DE112009001685T5

DE112009001685T5 - Laserüberlappschweißmethode für galvanisiertes Stahlblech

Info

Publication number: DE112009001685T5
Application number: DE112009001685T
Authority: DE
Inventors: Seiji Suita Katayama; Yosuke Suita Kawahito
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-07-09
Also published as: WO2010005025A1; US8692152B2; CN102089114B; CN102089114A; DE112009001685B4; US20110095002A1; JP5595913B2; JPWO2010005025A1

Abstract

Eine Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech umfassend:
das Anfertigen von zwei Stahlblechen in überlappender Anordnung von denen mindestens eines das galvanisierte Stahlblech ist, sodass eine galvanisierte Schicht an einer Berührungsfläche der Stahlbleche positioniert ist; und
das Bestrahlen einer Oberfläche von einem der beiden Stahlbleche in der überlappenden Region mit einem Laser um Überlappschweißen auszuführen,
wobei das erwähnte Bestrahlen beinhaltet, dass der Laser mit einer vorbestimmten Leistungsdichte und mit einer vorbestimmten Fahrgeschwindigkeit angewandt wird, um partiell und temporär eine langgestreckte Öffnung in einem Schmelzbad zu bilden, das sich rückwärtig von einem Laserbestrahlungspunkt mindestens auf der Oberflächenseite des Stahlbleches erstreckt, wobei der Metalldampf, welcher durch die Laserbestrahlung produziert wird, durch die langgestreckte Öffnung rückwärtig in Bezug auf eine Laserfahrrichtung und auf eine Laserbestrahlungsquellenseite entlüftet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech, und insbesondere eine Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech welche angewandt wird, wenn eine große Anzahl von galvanisierten Stahlblechen mit einem Laser überlappgeschweißt wird wie in der Automobilindustrie und Ähnlichem.
Hintergrund der Erfindung
In der Automobilindustrie werden mit Zink beschichtete Stahlbleche (nachstehend bezeichnet als „galvanisierte Stahlbleche”) häufig aufgrund der exzellenten Korrosionsbeständigkeit, der hohen spezifischen Festigkeit und deren geringen Kosten benutzt. In einem solchen Fall erfordern einige Arten von Anwendungen, dass zwei galvanisierte Stahlbleche übereinander gelegt und zusammengeschweißt werden. Es ist bekannt, dass Laserstrahlschweißen, welches exzellente Eigenschaften hat wie die hohe Genauigkeit, die hohe Qualität und die hohe Geschwindigkeit, dem Punktschweißen und Ähnlichem vorzuziehen ist.
Wenn zwei galvanisierte Stahlbleche übereinander gelegt und mit einem Laser verschweißt werden (nachstehend wird solch ein Schweißen als „Laserüberlappschweißen” bezeichnet), werden die galvanisierten Stahlbleche beispielsweise übereinander gelegt mit zueinander gewandten galvanisierten Schichten und mit einem Laserstrahl eines Kohlendioxidlaser oder einem YAG-Laser bestrahlt. Somit werden die oberen und unteren galvanisierten Stahlbleche geschmolzen und miteinander verbunden.
Um ein erfolgreiches Verbinden durchzuführen müssen sich die Eisenschichten der oberen und unteren galvanisierten Stahlbleche durchdringen. Jedoch liegen der Schmelzpunkt und der Siedepunkt von Zink bei ungefähr 420°C bzw. 907°C, was sehr viel geringer ist als der Schmelzpunkt von Eisen, welcher bei ungefähr 1535°C liegt. Dementsprechend resultiert ein ledigliches Übereinanderlegen galvanisierter Stahlbleche so, dass die galvanisierten Schichten zueinander gerichtet sind, und das Bestrahlen eines Schweißbereiches mit einem Laser in der Bildung von Lochdefekten (eine Art von Schweißdefekten) wie Löchern, Poren und Wurmgängen, die aufgrund eines Phänomens entstehen, bei welchem Zink in den galvanisierten Schichten das umgebende geschmolzene Teil wegbläst wenn es verdampft oder es verbleibt in dem geschmolzenen Metall als Bläschen.
Eine Gegenmaßnahme ist es, einen Spalt von ungefähr 0,1 mm bereitzustellen, um den Zinkdampf zwischen den galvanisierten Schichten, die durch Laserüberlappschweißen verschweißt werden sollen, zu entlüften, und das Laserüberlappschweißen in diesem Zustand beispielsweise mit einem YAG-Laser durchzuführen, der eine Leistung von ungefähr 4 kW bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 3 bis 4 m/min hat.
Um den Spalt effizient zu bilden, wurde weiterhin das Folgende vorgeschlagen: Die Umgebung eines Teils eines der galvanisierten Stahlbleches, die mit Laserüberlappschweißen verschweißt werden soll, wird im Voraus mit einem Laser bestrahlt, um verbogen zu werden, woraufhin Laserüberlappschweißen ausgeführt wird mit beispielsweise einer Leistung von ungefähr 6 kW und einer Geschwindigkeit von ungefähr 5 m/min (Anspruch 1 und Paragraph 0026 von Patentschrift 1).
Zusätzlich wurde für den Fall, in dem Laserüberlappschweißen an drei oder mehr galvanisierten Stahlblechen durchgeführt wird, Folgendes vorgeschlagen:
Beispielsweise in einem Zustand, in dem Spalte von ungefähr 10% der Schichtdicke der galvanisierten Stahlbleche gegeben sind, wird das Schweißen bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 1,5 m/min und der Anwendung einer kontinuierlichen Welle mit einer Leistung von ungefähr 2,5 kW ausgeführt. Dies basiert auch auf einer ähnlichen Idee wie der vorher genannten zu dem Effekt, dass ein Spalt zum Belüften des Zinkdampfes zwischen den Stahlblechen, die verschweißt werden, geformt wird (Anspruch 1 und 2 und Paragraphen 0019 und 0021 der Patentschrift 2).
Patentschrift 1: JP-A2005-144504
Patentschrift 2: JP-A2005-262226
Offenlegung der Erfindung
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgaben
Jedoch erfordert die Bildung eines Spaltes von ungefähr 0,1 mm zwischen den galvanisierten Stahlblechen, die übereinander gelegt sind, einen großen Aufwand und dies macht das Prozessmanagement schwierig. Beispielsweise muss in der Erfindung, die in der vorher genannten Patentschrift 1 beschrieben ist, die Laserbestrahlung zwei Mal durchgeführt werden. Insbesondere in der Automobilindustrie ist die Anzahl der galvanisierten Stahlbleche, die verarbeitet werden, hoch und außerdem betragen die Blechdicken dieser Bleche ungefähr 1 mm. Dementsprechend erfordert dies mehr Aufwand und das Prozessmanagement ist schwieriger.
Wie vorher beschrieben hat Laserstrahlschweißen exzellente technische Eigenschaften im Vergleich zu Punktschweißen. Dementsprechend haben galvanisierte Stahlbleche, die mit Laserüberlappschweißen verschweißt wurden, auch exzellente Eigenschaften. Jedoch wurde das Laserüberlappschweißen für ein galvanisiertes Stahlblech noch nicht sehr breit eingesetzt wegen seiner hohen anfänglichen Installationskosten und Schwierigkeiten wie der oben beschriebenen.
Dementsprechend, und um die exzellenten Eigenschaften des Laserüberlappschweißens auch für galvanisierte Stahlbleche zu nutzen, gab es eine Nachfrage nach der Entwicklung einer Laserüberlappschweißmethode für galvanisierte Stahlbleche, mit der das Laserüberlappschweißen einer großen Anzahl von galvanisierten Stahlblechen ohne einen großen Aufwand durchgeführt werden kann und mit der das Prozessmanagement sehr einfach durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäße Lösungen
Um das obige Ziel zu erreichen, beinhaltet eine Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach der Erfindung: Das Anfertigen von zwei Stahlblechen in überlappender Anordnung, von denen mindestens eines das galvanisierte Stahlblech ist, sodass eine galvanisierte Schicht an einer Berührungsfläche der Stahlbleche positioniert ist; und das Bestrahlen einer Oberfläche von einem der beiden Stahlbleche in der überlappenden Region mit einem Laser, um Überlappschweißen auszuführen, wobei das erwähnte Bestrahlen beinhaltet, dass der Laser mit einer vorbestimmten Leistungsdichte und mit einer vorbestimmten Fahrgeschwindigkeit angewandt wird, um partiell und temporär eine langgestreckte Öffnung in einem Schmelzbad zu bilden, das sich rückwärtig von einem Laserbestrahlungspunkt mindestens auf der Oberflächenseite des Stahlblechs erstreckt, wobei der Metalldampf, welcher durch die Laserbestrahlung produziert wird, durch die langgestreckte Öffnung rückwärtig in Bezug auf eine Laserfahrrichtung und auf eine Laserbestrahlungsquellenseite entlüftet wird.
In der oben beschriebenen Methode wird Zinkdampf, der bei der Verdampfung von Zink an den übereinander liegenden Oberflächen entsteht, durch eine langgestreckte Öffnung, die in einem Schmelzbad entstanden ist, entlüftet, ohne nachteilig auf das Schmelzbad zu wirken. Folglich kann ein exzellentes Laserüberlappschweißen ohne Lochdefekte ausgeführt werden.
Insbesondere da das Schweißen bei einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Energiedichte ausgeführt wird, indem die Bestrahlungsparameter wie die Leistung, die Bestrahlungsleistungsdichte, der Durchmesser des Bestrahlungspunktes, der Defokussierungsbetrag und die Fahrgeschwindigkeit des Lasers angepasst werden, koinzidieren der Laserbestrahlungspunkt und ein Schlüsselloch (Mulde in dem Schmelzbad, die durch Verdampfung des Metalls entstanden ist) nicht mehr. Außerdem konzentriert sich die Verdampfung des Metalls auf das vordere Ende des Schlüssellochs in Fahrrichtung der Laserbestrahlung. Der Metalldampf wird rückwärts zur Fahrrichtung der Laserbestrahlung und hin zu einer Laserbestrahlungsquellenseite entlüftet (schräg, hoch und rückwärtig für den Fall, in dem galvanisierte Stahlbleche aufeinander gelegt sind). Dementsprechend ist das Schlüsselloch eine langgestreckte Öffnung. Außerdem entweicht der Zinkdampf hauptsächlich von dem führenden Ende und den umgebenden Regionen der langgestreckten Öffnung und auch von den Seitenwänden. Folglich bläst der Zinkdampf das geschmolzene Metall im Schmelzbad auf der Seite der Laserbestrahlungsquelle nicht weg (obere Seite in dem Fall, in dem die galvanisierten Stahlbleche übereinander gelegt sind), wenn der Zinkdampf entweicht, und bleibt nicht im Schmelzbad zurück. Demzufolge kann das Laserüberlappschweißen von einer großen Anzahl von galvanisierten Stahlblechen ohne viel Aufwand durchgeführt werden, das Prozessmanagement kann außerdem einfach ausgeführt werden, und das Laserüberlappschweißen mit seinen exzellenten technischen Eigenschaften kann sehr breit im Laserüberlappschweißen für ein galvanisiertes Stahlblech angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet alle der folgenden Fälle: Eine galvanisierte Schicht befindet sich auf einer oder beiden Seiten des Stahlbleches auf der Laserbestrahlungsseite der zwei Stahlbleche und es befindet sich keine galvanisierte Schicht auf dem anderen Stahlblech; eine galvanisierte Schicht befindet sich auf einer oder beiden Seiten des Stahlbleches auf der Laserbestrahlungsoberfläche und eine galvanisierte Schicht befindet sich außerdem auf einer oder beiden Seiten des anderen Stahlbleches; und es befindet sich keine galvanisierte Schicht auf dem Stahlblech auf der Laserbestrahlungsseite und eine galvanisierte Schicht befindet sich auf einer oder beiden Seiten des anderen Stahlbleches.
Außerdem bedeutet „Überlagern, so dass eine galvanisierte Schicht dessen eine Kontaktfläche wird” ein Überlagern so, dass Zinkschichten sich in Kontaktflächen der überlagerten Stahlbleche befinden, und es bedeutet speziell, dass zwei Stahlbleche so überlagert werden, dass mindestens eine der galvanisierten Schichten in dem Stahlblech auf der Laserbestrahlungsseite und dem anderen Stahlblech zur Kontaktfläche wird.
Hierbei ist das „galvanisierte Stahlblech” hauptsächlich eines für Fahrzeuge, welches eine Dicke von 0,5 bis 2 mm aufweist und welches eine galvanisierte Schicht mit einer Dicke von 4 bis 12 μm besitzt. Der Stahl ist Weichstahl, legierter Stahl, hochfester Stahl oder Ähnliches. Die Galvanisierung ist nicht auf eine Beschichtung mit reinem Zink beschränkt und könnte auch eine Beschichtung mit einem Zink enthaltenden Metall als Hauptmaterial sein, insofern es eine Wirkung auf die vorliegende Erfindung hat.
Außerdem bezieht sich die „langgestreckte Öffnung” auf ein langgestrecktes Schlüsselloch in dem Schmelzbad, das bis zu der galvanisierten Schicht reicht. Der Begriff „langgestreckt” bedeutet, dass die Länge in der Laserfahrrichtung länger als die Breite in eine Richtung senkrecht zur Laserfahrrichtung ist, vorzugsweise, dass die Länge zwei Mal oder mehr der Breite ist, besonders vorzugsweise, dass die Länge drei Mal oder mehr der Breite entspricht, besonders vorzugsweise, dass die Länge vier Mal oder mehr der Breite entspricht.
Außerdem beinhaltet die „Anpassung der Leistung und der Bestrahlungsleistungsdichte des Lasers und der Bestrahlungsparameter” das Auswählen einer geeigneten Lasereinrichtung oder einer Lasereinrichtung mit einer geeigneten Leistung, und die Anpassung des Durchmessers des Bestrahlungspunktes und des Defokussierungsbetrags des Lasers und der Fahrgeschwindigkeit der Laserbestrahlung. Somit wird die langgestreckte Öffnung in dem Schmelzbad ausgebildet, geschaffen durch Laserbestrahlung und bestehend aus geschmolzenem Metall, so dass, wenn Zink in der Beschichtung unter der langgestreckten Öffnung verdampft, es nicht das geschmolzene Metall wegblasen kann, das sich normalerweise über dem Zink befinden würde.
Zusätzlich zum obigen ist es vorzuziehen, ein inertes Gas zu verwenden, da die Stahlbleche mit einem Laser geschweißt werden. Das ist dasselbe wie bei gewöhnlichem Laserstrahlschweißen. Ein Gas wie Argon, Helium, Stickstoff oder Kohlendioxid wird von der Fahrrichtung zu dem Schweißort mit einer Flussrate von ungefähr 20–80 L/min geblasen. Außerdem ist im Falle eines galvanisierten Fahrzeugstahlblechs Argon bei ungefähr 30 L/min aus Kostensicht und Qualitätssicht und Ähnlichem vorzuziehen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung Laser-Remote-Schweißen oder Ähnliches nicht ausschließt, bei welchen kein Gas benutzt wird.
Es sollte beachtet werden, dass sogar der Fall, in dem drei oder mehr Stahlbleche überlappgeschweißt werden, in der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen ist, solange eine Schweißmethode für zwei der Stahlbleche die oben beschriebenen Voraussetzungen erfüllt.
Die Methode der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise in dem speziellen Fall ausgeführt werden, in welchem das Stahlblech auf der Oberflächenseite eine Dicke von 0,5 bis 2 mm hat und die galvanisierte Schicht eine Dicke von 4 bis 12 μm besitzt.
Jedoch werden die individuellen Schweißparameter speziell nach der Dicke und Ähnlichem des Stahlblechs auf der Bestrahlungsoberflächenseite bestimmt, während ein Abgleich im Bezug auf die anderen Parameter vorgenommen wird. Beispielsweise in dem Fall, in welchem die Blechdicke groß ist, wird, bei denselben anderen Parametern, die Laserleistungsdichte im Verhältnis zur Schichtdicke erhöht, so dass nicht nur das Schmelzbad (Schweißdurchdringung) vertieft werden kann sondern auch, dass die „langgestreckte Öffnung” tiefer ausgebildet werden kann. Weiterhin wird sogar bei derselben Blechdicke im Falle einer Erhöhung der Leistungsdichte der Laserbestrahlung die Fahrgeschwindigkeit der Laserbestrahlung im Verhältnis dazu erhöht.
Das „Stahlblech” aus „Stahlblech auf der Seite der Laserbestrahlungsoberfläche” in der vorliegenden Erfindung kann ein galvanisiertes Stahlblech sein mit einer oder zwei galvanisierten Seiten, oder kann ein Stahlblech ohne galvanisierte Schicht sein. Mit anderen Worten kann sich das „galvanisierte Stahlblech” auf der Seite der Laserbestrahlungsoberfläche, der entgegengesetzten Seite zur Laserbestrahlungsoberfläche oder an beiden Seiten befinden. Weiterhin bezieht sich die „Dicke der galvanisierten Schicht” auf die Dicke der galvanisierten Schicht eines Stahlbleches.
Die „Leistung des Lasers” ist vorzugsweise hoch, ausgehend vom Gesichtspunkt der Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit der Bestrahlung, während in geeigneter Weise eine langgestreckte Öffnung durch das führende Ende gebildet wird, von wo Zinkdampf entweicht. Jedoch ist eine übermäßig hohe Leistung, z. B. 20 kW oder mehr und Ähnliches, nicht vorzuziehen, da hohe Kosten für die Ausrüstung und Ähnliches entstehen.
In der Methode der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, dass die Leistung des Lasers 5 kW oder mehr beträgt, und dass die Leistungsdichte der Laserbestrahlung 10 kW/mm² oder mehr ist, wenn eine Gaußverteilung zur Berechnung angenommen wird.
In der Methode der vorliegenden Erfindung wird die Laserenergie bei einer höheren Dichte als vorher auf eine Schweißposition angewandt und auch bei einer höheren Geschwindigkeit als vorher. Dementsprechend kann bei Laserüberlappschweißen von galvanisierten Stahlblechen mit einer Blechdicke und einer galvanisierten Schichtdicke wie oben definiert, ein fehlerfreieres Schweißen durchgeführt werden. Metall, das sich in der Mitte der Bestrahlungsoberfläche des Stahlbleches an der Schweißposition befindet, d. h. im Zentrum des Brennpunktes und auf der Linie entlang der Fahrrichtung, wird für eine längere Zeit als die Seitengebiete (Richtung senkrecht zur Fahrrichtung) der Bestrahlungsoberfläche bestrahlt, weshalb es früher verdampft und nach schräg oben rückwärts entweicht, während es das umgebende geschmolzene Metall seitwärts und rückwärts zur Fahrrichtung verdrängt. Als Folge wird schnell eine langgestreckte Mulde (langgestrecktes Schlüsselloch) im Schmelzbad gebildet. Weiterhin erreicht die langgestreckte Mulde eine Tiefe, die die galvanisierte Schicht erreicht und das verdampfte Zink entweicht durch das führende Ende dieser langgestreckten Mulde schräg nach oben und hinten. Folglich kann fehlerfreies Laserüberlappschweißen bei einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden.
In der Methode der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, dass die Leistungsdichte der Laserbestrahlung 15 kW/mm² oder mehr beträgt, wenn zur Berechnung eine Gaußverteilung angenommen wird.
Hier ist die „Leistungsdichte der Laserbestrahlung” vorzugsweise groß in einem gewissen Bereich, ausgehend von dem Gesichtspunkt der Durchführung von robustem Überlappschweißen mit einer tiefen Schweißdurchdringung von zwei Stahlblechen miteinander. Die Erhöhung der Leistungsdichte der Laserbestrahlung auf ein bestimmtes Level oder höher, z. B. 30 kW/mm² oder mehr und ähnliches, ist jedoch vom Standpunkt der Energiekosten (Effizienz) nicht zu präferieren. Weiterhin resultiert eine kleine Schichtdicke, im Speziellen eine kleine Schichtdicke auf der Laserbestrahlungsseite, in einem Energieüberschuss und ist somit nicht präferiert.
In der Methode der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass der Durchmesser des Bestrahlungspunktes des Lasers 0,1 bis 2 mm beträgt, die Brennweite einer Linse des Gerätes, das den Laser emittiert, 100 bis 1500 mm beträgt und der Defokussierungsbetrag des Lasers 0 bis 30 mm beträgt.
Wenn der Durchmesser des Bestrahlungspunktes (Größe des Brennpunktes) und der Defokussierungsbetrag des Lasers optimiert werden, dann tragen Temperaturparameter und Ähnliches am oder nahe des Schweißortes zu einer einwandfreien Laserüberlappschweißung bei. Dementsprechend kann beispielsweise mit einer geeigneten gehaltenen Fahrgeschwindigkeit ein Schmelzbad gebildet werden, dessen Tiefe und Breite sich entsprechend ausbilden. Somit entkommt der Zinkdampf, der durch die galvanisierte Schicht entsteht, sehr einfach. Als ein Resultat dessen kann ein einwandfreies Laserüberlappschweißen erreicht werden.
In der Methode der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass das Stahlblech auf der Laserbestrahlungsoberflächenseite eine Dicke von 0,7 bis 1,2 mm hat, die galvanisierte Schicht des galvanisierten Stahlbleches eine Dicke von 5 bis 10 μm besitzt, die Leistung des Lasers 8 kW oder mehr beträgt, die Leistungsdichte der Laserbestrahlung 18 kW/mm² oder mehr beträgt, wenn zur Berechnung eine Gaußverteilung angenommen wird, der Durchmesser des Bestrahlungspunktes des Lasers 0,1 bis 12 mm beträgt, die Brennweite einer Linse des Gerätes, das den Laser emittiert, 150 bis 1200 mm beträgt, und der Defokussierungsbetrag des Lasers 0 bis 20 mm beträgt.
Dies definiert einen bevorzugtesten Bereich von anderen Anforderungen in dem Fall, in welchem ein Stahlblech mit einer Dicke von 0,7 bis 1,2 mm als ein Stahlblech auf der Laserbestrahlungsoberflächenseite der zwei Stahlbleche benutzt wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Dicke des Stahlbleches auf der Seite entgegengesetzt zur Laserbestrahlungsseite der zwei Stahlbleche nicht speziell begrenzt ist. Mit anderen Worten scheint die Dicke des Stahlbleches auf der Seite entgegengesetzt zur Laserbestrahlungsseite keinen signifikanten Effekt auf den folgenden Prozess zu haben: das Stahlblech auf der Laserbestrahlungsseite verdampft und produziert eine laserinduzierte Dampffahne, ein langgestrecktes Schlüsselloch wird gebildet, und das Zink in der Kontaktregion der zwei Stahlbleche verdampft durch das langgestreckte Schlüsselloch, ohne das geschmolzene Material auf der Laserbestrahlungsseite wegzublasen.
Dementsprechend, wenn das Stahlblech auf der Laserbestrahlungsseite eine Dicke von 0,7 bis 1,2 mm hat, und solange die Dicke des Stahlbleches auf der gegenüberliegenden Seite sich nicht signifikant verändert, kann die vorliegende Erfindung mit den definierten bevorzugten Schweißparametern ohne Veränderungen angewandt werden, wobei es scheint, dass ein sehr exzellentes Laserüberlappschweißen ausgeführt werden kann.
Weiterhin wird für das Laserüberlappschweißen für ein galvanisiertes Stahlblech mit den vorher genannten Stahlblechdicken und Dicken der galvanisierten Schichten aus den vorher genannten Gründen die „Leistungsdichte der Laserbestrahlung” bevorzugterweise zu 24 kW/mm² oder weniger gewählt, wenn man zur Berechnung eine Gaußverteilung annimmt, und in der Praxis bevorzugterweise 18–22 kW/mm². Gleichermaßen beträgt die Leistung des Lasers bevorzugterweise 20 kW oder weniger, und besonders bevorzugt ungefähr 5–15 kW von einem generellen Gesichtspunkt betrachtet.
Beispielsweise in dem Fall, in welchem die Bestrahlungsleistungsdichte und die Leistung des Lasers innerhalb des oben genannten Bereiches liegen und wobei der Durchmesser des Bestrahlungspunktes und der Defokussierungsbetrag des Lasers ungefähr 0,3 mm bzw. 15 mm betragen, beträgt die Fahrgeschwindigkeit der Laserbestrahlung ungefähr 10 m/min für eine Laserleistung von 5 kW, ungefähr 11 m/min für eine Laserleistung von 7 kW, ungefähr 12 m/min für eine Laserleistung von 10 kW, und ungefähr 15 m/min für eine Laserleistung von 13 kW.
Es sollte beachtet werden, dass das „Stahlblech” des „Stahlbleches auf der Seite der Laserbestrahlungsoberfläche”, das „galvanisierte Stahlblech”, und die „Dicke der galvanisierten Schicht” dieselben wie oben beschrieben sind.
Da weiterhin, mit Hinblick auf die Einflüsse der „Dicke der galvanisierten Schicht” auf die Schweißparameter, die Menge des Zinkes selbst beim Galvanisieren kleiner ist als die des Stahlbleches und der Schmelzpunkt des Stahles sehr viel höher liegt als der Siedepunkt des Zinkes, hat die Dicke der galvanisierten Schicht einen relativ kleinen Einfluss auf die Zeit, die benötigt wird, um die galvanisierte Schicht zu verdampfen, da aufgrund der Bestrahlung mit intensiver Laserenergie die Verdampfung des Zinkdampfes durch das führende Ende der langgestreckten Öffnung geschieht, ohne dass geschmolzenes Metall aus dem Schmelzbad herausgeblasen wird. Dementsprechend müssen die Schweißparameter nicht signifikant nach der Dicke der galvanisierten Schicht geändert werden.
Bei der Methode der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, dass der Laser ein Faseroptiklaser ist und Wellenlängen im 1000-nm-Band benutzt.
Das Schweißen wird vereinfacht, indem ein Laser benutzt wird, der ein Faseroptiklaser ist (ein Fasertransmissionslaser, ein Faseroptiklaser zum Schweißen, oder Ähnliches) und der eine geeignete Wellenlänge von 1000 nm für einen Faseroptiklaser hat (800 bis 1500 nm für einen Faseroptiklaser, und 1000 bis 1100 nm für einen Faseroptiklaser zum Schweißen). Insbesondere vereinfacht dies die Einstellung des Bestrahlungspunktes, die Anpassung des Brennpunktes und dergleichen, und die Anpassung der Fahrgeschwindigkeit.
Wirkungen der Erfindung
Wie oben beschrieben ermöglicht die vorliegende Erfindung Laserüberlappschweißen für eine große Anzahl von galvanisierten Stahlblechen ohne großen Aufwand auszuführen, Prozessmanagement einfach auszuführen, und das Laserüberlappschweißen mit seinen exzellenten technischen Eigenschaften breit für das Überlappschweißen von galvanisierten Stahlblechen anzuwenden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht Laserüberlappschweißen für ein galvanisiertes Stahlblech als ein Beispiel für die vorliegende Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die schematisch das Verhalten von flüssigem und gasförmigen Schweißmetall zum Zeitpunkt des Schweißens wie in 1 dargestellt.
3 zeigt eine Querschnittsansicht, die schematisch den Schweißabschnitt zum Zeitpunkt des Schweißens in 1 darstellt und welcher entlang der Fahrtrichtung aufgenommen ist.
4 zeigt eine schematische Ansicht des Schweißabschnittes von oben gesehen zum Zeitpunkt des Schweißens wie in 1 gezeigt.
5 zeigt eine Mikrofotografie eines Querschnitts des Laserüberlappschweißabschnitts in senkrechter Richtung zur Fahrrichtung der Laserbestrahlung.
Bezugszeichenliste

10: Faser
11: Linse
17: Laserstrahl
18: Brennpunkt des Laserstrahls
19: Laserbestrahlungspunkt
20, 21: galvanisiertes Stahlblech
30: Düse
35, 36: Haltevorrichtung
40: geschmolzener Abschnitt des führenden Endes
41: laserinduzierte Dampffahne
42: langgestreckte Öffnung
45, 46: Schmelzbäder auf zwei gegenüberliegenden Seiten der langgestreckten Öffnung
47: Schmelzbad hinter der langgestreckten Öffnung
48: Schweißnaht

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung basierend auf einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende Ausführung beschränkt ist. Verschiedene Veränderungen können zu der folgenden Ausführung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung und Äquivalenten davon gemacht werden.
1 zeigt schematisch eine Situation, in welcher Laserüberlappschweißen für ein galvanisiertes Stahlblech als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Faser des Laseroszillators, Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Linse, Bezugszeichen 20 und 21 bezeichnen galvanisierte Stahlbleche, übereinander gelegt (oben 20, und unten 21), Bezugszeichen 30 beschreibt eine Düse, um inertes Gas einzublasen, und Bezugszeichen 35 und 36 bezeichnen Haltevorrichtungen für die galvanisierten Stahlbleche. Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 17 einen Laserstrahl, Bezugszeichen 18 bezeichnet den Brennpunkt des Laserstrahls, Pfeile in Lichtstrahlen repräsentieren den Laserstrahl 17 und deuten die Bestrahlungsrichtung des Lasers an, Bezugszeichen 19 beschreibt einen Laserbestrahlungspunkt, der auf dem galvanisierten Stahlblech 20 geformt wird, und Bezugszeichen 48 beschreibt eine Schweißnaht. Weiterhin deutet ein dicker Pfeil die Fahrrichtung (Richtung, in welche das Schweißen durchgeführt wird) der Laserbestrahlung an, und dünne Pfeile, gezeichnet vor der Spitze der Düse 30, deuten den Fluss des inerten Gases an. Weiterhin bezeichnet d den Defokussierungsbetrag der Laserstrahlung.
Die zwei galvanisierten Stahlbleche 20 und 21 sind für ein gewöhnliches Fahrzeug bestimmt und jedes von beiden ist ein Stahlblech mit einer Dicke von 1 mm, welches mit Zink von einer Dicke von 5 μm auf beiden Seiten beschichtet ist. Vor dem Laserüberlappschweißen werden diese zwei galvanisierten Stahlbleche 20 und 21 aufeinander gelegt, nachdem sie von Öl und Verschmutzungen auf den Oberflächen unter Benutzung von Ethanol abgewischt wurden, und werden weiterhin mit der Haltevorrichtung 35 und 36 an zwei gegenüberliegenden Enden fixiert. Dementsprechend sind das obere und das untere galvanisierte Stahlblech 20 und 21 in engem Kontakt miteinander, so dass die galvanisierten Schichten einen Kontaktbereich bilden.
Als Laseroszillator wird ein Laseroszillator benutzt, der von IPG Photonics Japan, Ltd. hergestellt ist, welcher eine Leistung von 10 kW und eine Wellenlänge von 1070 nm hat. Der Laserstrahl 17, der von einer Faser 10 des Laseroszillators emittiert wird, wird in Schweißrichtung in Bewegung gesetzt (zur rechten Seite in der Zeichnung), während der Laser von einer senkrechten Richtung zur Schweißfläche (galvanisiertes Stahlblech 20) angewandt wird. Während des Schweißens wird die Linse 11 so angepasst, dass der Laserstrahl 17 15 mm vor der Schweißfläche fokussiert wird (in der Zeichnung direkt über der Schweißfläche) (Defokussierungsbetrag = 15 mm) und, dass der Punktdurchmesser 1,1 mm beträgt, und der Laserstrahl 17 bewegt wird mit einer Geschwindigkeit von 12 m/min. Dementsprechend ist die Leistungsdichte an dem Schweißbereich 21 kW/mm², wenn man für die Querschnittsintensitätsverteilung eine Gaußverteilung annimmt. Es sollte beachtet werden, dass die Brennweite der Linse 11 in diesem Beispiel 250 mm beträgt.
Als inertes Gas wird Argon benutzt, welches ein kostengünstiges inertes Gas ist. Das inerte Gas wird von in Fahrrichtung des Laserstrahls gesehen vor dem Laserstrahl geblasen, in einem Winkel von 45° von oben, bei einer Flussrate von 30 L/min, mittels einer Düse 30 mit einer Bohrung von 16 mm.
2 bis 4 zeigen schematisch das Verhalten einer geschmolzenen Welle und Dampf eines Schweißmetalles zum Zeitpunkt des Schweißens. 2 zeigt den Schweißbereich seitlich und schräg von oben gesehen. 3 zeigt einen Querschnitt des Schweißbereiches entlang der Fahrrichtung. 4 zeigt den Schweißbereich von oben gesehen. In diesen Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 40 einen geschmolzenen Bereich am führenden Ende, Bezugszeichen 41 eine laserinduzierte Dampffahne, Bezugszeichen 42 eine langgestreckte Öffnung (langgestrecktes Schlüsselloch), welches durch die Entlüftung des Metalldampfes entsteht, Bezugszeichen 45 und 46 bezeichnen Schmelzbäder auf zwei gegenüberliegenden Seiten der langgestreckten Öffnung 42, und Bezugszeichen 47 bezeichnet ein Schmelzbad hinter der langgestreckten Öffnung. Weiterhin bezeichnen wiederum in diesen Zeichnungen dicke Pfeile die Fahrrichtung der Laserbestrahlung. Weiterhin deutet ein Pfeil mit einer dicken unterbrochenen Linie den Fluss des Metalldampfes an.
Das obere und untere galvanisierte Stahlblech 20 und 21 werden mit Laserbestrahlung geschmolzen. Da die Bestrahlungsenergiedichte groß ist, schmilzt der geschmolzene Bereich des führenden Endes 40 steil und tief an der Rückseite in Fahrrichtung. Ein Teil des Metalls verdampft schnell von der Oberfläche. Weiterhin wird Metalldampf (laserinduzierte Dampffahne), die durch schnelle Verdampfung entsteht, rückwärts und aufwärts (in Richtung der Laserbestrahlungsseite) entlüftet von einem Bereich minimal hinter dem Bestrahlungsort (von der Seite entgegen der Fahrrichtung, d. h. von der linken Seite des Bestrahlungsortes in der Zeichnung), während das flüssige Metall um und über den Metalldampf (Laserbestrahlungsseite zur Rückseite in Fahrrichtung gedrückt wird.
Der Grund, warum die laserinduzierte Dampffahne 41 in die oben beschriebene Richtung ausdampft, ist nicht nur, dass ein Bereich nahe der Mittellinie des Bestrahlungsbereiches in Fahrrichtung die längste Laserbestrahlungszeit erfährt und die höchste Laserstrahlleistungsdichte erfährt, sondern auch, dass eine ungeschmolzene, feste Metallschicht auf der Seite in die Fahrtrichtung der Bestrahlung existiert, der Seite in Bestrahlungsrichtung (untere Seite in 2 und 3), und beiden Seiten des Bestrahlungsbereiches in Fahrtrichtung (ober- und unterhalb des Bestrahlungsbereiches in 4). Dementsprechend wird die laserinduzierte Dampffahne 41 entlang der Mittellinie des Bestrahlungsbereiches in Fahrrichtung ausgestoßen. Infolgedessen entsteht die laserinduzierte Dampffahne 41 hinter dem Laserbestrahlungspunkt und entlang der Mittellinie der Bestrahlung in Fahrrichtung. Als Folge entsteht eine Öffnung 42, in welcher kein geschmolzenes Metall existiert und welche langgestreckt in Fahrrichtung an dieser Position ist. Außerdem entstehen langgestreckte Schmelzbäder 45 und 46 an beiden Seiten dieser langgestreckten Öffnung 42 in Fahrtrichtung und fließen weiter in die entgegengesetzte Richtung zur Fahrtrichtung aufgrund des Metalldampfdruckes, um sich in einem Schmelzbad 47 hinter der langgestreckten Öffnung 42 in Fahrrichtung zu vereinigen. In diesem Beispiel wurde beobachtet, dass die langgestreckte Öffnung (langgestrecktes Schlüsselloch) mit einer Breite von ungefähr 1 mm und einer Länge von ungefähr 3 mm gebildet wurde.
In der vorliegenden Erfindung wird nicht einfach nur eine langgestreckte Öffnung gebildet, sondern auch Zinkdampfstrahlen als die laserinduzierte Dampffahne 41 oder ein Teil davon schräg aufwärts in Richtung der Rückseite des führenden Endes und der Umgebung der geformten langgestreckten Öffnung produziert. Dementsprechend wird das geschmolzene Metall um und über dem Zinkdampf nicht oder nur leicht weggeblasen. Weiterhin verbleibt der Zinkdampf nicht in einem Schmelzbad zurück.
Zink besitzt einen Schmelzpunkt (490,5°C) und einen Siedepunkt (907°C), welche sehr viel geringer sind, als der Schmelzpunkt (1535°C) von Eisen, wie vorher beschrieben, und außerdem besitzt es eine geringe Schmelzwärme und eine geringe Verdampfungswärme (7,322 kJ/mol und 115,3 kJ/mol) (diejenigen von Eisen, welches das Hauptmaterial von einem Stahlblech ist, sind 13,8 kJ/mol bzw. 349,6 kJ/mol). Es sollte jedoch beachtet werden, dass diese vier Werte leicht verändert sind durch die Einflüsse von Zusatzstoffen und Bestandteilen in Zink und einem Stahlblech. Dementsprechend wenn der Betrag der übertragenen Wärme von dem Stahlblech, das sich auf der Laserbestrahlungsseite befindet, groß ist, schmilzt das Zink sofort und verdampft und weiterhin bläst ein großer Betrag von Zinkdampf das geschmolzene Metall, welches über dem Zink positioniert ist, weg.
Jedoch hat Eisen eine geringere thermische Leitfähigkeit als Kupfer und Ähnliches, und Flüssigkeit wie geschmolzenes Eisen hat weiterhin eine geringere thermische Leitfähigkeit als festes Eisen. Außerdem hat, wie vorher beschrieben, Zink eine geringe Verdampfungswärme und auf der anderen Seite ist die Bestrahlungsenergiedichte sehr groß. Darüber hinaus sind die Brennweite, der Defokussierungsbetrag, und dergleichen des Laserbestrahlungsgerätes geeignet. Als Folge schmilzt das Stahl allmählich und verdampft von der bestrahlten Oberfläche eines galvanisierten Stahlbleches und weiterhin schmilzt das Zink in dem bestrahlten Bereich an der Kontaktfläche der galvanisierten Stahlbleche 20 und 21 und verdampft aufgrund der Energie der Laserbestrahlung um vom führenden Ende und von den umgebenden Bereichen der vorher genannten langgestreckten Öffnung entlüftet zu werden. Dementsprechend wird einwandfreies Überlappschweißen ausgeführt.
Eine Probe, die nach diesem Beispiel geschweißt wurde, wurde in senkrechte Richtung zur Fahrrichtung des Lasers geschnitten und der Querschnitt wurde mit einem Mikroskop untersucht, um den Zustand der Schweißung zu untersuchen. 5 ist eine Mikrofotografie des oben beschriebenen Querschnitts. Wie in 5 gezeigt wurde kein Schweißdefekt in dem Querschnitt gefunden und es ist ersichtlich, dass die Methode der vorliegenden Erfindung es ermöglicht, ein erfolgreiches Laserüberlappschweißen durchzuführen für ein galvanisiertes Stahlblech, ohne einen Spalt zwischen zwei Stahlblechen bereit stellen zu müssen.
Zusammenfassung
Eine Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech beinhaltet das Anfertigen von zwei Stahlblechen in überlappender Anordnung von denen mindestens eines das galvanisierte Stahlblech ist, sodass eine galvanisierte Schicht an einer Berührungsfläche der Stahlbleche positioniert ist; und das Bestrahlen einer Oberfläche von einem der beiden Stahlbleche in der überlappenden Region mit einem Laser um Überlappschweißen auszuführen. Das Schweißen wird ausgeführt durch einen Lasers, der sich mit einer vorbestimmten Leistungsdichte und mit einer vorbestimmten Fahrgeschwindigkeit angewandt, um partiell und temporär eine langgestreckte Öffnung (42) in einem Schmelzbad (45–47) zu bilden, das sich rückwärtig von einem Laserbestrahlungspunkt mindestens auf der Oberflächenseite des Stahlbleches erstreckt, wobei der Metalldampf, welcher durch die Laserbestrahlung produziert wird, durch die langgestreckte Öffnung rückwärtig in Bezug auf eine Laserfahrrichtung und auf eine Laserbestrahlungsquellenseite entlüftet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-144504 A [0007]
JP 2005-262226 A [0007]

Claims

Eine Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech umfassend: das Anfertigen von zwei Stahlblechen in überlappender Anordnung von denen mindestens eines das galvanisierte Stahlblech ist, sodass eine galvanisierte Schicht an einer Berührungsfläche der Stahlbleche positioniert ist; und das Bestrahlen einer Oberfläche von einem der beiden Stahlbleche in der überlappenden Region mit einem Laser um Überlappschweißen auszuführen, wobei das erwähnte Bestrahlen beinhaltet, dass der Laser mit einer vorbestimmten Leistungsdichte und mit einer vorbestimmten Fahrgeschwindigkeit angewandt wird, um partiell und temporär eine langgestreckte Öffnung in einem Schmelzbad zu bilden, das sich rückwärtig von einem Laserbestrahlungspunkt mindestens auf der Oberflächenseite des Stahlbleches erstreckt, wobei der Metalldampf, welcher durch die Laserbestrahlung produziert wird, durch die langgestreckte Öffnung rückwärtig in Bezug auf eine Laserfahrrichtung und auf eine Laserbestrahlungsquellenseite entlüftet wird.
Die Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach Anspruch 1, wobei das Stahlblech an der Oberseite eine Dicke von 0,5 bis 2 mm und die galvanisierte Schicht eine Dicke von 4 bis 12 μm besitzt.
Die Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach Anspruch 2, wobei die Leistung des Lasers 5 kW oder mehr beträgt, und die Leistungsdichte der Laserbestrahlung 10 kW/mm² oder mehr beträgt, wenn man zur Berechnung eine Gaußverteilung annimmt.
Die Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach Anspruch 3, wobei die Leistungsdichte der Laserbestrahlung 15 kW/mm² oder mehr beträgt, wenn man zur Berechnung eine Gaußverteilung annimmt.
Die Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach Anspruch 4, wobei der Durchmesser des Bestrahlungspunktes des Lasers 0,1 bis 2 mm beträgt, die Brennweite einer Linse des Gerätes, das den Laser emittiert, 100 bis 1500 mm beträgt und der Defokussierungsbetrag des Lasers 0 bis 30 mm beträgt.
Die Überlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach Anspruch 1, wobei das Stahlblech auf der Laserbestrahlungsoberflächenseite eine Dicke von 0,7 bis 1,2 mm hat; die galvanisierte Schicht des galvanisierten Stahlbleches eine Dicke von 5 bis 10 μm besitzt; die Leistung des Lasers 8 kW oder mehr beträgt; die Leistungsdichte der Laserbestrahlung 18 kW/mm² oder mehr beträgt, wenn zur Berechnung eine Gaußverteilung angenommen wird; der Durchmesser des Bestrahlungspunktes des Lasers 0,1 bis 1,2 mm beträgt; die Brennweite einer Linse des Gerätes, das den Laser emittiert, 150 bis 1200 mm beträgt; und der Defokussierungsbetrag des Lasers 0 bis 20 mm beträgt.
Die Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei der Laser ein Faseroptiklaser ist und dessen Wellenlänge im 1000 nm Band gewählt wird.
Die Laserüberlappschweißmethode für ein galvanisiertes Stahlblech nach Anspruch 1, wobei das Schweißen ausgeführt wird, während ein inertes Gas von in Laserfahrrichtung gesehen vor dem Bestrahlungspunkt des Lasers geblasen wird.