CN102233481B - 镀锌钢板用激光搭接焊接方法 - Google Patents

镀锌钢板用激光搭接焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供镀锌钢板用激光搭接焊接方法，其包括：制备两个钢板(11、12)，至少一个钢板为镀锌钢板，以镀锌层定位成钢板的交界面的状态使钢板彼此直接重叠；以及在两个钢板的重叠区域中、用预定功率和速度条件的激光束照射任一钢板的外表面，使得在从激光照射位置(10)向后延伸的熔池(2)中至少在位于外表面侧的钢板中形成细长孔(20)，由此，在经由细长孔在激光移动方向上向后并朝向激光照射源排出由激光照射产生的金属蒸气(23)的同时进行两个钢板的焊接(3)，在直接重叠区域中的焊接部分(103、203、303)的始端部(131、231、331)处，在保持形成细长孔的条件的状态下终止焊接部分(103)和其它焊接部分(204、304)中的任一者的焊接。

Description

镀锌钢板用激光搭接焊接方法
技术领域
本发明涉及一种用于镀锌钢板用激光搭接焊接方法。更具体地，本发明涉及一种用于在彼此无间隙地重叠的镀锌钢板用激光焊接方法中处理焊接部分的端部的方法。
背景技术
在诸如汽车工业等广泛的各种工业中，镀锌钢板由于高比强度、低成本和良好的耐腐蚀性而被普遍使用。特别地，在使用大面积钢板的汽车工业等中，为了将大量彼此重叠的镀锌钢板焊接在一起，已尝试引入能比点焊等高速地处理的激光焊。
然而，锌的熔点(大约420℃)和沸点(907℃)远低于铁的熔点(大约1535℃)。因此，由于从各镀锌层蒸发的锌吹走其周围的熔融金属或者以气泡的形式残留在熔融金属中的现象，在激光照射之前仅重叠镀锌钢板导致诸如凹坑、多孔以及虫孔(worm hole)等焊接缺陷的形成。为此，如JP 60-210386A、JP 61-74793A或者JP2007-38269A所描述地，研发了诸如在将要通过激光搭接焊接而焊接在一起的镀锌钢板之间设置用于排出锌蒸气的间隙、使用间隔件、使用不同水平等相应措施。然而，这种方法需要大量时间和精力，损害导入激光束焊接的优点。
接着，WO 2010/005025A1公开了一种激光搭接焊接方法，在该激光搭接焊接方法中，以比通常高的速度发射比通常高的功率密度的激光束，由此如图1(a)和图1(b)所示地在熔池2中在激光照射位置10的后方暂时地形成细长孔20(键孔)，在经由孔20朝向激光照射源排出金属蒸气23的状态下进行焊接3。该方法无需如上所述的附加制备工序，并且能够在镀锌金属板被直接彼此重叠之后立即进行激光束焊接。因此，大量的大面积镀锌钢板能够被有效地焊接到一起。
发明内容
另一方面，由于通过细长键孔排出金属蒸气的特征，上述方法还具有其他问题。具体地，如图2(a)和图2(b)所示，细长孔20的痕迹30残留于焊接部分3的终端部32，同时由于羽流(plume)23沿与焊接方向F相反的方向喷出，所以在焊接部分3的始端部31处产生熔融金属的隆起33。在除激光束焊接之外的焊接方法中观察到焊点处的痕迹。因此，在除设计面之外的部位进行焊接，或者利用其它部件覆盖该痕迹。不管该外观问题，在汽车部件等中，由于诸如气密性和液密性等功能方面的问题，在很多情况下这种孔痕迹30是不允许的。此外，由于隆起33与诸如被安装于隆起33的组装部件的配合方面的问题，焊接区域的隆起33在很多情况中也是不允许的。
当激光照射从重叠的镀锌钢板的一端部开始并且在通过该镀锌钢板的另一端部之后终止时，如上所述的这种痕迹并未形成于焊接部分的端部。然而，焊接部分的始端和终端中的至少一方被设定在镀锌钢板的重叠区域中是常见的情况。在传统的一般激光束焊接方法中，在焊接部分的终端部衰减激光输出。然而，在镀锌钢板被直接彼此重叠的激光束焊接方法中，如图3所示，在衰减激光输出的加工过程中不能维持诸如功率密度和速度等上述焊接条件，并且由于金属蒸气而形成焊接缺陷。为此，该方法不能直接应用。
考虑到上述情况而完成本发明，并且本发明的目的是提供一种镀锌钢板用激光搭接焊接方法，该方法无需用于避免由于锌蒸气而产生的焊接缺陷的附加工序，并且能够在镀锌钢板彼此紧密接触的状态下在避免焊接部分的始端部的隆起和焊接部分的终端部的孔痕迹的同时进行高速、高品质的焊接接合。
为了实现上述目的，根据本发明的镀锌钢板用激光搭接焊接方法包括如下步骤：制备两个钢板，所述两个钢板中的至少一个钢板为镀锌钢板，以所述镀锌钢板的镀锌层定位成所述两个钢板的交界面的状态使所述钢板彼此直接重叠；以及在所述两个钢板的重叠区域中、用预定功率和速度条件的激光束照射任一钢板的外表面，使得在从激光照射位置向后延伸的熔池中至少在位于外表面侧的钢板中形成细长孔，由此，在经由所述细长孔在激光移动方向上向后并朝向激光照射源排出由激光照射产生的金属蒸气的同时，进行所述两个钢板的焊接，其中，在保持形成所述细长孔的条件的状态下，使直接重叠区域中的一焊接部分和其它焊接部分中的任一焊接部分的焊接在所述一焊接部分的始端部终止。
根据本发明的镀锌钢板用激光搭接焊接方法，无需用于避免由锌蒸气而产生的焊接缺陷的附加工序。在镀锌钢板彼此直接密切接触的状态下进行高速、高品质的焊接接合。焊接部分的终端部处的金属短缺由在焊接部分的始端部积累的熔融金属的超出量来补偿。此外，能够避开在焊接部分的终端部处的孔痕迹。
附图说明
图1(a)是概念性地示出镀锌钢板用激光搭接焊接的平面图，图1(b)是图1(a)的B-B截面图。
图2(a)是概念性地示出镀锌钢板用激光搭接焊接的平面图，图2(b)是图2(a)的B-B截面图。
图3是示出在镀锌钢板用激光搭接焊接中激光输出与缺陷之间的关系的图。
图4是概念性地示出由根据本发明的第一实施方式的镀锌钢板用激光搭接焊接方法形成的焊接部分的平面图。
图5是概念性地示出由根据本发明的第二实施方式的镀锌钢板用激光搭接焊接方法形成的焊接部分的平面图。
图6是概念性地示出由根据本发明的第三实施方式的镀锌钢板用激光搭接焊接方法形成的焊接部分的平面图。
具体实施方式
在下文中，将基于本发明的实施方式说明本发明。
如图1(a)和图1(b)所示，在两个镀锌钢板11和12彼此无间隙地重叠的状态下进行作为本发明的前提的镀锌钢板用激光搭接焊接方法。相对于这些镀锌钢板11和12的厚度，照射具有比通常采用的激光搭接焊接的功率显著地大的功率(例如，对厚度为0.7mm镀锌钢板，功率为7kW以上)的激光束，同时该激光束以比通常的移动速度显著地高的速度(例如，对厚度为0.7mm的镀锌钢板，速度为9m/min以上)移动。
利用激光焊接，通过以下熔融金属的凝固而提供接合：该熔融金属是通过激光照射能量而加热熔融的。因此，仅增大激光照射的移动速度导致每单位时间供给的功率不足，从而导致焊接不良。另一方面，如果功率密度太高，则熔融部不会熔化而将融断(burn out)。
然而，当以高功率和高速度进行激光照射并且当单位时间内单位体积的功率、即功率密度位于后面所说明的预定范围内时，在熔池2中在激光照射位置10的后方形成细长键孔(keyhole)20。金属的蒸发在细长键孔20的激光照射的移动方向F上的前端侧集中。金属蒸气23(激光感应羽流)从键孔20的前端沿着激光照射的移动方向朝向激光照射源侧向后方R排出，从而使键孔20细长。此外，锌蒸气从由此形成的细长孔20的前端或者从该前端附近排出，使得锌蒸气不会吹走熔池2中的熔融金属，并且锌蒸气不残留于熔池2中。
为了在镀锌钢板11和12彼此无间隙地重叠的状态下进行良好的激光焊接，在例如薄钢板的情况中，优选地，以如下方式选择移动速度(mm/sec)：当镀锌钢板的厚度为“t”(mm)时，在激光束的功率“P”为7(kW)以上并且激光照射斑直径为0.4(mm)以上的状态下，激光束的单位时间内单位体积的功率为0.07至0.11(kW·sec/mm3)。
激光束的单位时间单位体积的功率在上述范围内的事实表示根据照射宽度(照射斑直径)板厚t以及移动速度v(照射斑每单位时间的移动距离)来确定待照射激光束的功率P。由将要进行激光搭接焊接的实用的镀锌钢板的厚度近似地、实验性地确定功率P。假定在激光移动方向上存在具有均一形状的区域并且该区域的截面形状是倒三角形，且该三角形的高(贯通深度(interpenetrated depth))是2t(两个板的厚度)，认为由三角形的截面积乘以移动速度v来确定如果两个待搭接焊接的镀锌钢板的板厚t不同，则布置在激光照射源侧的镀锌钢板的板厚用作基准。当三个以上镀锌钢板被搭接焊接时，应当采用总板厚的一半作为基准。
应当注意，并不特别限制焊接用激光振荡器、激光扫描用处理头等，可使用已知的激光焊接装置。然而，由于如上所述地需要高速移动高输出激光束，所以优选的激光焊接装置是包括由fθ透镜和一对检电镜(galvano mirror)构成的检电扫描型处理头的激光焊接装置。
接着，将说明根据本发明的镀锌钢板用激光搭接焊接方法(用于处理焊接部分的端部的方法)。
(第一实施方式)
如上所述的那样，在如下的激光搭接焊接中，金属蒸气通过细长键孔被排出，由此，能够避免由于锌蒸气而产生的焊接缺陷，在该激光搭接焊接中，在镀锌钢板11和12彼此无间隙地重叠的状态下高功率高速度地进行激光照射。另一方面，当焊接部分的始端或者终端被设定在镀锌钢板彼此重叠的区域中时，如图2(a)和图2(b)所示，细长孔20的痕迹30残留于焊接部分3的终端部32而羽流23沿与焊接方向F相反的方向吹出，从而在焊接部分3的始端部31处产生熔融金属的隆起33。
由此，在如图4所示的第一实施方式中的焊接区域100，具有预定高功率和高速度的激光照射从位于镀锌钢板11和12彼此直接重叠的区域中的焊接部分103的始端部131开始。如虚线箭头所示，环形地(沿着闭合曲线)进行激光照射。在保持焊接条件的状态下，在焊接部分103的始端部131处终止激光照射。换句话说，焊接部分103的终端部132与焊接部分103的始端部131重叠。
因此，在图2(a)和图2(b)所示的焊接部分的终端部32处的孔痕迹30中发生的金属短缺由焊接部分的始端部31处的隆起33的金属超出量补偿。从而，孔痕迹30和隆起33均未残留于具有上述闭合曲线形状的焊接部分103的连接部131、132处。此外，至少显著地减小了凸出趋势和凹入趋势。换句话说，尽管在到达终端部132之前保持高功率和高速度的焊接条件，但是，如下方式也可被理解：在由已存在于焊接部分的始端部131处的隆起33的量所形成的小部分处增加形成细长键孔20所需的条件，随后，(相对地)实现衰减。
焊接部分的终端部32处的孔痕迹30中的金属短缺与焊接部分的始端部31处的隆起33的金属超出量具有相关性。从而，能够在镀锌钢板11和12的厚度不同或者其它焊接条件不同的情况中同样地进行本实施方式的方法。
(第二实施方式)
在图5所示的第二实施方式的焊接区域200，例如从位于镀锌钢板11和12彼此直接重叠的区域内的第一始端部231开始第一激光照射。对第一焊接部分203进行激光焊接。在保持焊接条件的状态下，在镀锌钢板11和12的重叠区域的端部232连续地进行第一激光照射并且在重叠区域外侧终止。接着，例如从镀锌钢板11和12的重叠区域的另一端部241的外侧开始第二激光照射。对第二焊接部分204进行激光焊接。在第一焊接部分203的始端部231处终止第二激光照射。换句话说，第二焊接部分204的终端部242与第一焊接部分203的始端部231重叠，并且该第一焊接部分203与该第二焊接部分204不同。
此外，在该情况中，与第一实施方式类似，焊接部分的终端部242处的金属短缺由焊接部分的始端部231处的金属超出量补偿。从而，孔痕迹和隆起均未残留于第一焊接部分203的连接部231或第二焊接部分204的连接部242。此外，至少显著地减小了凸出趋势和凹入趋势。
(第三实施方式)
在第一和第二实施方式中分别描述的焊接区域100和200中的任一个区域中，所示出的是焊接部分103、204的终端部132、242与焊接部分103、203的始端部131，231在相同方向上重叠的情况。然而，终端部可以从另一方向与始端部重叠。例如，在图6所示的第三实施方式(第二实施方式的变形例)的焊接区域300，以第二焊接部分304的终端部342与预先用激光照射的第一焊接部分303的始端部331垂直地重叠的状态终止激光照射。其他构造与第二实施方式的构造相同。
可任意设定终端部与始端部的重叠方向，并且可以以除相同方向(0°)和垂直方向(90°)之外的任意角度进行重叠。也可以相对于始端部在相反方向(180°)上进行重叠。另外，在具有第一实施方式所述的闭合曲线形状的焊接部分100中，终端部132与始端部131可在任意方向上重叠。
此外，当完成对终端部132、242、342与始端部131、231、331重叠的焊接部分103、204、304的激光照射时，可衰减区域103、203、303的已焊接部处的激光输出。
(实施例)
此后，为了验证根据本发明的镀锌钢板用激光搭接焊接方法中的处理焊接部分的端部的效果，在第一实施方式的焊接区域100的激光焊接中，在终端部132相对于始端部131的位置处即在激光扫描的控制坐标中，起点和终点的重叠量被有意地改变。如下地进行比较实验。
在该实验中，使用扫描头(刚好聚焦加工直径)以及由IPG Photonics公司制造的光纤激光振荡器(最大输入为7kW并且传输光纤直径)。厚度为t＝0.7mm的镀锌钢板彼此无间隙地重叠使得各镀锌层作为镀锌钢板之间的交界面。以的斑直径、7kW的激光输出、19.9kW/mm2的功率密度以及11m/min的移动速度进行激光照射。对始端部和终端部的各重叠量检查焊接条件以及焊接部分的终端部(连接部)的条件：
(a)2.5mm(最佳值)；
(b)0mm(无重叠)；
(c)4.4mm(过度重叠、即超出限度)。
此外，作为比较例(d)，在4.5kW的激光输出、12.8(kW/mm2)的功率密度以及8(m/min)的移动速度的不形成细长键孔的焊接条件下以0mm的重叠量进行激光照射。与具有上述重叠量的各情况进行比较。上述各情况与比较例的结果如下。
(1)焊接状况
在上述(a)至(c)中的任一情况中，在焊接期间在焊点的后方观察到长度为大约1.5mm的细长孔(键孔)；另外，在焊接部分(焊缝)的中间部没有观察到焊接缺陷。同时，在上述情况(d)中，在焊接期间在焊点的后方没有观察到孔；另外，在焊接部分(焊缝)的正面侧观察到9个焊接缺陷(砂眼(blowhole))，并且在焊接部分的背面侧观察到4个焊接缺陷。
(2)焊接部分的终端部(连接部)的状况
在重叠量为2.5mm(最佳值)的情况(a)中，紧接开始焊接之后在始端部观察到隆起。然而，通过使终端部与始端部131重叠适当长度，在焊接完成后在终端部(连接部)没有观察到诸如凹入部等孔痕迹。可确认的是，焊接部分的终端部处的金属短缺由焊接部分的始端部处的隆起的金属超出量补偿。
同时，在重叠量为0mm(无重叠)的情况(b)中，隆起残留在焊接部分的始端部，并且孔痕迹残留在焊接部分的与始端部相邻并且在始端部紧前方的终端部。
此外，在重叠量为4.4mm(超出限度)的情况(c)中，在焊接部分的始端部处大部分隆起被消除，但是孔痕迹残留在焊接部分的与始端部相邻的终端部。
需要注意的是，在上述情况(d)中，尽管在无重叠的情况下终止焊接，但是，在始端部没有形成隆起，并且在终端部没有形成孔痕迹。然而，如上所述，在焊接部分(焊缝)的正背面形成大量缺陷，并且整个焊接部分的状态是在终端部(连接部)的问题解决之前应被解决的问题，由此，整个焊接部分的状态处于不可接受的水平。
在上文中，已经说明了本发明的一些实施方式。然而，本发明不限于上述实施方式，基于本发明的技术思想可进行各种变形和变更。
例如，在第一实施方式中，所示的情况是焊接区域100由单一圆形焊接部分103形成。然而，焊接区域100可以是例如椭圆或水滴等其它闭合曲线形状。此外，上述焊接部分103可以被保存为激光焊接装置的控制器中的焊接单元，从而可仅通过指定诸如圆心等基准位置而实现焊接单元。此外，可设定：在彼此重叠的镀锌钢板的开口周边的凸缘、或沿着物品的安装部转向(turn)的焊接部分103等。

Claims (1)

1.一种镀锌钢板用激光搭接焊接方法，包括以下步骤：
制备两个钢板，所述两个钢板中的至少一个钢板为镀锌钢板，以所述镀锌钢板的镀锌层定位成所述两个钢板的交界面的状态使所述钢板彼此直接重叠；以及
在所述两个钢板的重叠区域中、用预定条件的激光沿着一焊接部分或多焊接部分照射任一钢板的外表面，其中，所选择的激光移动速度v能够使得当镀锌钢板的厚度为t时，在激光束的功率P为7kW以上并且激光照射斑直径为0.4mm以上的状态下，激光束的单位时间内单位体积的功率为0.07kW·sec/mm3至0.11kW·sec/mm3，其中激光移动速度v的单位为mm/sec，镀锌钢板的厚度t的单位为mm，从而使得在从激光照射位置向后延伸的熔池中至少在位于外表面侧的钢板中形成细长孔，由此，在经由所述细长孔在激光移动方向上向后并朝向激光照射源排出由激光照射产生的金属蒸气的同时，进行所述两个钢板的焊接，
其中，在保持形成所述细长孔的条件的状态下，使所述激光沿着所述一焊接部分的照射在直接重叠区域中的所述一焊接部分的始端部终止，或使所述激光沿着所述多焊接部分的一焊接部分的照射在直接重叠区域中的其它一焊接部分的始端部终止。
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