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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserpunktschweißverfahren.
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Laserschweißen, bei dem die optische Energie, die durch eine 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 dem 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 um die Zeit des Strahlscannens erhöht.
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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 der Steuerung und keine Erhöhung der 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 ersten Schritt des Bestrahlens von überlappenden Metallplatten mit einem Laser mit einem ersten Einstrahlungsdurchmesser in einem Zustand, in dem eine optische Achse des Lasers auf eine vorbestimmte Fläche der Metallplatten eingestellt ist, um die Metallplatten zum Schmelzen zu erwärmen; und
- einen zweiten Schritt, um die Metallplatten kontinuierlich nach dem ersten Schritt mit dem Laser zu bestrahlen, mit allmählicher oder schrittweiser Vergrößerung eines Einstrahlungsdurchmessers des Lasers von dem ersten Einstrahlungsdurchmesser zu einem zweiten Einstrahlungsdurchmesser in dem Zustand, in dem die optische Achse des Lasers auf die vorbestimmte Fläche eingestellt ist, um so einen geschmolzenen Bereich der Metallplatten zu erweitern,
- wobei die Vergrößerung des Einstrahlungsdurchmessers durch Vergrößerung 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 werden die überlappenden Metallplatten erwärmt und geschmolzen durch Einstrahlen des Lasers mit dem ersten Einstrahlungsdurchmesser mit der fixierten optischen Achse, und der geschmolzene Bereich wird zu einem gewünschten Punktdurchmesser erweitert durch Einstrahlen des Lasers mit allmählichem oder schrittweisem Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers zu dem zweiten Einstrahlungsdurchmesser in dem Zustand, in dem Wärme zu allen Metallplatten übertragen werden kann, wie vorstehend beschrieben. 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 bei dem Verbessern der Produktivität bereit, da keine Komplexität der Steuerung und keine Erhöhung der Zykluszeit erforderlich sind. Zusätzlich hat das Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vorteil fähig zu sein, Punktschweißen stabil durchzuführen mit einer hohen Toleranz gegenüber Spalten zwischen den Metallplatten.
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In einem bevorzugten Modus der vorliegenden Erfindung beinhaltet der zweite Schritt einen ersten Abschnitt, in dem der Einstrahlungsdurchmesser des Lasers von dem ersten Einstrahlungsdurchmesser mit einer ersten Rate vergrößert wird, und einen zweiten Abschnitt, der nach dem ersten Abschnitt ist und in dem der Einstrahlungsdurchmesser des Lasers auf den zweiten Einstrahlungsdurchmesser mit einer zweiten Rate vergrößert wird, und die erste Rate ist größer als die zweite Rate.
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In Verbindung mit dem Vorstehenden, in einem bevorzugten Modus der vorliegenden Erfindung, wird in dem zweiten Schritt, da der Einstrahlungsdurchmesser des Lasers von dem ersten Einstrahlungsdurchmesser zu dem zweiten Einstrahlungsdurchmesser vergrößert wird, eine Rate des Vergrößerns des Einstrahlungsdurchmessers allmählich oder schrittweise verkleinert.
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Diese Merkmale erlauben eine schnelle und positive Erweiterung des Punktdurchmessers, die vorteilhaft zum stabilen Durchführen eines Punktschweißens mit einer hohen Toleranz gegenüber den Spalten zwischen den Metallplatten ist.
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Figurenliste
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- [1] 1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht (a) und eine Draufsicht (b) eines Laserpunktschweißens gemäß einer 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 gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt, einen Graphen (e), der die oberen und unteren Spalte und den schweißbaren Bereich des Vergleichsbeispiels darstellt, Graphen (b) bis (d), die die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers bei dem Laserpunktschweißen gemäß Beispielen der vorliegenden Erfindung darstellen, und Graphen (f) bis (h), die die oberen und unteren Spalte und den schweißbaren Bereich bei dem Laserpunktschweißen der Beispiele 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 bei dem Laserpunktschweißen gemäß bevorzugten Beispielen der vorliegenden Erfindung darstellen.
- [4] 4 ist ein schematischer Graph, der die Veränderung des Einstrahlungsdurchmessers und den Verlauf eines Schweißprozesses bei dem Laserpunktschweißen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- [5] 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Schweißbereichs des Laserpunktschweißens gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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[Modi zum Ausführen der vorliegenden Erfindung]
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen.
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Teile (a) bis (c) von 1 stellen ein Laserpunktschweißen 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für drei Metallplatten 11, 12 und 13 dar. In Teil (a) von 1 sind die Metallplatten 11, 12 und 13, die Dicken von t1, t2 und t3 haben, überlappend mit dazwischenliegenden Spalten ga und gb angeordnet.
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Die Spalte ga und gb sind Spalte, deren Intervalle durch Überlappen der Metallplatten 11, 12 und 13 über Vorsprünge angepasst werden (nicht dargestellte Ausprägung), die im Vorfeld durch Pressen auf einigen der Metallplatten 11, 12 und 13 gebildet sind (üblicherweise die Metallplatten 12 und 13, die auf der unteren Seite der Spalte ga und gb angeordnet sind), oder durch Überlappen der Metallplatten 11, 12 und 13 über nicht dargestellte Abstandshalter, 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 eine Lasereinstrahlung L1 wird mit der fixierten optischen Achse bei einer konstanten Leistung mit einem Defokussierungsanteil d1 durchgeführt, um die drei Metallplatten 11, 12 und 13 an einem Punkt S1 zu erwärmen, wodurch ein Schweißbereich W1 (ein geschmolzener Bereich zu dieser Zeit) gebildet wird.
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Dieser Punkt S1 ist eine Bestrahlungsfläche mit einer Fläche, die die kleinste ist (mit einer Energiedichte, die die größte ist) während einem 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 Leistung eines Lasers, 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 d1 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 Leistung 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 ein einfacher Vorgang 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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Als nächstes wurden Experimente durchgeführt, um den vorteilhaften Effekt des Laserpunktschweißens 10 gemäß der 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 2 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 ein Verlängern 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 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 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 in vorstehend beschriebenem 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 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 von vorstehend beschriebenen Beispielen 1 bis 3 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 vorliegenden Erfindung, das Laserpunktschweißen so durchgeführt, dass der Laser für insgesamt 0,4 Sekunden eingestrahlt wurde, während der Defokussierungsanteil von d1 = 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 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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Diskussion über eine optimale Ausführungsform
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4 stellt ein optimales Veränderungsmuster eines Einstrahlungsdurchmessers bei dem Laserpunktschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung dar, das sich aus den Resultaten von Beispielen 1 bis 5 ergibt. Im Folgenden wird die optimale Ausführungsform, die sich auf dieses Muster konzentriert, in Bezug auf 4 diskutiert.
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Zuerst wird, wie durch die kontinuierlichen Linien in 4 angezeigt, ein erster Schritt 21, in dem die Lasereinstrahlung L1 von dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1 (Defokussierungsanteil dl) in dem Prozess gestartet wird, der die drei Metallplatten 11, 12 und 13 durch Erwärmen schmelzen kann, für eine sehr kurze Zeit durchgeführt und beendet, und dann geht der Prozess über zu einem zweiten Schritt 22 des allmählichen Vergrößerns des Einstrahlungsdurchmessers.
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Der zweite Schritt 22 beinhaltet einen ersten Abschnitt 22a, in dem der Lasereinstrahlungsdurchmesser von dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1 mit einer ersten Rate v1 vergrößert wird und einen zweiten Abschnitt 22b, in dem der Lasereinstrahlungsdurchmesser zu dem größten Einstrahlungsdurchmesser φ2 mit einer zweiten Rate v2, die kleiner ist als die erste Rate v1, vergrößert wird.
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Zwischen diesem ersten Abschnitt 22a und dem zweiten Abschnitt 22b können ein oder mehrere dazwischenliegende Abschnitte eingestellt werden, in denen der Einstrahlungsdurchmesser mit einer Rate zwischen der ersten Rate v1 und der zweiten Rate v2 vergrößert wird. Daher ist der zweite Schritt 22 ein Abschnitt, in dem die Rate des Vergrößerns des Einstrahlungsdurchmessers (v1 bis v2) allmählich oder schrittweise verkleinert wird, während der Lasereinstrahlungsdurchmesser von dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1 zu dem größten Einstrahlungsdurchmesser φ2 vergrößert wird.
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Es ist zu beachten, dass, da der erste Abschnitt 22a der Abschnitt unmittelbar nach dem ersten Schritt 21 ist, es zu bevorzugen ist, in einer möglichst kurzen Zeit zu dem zweiten Abschnitt 22b überzugehen, und es vorteilhaft ist, dass der erste Abschnitt 22a kürzer ist als der zweite Abschnitt 22b im Hinblick auf das Erweitern des geschmolzenen Bereichs. Die Energiedichte einer Lasereinstrahlung ist umgekehrt proportional zu der Bestrahlungsfläche und die Bestrahlungsfläche ist proportional zu dem Quadrat des Einstrahlungsdurchmessers. Daher wird, wenn der Einstrahlungsdurchmesser mit einer konstanten Rate vergrößert wird, die Energiedichte verkleinert zusammen mit der Erweiterung der Bestrahlungsfläche mit einer progressiven Rate. Somit wird der geschmolzene Bereich voraussichtlich effizient erweitert durch rapides Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers in der ersten Hälfte des zweiten Schrittes 22 und allmähliches Verkleinern der Rate des Vergrößerns des Einstrahlungsdurchmessers in der zweiten Hälfte, da die Rate des Erweiterns der Bestrahlungsfläche und die Rate des Verkleinerns der Energiedichte nahezu konstant gemacht werden können.
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Nach dem zweiten Schritt 22 kann die Lasereinstrahlung L2 unter Beibehaltung des größten Einstrahlungsdurchmessers φ2 fortgesetzt werden, und dieser Abschnitt wird als dritter Schritt 23 bezeichnet. Der dritte Schritt 23 hat einen Zweck eines Anpassungsprozesses zum Homogenisieren und Stabilisieren des geschmolzenen Metalls durch das Erwärmen des geschmolzenen Bereichs W2, der den gewünschten Punktdurchmesser (φ2) bereits erreicht hat. Das wird ebenfalls durch die Tatsache deutlich, dass die Verlängerung der Einstrahlungszeit den Schweißbereich in dem Vergleichsbeispiel bevorzugend machte. Wie ebenfalls deutlich aus den Resultaten von Beispielen 4 und 5 zu sehen ist, ist jedoch der dritte Schritt 23, der nicht zu der Erweiterung des Punktes beiträgt, nicht notwendig, oder eine sehr kurze Zeit ist ausreichend, da der vorgehende zweite Abschnitt 22b des zweiten Schritts 22 eine identische Funktion erfüllt.
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In dem Fall, in dem bevorzugtes Schmelzen nicht durch Erwärmen in dem ersten Schritt 21 erreicht werden kann, in dem die Lasereinstrahlung L1 gestartet wird, aufgrund einer hohen thermalen Kapazität, wie z.B. ein Fall, in dem die an der obersten Oberfläche nähergelegenen Metallplatten 11 und 12 große Dicken haben, ist es vorteilhafter als die Laserleistung zu vergrößern, den initialen Defokussierungsanteil kleiner als d1 und nahe zu einem fokussierten Zustand einzustellen und die Lasereinstrahlung mit einem kleineren Einstrahlungsdurchmesser zu starten, wie durch Ziffer 21' in 4 angezeigt. In diesem Fall wird der Defokussierungsanteil vergrößert, um den Lasereinstrahlungsdurchmesser unmittelbar nach dem Start der Lasereinstrahlung zu vergrößern.
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Daher ist es vorteilhaft, anstelle eines Durchführens des ersten Schritts 21, der eine kurzzeitige kontinuierliche Einstrahlung mit dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1 (Defokussierungsanteil d1) beinhaltet, einen ersten Schritt 41 des Erwärmens und Schmelzens der Metallplatten durchzuführen mit allmählichem Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers unmittelbar nach dem Start der Lasereinstrahlung mit dem kleinsten Einstrahlungsdurchmesser φ1 (Defokussierungsanteil d1) und dann zu einem zweiten Schritt 42 überzugehen, in dem die Rate des Vergrößerns des Einstrahlungsdurchmessers klein ist, wie durch die wie durch die gestrichelten Linien in 4 angezeigt.
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Obwohl, zusätzlich zu dem ersten Schritt 21 und dem dritten Schritt 23, der zweite Schritt 22 eine kontinuierliche Einstrahlung mit einem konstanten Einstrahlungsdurchmesser beinhalten kann, oder in dem zweiten Schritt 22 der Einstrahlungsdurchmesser (Defokussierungsanteil) schrittweise vergrößert werden kann durch abwechselndes Durchführen einer kontinuierlichen Einstrahlung mit einem konstanten Einstrahlungsdurchmesser und einem Vergrößern des Einstrahlungsdurchmessers, ist es zu bevorzugen, den Einstrahlungsdurchmesser kontinuierlich zu verändern, um den geschmolzenen Bereich zusammen mit einer Wärmeübertragung effizient zu erweitern.
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Beispiel eines Schweißbereichs
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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 in dem Schweißresultat macht.
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Obwohl in der vorstehenden Ausführungsform eine Beschreibung bereitgestellt wurde für den Fall, in dem der Defokussierungsanteil d1 bis d2 durch Steuern des optischen Systems des Lasers verändert wird, kann der Defokussierungsanteil durch mechanisches auf und ab Bewegen der Position des Laserbearbeitungskopfes verändert werden (lineare Bewegung).
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Zusätzlich, obwohl die vorstehende Ausführungsform den Fall dargestellt hat, in dem das Laserpunktschweißen an zwei oder drei Metallplatten durchgeführt wird, können vier oder mehr 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 vorstehende Ausführungsform den Fall dargestellt hat, 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, in welchem Fall der Punkt des Schweißens elliptisch ist. Zusätzlich kann das vorliegende Laserpunktschweißen nicht nur für eine horizontale Ebene, sondern 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
- Laserpunktschweißen
- 11, 12, 13
- Metallplatte
- 21, 21', 41
- erster Schritt (Erwärmen und Schmelzen)
- 22, 42
- zweiter Schritt (Erweitern eines geschmolzenen Bereichs)
- 22a
- erster Abschnitt
- 22b
- zweiter Abschnitt
- 23, 43
- dritter Schritt (Anpassung)
- d1, d2
- Defokussierungsanteil
- ga, gb
- Spalt
- L1, L2
- Lasereinstrahlung
- S1, S2
- Punkt
- φ1, φ2
- Lasereinstrahlungsdurchmesser
- W1, W2
- geschmolzener Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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