CN102642088A - 激光搭接焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光搭接焊接方法，其包括：通过将激光束(La)照射在多个重叠的工件(1，2)上执行搭接焊接(10；20)；并在激光束照射的极短中断时间段之后，将散焦激光束(Lc)照射在所述搭接焊接的终止端部(12；22)上。优选地，所述激光搭接焊接方法包括：将激光束的照射中断极短的时间段，并在中断时间段期间，从搭接焊接的终止端向搭接焊接的起始端侧移动激光束的光轴，以及从激光束的光轴移动所至的位置到搭接焊接的终止端照射散焦激光束。

Description

激光搭接焊接方法

技术领域

本发明涉及激光搭接焊接方法，尤其涉及一种改善在焊接终止端部造成的孔、凹陷等的激光搭接焊接方法。

背景技术

将激光束照射到工件上以通过激光束的光能加热并熔融被照射部的材料的激光焊接方法具有能够以非接触方式执行高速焊接的优点，然而有在焊接终止端部造成孔和凹陷的问题。因而，该问题已成为将激光焊接方法的使用仅局限在一些汽车部件而阻止激光焊接方法被用于车身焊接工艺的因素之一，在车身焊接工艺中要求对气密度、漏水等性能和质量的严格管理。

在激光焊接终止端部造成的穿孔和凹陷，是由于供应至焊接终止端部的熔融金属由于该熔融金属在与焊接前进方向相反的方向流动的现象而最终变得不足造成的。作为解决该问题的一种措施，已知如JP2007-313544A中所公开的被称作“斜坡”(“ramping”)或“倒装”(“fade down”)的方法，其中将激光输出控制为朝向焊接终止端逐渐减小。

例如，如图6(a)和图6(b)中所示，在两张镀锌钢板1和2彼此重叠且被激光焊接的情况下，当激光输出P保持在恒定水平直至激光束到达焊接终止端部时，在焊道51的端部产生了孔52，则实质焊接长度Wa变得比激光照射长度L短出相应于孔52的长度。

另一方面，如图6(c)和图6(d)中实线(61)所示，当激光输出P朝向焊接终止端逐渐减小时，由于穿透深度逐渐减小，焊道61端部上穿孔的发生率降低。然而，即使采用这种方法，也不能完全避免穿孔。即使在没有造成穿孔的情况下，在焊接终止端部遗留有相当深的凹陷62，实质焊接长度Wa′也被进一步减小了。因此，当使用目前的这种焊接方法时，造成在焊接终止端部强度等降低，从而不可避免地影响了焊接质量。为了避免这种问题，也可以想到增加焊接长度(L″)，如图6(c)和图6(d)中虚线(71)所示。然而，这种情况下，增加了焊道71所需的空间。

作为克服上述问题的另一种措施，JP2008-264793A中公开了一种方法，其中通过使激光束散焦来增大在焊接终止端部的激光照射直径。然而，如JP2008-264793A中图1所示，在焊接终止端部，当停止并散焦激光束以增大激光照射直径时，没有对孔和凹陷的改善，反而引入了新的缺陷，如上方钢板的烧穿以及熔融金属的飞溅。并且，产生了一个问题：当在激光束到达焊接终止端部之前增大激光照射直径时，激光束的能量密度降低，因而实质焊接长度减小，这与使用上述方法时的情况相似。

发明内容

鉴于上述情况作出本发明。本发明的目的是提供一种激光搭接焊接方法，能够改善在焊接终止端部的孔和凹陷，同时避免为确保焊接长度所需的空间和周期时间的增加。

为了解决上述问题，根据本发明的激光搭接焊接方法包括：通过将激光束(La)照射在多个重叠的工件(1，2)上执行搭接焊接(10；20)；然后，在激光照射的极短中断时间段之后，将散焦激光束(Lc)照射在搭接焊接的终止端部(12；22)上。

当将激光束再次照射在曾由于激光焊接成为熔融状态的金属部上时，在熔融状态下的金属飞溅，从而造成烧穿等。然而，当激光照射被中断即使极短的时间段时，促进了熔融金属的冷却和向熔融金属的周边部的热扩散。因此，当在所述激光照射的中断之后，照射具有降低的能量密度和增大的光斑直径的散焦激光束时，熔融金属周围的非熔融金属会被熔融且熔融金属不会飞溅，通过新产生的熔融金属流入凹陷部，填充并平坦化在焊接终止端部的凹陷部。

此外，由于确保了至焊道的终止端的实质焊接长度，则如在传统的焊接方法中，减小焊接长度以避免在焊接终止端部的孔和凹陷的形成，以及延长焊道以避免焊接长度的减小，不再是必须的。因而，避免焊接所需空间的增加是可能的。并且，由于可以在激光照射的中断期间执行激光的焦点调节，且由于中断时间段非常短(在实际的例子中约30至50毫秒)，激光照射的中断几乎不会影响焊接周期时间。

优选地，根据本发明的焊接方法包括：通过将激光束(La)照射在多个重叠的工件(1，2)上执行搭接焊接(10；20)；然后，将激光照射中断极短的时间段，并在中断时间段期间，执行激光光轴从搭接焊接的终止端(e)向搭接焊接的起始端侧的移动(Lb)；以及，从所述激光光轴移动所至的位置(Cs)到搭接焊接的终止端(e)照射散焦激光束(Lc)。

对于向搭接焊接终止端部照射散焦激光束的形式，也可以考虑这样一种形式，其中照射散焦激光束，同时在从终止端向起始端的相反方向移动该散焦激光束。然而，如上所述，可能以这样的方式最小化激光照射的中断时间段：激光光轴被移动至起始端侧，该起始端侧早于终止端侧执行了激光照射且热扩散也已经开始，然后，在与搭接焊接时刻的方向相同的方向，从激光光轴移动所至的位置到终止端照射散焦激光束。此外，在根据本发明的焊接方法中，可以在激光照射的中断时间段期间移动激光光轴，因而不会影响周期时间。

此外，更加优选地，以比搭接焊接时刻激光照射(La)的速度高的速度执行散焦激光束的照射(Lc)。

当高速执行散焦激光束的照射时，供给到用激光束照射的部分的能量减小了。结果是可能获得与减小激光输出时所得到的效果相同的效果。因此，与仅通过散焦来减小激光束的能量密度的情况相比，具有能够减小激光束的散焦量以及也能减小散焦激光束照射所需时间的优点。

在根据本发明的焊接方法中，优选地，激光照射的中断时间段为0.025至0.25秒。当激光照射的中断时间段小于0.025秒时，在搭接焊接终止端部的熔融金属的冷却变得不充分。因而，在散焦激光束照射的时刻易于造成烧穿和凹陷，从而不能保持焊接质量。另一方面，当激光照射的中断时间段过长时，增加了周期时间，从而降低了生产率。因此，在能获得稳定焊接质量的范围内尽可能短地设置激光照射的中断时间段是有利的。

如上所述，使用根据本发明的激光搭接焊接方法，可以可靠地防止在焊接终止端部的孔和凹陷的形成，同时避免为确保焊接长度所需的空间的增加和周期时间的增长。从而，根据本发明的激光搭接焊接方法有利于改善激光搭接焊接的质量。

附图说明

图1包括：图1(a)，其为示出根据本发明第一实施方式的激光搭接焊接方法中激光扫描的平面图；图1(b)，其为示出焊道形状的平面图；图1(c)，其为示出激光输出和散焦量的图表；图1(d)，其为示出激光扫描速度的图表；图1(e)，其为搭接焊接部的截面侧视图；以及图1(f)，其为搭接焊接终止端部的横截面图；

图2包括：图2(a)，其为示出根据本发明第二实施方式的激光搭接焊接方法中在散焦激光束照射之前的焊道的平面图；图2(b)，其为沿图2(a)中的B-B线的横截面图；图2(c)，其为示出在散焦激光束照射之后的焊道的平面图；以及图2(d)，其为沿图2(c)中的B-B线的横截面图；

图3为示出在工件间的间隙设置为(a)0.2mm、(b)0.1mm和(c)0.05mm的每种情况下散焦量和凹陷深度之间的关系的图表；

图4为示出激光照射中断时间段和凹陷深度之间的关系的图表；

图5为示出散焦量、激光束直径和在搭接焊接终止端部的焊道宽度之间的关系的图表；

图6包括：图6(a)，其为示出传统激光搭接焊接方法的截面侧视图；图6(b)，其为示出传统激光搭接焊接方法的平面图；图6(c)，其为示出激光输出的图表；以及图6(d)，其为示出另一传统激光搭接焊接方法的截面侧视图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施方式。

图1示出了在两张钢板1和2(镀锌钢板)上执行根据第一实施方式的激光搭接焊接10，从而形成具有预定长度的线性焊接部的情况。在该情况下，两张钢板1和2经由例如预先形成在钢板一侧(或两侧)的凹凸(突起，未示出)轧花重叠，从而在两张钢板1和2之间形成用于排出锌蒸汽的微小间隙g的状态下，用夹具(未示出)，如夹钳，将两张钢板1和2夹住。注意到间隙g可由间隔物等形成，而无需形成所述凹凸。此外，在两张钢板1和2的结合面上不存在镀锌层的情况下，或者在两张钢板1和2未配置镀有低熔点金属诸如锌的层的情况下，该两张钢板1和2可以无需形成间隙g而直接重叠。

在执行激光搭接焊接10的情况下，通过从起始端s到终止端e以恒定激光输出Pa和恒定扫描速度Va及散焦量Da＝0(正在聚焦状态)执行激光照射La首先形成焊道11，焊道11在厚度方向穿透两张钢板1和2。其次，如图1(c)所示，激光照射被中断极短的时间段，即在激光输出Pb＝0下执行激光光轴向在起始端s侧的点Cs的移动Lb。与此同时，执行激光的焦点控制以将散焦量设为Dc，从而以预定激光输出Pc和扫描速度Vc执行散焦激光照射Lc，以使散焦激光照射Lc与从激光光轴移动所至的点Cs到终止端e的焊道11重叠。

这种情况下，在激光照射La终止的时刻，如图1(f)中实线所示，在焊道11的终止端e遗留有凹陷部11b(瞬态凹陷)。然而，在激光照射被中断极短的时间段之后，以如图1(f)中虚线所示通过散焦减小了能量密度并增大了光斑直径这样的方式执行激光照射Lc。因此，凹陷部11b周围的非熔融金属被熔融并流入凹陷部11b，结果是填充了凹陷部11b，从而焊接终止端部12被平坦化。

不特别限定散焦量Dc，但是，优选地，设置散焦量Dc使得如图5中的图表所示在焊接终止端部12获取焊道宽度Bc，该焊道宽度Bc约为焊道11的宽度Ba的1.5至2倍。此外，不特别限定散焦激光照射Lc的长度(Cs-e)，但是需要将其设置成约为焊道11的宽度(Ba)的2倍的长度，优选地，设置成焊道11的宽度(Ba)的3倍以上。

注意到的是，在激光输出控制(其中，如图1(c)所示，激光输出在激光照射La的起始端s逐渐增加至预定激光输出Pa并在激光照射La的终止端e从激光输出Pa逐渐减小至Pb＝0)与激光的焦点控制一起使用时，实质焊接长度Wa变得比形成在焊接部表面上的焊道11的长度略短，但是暂时形成在焊道11的终止端e的凹陷部11b的深度减小了。凹陷部11b的深度的减小对于通过散焦激光照射Lc来平坦化焊接终止端部12是有利的。同样，这种情况下，具有增加了其他焊接条件，如扫描速度Vc、散焦量Dc和激光照射的中断时间段，的可允许范围的优点。然而，在散焦激光照射Lc中，减小了实质功率密度，因此输出控制是不必要的。

其次，图2包括：图2(a)，其为示出根据本发明第二实施方式的激光搭接焊接20中在散焦激光照射之前的焊道21的平面图；图2(b)，其为沿图2(a)中的B-B线的横截面图；图2(c)，其为示出在散焦激光照射之后的焊道21和22的平面图，以及图2(d)，其为沿图2(c)中的B-B线的横截面图。根据第二实施方式的激光搭接焊接20示出了形成具有开口部的圆形焊道(C型焊道)，且特别适合用于作为汽车车身焊接工艺中点焊的替代项的激光焊接(单位焊接)的实施方式。

除了以局部开口的环形执行激光扫描之外，激光搭接焊接20的焊接程序与根据上述第一实施方式的激光搭接焊接10中的相同。激光扫描不以闭合的环形执行而以局部开口的环形执行的原因是：执行激光扫描，从而由焊道21包围的空间中的锌蒸汽的排出路径被确保在起始端s和再次靠近起始端s执行的激光扫描的终止端e之间。

如图2(a)和图2(b)所示，在终止激光照射La的时刻，在焊道21的终止端部22形成凹陷部21b(瞬态凹陷)。然而，当在激光照射被中断极短的时间段之后，如图2(c)和图2(d)中所示执行增大了光斑直径的散焦激光照射Lc时，终止端部22周围的非熔融金属被熔融且流入凹陷部21b，因而平坦化了焊接终止端部22从而获得了极佳的焊道20。

当作为替代汽车车身焊接工艺中的点焊工艺等的激光焊接工艺而执行根据本发明的激光搭接焊接时，通过使用作为单位焊接工艺的根据上述第一实施方式的线性激光焊接10或者根据上述第二实施方式的圆形激光焊接20，以合适的间隔间断地执行焊接工艺。在这种焊接工艺中，也有如下可能：在自由选取的焊接点上的激光搭接焊接La完成之后的激光照射中断时间段期间内，执行相邻于该焊接点的另一焊接点的激光搭接焊接La，然后，对在前焊接点执行散焦激光照射Lc。

实施例

为了验证根据本发明的激光搭接焊接方法的效果，在根据上述第二实施方式的激光搭接焊接20中进行实验，通过在工件之间的间隙g为(a)g＝0.2mm、(b)g＝0.1mm和(c)g＝0.05mm的每种情况下，在15至50mm的范围内改变激光照射Lc的散焦量Dc来评估焊道的质量。

在该实验中，使用由IPG光子公司制造的光纤激光振荡器(具有最大输出：7kW，传输光纤的直径：0.2mm)和由HIGHYAG激光技术公司制造的扫描头(具有在聚焦状态下处理焦点直径：0.6nm)。

在每种情况下，作为工件，具有0.65mm的厚度的非镀钢板(1)以上述间隙g重叠在具有0.8mm的厚度的镀锌钢板(2)上，当在下述条件下执行圆形激光扫描La时：激光输出：4.3kW、激光束直径：7mm、间断部长度：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)，以及当在0.03秒的中断时间段之后通过将扫描速度Vc分别变为10、15、20和25m/min执行散焦激光扫描Lc时，测量在焊接终止端部22最后遗留的凹陷的深度。实验结果如图3所示。

从图3(a)的图表可以证实，在确保工件间相对大的间隙g＝0.2mm的设置下，在实验所用的散焦量Dc＝15至50mm的范围的大多数下凹陷的深度为0.4mm以下，因而焊接终止端部22的形状被改善为在焊接质量的实际范围内。

此外，从图3(b)和图3(c)的每个图表可以证实，当在工件间设置相对小的每个间隙g＝0.1mm和0.05mm时，且当扫描速度Vc被设置为15m/min(两倍速度)以上时，可能获得非常好的结果：在散焦量Dc＝15至50mm的范围内凹陷的深度为0.4mm以下，在散焦量Dc＝25至50mm的范围内凹陷的深度为0.25mm以下。这表明较小的间隙g在根本上有利于抑制凹陷的形成，因为当间隙g较小时，进入间隙g的熔融金属的量较小。

另一方面，当扫描速度Vc被设置为接近于扫描速度Va的10m/min时，且当散焦量Dc被设置在30mm以下的小范围内时，造成了烧穿。推测这是因为实质功率密度没有充分地降低，因而锌蒸汽的排出和热扩散不充分。因此，当在两张钢板1和2之间设置小间隙g时，可以通过增加散焦量Dc(达到35mm以上)或者通过增加扫描速度Vc(达到扫描速度Va的两倍速度以上)来充分降低激光照射Lc中的实质功率密度。

其次，进行实验以调查根据上述第二实施方式的激光搭接焊接20中激光照射的中断时间段对焊接质量的影响。在该实验中使用与上述相同的焊接装置和工件，当在下述条件下执行圆形激光扫描La时：间隙g＝0.2mm及扫描速度Va＝6.9m/min(前半段)至7.2m/min(后半段)，以及当在中断时间段(0.009至0.100秒)之后以扫描速度Vc＝15m/min及散焦量Dc＝50mm执行散焦激光扫描Lc时，测量在焊接终止端部22最后遗留的凹陷的深度。实验结果如图4所示。

从图4的图表，在激光照射中断时间段为0.009秒和0.018秒的每个实施例中，证实了由穿透上方钢板(1)的凹陷造成的烧穿。然而，在任一其它实施例中，凹陷深度为0.3mm以下，因而获得了好的结果。考虑到具有0.65mm厚度的上方钢板(1)允许凹陷的深度为约0.4mm，可以说在激光照射中断时间段为0.025秒以上的情况下，获得了稳定的焊接质量。

以上描述了根据本发明的一些实施方式，然而本发明并不局限于上述实施方式，基于本发明的技术构思可以作出各种改进和变化。

例如，在每个上述实施方式中，描述了这样的情况，其中在激光照射的中断时间段期间，向起始端侧执行激光光轴的移动Lb，然后从激光光轴移动所至的点Cs到终止端e执行散焦激光照射。然而，还可以从终止端e向起始端s侧执行散焦激光照射。在这种情况下，必须将激光照射的中断时间段设置为略长于上述实施方式中的中断时间段。

此外，在每个上述实施方式中，描述了这样的情况，其中两张钢板重叠且被激光焊接。然而，根据本发明的激光搭接焊接方法也可以被应用于具有其它形态的工件，且也可以被应用在三张以上钢板重叠且被激光焊接的情况中。此外，如上述实施方式中示出焊道具有线性形状和圆形形状(圆弧形状)的情况，但是，根据本发明的激光搭接焊接方法可以应用于除了这些形状的焊道之外的任意形状的焊道。

Claims (4)

1.一种激光搭接焊接方法，包括如下步骤：

通过将激光束照射在多个重叠的工件上执行搭接焊接；

在所述执行搭接焊接的步骤之后，将所述激光束的照射中断极短的时间段；以及

在将所述激光束的照射中断的步骤之后，将散焦激光束照射在搭接焊接的终止端部上。

2.一种激光搭接焊接方法，包括如下步骤：

通过将激光束照射在多个重叠的工件上执行搭接焊接；

在所述执行搭接焊接的步骤之后，将所述激光束的照射中断极短的时间段，并在所述激光束的照射的中断期间，从搭接焊接的终止端向搭接焊接的起始端侧移动所述激光束的光轴；以及

在移动所述激光束的光轴的步骤之后，从所述激光束的光轴移动所至的位置到所述搭接焊接的终止端照射散焦激光束。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的激光搭接焊接方法，其中，

以比所述执行搭接焊接的步骤中激光束照射的速度高的速度执行所述照射散焦激光束的步骤。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光搭接焊接方法，其中，

所述激光束照射的中断时间段在0.025至0.25秒的范围内。

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