JP2018153851A - Laser welding method - Google Patents
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Description
本発明はレーザ溶接方法に係る。特に、本発明は、溶接部の強度の向上を図るための対策に関する。 The present invention relates to a laser welding method. In particular, the present invention relates to a measure for improving the strength of a welded portion.
従来、自動車の車体の製造工程にあっては、例えば高張力鋼板等の鋼板を重ね合わせ、その重ね合わせ部分を抵抗スポット溶接により接合することが一般的に行われている。 Conventionally, in the manufacturing process of an automobile body, for example, steel plates such as high-tensile steel plates are generally overlapped and the overlapped portions are joined by resistance spot welding.
ところで、この抵抗スポット溶接では、溶接時に発生する熱により溶接ナゲット周囲の組織が焼き戻されることに起因して、母材より硬度が低い熱影響部(Heat Affected Zone;以下、HAZという)が形成される。このHAZの軟化は、特に、引張強度が所定値以上となっている高張力鋼板の抵抗スポット溶接で著しい。 By the way, in this resistance spot welding, a heat-affected zone (hereinafter referred to as HAZ) having a hardness lower than that of the base material is formed due to tempering of the structure around the weld nugget by heat generated during welding. Is done. This softening of the HAZ is particularly remarkable in resistance spot welding of a high-tensile steel sheet having a tensile strength of a predetermined value or more.
図4は、抵抗スポット溶接を行った際の母材引張強度と剥離強度との関係を示す実験結果である。この図4は、破線で示すものよりも実線で示すものの方が溶接ナゲット径が大きいものとなっている。この図4から明らかなように、母材引張強度が所定値以上の鋼板を使用した場合、母材引張強度が高いものであるほど剥離強度は低くなる。また、図5は、抵抗スポット溶接を行った際の母材引張強度と十字引張強度との関係を示す実験結果である。この図5でも、破線で示すものよりも実線で示すものの方が溶接ナゲット径が大きいものとなっている。この図5から明らかなように、母材引張強度が所定値以上の鋼板を使用した場合、母材引張強度が高いものであるほど十字引張強度は低くなる。 FIG. 4 shows experimental results showing the relationship between the tensile strength of the base metal and the peel strength when resistance spot welding is performed. In FIG. 4, the weld nugget diameter is larger in the solid line than in the broken line. As is apparent from FIG. 4, when a steel plate having a base material tensile strength of a predetermined value or more is used, the higher the base material tensile strength, the lower the peel strength. FIG. 5 shows experimental results showing the relationship between the base material tensile strength and the cross tensile strength when resistance spot welding is performed. Also in FIG. 5, the welding nugget diameter is larger in the solid line than in the broken line. As is apparent from FIG. 5, when a steel plate having a base material tensile strength of a predetermined value or more is used, the cross base tensile strength decreases as the base material tensile strength increases.
また、特許文献1には、熱処理した鋼板を重ね合わせて抵抗スポット溶接を行い、溶接部に高周波電流を流すことによって溶接ナゲットを焼戻しすることが開示されている。これにより、溶接部の延性・靭性を回復させ、溶接部が破断し難くなるようにしている。 Patent Document 1 discloses that resistance spot welding is performed by superposing heat-treated steel sheets, and a welding nugget is tempered by applying a high-frequency current to the weld. Thereby, the ductility and toughness of the welded portion are recovered, and the welded portion is made difficult to break.
しかしながら、特許文献1に開示されている焼戻し処理を行ったとしても、剥離強度や十字引張強度を十分に高めるには限界がある。つまり、前述したように引張強度が所定値以上の高張力鋼板(例えば引張強度1.5GPa以上の高張力鋼板)を使用した場合には、母材引張強度が高いほど剥離強度および十字引張強度は低くなり、破断(脆性破壊)が懸念されることになる。言い替えると、これら強度を十分に確保するために使用可能な高張力鋼板の引張強度には制限がある。また、特許文献1に開示されているような焼戻し処理を行う場合には、溶接作業に要する時間が長くなってしまうため、生産性の面で実用的ではない。 However, even if the tempering process disclosed in Patent Document 1 is performed, there is a limit to sufficiently increasing the peel strength and the cross tensile strength. That is, as described above, when a high-tensile steel plate having a tensile strength of a predetermined value or higher (for example, a high-tensile steel plate having a tensile strength of 1.5 GPa or higher) is used, the higher the base material tensile strength, the higher the peel strength and the cross tensile strength. It becomes low, and there is a concern about fracture (brittle fracture). In other words, there is a limit to the tensile strength of the high-tensile steel sheet that can be used to sufficiently secure these strengths. Moreover, when performing the tempering process as disclosed in Patent Document 1, the time required for the welding operation becomes long, so that it is not practical in terms of productivity.
本発明の発明者は、近年、抵抗スポット溶接に代えてまたは抵抗スポット溶接に加えて行われるレーザ溶接を利用した溶接方法に着目し、このレーザ溶接方法を改良することで前記HAZの硬度を高くすることについて考察した。 Inventors of the present invention have recently focused on a welding method using laser welding performed in place of or in addition to resistance spot welding, and improving the laser welding method increases the hardness of the HAZ. Considered what to do.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶接部の強度の向上を図ることができるレーザ溶接方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this point, The place made into the objective is to provide the laser welding method which can aim at the improvement of the intensity | strength of a welding part.
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、互いに重ね合わされた複数の鋼板をレーザスクリューウェルディングによって溶接するレーザ溶接方法を前提とする。そして、このレーザ溶接方法は、前記レーザスクリューウェルディングによって前記複数の鋼板を溶接する溶接工程と、該溶接工程において生成された溶接部の溶接ナゲットの最外周部位に対して再入熱を行う再入熱工程とを行うことを特徴とする。 The solution of the present invention for achieving the above object is premised on a laser welding method in which a plurality of steel plates stacked on each other are welded by laser screw welding. The laser welding method includes a welding step of welding the plurality of steel plates by the laser screw welding, and re-entry heat to the outermost peripheral portion of the weld nugget of the welded portion generated in the welding step. And a heat input step.
この特定事項により、レーザスクリューウェルディングによる溶接工程の後に再入熱工程を行うことで溶接部の軟化部が外周側に拡大することになり、溶接ナゲット周辺部分の硬度を高めることができる。このため、溶接部の強度の向上を図ることができる。 By this specific matter, the softened part of the welded part expands to the outer peripheral side by performing the re-entry process after the welding process by laser screw welding, and the hardness of the peripheral part of the weld nugget can be increased. For this reason, the strength of the welded portion can be improved.
本発明では、レーザスクリューウェルディングによる溶接工程の後、溶接部の溶接ナゲットの最外周部位に対して再入熱を行う再入熱工程を行うようにしている。これにより、軟化部が外周側に拡大することになり、溶接ナゲット周辺部分の硬度を高めることができる。その結果、溶接部の強度の向上を図ることができる。 In the present invention, after the welding process by laser screw welding, a re-entry process is performed in which re-entry heat is applied to the outermost peripheral portion of the weld nugget of the welded portion. Thereby, a softening part will expand to an outer peripheral side and the hardness of a welding nugget peripheral part can be raised. As a result, the strength of the welded portion can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置によるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where the present invention is applied as a laser welding method by a laser welding apparatus used in a manufacturing process of a car body of an automobile will be described.
−レーザ溶接装置の概略構成−
図1は、本実施形態に係るレーザ溶接に使用されるレーザ溶接装置1を示す概略構成図である。この図1に示すように、レーザ溶接装置1は、レーザ発振器2、スキャナヘッド3、溶接ロボット4、および、ロボットコントローラ5を備えている。
-Schematic configuration of laser welding equipment-
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a laser welding apparatus 1 used for laser welding according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 1 includes a
レーザ発振器2はレーザビームを生成する。この生成されたレーザビームは、光ファイバーケーブル21を経てスキャナヘッド3に導かれる。レーザビームとしては、例えば炭酸ガスレーザ、YAGレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。
The
スキャナヘッド3は、光ファイバーケーブル21を経て導かれたレーザビームを、ワークである鋼板(複数枚が重ね合わされた鋼板;被溶接物)Wに照射する(図1の一点鎖線を参照)。スキャナヘッド3の内部には図示しない複数のミラーが収容されている。これらミラーはそれぞれ1つの回動軸を中心に回動可能に構成されている。これらミラーによってレーザビームを走査し、鋼板Wの所定領域でレーザビームを走査するようになっている。これらミラーは例えばガルバノミラーを用いて構成することができる。
The
本実施形態に係るレーザ溶接方法はレーザスクリューウェルディング(以下、LSWという)である。つまり、鋼板Wの溶接部(溶接対象箇所)の中心位置の周囲の全周に亘ってレーザビームを走査していき、この溶接部を溶融させることで溶接を行うものとなっている(このLSWの処理動作については後述する)。 The laser welding method according to this embodiment is laser screw welding (hereinafter referred to as LSW). That is, the laser beam is scanned over the entire circumference around the center position of the welded portion (welding target location) of the steel plate W, and welding is performed by melting the welded portion (this LSW). Will be described later).
また、本実施形態におけるLSWは、前記鋼板Wの抵抗スポット溶接を行ったうえで、互いに隣り合う抵抗スポット溶接部同士の間の領域を溶接するものとして使用される。つまり、本実施形態に係るレーザ溶接方法によって製造される車体は、抵抗スポット溶接とLSWとが組み合わされて複数の鋼板(車体パネル)Wが接合される構成となっている。 Moreover, LSW in this embodiment is used as what welds the area | region between mutually adjacent resistance spot welding parts, after performing the resistance spot welding of the said steel plate W. FIG. That is, the vehicle body manufactured by the laser welding method according to this embodiment has a configuration in which a plurality of steel plates (vehicle body panels) W are joined by combining resistance spot welding and LSW.
溶接ロボット4は、スキャナヘッド3を移動可能とするように構成されている。この溶接ロボット4は、多関節ロボットによって構成されている。具体的に、本実施形態のものでは、ベース台41、ベース台41の内部に収容された回転機構(図示省略)、関節42,43,44、および、アーム45,46,47を備えている。回転機構の回転動作および各関節42,43,44におけるアーム45,46,47の揺動動作により、スキャナヘッド3を任意の方向に移動することが可能となっている。
The welding robot 4 is configured to make the
ロボットコントローラ5には、予めオフラインティーチングによって、溶接箇所に向けてスキャナヘッド3を移動させるための情報(各関節42,43,44の回動角度量等の情報)が記憶されている。そして、車体製造ライン上の溶接工程まで車体が搬送されてきた際に、ロボットコントローラ5からの制御信号に従い、前記情報に基づいて溶接ロボット4が作動することで、各溶接箇所に対して順次LSWが行われていくことになる。
Information for moving the
−再入熱工程−
本実施形態の特徴は、前述したLSW(鋼板Wの溶接部の中心位置の周囲の全周に亘ってレーザビームを走査することによる溶接)が行われた後に、このLSWにおいて生成された溶接部の溶接ナゲットの最外周部位に対して再入熱を行う再入熱工程を行うことである。
-Re-input heat process-
The feature of this embodiment is that the welded portion generated in the LSW after the aforementioned LSW (welding by scanning a laser beam over the entire circumference around the center position of the welded portion of the steel plate W) is performed. This is to perform a re-input heat process for performing re-input heat on the outermost peripheral portion of the welding nugget.
図2は溶接部の断面図である。この図2に示すように本実施形態のものでは、3枚の鋼板W1,W2,W3を重ね合わせ、これら鋼板W1,W2,W3をLSWによって溶接する。この図2におけるNは鋼板W1,W2,W3の一部が溶融されて一体化された溶接ナゲットである。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the weld. As shown in FIG. 2, in this embodiment, three steel plates W1, W2, and W3 are superposed and these steel plates W1, W2, and W3 are welded by LSW. In FIG. 2, N is a weld nugget in which a part of the steel plates W1, W2, and W3 is fused and integrated.
再入熱工程では、前記LSWにおいて生成された溶接部の溶接ナゲットNの最外周部位N1の全周に亘ってスキャナヘッド3からのレーザビームを走査することにより、この溶接ナゲットNの最外周部位N1を周方向に亘って順次加熱していくことにより行われる。この再入熱工程における溶接ナゲットNの最外周部位N1への入熱量は、この溶接ナゲットNの最外周部位N1の焼きなまし処理による硬度が十分に高められる入熱量であって、且つこの溶接ナゲットNの最外周部位N1の更に外周側に存在する組織の軟化を抑制することができる入熱量として、実験またはシミュレーションに基づいて設定されることになる。
In the re-entry heat process, the outermost peripheral portion of the weld nugget N is scanned by scanning the laser beam from the
図2において破線で示す矢印は前記LSWにおけるレーザビームの走査方向(鋼板W1,W2,W3の溶接部の中心位置の周囲の全周に亘るレーザビームの走査方向)を示している。また、図2において実線で示す矢印は再入熱工程における熱の入射方向を示している。 In FIG. 2, the arrow indicated by a broken line indicates the scanning direction of the laser beam in the LSW (the scanning direction of the laser beam over the entire circumference around the center position of the welded portion of the steel plates W1, W2, and W3). Moreover, the arrow shown as a continuous line in FIG. 2 has shown the incident direction of the heat | fever in a re-entry heat process.
このようにLSWにおいて生成された溶接部の溶接ナゲットNの最外周部位N1に対して再入熱を行う再入熱工程を行うことにより、LSWにおいて生成された溶接部の溶接ナゲットNの最外周部位N1に存在していた軟化部が外周側に拡大することになり、この溶接ナゲットNの最外周部位N1が焼きなまし処理されることで硬度が高められると共に、この溶接ナゲットNの最外周部位N1の更に外周側に存在する組織にあっては、その焼戻し量が小さいことで結晶粒の成長および粗大化が抑制されて、この部分の軟化は抑制され、溶接部の全体に亘って十分な硬度が確保されることになる。 Thus, the outermost periphery of the weld nugget N of the welded portion generated in the LSW is performed by performing a re-entry heat process for performing re-entry heat on the outermost peripheral portion N1 of the weld nugget N of the welded portion generated in the LSW. The softened portion existing in the part N1 expands to the outer peripheral side, and the outermost peripheral part N1 of the weld nugget N is annealed to increase the hardness and the outermost peripheral part N1 of the weld nugget N. Further, in the structure existing on the outer peripheral side, the tempering amount is small, so that the growth and coarsening of crystal grains are suppressed, the softening of this part is suppressed, and the entire welded part has sufficient hardness. Will be secured.
従来技術にあっては、引張強度が所定値以上の高張力鋼板(例えば引張強度1.5GPa以上の高張力鋼板)を使用した場合には、母材引張強度が高いほど剥離強度および十字引張強度は低くなり、破断(脆性破壊)が懸念されるものとなっていた。つまり、これら強度を十分に確保するために使用可能な高張力鋼板の引張強度には制限があった。これに対し、本実施形態によれば、溶接部の全体に亘って十分な硬度が確保されることになるため、引張強度が所定値以上の高張力鋼板を使用した場合であっても破断(脆性破壊)が懸念されることはない。つまり、剥離強度および十字引張強度を十分に確保するために使用可能な高張力鋼板の引張強度の範囲を拡大することができる。 In the prior art, when a high-tensile steel plate having a tensile strength of a predetermined value or higher (for example, a high-tensile steel plate having a tensile strength of 1.5 GPa or higher) is used, the higher the base material tensile strength, the higher the peel strength and the cross tensile strength. Was low, and there was concern about fracture (brittle fracture). That is, there is a limit to the tensile strength of the high-tensile steel plate that can be used to sufficiently secure these strengths. On the other hand, according to the present embodiment, sufficient hardness is ensured over the entire welded portion, and therefore, even when a high-tensile steel plate having a tensile strength of a predetermined value or more is used, the fracture ( There is no concern about brittle fracture. That is, the range of the tensile strength of the high-tensile steel sheet that can be used to sufficiently ensure the peel strength and the cross tensile strength can be expanded.
また、LSWおよび再入熱工程は、共にスキャナヘッド3からのレーザビームの走査によって行うことができるため、溶接作業に要する時間が大幅に長くなってしまうことがなく、生産性の悪化を招くことがない。このため、実用性の高い溶接方法を実現できる。
In addition, since both the LSW and the re-entry heat process can be performed by scanning the laser beam from the
−実験例−
次に、前記の効果を確認するために行った実験例について説明する。この実験は、前述した実施形態に係る溶接(LSW+再入熱工程)を行ったもの、従来技術として抵抗スポット溶接を行ったもの、および、同じく従来技術として前記再入熱工程を実施しないLSWを行ったものそれぞれについて、溶接部の各箇所のビッカース硬さを測定することにより行った。
-Experimental example-
Next, an experimental example performed to confirm the above effect will be described. In this experiment, the welding according to the above-described embodiment (LSW + reheating process), the resistance spot welding as the conventional technique, and the LSW not performing the reheating process as the conventional technique are used. About what was done, it performed by measuring the Vickers hardness of each location of a welding part.
この実験結果を図3に示す。この図3は点Sが溶接部の中心位置を表し、左右両外側が溶接部の外周側となっている。また、この図3では、実線が前記実施形態に係る溶接(LSW+再入熱工程)を行ったものにおける溶接部の各箇所のビッカース硬さの測定結果である。また、破線は抵抗スポット溶接を行ったもの(従来技術)における溶接部の各箇所のビッカース硬さの測定結果である。また、一点鎖線は再入熱工程を実施しないLSWを行ったもの(従来技術)における溶接部の各箇所のビッカース硬さの測定結果である。 The experimental results are shown in FIG. In FIG. 3, the point S represents the center position of the welded portion, and both the left and right outer sides are the outer peripheral side of the welded portion. Moreover, in this FIG. 3, a continuous line is a measurement result of the Vickers hardness of each location of the welding part in what performed the welding (LSW + re-input heat process) which concerns on the said embodiment. Moreover, a broken line is a measurement result of the Vickers hardness of each location of the welding part in what performed resistance spot welding (prior art). Moreover, a dashed-dotted line is a measurement result of the Vickers hardness of each location of the welding part in what performed LSW which does not implement a reheat input process (prior art).
この図3から明らかなように、従来技術のもの(破線および一点鎖線)では、溶接部の中心位置から所定距離を存したHAZにおいて軟化が生じており、硬度が極端に低下している部分が存在していた(図3に二点鎖線の円で囲んだ領域Xを参照)。 As apparent from FIG. 3, in the prior art (broken line and alternate long and short dash line), softening occurs in the HAZ at a predetermined distance from the center position of the welded portion, and the portion where the hardness is extremely reduced is shown. It existed (see region X surrounded by a two-dot chain line circle in FIG. 3).
これに対し、本実施形態のものでは、硬度が極端に低下している部分は存在しておらず、溶接部の全体に亘って略均一な硬度が得られていることが確認できた。 On the other hand, in the present embodiment, there was no portion where the hardness was extremely reduced, and it was confirmed that substantially uniform hardness was obtained over the entire welded portion.
−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、前記実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
-Other embodiments-
In addition, embodiment disclosed this time is an illustration in all the points, Comprising: It does not become a basis of limited interpretation. Therefore, the technical scope of the present invention is not construed only by the above-described embodiments, but is defined based on the description of the scope of claims. The technical scope of the present invention includes meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
例えば、前記実施形態では、3枚の鋼板W1,W2,W3をLSWによって溶接する場合を例に挙げて説明した。本発明はこれに限らず、2枚の鋼板をLSWによって溶接する場合や、4枚以上の鋼板をLSWによって溶接する場合にも適用が可能である。 For example, in the above embodiment, the case where three steel plates W1, W2, and W3 are welded by LSW has been described as an example. The present invention is not limited to this, and can also be applied to the case where two steel plates are welded by LSW or the case where four or more steel plates are welded by LSW.
また、前記実施形態では、本発明に係るレーザ溶接方法を自動車の車体の製造工程で使用する場合について説明した。本発明はこれに限らず、その他の鋼板の溶接にも適用が可能である。 Moreover, the said embodiment demonstrated the case where the laser welding method which concerns on this invention is used in the manufacturing process of the vehicle body of a motor vehicle. The present invention is not limited to this, and can be applied to welding of other steel plates.
また、前記実施形態では、本発明に係るLSW(LSW+再入熱工程)を抵抗スポット溶接と組み合わせて鋼板Wを溶接する場合について説明した。本発明はこれに限らず、LSW(LSW+再入熱工程)のみで鋼板Wを溶接する場合にも適用が可能である。 Moreover, the said embodiment demonstrated the case where the steel plate W was welded combining LSW (LSW + re-entry process) based on this invention with resistance spot welding. The present invention is not limited to this, and can also be applied to the case where the steel sheet W is welded only by LSW (LSW + re-heat input process).
本発明は、自動車の車体をレーザスクリューウェルディングを利用して製造する際の溶接方法に適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a welding method when manufacturing a vehicle body using laser screw welding.
1 レーザ溶接装置
W1〜W3 鋼板
N 溶接ナゲット
N1 溶接ナゲットの最外周部位
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser welding apparatus W1-W3 Steel plate N Welding nugget N1 The outermost periphery part of a welding nugget
Claims (1)
前記レーザスクリューウェルディングによって前記複数の鋼板を溶接する溶接工程と、
前記溶接工程において生成された溶接部の溶接ナゲットの最外周部位に対して再入熱を行う再入熱工程とを行うことを特徴とするレーザ溶接方法。 A laser welding method for welding a plurality of steel plates stacked on each other by laser screw welding,
A welding step of welding the plurality of steel plates by the laser screw welding;
The laser welding method characterized by performing the re-input heat process which performs re-input heat with respect to the outermost periphery site | part of the weld nugget of the welding part produced | generated in the said welding process.
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