用于利用Zn/Al添加材料惰性气体焊接或惰性气体钎焊包括相同或不同金属或金属合金的工件的方法

摘要

本发明涉及一种用于采用熔融的添加金属合金来惰性气体焊接或惰性气体钎焊由钢、铝、镁、铜或其合金制成的工件(A)和由钢、铝、镁、铜或其合金制成的工件(B)的方法，所述工件(A)和(B)可由相同或不同金属或金属合金构成。该方法特征在于包括以下步骤：a)使所要连接的工件对接或搭接；b)使包含有Zn/Al合金的添加金属合金熔融；c)将熔融的添加金属合金涂覆到相接触工件的接触表面或接触表面的局部区域上；d)使相连接的工件冷却。其中步骤b)和c)直接相继进行，同时至少步骤b)和c)通过使用惰性气体来进行。本发明还涉及用在所述方法中的焊丝。

说明书

包括相同或不同金属或金属合金的工件的方法

本发明涉及利用Zn基添加金属合金惰性气体焊接或惰性气体钎焊由相同或不同金属或金属合金制成的工件的方法。焊接或钎焊由钢、镁、铝、铜及其合金制成的工件，并且所要连接的工件可以由相同或不同金属或金属合金构成。本发明还涉及用在所述方法中的焊丝。

在汽车制造业尤其在小汽车业中，为了降低车身的整体重量，在车身结构中采用各种轻金属部件已经变得常见，这在整体油耗上具有积极影响。通常在这方面采用由铝、铝合金或镁合金制成的部件。实际上，目前在市场上销售的汽车中，这些材料构成了其车身的一半以上。

用在车身结构中的材料变化还已经需要现有技术连接工艺的相应适应。虽然早期车身结构主要需要钢板焊接，但是现在必须按照其用在没有较多复杂性的工业生产过程中的方式在不同材料中提供连接。

为了连接钢板例如通常用在车身结构中的镀锌薄钢板，现有技术尤其采用惰性气体焊接或惰性气体钎焊。在DIN 1910-2中已经描述了这些方法。

金属的惰性气体焊接是这样一种方法，其中通过位于处于惰性气体流中的焊丝电极和工件之间的电弧燃烧使处于所要焊接的区域中的工件熔融。焊丝电极可以包括焊接添加剂，并且必须适应于所要焊接的材料。这样，所要焊接的工件区域相互连接。

采用上述方法可以将钢以及有色金属焊接在一起。

一种可选的方法是金属惰性气体钎焊，它与金属惰性气体焊接的主要不同之处在于，采用熔点低于所要连接的基底材料的焊剂作为焊丝电极，从而整个过程可以在更低的温度下进行。

该方法也被称为“MIG钎焊”，尤其在汽车业中连接镀锌薄金属板中获得了成功。与相应的焊接方法相比，其优点在于过程安全性更高、焊缝质量更好并且连接强度高，并且连接的金属部件的耐腐蚀性较高。在该方法中，可以采用氩气或含有氩气的气体作为用于焊接的惰性气体。这些气体混合物包括能够产生更平滑的焊缝和良好的到基底材料的焊缝过渡部分的活性气体。为此，例如采用具有少量氧气的氩气混合物。

采用硬焊料或高温焊料例如铜基焊丝作为焊料。它们主要由包括各种合金元素例如硅、铝、锡、镍、锌和锰的铜构成。焊料的熔点大约为950至1400℃，并且这也是进行这种钎焊的温度区域。与焊接方法相比，该钎焊方法也具有这样的优点，在组成部分上的热负载相当低，并且镀锌薄金属板的锌层不会由于焊接温度而强烈改变，从而导致其耐腐蚀性降低。

下面所述的本发明打算提供对该焊接或钎焊方法进行改进，从而能够将由不同金属和金属合金尤其是那些由钢、铝、镁、铜或其合金制成的金属材料连接在一起。通过采用锌基焊料进行惰性气体焊接或惰性气体钎焊连接这些材料迄今为止还没有提到。

但是，在现有技术中已知其它连接钢和铝的方法。DE 10057180A1描述了一种连接钢管和铝肋条的方法。其中，采用铝含量为0.5至20wt％的锌-铝合金作为焊料。该连接方法按照这样一种方式进行，即首先采用火焰喷涂或电弧方法将焊料层涂覆在钢管或铝肋条上。在此之后才使铝肋条与钢管接触并且在室温下涂覆以四氟化铯铝形式的助熔剂。之后，在钎焊温度为370至470℃的炉子中钎焊设有铝肋条的钢管。上述方法包括两个工艺步骤。在第一步骤中，将焊料涂覆在单独部件上。随后，使焊料冷却。在第二个工艺步骤中，使这些部件接触，并且在室温下涂覆助熔剂，并且在炉子中钎焊这些部件。显然，这种方法尤其在车身结构中不能以工业连续过程形式进行。

因此本发明的技术目的在于如此改进现有技术已知的惰性气体焊接方法或惰性气体钎焊方法，从而除了连接相同金属之外，该方法也适用于连接不同金属尤其是钢、铝、镁、铜或其合金。

上述技术目的通过一种用于采用熔融的添加金属合金惰性气体焊接或惰性气体钎焊由钢、铝、镁、铜或其合金制成的工件(A)和由钢、铝、镁、铜或其合金制成的工件(B)的方法来实现，其中所述工件(A)和(B)可以由相同或不同金属或金属合金构成，其特征在于包括以下步骤：一种采用添加金属合金连接由钢制成的工件和由其它金属材料制成的工件的方法，其特征在于包括以下步骤：

a)使所要连接的工件对接或搭接；

b)将包含有Zn/Al合金的添加金属合金熔融；

c)将熔融的添加金属合金涂覆到相接触工件的接触表面或接触表面的局部区域上；

d)使相连接的工件冷却；

其中步骤b)和c)直接相继进行，并且至少步骤b)和c)使用惰性气体进行。

在本发明意义中当作惰性气体的是在这一过程中不会与添加金属合金或与工件材料进行任何反应的气体或气体混合物。在优选的方式中，为此采用惰性气体尤其是氩气。另一方面，还可以采用包括惰性气体与影响工艺或合金形成的活性气体的气体混合物。例如，这些包括由氩气和少量氧气或二氧化碳构成的气体混合物。

通过采用所述锌基合金作为添加金属合金并且采用惰性气体，从而可以在单步骤过程中相互连接由不同金属材料制成的工件，这也可以按照连续的和自动化的方式进行。由于所述锌基合金在350℃至450℃的较低熔融温度，所以与在大约1000℃下进行的前面惰性气体钎焊方法相比，整个过程可以在更低的温度下进行。因此，因为整个操作可以在更低的温度下进行，所以组成部件的变形显著更小。因此，这还允许连接非常薄的材料例如厚度小于1mm的金属带或金属板。另外，更低的温度有利于钎焊过程节约相当大的能耗。另一个优点在于，钢组件如果以镀锌钢板形式使用的话，由于该更低的温度所以其锌涂层不会损坏，从而在焊缝或钎焊焊缝的区域中防腐蚀性得到保持，因此不必进行繁琐的二次操作以保持防腐蚀性。

锌的熔点为419℃并且沸点为908℃。因此，在1000℃左右的钎焊温度下，钢板的大部分锌涂层将蒸发。一方面，这影响了连接过程和接缝强度，另一方面导致钢板耐腐蚀性降低，这个耐腐蚀性由所述锌涂层实现并且在连接过程中将被破坏。通过根据本发明的方法，可以在基本上更低的温度下进行连接，从而避免了上面的问题。

另外，发现这样生产出的钎焊接缝具有高强度和良好的耐腐蚀性。

在优选实施方案中，该方法采用了由镀锌或不镀锌钢材制成的工件。目前，在汽车制造业中通常采用用来延长汽车使用寿命的薄镀锌金属板。在车身结构中的这些金属板的平均百分比目前超过70％。因此，大部分汽车制造商保证大约12年的防锈保质期。

在优选实施方案中，金属材料由钢、铝、铝合金、镁、镁合金、铜和铜合金构成。尤其优选的是目前在汽车制造业中通常采用的铝和铝合金以及镁铝合金。它们具有良好的机械性能，并且由于其比重较低，所以导致车身整体重量降低，因此导致油耗下降。在特别优选的实施方案中，由钢、尤其是镀锌钢材制成的材料与由铝、铝合金、镁、镁合金制成的材料连接。为此，优选采用具有铝的锌基合金。

在特别优选的实施方案中，采用惰性气体焊接/钎焊方法来连接这些工件。

上述方法是这样一种方法，其中通过电弧或等离子或激光来使焊料熔融，并且将液体焊料涂覆在所要焊接/钎焊的位置上。这些方法被称为电弧焊接方法、等离子焊接方法或WIG焊接方法，并且根据本发明的方法其特别之处在于，采用锌基焊料来进行该方法。

特别优选的是电弧焊接/钎焊方法。电弧在焊丝电极和工件之间燃烧。该焊丝电极被从中将惰性气体通入到所要连接的位置的惰性气体喷嘴包围。该焊丝电极由所述添加金属合金构成，因此提供了用来连接工件的焊料。该方法允许在单步骤连续过程中连续连接金属材料。优选采用在焊丝电极和工件之间燃烧的电弧来进行添加金属合金的熔融。当连接钢和轻金属例如铝或镁及其合金时，在根据本发明的方法中使轻金属部分熔融。另外，采用这样一种焊料，从而该方法为组合焊接-钎焊方法。

本发明的方法可以在具有或没有助熔剂的情况下进行。一般来说，助熔剂用来便于焊料在钎焊期间熔融，促进颗粒物质沉积或者防止氧化。尤其在铝的情况中，为了清除妨碍的氧化物层，通常采用助熔剂。但是，使用助熔剂其缺点在于，大多数助熔剂侵蚀性强，从而造成铝在与其它金属连接之后腐蚀。因此在热连接之后需要额外的步骤来清除这些助熔剂。令人惊讶的是，已经发现本发明的方法可以在不采用任何助熔剂的情况下进行，并且仍然可以在所要连接的材料之间产生出高强度而持久的连接。更加令人惊讶的是，正好是这种不同金属例如由钢、铝或镁合金制成的金属的连接可能形成非常脆的金属间相，从而导致连接部分强度不够。显然，在本发明的方法中需要的基本上更低的温度这正好避免了形成所述金属间相，由此实现了强度更高的连接。

作为添加金属合金，优选采用那些锌基合金，它们除了正常杂质之外还包括1至25wt％的铝。尤其优选的是包括5至15wt％铝的锌合金，并且最优选的是包括4wt％铝的锌基合金。更具体地说，可以采用以下锌合金：ZnAl₅、ZnAl₁₅、ZnAl₂、ZnAl₂₀、ZnAl₂₂和ZnAl₄。

除了正常杂质之外，所述锌基合金可以包括一种或多种合金添加剂，具体地说为最高到500ppmMg、最高到500ppmCr、最高到2000ppmMn、最高到300ppmLi、最高到4％Cu、最高到50ppmB，最高到500ppmTi以及最高到1000ppmSi。

在根据本发明的方法中，采用以实心焊丝或带芯焊丝形式的添加金属合金。如果采用带芯焊丝，则这种带芯焊丝的芯部可以包括钎焊所需的适当添加剂。例如，添加剂可以为助熔剂(例如，基于Cs)、选自由铝、铬、钛、锰和镍构成的组的金属粉末。

在优选的方式中，本发明的方法按照这样一种方式进行，从而在电弧、等离子或激光中使由惰性气体流包围的由锌基合金制成的焊丝电极熔融，并且将熔融的添加金属合金施加在相接触工件的相应接触表面或接触表面的局部区域上。这是紧接着在使添加金属合金熔融之后进行的。

本发明还涉及用在采用由其铝含量为1至25wt％的锌基合金构成的熔融添加金属合金来惰性气体焊接或惰性气体钎焊由钢、铝、镁、铜或其合金制成的工件A和由钢、铝、镁、铜或其合金制成的工件B的方法中的直径为0.8至3.2mm的焊丝，其中工件A和B可以由相同或不同金属或金属合金构成。

在另一个优选实施方案中，锌-铝合金可以包括单独或组合形式的以下合金添加剂的一种或多种：最高到500ppmMg、最高到500ppmCr、最高到2000ppmMn、最高到300ppmLi、最高到4％Cu、最高到50ppmB，最高到500ppmTi以及最高到1000ppmSi。在优选的方式中，焊丝可以为实心焊丝或带芯焊丝。

下面将参照以下实施例对本发明进行更详细说明。

实施例

进行试验以采用惰性气体焊接和锌-铝焊料生产出相互连接在一起并且由镀锌钢部件和铝部件构成的钎焊连接部分。采用来自各个制造商的焊接装置。

采用厚度为0.7至2mm的镀锌钢部件和厚度为0.8至2.5mm的铝部件作为基底材料。采用以直径为1.6mm的实心焊丝形式的ZnAl₄钎焊焊丝作为焊料材料。采用氩气作为惰性气体。在钢部件之间和在钢部件和铝部件之间产生出重叠连接部分和邻接连接部分。

装置角为45至80°，并且焊炬(在焊炬处的电弧)的倾角为60至90°。在焊炬和所要连接的工件之间的间距在惰性气体喷嘴处为10至25mm，并且在钎焊期间的通道进给速度为0.3至1.3m/分钟。

发现采用上述参数可以单独在钢部件之间以及在钢部件和铝部件之间产生出可再现的连接部分，并且形成有均匀的焊接/钎焊焊缝。随后对机械-技术性能的观察表明，在全部钎焊试样中在拉伸试验中铝材料断裂在受热区之外(Rm≥205MPa)。

这表明，在使用根据本发明的方法时，可以在由钢制成的材料和由铝制成的材料之间生产出例如牢固而耐腐蚀连接部分。