Способ гибридной лазерно-дуговой сварки алитированных стальных деталей с газом, содержащим азот и/или кислород

Способ гибридной лазерно-дуговой сварки алитированных стальных деталей с газом, содержащим азот и/или кислород

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 защитным газом, образованным аргоном и/или гелием, с добавлением небольших долей азота или кислорода.

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

Действительно, эти стали предназначены подвергаться термическим обработкам, а затем закалке во время операции горячей вытяжки, а 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 в основном используются для производства балок бампера, элементов жесткости двери, центральных стоек, стоек дверного проема и т.д.

В документе EP-A-1878531 предлагается сваривать данный 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 с защитной атмосферой, образованной смесью 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 инструменте (30°/с), в сварном соединении часто появлялась фаза с меньшей прочностью на растяжение, чем основной металл и чем зона плавления.

Однако данная фаза с меньшей прочностью на растяжение образует хрупкую зону получаемого таким образом сварного соединения, как это объясняется ниже. Эти более хрупкие зоны появляются внутри мартенситной зоны в виде островков белой фазы, содержащих агрегаты алюминия, происходящего из поверхностного слоя.

После проведенного анализа было установлено, что данная фаза содержит довольно значительную процентную долю алюминия (>2%), который препятствует аустенитному превращению стали во время ее термической обработки перед вытяжкой, т.е. данная фаза остается в виде дельта-феррита, откуда следует меньшая прочность, чем в остальной части детали, подвергшейся мартенситному/бейнитному превращению.

Однако фаза, не превращенная в мартенситную фазу, может во время определения механических характеристик узла после сварки, вытяжки с последующей термической обработкой, повлечь за собой трещины и даже разрушение при сдвиге сварного узла, поскольку эти зоны, включающие алюминий, обладают более низкой прочностью сварного шва, чем наплавленный металл.

Таким образом, 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, т.е. 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.

Предлагаемым в изобретении решением является способ гибридной лазерно-дуговой сварки, осуществляемый с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом, в частности, в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл подается посредством плавления расходуемой проволоки, и сварочная ванна получается на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия, и в котором дополнительно используют защитный газ, отличающийся тем, что защитный газ образован по меньшей мере одним основным компонентом, выбранным среди аргона и гелия, и по меньшей мере одним дополнительным компонентом, выбранным среди азота и кислорода.

Таким образом, согласно изобретению, сварочная ванна, а значит, впоследствии и сварное соединение, получается на уровне плоскости соединения, образованной при приведении в контакт, в частности, стык в стык, свариваемых деталей, посредством плавления составляющей детали стали в результате одновременного действия лазерного луча и электрической дуги, которые сочетаются друг с другом для расплавления металла свариваемых детали или деталей, в то время как добавочная подача расплавленного металла достигается, кроме того, благодаря расходуемой проволоке, которая также расплавляется, предпочтительно посредством электрической дуги, причем расплавленный таким образом металл размещается в сварочной ванне, образованной на соединяемых детали или деталях.

Для разрешения вышеупомянутой задачи, согласно изобретению, в качестве защитной атмосферы зоны сварки, в частности сварочной ванны, используют газовую смесь, которая образована, с одной стороны, исключительно аргоном, гелием или ими двумя в качестве основного(ых) компонента(ов) газовой смеси и, с другой стороны, азотом или кислородом, или даже ими двумя, в качестве дополнительного(ых) компонента(ов), таким образом представляя собой двухкомпонентную газовую смесь типа Ar/N₂, Ar/O₂, He/O₂ или He/N₂, или трехкомпонентную газовую смесь типа Ar/He/N₂ или Ar/He/O₂, или даже четырехкомпонентную газовую смесь типа Ar/He/О₂/N₂. Во всех случаях доля основного компонента (т.е. Ar или He) или сумма долей основных компонентов (т.е. Ar и He) больше доли дополнительного компонента (т.е. N₂ или O₂) или суммы долей дополнительных компонентов (т.е. N₂ и O₂), присутствующих в газовой смеси.

Среди этих используемых различных газовых смесей наиболее предпочтительными являются две смеси, поскольку они приводят к очень хорошим результатам, как объяснено далее, а именно, смеси Ar/N₂ или Ar/He/N₂, содержащие самое большее 10% азота (% по объему) и, предпочтительно, примерно от 3 до 7% азота. В общем, следует отметить, что в рамках настоящего изобретения, если отсутствуют другие указания, любые приведенные процентные содержания (%) являются объемными процентными содержаниями (% по объему).

Действительно, использование способа гибридной лазерно-дуговой сварки, при которой применяется газовая защитная смесь, образованная аргоном и/или гелием, с одной стороны, и азотом и/или кислородом, с другой стороны, позволяет получить при соединении алитированных стальных деталей сварное соединение мартенситной микроструктуры, не содержащей или почти не содержащей белесых островков феррита, поскольку добавление O₂ или N₂ позволяет захватить происходящий из поверхностного слоя алюминий, который высвобождается при расплавлении упомянутого слоя под действием дуги и лазерного луча.

Захватывание алюминия компонентами O₂ или N₂ приводит к образованию компонентов типа Al₂O₃ или AlN, таким образом исключая образование феррита или других вредных интерметаллических соединений. Между прочим, образованные таким образом оксиды или нитриды алюминия удерживаются на поверхности ванны, таким образом препятствуя растворению алюминия в сварочной ванне.

Это приводит к подавлению или, по меньшей мере, заметному уменьшению внедрения алюминия в сварной шов, а значит, улучшению прочности на растяжение ввиду полного или почти полного исчезновения обычно наблюдаемой белесой фазы дельта-феррита.

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

защитный газ содержит от 1 до 20% по объему упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента;

защитный газ содержит от 1 до 15% по объему упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента;

защитный газ содержит по меньшей мере 2% по объему упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента;

защитный газ содержит самое большее 10% по объему упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента;

защитный газ содержит исключительно азот в качестве дополнительного компонента;

защитный газ содержит по меньшей мере 4% по объему азота в качестве дополнительного компонента;

защитный газ содержит по меньшей мере 5% по объему азота в качестве дополнительного компонента;

защитный газ содержит самое большее 8% по объему азота в качестве дополнительного компонента;

защитный газ содержит самое большее 7% по объему азота в качестве дополнительного компонента;

защитный газ содержит по меньшей мере 5,5% по объему азота и самое большее 6,5% по объему азота;

защитный газ является смесью He/Ar/N₂ или Ar/N₂;

стальные деталь или детали содержат поверхностное покрытие на основе алюминия, имеющее толщину, составляющую между 5 и 100 мкм, предпочтительно, меньшую или равную 50 мкм. 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, т.е., например, на срезах листа;

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

металлическая деталь или детали выполнены из стали с поверхностным покрытием, состоящим по существу из алюминия и кремния (Al/Si);

металлическая деталь или детали имеют поверхностное покрытие на основе алюминия и кремния, содержащее долю алюминия в 5-100 раз больше, чем у кремния, например, долю алюминия 90% по весу и долю кремния 10% по весу, 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 больше, чем у кремния, в частности, долю алюминия в 5-30 раз больше, чем у кремния, в частности, долю алюминия в 5-20 раз больше, чем у кремния;

сваривают друг с другом несколько деталей, как правило, две детали; упомянутые детали могут быть идентичными или различными, в частности, что касается форм, толщины и т.д.;

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

сварочная проволока является цельной проволокой или порошковой проволокой;

сварочная проволока имеет диаметр между 0,5 и 5 мм, как правило, между примерно 0,8 и 2,5 мм;

расходуемую проволоку плавят электрической дугой, предпочтительно, дугой, получаемой посредством горелки для MIG-сварки;

расходуемая проволока содержит углерод и/или марганец (мин. 0,1% C и мин. 2% Mn);

свариваемые деталь или детали выбраны среди составных заготовок и труб;

свариваемые деталь или детали являются элементами глушителя;

детали позиционируют и сварены встык без скоса кромок;

электрическую дугу создают горелкой для сварки типа MIG (дуговая сварка плавящим электродом в среде инертного газа);

лазерный луч создают генератором или лазерным устройством типа CO₂, YAG, волоконного, в частности, с иттербиевыми или эрбиевыми волокнами, или дискового;

лазерный луч предшествует дуге MIG во время сварки, рассматривая в направлении сварки;

режим сварки MIG относится к типу короткой дуги;

напряжение сварки составляет меньше 20 В, как правило, от 11 до 16 В;

сила тока сварки составляет меньше 200 A, как правило, от 118 до 166 А;

скорость сварки составляет меньше 20 м/мин, как правило, от 4 до 6 м/мин;

свариваемые деталь или детали имеют толщину от 0,8 до 2,5 мм, предпочтительно, от 1,8 до 2,3 мм. Толщина рассматривается на уровне плоскости получаемого шва, т.е. в месте, где металл расплавляется для образования сварного шва, например, на уровне оконечной кромки свариваемой детали или деталей;

сварное соединение имеет структуру мартенситного типа;

давление газа составляет от 2 до 15 бар, например, порядка 4 бар;

расход газа составляет от 10 до 40 л/мин, как правило, порядка 25 л/мин;

точку фокусирования лазерного луча фокусируют над свариваемой деталью и в диапазоне от 3 до 6 мм;

расстояние между присадочной проволокой и лазерным лучом должно составлять от 2 до 3 мм;

сваривают друг с другом множество деталей, как правило, две детали;

газовая смесь, используемая в рамках настоящего изобретения, может либо быть получена непосредственно на месте путем смешивания составляющих смеси в желаемых долях посредством газового смесителя, либо быть предварительно подготовлена, т.е. получена на предприятии по кондиционированию, а затем доставлена на место применения в соответствующих емкостях газа, таких как баллоны сварочного газа.

Изобретение будет лучше понятно благодаря следующему описанию и примерам, осуществленным для демонстрации эффективности способа гибридной лазерно-дуговой сварки по изобретению.

ПРИМЕРЫ

Способ гибридной лазерно-дуговой сварки согласно изобретению дал хорошие результаты во время его применения для производства гибридной сварки посредством лазерного источника типа CO₂ и горелки для дуговой MIG-сварки стальных деталей, покрытых слоем примерно 30 мкм сплава алюминия-кремния с долями соответственно 90% и 10% по весу.

Толщина сваренных деталей составляет 2,3 мм.

В рамках проведенных испытаний используемый газ, который распределяется с расходом 25 л/мин и под давлением 4 бар, является:

испытание A (сравнительное): смесь ARCAL 37, образованная из 70% гелия и 30% аргона;

испытание B: смесь ARCAL 37 с добавлением 6% N₂;

испытание C: смесь ARCAL 37 с добавлением 3% O₂.

Смесь ARCAL 37 продается фирмой L'Air Liquide.

Используемой горелкой является MIG-горелкой фирмы OTC, снабжаемой присадочной проволокой типа Nic 535 (0,7% C и 2% Mn) диаметром 1,2 мм, которая подается со скоростью 3 м/мин.

Напряжение сварки составляет примерно 15 В, а сила тока примерно 139 A получены при помощи генератора типа Digi@wave 500 (короткая дуга/короткая дуга +) в синергическом режиме (EN 131), продаваемого фирмой Air Liquide Welding, Франция.

Лазерным источником является оптический лазерный генератор типа CO₂ мощностью 12 кВт.

Скорость сварки достигает 4 м/мин.

Свариваемые детали представляют собой расположенные встык без скоса кромок составные заготовки из алитированной стали (Al/Si) типа Usibor 1500™.

Достигнутые результаты показывают, что присутствие N₂ в смеси аргон/гелий приводит к лучшим результатам, чем в испытаниях без азота в защитном газе.

Также присутствие небольшой доли O₂ в смеси аргон/гелий позволяет противодействовать эффекту подавления аустенитного превращения, вызванному присутствием алюминия в зоне плавления.

Действительно, используя смеси Ar и/или He и N₂ и/или O₂ согласно изобретению, тем самым содействовали значительному улучшению результатов, которые повышаются пропорционально содержанию N₂ или O₂ в смеси. Действительно, микрофотографии показывают, что как в одном, так и в другом случае белые фазы полностью исчезли, в то время как это не имеет места в случае только со смесью ARCAL 37.

Кроме того, с добавлениями O₂ или N₂ сопротивление разрыву сварного соединения после аустенизации и закалки эквивалентно таковому у основного металла.

Полученные во время испытаний результаты показывают, что добавление азота в аргон и/или гелий позволяет существенно улучшить качество сварки сталей, покрытых поверхностным слоем сплава алюминия/кремния, в частности, однородную микроструктуру мартенситного типа в зоне плавления.

Улучшение тем заметнее, чем больше содержания азота, но при оптимуме меньше 10% по объему, что побуждает использовать порядка 6-7% азота в аргоне или в аргоне/гелии.

Улучшение также тем заметнее, чем больше содержание кислорода, но при оптимуме меньше 10% по объему, что побуждает использовать порядка 3-5% азота в аргоне или в аргоне/гелии.

Способ по изобретению особенно приспособлен для сварки составных заготовок (tailored blanks), используемых в области автомобилестроения, в частности, элементов глушителей автомобилей, или для сварки труб.

1. Способ гибридной лазерно-дуговой сварки с помощью электрической дуги и лазерного луча, одновременно формирующих сварочную ванну на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия, причем расплавленный металл подают посредством плавления расходуемой проволоки, и при этом дополнительно используют защитный газ, отличающийся тем, что защитный газ образован по меньшей мере одним основным компонентом, выбранным из аргона и гелия, и по меньшей мере одним дополнительным компонентом, выбранным из азота и кислорода, при этом защитный газ содержит от 1% до 20% по объему упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что защитный газ содержит от 2% до 10% по объему упомянутого по меньшей мере одного дополнительного компонента.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что защитный газ содержит исключительно азот в качестве дополнительного компонента.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что защитный газ содержит от 4% до 7% по объему азота в качестве дополнительного компонента.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что защитный газ представляет собой смесь He/Ar/N₂ или Ar/N₂.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая по меньшей мере одна стальная деталь содержит поверхностное покрытие на основе алюминия, имеющее толщину, составляющую между 5 и 100 мкм, предпочтительно меньшую или равную 50 мкм.

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, получаемой посредством горелки для MIG-сварки.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходуемая проволока содержит углерод и/или марганец в количестве мин. 0,1% С и мин. 2% Mn.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна свариваемая деталь выбрана из составных заготовок, труб или элементов глушителей.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детали размещают и сваривают встык без скоса кромок.