JP2021037519A - 複合溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接部材における溶接後の変形を低減しつつ、良好な溶接ビードを形成するための複合溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ溶接及びアーク溶接による複合溶接方法であって、第１被溶接部材の表面と第２被溶接部材の端面とを突き合わせて、前記アーク溶接のエネルギー密度ρＡと前記レーザ溶接のエネルギー密度ρＬとの比率（ρＡ／ρＬ）が式（１）を満たすように、前記レーザ溶接のレーザビーム径φＬ及び前記アーク溶接の溶接ワイヤ径φＡを選択するとともに、レーザ溶接の入熱量ＱＬ及びアーク溶接の入熱量ＱＡが式（２）を満たし、かつ、前記第２被溶接部材における見かけの入熱領域の体積Ｖｑと、前記第１被溶接部材及び前記第２被溶接部材の接触領域における前記第１被溶接部材の単位体積Ｖｔとの比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が式（３）を満たす条件で溶接を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接及びアーク溶接を用いた複合溶接方法に関する。

アーク溶接は、被溶接部材（例えば、鋼板）の継手部がギャップ（隙間）を有していても確実に溶接することができる。しかし、被溶接部材にアークが投射され、溶接部及びその周囲に対する入熱量が大きいため、溶接部を含む領域において溶接後に変形することがある。これを、以下、「溶接後の変形」または「溶接変形」ということもある。鋼板の上部に溶接部が形成される場合、溶接部近傍は、溶接加熱中に熱膨張するものの、その熱膨張が周囲領域によって拘束されるため、溶接部近傍には圧縮の塑性歪みが残留する。溶接後は、圧縮の残留歪みにより、溶接部が位置する鋼板の上部において収縮変形が生じる。その結果、鋼板が上方に向けて反った変形が残ることになる。

レーザ溶接は、レーザビーム照射により加熱されるので、被溶接部材へ入熱される範囲が狭い。そのため、溶接後の変形は、僅かに生じる程度である。他方、レーザ溶接においては、継手部にギャップが存在すると、レーザビームがギャップを抜けて被溶接部材の溶接に寄与しなくなるため、溶接時の被溶接部材の突合せ構造に高い精度が要求される。さらに、レーザ溶接には、溶接ビードの表面にアンダーカット等の溶接欠陥を生じ易いという課題がある。

アーク溶接は、過大な入熱により溶接変形が生じると、溶接構造体の形状及び寸法における精度の低下につながる。レーザ溶接は、アンダーカット等の溶接欠陥が生じると、溶接部の機械的強度の低下を招く。そこで、被溶接部材に対してレーザ溶接とアーク溶接を併用した複合溶接法の適用が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特許文献１には、アーク溶接を先行させるとともに、レーザ溶接を後行させる複合溶接方法が記載されている。アーク放電とレーザ光照射を同一溶接線上からずらして配置させることにより、被溶接部材間に大きなギャップが存在した場合や板厚が増加した場合であっても、良好な裏波ビードが形成されて良好な溶着金属を形成できることが記載されている。

特許文献２には、アーク溶接とレーザ溶接との入熱比を可変とし、可変させた入熱比となるようアーク溶接条件とレーザ溶接条件とを設定して溶接を行うことにより、金属部材同士間の溶接後の変形角度を抑制するレーザアークハイブリッド溶接方法について記載されている。

特許第５８６９９７２号公報 特許第６１１４８４４号公報

アーク溶接後に生じる変形の程度が大きいため、レーザ溶接とアーク溶接とを併用した複合溶接法においても溶接後の変形が生じる可能性がある。特許文献１の実施例には、板厚１２ｍｍの鋼板を用いて複合溶接が行われ、Ｔ字型の溶接継手が得られた結果が記載されている。しかし、特許文献１では、溶接後の変形に関する課題を認識されておらず、溶接後の変形量が測定されていない。

特許文献２の実施例には、溶接条件として、アーク溶接とレーザ溶接との入熱比や、総入熱に対するアーク溶接の入熱比率について数値範囲が記載されている。しかし、特許文献２には、入熱比以外の溶接条件について具体的に開示されていない。レーザビーム径、溶接ワイヤ径、溶接速度、被溶接部材の厚みなどの溶接条件が溶接後の変形に及ぼす影響や問題について認識されていない。

そこで、本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用した複合溶接法において、被溶接部材における溶接後の変形を低減しつつ、良好な溶接ビードを形成するための複合溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、レーザ溶接とアーク溶接による複合溶接方法の溶接条件として、（ｉ）レーザ溶接で用いるレーザビーム径とアーク溶接に用いる溶接ワイヤ径との比率、（ｉｉ）板厚当たりの入熱量、（ｉｉｉ）入熱領域の体積、の各パラメータに着目した。これらのパラメータに基づいて溶接条件を規定することにより、溶接によって生じる被溶接部材の変形を抑制し、良好な溶接ビードを形成できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明は、第１被溶接部材の表面と第２被溶接部材の端面とを突き合わせて溶接するレーザ溶接及びアーク溶接による複合溶接方法であって、
前記アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａと前記レーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌとの比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が下記の式（１）を満たすように、前記レーザ溶接のレーザビーム径φ_Ｌ及び前記アーク溶接の溶接ワイヤ径φ_Ａを選択するとともに、
レーザ溶接の入熱量Ｑ_Ｌ及びアーク溶接の入熱量Ｑ_Ａが下記の式（２）を満たし、かつ、前記第２被溶接部材における見かけの入熱領域の体積Ｖｑと、前記第１被溶接部材及び前記第２被溶接部材の接触領域における前記第１被溶接部材の単位体積Ｖｔとの比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が下記の式（３）を満たす条件で溶接を行う、複合溶接方法。
ρ_Ａ／ρ_Ｌ ＜１．０ ・・・式（１）
（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２ ≦３０（Ｊ／ｍｍ^３） ・・・式（２）
Ｖｑ／Ｖｔ ＜１．０ ・・・式（３）
ここで、前記ρ_Ａは、下記の式（４）により算出されるアーク溶接のエネルギー密度（Ｗ／ｍｍ^２）であり、前記ρ_Ｌは、下記の式（５）により算出されるレーザ溶接のエネルギー密度（Ｗ／ｍｍ^２）であり、前記Ｑ_Ｌは、下記の式（６）により算出されるレーザ溶接の入熱量（Ｊ／ｍｍ）であり、前記Ｑ_Ａは、下記の式（７）により算出されるアーク溶接の入熱量（Ｊ／ｍｍ）であり、前記Ｖｑは、下記の式（８）により算出される前記入熱領域の体積（ｍｍ^３）であり、前記Ｖｔは、下記の式（９）により前記接触領域の単位体積（ｍｍ^３）である。
ρ_Ａ＝Ｉ×Ｅ／［（φ_Ａ）^２×（π／４）］ ・・・式（４）
ρ_Ｌ＝Ｐ／［（φ_Ｌ）^２×（π／４）］ ・・・式（５）
Ｑ_Ｌ＝Ｐ×６０／Ｌｓ ・・・式（６）
Ｑ_Ａ＝Ｉ×Ｅ×６０／Ｌｓ ・・・式（７）
Ｖｑ＝［（π／８）×［（φ_Ｌ）^２＋（φ_Ａ）^２］＋（ｄ／２）×（φ_Ｌ＋φ_Ａ）］×ｔ_２ ・・・式（８）
Ｖｔ＝ｔ_１×ｔ_２×１ ・・・式（９）
Ｉ：アーク溶接電流（Ａ）
Ｅ：アーク溶接電圧（Ｖ）
φ_Ａ：溶接ワイヤ径（ｍｍ）
Ｐ：レーザ出力（Ｗ）
φ_Ｌ：レーザビーム径（ｍｍ）
Ｌｓ：溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）
ｔ_１：第１被溶接部材の厚み（ｍｍ）
ｔ_２：第２被溶接部材の厚み（ｍｍ）
ｄ：レーザビーム径φ_Ｌの中心から溶接ワイヤ径φ_Ａの中心までの距離（ｍｍ）
である。

（２）本発明は、前記アーク溶接及び前記レーザ溶接は、片側からの１パス溶接を行う、（１）に記載の複合溶接方法である。

（３）本発明は、前記アーク溶接は、シールドガスとして、アルゴンガスに２〜３０体積％の炭酸ガスを混合したガスを用いる、（１）または（２）に記載の複合溶接方法である。

（４）本発明は、前記第１被溶接部材の厚みは、前記第２被溶接部材の厚みと同じ又はそれよりも大きい、（１）〜（３）のいずれかに記載の複合溶接方法である。

（５）本発明は、前記第１被溶接部材及び前記第２被溶接部材は、亜鉛系めっき鋼板である、（１）〜（４）のいずれかに記載の複合溶接方法である。

本発明によれば、溶接後の変形が抑制された溶接部を形成することができる。それによって、外観や寸法精度が良好な溶接部材を得ることができる。

第１被溶接部材と第２被溶接部材とをＴ字状に突き合わせた溶接製品を模式的に示す図である。 見かけの入熱領域の面積を説明するための図である。 見かけの入熱領域の体積を説明するための図である。 第１被溶接部材の単位体積を説明するための図である。 変形角の測定方法を説明するための図である。

以下、本発明に係る実施形態について説明する。本発明は、以下の説明に限定されない。

本実施形態は、第１被溶接部材の表面と第２被溶接部材の端面とを突き合わせて溶接するレーザ溶接及びアーク溶接による複合溶接方法である。図１に示すように、本明細書においては、第１被溶接部材１の表面３は、被溶接部材の本体の広い面をいう。第２被溶接部材２の端面４は、当該表面３の回りに配置された狭い面をいう。第１被溶接部材１の表面３と第２被溶接部材２の端面４とを突き合わせた後、両方の被溶接部材を突き合わせた部分において所定の溶接が施される。

レーザ溶接とアーク溶接を行う順序については、レーザ溶接が先行してもよいし、アーク溶接が先行してもよい。レーザビーム照射によってレーザ溶接が行われ、溶接ワイヤからのアーク放射によってアーク溶接が行われる。本実施形態に係る複合溶接方法においては、レーザ溶接及びアーク溶接に関して、以下のパラメータに基づく溶接条件を設定することが好ましい。

［エネルギー密度］
本実施形態の複合溶接方法において、アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａは、下記の式（４）により算出されるパラメータであり、レーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌは、下記の式（５）により算出されるパラメータである。本明細書においては、それらの数値を「Ｗ／ｍｍ^２」の単位で表示する。

ρ_Ａ＝Ｉ×Ｅ／［（φ_Ａ）^２×（π／４）］ ・・・式（４）

ρ_Ｌ＝Ｐ／［（φ_Ｌ）^２×（π／４）］ ・・・式（５）

上記の式（４）における符号は、Ｉ：アーク溶接電流（単位Ａ）、Ｅ：アーク溶接電圧（単位Ｖ）、φ_Ａ：溶接ワイヤ径（単位ｍｍ）を示す。上記の式（５）における符号は、Ｐ：レーザ出力（単位Ｗ）、φ_Ｌ：レーザビーム径（単位ｍｍ）を示す。

［レーザビーム径、溶接ワイヤ径］
本実施形態の複合溶接方法は、アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａとレーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌとの比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が下記の式（１）を満たすように、レーザ溶接のレーザビーム径（φ_Ｌ）及びアーク溶接の溶接ワイヤ径（φ_Ａ）を選択することが好ましい。

ρ_Ａ／ρ_Ｌ ＜１．０ ・・・式（１）

レーザ溶接のレーザビーム径φ_Ｌ及びアーク溶接の溶接ワイヤ径φ_Ａは、いずれも直径を指す。溶接時の熱変形を抑制するため、入熱範囲が相対的に広いアーク溶接のエネルギー密度を、レーザ溶接のエネルギー密度よりも小さくすることが好ましい。

すなわち、レーザビームを照射した部位における上記の式（１）において、アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａとレーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌとの比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が１．０以上であると、アーク溶接による入熱が過大となり、溶接後に変形を引き起こす恐れある。そのため、複合溶接方法においては、式（１）のエネルギー密度の比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が１．０未満であるように、レーザ溶接のレーザビーム径とアーク溶接の溶接ワイヤ径との組み合わせを選択することが好ましい。

また、レーザ溶接のエネルギー密度が高いと、複合溶接における溶け込み性が高まるので、溶接速度が増加して生産性の向上に有利である。

レーザビーム径φ_Ｌは、０．３〜０．７ｍｍの範囲で選定することが好ましい。レーザビーム径φ_Ｌが過大であると、レーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌが小さくなり、式（１）のエネルギー密度の比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が１．０以上となる場合がある。また、後記する入熱領域の体積Ｖｑが増大し、式（３）の比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が１．０以上となる場合がある。そのため、レーザビーム径φ_Ｌは、０．７ｍｍ以下が好ましく、０．６ｍｍ以下でもよい。他方、レーザビーム径φ_Ｌが過小であると、入熱量が低下して溶接作業に時間が掛かる。そのため、レーザビーム径φ_Ｌは、０．３ｍｍ以上が好ましく、０．４ｍｍ以上でもよい。

アーク溶接の溶接ワイヤ径φ_Ａは、０．７〜１．３ｍｍの範囲で選定することが好ましい。溶接ワイヤ径φ_Ａが過大であると、後記する入熱領域の体積Ｖｑが増大し、式（３）の比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が１．０以上となる場合がある。そのため、溶接ワイヤ径φ_Ａは、１．３ｍｍ以下が好ましく、１．２ｍｍ以下でもよい。他方、溶接ワイヤ径φ_Ａが過小であると、アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａが大きくなり、式（１）のエネルギー密度の比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が１．０以上となる場合がある。そのため、溶接ワイヤ径φ_Ａは、０．７ｍｍ以上が好ましく、０．８ｍｍ以上でもよい。

［入熱量］
本実施形態の複合溶接方法において、レーザ溶接の入熱量Ｑ_Ｌ及びアーク溶接の入熱量Ｑ_Ａは、下記の式（６）及び式（７）により算出されるパラメータである。本明細書においては、それらの数値を「Ｊ／ｍｍ」の単位で表示する。

Ｑ_Ｌ＝Ｐ×６０／Ｌｓ ・・・式（６）

Ｑ_Ａ＝Ｉ×Ｅ×６０／Ｌｓ ・・・式（７）

上記の式（６）及び式（７）における符号は、Ｐ：レーザ出力（単位Ｗ）、Ｉ：アーク溶接電流（単位Ａ）、Ｅ：アーク溶接電圧（単位Ｖ）、Ｌｓ：溶接速度（単位ｍｍ／ｍｉｎ）を示す。

本実施形態の複合溶接方法は、レーザ溶接の入熱量（Ｑ_Ｌ）及びアーク溶接の入熱量（Ｑ_Ａ）は、下記の式（２）を満たすことが好ましい。式（２）におけるｔ_１は、第１被溶接部材の厚み（単位ｍｍ）を指す。

（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２ ≦３０（Ｊ／ｍｍ^３） ・・・式（２）

上記の式（２）において、レーザ溶接の入熱量Ｑ_Ｌ及びアーク溶接の入熱量Ｑ_Ａの総和（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）と、第１被溶接部材の厚みに関する数値（ｔ_１）^２との比率は、単位が「Ｊ／ｍｍ^３」の数値で表示される。本実施形態の複合溶接方法は、式（２）の当該比率が３０Ｊ／ｍｍ^３を超えると、被溶接部材に供給される入熱の程度が過大となり、溶接後の変形を引き起こす恐れがある。そのため、式（２）の当該比率は、３０Ｊ／ｍｍ^３以下であることが好ましい。

［入熱領域］
本実施形態の複合溶接方法において、第２被溶接部材における見かけの入熱領域の体積Ｖｑは、下記の式（８）により算出されるパラメータであり、第１被溶接部材及び第２被溶接部材の接触領域における第１被溶接部材の単位体積Ｖｔは、下記の式（９）により算出されるパラメータである。本明細書においては、それらの数値を「ｍｍ^３」の単位で表示する。

Ｖｑ＝［（π／８）×［（φ_Ｌ）^２＋（φ_Ａ）^２］＋（ｄ／２）×（φ_Ｌ＋φ_Ａ）］×ｔ_２ ・・・式（８）

Ｖｔ＝ｔ_１×ｔ_２×１ ・・・式（９）

上記の式（８）及び式（９）における符号は、φ_Ｌ：レーザビーム径（単位ｍｍ）、φ_Ａ：溶接ワイヤ径（単位ｍｍ）、ｄ：レーザビーム径φ_Ｌの中心から溶接ワイヤ径φ_Ａの中心までの距離（単位ｍｍ）、ｔ_１：第１被溶接部材の厚み（単位ｍｍ）、ｔ_２：第２被溶接部材の厚み（単位ｍｍ）を示す。

上記の式（８）について説明する。本実施形態の複合溶接方法は、第１被溶接部材と第２被溶接部材とが接触する部位に沿って、レーザ溶接及びアーク溶接の各溶接手段を一定の距離を開けて移動させながら、被溶接部材を溶接して接合部を形成する。当該接合部には溶接手段によって熱が付与された入熱領域をともなう。当該入熱領域は、通常、第１被溶接部材及び第２被溶接部材の双方に跨って存在し、各被溶接部材の厚み方向に存在する。

本実施形態では、当該入熱領域の大きさによる溶接性の影響を簡便に評価するため、図２に示すように、当該入熱領域のうち、レーザビーム照射部位１１とアーク放射部位１２との間に位置する入熱領域５を選定した。レーザビーム照射部位１１の大きさは、レーザビーム径の円に相当し、アーク放射部位１２の大きさは、溶接ワイヤ径の円に相当すると見做した。さらに、図３に示すように、選定された上記の入熱領域５は、見かけ上、その全体が第２被溶接部材に位置し、厚みｔ_２にわたって存在するものと仮定した。当該入熱領域５の体積（Ｖｑ）を算出し、当該体積Ｖｑを溶接性の指標に用いた。本明細書は、この見かけ上の入熱領域５を「見かけの入熱領域」と記載することもある。

本実施形態に係る見かけの入熱領域５は、図２に示すように、レーザビーム照射部位１１におけるレーザビーム径φ_Ｌの円と、アーク放射部位１２における溶接ワイヤ径φ_Ａの円とを結んだ領域である。よって、当該見かけの入熱領域５を平面的に見たときの面積Ｂは、下記の式（１０）に示すように、レーザビーム径φ_Ｌ及び溶接ワイヤ径φ_Ａによる各々の半円の面積を総和した面積である「（π／８）×［（φ_Ｌ）^２＋（φ_Ａ）^２］」に、両方の半円の間に位置する台形の面積である「（ｄ／２）×（φ_Ｌ＋φ_Ａ）］」を加算することで得られる。

Ｂ＝（π／８）×［（φ_Ｌ）^２＋（φ_Ａ）^２］＋（ｄ／２）×（φ_Ｌ＋φ_Ａ）］・・・式（１０）

当該見かけの入熱領域５は、その厚みがｔ_２であるから、体積Ｖｑは、当該見かけの入熱領域の面積Ｂに、第２被溶接部材の厚みｔ_２を掛けて、上記の式（８）により算出される。

次に上記の式（９）について説明する。溶接時の入熱領域は、溶接部及びその周囲に熱的影響を及ぼすため、溶接後の変形を抑制する観点からすると、当該入熱領域の大きさが適正な範囲であることが望ましい。そこで、前記見かけの入熱領域の大きさをその周囲領域の大きさと対比することにより、当該入熱領域の大きさの適正範囲を規定することにした。具体的には、対比される周囲領域の大きさとして、第１被溶接部材及び第２被溶接部材の接触領域における第１被溶接部材の単位体積Ｖｔを用いた。

図４に示すように、第１被溶接部材及び第２被溶接部材の接触領域６は、第１被溶接部材１の表面３と第２被溶接部材２の端面４とが接触する領域をいう。「第１被溶接部材及び第２被溶接部材の接触領域における第１被溶接部材」とは、当該接触領域６において第１被溶接部材１の側に位置する領域７を意味し、当該領域７は、第１被溶接部材１の厚みｔ_１と第２被溶接部材２の厚みｔ_２で囲まれて、第１被溶接部材１の長さ方向に延びた領域である。当該領域７の単位体積は、長手方向に単位長さで延びた分の体積に相当するから、当該接触領域６における第１被溶接部材１の単位体積Ｖｔは、上記の式（９）の「ｔ_１×ｔ_２×１」により算出される。

本実施形態の複合溶接方法は、第２被溶接部材における見かけの入熱領域の体積Ｖｑと、第１被溶接部材及び第２被溶接部材の接触領域における第１被溶接部材の単位体積Ｖｔとの比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が下記の式（３）を満たす条件で溶接を行うことが好ましい。

Ｖｑ／Ｖｔ ＜１．０ ・・・式（３）

上記の式（３）において、当該見かけの入熱領域の体積Ｖｑと、当該第１被溶接部材の単位体積Ｖｔとの比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が１．０以上であると、第１被溶接部材及び第２被溶接部材に対する入熱の程度が過大となり、溶接後の変形を引き起こす恐れがある。溶接時の熱変形を抑制する観点や溶接構造体の品質の観点から、入熱が過剰とならないように、式（３）の当該比率は、１．０未満であることが好ましい。

以上のことから、本実施形態の複合溶接方法においては、アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａとレーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌとの比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が下記の式（１）を満たすように、前記レーザ溶接のレーザビーム径φ_Ｌ及び前記アーク溶接の溶接ワイヤ径φ_Ａを選択するとともに、レーザ溶接の入熱量Ｑ_Ｌ及びアーク溶接の入熱量Ｑ_Ａが下記の式（２）を満たし、かつ、第２被溶接部材における見かけの入熱領域の体積Ｖｑと、第１被溶接部材及び第２被溶接部材の接触領域における第１被溶接部材の単位体積Ｖｔとの比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が下記の式（３）を満たす条件で溶接を行うことが好ましい。

ρ_Ａ／ρ_Ｌ ＜１．０ ・・・式（１）
（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２ ≦３０（Ｊ／ｍｍ^３） ・・・式（２）
Ｖｑ／Ｖｔ ＜１．０ ・・・式（３）

［複合溶接方法］
本実施形態は、レーザ溶接及びアーク溶接による複合溶接方法である。レーザ溶接とアーク溶接を併用する複合溶接による効果を有効に得るため、レーザビーム照射位置とアーク照射位置との間隔を一定の範囲に設定することが好ましい。具体的には、レーザビーム径の中心と溶接ワイヤ径の中心との間隔が０ｍｍ超であることが好ましい。当該間隔が過大であると、入熱領域が過大となって、溶接後の変形を招く恐れがあるため、３ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施形態に係る複合溶接方法は、被溶接部材同士を突き合わせた部分において、当該部分の片側からレーザ溶接及びアーク溶接を１パスで進行させることが好ましい。レーザ溶接とアーク溶接とが併用されるので、上記の突き合わせた部分において片側から１回のパスで溶接することにより、必要な接合部が得られる。片側から行う溶接であっても、レーザビーム及びアークが照射されない裏側領域まで溶け込ませることができ、貫通した溶接部を形成することができる。

［レーザ溶接］
レーザ溶接は、キーホール型の溶接方法、すなわち、母材裏側までの貫通孔を溶融金属内に形成させながら接合するタイプの溶接方法である。レーザビームのエネルギー密度が高いので、母材が急速に加熱及び溶融される。本実施形態の複合溶接方法に適用されるレーザビームの種類は、特に限定されない。例えば、ＣＯ_２レーザ，ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ等を用いることができる。レーザ出力としては、３０００Ｗ（３ｋＷ）以上を使用することができる。

［アーク溶接］
本実施形態の複合溶接方法に適用されるアーク溶接の種類は、特に限定されない。例えば、サブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等を使用することができる。アーク溶接する際、５０〜５００Ａの電流、１５〜４５Ｖの電圧を適用することができる。

本実施形態に係る複合溶接方法は、アーク溶接におけるシールドガスとして、アルゴンガスに２〜３０体積％の炭酸ガスを混合したガスを用いることが好ましい。２体積％以上の炭酸ガスを混合することにより、アークの安定性の点で好ましい。炭酸ガスの混合比が３０体積％を超えると、スパッタの発生が多くなる点で好ましくない。

［被溶接部材］
本実施形態に係る複合溶接方法は、第１被溶接部材がフランジ材であり、第２被溶接部材がウェブ材である製品の接合に適用することができる。例えば、Ｔ字形の継手やＨ字形の継手において、図１に示すように、フランジ材１の表面３にウェブ材２の端面４を突き合わせて溶接することができる。第１被溶接部材の厚みは、第２被溶接部材の厚みと同じ又はそれよりも大きいことが好ましい。また、本実施形態に係る第１被接合部材及び第２被接合部材として、鋼板を使用することができる。

本実施形態の複合溶接方法は、第１被溶接部材及び第２被溶接部材が亜鉛系めっき鋼板であることが好ましい。亜鉛系めっき鋼板は、素地鋼板上の亜鉛系めっき層が、Ｚｎ−Ｆｅ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉなどの組成を有するものを用いることができる。例えば、質量％でＺｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇの亜鉛系めっき層を有する鋼板を使用することができる。

以下、本発明に係る実施例について説明する。本発明は、以下の説明に限定されない。

本実施例に関する評価試験は、板厚が３．２ｍｍ及び４．５ｍｍの両面亜鉛系めっき鋼板を用いた。当該鋼板の素材強度は、４００Ｎ級である。当該亜鉛系めっきは、Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ組成であり、鋼板表面における付着量が約９０ｇ／ｍ^２である。当該亜鉛系めっき鋼板から長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍの被溶接部材を切り出した。

図１に示すように、フランジ側の第１被溶接部材１の表面３とウェブ側の第２被溶接部材２の端面４とをＴ字状に突き合わせた組立体を作製した。第２被溶接部材２は２００ｍｍの長さ方向に２つの端面４があり、長さ方向に沿って、その１つの端面４を第１被溶接部材１の表面３の中央付近に配置した。

その後、当該組立体に所定の複合溶接を施して試験体２１を作製した。複合溶接は、レーザ溶接及びアーク溶接を片側からの１パスで溶接した。さらに、複合溶接による効果と比較するため、被溶接部材にアーク溶接及びレーザ溶接をそれぞれ単独で施して試験体を作製した。単独のアーク溶接は、両側溶接を１パスで行い、単独のレーザ溶接は、片側溶接を１パスで行った。

試験体の作製においては、レーザ溶接条件（レーザ出力、レーザビーム径）、アーク溶接条件（溶接電流、溶接電圧、溶接ワイヤ径）、各溶接手段の移動速度、レーザビーム径の中心位置とアーク溶接ワイヤ径の中心位置との距離、を変化させて溶接を行った。

［変形量］
溶接後の試験体を用いて、当該試験体におけるフランジ側の第１被溶接部材の変形角θ（°）を測定した。図５に示すように、試験体２１を基盤２２の上に置いた後、試験体２１における第１被溶接部材１の端部２３が基盤２２から浮き上がる場合は、第１被溶接部材１の端部２３と基盤２２との隙間ｈ（ｍｍ）を測定した。隙間ｈが変形量に相当する。第１被溶接部材１の中心２４から端部２３までの長さ２５が５０ｍｍであるから、逆三角関数を用いた以下の式により変形角θを算出した。

変形角θ＝ｓｉｎ^−１（ｈ／５０）

第１被溶接部材の長さ２００ｍｍの方向に沿って、両端と中心の３箇所で隙間ｈを測定し、変形角θの平均値を得た。

［外観観察］
試験体の溶接部を長手方向に対し垂直に切断し、その断面を目視で観察した。表ビードにアンダーカット等の欠陥がなく、裏ビードが安定して形成されている場合を、外観が良好であると評価した。

＜試験例＞
フランジ側の第１被溶接部材の表面とウェブ側の第２被溶接部材の端面とを突き合わせて、レーザ溶接及びアーク溶接を併用した複合溶接を施した。レーザ溶接の溶接条件は、表１に示す出力（ｋＷ）でレーザビームを照射した。アーク溶接の溶接条件は、表１に示す溶接電流（Ａ）、溶接電圧（Ｖ）、溶接ワイヤ径（ｍｍ）を使用し、シールドガス種がＡｒ＋２０体積％ＣＯ_２、流量が２５Ｌ／ｍｉｎで行った。継手の隙間は０ｍｍであった。これらの溶接により得られた試験体を用いて、溶接後の変形角θ（°）を測定し、溶接部の外観観察を行った。変形角θの測定結果を表１〜表５に示す。溶接後の変形抑制効果に関しては、変形角θが１．０°以下である場合を良好と評価し、変形角θが１．０°を超える場合を不適と評価した。

表１〜表４は、複合溶接により得られた試験体の結果を示す。レーザビーム径を０．４ｍｍ、０．６ｍ、１．０ｍｍにした例に分けて、他の溶接条件を変化させた結果を示したものである。表１は、レーザビーム径を０．４ｍｍで行った例であり、表２及び表３は、レーザビーム径を０．６ｍｍで行った例であり、表４は、レーザビーム径が０．４ｍｍの例である。表５は、レーザ溶接及びアーク溶接をそれぞれ単独で行った例である。被溶接部材の厚みについては、表１、表２、表４、表５の試験体は、ｔ_１及びｔ_２が３．２ｍｍであり、Ｖｔが１０．２４ｍｍ^２となる。表３の試験体は、ｔ_１及びｔ_２が４．５ｍｍであり、Ｖｔが２０．２５ｍｍ^２となる。

表１は、レーザビーム径を０．４ｍｍで行った試験例である。表１に示すように、本発明の範囲に含まれる試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５及びＮｏ．８〜Ｎｏ．１１の本発明例は、いずれも変形角が１．０°以下であり、溶接後の変形が抑制された効果を確認できた。

それに対し、表１の試験体Ｎｏ．６及びＮｏ．７、試験体Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１４の比較例は、レーザビーム径φ_Ｌの中心から溶接ワイヤ径φ_Ａの中心までの距離ｄが大きく、見かけの入熱領域の体積Ｖｑが増大したので、Ｖｑ／Ｖｔが１．０以上となり、式（３）を満たさなかった。また、試験体Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．１８の比較例は、アーク溶接の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅが大きく、アーク溶接の熱量Ｑ_Ａが増大したので、（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２が３０（Ｊ／ｍｍ^３）超となり、式（２）を満たさなかった。そのため、これらの試験体は、変形角が１．０°を超えて、溶接後の変形を抑制する効果が不十分であった。

表２は、レーザビーム径が０．６ｍｍで行った試験例である。表２に示すように、本発明の範囲に含まれる試験体Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２２及びＮｏ．２６〜Ｎｏ．２９の本発明例は、いずれも変形角が１．０°以下であり、溶接後の変形が抑制された効果を確認できた。

それに対し、表２の試験体Ｎｏ．２３〜Ｎｏ．２５、試験体Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３２の比較例は、レーザビーム径φ_Ｌの中心から溶接ワイヤ径φ_Ａの中心までの距離ｄが大きく、見かけの入熱領域の体積Ｖｑが増大したので、Ｖｑ／Ｖｔが１．０以上となり、式（３）を満たさなかった。また、試験体Ｎｏ．３３〜Ｎｏ．３６の比較例は、アーク溶接の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅが大きく、アーク溶接の熱量Ｑ_Ａが増大したので、（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２が３０（Ｊ／ｍｍ^３）超となり、式（２）を満たさなかった。そのため、これらの試験体は、変形角が１．０°を超えて、溶接後の変形を抑制する効果が不十分であった。

表３は、被溶接部材の厚みが４．５ｍｍである試験体を用いて、レーザビーム径を０．６ｍｍで実施した試験例である。本発明の範囲に含まれる試験体Ｎｏ．３７の本発明例は、変形角が１．０°以下であった。それに対し、試験体Ｎｏ．３８の比較例は、アーク溶接の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅが大きく、アーク溶接の熱量Ｑ_Ａが増大したので、（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２が３０（Ｊ／ｍｍ^３）超となり、式（２）を満たさず、変形角が１．０°を超えた。よって、被溶接部材の厚みを大きくした場合でも、表２と同様の結果を示した。

表４は、レーザビーム径が１．０ｍｍで行った試験例である。表４に示された試験体は、いずれも本発明の範囲を外れる比較例に相当する。試験体Ｎｏ．３９〜Ｎｏ．５４は、レーザビーム径φ_Ｌが大きく、レーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌが低減したので、ρ_Ａ／ρ_Ｌが１．０以上となり、式（１）を満たさなかった。

また、試験体Ｎｏ．４２、Ｎｏ．４６、Ｎｏ．４９〜Ｎｏ．５４は、レーザビーム径φ_Ｌの中心から溶接ワイヤ径φ_Ａの中心までの距離ｄが大きく、見かけの入熱領域の体積Ｖｑが増大したので、Ｖｑ／Ｖｔが１．０以上となり、式（３）を満たさなかった。

さらに、試験体Ｎｏ．４７〜Ｎｏ．５４は、アーク溶接の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅが大きく、アーク溶接の熱量Ｑ_Ａが増大したので、（Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２が３０（Ｊ／ｍｍ^３）超となり、式（２）を満たさなかった。

そのため、これらの試験体Ｎｏ．３９〜Ｎｏ．５４は、変形角が１．０°を超えて、溶接後の変形を抑制する効果が不十分であった。

なお、表１〜表４の複合溶接による試験体は、溶接部の外観観察によると、いずれも表ビードにアンダーカット等の欠陥がなく、裏ビードが安定して形成されており、良好であった。

表５は、レーザ溶接又はアーク溶接を単独で用いて溶接された結果を示したものであり、いずれも比較例に相当する。試験体Ｎｏ．５５〜Ｎｏ．６０は、レーザ溶接を単独で施された試験例である。その変形角は、１．０°以下であり、溶接後の変形が抑制されていた。しかし、溶接部にアンダーカットが観察され、外観の点で不適であった。

試験体Ｎｏ．６１〜Ｎｏ．６３は、アーク溶接を単独で施された試験例である。表５に示すように、十分な接合部を形成するため、複合溶接の試験体と比べて、溶接速度を遅くする必要があり、その結果、アーク溶接の入熱量Ｑ_Ａが増加し、式（３）が３０（Ｊ／ｍｍ^３）超であった。変形角も１．０°を上回り、溶接後の変形が生じた。

１ 第１被溶接部材
２ 第２被溶接部材
３ 第１被溶接部材の表面
４ 第２被溶接部材の端面
５ 見かけの入熱領域
６ 接触領域
７ 接触領域における第１被溶接部材の領域
１１ レーザビーム照射部位
１２ アーク放射部位
２１ 試験体
２２ 基盤
２３ 端部
２４ 中心
２５ 中心から端部までの長さ
φ_Ａ 溶接ワイヤ径
φ_Ｌ レーザビーム径
ｔ_１ 第１被溶接部材の厚み
ｔ_２ 第２被溶接部材の厚み
ｄ レーザビーム径の中心から溶接ワイヤ径の中心までの距離
Ｂ 見かけの入熱領域の面積

Claims (5)

1. 第１被溶接部材の表面と第２被溶接部材の端面とを突き合わせて溶接するレーザ溶接及びアーク溶接による複合溶接方法であって、
   前記アーク溶接のエネルギー密度ρ_Ａと前記レーザ溶接のエネルギー密度ρ_Ｌとの比率（ρ_Ａ／ρ_Ｌ）が下記の式（１）を満たすように、前記レーザ溶接のレーザビーム径φ_Ｌ及び前記アーク溶接の溶接ワイヤ径φ_Ａを選択するとともに、
   レーザ溶接の入熱量Ｑ_Ｌ及びアーク溶接の入熱量Ｑ_Ａが下記の式（２）を満たし、かつ、前記第２被溶接部材における見かけの入熱領域の体積Ｖｑと、前記第１被溶接部材及び前記第２被溶接部材の接触領域における前記第１被溶接部材の単位体積Ｖｔとの比率（Ｖｑ／Ｖｔ）が下記の式（３）を満たす条件で溶接を行う、複合溶接方法。
   ρ_Ａ／ρ_Ｌ ＜１．０ ・・・式（１）
   （Ｑ_Ｌ＋Ｑ_Ａ）／（ｔ_１）^２ ≦３０（Ｊ／ｍｍ^３） ・・・式（２）
   Ｖｑ／Ｖｔ ＜１．０ ・・・式（３）
   ここで、前記ρ_Ａは、下記の式（４）により算出されるアーク溶接のエネルギー密度（Ｗ／ｍｍ^２）であり、前記ρ_Ｌは、下記の式（５）により算出されるレーザ溶接のエネルギー密度（Ｗ／ｍｍ^２）であり、前記Ｑ_Ｌは、下記の式（６）により算出されるレーザ溶接の入熱量（Ｊ／ｍｍ）であり、前記Ｑ_Ａは、下記の式（７）により算出されるアーク溶接の入熱量（Ｊ／ｍｍ）であり、前記Ｖｑは、下記の式（８）により算出される前記入熱領域の体積（ｍｍ^３）であり、前記Ｖｔは、下記の式（９）により前記接触領域の単位体積（ｍｍ^３）である。
   ρ_Ａ＝Ｉ×Ｅ／［（φ_Ａ）^２×（π／４）］ ・・・式（４）
   ρ_Ｌ＝Ｐ／［（φ_Ｌ）^２×（π／４）］ ・・・式（５）
   Ｑ_Ｌ＝Ｐ×６０／Ｌｓ ・・・式（６）
   Ｑ_Ａ＝Ｉ×Ｅ×６０／Ｌｓ ・・・式（７）
   Ｖｑ＝［（π／８）×［（φ_Ｌ）^２＋（φ_Ａ）^２］＋（ｄ／２）×（φ_Ｌ＋φ_Ａ）］×ｔ_２ ・・・式（８）
   Ｖｔ＝ｔ_１×ｔ_２×１ ・・・式（９）
   Ｉ：アーク溶接電流（Ａ）
   Ｅ：アーク溶接電圧（Ｖ）
   φ_Ａ：溶接ワイヤ径（ｍｍ）
   Ｐ：レーザ出力（Ｗ）
   φ_Ｌ：レーザビーム径（ｍｍ）
   Ｌｓ：溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）
   ｔ_１：第１被溶接部材の厚み（ｍｍ）
   ｔ_２：第２被溶接部材の厚み（ｍｍ）
   ｄ：レーザビーム径φ_Ｌの中心から溶接ワイヤ径φ_Ａの中心までの距離（ｍｍ）
2. 前記アーク溶接及び前記レーザ溶接は、片側からの１パス溶接を行う、請求項１に記載の複合溶接方法。
3. 前記アーク溶接は、シールドガスとして、アルゴンガスに２〜３０体積％の炭酸ガスを混合したガスを用いる、請求項１または２に記載の複合溶接方法。
4. 前記第１被溶接部材の厚みは、前記第２被溶接部材の厚みと同じ又はそれよりも大きい、請求項１〜３のいずれかに記載の複合溶接方法。
5. 前記第１被溶接部材及び前記第２被溶接部材は、亜鉛系めっき鋼板である、請求項１〜４のいずれかに記載の複合溶接方法。

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