JP2017154156A

JP2017154156A - レーザー・アークハイブリッド溶接法を用いた狭開先溶接継ぎ手及びその作製方法

Info

Publication number: JP2017154156A
Application number: JP2016039942A
Authority: JP
Inventors: 修一中村; Shuichi Nakamura
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP6776555B2

Abstract

【課題】狭開先形状で深溶け込みであっても梨形ビード割れ及び表面割れの無い溶接金属を含む溶接継ぎ手を提供する。【解決手段】厚さ１６〜４０ｍｍの鋼板を、ルートギャップが２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°のＩ型開先、Ｖ型開先、Ｙ型開先またはレ型開先に組み立てた狭開先形状として、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で得られる多層盛りの溶接継ぎ手において、１パス毎に得られる溶接金属の中で、溶接金属の溶け込み形状のアスペクト比（溶接金属の高さ／幅）が０．６超のものについて、１パスで得られる溶接金属の底面から次パスで得られる溶接金属の底面までの溶接金属高さをＨとした時、ガスシールドアーク溶接の後続のレーザー溶接による溶け込み深さＬＤがＨ／５〜Ｈ／２である狭開先の溶接継ぎ手とする。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を採用することにより得られる溶接金属を含む狭開先の溶接継ぎ手及びその作製方法に関し、狭開先の溶接で発生する梨形ビード割れ、及び、表面割れを抑制し、かつ、深い溶け込みを得ることで溶接パス数を少なくすることが可能な溶接効率の高い溶接継ぎ手を提供する。

近年、建築構造物、建設機械、産業機械の大型化に伴い、ＴＳ５９０ＭＰａ級鋼、ＴＳ６９０ＭＰａ級鋼といった高強度鋼板の使用量が増加しており、さらなる高強度鋼も使用され始めている。
一方で、ＴＳ６９０ＭＰａを超える高強度になると、母材、及び、溶接金属の機械特性を確保するのが難しくなる。そのため、使用するＴＳ６９０ＭＰａ級鋼などの板厚を厚くすることで構造物の設計応力を満足することも行われている。

板厚が１６〜４０ｍｍの鋼板の溶接では、主に多層盛りのガスシールドアーク溶接が使用される。ガスシールドアーク溶接は、入熱が低く、母材・溶接金属の機械特性が確保しやすい。しかし、板厚が厚くなるに従って、溶接の積層数・パス数が増加して、溶接効率が低くなるので、製造工期短縮、施工コスト削減が可能な効率の良い溶接方法が要求されている。

対策の一つとして、狭開先の開先形状をガスシールドアーク溶接し、深溶け込みの溶着金属を形成することで、溶接の積層数・パス数を少なくし、溶接能率を高める方法が考えられる。しかし、深溶け込みの溶接金属は、高温割れの一種である梨形ビード割れや表面割れが発生しやすい上、凸ビードになりやすく、後続パスの溶接において、母材と溶接金属の界面に融合不良を発生し易いため、深溶け込みの溶接方法は、実用的には使用されていない。

近年、鋼板の溶接の高効率化を目的として、レーザーとガスシールドアーク溶接を組み合わせたレーザー・アークハイブリッド溶接を用いて狭開先形状の溶接継ぎ手を作製することが検討されている（例えば特許文献１〜４参照）。
特許文献１〜３では、レーザー照射点を前方とし、後方に溶接トーチを配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を採用している。これらの技術は、溶接方向前方よりレーザーを照射し、溶融池前方の開先底面と開先壁面を溶融しながら、アーク溶接を行うものであり、狭開先形状で、かつ低入熱の溶接であっても溶接金属と母材の境界に溶接欠陥が生じない良好な溶接継ぎ手が得られるとされている。しかし、これらの文献では、深溶け込みの溶接金属を形成した際の梨形ビード割れ、及び、表面割れに関しては検討されていない。
また、特許文献４は、先方に溶接トーチを配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を開示する。この技術は、凝固が完了した後、溶接金属にレーザーを照射し、溶接金属を再溶融させることで深溶け込みを得る方法であるが、深溶け込み形状で発生しやすい高温割れ（梨形ビード割れ、表面割れ）に関しては一切検討されていない。

特開２０１２−０２０２９１号公報特開２０１２−２０６１４４号公報特開２０１２−２０６１４５号公報特開２０１３−１０３２５９号公報

本発明は、狭開先形状で深溶け込みの溶接金属であっても梨形ビード割れ、及び、表面割れが発生せず、かつ、母材と溶接金属の界面に融合不良を発生しないレーザー・アークハイブリッド溶接継ぎ手、及び、その作製方法を提供することで、溶接の積層数・パス数を減少させて、溶接施工効率を著しく改善することを目的とする。

本発明者は、上記技術的課題を解決するために、厚さ１６ｍｍ〜４０ｍｍの鋼板を用いた狭開先形状において、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いる場合の溶接条件を種々検討し、溶接金属の溶け込み形状のアスペクト比（溶接金属の高さ／幅）が０．６超となる深溶け込みであっても、梨形ビード割れ、及び、表面割れが発生しない溶接法を見出した。本発明は下記のとおりである。

（１）厚さ１６〜４０ｍｍの鋼板を、ルートギャップが２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°のＩ型開先、Ｖ型開先、Ｙ型開先またはレ型開先に組み立てた狭開先形状として、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で得られる多層盛りの溶接継ぎ手において、１パス毎に得られる溶接金属の中で、溶接金属の溶け込み形状のアスペクト比（溶接金属の高さ／幅）が０．６超のものについて、１パスで得られる溶接金属の底面から次パスで得られる溶接金属の底面までの溶接金属高さをＨとした時、ガスシールドアーク溶接に後続するレーザー溶接による溶け込み深さＬＤがＨ／５〜Ｈ／２であることを特徴とする狭開先の溶接継ぎ手。

（２）厚さ１６〜４０ｍｍの鋼板を、ルートギャップが２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°のＩ型開先、Ｖ型開先、Ｙ型開先またはレ型開先に組み立てた狭開先形状として、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接することによって上記（１）記載の狭開先の溶接継ぎ手を製造する方法であって、先行のガスシールドアーク溶接において、シールドガスとして２〜５％のＯ₂ガス、または、５〜３０％のＣＯ₂ガスを含むＡｒガスからなる混合ガスを用い、後方のレーザー溶接には、波長が０．７８〜１．６０μｍの半導体レーザーを使用し、レーザー照射狙い位置をＰ［ｍｍ］、溶接速度をＶ［ｍｍ／ｓｅｃ］とし、先行のガスシールドアーク溶接のワイヤ狙い位置を原点０とした場合、ワイヤ狙い位置より溶接進行方向の反対方向にＰがＶ〜４Ｖ［ｍｍ］の範囲に位置することを特徴とするレーザー・アークハイブリッド溶接による狭開先の溶接継ぎ手作製方法。

本発明の狭開先の溶接継ぎ手は、厚さ１６〜４０ｍｍの鋼板をルートギャップが２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°のＩ型開先、Ｖ型開先、Ｙ型開先またはレ型開先に組み立てた狭開先形状を採用し、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で作成した、深溶け込みの溶接金属を含む多層盛りの溶接継ぎ手であり、深溶け込みの溶接金属を形成しても梨形ビード割れ、及び、表面割れが発生しない溶接継ぎ手を得ることができる。このため、溶接の積層数・パス数を大幅に減少して、溶接施工効率を大幅に改善することができ、産業上の効果は極めて大きい。

図１は鋼板の開先形状を説明するための断面図である。図２は本発明のレーザー・アークハイブリッド溶接方法を説明するための図である。図３は溶接後の溶接継ぎ手形状を説明するための断面図である。図４はレーザー溶接による溶け込み深さと溶接割れの関係を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面により説明する。
「狭開先の溶接継ぎ手」
図１は、鋼板の開先形状を説明するための断面図である。本発明の狭開先の溶接継ぎ手は、厚さ（Ｔ）が１６〜４０ｍｍの鋼板をルートギャップ（Ｇ）が２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°の（ａ）Ｉ型開先、（ｂ）Ｖ型開先、（ｃ）Ｙ型開先または（ｄ）レ型開先に組み立てた狭開先形状とする。
図２に示すように、本発明の挟開先の溶接継ぎ手を作製するためのレーザー・アークハイブリッド溶接方法は、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチ７を先行させ、その後方にレーザー照射点１０を配置して溶接を行うことにより多層盛りの溶接継ぎ手を作製する。図３は、本発明で得られる溶接継ぎ手を説明するための断面図である。

まず、本発明の開先形状の規定理由について説明する。本発明によって高い溶接施工効率が得られる狭開先の溶接継ぎ手には、図１に示す開先形状が考えられる。使用される鋼板の厚さ（Ｔ）は、１６〜４０ｍｍである。Ｔが１６ｍｍ未満では、本発明のような狭開先形状にレーザー・アークハイブリッド溶接を用いずとも、本発明と同等の溶接施工効率で溶接することが可能である。狭開先の開先形状では、溶接トーチ７を開先の中に入れることができず、溶接ワイヤ６の突き出し長さが長くなる。Ｔが４０ｍｍより大きくなると、ワイヤの突き出し長さが長くなり過ぎて、シールドガスによるシールド効果が低下し、大気を巻き込むことで、溶接金属２にピット、及び、ブローホールが発生するようになる。また、より高い溶接効率を得るためには、Ｔの下限を２０ｍｍとしてもよい。

本発明のルートギャップ（Ｇ）は、２〜７ｍｍとする。Ｇが２ｍｍ未満では、ルートギャップが狭過ぎて、シールドガスが乱流となり、シールド効果が不十分となるため、大気を巻き込むことで、溶接金属にピット、及び、ブローホールが発生する。一方、Ｇが７ｍｍより大きくなると、深溶け込みのビード形状とならず、溶接の積層数が増加し、溶接施工効率が大きく改善されないため、Ｇの上限は７ｍｍとする。また、ガスシールドアーク溶接のシールド効果をより安定的に得るために、Ｇの下限を２．５ｍｍとしてもよい。

本発明の開先角度（θ）は、０〜２０°である。θが２０°を超えると２層目以降で、深溶け込みのビード形状にならず、溶接の積層数が増加し、溶接施工効率が大きく改善されない。また、上記の開先形状を仮組み・溶接をする際、裏板、タブ板は必要に応じて適宜使用される。

図２は、本発明の挟開先の溶接継ぎ手を作製する際のレーザー・アークハイブリッド溶接の様子を模式的に示した断面図であり、溶接は図のようにガスシールドアーク溶接の溶接トーチ７を先行させ、後方よりレーザー溶接トーチ８を追随させて行う。一例として、得られる深溶け込みの溶接継ぎ手の断面は図３のようになる（１パス３層の溶接継ぎ手）。深溶け込みの溶接金属は、付き合わせ凝固形態となるため、溶接金属の幅中央部に梨形ビード割れ、及び、表面割れを発生しやすい。この割れを抑制するために、一般的に溶接金属の溶け込み形状のアスペクト比（溶接金属の高さ／幅）が０．６以下となるように溶接している。０．６以下では付き合わせ凝固とならず、割れが抑制されるが、溶接効率は高くない。したがって、アスペクト比が大きい深溶け込みの溶接金属で溶接ができれば、溶接の積層数が減少し、溶接施工効率が高い溶接が可能となる。本発明者は、本発明に係る挟開先の溶接ぎ継手を作製するために、レーザー・アークハイブリッド溶接を用いた場合の、溶接条件と梨形ビード割れ、及び、表面割れの発生の関係について検討を重ねた。その結果、溶接金属の溶け込み形状のアスペクト比が０．６超のものについて、１パスで得られる溶接金属の底面から次パスで得られる溶接金属の底面までの溶接金属高さをＨとした時、ガスシールドアーク溶接に後続するレーザー溶接による溶け込み深さＬＤが、Ｈ／５〜Ｈ／２であれば、梨形ビード割れ、及び、表面割れを発生させることなく、深溶け込みの溶接金属が得られることを見出した。

ここで、上記で定義されるＬＤとＨの関係について図４を用いて説明する。図４は、本発明で規定した範囲の板厚、開先形状を様々に組み合わせて、様々な条件にてレーザー・アークハイブリッド溶接を実施した後、溶接継ぎ手から断面マクロを切り出し、鏡面研磨、及び、ナイタール腐食を行った。その溶接継ぎ手内の溶接金属について、アスペクト比が０．６超のものについてＬＤとＨを測定し、梨形ビード割れ、及び、表面割れの有無を観察し、相関関係図を作成したものである。図から明らかなように、ＬＤがＨ／５〜Ｈ／２であるものについては、割れが抑制される。ＬＤが、Ｈ／５〜Ｈ／２では、付き合わせ凝固部が収縮歪みを受けて割れが開口した際、開口部上部にある溶融金属が割れ部に流れ込むことで割れが抑制される、所謂、ヒーリング効果が得られるためと考えられる。また、溶接金属の上部がレーザーによって加熱されることで、凝固の方向が表層側に向くため、付き合わせ凝固が解消される傾向になる。これらの効果によって、深溶け込みの溶接金属であっても割れが抑制されたと考えられる。一方で、ＬＤがＨ／５未満では、十分なヒーリング効果が得られないため、割れが抑制されない。また、ＬＤがＨ／２を超えると、レーザー溶接の溶け込みが深く幅が狭い、所謂、フィンガービードとなりやすく、そのビード先端部では付き合わせ凝固となるため、割れが抑制されない。

本発明の狭開先溶接継ぎ手においては、鋼板、溶接ワイヤは、従来のいかなる方法で製造されたいかなるものであってもよく、特に限定されない。本発明の製造方法において好適に用いることのできる鋼板としては、例えば、ＷＥＬ−ＴＥＮシリーズ（商品名：新日鐵住金社製）、溶接ワイヤとしては、ＹＭシリーズ（商品名：新日鐵住金溶接工業社製）が挙げられる。レーザー・アークハイブリッド溶接における電流、電圧、溶接速度、入熱、シールドガス、レーザー媒体、レーザー出力などの溶接条件は、特に限定されるものではなく、鋼板の厚さ、開先形状などに応じて適宜決定することができ、本発明で規定される狭開先の溶接継ぎ手を得ることで割れを抑制する効果は発揮される。

先行のガスシールドアーク溶接の溶接ガスとしては、特に限定されないが、２〜５％のＯ₂ガス、または、５〜３０％のＣＯ₂ガスを含むＡｒガスからなる混合ガスを用いることが好ましい。

レーザービームを供給するレーザーとしては、特に限定されない。ＣＯ₂レーザー、ＹＡＧレーザー、ＤＩＳＫレーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザーなどを使用することができる。これらのうち、波長が０．７８〜１．６０μｍの半導体レーザーを用いることが好ましい。

また、図２に示すように、レーザー照射狙い位置１０をＰ［ｍｍ］、溶接速度をＶ［ｍｍ／ｓｅｃ］とし、先行のガスシールドアーク溶接のワイヤ狙い位置５を原点０とした場合、ワイヤ狙い位置１０より溶接進行方向の反対方向にＰがＶ〜４Ｖ［ｍｍ］の範囲であることが好ましい。

以下に示す製造方法により、溶接継ぎ手を製造し、評価した。鋼板は、新日鐵住金（株）製のＷＥＬ-ＴＥＮ５９０を使用し、溶接ワイヤには日鐵住金溶接（株）製のＹＭ−６０Ａを使用した。これら鋼板、溶接ワイヤを用いて、［表１］に示す板厚を開先形状、開先角度、ルートギャップ、ルートフェイス（Ｒ）で仮組みし、［表２−１］〜［表２−２］に示す条件（電流、電圧、溶接速度、入熱、シールドガス組成、レーザー媒体、レーザー出力、レーザー照射狙い位置）でガスシールドアーク溶接とレーザー溶接を組み合わせたレーザー・アークハイブリッド溶接により、多層盛り溶接した。このようにして得られた溶接継ぎ手について、溶接方向と垂直方向に切断し、その断面を鏡面研磨・ナイタール腐食によって組織を現出し、溶接継ぎ手の積層数、パス数、各パスの溶接金属高さ、レーザー溶接による溶け込み深さ、アスペクト比を測定した。また、断面の観察から割れの有無について評価した。結果を[表３−１]〜[表３−５]に示す。

［表３−１］〜［表３−５］の試験結果に示されるように、本発明例である試験番号Ｔ１〜Ｔ３９は、溶接金属のアスペクト比が０．６超で、レーザー溶け込み深さが本発明で規定する要件を満たしているものについては、溶接金属内に割れが認められず、合格であった。一方、比較例である試験番号Ｔ４０〜Ｔ５２は、溶接欠陥が発生すること、溶接施工効率化の観点、または本発明の規定を満たさないことで割れが発生したなどにより、総合判定で不合格となった。

１鋼板表裏面
２溶接金属
３溶融池
４移行液滴
５アーク溶接狙い位置
６溶接ワイヤ
７ガスシールドアーク溶接トーチ
８レーザートーチ
９レーザー光
１０レーザー照射点

Claims

厚さ１６〜４０ｍｍの鋼板を、ルートギャップが２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°のＩ型開先、Ｖ型開先、Ｙ型開先またはレ型開先に組み立てた狭開先形状として、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で得られる多層盛りの溶接継ぎ手において、１パス毎に得られる溶接金属の中で、溶接金属の溶け込み形状のアスペクト比（溶接金属の高さ／幅）が０．６超のものについて、１パスで得られる溶接金属の底面から次パスで得られる溶接金属の底面までの溶接金属高さをＨとした時、ガスシールドアーク溶接に後続するレーザー溶接による溶け込み深さＬＤがＨ／５〜Ｈ／２であることを特徴とする狭開先の溶接継ぎ手。
厚さ１６〜４０ｍｍの鋼板を、ルートギャップが２〜７ｍｍ、開先角度が０°〜２０°のＩ型開先、Ｖ型開先、Ｙ型開先またはレ型開先に組み立てた狭開先形状として、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接することによって請求項１記載の狭開先の溶接継ぎ手を製造する方法であって、先行のガスシールドアーク溶接において、シールドガスとして２〜５％のＯ₂ガス、または、５〜３０％のＣＯ₂ガスを含むＡｒガスからなる混合ガスを用い、後方のレーザー溶接には、波長が０．７８〜１．６０μｍの半導体レーザーを使用し、レーザー照射狙い位置をＰ［ｍｍ］、溶接速度をＶ［ｍｍ／ｓｅｃ］とし、先行のガスシールドアーク溶接のワイヤ狙い位置を原点０とした場合、ワイヤ狙い位置より溶接進行方向の反対方向にＰがＶ〜４Ｖ［ｍｍ］の範囲であることを特徴とするレーザー・アークハイブリッド溶接による狭開先の溶接継ぎ手作製方法。