涂层钢板的焊接方法与流程

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，使用焊条或添加粉末来焊接这类涂层板材。

这类焊接板条还用于硬化或部分硬化部件的制造，且为实现此目的，对这类焊接板条进行加热和淬火。

已知的是，由钢板构成的所谓加压硬化部件特别应用于汽车制造中。这些由钢板构成的加压硬化部件为高强度部件，特别作为安全部件应用于车身领域。因此，相对于普通强度钢材，使用这种高强度钢材部件可减小材料厚度，从而降低车身重量。

在加压硬化中，对于制造这类部件基本上有两种不同方法，通常称为直接方法和间接方法。

在直接方法中，将钢板条加热至比所谓的奥氏体化温度更高的温度，并且保持该温度直到达到期望的奥氏体化程度。然后，将加热的板条转移到成型模具中，并在成型模具中，通过一步成型工艺成型为成品；同时在此过程中，通过冷却的成型模具以大于临界硬化速度的速度将其冷却。这样即产生硬化的部件。

在间接方法中，首先，在多阶段成型工艺中，部件几乎完全成型。然后，将成形的部件同样加热至比奥氏体化温度更高的温度，并且在所需的必要时间段内保持该温度。

再然后，将加热的部件转移并插入成型模具中。该成型模具具有部件的尺寸，或更准确地，具有在考虑预成型部件热膨胀性后，部件的最终尺寸。接着，在关闭模具(尤其是冷却模具)后，就以大于临界硬化速度的速度冷却预成型部件，从而使其硬化。

在这方面，直接方法的实施较为简单，但实际上只能实现单个成型步骤能实现的形状，即相对简单的板形。

间接方法较为复杂，但可以实现更复杂的形状。

de102012111118b3公开了一种用于在对接接头处激光焊接一个或多个由加压硬化的钢材、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硬化的钢材中高出至少0.1％。

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。

现有技术的缺陷在于，对于将粉末引入焊缝中的方法，计量粉末是相当困难。激光混合焊接方法非常复杂且难以管理。焊缝上生成的氧化皮导致承载截面减小，焊缝的脱碳也导致承载截面减小，同时还损害了焊缝的机械承载能力。利用激光烧蚀铝硅层的缺点在于，一方面难以可靠地引导激光烧蚀从而实现可靠的烧蚀；另一方面，该处理需要额外的步骤来实现，这样就增加了生产复杂度和生成成本。

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。

技术实现要素：

本发明的目的是低成本地生成稳固的焊缝。

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。

根据本发明，将铝硅层被全部或部分移除的铝硅涂层钢板焊接在一起，但铝对焊接连接处的机械性能的负面影响被抵消。另外，通过本发明可避免焊缝的脱碳和氧化皮生成，增加了焊缝的高温强度；并且，为进行后续的热成形过程，焊缝的韧度增强，从而弥补了焊缝中普遍存在的模具指示的不利冷却条件。在本发明中，为了抵消铝及其负面影响，使用化学和合金含量经过校准以抵消铝影响的特定焊条进行焊接。

特别地，焊丝具有设定的铬含量，从而显著地抑制了氧化皮的生成和边缘脱碳。

相应地，与现有技术相比，不进行伽马稳定化，而是利用较少的镍和锰进行焊接。研究发现，尽管如此，仍然产生了高强度的焊缝。因此，本发明成功实现了无烧蚀焊接，并抑制了铝对焊接连接处机械性能的负面影响。另外，本发明几乎可避免焊缝脱碳和氧化皮的生成，并提高了焊缝的高温强度。这样，可以通过增加铬含量的方式进行焊接，以提高淬透性。这点尤为重要，因为本发明发现，在热成型过程中，由于模具的使用，焊缝处通常存在较差的冷却条件，这表现为加压硬化后焊缝硬度的降低。

因此，总而言之，通过使用特别适合于此材料的焊条，可以较好地抵消铝的影响，并且焊缝中的铬含量还可以显著抑制氧化皮的生成和边缘脱碳。合适焊条中碳含量为基材中碳含量的0.80至2.28倍，优选为基材中碳含量的0.88至1.51倍，特别优选为基材中碳含量的0.90至1.26倍，更特别优选为基材中碳含量的0.90至1.17倍，铬含量为8％至20％，镍含量低于5％，优选低于1％，硅含量为0.2％至3％，锰含量为0.2％至1％，可选地，钼含量最高为2％，优选为0.5％至2％。

从说明书可知，使用这类焊条进行焊接，可有效抑制后续硬化过程中氧化皮的生成和边缘脱碳，并成功抵消铝的影响。

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示出了两块不同厚度板材之间的焊缝的横截面；其中，使用了根据现有技术的焊接方法，并且可以看到焊缝上存在氧化皮生成和脱碳。

图2示出了根据现有技术所得焊缝中脱碳区域的抛光横截面，以及根据本发明所得焊缝。

图3示出了焊缝中的硬度曲线；以及以显微镜图像示出了带有硬度采样点的焊缝。

图4示出了在不同间隙宽度、不同焊丝材料(均根据本发明和未根据本发明)，以及不同焊缝前进速度情况下的焊缝强度水平。

图5示出了由图4中所示的根据本发明和未根据本发明的焊丝材料构成的焊条的成分。

具体实施方式

根据本发明，使用焊条将两块不同厚度的板材进行焊接，优选cmn钢材，特别是可硬化的cmnb钢材，特别是22mnb5钢材。特别地，根据本发明，将硬化后抗拉强度大于900mpa的铝硅涂层钢板以无烧蚀的方式焊接起来。

焊条或焊丝的优选化学合金成分由以下成分组成：

碳＝0.80～2.28倍基材中的c

铬＝8％～20％质量百分比

镍≤5％质量百分比，优选为≤1％质量百分比

硅＝0.2％～3％质量百分比

锰＝0.2％～1％质量百分比

可选地，钼＝<2％质量百分比，优选为0.5％～2.5％质量百分比

可选地，钒和/或钨总计<1％质量百分比

余量的铁和不可避免的冶炼相关杂质。

优选地，对焊条或焊丝中的碳含量进行如下调整，或更精确地，焊条包括以下成分：

碳＝0.88～1.51倍基材中的c

铬＝10％～18％质量百分比

镍＝≤1％质量百分比

硅＝0.3％～1％质量百分比

锰＝0.4％～1％质量百分比

钼＝0.5％～1.3％质量百分比

钒＝0.1％～0.5％质量百分比

钨＝0.1％～0.5％质量百分比

余量的铁和不可避免的冶炼相关杂质。

特别优选地：

c＝0.90～1.26倍基材中的c。

更特别优选地：

c＝0.90～1.17倍基材中的c。

如上所述，将具有60克/平方米铝硅涂层的22mnb5钢板焊接起来。为达到拉伸试样的目的，使用1.5毫米的钢板。这种钢板具有焊接边缘，且使用焦距为0.6毫米的trumpf4006焊接激光器(4.4千瓦)进行焊接。

钢板基材是具有以下一般合金成分(质量百分比)的钢材：

余量的铁和冶炼相关杂质。

这表明焊条中碳含量的质量百分比的范围可为0.024％～1.086％。显然地，焊条中的碳含量可基于所生产基材中的碳含量来具体选择。优选地，基材可包括以下合金成分：

余量的铁和冶炼相关杂质。

具体地，例如，22mnb5可包括以下成分：

碳(c)＝0.22

硅(si)＝0.19

锰(mn)＝1.22

磷(p)＝0.0066

硫(s)＝0.001

铝(al)＝0.053

铬(cr)＝0.26

钛(ti)＝0.031

硼(b)＝0.0025

氮(n)＝0.0042，

余量的铁和冶炼相关杂质，其中所有指标均以质量百分比表示。

当基材具有上述特定成分时，焊条中碳含量的质量百分比的范围为0.186％～0.5082％，特别优选地，质量百分比在0.216％～0.257％之间。

在试验过程中，工艺参数的变化如下：

》trumpf4006焊接激光器4.4千瓦(焦距毫米)

》工艺参数的变化：

》vw＝4～7.5米/分钟

》vd＝2.3～6.4米/分钟

》间隙＝0/0.1毫米

》硬化

》炉温：930℃

》炉停留时间：310秒

》转移时间：约6秒

》水冷片模

其中，vw是焊接前进速度，vd是焊条进给速度。

然后，在930℃的炉温和310秒的炉停留时间下对样品进行硬化。从炉中取出到插入水冷片模之间的转移时间为6秒。

图2下部示出了利用本发明的焊丝进行焊接时所得的焊缝。图中可见均匀结构，并不存在如图2上部所示的脱碳区域；其中，图2上部示出了利用现有技术焊接时所得的焊缝。另外，图1中也示出了根据现有技术焊接所得的焊缝，其中清晰可见氧化皮生成以及位于下方的脱碳区域。焊缝上氧化皮生成会减小承载截面，同时焊缝的脱碳也会减小承载截面，因此，在这种情况下，拉伸试样会在焊缝附近撕裂。但是，期望的是拉伸试样在基材上发生撕裂而不是焊缝处，这样才能确保机械性能由基材决定。

图3示出了利用本发明的焊丝进行焊接时所得焊缝的硬度曲线。其中，图3右侧示出了硬度记录点，图3左侧示出了对应的硬度曲线。可看出，硬度曲线确实有轻微波动，但与边缘区域或基材相比，这些波动的值在较高范围内且并不会减小。

图4示出了拉伸试样的平均值；其中，使用了不同的焊丝材料、不同的前进速度以及不同的间隙宽度。

在上述条件下，焊丝1和7被评估为不合适；而焊丝3、6和8具有根据本发明的成分，并且在整个过程和所有处理可能性中的波动范围最小。

需要注意的是，利用本发明的焊丝材料焊接所得样品的强度远远超过大多数用户指定的最小强度。焊丝的成分总结在图5中。

对具有以下成分的焊丝材料进行了测试(见图5)。

所有值均以质量百分比表示，余量的铁和不可避免的冶炼相关杂质。

其中，编号3、编号6和编号8的焊丝表现出优良的性能。但是，编号6的焊丝表现出所示的断裂模式，以及由于碳和硅含量的略有增加而可能具有的脆性断裂敏感性。但是，总体来讲，上述焊丝的评估结果均令人满意。

如前所述，强度值结果在图4中示出。

本发明的优点在于，无需花费昂贵、不能可靠控制的烧蚀步骤，即可将具有铝硅涂层的可硬化钢板，特别是由可硬化硼锰钢，尤其是mnb钢族的一种钢，优选为22mnb5或20mnb8，焊接在一起，且焊缝不会成为薄弱点。

但是，本发明显然也适用于低强度钢合金，比如所谓的软质伙伴材料，包括6mn6、6mn3或8mnb7。