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CN102971103B - 使用包含氮气的惰性气体弧焊镀铝金属部件的方法 - Google Patents

使用包含氮气的惰性气体弧焊镀铝金属部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在没有激光束的情况下使用保护气体电弧焊一个或多个包含铝基表面镀层（特别是包含铝和硅的镀层）的金属部件（特别是钢制的部件）的方法，其特征在于，所述保护气体由氩气和/或氦气与另外的氮气（特别地小于30%体积的氮气，典型地2%至10%体积的氮气）混合组成。

Description

使用包含氮气的惰性气体弧焊镀铝金属部件的方法
技术领域
本发明涉及一种使用保护气体电弧焊钢部件的方法，该钢部件包含铝基表面镀层特别是铝硅镀层，所述保护气体由氮气及氩气和/或氦气组成。
背景技术
某些镀有铝或铝基合金的钢（例如USIBORTM钢）在热拉伸之后具有非常高的机械性能，因此，为了减轻重量，这些钢在汽车制造领域使用日益增加。确实，这些钢被设计为经过热处理之后在热拉伸操作期间淬火，由此获得的机械性能与标准高屈服强度钢相比可以非常显著地减轻车辆重量。它们主要用于制造缓冲梁、车门加强部件、中心柱、车窗柱等。
其他镀有铝或铝合金的钢由于具有耐腐蚀和耐热性也被使用。特别提及的是用于外部构架或开关箱的钢，用于消声器、热隔板、锅炉外套、烟囱内衬以及在电厂中或在石化行业中应用的和钢。
理论上，所有传统弧焊方法，例如MIG焊、MAG焊或其他硬钎焊方法都可以用于这些镀铝钢的装配。
但是，在实践中已观察到，在弧焊镀有铝或铝合金的部件的操作之后，在焊接接头的焊缝金属区出现具有较低拉伸强度的相。这个相由金属间化合物或δ铁素体组成。
以USIBOR钢为例，经过分析，确定这个相包含了高比例的铝——其导致钢在热处理过程中在拉伸之前没有奥氏体转变，即这个相保持以δ铁素体的形态，其结果是与部件其余经历马氏体/贝氏体转变的部分相比硬度低。
然而，未转变的相可导致接头的裂纹或甚至断裂。确实，焊缝中这些具有渗入铝的包含δ铁素体相的区域与母材金属相比具有低的抗裂性。
文件EP-A-1878531已经推荐了一种激光-电弧混合焊带有铝基表面镀层的钢部件的方法。
尽管这种方法在一些案例中得到好的结果，但是因为需要使电弧的作用与激光束的作用结合，其实施复杂。
此外，它需要投资弧焊电源和尤其是激光焊电源两种电源，这将导致高额的成本和可能影响总体工艺生产率的额外的维护操作。
MIG焊的应用目标是螺柱焊接或各种由镀铝钢板制造的零件的焊接，或是如消声器案例中一样将两块板材焊接在一起。
因此，面对的问题是提出一种实施简单的焊接方法，使得在焊接镀有铝或铝合金的钢部件的过程中，可以得到良好的焊接接头机械性能，特别是拉伸性能。
发明内容
本发明的解决方案是一种使用保护气体电弧焊至少一个包含铝基表面镀层的钢部件的方法，其中该方法仅通过电弧熔化所述金属部件的金属，不包含任何激光束参与金属的熔化，其特征在于，所述保护气体由氩气和/或氦气、氮气混合组成。
本发明方法所用的混合气体因此包括氩气、氦气或两者，其中加入氮气以组成Ar/N2或He/N2二元气体混合物或Ar/He/N2三元气体混合物。
根据已有规定，“用于电弧焊的方法”的表述被理解为意指一种焊接方法，在该方法中仅通过电弧熔化金属，因此不包括引入任何激光束参与熔化待焊部件的金属。由此，电弧/激光混合焊方法不包含于本发明领域，电弧单独存在所起的作用与被激光束辅助的电弧并不完全相同。
根据情况，本发明方法可包括一种或多种下述特征：
-保护气体包含至少0.025%体积和至多30%体积的氮气。
-保护气体包含至少0.025%体积和至多20%体积的氮气。
-保护气体包含至少0.025%体积和至多15%体积的氮气。
-保护气体包含至少1%体积的氮气。
-保护气体包含至少2%体积的氮气。
-保护气体包含至少3%体积的氮气。
-保护气体包含少于10%体积的氮气。
-保护气体包含至少4%体积的氮气。
-保护气体包含至多9%体积的氮气。
-保护气体包含至多8%体积的氮气。
-保护气体包含至少5%体积的氮气。
-保护气体包含至多7%体积的氮气。
-保护气体包含至少5.5%体积的氮气和至多6.5%体积的氮气。
-保护气体包含大概6%体积的氮气。
-所述至少一个钢部件包含的铝基表面镀层的厚度为5μm到100μm之间，优选为小于或等于50μm。所述镀层覆盖所述至少一个部件的至少一个表面，但是在所述至少一个部件的端部边缘处例如板材边缘上没有或几乎没有铝基镀层。
-所述至少一个金属部件由带有铝硅（Al/Si）基表面镀层的钢制成。
-所述至少一个金属部件包含铝硅基表面镀层，该镀层包含的铝的比例为硅的比例的5倍到100倍，例如90%重量比例的铝和10%重量比例的硅，即表面镀层中铝含量为硅含量的9倍。
-所述至少一个金属部件包含一铝硅基表面镀层，该镀层包含的铝的比例为硅的比例的5倍到50倍，特别地铝的比例为硅的比例的5倍到30倍，特别地铝的比例为硅的比例的5倍到20倍。
-所述方法是带有可消耗填充焊丝，例如实心或药心焊丝的MIG焊（金属焊丝惰性气体保护焊）方法。
-待焊的所述至少一个部件是一个或多个汽车部件。
-所使用的焊接电压介于14V到35V之间。
-所使用的焊接电流/焊接强度介于80A到300A之间。
-待焊的所述至少一个部件的厚度介于0.6mm到2.5mm之间，优选为1mm到2mm之间。该厚度位于待形成的接头面处，即位于其中金属被电弧熔化以形成焊接接头的位置，例如位于待焊的所述至少一个部件的端部边缘。
-气体压力介于2bar到15bar之间，优选为小于12bar，特别地约4-8bar。
-气体流速小于30l/min，一般小于25l/min,根据所考虑的应用，典型地介于约15l/min到20l/min之间。
-数个部件彼此焊接，典型地为两个部件，所述部件特别是在形状、厚度等方面可以相同或不同。
-所述部件由高合金钢（合金元素重量>5%）、弱合金钢（合金元素重量<5%）或非合金钢（例如碳钢）制成。
-所述焊丝是实心焊丝或药芯焊丝。
-所述焊丝的直径介于0.5mm到5mm之间，典型地介于约0.8mm到2.5mm之间。
具体实施方式
下面基于接下来的描述更好地理解本发明。
因此，建议的解决方案是仅通过电弧（即不含激光束）和借助于特定的保护气体实现镀铝部件的焊接，所述镀铝部件包含铝表面镀层或优选地铝合金表面镀层，例如优选的Al/Si镀层。
为了实现该目的，根据本发明，在电弧焊过程中使用保护气体，使得可以在铝上得到稳定的电弧，减少在待焊金属部件的熔化金属中（即在焊接接头中）铝基镀层的溶解。
该特定的保护气体由氩气和/或氦气，以及另外的按体积计算为0.025%到30%（优选为3%到10%）的氮气组成。
此气体混合物通过铝和氮之间的反应导致具有较好电发射率（émissivitéélectrique）的氮化铝的形成，从而减少电弧移动和阴极斑点的尺寸，因此导致焊接电弧的稳定。
此外，该氮化铝漂浮在熔池表面，从而阻止部件表面处存在的铝的溶解。这样可以抑制或至少显著减少铝向焊缝中的渗入，由于（通常观察到的）δ铁素体或金属间化合物形式的相全部或几乎全部消失，因此可以改善拉伸强度。
所使用的气体混合物可以在现场通过使用气体混合器按照期望的比例混合所期望的混合物的组分来直接制成，或者采用预先分装的形式，即在封装工厂制成后用合适的气体容器例如焊接气瓶运输到气体使用的地方。
示例
本发明方法在手工MIG弧焊Usibor1500TM钢部件（镀有30μm的铝/硅(Al/Si)合金层的、铝和硅重量比例分别为90%和10%的钢部件）中获得良好的效果。
此被焊部件的厚度为1.2mm。
在所开展的试验中，所使用的以流速20l/min、压力4bar配送的气体为（按体积百分数计）：
试验A（对比例）：纯氩气（100%）。
试验B（本发明）：由氩气和2%的氮气（N2）形成的混合物。
试验C（本发明）：由氩气和4%的N2形成的混合物。
试验D（本发明）：由氩气和6%的N2形成的混合物。
试验E（本发明）：由氩气和8%的N2形成的混合物。
试验F（对比例）：由氩气和8%体积的CO2形成的混合物。
所用的焊炬是DINSEE公司出售的MIG焊炬，该焊炬进给有由AirLiquideWelding公司出售的直径为1.2mm的Nertalic88(ER100SG:AWS,A5.28)型焊丝，送丝速率为2.8到3.5m/min。
焊接电压约15V，电流约128A，焊接电源为法国AirLiquideWelding公司出售的Digiwave400(短弧/短弧+)型的合作模式(EN131)的电焊机。所获得的焊接速度为20cm/min。
待焊接在一起的部件形成约45°的角，由所述角的顶部形成一接头面。
获得的结果显示氮气的影响显著，因为在氩气中存在N2的效果远远好于单独使用氩气。
确实，单独使用氩气（试验A），电弧不稳定，过渡无规律，即熔化金属形成大的熔滴。氩气保护的所有接头外观差，特别是可以观察到焊道边缘处缺少润湿以及焊道具有严重的凸起。此外，在焊接过程中，可以观察到，熔化的金属液滴形成了大的飞溅和大量的烟尘。
相反地，按照本发明采用Ar/N2混合物，试验结果显著改善，该改善与混合物中N2含量（在实验条件下升至约6%-8%）成比例地增加。
因此，采用包含2%N2的Ar/N2混合物（试验B），金属过渡比试验A更加稳定，尽管改善效果已显著，但是焊道不是完全没有任何缺陷。确实，尽管断弧现象很少发生或几乎不存在，但是电弧稳定性仍然可能偶尔地被干扰。焊接过程中形成大熔滴的现象也减少。在氩气中加入2%的氮气事实上尤其是改进了焊道的顶部/底部的润湿。
通过增加氩气中氮气的添加量到4%（试验C），其他参数特别是电参数不变，可以观察到表面外观的全面改善和焊道顶部/底部边缘可接受的润湿，焊道的表面外观也得到改善：浅的凝固线和焊缝中心处不是非常大的凸起。这些结果是让人满意的和可以再现的。在准确和更加稳定的过渡的情况下，焊丝的熔化良好。角接头的试验结果在焊道的顶部/底部边缘具有可以接受的润湿。另一方面，熔池仍然保持轻微的“冷”并且在某些情况下可能难以处理。
氮气添加量增加到6%（试验D）导致全面的和更加显著的表面外观改善和焊道顶部/底部边缘处良好的润湿。焊道表面具有仅非常浅的凝固线以及非常小的中心凸起。
在试验E中，氩气中加入了8%的氮气。焊道的表面粗糙度已进一步降低，润湿良好，几乎没有粘着飞溅。从操作角度来看，氩气中加入8%的氮气可以在焊丝熔化良好的情况下获得稳定的过渡。有趣的是，采用此混合气体，可以获得实际的操作“灵活性”——因为它使得能够调整参数（送丝速度变化或电压变化），而该调整在纯氩气的情况下不能实现，并且不一定与在所试验的其他氩气/氮气混合物的情况下一样容易实现。
最终，在试验F中，在氩气中加入8%的CO2导致形成接头所需的电弧稳定性，但是焊道外观变差，对接头的机械性能有害的δ铁素体区域保留。因此CO2的添加并不能解决与δ铁素体的形成有关的问题，与氮气不一样。
这些试验结果清楚地显示在氩气中加入氮气可以显著地改善镀有铝/硅合金表面层的钢的焊接质量。随着氮气含量的增加，改善的效果越加显著，因此建议在氩气中至少加入8%的氮气。
然而，并行进行的射线探伤显示，当还希望避免在熔敷金属中产生气孔时，该氮气含量必须不能过多。确实，在试验B到E中获得的焊道上进行的射线探伤显示，对于氮气含量增加到约6%，气孔的水平按照某些标准例如标准NF-EN287-1,NFENISO5817和EN462-1W10的推荐是可以接受的。
另一方面，从在氩气中加入8%的氮气（试验E）开始，在焊道的起始处有时会产生气孔。这些气孔意味着按照此百分数比例混合气焊接的接头可能不满足标准要求。
因此，优选的是将氮气含量限制为约6%或者在焊道上的起始或终端在产生气孔的位置设置附加件。
另外，还进行显微试验以在焊接完成后观察焊道的结构。
这些显微试验显示，对于试验A中的焊道，由于来自覆盖在部件上的Al/Si层的铝和硅的溶解，产生以白色区域形式存在的塑性相。这些区域包含对焊接接头机械性能有害的δ铁素体。
相反地，在检验试验B到E中的焊道以后，发现通过在保护气体中加入氮气可以显著地减少δ铁素体区域。从加入4%的氮气开始，在焊缝金属区域中不再出现δ铁素体区域。
这说明当希望避免在于镀有铝/硅层的钢部件（例如Usibor类型的钢）上形成的焊道中形成δ铁素体区域，在氩气中加入氮气是有利的。应该注意到，其他试验已显示全部或部分氩气可以被氦气代替，而不会失去由加入氮气所取得的有益效果。
因此，使用这样一种混合气体：比例一般小于10%体积，更优选地介于4%到8%体积之间，有利地介于约5%到7%体积之间，更加特别地是6%体积的氮气，剩余为氩气和/或氦气。

Claims (14)

1.一种使用保护气体电弧焊至少一个包含铝基表面镀层的钢部件的方法，其中仅通过电弧熔化所述钢部件的金属，不包含任何激光束，其特征在于，所述保护气体由氩气和/或氦气与氮气混合组成，所述保护气体包含0.025％至30％体积的氮气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含0.025％至20％体积的氮气。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含0.025％至10％体积的氮气。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含4％至8％体积的氮气。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含5％到7％体积的氮气。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个钢部件包含一铝基表面镀层，该镀层的厚度介于5μm到100μm之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个钢部件由带有铝硅(Al/Si)基表面镀层的钢制成。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个钢部件包含一铝硅基表面镀层，该镀层包含的铝的比例是硅的比例的5倍到100倍。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个钢部件包含一铝硅基表面镀层，该镀层包含的铝的比例是硅的比例的5倍到50倍。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法是一种带有可消耗填充焊丝的MIG焊方法。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待焊的所述至少一个钢部件是一个或多个汽车部件。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，数个部件彼此焊接。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含3％至30％体积的氮气。
14.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述保护气体包含3％至20％体积的氮气。
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