焊接坯件组件及方法
【专利摘要】焊接坯件组件(140)通过将分开的金属板材件(112、112’)的边缘区域(120、120’)在焊接接头(148)处焊接在一起而形成。金属板材件中的一个或多个包括涂覆材料层(118)和焊接凹口(130、130’)，其中，涂覆材料层中的至少一些在焊接之前被从一个或多个边缘区域去除，以使得焊接接头基本上不包括涂覆材料层的成分。可在焊接接头形成过程中将附加材料(156、158)添加至焊池(144)中以影响所形成的焊接接头的尺寸、形状和/或成分，从而帮助补偿焊接凹口的存在。
【专利说明】焊接坯件组件及方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以下美国临时申请的权益，并且通过引用将以下美国临时申请并于本文:于2012年6月29日提交的第61/666，388号美国临时申请、于2012年9月17日提交的第61/701，909号美国临时申请、于2012年11月30日提交的第61/731，497号美国临时申请以及于2013年3月14日提交的第61/784，184号美国临时申请。
【技术领域】
[0003]本公开大体涉及焊接坯件组件，更具体地，涉及将具有涂覆材料层的金属板材件焊接在一起以形成焊接坯件组件。
【背景技术】
[0004]为了提高对腐蚀、结垢和/或其他过程的抵抗力，由高强度钢合金或可硬化钢合金制成的金属板材现在被制造成具有一个或多个薄涂覆材料层，诸如铝基层和锌基层。虽然这些涂覆材料层可赋予金属板材所期望的品质，但是它们的存在也会污染焊接处，从而降低焊接强度、完整性等。如果具有涂覆材料层的金属板材件进行对接焊接或搭接焊接至另一金属板材件，则尤甚。
【发明内容】
[0005]根据一个实施方式，制作焊接坯件组件的方法包括以下步骤:(a)提供具有厚度0\)的第一金属板材件以及具有厚度(τ2)的第二金属板材件，第一金属板材件和第二金属板材件中的至少一个为具有涂覆材料层的金属板材件并且具有带焊接凹口的边缘区域，其中，涂覆材料层在焊接凹口处的材料被去除；(b)在边缘区域将第一金属板材件和第二金属板材件设置在一起；以及(c)形成位于边缘区域的在第一金属板材件与第二金属板材件之间的焊接接头，其中，焊接接头至少部分地位于焊接凹口中，并且包括来自于边缘区域的材料，但是基本上不包括来自涂覆材料层的材料。
[0006]根据另一实施方式，提供了一种制造焊接坯件组件的方法，其包括以下步骤:(a)提供第一金属板材件和第二金属板材件，第一金属板材件和第二金属板材件中的至少一个是具有涂覆材料层的金属板材件并且具有带焊接凹口的边缘区域，其中，涂覆材料层在焊接凹口处的材料被去除；(b)在边缘区域将第一金属板材件和第二金属板材件设置在一起；(c)在边缘区域使用激光以在第一金属板材件和第二金属板材件之间形成焊池，焊池包括来自于边缘区域的材料，但是基本上不包括来自于涂覆材料层的材料；以及(d)为焊池提供附加材料以影响焊接接头形成时的尺寸、形状和/或成分，其中，附加材料为后续热处理过程加强了焊接接头的强度。
[0007]根据另一实施方式，提供了焊接坯件组件，其包括:第一金属板材件，具有沿第一边缘区域在涂覆材料层中形成的第一焊接凹口 ；第二金属板材件，具有沿第二边缘区域在涂覆材料中形成的第二焊接凹口 ；以及焊接接头，沿着第一边缘区域和第二边缘区域连接第一金属板材件和第二金属板材件的，并且基本上不包括来自于第一金属板材件和第二金属板材件的涂覆材料层的成分。焊接接头位于焊接区域中，其中，焊接区域至少部分地由第一焊接凹口和第二焊接凹口的表面来限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下文中将结合附图对优选的示例性实施方式进行描述，其中，相同的附图标记指示相同的元件，在附图中:
[0009]图1A至图1C是接合金属板材件的常规焊接接头的剖视图，其中，金属板材件不具有焊接前在其中形成的焊接凹口；
[0010]图2是示例性金属板材件的边缘区域的立体图，该示例性金属板材件包括在其相对侧上通过激光烧蚀形成的焊接凹口；
[0011]图3是图2的金属板材件的一部分的剖视图；
[0012]图4是在对齐的具有焊接凹口的金属板材件上执行以形成焊接坯件组件的示例性焊接过程的立体图；
[0013]图5是在对齐的具有焊接凹口的金属板材件上执行的另一示例性焊接过程的立体图，其中，附加材料以线的形式加入至焊接接头中；
[0014]图6是在对齐的具有焊接凹口的金属板材件上执行的另一示例性焊接过程的立体图，其中，附加材料以粉末的形式加入至焊接接头中；
[0015]图7是在激光焊接前截取的图4中的焊接坯件组件的剖视图；
[0016]图8是在激光焊接后截取的图4中的焊接坯件组件的剖视图；
[0017]图9是焊接坯件组件的实施方式的剖视图，其中，被焊接的金属板材件具有相同厚度；以及
[0018]图10是焊接坯件组件的实施方式的剖视图，其中，被焊接的金属板材件中仅有一个具有焊接凹口。
【具体实施方式】
[0019]本文公开的焊接坯件组件可由具有沿着一个或多个待焊接边缘进行定位的焊接凹口的金属板材件制成，其中，焊接凹口的特征在于不存在某些材料成分，以使得这些材料成分不会不可接受地污染附近的焊接处。例如，焊接坯件组件可由金属板材件进行生产，其中，在金属板材件沿金属板材边缘进行定位的焊接凹口处从一个或多个涂覆材料层减少或者去除材料。这转而可防止在制造焊接坯件组件时由沿着金属板材边缘形成的附近焊接接头的涂覆材料层导致的污染，从而在后继过程或者在焊接接头的使用寿命期间保持焊接接头的强度和/或耐久性。
[0020]首先参照图1A至图1C，图中示出了涉及制造常规拼焊坯件10的一些步骤，其中，常规拼焊坯件10包括以边缘对边缘的方式激光焊接在一起的厚金属板材件12和薄金属板材件12’。根据本示例，金属板材件12、12’中每个都具有基础材料层14以及覆盖基础材料层的相对表面的多个薄材料层16、18。如本领域技术人员所理解，可发现在金属板材坯料上存在许多材料层，包括多种类型的表面处理，诸如铝基涂覆材料层和锌基涂覆材料层(例如，铝化合物)的涂覆材料层、油和其他抗氧化物质、来自制造或材料处理过程的污染物以及氧化层，此处仅举几个例子。两个金属板材件一紧靠在一起，则使用激光光束或其他焊接工具来熔化位于边缘区域20、20’中的板材金属中的一些，以使得一定量的薄材料层16、18变为嵌入所产生的焊接接头22内。除非首先进行去除，否则这些不期望的成分可能对焊接接头的整体强度和品质带来不良影响。
[0021]参照图2，图中示出了示例性金属板材件112，示例性金属板材件112可用于形成焊接坯件组件，同时避免所产生的焊接接头内的不期望的成分。金属板材件112被示出在激光烧蚀过程中，并可随后沿着边缘区域120被焊接至相邻件上。金属板材件112包括相对的第一侧124和第二侧126，并且边缘区域120包括待焊接边缘128。图2所示的具体边缘区域120包括两个焊接凹口 130，其中，两个焊接凹口沿着在金属板材件的相对侧124和126的边缘区域延伸。在可见侧124上的焊接凹口被示出为正在形成。每个焊接凹口 130都由彼此相交或接合的第一凹口表面132和第二凹口表面134限定。虽然示出了沿着单个的、直的边缘区域120大体垂直的第一凹口表面132和第二凹口表面134，但是焊接凹口可以以多种方式进行配置。例如，焊接凹口可以:包括一个或多个偏轴凹口表面或偏移凹口表面；具有统一的或不统一的深度和/或宽度；在尺寸、形状和配置等方面与位于同一金属板材件的其他焊接凹口不同；或者，为沿着金属板材件上的直边缘、多个直边缘、弯曲边缘、多个弯曲边缘或者一些其他部分进行定位的边缘区域的一部分，仅举几个可能性。
[0022]在所示激光烧蚀过程中，从激光光源(未示出)将激光光束102导引在边缘区域120处以形成焊接凹口 130。由激光光束102提供的能量在烧蚀位置或者激光光斑104处以热能的形式传递给金属板材件112，从而熔化和/或蒸发烧蚀位置的材料以从金属板材件的一个或多个层去除材料。激光光束102遵循沿边缘区域120的路径106以形成具有期望配置的焊接凹口 130。对于包括下文所述的基础材料层、中间材料层和涂覆材料层的金属板材件，焊接凹口 130可通过沿边缘区域120去除所有或一些涂覆材料层、所有或一些中间材料层和/或一些基础材料层来形成。当激光光束102沿路径106 (在图2中X轴线的方向上)移动的同时，可保持金属板材件112静止。可替代地，当激光光束102保持静止的同时，可移动或者转位金属板材件112,或激光光束102和金属板材件112 二者都进行移动，以使得激光光束遵循所期望的路径。如图2所示，路径106的一些部分可以是直的或者直线形的，而其他部分可以是波状形的、弯曲的或者曲线形的；焊接凹口 130不一定遵循直路径106，因为可替代遵循其他的配置。当金属板材件在平行、垂直或者呈角度的定向的同时，可实施任何一种上述实施方式。
[0023]可使用任何合适的激光器或者其他可比较的发光装置来形成焊接凹口，并且可使用各种操作或者设备参数来形成焊接凹口。在一个示例中，激光光源是Q开关激光器，但是可替代地使用其他连续波或者脉冲激光器类型，诸如各种纳秒激光器、飞秒激光器和皮秒脉冲激光器。所示激光光斑104是矩形的，但激光光斑或者足迹104可为任意形状，诸如圆形、方形、椭圆形或者任何其它合适的形状。用于激光光源的可选择耳道或者可调节的操作参数的非限定性示例可包括:激光功率、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲能量、脉冲功率、占空比、光斑面积、连续激光脉冲之间的重合以及激光光源相对于金属板材件112的速度，仅举几个可能性。可基于应用的具体需要来选择和控制这些操作参数的任意组合。
[0024]根据焊接凹口的期望的数量、位置和/或者形状或者其他因素，可以以任意数量的不同形式进行激光烧蚀过程。例如，可采用第二激光光源与激光光束102相重叠或者同时从金属板材件的不同部分去除材料，诸如在相对侧126或实际边缘表面128 ;激光光束可与金属板材件形成非零入射角；金属板材件可以以倾斜角度进行定向以帮助控制熔化排出的材料流；可将激光光束导引在金属板材件的面向上的侧部或者面向下的侧部；或者可在从卷连续进给的金属板材件上进行烧蚀过程，仅举几个可能性。另外，可使用除激光烧蚀之外的处理来形成焊接凹口 130，诸如使用刮刀工具、钢丝刷或者其他工具来从边缘区域120选择性地去除材料的机械切除过程。
[0025]图3是示出来自图2的金属板材件112的边缘区域120的剖视图。所示金属板材件112具有多个材料层，其中，包括基础材料层114、中间材料层116和涂覆材料层118。在该实施方式中，基础材料层114是中心材料层或者核心材料层(例如，钢核心)，并且被夹在中间材料层116与涂覆材料层118之间。基础材料层114构成了金属板材件112的厚度T的主要部分，从而可显著有助于金属板材件的机械性能。涂覆材料层118位于基础材料层112的相对的表面上，并且是金属板材件112的最外层。每个涂覆材料层118相对于基础材料层114都较薄，并且可以进行选择以加强金属板材件的一个或多个特性(例如抗腐蚀性、硬度、重量、可成形性、外观等)。还可以为了后继过程的使用或与后继过程的兼容性来选择涂覆材料层118，例如，如热处理或者相互扩散过程。
[0026]在该实施方式中，每个中间材料层116都位于基础材料层114与涂覆材料层118中之一之间，并且与基础材料层114和涂覆材料层118中之一都接触。在一个实施方式中，中间材料层116包括与紧邻层114、118中每个都一样的至少一种成成分，诸如原子元素或者化学化合物。中间材料层116可为基础材料层114与涂覆材料层118的反应产物。例如，浸溃涂覆过程可导致在基础材料层与熔池的界面处的化学反应，反应产物就是中间材料层116，在浸溃涂覆过程中，基础材料层浸入或通过一个涂覆材料的熔池。在这种浸溃涂覆过程的一个具体示例中，基础材料层114由高强度钢合金或者可硬化钢合金制成，涂覆材料层118为铝合金。铝合金熔池在基础材料层的表面与基础材料层反应以形成中间材料层116，中间材料层116包括诸如Fe2Al5的铁-铝(FexAly)金属间化合物。中间材料层116可在更靠近基础材料层114之处具有更高的基础材料层成分(例如铁)含量，并且可在更靠近涂覆材料层118之处具有更高的涂覆材料层成分(例如铝)含量。虽然图3所示的中间材料层是具有固定厚度的完美平面层，但是中间材料层116可沿其相对面比这里所示的更加不规则。金属板材件112也可以包括其它的、附加的材料层，并不限于本文所述的具体设置。
[0027]如图3所示，多层金属板材件的一个具体示例是具有涂覆材料层的钢产品，在该钢产品中，基础材料层114由在钢的各种可能的组成成分中的任意一个的钢制成，，该示例对于汽车或者其他行业中形成主体或结构组件很有用。在一个【具体实施方式】中，基础材料层114是高强度钢合金或者可硬化的钢合金，诸如硼钢合金、双相钢、压力硬化钢(PHS)或者高强度低合金钢(HSLA)。这种材料虽然对于其重量来说强度较大，但仍然经常需要热处理过程以获得高强度特性和/或者只能在高温下形成。涂覆材料层118可进行选择以帮助避免热处理过程中的氧化，可选择为在重量上比基础材料层114轻和/或者可选择为在后续热处理过程中与金属板材件112的其它层相互扩散。在一个实施方式中，涂覆材料层118为铝合金，诸如铝-硅(Al-Si)合金。用于涂覆材料层的其他可能的组成成分包括纯铝或者纯锌及其合金或者化合物(例如，在底层材料被电镀的情况下)。在基础材料层114为钢并且涂覆材料层118包括铝的情况下，中间材料层116可包括金属间化合物的形式的铁和招，诸如FeAl、FeAl2、Fe3Al或Fe2Al5或者其各种不同组合。中间材料层116还可包括来自相邻层的成分的合金。
[0028]对于基础材料层114，示例性材料层的厚度范围为从约0.5mm至约2.0mm,对于中间材料层116，示例性材料层的厚度范围为从约Ιμπι至约15μπι，对于涂覆材料层118，示例性材料层的厚度范围为从约5μπι至约ΙΟΟμπι。在另一个示例中，对于基础材料层114，材料层的厚度范围为从约0.5_至约1_，对于中间材料层116，材料层的厚度范围为从约5 μ m至约10 μ m，对于涂覆材料层118，材料层的厚度范围为从约15 μ m至约50 μ m。在一个实施方式中，中间材料层116和涂覆材料层118的组合厚度范围为从约15 μ m至约25 μ m,中间材料层为组合厚度的约20%至30%。例如，层116和层118的组合厚度可为约20 μ m，其中，中间材料层厚约4-6 μ m，涂覆材料层构成了其余组合厚度。当然，这些范围是非限制性的，因为单个层的厚度取决于应用和/或所用材料的类型的具体的多个因素。例如，基础材料层114可以是钢以外的材料，如铝合金、镁合金、钛合金或者一些其他合适的材料。本文所述的方法可以与具有比附图所示更多或者更少的材料层的金属板材件一起使用。技术人员还可以理解的是，为附图不一定按比例，并且层114至层118的相对厚度可与图中所示不同。
[0029]再次参照图3，以下将描述金属板材件的第一侧124上的焊接凹口 130。在该示例中，该描述同样适用于在相对的第二侧126上的焊接凹口 130。焊接凹口 130是金属板材件112的边缘区域120的一部分，其中，已从其它方式的统一分层结构中去除或者省去一些材料。当金属板材件被焊接至另一金属板材件时，焊接凹口 130促成了沿边缘128的高质量焊接接头，并且可通过减少或者去除成为后继焊接接头的一部分的涂覆材层118和/或者中间材料层116的量来达到这一效果。在涂覆材料层118包括如果包括在焊接接头中就会在焊接接头处形成不连续处或者减弱所产生的焊接接头的一个或多个成分的情况下，焊接凹口尤其有用。焊接凹口 130具有特征凹口宽度W和凹口深度D，在该【具体实施方式】中，特征凹口宽度W和凹口深度D中每个都沿边缘128的长度保持相对恒定。凹口宽度W是从边缘128至第一凹口表面132的距离，凹口深度D是从涂覆材料层118的外表面至第二凹口表面134的距离。在焊接凹口 130随金属板材件为方形时，如该具体示例所示，凹口宽度W等于第二凹口表面134的宽度，凹口深度D等于第一凹口表面132的宽度。
[0030]焊接凹口 130的尺寸可与金属板材件的厚度T、将在边缘128处形成的焊接接头的期望尺寸和/或一个或多个材料层厚度相关。在一个实施方式中，凹口宽度W是厚度T的约0.5倍至约1.5倍。在另一实施方式中，凹口宽度W为约0.5mm至约4mm。凹口宽度W还可为期望焊接接头宽度的至少一半。对于图3所示示例，凹口深度D大于涂覆材料层118的厚度，并小于中间材料层116和涂覆材料层118的组合厚度。但是，这在一些其他示例性实施方式中不同。
[0031]焊接凹口 130还可以关于凹口表面132、134的某些特征进行描述。例如，在图3的实施方式中，第一凹口表面132包括来自中间材料层116和涂覆材料层118 二者的材料。第二凹口表面134仅包括来自中间材料层116的材料，并且第一凹口表面和第二凹口表面沿边缘136相交，其中，边缘136被定位在或者位于中间材料层中。因而，在该具体示例中，通过沿着边缘区域120去除整个涂覆材料层118和一部分中间材料层116在金属板材件112上形成焊接凹口 130。在其他示例中，可通过只去除涂覆材料层118的一部分或者通过去除整个涂覆材料层118和中间材料层116以及一部分基础材料层114来形成焊接凹口 130。凹口表面132、134中每个都还可以包括用于去除焊接凹口处材料的过程的条纹、分界线或者其它过程类型的指示部。诸如激光烧蚀或者机械切除的烧蚀过程可以形成具有不同表面特性的凹口表面，并且本文所述的焊接坯件组件可以使用具有各种不同焊接凹口的金属板材件。
[0032]以下参照图4，图中示出了用于从两个具有涂覆材料层的金属板材件112、112’形成焊接坯件组件140的示例性焊接过程。为了简化下面的叙述，当一般涉及两个金属板材件都具有的某些特征时，有时将省略基本数字代号，并且当涉及金属板材件中的具体一个的特征时，将使用基本数字代号。在所示过程中，两个金属板材件112的边缘区域120对齐，其中，各自的边缘128彼此相接触。高功率激光光束142朝向对齐的边缘区域120进行导弓丨，并且在激光光斑114处照射金属板材件112。激光光束142将能量传递至激光光斑144，该能量足以局部熔化来自每个金属板材件112的材料，从而形成包括来自两个金属板材件的融化的材料的焊池146。随着激光光束142沿着对齐的边缘区域120 (在图4的正X方向上)前进或者向前移动，在激光光束后面的焊池146的部分(在图4中负X方向上)凝固以形成焊接接头148。所得到的焊接接头148连接两个金属板材件112并位于焊接坯件组件140的焊接区域150中。
[0033]焊接接头148基本上没有来自涂覆材料层116、118中至少一个的材料。这至少部分是由于沿边缘区域120提供的焊接凹口 130，其中，来自于一个或多个涂覆材料层的材料已被去除。在该具体示例中，所示金属板材件112中每个都具有不同厚度(S卩，拼焊坯件)，如图2和图3所示，并且被准备为具有沿着各自边缘区域120的相对侧124、126形成的焊接凹口 130。以下将对该示例和焊接坯件组件的其他示例进行更详细的描述。还应注意的是，虽然所示板材组件140包括单个焊接接头148，但是焊接坯件组件可通过多个焊接接头148由多于两个的金属板材件112形成。板材组件140可以可替代地或者附加地包括一个或多个曲线形的焊接接头，其中，焊接接头的至少一部分是曲线形的并且沿着弯曲的或者波状形的边缘128和/或边缘区域120形成。
[0034]可执行其它过程步骤来提高所得焊接接头148的质量，诸如通过将附加材料加入焊池146中以控制所得焊接接头148的成分、尺寸和/或形状。图5示出了一个示例，其中，附加材料为随着激光光束沿着对齐的边缘区域120移动而进给至激光光斑114的金属线158的形式。来自金属线158的材料与来自金属板材件112的材料一起熔化，以使得焊池146和所得焊接接头148包括附加材料。这对于一些不期望的成分(即，没有从涂覆材料层118和中间材料层116完全去除的残余成分)有稀释焊池的效果。例如，有时即使在烧蚀过程形成焊接凹口 130之后，在对齐的边缘区域120处有时还存在残余的涂覆材料。这可能是由于激光烧蚀过程中的飞溅或者在先前剪切操作中沿着边缘128擦涂或者涂抹的涂覆材料。不需要的成分还可括沿着边缘区域存在的氧化产物或者其他腐蚀产物。用合适的附加材料稀释焊池146可以帮助驱出任何残留的不需要的成分，残留的成分在焊池中可具有较差的可溶性。
[0035]如图6所示，焊接过程还可包括在所得焊接接头148上添加保护性涂覆154或者其他附加材料。可施加保护性涂覆154来在板材组件140等待金属成形或者其他后续过程时保护焊接区域150不被氧化。保护性涂覆154可以是抗腐蚀材料，诸如抗腐蚀金属或者有机材料(例如油、蜡或者基于聚合物的材料)。根据成分，涂覆154可以以固体或者液体的形式进行应用。在图6所示的示例中，形成涂覆154的材料紧随激光光斑144之后作为粉末材料156进行施加，其中，来自于激光过程的残余热量熔化该粉末材料，以使得该粉末材料流动并且涂覆焊接接头148和/或焊接区域150的其他部分。可采用次级加热过程来帮助涂覆材料在焊接区域流动，诸如额外的激光光束或者其他热源。保护性涂覆可具有与一个或多个金属板材件的涂覆材料层118—样的一个或多个成分。在一个实施方式中，保护性涂覆154是铝或者铝合金，并且可按配方制定为用于取代之前在焊接凹口 130形成时从单个金属板材件112去除的材料。在金属板材件112是涂覆铝的钢的情况下，保护性涂覆154可在随后的热处理和/或热成形过程中在焊接区域与钢互相扩散。在有机材料被用于形成保护性涂覆154的情况下，涂覆可在随后的这种过程中被烧掉，或者稍后以其它方式去除。
[0036]附加材料，不论是以线、粉末或者其他形式提供，都优选地选择为与焊池中已包括的材料相兼容。例如，金属线158可以由与金属板材件112中基础材料层114相同的材料制成。或者附加材料可以是多种成分的合金，这些成分中的一些或者全部还存在于金属板材件的基础材料层中。在金属板材件是具有涂覆材料层的钢板的情况下，附加材料152可为钢或者另一铁合金。在另一实施方式中，选择附加材料，以使得最终的焊接接头成分具有比金属板材件中基础材料层高的抗腐蚀性和抗氧化性。附加材料不一定以线的形式提供，因为附加材料可以被很容易的以例如金属粉末的形式(图6)喷射或以其他方式提供至熔化的焊池。
[0037]除了稀释不需要的成分，引入附加材料还可以以其他方式影响焊接接头成分。例如，可选择附加材料来加强焊接接头148的强度或者硬度。在一个实施方式中，基础材料层116是钢合金，并且将碳粉添加至焊池146中。在这个示例中，即使加入非常少量(例如，0.25wt%或更少)时，碳也可以提高焊接接头148的硬度。可以添加至焊池146中以加强所形成的焊接接头强度的附加材料包括钢、铁、硼、铬、镁、锰、钥、锡、钛、钒或者任意合金和/或其组合。根据基础材料层的构成、期望特性的加强或者其他因素，其它附加的材料也可以是合适的，包括药芯和实心线。优选地，这种材料以一个量加入，该量使得焊接接头即使在后继热处理之后也具有比远离焊接接头位置的金属板材件更高的硬度和/或抗拉强度。
[0038]例如，当焊接坯件组件在没有加入附加材料的情况下经历后继热处理过程时，焊接接头和基础材料层的成分和微结构可以变得几乎一样，以使得焊接接头由于表面不规则和降低的厚度变成焊接坯件组件最薄弱的部分。在钢合金的具体情况下，初步形成的焊接接头可比远离焊接接头的基础材料层更硬、强度更大，但后继诸如热冲压和热成形的热处理可以使焊接接头奥氏体化或者以其他方式使整个焊接坯件组件钢的微结构更加统一。在用于铬钢的热处理周期的非限定性示例中，焊接坯件组件可首先被加热至奥氏体化温度，通常为约790°C至915°C，然后快速淬火以在整个零件形成马氏体晶粒结构。还可以使用定制的加热或者冷却来影响马氏体晶粒的形成。当然，这仅是一个可以用于本焊接坯件组件的热处理的示例，其他热处理当然也是可能的。本文使用的术语“热处理(heattreatment) ”和“热处理(heat treating) ”广泛地包括任何类型的高温过程(如热冲压)，这些过程为本领域公知的对高强度钢合金和可硬化钢合金(诸如铬钢和HSLA钢)有用的过程。
[0039]还可使用附加材料来控制所得焊接接头的尺寸，因为在考虑可能需要替代从焊接凹口去除的材料以在整个焊接接头达到期望的强度的情况下，这可能是特别有用的。如图5和图6所示，在过程中，该焊接凹口还可以用附加材料进一步填充，其中，比图4中更大的焊接凹口体积被填充，其中，图4中没有加入附加材料。在一个实施方式中，在形成一个或全部两个焊接凹口 130过程中，被填回到焊接接头148的附加材料的单位长度的体积量大于等于在焊接之前从边缘区域120去除的材料的单位长度的体积量。附加材料可导致焊接接头厚度增加，例如，焊接接头的厚度可大于或者等于相邻的金属板材件的厚度?\、T2中的至少一个，以使得焊接接头的一部分延伸至金属板材件的相邻表面的至少一个之外。例如，如图8至图10所示，这可发生在上侧124、下侧126或者上侧124和下侧126 二者上。
[0040]如上所述，附加材料还可用于控制所得焊接接头148的形状和几何结构。例如，拼焊坯件有时在被激光焊接的上侧(即，附图中的侧部124和124’)处具有凹形的焊接接头。这通常是由于重力在激光焊接过程中将熔化的焊接材料向下拉，以使得所得焊接接头148在上表面略微凹陷或凹进。如图8至图10所示，附加材料的引入，具体当由线158提供时，可用于影响或者控制该形状，以使得焊接接头148的两侧都呈现向外延伸或者凸出的焊接接头形状。控制焊接接头148的形状或在厚度方向上构建焊接接头148不同于如有时在某些非激光焊接操作过程中进行的、简单地加入填充材料以填充边缘表面128与128’之间的缝隙或者空间。应理解的是，不论是以线、粉末或者一些其他的合适的方式提供的附加材料都可用于操纵焊接接头148并且为焊接接头148提供形状，除了附图中所示的凸形之外。
[0041]图5所示的实施方式具体适合于影响所得焊接接头148的成分、尺寸和/或形状，其中，附加材料以线或者棒158的形式提供至焊池146。如果使用线158来影响焊接接头148的尺寸和/或形状，则在激光142照射或者打击板材件的焊接组件上的侧部引入附加材料所制成的线通常很有用。在图5中，该侧部还正好是焊接组件的上侧，以使得随着焊池中熔化的材料被重力向下拉，然后，焊池通过从线158引入的附加材料填充了一些。在图6所示的实施方式很适合于用来控制所得焊接接头的成分，其中，描述了一个以粉末而不是线的形式将附加材料提供给焊池146的示例。如上所述，有时仅用少量的诸如碳(C)的增强剂就可以使焊接接头148显著加强；因而，在例如需要影响焊接接头的成分而不必影响焊接接头的尺寸和/或形状时，粉末引入技术可能是最好的。然而，这并不是说图6的粉末引入方法不能用于控制焊接接头的尺寸和/或形状，只是其很适合控制焊接接头的成分和组成。
[0042]在那些使用光纤激光或其它高能量密度激光来形成焊接接头148的示例中，可以通过将附加材料插入或者以其他方式提供至焊接小孔中而将附加材料引入焊池146。因为附加材料不必集中在其被引入的表面处，所以这可以生成焊接接头成分的更好的统一性。对于不均匀厚度的焊接坯件组件(如图7和图8所示的那些焊接坯件组件)，用附加材料来控制焊接接头148的尺寸和/或形状可能没那么有效，因为来自较厚的金属板材件112的材料在焊池146中可被用于解决焊接接头148的变薄或者凹度问题。对于均匀厚度的焊接坯件组件(如图9和图10所示的那些焊接坯件组件)，用附加材料来控制焊接接头148的尺寸和/或形状可能更有效，因为在焊池146没有来自于较厚的金属板材件的、用于操纵焊接接头148的尺寸和/或形状的额外的材料。如上所述，在这些示例中，优选以线或者棒的形式提供附加材料，因为这种附加材料有时更适合于控制焊接接头148的形状和/或尺寸，。
[0043]图7和图8是图4中焊接坯件组件140的剖视图，分别随着激光光束142在沿x方向上移动在激光光束142前或者前面以及在激光光束142后或者后面截取。某些尺寸关系可参照这些附图来描述。图7示出了两个金属板材件112和112’的边缘区域120，其中，边缘区域120各自的边缘128彼此对靠，其中，一个金属板材件112具有厚度?\，另一金属板材件112’具有厚度Τ2。图7还示出了激光光束142，其包括中心轴线Α，轴线Α与垂直于金属板材件112的平面的线B形成角度α。第一金属板材件112在边缘区域120的相对侧部124和126上具有焊接凹口 130，焊接凹口分别具有宽度巧和^。第二金属板材件112’在边缘区域120’的相对侧部124’和126’上包括焊接凹口 130’，其焊接凹口分别具有宽度W3和W4。每个焊接凹口 130和130’都还具有相应的深度Di至D4。
[0044]图8示出了两个金属板材件112、112’，金属板材件112、112’在焊接接头148处连接以形成焊接坯件组件140。为了清晰起见，图8中的板材厚度(?\、Τ2)、焊接凹口宽度(Wi至胃4)，和焊接凹口深度(01至04)被省略，但是可与图7中相同。焊接坯件组件140具有焊接区域150，焊接区域150包括焊接接头148、热影响区152以及沿焊接接头148 —侧或两侧的一个或多个焊接凹口表面132、132’、134、134’(可选)。焊接接头148包括来自金属板材件112、112’二者的材料以及任何可能已加入的附加材料，并且具有宽度W5。焊接接头148可由焊接过程中熔化的材料和焊池146的一部分形成。来自每个金属板材件112、112’的基础材料层114、114’的材料的混合物优选为焊接接头148的主要成分。焊接接头148基本上不含来自于涂覆材料层118、118’的材料，本文所用的“基本上不含(substantiallyfree) ”是指来自于涂覆材料层118、118’的材料低于焊接接头的成分的0.5wt%,在一些情况下低于0.lwt%。根据焊接凹口 130、130’的尺寸和形状以及诸如各种材料层的厚度的其他因素，焊接接头148可基本上不含来自于中间材料层116、116’的材料或可以不基本上不含来自于中间材料层116、116’的材料。如果焊接接头148基本上不含这种材料，则来自于中间材料层116、116’的材料的总量低于焊接接头的成分的0.5wt%。然而，这不是必要的，因为焊接接头148可基本上不含涂覆材料层材料，但是包括中间材料层材料。
[0045]热影响区152可在激光焊接过程中生成，并且与焊接接头148相邻进行定位。示例性热影响区152的边界以虚线示出，然而，这些边界在其它实施方式中可不同。热影响层152的成分与其所源自的基础材料层114，114’大体相同。但是热影响区152的特征在于:由于材料在焊接过程中已经达到了转变温度，所以至少具有与略微不同于基础材料层114的微结构。热影响区152的微结构可以以多种方式不同于基础材料层114，诸如平均晶粒尺寸、晶粒成分、某个固溶相和/或沉淀相的相对量、晶体结构(例如，铁素体对奥氏体)等。换言之，来自激光光束142的热能使得热影响区152的材料在焊接过程中被热处理。焊接接头148和热影响区152共同具有宽度\。
[0046]在图7和图8所示的示例中，金属板材件112的厚度?\大于金属板材件112’的厚度!^(即，不均匀厚度的拼焊坯件)，虽然这不是强制的。具有厚部分和薄部分的焊接坯件组件对于后续形成需要一部分的强度高于另一部分的部件很有用。因而，可仅在需要之处使用较厚的金属。在焊接设置中，可使第一金属板材件112的侧部126与另一金属板材件112’的侧部126’在同一平面内大致对齐。板材厚度的不匹配造成台阶部分，以使得较厚的金属板材件112的边缘128在与对面边缘128’对靠之处被暴露。在所示示例中，激光光束142的入射角大于零(α >0° )，以使得激光光束在焊接过程中沿焊接凹口表面134、134’照射边缘128的一部分。入射角α和激光光斑144的精确位置根据多个因素变化，诸如实际厚度^和^和/或它们之间的差异程度。例如，角度α可在厚度差(T1-1g较大的情况下较大，在厚度差较小的情况下较小。在一个示例中，当^二^时，角度α =0°，并且当^古^时，角度α在0°至45°之间，或者甚至在5°至35°之间。
[0047]每个焊接凹口 130、130’都可单独确定尺寸以确保来自于涂覆材料层118、118’的材料不存在于焊接接头148中，或者焊接接头148基本上不含来自于涂覆材料的材料。对于金属板材件112，焊接凹口的尺寸与以下尺寸相关:金属板材件112的总厚度?\、两个金属板材件的相对厚度(例如T1-l或IVT2)、材料层116、118中一个或多个的厚度、焊接接头148的期望尺寸W5、热影响区152的期望尺寸W6、激光光斑144的尺寸和/或入射角α，仅举几个非限定性的可能性。
[0048]在焊接凹口尺寸与金属板材件的总厚度相关的示例中，每个焊接凹口 130、130’都可具有宽度H W3、ff4,该宽度为形成焊接凹口的金属板材件厚度!\、T2的约1.0倍至约2.0倍。为了说明这一特征，考虑?\为2.0mm、T2为1.0mm的示例，这导致焊接凹口的尺寸Wi和W2在约2.0至4.0mm的范围内，W3和W4在约1.0至2.0mm的范围内。可优选的是每个焊接凹口的宽度W都接近这些范围的中间，以使得Wi和W2每个都是约1.5T1；并且W3和W4每个都是约1.5T2。在金属板材件一侧的焊接凹口的宽度可以与金属板材件相对一侧的焊接凹口的宽度不同。例如，金属板材件被激光光束142照射或者打击的侧部的焊接凹口的宽度Wi和W3可比位于相对侧部或者没有激光的侧部的焊接凹口的宽度W2和W4宽，以便容纳更大的焊接接头尺寸。在一个实施方式中，比率A/%和W3/W4每个都在约1.0至约2.0的范围内。
[0049]在焊接凹口的尺寸与焊接接头和/或热影响区的期望尺寸相关的示例中，在焊接坯件组件140激光焊接一侧124的焊接凹口的组合厚度(Wi+Wj是焊接接头148期望尺寸W5的约2.0至约5.0倍，或者是热影响区152的期望尺寸W6的约1.5至约4.0倍。这可以在焊接区域50中允许足够的空间以避免焊接过程中熔化和包含来自于涂覆材料层118、118’的材料。如果焊接凹口 130、130’未恰当确定尺寸，则激光光束142可能导致来自一个或多个涂覆材料层或中间材料层的材料不期望地流入焊池中，从而破坏了焊接凹口的目的。具体是在涂覆材料层118的熔点低于基础材料层114的熔点的示例中，提供具有足够大的焊接凹口尺寸可能很有用，以使得将残余的涂覆材料充分远离焊接接头148和热影响区152间隔开。另一方面，如果焊接凹口的尺寸过大，则可在焊接凹口表面134、134’处暴露过多的非涂覆表面的区域，这可在后续热处理过程中导致不期望的腐蚀、氧化等。
[0050]在焊接凹口尺寸与激光光斑尺寸相关的示例中，最窄的焊接凹口宽度H W3、ff4可为激光光斑144宽度的约0.5至约2.0倍。根据激光的类型以及使用该激光的具体应用，激光光斑可以具有约0.5mm至约2.0mm的宽度或直径。使用一个示例，其中，激光光斑144的宽度是1.0mm，最窄或者最小的焊接凹口宽度属于位于焊接坯件组件的下侧126’的焊接凹口 130’，焊接凹口可具有约0.5mm至约2.0mm的宽度W4。这个关系还可逆向使用，从而在已知焊接凹口宽度情况下确定合适的激光光斑的尺寸，并且，可在已知激光光斑的尺寸的情况下确定合适的焊接凹口宽度。
[0051]经验证明，之前涉及焊接凹口尺寸和一个或多个参数一如金属板材件的总厚度或者焊接接头和/或热影响区的期望尺寸或激光光斑的尺寸一的关系帮助确保所得焊接接头基本上不含污染物，并且帮助避免焊接接头周围有大的或者多余的焊接凹口区域。这种表面区域并不是焊接接头的一部分并且已经被去除了涂覆材料层118，因而，这种表面区域更容易受到腐蚀、氧化等的影响。
[0052]图9和图10示出了焊接坯件组件的额外实施方式，其中，焊接坯件组件可通过与图4所示类似的焊接过程形成。图9中的焊接坯件组件240包括金属板材件212、212’，其中，每个金属板材件都具有大体相同的厚度，以使得?\ = T2( S卩，厚度均匀的拼焊坯件)。例如，在期望连接具有不同特性的两个金属板材件(例如不同等级的钢，以使得一部分板材组件更可成形并且另一部分更硬)或者连接来自于同一坯料的两个金属板材件的情况下，这样的配置很有用，但是是以节省材料并降低浪费的方式进行。在所示实施方式中，金属板材件212、212’二者都是具有涂覆材料层的金属件，并且在焊接区域250具有焊接凹口表面232、234。上述图7和图8中的尺寸关系在这里也使用。虽然在这个示例中?\ = Τ2，但是Wi不一定等于W3，ff2也不一定没有等于W4，以此类推。
[0053]图10示出了一个实施方式，其中，焊接坯件组件340包括具有涂覆材料层的金属板材件312以及不具有涂覆材料层的金属板材件312’，可存在附加材料也可不存在附加材料。具有涂覆材料层的金属板材件312具有在焊接之前沿边缘区域形成的焊接凹口 330，以使得焊接坯件组件340在焊接区域350的一侧具有焊接凹口表面332、334，但是在不具有涂覆材料层的金属板材件312’所在的、焊接区域的另一侧不包括焊接凹口表面。在近必需或需要一个具有涂覆材料层的金属板材件的情况下，该配置可能很有用。上述与图7和图8相关的的尺寸关系在这里也适用。虽然在这个示例！\约等于T2，但并非总是如此。例如，具有涂覆材料层的金属板材件312可包括强度更高的合金作为基础材料层14，以使得可相对于不具有涂覆材料层的金属板材件312’减小金属板材件312的厚度。
[0054]可使用其它类型的焊接过程来代替本文所示和所述的激光焊接过程。例如，激光光束可以由常规MIG或者TIG、激光MIG或者TIG、复合焊接或者其他电弧焊设备来代替以形成焊接接头。虽然包括沿金属板材件边缘区域的焊接凹口在激光焊接过程中尤其适用，但焊接凹口也可以与其他类型的焊接过程一起使用并且可因此提高焊接接头质量，在激光焊接过程中，焊接接头材料的主要来源是金属板材件本身。除了附图所示的对接焊接配置，还可形成两个不同金属板材件的边缘区域重叠的搭焊接和点焊接。在使用具有涂覆材料层的金属板材件的应用中，本文所述的焊接凹口可以沿待焊接的一个或多个边缘形成以确保高质量的焊接接头。
[0055]应理解的是，以上描述不是对本发明的限定，而是对本发明的一个或多个优选的示例性实施方式的描述。本发明并不限于本文中公开的【具体实施方式】，而是仅由所附的权利要求书限定。此外，包括在前面的描述中的陈述涉及【具体实施方式】，并且除了在上面明确定义了术语或措辞的情况以外，不应被解释成对本发明的范围或者权利要求中所使用的术语的限定上的约束。对于本领域的技术人员，所公开的实施方式的各种其他实施方式和各种变型和修改将变得显而易见。所有这种其他实施方式、变化和修改都旨在落入所附权利要求书的范围内。
[0056]如本说明书和权利要求书中所使用，术语“例如(for example) ”、“例如(e.g.，) ”、“例如(for instance) ”、“如(such as)”和“像(like) ” 以及动词“包括(comprising)”、“具有(having) ”、“包括(including)”及它们的其他动词形式中每个在与一个或多个部件或其他项目的列表结合使用时均应被解释为开放的，即，意味着该列表并不应被视为排出其他、附加的部件或项目。其他术语应被解释成使用它们最宽泛的合理含义，除非它们用在要求不同解释的上下文中。
【权利要求】
1.一种制造焊接坯件组件(140)的方法，包括以下步骤: (a)提供具有厚度(T1)的第一金属板材件(112)以及具有厚度(T2)的第二金属板材件(112’)，所述第一金属板材件和第二金属板材件中至少一个是具有涂覆材料层(118)的金属板材件并具有带有焊接凹口(130)的边缘区域(120)，其中，所述涂覆材料层(118)在所述焊接凹口处的材料被去除； (b)在所述边缘区域将所述第一金属板材件以及所述第二金属板材件设置在一起；以及 (c)在所述边缘区域在所述第一金属板材件与所述第二金属板材件之间形成焊接接头(148)，其中，所述焊接接头至少部分地位于所述焊接凹口中，并且包括来自于所述边缘区域的材料，但基本上不包括来自所述涂覆材料层的材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属板材件(112)与所述第二金属板材件(112’ )中至少一个包括基础材料层(114)、所述涂覆材料层(118)以及夹在所述基础材料层与所述涂覆材料层之间的中间材料层(116)，并且所述第一金属板材件(112)和所述第二金属板材件(112’ )中至少一个具有带有所述焊接凹口(130)的边缘区域(120)，其中，所述涂覆材料层(118)和所述中间材料层(116) 二者在所述焊接凹口处的材料均被去除。
3.如权利要求1所述的方法，其中,T1XT2并且较薄的第二金属板材件(112’)是具有焊接凹口(130’ )且具有所述涂覆材料层(118)的金属板材件，其中，所述涂覆材料层(118)在所述焊接凹口处的材料被去除，并且步骤(c)还包括形成所述焊接接头(148)，以使得来自于较厚的第一金属板材件(112)的熔化的材料流入所述较薄的第二金属板材件的焊接凹口中并凝固。
4.如权利要求1所述的方法，其中，T1= T2并且所述第一金属板材件和所述第二金属板材件(112，112’)二者都是具有所述焊接凹口(130，130’)且具有所述涂覆材料层(118)的金属板材件，其中，所述涂覆材料层(118)在所述焊接凹口处的材料被去除，并且步骤(c)还包括形成所述焊接接头(148)，以使得来自于所述第一金属板材件和所述第二金属板材件二者的熔化的材料都流入所述第一金属板材件和所述第二金属板材件二者的焊接凹口中并凝固。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接凹口(130)具有宽度(W)，所述宽度(W)是在其中形成所述焊接凹口的金属板材件的厚度0\、T2)的0.5倍至1.5倍。
6.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)还包括以下步骤: 在所述边缘区域(120)处在所述第一金属板材件与所述第二金属板材件(112，112’ )之间形成焊池(146)，其中，所述焊池包括来自于所述第一金属板材件和所述第二金属板材件的熔化的材料；以及 将附加材料(156、158)提供至所述焊池以影响所述焊接接头(148)形成时的大小、形状和/或成分，其中，所述附加材料被设计成在后续热处理过程中加强所述焊接接头的强度。
7.—种制造焊接坯件组件(140)的方法，包括以下步骤: (a)提供第一金属板材件(112)和第二金属板材件(112’)，所述第一金属板材件和所述第二金属板材件中至少一个是具有涂覆材料层(118)的金属板材件并且具有带有焊接凹口(130)的边缘区域(120)，其中，所述涂覆材料(118)在所述焊接凹口处的材料被去 除； (b)在所述边缘区域将所述第一金属板材件和所述第二金属板材件设置在一起； (C)在所述边缘区域使用激光(142)以在所述第一金属板材件和所述第二金属板材件之间形成焊池(146)，所述焊池包括来自所述边缘区域的材料，但基本上不包括来自于所述涂覆材料层的材料；以及 (d)将附加材料(156、158)提供至所述焊池以影响焊接接头(148)形成时的大小、形状和/或成分，其中，所述附加材料为后续热处理过程加强所述焊接接头的强度。
8.如权利要求7所述的方法，其中，步骤(d)还包括将所述附加材料(156、158)提供至所述焊池(144)以影响所述焊接接头(148)形成时的大小，以这样一种方式将所述附加材料提供至所述焊池，即，主要使得所述焊接接头的厚度增加，而不填充所述第一金属板材件(112)和所述第二金属板材件(112’ )的边缘(128、128’ )之间的缝隙，并且增加的厚度为后续热处理过程加强所述焊接接头的强度。
9.如权利要求7所述的方法，其中，步骤(d)还包括将所述附加材料(156、158)提供至所述焊池(144)以影响所述焊接接头(148)形成时的形状，以这样一种方式将所述附加材料提供至所述焊池，即，导致大体凸形而不是凹形的焊接接头，并且所述凸形为后续热处理过程加强所述焊接接头的强度。
10.如权利要求7所述的方法，其中，步骤(d)还包括将所述附加材料(156、158)提供至所述焊池(144)以影响所述焊接接头(148)形成时的成分，以这样一种方式将所述附加材料提供至所述焊池，即，使得所述附加材料与所述焊池中熔化的含量相互混合，并且为后续热处理过程加强所述焊接接头的强度。
11.如权利要求7所述的方法，其中，步骤(d)还包括以金属粉末的形式将所述附加材料(156)提供至所述焊池(144)，并且所述金属粉末在通过高能量密度的激光(142)所形成的焊接小孔被引入，以使得所述附加材料良好地分布在所述焊接接头(148)中。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述附加材料(156、158)为碳或者碳基合金，以使得所形成的焊接接头(148)的成分具有比所述第一金属板材件和第二金属板材件(112、112’ )中的基础材料层更高的碳含量。
13.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤: (e)作为热冲压过程的一部分对所述焊接坯件组件(140)热处理，，其中，以这样一种方式热处理所述焊接坯件组件，即，使得含有所述附加材料(156、158)的焊接接头(148)在热冲压过程完成后具有与所述第一金属板材件(112)和所述第二金属板材件(112’ )大致相同的微结构。
14.如权利要求7所述的方法，其中，步骤(c)还包括使用激光(142)来形成来自于所述第一金属板材件(112)和所述第二金属板材组件(112’)的熔化的材料的焊池(144)，并且允许熔化的材料至少部分地凝固；并且步骤(d)还包括将所述附加材料提供至至少部分地凝固的熔化材料以在所述焊接接头(148)形成时在其上形成保护性涂覆(154)。
15.一种焊接坯件组件(140)，包括: 第一金属板材件(112)，其具有在沿第一边缘区域(120)的涂覆材料层(118)中形成的第一焊接凹口(130)； 第二金属板材件(112’)，其具有在沿第二边缘区域(120’ )的涂覆材料层(118)中形成的第二焊接凹口(130’ );以及 焊接接头(148)，其沿所述第一边缘区域和第二边缘区域将所述第一金属板材件和所述第二金属板材件连接在一起，并且所述焊接接头(148)基本上不包括来自于所述第一金属板材件和所述第二金属板材件的涂覆材料层的成分，其中，所述焊接接头被定位在至少部分地由所述第一焊接凹口和所述第二焊接凹口的表面限定的焊接区域(150)中。
【文档编号】B23K9/235GK104395030SQ201380034771
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】詹姆士·J·伊万盖丽斯塔, 迈克尔·泰恩克, 詹森·E·哈夫特, 杰克·A·埃特克斯, 詹姆士·W·沃尔瑟, 安东尼·M·帕润特 申请人:夏伊洛工业公司