CN107824964A - 铝接合体的制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种既能够确保用于保证接合强度的束斑直径，又能够减少熔融凝固部的裂纹的铝接合体的制造方法。铝接合体的制造方法具有如下工序：在第一铝构件上重叠导电率比第一铝构件(31)高的第二铝构件(33)，使其和第一铝构件(31)形成搭接接头的工序；从第二铝构件侧照射高能束，形成贯通搭接接头的熔融凝固部(35)的能束焊接工序。

Description

铝接合体的制造方法

技术领域

本发明涉及铝接合体的制造方法。

背景技术

近年来，在汽车中，为了提高燃油效率而必须使构件轻量化。铝或铝合金因为轻量、且比强度(单位重量下的强度)大，轻量化成本也低，所以适于量产。

那么，激光焊接等的能束焊接，既能够减少线能量，又能够形成深熔深的接合部。此外近年来，一边由反射镜扫描激光束一边进行焊接的所谓遥控焊接正在普及。在这样的遥控焊接中，可以对激光束进行圆周状、螺旋状(涡旋状)、平行线状、Z字状等各种形态下的扫描(例如参照专利文献1)。

在铝或铝合金这样的热膨胀系数大的材料中，因为熔融部急速凝固，所以容易发生裂纹。特别是在点焊(光束点焊)中，熔融部沿周向被拉伸，因此更容易发生裂纹。因此，为了缓和熔融部的凝固速度，已知一种方法，其通过在形成点状的熔融凝固部后，包围该熔融凝固部的外周而扫描激光束，以缓和熔融部的凝固速度，从而抑制裂纹(例如参照专利文献2)。

另外，还已知有一种方法，其通过一边缩小束斑直径，一边依次减小束斑对多个照射区域的热量而进行光束照射并焊接，由此抑制熔融凝固部的大小的偏差，抑制裂纹(例如参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011－173146号公报

专利文献2：日本特开2015－199097号公报

专利文献3：日本特开2015－221446号公报

但是，从确保接合部的强度这一观点出发，光束点焊优选束斑直径(熔融凝固部的俯视直径)为3mm以上，但随着斑直径变大，裂纹变得容易发生。铝或铝合金因为热膨胀系数大，所以仅凭激光束的扫描方法等的施工条件的调整难以抑制裂纹。

发明内容

本发明鉴于上述状况而形成，其目的在于，提供一种既能够确保用于保证接合强度的束斑直径，又能够减少熔融凝固部的裂纹的铝接合体的制造方法。

本发明由下述结构构成。

一种铝接合体的制造方法，其具有如下工序：在第一铝构件上重叠导电率比所述第一铝构件高的第二铝构件，使其和所述第一铝构件形成搭接接头的工序；从所述第二铝构件侧照射高能束，形成贯通所述搭接接头的熔融凝固部的能束焊接工序。

根据本发明的铝接合体的制造方法，能够一边确保用于保护接合强度的束斑直径，一边减少熔融凝固部的裂纹。

附图说明

图1是第一构成例的铝接合体的制造方法所用的激光焊接装置的整体结构图。

图2是在光束照射方向上剖视图1所示的铝接合体的剖面图。

图3是散焦形成光束照射部的示意图。

图4是由同心圆状的光束扫描形成的光束照射部的示意图。

图5是由螺旋状的光束扫描形成的光束照射部的示意图。

图6是发生了裂纹的熔融凝固部的示意图。

图7是以剖面图表示上板构件的导电率高时的熔融凝固部的状态的说明图。

图8是以剖面图表示下板构件的导电率高时的熔融凝固部的状态的说明图。

图9是通过激光点焊接合的搭接接头的透视图。

图10是通过激光连接焊接合的搭接接头的透视图。

图11是表示将6022材与3003材进行了上下交换时的裂纹长度变化的图解。

图12是表示将6022材与Al－1wt％Fe材进行上下交换时的裂纹长度变化的图解。

图13是表示将6022材作为上板，将包覆材作为下板时的裂纹长度的图解。

图14是表示将包覆材作为上板，将6022材作为下板时的裂纹长度的图解。

具体实施方式

以下，对于本发明的实施方式参照附图详细地加以说明。

图1是第一构成例的铝接合体的制造方法所用的激光焊接装置的整体结构图。

在本构成的铝接合体的制造方法中，能够适用高能束焊接。作为高能束焊接，可列举激光焊接和电子束焊接等。

在激光焊接法中，有使用焦距长的聚光光学系统进行焊接的遥控焊接法。在此遥控焊接法中，还有以电流镜(原文：ガルバノ·ミラー)扫描激光的反射镜·扫描法、和以机器人的动作挥动焦距长的焊炬而进行焊接的机器人·扫描法。这些方法与接近工件进行焊接的通常的激光焊不同，具有能够在焊炬和焊接物的干扰下不受限制地进行焊接的优点。另外，反射镜·扫描法可以进行高速的多点焊接。机器人·扫描法中，大幅压缩多点焊接时的空气切割时间虽然在机器人的动作控制上困难，但是却具有能够廉价地实现遥控焊接的优点。

在本构成的铝接合体的制造方法中，说明使用基于反射镜·扫描法的激光焊接装置11而进行点焊的激光点焊的情况。还有，也可以使用电子束进行电子束焊接来代替激光束。

基于反射镜·扫描法的激光焊接装置11具有如下：激光振荡器13、激光扫描头15、和对它们进行控制的控制装置17。激光扫描头15由凹透镜19、聚光透镜21、致动器23和反射镜25等构成。

激光振荡器13基于来自控制装置17的指令输出激光27。该激光27的能量输出值可以由来自控制装置17的指令加以调整。从激光振荡器13输出的激光27被凹透镜19放大，由聚光透镜21聚集后，被反射镜25反射，作为高能束(激光束29)照射到焊接预定位置。作为激光束29，可以使用CO₂激光、YAG激光、纤维激光、盘形激光、半导体激光等的各种方式的激光束。

聚光透镜21可以借助致动器23沿光轴方向高速移动来构成。而且，激光27的焦距，通过聚光透镜21沿光轴方向的移动进行调整。激光27的焦点位置也是激光27的照射面积(束斑直径)达到最小、且激光27的能量密度达到最高的位置。聚光透镜21的致动器23与控制装置17连接，焦距由控制装置17控制。

因此，在激光焊接装置11中，通过使激光扫描头15的反射镜25倾斜，便能够以希望的焦距，高速且随意地照射从聚光透镜21输出的激光27。

图2是在光束照射方向上剖视图1所示的铝接合体的剖面图。

使用上述的激光焊接装置11形成搭接接头的铝接合体的制造方法中，具有搭接接头形成工序和能束焊接工序。搭接接头形成工序是在第一铝构件上重叠“导电率”比第一铝构件31高的第二铝构件33，使其和第一铝构件31形成搭接接头的工序。在此，导电率以IACS(international annealed copper standard：国际退火铜标准导电率)表示。

一般来说，材料的导电率和导热率的关系，可知有维德曼-弗兰兹定律(Wiedemann-Franz law)，即，材料为金属时，电子数越多，电子导热越大。导电率例如按铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)的顺序变高。导热率也按同样的顺序变高。即，导电率与导热率成正比。

设第一铝构件31的导电率为W1，第二铝构件33的导电率为W2时，导电率优选例如使其差在7以上。

第一铝构件31和第二铝构件33，可以使用1000～8000系的铝或铝合金。在机械的强度这一点上，适合使用5000系、6000系、7000系的合金，不仅可以作为单层的材料构成，也可以作为在表面设有铝(Al-Si系合金)的包覆层的构成。

能束焊接工序是在下板的第一铝构件31上重叠有上板的第二铝构件33的搭接接头之中，从导电率高的第二铝构件侧(上板侧)照射激光束29的工序。激光束29形成贯通搭接接头的熔融凝固部35。在铝接合体的制造方法中，如后述，通过在上侧配置导电率高的(即导热率高的)材料，能够降低拉伸应力。

焊接部的激光束29的射束直径为0.3～4.0mm。激光束直径能够根据线能量和光束的扫描方法适宜调整。激光点焊的光束照射也可以是所谓的小孔型，但也可以是使光束的焦点在被焊接材的厚长方向上移位而散焦。另外，光束的扫描方法如后述，能够进行同心圆状、涡旋状等任意设定。

图3是散焦形成的光束照射部的示意图。

激光点焊也可以使激光束散焦而进行。散焦光束37能够通过图1所示的激光焊接装置11的控制装置17，例如通过致动器23的驱动，使聚光透镜21在沿光轴的方向上移动而实施。

图4是由同心圆状的光束扫描形成的光束照射部的示意图。

另外，激光点焊也可以使激光束29以同心圆状多次扫描而进行。激光束29的同心圆状扫描是对于最初照射到激光束29的初始照射范围39的外周部以同心圆的图案连续照射。激光束29的同心圆状扫描，能够由图1所示的激光焊接装置11的控制装置17对反射镜25进行倾斜驱动来实施。

图5是螺旋状的光束扫描形成的光束照射部的示意图。

此外，激光点焊也可以使激光束29以螺旋状多次扫描而进行。激光束29的螺旋状扫描，是从焊接部的中心部朝向外周侧以涡旋状连续照射。激光束29的螺旋状扫描与前述的同心圆扫描一样，能够通过反射镜25的倾斜驱动来实施。

其次，说明上述构成的作用。

图6是发生了裂纹的熔融凝固部的示意图。

在铝接合体的制造方法中，焊接热源是移动热源，由此焊接部受到热循环。焊接部随着热源接近，温度急剧上升，达到最高到达温度之后冷却。这时发生的焊接部的裂纹41很大程度依存于冷却特性。冷却特性的主要内容一般是冷却速度和冷却时间，但在本发明中，除此之外还着眼于焊接物的导电率(导热率)。

根据该铝接合体的制造方法，在第一铝构件上，重叠导电率比第一铝构件31高的第二铝构件33而形成搭接接头。以此状态从第二铝构件侧照射激光束29，形成贯通搭接接头的熔融凝固部35。这时，熔池从上板的第二铝构件33直至下板的第一铝构件31被形成。该熔池在熔融部凝固时，因为从下板部分缓缓凝固，所以难以发生凝固裂纹。

图7是以剖面图表示上板构件的导电率高时的熔融凝固部35的状态的说明图。图中，Fa表示拉伸应力。

上板一方比下板的导电率高时，在凝固慢的下层部发生的裂纹和应变，难以传播到上层部，因此裂纹41小或不发生。

图8是以剖面图表示下板构件的导电率高时的熔融凝固部35的状态的说明图。图中，Fb表示拉伸应力。

下板一方比上板的导电率高时，因为凝固快，所以在下层部发生的裂纹和应变，容易传播到凝固慢的上层部。其结果是，上层部的裂纹41比图7所示的情况大。另外，各个情况的拉伸应力为Fa＜Fb的关系。

在熔融凝固部35中，冷却后发生收缩造成的拉伸应力。若焊接部被焊接，则由于温度上升而膨胀，又由于其后的冷却而发生收缩。这时，大的拉伸应力从焊接部邻域作用于熔融凝固部35。根据本构成例，熔融部凝固时，因为凝固从下板部分慢慢进行，所以该拉伸应力被流动的熔融部逐步释放，难以残留在熔融凝固部内。

另外，根据此铝接合体的制造方法，作为目标的熔融凝固部35的中心形成初始熔池。在激光点焊中，以该熔池为中心，使激光束29以同心圆状或螺旋状多次扫描。由此，用于形成熔融凝固部35所需大小的熔池能够由初始熔池放大形成。另外，激光束29因为可以进行朝向任意方向的扫描，所以也能够形成正圆以外的长圆和椭圆等的熔融凝固部35。

另外，根据铝接合体的制造方法，使激光束29散焦，在作为目标的熔融凝固部35的中心形成初始熔池。散焦光束37因为照射面积大，所以不用扫描激光束29，就能够一次制造出用于形成熔融凝固部35所需的要求面积的熔池。还有，由于激光束29的能量密度变少而致使照射深度变浅，但能够确保与不进行散焦时同等的熔融金属量。另外，希望的照射深度，例如可以由光束照射时间来加以控制。

接下来，说明上述的铝接合体的制造方法的变形例。

(变形例1)

使第一铝构件31和第二铝构件33为仅是调质处理不同的相同组成的热处理型的铝合金。

在热处理型的铝合金中，经固溶处理而固溶的元素，经过时效处理而作为析出物析出。根据该析出物的状态不同，导电率的差异发生。

因此，使用作为相同材料的热处理型的铝合金所构成的板材，根据对其实施的固溶处理、时效处理的有无，或使固溶处理、时效处理的加热温度和保持时间等的热处理条件不同，会致使导电率拥有差异。其结果是，即使是使用了相同的铝构件的搭接接头，通过选择性地实施固溶化处理和时效处理，也能够成为上板使用导电率高的铝构件，下板使用导电率低的铝构件的构成，并可以抑制熔融凝固部35的裂纹41。

(变形例2)

图9是通过激光点焊接合的搭接接头的透视图，图10是通过激光连接焊接合的搭接接头的透视图。

上述熔融凝固部35如图9所示，能够由激光点焊形成，但如图10所示，其也能够由激光束29进行的激光连接焊形成。

如以上，本发明不受上述的实施方式限定，使实施方式的各构成相互组合，以及基于说明书的记述和众所周知的技术，本领域技术人员就其进行变更、应用的容易，也在本发明的预计之中，包含在要求保护的范围内。

【实施例1】

图11是表示将6022材与3003材上下交换时的裂纹长度的变化的图解。还有，以后所示的各柱状统计图表中，也一并显示通过多次测量而求得的可靠界限。

(实验条件)

(a)对板厚1.0mm的6022－T4材和3003－0材进行搭焊。

(b)激光焊接中，激光光斑直径：3.5mm，激光输出功率：5.5kw，照射1秒钟。

(c)激光装置使用YLS－6000－S4(IPG Photonics制)。

(d)导电率测量装置使用SIGMATEST测量仪(フェルスター社制)。

(e)激光照射侧的裂纹长度，由光学显微镜测量。

还有，关于(c)～(e)，在第二、第三实施例中也以同样的条件进行。

(结果)

各试样的裂纹长度显示在图11中。相比上板为3003材、下板为6022材的搭接接头，上板为6022材、下板为3003材的搭接接头这一方的裂纹长度更长。

(考察)

相比上板为3003材、下板为6022材的搭接接头，上板为6022材、下板为3003材的接头这一方的裂纹长度之所以更长，原因被认为是上板与下板的导热率不同。关于导热率，6022材约为45％IACS，3003材约为47％IACS。也就是说，相比6022材，3003材一方的导热率高。下板的一方比上板的导热率低时，可认为下板部分的熔池宽度比上板部分小。因此，上板为3003材、下板为6022材的搭接接头中，在熔融部凝固时，从下板部分慢慢凝固，认为凝固裂纹难以发生。

【实施例2】

图12是表示将6022材与Al－1wt％Fe材上下交换时的裂纹长度的变化的图解。

(实验条件)

(a)对于板厚1.0mm的6022－T4材和Al－1wt％Fe材进行搭焊。

(b)激光照射中，激光光斑直径：3.5mm，激光输出功率：5.5kw，照射1秒钟。

(结果)

各试样的裂纹长度显示在图12中。相比上板为Al－1wt％Fe材、下板为6022材的接头，上板为6022材、下板为Al－1wt％Fe材的接头的方面其裂纹长度更长。

(考察)

相比上板为Al－1wt％Fe材、下板为6022材的搭接接头，上板为6022材、下板为Al－1wt％Fe材的搭接接头的一方其裂纹长度之所以更长，原因被认为是上板与下板的导热率不同。关于导热率，6020材约为45％IACS，Al－1wt％Fe材约为58％IACS。也就是说相比6022材，Al－1wt％Fe材这一方的导热率高。下板一方比上板的导热率低时，可认为下板部分的熔池宽度比上板部分小。因此，上板为Al－1wt％Fe材、下板为6022材的搭接接头，在熔融部凝固时，从下板部分慢慢凝固，因此认为难以发生凝固裂纹。

【实施例3】

图13是表示以6022材为上板，以包覆材为下板时的裂纹长度的图解，图14是表示以包覆材为上板，以6022材为下板时的裂纹长度的图解。

(实验条件)

(a)对于板厚1.0mm的6022－T4材和包覆材进行搭焊。所使用的包覆材的一览显示在表1中。包覆材具有表1所示的芯材组成，余量是Fe和不可避免的杂质。

(b)激光照射中，激光光斑直径：3.5mm，激光输出：505kw，照射1秒钟。

【表1】

(结果)

各试样的裂纹长度显示在图13、图14中。包覆材皮材的Si浓度越高，裂纹长度越短。另外，相比图13所示的上板为6022材、下板为包覆材的搭接接头，图14所示的上板为包覆材、下板为6022材的搭接接头这一方的裂纹长度更长。

(考察)

相比上板为6022材、下板为包覆材的搭接接头，上板为包覆材、下板为6022材的搭接接头这一方的裂纹长度之所以更长，原因被认为是上板与下板的导热率不同。导热率中，包覆材为40～45％IACS，6022材约为

45％IACS。也就是说，6022材一方的导热率比包覆材高。下板这一方比上板的导热率低时，可认为下板部分的熔池宽度比上板部分小。因此，上板为6022材、下板为包覆材的搭接接头，在熔融部凝固时，因为从下板部分慢慢凝固，因此认为凝固裂纹难以发生。

如以上，本说明书中公开有如下事项。

(1)一种铝接合体的制造方法，其具有如下工序：在第一铝构件上重叠导电率比所述第一铝构件高的第二铝构件，使其和所述第一铝构件形成搭接接头的工序；和从所述第二铝构件侧照射高能束，形成贯通所述搭接接头的熔融凝固部的能束焊接工序。

根据该铝接合体的制造方法，在第一铝构件上，重叠导电率比第一铝构件高的第二铝构件而形成搭接接头。以此状态从第二铝构件侧照射高能束，形成贯通搭接接头的熔融凝固部。这时，熔池从上板的第二铝构件直至下板的第一铝构件连续形成。该熔池被认为，导热率低的下板的第一铝构件比上板的第二铝构件的熔池宽度小，其结果是，熔融部凝固时，从下板部分慢慢凝固，凝固裂纹难以发生。

(2)根据(1)的铝接合体的制造方法，其中，以所述利用高能束的点焊形成所述熔融凝固部。

根据该铝接合体的制造方法，由高能束形成熔融凝固部。因为高能束是高能量密度的集中热源，所以加工时能够减少对第二铝构件造成的热影响，也能够减小熔融凝固部邻域的变形。因此，可以形成小型且精密的搭接接头。

(3)根据(2)的铝接合体的制造方法，其中，所述点焊是使所述高能束以同心圆状或螺旋状多次扫描而进行。

根据该铝接合体的制造方法，在作为目标的熔融凝固部的中心制造初始熔池。点焊中，通过以此熔池为中心，使高能束以同心圆状或螺旋状多次扫描，由此能够扩大初始熔池而制造用于形成熔融凝固部所需要的要求面积的熔池。另外，高能束可以对任意方向扫描，因此可以制造正圆以外的长圆和楕圆等的熔融凝固部。

(4)根据(2)的铝接合体的制造方法，其中，所述点焊使所述高能束散焦而进行。

根据此铝接合体的制造方法，使高能束散焦，在作为目标的熔融凝固部的中心形成初始熔池。经过散焦的高能束，能够增减照射面积，由此，在点焊中，不用扫描高能束，就能够一次制造出用于形成熔融凝固部所需大小的熔池。

(5)根据(1)的铝接合体的制造方法，其中，以利用所述高能束的连续焊接形成所述熔融凝固部。

根据该铝接合体的制造方法，照射到第二铝构件的高能束，被直线性地连续扫描。由此，能够形成没有裂纹的连续的熔融凝固部。

【符号的说明】

29 激光束(高能束)

31 第一铝构件

33 第二铝构件

35 熔融凝固部

Claims (5)

1.一种铝接合体的制造方法，其具有如下工序：在第一铝构件上重叠导电率比所述第一铝构件高的第二铝构件，使其和所述第一铝构件形成搭接接头的工序；

从所述第二铝构件侧照射高能束，形成贯通所述搭接接头的熔融凝固部的能束焊接工序。

2.根据权利要求1所述的铝接合体的制造方法，其中，由利用所述高能束的点焊形成所述熔融凝固部。

3.根据权利要求2所述的铝接合体的制造方法，其中，所述点焊是使所述高能束以同心圆状或螺旋状多次扫描而进行的。

4.根据权利要求2所述的铝接合体的制造方法，其中，所述点焊是使所述高能束散焦而进行的。

5.根据权利要求1所述的铝接合体的制造方法，其中，由利用所述高能束的连续焊接形成所述熔融凝固部。