激光焊接方法以及焊接接頭的制作方法
【專利摘要】一種焊接接頭，是通過激光波束的照射將多個被焊接材料進行焊接而成的，在將經(jīng)過所述多個部件而形成的焊道的表面寬度設為a、將所述焊道的最大熔化深度設為h、將所述焊道的熔化深度為h/2的位置處的所述焊道的熔化寬度設為b、將所述焊道的中心位置的熔化深度設為d時，滿足以下的公式1至3，b/a≥0.6…(公式1)；h/d≥1.0…(公式2)；h/a＜3.0…(公式3)，從而使鑰孔穩(wěn)定，抑制發(fā)生濺射。
【專利說明】
激光焊接方法以及焊接接頭
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及激光焊接方法以及焊接接頭。
【背景技術】
[0002]關于激光焊接，由于熱源的激光波束的能量密度高，所以可得到低形變、高速、高精度的焊接接頭，因此在各方面中被使用。在汽車領域中，對于不銹鋼或碳鋼等鋼鐵材料、鋁合金或鎳合金等金屬材料搭接或者對接多個被焊接材料來進行焊接得到的產(chǎn)品較多。例如，在車體、燃料栗、噴射器(燃料噴射閥)的制造中，使用著利用脈沖波或者連續(xù)波的激光的焊接工藝。
[0003]另外，在使用了樹脂等非金屬材料的空氣流量傳感器、應力/形變傳感器等產(chǎn)品中，還被開發(fā)、應用于使用激光來接合樹脂部件的工藝、接合裝置中。
[0004]—般，在激光焊接中使用了深熔型(鑰孔(keyhole)模式)焊接方法。在該方法中，如果向被焊接材料的表面照射的激光波束的功率密度(每單位面積的激光輸出)成為16W/cm2以上，則金屬表面的溫度成為金屬的沸點以上，隨著等離子體的產(chǎn)生，金屬蒸氣從激光照射點劇烈地飛出，由于該金屬蒸氣的反作用力而使熔融金屬面凹陷，另外激光波束在凹部中重復反射的同時入射，進行深且細的鑰孔型的焊接。
[0005]理論上，通過維持鑰孔內(nèi)部的金屬蒸氣的壓力和鑰孔周邊的熔融金屬的靜壓及表面張力的平衡，能夠形成激光鑰孔。但是，如圖2所示，向被焊接材料I照射的激光波束2在焊接方向上移動的同時進行焊接，所以需要在焊接過程中使鑰孔連續(xù)地前進。
[0006]另一方面，熔池也動態(tài)地流動，所以鑰孔形狀的穩(wěn)定化困難。圖3示出激光焊接中的激光鑰孔和熔池的剖面圖。I是被焊接材料，2是激光波束。在鑰孔4開口部附近，熔池5的表面一般從鑰孔朝向外側流動。但是，通過鑰孔內(nèi)部的壓力急劇地降低或者表面張力變動，如圖所示，流動有時瞬間地成為逆向(熔融金屬朝向鑰孔流動)。特別是，鑰孔主要相對于焊接方向而存在于熔池的前方，鑰孔前方的熔融金屬非常少，所以鑰孔后方的熔池的表面張力和靜水壓成為關閉鑰孔的動力。受到這樣的熔池的表面流動，鑰孔的開口部后方急劇地變窄，激光向熔池表面垂直照射，熔融金屬發(fā)生劇烈的蒸發(fā)，產(chǎn)生濺射(spatter) 6。
[0007]在以往的深熔型激光焊接中，如圖4所示，易于形成焊道的表面寬度a大幅超過熔化寬度b的葡萄酒杯狀的焊道形狀。這是因為，從鑰孔4噴出的高溫的金屬蒸氣(等離子體)的熱針對金屬表面進行傳熱，具有擴大熔池5表面的效果。另外，通過金屬蒸氣的噴出，將鑰孔周邊的熔池從鑰孔向外推出，從而熔融金屬的流動成為向外。通過這二個作用，關于焊接之后的焊道形狀，可得到焊道內(nèi)部的熔化寬度b相對表面寬度a而變窄到一半程度的葡萄酒杯狀的焊道形狀。
[0008]另外，通過激光的照射而形成的鑰孔自身反復膨脹、收縮，非常不穩(wěn)定。在該鑰孔的內(nèi)部充滿了金屬蒸氣，但也有空氣或者為了防止熔融金屬的氧化而使用的保護氣體被摻入的情況。被摻入到該金屬蒸氣中的空氣或者保護氣體在熔池中形成氣泡，并陷入到凝固壁中，產(chǎn)生氣孔。為了抑制由于上述那樣的鑰孔的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的氣孔，通過使用設定了適合的脈沖寬度或者頻率的脈沖激光，使鑰孔變穩(wěn)定，從而能夠減少氣孔。但是，在使用了脈沖激光的情況下，能夠在激光照射期間實現(xiàn)鑰孔的穩(wěn)定化，但在中斷照射的期間，存在鑰孔開口部完全關閉的可能性，濺射的發(fā)生變得劇烈。
[0009]近年來，使用使激光波束搖擺的掃描儀的激光加工技術的研究開發(fā)得到發(fā)展。該方法的目的在于，一邊使激光波束高速旋轉一邊控制加工點的波束點徑。
[0010]在例如專利文獻I中，提供了使用激光波束的掃描儀而能夠實現(xiàn)激光點的直徑的調(diào)整、特別是擴大的激光波束點徑的調(diào)整方法以及裝置。
[0011 ] 專利文獻I:日本特開2012-152822號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]但是，專利文獻I記載的激光波束點徑的調(diào)整方法以及裝置存在如下課題:由于波束點徑的擴大，在激光波束向熔池表面照射的瞬間，熔融金屬的蒸發(fā)面積增加，濺射的尺寸變大。
[0013]本發(fā)明的目的在于減少由于鑰孔的不穩(wěn)定而導致的濺射的發(fā)生。
[0014]上述目的通過權利要求所記載的發(fā)明來實現(xiàn)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，能夠減少由于鑰孔的不穩(wěn)定而導致的濺射的發(fā)生。
【附圖說明】
[0016]圖1是示出本發(fā)明的實施例1中的從焊接方向觀察的焊道剖面形狀的圖。
[0017]圖2是示出現(xiàn)有技術的激光焊接方法的圖。
[0018]圖3是示出現(xiàn)有技術的激光焊接方法中的濺射的發(fā)生機理的圖。
[0019]圖4是示出現(xiàn)有技術中的從焊接方向觀察的焊道剖面形狀的圖。
[0020]圖5是示出本發(fā)明的實施例1中的掃描儀激光焊接方法的圖。
[0021]圖6是示出本發(fā)明的實施例1中的熔池和鑰孔的剖面形狀的圖。
[0022]圖7是示出本發(fā)明的實施例1中的從焊接方向觀察的熔池和鑰孔的剖面形狀的圖。
[0023]圖8是示出本發(fā)明的實施例2中的從焊接方向觀察的焊道剖面形狀的圖。
[0024]圖9是示出本發(fā)明的實施例1中的濺射數(shù)和重復數(shù)的關系的圖。
[0025]圖10是示出本發(fā)明的實施例1中的濺射數(shù)和波束旋轉直徑的關系的圖。
[0026](符號說明)
[0027]I:被焊接材料(基材)；2:激光波束;3:激光波束;4:鑰孔;5:熔池(焊道)；6:濺射。
【具體實施方式】
[0028]以下，詳細說明本發(fā)明的實施例。
[0029]實施例1
[0030]本實施例的焊接方法如下所述。通過本實施例的焊接方法而制造的焊接接頭是例如板厚為I.0mm的不銹鋼的搭接接頭。
[0031]在本實施例中，例如能夠使用波長是1070?1080nm的光纖激光，但也可以使用其他波長的激光。另外，從未圖示的激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，并經(jīng)由傳送路徑，通過波束掃描儀以及聚光透鏡(未圖示)而聚光，向上述不銹鋼的搭接接頭的表面照射激光。
[0032]圖5示出使用了波束掃描儀的激光焊接的概要圖。使用波束掃描儀，使激光波束3一邊旋轉一邊向被焊接材料I進行照射。一邊重復地進行使用脈沖狀的激光波束在將圓描繪一周的期間照射激光波束的動作，一邊使包括波束掃描儀的激光焊接頭在焊接方向上前進，從而成為如圖那樣的照射軌跡。也可以并非是脈沖而是連續(xù)地照射?？傊?，并非是簡單地跟蹤多個部件的連接部分，而只要一邊以在激光波束前端對連接部分描繪圓的方式使激光波束旋轉、一邊跟蹤部件的連接部分即可。
[0033]在本實施例的深熔型激光焊接中，為了防止熔融金屬的氧化，能夠使用氮作為保護氣體。另外，作為保護氣體，不限于氮，也可以使用Ar(氬)、He(氦)或者它們的混合氣體。
[0034]作為焊接條件，例如將激光輸出設為200W?1000W，將波束點徑設為0.04mm?0.2mm，將波束旋轉的重復數(shù)設為60Hz?500Hz，將波束旋轉直徑設為3.0mm以下。此外，能夠以1mm/s?10mm/s適當?shù)卦O定焊接速度，以5.01/min?30.01/min適當?shù)卦O定保護氣體的流量。
[0035]以下，使用圖6、圖7、圖1，說明在本實施例中使用的焊接條件下進行了焊接時的鑰孔與熔池行跡以及焊接后的焊道形狀。
[0036]圖1是示出從焊接方向觀察的焊道剖面形狀的圖。將從焊接方向觀察的焊道(熔池)的表面寬度設為a，將焊道中央部的熔化深度設為d，將焊道的最大熔化深度設為h，將最大熔化深度是h/2的位置處的熔化寬度設為b。將鑰孔的深度與焊道的最大熔化深度都設為從被焊接材料I的表面起的深度。在以下的圖中，相同的符號也表示相同的位置。
[0037]在圖6中，在一邊使激光波束高速旋轉一邊使波束在焊接方向上前進的過程中示出鑰孔以及熔池的剖面形狀。激光波束2的前端描繪圓，由此能夠從波束中心向外側也形成鑰孔，所以相比于以往的不使波束旋轉的焊接方法，能夠形成表面寬度a大幅地變寬的熔池。
[0038]圖7示出從焊接方向觀察的熔池和鑰孔的剖面形狀。此處，將鑰孔4的深度設為與熔池的最大熔化深度相同的h。即，表示鑰孔的深度成為熔池的最深的場所。通過一邊使激光波束3高速旋轉一邊在焊接方向上前進，鑰孔的旋轉直徑(鑰孔彼此的間隔)變得與波束旋轉直徑e相同，熔池的最深的位置成為從熔池的中心向外側偏移了e/2的位置。另外，如果波束旋轉速度非常高，例如波束旋轉直徑為2.0mm、旋轉頻率為100Hz、波束的掃描速度為600mm/s以上，則該速度成為使激光波束向焊接方向的前進速度(焊接速度)的12倍。其結果，在與焊接方向正交的方向上切斷的熔池的剖面形狀如圖7所示，從熔池底部的中央向外側離開的2個部位向下凸出。
[0039]另外，激光波束的旋轉速度遠大于在焊接方向上行進的速度，所以針對激光波束的移動方向(將直線的焊接方向和旋轉方向進行組合得到的螺旋線方向)，能夠減少處于鑰孔前方的熔池的量，所以相比于鑰孔的旋轉直徑，熔池的表面寬度a不會大幅地更寬。即，從熔池的表面至底部為止的寬度的變化比以往焊接方法更小。
[0040]而且，激光波束的旋轉速度非常高，所以鑰孔后方的熔池向鑰孔的開口部逆流的時間變短，開口部不易關閉。另外，鑰孔不進行直線移動，而是相對激光波束的行進方向進行旋轉移動，所以恪池的流動也依照鑰孔的旋轉方向而流動。但是，恪池的流動由于其慣性而滯留一定時間，受到由于激光波束的照射而產(chǎn)生的鑰孔的攪拌效果。其結果，鑰孔的開口部在鑰孔移動方向的后方發(fā)生凹陷，避免激光波束直接照射熔池表面，能夠將激光波束直接照射至鑰孔低部，在鑰孔開口部附近不會產(chǎn)生熔融金屬的劇烈的蒸發(fā)，能夠抑制發(fā)生濺射。
[0041]具體而言，關于在本實施例的焊接條件下焊接的焊道形狀，(i)相對于焊道剖面的最大熔化深度h，熔化深度為h/2位置處的熔化寬度b與焊道的表面寬度a的關系成為b/a>
0.6;(^)焊道中心位置的熔化深度(1與最大熔化深度11的關系成為11/(1>1.0;(1^)焊道剖面的最大熔化深度h與焊道表面寬度a的關系成為h/a〈3.0。
[0042]比較例
[0043]作為比較例，利用未使用波束掃描儀的以往的焊接方法而實施了焊接。焊接試驗中所使用的試驗片材料和尺寸與在實施例1中使用的例子相同。焊接條件如下:激光輸出為200W?1000W，波束點徑為0.04mm?0.2mm，焊接速度為10mm/s?100mm/s，保護氣體的流量為5.01/min?30.01/min。
[0044]圖4示出在上述焊接條件下實施的焊道形狀的一個例子。關于焊道形狀，表面寬度a是熔化寬度b的2倍以上，熔化深度最深的位置是焊道的中央部，呈現(xiàn)葡萄酒杯狀。另外，在焊接過程中，發(fā)生大量的濺射。
[0045]實施例2
[0046]本實施例的焊接方法如下所述。本實施例的搭接焊接接頭是例如未圖示的板厚為
1.0mm的銅板的對接接頭。
[0047]在本實施例的激光焊接中，例如能夠使用波長為500nm?880nm的可見光和近紅外線激光，但也可以使用其他波長的激光。另外，從未圖示的激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，并經(jīng)由傳送路徑，通過波束掃描儀以及聚光透鏡(未圖示)而聚光，向上述銅板的對接接頭的表面照射激光。
[0048]在焊接方法中，與實施例1所示的焊接方法同樣地，通過一邊使用波束掃描儀使激光波束旋轉，一邊使包括波束掃描儀的激光焊接頭在焊接方向上前進，從而進行焊接。另夕卜，為了防止熔融金屬的氧化，能夠使用Ar(氬)作為保護氣體。另外，作為保護氣體，不限于Ar，也可以使用He (氦)或者它們的混合氣體。
[0049]作為焊接條件，例如將激光輸出設為200W?800W，將波束點徑設為0.04mm?
0.2mm，將波束旋轉的重復數(shù)設為300Hz?100Hz，將波束旋轉直徑設為0.2mm?3.0mm。此夕卜，能夠以10mm/s?100mm/s適當?shù)卦O定焊接速度，以5.01/min?30.01/min適當?shù)卦O定保護氣體的流量。
[0050]圖8示出在上述焊接條件下焊接的焊道剖面形狀。(i)焊道中央部的熔化深度d最深(d = h)，熔化深度為h/2位置處的焊接熔化寬度b與焊道的表面寬度a的關系成為b/a多
0.6;(ii)焊道中心位置的熔化深度d與最大熔化深度h的關系成為h/d=1.0;(iii)焊道剖面的最大熔化深度h與焊道表面寬度a的關系成為h/a〈3.0。
[0051]另外，在焊接途中未觀察到濺射的發(fā)生。
[0052]圖9和圖10示出總結以上的結果得到的結果。圖9示出濺射發(fā)生數(shù)和旋轉重復數(shù)(頻率)的關系。圖10示出濺射發(fā)生數(shù)和旋轉重復數(shù)(頻率)的關系。如從圖中可知，在將波束旋轉頻率設為60Hz?900Hz、將波束旋轉直徑設為0.2mm?2.6mm的情況下，相比以往方法能夠使濺射數(shù)減半。
【主權項】
1.一種焊接接頭，是通過激光波束的照射將多個被焊接材料進行焊接而成的，所述焊接接頭的特征在于， 在將經(jīng)過所述多個部件而形成的焊道的表面寬度設為a、將所述焊道的最大熔化深度設為h、將所述焊道的熔化深度為h/2的位置處的所述焊道的熔化寬度設為b、將所述焊道的中心位置的熔化深度設為d時，滿足以下的公式I至3， b/a^0.6...(公式I) 11/(1彡1.0‘"(公式2) h/a〈3.0...(公式 3)。2.根據(jù)權利要求1所述的焊接接頭，其特征在于， 所述焊道在所述焊道的中心位置的兩個外側具有熔化深度成為最大的朝下的凸部。3.—種激光焊接方法，通過對多個被焊接材料的連接部分照射激光波束而使所述被焊接材料的金屬表面蒸發(fā)，從而對所述多個被焊接材料進行焊接，所述激光焊接方法的特征在于， 一邊使對所述多個被焊接材料照射的所述激光波束的前端旋轉、一邊對所述多個被焊接材料進行焊接。4.根據(jù)權利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于， 將所述激光波束的波束旋轉頻率設為60Hz?900Hz，將波束旋轉直徑設為0.2mm?.2.6mm.
【文檔編號】B23K26/21GK105916627SQ201480073272
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年1月17日
【發(fā)明人】張旭東, 青田欣也, 宮城雅德
【申請人】株式會社日立制作所