DE69314080T2

DE69314080T2 - Laserpuls-Ausstrahlungsgerät für bekleidetes metallisches Material

Info

Publication number: DE69314080T2
Application number: DE69314080T
Authority: DE
Inventors: Koichi Haruta; Yuichiro Terashi
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2013-04-03
Also published as: KR930021311A; EP0564995B1; US5347528A; DE69314080D1; CA2093286A1; EP0564995A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pulslaser- Bestrahlungsgerät zum Bestrahlen von Schweißmaterialien mit einem zyklischen Pulslaserstrahl, beispielsweise einer beschichteten Metallbahn, deren obere und lange Oberfläche einer solchen Zn-Beschichtungsbehandlung unterzogen wird, daß eine rostbeständige Wirkung erzielt wird. Eine typische plattierte Metallbahn wird definiert durch G3302 der Japanischen Industrie Standard (Japanese Industrial Standards, JIS). Eine Dicke des Stahlbogens liegt in dem Bereich von 1,6 mm bis zu 6,0 mm in dem Fall eines warmgewalzten Bands, und sie liegt in dem Bereich von 0,11 mm bis 3,2 mm in dem Fall eines kaltgewalzten Bandes. Eine solche Art eines Zn-plattierten Stahlbandes wird in großem Umfang in zahlreichen Industriegebieten eingesetzt, beispielsweise dem Gebiet der Automobile, dem Gebiet der allgemeinen Elektrotechnik, dem Gebiet der Leichtindustrie, in Bereichen der Schwerindustrie und dergleichen.
Die Techniken für das Schweißen von Zn-plattierten Stahlplatten wird nachfolgend detaillierter beschrieben. Bei einem geschweißten Beispiel, wie es in Fig. 13(a) gezeigt ist, sind zwei Stahlplatten 2-1 und 2-2 jeweils mit Zn- Plattierungen 3 auf beiden Seiten miteinander überlappt Bei einem anderen Beispiel, wie dies in Fig. 13(b) gezeigt ist, ist eine einzige Stahlplatte 2a mit Zn-Plattierung zum Bilden einer doppelt gebogenen Struktur rückgebogen.
Bei einem Beispiel für einen Dreischicht-Schweißvorgang, wie er in Fig. 14(a) gezeigt ist, sind drei Stahlplatten 2-1, 2-2 und 2-3 jeweils mit Zn-Plattierungen 3 auf beiden Seiten laminiert. Wie in Fig. 14(b) gezeigt, wird eine einzige Stahlplatte 2b mit einer Zn-Plattierung auf beiden Seiten gefaltet, und eine andere Stahlplatte 2-1 mit Zn- Plattierungen auf beiden Seiten wird in eine Vertiefung eingeführt, die durch die gefaltete Stahlplatte 2b definiert ist.
In derselben Weise kann ein Mehrschicht-Schweißen für vier oder mehr Schichten durchgeführt werden, wie in den Fig. 15(a) und 15(b) gezeigt.
Ein Zweck für einen Halbdurchdringungs-Schweißvorgang bei einer Überlappungsbestrahlung besteht darin, die Qualität des äußeren Erscheinungsbilds der Oberfläche der Stahlplatten beizubehalten, während die Bindungsstärke auf einem geeigneten Niveau gehalten wird. In anderen Worten ist es, wie in Fig. 14(b) gezeigt, nicht erforderlich, irgendeine Oberflächenabschlußbehandlung nach dem Schweißen durchzuführen, und es ist möglich, die Qualität der äußeren Oberfläche in derselben Bedingung wie bei der ursprünglichen Stahlplattenoberfläche aufrecht zu erhalten.
Weiterhin ist es in dem in Fig. 14(a) gezeigten Fall möglich, die Oberflächenqualität der ursprünglichen Stahlplattenoberfläche lediglich mit einer minimalen Oberflächenabschlußbehandlung aufrecht zu erhalten. Wird beispielsweise eine Schleifbearbeitung oder dergleichen bei den Zn-plattierten Stahlplatten als Oberflächenbehandlung durchgeführt, so wird eine Zn-Plattierungsschicht an der Oberfläche weggeschliffen, so daß sich die rostbeständige Wirkung der Zn-Plattierungsbehandlung erheblich verschlechtert.
Allgemein werden bekannte Verfahren für das Laserschweißen Zn-plattierter Stahlplatten beispielsweise kategorisiert in einem Verfahren, das einen Laser vom Typ mit Erzeugung einer fortlaufenden Signalform einsetzt (dieses Verfahren wird im folgenden als ein CW-Verfahren bezeichnet, vgl. continuous wave), sowie ein Verfahren, das einen Laser vom Typ mit Pulserzeugung einsetzt (dieses Verfahren wird im folgenden einfach als Pulslaserverfahren bezeichnet). Diese Verfahren werden erläutert.
(1) Ein Beispiel des Verfahrens unter Einsatz eines Lasers vorn CW-Typ ist ein Überlappungsschweißvorgang beispielsweise mit einem CW-Typ CO&sub2;-Laser. Bei dem Laser vom CW-Typ werden Schlüssellöcher und ein Laserinduktionsplasma fortlaufend während des Bestrahlbetriebs aufrecht erhalten. Im Ergebnis wird, obgleich Zn-metallischer Dampf (von dem ein Teil in einem Plasmazustand gehalten wird), der durch die Laserstrahlbestrahlung erzeugt wird, wirksam von den Schlüssellöchern entfernt wird, die Laserausgangsgröße im Vergleich mit dem Pulslaserverfahren übermäßig der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführt.
Aus disem Grund wird ein Schmelz-Verfestigungs-Teil erhöht, was zu einer vollständigen Durchdringung führt.
Selbst dann, wenn die teilweise Halbdurchdringung durch sorgfältiges Auswählen der Bestrahlungsbedingungen erzielt würde, wäre es nicht möglich, eine gute Oberflächenerscheinung der Stahlplatte zu erhalten, aufgrund der Tatsache, daß eine Uneinheitlichkeit bezüglich der Abstände zwischen den plattierten Stahlplatten vorliegt, die zu schwqißende Werkstücke darstellen (diese Abstände werden im folgenden als der "Abstand zwischen den Werkstücken" bezeichnet), und weiterhin liegt eine Uneinheitlichkeit bei einer Plattierungsmenge für die Zn-plattierten Stahlplatten vor (beispielsweise liegt im Fall von F08 die Zn- Plattierungsmenge in dem Bereich von 60 bis 100 g/m²), oder aufgrund der Tatsache, daß eine übermäßige Wärme eine Verzerrung oder Verwerfung bewirkt.
(2) Andererseits wurde im Zusammenhang mit dem Verfahren unter Einsatz des Pulslasers eine Überlapp-Schweißtechnik mit einem Festkörperlaser vorgeschlagen, beispielsweise einem Nd:YAG-Laser. Mit dem Nd:YAG-Laser sind ein fortlaufendes Überlappungsschweißen und ein Punktüberlappungsschweißen allgemein bekannt.
Die Ausgangsgröße des Pulslasers ist durch die folgende Beziehung festgelegt: die durchschnittliche Ausgangsleistung P(kW) ist gegeben durch:
P = E f.
Die Energie E(J) eines Pulses ist gegeben durch:
E = P' t,
derart, daß P(kW) die durchschnittliche Ausgangsgröße darstellt, daß E(J) die Energie eines Impulses ist, daß P' (kW) die Spitzenleistung eines Impulses ist, d.h. die durchschntitliche Spitzenleistung pro Impulsbreite, t(ms) die Pulsbreite eines Pulses ist und f(Hz) die Pulsfrequenz ist.
Allgemein hängen der Bestrahlungsumfang und die Durchdringungstiefe relativ zu einer vorgegebenen Schweißgeschwindigkeit bei der Pulslaserbestrahlung hauptsächlich von der Pulsenergie ab. Die Energie (bestimmt anhand der durchschnittlichen Ausgangsgröße und der Frequenz) eines Pulses, die erforderlich ist, um eine gewünschte Durchdringungstiefe zu erreichen, ist beispielsweise in Fig. 16 gezeigt, in der beispielsweise die Pulszeit, die Frequenz und die durchschnittliche Ausgangsgröße zu optimalen Pegeln für die Bearbeitungsbedingungen immer in derselben Kurve für die Impulsbestrahlung ausgewählt sind. Wird die durchschnittliche Ausgangsgröße konstant gehalten, so wird die Durchdringungstiefe in Übereinstimmung mit dem Impulslaserverfahren im Vergleich zu dem CW-Laserverfahren erhöht.
Eine Pulssignalform für die Pulsenergie wird erläutert.
Bei einer Rechteckwellenform, wie in Fig. 17 gezeigt, wird die Spitzenleistung P(kW) im wesentlichen unverändert innerhalb einer Pulsbreite t aufrecht erhalten. Bei einer integrierten Wellenform, wie sie in Fig. 18 gezeigt ist, wird die Spitzenleistung P innerhalb der Impulsbreite t(rnsec) verändert. Die Fig. 19 zeigt ein Beispiel der Wellenform, die mit dem CW-Lasertyp überlappt An diesen Beispielen wird die gewünschte Durchdringungstiefe im wesentlichen durch die Pulsenergie der oben beschriebenen Rechteckwelle bestimmt.
Weiterhin ist es im Fall von Metallen, deren Oberflächenmaterialien leicht durch die Pulslaserbestrahlung aufgeblasen werden, möglich, eine gute Schweißraupe durch Auswahl der Pulsenergiedichte (d.h. der Spitzenleistungsdichte) zu erhalten.
Die Pulsenergie und die Pulsenergiedichte (d.h., die Spitzenleistungsdichte), die erforderlich sind, um eine gewünschte Durchdringungstiefe relativ zu einer Plattendicke der Zn-plattierten Stahlplatte zu erhalten, sowie eine festgelegte Schweißgeschwindigkeit, lassen sich einfach mit einem allgemein bekannten Verfahren erhalten.
Weiterhin würden bei einem Haften von Rauchgasen oder Sputterteilen an den Linsen eines optischen Systems während des Laserbestrahlungsprozesses die letzteren beschädigt. Um dies zu vermeiden, wurden zahlreiche Rauchgas- oder Sputter- Vermeidungsverfahren vorgeschlagen. Verfahren zum Schützen des optischen Systems gegenüber Sputter-Teilen oder Rauchgasen werden kategorisiert in einem Verfahren unter Einsatz einer Schutzglasplatte vor der Bearbeitungslinse, ein Verfahren zum Wegnehmen der Sputter-Teile mit komprirnierter Luft aus Düsen, und ein Hybridverfahren hiernach.
Jedoch bestehen bei den oben vorgeschlagenen Verfahren immer noch die folgenden Probleme. Insbesondere würde bei einem allgemein Nd: YAG-Laser-Laserimpuls die Lasersbestrahlung durch die Pulsoszillation oder -erzeugung zu Schüssellöchern führen, sowie zum absatzweisen Auftreten von laserinduziertern Plasma. Aus diesem Grund muß der durch das plattierte Metall entstehende Dampf (dessen Teil in einem Plasmazustand gehalten wird) oder der zermahlene organische Dampf im Fall einer organischen Materialbeschichtung, erzeugt durch die Laserbestrahlung, wirksam für jeden Puls entfernt werden.
Jedoch ist es lediglich mit einer einzigen Art eines rechtwinkligen Pulses nicht möglich, den Dampf aus plattiertern Metall oder den gemahlenen organsichen Dampf zu entfernen. Im Ergebnis würden Schweißfehler durch die Mitführung des Dampfs in das geschmolzene Metall auftreten (derartige Fehler werden als Blaslöcher bezeichnet). Andererseits wird das geschmolzene Metall durch den Dampfdruck aufgrund der Verbindungsfehler verspritzt. In jedem Fall würde die Schweißstärke erheblich verschlechtert, zusätzlich zu dem fehlerhaften äußeren Erscheinungsbild bein Schweißen, beispielsweise Blasöffnungen oder Sputterspritzen.
In vielen Fällen bewirkt das Sputterspritzen, daß das optische System beschädigt wird, was zu einer Zunahme des Wartungsaufwands führt. Ferner wird in dem Fall, in dem Lücken zwischen den Stahlplatten vorliegen, zusätzlich zu dem vorhergegangenen pHänomen der Dampf aus plattiertern Metall über die Lücken zur Außenseite so austreten, daß das geschmolzene Metall zwischen den Stahlplatten verspritzt und dispergiert wird, was zu Schweißfehlern führt. Jedoch können in einigen Fällen dann, wenn ein Abstand zwischen den Werkstücken innerhalb eines festgelegten Bereichs gehalten wird, aufgrund der Tatsache, daß der Dampf aus plattiertem Material wirksam ausgehend von der Lücke austritt, gute Schweißraupen erhalten werden.
Nichtsdestotrotz ist es im Gebiet einer industriellen Anwendung sehr schwierig, den Abstand zwischen den Werkstücken in dem festgelegten Bereich zu halten. Im Hinblick auf den Schutz der optischen Systeme ist es zudem bei den üblichen Verfahren aufgrund der Tatsache, daß Sputterteile mit großen Momenten bespritzt werden, nicht möglich, die Sputterteile mit der komprimmierten Luft vollständig zu entfernen, was zu einer Adhäsion von Sputterteilen an den Schutzgläsern führt, oder zu Beschädigungen des optischen Systems.
Es ist auch unmöglich, Rauchgase (Metallpartikel) vollständig zu entfernen. Die Rauchgase haften an optischen Komponenten, beispielsweise einem Schutzglas oder einem Parabolspiegel. Dies führt zu einer Zunahme der Kosten für die optischen Komponenten wie einem Schutzglas. Zudem ist der Austausch von optischen Komponenten zeitaufwendig.
Demnach besteht eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Pulslaser-Bestrahlungsverfahren zum Bestrahlen von Schweißmaterialien mit einem Pulslaserstrahl, beispielsweise von plattierten Stahlplatten, und insbesondere einem Pulslaser-Bestrahlungsgerät, durch das Schweißbälge mit einem guten äußeren Schweißerscheinungsbild und geringen Fehlern wie Blasöffnungen und geringen Spritzanteilen wie Sputterteilen und dergleichen und mit ausreichender Scherungskraft erzielbar sind, durch Semi-Durchdringung in einem Überlappungspunkt und einem stetigen Überlappungsschweißen (Kappnahtschweißen) für plattierte Stahlplatten.
Es wird Bezug auf GB-A-2 218 660 genommen, die ein Laserstrahl-Bohr- oder -Schneidverfahren offenbart, bei dem jeder Puls eine stetige Laserwelle aufweist, die in mehrere Subpulse unterteilt ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Pulslaser-Bestrahlungsvorrichtung geschaffen, um mit einem zyklischen Pulslaserstrahl beschichtete Metallmaterialien zu bestrahlen, umfassend einen Pulslasergenerator mit einem Lasermittel und einer Energieversorgung, um den Pulslaser anzuregen; und einen Erzeugungs-Steuerabschnitt, um den Pulslasergenerator zu steuern; dadurch gekennzeichnet, daß der Erzqugungs-Steuerabschnitt angeordnet ist, nur erste und zweite rechtwinklige Wellen zu erzeugen, in einer Pulsform, gefolgt von einer Periode mit Null-Ausgabe, für jeden Zyklus des durch den Pulslasergenerator erzeugten Pulslaserstrahls, und um ein Verhältnis zwischen einer Spitzenleistung und einer Pulsweite von jeder ersten rechtwinkligen Welle und einer Spitzenleistung und einer Pulsweite von jeder zweiten rechtwinkligen Welle in vorbestimmten Bereichen wie folgt zu steuern:
0 < t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 1,
P&sub1;/P&sub2; > 1, und
t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) ≤ 0,6 (P&sub1;/P&sub2;) - 0,2.
(Definitionen: P&sub1;: die Spitzenleistung (in kW ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,
P&sub2;: die Spitzenleistung (in kW ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle,
t&sub1;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,
t&sub2;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle).
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Pulslaser- Bestrahlungsverfahren geschaffen, um mit einem zyklischen Pulslaserstrahl beschichtete zu schweißende Metallmaterialien zu bestrahlen, umfassend die Schritte: Erzeugen nur einer ersten und zweiten rechtwinklige Welle, in einer Pulsform, gefolgt von einer Periode mit Null-Ausgabe, für jeden Zyklus des durch den Pulslasergenerator erzeugten Pulslaserstrahls, und Steuern eines Verhältnisses zwischen einer Spitzenleistung und einer Pulsweite von jeder ersten rechtwinkligen Welle und einer Spitzenleistung und einer Pulsweite von jeder zweiten rechtwinkligen Welle in vorbestimmten Bereichen wie folgt:
0 < t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 1,
P&sub1;/P&sub2; > 1, und
t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) ≤ 0,6 (P&sub1;/P&sub2;) - 0,2.
(Definitionen: P&sub1;: die Spitzenleistung (in kW ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,
P&sub2;: die Spitzenleistung (in kW ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle,
t&sub1;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,
t&sub2;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle).
Im übrigen kann das Lasermedium Yttrium-Aluminium-Granat dotiert mit Neodymium (Nd:YAG), Rubin, Glas oder dergleichen für einen Festkörperlaser enthalten. Weiterhin kann das Lasermedium CO&sub2; bei einem Gaslaser enthalten.
Die Stromversorgung kann aus Blitzlichtern, einem Halbleiterlaser oder dergleichen für den Nd:YAG-Laser, den Rubinlaser, den Farblaser, den Glaslaser und dergleichen bestehen.
Für den Erzeugungs-Steuerabschnitt läßt sich die elektrische Energie der Stromversorgung so variieren, daß die Spitzenleistungen gesteuert werden, oder andernfalls kann ein Halbleiterschalter der Stromversorgung oder dergleichen zum Steuern der Versorgungsperiodendauer eingesetzt werden, um hierdurch die Breiten der Impulse zu steuern.
Da der Erzeugungs-Steuerabschnitt zwei Rechteckwellen in eine Pulswellenform mit jedem Zyklus des Pulslaserstrahls erzeugt durch den Pulslasergenerator erzeugt, und er eine Beziehung zwischen einer Spitzenleistung und einer Pulsbreite einer ersten Rechteckwelle und einer Spitzenleistung und einer Pulsbreite einer zweiten Rechteckwelle in festgelegten Bereichen steuert, läßt sich dann, wenn mit dem erzeugten Laserstrahl die beschichtete Metallplatte bestrahlt wird, der Dampf aus plattiertern Metall oder der Dampf aus zermahlenem organischen Material wirksam von den Schweißbälgen entfernen, wodurch Schweißbälge mit gutem äußeren Erscheinungsbild erhalten werden, sowie eine ausreichende Scherungskraft mit geringen Schweißdefekten.
Die festgelegten Bereiche für den Erzeugungs-Steuerabschnitt sind wie folgt:
0 < t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 1,
P&sub1;/P&sub2; > 1, und
t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) ≤ 0,6 (P&sub1;/P&sub2;) - 0,2.
Wird der Pulslaser in diesen Bereichen den Stahlplatten zugeführt, so ist der oben beschriebene Effekt gewährleistet.
Inbesondere, sind die bevorzugten Bereiche wie folgt:
0 < t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 1,
P&sub1;/P&sub2; = > 1, und
t&sub1;/(t&sub1;+ t&sub2;) < 0,6 (P&sub1;/P&sub2;) - 0,2.
Weiterhin sind vorzugsweise die festgelegten Bereiche wie folgt:
0,3 ≤ t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 0,5, und
1,5 < P&sub1;/P&sub2; < 2,0.
Weiterhin sind die festgelegten Bereiche wie folgt:
0,3 < t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 0,5, und
1,5 ( P&sub1;/P&sub2; < 2,0.
Liegt der Pulslaser in diesen Bereichen an den beschichteten Metallplatten an, so ist die oben beschriebene Wirkung weiter gewährleistet. In diesem Fall kann die stetige Wellenform (CW) mit der vorgenannten Wellenform überlappt werden.
Ferner kann unter Steuerung des Erzeugungs-Steuerabschnitts das Intervall tint zwischen zwei Rechteckwellen zu 10 ms oder weniger festgelegt sein, um hierdurch die Wirkung zu gewährleisten.
Weiterhin kann unter Steuerung des Erzeugungs- Steuerabschnitts das Intervall tint zwischen zwei Rechteckwellen zu 2msec oder weniger festgelegt sein, um hierdurch die Wirkung zu gewährleisten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steuert der Erzeugungs-Steuerabschnitt den Pulslasergenerator derart, daß dann, wenn mehrere beschichtete Metallplatten zueinander überlappt und miteinander verschweißt werden, eine Pulsenergie des Pulslaserstrahls auf eine solche Stärke festgelegt ist, daß ein Teil der zweiten beschichteten Metallplatte durch die zweite beschichtete Metallplatte geschweißt wird. Somit kann der Pulslaserstrahl mit halber Durchdringungsstärke bestrahlt werden.
Ein Winkel θ, definiert zwischen einer Mittenlinie des Pulslaserstrahls und einer normal zur Oberfläche der beschichteten Metallplatte verlaufenden Linie, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0º bis 60º, um hierdurch die Wirkung zu gewährleisten.
Ein Winkel θ, definiert zwischen einer Mittenlinie des Pulslaserstrahls und einer normal zur Oberfläche der beschichteten Metallplatte verlaufenden Linie, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis 40º, um hierdurch die Wirkung weiter zu gewährleisten.
Wie oben beschrieben, kann aufgrund der Tatsache, daß die Pulslaser-Bestrahlungswellenform vom Typ mit Zwei-Stufen- Rechteckwelle ist, der metallische oder organische Dampf wirksam von den Schweißbälgen entfernt werden, um Schweißbälge mit einem guten äußeren Erscheinungsbild mit nahezu keinen Schweißdefekten und mit ausreichender Schweißstärke zu erhalten. Weiterhin ist es möglich, einen Aufwand für die Wartung ohne Beschädigung eines optischen Systems zu reduzieren.
Die Anwendung, für die sich das Pulslaser-Bestrahlungsgerät oder -verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung am besten eignet, ist ein Laserschweißgerät oder -verfahren für beschichtetes Metallmaterial. Jedoch ist es möglich, ein Bearbeitungsgerät oder -verfahren einzusetzen, beispielsweise zum Öffnen der Öffnung für beschichtetes Material wie plattiertem Stahl.
Beschichtetes Metallmaterial bedeutet Material wie Elemente einschließlich Stahl, Aluminium, Titanlegierung oder Kupferlegierung und dergleichen beschichtet (einschließlich plattiert) mit organischen oder anorganischen Materialien.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich unter beispielhaftem Bezug auf die beiliegende Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht zum Darstellen einer Struktur gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Strukturansicht zum Darstellen einer Laserbestrahlungseinheit;
Fig. 3 einen Graphen zum Darstellen einer zweistufigen Wellenform;
Fig. 4 einen Graphen zum Darstellen einer Ansicht für die Darstellung einer Scherungskraft bei Matrixtests;
Fig. 5 einen Graphen zum Darstellen einer Beziehung zwischen α und β von 0,4 und der Scherungskraft;
Fig. 6 eine Ansicht zum Darstellen der Bereiche der insgesamt guten Bestrahlungsniveaus für α und β;
Fig. 7 eine Ansicht zum Darstellen einer zweistufigen Rechteckwellenform;
Fig. 8 einen Graphen zum Darstellen einer Beziehung zwischen dem Pulsintervall zwischen ersten und zweiten Wellenformen und der Scherungskraft;
Fig. 9 ein Bild zum Darstellen eines Schweißbalgs in Übereinstimmung mit Beispiel 1;
Fig. 10 ein Bild zum Darstellen eines Schweißbalgs in Übereinstimmung mit dem Vergleichsbeispiel 1;
Fig. 11 ein Bild zum Darstellen eines Schweißbalgs in Übereinstimmung mit dem Vergleichsbeispiel 2;
Fig. 12 ein Bild zum Darstellen eines Schweißbalgs in Übereinstimmung mit dem Vergleichsbeispiel 3;
Fig. 13(a) und (b) Ansichten zum Darstellen von Beispielen eines Schmelzschweißvorgangs für zwei Platten;
Fig. 14(a) und (b) Ansichten zum Darstellen von Beispielen eines Schmelzschweißvorgangs für drei Platten;
Fig. 15(a) und (b) Ansichten zum Darstellen von Beispielen eines Schmelzschweißvorgangs für vier Platten;
Fig. 16 einen Graphen zum Darstellen einer Einpulsenergie, die zum Erzielen einer gewünschten Durchdringungstiefe erforderlich ist;
Fig. 17 einen Graphen zum Darstellen rechteckförmiger Wellenformen;
Fig. 18 einen Graphen zum Darstellen integrierter Wellenformen; und
Fig. 19 einen Graphen zum Darstellen hybrider Wellenformen, die mit einem CW-Laser überlappt sind.

[Beispiel 1]

Wie in Fig. 1 gezeigt, funktioniert das Pulslaser- Bestrahlungsgerät als Laserbearbeitungsmaschine, und es weist die folgende Struktur auf. Eine Pulslaserbestrahlungseinheit 11 besteht aus einem Laserkopf ha und einem Nd:YAG-Stab 12, einer Laserstrornversorgung 14 zum Zuführen der Antriebsleistung zu dem Laserkopf ha, einem Lasercontroller lib zum Steuern der Lasterstromversorgung 14 und einer Kühleinheit 15.
Die Laserstromversorgung 14 funktioniert als Generator- Kontrollabschnitt für den YAG-Laser, der ein Lasermedium ist, und insbsondere steuert sie eine Spitzenleistung durch Spannungssteuerung für Blitzlichter 13 und eine Betriebszeit durch Einsatz von Halbleiterschaltern.
Der Nd:YAG-Stab 12 empfängt die Stromversorgung von den Blitzlichtern 13, damit eine durchschnittliche Ausgangsgröße von 400 Watt in einem Mehrfachmodus erzielt wird und zum Erzeugen von Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometer. Eine Pulswiederholungsrate beträgt 8 pps, und die Energie eines Pulses beträgt 50J.
Eine optische Faser 21 ist mit dem Laserkopf 11a verbunden, zum übertragen der Laserstrahlen, die von dem Laserkopf 11a zu der Fokussiereinheit 22 emittiert werden.
Die Laserfokussiereinheit 22 ist an einen Sechsachsen- Mehrgelenk-Roboter 17 befestigt, der selbst wiederum die Laserfokussiereinheit 22 in drei Richtungen X, Y, Z bewegen kann, um jede gewünschte Koordinatenposition (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) einzunehmen.
Der Sechsachsen-Mehrgelenk-Roboter 17 ist so ausgebildet, daß er die Laserfokussiereinheit 22 so kontrolliert, daß sie zu der Koordinate (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) bewegt wird, auf der Basis von seiner eigenen Koordinate (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;), einer Steuerpositionsinformation (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;), die von der Robotersteuereinheit 16 ausgegeben wird, und zwar zum Einstellen der Fokussiereinheit 22 zu einer festgelegten Position.
Die Robotersteuereinheit 16 gibt auch an den Roboter 17 mit sechs Achsen und mehrfachern Freiheitsgrad eine Steuerposition in geeignetem Format zum Bewegen der Fokussiereinheit 22 zu einer festgelegten Position und/oder entlang einer festgelegten Richtung aus.
Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht zum Darstellen einer Struktur der Fokussiereinheit 22. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine Kondensorlinse 22a in einem Körper 22c vorgesehen, derart, daß das Randende zugespitzt ist. Der durch die Kondensorlinse 22a gebündelte Laserstrahl wird ausgehend von einem Laserstrahlausgang 22d bestrahlt. Eine Brennweite der Kondensorlinse 22a beträgt 120 mm, wenn deren Halbwinkel 15m rad beträgt. Die Kondensorlinse 22a ist vom Typ mit genauer Fokussierung. Argongas oder Stickstoffgas wird in die Fokussiereinheit 22 mit einer Rate von 10 Liter/Minute eingeführt.
Der oben beschriebene Sechsachsen-Mehrfachgelenk-Roboter 17 ist so ausgebildet, daß er die Laserernissionseinheit 22 zu der Koordinate (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) bewegt, auf der Basis seiner eigenen Koordinate (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) und der Steuerpositionsinformation (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;), die von der Robotersteuereinheit 16 zum Festlegen der Fokussiereinheit 22 auf eine festgelegte Position ausgegeben wird.
Bei einem solchen Aufbau bestimmt die Neigungssteuerung der Fokussiereinheit 22 in X-Richtung durch den Roboter mit sechs Achsen und mit mehreren Freiheitsgraden einen Winkel θ einer Mittenlinie C des Laserstrahls relativ zu einer Linie H normal zur Oberfläche des Bestrahlungsmusters 1 zu 20º. Die Bewegungssteuerung der Laseremissionseinheit 22 in Indexrichtung durch den Roboter mit sechs Achsen und mehreren Freiheitsgraden 17 bewirkt, daß die Bestrahlungsgeschwindigkeit des Bestrahlungsmusters 1c zu 50 cm/min festgelegt ist.
Das Schweißmuster 1c ist eine zinkplattierte Stahlplatte (JIS G3302 SGCC SDN) mit F08 (minimale Aufbringungsmenge 60/609/m² auf beiden Seiten). Das Muster 1c weist eine Länge von 100 mm auf, sowie eine Breite von 30 mm und eine Dicke von 0,8 mm. Das Muster 1c besteht aus drei überlappenden Schichten mit einem Abstand von 0 mm zwischen den benachbarten Schichten. Die Schweißbalglänge beträgt 20 mm.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird eine zweistufige Rechteckwellenform als Lasersignalform eines Impulslasers erzeugt, der durch einen Impuls-YAG-Laser 12 unter der Steuerung der Laserstromversorgung 14 erzeugt wird, die als die oben beschriebene Erzeugungs-Steuereinheit eingesetzt wird. In Fig. 3 ist P&sub1; eine Spitzenleistung einer ersten Stufe und t&sub1; ist die Pulsbreite hiervon. P&sub2; ist eine Spitzenleistung einer zweiten Stufe und t&sub2; ist eine Pulsbreite hiervon. f ist die Pulswiederholfrequenz.
Demnach ist die Energie der ersten Stufe E&sub1; wie folgt bestimmt:
E&sub1; = P&sub1; tl.
Die Energie der zweiten Stufe E&sub2; ist wie folgt bestimmt:
E&sub2; P&sub2; t&sub2;.
Die durchschnittliche Spitzenleistung PAV pro Puls ist wie folgt definiert:
PAV = Etot/(t&sub1; + t&sub2;) = (E&sub1; + E&sub2;)/(t&sub1; + t&sub2;)
derart, daß Etot die Energie eines Pulses ist.
Bei dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung wurde die Pulsenergie konstant gehalten, und die durchschnittliche Spitzenleistung PAV wurde ebenfalls konstant gehalten, um ein Schweißband zu erhalten, das zum Durchdringen einer ersten Stahlplatte 2-1 geschmolzen war und das partiell in ein zweites Stahlband 2-2 eingeführt war. Unter dieser Bedingung würde sich selbst dann, wenn die anderen Parameter verändert würden, die Tiefe der Schweißnaht nicht derartig verändern. Bei dem Beispiel 1 wurde PAV zu 5 kW bestimmt.
Ferner sind die folgenden Größen festgelegt. Insbesondere gilt:
α = P&sub1;/P&sub2;
β = t&sub1;/ (t&sub1;+t&sub2;).
Betrachtet man α und β als Variablen zum Bilden einer Matrix, so wurden die Experimente in einem Bereich durchgeführt, in dem die Variable α nie größer als 3 war. Die Bewertung erfolgte in Übereinstimmung mit den gemessenen Werten der Spannungsscherlasten bei einem Spannungstest sowie der Sichtinspektion des Banderscheinungsbildes.
Im Ergebnis wurden Bewertungsergebnisse für die Spannungsstärke bei den jeweiligen Punkten erhalten, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind. Das Zeichen 0 stellt eine Spannungsstärke dar, die nicht kleiner ist als 250 kgf, Δ stellt eine Spannungsstärke dar, die nicht kleiner ist als 150 kgf, jedoch nicht größer als 250 kgf, und x repräsentiert eine Spannungsstärke, die kleiner als 150 kgf ist. Die Fig. 5 zeigt einen Graphen zum Darstellen einer Veränderung der Spannungsscherlast in dem Fall, in dem die Variable α verändert wurde, während 13 konstant zu 0,4 gehalten wurde.
Zum Zusammenfassen der vorgenannten Ergebnisse wurde unter den folgenden Bedingungen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind,
1 < α < 3,
0 < β < 1,
β ≤ 0,6 α - 0,2 ... (1)
festgestellt, daß es bei dem Schweißen von der vorliegenden Erfindung möglich war, die Eigenschaften im Hinblick auf die Schweißstärke und dem ästhetischen äußeren Erscheinungsbild erheblich zu verbessern, und zwar im Vergleich zu dem üblichen Schweißband, das mit einem einfachen einstufigen Rechteckpuls erhalten wurde.
Insbesondere wurde in den folgenden Bereichen
1,5 ≤ α ≤ 2,
0,3 ≤ β ≤0,5 ... (2)
ein exzellentes ästhetisches Erscheinungsbild ohne jedwede Schweißdefekte sowie die größte Scherkraft gewährleistet, wie in Fig. 9 (Bild 1) gezeigt.
Wie oben erläutert, wurde gemäß dem Beispiel 1 der metallische Plattierungsdampf wirksam von dem Schweißband entfernt, und es war möglich, das Schweißband zu erhalten, das ein exzellentes ästhetisches Erscheinungsbild ohne Schweißdefekte sowie eine große Scherkraft aufwies.
Bei dem Beispiel 1 wurde ein Abstand zwischen den Stahlplatten zu 0 mm während der Experimente festgelegt. Jedoch ist es möglich, das Schweißband mit nahezu kleinen Schweißdefekten und mit einer größeren Scherkraft oberhalb von 400 kgf in dem Fall zu erhalten, in dem ein Abstand zu 75 Mikrometer unter der Bedingung aufrecht erhalten wird, daß der Schweißvorgang in den Bereichen, wie sie nach der obigen Beziehung (2) spezifiziert sind, durchgeführt wird.

Beispiel 2

Der (nicht gezeigte) Laserversorgungsabschnitt ist so ausgebildet, daß er die Blitzlichter 13 so steuert, daß ein Pulsintervall tint zwischen einer ersten stufenförmigen Pulswellenform und einer zweiten stufenförmigen Pulswellenform bei einer typischen zweistufigen Wellenform in dem Bereich von 0 bis 10 ms verändert wird. Die Fig. 7 zeigt einen Zustand, in dem das Pulsintervall zu Null bestimmt ist, d.h. eine fortlaufende zweistufige Rechteckwellenform.
Wird das Pulsintervall tint von Null zu 10 msec verändert, so ist zu erkennen, daß mit größer werdendem Pulsintervall tint zwischen den ersten und zweiten Stufen der Pulswellenformen der zweistufigen Rechteckwellenform die Scherkraft geringer wird, wie in Fig. 7 gezeigt. Das äußere Erscheinungsbild des Schweißbands liegt nahe bei demjenigen einer Einfachwellenform (siehe Vergleichsbeispiel 1).

[Vergleichsbeispiel 1]

Das Vergleichsbeispiel 1 zeigt eine Schweißnaht mit einem einstufigen Rechteckwellenformpuls mit denselben Ausgangsgrößen derselben Spitzenenergie wie bei dem Beispiel 1. Bei dem Vergleichsbeispiel 1 wurden, wie in Fig. 10 (Bild 2) gezeigt, erhobene Abschnitte und Öffnungen in der Schweißbandoberflähe gebildet, was zu Erscheinungsfehlern führt. In den Öffnungen wurde ein Spritzer von geschmolzenem Oberflächenmetall aufgrund der Verdampfung des Zinndampfes erzeugt, was zu einem Fehlen von Schweißmetall führt. Die Fig. 10 zeigt den erhobenen Abschnitt A und die Öffnung B. Untere Öffnungen wurden im Inneren des Schweißmetalls in den angehobenen Abschnitten A gebildet.
Im Ergebnis wurde eine große Menge von Sputter aufgrund des Spritzens des geschmolzenen Metalls gebildet, und der Sputter blieb an der Musteroberfläche hängen, was zu Erscheinungsfehlern führte. Eine große Einblasöffnung, bei der Zinkdampf zwischen die erste Stahlplatte 2-1 und die zweite Stahlplatte 2-1 mit eingeführt wurde, wurde im Inneren des geschmolzenen Metalls gebildet. An Stellen, wo keine Einblasöffnung gebildet wurde, trat nahezu keine Schmelzverbindung zwischen den Stahlplatten auf.
[Vergleichsbeispiel 2]
Bei dem Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Abstand von 75 Mikrometern zwischen der ersten Stahlplatte 2-1 und der zweiten Stahlplatte 2-2 gebildet. Der Schweißvorgang wurde mit einer einstufigen rechteckförmigen Wellenform durchgeführt. Im Ergebnis traten in derselben Weise wie bei dem Vergleichsbeispiel 1, wie in Fig. 11 gezeigt (Bild 3) zahlreiche Defekte auf, beispielsweise Erscheinungsfehler für das Schweißergebnis und die Bildung von erhobenen Abschnitten, Ausblasöffnungen und Sputterteilen. Das Vergleichsbeispiel 2 wies ein sehr geringes Niveau der Spannungsschwerkraft auf, was zu einem Schweißdefekt führte. In Fig. 11 (Bild 3) sind die erhobenen Abschnitte A gezeigt, und die Ausblasöffnungen wurden bei den erhobenen Abschnitten A im Inneren des geschmolzenen Metalls gebildet. Weiterhin konnte der Sputter zur Außenseite austreten, ohne die Beschädigung des optischen Systems des Laseremissionsabschnittes.

[Vergleichsbeispiel 3]

Bei dem Vergleichsbeispiel 3 war die Pulswellenform vom Typ mit zwei Stufen und rechteckigem Verlauf, jedoch lagen die Variablen α und β nicht in den Bereichen, die durch die vorangegangenen Ungleichungen (1) definiert sind. Beispielsweise zeigt Fig. 12 (Bild 4) das äußere Erscheinungsbild bei dem Schweißband an einem Punkt, bei dem α gleich 1,2 und β gleich 0,8 ist. In diesem Punkt war das äußere Erscheinungsbild des Schweißbands verschlechtert, und die Schweißnaht war schlecht, was aus dem Spritzen der Sputterteile und den Ausblasöffnungen gebildet in dem Schweißmaterial resultierte. Dies führte zu einer Reduktion der Scherkraft.
Nach Fig. 12 wurde die Schweißbandverschlechterung c einschließlich der Ausblasöffnungen gebildet, und Sputterteile traten zur Außenseite hin aus.
Weiterhin wurde ein Winkel θ, definiert zwischen der Mittenlinie des Pulslasers und einer normal zur Oberfläche der plattierten Stahlplatte verlaufenden Linie in dem Bereich von 0 bis 60º bestimmt, so daß eine Beständigkeit des Schutzglases, das unmittelbar vor der Linse 22 angeordnet ist, ungefähr viermal größer war als diejenige in dem Fall, wenn der Winkel außerhalb des Bereichs lag. (Insbesondere wurde die Zahl der Schweißbänder, die gemessen wurde, bis die Transmissions-Laserausgangsgröße um 10% reduziert wurde, von ungefähr 200 bis zu 400 reduziert.)
Wird der Winkel θ übermäßig erhöht, so würde die Wechselwirkung mit dem Schweißwerkstück und den Werkstück- Klemmaufspannvorrichtungen besonders merklich. In diesem Falle ist es möglich, die Beständigkeit des Schutzglases durch geeignete Auswahl des Winkels 0 zwischen 10 bis 40º zu gewährleisten.
Die Beispiele 1 und 2 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurden oben beschrieben. Gemäß dem Beispiel 1 und 2 ist die Bestrahlungswellenform des Pulslasers vom Typ mit zwei Stufen, und die Bestrahlungsparameter sind in einem vorgegebenen Bereich so festgelegt, daß sich der metallische Plattierungsdampf wirksam von den Schweißbändern entfernen läßt und daß die Schweißbänder ein gutes Schweißerscheinungsbild aufweisen und daß sich eine große Scherkraft mit nahezu keinen Schweißdefekten erzielen läßt. Weiterhin liegt nahezu keine Beschädigung vor, die sich auf das optische System auswirkt. Somit ist es möglich, den sich für die Wartung des Systems ergebenden Aufwand zu reduzieren.

Claims

1. Eine Pulslaser-Bestrahlungsvorrichtung, um mit einem zyklischen Pulslaserstrahl beschichtete Metallrnaterialien zu bestrahlen, umfassend:

- einen Pulslasergenerator mit einem Lasermittel und einer Energieversorgung, um den Pulslaser anzuregen; und

- einen Erzeugungs-Steuerabschnitt, um den Pulslasergenerator zu steuern;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Erzeugungs-Steuerabschnitt angeordnet ist, nur erste und zweite rechtwinklige Wellen zu erzeugen, in einer Pulsform, gefolgt von einer Periode mit Null-Ausgabe, für jeden Zyklus des durch den Pulslasergenerator erzeugten Pulslaserstrahls, und um ein Verhältnis zwischen einer Spitzenleistung (P&sub1;) und einer Pulsweite (t&sub1;) von jeder ersten rechtwinkligen Welle und einer Spitzenleistung (P&sub2;) und einer Pulsweite (t&sub2;) von jeder zweiten rechtwinkligen Welle in vorbestimmten Bereichen wie folgt zu steuern:

0 < ( t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 1,

P&sub1;/P&sub2; > 1, und

t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) ≤ 0,6 (P&sub1;/P&sub2;) - 0,2.

(Definitionen: P&sub1;: die Spitzenleistung (in kW ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,

P&sub2;: die Spitzenleistung (in kW ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle,

t&sub1;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,

t&sub2;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle).

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeugungs-Steuerabschnitt angeordnet ist, um die erste und die zweite rechtwinklige Welle so zu erzeugen, daß die Intensität der zweiten rechtwinkligen Welle kleiner als die der ersten rechtwinkligen Welle ist.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Bereiche in dem Erzeugungs-Steuerabschnitt wie folgt sind:

0,3 ≤ t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 0,5

1,5 ≤ P&sub1;/P&sub2; < 2,0

4. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeugungs-Steuerabschnitt ausgebildet ist, den Pulslasererzeuger so zu steuern, daß zwischen den zwei rechtwinkligen Wellen ein Zeitintervall liegt, das nicht länger als 10ms ist.

5. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeugungs-Steuerabschnitt ausgebildet ist, den Pulslasererzeuger so zu steuern, daß zwischen den zwei rechtwinkligen Wellen ein Zeitintervall liegt, das nicht länger als 2rns ist.

6. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeugungs-Steuerabschnitt ausgebildet ist, den Pulslasererzeuger so zu steuern, daß, wenn eine Vielzahl (N) von beschichteten einander überlappende Metallplatten aneinander verschweißt werden, eine Pulsenergie des Pulslaserstahls auf solch eine Stärke gesetzt ist, daß ein Teil einer N-ten beschichteten Metallplatte durch eine (Nl)te beschichtete Metallplatte verschweißt wird.

7. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und angeordnet, um eine plattierte Stahlplatte zu bestrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel zwischen einer Mittellinie des Pulslaserstrahls und einer zu einer Oberfläche der plattierten Stahlplatte senkrechten Linie im Bereich von 0 bis 60º ist.

8. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, angeordnet und um eine plattierte Stahlplatte zu bestrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel zwischen einer Mittellinie des Pulslaserstrahls und einer zu einer Oberfläche der plattierten Stahlplatte senkrechten Linie im Bereich von 10 bis 60º ist.

9. Ein Pulslaser-Bestrahlungsverfahren, um mit einem zyklischen Pulslaserstrahl beschichtete zu schweißende Metallrnaterialien zu bestrahlen, die Schritte umfassend:

-Erzeugen nur einer ersten und zweiten rechtwinklige Welle, in einer Pulsform, gefolgt von einer Periode mit Null-Ausgabe, für jeden Zyklus des durch den Pulslasergenerator erzeugten Pulslaserstrahls, und

-Steuern eines Verhältnisses zwischen einer Spitzenleistung (Pi) und einer Pulsweite (t&sub1;) von jeder ersten rechtwinkligen Welle und einer Spitzenleistung (P&sub2;) und einer Pulsweite (t&sub2;) von jeder zweiten rechtwinkligen Welle in vorbestimmten Bereichen wie folgt:

0 < t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 1,

P&sub1;/P&sub2; > 1, und

t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) ≤ 0,6 (P&sub1;/P&sub2;) - 0,2.

t&sub1;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der ersten rechtwinkligen Welle,

t&sub2;: die Pulsweite (in ms ausgedrückt) der zweiten rechtwinkligen Welle).

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Bereiche wie folgt sind:

0,3 ≤ t&sub1;/(t&sub1; + t&sub2;) < 0,5

1,5 ( P&sub1;/P&sub2; < 2,0

11. Das Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (tint) zwischen den zwei rechtwinkligen Wellen wie folgt sind:

tint < 10 ms.

12. Das Verfahren nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der zweiten rechtwinkligen Welle kleiner als die der ersten rechtwinklige Welle ist.