專利名稱：激光搭接焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光搭接焊接方法，尤其涉及一種改善在焊接終止端部造成的孔、凹陷等的激光搭接焊接方法。
背景技術(shù)：
將激光束照射到工件上以通過激光束的光能加熱并熔融被照射部的材料的激光焊接方法具有能夠以非接觸方式執(zhí)行高速焊接的優(yōu)點，然而有在焊接終止端部造成孔和凹陷的問題。因而，該問題已成為將激光焊接方法的使用僅局限在一些汽車部件而阻止激光焊接方法被用于車身焊接工藝的因素之一，在車身焊接工藝中要求對氣密度、漏水等性能 和質(zhì)量的嚴(yán)格管理。在激光焊接終止端部造成的穿孔和凹陷，是由于供應(yīng)至焊接終止端部的熔融金屬由于該熔融金屬在與焊接前進方向相反的方向流動的現(xiàn)象而最終變得不足造成的。作為解決該問題的一種措施，已知如JP2007-313544A中所公開的被稱作“斜坡”(“ramping”)或“倒裝”(“fade down”)的方法，其中將激光輸出控制為朝向焊接終止端逐漸減小。例如，如圖6 (a)和圖6 (b)中所示，在兩張鍍鋅鋼板I和2彼此重疊且被激光焊接的情況下，當(dāng)激光輸出P保持在恒定水平直至激光束到達焊接終止端部時，在焊道51的端部產(chǎn)生了孔52，則實質(zhì)焊接長度Wa變得比激光照射長度L短出相應(yīng)于孔52的長度。另一方面，如圖6(c)和圖6(d)中實線(61)所示，當(dāng)激光輸出P朝向焊接終止端逐漸減小時，由于穿透深度逐漸減小，焊道61端部上穿孔的發(fā)生率降低。然而，即使采用這種方法，也不能完全避免穿孔。即使在沒有造成穿孔的情況下，在焊接終止端部遺留有相當(dāng)深的凹陷62，實質(zhì)焊接長度Wa'也被進一步減小了。因此，當(dāng)使用目前的這種焊接方法時，造成在焊接終止端部強度等降低，從而不可避免地影響了焊接質(zhì)量。為了避免這種問題，也可以想到增加焊接長度(L")，如圖6(c)和圖6(d)中虛線(71)所示。然而，這種情況下，增加了焊道71所需的空間。作為克服上述問題的另一種措施，JP2008-264793A中公開了一種方法，其中通過使激光束散焦來增大在焊接終止端部的激光照射直徑。然而，如JP2008-264793A中圖I所示，在焊接終止端部，當(dāng)停止并散焦激光束以增大激光照射直徑時，沒有對孔和凹陷的改善，反而引入了新的缺陷，如上方鋼板的燒穿以及熔融金屬的飛濺。并且，產(chǎn)生了一個問題當(dāng)在激光束到達焊接終止端部之前增大激光照射直徑時，激光束的能量密度降低，因而實質(zhì)焊接長度減小，這與使用上述方法時的情況相似。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況作出本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種激光搭接焊接方法，能夠改善在焊接終止端部的孔和凹陷，同時避免為確保焊接長度所需的空間和周期時間的增加。為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接方法包括通過將激光束(La)照射在多個重疊的工件(1，2)上執(zhí)行搭接焊接(10 ；20);然后，在激光照射的極短中斷時間段之后，將散焦激光束(Lc)照射在彳合接 焊接的終止端部(12 ；22)上。當(dāng)將激光束再次照射在曾由于激光焊接成為熔融狀態(tài)的金屬部上時，在熔融狀態(tài)下的金屬飛濺，從而造成燒穿等。然而，當(dāng)激光照射被中斷即使極短的時間段時，促進了熔融金屬的冷卻和向熔融金屬的周邊部的熱擴散。因此，當(dāng)在所述激光照射的中斷之后，照射具有降低的能量密度和增大的光斑直徑的散焦激光束時，熔融金屬周圍的非熔融金屬會被熔融且熔融金屬不會飛濺，通過新產(chǎn)生的熔融金屬流入凹陷部，填充并平坦化在焊接終止端部的凹陷部。此外，由于確保了至焊道的終止端的實質(zhì)焊接長度，則如在傳統(tǒng)的焊接方法中，減小焊接長度以避免在焊接終止端部的孔和凹陷的形成，以及延長焊道以避免焊接長度的減小，不再是必須的。因而，避免焊接所需空間的增加是可能的。并且，由于可以在激光照射的中斷期間執(zhí)行激光的焦點調(diào)節(jié)，且由于中斷時間段非常短(在實際的例子中約30至50毫秒)，激光照射的中斷幾乎不會影響焊接周期時間。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的焊接方法包括通過將激光束(La)照射在多個重疊的工件
(1,2)上執(zhí)行搭接焊接(10;20);然后，將激光照射中斷極短的時間段，并在中斷時間段期間，執(zhí)行激光光軸從搭接焊接的終止端(e)向搭接焊接的起始端側(cè)的移動(Lb);以及，從所述激光光軸移動所至的位置(Cs)到搭接焊接的終止端(e)照射散焦激光束(Lc)。對于向搭接焊接終止端部照射散焦激光束的形式，也可以考慮這樣一種形式，其中照射散焦激光束，冋時在從終止端向起始端的相反方向移動該散焦激光束。然而，如上所述，可能以這樣的方式最小化激光照射的中斷時間段激光光軸被移動至起始端側(cè)，該起始端側(cè)早于終止端側(cè)執(zhí)行了激光照射且熱擴散也已經(jīng)開始，然后，在與搭接焊接時刻的方向相同的方向，從激光光軸移動所至的位置到終止端照射散焦激光束。此外，在根據(jù)本發(fā)明的焊接方法中，可以在激光照射的中斷時間段期間移動激光光軸，因而不會影響周期時間。此外，更加優(yōu)選地，以比搭接焊接時刻激光照射(La)的速度高的速度執(zhí)行散焦激光束的照射(Lc)。當(dāng)高速執(zhí)行散焦激光束的照射時，供給到用激光束照射的部分的能量減小了。結(jié)果是可能獲得與減小激光輸出時所得到的效果相同的效果。因此，與僅通過散焦來減小激光束的能量密度的情況相比，具有能夠減小激光束的散焦量以及也能減小散焦激光束照射所需時間的優(yōu)點。在根據(jù)本發(fā)明的焊接方法中，優(yōu)選地，激光照射的中斷時間段為O. 025至O. 25秒。當(dāng)激光照射的中斷時間段小于O. 025秒時，在搭接焊接終止端部的熔融金屬的冷卻變得不充分。因而，在散焦激光束照射的時刻易于造成燒穿和凹陷，從而不能保持焊接質(zhì)量。另一方面，當(dāng)激光照射的中斷時間段過長時，增加了周期時間，從而降低了生產(chǎn)率。因此，在能獲得穩(wěn)定焊接質(zhì)量的范圍內(nèi)盡可能短地設(shè)置激光照射的中斷時間段是有利的。如上所述，使用根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接方法，可以可靠地防止在焊接終止端部的孔和凹陷的形成，同時避免為確保焊接長度所需的空間的增加和周期時間的增長。從而，根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接方法有利于改善激光搭接焊接的質(zhì)量。


圖I包括圖1(a)，其為示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的激光搭接焊接方法中激光掃描的平面圖；圖1(b)，其為示出焊道形狀的平面圖；圖1(C)，其為示出激光輸出和散焦量的圖表；圖I (d)，其為示出激光掃描速度的圖表；圖I (e)，其為搭接焊接部的截面?zhèn)纫晥D；以及圖1(f)，其為搭接焊接終止端部的橫截面圖；圖2包括圖2(a)，其為示出根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的激光搭接焊接方法中在散焦激光束照射之前的焊道的平面圖；圖2(b)，其為沿圖2(a)中的B-B線的橫截面圖；圖2(c)，其為示出在散焦激光束照射之后的焊道的平面圖；以及圖2(d)，其為沿圖2(c)中的B-B線的橫截面圖；圖3為不出在工件間的間隙設(shè)置為(a)0. 2mm、(b)O. Imm和(c)0. 05mm的每種情況
下散焦量和凹陷深度之間的關(guān)系的圖表；圖4為示出激光照射中斷時間段和凹陷深度之間的關(guān)系的圖表；圖5為示出散焦量、激光束直徑和在搭接焊接終止端部的焊道寬度之間的關(guān)系的圖表；圖6包括圖6(a)，其為示出傳統(tǒng)激光搭接焊接方法的截面?zhèn)纫晥D；圖6(b)，其為示出傳統(tǒng)激光搭接焊接方法的平面圖；圖6 (c)，其為示出激光輸出的圖表；以及圖6 (d)，其為示出另一傳統(tǒng)激光搭接焊接方法的截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式下面將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式。圖I示出了在兩張鋼板I和2 (鍍鋅鋼板)上執(zhí)行根據(jù)第一實施方式的激光搭接焊接10，從而形成具有預(yù)定長度的線性焊接部的情況。在該情況下，兩張鋼板I和2經(jīng)由例如預(yù)先形成在鋼板一側(cè)(或兩側(cè))的凹凸(突起，未示出)軋花重疊，從而在兩張鋼板I和2之間形成用于排出鋅蒸汽的微小間隙g的狀態(tài)下，用夾具(未示出)，如夾鉗，將兩張鋼板I和2夾住。注意到間隙g可由間隔物等形成，而無需形成所述凹凸。此外，在兩張鋼板I和2的結(jié)合面上不存在鍍鋅層的情況下，或者在兩張鋼板I和2未配置鍍有低熔點金屬諸如鋅的層的情況下，該兩張鋼板I和2可以無需形成間隙g而直接重疊。在執(zhí)行激光搭接焊接10的情況下，通過從起始端s到終止端e以恒定激光輸出Pa和恒定掃描速度Va及散焦量Da = O (正在聚焦?fàn)顟B(tài))執(zhí)行激光照射La首先形成焊道11，焊道11在厚度方向穿透兩張鋼板I和2。其次，如圖1(c)所示，激光照射被中斷極短的時間段，即在激光輸出Pb = O下執(zhí)行激光光軸向在起始端s側(cè)的點Cs的移動Lb。與此同時，執(zhí)行激光的焦點控制以將散焦量設(shè)為Dc，從而以預(yù)定激光輸出Pc和掃描速度Vc執(zhí)行散焦激光照射Lc，以使散焦激光照射Lc與從激光光軸移動所至的點Cs到終止端e的焊道11重疊。這種情況下，在激光照射La終止的時刻，如圖1(f)中實線所示，在焊道11的終止端e遺留有凹陷部Ilb (瞬態(tài)凹陷)。然而，在激光照射被中斷極短的時間段之后，以如圖1(f)中虛線所示通過散焦減小了能量密度并增大了光斑直徑這樣的方式執(zhí)行激光照射Lc0因此，凹陷部Ilb周圍的非熔融金屬被熔融并流入凹陷部11b，結(jié)果是填充了凹陷部11b，從而焊接終止端部12被平坦化。不特別限定散焦量Dc，但是，優(yōu)選地，設(shè)置散焦量Dc使得如圖5中的圖表所示在焊接終止端部12獲取焊道寬度Be，該焊道寬度Be約為焊道11的寬度Ba的I. 5至2倍。此、夕卜，不特別限定散焦激光照射Lc的長度(Cs-e)，但是需要將其設(shè)置成約為焊道11的寬度(Ba)的2倍的長度，優(yōu)選地，設(shè)置成焊道11的寬度(Ba)的3倍以上。注意到的是，在激光輸出控制(其中，如圖1(c)所示，激光輸出在激光照射La的起始端s逐漸增加至預(yù)定激光輸出Pa并在激光照射La的終止端e從激光輸出Pa逐漸減小至Pb = O)與激光的焦點控制一起使用時，實質(zhì)焊接長度Wa變得比形成在焊接部表面上的焊道11的長度略短，但是暫時形成在焊道11的終止端e的凹陷部Ilb的深度減小了。凹陷部Ilb的深度的減小對于通過散焦激光照射Lc來平坦化焊接終止端部12是有利的。同樣，這種情況下，具有增加了其他焊接條件，如掃描速度Vc、散焦量Dc和激光照射的中斷時間段，的可允許范圍的優(yōu)點。然而，在散焦激光照射Lc中，減小了實質(zhì)功率密度，因此輸出控制是不必要的。其次，圖2包括圖2(a)，其為示出根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的激光搭接焊接20中在散焦激光照射之前的焊道21的平面圖；圖2(b)，其為沿圖2(a)中的B-B線的橫截面 圖；圖2 (c)，其為示出在散焦激光照射之后的焊道21和22的平面圖，以及圖2 (d)，其為沿圖2(c)中的B-B線的橫截面圖。根據(jù)第二實施方式的激光搭接焊接20示出了形成具有開口部的圓形焊道(C型焊道)，且特別適合用于作為汽車車身焊接工藝中點焊的替代項的激光焊接(單位焊接)的實施方式。除了以局部開口的環(huán)形執(zhí)行激光掃描之外，激光搭接焊接20的焊接程序與根據(jù)上述第一實施方式的激光搭接焊接10中的相同。激光掃描不以閉合的環(huán)形執(zhí)行而以局部開口的環(huán)形執(zhí)行的原因是執(zhí)行激光掃描，從而由焊道21包圍的空間中的鋅蒸汽的排出路徑被確保在起始端s和再次罪近起始端s執(zhí)彳丁的激光掃描的終止端e之間。如圖2(a)和圖2(b)所示，在終止激光照射La的時刻，在焊道21的終止端部22形成凹陷部21b (瞬態(tài)凹陷)。然而，當(dāng)在激光照射被中斷極短的時間段之后，如圖2(c)和圖2(d)中所示執(zhí)行增大了光斑直徑的散焦激光照射Lc時，終止端部22周圍的非熔融金屬被熔融且流入凹陷部21b，因而平坦化了焊接終止端部22從而獲得了極佳的焊道20。當(dāng)作為替代汽車車身焊接工藝中的點焊工藝等的激光焊接工藝而執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接時，通過使用作為單位焊接工藝的根據(jù)上述第一實施方式的線性激光焊接10或者根據(jù)上述第二實施方式的圓形激光焊接20，以合適的間隔間斷地執(zhí)行焊接工藝。在這種焊接工藝中，也有如下可能在自由選取的焊接點上的激光搭接焊接La完成之后的激光照射中斷時間段期間內(nèi)，執(zhí)行相鄰于該焊接點的另一焊接點的激光搭接焊接La，然后，對在前焊接點執(zhí)行散焦激光照射Lc。實施例為了驗證根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接方法的效果，在根據(jù)上述第二實施方式的激光搭接焊接20中進行實驗,通過在工件之間的間隙g為(a) g = O. 2mm、(b) g = O. Imm和(c) g = O. 05mm的每種情況下,在15至50mm的范圍內(nèi)改變激光照射Lc的散焦量Dc來評估
焊道的質(zhì)量。在該實驗中，使用由IPG光子公司制造的光纖激光振蕩器(具有最大輸出7kW，傳輸光纖的直徑0. 2mm)和由HIGHYAG激光技術(shù)公司制造的掃描頭(具有在聚焦?fàn)顟B(tài)下處理焦點直徑0. 6nm)。在每種情況下，作為工件，具有O. 65mm的厚度的非鍍鋼板⑴以上述間隙g重疊在具有O. 8mm的厚度的鍍鋅鋼板(2)上，當(dāng)在下述條件下執(zhí)行圓形激光掃描La時激光輸出4. 3kW、激光束直徑7mm、間斷部長度1mm、設(shè)定焊接長度21mm、掃描速度Va = 6. 9m/min (前半段)至7. 2m/min (后半段)，以及當(dāng)在O. 03秒的中斷時間段之后通過將掃描速度Vc分別變?yōu)?0、15、20和25m/min執(zhí)行散焦激光掃描Lc時，測量在焊接終止端部22最后遺留的凹陷的深度。實驗結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)的圖表可以證實，在確保工件間相對大的間隙g = O. 2mm的設(shè)置下，在實驗所用的散焦量Dc = 15至50mm的范圍的大多數(shù)下凹陷的深度為O. 4mm以下，因而焊接終止端部22的形狀被改善為在焊接質(zhì)量的實際范圍內(nèi)。此外，從圖3 (b)和圖3 (C)的每個圖表可以證實，當(dāng)在工件間設(shè)置相對小的每個間隙g = O. Imm和O. 05mm時,且當(dāng)掃描速度Vc被設(shè)置為15m/min(兩倍速度)以上時，可能 獲得非常好的結(jié)果在散焦量Dc = 15至50mm的范圍內(nèi)凹陷的深度為O. 4mm以下，在散焦量Dc = 25至50mm的范圍內(nèi)凹陷的深度為O. 25mm以下。這表明較小的間隙g在根本上有利于抑制凹陷的形成，因為當(dāng)間隙g較小時，進入間隙g的熔融金屬的量較小。另一方面，當(dāng)掃描速度Vc被設(shè)置為接近于掃描速度Va的10m/min時，且當(dāng)散焦量Dc被設(shè)置在30mm以下的小范圍內(nèi)時，造成了燒穿。推測這是因為實質(zhì)功率密度沒有充分地降低，因而鋅蒸汽的排出和熱擴散不充分。因此，當(dāng)在兩張鋼板I和2之間設(shè)置小間隙g時，可以通過增加散焦量Dc (達到35mm以上)或者通過增加掃描速度Vc (達到掃描速度Va的兩倍速度以上)來充分降低激光照射Lc中的實質(zhì)功率密度。其次，進行實驗以調(diào)查根據(jù)上述第二實施方式的激光搭接焊接20中激光照射的中斷時間段對焊接質(zhì)量的影響。在該實驗中使用與上述相同的焊接裝置和工件，當(dāng)在下述條件下執(zhí)行圓形激光掃描La時間隙g = O. 2mm及掃描速度Va = 6. 9m/min(前半段)至7. 2m/min(后半段)，以及當(dāng)在中斷時間段(O. 009至O. 100秒)之后以掃描速度Vc = 15m/min及散焦量Dc = 50mm執(zhí)行散焦激光掃描Lc時，測量在焊接終止端部22最后遺留的凹陷的深度。實驗結(jié)果如圖4所示。從圖4的圖表，在激光照射中斷時間段為O. 009秒和O. 018秒的每個實施例中，證實了由穿透上方鋼板(I)的凹陷造成的燒穿。然而，在任一其它實施例中，凹陷深度為O. 3mm以下，因而獲得了好的結(jié)果?？紤]到具有O. 65mm厚度的上方鋼板(I)允許凹陷的深度為約O. 4mm，可以說在激光照射中斷時間段為O. 025秒以上的情況下，獲得了穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。以上描述了根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，然而本發(fā)明并不局限于上述實施方式，基于本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思可以作出各種改進和變化。例如，在每個上述實施方式中，描述了這樣的情況，其中在激光照射的中斷時間段期間，向起始端側(cè)執(zhí)行激光光軸的移動Lb，然后從激光光軸移動所至的點Cs到終止端e執(zhí)行散焦激光照射。然而，還可以從終止端e向起始端s側(cè)執(zhí)行散焦激光照射。在這種情況下，必須將激光照射的中斷時間段設(shè)置為略長于上述實施方式中的中斷時間段。此外，在每個上述實施方式中，描述了這樣的情況，其中兩張鋼板重疊且被激光焊接。然而，根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接方法也可以被應(yīng)用于具有其它形態(tài)的工件，且也可以被應(yīng)用在三張以上鋼板重疊且被激光焊接的情況中。此外，如上述實施方式中示出焊道具有線性形狀和圓形形狀(圓弧形狀)的情況，但是，根據(jù)本發(fā)明的激光搭接焊接方法可以應(yīng)用于除了這些形狀的焊道之外的任意形狀的焊道。
權(quán)利要求
1.一種激光搭接焊接方法，包括如下步驟 通過將激光束照射在多個重疊的工件上執(zhí)行搭接焊接； 在所述執(zhí)行搭接焊接的步驟之后，將所述激光束的照射中斷極短的時間段；以及 在將所述激光束的照射中斷的步驟之后，將散焦激光束照射在搭接焊接的終止端部上。
2.一種激光搭接焊接方法，包括如下步驟 通過將激光束照射在多個重疊的工件上執(zhí)行搭接焊接； 在所述執(zhí)行搭接焊接的步驟之后，將所述激光束的照射中斷極短的時間段，并在所述 激光束的照射的中斷期間，從搭接焊接的終止端向搭接焊接的起始端側(cè)移動所述激光束的光軸；以及 在移動所述激光束的光軸的步驟之后，從所述激光束的光軸移動所至的位置到所述搭接焊接的終止端照射散焦激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2中任一項所述的激光搭接焊接方法，其中， 以比所述執(zhí)行搭接焊接的步驟中激光束照射的速度高的速度執(zhí)行所述照射散焦激光束的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的激光搭接焊接方法，其中， 所述激光束照射的中斷時間段在O. 025至O. 25秒的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種激光搭接焊接方法，其包括通過將激光束(La)照射在多個重疊的工件(1，2)上執(zhí)行搭接焊接(10；20)；并在激光束照射的極短中斷時間段之后，將散焦激光束(Lc)照射在所述搭接焊接的終止端部(12；22)上。優(yōu)選地，所述激光搭接焊接方法包括將激光束的照射中斷極短的時間段，并在中斷時間段期間，從搭接焊接的終止端向搭接焊接的起始端側(cè)移動激光束的光軸，以及從激光束的光軸移動所至的位置到搭接焊接的終止端照射散焦激光束。
文檔編號B23K26/20GK102642088SQ20121003892
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者佐貫吉孝, 林本和廣, 萩原宰, 藤沼雄大 申請人:鈴木株式會社