TWI696512B - 板材的對接雷射焊接法及雷射焊接部件 - Google Patents

Abstract

一種鋼板的雷射焊接法，其未使用填料而使雷射(2)以螺旋狀或蛇行狀照射對接二個板材(1)的對接部(4)，且該雷射焊接法中，該板材的厚度係1~6mm；以特定週期劃出雷射之軌跡，以使對接並焊接起該二個板材的焊接部沿著焊接方向週期性地變動；該特定週期係藉由進行拉伸測試而設定為使該焊接部不破裂而母材破裂；雷射輸出係2~7kW，且焊接速度係0.5~3m/分；且對接間隔G係大於0且為2.0mm以下，且相對於焊接線的雷射振幅W係於下述(1)式範圍內，G/2≦W≦G/2+2.0...(1)

其中，W：雷射振幅(mm)

G：對接間隔(mm)。

Description

板材的對接雷射焊接法及雷射焊接部件

本發明關於焊接強度優異之板材的對接雷射焊接法及雷射焊接部件。

由於雷射係高能量密度熱源，因此被利用於各種領域。尤其是在焊接當中，係為高速且低熱輸入焊接，因此具有熱變形及熱變質較少之特徵，被利用於汽車部件等的工業機器或結構體的組裝。

於雷射焊接法當中，與其他的電弧焊接法等同樣地使用搭接填角焊接頭、T字形接頭、對接接頭等的焊接接頭。以從焊接面的垂直方向照射雷射的雷射焊接法之情形當中，必須嚴格地控管瞄準位置、對接間隔。關於雷射束直徑雖然因雷射振盪方式或透鏡等而異，但一般來說係小至0.5mm以下，因此當瞄準位置偏移時，產生焊透缺陷。此外，若於對接部產生空隙，對接間隔比雷射束直徑還寬時，會使得雷射束穿過而無法進行焊接。

例如，如圖1所示般，若雷射2的焦點位置偏移至板1-a側，會使得板1-a熔融而形成熔融部3，而板1-b則因熱輸入不足而導致不熔融的焊接缺陷。此外，當以剪切等切斷方法來切斷被焊接材料時，要將切斷面切成一直線且垂直於焊接面係為困難，且亦產生下垂及變形。因此，如圖2所示，對接部4變得比雷射2束直徑還寬，導致雷射2穿過板1-a及板1-b之間而產生焊接缺陷。為防止此情形，必須於切斷面施加機械研磨修整以縮小對接間隔；或者是使用填料來填入空隙中，因而導致成本增加。

由於對接部的雷射焊接當中存有如上述的問題，因此專利文獻1揭示了一種方法，其係以雷射焊接鋼板作為材料以製造汽車用面板之方法，使剪切切斷後的薄鋼板的毛刺方向相同作對接，並於下垂側供給填料進行雷射焊接以製造壓製材料的方法。然而，如同前述般，剪切切斷後的板材切斷端面並非垂直於焊接面，因此要如專利文獻1般精密地對接2片板將其進行雷射焊接有許多困難之處。此外，有時也需要在不使用填料情形下進行雷射焊接。

為了解決如此的對接雷射焊接法，專利文獻2、3揭示了用電流掃描器以螺旋狀或蛇行狀照射雷射的電流掃描式之對接雷射焊接法。此方法係如圖3所示般，以電流掃描器劃出雷射2的螺旋狀的軌跡5(圖3a)或是蛇行狀的軌跡6(圖3b)之方式照射兩個板材1,1的對接部4之雷射焊接法。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本公開專利公報「特開平5-84585號公報」

[專利文獻2]日本公開專利公報「特開昭54-116356號公報」

[專利文獻3]日本公開專利公報「特開平8-192286號公報」

然而，即便是電流掃描式的對接雷射焊接法，若沒有將板材的對接間隔、雷射2的振幅控制在適當範圍內，仍會產生熔融不足、熔融金屬垂落而 導致焊接強度降低。由於該專利文獻2、3當中僅記載對接間隔多少有些拉寬、或是雷射束的照射位置多少有些偏移仍無礙，實際上仍存有以習知技術之電流掃描式的對接雷射焊接法當中仍無法得到穩定的焊接強度之問題。本發明係有鑑於如此的現狀，以提供能夠獲得穩定且優異的焊接強度之板材對接雷射焊接法及雷射焊接部件為目的。

發明人進行詳細研究之結果為獲得以下見解，並進而完成本發明。即，用電流掃描器劃出螺旋狀或蛇形狀的軌跡，以對二個板材1,1的對接部4照射雷射的電流掃描器式的雷射焊接法當中，藉著將對接間隔、雷射振幅控制在適當範圍內，可獲得穩定而優異的焊接強度。

也就是說，本發明一實施型態中的雷射焊接法，並未使用填料而使雷射以螺旋狀或蛇行狀照射對接二個板材的對接部，且該雷射焊接法當中，該板材的厚度係1~6mm；以特定週期劃出雷射之軌跡，以使對接並焊接起該二個板材的焊接部沿著焊接方向週期性地變動；該特定週期係藉由進行拉伸測試而設定為使該焊接部不破裂而母材破裂；雷射輸出係2~7kW，且焊接速度係0.5~3m/分；且對接間隔G係大於0且為2.0mm以下，且相對於焊接線的雷射振幅W係於下述(1)式範圍內，G/2≦W≦G/2+2.0…(1)，其中，W：雷射振幅(mm)

G：對接間隔(mm)。

此外，本發明一實施型態中的以雷射焊接法焊接而成的雷射焊接部件，其中該雷射焊接法係未使用填料而使雷射以螺旋狀或蛇行狀照射對接二個板材的對接部，且該雷射焊接法當中，該板材的厚度係1~6mm；以特定週期劃出雷射之軌跡，以使對接並焊接起該二個板材的焊接部沿著焊接方向週期性地變動；該特定週期係藉由進行拉伸測試而設定為使該焊接部不破裂而母材破裂；雷射輸出係2~7kW，且焊接速度係0.5~3m/分；且對接間隔G係大於0且為2.0mm以下，且相對於焊接線的雷射振幅W係於下述(2)式範圍內，G/2≦W≦G/2+2.0…(2)

其中，W：雷射振幅(mm)

G：對接間隔(mm)。

根據本發明，可提供穩定且焊接強度優異的對接雷射焊接法及雷射焊接部件。

1:板材

1-a:板

1-b:板

2:雷射

3:熔融部

4:對接部

5:軌跡

6:軌跡

7:雷射振盪器

8-1:馬達

8-2:馬達

9-1:電流鏡

9-2:電流鏡

10:聚光透鏡

11:端部(板材)

G:對接間隔

W:振幅

〔圖1〕係為雷射瞄準位置偏移時的對接部剖面之示意圖。

〔圖2〕係為對接間隔較寬時的對接部剖面之示意圖。

〔圖3〕係為電流掃描器式的雷射焊接法之示意圖，該雷射焊接法係以電流掃描器劃出螺旋狀或蛇形狀之軌跡的方式，雷射照射二個板材的對接部。

〔圖4〕電流掃描頭式的雷射加工機的示意圖。

〔圖5〕定義本發明之對接間隔、雷射振幅之圖。

針對本發明中的鋼板的對接雷射焊接法，以及藉由雷射焊接法而焊接而成的雷射焊接部件進行詳細說明。此外，於本說明書當中，標註為A~B(A、B為任意數字)係指A以上B以下之意。首先，於圖4中示意性地示出了電流掃描器式的雷射加工機。以雷射振盪器7所產生的雷射2，被安裝於馬達8-1,8-2的電流鏡(Galvano mirror)9-1,9-2反射，經過聚光透鏡10照射於二個板材1,1的對接部4。此電流鏡9-1,9-2、馬達8-1,8-2、聚光透鏡10統稱為電流掃描頭。關於此電流掃描頭係基於來自未圖示出的控制裝置之指令，藉著馬達8-1,8-2使電流鏡9-1,9-2以特定速度、角度作搖動，並且可藉著組合此搖動以及板材1,1的輸送速度，使雷射2劃出如圖3所示般的螺旋狀的軌跡5(圖3a)或是蛇行狀的軌跡6(圖3b)。以下詳述於本發明的雷射焊接法當中的對接雷射焊接條件。

圖5係用以說明本發明，由剖面方向來觀察二個板材1,1的對接部4之圖。於本發明當中，如圖5所示般，以電流掃描器來照射雷射2至二個板材1,1的對接部4。雷射2以對接部4的對接間隔G同等或其以上之振幅W，一邊劃出如圖3所示螺旋狀或蛇形狀之軌跡5,6，一邊進行照射，據此使得即使於對接部4存有空隙仍能使二個板材1,1焊透。此外，即便未嚴密地控制雷射2的瞄準位置亦能穩定地焊透。

於本發明當中，於未使用填料情形下使二個板材1,1的對接部4熔融以進行焊接，惟於本發明當中，對接部4的對接間隔G係大於0且為2.0mm以 下。若對接間隔G大於2.0mm時，以雷射2能夠熔融的板材1之體積會變少，焊接部的厚度變薄而使得接合強度變低，進而產生熔融金屬垂落之情形。

相對於焊接線的雷射2之振幅W係為下述(1)式的範圍內。G/2係指於圖5當中，以一點鏈線所示的對接部4中心起至板材之端部11之距離。此外，G/2+2.0係指由板材的端部11起算之板材側的2.0mm位置。也就是說，於本發明當中，雷射2的振幅W係限定為自對接部4的中心起，至板材之端部11之距離以上且自板材之端部11起算2.0mm以下的距離內。此外，於圖5當中雖將板材之端部11於示意圖中繪製為直線，實際上因圖1,2所示的切斷方法會形成微小的凹凸。因此，於本發明當中，對接部的間隔G係指板材之端部11於對接部4最為突出部分之間的距離。

G/2≦W≦G/2+2.0…(1)其中，W：雷射振幅(mm)

G：對接間隔(mm)。

若雷射2的振幅W小於G/2時，雷射2會穿過對接部4。此外，若雷射2的振幅W為G/2+2.0以上時，會使得板材1之端部11熔融不足。因此，於本發明當中，雷射2的振幅W係限定在上述(1)式的範圍內。此外，雷射2的振幅W係以該電流鏡9-1,9-2搖動的角度控制在(1)式的範圍內。

本發明中的雷射2之種類並無特別限制。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，雷射束的品質良好，因此為較佳。此外， 雷射輸出係2~7kW，雷射束直徑係依照所焊接板材之種類、板厚等進行適當選擇即可。

雷射2係以特定週期劃出雷射2的軌跡，以使對接並且焊接起二個板材1,1的焊接部沿著焊接方向週期性地變動。雷射2的軌跡可舉例例如螺旋狀或蛇形狀，若為週期性形狀，則雷射2的軌跡之形狀可不特別限制。

螺旋的平坦度、螺旋間距或蛇行間距可不特別限制。舉例來說，作為雷射2的軌跡週期，不論是螺旋狀或蛇形狀，可設定為每1cm焊接方向1次以上。也就是說，每1cm焊接方向對應雷射2往返二個板材1,1之間1次以上。該週期之上限取決於該電流鏡9-1,9-2之性能，可舉例例如100次以下。劃出雷射2的特定週期可藉由拉伸測試來設定使得該焊接部不會破裂而母材破裂。

焊接速度(被焊接材料之移動速度)可為例如0.5~3m/分。上述的焊接條件可根據被焊接材料的種類、厚度等進行適當選擇。關於振幅、螺旋的平坦度、軌跡之間距係以該電流鏡9-1,9-2的搖動之角度、搖動速度、焊接速度(被焊接材料之移動速度)來控制。

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-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對接雷射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。

於本發明中，板材1的厚度可為例如1~6mm。不限定為板狀，亦可為塊狀。此外，二片板材並不限為同等厚度材料，亦可為不同厚度材料。

[實施例]

將表1所示的：低碳素鋼；每單面鍍層附著量為90g/m²的熔融Zn-6質量%Al-3質量%Mg鍍鋼板；SUS304；Al板，等各項作為供測試材料，使用搭載如圖4所示電流掃描頭，且雷射束直徑為0.5mm

的最大輸出7kW的光纖雷射焊接機來進行對接雷射焊接。

將如表1所示供測試材料對接進行雷射焊接，並使對接間隔G為本發明的2.0mm以下；以及作為比較用的2.0mm以上。雷射焊接係於電流掃描頭的正前方安裝靠模裝置以檢測對接部4的中心位置及對接間隔G，並將雷射2的振幅控制在本發明範圍內以進行對接焊接。此外，作為比較，以雷射2的振幅W為本發明範圍外情況下進行對接焊接。從對接焊接後的樣品中，採樣寬度30mm的拉伸測試用樣品，進行拉伸測試。於拉伸測試當中，若為母材破裂則評側為○，若為焊接部破裂則評側為×。

將雷射焊接條件、拉伸測試結果示於表2中。

[表2]

如表2的No.1~20所示，本發明的實施例中母材破裂，獲得了優異的焊接強度。

相對於此，對接間隔G大於本發明範圍的比較例No.21,22當中，由於雷射2穿過對了接部4而無法焊接，因此未進行拉伸測試。於比較例No.23,25,27,29當中，雷射2的振幅W低於本發明範圍，雷射2穿過對接部4無法焊接，因此未進行拉伸測試。於比較例No.24,26,28,30當中雷射2的振幅W大於本發明範圍，因此焊透不足，於拉伸測試中焊接部破裂。

[產業利用性]

本發明係可利用於在將板材1,1彼此作對接焊接情形下即使對接部4產生空隙仍能使板材1熔融而填補空隙以將板材1,1彼此焊接之方法。本發明亦適用於汽車領域或是工業機器領域等的部件接合中。

1:板材

2:雷射

4:對接部

11:端部(板材)

G:對接間隔

W:振幅

Claims (2)

1. 一種鋼板的雷射焊接法，其未使用填料而使雷射以螺旋狀或蛇行狀照射對接二個板材的對接部，且於該雷射焊接法中，該板材的厚度係1~6mm；以特定週期劃出該雷射之軌跡，以使對接並焊接起該二個板材的焊接部沿著焊接方向週期性地變動；該特定週期係藉由進行拉伸測試而設定為使該焊接部不破裂而母材破裂；雷射輸出係2~7kW，且焊接速度係1~2m/分；且對接間隔G係大於0且為2.0mm以下，且相對於焊接線的該雷射振幅W係於下述(1)式範圍內，G/2≦W≦G/2+2.0…(1)其中，W：雷射振幅(mm)G：對接間隔(mm)。
2. 一種以雷射焊接法焊接而成的雷射焊接部件，其中該雷射焊接法係未使用填料而使雷射以螺旋狀或蛇行狀照射對接二個板材的對接部，且該雷射焊接法當中，該板材的厚度係1~6mm；以特定週期劃出該雷射之軌跡，以使對接並焊接起該二個板材的焊接部沿著焊接方向週期性地變動； 該特定週期係藉由進行拉伸測試而設定為使該焊接部不破裂而母材破裂；雷射輸出係2~7kW，且焊接速度係1~2m/分；且對接間隔G係大於0且為2.0mm以下，且相對於焊接線的該雷射振幅W係於下述(2)式範圍內，G/2≦W≦G/2+2.0…(2)其中，W：雷射振幅(mm)G：對接間隔(mm)。

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