[发明专利]用于激光-电弧复合焊接渗铝金属工件的方法

说明书

本申请是申请日为2007年7月12日、名称为“用于激光-电弧复合焊接渗铝金属工件的方法”的专利申请200710136261.6的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于激光-电弧复合焊接一个或多个具有渗铝表面分层或涂层的金属工件——即含铝金属工件——的方法。

背景技术

可热拉拔的材料——即可在大约900℃拉拔的材料，例如由具有很高的屈服强度(VHYS钢)的22Mn/B5钢(尤其含有0.22％的C、1.25％的Mn和B)形成的USIBOR 1500——通常覆盖有基于铝和硅的分层或涂层，该分层或涂层被称为“铝-硅层”，例如由90％的铝加上10％的硅(重量百分比)组成，用以防止在热处理过程中的氧化及由此出现的氧化皮(scale)。

这是因为，在没有硅-铝层的情况下，如果表面上出现氧化皮，则必须通过喷砂清理或通过任何其他等效的技术将该氧化皮层去除，这样就需要附加的操作，从工业角度看这会导致大量的额外成本以及生产率损失。

并且，当对板料进行热拉拔时，铝-硅层还用作表面润滑剂。

铝-硅层的厚度通常例如在USIBOR 1500上为大约30微米，并且经过铁扩散到铝-硅层且铝扩散到铁中的热处理后，根据热处理的时间，该厚度变成大约40-45微米。上限值45微米通常是极限值，因为任何高于此值的值都会使铝-硅层变得十分易碎。

假设这种铝-硅层比没有覆盖涂层的钢导电性差，则在电阻点焊中该铝-硅层增加了接触电阻。

所生产的覆盖有这种涂层的钢零件主要是结构零件，尤其是用于机动车辆的零件，例如(车身)中柱、防向内突入加固件、保险杠横梁等。但是，还可以使用涂覆有铝-硅层的钢管制造各种结构，例如排气管。

这些带涂层零件的常规厚度在0.8毫米到2.5毫米之间。

通常，由于这种铝-硅涂层尤其能够防止上述的氧化皮沉积物，所以对具有铝-硅涂层的这种类型的零件的使用具有显著的发展，但是这些结构零件只在热时才可拉拔，并且它们的机械性能只有经过成形后立即进行的热处理后才能得到。

然而，这些板料必须在焊接前被切割，然后进行拉拔。这种切割操作通常以剪切或激光切割的方式进行。

激光切割方法具有不会把涂层带到切割侧向边缘上的优点。然而，由于需要一整套的激光切割设备，这种方法以投资成本来讲比较昂贵，因而阻碍了其在工业中的广泛使用。

剪切切割方法最为经济，因而是工业中最广泛使用的方法，但是该方法最大的缺陷在于由于滑移作用而将一部分铝-硅涂层带到工件的边缘。

因此，在以剪切方式切割的渗铝钢板或工件的对接边缘构造(对接焊)中进行的随后的激光-焊接操作中，在焊接后会发现焊道中的一种相的抗拉强度低于基底金属和熔化区域。

对这种相的组成的化学分析表明，铝含量的百分比(＞1.2重量％)足够高从而防止了钢的奥氏体转变。这是因为，由于铝是一种诱发α-相的元素，所以超过一定含量就会阻止钢的奥氏体转变。在冷却时，所述相的微结构不改变并保持δ-铁素体形式，并且具有接近230Hv的硬度。基体本身经过奥氏体转变和之后的马氏体/贝氏体转变，得到大约450Hv的硬度。

存在铝含量为13％(Fe3Al)、33％(FeAl)等的金属间化合物。这些含量在仅使用激光产生的样品上测出。

换句话说，存在比基体的强度低的相，这使得组件的机械性能降低。

由于奥氏体转变被抑制，当加热到900℃时(奥氏体化)所述相不会溶到基体中，因此，在对接焊操作之后进行的在900℃下的拉拔过程中，由于所述相的抗拉强度低于在此温度下以奥氏体形式存在的基体，因而存在断裂的危险。并且，对这种焊道进行机械测试后发现，焊缝的整体强度低于基底金属的强度。这会产生不符合标准的零件。

发明内容

因此，现在的问题是如何提供一种用于焊接渗铝工件——即表面上具有铝-硅涂层的工件——的有效方法，从而尤其可以获得具有良好性能的焊接接头，包括在工件已经以剪切方式被切割并且没有经过对工件的侧向边缘表面进行处理的步骤时也是如此。

本发明的解决方案是一种利用激光束对至少一个金属工件进行激光焊接的方法，所述工件具有含铝的表面涂层，其特征在于，所述激光束与至少一个电弧组合以便熔化金属和焊接所述工件。

换句话说，在实际的焊接过程中，电弧与激光束组合以便通过同时冲击单个共同的焊接位置或区域来熔化待组装工件的金属。

根据情况不同，本发明的方法可包括以下特征中的一个或多个：

涂层主要包含铝和硅；

涂层的厚度在5-45微米之间；

至少其中一个工件由钢制成；