DE102011008103A1

DE102011008103A1 - Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen von galvanisiertem Stahlblech

Info

Publication number: DE102011008103A1
Application number: DE102011008103A
Authority: DE
Inventors: Tsukasa Shizuoka Hagihara; Takayoshi Shizuoka Dan
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2031-01-08
Also published as: CN102120288B; DE102011008103B4; CN102120288A; JP5531623B2; JP2011140053A; US20110168682A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Bleches umfasst Strahlen eines Laserstrahls während des Bewegens bei einer Laser-Bewegungsgeschwindigkeit (v) mm/sec, was zu einer Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit (P/øtv) des Laserstrahls innerhalb eines Bereichs von 0,07 bis 0,11 kWsec/mm3 führt, wenn der Laserstrahl eine Leistung (P) aufweist, die nicht weniger als 7 kW beträgt, und einen Bestrahlungspunkt-Durchmesser (ø) aufweist, der nicht weniger als 0,4 mm beträgt, und ein galvanisiertes Stahlblech eine Stärke (t) mm aufweist, so dass ein verlängertes Loch in einem Schmelzbad sich von einem Laserbestrahlungspunkt nach der äußeren Oberflächenseite gebildet wird, wobei durch Laserstrahlung produzierter Metalldampf durch das verlängerte Loch bezüglich einer Laserbewegungsrichtung nach hinten und in eine Richtung zu einer Laserstrahlungsquelle abgezogen wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlblechs.
Hintergrund der Erfindung
Galvanisierte Stahlbleche werden üblicherweise in den verschiedensten Industriezweigen wie beispielsweise der Automobilindustrie verwendet, da sie eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen und kostengünstig sind, und darüberhinaus eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit zeigen. Insbesondere in der Automobilindustrie etc., wurden Anstrengungen unternommen, Laserstrahlschweißen einzuführen, welches im Vergleich zum Punktschweißen und dergleichen ausgezeichnete Eigenschaften, wie beispielsweise die Fähigkeit zur Verarbeitung mit hoher Genauigkeit, hoher Qualität und hoher Geschwindigkeit aufweist, wenn eine Anzahl galvanisierter Stahlbleche übereinander gelegt und zusammengeschweißt werden.
Wenn galvanisierte Stahlbleche übereinander gelegt und mit einem Laser geschweißt werden (im Folgenden wird derartiges Schweißen einfach als ”Laser-Überlapptschweißen” bezeichnet), werden beispielsweise die galvanisierten Stahlbleche so eins über das andere übereinandergelegt, dass die gegenüberliegenden galvanisierten Schichten zweier benachbarter galvanisierter Stahlbleche miteinander Kontakt haben, und mit einem Laserstrahl aus einem Kohlensäuregas-Laser, einem YAG-Laser, etc., bestrahlt, so dass die übereinander gelegten galvanisierten Stahlbleche geschmolzen und miteinander verbunden werden.
Um ein vorteilhaftes Verbinden auszuführen, müssen sich Eisenschichten des oberen und des unteren galvanisierten Stahlblechs gegenseitig durchdringen. Der Schmelz- und Siedepunkt von Zink betragen ungefähr 420°C bzw. 907°C und sie sind wesentlich niedriger als der Schmelzpunkt von Eisen, der etwa 1535°C beträgt. Demgemäß wird nur wenn galvanisierte Stahlbleche so übereinander gelegt sind, dass die galvanisierten Schichten gegenseitig miteinander in Kontakt sind, und einer Laserbestrahlung ausgesetzt werden, verdampftes Zink aus jeder galvanisierten Schicht geschmolzenes Metall darum abblasen oder als Blasen in dem geschmolzenen Metall verbleiben. Daraus ergibt sich das Problem von Schweißfehlerarten wie beispielsweise Vertiefungen, Porositäten und Wurmgang.
Als eine Gegenmaßnahme dazu offenbaren JP 60-210386 A , JP 61-74793 A , und JP 2007-38269 A ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlblechs, bei dem, unter Verwendung eines Abstandhalters oder eines Niveauunterschieds, ein Spalt zum Abziehen von Zinkdampf zwischen galvanisierten Stahlblechen, die einem Überlapptschweißen unterworfen werden, vorgesehen ist, und Laser-Überlapptschweißen in diesem Zustand durchgeführt wird. Darüber hinaus offenbaren JP 61-135495 A , JP 07-155974 A , JP 10-193149 A , JP 2000-326080 A und JP 2004-261849 A ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlblechs, bei dem eine Konvex-Konkave oder eine Biegung in einem von zwei aneinandergrenzenden galvanisierten Stahlblechen gebildet wird, so dass ein Spalt, wie oben erwähnt, gebildet wird, wobei sich die galvanisierten Stahlbleche überlappen.
Zusätzlich offenbart JP 2005-144504 A ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlbleches, bei dem eines der aneinandergrenzenden galvanisierten Stahlbleche, die einem Laser-Überlapptschweißen unterworfen werden sollen, vorab gebogen wird durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl an einem Teil nahe eines jeden Laser-Überlapptschweiß-Punktes des galvanisierten Stahlblechs.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Das Einführen eines Spaltes von etwa 0,1 mm zwischen galvanisierten Stahlblechen, die eins über das andere übereinander gelegt sind, benötigt jedoch viel Zeit und Aufwand, und macht deshalb das Prozessmanagement schwierig. In dem in JP 2005-144561 A offenbarten Beispiel muss an jedem zu schweißenden Teil eine Laserbestrahlung zweimal durchgeführt werden. In der Automobilindustrie, in der eine weiter zunehmende Nachfrage nach Laser-Überlapptschweißen von galvanisierten Stahlblechen erwartet wird, ist die Anzahl von zu bearbeitenden galvanisierten Stahlblechen groß. Zusätzlich, ist die Blechstärke davon etwa 1 mm, so dass mehr Zeit und Aufwand erforderlich sind und das Prozessmanagement schwieriger ist.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf die zuvor genannten Umstände gemacht und ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen für ein galvanisiertes Stahlblech bereitzustellen, bei dem kein weiterer Prozess zur Vermeidung von Schweißfehlern aufgrund von Zinkdampf notwendig ist, und ein Klebschweißen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität erlaubt wird, wobei die galvanisierten Stahlbleche miteinander in engem Kontakt sind.
Um das obige Ziel zu erreichen, umfasst ein Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlbleches nach der vorliegenden Erfindung die Schritte: Bereitstellen von zwei Stahlblechen, wobei mindestens eines davon das galvanisierte Stahlblech ist, in überlappender Anordnung, so dass eines der Stahlbleche über das andere gelegt ist, wobei eine galvanisierte Schicht davon an einer Kontaktfläche der Stahlbleche angeordnet ist; und Bestrahlen einer äußeren Oberfläche eines der zwei Stahlbleche an einem überlappenden Bereich mit einem Laserstrahl, wobei das Bestrahlen Strahlen des Laserstrahls während des Bewegens bei einer Laser-Bewegungsgeschwindigkeit (v) mm/sec umfasst, was zu einer Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit (P/øtv) des Laserstrahls innerhalb eines Bereichs von 0,07 bis 0,11 kWsec/mm³ führt, wenn der Laserstrahl eine Leistung P aufweist, die nicht weniger als 7 kW beträgt, und einen Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø, der nicht weniger als 0,4 mm beträgt, und das galvanisierte Stahlblech eine Stärke (t) mm aufweist, so dass ein verlängertes Loch in einem Schmelzbad sich von einem Laserbestrahlungspunkt nach hinten ausdehnend wenigstens in dem Stahlblech auf der äußeren Oberflächenseite gebildet wird, wobei durch Laserstrahlung produzierter Metalldampf durch das verlängerte Loch bezüglich einer Laserbewegungsrichtung nach hinten und in einer Richtung zu einer Laserstrahlungsquelle abgezogen wird.
In dem oben beschriebenen Verfahren, wird durch die Verdampfung von Zink an den einander zugewandten sich kontaktierenden Oberflächen produzierter Zinkdampf durch ein verlängertes Loch abgezogen, das in einem Schmelzbad hergestellt wird, ohne das Schmelzbad nachteilig zu beeinflussen, was zu hervorragendem Laser-Überlapptschweißen ohne Fehler führt.
Mit Laserschweißen wird ein Verbinden durch Erstarren von geschmolzenem Metall bereitgestellt, welches verschmolzen wird, indem es mittels Laserstrahlungsenergie erhitzt und geschmolzen wird. Somit führt ein bloßes Erhöhen einer Bewegungsgeschwindigkeit von Laserbestrahlung zu einer Verringerung von pro Zeiteinheit bereitzustellender Energie, was zu einem schlechten Schweißen führt. Andererseits kann, wenn eine Leistungsdichte zu hoch ist, ein geschmolzener Teil nicht verschmolzen werden und wird ausbrennen. Wenn jedoch Laserbestrahlung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Leistungsdichte durchgeführt wird und wenn die Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit, d. h. Leistungsdichte, im zuvor genannten Bereich liegt, wird ein sich von einer Laserstrahlungsposition aus nach hinten ausdehnendes Keyhole (Aussparung in dem durch die Verdampfung von Metall erzeugten Schmelzbad) gebildet. Darüber hinaus konzentriert sich die Verdampfung von Metall auf das Vorderende des verlängerten Keyholes in der Bewegungsrichtung der Laserbestrahlung. Metalldampf wird vom Vorderende aus nach hinten entlang der Bewegungsrichtung der Laserbestrahlung in Richtung einer Seite der Laserstrahlungsquelle abgezogen (schräg nach oben auf die Rückseite zu, für den Fall, dass galvanisierte Stahlbleche eins über das andere übereinandergelegt sind), so dass das Keyhole verlängert wird. Darüber hinaus wird Zinkdampf hauptsächlich vom oder nahe dem Vorderende des dadurch gebildeten verlängerten Lochs abgezogen, so dass der Zinkdampf nicht geschmolzenes Metall in dem Schmelzbad abbläst und das geschmolzene Metall nicht in dem Schmelzbad verbleibt.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren muss, wenn die Laserleistung P weniger als 7 kW beträgt, eine Bewegungsgeschwindigkeit der Laserbestrahlung verringert werden oder der Bestrahlungspunkt-Durchmesser kleiner als der oben genannte gemacht werden, um eine notwendige Leistungsdichte zu erhalten. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit niedrig ist, wird nur ein kurzes Keyhole gebildet. Wenn der Bestrahlungspunkt-Durchmesser zu klein ist, wird die Breite des Schmelzbads eng gemacht. Somit wird kein verlängertes Loch gebildet. Wie hierin verwendet bedeutet das Wort ”verlängert” in dem Ausdruck ”verlängertes Loch”, dass eine Länge des verlängerten Lochs in der Laserbewegungsrichtung signifikant länger ist als die Breite des Lochs in der dazu senkrechten Richtung. Die Länge des verlängerten Lochs entspricht wenigstens der zweifachen, bevorzugterweise wenigstens der drei- bis fünfachen Breite davon. Ein zu langes Keyhole vermindert die Schweißqualität.
Die Tatsache, dass eine Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit (P/øtv) des Laserstrahls innerhalb des vorstehenden vorbestimmten Bereichs ist, bedeutet, dass zu strahlende Leistung P des Lasers bestimmt wird gemäß einer Bestrahlungsbreite (Bestrahlungspunktdurchmesser) ø, einer Blech-Stärke t und einer Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v (einer Bewegungsdistanz des Bestrahlungspunkts pro Zeiteinheit). Dies wurde ungefähr und empirisch von einer geeigneten Blech-Stärke eines einem Laser-Überlapptschweißen zu unterwerfenden galvanisierten Stahlblechs bestimmt. Demgemäß wird, nicht in dem Sinn, dass ein Volumen eines pro Zeiteinheit zu schmelzenden Stahlblechmaterials gleich ist mit ”øtv”, unter der Annahme, dass der verschmolzene Bereich davon in der Laserbewegungsrichtung eine einheitliche Form aufweist und eine Querschnittsform davon ein auf dem Kopf stehendes Dreieck ist, dessen Höhe (gegenseitig durchdrungene Tiefe) 2t (eine Stärke von zwei Blechen) ist, davon ausgegangen, dass das ”øtv” durch Multiplizieren der Querschnittsfläche (ø × 2t/2) des Dreiecks mit der Bewegungsgeschwindigkeit (v) bestimmt wird. Wenn zwei überlappend zu schweißende galvanisierte Stahlbleche eine unterschiedliche Blechstärke (t) aufweisen, wird die Blechstärke (t) des galvanisierten, auf der Laserstrahlungsquellenseite angeordneten Metallblechs als eine Referenz verwendet. Wenn drei oder mehr galvanisierte Stahlbleche überlappend geschweißt werden, wird die Hälfte der Gesamtblechstärke angewendet.
Erfindungsgemäß liegt die Bewegungsgeschwindigkeit (v) bevorzugterweise im Bereich von 167 bis 200 mm/sec (d. h. 10 bis 12 m/min). Selbst wenn die Laser-Bewegungsgeschwindigkeit (v) durch Multiplizieren einer Zeiteinheit mit Leistung pro Volumen festgelegt wird, ist es vorteilhaft, die Leistung P so klein wie möglich zu machen und die Laser-Bewegungsgeschwindigkeit (v) in einem vorher bestimmten Leistungsbereich festzulegen, so dass sie soweit möglich nicht hoch ist, da eine Belastung der Anlagen verringert und eine gute Schweißqualität erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung ist nur anwendbar, wenn eine galvanisierte Schicht auf einer oder beiden von zwei einander zugewandten Flächen der zuvor genannten zwei Stahlbleche ausgebildet ist, ist jedoch nicht anwendbar wenn keine galvanisierte Schicht auf den einander zugewandten Oberflächen ausgebildet ist. Da kein Zinkdampf erzeugt wird, wenn keine galvanisierte Schicht auf einer der beiden einander zugewandte Flächen vorhanden ist, ist es sinnlos, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Es wurde experimentell bestätigt, dass in einem solchen Fall die Bildung eines verlängerten Lochs in einem Schmelzbad weniger wahrscheinlich ist. Somit geht man davon aus, dass ein Druck eines entstehenden Zinkdampfs etwas an der Bildung des verlängerten Lochs beteiligt ist.
Das galvanisierte Stahlblech, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird, ist ein dünnes Blech mit einer Stärke von 0,5 bis 2 mm, das hauptsächlich für Automobile verwendet wird, und das eine galvanisierte Schicht mit einer Stärke von 4 bis 12 μm umfasst. Da die Menge an Zink selbst in der galvanisierten Schicht kleiner ist als die des Stahlblechs und der Schmelzpunkt von Stahl viel höher ist als der Siedepunkt von Zink, würden Schweißbedingungen gemäß der Stärke der galvanisierten Schicht nicht signifikant verändert werden. Der Stahl ist weicher nicht legierter Stahl, legierter Stahl, hochfester Stahl oder dergleichen. Die Galvanisierung ist nicht beschränkt auf Plattieren mit Reinzink und kann Plattieren mit einer Legierung mit Zink als ein Hauptmaterial sein, solange Wirkungen gemäß der Erfindung zur Anwendung gelangen.
Wie oben beschrieben können gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen von galvanisiertem Stahlblech durch Zinkdampf verursachte Schweißfehler ohne einen zusätzlichen Prozess vermieden werden, kann ein Klebschweißen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität, ohne viel Zeit und Aufwand durchgeführt werden, und wird das Prozessmanagement erleichtert. Darüber hinaus wird Laser-Überlapptschweißen mit hervorragenden technischen Eigenschaften für das Überlapptschweißen galvanisierter Stahlbleche möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die die Durchführung von Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlbleches als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die konzeptionell das Verhalten von geschmolzener Flüssigkeit und Dampf von Schweißmetall zur Zeit des in 1 gezeigten Schweißens zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die konzeptionell ein Schweißteil zur Zeit des in 1 gezeigten Schweißens zeigt, und die längs der Bewegungsrichtung aufgenommen ist.
4 ist eine Ansicht, die konzeptionell, wie von oben betrachtet, das Schweißteil zur Zeit des in 1 gezeigten Schweißen zeigt.
5(a) bis 5(e) sind graphische Darstellungen, die experimentelle Ergebnisse zeigen, wenn galvanisierte Stahlbleche mit einer Stärke von 0,7 mm einem Laser-Überlapptschweißen unterworfen werden, während eine Laserleistung und eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit für jeden Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø geändert werden.
6(a) bis 6(b) sind graphische Darstellungen, die experimentelle Ergebnisse zeigen, wenn galvanisierte Stahlbleche mit einer Stärke von 1,2 mm einem Laser-Überlapptschweißen unterworfen werden, während eine Laserleistung und eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit für jeden Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø geändert werden.
7(a) bis 7(c) sind graphische Darstellungen, die experimentelle Ergebnisse zeigen, wenn galvanisierte Stahlbleche mit einer Stärke von 0,6 mm einem Laser-Überlapptschweißen unterworfen werden, während eine Laserleistung und eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit für jeden Bestrahlungspunkt-Durchmesser geändert werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beruhend auf Ausführungsformen derselben beschrieben. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist und verschiedene Abänderungen im Umfang der vorliegenden Erfindung daran vorgenommen werden können.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 eine Faser eines Laseroszillators, Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Linse, Bezugszeichen 20 und 21 bezeichnen galvanisierte Stahlbleche, wobei eins über das andere übereinander gelegt ist (oben ist 20 und unten ist 21), und Bezugszeichen 35 und 36 bezeichnen Haltevorrichtungen für die galvanisierten Stahlbleche. Darüber hinaus bezeichnet Bezugszeichen 17 einen Laserstrahl, Bezugszeichen 18 bezeichnet den Brennpunkt des Laserstrahls, Pfeile in Lichtstrahlen stellen eine Laserstrahlungsrichtung dar, Bezugszeichen 19 bezeichnet einen Laserbestrahlungspunkt, der auf dem galvanisierten Stahlblech 20 gebildet wird, und Bezugszeichen 48 bezeichnet eine Schweißlage. Darüber hinaus gibt ein dicker Pfeil die Bewegungsrichtung (Richtung, in der das Schweißen durchgeführt wird) der Laserbestrahlung an. Darüber hinaus bezeichnet ”d” das Ausmaß an Defokussierung der Laserstrahlung.
Die zwei galvanisierten Stahlbleche 20 und 21 sind eins über das andere übereinander gelegt und mit den Haltevorrichtungen 35 und 36 an jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten eines jeden Schweißpunktes befestigt, so dass das obere galvanisierte Stahlblech 20 und das untere galvanisierte Stahlblech 21 in engen Kontakt miteinander gebracht werden, wobei die galvanisierte Schicht als eine Kontaktoberfläche verwendet wird. In diesem Zustand wird der von einer Faser 10 eines Laseroszillators emittierte Laserstrahl 17 dazu veranlasst, sich entlang der Schweißrichtung (wie in der Zeichnung dargestellt, nach rechts) mit einer vorher bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit zu bewegen, während er in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Schweißfläche (galvanisiertes Stahlblech 20) angewandt wird. Zum Zeitpunkt des Schweißens wird eine Linse 11 justiert, so dass der Laserstrahl 17 vor der Schweißfläche fokussiert ist (direkt über der Schweißfläche, wie in der Zeichnung dargestellt) und ein vorher bestimmter Bestrahlungspunkt-Durchmesser erhalten wird. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die Laserstrahlungsrichtung nicht auf die oben erwähnte senkrechte Richtung beschränkt ist. Die Laserstrahlungsrichtung kann nach vorne oder nach hinten entlang der Bewegungsrichtung ausgerichtet sein, so dass der Laser unter irgendeinem Einfallswinkel auf die Schweißfläche auftrifft. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Laserstrahlungsrichtung im Allgemeinen senkrecht zu der Richtung ist, die die Bewegungsrichtung schneidet. In dem dargestellten Beispiel ist die Schweißoberfläche aus Gründen der Bequemlichkeit nahe der Linse 11 dargestellt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch als Laser-Remote-Schweißen mit einer großen Brennweite ausgeführt sein.
Wie in den nachstehenden experimentellen Ergebnissen gezeigt ist das erfindungsgemäße Schweißverfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine signifikant höhere Leistung (7 kW oder mehr) als jene beim herkömmlichen Laser-Überlapptschweißen ausgewählt ist, und dass der Laser mit solch hoher Leistung strahlt, wobei der Laser mit einer, verglichen mit einer herkömmlichen Bewegungsgeschwindigkeit, signifikant hohen Geschwindigkeit (9 m/min oder mehr) bewegt wird, so dass ein verlängertes Loch erzeugt wird und Zinkdampf abgezogen wird, während die für den Schweißbereich pro Zeiteinheit zu verwendende Energie auf ein Niveau gedrückt wird, welches nicht den Übergang zu einem getrennten Zustand verursacht.
2 bis 4 zeigen konzeptionell ein Schmelzbad und das Verhalten von Dampf von Schweißmetall während des Schweißens. In diesen Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 17a eine Laserstrahlachse, Bezugszeichen 40 bezeichnet einen geschmolzenen Vorderkantenteil, Bezugszeichen 41 bezeichnet eine Laser-induzierte Rauchfahne, Bezugszeichen 42 bezeichnet ein verlängertes Loch (verlängertes Keyhole), das durch entweichenden Metalldampf erzeugt wird, Bezugszeichen 45 bzw. 46 bezeichnen Schmelzbäder, die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des verlängerten Lochs 42 erzeugt werden, und Bezugszeichen 47 bezeichnet ein Schmelzbad hinter dem verlängerten Loch. Darüber hinaus geben in diesen Zeichnungen dicke Pfeile wieder die Bewegungsrichtung einer Laserstrahlung an und ein Pfeil mit einer dicken gestrichelten Linie gibt den Fluss von Metalldampf an.
Die oberen und die unteren galvanisierten Stahlbleche 20 und 21 werden mittels Laserstrahlung geschmolzen. Da die Strahlungsenergiedichte hoch ist, schmilzt der geschmolzene Vorderkantenteil 40 steil und tief auf der Rückseite in der Bewegungsrichtung. Ein Teil des Metalls verdampft schnell von der Oberfläche. Darüber hinaus wird durch schnelle Verdampfung erzeugter Metalldampf (Laser-induzierte Rauchfahne) nach rückwärts und nach oben (auf die Laserstrahlungsseite zu) von einem Teil etwas hinter dem Bestrahlungsteil (von der der Bewegungsrichtung gegenüberliegenden Seite, d. h., von der linken Seite des Bestrahlungsteils, wie in der Zeichnung gezeigt) abgezogen, während flüssiges Metall herum und darauf gedrückt wird.
Der Grund, weswegen die Laser-induzierte Rauchfahne 41 in der oben beschriebenen Richtung heraus bläst, liegt nicht allein darin, dass ein Teil nahe der Mittelachse des Bestrahlungsteils in der Bewegungsrichtung der längsten Laserbestrahlungszeit und der höchsten Laserstrahl-Leistungsdichte unterworfen ist, sondern auch darin, dass eine nicht geschmolzene feste Metallschicht auf der Seite in der Bewegungsrichtung der Bestrahlung, auf der Seite in der Bestrahlungsrichtung (untere Seite wie in 2 und 3 gezeigt) und auf beiden Seiten des Bestrahlungsteils in der Bewegungsrichtung (über und unter dem Bestrahlungsteil wie in 4 gezeigt) existiert. Demgemäß wird die Laser-induzierte Rauchfahne 41 entlang der Mittelachse des Bestrahlungsteils in der Bewegungsrichtung erzeugt. Folglich wird die Laser-induzierte Rauchfahne 41 hinter dem Laserbestrahlungspunkt und entlang der Mittelachse der Bestrahlung in der Bewegungsrichtung erzeugt. Dies führt dazu, dass ein Loch 42 an dieser Stelle produziert wird, in dem kein geschmolzenes Metall vorhanden ist und das in der Bewegungsrichtung lang ist. Darüber hinaus werden verlängerte Schmelzbäder 45 und 46 auf beiden Seiten dieses verlängerten Lochs 42 in der Bewegungsrichtung erzeugt. Darüber hinaus fließt auf Grund von Metalldampfdruck das geschmolzene Metall darin in die der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Richtung, um in einem Schmelzbad 47 hinter dem verlängerten Loch 42 in der Bewegungsrichtung zu verschmelzen. In diesem Beispiel wurde beobachtet, dass ein verlängertes Loch (verlängertes Keyhole) mit einer Breite von etwa 1 mm und einer Länge von etwa 3 mm gebildet wurde, wenn ein zufriedenstellendes Schweißen durchgeführt wurde.
In der vorliegenden Erfindung wird nicht nur einfach ein verlängertes Loch gebildet, sondern es strömt auch Zinkdampf von der Vorderkante und von dem das gebildete verlängerte Loch umgebenden Teil als die Laser-induzierte Rauchfahne 41 oder als ein Teil davon schräg aufwärts zu der Rückseite. Demgemäß wird geschmolzenes Metall um und über dem Zinkdampf nicht weggeblasen oder wird nur leicht weggeblasen. Darüber hinaus verbleibt der Zinkdampf nicht in einem Schmelzbad.
Zink hat einen Schmelzpunkt (419,5°C) und einen Siedepunkt (907°C), die, wie zuvor beschrieben, wesentlich niedriger als der Schmelzpunkt (1535°C) von Eisen sind, und hat auch eine niedrige Schmelzwärme und eine niedrige Verdampfungswärme (7,322 kJ/mol bzw. 115,3 kJ/mol) (die des Eisens, welches das Hauptmaterial eines Stahlblechs ist, sind 13,8 kJ/mol bzw. 349,6 kJ/mol. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass jedoch tatsächlich diese vier Werte unter dem Einfluß von Zink und den Einflüssen von Additiven und Verbindungen in einem Stahlblech leicht verändert werden). Demgemäß schmilzt und verdampft Zink sofort, wenn die von dem auf der Laserstrahlungsseite angeordneten Stahlblech übertragene Wärmemenge groß ist, und eine große Menge an erzeugtem Zinkdampf bläst geschmolzenes Metall weg, das oberhalb des Zinkdampfs vorhanden ist. Wenn die spezifische Wärme und die Verdampfungswärme von Zink groß sind, wird die Verdampfung von Zink verzögert, so dass eine große Menge an erzeugtem Zinkdampf darauf vorhandenes geschmolzenes Metall weg bläst.
Eisen hat jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und dergleichen und eine Flüssigkeit wie geschmolzenes Eisen hat eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit als festes Eisen. Darüber hinaus hat, wie zuvor beschrieben, Zink eine niedrige Verdampfungswärme und andererseits ist die Energiedichte der Laserbestrahlung hoch und die Bewegungsgeschwindigkeit derselben ist hoch. Folglich schmilzt Stahl allmählich und verdampft von der bestrahlungsseitigen Oberfläche eines galvanisierten Stahlblechs und dann schmilzt Zink in dem Bestrahlungsteil an den Kontaktoberflächen der galvanisierten Stahlbleche 20 und 21 schnell und verdampft auf Grund der Energie der Laserbestrahlung, die von der Vorderkante und dem umgebenden Teil des zuvor genannten verlängerten Lochs entweicht. Demgemäß wird ein vorteilhaftes Überlapptschweißen durchgeführt.
(Beispiel 1)
Anschließend wurden, um das Verhältnis zwischen der Laserleistung und dem Laser-Punkt-Durchmesser zu überprüfen, galvanisierte Stahlbleche mit einer Stärke t = 0,7 mm verwendet, wobei eines der galvanisierten Stahlbleche ohne Spalt über das andere gelegt war, so dass jede galvanisierte Schicht eine Kontaktfläche dazwischen war, um Experimente zur Bewertung einer Keyhole bildenden Situation, Vorhandensein von Zinkgasfehlern und Schweißqualität durchzuführen. Das Experiment wurde an einem jeden der folgenden Punkt-Durchmesser durchgeführt, während eine Laserleistung P (kW) und eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v (m/min) schrittweise geändert wurden: (a) Punkt-Durchmesser ø = 0,52 mm; (b) Punkt-Durchmesser ø = 0,64 mm; (c) Punkt-Durchmesser ø = 0,83 mm; (d) Punkt-Durchmesser ø = 0,94 mm; und (e) Punkt-Durchmesser ø = 1,06 mm.
In den Experimenten wurde ein DISK Laseroszillator (eine Spitzenleistung von 10 kW und ein Übertragungsfaserdurchmesser ø = 0,3 mm, und eine Spitzenleistung 16 kW und ein Übertragungsfaserdurchmesser ø = 0,2 mm), hergestellt von TRUMPF CO., verwendet mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 1000 bis 1200 nm, welcher für einen Faserübertragungslaser geeignet ist.
5(a) bis 5(e) zeigen die experimentellen Ergebnisse. In jeder dieser Zeichnungen bedeutet das Symbol ”Doppelkreis”, dass wenn der dementsprechende Sollwert verwendet wurde, ein sich von einer Laserbestrahlungsposition aus nach hinten ausdehnendes Keyhole gebildet wurde, keine Zinkgasfehler erzeugt wurden und eine gute Schweißqualität erhalten wurde; das Symbol ”Kreis” bedeutet, dass wenn der dazu entsprechende Sollwert verwendet wurde, ein ähnliches verlängertes Keyhole gebildet wurde; die Zinkgasfehler auf einem im Wesentlichen Problem-freien Niveau erzeugt wurden, eine leichte Delle in der Rückseite erzeugt wurde und die erhaltene Schweißqualität etwas geringwertiger war als die mit ”Doppelkreis”; das Symbol ”auf dem Kopf stehendes Dreieck” bedeutet, dass wenn der dazu entsprechende Sollwert verwendet wurde, ein übermäßig langes Keyhole gebildet wurde, eine große Delle in der Rückseite erzeugt wurde, die erhaltene Schweißqualität problematisch war; und das Symbol ”Kreuz” bedeutet, dass wenn der dazu entsprechende Sollwert verwendet wurde, lediglich ein gewöhnliches kurzes Loch gebildet wurde und Zinkgasfehler immer erzeugt wurden.
Auf jeden Fall sind die Sollwerte, die zu zufriedenstellenden Schweißergebnissen führten, in einem Bereich verteilt, der von unten links bis oben rechts des Diagramms reicht, wobei die Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v mit der Zunahme an Laserleistung P zunimmt, und wenn die Laserleistung P nicht mehr als 8 kW ist, wurden keine gute Schweißergebnisse erhalten, selbst wenn die Laser-Bewegungsgeschwindigkeit verringert wurde. Obwohl nicht gezeigt, wurden ähnliche, einige Sollwerte verwendende Experimente mit den Punkt-Durchmessern ø = 0,42 mm und ø = 0,31 mm durchgeführt, die kleiner sind als die Punkt-Durchmesser oben. In diesen Experimenten wurden keine bevorzugten Ergebnisse erhalten. Zusätzlich war in einem Bereich, wo die Leistung P hoch ist, alles, was man erhielt, dass ein Keyhole sich langer ausdehnt, selbst wenn die Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v erhöht wurde, und es wurden keine bevorzugten Ergebnisse erhalten. Somit wird in Betracht gezogen, dass es eine obere Grenze der Leistung P gibt, wobei sich diese obere Grenze abhängig von dem Punkt-Durchmesser ø unterscheidet und aus dem Wert P/øtv (später beschrieben) bestimmt wird, der sich gemäß dem Punkt-Durchmesser ø ändert.
Es würde verstanden werden, dass das verlängerte Keyhole, das zur Emission von Zinkdampf beiträgt, nicht nur unter dem Gesichtspunkt eines geometrischen Feinheitsverhältnisses ”verlängert” ist, sondern auch einen oberen und unteren Wert bezüglich Länge und Breite besitzt, die die Emission von Zinkdampf erlauben. Wenn der Punkt-Durchmesser ø klein ist und die Breite eines Keyholes physikalisch sehr klein ist, ist eine Öffnungsstelle, aus der Zinkdampf abgezogen werden kann, ungenügend. Andererseits ist ein erzeugtes Keyhole übermäßig lang, wenn der Punkt-Durchmesser ø übergroß ist, selbst wenn eine Leistung P und eine Bewegungsgeschwindigkeit v so ausgewählt sind, dass eine Leistungsdichte vergleichbar dem Punkt-Durchmesser angemessen ist. Folglich kann Zinkgas abgezogen werden, es wird jedoch eine große Delle in einer Rückseite gebildet. Auf jeden Fall gibt es hinsichtlich einer Zeitkonstanten, die mit der Fließfähigkeit von geschmolzenem Metall einhergeht, obere und untere Grenzen einer Leistungsdichte, die einem Punkt-Durchmesser ø angemessen sind. Somit ist es notwendig, eine geeignete Leistung P und eine geeignete Bewegungsgeschwindigkeit v auszuwählen, so dass die Leistungsdichte innerhalb des Bereichs zwischen den oberen und unteren Grenzen fällt.
Wenn eine Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit (P/øtv) des Laserstrahls (kWsek/mm³) für jeden in dem obigen Experiment verwendeten Sollwert bestimmt wird, führen die Sollwerte, mit denen ein bevorzugtes Schweißergebnis erhalten wurde, ungeachtet des Punkt-Durchmessers zu einem ungefähr konstanten Wert innerhalb eines Bereichs zwischen 0,07 und 0,11 kWsec/mm³. Wenn beispielsweise der Punkt-Durchmesser ø 0,64 mm ist, die Leistung P 8 kW ist, die Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v 10 m/min (167 mm/sec) ist, ist P/øtv 11 kWsek/mm³. Zusätzlich ist, wenn der Punkt-Durchmesser ø 1,06 mm ist, Leistung P 12 kW ist und Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v 12 m/min (200 mm/sec) ist, P/øtv 0,08 kWsek/mm³. Demgemäß ermöglicht die Verwendung eines solchen Verhältnisses bevorzugte Werte für eine Laserenergie P und eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v abzuschätzen, die für einen bestimmten Punkt-Durchmesser ø und eine bestimmte Stärke (t) geeignet sind.
Darüber hinaus wurde das gleiche Experiment für die folgenden Fälle unter den gleichen Bedingungen der oben beschriebenen Experimente durchgeführt: Ein Fall, bei dem ein unteres Stahlblech ein nicht-galvanisiertes Stahlblech ist (im Folgenden hierein bezeichnet als nicht-plattiertes Stahlblech); ein Fall, bei dem ein oberes Stahlblech ein nicht-plattiertes Stahlblech ist; und ein Fall, bei dem sowohl ein oberes als auch ein unteres Stahlblech ein nicht-plattiertes Stahlblech ist. Man hat gefunden, dass wenn nur das untere Blech ein nicht-plattiertes Stahlblech war, ungefähr die gleichen Ergebnisse erhalten wurden wie jene, wenn sowohl das obere als auch das untere der Bleche ein plattiertes Stahlblech war, wohingegen ein bevorzugter Sollwertbereich eng war, wenn nur das obere Blech ein nicht-plattiertes Blech war. Zusätzlich wurde natürlich kein Zinkdampf erzeugt und kein verlängertes Keyhole gebildet, wenn sowohl das obere als auch das untere der Bleche ein nicht-plattiertes Stahlblech war. Im Lichte dessen wird vermutet, dass ein Ausblasdruck von Zinkdampf auch die Ausbildung eines verlängerten Keyholes beeinflusst.
(Beispiel 2)
Anschließend wurden, unter denselben Bedingungen wie bei den obigen Experimenten, galvanisierte Stahlbleche mit einer Stärke t = 1,2 mm verwendet, wobei die galvanisierten Stahlbleche ohne Spalt eins über das andere übereinander gelegt wurden, so dass jede galvanisierte Schicht eine Kontaktfläche dazwischen war, um Experimente zur Bewertung einer Keyhole-bildenden Situation, Vorhandensein von Zinkgasfehlern und Schweißqualität durchzuführen. Das Experiment wurde bei jedem der folgenden Punkt-Durchmesser durchgeführt, wobei eine Laserleistung P (kW) und eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v (m/min) schrittweise geändert wurden: (a) Punkt-Durchmesser ø = 0,42 mm; und (b) Punkt-Durchmesser ø = 0,52 mm.
6(a) bis 6(b) zeigen die experimentellen Ergebnisse. Die Symbole in jeder der obigen Zeichnungen haben dieselbe, in den oben beschriebenen Experimenten verwendete Bedeutung. Obwohl die Anzahl der Proben kleiner ist als bei der Stärke 0,7 mm, wurde eine etwa gleiche Tendenz gezeigt. Das Experiment wurde auch vereinzelt mit dem Punkt-Durchmesser ø = 0,64 mm, der größer war als der dargestellte, und mit dem Punkt-Durchmesser ø = 0,31 mm, der kleiner war als der dargestellte, durchgeführt. Bevorzugte Ergebnisse wurden für den Punkt-Durchmesser ø = 0,64 mm erhalten, wohingegen keine bevorzugten Ergebnisse für den Punkt-Durchmesser ø = 0,31 mm erhalten wurden. Diese Tendenzen sind auch ähnlich zu jenen bei der Stärke 0,7 mm, wie oben beschrieben.
Darüber hinaus waren die Werte für Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit (P/øtv) eines Laserstrahls, wenn die Sollwerte, die zu guten Schweißergebnissen führen, ausgewählt wurden, beispielsweise P/øtv 0,10 (kWsek/mm³) bei einem Bestrahlungspunkt-Durchmesser von 0,52 mm, einer Leistung P von 10 kW und einer Bewegungsgeschwindigkeit 10 mm/min (167 mm/sec); und P/øtv war 0,08 (kWsek/mm³), bei einem Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø und einer Leistung P, die gleich den obigen waren, und bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 12 mm/min (200 mm/sec). Diese Werte sind auch ähnlich zu denen, wenn die Stärke wie oben beschrieben 0,7 mm ist.
(Beispiel 3)
Anschließend werden unter Berücksichtigung der obigen experimentellen Ergebnisse, galvanisierte Stahlbleche mit einer Stärke t = 0,6 mm verwendet, wobei eines der galvanisierten Stahlbleche ohne Spalt über das andere gelegt war, so dass jede galvanisierte Schicht eine Kontaktfläche dazwischen war, um ein zusätzliches Experiment zur Bewertung einer Keyhole-bildenden Situation, Gegenwart von Zinkgasfehlern und Schweißqualität durchzuführen. Das Experiment wurde bei jedem der folgenden Punkt-Durchmesser bei einer Laserleistung P von 7 kW durchgeführt, wobei eine Laser-Bewegungsgeschwindigkeit v (m/min) geändert wurde: (a) Punkt-Durchmesser ø = 0,58 mm; (b) Punkt-Durchmesser ø = 0,79 mm und Punkt-Durchmesser ø = 0,87 mm. In diesem zusätzlichen Experiment wurde ein Faserlaser-Oszillator (Spitzenleistung ist 7 kW, Übertragungsfaser-Durchmesser ø ist 0,2 mm und Wellenlänge ist 1070 nm), hergestellt von TRUMPF CO., verwendet.
7(a) bis 7(c) zeigen die experimentellen Ergebnisse. Die darin verwendeten Symbole haben dieselbe, wie in den oben beschriebenen Experimenten verwendete Bedeutung. Von den vorhergehenden experimentellen Ergebnissen konnte eine Bewegungsgeschwindigkeit v angenommen werden, von der erwartet wird, dass sie zu bevorzugten Ergebnissen hinsichtlich einer Leistung P, einem Punkt-Durchmesser ø und einer Stärke t führt. Somit wurden in dem zusätzlichen Experiment unter fast allen für dieses Experiment eingesetzten Bedingungen bevorzugte Ergebnisse erhalten. Bei einem Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø von 0,58 mm und einer Bewegungsgeschwindigkeit v von 14 mm/min (233 mm/sec), und bei einem Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø von 0,79 mm und einer Bewegungsgeschwindigkeit v von 10 mm/min (167 mm/sec) war P/øtv 0,09 (kWsek/mm³). Bei einem Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø von 0,79 mm und einer Bewegungsgeschwindigkeit v von 12 mm/min (200 mm/sec), und bei einem Bestrahlungspunkt-Durchmesser ø von 0,87 mm und einer Bewegungsgeschwindigkeit v von 11 mm/min (183 mm/sec) war P/øtv 0,7 (kWsek/mm³). Diese Werte sind im Allgemeinen auch ähnlich denen, wenn die Stärke wie oben beschrieben 0,7 mm und 1,2 mm war.
In den obigen Beispielen sind galvanisierte Stahlbleche, die industriell in großer Anzahl verwendet werden, dünne Stahlbleche mit einer Stärke im Bereich von 0,5 bis 2 mm, obwohl die verwendeten Blechstärken für die Experimente nur 0,7 mm und 1,2 mm, und für das zusätzliche Experiment 0,6 mm waren. Somit können bevorzugte Schweißbedingungen erreicht werden, wenn ein Sollwert unter Verwendung der zuvor genannten, auf den experimentellen Ergebnissen basierenden ungefähren Formel ausgewählt wird.
Wie oben beschrieben kann ein bevorzugtes Laser-Überlapptschweißen ohne Zinkfehler mit hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt werden, obwohl das erfindungsgemäße Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlbleches keinen zusätzlichen Prozess zum Abziehen von Zinkdampf benötigt. Nebst dem Bewegen eines Laserstrahls mit hoher Geschwindigkeit erlaubt das vorliegende Verfahren die Massenproduktivität beim Überlapptschweißen galvanisierter Stahlbleche, die industriell in großer Anzahl verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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JP 2004-261849 A [0005]
JP 2005-144504 A [0006]
JP 2005-144561 A [0007]

Claims

Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlbleches, umfassend die Schritte: Bereitstellen von zwei Stahlblechen, wobei mindestens eines davon ein galvanisiertes Stahlblech ist, in überlappender Anordnung, so dass eines der Stahlbleche über das andere gelegt ist, wobei eine galvanisierte Schicht davon an einer Kontaktfläche der Stahlbleche angeordnet ist; und Bestrahlen einer äußeren Oberfläche eines der zwei Stahlbleche in einem überlappenden Bereich mit einem Laserstrahl, wobei das Bestrahlen Bestrahlen des Laserstrahls während des Bewegens mit einer Laser-Bewegungsgeschwindigkeit (v) mm/sec umfasst, was zu einer Leistung pro Volumen pro Zeiteinheit (P/øtv) des Laserstrahls innerhalb eines Bereichs von 0,07 bis 0,11 kWsec/mm³ führt, wenn der Laserstrahl eine Leistung (P) aufweist, die nicht weniger als 7 kW beträgt, und einen Bestrahlungspunkt-Durchmesser (ø), der nicht weniger als 0,4 mm beträgt, und das galvanisierte Stahlblech eine Stärke (t) mm aufweist, so dass ein verlängertes Loch in einem Schmelzbad sich von einem Laserbestrahlungspunkt nach hinten ausdehnend wenigstens in dem Stahlblech auf der äußeren Oberflächenseite gebildet wird, wobei durch Laserstrahlung produzierter Metalldampf durch das verlängerte Loch bezüglich einer Laserbewegungsrichtung nach hinten und in einer Richtung zu einer Laserstrahlungsquelle abgezogen wird.
Verfahren zum Laser-Überlapptschweißen eines galvanisierten Stahlbleches nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit (v) im Bereich von 167 bis 299 mm/sec liegt.