JP2021079431A - 金属部材の熱影響部角度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ・アークハイブリッド溶接で形成された溶接部の熱影響部の角度を簡易的に認識するのに有利な熱影響部角度の推定方法を提供する。【解決手段】レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材での熱影響部の角度θを推定する方法は、試験材を接合して得られた総入熱量とアーク溶け込み深さｄとの相関を求める相関導出工程Ｓ１０２と、角度θを算出する式を定義する算出式定義工程Ｓ１０３と、金属部材の溶接時の総入熱量を求める総入熱量導出工程Ｓ１０４と、表面側ビード幅を計測するビード幅計測工程Ｓ１０５と、総入熱量導出工程Ｓ１０４で求められた総入熱量を相関に適用し、金属部材の溶接部でのアーク溶け込み深さｄを推定する溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６と、表面側ビード幅と推定されたアーク溶け込み深さｄとを式に適用し、角度θを推定する熱影響部角度推定工程Ｓ１０７とを含む。【選択図】図３

Description

本開示は、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材の溶接部周辺の熱影響部角度の推定方法に関する。

ボイラ等の高温環境下で使用される耐熱鋼などの金属部材の溶接継手を評価するための機械的特性として、クリープ特性がある。従来、金属部材の溶接継手におけるクリープ特性は、溶接部周辺の熱影響部（ＨＡＺ：Heat Affected Zone）の幅と相関性があることが知られている。例えば、熱影響部の幅がより狭いと、クリープに対する特性、すなわち耐クリープ特性が向上する可能性がある。特許文献１は、レーザ溶接又は電子ビーム溶接を用いて熱影響部の幅を小さくする溶接方法に関連する技術を開示している。

一方、金属部材の溶接継手におけるクリープ特性は、熱影響部の幅に限らず、熱影響部の角度とも相関性がある。ここで、熱影響部の角度とは、アーク溶接等により接合された金属部材において、溶接部と接する熱影響部の一面がなす角をいう。なお、ここでいう熱影響部の角度は、ＨＡＺ角度と呼ばれることもある。したがって、ある溶接継手において、熱影響部の角度をある一定の値に維持することで、耐クリープ特性を向上させることができる可能性がある。

特開２００２−３９８４号公報

例えば、アーク溶接で突合せ継手を接合する場合、突合せ継手の開先は、一般にＶ型開先である。そのため、熱影響部の角度は、溶接前の母材角度である開先角度と同等となるので、開先加工を行う段階でも、ある程度特定されやすい。

ところが、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接で突合せ継手を接合する場合、突合せ継手の開先は、一般に、開先角度が約０（ゼロ）度であるＩ形開先である。この場合、熱影響部の角度は溶接条件によって変化するので、開先加工時や溶接後に熱影響部の角度を推定することは、実際上難しい。そのため、従来、熱影響部の角度を認識するために、例えば、製品を製造する実際の溶接工程を実施する前に、同一条件で溶接継手を溶接した後、継手切断、断面研磨、腐食及び観察の各工程を順次実施する必要がある。しかし、このような熱影響部の角度の特定には時間がかかり、溶接条件が変更されたり、板厚等の母材条件が変更されたりした場合には、更に時間を要する。

そこで、本開示は、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材での熱影響部の角度を簡易的に認識するのに有利な金属部材の熱影響部角度推定方法を提供することを目的とする。

本開示は、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材での熱影響部の角度を推定する熱影響部角度推定方法であって、レーザ・アークハイブリッド溶接により、少なくともレーザ入熱量又はアーク入熱量を異ならせた複数の溶接条件ごとに試験材を接合して得られた、レーザ入熱量とアーク入熱量との和である総入熱量と、試験材の溶接部でのアーク溶け込み深さとの相関を求める相関導出工程と、金属部材の溶接部での表面側ビード幅と、金属部材の溶接部でのアーク溶け込み深さとを用いて熱影響部の角度を算出する式を定義する算出式定義工程と、金属部材の溶接時の総入熱量を求める総入熱量導出工程と、表面側ビード幅を計測するビード幅計測工程と、総入熱量導出工程で求められた総入熱量を、相関導出工程で求められた相関に適用し、金属部材の溶接部でのアーク溶け込み深さを推定する溶け込み深さ推定工程と、ビード幅計測工程で計測された表面側ビード幅と、溶け込み深さ推定工程で推定されたアーク溶け込み深さとを、算出式定義工程で定義された式に適用し、熱影響部の角度を推定する熱影響部角度推定工程と、を含む。

上記の金属部材の熱影響部角度の推定方法では、算出式定義工程で定義される式は、熱影響部の角度をθ、表面側ビード幅に１／２を乗じた長さをＷ、及び、アーク溶け込み深さをｄとすると、ｔａｎθ＝Ｗ／ｄで表されてもよい。相関導出工程で求められる相関は、直線近似式であってもよい。相関導出工程で求められる相関は、金属部材のそれぞれ異なる材質ごとに、金属部材に対する溶接の前に準備されてもよい。試験材に対する溶接における複数の溶接条件では、試験材の板厚、レーザ出力、アーク出力及び溶接速度からなる群から選択された少なくとも１つのパラメータが異なっていてもよい。

本開示によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材での熱影響部の角度を簡易的に認識するのに有利な金属部材の熱影響部角度推定方法を提供することができる。

一実施形態に係る推定方法が適用される溶接装置の概略を示す図である。 レーザ・アークハイブリッド溶接で接合された溶接継手の断面を示す図である。 一実施形態に係る推定方法に含まれる一連の工程を示すフローチャートである。 基礎溶接データ取得工程で取得されたデータとそのときの溶接条件とを示す表である。 総入熱量とアーク溶け込み深さとの相関を示すグラフである。

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本開示に直接関係のない要素については図示を省略する。

一実施形態に係る金属部材の熱影響部角度推定方法は、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材での溶接部周辺に形成されている熱影響部の角度を推定するのに適用することができる。そこで、一実施形態に係る推定方法について説明するに先立ち、当該推定方法を適用し得るレーザ・アークハイブリッド溶接装置について説明する。以下、簡略化のために、レーザ・アークハイブリッド溶接装置を「溶接装置」と略記する。

図１は、一実施形態に係る推定方法が適用され得る溶接装置１の概略を示す図である。

溶接装置１による溶接対象は、金属部材Ｍである。金属部材Ｍは、例えば、ボイラ等の高温環境下で使用される耐熱鋼であってもよい。耐熱鋼は、例えば、日本産業規格（ＪＩＳ）でそれぞれ規格化されている、溶接構造用圧延鋼板（以下、「ＳＭ材」と略記する。）や、高温圧力容器用合金鋼鍛鋼品又はボイラ・熱交換器用合金鉄鋼管等に採用される耐熱鋼（以下、「ＣＭ材」と略記する。）であってもよい。

また、溶接装置１は、一例として、それぞれ金属部材Ｍで構成される２つの金属板（母材）を同一平面で突き合せる溶接継手、いわゆる突合せ継手を接合するものとする。レーザ・アークハイブリッド溶接で突合せ継手を接合する場合、突合せ継手の開先は、一般に、開先角度が約０（ゼロ）度であるＩ形開先である。

溶接装置１は、レーザヘッド２と、レーザ発振器３と、アーク溶接トーチ４と、アーク溶接機５と、制御部６とを備える。

レーザヘッド２は、レーザＬを照射する。なお、レーザヘッド２は、レーザ溶接トーチとも呼ばれる。レーザヘッド２は、その内部に集光レンズ等の光学レンズ系を備える。レーザ発振器３は、例えば、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等の発振器である。レーザヘッド２は、レーザ発振器３から光ファイバーによって伝送されてきたレーザＬを、金属部材Ｍの溶接部位に対して略垂直に照射する。

アーク溶接トーチ４は、アークＡを放電する。アーク溶接トーチ４は、アーク溶接機５と接続される。アーク溶接機５は、例えばＭＩＧ溶接機である。この場合、ＭＩＧ溶接機から給送されてくる溶接ワイヤ７の先端部は、電極と溶加材とを兼ねる。図１では、溶接ワイヤ７が溶融した液滴８が示されている。アーク溶接トーチ４は、溶接部位に対して略４５度の斜め方向からアーク放電を行う。また、不図示のガス供給装置は、アーク溶接トーチ４にガスＧを供給する。ガス供給装置から供給されたガスＧは、シールドガスとして、アーク溶接トーチ４の噴出口から溶接部位に向けて噴射される。ガスＧは、例えばアルゴン（Ａｒ）である。なお、アーク溶接機５は、ＭＩＧ溶接機に限定されず、例えばＭＡＧ溶接機であってもよい。

レーザヘッド２及びアーク溶接トーチ４は、溶接部位に対してレーザＬとアークＡとが重畳するように配置されている。一般的には、レーザヘッド２から照射されるレーザＬによって形成されるキーホール９にアークプラズマが向かうように、レーザヘッド２及びアーク溶接トーチ４の配置位置が設定される。図１では、溶接時に溶接部位に形成される溶融池１０が示されている。

制御部６は、溶接装置１の動作を制御する。例えば、制御部６は、レーザ発振器３に設定するレーザ出力を調整することで、レーザ入熱量を変化させることができる。また、制御部６は、アーク溶接機５に設定するアーク電流又はアーク電圧を変化させてアーク出力（アーク電流×アーク電圧）を調整することで、アーク入熱量を変化させることができる。さらに、制御部６は、本実施形態に係る熱影響部２１の角度の推定方法に含まれる少なくとも一部の工程を実行することができる。

また、溶接装置１は、不図示であるが、溶接中に金属部材Ｍを特定の方向に沿って移動させる搬送部を備えてもよい。ここで、特定の方向とは、溶接ワイヤ７の先端とレーザＬの集光点とを結ぶ線と一致し、溶接部位が連続する溶接線の延伸方向をいう。溶接時には、金属部材Ｍは、搬送部により特定の方向に沿って送られて、アーク溶接及びレーザ溶接の順に溶接が行われる。制御部６は、搬送部に設定する金属部材Ｍの移動速度を調整することで、溶接速度を変化させることができる。なお、このような相対移動とは反対に、溶接装置１では、溶接時には、金属部材Ｍを移動させずに、金属部材Ｍの溶接部位に対してレーザヘッド２及びアーク溶接トーチ４を移動させてもよい。

図２は、溶接装置１を用いて接合された溶接継手の断面を示す図である。図２では、一方の金属部材Ｍである第１金属材Ｍ１の一端と、他方の金属部材Ｍである第２金属材Ｍ２の一端とで形成されたＩ形開先がレーザ・アークハイブリッド溶接により接合された状態が示されている。本実施形態では、第１金属材Ｍ１及び第２金属材Ｍ２の各板厚は、互いに略同一であり、図２中、板厚ｔで示されている。

溶接部２０は、レーザＬの照射による溶融金属と、アークＡの放電による溶接金属とで形成された、溶接継手の接合部分である。図２では、溶接部２０のうち、溶接継手の表面に出現している部分の幅が表面側ビード幅Ｗ１として示され、溶接継手の裏面に出現している部分の幅が裏面側ビード幅Ｗ２として示されている。ここで、溶接継手の表面側が、溶接時にレーザＬやアークＡを直接的に受けた側である。つまり、表面側ビード幅Ｗ１とは、溶接時にレーザＬやアークＡを直接受けた側のビード幅をいう。溶接部２０は、レーザＬの照射により溶け込んだレーザ溶け込み領域２０ａと、アークＡの放電により溶け込んだアーク溶け込み領域２０ｂとを含む。

レーザ溶け込み領域２０ａは、図２中、破線で囲まれた領域におおよそ相当する。レーザ溶け込み領域２０ａの形状は、溶け込みが比較的深くなる、一般的なレーザ溶接単体による溶融金属の形状に準じる。具体的には、レーザ溶け込み領域２０ａは、金属部材Ｍの板厚方向では溶接継手の表面側から裏面側へ貫通し、金属部材Ｍの平面方向では中央領域に集中する形状となる。

アーク溶け込み領域２０ｂは、図２中、二点鎖線で囲まれた領域におおよそ相当する。図２には、溶接継手の表面からアーク溶け込み領域２０ｂの最深部までの距離に相当するアーク溶け込み深さｄが示されている。アーク溶け込み領域２０ｂの形状は、溶け込みが比較的浅くなる、一般的なアーク溶接単体による溶接金属の形状に準じる。具体的には、アーク溶け込み領域２０ｂは、溶接継手の表面側から裏面側へ貫通せずに、溶接継手の表面近傍に留まる形状となる。

また、第１金属材Ｍ１及び第２金属材Ｍ２における、溶接部２０の周辺には、溶接時の熱に起因した熱影響部２１（ＨＡＺ）が形成されている。本実施形態における推定対象である熱影響部２１の角度（以下、「ＨＡＺ角度θ」と表記する。）は、溶接部２０と接する熱影響部２１の一面である第１接触面２１ａがなす角である。特に、第１金属材Ｍ１と第２金属材Ｍ２とがレーザ・アークハイブリッド溶接で接合された場合、ＨＡＺ角度θを規定する第１接触面２１ａは、図２に示すように、アーク溶け込み領域２０ｂに沿った面に相当する。ここで、第１金属材Ｍ１と第２金属材Ｍ２とが対向する接合方向とは垂直で、かつ、金属部材Ｍの平面方向において表面側ビード幅Ｗ１の中間位置を通る基準面Ｐを規定する。なお、図２に示す例では、基準面Ｐは、アーク溶け込み深さｄを規定するアーク溶け込み領域２０ｂの最深部と接している。このような規定によれば、ＨＡＺ角度θは、アーク溶け込み領域２０ｂにおいて、基準面Ｐに対する第１接触面２１ａの傾斜角である。

次に、一実施形態に係るＨＡＺ角度θの推定方法について説明する。

図３は、一実施形態に係る推定方法に含まれる一連の工程を示すフローチャートである。ＨＡＺ角度θの推定方法は、まず、基礎溶接データ取得工程Ｓ１０１と、相関導出工程Ｓ１０２と、算出式定義工程Ｓ１０３とを含む。

基礎溶接データ取得工程Ｓ１０１は、複数の溶接条件でレーザ・アークハイブリッド溶接により試験材を接合し、溶接条件ごとに基礎溶接データを取得する工程である。

試験材とは、実際の製品となる金属部材Ｍと区別され、基礎溶接データを取得するために予め準備された溶接対象をいう。試験材の材質や板厚は、実際の溶接対象である金属部材Ｍの材質や板厚と同一又は類似するものに予め設定されていてもよい。本実施形態では、試験材の形状及び構成についても、図２に示す金属部材Ｍと同様であるものとする。つまり、試験材は、第１金属材Ｍ１に対応する一方の試験材の一端と、第２金属材Ｍ２に対応する他方の試験材の一端とで形成されたＩ形開先を有する。以下、試験材の板厚、及び、試験材の溶接部でのアーク溶け込み深さには、図２に示す金属部材Ｍのそれらと同様の符号を付す。

図４は、基礎溶接データ取得工程Ｓ１０１で取得されたデータと、データ取得時の溶接条件とを示す表である。本実施形態では、一例として１６種の溶接条件で基礎溶接データを取得する。

１６種の溶接条件は、ＳＭ材からなる試験材が溶接対象となるＳＭ１〜ＳＭ１１までの第１条件グループと、ＣＭ材からなる試験材が溶接対象となるＣＭ１〜ＣＭ５までの第２条件グループとに大別される。ＳＭ材は、図４では材質がＣ／Ｓと略記されているが、本実施形態ではＳＭ４９０鋼である。ＣＭ材は、図４では材質がＣｒＭｏと略記されているが、本実施形態では９Ｃｒ１Ｍｏ鋼である。ＳＭ材の板厚ｔは、すべての溶接条件において７ｍｍである。ＣＭ材の板厚ｔは、７，９，１２及び１６ｍｍと溶接条件ごとにいくつか異なる。

また、各溶接条件では、試験材の板厚ｔに加えて、レーザ出力、アーク電流、アーク電圧、アーク出力及び溶接速度からなる群から選択された少なくとも１つのパラメータが異なる。本実施形態では、ＣＭ２及びＣＭ３での溶接速度が他の溶接条件での溶接速度と異なる。それ以外のレーザ出力、アーク電流、アーク電圧及びアーク出力は、各溶接条件でそれぞれおおむね異なる。

本実施形態における基礎溶接データは、試験材に対する溶接時の総入熱量と、試験材の溶接部でのアーク溶け込み深さｄとである。ここで、総入熱量とは、レーザ入熱量とアーク入熱量との和をいう。レーザ入熱量は、例えば、（レーザ出力／溶接速度）で表される。また、アーク入熱量は、例えば、（アーク出力／溶接速度）で表される。つまり、各溶接条件において、レーザ出力、アーク電流、アーク電圧、アーク出力及び溶接速度の各パラメータのうち少なくとも１つが変化すれば、レーザ入熱量又はアーク入熱量が変化する。したがって、各溶接条件では、それぞれ、少なくともレーザ入熱量又はアーク入熱量を異ならせることで、総入熱量を異ならせることができる。

試験材の溶接部でのアーク溶け込み深さｄは、例えば、各溶接条件に基づいて試験材の溶接継手が溶接された後、継手切断、断面研磨、腐食及び観察の各工程が順次実施されることで特定される。なお、アーク溶け込み深さｄの観察に用いられる計測装置等は、特に限定されない。

相関導出工程Ｓ１０２は、基礎溶接データ取得工程Ｓ１０１で取得された基礎溶接データに基づいて、総入熱量とアーク溶け込み深さｄとの相関を求める工程である。

図５は、試験材に対する溶接時の総入熱量とアーク溶け込み深さｄとの相関を示すグラフである。図５には、図４に記載の１６種の溶接条件ごとの総入熱量とアーク溶け込み深さｄとの関係で示される点が描かれている。ここで、第１条件グループに含まれるＳＭ１〜ＳＭ１１までの溶接条件の点は、黒塗りの菱形で示されている。一方、図２条件グループに含まれるＣＭ１〜ＣＭ５までの溶接条件の点は、黒塗りの四角形で示されている。

まず、材質がＳＭ材の試験材に関して、第１条件グループに含まれる溶接条件の各点に基づいて第１の相関が求められる。本実施形態では、第１の相関は、これらの各点に基づき最小二乗法等を用いて算出された直線近似式であるものとする。この場合、図５中に描画された第１の相関である第１近似式は、式（１）で表される。
ｙ＝０．００３８ｘ＋０．９３６１ （１）

同様に、材質がＣＭ材の試験材に関して、第２条件グループに含まれる溶接条件の各点に基づいて第２の相関が求められる。本実施形態では、第２の相関は、これらの各点に基づき最小二乗法等を用いて算出された直線近似式であるものとする。この場合、図５中に描画された第２の相関である第２近似式は、式（２）で表される。
ｙ＝０．００６５ｘ＋０．４６１ （２）

ここで、相関は、予め溶接対象として想定される金属部材Ｍの材質ごとに求められる。したがって、相関は、上記のように、金属部材Ｍのそれぞれ異なる材質ごとに、金属部材Ｍに対する溶接の前に準備される。つまり、予め溶接対象として想定される金属部材Ｍの材質が１種類のみである場合には、上記のような第１の相関と第２の相関との２種類の相関を準備する必要はない。

また、相関は、本実施形態では直線近似式であるものとしたが、これに限定されるものではなく、より正確性を向上させるために、例えば、２次以上の近似式であってもよい。

算出式定義工程Ｓ１０３は、金属部材Ｍの溶接部２０での表面側ビード幅Ｗ１と、金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄとを用いてＨＡＺ角度θを算出する式を定義する工程である。本実施形態では、ＨＡＺ角度θの算出式は、図２に示す関係から、式（３）で表される。ただし、式（３）中のＷは、表面側ビード幅Ｗ１に１／２を乗じた長さを示す。なお、上記例示した基準面Ｐを用いると、長さＷは、基準面Ｐから、表面側ビード幅Ｗ１を規定する一方の端部までの長さに相当する。
ｔａｎθ＝Ｗ／ｄ （３）

なお、ＨＡＺ角度θの算出式は、表面側ビード幅Ｗ１及びアーク溶け込み深さｄを用いて表すことができるものであれば、例えば、式（３）に係数を付加するなど、式（３）に変更を加えたものであってもよい。

さらに、ＨＡＺ角度θの推定方法は、総入熱量導出工程Ｓ１０４と、ビード幅計測工程Ｓ１０５と、溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６と、熱影響部角度推定工程Ｓ１０７とを含む。

総入熱量導出工程Ｓ１０４は、金属部材Ｍに対する溶接時の総入熱量を求める工程である。

ここで、総入熱量導出工程Ｓ１０４は、金属部材Ｍに対する溶接時の総入熱量を求めるのであるから、金属部材Ｍに対する溶接が行われていない段階では実施されない。この点、本実施形態では、金属部材Ｍに対する溶接は、一例として、図３に示すように、算出式定義工程Ｓ１０３の終了後で、かつ、総入熱量導出工程Ｓ１０４の開始前に行われているものとする。

金属部材Ｍに対する溶接時の総入熱量は、基礎溶接データ取得工程Ｓ１０１において求められた、試験材に対する溶接時の総入熱量と同様に求めることができる。また、それぞれ同一材質及び同一形状の複数の金属部材Ｍに対して同様の溶接条件で連続的に溶接が行われる場合には、必ずしも、すべての金属部材Ｍについて総入熱量を求める必要はない。

ビード幅計測工程Ｓ１０５は、表面側ビード幅Ｗ１を計測する工程である。

ビード幅計測工程Ｓ１０５において表面側ビード幅Ｗ１を計測する構成又は方法は、特に限定されるものではない。例えば、不図示であるが、溶接装置１は、表面側ビード幅Ｗ１を計測する計測装置を備えてもよいし、溶接装置１とは別に設けられた計測装置が表面側ビード幅Ｗ１を計測してもよい。また、図３に示す例では、ビード幅計測工程Ｓ１０５が、総入熱量導出工程Ｓ１０４の終了後で、かつ、後述する溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６の開始前に行われるものとしている。しかし、ビード幅計測工程Ｓ１０５は、後述する熱影響部角度推定工程Ｓ１０７の開始前に行われればよい。つまり、例えば、ビード幅計測工程Ｓ１０５は、総入熱量導出工程Ｓ１０４の開始前に行われてもよいし、溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６の終了後に行われてもよい。

溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６は、総入熱量導出工程Ｓ１０４で求められた総入熱量を、相関導出工程Ｓ１０２で求められた相関に適用して、金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄを推定する工程である。

例えば、先に行われた溶接装置１による溶接では、材質がＳＭ４９０鋼で、板厚ｔが７ｍｍである第１の金属部材Ｍが溶接対象であったと仮定する。この場合、先の総入熱量導出工程Ｓ１０４では、第１の金属部材Ｍに対する溶接時の第１の総入熱量がすでに求められている。また、第１の金属部材Ｍの材質がＳＭ４９０鋼であるので、このときに用いられる相関は、ＳＭ材に係る第１の相関、すなわち、式（１）で表される第１近似式である。そして、第１近似式の「ｘ」に第１の総入熱量が代入されると、「ｙ」の値が導き出される。この導き出された第１近似式の「ｙ」の値が、第１の金属部材Ｍの溶接部２０での推定されたアーク溶け込み深さｄである。

一方、先に行われた溶接装置１による溶接では、材質が９Ｃｒ１Ｍｏ鋼で、板厚ｔが７ｍｍである第２の金属部材Ｍが溶接対象であったと仮定する。この場合、先の総入熱量導出工程Ｓ１０４では、第２の金属部材Ｍに対する溶接時の第２の総入熱量がすでに求められている。また、第２の金属部材Ｍの材質が９Ｃｒ１Ｍｏ鋼であるので、このときに用いられる相関は、ＣＭ材に係る第２の相関、すなわち、式（２）で表される第２近似式である。そして、第２近似式の「ｘ」に第２の総入熱量が代入されると、「ｙ」の値が導き出される。この導き出された第２近似式の「ｙ」の値が、第２の金属部材Ｍの溶接部２０での推定されたアーク溶け込み深さｄである。

熱影響部角度推定工程Ｓ１０７は、ビード幅計測工程Ｓ１０５で計測された表面側ビード幅Ｗ１と、溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６で推定されたアーク溶け込み深さｄとを式（３）に適用して、ＨＡＺ角度θを推定する工程である。

次に、本実施形態に係るＨＡＺ角度θの推定方法による効果について説明する。

本実施形態に係る熱影響部角度（ＨＡＺ角度θ）の推定方法は、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材Ｍでの熱影響部２１の角度θを推定する。推定方法は、レーザ・アークハイブリッド溶接により複数の溶接条件ごとに試験材を接合して得られた、総入熱量と、試験材の溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄとの相関を求める相関導出工程Ｓ１０２を含む。複数の溶接条件では、少なくともレーザ入熱量又はアーク入熱量を異ならせている。総入熱量は、レーザ入熱量とアーク入熱量との和である。推定方法は、金属部材Ｍの溶接部２０での表面側ビード幅Ｗ１と、金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄとを用いて熱影響部２１の角度θを算出する式を定義する算出式定義工程Ｓ１０３を含む。推定工程は、金属部材Ｍの溶接時の総入熱量を求める総入熱量導出工程Ｓ１０４と、表面側ビード幅Ｗ１を計測するビード幅計測工程Ｓ１０５を含む。推定工程は、総入熱量導出工程Ｓ１０４で求められた総入熱量を、相関導出工程Ｓ１０２で求められた相関に適用し、金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄを推定する溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６を含む。また、推定工程は、表面側ビード幅Ｗ１とアーク溶け込み深さｄとを、算出式定義工程Ｓ１０３で定義された式に適用し、熱影響部２１の角度θを推定する熱影響部角度推定工程Ｓ１０７を含む。熱影響部角度推定工程Ｓ１０７において適用される表面側ビード幅Ｗ１は、ビード幅計測工程Ｓ１０５で計測されたものである。熱影響部角度推定工程Ｓ１０７において適用されるアーク溶け込み深さｄは、溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６で推定されたものである。

レーザ・アークハイブリッド溶接で接合された金属部材Ｍにおいて、ＨＡＺ角度θを認識することは、金属部材Ｍの溶接継手の性能を知る上で重要である。ここで、上記のＨＡＺ角度θの推定方法によれば、アーク溶け込み深さｄは、予め相関導出工程Ｓ１０２にて求められた相関に基づいて推定される。そして、ＨＡＺ角度θは、相関に基づいて推定されたアーク溶け込み深さｄを用いて算出されることで推定される。換言すれば、ＨＡＺ角度θ及びアーク溶け込み深さｄは、ともに、金属部材Ｍに対する溶接条件ごとに、毎回、製品となる金属部材Ｍに対する実際の溶接工程と同一条件で溶接された溶接継手の断面を直接的に観察して得られるのではない。

例えば、上記の溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６に関する説明では、材質がＳＭ４９０鋼で、板厚ｔが７ｍｍである第１の金属部材Ｍが溶接対象である場合に、第１近似式を用いてアーク溶け込み深さｄを推定した。そして、この場合のアーク溶け込み深さｄは、第１の金属部材Ｍの溶接部２０の断面を直接的に観察して得られたものではない。

これに対して、さらに、材質がＳＭ４９０鋼で、板厚ｔが７ｍｍである第３の金属部材Ｍが溶接対象となる別の溶接条件を想定する。第３の金属部材Ｍの材質及び板厚ｔは、第１の金属部材Ｍの材質及び板厚ｔと同一である。しかし、第３の金属部材Ｍに対する溶接時のレーザ出力やアーク出力等は、第１の金属部材Ｍに対する溶接時のレーザ出力やアーク出力等とは異なることもあり得る。そのため、第３の金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄも、第１の金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄとは異なる可能性がある。この場合でも、総入熱量導出工程Ｓ１０４で第３の金属部材Ｍに対する溶接時の第３の総入熱量が求められていれば、第１近似式の「ｘ」に第３の総入熱量が代入されることで、第３の金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄが容易に推定される。そして、この場合のアーク溶け込み深さｄも、第３の金属部材Ｍの溶接部２０の断面を直接的に観察して得られたものではない。

つまり、上記のＨＡＺ角度θの推定方法では、特定の溶接条件でのみ基礎溶接データを取得して相関を求めておけば、金属部材Ｍに対する溶接時の溶接条件が変更となったとしても、溶接条件ごとに毎回、溶接部２０の断面を直接的に観察する必要がない。

従来、上記の第１の金属部材Ｍと同様の金属部材のＨＡＺ角度θを認識するためには、例えば、実際の溶接工程と同一条件で溶接継手を溶接した後、継手切断、断面研磨、腐食及び観察の各工程が順次実施される。また、上記の第３の金属部材Ｍと同様の金属部材のＨＡＺ角度θを認識するときも、実際の溶接工程と同一条件で溶接継手を溶接した後に、上記の一連の各工程が順次実施される。すなわち、従来、溶接条件が変更された場合には、溶接条件ごとに毎回、金属部材Ｍの溶接部２０周辺の断面を直接的に観察する必要があった。したがって、本実施形態に係るＨＡＺ角度θの推定方法を採用することで、例えば、ＨＡＺ角度θの特定に要する時間を従来よりも短縮させることができる。

このように、本実施形態によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材Ｍでの熱影響部２１の角度θを簡易的に認識するのに有利な金属部材Ｍの熱影響部角度推定方法を提供することができる。

また、本実施形態に係る熱影響部角度推定方法は、予め所望のＨＡＺ角度θが規定されている場合には、相関を逆算的に用いることで、適切な各種の溶接条件を選定することにも利用することができる。

また、本実施形態に係る熱影響部角度推定方法では、算出式定義工程Ｓ１０３で定義される式は、熱影響部２１の角度をθ、表面側ビード幅Ｗ１に１／２を乗じた長さをＷ、及び、アーク溶け込み深さをｄとすると、ｔａｎθ＝Ｗ／ｄで表されてもよい。

このような熱影響部角度推定方法によれば、ＨＡＺ角度θの算出式が簡易的な式となることから、ＨＡＺ角度θを算出するのに要する計算能力についても、高度な能力を要しない。

また、本実施形態に係る熱影響部角度推定方法では、相関導出工程Ｓ１０２で求められる相関は、直線近似式であってもよい。

このような熱影響部角度推定方法によれば、基礎溶接データから相関自体を容易に導き出すのに有利となり得る。また、相関が簡易的な式となることから、アーク溶け込み深さｄを算出するのに要する計算能力についても、高度な能力を要しない。

また、本実施形態に係る熱影響部角度推定方法では、相関導出工程Ｓ１０２で求められる相関は、金属部材Ｍのそれぞれ異なる材質ごとに、金属部材Ｍに対する溶接の前に準備されてもよい。

このような熱影響部角度推定方法によれば、例えば、当該推定方法が採用される溶接装置１の稼働時間を短縮するのに有利となり得る。具体的には、溶接装置１は、ある材質の金属部材Ｍに対する溶接が終了した後、迅速に、それとは異なる材質の金属部材Ｍに対する溶接に移行することができる。

また、本実施形態に係る熱影響部角度推定方法では、試験材に対する溶接における複数の溶接条件では、試験材の板厚ｔ、レーザ出力、アーク出力及び溶接速度からなる群から選択された少なくとも１つのパラメータが異なっていてもよい。

例えば、上記の溶け込み深さ推定工程Ｓ１０６に関する説明では、材質が９Ｃｒ１Ｍｏ鋼で、板厚ｔが７ｍｍである第２の金属部材Ｍが溶接対象である場合に、第２近似式を用いてアーク溶け込み深さｄを推定した。これに対して、さらに、材質が９Ｃｒ１Ｍｏ鋼で、板厚ｔが９ｍｍである第４の金属部材Ｍが溶接対象となる別の溶接条件を想定する。第４の金属部材Ｍの材質は、第２の金属部材Ｍの材質と同一である。しかし、第４の金属部材Ｍに対する溶接時のレーザ出力やアーク出力等は、第２の金属部材Ｍに対する溶接時のレーザ出力やアーク出力等とは異なることもあり得る。加えて、第４の金属部材Ｍの板厚ｔは、第２の金属部材Ｍの板厚ｔとは異なる。そのため、第４の金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄも、第２の金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄとは異なる可能性がある。この場合でも、総入熱量導出工程Ｓ１０４で第４の金属部材Ｍに対する溶接時の第４の総入熱量が求められていれば、第２近似式の「ｘ」に第４の総入熱量が代入されることで、第４の金属部材Ｍの溶接部２０でのアーク溶け込み深さｄが容易に推定される。

ここで、アーク溶け込み深さｄの推定に用いられた第２近似式は、図４に示すように、板厚ｔが互いに異なる複数の溶接条件での基礎溶接データで求められたものである。つまり、第２の相関である第２近似式には、金属部材Ｍの板厚ｔが変化することも予め想定されて求められたものである。したがって、このような熱影響部角度推定方法によれば、材質が同種であれば、レーザ入熱量に関係するレーザ出力等のみならず板厚ｔが変化する場合でも、１つの相関でアーク溶け込み深さｄを推定することができる。

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

１ 溶接装置
２０ 溶接部
２１ 熱影響部
ｄ アーク溶け込み深さ
Ｍ 金属部材
Ｗ１ 表面側ビード幅
θ 熱影響部の角度

Claims (5)

1. レーザ・アークハイブリッド溶接により接合された金属部材での熱影響部の角度を推定する熱影響部角度推定方法であって、
   前記レーザ・アークハイブリッド溶接により、少なくともレーザ入熱量又はアーク入熱量を異ならせた複数の溶接条件ごとに試験材を接合して得られた、前記レーザ入熱量と前記アーク入熱量との和である総入熱量と、前記試験材の溶接部でのアーク溶け込み深さとの相関を求める相関導出工程と、
   前記金属部材の溶接部での表面側ビード幅と、前記金属部材の前記溶接部でのアーク溶け込み深さとを用いて前記熱影響部の前記角度を算出する式を定義する算出式定義工程と、
   前記金属部材の溶接時の前記総入熱量を求める総入熱量導出工程と、
   前記表面側ビード幅を計測するビード幅計測工程と、
   前記総入熱量導出工程で求められた前記総入熱量を、前記相関導出工程で求められた前記相関に適用し、前記金属部材の前記溶接部での前記アーク溶け込み深さを推定する溶け込み深さ推定工程と、
   前記ビード幅計測工程で計測された前記表面側ビード幅と、前記溶け込み深さ推定工程で推定された前記アーク溶け込み深さとを、前記算出式定義工程で定義された前記式に適用し、前記熱影響部の前記角度を推定する熱影響部角度推定工程と、
   を含む、金属部材の熱影響部角度推定方法。
2. 前記算出式定義工程で定義される前記式は、前記熱影響部の前記角度をθ、前記表面側ビード幅に１／２を乗じた長さをＷ、及び、前記アーク溶け込み深さをｄとすると、
   ｔａｎθ＝Ｗ／ｄ
   で表される、請求項１に記載の金属部材の熱影響部角度推定方法。
3. 前記相関導出工程で求められる前記相関は、直線近似式である、請求項１又は２に記載の金属部材の熱影響部角度推定方法。
4. 前記相関導出工程で求められる前記相関は、前記金属部材のそれぞれ異なる材質ごとに、前記金属部材に対する溶接の前に準備される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属部材の熱影響部角度推定方法。
5. 前記試験材に対する溶接における前記複数の溶接条件では、前記試験材の板厚、レーザ出力、アーク出力及び溶接速度からなる群から選択された少なくとも１つのパラメータが異なる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属部材の熱影響部角度推定方法。
   

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