激光熔接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適于通過(guò)使用激光束進(jìn)行熔接而使多個(gè)工件接合的激光熔接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光熔接方法作為用于在多個(gè)金屬工件堆疊或抵接的狀態(tài)下使這些工件接合的 方法已被廣泛地使用。通過(guò)激光熔接方法進(jìn)行熔接具有以下優(yōu)勢(shì)：較小的加工變形、高速熔 接的能力、較小的余熱影響部等。
[0003] 作為這種技術(shù)，例如，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)No. 2013-132686 (JP 2013-132686 A)提 出了一種用于使由堆疊的多個(gè)金屬板形成的工件接合的激光熔接方法。此處，為了使工件 接合，激光束被投射到工件上，使得形成了由多個(gè)熔核構(gòu)成的熔接部，從而接合工件Wl。
[0004] 更具體地，如圖IOA中示出的，激光束被投射到形狀相同并且位于閉合曲線D上的 照射區(qū)域Pl至照射區(qū)域P3上，使得熔核中的每個(gè)熔核均沿著為虛擬閉合曲線D的圓周形 成?？梢酝ㄟ^(guò)采用這種激光熔接方法來(lái)提高工件的熔接可靠性。
[0005] 如在JP 2013-132686 A中所指出的，當(dāng)形成包括熔核Nl至熔核N3的熔接部Y時(shí)， 熔核Nl、恪核N2、熔核N3是順序地形成的。然而，隨著熔核Nl、熔核N2、恪核N3被順序地 形成，熔核的尺寸趨向于按照熔核Nl至熔核N3的順序增大，如圖IOB所示。于是，存在無(wú) 法獲得穩(wěn)定形狀的熔接部Y的情況。特別地，這種現(xiàn)象在大量熔核鄰近彼此順序地形成或 試圖以高速順序地形成多個(gè)熔核的情況中更加明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種激光熔接方法，該激光熔接方法可以在通過(guò)將激光束投射到工 件上來(lái)順序地形成熔核從而形成包括多個(gè)熔核的熔接部的情況下抑制熔核的尺寸的波動(dòng) 并且使工件的熔接穩(wěn)定。
[0007] 作為認(rèn)真研究的結(jié)果，本發(fā)明人已得到以下發(fā)現(xiàn)。在當(dāng)多個(gè)熔核順序地形成時(shí)用 于形成熔核的相同條件應(yīng)用至熔核中的每個(gè)熔核的情況下，由激光束輸入至照射區(qū)域中的 每個(gè)照射區(qū)域的總熱量（總熱輸入量）是相同的，例如，如圖IOC中示出的。
[0008] 例如，如圖IOA所示，認(rèn)為當(dāng)熔核Nl至熔核N3按照照射區(qū)域Pl至照射區(qū)域P3的 次序而順序地形成時(shí)，隨后形成的熔核（例如，熔核N2)受到當(dāng)先前形成熔核時(shí)（例如，當(dāng) 熔核Nl形成時(shí)）輸入的激光束的熱影響。換言之，當(dāng)激光束被投射到照射區(qū)域P2上以形 成熔核N2時(shí)，如圖IOD中示出的，增加了通過(guò)在先前形成熔核Nl時(shí)投射的激光束而引起的 工件中的余熱。類(lèi)似地，當(dāng)激光束被投射到照射區(qū)域P3上以形成熔核N3時(shí)，增加了通過(guò)在 先前形成熔核Nl、N2時(shí)投射的激光束而引起的工件中的余熱。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)后續(xù)的熔核的尺 寸依次增大。
[0009] 本發(fā)明基于由本發(fā)明人的這種新發(fā)現(xiàn)。本發(fā)明的第一方面涉及激光熔接方法。該 激光熔接方法包括：將激光束投射到多個(gè)金屬工件中的每個(gè)金屬工件的照射區(qū)域上，使得 當(dāng)通過(guò)激光熔接使工件接合時(shí)形成熔接部，熔接部由多個(gè)熔核形成，并且照射區(qū)域分別形 成有熔核。于是，熔核是通過(guò)將激光束順序地投射到分別與熔核相對(duì)應(yīng)的照射區(qū)域上而順 序地形成的。激光束被投射到照射區(qū)域中的每個(gè)照射區(qū)域上，使得隨著熔核被順序地形成， 減少?gòu)男纬扇酆怂璧募す馐焦ぜ臒彷斎肓俊?br>[0010] 根據(jù)本發(fā)明的以上方面，多個(gè)金屬工件通過(guò)激光熔接而接合。此時(shí)，激光束被投射 到位于工件中的至少一個(gè)工件的表面上的照射區(qū)域中的每個(gè)照射區(qū)域上，使得由多個(gè)熔核 形成熔接部--工件的一部分在該熔接部中熔化。更具體地，當(dāng)形成由多個(gè)熔核形成的熔 接部時(shí)，激光束被間歇地投射，使得熔核通過(guò)激光束的照射而順序地形成。
[0011] 此時(shí)，在熔核形成期間激光束的輸入熱在下一個(gè)熔核形成時(shí)殘余在工件中。因此， 在本發(fā)明中，考慮了這種余熱，并且激光束被投射到照射區(qū)域中的每個(gè)照射區(qū)域上，使得隨 著熔核被順序地形成，減少?gòu)耐渡涞秸丈鋮^(qū)域中的每個(gè)照射區(qū)域上的激光束到工件的熱輸 入量（用于形成熔核中每個(gè)熔核所需的熱輸入量）。
[0012] 因此，在當(dāng)多個(gè)熔核被順序地形成時(shí)由激光束在前一個(gè)熔核形成期間引起的在工 件中的余熱量被加至用于形成下一個(gè)熔核的照射區(qū)域中的情況下，來(lái)自激光的隨后熱輸入 量小于來(lái)自激光的先前熱輸入量。由此，可以使照射區(qū)域中的總熱量彼此接近。以這種方 式，抑制了這些熔核的尺寸的波動(dòng)，并且由此可以使工件的熔接穩(wěn)定。
[0013] 此外，在本發(fā)明的以上方面中，在前一個(gè)熔核形成期間由激光束引起的在工件中 的余熱量被有效地用于形成下一個(gè)熔核。由此，可以抑制激光束過(guò)多地照射到工件上。
[0014] 在以上方面中，激光束可以被投射成使得多個(gè)熔核沿著虛擬閉合曲線形成。根據(jù) 此方面，多個(gè)熔核是通過(guò)將激光束順序地投射到沿著虛擬閉合曲線的多個(gè)照射區(qū)域上來(lái)形 成的。由此，與虛擬閉合曲線內(nèi)的整個(gè)區(qū)域被熔化的情況相比，可以通過(guò)使用較少的熱量來(lái) 獲得處于穩(wěn)定形狀的熔接部。
[0015] 此外，激光束被投射成使得熔核沿著閉合曲線彼此間隔開(kāi)。接著，激光束可以被投 射成使得在兩個(gè)相鄰熔核之間的閉合曲線上進(jìn)一步形成熔核。
[0016] 根據(jù)此方面，激光束被投射成使得熔核沿著閉合曲線彼此間隔開(kāi)。接著，激光束被 投射到照射區(qū)域上，從而在兩個(gè)相鄰的熔核之間形成熔核。此時(shí)，通過(guò)散熱減少了這些照射 區(qū)域中的每個(gè)照射區(qū)域中的余熱量。以這種方式，與熔核以連續(xù)的方式順序地形成在閉合 曲線上的情況相比，可以容易地形成具有相同尺寸的熔核。
[0017] 此外，投射激光束以形成熔核的過(guò)程被設(shè)定為第一激光束照射過(guò)程。激光束的照 射還包括第二激光束照射過(guò)程，該第二激光束照射過(guò)程是在第一激光束照射過(guò)程之后并且 在熔核被固化之前執(zhí)行的，并且在該第二激光束照射過(guò)程中，將激光束投射到處于熔化狀 態(tài)的熔核上，以延遲沿從熔核的周緣朝向熔核的中心的方向固化的進(jìn)程。
[0018] 根據(jù)此方面，在第一激光束照射過(guò)程中，熔核（熔池）一一在照射區(qū)域中的工件在 熔核（熔池）中熔化一一是通過(guò)將第一激光束投射到照射區(qū)域上而形成的。此時(shí)，處于熔化 狀態(tài)的熔核（熔池）中的熱比起從其從中心消散更易于從其周緣消散。因此，固化從熔核 的周緣開(kāi)始并且朝向中心進(jìn)行。從熔核的中心的固化開(kāi)始至完成其固化的固化速度（即， 冷卻速度）高于熔核的周緣的固化速度（冷卻速度）。結(jié)果，熔核的中心的固化收縮是在被 熔核的液相流動(dòng)補(bǔ)償之前完成的。這可能導(dǎo)致從固化的熔核的中心或其附近開(kāi)始的裂紋的 產(chǎn)生和伸展。
[0019] 鑒于以上描述，在本發(fā)明的以上方面中，在第二激光束照射過(guò)程中將第二激光束 投射到處于熔化狀態(tài)的該熔核上。因此，延遲了沿從熔核的周緣朝向處于熔化狀態(tài)的熔核 的中心的方向的固化的進(jìn)程。
[0020] 以這種方式，通過(guò)液相流動(dòng)補(bǔ)償了在處于熔化狀態(tài)的熔核的中心處的固化收縮。 由此，可以抑制在熔核的中心附近產(chǎn)生裂紋。此外，抑制了從處于熔化狀態(tài)的熔核的周緣至 中心的固化速度（冷卻速度）的波動(dòng)，并且由此使處于熔化狀態(tài)的熔核可以固化成具有更 均勻的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)指出的是，"處于熔化狀態(tài)的熔核的中心"是指處于熔化狀態(tài)的熔核的最 后被固化的部分。例如，當(dāng)熔核是圓形的熔核時(shí)，熔核的中心是指圓的中心的附近。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的以上方面，即使當(dāng)通過(guò)投射激光束來(lái)順序地形成熔核從而形成包括 多個(gè)熔核的熔接部時(shí)，仍可以抑制這些熔核的尺寸的波動(dòng)并且由此可以使工件的熔接穩(wěn) 定。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的特征、優(yōu)勢(shì)以及技術(shù)和工業(yè)意義進(jìn) 行描述，在附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件，并且其中：
[0023] 圖IA是用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式至第三實(shí)施方式的激光熔接方法的 熔接裝置的一個(gè)示例的示意圖并且是熔接狀態(tài)的沿橫向方向的視圖；
[0024] 圖IB是用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式至第三實(shí)施方式的激光熔接方法的 熔接裝置的一個(gè)示例的示意圖并且是熔接狀態(tài)的沿正面方向的視圖；
[0025] 圖2A至圖2D是根據(jù)第一實(shí)施方式的激光熔接方法的第一激光束照射過(guò)程的一個(gè) 示例的示意圖，其中，圖2A至圖2D示出第一激光束按次序被投射到工件上；
[0026] 圖3A是用于說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出在第一激光 束被投射到工件上之前工件上的虛擬閉合曲線以及第一激光束的照射區(qū)域；
[0027] 圖3B是用于說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出照射區(qū)域中 的每個(gè)照射區(qū)域與對(duì)其的總熱輸入量之間的關(guān)系；
[0028] 圖3C是用于說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出照射區(qū)域與 照射強(qiáng)度比之間的關(guān)系；
[0029] 圖3D是用于說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出熔核的狀 態(tài)；
[0030] 圖4A是用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出在第一激光 束被投射到工件上之前工件上的虛擬閉合曲線以及第一激光束的照射區(qū)域；
[0031] 圖4B是用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出照射區(qū)域中 的每個(gè)照射區(qū)域與對(duì)其的總熱輸入量之間的關(guān)系；
[0032] 圖4C是用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施方式的激光熔接方法的視圖并且示出熔核的狀 態(tài)；
[0033] 圖5A和圖5B是在圖2中示出的照射過(guò)程之后未執(zhí)行第二激光束照射過(guò)