雷射焊接接頭構造及具有該接頭構造的氣體發生器的製作方法

2023-08-07 02:49:06

專利名稱：雷射焊接接頭構造及具有該接頭構造的氣體發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過雷射焊接將由壓製成形形成的鋼部件彼此或者壓製成形品與鋼材之類的被焊接部件彼此進行接合的焊接接頭構造。
特別地，涉及一種截面所視的坡口形狀由圓弧和圓弧、或圓弧和直線構成的擴口接頭(flare groove joint擴口坡口接頭)的雷射焊接接頭構造。
作為前述被焊接部件的例子，列舉有構成氣體發生器等汽車零件、建築部件、家電零件等的鋼材等。
以下，在從擴口接頭的截面所視的坡口形狀由圓弧和圓弧構成的情況下，稱為擴口V形坡口(flaresingle Vgroove擴口V形坡口)。另外，在從擴口接頭的截面所視的坡口的形狀由圓弧和直線構成的情況下，稱為擴口レ形坡口(flare single bevel groove擴口單斜面坡口)。
背景技術：
雷射焊接不僅限於象電子束焊接那樣在真空氛圍中的焊接，也可為在大氣中的焊接。而且，具有光束的能量密度高、可進行高速焊接、由焊接產生的變形小的特徵。因此，應用領域正在擴大。
在應用通常的雷射焊接的情況下，接頭的坡口的截面形狀大半為矩形。以下，稱從截面所示的坡口形狀的平坦部為I形坡口(squaregroove平頭坡口)。
但是，有些製品，在為擴口接頭的情況下，從截面所視的坡口的形狀為圖10所示擴口V形或圖11所示擴口レ形。
以往，在對這種接頭進行雷射焊接的情況下，為得到希望的熔深，調整焊接速度、光束功率來進行焊接。
但是，要以0.5m/min以上的焊接速度得到一定的熔深，例如1.5mm以上的熔深時，則產生在焊接金屬的表層部發生裂紋的問題。
這種裂紋當然在直線狀的焊接線的情況下也有，但實際上在高約束的嵌入接頭的擴口接頭的情況下，極易發生。
因此，為避免該裂紋，以使用產生裂紋的原因之一的磷(以下，稱為P)或硫(以下，稱為S)含量少的高純度鋼材來進行對策。
但是，在該情況下，存在使用的鋼材種類受限制的問題。

發明內容
本發明的第1目的在於提供一種在對擴口接頭進行雷射焊接時，即使是應用通用性高的普通鋼部件，也不會在焊接金屬的表層部發生裂紋的雷射焊接接頭構造。
特別地，提供一種能夠在焊接部的表層部不發生裂紋的情況下，以0.5m/min以上的焊接速度得到1.5mm以上的熔深的雷射焊接接頭構造。
本發明的第2目的在於提供一種具有前述雷射焊接接頭構造，在焊接表面部不發生裂紋等，而使接頭部分的可靠性提高的氣體發生器。
發明內容本發明的發明人為探究在通過雷射焊接對擴口接頭進行焊接時產生的裂紋的原因，詳細地研究了焊接部中的焊接金屬的橫截面組織和縱截面組織。
參照圖12，以坡口的截面形狀為V形的擴口接頭的情況為例，對其結果進行說明。在圖12中，標記1，2為鋼的被焊接部件、3為焊接金屬。圖12表示了焊接部中的焊接金屬3的橫截面組織模型，發生了裂紋5。可以看出焊接金屬3的表面的寬度TU[mm]比表面正下方的寬度TL[mm]小。又，確認了在擴口接頭中，大部分為這種形狀。
圖13為模擬焊接部中的焊接金屬3的縱截面微觀組織的圖。確認了，相對於表面部12的凝固，表面下的下層部13的凝固線11相對於焊接方向向後方一側延遲。
即，有無裂紋5的發生，與該表面下的下層部13有無凝固延遲有關，所以，找出不產生該凝固延遲的焊接施工條件就成了關鍵。
本發明的發明人為找出在焊接部中的焊接金屬的表面的正下方不產生凝固延遲的焊接施工條件，而進行了銳意研究。
其結果，發現，只改善焊接條件並不能解決問題，改善坡口構造是比較有效的。
即，本發明的雷射焊接接頭構造為擴口接頭的雷射焊接接頭構造，其特徵在於，在坡口的光束入射部處，在被焊接部件的至少一方上設置有I形坡口狀的平坦部。
據此，關於前述擴口接頭的雷射焊接部中的焊接金屬的橫截面微觀組織，呈下述熔透狀態，即，表面寬度等於或大於其他部位、特別是前述表面的正下方的焊接金屬的寬度。
又，關於擴口接頭的雷射焊接部中的焊接金屬中央的縱截面微觀凝固組織，呈下述凝固組織，即，表面的凝固點與其他部位，特別是表面的下層部的凝固點相同或相對於焊接進行方向位於最後方。
因此，即使是應用通用性高的普通鋼材制的擴口接頭，也不會產生雷射焊接部的表層部的裂紋。
前述I形坡口狀的平坦部的寬度T優選0.5mm以上2.0mm以下。若I形坡口狀的平坦部的寬度T不足0.5mm，則相對於實際應用的焊接條件來說太小，幾乎沒有效果。
而且，I形坡口狀的平坦部的寬度T[mm]優選為滿足下式。
T≥Q/1500其中，Q為，雷射功率[W]/焊接速度[m/min]。以下，稱Q為焊接熱輸入或只稱為熱輸入。
又，本發明的氣體發生器的特徵在於，具有前述雷射焊接接頭構造。


圖1(a)，圖1(b)為在具有擴口レ形坡口的擴口接頭的兩被焊接部件上形成有I形坡口狀的平坦部的一例。圖1(a)為表示焊接金屬的橫截面熔透狀況的圖。圖1(b)為表示焊接金屬的縱截面凝固線的形態的模擬圖，表示沒有發生裂紋的情況下的形態。
圖2(a)及圖2(b)為表示在具有擴口レ形坡口的擴口接頭的一方的被焊接部件上形成有I形坡口狀的平坦部的雷射焊接部的一例。圖2(a)為表示焊接金屬的橫截面熔透狀況的圖。圖2(b)為表示焊接金屬的縱截面凝固線的形態的模擬圖，表示沒有發生裂紋的情況下的形態。
圖3為具有本發明的雷射焊接接頭構造的氣體發生器的一例的剖視圖。
圖4為表示實施例1中的焊接試驗部件形狀的圖。
圖5(a)為表示擴口接頭的以往的レ形坡口的圖，圖5(b)為表示實施例1中的焊接試驗部件的坡口形狀的圖，表示在單側部件上設置有I形坡口狀的平坦部的擴口レ形坡口，圖5(c)為表示實施例1中的焊接試驗部件的坡口形狀的圖，表示在兩側部件上設置有I形坡口狀的平坦部的擴口レ形坡口。
圖6為表示從實施例1的實驗結果得到的、焊接部裂紋的有無和坡口表面的平坦部寬度T[mm]、焊接熱輸入Q之間關係的圖。
圖7為表示實施例2中的焊接試驗部件形狀的圖。
圖8(a)為表示擴口接頭的以往的V形坡口的圖，圖8(b)為表示在單側部件上設置有I形坡口狀的平坦部的擴口V形坡口的圖，圖8(c)為表示實施例2中的焊接試驗部件的坡口形狀的圖，表示在兩側部件上設置有I形坡口狀的平坦部的擴口V形坡口。
圖9為表示從實施例2的實驗結果得到的、焊接部裂紋的有無和坡口表面的平坦部寬度T[mm]、焊接熱輸入Q之間關係的圖。
圖10為表示擴口接頭的以往的V形坡口的一例的圖。
圖11為表示擴口接頭的以往的レ形坡口的一例的圖。
圖12為對擴口接頭的以往技術中的V形坡口進行雷射焊接的情況的剖視圖，為關於裂紋發生的說明圖。
圖13為表示以往技術中的雷射焊接部的焊接金屬的縱截面凝固線的形態的模擬圖，表示發生裂紋的情況下的形態。
圖14為表示關於試驗焊接條件的範圍的表1的圖。
圖15為表示關於實施例1中的試驗焊接條件及裂紋調查結果的表2的圖。
圖16為表示關於實施例2中的試驗焊接條件及裂紋調查結果的表3的圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的雷射焊接接頭構造的實施方式的一例進行說明。
圖1(a)，圖1(b)為表示具有擴口レ形坡口的擴口接頭的雷射焊接部的截面的圖。在兩被焊接部件1，2上形成有I形坡口狀的平坦部4。
圖1(a)表示相對於焊接金屬的焊接方向的橫截面微觀組織，表示焊接金屬的橫截面熔透狀況。圖1(b)為表示焊接金屬的縱截面凝固線的形態的模擬圖，表示沒有發生裂紋的情況下的形態。
在圖1(a)中，1，2表示作為被焊接部件的鋼部件，3表示焊接金屬部，4表示形成為I形坡口狀的平坦部。又，在圖1(b)中，11表示焊接金屬的凝固線，12表示焊接金屬的表面，13表示焊接金屬的表面下的下層部。
如圖1(a)所示，確認了，通過在坡口的光束入射部處設置I形坡口狀的平坦部4，焊接金屬的表面部12的寬度TU[mm]大於表面正下方的寬度TL[mm]。而且，如圖1(b)所示，確認了縱截面微觀下的凝固線11中的表面部12的凝固線11位於焊接方向的最後方。這證明了焊接金屬的最終凝固部轉移到了焊接金屬表面，由此，可以防止產生凝固裂紋。
圖2(a)及圖2(b)為表示具有擴口レ形坡口的擴口接頭的雷射焊接部的截面的圖。在一方的被焊接部件上形成有I形坡口狀的平坦部4。圖2(a)表示焊接金屬3相對於焊接方向的橫截面微觀組織，表示焊接金屬3的橫截面熔透狀況。圖2(b)表示焊接金屬3相對於焊接方向的縱截面微觀凝固組織，為表示焊接金屬的縱截面凝固線的形態的模擬圖。
如圖2(b)所示，確認了縱截面微觀下的凝固線11中的表面部12的凝固線11與以往相比，位於焊接方向的後方。由此，可以防止產生凝固裂紋。
這樣，在擴口レ形接頭的坡口處，在被焊接部件的一方或雙方上設置I形坡口狀的平坦部4，由此，可以有效地防止在焊接部的表面上產生裂紋。
其中，該I形坡口狀的平坦部4的寬度越寬越有效，這是因為變得和平板的對合接頭同樣了的緣故。但是，從與擴口接頭所要求的強度的關係出發，優選地設定為所必要的最小限度。
其中，焊接金屬的表面部12的寬度TU[mm]大致由焊接時的雷射功率和焊接速度之比唯一決定。雷射功率越高，且焊接速度越低，則寬度TU[mm]越大。在平坦部4的寬度T[mm]比該寬度TU[mm]小的情況下，要完全避免焊接金屬的表面正下方的凝固延遲就變得困難。
因此，隨著焊接熱輸入Q變大，必須增大平坦部寬度T[mm]。而且，前述焊接熱輸入Q為雷射功率[W]/焊接速度[m/min]。
進而，若平坦部的寬度不足0.5mm，則對於實際應用的雷射焊接條件來說太小，所以幾乎沒有效果。而且，可判斷在焊接熱輸入Q的值不足500的焊接條件下，應用於焊接金屬部的截面積小、產生裂紋問題那樣的金屬製品的情況稀少。所以該焊接熱輸入Q的值優選為500以上2250以下。
又，擴口接頭7的坡口形狀為V形的情況示於圖8(b)，圖8(c)中。在圖8(b)中，I坡口狀的平坦部4設置在被焊接部的一方的部件上。前述平坦部4的寬度為TS[mm]。在圖8(c)中，I坡口狀的平坦部4設置在被焊接部的兩側部件上。前述平坦部4的寬度為TD[mm]。坡口形狀為V形的情況也與擴口接頭的坡口形狀為レ形的情況相同，故省略其說明。
以上那樣的雷射焊接接頭構造可以完全地防止對焊接部性能產生不良影響的裂紋發生，不僅能提高焊接部的質量，還可實現焊接工時及檢查、維修工時的大幅減少，從而起到可大幅降低製造成本的效果。
其次，通過具體的實施例，對上述本實施方式例的雷射焊接接頭構造進行說明。
在圖4中，將φ60.5mm、板厚3.5mm的JISG3452 SPG鋼材機械加工成圓筒狀，作成第1鋼部件1。進而，將板厚3mm的JISG3141 SPCD鋼材壓製成形，其後，對其進行機械加工，作成具有凸緣部的圓筒狀的第2鋼部件2。
將該第1鋼部件1嵌入第2鋼部件2中，構成坡口形狀為擴口レ形的擴口接頭7。
然後，如圖5(b)所示，在第2鋼部件上形成I形坡口狀的平坦部4。前述平坦部4的寬度為TS[mm]。
又，如圖5(c)所示，在第1鋼部件及第2鋼部件上形成I形坡口狀的平坦部4。前述平坦部4的寬度為TD[mm]。
在圖14中的表1所示的焊接條件的範圍內，對其進行CO2雷射焊接。然後，調查在焊接部的表面及截面上是否產生了裂紋。
作為比較例1，對圖5(a)所示的以往的擴口レ形接頭坡口的情況也在與實施例1同樣的條件下進行CO2雷射焊接，通過焊接部表面及截面調查來調查有無裂紋產生。
又，實施例1及比較例1同樣地，雷射焊接裝置使用5KW雷射焊接裝置，將試驗部件夾緊在轉動夾具上，一邊使其轉動一邊進行焊接。在圖14中的表1中表示了試驗焊接條件的範圍。在圖15中的表2中表示了試驗焊接條件及裂紋調查結果。
從表2可以看出，在表面未設置平坦部的比較例1的坡口上，即使變化焊接條件，也不能避免裂紋發生。確認了根據表面上設置有平坦部的實施例1的坡口，在各種焊接條件下都可避免裂紋發生。
從試驗結果來看，確認了適當的平坦部寬度T[mm]優選設定為滿足下式。
T≥Q/1500其中，Q為，雷射功率[W]/焊接速度[m/min]。
前述試驗結果示於圖6中。圖6為表示焊接部的裂紋有無和坡口表面的平坦部寬度T[mm]及焊接熱輸入Q之間的關係的圖表。
又，對本實施例1的焊接部調查了熔透狀態，結果確認了均可得到1.5mm以上的熔深。而且，確認了在橫截面微觀組織中，焊接金屬表面的寬度比表面正下方的寬度大。進而，也可確認到，在焊接金屬中央的縱截面微觀凝固組織中，焊接金屬表面的凝固點與包含表面正下方的其他的表面下層部的凝固點相比，相對於焊接進行方向位於最後方。
在圖7中，對板厚3mm的JISG3141 SPCD鋼材進行壓製成形後實施機械加工，來成形圓盤狀的第1鋼部件1。將其組合嵌入具有凸緣部的第2鋼部件2中，構成坡口形狀為擴口V形的擴口接頭7。
然後，如圖8(c)所示，在第1鋼部件及第2鋼部件上形成I形坡口狀的平坦部4。前述平坦部4的寬度為TD[mm]。
對其進行YAG雷射焊接，並通過焊接部表面及截面調查來調查有無裂紋產生。
作為比較例2，在圖8(a)所示的坡口形狀為以往的V形的擴口接頭的情況下，也在與實施例2同樣的條件下進行YAG雷射焊接，通過焊接部表面及截面調查來調查有無裂紋產生。
又，實施例2及比較例2同樣地，雷射焊接裝置使用5KW雷射焊接裝置，而且，將試驗部件夾緊在轉動夾具上，邊使其轉動邊進行焊接。將試驗焊接條件的範圍作成表1示於圖14中。將試驗焊接條件及裂紋調查的結果作成表3示於圖16中。
從表3可以看出，關於坡口形狀為V形的擴口接頭，也和實施例1同樣，在表面未設置平坦部的比較例2的坡口上，即使變化焊接條件，也不能避免裂紋發生。
確認了在表面上設置有平坦部的實施例2的坡口的情況下，在各種焊接條件下都可避免產生裂紋。
確認了適當的平坦部寬度T[mm]優選設定為滿足下式。
T≥Q/1500其中，Q為，雷射功率[W]/焊接速度[m/min]。
前述試驗結果示於圖9中。圖9為表示焊接部的裂紋有無和坡口表面的平坦部寬度T[mm]及焊接熱輸入Q之間的關係的圖表。
如上所述，在開口形狀為V形或レ形的擴口接頭的雷射焊接中，即使是應用通用性高的普通鋼材，也不會在焊接金屬的表層部發生裂紋。
因此，本發明的雷射焊接接頭構造也可以應用於圖3所示那樣的用於使汽車的緩衝氣袋等膨脹的氣體發生器20的各接頭部分。
又，該處所示的氣體發生器為作為氣體發生器的實施方式的一例，本發明的具有雷射焊接接頭構造的氣體發生器，並不限於該處所示的氣體發生器。
圖3所示的氣體發生器20為使駕駛席用的緩衝氣袋膨脹展開的氣體發生器，包括殼體23、圓筒狀的第1分隔部件6、第2分隔部件27、過濾件28、氣體發生劑29、點火機構31，30。
殼體23是由起爆殼21和閉合殼22構成的較短的圓筒。圓筒狀的第1分隔部件6將殼體23內在圓周方向上劃分成燃燒室24a，24b和過濾室25。第2分隔件27將燃燒室24a，24b分成上下兩個燃燒室24a，24b。過濾件28裝配在過濾室25中。氣體發生劑29裝填在各燃燒室24a，24b內。點火機構31，30使前述氣體發生劑29分別獨立燃燒。
前述起爆殼21和閉合殼22對接，構成雷射焊接的擴口接頭。該焊接部50的坡口形狀為レ形。在該レ形坡口的光束入射部，在起爆殼21和閉合殼22的至少一方上設置I形坡口狀的平坦部，來進行焊接。
而且，支承各點火機構31，30的底盤部32與前述起爆殼21構成雷射焊接的擴口接頭。該焊接部51的坡口形狀為V形。在該V形坡口的光束入射部，在底盤部32和起爆殼21的至少一方上設置I形坡口狀的平坦部，來進行焊接。
這樣構成的接頭構造在兩焊接部50，51的焊接表面上不發生裂紋，而將殼體23內可靠地密封起來。這樣，本實施方式例的接頭構造也可應用於氣體發生器的由通用材料構成的接頭部分。其結果，可以提高由雷射焊接形成的接頭部分的可靠性。
而且，本發明記載在了上述優選實施方式例中，但本發明並不僅限於此。應理解為不脫離本發明的精神和範圍的各種實施方式例可為其他方式。
工業實用性本發明如上所述地構成，在對擴口接頭進行雷射焊接時，即使是通用性高的普通鋼材，作為焊接金屬的表層部無裂紋發生的雷射焊接接頭構造，也比較合適。
特別地，作為在焊接部的表層部不發生裂紋的情況下，能夠以0.5m/min以上的焊接速度得到1.5mm以上的熔深的雷射焊接接頭構造，比較合適。
而且，作為具有本發明的雷射焊接接頭構造，在焊接的表面不發生裂紋等，而使接頭部分的可靠性提高了的氣體發生器，比較合適。
權利要求
1.一種雷射焊接接頭構造，為擴口接頭的雷射焊接接頭構造，在坡口的光束入射部處，在被焊接部件的至少一方上設置有I形坡口狀的平坦部。
2.如權利要求1所述的雷射焊接接頭構造，前述I形坡口狀的平坦部的寬度為0.5mm以上2.0mm以下。
3.如權利要求1所述的雷射焊接接頭構造，前述I形坡口狀的平坦部的寬度T[mm]滿足下式，T≥Q/1500其中，Q為，雷射功率[W]/焊接速度[m/min]，稱為焊接熱輸入或熱輸入。
4.如權利要求1所述的雷射焊接接頭構造，關於前述擴口接頭的雷射焊接部中的焊接金屬的橫截面微觀組織，呈下述熔透狀態，即，表面寬度等於或大於前述表面的正下方的焊接金屬的寬度。
5.如權利要求1所述的雷射焊接接頭構造，關於擴口接頭的雷射焊接部的焊接金屬中央的縱截面微觀凝固組織，呈下述凝固組織，即，表面的凝固點與表面的下層部的凝固點相同或相對於焊接進行方向位於最後方。
6.一種氣體發生器，具有權利要求1所述的雷射焊接接頭構造。
7.一種氣體發生器，具有權利要求2所述的雷射焊接接頭構造。
8.一種氣體發生器，具有權利要求3所述的雷射焊接接頭構造。
9.一種氣體發生器，具有權利要求4所述的雷射焊接接頭構造。
10.一種氣體發生器，具有權利要求5所述的雷射焊接接頭構造。
全文摘要
一種雷射焊接接頭構造，為擴口接頭的雷射焊接接頭構造，在坡口的光束入射部處，在被焊接部件(1，2)的至少一方上設置有I形坡口狀的平坦部(4)。一種氣體發生器，具有前述雷射焊接接頭構造。
文檔編號B60R21/26GK1638914SQ03805570
公開日2005年7月13日 申請日期2003年3月7日 優先權日2002年3月8日
發明者村井康生, 青木靖弘 申請人:日本化藥株式會社