用于无填充焊丝的激光焊接的铝合金的制作方法

本发明涉及用于汽车的通过冲压或挤出成形的部件的领域，特别是通过无填充焊丝的远程激光焊接(即“remotelaserwelding”)组装的部件。更具体地，本发明涉及根据“铝业协会(aluminumassociation)”命名的aa6xxx系列的铝合金部件，其中已添加了硬化元素，并且用于冲压制造机动车辆的白车身的内衬部件、结构部件或加强件。

背景技术：

在前言中，除非另有说明，在下文中的所有相关铝合金均根据“铝业协会”在定期出版的“登记记录序列(registrationrecordseries)”中定义的名称命名。除非另有说明，与合金的化学组成有关的说明均以基于合金总重量计的重量百分比表示；“ppm”是指百万分之重量份。

冶金状态的定义示于欧洲标准en515中。

静态拉伸机械特性，即极限拉伸强度rm、在0.2％伸长率下的常规屈服应力rp0.2以及断裂伸长率a％，通过根据标准nfeniso6892-1的拉伸试验测定。

铝合金被越来越多地用于制造机动车辆，这是因为使用它们可减轻车辆的重量，并因此减少燃料消耗和温室气体排放。

铝合金板尤其被用于制造许多机动车辆的结构部件，特别是“白车身”部件，包括车身蒙皮部件(或外部车身面板)，例如前翼、车顶、发动机罩、汽车行李箱和门的蒙皮；内衬部件，例如门、翼、行李箱盖和发动机罩的内衬；以及最后是结构部件，例如侧梁、前部挡板、承重地板以及前部、中部和后部脚踏板。

很多蒙皮和内衬部件已使用铝合金板制成。

对于这类应用，需要数个有时是互相矛盾的特性，例如：

-在交货状态t4下高的成形性，特别是对于冲压操作而言；

-在板的交货状态下的受控屈服强度，以控制成形时的弹性回弹，

-在电泳和漆层烘烤后的高机械强度，以在使用中获得良好的机械强度，同时使部件的重量最小化，

-在碰撞的情况下良好的能量吸收能力，

-在用于汽车车身的各种组装工艺(例如点焊、激光焊接、粘接以及甚至是压接(clinchage)或铆接)中良好的性能，

-成品部件的良好的耐腐蚀性，特别是耐晶间腐蚀、应力腐蚀和丝状腐蚀，

-与制造过程中的废物或来自回收车辆的废物的回收要求之间的相容性；

-大批量生产的可接受的成本。

特别有用的是整块板的解决方案，其可以通过远程激光焊接而无需填充焊丝来组装，并且具有与目前汽车业中所用的铝合金板相似的机械特性、成形性和腐蚀特性。在本发明的上下文中，整块应理解为由单个非复合的合金构成的产品，复合产品为例如由共轧合金构成或通过铸造“双合金”获得。

此外，用于显著降低铝合金对开裂的敏感性并且更一般地说可以改善其可焊性的已知解决方案是将硅含量增至超过2％，将镁含量增至超过5％，以及将铜含量增至超过6％(参见图1)。

在aa6xxx系列合金的情况下，填充焊丝用于确保在激光焊接过程中良好的抗开裂性，填充焊丝由具有高硅含量(例如12％)的aa4xxx系列合金或aa5xxx系列合金制成。还已知的是，元素例如钛和锆的添加可细化凝固组织，并由此降低激光焊接过程中对开裂的敏感性，如在“currentissuesandproblemsinlaserweldingofautomotivealuminumalloys”，h.zhao，d.r.white和t.debroy，internationalmaterialsreviews，第44卷，第6期(1999年6月1日)，第238-266页中所报道的，从中摘取出图1。

“sky”已开发了一种整块板应用于使用tig和mig工艺的电弧焊中，并在申请us4897124中公开。所述板的组成范围在图2中限定，其中fe含量为0.05％至0.5％，以及至少一种选自以下的元素：含量小于0.6％的mn，含量小于0.3％的cr，含量小于0.3％的zr。请求保护的是改进的可焊性，以及改进的成形性和耐腐蚀性。

此外，“novelis”已经开发了多层复合产品，如在“advancedaluminium5xxxand6xxxforcomplexdoorinnerpanelsandconsiderationforanaluminium-specificdesign”，a.walker，g.florey-novelisswitzerlandsa；badnauheim-doorsandclosuresincarbodyengineering2014和“laserremoteweldingofaluminumwithoutfiller”，r.brockmann(trumpf)，c.bassi(novelis)2012/04/19中所报道的。

这是一种这样的组件，其由“novelis6200”合金制成的芯板及其表面上覆盖的aa4xxx系列的合金制成的板(具有12％含量的si，稍低于al-si共晶体[参见laserremoteweldingofaluminumwithoutfiller；r.brockmann(trumpf)，c.bassi(novelis)2012/04/19])构成。其商品名为6200rw或“novelisadvanzs200rw”。在没有填充焊丝的远程激光焊接过程中，其具有改进的可焊性，其中焊接接头处没有裂纹，如“laserremoteweldingofaluminumwithoutfiller”，r.brockmann(trumpf)，c.bassi(novelis)2012/04/19中所述。

然而，这种非整块产品在成本和回收方面并不理想。

专利申请jp2006104580公开了一种具有良好的脉冲激光可焊性的3xxx系列的铝合金板，其组成(以重量％计)为：si：>0.20-0.60，fe：0.25-0.55，cu：0.10-0.35，mn：0.9-1.5，mg：0.25-0.55，余量为铝和不可避免的杂质，si、fe、cu和mg的总和小于或等于1.5重量％。这些由3xxx合金制成的板不具有所需的机械特性。

专利申请us2005/0155676描述了由合金模压而获得的安全部件或结构部件，所述合金包含：si：2-6，mg<0.40，cu<0.30，zn<0.30，fe<0.50，ti<0.30，至少一种降低与模具的粘结的元素例如mn(0.3-2)、cr(0.1-0.3)、co(0.1-0.3)、v(0.1-0.3)或mo(0.1-0.4)，以及至少一种修饰共晶体的元素例如sr(50-500ppm)、na(20-100ppm)或ca(30-120ppm)。这些模制品不具有所需的几何和机械特性。

专利申请jp1995109537公开了一种亚共晶al-si合金，其可用于铸造、挤出和锻造的产品，具有以下组成(以重量％计)：si：3.3-5.5，mg：0.2-0.7，ti：0.01-0.2，b：0.0001-0.01，fe≤0.2，p≤0.005和ca≤0.005，并且满足p/ca≤1.0(以重量计)的关系。这些产品不具有所需的几何和机械特性。

专利申请us2005/0100473描述了包含以下组成(以重量％计)的铝合金和模制品：si：4-12，cu<0.2，mg：0.1-0.5，ni：0.2-3.0，fe：0.1-0.7，ti：0.15-0.3，并且余量为铝和杂质。这些模制品不具有所需的几何和机械特性。

技术问题

aa6xxx系列的铝合金被广泛用在汽车工业中，并且已知其在通过激光焊接进行组装的过程中，对于开裂非常敏感，特别是在焊道中造成临界裂纹(fissurecritique)。

所解决的问题是开发这样的铝合金板，其在通过无填充焊丝的远程激光焊接组装时不会形成临界裂纹，并且该铝合金板具有高的机械特性。与常用的铝合金相比，这种铝合金板在机械强度、成形性和腐蚀性方面必须实现相同的性能或改进的性能。

发明目的

本发明的目的是提供一种对于由铝合金制成的整块半成品进行无填充焊丝的远程激光焊接方法，包括以下步骤：

-提供至少两个由铝合金制成的整块半成品，其中至少一个是具有以下组成(重量％)的轧制板：

si：2.5-14，优选2.5-10.0，优选2.7-5.0

fe：0.05-0.80，优选0.15-0.60

cu：0.25-1.0，优选0.30-0.9，最优选0.5-0.8

mg：0.05-0.8，优选0.2-0.7，最优选0.3-0.5

mn：≤0.70

cr：≤0.35

ti：0.02-0.30

sr至多500ppm

na至多200ppm

sb至多0.15％，

不可避免的杂质各自<0.05且总量<0.15，余量为铝，

-通过无填充焊丝的远程激光焊接来焊接铝合金半成品。

根据一个优选的实施方案，所述半成品形成汽车结构部件和/或汽车白车身部件和/或机动车辆蒙皮部件和/或机动车辆车门部件。

最后，本发明的目的还包括由本发明的方法获得的机动车辆的结构、白车身、蒙皮或车门部件。

附图说明

图1示出了对于各种双组分合金，焊接金属的化学组成对裂缝(crique)的“相对敏感性”或对开裂的敏感性的影响。

图2示出了申请us4897124中“sky”所要求保护的组成的范围。

图3示意性地示出了所观察到的激光焊接装置在横截面中的典型构造，其中激光束表示为1。

图4示出了在顶视图中所观察到的相同的激光焊接装置，其中紧固件或夹具以黑色(2)示出。

图5说明了用于测定参数值的工具的尺寸(以mm计)，该参数被本领域技术人员称为极限拱顶高度(ldh)，所述参数表征材料的冲压能力。

图6是用于抗晶间腐蚀测试的测试样品的图。

图7示意性地示出了用于制造接合坯件的对接焊接装置构造。

图8示意性地示出了弯曲测量。

图9示意性地示出了弯曲角度α测量。

发明详述

本发明的方法包括提供由铝合金制成的整块半成品，通常为轧制板或挤出型材。至少一个半成品是轧制板。在本发明的一个实施方案中，两个半成品中的至少两个是轧制板。在本发明的另一个实施方案中，至少一个第二半成品是挤出型材。

制造整块板的方法通常包括铸造、再加热/均化、热轧、冷轧、固溶热处理和淬火。

铸造通常为板坯的半连续立式铸造，然后是剥皮，或者可能是连续式的铸造。

通常将板坯再加热至约550℃的温度，持续至少4小时，以便当硅含量大于1.2％时球化过量的硅颗粒，并且获得在板的整个厚度上均匀分布的圆形颗粒。该温度有利地在所考虑的合金的固溶线和固相线之间。

再加热之后，板坯通常被热轧，然后冷轧。热轧与用于例如门加强件的aa6xxx系列合金的热轧没有不同。

冷轧后，通常在约550℃的温度下进行固溶热处理，以便在淬火之前重结晶并使所有的游离mg和si都返回到溶液中。如对于所述再加热，该温度有利地在合金的固溶线和固相线之间。

在第二半成品为型材的情况下，典型的制造步骤是相似的：

坯料的铸造通常也是半连续立式的，然后可能是剥皮。

在切割成常用的长度之前或之后，将坯料再加热至约550℃的温度。该温度有利地在所考虑的合金的固溶线和固相线之间。

再加热之后，坯料用固溶热处理挤出并在压力下淬火，或单独进行。

在单独的情况下，固溶热处理通常在约550℃的温度下进行，以便在淬火之前使所有的游离mg和si都返回到溶液中。如对所述再加热，该温度更有利地在合金的固溶线和固相线之间。

在本发明的方法中，所述轧制板的化学组成(重量％)为：

si：2.5-14，优选2.5-10.0，优选2.7-5.0

fe：0.05-0.80，优选0.15-0.60

cu：0.25-1.0，优选0.30-0.9，最优选0.5-0.8

mg：0.05-0.8，优选0.2-0.7，最优选0.3-0.5

mn：≤0.70

cr：≤0.35

ti：0.02-0.30

sr至多500ppm

na至多200ppm

sb至多0.15％，

不可避免的杂质各自<0.05且总量<0.15，余量为铝，

施加于这类合金的组成元素的浓度范围可由以下原因解释：

si：以2.5％的最小含量存在的硅可显著改善可焊性。含量超过5％时，成形性开始下降，并且对于含量超过14％和在某些情况下超过10.0％，成形性是成问题的。

硅的优选含量为2.7-5.0％。

fe：最小含量为0.05％的fe，出人意料地改善了可焊性，而在含量大于0.8％时，成形性显著降低。

铁的优选含量为0.15-0.60％。

cu：以出乎意料地方式，本发明的发明人发现，铜的添加，在改善了机械特性的同时，并未显著劣化可焊性或耐腐蚀性。铜含量优选≥0.30％，更优选≥0.5％或甚至≥0.6％。有利地，最大铜含量为0.9％且优选0.8％。

mg：mg的最小含量为0.05％且优选0.2％，该含量对于充分形成mg2si沉淀物而言是必要的，以在烘烤漆层后获得所需的机械性能。其对焊接的负面影响使得必须限制最大含量为0.8％。

优选的镁含量为0.3至0.5％。在一个有利的实施方案中，将0.5-0.8％的铜含量和0.3-0.5％的mg含量进行结合。

cr：其含量限制在0.35％。

添加0.05％或更多则具有硬化效应，但超过0.35％，铬将形成有害的金属间相。

铬的优选含量为0.05至0.25％。

mn：其含量限制在0.70％。添加超过0.05％的锰可以通过固溶效果提高机械特性，但超过0.70％，其使成形性大幅降低，在超过0.30％时该现象就已被察觉到。在一个实施方案中，mn的优选含量为0.05至0.30％。在本发明的另一个实施方案中，mn的最大含量为0.2％且优选0.05％。

ti：已注意到该元素的作用是细化凝固结构，并因此降低对开裂的敏感性。因此，ti的最小含量为0.02％是必要的。最小ti含量优选为0.05％且最优选0.10％。相比之下，最大含量为0.30％且优选0.25％，以在立式铸造过程中不形成初相(phaseprimaire)，其对机械特性和成形性具有不利影响。

sr：sr的添加是任选的。对于小于500ppm的含量，其在凝固过程中作用于al-si共晶形式，促进在再加热之后和热轧之前获得均匀分布的圆形si颗粒。在更高含量下，其对铸造板坯的放气影响变得显著。

锶的优选含量为200-400ppm。

使用称为“改性剂”的其他元素例如以含量为至多200ppm(优选20-200ppm)的钠na，或者以含量为至多0.15％(优选0.04-0.15％)的锑sb，也是可行的。

na的优选含量为20-200ppm。

sb的优选含量为0.04至0.15％。

在一个有利的实施方案中，仅选择添加sr。

其他元素不是故意添加的。存在不可避免的杂质，其含量各自<0.05，且总含量<0.15，其余为铝。

用于本发明方法的轧制板的机械特性有利地为：在t4交货状态下，rp0.2≥165mpa且优选rp0.2≥175mpa和/或rm≥310mpa且优选rm≥330mpa。用于本发明方法的轧制板的机械特性有利地为：在2％拉伸的应变硬化、随后180℃下进行20分钟——该处理过程代表烘烤漆层——后，rp0.2≥240并且优选rp0.2≥260mpa和/或rm≥340mpa且优选rm≥360mpa。

在垂直于轧制方向的方向上5％拉伸下应变硬化、然后在205℃下进行30分钟——该处理过程模拟后形成沉淀——后，金属的机械特性有利地为：rp0.2≥280mpa，优选rp0.2≥310mpa且最优选rp0.2≥350mpa和/或rm≥330mpa且优选rm≥360mpa且最优选rm≥380mpa和/或根据标准nfeniso7438和方法步骤vda238-100测定的归一化的弯曲角αnorm为至少50°且优选至少60°。

所使用的轧制板的厚度优选为0.5mm至4mm且最优选1至3mm。

特别地，本发明的方法可用于如图3所示的叠加焊接，或用于如图7所示的对接焊接构造。也已经观察到，当在焊接时，将具有本发明组成的所述轧制板放置在一个或多个其他半成品之上，即在激光束的冲击侧上，焊接时开裂的趋势显著减小。在叠加焊接的情况下具有该优势。因此，在一个有利的实施方案中，将具有本发明组成的轧制板置于激光束的冲击侧上。

有利地，对接焊接构造可在焊接后获得接合坯件，优选地，其特征在于，至少两个所述半成品具有不同的厚度和/或不同的机械强度。

本发明还涉及一种由若干半成品构成的接合坯件，其中至少一个半成品为具有本发明组成的轧制板，并且通过使用本发明的没有填充焊丝的焊接方法进行对接焊接来组装。

本发明的主要优点在于，可以使用具有改善的可焊性的整块轧制板，特别是在没有填充焊丝的远程激光焊接过程中，该焊接方法通常被本领域技术人员称为“远程激光焊接”，并且其成形性和耐腐蚀性至少与传统用于汽车部件的aa6xxx系列的合金相当且具有高的机械特性。

目标应用涵盖机动车辆结构部件，特别是“白车身”的许多部件，包括：车身蒙皮部件(或外部车身面板)，例如前翼、车顶或顶罩、发动机罩、汽车行李箱和门的蒙皮；内衬部件，例如门、翼、行李箱盖和发动机罩的内衬；以及最后是结构部件，例如侧梁、前部挡板、承重地板以及前部、中部和后部脚踏板。有利地，本发明使得可以生产加强件，例如门加强件。

根据本发明方法，其中所述半成品有利地构成机动车辆结构部件、机动车辆白车身组件、机动车辆蒙皮部件和机动车辆门部件。

因此，本发明的方法可获得特别有利的机动车辆的结构部件、白车身部件、蒙皮部件或车门部件。

实施例

制备不同的合金，其组成示于表1。合金8和9具有本发明的组成。合金1至7为对照合金。

表1.所测试的不同合金的组成

根据表2中汇总的制造参数，由这些合金制备厚度为1.2和1.7mm的板。

表2：制造参数

焊接测试

根据图3和4所示的图，激光焊接通过使用1.2mm厚的板覆盖1.7mm厚并具有相同化学组成的板来进行。

对于每种合金，产生16条焊道。

使用以下激光焊接参数：

-激光功率：3kw

-焊接速度：3.4米/分钟

-无填充焊丝

-无保护气体。

根据以下方法评估裂纹：

在每条焊道上制备横截面。

在涂覆和抛光之后，通过光学显微镜观察每个截面以确定焊道中任何裂纹的尺寸。

然后取16个截面的平均值以获得平均裂纹。

然后，也可以确定比特定长度更长的裂纹的比例。

在这种情况下，对于每种合金，测定了平均裂纹长度，长度大于上部板厚度0.2倍的裂纹的比例和长度超过上部板厚度0.4倍的裂纹的比例。

所有的结果汇总于表3中：

表3焊接测试结果

与加入铜时预期的结果相反，本发明的实施例具有足够的可焊性(实施例9)或甚至优异的可焊性(实施例8)。因此，对比例4、5和6的比较似乎表明随着铜含量的增加可焊性降低，而本发明的合金——其铜含量甚至更大——显示出足够的可焊性。对比例3具有不足的焊接性能。

拉伸试验

拉伸试验按照标准nfeniso6892-1，在环境温度下，使用具有经常用于板的几何形状的非比例测试件进行，所述测试件对应于标准中附录b的表b.1中的测试件类型2。特别地，这些测试件的宽为20mm，且其校准长度为120mm。断裂伸长率使用80mm量规伸长计测量，因此根据标准表示为a80。

如标准iso6892-1:2009(f)第20.3节(第19页)中所述，重要的是应注意，“只有当标记之间的长度或伸长计的量规长度、横截面的形状和面积均相同，或当比例系数k相同时，伸长百分数的比较才是可行的”。

特别地，不可能将采用50mm量规伸长计测得的a50伸长值百分数与采用80mm量规伸长计测得的a80伸长值百分数直接进行比较。在取自相同材料中的具有相同几何形状的测试件的这种特定情况下，a50伸长百分数的值高于a80值，并由以下关系给出：a50＝ag+(a80-ag)*80/50，其中ag(以％表示)是最大力下的塑性伸长率，也称为“广义伸长率(allongementgénéralisé)”或“颈缩伸长率(allongementàstriction)”。

这些机械试验的结果汇总于表4中。

表4机械试验结果

观察到，本发明合金的t4或t4+漆层烘烤状态下的机械性能优于对比合金的机械性能，除了合金3的情况之外，然而该合金具有不足的可焊接性。

对于本发明的产品，在垂直于轧制方向的方向上5％形变并在205℃下热处理30分钟(后成形沉淀处理的特征)后表征机械性能，以及弯曲特性。

根据标准nfeniso7438和方法步骤vda238-100进行三点弯曲试验。弯曲装置如图8所示。

使用半径r＝0.2mm的冲头b进行厚度为t的板t的“三点弯曲”，该板由两个辊r支撑，弯曲轴垂直于预拉伸方向。辊的直径为30mm，辊的轴线之间的距离等于30+2tmm，t为所测试板的厚度。

在试验开始时，使冲头以30牛顿的预先加力与板相接触。一旦建立了接触，冲头的位置就标记为零。然后，测试包括移动冲头以进行板的“三点弯曲”。当板的微裂纹导致冲头上的力下降至少30牛顿时，或者当冲头移动14.2mm(对应于最大允许行程)时，测试停止。在试验结束时，样品板已如图9所示弯曲。然后通过测量弯曲角α来评估使用中的延展性。角度α越大，板弯曲的能力越好。获得的角度α根据以下等式归一化：

其中ref对应于2mm的厚度。

在根据标题为“前言”的段落中描述的条件生产的板上进行这些弯曲试验的结果示于表x中。

表5中给出了在5％变形和205℃下30分钟后的机械测试和弯曲测试的结果。

表5机械测试和弯曲测试的结果

测量ldh(极限拱顶高度)

在该实例中，进行这些ldh(极限拱顶高度)测量以表征不同板的冲压性能。

ldh参数被广泛用于评估0.5至3.0mm厚的板的可冲压性。关于该主题已经有许多出版物，特别是r.thompson，“theldhtesttoevaluatesheetmetalformability-finalreportoftheldhcommitteeofthenorthamericandeepdrawingresearchgroup”，sae会议，底特律，1993年，sae论文第930815号。

这是用扣环在坯件周围夹紧的冲压测试。控制坯件夹紧压力，以防止在扣环中滑动。尺寸为120×160mm的坯件以类似于平面变形的方式偏置。使用的冲头是半球形的。

图5示出了用于进行该测试的工具的尺寸。

冲头和板之间使用石墨润滑脂(shellhdm2润滑脂)润滑。冲头下降速率为50mm/min。称为ldh值的值为断裂时冲头的位移值，其为极限冲压深度。这是三次测试的平均值，在0.2mm测量值上的置信区间为95％。

下表6示出了在从上述1.2mm厚的板上切出的120×160mm的测试件上获得的ldh参数的值，其中160mm尺寸与轧制方向平行。

表6成形性测试结果

评估耐腐蚀性

根据标准iso11846的晶间腐蚀测试包括，在环境温度下用热苏打(5质量％)和硝酸(70质量％)清洗后，在30℃温度(通过放在烘箱中得到)下，将根据图6的测试件浸入氯化钠(30g/l)和盐酸(10ml/l)溶液中24小时。

样品的尺寸是40mm(轧制方向)×30mm×厚度。

所得腐蚀的类型和深度通过检查金属的显微截面来确定。测量每个测试样的中等腐蚀深度和最大腐蚀深度。

结果汇总于如下表7中。

表7腐蚀性测试结果

观察到在不显著改变耐腐蚀性的情况下，实现了焊接质量和机械强度之间折衷的改进，特别是对于根据本发明的实施例8和9而言。