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CN105163895B - 用于结合两个坯件的方法以及坯件以及得到的产品 - Google Patents

用于结合两个坯件的方法以及坯件以及得到的产品 Download PDF

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CN105163895B CN201480024224.4A CN201480024224A CN105163895B CN 105163895 B CN105163895 B CN 105163895B CN 201480024224 A CN201480024224 A CN 201480024224A CN 105163895 B CN105163895 B CN 105163895B
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Abstract

公开了用于将第一坯件与第二坯件结合的方法，其中，该第一坯件与第二坯件中的至少一者至少包括铝层或铝合金层。方法可以包括选择该第一坯件的待结合到该第二坯件的第一部分，并且选择该第二坯件的待结合到该第一部分的第二部分；将该第一部分焊接到该第二部分，同时将金属粉末提供到焊接区，其中，坯件的第一部分和第二部分以及在该焊接区中的该金属粉末在焊接的过程中被熔化，并且该金属粉末与经熔化的第一部分和第二部分混合，并且其中，该金属粉末是包括γ源元素的铁基粉末。本公开进一步涉及坯件和使用这种方法得到的产品。

Description

用于结合两个坯件的方法以及坯件以及得到的产品
本申请要求2013年12月12日提交的欧洲专利申请EP13382506.7的权益。
本公开涉及用于结合两个坯件的方法，以及用于结合两个坯件之后得到产品的方法。本公开进一步涉及由任何这些方法得到或可得到的产品。
背景技术
用于金属件的生产的、具有以低成本减小部件重量为目标的新材料和工艺的发展在汽车工业中是极为重要的。为了实现这些目标，业界已经开发出超高强度钢(UHSS)，该超高强度钢具有每重量单位的优化最大强度和有利的可成型性性能。这些钢被设计为经过热处理后实现一种微结构，这种微结构被赋予良好的机械性能并且使之尤其适用于被使用于将钢坯件形成为特定汽车部件的热冲压工艺。由于在热冲压工艺的过程期间，坯件承受侵蚀性的大气，通常对钢进行涂层以避免腐蚀和氧化。
在使部件的重量最小化同时考虑结构要求的尝试中，可以使用所谓的“拼焊坯件”技术。在这些技术中，部件可以由通过将具有不同厚度、尺寸和特性的若干坯件焊接得到的复合金属坯件制成。至少理论上，使用这种技术可以优化对材料的使用。例如，不同厚度的坯件可以被结合或钢坯件可以与被涂层的钢坯件结合，将每种材料的具体特性使用在其所需要的地方。
这些坯件可以“边对边”(“对接”)焊接。这些所谓的拼焊坯件被设计为被热冲压并且然后被制造以形成汽车部件。拼焊坯件可以被用于诸如门、B柱、梁、地板等的结构部件。
类似地，“拼合”坯件是已知的，其中，若干坯件不必“边对边”焊接，而是可以使用部分或完全重叠的坯件。
在汽车工业中使用的钢的示例是22MnB5钢。为了避免成形工艺的过程期间的脱碳和结垢，22MnB5呈现有硅铝合金涂层。从Arcelor Mittal可商购的 1500P和 500P是用在拼焊和拼合坯件中的钢的示例。
拼合坯件和拼焊坯件还可以用于或实用于其他工业中。
1500P以铁素体-珠光体相被提供。它是以均质模式分布的细晶粒结构。机械性能与这种结构相关。在加热、热冲压工艺和后续的淬火后，产生了马氏体微结构。作为结果，最大强度和屈服强度显著增加。
Usibor的组成以重量百分比被总结在下表中(其余是铁(Fe)和不可避免的杂质)：
C Si Mn P S Cr Ti B N
0.24 0.27 1.14 0.015 0.001 0.17 0.036 0.003 0.004
如以上所提到的，Usibor 1500被提供有硅铝合金(AlSi)涂层以便防止腐蚀和氧化损害。然而，这种涂层相对于其焊接性能具有显著的缺点。如果Usibor坯件不带任何进一步的措施来焊接，则涂层的铝可进入焊接区域，这能够导致显著降低所得到的部件的机械性能并增加焊接区中弱破碎的可能性。
为了克服这种问题，在DE202007018832 U1中提出了一种方法，该方法在于(例如，通过激光器烧蚀)移除该涂层接近焊接缝隙的区域中的一部分。这种方法的缺点是：对于(拼焊)坯件和部件的生产需要附加步骤，并且尽管该工艺具有重复性质，这个附加步骤需要伴随升高的报废零件数量的复杂的质量工艺。这需要增加焊接工序的成本并限制该技术在行业中的竞争力。
WO 2013/045497公开了用于对焊涂层金属板的方法，其中呈气体-粉末流的形式的至少一种粉末焊接添加剂以2m/s至50m/s的速度被馈送至焊接熔化。需要相对高的速度以实现在焊接区添加的粉末的混合。
由于铝进入焊缝区而导致的可焊性差的问题不仅从焊接板或涂层钢的坯件已知，还可例如在焊接两个铝坯件或将(带有或不带有涂层的)钢坯件与铝坯件焊接在一起时发现。
本文的坯件可被视为具有尚未经受一个或多个工艺步骤(如变形、机械加工、表面处理或其他)的制品。这些制品可以是基本上平的板或具有更复杂的形状。
在本文中所描述的焊接方法的示例中，避免或至少部分地减少了前述缺点。
发明内容
在第一方面，本公开提供了用于将第一坯件与第二坯件结合的方法，其中，该第一坯件与第二坯件中的至少一者至少包括铝层或铝合金层。该方法包括选择该第一坯件的待结合到该第二坯件的第一部分，并且选择该第二坯件的待结合到该第一部分的第二部分；将该第一部分双点焊到该第二部分，同时将金属粉末提供给焊接区。坯件的第一部分和第二部分以及在该焊接区中的金属粉末在焊接的过程中被熔化，并且该金属粉末与经熔化的第一部分和第二部分混合。该金属粉末是包括γ源(gammagenic)元素的铁基粉末。
根据这个方面，在该焊接区中可存在铝，但在热形变过程(例如热冲压)后，其并不使机械性能变得更坏。由于包括γ源元素的铁基粉末被引入该焊接区中并且与经熔化的铝混合，可以通过加热得到奥氏体(γ相铁，γ-Fe)。在热形变后的淬火过程中，可因此得到给予令人满意的机械特性的马氏体微结构。
在双点焊中，熔化和焊接在两个焦点中同时发生。这两个点可以与焊接的方向平行地对齐(与双光束点平行)，或垂直(与双光束点垂直)于焊接的方向。垂直双点带来更宽的熔池并且至少理论上由于更宽的加热区域可以取代小孔而产生对流焊接。平行双点(彼此前后)在焊接过程中传送较低的热梯度。
不束缚于任何理论，发明者相信是n双点焊，在焊接区中的马兰戈尼效应和在焊接区中的粉末的混合物可能会由于在焊接区中产生的“旋涡”而被改善。
在使用双点焊的示例中，激光器功率可被均等或不均等地在这两个焊点之间划分。
因此，不需要例如在一些现有技术的方法中提出的去除铝或铝合金层。当例如涂层的钢坯件要被焊接时，由于中间工艺步骤不再必要，这可以更快且更便宜的完成。
γ源元素在本文中被理解为促进伽马相、即奥氏体相的化学元素。γ源元素可以从包括镍(Ni)、碳(C)、钴(Co)、锰(Mn)和氮(N)的组中进行选择。其他因素也可纳入金属粉末的组成的考虑中，例如促进硬度(钼(Mo)将是合适的元素)和/或耐腐蚀性(在这种情况下，硅(Si)和铬(Cr)将是合适的成分)。
铝合金在本文中理解为金属合金，其中铝是主要元素。
优选地，γ源元素在粉末中的量足以补偿α源(alphagenic)元素(诸如Cr、Mo、Si、Al和Ti(钛))的存在。α源元素促进α-铁(铁素体)的形成。由于在热冲压和淬火后所得的微结构在基质和δ-铁素体中可包括马氏体-贝氏体，这可导致机械性能的降低。
在一些实施例中，粉末的颗粒大小在20微米与180微米之间，并且任选地在20微米与125微米之间可以被使用。任选地，粉末的平均颗粒大小在45微米与90微米之间，或在50微米与80微米之间。发明者已经发现这些颗粒大小可以导致焊接区中粉末的渗透和混合增强。在整个完整的焊接区的充分混合增强了最终产品的机械性能。
在一些实施例中，铁基粉末可以具有重量百分比为0％-0.03％的碳、2.0％-3.0％的钼、10％-14％的镍、1.0％-2.0％的锰、16％-18％的铬、0.0％-1.0％的硅以及其余为铁和不可避免的杂质的组成。发明者已经发现，这样混合的粉末导致最终的工件产品(即在热冲压和淬火后)的非常令人满意的机械性能和耐腐蚀性。
在一些实施例中，焊接可以包括使用具有在3kW与16kW之间、任选地在4kW与10kW之间的功率的激光器进行焊接。激光器的功率应该足以熔化坯件的第一部分和第二部分。优选地，坯件的第一部分和第二部分沿坯件的整个厚度熔化，使得粉末也可以在整个厚度存在。得到的最终的工件产品的微结构因此可以被改善。
发明者已经发现3kW至5kW对于熔化典型的坯件(典型的0.7mm-4mm的厚度范围)而言是足够的。朝向该范围的上部增加焊机的功率允许焊接速度的增加。
任选地，可以使用Nd-YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器。这些激光器可商购，并且建立了成熟的技术。这种类型的激光器还可以具有足够的功率来熔化坯件的这些部分，并且允许改变激光器的焦点的宽度，以及因此改变焊接区的宽度。“点”的尺寸的减小增加了能量密度，而增加点的大小能够使焊接过程加快。焊点可以被非常有效地控制，并且用这种类型的激光器时包括双点焊和放弃点焊的各种类型的焊接是可能的。在一些示例中，氦气或基于氦气的气体可以用作保护气体。可替代地可以使用基于氩气的气体。保护气体的流速可以例如从1升/分变到15升/分。
在替代示例中，可以使用具有足够功率的CO2激光器。
在一些实施例中，将金属粉末提供到该焊接区可以包括将气体-粉末流馈送到该焊接区。根据具体的实施方式，可以将氮气用作输送气体。在替代性实施例中，金属粉末已经预先沿坯件的第一部分和第二部分被沉积。
在一些实施例中，馈送气体-粉末流可以包括以相对于该第一部分在15°与60°之间、任选地在近似30°与近似45°之间的角度馈送气体-粉末流。发明者已经发现，用横向喷嘴以这样的角度供给粉末促进粉末的混合。在另一些示例中，可以使用功率的同轴馈送(与激光器同轴)。气体-粉末流可以从该焊接区的前面或后面朝向该焊接区(如以焊接方向来看)被馈送。
如上所述的各种方法可以用于通过对接两个坯件来形成例如拼焊坯件。坯件中的一个或两个坯件可以包括具有涂层的钢基材，该涂层包括铝层或铝合金层。具体地，可以使用AlSi涂层。示例包括使用Usibor或Ductibor坯件。在另一些示例中，该第一坯件和/或该第二坯件可以由铝或铝合金制成。
在第二方面，本公开提供用于形成产品的一种方法，该方法包括形成坯件，包括根据上文描述的方法中的任意一个将第一坯件和第二坯件结合并且随后加热该坯件，并且将经加热的坯件热变形并且最终淬火的方法。加热可以包括在变形之前在加热炉中的热处理。热变形可以包括例如热冲压或深拉。
通过本领域技术人员对本说明书的检验，本发明的实施例的其他目标、优点和特征将变得显而易见，或者可以通过实践本发明而得知本发明的实施例的其他目标、优点和特征。
附图说明
将通过非限制性示例参照附图在下文中描述本发明的特定实施例，其中：
图1a和图1b示意性地展示了结合两个坯件的第一示例；
图2a至图2d示意性地展示了用于与将粉末馈送至焊接区相结合的双点焊的各种安排；
图3示意性地展示了结合两个坯件的进一步的示例；
图4示意性地展示了结合两个坯件的另一个进一步的示例；并且
图5示出了使用本文中所描述的接合方法制备的测试样品的应力-应变曲线。
具体实施方式
图1a和图1b示意性地展示了将第一坯件A与第二坯件B结合的方法的第一示例。第一坯件的第一部分或区域A1有待被结合到第二坯件的第二部分或区域B2。在这个示例中，两个坯件是有待被对接的，即边对边焊接。
在这个示例中，坯件A和坯件B均可以是有涂层的钢，诸如例如Usibor 两个坯件均包括钢基材1，在该钢基材上提供有涂层2。被施加的涂层是硅铝合金(Al87Si10Fe3)。由于施加涂层的工艺，得到的涂层具有金属合金层4和金属间层3。
图1b进一步展示了结合的方法。示意性地展示了具有激光器头21的激光焊机20，激光束从该激光器头射出。还示意性地展示了带有喷嘴31的粉末供应器30。如由箭头所示意性展示的，气体-粉末流可以从喷嘴31喷出。
因此，可以将气体-粉末流馈送至焊接区10。激光器的功率基本上可以足够将两个坯件沿其整个厚度被熔化。粉末被提供至熔化部并且因此可以充分地与整个焊接区10混合。
出于简化的原因，在图1中仅示出了单点(而未示出双点)。
在这种情况中可以看出，不需要在焊接之前移除该钢基材的涂层2，因此简化且加速制造。这可以使成本显著降低。同时，包括铁和足够γ源元素的合适组成的粉末可以确保在对Usibor的标准热处理之后以及诸如热冲压的热变形工艺之后得到良好的机械性能。粉末在焊接区中的混合通过使用双点焊来增强。
对Usibor坯件的标准处理将是在例如加热炉中加热所得到的坯件，以带来对钢基的奥氏体化(及其他)。则该坯件可以被热冲压以形成例如保险杠梁或柱。在热形变后的淬火过程中，可因此得到给予令人满意的机械特性的马氏体微结构。标准的处理不以任何方式被本文中提出的结合方法所影响。尤其由于将钢提供到焊接区中的粉末的γ源元素，忽略铝的存在，还能够在焊接的区域中得到马氏体结构。
可以将气体-粉末流以相对于该第一坯件和该第二坯件的多个不同角度朝向焊接区馈送。发明者已经发现通过使用在近似30°至45°之间的角度可以在焊接区中得到非常良好的粉末的混合。
图2a至图2d示意性地展示了用于与将粉末馈送至焊接区相结合的激光器双点焊的各种安排。在每个图中，第一坯件A有待沿焊缝C被结合到第二坯件B。参考符号25示出了双点。在每个图中，箭头表示焊接方向。参考符号30表示粉末源。
图2a表示垂直双点(该双点沿垂直于焊缝的线彼此相邻安排)。可以“侧向地”(即从激光器旁边)馈送粉末。可以从紧挨着激光器(如在图2d中所示)处，或如图2a和图2c中(根据焊接方向)从激光器的背后馈送粉末。还可以如图2b和图2d中从激光器的前方馈送粉末。
图2b展示了平行双点焊，即该双点沿平行于焊缝的线安排。图2d展示了在一些示例中，可以使用多于一个粉末源30、33用于将粉末朝向焊接区馈送。
平行双点焊的方面是，材料经受的热梯度更少。垂直双点焊的方面是，焊接区被增大并且因此使粉末能够更加容易的混合。发明者已经测试这两种安排并且已经发现这两种安排均能够以令人满意的方式工作。
图3示意性地展示了结合两个坯件的进一步的示例。坯件A的第一部分A1有待以基本上垂直的方式被结合到坯件B的部分B2。可以从坯件B的左手侧(如图3中所展示的)和/或从坯件B的右手侧来执行焊接。
可以使用具有足够的功率的焊接装置20，例如ND:YAG激光器将坯件的第一部分和第二部分熔化。在这个示例中，可以将气体-粉末流(以带箭头的虚线表示)以(关于焊缝)同轴的方式朝向焊接区C馈送。
出于简化的原因，在图3中仅示出了单点(而未示出双点)。
图4示意性地展示了结合两个坯件的另一个进一步的示例。在这个示例中，具有不同厚度的坯件A和坯件B沿焊缝C对接。也在这个示例中，使用了焊机20与来自粉末源30和喷嘴31的气体-粉末流的同轴安排。示意性地展示了保护气流45，该保护气流45从(关于焊缝)同轴安排的保护气体通道40围绕焊接区被提供。
出于简化的原因，在图4中仅示出了单点(而未示出双点)。
在本文目前所展示的所有示例中，被结合在一起的坯件是平板形状的。应该清楚的是，本文所公开的方法的示例还可以被应用于不同形状的坯件。
在用于对熔化坯件和通过铁基粉末与γ源元素的混合的概念验证的最初试验之后，由发明者执行大量的试验以关于气体-粉末流的馈送(同轴地或侧向地)、双点(平行、垂直、在激光器前方、在激光器背后)、保护气体(有或无)、粉末流的速度、激光器的速度和激光器的位置进行优化。
在这些试验中，将1.3mm厚度的第一平Usibor板与1.7mm厚度的第二平Usibor板对接。对于这些试验，使用了具有3.5kW功率的ND:YAG激光器。选择了双点焊，因为由于增强了粉末在整个焊接区的混合而预期到其较单点焊表现更优。两个点都接收总激光器功率的50％。
馈送至焊接区的粉末是AlSi316L，如从例如可商购的。粉末具有以下重量百分比的组成：0％-0.03％的碳、2.0％-3.0％的钼、10％-14％的镍、1.0％-2.0％的锰、16％-18％的铬、0.0％-1.0％的硅、以及其余为铁和不可避免的杂质。使用了45微米至90微米的主要颗粒尺寸。发现这种组成导致在加热、热变形和淬火之后的良好的机械性能(例如，硬度、拉伸强度)。还发现使用这种粉末得到良好的耐腐蚀性。
额外的铬和硅有助于耐腐蚀性，并且钼有助于增加硬度。在粉末中存在的γ源元素是镍、碳和锰。
在焊接后，所得到的坯件经受了“常规处理”，包括热变形和淬火。在这之后，从所得到的产品切割用于标准拉伸强度试验的试件。所测量的参数包括以MPa为单位的极限抗拉强度(UTS)、以MPa为单位的屈服强度、以％为单位的断裂伸长率、维氏硬度并且此外通过使用光谱测定设备检查焊接区的微结构。
这些结果可以与已经经过了相同处理(即包括热变形和淬火的相同热循环)的未焊接的Usibor产品进行比较。这种比较是重要的，因为它能够表明焊接是否比标准未焊接的材料更弱。
在不同试验中使用Usibor 的情况下，采用了以下标准值：极限抗拉强度在1,300与1,650MPa之间，屈服强度(0.2％)在950与1,250MPa之间，断裂伸长率A50为5％，维氏硬度HV 10在400与520之间。
在极限抗拉强度和屈服强度的情况中，当UTS在未焊接的Usibor产品的范围中时视为性能良好。
最后，在抗拉强度试验中的断裂点被考虑在内。得到了多个结果，其中，断裂点不在焊接区或热影响区(HAZ)中。这意味着，在这些试验中的焊接区等于或强于基本材料。
在许多试验中，发现极限抗拉强度在1,300与1,600MPa之间。还在许多试验中发现断裂伸长率高于5％。在焊接的区域中的维氏硬度HV 10也总体上在400至520的范围内。
发明者发现，气体-粉末流的侧向馈送尤其带来良好的结果，尽管使用了同轴安排的一些样品也表现很好。同时，结果表明粉末流的前侧馈送和后侧馈送均能够带来良好的结果。同样，对于平行双点和垂直双点也都得到了良好的性能。发现保护气体的存在或不存在并没有对所获得的结果有显著作用。并且到焊接表面的距离和相对于坯件的边缘的位移(由于具有不同厚度的坯件的事实)优选应当结合其他参数一起被优化，因为它们都影响结果。
图5展示了如在使用垂直双点焊和粉末的后侧馈送的一个样品中得到的应力-应变曲线。可以看出UTS达到了接近1,500MPa。
虽然在本文仅公开了本发明的若干特定实施例和示例，但是本领域的技术人员将理解的是，其他替代实施例和/或本发明及其明显修改的使用和其等效物是可能的。此外，本发明涵盖所描述的特定实施例的所有可能的结合。因此，本发明的范围不应由特定实施例限制，而仅应通过公平地阅读随附的权利要求书来确定。

Claims (14)

1.一种用于将第一坯件(A)与第二坯件(B)结合的方法，其中所述第一坯件(A)与所述第二坯件(B)包括具有涂层(2)的22MnB5钢基材(1)，涂层(2)具有铝层或铝合金层，所述方法包括
-选择所述第一坯件(A)的待结合到所述第二坯件(B)的第一部分(A1)，并且选择所述第二坯件(B)的待结合到所述第一部分(A1)的第二部分(B2)，
-用双点焊将所述第一部分(A1)焊接到所述第二部分(B2)，同时将金属粉末提供到焊接区，其中
所述坯件(A,B)的所述第一部分和所述第二部分(B2)以及在所述焊接区(10)中的所述金属粉末在焊接的过程中被熔化，并且所述金属粉末与经熔化的第一部分和第二部分混合，并且其中，
所述金属粉末是包括γ源元素的铁基粉末。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述双点焊包括垂直双点焊。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述双点焊包括平行双点焊。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粉末的平均颗粒大小在20微米与180微米之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述粉末的平均颗粒大小在50微米与80微米之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铁基粉末具有重量百分比为0％-0.03％的碳、2.0％-3.0％的钼、10％-14％的镍、1.0％-2.0％的锰、16％-18％的铬、0.0％-1.0％的硅、以及其余为铁和不可避免的杂质的组成。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接包括使用具有在3kW与16kW之间的功率的激光器进行焊接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述焊接包括使用具有在4kW与10kW之间的功率的激光器进行焊接。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述焊接包括用Nd:YAG激光器进行焊接。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述金属粉末提供到所述焊接区包括将气体-粉末流馈送到所述焊接区(10)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，馈送所述气体-粉末流包括以相对于所述第一部分在15°与60°之间的角度来馈送所述气体-粉末流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，馈送所述气体-粉末流包括以相对于所述第一部分在30°与45°之间的角度来馈送所述气体-粉末流。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一坯件(A)与所述第二坯件(B)是对接的，所述第一部分是所述第一坯件的边缘，并且所述第二部分是所述第二坯件的边缘。
14.一种用于形成产品的方法，包括
形成坯件，其包括根据权利要求1所述的方法将第一坯件(A)与第二坯件(B)结合的方法，
加热所述坯件，并且
将经加热的坯件热变形并且随后淬火。
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