本发明涉及利用添加的Sn基金属合金电弧或束钎焊/焊接相同或 不同金属或金属合金的工件的方法。将由钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、 钼、镁、铝、铜、铅、锌、锡、硬金属(hard metal)及其合金制成 的工件焊接或钎焊，待连接的该工件可由相同或不同金属或金属合金 构成。

本发明还涉及填充由钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、钼、镁、铝、 铜、铅、锌、锡、硬金属及其合金制成的工件中的缝隙或凹陷的方法。

本发明还涉及用于上述方法中的焊丝。

在汽车制造业中尤其在小汽车制造中，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，这对降低总燃料消 耗具有积极作用。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使得需要现有连接工艺技术的相应 配合。虽然早期车身结构主要需要薄钢板连接，但是现在变得必须以 在没有太多复杂性的工业生产过程中允许使用的方式在不同材料之间 提供连接。特别是对于用在轻质结构中的薄金属板，在连接加工期间 存在由引入大量的热所引起的高的组成部件变形和涂层破坏的风险。

为了连接薄钢板例如通常用在车身结构中的镀锌金属薄板，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，其中通过惰性气体流中的 焊丝电极与工件之间的电弧燃烧使待焊接区域中的工件熔融。焊丝电 极可包括焊接添加剂，并且必须适应于待焊接的材料。这样，待焊接 的工件区域相互连接。

在束焊接/钎焊中，连接过程中使用的能量通过光源、激光源或电 子束源引入。

利用上述方法，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，其与金属惰性气体焊接的 不同之处仅在于使用熔点低于待连接基底材料的焊料作为焊丝电极， 从而使整个过程可在较低的温度下进行。

该方法也被称作“MIG钎焊”，尤其在汽车工业中连接镀锌薄金 属板中获得承认。与相应的焊接方法相比，其提供的优点是过程安全 性更高、焊缝质量提高和连接强度高，以及连接的金属部件的抗腐蚀 性高。在该方法中，可使用惰性气体(例如氩气)或具有活性组分的 气体的混合物作为用于焊接的惰性气体。这些气体混合物包括能够产 生较平滑焊缝和良好的到基底材料的焊缝过渡部分的组分。为此，例 如使用氩气与少量氧气的混合物。

使用钎焊焊料或高温焊料例如铜基焊丝作为焊料。它们基本上由 包括各种合金化元素例如硅、铝、锡、镍、锌和锰的铜组成。焊料的 熔点为约950℃-1400℃，这是进行这种钎焊的区域。

熔点低于铜基焊丝的熔点的焊料由例如Zn、Al或Sn基合金组成。 迄今，在利用焊炬、气体燃烧器或利用烙铁的火焰钎焊中尤其使用 SnPb合金，这该方法中，填充凹陷或焊封裂纹代表主要目的。在另一 应用中，这些焊接材料用在热交换结构内的炉内钎焊中。

下面描述的本发明意欲提供电弧或束焊接/钎焊的改进，从而允许 将各材料类似地互相连接在一起，和将不同金属和金属合金尤其是由 钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、钼、镁、铝、铜、铅、锌、锡、硬金属 及其合金制成的那些类似地连接在一起。通过使用锡基焊料进行电弧 或束焊接/钎焊来连接这些材料迄今尚未被述及。在使用根据本发明的 方法和添加材料时，甚至在自动化方式下有可能用低的能量输入来焊 封裂纹、填充部件之间的间隙和填充凹陷。

欧洲专利申请EP 1 462 207 A1公开了一种使用Zn/Al添加材料 来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。通过使用锌-铝合金作为焊料材料，该方法可在350℃ -450℃的温度进行。

因此本发明的技术目的是改进现有技术中已知的电弧或束焊接/ 钎焊方法，从而使除了连接相同金属之外，该方法还适用于连接不同 金属尤其是钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、钼、镁、铝、铜、铅、锌、 锡、硬金属及其合金，并且此外，通过进一步降低所采用合金的熔化 温度该方法可适用于连接薄壁的、涂敷的或低熔点的材料而基本上不 降低连接部的强度。

上述技术目的通过使用添加金属合金来电弧或束焊接/钎焊由钢、 铸铁、镍、镉、铍、钛、钼、镁、铝、铜、铅、锌、锡、硬金属及其 合金制成的工件(A)和由钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、钼、镁、铝、 铜、铅、锌、锡、硬金属及其合金制成的工件(B)的方法来实现，其 中所述工件(A)和(B)可由相同或不同金属或金属合金构成，其特 征在于以下步骤：

a)定位待连接的工件，例如以邻接或搭接方式。

b)将包含SnZn、SnAg、SnZnAg、SnCu、SnCuAg、SnZnCu或SnZnCuAg 合金的添加金属合金熔融；

c)将熔融的添加金属合金施用到被定位的工件之间的接触表面或接 触表面的局部区域上；和

d)冷却连接的工件；

其中步骤b)和c)紧接着相继进行。

步骤a)至d)的一个步骤或多个步骤可使用惰性气体进行。本发明 意义中作为惰性气体的是在该过程中不与添加的金属合金或者不与工 件材料进行任何反应的那些气体或气体混合物。在优选方式中，为此 使用惰性气体尤其是氩气。在另一方面，还有可能使用包含惰性气体 和影响工艺或合金形成的活性气体的气体混合物。例如，这些包括含 有氩气和少量氧气或二氧化碳的气体混合物。

通过利用所述锡基合金作为添加金属合金，可在单步骤过程中将 由不同金属材料制成的工件连接在一起，该过程也可按照连续的或自 动化的方式来进行。由于锡基合金的150℃-400℃、优选180℃-350 ℃和更优选200℃-300℃的较低熔化温度，与在约1000℃下进行的先 前惰性气体钎焊方法相比，整个过程可在较低温度下进行。因此，由 于整个操作有可能在较低温度下进行，组成部件的变形显著较小。特 别地，这还允许连接非常薄的材料或涂敷的材料例如厚度小于1mm 的带材或薄金属板，该带材或薄金属板由钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、 钼、镁、铝、铜、铅、锌、锡、硬金属及其合金制成。此外，较低温 度有利于钎焊过程节约相当大的能耗。由于Sn基焊接材料的良好缝隙 填充，有可能高效地密封连接部和凹陷。

另一优点在于，钢组件如果以镀锌薄钢板的形式使用，则由于较 低的温度而不损坏它们的锌镀层，焊接焊缝或钎焊焊缝的区域中的腐 蚀防护得以保持，使得不必进行繁琐的二次操作来保持腐蚀防护。例 如，可使用厚度低于1mm如0.3-1.0mm的热浸镀锌薄钢板。

锌的熔点为419℃并且沸点为908℃。因此，在1000℃左右钎焊 温度下，薄钢板的大部分量的锌镀层将蒸发。在一方面，这影响连接 过程和连接部的强度，在另一方面，造成薄钢板的抗腐蚀性降低，该 抗腐蚀性由所述锌镀层实现并将在连接过程中被破坏。利用根据本发 明的方法，在显著较低的温度例如200-300℃下实现连接，从而避免 了上述问题。

根据本发明的方法的另一优点是，使用的合金的低熔化温度甚至 允许连接低熔点基材例如用在如建筑(construction)部门中的薄锌 板。此外，有可能连接敏感的或叠层的材料。

另一优点之处在于，可钎焊例如镍、铍或钛基材料而不使用侵蚀 性的助熔剂。

此外，发现由此产生的钎焊连接部具有高的强度和良好的抗腐蚀 性。

在优选实施方案中，该方法使用由包含镀锌钢或非镀锌钢的钢制 成的工件。目前，在汽车制造工业中常使用倾向于延长汽车寿命的精 细且镀锌的薄金属板。在车身结构中这些薄金属板的平均百分比目前 大于70％。因此，大多数汽车制造商保证长达12年的防锈保质期。

在优选实施方案中，金属材料由钢、铸铁、镍、镉、铍、钛、钼、 镁、铝、铜、铅、锌、锡、硬金属及其合金构成。特别优选的是汽车 制造工业中目前常使用的铝和铝合金以及铝-镁合金。它们具有良好的 机械性能，并且由于它们的低比重，导致车身总重量降低，且因此导 致燃料消耗减少。在特别优选实施方案中，拟将由钢、尤其是镀锌钢 制成的材料与由铝、铝合金、镁、镁合金以及锌和锌合金制成的材料 连接。在优选实施方式中，为此使用具有锌或铜的二元锡基合金即 SnZn或SnCu合金、或者包含SnZnCu体系的三元合金。

在优选实施方案中，该方法可用来连接锌与锌合金，特别是在构 建屋顶的部门中。

在特别优选实施方案中，使用电弧焊接/钎焊方法或束焊接/钎焊 方法来连接工件。

上述方法是这样的方法，其中通过电弧或等离子体或激光源来熔 化焊料，并且将液体焊料施用到待焊接/钎焊的位置上。这些方法被称 为电弧焊接/钎焊方法、等离子体焊接/钎焊方法、激光焊接/钎焊方法 或WIG焊接/钎焊方法，根据本发明的这些方法包括的具体特征是，这 些方法利用锡基焊料来进行。

特别优选的是惰性气体焊接/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待连接的位置的惰性气 体喷嘴围绕。该焊丝电极由所述添加金属合金构成，因此提供用来连 接工件的焊料。这种方法允许在单步骤连续过程中连续连接金属材料。 特别有利的是，可实现高处理速率。优选使用焊丝电极和工件之间的 电弧燃烧来实现添加金属合金的熔融。当连接钢和轻金属例如铝或镁 和其合金时，在根据本发明的方法中使轻金属部分熔融。此外，使用 焊料使得该方法为组合的焊接-钎焊方法。

电弧或束焊接/钎焊的另一优点是，不必如同炉内钎焊的情况中那 样加热全部组成部件。因此，避免了炉内钎焊的缺点例如关于在温度 下准确定位的大量操作、变形风险和氧化。

本发明的方法可在具有或不具有助熔剂下进行。一般而言，助熔 剂用来促进焊料在钎焊期间熔融，促进特殊物质的析出或防止氧化。 尤其在铝的情况下，为了除去有妨碍的氧化物层，通常使用助熔剂。 然而，使用助熔剂是不利的，因为大多数助熔剂具有高度侵蚀性，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步骤来 除去助熔剂。令人惊奇地发现本发明的方法可不利用任何助熔剂来进 行，并且仍然可在被连接的材料之间产生高强度且持久的连接。更令 人惊奇的是，正是这种例如由钢、铝或镁的合金制成的不同的金属的 连接可形成极脆的金属间相，导致连接部的强度不够。显然，正是本 发明方法中所需的基本上较低温度避免形成所述金属间相，从而获得 强度较高的连接部。

作为添加的金属合金，优选使用那些锡基合金，其除正常杂质外 还包括至多55重量％锌和/或至多5重量％铜和/或至多5重量％Ag。特 别优选的锡合金包括10-55重量％锌，甚至更优选的是包括20-52重量 ％锌的那些。同样优选的锡合金包括2-4重量％铜，或5-10重量％锌和 2-4重量％铜。更具体地，可使用以下锡合金：SnZn20、SnZn30、SnZn52、 SnCu3和SnZn7Cu3。

除正常杂质外，所述锡基合金可包括一种或多种合金化添加剂， 特别是至多5重量％Ti、至多5重量％Sb、至多2000ppm Li、至多5000 ppm Bi、至多5000ppm Ce和至多5000ppm Ga。

在根据本发明的方法中，使用以实心焊丝或带芯焊丝形式的添加 金属合金。如果使用带芯焊丝，其芯可包括钎焊所需的合适的添加剂。 例如，添加剂可为助熔剂或选自包含铝、铬、钛、锰和镍的组的金属 粉末。

在优选方式中，本发明的方法可按照这样的方式进行，即，用电 弧、等离子体或激光使由惰性气体流包围的由锡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用到被定位的工件的相应接触 表面或接触表面的局部区域上。这在熔化添加金属合金之后立刻进行。

由于高的施用速率，根据本发明的方法还允许在薄金属板处理和 车身构建中简单地填充缝隙和凹陷。由于使用的合金硬度低，很有可 能进行修复区域的二次处理。

因此，本发明还涉及在通过电弧或束焊接/钎焊由钢、铸铁、镍、 镉、铍、钛、钼、镁、铝、铜、铅、锌、锡、硬金属及其合金制成的 工件进行薄金属板处理和车身构建中使用熔融的添加金属合金填充缝 隙或凹陷的方法，其特征在于以下步骤：

a)将包含SnZn、SnAg、SnZnAg、SnCu、SnCuAg、SnZnCu或SnZnCuAg 合金的添加金属合金熔融；

b)将熔融的添加金属合金施用到工件的缝隙或凹陷中，和任选地整平 添加材料；和

c)冷却工件；

其中步骤a)和b)紧接着相继进行。

关于它们的实施和使用方法的说明，填充缝隙或凹陷的方法的优 选实施方式对应于本发明的电弧或束焊接/钎焊方法的上述本实施方 式。

本发明还涉及在上述方法之一中直径为0.8-3.2mm的用作添加材 料的焊丝，该焊丝由具有至多55重量％水平的锌和/或至多5重量％水 平的铜和/或至多5重量％水平的Ag的锡基合金构成。

在所述焊丝的优选实施方式中，锡基合金即锡-锌、锡-铜或锡- 锌-铜合金除正常杂质外，还包括作为单独组分或以组合形式的一种或 多种以下合金化添加剂：至多5重量％Ti、至多5重量％Sb、至多2000 ppm Li、至多5000ppm Bi、至多5000ppm Ce和至多5000ppm Ga。

在优选实施方式中，焊丝可为实心焊丝或带芯焊丝。

将参考以下实施例对本发明进行更加详细说明。

实施例

使用惰性气体焊接和各种锡基焊料进行试验以产生热浸镀锌薄钢 板的钎焊连接部。

使用厚度为0.7-1mm的热浸镀锌薄钢板作为基底材料。在一测试 系列中，使用实心焊丝形式的直径为1.6mm的SnZn20、SnZn52和SnCu3 钎焊丝作为焊接材料。现有技术中的ZnAl4Cu1.5钎焊丝(EP 1 462 207 A1) 用于对比。氩气用作惰性气体。

装置角为45-80°，并且焊炬(在焊炬处的电弧)的倾角为60-90 °。焊炬和待连接工件之间的间距在惰性气体喷嘴处为10-25mm，并 且在钎焊期间轨迹(path)进给速率为0.3-1.3m/分钟。

发现当采用上述参数时，有可能在钢部件之间产生可再现的连接 部，形成均匀的焊接缝/钎焊缝，该焊缝具有平滑、均匀的表面，对基 底材料具有良好的结合。随后，对机械-技术性能的研究显示，可施加 到焊缝横截面上直至出现断裂的力比得上用添加的Zn基材料进行钎 焊中所得到的力。测试参数和得到的结果见表1。

表1

  No.   样品宽度   b0[mm]   厚度   a0[mm]   连接/焊料   长度测量   L0[mm]   力   Fm[N]   伸长   A总计   mm[mm]   1   44.91   1   St-St-SnCu3   95   5862.30   3.38   2   44.91   1   St-St-SnZn20   95   5407.93   2.41   3   44.9   1   St-St-SnZn52   95   5413.32   1.85   4   44.12   1   St-St-ZnAl4Cu1.5   48   5832.45   1.53

上述结果证明，当使用根据本发明的方法时，有可能在低温下于 钢材料之间产生例如牢固和抗腐蚀的连接部。

在另一测试系列中，使用MIG方法用SnZn7Cu3添加材料填充组成 部件之间缝隙宽度为2mm的缝隙。