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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserpunktschweißverfahren.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Laserschweißen, bei dem ein Werkstück mit einem Laser bestrahlt wird und das Material an dem bestrahlten Teil durch die Lichtenergie erwärmt und geschmolzen wird, hat den Vorteil, dass ein Hochgeschwindigkeitsschweißen berührungslos durchgeführt werden kann, und es ersetzt das Lichtbogen- und Widerstandspunktschweißen. Das Laserpunktschweißen, welches das Widerstandspunktschweißen ersetzt, scannt einen Laserstrahl kreisförmig oder spiralförmig innerhalb einer Punktregion und beseitigt dadurch Defekte wie zum Beispiel Gaslunker, um Bondungsfestigkeit zu erreichen, wie zum Beispiel in Patentliteratur 1 beschrieben ist.
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Ein solches Schweißverfahren erfordert jedoch einen computerintegrierten Scannerbetrieb zum Scannen des Strahls in der Punktregion, und es gab insofern Probleme, als der Steuerungsvorgang kompliziert ist und die Taktzeit um die Zeit für das Strahl-Scannen verlängert wird.
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[Zitierungsliste]
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[Patentliteratur]
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[Patentliteratur 1]
JP 2012-115876A -
[Kurzdarstellung der Erfindung]
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[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der oben dargelegten Problematik, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Laserpunktschweißverfahrens, mit dem durch einen einfachen Vorgang eine stabile Bondungsfestigkeit erreicht werden kann und eine Verkomplizierung der Steuerung sowie eine Verlängerung der Taktzeit vermieden werden können.
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[Mittel zur Lösung der Probleme]
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Um die Probleme zu lösen, umfasst ein Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, während eine laseroptische Achse auf eine zuvor festgelegte Region aus mehreren überlappten Blechen gerichtet ist, das Ausführen: eines Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem defokussierten Laserstrahl über einen zuvor festgelegten Zeitraum; und eines Schrittes des Steuerns eines Fokus während des zuvor festgelegten Zeitraums und des sporadischen Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem fokussierten Laserstrahl.
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[Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung]
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Das Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung führt, wie oben beschrieben, einen Schritt des Steuerns des Fokus während des Schrittes des Bestrahlens der Region mit dem defokussierten Laserstrahl über den zuvor festgelegten Zeitraum und des sporadischen Bestrahlens der Region mit dem fokussierten Laserstrahl aus; dementsprechend wird zuerst die mit dem defokussierten Laserstrahl bestrahlte Region vorgewärmt, und gleichzeitig beginnt das Schmelzen von dem mittigen Teil aus, und in diesem Zustand wird die Region sporadisch mit dem fokussierten Laserstrahl bestrahlt, wodurch eine Schmelztiefe sichergestellt wird, während Spritzer unterdrückt werden, und außerdem werden Metalldämpfe durch ein Schlüsselloch abgegeben; anschließend wird das Schlüsselloch durch weiteres defokussiertes Bestrahlen verkleinert, die Schmelzzone wird durch Wärmeleitung auf die gesamte vorgewärmte Region vergrößert, wodurch Blasenreste, die durch das rasche Kollabieren des Schlüssellochs entstehen, unterdrückt werden; und es gibt den Vorteil, dass eine gewünschte Bondungsfestigkeit trotz eines so einfachen Vorgangs erreicht werden kann, wobei die laseroptische Achse nicht gescannt werden muss und eine Verkomplizierung der Steuerung und eine Verlängerung der Taktzeit vermieden werden können.
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Figurenliste
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- [1] 1A, 1B und 1D zeigen seitliche Schnittansichten, die eine erste defokussierte Bestrahlung, eine fokussierte Bestrahlung bzw. eine spätere defokussierte Bestrahlung beim Laserpunktschweißen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und 1B(c) zeigt ein Diagramm, das eine Änderung eines Bestrahlungsdurchmessers zeigt.
- [2] 2A bis 2D zeigen schematisch perspektivische Ansichten, die Veränderungen in einem geschweißten Teil zeigen, beim Laserpunktschweißen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu den Zeiten der ersten defokussierten Bestrahlung in 2A, der fokussierten Bestrahlung in 2B, eines Zwischenzeitraums der späteren defokussierten Bestrahlung in 2C und des Endes der defokussierten Bestrahlung in 2D.
- [3] 3 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und eines Punktdurchmessers einer Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [4] 4 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und des Punktdurchmessers der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [5] 5 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und des Punktdurchmessers der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [6] 6 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und des Punktdurchmessers der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [7] 7 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und des Punktdurchmessers der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [8] 8 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und des Punktdurchmessers der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [9] 9 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers und des Punktdurchmessers der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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[Modus zum Ausführen der Erfindung]
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1A, 1B und 1D und 2A bis 2D zeigen das Laserpunktschweißen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für drei überlappte Bleche 11, 12 und 13. Für die Bleche 11, 12 und 13 bestehen keine besonderen Einschränkungen, aber es wird angenommen, dass es sich um dünne Stahlbleche mit einer Blechdicke von jeweils 0,6 bis 2,0 mm handelt.
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Die drei Bleche 11, 12 und 13, die einen Vorsprung (einen geprägten Abschnitt, nicht gezeigt) aufweisen, der vorher auf einem der Bleche (gewöhnlich die Bleche 12 und 13 unterhalb der Lücke) durch Pressen gebildet wird, werden über den Vorsprung überlappt oder werden über einen Abstandhalter (nicht gezeigt), der zwischen die Bleche eingefügt wird, überlappt; oder sie werden erforderlichenfalls überlappt, während sie einen Spalt aufweisen, dessen Abstand durch eine Aufspannvorrichtung eingestellt wird, wie zum Beispiel eine Klemme, welche die Bleche hält, und/oder einen Spalt, der in einem Flanschabschnitt oder dergleichen eines pressgeformten Produkts durch Rückfederung gebildet wird und dessen Abstand nicht eingestellt wird.
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Wenn das Laserpunktschweißen, wie in 1A gezeigt, in einem Zustand ausgeführt wird, in dem ein Laserbearbeitungskopf über dem Blech 11 positioniert ist, das sich auf der äußersten Fläche befindet, und in dem eine optische Achse Lx fixiert ist, wird das Blech mit einem Laserstrahl La bestrahlt, der einen Defokussierungsbetrag dx (Bestrahlungsdurchmesser Dx) aufweist (erster Schritt).
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Dieser Laserbestrahlungsdurchmesser Dx entspricht einer bestrahlten Region, die in einem Schweißschritt die maximale Fläche (minimale Leistungsdichte) oder eine Fläche nahe der maximalen Fläche aufweist; die Leistungsdichte wird verringert; und dementsprechend wird in diesem Stadium keine Schmelzzone gebildet, welche die drei Bleche 11, 12 und 13 durchdringt; und die gesamte bestrahlte Region wird durch Wärmeleitung vom äußersten Blech 11 zu den unteren Blechen 12 und 13 vorgewärmt (Ha), und das Schmelzen (Wa) wird vom mittleren Teil des Blechs 11 aus gestartet, an dem die Energieverteilung hoch ist.
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Anschließend wird, wie in 1B gezeigt, in dem Zustand, in dem die optische Achse Lx fixiert ist, der Fokus durch ein optisches System einer Laserschweißmaschine auf einen im Wesentlichen fokussierten Zustand (in dem der Defokussierungsbetrag do ist und der Bestrahlungsdurchmesser Do ist) gesteuert, und das Blech wird mit einem Laserstrahl Lb bestrahlt (zweiter Schritt).
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Dieser Laserbestrahlungsdurchmesser Do entspricht einer bestrahlten Region, die in einem Schweißschritt die minimale Fläche (die maximale Leistungsdichte) aufweist; aber in dem ersten Schritt davor werden die Bleche 11, 12 und 13 vorgewärmt (Ha), und das geschweißte Teil Wb wird in der bestrahlten Region gebildet; und dadurch wird ein schneller Temperaturanstieg abgemildert, und das Auftreten von Spritzern wird unterdrückt. In diesem Zustand wird ein Schlüsselloch Kb in den drei Blechen 11, 12 und 13 in der Mitte des geschweißten Teils Wb gebildet, Metalldämpfe werden durch das Schlüsselloch Kb hinausgelassen, und eine ausreichende Schmelztiefe, die das unterste Blech 13 erreicht, wird in dem geschweißten Teil Wb erreicht.
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Anschließend wird, wie in 1D gezeigt, der Fokus durch das optische System der Laserschweißmaschine in einem Zustand gesteuert, in dem die optische Achse Lx fixiert ist; das Blech wird mit einem Laserstrahl La bestrahlt, der den Defokussierungsbetrag dx (Bestrahlungsdurchmesser Dx) hat; die Schmelzzone Wb wird schließlich auf Wd vergrößert; und die Laserbestrahlung La wird beendet (dritter Schritt).
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Somit wird, nachdem in dem zweiten Schritt das Schlüsselloch Kb durch die Laserbestrahlung Lb, die eine hohe Leistungsdichte aufweist, gebildet wurde, eine defokussierte Laserbestrahlung La, die eine geringe Leistungsdichte aufweist, implementiert, und die Wärmezufuhr wird fortgesetzt; und dadurch wird der Rest der Luftblase beseitigt, was durch das schnelle Kollabieren des Schlüssellochs Kb geschieht.
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Darüber hinaus wird, wie in den 2B bis 2D gezeigt, ein stabiles Schmelzen Wc in einer erwärmten Region Hc durch Wärmeübertragung von dem mittigen Teil zum peripheren Teil gefördert, und es entsteht ein fertiges geschweißtes Teil Wd, das dem Laserbestrahlungsdurchmesser Dx entspricht.
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Darüber hinaus werden, wenn die Oberflächenbehandlungsschicht des niedrigschmelzenden Metalls auf den Blechen 11, 12 und 13 vorhanden ist, die Metalldämpfe der Oberflächenbehandlungsschicht, die in der Schmelzzone und deren Peripherie erzeugt werden, mit Hilfe eines Spalts diffundiert, wenn Wärme wie oben beschrieben vom Mittelteil zum peripheren Teil übertragen wird und der Schmelzendurchmesser vergrößert wird; und das Abführen der Dämpfe wird gefördert.
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3 zeigt eine Veränderung des Bestrahlungsdurchmessers D und eine Vergrößerung der Schmelzzone beim Laserpunktschweißen der oben beschriebenen Ausführungsform; und wie in der Figur gezeigt, wird durch das Laserpunktschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung ein geschweißtes Teil Wd, das eine gewünschte Bondungsfestigkeit besitzt, während Spritzer und Gaslunker unterdrückt werden, mit einem einfachen Vorgang erhalten, bei dem die optische Achse Lx des Lasers nicht gescannt wird, indem in einem Zustand, in dem die optische Achse Lx des Lasers auf eine zuvor festgelegte Region der mehreren überlappten Bleche 11, 12 und 13 fixiert ist, kontinuierlich Folgendes ausgeführt wird: (i) ein erster Schritt des Bestrahlens des Blechs mit einem defokussierten Laserstrahl La bei einem Bestrahlungsdurchmesser Dx über einen Zeitraum Ta, um die bestrahlte Region Ha vorzuwärmen, und außerdem des Bildens der Schmelzzone Wa in der Mitte; (ii) ein zweiter Schritt des Steuerns des Fokus, des sporadischen Bestrahlens des Blechs mit einem fokussierten Laserstrahl Lb, und des Gewährleistens einer Schmelztiefe der Schmelzzone Wb durch schlüssellochartiges Tiefschweißen; und (iii) ein dritter Schritt des Bestrahlens des Blechs mit einem defokussierten Laserstrahl La bei dem Bestrahlungsdurchmesser Dx zum Zeitpunkt Td, und des Vergrößerns der Schmelzzone bis Wd durch Wärmeleitungsschweißen.
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Im ersten und im dritten Schritt wird der Bestrahlungsdurchmesser Dx der defokussierten Bestrahlung La so defokussiert, dass er mindestens zum 1,5-Fachen des Bestrahlungsdurchmessers Do der fokussierten Bestrahlung Lb im zweiten Schritt wird, bevorzugt mindestens zum 2-Fachen und besonders bevorzugt mindestens zum 4-Fachen. Wenn ein Vergrößerungsverhältnis des defokussierten Bestrahlungsdurchmessers Dx zum fokussierten Bestrahlungsdurchmesser Do klein ist, so wird der Durchmesser des fertigen geschweißten Teils Wd unzureichend, und es kann kein brauchbares geschweißtes Teil erhalten werden.
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Der Bestrahlungszeitraum Ta des defokussierten Laserstrahls La beträgt im ersten Schritt 0,01 bis 0,1 Sekunden, bevorzugt 0,02 bis 0,05 Sekunden, was aber von jeder der Blechdicken und der Gesamtblechdicke der Bleche 11, 12 und 13 abhängig ist. Wenn der Bestrahlungszeitraum Ta im ersten Schritt zu kurz ist, so reichen das Vorwärmen und das Bilden der mittigen Schmelzzone nicht mehr aus, und es besteht die Möglichkeit, dass Spritzer auftreten, wenn die Laserbestrahlung La zu der Laserbestrahlung Lb des fokussierten Zustands im zweiten Schritt verschoben wurde. Außerdem ist es bevorzugt, dass der Bestrahlungszeitraum der sporadischen fokussierten Bestrahlung Lb im zweiten Schritt 10 bis 20 % des gesamten Bestrahlungszeitraums Td des ersten bis dritten Schrittes beträgt.
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Um die Wirkung des Laserpunktschweißens gemäß der Ausführungsform zu verifizieren, wurden Stahlbleche mit jeweils einer Blechdicke von t1= 0,6 mm, t2= 1,2 mm und t3= 0,8 mm von der Seite der äußersten Fläche (der laserbestrahlten Seite) als die Bleche 11, 12 und 13 verwendet und wurden mit Laserstrahlen, die eine Laserleistung von 6 kW, einen defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dx=4,0 mm und einen fokussierten Bestrahlungsdurchmesser Do=1,0 mm haben, über Zeiträume von Ta= 0,02 Sekunden und Td= 0,4 Sekunden bestrahlt; und im Ergebnis wurde ein zufriedenstellendes geschweißtes Teil Wd erhalten, das keine Spritzer oder Gaslunker aufwies.
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Darüber hinaus wurde in der ersten Ausführungsform der Fall gezeigt, dass eine einzelne sporadische fokussierte Bestrahlung Lb während der defokussierten Bestrahlung La über einen zuvor festgelegten Zeitraum implementiert wurde, aber die sporadische fokussierte Bestrahlung Lb kann auch zweimal implementiert werden, und es gibt verschiedene Ausführungsformen gemäß der Einstellung des Bestrahlungsdurchmessers in der defokussierten Bestrahlung, die zur Basis eines einzelnen Laserpunktschweißens wird. Im Folgenden werden repräsentative Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Beim Laserpunktschweißen einer in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform ist der Fall gezeigt, dass die erste sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T1 während der defokussierten Bestrahlung La, die einen konstanten Bestrahlungsdurchmesser Dx hat, ausgeführt wird und dann die zweite sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T2 ausgeführt wird.
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Beim Laserpunktschweißen einer in 5 gezeigten dritten Ausführungsform ist der Fall gezeigt, dass die Laserbestrahlung La mit einem Bestrahlungsdurchmesser Do im fokussierten Zustand begonnen wird, der defokussierte Bestrahlungsdurchmesser allmählich so vergrößert wird, dass er zum Zeitpunkt Tc zum Bestrahlungsdurchmesser Dc wird, und dann eine einzelne sporadische fokussierte Bestrahlung Lb während der Laserbestrahlung Lc ausgeführt wird, bei der der Bestrahlungsdurchmesser schließlich allmählich bis zum maximalen Bestrahlungsdurchmesser Dx vergrößert wird.
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Beim Laserpunktschweißen einer in 6 gezeigten vierten Ausführungsform ist der Fall gezeigt, dass die defokussierte Bestrahlung La bei einem konstanten Bestrahlungsdurchmesser Dx bis zum Zeitpunkt T1 ausgeführt wird, die erste sporadische fokussierte Bestrahlung Lb ausgeführt wird, dann der Bestrahlungsdurchmesser allmählich auf den Bestrahlungsdurchmesser Do des fokussierten Zustands schrumpft und zum Zeitpunkt T2 während des Prozesses die zweite sporadische fokussierte Bestrahlung Lb ausgeführt wird.
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Beim Laserpunktschweißen einer in 7 gezeigten fünften Ausführungsform ist der Fall gezeigt, dass die Laserbestrahlung Lc1 vom defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dc1 aus begonnen wird, die erste sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T1 ausgeführt wird, dann die Laserbestrahlung Lc2 bis zum Zeitpunkt T2 bei einem defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dc2 ausgeführt wird, der größer als der erste defokussierte Bestrahlungsdurchmesser Dc1 ist, die zweite sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T2 ausgeführt wird und die Laserbestrahlung La bei einem defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dx ausgeführt wird.
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Beim Laserpunktschweißen einer in 8 gezeigten sechsten Ausführungsform ist der Fall gezeigt, dass die defokussierte Bestrahlung La beim maximalen Bestrahlungsdurchmesser Dx begonnen wird, die erste sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T1 ausgeführt wird, die Laserbestrahlung Lc bis zum Zeitpunkt T2 bei einem defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dc ausgeführt wird, der kleiner als der erste defokussierte Bestrahlungsdurchmesser Dx ist, die zweite sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T2 ausgeführt wird, dann die Laserbestrahlung La erneut beim defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dx ausgeführt wird und die Laserbestrahlung La zum Zeitpunkt Td beendet wird.
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Beim Laserpunktschweißen der in 9 gezeigten siebten Ausführungsform ist, ähnlich der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform, der Fall gezeigt, dass die Laserbestrahlung La vom Bestrahlungsdurchmesser Do im fokussierten Zustand aus begonnen wird, der Bestrahlungsdurchmesser allmählich bis zum defokussierten Bestrahlungsdurchmesser Dc vergrößert wird, dann die erste sporadische fokussierte Bestrahlung Lb zum Zeitpunkt T1 während der Laserbestrahlung Lc ausgeführt wird, bei der der Bestrahlungsdurchmesser allmählich vergrößert wird, bis schließlich der maximale Bestrahlungsdurchmesser Dx erreicht ist und dann die zweite sporadische fokussierte Bestrahlung Lb2 zum Zeitpunkt T2 bei einem Bestrahlungsdurchmesser Do2 ausgeführt wird, der etwas größer als der des fokussierten Zustands ist.
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Darüber hinaus wurde in den Ausführungsformen der Fall beschrieben, dass die Beträge der vorzunehmenden Defokussierung dx durch die Steuerung des laseroptischen Systems verändert werden, aber die Beträge der Defokussierung können auch durch eine mechanische vertikale Bewegung (lineare Bewegung) der Position des Laserbearbeitungskopfes verändert werden.
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Darüber hinaus wurde in jeder der Ausführungsformen der Fall gezeigt, dass zwei oder drei Bleche überlappt und laserpunktgeschweißt werden, aber es können auch vier oder mehr Bleche überlappt und laserpunktgeschweißt werden. In dem Experiment wurde bestätigt, dass Bleche, die eine Gesamtblechdicke von bis zu 4,2 mm haben, geschweißt werden können, aber es wird in Betracht gezogen, dass auch Bleche, die eine größere Gesamtblechdicke haben, in Abhängigkeit von Bedingungen wie zum Beispiel der Laserleistung geschweißt werden können.
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Darüber hinaus wurde in jeder der Ausführungsformen der Fall gezeigt, dass das äußerste Blech 11 senkrecht von oben mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, aber eine Bearbeitungsleistung im praktischen Bereich kann auch bis zu einem Bestrahlungswinkel von 40 Grad erreicht werden. Darüber hinaus können Bleche geschweißt werden, die nicht nur so angeordnet sind, dass sie eine horizontale Ebene bilden, sondern auch so, dass sie eine geneigte Ebene in einem frei gewählten Winkel bilden.
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Oben sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Abwandlungen oder Änderungen auf der Grundlage des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 11, 12, 13
- Blech
- dx und do
- Betrag der Defokussierung
- La, Lb, Lb1, Lb2, Lc, Lc2 und Ld
- Laserbestrahlung
- Lx
- Laseroptische Achse
- Dx, Do, Do2, Dc, Dc1 und Dc2
- Laserbestrahlungsdurchmesser
- Ha und Hb
- Vorgewärmtes Teil
- Kb
- Schlüsselloch
- Wa, Wb und Wc
- Schmelzzone
- Wd
- Geschweißtes Teil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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