Способ гибридной лазерно-дуговой сварки деталей из алитированной стали с проволокой, содержащей образующие гамму-фазу элементы, и газом, содержащим менее 10% азота или кислорода

Способ гибридной лазерно-дуговой сварки деталей из алитированной стали с проволокой, содержащей образующие гамму-фазу элементы, и газом, содержащим менее 10% азота или кислорода

Реферат

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки стальных деталей, содержащих поверхностное покрытие на основе алюминия, в частности покрытие из алюминия и кремния, осуществляемому с проволокой, содержащей один или более образующих гамма-фазу элементов, и предпочтительно защитным газом, образованным из аргона и/или гелия с добавлением небольших долей азота или кислорода.

Некоторые стали, называемые алитированными, так как они покрыты алюминием или сплавом на основе алюминия, например стали типа USIBOR™, обладают очень высокими механическими характеристиками после горячей вытяжки (листовой штамповки), и поэтому они все больше и больше применяются в области автомобилестроения, когда стремятся к снижению веса.

Действительно, эти стали предназначены подвергаться термообработкам, а затем закалке в ходе операции горячей вытяжки, и получаемые в результате этого их механические характеристики позволяют очень существенно уменьшить вес транспортного средства (автомобиля) по сравнению со стандартной сталью с высоким пределом текучести. Они применяются в основном для получения балок бампера, элементов жесткости двери, центральных стоек, оконных косяков и т.д.

Документ EP-A-1878531 предлагает сваривать этот тип алитированных сталей с применением способа гибридной лазерно-дуговой сварки. Принцип гибридной лазерно-дуговой сварки хорошо известен в уровне техники.

Однако на практике наблюдалось, что после операции гибридной сварки в защитной атмосфере, образованной из смеси He/Ar, стальных деталей, покрытых алюминием или алюминиевым сплавом, в частности сплавом типа Al/Si, и термической обработки после сварки, включающей горячую вытяжку при 920°C, а затем закалку в штампе (30°/с), в сварном соединении часто появлялась фаза с меньшей прочностью на растяжение, чем основной металл и чем зона плавления.

Однако, как поясняется ниже, эта фаза с меньшей прочностью на растяжение образует хрупкую зону в полученном таким образом сварном шве. Эти более хрупкие зоны появляются внутри мартенситной зоны в виде островков белой фазы, содержащих агрегаты алюминия, происходящего из поверхностного слоя.

После анализа было установлено, что эта фаза содержит довольно заметную процентную долю алюминия (>2%), который препятствует аустенитному превращению стали при ее термообработке перед вытяжкой, то есть эта фаза остается в виде дельта-феррита, откуда следует меньшая твердость, чем в остальной детали, подвергшейся мартенситному/бейнитному превращению.

Однако фаза, не превращенная в мартенситную фазу, может привести, при определении механических характеристик узла после сварки, вытяжки с последующей термообработкой, к трещинам и даже к разрушению при сдвиге сварного узла, так как эти зоны, включающие алюминий, имеют более низкую прочность сварного шва, чем наплавленный металл.

Следовательно, ставится задача предложить способ гибридной лазерно-дуговой сварки, улучшающий механические свойства сварного соединения, при операции сварки стальных деталей, покрытых слоем, содержащим алюминий. Более точно, задача заключается в том, чтобы можно было получить однородную микроструктуру мартенситного типа в зоне плавления, то есть в сварном шве, после горячей вытяжки, обычно при примерно 920°C, и закалки в вытяжном штампе, обычно со скоростью охлаждения между 800 и 500°C порядка 30°C/сек.

Таким образом, предлагаемое изобретением решение представляет собой способ гибридной лазерно-дуговой сварки, осуществляемый с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл вносится в результате плавления расходуемой проволоки, причем сварочную ванну получают на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия, и осуществляемый с защитным газом, отличающийся тем, что расходуемая проволока содержит по меньшей мере 3 вес.% одного или более образующих гамма-фазу элементов, а защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением менее 10 об.% азота или кислорода в качестве дополнительного(ых) компонента(ов).

В зависимости от ситуации, способ по изобретению может содержать один или более из следующих признаков:

- образующие гамма-фазу элементы выбраны из углерода (C), марганца (Mn), никеля (Ni) и азота (N);

- расходуемая проволока содержит по меньшей мере Mn;

- образующие гамма-фазу элементы могут поставляться в виде металла или сплава, например углеродсодержащего ферросплава или графита для углерода, электролитического марганца или ферросплава для марганца, элементарного никеля, азотсодержащего феррохрома для азота, в частности порошковой проволоки типа metal cored, то есть с металлическим сердечником;

- расходуемая проволока содержит несколько образующих гамма-фазу элементов, выбранных из C, Mn, Ni и N;

- расходуемая проволока содержит по меньшей мере 5 вес.% одного или более образующих гамма-фазу элементов;

- проволока содержит самое большее примерно 20 вес.% образующих гамма-фазу элементов;

- расходуемая проволока дополнительно содержит железо;

- проволока является порошковой проволокой, в частности порошковой проволокой типа metal cored, т.е. с металлическим сердечником, или цельной проволокой;

- защитный газ содержит смесь гелия и аргона;

- защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением менее 9 об.% азота или кислорода, предпочтительно азота, так как присутствие азота в газе позволяет внести, в частности, дополнение в образующие гамма-фазу элементы;

- защитный газ содержит по меньшей мере 2 об.% упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента типа O₂ или N₂;

- защитный газ содержит по меньшей мере 4 об.% азота в качестве дополнительного компонента;

- защитный газ содержит по меньшей мере 5 об.% азота в качестве дополнительного компонента;

- защитный газ содержит самое большее 8 об.% азота в качестве дополнительного компонента;

- защитный газ содержит по меньшей мере 5,5 об.% азота и самое большее 7,5 об.% азота;

- содержание азота в используемом защитном газе составляет порядка 6-7% азота в аргоне или в смеси аргон/гелий;

- содержание кислорода составляет ниже 8 об.% в аргоне или в аргоне/гелии;

- содержание кислорода составляет порядка 3-5% кислорода в аргоне или в аргоне/гелии;

- защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением 4-8 об.% азота;

- стальная деталь или детали содержат поверхностное покрытие на основе алюминия, имеющее толщину между 5 и 100 мкм, предпочтительно меньшую или равную 50 мкм;

- металлическая деталь или детали выполнены из стали с поверхностным покрытием на основе алюминия и кремния, предпочтительно поверхностное покрытие содержит более 70% алюминия по массе;

- металлическая деталь или детали выполнены из углеродистой стали;

- расходуемую проволоку плавят электрической дугой, предпочтительно дугой, полученной с помощью горелки для MIG-сварки (дуговой сварки плавящимся электродом);

- лазерный генератор, генерирующий лазерный луч, является лазером типа CO₂, волоконным лазером или дисковым лазером;

- свариваемая деталь или детали выбраны из составных заготовок и труб;

- сваривают друг с другом несколько деталей, в частности две детали;

- детали позиционируют и сваривают встык без скоса кромок;

- свариваемая деталь или детали имеют толщину от 0,2 мм до 3 мм. Толщина рассчитывается на уровне плоскости получаемого шва, то есть в месте, где металл плавится, образуя сварной шов, например на уровне торцевой кромки свариваемой детали или деталей;

- покрытие покрывает по меньшей мере одну поверхность детали или деталей, но предпочтительно, чтобы покрытие на основе алюминия не присутствовало или почти не присутствовало на торцевых кромках упомянутых детали или деталей, то есть, например, на срезах листа;

- металлическая деталь или детали имеют поверхностное покрытие на основе алюминия и кремния, содержащее долю алюминия в 5-100 раз выше, чем у кремния, например долю алюминия 90 вес.% и долю кремния 10 вес.%, то есть слой поверхностного покрытия содержит в 9 раз больше алюминия, чем кремния;

- металлическая деталь или детали имеют поверхностное покрытие на основе алюминия и кремния, содержащее долю алюминия в 5-50 раз выше, чем у кремния, в частности долю алюминия в 5-30 раз выше, чем у кремния, в частности долю алюминия в 5-20 раз выше, чем у кремния;

- сваривают несколько деталей друг с другом, обычно две детали; упомянутые детали могут быть одинаковыми или разными, в частности, что касается формы, толщины и т.д.;

- детали выполнены из высоколегированной стали (>5 вес.% легирующих элементов), низколегированной стали (<5 вес.% легирующих элементов) или нелегированной стали, например из углеродистой стали;

- сварочная проволока является цельной проволокой или порошковой проволокой, имеющей диаметр между 0,5 и 5 мм, типично между примерно 0,8 и 2,5 мм;

- лазерный луч предшествует дуге MIG во время сварки, если смотреть в направлении сварки;

- режим MIG-сварки является режимом типа короткой дуги;

- напряжение сварки составляет ниже 20 В, обычно между 11 и 16 В;

- сварочный ток составляет ниже 200 A, обычно между 118 и 166 A;

- скорость сварки составляет ниже 20 м/мин, обычно между 4 и 6 м/мин;

- давление газа составляет между 2 и 15 бар, например порядка 4 бар;

- расход газа составляет между 5 и 40 л/мин, обычно порядка 25 л/мин;

- точку фокусирования лазерного луча фокусируют над свариваемой деталью, предпочтительно на расстоянии от 3 до 6 мм;

- расстояние между присадочной проволокой и лазерным лучом должно составлять примерно между 2 и 3 мм.

Далее изобретение станет более понятным благодаря следующим примерам, целью которых является продемонстрировать эффективность способа гибридной лазерно-дуговой сварки согласно изобретению.

Для этого были проведены испытания гибридной лазерно-дуговой сварки посредством лазерного источника типа CO₂ и горелки для дуговой MIG-сварки стальных деталей, покрытых слоем примерно 30 мкм из сплава алюминия/кремния с долями соответственно 90% и 10% по весу. Более точно, в нижеприведенных примерах 1-3 свариваемые детали представляют собой составные заготовки, располагаемые встык друг с другом с примыканием, из алитированной (Al/Si) стали типа Usibor 1500™.

В примерах 1-3 используемый защитный газ распределяется с расходом 25 л/мин под давлением 4 бара, а скорость сварки равна 4 м/мин. Напряжение сварки примерно 15 В и сила тока примерно 139 A получены благодаря генератору типа Digi@wave 500 (короткая дуга/короткая дуга +) в синергетическом режиме (EN 131), выпускаемому в продажу фирмой Air Liquide Welding, Франция.

Пример 1

Свариваемые детали имели в этом примере толщину 1,7 мм.

Используемым газом была смесь ARCAL 37 (состав: 70 об.% He+30 об.% Ar) с добавлением 3 об.% O₂; смесь газов ARCAL 37 выпускается в продажу фирмой Air Liquide.

Используемой горелкой была MIG-горелкой, поставляемой в продажу фирмой OTC и снабжаемой присадочной проволокой диаметром 1,2 мм, содержащей, помимо железа, примерно 20 вес.% марганца (Mn), которая подается со скоростью 3 м/мин.

Лазерным источником был лазерный генератор типа CO₂, а используемая мощность составляла 8 кВт.

Полученные результаты показали, что сварные швы являются однородными по микроструктуре, но присутствие марганца с высокой долей (т.е. примерно 20 вес.% Mn) в зоне плавления вело к намного лучшим результатам, чем в опытах с малым количеством марганца в сварном шве (т.е. примерно 2% Mn).

После термообработки закалкой (скорость охлаждения с 800°C до 500°C порядка 30°C/сек), сопротивление сварного соединения разрыву эквивалентно сопротивлению разрыву основного металла после термообработки закалкой, тогда как с проволокой, содержащей всего 2% марганца, сопротивление разрыву (Rm) не превышает 1000 МПа.

Этот пример 1 подтверждает благоприятное влияние присутствия в проволоке образующих гамма-фазу элементов, т.е. здесь 20% Mn, на получение сварных швов, имеющих после закалки однородную микроструктуру мартенситного типа в зоне плавления.

Пример 2

В этом примере свариваемые детали имели толщину 2,3 мм, а используемым газом была смесь, образованная из ARCAL 37 с добавлением 3 об.% O₂.

Используемой горелкой была MIG-горелка фирмы OTC, снабжаемая присадочной проволокой диаметром 1,2 мм типа Nic 535 (цельная проволока), содержащей железо и, в качестве образующих гамма-фазу элементов, 0,7% углерода (C) и 2% марганца (Mn), которая подается со скоростью 3 м/мин.

Лазерным источником был лазерный генератор типа CO₂ мощностью 12 кВт.

Полученные результаты показали, что количество образующих гамма-фазу элементов, т.е. Mn и C, в проволоке достаточно, чтобы противодействовать эффекту подавления аустенитного превращения, вызванному присутствием алюминия в зоне плавления. Действительно, микроснимки показали, что белые фазы полностью исчезают или сильно сокращаются.

Кроме того, наблюдалось, что сопротивление сварного соединения разрыву после аустенизации и закалки эквивалентно таковому у основного металла.

Этот пример 2 демонстрирует также благоприятное влияние присутствия образующих гамма-фазу элементов, т.е. здесь C и Mn, в проволоке на получение сварных швов, имеющих после закалки однородную микроструктуру мартенситного типа в зоне плавления.

Пример 3

Этот пример 3 аналогичен предыдущему примеру 2, с той разницей, что способ гибридной лазерно-дуговой сварки согласно изобретению осуществляли для сварки деталей толщиной 2,3 мм, используя в качестве защитного газа смесь ARCAL 37, которая образована из 70% гелия и 30% аргона, дополненных 6% N₂.

Горелка, присадочная проволока и другие условия сварки были идентичны таковым в примере 2.

Для сравнения испытывали также одну лишь смесь ARCAL 37, то есть без добавления N₂.

Полученные результаты показали, что использование в сочетании проволоки, содержащей образующие гамма-фазу элементы, и защитного газа, образованного добавлением 6% N₂ в смесь 30% аргона и 70% гелия (т.е. ARCAL 37), приводило к лучшим результатам, чем когда защитный газ не содержит азота, а проволока та же.

Действительно, присутствие азота в смеси способствовало заметному улучшению результатов, которые улучшаются пропорционально содержанию N₂ в смеси. Так, микроснимки показали, что белые фазы полностью исчезают, и, кроме того, сопротивление сварного соединения разрыву после аустенизации и закалки эквивалентно таковому у основного металла.

Улучшение тем заметнее, чем выше содержание азота, но при оптимуме ниже 10 об.%, что побуждает использовать порядка 6-7% азота в аргоне или в смеси аргон/гелий.

В целом, результаты, полученные в этих опытах (примеры 1-3), четко показывают, что присутствие образующих гамма-фазу элементов в расходуемой проволоке позволяет заметно улучшить качество сварки сталей, покрытых поверхностным слоем из сплава алюминий/кремний, в частности получить однородную микроструктуру мартенситного типа в зоне плавления.

Следует отметить, что улучшение является тем более заметным, чем:

- либо выше одновременно содержание азота в используемом защитном газе, но при оптимуме ниже 10 об.%, что побуждает использовать порядка 6-7% азота в аргоне или в аргоне/гелии;

- либо выше содержание кислорода, но при оптимуме ниже 10 об.%, что побуждает использовать порядка 3-5% кислорода в аргоне или в аргоне/гелии.

Способ по изобретению особенно приспособлен для сварки составных заготовок (tailored blanks), использующихся в области автомобилестроения, или для сварки труб.

1. Способ гибридной лазерно-дуговой сварки, осуществляемый в защитном газе с помощью электрической дуги и лазерного луча, одновременно формирующих единую сварочную ванну, в которую расплавленный металл вносится в результате плавления расходуемой проволоки, причем сварочную ванну получают на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия, отличающийся тем, что расходуемая проволока содержит по меньшей мере 3 мас. % и самое большее 20 мас. % одного или более образующих гамма-фазу элементов, а защитный газ образован из гелия и/или аргона и от по меньшей мере 2 об. % до менее 10 об. % азота или кислорода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образующие гамма-фазу элементы выбраны из С, Mn, Ni и N.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением менее 10 об. % азота.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна стальная деталь содержит поверхностное покрытие на основе алюминия, имеющее толщину между 5 и 100 мкм.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна стальная деталь содержит поверхностное покрытие на основе алюминия, имеющее толщину 50 мкм или меньше.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна стальная деталь содержит поверхностное покрытие на основе алюминия с добавлением кремния.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна стальная деталь содержит поверхностное покрытие на основе алюминия с добавлением кремния, причем предпочтительно поверхностное покрытие содержит более 70 мас. % алюминия.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходуемую проволоку плавят электрической дугой, предпочтительно дугой, полученной посредством горелки для MIG-сварки.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерный генератор, генерирующий лазерный луч, является лазером типа CO₂, волоконным лазером или дисковым лазером.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свариваемые деталь или детали выбраны из составных заготовок и труб или глушителей.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходуемая проволока содержит несколько образующих гамма-фазу элементов, выбранных из С, Mn, Ni и N.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходуемая проволока содержит по меньшей мере 5 мас. % одного или более образующих гамма-фазу элементов.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходуемая проволока содержит по меньшей мере Mn.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходуемая проволока дополнительно содержит железо.