JP2010046671A - 重ね継手の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被溶接物にレーザビームによる溶接とアーク溶接を同時に行う際、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に前記第１ワイヤと前記被溶接物との間に形成したアークの電流を所定値以下にする複合溶接方法を提供する。
【解決手段】 被溶接物１の溶接位置にレーザビーム３を照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤ５を送給して前記被溶接物１との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法を用いた重ね継手の溶接方法であって、前記レーザビーム３と前記アーク溶接で形成した溶融池８に第２ワイヤ９を供給すると共に、前記第１ワイヤ５と前記被溶接物１との間に形成したアーク６の電流を所定値以下にすることによって低いアーク電流を用いつつ、第２ワイヤの供給によって溶着量を上げることができ、良好な重ね継手を形成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接を行う重ね継手の溶接方法に関するものである。

レーザはエネルギ密度が高く、熱ひずみの少ない溶接を高速で行うことが可能なため、２枚以上重ねた板材の溶接に使用されている。板材間にギャップがあると、板間にブリッジを形成するのに溶融金属が必要なので、レーザ溶接のみでは上板のビード表面に溶融金属が不足になりアンダーフィルを形成してしまうことが知られている。

この問題を克服するために、フィラーワイヤを使用したレーザ溶接方法が従来からあったが、フィラーワイヤを溶融するのに余分のレーザエネルギが必要なため、溶接速度が低下してしまう。一方、消耗電極方式のアーク溶接と併用する複合溶接方法が提案され（例えば、特許文献１、特許文献２参照）、ワイヤを溶融するのにアークエネルギを使用するのみではなく、溶融したワイヤがアンダーフィルの防止または許容ギャップの拡大にも役立つ。しかし、従来の複合溶接方法では、使用するアーク溶接のワイヤ送給速度とアーク電流を独立に調整することができないため、溶着量が必要な場合にはワイヤ送給速度を上げる必要があり、アーク電流も同時に上がってしまう。アーク電流が上がると、薄板の重ね継手の溶接では特に上板の溶落ちが発生しやすくなり、溶接作業ウィンドウが狭くなってしまう。なお、重ね継手の板間に隙間があったり熱伝導の低い酸化膜があったりすると、下板に対する熱の伝達が困難となるため、上板に対する入熱が過多となり、広がったビードを形状してしまう。

図７は重ね継手における熱の伝わり方を示す模式図である。図７（ａ）は上板と下板間が密着してほとんどギャップがない場合、図７（ｂ）は上板と下板間にギャップが存在したり熱伝導の低い酸化膜があったりする場合である。図を簡単にするために、図７（ａ）と図７（ｂ）では上板と下板間に形成するビードを省略し、熱の伝わり方のみを示した。１ａと１ｂはそれぞれ被溶接物１（１の表記を省略する）の上板と下板である。５０は上板１ａに対するエネルギ投入方向、Ａは上板１ａにおけるエネルギ投入点である。実際の溶接では、エネルギ投入点Ａは一つの点ではあり得ないが、説明を簡単にするために点として説明する。５１と５２は、エネルギが投入され被溶接物１の中に熱が伝わった時に同一の温度になる点の輪郭を示す等温度線である。図７（ａ）では、前記上板１ａと下板１ｂはほぼ密着しているので、等温度線５１は近似的にエネルギ投入点Ａから描いた、同心円に近い形で広がっていく。その方向はＢである。一方、図７（ｂ）では、前記上板１ａと下板１ｂは密着せず、その間にある隙間または熱伝導の低い酸化膜が下板１ｂへの熱の伝達を遅らせ、前記上板１ａと下板１ｂではより広がった等温度線５２を形成する。その熱伝導方向はＣである。図７（ａ）と図７（ｂ）はエネルギ投入点Ａを前記上板１ａの表面に置いて説明したが、実際のレーザ溶接または複合溶接では、レーザによって被溶接物１にキーホールを形成する。キーホールが形成されると、レーザ溶接ではレーザビームのエネルギはキーホールの深さ方向全面から前記被溶接物１に投入されるので、図７（ａ）のような同心円ではなく、等温度線５１はキーホールの両側に沿って板厚方向に伸びていく。この場合、被溶接物１の上板１ａと下板１ｂの間に多少のギャップがあっても、熱の伝わり方はギャップの影響を受けにくい。一方、複合溶接ではレーザビームのエネルギの投入はレーザ溶接の場合と同様であるが、アークによるエネルギの投入は異なる。すなわち、アークエネルギは前記被溶接物１の上板１ａに分散的に投入されるため、特に複合溶接のレーザエネルギに対してアークエネルギが大きい場合、熱の伝わり方はアークに近い状態となりやすく、ギャップの影響を受けやすい。結果的に、図７（ｂ）に近い形となる。その際に形成するビード断面形状の模式図を図７（ｃ）に示す。すなわち、前記被溶接物１の上板１ａでは広がったビード断面形状となる。図８は従来の複合溶接方法によって得られた重ね継手のビード断面形状を示す一例である（非特許文献１参照）。被溶接物１の上板１ａにおいて溶込み形状が広がっていることが明らかである。この問題点を解決するために、できるだけエネルギ分散の少ないレーザ熱源を使用するか、アーク溶接との複合を行ってもできるだけアーク電流を下げるか、が有効なである。しかし、前述の通り、従来の複合溶接方法ではアーク電流を下げるのと、溶着量を増やすのとはトレードオフの関係にあるので、アーク電流を下げすぎると、溶着量の確保が困難となってしまう。
特開２００２−１０３０６９号公報 特開２００２−１４４０６３号公報 U. Dilthey, A. Brandenburg and F. Reich, Investigation of the strength and quality of aluminium laser-MIG-hybrid welded joints , IIW Doc. IV-882-05.

この従来の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、レーザ照射と第１ワイヤによるアーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に、前記アーク溶接のアーク電流を所定値以下にする重ね継手の溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法であって、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に、前記第１ワイヤと前記被溶接物との間に形成したアークの電流を所定値以下にする重ね継手の溶接方法であって、前記アーク電流は３０〜１００Ａとする方法、溶接方向の前方から、前記第２ワイヤと前記レーザビームと前記第１ワイヤの順で配置する方法、前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる方法、前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる方法、前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる方法である。

以上のように本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法であって、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に、前記第１ワイヤと前記被溶接物との間に形成したアークの電流を所定値以下にすることによって低いアーク電流を用いつつ、第２ワイヤの供給によって溶着量を上げることができ、良好な重ね継手の溶接を行える。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における重ね継手の溶接方法の構成を示す模式図である。なお、図８に示した内容と同様の構成および動作と作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。３はレーザビーム、４は被溶接物１の上板１ａと下板１ｂとの合せ面の間にあるギャップである。５は第１ワイヤ、６は前記第１ワイヤ５と被溶接物１との間に形成したアーク、７は前記第１ワイヤ５が溶融して形成した溶滴、８は前記レーザビーム３と前記アーク６によって前記被溶接物１に形成した溶融池である。９は前記溶融池８に供給する第２ワイヤである。１０は前記溶融池８が凝固して形成したビードである。

図１に示した重ね継手の溶接方法の原理について、図２を参照して説明する。図２は、消耗電極式アーク溶接方法と本発明の実施の形態における重ね継手の溶接方法である複合溶接法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図である。ＭＲ_Ａは消耗電極式のアーク溶接方法におけるアーク電流とワイヤを溶融した時に得られる溶着量の関係を示す溶融曲線である。ある重ね継手に対して、溶着量が少なすぎると、継手強度が得られなくなったり溶接欠陥が発生したりしてしまう。一方、溶着量が多すぎると、能率が悪くなるのみではなく、図２に示した溶融曲線ＭＲ_Ａに従ってアーク電流が増加するので、重ね継手、特にそれを構成する上板に対する入熱が過多となり、熱ひずみが増加したり、溶込みの広がった継手になったりしてしまう恐れがある（図８参照）。したがって、良好な継手を得るためには、適正な溶着量で溶接を行う必要がある。図２では、仮に目標とする溶着量をＶ_Ｗ０とすると、アーク溶接単独では、この溶着量を実現するためには、Ｉ_０のアーク電流で溶接することとなる。一方、本発明の重ね継手の溶接方法の複合溶接では、第２ワイヤ９の送給速度を調整することが可能なので、低いアーク電流でも溶着量を増やすことが可能である。言い換えれば、同一の溶着量を得るために、アーク電流を下げることが可能である。例えば、Ｖ_ＷＷで示した溶融曲線ＭＲ_Ｗで第２ワイヤ９を送給すると、複合溶接の溶着量が溶融曲線ＭＲ_Ｈに従うので、同一目標の溶着量Ｖ_Ｗ０を得るのに必要なアーク電流がＩ_０からＩ_Ｈまでに低下する。その結果、同一の溶着量で重ね継手の上板に対するアークの入熱を減少させることができ、良好な重ね継手を形成することができる。

図３に本発明の実施の形態における重ね継手の複合溶接方法で得られた重ね継手のビード断面形状の模式図を示す。図３では、１１は本発明のビード断面形状であるが、１２（点線）は従来法の溶込み輪郭である。本発明の複合溶接方法では、重ね継手の上板１ａに形成したビード１１の溶込み断面形状の輪郭を従来法の溶込み輪郭１２より狭くすることができる。これは、前述の通り、重ね継手の上板に対するアークによる入熱を減少させたためである。図４に本発明の実施の形態における重ね継手の溶接方法を板厚２ｍｍのアルミニウム合金Ａ５０５２に適用した場合に得られた重ね継手のビード外観とそのビード断面形状を示す。本発明の実施の形態における重ね継手の溶接方法では図３に示した模式図通りのビード形状が得られたことがわかる。

次に、本発明の実施の形態における重ね継手の溶接方法に使用するアーク溶接の電流について、アルミニウム合金のパルスＭＩＧアーク溶接を使用した例を図５と図６を参照しつつ説明する。図５はパルスＭＩＧアーク溶接においてアーク電流を変えた場合のビード外観とビード断面形状を示す。図６は図５に示したパルスＭＩＧアーク溶接を使用した複合溶接方法に第２ワイヤを添加した場合のビード外観とビード断面形状を示す。図５と図６はいずれもビード・オン・プレート溶接にて得られたものである。図５のパルスＭＩＧアーク溶接では、１２０Ａ以上のアーク電流では良好なビード外観が得られたが、３０Ａと６０Ａでは良好なビード外観が得られなかった。一方、図６の複合溶接方法ではパルスＭＩＧアーク溶接では良好なビード外観が得られなかった３０Ａと６０Ａのアーク電流でも良好なビード外観が得られると共に、１２０Ａ以上の電流と同様に溶着量の多いビード断面形状が得られた。図５と図６はビード・オン・プレート溶接にて得られた結果であるが、本発明の実施の形態の重ね継手の場合を考えると、アーク電流１２０Ａ以上ではアークによる入熱が過多になる場合が多いが、望ましいのは３０Ａ以上、１００Ａ以下のアーク電流を使用することである。すなわち、従来のパルスＭＩＧアーク溶接では良好なビード外観が得られなかったアーク電流を使用することが可能である。

以上のように本発明の実施の形態によれば、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法を用いた重ね継手の溶接方法であって、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に、前記第１ワイヤと前記被溶接物との間に形成したアークの電流を所定値以下にすることによって低いアーク電流を用いつつ、第２ワイヤの供給によって溶着量を上げることができ、良好な重ね継手を形成することができる。

以上の説明ではレーザビーム３と第１ワイヤ５と第２ワイヤ９との配置について触れなかったが、溶接方向の前方から第２ワイヤ９とレーザビーム３と第１ワイヤ５の順で三者を配置してもよい。

また、以上の説明では、アーク電流を３０〜１００Ａにすることが望ましい。そうすることによって、重ね継手の上板１ａへの入熱をより有効に抑制することが可能である。

また、以上の説明では、アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を使用してもよい。そうすることによって、溶接時のスパッタ発生量を減少させることが可能である。

また、以上の説明では、レーザビーム３としてはＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザを使用してもよい。そうすることによって、前記レーザビーム３を光ファイバによって伝送することが可能であり、溶接のフレキシビリティを高めることが可能である。

また、以上の説明では、被溶接物１と第１ワイヤ５と第２ワイヤ９の材質をアルミニウム合金にしてもよい。そうすることによって、図７（ｃ）のようなビード断面形状になりやすいアルミニウム合金でも良好な重ね継手を得ることが可能である。

以上のように本発明によれば、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法を用いた複合溶接方法であって、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に、前記第１ワイヤと前記被溶接物との間に形成したアークの電流を所定値以下にすることによって低いアーク電流を用いつつ、第２ワイヤの供給によって溶着量を上げることができ、良好な重ね継手の溶接を行える

本発明の実施の形態１における重ね継手の溶接方法の構成を示す模式図 消耗電極式アーク溶接方法と本発明の実施の形態における重ね継手の溶接方法である複合溶接法方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図 本発明の実施の形態における重ね継手の複合溶接方法で得られた重ね継手のビード断面形状の模式図 本発明の実施の形態における重ね継手の溶接方法を板厚２ｍｍのアルミニウム合金Ａ５０５２に適用した場合に得られた重ね継手のビード外観とそのビード断面形状を示す図 パルスＭＩＧアーク溶接においてアーク電流を変えた場合のビード外観とビード断面形状を示す図 図５に示したパルスＭＩＧアーク溶接を使用した複合溶接方法に第２ワイヤを添加した場合のビード外観とビード断面形状を示す図 重ね継手における熱の伝わり方を示す模式図 従来の複合溶接方法によって得られた重ね継手のビード断面形状を示す図

符号の説明

１ 被溶接物
１ａ 被溶接物の上板
１ｂ 被溶接物の下板
３ レーザビーム
４ ギャップ
５ 第１ワイヤ
６ アーク
７ 溶滴
８ 溶融池
９ 第２ワイヤ
１０ ビード
１１ ビード
１２ 溶込み輪郭
Ａ エネルギ投入点
Ｂ 熱伝導方向
Ｃ 熱伝導方向
ＭＲ_Ａ 溶融曲線
ＭＲ_Ｗ 溶融曲線
ＭＲ_Ｈ 溶融曲線
Ｖ_Ｗ０ 溶着量
Ｖ_ＷＷ 溶着量
Ｉ_０ アーク電流
Ｉ_２Ｈ アーク電流

Claims (6)

1. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行う溶接方法であって、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給すると共に、前記第１ワイヤと前記被溶接物との間に形成したアークの電流を所定値以下にする重ね継手の溶接方法。
2. 前記アーク電流は３０〜１００Ａとする請求項１記載の重ね継手の溶接方法。
3. 溶接方向の前方から、前記第２ワイヤと前記レーザビームと前記第１ワイヤの順で配置する請求項１または請求項２記載の重ね継手の溶接方法。
4. 前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項１から請求項３記載の何れかに記載の重ね継手の溶接方法。
5. 前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項１から請求項４記載の何れかに記載の重ね継手の溶接方法。
6. 前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項１から請求項５記載の何れかに記載の重ね継手の溶接方法。