用于接合金属构件的方法
【专利摘要】一种用于通过焊接接合金属构件、特别是钢构件的方法，其中，第一构件与第二构件焊接，其中，所述构件中的至少一个是含氮构件，其特征在于，在焊接步骤(140)之前给所述构件(10、12)中的至少一个添加钛。
【专利说明】用于接合金属构件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于通过焊接接合金属构件、特别是钢构件的方法，其中，第一构件与第二构件焊接，其中，所述构件中的至少一个是含氮构件。含氮构件在这种情况下可以理解成至少包含不少的或者甚至显著的氮百分比的金属构件或钢构件。所述氮在此一方面可以含在合金中，另一方面所述氮也可以在所述表面上包含在渗氮层中。
【背景技术】
[0002]用于通过焊接来接合金属构件、特别是钢构件的方法被多次公开。但是在接合含氮构件时经常遇见的问题是:由于在焊接时的高温，含氮材料会熔化。因此，会导致包含在材料中或者包含在合金中和/或包含在渗氮层中的氮的析气。所述析气导致在焊缝中形成孔隙，由此，所述焊缝的横截面中被削弱。因此，这限制了含氮的或者用氮处理过的材料的使用范围，因为不能可靠地保证焊缝的强度。
[0003]现有技术为了应对这个问题，例如在焊接之前去除构件的焊接接头上的渗氮层，从而不会导致氮的析气。但是在大批量生产和因此大的工件数量的情况下，磨掉所述渗氮层耗费大并且因此成本高，因此，应该尽可能地避免这种处理方法。
[0004]Gu等在他们的论文《氮化钢构件的激光束焊接(Laser Beam Welding of NitrideSteel Components)))(发表在《Physics Procedia)) 2011 年第 12 期中 40-45 页)中公开了一种用于激光束焊接的方法，所述方法研究在焊接时从渗氮层中析出氮的问题。在此，在焊接时供入一种焊条，所述焊条具有确定的钛含量。Gu的实验研究表明:在此关于因为析出氮而产生气泡的焊接过程得到改善(参考在Gu的公开文件中的图2的右边)。焊缝质量的改善在此这样实现:析气的氮的一部分在熔融物中与包含在焊条中的钛化合。所述氮在此与钛形成氮化钛形式的化合物。这个反应在比较高的温度中发生。
[0005]但是在一个更详细的焊缝实验中发现，特别是焊根、即焊缝的底部总是还含有大量的气泡。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的任务是，提供一种用于通过焊接来接合含氮的金属构件、特别是钢构件的方法，其中，所述方法应该能够简单并且可靠地实施，并且，即使在深的焊缝中也应优选在焊缝的整个横截面上避免由析气的氮导致的孔隙形成。
[0007]该任务通过具有权利要求1特征的方法解决。据此，在焊接步骤之前给所述构件中的至少一个添加钛。不同于现有技术地，钛的添加在此在焊接过程之前进行，与此相反的是，在现有技术中在焊接时供入焊条。由此，根据本发明，简化了焊接过程本身，因为不必在焊接期间才添加钛。此外，当所述钛的添加如根据本发明建议的那样在焊接之前进行时，则对于将钛添加到待焊接的构件中的做法提供了明显更多的自由度。在焊接步骤之前添加的钛然后在焊接时化合所述从含氮构件中析气的氮并且防止氮在所述焊缝中形成气泡或者孔隙。因此，能够防止削弱焊缝强度。所述钛能够通过任意的方法添加给至少一个构件，在所述方法中，所述构件的化学组成能够以适合的方式、特别是自由地或者几乎自由地调节。因此，例如也在钢制造的框架内，已经能够给至少一个构件添加相应的钛含量。所述方法特别是对于焊接含氮的、即氮合金的或者设有渗氮层的构件是有利的。因此，也可以在没有从现有技术中公开的复杂地供入附加材料的情况下在焊接期间避免在所述焊缝中产生孔隙。
[0008]本方法的一个有利的设计方案是:在焊接步骤之前给至少一个构件混入钛。在此，所述混入可以在钢制造的框架内或者在构件制造或构件再加工的框架内进行。在此，可以考虑将钛均匀地混入到整个构件中，其中，然后所述整个构件具有同样的钛含量。但是此外也可以考虑的是，这样地混入钛:使得所述构件具有不均匀的、应用最优的、适应焊缝形状的钛含量的分布。因此在焊接步骤之前的混入钛是有利的，因为在整个构件几何结构上存在足够钛含量来化合析气的氮。因此，能够避免现有技术中的缺点，即在焊缝的根部中产生气泡。
[0009]本发明另一有利的设计方案设置:在焊接步骤之前，将钛施加到所述至少一个构件的焊接接头上。为此，所述钛能够例如熔化并且施加到所述焊接接头上。但是也可能是，将含钛的材料(特别是在也没有熔化的情况下)施加到所述焊接接头上。此外，也可能的是，将钛以原子的形式例如通过溅射施加到所述焊接接头上。因此，可以极其精确地调节钛含量。与现有技术相比，在焊接步骤之前将钛施加到所述焊接接头上同样被证明是有利的，因为在此也可以避免在焊缝底部中产生气泡。
[0010]此外，有利的是，将钛以纯钛形式和/或含钛化合物形式和/或含钛合金形式添加给所述构件中的至少一个。这特别是可以取决于钛被如何施加到所述构件中。如果例如在钢制造的框架内添加钛，则建议将以纯钛形式添加。但是在将钛施加到所述焊接接头上时也可以将钛以含钛化合物形式和/或含钛合金的形式添加。
[0011]所述方法的一个特别有利的设计方案是:所述构件中的至少一个根据粉末冶金的制造方法制造。借助于粉末冶金的制造方法，可以非常精确地调节需制造的构件的化学组成。因此，视应用而定，能够在粉末冶金制造过程中应用最优的钛含量添加在构件中。有利地，使用粉末注射成型法、金属注射成型法(缩写为MM)或者所述方法的变型方案2k_MIM作为粉末冶金制造方法。所述金属注射成型法MIM与陶瓷注射成型法(缩写为CIM)属于所述粉末注射成型法(缩写为PIM)。在所述粉末注射成型方法中，能被烧结的粉末与结合齐U、例如聚烯烃-蜡混合物形式的结合剂混合。然后，在注射成型过程的框架内产生所谓的绿坯。通过加热，结合剂从所述绿坯中熔出，由此形成所谓的棕坯，即一种多孔隙的模制件。最后，所述棕坯在所谓烧结过程中通过热力学加热被压实，由此得到所述构件的最终的材料特性。
[0012]本发明的另一有利的设计方案设置，所述构件中的至少一个在焊接步骤之前经受渗氮过程。在此，能够设置，氮合金的构件在焊接步骤之前还经受渗氮过程，然后在构件表面上施加渗氮层。此外，也可能的丝，使已经添加了钛的构件经受渗氮过程。在此，含钛构件可以在它的构件表面上附加地设置渗氮层。也可考虑，所述构件通过已知的方法、例如所谓的碳氮共渗或者氮碳共渗设置渗氮层。在此，不仅在碳氮共渗中，而且在氮碳共渗中，在工件的边缘层中除了氮之外也富含碳。
[0013]有利地，所述构件中的至少一个在添加钛的步骤之后至少局部地具有从大约0.2%重量百分比到大约10%重量百分比范围内、优选地从大约0.5%重量百分比到大约5%重量百分比范围内并且进一步优选地从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比范围内的钛含量。这个数量级被证明是特别有利的，因为在这个钛含量的情况下，所述构件在与含氮构件焊接时具有足够的钛含量，而此外没有构件功能的不利的限制。在这种情况下，“局部地”指的是所述至少一个构件在整个构件体积中具有至少一个区域，所述区域关于该相应区域的体积具有所述相应的钛含量。因此，例如可以设置，根据本发明在构件表面附近、例如在焊接接头上设置确定的钛含量的这种区域。
[0014]此外，有利的是，在焊接步骤之前这样给所述构件中的至少一个添加钛:从构件表面开始，在从大约O毫米到大约20毫米、优选地从大约O毫米到大约12毫米的深度范围内形成从大约0.2%重量百分比到大约5%重量百分比、优选地从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比之间的钛含量时。因此，能够保证，通过在所述构件表面上存在确定的钛含量，从构件中或者从渗氮层中析气的氮能够被化合并且与所述钛化合成氮化钛。这种与到所述构件表面距离有关的钛含量之所以也是有利的，是因为对于大部分的焊接方法来说，为了改善焊接性能和用于化合析气的氮，钛只需要到构件的确定的深度。因此，通过构件中钛含量的这种优化的、局部的适应能够节省成本，因为需要更少量的钛。也可以考虑，所述钛含量适应所述构件的几何构型和/或所述焊缝的几何构型。
[0015]也可以设置，从构件表面开始，设置钛的任意的浓度落差。
[0016]优选地，所述至少一个含氮构件是氮合金的和/或氮化的(或渗氮的)构件。这种构件在构件表面上具有相对高的氮含量。因此，在这种氮合金的和/或氮化的(或渗氮的)构件中增多地出现氮析出的问题，这导致在焊缝中形成孔隙，由此削弱了焊缝的横截面。
[0017]有利地，在焊接过程期间析气的氮至少部分地被以氮化钛形式化合。以这种方式，能够可靠地避免在焊缝中形成孔隙，因为所述从渗氮层中或从氮合金的构件中析气的氮与在焊接步骤之前添加给所述构件中的至少一个的钛化合成氮化钛。
[0018]根据权利要求11的构件作为本发明的任务的另一解决方案被给出。据此可以设置，所述构件至少局部地具有从大约0.2%重量百分比到大约10%重量百分比范围内、优选地从大约0.5%重量百分比到大约5%重量百分比范围内并且进一步优选地从大约
0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比范围内的钛含量。在这种情况下，“局部地”指的是所述至少一个构件在整个构件体积中具有至少一个区域，所述区域关于相应区域的体积具有相应的钛含量。因此，例如能够设置，根据本发明，在构件表面附近、例如在焊接接头上设置具有确定的钛含量的这种区域。
[0019]在此，特别优选的是，所述构件从构件表面开始在从大约O毫米到大约20毫米、优选从大约O毫米到大约12毫米的深度范围内具有从大约0.2%重量百分比到大约5%重量百分比、优选从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比之间的钛含量。在此，不是强制地要求所述构件在该构件的所有表面区域上具有这种钛含量。也可以设置，所述构件只在所述焊接接头上具有这种钛含量。
[0020]此外有利的是，所述构件在它的整个体积上均匀分布有在从大约0.2%重量百分比到大约10%重量百分比范围内、优选从大约0.5%重量百分比到大约5%重量百分比范围内并且进一步优选从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比范围内的钛含量。
【专利附图】
【附图说明】[0021]本发明的其他的细节和有利的设计方案从下面的说明中得出，借助于所述说明详细地描述和解释附图中示出的发明。相应的元件在此使用相应的标号。附图中:
[0022]图1:两个构件在焊接过程前后的示意图，如由现有技术公开的那样；
[0023]图2:在使用根据本发明的方法的情况下，在焊接过程前后的两个构件；
[0024]图3:在使用根据本发明的方法的情况下，在焊接过程后的两个构件；
[0025]图4:在使用根据本发明的方法的情况下，一个根据本发明的构件；和
[0026]图5:根据本发明的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]在图1的上部示出了在焊接前的两个构件10、12。左边的构件10在此可以是根据金属注射成型方法制造的构件。但是也可考虑，这个构件10借助于传统的制造方法生产，即常见的钢制造方法和紧接着它的注射成型和/或车削和/或铣削形式的成型。右边的构件12在它的构件表面14上具有渗氮层16。所述两个构件10、12在它们的短的窄边18、20上彼此接触。所述渗氮层16是通过渗氮或者化学正确的氮化制成的表面层。所述渗氮是一种用于硬化钢表面的方法。在此，可考虑不同的方法，例如浴渗氮法、气体渗氮法或者等离子渗氮法。氮化合进所述渗氮层16中。
[0028]在图1下部示出了在应用焊接方法后的两个构件10、12，如其目前由现有技术中公开的那样。所述两个构件10、12在此焊接成一个焊接件22。所述构件10、12在图1上部所示的两个短的窄边18、20的接触面上通过焊缝24连接。这个焊缝24具有大量孔隙26。在焊接过程中，通过熔化渗氮层或者含氮量高的材料，化合进渗氮层中的氮被释放。这导致所谓的氮析气。因此，在所述焊缝24中形成很多孔隙，由此，削弱了它的横截面。
[0029]图2示出了这些构件的两幅图，它们在应用根据本发明的焊接方法的情况下彼此连接。在图2上部示出了构件10、12，其中构件12在构件表面14上具有渗氮层16。例如通过粉末冶金方法如金属注射成型法制造的所述构件10具有足够的钛含量，用于化合在焊接方法中析气的氮。所述钛含量例如可以在0.5%和1.5%重量百分比之间。这个构件因此在下面被称为含钛构件28。所述两个构件28、12通过它们的两个短的窄边18、20接触。
[0030]现在，在图2的下部示出了完成的焊接件22，其是在使用根据本发明的焊接方法的情况下被制造的。所述两个构件28、12通过焊缝24彼此连接。与图1的焊缝24不同，这个焊缝24没有孔隙26。在根据本发明的方法中，在焊接时所述两个构件在它们的接头上在两个短的窄边18、20处熔化。这里也导致包含在构件12的渗氮层16中的氮析气。但是所述氮立即被包含在含钛构件28中的钛在整个焊缝的区域中、也就是特别是也在构件22的深层中化合并且与所述钛化合成氮化钛。因此避免了孔隙26 (参见图1)的形状。因此，不会导致焊缝24的横截面的削弱。因此，所述焊缝24的强度相对于根据图1的现有技术显著地提高。
[0031]图3示出了由第一构件10和含钛构件12、28组成的焊接件22。但是，不同于图2地，所述含钛构件28在它的构件表面14中具有渗氮层16。因此，例如可以使含钛构件28在传统的钢制造的框架内或者在构件制造的框架内通过金属注射成型法制造并且在随后的步骤中利用渗氮层16涂层。然后，这个设有渗氮层16的含钛构件28可以与传统的钢构件10焊接。在这种情况下，从渗氮层16中析气的氮也可以被包含在所述含钛构件中的钛化合成氮化钛，由此避免在所述焊缝24中产生孔隙。因此也如在图2中那样，图3中的焊缝24没有被通过氮形成的孔隙26削弱。
[0032]图4示出了根据本发明的构件10、12、28，如其在根据本发明的方法中在焊接之前能够与另一构件10、12存在。所述构件10、12、28至少在它的左边的构件表面30上具有钛含量大约为1.5%重量百分比的区域32。这个区域32例如可以从所述构件表面14开始一直达到20毫米的深度。所述构件在它的右构件表面34上具有钛含量大约为0.5%重量百分比的区域36。这个区域例如可以从所述构件表面14开始一直达到12毫米的深度。因此，与需要和所述构件10、12、28焊接的构件的几何构型有关地，钛含量能够相应地适应相应要求地添加给所述构件。
[0033]图5示出了根据本发明的方法的流程图。在该焊接方法100开始时，存在至少两个没有彼此连接的构件10、12。然后这些构件中的至少一个在步骤110中被添加钛。现在步骤111能够决定，是否应该或者不应该将钛施加到该构件的表面上。在此，所述钛可以要么在步骤112中被混合，要么在步骤114中施加到所述两个构件的接头上。如果所述钛在步骤112中混合并且不施加到所述构件表面14上，则所述钛已经在所述构件的至少一个的制造过程中施加进所述构件中。这一方面可以在传统的钢制造中以钛合金的形式通过添加应用最优量的钛进行。另一方面，也可以在制造构件时使用粉末注射成型法MM。在此可以将任意的钛含量混合到输出金属粉末中，在此可调节应用最优的钛含量。在步骤114中将钛施加到构件的焊接接头上。这可以通过将钛熔化到所述焊接接头上实现。也可以将容易熔化的钛合金形式的含钛材料施加到所述焊接接头上。替代地，也可以考虑，通过溅射将单个的钛原子施加进所述构件的表面中。在下一步骤116中，现在可以决定是否应该将钛施加到在步骤112中已经混合了钛的构件的表面上。钛到构件表面上的施加在此在步骤120中类似于步骤114地、但是在步骤112之后进行，从而使得钛不仅在构件制造中混入，而且还将钛施加到构件表面或者施加到构件的焊接接头上。在步骤114或步骤120之后，能够进行是否应该进行渗氮过程的决定122。在这种渗氮过程130中，可以给两个待焊接的构件中的一个或者可以给这两个构件都设置渗氮层。在此，也可以使在步骤112中混合了钛的所述构件设置渗氮层。如果不应该进行渗氮过程或者紧接着所述渗氮过程130进行焊接过程140。则所述焊接在此类似于图2和图3进行。在焊接过程140期间在熔化时从所述构件中析气的氮立即被化合在所述构件中的钛化合成氮化钛。在所述焊接过程140结束时形成一焊接件22，如其在图2和3中所示的那样。在这个焊接件22中，两个构件10、12、28通过无孔隙的焊接接头24彼此连接。
【权利要求】
1.一种用于通过焊接来接合金属构件(10、12)、特别是钢构件的方法，其中，第一构件(10、12)与第二构件(10、12)焊接，其中，所述构件中的至少一个是含氮构件，其特征在于，在焊接步骤(140)之前给所述构件(10、12)中的至少一个添加钛。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在焊接步骤(140)之前给所述构件(10、12)中的至少一个混入(112)钛。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在焊接步骤(140)之前，将钛施加(I14、120)到所述至少一个构件(10、12)的焊接接头(18、20)上。
4.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，将钛以纯钛形式和/或以含钛化合物形式和/或以含钛合金形式添加给所述构件(10、12)中的至少一个。
5.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，所述构件(10、12)中的至少一个按照粉末冶金制造方法制造。
6.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，所述构件(10、12)中的至少一个在焊接步骤(140)之前经受渗氮过程(130)。
7.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，所述构件(10、12)中的至少一个在添加钛的步骤(112、114)之后至少局部地具有从大约0.2%重量百分比到大约10%重量百分比范围内、优选地从大约0.5%重量百分比到大约5%重量百分比范围内并且进一步优选地从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比范围内的钛含量。
8.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，在焊接步骤(140)之前这样给所述构件(10、12)中的至少 一个添加钛:从构件表面(14)开始，在从大约O毫米到大约20毫米、优选地从大约O毫米到大约12毫米的深度范围内形成从大约0.2%重量百分比到大约.5%重量百分比、优选地从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比的钛含量。
9.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，含氮的所述至少一个构件(10、12)是氮合金的和/或渗氮的构件。
10.根据上述任一项的权利要求所述的方法，其中，在焊接过程(140)期间析气的氮至少部分地被以氮化钛形式化合。
11.一种金属构件(10)、特别是钢构件，其特征在于，所述金属构件至少局部地具有从大约0.2%重量百分比到大约10%重量百分比范围内、优选地从大约0.5%重量百分比到大约5%重量百分比范围内并且进一步优选地从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比范围内的钛含量。
12.根据权利要求11所述的金属构件(10)，其中，所述金属构件至少局部地从构件表面(14)开始在从大约O毫米到大约20毫米、优选从大约O毫米到大约12毫米的深度范围内具有从大约0.2%重量百分比到大约5%重量百分比、优选从大约0.5%重量百分比到大约1.5%重量百分比的钛含量。
13.根据权利要求11-12任一项所述的金属构件(10)，其中，所述构件在其整个体积上均匀分布有在从大约0.2%重量百分比到大约10%重量百分比范围内、优选从大约0.5%重量百分比到大约5%重量百分比范围内并且进一步优选从大约0.5%重量百分比到大约.1.5%重量百分比范围内的钛含量。
【文档编号】B23K35/32GK104023901SQ201280065157
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2011年12月27日
【发明者】M·马蒂克 申请人:罗伯特·博世有限公司