CN107427962B - 激光叠焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明课题在于，在对于多个重叠的工件在一侧表面的从焊接开始端到焊接终端部的扫描区间照射激光进行焊接的激光叠焊方法中，防止在激光扫描的焊接终端部易发生的凝固裂纹，提高重叠工件的接合强度。本发明的激光叠焊方法对于多个重叠的工件(10，11)，在一侧表面(10a)的从焊接开始端(S)到焊接终端部(E)的直线扫描区间，通过使得激光(L)扫描，直线状照射，进行焊接，若来到到达焊接终端部(E)一定时间前的激光输出控制位置，则控制使得在到达焊接终端部(E)前逐渐降低照射激光的输出，接着，若到达焊接终端部(E)，则绕着该终端部的工件的厚度方向轴线转动扫描，使得熔融金属的熔融部分圆形状地流动。

Description

激光叠焊方法

技术领域

本发明涉及激光叠焊方法(laser lap welding method)，其对于多个重叠工件的一侧表面的从焊接开始端到终端部的焊接扫描区间照射激光，进行焊接。

背景技术

一般，在这种激光搭接焊接中，例如，如图7所示，使得激光头4对二块重叠的钢板制工件1、2的一侧表面3直线扫描，照射激光L，局部熔融一侧工件1的金属，该熔融金属5a通过板间隙d熔敷在另一侧工件2，通过凝固使得工件1、2焊接。此时，照射在一侧表面3激光L的照射直径设定为最小的聚光直径(聚焦状态)，使得激光能量的输出效率良好，通过焊接开始端、从该开始端到焊接终端部的中途、以及焊接终端部，上述最小的聚光直径大致相同，由此，将激光输出维持为一定，该激光的能量密度成为最大。

但是，在以往的激光搭接焊接中，从焊接开始端到终端部之间，若使得激光输出维持为所设定区间一定，则例如图8所示，在焊接终端部的一侧表面3产生缩孔6，因该原因，工件1、2的接合强度降低。这样在工件1、2的焊接终端部产生缩孔6是由于以下原因：一边将局部连续照射激光L而熔融的金属5a撵到焊接扫描方向前方的缩孔6内一边焊接，撵到缩孔6内的熔融金属5a从周边顺序冷却凝固。另一方面，由于不能从前方充分地向缩孔6内供给熔融金属5a，直到焊接终端部，因此，完全填埋缩孔6内的材料不足，若熔融的金属材料5a一边从周边顺序冷却凝固一边收缩，则在其中央部分的厚度方向发生缩孔6，有的场合成为贯通孔。

于是，以往，采用以下焊接方法：当激光到达焊接终端部时，并不立刻停止激光照射，而是如专利文献1记载那样，使得激光输出随着向着焊接终端部E逐渐降低。若这样在焊道5的焊接终端部，使得激光输出逐渐降低，则熔入深度逐渐变浅，因此，焊接终端部中的开孔发生频度确实减少。

【专利文献1】日本特开2007-313544号公报

但是，在上述以往的激光搭接焊接中，即使焊接终端部中的开孔发生频度减少，如图9(A)所示，焊道5的熔融的金属5a依然冷却，沿着焊接扫描方向X细长地凝固，当该熔融的金属5a凝固时，在工件1的表面上的焊接终端部发生比较深的凹缩孔6，并且，在缩孔6，如图9(B)所示，在靠近与另一侧工件2的板间隙d处，发生产生深的龟裂(内部龟裂)r的凝固裂缝，存在因该凝固裂缝原因使得重叠工件1、2的接合强度降低的课题。

发明内容

本发明的目的在于，在对于多个重叠工件的一侧表面的从焊接开始端到焊接终端部的扫描区间照射激光进行焊接的激光叠焊方法中，防止在激光扫描的焊接终端部易发生的凝固裂缝，提高叠合工件的接合强度。

为此，本发明人经过多次研究试验得知对于多个重叠工件的一侧表面照射激光进行搭接焊接时在焊接终端部易发生凝固裂缝的发生机理。即，凝固裂缝例如图6(A)所示，若在焊接终端部停止一侧表面3的激光照射，结束激光搭接焊接，则如图6(B)所示，焊道5的熔融金属5a一边顺序从周围冷却，开始凝固，一边收缩，发生拉伸应力P，如图6(C)所示，在该焊道5的中央部分，沿着扫描方向X，形成俯视为细长的缩孔6，随着熔融金属5a的凝固直线状前进，拉伸应力P增强，于是，因强的拉伸应力P，熔融金属5a逐渐变薄，出现凹部，如图6(D)所示，缩孔6从初始底浅的凹槽状变形为底深的锐角的V形槽形状，拉伸应力P集中在呈V形槽形状的缩孔6，因该原因，在焊接终端部，从深凹为V形槽形状的缩孔6在扫描方向产生长的龟裂r，引起凝固裂缝。

于是，本发明人得知，若如上所述直线扫描，激光照射位置来到焊接终端部，则不停止激光照射，在该终端部绕着工件的厚度方向轴线Q作俯视为圆形的一定时间转动扫描，使得熔融金属的熔融部分圆形状地搅拌混合，使得熔融金属开始凝固时产生的拉伸应力均一化，由此，能阻止熔融金属凝固为向着直线的激光扫描方向的线状而导致拉伸应力集中在凹槽状的缩孔，能防止在焊接终端部从凹成V形槽形状的缩孔产生龟裂引起凝固裂缝。即，得知通过利用因熔融金属凝固时产生的拉伸应力为原因引起的凝固裂缝的现象，能解决上述以往技术的课题，完成本发明。

即，权利要求1涉及的发明例如以下所示的图示实施形态，涉及一种激光叠焊方法，对于多个重叠的工件10、11，在一侧表面10a的从焊接开始端S到焊接终端部E的直线扫描区间，通过使得激光L扫描，直线状照射，进行焊接，其特征在于，若来到到达焊接终端部E一定时间前的激光输出控制位置，则控制使得在到达焊接终端部E前逐渐降低照射激光的输出，接着，若到达焊接终端部E，则绕着该终端部的工件的厚度方向轴线转动扫描，使得熔融金属的熔融部分圆形状地流动。

权利要求2记载的发明系在权利要求1记载的激光叠焊方法中，其特征在于，例如以下所示的图示实施形态，若激光照射位置来到上述激光输出控制位置，则控制使得直线状地扫描，照射激光L的扫描速度逐渐为高速，在到达焊接终端部E前逐渐降低照射激光的能量密度。

权利要求3记载的发明系在权利要求1记载的激光叠焊方法中，其特征在于，例如以下所示的图示实施形态，使得在上述焊接终端部的激光的转动扫描以比到达上述焊接终端部前的直线状照射激光的扫描速度低的低速度、且比直线状照射激光输出低的低输出进行。

下面说明本发明的效果:

根据权利要求1记载的发明，激光直线扫描，若激光照射位置来到将要到达焊接终端部前的输出控制位置，则控制使得在到达焊接终端部前逐渐降低照射激光的输出，进行焊接，因此，其焊接部位的焊透深度逐渐变浅，因此，能使得在焊接终端部发生贯通孔的频度减少，由此，能提高重叠工件的接合强度。接着，若这样直线扫描，激光照射位置到达焊接终端部，则不停止激光照射，绕着工件厚度方向轴线，以俯视为圆形地转动扫描一定时间，使得熔融金属的熔融部分圆形地流动，因此，当该熔融部分在焊接终端部开始凝固时，通过绕着重叠工件的厚度方向轴线圆形地转动扫描，使得金属的熔融部分流动，搅拌混合，使得熔融金属凝固时产生的拉伸应力均一化，能阻止熔融金属凝固为向着直线的激光扫描方向的线状而导致拉伸应力集中在缩孔，能有效地防止在焊接终端部从深凹成V槽形状的缩孔产生龟裂引起凝固裂缝。

根据权利要求2记载的发明，若激光照射位置来到将要到达焊接终端部前的激光输出控制位置，则控制使得直线状地照射激光的扫描速度逐渐为高速，进行激光扫描，每单位时间供给到激光被照射部位的能量减少，结果，激光输出逐渐降低，能得到同样的效果。即，若直线扫描，激光照射位置来到将要到达焊接终端部前的输出控制位置，则控制在到达焊接终端部前使得照射激光的能量密度逐渐减少，进行焊接，因此，其焊接部位的焊透深度逐渐变浅，因此，能使得在焊接终端部发生贯通孔的频度减少，由此，能提高重叠工件的接合强度。

根据权利要求3记载的发明，通过使得在焊接终端部的激光的转动扫描以比到达焊接终端部前的直线状照射激光的扫描速度低的低速度、且比直线状照射激光输出低的低输出进行，每单位时间供给焊接终端部的激光被照射部位的能量增大，因此，结果，熔融金属的熔融部分更有效地圆形地流动，使得熔融金属凝固时产生的拉伸应力有效地均一化，其结果，能抑制在焊接终端部熔融的金属凝固为线状而导致拉伸应力集中在缩孔，能防止在焊接终端部从凹下的缩孔产生龟裂引起凝固裂缝。

附图说明

图1是说明本发明涉及的激光叠焊方法的从焊接开始端到焊接终端部的焊接加工处理的模式图。

图2是表示实施本发明的激光焊接装置的结构的侧面图。

图3是使用本发明方法制造的汽车用钢板制框架的外观立体图。

图4(A)表示在焊接终端部发生的焊道的平面形状，(B)是表示在焊接终端部发生的缩孔状态的线G-G截面的显微镜照片。

图5是说明本发明涉及的激光叠焊方法的从焊接开始步骤到焊接结束步骤的焊接处理的流程图。

图6是分阶段地说明焊接终端部的凝固裂缝发生机理的模式图。

图7是说明以往的重叠工件的激光焊接方法的模式图。

图8是说明在以往的重叠工件的激光焊接方法中在焊接终端部发生缩孔状态的模式图。

图9(A)表示在以往的激光焊接方法中在焊接终端部产生的凝固裂缝的平面形状，(B)是表示在以往的激光焊接方法中在焊接终端部发生的凝固裂缝状态的线D-D截面的显微镜照片。

图中符号意义如下:

A—直线扫描工序

B—旋转扫描工序

C—控制装置

E—焊接终端部

F—钢板制框架

L—激光

H—激光焊接头

P—拉伸应力

S—焊接开始端

X—扫描方向

6—缩孔

10、11—工件

具体实施方式

下面，参照图1～图6详细说明用于实施本发明的形态。与上述以往技术例子相同的部件，标以相同符号说明。

本发明的实施形态涉及的激光叠焊方法如图1所示从焊接开始端S到终端部E的焊接加工处理那样，对于重叠工件10、11，在一侧表面10a的从焊接开始端S到焊接终端部E的一定的直线扫描区间，使得激光扫描，直线状照射，进行焊接，若来到将要到达焊接终端部E前的激光输出控制位置，则控制使得在到达焊接终端部E前逐渐降低照射激光的输出，接着，设定为绕着焊接终端部E的工件的厚度方向轴线转动扫描，使得熔融金属的熔融部分流动为圆形状。

在本实施形态中，可以是在焊接部位具有互相重合的板状部的工件，即使双方全体不是平板的板状体，即使某一方是板状体或双方都在局部具有重合的板状部的工件，也能采用。又，在本实施形态中，采用板状的工件10、11两块重合焊接的形态，但是，也可以采用板状的工件三块重合焊接的实施形态。

于是，在图示实施形态中，如图2所示，使用激光焊接装置实施本发明的激光叠焊方法，如图3所示，在重叠工件的截面檐形框架部件10上焊接另一面板部件11，例如，设为制造汽车用车体的钢板制框架F。设有控制装置C以及在基于预先修正重叠工件间的焊接位置的偏移而得到的焊接位置数据进行焊接的焊接工序中使用的焊接头H。

在图示实施形态中，使用本发明的激光叠焊方法制造的钢板制框架F使用薄钢板，如图2所示，框架部件10由截面呈“コ”形状的框架本体13以及从框架本体13的幅板(纵壁部)14的两侧缘弯曲延伸的凸缘15构成，压力成形为截面檐型，在该框架部件10的凸缘15，将与该凸缘对向接合的面板部件11焊接在R圆角停止位置12附近，进行制造。

在图示实施形态中，使用于重叠工件10、11的钢板板厚在0.6mm～3mm范围内，激光L的输出设定为2kW～6kW的范围内，激光焊接头H的焊接扫描速度根据工件10、11的板厚等不同，当激光输出为2kW、焊接开始端S的工件10表面10a的激光照射直径为0.6mm、以及工件10、11的板厚为0.7mm场合，激光焊接头H的焊接扫描速度设定为2m/min。

在此，激光焊接装置设有焊接机械手R，以及驱动控制焊接机械手R的控制装置C。焊接机械手R通过使得激光焊接头H的焊枪从离开焊接位置的隔开位置射出激光L的遥控激光焊接方式进行焊接。在图2中，符号16表示焊接机械手R的支持装置，符号17表示机械手臂。

控制装置C构成为电气控制激光焊接装置整体，与将焊接部件定位保持在所设定的载置位置的焊接器具电连接，通过机械手控制器，驱动控制伺服电机，使得激光焊接头H动作，同时，控制光源的激光振荡器，从激光照射部射出线激光，实行搭接焊接。

使用上述构成的激光焊接装置，在压力成形为截面檐形的框架部件10的凸缘15，在R圆角停止位置附近，搭接焊接与凸缘15重叠接合的另一面板部件11，制造钢板制框架F，关于上述激光叠焊方法，参照图1、图4、以及图5，说明如下:

(1)第一焊道(pass):直线扫描工序A

首先，本实施形态涉及的激光搭接焊接使得截面檐形的框架部件10的凸缘15与另一面板部件11接合，在厚度方向上下重合状态下，定位设置在焊接器具上的所设定的载置位置后，使得激光L对一侧表面10a扫描，从上方照射(步骤S1)。这时，激光从焊接开始端S以一定的激光输出、且一定的扫描速度直线状地开始扫描，在一定的直线扫描区间直线状照射激光，直到焊接终端部E(步骤S2)。

此后，控制装置C检测开始激光照射后经过所设定时间激光照射位置是否来到将到达焊接终端部E前的一定的输出控制位置(步骤S3)。即，若激光直线扫描照射的位置来到将到达焊接终端部E前、例如0.1秒前的激光输出控制位置，则控制使得照射激光的输出随着向着焊接终端部E逐渐降低(步骤S4)。例如，激光输出控制位置位于从焊接开始端S到焊接终端部E的中途部位，将激光L的照射直径设定为使得在焊接终端部的激光照射直径比在激光输出控制位置的激光照射直径大，使得激光输出随着从激光输出控制位置向着焊接终端部E逐渐降低，各焊接部位的焊透深度逐渐变浅，因此，能使得在焊接终端部E发生贯通孔的频度减少，由此，能提高重叠工件10、11的接合强度。

再有，在本实施形态中，若激光照射位置来到将到达焊接终端部E前的激光输出控制位置，则通过使得直线状照射的激光扫描速度逐渐高速，进行激光扫描，每单位时间照射在激光照射位置的激光的能量密度减少，结果，激光输出逐渐降低，能得到同样的效果。

在本实施形态中，通过并用使得激光输出连续地或阶梯地降低的下降或衰减，能得到更良好形状的焊道。

(2)第二焊道:转动扫描工序B

接着，在本实施形态中，经过直线扫描工序A后，若直线扫描激光照射位置来到焊接终端部E(步骤S5)，则控制装置C不停止激光照射，绕着厚度方向轴线以俯视图为圆形转动扫描一定时间(例如，0.19秒)，使得熔融金属的熔融部分流动为圆形(步骤S6)。然后，结束激光焊接(步骤S7)。

在本实施形态中，经过直线扫描工序A后，若直线扫描激光照射位置来到焊接终端部E，则不停止激光照射，绕着工件厚度方向轴线以俯视图为圆形转动扫描一定时间，使得熔融金属的熔融部分流动为圆形，因此，即使该熔融部分开始冷却凝固，通过绕着重叠工件的厚度方向轴线圆形地转动扫描，使得金属的熔融部分流动，搅拌混合，使得熔融金属凝固时产生的拉伸应力均一化，能阻止熔融金属凝固为向着直线的激光扫描方向的线状而导致拉伸应力集中在缩孔，能有效地防止在焊接终端部从深凹成V槽形状的缩孔产生龟裂引起凝固裂缝。

在本实施形态中，在该转动扫描工序B中，优选使得在焊接终端部E的激光的转动扫描以比到达焊接终端部E前的直线状照射激光的扫描速度低的低速度、且比直线状照射激光输出低的低输出进行。因此，根据本实施形态，通过使得在焊接终端部E的激光的转动扫描以比到达焊接终端部前的直线状照射激光的扫描速度低的低速度、且比直线状照射激光输出低的低输出进行，每单位时间供给焊接终端部的激光被照射部位的激光的能量密度增大，因此，结果，熔融金属的熔融部分更有效地流动为圆形，使得熔融金属凝固时产生的拉伸应力有效地均一化，其结果，能抑制在焊接终端部熔融的金属凝固为线状而导致拉伸应力集中在缩孔，能防止在焊接终端部从凹下的缩孔产生龟裂引起凝固裂缝。

在图示例中，在转动扫描工序B中，激光的转动扫描方向在图1中为逆时钟方向，但是，只要在焊接终端部E绕着工件的厚度方向轴线转动扫描，使得熔融金属的熔融部分圆形状地流动，也可以朝相反的时钟方向转动扫描，不管转动扫描的方向。

Claims (2)

1.一种激光叠焊方法，对于多个重叠的工件，在焊接部位重合的状态下载置在焊接器具上，作为直线扫描工序，从一侧表面的焊接开始端以一定的激光输出且一定的扫描速度进行直线扫描，照射激光(L)，若激光照射位置来到到达焊接终端部一定时间前的激光输出控制位置，则控制使得在到达焊接终端部前随着向着焊接终端部逐渐降低照射激光的输出，接着，作为转动扫描工序，若到达焊接终端部(E)，则使激光绕着该终端部的工件的厚度方向轴线转动扫描，使得熔融金属的熔融部分圆形状地流动，从而进行焊接，其特征在于:

通过使得在上述焊接终端部的激光的转动扫描以比到达上述焊接终端部前的直线状照射激光的扫描速度低的低速度、且比直线状照射激光输出低的低输出进行，每单位时间供给焊接终端部的激光被照射部位的激光的能量密度增大，

在直线扫描与转动扫描之间不停止激光照射。

2.根据权利要求1中记载的激光叠焊方法，其特征在于:

若上述激光照射位置来到上述激光输出控制位置，则控制使得直线状地扫描，照射激光(L)的扫描速度逐渐为高速，在到达焊接终端部前逐渐降低照射激光的能量密度。