JP2020015052A - Welding method, welding device and welding steel plate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶接方法、溶接装置、および溶接鋼板に関する。特に、重ね合わせた鋼板をレーザにより加熱して重ね合わせ溶接をする場合に、溶融金属の飛散によるスパッタの発生を低減する技術に関する。 The present invention relates to a welding method, a welding device, and a welded steel plate. In particular, the present invention relates to a technique for reducing the occurrence of spatter due to scattering of molten metal when performing superposition welding by heating superposed steel sheets with a laser.
近年、複写機やプリンターをはじめとする多くの分野において、耐食性に優れためっき鋼板を重ね合わせて溶接した部品が用いられている。例えば、複写機やプリンターの枠体は、安価な亜鉛めっき鋼板等の被溶接材を重ね、又は突合せて、溶接で接合して形成する場合が多い。かかる場合には、他の溶接法と比べて入熱量が低く抑えられ、低歪みかつ高精度の高速溶接が可能なレーザ溶接が適用される場合が多い。 In recent years, in many fields including copiers and printers, parts obtained by superimposing and welding plated steel sheets having excellent corrosion resistance have been used. For example, a frame of a copying machine or a printer is often formed by laminating or butting inexpensive materials such as inexpensive galvanized steel sheets and joining them by welding. In such a case, laser welding, in which the amount of heat input is reduced as compared with other welding methods, and which enables high-speed welding with low distortion and high accuracy, is often applied.
レーザ溶接では、被溶接材の表面にレーザビームを照射するが、照射されるパワー密度(単位面積あたりのレーザ出力)が所定以上になると、金属表面の温度が金属の沸点以上になり、金属蒸気がレーザ照射点から激しく蒸発し、一部はプラズマ化する。照射点ではその蒸発の反動力で溶融した金属の表面が凹み、凹みの中をレーザビームが反射を繰り返しながら伝播してゆく。すると、さらに凹みが深化してキーホールが形成され、深い溶融領域を短時間で形成できる。 In laser welding, a laser beam is applied to the surface of the material to be welded. When the applied power density (laser output per unit area) exceeds a predetermined level, the temperature of the metal surface rises to the boiling point of the metal and the metal vapor Evaporates violently from the laser irradiation point, and a part is turned into plasma. At the irradiation point, the surface of the molten metal is dented by the reaction force of the evaporation, and the laser beam propagates in the depression while repeating reflection. Then, the depression is further deepened to form a keyhole, and a deep molten region can be formed in a short time.
レーザ光の照射点に形成されるキーホールからは高速の金属蒸気が噴き出しており、キーホールの周囲には溶融池と呼ばれる金属が溶融した領域が形成される。尚、溶融池は、自然界に存在するいわゆる池のような形状に限らず、レーザの照射条件によりさまざまな形状を取りえる。照射されたレーザ光の多くは、キーホール内を伝播して底面にまで到達してこの部分を加熱するため、被溶接材の内部において溶融金属の温度が最も高くなる。キーホール内部からの金属の蒸発量は多く、溶融金属には高い圧力がかかるため、溶融金属には対流が生じるが、対流は安定するとは限らず変動する場合がある。対流が変動すると、溶融金属の一部が高速蒸気の吹き出しに巻き込まれ、周囲に飛散する現象、すなわちスパッタが発生する場合がある。 High-speed metal vapor is ejected from the keyhole formed at the irradiation point of the laser beam, and a region called a molten pool in which the metal is melted is formed around the keyhole. The molten pool is not limited to a so-called pond that exists in the natural world, and can take various shapes depending on laser irradiation conditions. Most of the irradiated laser light propagates through the keyhole, reaches the bottom surface, and heats this portion. Therefore, the temperature of the molten metal becomes highest inside the material to be welded. A large amount of metal evaporates from inside the keyhole, and high pressure is applied to the molten metal, so that convection occurs in the molten metal, but the convection is not always stable and may fluctuate. When the convection fluctuates, a phenomenon in which a part of the molten metal is caught in the high-speed steam blowout and scatters around, that is, spatter may occur.
また、溶接の強度を確保するために、固定点にレーザ光を照射して点溶接するのではなく、ラインに沿ってレーザ光を走査しながら照射して線状の溶接ビードを形成する場合が多いが、これによりさらにスパッタが発生しやすくなる場合がある。レーザ光照射位置の移動に伴って、キーホールの生成やキーホール周囲の溶融池の流動が不安定になるからである。特に、レーザ光走査方向の先端部分で溶けた溶融金属は、走査に追随して急速に生成されるキーホールからの高速蒸気の吹き出しに巻き込まれやすいため、スパッタが発生しやすくなる。また、キーホールが膨張と収縮を繰り返す等して溶融池の流動が不安定になると、酸化防止のためのシールドガスや空気が溶融金属に取り込まれて気泡が発生し、気泡がトラップされたまま凝固してポロシティを生じる場合もある。 In addition, in order to secure the strength of welding, instead of irradiating a fixed point with laser light and performing spot welding, it is sometimes necessary to form a linear weld bead by irradiating while scanning laser light along a line. In many cases, this may make spatter more likely to occur. This is because the generation of the keyhole and the flow of the molten pool around the keyhole become unstable with the movement of the laser beam irradiation position. In particular, the molten metal melted at the tip in the scanning direction of the laser beam is liable to be caught in the high-speed steam blowout from the keyhole that is rapidly generated following the scanning, so that spatter is easily generated. Also, if the flow of the molten pool becomes unstable due to repeated expansion and contraction of the keyhole, etc., the shielding gas and air for preventing oxidation are taken into the molten metal to generate bubbles, and the bubbles remain trapped. It can also solidify and produce porosity.
また、特に亜鉛めっき鋼板を重ね合わせてレーザ溶接する場合には、重ねあわせ部の亜鉛めっきがレーザ加熱により気化して溶融金属を吹き飛ばすために、スパッタが発生する場合があった。 Further, particularly when galvanized steel sheets are overlapped and laser-welded, spattering may occur because the zinc plating in the overlapped portion is vaporized by laser heating and blows away the molten metal.
そこで、スパッタを抑制する試みとして、例えば特許文献1には、スキャナーを用いてレーザビームを高速で回転させながら溶接ビード形成方向に沿って螺旋状に走査する溶接方法が開示されている。
Therefore, as an attempt to suppress spatter, for example,
特許文献1によれば、レーザビームを螺旋状に走査することにより、表面側の幅が広い溶融池を形成することができる。溶融池は、レーザビームの進行方向に対して回転しながら流動し、キーホールの開口部後方には凹みが生じる。これにより、キーホールの開口部を後方から塞ぐような溶融金属の流動が抑制され、開口部付近でレーザビームが溶融金属を直接照射することが起こらないため、スパッタを低減できることが記載されている。
According to
しかしながら、特許文献1に記載された方法では、レーザビームを螺旋状に走査するため、走査軌道が交差する部分では、一旦形成された溶融池をレーザビームが再度照射することになり、局部的に急激な蒸発が発生して溶融金属を飛散させる場合があり得る。
However, in the method described in
また、レーザビームの螺旋状の走査にともない、被溶接材の各部は間欠的に加熱されるため、時間的に見ると各部の温度変動が複雑になり、溶融金属は不安定に流動する。螺旋走査に同期して振動する波動が溶融池に発生する可能性もあり、キーホールの周囲では、むしろ噴出する高速蒸気の吹き出しに巻き込まれ易くなる場合がある。
したがって、特許文献1に記載された方法では、スパッタの発生を、必ずしも十分に抑制できるわけではなかった。
Further, with the spiral scanning of the laser beam, each part of the material to be welded is intermittently heated, so that the temperature fluctuation of each part becomes complicated when viewed temporally, and the molten metal flows unstable. Waves that oscillate in synchronization with the helical scanning may be generated in the molten pool, and the keyhole may be more likely to be caught in the jet of high-speed steam that is jetted.
Therefore, the method described in
本発明は、第1の鋼板と第2の鋼板を重ね、高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に移動させながら前記第1の鋼板に照射し、前記高エネルギービームの照射部を溶融させてキーホールを形成し、前記キーホールを照射する前記高エネルギービームが前記第1の鋼板を貫通して前記第2の鋼板を照射し、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板を溶接するが、前記走査方向と直交する方向の溶接部の断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶融部の幅をCとし、前記第1の鋼板の表面における溶融部の幅をDとしたとき、D>2Cである、ことを特徴とする溶接方法である。 The present invention is characterized in that a first steel sheet and a second steel sheet are stacked, and the high energy beam is irradiated on the first steel sheet while moving a beam surrounding the high energy beam with low energy in the scanning direction. A high-energy beam for irradiating the keyhole, irradiating the second steel plate with the first steel plate, and irradiating the second steel plate with the first steel plate. A steel plate is welded, and in a cross section of a welded portion in a direction perpendicular to the scanning direction, a width of a fusion zone at a joint between the first steel plate and the second steel plate is C, and a surface of the first steel plate Is a welding method, wherein D is greater than 2C, where D is the width of the fusion zone.
また、本発明は、第1の鋼板と第2の鋼板を重ね、高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に走査しながら前記第1の鋼板に照射し、前記高エネルギービームの照射部を溶融させてキーホールを形成し、前記キーホールを照射する前記高エネルギービームが前記第1の鋼板を貫通して前記第2の鋼板を照射し、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板を溶接するが、溶接部を前記走査方向と直交する方向で切った断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶接ビードの幅をAとし、前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を終了した終了点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB1とし、前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を開始した開始点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB2としたとき、B1>A、かつB2>Aである、ことを特徴とする溶接方法である。 Further, the present invention provides a method in which a first steel sheet and a second steel sheet are stacked, and the high energy beam is irradiated on the first steel sheet while scanning a beam surrounding a high energy beam with low energy in a scanning direction. The high-energy beam irradiating the keyhole penetrates the first steel plate and irradiates the second steel plate, and the first steel plate and the second 2, the width of a weld bead at the joint between the first steel plate and the second steel plate is A in a cross section obtained by cutting the welded portion in a direction perpendicular to the scanning direction, and the welded portion is welded. In a cross section taken along the scanning direction, at the end point where the scanning of the beam is completed, the width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate from the joint is B1, In front of the weld In a cross section taken along the scanning direction, when a width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate from the joint at the start point of starting the beam scanning is B2, > A and B2> A.
また、本発明は、第1の鋼板と第2の鋼板をラインに沿って溶接した溶接鋼板であって、溶接部を前記ラインと直交する方向で切った断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶接ビードの幅をAとし、前記溶接部を前記ラインに沿って切った断面において、前記ラインの一端において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB1とし、前記溶接部を前記ラインに沿って切った断面において、前記ラインの他の一端において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB2としたとき、B1>A、かつB2>Aである、ことを特徴とする溶接鋼板である。 Further, the present invention is a welded steel plate obtained by welding a first steel plate and a second steel plate along a line, and in a cross section obtained by cutting a welded portion in a direction perpendicular to the line, the first steel plate and the second steel plate are welded together. The width of the weld bead at the joint of the second steel sheet is A, and at a cross section obtained by cutting the weld along the line, at one end of the line, on the surface of the first steel sheet more than the joint. The width of the weld bead extending to B1 is B1, and at a cross section obtained by cutting the welded portion along the line, the other end of the line extends outward from the joint at the surface of the first steel plate. B1> A and B2> A, where B2 is the width of the existing weld bead.
また、本発明は、第1の鋼板と第2の鋼板を重ねて溶接する溶接装置であって、高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に走査しながら前記第1の鋼板に照射し、前記高エネルギービームの照射部を溶融させてキーホールを形成し、前記キーホールを照射する前記高エネルギービームが前記第1の鋼板を貫通して前記第2の鋼板を照射し、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板を溶接するが、溶接部を前記走査方向と直交する方向で切った断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶接ビードの幅をAとし、前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を終了する終了点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB1とし、前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を開始する開始点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB2としたとき、B1>A、かつB2>Aであるように前記ビームを照射する、ことを特徴とする溶接装置である。 The present invention is also a welding apparatus for overlapping and welding a first steel plate and a second steel plate, wherein the first steel plate is scanned in a scanning direction with a beam surrounding a high energy beam with low energy. To irradiate the high energy beam irradiating part of the high energy beam to form a keyhole, the high energy beam irradiating the keyhole penetrates the first steel plate and irradiates the second steel plate, The first steel plate and the second steel plate are welded, and in a cross section obtained by cutting a welded portion in a direction orthogonal to the scanning direction, a weld bead at a joint between the first steel plate and the second steel plate is formed. In a cross section where the width is A and the welded portion is cut along the scanning direction, at a termination point at which the scanning of the beam is completed, a weld extending outward on the surface of the first steel plate from the joint at the end point. Bead width B1, a section of the welding portion cut along the scanning direction, and at a start point at which scanning of the beam is started, a welding bead extending outward on the surface of the first steel plate beyond the joining portion. When the width is B2, the beam is irradiated so that B1> A and B2> A.
本発明によれば、キーホールの生成やキーホール周囲の溶融池の流動が安定になり、スパッタの発生を抑制することができ、特徴的な形状の溶接ビードを形成する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of a keyhole and the flow of the molten pool surrounding a keyhole become stable, generation | occurrence | production of a spatter can be suppressed, and the weld bead of a characteristic shape is formed.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態である溶接方法と溶接装置、および溶接鋼板について説明する。実施形態では、一例として複写機やプリンター製品等に用いられる枠体を、耐食性に優れためっき鋼板を重ね合わせて溶接して形成する。例えば、板厚1.0mmの亜鉛メッキ鋼板を2枚用いて製造する重ね合わせ溶接枠である。 Hereinafter, a welding method, a welding device, and a welded steel plate according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment, as an example, a frame used for a copying machine, a printer product, or the like is formed by overlapping and welding plated steel sheets having excellent corrosion resistance. For example, it is a lap welding frame manufactured using two galvanized steel sheets having a thickness of 1.0 mm.
図1(a)および図1(b)は、実施形態におけるレーザビームの照射方法と、被溶接物である2枚の亜鉛メッキ鋼板の溶融状態を示す模式的な断面図である。図1(a)は、レーザ光の走査方向に沿って被照射部位を切った断面図で、図1(b)は、レーザ光の走査方向と直交する方向に沿って被照射部位を切った断面図である。図中の、1は第1の鋼板である前側鋼板、2は第2の鋼板である後側鋼板、3はレーザ光、4はキーホール、5および6は溶融池、7はスペーサであるシム、8は隙間、9はレーザ走査方向、10は金属蒸気流、11は冷却して固化した溶接ビードである。前側鋼板1と後側鋼板2は、例えば亜鉛メッキ鋼板を用いる。
FIGS. 1A and 1B are schematic cross-sectional views showing a laser beam irradiation method according to the embodiment and a molten state of two galvanized steel sheets which are workpieces. FIG. 1A is a cross-sectional view of a portion to be irradiated along the scanning direction of laser light, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the portion to be irradiated along a direction orthogonal to the scanning direction of laser light. It is sectional drawing. In the figure, 1 is a front steel plate as a first steel plate, 2 is a rear steel plate as a second steel plate, 3 is a laser beam, 4 is a keyhole, 5 and 6 are weld pools, and 7 is a shim which is a spacer. , 8 are gaps, 9 is a laser scanning direction, 10 is a metal vapor flow, and 11 is a cooled and solidified weld bead. As the
実施形態では、不図示のレーザ光源からレーザ光3を照射するが、レーザ光源としては例えば、波長が1070〜1080[nm]のファイバーレーザを用いることができる。これ以外の、他の波長のレーザ光を使用してもよい。不図示のレーザ発振器からレーザ光を発生させ、レーザ光強度分布変換光学系を経由し、ビームスキャナー及び集光レンズにより集光し、上記の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ枠体表面にレーザ光3を照射する。ビームスキャナーではなく、ファイバーレーザを接続した光強度分布変換光学系を内蔵した集光光学系をロボットに取り付けて駆動し、枠体表面にレーザ光を照射しても良い。
In the embodiment, the
レーザ光3の照射点では、温度の上昇に伴って表面の亜鉛が溶融・蒸発し、次いで基材である鋼板が溶融し蒸発する。レーザ光3の照射点の中心付近の光強度の強い部分では、金属が蒸発し、蒸発の反力で溶融池が凹形状になって、キーホール4と呼ばれる孔が形成され、その周囲に溶融池5が広がる。レーザ光の照射に伴って、キーホール4が次第に深くなり前側の亜鉛メッキ鋼板を貫通し、重ね合わせ部の亜鉛も溶融・蒸発する。本実施形態では、2枚の亜鉛メッキ鋼板の間に、シム7などを用いて隙間8を設けることで、亜鉛蒸気をこの隙間8から逃がし、溶融した鋼板が吹き飛ばされてスパッタが発生することが無いようにしている。このようにして、キーホール4は前側鋼板1を貫通し、後側鋼板2に至る。この際には、前側鋼板1と後側鋼板2の間にも溶融池5が形成され、2枚の鋼板は溶接される。
At the irradiation point of the
また、本実施形態のレーザ光3には、レーザ光強度分布変換光学系によって中心付近の高強度レーザ光とその周辺の低強度レーザ光に光強度分布が形成されており、キーホール4周辺の前側鋼板1表面に広い面積の溶融池6が形成されている。線状の溶接ビードを形成して溶接強度を高めるために、レーザ光3は鋼板の表面をレーザ走査方向9に沿って線状の軌跡を描いて走査され、前側鋼板1と後側鋼板2には線状の溶接ビード11が形成され溶接される。すなわち、高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に移動させながら鋼板に照射し、線状の溶接ビードを形成する。
In the
図1に示す本実施形態では、キーホール4、および溶融池5を形成する中心のレーザ光3の照射径の2倍以上の広いエリアに、中心より低いパワー密度のレーザ光を照射しながらレーザ溶接を行う。本実施形態では、キーホール4の周辺部の前側鋼板1の表面を広く加熱して周辺部にも溶融池を形成し、溶融池がキーホールの開口を狭めようとする圧力を低減させることにより、キーホールの開口径を大きくする。大きな開口径が確保できるため、金属蒸気流10の吹き出す圧力を低下させることができ、キーホール4の周辺部の溶融金属が蒸気流に巻き込まれて飛散することを抑制することができる。また、溶融池内においては、キーホール底面近傍の深い部分と表面近傍の浅い部分の温度差を小さくすることができ、対流が抑制されるため、それによってもスパッタを大幅に低減させることができる。
In the present embodiment shown in FIG. 1, a laser beam having a lower power density than the center is irradiated onto a large area which is twice or more the irradiation diameter of the
具体的には、前側鋼板1と後側鋼板2を接合する溶融部の幅をCとし、前側鋼板1の表面における溶融部の幅をDとしたとき、D>2Cとなるような条件でレーザ光3を照射する。
低いパワー密度のレーザ光で高いパワー密度のレーザ光の周囲を囲みながら走査して照射する本実施形態によれは、前側鋼板1の被加熱部位は、レーザのパワー密度が徐々に高くなるようにレーザ光が照射されることになる。キーホールよりもレーザ走査方向9の前方に位置する部位は、予め低いパワー密度のレーザ光で予熱されるため、高いパワー密度のレーザ光のみを走査する場合と比較して、キーホールの前方に大きな溶融池が安定して生成される。後に実施例と比較例を示すが、高いパワー密度のレーザ光のみを走査して照射する場合に比べ、本実施形態はスパッタの発生を低減できる。高いパワー密度のレーザ光により急激に加熱されて小さな溶融池とキーホールが急激に成長する場合と比較すれば、本実施形態ではキーホール前方の溶融池が安定するため、追随するキーホールと干渉して蒸気流に巻き込まれるのが抑制されるからである。
Specifically, assuming that the width of a fusion zone that joins the
According to the present embodiment in which a laser beam having a low power density is scanned and irradiated while encircling a laser beam having a high power density, a heated portion of the
本実施形態のレーザ溶接を行って溶接した亜鉛めっき鋼板について、図を参照しながら説明する。図2(a)は、レーザ光の走査方向に沿って溶接後の溶接鋼板を切断した断面図で、図2(b)は、レーザ光の走査方向と直交する方向に沿って溶接後の溶接鋼板を切った断面図である。 A galvanized steel sheet welded by performing laser welding according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 2A is a cross-sectional view of a welded steel plate after welding along a scanning direction of laser light, and FIG. 2B is a welding view after welding along a direction orthogonal to the scanning direction of laser light. It is sectional drawing which cut the steel plate.
図2(b)のAは、レーザ走査方向に対し直角方向に溶接部を切断した時の接合部の溶接ビードの幅である。図2(a)のB1は、レーザ走査の終了点、すなわちライン状溶接ビードの一端においてレーザ走査方向に沿って溶接部を切断した時の、接合部よりも外側に延在する溶接ビード部分の幅である。図2(a)のB2は、レーザ走査の開始点、すなわちライン状溶接ビードの他の一端においてレーザ走査方向に沿って溶接部を切断した時の、接合部よりも外側に延在する溶接ビード部分の幅である。 A in FIG. 2B is the width of the weld bead at the joint when the weld is cut in a direction perpendicular to the laser scanning direction. B1 in FIG. 2A is the end point of the laser scanning, that is, the weld bead portion extending outside the joint when the weld is cut along one end of the linear weld bead along the laser scanning direction. Width. B2 in FIG. 2A is a starting point of laser scanning, that is, a weld bead extending outside the joint when the weld is cut along the laser scanning direction at the other end of the linear weld bead. The width of the part.
本実施形態では、中心より低いパワー密度のレーザ光で中心の高いパワー密度のレーザ光を囲みながらラインに沿って走査して溶接したため、溶接ビードの幅B1および幅B2がともに幅Aよりも大きいという特徴を有する。すなわち、B1>A、かつB2>Aであり、スパッタの付着が少ないという特徴を有する。
以下に、本実施形態の具体的な実施例と、比較例を、図を参照しながら説明する。
In the present embodiment, since welding is performed by scanning along the line while encircling the laser beam having a high power density at the center with the laser beam having a lower power density than the center, the width B1 and the width B2 of the welding bead are both larger than the width A. It has the feature of. That is, B1> A and B2> A, and there is a feature that spatter adheres little.
Hereinafter, specific examples of the present embodiment and comparative examples will be described with reference to the drawings.
[実施例1]
本実施例の深溶込み型レーザ溶接では、板厚1[mm]の亜鉛めっき鋼板を0.3[mm]厚のシムを挟んでギャップを管理して2枚重ね合わせ、波長が1070[nm]のファイバーレーザを用いた。また、溶融金属の酸化を防止するために、シールドガスとして窒素を用いる。なお、シールドガスとしては、窒素に限定されるものでなく、Ar(アルゴン)、He(ヘリウム)などの不活性ガス、またはこれら混合ガスを使用してもよい。
[Example 1]
In the deep penetration type laser welding of the present embodiment, two galvanized steel sheets having a thickness of 1 [mm] are superposed with a shim having a thickness of 0.3 [mm] therebetween to control the gap, and the wavelength is 1070 [nm]. ] Was used. Nitrogen is used as a shielding gas to prevent oxidation of the molten metal. The shielding gas is not limited to nitrogen, and may be an inert gas such as Ar (argon) or He (helium), or a mixed gas thereof.
溶接条件として、レーザ発振器のレーザ出力を3000[W]、ビーム径をφ0.5[mm]とし、ビームプロファイル変換光学系によって、周辺部のエネルギー密度を中央部よりも小さくする。具体的には、ビームスポット径0.2[mm]以内のパワー密度(単位面積当たりのレーザ出力)を2.0×106[W/cm2]とし、それより外周部のパワー密度を7.0×105[W/cm2]とする。溶接速度すなわちレーザ光の走査速度を5[m/min]、溶接ビード長さを6[mm]とし、シールドガスの流量は、5.0[l/min]〜30.0[l/min]の範囲で適宜設定することができる。 The welding conditions are as follows: the laser output of the laser oscillator is 3000 [W], the beam diameter is 0.5 [mm], and the energy density at the peripheral portion is made smaller than that at the central portion by a beam profile conversion optical system. Specifically, the power density (laser output per unit area) within the beam spot diameter of 0.2 [mm] is set to 2.0 × 10 6 [W / cm 2 ], and the power density at the outer peripheral portion is set to 7 × 10 6 [W / cm 2 ]. 0.0 × 10 5 [W / cm 2 ]. The welding speed, that is, the scanning speed of the laser beam is 5 [m / min], the length of the welding bead is 6 [mm], and the flow rate of the shielding gas is 5.0 [l / min] to 30.0 [l / min]. Can be set as appropriate within the range.
上記条件で、重ね合わせた鋼板にレーザビームを照射し、接合体を得た。この接合体の溶接前後の質量変化からスパッタ量の測定を行った結果、実施例におけるスパッタ量は約1.8[mg]であった。次に、得られた2つの鋼板からなる接合体について、溶接強度を評価するために引張せん断試験を実施した。引張せん断試験において、接合体の引張せん断強度は約309[kgf]であった。 Under the above conditions, the superposed steel sheets were irradiated with a laser beam to obtain a joined body. As a result of measuring the amount of spatter from the change in mass before and after welding of the joined body, the amount of spatter in the example was about 1.8 [mg]. Next, a tensile shear test was performed on the joined body composed of the two obtained steel sheets in order to evaluate welding strength. In the tensile shear test, the tensile shear strength of the joined body was about 309 [kgf].
上記の溶接条件で実施した溶接ビード形状は、図2(b)におけるAが約1.2[mm]、図2(a)におけるB1が約1.5[mm]、B2が約1.4[mm]である。B1、B2は、いずれもA以上である。 The welding bead shapes performed under the above welding conditions are as follows: A in FIG. 2B is about 1.2 [mm], B1 in FIG. 2A is about 1.5 [mm], and B2 is about 1.4 [mm]. [Mm]. B1 and B2 are both A or more.
[実施例2]
実施例2では、ビームスポット径0.2[mm]以内のパワー密度を1.7×106[W/cm2]、それより外周部のパワー密度を8.0×105[W/cm2]とした以外は、実施例1と同様の条件で2枚の鋼板を接合した。このようにして形成された接合体についても、実施例1と同様にスパッタ量測定と引張せん断試験を実施した。スパッタ量は約1.9[mg]、引張せん断強度は約318[kgf]であった。
[Example 2]
In Example 2, the power density within a beam spot diameter of 0.2 [mm] was 1.7 × 10 6 [W / cm 2 ], and the power density at the outer peripheral portion was 8.0 × 10 5 [W / cm]. 2 ], except that two steel plates were joined under the same conditions as in Example 1. The bonded body thus formed was subjected to the measurement of the spatter amount and the tensile shear test in the same manner as in Example 1. The amount of spatter was about 1.9 [mg], and the tensile shear strength was about 318 [kgf].
上記の溶接条件による実施例2の溶接ビード形状は、図2(b)におけるAが約1.2[mm]、図2(a)におけるB1が約1.6[mm]、B2が約1.4[mm]である。B1、B2は、いずれもA以上である。 The weld bead shape of Example 2 under the above welding conditions is such that A in FIG. 2B is about 1.2 [mm], B1 in FIG. 2A is about 1.6 [mm], and B2 is about 1 [mm]. .4 [mm]. B1 and B2 are both A or more.
[実施例3]
実施例3では、ビーム径をφ2.0[mm]とし、ビームスポット径0.2[mm]以内のパワー密度を1.7×106[W/cm2]、それより外周部のパワー密度を2.0×105[W/cm2]とした。それ以外の点は、実施例1と同様の条件で2枚の鋼板を接合した。このようにして形成された接合体についても、実施例1と同様にスパッタ量測定と引張せん断試験を実施した。スパッタ量は約2.1[mg]、引張せん断強度は約304[kgf]であった。
[Example 3]
In the third embodiment, the beam diameter is φ2.0 [mm], the power density within the beam spot diameter 0.2 [mm] is 1.7 × 10 6 [W / cm 2 ], and the power density in the outer peripheral portion is 1.7 × 10 6 [W / cm 2 ]. Was set to 2.0 × 10 5 [W / cm 2 ]. Otherwise, the two steel plates were joined under the same conditions as in Example 1. The bonded body thus formed was subjected to the measurement of the spatter amount and the tensile shear test in the same manner as in Example 1. The sputter amount was about 2.1 [mg] and the tensile shear strength was about 304 [kgf].
上記の溶接条件による実施例3の溶接ビード形状は、図2(b)におけるAが約1.1[mm]、図2(a)におけるB1が約2.4[mm]、B2が約2.3[mm]である。B1、B2は、いずれもA以上である。 Under the above welding conditions, the weld bead shape of Example 3 is such that A in FIG. 2B is about 1.1 [mm], B1 in FIG. 2A is about 2.4 [mm], and B2 is about 2 [mm]. 0.3 [mm]. B1 and B2 are both A or more.
[比較例1]
比較例1では、ビームスポット径0.2[mm]以内のレーザ光のパワー密度を2.0×106[W/cm2]に均一にして照射し、その外周部にはパワー密度の小さなレーザ光を照射しない。レーザ光の照射条件以外は、実施例1と同様の条件で2枚の鋼板を接合した。このようにして形成された接合体についても、実施例と同様にスパッタ量測定と引張せん断試験を実施した。スパッタ量は約8.4[mg]、接合体の引張せん断強度は約306[kgf]であった。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, the power density of the laser beam within the beam spot diameter of 0.2 [mm] was uniformly applied to 2.0 × 10 6 [W / cm 2 ], and the outer periphery was irradiated with a small power density. Do not irradiate laser light. The two steel plates were joined under the same conditions as in Example 1 except for the laser light irradiation conditions. The bonded body thus formed was subjected to the measurement of the spatter amount and the tensile shear test in the same manner as in the example. The sputter amount was about 8.4 [mg], and the tensile shear strength of the joined body was about 306 [kgf].
上記の溶接条件で作成した比較例1の溶接ビード形状は、図2(b)におけるAが約1.1[mm]、図2(a)におけるB1が約0.9[mm]、B2が約0.9[mm]である。B1、B2は、いずれもAよりも小さい。 In the weld bead shape of Comparative Example 1 created under the above welding conditions, A in FIG. 2B is about 1.1 [mm], B1 in FIG. 2A is about 0.9 [mm], and B2 is B in FIG. It is about 0.9 [mm]. B1 and B2 are both smaller than A.
比較例1のレーザ溶接では、図3(b)に示すように、走査方向と直交する方向の断面で見たとき、キーホール4および周囲に溶融池5が形成され、レーザ光3照射点近傍のプラズマに加熱されて表面の溶け込み幅がやや広くなる。しかし、接合部(貫通部)に対する表面の溶け込み幅の広がりは、実施例に比較すると小さい。
In the laser welding of Comparative Example 1, as shown in FIG. 3B, when viewed in a cross section in a direction perpendicular to the scanning direction, a
また、図3(a)に示すように、走査方向に沿った方向の断面で見たとき、レーザ光3の走査方向においてキーホールの前方の溶融部の幅が狭くなっている。また、キーホールの後方の溶融部の幅は、図3(b)と同様の広がりであり、実施例に比較すると小さい。
Further, as shown in FIG. 3A, when viewed in a cross section in a direction along the scanning direction, the width of the fusion portion in front of the keyhole in the scanning direction of the
比較例1では、レーザ溶接中にレーザ光3はキーホール4先端部に主に照射され、入熱が生じるため、キーホール4の先端付近の温度が高い。また、溶融池では、溶融金属が蒸発ガスの反力に押されて高温部から照射面に向かう対流が生じる。この結果、溶融金属の流れに乱れが生じ、溶融池表面では波立ちなども観察される。この時、一部の溶融金属がキーホール4から高速で吹き出す高速の金属蒸気流10に巻き込まれ、スパッタが発生する。また、レーザ光3を走査する際に、走査方向に存在する溶融金属は一部が逃げ道を失って、キーホール4から吹き出す高速の金属蒸気流10に巻き込まれて、スパッタが発生する。そして、形成された溶接ビードの幅B1と幅B2は、いずれも幅Aよりも小さくなる。
In Comparative Example 1, the
[実施例と比較例のまとめ]
図4に、実施例1、2、3と比較例1の、レーザ光照射条件、スパッタ量、および接合強度を、表にまとめて示す。実施例1、2、3は、いずれも比較例1よりスパッタ発生量が少なく、同等以上の接合強度を実現していることがわかる。
[Summary of Examples and Comparative Examples]
FIG. 4 shows the laser beam irradiation conditions, the amount of sputtering, and the bonding strength of Examples 1, 2, and 3 and Comparative Example 1 in a table. It can be seen that Examples 1, 2, and 3 all generate less spatter than Comparative Example 1 and realize the same or higher bonding strength.
以上のように、本発明によれば、中心のパワー密度が高いレーザにより深い溶け込みを形成して良好な接合強度を確保しつつ、その周辺をキーホールが生成されないようなパワー密度が低いレーザ光で加熱する。これにより、温度分布を低減して溶融池の対流の乱れを抑制し、溶融金属がキーホールから噴出する高速蒸気に巻き込まれて生じるスパッタを低減することができる。 As described above, according to the present invention, a laser beam having a low power density such that a keyhole is not generated around the periphery while forming a deep melt with a laser having a high power density at the center to secure good bonding strength. Heat with. Thereby, the temperature distribution is reduced, the turbulence of the convection of the molten pool is suppressed, and the spatter generated when the molten metal is caught in the high-speed steam ejected from the keyhole can be reduced.
[他の実施形態]
本発明の実施形態は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形や組み合わせが可能である。
例えば溶接する対象は亜鉛メッキ鋼板に限られるわけではなく、その他の金属や金属と樹脂の重ね合わせ溶接にも適用可能である。また、重ね合わせ溶接だけではなく、突き当て溶接にも適用可能である。
[Other embodiments]
Embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations are possible within the technical idea of the present invention.
For example, an object to be welded is not limited to a galvanized steel sheet, but can be applied to other metals or overlap welding of a metal and a resin. Further, the present invention is applicable not only to lap welding but also to butt welding.
1・・・前側鋼板/2・・・後側鋼板/3・・・レーザ光/4・・・キーホール/5・・・溶融池/6・・・溶融池/7・・・シム/8・・・隙間/9・・・レーザ走査方向/10・・・金属蒸気流/11・・・冷却して固化した溶接ビード/A・・・レーザ走査方向に対し直角方向に切ってみた時の接合部の溶接ビードの幅/B1・・・レーザ走査の終了点においてレーザ走査方向に沿って切ってみた時の、接合部よりも外側に延在する溶接ビード部分の幅/B2・・・レーザ照射の開始点においてレーザ走査方向に沿って切ってみた時の、接合部よりも外側に延在する溶接ビード部分の幅
1 front steel plate / 2 back steel plate / 3 laser beam / 4 keyhole / 5 molten pool / 6 molten pool / 7 shim / 8 ... Gap / 9 ... Laser scanning direction / 10 ... Metal vapor flow / 11 ... Cooled and welded bead / A ... When cut in a direction perpendicular to the laser scanning direction Width of weld bead at joint / B1... Width of weld bead portion extending outside the joint when cut along the laser scanning direction at the end point of laser scanning / B2. The width of the weld bead that extends outside the joint when cut along the laser scanning direction at the start of irradiation
Claims (4)
高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に移動させながら前記第1の鋼板に照射し、
前記高エネルギービームの照射部を溶融させてキーホールを形成し、前記キーホールを照射する前記高エネルギービームが前記第1の鋼板を貫通して前記第2の鋼板を照射し、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板を溶接するが、
前記走査方向と直交する方向の溶接部の断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶融部の幅をCとし、前記第1の鋼板の表面における溶融部の幅をDとしたとき、
D>2Cである、
ことを特徴とする溶接方法。 Stack the first steel sheet and the second steel sheet,
Irradiating the first steel plate while moving a beam surrounded by low energy around the high energy beam in the scanning direction,
Melting the irradiation part of the high energy beam to form a keyhole, the high energy beam irradiating the keyhole penetrates the first steel plate and irradiates the second steel plate; Welding the steel sheet and the second steel sheet,
In the cross section of the welded portion in a direction perpendicular to the scanning direction, the width of the fusion zone at the joint between the first steel plate and the second steel plate is C, and the width of the fusion zone at the surface of the first steel plate is C D
D> 2C,
A welding method characterized in that:
高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に走査しながら前記第1の鋼板に照射し、
前記高エネルギービームの照射部を溶融させてキーホールを形成し、前記キーホールを照射する前記高エネルギービームが前記第1の鋼板を貫通して前記第2の鋼板を照射し、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板を溶接するが、
溶接部を前記走査方向と直交する方向で切った断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶接ビードの幅をAとし、
前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を終了した終了点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB1とし、
前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を開始した開始点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB2としたとき、
B1>A、かつB2>Aである、
ことを特徴とする溶接方法。 Stack the first steel sheet and the second steel sheet,
Irradiating the first steel sheet while scanning in the scanning direction a beam surrounding the high energy beam with low energy,
Melting the irradiation part of the high energy beam to form a keyhole, the high energy beam irradiating the keyhole penetrates the first steel plate and irradiates the second steel plate; Welding the steel sheet and the second steel sheet,
In a cross section of the welded portion cut in a direction orthogonal to the scanning direction, a width of a weld bead at a joint between the first steel plate and the second steel plate is A,
In a cross section obtained by cutting the welded portion along the scanning direction, at an end point where the scanning of the beam is completed, the width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate beyond the joint portion is set to B1. age,
In a cross section obtained by cutting the welded portion along the scanning direction, at a start point where the beam scanning is started, a width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate beyond the joint portion is set to B2. And when
B1> A and B2> A,
A welding method characterized in that:
溶接部を前記ラインと直交する方向で切った断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶接ビードの幅をAとし、
前記溶接部を前記ラインに沿って切った断面において、前記ラインの一端において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB1とし、
前記溶接部を前記ラインに沿って切った断面において、前記ラインの他の一端において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB2としたとき、
B1>A、かつB2>Aである、
ことを特徴とする溶接鋼板。 A welded steel plate obtained by welding a first steel plate and a second steel plate along a line,
In a cross section obtained by cutting a welded portion in a direction perpendicular to the line, a width of a weld bead at a joint between the first steel plate and the second steel plate is A,
In a cross section obtained by cutting the welded portion along the line, at one end of the line, a width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate from the joint portion is B1,
In a cross section obtained by cutting the welded portion along the line, at the other end of the line, when the width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate from the joint is B2,
B1> A and B2> A,
A welded steel sheet, characterized in that:
高エネルギービームの周囲を低エネルギーで囲んだビームを走査方向に走査しながら前記第1の鋼板に照射し、
前記高エネルギービームの照射部を溶融させてキーホールを形成し、前記キーホールを照射する前記高エネルギービームが前記第1の鋼板を貫通して前記第2の鋼板を照射し、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板を溶接するが、
溶接部を前記走査方向と直交する方向で切った断面において、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板の接合部における溶接ビードの幅をAとし、
前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を終了する終了点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB1とし、
前記溶接部を前記走査方向に沿って切った断面において、前記ビームの走査を開始する開始点において、前記接合部よりも前記第1の鋼板の表面において外側に延在する溶接ビードの幅をB2としたとき、
B1>A、かつB2>Aであるように前記ビームを照射する、
ことを特徴とする溶接装置。 A welding device for overlapping and welding a first steel plate and a second steel plate,
Irradiating the first steel sheet while scanning in the scanning direction a beam surrounding the high energy beam with low energy,
Melting the irradiation part of the high energy beam to form a keyhole, the high energy beam irradiating the keyhole penetrates the first steel plate and irradiates the second steel plate; Welding the steel sheet and the second steel sheet,
In a cross section of the welded portion cut in a direction orthogonal to the scanning direction, a width of a weld bead at a joint between the first steel plate and the second steel plate is A,
In a cross section obtained by cutting the welded portion along the scanning direction, at an end point at which scanning of the beam is completed, the width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate beyond the joint portion is set to B1. age,
In a cross section obtained by cutting the welded portion along the scanning direction, at a start point where scanning of the beam is started, a width of a weld bead extending outward on the surface of the first steel plate from the joint portion is set to B2. And when
Irradiating the beam such that B1> A and B2> A,
Welding equipment characterized by the above-mentioned.
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