JP2015182126A - Hot wire laser composite welding method of thick steel plate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接とホットワイヤ溶接を組み合わせた溶接方法に係わり、主に、造船やパイプライン、建設機械等を対象とする比較的厚い鋼板で、特に、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する厚鋼板の溶接方法に関する。 The present invention relates to a welding method in which laser welding and hot wire welding are combined, and is mainly a relatively thick steel plate intended for shipbuilding, pipelines, construction machines, etc., in particular, U-shaped or V-shaped openings. The present invention relates to a method for welding thick steel plates having a straight portion and a straight portion.
レーザ溶接では、高いエネルギー密度の熱源の利用が特徴であり、レーザビームを照射した材料表面での蒸発及びその蒸発反力により、溶融池内にキーホールが形成され、深溶け込みの溶接継手を得ることができる。このように、深溶け込みの溶接が可能であることから、レーザ溶接は、高能率な溶接であると共に、鋼板への溶接入熱が小さく、溶接ひずみが小さい高品質な溶接継手を得ることができる。 Laser welding is characterized by the use of a heat source with a high energy density, and a keyhole is formed in the molten pool by evaporation on the surface of the material irradiated with the laser beam and its evaporation reaction force to obtain a deeply welded joint. Can do. Since deep penetration welding is possible in this way, laser welding is highly efficient welding, and it is possible to obtain a high-quality welded joint with low welding heat input to the steel sheet and low welding distortion. .
一方で、レーザ溶接では、１ｍｍ未満の集光径が使用されることが多いため、高い開先精度が求められる。実際の溶接施工では、突合せ継手部の鋼板間に隙間が生じる場合がある。特に、厚鋼板のレーザ溶接では、フィラーワイヤ等により、不足した溶融金属を補う必要がある。しかしながら、フィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接を行うと、レーザの出力が、フィラーワイヤの溶融のために奪われるので、溶接効率が低下する問題が生じる。 On the other hand, since laser condensing diameters of less than 1 mm are often used in laser welding, high groove accuracy is required. In actual welding, a gap may occur between the steel plates of the butt joint. In particular, in laser welding of thick steel plates, it is necessary to compensate for the lack of molten metal with filler wires or the like. However, if laser welding is performed while supplying the filler wire, the laser output is lost due to the melting of the filler wire, which causes a problem that the welding efficiency decreases.
フィラーワイヤの供給に伴う溶接効率の低下を防ぐ手法として、特許文献１に開示されたホットワイヤ・レーザ溶接法が知られている。本手法では、開先を有する溶接継手に対して、フィラーワイヤを通電加熱により融点直下の温度まで上昇させてから溶接部に供給するため、レーザの出力をフィラーワイヤに奪われることなく、効率的な溶接が可能となる。 As a technique for preventing a decrease in welding efficiency accompanying the supply of filler wire, a hot wire laser welding method disclosed in Patent Document 1 is known. In this method, the filler wire is raised to a temperature just below the melting point by energization heating for the welded joint having a groove, and then supplied to the weld. Welding is possible.
加えて、ホットワイヤ・レーザ溶接法では、レーザビームを開先幅と同程度の集光径にディフォーカスすることによって、レーザの出力が、開先部の表層を溶融させることにのみ使用される。その後、通電加熱されたフィラーワイヤを開先部に供給することによって、開先溶接が可能となるため、被溶接材への入熱が低減され、溶接熱影響による被溶接材性能の劣化を抑制することができる。 In addition, in the hot wire laser welding method, the laser output is only used to melt the surface layer of the groove portion by defocusing the laser beam to a condensing diameter comparable to the groove width. . After that, by supplying a heated filler wire to the groove, groove welding becomes possible, so heat input to the welded material is reduced and deterioration of the welded material performance due to the influence of welding heat is suppressed. can do.
しかしながら、ホットワイヤ・レーザ溶接法では、上述の溶接熱影響を低減するために、ディフォーカスしたレーザビームを開先部に照射するので、キーホールが形成されない。それ故、ホットワイヤ・レーザ溶接法は、厚鋼板の深溶け込み及び裏波溶接に適さない溶接方法である。 However, in the hot wire laser welding method, the groove portion is irradiated with a defocused laser beam in order to reduce the above-described influence of welding heat, so that no keyhole is formed. Therefore, the hot wire laser welding method is a welding method that is not suitable for deep penetration and back wave welding of a thick steel plate.
レーザ溶接による深溶け込み能力と、ホットワイヤ・レーザ溶接による高効率な開先溶接の能力とを両立させれば、厚鋼板の高能率な溶接を達成することが可能となるが、レーザ溶接とホットワイヤ・レーザ溶接では、レーザビームの集光条件が異なるので、上記両立は、難しい。 If both the deep penetration capability by laser welding and the high-efficiency groove welding capability by hot wire and laser welding are achieved, it will be possible to achieve high-efficiency welding of thick steel plates. In wire / laser welding, the laser beam condensing conditions are different, so that it is difficult to achieve both.
特許文献２には、差厚材の突合せレーザ溶接において、開先ギャップ裕度を高めるために、レーザビームのフォーカス位置を上下に振動させ、厚さに差のある２枚の薄鋼板を溶接する方法が、開示されている。この溶接方法では、差厚材の突合せ継手のレーザ溶接における開先ギャップ裕度を向上させるために、レーザビームのフォーカス位置を変えている。しかしながら、溶接対象が、テーラードブランク等の自動車用の薄鋼板であり、かつ、フィラーワイヤ又はホットワイヤの供給に関する記載がないため、そのまま厚鋼板の開先溶接に適用することができない。 In Patent Document 2, in the butt laser welding of differential thickness materials, in order to increase the groove gap tolerance, the focus position of the laser beam is vibrated up and down to weld two thin steel plates having different thicknesses. A method is disclosed. In this welding method, the focus position of the laser beam is changed in order to improve the groove gap tolerance in laser welding of the butt joint of the differential thickness material. However, since the object to be welded is a thin steel plate for automobiles such as a tailored blank and there is no description regarding the supply of filler wire or hot wire, it cannot be directly applied to groove welding of thick steel plates.
本発明は、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する厚鋼板の開先に対して、レーザ溶接による裏波溶接と、ホットワイヤ・レーザ溶接による開先溶接が両立した溶接方法を提供することを目的とする。 The present invention relates to a welding method in which reverse wave welding by laser welding and groove welding by hot wire laser welding are compatible with a groove of a thick steel plate having a U-shaped or V-shaped opening and a straight portion. The purpose is to provide.
本発明者らは、上記の課題を解決するために詳細な研究を行った。その結果、適切な振動周波数でレーザビームのフォーカス位置を上下に振動させ、レーザ溶接とホットワイヤ・レーザ溶接を周期的に繰り返すことによって、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する厚鋼板の開先の良好な溶接が可能となることを見出した。 The present inventors have conducted detailed studies to solve the above problems. As a result, the focus position of the laser beam is vibrated up and down at an appropriate vibration frequency, and laser welding and hot wire laser welding are periodically repeated to have a U-shaped or V-shaped opening and a straight portion. It has been found that good welding of the groove of the thick steel plate becomes possible.
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先を、通電加熱したフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接するホットワイヤ・レーザ複合溶接方法において、レーザビームを溶接線に沿って移動させて照射するとき、
上記通電加熱したフィラーワイヤを上記レーザビームの照射位置の後に配置しつつ、
上記レーザビームのフォーカス位置を、被溶接材の板厚方向に、下記式（１）で定義する周波数Ｆ［Ｈｚ］で振動させ、
上記レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の範囲の上端を、上記開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上記振幅の範囲の下端を、ルートフェイス上端表面に前記レーザビームが照射される位置に設定する
ことを特徴とする、厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０ ・・・（１）
ただし、Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、溶接速度を表す。
The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
(1) In a hot wire / laser composite welding method in which a groove having a U-shaped or V-shaped opening and a straight portion is laser-welded while supplying a filler wire that is energized and heated, the laser beam is directed along the weld line. When moving and irradiating,
While placing the electrically heated filler wire behind the laser beam irradiation position,
The focus position of the laser beam is vibrated at a frequency F [Hz] defined by the following formula (1) in the thickness direction of the material to be welded,
The upper end of the amplitude range of the vertical vibration of the focus position of the laser beam is set to a position where the width of the opening and the laser irradiation range coincide with each other, and the lower end of the amplitude range is set on the root face upper end surface. A hot wire / laser composite welding method for a thick steel plate, characterized in that the position is set at a position where the laser beam is irradiated.
V [mm / s] / 5 ≦ F [Hz] ≦ 20 (1)
However, V [mm / s] represents a welding speed.
（２）前記フィラーワイヤの中心線と前記ルートフェイス上端表面の交点と、前記レーザビームの中心線と前記ルートフェイス上端表面の交点との距離が１〜３ｍｍであり、前記フィラーワイヤのワイヤ送給角度が４５〜８０度である
ことを特徴とする、前記（１）に記載の厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
(2) The distance between the intersection of the center line of the filler wire and the top surface of the root face, and the intersection of the center line of the laser beam and the top surface of the root face is 1 to 3 mm, and the wire feed of the filler wire The hot wire / laser composite welding method for thick steel plates according to (1) above, wherein the angle is 45 to 80 degrees.
本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接法によれば、レーザビームのフォーカス位置が、ルートフェイス上端表面にある時は、キーホールが形成され深溶込みが得られ、また、レーザビームのフォーカス位置が、Ｕ字型又はＶ字型の開先の基準とした開口部幅となるディフォーカスしたところにある時は、開先表面の鋼板が溶融され、ホットワイヤによる溶融金属で開先内を埋めることができる。このように、レーザビームを上下振動させることで、深溶込みと開先溶接の両方を達成することができる。 According to the hot wire / laser combined welding method of the present invention, when the focus position of the laser beam is on the upper surface of the root face, a keyhole is formed to obtain deep penetration, and the focus position of the laser beam is When it is in a defocused position where the opening width is based on the U-shaped or V-shaped groove, the steel plate on the groove surface is melted, and the groove is filled with molten metal by a hot wire. Can do. Thus, both deep penetration and groove welding can be achieved by vibrating the laser beam up and down.
そして、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先形状部を溶接する際、レーザ溶接の焦点の振動振幅と振動周波数を適切に設定することにより、レーザ溶接により厚鋼板を裏波溶接することができる。 And when welding a groove-shaped part having a U-shaped or V-shaped opening and a straight part, by setting the vibration amplitude and vibration frequency of the focal point of laser welding appropriately, a thick steel plate is formed by laser welding. Back wave welding is possible.
以下、本発明の実施の形態について説明するが、以下に説明する実施形態は本発明の１つの例であって、本発明が以下の実施形態により制限されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
図１に、本発明により溶接される被溶接材の開先部の一例、即ち、Ｕ字型の開口部とストレート部を有する開先部を示す。この開先部は、板状の被溶接材１１、１２を対向して配置し、上部にＵ字型の開先１３、下部にストレート形状のルートフェイスＲＦを有することが特徴である。なお、図１に示す開先部では、被溶接材の突出部１４、１５を密着させた状態で示したが、ルートフェイスＲＦは１〜１０ｍｍ程度、ルートギャップＲＧは０〜１ｍｍ程度が望ましい。 FIG. 1 shows an example of a groove portion of a workpiece to be welded according to the present invention, that is, a groove portion having a U-shaped opening portion and a straight portion. This groove portion is characterized in that the plate-shaped workpieces 11 and 12 are arranged to face each other, and has a U-shaped groove 13 in the upper portion and a straight-shaped route face RF in the lower portion. In addition, in the groove part shown in FIG. 1, although it showed in the state which closely_contact | adhered the protrusion parts 14 and 15 of to-be-welded material, root face RF is about 1-10 mm and root gap RG is about 0-1 mm.
図２に、本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接を行っている状態の一例を示す。ワイヤトーチ２２に接続されたホットワイヤ電源２６を用いて、フィラーワイヤ２５と被溶接材２４の間を通電することによって、フィラーワイヤ２５を融点直下の温度に加熱して溶接部に供給する。なお、通電加熱したフィラーワイヤをホットワイヤと称することもある。 FIG. 2 shows an example of a state where the hot wire / laser composite welding of the present invention is performed. The hot wire power supply 26 connected to the wire torch 22 is used to energize the filler wire 25 and the material to be welded 24, thereby heating the filler wire 25 to a temperature just below the melting point and supplying it to the weld. The filler wire that is energized and heated may be referred to as a hot wire.
以下に、ホットワイヤ・レーザ溶接のフィラー送給に関する基本的な事項を説明する。
先ず、フィラーワイヤ送給位置に関して、フィラーワイヤ２５の中心線とルートフェイスＲＦ上端表面の交点と、レーザスキャナ２１から発射されたレーザビーム２３の中心線とルートフェイスＲＦ上端表面の交点との間の距離をｘとする。この距離ｘは１〜３ｍｍが好ましい。
Below, the basic matter regarding filler feeding of hot wire laser welding is demonstrated.
First, with respect to the filler wire feeding position, the intersection between the center line of the filler wire 25 and the upper surface of the root face RF, and the intersection of the center line of the laser beam 23 emitted from the laser scanner 21 and the upper surface of the root face RF. Let x be the distance. This distance x is preferably 1 to 3 mm.
フィラーワイヤ２５は、レーザビーム２３の直接照射で溶融するのではなく、通電加熱による抵抗発熱で、融点近くまで加熱されて供給される。通電加熱を行うためには、フィラーワイヤを被溶接材の溶接部に接触させる必要がある。しかしながら、距離ｘが１ｍｍ未満になると、レーザビーム２３によってフィラーワイヤ２５が溶融し、フィラーワイヤ２５と被溶接材の溶接部の接触不良を招き、フィラーワイヤ２５が供給できなくなる。一方、距離ｘが３ｍｍ超であると、レーザビーム２３による溶融池とフィラーワイヤ２５が分離してしまい、溶接ビード形状が乱れた状態となる。 The filler wire 25 is not melted by direct irradiation of the laser beam 23, but is heated to near the melting point by resistance heating by energization heating and supplied. In order to perform energization heating, it is necessary to make a filler wire contact the welding part of a to-be-welded material. However, when the distance x is less than 1 mm, the filler wire 25 is melted by the laser beam 23, causing a contact failure between the filler wire 25 and the welded portion of the welded material, and the filler wire 25 cannot be supplied. On the other hand, if the distance x exceeds 3 mm, the molten pool and the filler wire 25 are separated by the laser beam 23, and the weld bead shape is disturbed.
次に、図３に、レーザビームとフィラーワイヤの配置の一例を示す。図３に示す配置例において、フィラーワイヤ２５のワイヤ送給角度θは、溶接方向におけるルートフェイスＲＦ上端表面からフィラーワイヤ２５の中心線までの角度であり、４５〜８０度が好ましい。 Next, FIG. 3 shows an example of the arrangement of laser beams and filler wires. In the arrangement example shown in FIG. 3, the wire feed angle θ of the filler wire 25 is an angle from the upper surface of the root face RF to the center line of the filler wire 25 in the welding direction, and is preferably 45 to 80 degrees.
フィラーワイヤ２５は、融点近くまで加熱されているため軟らかくなっている。このため、図４に示すように、ワイヤ送給角度θが４５度より小さいとフィラーワイヤ２５’がたれて、距離ｘが１〜３ｍｍの範囲からはずれ、設定したワイヤ送給位置に送給されなくなる場合がある。一方、ワイヤ送給角度θが８０度より大きいと、レーザビーム２３が直接フィラーワイヤ２５に照射されるため、通電加熱ができなくなる。 The filler wire 25 is soft because it is heated to near the melting point. For this reason, as shown in FIG. 4, when the wire feed angle θ is smaller than 45 degrees, the filler wire 25 ′ is bent and the distance x deviates from the range of 1 to 3 mm and is fed to the set wire feed position. It may disappear. On the other hand, when the wire feed angle θ is larger than 80 degrees, the laser beam 23 is directly irradiated onto the filler wire 25, and therefore it is not possible to perform energization heating.
また、設定したワイヤ送給位置への送給及びフィラーワイヤ２５への通電加熱を容易に行うために、ワイヤ送給角度θは、５０〜７０度が更に好ましい。 Further, in order to easily perform feeding to the set wire feeding position and energization heating to the filler wire 25, the wire feeding angle θ is more preferably 50 to 70 degrees.
図５に、レーザビームのフォーカス位置を、基準とした開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射する場合の一例を示す。フィラーワイヤ送給部の開先面を安定して溶融させるためには、レーザビーム２３をディフォーカスし、その集光径がホットワイヤ供給後のビード高さにおける開口部の幅に一致させることが望ましい。 FIG. 5 shows an example in which the focus position of the laser beam is irradiated to a position where the width of the opening portion as a reference and the laser irradiation range coincide. In order to stably melt the groove surface of the filler wire feeding unit, the laser beam 23 may be defocused so that the focused diameter thereof matches the width of the opening at the bead height after the hot wire is supplied. desirable.
図６に、レーザビームのフォーカス位置を、開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射した場合の溶接部断面の一例を示す。適正なホットワイヤ・レーザ溶接条件を選定すると、溶接金属部４１により開先内を埋めることはできる。しかし、レーザをディフォーカスするとレーザビーム照射範囲のエネルギー密度が低下し、ルートフェイスＲＦは残ったままで、深溶け込み及び裏波を形成することができない。 FIG. 6 shows an example of a cross section of the welded portion when the focus position of the laser beam is irradiated to a position where the width of the opening and the laser irradiation range coincide. When an appropriate hot wire / laser welding condition is selected, the inside of the groove can be filled with the weld metal portion 41. However, when the laser is defocused, the energy density in the laser beam irradiation range decreases, and the root face RF remains, and deep penetration and back waves cannot be formed.
図７に、ルートフェイス上端表面に照射した場合の一例を示し、図８に、ルートフェイス上端表面に照射した場合の溶接部断面の一例を示す。 FIG. 7 shows an example of irradiation on the upper surface of the root face, and FIG. 8 shows an example of a cross section of the welded portion when irradiated on the upper surface of the root face.
図８に示すように、ルートフェイス上端表面にフォーカス位置を設定すると、深溶け込みの溶接金属部６１が形成される。しかし、レーザ照射範囲が開先の開口部幅よりも小さいために、開口部の鋼板表面を溶融することができず、ホットワイヤと鋼板の接合が適切に行われない。その結果、ホットワイヤは、ワイヤのみが溶融凝固した状態でワイヤ塊６２となる。ワイヤ塊６２は、溶接金属部６１及び被溶接材１１、１２とは接合されていない。 As shown in FIG. 8, when the focus position is set on the upper surface of the root face, a deeply welded metal part 61 is formed. However, since the laser irradiation range is smaller than the opening width of the groove, the surface of the steel plate in the opening cannot be melted, and the hot wire and the steel plate cannot be joined appropriately. As a result, the hot wire becomes a wire lump 62 with only the wire melted and solidified. The wire lump 62 is not joined to the weld metal part 61 and the workpieces 11 and 12.
図６に示す良好な開先溶接を得つつ、図８に示す深溶け込み溶接を実現するために、ルートフェイス上端表面へのフォーカス位置の設定と、開先幅に合わせたスポット径になるようにフォーカス位置の設定とを、周期的に繰り返して溶接を行う手法を検討した。 In order to achieve the deep penetration welding shown in FIG. 8 while obtaining the good groove welding shown in FIG. 6, the focus position is set to the root face upper end surface and the spot diameter is adjusted to the groove width. We studied a method of performing welding by periodically repeating the setting of the focus position.
図９に、溶接速度とビーム振動周波数の関係を示す。溶接速度が１０ｍｍ／ｓと比較的低速の場合は、３Ｈｚと低周波数の振動で良好な溶接が可能であったが、溶接速度が増加するに従って、レーザビームの振動周波数の下限が増加する結果となった。 FIG. 9 shows the relationship between the welding speed and the beam vibration frequency. When the welding speed is 10 mm / s, which is a relatively low speed, good welding was possible with vibration at a low frequency of 3 Hz, but as the welding speed increased, the lower limit of the vibration frequency of the laser beam increased. became.
１回当たりのレーザビームの振動に対する溶接線方向の移動量を５ｍｍ以下とすることによって、良好な開先溶接及び深溶け込み溶接が可能である。これより、振動周波数Ｆの下限は、Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５［Ｈｚ］と表現することができる。下限周波数未満の振動数を設定すると、裏波溶接部が断続的となり溶接裏面に融合不良が発生する。 By setting the amount of movement in the welding line direction with respect to the vibration of the laser beam per time to 5 mm or less, good groove welding and deep penetration welding are possible. Accordingly, the lower limit of the vibration frequency F can be expressed as V [mm / s] / 5 [Hz]. If the frequency less than the lower limit frequency is set, the back wave welded portion becomes intermittent and poor fusion occurs on the weld back surface.
一方、振動周波数が２０Ｈｚを超えると、いずれの溶接速度においても裏波ビードの形成不良となった。振動周波数が高くなると、十分な深溶け込み溶接を行う前に溶接が進行する結果と考えられる。以上の結果から、レーザビームの振動周波数の適正範囲は、
Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０
である。
On the other hand, when the vibration frequency exceeded 20 Hz, the formation of a back bead was poor at any welding speed. If the vibration frequency becomes high, it is considered that the welding proceeds before sufficient deep penetration welding is performed. From the above results, the appropriate range of the vibration frequency of the laser beam is
V [mm / s] / 5 ≦ F [Hz] ≦ 20
It is.
また、レーザビームの振動周波数の好ましい範囲は、
１０≦Ｆ［Ｈｚ］≦１５
である。レーザビームの振動周波数が、この範囲であれば、溶接速度５〜４０ｍｍ／ｓの範囲において、良好な開先溶接及び深溶け込み溶接が可能である。
The preferable range of the vibration frequency of the laser beam is
10 ≦ F [Hz] ≦ 15
It is. If the vibration frequency of the laser beam is within this range, good groove welding and deep penetration welding are possible at a welding speed of 5 to 40 mm / s.
本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法は、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部がある開先を有する厚鋼板の最初の１パス１層を溶接する方法である。これにより、裏波溶接ができ、図１０に示すような溶接金属１０１が得られる。開先をすべて埋めるためには、２パス以降の溶接を行なう。この場合は、通電加熱したフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接し、レーザビームのフォーカス位置は振動させないで行なう。レーザビームは、ディフォーカスした状態にする。多パス溶接により、開先を埋める。 The hot wire / laser composite welding method of the present invention is a method for welding the first one-pass one layer of a thick steel plate having a groove having a U-shaped or V-shaped opening and a straight portion. Thereby, back wave welding can be performed and a weld metal 101 as shown in FIG. 10 is obtained. In order to fill all the grooves, welding after the second pass is performed. In this case, laser welding is performed while supplying a heated filler wire, and the focus position of the laser beam is not vibrated. The laser beam is defocused. Fill the groove by multi-pass welding.
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 Next, examples of the present invention will be described. The conditions of the examples are one example of conditions adopted for confirming the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is limited to this one example of conditions. Is not to be done. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.
表１に、用いた板厚２０ｍｍの鋼板及び直径１．２ｍｍの溶接ワイヤ（溶接材料）の成分組成を示す。この鋼板及び溶接ワイヤを用いて、ホットワイヤ・レーザ複合溶接方法によって、溶接長２００ｍｍの溶接継手を１パス１層で作製し、溶接後の試験体の裏波形成率を測定した。 Table 1 shows component compositions of the steel plate having a thickness of 20 mm and the welding wire (welding material) having a diameter of 1.2 mm. Using this steel plate and welding wire, a weld joint having a weld length of 200 mm was produced in one pass and one layer by a hot wire / laser composite welding method, and the back wave formation rate of the test specimen after welding was measured.
裏波形成率の測定方法は、次に示す通りである。
溶接ビードの中央部を挟んだ１５０ｍｍの距離の部分において、裏波が形成されている部位を目視で確認し、その部位の長さを測定し、次式により測定対象長さ１５０ｍｍに対する割合を算出した。裏波形成率１００％を良好な溶接部と判断した。
裏波形成率（％）＝（裏波形成箇所の長さの合計）×１００／１５０
The method for measuring the backside wave formation rate is as follows.
At the 150 mm distance part across the center of the weld bead, the part where the back wave is formed is visually confirmed, the length of the part is measured, and the ratio to the measurement target length of 150 mm is calculated by the following equation. did. A back wave formation rate of 100% was judged as a good weld.
Back wave formation rate (%) = (total length of back wave formation points) × 100/150
結果を表２に示す。なお、レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の際は、開口部の幅とレーザ照射範囲が一致させる必要がある。本実施例では、表２の「基準とした開先幅」に記す値とレーザスポット径が、一致するようにディフォーカス位置を設定した。ディフォーカス距離は、ルートフェイス上端表面からの距離で示す。 The results are shown in Table 2. Note that, when the amplitude of the vertical vibration of the focus position of the laser beam is used, the width of the opening and the laser irradiation range must be matched. In this example, the defocus position was set so that the value described in “Reference groove width” in Table 2 and the laser spot diameter coincide. The defocus distance is indicated by the distance from the upper surface of the root face.
溶接条件は、以下の通りである。
＜ホットワイヤ・レーザ溶接条件＞
レーザ発振器 ファイバーレーザＹＬＲ−１００００（ＩＰＧ社製）
ホットワイヤ電源 パワーアシスト（バブ日立工業株式会社製）
溶接姿勢 下向き水平
シールドガス種 Ａｒ
シールドガス流量 ２０Ｌ／ｍｉｎ
溶接ワイヤ ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１２相当
レーザ角度 後退角５°
The welding conditions are as follows.
<Hot wire and laser welding conditions>
Laser oscillator Fiber laser YLR-10000 (manufactured by IPG)
Hot wire power supply power assist (manufactured by Bab Hitachi, Ltd.)
Welding posture Downward horizontal Shielding gas type Ar
Shielding gas flow rate 20L / min
Welding wire JIS Z3312 YGW12 equivalent Laser angle Receding angle 5 °
表２において、Ａ−１〜Ａ−４は比較例であり、Ｈ−１〜Ｈ−８は発明例である。
Ａ−１〜Ａ−２は、レーザビームの上下振動の周波数Ｆが、式（１）を満たさない例である。振動周波数が大きく、キーホールが安定しないうちにレーザビームが移動するため、裏波が安定して形成されなかった。
In Table 2, A-1 to A-4 are comparative examples, and H-1 to H-8 are invention examples.
A-1 to A-2 are examples in which the frequency F of the vertical vibration of the laser beam does not satisfy Expression (1). Since the laser beam moved before the vibration frequency was high and the keyhole was not stable, the back wave was not formed stably.
Ａ−３は、レーザビームを開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上下振動せずに溶接を行った例である。この場合は開先内を埋めることはできるが、キーホールが形成出来ず、裏波形成率は０％となった。 A-3 is an example in which the laser beam is set at a position where the width of the opening and the laser irradiation range coincide with each other and welding is performed without vibrating up and down. In this case, the inside of the groove could be filled, but the keyhole could not be formed, and the back wave formation rate was 0%.
Ａ−４は、レーザビームをルートフェイス上端表面に設定し、上下振動せずに溶接を行った例である。この場合は、Ｖ開先の表面を溶融することが出来ず、ホットワイヤによる溶融ワイヤと鋼板が接合されず、溶接後に溶融ワイヤの塊のみが取れた。そのため、裏波は形成されていたが、溶接不良と判断した。 A-4 is an example in which a laser beam is set on the upper surface of the root face and welding is performed without vibrating up and down. In this case, the surface of the V groove could not be melted, the molten wire by the hot wire and the steel plate were not joined, and only a lump of the molten wire was obtained after welding. Therefore, although a back wave was formed, it was judged that welding was poor.
一方、発明例であるＨ−１〜Ｈ−８はレーザビームの上下振動数Ｆが式（１）の範囲内であり、安定したキーホールの形成及びホットワイヤ溶接が行えたため良好な裏波形成が行えた。 On the other hand, in the inventive examples H-1 to H-8, the vertical frequency F of the laser beam is within the range of the formula (1), and stable keyhole formation and hot wire welding can be performed, so that favorable back wave formation is achieved. Was done.
本発明により、造船やパイプライン、建設機械等を対象とする比較的厚い鋼板で、特に、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先形状部の溶接において、レーザ溶接による裏波溶接と、ホットワイヤ・レーザ溶接による開先溶接を両立することが可能となる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。 According to the present invention, it is a relatively thick steel plate intended for shipbuilding, pipelines, construction machines, etc., and particularly by laser welding in welding a groove-shaped portion having a U-shaped or V-shaped opening and a straight portion. It is possible to achieve both backside welding and groove welding by hot wire / laser welding. Therefore, the present invention has high industrial applicability.
１１、１２、２４ 被溶接材
１３ 開先部
１４、１５ 被溶接材の突出部
２１ レーザスキャナ
２２ ワイヤトーチ
２３ レーザビーム
２５ フィラーワイヤ
２５’ 融点近くまで加熱されたフィラーワイヤ
２６ ホットワイヤ電源
４１ レーザビームのフォーカス位置を、基準とした開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射した場合に形成される溶接金属部
６１ ルートフェイス上端表面に照射した場合の溶接金属部
６２ ワイヤ塊
ＲＦ 開先のストレート部（ルートフェイス）
ＲＧ 開先のストレート部のギャップ（ルートギャップ）
θ フィラーワイヤのワイヤ送給角度
11, 12, 24 Material to be welded 13 Groove portion 14, 15 Projected portion of material to be welded 21 Laser scanner 22 Wire torch 23 Laser beam 25 Filler wire 25 'Filler wire heated to near melting point 26 Hot wire power supply 41 Laser beam Welded metal part formed when the focus position is irradiated to a position where the width of the reference opening and the laser irradiation range coincide with each other 61 Welded metal part when irradiated to the upper surface of the root face 62 Wire lump RF groove Straight part (root face)
RG Gap in the straight part of the groove (root gap)
θ Wire feed angle of filler wire
Claims (2)
上記通電加熱したフィラーワイヤを上記レーザビームの照射位置の後に配置しつつ、
上記レーザビームのフォーカス位置を、被溶接材の板厚方向に、下記式（１）で定義する周波数Ｆ［Ｈｚ］で振動させ、
上記レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の範囲の上端を、上記開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上記振幅の範囲の下端を、ルートフェイス上端表面に前記レーザビームが照射される位置に設定する
ことを特徴とする、厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０ ・・・（１）
ただし、Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、溶接速度を表す。 In a hot wire / laser composite welding method in which a groove having a U-shaped or V-shaped opening and a straight portion is laser-welded while supplying a heated filler wire, the laser beam is moved along the welding line. When irradiating
While placing the electrically heated filler wire behind the laser beam irradiation position,
The focus position of the laser beam is vibrated at a frequency F [Hz] defined by the following formula (1) in the thickness direction of the material to be welded,
The upper end of the amplitude range of the vertical vibration of the focus position of the laser beam is set to a position where the width of the opening and the laser irradiation range coincide with each other, and the lower end of the amplitude range is set on the root face upper end surface. A hot wire / laser composite welding method for a thick steel plate, characterized in that the position is set at a position where the laser beam is irradiated.
V [mm / s] / 5 ≦ F [Hz] ≦ 20 (1)
However, V [mm / s] represents a welding speed.
ことを特徴とする、請求項１に記載の厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。 The distance between the intersection of the filler wire center line and the root face upper end surface, the intersection of the laser beam center line and the root face upper end surface is 1 to 3 mm, and the wire feed angle of the filler wire is 45 mm. The hot wire / laser composite welding method for thick steel plates according to claim 1, characterized in that it is ˜80 degrees.
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