TW201941859A - 金屬材料的複合焊接方法及金屬材料的對接焊接部件 - Google Patents

Abstract

提供一種金屬材料的複合焊接方法，其能降低凹陷深度。金屬材料的複合焊接方法包含：從一邊的金屬材料(2)側起斜向地往另一邊的金屬材料(1)之切面上、或是其延伸面上的瞄準位置(P)照射雷射束，以形成焊珠之製程；於焊珠上，從二個金屬材料的表面側進行使用焊條或填料的焊接之製程；其中，雷射束的瞄準位置的深度D相對於一邊的金屬材料側之厚度t係為0.8t≦D≦1.8t範圍內。

Description

金屬材料的複合焊接方法及金屬材料的對接焊接部件

本發明關於一種在進行對接金屬材料時，即使形成空隙仍能獲得良好接合強度的對接部件之複合焊接方法及對接焊接部件。

雷射束由於係高能量密度的熱源，因此於近年被利用於各種領域中。尤其是於接合・焊接的領域當中，藉著與MIG(Metal Insert Gas)・MAG(Metal Active Gas)・TIG(Tungsten Insert Gas)等電弧焊接法組合，以單獨的電弧銲接法中係難題的焊透深度改善或是焊接速度的高速化作為目的而使得雷射+電弧複合式焊接逐漸被認知採用。此外，藉由填料+雷射取代電弧焊接，可獲得與電弧焊接同等程度的焊接部，此雷射焊接方法亦可作為雷射+複合式焊接來使用。

雷射焊接係活用高速且低熱輸入、焊透深等接合特性，已逐漸被利用於鋼材的焊接・接合方法或是各種金屬材料的接合手段中，但不使用填料的單獨的雷射焊接當中，少有適用於工業生產品的例子。其原因可列舉例如雷射焊接機本體的價格昂貴、於單獨的雷射作法中可能會於焊珠中形成凹陷等。單獨的雷射焊接當中可以做到獲得T字型接頭及對接接頭等焊接接頭。惟，研判由於焊接材料間的空隙量的尺寸，導致於焊珠所形成的凹陷的深度增加，使得接合強度降低。為了要進低焊珠的凹陷，必須嚴格地管理雷射束的瞄準位置與被焊接材料之間的對接空隙量。

本案發明人研判，於工業生產當中，要嚴格地管理被焊接材料的對接空隙量係為困難。本案發明人發現到以下雷射焊接方法之效益。即，將厚度不同的二個板材的焊接面對接使得鄰接該焊接面的表面齊平之後，從已呈齊平的表面的薄板側斜向地入射雷射束至該對接面。本案發明人並且基於該效益，以提供一種不同厚度材料的雷射焊接方法為目的，其藉由將雷射瞄準位置、入射角、對接間隔控制於適當範圍內，可提供一種雷射焊接方法，其能夠獲得不管厚板的厚度如何，都能夠有效率地獲得優異的焊接強度及修整，進而開發了於專利文獻1所記載的「不同厚度材料之雷射焊接方法及使用該方法之不同厚度焊接部件」。

[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本公開公報「特開2016-68092號公報」

[發明所欲解決之問題]
於上述不同厚度材料之雷射焊接方法當中，發現到，藉著於雷射照射時提供入射角度，可使得即使是在材料之間具有對接空隙的情形之下，仍可形成焊珠，藉著控管空隙量可形成具優異接合強度的焊珠。然而，可能因為對接空隙量而使得凹陷深度變得極端地大，因而產生了該凹陷形成焊接缺陷而使得接合強度降低的可能性。因此，於上述雷射焊接方法當中，材料的對接空隙係以1mm以下為理想情形。然而在實際適用至工業製品上，即使是在空隙量為1mm以下的情形中，仍有接合強度不足的時候，因此在適用該焊接法時，會顧慮到會造成接合強度不足的成因－即凹陷深度變大的可能性。
本發明之目的之一為提供可降低凹陷深度的金屬材料之複合焊接方法等。

[解決問題之手段]
為了解決上述問題，本發明中的金屬材料的複合焊接方法包含：使二個金屬材料的表面對接為齊平的狀態下，從一邊的金屬材料側起斜向地往另一邊的金屬材料之切面上、或是其延伸面上的瞄準位置照射雷射束，以形成焊珠之製程；於以雷射束之照射所形成的焊珠上，從二個金屬材料的表面側，進行使用焊條或填料的焊接之製程；其中，雷射束的瞄準位置的深度D，其相對於一邊的金屬材料側之厚度t係為0.8t≦D≦1.8t範圍內。

[發明功效]
為達上述目的及其他目的，本發明提出一種可降低凹陷深度的金屬材料的複合焊接方法等。

本案發明人經過詳細研究，結果發現到以下的效益：將被焊接材料的接合面進行對接，使得鄰接於該接合面的表面齊平之後，從齊平的表面之一側起斜向地使雷射束入射至該接合面、或是接合面的延伸線上，於此雷射焊接方法當中，藉著將雷射瞄準位置及入射角控制於適當範圍內，使得對特定的對接空隙形成帶有凹陷形狀的雷射焊珠；且使得於該焊接接頭的背面不易形成未熔融部。此外，本案發明人藉著以雷射焊接後的電弧焊接施工來融合雷射焊珠及電弧焊珠之間的介面，可有效率地獲得優異的接合強度，進而完成了本發明。

此外，於本發明當中，進行對接，使將被焊接材料的表面齊平，之後再將對接面進行焊接而構成的焊接接頭當中，有時將呈齊平的面(圖4中的上表面)稱為「焊接接頭的表面」；將產生高低差(圖4中的下表面)的面稱為「焊接接頭的背面」。

以下一邊參照圖式，一邊說明本發明。

圖3係本發明的複合焊接(複合焊接方法)當中，前段的雷射焊接的示意圖。如圖3所示，雷射瞄準位置(P)係雷射束(3)的瞄準位置，其係位於金屬材料(1)的切面(1a)或是切面的延伸面(1b)。入射角(θ)係雷射束(3)的照射方向相對於金屬材料(1)的切面(1a)或切面的延伸面(1b)朝向金屬材料(2)側的傾斜角度。對接間隔G係切面(1a)及與切面(1a)相向對立的金屬材料(2)的面之間的間隔。

本發明的複合焊接包含以下製程。進行對接，使得金屬材料(1)(一邊的金屬材料)及金屬材料(2)(另一邊的金屬材料)的表面齊平，於此狀態下，由一邊的金屬材料側(3)起，斜向地往其對接面(1a)上(切面)或是其延伸面(1b)上照射雷射束(3)，以形成焊珠。其後，於因雷射焊接而形成且帶有凹陷的焊珠上，進行使用焊條或填料所作的電弧焊接或是雷射焊接。藉著以上製程以獲得本發明之金屬材料的對接焊接部件。

從前述已呈齊平的金屬材料(2)的表面側，將該雷射束(3)斜向地入射至對接切面(1a)或是切面的延伸線上(1b)，使得該雷射束(3)的瞄準位置(P)落在該金屬材料(1)的對接切面或是切面的延伸線上，且從該入射側金屬材料(2)的表面起算，該雷射(3)的瞄準位置深度D係於下述(1)式範圍內。
0.8t≦D≦1.8t …(1)式
(惟，t係金屬材料(2)的厚度；D, t 單位皆為mm)
更為理想的範圍係：1.0t≦D≦1.5t

將雷射(3)的入射角(θ)設定為金屬材料(2)側上，相對於金屬材料(1)與金屬材料(2)的對接切面(1a)傾斜了10°～40°的方向。
更為理想之情況為設定雷射束(3)的入射角(θ)傾斜的角度範圍為15°～30°之間。

藉著設定金屬材料(1)與金屬材料(2)之間的對接間隔(G)為t／6以下，可使得即使進行雷射焊接融化的金屬也只是掉落至對接空隙間的情況得到抑制，並且於雷射焊接後，獲得焊接部背面的凹陷為5%以下的焊接部件。

於本發明中，雷射束(3)的種類並不需特別限定。可使用相對上輸出大的二氧化碳氣體雷射、釔鋁石榴石(YAG)雷射、光纖雷射、片狀雷射等。其中由於光纖雷射、片狀雷射係以光纖來傳送，且雷射束的品質良好，因此為較佳。此外，雷射輸出及雷射束直徑可根據焊接的金屬材料之種類及板厚等來進行適當選擇。

關於前段的雷射焊接之後的後段焊接方法，可為使用焊條或填料的MIG、MAG、TIG等的電弧焊接法；亦可為再次地進行雷射焊接。所使用的焊條或是填料係藉著與被焊接材料混合而被稀釋，因此，理想作法上使用一般各焊條或填料製造商所推薦適合被焊接材料的種類。然而，因此使用作法致使被焊接材料產生相變態(麻田散體變態等)，進而導致對結構體產生負面影響是不理想的。

此外，理想情況為因後段焊接所形成的焊珠中，沒有氣泡或孔穴是等焊接缺陷。此外，於材料表面中存有以防鏽為目的的鍍金屬時，為了達到防鏽效果範圍，因焊條等所致多餘金屬以較少為佳，以減少鍍傷、並縮小修補塗裝範圍。

於本發明當中並不特別限制被焊接材料的種類。可使用例如低碳素鋼、不鏽鋼或是於此等鋼材上塗佈Zn系鍍層、Al系鍍層、Zn-Al系鍍層、Al-Si系合金鍍層、Zn-Al-Mg系合金鍍層、Zn-Al-Mg-Si系合金鍍層等。除此之外也不限為鋼材，如Al等非鐵金屬彼此，及鋼材與非鐵金屬之複合焊接亦可適用本發明。此外，被焊接材料的切斷方法亦不受限制。可使用一般的剪切等切斷方法。此外，於切斷後亦可作機械研磨修整。

於本發明當中，金屬材料1, 2的厚度不需限定。不限於板材，亦可為塊狀。當金屬材料1與金屬材料2的厚度互為不同時，以厚度薄的金屬材料作為金屬材料2即可。

[實施例]
於下列舉實施例更為具體地說明本發明，惟本發明並不限定於此實施例。

(供測試材料)
首先，準備如表1所示－以低碳素鋼為底板加上熔融Zn-6質量%Al-3質量%Mg鍍層，以作為供測試材料。板厚係3.2mm及6.0mm兩種類。每面的鍍覆附著量為90g/m² 。

[表1]

接著，將所有的供測試材料，以剪切機(shear)、片鋸(chip saw)、帶鋸(band saw)作切斷，切出寬度50mm，長度150mm的尺寸。此外，針對一部分的供測試材料，以機械研磨修整其切斷切面。

由切出的供測試材料當中，選出兩個板厚相同者，進行對接，使兩個供測試材料的表面齊平。

(對接空隙之測量)
接著，於雷射焊接前，以測隙規測量對接部的寬度100mm間的最大對接空隙的大小。此外，若厚度0.05mm的測隙規無法進入對接部時，以0.05mm以下為最大對接間隔。

(前段焊接)
接著，針對對接部進行僅對接雷射焊接部分，其係使用光纖雷射焊接機，以表2所記載之雷射束的瞄準位置深度D與雷射束的入射角θ之條件進行。此外，於表2當中，亦記載著使用測隙規所測量出的對接部的對接空隙之大小。雷射焊接的條件如下所示。
輸出：4kW
雷射束光點直徑：0.6mm
散焦：7mm
保護氣體：無
雷射焊接速度係依據板厚而如下變化。
板厚　6.0mm：　0.75m／min
板厚　3.2mm：　1.2m／min

[表2]

圖1係以光學顯微鏡，來觀察進行了僅雷射焊接部分狀態的本發明例No.1的供測試材料時的焊接部的剖面照片。圖2係以光學顯微鏡，來觀察進行了僅雷射焊接部分狀態的比較例No.11的供測試材料時的焊接部的剖面照片。

(後段焊接)
接著，針對形成了焊珠的接頭，以下述條件實施電弧焊接，以作為後段焊接。此外，進行焊接接頭背面的形狀觀察及拉伸測試，以作為評測。
後段的電弧焊接條件係如下所示。
焊接電流、電壓：160A、20.3V
保護氣體、流量：CO² 、20L/min
焊條：MG-50T、φ1.2mm
電弧焊接速度係與前段雷射焊接速度相同。

(焊接接頭背面的形狀觀察)
評測後段焊接後的焊接接頭背面的形狀。具體來說，測量焊接接頭背面的凹陷之深度，以該深度相對於焊接前的板厚t之百分比來進行評測。將得出的結果表示於表3。

[表3]

發明例No.1～No.9當中，作為本發明範圍，雷射瞄準位置D符合0.8t≦D≦1.8t (t：板厚)，接頭背面凹陷量相對於焊接前板厚之比例(%)為5.0%以下之良好情形。此外，雷射束的入射角(θ)為10°～40°；且對接空隙間隔(G)為t／6以下(t：板厚)的No.1, 2, 4, 6, 8接頭背面凹陷量為2.0%之更加良好情況。
另一方面，於比較例No.10～No.17當中，接頭背面凹陷量相對於焊接前板厚之比例(%)為大於5.0%。

(拉伸測試)
關於拉伸測試的結果如表3所示。關於進行了後段焊接的發明例No.1～No.9當中，拉伸測試係全部皆為母材破裂之結果。也就是說，並無發生因焊接不良所導致的強度降低情況。圖4為以光學顯微鏡觀察本案發明例No.4的焊接接頭背面的形狀觀察。

[產業利用性]
本發明係可利用於在將金屬材料1, 2彼此作對接焊接當中，即使對接部存有空隙仍能使板材1, 2熔融而填補空隙以將板材1, 2彼此焊接之方法。本發明亦適用於汽車領域、工業機器領域、家電、配電板、建築領域或是進一步用於道路建設材料等的部件接合中。

1‧‧‧金屬材料(另一邊的金屬材料)

1a‧‧‧對接切面

1b‧‧‧延伸線

2‧‧‧金屬材料(一邊的金屬材料)

3‧‧‧雷射束

D‧‧‧瞄準位置深度

G‧‧‧對接間隔

P‧‧‧雷射瞄準位置

t‧‧‧厚度(金屬材料)

θ‧‧‧(雷射)入射角

［圖1］係以本發明技術所試作出雷射焊接製程後的剖面示意圖。

［圖2］係以習知技術所試做出本發明的雷射焊接製程後的剖面示意圖。

［圖3］係為本發明的雷射焊接製程之示意圖。

［圖4］係以本發明技術所試做出雷射+電弧焊接(雷射為前段)後的剖面之示意圖。

Claims (4)

1. 一種金屬材料的複合焊接方法，其特徵為，包含： 使二個金屬材料的表面對接為齊平的狀態下，從一邊的金屬材料側起斜向地往另一邊的金屬材料之切面上、或是其延伸面上的瞄準位置照射雷射束，以形成焊珠之製程；及 於以雷射束之照射所形成的焊珠上，從二個金屬材料的表面側進行使用焊條或填料的焊接之製程， 其中，雷射束的瞄準位置的深度D相對於一邊的金屬材料側之厚度t係為0.8t≦D≦1.8t範圍內。
2. 如請求項1所述之金屬材料的複合焊接方法，其中，雷射束的照射方向係相對於切面或是其延伸面為往一邊的金屬材料側傾斜10°～40°之方向。
3. 如請求項1或2所述之金屬材料的複合焊接方法，其中，另一邊的金屬材料與一邊的金屬材料之間的對接間隔係t／6以下。
4. 如請求項1-3中任一項所述之金屬材料的複合焊接方法，其中，焊接部背面的凹陷係板厚的5%以下。