本發(fā)明涉及焊接強(qiáng)度優(yōu)異的差厚材料的對(duì)接激光焊接方法和差厚焊接部件。

背景技術(shù)：

激光為高能量密度熱源，因此被用于各種領(lǐng)域。特別是在焊接領(lǐng)域，具有由于是高速且低熱量輸入的焊接因此被照射物的熱變形和變質(zhì)少這樣的特征，被用于鋼材及各種金屬材料的焊接。

在激光焊接方法中，與電弧焊接方法等其它焊接方法同樣，可得到搭接角焊接接頭、t字接頭、對(duì)接接頭等焊接接頭。其中，在使用從焊接面的鉛直方向照射激光束的激光焊接方法來(lái)得到對(duì)接接頭的情況下，需要嚴(yán)格地控制激光束的目標(biāo)位置以及相互焊接的材料(被焊接材料)的對(duì)接間隔等。

這是因?yàn)?，激光束的光束直徑雖然根據(jù)激光的振蕩方式、透鏡等而不同，但通常小至0.5mm以下。因此，在如后述那樣激光束的目標(biāo)位置偏離的情況下，在焊接部分發(fā)生熔深不良，在相互焊接的材料的對(duì)接間隔比激光光束直徑寬的情況下，在垂直方向前進(jìn)的激光束穿透該間隔而不能實(shí)現(xiàn)焊接。

特別是，在將被焊接材料的厚度互相不同的差厚材料對(duì)接并用激光束進(jìn)行焊接的所謂的差厚焊接中，需要嚴(yán)格控制激光束的目標(biāo)位置和被焊接材料的對(duì)接間隔。在厚度極其不同的材料的組合中，例如如圖1所示，在激光束3的焦點(diǎn)位置偏離至薄板1側(cè)時(shí)，發(fā)生薄板1熔融而能形成熔融部4、但厚板2因熱量輸入不足而無(wú)法熔融這樣的焊接不良。另外，在切斷被焊接材料時(shí)使用的剪切機(jī)、片鋸(チップソー)、帶鋸等的切斷方法中，難以將成為焊接面的切斷面相對(duì)于相鄰的面成直角、而且一條直線地切斷，還產(chǎn)生塌邊或變形。在這樣的情況下，如圖2所示，對(duì)接部5變得比激光束3的光束直徑寬，激光束3穿透而發(fā)生焊接不良。為了防止該不良，需要對(duì)切斷面實(shí)施機(jī)械拋光整理以使對(duì)接間隔變窄、或使用焊填金屬填埋間隙，這均導(dǎo)致成本增加。

為了解決以上那樣的差厚焊接的問(wèn)題點(diǎn)，下述專利文獻(xiàn)1及2中公開了相對(duì)于被焊接材料的對(duì)接面傾斜地照射激光束的焊接方法。如圖3所示，其是使厚度不同的兩個(gè)被焊接材料的激光束照射側(cè)的表面和相反側(cè)的表面(圖3中的底面)成齊平面，使激光目標(biāo)位置從厚板2的角6向內(nèi)側(cè)偏置(offset)，從厚板2側(cè)傾斜地照射激光束3，使厚板2的角6熔入至薄板1側(cè)的激光焊接方法。根據(jù)該方法，重點(diǎn)使厚板2的角6的部分、即厚板2的與薄板1的差厚部分熔入，因此不需要嚴(yán)格地進(jìn)行激光目標(biāo)位置的設(shè)定，另外，即使不對(duì)被焊接材料的對(duì)接端面實(shí)施機(jī)械加工或不使用焊填金屬，也能高效地得到良好的對(duì)接接頭。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開平7-132386號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開平9-216078號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

但是，在上述以往的差厚焊接中，為了提高焊接強(qiáng)度，需要可靠地使厚板2的角6的部分熔融(溶かし込む)，并供給至厚板2和薄板1的對(duì)接面(界面)，但這樣的話，可能產(chǎn)生如下問(wèn)題：熔入該對(duì)接面的厚板2的溶解部分中多余的部分成為不期望的背面焊道并出現(xiàn)在接頭表面(圖3中的底面?zhèn)?，會(huì)使焊接品質(zhì)降低。在此，背面焊道是指在熱源照射面的相反側(cè)的面露出的焊接金屬(焊道)。

另外，在使激光束3從厚板2側(cè)傾斜地入射的情況下，激光束3的熱被導(dǎo)熱性高的金屬材料制成的厚板2吸收，因此，即使厚板2的角6的部分能熔融，激光束3的熱損耗大，也難以說(shuō)是可有效地進(jìn)行焊接。

本發(fā)明鑒于這樣的現(xiàn)狀，主要目的在于提供一種與厚板的厚度無(wú)關(guān)而可有效得到優(yōu)異的焊接強(qiáng)度和加工質(zhì)量的差厚材料的激光焊接方法。

用于解決課題的手段

作為發(fā)明人的詳細(xì)研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了將厚度不同的兩個(gè)板材的焊接面以與該焊接面相鄰的表面成齊平面的方式對(duì)接后、使激光束從成齊平面的表面的薄板側(cè)朝向上述焊接面傾斜地入射的激光焊接方法的有用性，同時(shí)得到通過(guò)將激光目標(biāo)位置、入射角、對(duì)接間隔控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，可得到優(yōu)異的焊接強(qiáng)度而與厚板的厚度無(wú)關(guān)的認(rèn)識(shí)，從而完成本發(fā)明。

予以說(shuō)明，在本發(fā)明中，在之后將厚度不同的兩個(gè)被焊接材料的一表面成齊平面(共面；ツライチ)地對(duì)接的對(duì)接面進(jìn)行焊接而構(gòu)成的焊接接頭中，有時(shí)也將該成齊平面的面(圖4中的上表面)稱作“焊接接頭的表面”，將產(chǎn)生臺(tái)階高差的面(圖4中的下表面)稱作“焊接接頭的背面”。

即，本發(fā)明提供一種差厚材料的激光焊接方法，其將厚度不同的薄板10和厚板12以它們的一表面成齊平面的方式對(duì)接后，對(duì)其對(duì)接面照射激光束14進(jìn)行焊接，其特征在于，使上述激光束14從薄板10的上述成齊平面的表面?zhèn)瘸蚝癜?2的對(duì)接端面12a傾斜地入射，將該激光束14的目標(biāo)位置p設(shè)于上述厚板12的對(duì)接端面12a，同時(shí)將距上述激光束14入射側(cè)板材表面的目標(biāo)位置深度d設(shè)為下述(1)式的范圍。

t/3≤d≤t…(1)

(其中，t為薄板10的對(duì)接端面10a面方向的厚度，d、t的單位均為mm。)

在該發(fā)明中，由于使激光束14從薄板10的成齊平面的表面?zhèn)瘸蚝癜?2的對(duì)接端面12a傾斜地入射，因此即使熔入的厚板12的溶解部分中多余的部分成為不期望的背面焊道并出現(xiàn)在焊接接頭的背面，因?yàn)樵摫趁婧傅酪蚝癜?2的差厚部分而形成于產(chǎn)生了臺(tái)階高差的焊接接頭的背面，所以也不會(huì)產(chǎn)生外觀上的違和感，不會(huì)降低焊接品質(zhì)。

另外，在本發(fā)明中，優(yōu)選上述激光束14的入射角θ相對(duì)于上述厚板12的對(duì)接端面12a以5°～30°向薄板10側(cè)傾斜，優(yōu)選上述厚板12和上述薄板10的對(duì)接間隔c為1.0mm以下。

另外，本發(fā)明中的再一發(fā)明在于一種通過(guò)上述本發(fā)明的差厚材料的激光焊接方法焊接了的差厚焊接部件，其特征在于，在對(duì)接面的面積的50％以上中產(chǎn)生熔深。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，可提供一種與厚板的厚度無(wú)關(guān)而能有效得到優(yōu)異的焊接強(qiáng)度和加工質(zhì)量的差厚材料的激光焊接方法、以及使用了該方法的焊接品質(zhì)優(yōu)異的差厚焊接部件。

附圖說(shuō)明

圖1是示出以往技術(shù)中激光目標(biāo)位置偏離于薄板側(cè)時(shí)的焊接部截面的圖。

圖2是示出以往技術(shù)中在對(duì)接間隔寬的情況下的焊接部截面的圖。

圖3是示出以往的臺(tái)階高差焊接部的截面的圖。

圖4是示意性地示出本發(fā)明的差厚材料的激光焊接方法的圖，是定義激光目標(biāo)位置、激光照射角、對(duì)接間隔的圖。

具體實(shí)施方式

以下，一邊參照附圖一邊說(shuō)明本發(fā)明。圖4是示意性地示出本發(fā)明的差厚材料的激光焊接方法的圖。予以說(shuō)明，圖4中，夸張描繪了薄板10的端面10a的凹凸、厚板12的端面12a的凹凸以及薄板10與厚板12的對(duì)接間隔c。

本發(fā)明為一種差厚材料的激光焊接方法，其在將薄板10與厚板12以它們的一表面成齊平面的方式對(duì)接后，對(duì)其對(duì)接面照射激光束14進(jìn)行焊接。特別是，其特征在于，使上述激光束14從薄板10的上述成齊平面的表面?zhèn)瘸蚝癜?2的對(duì)接端面12a傾斜地入射，將該激光束14的目標(biāo)位置p設(shè)于上述厚板12的對(duì)接端面12a，同時(shí)將距上述激光束14入射側(cè)板材表面的目標(biāo)位置深度d設(shè)為后述的規(guī)定范圍。

以下，詳述本發(fā)明的對(duì)接激光焊接條件。

在本發(fā)明中，如圖4所示，在將薄板10和厚板12以它們的一表面成齊平面的方式對(duì)接后，將激光束14從薄板10的上述成齊平面的表面?zhèn)瘸蚝癜?2的對(duì)接端面12a傾斜地照射，因此厚板12的厚度不受限制。

另外，在本發(fā)明中，通過(guò)將激光束14的目標(biāo)位置p設(shè)于厚板12的對(duì)接端面12a，即使薄板10的對(duì)接端面10a的位置變動(dòng)，對(duì)熔深的影響也小。順帶說(shuō)，在將激光的目標(biāo)位置p設(shè)于薄板10的對(duì)接端面10a或該端面10a的角部10b的情況下，需要目標(biāo)位置檢測(cè)器，因此設(shè)備高昂，另外，在對(duì)接部16的間隔變動(dòng)時(shí)，熔深變得不穩(wěn)定。

目標(biāo)位置深度d表示從激光束14入射側(cè)板材表面(即薄板10的齊平面表面)至厚板12的對(duì)接端面12a處的激光束14的目標(biāo)位置p的深度，優(yōu)選設(shè)為下述(1)式的范圍。

t/3≤d≤t…(1)(其中，t為薄板10的對(duì)接端面10a面方向的厚度，d、t的單位均為mm。)

這是由于在目標(biāo)位置深度d比薄板10的厚度t的1/3淺的情況下，被焊接材料的熔深(熔入)量變少，相反地，在目標(biāo)位置深度d比t深的情況下，僅薄板10熔融而厚板12熔融變得不足。

如圖4所示，激光束14的入射角θ定義為厚板12上表面的角12b的鉛直線與激光束14中心之間的角度，具體而言，該角度優(yōu)選相對(duì)于厚板12的對(duì)接端面12a以5°～30°向薄板10側(cè)傾斜。在該激光束14的入射角θ低于5°的情況下，在對(duì)接間隔c變寬時(shí)，激光束14的穿透量增加而熱量輸入變得不足，相反地，如果該入射角θ超過(guò)30°，則激光束14僅照射到薄板10而厚板12變得熔融不足。

本發(fā)明中的對(duì)接間隔c為在薄板10的對(duì)接端面10a與厚板12的對(duì)接端面12a之間產(chǎn)生的間隙，優(yōu)選將從焊接開始位置至結(jié)束位置之間的該對(duì)接間隔c的最大值限制在1.0mm以下。這是因?yàn)?，?dāng)對(duì)接間隔c超過(guò)1.0mm時(shí)，焊接部分變得薄且粗密，從而變得焊接強(qiáng)度不足。另外，在激光束14的入射角θ小的情況下，發(fā)生激光束14的穿透，有可能不能進(jìn)行焊接。

在本發(fā)明的差厚材料的激光焊接方法中，上述以外的激光焊接條件、例如激光的波長(zhǎng)、激光輸出、激光光束直徑、焊接速度等條件沒(méi)有特別限定。根據(jù)后述的被焊接材料的種類、厚度等適當(dāng)選擇。

在本發(fā)明中，被焊接材料、即作為差厚材料的薄板10和厚板12的種類沒(méi)有特別限定。予以說(shuō)明，作為該被焊接材料，可例示低碳鋼、不銹鋼及對(duì)這些鋼材實(shí)施了zn系鍍敷、al系鍍敷、zn-al系合金鍍敷、al-si系合金鍍敷、zn-al-si系合金鍍敷、zn-al-mg系合金鍍敷、zn-al-mg-si系合金鍍敷等的材料。另外，不限于上述鋼材，本發(fā)明也可以適用于al等非鐵金屬彼此及鋼材與非鐵金屬的差厚焊接。進(jìn)而，被焊接材料的切斷方法也沒(méi)有限定。使用剪切機(jī)、片鋸、帶鋸等一般的切斷方法即可。另外，也可以在切斷后進(jìn)行機(jī)械拋光整理。

在本發(fā)明中，如上所述，厚板12的厚度沒(méi)有限定。順帶說(shuō)，該厚板12的形狀不限于板狀，也可以是塊狀。

另一方面，薄板10的厚度t優(yōu)選為6mm以下。這是因?yàn)?，薄?0的厚度t比該6mm厚時(shí)，需要大輸出的激光焊接機(jī)，設(shè)備變得高昂。另外，如果薄板10變得如此厚時(shí)，則焊接速度變慢，由此生產(chǎn)率降低。

使用以上那樣的差厚材料的激光焊接方法制造的差厚焊接部件優(yōu)選在對(duì)接面的面積的50％以上中產(chǎn)生熔深。焊接時(shí)熔入的部分因激光束14的高熱而成為經(jīng)淬火的狀態(tài)，因此，硬度及拉伸強(qiáng)度提高。這是由于，其結(jié)果，如果在對(duì)接面的面積的50％以上中產(chǎn)生熔深，則在使差厚焊接部件的薄板10和厚板12分開的方向施加了力的情況下，可得到薄板10材料斷裂的程度的焊接強(qiáng)度。

實(shí)施例

以下，例舉實(shí)施例更具體說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于該實(shí)施例。

首先，準(zhǔn)備表1所示的低碳鋼、sus304、al(鋁)合金作為供試材料。其中，作為低碳鋼，分別準(zhǔn)備無(wú)鍍敷的低碳鋼、和實(shí)施了單面的附著量為90g/m²的熔融zn-6質(zhì)量％al-3質(zhì)量％mg鍍敷的低碳鋼。然后，將厚度6mm以下的供試材料用剪切機(jī)、片鋸、帶鋸切斷，將厚度10mm以上的供試材料用帶鋸切斷，切成寬度100mm、長(zhǎng)度100mm的尺寸。另外，對(duì)于一部分供試材料，對(duì)切斷端面進(jìn)行機(jī)械拋光整理。

在此，表1中的材料種類記號(hào)是用于表示表2-1～表2-3中的薄板及厚板各自的材料種類的記號(hào)。

[表1]

接著，在激光焊接前，用測(cè)隙規(guī)測(cè)定對(duì)接部的寬度100mm之間的最大對(duì)接間隔。予以說(shuō)明，在厚度0.1mm的測(cè)隙規(guī)無(wú)法放入對(duì)接部的情況下，將最大對(duì)接間隔設(shè)為0.1mm以下。將得到的結(jié)果示于表2-1～表2-3。

而且，使用最大輸出7kw的光纖激光焊接機(jī)，在后述的各種條件下進(jìn)行對(duì)接激光焊接。

從經(jīng)對(duì)接激光焊接的試樣采集寬度30mm的拉伸試驗(yàn)用試樣，進(jìn)行以jisz-2241為基準(zhǔn)的拉伸試驗(yàn)。另外，對(duì)經(jīng)對(duì)接激光焊接的試樣的焊接中間部的截面進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，觀察熔深狀態(tài)。根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果和熔深狀態(tài)的觀察結(jié)果進(jìn)行激光焊接部的綜合評(píng)價(jià)。以下示出該綜合評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。

◎：拉伸試驗(yàn)中，在薄板1側(cè)母材斷裂、且焊接部的熔融部的厚度為薄板的板厚的70～100％。

○：拉伸試驗(yàn)中，在薄板1側(cè)母材斷裂、且焊接部的熔融部的厚度為薄板的板厚的60～69％。

△：拉伸試驗(yàn)中，在薄板1側(cè)母材斷裂、且焊接部的熔融部的厚度為薄板的板厚的45～59％。

×：拉伸試驗(yàn)中，焊接部斷裂。

作為該綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，可知：熔融部變得越厚，拉伸強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度變得越高，另外，焊接部受到拉伸變形時(shí)的開口變小，因而優(yōu)選。

表2-1～表2-3中示出激光焊接條件、最大對(duì)接間隔及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。予以說(shuō)明，激光目標(biāo)位置深度d一欄的t是薄板10的厚度。

如表2-1的no.1～5、16～20、表2-2的31、32、37及38所示，激光目標(biāo)位置深度d、激光入射角、對(duì)接間隔均在本發(fā)明的范圍內(nèi)的實(shí)施例中，綜合評(píng)價(jià)為◎且得到良好的焊接強(qiáng)度和熔深。另外，其它實(shí)施例盡管熔深淺，但也得到良好的焊接強(qiáng)度。

與之相對(duì)，激光目標(biāo)位置深度d、激光入射角、對(duì)接間隔均在本發(fā)明的范圍外的表2-3的no.43～54所示的比較例中，由于熔深不足，因此拉伸試驗(yàn)中焊接部斷裂。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

10…薄板

10a…(薄板)的對(duì)接端面

12…厚板

12a…(厚板)的對(duì)接端面

14…激光束

c…(厚板與薄板的)對(duì)接間隔

d…目標(biāo)位置深度

p…激光束的目標(biāo)位置

t…薄板的對(duì)接端面面方向的厚度

θ…激光束的入射角