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CN101104225A - 用于激光-电弧复合焊接渗铝金属工件的方法 - Google Patents

用于激光-电弧复合焊接渗铝金属工件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用激光束(3)对至少一个金属工件(1)进行激光焊接的方法，所述工件具有包含铝的表面涂层(2)，其特征在于，所述激光束(3)与至少一个电弧(4)组合，以便熔化金属并且实际上焊接所述工件。

Description

用于激光-电弧复合焊接渗铝金属工件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光-电弧复合焊接一个或多个具有渗铝表面分层或涂层的金属工件——即含铝金属工件——的方法。
背景技术
可热拉拔的材料——即可在大约900℃拉拔的材料，例如由具有很高的屈服强度(VHYS钢)的22Mn/B5钢(尤其含有0.22％的C、1.25％的Mn和B)形成的USIBOR 1500——通常覆盖有基于铝和硅的分层或涂层，该分层或涂层被称为“铝-硅层”，例如由90％的铝加上10％的硅(重量百分比)组成，用以防止在热处理过程中的氧化及由此出现的氧化皮(scale)。
这是因为，在没有硅-铝层的情况下，如果表面上出现氧化皮，则必须通过喷砂清理或通过任何其他等效的技术将该氧化皮层去除，这样就需要附加的操作，从工业角度看这会导致大量的额外成本以及生产率损失。
并且，当对板料进行热拉拔时，铝-硅层还用作表面润滑剂。
铝-硅层的厚度通常例如在USIBOR 1500上为大约30微米，并且经过铁扩散到铝-硅层且铝扩散到铁中的热处理后，根据热处理的时间，该厚度变成大约40-45微米。上限值45微米通常是极限值，因为任何高于此值的值都会使铝-硅层变得十分易碎。
假设这种铝-硅层比没有覆盖涂层的钢导电性差，则在电阻点焊中该铝-硅层增加了接触电阻。
所生产的覆盖有这种涂层的钢零件主要是结构零件，尤其是用于机动车辆的零件，例如(车身)中柱、防向内突入加固件、保险杠横梁等。但是，还可以使用涂覆有铝-硅层的钢管制造各种结构，例如排气管。
这些带涂层零件的常规厚度在0.8毫米到2.5毫米之间。
通常，由于这种铝-硅涂层尤其能够防止上述的氧化皮沉积物，所以对具有铝-硅涂层的这种类型的零件的使用具有显著的发展，但是这些结构零件只在热时才可拉拔，并且它们的机械性能只有经过成形后立即进行的热处理后才能得到。
然而，这些板料必须在焊接前被切割，然后进行拉拔。这种切割操作通常以剪切或激光切割的方式进行。
激光切割方法具有不会把涂层带到切割侧向边缘上的优点。然而，由于需要一整套的激光切割设备，这种方法以投资成本来讲比较昂贵，因而阻碍了其在工业中的广泛使用。
剪切切割方法最为经济，因而是工业中最广泛使用的方法，但是该方法最大的缺陷在于由于滑移作用而将一部分铝-硅涂层带到工件的边缘。
因此，在以剪切方式切割的渗铝钢板或工件的对接边缘构造(对接焊)中进行的随后的激光-焊接操作中，在焊接后会发现焊道中的一种相的抗拉强度低于基底金属和熔化区域。
对这种相的组成的化学分析表明，铝含量的百分比(＞1.2重量％)足够高从而防止了钢的奥氏体转变。这是因为，由于铝是一种诱发α-相的元素，所以超过一定含量就会阻止钢的奥氏体转变。在冷却时，所述相的微结构不改变并保持δ-铁素体形式，并且具有接近230Hv的硬度。基体本身经过奥氏体转变和之后的马氏体/贝氏体转变，得到大约450Hv的硬度。
存在铝含量为13％(Fe3Al)、33％(FeAl)等的金属间化合物。这些含量在仅使用激光产生的样品上测出。
换句话说，存在比基体的强度低的相，这使得组件的机械性能降低。
由于奥氏体转变被抑制，当加热到900℃时(奥氏体化)所述相不会溶到基体中，因此，在对接焊操作之后进行的在900℃下的拉拔过程中，由于所述相的抗拉强度低于在此温度下以奥氏体形式存在的基体，因而存在断裂的危险。并且，对这种焊道进行机械测试后发现，焊缝的整体强度低于基底金属的强度。这会产生不符合标准的零件。
发明内容
因此，现在的问题是如何提供一种用于焊接渗铝工件——即表面上具有铝-硅涂层的工件——的有效方法，从而尤其可以获得具有良好性能的焊接接头，包括在工件已经以剪切方式被切割并且没有经过对工件的侧向边缘表面进行处理的步骤时也是如此。
本发明的解决方案是一种利用激光束对至少一个金属工件进行激光焊接的方法，所述工件具有含铝的表面涂层，其特征在于，所述激光束与至少一个电弧组合以便熔化金属和焊接所述工件。
换句话说，在实际的焊接过程中，电弧与激光束组合以便通过同时冲击单个共同的焊接位置或区域来熔化待组装工件的金属。
根据情况不同，本发明的方法可包括以下特征中的一个或多个：
涂层主要包含铝和硅；
涂层的厚度在5-45微米之间；
至少其中一个工件由钢制成；
至少其中一个工件的厚度在0.5-4毫米之间，优选大约0.8-2.5毫米；
至少其中一个工件在被焊接前在它的其中一个侧向边缘的表面上具有所述涂层的沉积物，尤其是铝/硅沉积物；
电弧由钨——即TIG焊炬(钨极惰性气体保护焊炬)——焊接电极供给，或者在可消耗金属丝的端部形成；
将两个工件置于边缘相互对接的位置进行焊接，或者对同一工件的放在一起的两个边缘尤其是管子的两个纵向边缘进行焊接；
在焊接过程中，利用保护气体对焊道的至少一部分提供气体保护，该保护气体选自氦/氩的混合物或纯氩；以及
激光束由激光发生器产生，该激光发生器为CO2、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、二极管或镱掺杂纤维类型。
附图说明
通过下文参照附图给出的说明可以更好地理解本发明，该说明仅作为举例给出并且不具有限制性。在附图中：
图1示出渗铝钢制工件1的横截面；
图2示出激光-TIG复合焊接方法的原理；以及
图3示出激光-MIG/MAG复合焊接方法的原理。
具体实施方式
图1示出渗铝钢制工件1的横截面，也就是说，该工件覆盖有铝-硅涂层或分层2，即基于铝和硅的表面分层，该分层例如由90％的铝加上10％的硅组成，并且尤其用于防止工件进行热处理后的氧化以及因此出现的氧化皮。所述工件的厚度例如是1.5毫米，铝-硅层的厚度(E)例如大约30微米。工件1以剪切方式切割，从而由于滑移作用导致在工件1的边缘1a上的一部分铝-硅涂层2的有害沉积物2a、2b。
图2和3示意性的示出实现根据本发明的激光-电弧复合方法的两种方法，该复合方法用于将两个经由剪切方式切割的渗铝钢制工件1，例如图1中所示的工件接合在一起。
更确切地说，图2示出激光-TIG复合焊接方法的原理，而图3示出激光-MIG/MAG复合焊接方法的原理。
如果需要增加焊道中的钢的稀释度，以便减少熔化区域中的铝含量从而提高熔化区域的同质性，则可使用激光-TIG复合焊接法(图2)。在这种情况下，激光束3与TIG焊炬供给的电弧4组合，该TIG焊炬装有非消耗性钨电极5。
以激光束在电弧前面的布置方式——即激光就在电弧的前面冲击至少一个待焊接工件——使用激光-TIG复合焊接法，可以增加熔化区域的尺寸，从而允许钢更多的参与焊接，这在熔化区域中更为重要，其中所述钢的铝(诱发α-相的元素)含量低且锰(诱发γ-相的元素)含量高。
由于铝仅由铝-硅保护层提供，测量结果表明在焊接操作期间气化的涂层比例远大于熔化区域中的测量值。
通过提供在激光后面的电弧和/或提供附加的能量源，例如通过使激光束散焦或者具有长形焦斑，可以使熔化区域同质化并因此消除产生δ-铁素体相的大于1.2％的局部铝浓度。
换句话说，通过执行激光-TIG复合焊接操作，可以通过增加熔融金属的量和使熔化区域同质化来降低熔化区域中的铝的比例，从而消除了大于1.2％的局部铝浓度。
相反地，如果需要提供诱发γ-相的元素例如锰、镍、铜等，以便增大使焊缝中能够发生相转变的奥氏体范围，也就是说抵消铝的α-相诱发作用，同时还提高熔化区域的同质性，则优选使用激光-MIG(惰性气体保护金属极电弧焊)复合焊接法(图3)。在这种情况下，激光束3与MIG/MAG(惰性气体保护金属极电弧焊/活性气体保护焊)焊炬供给的电弧4组合，该焊炬装有可消耗电极金属丝6，例如焊芯金属丝6或实心金属丝。根据基底金属的组成、所要得到的焊道性质等来选择最合适的金属丝6。
事实上，以激光在电弧前面的方式布置的激光-MIG复合焊接法允许使用焊芯金属丝或者包含诱发γ-相的元素(锰、镍、铜等)的类似物，该元素有利于保持整个熔化区域的奥氏体转变。
来自电弧和/或激光束散焦的附加能量供应使熔化区域同质化，因而消除了δ-铁素体的存在。
比较示例
将两个厚度为1.8毫米且覆盖有30微米铝/硅层的USIBOR 1500工件焊接起来。其中一个工件的边缘具有铝沉积物，这是以剪切方式切割的特征。
使用的保护气体是Air Liquide出售的Arcal 37，也就是70％体积的氦/30％体积的氩的混合物。
这些工件由下述方法焊接：
-本发明的电弧-激光复合方法，其中使用焦距为250毫米、功率6千瓦的二氧化碳激光器，以及由电流为200安培、电压为16伏的TIG/AC焊炬产生的电弧，电极/激光束的距离为2毫米并且焊速为4米/分钟；并且
-作为对比，传统的激光焊接方法，其功率为6千瓦，焦距为250毫米并且焊速为4米/分钟。
下面的表给出了比较的结果。
方法   Rp0.2(N/mm2)   Rm(N/mm2)     A％
传统激光   388   502     6.1
激光-TIG复合法(本发明)   384   567     25
Rp0.2是材料的屈服强度，即材料弹性变形的极限；
Rm是经过塑性变形的材料的抗拉强度；
A％是材料的伸长率(对拉拔有用的值)。
得到的结果表明，拉伸值(Rm和A％)对激光-TIG复合方法是有利的，这是因为依据本发明的方法，被焊接材料的屈服强度基本相同，而塑性变形后的抗拉强度以及材料的伸长率都得到了可观的提高。

Claims (10)

1.一种用激光束(3)对至少一个金属工件(1)进行激光焊接的方法，所述工件具有含铝的表面涂层(2)，其特征在于，所述激光束(3)与至少一个电弧(4)组合，以便熔化金属并且焊接所述至少一个工件(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂层(2)主要包含铝和硅。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述涂层(2)的厚度(E)为5-45微米。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，至少其中一个所述工件(1)由钢制成。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，至少其中一个所述工件(1)的厚度为0.5-4毫米，优选地大约0.8-2.5毫米。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，至少其中一个所述工件(1)在被焊接前在它的其中一个侧向边缘(1a)的表面上具有所述涂层(2)的沉积物(2a、2b)，尤其是铝/硅的沉积物。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述电弧(4)由钨焊接电极(5)供给，或者在可消耗金属丝(6)的端部形成。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，将两个工件(1)置于边缘相互对接的位置进行焊接，或者对同一工件的已经放在一起的两个边缘尤其是管子的两个纵向边缘进行焊接。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在焊接期间，利用保护气体在焊道的至少一部分上提供气体保护，该保护气体选自氦/氩的混合物或纯氩。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述激光束(3)由激光发生器产生，该激光发生器为CO2、Nd:YAG、二极管或镱掺杂纤维类型。
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