專利名稱：鋼/鋁焊接構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接鋼/鋁構(gòu)件，它同時具有鋁和鋼的特性，即鋁的輕質(zhì)和耐蝕性以及鋼的高強度。
背景技術(shù)：
鋁材料如鋁金屬和鋁合金因其輕質(zhì)和耐蝕性而應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。當(dāng)這種鋁材料用作要承受機械應(yīng)力的構(gòu)件時，為滿足強度需要，鋁構(gòu)件必須加厚。然而，加厚與鋁構(gòu)件的優(yōu)點(輕質(zhì))相矛盾，也不符合目標(biāo)構(gòu)件的小型化設(shè)計。
對鋁構(gòu)件加襯機械強度高的鋼部件，可以滿足強度需要而無需加厚構(gòu)件。迄今為止，機械連接方法如螺栓連接、鉚接或用爪狀鉗固定已用于加襯，但這種方法不利于形成堅固的連接，而且生產(chǎn)率低下。如果鋁部件通過焊接與鋼部件結(jié)合在一起，各種性能優(yōu)良的鋼/鋁構(gòu)件的生產(chǎn)率明顯高于機械連接方法。但是，鋁部件通過常規(guī)熔融焊接工藝與鋼部件連接在一起時，在接合界面處形成大量脆性的金屬間化合物，導(dǎo)致接頭強度顯著下降。
這種金屬間化合物是鋼和鋁部件之間的原子發(fā)生擴散反應(yīng)的產(chǎn)物。如JP2003-33885A中所述，在摩擦焊接過程中，適當(dāng)控制焊接條件如反應(yīng)溫度和焊接時間，能夠影響原子擴散，抑制上述金屬間化合物的生成。但是，摩擦焊接對接頭設(shè)計有極大限制、并且比其它焊接工藝更為復(fù)雜，因而生產(chǎn)率低下。點焊工藝也用于生產(chǎn)鋼/鋁構(gòu)件。例如，如JP6-39588A中所述，對熱浸鍍Al鋼板與鋁部件進(jìn)行電阻焊接。
通常認(rèn)為，由于熱浸鍍Al鋼板的表面存在Al鍍層，因而在焊接過程中表現(xiàn)出的性能與鋁部件相似。但是在點焊過程中，待焊接的表面部分在高于Al熔點(660℃)的高溫加熱。該高溫加熱導(dǎo)致形成熔融Al，F(xiàn)e和Si從鋼基底與鍍層之間的Al-Fe-Si三元合金層中擴散到上述熔融Al中。在焊接的冷卻步驟中，F(xiàn)e再次析出，而Si因其高擴散性而分布在整個熔融Al中。因此，焊縫中存在熔核，其中接合界面的整個區(qū)域都形成了脆性Al-Fe二元合金層，導(dǎo)致焊接強度顯著降低。
通過控制接合界面被金屬間化合物占據(jù)的比例，可以抑制Al-Fe二元合金層對焊接強度的不利影響。根據(jù)JP2003-145278A提出的工藝，為抑制金屬間化合物的形成，通過將鋼部件保持在正極側(cè)并將鋁部件保持在負(fù)極側(cè)，在點焊過程中優(yōu)先在熱浸鍍Al鋼板產(chǎn)生熱量。但是這種方法仍然無法避免形成大量金屬間化合物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種焊接強度良好的鋼/鋁焊接構(gòu)件。提高焊接強度是通過適當(dāng)控制Al鍍層中Fe和Si的含量以抑制Al-Fe二元合金層的擴展而實現(xiàn)的。發(fā)明人通過對在熔融Al中擴散、隨后在點焊過程中再次析出的Fe、Si的性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了Fe和Si對于Al-Fe合金層擴展的定量效果。
本發(fā)明提出一種鋼/鋁焊接構(gòu)件，通過將鋁板和熱浸鍍Al鋼板點焊在一起而制成。所述熱浸鍍Al鋼板的表面具有一鍍層，其化學(xué)成分以質(zhì)量計為3-12％Si，0.5-5％Fe，余量基本為Al。將Al-Fe二元合金層占據(jù)接合界面的面積比控制在不高于90％。在焊接前鋼基底與鍍層之間的界面處形成的Al-Fe-Si三元合金層和焊接后接合界面處的Al-Fe二元合金層之間具有無Al-Fe合金的區(qū)域。


圖1A是普通鋼板和鋁合金板之間的點焊接頭的截面結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖1B是熱浸鍍Al鋼板和鋁合金板之間的點焊接頭的截面結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是示出了點焊過程中焊接循環(huán)數(shù)對在鋁合金板和鋼板之間形成的焊點熔核形狀的影響的圖，所述鋼板具有鍍覆了熱浸鍍Al鍍層的富N表層。
圖3中的曲線示出了焊接循環(huán)數(shù)對焊點熔核的直徑、無Al-Fe合金區(qū)域的寬度以及Al-Fe二元合金層的寬度的影響。
具體實施例方式
通過下述對附圖的解釋，本發(fā)明的特征將能夠更清晰地被理解。
為了將熱浸鍍Al鋼板1與鋁板2點焊在一起，將鋁板2放置在鋼板1上，并夾在電極3之間，如圖1A、1B所示。用3kN的壓力將板1和2壓在一起，以3-40個焊接循環(huán)向板1和2施加15-25kA的焊接電流。鋁板2和Al鍍層4在待焊接的接頭處因焦耳熱而熔化，并因相互擴散而熔合在一起。
Fe和Si從在鋼基底5與Al鍍層4之間的界面處形成的Al-Fe-Si三元合金層6中溶解到熔融Al中。Fe和Si發(fā)生溶解導(dǎo)致Al-Fe-Si三元合金層6在焊接部分消失。Fe也從鋼基底5中溶解到熔融Al中。一度溶解于熔融Al中的Fe在焊接的冷卻步驟中再次析出，導(dǎo)致在焊接部分形成脆性Al-Fe二元合金層7。當(dāng)Al-Fe二元合金層7生長在整個界面上時，熔核8的焊接強度顯著降低，如圖1A所示。另一方面，如圖1B所示，在焊縫接頭處鍍層4通過無Al-Fe合金區(qū)域9牢固地粘附在鋼基底5上，除非Al-Fe二元合金層7生長在整個界面上，焊縫接頭得以保持其焊接狀態(tài)。隨著無Al-Fe合金區(qū)域9的擴大，焊接強度更加提高。
如圖1B所示，根據(jù)對適宜形成焊縫接頭的生產(chǎn)條件所進(jìn)行的研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，鋼基底上形成的鍍層的化學(xué)成分會顯著影響Al-Fe二元合金層在接合界面處的形成。簡而言之，為了形成這種非合金區(qū)域9以提高焊接強度，通過熱浸鍍覆了含3-12％Si和0.5-5％Fe的Al鍍層的鋼板適于作為與鋁部件點焊的鋼部件。
Al鍍層中的Si和Fe對形成Al-Fe二元合金層的影響可作如下解釋Al-Fe二元合金層源于Fe溶解于點焊時因焊接熱而形成的熔融Al中、隨后Fe在點焊的冷卻步驟從熔融Al中再次析出。Fe的溶解速度的變化與鋼基底和鍍層之間Fe的含量差一致。Fe的含量差增大(換言之，鍍層中的Fe含量減小)，F(xiàn)e的溶解速度就變快。溶解的Fe因其擴散性較弱而處于鋼基底5附近，因此在點焊的冷卻步驟中以大塊Al-Fe二元合金層的形式再次析出。Fe的性能預(yù)示著鍍層4中Fe含量提高有利地抑制Fe從鋼基底5溶解到熔融Al中，并抑制Al-Fe二元合金層的形成。
事實上，當(dāng)鍍覆了含F(xiàn)e0.5％或更多的鍍層4的鋼板1與鋁板2進(jìn)行點焊時，會發(fā)現(xiàn)在焊點熔核8的中心存在Al-Fe二元合金層，而焊點熔核8表面的非合金區(qū)域9則Fe溶解較少，從下文的實施例中可見所述焊點熔核8表面熱量輸入相對較少。Fe含量提高適于形成非合金區(qū)域9，但是過量的Fe反而會降低焊接強度。過量的Fe會對熱浸鍍Al鋼板的其它性能如耐蝕性和成形性產(chǎn)生有害影響，因而也是不利的。因此將鍍層4中的Fe含量定為0.5-5％。
Fe從鋼基底5擴散到熔融Al中也會因在鋼基底5和鍍層4之間的界面形成抑制擴散層而受到抑制。因此，JP9-228018A中提出的釬焊鍍Al鋼板中的富N層是適合的。所述富N層抑制Fe從鋼基底5向熔融Al中溶解，從而顯著減少脆性Al-Fe二元合金層。因此使焊接構(gòu)件具有優(yōu)良的接頭強度。
點焊時，擴散性大于Fe的Si因焊接熱而從Al-Fe-Si三元合金層6向熔融Al擴散時，Al-Fe-Si三元合金層從鋼基底5與鍍層4之間的界面處消失。將鍍層4中的Si含量提高至約3-12％，會阻礙Si向熔融Al發(fā)生擴散，從而保證鍍層4對鋼基底5的粘著性，而在非焊縫接頭區(qū)域Al-Fe-Si三元合金層不會消失。Si含量提高意味著Al-Fe二元合金層減少，使得焊接強度提高。
用于熱浸鍍的基底鋼板可以是低碳鋼、中碳鋼、低合金鋼或不銹鋼。如Si、Mn、Cr、Ni或Al的元素可以根據(jù)需要添加到該鋼中。特別地，為形成抑制Al與Fe之間發(fā)生擴散的富N層，為此優(yōu)選含0.002-0.020％N的鋼板。至于含N鋼，Al含量控制在低于0.03％，以保持形成富N層所必需的有效N。
當(dāng)基底鋼板浸在Al浴中再提出后，熔融鍍覆金屬因鋼板向上運動而從鍍浴中被提升，隨后凝固成為鍍層。剛剛提升離開鍍浴后，通過向鋼板噴射擦拭氣體將鍍層調(diào)整到預(yù)定厚度。盡管隨著鍍層變厚Al-Fe二元合金層的生長更加遲緩，但為了保證良好的成形性，鍍層的厚度優(yōu)選控制在5-70μm。
為了生產(chǎn)焊接強度良好的鋼/鋁復(fù)合構(gòu)件，熱浸鍍層中的Si和Fe含量分別控制在3-12％和0.5-5％。Si和Fe的含量值是除合金層外的鍍層4中Si和Fe的含量，所述合金層形成于鋼基底5和鍍層4之間的界面處。為滿足焊接性之外的其它性能的需要，鍍層4中可以任選加入其它元素，如Ti、Zr、B、Cr和Mn。
基底鋼板含有0.002-0.020％N的情況下，該鋼板在熱浸鍍后還要接著進(jìn)行熱處理，以便在鋼基底和合金層之間的邊界處形成富N層。由于N含量為3.0原子％或更高的富N層令人吃驚地抑制Al和Fe之間的擴散，因此含N鋼板適于作為本發(fā)明所述鋼/鋁焊接構(gòu)件的鋼部件。如果熱浸鍍后在相同的條件下進(jìn)行熱處理，基底鋼板中的N含量提高，富N層抑制Al和Fe之間擴散的作用就會增強。但是，高于0.02％的過量N反而會降低鋼板本身的生產(chǎn)率。
就可鍛合金而言，多數(shù)鋁和鋁合金板都可用作本發(fā)明所述鋼/鋁焊接構(gòu)件中的鋁部件，而無任何特殊限制。
鋁材料中的Fe具有與鍍層中的Fe相同的效果，即，抑制Al-Fe二元合金層的形成和生長，但是其作用相當(dāng)弱。因此，為保證耐蝕性、成形性以及其它性能，鋁材料中的Fe含量優(yōu)選控制在1.0％或更低。
含有3％或更低(特別是約1％)的Si和0.1-1.5％Mg的鋁合金可以通過進(jìn)行熱處理(如時效)得到強化，以析出細(xì)小Mg2Si粒子。當(dāng)Si含量不低于0.1％時，Mg2Si粒子對于提高強度的作用顯著。也可以通過加入1.5-6％的Mg使鋁材料固溶硬化。既然在含有0.1-6％的Mg和3.0％或更低的Si時具有這些效果，因此為了滿足強度要求，Mg和Si的含量應(yīng)適當(dāng)?shù)叵薅ㄔ谔囟ǚ秶鷥?nèi)。然而，高于6％的過量Mg導(dǎo)致在點焊中發(fā)生焊接缺陷，高于3.0％的過量Si通常會導(dǎo)致鋁基體中形成粗粒的析出物，使得焊接強度降低。
本發(fā)明所述焊接構(gòu)件是通過下述方法制成的將熱浸鍍Al鋼板和鋁板裁切成預(yù)定形狀，將裁切后的板材疊放在一起，隨后以預(yù)定間距點焊重疊的板材。焊接條件是綜合焊接電流和焊接時間(一般以焊接循環(huán)數(shù)表示)來確定的。焊接電流增大時焊接強度一般提高。采用12個焊接循環(huán)時將焊接電流控制在12kA或更高、或是采用5或更多個焊接循環(huán)時將焊接電流控制在25kA，可形成拉伸剪切強度為3kN或更高的焊縫接頭。
實施例11.0mm厚的冷軋鋼板(含有0.04％C、0.01％Si、0.20％Mn、0.01％P、0.007％S、0.010％Al和120ppm N)通過熱浸鍍覆上20μm厚、含9.2％Si和1.8％Fe的Al鍍層。熱浸鍍后將該鋼板在450℃加熱15小時，以便在鋼基底和Al鍍層之間的界面處形成富N層(N含量為5原子％)。除富N層外，在鋼基底和Al鍍層之間的界面處還形成Al-Fe-Si三元合金層(含有10.9％Si和35.8％Fe)。
在下述條件下對熱浸鍍鋼板與1.0mm厚的鋁合金(含有0.11％Si、0.25％Fe、5.52％Mg、0.35％Cu、0.02％Cr和0.01％Zn)板進(jìn)行點焊對從熱浸鍍鋼板和鋁合金板中抽取的試樣進(jìn)行表面除油、清洗、疊放在一起、夾在點焊機的耦合電極之間。電極是直徑為16mm的銅合金電極頭，頂端半徑為40mm。對試樣施加3kN的壓力，以25kA的焊接電流、最高12個焊接循環(huán)進(jìn)行點焊。在這種情況下，由于電源頻率為60Hz，因此12個焊接循環(huán)等于12/60(＝1/5)秒。
觀測點確定在焊點熔核中心以及從焊點熔核表面向內(nèi)1.5mm處，以研究接合界面的截面結(jié)構(gòu)隨焊接循環(huán)數(shù)的變化情況。利用掃描電子顯微鏡SEM-EDX(由JEOL Ltd.所提供的840A型)觀察接合界面處的合金層。
從圖2所示觀測結(jié)果可見，采用一個焊接循環(huán)時在熔核中心和表面處Al-Fe-Si合金層都部分地擴散至熔融Al。在熔核表面Al-Fe-Si合金層的Si含量為3.1％，但在熔核中心處Si含量降低至1.7％。另一方面，除了在熔核中心處Fe含量有輕微提高外，即使是在熔核表面，F(xiàn)e含量也沒有實質(zhì)波動。
經(jīng)過三個焊接循環(huán)后，熔核表面的Al-Fe-Si合金層幾乎完全消失，而熔核中心仍能檢測出存在該合金層。Al-Fe-Si合金層消失意味著Fe和Si合金溶解至熔融Al中。熔核中心的合金層含有0.9％Si和40.8％Fe。較低的Si含量和較高的Fe含量證實了該合金層是在Al-Fe-Si三元合金層消失之后新形成的一種Al-Fe二元合金層。
電流再重復(fù)6個循環(huán)后，在熔核中心的接合界面處基本上檢測不到合金層。但是，在熔核中心處的接合界面處，一種含0.8％Si和46.0％Fe的Al-Fe二元合金層生長成厚層。
通過上述特定點焊工藝形成的焊縫接頭具有如下結(jié)構(gòu)熔核中心的Al-Fe合金層被非合金區(qū)域9(圖1B中所示)包圍，并進(jìn)一步被Al-Fe-Si合金層包圍。
熔核的直徑、無Al-Fe合金區(qū)域的寬度、以及Al-Fe二元合金層的寬度隨著焊接循環(huán)數(shù)提高到5而增加。焊接循環(huán)數(shù)為5或更高時，上述各寬度也具有幾乎恒定的寬度(如圖3所示)。根據(jù)JISZ3136規(guī)定的拉伸剪切試驗進(jìn)行測定，在焊接循環(huán)數(shù)為5或更高時形成的焊縫接頭具有3.5kN或更高的拉伸剪切強度(TSS)。該拉伸剪切強度接近或超過鋁部件之間的焊縫接頭的強度數(shù)值，為此達(dá)到令人滿意的高度。
盡管拉伸剪切強度是通常評價焊縫接頭性能的一個代表性數(shù)值，但是雙材料接頭具有接合界面，其一般包括沿剝落載荷方向具有脆性的金屬間化合物。在這個意義上，沿剝落載荷方向的接頭強度對于判斷焊縫接頭的工業(yè)實用性十分有意義。所述接頭強度通過十字形拉力試驗測定。該焊縫的十字拉伸強度(CTS)為1.5kN。這一測定值接近或超過了鋁部件之間的焊縫接頭強度值。
為進(jìn)行比較，在相同條件下將一表面具有低Fe含量(0.3％)鍍層的熱浸鍍Al鋼板與鋁板點焊在一起。此時，Al-Fe二元合金層在整個焊接平面上形成，因而焊縫接頭具有2.5kN的極低拉伸剪切強度和1.0kN的低十字拉伸強度。由于強度低，焊接構(gòu)件不適于實際使用。
在相同條件下，將表面具有含過量Fe(6.1％)的鍍層的熱浸鍍Al鋼板與鋁板點焊在一起，也沒有形成拉伸剪切強度等于或高于3.0kN、十字拉伸強度等于或高于1.0kN的焊縫接頭。
實施例2通過熱浸鍍使冷軋鋼板(0.05％C、0.1％Si、0.25％Mn、0.012％P、0.006％S和0.006％Al)鍍覆上Al合金層。改變鍍浴的成分和熱浸鍍條件，將Si含量調(diào)整到四個水平，即1.8％、3.5％、9.2％和15.6％，將Fe含量調(diào)整到五個水平，即0.2-0.3％、0.7-0.9％、1.8-2.3％、3.9-4.5％和5.5-6.1％。
將鋁合金板(0.10％Si、0.22％Fe、2.67％Mg、0.01％Cu、0.19％Cr、0.02％Mn、0.01％Zn和余量為Al)作為對置的部件。
對從上述熱浸鍍Al鋼板和Al合金板中抽取的試樣進(jìn)行表面除油、清洗、疊放在一起，隨后使用交流焊接機進(jìn)行點焊，點焊采用19kA的焊接電流、12個焊接循環(huán)、60Hz的頻率，使用直徑為16mm、頂端半徑為75mm的Cu合金電極頭。
對點焊后的鋼/鋁構(gòu)件進(jìn)行與實施例1相同的拉伸剪切試驗和十字形拉力試驗以測定其接頭強度。
從表1所示結(jié)果可以理解，通過將熱浸鍍鍍層中的Si和Fe含量分別適當(dāng)?shù)乜刂圃?-12％和0.5-5％，鋼和鋁板點焊在一起具有高的接頭強度，即，拉伸剪切強度等于或高于3kN、十字拉伸強度等于或高于1.5kN。
Si和Fe含量減少時，接合界面被Al-Fe二元合金層占據(jù)了更大的面積比，其接頭強度為拉伸剪切強度低于3kN或十字拉伸強度低于1.0kN。接合界面在拉伸試驗中斷裂，在接合界面處發(fā)現(xiàn)裂紋已擴展穿過該合金層。這些結(jié)果證實，由于存在Al-Fe二元合金層而使接頭強度降低。
隨著Si和Fe含量增加，Al-Fe二元合金層的面積比減小。但是過量的Si和Al不利于接頭強度。在這種情況下，焊縫強度降低可能是由于在焊縫接頭處因存在過量Si和Al而產(chǎn)生脆性斷裂所導(dǎo)致的。
表1鍍層中的Si和Fe對接頭強度的定量影響

表1D可洗滌的塊毯或墊

防滑吸收墊通常由吸收性非織造材料制得，其背襯材料是LDPE或HDPE、增韌劑、抗微生物劑和填料的混合物。下表列出了這些成分的優(yōu)選配方和濃度范圍表1E防滑吸收墊

機織聚丙烯織物的背襯材料是LDPE或HDPE、高熔體指數(shù)、低密度和/或高密度的聚乙烯，增韌劑、抗微生物劑和填料的混合物。下表列出了這些成分的優(yōu)選配方和濃度范圍
權(quán)利要求
1.一種鋼/鋁焊接構(gòu)件，包括一種具有鍍層的熱浸鍍Al鋼板，該鍍層以質(zhì)量計由下述成分組成3-12％Si、0.5-5％Fe，除不可避免的雜質(zhì)外余量為Al，在鋼基底和鍍層之間的界面形成Al-Fe-Si三元合金層；一種點焊在該鍍Al鋼板上的鋁或鋁合金板；其中，Al-Fe二元合金層與整個Al/Fe結(jié)合界面的面積比控制在90％或更低，在Al-Fe二元合金層與Al-Fe-Si三元合金層之間具有無Al-Fe合金區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼/鋁焊接構(gòu)件，其中所述鍍層形成于含0.002-0.020％N的鋼基底上，該鍍層形成于該鋼基底的富N表面上，所述富N表面的N含量為3.0原子％或更高。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋼/鋁焊接構(gòu)件，其中所述鋁或鋁合金板含有不高于1.0％的Fe。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的鋼/鋁焊接構(gòu)件，其中該鋁合金板含有0.1-6.0％的Mg和3.0％或更低的Si。
全文摘要
一種鋼/鋁焊接構(gòu)件，包括與鋁或鋁合金板2點焊在一起的熱浸鍍Al鋼板1。該鋼板1上鍍覆的鍍層4以質(zhì)量計含有3－12％Si和0.5－5％Fe。接合界面處形成的Al－Fe二元合金層的面積比控制在90％或更低。在鋼基底5與鍍層4界面的界面處的Al－Fe－Si三元合金層6和接合界面處的Al－Fe二元合金層之間存在非合金區(qū)域9。鋼基底5優(yōu)選含有0.002－0.020％N以形成與該鍍層4相接觸的富N表層。富N層阻礙脆性Al－Fe二元合金層向接合界面整體發(fā)生擴展，并提高鋼/鋁焊接構(gòu)件的接頭強度。
文檔編號B23K11/16GK1859994SQ20048002800
公開日2006年11月8日 申請日期2004年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者服部保德, 三尾野忠昭, 安藤敦司, 巖瀨哲, 笹部誠二 申請人:日新制鋼株式會社, 株式會社神戶制鋼所