СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА, СОДЕРЖАЩАЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ДВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ
ASSEMBLY UNIT CONTAINING AT LEAST TWO METAL SUBSTRATES

Настоящее изобретение относится к способу изготовления сборочной единицы, содержащей по меньшей мере две металлические подложки, и к указанной сборочной единице. Изобретение, в частности, особенно пригодно для изготовления автомобилей.
Известно, что с целью уменьшения веса автотранспортных средств используют высокопрочные стальные листы для уменьшения веса кузовов автотранспортных средств и повышения безопасности при столкновении. Для уменьшения веса автотранспортных средств также широко используются закаленные детали. Фактически, предел прочности при растяжении этих сталей составляет минимум 1200 МПа и может достигать 2500 МПа. Закаленные детали могут быть покрыты покрытием на основе алюминия или на основе цинка, имеющим надлежащую коррозионную стойкость и тепловые свойства.
Обычно способ изготовления закаленных деталей с покрытием включает в себя следующие этапы:
A) обеспечение наличия стального листа, предварительно покрытого металлическим покрытием, которое является стандартным покрытием на основе алюминия или цинка,
B) резка стального листа с покрытием для получения заготовки,
C) термообработка заготовки при высокой температуре для получения полностью аустенитной микроструктуры стали,
D) транспортирование заготовки в прессовый штамп,
E) горячее формование заготовки для получения детали,
F) охлаждение детали, изготовленной на этапе E), для получения мартенситной или мартенситно-бейнитной микроструктуры или микроструктуры, состоящей по меньшей мере на 75% из равноосного феррита, 5 – 20% мартенсита и бейнита в количестве меньше или равном 10%.
После этого, как правило, выполняют сварку двух закаленных деталей с покрытием или одной закаленной детали с покрытием с другой металлической подложкой. Сварка закаленных деталей с покрытием на основе алюминия или цинка является весьма затруднительной, поскольку покрытие является твердым и имеет большую толщину.
Патентная заявка EP3020499 раскрывает способ точечной сварки сопротивлением, включающий в себя:
- процесс пульсации с зажиманием сборочной единицы, содержащей два или более перекрывающихся стальных листов, из которых по меньшей мере один является высокопрочным стальным листом, используя пару сварочных электродов, которые соединены с источником питания точечной сварки, и способ прикладывания инверторного постоянного тока, и выполнение множества повторяемых прохождения тока и остановок прохождения тока, сжимая при этом стальные листы сварочными электродами; и
- процесс непрерывного прохождения тока, в котором после процесса пульсации ток непрерывно проходит в течение более длительного периода, чем максимальное время прохождения тока в процессе пульсации, сжимая при этом стальные листы сварочными электродами.
Однако этот способ предназначен только для горячештампованных стальных листов, покрытых стандартным покрытием на основе цинка и покрытием на основе алюминия. Фактически, как описано в примерах, этот способ был подвергнут испытанию на горячештампованных стальных листах с алюминиевым покрытием с пределом прочности при растяжении 1500 МПа, горячештампованных стальных листах с отожженным покрытием горячего цинкования с пределом прочности при растяжении 1500 МПа и горячештампованных стальных листах с алюминием покрытием и окисной пленкой ZnO с пределом прочности при растяжении 1500 МПа. Специальные покрытия на основе алюминия или цинка, содержащие другие элементы, не включены в настоящую патентную заявку.
Патентная заявка EP3085485 раскрывает способ точечной сварки сопротивлением множества перекрывающихся стальных листов, содержащих высокопрочный стальной лист, причем в указанном способе точечной сварки сопротивлением система проводимости является проводимостью с пульсацией с использованием источника питания точечной сварки, прикладывающего инверторный постоянный ток, и во множестве импульсов тока, формирующих проводимость с пульсацией при соответствующих импульсах тока, время проводимости, интервалы импульсов тока, определяемые как время ожидания проводимости, и сварочные токи, прикладываемые импульсами тока, являются переменно регулируемыми.
Однако этот способ предназначен для горячештампованных стальных листов, содержащих на поверхности твердый раствор интерметаллических соединений и железа за счет реакции сплавления между традиционным покрытием на основе цинка (чистый Zn, Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Mg-Al и т.д.) или традиционным покрытием на основе алюминия (Al-Si и т.д.) и сталью основного материала. Эти поверхности формируются с оксидным слоем, главным образом содержащим цинк или алюминий. Кроме того, иногда поверхность покрытия, в основном содержащая интерметаллические соединения железа и алюминия, формируется с пленкой, в основном содержащей оксид цинка. Как описано в примерах, указанный способ был подвергнут испытанию на горячештампованных стальных листах, покрытых легированным алюминиевым покрытием, содержащим 9% масс. Si и Fe и очень небольшое количество ZnO, и на горячештампованных стальных листах с отожженным покрытием горячего цинкования. Обычно слой естественного оксида этих покрытий имеет толщину 10 – 100 нм. Когда на закаленной детали с покрытием на основе алюминия перед аустенизацией осаждается тонкий слой ZnO, этот оксид ZnO и покрытие на основе алюминия сплавляются. Поскольку на покрытии на основе алюминия осаждается очень тонкий слой ZnO, естественный оксид, в основном состоящий из алюминия, всё еще имеет незначительную толщину после аустенизации, т.е. 10 – 100 нм, что позволяет легко выполнять сварку. Специальные покрытия на основе алюминия или цинка, содержащие другие элементы, не включены в настоящую патентную заявку.
Патентная заявка GB2468011 раскрывает способ прикладывания тока для сварки сопротивлением пластины в сборе, в которой материал по меньшей мере одной пластины является высокопрочным материалом; способ содержит:
- первый этап прикладывания первой амперной нагрузки такой величины, которая размягчает поверхность в месте соединения высокопрочного материала, непрерывно в течение первого заданного периода времени;
- второй этап, по окончании первого заданного периода времени, переключения величины подачи питания с первой амперной нагрузки на вторую амперную нагрузку, которая обусловливает рост сварной точки в месте соединения; и
- третий этап прикладывания второй амперной нагрузки непрерывно в течение второго заданного периода времени.
Этот способ предназначен для высокопрочного материала или горячештампованного материала. Горячештампованный материал может быть покрыт слоем гальванического покрытия. Однако тип гальванического покрытия не оговаривается. Кроме того, на первом этапе низкая амперная нагрузка прикладывается для размягчения поверхности в месте соединения, и на втором этапе высокая нагрузка прикладывается для обеспечения роста сварной точки в месте соединения высокопрочных материалов. Несмотря на это, низкая амперная нагрузка на первом этапе не позволяет выполнять сварку горячештампованных деталей со специальным покрытием, где покрытия содержат другие элементы помимо цинка или алюминия.
За последнее время для горячеформованных стальных листов были разработаны новые покрытия. Патентная заявка WO2017/017521 описывает фосфатированную закаленную деталь, покрытую легированным покрытием, содержащим 0,4 – 20% масс. цинка, 1,0 – 3,5% кремния, по усмотрению 1,0 – 4,0% магния, причем отношение Zn/Si составляет 3,2 – 8,0. Патентная заявка WO2017/017514 описывает закаленную деталь, покрытую легированным покрытием, содержащим 2,0 – 24,0% масс. цинка, 1,1 – 7,0% кремния и по усмотрению 1,1 – 8,0% магния, остальное алюминий, причем отношение Al/Zn составляет более 2,9 для повышения сопротивления жидкометаллическому охрупчиванию (LME). Патентная заявка WO2017/017513 описывает «жертвенный» стальной лист, покрытый покрытием, содержащим 2,0 – 24,0% масс. цинка, 7,1 – 12,0% кремния, по усмотрению 1,1 – 8,0% магния, остальное алюминий, причем отношение Al/Zn составляет более 2,9, и жертвенную закаленную деталь с покрытием получают после использования способа закалки под прессом. Эти специальные покрытия содержат слой естественного оксида микрометрической толщины. Вследствие толщины и твердости слоя естественного оксида эти покрытия очень трудно сваривать.
Несмотря на это, до настоящего времени не были разработаны способы сварки указанных закаленных деталей со специальным покрытием.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сварки, который можно легко внедрить для изготовления закаленных деталей, покрытых недавно разработанными специальными покрытиями на основе алюминия или цинка. В частности, применительно к производственным линиям задача состоит в том, чтобы получить диапазон сварочного тока для таких закаленных деталей со специальным покрытием, равный или больше 1 кА.
Эта задача решается с помощью способа сварки для изготовления сборочной единицы по п. 1 формулы изобретения. Способ сварки также может содержать характеристики из пп. 2 – 11 формулы изобретения.
Другая задача решается с помощью сборочной единицы по п. 12 формулы изобретения. Сборочная единица также может содержать любые характеристики из пп. 13 – 21 формулы изобретения.
И, наконец, другая задача также решается с помощью использования сборочной единицы по п. 22 формулы изобретения.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятными из приведенного ниже подробного описания изобретения.
Для объяснения изобретения ниже приведено описание ряда вариантов выполнения и испытаний в качестве неограничивающих примеров со ссылкой на приложенные чертежи:
фиг. 1 – вариант выполнения по настоящему изобретению;
фиг. 2 – 5 – примеры цикла точечной сварки по настоящему изобретению.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут понятными из приведенного ниже подобного описания изобретения.
Выражение «закаленная стальная деталь» означает горячеформованный или горячештампованный стальной лист, имеющий предел прочности при растяжении до 2500 МПа и более предпочтительно до 2000 МПа. Например, предел прочности при растяжении выше или равен 500 МПа, преимущественно выше или равен 1200 МПа, предпочтительно выше или равен 1500 МПа.
Настоящее изобретение относится к способу сварки для изготовления сборочной единицы, включающему в себя следующие этапы:
A. Обеспечение наличия по меньшей мере двух металлических подложек, причем первая металлическая подложка является закаленной стальной деталью, покрытой:
• легированным покрытием, содержащим цинк, кремний, по усмотрению магний, остальное алюминий, непосредственно покрытым сверху
• слоем естественного оксида, содержащим ZnO и при необходимости MgO,
B. Выполнение цикла точечной сварки с помощью машины для точечной сварки, содержащей сварочные электроды, и источник питания точечной сварки, прикладывающий инверторный постоянный ток через по меньшей мере две металлические подложки из этапа A), причем указанный цикл точечной сварки содержит следующие подэтапы:
i. одну пульсацию, имеющую пульсирующий ток (Cp), прикладываемый через указанные по меньшей мере две металлические подложки, соединенные друг с другом, используя сварочные электроды, соединенные с источником питания точечной сварки, и сразу после этого
ii. этап сварки, на котором сварочный ток (Cw) прикладывается через по меньшей мере две металлические подложки,
причем ток Cp выше тока Cw, и продолжительность пульсации меньше продолжительности сварки.
Без ограничения какой-либо теорией, представляется, что способ сварки по настоящему изобретению, выполняемой на двух металлических подложках, содержащих по меньшей мере закаленную стальную деталь, покрытую специальным покрытием, содержащим цинк, кремний, по усмотрению магний, остальное алюминий, допускает диапазон сварочного тока равный или выше 1 кА, и уменьшение выплеска покрытия на поверхности сборочной единицы. Фактически, представляется, что ZnO и MgO естественным образом присутствуют на поверхности закаленной стальной детали в результате окисления закаленной стали воздухом. Можно предположить, что пульсация, имеющая пульсирующий ток (Cp), который выше по интенсивности, чем сварочный ток (Cw), разрушает по меньшей мере часть оксидного слоя ZnO и по усмотрению MgO и/или легированного покрытия, присутствующего на покрытой закаленной стальной детали, создавая траекторию сварочного тока. Однако, если Cp ниже Cw, т.е. находится вне объема настоящего изобретения, можно предположить, что барьерный слой ZnO и при необходимости MgO не может быть разрушен пульсацией из-за значительного количества ZnO и по усмотрению MgO. Кроме того, представляется, что способ по настоящему изобретению, содержащий одну пульсацию, можно легко внедрить в промышленном масштабе.
Как показано на фиг. 1, используется машина для точечной сварки (не показана), содержащая сварочные электроды 1, 1’ и источник 2 точечной сварки. В этом примере электроды позволяют соединять две закаленные стальные детали 3, 3’, покрытые покрытием 4, 4’, 4” по изобретению. Во время сварки между двумя закаленными стальными деталями за счет диффузии образуется сварная точка 5. Указанная сварная точка является сплавом остаточных покрытий и стальных деталей. Благодаря циклу точечной сварки по настоящему изобретению можно предположить, что по меньшей мере часть покрытия удаляется в сварную точку. Кроме того, можно предположить, что наверху точечного сварного соединения 6, 6’ отсутствует по меньшей мере часть слоя естественного оксида и/или легированного покрытия. Фактически, представляется, что по меньшей мере одна пульсация разрушает слой естественного оксида и начинает сварку двух покрытых закаленных стальных деталей посредством плавления и удаления покрытий наверху точечного сварного соединения в сварной точке. Таким образом, ток может протекать через две закаленные стальные детали, обеспечивая повышение качества сварки. И, наконец, можно предположить, что между по меньшей мере одной пульсацией и этапом сварки не требуется никакого охлаждения. Фактически, если между этими этапами выполняется охлаждение, существует риск прекращения формирования сварной точки между двумя закаленными стальными деталями, поскольку стальные детали начинают затвердевать. И, наоборот, когда не выполняется никакого охлаждения, представляется, что стальные детали остаются в жидкой форме и могут легко соединяться друг с другом.
Предпочтительно, на этапе B.i) пульсирующий ток (Cp) составляет 0,1 – 30 кА, предпочтительно 0,1 – 20 кА, более предпочтительно 8,0 – 20 кА и преимущественно 8,0 – 15 кА.
Преимущественно, на этапе B.i) продолжительность пульсации составляет 5 – 60 мс, предпочтительно 4 – 30 мс.
Предпочтительно, на этапе B.ii) сварочный ток (Cw) составляет 0,1 – 15 кА, преимущественно 0,1 – 7,5 кА и более предпочтительно 2,0 – 7,5 кА.
Преимущественно, на этапе B.ii) продолжительность сварки составляет 150 – 500 мс и более предпочтительно 250 – 400 мс.
Предпочтительно, сварочное усилие составляет 50 – 550 даН.
В предпочтительном варианте выполнения сварочное усилие во время цикла точечной сварки составляет 350 – 550 даН.
В другом предпочтительном варианте выполнения сварочное усилие во время цикла точечной сварки составляет 50 – 350 даН. В этом случае представляется, что достигается лучшая локализация тока в центрах электродов, обеспечивая лучшую свариваемость.
Предпочтительно, частота сварки составляет 500 – 5000 Гц, более предпочтительно 500 – 3000 Гц, например, 800 – 1200 Гц.
Предпочтительно, этап сварки B.ii) включает в себя множество импульсов, причем по меньшей мере за одной пульсацией B.i следует первый импульс этапа сварки. В этом случае между пульсацией и первым импульсом не предусмотрено никакого охлаждения. За первым импульсом следуют один или несколько импульсов, и между каждыми последующими импульсами предусмотрена продолжительность разрушения. Предпочтительно, продолжительность разрушения составляет 20 – 80 мс и предпочтительно 30 – 60 мс.
Цикл точечной сварки по настоящему изобретению может иметь различную форму. На фиг. 2 показан предпочтительный вариант выполнения, в котором цикл 21 точечной сварки имеет прямоугольную форму, содержащую прямоугольный пик 22 пульсации и прямоугольный пик 23 сварки. На фиг. 3 показан другой предпочтительный вариант выполнения, в котором цикл 31 точечной сварки имеет параболическую форму, содержащую параболический пик 32 пульсации и параболический пик 33 сварки. На фиг. 4 показан другой предпочтительный вариант выполнения, в котором цикл 41 точечной сварки имеет треугольную форму, содержащую треугольный пик 42 пульсации и треугольный пик 43 сварки. По другим вариантам выполнения цикл точечной сварки имеет параболическую и прямоугольную форму, содержащую параболический пик пульсации и прямоугольный пик сварки или треугольную и прямоугольную форму, содержащую треугольный пик пульсации и прямоугольный пик сварки.
На фиг. 5 показан предпочтительный вариант выполнения, в котором цикл точечной сварки содержит одну пульсацию B.i, за которой сразу же следует первый импульс этапа сварки. В этом примере цикл 51 точечной сварки имеет прямоугольную форму, содержащую прямоугольный пик пульсации и три прямоугольных пика 53, 53’, 53” сварки.
Изобретение также относится к сборочной единице, состоящей по меньшей мере из двух металлических подложек, сваренных друг с другом точечной сваркой посредством по меньшей мере одного соединения точечной сварки, полученного с помощью способа по настоящему изобретению; указанная сборочная единица содержит:
- первую подложку, которая является закаленной стальной деталью, покрытой:
• легированным покрытием, содержащим цинк, кремний, по усмотрению магний, остальное алюминий, непосредственно покрытым сверху
• слоем естественного оксида, содержащим ZnO и по усмотрению MgO,
- указанное точечное сварное соединение содержит сварную точку, и наверху указанного точечного сварного соединения отсутствует по меньшей мере часть слоя естественного оксида и/или легированного покрытия.
Без ограничения какой-либо теорией, представляется, что когда сборочная единица содержит вышеуказанное специальное покрытие на закаленной детали, сваренной с помощью способа сварки по настоящему изобретению, диапазон сварочного тока равен или выше 1 кА. Фактически представляется, что, несмотря на то что толщина слоя естественного оксида больше толщины покрытий из существующего уровня техники, способ сварки по настоящему изобретению разрушает слой естественного оксида и удаляет по меньшей мере часть слоя естественного оксида и/или легированного покрытия, обеспечивая надлежащую свариваемость сборочной единицы.
Предпочтительно, легированное покрытие закаленной стальной детали содержит 0,1 – 40,0% масс. цинка, более предпочтительно 0,1 – 20,0% масс. цинка и преимущественно 5,0 – 14% масс. цинка, например, 7,0 – 12,0% масс. цинка.
Предпочтительно, легированное покрытие закаленной стальной детали содержит 0,1 – 20,0% масс. кремния, более предпочтительно 0,1 – 15,0% масс. кремния и преимущественно 0,1 – 6,0% масс. кремния, например, 2,0 – 6,0% масс. кремния.
Предпочтительно, легированное покрытие закаленной стальной детали содержит 0,1 – 20,0% масс. магния, 0,1 – 10,0% масс. магния, предпочтительно 0,1 – 4,0% масс. магния.
При необходимости покрытие содержит дополнительные элементы, выбранные из Sr, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr, Zr или Bi, причем содержание по массе каждого дополнительного элемента составляет меньше 0,3% масс., и в ряде случаев остаточные элементы от подачи слитков или от прохождения стальной подложки в жидкой ванне, включая сюда железо. Например, количество железа составляет до 5% масс.
В предпочтительном варианте выполнения вторая металлическая подложка является стальной подложкой или алюминиевой подложкой. Предпочтительно, вторая стальная подложка является закаленной стальной деталью по настоящему изобретению.
В другом предпочтительном варианте выполнения сборочная единица содержит третью металлическую подложку, которая является стальной подложкой или алюминиевой подложкой. В этом случае предусмотрены два или несколько точечных сварных соединений.
И, наконец, настоящее изобретение относится к использованию сборочной единицы по настоящему изобретению для изготовления автомобиля.
Ниже приведены пояснения по изобретению со ссылкой на испытания образцов, выполненные только для информации. Эти испытания не предусматривают никаких ограничений.
Примеры
Все образцы, представляющие собой стальные листы из стали Usibor 1500, были подвергнуты нанесению горячего покрытия погружением, содержащего 3% масс. кремния, 2% масс. магния, 10 – 12% масс. цинка, остальное алюминий. Далее стальные листы были подвергнуты закалке под прессом при температуре аустенизации 900°C в течение 5 минут.
Далее для получения каждого образца две идентичные закаленные под прессом детали были сварены друг с другом.
Величина сварочного тока была определена согласно нормам SEP 1220-2. Испытание на сварку начинали с величины сварочного тока 3 кА с увеличением на 0,2 кА через каждые два точечных шва. Когда при одном и том же уровне тока имели место два последовательных выплеска, был определен предел выплеска. Когда был достигнут предел выплеска, сварочный ток уменьшали с шагом 0,1 кА для получения трех последовательно сваренных образцов при одном и том же уровне тока без выплеска. Этот уровень тока был определен как верхний предел сварочного тока: lmax.
После этого был определен нижний предел lmin. Исследование lmin выполняли с помощью критериев 4√t, где t – толщина листа. Этот критерий определяет минимальную допустимую величину диаметра, которая гарантирует качество и прочность шва. Для подтверждения пять последовательно сваренных образцов были получены с бо̀льшими диаметрами сварки, чем минимальный диаметр сварки.
Что касается образцов 1 – 12, 17 и 18, цикл сварки включает в себя по усмотрению одну пульсацию, имеющую пульсирующий ток Cp, и один этап сварки, имеющий сварочный ток Cw, определяемый с помощью lmin и lmax согласно нормам SEP 1220-2. Что касается образцов 13 – 16, цикл сварки включает в себя одну пульсацию, имеющую пульсирующий ток Cp, и три или четыре этапа сварки, имеющих сварочный ток Cw, определяемые согласно нормам SEP 1220-2, причем временный останов выполняли между каждыми этапами сварки.
Частота составляла 1000 Гц. Полученные lmin, lmax и диапазон сварочного тока приведены ниже в таблице 1.
Образцы 1, 2, 3, 9, 10 и 16 были непригодными для сварки, т.е. критерии lmin и lmax, определенные в нормативах SEP 1220-2, не были достигнуты. Образцы по настоящему изобретению имеют диапазон сварочного тока равный или больше 1 кА.
Пример 2: Испытание на неоднородность сварки
Стальные листы из стали Usibor 1500 были подвергнуты нанесению горячего покрытия погружением, содержащего 3% масс. кремния, 2% масс. магния, 10 – 12% масс. цинка, остальное алюминий. Далее стальные листы были подвергнуты закалке под прессом при температуре аустенизации 900°C в течение 5 минут. Далее они были сварены с помощью стали марки DP600 (C: 0,14% масс., Mn: 2,1% масс. и Si: 0,4 5 масс.), покрытой цинковым покрытием. Диапазон сварочного тока был определен, как и в Примере 1. Частота составляла 1000 Гц. Полученные lmin, lmax и диапазон сварочного тока приведены ниже в таблице 2.
Таблица 2
Образ-цы
Сварочное усилие(даН)
Пульсация
Этап сварки
Продолжительность сварки (мс)
Сварочный ток
Cp > Cw
Диапазон сварочного тока (кА)
Кол-во
Продолжительность (мс)
Останов (мс)
Ток (кА)
Imin (кА)
Imax (кА)
19*
200
1
20
-
10
340
4,8
6,6
Да
1,8
20*
300
1
20
-
10
340
5,2
6,4
Да
1,2
*: по настоящему изобретению
Образцы по настоящему изобретению имеют диапазон сварочного тока равный или больше 1 кА.
Пример 3: Испытание на срок службы электродов
Срок службы электродов определяют в виде окончательного количества точечных швов на испытательном образце перед тем, как более двух точечных швов из восьми будут иметь диаметр меньше установленного минимального диаметра точечного шва. Минимальный диаметр точечного шва составлял 4,7 мм.
Две закаленные стальные детали с покрытием, подготовленные в качестве образца 4, были сварены друг с другом с помощью способа сварки по настоящему изобретению, включающему в себя одну пульсацию и этап сварки. Пульсирующий ток составлял 10 кА в течение 10 мс. Сварочный ток lmax был определен для образца 4 в Примере 1. На двух закаленных деталях с покрытием было выполнено множество точечных швов с помощью электродов, и диаметр точечного шва был измерен для каждого точечного шва. Результаты приведены ниже в таблице 3.
Таблица 3
Образец
Количество точечных швов
Диаметр точечного шва (мм)
4*
10
5,2
100
5,2
200
5,2
300
5,2
400
5,2
500
5,3
600
5,4
*: по настоящему изобретению
Диаметр точечного шва всегда был больше минимального диаметра точечного шва образца 4 по настоящему изобретению.