專利名稱：用含氮?dú)夂?或氧氣的氣體對鍍鋁鋼部件的電弧/激光混合焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用保護(hù)氣體對鋼部件進(jìn)行激光/電弧混合焊接的方法，該鋼部件包括鋁基表面鍍層，特別是鋁硅鍍層，所述保護(hù)氣體由氬氣和/或氦氣以及向其中添加的小比例的氮?dú)饣蜓鯕庑纬伞?br> 背景技術(shù)：
某些鋼材因?yàn)殄冇袖X或者鋁基合金而被稱為鍍鋁鋼，諸如USIB0R 鋼，在熱拉伸之后具有很高的機(jī)械性能，因此為了減輕重量，這種鋼材越來越多地用于機(jī)動車輛的制造領(lǐng)域。確實(shí)，這些鋼材設(shè)計(jì)為熱處理后在熱拉伸操作期間淬火，由此而得到的機(jī)械性能使得能夠與標(biāo)準(zhǔn)高屈服強(qiáng)度鋼相比非常顯著地減輕車輛的重量。這些鋼主要用于制造緩沖梁、車門加強(qiáng)件、中心柱、車窗柱等。文件EP-A-1878531提出一種使用激光/電弧混合焊接方法焊接這種類型的鍍鋁鋼的方法。在現(xiàn)有技術(shù)中激光/電弧混合焊原理是眾所周知的。然而，在實(shí)踐中已觀察到，在使用由氦氣/氬氣混合物形成的保護(hù)氣氛對鍍有鋁或者鋁合金(特別是鋁/硅類型的合金)的鋼部件進(jìn)行的混合焊以及焊后熱處理(包括在920°C下進(jìn)行熱拉伸，然后在拉拔工具中進(jìn)行淬火(30°C/s))之后，在焊接接頭處經(jīng)常出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度比母材金屬和焊縫金屬區(qū)低的相。然而，如下文將解釋的，該具有較低拉伸強(qiáng)度的相構(gòu)成所得到的焊縫的易碎區(qū)。這些較易碎的區(qū)域以群島的形式出現(xiàn)在馬氏體區(qū)域中，這些較易碎的區(qū)域包含白色的聚集有來自于表面層的鋁的相。在分析之后，可以確定該相包含大比例的鋁(大于2%)，這使得鋼在熱拉伸之前在熱處理期間不會出現(xiàn)奧氏體轉(zhuǎn)變，也就是說，該相以δ鐵素體的形式保持，并且其結(jié)果是該相的硬度比該部件的已經(jīng)歷馬氏體/貝氏體轉(zhuǎn)變的余下部分的硬度低。然而，因?yàn)楹缚p中已滲入鋁的這些區(qū)域具有比沉積金屬更低的抗裂性，沒有轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相的相會導(dǎo)致在焊接、熱處理及隨后的拉伸之后在接頭的機(jī)械評定期間出現(xiàn)裂縫或者甚至因?yàn)楹附咏宇^受剪而斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
因此，所面對的問題是提出一種在鍍有包括鋁的層的鋼部件的焊接操作期間的電弧/激光混合焊方法，該方法可提高焊接接頭的機(jī)械性能。更加具體地，該問題是在熱拉伸(典型地在大約920°C進(jìn)行熱拉伸)和在拉拔工具中進(jìn)行淬火(典型地是800°C和500°C之間的30°C /s的冷卻速率)之后，能夠在焊縫金屬區(qū)域(也就是說在焊接接頭中)獲得均勻的馬氏體類型的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種使用(特別是在單個(gè)焊接熔池中)組合在一起的電弧和激光束的激光/電弧混合焊接方法，其中，通過熔化可消耗的焊絲來提供焊縫金屬，所述焊接熔池形成在至少一個(gè)包括鋁基表面鍍層的鋼部件上，其中還使用保護(hù)氣體，其特征在于，所述保護(hù)氣體包括從氬氣和氦氣中選出的至少一種主要成分，并且包括從氮?dú)夂脱鯕庵羞x出的至少一種附加成分。根據(jù)本發(fā)明，因此，在通過將待焊接的部件彼此接觸(特別是端對端的接觸)而形成的接頭平面處，通過在彼此組合以熔化待焊接的一個(gè)或多個(gè)部件的金屬的激光束和電弧的同時(shí)作用下熔化這些部件的成分鋼來獲得焊接熔池以及因此隨后的焊接接頭，同時(shí)，借助于也被熔化(優(yōu)選地通過電弧熔化焊絲)的可消耗焊絲，還可以獲得額外的焊縫金屬，由此獲得的焊縫金屬沉積在形成于待組裝的一個(gè)部件或多個(gè)部件上的焊接熔池中。為了解決上述的問題，根據(jù)本發(fā)明，將一混合氣體用作焊接區(qū)域(特別是焊接熔池)的保護(hù)氣氛，該混合氣體由如下成分形成一方面，僅作為混合氣體主要成分的氬氣、氦氣或兩者，另一方面，作為附加成分的氮?dú)饣蛘哐鯕饣蛘哌@兩者，以構(gòu)成二元混合氣體氬氣/氮?dú)猓瑲鍤?氧氣，氦氣/氧氣或者氦氣/氮?dú)?，或者三元混合氣體氬氣/氦氣/氮?dú)饣蛘邭鍤?氦氣/氧氣，或者甚至四元混合氣體氬氣/氦氣/氧氣/氮?dú)?。在所有的情況下，在混合氣體中，主要成分(即氬氣或者氦氣)的比例或者主要成分(即氬氣和氦氣)的比例之和比附加成分(即氮?dú)饣蛘哐鯕?的比例或者附加成分(即氮?dú)夂脱鯕?的比例之和大。在可使用的這些各種混合氣體中，特別地優(yōu)選兩種混合氣體，也就是包含至多10%并且有利地約3%至7%的氮?dú)?按體積百分含量計(jì))的氬氣/氮?dú)饣旌蠚怏w或者氬氣/氦氣/氮?dú)饣旌蠚怏w，這是因?yàn)檫@兩種混合氣體如下文所述可產(chǎn)生很好的結(jié)果。一般地，應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的情況下，除非另外指明，所有給出的百分比例(％)都是體積百分比(％體積)。事實(shí)上，使用保護(hù)氣體混合物(一方面，含有氬氣和/或氦氣，另一方面，含有氮?dú)夂?或氧氣)進(jìn)行電弧/激光混合焊接，使得可以在鍍鋁鋼部件的組裝過程中獲得不含或者幾乎不含發(fā)白的鐵素體島群的馬氏體微結(jié)構(gòu)的焊接接頭，因?yàn)檠鯕饣蛘叩獨(dú)獾奶砑邮沟每梢圆东@鋁(該鋁來自于表面層并且在所述表面層在電弧和激光束的作用下熔化期間被釋放)。通過氧氣或者氮?dú)獠东@鋁導(dǎo)致形成Al2O3或者AlN類的化合物，因此避免形成鐵素體或者其他有害的金屬間化合物。事實(shí)上，因此而形成的氧化鋁或者氮化鋁漂浮在熔池的表面，因此防止鋁溶解在焊接熔池中。其結(jié)果是抑制或者至少很大程度上降低鋁向焊縫的滲入，并且由于通常所觀察到的發(fā)白鐵素體相區(qū)全部消失或者幾乎全部消失，因此拉伸強(qiáng)度提高。根據(jù)情況，本發(fā)明的方法可包括一個(gè)或多個(gè)以下的特征-所述保護(hù)氣體包括體積含量從1%至20%的所述至少一種附加成分。-所述保護(hù)氣體包括體積含量從1%至15%的所述至少一種附加成分。-所述保護(hù)氣體包括體積含量至少為2%的所述至少一種附加成分。-所述保護(hù)氣體包括體積含量至多為10%的所述至少一種附加成分。-所述保護(hù)氣體的附加成分僅包括氮?dú)狻?所述保護(hù)氣體包括體積含量至少4%的氮?dú)庾鳛楦郊映煞帧?所述保護(hù)氣體包括體積含量至少5%的氮?dú)庾鳛楦郊映煞帧?所述保護(hù)氣體包括體積含量至多8%的氮?dú)庾鳛楦郊映煞帧?br> -所述保護(hù)氣體包括體積含量至多7%的氮?dú)庾鳛楦郊映煞帧?所述保護(hù)氣體包括體積含量至少5.5%和至多6. 5%的氮?dú)狻?所述保護(hù)氣體是氦氣/氬氣/氮?dú)獾幕旌蠚怏w或者氬氣/氮?dú)獾幕旌蠚怏w。-所述一個(gè)或多個(gè)鋼部件包括鋁基表面鍍層，該表面鍍層具有5μ m至100 μ m之間的厚度，優(yōu)選地小于或等于50 μ m的厚度。所述鍍層覆蓋所述一個(gè)或多個(gè)部件的至少一個(gè)表面，但是優(yōu)選地在所述一個(gè)或多個(gè)部件的端部邊緣(也就是，例如薄板的邊緣)不存在或幾乎不存在鋁基鍍層。-所述的一個(gè)或多個(gè)的金屬部件由帶有鋁硅基表面鍍層的鋼制成，優(yōu)選地所述表面鍍層包含重量含量大于70%的鋁。-所述的一個(gè)或多個(gè)金屬部件由帶有主要包含鋁和硅(Al/Si)的表面鍍層的鋼制成。-所述的一個(gè)或多個(gè)金屬部件包含一表面鍍層，該表面鍍層基于鋁和硅，其中所包含的鋁的比例是所包含的硅的比例的5至100倍，例如鋁的重量含量是90%，硅的重量含量是10%，也就是，表面鍍層包含的鋁是硅的9倍。-所述的一個(gè)或多個(gè)金屬部件包含一表面鍍層，該表面鍍層基于鋁和硅，其中所包含的鋁的比例是所包含的硅的比例的5至50倍，特別是所包含的鋁的比例是所包含的硅的比例的5至30倍，特別是所包含的鋁的比例是所包含的硅的比例的5至20倍。-數(shù)個(gè)部件彼此焊接，典型地是兩個(gè)部件；所述部件可以是相同的或者不同的，特別是在形狀、厚度等方面。-所述部件由高含量合金鋼(合金兀素的重量大于5%)、低含量合金鋼(合金兀素的重量小于5%)或者非合金鋼(例如碳鋼)制成。-所述焊絲是實(shí)心焊絲或者藥芯焊絲。-所述焊絲具有O.5mm至5mm之間，典型地在大約O. 8mm至2. 5mm之間的直徑。-所述可消耗焊絲被電弧(優(yōu)選地借助于MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)焊)焊炬獲得的電弧)熔化。-所述可消耗焊絲包含碳和/或錳(碳含量最少為O.1%和錳含量最少為2%)。-待焊接的所述一個(gè)或多個(gè)部件選自拼焊板和管件。-待焊接的所述一個(gè)或多個(gè)部件是消聲器的構(gòu)件。-所述多個(gè)部件以平頭對接構(gòu)型來定位和焊接。-所述電弧由MIG(金屬焊絲惰性氣體保護(hù)焊)型焊炬產(chǎn)生。-所述激光束由C02、YAG、纖維(特別是鐿或者鉺纖維)或盤式激光發(fā)生器或設(shè)備來產(chǎn)生。-當(dāng)考慮焊接方向時(shí)，在焊接期間，激光束先于MIG電弧。-MIG焊接類型是短電弧類型。-焊接電壓小于20V，典型地位于IlV至16V之間。-焊接強(qiáng)度/焊接電流小于200A，典型地位于118A和166A之間。-焊接速度小于20m/min，典型地位于4m/min和6m/min之間。-待焊接的所述一個(gè)或多個(gè)部件具有O.8mm至2. 5mm之間，優(yōu)選地位于I. 8mm至2. 3mm之間的厚度。該厚度位于待形成的接頭平面處，也就是說，在金屬熔化以形成焊接接頭的位置處，例如在待焊接的所述一個(gè)或多個(gè)部件的端部邊緣處。-所述焊接接頭具有馬氏體類型的結(jié)構(gòu)。-氣體的壓力是2bar至15bar之間，例如4bar。-氣體的流速是101/min至401/min之間，典型地是251/min。-激光束的焦點(diǎn)聚焦在待焊部件的上方3mm至6mm的范圍內(nèi)。-填充焊絲和激光束之間的距離必須在2mm至3mm之間。-數(shù)個(gè)部件彼此焊接，典型地為兩個(gè)部件。-本發(fā)明中所使用的氣體混合物可以通過使用氣體混合器以期望的比例來混合混合物的組成成分而就地直接制成，也可以是以預(yù)分裝的形式，也是說，在封裝工廠制成后用適當(dāng)?shù)臍怏w容器(例如焊接氣瓶)運(yùn)送到氣體混合物使用的地方。
具體實(shí)施例方式下面通過以下的說明以及所實(shí)施的用于體現(xiàn)本發(fā)明的電弧/激光混合焊方法的效果的示例將更好地理解本發(fā)明。示例根據(jù)本發(fā)明的激光/電弧混合焊方法在使用CO2類型的激光源和MIG電弧焊炬對鍍有大約30 μ m厚的鋁/硅合金層(其中鋁和硅的重量含量分別為90%和10%)的鋼部件進(jìn)行混合焊接期間產(chǎn)生很好的結(jié)果。被焊接的部件具有2. 3mm的厚度。在所進(jìn)行的試驗(yàn)中，所使用的以25升/分鐘的速率、壓力4bar配送的氣體為-試驗(yàn)A(對照試驗(yàn))由70%氦氣和30%氬氣形成的ARCAL37混合氣體。-試驗(yàn)B向ARCAL37混合氣體中添加6%的氮?dú)狻?試驗(yàn)C向ARCAL37混合氣體中添加3%的氧氣。ARCAL37 混合氣體由 Air Liquide 出售。所使用的焊炬是參考OTC的MIG焊炬，該焊炬進(jìn)給有Nic535類型(含有O. 7%碳和2%猛)的具有I. 2mm直徑的填充焊絲,該焊絲的供給速率是3m/min。焊接電壓大約是15V,并且焊接電流大約是139A,借助于由Air Liquid WeldingFrance銷售的協(xié)同模式(EN131)的Digi@Wave500類型(短弧/短弧+)的電焊機(jī)獲得該電流和電壓。激光源是功率為12千瓦的CO2激光振蕩器。所達(dá)到的焊接速率是4m/min。待焊接的部件是由USiborl500TM類型的鍍鋁鋼(Al/Si)制成的平頭對接定位拼焊板。所得到的結(jié)果顯示在氬氣/氦氣混合氣體中存在氮?dú)馑玫降慕Y(jié)果遠(yuǎn)好于保護(hù)氣體中不含有氮?dú)獾脑囼?yàn)的結(jié)果。類似地，在氬氣/氦氣混合氣體中小比例氧氣的存在使得可以抵消由焊縫金屬區(qū)域中鋁的存在造成的抑制奧氏體轉(zhuǎn)變的效應(yīng)。事實(shí)上，通過使用根據(jù)本發(fā)明的氬氣和/或氦氣以及氮?dú)夂?或氧氣的混合氣體，可以看到結(jié)果顯著改進(jìn)，這種改進(jìn)與混合氣體中的氮?dú)饣蛘哐鯕獾暮砍杀壤卦黾印Ｊ聦?shí)上，顯微照片顯示在兩種情況下，白相區(qū)已完全消失，而在單單使用ARCAL37混合氣體的情況中并非如此。此外，通過氧氣或者氮?dú)獾奶砑?，在奧氏體轉(zhuǎn)變和淬火之后，接頭的抗裂性與母材金屬的抗裂性相同。在這些試驗(yàn)中獲得的結(jié)果顯示，向氬氣和/或氦氣中加入氮?dú)馐沟每梢源蟠蟮靥岣咤冇袖X/硅合金表面層的鋼的焊接質(zhì)量，特別是，在焊縫金屬區(qū)域獲得均勻的馬氏體類型的微結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)獨(dú)獾暮吭黾拥求w積含量最好小于10%時(shí)，改進(jìn)的效果甚至更加明顯，因此建議在氬氣中或在氬氣/氦氣中加入約6%-7%的氮?dú)?。?dāng)氧氣的含量增加但是體積含量最好小于10%時(shí)，改進(jìn)的效果同樣更加明顯，因此建議在氬氣中或在氬氣/氦氣中加入約3%-5%的氮?dú)?。本發(fā)明的方法特別地適用于焊接用在機(jī)動車制造領(lǐng)域中的拼焊板、焊接特別是用于車輛的消聲器的構(gòu)件，以及適用于管件的焊接。
權(quán)利要求
1.一種使用彼此組合的電弧和激光束的激光/電弧混合焊接方法，在包括鋁基表面鍍層的至少一個(gè)鋼部件上形成焊接熔池，其中，通過熔化可消耗焊絲來提供焊縫金屬，并且還使用保護(hù)氣體，其特征在于，所述保護(hù)氣體包括從氬氣和氦氣中選出的至少一種主要成分，并且包括從氮?dú)夂脱鯕庵羞x出的至少一種附加成分。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體包括體積含量從1%至20%的所述至少一種附加成分。
3.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體包括體積含量從2%至10%的所述至少一種附加成分。
4.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體的附加成分僅包括氮?dú)狻?br> 5.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體的附加成分包括體積含量從4%至7%的氮?dú)狻?br> 6.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體是氦氣/氬氣/氮?dú)獾幕旌蠚怏w或者氬氣/氮?dú)獾幕旌蠚怏w。
7.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)鋼部件包括鋁基表面鍍層，該表面鍍層具有5μπι至100 μ m之間的優(yōu)選地小于或等于50 μ m的厚度。
8.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)金屬部件由帶有鋁硅基表面鍍層的鋼制成，優(yōu)選地所述表面鍍層包含重量含量大于70%的鋁。
9.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可消耗焊絲被所述電弧熔化，所述電弧優(yōu)選是由MIG焊炬獲得的電弧。
10.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可消耗焊絲包含碳和/或錳，碳含量最少為O. 1%，錳含量最少為2%。
11.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，待焊接的所述至少一個(gè)部件選自拼焊板、管件或者消聲器的構(gòu)件。
12.如前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)部件以平頭對接構(gòu)型定位和焊接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用在單個(gè)焊接熔池中組合在一起的電弧和激光束的激光/電弧混合焊接方法，通過熔化可消耗的焊絲來向所述焊接熔池提供熔融的金屬，其中所述焊接熔池形成在包括鋁表面鍍層的至少一個(gè)鋼部件上，并且使用保護(hù)氣體，其特征在于，所述保護(hù)氣體包括從氬氣和氦氣中選出的至少一種主要成分，并且包括從氮?dú)夂脱鯕庵羞x出的至少一種附加成分。
文檔編號B23K26/32GK102985216SQ201180034152
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者F·白里安, O·都貝 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司