CN103917329A - 具有非常高机械阻力的热成型经预先焊接的钢部件及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及通过将通过端对端焊接至少一个第一金属板和一个第二金属板生产的至少一个经焊接的坯件加热、之后热成型、之后冷却而生产的具有非常高机械强度特性的经焊接钢部件，所述至少一个第一金属板和一个第二金属板至少部分地由钢基材和预涂层组成，所述预涂层由与其上布置有铝合金或基于铝所组成金属合金层的所述钢基材相接触的金属间合金层组成。根据本发明的所述经焊接钢部件的主要特征在于紧邻于熔融区域（35）的边缘（36）未设置所述金属合金层（19、20），但是其设置有金属间合金层（17、18），其中，在所述熔融区域（35）的至少一部分长度上，所述熔融区域（35）的碳含量与所述第一金属板或第二金属板（11，12）中具有最高碳含量（Cmax）者的基材（25，26）的碳含量的比率为1.27至1.59。本发明还涉及用于生产这种经焊接钢部件的方法以及所述经焊接钢部件用于生产用于车辆尤其是机动车辆的结构部件或安全部件的用途。

Description

具有非常高机械阻力的热成型经预先焊接的钢部件及生产方法

技术领域

本发明主要涉及非常高强度的热成型的经焊接的钢部件。

本发明同样涉及用于制造经焊接钢部件的方法以及该经焊接钢部件用于制造机动车辆的结构部件或安全部件的用途。

背景技术

现有技术公开了用于从彼此连续对接焊接的不同组成和/或厚度的钢坯件制造经焊接钢部件的方法。在第一已知制造方式中，这些经焊接的坯件是冷成型的。在第二已知制造方式中，将这些经焊接的坯件加热至可使得钢奥氏体化（austenitization）的温度，之后进行热成型并在成型模具中快速冷却。本发明涉及该第二制造方式。

可选择钢的组成以不仅使得可进行随后的加热和成型操作，而且给予经焊接钢部件高机械强度、高冲击强度和良好耐腐蚀性。

该类型的钢部件特别用于汽车工业，更特别地用于制造抗侵入部件、结构部件或有助于机动车辆安全性的部件。

在具有上述应用所需的特性的可热成型材料当中，公开EP971044中描述的涂覆钢板特别地具有按重量计0.10%至0.5%的碳含量并包含铝基金属预涂层。例如，在包含除铝之外的受控浓度的硅和铁的浴中通过连续浸涂来涂覆该板。在热成型过程期间或成型之后应用随后的热处理，并且该热处理之后进行的冷却使其可获得给予钢部件可超过1500MPa的高机械强度的马氏体（martensitic）显微组织。

用于制造经焊接的钢部件的已知方法由以下步骤组成：如公开EP971044中所述预固化至少两个钢板，将这两个板对接焊接以获得经焊接的坯件，任选地切割该经焊接的坯件，之后在进行热成型操作之前例如通过热冲压来加热经焊接的坯件，以赋予钢部件其应用所需的形状。

一个已知的焊接技术是激光束焊接。与其他焊接技术如缝焊或弧焊相比，该技术在挠性、质量和生产率方面具有优势。

然而，在焊接操作期间，由外覆金属合金层的与钢基材相接触的金属间合金层构成的铝基预涂层被焊缝金属区域内的钢基材稀释，该焊缝金属区域为在焊接操作期间呈熔融状态并且在该焊接操作之后凝固，形成两板之间的接合部的区域。

在预涂层的铝含量的范围中，可发生两个现象。

在第一现象中，如果焊缝金属区域中的铝含量局部很高，那么会形成金属间化合物，这是由于稀释了焊缝金属区域内的一部分预涂层并且形成了在热成型步骤之前在随后加热焊接接头期间出现的合金所造成的。这些金属间化合物是初裂最可能发生的位置。

在第二现象中，如果焊缝金属区域中的铝含量较低，那么铝（其为基底中固溶体中的α基因（alphagene）元素）防止转化成在冲压之前步骤期间出现的奥氏体（austenite）。因此，在热成型之后的冷却期间不再可能获得马氏体（martensite）或贝氏体（bainite），并且焊缝包含铁素体。于是焊缝金属区域表现出小于两个相邻板的硬度和机械强度的硬度和机械强度。

为了防止上述第一现象，公开EP2007545描述了一种由以下方式组成的解决方案：在预定进行焊接操作的板的外周的水平面上除去金属合金的表面层，留下金属间合金的层。该移除可通过刷擦或通过激光束进行。保存金属间合金层以确保耐蚀性并防止在进行成型操作之前热处理期间的脱碳和氧化的现象。

然而，该技术不总是使其可防止上述第二现象：尽管薄金属间合金层的稀释导致焊缝金属区域中铝含量的非常轻微的增加（少于0.1%），但是焊缝金属区域中局部的铝偏析与氮化物形式的硼的潜在组合的结合导致该区域中淬硬性的降低。因此，与两个相邻板中的速率相比，焊缝金属区域中的临界淬硬速率增加。

图1举例说明了在加热到900℃，然后热冲压并以可变速率冷却之后在焊缝金属区域（曲线2）中和在基底金属（曲线1）（即邻近的钢板）中所观察到的硬度。基底金属的硬度为在公开EP971044中所描述板的情况下获得的硬度，所述板特别地包含0.22%的C、1.12%的Mn和0.003%的B。焊缝金属区域的硬度为当如公开EP2007545中所述进行焊接时所观察到的硬度。

曲线1表明，基底金属的临界马氏体淬硬速率为27℃/秒，这是由于任何大于27℃/秒的冷却速率导致大约480HV的板的硬度和完全马氏体的显微组织。

另一方面，曲线2显示出焊缝金属区域的马氏体临界淬硬速率为35℃/秒。因此，热冲压之后在27℃/秒至35℃/秒的冷却速率不会在该区域中导致足够的硬度和全部马氏体组织。

另外，焊缝金属区域中临界淬硬速率的该增加伴随在热成型期间在该焊缝金属区域中的不利冷却条件。

事实上，由于独立或组合考虑的以下所示原因，可能在冷却期间焊缝金属区域可与冷模完全失去接触：

-如果两个板是不同的厚度，由于为了使得成型期间材料能够置换在模具中所设计的“步骤”

-由于模具与经焊接的坯件之间可能的不一致

因此，在以上提供的信息的基础上，对于小于35℃/秒的经焊接的坯件的冷却速率，焊缝金属区域表现出不均匀的显微组织和接头的机械特性的降低，这可使得经焊接的钢部件不适合于预期应用、尤其是汽车工业。

另一个已知的应用于公开EP971044中所述板的焊接方法描述于公开EP1878531中。

该方法包括产生焊缝金属区域，其表现出对于之前通过剪切切割的两个板的焊接而言所需要的机械强度特性，由于该切割类型，所述焊接表现为铝基预涂层沉积在其切割边缘上。

焊接方法由混合激光TIG焊接（即与由配置有不可熔电极的TIG焊炬（“钨惰性气体”）产生的电弧组合的激光束）组成，或者由混合激光MIG（“金属惰性气体”）焊接（其中焊炬配置有可熔电极丝）组成。

然而，在使用该方法的焊接操作后热冲压的钢部件在焊缝金属区域的水平面上还表现出机械脆性。

事实上，不论在激光MIG焊接的情况下填充金属的比例为何，焊缝金属区域中的混合不足以防止具有高浓度铝的区域的形成，这导致在冷却期间在焊缝金属区域的水平面上缺乏马氏体的形成，从而机械强度不足。

为了获得期望水平的稀释，有必要添加大量的填充金属，这在一方面产生了通过与待焊接金属的焊接来熔化所添加金属的问题，另一方面在焊缝金属区域的水平面上对于成型过程和待焊接的所得部件而言不期望的大大过量厚度实际上在机动车行业中不能够满足质量标准。

发明内容

在该上下文中，本发明的目的是经焊接钢部件，其具有非常高的机械强度，即大于1230MPa，所述经焊接钢部件通过以下方式获得：将通过对接焊接至少两个板所获得的至少一个经焊接的坯件在奥氏体范围中加热，然后变形，所述至少两个板至少部分地由钢基材和预涂层构成，所述预涂层由外覆一层铝或铝基合金的金属合金的与所述钢基材相接触的金属间合金层组成。

本发明的一个特定目的是上述类型的经焊接钢部件，其中之前的变形由热成型组成并且其中焊缝金属区域的机械强度大于两个经焊接的板或者所述两个经焊接板中至少之一的机械强度。

对于该目的，通过本发明所获得的具有非常高的机械强度特性的经焊接的钢部件通过以下方式获得：将通过对接焊接至少第一板和第二板所获得的至少一个经焊接的坯件在奥氏体范围中加热，然后热成型，之后冷却，所述至少第一板和第二板至少部分地由钢基材和预涂层构成，所述预涂层由外覆铝或铝基合金的金属合金层的与钢基材相接触的金属间合金层构成，所述经焊接钢部件的基本特性在于从直接相邻于焊缝金属区域（该焊缝金属区域由焊接操作得到的并且构成第一板和第二板之间的接合部）的边缘除去金属合金层，同时保留金属间合金层，并且所述经焊接钢部件的基本特性在于，在至少一部分焊缝金属区域上，焊缝金属区域的碳含量与其中任何一个具有最高碳含量Cmax的第一板或第二板的基材的碳含量之间的比率为1.27至1.59。

本发明要求保护的经焊接钢部件的上述特性被转化为当焊接接头经历垂直于接头的单轴拉伸应力时在基底金属中的而不是在焊缝金属区域中发生的断裂。

本发明要求保护的经焊接钢部件还可具有单独或以所有可能技术组合考虑的下述任选特性：

-焊缝金属区域的硬度与具有较高碳含量Cmax的第一板或第二板的基材的硬度之间的比率大于1.029+(0.36Cmax)，其中Cmax表示为重量百分数。

-至少第一板或第二板的基材的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.10%≤C≤0.5%

0.5%≤Mn≤3%

0.1%≤Si≤1%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.2%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-至少所第一板或第二板的基材的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.4%

0.8%≤Mn≤2.3%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.03%

P≤0.05%

0.0005%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-至少第一板或第二板的基材的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.25%

0.8%≤Mn≤1.8%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤0.5%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.005%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-焊缝金属区域的碳含量小于或等于按重量计0.35%。

-预涂层的所述金属合金层包含以重量百分数表示的8%至11%的硅，2%至4%的铁，并且该组成的剩余部分由铝和不可避免的杂质组成。

-焊缝金属区域的显微组织不含铁素体。

-焊缝金属区域的显微组织为马氏体。

-经焊接的坯件的所述热成型通过热冲压操作进行。

-预定经历焊接操作的第一板和第二板的外围边缘的各自切割边缘不包含铝或铝合金，铝或铝合金的存在可由所述第一板和第二板各自的之前的切割操作所产生。

本发明还涉及用于制造上述经焊接的钢部件的方法。

对于该目的，根据本发明要求保护的方法，提供了至少第一钢板和第二钢板，其由钢基材和预涂层构成，所述预涂层由外覆铝或铝基合金的金属合金层的与钢基材相接触的金属间合金层组成，并且其中从预定经历焊接操作的第一钢板和第二钢板中每一个的一部分外围边缘的至少一个表面除去该金属合金层，在原地留下金属间合金层，从预定经历焊接操作的第一板和第二板的外围边缘的各自切割边缘除去铝或铝基合金（所述铝或铝基合金的存在可由第一板和第二板各自的之前的切割操作所产生），之后在经焊接区域的至少一部分长度上通过激光源和通过使用填充金属线在已除去金属合金层的这些第一钢板和第二钢板各自的外围边缘的水平面上对接焊接所述第一钢板和第二钢板，从而获得经焊接的坯件，其中由焊接操作造成的并且构成第一板和第二板之间结合的所述焊缝金属区域的碳含量是具有较高碳含量的板基材的碳含量的1.27至1.59倍，之后将所述经焊接的坯件加热以在经焊缝金属区域中给予其完全奥氏体组织，之后将所述经焊接的坯件热成型并加热以获得钢部件，之后将所述钢部件以受控的速率进行冷却以获得特定的机械强度特性。

用于制造本发明要求保护的经焊接的钢部件的方法还可包括单独或以所有可能技术组合考虑的下述任选特性：

-从第一钢板和第二钢板中每个的各自外围边缘的相反面除去金属合金层，在原地留下金属间合金层。

-在预定经历焊接操作的第一板和第二板的外围边缘的水平面上从中除去金属合金层的区域的宽度为0.2mm至2.2mm。

-至少第一板或第二板的基材的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.10%≤C≤0.5%

0.5%≤Mn≤3%

0.1%≤Si≤1%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.2%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-至少第一板或第二板的基材的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.4%

0.8%≤Mn≤2.3%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.03%

P≤0.05%

0.0005%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-至少第一板或第二板的基材的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.25%

0.8%≤Mn≤1.8%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤0.5%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.005%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-在焊接步骤期间，第一钢板和第二钢板的待焊接的外围边缘位于彼此相距0.1mm的最大距离处。

-在焊接操作期间激光源的线性焊接能量大于0.3kJ/cm。

-激光源为输出大于1.4kJ/cm的线性焊接能量的CO₂气体激光器类型或输出大于0.3kJ/cm的线性焊接能量的固态激光器类型。

-焊接速度为3米/分钟至8米/分钟，并且CO₂气体激光器的功率大于或等于7kW，固态激光器的功率大于或等于4kW。

-焊接步骤在氦和/或氩保护气体下进行。

-在焊接步骤期间，氦和/或氩的流量大于或等于15升/分钟。

-填充焊丝（filler wire）包含以重量百分数表示的以下元素：

0.6%≤C≤1.5%

1%≤Mn≤4%

0.1%≤Si≤0.6%

Cr≤2%

Ti≤0.2%

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-所述填充焊丝包含以重量百分数表示的以下元素：

0.65%≤C≤0.75%

1.95%≤Mn≤2.05%

0.35%≤Si≤0.45%

0.95%≤Cr≤1.05%

0.15%Ti≤0.25%

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

-填充金属相对于焊缝金属区域的体积的比例为12%至26%，并且焊接速度为3米/分钟至7米/分钟。

-由填充金属相对于焊缝金属区域的体积的上述比例和焊接速度组成的对在图8举例说明的范围内。

-由填充金属相对于焊缝金属区域的体积的上述比例和焊接速度组成的对满足下列组合的要求：

-填充金属相对于焊缝金属区域的体积的比例为12%至26%，以及

-焊接速度为3米/分钟至7米/分钟，以及

-当焊接速度大于3.5米/分钟时，那么由填充金属相对于焊缝金属区域（35）的体积的比例和焊接速度组成的对为使得Y≤-3.86X+39.5，其中Y表示以体积百分比表示的填充金属的比例，X表示以米/分钟表示的焊接速度。

-填充金属相对于焊缝金属区域（35）的体积的比例为14至16%，氦和/或氩流量为13升/分钟至17升/分钟，激光束（30）撞在板上的点的直径为500μm至700μm，填充焊丝（32）的最远点（32a）与板上激光束的冲击点的距离为2mm至3mm。

-在热成型步骤期间焊缝金属区域（35）的冷却速率大于或等于焊缝金属区域（35）的临界马氏体淬硬速率。

最后，本发明涉及上述钢部件用于制造用于车辆、尤其是机动车辆的结构部件或安全部件的用途。

附图说明

本发明的其他特性和优点参照附图详细描述于以下描述中，其仅通过示例的方式而无意于以限制性的方式提出，其中：

-以上提出的图1表示，对于现有技术的经焊接钢部件而言，基底金属的硬度和焊缝金属区域的硬度作为热冲压期间的冷却速率的函数的对比曲线，

-图2为用于实施本发明要求保护的方法的板的示意图，

-图3为本发明要求保护的方法的焊接操作开始的示意图，

-图4为本发明要求保护的方法的焊接操作结束的示意图，

-图5举例说明了，对于热冲压期间的两个不同冷却速率而言，根据在本发明要求保护的方法期间，焊缝金属区域的机械拉伸断裂强度作为焊缝金属区域中填料金属的百分比的函数的曲线，其中关于经焊接接头垂直地施加应力，

-图6举例说明了，作为焊缝金属区域的碳含量和基底金属的碳含量之间的比率的函数，基底金属中或焊缝金属区域中断裂的位置，

-图7为举例说明一个显微硬度曲线的实例的图，该显微硬度曲线为由不同厚度的两个板制造的并根据本发明冲压的经焊接钢部件的显微硬度曲线和相邻于焊缝金属区域的区域的显微硬度曲线（装载200g下的硬度），以及

-图8为举例说明在填充金属和焊接速度的方面中本发明要求保护的方法的最佳操作极限条件的图。

-图9举例说明了，对于不同的碳含量而言，作为温度的函数的焊缝金属区域中韧度的变化。

具体实施方式

在本发明要求保护的方法中，提供了在根据如公开EP971044中描述的称作连续“浸涂”的方法的熔融铝浴中通过浸渍而涂覆的两个板。术语板用于广义上作为通过从带材、卷材或板材切割而获得的任意带材或物体。

作为浸渍操作的目标的铝浴还可包含9%至10%的硅和2%至3.5%的铁。

构成板的钢衬底的钢表现出以重量百分数表示的以下组成：

0.10%≤C≤0.5%

0.5%≤Mn≤3%

0.1%≤Si≤1%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.2%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

优选地，钢的组成将为以下：

0.15%≤C≤0.4%

0.8%≤Mn≤2.3%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.03%

P≤0.05%

0.0005%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

甚至更优选地并且根据以下描述，钢的组成将为以下:

0.15%≤C≤0.25%

0.8%≤Mn≤1.8%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤0.5%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.005%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

待彼此焊接的板可具有相同或不同的组成。

在下文描述中在该阶段将称作“预涂层”的涂层表现出由板在铝浴中浸渍所得到的以下特性：参照图2，板4的预涂层3具有不同类型的两个层5、7。

首先，AlSiFe型的金属间合金层5与板4的钢基材6的表面相接触。该金属间合金层5由钢基材6和铝浴之间的反应得到。

另外，该金属间合金层5由形成预涂层3的表面层的金属合金层7作为顶部。

预涂层3存在于板4的两个相对面8a、8b上。

在本发明要求保护的方法中，在预定经历随后焊接操作的板4的外围9的水平面上除去金属合金层7。

在图2中，仅上表面8a是该除去的对象，但是有利地在板4的两个相对面8a、8b的水平面上外围地除去金属合金层7。

因此，在预定经历焊接操作的板4的外围9的水平面上保留金属间合金层5。

金属层7的移除可通过刷擦操作进行，因为除去的金属层7的硬度小于保留的金属间合金层5的硬度。

本领域技术人员应理解如何适应关于刷擦的参数以使得可在板4的外围9上除去金属层7。

还可直接对板4的外围9使用激光束除去金属合金层。

激光束和预涂层3之间的相互作用导致金属合金层7的蒸发和排出（expulsion）。

在板4之外围9的水平面上除去的金属合金层7的宽度为0.2毫米至2.2毫米。

另外，在板4的外围9的水平面上保留的金属间合金层5为约5μm厚。

金属合金层的这两种移除模式（刷擦和激光）为公开EP2007545的主题。

板4之前的切割操作以及上述除去金属合金层7的操作可包括在预定进行焊接操作的板4外围9的切割边缘10的水平面上的一部分预涂层3。因此，在该切割边缘10的水平面上有痕量的铝或铝合金。

根据本发明要求保护的方法，还通过在焊接操作之前刷擦来除去板4的切割边缘10的水平面上的这些痕量铝或铝合金。

参照图3，第一板11和第二板12（所述第一板11和第二板12的每一个均具有各自的基材25、26，并且每一个均具有其各自的相反的面13a、13b；14a、14b，以及由外覆金属合金层19、20的金属间合金层17、18组成的预涂层15、16）根据常规激光焊接技术通过第一板11和第二板12各自的外围21、22的接触而端对端地放置，在外围21、22上，一方面，在第一板11和第二板12的相反的面13a、13b；14a、14b的水平面上除去金属合金层19、20，并且还除去在切割边缘23、24上的在剪切操作期间从所述切割边缘23、24沉积的预涂层15、16。

两个板11、12的各自切割边缘23、24之间的最大距离为0.1mm，由此，两个板11、12的切割边缘23、24之间该清除区域的布置促进了在焊接操作期间填料金属的沉积。

如图3所举例说明的，根据本发明要求保护的方法的焊接操作由以下组成：在两个板11、12之间连接处的水平面上的定向激光束30，结合在激光束的撞击点31处熔融的填充焊丝32。因此，考虑中的焊接方法为利用填料金属的激光焊接。

所用的激光源必须是高功率的并且可选自波长为10微米的激光CO₂气体类型激光源或波长为1微米的固态激光源。

由于两个板11、12的厚度（所述厚度小于3mm），CO₂气体激光器的功率必须大于或等于7kW，而固态激光器的功率必须大于或等于4kW。

对于这两种类型的激光源而言，在其冲击在板上的点处激光束的直径必须为约600μm。

最后，板11和12之间的连接处上填充焊丝32的最远点32a，对于固态激光源而言在必须离激光束30的冲击点P约3mm，对于CO₂气体激光型激光源而言离激光束30约2mm。

这些条件使其可获得填充焊丝32的完全熔化以及在焊接的水平面上与钢基材令人满意的混合。

另外，这些功率将使其可使用足以防止氮化硼沉淀和/或其他偏析问题的焊接速度。

填充焊丝必须满足两个要求：

-第一，由该填充焊丝32添加的金属的量必须使得激光源能够使其完全熔化并且在焊接的水平面上产生相对均匀的混合物。另外，根据在汽车工业中现行的质量标准，所添加金属的量不允许导致比两个板的最低厚度多10%（如果所述两个板不是相同的厚度）的焊接的过多厚度。

-填充焊丝的组成与焊接过程的其他参数相组合还必须使其可获得这样的焊接，其机械强度特性在热成型和冷却之后与第一经焊接的板11和第二经焊接的板12的机械强度特性相当。

最后，在焊接步骤期间，必须提供保护气体的保护以防止正在焊接的区域的氧化和脱碳，以防止在焊缝金属区域中形成氮化硼以及由氢的吸收所导致的潜在冷裂现象。

该保护气体的保护通过使用氦和/或氩来实现。

参照图4，焊接操作导致在两个板11，12之间的连接处形成焊缝金属区域35，其随后凝固，从而形成焊接。术语“焊缝金属区域”用于确定甚至在该焊缝金属区域35凝固后的该焊接。

可对在热成型期间进行较少快速局部冷却的部分进行测量以仅在焊缝金属区域的长度的某些部分中添加填充焊丝并且不在剩余的接头中添加填充金属丝。

因此由焊接操作得到的经焊接的坯件37具有因为如上所述的之前除去金属合金层19、20所以不包含金属间合金的焊缝金属区域35。

另外，如图4所举例说明的，由于焊缝金属区域35的宽度小于不包含金属合金层19、20的焊接区域的宽度的事实，所以直接相邻于焊缝金属区域35的边缘36不含金属合金层19，20。

尽管图4举例说明了由第一板11和第二板12制造的经焊接的坯件的简单情况，但是在本发明要求保护的方法中可使用较多数目的彼此焊接的板。

之后，使由此获得的经焊接的坯件37经历加热过程以在该坯件的所有部分中获得奥氏体转变。之后，将该坯件进行热成型，优选地通过热冲压进行。该步骤之后是以下述讨论在冷却速率下在冲压模具中通过接触进行的冷却，并得到经焊接的钢部件。

在下面的描述中，提及经焊接的钢部件是指经焊接的坯件热冲压之后的成品件，其制造如上所述。

对于22MnB5型钢（C=0.20～0.25%，Mn=1.1～1.35%，Si=0.15～0.35%，Al=0.020～0.060%，Ti=0.020～0.050%，Cr=0.15～0.30%，B=0.002～0.004%，含量表示为重量百分数，并且余量由铁和来自加工的不可避免的杂质组成），下表1表示用于制造经焊接的钢部件的焊接方法的条件，其中焊接金属和热冲压区域的硬度至少等于两个板11、12中一个或另一个的硬度。

这些条件表示为焊接速度、填充金属相对于焊缝金属区域的体积百分比和以重量百分数表示的填充焊丝的化学组成。在氦和/或氩保护气体下以大于15升/分钟的流量用功率大于7千瓦的CO₂气体激光源和功率大于4千瓦的固态激光源进行确定这些边界条件的测试。

表1

在另一个实施例的框架中，用具有以重量百分数表示的以下所示组成的填充焊丝进行测试：C=0.7%、Si=0.4%、Mn=2%、Cr=1%和Ti=0.2，其余部分由铁和由加工造成的杂质组成。

在氦和/或氩保护气体下以大于15升/分钟的流量用功率大于7千瓦的CO₂气体激光源和用功率大于4千瓦的固态激光源进行确定这些边界条件的测试。不论所用的激光源如何，获得的并且以下表示的所有结果相似。

参照图8，对于填充金属的不同百分比和焊接速度，检测焊缝金属区域的外观和填充焊丝与熔融金属的混合的质量。

对于如附图标记40和41确定的实验点，在焊缝金属区域的稀释和表面外观的方面中，结果是令人满意的，而对于42确定的实验点，结果不令人满意。

图5举例说明了，对于30℃/秒和50℃/秒的两个冷却速率而言，作为填充金属在焊缝金属区域中的百分比的函数，热冲压的经焊接的钢部件的拉伸断裂强度。

如附图标记43确定的实验点对应于30℃/秒的冷却速率，如附图标记44确定的实验点对应于50℃/秒的冷却速率。这两个速率分别对应于由于部件和压模之间的紧密接触的有效热提取（50℃/秒）和由于较低闭合压力和/或待焊接板之间厚度差异的较少紧密接触的有效热提取（30℃/秒）。

当以50℃/秒的速率冷却热冲压的经焊接的坯件时，拉伸强度为1470MPa至1545MPa并且断裂发生在基底金属中。

当以30℃/秒的速率冷却热冲压的经焊接的坯件时并且当填充金属的体积比例为4.3%至11.5%时，断裂发生在焊缝金属区域中并且机械拉伸强度为1230MPa至1270MPa。

另一方面，当以30℃/秒的速率冷却热冲压的经焊接的坯件时并且当填充金属的体积比例为14.7%时，断裂发生在基底金属中并且机械强度为1410MPa。

因此，填充金属比例大于12%使其不仅在热冲压部件的经有效冷却区域中而且在经较少有效冷却区域中可系统地获得在焊接接头外的断裂。

图6举例说明了当焊接接头经受垂直于缝的单轴拉伸力时，根据焊缝金属区域的碳含量和基底金属的碳含量之间的比率，从参照图5表示的并且分别如图6中43a和44b确定的实验点43，44开始，在如步骤45上所示的基底金属中的或步骤46上所示的焊缝金属区域中的断裂位置。

已经示出，当该比率大于1.27（线D1）时，不管由于焊缝金属区域中铝的存在而产生的可淬硬性的改变，并且不管由部件和模具之间不完全接触造成的较慢冷却速率，断裂系统地发生在基底金属中。图6还示出了超过1.59的比率（线D2），特定的脆性出现。

焊缝金属区域的碳含量和基底金属的碳含量之间的最大比率1.59还通过确定当垂直于焊接方向施加应力时导致马氏体组织焊接的突然断裂（包含表面损坏）的临界条件。

为此目的，考虑两个板11，12的厚度w为3mm，以及焊缝金属区域中槽型缺陷的深度为板11、12的厚度的10%（即深度为0.3mm）的情况。

以MPa表示的应力强度因数K_I表示如下：

$K_I=\mathrm{k\σ}\sqrt{\mathrm{\πa}}$

其中

-k为形状因数，特别地根据比率a/w确定

-σ为施加至焊接的应力，以MPa表示，以及

-a为所讨论的缺陷的深度，以米表示。

为了评估应力强度因数，考虑巨大应力的情况，其中所施加的应力σ等于弹性极限Re。

下表2表示，对于马氏体显微组织，对于0.2%至0.4%之间变化的焊缝金属区域中碳的四个水平，弹性极限Re和应力强度因数K_I。

表2

参照图9，其示出了，对于在0.2至0.4%之间变化的碳含量和马氏体显微组织，作为温度的函数的临界应力强度因数K_IC的变化。曲线60涉及0.2%C的碳含量，曲线61涉及0.3%C的碳含量，曲线62涉及0.35%C的碳含量，以及曲线63涉及0.4%C的碳含量。

该图9表示对于每个碳含量水平表2中表示的应力强度因数K_I的值，分别地，0.2%C的碳含量确定为64，0.3%的碳含量为65，0.35%的碳含量为66，以及0.4%的碳含量为67。

因此，当在-50℃下韧度K_IC大于应力强度因数K_I时，消除了在该温度下焊接突然断裂的风险。

图9示出了该条件是令人满意的，前提是碳含量不超过0.35%。

结果是焊缝金属区域中最大碳含量为0.35%。考虑到由两个22MnB5型钢（即包含0.22%碳）的板制造的焊接接头，因此焊缝金属区域的碳含量和钢板的碳含量之间比率的极限值（超过该值在焊缝金属区域中有突然断裂的风险）为1.59。

另外，不期望如下事实，即该值超过1.27时断裂总发生在基底金属中，这是因为熔融金属的韧度随着碳含量增加而降低。结合在焊接接头中不可避免的应力集中的作用，对于最高碳水平而言，由于缺乏韧度，所以断裂更应发生在熔融金属中。

为此目的，如在以上特定条件下确定的，在-50℃下在焊接中突然断裂的风险与在该相同温度下在基底金属中突然断裂的风险相当，其中基底金属在其金属涂层的厚度中包含缺陷。

所讨论的缺陷为相当于金属合金涂层的厚度的30μm深的微缺陷。对于具有0.22%碳含量的22MnB5型钢，弹性极限Re为1250MPa。如果对该钢在等于其弹性极限的应力水平上施加应力，那么应力强度因数K_I为13.6MPa.

通过参照图9中附图标记68下的该字母值，可确定突然断裂在理论上应发生在焊缝金属区域中而并非在基底金属中。然而，与所预期的相反，本发明人发现当焊缝金属区域的碳含量和基底金属的碳含量之间的比率为1.27至1.59时，断裂系统地发生在基底金属中而并非在焊缝金属区域中。总之，本发明人发现在该特定范围中碳含量的增加使其可增加经热冲压部件的焊缝金属区域的强度特性，并且在该区域中突然断裂的风险不会有任何增加，其为完全意想不到的效果。

另外，本发明人力求限定简单的方法以在经热冲压部件中基于焊缝金属区域的和邻近基底金属的硬度特性来限定本发明要求保护的区域。焊缝金属区域的显著硬度与其马氏体显微组织有关，其不包含任何铁素体。已知具有马氏体组织的钢的硬度主要是其碳含量的函数。因此，可基于以上结果限定焊缝金属区域的硬度和所必须考虑的邻近基底金属的硬度之间的比率Z。

在不同组成的板的焊接的情况中，Cmax表示具有最高碳含量的板的碳含量。在相同板的焊接的情况中，Cmax表示它们的碳含量。当比率Z大于作为Cmax的函数的临界值（即1.029+(0.36Cmax)）时，在拉伸应力应用至焊接接头期间在基底金属中发生断裂。

因此，对于包含0.22%碳的相同板的焊接而言，当比率Z大于1.108时，即当焊缝金属区域的硬度超过基底金属的硬度约11%时，在基底金属中观察到断裂。

参照图7，对于15%填充金属的体积百分比以及对于经焊接板的不同厚度，曲线47和48表示在各自显微图像M1和M2上表示的经焊接区域的焊缝金属区域中和邻近区域中微硬度的演变。

对于曲线47，关于30℃/秒的冷却速率，在如显微图像M1中由虚线X1举例说明的最薄板的一半厚度在焊缝金属区域的侧面边缘的水平面上进行微硬度测量。

对于曲线48，关于50℃/秒的冷却速率，在如显微图像M2中由虚线X2举例说明的最薄板的一半厚度在焊缝金属区域的底部的水平面上进行微硬度测量。

参照图8，由阴影区域50限定对于上文限定的并包含0.7%碳的填充焊丝的特定组成而言在填充金属百分比和焊接速度的方面中优选的极限条件。

该区域50由四个边界51、52、53、54所限定。

第一边界51限定了填充金属百分比的下限。因此，填充金属的百分比必须大于12%以防止经焊接区域表现出太弱的机械强度特性。

第二边界52限定了填充金属百分比的上限。因此，填充金属的百分比必须小于26%，由于上述该限制，经焊接区域表现出与所需特性不相容的脆度。

第三边界53限定了焊接速度的下限。因此，焊接速度必须大于3米/分钟以获得令人满意的焊缝几何并防止氧化现象。

最后，第四边界54限定了焊接速度的上限并且为曲线的形状。

基于上述讨论的实验点40、41、42限定第四边界54，其中实验点42相当于这样的试样，其中填充金属和基底金属之间的混合不充分和/或焊接没有穿透至足够的深度。

另外，参照针对焊接操作的要求评估该第四边界54的曲线形状。

事实上，激光源熔化填充焊丝并造成相对均匀的混合的能力对填充焊丝最大百分比和焊接速度具有影响。

为此目的，例如，对于4米/分钟的焊接速度，填充焊丝的百分比不可大于约25%。

对于较高的焊接速度，必须限制填充金属的比例。

在该第四边界54的近似值中，评估穿过位于第四边界54的上部与第二边界52之间连接处的第一点56以及穿过位于第四边界54的下部与第一边界51之间连接处的第二点57的直线55的方程式。

该直线55的方程式为Y=3.86X+39.5，其中Y为填充金属的百分比并且X为以米/分钟表示的焊接速度。

因此，可大约假定，对于焊接速度大于3.5米/分钟，限定焊接速度的最大极限的第四边界由直线55限定。

因此，本发明使其可经济地制造用于汽车工业的结构部件和安全部件。

Claims (31)

1.一种具有非常高机械强度特性的经焊接的钢部件，其通过将由对接焊接至少第一板和第二板获得的至少一个经焊接的坯件在奥氏体范围中加热、然后热成型、之后冷却而获得，所述第一板和第二板至少部分地由钢基材和预涂层组成，所述预涂层由外覆铝或铝基合金的金属合金层的与所述钢基材相接触的金属间合金层构成，所述钢部件的特性在于，从直接相邻于由焊接操作得到的并且构成所述第一板和所述第二板（11、12）之间的接合部的焊缝金属区域（35）的边缘（36）除去所述金属合金层（19、20），同时保留所述金属间合金层（17、18），并且所述钢部件的特性在于，在至少一部分所述焊缝金属区域（35）中，其碳含量与所述第一板或所述第二板（11、12）的基材（25、26）中具有最高碳含量Cmax的基材（25、26）的碳含量之间的比率为1.27至1.59。

2.根据权利要求1所述的钢部件，其特性在于，所述焊缝金属区域（35）的硬度与所述第一板或所述第二板（11、12）的基材（25、26）中具有较高碳含量（Cmax）的那一个基材（25、26）的硬度之间的比率（Z）大于1.029+(0.36Cmax)，其中Cmax表示为重量百分数。

3.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，至少所述第一板或所述第二板（11、12）的所述基材（25、26）的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.10%≤C≤0.5%

0.5%≤Mn≤3%

0.1%≤Si≤1%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.2%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

4.根据权利要求3所述的钢部件，其特性在于，至少所述第一板或所述第二板（11、12）的所述基材（25、26）的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.4%

0.8%≤Mn≤2.3%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.03%

P≤0.05%

0.0005%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

5.根据权利要求3所述的钢部件，其特性在于，至少所述第一板或所述第二板（11、12）的所述基材（25、26）的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.25%

0.8%≤Mn≤1.8%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤0.5%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.005%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

6.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，所述焊缝金属区域（35）的碳含量按重量计小于或等于0.35%。

7.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，所述预涂层（15、16）的所述金属合金层（17、18）包含以重量百分数表示的8%至11%的硅，2%至4%的铁，其组成的其余部分由铝和不可避免的杂质组成。

8.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，所述焊缝金属区域（35）的显微组织不包含铁素体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，所述焊缝金属区域（35）的显微组织为马氏体。

10.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，所述经焊接的坯件的热成型通过热冲压操作进行。

11.根据前述权利要求中任一项所述的钢部件，其特性在于，从预定经历所述焊接操作的所述第一板（11）和第二板（12）的外围边缘（21、22）的各自切割边缘（23、24）除去铝或铝合金，所述铝或铝合金的存在可由所述第一板（11）和所述第二板（12）中各自之前的切割操作所造成。

12.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的经焊接的钢部件的方法，其包括如下连续步骤，其中：

-提供至少第一钢板（11）和第二钢板（12），所述第一钢板（11）和第二钢板（12）由钢基材（25，26）和预涂层（15，16）组成，所述预涂层（15，16）由外覆铝或铝基合金的金属合金层（19、20）的与所述钢基材相接触的金属间合金层（17、18）组成，其中在预定经历焊接操作的所述第一钢板（11）和第二钢板（12）各自的一部分外围边缘（21、22）的至少一个表面（13a、13b；14a、14b）上除去所述金属合金层（19、20），在原位留下所述金属间合金层（17、18），并且其中在预定经历所述焊接操作的所述第一板（11）和所述第二板（12）的外围边缘（21、22）的各自切割边缘（23、24）上除去铝或铝合金，所述铝或铝合金的存在可能由所述第一板（11）和第二板（12）各自的之前切割操作所造成，之后

-在焊接区域的至少一部分长度上通过使用填充焊丝（32）并且通过激光源（30）在已从中除去所述金属合金层（19、20）的这些第一钢板（11）和第二钢板（12）各自的外围边缘（21、22）的水平面上将这些第一钢板（11）和第二钢板（12）对接焊接，

-获得经焊接的坯件（37），其中由所述焊接操作造成的并且构成所述第一板（11）和第二板（12）之间接合部的所述焊缝金属区域（35）的碳含量为所述板（11、12）的基材（25、26）中具有较高碳含量者的碳含量的1.27至1.59倍，之后

-将该经焊接的坯件（37）加热以使所述焊缝金属区域（35）具有完全奥氏体组织，之后

-将该经焊接的坯件热成型并加热以获得钢部件，之后

-将该钢部件以受控的速率进行冷却以获得特定机械强度特性。

13.根据权利要求12所述的方法，其特性在于，已经从所述第一钢板（11）和第二钢板（11、12）中每个的各自外围边缘（21、22）的每个面对表面（13a、13b；14a、14b）除去所述金属合金层（19、20），在原位留下所述金属间合金层（17、18）。

14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，其特性在于，在预定经历所述焊接操作的所述第一板（11）和第二板（12）的外围边缘（21、22）的水平面上已经从中除去所述金属合金层（19、20）的区域的宽度为0.2mm至2.2mm。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特性在于，至少所述第一板或所述第二板（11、12）的所述基材（25、26）的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.10%≤C≤0.5%

0.5%≤Mn≤3%

0.1%≤Si≤1%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.2%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

16.根据权利要求15所述的方法，其特性在于，至少所述第一板或所述第二板（11、12）的所述基材（25、26）的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.4%

0.8%≤Mn≤2.3%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤1%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.03%

P≤0.05%

0.0005%≤B≤0.010%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

17.根据权利要求15所述的方法，其特性在于，至少所述第一板或所述第二板（11、12）的所述基材（25、26）的组成包含以重量百分数表示的以下元素：

0.15%≤C≤0.25%

0.8%≤Mn≤1.8%

0.1%≤Si≤0.35%

0.01%≤Cr≤0.5%

Ti≤0.1%

Al≤0.1%

S≤0.05%

P≤0.1%

0.0002%≤B≤0.005%，

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特性在于，在所述焊接步骤期间，所述第一钢板（11）和所述第二钢板（12）的待焊接的所述外围边缘（21、22）彼此相距的最大距离为0.1mm。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其特性在于，在所述焊接操作期间，所述激光源的线性焊接能量大于0.3kJ/cm。

20.根据权利要求19所述的方法，其特性在于，所述激光源为输出线性焊接能量大于1.4kJ/cm的CO₂气体激光器类型或输出线性焊接能量大于0.3kJ/cm的固态激光器类型。

21.根据权利要求19和20中任一项所述的方法，其特性在于，焊接速度为3米/分钟至8米/分钟，并且所述CO₂气体激光器的功率大于或等于7kW以及所述固态激光器的功率大于或等于4kW。

22.根据权利要求12至21中任一项所述的方法，其特性在于，所述焊接步骤在氦和/或氩保护气体下进行。

23.根据权利要求22所述的方法，其特性在于，在所述焊接步骤期间，所述氦和/或氩的流量大于或等于15升/分钟。

24.根据权利要求12至23中任一项所述的方法，其特性在于，所述填充焊丝包含以重量百分数表示的以下元素：

0.6%≤C≤1.5%

1%≤Mn≤4%

0.1%≤Si≤0.6%

Cr≤2%

Ti≤0.2%

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

25.根据权利要求24所述的方法，其特性在于，所述填充焊丝包含以重量百分数表示的以下元素：

0.65%≤C≤0.75%

1.95%≤Mn≤2.05%

0.35%≤Si≤0.45%

0.95%≤Cr≤1.05%

0.15%≤Ti≤0.25%

余量为铁和来自加工的不可避免的杂质。

26.根据权利要求25所述的方法，其特性在于，填充金属占所述焊缝金属区域（35）的体积的比例为12%至26%，并且所述焊接速度为3米/分钟至7米/分钟。

27.根据权利要求26所述的方法，其特性在于，由填充金属相对于所述焊缝金属区域（35）的体积的上述比例和所述焊接速度构成的组合落在图8所示的范围（50）内。

28.根据权利要求27所述的方法，其特性在于，由填充金属相对于所述焊缝金属区域（35）的体积的上述比例和所述焊接速度构成的组合满足下列要求：

-填充金属相对于所述焊缝金属区域（35）的体积的所述比例为12%至26%，以及

-所述焊接速度为3米/分钟至7米/分钟，以及

-当所述焊接速度大于3.5米/分钟时，由填充金属相对于所述焊缝金属区域（35）的体积的所述比例和所述焊接速度组成的组合为使得Y≤-3.86X+39.5，其中Y表示以体积百分比表示的填充金属的比例，X表示以米/分钟表示的所述焊接速度。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的方法，其特性在于，填充金属相对于所述焊缝金属区域（35）的体积的所述比例为14%至16%，所述氦和/或氩流量为13升/分钟至17升/分钟，所述板上激光束（30）的冲击点的直径为500μm至700μm，以及所述填充焊丝（32）的最远点（32a）相距所述板上所述激光束的冲击点的距离为2mm至3mm。

30.根据权利要求12至29中任一项所述的方法，其特性在于，在所述热成型步骤期间，所述焊缝金属区域（35）的冷却速率大于或等于所述焊缝金属区域（35）的临界马氏体淬硬速率。

31.权利要求1至10中任一项所述的钢部件用于制造用于车辆尤其是机动车辆的结构部件或安全部件的用途。