JP2005205497A - フェライト鋼のレーザー／アークハイブリッド溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド溶接により引き起こされる熱サイクルの影響下で脆性が低い微視的構造を発達させるために溶融金属の硬化性を調節するハイブリッド溶接法の提供。
【解決手段】 溶接ワイヤと遮蔽ガスを供給しながら、レーザービームを電気アークと併用して用いるハイブリッド溶接方法であって、そこで前記ワイヤは、溶接されるべき鉄鋼被加工物の少なくとも１つ上に溶接を作るために、前記レーザービームおよび／または前記電気アークにより溶融され、前記溶接は重量割合で３０から１０００ｐｐｍのチタン、少なくとも０．７重量％のマンガン、重量割合で５０から１０００ｐｐｍの酸素および１０重量％未満のニッケルを含むことを特徴とする方法。
【選択図】 図１

Description

本発明はフィラーワイヤを使用するフェライト鋼のレーザー／アークハイブリッド溶接方法、およびこのようのハイブリッド方法、すなわち、これらが互いに併用される電気アークおよびレーザービームを同時に用いる溶接方法で得られる溶接に関する。

ＥＮ １００２５規格で定義されたＣ−Ｍｎ鋼、ＥＮ １０１１３規格で定義されたマイクロ合金鋼、または他にＥＮ １０１３７標準による“急冷かつ強化された”鉄鋼のような、フェライト鋼上でのレーザー／アークハイブリッド溶接により作られる溶接は、普通乏しい弾力性、または、溶融金属において、より一般的に乏しい低温靭性、およびまたこの同様の領域において元の金属よりもとても高い硬度の値を有する。

これらの平凡な金属特性はレーザー／アークハイブリッド溶接の範囲を、工業におけるある特定の分野、特に造船の分野、石油製品を輸送するためのパイプの製造および布設の分野、オフショア（offshore）分野等に非常に強く制限する。

この問題は、それらの製造方法、すなわち次に続く圧延および冷却条件、または他に、例えばシートまたはプレートまたはチューブの形での製造中に受ける熱処理を考慮に入れながら、このような鉄鋼はそれらに意図される機械的特性を与えるために化学的に考量されてきたという事実から由来する。

実際、鉄鋼の機械的特性は、部分的には、その化学組成由来であるが、大部分はその微視的構造からの由来である。

鉄鋼の微視的構造、および溶接、すなわち溶接の製造中に溶融される堆積金属および地金で形成される溶融金属の微視的構造は高温オーセンティック状態から室温への冷却中に発展する。

従って、任意の化学組成に対して、鉄鋼（または溶接）のこの微視的構造および結果的に機械的特性は冷却条件に依存する。

例えば約０．１２重量％の炭素を含む鉄鋼を考えるならば、低冷却速度では、その構造は実質的にフェライト、すなわち体心立方結晶構造にスタックする鉄イオン、から、かつ低い割合（具体的には約１３％）でパーライト、すなわちフェライトの交互ラメラ、および６．６６％の炭素を含む炭化鉄Ｆｅ_３Ｃであるセラミックから構成される。さらにそのビッカース硬度は約１３０であり、かつ引張り強度は約４００から５００ＭＰａである。

しかし、オーセンティック（高温）状態から極めて急速に冷却を受けるならその引張り強度は１３００から１４００ＭＰａであり得る一方、この同様の鉄鋼はマルテンサイト構造、すなわち体心立方の鉄中の炭素の過飽和固溶体、および約４００のビッカーズ硬度を有し得る。

これら二つの両極間の冷却速度では、中間体機械的特性が一致する、マルテンサイト、下部ベイナイト、上部ベイナイト、およびフェライト＋パーライトから構成される混合構造が発達し得る。

金属学者に良く知られている連続冷却変態（またはＣＣＴ）ダイアグラムは、発達する様々な微視的構造、およびまた、任意の金属に対する冷却速度およびこの鉄鋼に対する標準オーステナイト化条件、すなわち温度（通常オーステナイトへの変態の達成のための点から５０℃以上）およびオーステナイト化時間（通常３０分）に依存しながらそこで対応する硬度を示す。

このダイアグラムは、任意の鉄鋼に対して、マルテンサイト構造とフェライト＋パーライト構造との間の機械的特性の差異が大きくなるにつれ、その炭素含有量が高くなることをまた示す。また、もし様々な組成の鉄鋼に対するダイアグラムが比較されたら、上述の様々な微視的構造を生み出す冷却速度は鉄鋼の全ての合金元素に依存するということを示す。

これは、硬化性、すなわち完全なマルテンサイト構造を得るための鉄鋼の能力への効果、およびまたそれにより、得られるべき１００％のマルテンサイトを許容するオーステナイト状態からの最小冷却速度である臨界急冷速度への効果を全ての合金元素が有するからである。

炭素含有量は、硬化性への影響に加えて、様々な構造の機械的特性も限定する。

しばしばレーザー溶接単独のものよりも高いレーザー／アークハイブリッド溶接方法は、それらが達成されるべきことをなすそれらに関連する高いエネルギー密度および高溶接速度のために、非常に迅速な冷却速度を生む。

それゆえに、フェライト鋼を使用して、溶接の微視的構造は地金のものと非常に異なり、それはこの領域において、アセンブルド鋼のものよりも高い硬度および引張り特性を生むが、多数の適用に対して低く過ぎる溶接の延展性および靭性をも生み出す。

この影響は、“冷却”ワイヤ、すなわちレーザービーム、およびレーザー／ＴＩＧまたはプラズマハイブリッド溶接に用いられるアークの衝撃の上流に隣接するシート接続平面に繰り出される溶接ワイヤの形態、またはその方法がレーザー／ＭＩＧまたはＭＡＧハイブリッド方法であるときは消耗電極の形態にあるフィラー金属の添加により緩和され得る。

実際、この方法で進行することにより、目的は溶融金属の硬化性を通常地金に対する合金元素の含有量を減少させることによって調節することであるが、また非常に軟かい鉄鋼、すなわち少なくとも２４０または２８０ＭＰａの耐力強度を有すものの場合にはそれを増加させることで調節する。

両場合において、目的はハイブリッド溶接により引き起こされる熱サイクルの影響下で脆性が低い微視的構造を発達させるために溶融金属の硬化性を調節することである。

しかし、溶融金属におけるフィラー金属の割合は非常に頻繁には約２０重量％であり、かつ非常にまれに４０重量％を超えるので、ハイブリッドレーザー溶接方法を用いてこの方法を進行することはしばしば不十分であり、それは、最小量の合金金属を含む市販で入手可能なワイヤ、すなわち例えば０．５重量％のマンガンを含むワイヤを使用するときでさえ、前に硬くかつ脆い構造を生み出す鉄鋼の場合では、この添加なしには溶融金属の硬化性は硬くかつ脆い構造の生成を抑えるために十分に低下されることができないということを意味する。

さらに、硬化性を増加することが望まれ得る非常に軟かい鉄鋼の場合、粗く、かつ脆い構造の形成を避けるために、溶融金属において微細構造を得るための溶接されるべき金属よりも合金元素の含有量を高く有するワイヤを添加することは、構造のこの洗練は実質的な硬度の増加に伴うものであり、かつそれにより脆性の小さな減少しか生まないので、どちらも満足できるような解決策を示さない。

それ故に生じる問題は、その微視的構造が硬くて脆い微視的構成部材を事実上含まない溶接、すなわち弾性力、およびまた、地金のものと比較して延展性、特に増加した伸び、低い引張り強度および低い耐力強度の観点で、集合された材料のものより高く保ったままで、改良された特性を有するものを得ることが可能なようにレーザー／アークハイブリッド溶接方法を改良することである。

別の言い方をすると、本発明は消耗ワイヤおよび補助ガスの供給を用いるレーザー／アークハイブリッド溶接により溶接の改良をすること目的とする。

本発明の解決策は、溶接ワイヤおよび遮蔽ガスの供給と共に、電気アークと併用してレーザービームを用いるハイブリッド溶接方法であり、前記ワイヤは溶接されるべき少なくとも１つの鉄鋼加工物上に溶接を作るために前記レーザービームおよび／または前記電気アークによって溶融され、前記溶接は重量割合で３０から１０００ｐｐｍのチタン、少なくとも０．７重量％マンガン、重量割合で５０から１０００ｐｐｍの酸素、および１０％未満のニッケルを含むことを特徴とする。

場合により、本発明の方法は１つまたは複数の以下の技術的特徴を含み得る：
−前記加工物はフェライト鋼からなる；
−前記溶接は針状フェライトタイプの微視的構造を有す；
−前記溶接は３０から８００ｐｐｍのチタンおよび／または１００から４５０ｐｐｍの酸素、好ましくは５０から５００ｐｐｍのチタンおよび／または１２０から３５０ｐｐｍの酸素を含む；
−前記溶接は０．７から２重量％のマンガンおよび／または重量割合で１５００ｐｐｍ未満のアルミニウム、好ましくは０．８から１．７重量％のマンガンおよび／または５００ｐｐｍ未満のアルミニウム、さらに好ましくは３００ｐｐｍのアルミニウムを含む；
−前記溶接は［Ａｌ］／［Ｏ］＜２．５、好ましくは［Ａｌ］／［Ｏ］＜１．５となるような比率、ここで［Ａｌ］はアルミニウムの重量比率であり、かつ［Ｏ］は酸素の重量比率である、でアルミニウムおよび酸素を含む；
−前記溶接は０．６％未満のモリブデン、８０ｐｐｍ未満のホウ素、１％未満のケイ素、０．２０％未満の炭素、０．０３５％未満の硫黄、および０．０３５％未満のリン、好ましくは０．３未満のモリブデン、５０ｐｐｍ未満のホウ素、０．１から０．６％のケイ素、および０．０３から０．１３％の炭素を含む；
−前記溶接は０．０７％未満のニオブ、０．０７％未満のバナジウム、１から２００ｐｐｍの窒素、および１％未満のクロム、好ましくは１００ｐｐｍ未満の窒素、０．０３％未満のニオブ、０．０５％未満のバナジウムおよび０．３％未満のクロムを含む；
−前記レーザービーム補助ガスおよび／またはアーク遮蔽ガスは２０体積％までの酸素および／または４０体積％までのＣＯ_２を含むガス混合物である；
−前記レーザービーム補助ガスは、少なくとも１つの不活性ガス、好ましくはヘリウム、アルゴンまたはそれらの混合物をさらに含むガス混合物である；
−前記消耗ワイヤは、チタン、マンガン、鉄、ニッケルから選ばれる少なくとも１つの合金元素、および随意にホウ素、モリブデン、炭素またはクロムを含む、固体ワイヤまたは芯入りワイヤである。

本発明はまた、本発明によるレーザー／アークハイブリッド溶接処理において消耗溶接ワイヤおよび遮蔽ガスと共に使用され得る、固体または芯入りのワイヤにも関し、それは１００から１０ ０００ｐｐｍのチタン、５０から５０００ｐｐｍの酸素、および１５００ｐｐｍまでのホウ素、実質的に鉄からなる残部を含む。

特に、前記ワイヤは、マンガン、ケイ素、モリブデン、ニッケルおよび炭素から選ばれる、フェライト鋼の合金金属の１種または複数種の元素を含む。

さらに一般的に、レーザーを用いない、従来のアーク溶接方法によって製造される溶接は、それらの間に優秀な靭性を示す針状フェライトと呼ばれる構造が存在する、様々な微視的構造を有し得る。

このタイプの微視的構造は溶接に特異的であり、かつ鉄鋼においては溶接のものと同様の冷却条件を受けるときでさえも決して見られない。

しかし、溶接において、このような微視的構造は、ある場合には、オーステナイト状態からの非常に広い範囲の冷却速度に対して現れ得て、従来の鉄鋼の場合、M AutunesおよびC. Bonnetらによる文献、“Application d’nu essai de trempabilite a la recherche des facteurs ayant une influence sur la formation de ferrite aciculaire ［硬化性テストの、針状フェライト形成への影響を有する因子の調査に対する適用］”、Journees d’information Metallrgie de la zone fondue ［溶融領域の金属学における作業場］、La Soudure Autogene 1981によって出版された、Societe Francaise de Metallurgie/Societe des Ingenieurs Soudeurs ［フランスの金属学会／溶接技術者学会］、南西部、会議Ｎｏ．９において思い出されるもののように、マルテンサイトおよび／または硬くかつ脆い下部ベイナイトタイプの硬化構造を生むようなものを含む。

針状フェライトは、冷却中のオーステナイトの変態中にフェライトに対する内部粒状核として働く任意の介在物の存在下でのみ溶融金属中に存在する。

これらの介在物の存在は溶融領域の酸素含有量に依存することが知られているが、冷却によるフェライトの内部粒状核形成が存在するように、これらの錯体介在物はそれらの表面において部分的に、R. Blondeauによって“Metallugie et mecanique de soudage ［金属学および溶接の機構］”、Hermes Science、Lavoisier 2001、ページ１６２に記載しているような、酸化チタンＴｉＯまたはチタン／マンガン酸化物ＭｎＴｉ_２Ｏ_４を含まなくてはならない。

チタンは基礎的な役割を果すということはそれにより明らかである。

しかし、１つのまたはその他の所望される形にあるためのチタンの最小量、典型的には重量割合で数１０ｐｐｍを有することには十分でない。

これは、介在物の形成を引き起こす酸化還元反応の速度論がこの結果を達成させることも必要であるからである。

従って、これらの要素、すなわちワイヤ、地金、ガスの起源が何であれ、チタン含有物および酸素含有物に加えて、可能な限り溶融金属に存在する脱酸素元素、すなわち、アルミニウム、ケイ素、カルシウムなどのような、酸素に対する高い親和性を有する元素の全ての性質と量もまた作用し始め、かつ最終の微視的構造に対してわずかでしかない影響を有し得る。

さらに、窒素、およびまた、ホウ素、バナジウム、ニオブなどのようなそれによって親和性を有する全ての元素は酸化−還元反応を阻害し、かつオーステナイトを針状フェライトに変態するために必要な介在物の溶融金属における形に影響を与え得るために、チタンとアルミニウムは酸素に対する高い親和性を有するが、これらの元素は窒素に対しても高い親和性を有するので、窒素含有物もまた必ず含まれている。

しかし、フィラー金属を有す、または有さないレーザー／アークハイブリッド溶接の結果生じる溶融金属は、非常に頻繁に多くの適用に対して不適合の、硬く、脆いマルテンサイトまたはマルテンサイト／ベイナイトの微視的構造を有するので、通常針状フェライトの核形成に必要な条件を満たさない。

考察に先立ち、これらの問題を緩和させる本発明の解決策は、レーザー／アークハイブリッド溶接中に、ワイヤまたは好ましくはワイヤ／ガスの組合せによって溶融金属を供すことにあり、前記要素は針状フェライトの核形成に有利な介在物の形成を許容する。

しかし、これを行うために、最終的に必要なものは地金および使用されるワイヤ／ガスの組合せにより堆積される金属間での混合の結果から得られる溶融金属の化学組成であるという事実であり、両者の割合は一般的に、溶融金属中の地金の割合である溶接中の希釈度により表され、その割合は重量、体積または領域によるものであり、それは割合を含み、かつ地金および堆積金属の密度は実質的に同様であるために、肉眼によって判定される。

従って、例えば溶接が８０重量％の希釈度で作られるならば、溶融金属中の各々の元素の含有量は、ワイヤまたはワイヤ／ガスの組合せによる堆積金属において、この同様の元素の２０％の量が添加される地金中で、この元素の８０％量であり得る。

従って、上はその問題は極めて複雑であるということを示す。

しかし、本発明の範囲内でなされ、かつ説明として以下に挙げられる試験は、多くの場合において働く解決策、すなわち溶接内である特定の元素の比率を調節すること、およびまたフィラー金属におけるそれらの相対比率を特にワイヤ／ガスの組合せにより制御することで、堆積金属において脆さのない微視的構造の形成を生むものを提唱することが可能であることを示す。

溶融金属の酸素含有量の調節
現在の鉄鋼は非常に低い酸素含有量、一般的に重量割合で３０ｐｐｍ以下、を有し、かつこれらの元素はこれらの鉄鋼の溶融におけるキリング元素として使用されるので通常具体的に重量割合で約１００から５００ｐｐｍの残留アルミニウム含有量を有する。

結果的に、これらの鉄鋼中に存在するいくらかの酸素は針状フェライトの核として働くことが可能ではないアルミニウム介在の形態にある。

フィラーワイヤを経由してチタンを添加することによってでさえ、アルミニウムは酸素に対してチタンよりもより反応活性であり、かつ、鉄鋼のまさに溶融から、鉄鋼の残留酸素に対して常に過剰であるために、これは針状フェライトの核形成に必要とされる酸化物の形態ではあり得ない。

溶融金属において酸化チタンを形成することが可能であることが所望であるならば、アルミニウムとの反応後でさえも酸素がチタンと反応でき得るように過剰に残留しているために地金のものに対してその酸素含有量を増加させることがそれ故に必要である。

様々な手段が、溶融金属に酸素を供給するために別個に、または組合せとして使用させ得る：
−レーザー溶接のために使用される補助ガスは酸素またはＣＯ_２を含み得て、後者は溶接操作中に液体金属の近くに存在する酸素を高温によって放出しながら分解する；および／または
−その酸素含有量が地金のものより非常に高くあり得る、固体または芯入りフィラーワイヤ；従って、固体ワイヤは酸素を数百ｐｐｍ含み得て、かつ芯入りワイヤはそれを数千ｐｐｍ含み得る；および／または
−ハイブリッド溶接装置の設計に依存して、レーザービームを補助する遮蔽ガスと異なり得る、または異なり得ることはない、レーザー／アークハイブリッド溶接の場合に“アーク”部分に対して使用される遮蔽ガス。

図１は、レーザー／アークハイブリッド溶接、より正確にはＣＯ_２レーザー／ＭＡＧハイブリッド溶接における、ヘリウム中の酸素含有量の関数としての溶融金属中の酸素含有量の、および全ての場合、６ｋＷまたは８ｋＷのいずれかの電力、およびＥＮ ４４０基準による１．２ｍｍの径のＧ２Ｓｉタイプの固体ワイヤを使用するＨｅ／８体積％ＣＯ_２混合物に対しての溶融金属中の酸素含有量の変化を示す。

試験は、厚さ６ｍｍの溶接上において、６ｋＷで１ｍ／分および８ｋＷで１．７ｍ／分の溶接速度、３０ｌ／分の流速、１４ｍ／分のワイヤ速度、３７０−３９０Ａの電流および３９−４２Ｖの電圧でなされた。

図１において分かり得るように、レーザー／アークハイブリッド溶接により得られる溶接の溶融金属中の酸素比率は、補助ガス中の酸素含有量が増加するときに増加する。

レーザー溶接単独またはアーク溶接単独の場合、酸素を等量のＣＯ_２で置換するので溶融金属中の酸素含有量の増加は小さいということが分かる。

平行してなされる相補的な試験は、溶接に必要な酸素の量は約５０から１０００ｐｐｍの間でなくてはならないことを示すが、その下限は実際には溶融金属中のアルミニウム含有量に依存することが後に分かり得る。上限は酸素含有量の増加が、延性破壊エネルギーの減少をもたらす、溶接中の介在物の密度の増加を生むという事実から生じる（R. Blondeau、“Metallurgie et mecanique du soudage”、Hermes Science、Lavoisier 2001参照）。それゆえに針状フェライトの核形成に必要な介在物を得るために必要な量よりも多量の酸素を導入する必要はない。

溶融金属中のチタン含有量の調節
介在物が溶接冷却中におけるオーステナイトの針状フェライトへの変換のための核として実際に働くためにチタンは必要なので、地金、すなわち溶接されるべき被加工物が十分な量のチタンを含まないのならば、それはバルクまたは芯入りのワイヤを通してチタンを供給する必要性を示す。

従って、いかなる溶接方法であっても、溶融金属のチタン含有量が重量割合で３０ｐｐｍ未満、および約８００から１０００ｐｐｍの間で変化し得るある値以上であるならば針状フェライトは出現しないということが知られており、針状フェライトへの変態は抑制かつ強く制限される。

溶融金属、すなわち希釈度と釣り合う地金および堆積金属の混合物は、チタンを重量割合で３０から１０００ｐｐｍの間、好ましくは５０から８００ｐｐｍ含むことがそれゆえ必要である。

理想的には、使用されるワイヤの化学組成、およびレーザー補助ガスおよび／またはアーク遮蔽ガスとの反応の結果から生じる堆積金属の化学組成のためには、ワイヤの溶融の結果生じる堆積金属が希釈度に相当する割合で地金と混合されるときに、それにより得られる混合物が約３０から１０００ｐｐｍの間のチタン含有量を有するために十分な量のチタンを含むことが必要である。

実際問題として、許容できるチタン含有量の範囲は比較的広いならば、この課題を達成することは、多くの地金はチタンを含まず他の金属に対してもその含有量は通常２００または２５０ｐｐｍより少ないので、比較的単純である。

これらの条件の下で、化学的に調節されたワイヤが使用されるガスと共に重量割合で１５０から１０００ｐｐｍの間でチタンを含む金属を堆積するために使用されるならば、チタンを含まない鉄鋼が溶接され、かついかなる希釈度であっても、もし具体的に８００ｐｐｍ未満のチタンを含む鉄鋼が溶接されるならば、地金との混合物は８０％から０％の間の希釈度の針状フェライトへの変態に必要な範囲でチタン含有物を含む。

堆積金属の組成は決してワイヤの組成と同一でなく、かつ様々な元素の移動係数、すなわち堆積金属中のこの元素の含有量のワイヤ中におけるその含有量に対する比は、ワイヤに存在する全ての元素だけでなく、任意の元素に対する遮蔽ガスの性質にも依存する。

従って、堆積金属において２００ｐｐｍのチタンを有することが所望されるのならば、ワイヤにおける含有量は同様ではあり得ず、Ｃ、Ｍｎ等のような、存在する他の元素に依存する。

換言すると、溶融金属のチタン含有量が３０から１０００ｐｐｍの間、好ましくは５０から８００ｐｐｍの間にあるために、もし溶融金属に希釈されている地金が到達すべき最小値を許容しないのならば、上で説明したように、希釈度、のみならずワイヤおよび堆積金属の間のチタンの移動係数も考慮に入れて、フィラーワイヤによって必要なチタンを供給することがさらに必要であり、移動係数は堆積金属のチタン含有量の使用されるワイヤのものに対する比である。この係数は常に１未満であり、かつそれが小さくになるにつれ使用されるガス、すなわちレーザー／アークハイブリッド溶接の場合におけるより多くの酸素および／またはＣＯ_２を含むアーク遮蔽ガスの酸化力が高まる。

溶融金属の硬化性の調節
硬化性は金属学者によく知られている概念であり、１００％マルテンサイト構造を得るための鉄鋼の能力を示すものである。

硬化性は、特にオーステナイト状態（高温、溶接において出くわす鉄鋼の場合、通常９００℃以上）からの最も遅い冷却速度である、臨界冷却速度によって特徴付けられ得て、それは１００％マルテンサイト組織を当の鉄鋼に与えることを可能にする。

オーステナイト状態からの冷却速度に依存しながら鉄鋼が受ける様々な構造変態をグラフの形で表す連続的冷却変態（ＣＣＴ）ダイアグラムからそれは決定される。

ＣＣＴダイアグラムが温度／時間軸に沿ってより右（長時間）に移動するに連れて、臨界冷却速度は下がり、かつ鉄鋼の硬化性は増大する。

たとえ溶接におけるオーステナイトから針状フェライトへの変態のための核として活性があり得るべき介在物のための条件が満たされ、それがチタン、アルミニウム、酸素などに関する調節に特に依存するとしても、上で説明したように、現れるべきこの微視的構造のためには、もし５５０から４５０℃の間の冷却の下に針状フェライトが形成するならば、オーステナイトが針状フェライトのもの以上の温度で形成する分解生成物に前もって変態しないこともまた必要である。

この理由は、ウィドマンステッテンフェライト、粒状ベイナイトまたはパーライトのような、任意の他の微視的構造構成物がより高温で現れ得るからである。

レーザーまたはレーザー／アークハイブリッド冷却溶接に特有の冷却条件下でオーステナイトを５５０℃以上の温度で変態するのを防ぐために十分な硬化性を有することはそれ故に溶融金属にとって必要である。

換言すると、希釈度に依存する地金および堆積金属の混合に起因する溶融金属の硬化性が、針状フェライトへの変態のための温度範囲（５５０℃以下）に到達する前にオーステナイトが粗雑で、かつそれゆえに強化されてない組成に変態することを防ぐために低過ぎることも、オーステナイトがマルテンサイトに変態することを防ぐために高過ぎることもないことを保証することは必要であり、それは介在物の存在において針状フェライトの核形成の助けとなることを含む。

溶融金属の硬化性への影響を明らかに有するフィラーワイヤの化学組成はそれゆえに、地金の組成、希釈度、および、まさにチタンの場合には、溶接中にその中を通って金属の雫がワイヤから溶接だまりに移動する気体混合物の酸化能力に依存する様々な化学元素に対する移動係数を考慮に入れることで調節されなくてはならない。

レーザー／アークハイブリッド溶接により起こる熱サイクルは、ＭＩＧ／ＭＡＧ、サブマージドアーク、プラズマなどのような、より従来的な溶接方法により起こる熱サイクルと比較して、本発明の範囲内においては非常に早いが、レーザー／アークハイブリッド方法により得られる、そこにおけるマンガン含有量が０．７％未満である溶接ビーズ中では針状フェライトの形成は決して観測されなかった。

溶融金属において０．７％、好ましくは少なくとも１％の最小マンガン含有量を満たすことがそれ故に必要である。

さらに、モリブデン、ニッケル、クロムまたはホウ素のような補足的な合金元素の存在が通常溶融金属中の針状フェライトの比率を増加させることは確認されており、これは、ホウ素の場合、特にそれがモリブデンと併用されるときに特に明白にされるが、溶融金属の高すぎる硬化性はたとえ針状フェライトの核形成に必要な介在物が存在しても硬く、脆いマルテンサイト構造を生み得るために、あまりにも多量の添加は不利であり得る。

ホウ素とモリブデンの間で作られる他の合金元素との差異は、硬化性に及ぼすこれらの元素の作用は低温、すなわち５５０℃以下で起こるものよりも、高温、すなわちＣＣＴダイアグラムの上部に相当する５５０℃以上で起きる変態においてより明白である、という事実により説明される。

従って、０．７％、好ましくは１％の最小含有量のマンガンに加えて、溶接中の針状フェライトの割合、およびさらに低温靭性を増加させるために、ホウ素および／またはモリブデンを溶融金属に導入することは有利であり得る。

溶融金属の酸素含有量の調節
本発明の範囲内でなされる実験は、溶接内に針状フェライトを富む構造、およびそれによる良好な低温靭性特性を得るために、Ａｌ／Ｏ比率は２．５未満、好ましくは１．５未満であることがまた必要である。

これは、レーザー／アークハイブリッド方法で得られる溶接において良好な低温靭性特性を得るため、および溶融金属において過剰に高硬化性を有することを避けるために、冷却中のオーステナイトの変態が針状フェライトを作り、かつ上で示したようにこれらのチタンに富む酸化物介在物が溶融金属中に存在する全ての酸素が酸素に対する反応性がチタンのものよりも強いアルミニウムと完全に結合しているわけではない場合にのみ形成し得るように核として働くことが可能な介在物を形成することが必要であるからである。実験は、これは溶融金属中のＡｌ／Ｏ重量比率が２．５未満である場合のみであるということを示す。

この条件を満たすために、アルミニウムが溶接中の地金の希釈から実質生じ、ワイヤを用いて溶融金属に酸素を富ませることが必要であり、溶接ガスまたはワイヤ／ガスの組合せがアーク／レーザー溶接中に用いられる。

本発明の範囲内でなされる試験（以下参照）は、過剰な硬化性を有さずに生じ、かつ溶融金属、すなわち溶接の組成が以下の表１に挙げられる元素（含有量は重量比率で表されている）を含むときにレーザー／アークハイブリッド方法がなされることで作られる溶接において優秀な延展性、靭性および弾性の結果は得られることを示した。

しかし、前記溶接は、以下表２に示される（含有量は重量比率で表される）好ましい比率で表１の元素を含むときに、より良好な特性を示す。

表１および表２に示された組成の範囲は、地金、または異なる鉄鋼でできた二つの被加工物が互いに溶接により接合されているなら複数の地金の組成、またはワイヤに依存する堆積金属の組成、ガスまたはワイヤ／ガスの組合せの結果、および希釈度を考慮に入れることの結果から生じる溶融金属に相当する。

実際、これらの範囲を満たし、かつ本発明による溶接を得るために、以下の手順が実行され得る。

互いに接合されるべき加工物（またはその縁がチューブを形成するために溶接されるべきならば１つの加工物）を構成する地金の組成、または加工物が異なる鉄鋼でできているのならば二つの地金に対する平均組成が決定される。

希釈度、すなわち作られるべき溶接中の地金の比率が決定される。

次に、地金／堆積金属混合物が決定された希釈度を考慮に入れて溶融金属の、すなわち溶接の組成を表１または表２の範囲内で生じさせるように、堆積されるべき金属（ワイヤ／ガスの組合せ）の組成が決定される。

従って、例えばもし地金のマンガン（Ｍｎ）含有量は１％であり、かつ希釈度は８０％と見積もられるならば、地金中の（すなわち溶接されるべき加工物の鉄鋼中の）１％のＭｎ含有量および８０％の希釈度に対し、溶接、すなわち溶融金属は地金からもたらされる８０％のＭｎおよびそれゆえ堆積金属（ワイヤ／ガスの組合せ）からもたらされる２０％のＭｎを含んで得られ得るので、堆積金属（ワイヤ／ガス組合せ）のマンガン含有量が０から３．５％の間であるならば、溶融金属の場合０．８から１．５％の間の好ましいマンガンの範囲（表２参照）が満たされる。

０．８％のＭｎ（表２に示される範囲において低い値）を含む溶接を得るために、Ｍｎのないワイヤ（堆積金属）、すなわちＭｎを含まないものを使用することがそれゆえに必要である。換言すると、この場合、溶接にあり得るすべてのマンガンは溶接されるべき被加工物の鉄鋼からのみの由来であり得る。

しかし、１．５％のＭｎ（表２に示される範囲の高い値）を含む溶接を得るためには、この場合溶接にあり得る８０％のマンガンは溶接されるべき被加工物の鉄鋼から生じ、かつ２０％はワイヤ／ガスの組合せから生じ得る（すなわち所望される１．５％の０．７％）ので、約３．５％Ｍｎを含む堆積金属を生むワイヤ／ガスの組合せを使用することが必要である。

同様の計算が溶接に導入されるべき化学元素の各々に対して行われ得て、それにより堆積されるべき金属、すなわちワイヤ／ガス組合せの組成の正確な定義を溶接されるべき被加工物に従って許容する。

希釈度、すなわちフィラーワイヤを用いるレーザー溶接の溶融金属における地金の比率は通常約６０から８０％であるので、溶接における低比率の堆積金属が溶接中のこれらの元素に対して勧められる値の範囲の中間を達成することを可能にするために、ワイヤ／ガスの組合せ、およびさらにフィラーワイヤによって堆積される金属は地金のマンガン含有量に依存して非常に少量、または対照的に大量のマンガン、および溶融金属に対し意図される範囲に関して通常高いチタンおよびホウ素含有量を含まなければならないことを気づくべきである。

さらに、元素Ｃｒ、Ｎ、ＶおよびＮｂに関して、溶接中にこれらの元素を有することは実際にはほんのわずかな有利性しかない。

しかし、しばしばそれをいくらか含む地金で希釈するので、または互いに接合されるべき金属、または添加製品（例えば窒素の場合）における不可避な残留不純物であるので、それらの存在はほぼ不可避である。

その含有量はできるだけ低く、かつ上の表１および表２に挙げられる最大値を決して超えないことを保証することはさらに必要である。

さらに、Ｎｉに関しては、表１に挙げられる１０％という最大含有量は９％ニッケル鋼という非常に特別な場合に相当する。

非常に高いニッケル含有量を有するこのような鉄鋼が溶接されるとき、酸素含有量が高過ぎず、かつ、適切であれば、この酸素含有量がこのタイプのニッケル鋼の、すなわち表１に示される酸素範囲の低い値に近い酸素含有量を有して働くことが好ましい溶接と適合させるように調節されるということは前もって保証される必要がある。

このような高ニッケル鋼を除いて、より従来的な鉄鋼は、溶接における約２から３重量％の最大ニッケル含有量に留意しながら、効率よく溶接され得る。

さらに考慮に入れると、表１または表２に示される溶接の溶融金属の組成を得ることを可能にする、ワイヤ／ガスの組合せによって堆積されるべき金属の組成範囲は確立されている。これらの範囲は表３に挙げられている。

好ましくは、堆積金属は溶接中の地金の希釈度が高い（８５％より大きい）ときには組成範囲の上部に相当する金属組成を有さなくてはならない。一方、その組成はその希釈度が著しく低い、例えば７５％またはそれ以下のときにはさらに表示された範囲の下部に相当すべきである。

さらに、上述のように、レーザー／アークハイブリッド溶接において使用されるワイヤ／ガス組合せによって堆積される金属の組成は前記ワイヤおよびガス混合物の酸化力の組成に、その後者がワイヤに含まれる様々な合金元素の移動係数を決定するので、依存する。

レーザー／アークハイブリッド溶接の場合、ＴＩＧまたはプラズマタイプのいずれであっても、フィラー金属は冷却消耗ワイヤの形態で供給される。

この場合、化学交換は比較的わずかであり、かつ酸素含有量に関して著しい違いのみが気付かれ得て、それはワイヤが少量のみを有するとき（１５０ｐｐｍ未満の酸素含有量を有する固体ワイヤ）はワイヤのものと比較して増加し得て、またはワイヤが、例えば芯入り金属タイプの任意の芯入りワイヤの場合のように多量に含むときは減少する。しかし、堆積物におけるマンガン、ケイ素およびチタンの含有量はワイヤにおけるものより常に低く、その差が大きくなるにつれレーザー補助ガスの酸化力が高くなる、すなわち酸素および／またはＣＯ_２含有量が高くなる。

ＴＩＧおよびプラズマ溶接において、酸化遮蔽ガスの使用は可能でない、さもなければタングステン電極が破壊され得る、ことに気付くべきである。

しかし、ハイブリッド溶接装置は二つの別個のガス供給物、レーザービーム補助ガスの一方およびプラズマまたはＴＩＧアーク用の他方があるならば、レーザー補助ガスは異なり、かつそれゆえにこのような場合、この酸化ガスは直接タングステン電極と接触しないために酸素を含み得る。

同様に、二重流プラズマまたは二重流ＴＩＧトーチ、すなわち、そこにおいて中心ガスまたはプラズマ発生ガスが酸素を含まない二つのガス回路を有するトーチを使用することも可能で、そこで前記循環ガスは電極と直接接触しないので酸素を含む。

レーザー／ＧＭＡＷハイブリッド溶接において、液体金属の雫の移動は消耗ワイヤの端から溶接池へアークを経由して起こり、それはより強い化学交換、および元素に関してさらにより明確な損失を意味する。

様々なタイプのワイヤとの遮蔽ガスの酸化成分の性質および比率に依存するアーク内の化学物質の移動の例は表４に挙げられ、レーザー／ＭＡＧハイブリッド溶接における、ワイヤ、および異なる酸化成分を有する遮蔽ガスを使用してこれらのワイヤを用いて得られる堆積金属の組成を示している。

残留不純含有物は表４においては表示されていない。さらに、ＭＣｘとラベルされているワイヤはスラグを有さない芯入りワイヤであり、かつＦｘとラベルされているワイヤは固体ワイヤである。

表４に挙げられている結果は、堆積金属の組成は常に使用されるワイヤのものと著しく異なることを非常に明らかにし、差異の度合いはアークが発生するガス混合物中に存在する酸化ガスの性質と量に依存する。

ガス混合物を酸化すればするほど、マンガン、ケイ素、チタン等のような酸素に対して高い親和性を有する元素の損失が大きくなり、ここで堆積金属中の酸素含有量は使用されるワイヤのものに応じ前記ワイヤの酸素含有量に依存しながら増加または減少し得る。

炭素に関しては、その結果は酸化ガスの性質および使用されるワイヤの炭素濃度に依存して異なる。

酸化元素が酸素であるときには、ワイヤのものに対する堆積金属の炭素含有量の減少は常に観察され、この減少が大きくなるにつれて遮蔽ガスの炭素含有量は高くなる。

平衡点、すなわち堆積物中において同一の含有量を導くワイヤの炭素含有量は、２０体積％のＣＯ_２含有量に対し、遮蔽ガスのＣＯ_２含有量の増加関数であり、かつワイヤの約０．０８重量％に位置する。 以下の例は上述の全ての規定を説明し、レーザー／ＭＡＧハイブリッド方法により改良されるべき溶接の特性を許容する。

３つの試験が１から８ｍｍ厚のプレートおよび同様の１群を用いてなされ、その化学組成は表６に挙げられている。

これらの試験は、第１に遮蔽ガスの性質によって、かつ第２に使用されるフィラーワイヤの性質によって互いに異なる。前記３つの場合において、ＣＯ_２レーザーの照射電力は８ｋＷであり、溶接速度は２．１ｍ／分であり、かつ電気アークパラメータは使用されるワイヤが何であれ同様の堆積速度が得られるために調節された。実際、上で示したように、二本のワイヤがこれらの試験のために使用されて、それは１．２ｍｍの径を有したが、一方は固体ワイヤであり、かつ他方は金属−粉末−芯入りワイヤであった。これらのワイヤは同様の密度を有すわけではなく、両ワイヤで同様の堆積速度を有することが所望されたので芯入りワイヤの場合には固体ワイヤに対するものよりも高いワイヤ速度が使用された。

芯入りワイヤと固体ワイヤとの間のこの違いは、この同等な堆積速度を得るための電流は同様ではないことを意味する。芯入りワイヤは同じ径の固体ワイヤよりも高い電気抵抗を有するので、所望の電流に対する溶融の速度は固体ワイヤのものよりも高い（電流は進路のそれが同じ径の固体ワイヤのものよりも小さい断面、およびそれゆえ高い抵抗を有する芯入りワイヤの金属覆いを通って流れる）。

結果的に、芯入りワイヤに対する単位時間あたりに同様の質量のワイヤを溶融するために必要な電流（堆積速度）は固体ワイヤに対するものより低い。電気的パラメータは、用いられる遮蔽ガスが何であれ同様のアーク長を得るために調節もされる；これは遮蔽ガスが活性構成成分、すなわちこの場合には酸素を全く含まないときにわずかに高い溶接電圧を使用することを意味する。

溶接Ｗ２７、Ｗ２９およびＷ３４に対する全ての溶接条件は表５に挙げられている。

ワイヤおよび３つの溶接の使用されるプレートの化学分析は地金および溶接における硬度の値と共に表６に挙げられている。

この表６において、溶接Ｗ３４とＷ２７の間の比較は、遮蔽ガスにおける酸化成分の添加が溶融金属における酸素含有量の増加を生み、それはさらに地金のものに到達し、かつ溶接により均一な特性を与えるその硬度の非常に実質的な減少により証明されるということを示す。

酸化ガスをＭＣ２０芯入りワイヤと併用することで得られる溶接Ｗ２９を、ＦＡ７固体ワイヤを同様の酸化ガスと併用して使用することで得られる溶接Ｗ２７と比較することにより、ＭＣ２０芯入りワイヤがＦＡ７固体ワイヤより高いマンガン含有量を有するが、溶接Ｗ２７、Ｗ２９のマンガン含有量は非常に類似するということもまた明らかである。これは芯入りが固体ワイヤよりも少ない酸素を含み、かつこの酸素はワイヤから堆積金属へのマンガン移動を著しく減少させるという事実を生む。

ＦＡ７固体ワイヤと比較され、芯入りワイヤは、溶接Ｗ２９に部分的に見出されるチタンおよびホウ素を含み、ワイヤと溶接との間の違いは、単一体に非常に似ているこれらの元素に対する移動係数からだけでなく地金金属による希釈からも由来し、溶接は上で説明したように一方で地金より、かつ他方で希釈度との釣り合いで堆積金属よりなることもまた明らかにされ得る。

最後に、この付加的な、鉄鋼の硬化性を増加させる作用を通常有する元素であるチタンおよびホウ素の存在にも係わらず、溶接接合部Ｗ２９の硬度はそれらを含まない接続Ｗ２７のものよりわずかに低いということもまた明らかにされ得る。

これは上述のものに全て完全に一致するものであり、かつ、介在物の量を増加させ、かつ従っていくらかの合金元素（溶接Ｗ３４およびＷ２７）を閉じ込めることで硬化性を減少させる酸素の存在によって、およびＡｌ／Ｏ比率が２．５未満（溶接Ｗ２７およびＷ２９）のときにこれら介在物を冷却中でのオーステナイトの針状フェライトへの変態のための核として働かせるチタンの存在によって、溶接の微視的構造の変化に実際に反映されており、これら３つの溶接の顕微鏡写真、微視的構造および硬度を示している図２に示されている。

また、図２は５×１０ｍｍの縮小したシャルピーＶ−ノッチテスト試料を用いて測定した−４０℃での靭性を示している（アセンブルドプレートの厚さは標準的な１０×１０ｍｍテスト試料の使用を許容しなかった）。

図３に示される遷移曲線に似たこれら−４０℃靭性値は、溶融金属の酸素含有量が増加するときに溶接の靭性の改良を説明し、それはチタンおよび酸素を供給すること、および上で表されたＡｌ／Ｏ比率に従うことによりオーステナイトの針状フェライトへの変態を可能にし、これら３つの条件は、その細かさが良好な靭性特性の原因であるこの針状フェライトの核形成にとって必須であることを証明する。

遮蔽ガスの酸素またはＣＯ_２含有量の関数としての溶融金属中の酸素含有量を示す図。 溶接Ｗ３４、Ｗ２７およびＷ２９の顕微鏡写真。 溶接Ｗ３４、Ｗ２７およびＷ２９について温度と靭性との関係を示す図。

Claims (12)

1. 消耗溶接ワイヤおよび遮蔽ガスを供給しながら、電気アークと併用してレーザービームを用いるハイブリッド溶接方法であって、前記ワイヤは溶接されるべき鉄鋼加工物の少なくとも１つの上に溶接を作るために前記レーザービームおよび／または前記電気アークによって溶融され、前記溶接は重量割合で３０から１０００ｐｐｍのチタン、少なくとも０．７重量％のマンガン、重量割合で５０から１０００ｐｐｍの酸素、および１０重量％未満のニッケルを含むことを特徴とする方法。
2. 前記加工物はフェライト鋼から作られおよび／または前記溶接は針状フェライトタイプの微視的構造を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記溶接は、３０から８００ｐｐｍのチタンおよび／または１００から４５０ｐｐｍの酸素、好ましくは５０から５００ｐｐｍのチタンおよび／または１２０から３５０ｐｐｍの酸素を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか記載の方法。
4. 前記溶接は０．７から２％のマンガンおよび／または１５００ｐｐｍ未満のアルミニウム、好ましくは０．８から１．７％のマンガンおよび／または５００ｐｐｍ未満のアルミニウム、より好ましくは３００ｐｐｍのアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記溶接は［Ａｌ］／［Ｏ］＜２．５、好ましくは［Ａｌ］／［Ｏ］＜１．５となるような比率、ここで［Ａｌ］はアルミニウムの重量比率、［Ｏ］は酸素の重量比率である、でアルミニウムおよび酸素を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記溶接は０．６％未満のモリブデン、８０ｐｐｍ未満のホウ素、１％未満のケイ素、０．２０未満の炭素、０．０３５％未満の硫黄および０．０３５％未満のリン、好ましくは０．３％未満のモリブデン、５０ｐｐｍ未満のホウ素、０．１から０．６％のケイ素および０．０３から０．１３％の炭素を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記溶接は０．０７％未満のニオブ、０．０７％未満のバナジウム、１から２００ｐｐｍの窒素、および１％未満のクロム、好ましくは１００ｐｐｍ未満の窒素、０．０３％未満のニオブ、０．０５％未満のバナジウムおよび０．３％未満のクロムを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記レーザービーム補助ガスおよび／またはアーク遮蔽ガスは２０体積％までの酸素および／または４０体積％までのＣＯ_２を含むガス混合物であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
9. 前記レーザービーム補助ガスは、少なくとも１つの不活性ガス、好ましくはヘリウム、アルゴンまたはそれらの混合物をさらに含むガス混合物であることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記消耗ワイヤは、チタン、マンガン、鉄、ニッケルから選ばれる少なくとも１つの元素、および随意にホウ素、モリブデン、炭素またはクロムを含む、固体ワイヤまたは芯入りワイヤであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載の消耗溶接ワイヤおよび遮蔽ガスの供給を有するレーザー／アークハイブリッド溶接方法に使用され得る固体または芯入りの溶接ワイヤであって、１００から１００００ｐｐｍのチタン、５０から５０００ｐｐｍの酸素、および１５００ｐｐｍまでのホウ素、実質的に鉄からなる残部を含むワイヤ。
12. マンガン、ケイ素、モリブデン、ニッケルおよび炭素から選ばれる、フェライト鋼の１つまたはそれ以上の合金元素を含む請求項１１記載のワイヤ。

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