專利名稱：鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于在彼此無間隙地重疊的鍍鋅鋼板用激光焊接方法中處理焊接部分的端部的方法。
背景技術(shù)：
在諸如汽車工業(yè)等廣泛的各種工業(yè)中，鍍鋅鋼板由于高比強(qiáng)度、低成本和良好的耐腐蝕性而被普遍使用。特別地，在使用大面積鋼板的汽車工業(yè)等中，為了將大量彼此重疊的鍍鋅鋼板焊接在一起，已嘗試引入能比點(diǎn)焊等高速地處理的激光焊。然而，鋅的熔點(diǎn)(大約420°C )和沸點(diǎn)(907°C )遠(yuǎn)低于鐵的熔點(diǎn)(大約1535°C )。 因此，由于從各鍍鋅層蒸發(fā)的鋅吹走其周圍的熔融金屬或者以氣泡的形式殘留在熔融金屬中的現(xiàn)象，在激光照射之前僅重疊鍍鋅鋼板導(dǎo)致諸如凹坑、多孔以及蟲孔(worm hole)等焊接缺陷的形成。為此，如JP 60-210386A、JP 61-74793A或者JP2007-38269A所描述地，研發(fā)了諸如在將要通過激光搭接焊接而焊接在一起的鍍鋅鋼板之間設(shè)置用于排出鋅蒸氣的間隙、使用間隔件、使用不同水平等相應(yīng)措施。然而，這種方法需要大量時間和精力，損害導(dǎo)入激光束焊接的優(yōu)點(diǎn)。接著，WO 2010/005025A1公開了一種激光搭接焊接方法，在該激光搭接焊接方法中，以比通常高的速度發(fā)射比通常高的功率密度的激光束，由此如圖1(a)和圖1(b)所示地在熔池2中在激光照射位置10的后方暫時地形成細(xì)長孔20 (鍵孔)，在經(jīng)由孔20朝向激光照射源排出金屬蒸氣23的狀態(tài)下進(jìn)行焊接3。該方法無需如上所述的附加制備工序，并且能夠在鍍鋅金屬板被直接彼此重疊之后立即進(jìn)行激光束焊接。因此，大量的大面積鍍鋅鋼板能夠被有效地焊接到一起。

發(fā)明內(nèi)容
另一方面，由于通過細(xì)長鍵孔排出金屬蒸氣的特征，上述方法還具有其他問題。具體地，如圖2(a)和圖2(b)所示，細(xì)長孔20的痕跡30殘留于焊接部分3的終端部32，同時由于羽流(plume) 23沿與焊接方向F相反的方向噴出，所以在焊接部分3的始端部31處產(chǎn)生熔融金屬的隆起33。在除激光束焊接之外的焊接方法中觀察到焊點(diǎn)處的痕跡。因此，在除設(shè)計(jì)面之外的部位進(jìn)行焊接，或者利用其它部件覆蓋該痕跡。不管該外觀問題，在汽車部件等中，由于諸如氣密性和液密性等功能方面的問題，在很多情況下這種孔痕跡30是不允許的。此外，由于隆起33與諸如被安裝于隆起33的組裝部件的配合方面的問題，焊接區(qū)域的隆起33在很多情況中也是不允許的。當(dāng)激光照射從重疊的鍍鋅鋼板的一端部開始并且在通過該鍍鋅鋼板的另一端部之后終止時，如上所述的這種痕跡并未形成于焊接部分的端部。然而，焊接部分的始端和終端中的至少一方被設(shè)定在鍍鋅鋼板的重疊區(qū)域中是常見的情況。在傳統(tǒng)的一般激光束焊接方法中，在焊接部分的終端部衰減激光輸出。然而，在鍍鋅鋼板被直接彼此重疊的激光束焊接方法中，如圖3所示，在衰減激光輸出的加工過程中不能維持諸如功率密度和速度等上述焊接條件，并且由于金屬蒸氣而形成焊接缺陷。為此，該方法不能直接應(yīng)用?？紤]到上述情況而完成本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法，該方法無需用于避免由于鋅蒸氣而產(chǎn)生的焊接缺陷的附加工序，并且能夠在鍍鋅鋼板彼此緊密接觸的狀態(tài)下在避免焊接部分的始端部的隆起和焊接部分的終端部的孔痕跡的同時進(jìn)行高速、高品質(zhì)的焊接接合。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法包括如下步驟 制備兩個鋼板，所述兩個鋼板中的至少一個鋼板為鍍鋅鋼板，以所述鍍鋅鋼板的鍍鋅層定位成所述兩個鋼板的交界面的狀態(tài)使所述鋼板彼此直接重疊；以及在所述兩個鋼板的重疊區(qū)域中、用預(yù)定功率和速度條件的激光束照射任一鋼板的外表面，使得在從激光照射位置向后延伸的熔池中至少在位于外表面?zhèn)鹊匿摪逯行纬杉?xì)長孔，由此，在經(jīng)由所述細(xì)長孔在激光移動方向上向后并朝向激光照射源排出由激光照射產(chǎn)生的金屬蒸氣的同時，進(jìn)行所述兩個鋼板的焊接，其中，在保持形成所述細(xì)長孔的條件的狀態(tài)下，使直接重疊區(qū)域中的一焊接部分和其它焊接部分中的任一焊接部分的焊接在所述一焊接部分的始端部終止。根據(jù)本發(fā)明的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法，無需用于避免由鋅蒸氣而產(chǎn)生的焊接缺陷的附加工序。在鍍鋅鋼板彼此直接密切接觸的狀態(tài)下進(jìn)行高速、高品質(zhì)的焊接接合。 焊接部分的終端部處的金屬短缺由在焊接部分的始端部積累的熔融金屬的超出量來補(bǔ)償。 此外，能夠避開在焊接部分的終端部處的孔痕跡。


圖1 (a)是概念性地示出鍍鋅鋼板用激光搭接焊接的平面圖，圖1 (b)是圖1 (a)的 B-B截面圖。圖2(a)是概念性地示出鍍鋅鋼板用激光搭接焊接的平面圖，圖2(b)是圖2(a)的 B-B截面圖。圖3是示出在鍍鋅鋼板用激光搭接焊接中激光輸出與缺陷之間的關(guān)系的圖。圖4是概念性地示出由根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法形成的焊接部分的平面圖。圖5是概念性地示出由根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法形成的焊接部分的平面圖。圖6是概念性地示出由根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法形成的焊接部分的平面圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將基于本發(fā)明的實(shí)施方式說明本發(fā)明。如圖1 (a)和圖1 (b)所示，在兩個鍍鋅鋼板11和12彼此無間隙地重疊的狀態(tài)下進(jìn)行作為本發(fā)明的前提的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法。相對于這些鍍鋅鋼板11和12的厚度，照射具有比通常采用的激光搭接焊接的功率顯著地大的功率(例如，對厚度為0. 7mm 鍍鋅鋼板，功率為7kW以上)的激光束，同時該激光束以比通常的移動速度顯著地高的速度 (例如，對厚度為0. 7mm的鍍鋅鋼板，速度為9m/min以上)移動。利用激光焊接，通過以下熔融金屬的凝固而提供接合該熔融金屬是通過激光照射能量而加熱熔融的。因此，僅增大激光照射的移動速度導(dǎo)致每單位時間供給的功率不足，從而導(dǎo)致焊接不良。另一方面，如果功率密度太高，則熔融部不會熔化而將融斷(burn out) ο然而，當(dāng)以高功率和高速度進(jìn)行激光照射并且當(dāng)單位時間內(nèi)單位體積的功率、即功率密度位于后面所說明的預(yù)定范圍內(nèi)時，在熔池2中在激光照射位置10的后方形成細(xì)長鍵孔(keyhole)20。金屬的蒸發(fā)在細(xì)長鍵孔20的激光照射的移動方向F上的前端側(cè)集中。 金屬蒸氣23 (激光感應(yīng)羽流)從鍵孔20的前端沿著激光照射的移動方向朝向激光照射源側(cè)向后方R排出，從而使鍵孔20細(xì)長。此外，鋅蒸氣從由此形成的細(xì)長孔20的前端或者從該前端附近排出，使得鋅蒸氣不會吹走熔池2中的熔融金屬，并且鋅蒸氣不殘留于熔池2 中。為了在鍍鋅鋼板11和12彼此無間隙地重疊的狀態(tài)下進(jìn)行良好的激光焊接，在例如薄鋼板的情況中，優(yōu)選地，以如下方式選擇移動速度(mm/sec):當(dāng)鍍鋅鋼板的厚度為 “t”(mm)時，在激光束的功率“P”為7 (kW)以上并且激光照射斑直徑“0”為0. 4 (mm)以上的狀態(tài)下，激光束的單位時間內(nèi)單位體積的功率"P/0tV”為0. 07至0. IKkff · sec/mm3)。激光束的單位時間單位體積的功率P/0tv在上述范圍內(nèi)的事實(shí)表示根據(jù)照射寬度(照射斑直徑)0,板厚t以及移動速度ν(照射斑每單位時間的移動距離)來確定待照射激光束的功率P。由將要進(jìn)行激光搭接焊接的實(shí)用的鍍鋅鋼板的厚度近似地、實(shí)驗(yàn)性地確定功率P。假定在激光移動方向上存在具有均一形狀的區(qū)域并且該區(qū)域的截面形狀是倒三角形，且該三角形的高(貫通深度(interpenetrated depth))是2t (兩個板的厚度)，認(rèn)為由三角形的截面積(0x2t/2 )乘以移動速度ν來確定"0tV”。如果兩個待搭接焊接的鍍鋅鋼板的板厚t不同，則布置在激光照射源側(cè)的鍍鋅鋼板的板厚用作基準(zhǔn)。當(dāng)三個以上鍍鋅鋼板被搭接焊接時，應(yīng)當(dāng)采用總板厚的一半作為基準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意，并不特別限制焊接用激光振蕩器、激光掃描用處理頭等，可使用已知的激光焊接裝置。然而，由于如上所述地需要高速移動高輸出激光束，所以優(yōu)選的激光焊接裝置是包括由f θ透鏡和一對檢電鏡(galvano mirror)構(gòu)成的檢電掃描型處理頭的激光焊接裝置。接著，將說明根據(jù)本發(fā)明的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法(用于處理焊接部分的端部的方法)。(第一實(shí)施方式)如上所述的那樣，在如下的激光搭接焊接中，金屬蒸氣通過細(xì)長鍵孔被排出，由此，能夠避免由于鋅蒸氣而產(chǎn)生的焊接缺陷，在該激光搭接焊接中，在鍍鋅鋼板11和12彼此無間隙地重疊的狀態(tài)下高功率高速度地進(jìn)行激光照射。另一方面，當(dāng)焊接部分的始端或者終端被設(shè)定在鍍鋅鋼板彼此重疊的區(qū)域中時，如圖2(a)和圖2(b)所示，細(xì)長孔20的痕跡30殘留于焊接部分3的終端部32而羽流23沿與焊接方向F相反的方向吹出，從而在焊接部分3的始端部31處產(chǎn)生熔融金屬的隆起33。由此，在如圖4所示的第一實(shí)施方式中的焊接區(qū)域100，具有預(yù)定高功率和高速度的激光照射從位于鍍鋅鋼板11和12彼此直接重疊的區(qū)域中的焊接部分103的始端部131 開始。如虛線箭頭所示，環(huán)形地(沿著閉合曲線)進(jìn)行激光照射。在保持焊接條件的狀態(tài)下，在焊接部分103的始端部131處終止激光照射。換句話說，焊接部分103的終端部132與焊接部分103的始端部131重疊。因此，在圖2(a)和圖2(b)所示的焊接部分的終端部32處的孔痕跡30中發(fā)生的金屬短缺由焊接部分的始端部31處的隆起33的金屬超出量補(bǔ)償。從而，孔痕跡30和隆起 33均未殘留于具有上述閉合曲線形狀的焊接部分103的連接部131、132處。此外，至少顯著地減小了凸出趨勢和凹入趨勢。換句話說，盡管在到達(dá)終端部132之前保持高功率和高速度的焊接條件，但是，如下方式也可被理解在由已存在于焊接部分的始端部131處的隆起33的量所形成的小部分處增加形成細(xì)長鍵孔20所需的條件，隨后，(相對地)實(shí)現(xiàn)衰減。焊接部分的終端部32處的孔痕跡30中的金屬短缺與焊接部分的始端部31處的隆起33的金屬超出量具有相關(guān)性。從而，能夠在鍍鋅鋼板11和12的厚度不同或者其它焊接條件不同的情況中同樣地進(jìn)行本實(shí)施方式的方法。(第二實(shí)施方式)在圖5所示的第二實(shí)施方式的焊接區(qū)域200，例如從位于鍍鋅鋼板11和12彼此直接重疊的區(qū)域內(nèi)的第一始端部231開始第一激光照射。對第一焊接部分203進(jìn)行激光焊接。在保持焊接條件的狀態(tài)下，在鍍鋅鋼板11和12的重疊區(qū)域的端部232連續(xù)地進(jìn)行第一激光照射并且在重疊區(qū)域外側(cè)終止。接著，例如從鍍鋅鋼板11和12的重疊區(qū)域的另一端部241的外側(cè)開始第二激光照射。對第二焊接部分204進(jìn)行激光焊接。在第一焊接部分 203的始端部231處終止第二激光照射。換句話說，第二焊接部分204的終端部242與第一焊接部分203的始端部231重疊，并且該第一焊接部分203與該第二焊接部分204不同。此外，在該情況中，與第一實(shí)施方式類似，焊接部分的終端部242處的金屬短缺由焊接部分的始端部231處的金屬超出量補(bǔ)償。從而，孔痕跡和隆起均未殘留于第一焊接部分203的連接部231或第二焊接部分204的連接部對2。此外，至少顯著地減小了凸出趨勢和凹入趨勢。(第三實(shí)施方式)在第一和第二實(shí)施方式中分別描述的焊接區(qū)域100和200中的任一個區(qū)域中，所示出的是焊接部分103、204的終端部132、242與焊接部分103、203的始端部131，231在相同方向上重疊的情況。然而，終端部可以從另一方向與始端部重疊。例如，在圖6所示的第三實(shí)施方式(第二實(shí)施方式的變形例)的焊接區(qū)域300，以第二焊接部分304的終端部342 與預(yù)先用激光照射的第一焊接部分303的始端部331垂直地重疊的狀態(tài)終止激光照射。其他構(gòu)造與第二實(shí)施方式的構(gòu)造相同?？扇我庠O(shè)定終端部與始端部的重疊方向，并且可以以除相同方向(0° )和垂直方向(90° )之外的任意角度進(jìn)行重疊。也可以相對于始端部在相反方向(180° )上進(jìn)行重疊。另外，在具有第一實(shí)施方式所述的閉合曲線形狀的焊接部分100中，終端部132與始端部131可在任意方向上重疊。此外，當(dāng)完成對終端部132、M2、342與始端部131、231、331重疊的焊接部分103、 204,304的激光照射時，可衰減區(qū)域103、203、303的已焊接部處的激光輸出。(實(shí)施例)此后，為了驗(yàn)證根據(jù)本發(fā)明的鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法中的處理焊接部分的端部的效果，在第一實(shí)施方式的焊接區(qū)域100的激光焊接中，在終端部132相對于始端部 131的位置處即在激光掃描的控制坐標(biāo)中，起點(diǎn)和終點(diǎn)的重疊量被有意地改變。如下地進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，使用掃描頭(剛好聚焦加工直徑0 = 0.6 mm)以及由IPG Photonics公司制造的光纖激光振蕩器(最大輸入為7kW并且傳輸光纖直徑0 = 0.2 mm )。厚度為t = 0. 7mm的鍍鋅鋼板彼此無間隙地重疊使得各鍍鋅層作為鍍鋅鋼板之間的交界面。以0 = 0.67 mm的斑直徑、7kw的激光輸出、19.9kW/mm2的功率密度以及l(fā)lm/min 的移動速度進(jìn)行激光照射。對始端部和終端部的各重疊量檢查焊接條件以及焊接部分的終端部(連接部)的條件(a)2. 5mm(最佳值)；(b)0mm(無重疊)；(c) 4. 4mm(過度重疊、即超出限度)。此外，作為比較例(d)，在4. 5kff的激光輸出、12. 8 (kff/mm2)的功率密度以及8 (m/ min)的移動速度的不形成細(xì)長鍵孔的焊接條件下以O(shè)mm的重疊量進(jìn)行激光照射。與具有上述重疊量的各情況進(jìn)行比較。上述各情況與比較例的結(jié)果如下。(1)焊接狀況在上述(a)至(c)中的任一情況中，在焊接期間在焊點(diǎn)的后方觀察到長度為大約 1.5mm的細(xì)長孔(鍵孔)；另外，在焊接部分(焊縫)的中間部沒有觀察到焊接缺陷。同時， 在上述情況(d)中，在焊接期間在焊點(diǎn)的后方?jīng)]有觀察到孔；另外，在焊接部分(焊縫)的正面?zhèn)扔^察到9個焊接缺陷(砂眼(blow hole))，并且在焊接部分的背面?zhèn)扔^察到4個焊接缺陷。(2)焊接部分的終端部(連接部)的狀況在重疊量為2. 5mm(最佳值)的情況(a)中，緊接開始焊接之后在始端部觀察到隆起。然而，通過使終端部與始端部131重疊適當(dāng)長度，在焊接完成后在終端部(連接部)沒有觀察到諸如凹入部等孔痕跡?？纱_認(rèn)的是，焊接部分的終端部處的金屬短缺由焊接部分的始端部處的隆起的金屬超出量補(bǔ)償。同時，在重疊量為Omm(無重疊)的情況(b)中，隆起殘留在焊接部分的始端部，并且孔痕跡殘留在焊接部分的與始端部相鄰并且在始端部緊前方的終端部。此外，在重疊量為4. 4mm(超出限度)的情況(c)中，在焊接部分的始端部處大部分隆起被消除，但是孔痕跡殘留在焊接部分的與始端部相鄰的終端部。需要注意的是，在上述情況(d)中，盡管在無重疊的情況下終止焊接，但是，在始端部沒有形成隆起，并且在終端部沒有形成孔痕跡。然而，如上所述，在焊接部分(焊縫) 的正背面形成大量缺陷，并且整個焊接部分的狀態(tài)是在終端部(連接部)的問題解決之前應(yīng)被解決的問題，由此，整個焊接部分的狀態(tài)處于不可接受的水平。在上文中，已經(jīng)說明了本發(fā)明的一些實(shí)施方式。然而，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，基于本發(fā)明的技術(shù)思想可進(jìn)行各種變形和變更。例如，在第一實(shí)施方式中，所示的情況是焊接區(qū)域100由單一圓形焊接部分103形成。然而，焊接區(qū)域100可以是例如橢圓或水滴等其它閉合曲線形狀。此外，上述焊接部分 103可以被保存為激光焊接裝置的控制器中的焊接單元，從而可僅通過指定諸如圓心等基準(zhǔn)位置而實(shí)現(xiàn)焊接單元。此外，可設(shè)定在彼此重疊的鍍鋅鋼板的開口周邊的凸緣、或沿著物品的安裝部轉(zhuǎn)向(turn)的焊接部分103等。
權(quán)利要求
1. 一種鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法，包括以下步驟制備兩個鋼板，所述兩個鋼板中的至少一個鋼板為鍍鋅鋼板，以所述鍍鋅鋼板的鍍鋅層定位成所述兩個鋼板的交界面的狀態(tài)使所述鋼板彼此直接重疊；以及在所述兩個鋼板的重疊區(qū)域中、用預(yù)定功率和速度條件的激光束照射任一鋼板的外表面，使得在從激光照射位置向后延伸的熔池中至少在位于外表面?zhèn)鹊匿摪逯行纬杉?xì)長孔， 由此，在經(jīng)由所述細(xì)長孔在激光移動方向上向后并朝向激光照射源排出由激光照射產(chǎn)生的金屬蒸氣的同時，進(jìn)行所述兩個鋼板的焊接，其中，在保持形成所述細(xì)長孔的條件的狀態(tài)下，使直接重疊區(qū)域中的一焊接部分和其它焊接部分中的任一焊接部分的焊接在所述一焊接部分的始端部終止。
全文摘要
提供鍍鋅鋼板用激光搭接焊接方法，其包括制備兩個鋼板(11、12)，至少一個鋼板為鍍鋅鋼板，以鍍鋅層定位成鋼板的交界面的狀態(tài)使鋼板彼此直接重疊；以及在兩個鋼板的重疊區(qū)域中、用預(yù)定功率和速度條件的激光束照射任一鋼板的外表面，使得在從激光照射位置(10)向后延伸的熔池(2)中至少在位于外表面?zhèn)鹊匿摪逯行纬杉?xì)長孔(20)，由此，在經(jīng)由細(xì)長孔在激光移動方向上向后并朝向激光照射源排出由激光照射產(chǎn)生的金屬蒸氣(23)的同時進(jìn)行兩個鋼板的焊接(3)，在直接重疊區(qū)域中的焊接部分(103、203、303)的始端部(131、231、331)處，在保持形成細(xì)長孔的條件的狀態(tài)下終止焊接部分(103)和其它焊接部分(204、304)中的任一者的焊接。
文檔編號B23K26/32GK102233481SQ20111010728
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者團(tuán)剛良, 萩原宰 申請人:鈴木株式會社