Способ предварительной обработки перед сваркой стальных листов с покрытием
Изобретение относится к способу подготовки под сварку стальных листов, состоящих из упрочняемого стального материала, на которые нанесено алюминиевокремниевое антикоррозионное покрытие, листовой заготовке, сварному компоненту и применению листовых заготовок для получения сварных компонентов. Перед сваркой алюминиевокремниевый слой на листах в области сварного соединения и нижележащий интерметаллический промежуточный слой между материалом основы и антикоррозионным покрытием обрабатывают лазером. Материал алюминиевокремниевого слоя и нижележащего интерметаллического промежуточного слоя испаряется и вытягивается, при этом реакция с материалом основы проходит так, что получают металлический слой реакционной абляции или слой абляции сплавления, который содержит железо и легирующие элементы из материала основы и алюминий и кремний из алюминиевокремниевого слоя и интерметаллического промежуточного слоя. Реакционный слой имеет толщину от 5 мкм до 100 мкм. Технический результат состоит в предотвращении образования окалины и обезуглероживания кромок и образования интерметаллических или мягких ферритных фаз без усложнения способа. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 20 ил.
Настоящее изобретение относится к способу предварительной обработки перед сваркой стальных листов с покрытием согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В уровне техники известен способ использования стальных листов разной толщины и/или стальных листов разного состава для получения сварных листовых заготовок, которые могут затем подвергаться дополнительной обработке, такой как процесс формования или термообработка.
Дело в том, что различные толщины или различные составы обеспечивают возможность по-разному реализовать свойства полностью сформованного компонента от одной области к другой.
Также известна сварка листов, имеющих антикоррозионное покрытие и, в частности, металлическое антикоррозионное покрытие, такое как цинковое или алюминиевое покрытие.
В частности, известна сварка высокоупрочняемых сталей, содержащих марганец и бор, друг с другом, которые затем используют для получения конструкционных компонентов корпусов транспортных средств.
Такие индивидуально изготовленные листовые заготовки, состоящие из стальных листов, также называют “индивидуальными заготовками”.
Известные способы сварки включают дуговую сварку, лазерную сварку и комбинированный способ лазерно-дуговой сварки.
В частности, оказалось, что для листов с алиминиевокремниевым покрытием алюминиевокремниевый слой создает проблемы в сварке листа при использовании обычных способов сварки. Очевидно, что элементы покрытия оказывают вредное воздействие на состав сварного шва.
Таким образом были разработаны технологии для удаления алюминиевокремниевых слоев в некоторых подобластях перед сваркой для уменьшения концентрации алюминия и кремния в сварном шве.
Из уровня техники также известно, что при сварке таких листов с покрытием используют сварочный пруток или добавляют сварочный флюс.
В DE 102012111118 B3 раскрыт способ лазерной сварки одного или более изделий, состоящих из упрочняемой прессованием стали, в частности стали, содержащей марганец и бор, в котором сварку выполняют в стыковом соединении и в котором толщина изделия или изделий составляет по меньшей мере 1,8 мм и/или разность толщины в стыковом соединении составляет по меньшей мере 0,4 мм, при этом во время лазерной сварки сварочный пруток подают в сварочную ванну, которая образуется под действием лазерного луча. Для обеспечения надежного упрочнения сварного шва с получением мартенситной структуры во время горячего формования, в документе предложено добавление к сварочному прутку по меньшей мере 1 легирующего элемента из группы, включающей марганец, хром, молибден, кремний и/или никель, таким образом способствуя образованию аустенита в сварочной ванне, которая образуется под действием лазерного луча, при этом этот по меньшей мере один легирующий элемент присутствует в сварочном прутке в проценте по массе, который по меньшей мере на 0,1 масс. % больше, чем в упрочняемой прессованием стали изделия или изделий.
В DE 102014001979 A1 раскрыт способ лазерной сварки одного или более изделий, состоящих из упрочняемой стали, с получением стыкового соединения, в частности, сталь представляет собой сталь, содержащую марганец и бор, а толщина изделий составляет от 0,5 до 1,8 мм и/или разность толщины в стыковом соединении составляет от 0,2 до 0,4 мм; в лазерной сварке сварочный пруток вводят в сварочную ванну, а сварочная ванна образуется исключительно за счет одного лазерного луча. Для обеспечения надежного упрочнения сварного шва с получением мартенситной структуры во время горячего формования, в документе предложено, что сварочный пруток содержит по меньшей мере один легирующий элемент из группы, включающей марганец, хром, молибден, кремний и/или никель, таким образом способствуя образованию аустенита.
В EP 2737971 A1 раскрыта индивидуальная сварная заготовка и способ ее изготовления, в котором лист производят так, что листы разной толщины или разного состава связывают друг с другом и в котором предполагается уменьшение проблем с качеством в сварочной зоне. В данном документе также используют сварочный пруток, реализованный так, что в температурном диапазоне от 800 до 950°C феррит не образуется. Предполагается, что этот способ особенно подходит для листов с AlSi покрытием; необходимо также, чтобы пруток имел высокое содержание стабилизирующих аустенит элементов, которые, в частности, включают углерод или марганец.
В EP 1878531 B1 раскрыт способ комбинированной лазерно-дуговой сварки металлических изделий с поверхностным покрытием, замысел в отношении которого заключается в том, чтобы поверхностное покрытие содержит алюминий. Предполагается, что лазерный луч объединяется по меньшей мере с одной дугой так, что происходит плавление металла и сварка части или частей, и перед сваркой по меньшей мере одна из частей имеет осаждения алюминиевокремниевого покрытия на поверхности одной из ее свариваемых боковых кромок.
В EP 2942143 B1 раскрыт способ соединения двух заготовок; заготовки представляют собой стальные листы с покрытием, которое содержит слой, состоящий из алюминия или алюминиевого сплава; две части сварены друг с другом с помощью лазерного луча и дуги; дуговая сварочная горелка содержит электрод в виде сварочной проволоки, причем электрод в виде сварочной проволоки состоит из стального сплава, который содержит стабилизирующие элементы; лазер и дуга перемещаются в направлении сварки; а дуговую сварочную горелку и лазерный луч последовательно располагают в направлении сварки.
В EP 2883646 B1 раскрыт способ соединения двух заготовок, в котором по меньшей мере одна из заготовок содержит слой, состоящий из алюминия или алюминиевого сплава, металлический порошок вводят в сварочную зону во время процесса сварки, причем металлический порошок представляет собой порошок на основе железа, содержащий гамма-стабилизирующие элементы, а сварка лазерным лучом представляет собой двухточечную сварку лазерным лучом.
В EP 2007545 B1 раскрыт способ изготовления сварной части с очень хорошими механическими свойствами, в котором стальной лист имеет покрытие, состоящее из интерметаллического слоя и слоя из металлического сплава, расположенного на интерметаллическом слое. Для сварки листов слой из металлического сплава на интерметаллическом слое необходимо удалить по периферии листа, то есть в свариваемых областях, причем этот интерметаллический слой представляет собой слой из алюминиевого сплава. Это покрытие необходимо удалить с помощью лазерного луча так, чтобы этот слой, который реализован в виде алиминиевокремниевого слоя, испарился перед сваркой, чтобы избежать вредного воздействия алюминия в сварном шве. В то же время следует оставить интерметаллический слой, чтобы, по возможности, обеспечить эффекты предотвращения коррозии.
В US 9604311 B2 раскрыт процесс полной абляции, в котором металлический слой и интерметаллический слой полностью испаряются под действием лазера.
Недостатками способов, в которых выполняют полную абляцию, является то, что в областях, которые полностью свободны от алиминиевокремниевого слоя, на поверхности во время сварки или, самое позднее, во время упрочнения компонентов, образуется окалина. Это уменьшает поперечное сечение вблизи шва и в основном не является предпочтительным.
Недостатком выполнения частичной абляции является то, что ее необходимо выполнять очень точно для удаления только алюминиевокремниевого слоя с сохранением при этом интерметаллического промежуточного слоя насколько это возможно. Это не всегда полностью удается. Также недостатком является то, что при частичной абляции все еще существующий интерметаллический промежуточный слой может привести к тому, что в сварном шве присутствует слишком много алюминия так, что сварной шов не имеет требуемой стабильности, и компонент теряет свои свойства в сварном шве. Это в основном не является предпочтительным.
Однако в способах, в которых в сварной шов вводят порошок, оказалось, что дозировать порошок довольно сложно.
В основном, проблема заключается в том, что в алюминиевокремниевых слоях на листах при сварке сварной шов не является достаточно прочным, что очевидно связано с алюминием, который вводят в сварной шов вместе с указанным порошком.
Задача изобретения заключается в создании способа предварительной обработки перед сваркой, с помощью которого могут быть получены стабильные сварные швы надежным образом.
Задача достигается с помощью способа, имеющего признаки пункта 1 формулы изобретения.
Предпочтительные модификации раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению было достигнуто, что неблагоприятное влияние алюминия и, в частности, неблагоприятное влияние все еще существующего интерметаллического промежуточного слоя, можно устранить путем выборочного выполнения сварочной подготовки с помощью лазера таким образом, что вместо полной абляции, в которой интерметаллический промежуточный слой полностью удаляют, или частичной абляции, в которой интерметаллический промежуточный слой сохраняется, происходит реакция абляции, в которой интерметаллический промежуточный слой и, возможно, также остальные компоненты алюминиевокремниевого слоя с одной стороны и стального материала основы с другой используют для получения металлического реакционного слоя, который может быть намного толще, чем интерметаллический промежуточный слой, и проходит в материал основы. В этом реакционном слое легирование выполняют таким образом, что алюминий и кремний диспергированы до такой степени, что, с одной стороны, действительно обеспечивается защита от образования окалины, но отсутствует возможность обнаружения вредного воздействия на прочность сварного шва. Однако согласно настоящему изобретению это удается только при избирательном направлении лазера.
Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что необходимо избегать неблагоприятное влияние алюминия, и необходимо предотвращать введение алюминия, которое неизбежно происходит.
В уровне техники в выполняемых с этой целью процессах частичной абляции лазер необходимо направлять очень точно, чтобы хотя бы иметь возможность обеспечения желаемой частичной абляции.
На практике оказалось, что такая частичная абляция просто не обеспечивает надежного результата, и, таким образом, сварной шов не имеет воспроизводимых свойств.
Намного более важными, чем абсолютные свойства сварного шва, являются относительные свойства сварного шва по его длине так, что, в основном, пиковые значения относительно предела прочности в нескольких областях сварного шва представляют меньший интерес, чем однородные свойства по всей длине шва, что приводит к надежным компонентам.
С другой стороны, изобретатели также обнаружили, что даже в полном процессе абляции согласно уровню техники, в котором удаляют весь алиминиевокремниевый слой, флуктуации приводят к заметному уменьшению в воспринимающем нагрузку поперечном сечении кромок сварного шва, что приводит к таким же неприемлемым результатам, как и при частичной абляции.
Изобретатели обнаружили, что оба способа согласно уровню техники, то есть полная абляция, а также частичная абляция только покрывающего слоя без интерметаллического слоя, оказываются нецелесообразными в двух направлениях. При частичной абляции согласно уровню техники остается слишком много алюминия, что повреждает сварной шов. Полная абляция устраняет наличие какого-либо алюминия, но в процессе упрочнения происходит образование окалины и обезуглероживание, таким образом отрицательно влияя на воспринимающее нагрузку поперечное сечение соединения.
Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что определенный процент алюминия является безвредным так, что может быть достигнут стабильный процесс абляции, который, после сварки листов, обработанных таким образом, обеспечивает сварной шов, который имеет такую же способность выдерживать нагрузку, что и упрочненный материал основы. Реакционный слой проявлял особенно предпочтительные свойства, если содержание алюминия составляло менее чем 11,3% по массе, предпочтительно <10% по массе, в частности <8% по массе, поскольку в этом случае можно резко уменьшить возникновение вреда для сварного шва.
Низкое количество алюминия в металлическом реакционном слое не образует интерметаллические фазы и вместо этого присутствует в растворимой форме в феррите. Однако удивительным оказалось, что эти низкие значения алюминия являются достаточными для обеспечения защиты от обезуглероживания и сильного образования окалины. Изобретатели также обнаружили, что процентное содержание алюминия больше чем 1% по массе, предпочтительно >2% по массе, придает слою оптимальные свойства, поскольку в этом случае, с одной стороны, больше не присутствуют интерметаллические фазы, но с другой стороны, присутствует достаточное количество алюминия для соответствующей защиты материала основы.
Таким образом, наиболее оптимальные свойства слоя достигаются при содержаниях алюминия в реакционном слое от 1 до 11,3% по массе, предпочтительно от 1,5 до 10% по массе, в частности предпочтительно от 2 до 8% по массе.
Толщина обогащенного алюминием реакционного слоя, полученного таким образом, составляет от 5 мкм до 100 мкм, предпочтительно от 15 мкм до 80 мкм, в частности от 20 мкм до 70 мкм, особенно предпочтительно от 20 мкм до 50 мкм, абляцию выполняли лазером, работающим в импульсном режиме.
Например, подходящими настройками являются длительность импульсов величиной 70 нс с частотой импульсов 14 кГц и средней мощностью 1606 Вт.
Это делает возможным достижение скоростей абляции 9 м/мин с фокусным пятном луча размером 2,4×0,4 мм.
Изобретение будет пояснено на примерах с использованием чертежей. На чертежах:
Фиг. 1: показывает полную абляцию согласно уровню техники;
Фиг. 2: показывает частичную абляцию согласно уровню техники;
Фиг. 3: показывает абляцию сплавления согласно изобретению;
Фиг. 4: показывает изображение электронного микроскопа алюминиевокремниевого покрытия на стальном листе перед термообработкой;
Фиг. 5: показывает изображение электронного микроскопа стального листа с алюминиевокремниевым покрытием и дорожку частичной абляции в неупрочненном состоянии;
Фиг. 6: показывает изображение электронного микроскопа и изображение оптического микроскопа дорожки частичной абляции согласно фиг. 5;
Фиг. 7: показана подробность неупрочненного слоя после частичной абляции согласно фиг. 6;
Фиг. 8: показывает изображение оптического микроскопа дорожки полной абляции;
Фиг. 9: показывает увеличенное изображение дорожки полной абляция согласно фиг. 8;
Фиг. 10: показывает дорожку полной абляции согласно фиг. 9 в упрочненном состоянии;
Фиг. 11: показывает абляцию сплавления согласно изобретению в неупрочненном состоянии в сравнении между изображением электронного микроскопа и оптического микроскопа;
Фиг. 12: показывает дорожку абляции сплавления в неупрочненном состоянии в увеличенном изображении светового микроскопа;
Фиг. 13: показывает увеличенное изображение электронного микроскопа в неупрочненном состоянии;
Фиг. 14: показывает дорожку абляции сплавления в упрочненном состоянии в изображении оптического микроскопа и изображении электронного микроскопа с идентификацией элементов;
Фиг. 15: показывает компонент, который был подвергнут предварительной обработке перед сваркой согласно настоящему изобретению с сварном и неупрочненном состоянии;
Фиг. 16: показывает компонент согласно фиг. 16 после упрочнения;
Фиг. 17: показывает параметры абляции и сварки;
Фиг. 18: показывает подробность в области кромки сварного шва компонента, который был подвергнут предварительной обработке перед сваркой согласно изобретению в неупрочненном состоянии;
Фиг. 19: показывает компонент согласно фиг. 19 в упрочненном состоянии;
Фиг. 20: показывает параметры испытаний для полной абляции, частичной абляции и абляции сплавления согласно изобретению.
Известно нанесение на упрочняемые стали антикоррозионного слоя и, в частности, антикоррозионного слоя, который предназначен для защиты стали от коррозии во время упрочнения. Такое упрочнение обычно происходит таким образом, что стальной материал подвергают аустенизации и затем упрочняют закалкой так, что аустенит частично или полностью превращается в мартенсит, что приводит к упрочнению. Обычные температуры для этого намного выше 800°C. При таких температурах происходит окисление поверхности и обезуглероживание стального материала, если он не был обеспечен слоем для своей защиты от обезуглероживания и окисления.
Например, характерные упрочняемые стали имеют следующий общий состав сплава (все показатели в % по массе):
| углерод (C) | 0,03-0,6 |
| марганец (Mn) | 0,8-3.0 |
| алюминий (Al) | 0,01-0,07 |
| кремний (Si) | 0,01-0,8 |
| хром (Cr) | 0,02-0,6 |
| титан (Ti) | 0,01-0,08 |
| азот (N) | <0,02 |
| бор (B) | 0,002-0,02 |
| фосфор (P) | <0,01 |
| сера (S) | <0,01 |
| молибден (Mo) | <1 |
остальное железо и сопутствующие выплавке примеси.
В частности подходящими сталями являются стали со следующим составом сплава:
| углерод (C) | 0,03-0,30 |
| марганец (Mn) | 1,00-3.00 |
| алюминий (Al) | 0,03-0,06 |
| кремний (Si) | 0,01-0,20 |
| хром (Cr) | 0,02-0,3 |
| титан (Ti) | 0,03-0,04 |
| азот (N) | <0,007 |
| бор (B) | 0,002-0,006 |
| фосфор (P) | <0,01 |
| сера (S) | <0,01 |
| молибден (Mo) | <1 |
остальное железо и сопутствующие выплавке примеси.
Особенно подходящая сталь представляет собой сталь со следующим составом сплава:
| C | Si | Mn | P | S | Al | Cr | Ti | B | N |
| [%] | [%] | [%]a | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] |
| 0,20 | 0,18 | 2,01 | 0,0062 | 0,001 | 0,054 | 0,03 | 0,032 | 0,0030 | 0,0041 |
остальное железо и сопутствующие выплавке примеси.
Такие стали явно подходят для использования в изобретении.
На фиг. 1 показана полная абляция согласно уровню техники. На ней изображен материал основы, на который нанесен алиминиевокремниевый слой; между алюминиевокремниевым слоем и материалом основы образована интерметаллическая зона или интерметаллический промежуточный слой, который неизбежно возникает из-за реакций материала основы с алюминиевокремниевым покрытием при повышенных температурах, которые возникают во время процесса нанесения покрытия путем погружения в расплав. Толщина интерметаллического промежуточного слоя в этом случае составляет приблизительно от 3 до 10 мкм, а алюминиевокремниевого слоя составляет от 25 до 30 мкм. Таким образом, типичная общая толщина слоя составляет от 19 до 35 мкм при обычном проходе покрытия 60 г алюминия и кремния на м2, Общий послойный анализ этого слоя показал, что он состоит из алюминия с содержанием кремния от 8 до 11% и от железа 2 до 4%. При полной абляции для вытягивания паров металла и образующихся расплавленных капель используют как выдувные сопла, так и вытяжные (аспирационные) устройства вблизи падающего лазерного луча.
На фиг. 2 показан так называемый процесс частичной абляции. В данном случае снова видны алюминиевокремниевый слой на материале основы и интерметаллический промежуточный слой между ними; хотя в этом случае, лазерный луч направляют так, что интерметаллический промежуточный слой остается позади, и испаряется только алюминиевокремниевый слой с помощью лазерного луча и соответственно вытягивается.
На фиг. 3 показана реакционная абляция или абляция сплавлением согласно изобретению. В данном случае снова присутствует алюминиевокремниевый слой на материале основы с интерметаллическим промежуточным слоем между указанными двумя слоями. В данном случае также используют выдувные сопла и вытяжное устройство, но лазерный луч влияет как на алюминиевокремниевый слой, так и на интерметаллическую зону, а также на материал основы, а после удаления лазерным лучом алюминиевокремниевого слоя и интерметаллического промежуточного слоя в их первоначальной форме, образуется металлический реакционный слой, который может проходить в материал основы, и в котором алиминиевокремниевый слой или интерметаллический промежуточный слой больше не может быть обнаружен. Таким образом, согласно настоящему изобретению лазерный луч создает полностью отдельный металлический реакционный слой, который образуется на основе металлических реакций в реакционной зоне под влиянием лазерного луча. В этом случае, сам реакционный слой может проходить в материал основы на глубину от 5 до 50 мкм от поверхности исходного материала основы и может иметь общую толщину слоя от 5 мкм до 100 мкм и предпочтительно от 20 мкм до 50 мкм.
На фиг. 20 показаны параметры для частичной абляции, полной абляции и реакционной абляции или абляции сплавления. Частичную абляцию выполняли со скоростью 8,5 м/мин и длительностью импульса 56 наносекунд. Средняя мощность абляции составила 923 Ватт, частота абляции составила 10 кГц, а давление выдувного сопла составило 0,5 бар положительного давления. Полную абляцию выполняли с той же скоростью абляции 8,5 м/мин, но с длительностью импульса 64 наносекунды при частоте 12 кГц и средней мощности абляции 1191 Ватт. Давление выдувного сопла в этом случае идентично тому, которое было при частичной абляции.
Абляцию сплавления выполняют при той же скорости абляции, но в отличие от частичной абляции и полной абляции, длительность импульса увеличилась до 91 наносекунды, и мощность абляции 1702 Ватт использовали при частоте 18 кГц. В данном случае, также давление выдувного сопла составило 0,5 бар положительного давления.
На фиг. 4 показано типичное алюминиевокремниевое покрытие такого типа, который используют на стальных листах в крупных промышленных применениях. Показанное там алюминиевокремниевое покрытие изображено в первоначальном состоянии, то есть в состоянии поставки листа с покрытием такого типа до того, как лист был термообработан. В данном случае следует отметить, что термообработка таких обычных листов, которые используют для конструкционных компонентов в автомобильном производстве, заключается в аустенизации и упрочнении закалкой этих листов, что означает, что в термообработке температура листа 900° обычно превышается, но по меньшей мере температура выше точки Ac3 соответствующего стального сплава. В данном случае, показана общая толщина слоя величиной 31 мкм с толщиной слоя интерметаллического промежуточного слоя величиной 6 мкм. Интерметаллический промежуточный слой имеет состав, который удовлетворяет общей формуле FexAlySiz и FexAly. В интерметаллической зоне рентгеновский дисперсионный анализ (Energy Dispersive X-Ray Analysis, EDX analysis) определяет содержание алюминия величиной 55,8%, содержание железа величиной 33,5% и содержание кремния величиной 10,3%. Материал основы обычно представляет собой так называемую сталь, содержащую бор и марганец, которая является высокоупрочняемой. В частности, материал основы представляет собой так называемый 22MnB5, который является одним из индивидуализированных сталей, используемых для производства таких компонентов. Однако группа сталей, содержащих бор и марганец, которая подходит для этого, значительно шире и явно не ограничена 22MnB5.
На фиг. 5 показано такое же покрытие, как на фиг. 4, но которое имеет дорожку частичной абляции согласно уровню техники в неупрочненном состоянии. В левой области на фиг. 5 находится алюминиевокремниевое покрытие, не подвергнутое влиянию, с интерметаллической зоной, как показано на фиг. 4. В правой области показана дорожка частичной абляции, в которой все еще присутствует только интерметаллический промежуточный слой с толщиной приблизительно 5 мкм. Расположенная между зоной, подвергнутой частичной абляции, и областью с покрытием, видна переходная область, в которой покрытие изменено под влиянием нагрева лазерного луча.
В целях сравнения на фиг. 6 снова показано то же состояние, по сравнению с изображением оптического микроскопа той же области, которое явно показывает область, подвергнутую частичной абляции, переходную область между абляцией и покрытием и область алюминиевокремниевого покрытия.
На фиг. 7 снова показана область, подвергнутая частичной абляции, с увеличенной подробностью оставшегося интерметаллического промежуточного слоя толщиной приблизительно 5 мкм и нижележащим материалом основы. Частичная абляция также некоторым образом изменила интерметаллический промежуточный слой, поскольку теперь содержание железа составило 68,7%, содержание алюминия составило 26,7%, содержание кремния составило 3,9%, и содержание марганца составило 0,7%. Таким образом, очевидно, что происходит дополнительная реакция под влиянием нагрева лазерного луча так, что содержание алюминия уменьшается в пользу содержания железа и содержания кремния. Дополнительно, увеличенное содержание марганца указывает, что произошла реакция со сталью, содержащей бор и марганец.
На фиг. 8 показана микрофотография неупрочненной области, подвергнутой полной абляции; в области полной абляции видна зона влияния нагрева процесса абляции, а на расстоянии от нее видны алюминиевокремниевый слой и интерметаллический промежуточный слой. На вершине этого присутствует остаток абляции, а под ним материал основы. Увеличение этой области на фиг. 9 показывает переходную область, в которой алюминиевокремниевый слой снова изменен под влиянием нагрева лазера.
На фиг. 10 затем показано упрочненное состояние, то есть состояние, которое было получено путем подвергания листа, который предварительно был подвергнут полной абляции, аустенизации и упрочнению закалкой. Упрочнение также изменило алюминиевокремниевое покрытие на интерметаллическом промежуточном слое; в частности, последний теперь имеет общий состав AlxFey, AlxFeySiz и α-Fe. В области полной абляции в обезуглероженной зоне виден слой окалины, то есть в этом случае, упрочнение, и, в частности, термообработка для упрочнения, а именно аустенизация, привела к тому, что материал основы окисляется на поверхности (окалина), то есть по существу состоит из оксидов железа и оксидов легирующих элементов, в то время как в верхней области содержание углерода, который изначально необходим для упрочнения, уменьшилось в стали при термообработке и удаляется при окислении.
Очевидно, что в абляции сплавления и реакционной абляции согласно изобретению (на фиг. 11) в неупрочненном состоянии, вместо интерметаллического промежуточного слоя и/или слоя чистого материала основы, белый реакционный слой остался позади, который виден с правой стороны на фиг. 12. Элементный анализ в этом белом металлическом реакционном слое показал, что содержание в нем железа составляет 91,3%, содержание алюминия составляет 6%, содержание кремния составляет 1,2%, содержание марганца составляет 1,2%, и содержание хрома составляет 0,2%. Сравнительно высокие содержания марганца и хрома показывают насколько мощная реакция произошла с материалом основы. Оставшееся содержание 6% алюминия и 1,2% кремний оказалось абсолютно некритическим в отношении способности сварного шва, полученного с таким листом, выдерживать нагрузку.
На фиг. 12 снова показано изображение оптического микроскопа соответствующей области.
На фиг. 13 снова показана увеличенная область реакционного слоя и переходная область к алюминиевокремниевому покрытию.
В упрочненном состоянии чрезмерное превосходство реакционного слоя согласно изобретению по сравнению с известными предварительными подготовками перед сваркой для таких листов является идентифицируемым (на фиг. 14). В упрочненном состоянии реакционный слой присутствует очень четко определенным образом, в то время как материал основы совсем не подвержен влиянию и, в частности, не показывает обезуглероживания или лежащей под ним окалины. После упрочнения, очевидно, что в реакционном слое (нижняя часть на фиг. 15), содержание железа дополнительно увеличилось за счет содержания алюминия и кремния, а содержание марганца и хрома снова также немного увеличилось. Тем не менее, этот реакционный слой обеспечивал мощный антикоррозионный эффект.
Если компонент, полученный таким образом согласно изобретению, приварен к другому компоненту такого типа, это вызывает неупрочненное состояние, показанное на фиг. 15. На фиг. 16 показано упрочненное состояние. В данном случае снова очевидно насколько надежна зона реакционной абляции или зона абляции сплавления, которая кажется на ней белой, защищает лежащий под ней материал. На фиг. 17 показаны параметры; в этом случае, были использованы скорость абляции 8.5 м/мин и средняя мощность абляции 1702 Ватт при частоте 18 кГц и давлении выдувного сопла 1,5 бар положительного давления. Сварку также выполняли со скоростью 8,5 м/мин со сварочной мощностью 4920 Ватт и барботажем 15 л аргона в минуту.
На фиг. 18 показан переход в сварной шов в неупрочненной области, показывающий алюминиевокремниевый слой плюс интерметаллический промежуточный слой в крайней левой области, реакционный слой в средней области и сварной шов в крайней правой области. В упрочненном состоянии (на фиг. 19) алюминиевокремниевый слой, который был преобразован при термообработке, виден на интерметаллическом промежуточном слое в крайней правой области, четко определенный реакционный слой, который образован, виден в средней области, а рядом с ней, сварной шов.
Упрочнение произошло при температуре печи 930°C и времени выдержки в печи 5 минут и 10 секунд. Время перехода к охлаждению составило 8 секунд, охлаждение произошло в охлаждаемом водой листовом штампе.
Использовали абляционный лазер типа i1600E-60, производимый компанией Powerlase. Лазерная оптика для абляции имела фокусную геометрию 2,4×0,4 мм2, с ориентацией на 0,4 мм в направлении продвижения абляции. Фокусное расстояние фокусной линзы составило приблизительно 150 мм; лазерную оптику можно приобрести у компании Andritz Soutec с номером заказа 62-515781. Подходящий вытяжной шкаф, который использовался при испытаниях, также производится компанией Andritz Soutec и может быть заказан у компании Andritz Soutec под названием абляционный вытяжной шкаф “Souspeed” с номером заказа 64-515460. Результат согласно изобретению может быть надежно воспроизведен с заданными параметрами и вышеуказанным оборудованием.
Таким образом, в изобретении предпочтительно, чтобы изобретатели обнаружили путь с одной стороны для предотвращения образования окалины и обезуглероживания кромок, а с другой стороны предотвратили образование интерметаллических или мягких ферритных фаз без излишнего усложнения способа. Дополнительно, воспринимающие нагрузку поперечные сечения не уменьшаются.
1. Способ подготовки под сварку стальных листов, состоящих из упрочняемого стального материала, на которые нанесено алюминиевокремниевое антикоррозионное покрытие, включающий обработку лазерным лучом алюминиевокремниевого слоя на листах, нижележащего интерметаллического промежуточного слоя и нижележащего материала основы в области сварочной кромки, при этом в результате лазерной абляции испаряют и удаляют путем вытягивания материал алюминиевокремниевого слоя и нижележащего интерметаллического промежуточного слоя и обеспечивают реакцию с материалом основы с получением металлического реакционного слоя, который содержит железо и легирующие элементы из материала основы и алюминий и кремний из алюминиевокремниевого слоя и интерметаллического промежуточного слоя, при этом реакционный слой получают толщиной от 5 мкм до 100 мкм.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают металлический реакционный слой толщиной от 20 мкм до 50 мкм.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерную абляцию осуществляют со скоростью Vабл перемещения лазерного луча от 4 м/мин до 30 м/мин, в частности от 7 м/мин до 15 м/мин, в импульсном режиме с длительностью импульсов от 20 до 150 нс, в частности от 30 до 100 нс, при частотах от 1 до 100 кГц, в частности от 10 до 30 кГц, при средних мощности абляции от 500 Вт до 5000 Вт, в частности от 1000 Вт до 2000 Вт.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание алюминия в металлическом реакционном слое не превышает 11,3 мас. %, предпочтительно 10 мас. % и более предпочтительно 8 мас. %.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание алюминия в металлическом реакционном слое составляет более 1 мас. %, предпочтительно более 2 мас. %.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для материала основы используют сталь, содержащую бор и марганец, выполненную с возможностью упрочнения посредством аустенизации и процесса упрочнения закалкой, и, в частности, используют сталь из группы сталей 22MnB5.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала основы используют сталь следующего состава, мас. %:
| углерод (C) | 0,03-0,6 |
| марганец (Mn) | 0,8-3,0 |
| алюминий (Al) | 0,01-0,07 |
| кремний (Si) | 0,01-0,8 |
| хром (Cr) | 0,02-0,6 |
| титан (Ti) | 0,01-0,08 |
| азот (N) | менее 0,02 |
| бор (B) | 0,002-0,02 |
| фосфор (P) | менее 0,01 |
| сера (S) | менее 0,01 |
| молибден (Mo) | менее 1 |
остальное железо и сопутствующие выплавке примеси.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала основы используют сталь следующего состава, мас. %:
| углерод (C) | 0,03-0,30 |
| марганец (Mn) | 1,00-3,00 |
| алюминий (Al) | 0,03-0,06 |
| кремний (Si) | 0,01-0,20 |
| хром (Cr) | 0,02-0,3 |
| титан (Ti) | 0,03-0,04 |
| азот (N) | менее 0,007 |
| бор (B) | 0,002-0,006 |
| фосфор (P) | менее 0,01 |
| сера (S) | менее 0,01 |
| молибден (Mo) | менее 1 |
остальное железо и сопутствующие выплавке примеси.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала основы используют сталь следующего состава: C=0,20, Si=0,18, Mn=2,01, P=0,0062, S=0,001, Al=0,054, Cr=0,03, Ti=0,032, B=0,0030, M=0,0041, остальное железо и сопутствующие выплавке примеси.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают металлический реакционный слой шириной от 0,4 до 2,4 мм.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получаемые в процессе абляции пар и расплавленные частицы выносят из сварного соединения посредством выдувных сопел в диапазоне давления от 0,1 до 20 бар, в частности от 0,3 до 5 бар и вытяжных устройств.
12. Листовая заготовка, полученная и подготовленная для сварки способом по любому из предыдущих пунктов.
13. Сварной компонент, полученный из листовых заготовок по п. 11.
14. Применение листовых заготовок по п. 12, подвергнутых обработке перед сваркой способом по одному из пп. 1-11 для получения сварных компонентов, причем листовые заготовки размещают относительно друг друга абляционными кромками и сваривают посредством лазера.
15. Применение по п. 14, отличающееся тем, что при сварке в сварной шов вводят сварочный пруток.
