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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laserpunktschweißverfahren.
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[Hintergrund der Erfindung]
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Laserschweißen, bei dem die optische Energie, die durch Lasereinstrahlung auf ein Werkstück verursacht wird, das Material an dem bestrahlten Bereich erwärmt und schmilzt, hat einen Vorteil eines berührungslosen Hochgeschwindigkeitsschweißens und hat daher das Lichtbogen- und Widerstandspunktschweißen ersetzt. Bei einem Laserpunktschweißen als eine Alternative zu dem Widerstandspunktschweißen wird die Verbindungsfestigkeit durch kreisförmiges oder spiralförmiges Scannen des Laserstrahls innerhalb der Punktfläche erreicht, wie zum Beispiel in Patentdokument 1 beschrieben.
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Unglücklicherweise hat ein solches Schweißverfahren insofern Probleme, als das Schweißen einen agilen Scanvorgang zum Strahlscannen innerhalb der Punktfläche erfordert, was den Steuerungsvorgang kompliziert macht und die Zykluszeit der Zeit des Strahlscannens vergrößert.
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[Stand der Technik]
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[Patentdokument]
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[Patentdokument 1]
JP 2012-115876 A -
[Zusammenfassung der Erfindung]
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[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehende Situation gemacht, und eine Aufgabe davon ist es, ein Laserpunktschweißverfahren bereitzustellen, das eine stabile Verbindungsfestigkeit mit einem einfachen Vorgang bereitstellt und keine Komplexität einer Steuerung und keine Erhöhung einer Zykluszeit erfordert.
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[Mittel zum Lösen der Probleme]
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Um die vorstehenden Probleme zu lösen, beinhaltet ein Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
einen Schritt des Bestrahlens von überlappenden Metallplatten mit einem Laser unter allmählicher oder schrittweiser Veränderung eines Einstrahlungsdurchmessers des Lasers zwischen einem ersten Einstrahlungsdurchmesser und einem zweiten Einstrahlungsdurchmesser in einem Zustand, in dem eine optische Achse des Lasers auf eine vorbestimmte Fläche der Metallplatten eingestellt ist,
wobei: einer der ersten und zweiten Einstrahlungsdurchmesser ein kleinster Einstrahlungsdurchmesser während des Schrittes ist und der andere ein größter Einstrahlungsdurchmesser ist, der während des Schrittes einen Punktdurchmesser bereitstellt; und das Verändern des Einstrahlungsdurchmessers durch Verändern eines Defokussierungsanteils des Lasers bereitgestellt wird.
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[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
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Bei dem Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt, da der Lasereinstrahlungsdurchmesser mit der fixierten optischen Achse des Lasers wie vorstehend beschrieben verändert wird, die Lasereinstrahlung mit dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser die Schmelztiefe bereit und die Lasereinstrahlung mit dem größten Einstrahlungsdurchmesser stellt den Punktdurchmesser bereit. Daher stellt das Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein einfacher Vorgang ist, der kein Scannen der optischen Achse des Lasers beinhaltet, eine gewünschte Verbindungsfestigkeit bereit und stellt auch einen Vorteil zum Verbessern einer Produktivität bereit, da keine Komplexität der Steuerung und keine Erhöhung der Zykluszeit erforderlich sind. Zusätzlich hat in dem Fall, in dem Metallplatten übereinander mit dazwischenliegenden Spalten angeordnet sind, das Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vorteil eines signifikanten Verbesserns der zulässigen Bereiche der Spalte.
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In einem Aspekt der vorstehenden vorliegenden Erfindung, in dem der erste Einstrahlungsdurchmesser der kleinste Einstrahlungsdurchmesser während des Schrittes ist; der zweite Einstrahlungsdurchmesser der größte Einstrahlungsdurchmesser während des Schrittes ist; und der Schritt ein Einstrahlen mit dem Laser mit allmählichem oder schrittweisem Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers von dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser zu dem größten Einstrahlungsdurchmesser beinhaltet, schmilzt und verbindet die Lasereinstrahlung mit dem ersten Einstrahlungsdurchmesser überlappende Metallplatten und der geschmolzene Bereich wird auf einen gewünschten Punktdurchmesser durch Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers von dem ersten Einstrahlungsdurchmesser zu dem größten Einstrahlungsdurchmesser erweitert, während der Laser eingestrahlt wird. Dieser Vorgang ermöglicht es, Punktschweißen mit einer hohen Toleranz gegenüber Spalten stabil durchzuführen.
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In einem Aspekt der vorstehenden vorliegenden Erfindung, in dem der erste Einstrahlungsdurchmesser der größte Einstrahlungsdurchmesser während des Schrittes ist, der zweite Einstrahlungsdurchmesser der kleinste Einstrahlungsdurchmesser während des Schrittes ist, und der Schritt ein Einstrahlen mit dem Laser mit allmählichem oder schrittweisem Verkleinern des Einstrahlungsdurchmessers von dem größten Einstrahlungsdurchmesser zu dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser beinhaltet, bildet die Lasereinstrahlung mit dem ersten Einstrahlungsdurchmesser einen geschmolzenen Bereich, der einem gewünschten Punktdurchmesser der obersten Oberfläche entspricht, und die Lasereinstrahlung, die mit einem Verkleinern des Einstrahlungsdurchmessers von dem ersten Einstrahlungsdurchmesser zu dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser durchgeführt wird, fördert eine Wärmeübertragung zu der untersten Oberfläche und stellt daher eine gewünschte Schmelztiefe in dem Zentrum des geschmolzenen Bereichs bereit. Insbesondere in dem Fall, in dem der Spalt auf der obersten Oberflächenseite groß ist, hat dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Vorteil fähig zu sein, Punktschweißen mit einer hohen Toleranz stabil durchzuführen, da die Lasereinstrahlung mit dem größten Einstrahlungsdurchmesser zuerst auf der Metallplatte an der obersten Oberfläche durchgeführt wird, so dass ein Verbinden durch thermische Deformation in dem maximalen Bereich vor einem Eindringen voranschreitet, was eine Wärmeübertragung zu der zweiten oder unteren Platte fördert.
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Figurenliste
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- [1] 1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht (a) und eine Draufsicht (b) eines Laserpunktschweißens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einen Graphen (c), der eine Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers schematisch darstellt.
- [2] 2 zeigt einen Graphen (a), der die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers bei dem Laserpunktschweißen eines Vergleichsbeispiels darstellt, Graphen (b) bis (d), die die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers bei dem Laserpunktschweißen gemäß einem ersten bis dritten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, einen Graphen (e), der die oberen und unteren Spalte und den schweißbaren Bereich bei dem Laserpunktschweißen des Vergleichsbeispiels (a) darstellt, und Graphen (f) bis (h), die die oberen und unteren Spalte und den schweißbaren Bereich bei dem Laserpunktschweißen des ersten bis dritten Beispiel darstellen.
- [3] 3 zeigt Graphen (a) und (b), die die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers darstellen und Graphen (c) und (d), die die oberen und unteren Spalte und den schweißbaren Bereich darstellen, bei dem Laserpunktschweißen gemäß dem vierten und fünften Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- [4] 4 zeigt einen Graphen (a), der die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers darstellt und einen Graphen (b), der die oberen und unteren Spalte und den schweißbaren Bereich darstellt, bei dem Laserpunktschweißen des Beispiels 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- [5] 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Schweißbereichs des Laserpunktschweißen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- [6] 6 zeigt eine Querschnittsseitenansicht (a) und eine Draufsicht (b) eines Laserpunktschweißens gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einen Graphen (c), der eine Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers schematisch darstellt.
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[Modi zum Ausführen der Erfindung]
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen.
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Erste Ausführungsform
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Teile (a) bis (c) von 1 stellen ein Laserpunktschweißen 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für drei Metallplatten 11, 12 und 13 dar. In Teil (a) von 1 werden die Metallplatten 11, 12 und 13, die Dicken von t1, t2 und t3 haben, mit dazwischenliegenden Spalten ga und gb übereinander angeordnet.
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Die Spalte ga und gb sind Spalte, deren Intervalle durch eine übereinanderliegende Anordnung der Metallplatten 11, 12 und 13 mit dazwischenliegenden Vorsprüngen (nicht dargestellte Ausprägung) angepasst werden, die Vorsprünge werden im Vorfeld gebildet durch Pressen auf einige der Metallplatten 11, 12 und 13 (üblicherweise die Metallplatten 12 und 13, die auf der unteren Seite der Spalte ga und gb angeordnet sind) oder durch übereinanderliegendes Anordnen der Metallplatten 11, 12 und 13 mit nicht dargestellten Abstandshaltern, die zwischen die Metallplatten eingesetzt werden und sie bei Bedarf mit Klemmen oder anderen Werkzeugen halten, und/oder durch Spalte, deren Intervalle durch Rückfederung an Flanschbereichen oder dergleichen von Pressteilen verursacht werden und daher nicht angepasst werden.
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Die Metallplatten 11, 12 und 13 sind nicht auf bestimmte beschränkt aber werden als dünne Stahlplatten, die Dicken von 0,6 bis 2,0 mm haben, angenommen. In später beschriebenen Experimenten waren die Dicken t1, t2 und t3 von Stahlplatten 0,6 mm, 0,8 mm bzw. 1,2 mm. In dem Fall, in dem Metallplatten Oberflächenbehandlungsschichten aus einem niedrigschmelzenden Metall, wie z.B. eine galvanisierte Schicht, auf Verbindungsoberflächen aufweisen, sind Spalte mit angepassten Intervallen wie vorstehend beschrieben absichtlich bereitgestellt, um Metalldampf zu entladen. In dem Fall, in dem Metallplatten keine Oberflächenbehandlungsschichten aus einem niedrigschmelzenden Metall aufweisen, können die Metallplatten ohne die dazwischenliegenden Spalte ga und gb direkt übereinander angeordnet werden.
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Wenn das Laserpunktschweißen 10 durchgeführt wird, wird zuerst ein Laserbearbeitungskopf über der Metallplatte 11 positioniert, die an der obersten Oberfläche angeordnet ist, und Lasereinstrahlung L1 wird mit der fixierten optischen Achse bei einer konstanten Ausgabe mit einem Defokussierungsanteil dl (der kleinste Einstrahlungsdurchmesser φ1) durchgeführt, um einen Schmelzbereich W1 (ein geschmolzener Bereich zu dieser Zeit) zu bilden, der in die drei Metallplatten 11, 12 und 13 an einem Punkt S1 eindringt.
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Dieser Punkt S1 ist eine Einstrahlungsfläche mit einer Fläche, die die kleinste ist (mit einer Energiedichte, die die größte ist) während des Schweißprozesses. Der Punkt S1 dringt in die Metallplatten 11 und 12 ein, die die zwei an der obersten Oberfläche näherliegenden Platten der drei zu schweißenden Metallplatten 11, 12 und 13 sind, bei einer minimal benötigten Laserleistung, und eine ausreichende Schmelztiefe kann auch in der untersten Metallplatte 13 erreicht werden.
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Anschließend wird der Fokus durch das optische System des Laserschweißers gesteuert, wobei die optische Achse fixiert bleibt. Der Defokussierungsanteil wird allmählich von dl auf d2 vergrößert, wie mit Symbol Ws in Teil (c) von 1 angezeigt wird, um den Lasereinstrahlungsdurchmesser allmählich auf φ2 zu vergrößern, während die Lasereinstrahlung (L1 bis L2) bei der konstanten Ausbringung durchgeführt wird. Der geschmolzene Bereich wird auf W2 erweitert, und die Lasereinstrahlung L2 ist beendet, wenn der Punkt S2 ist.
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Dieser Punkt S2 ist eine Bestrahlungsfläche mit einer Fläche, die die größte ist (mit einer Energiedichte, die die kleinste ist) während des Schweißprozesses. Obwohl sich die Energiedichte der Lasereinstrahlung allmählich verkleinert im Laufe der Erweiterung des Lasereinstrahlungsdurchmessers von φ1 auf φ2, um die Bestrahlungsfläche von S1 nach S2 zu vergrößern, fördert eine mit diesem Prozess einhergehende Wärmeübertragung von dem Zentrumsbereich zu den umgebenden Bereichen ein stabiles Schmelzen innerhalb der Bestrahlungsfläche S2, wodurch der finale Schweißbereich W2 produziert wird, der dem Lasereinstrahlungsdurchmesser φ2 entspricht.
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Es ist zu beachten, dass in dem Fall, in dem die Metallplatten 11, 12 und 13 Oberflächenbehandlungsschichten aus einem niedrigschmelzenden Metall aufweisen, der an dem geschmolzenen Bereich und seiner Umgebung verursachte Metalldampf durch die Spalte ga und gb gestreut und entladen wird, zusammen mit der Wärmeübertragung von dem Zentrumsbereich zu den vorstehend beschriebenen umgebenden Bereichen und der Erweiterung des Lasereinstrahlungsdurchmessers.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, wird bei dem Laserpunktschweißen 10 der Lasereinstrahlungsdurchmesser mit der fixierten optischen Achse verändert, so dass die Lasereinstrahlung L1 mit dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1 die ausreichende Schmelztiefe an dem Zentrumsbereich (S1, W1) bereitstellt, und die Lasereinstrahlung L2 mit dem größten Einstrahlungsdurchmesser φ2 den gewünschten Punktdurchmesser (S1, W2) bereitstellt. Als ein Resultat stellt das Laserpunktschweißen 10, das einfach in einem Vorgehen ist, das kein Scannen der optischen Achse des Lasers beinhaltet, eine gewünschte Verbindungsfestigkeit bereit und stellt auch einen Vorteil einer signifikanten Vergrößerung der zulässigen Bereiche der Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten 11, 12 und 13 bereit.
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Beispiel gemäß einer ersten Ausführungsform und einem Vergleichsbeispiel
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Als nächstes wurden Experimente durchgeführt, um den vorteilhaften Effekt des Laserpunktschweißens 10 gemäß der ersten Ausführungsform zu verifizieren. In den Experimenten wurde das Laserpunktschweißen durchgeführt, wobei die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten 11, 12 und 13 und eine Kombination davon für jedes unterschiedliche Veränderungsmuster des Lasereinstrahlungsdurchmessers verändert wurden, und die zulässigen Bereiche der Spalte wurden verglichen. In den Experimenten wurden Stahlplatten, die Dicken von t1 = 0,6 mm, t2 = 1,2 mm und t3 = 0,8 mm haben, von der obersten Oberflächenseite (der Lasereinstrahlungsseite) als die Metallplatten 11, 12 und 13 verwendet. Der Laser wurde bei einer Laserleistung von 6 kW für 0,4 Sekunden eingestrahlt, wobei der Defokussierungsanteil innerhalb des Bereichs zwischen 30 bis 90 mm und der Lasereinstrahlungsdurchmesser innerhalb des Bereichs zwischen 1,8 bis 5,0 mm verändert wurde.
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Vergleichsbeispiel
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Zuerst wurde als Vergleichsbeispiel das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für 0,2 Sekunden mit einem Defokussierungsanteil d1 = 30 mm eingestrahlt wurde, dann wird der Defokussierungsanteil auf d2 = 90 mm vergrößert und der Laser wurde für 0,15 Sekunden eingestrahlt, wie in Teil (a) von 2 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu untersuchen.
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Teil (e) von 2 zeigt das Resultat, in dem die schraffierten Kombinationen in dem Diagramm die zulässigen Bereiche der Spalte zeigen, in denen ein gutes Schweißresultat erreicht wurde. In dem Fall, in dem der obere Spalt ga 0 ist, ist der untere Spalt bis zu gb =1,0 mm zulässig. In den Kombinationen, in denen sowohl ga als auch gb einige Spalte aufweisen, beträgt die Summe der Spalte näherungsweise 0,9 mm. Obwohl in einigen Kombinationen eine Verlängerung der Zeit der Lasereinstrahlung eine gewisse Verbesserung zeigte, ist zu erkennen, dass es einen Unterschied in dem Bereich gibt, in dem der untere Spalt gb groß ist, im Vergleich zu dem zulässigen Bereich des Spalts von Beispiel 1 (später beschrieben), was durch die dicken Linien in der Figur angezeigt wird.
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Beispiel 1
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Als nächstes wurde, als Beispiel 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für 0,4 Sekunden eingestrahlt wurde, wobei der Defokussierungsanteil von d1 = 30 mm auf d2 = 90 mm mit einer konstanten Rate vergrößert wurde, wie in Teil (b) von 2 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu untersuchen.
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Teil (f) von 2 zeigt das Resultat von Beispiel 1. Im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel ist der untere Spalt bis zu 1,0 bis 1,1 mm zulässig in dem Bereich, in dem der untere Spalt gb groß ist, und der zulässige Bereich wird bis zu der Fläche erweitert, in der die Summe der oberen und unteren Spalte 1,2 bis 1,3 mm beträgt.
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Beispiel 2
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Als nächstes wurde, als Beispiel 2 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für insgesamt 0,4 Sekunden eingestrahlt wurde, während der Defokussierungsanteil von d1 = 30 mm auf 40 mm in 0,2 Sekunden mit einer relativ flachen Rate vergrößert wurde, und dann der Defokussierungsanteil auf d2 = 90 mm in den nächsten 0,2 Sekunden mit einer relativ steilen Rate vergrößert wurde, wie in Teil (c) von 2 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu untersuchen.
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Teil (g) von 2 zeigt das Resultat von Beispiel 2. Obwohl der zulässige Bereich der Spalte erweitert und größer als das vorgehende Vergleichsbeispiel ist, ist der zulässige Bereich kleiner als das vorstehend beschriebene Beispiel 1 um etwa 0,2 mm in dem Bereich, in dem der untere Spalt gb groß ist.
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Beispiel 3
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Als nächstes wurde als Beispiel 3 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für insgesamt 0,4 Sekunden eingestrahlt wurde, während eine Vergrößerung des Defokussierungsanteils von d1 = 30 mm auf 50 mm in 0,1 Sekunden mit einer relativ steilen Rate vergrößert wurde, und dann der Defokussierungsanteil auf d2 = 90 mm in den nächsten 0,3 Sekunden mit einer relativ flachen Rate vergrößert wurde, wie in Teil (d) von 2 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu untersuchen.
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Teil (h) von 2 zeigt das Resultat von Beispiel 3. Im Gegensatz zu dem vorstehenden Beispiel 2 zeigte Beispiel 3 ein etwas besseres Resultat als Beispiel 1 in dem Bereich, in dem die Summe der oberen und unteren Spalte groß ist.
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Die Resultate der vorstehend beschriebenen Beispielen 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels zeigen, dass es vorteilhafter ist, bei dem Schweißen in dem Fall, in dem es sowohl obere als auch untere Spalte gibt, die Lasereinstrahlung L1 mit dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser (φ1) für sehr kurze Zeit durchzuführen und dann den Einstrahlungsdurchmesser allmählich zu vergrößern, um größere zulässige Bereiche der Spalte zu erreichen und einen bevorzugten Schweißpunkt stabil zu bilden. Insbesondere der Vergleich zwischen Beispiel 2 und Beispiel 3 deutet darauf hin, dass ein relativ schnelles Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers in der ersten Hälfte des Schweißprozesses und ein relativ langsames Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers in der zweiten Hälfte des Schweißprozesses ein bevorzugteres Resultat liefern. Um diese Tendenz zu verifizieren, wurden zusätzliche Experimente durchgeführt, um den zulässigen Bereich der Spalte zu vergleichen, in dem das Laserpunktschweißen durchgeführt wurde, wobei nur das Veränderungsmuster des Lasereinstrahlungsdurchmessers verändert wurde.
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Beispiel 4
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Zuerst wurde, als Beispiel 4 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für insgesamt 0,4 Sekunden eingestrahlt wurde, während der Defokussierungsanteil von dl = 30 mm auf 60 mm in 0,1 Sekunden mit einer steileren Rate als in Beispiel 3 vergrößert wird, und dann der Defokussierungsanteil auf d2 = 90 mm in den nächsten 0,3 Sekunden mit einer flacheren Rate als in Beispiel 3 vergrößert wurde, wie in Teil (a) von 3 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu untersuchen.
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Teil (c) von 3 zeigt das Resultat von Beispiel 4. Im Vergleich zu dem vorgehenden Beispiel 3 hat sich die Kombination aus einem oberen Spalt ga von 0,3 mm und einem unteren Spalt gb von 0,9 bis 1,0 mm als fehlerhaft erwiesen. In dem Fall, in dem der obere Spalt ga kleiner oder gleich 0,2 mm ist, wurde jedoch der zulässige Bereich des unteren Spalts gb auf 1,3 bis 1,4 mm erweitert, was zeigt, dass Beispiel 4 in dem Fall vorteilhaft ist, in dem der untere Spalt gb groß ist.
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Beispiel 5
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Als nächstes wurde, als Beispiel 5 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für insgesamt für 0,4 Sekunden eingestrahlt wurde, während der Defokussierungsanteil von d1 = 30 mm auf 70 mm in 0,1 Sekunden mit einer steileren Rate als in Beispiel 5 vergrößert wird, und dann der Defokussierungsanteil auf d2 = 90 mm in den nächsten 0,3 Sekunden mit einer flacheren Rate als in Beispiel 5 vergrößert wird, wie in Teil (b) von 3 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu untersuchen.
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Teil (d) von 3 zeigt das Resultat von Beispiel 5. Obwohl wie im vorgehenden Beispiel 4, die Kombination aus einem oberen Spalt ga von 0,3 mm und einem unteren Spalt gb von 0,9 bis 1,0 mm fehlerhaft war, wurde festgestellt, dass in dem Fall, in dem der obere Spalt ga 0,6 bis 0,7 mm ist, der zulässige Bereich erweitert wurde. Zudem wurde festgestellt, dass in dem Fall, in dem der obere Spalt ga kleiner oder gleich 0,2 ist, der zulässige Bereich des unteren Spalts gb auf 1,3 bis 1,5 mm erweitert wurde und daher Beispiel 5 in dem Fall, in dem der untere Spalt gb groß ist, vorteilhaft ist.
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Beispiel eines Schweißbereichs gemäß einer ersten Ausführungsform
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5 ist eine Querschnittsansicht eines Schweißbereichs, an dem drei Metallplatten 51, 52 und 53 durch Laserpunktschweißen verschweißt sind. Die Metallplatten 51, 52 und 53 haben Dicken von 0,8 mm, 1,2 mm bzw. 0,6 mm, und der obere Spalt war 0,5 mm und der untere Spalt war 1,6 mm. Der Laser wurde mit einem Defokussierungsanteil d1=10 mm für 0,2 Sekunden, 20 mm für 0,05 Sekunden und 40 mm für 0,2 Sekunden eingestrahlt, dann wurde der Laser für 0,8 Sekunden kontinuierlich eingestrahlt, mit allmählicher Vergrößerung des Defokussierungsanteils auf d2 = 90 mm. Als ein Resultat wurde der Schweißbereich 50W, der einen effektiven Punktdurchmesser hat, erreicht. Obwohl dieses Beispiel ein Spezialfall ist, in dem der untere Spalt größer ist als die Dicken der Platten, wurde bestätigt, dass Schweißen auch in dem Fall möglich ist, in dem ein solcher Spalt vorhanden ist.
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Es ist zu beachten, dass in diesem Beispiel, da der Zustand des Spalts schwierig war, die Steuerung so durchgeführt wurde, dass der Defokussierungsanteil (Einstrahlungsdurchmesser) schrittweise vergrößert wurde. Bei einem praktischen Laserpunktschweißen, das wie in den vorgehenden Beispielen 0,2 bis 0,4 Sekunden zur Vervollständigung benötigt, gibt es jedoch keinen signifikanten Unterschied in einem Schweißresultat zwischen der Steuerung, in der der Defokussierungsanteil (Einstrahlungsdurchmesser) über eingestellte mittlere Defokussierungsanteile (Einstrahlungsdurchmesser) schrittweise vergrößert wird, und der Steuerung, in der der Defokussierungsanteil (Einstrahlungsdurchmesser) kontinuierlich vergrößert wird. Es ist nur ein Einstellungsunterschied. Zusätzlich, obwohl abhängig von der Spezifikation des Laserschweißers (Bearbeitungsmaschine) die Lasereinstrahlung für eine sehr kurze Zeit gestoppt werden kann, wenn der Defokussierungsanteil verändert wird, wurde es bestätigt, dass es sogar in diesem Fall keinen signifikanten Unterschied für das Schweißresultat macht.
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Zweite Ausführungsform
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Als nächstes stellen Teile (a) bis (c) von 6 ein Laserpunktschweißen 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für drei Metallplatten 11, 12 und 13 dar. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist nur in dem in Teil (c) von 3 dargestellten Veränderungsmuster des Lasereinstrahlungsdurchmessers, und die Basiskonfiguration, wie das Material und die Dicken t1, t2 und t3 der Metallplatten 11, 12 und 13 und die Spalte ga und gb, ist dieselbe, wie jene der ersten Ausführungsform.
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Wenn das Laserpunktschweißen 20 durchgeführt wird, wird zuerst ein Laserbearbeitungskopf über der Metallplatte 11 positioniert, die an der obersten Oberfläche angeordnet ist, und Lasereinstrahlung L1 wird, mit der bei einer vorbestimmten Fläche fixierten optischen Achse, bei einer konstanten Ausbringung mit einem Defokussierungsanteil d1 (dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1) durchgeführt, so dass die Metallplatte 11 an der obersten Oberfläche in dem Punkt S1 entsprechend dem finalen Punktdurchmesser erwärmt und geschmolzen wird, und die Metallplatte 11 nach unten hängt und mit der darunterliegend angeordneten Metallplatte 12 verbunden wird. Das geschmolzene Metall in der Metallplatte 11 wird mit der Metallplatte 12 verbunden, was Wärmeübertragung in der gesamten Fläche des Punktes S1 fördert. Die Metallplatte 12, die unter der Metallplatte 11 ist und mit der Metallplatte 11 verbunden wurde, erweicht ebenfalls, was einen geschmolzenen Bereich W1 bildet.
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Anschließend wird der Fokus durch das optische System des Laserschweißers gesteuert, wobei die optische Achse fixiert bleibt. Der Defokussierungsanteil wird allmählich von d1 auf d2 verkleinert, wie mit Symbol Ws in Teil (c) von 6 angezeigt wird, um den Lasereinstrahlungsdurchmesser allmählich auf φ2 (Punkt S2) zu verkleinern, während die Lasereinstrahlung (LI bis L2) bei der konstanten Ausbringung durchgeführt wird, so dass das Zentrum des geschmolzenen Bereichs W1 in die darunter befindliche Metallplatte 13 erweitert wird, bevor die Lasereinstrahlung L2 beendet wird. Dies bildet den Schweißbereich W2, der in die drei Metallplatten 11, 12 und 13 eindringt.
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Bei diesem Laserpunktschweißen 20 der zweiten Ausführungsform wird, nachdem die Lasereinstrahlung L1 mit dem größten Einstrahlungsdurchmesser φ1, entsprechend dem finalen Punktdurchmesser (S1, Wl), mit der fixierten optischen Laserachse durchgeführt wird, der Lasereinstrahlungsdurchmesser auf den kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ2 eingegrenzt, um die Energiedichte zu vergrößern, was eine ausreichende Schmelztiefe in dem Zentrumsbereich (S2, W2) bereitstellt. Daher stellt, wie in der ersten Ausführungsform, das Laserpunktschweißen 20, das ein einfacher Vorgang ist, der kein Scannen der optischen Laserachse beinhaltet, eine gewünschte Verbindungsfestigkeit bereit und stellt auch einen Vorteil des Vergrößerns der zulässigen Bereiche der Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten 11, 12 und 13.
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Beispiel gemäß einer zweiten Ausführungsform
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Als nächstes wurden Experimente unter denselben Bedingungen wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, um den vorteilhaften Effekt des Laserpunktschweißens 20 gemäß der zweiten Ausführungsform zu verifizieren. Das Laserpunktschweißen wurde so durchgeführt, dass der Laser für 0,1 Sekunden mit einem Defokussierungsanteil d1 = 90 mm eingestrahlt wurde, dann wurde der Defokussierungsanteil auf d2 = 20 mm in 0,2 Sekunden mit einer konstanten Rate verkleinert und der Laser für weitere 0,1 Sekunden eingestrahlt, wie in Teil (a) von 4 dargestellt. Die Spalte ga und gb zwischen den Metallplatten 11, 12 und 13 und die Kombinationen davon wurden verändert, um die zulässigen Bereiche der Spalte zu vergleichen.
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Teil (b) von 4 zeigt das Resultat von Beispiel 6. Die zulässigen Bereiche der Spalte sind deutlich erweitert sowohl an oberen als auch an unteren Seiten gegenüber dem vorgehenden Vergleichsbeispiel (Teil (e) von ). Im Vergleich zu Beispielen 1 bis 5 (Teile (f) bis (h) von 2, und Teile (c) und (d) von 3) der ersten Ausführungsform, ist das Beispiel der zweiten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der untere Spalt bis zu 0,7 mm zulässig ist, in dem Bereich, in dem der obere Spalt ga groß ist, und der zulässige Bereich eines Spalts der Summe aus den oberen und unteren Spalten auf 1,4 bis 1,5 mm erweitert ist.
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Es ist zu beachten, dass auf die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers (Defokussierungsanteil) bei dem Laserpunktschweißen 20 gemäß der vorstehenden zweiten Ausführungsform folgend, die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers (Defokussierungsanteil) bei dem Laserpunktschweißen 10 gemäß der vorgehenden ersten Ausführungsform ausgeführt werden kann.
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Insbesondere kann, nachdem der Defokussierungsanteil allmählich von d1 nach d2 verkleinert wird (nachdem der Lasereinstrahlungsdurchmesser allmählich auf φ2 (den Punkt S2) verkleinert wird), der Defokussierungsanteil allmählich auf d1 (oder mehr/weniger) vergrößert werden (der Lasereinstrahlungsdurchmesser kann allmählich auf φ1 (oder mehr/weniger) erweitert werden), bevor die Lasereinstrahlung beendet wird.
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Umgekehrt kann, nachdem der Einstrahlungsdurchmesser (Defokussierungsanteil) vergrößert wird, wie bei dem Laserpunktschweißen 10 gemäß der vorgehenden ersten Ausführungsform, der Einstrahlungsdurchmesser (Defokussierungsanteil) wie bei dem Laserpunktschweißen 20 gemäß der vorstehenden zweiten Ausführungsform verkleinert werden, bevor die Lasereinstrahlung beendet wird.
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Zusätzlich kann, obwohl in den vorstehenden Ausführungsformen eine Beschreibung bereitgestellt wurde für den Fall, in dem der Defokussierungsanteil d1 bis d2 durch Steuern des optischen Systems des Lasers verändert wird, der Defokussierungsanteil durch mechanisches auf und ab Bewegen der Position des Laserbearbeitungskopfes verändert werden (lineare Bewegung).
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Zusätzlich, obwohl die vorstehenden Ausführungsformen den Fall dargestellt haben, in dem das Laserpunktschweißen an zwei oder drei sich überlappenden Metallplatten durchgeführt wird, können vier oder mehr sich überlappende Metallplatten für das Laserpunktschweißen verwendet werden. Obwohl nur experimentell bestätigt wurde, dass das vorliegende Laserpunktschweißen auf die Gesamtdicke von Platten bis zu 4,2 mm angewendet werden kann, kann das vorliegende Laserpunktschweißen wahrscheinlich auf eine Dicke angewendet werden, die größer als das ist, abhängig von den Bedingungen, wie z.B. der Laserleistung.
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Zusätzlich, obwohl die vorstehenden Ausführungsformen den Fall dargestellt haben, in dem der Laser senkrecht von oben auf die Metallplatte 11 an der obersten Oberfläche eingestrahlt wird, können die gleichen Prozesseigenschaften erreicht werden in dem Fall eines Einstrahlungswinkels von bis zu 40 Grad. Zusätzlich kann das vorliegende Laserpunktschweißen zum Schweißen von nicht nur horizontal angeordneten Metallplatten, sondern auch schräg angeordneten in jedem Winkel eingesetzt werden.
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Obwohl die Beschreibung für einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Arten von weiteren Modifikationen und Veränderungen können basierend auf der technischen Idee der vorliegenden Erfindung gemacht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10,20
- Laserpunktschweißen
- 11, 12, 13
- Metallplatte
- d1, d2
- Defokussierungsanteil
- ga, gb
- Spalt
- L1, L2
- Lasereinstrahlung
- S1, S2
- Punkt
- φ1, φ2
- Lasereinstrahlungsdurchmesser
- W1,W2
- Schweißbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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