CN111360406B - 一种由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，本发明首先采用预热热源对相邻板材对接处两侧的区域进行预热，使加热板材热影响区表面的预镀层熔化流动到预热后形成的热熔化区域附近，然后再对板材进行激光焊接，从而减少板材焊接后形成的焊缝表面的镀层量，使其远离焊缝，特别是热影响区，减少其在焊缝区的金属间化合物，提高了焊缝的强度。

Description

一种由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，特别是涉及汽车、航空航天、船舶等领域中镀层钢板用于激光焊接的方法。

背景技术

在汽车、航空航天等领域中，一般要求制造零部件的板材具有较高的防腐蚀性能，在板材表面涂覆锌、铝等镀层可以增加板材的耐腐蚀性能，所以越来越多的表面具有镀层的板材得到应用。由于通过冷轧或热轧的方法所制造的表面涂镀铝或铝合金的钢材不仅具有较好的防腐蚀性能，而且还具有耐高温性能，所以表面涂镀有铝合金的钢板经常被应用于汽车车身的制造中，例如门加强件、B柱结构件、车顶加强件等部位，特别是在具有超高强度的热冲压板件上的应用，以此来达到车身零部件具有较高的防腐蚀性能，减小汽车车身重量，提高碰撞吸收能量的目的。

在汽车制造业中，为了降低车重，实现轻量化目标，越来越多的等厚、不等厚、同质、不同质的板材先通过焊接，然后再对焊接件进行冲压制造，从而可以达到更好的减重效果和降低成本。而激光焊接方法是这种途径的优选方法，具有更高的质量、更高的效率和更好的灵活性，称之为“激光拼焊板”。

但是，当激光焊接表面涂镀有铝或铝合金的板材时，板材表面上的涂镀层会进入熔化区域内，特别是进入焊缝的受热热影响区，进入热影响区的镀层会在钢材基材的枝晶空间内，在随后加热基材奥氏体化过程中，铝就会与铁或其他成分相互扩散而合金化形成金属间化合物残留于热影响区，而由于焊缝热影响区强度较弱，焊件在以后的机械载荷的作用下，往往焊接部件的焊缝失效区就在热影响区，这些金属间化合物就会成为失效裂纹的初始位置，严重削弱焊接接头的承载能力，所以去除或减少涂镀层进入焊缝热影响区域是十分必要的。

目前，消除上述影响的方法主要是预先通过机械方法、激光方法或其他方法去除表面的涂镀层，以此来阻止其进入焊缝，但是这种方法存在着成本高、工艺复杂等问题，所以需要一种更好的方法来实现对表面涂镀板的高效率激光焊接。

发明内容

为解决以上问题我们发明了一种在激光焊接前利用预热热源在焊缝两侧进行预热，引导焊缝表面涂镀层流动远离焊缝，进而在后续的激光焊接过程中减少涂镀层进入焊缝中特别是热影响区的方法，来弱化涂镀层对焊缝力学性能的影响，从而提高焊缝强度。

为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，包括如下步骤：

(a)提供两块或两块以上由钢制的基体和预镀层构成的板材，将各个板材的端面彼此对接；

(b)采用两预热热源对相邻两块板材对接处两侧进行预热，使板材表面的预镀层熔化蒸发；

(c)对相邻两块板材对接处采用激光焊接光源进行照射，使相邻两块板材焊接在一起。

在另一优选例中，所述预镀层为铝合金或为铝基。

在另一优选例中，所述预镀层按重量计成分为：6-12％的硅，1-5％的铁，其余组分为铝或必然的杂质。

在另一优选例中，所述预热的温度为1000℃-1500℃。

在另一优选例中，所述两预热热源以相邻两块板材对接处为对称中心对称设置。

在另一优选例中，所述预热热源为TIG焊接热源或激光光源。

在另一优选例中，所述预热热源中心距离所述相邻两块板材对接处的距离为0.1-2.5mm。

在另一优选例中，所述板材的厚度为0.5-3mm。

在另一优选例中，所述预热热源中心与激光焊接光源中心在焊接方向上的间距为0.5-10mm。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明的技术原理为：先采用预热热源对相邻板材对接处两侧的区域加热到镀层熔化蒸发的程度，相邻板材焊缝区表面的镀层会熔化流动到热熔化区域边缘附近，然后再采用激光焊接光源对板材进行焊接，从而减少最终形成的焊缝表面的镀层量，使其远离焊缝，特别是热影响区，减少其在焊缝区的金属间化合物，提高了焊缝的强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。

图1表示本发明实施方式的示意图。

图2表示图1中两块对接板材的俯视图。

图3(a)，图3(b)，图3(c)表示本发明实施例1的焊接步骤。

图4表示本发明中使用实施例2的焊接方法焊接预镀层钢板采用TIG热源预热后的截面图。

附图标记，1，2为由钢制的基体和预镀层构成的板材，3为钢制基体表面的预镀层，4为使用预热热源预热后形成的热熔化区，5为第一预热热源，6为第二预热热源，7为激光焊接光源，8焊缝。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量试验，发现了在激光焊接前可以利用对称热源在焊缝两侧进行预热来抑制预镀层材料引起的焊接质量不好的问题，在此基础上完成了本发明。

术语

如本文所用术语“预镀层”是指在钢质基体表面通过电镀或热镀工艺在钢制基体表面镀的铝合金或铝基材，通过铝元素与钢中铁或其他成分扩散形成的金属间化合物层。

如图1所示为本发明实施方式的示意图，图2为图1中两块对接板材的俯视图，图中板材是指由钢制的基体和预镀层构成的板材，以图1和图2为例，本发明方法实施方式包括以下步骤，首先，将两块等厚板材的端面彼此对接；然后，采用两个预热热源对两块板材对接处两侧的区域进行加热，以使板材热影响区的镀层熔化并蒸发；最后，采用激光焊接光源对两板材对接处进行焊接，形成焊缝。焊接激光光源位于两个预热热源的后侧且位于两块钢板对接处的正上方，上述所指的焊接后侧指的是与图2中焊接方向相反的方向，板材热影响区指的最终焊缝两侧未熔化区域但受到热量影响作用区域，热熔化区指的是预热热源作用区域4。

优选地，两个预热热源以两块板材的对接处为对称中心对称设置，如图2所示，图中d2为两个预热热源中心之间的间距，也就是上述所说的热影响区所指的范围，间距d2的大小为0.2-5mm，优选地为0.4-3mm；图中d1为预热热源与激光焊接光源的中心在焊接方向上的间距，间距d1的大小为0.5-10mm，优选地为1-10mm。在实际焊接中，d1和d2的数值大小根据钢板的厚度、镀层的厚度以及镀层的种类不同进行调节。

优选地，预镀层为铝合金或铝基，厚度为3-40μm，预镀层按重量计成分为：6-12％的硅，1-5％的铁，而其余组分为铝或必然的杂质。

需要说明的是，本发明焊接方法所焊接的板材不一定为两块，也包括多块焊接钢板依次对接进行焊接的情形。两预热热源与激光焊接光源可以为设置在同一个热源装置上的一个整体也可以为分开设置在不同的热源装置上的个体。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

图3(a)，图3(b)，图3(c)为本实施例的焊接步骤，首先，将两个钢制基体厚度为1.2mm，预镀层厚度为40um的板材1和2的端面彼此对接，如图3(a)所示；然后，采用第一激光光源5和第二激光光源6对两块板材1和2对接处两侧的区域进行加热，如图3(b)所示；最后，采用焊接激光光源7对板材1和2对接处进行焊接，形成焊缝8，此处所指预镀层为铝合金。

其中，激光光源5和6以两块板材的对接处为对称中心对称设置，焊接激光光源7位于激光光源5和6的后侧且位于板材1和2对接处的正上方，此处所说的焊接后侧指的是与图2中焊接方向相反的方向；第一激光光源和第二激光光源对两块板材对接处两侧区域进行加热的温度为1000℃；激光光源5中心与激光焊接光源7中心在焊接方向上的间距为10mm，激光光源5中心距离两块板材对接处的距离为0.1-2.5mm。

第一激光光源5、第二激光光源6与激光焊接光源7是设置在同一个装置上的一个整体，均以0.5m/min-10m/min的速度沿着焊接方向前进。

焊接时先采用对称分布的激光光源5、6使板材1、2对接处两侧的镀层3熔化，熔化后镀层3流动到预热光源预热后形成的热熔化区4的边缘附近，再采用激光焊接光源7对相邻板材的对接处进行焊接，从而减少最终形成的焊缝8上下表面的镀层量，使其远离焊缝特别是热影响区，减少其在焊缝区的金属间化合物，从而提高了焊缝8的强度。

实施例2

本实施例与实施例1类似，与之不同的是本实施例的两个预热热源为TIG焊炬。

本实施例的焊接结果如图4所示，从图中可以看到，在预热源TIG焊炬的作用下，热影响区的预镀层3流向了预热热源熔化区，当激光焊接光源对两板材进行焊接时大大减小了预镀层对热影响区的影响。

Claims (8)

1.一种由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)提供两块或两块以上由钢制的基体和预镀层构成的板材，将各个板材的端面无缝隙地彼此对接，其中所述预镀层厚度为3-40μm；

(b)采用两预热热源对相邻两块板材对接处两侧进行预热，使板材热影响区的预镀层熔化蒸发，板材热影响区指的最终焊缝两侧未熔化区域但受到热量影响作用区域；

(c)对相邻两块板材对接处采用激光焊接光源进行照射，使相邻两块板材焊接在一起，

所述预热热源中心距离所述相邻两块板材对接处的距离为0.1-2.5mm，所述两预热热源以相邻两块板材对接处为对称中心对称设置，d2为两个预热热源中心之间的间距或板材热影响区所指的范围，所述预热的温度为1000℃-1500℃，两预热热源使两块板材对接处两侧的镀层(3)熔化，熔化后镀层(3)流动到预热光源预热后形成的热熔化区(4)的边缘附近，再采用激光焊接光源(7)对相邻板材的对接处进行焊接，从而减少最终形成的焊缝(8)上下表面的镀层量。

2.如权利要求1所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，所述预镀层为铝合金或为铝基。

3.如权利要求2所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，所述预镀层按重量计成分为：6-12％的硅，1-5％的铁，其余组分为铝或必然的杂质。

4.如权利要求1所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，激光焊接光源位于两个预热热源的后侧且位于两块板材对接处的正上方。

5.如权利要求1所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，所述预热热源为TIG焊接热源或激光光源。

6.如权利要求1所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，所述板材的厚度为0.5-3mm。

7.如权利要求1所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，两预热热源与激光焊接光源可以为设置在同一个热源装置上的一个整体也可以为分开设置在不同的热源装置上的个体。

8.如权利要求1所述的由钢制的基体和预镀层构成的板材的激光焊接方法，其特征在于，所述预热热源中心与激光焊接光源中心在焊接方向上的间距为0.5-10mm。

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