DE112012006855T5

DE112012006855T5 - Verfahren zum Laserschweißen und damit geschweißtes Metall

Info

Publication number: DE112012006855T5
Application number: DE112012006855.6T
Authority: DE
Inventors: c/o POSCO Woo In-Su
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2015-05-28
Also published as: WO2014035013A1; KR20140030541A; KR101449118B1; CN104602860A; US20150314393A1; JP2015526298A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren, das in der Lage ist, Defekte wie Poren oder Vertiefungen/Löcher, welche in einer Schweißnaht gebildet werden, zu verhindern und die Formbarkeit der Schweißnaht beim Laserschweißen zu verbessern, und ein geschweißtes Element unter Verwendung desselben. Im Laserschweißverfahren, bei dem das Schweißen durch Bestrahlen des zu schweißenden Abschnitts mit einem Laser erfolgt, werden ein Laserschweißverfahren, das das Zuführen eines Schutzgases zu einem Laserbestrahlungsteil und zu einer Rückseite des Laserbestrahlungsteils umfasst, und ein lasersgechweißtes Element mit so gebildeten Schweißnähten, bereitgestellt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren und insbesondere ein Laserschweißverfahren für maßgeschweißte Blechplatinen (Tailor Welded Blanks TWB).
[Stand der Technik]
In der Automobilindustrie wurden hochfeste Stahlmaterialien zum Zwecke der Verringerung des Gewichts von Fahrzeugkarosserien eingeführt, nachdem die Umweltvorschriften verschärft wurden. Zudem geht der Trend bei Formgebungsverfahren zu maßgeschweißten Blechplatinen (TWB), Hydroformen und anderen Verfahren, um bestehende Pressverfahren zu ersetzen.
Maßgeschweißte Blechplatinen (TWB) bezeichnen sogenannte "maßgenau geschnittene und geschweißte Stahlbleche".
Maßgeschweißte Blechplatinen (TWB) sind Gegenstände, die zum Erhalt gewünschter Formen verarbeitet werden, indem die geschnittenen Stahlbleche verschweißt werden, nachdem die Stahlbleche mit unterschiedlichen Dicken, Stärken und Materialien auf die richtigen Größen und Formen geschnitten wurden. Die maßgeschweißten Blechplatinen (TWB) können die Kosten stark senken, verglichen mit dem Fall des direkten Verschweißens der verarbeiteten Stahlbleche nach deren Verarbeitung. Obwohl einschlägige Schweißverfahren Laserschweißen, Widerstandsnahtschweißen, Plasmaschweißen und andere beinhalten können, wird hauptsächlich Laserschweißen angewandt.
Laserschweißen ist dadurch gekennzeichnet, dass es nicht nur eine hohe Produktionsgeschwindigkeit mit einem hocheffizienten Energiestrahl ermöglicht, sondern es resultiert auch eine ausgezeichnete Schweißnahtqualität. Jedoch wird immer wieder auf Probleme mit Schweißfehlern hingewiesen, wie Porosität und Vertiefungen, welche bei einigen Arten von Stahl und Stahlverbindungen auftreten. Im Allgemeinen treten Lochfehler unter Bedingungen auf, bei denen die Porositätsfehler häufig auftreten, damit gemeint ist ein Defekt, bei dem Schweißnähte der Oberfläche von Schweißperlen ausgesetzt sind, wenn der Gas-Partialdruck innerhalb der Poren steigt.
Da es eine Zunahme der Verbindungen von Materialien mit großen Dickenunterschied gibt, um die Anforderungen von leichteren Automobilkarosserien zu erfüllen, treten Porositäten oder Lochfehler häufiger auf, was zu einem ernsten Problem wird. 1 zeigt eine Darstellung der Porosität und Lochfehler, die bei Schweißmaterialien mit unterschiedlichen Dicken entstehen können.
Für TWB gibt es folgende Technologien des Laserschweißens.
Patentschrift 1 ( japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Heisei 8-174246 ) schlägt eine Technik zur Verbesserung der Pressformbarkeit der Schweißung durch Steuerung des Neigungswinkels der Schweißraupen. Genauer gesagt, die Technologie garantiert eine Pressverformbarkeit mit einer Stufenhöhe (d_f) zwischen Materialien in dem Bereich von t_ave × tan10 ≤ d_f ≤ t_ave × tan30, t_ave = (t₁ + t₂)/2, wobei t₁ für eine Plattendicke des Materials der dicken Plattenseite und t₂ für eine Plattendicke des Materials der dünnen Plattenseite steht. Obwohl diese Technologie Schäden an der Pressform durch das Entfernen der Stufenhöhe der Schweißnaht reduziert, reicht diese Technologie nicht aus, um die Porosität oder Lochfehler der Schweißnaht zu vermeiden.
Patentschrift 2 ( japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Heisei 8-257773 ) schlägt ein Schweißverfahren vor, bei dem die Stoßfugen erwidert werden, das heißt, verschweißt mit einem Laserstrahl zum Zweck der Bildung von guten Schweißraupen an Stoßfugen und Verhinderung von Schweißfehlern beim Laserschweißens von Platten mit unterschiedlichen Dicken. Obwohl dieses Verfahren in der Lage ist die Lücke zwischen den Stößen zu erhöhen, wird die Schweißzeit erhöht, da die Schweißlinie verlängert wird, und es gibt eine Begrenzung der Beseitigung der Porositätsfehler.
Patentschrift 3 ( japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Heisei 7-266081 ) schlägt einen festen Draht vor mit einer Zusammensetzung, die Kohlenstoff (C), Mangan (Mn) und Silizium (Si) als Basiskomponenten und einem Rest an Fe und anderen Verunreinigungen enthält, und einen elektrischen Widerstand von ρ ≥ 3.2 × 10^–7Ω·m und ein Schweißverfahren unter Verwendung eines Schutzgases in dem inerte Gase, wie Argon (Ar) und Helium (He) mit aktiven Gasen wie beispielsweise Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2) gemischt werden, als Lichtbogenschweißdraht für ein oberflächenbehandeltes Stahlblech, welches einen hervorragenden Widerstand gegen Porosität hat, ohne solche Defekte wie Löcher, Lunker und andere aufwzuweisen, und ein entsprechendes Schweißkonstruktionsverfahren. Die Erzeugung von Poren kann dadurch unterdrückt werden, indem das Wärmeangebotschrittweise reduziert wird, nachdem der elektrische Widerstand des Drahtes erhöht wird, um ein vorbestimmtes Wärmezufuhr zu gewährleisten ohne den Schweißstrom zu erhöhen. Jedoch wird beim Laserschweißen bei TWB generell kein Schweißmaterial verwendet, und es wird darauf hingewiesen, dass es schwierig ist, Oberflächenqualitäten zusammen mit einer Erhöhung der Stückkosten beim Schweißen zu garantieren wenn Schweißmaterial gebraucht wird.
Patentschrift 4 ( japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-138085 ) schlägt ein Verfahren vor bei dem ein Schutzgas bestehend aus Kohlendioxid mit einem Inertgas in einem Mischungsverhältnis von 80 bis 95% gemischt wird, um das Penetrationsverhalten zu verbessern und Porositätsfehler der Laserschweißnaht zu verhindern. Deren Wirkungen werden jedoch als unbedeutend bei Stichlochtechnik wie Laserschweißen betrachtet, obwohl ein inertes Gas wie Sauerstoff oder Kohlendioxid Eigenschaften hat, die eine tiefe Penetration durch Verringerung der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls beim üblichen Wärmeleitungsschweißen ermöglichen. Ferner wird in der oben erwähnten patentierten Erfindung geurteilt, dass es erforderlich ist, die Effekte des aktiven Gases genauer zu prüfen, da das Ergebnis erhalten wurde, dass aktives Gas wie Sauerstoff die Erzeugung von Poren in der Schweißnaht eher fördert.
Patentschrift 5 ( japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-300751 ) schlägt eine Schweißbedingung vor, bei der insbesondere eine Eindringtiefe im Bereich von 1,1 bis 1,2 oder mehr der Materialdicke aufrechterhalten wird, um ausreichend Helium nach außen zu bringen, weil Heliumgas, welches zugeführt wird, um Plasma beim Laserschweißprozesses zu unterdrücken, im Loch verbleibt und zur Bildung von Poren führt. Obwohl es möglich ist, die Eindringtiefe durch die Schweißbedingungen zu kontrollieren, das heißt, das Wärmezufuhr in dem Fall von Stahlmaterial eines Sollstahltyps mit einer Dicke von 10 mm oder mehr, ist es tatsächlich schwierig, eine vorgegebene Eindringtiefe aufrecht zu erhalten, weil der Bereich der Schweißbedingungen eng ist in dem Fall eines dicken Materials wie etwa beim Sollstahltyp der vorliegenden Erfindung.
Patentschrift 6 ( JP-Offenlegungsschrift Nr. 2010-89138 ) schlägt ein Verfahren zur Verringerung von Zinkdampf in geschmolzenem Metall durch Zugabe von Additiven zum Zink vor, um die Porenbildung beim Laserstrahlschweißen eines zinkoberflächenbehandelten Stahlblechs zu unterdrücken, wodurch das Zink mit den Additiven reagiert, bevor Zinkdampf erzeugt wird. Jedoch beinhaltet dieses Verfahren viele Probleme bei der tatsächlichen Konstruktion wie der Steuerung der Beschichtungsmenge zusätzlich zu einer Erhöhung des Bauteilpreises.
Patentschrift 7 ( JP-Offenlegungsschrift Nr. 2003-31453 ) bezieht sich auf ein Verfahren zum einfachen Entfernen von Zinkdampf der während des Laserschweißprozesses erzeugt wird, durch die ständige Aufrechterhaltung einer Lücke zwischen den überlappenden Verbindungen, um Poren in Überlappungsverbindungen eines mit Zink oberflächenbehandelten Stahlblechs zu unterdrücken. Es ist schwierig, eine solche Technologie zum Laserschweißen von Blechplatinen zu verwenden, die eine Beschränkung in der Form der Stöße haben, und bei denen Stoßfugen besonders anvisiert werden.
(Patentschrift 1) Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. Heisei 8-174246
(Patentschrift 2) Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Heisei 8-257773
(Patentschrift 3) Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. Heisei 7-266081
(Patentschrift 4) Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr 2001-138085
(Patentschrift 5) Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr 2001-300751
(Patentschrift 6) Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr 2010-89138
(Patentschrift 7) Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr 2003-311453
[Offenbarung]
[Technisches Problem]
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Laserschweißverfahren bereit, das in der Lage ist zu verhindern, dass Defekte wie Poren oder Löcher in einer Schweißnaht gebildet werden und die Formbarkeit der Schweißnaht während des Laserschweißens zu verbessern, und ein geschweißtes Element unter Verwendung des Verfahrens.
[Technische Lösung]
Bei einem Laserschweißverfahren wobei das Schweißen durch Bestrahlen des zu schweißenden Abschnitts mit einem Laser erfolgt, wird ein Laserschweißverfahren bereitgestellt, das das Zuführen eines Schutzgases zu einem Laserbestrahlungsteil und einer Rückseite des Laserbestrahlungsteils umfasst.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein lasergeschweißtes Element bereit, welches eine Schweißnaht enthält, die durch Laserbestrahlung auf einen zu schweißenden Abschnitt geschweißt wurde, wobei 125 ppm oder weniger Gewichtsanteile Stickstoff in der Schweißnaht enthalten sind.
[Vorteilhafte Wirkungen]
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass eine geschweißte Blechplatine bereitgestellt wird, welche exzellente Schweißeigenschaften aufweist, und durch die Verhinderung von Porosität oder Lochfehlern das gleiche Maß an guten Umformeigenschaften wie das Basismaterial garantiert, sogar beim Laserschweißen von Materialien, die einen Dickenunterschied aufweisen.
[Beschreibung der Zeichnungen]
Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ist eine Fotografie, die Porosität und Lochfehler in Schweißverbindungen von maßgeschweißten Elementen zeigt;
2 ist ein Graph, der den Stickstoffgehalt einer Schweißung und der Grad der Porosität während des Laserschweißens zeigt;
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Schweißverfahrens der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Fotographie von Poren von Schweißnähten im Beispiel, welche durch Radiographie abgebildet wurden;
5 zeigt eine Photographie von Erichsen Testergebnissen der Schweißnähte im Beispiel; und
6 zeigt schematisch eine bevorzugte Laserbestrahlungsstelle in dem Schweißverfahren der vorliegenden Erfindung.
[Bevorzugte Ausführungsform]
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Erfinder haben die Ursachen von Porositäten oder Lochfehlern beim Laserschweißen vertieft untersucht, insbesondere im Falle vom Schweißen von Stahlblechen mit unterschiedlichen Dicken, um geschweißte Blechplatinen herzustellen. Als Ergebnis wurde erkannt, dass Porositätsfehler einer Laserschweißnaht eng mit dem Stickstoffgehalt der Schweißnaht zusammenhängen, was in 2 gezeigt wird.
Wie in 2 dargestellt, konnte bestätigt werden, dass Porosität und Lochfehler konzentrisch in der Schweißnaht gebildet wurden, wenn etwa 125 ppm oder mehr Stickstoff in der Schweißnaht enthalten sind.
Stickstoff, welcher in die Schweißnaht eingeführt wird, kommt meist aus der Umgebungsluft, in der Stickstoff vorhanden ist, weil das Stickstoffgas, welches die Schweißnahtumgebung kontaktiert durch die hohe Temperatur des während des Laserschweißens erzeugten Plasmas dissoziiert und in Kontakt mit der Schweißstelle gebracht wird, und das Stickstoffgas gast in Poren aus aufgrund der Abnahme der Löslichkeit im festen Zustand während des Kühlprozesses.
Daher haben die Erfinder die vorliegende Erfindung gemacht durch die Entwicklung eines Verfahrens, welches das Wachstum eines Plasmas hemmt, indem Inertgas auf die Rückseite (ein unterer Laserschweißabschnitt) des Laserbestrahlungsteils gesprüht wird sowie auf einen Laserbestrahlungteil (ein oberer Laserschweißabschnitt) während des Laserschweißens, um das Plasma zu kühlen und um die Bildung von Porositäten oder Lochfehlern zu verhindern, indem verhindert wird, dass Stickstoff aus der Luft direkt in Kontakt mit dem Plasma gebracht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, welches die Unterdrückung der Bildung von Defekten in der Schweißnaht durch Steuerung der Zufuhr des Schutzgases während der Laserbestrahlung ermöglicht, wodurch der Kontakt von Stickstoff aus der Luft mit Plasma unterdrückt wird. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Laserschweißverfahren bereit, welches die Unterdrückung der Bildung von Defekten in der Schweißnaht durch Steuerung der Laserstrahl-Bestrahlungsposition und der Wärmezufuhr ermöglicht.
[Ausführungsform der Erfindung]
Während die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrieben wird, ist es für den Fachmann klar, dass Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung welche durch die Ansprüche definiert ist, gemacht werden können.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben.
Zuerst wird ein Laserschweißverfahren der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Das Laserschweißverfahren der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet dadurch, dass ein Schutzgas zum Laserbestrahlungsteil und der Rückseite des Laserbestrahlungsteils während der Laserbestrahlung in einem Laserschweißverfahren durch Bestrahlen eines Lasers auf einem Abschnitt, welcher verschweißt werden soll, zugeführt wird.
Der Teil der verschweißt werden soll ist ein Teil, in dem ein oder mehrere Stahlmaterialien Stumpfschweißen unterworfen werden, und zwei oder mehr Stahlmaterialien können selbst dann verwendet werden, wenn sie unterschiedliche Dicken aufweisen. Obwohl die Stahlwerkstoffe, die bei der Herstellung von Automobilteilen verwendet werden, hohe Festigkeitseigenschaften aufweisen können, sind sie nicht auf die hohen Festigkeitseigenschaften beschränkt, und das Verfahren kann auf alle Stahlmaterialien angewendet werden, in denen Porositätsfehler beim Laserschweißen Probleme verursachen.
Es ist oft schwierig, eine korrekte Wärmezufuhr beim Schweißen von Verbindungen von Stahlwerkstoffen mit unterschiedlichen Dicken zu erzeugen. Ein dickeres Stahlmaterial (ein sogenanntes "dickes Stahlblech") kann beim Schweißen nicht ausreichend geschmolzen werden im Vergleich zu einem dünneren Stahlmaterial (ein sogenanntes "dünnes Stahlblech"), und wenn die Wärmezufuhr an das dünne Stahlblech basierend auf dem dicken Stahlblech erfolgt, können sich Schweißfehler wie Durchschmelzen oder Poren einfach bilden, da das dünne Stahlblech übermäßig geschmolzen wird. Eine Erhöhung der Wärmezufuhr bewirkt, dass die Temperatur des Plasmas ansteigt, derart, dass Poren leicht gebildet werden, und übermäßig geschmolzenes Metall fällt durch die Gravitation nach unten, wodurch eine Nahtunterschreitung oder ein Durchschmelzen erfolgt.
Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewegen der Bestrahlungsposition des Laserstrahls in Richtung eines dicken Stahlblechs vor, um zuerst das dicke Stahlblech zu schmelzen und dann lokal das dünne Stahlblech, wie in 6 dargestellt. Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Laser vorzugsweise bei einer Position angeordnet, die 0,1 bis 0,25 mm entfernt von der Übergangsfläche der Stahlbleche mit unterschiedlichen Dicken ist, in Richtung des dicken Stahlblechs. Daher bewegt sich geschmolzenes Metall des dicken Stahlblechs in Richtung des dünnen Stahlblechs, um eine vorbestimmte Dicke der Schweißnaht zu erzeugen und zur Verbesserung der Festigkeit der Schweißnaht beizutragen. Das dünne Stahlblech wird geschmolzen wenn der Abstand weniger als 0,1 mm beträgt und es bilden sich Schweißfehler, und wenn der Abstand 0,25 mm übersteigt ergibt sich ein Phänomen bei dem nur das dicke Stahlblech geschmolzen wird.
Eine Wärmezufuhr in der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise 0,83 bis 3,0 kW·min/m.
Es kann schwierig sein, das dicke Stahlblech in Richtung des dünnen Stahlblechs zu bewegen, da die geschmolzene Menge des dicken Stahlblechs ungenügend ist wenn die Wärmezufuhr weniger als 0,83 kW·min/m beträgt, und es gibt ein Problem mit Durchschmelzen, da das dicke Stahlblech übermäßig geschmolzen wird, wenn die Wärmezufuhr höher als 3,0 kW·min/m ist. Die Arten von Laserschweißverfahren sind nicht besonders eingeschränkt, und sie sind ausreichend, solange sie vom Fachmann entsprechend der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Insbesondere bevorzugt sind unter den Laserschweißverfahren der vorliegenden Erfindung CO2-Laserschweißverfahren, da diese eine hervorragende technische Wirkung haben. Die Wirkung des CO2-Laserschweißverfahrens kann unter dem Aspekt der Hemmung des porenbildenden Effekt der vorliegenden Erfindung maximiert werden, da es beim CO2-Laserschweißverfahren eine hohe Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Poren in der Schweißnaht gibt.
Bezugnehmend auf 3 wird die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung, die mit dem Schweißverfahren der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
Ein Laserschweißverfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet das gleichzeitige Zuführen eines Schutzgases zu einem Laserbestrahlungsteil und einer Rückseite des Laserbestrahlungsteils während der Laserbestrahlung. Ein Verfahren zum Zuführen von Schutzgas über eine koaxiale Düse 10, welche die gleiche axiale Richtung wie die Laserbestrahlungsrichtung hat und ein Verfahren zum Zuführen des Schutzgases aus der seitlichen Richtung durch eine seitliche Düse 20, kann als Verfahren zum Zuführen von Schutzgas zum Laserbestrahlungsteil verwendet werden.
Das Verfahren zum Zuführen von Schutzgas in die gleiche axiale Richtung wie die Laserbestrahlungsrichtung hat einen Effekt, die Streuung des Strahls durch die Blockierung der Reaktion des Laserstrahls mit der Luft zu verhindern. Demgegenüber hat ein Verfahren zum Zuführen von Schutzgas aus der seitlichen Richtung den Vorteil, dass ein Abfall in der Effizienz des Laserstrahls in der Schweißnaht durch Eliminieren von Plasma, das während des Schweißvorgangs erzeugt wird, verbessert werden kann.
Ein Laserschweißverfahren der vorliegenden Erfindung kann das Zuführen von Schutzgas zu der Rückseite des zu bestrahlenden Teils durch eine untere Düse 30 während der Laserbestrahlung umfassen. Es gibt eine Beschränkung bei der Verhinderung der Bildung von Porosität oder Lochfehlern in der Schweißnaht, wenn das Abschirmen nur auf der Bestrahlungsfläche der Schweißnaht (der obere Teil der Schweißnaht) ausgeführt wird.
Impulsschweißen wird insbesondere verwendet, wenn dünne Bleche geschweißt werden, Hochtemperaturplasma wird im Falle des Impulsschweißens auch von der Rückseite der Schweißnaht auf dem gleichen Niveau wie auf der Oberseite der Schweißnaht gebildet, und Stickstoffgas dringt konzentrisch in die Schweißnaht durch das Plasma. Daher kann Schutzgas auch an der Rückseite zugeführt werden, um die Reaktion von Stickstoff aus der Luft mit dem auf der Rückseite (unterer Teil) erzeugten Plasma der Laserbestrahlungsoberfläche zu blockieren.
Im Falle der kontinuierlichen Herstellung von Produkten mit einer langen Schweißlinie wie TWB besteht eine designbedingte strukturelle Schwierigkeit der Abschirmung der gesamten Rückseite der Schweißnaht, und es gibt das Problem, dass eine große Gasmenge verbraucht wird, um einen so großen Bereich abzuschirmen. Die vorliegende Erfindung hat die Wirkung, dass sie effektiv die Bildung von Poren oder Lochfehlern verhindert, selbst bei einer kleinen Menge an Schutzgas, indem sie die Tatsache in Betracht zieht, dass Hochtemperaturplasma zur Bildung von Poren beiträgt, weshalb direkt Inertgas an den plasmaerzeugenden Teil gesprüht wird. Es besteht der Vorteil, dass überlegene Formbarkeit durch Unterdrückung der Bildung von Porosität oder Lochfehlern gesichert werden kann, wodurch die Erzeugung von Rissen und anderem während der Ausbildung der Schweißnaht verhindert wird.
Das Verfahren kann ferner das zusätzliche Zuführen von Schutzgas zu dem Laserbestrahlungsteil oder dessen Rückseite von der Rückseite her nach der Laserbestrahlung umfassen, zusätzlich zur Zufuhr von Schutzgas zu dem Laserbestrahlungsteil und der Rückseite davon. In 3 sind ein oberer Abschirmungskasten 40 und ein unterer Abschirmungskasten 50, die an der Hinterseite des Schweißkopfes angeordnet sind, als zusätzliche Mittel zum Zuführen von Schutzgas zu dem Laserbestrahlungsteil oder der Rückseite davon nach der Laserbestrahlung vorhanden.
Laserschweißen ist ein Verfahren welches einen hocheffizienten Laserstrahl zum Hochgeschwindigkeitsschweißen verwendet. Im Fall des Laserschweißens ist es erforderlich, den oberen Abschirmungskasten 40 und den unteren Abschirmungskasten 50 an der Hinterseite des Schweißkopfes anzuordnen, wenn sie benötigt sind, da es eine Möglichkeit gibt, dass die Schweißnaht auf der Hinterseite des Schweißens nach dem Schweißen der Luft ausgesetzt ist, zusätzlich zum Bereitstellen der koaxialen Düse 10, seitlichen Düse 20 und der unteren Düse 30, wie in 3 dargestellt. In diesem Fall gibt es einen Effekt der Verbesserung der Oberflächenmaterialien der Schweißnaht durch die Unterdrückung der Vermischung von Stickstoff und dem Schutz der Schweißnaht vor der Luft bei der Abkühlung, wodurch ein Oxidationsphänomen der Schweißnaht verhindert wird.
Inertgase wie Helium (He), Argon (Ar) und andere können als Schutzgas verwendet werden, und es ist auch möglich, Gemische der Inertgase zu verwenden. Heliumgas kann effektiver sein, da Helium eine höhere Ionisierungsenergie als Argon aufweist, so dass die Menge an Plasma die erzeugt wird, verringert wird.
Es ist bevorzugt, dass das Schutzgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 bis 40 l/min zugeführt wird. Ein guter Effekt kann nur gewährleistet werden, wenn die Durchflussrate 15 l/min oder mehr beträgt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit weniger als 15 l/min beträgt, verringert sich die Abschirmungswirkung und es wird mehr Stickstoff in der Luft zugemischt. Während das Schutzgas immer noch wirksam bei der Verhinderung der Bildung von Poren ist, wenn die Strömungsrate 40 l/min übersteigt, gibt es Probleme weil der geschmolzene Teil stark verwirbelt wird und sich eine schlechte Qualität der Schweißnaht ergibt, und die Schweißrate sollte verringert werden um die Wärmezufuhr aufgrund des Kühleffekts zu kompensieren. Es wird bevorzugt die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases in einem Bereich von 15 bis 20 l/min aufrechtzuerhalten, weil sich sonst die Wirtschaftlichkeit verschlechtert wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases erhöht wird.
Nachstehend wird ein geschweißtes Element der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Das geschweißte Element der vorliegenden Erfindung hat eine Schweißnaht, die vorzugsweise 125 ppm oder weniger Gewichtsanteile Stickstoff enthält.
Der Stickstoff der Schweißnaht stammt von Stickstoffgas aus der umgebenden Luft während des Laserschweißprozesses, wobei sich, wenn der Stickstoffgehalt mehr als 125 Gew.-ppm beträgt, die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Porositäten oder Lochfehlern erhöht und eine Ursache für Risse oder Brüche der Schweißnaht während der Ausbildung der Schweißnaht darstellt. Das heißt, die Grenze der Löslichkeit im festen Zustand von Stickstoff in der Laserschweißnaht, welche als proeutektisches Ferrit erstarrt, ist 125 Gew.-ppm. Daher ist es bevorzugt, den Stickstoffgehalt der Schweißnaht auf 125 ppm oder weniger Gewichtsanteile einzustellen, um die Bildung von Porosität oder Lochfehlern bei Laserschweißstahlmaterial, das in proeutektischem Ferrit erstarrt, zu unterdrücken.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben. Jedoch dienen die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele lediglich der Verdeutlichung und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird dadurch nicht in irgendeiner Art und Weise eingeschränkt.
(Beispiel 1)
Es wurden jeweils kaltgewalzte Stahlbleche (CR) und verzinkte Stahlbleche (GI) hergestellt mit Zusammensetzungen (Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen) und Dicken wie in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
Das Laserschweißen wurde unter Verwendung der kaltgewalzten Stahlbleche und galvanisierten Stahlbleche A und B durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Laserschweißen unter Verwendung von einem CO2-Laser-Schweißgerät mit 6 kW durchgeführt, und Stumpfschweißen wurde unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Bildung von Poren relativ groß ist gemäß einem Vorversuch, mit einer Laserleistung von 6 kW und einer Schweißgeschwindigkeit von 2 m/min.
Die Porositätsfehler der Laserschweißnaht wurden mittels KS B0845 gemessen. Wenn die Stahlwerkstoffe eine Dicke von 10 mm oder weniger hatten, wurden sie als Klasse 1 eingestuft, wenn die Defektstellen innerhalb eines visuellen Testfeldes von 10 × 10 mm 1 oder weniger waren; Klasse 2, wenn die Defektstellen 3 oder weniger waren; Klasse 3, wenn die Defektstellen 6 oder weniger waren, und Klasse 4, wenn die Defektstellen 6 überschritten. Hierbei wurde die Defektstelle als 1 gegeben, wenn der Durchmesser einer Pore 1 mm oder weniger war; 2 wenn sie in einem Bereich von 1–2 mm war; 3 wenn sie in einem Bereich von 2–3 mm war; und 6 wenn sie in einem Bereich von 3–4 mm war.
Die Formbarkeit der Laserschweißnaht wurde mit einem Erichsen-Tester untersucht. Positionen an denen Risse gebildet wurden, wurden unter Berücksichtigung der Dicke eingestuft, und im Falle dass Risse in der Schweißnaht gebildet wurden als Versagen, und im Falle dass Risse im Basismaterial ausgebildet wurden, als bestanden ausgewertet.

Das Laserschweißen wurde nach dem Ändern der Abschirmungsbedingungen während des Laserschweißens durchgeführt. Daraus resultierend wurde das Auftreten von Porositäten und Formbarkeit ausgewertet, und die die Ergebnisse werden in Tabelle 2 unten gezeigt. Das Abschirmungsverfahren in Tabelle 2 wurde unter Verwendung des Laserschweißgeräts nach 3 durchgeführt. Mit Bezug auf 3 werden ein Abschirmungsverfahren (10) in der gleichen Richtung mit der Laserbestrahlungsrichtung, ein Abschirmungsverfahren (20) seitlich in Bezug auf die Laserbestrahlungsrichtung und ein Abschirmungsverfahren (30) auf einer Rückseite eines Laserbestrahlungsteils jeweils als ➀, ➁, und ➂ in Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2]

Klassifizierung	Stahltyp, Dicke(mm)	Abschirmungsverfahren	Typ des Schutzgases	Flussrate des schutzgases (ℓ/min)	Klasse Porositätsfehler	Rissposition
Vergleichs-Bsp. 1	CR, 0.7/1.6	➀	He	20	4	Schweißnaht
Vergleichs-Bsp. 2	CR, 0.7/1.6	➀	Ar	20	4	Schweißnaht
Vergleichs-Bsp. 3	CR, 0.7/1.6	➁	He	20	4	Schweißnaht
Vergleichs-Bsp. 4	GI, 0.7/1.6	➀	He	20	3	Schweißnaht
Vergleichs-Bsp. 5	GI, 0.7/1.6	➁	He	20	3	Schweißnaht
Vergleichs-Bsp. 6	CR, 0.7/1.6	➀ + ➁	He/He	20/20	3	Schweißnaht
Erfindungs-Bsp. 1	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂	He/He	20/20	1	Basismaterial
Vergleichs-Bsp. 7	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂	He/He	10/10	2	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 2	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂	He/He	40/40	1	Basismaterial
Vergleichs-Bsp. 8	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂	He/Ar	20/20	2	Basismaterial
Vergleichs-Bsp. 9	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂	He/N2	20/20	3	Schweißnaht
Erfindungs-Bsp. 3	CR, 0.7/1.6	➁ + ➂	He/He	20/20	1	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 4	GI, 0.7/1.6	➀ + ➂	He/He	20/20	1	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 5	GI, 0.7/1.6	➁ + ➂	He/He	20/20	1	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 6	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂ + ➃	He/He/He	20/20/20	1	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 7	CR, 0.7/1.6	➀ + ➂ + ➄	He/He/He	20/20/20	1	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 8	CR, 0.7/1.6	➁ + ➂ + ➃	He/He/He	20/20/20	1	Basismaterial
Erfindungs-Bsp. 9	CR, 0.7/1.6	➁ + ➂ + ➄	He/He/He	20/20/20	1	Basismaterial

(In der obigen Tabelle 2 bedeuten ➃ und ➄ jeweils eine obere Abschirmung hinter der Schweißstelle und eine untere Abschirmung hinter der Schweißstelle in 3)
Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, wurde Schutzgas gemäß den erfinderischen Beispielen sowohl auf einen Laserbestrahlungsteil und eine Rückseite (untere Schweißabschnitt) des Laserbestrahlungsteils während des Laserschweißens gesprüht, Typen und Strömungsgeschwindigkeiten des Schutzgases liegen im Bereich der vorliegenden Erfindung. Daraus resultierend zeigen alle Erfindungsbeispiele einen ausgezeichneten Porositäts-Auftrittsgrad (das heißt, Porosität wurde unterdrückt), und Brüche treten im Basismaterial anstelle in der Schweißnaht auf. Aus diesen Ergebnissen kann bestätigt werden, dass die Verarbeitbarkeit der Schweißnaht verbessert wird.
In den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 wurde das Schutzgas nicht auf der Rückseite (unterer Schweißabschnitt) des Laserbestrahlungsteils verwendet. Es kann bestätigt werden, dass eine große Menge von Porositäten auftraten, sowohl in den kaltgewalzten Stahlblechen wie auch den verzinkten Stahlblechen, und die Verarbeitbarkeit war schlechter, weil der Bruch in der Schweißnaht während der Verarbeitung auftrat. Im Vergleich mit den erfindungsgemäßen Beispielen zeigt Vergleichsbeispiel 7 den Fall, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases etwas unzureichend war. Die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases lag nicht im Bereich der vorliegenden Erfindung, wodurch es nicht möglich war, die Wirkungen des Unterdrückens des Auftretens von Porositäten entsprechend der vorliegenden Erfindung zu erzielen. In den Vergleichsbeispielen 8 und 9 war das Schutzgas, das in den unteren Schweißabschnitten verwendet wurde Argon und Stickstoff, und es kann bestätigt werden, dass die Porositätsreduktionseffekte in diesem Falle etwas schlechter waren als im Vergleich zur Verwendung von Heliumgas.
4(a) und 4(b) sind per Radiographie erhaltene Fotografien von Schweißnähten in Vergleichsbeispiel 1 und dem erfindungsgemäßen Beispiel 1. Wie in 4 gezeigt, wurde beobachtet, dass Poren in der Schweißnaht in Vergleichsbeispiel 1 gebildet wurden, aber nicht in der Schweißnaht im Erfindungsbeispiel 1.
5(a) und 5(b) sind Fotografien von Erichsen-Testergebnissen der Schweißnähte des Vergleichsbeispiels 1 und des erfindungsgemäßen Beispiels 1. Wie in 5 dargestellt, wurde beobachtet, dass Poren in der Schweißnaht im Vergleichsbeispiel gebildet wurden, aber nicht in der Schweißnaht des Erfindungsbeispiels.
(Beispiel 2)
Durch die Verwendung von CR-A (dünne Platte) und CR-B (dicke Platte) aus Tabelle 1 wurden Schweißfehler und die Riss-Häufigkeit von Schweißnähten gemessen für den Fall, in dem Laserschweißen durchgeführt wurde, während die Entfernung von einer Übergangsstelle zu der dicken Platte geändert wurde, und Variation der Schweißwärmezufuhr unter Bedingungen der nachstehenden Tabelle 3; die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Das Schweißen wurde durch Zuführen von Heliumgas zu dem Laserbestrahlungsteil und der Rückseite davon mit einer Fließgeschwindigkeit von 20 l/min durchgeführt und die Schweißwärmezufuhr wurde durch Ändern einer Laserleistung und einer Schweißgeschwindigkeit gesteuert.

In Tabelle 3 wurden die Schweißfehler durch Fokussierung auf das Aussehen der Schweißnaht beobachtet, und eine Nahtunterschreitung wurde durch Festlegen eines Standardfalls definiert, indem ein geschweißtes Metallteil im Vergleich zu einem Basismaterial um 0,1 mm absackte. Weiterhin bezeichnet Durchschmelzen einen Fall, bei dem das Nahtunterschreitungsphänomen ausgeprägt war, wobei geschmolzenes Metall herunterfiel und sich weite Löcher bildeten. Die Riss-Auftrittsrate der Schweißnaht wurde mit einem Erichsen-Tester ausgewertet. Das heißt, Brüche der Schweißnaht wurden untersucht, indem eine Kugel bis zu einer Schweißverbindung gedrückt wurde. [Tabelle 3]

Klassifikation	Position des Laserstrahls (mm)	Schweißwärmezufuhr (kW·min/m)	Schweißnahtfehler	Risshäufigkeit (%)
Erfindungs-Bsp. 10	0	0.83	Keine	0
Vergleichs-Bsp. 10	0	2	Nahtunterschreitung	10
Vergleichs-Bsp. 11	0	3	Nahtunterschreitung	20
Vergleichs-Bsp. 12	0	4	Durchschmelzen	40
Vergleichs-Bsp. 13	0	6	Durchschmelzen	90
Erfindungs-Bsp. 11	0.14	0.83	Keine	0
Erfindungs-Bsp. 12	0.1	2	Keine	0
Erfindungs-Bsp. 13	0.1	3	Keine	0
Vergleichs-Bsp. 14	0.1	4	Durchschmelzen	10
Vergleichs-Bsp. 15	0.1	6	Durchschmelzen	30
Erfindungs-Bsp. 14	0.2	0.83	Keine	0
Erfindungs-Bsp. 15	0.2	2	Keine	0
Erfindungs-Bsp. 16	0.2	3	Keine	0
Vergleichs-Bsp. 16	0.2	4	Nahtunterschreitung	10
Vergleichs-Bsp. 17	0.2	6	Durchschmelzen	20
Erfindungs-Bsp. 17	0.25	0.83	Keine	0
Erfindungs-Bsp. 18	0.25	2	Keine	0
Erfindungs-Bsp. 19	0.25	3	Keine	0
Vergleichs-Bsp. 18	0.25	4	Nahtunterschreitung	10
Vergleichs-Bsp. 19	0.25	6	Nahtunterschreitung	10
Vergleichs-Bsp. 20	0.3	0.83	Keine Schweissung	100
Vergleichs-Bsp. 21	0.3	2	Keine Schweissung	100
Vergleichs-Bsp. 22	0.3	3	Keine Schweissung	100
Vergleichs-Bsp. 23	0.3	4	Keine Schweissung	100
Vergleichs-Bsp. 24	0.3	6	Keine Schweissung	100

(Die Position des Laserstrahls ist ein Abstand von einer Übergangsfläche zwischen einer dicken Platte und einer dünnen Platte bis hin zu der dicken Platte)
Aus der Tabelle 3 geht hervor, dass, wenn die Bestrahlungsposition des Laserstrahls erhöht wird, der Bereich der Schweißwärmezufuhr, bei der keine Schweißfehler und Schweißnahtbrüche auftreten, vergrößert wird. Das bedeutet, wenn wie im erfindungsgemäßen Beispiel 10 die Laserstrahlposition 0 mm ist, zeigen sich gute Eigenschaften, so dass die Schweißwärmezufuhr 0,83 kW·min/m ist. In den erfindungsgemäßen Beispielen 11 bis 19 hingegen, wo die Bestrahlungsposition zwischen 0,1 bis 0,25 mm lag, wurde die Schweißwärmezufuhr auf 0,83 bis 5 K kW·min/m erweitert. In den Vergleichsbeispielen 20 bis 24 jedoch, wo die Bestrahlungsposition 0,3 mm betrug, wurden Brüche der Schweißstelle beobachtet, weil keine Schweißung stattfand, unabhängig von der Schweißwärmezufuhr.
Indessen kann beobachtet werden, dass wenn die Schweißwärmezufuhr größer als 3 kW·min/m war, welches außerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung ist, Defekte der Schweißnähte auftreten, unabhängig von der Strahlposition.

Claims

Laserschweißverfahren, wobei das Schweißen durch Bestrahlen des zu schweißenden Abschnitts mit einem Laser erfolgt, wobei das Verfahren das Zuführen eines Schutzgases zu einem Laserbestrahlungsteil und zu einer Rückseite des Laserbestrahlungsteils umfasst.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verschweißende Abschnitt ein Bereich ist, bei dem Stahlwerkstoffe mit unterschiedlicher Dicke aneinandergefügt und verschweißt werden.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas, welches dem Laserbestrahlungsteil zugeführt wird, mindestens in koaxialer und/oder seitlicher Richtung der Laserbestrahlungsrichtung zugeführt wird.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas zusätzlich auch nach dem Laserschweißen zum Laserbestrahlungsteil oder der Hinterseite davon zugeführt wird.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas eines von Heliumgas, Argongas und einer Gasmischung davon umfasst.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 bis 40 ℓ/min zugeführt wird.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 bis 20 ℓ/min zugeführt wird.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißwärmezufuhr des Lasers in einem Bereich von 0,83 bis 3,0 kW·min/m liegt.
Das Laserschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestrahlungsposition des Lasers bei 0,1 bis 0,25 mm im Abstand von einer Übergangsstelle zwischen Platten mit unterschiedlichen Dicken hin zu einer dicken Platte liegt.
Ein lasergeschweißtes Element umfassend eine Schweißnaht, die durch Laserbestrahlung auf einen zu schweißenden Abschnitt geschweißt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass 125 ppm oder weniger Gewichtsanteile Stickstoff in der Schweißnaht enthalten sind.
Die lasergeschweißte Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht durch eines der Laserschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wurde.