專利名稱：：用于激光-電弧復(fù)合焊接滲鋁金屬工件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于激光-電弧復(fù)合焊接一個或多個具有滲鋁表面分層或涂層的金屬工件一一即含鋁金屬工件一一的方法。
背景技術(shù)：
：可熱拉拔的材料一一即可在大約900t:拉拔的材料，例如由具有很高的屈服強度(VHYS鋼)的22Mn/B5鋼(尤其含有0.22%的C、1.25%的Mn和B)形成的USIBOR1500——通常覆蓋有基于鋁和硅的分層或涂層，該分層或涂層被稱為"鋁-硅層，，，例如由卯％的鋁加上10%的硅(重量百分比)組成，用以防止在熱處理過程中的氧化及由此出現(xiàn)的氧化皮(scale)。這是因為，在沒有硅-鋁層的情況下，如果表面上出現(xiàn)氧化皮，則必須通過噴砂清理或通過任何其他等效的技術(shù)將該氧化皮層去除，這樣就需要附加的操作，從工業(yè)角度看這會導(dǎo)致大量的額外成本以及生產(chǎn)率損失。并且，當(dāng)對板料進行熱拉拔時，鋁-硅層還用作表面潤滑劑。鋁-硅層的厚度通常例如在USIBOR1500上為大約30微米，并且經(jīng)過鐵擴散到鋁-硅層且鋁擴散到鐵中的熱處理后，根據(jù)熱處理的時間，該厚度變成大約40-45微米。上限值45微米通常是極限值，因為任何高于此值的值都會使鋁-硅層變得十分易碎。假設(shè)這種鋁-硅層比沒有覆蓋涂層的鋼導(dǎo)電性差，則在電阻點焊中該鋁-硅層增加了接觸電阻。所生產(chǎn)的覆蓋有這種涂層的鋼零件主要是結(jié)構(gòu)零件，尤其是用于機動車輛的零件，例如(車身)中柱、防向內(nèi)突入加固件、保險杠橫梁等。但是，還可以^使用涂覆有鋁-硅層的鋼管制造各種結(jié)構(gòu)，例如排氣管。這些帶涂層零件的常規(guī)厚度在0.8毫米到2.5毫米之間，通常，由于這種鋁-硅涂層尤其能夠防止上述的氧化皮沉積物，所以對具有鋁-硅涂層的這種類型的零件的使用具有顯著的發(fā)展，但是這些結(jié)構(gòu)零件只在熱時才可拉拔，并且它們的機械性能只有經(jīng)過成形后立即進行的熱處理后才能得到。然而，這些板料必須在焊接前被切割，然后進行拉拔。這種切割操作通常以剪切或激光切割的方式進行。激光切割方法具有不會把涂層帶到切割側(cè)向邊緣上的優(yōu)點。然而，由于需要一整套的激光切割設(shè)備，這種方法以投資成本來講比較昂貴，因而阻礙了其在工業(yè)中的廣泛使用。剪切切割方法最為經(jīng)濟，因而是工業(yè)中最廣泛^L用的方法，但是該方法最大的缺陷在于由于滑移作用而將一部分鋁-硅涂層帶到工件的邊緣。因此，在以剪切方式切割的滲鋁鋼板或工件的對接邊緣構(gòu)造(對接焊)中進行的隨后的激光-焊接操作中，在焊接后會發(fā)現(xiàn)焊道中的一種相的抗拉強度低于基底金屬和熔化區(qū)域。對這種相的組成的化學(xué)分析表明，鋁含量的百分比(>1.2重量％)足夠高從而防止了鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變。這是因為，由于鋁是一種誘發(fā)ct-相的元素，所以超過一定含量就會阻止鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變。在冷卻時，所述相的微結(jié)構(gòu)不改變并保持5-鐵素體形式，并且具有接近230Hv的現(xiàn)變.基體本身經(jīng)過奧氏體轉(zhuǎn)變和之后的馬氏體/貝氏體轉(zhuǎn)變，得到大約450Hv的硬度.存在鋁含量為13%(Fe3Al)、33%(FeAl)等的金屬間化合物。這些含量在僅使用激光產(chǎn)生的樣品上測出。換句話說，存在比基體的強度低的相，這使得組件的機械性能降低。由于奧氏體轉(zhuǎn)變被抑制，當(dāng)加熱到90ox:時(奧氏體化)所^目不會溶到基體中，因此，在對接焊操作之后進行的在90ox:下的拉拔過程中，由于所述相的抗拉強度低于在此溫度下以奧氏體形式存在的基體，因而存在斷裂的危險。并且，對這種焊道進行機械測試后發(fā)現(xiàn)，焊縫的整體強度低于基底金屬的強度。這會產(chǎn)生不符合標準的零件。
發(fā)明內(nèi)容因此，現(xiàn)在的問題是如何提供一種用于烀接滲鋁工件一一即表面上具有鋁-硅涂層的工件一一的有效方法，從而尤其可以獲得具有良好性能的焊接接頭，包括在工件已經(jīng)以剪切方式被切割并且沒有經(jīng)過對工件的側(cè)向邊緣表面進行處理的步驟時也是如此。本發(fā)明的解決方案是一種利用激光束對至少一個金屬工件進行激光焊接的方法，所述工件具有含鋁的表面涂層，其特征在于，所述激光束與至少一個電弧組合以便熔化金屬和焊接所述工件。換句話說，在實際的焊接過程中，電弧與激光束組合以便通過同時沖擊單個共同的焊接位置或區(qū)域來熔化待組裝工件的金屬。根據(jù)情況不同，本發(fā)明的方法可包括以下特征中的一個或多個涂層主要包含鋁和硅；涂層的厚度在5-45微米之間；至少其中一個工件由鋼制成；至少其中一個工件的厚度在0.5-4毫米之間，優(yōu)選大約0.8—2.5毫米；至少其中一個工件在被焊接前在它的其中一個側(cè)向邊緣的表面上具有所述涂層的沉積物，尤其是鋁/硅沉積物；電弧由鵠一一即TIG焊炬(鵠極惰性氣體保護焊炬)一一焊接電極供給，或者在可消耗金屬絲的端部形成；將兩個工件置于邊^(qū)M目互對接的位置進行焊接，或者對同一工件的放在一起的兩個邊緣尤其是管子的兩個縱向邊緣進行焊接；在焊接過程中，利用保護氣體對焊道的至少一部分提供氣體保護，該保護氣體選自^/氬的混合物或純氬；以及激光束由激光發(fā)生器產(chǎn)生，該激光發(fā)生器為C02、Nd:YAG(*釔鋁石榴石)、二極管或鐿摻雜纖維類型。通過下文參照附圖給出的說明可以更好地理解本發(fā)明，該說明僅作為舉例給出并且不具有限制性。在附圖中圖1示出滲鋁鋼制工件1的橫截面；圖2示出激光-TIG復(fù)合焊接方法的原理；以及圖3示出激光-MIG/MAG復(fù)合焊接方法的原理。具體實施例方式圖1示出滲鋁鋼制工件1的橫截面，也就是說，該工件覆蓋有鋁-硅涂層或分層2,即基于鋁和硅的表面分層，該分層例如由卯％的鋁加上10%的硅組成，并且尤其用于防止工件進行熱處理后的氧化以及因此出現(xiàn)的氧化皮。所述工件的厚度例如是1.5毫米，鋁-硅層的厚度(E)例如大約30微米，工件l以剪切方式切割，從而由于滑移作用導(dǎo)致在工件l的邊緣la上的一部分鋁-珪涂層2的有害沉積物2a、2b。圖2和3示意性的示出實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的激光-電弧復(fù)合方法的兩種方法，該復(fù)合方法用于將兩個經(jīng)由剪切方式切割的滲鋁鋼制工件l，例如圖l中所示的工件接合在一起。更確切地說，圖2示出激光-TIG復(fù)合焊接方法的原理，而圖3示出激光-MIG/MAG復(fù)合焊接方法的原理。如果需要增加焊道中的鋼的稀釋度，以便減少熔化區(qū)域中的鋁含量從而提高熔化區(qū)域的同質(zhì)性，則可使用激光-TIG復(fù)合焊接法(圖2)。在這種情況下，激光束3與TIG焊炬供給的電弧4組合，該TIG焊炬裝有非消耗性鴒電極5。以激光束在電弧前面的布置方式一一即激光就在電弧的前面沖擊至少一個待焊接工件一一使用激光-TIG復(fù)合焊接法，可以增加熔化區(qū)域的尺寸，從而允許鋼更多的參與焊接，這在熔化區(qū)域中更為重要，其中所述鋼的鋁(誘發(fā)oc-相的元素)含量低且錳(誘發(fā)Y-相的元素)含量高。由于鋁僅由鋁-硅保護層提供，測量結(jié)果表明在焊接操作期間氣化的涂層比例遠大于熔化區(qū)域中的測量值。通過提供在激光后面的電弧和/或提供附加的能量源，例如通過使激光束散焦或者具有長形焦斑，可以使熔化區(qū)域同質(zhì)化并因此消除產(chǎn)生5-鐵素體相的大于1.2%的局部鋁濃度。換句話說，通過執(zhí)行激光-TIG復(fù)合焊接操作，可以通過增加熔融金屬的量和使熔化區(qū)域同質(zhì)化來降低熔化區(qū)域中的鋁的比例，從而消除了大于1.2%的局部鋁濃度。相反地，如果需要提供誘發(fā)Y-相的元素例如錳、鎳、銅等，以便增大使焊縫中能夠發(fā)生相轉(zhuǎn)變的奧氏體范圍，也就是說抵消鋁的oc-相誘發(fā)作用，同時還提高熔化區(qū)域的同質(zhì)性，則優(yōu)選使用激光-MIG(惰性氣體保護金屬極電弧焊)復(fù)合焊接法(圖3)。在這種情況下，激光束3與MIG/MAG(惰性氣體保護金屬極電弧焊/活性氣體保護焊)焊炬供給的電弧4組合，該焊炬裝有可消耗電極金屬絲6，例如焊芯金屬絲6或?qū)嵭慕饘俳z。根據(jù)基底金屬的組成、所要得到的焊道性質(zhì)等來選擇最合適的金屬絲6。事實上，以激光在電弧前面的方式布置的激光-MIG復(fù)合焊接法允許使用焊芯金屬絲或者包含誘發(fā)Y-相的元素(錳、鎳、銅等)的類似物，該元素有利于保持整個熔化區(qū)域的奧氏體轉(zhuǎn)變。來自電弧和/或激光束散焦的附加能量供應(yīng)使熔化區(qū)域同質(zhì)化，因而消除了5-鐵素體的存在。比較示例將兩個厚度為1.8毫米且覆蓋有30微米鋁/硅層的USIBOR1500工件焊接起來。其中一個工件的邊緣具有鋁沉積物，這是以剪切方式切割的特征。使用的保護氣體是AirLiquide出售的Arca137，也就是70%體積的氦/30%體積的氬的混合物。這些工件由下述方法焊接-本發(fā)明的電弧-激光復(fù)合方法，其中使用焦距為250毫米、功率6千瓦的二氧化碳激光器，以及由電流為200安培、電壓為16伏的TIG/AC焊炬產(chǎn)生的電弧，電極/激光束的距離為2毫米并且焊速為4米/分鐘；并且-作為對比，傳統(tǒng)的激光焊接方法，其功率為6千瓦，焦距為250毫米并且焊速為4米/分鐘。下面的表給出了比較的結(jié)果。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>Rp0.2是材料的屈服強度，即材料彈性變形的極限；Rm是經(jīng)過塑性變形的材料的抗拉強度；A。/。是材料的伸長率(對拉拔有用的值)，得到的結(jié)果表明，拉伸值(Rm和A。/。)對激光-TIG復(fù)合方法是有利的，這是因為依據(jù)本發(fā)明的方法，被焊接材料的屈服強度基4^目同，而塑性變形后的抗拉強度以及材料的伸長率都得到了可觀的提高。權(quán)利要求1.一種用激光束(3)對至少一個金屬工件(1)進行激光焊接的方法，所述工件具有含鋁的表面涂層(2)，其特征在于，所述激光束(3)與至少一個電弧(4)組合，以便熔化金屬并且焊接所述至少一個工件(1)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂層(2)主要包含鋁和硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述涂層(2)的厚度(E)為5-45微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，至少其中一個所述工件(1)由鋼制成。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，至少其中一個所述工件(1)的厚度為0.5-4毫米，優(yōu)選地大約0.8-2.5毫米。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，至少其中一個所述工件(l)在被焊接前在它的其中一個側(cè)向邊緣(la)的表面上具有所述涂層(2)的沉積物(2a、2b),尤其是鋁/硅的沉積物。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述電弧(4)由鴒焊接電極(5)供給，或者在可消耗金屬絲(6)的端部形成。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，將兩個工件(1)置于邊緣相互對接的位置進行焊接，或者對同一工件的已經(jīng)放在一起的兩個邊緣尤其是管子的兩個縱向邊緣進行焊接。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在焊接期間，利用保護氣體在焊道的至少一部分上提供氣體保護，該10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述激光束(3)由激光發(fā)生器產(chǎn)生，該激光發(fā)生器為C02、Nd:YAG、二極管或鐿摻雜纖維類型。全文摘要本發(fā)明涉及一種用激光束(3)對至少一個金屬工件(1)進行激光焊接的方法，所述工件具有包含鋁的表面涂層(2)，其特征在于，所述激光束(3)與至少一個電弧(4)組合，以便熔化金屬并且實際上焊接所述工件。文檔編號B23K103/00GK101104225SQ20071013626公開日2008年1月16日申請日期2007年7月12日優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日發(fā)明者C·肖韋,F·白里安,O·都貝申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司