CN107073650A - 激光焊接接头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种激光焊接接头，其特征在于，其是不使焊接时间增加、并且不使用高价的远程激光头而使剪切接头强度提高了的激光焊接接头，其是将重叠配置的金属板从重叠的方向进行激光焊接而得到的焊接接头，其中，在将重叠而焊接的金属板的合计板厚设为t[mm]时，接合界面的焊接金属的宽度为0.6t^1/3+0.14[mm]以上。

Description

激光焊接接头及其制造方法

技术领域

本发明涉及提高接头强度的激光焊接接头及其制造方法，特别是涉及提高汽车用部件的接头强度的激光焊接接头。

背景技术

作为汽车用部件或家电制品等的焊接方法，点焊广泛普及。然而，在点焊中，由于需要通过上下电极将材料加压而进行焊接，所以在焊接的部位的上下需要用于电极进入的空间。因此，点焊存在不适合单侧焊接、并且对于焊接的制品形状也受到制约的缺点。此外，由于点焊为断续的焊接，所以与线焊接相比存在刚性降低的问题。进而，点焊也不适合需要气密性的部位的焊接。

与此相对，激光焊接与将钢板用电极夹持而进行焊接的电阻点焊不同，能够实现自单侧的焊接和凸缘的极小化。此外，由于以线状进行焊接，所以具有能够实现部件的高刚性化的特征，有使用激光焊接来代替点焊的例子。

激光焊接的热源为被聚光了的激光。由于激光是单一波长且没有相位差的光，所以能够用光学透镜聚光成极小的点，得到高密度的能量。在激光焊接中，通过利用被聚光了的高能量密度的热源，深熔深的高速焊接成为可能。

激光焊接是高效率的焊接方法。并且，由于以激光作为热源，所以与TIG焊接或MIG焊接等弧焊相比，热量输入量的控制可靠且容易。因此，能够适当地设定焊接速度或激光束的照射输出功率、保护气体流量等焊接条件。进而，在激光焊接中，由于在焊接时焊接金属成为极其局部的熔融状态，所以对母材施加的热的影响也小，能够得到应变或变形小的高品质的焊接接头。

近年来，为了应对汽车的燃烧效率的改善或安全性的提高这样的要求，高强度的薄钢板经常被使用于汽车车体中。特别是在使钢板重叠而进行焊接的方法中，以车体的轻量化和碰撞安全性提高的兼顾为目标，期望可得到进一步优异的接合部强度的激光焊接方法。

在专利文献1及2中公开了在激光焊接方法中得到优异的接合部强度的技术。

在专利文献1中公开了以下技术：通过对担保焊接接头的接合强度的焊接部的侧面再次实施激光焊接，并将上述焊接部的热影响区进行回火，将该热影响区的硬度设定为再次激光焊接后的焊接部的热影响区的硬度的90％以下，从而提高剪切接头强度。

在专利文献2中公开了以下技术：由于在形成于焊接终端的火口的区域中接头强度降低，所以使用远程激光头，在焊接预定部位的一部分中形成前处理焊接焊道，从与该前处理焊接焊道的形成方向相反的方向形成主焊接焊道，将通过前处理焊接焊道形成的焊接焊道的膨起冲洗到通过前处理焊接焊道形成的火口中，由此防止在主焊接焊道中形成过量的深度的火口。

在专利文献1中公开的技术中，由于需要对接近的部位实施2次焊接，所以存在焊接时间增加的问题。在专利文献2中公开的技术中，由于需要对相同部位实施2次焊接，所以除了焊接时间增加的问题以外，还由于需要使用高价的远程激光头，所以存在生产费用增加的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-012504号公报

专利文献2：日本特开2013-215755号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明是鉴于上述的现有技术的现状而完成的，其课题是提供不增加焊接时间、并且不使用高价的远程激光头而使剪切接头强度提高了的激光焊接接头及其制造方法。

用于解决技术问题的方法

本发明人们对于解决上述课题的方法进行了深入研究。通常，焊接部的剪切强度可以通过扩大焊接部的宽度来提高。

本发明人们特别地注意到在板的重叠部分的周边扩大焊接部的宽度对于剪切接头强度的提高是有效的，找到了反而积极地利用以往成为溅射的原因而在焊接中被认为有害的锌来扩大熔融部的宽度的方法。

本发明是基于上述的见解进一步进行研究的结果，其主旨如下所述。

(1)一种激光焊接接头，其特征在于，其是将重叠配置的金属板从重叠的方向进行激光焊接而得到的焊接接头，其中，

在将重叠焊接的金属板的合计板厚设为t[mm]时，接合界面的焊接金属的宽度为0.6t^1/3+0.14[mm]以上。

(2)根据上述(1)的激光焊接接头，其特征在于，上述接合界面的焊接金属的宽度大于上述重叠焊接的金属板的表面及背面的焊接金属的宽度。

(3)一种激光焊接接头的制造方法，其特征在于，其是将重叠配置的金属板从重叠的方向进行激光焊接的激光焊接接头的制造方法，其中，

在上述金属板的一个面上的焊接预定部位处，形成沸点高于上述金属板的熔点的金属或金属化合物的层，

将另一个金属板重叠在上述金属或金属化合物的层上，

按照包含上述金属或金属化合物的层的区域发生熔融的方式从钢板的重叠的方向照射激光而进行激光焊接。

(4)根据上述(3)的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，上述金属或金属化合物的层通过涂布金属或金属化合物的粉末而形成。

(5)根据上述(3)或(4)的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，上述金属或金属化合物为金属氧化物。

(6)根据上述(5)的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，上述金属氧化物为氧化锌。

(7)根据上述(3)～(6)中任一项的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，在将上述重叠配置的金属板的合计板厚设为t[mm]时，上述金属或金属化合物的层的厚度为0.06t^1/2-0.01[mm]以下。

发明效果

根据本发明，能够不使用高价的远程激光头而使用普通的激光焊接机、并且不增加焊接时间地提高激光焊接接头的剪切接头强度。

附图说明

图1是表示将钢板从重叠的方向进行激光焊接的焊接部的截面照片的图像的图。(a)表示在钢板之间形成有氧化锌层的被焊接材料的焊接部的截面照片的图像，(b)表示在钢板之间没有形成氧化锌层的被焊接材料的焊接部的截面照片的图像。

图2是表示在金属板之间具有金属或金属化合物的层的被焊接材料的图。

图3是表示氧化锌层的有无与焊接部的接合界面的宽度的关系的图。

图4是表示氧化锌层的有无与剪切接头强度的关系的图。

图5是表示氧化锌层的厚度与剪切接头强度的关系的图。

具体实施方式

在激光焊接中，若对金属板照射激光束，则钢板发生熔融、气化，形成钥匙孔。作为扩大钥匙孔的力，有金属蒸气的压力。作为使钥匙孔收缩的力，有熔融金属的表面张力。钥匙孔通过两者的平衡而被保持。

若局部地提高接合界面的附近的钥匙孔内的压力，则能够扩大熔融部的宽度。即，与钥匙孔的其他部分相比，若接合界面的附近的金属蒸气量增加则压力增大，将熔融金属挤出到金属板间的间隙中，能够扩大接合界面的熔融金属的宽度。

本发明人们对钢板的焊接，对用于其的方法进行了研究。其结果是，本发明人们想到通过在钢板之间的焊接预定部位处配置在熔融金属内分解而进行蒸气化的金属或金属化合物(以下称为“金属体”)，并进行激光焊接，从而向接合界面的附近供给金属体的气化粒子。

并且，使用氧化锌作为金属体，准备在所重叠的钢板之间形成有氧化锌层的被焊接材料和在所重叠的钢板之间没有形成氧化锌层的被焊接材料，将它们进行激光焊接，调查氧化锌层的效果。

图1中表示将钢板从重叠的方向进行激光焊接的焊接部的截面照片的图像。截面是按照包含激光焊接的焊接部的方式在相对于钢板的重叠的方向平行、且与焊接进行方向正交的面中将钢板切断的截面。图1(a)是在钢板之间形成有氧化锌层的被焊接材料的焊接部的截面照片，图1(b)是在钢板之间没有形成氧化锌层的被焊接材料的焊接部的截面照片。焊接部的宽度是指图1的箭头所指的被激光焊接的焊接部1的接合界面的焊接金属的宽度。

由图1可知，将在钢板之间形成有氧化锌层的被焊接材料进行激光焊接时，与将在钢板之间没有形成氧化锌层的被焊接材料进行激光焊接时相比，焊接部1的接合界面的焊接金属的宽度扩大。并且，对将在钢板之间形成有氧化锌层的被焊接材料进行激光焊接的试验片和将在钢板之间没有形成氧化锌层的被焊接材料进行激光焊接的试验片测定剪切接头强度，结果是将在钢板之间形成有氧化锌层的被焊接材料进行激光焊接的试验片的剪切接头强度高。

本发明经由以上那样的研究过程，进一步进行了研究。以下，对本发明的焊接接头及其制造方法、进而对必要的条件或优选的条件依次进行说明。

本发明的制法是将重叠配置的金属板从重叠的方向进行激光焊接来制造焊接接头的方法，为了扩大接合界面的熔融金属的宽度，进行以下的工序。

(i)在金属板的面的焊接预定部位处，形成沸点高于该金属板的熔点的金属体层，将另一个金属板重叠，在金属板之间形成金属体层的工序；

(ii)按照包含金属体层的区域发生熔融的方式，从金属板的重叠的方向照射激光而进行激光焊接的工序。

首先，对(i)的工序即在金属板之间形成金属体层的方法进行说明。

(在金属板之间具有金属体层的被焊接材料)

以下，为了方便说明，对将金属板设定为2片、并在金属板之间具有金属体层的被焊接材料，使用附图进行说明。如后述那样，本发明中的金属板的片数并不限于2片。图2中表示在金属板之间具有金属体层的被焊接材料。另外，以下，在金属板的重叠的方向中，将照射激光的一侧作为上侧，将另一侧作为下侧。

如图2中所示的那样，被焊接材料2在上侧金属板3与下侧金属板4间具有金属体层5。被焊接材料2的上侧金属板3为被照射激光6的面，激光6的扫描方向为从纸面里侧到跟前侧方向。上侧金属板3与下侧金属板4的焊接的部位为焊接预定部位a。

图2中表示在下侧金属板4的上表面的整面上形成金属体层5的情况。金属体层5只要至少形成于下侧金属板4的焊接预定部位a即可，不需要在下侧金属板4的上表面的整面上形成金属体层5。但是，在下侧金属板4的焊接进行方向的焊接预定部位也形成金属体层5。将3片以上重叠时，只要最低在某1个重叠面上形成金属体层即可。

在将焊接的金属板重叠的合计板厚设为t[mm]时，金属体层的厚度优选设定为0.06t^1/2-0.01[mm]以下。若金属体层的厚度超过0.06t^1/2-0.01[mm]，则变得容易在接合界面的焊接金属内产生气孔。此外，为了得到扩大本发明的接合界面的焊接金属的宽度的效果，层的厚度优选设定为1μm以上。

金属体层5的焊接进行方向的长度(以下称为“金属体层的长度”)优选与焊接进行方向的焊接预定的部位的长度一致。此外，金属体层5的与焊接进行方向正交、且与钢板面平行的长度(以下称为“金属体层的宽度”)优选设定为焊接预定部位a的宽度以上、且设定为0.1mm以上。若金属体层的宽度设定为低于焊接预定部位a的宽度、或低于0.1mm，则变得难以扩大接合界面的熔融金属的宽度。

金属体层5的金属体只要是沸点高于金属板的熔点的金属体则没有特别限定。只要是沸点高于金属板的熔点的金属体，则原理上可得到同样的效果。例如，也可以是脱离化学计量组成的不定形氧化物。在金属板为钢板的情况下，若考虑沸点，则优选使用金属氧化物，特别优选氧化锌。

(形成金属体层方法)

在下侧金属板4的上表面形成金属体层5的方法没有特别限定。例如，可以将金属体的粉末分散于水或醇中，用刷毛等涂布后使其干燥来形成。此外，在金属体为镀锌钢板的情况下，也可以通过加热处理来形成氧化锌层。此外，也可以将金属体粉末直接堆积而进行激光焊接。也可以在将金属体粉末堆积后，在激光焊接之前进行加热处理。作为加热处理的方法，考虑放入加热炉中、用热板进行加热、使电弧、激光、红外线等热源直接接触金属体、通过高频感应加热进行加热等方法。此外，还可以在金属板的制造过程中，对金属板的表面赋予金属体。

对将金属体粉末散布于下侧金属板4的上表面而形成金属体层5的方法的一个例子进行说明。在将金属体粉末散布于下侧金属板4的上表面时，为了形成所期望的厚度的金属体层5，优选在下侧金属板4的上表面的没有形成金属体层5的部分、或在下侧金属板4的周边处配置厚度调整部件而进行散布。厚度调整部件为例如规定的厚度板状部件、在与金属体层的形成区域对应的部分具有开口的框状部件等。

然后，使用厚度调整部件，在下侧金属板4的上表面散布金属体粉末，形成所期望的厚度的金属体层5后，卸下厚度调整部件，将上侧金属板3重叠于金属体层5上，形成在2片金属板之间具有金属体层5的被焊接材料2。

使用的金属体粉末的粒径没有特别限定，只要考虑散布的作业性而选择即可。一次粒径优选为0.5μm以下。此外，在使用氧化锌作为金属体时，作为氧化锌粉末的散布，可例示出若相对于氧化锌层的宽度为0.6mm、氧化锌层的长度为100mm，将氧化锌层的厚度t设定为1～低于100μm，则在平均一次粒径为0.025μm的氧化锌粉末的情况下，散布0.34～13.44mg。

此外，金属板的种类或成分组成没有特别限定，只要制成可得到与用途相应的机械特性等的金属板即可。作为金属板，可以使用例如钢板、铝合金板、钛合金板、镁合金板等。作为钢板，可以使用例如镀锌钢板、镀铝钢板、热冲压、裸钢板等。此外，金属板的板厚没有特别限定。

本发明在金属板的板厚为0.5～3.2mm的范围时，最能得到效果。即使板厚低于0.5mm，也可得到焊接部的焊接接头强度提高的效果，但由于接头强度对板厚产生影响，所以接头整体的强度提高的效果变小，金属板部件的应用范围受到限定。此外，即使板厚超过3.2mm，也可得到焊接部的焊接接头强度提高的效果，但从金属板部件的轻量化的观点出发，金属板部件的应用范围受到限定。

重叠的金属板的片数没有特别限定，本发明的制法并不限于将2片金属板重叠而进行激光焊接时的应用，也可以应用于将3片以上的金属板重叠而进行激光焊接时。各金属板的种类或成分组成、及板厚可以全部相同，也可以相互不同。此外，将3片以上的金属板重叠而进行激光焊接时，可以在各金属板之间形成金属体层，也可以在一部分金属板之间形成金属体层。

(构成焊接接头的重叠部的形态)

焊接接头的制造中使用的金属板的形状只要是至少形成焊接接头的部分为板状即可，也可以整体不是板，例如为包含轧制成型为截面帽形的特定的形状的部件的凸缘部等的形状。此外，并不限定于由分开的金属板构成的焊接接头，也可以是将1片金属板成形为管状等规定的形状并将端部重叠而得到的重叠焊接接头。

接着，对(ii)的工序即相对于被焊接材料从金属板的重叠的方向进行激光焊接的方法进行说明。

(激光焊接装置)

本发明中，使用的激光焊接装置没有特别限定，可以采用以往的激光焊接装置。激光焊接装置中也可以使用远程激光头。但是，由于远程激光头高价，所以优选使用与以往的激光焊接装置同样的装置。

以往的激光焊接装置由激光振荡器、光路、聚光光学系统、驱动系统、保护气体系统等构成。作为激光振荡器，可以使用例如CO₂激光器、YAG激光器、光纤激光器、DISK激光器、半导体激光器等激光器。被激光振荡器振荡的激光通过光路被导入聚光光学系统。聚光光学系统由抛物面反射镜或聚光透镜等构成，将传送来的激光聚光。

激光的焦点位置为可变，例如设定于上侧金属板3的上表面。并且，对钢板照射被聚光的激光而进行焊接。并且，使驱动系统移动而进行焊接。此外，也可以不使用光路而使用由振荡器发出的光直接被导入聚光光学系统的半导体激光器。保护气体可以根据需要而使用。

(激光焊接方法)

激光焊接方法除了对在金属板之间具有金属体层5的被焊接材料2进行焊接以外，可以采用以往的激光焊接的条件。例如，可以使用以往的激光焊接装置，对在钢板之间具有氧化锌层作为金属体层5的被焊接材料2以激光输出功率为2～30kW、聚光光斑直径为0.1～1.0mm、焊接速度为0.1～60m/分钟的焊接条件进行。

此外，在激光焊接中形成的钥匙孔也可以按照将下侧金属板4贯通的方式形成。在不使下侧金属板4贯通的情况下，优选钥匙孔到达至下侧金属板4为止。此外焊接部的形状不仅是直线，也可以使用曲线、圆形状、环形状等。

通过像这样进行焊接，金属体被卷入熔融金属中，但由于金属体的沸点高于金属板的熔点，所以在熔融金属中没有立即变成气体。但是，由于钥匙孔中或其周围进一步变得高温，所以金属体变成气化粒子，由此，钥匙孔内的压力变高。其结果是，熔融金属被挤出到金属板间的间隙中，将重叠的金属板的合计板厚设定为t[mm]而将接合界面的熔融金属的宽度设定为0.6t^1/3+0.14[mm]以上，与优选重叠而焊接的金属板的表面及背面的焊接金属的宽度相比能够大大地扩大。通过像这样扩大接合界面的熔融金属的宽度，能够得到使剪切接头强度提高了的激光焊接接头。

如以上说明的那样，根据本发明，能够不使用高价的远程激光头而使用普通的激光焊接机，使激光焊接接头的剪切接头强度提高。此外，由于通过设置金属体层而变得不需要热处理，所以也不会使焊接时间增加，进而，由于能够抑制由热处理工序引起的热变形，所以部件的精度提高。

实施例

接着，对本发明的实施例进行说明。实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的一个条件例子，本发明并不限定于该一个条件例子。只要不脱离本发明的主旨而达成本发明的目的，则本发明可以采用各种条件。

(实施例1)

准备2片板厚为1.6mm、30mm×100mm的钢板。在一片钢板的上表面按照厚度成为20μm的方式散布氧化锌粉末(ZnO)，形成氧化锌层，将另一片钢板重叠在该氧化锌层上，制成被焊接材料1。此外，准备2片同样尺寸的钢板，在一片钢板的上表面不形成氧化锌层，在不是焊接部位的部分配置厚度为20μm的厚度调整部件，将另一片钢板重叠，制成在钢板之间具有20μm的间隙的被焊接材料2。另外，由于被焊接材料1及2在激光焊接后进行焊接部的截面观察及剪切拉伸试验，所以分别各制作2片。

对被焊接材料1及2的焊接部位使用YAG激光器，以光斑直径φ为0.6mm、激光输出功率为4.5kW、焊接速度为4.0mm/分钟的焊接条件进行30mm的焊接。以下，将所焊接的被焊接材料1及2分别作为试验片1及2。

接着，为了对试验片1及2进行焊接部的截面观察，相对于包含焊接部的钢板的重叠的方向平行地切断。在该截面中，测定被激光焊接的焊接部的接合界面的焊接金属的宽度。图3中表示氧化锌层的有无与焊接部的接合界面的宽度的关系。根据图3，试验片1具有试验片2的约1.5倍的焊接部的接合界面的宽度。

由于试验片1在钢板之间配置有氧化锌层，并且试验片2将厚度调整部件配置在不是焊接部位的部分，使试验片1及2中的钢板的间隔相同，所以试验片1及2中的焊接部的接合界面的宽度的不同来自氧化锌层的作用。

接着，基于剪切拉伸试验方法(JISZ3136)，对试验片1及2实施剪切拉伸试验。图4中表示氧化锌层的有无与剪切接头强度的关系。根据图4，试验片1相对于试验片2、剪切接头强度提高了10％左右。

如图3及图4中所示的那样，由于氧化锌层的有无相对于焊接部的接合界面的宽度及剪切接头强度的关系相同，即，在具有氧化锌层时，焊接部的接合界面的宽度及剪切接头强度变大，所以在试验片1中，剪切接头强度提高是由于焊接部的接合界面的宽度扩大。并且，焊接部的接合界面的宽度扩大是由于：通过在钥匙孔内的接合界面的附近氧化锌蒸气化而内压上升，从而熔融金属被挤出到重叠部中。

(实施例2)

调查氧化锌层的厚度对剪切接头强度的影响。试验片除了将氧化锌层的厚度设定为1μm、20μm、40μm、50μm、100μm以外，与试验片1同样地制成，以同样的激光焊接条件进行焊接。并且，基于JISZ3136，对这些试验片实施了剪切拉伸试验。

图5中表示氧化锌层的厚度与剪切接头强度的关系。图5中也一并示出试验片1及2的氧化锌层的厚度与剪切接头强度的关系。根据图5，将氧化锌层的厚度设定为1μm的试验片与试验片2相比、剪切接头强度提高。但是，将氧化锌层的厚度设定为100μm的试验片在接合界面的焊接金属内产生气孔，与试验片2相比剪切接头强度降低。

产业上的可利用性

根据本发明，能够不使用高价的远程激光头而使用普通的激光焊接机、不增加焊接时间地使激光焊接接头的剪切接头强度提高。因而，本发明在产业上的可利用性高。

符号的说明

1 焊接部

2 被焊接材料

3 上侧金属板

4 下侧金属板

5 金属体层

6 激光

a 焊接预定部位

t 金属体层的厚度

Claims (7)

1.一种激光焊接接头，其特征在于，其是将重叠配置的金属板从重叠的方向进行激光焊接而得到的焊接接头，其中，

在将重叠而焊接的金属板的合计板厚设为t时，接合界面的焊接金属的宽度为0.6t^1/3+0.14以上，

t的单位为mm，宽度的单位为mm。

2.根据权利要求1所述的激光焊接接头，其特征在于，所述接合界面的焊接金属的宽度大于所述重叠而焊接的金属板的表面及背面的焊接金属的宽度。

3.一种激光焊接接头的制造方法，其特征在于，其是将重叠配置的金属板从重叠的方向进行激光焊接的激光焊接接头的制造方法，其中，

在所述金属板的一个面上的焊接预定部位处，形成沸点高于所述金属板的熔点的金属或金属化合物的层，

将另一个金属板重叠在所述金属或金属化合物的层上，

按照包含所述金属或金属化合物的层的区域发生熔融的方式从钢板的重叠的方向照射激光而进行激光焊接。

4.根据权利要求3所述的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述金属或金属化合物的层通过涂布金属或金属化合物的粉末而形成。

5.根据权利要求3或4所述的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述金属或金属化合物为金属氧化物。

6.根据权利要求5所述的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述金属氧化物为氧化锌。

7.根据权利要求3～6中任1项所述的激光焊接接头的制造方法，其特征在于，在将所述重叠配置的金属板的合计板厚设为t时，所述金属或金属化合物的层的厚度为0.06t^1/2-0.01以下，

t的单位为mm，厚度的单位为mm。