本美国部分继续申请要求于2013年6月11日提交的美国专利申请No.13/993,244的权益，该美国专利申请No.13/993,244是于2011年12月19日提交的PCT/CA11/01390的进入国家阶段申请，该PCT/CA11/01390要求于2010年12月17日提交的美国临时专利申请No.61/424,327的优先权，这些申请分别通过参引全部并入本文中。本美国部分继续申请还要求于2015年2月13日提交的美国临时专利申请No.62/115,859的权益，该美国临时专利申请No.62/115,859通过参引全部并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及用于对经表面处理的金属部件进行焊接、比方说例如对氮化钢部件进行气体金属电弧焊接(GMAW)的方法以及由经表面处理的金属部件形成的焊接结构。
背景技术：
汽车应用中所使用的钢质部件通常通过焊接技术接合。激光束焊接是一种提供许多优点比方说例如低热输入、短周期和良好盖面焊的接合技术。该处理经常用于大批量应用中，比方说例如用于将汽车工业中的动力系统部件焊接在一起。以此方式，可以以相对较低的生产成本来制造包含多个等级或多种类型的材料的部件。
气体金属电弧焊接是用来焊接金属部件、例如汽车应用中所使用的钢质部件的另一种方法。该焊接技术包括在自耗丝状电极与两个金属部件之间的接合部之间形成电弧以将来自该丝状电极的材料转移至接合部。经加热的丝状材料可以通过各种不同的方法、例如粗滴过渡、短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行转移。从丝状电极转移至接合部的材料使这两个部件的沿着接合部的部分熔融并形成焊缝。该焊缝包含来自这两个部件的材料和来自自耗丝状电极的材料的混合物。GMAW技术是相对较快的并且可以是自动的。因此，GMAW技术对于焊接汽车工业中的部件而言通常是优选技术。
通常还期望焊接由氮化钢形成的部件。氮化是将氮扩散到钢质部件的表面中的一种热处理。钢的氮化由于其允许使用重量减轻的较薄部件而变得越来越普遍。氮化也由于其增大了部件的拉伸强度、屈服强度和硬度而被期望进行。氮化处理可以包括气体氮化、盐浴氮化或等离子氮化。然而，当对氮化钢部件使用GMAW时，所产生的焊缝具有由来自氮化钢的氮气泡引起的不期望的较高孔隙度。这种较高孔隙度会影响焊缝的质量和性能并且因此应当被避免。用来避免较高孔隙度的一种技术是在GMAW处理之前将位于焊接区域中的氮化层从钢质部件的表面去除并且接着掩蔽氮化钢部件的周围区域。因此，焊缝由部件的不包括氮化层的部分形成，并且因此避免了会导致焊接中的不期望的孔隙度的氮气泡。然而，去除氮化层并掩蔽周围区域所需的成本和时间并不理想。
技术实现要素：
本发明的一个方面提供了一种用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法。该方法包括将两个钢质部件相对地布置成形成待被焊接的接合部，其中，这两个钢质部件中的至少一个钢质部件为氮化钢部件。该方法接着包括沿着接合部形成焊缝以便将这两个钢质部件接合在一起。该形成步骤包括：使激光束照射位置沿焊接方向沿着接合部行进、激光束在照射位置处照射这两个钢质部件并在接合部内形成包含来自这两个钢质部件的被加热至焊接温度的熔融钢的焊池；以及使填充丝沿焊接方向沿着接合部行进，填充丝具有芯，该芯包含含钛的金属组合物，填充丝在焊接方向上位于激光束照射位置之前并与激光束间隔开下述距离：该距离小到足以使得填充丝的梢端部分沿着焊接方向在激光束的前方被直接引入焊池中。来自填充丝的梢端部分的熔融材料混合到焊池中，并且存在于该熔融材料中的钛与来自氮化钢部件的氮结合并在焊接温度下于焊池内形成氮化钛。
本发明的另一个方面提供了一种用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：将两个钢质部件相对地布置成形成待被焊接的接合部，这两个钢质部件中的至少一个钢质部件为氮化钢部件；使用激光束沿着接合部照射这两个钢质部件，以便将这两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热至焊接温度并由此在接合部中形成焊池；以及将钛引入焊池的前边缘部中，焊池的前边缘部在焊接方向上位于激光束的前方。被引入的钛与从氮化钢部件释放到焊池中的氮结合而在焊接温度下于焊池内形成氮化钛。
本发明的另一个方面提供了一种用于对经表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：将两个钢质部件相对地布置成形成待被焊接的接合部，这两个钢质部件中的至少一个钢质部件为经表面处理的钢质部件；以及沿着接合部形成焊缝以便将这两个钢质部件接合在一起。该形成步骤包括：使激光束照射位置沿焊接方向沿着接合部行进、激光束在照射位置处照射这两个钢质部件并在接合部内形成包含来自这两个钢质部件的被加热至焊接温度的熔融钢的焊池；以及使填充丝沿焊接方向沿着接合部行进。填充丝具有芯，该芯包含含下述组分的金属组合物：所述组分被选择成与从经表面处理的钢质部件释放到焊池中的物质形成化合物，并且填充丝在焊接方向上位于激光束照射位置之前并与激光束间隔开下述距离：该距离小到足以使得填充丝的梢端部分在焊池的形成期间被加热成超过其熔融温度。来自填充丝的梢端部分的熔融材料混合到焊池中，并且存在于该熔融材料中的组分与从经表面处理的钢质部件释放的物质结合而在焊接温度下于焊池内形成化合物。
本发明的又一个方面提供了一种用于对经表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：将两个钢质部件相对地布置成形成待被焊接的接合部，这两个钢质部件中的至少一个钢质部件为经表面处理的钢质部件；使用激光束沿着接合部照射这两个钢质部件，以便将这两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热至焊接温度并由此形成焊池；以及将金属组分引入焊池的前边缘部中，焊池的前边缘部在焊接方向上位于激光束的前方。被引入的金属组分与从经表面处理的钢质部件释放到焊池中的物质结合而在焊接温度下于焊池内形成稳定的化合物。
本发明还提供了一种用于将由氮化钢形成的部件气体金属电弧焊接(GMAW)至另一部件的方法，该方法无需去除氮化层或进行掩蔽，并且因此使得成本降低且效率提高。
该方法包括将由氮化钢形成的第一部件沿着第二部件设置以在第一部件与第二部件提供接合部；以及在焊丝与接合部之间形成电弧。在焊丝与接合部之间形成电弧的步骤包括使焊丝的材料转移至接合部并使每个部件的至少一部分与焊丝的材料熔融以形成焊缝。焊丝的材料为铁基材料并且包含铝和/或钛。优选地，焊丝包括由具有铝和/或钛的铁基材料形成的芯，并且该芯被由铁基材料形成的管包围。存在于熔融的氮化钢中的氮在焊池中与熔融焊丝的铝和/或钛结合并因此形成氮化铝(AlN)和/或氮化钛(TiN)，而不形成会导致不期望的较高孔隙度的氮气泡。
本发明的另一个方面提供了一种通过气体金属电弧焊接形成的焊接结构，其中，焊丝包含铝和钛。该焊接结构包括由氮化钢形成的第一部件和焊接至第一部件的第二部件。在这两个部件之间形成的焊缝包含氮化铝和氮化钛而不具有现有结构中存在的不期望的较高孔隙度。
附图说明
通过参照结合附图考虑时的以下详细描述，本发明的其他优点将易于领会，同时变得更好理解，在附图中：
图1为适于实施根据本发明的实施方式的方法的激光焊接系统的简化立体图；
图2为示出了根据本发明的实施方式的激光焊接方法的示意性立体图；
图3为图示了氮化钢部件之间的使用现有技术的方法形成的激光焊缝的横截面轮廓的示意图；
图4为图示了氮化钢部件之间的使用根据本发明的实施方式的方法形成的激光焊缝的横截面轮廓的示意图；
图5为包括由氮化钢形成的第一部件和由中碳钢形成的第二部件的焊接结构以及用来根据本发明的示例性实施方式形成焊缝的焊丝的侧视横截面图；
图6示出了根据本发明的示例性实施方式形成的低孔隙度焊缝；以及
图7示出了根据比较方法形成的高孔隙度焊缝。
具体实施方式
提供以下描述以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是在特定应用及其需求的背景下提供的。对所公开的实施方式的各种改型对于本领域技术人员而言将是明显的，并且在不背离本发明的范围的情况下，在本文中所限定的一般原理可以应用于其他实施方式和应用。因此，本发明并非意在局限于所公开的实施方式，而是应被赋予与本文中所公开的原理和特征一致的最宽范围。
参照图1，图1示出了适于实施根据本发明的实施方式的方法的激光焊接系统的简化立体图。特别地，图1的系统适于激光焊接氮化钢部件以及其他类型的经表面处理的金属部件。总体上以100示出的系统包括激光源(未示出)，比方说例如盘形激光器。作为具体且非限制性的示例，激光源为在1030nm的波长处具有4kW的最大输出功率的Trumpf TruDisk4002型激光器。使用芯直径为600μm的光纤(未示出)输送激光束并使用合适的激光焊接头104、比方说例如Trumpf D70激光焊接头将激光束聚焦在工件表面上。在此示例中，焊接头104的准直透镜和聚焦透镜两者都具有200mm的焦距。因此，束斑106在焦点处的尺寸在直径方面为0.6mm。可选地，使用另一合适的激光源和/或另一合适的焊接头来代替上面已论述的具体示例。
在图1中示出的系统100中，焊接头104安装在未图示的机械手、比方说例如ABB IRB 4400型机械手的末端执行器上。例如，机械手被编程成使焊接头104移动以在齿圈部108与由冲压钢制成的薄盘110之间进行焊接而形成柔性盘。如上面所论述的，齿圈部108通常被碳化处理以增大其齿的硬度和耐磨性，而冲压盘110由低碳钢制成并被氮化。在本示例中，冲压盘110被气体氮化并被滚磨抛光，氮的扩散厚度最小为0.45mm，并且化合物层厚度≧0.015mm。冲压盘110的具有氮化层的表面是被激光焊接的接合部中的对接表面中的一个对接表面。
仍参照图1，使用送丝装置114来给送带金属芯的填充丝112，使得通常还被称为填角丝的填充丝112的梢端部分定位在束斑106附近。送丝装置114安装在焊接头104上，使得送丝装置114相对于焊接头104的位置是固定的。经由保护气体喷嘴116以已知的方式提供保护气体，以防止焊接区域氧化。
现在参照图2，图2示出了根据本发明的实施方式的激光焊接处理的示意性立体图。在激光焊接处理期间，填充丝112被在焊接方向上位于激光束204前方的位置处给送到焊池200中，使得熔融的填充丝材料202与正被焊接的部件之间的接合部中的熔融材料有效地混合。当激光束204照射工件206a和206b的表面并形成焊池200时所产生的热足以使填充丝116熔融，使得填充丝112的梢端部分直接沉积到焊池200的前边缘部中。作为具体且非限制性的示例，填充丝具有不锈钢护套和含有钛的金属芯。合适的可商购的填充丝(来自Select Arc公司的填充丝)具有下述金属芯：该金属芯按重量％计包含：0.03的C、0.60的Mn、0.01的P、0.01的S、0.69的Si、11.90的Cr、1.00的Ti。
不期望受任何特定理论的限制，下述内容被认为是适用的。正被焊接在一起的两个部件的材料在激光束204沿着焊接方向移动时在激光束204的作用下熔融，从而形成移动的焊池200，其中，所述两个部件在本示例中为齿圈部108和冲压盘110。认为的是，冲压盘110的氮化层在焊池200内的高温下分解，从而释放出氮，氮随后与从带金属芯的填充丝112引入的钛发生反应而形成氮化钛。氮化钛具有非常高的熔点(2950℃)并且在焊池200内存在的条件下是化学稳定的。因此，当激光束204沿着焊接方向行进时，氮保持结合至钛并且在焊池200冷却并最终凝固时不会形成气泡。
图3和图4对使用现有技术的方法(图3)与根据本发明的实施方式的方法(图4)在氮化钢部件之间形成的激光焊缝进行比较。如图3中所示，在齿圈部108与冲压盘110之间形成的焊缝300包含较大空隙或孔302，这些空隙或孔302对应于在焊池200的快速冷却期间俘获的吸留氮气气泡。特别地，这些较大空隙或孔302存在于使用没有填充丝的现有技术的方法形成的整个激光焊缝中。尽管焊缝300在美观上是可接受的，但是空隙或孔302的存在使得焊缝在结构上是不可接受的。另一方面，图4中图示的焊缝400相比于图3中图示的焊缝呈现出减小的孔隙度。实际上，焊缝400的主体不包含任何较大的空隙或孔。仅在焊缝400的根部附近有可辨别的较小空隙，这被认为是由于来自填充丝112的材料与来自工件的熔融材料不能在焊缝400的底部处混合而发生的。也就是说，在焊缝400的根部附近存在的较小空隙不会对焊缝400的强度产生不利影响。例如，在具有沿着接合界面等距分布的8段焊缝的成品柔性盘的破坏性试验中，该部件在焊缝断裂之前能够承受超过37,000磅的力。为了说明这点，该部件的推压测试的标称规格为10,000磅。
可以配制带金属芯的填充丝112的合金组分以用于将钢质部件与特定涂层接合在一起。以此方式，可以使用带金属芯的填充丝112中的钛将钢质部件与氮化涂层如上面作为具体且非限制性的示例论述的那样接合在一起。可选地，由于氮化铝(AlN)也具有较高的分解温度和熔点并且在焊池中是稳定的化合物，因此在带金属芯的填充丝112中钛被铝代替以解决与激光焊接相关联的氮问题。还可选地，可以在带金属芯的填充丝中提供锌以用于对涂覆有铝的钢、比方说例如钢进行激光束焊接。铝具有低熔点并且铝与液态锌快速反应。在焊池中，铝和锌形成具有非常高的蒸发温度(约2450℃)的液态化合物，从而防止或减少铝和铁的脆性化合物的形成。当然，也可以设想其他变型。
本发明的另一方面提供了一种用于通过气体金属电弧焊接(GMAW)制造焊接结构20的有效且具成本效益的方法，其中，结构20的至少一个部件22、24由氮化钢形成。该方法在不必在焊接处理之前去除氮化层或掩蔽氮化钢部件的各部分的情况下提供牢固且可靠的焊缝26。改进的焊缝26通过包含铝和/或钛的焊丝28实现。优选地，焊丝28包括由具有铝和/或钛的铁基材料形成的芯30，并且芯30被由铁基材料形成的管32包围。在焊接处理期间，来自氮化钢的熔融的氮与熔融的焊丝28的铝和/或钛混合而在焊缝26中形成氮化铝(AlN)和/或氮化钛(TiN)，而不形成会导致不期望的较高孔隙度的氮气泡。
该方法开始于提供待被焊接的部件22、24。尽管该方法通常包括如图5中示出的那样将第一部件22焊接至第二部件24，但该方法也可以替代性地包括将多于两个的部件焊接在一起。在该示例性实施方式中，第一部件22由氮化钢、特别是由表面硬度为400HV1的被称为420XF的高强度低合金(HSLA)钢形成。然而，也可以使用各种其他氮化钢组成。该示例性实施方式的第二部件24也由钢、特别是由被称为1045或1050感应淬火钢的中碳钢形成。然而，也可以使用各种其他钢组成或者甚至不同的金属组成来形成第二部件24。例如，第二部件24也可以由氮化钢形成，或者第二部件24可以由不同于第一部件22的另一金属形成。
根据焊接结构20的预期应用，第一部件22和第二部件24可以具有各种不同的几何结构。在示例性实施方式中，第一部件22和第二部件24被设计成提供用于在机动车辆中使用的两件式柔性盘。由氮化钢形成的第一部件22被用作柔性盘的壳部，并且由中碳钢形成的第二部件24被用作柔性盘的齿圈部。齿圈部包括多个齿，并且这些齿的钢通常和齿圈部的其余部分一样未被感应淬火。然而，第一部件22和第二部件24可以被设计成用于任何其他类型的汽车应用比如动力系统应用，或者用于非汽车应用。另外，根据本发明的方法可以焊接多于两个的部件。与需要去除氮化层和/或掩蔽氮化钢的其他方法相比，在将部件22、24焊接在一起之前不需要对部件22、24的准备。
该方法接着包括利用焊丝28通过气体金属电弧焊接(GMAW)将第一部件22焊接至第二部件24。焊丝28的至少一部分包含铝和钛中的至少一者、但优选地包含铝和钛两者，以防止氮气泡并降低成品焊缝26中的孔隙度。在图5中示出的示例性实施方式中，焊丝28包括被管32包围的芯30。芯30的材料由软钢形成并且包含铝和钛两者。铝通常以基于芯30的软钢的总重量的0.7重量百分比(重量％)至3.0重量％的量存在，并且钛通常以基于芯30的软钢的总重量的0.7重量％至1.5重量％的量存在。在该示例性实施方式中，软钢包含0.8重量％的铝和0.7重量％的钛。软钢还包含基于软钢的总重量的约0.1重量％至0.3重量％的碳并且可以含有通常为痕量的各种其他合金元素。例如，除了铝和钛之外，芯30的软钢还可以包含0.18重量％的碳、0.80重量％的锰、0.01重量％的磷、0.01重量％的硫、0.4重量％的硅、可能的痕量的杂质，并且余量为铁。然而，可以使用各种其他组成来形成焊丝28的芯30，只要焊丝28包含铝和/或钛即可。
示例性焊丝28的管32完全由低碳钢形成，所述低碳钢也通常包含基于所述低碳钢的总重量的约0.1重量％至0.3重量％的碳并且可以含有各种其他合金元素。例如，管32的低碳钢可以包含0.18重量％的碳、0.80重量％的锰、0.01重量％的磷、0.01重量％的硫、0.4重量％的硅、可能的痕量的杂质，并且余量为铁。然而，可以使用各种其他组成来形成焊丝28的管32。
焊丝28的芯30和管32的设计相比于其他设计出于许多原因而是优选的，其中一个原因是效率的提高。例如，芯30和管32减少了焊接处理期间的充气量、飞溅物量和熔渣量。因此，掩蔽部件22、24的周围部分、在焊接处理之后去除飞溅物和熔渣以及/或者清洁部件22、24所需的时间量和成本被减少。由于减少的充气、飞溅物和熔渣，芯30和管32还提供较高的沉积速率和较大的焊接速度。已经发现，通过芯30和管32的设计，焊丝28的至少97％被转移至部件22、24而形成焊缝26。由于较高的沉积速率，需要重量减轻且量减少的焊丝28来形成焊缝26。换言之，焊丝28的消耗减少。另外，在使用芯30和管32情况下，焊接处理的速度可以增大约20％。
气体金属电弧焊接方法通常在封闭的室中进行，并且气体金属电弧焊接方法首先包括将两个单独的部件22、24设置成彼此接触以在这两个单独的部件22、24之间形成接合部。该方法接着包括将焊丝28设置在焊枪中并将焊枪指向这两个部件22、24之间的接合部。焊接处理接着包括向焊丝28施加电压和电流，使得在焊丝28与部件22、24之间形成电弧。焊丝28经由焊枪被连续地给送并且因此用作自耗电极。还经由焊枪给送保护气体以减少污染。
当在焊丝28与部件22、24之间形成电弧时，焊丝28的梢端处的材料熔融并且转移至这两个部件22、24之间的接合部。焊丝28的至接合部的转移可以通过本领域已知的各种方法、例如粗滴过渡、短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡来完成。来自焊丝28的熔融材料非常热并且因此使第一部件22的沿着接合部设置的部分和第二部件24的沿着接合部设置的部分熔融。包含铝和钛的焊丝28的熔融材料与部件22、24的熔融部分混合而形成焊池，并且焊池凝固而形成焊缝26。
如上面所论述的，来自焊丝28的铝和/或钛与来自氮化钢的氮在焊池中混合而形成氮化铝和/或氮化钛，而不形成会引起焊缝26中的不期望的孔隙度的氮气泡。图6示出了通过本发明的方法形成的低孔隙度焊缝26。形成于焊缝26中的氮化铝和氮化钛的量至少部分地取决于铝和钛的转化率。该转化率还取决于若干个因素，这些因素包括焊丝28中的铝和钛的量、以及在焊接处理期间从第一部件22释放的氮的量。
成品结构20的焊缝26包含第一部件22的氮化钢、第二部件24的低碳钢和焊丝28的软钢的混合物。仅第一部件22的沿着接合部的较小部分和第二部件24的沿着接合部的较小部分熔融而形成焊缝26，并且每个部件22、24的其余部分保持处于固体。在该示例性实施方式中，成品结构20中的焊缝26的材料包含基于焊缝26的材料的总重量的约0.3重量％至2.9重量％的固体氮化铝和约0.3重量％至2.9重量％的固体氮化钛。然而，应指出的是，该组成仅仅是示例，并且根据本发明的方法形成的成品结构20的焊缝26可以包含其他量的氮化铝和/或氮化钛。成品结构20的焊缝26中的氮化铝和/或氮化钛的存在可以通过能量分散X射线光谱法(EDS)和X射线衍射法(XRD)来检测。
焊缝26的几何结构也可以根据预期应用的成品结构20的几何结构而改变。然而，不需要改变部件22、24之间的接合部的几何结构来形成焊缝26。在图6中示出的示例性实施方式中，焊缝26的一侧具有约4.15mm的长度，并且另一侧具有约3.47mm的长度。
进行了实验来对利用示例性焊丝28形成的焊缝26中的孔隙度与利用比较焊丝形成的焊缝中的孔隙度进行比较。如上所述，示例性焊丝28包括由软钢形成的芯30和由低碳钢形成的管32，其中，所述软钢具有量为0.7重量％至3.0重量％的铝和量为0.7重量％至1.5重量％的钛。比较焊丝不包括管和具有铝和钛的芯。而是，比较焊丝包含低碳钢材料。该实验包括利用示例性焊丝28将由氮化钢形成的第一部件22气体金属电弧焊接至由非氮化钢形成的第二部件24以及还利用比较焊丝将由氮化钢形成的第一部件22气体金属电弧焊接至由非氮化钢形成的第二部件24。图6示出了使用示例性焊丝28产生的焊缝26，并且图7示出了使用比较焊丝28产生的焊缝34。这两幅图清楚地示出了利用示例性焊丝28实现的减小的孔隙度。利用比较焊丝形成的焊缝34包含多个孔，并且示出的一个孔具有1.29mm的长度。通过示例性焊丝28形成的焊缝26几乎不包含孔隙，并且不含长度为1.29mm或更大的孔。
显然，根据以上教示，本发明的许多改型和变型是可能的，并且本发明的这些改型和变型可以在本发明的范围内以除了如所具体描述的方式之外的其他方式来实施。