DE102020112707A1 - LASER SPOT WELDING PROCESS - Google Patents
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Abstract
[Zu lösendes Problem] Die vorliegende Erfindung stellt ein Laserpunktschweißverfahren bereit, mit dem durch einen einfachen Vorgang stabil eine Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann und eine Verkomplizierung der Steuerung sowie eine Verlängerung der Taktzeit vermieden werden können.[Lösung] Das Laserpunktschweißverfahren umfasst, während eine optische Achse (Lx) des Lasers auf eine zuvor festgelegte Region mehrerer überlappender Bleche (11, 12 und 13) gerichtet ist, das kontinuierliche Ausführen: eines ersten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem defokussierten (dx) Laserstrahl (La) bei einem ersten Bestrahlungsdurchmesser (Dx); eines zweiten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem Laserstrahl (Lb), der im Wesentlichen auf einen fokussierten Zustand (Do) gesteuert wird, bei einem zweiten Bestrahlungsdurchmesser (Do); und eines dritten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem Laserstrahl (Lc; Lb bis Ld), während der Laserstrahl defokussiert wird, um den Bestrahlungsdurchmesser, ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsdurchmesser (Do), allmählich oder schrittweise zu vergrößern.[Problem to be Solved] The present invention provides a laser spot welding method by which a joint strength can be stably achieved by a simple operation, and control complication and cycle time can be avoided. [Solution] The laser spot welding method includes while an optical axis (Lx) of the laser is directed to a predetermined region of a plurality of overlapping sheets (11, 12 and 13), continuously performing: a first step of irradiating the predetermined region with a defocused (dx) laser beam (La) at a first irradiation diameter (Dx); a second step of irradiating the predetermined region with a laser beam (Lb), which is controlled to substantially a focused state (Do), at a second irradiation diameter (Do); and a third step of irradiating the predetermined region with a laser beam (Lc; Lb to Ld) while defocusing the laser beam to gradually increase the irradiation diameter from the second irradiation diameter (Do).
Description
[Technisches Gebiet][Technical area]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserpunktschweißverfahren.The present invention relates to a laser spot welding method.
[Allgemeiner Stand der Technik][General state of the art]
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 Verbindungsfestigkeit zu erreichen, wie zum Beispiel in Patentliteratur 1 beschrieben ist.Laser welding, in which a workpiece is irradiated with a laser and the material on the irradiated part is heated and melted by the light energy, has the advantage that high-speed welding can be carried out without contact, and it replaces arc and resistance spot welding. Laser spot welding, which replaces resistance spot welding, scans a laser beam circularly or spirally within a point region and thereby eliminates defects such as gas voids to achieve joint strength, as described in
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.However, such a welding method requires a computer-integrated scanner operation for scanning the beam in the point region, and there have been problems in that the control process is complicated and the tact time is increased by the time for beam scanning.
[Zitierungsliste][Citation list]
[Patentliteratur][Patent literature]
[Patentliteratur 1]
[Kurzdarstellung der Erfindung][Summary of the invention]
[Durch die Erfindung zu lösende Probleme][Problems to be Solved by the Invention]
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 Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann und eine Verkomplizierung der Steuerung sowie eine Verlängerung der Taktzeit vermieden werden können.The present invention is based on the problem set forth above, and an object of the present invention is to provide a laser spot welding method capable of achieving stable joint strength with a simple operation and avoiding complication of control and prolongation of the cycle time.
[Mittel zur Lösung der Probleme][Means of solving the problems]
Um die oben dargelegten 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 kontinuierliche Ausführen:
- eines ersten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem defokussierten Laserstrahl bei einem ersten Bestrahlungsdurchmesser; und
- eines zweiten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem Laserstrahl, der im Wesentlichen auf einen fokussierten Zustand gesteuert wird, bei einem zweiten Bestrahlungsdurchmesser; und
- eines dritten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem Laserstrahl, während der Laserstrahl defokussiert wird, um den Bestrahlungsdurchmesser, ausgehend von dem zweiten Bestrahlungsdurchmesser, allmählich oder schrittweise zu vergrößern.
- a first step of irradiating the predetermined region with a defocused laser beam at a first irradiation diameter; and
- a second step of irradiating the predetermined region with a laser beam controlled substantially to a focused state at a second irradiation diameter; and
- a third step of irradiating the predetermined region with a laser beam while defocusing the laser beam to increase the irradiation diameter gradually or gradually from the second irradiation diameter.
[Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung][Advantageous Effects of the Invention]
Bei dem Laserpunktschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, im ersten Schritt die zuvor festgelegte Region durch den defokussierten Laserstrahl erwärmt und die bestrahlte Region vorgewärmt, wobei gleichzeitig ausgehend von dem mittigen Teil das Schmelzen beginnt; im zweiten Schritt wird die zuvor festgelegte Region mit einem Laserstrahl des fokussierten Zustandes bestrahlt, wodurch eine Schmelztiefe sichergestellt wird, während Spritzer unterdrückt werden, und außerdem werden Metalldämpfe durch ein in dem mittigen Teil ausgebildetes Schlüsselloch abgeführt; im dritten Schritt wird der Laserbestrahlungsdurchmesser allmählich oder schrittweise vergrößert, wodurch die Schmelzzone durch Wärmeleitung bis zum Punktdurchmesser vergrößert wird, und die Leistungsdichte wird allmählich oder schrittweise verringert, wodurch Blasenreste, die durch rasches Kollabieren des Schlüssellochs entstehen, nicht auftreten, und es gibt den Vorteil, dass eine gewünschte Verbindungsfestigkeit 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.In the laser spot welding method according to the present invention, as described above, in the first step, the predetermined region is heated by the defocused laser beam and the irradiated region is preheated, and at the same time, melting starts from the central part; in the second step, the predetermined region is irradiated with a laser beam of the in-focus state, thereby ensuring a melting depth while suppressing splash, and also exhausting metal vapors through a keyhole formed in the central part; in the third step, the laser irradiation diameter is gradually or gradually increased, thereby enlarging the melting zone by conduction to the point diameter, and the power density is gradually or gradually decreasing, thereby preventing residual bubble caused by rapid collapse of the keyhole, and there is the advantage that a desired connection strength can be achieved in spite of such a simple process, the laser-optical axis not having to be scanned and a complication of the control and an extension of the cycle time can be avoided.
FigurenlisteFigure list
-
[
1 ]1A ,1B und1C sind seitliche Schnittansichten, die einen ersten Schritt, einen zweiten Schritt und einen dritten Schritt beim Laserpunktschweißen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen,[1 ]1A ,1B and1C -
[
2 ]2A bis2D zeigen schematisch perspektivische Ansichten, die Veränderungen in einem geschweißten Teil, beim Laserpunktschweißen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zu den Zeiten des ersten Schrittes in2A , des zweiten Schrittes in2B , einer Halbzeit des dritten Schrittes in2C und des Endes des dritten Schrittes in2D zeigen.[2 ]2A to2D FIG. 13 schematically shows perspective views showing changes in a welded part in laser spot welding according to an embodiment of the present invention at the times of the first step in FIG2A , the second step in2 B , one half of the third step in2C and the end of the third step in2D demonstrate. -
[
3 ]3 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers beim Laserpunktschweißen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.[3 ]3 Fig. 13 is a diagram showing changes in irradiation diameter in laser spot welding according to an embodiment of the present invention. -
[
4 ]4 zeigt ein Diagramm, das Veränderungen des Bestrahlungsdurchmessers beim Laserpunktschweißen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.[4th ]4th Fig. 13 is a diagram showing changes in the irradiation diameter in laser spot welding according to another embodiment of the present invention.
[Modus zum Ausführen der Erfindung][Mode for carrying out the invention]
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
Die drei Bleche
Wenn das Laserpunktschweißen, wie in
Dieser Laserbestrahlungsdurchmesser
Anschließend wird, wie in
Dieser Laserbestrahlungsdurchmesser
Anschließend wird, wie in
Wenn also der Laserbestrahlungsdurchmesser von dem Zustand, in dem das Schlüsselloch
Außerdem, wie in den
Darüber hinaus werden, wenn die Oberflächenbehandlungsschicht des niedrigschmelzenden Metalls auf den Blechen
in einem Zustand, in dem die laseroptische Achse (
- (i) eines ersten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem defokussierten Laserstrahl
La bei einem ersten BestrahlungsdurchmesserDx , um die bestrahlten Region vorzuwärmen, und außerdem des Bildens der SchmelzzoneWa in der Mitte; - (ii) eines zweiten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit dem Laserstrahl
Lb , der auf einen im Wesentlichen fokussierten Zustand bei einem zweiten BestrahlungsdurchmesserDo gesteuert wurde, und des Sicherstellens einer Schmelztiefe der SchmelzzoneWb durch schlüssellochartiges Tiefschweißen; und - (iii) eines dritten Schrittes des Bestrahlens der zuvor festgelegten Region mit einem Laserstrahl
Lc (Lb bisLd ), während der Laserstrahl defokussiert wird, um den Bestrahlungsdurchmesser allmählich oder schrittweise von dem zweiten BestrahlungsdurchmesserDo auf den ersten BestrahlungsdurchmesserDx zu vergrößern, und des Vergrößerns der Schmelzzone bis zu Wd durch Wärmeleitungsschweißen.
in a state in which the laser optical axis (
- (i) a first step of irradiating the predetermined region with a defocused laser beam
La at a first irradiation diameterDx to preheat the irradiated region and also to form the melt zoneWa in the middle; - (ii) a second step of irradiating the predetermined region with the laser beam
Lb that is to a substantially focused state at a second irradiation diameterdo was controlled and ensuring a melting depth of the melting zoneWb by keyhole-like deep welding; and - (iii) a third step of irradiating the predetermined region with a laser beam
Lc (Lb toLd ), while the laser beam is defocused, by the irradiation diameter gradually or stepwise from the second irradiation diameterdo on the first irradiation diameterDx and enlarging the melt zone up to Wd by conduction welding.
In dem obigen ersten und dritten Schritt wird der erste Bestrahlungsdurchmesser
Der Bestrahlungszeitraum Ta des defokussierten Laserstrahls
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
Zur Veranschaulichung wurde in der Ausführungsform im dritten Schritt der Fall gezeigt, dass die Laserbestrahlung durchgeführt wird, während der Bestrahlungsdurchmesser allmählich oder schrittweise vom zweiten Bestrahlungsdurchmesser
Darüber hinaus wurde in den Ausführungsformen der Fall beschrieben, dass die Beträge der vorzunehmenden Defokussierung
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.In addition, in each of the embodiments, the case has been shown that two or three sheets are overlapped and laser spot welded, but four or more sheets can also be overlapped and laser spot welded. In the experiment, it was confirmed that sheets that have a total sheet thickness of up to 4.2 mm can be welded, but it is considered that sheets that have a larger total sheet thickness can also be welded, depending on conditions such as the Laser power can be welded.
Darüber hinaus wurde in jeder der Ausführungsformen der Fall gezeigt, dass das äußerste Blech
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.Various embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications or changes can be made based on the technical concept of the present invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11, 12, 1311, 12, 13
- Blechsheet
- dx und dodx and do
- Betrag der DefokussierungDefocus amount
- La, Lb, Lc und LdLa, Lb, Lc and Ld
- LaserbestrahlungLaser irradiation
- LxLx
- Laseroptische AchseLaser optical axis
- Dx und DoDx and Do
- LaserbestrahlungsdurchmesserLaser irradiation diameter
- Ha, Hb and HcHa, Hb and Hc
- Vorgewärmter TeilPreheated part
- KbKb
- Schlüssellochkeyhole
- Wa, Wb und WcWa, Wb and Wc
- SchmelzzoneMelting zone
- WdWd
- Geschweißtes TeilWelded part
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- JP 2012115876 A [0004]JP 2012115876 A [0004]
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