JPH07251281A - Method for joining aluminum alloy - Google Patents
Method for joining aluminum alloyInfo
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- JPH07251281A JPH07251281A JP6043452A JP4345294A JPH07251281A JP H07251281 A JPH07251281 A JP H07251281A JP 6043452 A JP6043452 A JP 6043452A JP 4345294 A JP4345294 A JP 4345294A JP H07251281 A JPH07251281 A JP H07251281A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はアルミハニカム等の構造
材、自動車部品及び缶製品などの製造に用いるアルミニ
ウム合金の接合方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for joining aluminum alloys used for manufacturing structural materials such as aluminum honeycomb, automobile parts and can products.
【０００２】[0002]
【従来の技術】アルミは一般的に金属のレーザ加工で用
いられるＹＡＧ，ＣＯ2 レーザの波長域では反射率が高
く、また、熱伝導率が高いため、レーザによる効率のよ
い入熱は困難である。そこで従来、アルミのレーザ溶接
では大出力の連続波（ＣＷ）のＹＡＧ，ＣＯ2 レーザを
用い、かつ焦点距離の短いレンズ等でレーザ光を微小ス
ポットに集光し、平均的なパワー密度を大きくすること
で対応していた。しかし、これらの方法は大型のレーザ
装置が必要となり、設備的にコストが高いし、過大な入
熱のため特に薄板の場合、溶接点近傍や裏面に不必要な
変形などの熱影響が発生する問題があった。2. Description of the Related Art Aluminum has a high reflectance and a high thermal conductivity in the wavelength range of a YAG or CO 2 laser, which is generally used for laser processing of metals, so that efficient heat input by the laser is difficult. is there. Therefore, conventionally, in laser welding of aluminum, a high output continuous wave (CW) YAG, CO 2 laser is used, and the laser light is focused on a minute spot by a lens having a short focal length to increase the average power density. I was responding by doing. However, these methods require a large laser device, are expensive in terms of equipment, and have excessive heat input, especially in the case of a thin plate, which causes thermal effects such as unnecessary deformation near the welding point and the back surface. There was a problem.
【０００３】また、特開平５−２２８６６１号公報や特
開平５−２２８６６２号公報のように溶接部の凝固割れ
や凹みを防止するために、溶接すべきアルミニウム材と
して溶加材が予め被覆されたものを用いてレーザ溶接を
行う方法か、溶加材を複合押出により表面に複合一体化
した複合材を製作した後、この複合押出材に熱間圧延を
施して、これを溶加材層を表面に有する板材に形成した
ものを用意し、この溶加材複合アルミニウム板を用い
て、レーザ溶接を行う方法が提案されている。更には、
特開平４−２１４８９８号公報はアルミ材のめっき後の
処理の際、被処理材を支持台に取り付けて、処理液に浸
される。この時、被処理材を支持台にレーザ溶接で取付
け、またレーザ切断で切り離す。この時使用するレーザ
装置としてＣＯ2 レーザ、平均出力１６００Ｗ、パルス
ピーク出力３０００Ｗ、周波数１０〜３０００Ｈｚ、ま
た、ＹＡＧレーザ、平均出力４００×３台、パルスピー
ク出力５０００Ｗ×３台の仕様が開示されている。Further, in order to prevent solidification cracking and dents in the welded portion, as in JP-A-5-228661 and JP-A-5-228662, a filler material is previously coated as an aluminum material to be welded. Laser welding method using a material, or after producing a composite material in which the filler material is composite-integrated on the surface by composite extrusion, the composite extrusion material is hot-rolled to form a filler material layer. A method has been proposed in which a plate material formed on the surface is prepared and laser welding is performed using this filler material composite aluminum plate. Furthermore,
In JP-A-4-214898, the material to be treated is mounted on a support and immersed in the treatment liquid during the treatment after plating the aluminum material. At this time, the material to be processed is attached to the support base by laser welding and separated by laser cutting. As the laser device used at this time, the specifications of CO 2 laser, average output 1600 W, pulse peak output 3000 W, frequency 10 to 3000 Hz, YAG laser, average output 400 × 3 units, pulse peak output 5000 W × 3 units are disclosed. There is.
【０００４】特開昭５９−３０４９２号公報にはアルミ
合金の溶接性向上のため、アルミニウムとアルミニウム
合金或いはアルミニウム合金同志を溶接する場合に両溶
接母材と成分の異なるアルミニウム合金よりなるフィラ
ーメタルを両溶接母材間に介在させて、ＹＡＧレーザに
より両溶接母材を溶接する方法や特開平４−３３９５８
４号公報は被溶接部に間隙を設け、レーザ光を特定の角
度で入射し、間隙内でのレーザ光の多重反射で接合面を
加熱する金属筒体の製造方法や特開平２−１４２６８６
号公報は狭開先レーザ溶接と超音波シーム溶接の組合せ
によるアルミニウム合金製溶接缶胴体の製造方法が提案
されている。Japanese Patent Laid-Open No. 59-30492 discloses a filler metal made of aluminum alloy having a different composition from both welding base materials when welding aluminum and aluminum alloy or aluminum alloys in order to improve weldability of aluminum alloy. A method of welding both welding base materials with a YAG laser intervening between the two welding base materials and JP-A-4-33958.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-142686 discloses a method of manufacturing a metal cylinder in which a gap is provided in a welded portion, laser light is incident at a specific angle, and a joint surface is heated by multiple reflection of laser light in the gap.
In the publication, a method for manufacturing an aluminum alloy welded can body by a combination of narrow groove laser welding and ultrasonic seam welding is proposed.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述した特開平５−２
２８６６１号公報や特開平５−２２８６６２号公報にあ
っては、特にレーザ出力特性については記載がなく、ま
た、溶加材を被覆しなければならないので汎用性に劣る
と言う問題がある。また、特開平４−２１４８９８号公
報はレーザのピーク出力と平均出力密度（Ｗ／ｃｍ2 ）
の兼ね合いについては特に示されていないし、また、狭
開先溶接でない。特開昭５９−３０４９２号公報は特開
平５−２２８６６１号公報や特開平５−２２８６６２号
公報と同様、特にレーザ出力特性については何ら記載が
なく、また、溶加材を被覆しなければならないので汎用
性に劣ると言う問題がある。更に、特開平４−３３９５
８４号公報は多重反射を利用する観点からは狭開先溶接
法の基本特許と同じで、そのバリエーションの一つであ
るが、しかし、レーザについてはＹＡＧ，ＣＯ2 が好ま
しいとあるだけで出力性能には何ら限定がないし、材料
の限定もない。また、特開平２−１４２６８６号公報は
レーザについてのＹＡＧ或いはＣＯ2 の限定がなく、実
施例ではＣＷ，ＹＡＧ６００Ｗを使用しているのが実状
である。DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
In Japanese Patent No. 28661 and Japanese Patent Laid-Open No. 228662/1993, there is no description about the laser output characteristics, and there is a problem that the versatility is poor because the filler material must be coated. Further, JP-A-4-214898 discloses a laser peak output and average output density (W / cm 2 ).
The trade-off is not shown, and it is not narrow groove welding. As in JP-A-5-228661 and JP-A-5-228662, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-30492 does not describe any laser output characteristics in particular, and since the filler material must be coated. There is a problem that it is inferior in versatility. Furthermore, JP-A-4-3395
No. 84 is the same as the basic patent of the narrow groove welding method from the viewpoint of utilizing the multiple reflection, and it is one of its variations, but the output performance is only because YAG and CO 2 are preferable for the laser. There is no limitation on the material, and there is no limitation on the material. Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 2-142686, there is no limitation on YAG or CO 2 for a laser, and in the embodiment, CW, YAG600W is actually used.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明はこれらの問題を
解消し、パルスＣＯ2 レーザを用いて、時間的にも高密
度なレーザ光を入射することで、アルミ材料を瞬間的に
溶融状態にすることが可能であることの知見のもとに、
狭開先レーザ溶接により、パルスピーク出力密度と平均
出力密度をパラメータにした溶接可能最適領域を見出
し、低平均出力のレーザ装置で溶接を可能としたもので
ある。その発明の要旨とするところは、アルミの狭開先
レーザ溶接による接合方法において、パルスＣＯ2 レー
ザを用い、狭開先密着部におけるレーザ光のパルスピー
ク出力密度をＰｐ（ＭＷ／ｃｍ2 ）とし、平均出力密度
をＰａ（ＭＷ／ｃｍ2 ）とするとき、Ｐｐが７０×ｅｘ
ｐ（−２０×Ｐａ）以上であり、かつ１８０００×ｅｘ
ｐ（−１６×Ｐａ）以下なる領域を満足する条件で溶接
することを特徴とするアルミニウム合金の接合方法にあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves these problems, and a pulsed CO 2 laser is used to inject a laser beam having a high density with respect to time, whereby an aluminum material is instantaneously melted. Based on the knowledge that it is possible to
The narrow groove laser welding finds the optimum weldable region with the pulse peak power density and average power density as parameters, and enables welding with a laser device of low average power. The gist of the invention is to use a pulsed CO 2 laser in a joining method by aluminum narrow groove laser welding, and set the pulse peak power density of the laser light in the narrow groove close contact portion to Pp (MW / cm 2 ). , Pp is 70 × ex when the average power density is Pa (MW / cm 2 ).
p (−20 × Pa) or more and 18,000 × ex
A welding method for an aluminum alloy is characterized in that welding is performed under conditions satisfying a region of p (-16 x Pa) or less.
【０００７】[0007]
【作用】以下本発明について図面に従って詳細に説明す
る。図１は本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶
接の斜視図である。図１に示すように、二枚の溶接材料
であるアルミニウム合金板１を押さえロール２によって
押さえながら連続的に狭開先密着部３にパルスＣＯ2 レ
ーザを用いてレーザ光をレンズ４によって光を調整しな
がらレーザ溶接を行っている状態を示している。なお、
符号５は二枚に溶接材料であるアルミニウム合金板１の
レーザ溶接された溶接部である。このように狭開先によ
るレーザ溶接を対象としている。ここで狭開先溶接とは
図１にも示しているように、物体の接合面の少なくとも
一方を曲げて溶接部へ導入して、この溶接部で他方の接
合面へ密着し、そして溶接部の前方では楔状空隙を作る
ようにしたものを言う。この状態でレーザビームを楔状
空隙の開放面側より奥部へ向けて投射してアルミニウム
合金板の接合面の両面を加熱、溶着させるものである。The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of laser welding with a narrow groove of aluminum according to the present invention. As shown in FIG. 1, while pressing two aluminum alloy plates 1 which are welding materials with a pressing roll 2, a pulsed CO 2 laser is continuously applied to a narrow groove contact portion 3 to emit a laser beam through a lens 4. It shows a state where laser welding is being performed while adjusting. In addition,
Reference numeral 5 is a laser welded portion of the aluminum alloy plate 1 which is a welding material. In this way, laser welding with a narrow groove is targeted. Here, the narrow groove welding is, as shown in FIG. 1, bending at least one of the joint surfaces of the object and introducing it into the welded portion so that the welded portion adheres to the other joint surface, and the welded portion In front of, it is said that a wedge-shaped void is created. In this state, the laser beam is projected from the open surface side of the wedge-shaped void toward the inner part to heat and weld both surfaces of the joining surface of the aluminum alloy plate.
【０００８】図２はパルスピーク出力密度に係る時間と
出力との関係を示す図である。図２に示すように、狭開
先レーザ溶接を適用した場合にパルスピーク出力密度と
平均出力密度が時間ｔと共にｔ1 時間の周期で生じてい
ることが判る。すなわち、パルスピーク出力６のパルス
エネルギー（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）をＥとし、パルス時間幅
ｔ2 とすると、Ｅ／ｔ2 ［Ｗ］、パルス繰返し周期数
［ＨZ ］＝１／ｔ1 ［１／ｓｅｃ］、また、平均出力は
パルスエネルギー（Ｅ）×繰返し周期数（１／ｔ1 ）＝
Ｅ／ｔ1 ［Ｗ］で表すことが出来る。そこでビーム断面
積をＳとすると、次の式で表すことが出来る。 パルスピーク出力密度Ｐｐ＝（Ｅ／ｔ2 ）／Ｓ［Ｗ／ｃｍ2 ］ … （１） 平均出力密度Ｐａ＝（Ｅ／ｔ1 ）／Ｓ［Ｗ／ｃｍ2 ］ … （２） なお、ここで各出力密度は狭開先を作らずにレンズから
の距離だけで決まるレーザビーム断面積［ｃｍ2 ］に含
まれるパワー密度である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between time and output related to the pulse peak power density. As shown in FIG. 2, when the narrow groove laser welding is applied, it is understood that the pulse peak power density and the average power density occur with the time t in the cycle of t 1 hour. That is, assuming that the pulse energy (J / pulse) of the pulse peak output 6 is E and the pulse time width is t 2 , E / t 2 [W] and the pulse repetition period number [H Z ] = 1 / t 1 [1 / sec], and the average output is pulse energy (E) × repetition period number (1 / t 1 ) =
It can be represented by E / t 1 [W]. Therefore, when the beam cross-sectional area is S, it can be expressed by the following equation. Pulse peak power density Pp = (E / t 2 ) / S [W / cm 2 ] ... (1) Average power density Pa = (E / t 1 ) / S [W / cm 2 ] ... (2) Here Then, each output density is a power density included in the laser beam cross-sectional area [cm 2 ] which is determined only by the distance from the lens without forming a narrow groove.
【０００９】図３は本発明に係る平均出力密度Ｐａとピ
ーク出力密度Ｐｐとの関係を示す図である。図３に示す
ように、アルミニウム合金材料に狭開先レーザ溶接法を
適用した場合、パルスピーク出力密度Ｐｐと平均出力密
度Ｐａをパラメータにした溶接可能領域、すなわち、７
０×ｅｘｐ（−２０×Ｐａ）≦Ｐｐ≦１８０００×ｅｘ
ｐ（−１６×Ｐａ）の領域である図３に示す斜線部
（Ｂ）であることが判明した。すなわち、領域（Ａ）で
は入熱不足により溶融現象が起こらない。また、領域
（Ｃ）では過大な入熱のため溶融を通り越し、蒸発に至
るため溶接欠陥が発生し、良好な溶接が出来ない。更に
は、この領域では大型のレーザ装置が必要となり経済性
が悪化する。そこで狭開先レーザ溶接を適用した場合、
パルスピーク出力密度と平均出力密度が上記式を満足す
る領域に該当する値にする必要がある。それ未満である
と溶接が不可能であることを示している。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the average power density Pa and the peak power density Pp according to the present invention. As shown in FIG. 3, when the narrow groove laser welding method is applied to an aluminum alloy material, a weldable region in which the pulse peak power density Pp and the average power density Pa are parameters, that is, 7
0 × exp (−20 × Pa) ≦ Pp ≦ 18000 × ex
It was found to be the hatched portion (B) shown in FIG. 3, which is a region of p (−16 × Pa). That is, the melting phenomenon does not occur in the area (A) due to insufficient heat input. Further, in the region (C), due to excessive heat input, the material passes through the melting and vaporizes, resulting in welding defects, and good welding cannot be performed. Further, a large laser device is required in this area, which deteriorates the economical efficiency. Therefore, when narrow groove laser welding is applied,
It is necessary that the pulse peak power density and the average power density be values corresponding to the region where the above formula is satisfied. If it is less than that, welding is impossible.
【００１０】[0010]
【実施例】供試材として、厚さ０．２３ｍｍのアルミニ
ウム合金３００４なる薄板を重ね合わせ、開放側から狭
開先密着部にレーザビームを照射しながら押さえロール
にて二枚を溶接した溶接板を得るもので、そのレーザは
次のような条件で行った。 レーザ装置：高速パルスＣＯ2 レーザ（波長１０．６μ
ｍ） パルスピーク出力 ０．５〜２０ＫＷ 平均出力 １００〜５００Ｗ パルス繰り返し周波数 １ＫＨｚ 集光レンズ：ＺｎＳｅレンズ 集点距離ｆ＝５゛，７．
５゛ 材料 ：アルミニウム合金 ３００４ 材料移動速度：２５０ｍｍ／ｓｅｃ 狭開先密着部でのレーザビーム断面積Ｓ： ｆ＝５゛ Ｓ＝１．９６×１０-3ｃｍ2 ｆ＝７．５゛ Ｓ＝４．０７×１０-3ｃｍ2 [Example] As a test material, a thin plate made of aluminum alloy 3004 having a thickness of 0.23 mm is overlapped, and two sheets are welded by a pressing roll while irradiating a laser beam to the narrow groove contact portion from the open side. The laser was operated under the following conditions. Laser device: High-speed pulsed CO 2 laser (wavelength 10.6μ
m) Pulse peak output 0.5 to 20 KW average output 100 to 500 W Pulse repetition frequency 1 KHz Focusing lens: ZnSe lens Focusing distance f = 5 ″, 7.
5 "Material: Aluminum alloy 3004 Material moving speed: 250 mm / sec Laser beam cross-sectional area S at narrow groove contact portion S: f = 5" S = 1.96 × 10 -3 cm 2 f = 7.5 "S = 4.07 × 10 -3 cm 2
【００１１】その溶接結果を図４に示す。図４は図３と
同様に平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す図
であって、レンズ集点距離を５インチ（１２７ｍｍ）お
よび７．５インチ（１９１ｍｍ）の各レンズを用いた場
合の溶接の可否を○●×で表示した。すなわち、○はレ
ンズ集点距離を５インチの場合、●はレンズ集点距離を
７．５インチの場合のそれぞれの溶接可能な点を示して
いる。また、×はレンズ集点距離を５インチ、××はレ
ンズ集点距離を７．５インチのそれぞれの溶接不可能な
点を示している。これより判るように溶接可能点は本発
明のＰｐ条件を満たしていることが判る。The welding results are shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the average power density and the peak power density, similar to FIG. 3, in the case where each lens having a lens focusing distance of 5 inches (127 mm) and 7.5 inches (191 mm) is used. Whether or not welding is possible is indicated by ○ ● ×. That is, ∘ indicates a weldable point when the lens focal point distance is 5 inches, and ● indicates a weldable point when the lens focal point distance is 7.5 inches. In addition, “X” indicates a lens focal point distance of 5 inches, and “XX” indicates a lens focal point distance of 7.5 inches, which cannot be welded. As can be seen, the weldable point satisfies the Pp condition of the present invention.
【００１２】[0012]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によってパル
スＣＯ2 レーザをアルミの狭開先レーザ溶接に適用し、
パルスのピーク、平均出力を制御することで効率的にア
ルミ溶接を行える。また、高ピーク出力のレーザを用い
ることで溶接に必要な平均レーザ出力を下げることが可
能で、小型のレーザ装置で低コストで溶接が可能とな
り、しかも、高Ｍｇ含有アルミ溶接にも優れた低入熱で
熱影響の少ない溶接が可能である等種々の優れた効果を
奏するものである。As described above, according to the present invention, the pulsed CO 2 laser is applied to the narrow groove laser welding of aluminum,
Aluminum welding can be performed efficiently by controlling the peak and average output of the pulse. Also, by using a laser with a high peak output, it is possible to reduce the average laser output required for welding, and it is possible to perform welding at a low cost with a small laser device. It has various excellent effects such as welding with little heat influence by heat input.
【図１】本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶接
の斜視図、FIG. 1 is a perspective view of laser welding with a narrow groove of aluminum according to the present invention,
【図２】パルスピーク出力密度に係る時間と出力との関
係を示す図、FIG. 2 is a diagram showing a relationship between time and output related to pulse peak power density,
【図３】本発明に係る平均出力密度とピーク出力密度と
の関係を示す図、FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an average power density and a peak power density according to the present invention,
【図４】平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す
図である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an average power density and a peak power density.
１ アルミニウム合金板 ２ 押さえロール ３ 狭開先密着部 ５ レンズ ６ パルスピーク出力 1 Aluminum alloy plate 2 Pressing roll 3 Narrow groove contact part 5 Lens 6 Pulse peak output
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南田 勝宏 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新日 本製鐵株式会 エレクトロニクス研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Katsuhiro Minanda 5-10-1 Fuchinobe, Sagamihara-shi, Kanagawa Nippon Steel Stock Association Electronics Research Laboratories
Claims (1)
法において、パルスＣＯ2 レーザを用いて、狭開先密着
部におけるレーザ光のパルスピーク出力密度をＰｐ（Ｍ
Ｗ／ｃｍ2 ）とし、平均出力密度をＰａ（ＭＷ／ｃ
ｍ2 ）とするとき、Ｐｐが７０×ｅｘｐ（−２０×Ｐ
ａ）以上であり、かつ１８０００×ｅｘｐ（−１６×Ｐ
ａ）以下なる領域を満足する条件で溶接することを特徴
とするアルミニウム合金の接合方法。1. A method of joining aluminum by narrow groove laser welding, wherein a pulsed CO 2 laser is used and a pulse peak power density of laser light at a narrow groove close contact portion is set to Pp (M
W / cm 2 ) and the average power density is Pa (MW / c
m 2 ), Pp is 70 × exp (−20 × P
a) or more and 18000 × exp (−16 × P)
a) A method for joining aluminum alloys, which comprises welding under the conditions satisfying the following regions.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04345294A JP3229110B2 (en) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | Aluminum alloy joining method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04345294A JP3229110B2 (en) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | Aluminum alloy joining method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07251281A true JPH07251281A (en) | 1995-10-03 |
| JP3229110B2 JP3229110B2 (en) | 2001-11-12 |
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ID=12664103
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|
| JP (1) | JP3229110B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010279965A (en) * | 2009-06-03 | 2010-12-16 | Nissan Motor Co Ltd | Laser welding method |
-
1994
- 1994-03-15 JP JP04345294A patent/JP3229110B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010279965A (en) * | 2009-06-03 | 2010-12-16 | Nissan Motor Co Ltd | Laser welding method |
Also Published As
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|---|---|
| JP3229110B2 (en) | 2001-11-12 |
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