊时，所述镀锌层和填充金属之间进行合金化，从而在镀锌层和基础钢板的界面形成Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相，所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相中的Fe和Mn的含量之和为40-60重量％。
本发明的另一个方面提供一种焊接结构体，其特征在于，所述焊接结构体是通过将两(片)以上的被焊接材料进行层叠并点焊而获得的焊接结构体，所述被焊接材料是基础钢板和所述基础钢板的至少一面形成有的镀锌层的镀锌钢板，在位于焊接部区域的镀锌层和基础钢板的界面包含Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相，并且所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相中的Fe和Mn的含量之和为40-60重量％。
有益效果
根据本发明，可以提供一种制造点焊时显示优异的抗裂纹性的焊接结构体的方法及由此制造的抗点焊裂纹性优异的焊接结构体。
本发明的多个有益的优点和效果并不限于上述内容，在对本发明的具体的实施方案进行说明的过程中可以更易于理解。
附图说明
图1是图示化来示出可以应用于根据本发明的一个实施方案的制造焊接结构体的方法的点焊方法。
图2是示出观察通过本发明的一个实施方案制造的焊接结构体的截面的照片。
图3是示出用光学显微镜观察发明例1的点焊肩部的照片。
图4是示出用光学显微镜观察比较例3的点焊肩部的照片
图5和图6是示出用电子扫描显微镜(SEM)观察发明例1的镀层和镀层/基础钢板的界面的合金相的照片。
最佳实施方式
本说明书中所使用的专业术语仅用于描述特定实施方案，并不旨在限定本发明。除非语句明确表示相反的含义，否则本说明书中所使用的单数形式还包括复数形式。
说明书中使用的“包括”或“包含”的含义是具体化特定特性、区域、整数、步骤、动作、要素和/或成分，并不排除其它特定特性、区域、整数、步骤、动作、要素、成分和/或组的存在或附加。
虽然没有另外定义，但本发明中使用的包括技术术语和科学术语在内的所有术语具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。进一步解释为，通常使用的词典中定义的术语具有与相关技术文献和目前公开的内容一致的含义，除非另有定义，否则不应解释为理想的含义或非常正式的含义。
本发明人寻求了可以提高镀锌钢板的点焊时的抗裂纹性的方法，特别是对可以提供点焊时的抗裂纹性优异的焊接结构体的方法进行了深入研究。
其结果，发现将超高强度镀锌钢板作为被焊接材料进行点焊，此时，作为被焊接材料的镀锌钢板和焊棒电极之间插入填充金属(filler metal)并进行点焊时，通过在焊接过程中镀层和填充金属之间的合金化，可以提高焊接部镀层的熔点，其结果，可以提高抗裂纹性(抗焊接LME性)，从而完成了本发明。
以下，对根据本发明的一个方面的制造焊接结构体的方法进行详细的说明。
需要注意的是，本发明中除非另有特别定义，否则表示各元素的含量时用重量％表示。此外，除非另有特别说明，否则晶体或组织的比例以面积为基准。
根据本发明的一个方面的制造焊接结构体的方法可以包括以下步骤：准备两(片)以上的被焊接材料，所述被焊接材料是基础钢板和所述基础钢板的至少一面上设置有镀锌层的镀锌钢板，并将所述被焊接材料叠在一起进行层叠；将焊棒电极置于所述被焊接材料的待焊接部位；以及所述被焊接材料和所述焊棒电极之间插入填充金属并进行点焊。
首先，准备两片以上的镀锌钢板作为被焊接材料，然后将它们叠在一起进行层叠。
本发明中，作为被焊接材料的镀锌钢板可以是基础钢板和所述基础钢板的至少一面上设置有镀锌层的镀锌钢板，将这种镀锌钢板进行层叠时可以层叠为使最外表面(暴露在外部的表面)具有镀层。
其中，对所述基础钢板不作特别限定，但作为一个实例，所述基础钢板可以是容易产生焊接LME裂纹的材料，即，可以是包含钢中的锰(Mn)和铝(Al)的含量之和为16.5-21重量％的TWIP钢，所述TWIP钢可以具有超高强度的物理性能。然而，并不限定于此。
所述基础钢板的至少一面上形成的镀锌层只要是通过利用锌(Zn)的镀覆方法，则可以是任意的镀层。作为一个实例，所述镀锌层可以是电镀锌层、热浸镀锌层、合金化热浸镀锌层中的任一种，并不限定于此。进而，所述镀锌层作为Zn系镀层，可以包括Zn-Al系合金镀层、Zn-Al-Si系合金镀层、Zn-Al-REM系合金镀层等，但并不限定于此。
所述镀锌层需要具有一定以上的厚度，以显示出对外部冲击的抵抗性，所述镀锌层的厚度可以为4-20μm。
当所述镀锌层的厚度小于4μm时，因外部冲击而镀层损坏的情况下，不能充分发挥锌的牺牲防腐蚀特性，因此存在母材的腐蚀加剧的问题。另一方面，当所述镀锌层的厚度超过20μm时，由于锌的消耗超过所需的量，导致制造成本的增加，而且随着镀层的厚度变厚，制造热浸镀锌钢板或电镀锌钢板时，存在镀覆表面质量变差的问题。
对具有上述镀锌层的镀锌钢板的厚度不作特别限定，所述厚度可以为通常的汽车用钢板中用作冲击结构部件的钢板的厚度范围，例如，可以为1.0-1.8mm。
如上所述，可以将被焊接材料即两片以上的镀锌钢板进行层叠后，将焊棒电极置于待焊接部位。
通常，在所述待焊接部位和焊棒电极直接相接的状态下进行焊接，但本发明的特征在于，在所述待焊接部位和焊棒电极之间插入填充金属后进行焊接。
图1是图示化来示出根据本发明的一个实施方案的点焊方法。
参照图1进行说明为如下，将作为被焊接材料的镀锌钢板3层叠为多层，并且可以在层叠的镀锌钢板3的上下暴露的表面中的待焊接部位设置焊棒电极1。并且，所述焊棒电极1和镀锌钢板3之间可以插入填充金属2，并且所述填充金属2可以利用具有规定厚度的填充金属。
所述填充金属的形式可以是箔(foil)、板(plate)及线(wire)中的任一种，这种填充金属可以是纯Al金属。
所述填充金属的厚度可以为40-180μm。
当所述填充金属的厚度小于40μm时，即使与作为被焊接材料的镀锌钢板的镀锌层进行合金化，由于镀层中的锌的比例高(富锌(Zn-rich))，一部分锌被熔融，因此可能会产生焊接LME裂纹。另一方面，当所述填充金属的厚度超过180μm时，通过焊棒电极施加电流时，镀锌层和填充金属的熔融会不充分，无法形成充分的熔核(nugget)，因此可能难以确保焊接强度。即，焊接时电流通过焊棒电极以填充金属→镀层→母材(Fe)的顺序流过，此时，当填充金属的厚度过厚时，电流不容易传递至母材(Fe)内部，因此在母材内部不容易形成熔核。其结果，可能会形成过小的熔核或者不形成熔核。
将上述厚度的填充金属插入作为被焊接材料的层叠的镀锌钢板和焊棒电极之间时，可以通过以下关系式限制所述填充金属的厚度(Tf)与所述镀锌钢板的镀锌层的厚度(Tp)之比。
[关系式]
5≤Tf/Tp≤22
具体地，将填充金属的厚度与所述镀锌层的厚度之比限制为5至22，当该厚度比小于5时，随着插入厚度相对薄的填充金属，与镀锌层的合金化所需的锌的量相比，过多的锌以熔融状态渗入到母材(基础钢板)中，因此可能会引发LME裂纹。另一方面，通过填充金属和镀锌层流向母材的电流而应在母材内部形成电阻热引起的熔核，但当该厚度比超过22时，由于相对厚的填充金属导致在母材内部无法充分形成熔核，因此可能无法正常进行焊接。
当在作为被焊接材料的层叠的镀锌钢板和焊棒电极之间插入填充金属以具有上述的厚度比时，可以在该状态下进行点焊。对此时的点焊条件不作特别限定，可以考虑填充金属与镀锌层的厚度比，施加适当水平的电流。
当进行点焊时，通过焊接热在焊接过程中镀锌层和填充金属之间进行合金化。因此，位于焊接部区域的镀锌层，具体地，镀锌层和基础钢板的界面可以形成通过镀层的Zn、基础钢板的Fe和Mn、从填充金属供应的Al的Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相。如上所述形成的Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相的熔点高达作为通常的点焊肩部温度的约1170℃的水平，因此点焊肩部没有被熔融，可以有效地抑制焊接LME裂纹。
所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相中含有的Fe和Mn的含量之和可以为40-60重量％。当所述合金相中的Fe和Mn的总含量小于40重量％时，无法形成致密的金属间化合物合金相，可能会使耐蚀性和抗LME裂纹性变差。另一方面，当所述合金相中的Fe和Mn的总含量超过60重量％时，合金相的脆性会增加，熔融的锌沿着合金相中产生的裂纹渗入到母材内部，因此可能会引发LME裂纹。
此外，Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相的厚度可以为0.5-2.0μm。当所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相的厚度小于0.5μm时，点焊过程中熔融的锌容易渗入母材中，从而可能引发LME裂纹。另一方面，当所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相的厚度超过2.0μm时，合金相的脆性会增加，熔融的锌沿着合金相中产生的裂纹渗入母材内部，因此可能会引发LME裂纹。
并且，所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相可以沿作为被焊接材料的镀锌钢板水平的方向以0.3μm以下的间隔形成。
接下来，作为本发明的另一个方面，对通过上述制造焊接结构体的方法制造的焊接结构体进行详细的说明。
通过本发明的制造方法制造的焊接结构体是通过将两片以上的被焊接材料进行层叠并进行点焊而获得的焊接结构体，所述两片以上的被焊接材料是基础钢板和所述基础钢板的至少一面设置有镀锌层的镀锌钢板，在位于焊接部区域的镀锌层中可以包含Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相。
其中，如上所述，所述基础钢板可以是包含含量之和为16.5-21重量％的Mn和Al的TWIP钢。如上所述，所述镀锌层也可以是电镀锌层、热浸镀锌层及合金化热浸镀锌层中的任一种，但并不限定于此。
图2至图6是示出根据本发明的一个实施方案的焊接结构体的截面的照片。
参照图2进行说明为如下，本发明的焊接结构体可以包括将作为被焊接材料的两片以上的镀锌钢板进行层叠并进行点焊而获得的结构。
此外，参照图3至图6进行说明为如下，经点焊的区域，即位于焊接部区域的镀锌层和基础钢板的界面可以包含由Al-Fe-Zn-Mn组成的金属间化合物合金相。
所述金属间化合物合金相可以在点焊时通过作为被焊接材料的镀锌钢板的镀锌层和填充金属的合金化来形成，并且整个填充金属可以与镀锌层进行合金化。
在点焊时通过镀锌层和填充金属的合金化形成的所述金属间化合物合金相具有0.5-2.0μm的厚度，并且可以沿作为被焊接材料的镀锌钢板水平的方向以0.3μm以下的间隔形成。
当所述合金相的间隔超过0.3μm时，点焊过程中熔融的锌容易渗入母材中，因此可能会引发LME裂纹。
所述合金相的熔点为约1170℃，其高于作为通常的点焊肩部的温度的约800℃，因此可以有效地抑制点焊时点焊肩部中的镀层熔融，其结果，具有确保优异的抗LME裂纹性的效果。
具体实施方式
以下，通过实施例对本发明进行更具体的说明。但是，需要注意的是，以下实施例仅用于例示本发明以进行更具体的说明，并不用于限制本发明的权利范围。这是因为本发明的权利范围由权利要求书中记载的内容和由此合理推导出的内容所决定。
(实施例)
为了获得被焊接材料，准备钢中的Mn和Al的总含量为19.75重量％的板坯，并对所述板坯进行热轧和冷轧，从而制造厚度为1.2mm的冷轧钢板(TWIP钢)。此时，热轧和冷轧应用了用于制造通常的汽车用钢板的工艺条件，应当指出的是，该工艺条件对于本领域技术人员而言是众所周知的内容。
之后，通过电镀锌工艺对所述冷轧钢板进行镀锌，以使此时的镀覆粘附量保持为60g/m2的水平。
为了评价点焊性，准备两片如上所述制造的电镀锌钢板并进行层叠，然后使用尖端直径为6mm的Cu-Cr电极，流通焊接电流，并在2.6kN的电极压力、16个循环(Cycles)的通电时间和15个循环的保持(Holding)时间的条件下进行点焊。此时，将具有如下表1所示的厚度的填充金属(纯Al金属材料)插入所述电镀锌钢板和电极之间后进行点焊，比较例3是不插入填充金属的情况下进行点焊。
点焊中将发生飞溅现象的时间点的焊接电流定为上限(喷溅电流(Expulsioncurrent))，并在比所述焊接电流的上限低0.2kA的电流值下进行点焊。
完成点焊后，将焊接部压痕中央进行切割，然后用光学显微镜(100倍的倍率)观察截面组织照片上的点焊肩部的四处(左上、左下、右上、右下)是否产生点焊LME裂纹。其结果示于下表1中。
[表1]
如所述表1所述，利用一定厚度的填充金属且与镀锌层的厚度比满足本发明提出的条件下进行点焊的发明例1至发明例5中，形成了Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相。特别地，所形成的合金相中的Fe+Mn的总含量和合金相的厚度满足本发明提出的条件，因此没有产生点焊LME裂纹，并形成熔核，因此显示出优异的抗点焊裂纹性。
另一方面，即使应用了填充金属，但与镀锌层的厚度比不在本发明提出的范围内并进行点焊的比较例1和比较例2的情况下，即使点焊时通过合金化形成合金相，随着形成富锌合金相，在点焊肩部的温度升温至约800℃的过程中液相锌渗入母材晶界中，因此LME裂纹长度过长。
在没有插入填充金属的情况下进行点焊的比较例3的情况下，在焊接过程中液相锌也渗入母材晶界中，因此抗LME裂纹性非常差。
另外，填充金属的厚度过厚的比较例4的情况下，通过焊棒电极施加电流时热输入量不充分，因此母材内没有形成熔核。这意味着焊接部的焊接强度差。
(附图标记说明)
1：焊棒电极
2：填充金属
3：镀锌钢板。
Claims (9)
1.一种制造焊接结构体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备两片以上的被焊接材料，所述被焊接材料是基础钢板和所述基础钢板的至少一面上设置有镀锌层的镀锌钢板；
将所述被焊接材料叠在一起进行层叠；
将焊棒电极置于所述被焊接材料的待焊接部位；以及
所述被焊接材料和所述焊棒电极之间插入填充金属并进行点焊，
其中，所述基础钢板是包含含量之和为16.5-21重量％的Mn和Al的TWIP钢，
所述点焊时，所述镀锌层和填充金属之间进行合金化，从而在镀锌层和基础钢板的界面形成Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相，
所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相中的Fe和Mn的含量之和为40-60重量％，
其中，所述填充金属为纯Al金属，
将所述镀锌层的厚度设为Tp，并将所述填充金属的厚度设为Tf时，所述填充金属与镀锌层的厚度比即Tf/Tp满足以下关系式，
5≤Tf/Tp≤22。
2.根据权利要求1所述的制造焊接结构体的方法，其特征在于，所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相具有0.5-2.0μm的厚度，并且沿所述镀锌钢板水平的方向以0.3μm以下的间隔形成。
3.根据权利要求1所述的制造焊接结构体的方法，其中，所述镀锌层具有4-20μm的厚度。
4.根据权利要求1所述的制造焊接结构体的方法，其中，所述填充金属具有40-180μm的厚度。
5.根据权利要求1所述的制造焊接结构体的方法，其中，所述填充金属是箔、板及线中的任一种形式。
6.根据权利要求1所述的制造焊接结构体的方法，其中，所述镀锌层是电镀锌层、热浸镀锌层及合金化热浸镀锌层中的任一种。
7.一种焊接结构体，其按照权利要求1所述的制造焊接结构体的方法制造，其特征在于，所述焊接结构体是通过将两片以上的被焊接材料进行层叠并点焊而获得的焊接结构体，
所述被焊接材料是基础钢板和所述基础钢板的至少一面形成有镀锌层的镀锌钢板，
所述基础钢板是包含含量之和为16.5-21重量％的Mn和Al的TWIP钢，
在位于焊接部区域的镀锌层和基础钢板的界面包含Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相，并且所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相中的Fe和Mn的含量之和为40-60重量％。
8.根据权利要求7所述的焊接结构体，其中，所述Al-Fe-Zn-Mn金属间化合物合金相具有0.5-2.0μm的厚度，并且沿所述镀锌钢板水平的方向以0.3μm以下的间隔形成。
9.根据权利要求7所述的焊接结构体，其中，所述镀锌层是电镀锌层、热浸镀锌层及合金化热浸镀锌层中的任一种。
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