如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，滲氮/氮碳共滲是(例如，通過淬火和回火)將氮擴(kuò)散入通常已經(jīng)經(jīng)過預(yù)處理的金屬工件的表面。氮嵌入并與鋼合金元素形成氮化物會引起表面硬化，從而獲得期望的性質(zhì)，例如，對大多數(shù)鋼而言，表面硬度可達(dá)到750至1100HV維氏硬度(HV)的范圍。

可使用各種方法來執(zhí)行滲氮操作本身，其中可能包括氣體滲氮、低壓滲氮、鹽浴滲氮和離子滲氮，以及其他方法。通過由等離子體解離的活性氣體的受控氣流在真空爐中執(zhí)行離子滲氮。

基本上，氮化層(至少在其表面上)具有“組合層”或“白層”，氮可以以硬度很高的氮化鐵的形式結(jié)合到“組合層”或“白層”上，以在促進(jìn)摩擦的同時增加耐磨性和抗咬合性。在厚度可在大約5微米(μm)至25μm之間的組合層下方是具有疲勞強(qiáng)度并提升了耐磨性的擴(kuò)散層。該層的組成及厚度取決于所考慮的鋼的等級和處理參數(shù)。

滲氮尤其廣泛應(yīng)用于提高鋼制工件對疲勞、磨損和咬合的抗性。然而，測試表明，由于表面層會具有一定的孔隙率和氣孔缺陷，氮尤其不利于焊接。因此，通過對預(yù)先經(jīng)受了滲氮操作的XC 48工件進(jìn)行鎢極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊接和激光焊接(LBW)來執(zhí)行測試，結(jié)果表明無論是使用哪種方法，滲氮對焊接操作都有強(qiáng)烈影響。所得的焊接珠緣不均勻且出現(xiàn)了大量大氣孔。

因此，為了讓氮化或氮碳共滲工件能在良好條件下焊接，將工件上要形成焊接點部分的表面層進(jìn)行轉(zhuǎn)化就變得十分重要了。

已知有多種溶液，特別是中止溶液或抗蝕溶液，可用于在待氮化的工件上形成焊接點。

例如，已經(jīng)提出執(zhí)行通常分兩個階段進(jìn)行的機(jī)械掩蔽法，其中一個階段在滲氮/氮碳共滲處理的上游執(zhí)行并且涉及掩模定位，另一個階段在所述處理過程的下游執(zhí)行，包括移除所述掩模。但這樣的方法在形狀復(fù)雜的工件上難以實行。掩模的磨損和成本，以及上游安裝和下游移除操作的成本也都非常高。

也已經(jīng)提出，還是針對氮化和碳氮共滲，采用銅基涂料提供掩模，所述銅基涂料可構(gòu)成能夠有效阻隔氮或碳組分的屏障。然而這種方法成本較高，且鑒于前期處理和后期移除涂料時所需的干燥時間，該方法花費的時間相對較長。并且還觀察到，該方法會產(chǎn)生殘留應(yīng)力并導(dǎo)致變形。還應(yīng)注意，這種類型的溶液只可用于氣體滲氮和/或離子滲氮，不可用于鹽浴滲氮。

可以設(shè)想在待轉(zhuǎn)化的組合層區(qū)域上執(zhí)行車削和銑削類型的加工操作。然而，這類操作難以適用于復(fù)雜的區(qū)域或多個區(qū)域。

另外還觀察到，僅通過機(jī)械方法移除組合層不會改變擴(kuò)散區(qū)域中氮的濃度，因此也不能確保良好的焊接質(zhì)量。

還可參考WO 2013/050855文件的教導(dǎo)內(nèi)容，該文件涉及使用高能熱源的清潔系統(tǒng)，以用于從基質(zhì)上移除涂層以執(zhí)行焊接操作。

該文件不涉及處理氮化工件，也未提及轉(zhuǎn)化組合層的至少一部分以改變工件的結(jié)構(gòu)的問題。

本發(fā)明的目的是用簡單、安全、高效且合理的方法糾正這些缺點。

本發(fā)明所提出的要解決的問題是，通過任何已知且合適的方法，在表面層上將要進(jìn)行焊接操作的區(qū)域，通過改變工件結(jié)構(gòu)的方法，使得能夠輕易地使待制的氮化/氮碳共滲工件的任何部分都兼容焊接。

在下列描述中，術(shù)語“表面層”是指至少全部或部分的組合層，并且還可能全部或部分地包括擴(kuò)散層。

為了解決這個問題，本發(fā)明提供了一種處理氮化/氮碳共滲工件的方法，該方法包括使所述工件的至少一部分經(jīng)受第一步驟，其中至少一束激光束在所述部分上方的至少一條通路中移動，直到所考慮部分的表面層被部分或全部轉(zhuǎn)化，并且直到擴(kuò)散區(qū)域中氮濃度的分布發(fā)生改變?yōu)橹埂?/p>

從這些特性得出，該處理方法使得可以在第一步驟中轉(zhuǎn)化表面層并改變擴(kuò)散區(qū)域中氮濃度的分布，而該第一步驟足以使處理過的區(qū)域適于焊接。

如果所述第一步驟中多條通路之間形成0.01毫米(mm)至0.05mm范圍內(nèi)的線內(nèi)間距，就會獲得有利的結(jié)果。有利的是，所述線內(nèi)間距為0.02mm。

有利的是，為了解決轉(zhuǎn)化表面層和改變擴(kuò)散層中氮濃度分布的問題，使用20瓦特(W)的光纖和脈沖激光器，該激光被設(shè)置為約20千赫茲(kHz)和50％的功率，離焦5mm并以每秒300毫米(mm/s)的速度前進(jìn)。

從這一基本特性開始，已經(jīng)看出，還可以使擴(kuò)散層中的氮濃度發(fā)生顯著的變化。具體而言，為了這一目的，使被激光處理并轉(zhuǎn)化過表面層的部分經(jīng)受第二步驟，在該步驟中，使至少一束或多束所述激光束在所述部分上方的至少一條通路中移動，從而使得下方擴(kuò)散層中的氮濃度降低。

為了解決改變氮濃度分布同時降低擴(kuò)散層中氮含量的問題，在該第二步驟中，將20W的光纖和脈沖激光器設(shè)置為約200kHz和100％的功率，離焦5mm并以1mm/s至10mm/s范圍內(nèi)的速度前進(jìn)。

由這些特征得出，本發(fā)明還提供了一種焊接氮化/氮碳共滲工件的方法，該方法包括：

-使所述工件的至少一部分經(jīng)受第一步驟，其中至少一束激光束在所述部分上方的至少一條通路中移動，直到所考慮部分的表面層被部分或全部轉(zhuǎn)化，并且直到擴(kuò)散區(qū)域中氮濃度的分布發(fā)生改變?yōu)橹?；以?/p>

-在所述工件經(jīng)處理的部分處形成焊接點。

在另一實施方法中，該焊接方法包括：

-使所述工件的至少一部分經(jīng)受第一步驟，其中至少一束激光束在所述部分上方的至少一條通路中移動，直到所考慮部分的表面層被部分或全部轉(zhuǎn)化，并且直到擴(kuò)散區(qū)域中氮濃度的分布發(fā)生改變?yōu)橹梗?/p>

-使至少被激光處理并轉(zhuǎn)化過表面層的部分經(jīng)受第二步驟，在該步驟中，使至少一束激光束在所述部分上方的至少一條通路中移動，從而使得下方擴(kuò)散層中的氮濃度降低；以及

-在所述工件經(jīng)處理的部分處形成焊接點。

下文將結(jié)合附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中：

-圖1示出了一個工件的樣品，該工件具有氮化頂面，并且具有通過實施本發(fā)明的方法的第一步驟來處理的區(qū)域A以及通過實施本方法的第一和第二步驟來處理的區(qū)域B；

-圖2、圖2A和圖2B給出的曲線示出了在以下區(qū)域中含氮百分比與深度的關(guān)系：工件氮化區(qū)域(圖2)、通過實施第一步驟來處理的區(qū)域A(圖2A)，以及通過實施本方法的兩個步驟來處理的區(qū)域B(圖2B)；

-圖3和圖4示出了TIG焊接點的外觀，其一為氮化表面(圖3)，另一個則是具有通過實施本方法第一步驟來處理的區(qū)域的氮化表面(圖4)；

-圖5和圖6是示出了TIG焊接點的內(nèi)鏡視圖，其一為氮化表面(圖5)，另一個則是具有通過實施本方法第一步驟來處理的區(qū)域的氮化表面(圖6)；并且

-圖7和圖8是示出了激光焊接點的內(nèi)鏡視圖，其一為氮化表面(圖7)，另一個則是具有通過實施本方法第一步驟來處理的區(qū)域的氮化表面(圖8)。

圖1總體上示出了由參考文獻(xiàn)1特指、并且具有氮化面1a的工件的非限制性示例。在氮化面1a上，區(qū)域A通過實施本發(fā)明方法的第一步驟來處理，區(qū)域B通過實施本處理方法的第一步驟和第二步驟來處理。在氮化區(qū)1a和通過實施本發(fā)明方法的一個或兩個步驟來處理的區(qū)域(分別由區(qū)域A和區(qū)域B表征)處，都會沿著工件1的整個長度方向上形成焊接珠緣2。

這樣就能滿足本發(fā)明的目的，即通過轉(zhuǎn)化表面層來改變工件1的結(jié)構(gòu)，以便能夠在以這種方式處理過的區(qū)域處進(jìn)行任何類型的焊接。

因此，區(qū)域A經(jīng)受第一步驟，其中至少一束激光束在至少一條通路中移動，直到表面層從氮化面1a的所述區(qū)域被完全移除。當(dāng)通道之間的線內(nèi)間距為0.01mm至0.05mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地以0.02mm的線內(nèi)間距形成多條通路時，獲得有利的結(jié)果。該方法通過20W光纖和脈沖激光器來實施，該激光機(jī)被設(shè)置為約20kHz和50％的功率，散焦5mm，并以大約300mm/s的速度前進(jìn)。

對于TIG焊接，參考圖2、圖2A和圖2B的曲線以及圖5和圖6的金相剖面。圖6示出了在通過實施本處理方法的第一步來處理的區(qū)域A處的TIG焊接點，與圖5示出的在未處理的氮化表面上的TIG焊接點形成對比。

對于激光焊接，參考圖2、圖2A和圖2B的曲線以及圖7和圖8的金相剖面。圖8示出了在通過實施本處理方法的第一步來處理的區(qū)域A處的激光焊接點，與圖7示出的在未處理的氮化表面上的激光焊接點形成對比。

工件1的區(qū)域B通過實施如上所述的本發(fā)明方法的第一步驟進(jìn)行預(yù)處理。

然后對該區(qū)域進(jìn)行第二步驟，其中激光束在至少一條通路中移動，以便可以改變在下方擴(kuò)散層中所述區(qū)域處氮濃度的分布。對于第二步驟，使用相同的20W光纖和脈沖激光器，并采用不同的設(shè)置。

因此，該激光器設(shè)置在約200kHz，功率100％且離焦5mm，并以在1mm/s至10mm/s范圍內(nèi)的速度前進(jìn)。該第二步驟在單一通路內(nèi)執(zhí)行。

參考圖2B中的曲線，示出了在本方法的兩個步驟之間氮含量的額外減少量。所述第一步驟的設(shè)置難以實現(xiàn)這樣顯著的氮流失。

這些各種測試表明，氮化表面上的焊接點產(chǎn)生具有表面孔(圖3)的不均勻混亂外觀，所述表面孔為貫穿的氣孔(圖5)。

這些金相剖面顯示，本發(fā)明為TIG焊接提供了良好的性能結(jié)果，并且在更小的程度上為激光焊接提供了良好的性能結(jié)果。

通過將第二步與該方法結(jié)合，還觀察到氮濃度的分布發(fā)生了改變。這種改變表現(xiàn)為下方擴(kuò)散層中氮含量的減少。

由本發(fā)明方法的特性得出，該處理過程通過轉(zhuǎn)化表面層來改變工件的結(jié)構(gòu)，并且因此能夠焊接氮化的工件。

該激光操作相對便宜，因為單次操作即可達(dá)到目的，并且可以以非常高的精度處理所有類型的工件，包括特定區(qū)域或復(fù)雜形狀。

總之，考慮到滲氮與焊接操作不相容的事實，本處理方法使得可以在第一步驟中轉(zhuǎn)化表面層并且改變擴(kuò)散區(qū)域中氮濃度的分布。不僅TIG焊接獲得了良好的性能結(jié)果，激光焊接也是如此。所述第一步驟足以使得該區(qū)域兼容焊接。

在本處理方法的第二步驟中，可以在改變氮濃度分布的同時降低擴(kuò)散層中的氮含量。令人驚訝且出人意料的是，擴(kuò)散區(qū)中氮濃度的降低似乎給出了相反的結(jié)果，即焊接質(zhì)量更差。擴(kuò)散層中氮含量的這種減少對于某些應(yīng)用非常重要，例如，降低工件的脆性。