CN105916627A - 激光焊接方法以及焊接接头 - Google Patents

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Abstract

一种焊接接头，是通过激光波束的照射将多个被焊接材料进行焊接而成的，在将经过所述多个部件而形成的焊道的表面宽度设为a、将所述焊道的最大熔化深度设为h、将所述焊道的熔化深度为h/2的位置处的所述焊道的熔化宽度设为b、将所述焊道的中心位置的熔化深度设为d时，满足以下的公式1至3，b/a≥0.6…(公式1)；h/d≥1.0…(公式2)；h/a＜3.0…(公式3)，从而使钥孔稳定，抑制发生溅射。

Description

激光焊接方法以及焊接接头
技术领域
本发明涉及激光焊接方法以及焊接接头。
背景技术
关于激光焊接，由于热源的激光波束的能量密度高，所以可得到低形变、高速、高精度的焊接接头，因此在各方面中被使用。在汽车领域中，对于不锈钢或碳钢等钢铁材料、铝合金或镍合金等金属材料搭接或者对接多个被焊接材料来进行焊接得到的产品较多。例如，在车体、燃料泵、喷射器(燃料喷射阀)的制造中，使用着利用脉冲波或者连续波的激光的焊接工艺。
另外，在使用了树脂等非金属材料的空气流量传感器、应力/形变传感器等产品中，还被开发、应用于使用激光来接合树脂部件的工艺、接合装置中。
一般，在激光焊接中使用了深熔型(钥孔(keyhole)模式)焊接方法。在该方法中，如果向被焊接材料的表面照射的激光波束的功率密度(每单位面积的激光输出)成为106W/cm2以上，则金属表面的温度成为金属的沸点以上，随着等离子体的产生，金属蒸气从激光照射点剧烈地飞出，由于该金属蒸气的反作用力而使熔融金属面凹陷，另外激光波束在凹部中重复反射的同时入射，进行深且细的钥孔型的焊接。
理论上，通过维持钥孔内部的金属蒸气的压力和钥孔周边的熔融金属的静压及表面张力的平衡，能够形成激光钥孔。但是，如图2所示，向被焊接材料1照射的激光波束2在焊接方向上移动的同时进行焊接，所以需要在焊接过程中使钥孔连续地前进。
另一方面，熔池也动态地流动，所以钥孔形状的稳定化困难。图3示出激光焊接中的激光钥孔和熔池的剖面图。1是被焊接材料，2是激光波束。在钥孔4开口部附近，熔池5的表面一般从钥孔朝向外侧流动。但是，通过钥孔内部的压力急剧地降低或者表面张力变动，如图所示，流动有时瞬间地成为逆向(熔融金属朝向钥孔流动)。特别是，钥孔主要相对于焊接方向而存在于熔池的前方，钥孔前方的熔融金属非常少，所以钥孔后方的熔池的表面张力和静水压成为关闭钥孔的动力。受到这样的熔池的表面流动，钥孔的开口部后方急剧地变窄，激光向熔池表面垂直照射，熔融金属发生剧烈的蒸发，产生溅射(spatter)6。
在以往的深熔型激光焊接中，如图4所示，易于形成焊道的表面宽度a大幅超过熔化宽度b的葡萄酒杯状的焊道形状。这是因为，从钥孔4喷出的高温的金属蒸气(等离子体)的热针对金属表面进行传热，具有扩大熔池5表面的效果。另外，通过金属蒸气的喷出，将钥孔周边的熔池从钥孔向外推出，从而熔融金属的流动成为向外。通过这二个作用，关于焊接之后的焊道形状，可得到焊道内部的熔化宽度b相对表面宽度a而变窄到一半程度的葡萄酒杯状的焊道形状。
另外，通过激光的照射而形成的钥孔自身反复膨胀、收缩，非常不稳定。在该钥孔的内部充满了金属蒸气，但也有空气或者为了防止熔融金属的氧化而使用的保护气体被掺入的情况。被掺入到该金属蒸气中的空气或者保护气体在熔池中形成气泡，并陷入到凝固壁中，产生气孔。为了抑制由于上述那样的钥孔的不稳定性而产生的气孔，通过使用设定了适合的脉冲宽度或者频率的脉冲激光，使钥孔变稳定，从而能够减少气孔。但是，在使用了脉冲激光的情况下，能够在激光照射期间实现钥孔的稳定化，但在中断照射的期间，存在钥孔开口部完全关闭的可能性，溅射的发生变得剧烈。
近年来，使用使激光波束摇摆的扫描仪的激光加工技术的研究开发得到发展。该方法的目的在于，一边使激光波束高速旋转一边控制加工点的波束点径。
在例如专利文献1中，提供了使用激光波束的扫描仪而能够实现激光点的直径的调整、特别是扩大的激光波束点径的调整方法以及装置。
专利文献1：日本特开2012-152822号公报
发明内容
但是，专利文献1记载的激光波束点径的调整方法以及装置存在如下课题：由于波束点径的扩大，在激光波束向熔池表面照射的瞬间，熔融金属的蒸发面积增加，溅射的尺寸变大。
本发明的目的在于减少由于钥孔的不稳定而导致的溅射的发生。
上述目的通过权利要求所记载的发明来实现。
根据本发明，能够减少由于钥孔的不稳定而导致的溅射的发生。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1中的从焊接方向观察的焊道剖面形状的图。
图2是示出现有技术的激光焊接方法的图。
图3是示出现有技术的激光焊接方法中的溅射的发生机理的图。
图4是示出现有技术中的从焊接方向观察的焊道剖面形状的图。
图5是示出本发明的实施例1中的扫描仪激光焊接方法的图。
图6是示出本发明的实施例1中的熔池和钥孔的剖面形状的图。
图7是示出本发明的实施例1中的从焊接方向观察的熔池和钥孔的剖面形状的图。
图8是示出本发明的实施例2中的从焊接方向观察的焊道剖面形状的图。
图9是示出本发明的实施例1中的溅射数和重复数的关系的图。
图10是示出本发明的实施例1中的溅射数和波束旋转直径的关系的图。
(符号说明)
1：被焊接材料(基材)；2：激光波束；3：激光波束；4：钥孔；5：熔池(焊道)；6：溅射。
具体实施方式
以下，详细说明本发明的实施例。
实施例1
本实施例的焊接方法如下所述。通过本实施例的焊接方法而制造的焊接接头是例如板厚为1.0mm的不锈钢的搭接接头。
在本实施例中，例如能够使用波长是1070～1080nm的光纤激光，但也可以使用其他波长的激光。另外，从未图示的激光发射器产生激光，并经由传送路径，通过波束扫描仪以及聚光透镜(未图示)而聚光，向上述不锈钢的搭接接头的表面照射激光。
图5示出使用了波束扫描仪的激光焊接的概要图。使用波束扫描仪，使激光波束3一边旋转一边向被焊接材料1进行照射。一边重复地进行使用脉冲状的激光波束在将圆描绘一周的期间照射激光波束的动作，一边使包括波束扫描仪的激光焊接头在焊接方向上前进，从而成为如图那样的照射轨迹。也可以并非是脉冲而是连续地照射。总之，并非是简单地跟踪多个部件的连接部分，而只要一边以在激光波束前端对连接部分描绘圆的方式使激光波束旋转、一边跟踪部件的连接部分即可。
在本实施例的深熔型激光焊接中，为了防止熔融金属的氧化，能够使用氮作为保护气体。另外，作为保护气体，不限于氮，也可以使用Ar(氩)、He(氦)或者它们的混合气体。
作为焊接条件，例如将激光输出设为200W～1000W，将波束点径设为0.04mm～0.2mm，将波束旋转的重复数设为60Hz～500Hz，将波束旋转直径设为3.0mm以下。此外，能够以10mm/s～100mm/s适当地设定焊接速度，以5.0l/min～30.0l/min适当地设定保护气体的流量。
以下，使用图6、图7、图1，说明在本实施例中使用的焊接条件下进行了焊接时的钥孔与熔池行迹以及焊接后的焊道形状。
图1是示出从焊接方向观察的焊道剖面形状的图。将从焊接方向观察的焊道(熔池)的表面宽度设为a，将焊道中央部的熔化深度设为d，将焊道的最大熔化深度设为h，将最大熔化深度是h/2的位置处的熔化宽度设为b。将钥孔的深度与焊道的最大熔化深度都设为从被焊接材料1的表面起的深度。在以下的图中，相同的符号也表示相同的位置。
在图6中，在一边使激光波束高速旋转一边使波束在焊接方向上前进的过程中示出钥孔以及熔池的剖面形状。激光波束2的前端描绘圆，由此能够从波束中心向外侧也形成钥孔，所以相比于以往的不使波束旋转的焊接方法，能够形成表面宽度a大幅地变宽的熔池。
图7示出从焊接方向观察的熔池和钥孔的剖面形状。此处，将钥孔4的深度设为与熔池的最大熔化深度相同的h。即，表示钥孔的深度成为熔池的最深的场所。通过一边使激光波束3高速旋转一边在焊接方向上前进，钥孔的旋转直径(钥孔彼此的间隔)变得与波束旋转直径e相同，熔池的最深的位置成为从熔池的中心向外侧偏移了e/2的位置。另外，如果波束旋转速度非常高，例如波束旋转直径为2.0mm、旋转频率为100Hz、波束的扫描速度为600mm/s以上，则该速度成为使激光波束向焊接方向的前进速度(焊接速度)的12倍。其结果，在与焊接方向正交的方向上切断的熔池的剖面形状如图7所示，从熔池底部的中央向外侧离开的2个部位向下凸出。
另外，激光波束的旋转速度远大于在焊接方向上行进的速度，所以针对激光波束的移动方向(将直线的焊接方向和旋转方向进行组合得到的螺旋线方向)，能够减少处于钥孔前方的熔池的量，所以相比于钥孔的旋转直径，熔池的表面宽度a不会大幅地更宽。即，从熔池的表面至底部为止的宽度的变化比以往焊接方法更小。
而且，激光波束的旋转速度非常高，所以钥孔后方的熔池向钥孔的开口部逆流的时间变短，开口部不易关闭。另外，钥孔不进行直线移动，而是相对激光波束的行进方向进行旋转移动，所以熔池的流动也依照钥孔的旋转方向而流动。但是，熔池的流动由于其惯性而滞留一定时间，受到由于激光波束的照射而产生的钥孔的搅拌效果。其结果，钥孔的开口部在钥孔移动方向的后方发生凹陷，避免激光波束直接照射熔池表面，能够将激光波束直接照射至钥孔低部，在钥孔开口部附近不会产生熔融金属的剧烈的蒸发，能够抑制发生溅射。
具体而言，关于在本实施例的焊接条件下焊接的焊道形状，(i)相对于焊道剖面的最大熔化深度h，熔化深度为h/2位置处的熔化宽度b与焊道的表面宽度a的关系成为b/a>0.6；(ii)焊道中心位置的熔化深度d与最大熔化深度h的关系成为h/d>1.0；(iii)焊道剖面的最大熔化深度h与焊道表面宽度a的关系成为h/a<3.0。
比较例
作为比较例，利用未使用波束扫描仪的以往的焊接方法而实施了焊接。焊接试验中所使用的试验片材料和尺寸与在实施例1中使用的例子相同。焊接条件如下：激光输出为200W～1000W，波束点径为0.04mm～0.2mm，焊接速度为10mm/s～100mm/s，保护气体的流量为5.0l/min～30.0l/min。
图4示出在上述焊接条件下实施的焊道形状的一个例子。关于焊道形状，表面宽度a是熔化宽度b的2倍以上，熔化深度最深的位置是焊道的中央部，呈现葡萄酒杯状。另外，在焊接过程中，发生大量的溅射。
实施例2
本实施例的焊接方法如下所述。本实施例的搭接焊接接头是例如未图示的板厚为1.0mm的铜板的对接接头。
在本实施例的激光焊接中，例如能够使用波长为500nm～880nm的可见光和近红外线激光，但也可以使用其他波长的激光。另外，从未图示的激光发射器产生激光，并经由传送路径，通过波束扫描仪以及聚光透镜(未图示)而聚光，向上述铜板的对接接头的表面照射激光。
在焊接方法中，与实施例1所示的焊接方法同样地，通过一边使用波束扫描仪使激光波束旋转，一边使包括波束扫描仪的激光焊接头在焊接方向上前进，从而进行焊接。另外，为了防止熔融金属的氧化，能够使用Ar(氩)作为保护气体。另外，作为保护气体，不限于Ar，也可以使用He(氦)或者它们的混合气体。
作为焊接条件，例如将激光输出设为200W～800W，将波束点径设为0.04mm～0.2mm，将波束旋转的重复数设为300Hz～1000Hz，将波束旋转直径设为0.2mm～3.0mm。此外，能够以10mm/s～100mm/s适当地设定焊接速度，以5.0l/min～30.0l/min适当地设定保护气体的流量。
图8示出在上述焊接条件下焊接的焊道剖面形状。(i)焊道中央部的熔化深度d最深(d＝h)，熔化深度为h/2位置处的焊接熔化宽度b与焊道的表面宽度a的关系成为b/a≥0.6；(ii)焊道中心位置的熔化深度d与最大熔化深度h的关系成为h/d＝1.0；(iii)焊道剖面的最大熔化深度h与焊道表面宽度a的关系成为h/a<3.0。
另外，在焊接途中未观察到溅射的发生。
图9和图10示出总结以上的结果得到的结果。图9示出溅射发生数和旋转重复数(频率)的关系。图10示出溅射发生数和旋转重复数(频率)的关系。如从图中可知，在将波束旋转频率设为60Hz～900Hz、将波束旋转直径设为0.2mm～2.6mm的情况下，相比以往方法能够使溅射数减半。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种焊接接头，是通过激光波束的照射将多个被焊接材料进行焊接而成的，所述焊接接头的特征在于，
在将经过所述多个部件而形成的焊道的表面宽度设为a、将所述焊道的最大熔化深度设为h、将所述焊道的熔化深度为h/2的位置处的所述焊道的熔化宽度设为b、将所述焊道的中心位置的熔化深度设为d时，满足以下的公式1至3，
b/a≥0.6…(公式1)
h/d≥1.0…(公式2)
h/a<3.0…(公式3)。
2.根据权利要求1所述的焊接接头，其特征在于，
所述焊道在所述焊道的中心位置的两个外侧具有熔化深度成为最大的朝下的凸部。
3.(修改后)一种激光焊接方法，通过对多个被焊接材料的连接部分照射激光波束而使所述被焊接材料的金属表面蒸发，从而对所述多个被焊接材料进行焊接，所述激光焊接方法的特征在于，
在将通过一边使对所述多个被焊接材料照射的所述激光波束的前端旋转一边对所述多个被焊接材料进行焊接而形成的焊道的表面宽度设为a、将所述焊道的最大熔化深度设为h、将所述焊道的熔化深度为h/2的位置处的所述焊道的熔化宽度设为b、将所述焊道的中心位置的熔化深度设为d时，满足以下的公式1至3，
b/a≥0.6…(公式1)
h/d≥1.0…(公式2)
h/a<3.0…(公式3)。
4.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于，
将所述激光波束的波束旋转频率设为60Hz～900Hz，将波束旋转直径设为0.2mm～2.6mm。

Claims (4)

1.一种焊接接头，是通过激光波束的照射将多个被焊接材料进行焊接而成的，所述焊接接头的特征在于，
在将经过所述多个部件而形成的焊道的表面宽度设为a、将所述焊道的最大熔化深度设为h、将所述焊道的熔化深度为h/2的位置处的所述焊道的熔化宽度设为b、将所述焊道的中心位置的熔化深度设为d时，满足以下的公式1至3，
b/a≥0.6…(公式1)
h/d≥1.0…(公式2)
h/a<3.0…(公式3)。
2.根据权利要求1所述的焊接接头，其特征在于，
所述焊道在所述焊道的中心位置的两个外侧具有熔化深度成为最大的朝下的凸部。
3.(修改后)一种激光焊接方法，通过对多个被焊接材料的连接部分照射激光波束而使所述被焊接材料的金属表面蒸发，从而对所述多个被焊接材料进行焊接，所述激光焊接方法的特征在于，
在将通过一边使对所述多个被焊接材料照射的所述激光波束的前端旋转一边对所述多个被焊接材料进行焊接而形成的焊道的表面宽度设为a、将所述焊道的最大熔化深度设为h、将所述焊道的熔化深度为h/2的位置处的所述焊道的熔化宽度设为b、将所述焊道的中心位置的熔化深度设为d时，满足以下的公式1至3，
b/a≥0.6…(公式1)
h/d≥1.0…(公式2)
h/a<3.0…(公式3)。
4.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于，
将所述激光波束的波束旋转频率设为60Hz～900Hz，将波束旋转直径设为0.2mm～2.6mm。
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