CN107073649A - 差厚材料的激光焊接方法及使用该方法的差厚焊接部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种与厚板的厚度无关而能得到优异的焊接强度的差厚材料的激光焊接方法和差厚焊接部件。即，本发明是将厚度不同的两个板材(10)(12)以它们的一表面成齐平面的方式对接后，对其对接面照射激光束(14)进行焊接的差厚材料的激光焊接方法，其特征在于，使所述激光束(14)从薄板(10)的所述成齐平面的表面侧朝向厚板(12)的对接端面(12a)倾斜地入射，将该激光束(14)的目标位置(P)设于所述厚板(12)的对接端面(12a)，同时将距所述激光束(14)入射侧板材表面的目标位置深度D设为下述(1)式的范围：t/3≤D≤t…(1)(其中，t为薄板(10)的对接端面(10a)面方向的厚度，D、t的单位均为mm)。

Description

差厚材料的激光焊接方法及使用该方法的差厚焊接部件
技术领域
本发明涉及焊接强度优异的差厚材料的对接激光焊接方法和差厚焊接部件。
背景技术
激光为高能量密度热源，因此被用于各种领域。特别是在焊接领域，具有由于是高速且低热量输入的焊接因此被照射物的热变形和变质少这样的特征，被用于钢材及各种金属材料的焊接。
在激光焊接方法中，与电弧焊接方法等其它焊接方法同样，可得到搭接角焊接接头、T字接头、对接接头等焊接接头。其中，在使用从焊接面的铅直方向照射激光束的激光焊接方法来得到对接接头的情况下，需要严格地控制激光束的目标位置以及相互焊接的材料(被焊接材料)的对接间隔等。
这是因为，激光束的光束直径虽然根据激光的振荡方式、透镜等而不同，但通常小至0.5mm以下。因此，在如后述那样激光束的目标位置偏离的情况下，在焊接部分发生熔深不良，在相互焊接的材料的对接间隔比激光光束直径宽的情况下，在垂直方向前进的激光束穿透该间隔而不能实现焊接。
特别是，在将被焊接材料的厚度互相不同的差厚材料对接并用激光束进行焊接的所谓的差厚焊接中，需要严格控制激光束的目标位置和被焊接材料的对接间隔。在厚度极其不同的材料的组合中，例如如图1所示，在激光束3的焦点位置偏离至薄板1侧时，发生薄板1熔融而能形成熔融部4、但厚板2因热量输入不足而无法熔融这样的焊接不良。另外，在切断被焊接材料时使用的剪切机、片锯(チップソー)、带锯等的切断方法中，难以将成为焊接面的切断面相对于相邻的面成直角、而且一条直线地切断，还产生塌边或变形。在这样的情况下，如图2所示，对接部5变得比激光束3的光束直径宽，激光束3穿透而发生焊接不良。为了防止该不良，需要对切断面实施机械抛光整理以使对接间隔变窄、或使用焊填金属填埋间隙，这均导致成本增加。
为了解决以上那样的差厚焊接的问题点，下述专利文献1及2中公开了相对于被焊接材料的对接面倾斜地照射激光束的焊接方法。如图3所示，其是使厚度不同的两个被焊接材料的激光束照射侧的表面和相反侧的表面(图3中的底面)成齐平面，使激光目标位置从厚板2的角6向内侧偏置(offset)，从厚板2侧倾斜地照射激光束3，使厚板2的角6熔入至薄板1侧的激光焊接方法。根据该方法，重点使厚板2的角6的部分、即厚板2的与薄板1的差厚部分熔入，因此不需要严格地进行激光目标位置的设定，另外，即使不对被焊接材料的对接端面实施机械加工或不使用焊填金属，也能高效地得到良好的对接接头。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-132386号公报
专利文献2：日本特开平9-216078号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在上述以往的差厚焊接中，为了提高焊接强度，需要可靠地使厚板2的角6的部分熔融(溶かし込む)，并供给至厚板2和薄板1的对接面(界面)，但这样的话，可能产生如下问题：熔入该对接面的厚板2的溶解部分中多余的部分成为不期望的背面焊道并出现在接头表面(图3中的底面侧)，会使焊接品质降低。在此，背面焊道是指在热源照射面的相反侧的面露出的焊接金属(焊道)。
另外，在使激光束3从厚板2侧倾斜地入射的情况下，激光束3的热被导热性高的金属材料制成的厚板2吸收，因此，即使厚板2的角6的部分能熔融，激光束3的热损耗大，也难以说是可有效地进行焊接。
本发明鉴于这样的现状，主要目的在于提供一种与厚板的厚度无关而可有效得到优异的焊接强度和加工质量的差厚材料的激光焊接方法。
用于解决课题的手段
作为发明人的详细研究的结果，发现了将厚度不同的两个板材的焊接面以与该焊接面相邻的表面成齐平面的方式对接后、使激光束从成齐平面的表面的薄板侧朝向上述焊接面倾斜地入射的激光焊接方法的有用性，同时得到通过将激光目标位置、入射角、对接间隔控制在适当范围内，可得到优异的焊接强度而与厚板的厚度无关的认识，从而完成本发明。
予以说明，在本发明中，在之后将厚度不同的两个被焊接材料的一表面成齐平面(共面；ツライチ)地对接的对接面进行焊接而构成的焊接接头中，有时也将该成齐平面的面(图4中的上表面)称作“焊接接头的表面”，将产生台阶高差的面(图4中的下表面)称作“焊接接头的背面”。
即，本发明提供一种差厚材料的激光焊接方法，其将厚度不同的薄板10和厚板12以它们的一表面成齐平面的方式对接后，对其对接面照射激光束14进行焊接，其特征在于，使上述激光束14从薄板10的上述成齐平面的表面侧朝向厚板12的对接端面12a倾斜地入射，将该激光束14的目标位置P设于上述厚板12的对接端面12a，同时将距上述激光束14入射侧板材表面的目标位置深度D设为下述(1)式的范围。
t/3≤D≤t…(1)
(其中，t为薄板10的对接端面10a面方向的厚度，D、t的单位均为mm。)
在该发明中，由于使激光束14从薄板10的成齐平面的表面侧朝向厚板12的对接端面12a倾斜地入射，因此即使熔入的厚板12的溶解部分中多余的部分成为不期望的背面焊道并出现在焊接接头的背面，因为该背面焊道因厚板12的差厚部分而形成于产生了台阶高差的焊接接头的背面，所以也不会产生外观上的违和感，不会降低焊接品质。
另外，在本发明中，优选上述激光束14的入射角θ相对于上述厚板12的对接端面12a以5°～30°向薄板10侧倾斜，优选上述厚板12和上述薄板10的对接间隔C为1.0mm以下。
另外，本发明中的再一发明在于一种通过上述本发明的差厚材料的激光焊接方法焊接了的差厚焊接部件，其特征在于，在对接面的面积的50％以上中产生熔深。
发明效果
根据本发明，可提供一种与厚板的厚度无关而能有效得到优异的焊接强度和加工质量的差厚材料的激光焊接方法、以及使用了该方法的焊接品质优异的差厚焊接部件。
附图说明
图1是示出以往技术中激光目标位置偏离于薄板侧时的焊接部截面的图。
图2是示出以往技术中在对接间隔宽的情况下的焊接部截面的图。
图3是示出以往的台阶高差焊接部的截面的图。
图4是示意性地示出本发明的差厚材料的激光焊接方法的图，是定义激光目标位置、激光照射角、对接间隔的图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边说明本发明。图4是示意性地示出本发明的差厚材料的激光焊接方法的图。予以说明，图4中，夸张描绘了薄板10的端面10a的凹凸、厚板12的端面12a的凹凸以及薄板10与厚板12的对接间隔C。
本发明为一种差厚材料的激光焊接方法，其在将薄板10与厚板12以它们的一表面成齐平面的方式对接后，对其对接面照射激光束14进行焊接。特别是，其特征在于，使上述激光束14从薄板10的上述成齐平面的表面侧朝向厚板12的对接端面12a倾斜地入射，将该激光束14的目标位置P设于上述厚板12的对接端面12a，同时将距上述激光束14入射侧板材表面的目标位置深度D设为后述的规定范围。
以下，详述本发明的对接激光焊接条件。
在本发明中，如图4所示，在将薄板10和厚板12以它们的一表面成齐平面的方式对接后，将激光束14从薄板10的上述成齐平面的表面侧朝向厚板12的对接端面12a倾斜地照射，因此厚板12的厚度不受限制。
另外，在本发明中，通过将激光束14的目标位置P设于厚板12的对接端面12a，即使薄板10的对接端面10a的位置变动，对熔深的影响也小。顺带说，在将激光的目标位置P设于薄板10的对接端面10a或该端面10a的角部10b的情况下，需要目标位置检测器，因此设备高昂，另外，在对接部16的间隔变动时，熔深变得不稳定。
目标位置深度D表示从激光束14入射侧板材表面(即薄板10的齐平面表面)至厚板12的对接端面12a处的激光束14的目标位置P的深度，优选设为下述(1)式的范围。
t/3≤D≤t…(1)(其中，t为薄板10的对接端面10a面方向的厚度，D、t的单位均为mm。)
这是由于在目标位置深度D比薄板10的厚度t的1/3浅的情况下，被焊接材料的熔深(熔入)量变少，相反地，在目标位置深度D比t深的情况下，仅薄板10熔融而厚板12熔融变得不足。
如图4所示，激光束14的入射角θ定义为厚板12上表面的角12b的铅直线与激光束14中心之间的角度，具体而言，该角度优选相对于厚板12的对接端面12a以5°～30°向薄板10侧倾斜。在该激光束14的入射角θ低于5°的情况下，在对接间隔C变宽时，激光束14的穿透量增加而热量输入变得不足，相反地，如果该入射角θ超过30°，则激光束14仅照射到薄板10而厚板12变得熔融不足。
本发明中的对接间隔C为在薄板10的对接端面10a与厚板12的对接端面12a之间产生的间隙，优选将从焊接开始位置至结束位置之间的该对接间隔C的最大值限制在1.0mm以下。这是因为，当对接间隔C超过1.0mm时，焊接部分变得薄且粗密，从而变得焊接强度不足。另外，在激光束14的入射角θ小的情况下，发生激光束14的穿透，有可能不能进行焊接。
在本发明的差厚材料的激光焊接方法中，上述以外的激光焊接条件、例如激光的波长、激光输出、激光光束直径、焊接速度等条件没有特别限定。根据后述的被焊接材料的种类、厚度等适当选择。
在本发明中，被焊接材料、即作为差厚材料的薄板10和厚板12的种类没有特别限定。予以说明，作为该被焊接材料，可例示低碳钢、不锈钢及对这些钢材实施了Zn系镀敷、Al系镀敷、Zn-Al系合金镀敷、Al-Si系合金镀敷、Zn-Al-Si系合金镀敷、Zn-Al-Mg系合金镀敷、Zn-Al-Mg-Si系合金镀敷等的材料。另外，不限于上述钢材，本发明也可以适用于Al等非铁金属彼此及钢材与非铁金属的差厚焊接。进而，被焊接材料的切断方法也没有限定。使用剪切机、片锯、带锯等一般的切断方法即可。另外，也可以在切断后进行机械抛光整理。
在本发明中，如上所述，厚板12的厚度没有限定。顺带说，该厚板12的形状不限于板状，也可以是块状。
另一方面，薄板10的厚度t优选为6mm以下。这是因为，薄板10的厚度t比该6mm厚时，需要大输出的激光焊接机，设备变得高昂。另外，如果薄板10变得如此厚时，则焊接速度变慢，由此生产率降低。
使用以上那样的差厚材料的激光焊接方法制造的差厚焊接部件优选在对接面的面积的50％以上中产生熔深。焊接时熔入的部分因激光束14的高热而成为经淬火的状态，因此，硬度及拉伸强度提高。这是由于，其结果，如果在对接面的面积的50％以上中产生熔深，则在使差厚焊接部件的薄板10和厚板12分开的方向施加了力的情况下，可得到薄板10材料断裂的程度的焊接强度。
实施例
以下，例举实施例更具体说明本发明，但本发明不限于该实施例。
首先，准备表1所示的低碳钢、SUS304、Al(铝)合金作为供试材料。其中，作为低碳钢，分别准备无镀敷的低碳钢、和实施了单面的附着量为90g/m2的熔融Zn-6质量％Al-3质量％Mg镀敷的低碳钢。然后，将厚度6mm以下的供试材料用剪切机、片锯、带锯切断，将厚度10mm以上的供试材料用带锯切断，切成宽度100mm、长度100mm的尺寸。另外，对于一部分供试材料，对切断端面进行机械抛光整理。
在此，表1中的材料种类记号是用于表示表2-1～表2-3中的薄板及厚板各自的材料种类的记号。
[表1]
接着，在激光焊接前，用测隙规测定对接部的宽度100mm之间的最大对接间隔。予以说明，在厚度0.1mm的测隙规无法放入对接部的情况下，将最大对接间隔设为0.1mm以下。将得到的结果示于表2-1～表2-3。
而且，使用最大输出7kW的光纤激光焊接机，在后述的各种条件下进行对接激光焊接。
从经对接激光焊接的试样采集宽度30mm的拉伸试验用试样，进行以JIS Z-2241为基准的拉伸试验。另外，对经对接激光焊接的试样的焊接中间部的截面进行光学显微镜观察，观察熔深状态。根据拉伸试验结果和熔深状态的观察结果进行激光焊接部的综合评价。以下示出该综合评价的基准。
◎：拉伸试验中，在薄板1侧母材断裂、且焊接部的熔融部的厚度为薄板的板厚的70～100％。
○：拉伸试验中，在薄板1侧母材断裂、且焊接部的熔融部的厚度为薄板的板厚的60～69％。
△：拉伸试验中，在薄板1侧母材断裂、且焊接部的熔融部的厚度为薄板的板厚的45～59％。
×：拉伸试验中，焊接部断裂。
作为该综合评价的结果，可知：熔融部变得越厚，拉伸强度及疲劳强度变得越高，另外，焊接部受到拉伸变形时的开口变小，因而优选。
表2-1～表2-3中示出激光焊接条件、最大对接间隔及综合评价结果。予以说明，激光目标位置深度D一栏的t是薄板10的厚度。
如表2-1的No.1～5、16～20、表2-2的31、32、37及38所示，激光目标位置深度D、激光入射角、对接间隔均在本发明的范围内的实施例中，综合评价为◎且得到良好的焊接强度和熔深。另外，其它实施例尽管熔深浅，但也得到良好的焊接强度。
与之相对，激光目标位置深度D、激光入射角、对接间隔均在本发明的范围外的表2-3的No.43～54所示的比较例中，由于熔深不足，因此拉伸试验中焊接部断裂。
附图标记说明
10…薄板
10a…(薄板)的对接端面
12…厚板
12a…(厚板)的对接端面
14…激光束
C…(厚板与薄板的)对接间隔
D…目标位置深度
P…激光束的目标位置
t…薄板的对接端面面方向的厚度
θ…激光束的入射角

Claims (4)

1.差厚材料的激光焊接方法，其是将厚度不同的薄板(10)和厚板(12)以它们的一表面成齐平面的方式对接后，对其对接面照射激光束(14)进行焊接的差厚材料的激光焊接方法，其特征在于，
使所述激光束(14)从薄板(10)的所述成齐平面的表面侧朝向厚板(12)的对接端面(12a)倾斜地入射，将该激光束(14)的目标位置(P)设于所述厚板(12)的对接端面(12a)，同时将距所述激光束(14)入射侧板材表面的目标位置深度D设为下述(1)式的范围：
t/3≤D≤t…(1)，
其中，t为薄板(10)的对接端面(10a)面方向的厚度，D、t的单位均为mm。
2.权利要求1所述的差厚材料的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束(14)的入射角(θ)相对于所述厚板(12)的对接端面(12a)以5°～30°向薄板(10)侧倾斜。
3.权利要求1或2所述的差厚材料的激光焊接方法，其特征在于，所述厚板(12)和所述薄板(10)的对接间隔(C)为1.0mm以下。
4.差厚焊接部件，其是通过权利要求1～3中任一项所述的差厚材料的激光焊接方法焊接的部件，其特征在于，在对接面的面积的50％以上中产生熔深。
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