JP2012206144A - Laser narrow groove multi-pass welding method and apparatus - Google Patents

Laser narrow groove multi-pass welding method and apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser narrow groove multi-pass welding method and apparatus which can securely perform, with a low output laser, narrow groove multi-pass welding of a welding base metal made of metal which is a thick plate, where a narrow groove of width 4-6 mm is provided.SOLUTION: In the laser narrow groove multi-pass welding method, a laser spot 21 obtained by removing the focus of laser light 2 is irradiated to a welding base metal 8 made of metal which is processed so as to be a narrow groove, and at the same time, a hot wire 3 is supplied to the center of molten portion of the base metal 8 to form a molten metal pool 7, welding is performed by reciprocatingly scanning the laser spot 21 on an approximately U-shaped trajectory passing through on the borderline of the molten metal pool 7 and a front groove bottom face 12 so as not to irradiate between the borderline of a groove wall surface 10 or 11 which is respectively on the same side sandwiching the wire 3 and the molten metal pool 7 and the side edge of the wire 3, and the wire 3.

Description

本発明はレーザ溶接とホットワイヤ溶接とを組合せた溶接方法に係わり、特に圧力容器に用いられる肉厚20mm以上の鋼板あるいは鋼管の高能率溶接に好適なレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置に関する。   The present invention relates to a welding method in which laser welding and hot wire welding are combined, and particularly to a laser narrow gap multi-layer welding method and apparatus suitable for high-efficiency welding of steel plates or steel pipes having a thickness of 20 mm or more used for pressure vessels. .

レーザ溶接とは、レーザ光を熱源とした溶接である。レーザ溶接はエネルギー密度の違いによって、(a)レーザ光を1点に集中することで照射位置の材料を蒸発し、発生した金属蒸気ジェットの反力で深い溶込みを得る「キーホール型溶接」と、(b)レーザ光線を比較的広い範囲に分散することで溶融接合を行う「熱伝導型溶接」の2種類に分けられる。   Laser welding is welding using laser light as a heat source. In laser welding, due to the difference in energy density, (a) "Keyhole type welding" in which the laser beam is concentrated at one point to evaporate the material at the irradiation position and deep penetration is obtained by the reaction force of the generated metal vapor jet. And (b) “thermal conduction type welding” in which fusion bonding is performed by dispersing a laser beam in a relatively wide range.

キーホール型溶接には、例えば20mm以上の厚板溶接向けとして、10kW〜20kWのレーザを用いる方法がある。この方法は,溶接の高能率化が可能となる一方、溶接金属の幅に対して深さが大きくなる、いわゆる深溶込み形状の溶接金属となるので、溶接母材の種類や溶接条件によって溶接部中央部に割れが生じやすく、溶接欠陥となる。   For keyhole type welding, there is a method of using a laser of 10 kW to 20 kW, for example, for thick plate welding of 20 mm or more. While this method makes it possible to improve the efficiency of welding, it becomes a so-called deep-penetration weld metal whose depth increases with respect to the width of the weld metal. Cracks are likely to occur at the center of the part, resulting in welding defects.

熱伝導型溶接には薄板や箔の溶接やロウ付け(母材が溶融しない接合法)向けとして、0.1kW〜5kW程度の低〜中出力のレーザを用いる方法がある。この方法では金属蒸気が発生せず欠陥は生じ難いものの、溶込みが浅いので厚板の溶接には使用できない。   For heat conduction type welding, there is a method using a low to medium power laser of about 0.1 kW to 5 kW for thin plate or foil welding or brazing (joining method in which the base material does not melt). Although this method does not generate metal vapor and hardly causes defects, it cannot be used for welding thick plates because the penetration is shallow.

特許文献1には、肉厚材の溶接に関し、材料の端面に狭開先を設けたワークに対し、ここにフィラーワイヤを添加しつつ、レーザ溶接を行う方法が開示されている。この方法によれば、開先の上方にミラーを設置し、そのミラーでレーザ光を溶接進行方向に対して横向きに振幅することで、開先壁面の溶融を促進する狭開先レーザ溶接方法が開示されている。この方法により、開先の壁面がレーザによって直接照射された部位が溶融し、確実に溶着金属と金属製の溶接母材が一体となることから、低出力のレーザであっても溶接欠陥の少ない厚板の溶融接合が可能である。   Patent Document 1 discloses a method of performing laser welding while adding a filler wire to a workpiece in which a narrow groove is provided on the end face of the material, with regard to welding of thick materials. According to this method, there is provided a narrow groove laser welding method for promoting melting of the groove wall surface by installing a mirror above the groove and amplifying the laser beam transversely with respect to the welding progress direction by the mirror. It is disclosed. This method melts the part of the groove wall directly irradiated by the laser and ensures that the weld metal and the metal weld base are integrated, so there are few welding defects even with a low-power laser. Thick plates can be melt-bonded.

特許文献2は、狭開先溶接において、レーザ光の照射位置を開先の底部で所定の振幅で進行方向に対して左右方向および開先壁面に対して垂直方向に周期的に揺動する方法、ならびにフィラーワイヤの狙い位置を開先中央に維持する制御方法、および金属蒸気を排除するための不活性ガスシールドの送給方法が開示されている。これらの方法によれば、溶接ビードと開先壁面との間に生じる融合不良を防止するとともに、フィラーワイヤの狙い位置がずれることによる、開先壁面へのフィラーワイヤ溶着、送給不具合、融合不良を防止しつつ、高能率の溶接が可能である。   Patent Document 2 discloses a method of periodically swinging an irradiation position of a laser beam with a predetermined amplitude at a bottom portion of a groove in a left-right direction with respect to a traveling direction and a direction perpendicular to a groove wall surface in narrow groove welding. And a control method for maintaining the target position of the filler wire at the center of the groove, and a method of feeding an inert gas shield for eliminating metal vapor. According to these methods, inadequate fusion between the weld bead and the groove wall surface is prevented, and the filler wire is welded to the groove wall surface, the feeding failure, and the fusion defect due to a shift in the target position of the filler wire. High-efficiency welding is possible while preventing this.

特開昭62−220293号公報JP-A-62-220293 特開2011−5533号公報JP 2011-5533 A

上記特許文献1や特許文献2記載のレーザ溶接法は、レーザ光を進行方向に対して横方向あるいは垂直方向に振幅することで開先壁面の溶融には効果が大きい。その一方で、開先底部は溶融プールを介して加熱されるので、比較的低いレーザ出力で開先内部に溶接ビードを積層した場合に各溶接層間に未溶着欠陥が生じやすくなる。   The laser welding methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a great effect on melting of the groove wall surface by amplifying the laser beam in the lateral direction or the vertical direction with respect to the traveling direction. On the other hand, since the groove bottom is heated through the molten pool, unwelded defects are likely to occur between the weld layers when the weld beads are stacked inside the groove with a relatively low laser output.

このように、開先幅3mm〜10mmの開先幅を有するボイラ主配管に使用される高強度耐熱材料のレーザ狭開先溶接においては、低出力レーザが用いられる場合に開先底面と左右開先壁面の溶着を確実に行うことが従来の課題であった。また、大出力レーザが用いられる場合に溶接金属の深い溶込み形状に起因する梨型ビード割れと呼ばれる欠陥の防止が課題である。   As described above, in laser narrow groove welding of a high-strength heat-resistant material used for a boiler main pipe having a groove width of 3 mm to 10 mm, when the low-power laser is used, the groove bottom surface and the left and right openings are opened. It has been a conventional problem to reliably weld the front wall surface. In addition, when a high-power laser is used, it is a problem to prevent defects called pear-shaped bead cracks caused by the deep penetration shape of the weld metal.

そこで本発明の課題は、厚板であって,幅4mm〜6mmの開先を設けた金属製の溶接母材の狭開先多層盛溶接を低出力レーザによって確実に行うことができるレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser narrow opening capable of reliably performing narrow groove multi-layer welding of a metal welding base material, which is a thick plate and provided with a groove having a width of 4 mm to 6 mm, with a low output laser. It is to provide a multi-layer prime welding method and apparatus.

上記問題は、次の構成によって解決される。
請求項1に記載の発明は、狭開先加工した金属製の溶接母材の開先底面に形成される溶融プールに焦点を外したレーザ光を照射しつつ溶接母材とフィラーワイヤ間に通電したホットワイヤを供給しながら行われるレーザ狭開先多層盛溶接法において、開先底面に形成される溶融プール表面上をレーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットが、フィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間を通り、かつ溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る、略U字形の軌跡上を往復走査して連続溶接することを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
The above problem is solved by the following configuration.
According to the first aspect of the present invention, energization is performed between the welding base material and the filler wire while irradiating a laser beam out of focus on the molten pool formed on the groove bottom surface of the metal base material subjected to narrow groove processing. In the laser narrow gap multi-layer welding method performed while supplying the hot wire, the laser spot obtained by defocusing the laser beam on the surface of the molten pool formed on the bottom surface of the groove is the same across the filler wire A substantially U-shaped trajectory that passes between the boundary surface of the groove wall on the side and the boundary of the molten pool and the side edge of the filler wire, and passes through the boundary line between the molten pool and the front groove bottom without irradiating the filler wire. A laser narrow gap multi-layer welding method characterized in that continuous welding is performed by reciprocating the top.

請求項2に記載の発明は、レーザスポット径(R)が、一対の開先壁面の幅(t)、ワイヤ径(w)としたときに、次式(1)
(t−w)/4≦R≦(t−w)/2 (1)
の関係を満たすレーザスポット径(R)の範囲であって、かつレーザ光の狙い位置におけるレーザスポットのエネルギー密度の範囲が0.5〜2.0kW/mm2であることを特徴とする請求項1記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
In the invention according to claim 2, when the laser spot diameter (R) is the width (t) of the pair of groove wall surfaces and the wire diameter (w), the following formula (1)
(T−w) / 4 ≦ R ≦ (t−w) / 2 (1)
The range of the laser spot diameter (R) satisfying the above relationship and the range of the energy density of the laser spot at the target position of the laser light is 0.5 to 2.0 kW / mm 2. 1 is a laser narrow gap multi-layer welding method.

請求項3に記載の発明は、略U字状の軌跡を通る1回のレーザスポット走査周期のうち、レーザスポットが溶融プールと左右開先壁面との境界線とフィラーワイヤの間を通る回数と、溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る回数を変化させることを特徴とする請求項2記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法である。   In the invention according to claim 3, the number of times that the laser spot passes between the boundary line between the molten pool and the left and right groove wall surfaces and the filler wire in one laser spot scanning cycle passing through the substantially U-shaped locus, 3. The laser narrow gap multi-layer welding method according to claim 2, wherein the number of passes through the boundary line between the molten pool and the front groove bottom surface is changed.

請求項4に記載の発明は、狭開先形状を加工した金属製の溶接母材の開先中央部にフィラーワイヤを送給するためのフィラーワイヤ送給ノズルと、ホットワイヤを得るためのフィラーワイヤの加熱電源装置と、溶接部へ不活性シールドガスを供給するための不活性シールドガス供給装置と、溶融部に形成される溶融プールを監視するための監視カメラと、溶融プール上のフィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間および溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る略U字形の軌跡上を、レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットを往復走査させて溶接部にレーザ光を照射するためのレーザスポット走査機構を有するレーザ装置を備えたレーザ狭開先多層盛溶接装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a filler wire feeding nozzle for feeding a filler wire to a groove center portion of a metal weld base material processed into a narrow groove shape, and a filler for obtaining a hot wire. Heating power supply device for wire, inert shield gas supply device for supplying inert shield gas to welded portion, monitoring camera for monitoring molten pool formed in molten portion, filler wire on molten pool A substantially U-shaped trajectory that passes between the boundary of the groove wall and the molten pool on the same side and the filler wire side edge, and on the boundary between the molten pool and the front groove bottom surface so as not to irradiate the filler wire. Laser equipped with a laser device having a laser spot scanning mechanism for reciprocally scanning a laser spot obtained by removing the focal point of the laser beam and irradiating the weld with the laser beam. The groove is a multi-pass welding equipment.

(作用)
本発明の請求項1〜4記載の発明には、次のような作用がある。
請求項1記載の発明によれば、レーザスポットが溶融プール表面上を進行方向に対してフィラーワイヤを挟んでそれぞれ一方の側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通り、かつ溶融プールと前方開先底部との境界線上を通る略U字形の軌跡上をレーザスポットが往復走査することで、開先壁面と開先底面を構成する溶接金属の溶着促進効果と凹型溶接ビード形成による、溶着した溶接金属の積層時の溶接欠陥抑制効果がある。
(Function)
The inventions according to claims 1 to 4 of the present invention have the following effects.
According to the first aspect of the present invention, the laser spot is formed between the groove wall surface on one side of the molten pool surface with respect to the traveling direction on the surface of the molten pool, the boundary line of the molten pool, and the filler wire side edge. Laser spot reciprocatingly scans on a substantially U-shaped trajectory passing through the boundary line between the molten pool and the front groove bottom, thereby promoting the welding promotion of the weld metal constituting the groove wall surface and the groove bottom surface And the formation of a concave weld bead has the effect of suppressing weld defects when depositing weld metal.

このうち、レーザスポットが開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通ることで、溶融プール表面で反射したレーザ光線が開先壁面を照射・溶融するので、開先壁面と溶接金属との溶着が促進される。さらに、レーザスポットの照射位置が、フィラーワイヤを超えて、溶接方向に対して後ろ側にまで照射されることで溶接ビードの中央部分が壁面部よりも低くなる、いわゆる凹型ビードが形成されて溶着金属(溶着した溶接金属)の積層時の欠陥発生が抑制される。   Among these, the laser spot passes between the groove wall and the boundary between the molten pool and the filler wire side edge, so that the laser beam reflected by the molten pool surface irradiates and melts the groove wall. And the weld metal are promoted. Furthermore, the irradiation position of the laser spot exceeds the filler wire and is irradiated to the rear side with respect to the welding direction, so that the center part of the weld bead is lower than the wall surface part, so-called concave bead is formed and welded. Generation of defects during the lamination of metal (welded weld metal) is suppressed.

一方、レーザスポットが開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通らない場合、溶接ビードと溶接母材との間にアンダカットと呼ばれる溝状の溶接欠陥が形成されるとともに凸型ビードが形成される。凸型ビード上に溶着金属を積層すると、各層の間の開先壁面側での溶着が行われない未溶着欠陥を生じる(図9の(D)と(E)参照)。   On the other hand, when the laser spot does not pass between the boundary between the groove wall and the molten pool and the filler wire side edge, a groove-like weld defect called undercut is formed between the weld bead and the weld base material. At the same time, a convex bead is formed. When a weld metal is laminated on the convex bead, an unwelded defect is generated in which no welding is performed on the groove wall surface between the layers (see FIGS. 9D and 9E).

また、レーザスポットがフィラーワイヤ上を通る場合、フィラーワイヤがレーザ照射によって溶断される。その際、液滴(スパッタ)が開先壁面又は開先底面の内部へ飛散したり、フィラーワイヤが切断したりすることで通電加熱停止が生じるために溶接作業の阻害が生じる。
さらに、レーザスポットが開先壁面よりも外側を通る場合、金属製の溶接母材上面が溶融し、溶接を続ける上で障害となることに加え、溶融プールへのレーザ光の照射が不十分となり溶接作業が阻害される。
Further, when the laser spot passes over the filler wire, the filler wire is blown by laser irradiation. At that time, droplets (spatters) are scattered inside the groove wall surface or the groove bottom surface, or the filler wire is cut, so that the energization heating is stopped, which hinders the welding operation.
Furthermore, when the laser spot passes outside the groove wall surface, the upper surface of the metal weld base metal melts, which becomes an obstacle to continued welding, and the laser beam irradiation to the molten pool becomes insufficient. The welding operation is hindered.

このほか、レーザスポットが溶融プールと前方開先底面との境界線上を通ることで、開先底面の溶融が促進される効果がある。これに対し、溶融プールと開先底部との境界線よりも進行方向前側の開先底面上をレーザスポットが通る場合、あるいは溶融プール表面上をレーザスポットが通る場合には、多層盛溶接時に各溶接層の間に未溶着欠陥が生じる。   In addition, since the laser spot passes on the boundary line between the melt pool and the front groove bottom surface, there is an effect of promoting melting of the groove bottom surface. On the other hand, when the laser spot passes on the groove bottom surface on the front side in the traveling direction from the boundary line between the molten pool and the groove bottom, or when the laser spot passes on the surface of the molten pool, Unwelded defects occur between the weld layers.

さらに、上記略U字形の軌跡上のレーザスポットの走査速度は、20〜200mm/sの範囲とすることが望ましい。レーザスポットの走査速度がこの範囲よりも大きい場合、レーザ照射によっても開先の溶融が行われなくなり、溶接金属が溶着されない。走査速度がこの範囲よりも小さい場合、溶融プールが縮小してフィラーワイヤを溶融プールに挿入できなくなる。   Furthermore, it is desirable that the scanning speed of the laser spot on the substantially U-shaped trajectory be in the range of 20 to 200 mm / s. When the scanning speed of the laser spot is larger than this range, the groove is not melted even by laser irradiation, and the weld metal is not deposited. If the scanning speed is less than this range, the melt pool shrinks and the filler wire cannot be inserted into the melt pool.

請求項2に記載の発明によれば、往復走査されるレーザのスポット径(R)の範囲は一対の開先壁面の幅(t)、ワイヤ径(w)との間に次式(1)の関係があることが望ましい。
(t−w)/4≦R≦(t−w)/2 (1)
スポット径(R)がこの範囲よりも大きい場合、レーザ光がフィラーワイヤまたは金属製の溶接母材上面に干渉するため、フィラーワイヤの溶断や金属製の溶接母材上面が溶融して溶接作業が阻害される。また、スポット径(R)がこの範囲よりも小さくなると、開先壁面へのレーザ光の反射が十分に行われにくくなる。すなわち、本願発明の狭開先溶接方法においては、開先壁面はレーザ光の光軸とほぼ平行であり、開先壁面と溶接金属の溶着を促進するためには、溶融プール表面でレーザ光を反射させ、その反射光により開先壁面を溶融する必要がある。このため,スポット径(R)がこの範囲よりも小さい場合、レーザ光の反射によって溶融しない部位が生じやすくなるので、開先壁面の未溶着欠陥が生じやすくなる。
According to the second aspect of the present invention, the range of the spot diameter (R) of the laser that is reciprocally scanned is the following formula (1) between the width (t) of the pair of groove wall surfaces and the wire diameter (w). It is desirable that there is a relationship.
(T−w) / 4 ≦ R ≦ (t−w) / 2 (1)
When the spot diameter (R) is larger than this range, the laser beam interferes with the filler wire or the upper surface of the metal welding base material. Be inhibited. Further, when the spot diameter (R) is smaller than this range, it becomes difficult to sufficiently reflect the laser beam on the groove wall surface. That is, in the narrow groove welding method of the present invention, the groove wall surface is substantially parallel to the optical axis of the laser beam, and in order to promote welding of the groove wall surface and the weld metal, the laser beam is irradiated on the surface of the molten pool. It is necessary to reflect and melt the groove wall surface by the reflected light. For this reason, when the spot diameter (R) is smaller than this range, a portion that does not melt due to the reflection of the laser beam is likely to be generated, so that an unwelded defect on the groove wall surface is likely to occur.

さらに、上記スポット径(R)を有するレーザスポットのエネルギー密度、すなわちレーザ出力をスポットの面積で割った値の範囲が0.5〜2.0kW/mm2であることが望ましい。レーザスポットのエネルギー密度が2.0kW/mm2を超えると、レーザ照射位置における溶接金属の蒸発が活発になり、金属蒸気が開先壁面に付着して溶接金属の溶着を阻害するのでエネルギー密度は2.0kW/mm2以下に制限される。また、エネルギー密度が0.5kW/mm2以下になると反射光による開先壁面の溶融が行われなくなる。 Further, the energy density of the laser spot having the spot diameter (R), that is, the range of the value obtained by dividing the laser output by the area of the spot is preferably 0.5 to 2.0 kW / mm 2 . When the energy density of the laser spot exceeds 2.0 kW / mm 2 , the evaporation of the weld metal at the laser irradiation position becomes active, and the metal vapor adheres to the groove wall surface and inhibits the welding metal from being welded. It is limited to 2.0 kW / mm 2 or less. Further, when the energy density is 0.5 kW / mm 2 or less, the groove wall surface is not melted by the reflected light.

請求項3に記載の発明によれば、レーザスポットの走査周期1回分のうち、溶接進行方向に対してレーザスポットの左側溶融プール領域あるいは右側溶融プール領域内でレーザスポットの反復回数を増やすことで開先壁面の溶融促進効果が得られる。すなわち、図7に示すレーザスポット通過点A〜Dの4点について、(B→A→B→A→B)→(C→D→C→D→C)→(B→A→B→A→B)→(C→D→C→D→C)のようにレーザスポットを反復走査することによって、開先壁面と溶接金属との溶着が促進される効果がある。   According to the third aspect of the invention, by increasing the number of repetitions of the laser spot in the left molten pool region or the right molten pool region of the laser spot with respect to the welding progress direction in one laser spot scanning cycle. The effect of promoting melting of the groove wall surface is obtained. That is, for the four laser spot passing points A to D shown in FIG. 7, (B → A → B → A → B) → (C → D → C → D → C) → (B → A → B → A). By repeatedly scanning the laser spot as in (B) → (C → D → C → D → C), there is an effect of promoting the welding between the groove wall surface and the weld metal.

反復回数が増大すると溶融プールの幅がさらに大きくなるが、過度に溶融プール幅が増えるとアンダカットと呼ばれる凹みが開先壁面と溶融プールの境界部に生じる。アンダカット部には未溶着欠陥が生じるため、溶接欠陥の抑制される反復回数には範囲がある。また、レーザスキャナ装置によってレーザスポットの移動速度には上限があるので、反復回数を多くした場合に、レーザ走査周期が長くなってしまうと、開先底面において周期的に未溶融欠陥が生じる場合がある。   When the number of repetitions increases, the width of the molten pool further increases. However, when the molten pool width increases excessively, a recess called an undercut is generated at the boundary between the groove wall surface and the molten pool. Since unwelded defects occur in the undercut portion, there is a range in the number of repetitions in which welding defects are suppressed. In addition, since there is an upper limit on the moving speed of the laser spot depending on the laser scanner device, if the number of repetitions is increased and the laser scanning cycle becomes longer, unmelted defects may occur periodically on the groove bottom surface. is there.

請求項4に記載の発明によれば、溶融プール表面において、レーザスキャナと呼ばれる複数の鏡を組み合わせたレーザ装置を溶接部近傍に対してレーザスポットを2次元走査するために使用されるが、レーザヘッドを移動することでもレーザスポットを2次元走査することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, a laser device that combines a plurality of mirrors called laser scanners is used to scan a laser spot two-dimensionally with respect to the vicinity of the weld on the surface of the molten pool. The laser spot can also be two-dimensionally scanned by moving the head.

溶融プール監視カメラは、レーザ光線照射方向と同じ方向から溶融プールを観察し、レーザスポットの走査範囲を決定するために使用される装置であるが、レーザの光軸とは異なる方向に設置したカメラを用いても良い。   The molten pool monitoring camera is a device that is used to observe the molten pool from the same direction as the laser beam irradiation direction and determine the scanning range of the laser spot, but is a camera installed in a direction different from the optical axis of the laser May be used.

フィラーワイヤは、開先内部の空間を埋めるための溶着金属形成に使用される。フィラーワイヤと溶接母材との間にはホットワイヤ加熱電源装置によって電流が流され、フィラーワイヤがジュール加熱される。これにより、低出力レーザ溶接装置を用いても溶融プールの大きさが保たれる効果がある。   The filler wire is used for forming a weld metal for filling the space inside the groove. A current is passed between the filler wire and the weld base material by a hot wire heating power supply device, and the filler wire is Joule heated. Thereby, even if it uses a low output laser welding apparatus, there exists an effect by which the magnitude | size of a fusion pool is maintained.

フィラーワイヤ供給ノズルは、例えば内部にフィラーワイヤのガイド孔を有する耐熱セラミックからなり、通電加熱によって柔らかくなったフィラーワイヤを溶融プール中央に導くためのものであり、フィラーワイヤが開先壁面に接触し、付着することで溶接作業が阻害されることを防止する効果がある。前記ガイド孔内部に、不活性シールドガス供給装置からアルゴン、窒素、炭酸ガス、ヘリウム、あるいはこれらの混合ガスを流通することで高温の溶融プール、高温の溶着金属及びフィラーワイヤの酸化防止効果が得られる。 The filler wire supply nozzle is made of, for example, a heat-resistant ceramic having a guide hole for the filler wire inside, and is used to guide the filler wire softened by energization heating to the center of the molten pool. The filler wire contacts the groove wall surface. It has the effect of preventing the welding operation from being hindered by adhering. By flowing argon, nitrogen, carbon dioxide gas, helium, or a mixed gas thereof from the inert shield gas supply device inside the guide hole, an anti-oxidation effect of the high-temperature molten pool, high-temperature deposited metal and filler wire is obtained. It is done.

請求項1、4記載の発明によれば、溶融プール表面上を溶接進行方向に対して同じ側にある開先の両壁面のいずれか一方の壁面と溶融プールの境界線と溶接ワイヤ側縁との間を通り、溶接ワイヤを照射しないように溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る略U字形の軌跡上を前記レーザスポットを往復走査させることで、開先壁面と開先底面の溶融促進効果と凹型溶接ビードの形成により、溶着金属の積層時の溶接欠陥抑制効果がある。   According to the first and fourth aspects of the present invention, any one of the wall surfaces of the groove on the same side of the molten pool surface with respect to the welding progress direction, the boundary line of the molten pool, and the welding wire side edge The laser spot is reciprocated on a substantially U-shaped trajectory passing through the boundary line between the molten pool and the front groove bottom surface so as not to irradiate the welding wire. Due to the melting acceleration effect and the formation of the concave weld bead, there is a weld defect suppression effect when the deposited metal is laminated.

請求項2に記載の発明によれば、往復走査されるレーザのスポット径(R)と一対の開先壁面の幅(t)とワイヤ径(w)との間に前記式(1)の関係があることで、レーザ光がフィラーワイヤまたは金属製の溶接母材上面に干渉することなく、また開先壁面へのレーザ光の反射が十分に行われるため開先壁面の未溶着欠陥が生じない。   According to the second aspect of the present invention, the relationship of the above formula (1) among the spot diameter (R) of the laser that is reciprocally scanned, the width (t) of the pair of groove wall surfaces, and the wire diameter (w). As a result, the laser beam does not interfere with the filler wire or the upper surface of the metal welding base material, and the laser beam is sufficiently reflected on the groove wall surface, so that no unwelded defects on the groove wall surface are generated. .

請求項3に記載の発明によれば、レーザスポットの走査周期1回分のうち、左側溶融プール領域あるいは右側溶融プール領域内でレーザスポットの反復回数を増やすことで開先壁面の溶融促進効果が得られる。   According to the third aspect of the present invention, the effect of promoting the melting of the groove wall surface is obtained by increasing the number of repetitions of the laser spot in the left melting pool region or the right melting pool region in one laser spot scanning period. It is done.

本発明の実施例で用いられる装置構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus structure used in the Example of this invention. 本発明のレーザスキャナの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the laser scanner of this invention. 本発明の監視カメラで取得される溶接中の溶融プール画像である。It is a molten pool image during welding acquired with the surveillance camera of the present invention. 本発明の左右開先壁および前方開先底面と溶融プールとの境界線を説明する図である。It is a figure explaining the boundary line of the left and right groove wall of this invention, a front groove bottom face, and a molten pool. 本発明のレーザスポット径の最大径を説明する図である。It is a figure explaining the maximum diameter of the laser spot diameter of this invention. 本発明のレーザ照射範囲を説明する図である。It is a figure explaining the laser irradiation range of this invention. 本発明のレーザ照射経路の通過点をあらわす。The passing point of the laser irradiation path of the present invention is shown. 本発明の実施例で用いられるレーザスポット条件範囲である。It is a laser spot condition range used in the embodiment of the present invention. 溶接試験結果の断面模式図Cross-sectional schematic diagram of welding test results 本発明の実施例の方法で得られる溶接部の溶込み断面形状である。It is the penetration cross-sectional shape of the welding part obtained by the method of the Example of this invention. 従来キーホール型溶接で得られる溶接部の溶込み断面形状である。It is the penetration cross-sectional shape of the welding part obtained by conventional keyhole type welding.

[実施例1]〜[実施例9]
以下に添付の図面を参照して本発明の実施例を説明する。図1は、本発明であるレーザ狭開先多層盛溶接に使用される溶接装置の構成および溶接中の状況について、溶接進行方向に対して右側面より見た状態を模式的に示している。レーザ装置24に設けられるレーザ溶接ヘッド1からレーザ光2が溶融プール7に向かって照射される。また、耐熱セラミックス製の管であるフィラーワイヤノズル4の内部にはフィラーワイヤ3のガイド孔を有しており、フィラーワイヤノズル4の先端からフィラーワイヤ3が露出している。また、ホットワイヤ加熱電源装置5によって、フィラーワイヤ3と母材8との間に電流を流し、フィラーワイヤ3をジュール熱により加熱する。フィラーワイヤノズル4は,開先底面12に対して進行方向後ろ側から80°の角度でレーザ照射位置に向けて溶接方向後側からフィラーワイヤ3を送給できるように固定されている。
[Example 1] to [Example 9]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 schematically shows a configuration of a welding apparatus used for laser narrow gap multi-layer welding according to the present invention and a situation during welding as viewed from the right side with respect to the welding progress direction. Laser light 2 is irradiated toward the molten pool 7 from a laser welding head 1 provided in the laser device 24. The filler wire nozzle 4, which is a heat-resistant ceramic tube, has a guide hole for the filler wire 3, and the filler wire 3 is exposed from the tip of the filler wire nozzle 4. Further, the hot wire heating power supply device 5 causes a current to flow between the filler wire 3 and the base material 8 to heat the filler wire 3 by Joule heat. The filler wire nozzle 4 is fixed so that the filler wire 3 can be fed from the rear side in the welding direction toward the laser irradiation position at an angle of 80 ° from the rear side in the traveling direction with respect to the groove bottom surface 12.

そして加熱されたフィラーワイヤ3の先端を母材8の溶着金属20の先端部に形成される溶融プール7に挿入する。溶融プール7および高温の溶着金属20の酸化を防止するためにシールドガス送給ノズル6からアルゴンガスなどの不活性ガスを用いて溶接部に噴出している。本実施例では不活性ガスとしてアルゴンガスを使用したが、窒素、炭酸ガス、ヘリウム又はこれらの混合ガスを用いても良い。   Then, the tip of the heated filler wire 3 is inserted into the molten pool 7 formed at the tip of the weld metal 20 of the base material 8. In order to prevent the molten pool 7 and the high-temperature weld metal 20 from being oxidized, the weld gas is ejected from the shield gas supply nozzle 6 to the weld using an inert gas such as argon gas. In this embodiment, argon gas is used as the inert gas, but nitrogen, carbon dioxide gas, helium, or a mixed gas thereof may be used.

本実施例では、溶融プール7の表面にレーザスポット21(図5参照)が形成されるように、レーザ光2の焦点位置を溶接部上方とした。   In this embodiment, the focal position of the laser beam 2 is set above the weld so that the laser spot 21 (see FIG. 5) is formed on the surface of the molten pool 7.

レーザ溶接ヘッド1には図2に示すようにX軸ミラー31とY軸ミラー32からなるレーザ光線の2次元走査機構、いわゆるレーザスキャナが内蔵されており、レーザ光源30からのレーザ光2をX軸ミラー31とY軸ミラー32により反射して二次元上の照射範囲34に照射する。レーザ溶接ヘッド1には、溶融プール観察用同軸カメラ9が接続されており、図3の溶接部の平面図に示すように、母材8の開先壁面10、11及び開先底面12で囲まれた領域にフィラーワイヤ3が挿入され、フィラーワイヤ3の先端部の周りに溶融プール7が形成されていることがカメラ9による画像で得られる。この画像から図4の溶接部の平面図に示すような溶接進行方向の左側溶融プール領域16、前方溶融プール照射領域17及び右側溶融プール領域18が得られ。また溶融プール7と開先先端との境界線13がこれら左側溶融プール領域16、前方溶融プール照射領域17及び右側溶融プール領域18でのレーザ光2の照射により開先壁面10、11及び開先底面12との間に形成される。   As shown in FIG. 2, the laser welding head 1 has a built-in laser beam two-dimensional scanning mechanism composed of an X-axis mirror 31 and a Y-axis mirror 32, that is, a so-called laser scanner. The light is reflected by the axial mirror 31 and the Y-axis mirror 32 to irradiate a two-dimensional irradiation range 34. A fusion pool observation coaxial camera 9 is connected to the laser welding head 1 and is surrounded by groove wall surfaces 10 and 11 and a groove bottom surface 12 of the base material 8 as shown in the plan view of the welded portion in FIG. The filler wire 3 is inserted into the region, and the molten pool 7 is formed around the tip of the filler wire 3 by an image obtained by the camera 9. From this image, a left molten pool region 16, a front molten pool irradiation region 17, and a right molten pool region 18 in the welding progress direction as shown in the plan view of the welded portion in FIG. 4 are obtained. The boundary line 13 between the molten pool 7 and the groove tip is formed by the irradiation of the laser beam 2 in the left molten pool region 16, the front molten pool irradiation region 17, and the right molten pool region 18, and the groove wall surfaces 10, 11 and the groove. It is formed between the bottom surface 12.

図5の溶接部の平面図に示すレーザスポット21の径Rはフィラーワイヤ3の側縁から同じ側にある開先壁面10又は11までの長さに等しいものとする。   The diameter R of the laser spot 21 shown in the plan view of the welded portion in FIG. 5 is assumed to be equal to the length from the side edge of the filler wire 3 to the groove wall surface 10 or 11 on the same side.

図6の溶接部の平面図に対応させて示すようにレーザスポット21の移動軌跡23は略U字形をしており、レーザ照射範囲22をレーザ光2が往復走査する。   As shown in correspondence with the plan view of the welded portion in FIG. 6, the movement locus 23 of the laser spot 21 is substantially U-shaped, and the laser beam 2 reciprocally scans the laser irradiation range 22.

表1には、レーザスポット21を略U字形の移動軌跡上を走査させたことによる効果を検証した溶接実験結果を示す。この実験では、母材8はボイラ用鋼材である前記火SCMV28板材(厚さ30mm)とし、これに開き角度が1°で、開先壁面10,11の上端の開き幅が2〜10mmの開先を設け、フィラーワイヤ3は直径1.0mmのTGS−9Cb(株式会社神戸製鋼所製)を用いた。

Figure 2012206144
表1には、本発明の各実施例と比較例で用いた溶接条件と、そのときの溶接欠陥の発生状況を示す。この溶接実験では、いずれの溶接速度も300mm/分としたが、100〜800mm/分までの範囲での接合が可能である。また、フィラーワイヤ3の送給量L(mm/分)は開先幅tに対してL=190×t2とし、高さ約t/2の分だけ、1パスごとに溶接金属が積層されるようにした。 Table 1 shows the results of a welding experiment that verified the effect of scanning the laser spot 21 on a substantially U-shaped movement locus. In this experiment, the base material 8 is the fire SCMV 28 plate material (thickness 30 mm), which is a steel material for boilers, and the opening angle is 1 ° and the opening width of the upper ends of the groove wall surfaces 10 and 11 is 2 to 10 mm. The filler wire 3 was TGS-9Cb (manufactured by Kobe Steel, Ltd.) having a diameter of 1.0 mm.
Figure 2012206144
Table 1 shows the welding conditions used in the examples and comparative examples of the present invention, and the state of occurrence of welding defects at that time. In this welding experiment, all the welding speeds were set to 300 mm / min, but joining in the range of 100 to 800 mm / min is possible. The feed amount L (mm / min) of the filler wire 3 is set to L = 190 × t 2 with respect to the groove width t, and the weld metal is laminated for each pass by the height of about t / 2. It was to so.

レーザスポット21の走査速度に関して、20〜200mm/秒の範囲において溶接が可能であった。比較例1のように走査速度が低くなりすぎると、例えば図4の溶融プール領域16をレーザが照射している間、溶融プール領域17および溶融プール領域18が凝固してしまい、フィラーワイヤ3を挿入することができなくなり、継手を形成できなかった。これに対して、比較例2のように、走査速度が高くなりすぎると、開先の溶融が不十分となり未溶着欠陥を生じた。また、比較例3のように、開先幅tが狭い場合には、レーザスポット21をフィラーワイヤ3に干渉しないように走査することが困難となる上に、レーザスポット21が小さくなりすぎてしまい、高いエネルギー密度となるために深い溶け込みが生じて溶接ビードの中央に割れを生じた。   Regarding the scanning speed of the laser spot 21, welding was possible in the range of 20 to 200 mm / second. If the scanning speed is too low as in Comparative Example 1, the molten pool region 17 and the molten pool region 18 are solidified while the laser is irradiating the molten pool region 16 in FIG. The joint could not be formed because it could not be inserted. On the other hand, as in Comparative Example 2, when the scanning speed was too high, the groove was insufficiently melted, resulting in an unwelded defect. In addition, when the groove width t is narrow as in Comparative Example 3, it is difficult to scan the laser spot 21 so as not to interfere with the filler wire 3, and the laser spot 21 becomes too small. Because of the high energy density, deep penetration occurred and cracks occurred in the center of the weld bead.

これに対し、比較例4のように、開先幅tが広い場合には、レーザスポット21が大きくなりすぎてしまい、開先壁面の溶着が行われにくくなった。このため開先壁面が溶融せず、溶接金属の溶着が行われなかった。
比較例5および6は、レーザ光2を左右に揺動した場合の溶接結果である。開先幅tが3mmと狭い場合は、比較例3と同様に深い溶込み形状となり、溶接金属中央に割れが生じた。開先幅tが5mmとなると、今度は開先底面12の溶融が不十分となり、溶融接合が行われなくなった。
On the other hand, as in Comparative Example 4, when the groove width t is wide, the laser spot 21 becomes too large, and it becomes difficult to weld the groove wall surface. For this reason, the groove wall surface did not melt and welding of the weld metal was not performed.
Comparative Examples 5 and 6 are welding results when the laser beam 2 is swung left and right. When the groove width t was as narrow as 3 mm, a deep penetration shape was formed as in Comparative Example 3, and a crack occurred in the center of the weld metal. When the groove width t was 5 mm, this time, the melting of the groove bottom surface 12 became insufficient, and melt bonding was not performed.

レーザスポット21を固定した比較例7および8においては、溶融プール7の表面でレーザ光2の反射が生じ、開先面の一部との溶着が行われたが、本試験例のように、開先幅tに対して溶接ビードの深さhが比較的大きい条件であるために、未溶着欠陥を生じた。   In Comparative Examples 7 and 8 in which the laser spot 21 was fixed, the laser beam 2 was reflected on the surface of the molten pool 7 and was welded to a part of the groove surface. As in this test example, Since the depth h of the weld bead was relatively large with respect to the groove width t, an unwelded defect was generated.

レーザスポット21を前後に揺動した比較例9および10においては、溶融プール7の底面の溶融が促進されたものの、開先壁面に対しては溶融が完全にはなされない結果となった。   In Comparative Examples 9 and 10 in which the laser spot 21 was swung back and forth, although melting of the bottom surface of the molten pool 7 was promoted, melting of the groove wall surface was not completely achieved.

[実施例10]
開先幅t:3〜8mm、フィラーワイヤ径1mm、1、2mm、溶接速度:300mm/分、スポット揺動速度:100mm/秒の条件で、5層の狭開先溶接を行った時の溶接欠陥に及ぼすレーザスポット条件の影響を評価した。図8は、レーザ出力:P(kW)、レーザスポット径R(mm)、一対の開先壁面10,11の幅t(mm)、ワイヤ径w(mm)とし、比スポット径(=R/((t−w)/2) )を横軸、エネルギー密度(=P/((R/2)2・π))を縦軸とし溶接の状況を分類した。
[Example 10]
Welding when five-layer narrow groove welding is performed under the conditions of groove width t: 3 to 8 mm, filler wire diameter 1 mm, 1, 2 mm, welding speed: 300 mm / min, spot rocking speed: 100 mm / sec. The effect of laser spot condition on the defect was evaluated. FIG. 8 shows the laser output: P (kW), laser spot diameter R (mm), width t (mm) of the pair of groove wall surfaces 10 and 11, and wire diameter w (mm), and the specific spot diameter (= R / The state of welding was classified with ((t−w) / 2)) as the horizontal axis and energy density (= P / ((R / 2) 2 · π)) as the vertical axis.

比スポット径が1を超える領域、すなわちレーザスポット21がフィラーワイヤ3あるいは金属製の溶接母材上面(開先壁面10,11の隣接部位である母材上面)に干渉する領域においては、フィラーワイヤ3の溶断や、開先壁面10,11の上部にレーザ照射が行われる。フィラーワイヤ3の溶断の場合は、フィラーワイヤ3が溶融した液滴(スパッタ)が開先壁面10,11の内側に飛散し、溶着金属を積層する際の障害となった。開先壁面10,11に隣接部位である母材上面にレーザ照射が行われる場合は、開先壁面10,11の寸法が変化し、溶接を続けることが困難となった。比スポット径が0.5以下の領域では、開先壁面10,11の溶融が十分になされず、溶着金属と開先壁面10,11とが溶融接合されていない部位が観察された。   In a region where the specific spot diameter exceeds 1, that is, in a region where the laser spot 21 interferes with the filler wire 3 or the metal welding base material upper surface (the base material upper surface adjacent to the groove wall surfaces 10 and 11), the filler wire 3 is blown, and laser irradiation is performed on the upper surfaces of the groove wall surfaces 10 and 11. In the case of the fusing of the filler wire 3, the droplet (sputter) in which the filler wire 3 was melted scattered inside the groove wall surfaces 10 and 11, which became an obstacle when the deposited metal was laminated. When laser irradiation is performed on the upper surface of the base material adjacent to the groove wall surfaces 10 and 11, the dimensions of the groove wall surfaces 10 and 11 are changed, making it difficult to continue welding. In the region where the specific spot diameter was 0.5 or less, the groove wall surfaces 10 and 11 were not sufficiently melted, and a portion where the weld metal and the groove wall surfaces 10 and 11 were not melt-bonded was observed.

エネルギー密度が2.0kW/mm2を超える領域においては、溶接部から激しく金属蒸気が発生し、深い溶け込みを生じて溶接金属中央部に割れが生じた。また、エネルギー密度が0.5kW/mm2以下の領域においては、開先底面12、あるいは左右開先壁面10,11の溶着がなされなかった。 In the region where the energy density exceeds 2.0 kW / mm 2 , metal vapor was generated violently from the welded portion, causing deep penetration and cracking in the central portion of the weld metal. Further, in the region where the energy density is 0.5 kW / mm 2 or less, the groove bottom surface 12 or the left and right groove wall surfaces 10 and 11 were not welded.

以上の結果より、溶接欠陥を生じないレーザスポット21の条件範囲としては、幾何学的条件として比スポット径が0.5〜1の範囲、すなわち(t−w)/2≦R≦(t−w)/4 の関係を満たした上で、熱的条件としてエネルギー密度範囲が0.5〜2.0kW/mm2であることを満たすことが望ましい。 From the above results, as a condition range of the laser spot 21 that does not cause a welding defect, the geometric spot is a range in which the specific spot diameter is 0.5 to 1, that is, (tw) / 2 ≦ R ≦ (t− It is desirable to satisfy that the energy density range is 0.5 to 2.0 kW / mm 2 as a thermal condition after satisfying the relationship of w) / 4.

[実施例11]〜[実施例13]
開先幅t:5mm、フィラーワイヤ径:1mm、溶接速度:300mm/分、スポット揺動速度:100mm/秒、レーザスポット径:2mm、レーザスポット21のエネルギー密度:0.5kW/mm2の条件で、5層の狭開先溶接を行い、レーザスポット21の走査周期1回分のうち左側溶融プール7の領域あるいは左側溶融プール7の領域内でレーザスポット21の反復回数を増加する溶接方法を試験した。
[Example 11] to [Example 13]
Conditions of groove width t: 5 mm, filler wire diameter: 1 mm, welding speed: 300 mm / min, spot rocking speed: 100 mm / second, laser spot diameter: 2 mm, energy density of laser spot 21: 0.5 kW / mm 2 Then, a welding method in which five layers of narrow gap welding are performed and the number of repetitions of the laser spot 21 is increased in the region of the left molten pool 7 or the region of the left molten pool 7 in one scanning cycle of the laser spot 21 is tested. did.

図7に示すレーザスポット通過点A、通過点B、通過点C、通過点Dの4点について、(B→A→B)→(C→D→C)→(B→A→B)→(C→D→C)→・・・のように実施例1〜9の略U字形の走査経路に相当する走査経路を,反復回数1回の経路と定義する。   Regarding four points of laser spot passing point A, passing point B, passing point C, and passing point D shown in FIG. 7, (B → A → B) → (C → D → C) → (B → A → B) → A scanning path corresponding to the substantially U-shaped scanning path of the first to ninth embodiments as (C → D → C) →... Is defined as a path having one iteration.

これに対し,(B→A→B→A→B)→(C→D→C→D→C)→(B→A→B→A→B)→(C→D→C→D→C)→・・・のように片側の溶融プール7の領域内でレーザスポット21をそれぞれ2回ずつ往復する反復走査する場合を反復回数2回の経路と定義する。   On the other hand, (B → A → B → A → B) → (C → D → C → D → C) → (B → A → B → A → B) → (C → D → C → D → C) The case where the laser beam 21 is repeatedly scanned twice each in the region of the molten pool 7 on one side as defined in FIG.

表2は反復回数による溶込み形状を比較したものであり、反復回数が2回、3回の経路においては開先壁面の融合が促進されて良好な溶接断面を取得できたが、反復回数がさらに増大すると、開先壁面10,11は大幅に溶融し、図9の(F)に見られるアンダカットと呼ばれる欠陥を生じた。さらに反復回数を増大すると、開先底面12の未溶融の部位が観察された。   Table 2 shows a comparison of penetration shapes depending on the number of iterations. In the case of two or three iterations, the fusion of the groove wall surface was promoted to obtain a good weld cross section. When further increased, the groove wall surfaces 10 and 11 were melted significantly, resulting in a defect called undercut as shown in FIG. When the number of repetitions was further increased, an unmelted portion of the groove bottom surface 12 was observed.

なお、図9の(A)が正常な溶接断面であり、(B)は溶け込みが深すぎて溶接金属中央部に割れが生じてしまった溶接断面であり、(C)は開先壁面10,11の下側と開先底面12に未溶着部分が生じた場合の溶接断面であり、(D)は凸型ビートができ、層間の開先壁面10,11が未溶着状態のままとなった場合の溶接断面であり、(E)は凸型ビートができ、開先壁面10,11に未溶着部分ができた場合の溶接断面である。

Figure 2012206144
こうして図10の溶接部の溶け込み断面図に示すような、未溶着欠陥の無い、幅が広くて浅い溶接金属が積層された多層盛溶接が得られる。これは図11に示す従来のキーホール型溶接によって得られる溶接部の溶け込み断面図と比較して、深い溶込形状によって生じる溶接金属の割れの抑制が可能となることが分かる。 9A is a normal weld cross section, FIG. 9B is a weld cross section in which the penetration is too deep and a crack has occurred in the center of the weld metal, and FIG. 11 is a welded cross section when an unwelded portion is formed on the lower side of groove 11 and groove bottom surface 12, and (D) shows a convex beat, and groove wall surfaces 10, 11 between layers remain unwelded. (E) is a welded cross section when a convex beat is formed and unwelded portions are formed on the groove wall surfaces 10 and 11.
Figure 2012206144
In this way, multi-pass welding in which a wide and shallow weld metal is laminated without unwelded defects, as shown in the penetration sectional view of the welded portion in FIG. Compared with the penetration cross-sectional view of the welded portion obtained by the conventional keyhole type welding shown in FIG. 11, it can be seen that the crack of the weld metal caused by the deep penetration shape can be suppressed.

1 レーザ溶接ヘッド 2 レーザ光線
3 フィラーワイヤ 4 フィラーワイヤノズル
5 ホットワイヤ加熱電源装置 6 シールドガス送給ノズル
7 溶融プール 8 母材
9 溶融プール観察用同軸カメラ 10 開先左壁面
11 開先右壁面 12 開先底面
13 溶融プールと開先底面の境界線 16 左側溶融プール領域
17 前方溶融プール照射領域 18 右側溶融プール領域
20 溶着金属 21 レーザスポット
22 レーザ照射範囲 23 レーザスポットの軌跡
24 レーザ装置 30 レーザ光源
31 X軸ミラー 32 Y軸ミラー
34 二次元上の照射範囲
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser welding head 2 Laser beam 3 Filler wire 4 Filler wire nozzle 5 Hot wire heating power supply device 6 Shield gas supply nozzle 7 Molten pool 8 Base material 9 Coaxial camera for molten pool observation 10 Groove left wall surface 11 Groove right wall surface 12 Groove bottom surface 13 Boundary line between molten pool and groove bottom surface 16 Left molten pool region 17 Front molten pool irradiation region 18 Right molten pool region 20 Weld metal 21 Laser spot 22 Laser irradiation range 23 Laser spot locus 24 Laser device 30 Laser light source 31 X-axis mirror 32 Y-axis mirror 34 Two-dimensional irradiation range

以上の結果より、溶接欠陥を生じないレーザスポット21の条件範囲としては、幾何学的条件として比スポット径が0.5〜1の範囲、すなわち(t−w)/≦R≦(t−w)/ の関係を満たした上で、熱的条件としてエネルギー密度範囲が0.5〜2.0kW/mm2であることを満たすことが望ましい。 From the above results, the condition range of the laser spot 21 that does not cause a welding defect is a geometrical condition in which the specific spot diameter is in the range of 0.5 to 1, that is, (t−w) / 4 ≦ R ≦ (t− It is desirable to satisfy that the energy density range is 0.5 to 2.0 kW / mm 2 as a thermal condition after satisfying the relationship of w) / 2 .

Claims (4)

狭開先加工した金属製の溶接母材の開先底面に形成される溶融プールに焦点を外したレーザ光を照射しつつ溶接母材とフィラーワイヤ間に通電したホットワイヤを供給しながら行われるレーザ狭開先多層盛溶接法において、
開先底面に形成される溶融プール表面上をレーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットが、フィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間を通り、かつ溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る、略U字形の軌跡上を往復走査して連続溶接することを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接方法。
It is performed while supplying hot wire that is energized between the welding base material and the filler wire while irradiating the laser beam out of focus to the molten pool formed on the groove bottom surface of the metal base material subjected to narrow groove processing. In laser narrow groove multi-layer welding,
The laser spot obtained by removing the focal point of the laser beam on the surface of the molten pool formed on the bottom surface of the groove is between the boundary surface of the groove wall on the same side of the filler wire, the boundary of the molten pool, and the filler wire side edge. Narrow groove multi-layer, characterized in that continuous welding is performed by reciprocating scanning on a substantially U-shaped trajectory passing through the boundary line between the molten pool and the front groove bottom surface without passing through the filler wire. Prime welding method.
レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットの径(R)が、開先壁面の幅(t)、ワイヤ径(w)としたときに、次式(1)
(t−w)/4≦R≦(t−w)/2 (1)
の関係を満たすレーザスポット径(R)の範囲であって、かつレーザ光の狙い位置におけるレーザスポットのエネルギー密度の範囲が0.5〜2.0kW/mm2であることを特徴とする請求項1記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法。
When the diameter (R) of the laser spot obtained by removing the focus of the laser beam is the width (t) of the groove wall surface and the wire diameter (w), the following equation (1)
(T−w) / 4 ≦ R ≦ (t−w) / 2 (1)
The range of the laser spot diameter (R) satisfying the above relationship and the range of the energy density of the laser spot at the target position of the laser light is 0.5 to 2.0 kW / mm 2. 2. A laser narrow groove multi-layer welding method according to 1.
レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットの略U字状の軌跡を通る1回のレーザスポット走査周期のうち、レーザスポットが溶融プールと左右開先壁面との境界線とフィラーワイヤの間を通る回数と、溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る回数を変化させることを特徴とする請求項2記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法。   In one laser spot scanning cycle that passes through a substantially U-shaped locus of the laser spot obtained by defocusing the laser beam, the laser spot passes between the boundary between the molten pool and the left and right groove wall surfaces and the filler wire. 3. The laser narrow gap multi-layer welding method according to claim 2, wherein the number of times of passage and the number of times of passage on the boundary line between the molten pool and the front groove bottom surface are changed. 狭開先形状を加工した金属製の溶接母材の開先中央部にフィラーワイヤを送給するためのフィラーワイヤ送給ノズルと、
ホットワイヤを得るためのフィラーワイヤの加熱電源装置と、溶接部へ不活性シールドガスを供給するための不活性シールドガス供給装置と、
溶融部に形成される溶融プールを監視するための監視カメラと、
溶融プール上のフィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間および溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る略U字形の軌跡上を、レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットを往復走査させて溶接部にレーザ光を照射するためのレーザスポット走査機構を有するレーザ装置
を備えたことを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接装置。
A filler wire feeding nozzle for feeding a filler wire to a groove central portion of a metal welding base material processed into a narrow groove shape;
A filler wire heating power supply device for obtaining a hot wire, an inert shield gas supply device for supplying an inert shield gas to the weld, and
A monitoring camera for monitoring the molten pool formed in the melting part;
Do not irradiate the filler wire between the groove wall on the same side across the filler wire on the molten pool and the boundary between the molten pool and the filler wire side edge, and on the boundary between the molten pool and the bottom of the front groove A laser device having a laser spot scanning mechanism for irradiating a laser beam to a welded portion by reciprocatingly scanning a laser spot obtained by removing the focus of the laser beam on a substantially U-shaped trajectory passing therethrough is provided. Laser narrow groove multi-layer welding equipment.
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