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CN106334875A - 一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法 - Google Patents

一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法 Download PDF

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CN106334875A
CN106334875A CN201610953787.2A CN201610953787A CN106334875A CN 106334875 A CN106334875 A CN 106334875A CN 201610953787 A CN201610953787 A CN 201610953787A CN 106334875 A CN106334875 A CN 106334875A
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苏永超
雷鸣
石磊
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Baoshan Iron and Steel Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法，采用一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其由钢制基体和镀层构成，镀层包括与所述基体接触的金属间化合物合金层及其上的金属合金层；在焊接坯件的至少一个镀面上，位于焊接坯件待焊区域的镀层全部去除，且，被去除待焊区域镀层的焊接坯件镀层端面与平行于焊缝的基体表面垂直面成一夹角β，β＝0～80°。本发明保证了热冲压后焊接接头的抗拉强度、延伸率及耐蚀性。

Description

一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及焊接部件的制造，具体涉及一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法。
背景技术
近年来，高强减薄、节能减排一直是汽车行业的主要发展趋势，其中，热冲压是实现产品高强化的一种常用方式，它是通过热处理和高温成形相结合的方式来实现产品高强度；激光拼焊板热冲压，可以在减重的同时减少车身零件数量、提高制造精度。
常见的激光拼焊热冲压产品主要有：A柱、B柱、C柱、中通道等安全结构件，这些热冲压产品具有强度高、形状复杂、成形性好、尺寸精度高、回弹小、差强、差厚等特点。根据零件的服役情况，热冲压用钢表面状态分为裸板和带镀层的钢板，由于带镀层的热冲压钢板相对于裸板可以省掉热冲压后的喷丸处理，正越来越受到重视。最常用的热成形钢有铝或者铝合金镀层热冲压钢及锌基镀层热冲压钢，由于锌基镀层会产生到基体的裂纹，因此目前常用的还是铝或者铝合金镀层热冲压钢。但铝或者铝合金镀层板焊接时镀层受焊接热作用熔化进入熔池后，会形成脆而硬的金属间化合物（Fe3Al、Fe2Al5、FeAl3），在焊后热处理时，这些金属间化合物会进一步长大，致使焊接接头的强度、延性大幅下降。
中国专利CN101426612A公开了一种以铝硅镀层钢板为原材料制造只含金属间化合物为预涂层的焊接坯件制造方法。具体为去除镀层中的铝合金层，避免过多的铝熔入熔池；保留镀层中的金属间化合物层。然后对所述焊接坯件进行焊接、热冲压。该专利尽管已去除镀层中的合金层，但因保留了金属间化合物层（保留厚度为3至10μm)，仍会向焊缝导入镀层元素，控制不当易降低焊缝性能；另外，保留这几个微米的镀层，稳定实施的难度也非常高，增加了生产风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法，保证了热冲压后焊接接头的抗拉强度、延伸率及耐蚀性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其由钢制基体和镀层构成，镀层包括与所述基体接触的金属间化合物合金层及其上的金属合金层；在焊接坯件的至少一个镀面上，位于焊接坯件待焊区域的镀层全部去除，且，被去除待焊区域镀层侧的焊接坯件镀层端面与平行于焊缝的基体表面垂直面成一夹角β，β=0～80°，优选β=5～60°。
优选的，被去除镀层的焊接坯件待焊区域的宽度为0.4mm～1.2mm；优选为0.5mm～1.0mm或0.6mm～0.8mm。
优选的，所述焊接坯件基体的成分重量百分比为：C：0.08-0.8%，Si：0.05-1.0%，Mn：0.1-5%，P<0.3%，S<0.1%，Al<0.3%，Ti<0.5%，B：0.0005-0.1%，Cr：0.01-3%，其余为Fe及不可避免杂质。
优选的，所述焊接坯件基体的成分重量百分比为：C：0.1-0.6%，Si：0.07-0.7%，Mn：0.3-4%，P<0.2%，S<0.08%，Al<0.2%，Ti<0.4%，B：0.0005-0.08%，Cr：0.01-2%，其余为Fe及不可避免杂质。
优选的，所述焊接坯件基体的成分重量百分比为：C：0.15-0.5%，Si：0.1-0.5%，Mn：0.5-3%，P<0.1%，S<0.05%，Al：<0.1%，Ti：<0.2%，B：0.0005-0.08%，Cr：0.01-1%，其余为Fe及不可避免杂质。
优选的，所述焊接坯件的镀层是纯铝或铝合金。
所述焊接坯件的基体厚度为0.5mm～3mm。
本发明的一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件，拼焊所述带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，在已完全去除镀层的焊接坯件待焊区域进行焊接。
本发明的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件的制造方法，采用拼焊所述带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，在已完全去除镀层的钢制焊接坯件待焊区域进行焊接，形成焊接接头；通过热冲压方式来获得一个部件，所述镀层在热冲压过程中全部转变为金属间化合物，为钢制基体提供防腐蚀和防脱碳保护；经奥氏体化后，根据部件实际目标机械性能的要求，选取大于基体马氏体淬火临界转变速度的冷却速度进行冷却。
优选的，所述焊接采用激光焊，优选激光填丝焊。
优选的，通过激光烧蚀的方式去除钢制焊接坯件至少一个镀面上的待焊区域的镀层。
优选的，通过机械剥离的方式去除钢制焊接坯件至少一个镀面上的待焊区域的镀层。
本发明所述钢制焊接坯件在焊接之前，钢制焊接坯件的至少一个镀面上，位于待焊区域去除全部镀层，且被去除镀层侧的焊接坯件镀层端面与平行于焊缝的基体表面垂直面成一夹角β。
β角的存在，使镀层去除边存在一个逐步厚度过渡的区间，尽管区间很窄，但可以有效防止镀层金属受焊接热循环的作用熔化进入熔池或在焊接热影响区堆积。
如上所述，本发明通过设计完全去除镀层的宽度及角度，保证了镀层金属不会进入熔池，进而不会出现现有技术中由于镀层金属进入熔池形成脆而硬的金属间化合物（Fe3Al、Fe2Al5、FeAl3），也就不会发生在焊后热处理时，因金属间化合物长大，致使焊接接头的强度、延性下降的问题。
附图说明
图1是本发明带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件完全去除待焊区域镀层后的坯件示意图；
图2是本发明采用激光束完全去镀层后的钢制焊接坯件待焊区金相图；
图3是本发明采用机械完全去镀层后的钢制焊接坯件待焊区金相图；
图4是本发明热冲压后的激光拼焊接头金相图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。
参见图1，本发明的一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其由钢制基体1和镀层2、2’构成，镀层2（以镀层2为例，下同）包括与所述基体1接触的金属间化合物合金层21及其上的金属合金层22；在钢制焊接坯件的至少一个镀面上，位于焊接坯件待焊区域3的镀层2全部去除，且，被去除待焊区域3镀层侧的焊接坯件镀层2端面23与平行于焊缝的基体1表面11垂直面100成一夹角β，β=0～80°，优选为β=5～60°。
去除效果可以通过显微照相离线检验来监控镀层2的去除。也可以通过在线光学检验来迅速地检验去镀层操作的效果。镀层的合金层22或金属间化合物层21与基体1对光的反射率差异明显。因此，可通过分光计测量反射率或发射率来监控去镀层操作：利用光源照射镀层去除区域，将一个光学传感器指向该区域。所述测定数值对应于反射能量；将所述数值与镀层的合金层22、金属间化合物层21及基体1的反射率或发射率参考值相比较，来监控去镀层操作的深度是否达标。
被去除镀层的焊接坯件待焊区域3的宽度W为0.4mm～1.2mm；优选为0.5mm～1.0mm或0.6mm～0.8mm。
优选的，所述焊接坯件的镀层2是纯铝或铝合金。所述焊接坯件的基体1厚度H为0.5mm～3mm。
实施例1
将1.2mm带铝合金镀层的钢板激光落料成240mm*110mm的坯料，热浸镀镀液组成Si：8.5%，Fe：2.6%，其余为Al及固有杂质。在激光拼焊前采用四种不同的焊接坯件制备方法：
第1种方法（根据本发明）：通过激光烧蚀从坯料的240mm长度边上双面去除0.6mm宽的铝硅镀层。β=45°使用额定功率为850W、脉冲宽度为30ns、脉冲频率为23kHz的短脉冲、高平均功率激光器，光斑相对于钢板的移动速度为8m/min。图2为完全去镀层后的钢板表面状态。
第2种方法（根据本发明）：采用精密刮削设备，去除240mm边上双面去除0.8mm宽的铝硅镀层。β=45°图3为用此法去除镀层后的钢板边部状态。
第3种方法（未根据本发明）：通过激光烧蚀从坯料的240mm长度边上双面去除0.6mm宽的镀层中的铝合金层，保留金属间化合物层。
第4种方法（未根据本发明）：对侍焊边未经过任何处理，直接进行激光拼焊。
对上述坯件按下边的焊接工艺进行激光拼焊，焊接功率4kW，焊接速度11.75m/min，拼接板间隙预留0mm，离焦量0mm，焊后发现焊接接头存在约1.0mm宽的没有镀层金属的区域。
而后对拼焊坯件进行进行热冲压淬火，加热温度930℃，加热时间为3分钟，在通水模具中保压10秒钟。经过上述热循环，将拼焊坯件首先完全奥氏体化，在此加热期间镀层与钢中的原子相互扩展，使原有镀层全部转变为金属间化合物层，且该层厚度比原镀层厚度更厚。另外，该层具有高熔点、高硬度的特征，防止了基板在加热阶段、保压阶段被氧化和脱碳。在模具中保压期间，拼焊坯件发生马氏体转变，最终得到抗拉强度大于1450MPa的焊接部件。
然后按表1开展焊接接头性能评估：
表1
*垂直于焊接方面的焊缝截面的电镜分析确定是否存在金属间化合物；
**采用标准拉伸试样，试样标称宽度为12.5mm，原始标距为50mm，测试接头抗拉强度及延伸率；
***耐蚀性试验按DIN50021、DIN50017、DIN50014标准执行。
实施例2
将1.2mm带铝合金镀层的钢板激光落料成240mm*110mm的坯件，热浸镀镀液组成Si：8.5%，Fe：2.6%，其余为Al及固有杂质。
在激光拼焊前采用如下方法（根据本发明）去镀层：通过激光烧蚀从坯料的240mm长度边上双面去除0.6mm宽的铝硅镀层。使用额定功率为850W、脉冲宽度为30ns、脉冲频率为23kHz的短脉冲、高平均功率激光器，光斑相对于钢板的移动速度为8m/min。共制备5组样片，但需要指出的是每组坯件的β角（根据本发明）不同，具体见表2。
然后按表2开展焊接接头性能评估：
表2
*采用标准拉伸试样，试样标称宽度为12.5mm，原始标距为50mm，测试接头抗拉强度及延伸率；
**耐蚀性试验按DIN50021、DIN50017、DIN50014标准执行。

Claims (13)

1.一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其由钢制基体和镀层构成，镀层包括与所述基体接触的金属间化合物合金层及其上的金属合金层；其特征在于，在焊接坯件的至少一个镀面上，位于焊接坯件待焊区域的镀层全部去除，且，被去除待焊区域镀层侧的焊接坯件镀层端面与平行于焊缝的基体表面垂直面成一夹角β，β＝0～80°。
2.如权利要求1所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，所述焊接坯件的镀层端面与平行于焊缝的基体表面垂直面的夹角β＝5～60°。
3.如权利要求1或2所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，被去除镀层的焊接坯件待焊区域的宽度为0.4mm～1.2mm；优选为0.5mm～1.0mm或0.6mm～0.8mm。
4.如权利要求1或2或3所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，所述焊接坯件的基体厚度为0.5mm～3mm。
5.如权利要求1或2或3或4所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，所述焊接坯件基体的成分重量百分比为：C：0.08-0.8％，Si：0.05-1.0％，Mn：0.1-5％，P<0.3％，S<0.1％，Al<0.3％，Ti<0.5％，B：0.0005-0.1％，Cr：0.01-3％，其余为Fe及不可避免杂质。
6.如权利要求1或2或3或4所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，所述焊接坯件基体的成分重量百分比为：C：0.1-0.6％，Si：0.07-0.7％，Mn：0.3-4％，P<0.2％，S<0.08％，Al<0.2％，Ti<0.4％，B：0.0005-0.08％，Cr：0.01-2％，其余为Fe及不可避免杂质。
7.如权利要求1或2或3或4所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，所述焊接坯件基体的成分重量百分比为：C：0.15-0.5％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.5-3％，P<0.1％，S<0.05％，Al<0.1％，Ti<0.2％，B：0.0005-0.08％，Cr：0.01-1％，其余为Fe及不可避免杂质。
8.如权利要求1～7中任何一项所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，其特征在于，所述焊接坯件的镀层是纯铝或铝合金。
9.一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件，其特征在于，拼焊如权利要求1～8任何一项所述带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件，在已完全去除镀层的焊接坯件待焊区域进行焊接。
10.一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件的制造方法，其特征在于，拼焊如权利要求1～9任何一项所述带铝或者铝合金镀层的钢制焊接坯件获得焊接坯件，在已完全去除镀层的钢制焊接坯件待焊区域进行焊接，形成焊接接头；通过热冲压方式来获得一个部件，选取大于基体马氏体淬火临界转变速度的冷却速度进行冷却。
11.如权利要求10所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件的制造方法，其特征在于，通过激光烧蚀的方式去除焊接坯件至少一个镀面上的焊接坯件待焊区域的镀层。
12.如权利要求10所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件的制造方法，其特征在于，通过机械剥离的方式去除钢制焊接坯件至少一个镀面上的钢制焊接坯件待焊区域的镀层。
13.如权利要求10所述的带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件的制造方法，其特征在于，所述焊接采用激光焊，优选激光填丝焊。
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