CN108883500A - 激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及的激光焊接方法包括在由能够相互焊接的同种系的金属材构成且在至少一方设有突起部(14)的第一材料(1)和第二材料(2)之间，夹持具有供突起部插入的贯通部且相对于第一材料和第二材料难以焊接的第三材料(3)的工序。而且，包括在第一材料和第二材料之间夹持有第三材料的状态下，利用激光从第一材料侧照射与突起部对应的区域，经由贯通部将第一材料与第二材料焊接的工序。在第一材料和第二材料之间夹持第三材料的工序中，在贯通部的内周面与突起部之间设置第一间隙(4)，并且在与突起部对应的区域中，在第一材料与第二材料之间设置与第一材料的板厚相应的第二间隙(5)。

Description

激光焊接方法

技术领域

本公开涉及激光焊接方法。

背景技术

近年来，由于全球化，以机动车为代表的输送设备的生产量增加。与此相伴，对于每台机动车等产品的总成本降低、尤其是通过缩短生产时间来提高生产率的愿望不断高涨。

另外，为了防止地球变暖，在全球范围内强烈要求限制CO₂的排出量，在以机动车产业为代表的输送产业，为了应对该要求而不断加速向燃耗改善的努力。作为针对该燃耗改善的具体的努力，追求车辆重量的轻量化，不断推进增加轻量原材料的使用比例的研究。

在进行这种研究的过程中，作为在生产机动车等输送设备时使用的焊接方法，广泛普及了点焊。在作为电阻焊的点焊中，需要利用进行点焊的点焊用的焊枪即上下的电极对焊接材进行加压，在消除焊接材间的间隙的状态下对上下的电极之间进行通电，由此进行焊接。因此，点焊不适用于单侧焊接。另外，为了对焊接材进行加压，需要设置供具备点焊用的电极的上下的焊枪进入焊接材的上下部分的空间，因此，在产品形状方面产生制约。此外，由于点焊用的焊枪自身的重量重，因此，移动速度慢，即便到达焊接位置也需要对焊接材进行加压的时间，在焊接后还必须确保用于冷却焊接材的时间。即，在点焊中，除了焊接以外还需要较多的时间。

另外，针对用于机动车的材料的轻量化，进行了将部件的一部分从钢变更为铝等轻金属材料的研究，谋求将轻金属材料与钢接合的技术及结构。

通常，钢与相对于钢而言为异种材的铝之间的接合非常困难。因此，以往作为针对异种材的接合用构件，进行了使用铆钉的点焊和使用粘接剂的接合等。例如在专利文献1中，记载有对由于被铆钉和与铆钉材质种类相同的接合材夹持的异种材的加压以及点焊时的焊接热而导致的异种材的塑性流动进行吸收的铆钉形状、铆接以及点焊方法。根据该方法，能够由铆钉确保在铆接时及点焊时异种材的一部分发生变形而移动的空间，能够防止因点焊时的电极的位置偏移等而导致的异种材的陷落等，从而能够抑制紧固力降低。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-42417号公报

发明内容

使用图7来说明以往的异种材的接合构件。如图7所示，异材接合体100由铆钉51、第一被接合材200以及第二被接合材300构成。这里，铆钉51与第二被接合材300为同种材料。另外，第一被接合材200是与铆钉51及第一被接合材200材料不同的异种材。铆钉51具备轴部52和头部53。此外，头部53具有圆角(Radius)形状的倒角30、环状槽31以及平坦部32。能够利用倒角30、环状槽31、平坦部32来确保在铆接时及点焊时第一被接合材200的一部分发生变形而移动的空间，防止因点焊时的电极400的位置偏移(电极400的轴Z1与铆钉51的轴Z2的偏移)等而导致的第一被接合材200的陷落等，抑制紧固力降低。然而，在该情况下，铆钉51的形状复杂，需要进行精密加工等，因此，制造成本变高。另外，由于铆钉51与第二被接合材300通过点焊而接合，因此，在加压、通电、冷却、移动等时耗费时间，因此作业时间变长。另外，需要将铆钉51与第二被接合材300从两侧夹入，因此设计自由度受到限制。此外，当铆钉彼此的间隙过于接近时，点焊的电流向相邻的铆钉分流，点焊时在焊接部X产生的焊接凝固后的部分即熔核形成变得不充分。因此，需要确保不使电流分流且能够进行所希望的熔核形成的最小分离间距以上的接合间距，存在无法在必要的部位增加接合的刚性这样的课题。

本公开提供一种能够进行异种材接合并提高生产率的激光焊接方法。

为了解决上述课题，本公开的一方式的激光焊接方法包括在由能够相互焊接的同种系的金属材构成且在至少一方设有突起部的第一材料和第二材料之间，夹持具有供突起部插入的贯通部且相对于第一材料和第二材料难以焊接的第三材料的工序。而且，包括在第一材料和第二材料之间夹持有第三材料的状态下，利用激光从第一材料侧照射与突起部对应的区域，经由贯通部将第一材料与第二材料焊接的工序。在第一材料和第二材料之间夹持第三材料的工序中，在贯通部的内周面与突起部之间设置第一间隙，并且在与突起部对应的区域中，在第一材料与第二材料之间设置与和突起部对应的区域中的第一材料的板厚相应的第二间隙。

另外，本公开的一方式的激光焊接方法包括在由能够相互焊接的同种系的金属材构成的第一材料和第二材料之间，夹持具有贯通部且相对于第一材料和第二材料难以焊接的第三材料的工序。而且，包括在第一材料和第二材料之间夹持有第三材料的状态下，利用激光从第一材料侧照射与贯通部对应的区域，经由贯通部将第一材料与第二材料焊接的工序。在第一材料和第二材料之间夹持第三材料的工序中，与贯通部对应的区域中的第一材料的板厚是第三材料的板厚、或者是与区域中的第一材料和第二材料之间的板厚方向上的间隙相应的厚度。

另外，本公开的一方式的激光焊接方法在上述的基础上可以是摆动状的焊接、螺旋状的焊接、圆状焊接或涡卷状的焊接。

根据本公开的激光焊接方法，能够进行异种材接合，并大幅缩短生产节拍时间，增加必要部位处的刚性，能够扩大设计自由度。

附图说明

图1A是用于说明本公开的实施方式1的焊接前后的接合结构的剖视图。

图1B是用于说明本公开的实施方式1的焊接前后的接合结构的剖视图。

图1C是用于说明本公开的实施方式1的焊接前后的接合结构的剖视图。

图1D是用于说明本公开的实施方式2的焊接前后的接合结构的剖视图。

图2A是用于说明本公开的实施方式1的激光焊接时的接合状况的立体图。

图2B是用于说明本公开的实施方式1的激光焊接时的接合状况的立体图。

图2C是用于说明本公开的实施方式1的激光焊接时的接合状况的立体图。

图2D是用于说明本公开的实施方式3的激光焊接时的接合状况的立体图。

图2E是用于说明本公开的实施方式3的激光焊接时的接合状况的立体图。

图3是示出表示对本公开的实施方式1中的呈圆状焊接时的第一材料的板厚与作为板厚方向的间隙的第二间隙的关系进行测定而得到的结果的图表的图。

图4是示出表示对本公开的实施方式1中的第三材料的材质与第一间隙的关系进行测定而得到的结果的图表的图。

图5A是表示本公开的实施方式1的使用例的图。

图5B是表示本公开的实施方式1的使用例的图。

图6是示出表示对本公开的实施方式3中的呈螺旋状焊接时的第一材料的板厚与第二间隙的关系进行测定而得到的结果的图表的图。

图7是用于说明以往的异种材接合的方式的图。

具体实施方式

(实施方式1)

关于实施方式1，首先使用图1A和图2A进行说明。图1A是用于说明本公开的实施方式1的焊接前后的状态的剖视图。图2A是用于说明本公开的实施方式1的激光焊接时的接合状况的立体图。图1A示出第一材料1、第二材料2、第三材料3的接合结构。而且，图1A是图2A的1A-1A线剖视图。

这里，第一材料1及第二材料2的材质是能够相互焊接的同种系的金属材。另外，第三材料3的材质是与第一材料1及第二材料2不同的异种材，相对于第一材料1及第二材料2难以焊接。如图1A所示，在接合时，作为异种材的第三材料3被作为同种系的金属材的第一材料1与第二材料2夹入而配置。这里，在第三材料3上预先加工有作为贯通部的贯通孔12。另外，第一材料1及第二材料2具有突起部14，各自的突起部14以相互对置的方式插入到贯通孔12而配置。由于向第三材料3的贯通孔12插入第一材料1及第二材料2各自的突起部14，因此，贯通孔12具有抑制第一材料1及第二材料2相对于贯通孔12的位置偏移的效果。另外，突起部14具有能够通过目视来确认激光照射位置的记号及焊缝形成位置的妥当性这样的优点。

需要说明的是，在本公开中，将贯通部设成了贯通孔12，但也可以为贯通槽。

另外，同种系的金属材是能够相互焊接的金属，不仅仅是相同的材质彼此，而且是铁系金属材彼此、非铁系金属材彼此等焊接接合性好的金属材。换言之，同种系的金属材是焊接的相容性好的同种系的材料。具体而言，作为焊接时的第一材料1与第二材料2的组合，举出以下的组合。作为铁系金属材的组合，有软钢与软钢、软钢与不锈钢、不锈钢与不锈钢、软钢与高强度钢(高抗拉钢)、高强度钢与不锈钢、高强度钢与高强度钢等。另外，作为非铁系金属材，有铝与铝、铝与铝合金、铝合金与铝合金等。

另外，作为异种材的第三材料3是与作为同种系的金属材的第一材料1及第二材料2不同材质的材料，是相对于第一材料1及第二材料2难以焊接的材质。例如在作为同种系的金属材的第一材料1及第二材料2为铁系金属材的情况下，作为异种材的第三材料3为铜材或铝材等非铁系金属材。另外，例如将CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics，碳纤维强化塑料)、PET(PolyEthlen Terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)等这样的树脂材也列举为相对于金属材的异种材。

第一材料1及第二材料2的突起部14的形状在本实施方式中实质上相同。这里，如图1A所示，将对置配置的第一材料1及第二材料2的突起部14的突起外缘部9与第三材料3的贯通孔12的端部(内周面)之间的在与板厚方向正交的方向上的间隙设为第一间隙4。另外，将向第三材料3的贯通孔12插入第一材料1的突起部14和第二材料2的突起部14时的、突起部14间的板厚方向上的间隙设为第二间隙5。换言之，贯通孔12的板厚方向上的第一材料1与第二材料2的分离的状态的间隙设为第二间隙5。此外，将突起部14的内缘部的区域设为突起内缘部10。如图1A、图2A所示，在本实施方式中，使用作为激光的激光7进行焊接。如图2A所示，焊接通过如下方式进行：从第一材料1的板厚方向的上侧朝向能够照射激光7的区域(可接合范围)、即与突起部14对应的突起内缘部10内呈圆状地照射激光7。其结果是，如图1A所示，在突起内缘部10内形成作为焊接部8的一部分的焊缝11。焊接部8是第一材料1与第二材料2的被实施了焊接的部分，由作为在焊接中熔融的熔融金属发生凝固的焊接金属的焊缝11与受到焊接的热影响的热影响部构成。如上所述，在本实施方式中，激光7从第一材料1侧向与突起部14对应的区域照射。在该区域中，设置在第一材料1与第二材料2之间的、与第一材料1的和突起部14对应的区域中的板厚相应的间隙可以称为第二间隙5。

接下来，关于焊接时及焊接后的接合状况，使用图1A进行说明。如果将激光7向第一材料1的突起内缘部10内呈圆状地照射而进行焊接，则在焊接时形成焊缝11。此时，第一材料1及第二材料2的焊接部8的熔融金属凝固收缩，因此其间的第二间隙5缩小。这样，在与被照射激光7的突起部14对应的区域中，在焊接前的第二间隙5存在的状态下从板厚方向照射激光7，作为同种系的金属材的第一材料1及第二材料2相互熔融结合而凝固收缩，由此夹持在它们之间的作为异种材的第三材料3被压缩固定。

另外，第二间隙5的大小相对于处于被照射激光7一侧的第一材料1的板厚t而设定为4％～38％。这种情况下，焊接部8的凝固收缩成为第一材料1和第二材料2夹持第三材料3的压缩力6，能够对第三材料3进行压缩固定。

相对于处于被照射激光7一侧的第一材料1的板厚t而言将第二间隙5的大小设为4％～38％的设定是通过实验数据而导出的，该实验数据的一例如图3所示。

图3是示出表示对本公开的实施方式1中的呈圆状焊接时的第一材料1的板厚t与第二间隙5的关系进行测定而得到的结果的图表的图。

在本实验中，将第一材料1及第二材料2分别设为作为同种系的金属材料的软钢材，将第三材料3设为作为异种材的树脂材料即PET材。在该组合中，在第二材料2的上侧配置第一材料1，由第一材料1与第二材料2夹入第三材料3，在该状态下，从重叠方向(换言之板厚方向)的上侧向第一材料1的突起内缘部10内呈圆状地照射激光7而进行了焊接。需要说明的是，在本实验中，将激光7的输出设定为3kW。

另外，第一材料1及第二材料2的突起内缘部10的直径为φ10mm，第三材料3的贯通孔12的直径为φ12mm。需要说明的是，向突起内缘部10内照射的激光7的照射的区域比突起内缘部10的直径或宽度减小规定的距离。本实验中的激光7的照射的区域设为尽量接近于突起内缘部10的直径且比突起内缘部10的直径小的φ8mm的圆状的区域。需要说明的是，上述的数值为实施例，没有限定于此。

接下来，说明图3的实验结果。在图3所示的图表中，横轴表示第一材料1的板厚t，纵轴表示第二间隙5的大小。例如，在板厚t为0.8mm的情况下，当第二间隙5的大小为0.1mm～0.3mm时，能够借助焊接部8的熔融金属的凝固收缩作用对第三材料3进行压缩固定。而且，当第二间隙5超过0.3mm地增大时，焊接线的一部分成为开孔状态，成为焊接不良。因此，在第一材料1的板厚t为0.8mm的情况下，第二间隙5的大小为第一材料1的板厚t的13％～38％成为压缩固定的有效范围。

另外，在板厚t为2.3mm的情况下，当第二间隙5的大小为0.1mm～0.7mm时，能够借助焊接部8的熔融金属的凝固收缩作用对第三材料3进行压缩固定。当第二间隙5的大小超过0.7mm时，焊接线的一部分成为开孔状态，引起焊接不良。由此，在第一材料1的板厚t为2.3mm的情况下，第二间隙5的大小为第一材料1的板厚t的4％～30％成为压缩固定的有效范围。由此，若与处于被照射激光7这一侧的第一材料1的板厚t相应的第二间隙5的大小在规定的范围内，则能够进行焊接。具体而言，若第二间隙5的大小为第一材料1的板厚t的4％以上且38％以下，则能够进行焊接。此外，若第二间隙5的大小处于上述规定的范围内，则能够利用第一材料1与第二材料2对第三材料3进行压缩固定。

这意味着，在第一材料1的板厚t与第二间隙5的大小满足上述关系的情况下，与第一材料1的板厚t的最大30％～38％以下相当的熔融金属能够落入第二间隙5，而不开孔地与第二材料2接合。在第二间隙5的大小超过第一材料1的板厚t的最大30％～38％的情况下，无法确保填埋第二间隙5所需的熔融金属量，因此，会产生一部分开孔这样的状态。

反之，当第二间隙5小于0.1mm时，突起部14间的间隙过小，第一材料1与第二材料2相互熔融结合而将第三材料3压缩固定的压缩力6不足。

这样，在能够确保焊接时的熔融金属量的范围内，换言之在不产生开孔的范围内，第二间隙5越大，则突起部14间的焊接时的焊接部8的凝固收缩越是增大。由此，作为由第一材料1与第二材料2夹持第三材料3的固定力的压缩力6增大。

需要说明的是，在上述中，对从第一材料1侧照射了激光7的情况进行了叙述，但在从第二材料2侧照射激光7的情况下也能够获得同样的效果。即，在从第二材料2照射激光7的情况下，若第二间隙5的大小为第二材料2的板厚的约4％以上且38％以下，则能够将第一材料1与第二材料2焊接。而且，能够利用第一材料1和第二材料2对第三材料3进行压缩固定。

在本实施方式中，将第一材料1与第二材料2的突起部14的形状设为相同，但也可以不必相同。另外，作为激光照射方向，构成为从第一材料1侧照射激光7，但不局限于此。只要是以成为被照射激光7这一侧的材料的板厚的4％以上且38％以下的方式与从板厚方向照射激光7这一侧的同种系的金属材的板厚相应地设定突起部14间的第二间隙5，则能够确保在熔融时第二间隙5所需的熔融金属量。由此，通过焊接时的焊接部8的凝固收缩，能够由第一材料1与第二材料2夹着第三材料3进行压缩固定。

因此，在本实施方式中，将突起部14设置在第一材料1及第二材料2这两方，但是只要满足第二间隙5的大小的条件即可，也可以将突起部14设置在第一材料1及第二材料2中的任一方。而且，关于激光照射方向，在本实施方式中，从第一材料1侧照射激光7，但也可以从第二材料2侧照射。

另外，第一材料1与第二材料2的材质为同种系的金属材，且分别记载为软钢材，但只要是作为能够相互焊接且获得接合强度的同种系的金属材的材质，则材质也可以不同。

例如，作为同种系的金属材的第一材料1及第二材料2可以考虑以下的组合。作为铁系金属材的组合，有软钢材彼此、不锈钢彼此、高强度钢彼此等、或者软钢与高强度钢(高抗拉钢)、高强度钢与不锈钢等的组合。另外，作为非铁金属材的组合，有铝材彼此、铝合金彼此、或者铝与铝合金等的组合。上述记载的铁系金属材及非铁金属材是能够进行激光接合的材质。另外，作为异种材的第三材料3，对应于激光的吸收率低且激光接合困难的铜、各种树脂材料、与第一材料1及第二材料2的焊接接合性的相容性差的材质。作为焊接接合性的相容性差的组合，例如，在将第一材料1及第二材料2分别设为软钢材的情况下，采用将第三材料3设为铝材来作为相对于软钢材进行焊接的材料这样的组合。或者也存在与之相反的组合。

接下来，使用图1B，说明由于第三材料3的板厚较厚等而使第二间隙5相对地增大的情况。到此为止重复的部分省略说明。在第一材料1与第二材料2的间隙即第二间隙5大的情况下，在第三材料3的贯通孔12的内部配置能够与第一材料1及第二材料2焊接的设为同种系的金属材的材质的间隔件13。根据该结构，能够相对地减小第二间隙5。如上所述，间隔件13的厚度以使间隔件13配置于贯通孔12的内部时的第二间隙5的大小成为第一材料1的板厚的4％以上且38％以下的方式设定。根据该结构，能够进行良好的接合。需要说明的是，将间隔件13配置于贯通孔12的内部时的第二间隙5的大小是在第一材料1与第二材料2之间配置间隔件13时的间隔件13与第一材料1的板厚方向上的间隙。

需要说明的是，配置在第一材料1与第二材料2之间的间隔件13不仅可以作为其他部件另行配置，还可以使用熔化电极或填料等焊接材料而在第一材料1与第二材料2之间直接制成。

这种情况下，也是如图3所示，只要第二间隙5的范围处于与被照射激光7一侧的板厚(在图3中为第一材料1的板厚t)相应的规定的范围内，就能进行贯穿至成为下板的第二材料2为止的这种锁眼式的激光焊接。由此，在焊接部8产生凝固收缩，该凝固收缩成为压缩力6而将第三材料3压缩固定。

需要说明的是，当第二间隙5超过被照射激光7的第一材料1的板厚t的最大30％～38％时，无法确保第二间隙5所需的熔融金属量，因此可能会产生一部分开孔的状态。

反之，当第二间隙5小于0.1mm时，突起部14间的间隙变得过小，将作为同种系的金属材的第一材料1与第二材料2相互熔融结合而对异种材的第三材料3进行压缩固定的压缩固定力不足。

在上述中，叙述了作为异种材的第三材料3仅为一种的情况。以下，说明使用了两种不同的异种材的情况。图1C是用于说明本公开的实施方式1的焊接前后的接合结构的剖视图。如图1C所示，在将两种不同的异种材即第三材料3与第四材料15进行接合时，利用作为同种系的金属材的第一材料1及第二材料2来夹持第三材料3和第四材料15。并且，在第二间隙5的大小为第一材料1的板厚的4％以上且38％以下的状态下从第一材料1侧照射激光7，实施激光焊接。

即使在这种情况下，通过第一材料1及第二材料2的熔融金属的凝固收缩作用所产生的压缩力6，也能够进行第三材料3和第四材料15的压缩固定。特别是在两种不同的异种材即第三材料3与第四材料15为PET材等树脂材或CFRP等非金属材的情况下，激光7的透射率高。换言之激光7的吸收率低的情况多，难以进行激光焊接。因此，与异种材仅为一种的情况同样，利用第一材料1和第二材料2将第三材料3和第四材料15进行压缩固定的方式是有效的。具体而言，构成为设置使突起部14间分离的板厚方向上的间隙即第二间隙5，并供给为了填埋该第二间隙5所需的熔融金属量。并且，使突起部14间熔融结合，并使用该突起部14间的焊接部8的凝固收缩所产生的压缩力6，利用第一材料1及第二材料2将第三材料3及第四材料15进行压缩固定，这样的激光焊接方法是特别有效的。当然，即使异种材为两种以上也能够没有问题地接合。

另外，从板厚方向朝突起部14照射激光7的照射区域小于压花形状的突起部14的直径或宽度。在本实施方式中，比突起部14的突起内缘部10小例如以直径或宽度计为2mm左右的规定的距离。

在此，在利用从被照射激光7而熔融的焊接部8传递的焊接热量输入来将作为异种材的第三材料3熔融时，第一材料1及第二材料2的呈锥状被压出的压花形状的突起部14的突起内缘部10及突起外缘部9与第三材料3的贯通孔12之间的位置关系是重要的。

需要说明的是，在本发明中，将作为同种系的金属材的第一材料1及/或第二材料2的突起部14的最外形即突起外缘部9简单地称为突起部14的直径或宽度。

在相对于第三材料3的贯通孔12的直径而使所插入的突起部14的直径或宽度即突起外缘部9处于适当的范围的情况下，贯通孔12的端部间接地受到因激光7的照射而从焊接部8传递的焊接热量输入的热影响而发生软化并熔融。软化并熔融后的第三材料3(贯通孔12的端部)向第一间隙4流入。由此，第三材料3除了能够进行基于焊接部8的凝固收缩作用的压缩固定之外，还能够在和板厚方向交叉的方向上进行第一材料1及/或第二材料2与第三材料3之间的紧贴固定。

在此，从板厚方向朝突起部14照射激光7的照射区域小于压花形状的突起部14的直径。在本实施方式中，比突起部14的突起内缘部10小例如以直径计为2mm左右的距离。

另外，在利用从被照射激光7并熔融的焊接部8传递的焊接热量输入来使第三材料3熔融时，突起部14的突起内缘部10及突起外缘部9与贯通孔12之间的位置关系是重要的。在此，突起部14向第一材料1及第二材料2呈锥状地被压出。

在被照射激光7的突起部14，在从突起外缘部9至贯通孔12的端部的距离过近的情况下，端部会直接或间接地受到由激光7的照射产生的从焊接部8传递的焊接热量输入的热影响。

由此，熔融后的贯通孔12的端部即第三材料3通过第一间隙4向第二间隙5流入。如上所述，被照射了激光7的作为上板的第一材料1的熔融金属落入第二间隙5中。因此，例如在第三材料3为树脂等沸点低的材料的情况下，有时会因气化并喷出而引起焊接部8的焊接不良。

另外，例如在第三材料3为树脂材料的情况下第一间隙4为2.0mm以上而分离过大时，或者在第三材料3为CFRP的情况下第一间隙4为1.5mm以上而分离过大时，第三材料3的贯通孔12的端部难以受到焊接部8的焊接热量输入而不会熔融。由此，第三材料3不向第一间隙流入，在第一材料1及/或第二材料2与第三材料3的和板厚方向交叉的方向之间难以进行紧贴固定。因此，第三材料3仅受到由第一材料1和第二材料2的凝固收缩作用产生的压缩固定。

由此，根据第一间隙4的大小和第三材料3的材质，从突起外缘部9向贯通孔12的端部传热的传热状况以及因焊接时的热影响而引起的第三材料3的熔融状态发生变化。

需要说明的是，也可以利用由未图示的夹紧固定的夹具、定位销或机械臂进行的支承定位的方式等，进行相对于异种材的贯通孔12的直径而插入的同种系的金属材的突起部14的定位。

另外，对突起部14进行压花加工而突出的突起外缘部9的大小成为通过突起部14的冲压加工以压花形状向外周方向相对于突起内缘部10偏移了约1mm～相当于板厚的大小，但本说明简略地记载为1mm。需要说明的是，该偏移量优选相当于板厚，只要不对焊接接合时的强度造成不良影响，则也可以为板厚的0.6倍～1.4倍这种程度。

上述是通过实验数据而导出的，其实验数据的一例如图4所示。图4是示出表示对本公开的实施方式2中的第三材料3的材质与第一间隙4的关系进行测定而得到的结果的图表的图。

在图4所示的图表中，横轴表示第三材料3的材质，纵轴表示第一间隙4的大小。作为第三材料3的材质，具体而言使用了PET材、CFRP材、A5000材。这里，A5000材是指作为非铁金属材的铝合金。

另外，在本实验中，作为第一材料1及第二材料2而使用软钢材，将其板厚t设为1.6mm。另外，作为第三材料3而使用上述所示的任一种第三材料3，将其板厚设为2.0mm。在上述组合中，在第二材料2的上侧配置第一材料1，由第一材料1与第二材料2夹入第三材料3，在该状态下，向第一材料1的突起内缘部10内呈圆状地照射激光7而进行了焊接。在本实验中，将激光7的输出设定为3kW。例如，第一材料1及第二材料2的突起内缘部10的直径为φ10mm，第三材料3的贯通孔12的直径为φ12mm，按照比突起内缘部10的直径小的φ8mm的圆状轨跡从板厚方向朝向突起部14照射激光7而进行了焊接。

接下来，说明图4的测定结果。如图4所示，在第三材料3为作为树脂材料的PET材的情况下，若第一间隙4的大小为0.4mm以上时，则能够对第三材料3进行压缩固定。这是因为，即便受到因向突起内缘部10照射的激光7而造成的焊接的热影响，熔融后的第三材料3也不会向第二间隙5流入而引起接合不良。

然而，在第一间隙4的大小比0.4mm小、即突起外缘部9与贯通孔12的端部过近的情况下，受到激光7所造成的焊接的热影响而熔融后的第三材料3会向第二间隙5流入。由此，存在作为第三材料3的PET材气化并喷出而导致焊接部8焊接不良的状况。

另外，在第三材料3为作为树脂材料的CFRP材的情况下，若第一间隙4为0.2mm以上，则能够通过板厚方向的压缩力6对第三材料3进行压缩固定。这是因为，即便受到激光7所造成的焊接的热影响，熔融后的第三材料3也不会向第二间隙5流入而引起接合不良。

然而，在第一间隙4比0.2mm小、即突起外缘部9与贯通孔12的端部过近的情况下，受到向突起内缘部10照射的激光7所造成的焊接的热影响而熔融后的第三材料3会向第二间隙5流入。由此，存在作为第三材料3的CFRP材气化并喷出而导致焊接部8焊接不良的状况。如以上那样，根据作为第三材料3的树脂材料的融点、沸点等特性，焊接时所允许的第一间隙4的大小有些许不同。

另外，在第三材料3是作为非铁金属材的A5000系的铝合金材的情况下，与第一间隙4的大小无关地，即便受到向突起内缘部10照射的激光7所造成的焊接的热影响，熔融后的第三材料3也不会向第二间隙5流入而引起接合不良。因此，能够实现稳定的压缩固定。

需要说明的是，为了向贯通孔12插入突起部14的突起外缘部9，第一间隙4例如为大于0mm的、向贯通孔12插入突起外缘部9所需的大小以上即可。

上述内容是表示因第三材料3的材质而引起的差异的一例的实验数据，但若第三材料3为树脂材料，则存在与使用图4中的PET材的情况几乎相同的趋势。需要说明的是，若第三材料3为非铁金属材，则存在与使用图4中的铝合金材即A5000材的情况几乎相同的趋势。这是因为，即便将其他的非铁金属材用作第三材料3，也不会受到因向第一材料1的突起部14照射激光7而产生的焊接时的焊接热量输入而使贯通孔12的内壁侧气化并喷出由此导致焊接部8焊接不良这样的热影响。以上，可以说在其他的非铁金属材中也存在几乎相同的趋势。

因此，在第三材料3为非铁金属材的情况下，可以说不会受到第三材料3熔融而熔融了的第三材料3向第一材料1及第二材料2的突起部14间的对合面的间隙即第二间隙5流入这种程度的热影响。

例如，图2B、图2C示出图2A所示的基于激光7的照射进行的圆状的焊接以外的实施例。图2B、图2C是用于说明本公开的实施方式1的激光焊接时的接合状况的立体图。如图2B所示，在同种系的金属材的第一材料1及第二材料2与异种材的第三材料3的接合结构中，板厚方向上的作为上板的第一材料1的焊接形状为椭圆状。而且，如图2C所示，第一材料1的焊接形状为直线状。在基于激光7的照射进行焊接时的焊接部位即焊接部8所要求的强度具有方向性时，换言之在具有所需的接合强度分布时，以与所需的接合强度高的方向相对的方式配置第一材料1。具体而言，配置同种系的金属材的第一材料1与第二材料2的突起部14的接合部位的形状例如为椭圆时的长边侧，由此与使用大的圆状的突起部14的情况相比能够缩小激光7的扫描的轨迹的面积。

另外，通过如图2C所示将激光7的照射的轨迹设为直线状，与在多处进行激光7的照射的轨迹为圆状或椭圆状的轨迹下的焊接的情况相比，能够在短时间内进行焊接。

另外，用于进一步提高强度的实施例、使定位容易的实施例如图5A、图5B所示。图5A、图5B是表示本公开的实施方式1的使用例的图。图5A示出为了提高接合时的抗拉强度而利用作为同种系的金属材的第二材料2和折弯成台阶状的第一材料1夹入第三材料3的结构。第一材料1是具有将第二材料2与第三材料3接合时的定位功能和用于提高抗拉功能的功能的接合结构。如图5A所示，第一材料1在以下的两个部位处与第二材料2接合。首先，作为第一个部位，第一材料1在具有突起部14的部位经由第三材料3而与第二材料2接合。接着，作为第二个部位，第一材料1在与第一个部位不同的部位10A与第二材料2直接接合。由此，能够抑制在第二材料2相对于第三材料3拉伸及扭转时应力集中地作用于焊接部8的一个部分这样的状况，从而提高强度。

图5B示出第二材料2包含第一材料1的突起部14，通过将第二材料2折回，即便不使用第一材料1也能够将第三材料3接合于第二材料2的结构。根据该结构，不需要第二材料2的固定用夹具。而且，通过设为至少在第一材料1或第二材料2的任一方设有突起部14的结构而从侧面将第三材料3滑动地插入，由此第三材料3的贯通孔12的定位也变得容易。

在此，图5B中的将第二材料2折回而形成的上板部分相当于本实施方式的第一材料1。即，在本实施方式中，第一材料1与第二材料2在焊接前的状态下可以为一体。

(实施方式2)

接下来，关于本实施方式2，使用图1D和图2A进行说明。与实施方式1重复的部分省略。在图1D中，对第三材料3实施形成贯通孔12的加工，对第一材料1及第二材料2未实施向第三材料3的贯通孔12插入的压花形状等的突起部14的加工。因此，第三材料3的板厚相当于第一材料1与第二材料2之间的板厚方向上的间隙。即，在本实施方式中，第三材料3的板厚成为第二间隙5。

焊接状况如图2A所示，将激光7从第一材料1的上侧向与贯通孔12对应的区域照射，其结果是形成的焊缝成为图1D所示那样的焊接部8的形状。接下来，使用图1D来说明焊接时及焊接后的接合状况。将激光7从板厚方向(第一材料1侧)朝向与第一材料1及第二材料2夹着的作为第二间隙5的第三材料3的贯通孔12对应的区域呈圆状地照射来进行焊接。在焊接时形成焊接部8之际第一材料1的焊接部8(熔融金属)凝固收缩，因此第二间隙5缩小。该第三材料3的板厚即第二间隙5的大小如图3所示设定为作为上板的第一材料1的板厚t的4％以上且38％以下时，焊接部8的凝固收缩成为由第一材料1与第二材料2夹持第三材料3的压缩力6。

使用该压缩力6，利用第一材料1及第二材料2能够将第三材料3压缩固定。该第一材料1的板厚的6％以上且38％以下的设定是根据与实施方式1说明的实验同样(实验结果未示出)的实验得到的数据而导出的。如果将第二间隙5的大小如上所述设定，则与第一材料1的板厚t的最大30％～38％相当的熔融金属会落入贯通孔12的内侧而能够没有开孔地接合。需要说明的是，当超过第一材料1的板厚t的最大30％～38％时，无法确保为了填埋作为与第二间隙5相当的厚度的贯通孔12的内侧所需的熔融金属量，因此会产生一部分开孔这样的状态。

反之，作为板厚方向上的间隙的第二间隙5比0.1mm小时，间隙过小，将作为同种系的金属材的第一材料1与第二材料2相互熔融结合而对异种材的第三材料3进行压缩固定的压缩固定力不足。

(实施方式3)

接下来，关于本实施方式3，使用图1B、图2D、图2E进行说明。

在实施方式1中，叙述了在第二间隙5大的情况下，将图1B所示那样的间隔件13插入到贯通孔12的内部的情况。在本实施方式中，说明不插入该间隔件13而即使第二间隙5增大也能够进行良好的接合的激光焊接方法。

图2D、图2E是用于说明本公开的实施方式3的激光焊接时的接焊接状况的立体图。图2D示出摆动状的激光7的照射的轨迹。图2E示出螺旋状的激光7的照射的轨迹。如图2D、图2E所示，通过将激光7的照射的轨迹呈摆动状或螺旋状地照射而能够扩宽焊接的焊缝宽度。由此，能够增加熔融金属量。该增加的熔融金属量落入贯通孔12的内部，能够没有开孔地进行焊接。

作为一例，通过将激光7的照射的轨迹从圆状变更为螺旋状，由此相对于第二间隙5的大小而言的第一材料1的板厚t的压缩固定的有效范围增加。具体而言，能够将第一材料1的板厚t的压缩固定的有效范围从4％以上且38％以下增加为4％以上且63％以下。这是根据实验数据而导出的，其实验数据的一例如图6所示。与图3不同的点在于，因呈螺旋状地焊接而使焊接热量输入分散，因此激光输出升高为3.5kW。

图6是示出表示对本公开的实施方式3中的螺旋状焊接时的第一材料的板厚t与第二间隙5的关系进行测定而得到的结果的图表的图。在图6所示的图表中，横轴表示第一材料1的板厚t，纵轴表示第二间隙5的大小。

如图6所示，在第一材料1的板厚t为0.8mm的情况下，第二间隙5的大小为0.1mm以上且0.5mm以下的情况下，通过焊接部8的熔融金属的凝固收缩作用能够将第三材料3压缩固定。而且，当第二间隙5的大小超过0.5mm时，焊接线的一部分成为开孔状态，成为焊接不良。由此，在第一材料1的板厚t为0.8mm的情况下，第二间隙5的大小为第一材料1的板厚t的13％以上且63％以下成为压缩固定的有效范围。而且，在板厚t为2.3mm的情况下，第二间隙5的大小为0.1mm～1.2mm的话能够通过焊接部8的熔融金属的凝固收缩作用将第三材料3压缩固定。当第二间隙5的大小超过1.2mm时，焊接线的一部分成为开孔状态，成为焊接不良。由此，在第一材料1的板厚t为2.3mm的情况下，第二间隙5的大小为第一材料1的板厚t的4％以上且52％以下成为可实现压缩固定的焊接范围。

这表示在第一材料1的板厚t和第二间隙5的大小满足上述的关系时，与第一材料1的板厚t的52％以下相当的熔融金属会落入第二间隙5而能够不开孔地与第二材料2接合。在第二间隙5的大小超过第一材料1的板厚t的52％时，无法确保为了填埋第二间隙5所需的熔融金属量，因此会产生一部分开孔这样的状态。

需要说明的是，激光7的照射的轨迹不仅可以为摆动状及螺旋状的轨迹，即使是呈涡卷状地从内侧朝外的轨迹或从外侧朝内的轨迹，也能够提高相对于第二间隙5的适应范围。

作为目前为止的针对异种材的接合用构件的铆钉51在铆接加工时及点焊时，需要确保供异种材的一部分发生变形而移动的空间以及防止因点焊时的电极的位置偏移等而导致的异种材的陷落等来抑制紧固力降低。因此，铆钉51需要采用圆角(Radius)形状的倒角30、环状槽31等复杂且高精度的形状。在该情况下，由于铆钉51的形状需要精度且复杂，因此，需要进行精密加工等，制造成本也变高。

另外，由于是点焊，因此，加压、通电、冷却、移动等耗费时间，因此生产率低，且需要从两侧夹入，所以设计自由度受到限制。另外，当过度接近附近的铆钉时，点焊的电流产生分流，有时导致在进行了电阻焊的焊接部产生的焊接凝固的部分即熔核形成变得不充分的情况。因此，需要设置能够进行所希望的熔核形成的最小分离间距以上的接合间距，存在无法实现必要的部位的刚性增加这样的课题，但通过本公开能够解决以往的课题。

如到此为止的实施例所示，作为本公开的激光焊接方法，包括如下的工序：在由能够相互焊接的同种系的金属材构成且在至少一方设有突起部14的第一材料1和第二材料2之间，夹持具有供突起部14插入的贯通部且相对于第一材料1和第二材料2难以焊接的第三材料3。而且，包括如下的工序：在第一材料1和第二材料2之间夹持有第三材料3的状态下，利用激光从第一材料1侧对与突起部14对应的区域进行照射，经由贯通部将第一材料1与第二材料2焊接。而且，在第一材料1和第二材料2之间夹持第三材料3的工序中，在贯通部的内周面与突起部14之间设置第一间隙4，并在板厚方向上的与突起部14对应的区域中，在第一材料1与第二材料2之间设置与和突起部14对应的区域中的第一材料的板厚相应的第二间隙5。如果为这样的结构，则在使用以将同种系的金属材相互熔融结合而将异种材压缩固定的方式将异种材与同种系的金属材进行固定的激光焊接方法时，不再需要复杂且需要精度的结构部件。

另外，在本公开的激光焊接方法中，通过将第一间隙4的大小与第二间隙5的大小设定在规定的范围内，从而仅通过激光焊接就能够将第一材料1与第二材料2相互熔融结合，能够利用第一材料1与第二材料2对第三材料3进行压缩固定。

此外，由于不使用点焊而使用激光焊接，因此包含焊接的作业时间相对于点焊而言能够缩短为约25％，生产率显著提高。而且，能够增加必要部位的刚性并扩大设计自由度。

工业实用性

本公开作为在异种材的接合时能够以简单的结构大幅缩短生产节拍时间、增加必要部位的刚性且扩大设计自由度的激光焊接用的接合结构来说在工业上是有用的。

附图标记说明

1 第一材料

2 第二材料

3 第三材料

4 第一间隙

5 第二间隙

6 压缩力

7 激光

8 焊接部

9 突起外缘部

10 突起内缘部

11 焊缝

12 贯通孔

13 间隔件

14 突起部

15 第四材料

Claims (3)

1.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：

在由能够相互焊接的同种系的金属材构成且在至少一方设有突起部的第一材料和第二材料之间，夹持具有供所述突起部插入的贯通部且相对于所述第一材料和所述第二材料难以焊接的第三材料的工序；以及

在所述第一材料和所述第二材料之间夹持有所述第三材料的状态下，利用激光从所述第一材料侧照射与所述突起部对应的区域，经由所述贯通部将所述第一材料与所述第二材料焊接的工序，

在所述第一材料与所述第二材料之间夹持所述第三材料的工序中，在所述贯通部的内周面与所述突起部之间设置第一间隙，并且在与所述突起部对应的所述区域中，在所述第一材料与所述第二材料之间设置与所述区域中的所述第一材料的板厚相应的第二间隙。

2.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：

在由能够相互焊接的同种系的金属材构成的第一材料和第二材料之间，夹持具有贯通部且相对于所述第一材料和所述第二材料难以焊接的第三材料的工序；以及

在所述第一材料和所述第二材料之间夹持有所述第三材料的状态下，利用激光从所述第一材料侧照射与所述贯通部对应的区域，经由所述贯通部将所述第一材料与所述第二材料焊接的工序，

在所述第一材料与所述第二材料之间夹持所述第三材料的工序中，与所述贯通部对应的所述区域中的所述第一材料的板厚是所述第三材料的板厚、或者是与所述区域中的所述第一材料和所述第二材料之间的板厚方向上的间隙相应的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的激光焊接方法，其中，

所述激光焊接方法是摆动状的焊接、螺旋状的焊接、圆状焊接或涡卷状的焊接。