焊接结构体的制造方法与流程

本发明涉及焊接结构体的制造方法，特别是涉及例如拼焊板材这样的采用了钢板的对接激光焊接的焊接结构体的制造方法。

背景技术：

在汽车用钢板领域，为了谋求用于改善燃料消耗费的轻量化和提高耐冲撞特性，拼焊板(Tailored welded blank)的应用在扩大。所谓拼焊板，指的是将通过对焊使材质、板厚、抗拉强度等不同的多个金属板一体化而成的板材(以下称为“拼焊板材”)冲压成形成所希望的形状的方法。在制造拼焊板材时的对焊中，一般使用激光焊接。

在专利文献1～3中，公开了通过采用激光焊接的对焊制造拼焊板材的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-21968号公报

专利文献2：日本特开2006-187811号公报

专利文献3：日本特开2007-237216号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

以往，制作拼焊板材时使用的金属板的板厚的下限为0.7mm左右。即使在专利文献1～3中，作为实施例详细公开的钢板的板厚中较薄的也为0.7mm。

为了汽车的进一步轻量化，一直在研究制造拼焊板材所用的金属板的薄壁化。因此，期望使用以往制造拼焊板材时没有使用的、还未研究焊接技术的更薄的钢板。

本发明人等为了应用于薄钢板拼焊板材，进行了研究。其结果是，弄清楚如果在实际的制造生产线中采用板厚为0.6mm以下的钢板进行利用激光焊接的对焊，即使在钢板间的间隙小至0.1mm以下(也包含无间隙时)时，也出现焊接部分产生贯通孔的问题。但是，在有关主要采用板厚为0.7mm以上的钢板的拼焊板材的专利文献1～3中，没有报告贯通孔的问题。即，对其解决对策尚未进行研究。

本发明是为解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种即使在对包含板厚为0.6mm以下的钢板的多个钢板进行对焊时，也能防止在焊接部分产生贯通孔的焊接结构体的制造方法。

用于解决问题的手段

本发明人等对焊接部产生贯通孔产生影响的主要原因进行了锐意研究。其结果是，得到以下见识。

之所以在焊接部中产生贯通孔，是因为焊接时熔池的流动紊乱。辅助气体的种类对熔池的流动的稳定性有大的影响。

在进行激光焊接时，将未达到线能量不足的激光功率的下限作为下限功率，将能量过剩而产生贯通孔的激光功率的上限作为上限功率，将下限功率和上限功率的范围作为适当功率范围。在作为辅助气体使用通常所使用的Ar气时，无论在怎样的激光功率下都不能适宜地进行对焊。

在完全不用辅助气体时，可进行对焊。但是，因熔池的流动有时产生紊乱，而有时产生贯通孔，在实际操作上难以稳定地进行管理。

在作为辅助气体使用含有适宜流量的O₂气的混合气体时，可抑制贯通孔的产生。O₂气抑制贯通孔产生的机理不清楚，但推测由于以下因素。

在将含有O₂气的混合气体供给焊接部时，与吹喷Ar气时相比熔融金属的表面张力下降。因此，可稳定地形成细而尖锐的形状的钥匙孔(key hole)。认为由此可得到紊乱少的流动，其结果是可稳定地抑制贯通孔的产生。

另一方面，在作为辅助气体使用Ar气时，认为熔融金属的表面张力大，形成粗而带圆角的形状的钥匙孔，钥匙孔在相对于焊接方向向后方延伸后断裂，作为贯通孔残留。

本发明是以上述见识为基础而完成的，以下述的焊接结构体的制造方法作为主旨。

(1)一种焊接结构体的制造方法，其特征在于，其是通过一边向熔池表面供给辅助气体一边用激光焊接对两块钢板进行对焊来制造焊接结构体的方法，其中，所述两块钢板中的至少1块钢板的板厚为0.6mm以下，所述辅助气体为含有10～50体积％的O₂气的混合气体，在将所述辅助气体中的O₂浓度规定为C(体积％)时，辅助气体的流量L(L/min)满足L≥10、且30－C≤L＜40。

(2)根据上述(1)的焊接结构体的制造方法，其特征在于，在将焊接速度规定为V[m/min]、将两块钢板的平均板厚规定为t[mm]、将激光的光点面积规定为A[mm²]时，将激光的功率规定为1.42×V×t×A[kW]～1.83×V×t×A[kW]。

(3)根据上述(1)或(2)的焊接结构体的制造方法，其特征在于，所述两块钢板的焊接部的表面熔化宽度为两块钢板中的薄的钢板的板厚的2.3倍以下，背面熔化宽度为表面的熔化宽度的0.5～1.2倍。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项的焊接结构体的制造方法，其特征在于，所述辅助气体中的O₂浓度为15～30体积％。

(5)根据上述(1)～(4)中任一项的焊接结构体的制造方法，其特征在于，所述辅助气体为空气。

(6)根据上述(1)～(5)中任一项的焊接结构体的制造方法，其特征在于，以向与焊接进行方向相反的方向流动的方式，向所述熔池表面供给所述辅助气体。

(7)根据上述(6)的焊接结构体的制造方法，其特征在于，以与熔池表面交叉的方式供给所述辅助气体。

(8)根据上述(6)的焊接结构体的制造方法，其特征在于，以在比熔池更靠焊接进行方向前方与钢板交叉的方式供给所述辅助气体。

(9)根据上述(1)～(8)中任一项的焊接结构体的制造方法，其特征在于，所述焊接结构体为拼焊板材。

发明效果

根据本发明，即使在对包含板厚为0.6mm以下的钢板的多个钢板进行对焊时，也能防止在焊接部分中产生贯通孔。所以，本发明涉及的焊接方法能够适合用于制造焊接结构体，特别是拼焊板材。

附图说明

图1是表示本发明涉及的焊接方法的一个例子的图。

图2是表示本发明涉及的焊接方法的另一个例子的图。

图3是表示本发明涉及的焊接方法的另一个例子的图。

图4是表示本发明涉及的焊接方法的另一个例子的图。

图5是表示焊接结构体的表面熔化宽度及背面熔化宽度的图。

具体实施方式

本发明的焊接结构体的制造方法是一边向熔池表面供给辅助气体，一边通过激光焊接对两块钢板进行对焊。以下，对本发明的各要件进行详细说明。

(A)辅助气体的供给

在本发明的焊接结构体的制造方法中，作为辅助气体，向熔池表面供给含有O₂气的混合气体。为了使熔池的流动稳定化，防止在焊接部产生贯通孔，需要将混合气体中的O₂气的含量规定为10～50体积％。

如果O₂气的含量高则氧化反应过剩，作为焊渣排出的氧化物增多。其结果是，有焊缝金属的形状成为凹坑形状的顾虑。所以，优选混合气体中的O₂气的含量为30体积％以下。

如果O₂气的含量过低则容易产生贯通孔。另外，为了使焊接后的背面侧的熔化宽度稳定地扩展，优选混合气体中的O₂气的含量为15体积％以上。

O₂以外的气体成分没有特别的限制。可以适宜使用Ar、He等惰性气体或N₂气、CO₂气、压缩空气等。

此外，作为辅助气体，也可以使用含有21体积％左右的O₂气的空气。如果作为辅助气体使用空气，则可将制造成本抑制得较低。

对于辅助气体的供给机构没有特别的限制。例如，只要使用具有可向规定方向喷射混合气体的喷出口的通常的喷嘴即可。对于喷嘴的种类没有特别的限制。例如，可例示具有矩形的喷出口的扁平喷嘴或利用圆管的圆管喷嘴等。

为了不在焊接部产生贯通孔，优选以向焊接进行方向的后方推动熔融金属的方式供给辅助气体。即，在熔池表面，优选以向与焊接进行方向相反的方向流动的方式供给从供给机构喷射的辅助气体。

为达到上述目的，优选通过朝熔池表面直接吹喷来供给辅助气体。也就是说，优选以从供给机构喷射的辅助气体的中心线与熔池表面交叉的方式来调整辅助气体的喷射位置及方向。

为了将在比熔池更靠焊接进行方向前方的钢板的对接部中存在的异物等除去，可以按照将吹喷到比熔池更靠焊接进行方向前方的钢板、在钢板表面反射的混合气体供给到熔池表面的方式，调整混合气体的喷射位置、方向及强度。也就是说，可以按照从供给机构喷射的辅助气体的中心线在比熔池更靠焊接进行方向前方与钢板交叉的方式配置供给机构。

图1～4是用于说明本发明涉及的焊接方法的一个例子的图。在通过由焊头1射出的激光11进行钢板2的焊接时，通过供给机构3供给混合气体12。图1中，相对于焊接进行方向A，从设置在焊头1前方的供给机构3对熔池13直接吹喷辅助气体12。

图2中，与图1同样将供给机构3设置在焊头1的前方，但辅助气体12的吹喷朝熔池前方的钢板2进行，将在钢板2表面反射的辅助气体12供给熔池13的表面，如此调整供给机构3的位置。

如图3所示，在将供给机构3设置在焊头1的前方后，向前方吹喷辅助气体12，将在钢板2表面反射的辅助气体12供给熔池13的表面，如此也可以调整供给机构3的喷射位置及喷射强度。通过向比熔池13更靠焊接进行方向A的前方强力吹喷混合气体12，可将附着在对接部14上的防锈油、渣滓、溅射物等除去。

如图4所示，将供给机构3设在焊头1的后方，向前方吹喷混合气体12，将在钢板2表面反射的混合气体12供给熔池13的表面，如此也可以调整供给机构3的喷射位置及喷射强度。

关于辅助气体的流量L(L/min)，在将O₂浓度规定为C(体积％)时，满足L≥10、且30－C≤L＜40。氧浓度越高至少流量越好。但是，如果流量过小，则气体难达到熔融金属，起不到辅助气体的作用。如果流量过大，则有熔融金属熔落的可能性。

辅助气体的吹喷力F优选为0.001～0.025N。辅助气体的吹喷力可通过F＝ρQ²/A_P来求出。这里，ρ为混合气体的密度、Q为混合气体的流量、A_P为混合气体的配管的截面积。

(B)钢板

在本发明的焊接结构体的制造方法中，将两块钢板对焊。如前所述，在对包含板厚为0.6mm以下的钢板的钢板组进行对焊的情况下，容易在焊接部产生贯通孔。本发明的焊接结构体的制造方法在对包含0.6mm以下的钢板的钢板组进行对焊时，尤其能发挥其效果。

应用本发明的焊接结构体的制造方法的钢种没有特别的限制。可以是非镀覆钢板，也可以是热浸镀锌钢板等镀覆钢板。对钢板的抗拉强度也没有限制，可适宜使用200～1900MPa级的钢板。

对钢板板厚的差没有特别限制。但是，如果差过大，则有时难进行对焊。所以，两块钢板的板厚优选厚的侧的板厚为薄的侧的板厚的3倍以下。

在通过激光焊接进行对焊时，优选将钢板彼此的间隔规定为0.1mm以下。因为如果钢板彼此的间隔过大，则有产生焊接不良的顾虑。也可以根据需要一边供给填充焊丝一边焊接。

(C)激光焊接

在本发明的焊接结构体的制造方法中采用激光焊接。关于激光振荡器的种类，只要是能够振荡kW级的激光的，就不特别限定。例如，可采用光纤激光器、YAG激光器、圆盘激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器等振荡器。只要使用上述振荡器，就能够得到高功率的激光，因此可进行高效率的焊接。

焊接位置上的激光的光点直径小的一方的熔池的流动稳定。但是，如果过小，则有对接中的对口间隙性下降，得不到良好的焊接性的顾虑。如果光点直径过大，则焊接速度下降，表面熔化宽度过于扩展，是不优选的。因此，优选将直径规定为0.5～0.7mm。在采用圆形以外的矩形等的光点时，优选将与焊接方向正交的方向的尺寸规定为0.5～0.7mm。考虑到焊接形状及生产率，焊接速度优选为4～8m/min。

为了得到良好的焊接形状，在将焊接速度规定为V[m/min]、将两块钢板的平均板厚规定为t[mm]、将激光的光点面积规定为A[mm²]时，优选将激光的功率规定为1.42×V×t×A[kW]～1.83×V×t×A[kW]。例如，在将光点规定为直径0.6mm的圆形，以6m/min的焊接速度对板厚0.5mm、1.0mm的钢板组进行焊接时，优选规定为1.8～2.3kW的范围。

如果激光功率过低，则不能使钢板充分熔化，焊接变得不充分。如果激光功率过大，则飞散的溅射物量增加，是不优选的。

再者，本发明的焊接方法涉及两块钢板的对焊，当然也可在具有多个由对焊两块钢板而成的焊接部的拼焊板材等(例如相对于中央的钢板左右分别对焊钢板而得到的由3块钢板组构成的拼焊板材)的制造中使用。

(D)焊接部

优选将焊接部的表面熔化宽度规定为两块钢板中的薄钢板的板厚的2.3倍以下，将背面熔化宽度规定为表面的熔化宽度的0.5～1.2倍。如果表面熔化宽度过大，则焊接部的背面不熔化，或熔融金属容易下垂，是不优选的。如果背面熔化宽度过小，则不能确保足够的强度。如果过大，则熔融金属容易下垂，是不优选的。为了使焊接部的强度达到足够的强度，背面熔化宽度优选为0.8mm以上。再者，将表面熔化宽度规定为图5的W1的长度，将背面熔化宽度规定为W2的长度。

实施例

以下，通过实施例对本发明更具体地进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。

[实施例1]

用光纤激光器对板厚为0.5mm的270MPa级冷轧钢板和板厚为1.0mm的590MPa级冷轧钢板进行对焊。

激光的光点直径为0.6mm，焊接速度固定在6m/min。供给辅助气体的喷嘴的形状为圆管状，内径为5.5mm。喷嘴如图1所示设置在焊头的前方，将喷嘴顶端和钢板的距离规定为15mm，将钢板和喷嘴形成的角度规定为45°，吹喷辅助气体。

一边变化辅助气体的种类一边调整激光功率，进行焊接性的评价。焊接条件及评价结果示于表1。

表1的数值为背面侧的熔化宽度的平均值(mm)。在示出数值的条件下，直到钢板的背面侧都不产生贯通孔地形成焊道。将背面侧的熔化宽度达到0.8mm以上时判定为良好的结果。■标记意味着因线能量不足而没有形成焊道直到背面侧。▲标记意味着形成焊道直到背面侧，但其熔化宽度不稳定。×标记意味着产生贯通孔。

从表1得知，在不使用辅助气体时，或者使用Ar气、N₂气、CO₂气或CO₂气和Ar气的混合气体时，不能稳定地形成宽幅的焊道。

另一方面，在作为辅助气体使用含有O₂气的混合气体时，在O₂气的含量为10～50体积％时，可不产生贯通孔地形成稳定的焊道直到背面侧。特别是在O₂气的含量为15～50体积％时，充分地确保了适当的功率范围。但是，在使用O₂气的含量为50体积％的混合气体时，焊缝金属有点减薄，稍微成为凹陷的形状。此外，即使在作为辅助气体使用空气时，也为良好的结果。在O₂气的含量为5体积％时，不能形成宽幅的焊道。

[实施例2]

与实施例1同样，将激光功率规定为2.1kW，变化辅助气体中的O₂浓度和辅助气体的流量，进行焊接性的评价。焊接条件及评价结果示于表2。

表2

表2的数值是背面侧的熔化宽度的平均值(mm)。在示出数值的条件下，直到钢板的背面侧都不产生贯通孔地形成焊道。×标记表示产生贯通孔。

从表2得知，在将混合气体中的O₂浓度规定为C(体积％)时，在混合气体的流量L(L/min)满足L≥10、且30－C≤L＜40时，为良好的结果。

工业上的可利用性

根据本发明，即使在对包含板厚为0.6mm以下的钢板的多个钢板进行对焊时，也能防止在焊接部分中产生贯通孔。所以，本发明涉及的焊接方法适合用于制造焊接结构体，特别是拼焊板材。

符号说明

1 焊头

2 钢板

3 供给机构

11 激光

12 混合气体

13 熔池

14 对接部

A 焊接进行方向

51 钢板

52 钢板

53 焊接部

W1 表面熔化宽度

W2 背面熔化宽度