CN111801192A - 涂层钢板的焊接预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对具有铝硅防腐涂层的板材进行焊接的方法，其中，在焊接前，利用激光穿透焊接接头区域板材上的铝硅层和基材与防腐涂层之间的金属间层，从而使得，一方面铝硅层和下面的金属间层的材料被汽化并吸走，另一方面与基材发生反应且反应延伸入基材中，从而生成金属反应层或合金烧蚀层，金属反应层或合金烧蚀层包括来自基材的铁和合金元素以及来自铝硅层和金属间层的铝硅，金属反应层的厚度达到5μm至100μm。

Description

涂层钢板的焊接预处理方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的涂层钢板的焊接预处理方法。

背景技术

在现有技术中，使用不同厚度和/或不同成分的钢板来生产焊接板条，然后可以对焊接板条进一步加工，例如成形工艺或热处理。

这样做的目的是，不同厚度或不同成分可使得完全成形的工件在不同区域具有不同属性。

众所周知，焊接板还具有防腐涂层，特别是金属防腐涂层，如锌或铝涂层。

特别地，将高淬透性锰硼钢焊接在一起，用于制造车身的结构件。

这种由钢板组成的定制板条也称为“定制坯件”。

已知的焊接方法包括电弧焊、激光焊和激光电弧混合焊。

特别地，对于铝硅涂层钢板，当采用常规焊接方法焊接时，在焊接过程中铝硅层会引起问题。显然，涂层元素对焊缝成分有不利影响。

因此，提出了在焊接前移除某些子区域中铝硅层的策略，以减少焊缝中的铝硅浓度。

从现有技术中已知，利用焊条或添加粉末来焊接这类涂层板材。

DE102012111118B3公开了一种用于在对接接头处激光焊接一个或多个由能够加压淬火的钢材、特别是锰硼钢构成的工件的方法，该工件或这些工件具有至少1.8mm厚度和/或在对接接头处产生至少0.4mm厚度差异。通过将焊条引入由激光束产生的熔池中进行激光焊接。为了确保在热成型过程中焊缝能可靠地硬化为马氏体结构，焊条含有锰、铬、钼、硅和/或镍中至少一种合金元素，有利于合金元素在由激光束产生的熔池中形成奥氏体。该至少一种合金元素在焊条中的重量份额比工件的能够加压淬火的钢材中高出至少0.1重量％。

DE102014001979A1公开了一种用于在对接接头处激光焊接一个或多个由能够加压淬火的钢材、特别是锰硼钢构成的工件的方法，该工件或这些工件具有0.5mm至1.8mm的厚度和/或在对接接头处产生0.2mm至0.4mm的厚度差异。通过将焊条引入由激光束产生的熔池中进行激光焊接。为了确保在热成型过程中焊缝能可靠地硬化成马氏体结构，该焊条包含来自锰、铬、钼、硅和/或镍中的至少一种合金元素，有利于形成奥氏体。

EP2737971A1公开了一种拼焊板及其制造方法。将厚度或成分不同的板连接在一起来制造拼焊板，由此减少了焊接区域中的质量问题。该方法中还使用了焊条，使得焊接区域在800℃至950℃的温度范围内不产生铁素体。该方法被认为特别适用铝硅涂层板。焊条还包括较高含量的奥氏体稳定元素，尤其是碳或锰。

EP1878531B1公开了一种用于激光-电弧复合焊接具有表面涂层的金属工件的方法，目的是使表面涂层包含铝。激光束与至少一个电弧组合，以便熔化金属并焊接工件；并且，在焊接之前，至少一个工件在其一个侧向边缘的表面上沉积有铝硅涂层。

EP2942143B1公开了一种将两个坯件结合的方法。坯件包括具有铝或铝合金涂层的钢板，通过激光和电弧焊接在一起。电弧焊炬包括焊丝电极，焊丝电极由含有稳定元素的钢合金制成。激光和电弧沿焊接方向移动；并且在该焊接方向上，电弧焊炬位于激光束的前面。

EP2883646B1公开了一种将两个坯件结合的方法，其中，至少一个坯件包括铝层或铝合金层。在焊接过程中将金属粉末提供到焊接区，该金属粉末是包括γ稳定元素的铁基粉末。激光束焊接为两点激光束焊接。

EP2007545B1公开了一种用于制造具有优秀机械性能的焊接件的方法，其中，钢板具有由金属间层和位于金属间层上的金属合金层组成的涂层。在焊接这些板材时，应移除板材周缘，即要焊接的区域的金属间层上的金属合金层，该金属间层是铝合金层。在焊接前，用激光束移除该涂层，使得主要为铝硅的涂层汽化，以避免焊缝中铝的有害影响。另外，如果可能的话，应保留金属间层以抑制腐蚀。

US9604311B2公开了一种完全烧蚀工艺，在此工艺中金属层和金属间层被激光完全汽化。

完全烧蚀方法的不足之处在于，在焊接过程中或最晚在工件硬化过程中，完全没有铝硅层覆盖的区域的表面会产生氧化皮。这减小了接缝附近的横截面，因而基本上是不可取的。

部分烧蚀方法的不足之处在于，必须非常精准地操作以实现只移除铝硅层，而尽可能地保留金属间层。但是，这种操作并不是每次都能成功。另外，在部分烧蚀中保留的金属间层会导致焊缝中存在过多的铝，使得焊缝的稳定性不满足要求，从而令焊缝失效。这基本上也是不可取的。

然而，对于将粉末引入焊缝中的方法，计量粉末是相当困难的。

基本上，问题在于，在板材的铝硅层中，在焊接时，焊缝的强度不够高，这显然是因为铝与粉末一起被引入焊缝中。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接预处理方法，以可靠地产生牢固的焊缝。

通过具有权利要求1的特征的方法来实现上述目的。

优选的实施例则在从属权利要求中。

本发明认识到，可通过利用激光选择性地进行焊接准备来消除铝的不利影响，特别是一直存在的金属间层的不利影响，以此替代金属间层被完全消除的完全烧蚀，或者替代金属间层被保留的部分烧蚀，在进行的反应烧蚀中，金属间层以及铝硅层可能残留的剩余成分以及钢基材用于生成金属反应层，该反应层比金属间层厚得多，并延伸入基材中。在反应层中，铝和硅被分散到一定程度从而实现合金化，一方面，这确实可以防止氧化皮的形成，但是，无法评估对焊缝强度造成的负面影响。然而，根据本发明，这只有在对激光的选择性引导下才能成功。

本发明研究发现，必须避免铝的不利影响，但铝的引入不可避免，因此需抵消引入铝带来的影响。

在现有技术中，为实现此目的执行的部分烧蚀程序必须非常精确地引导激光，以便实现期望的部分烧蚀。

实际上，不能可靠地实现部分烧蚀，因此焊缝不具有可再现性。

焊缝在其整个长度上的相对特性比其绝对特性更为重要，因此，相较于焊缝几个区域中与拉伸强度有关的峰值，应更关注焊缝在其整个长度上的均匀性能，以产生可靠的组件。

另一方面，发明人还认识到，即使在根据现有技术的完全烧蚀过程中，移除整个铝硅层，波动会导致焊缝边缘的承载截面明显减小，从而产生与部分烧蚀一样令人无法接受的缺陷。

发明人认识到，根据现有技术的两种方法，即完全烧蚀和只有覆盖层没有金属间层的部分烧蚀，产生了两个极端。利用现有技术的部分烧蚀，残留过量的铝会损害焊缝。完全烧蚀虽然可避免铝的存在，但在硬化过程中，氧化皮及脱碳的产生对连接的承载截面造成不利影响。

然而，发明人认识到，一定百分比的铝是无害的，可以实现稳定的烧蚀过程，在采用这种方式预处理的板材被焊接后，产生与硬化基材具有相同承载力的焊缝。当铝含量的质量百分比小于11.3％，优选小于10％，特别优选小于8％，反应层表现出有利特性。因为在这种情况下，对焊缝的伤害可以大大减少。

金属反应层中少量的铝不会形成金属间相，而是以可溶形式存在于铁素体中。并且事实证明，少量的铝反而能防止脱碳和氧化皮形成。发明人认识到，铝的质量百分比大于1％时，优选大于2％，可使层具有最佳性能。因为在这种情况下，一方面，不再存在金属间相，另一方面，足够的铝可对基材提供相应的保护。

因此，当反应层中铝含量的质量百分比为1％至11.3％时，优选1.5％至10％，特别优选2％至8％，可获得最佳的层性能。

以这种方式产生的富铝反应层的厚度为5μm至100μm，优选为15μm至80μm，尤其为20μm至70μm，特别优选为20μm至50μm，其中，通过脉冲激光进行烧蚀。

例如，适当调整是脉冲长度为70纳秒，脉冲频率为14千赫兹，以及平均功率为1606瓦。

这样，使得在2.4×0.4mm的光束聚焦下能够获得9米/分钟的烧蚀速度。

附图说明

将基于附图并通过示例来说明本发明。在这些附图中：

图1示出了根据现有技术的完全烧蚀；

图2示出了根据现有技术的部分烧蚀；

图3示出了根据本发明的合金烧蚀；

图4示出了在热处理前，钢板上铝硅涂层的电子显微镜图像；

图5示出了在未硬化状态下，具有铝硅涂层和部分烧蚀轨迹的钢板的电子显微镜图像；

图6示出了图5所示部分烧蚀轨迹的电子显微镜图像和光学显微镜图像；

图7示出了图6所示的未硬化部分烧蚀层的细节；

图8示出了完全烧蚀轨迹的光学显微镜图像；

图9示出了图8所示完全烧蚀轨迹的放大图；

图10示出了处于硬化状态的图9的完全烧蚀轨迹；

图11以电子显微镜图像和光学显微镜图像对比的方式示出了处于未硬化状态的根据本发明的合金烧蚀；

图12在放大光学显微镜图中示出了处于未硬化状态的合金烧蚀轨迹；

图13示出了处于未硬化状态的放大电子显微镜图像；

图14在具有元素识别的光学显微镜图像和电子显微镜图像中，示出了处于硬化状态的合金化烧蚀轨迹；

图15示出了已根据本发明进行了焊接准备，处于已焊接和未硬化状态的组件；

图16示出了图16硬化后的组件；

图17示出了烧蚀和焊接的参数；

图18示出了已根据本发明进行了焊接预处理，处于未硬化状态的组件的焊缝边缘区域的细节；

图19示出了图19处于硬化状态的组件；

图20示出了根据本发明的完全烧蚀、部分烧蚀和合金烧蚀的测试参数。

具体实施方式

已知的是，可硬化钢可以设置防腐蚀层，特别是用于保护钢材在硬化期间不受腐蚀的防腐蚀层。硬化通常以如下方式进行：将钢材奥氏体化，然后淬火硬化，使得奥氏体部分或完全转变成马氏体，从而导致硬化。此方式的通常温度远高于800℃。在此温度下，如果未设置防止脱碳和氧化发生的层，则钢材表面会发生氧化和脱碳。

例如，典型的可硬化钢具有以下一般合金成分(所有指标均以质量百分比表示)：

余量的铁和冶炼相关杂质。

特别合适的钢材是具有以下合金成分的钢材：

余量的铁和冶炼相关杂质。

一种特别合适的钢材具有以下合金成分：

余量的铁和冶炼相关杂质。

上述钢材显然也适用于本发明。

图1示出了根据现有技术的完全烧蚀。图中示出了已施加铝硅层的基材。在热浸涂过程中，由于基材与铝硅涂层在高温下发生反应，因而，二者之间不可避免地形成金属间区域或金属间层。在这种情况下，金属间层的厚度约为3μm至10μm，而铝硅层的厚度约为25μm至30μm。因此，在每平方米使用60克铝硅的常规涂层过程中，典型的总层厚为19μm至35μm。该层的整体层分析为由铝和8至11％的硅以及2至4％的铁组成。在完全烧蚀过程中，入射激光束附近的喷嘴和抽气机用于抽吸产生的金属蒸汽和熔滴。

图2示出了部分烧蚀过程。图中可见基材上的铝硅层和二者之间的金属间层。在这种方法中，激光束被引导，使得金属间层被留下，而铝硅层被激光束汽化后再相应地被吸走。

图3示出了根据本发明的反应或合金烧蚀。图中可见基材和铝硅层之间仍然存在金属间层。在这种方法中，也使用了喷嘴和抽气机。但是，激光束影响铝硅层和金属间区域以及基材，并且在激光束移除铝硅层和金属间层的初始形态后，生成金属反应层。该金属反应层延伸入基材中，并且其中检测不到铝硅层或金属间层。因此，根据本发明，激光束产生了完全分离的金属反应层，该金属反应层为在激光束的影响下基于反应区域中的金属反应产生。在这种方法中，反应层本身可以从原基材表面延伸入基材5μm至50μm，且总层厚为5μm至100μm，优选为20μm至50μm。

图20示出了部分烧蚀、完全烧蚀以及反应烧蚀或合金烧蚀的参数。部分烧蚀以8.5米/分钟的速度和56纳秒的脉冲持续时间进行。平均烧蚀功率为923瓦，烧蚀频率为10千赫兹，以及喷嘴压力为0.5巴的正压。完全烧蚀以同样的烧蚀速度8.5米/分钟进行，但在频率12千赫兹下的脉冲持续时间为64纳秒，平均烧蚀功率为1191瓦。这种方法中的喷嘴压力与部分烧蚀的喷嘴压力相同。

合金烧蚀以相同的烧蚀速度进行，但是与部分烧蚀和完全烧蚀相比，脉冲持续时间增加到91纳秒，并且在18千赫兹的频率下使用的烧蚀功率为1702瓦。这种方法中的喷嘴压力也为0.5巴的正压。

图4示出了在大型工业中应用钢板上的典型铝硅涂层。图中示出了铝硅涂层的初始状态，即在热处理前涂层板的交付状态。需要注意的是，对用于制造汽车结构件的常规板材的热处理包括对这些板材进行奥氏体化和淬火硬化，这意味着在热处理中，板材温度通常会超过900℃，但至少一个温度高于对应钢合金的Ac₃温度点。在这种方式中，总层厚为31μm，其中金属间层的层厚为6μm。金属间层由符合通式Fe_xAl_ySi_z和Fe_xAl_y的成分组成。在金属间区域，能量色散X射线光谱仪(EDX)分析显示，铝含量为55.8％，铁含量为33.5％，以及硅含量为10.3％。特别地，基材为用于生产这些工件的一种常用钢22MnB5。然而，适用于此的硼锰钢族显然更大，明显地不限于22MnB5。

图5示出了与图4中涂层类似的涂层，但是该涂层在未硬化状态下具有根据现有技术的部分烧蚀轨迹。图5的左侧区域示出了未受影响的具有金属间区域的铝硅涂层，如图4所示。右侧区域示出了部分烧蚀轨迹，其中金属间层的厚度约为5μm。在部分烧蚀区域和涂层区域之间，可以看到过渡区域，该过渡区域中的涂层由于激光束热影响而发生了变化。

为便于对比，图6再次示出了与相同区域的光学显微镜图像呈现相同状态的状态图，其中，光学显微镜图像清晰地示出了部分烧蚀区域、烧蚀与涂层之间的过渡区域以及铝硅涂层区域的光学显微镜图像。

图7再次示出了部分烧蚀区域中残留的约5μm厚的金属间层以及其下基材的放大细节。部分烧蚀对金属间层也有一定的影响，是由于现在铁含量为68.7％，铝含量为26.7％，硅含量为3.9％，以及锰含量为0.7％。因此，可清楚的看出，在激光束热量的影响下发生了进一步的反应，使得铝含量降低，而铁含量和硅含量增加。另外，锰含量的增加表明与硼锰钢发生了反应。

图8示出了未硬化状态下的完全烧蚀区域的显微照片。在完全烧蚀区域中，可见烧蚀过程的热影响区域；而在此区域之外，可见铝硅层和金属间层。烧蚀残留在它们上面，下面是基材。图9中该区域的放大图示出了过渡区域，过渡区域中的铝硅层由于激光热量的影响而再次发生了改变。

图10示出了硬化状态，即将之前已经完全烧蚀的板材进行奥氏体化和淬火硬化后产生的状态。硬化还改变了金属间层上的铝硅涂层。特别地，后者当前由一般成分Al_xFe_y、Al_xFe_ySi_z和α-Fe组成。在完全烧蚀区域中，在脱碳区域可见氧化皮层，即在这种情况下，硬化，特别是热处理硬化，即奥氏体化，导致基材表面氧化(氧化皮)，形成主要由铁的氧化物和合金元素构成的氧化物；而在上部区域，通过热处理将硬化所需的碳从钢材中减少，且通过氧化去除。

在根据本发明的合金或反应烧蚀中(图11)，可以清楚地看到，在未硬化状态下，残留的是白色反应层，而不是金属间层和/或纯基材层，如图12右侧所示。对该白色金属反应层进行元素分析表明，铁含量为91.3％，铝含量为6％，硅含量为1.2％，锰含量为1.2％，以及铬含量为0.2％。较高的锰和铬含量表明与基材发生了剧烈反应。事实证明，残留6％的铝和1.2％的硅对用这种板材产生的焊缝的承载力来说是绝对无关紧要的。

图12再次示出了对应区域的光学显微镜图像。

图13再次示出了反应层的放大区域以及到铝硅涂层的过渡区域。

在硬化状态下，与此类板的所有已知焊接预处理方法相比，根据本发明的反应层具有极大的优越性(图14)。在硬化状态下，形成清晰的反应层，而基材完全不受影响，具体地，在基材上没有发生脱碳或生成氧化皮。可以清楚地看到，在硬化后的反应层中(图15，底部)，铁含量进一步增加，而铝和硅含量有所下降，锰含量和铬含量又再次略有增加。然而，该反应层提供了良好的防腐效果。

如果将根据本发明制备的组件焊接到同类型的另一个组件上，则会产生图15所示的未硬化状态。图16示出了硬化状态。在此可清楚地看到，显示为白色的反应烧蚀区或合金烧蚀区可靠地保护了下面的材料。图17示出了参数；对于这种情况，在频率为18千赫兹和喷嘴压力为1.5巴正压的情况下，使用8.5米/分钟的烧蚀速度和1702瓦的平均烧蚀功率。同样以每分钟8.5米的速度，4920瓦的焊接功率，以及每分钟15升氩气的气体流量进行焊接。

图18示出了在未硬化区域中向焊缝的过渡，最左边为铝硅层加金属间层，中间区域为反应层，最右边为焊缝。在硬化状态下(图19)，在金属间层的最右边可以看到经热处理转化生成的铝硅层，在中间区域可以看到清晰形成的反应层，在反应层的旁边为焊缝。

硬化在930℃的炉温下进行，且炉停时间为5分10秒。冷却的转移时间为8秒，其中，冷却在水冷片中进行。

所用的烧蚀激光器是Powerlase公司生产的i1600E-60型激光器。烧蚀激光光学器件的焦点几何尺寸为2.4x 0.4mm²，其中0.4mm在烧蚀前进方向上。聚焦透镜的焦距约为150mm。可以从Andritz Soutec公司订购激光光学器件，订单号为62-515781。测试中使用的抽气罩也由Andritz Soutec公司生产，可以从Andritz Soutec上订购商品名为“Souspeed”的烧蚀抽气罩，订单号为64-515460。利用给定的参数和上述设备，能够可靠地再现与本发明相符的结果。

因此，本发明的优点在于，一方面，提出了一种抑制氧化皮生成和边缘脱碳的方法；另一方面，在不增加方法复杂度的情况下，避免了金属间或软铁素体相的形成。另外，不会减小承载截面。

Claims (14)

1.一种对由可硬化钢材料制成并具有铝硅防腐涂层的钢板进行焊接预处理的方法，其特征在于，在需要焊接边缘的区域，利用激光束穿过板材上的铝硅层和下面的金属间层以及下面的基材，从而使得，一方面，所述铝硅层和下面的所述金属间层的材料被汽化并吸走，另一方面，与所述基材发生反应且所述反应延伸入所述基材中，从而生成金属反应烧蚀层或合金烧蚀层，所述金属反应烧蚀层或所述合金烧蚀层包括来自所述基材的铁和合金元素以及来自所述铝硅层和所述金属间层的铝硅，所述反应层的厚度达到5μm至100μm，尤其为20μm至50μm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，前进速度V_abl为4米/分钟至30米/分钟，尤其为7米/分钟至15米/分钟；激光器以脉冲方式工作，脉冲持续时间为20纳秒至150纳秒，尤其为30纳秒至100纳秒，以及频率在1千赫兹至100千赫兹，尤其在10千赫兹至30千赫兹，平均烧蚀功率在500瓦至5000瓦，尤其在1000瓦至2000瓦。

3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，执行所述方法使得在所述焊接预处理后，所述金属反应层中的铝含量不超过11.3％，优选不超过10％，更优选不超过8％(质量百分比)。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，执行所述方法使得在所述焊接预处理后，所述金属反应层中的铝含量大于1％，优选大于2％(质量百分比)。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述基材选用通过奥氏体化和淬火硬化处理而硬化的硼锰钢，特别地，选用22MnB5钢族中的一种。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述基材选用包括以下一般合金成分(质量百分比)的钢材：

余量的铁和冶炼相关杂质。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述基材选用包括以下一般合金成分(质量百分比)的钢材：

余量的铁和冶炼相关杂质。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述基材选用包括以下合金成分的钢材：C＝0.20，Si＝0.18，Mn＝2.01，P＝0.0062，S＝0.001，Al＝0.054，Cr＝0.03，Ti＝0.032，B＝0.0030，M＝0.0041，余量的铁，和冶炼相关杂质；其中，所有上述指标均以质量百分比表示。

9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述反应烧蚀层或所述合金烧蚀层距接头或对接接头的宽度为0.4mm至2.4mm。

10.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，利用压力范围在0.1巴至20巴之间，尤其在0.3巴至5巴之间的合适喷嘴和抽气装置，将产生的蒸汽和熔融颗粒从焊接接头处输送走。

11.一种根据前述任一项权利要求所述的方法生产制备以用于焊接的板条。

12.一种根据权利要求11所述的板条制成的焊接组件。

13.一种根据权利要求12所述的板条的应用，所述板条经过根据权利要求1至10中任一项所述的焊接处理以用于生产焊接组件，其特征在于，所述板条通过烧蚀接头相互抵靠放置并通过激光进行焊接。

14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于，在焊接期间，将焊条引入所述焊缝中。

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