JP2017209700A - Joining method of metal plate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、2枚の薄板をレーザー溶接接合する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for joining two thin plates by laser welding.
近年、レーザー溶接を用いた接合方式が各産業界で利用され始めている。しかし、適用するためには材料、接合条件など様々な制限がまだ多々あり、従来の技術に取ってかわるにはまだ不十分である。 In recent years, joining methods using laser welding have begun to be used in various industries. However, there are still many restrictions such as materials and bonding conditions to apply, and it is still insufficient to replace the conventional technology.
特許文献1では、溶融金属の量を確保するため、1回目の照射時にレーザーヘッドを傾けた状態で照射することにより金属の盛り上がりを作り、2回目のレーザー照射で2枚の薄板の接合を行っている。
特許文献2では、亜鉛めっき鋼板などの2枚の重ね合わせた薄板をレーザー溶接で接合する際、レーザー溶接時に亜鉛蒸気が溶接部にガスとして内部に残り、溶接品質の低下の要因となるため、レーザーの照射を2回に分けている。1回目ではレーザーの焦点を外したデフォーカス状態でレーザー照射を行い発生する亜鉛蒸気を除去し、2回目のレーザー溶接で下板まで貫通して溶接する方法が取られている。この方法を用いれば亜鉛蒸気が発生することによる溶接不良を低減することは出来るが、照射条件を変えてレーザーを2回照射させる必要がある。
このように上述した従来のレーザー溶接では、安定した溶接品質を確保するためには、レーザーを2回照射させる必要があり、作業効率が悪いものである。
本発明は、2枚の薄板間に隙間の有無に関わらず1回のレーザー照射で安定した溶接品質を確保することが出来る技術を提供する。
In
In
Thus, in the conventional laser welding mentioned above, in order to ensure the stable welding quality, it is necessary to irradiate a laser twice, and work efficiency is bad.
The present invention provides a technique capable of ensuring stable welding quality by one laser irradiation regardless of the presence or absence of a gap between two thin plates.
この発明に係る金属板の接合方法は、亜鉛めっき鋼板同士、もしくは亜鉛めっき鋼板と亜鉛めっき鋼鈑以外の鋼板とを重ね合わせ、重ね合わせた部分の亜鉛めっき部の垂線に対し、レーザー進行方向とは逆方向に30度以上傾けたレーザー光を前記亜鉛めっき部に照射して接合することを特徴とする。 The metal plate joining method according to the present invention is a method in which the galvanized steel plates or the galvanized steel plates and steel plates other than the galvanized steel plate are overlapped, and the perpendicular direction of the overlapped portion of the galvanized portion is the laser traveling direction. Is characterized in that the galvanized portion is irradiated with a laser beam tilted by 30 degrees or more in the opposite direction and bonded.
この発明の金属板の接合方法により、溶接品質が低下せず、1回のレーザー照射で接合することができる。 According to the method for joining metal plates of the present invention, welding quality is not deteriorated, and joining can be performed by one laser irradiation.
実施の形態1
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図1はこの発明の実施の形態1における2枚の薄板をレーザー溶接接合するためのレーザー溶接装置の詳細構成示す。
図2は図1に示したレーザー溶接装置の溶接時のレーザー光と2枚の金属板の詳細を示した拡大側面図である。なお、各実施の形態において、同一符号を付している構成は、同一または相当の構成を示す。
図1において、1は、レーザー光を照射する対象物としての2枚の金属板である。本実施の形態では説明の便宜上金属板1の枚数を2枚とするが、3枚以上の金属板を重ね合わせてもよい。そして、これらの金属板は全て厚み2mm以下であり、かつ隙間なく重ね合わせられており、全ての金属板は亜鉛めっき鋼板もしくは、表面に同様のめっき処理がほどこされている金属板を使用するものとする。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a detailed configuration of a laser welding apparatus for laser welding and joining two thin plates according to
FIG. 2 is an enlarged side view showing details of laser light and two metal plates during welding of the laser welding apparatus shown in FIG. In each embodiment, the same reference numerals indicate the same or equivalent configurations.
In FIG. 1,
2はレーザー発振器であり、レーザー発振器2は主に励起光源、レーザー媒体、共振器ミラーから構成されており、発振器内部で反射を繰り返しレーザー光を増幅させ、一定の強度に達したレーザー光を発振器外部に出力する。
3は、レーザー光を伝送するための光ファイバーケーブル、4は、レーザーヘッドであり、単一波長で位相差の無いレーザー光を極めて小さな点に集光して高い密度のエネルギーにするために複数枚のミラーが組み込まれている。このレーザーヘッド4により、高エネルギー密度のレーザー光を金属板に照射する。このレーザーヘッド4は金属板1から所定の焦点距離分だけ離しロボットのアームもしくは架台などに固定する。照射されるレーザー光はYAGレーザーではなく、常時一定強度のレーザー光を照射する方式のCW(Continuous Wave)ファイバー光を使用すると共に、レーザー光のスポット径は0.5mm以下とするのが望ましい。最適なスポット径は使用材料、厚み、レーザー出力を調整し最適値を導き出す。
3 is an optical fiber cable for transmitting laser light, 4 is a laser head, and a plurality of pieces are used to condense laser light having a single wavelength and no phase difference to a very small point to obtain high density energy. Built-in mirror. The
5はサイドノズルであり、レーザー溶接時に、溶けた金属が周囲の酸素と反応して溶接部が酸化を防止するためにアルゴンガスなどのシールドガスをノズルから常時吹き付け周囲の空気からシールドする。このシールドガスは5L/min以上の流用を吹き付けるのが望ましい。 Reference numeral 5 denotes a side nozzle. During laser welding, a melted metal reacts with surrounding oxygen, and the welded portion is constantly blown with a shielding gas such as argon gas to shield it from the surrounding air in order to prevent oxidation. It is desirable to spray this shielding gas at a rate of 5 L / min or more.
7はベースであり、金属板1を、この水平面の出たベース7の上に乗せ、固定治具6によって金属板1の周囲をしっかりと固定する。この固定治具6はクランプ方式、ボルト方式等、固定出来る方法であれば固定方法は問わない。本実施の形態では、固定治具6はクランプ方式として、以下説明する。
また、図示はしないが、ベース7は、直交する2軸の高精度ボールねじと連結しており、この高精度ボールねじはそれぞれサーボモーターと連結されている。これにより外部からの信号によって、ベース7は水平X-Y方向に指定した所定の距離、速度で移動することが出来る構成となる。このとき、固定治具6により固定された金属板1は位置がずれないよう、かつ水平に設置されているため、ベース7が動作しどの位置にあってもレーザー光と金属板の距離は一定となることが必要である。しかし、金属板1のサイズが大きい場合、金属板1の周囲をクランプ固定するだけでは、クランプ固定されていない金属板1の中心部分のたわみ、変形などを矯正することは出来ないため、金属板1とレーザーヘッド4との距離は変化してしまう懸念がある。そこで、金属板1が周囲のクランプ固定のみでは、形状の矯正が不可能な場合に備えて、レーザーヘッドの先端に金属板1との距離を測定する変位センサー10を取り付けて、金属板1との距離を測定し、その値に応じて、ベース7の高さ位置を補正してもよい。
Reference numeral 7 denotes a base, and the
Although not shown, the base 7 is connected to two orthogonal high-precision ball screws, and each of these high-precision ball screws is connected to a servo motor. As a result, the base 7 can be moved at a predetermined distance and speed designated in the horizontal XY direction by an external signal. At this time, since the
次に動作について説明する。ベース7上に固定された金属板1にレーザー光を照射するが、レーザーヘッド4を垂直方向から30度以上傾ける。
これによりレーザーヘッド4から照射されるレーザー光も同様に30度以上の角度を持って金属板1に照射される。このとき、傾いて照射されるレーザー光と金属板1との動作関係は、照射されるレーザー光に対して金属板1は、図2に示すように、金属板進行方向の矢印方向に、ベース7と連結する駆動機構部の動作によって、加減速時を除いて等速速度で直線に動くものとする。
Next, the operation will be described. The
As a result, the laser light emitted from the
照射されるレーザー光の焦点は、一般的には金属板1の上面に合わせるが、レーザー光の焦点は最もエネルギーが高いため、本発明では、最短時間で亜鉛めっきを蒸気に気化させることを狙っている。そのため、図2に示すように2枚の重ね合わせた金属板同士の合わせ面、つまり中間亜鉛めっき層9の部分にレーザー光の焦点を合わせる。
また、レーザー光のスポット径も亜鉛めっきが亜鉛蒸気となるのに大きく影響する。同一出力でレーザー光のスポット径が大きければ金属板1に照射されるレーザー光の面積が増えるため、蒸気化する亜鉛蒸気の量も増える。逆に同一出力でレーザー光のスポット径が小さくなればなるほど金属板1に照射されるレーザー光の面積が小さくなるため、スポット径が大きい場合よりも、より短い時間で亜鉛めっきが亜鉛蒸気となり、そして亜鉛蒸気の発生量も少なくなる。これにより、溶接不良の原因となる亜鉛蒸気の発生量が減るためスポット径はより小さいほうがよい。
The focus of the irradiated laser beam is generally adjusted to the upper surface of the
In addition, the spot diameter of the laser beam greatly affects the fact that zinc plating becomes zinc vapor. If the spot diameter of the laser beam is large with the same output, the area of the laser beam irradiated onto the
このように重ね合わせた金属板間の中間亜鉛めっき層9にレーザー光の焦点を合わせるとともに、スポット径を絞ることによって、もっとも効果的にレーザーのエネルギーを与えたい亜鉛めっきの部分にレーザー光のエネルギーを与えることが出来る。しかし、レーザー光の焦点が深い位置に入るため、2枚の重ねた金属板1の下側の金属板1bにもより多くのレーザー光のエネルギーが入ることになる。金属板1の2枚共に貫通溶接を行うような場合に本方式を用いるのであれば問題ないが、レーザー光の照射側とは反対側の金属板1表面、つまり、2枚の重ね合わせた金属板1の下側の金属板1bの下面にレーザーによる熱歪の影響を出したくない場合には、貫通溶接を行わず、2枚の重ね合わせた金属板の下側の厚みの1/2以下程度までにレーザー光による溶け込み深さを抑える必要がある。これには、レーザー光の出力と溶接速度、必要に応じてスポット径などを調整することにより対処することが可能である。
By focusing the laser beam on the intermediate galvanized
一般的には2枚の亜鉛めっき鋼板を隙間無く重ね合わせて、レーザー溶接を行うと、重ね合った部分の中間亜鉛めっき層9がレーザー光のエネルギーを受けて瞬時に蒸発し、キーホールもしくは溶融池を介して外部に出ようとする。しかし、レーザー光は図3に示すように金属板1に対して垂直に照射され、金属板1と水平にレーザー光、もしくは金属板1が移動する。これにより、中間亜鉛めっき層9に照射されたレーザー光の後方側には、レーザー光のエネルギーに応じた溶融池が形成され、レーザー光の移動とともに、溶融池は順次ごく短時間で凝固しビードを形成する。この場合、生成される溶融池が小さく、全ての亜鉛蒸気が周囲の亜鉛めっきより溶融温度が高い鉄部材で覆われているため、亜鉛めっきの放出先がなく、上部方向にスパッターとして飛び出すなどし、レーザー光照射部のレンズを傷める要因となったり、亜鉛蒸気が溶融池から放出することが出来ず、溶融部の中にピンホールとして残り溶接不良の要因となることが知られている。
In general, when two galvanized steel sheets are overlapped without gap and laser welding is performed, the intermediate galvanized
本実施の形態では、2枚の亜鉛めっき鋼板を隙間無く重ね合わせ、進行方向とは逆方向にレーザーヘッド4を30度以上傾け溶接を行う。このようにすることにより、金属板1に入射するレーザー光のエネルギーが低くなるため、レーザー光の出力を垂直照射時よりも大きくする必要があるというデメリットは生じるが、それ以上にレーザー光を傾斜させて照射することにより、金属板表面の亜鉛めっきが従来の垂直照射時よりも早く亜鉛蒸気にすることが出来ると共に、レーザー光が金属板1または中間亜鉛めっき層9に接する断面積が増えるため、発生する溶融池の先端から後端までの距離を相対的に大きくして楕円形状の溶融池を作り出すことが出来る。これによりレーザー光のエネルギーを受け、中間亜鉛めっき層9の亜鉛めっきが亜鉛蒸気となっても、垂直照射時よりも傾斜したレーザー光による溶融池が大きくなっているため、従来よりも溶融池を介して外部に亜鉛蒸気が放出し易くなっているとともに、亜鉛蒸気がスパッターとして発生することを抑制することが出来るという利点が生まれる。また仮に、レーザー溶接時に亜鉛蒸気のスパッターが発生しても、レーザーヘッド4が傾けて取り付けられているため、レーザー光照射部のレンズにスパッターが当たることも少なくなり、レンズの交換頻度も抑えることが出来る。また、溶接ビードの外観形状も金属板1の上側の金属板1aの溶融池がレーザー光の方向に長くなるため、仮に一部の亜鉛蒸気がスパッターとして発生しても従来よりも溶融した金属が埋めることが可能である。これにより、鋼板間に隙間を設けずに2枚以上の鋼板を接合することができる。
レーザーの傾け角度は、本実施の形態では30度以上としているが、上述した通り、レーザー光を傾斜させて照射することにより、金属板表面の亜鉛めっきを、従来の垂直照射時よりも早く亜鉛蒸気にすることが出来、発生する溶融池の先端から後端までの距離を相対的に大きくして楕円形状の溶融池を作り出すことが出来れば、30度以上何度でもよい。
In the present embodiment, two galvanized steel sheets are overlapped with no gap, and the
The tilt angle of the laser is 30 degrees or more in the present embodiment. However, as described above, by irradiating the laser beam with tilting, the zinc plating on the surface of the metal plate can be performed faster than the conventional vertical irradiation. If it can be made into steam and the distance from the front end to the rear end of the generated molten pool can be made relatively large to create an elliptical molten pool, it can be repeated 30 degrees or more.
実施の形態2
上記、実施の形態1においては、金属板1を亜鉛めっきもしくは同様のめっき処理加工済み金属板を用いることとしたが、本実施の形態では、重ね合わせた金属板1の下側の金属板1bは、亜鉛めっき鋼板以外の一般鋼、及びステンレス鋼板を用いる。この場合、金属板間の亜鉛めっき量が半減するため、レーザー溶接時に中間亜鉛めっき層9から発生する亜鉛蒸気も半減し、2枚の金属板を接合するための条件は実施の形態1より容易となる。
また、実施の形態1では、レーザーヘッド4を金属板1の上部に固定し、金属板1を取り付けるベース7を駆動する方式としたが、ベース7を固定し動作しないようにする。そして、レーザーヘッド4をロボットアームもしくはX-Y直行ロボットなどに取り付けてレーザーヘッド側を外部からの信号によって自由に動作可能な構成としてもよい。
In the first embodiment, the
In the first embodiment, the
また、CWファイバー光による溶接実施時にレーザーヘッド4もしくは、ベース7を動作させる場合、実施の形態1に記載したように金属板1とレーザー光の動作が直線動作のみだけでなく、図5(a)に記載のようにレーザー光が円を描くような軌道を取りながら前進する方法、もしくは、図5(b)のようにジグザグに動作させる方法、または、図5(c)のように前後への動作(101から104への動作)を繰り返しながら前方に進む動作を適宜行ってもよい。これらの軌道は直線軌道とは異なり、部分的に一度溶融させた部分を再度溶融させることになる。そのため、レーザー光の照射エネルギーを下げたり、溶接速度を向上させ金属板1に投入するレーザー光のエネルギーを下げることも可能である。そして、部分的により長い時間溶融池を形成することにもなるため、溶接品質の向上が見込まれる。
Further, when the
実施の形態3.
2枚の金属板の接合に使用するレーザー光の発振器にYAGレーザーを用いる。本実施の形態で使用する金属板の種類は2枚以上の亜鉛めっき鋼板、もしくはステンレス等を用いてもよく、これらの金属板は全て厚み2mm以下であり、かつ隙間なく重ね合わせられている。実施の形態1と同様にこれらの金属板1に照射するYAGレーザーの焦点は2枚の重ね合わせた金属板の間の中間亜鉛めっき層9に合わせる。上記同様にレーザーヘッドを30度以上傾け、YAGレーザー光を同じ角度で金属板に照射する。溶接部の酸化を防止するため、アルゴンガス等のシールドガスをYAGレーザー照射時に吹き付けるようにする。YAGレーザー光の照射時はパルス照射のため、シールドガスも同様にパルス噴射を行う。
A YAG laser is used as a laser beam oscillator used for joining two metal plates. Two or more galvanized steel plates, stainless steel, or the like may be used as the type of metal plate used in the present embodiment, and these metal plates all have a thickness of 2 mm or less and are stacked with no gap. As in the first embodiment, the focus of the YAG laser applied to these
YAGレーザー光の照射時は、レーザーヘッド4を動作させるかベース7を動作させるかは適宜使用者の利便性において決めることができるためどちらでもよいが、YAGレーザー光を金属板に照射する数十msの短い時間であってもレーザーヘッド4もしくはベース7は停止させずに、実施の形態1と同様に動作しておく必要がある。このようにすることによりCWファイバー光照射時と同様に、中間亜鉛めっき層9に、照射方向に溶融領域が長い楕円形状の大きな溶融池が形成される。金属板表面の亜鉛めっきもYAGレーザー光のエネルギーによって即座に亜鉛蒸気となり、亜鉛蒸気が溶融池内から外部に放出することが出来る。照射時間を長くすることにより、溶融池の形成も同様に長く維持することが出来、亜鉛蒸気を多く外部に放出することが期待できる。
Upon irradiation of the YAG laser beam is good either for either operate or base 7 to operate the
スポット径は1.0mm以下とし、スポット径が小さいほど、発生する亜鉛蒸気の量は同様に少なくなる。また、YAGレーザーの照射位置は1回目のレーザー光照射によって形成される楕円形状の溶接ビードの約半分程度前進した位置で2回目のレーザー光を照射するパルス発振を行う。パルス発振のため、YAGレーザー光を照射するピッチを広げることによりCWファイバー光による溶接よりトータルの金属板への投入エネルギーは低減することが出来る。 The spot diameter is 1.0 mm or less, and the smaller the spot diameter, the smaller the amount of zinc vapor generated. Further, the YAG laser is irradiated at the position where the laser beam is irradiated for the second time at a position advanced about half of the elliptical weld bead formed by the first laser beam irradiation. Because of the pulse oscillation, the energy input to the total metal plate can be reduced by widening the pitch for irradiating YAG laser light compared to welding with CW fiber light.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 金属板、2 レーザー発振器、3 ファイバーケーブル、4 レーザーヘッド、5 サイドノズル、6 固定治具、7 ベース、8 亜鉛めっき層、9 中間亜鉛めっき 層、10 変位センサー 1 metal plate, 2 laser oscillator, 3 fiber cable, 4 laser head, 5 side nozzle, 6 fixture, 7 base, 8 galvanized layer, 9 intermediate galvanized layer, 10 displacement sensor
Claims (3)
The metal plate joining method according to claim 1, wherein there is no gap between the two steel plates that are overlapped.
Priority Applications (1)
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JP2016103880A JP2017209700A (en) | 2016-05-25 | 2016-05-25 | Joining method of metal plate |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110170744A (en) * | 2018-02-20 | 2019-08-27 | 双叶产业株式会社 | Joint method |
CN114029619A (en) * | 2021-12-09 | 2022-02-11 | 江苏星河激光科技有限公司 | Method and system for controlling laser lap welding spatter based on broken line scanning track |
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- 2016-05-25 JP JP2016103880A patent/JP2017209700A/en active Pending
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