採用粉末氣流方式焊接經塗層的板材的方法和裝置製造方法

2023-04-26 19:33:51

採用粉末氣流方式焊接經塗層的板材的方法和裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及以對焊的方式焊接經塗層的板材（1）的方法和裝置。在根據本發明的方法中通過至少一個氣流通道（10）以這種方式對焊接熔體（6）輸送至少一種粉末氣流（9）形式的粉末狀焊接添加料（8），即從氣流通道（10）出來的粉末氣流（9）朝向焊接熔體（6）並具有至少2m/s的排出速度，以使得焊接添加料（8）和焊接熔體（6）強烈混合，混合時在焊接熔體中形成流體漩渦（12）。根據本發明的裝置包括至少一個在熔焊板材材料時產生和/或聚焦能量射束（3）的焊接機頭和至少一個輸送粉末氣流（9）形式的粉末狀焊接添加料（8）的氣流通道（10），通道區段（10）的縱軸和能量射束（3）的射束軸有15度和75度範圍中的夾角。
【專利說明】採用粉末氣流方式焊接經塗層的板材的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種採用對焊的方式焊接經塗層的板材的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]在過去的幾年中，由鋼構成的構件的熱成型已經在汽車製造業中開創。對此，經常製造定製的產品(所謂的「tailored products」)，這些產品由具有不同板厚度和/或材料的、相互焊接在一起的多個板坯組成並且在具有相對小的板厚度以及隨之具有輕的重量的情況下提供了高的載重能力。為熱成型和加壓淬火而設置的板坯通常塗有有機或無機的保護層和/或抗腐蝕保護層，從而避免使工件在熱成型之前在熱狀態下生成氧化皮。對此通常使用鋁合金、優選使用鋁矽合金作為塗層材料。然而，在焊接這些經塗層的板材時會出現問題，即，塗層成份、特別是鋁到達焊接熔體中並且在焊縫中和鐵形成Fe-Al化合物，該化合物具有相對低的強度並且會削弱構件在焊縫處的性能，甚至能夠導致構件故障。也可以考慮使用鋅塗層。在這種情況下會發生這樣的問題，即，鋅在焊接過程中沉積在晶界上，由此會降低焊縫中的最大拉應力和壓應力。
[0003]為了解決這種缺陷已經提出所謂的塗層去除工藝，藉助該塗層去除工藝剝蝕了例如待焊接的板材稜邊的邊緣上的金屬塗層(例如參見DE202007018832U1)。然而這種工藝非常繁瑣而且昂貴。
[0004]此外，由現有技術已知可以對焊接熔體加入焊接添加料，從而使焊縫以及製成的構件的強度得到改善。因此例如由JP07041841A已知一種用於接合以對焊設置的鋼板的雷射焊接工藝，在該雷射焊接工藝中，對焊接熔體加入細碳粉，從而獲得富含碳的焊接熔體並隨之獲得較硬的焊縫。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於，提供一種方法和一種裝置，藉助該方法以及裝置能夠以經濟的方式將經塗層的板材焊接在一起，而不會由於來自相互接合的板材的保護層邊緣的塗層主要成份混入而在焊縫中發生強度損失。
[0006]在工藝方面，通過具有權利要求1的特徵的工藝方法以及在裝置方面，通過具有權利要求9的特徵的裝置實現了該目的。
[0007]從屬權利要求給出了根據本發明的方法以及根據本發明的裝置的優選以及有利的設計。
[0008]依據根據本發明的方法，通過至少一個氣流通道以這樣的方式對待焊接板材的接縫中所產生的焊接熔體輸送至少一種粉末氣流形式的粉末狀焊接添加料，即，從氣流通道出來的粉末氣流朝向焊接熔體並且具有至少2m/s的排出速度，由此使得焊接添加料和焊接熔體強烈地混合，混合時在該焊接熔體中形成流體漩渦。
[0009]通過引入顆粒大小合適的粉末狀焊接添加料能夠在焊接熔體中瀰漫式地混合併且構成合金。因為焊接時間相當短，特別是對雷射焊接來說，在雷射焊接過程中熔化階段的持續時間通常僅在約6ms至125ms的範圍中，所以藉助填充金屬條形式的焊接添加料不能和待焊接的材料(板坯)實現充分的混合。通過使用具有比較小的顆粒、優選具有小的金屬顆粒的粉末狀焊接添加料能夠在非常短的熔化階段期間、特別是在雷射焊接過程中實現儘可能均勻的合金混合。
[0010]為了實現均勻的或大致上均勻的焊縫接合而不會通過塗層中的優選鋅成份、特別優選鋁成份或鋁矽成份產生不利的影響，本發明還使得粉末狀焊接添加料和焊接熔體進行強烈地混合，由此在焊接熔體中形成流體漩渦。這種流體漩渦(攪流)主要由粉末氣流、優選由金屬粉末氣流的動力引起。根據本發明朝向焊接熔體的粉末氣流的排出速度至少是2m/s ;該排出速度例如在2m/s至50m/s的範圍中，特別是在2m/s和40m/s之間，優選在2m/s和30m/s之間。焊接熔體中所產生的流體漩渦(攪流)有助於使焊接添加料和材料合金能夠完全或基本上完全混合。
[0011]根據本發明的方法的優選設計具有這樣的特點，即，粉末狀焊接添加料的顆粒具有20μπι至160μπι範圍中的顆粒大小，優選具有20μπι至120μπι範圍中的顆粒大小。如果粉末狀焊接添加料的顆粒大小相應地比較細，那麼由此有利於合金快速地以及儘可能均勻地混合。
[0012]根據本發明的方法的另一個有利設計，使得從氣流通道出來的粉末氣流傾斜朝向焊接熔體，由此粉末氣流的射束軸和由板材所限定的、包含焊接熔體的工件平面之間夾有15度至75度範圍中的夾角、優選夾有25度至65度範圍中的夾角。在焊接機頭的典型進給速度情況下，粉末氣流束相對於包含焊接熔體的工件平面的這種傾斜設置有利於在焊接熔體中形成流體漩渦，從而有利於使焊接添加料和熔融的工件材料儘可能快速以及儘可能均勻的混合。
[0013]依據根據本發明的另一個優選設計使用保護氣體作為產生粉末氣流的氣體。該保護氣體防止焊接熔體的氧化以及保護焊接熔體免受氧化而削弱焊縫性能。作為產生粉末氣流的氣體而使用的保護氣體例如可以是CO2、氬氣、氮氣、氦氣或由氬氣、氦氣、氮氣和/或CO2組成的混合氣體。
[0014]依據根據本發明的方法的另一個優選設計，替代性地或額外地在保護氣體氛圍中進行板材的焊接。
[0015]根據本發明的裝置包括至少一個用於熔焊板材材料時產生和/或聚焦能量射束的焊接機頭、優選雷射束焊接機頭和至少一個用於將粉末氣流形式的粉末狀焊接添加料輸送到待相互焊接在一起的板材的焊接熔體的氣流通道，其中，氣流通道具有在焊接添加料排出孔終止的通道區段，該通道區段的縱軸傾斜於從焊接機頭出來的能量射束的射束軸、優選雷射束的射束軸延伸，其中，通道區段的縱軸和能量射束的射束軸有15度和75度範圍中的夾角，並且氣流通道設有調整工具(例如能夠調整的氣流節流閥)，該節流閥能夠使粉末氣流調整到具有至少2m/s的排出速度。
[0016]根據本發明的裝置具有和根據本發明的方法相同的優勢，因此，為了避免重複請參考上面的描述。
[0017]為了在焊接熔體中產生所希望的流體漩渦而使粉末氣流獲得足夠高的氣流速度(排出速度)，依據根據本發明的裝置的有利設計使得氣流通道和/或其在焊接添加料排出孔終止的通道區段具有圓錐的通道形狀，其中氣流通道及其通道區段朝向排出孔方向逐漸變細。終止的通道區段也可以具有圓柱形的通道形狀或圓柱形和圓錐形相結合的通道形狀。
[0018]根據本發明的裝置的另一個有利設計具有這樣的特點，S卩，氣流通道和/或其在焊接添加料排出孔終止的通道區段具有基本為圓形的橫截面形狀。由此能夠進一步改善焊接添加料和工件合金(熔融階段)的混合。
[0019]依據根據本發明的裝置的另一個有利設計，使得氣流通道和/或其在焊接添加料排出孔終止的通道區段朝排出孔方向具有一個或多個狹窄處。這種設計也能夠有利於優化焊接添加料和工件合金(熔融階段)的混合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面根據描述實施例的附圖詳細闡述本發明。其中:
[0021]圖1示意性地示出了用於在以高的氣流速度輸送焊劑的情況下將經塗敷了鋁合金的板材相互接合的雷射束焊接過程，其中在縱剖面圖中示出了焊縫；
[0022]圖2示意性地示出了根據圖1的焊接過程，其中在截面圖中示出了需要以對焊的方式相互焊接的板材以及焊接熔體；以及
[0023]圖3示意性地示出了具有氣流通道的雷射焊接機頭用於以高的氣流速度輸送粉末狀焊接添加料。
【具體實施方式】
[0024]圖1和2示出了根據本發明的方法的原理示意圖。附圖標記I和2表示需要以對焊的方式相互焊接的板材。至少其中一個板材或兩個板材1、2塗有鋁、優選塗有Al-Si合金。板材1、2是優選由鋼、特別是硼錳鋼構成的板坯或帶材。板材1、2能夠具有不同的板材厚度和/或材料。
[0025]板材1、2優選藉助至少一束雷射束3相互焊接在一起。然而，根據本發明也可以替代性地藉助其他合適的焊接裝置將板材1、2相互焊接在一起，例如藉助光子射束焊接裝置或者電弧焊接裝置。
[0026]優選在保護氣體氛圍中焊接板材1、2。該保護氣體氛圍在圖1和2中由四個相互平行的箭頭4示出。
[0027]待相互連接在一起的板材1、2沿其接縫受到熔化，從而能夠將熔化的材料相互混合併在凝固之後形成焊縫5。板材1、2的焊接熔體(熔融階段)在圖1和2中由比較細密的陰影線和附圖標記6標示出。凝固的焊接熔體、即焊縫5在圖1中由額外的斜線標示出。
[0028]圖1中通過箭頭7示出了根據本發明的裝置的焊接機頭的進給方向。
[0029]根據本發明，將至少一種粉末狀焊接添加料8引入到焊接熔體6中。焊接添加料8以粉末氣流9的形式通過至少一個氣流通道(噴嘴通道)10輸送到焊接熔體6。焊接添加料8由焊劑或金屬粉構成。該金屬粉在其成份中優選和至少一個待焊接的板材1、2的工件合金基本相同。粉末狀焊接添加料8也可以替代性地或額外地包含提高強度的成份或者僅由這種成份構成。焊接添加料8的顆粒具有20 μ m至160 μ m範圍中的大小，優選具有20 μ m至120 μ m範圍中的大小。
[0030]在焊接機頭進給過程中從氣流通道10出來的粉末氣流9朝向焊接熔體6。對此，氣流通道10的、在排出孔11終止的通道區段在焊接機頭的進給方向上設置在焊接能量射束或雷射束3的前面。
[0031]粉末氣流9的排出速度至少是2m/s，由此使得焊接熔體6和焊接添加料8強烈地混合，在混合過程中焊接熔體6中形成流體漩渦12 (參見圖1)。粉末氣流9的排出速度優選在2m/s至30m/s範圍中。
[0032]粉末氣流9的氣體優選是保護氣體,例如是氬氣、C02、氮氣、氦氣或由氬氣、氮氣、氦氣和/或C02組成的混合氣體。
[0033]射在工件、即板材1、2上的焊接能量射束或雷射束3以直角或近似直角的位置對準工件1、2。而從氣流通道10出來的粉末氣流9傾斜朝向焊接熔體6，因此粉末氣流9的射束軸和由板材1、2所限定的、包含焊接熔體6的工件平面之間夾有15度至75度範圍中的角度ct。
[0034]通過氣流通道10的特殊設計獲得了粉末氣流9的高氣流速度。粉末氣流9的這種高氣流速度包含重要的動能部分，該動能部分在焊接熔體6中轉化成流體漩渦12。該漩渦12使得粉末狀焊接添加料8和工件合金能夠均勻或基本上均勻地進行混合併且避免形成針狀的Fe-Al共晶體，該共晶體僅具有相對低的強度。
[0035]圖3示意性地示出了雷射焊接機頭13的下面區段。該雷射焊接機頭13包含一個(未示出的)光學系統，藉助該光學系統能夠使雷射束3聚焦並且使雷射束焦點指向待相互焊接板材的接合位置上。
[0036]在圖3所示的實施例中，焊接機頭13上裝配有大致上呈圓柱形的空心體14，該空心體具有小管形狀的氣流通道(噴嘴通道)10，通過該氣流通道能夠將上述粉末狀焊接添加料8以高的氣流速度輸送給雷射束3的工作點以及焊接熔體6。氣流通道(噴嘴通道)10傾斜於空心體14的縱向中軸和雷射射束軸延伸。噴嘴通道10的內徑例如在0.6mm至1.2mm之間。在位於排出孔11對面的、氣流通道10的末端上連接有輸送軟管15，粉末狀焊接添加料通過該輸送軟管輸送給噴嘴通道10。
[0037]氣流通道(噴嘴通道)10優選形成為圓錐形並且朝向其對應於焊接熔體6的排出孔11方向逐漸變細。替代性地或補充性地，氣流通道10朝排出孔11方向也能夠具有一個或多個狹窄處。對此氣流通道10的內部橫截面形狀能夠分別形成為圓形或者具有基本為圓形的橫截面形狀。
[0038]本發明的設計並不局限於圖3所示的、根據本發明的雷射焊接裝置的雷射焊接機頭的實施例。具體來說能夠有多種變體，這些變體也應用在和所示實施例不同的、在權利要求中所給出的本發明的設計中。
【權利要求】
1.一種以對焊的方式焊接經塗層的板材(1、2)的方法，在所述方法中，通過至少一個氣流通道(10)以這樣的方式對焊接熔體(6)輸送至少一種粉末氣流(9)形式的粉末狀焊接添加料(8)，即從氣流通道(10)出來的粉末氣流(9)朝向焊接熔體(6)並且具有至少2m/s的排出速度，由此使得焊接添加料(8)和焊接熔體(6)強烈地混合，混合時在所述焊接熔體(6)中形成流體漩渦(12)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述板材(1、2)藉助至少一束雷射束(3)相互焊接在一起。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述焊接添加料(8)由金屬粉末構成。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述粉末狀焊接添加料(8)的顆粒具有20μπι至160μ m範圍中的顆粒大小。
5.根據權利要求1至4中任意一項所述的方法，其特徵在於，這樣設置所述粉末氣流(9)，即，所述粉末氣流從氣流通道(10)排出速度在2m/s至50m/s的範圍中。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的方法，其特徵在於，從氣流通道(10)出來的所述粉末氣流(9)傾斜朝向所述焊接熔體(6)，由此粉末氣流(9)的射束軸和由板材(1、2)所限定的、包含焊接熔體(6)的工件平面之間夾有15度至75度範圍中的角度(α )。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特徵在於，使用保護氣體作為產生粉末氣流(9)的氣體。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的方法，其特徵在於，在保護氣體氛圍中進行板材(1、2)的焊接。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的方法，其特徵在於，待相互焊接在一起的板材(1、2)的至少其中一個是由鋼、優選由硼錳鋼構成的板材，所述板材用鋁、優選用Al-Si合金進行了塗層。
10.一種用於焊接經塗層的板材(1、2)的裝置，特別是用於進行根據權利要求1至9中任意一項所述方法的裝置，所述裝置包括至少一個用於熔焊板材材料時產生和/或聚焦能量射束(3)的焊接機頭(13)、優選雷射束焊接機頭和至少一個用於將粉末氣流(9)形式的粉末狀焊接添加料(8)輸送到待相互焊接在一起的板材(1、2)的焊接熔體(6)的氣流通道(10)，其中，所述氣流通道(10)具有在焊接添加料排出孔(11)終止的通道區段，所述通道區段的縱軸傾斜於從焊接機頭(13)出來的能量射束(3)的射束軸、優選雷射束的射束軸延伸，其中，所述通道區段(10)的縱軸和能量射束(3)的射束軸有15度和75度範圍中的夾角，並且所述氣流通道(10)設有多個調整工具，所述調整工具能夠使粉末氣流(9)調整到至少2m/s的排出速度。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述氣流通道(10)和/或其在焊接添加料排出孔(11)終止的通道區段具有圓錐形的通道形狀，其中所述氣流通道和通道區段朝向排出孔(11)方向逐漸變細。
12.根據權利要求10或11所述的裝置，其特徵在於，所述氣流通道(10)和/或其在焊接添加料排出孔(11)終止的通道區段具有基本為圓形的橫截面形狀。
13.根據權利要求10至12中任意一項所述的裝置，其特徵在於，所述氣流通道(10)和/或其在焊接添加料排出孔(11)終止的通道區段朝排出孔方向具有一個或多個狹窄處。
14.根據權利要求10至13中任意一項所述的裝置，其特徵在於，所述氣流通道(10)的、在焊接添加料排出孔(11)終止的通道區段在朝向焊接機頭(13)的進給方向(7)上設置在能量射束(3)的前面。
【文檔編號】B23K26/144GK103906595SQ201280047415
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年9月26日 優先權日:2011年9月30日
【發明者】馬克斯·勃蘭特, 阿恩特·布羅伊爾, 拉爾夫·科勒克, 羅伯特·福爾默 申請人:威斯克雷射拼焊板有限公司