JP2014168789A

JP2014168789A - Ｔ型溶接継手の隅肉溶接方法及びｔ型溶接継手

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Publication number: JP2014168789A
Application number: JP2013040799A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Inose; 幸太郎猪瀬; Junko Yamada; 順子山田; Daisuke Abe; 大輔阿部; Naoyuki Matsumoto; 直幸松本; Tomohiro Sugino; 友洋杉野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JP6119974B2

Abstract

【課題】Ｔ型溶接継手の隅肉溶接を行うに際して、常に意図する溶接ビードの断面形状が得られるＴ型溶接継手の隅肉溶接方法及びＴ型溶接継手を提供する。
【解決手段】レーザ溶接及びアーク溶接の２つの熱源を用いたレーザアークハイブリッド溶接により、フランジＳ１にリブＳ２を直交させたＴ型溶接継手の隅肉溶接を行うに際して、フランジＳ１及びリブＳ２間の溶接部Ｗに対するレーザアークハイブリッド溶接の２つの熱源からの入熱の和(ΣQ(J))をレーザアークハイブリッド溶接における溶接ワイヤ１４の送給量(Vol/mm)で除して得られる入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと溶接ビードＷｂのフランク角θが減少する関係に基づいて、フランク角θを入熱・ワイヤ送給比の大小によって制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋梁や船舶や水門等の構造物を構成する構造部材同士、例えば、フランジとリブとをＴ型溶接継手を介して接合する際に用いられるＴ型溶接継手の隅肉溶接方法及びＴ型溶接継手に関するものである。

溶接継手の一つであるＴ型溶接継手は、上記したように、例えば、フランジとリブとを接合するのに用いられ、従来において、このＴ型溶接継手を形成するにあたっては、アーク溶接が多く用いられていた。

このアーク溶接は、深い溶け込み量が期待できないことから、最近では、エネルギ密度の高いレーザ光を利用するレーザ溶接をアーク溶接に併用するレーザアークハイブリッド溶接が用いられる傾向にある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示されたＴ型溶接継手の溶接方法では、Ｔ型溶接継手を構成するリブのフランジ当接端部における側面に開先を形成すると共に、この開先の底部分を平坦状としたうえで、この平坦状の底部分を有する開先にレーザアークハイブリッド溶接を実施して（隅肉溶接を実施して）、該開先に溶接ビードを形成するようにしている。

特開2013-006203号公報

上記したレーザアークハイブリッド溶接を用いたＴ型溶接継手の隅肉溶接方法では、溶け込み状態が安定したＴ型溶接継手を得ることができるものの、Ｔ型溶接継手の美観及び疲労強度に影響を及ぼす溶接ビードの断面形状（溶接ビード断面における斜面とフランジとが成すフランク角）を制御することが難しく、この溶接ビードの断面形状を意図する形状にするためは、施工試験を繰り返して適正な溶接条件を手探り状態で決定しているのが実情であり、これがＴ型溶接継手の隅肉溶接を行ううえでの解決すべき課題となっている。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、Ｔ型溶接継手の隅肉溶接を行うに際して、常に意図する溶接ビードの断面形状を得ることができるＴ型溶接継手の隅肉溶接方法及びＴ型溶接継手を提供することを目的としている。

ここで、例えば、図２に示すように、フランジＳ１にリブＳ２を直交させたＴ型溶接継手において、溶接ビードＷｂの断面における斜面とフランジＳ１とが成すフランク角θは、小さいほうが美観に優れているとされている。そして、このフランク角θが小さくなるのに従って疲労強度が増すとされている。

本発明者等は、単位長さあたりに供給する溶接ワイヤの体積、すなわち、溶接ワイヤの送給量に対して十分な熱量を供給することで、Ｔ型溶接継手の美観及び疲労強度に大きな影響を及ぼす溶接ビードのフランク角θが小さくなることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、レーザ溶接及び溶接ワイヤを使用する溶接の２つの熱源を用いたハイブリッド溶接により、一方の被溶接材に他方の被溶接材を直交させたＴ型溶接継手の隅肉溶接を行うに際して、前記一方の被溶接材及び他方の被溶接材間の溶接部に対する前記ハイブリッド溶接の２つの熱源からの入熱の和(ΣQ(J))をレーザ溶接以外の溶接ワイヤを使用する溶接における前記溶接ワイヤの送給量(Vol/mm) で除して得られる入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと溶接ビードのフランク角が減少する関係に基づいて、前記フランク角を前記入熱・ワイヤ送給比の大小によって制御する構成としたことを特徴としており、この構成のＴ型溶接継手の隅肉溶接方法を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明の請求項２に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法において、前記ハイブリッド溶接は、前記溶接ワイヤを使用する溶接としてアーク溶接を採用したレーザアークハイブリッド溶接である構成としている。

ここで、レーザアークハイブリッド溶接における入熱の和は、言うまでもなくレーザ溶接及びアーク溶接のそれぞれからの入熱の和である。この際、アーク溶接の溶接ワイヤの送給量とアーク入熱量とは互いに比例関係にあることから、入熱・ワイヤ送給比の大小は、レーザ溶接における入熱の相対的な増減及びアーク溶接における入熱量の相対的制限の少なくともいずれか一方により管理される。

さらに、本発明の請求項３に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法において、前記ハイブリッド溶接は、前記溶接ワイヤを使用する溶接としてホットワイヤ溶接を採用したレーザホットワイヤ溶接である構成としている。

このように、ハイブリッド溶接がレーザホットワイヤ溶接である場合も、その入熱の和は、レーザ溶接及びホットワイヤ溶接のそれぞれからの入熱の和である。そして、この際も、ホットワイヤの送給量とホットワイヤに対する通電による入熱量とは互いに比例関係にあることから、入熱・ワイヤ送給比の大小は、レーザ溶接における入熱の相対的な増減及びホットワイヤ溶接におけるホットワイヤ送給量の制限（或いは上記通電による入熱の相対的な制限）の少なくともいずれか一方により管理される。

一方、本発明の請求項４に係るＴ型溶接継手は、請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のＴ型溶接継手の隅肉溶接方法により形成された構成としている。

本発明に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法では、例えば、レーザ溶接及びアーク溶接の２つの熱源を用いたレーザアークハイブリッド溶接により、一方の被溶接材に他方の被溶接材を直交させたＴ型溶接継手の隅肉溶接を行う場合には、まず、得ようとするフランク角を決定する。

次いで、入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと溶接ビードのフランク角が減少する関係に基づいて、決定したフランク角が得られる大きさの入熱・ワイヤ送給比とするべく、溶接条件であるレーザ溶接及びアーク溶接のそれぞれの熱源からの入熱量を設定すると共に、同じく溶接条件であるアーク溶接における溶接ワイヤの送給量を設定する。

そして、上記溶接条件によりＴ型溶接継手の隅肉溶接を行うと、意図したフランク角の溶接ビードが得られることとなり、この際、レーザ溶接における入熱の相対的な増減及びアーク溶接における入熱量の相対的制限の少なくともいずれか一方を実施して、入熱・ワイヤ送給比の大小を変化させることで、フランク角の意図した変更を行い得ることとなる。

一方、本発明に係るＴ型溶接継手は、上記した本発明に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法により形成されるので、美観に優れた高疲労強度を有したものとなる。

本発明に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法では、Ｔ型溶接継手の隅肉溶接を行うに際して、常に意図する溶接ビードの断面形状を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例に係るＴ型溶接継手の隅肉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部分的に示す構成説明図である。Ｔ型溶接継手のフランク角説明図である。入熱・ワイヤ送給比と溶接ビードのフランク角との関係を示すグラフである。溶接ビードのフランク角と疲労強度との関係を示すグラフである。本発明の他の実施例に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法に適用されるレーザホットワイヤ溶接装置の概略構成説明図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法に用いられるレーザアークハイブリッド溶接装置を示している。

図１に示すように、このレーザアークハイブリッド溶接装置１は、アーク溶接部１０とレーザ溶接部２０を備えている。アーク溶接部１０は、一方の被溶接材であるフランジＳ１に他方の被溶接材であるリブＳ２を直交させて成るＴ型溶接継手の溶接部Ｗに対して、溶接トーチ１２の先端から溶接ワイヤ１４を斜めに送り出すように構成されている。

一方、レーザ溶接部２０は、レーザ発生装置（図示省略）から供給されるレーザビームＬＢをレーザ照射ヘッド２２で集光して、フランジＳ１及びリブＳ２間の溶接部Ｗに照射するように構成されている。

このような構成のレーザアークハイブリッド溶接装置１のアーク溶接部１０及びレーザ溶接部２０は、溶接ワイヤ１４の先端及びレーザビームＬＢの集光点がいずれもフランジＳ１及びリブＳ２間の溶接部Ｗに連続する溶接線に向くようにセットされ、図中の矢印方向に送られて、アーク溶接及びレーザ溶接の順に溶接が実施される。

このレーザアークハイブリッド溶接装置１では、Ｔ型溶接継手の隅肉溶接を行う場合、フランジＳ１及びリブＳ２間の溶接部Ｗに対する２つの熱源、すなわち、アーク溶接部１０及びレーザ溶接部２０からの入熱の和(ΣQ(J))をアーク溶接部１０の溶接ワイヤ１４の送給量(Vol/mm)で除して得られる入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと、図２に示す溶接ビードＷｂのフランク角θが減少する関係に基づいて、このフランク角θを制御するようになっている。

具体的には、レーザ溶接における入熱の相対的な増減及びアーク溶接における入熱量の相対的制限の少なくともいずれか一方を行って入熱・ワイヤ送給比の大小を決めることで、フランク角θを制御するようになっている。

上記したレーザアークハイブリッド溶接装置１を用いて、フランジＳ１にリブＳ２を直交させたＴ型溶接継手の隅肉溶接を行う場合には、まず、得ようとするフランク角θを決定する。

次いで、入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと溶接ビードＷｂのフランク角θが減少する関係に基づいて、決定したフランク角θが得られる大きさの入熱・ワイヤ送給比とするべく、溶接条件であるレーザ溶接及びアーク溶接のそれぞれの熱源からの入熱量を設定すると共に、同じく溶接条件であるアーク溶接における溶接ワイヤの送給量を設定する。

例えば、フランク角θを40°に抑える場合には、図３の入熱・ワイヤ送給比と溶接ビードのフランク角との関係を表すグラフに示すように、入熱・ワイヤ送給比を100〜150とするべく、溶接条件であるレーザ溶接及びアーク溶接の総入熱量を550〜950J/mmに設定すると共に、同じく溶接条件であるアーク溶接における溶接ワイヤ１４の送給量を2.5〜5.5m/minに設定する。

そして、上記溶接条件によりＴ型溶接継手の隅肉溶接を行うと、意図したフランク角θ（＝40°）の溶接ビードＷｂが得られることとなり、この実施例に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法により形成されるＴ型溶接継手は、図４に示すように、美観に優れているのみならず高疲労強度を有したものとなる。

この際、レーザ溶接における入熱の相対的な増減及びアーク溶接における入熱量の相対的制限の少なくともいずれか一方を実施して、入熱・ワイヤ送給比の大小を変化させれば、フランク角θの意図した変更を行い得ることとなる。

図５は、本発明の他の実施例に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法に用いられるレーザホットワイヤ溶接装置を示している。

図５に示すように、このレーザホットワイヤ溶接装置３１は、レーザ溶接部４０と、ホットワイヤ溶接部５０を備えている。レーザ溶接部４０は、レーザ発生装置４１と、このレーザ発生装置４１と光ファイバー４３を介して接続するレーザ照射ヘッド４２を備えており、このレーザ照射ヘッド４２は、光ファイバー４３を介して伝達されるレーザ発生装置４１からの出力をレーザビームＬＢにしてフランジＳ１に照射してこのフランジＳ１の表面を溶融させるようになっている。

一方、ホットワイヤ溶接部５０は、レーザ溶接部４０のレーザ照射ヘッド４２から照射されるレーザビームＬＢの移動に伴って移動するフランジＳ１の溶融部分に対して、ホットワイヤ５１を連続して供給するワイヤ供給部５２と、ホットワイヤ５１に通電してフランジＳ１の溶融部分に位置するホットワイヤ５１の先端部分を溶融寸前とするワイヤ溶接電源５３を備えている。

このレーザホットワイヤ溶接装置３１では、Ｔ型溶接継手の隅肉溶接を行う場合、フランジＳ１及びリブＳ２間の溶接部Ｗに対する２つの熱源、すなわち、レーザ溶接部４０及びホットワイヤ溶接部５０からの入熱の和(ΣQ(J))をホットワイヤ溶接部５０のホットワイヤ５１の送給量(Vol/mm)で除して得られる入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと、図２に示す溶接ビードＷｂのフランク角θが減少する関係に基づいて、このフランク角θを制御するようになっている。

具体的には、レーザ溶接における入熱の相対的な増減及びホットワイヤ溶接におけるホットワイヤ５１の送給量の制限（或いは上記通電による入熱の相対的な制限）の少なくともいずれか一方を行って入熱・ワイヤ送給比の大小を決めることで、フランク角θを制御するようになっている。

上記したレーザホットワイヤ溶接装置３１を用いて、フランジＳ１にリブＳ２を直交させたＴ型溶接継手の隅肉溶接を行う場合には、まず、得ようとするフランク角θを決定する。

次いで、入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと溶接ビードＷｂのフランク角θが減少する関係に基づいて、決定したフランク角θが得られる大きさの入熱・ワイヤ送給比とするべく、溶接条件であるレーザ溶接及びホットワイヤ溶接のそれぞれの熱源からの入熱量を設定すると共に、同じく溶接条件であるホットワイヤ溶接におけるホットワイヤ５１の送給量を設定する。

例えば、フランク角θを40°に抑える場合には、図３の入熱・ワイヤ送給比と溶接ビードのフランク角との関係を表すグラフに示すように、入熱・ワイヤ送給比を50前後とするべく、溶接条件であるレーザ溶接及びホットワイヤ溶接の総入熱量を450〜550 J/mmに設定すると共に、同じく溶接条件であるホットワイヤ溶接におけるホットワイヤ５１の送給量を8.0〜13.0m/minに設定する。

そして、上記溶接条件によりＴ型溶接継手の隅肉溶接を行うと、意図したフランク角θ（＝40°）の溶接ビードＷｂが得られることとなり、この実施例に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法により形成されるＴ型溶接継手も、図４に示すように、美観に優れているのみならず高疲労強度を有したものとなる。

上記した実施例では、一方の被溶接材がフランジＳ１であり、他方の被溶接材がリブＳ２であるＴ型溶接継手の隅肉溶接に本発明に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法を採用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、橋梁におけるフランジとダイアフラムの組み合わせのＴ型溶接継手や、ウェブとダイアフラムの組み合わせのＴ型溶接継手や、ウェブと補剛材の組み合わせのＴ型溶接継手の各隅肉溶接に本発明に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法を採用してもよい。

本発明に係るＴ型溶接継手の隅肉溶接方法及びＴ型溶接継手の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。

１４溶接ワイヤ
５１ホットワイヤ
ＬＢレーザビーム
Ｓ１フランジ（一方の被溶接材）
Ｓ２リブ（他方の被溶接材）
Ｗ溶接部
Ｗｂ溶接ビード
θ フランク角

Claims

レーザ溶接及び溶接ワイヤを使用する溶接の２つの熱源を用いたハイブリッド溶接により、一方の被溶接材に他方の被溶接材を直交させたＴ型溶接継手の隅肉溶接を行うに際して、
前記一方の被溶接材及び他方の被溶接材間の溶接部に対する前記ハイブリッド溶接の２つの熱源からの入熱の和(ΣQ(J))をレーザ溶接以外の溶接ワイヤを使用する溶接における前記溶接ワイヤの送給量(Vol/mm) で除して得られる入熱・ワイヤ送給比（ΣQ/(Vol/mm)）［J/(mm²/m)］が増すと溶接ビードのフランク角が減少する関係に基づいて、前記フランク角を前記入熱・ワイヤ送給比の大小によって制御する
ことを特徴とするＴ型溶接継手の隅肉溶接方法。
前記ハイブリッド溶接は、前記溶接ワイヤを使用する溶接としてアーク溶接を採用したレーザアークハイブリッド溶接である請求項１に記載のＴ型溶接継手の隅肉溶接方法。
前記ハイブリッド溶接は、前記溶接ワイヤを使用する溶接としてホットワイヤ溶接を採用したレーザホットワイヤ溶接である請求項１に記載のＴ型溶接継手の隅肉溶接方法。
請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のＴ型溶接継手の隅肉溶接方法により形成されたことを特徴とするＴ型溶接継手。