CN114829058B - 对接接头激光深熔焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于接合扁钢产品的彼此朝向的端部部段的对接接头激光深熔焊接方法，所述扁钢产品分别具有的碳含量CS＜0.02％。为了改进这种方法使得可借助其在几何形状和强度方面改进焊缝质量，将至少一种含碳的载体材料引入端部部段之间的对接接头间隙中，所述载体材料的碳含量为CT≥20·CS、优选CT≥100·CS，和/或将碳引入到对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，使得引入对接接头间隙中的碳的体积相当于通过对接接头激光深熔焊接过程制造的熔体的体积的1％至20％。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使扁钢产品的彼此朝向的端部部段接合的对接接头激光深熔焊接方法，所述扁钢产品分别具有的碳含量CS＜0.02％。
背景技术
用固体激光器焊接ULC钢种的特点是焊池非常不平稳，并且焊根严重下垂。这种效果在建筑钢或高合金钢的焊接中是未知的。
目前，工件部段、即例如两个金属带端部首先被预热到超过500℃，并且然后以缓慢的进给速度焊接。ULC钢种可以毫无问题地与高合金钢种焊接，这可以通过相应的生产计划在带钢设施中在卷材连接领域中实现。
上述方案在缝几何形状和缝强度方面只带来了轻微的改善，但对于应用来说基本足够。缺点是焊接速度慢，并且随之产生生产率损失。此外由于预热温度高，设备受到高的热负荷，这降低了一些部件的使用寿命。附加地，用于执行焊接过程的工艺窗口相对小，使得没有实现可复现的缝质量。在带钢设施中，可以通过适配的生产计划来规避该问题，钢铁工业的客户通常拒绝这种做法。
DE 10 2018 107 291 A1涉及一种用于焊接由用铝硅防腐层覆层的钢材构成的钢板的方法，其中在焊接板时使用焊接填充线。
EP 2 736 672 B1涉及一种用于制造焊接的钢部件的方法，其中第一钢板和第二钢板相互焊接。
DE 10 2017 120 611 A1涉及一种用于熔焊一个或多个由可加压淬火的钢构成的钢板的方法，其中在将填充线输送到仅借助于激光束产生的熔池中的情况下进行熔焊。
WO 2020/136585 A1涉及一种用于制造焊接钢坯的方法，其中两个预覆层的金属板通过在使用填充线的情况下进行对接接头焊接而相互连接。
发明内容
本发明的目的是：在如下方面优化开始提出类型的对接接头激光深熔焊接方法，使得借助该方法可实现在几何形状和强度方面改进的焊缝质量。
所述目的通过独立的权利要求实现。在以下的描述、从属权利要求和附图中描述有利的设计方案，其中所述设计方案分别本身或以所述设计方案中的至少两个相互组合的方式可以描述本发明的进行改进的、尤其也优选的或有利的方面。
根据本发明的用于接合扁钢产品的彼此朝向的端部部段的对接接头激光深熔焊接方法，所述扁钢产品分别具有的碳含量CS＜0.02％，将至少一种含碳的载体材料引入端部部段之间的对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，所述载体材料的碳含量为CT≥20·CS，优选CT≥100·CS，和/或将碳引入到对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，使得引入对接接头间隙中的碳的体积相当于通过对接接头激光深熔焊接过程制造的熔体的体积的1％至20％。
借助根据本发明的对接接头激光深熔焊接方法，可以通过如下方式将由碳含量CS<0.02％、特别是CS<0.01％的ULC钢(ULC，IF)构成的扁钢产品、例如金属带或金属板彼此焊接：即借助于激光辐射在用于形成对接接头连接部的深熔焊接过程中将扁钢产品的彼此朝向的端部部段相互焊接以产生在几何形状和强度方面改进的焊缝质量。在此根据本发明在执行深熔焊接过程之前和/或在执行深熔焊接过程期间，将碳经由载体材料或以纯碳形式以如下的量引入到端部部段之间的对接接头间隙中或者施加到扁钢产品的至少一个端部部段上，使得如实验已经显示的那样强烈地稳定深熔焊接过程，以至于借助根据本发明的方法可以对于焊接过程实现如其类似地从建筑钢和高合金铁素体钢的焊接中已知的焊接速度、焊接功率和稳定的工艺窗口。此外，借助根据本发明的方法或者随之产生将足够的碳量引入到深熔焊接过程中可以制造显著改进的焊缝几何形状。借助根据本发明的方法建立的焊接连接的强度尤其对于在带设施中制造卷材连接或缠绕成卷的或可缠绕成卷的金属带的带端部是绰绰有余的。此外，由于借助根据本发明的方法可实现更高的焊接速度，可以缩短循环时间，这提高了生产率。
优选地执行根据本发明的方法，使得在执行深熔焊接过程期间载体材料大部分或完全蒸发，以便提供扁钢产品之间的连接，所述连接的机械和/或化学特性基本上相应于扁钢产品的机械和/或化学特性。在理想情况下焊接结构中的碳含量低，使得结构中和强度特性中的不均匀性保持得尽可能低。
可借助根据本发明的方法焊接的扁钢产品可以具有低的碳含量，使得扁钢产品几乎是纯铁。通过根据本发明将足够的碳量引入对接接头间隙中或根据本发明将足够的碳量施加到扁钢产品的至少一个端部部段上，以适当的方式提高借助激光辐射形成的熔体的碳含量，更确切地说在使用含碳的载体材料的情况下至少提高为扁钢产品的碳含量的二十倍。
因此，按照根据本发明的方法将碳大量地引入接合对接接头中或施加到扁钢产品的至少一个端部部段上。在此本发明应包括适合于引入或施加碳的任何类型。
含碳的载体材料或碳引入对接接头间隙中尤其可以通过将载体材料或碳施加到扁钢产品的端部部段的两个彼此相对置的接合对接面之一上来进行或通过将载体材料或碳施加到两个接合对接面上来进行。
如果将碳引入对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，使得引入对接接头间隙中的碳的体积相当于通过对接接头激光深熔焊接过程产生的熔体的体积的1％至20％，则例如可以使用纯碳、特别是石墨形式的纯碳。
在激光深熔焊接中，材料以非常高的射束强度进行加工。与在热传导焊接时不同，除了金属熔体之外由此还产生金属蒸汽，所述金属蒸汽部分地挤出熔体并引起形成蒸汽毛细管(小孔)。激光深熔焊接的特征在于高的工艺速度。在激光深熔焊接中，热影响区总是狭窄限界，并且材料变形相应小。剩下细长的、均匀结构化的焊缝，所述焊缝的深度通常大于其宽度。激光深熔焊接可以以通焊的形式进行，其中激光束在相应的扁钢产品的背离激光辐射源设置的下棱边处再次从对接接头间隙中离开。在此，可以制造缝根部。
在本发明的范围内，扁钢产品可以是钢板或可缠绕成卷的钢带。相应的扁钢产品可以具有0.5mm至10mm范围内的厚度，因为该范围中的厚度的扁钢产品可以借助根据本发明的方法最佳地接合。
根据一种有利的设计方案，将固体激光器用作激光束源。固体激光器对于根据本发明的使用足够稳固且紧凑地构成。
根据另一有利的设计方案，使用光纤激光器或盘形激光器或二极管激光器作为激光束源。
根据另一有利的设计方案，使用波长在980nm至1120nm范围内的激光辐射。由于根据本发明将大量碳引入对接接头间隙中或将大量碳施加到扁钢产品的至少一个端部部段上，深熔焊接过程可以在所提到的波长范围内保持非常稳定，在所述波长范围内这借助例如将二氧化碳激光器用于产生激光辐射的常规方法在焊接碳含量CS<0.02％的ULC钢种时是不可行的。
根据另一有利的设计方案，使用1m/min至10m/min范围内、优选在4m/min至10m/min的范围内、特别优选7m/min至10m/min的范围内的焊接速度。
根据另一有利的设计方案，使用金属粉末作为载体材料。金属粉末应以相对于扁钢产品的碳含量适当高的碳含量选择。金属粉末可以在切割过程结束时并且在接合过程或焊接过程之前主动地或被动地施加到接合对接面上，其中通过所述切割过程将相应的扁钢产品的一部分分离以在扁钢产品处形成接合对接面，其中相应的金属粉末可以在使用粘附力或静电力的情况下粘附在接合对接面处。金属粉末可以具有石墨作为碳组成部分。
根据另一有利的设计方案，使用含石墨的金属箔作为载体材料。箔是载体材料并且具有适当高的碳含量。在上述切割过程结束时，可以将箔施加到相应的接合对接面上，例如以粘结带的形式粘贴。
根据另一有利的设计方案，使用含石墨的流体作为载体材料。流体是载体材料并具有适当高的碳含量。流体优选地构造成快速干燥。在上述切割过程结束时，可以将流体施加到相应的接合对接面上。例如流体可以是液体或粘性糊状物。
根据另一有利的设计方案，将流体在其引入对接接头间隙后主动干燥。流体的主动干燥可以例如使用感应或感应热或UV辐射或通过主动加热、例如通过火焰等来进行。
根据另一有利的设计方案，使用填充线或金属板作为载体材料。填充线或金属板是载体材料并具有适当高的碳含量。填充线也可以称作为焊丝。
根据另一有利的设计方案，在使用激光辐射之前将载体材料施加到至少一个端部部段的对接面上，此后闭合对接接头间隙。
附图说明
在下文中，参考所附的附图根据优选的实施方式示例性地解释本发明，其中下文解释的特征可以分别本身和以所述特征中的至少两个的相互组合的方式呈现本发明的有利的或改进的方面。其中示出：
图1示出根据本发明的对接接头激光深熔焊接方法的一种实施例的框图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于接合扁钢产品的彼此朝向的端部部段的对接接头激光深熔焊接方法的一种实施例的框图，所述扁钢产品分别具有的碳含量CS<0.02％。
在方法步骤10中，将含碳的载体材料引入到扁钢产品的彼此朝向布置的端部部段之间的对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，所述载体材料的碳含量CT≥20·CS，优选CT≥100·CS，其中CS至少是具有较高碳含量的扁钢产品的碳含量。附加地或替代地，在方法步骤10中，将碳引入对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，使得引入对接接头间隙中的碳的体积相当于通过对接接头激光深熔焊接方法产生的熔体的体积的1％至20％。
在方法步骤20中使用激光辐射之前，在方法步骤16中将载体材料或特别是纯的碳施加到至少一个端部部段的对接面上，之后闭合对接接头间隙。金属粉末可以用作载体材料。替代地，可以使用含石墨的金属箔作为载体材料。替代地，可以使用含石墨的流体作为载体材料，所述流体在将其引入对接接头间隙后可被主动干燥。替代地，可以将填充线或金属板作为载体材料。
在方法步骤20中产生激光辐射并定向到对接接头间隙中，将含碳的载体材料或碳引入所述对接接头间隙中，使得可以执行对接接头激光深熔焊接过程。在此，将固体激光器用作激光束源。特别地，可以将光纤激光器或盘形激光器或二极管激光器用作激光束源。产生和使用波长在范围为980nm至1120nm的激光辐射。在方法步骤20中执行的激光深熔焊接过程以1m/min至10m/min范围内的焊接速度执行。
附图标记列表
10 方法步骤(引入载体材料)
20 方法步骤(激光深熔焊接过程)
Claims (12)
1.一种用于接合扁钢产品的彼此朝向的端部部段的对接接头激光深熔焊接方法，所述扁钢产品分别具有的碳含量CS＜0.02％，
其特征在于，
将至少一种含碳的载体材料引入到所述端部部段之间的对接接头间隙中，或施加到至少一个端部部段上，所述载体材料的碳含量为CT≥20·CS，其中，CS至少是具有较高碳含量的扁钢产品的碳含量；和
将碳引入到所述对接接头间隙中或施加到至少一个端部部段上，从而使得引入到所述对接接头间隙中的碳的体积相当于通过对接接头激光深熔焊接过程制造的熔体的体积的1％至20％。
2.根据权利要求1所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，所述载体材料的碳含量为CT≥100·CS。
3.根据权利要求1或2所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用固体激光器作为激光束源。
4.根据权利要求3所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用光纤激光器或盘形激光器或二极管激光器作为激光束源。
5.根据权利要求3所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用波长在980nm至1120nm的范围内的激光辐射。
6.根据权利要求3所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用在1m/min至10m/min的范围内的焊接速度。
7.根据权利要求1或2所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用金属粉末作为载体材料。
8.根据权利要求1或2所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用含石墨的金属箔作为载体材料。
9.根据权利要求1或2所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用含石墨的流体作为载体材料。
10.根据权利要求9所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，在将所述流体引入到所述对接接头间隙中之后主动干燥所述流体。
11.根据权利要求1或2所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，使用填充线或金属板作为载体材料。
12.根据权利要求7所述的对接接头激光深熔焊接方法，其特征在于，在使用激光辐射之前将所述载体材料施加到至少一个端部部段的对接面上，此后闭合所述对接接头间隙。
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