JP2013128975A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層溶接を行う場合においてポロシティの発生を防止可能なレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】第１層目でレーザビームＬＢの集光直径をキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値より小さくしてキーホール型レーザ溶接を行った後、第２層目以降ではレーザビームＬＢの集光直径を上記閾値より大きくして熱伝導型レーザ溶接を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接方法に係り、詳しくは、レーザ溶接による溶接品質の向上を図る技術に関する。

造船、橋梁等の鋼構造物の分野では、鋼板の端縁同士を突き合わせて複数の鋼板を一体化させる突合わせ継手溶接や角継手溶接が多用されており、これにより大型の鋼構造物を製造可能である。
近年、このような突合わせ継手溶接や角継手溶接において、レーザビームによるレーザ溶接がアーク溶接に代えて採用される傾向にある。また、最近では、アーク溶接とレーザ溶接とを組み合わせて行うレーザアークハイブリッド溶接も開発されている。
ところで、レーザ溶接により継手にキーホール型溶接を行う場合、ポロシティと呼ばれる欠陥が生成され易く、継手の溶接品質が損なわれるという問題がある。

そこで、例えばレーザ出力に周波数や波形で変調を与えることで、溶融金属の流動制御を行い、ポロシティの発生を抑制する構成のレーザ溶接方法が考えられている（特許文献１参照）。
また、例えば溶接金属の３０％以上がオーステナイト組織で占められる場合に、化学成分を調整することでポロシティの発生を抑制する技術も考えられている（特許文献２参照）。

特開２００２−２７３５８６号公報 特許第３９１２４９１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたレーザ溶接方法に基づきレーザ出力を変調させて実験を行ったところ、ポロシティの発生を完全に抑制することは難しいことが確認された。また、特にレーザアークハイブリッド溶接では、アークパルスが外乱となり、ポロシティの発生を抑制できないことが確認された。
また、上記特許文献２に開示された技術は、橋梁等の大型の鋼構造物で一般に用いられるような炭素鋼（構造用鋼 ＪＩＳ Ｇ ３１０１）には適用することができない。

一方、研究によれば、ポロシティは、非貫通溶接、特に多層溶接の２パス目（２層目）以降において発生する可能性が極めて高いことがわかってきた。
これより、レーザ溶接或いはレーザアークハイブリッド溶接により多層溶接を行う場合において、如何にポロシティの発生を防止するかが課題となる。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、多層溶接を行う場合においてポロシティの発生を防止可能なレーザ溶接方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のレーザ溶接方法は、金属部材同士の溶接接合をレーザ溶接により多層溶接で行うレーザ溶接方法であって、第１層目では、レーザビームの集光直径をキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値より小さくしてキーホール型レーザ溶接を行い、第２層目以降では、前記集光直径を前記閾値より大きくして熱伝導型レーザ溶接を行うことを特徴とする。

請求項２のレーザ溶接方法では、請求項１において、前記レーザ溶接には合わせてアーク溶接を行うレーザアークハイブリッド溶接を含み、前記第１層目では、前記キーホール型レーザ溶接のみを行い、前記第２層目以降では、前記熱伝導型レーザ溶接とともにアーク溶接を行うことを特徴とする。

請求項１のレーザ溶接方法によれば、第２層目以降では集光直径をキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値より大きくして熱伝導型レーザ溶接を行うようにするので、多層溶接を行う場合においてポロシティの発生を防止するようにできる。

請求項２のレーザ溶接方法によれば、第２層目以降では熱伝導型レーザ溶接とともにアーク溶接を行うようにするので、多層溶接を行う場合においてポロシティの発生を確実に防止するようにできる。

本発明に係るレーザ溶接方法に適用されるレーザアークハイブリッド溶接装置を第１層目の溶接を行っている状態で示す図（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線に沿う被溶接部材の断面図（ｂ）、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う第１層目の溶接により形成された溶接金属の溶接断面を示す図（ｃ）である。 レーザアークハイブリッド溶接装置を第２層目の溶接を行っている状態で示す図（ａ）、（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う第２層目の溶接により形成された溶接金属の溶接断面を示す図（ｂ）、第２層目において熱伝導型レーザ溶接だけを行った場合の溶接金属の溶接断面を示す図（ｃ）である。 実施例１の溶接結果を実際の溶接断面として示す図である。 比較例１の溶接結果を実際の溶接断面として示す図である。 実施例２の溶接結果を実際の溶接断面として示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（ａ）には、本発明に係るレーザ溶接方法に適用されるレーザアークハイブリッド溶接装置が第１層目の溶接を行っている状態で示されている。
同図に示すように、レーザアークハイブリッド溶接装置１は、アーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０から構成されている。

詳しくは、アーク溶接装置１０は、被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部（開先）に対し溶接トーチ１２の先端から溶接ワイヤ１４が斜めに送り出されるように構成されている。なお、図１（ａ）に示す第１層目の溶接では、後述するようにアーク溶接は行わないため、アーク溶接装置１０は溶接を行わず、退避した状態にある。
一方レーザ溶接装置２０は、レーザ発生装置（図示せず）から供給されるレーザビームＬＢがレーザ照射ヘッド２２で集光されて被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部（開先）に照射させるよう構成されている。ここに、レーザ照射ヘッド２２はレーザビームＬＢの集光直径を適宜調節可能である。

被溶接部材Ｓ、Ｓは、金属部材（例えば、炭素鋼）からなる鋼板であって、図１（ａ）に示すように、一方の被溶接部材Ｓの端部が他方の被溶接部材Ｓの端部側面に突き当てられ、図１（ｂ）に図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う被溶接部材Ｓ、Ｓの断面を示すように、ルート部を有したレ型開先を形成するようにして溶接部が構成されている。レ型開先の開先角度は例えば３０°である。
このように構成されたレーザアークハイブリッド溶接装置１では、被溶接部材Ｓ、Ｓは、被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部の連続する溶接線が溶接ワイヤ１４の先端とレーザビームＬＢの集光点とを結ぶ線に沿うようにセットされる。

そして、第１層目の溶接を行うときには、図中の矢印方向に送られてレーザ溶接装置２０によりレ型開先のルート部に対しレーザ溶接だけが施工される。この際、レーザ溶接装置２０のレーザ照射ヘッド２２は、レーザビームＬＢの集光直径が溶接部にてキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値より小さくなるように調節される。即ち、第１層目の溶接では、キーホール型レーザ溶接が実施される。
図１（ｃ）を参照すると、第１層目の溶接により形成された溶接金属Ｗが図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う溶接断面として示されているが、第１層目の溶接では、同図に示すように、キーホール型レーザ溶接によってルート部において裏波が形成されるよう溶接が実施される。

図２（ａ）には、上記レーザアークハイブリッド溶接装置１が第２層目の溶接を行っている状態で示されている。
第２層目の溶接を行うときには、図中の矢印方向に送られてアーク溶接、レーザ溶接の順に溶接が施工される。この際、レーザ溶接装置２０のレーザ照射ヘッド２２は、例えば同図に示すように、レーザビームＬＢの集光直径が溶接部にてキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値より大きくなるように調節される。即ち、第２層目の溶接では、熱伝導型レーザ溶接が実施される。
図２（ｂ）を参照すると、第２層目の溶接により形成された溶接金属Ｗが図２（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う溶接断面として示されているが、第２層目の溶接では、同図に示すように、アーク溶接と熱伝導型レーザ溶接とによって第１層目に第２層目が重ねられて溶接金属Ｗが形成される。

このように、第２層目においてアーク溶接とともに熱伝導型レーザ溶接を実施すると、図２（ｂ）に示すように、レ型開先において溶接金属Ｗが高温割れもなく扁平にして良好に形成されるとともに、ポロシティの発生が確実に抑制される。これにより、継手の溶接品質を十分に確保することができる。
なお、ここでは第２層目について説明しているが、第３層目以降においても、アーク溶接とともに熱伝導型レーザ溶接を実施することで、やはりポロシティの発生が抑制される。即ち、第２層目以降のレーザ溶接を熱伝導型レーザ溶接とすることで、ポロシティの発生を好適に抑制することができる。

また、ここでは、第２層目において熱伝導型レーザ溶接とともにアーク溶接を実施するようにしており、これによりポロシティの発生を確実に抑制することができるが、第２層目以降においてアーク溶接を実施せずに熱伝導型レーザ溶接だけを行うようにしてもよく、この場合であってもポロシティの発生を抑制することができる。つまり、図２（ｃ）を参照すると、第２層目においてアーク溶接を実施せずに熱伝導型レーザ溶接だけを行った場合の断面が図２（ｂ）に対応して示されているが、やはりレ型開先において溶接金属Ｗが高温割れもなく扁平にして良好に形成されるとともに、ポロシティの発生が抑制される。

［実施例１］
被溶接部材Ｓ、Ｓとして、それぞれ板厚１２mmの炭素鋼（ＳＳ４００）を用意した。これら被溶接部材Ｓ、Ｓにおいて、上記図１（ｂ）に示すように、ルート部を有したレ型開先を形成するようにして溶接部が構成されている。
アーク溶接装置１０としては、アーク電源（ダイヘン社製 ＤＰ３５０）と溶接ワイヤ（神戸製鋼所製 ＭＧ−Ｓ５０）を用い、溶接ワイヤの突き出し長を２０mm、溶接トーチのトーチ角度を６０°とした。

レーザ溶接装置２０としては、レーザ発生装置（ＩＰＧ社製７ｋＷファイバーレーザ）を用いた。
また、アーク溶接の溶接部とレーザ溶接の溶接部との間の距離は３mmとした。
そして、第１層目については、キーホール型レーザ溶接のみを行った。第２層目については、熱伝導型レーザ溶接とアーク溶接とを行った。このときの溶接条件は下記のとおりである。

・第１層目溶接条件
レーザパワー：５kW、溶接速度：１m/min、焦点外し距離：０mm
・第２層目溶接条件
レーザパワー：４kW、溶接速度：０．８m/min、焦点外し距離：＋４０mm、アーク電流 ：２５０A
ここに、焦点外し距離は溶接部からレーザビームＬＢの焦点までの距離であり、焦点外し距離が０mmとはレーザビームＬＢの焦点が溶接部に一致して集光直径が最小である場合を示しており、焦点外し距離が大きいほどレーザビームＬＢの焦点が溶接部から遠退いて集光直径が大きいことを示している。例えば、集光直径のキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値は、例えば集光直径３mmの場合、焦点外し距離が４０mmに対応している。

このような溶接条件で上記被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接を行った結果を実際の溶接断面として図３に示す。
同図に示すように、第１層目についてはキーホール型レーザ溶接を行い、第２層目においてアーク溶接とともに熱伝導型レーザ溶接を実施することで、レ型開先において溶接金属Ｗが高温割れもなく扁平にして良好に形成され、ポロシティが一切発生しないことがわかる。

［比較例１］
比較例１では、実施例１に対し、第２層目溶接条件のうち焦点外し距離を第１層目溶接条件と同じく０mmとした。
即ち、第１層目については、キーホール型レーザ溶接のみを行い、第２層目については、熱伝導型レーザ溶接ではなくキーホール型レーザ溶接とアーク溶接とを行った。

このような溶接条件で上記被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接を行った結果を実際の溶接断面として図４に示す。
同図に示すように、第１層目とともに第２層目においてもキーホール型レーザ溶接を行うことにより、ポロシティが発生してしまうことがわかる。このようにポロシティが発生してしまうと、継手の溶接品質が損なわれ、好ましいことではない。

［実施例２］
被溶接部材Ｓ、Ｓとして、それぞれ板厚２５mmの炭素鋼（ＳＳ４００）を用意した。これら被溶接部材Ｓ、Ｓにおいて、上記図１（ｂ）に示すように、ルート部を有したレ型開先を形成するようにして溶接部が構成されている。
そして、被溶接部材Ｓ、Ｓが板厚２５mmと厚いことから、ここでは溶接を第１層から第５層までの５層で行うようにした。
第１層目については、キーホール型レーザ溶接のみを行った。第２層目から第４層目については、熱伝導型レーザ溶接とアーク溶接とを行った。第５層目についてはアーク溶接のみを行った。このときの溶接条件は下記のとおりである。

・第１層目溶接条件
レーザパワー：７kW、溶接速度：０．８m/min、焦点外し距離：０mm
・第２層目、第３層目溶接条件
レーザパワー：５kW、溶接速度：０．８m/min、焦点外し距離：＋７０mm、アーク電流 ：２００A
・第４層目溶接条件
レーザパワー：５kW、溶接速度：０．４m/min、焦点外し距離：＋７０mm、アーク電流 ：２００A
・第５層目溶接条件
溶接速度：０．１８m/min、アーク電流 ：２００A

このような溶接条件で上記被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接を行った結果を実際の溶接断面として図５に示す。
同図に示すように、被溶接部材Ｓ、Ｓが板厚２５mmと厚く、溶接を２層よりも多い多層溶接で行う場合であっても、第１層目についてはキーホール型レーザ溶接を行い、第２層目から第４層目においてアーク溶接とともに熱伝導型レーザ溶接を実施し、第５層目についてはアーク溶接を行うことで、レ型開先において溶接金属Ｗが高温割れもなく扁平にして良好に形成され、ポロシティが一切発生しないことがわかる。

以上で本発明に係るレーザ溶接方法の実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施例１、２では、被溶接部材Ｓ、Ｓの板厚が例えば１２mmである場合と２５mmである場合とについて説明したが、被溶接部材Ｓ、Ｓの板厚はこれらに限定されるものではない。
また、上記実施例１、２では、被溶接部材Ｓ、Ｓの板厚が１２mmである場合には溶接を２層とし、２５mmである場合には溶接を５層としたが、板厚に拘わらず溶接が２層以上であれば本発明を好適に適用可能である。

また、上記実施形態では、レーザアークハイブリッド溶接装置１を用い、レーザアークハイブリッド溶接装置１をアーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０から構成するようにしているが、上述したように、本発明では第２層目以降においてアーク溶接を実施せずに熱伝導型レーザ溶接だけを行うようにしてもよいことから、レーザ溶接装置２０のみを用い、本発明をレーザ溶接装置２０だけで実施するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、被溶接部材Ｓ、Ｓが鋼板である場合を例に説明したが、本発明は、被溶接部材Ｓ、Ｓが金属部材であれば、アルミ部材その他の溶接可能な部材にも適用可能である。

１ レーザアークハイブリッド溶接装置
１０ アーク溶接装置
２０ レーザ溶接装置
２２ レーザ照射ヘッド

Claims (2)

1. 金属部材同士の溶接接合をレーザ溶接により多層溶接で行うレーザ溶接方法であって、
   第１層目では、レーザビームの集光直径をキーホール型レーザ溶接に対応する値と熱伝導型レーザ溶接に対応する値との閾値より小さくしてキーホール型レーザ溶接を行い、
   第２層目以降では、前記集光直径を前記閾値より大きくして熱伝導型レーザ溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記レーザ溶接には合わせてアーク溶接を行うレーザアークハイブリッド溶接を含み、
   前記第１層目では、前記キーホール型レーザ溶接のみを行い、
   前記第２層目以降では、前記熱伝導型レーザ溶接とともにアーク溶接を行うことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。