CN102528284B - 激光搭接焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光搭接焊方法，其从多个重叠的工件(1、2)的一侧照射激光束，该方法包括如下步骤：沿工件的预定段沿向前方向扫描(La)激光束；在预定段的终止端(t)使激光束的扫描方向反向；沿向后方向扫描(Lb)激光束并且终止对预定段的激光束照射，其中沿向后方向扫描激光束从沿向前方向扫描激光束偏移，使得由沿向后方向的激光扫描形成的一部分焊道(12)与由沿向前方向的激光扫描形成的一部分焊道(11)在焊道宽度方向上重叠。

Description

激光搭接焊方法
技术领域
本发明涉及激光搭接焊方法，更特别地涉及改善在焊接终止端产生的孔、压痕等的激光搭接焊方法。
背景技术
在激光搭接焊方法中，将激光束照射到工件上以利用激光束的光能加热和熔融被照射部的材料，激光搭接焊方法具有可以以非接触的方式实施高速焊接的优势，但是具有在焊接终止端引起孔和压痕的问题。因此，该问题成为限制激光搭接焊方法仅仅用于一些汽车零件并且阻止激光搭接焊方法用于车体焊接工艺的一个因素，在车体焊接工艺中需要对气密性、漏水等性能和质量的严格管理。
在激光焊接终止端引起的穿孔和压痕是由熔融的金属沿与焊接前进方向相反的方向流动的现象所导致的供应到焊接终止端的熔融的金属最终变得不足引起的。作为解决该问题的措施，如JP 2007-313544A中公开的，已知一种称为“斜坡(ramping)”或者“衰减(fade down)”的方法，在该方法中激光输出量被控制成朝向焊接终止端逐渐减小。
例如，如图5的(A)和图5的(B)所示，在两个电镀钢板1和2彼此重叠并且被激光焊接的情况下，当激光输出量P保持在恒定水平直到激光束到达焊接终止端时，在焊道51的端部产生孔52，并且实际焊接长度Wa变得比激光照射长度L短与孔52相对应的长度。
另一方面，如图5的(C)和图5的(D)中的实线(61)所示，当激光输出量P朝向焊接终止端逐渐减小时，由于熔深逐渐减小，在焊道61的端部发生穿孔的频率减小，但是不能够完全地阻止穿孔。此外，即使在没有引起穿孔的情况下，相对深的压痕62也会留在焊接终止端，实际焊接长度Wa’也进一步地减小。因此，当该焊接方法被实际使用时，引起在焊接终止端强度的减小等，使得焊接质量不可避免地受影响。
为了避免该问题，也可以想到如图的5(C)和图5的(D)中的虚线(71)所示增大焊接长度(L”)。然而，在该情况下，引起焊道71所需要的空间和周期时间增大的问题。
作为解决上述问题的另一措施，JP2008-264793A公开了一种方法，在该方法中在焊接终止端通过发散激光束增大激光照射直径。然而，如JP2008-264793A的图1所示，当激光束在焊接终止端停止并发散时，代替对孔和压痕的改善会引起烧穿。此外，虽然JP2008-264793A中未清楚地说明，仍然出现如下问题：当在激光束即将到达焊接终止端前启动发散操作时，激光束的能量密度减小，因此类似于使用上述方法的情况，实际的焊接长度减小。
发明内容
考虑到上述情形做出本发明。本发明的目的是提供一种不需要诸如激光聚焦控制等复杂的控制的激光搭接焊方法，该方法可以在避免增大为保证焊接长度所需要的空间和周期时间的同时改善焊接终止端处的孔和压痕。
为了解决上述问题，本发明提供了一种激光搭接焊方法，其从多个重叠的工件的一侧照射激光束，其包括如下步骤：沿所述工件的预定段沿向前方向扫描激光束；在所述预定段的终止端使激光束的扫描方向反向；沿向后方向扫描激光束并且终止对所述预定段的激光束照射，其中沿向后方向扫描激光束从沿向前方向扫描激光束偏移，使得由沿向后方向的激光扫描形成的一部分焊道与由沿向前方向的激光扫描形成的一部分焊道在焊道宽度方向上重叠，然后终止对所述预定段的激光束照射。
已经说明，在焊接终止端发生穿孔和压痕是由于熔融的金属沿与焊接前进方向相反的方向流动，即在激光束的扫描方向上向后流动的现象。因此，作为广泛研究的结果，本发明的发明人发现，当激光束的扫描方向在焊接终止端(焊道的将形成为焊接结点的几何端部)反向然后沿向后方向实施激光扫描时，新产生的熔融金属流动到焊道的几何端部侧，因此消除在几何端部的熔融金属的缺乏。
在该情况下，当激光束再次照射到通过激光焊接处于熔融状态的金属部时，处于熔融状态的金属散开，从而产生烧穿等。相比之下，为了形成新的熔融金属，需要在工件的未熔融部分实施沿向后方向的激光扫描。然而，沿向后方向的激光扫描通过使激光束从沿向前方向的激光扫描形成的焊道偏移而在工件的未熔融部分实施，因此，可以向焊道的位于沿向后方向的激光扫描的后侧的几何端部供应新熔融的金属，而不存在诸如烧穿的问题。
此外，当沿向后方向实施激光扫描使得沿向后方向的激光扫描形成的一部分焊道与沿向前方向的激光扫描形成的一部分焊道在焊道宽度方向上重叠时，通过熔融金属的可湿性不仅促进熔融金属相对于扫描方向沿向后方向的流动而且促进熔融金属相对于扫描方向沿侧部方向(焊道的重叠方向)的流动。因此，沿向前方向和向后方向的焊道可以熔合在一起，并且可以避免当沿向后方向的激光扫描在焊道的几何中间位置处终止时熔融金属的缺乏。
此外，因为保证了到焊道的几何端部的实际焊接长度，不需要如在传统方法中那样为了阻止在焊接终止端形成穿孔和压痕而缩短焊接长度，不需要为了避免缩短焊接长度而延长焊道段。结果，可以使焊道所需要的空间的增大最小化。此外，不需要复杂的激光束的聚焦控制，因此还可以减小焊接设备上的负担。
在根据本发明的方法中，优选地，以比沿向前方向扫描激光束的速度高的速度实施沿向后方向扫描激光束。
当以高速实施沿向后方向的激光扫描时，每单位时间内供给到激光照射部的能量减小，结果可以获得与减小激光输出量的情况下同样的效果。即，沿向后方向的激光扫描的焊接熔深减小，因此可以更有效地改善焊接终止端处的金属的缺乏。此外，当以高速实施沿向后方向的激光扫描时，沿向后方向的激光扫描所需要的时间减少，因此可以避免增大周期时间。另外，不需要实施激光输出量控制和复杂的激光束的聚焦控制，因此进一步减小焊接设备上的负担。
此外，在使用根据本发明的方法的各上述情况中，可以通过使用衰减步骤在终止沿向后方向的激光扫描时连续地或者阶梯式地减小激光输出量而获得进一步优选的焊道形状。
在根据本发明的方法中，当沿向前方向扫描激光束包括至少在所述预定段的终止端处的弯曲形状的激光扫描时，优选沿向后方向的激光束的扫描向所述弯曲形状的激光扫描的曲率方向的外侧偏移。当通过使激光束向曲率方向的外侧偏移而实施沿向后方向的激光扫描时，未熔融部分的金属可以与已经熔融的焊道在更宽的区域内熔合，金属蒸汽也可以优选地排放，从而可以稳定地获得优异的焊道形状。
另一方面，当沿向前方向扫描激光束包括至少在所述预定段的终止端处的弯曲形状的激光扫描，沿向后方向的激光束的扫描向所述弯曲形状的激光扫描的曲率方向的内侧偏移时，相比通过使激光束向弯曲形状的激光扫描的曲率方向的外侧偏移而实施沿向后方向的激光扫描的形式，获得稳定的焊道形状的条件在某种程度上变得困难。然而，在通过使激光束向弯曲形状的激光扫描的曲率方向的内侧偏移而实施沿向后方向的激光扫描的形式中，由沿向后方向的激光扫描形成的焊道在焊道形状的内侧延长，因此该形式有利于不增大焊道所需要的空间。
如上所述，在根据本发明的激光搭接焊方法中，不需要诸如激光束的聚焦控制等复杂的控制，因此焊接设备上的负担小。此外，利用根据本发明的激光搭接焊方法，可以改善焊接终止端处的穿孔和压痕，同时避免为保证焊接长度而增大所需要的空间和周期时间。因此，根据本发明的激光搭接焊方法对于改善激光搭接焊的质量是有利的。
附图说明
图1包括图1的(A)至图1的(D)，图1的(A)是示出根据本发明的第一实施方式的激光搭接焊方法中的激光扫描的平面图；图1的(B)是示出焊道形状的平面图；图1的(C)是示出激光输出量和速度之间的关系的图表；图1的(D)是焊道的剖面侧视图。
图2包括图2的(A)和图2的(B)，图2的(A)是示出根据本发明的第二实施方式的激光搭接焊方法中的激光扫描的平面图；图2的(B)是示出根据本发明的第三实施方式的激光搭接焊方法中的激光扫描的平面图。
图3包括图3的(A)和图3的(B)，图3的(A)是示出根据本发明的第二实施方式的激光搭接焊中的过渡焊道形状的平面图；图3的(B)是沿图3的(A)中的B-B线的截面图。
图4包括图4的(A)和图4的(B)，图4的(A)是示出根据本发明的第二实施方式的激光搭接焊中的最后的焊道形状的平面图；图4的(B)是沿图4的(A)中的B-B线的截面图。以及
图5包括图5的(A)至图5的(D)，图5的(A)是示出由传统激光搭接焊方法形成的焊道的剖面侧视图；图5的(B)传统激光搭接焊方法中的焊道形状的平面图；图5的(C)是示出激光输出量的图表；图5的(D)是示出由另一传统激光搭接焊方法形成的焊道的剖面侧视图。
具体实施方式
接下来，将参照附图详细说明根据本发明的实施方式。图1包括图1的(A)至图1的(D)，图1的(A)是示出根据本发明的第一实施方式的用于搭接焊两个钢板1和2(电镀钢板)的激光搭接焊10中实施的激光扫描La和Lb的平面图；图1的(B)是示出焊道形状的平面图；图1的(C)是示出激光输出量P和速度V的图表；图1的(D)是焊道的剖面侧视图。
图1示出了实施激光搭接焊10使得最终形成具有直线形状的焊道(10)的情况。在该情况下，两个钢板1和2通过之前形成在钢板的一侧(或者两侧)的凸起(凸部，未示出)重叠，因此两个钢板1和2利用诸如夹钳等夹具(未示出)被保持在用于排放锌蒸汽的微小间隙g形成在两个钢板1和2之间的状态下。注意，代替形成凸起，间隙g可以通过间隔物等形成。此外，在两个钢板1和2的结合面没有存在电镀层的情况下，或者两个钢板1和2未被设置镀有诸如锌等低熔点金属的层的情况下，两个钢板1和2可以不形成间隙g而直接重叠。
激光搭接焊10以如下方式实施：通过启动从起始端s沿向前方向的激光扫描La并且以恒定的激光输出量P和恒定的扫描度Va以直线方式实施激光扫描直到激光束到达反转部t(几何端部)，形成在厚度方向上焊透两个钢板1和2的焊道11；然后在反转部t使扫描方向反向，同时以现在的激光输出量P和高的扫描速度Vb沿向后方向实施激光扫描Lb，使得激光束与一部分焊道11重叠；当激光束到达焊接终止端e时激光束的照射终止。
如图1的(D)所示，在焊道11的起始端s，实际焊接长度Wa起始自通过从图中上方的激光照射形成的熔深到达下钢板2的点。另一方面，在反转·部t，由于扫描方向在由激光照射形成的熔深(小孔(keyhole))焊透下钢板2的状态下反向，又由于熔融的金属沿向后方向流动到在激光扫描方向之后实施的沿向后方向的激光扫描Lb的前进方向上位于后侧的反转部t(几何端部)，所以图1的(D)所示的并且由附图标记12表示的凹部被(如下所述地)填埋，从而能够获得到达非常接近几何端部(t)的位置的实际焊接长度Wa。
沿向后方向的激光扫描Lb的长度未被特别地限制，但是沿向后方向的激光扫描Lb的长度需要大约四倍于焊道11的宽度(Ba)或者更长，优选地，为五倍于焊道11的宽度(Ba)或者更长。通过图1的(C)中从反转部t到终止端e的沿时间轴T的长度与图1的(A)、图1的(B)和图1的(D)中从反转部t到终止端e的长度的比率，可以看出，从反转部t到终止端e的部分所需要的时间与速度Vb成反比地减小。
此外，从下述示例中清楚的是，沿向后方向的扫描速度Vb相对于沿向前方向的扫描速度Va(焊接速度)的可允许的范围与沿向前方向的激光扫描La与沿向后方向的激光扫描Lb之间的偏移，即偏移量D(图3和图4)有关。当偏移量D设定为最佳值时，可以以倍速比(multiple speed ratio)Vb/Va＝1，即以恒定速度实施激光扫描。然而，在该情况下，在反转部t(几何端部)处的最后的焊道宽度略微地增大。当倍速比Vb/Va为二或者更小时，并且当偏移量D小时，熔融部的金属的再熔融率增大，使得孔缺陷不留在反转部t(几何端部)而是留在激光照射的终止端e的周围。
随着倍速比Vb/Va增大，由于扫描速度增大呈现出激光输出量(功率密度)减小的效果，在偏移量D减小侧，偏移量D的可允许的范围增大。当倍速比Vb/Va设定为二到三时，偏移量D的可允许的范围最大化。当倍速比Vb/Va设定为四或者更大时，功率密度变得不足，偏移量D的可允许的范围减小。然而，周期时间减小相当于激光扫描速度增加的时间量。
接着，图2的(A)示出根据本发明的第二实施方式的激光搭接焊20中的激光扫描，图2的(B)示出根据本发明的第三实施方式的激光搭接焊30中的激光扫描。第二实施方式和第三实施方式中的任意一个示出了形成具有开口部的圆形焊道并且特别适用于作为替代汽车车体焊接工艺中的点焊的激光焊接(单元焊接)的实施例。
在第二实施方式和第三实施方式中，在根据图2的(A)示出的第二实施方式的激光搭接焊20中，在从起始端s到反转部t(焊道的几何端部)圆形地实施沿向前方向的激光扫描La之后，扫描方向在反转部t反向，然后通过向圆弧的外侧(在曲率方向的外侧)偏移激光束向终止端e实施沿向后方向的激光扫描Lb。另一方面，在根据图2的(B)示出的第三实施方式的激光搭接焊30中，与第二实施方式类似地从起始端s到反转部t实施沿向前方向的激光扫描La，但是第三实施方式不同地是，扫描方向在反转部t反向，然后通过向圆弧的内侧(在曲率方向的内侧)偏移激光束向终止端e实施沿向后方向的激光扫描Lb。
如上所述，间隙g形成在两个电镀的钢板1和2之间以排放在焊接电镀的钢板1和2时产生的锌蒸汽。然而，在焊道20和30如在第二实施方式和第三实施方式中那样为圆形的情况下，当实施焊接到达反转部t(几何端部)并且再次接近起始端s时，焊道20和30的内侧处于仅仅通过起始端s和反转部t之间的不连续的部分与外侧空气连通的状态。因此，从排放锌蒸汽的观点，其中通过向圆弧的外侧偏移激光束来使扫描方向反向的根据第二实施方式的焊道20有优势。
图3示出根据第二实施方式的激光搭接焊20中的过渡的焊道形状，图4示出最后的焊道形状。在通过从起始端s到反转部t沿向前方向实施激光扫描La而形成从起始端s到反转部t的焊道21的状态下，如图3的(B)所示，暂时地引起与上钢板1的厚度对应的凹部(熔融金属不足的部分)。在该状态下，激光的扫描方向反向，然后通过使激光束的位置从沿向前方向的激光扫描La中的激光束的位置偏移而实施沿向后方向的激光扫描Lb。因此，钢板1的沿焊道21的外周侧的未熔融部分熔融并且流动到焊道21的仍然处于熔融状态的凹部中。结果，如图4的(B)所示，凹部变浅并且变平。
类似于第一实施方式，以高速实施沿向后方向的激光扫描Lb。因此，即使当沿向后方向的激光扫描Lb中的激光输出量和点径与沿向前方向的激光扫描La中的激光输出量和点径相同时，仍然获得激光输出量(功率密度)减小的效果。因此，使得沿向后方向的激光扫描Lb的焊道宽度Bb比沿向前方向的激光扫描La的焊道宽度Ba窄，同时熔深减小到小于上钢板1的厚度。当达到该状态时，即使通过在终止端e终止沿向后方向的激光扫描Lb，也不会留下诸如压痕等缺陷。
实施例
为了检验根据本发明的激光搭接焊方法的效果，在根据上述第二实施方式和第三实施方式的激光搭接焊20和30中实施实验，在改变沿向前方向的激光扫描La和沿向后方向的激光扫描Lb之间的偏移量D、改变沿向后方向的激光扫描Lb的扫描速度Vb的每一种情况下评价焊道的质量。
在实验中，使用IP G光子公司制造的光学纤维激光振荡器(具有最大输出量：7kW，传送纤维的直径：0.2mm)和HIGHYAG激光科技公司制造的扫描头(在聚焦状态下的加工焦点直径：0.6mm)。在以间隙g＝0.1mm和g＝0.2mm将具有0.65mm的厚度的非电镀钢板(1)重叠在具有0.8mm的厚度的电镀钢板(2)上以作为工件(一部分实验在0.05mm的间隙的情况下实施)使用的每一个状态下，当沿向前方向的圆形激光扫描La在激光输出量：4.3kW、激光束直径：7mm、非连续部的长度：1mm、设定焊接长度：21mm、扫描速度：Va＝6.9m/min(前半段)至7.2m/min(后半段)的条件下实施时，并且当沿向后方向的激光扫描Lb以使得激光束向外周侧偏移的方式在四分之一周长(6.3mm)上实施时，扫描速度从Vb＝7.2m/min(恒定速度)变化到35m/min(4.8倍速)，特别地变化到Vb＝75m/min(10.4倍速)，偏移量D以0.1mm的阶差在D＝0.1mm和D＝1.2mm之间变化，测量在焊道的反转部t和终止端e之间的压痕的深度，观察该对钢板的前后表面的每一侧的外观。实验的结果在表1中示出。
表1
在表1中，压痕深度小于0.4mm的情况由“双圆圈”表示，压痕深度大于等于0.4mm并且小于0.5mm的情况由“圆圈”表示，压痕深度大于等于0.5mm并且小于0.65mm的情况由“三角形”表示，压痕深度大于等于0.65mm或者焊透上钢板1的孔被确认的情况由“叉”表示。
如表1中所示，确认的是，当沿向后方向的扫描速度Vb设定为沿向前方向的扫描速度Va(7.2m/min)的两倍或者更高(15m/min或者更高)时，可以在相对宽的偏移量D(沿向前方向的激光扫描La和沿向后方向的激光扫描Lb之间的偏移)的范围以稳定的质量实施焊接，该范围相当于焊道宽度B a(大约1.2mm)的15％到95％。
此外，确认的是，在相当于焊道宽度B a的大约60％并且接近偏移量D的最佳值的偏移量D＝0.7mm的情况下，甚至当沿向后方向的扫描速度Vb设定为高速时也不会引起压痕或者孔缺陷。表1示出实验的结果，其中扫描速度Vb为小于等于50m/min，但是可以在扫描速度Vb小于等于75m/min的范围获得良好的结果。
此外，在偏移量D被设定为0.8mm的情况下，甚至当沿向后方向的扫描速度Vb等于沿向前方向的扫描速度Va(焊接速度)时也不会引起压痕。然而，在该情况下，焊道端部的焊道宽度略微地增大。因此，可以说，当沿向后方向的扫描速度Vb等于沿向前方向的扫描速度Va或者被设定为沿向前方向的扫描速度Va的较低的倍数时，与上述激光扫描控制一起使用激光输出量控制是有利的。
上述实验涉及通过从沿向前方向的圆形激光扫描La向外周侧偏移激光束而实施沿向后方向的激光扫描Lb的情况。然而，当在通过从沿向前方向的圆形激光扫描La向内周侧偏移激光束而实施沿向后方向的激光扫描Lb的情况下也实施类似的实验时，虽然相比通过从沿向前方向的圆形激光扫描La向外周侧偏移激光束而实施沿向后方向的激光扫描Lb的情况，合适的偏移范围略微地减小，但是总体上相同的趋势被确认。然而，在通过从沿向前方向的圆形激光扫描La向内周侧偏移激光束而实施沿向后方向的激光扫描Lb使得焊道半径减小的情况下，在八分之三的周长(7mm)上实施沿向后方向的激光扫描Lb，使得可以获得大致相同的扫描距离。
当间隙小(0.1mm和0.05mm)时，看到向内周侧偏移的情况与向外周侧偏移的情况之间的实验结果不同，前者引起气孔、烧穿等。这被认为是由于如下事实：当钢板之间的间隙小时，并且当在圆形焊道的内周侧实施沿向后方向的激光扫描Lb时，金属蒸汽的排放性能劣化。然而，在最小间隙g为0.05mm的情况下，不会引起烧穿，并且获得相比间隙为0.1mm的情况下的结果总体上更好的结果。这被认为是由于如下事实：当间隙更小时，进入间隙g中的熔融金属的量更小。当然，认为当使用其间不需要设置间隙g的非电镀钢板时，合适的偏移量D和扫描速度Lb的范围可以进一步地增大。
以上，已经说明了根据本发明的一些实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，基于本发明的技术理念可以做出各种变型和变化。
例如，在上述实施方式中示出了重叠并且激光焊接两个钢板的情况。然而，根据本发明的激光搭接焊方法也可以应用于具有其他形状的工件，并且可以应用于重叠并且激光焊接三个或者更多个钢板的情况。此外，在上述实施方式中示出了焊道为直线形状和圆形形状(圆弧形状)的情况，但是根据本发明的激光搭接焊方法可以应用于除了这些焊道形状以外的任意焊道形状。

Claims (5)

1.一种激光搭接焊方法，其从多个重叠的工件的一侧照射激光束，该多个重叠的工件至少为除了被设置在另一侧的一个工件之外的金属板，该激光搭接焊方法包括如下连续的步骤：
沿所述工件的预定段沿向前方向扫描激光束，以沿着所述预定段焊接所述工件；
在所述预定段的终止端使激光束的扫描方向反向；
从所述预定段的终止端起沿向后方向扫描激光束，其中沿向后方向扫描激光束从沿向前方向扫描激光束偏移，使得由沿向后方向的激光扫描形成的一部分焊道与由沿向前方向的激光扫描形成的一部分焊道在焊道宽度方向上重叠，从而由工件向前方向扫描激光时未熔融部分新产生的熔融金属被供应到所述焊道的几何端部，
然后终止对所述预定段的激光束照射。
2.根据权利要求1所述的激光搭接焊方法，其特征在于，
以比沿向前方向扫描激光束的速度高的速度实施沿向后方向扫描激光束。
3.根据权利要求1或2所述的激光搭接焊方法，其特征在于，
沿向后方向扫描激光束包括：在即将终止激光束的照射时连续地或者阶梯式地减小激光输出量。
4.根据权利要求1所述的激光搭接焊方法，其特征在于，
沿向前方向扫描激光束包括至少在所述预定段的终止端处的弯曲形状的激光扫描，沿向后方向的激光束的扫描向所述弯曲形状的激光扫描的曲率方向的外侧偏移。
5.根据权利要求1所述的激光搭接焊方法，其特征在于，
沿向前方向扫描激光束包括至少在所述预定段的终止端处的弯曲形状的激光扫描，沿向后方向的激光束的扫描向所述弯曲形状的激光扫描的曲率方向的内侧偏移。
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