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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laser-Überlappschweißverfahren und insbesondere ein Laser-Überlappschweißverfahren, das ein Loch, eine Vertiefung und dergleichen, die am Schweißabschlussende verursacht werden, verbessert.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein Laser-Schweißverfahren, bei dem ein Werkstück mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, um Material im bestrahlten Abschnitt durch die Lichtenergie des Laserstrahls zu erhitzen und zu schmelzen, ist vorteilhaft, weil ein Hochgeschwindigkeitsschweißen kontaktfrei durchgeführt werden kann, weist aber dahingehend ein Problem auf, als am Schweißabschlussende ein Loch und eine Vertiefung verursacht werden. Daher ist das Problem zu einem der Faktoren geworden, welche die Verwendung des Laser-Schweißverfahrens auf nur einige Kraftfahrzeugteile einschränken und verhindern, dass es für das Verfahren zum Schweißen von Fahrzeugkarosserien eingesetzt wird, bei dem eine strikte Kontrolle der Leistung und Qualität hinsichtlich Luftdichtigkeit, Wasserleckage und dergleichen erforderlich ist.
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Perforation und Vertiefung, die an einem Laserschweißabschlussende verursacht werden, entstehen durch dem Schweißabschlussende zugeführtes geschmolzenes Metall, das aufgrund eines Phänomens, bei dem das geschmolzene Metall in der zur Schweißfortschrittsrichtung entgegengesetzten Richtung fließt, schließlich zu wenig wird. Als Maßnahme zur Lösung dieses Problems ist ein in
JP 2007-313544 A offenbartes Verfahren bekannt, das als ”Herunterfahren” oder ”Abblenden” bezeichnet wird und bei dem die Laser-Ausgangsleistung so gesteuert wird, dass sie zum Schweißabschlussende hin allmählich vermindert wird.
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Beispielweise wird, wie in 5(A) und 5(B) veranschaulicht ist, in dem Fall, in dem zwei verzinkte Stahlbleche 1 und 2 überlappt und miteinander laserverschweißt werden, wenn die Laser-Ausgangsleistung P auf einem konstanten Niveau gehalten wird, bis der Laserstrahl das Schweißabschlussende erreicht, ein Loch 52 am Ende einer Schweißnaht 51 erzeugt, und die effektive Schweißlänge Wa wird um die dem Loch 52 entsprechende Länge kürzer als die Laserbestrahlungslänge L.
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Wenn andererseits, wie durch die ausgezogene Linie (61) in 5(C) und 5(D) veranschaulicht ist, die Laser-Ausgangsleistung P in Richtung Schweißabschlussende allmählich reduziert wird, wird, weil die Eindringtiefe allmählich verringert wird, die Häufigkeit des Auftretens der Perforation am Ende der Schweißnaht 61 vermindert, wobei eine Perforation jedoch nicht vollständig verhindert werden kann. Weiterhin verbleibt sogar in dem Fall, in dem keine Perforation verursacht wird, eine vergleichsweise tiefe Vertiefung 62 am Schweißabschlussende, und darüber hinaus wird die effektive Schweißlänge Wa' weiter verkürzt. Wenn dieses Schweißverfahren somit als solches eingesetzt wird, werden am Schweißabschlussende eine Verminderung der Festigkeit und dergleichen bewirkt, sodass die Schweißqualität unvermeidlich beeinflusst wird.
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Zur Vermeidung dieses Problems ist es auch vorstellbar, die Schweißlänge (L'') zu erhöhen, wie in 5(C) und 5(D) durch eine gestrichelte Linie (71) veranschaulicht ist. In diesem Fall werden Probleme jedoch dadurch verursacht, dass sich der für die Schweißnaht 71 erforderliche Raum erhöht und die Zyklusdauer sich verlängert.
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Als weitere Maßnahme gegen die oben beschriebenen Probleme ist in
JP 2008-264793 A ein Verfahren offenbart, bei dem der Durchmesser der Laserstrahlung am Schweißabschlussende durch Defokussieren des Laserstrahls vergrößert wird. Wie jedoch in
1 von
JP 2008-264793 A veranschaulicht ist, kann anstelle einer Verbesserung der Bildung von Löchern und Vertiefungen ein Durchbrand verursacht werden, wenn der Laserstrahl am Schweißabschlussende abgestoppt und defokussiert wird. Obwohl dies in
JP 2008-264793 A nicht klar beschrieben ist, besteht weiterhin dahingehend ein Problem, dass, wenn der Defokussierungsvorgang begonnen wird, unmittelbar bevor der Laserstrahl das Schweißabschlussende erreicht, die Energiedichte des Laserstrahls reduziert und dadurch die effektive Schweißlänge ähnlich wie in dem Fall, in dem das oben beschriebene Verfahren eingesetzt wird, vermindert wird.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Gegebenheiten gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Laserüberlappschweißverfahrens, bei dem keine komplizierte Steuerung wie eine Steuerung des Laserfokus erforderlich ist und wodurch das Loch und die Vertiefung am Schweißabschlussende verbessert werden können, während eine Vergrößerung des Raumbedarfs und der Zyklusdauer, die zur Gewährleistung der Schweißlänge erforderlich sind, vermieden werden.
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Zur Lösung des oben beschriebenen Problems schafft die vorliegende Erfindung ein Laser-Überlappschweißverfahren, welches das Bestrahlen einer Mehrzahl von überlappenden Werkstücken von einer Seite mit einem Laserstrahl umfasst und folgende Schritte einschließt: Scannen (La) des Laserstrahls in Vorwärtsrichtung entlang eines vorbestimmten Abschnitts der Werkstücke; Umkehren der Scanrichtung des Laserstrahls an einem Abschlussende (t) des vorbestimmten Abschnitts; kurzes Scannen (Lb) des Laserstrahls in Rückwärtsrichtung und Beenden des Bestrahlens des vorbestimmten Abschnitts mit dem Laserstrahl, wobei das Scannen des Laserstrahls in Rückwärtsrichtung zum Scannen des Laserstrahls in Vorwärtsrichtung so versetzt ist, dass ein Teil der durch das Laserscannen in Rückwärtsrichtung gebildeten Schweißnaht die durch den Laserscan in Vorwärtsrichtung gebildeten Schweißnaht überlappt, und dann Beenden des Bestrahlens des vorbestimmten Abschitts mit dem Laserstrahl.
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Es ist bereits beschrieben worden, dass das Auftreten einer Perforation und einer Vertiefung am Schweißabschlussende auf ein Phänomen zurückzuführen sind, bei dem geschmolzenes Metall in der zur Schweißfortschrittsrichtung entgegengesetzten Richtung fließt, d. h., dass es in Scanrichtung des Laserstrahls rückwärts fließt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen somit gefunden, dass, wenn die Laserstrahl-Scanrichtung am Schweißabschlussende (am geometrischen Ende einer als Schweißverbindung zu bildenden Naht) umgekehrt wird und der Laserscan dann in Rückwärtsrichtung durchgeführt wird, neu erzeugtes geschmolzenes Metall zur Seite des geometrischen Endes der Schweißnaht fließt und dadurch der Mangel an geschmolzenem Metall am geometrischen Ende beseitigt wird.
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Wenn in diesem Fall der Laserstrahl den mittels Laserschweißen in den flüssigen Zustand überführten Abschnitt des Metalls nochmals bestrahlt, spritzt das im geschmolzenen Zustand befindliche Metall, sodass ein Durchbrand und dergleichen erfolgen. Um im Gegensatz dazu neues geschmolzenes Metall zu bilden, muss der Laserscan in Rückwärtsrichtung an einem nicht geschmolzenen Abschnitt des Werkstücks erfolgen. Der Laserscan in Rückwärtsrichtung wird jedoch an einem nicht geschmolzenen Abschnitt des Werkstücks durchgeführt, indem der Laserstrahl zu der mittels Laserscans in Vorwärtsrichtung gebildeten Schweißnaht versetzt wird, wodurch es möglich ist, neu geschmolzenes Metall in Richtung des geometrischen Endes der Schweißnaht, das sich am hinteren Ende des Laserscans in Rückwärtsrichtung befindet, zuzuführen, wodurch ein Problem wie ein Durchbrand entfällt.
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Weiterhin wird, wenn der Laserscan in Rückwärtsrichtung erfolgt, sodass ein Teil der durch den Laserscan in Rückwärtsrichtung gebildeten Schweißnaht mit der durch den Laserscan in Vorwärtsrichtung gebildeten Schweißnaht überlappt, der Fluss des geschmolzenen Metalls durch die Benetzbarkeit des geschmolzenen Metalls nicht nur in Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Scanrichtung, sondern auch in seitlicher Richtung (der Überlappungsrichtung der Nähte) in Bezug auf die Scanrichtung gefördert. Dadurch können die Nähte in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung miteinander verschmolzen werden, und es ist auch möglich, den Mangel an geschmolzenem Metall zu dem Zeitpunkt, an dem der Laserscan in Rückwärtsrichtung an einer geometrischen Zwischenposition der Schweißnaht beendet wird, zu vermeiden.
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Weil weiterhin die effektive Schweißlänge am geometrischen Ende der Schweißnaht gewährleistet ist, braucht die Schweißlänge nicht wie beim herkömmlichen Verfahren verkürzt zu werden, um die Bildung einer Perforation und Vertiefung am Schweißabschlussende zu verhindern, und der Schweißnahtabschnitt braucht nicht verlängert werden, um ein Verkürzen der Schweißlänge zu vermeiden. Folglich kann eine Vergrößerung des für die Schweißnaht erforderlichen Raums minimiert werden. Weiterhin ist eine komplizierte Steuerung des Laserstrahlfokus nicht erforderlich, und somit kann die Belastung der Schweißvorrichtung ebenfalls vermindert werden.
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Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass das Scannen des Laserstrahls (Lb) in Rückwärtsrichtung mit einer höheren Geschwindigkeit als der Scangeschwindigkeit des Laserstrahls in Vorwärtsrichtung erfolgt.
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Wenn der Laserscan in Rückwärtsrichtung bei hoher Geschwindigkeit erfolgt, wird die Energie, die pro Zeiteinheit dem mit dem Laser bestrahlten Abschnitt zugeführt wird, reduziert, wodurch es möglich ist, dieselbe Wirkung wie im Fall einer Reduzierung der Ausgangsleistung des Lasers zu erzielen. Das heißt, dass die Tiefe der Schweißdurchdringung durch den Laserscan in Rückwärtsrichtung vermindert wird und somit der Mangel an Metall am Schweißabschlussende wirksamer verbessert werden kann. Wenn weiterhin der Laserscan in Rückwärtsrichtung mit hoher Geschwindigkeit erfolgt, wird die für den Laserscan in Rückwärtsrichtung erforderliche Zeit vermindert, und somit kann eine Erhöhung der Zyklusdauer vermieden werden. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, eine Steuerung der Laser-Ausgangsleistung sowie eine komplizierte Steuerung des Laserstrahlfokus durchzuführen, und somit wird die Belastung der Schweißvorrichtung weiter vermindert.
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Weiterhin kann in jedem der oben beschriebenen Fälle, in dem das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, eine noch weiter bevorzugte Nahtform erhalten werden, indem ein Abblendverfahren zur kontinuierlichen oder schrittweisen Verminderung der Laser-Ausgangsleistung zum Zeitpunkt der Beendigung des Laserscans in Rückwärtsrichtung verwendet wird.
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Wenn beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Scannen des Laserstrahls in Vorwärtsrichtung ein in Kurvenform erfolgendes Laserscanning wenigstens am Abschlussende des vorbestimmten Abschnitts einschließt, ist das Scannen des Laserstrahls in Rückwärtsrichtung zur Außenseite in Bezug auf die Krümmungsrichtung des in Kurvenform erfolgenden Laserscanning versetzt. Wenn der Laserscan in Rückwärtsrichtung durchgeführt wird, indem der Laserstrahl in Richtung der Außenseite der Krümmungsrichtung versetzt wird, kann das Metall des nicht geschmolzenen Abschnitts mit der bereits geschmolzenen Naht über einen weiteren Bereich verschmolzen werden, und darüber hinaus wird der Metalldampf vorzugsweise abgeführt, sodass eine hervorragende Nahtform stabil erhalten werden kann.
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Wenn andererseits das Scannen des Laserstrahls in Vorwärtsrichtung wenigstens am Abschlussende des vorbestimmten Abschnitts ein in Kurvenform erfolgendes Laserscanning einschließt und wobei das Scannen des Laserstrahls in Rückwärtsrichtung zur Innenseite in Bezug auf die Krümmungsrichtung des in Kurvenform erfolgenden Laserscanning versetzt ist, werden die Bedingungen für den Erhalt einer stabilen Nahtform im Vergleich zu der Form, bei der der Laserscan in Rückwärtsrichtung durch Versetzen des Laserstrahls zur Außenseite in Bezug auf die Krümmungsrichtung des kurvenförmigen Laserscans erfolgt, in gewissem Maße schwierig. Bei der Form, bei der der Laserscan in Rückwärtsrichtung jedoch durch Versetzen des Laserstrahls zur Innenseite in Bezug auf die Krümmungsrichtung des kurvenförmigen Laserscans erfolgt, wird die durch den Laserscan in Rückwärtsrichtung gebildete Schweißnaht an der Innenseite der Nahtform verlängert, und somit ist diese Form dahingehend vorteilhaft, als der für die Schweißnaht erforderliche Raum nicht größer wird.
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Wie oben beschrieben ist, ist beim Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine komplizierte Steuerung wie eine Steuerung des Laserstrahlfokus nicht erforderlich, und somit ist die Belastung der Schweißvorrichtung klein. Weiterhin können beim Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Perforation und die Vertiefung am Schweißabschlussende verbessert werden, wobei eine Zunahme des Raumbedarfs und der Zyklusdauer zur Gewährleistung der Schweißlänge vermieden werden. Somit ist das Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, um die Qualität des Laser-Überlappschweißens zu verbessern.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 umfasst 1(A), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der ein Laserscan in einem Laser-Überlappschweißverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist, 1(B), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der eine Nahtform veranschaulicht ist, 1(C), bei der es sich um ein Diagramm handelt, in dem die Beziehung zwischen der Laser-Ausgangsleistung und der Geschwindigkeit dargestellt ist, und 1(D), bei der es sich um eine geschnittene Seitenansicht der Naht handelt;
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2 umfasst 2(A), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der ein Laserscan in einem Laser-Überlappschweißverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist, und 2(B), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der ein Laserscan in einem Laser-Überlappschweißverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
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3 umfasst 3(A), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der eine Übergangs-Nahtform im Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist, und 3(B), bei der es sich um einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 3(A) handelt;
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4 umfasst 4(A), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der die endgültige Form der Naht im Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist, und 4(B), bei der es sich um einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 4(A) handelt; und
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5 umfasst 5(A), bei der es sich um eine geschnittene Seitenansicht handelt, in der eine Naht veranschaulicht ist, die durch ein herkömmliches Laser-Überlappschweißverfahren gebildet wurde, 5(B), bei der es sich um eine Draufsicht der Nahtform beim herkömmlichen Laser-Überlappschweißverfahren handelt, 5(C), bei der es sich um ein Diagramm handelt, in dem die Laser-Ausgangsleistung dargestellt ist, und 5(D), bei der es sich um eine geschnittene Seitenansicht handelt, in der eine Naht dargestellt ist, die durch ein anderes herkömmliches Laser-Überlappschweißverfahren gebildet wurde.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Nachfolgend werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ausführlich beschrieben. 1 umfasst 1(A), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der die Laserscans La und Lb dargestellt sind, die bei einem Laser-Überlappschweißen 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für das Überlappschweißen zweier Stahlbleche 1 und 2 (verzinkte Stahlbleche) verwendet werden, 1(B), bei der es sich um eine Draufsicht handelt, in der eine Nahtform veranschaulicht ist, 1(C), bei der es sich um ein Diagramm handelt, in dem die Laser-Ausgangsleistung P und die Geschwindigkeit V dargestellt sind, und 1(D), bei der es sich um eine geschnittene Seitenansicht der Naht handelt.
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1 zeigt einen Fall, in dem das Laser-Überlappschweißen 10 so durchgeführt wird, dass schließlich eine Schweißnaht (10) mit linearer Form gebildet wird. In diesem Fall überlappen die beiden Stahlbleche 1 und 2 mittels Erhebungen (Vorsprünge, nicht dargestellt), die zuvor auf einer Seite (oder beiden Seiten) der Stahlbleche gebildet werden, und dadurch werden die beiden Stahlbleche 1 und 2 mit (nicht dargestellten) Spannvorrichtungen wie Klemmen in einem Zustand gehalten, in dem ein sehr kleiner Spalt g zur Abführung von Zinkdampf zwischen den beiden Stahlblechen 1 und 2 gebildet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Spalt g statt durch Bildung von Erhebungen durch Distanzstücke oder dergleichen gebildet werden kann. Weiterhin können die beiden Stahlbleche 1 und 2 in dem Fall, in dem keine galvanische Schicht auf der Verbindungsfläche der beiden Stahlbleche 1 und 2 vorhanden ist oder wenn die beiden Stahlbleche 1 und 2 nicht über eine Schicht verfügen, die mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wie Zink überzogen ist, direkt miteinander überlappen, ohne dass der Spalt g gebildet wird.
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Das Laser-Überlappschweißen 10 wird derart durchgeführt, dass eine Schweißnaht 11, welche die beiden Stahlbleche 1 und 2 in Dickenrichtung durchdringt, gebildet wird, indem der Laserscan La von einem Anfangsende s in Vorwärtsrichtung beginnt und linear bei konstanter Laser-Ausgangsleistung P und konstanter Scangeschwindigkeit Va durchgeführt wird, bis der Laserstrahl einen Inversionsabschnitt t (geometrisches Ende) erreicht, die Scanrichtung am Inversionsabschnitt t umgekehrt und gleichzeitig der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung bei der bestehenden Laser-Ausgangsleistung P und bei einer hohen Scangeschwindigkeit Vb durchgeführt wird, sodass der Laserstrahl einen Teil der Schweißnaht 11 überlappen kann, und die Bestrahlung mit dem Laserstrahl beendet wird, wenn er ein Schweißabschlussende e erreicht.
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Wie in 1(D) veranschaulicht ist, beginnt am Anfangsende s der Schweißnaht 11 die effektive Schweißlänge Wa an dem Punkt, an dem die Durchdringung infolge der in der Figur von oben einwirkenden Laserstrahlung das untere Stahlblech 2 erreicht. Andererseits wird im Inversionsabschnitt t, weil die Scanrichtung in dem Zustand umgekehrt wird, in dem die vom Laserstrahl verursachte Durchdringung (Stichloch) in das untere Stahlblech 2 eindringt und weil geschmolzenes Metall in den Inversionsabschnitt 6 (geometrisches Ende) an der Rückseite in Fortschrittsrichtung des Laserscans Lb in Rückwärtsrichtung fließt, was nach der Inversion des Laserscans erfolgt, der in 1(D) veranschaulichte und mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichnete vertiefte Abschnitt bedeckt (wie unten beschrieben wird), sodass die wesentliche Schweißlänge Wa eine Position erreichen kann, die dem geometrischen Ende (t) sehr nahe kommt.
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Die Länge des Laserscans Lb in Rückwärtsrichtung ist nicht besonders eingeschränkt, wobei die Länge des Laserscans Lb in Rückwärtsrichtung etwa das Vierfache oder mehr der Breite (Ba) der Schweißnaht 11 betragen muss und vorzugsweise das Fünffache oder mehr der Breite (Ba) der Schweißnaht 11 beträgt. Das Verhältnis der Länge entlang der Zeitachse T zwischen dem Inversionsabschnitt t und dem Abschlussende e in 1(C) in Bezug auf die Länge zwischen dem Inversionsabschnitt t und dem Abschlussende e in 1(A), 1(B) und 1(D) belegt, dass die Zeit, die für den Abschnitt zwischen dem Inversionsabschnitt t und dem Abschlussende e benötigt wird, im umgekehrten Verhältnis zur Geschwindigkeit Vb vermindert wird.
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Weiterhin bezieht sich, wie aus dem unten beschriebenen Beispiel hervorgeht, der zulässige Bereich der Scangeschwindigkeit Vb in Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Scangeschwindigkeit Va (Schweißgeschwindigkeit) in Vorwärtsrichtung auf eine Verschiebung zwischen dem Laserscan La in Vorwärtsrichtung und dem Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung, d. h., einen Versatz D (3 und 4). Wenn der Versatz D auf einen optimalen Wert eingestellt ist, kann der Laserscan bei einem Verhältnis der mehreren Geschwindigkeiten Vb/Va = 1, d. h. bei konstanter Geschwindigkeit, durchgeführt werden. In diesem Fall erhöht sich jedoch die Breite der endgültigen Naht am Inversionsabschnitt t (geometrisches Ende) geringfügig. Wenn das Verhältnis der mehreren Geschwindigkeiten Vb/Va zwei oder weniger beträgt und wenn der Versatz D klein ist, erhöht sich der Anteil des erneut aufgeschmolzenen Metalls des geschmolzenen Abschnitts, sodass im Inversionsabschnitt t (geometrisches Ende) kein Lochdefekt verbleibt, sondern in der Nähe des Abschlussendes e der Laserstrahlung bleibt.
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Bei einer Zunahme des Verhältnisses der mehreren Geschwindigkeiten Vb/Va nimmt die reduzierende Wirkung auf die Laser-Ausgangsleistung (Leistungsdichte) aufgrund der Erhöhung der Scangeschwindigkeit zu, und der zulässige Bereich des Versatzes D erhöht sich auf der Seite, auf der der Versatz D vermindert wird. Bei einer Einstellung des Verhältnisses der mehreren Geschwindigkeiten Vb/Va auf zwei bis drei wird der zulässige Bereich des Versatzes D maximiert. Bei einer Einstellung des Verhältnisses der mehreren Geschwindigkeiten Vb/Va auf vier oder mehr wird die Leistungsdichte unzureichend, und der zulässige Bereich des Versatzes D wird vermindert. Die Zyklusdauer vermindert sich jedoch um die Zeitdauer, die der Erhöhung der Laserscangeschwindigkeit entspricht.
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Als Nächstes veranschaulicht 2(A) einen Laserscan beim Laser-Überlappschweißen 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2(B) veranschaulicht einen Laserscan beim Laser-Überlappschweißen 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sowohl die zweite als auch die dritte Ausführungsform veranschaulichen eine Ausführungsform, bei der eine kreisrunde Schweißnaht mit einem offenen Abschnitt gebildet wird und die für das Laserstrahlschweißen (Verschweißen von Baugruppen) als Alternative zum Punktschweißen bei einem Schweißverfahren für Kraftfahrzeugkarosserien besonders geeignet ist.
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Was die zweite und die dritte Ausführungsform angeht, wird beim Laser-Überlappschweißen 20 gemäß der in 2(A) dargestellten zweiten Ausführungsform, nachdem der Laserscan La in Vorwärtsrichtung kreisförmig vorn Anfangsende s bis zum Inversionsabschnitt t (dem geometrischen Ende der Schweißnaht) durchgeführt wurde, die Scanrichtung am Inversionsabschnitt t umgekehrt, und dann wird der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung in Richtung des Abschlussendes e durchgeführt, indem der Laserstrahl in Richtung der Außenseite des kreisförmigen Bogens (an die Außenseite in Bezug auf die Krümmungsrichtung) versetzt wird. Andererseits wird beim Laser-Überlappschweißen 30 gemäß der in 2(B) dargestellten dritten Ausführungsform der Laserscan La in Vorwärtsrichtung vom Anfangsende s bis zum Inversionsabschnitt t ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform durchgeführt, wobei die dritte Ausführungsform jedoch dahingehend verschieden ist, als die Scanrichtung im Inversionsabschnitt t umgekehrt ist und dann der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung in Richtung des Abschlussendes e durchgeführt wird, indem der Laserstrahl in Richtung der Innenseite des kreisförmigen Bogens (an die Innenseite in Bezug auf die Krümmungsrichtung) versetzt wird.
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Wie oben beschrieben ist, wird der Spalt g zwischen den beiden verzinkten Stahlblechen 1 und 2 gebildet, damit der zum Zeitpunkt des Schweißens der verzinkten Stahlbleche 1 und 2 gebildete Zinkdampf abgeführt wird. In dem Fall, in dem die Schweißnähte 20 und 30 wie in der zweiten und der dritten Ausführungsform eine kreisförmige Form aufweisen, befindet sich während des Schweißvorgangs zum Erreichen des Inversionsabschnitts t (des geometrischen Endes) und zur erneuten Annäherung an das Anfangsende s das Innere der Schweißnähte 20 und 30 nur über den unterbrochenen Abschnitts zwischen dem Anfangsende s und dem Inversionsabschnitt t im kommunizierenden Zustand mit der umgebenden Luft. Somit ist die Schweißnaht 20 gemäß der zweiten Ausführungsform, bei der die Scanrichtung umgekehrt wird, indem der Laserstrahl in Richtung der Außenseite des kreisförmigen Bogens versetzt wird, unter dem Gesichtspunkt der Abführung des Zinkdampfs vorteilhaft.
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3 veranschaulicht eine Übergangs-Nahtform beim Laser-Überlappschweißen 20 gemäß der zweiten Ausführungsform, und 4 veranschaulicht eine endgültige Nahtform. In dem Zustand, in dem eine Nahtform 21 zwischen dem Anfangsende s und dem Inversionsabschnitt t gebildet wird, indem der Laserscan La in Vorwärtsrichtung zwischen dem Anfangsende s und dem Inversionsabschnitt t durchgeführt wird, wird kurzzeitig ein der Dicke des oberen Stahlblechs 1 entsprechender vertiefter Abschnitt (ein Abschnitt mit unzureichendem geschmolzenem Metall) gebildet, wie in 3(B) dargestellt ist. In diesem Zustand wird die Scanrichtung des Lasers umgekehrt, und dann wird der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung durchgeführt, indem die Position des Laserstrahls von der Position des Laserstrahls beim Laserscan La in Vorwärtsrichtung versetzt wird. Dadurch wird ein nicht geschmolzener Abschnitt des Stahlblechs 1 am äußeren Rand der Schweißnaht 21 geschmolzen und fließt in den vertieften Abschnitt der Schweißnaht 21, der sich noch im geschmolzenen Zustand befindet. Als Folge wird der vertiefte Abschnitt flach und plan, wie in 4(B) veranschaulicht ist.
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Der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung erfolgt mit hoher Geschwindigkeit ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Somit wird die reduzierende Wirkung der Laser-Ausgangsleistung (Leistungsdichte) sogar dann erhalten, wenn die Laser-Ausgangsleistung und der Punktdurchmesser des Laserscans Lb in Rückwärtsrichtung dieselben wie die Laser-Ausgangsleistung und der Punktdurchmesser des Laserscans La in Vorwärtsrichtung sind. Dadurch wird die Nahtbreite Bb des Laserscans Lb in Rückwärtsrichtung schmaler als die Nahtbreite Ba beim Laserscan La in Vorwärtsrichtung, und gleichzeitig wird die Eindringtiefe so reduziert, dass sie geringer als die Dicke des oberen Stahlblechs 1 ist. Wenn dieser Zustand erreicht ist, verbleiben keine Schäden wie eine Vertiefung sogar dann, wenn der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung am Abschlussende e beendet wird.
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Beispiele
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Zur Verifizierung der Wirkung des Laser-Überlappschweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wurden Experimente mit dem Laser-Überlappschweißen 20 und 30 gemäß der oben beschriebenen zweiten und dritten Ausführungsform durchgeführt, und die Qualität der Schweißnaht wurde in jedem der Fälle ausgewertet, in denen der Versatz D zwischen dem Laserscan La in Vorwärtsrichtung und dem Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung und die Scangeschwindigkeit Vb des Laserscans Lb in Rückwärtsrichtung geändert wurden.
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In den Experimenten wurde ein Lichtleitfaser-Laseroszillator (mit einer maximalen Ausgangsleistung von 7 kW, Durchmesser der Transmissionsfaser: 0,2 mm), hergestellt vom Unternehmen IPG Photonics, und ein Scankopf (Bearbeitungsfokusdurchmesser im fokussierten Zustand: 0,6 mm), hergestellt vom Unternehmen HIGHYAG Laser Technology, verwendet. In jedem der Zustände, in dem ein blankes Stahlblech (
1) mit einer Dicke von 0,65 mm auf einem verzinkten Stahlblech (
2) mit einer Dicke von 0,8 mm mit Spalten g = 0,1 mm und 0,2 mm überlappt wurde, sodass sie als Werkstücke dienten (ein Teil der Experimente wurde mit einem Spalt von 0,05 mm durchgeführt), wenn der kreisförmige Laserscan La in Vorwärtsrichtung unter den Bedingungen einer Laser-Ausgangsleistung von 4,3 kW, einem Laserstrahl-Durchmesser von 7 mm, einer Länge des unterbrochenen Abschnitts von 1 mm, einer eingestellten Schweißlänge von 21 mm, einer Scangeschwindigkeit Va = 6,9 m/min (erste Hälfte) bis 7,2 m/min (zweite Hälfte) durchgeführt wurde und wenn der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung über ein Viertel (6,3 mm) der Umfangslänge so durchgeführt wurde, dass der Laserstrahl in Richtung der Seite des äußeren Umfangs versetzt wurde, die Scangeschwindigkeit von Vb = 7,2 m/min (konstante Geschwindigkeit) zu 35 m/min (4,8-fache Geschwindigkeit, teilweise Vb = 75 m/min (10,4-fache Geschwindigkeit) und der Versatz D in Schritten von 0,1 mm zwischen D = 0,1 mm und D = 1,2 mm geändert wurde, wurde die Tiefe der Vertiefung zwischen dem Inversionsabschnitt t und dem Abschlussende e der Schweißnaht gemessen, und das Aussehen auf jeder Seite der Vorder- und der Rückseite des Stahlblechpaars wurde betrachtet. Die Ergebnisse der Experimente sind in
1 veranschaulicht. Tabelle 1
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In Tabelle 1 ist der Fall, in dem die Tiefe der Vertiefung weniger als 0,4 mm beträgt, durch einen ”Doppelkreis” veranschaulicht, der Fall, in dem die Tiefe der Vertiefung 0,4 mm oder mehr und weniger als 0,5 mm betrug, durch einen ”Kreis” veranschaulicht, der Fall, in dem die Tiefe der Vertiefung 0,5 mm oder mehr und weniger als 0,65 betrug, durch ein ”Dreieck” veranschaulicht, und der Fall, in dem die Tiefe der Vertiefung 0,65 mm oder mehr betrug oder ein das obere Stahlblech 1 durchdringendes Loch bestätigt wurde, durch ein ”Kreuz” gekennzeichnet.
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Wie in Tabelle 1 veranschaulicht ist, wurde bestätigt, dass, wenn die Scangeschwindigkeit Vb in Rückwärtsrichtung auf einen Wert des Zweifachen oder mehr (15 m/min oder mehr) der Scangeschwindigkeit Va (7,2 m/min) in Vorwärtsrichtung eingestellt ist, das Schweißen mit stabiler Qualität über einen relativ weiten Bereich von Versätzen D (Verschiebung zwischen dem Laserscan La in Vorwärtsrichtung und dem Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung) durchgeführt werden kann, wobei der Bereich 15 bis 95% der Nahtbreite Ba (etwa 1,2 mm) entspricht.
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Weiterhin wurde bestätigt, dass im Fall des Versatzes D = 0,7 mm, was etwa 60% der Nahtbreite Ba entspricht und was dem optimalen Wert des Versatzes D nahe kommt, sogar dann weder eine Vertiefung noch ein Lochfehler verursacht werden, wenn die Scangeschwindigkeit Vb in Rückwärtsrichtung auf eine hohe Geschwindigkeit eingestellt wird. Tabelle 1 veranschaulicht die Ergebnisse von Experimenten, bei denen die Scangeschwindigkeit Vb 50 m/min oder weniger beträgt, doch wurden gute Ergebnisse im Bereich einer Scangeschwindigkeit Vb von 75 m/min oder weniger erhalten.
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Weiterhin wurde in dem Fall, in dem der Versatz D auf 0,8 mm eingestellt wurde, sogar dann keine Vertiefung verursacht, wenn die Scangeschwindigkeit Vb in Rückwärtsrichtung gleich der Scangeschwindigkeit Va (Schweißgeschwindigkeit) in Vorwärtsrichtung war. In diesem Fall erhöht sich jedoch die Nahtbreite am Nahtende geringfügig. Somit kann festgestellt werden, dass es, wenn die Scangeschwindigkeit Vb in Rückwärtsrichtung gleich der Scangeschwindigkeit Va in Vorwärtsrichtung oder ein geringes Vielfaches davon eingestellt wird, vorteilhaft ist, eine Steuerung der Laser-Ausgangsleistung zusammen mit der oben beschriebenen Steuerung des Laserscanning zu verwenden.
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Die oben beschriebenen Experimente beziehen sich auf den Fall, in dem der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung erfolgte, indem der Laserstrahl von dem kreisförmigen Laserscan La in Vorwärtsrichtung aus in Richtung der Seite des äußeren Umfangs versetzt wurde. Wenn ähnliche Experimente jedoch auch für den Fall durchgeführt wurden, in dem der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung erfolgte, indem der Laserstrahl von dem kreisförmigen Laserscan La in Vorwärtsrichtung aus in Richtung der Seite des inneren Umfangs versetzt wurde, bestätigte sich im Allgemeinen dieselbe Tendenz, obwohl der geeignete Versatzbereich im Vergleich zu dem Fall, in dem der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung erfolgte, indem der Laserstrahl von dem kreisförmigen Laserscan La in Vorwärtsrichtung aus in Richtung der Seite des äußeren Umfangs versetzt wurde, leicht verminderte. Jedoch wurde in dem Fall, in dem der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung erfolgte, indem der Laserstrahl von dem kreisförmigen Laserscan La in Vorwärtsrichtung aus in Richtung der Seite des inneren Umfangs versetzt wurde, um den Radius der Naht zu verkleinern, der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung über drei Achtel der Umfangslänge (7 mm) durchgeführt, sodass etwa dieselbe Scanstrecke erhalten werden kannte.
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Unterschiede der experimentellen Ergebnisse zwischen dem Fall des Versatzes in Richtung der Seite des inneren Umfangs und dem Fall des Versatzes in Richtung der Seite des äußeren Umfangs waren ersichtlich, wenn der Spalt klein war (0,1 mm und 0,05 mm), wobei ein Blasloch, ein Durchbrand und dergleichen verursacht wurden. Es wird angenommen, dass sich dies auf die Tatsache zurückführen lässt, dass, wenn der Spalt zwischen den Stahlblechen klein ist und wenn der Laserscan Lb in Rückwärtsrichtung auf der Seite des inneren Umfangs der kreisförmigen Naht durchgeführt wird, die Eigenschaft der Abführung von Metalldampf beeinträchtigt ist. Im Fall des kleinsten Spalts g von 0,05 mm wurde jedoch kein Durchbrand verursacht, und im Allgemeinen wurden im Vergleich zum Fall mit einem Spalt g von 0,1 mm bessere Ergebnisse erhalten. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass, wenn der Spalt g kleiner ist, die Menge des in den Spalt g gelangenden geschmolzenen Metalls kleiner ist. Natürlich wird davon ausgegangen, dass bei der Verwendung blanker Stahlbleche, zwischen denen kein Spalt g ausgebildet zu werden braucht, die Bereiche der geeigneten Versätze D und der Scangeschwindigkeit Lb weiter erhöht werden können.
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Obwohl oben einige Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die gegenwärtige Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und zahlreiche Modifikationen und Änderungen können auf der Grundlage des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
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Als Beispiel ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Fall veranschaulicht, in dem zwei Stahlbleche überlappt und laserverschweißt werden. Das Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann aber auch auf Werkstücke mit einer anderen Form angewandt werden, und es kann auch auf den Fall angewendet werden, in dem drei oder mehr Stahlbleche überlappt und laserverschweißt werden. Weiterhin sind in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Fälle beschrieben, in denen die Schweißnaht eine lineare Form und eine kreisförmige Form (Form eines kreisförmigen Bogens) hat, wobei das Laser-Überlappschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch auf jede beliebige, von diesen Schweißnahtformen verschiedene Form der Schweißnaht angewandt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007-313544 A [0003]
- JP 2008-264793 A [0007, 0007, 0007]
