JP2945294B2 - Laser welding method for high carbon steel strip - Google Patents

Laser welding method for high carbon steel strip

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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、プロセスラインにおけ
る高炭素鋼鋼帯のレーザ溶接方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for laser welding high carbon steel strip in a process line.

【0002】[0002]

【従来の技術】鋼帯を突合せて溶接する際に用いるレー
ザ溶接では、その接合対象とする鋼種や溶込み形状によ
り、ブローホール(気泡)が生成して継手性能を低下さ
せることがあり、ブローホール生成防止の研究がある。
リムド鋼のように部材の酸素量が多い場合のブローホー
ル生成防止の方法としては、特開昭52−110245
号公報に開示されているように低酸素の中間媒体金属を
挿入する電子ビーム溶接法の応用が考えられる。
2. Description of the Related Art In laser welding used when butt-welding steel strips, blow holes (bubbles) may be generated depending on the type of steel to be joined and the shape of penetration, thereby deteriorating joint performance. There is research on hole generation prevention.
As a method for preventing the formation of blowholes when the oxygen content of a member is large, such as rimmed steel, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-110245 discloses a method.
The application of the electron beam welding method for inserting a low-oxygen intermediate medium metal as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-209,086 is conceivable.

【0003】レーザ溶接においては、部分溶込み溶接部
に生成するブローホールに対して、金属蒸気が溶融池内
にとじこめられることが主因であることを解明し、ブロ
ーホールの生成防止策としてHeシールドガスにO2
2 を添加した混合ガスを採用して溶融金属の流動性を
改善する方法やビームオシレートによって溶融池を攪拌
する方法(大前、吉田、広実、鈴木著「炭酸ガスレーザ
溶接に関する基礎的研究」1983−7,三菱重工技
報,Vol20,No.4,p435参照)が知られて
いる。
[0003] In laser welding, it has been clarified that the main cause is that metal vapor is trapped in the molten pool with respect to blowholes generated in the partial penetration welds. O 2 ,
A method of improving the fluidity of molten metal by using a mixed gas to which N 2 is added or a method of stirring a molten pool by beam oscillation (Omae, Yoshida, Hiromi, Suzuki, “Basic research on carbon dioxide laser welding” 1983 -7, Mitsubishi Heavy Industries Technical Report, Vol 20, No. 4, p435) is known.

【0004】しかし、高炭素鋼の完全溶込み溶接にレー
ザ溶接を適用した場合のブローホールの生成に関する研
究はなかった。
[0004] However, there has been no research on the formation of blowholes when laser welding is applied to full penetration welding of high carbon steel.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、高炭素鋼
帯をプロセスラインで接合するに研究を行い、高炭素鋼
のレーザ溶接実験を積み重ねたところ、キルド鋼として
製造した高炭素鋼を用い完全溶込み溶接継手をレーザ溶
接で行った場合にも、多数のブローホールが生成するこ
とを発見した。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventor has conducted research on joining high carbon steel strip in a process line, and has conducted laser welding experiments on high carbon steel. It has been found that a large number of blowholes are formed even when laser welding is used for the full penetration welded joint.

【0006】この問題点を解決するために、従来技術の
中間媒体金属部材の挿入を試みた。しかし、プロセスラ
インのような連続性生産設備で、かつ無人運転の溶接機
で中間部材を挿入するのは困難であり、溶接用ワイヤと
して溶融した中間部材組成金属を供給してもその効果が
なかった。HeシールドガスにO2 ,N2 を添加した混
合ガスを採用して溶融金属の流動性を改善する方法やビ
ームオシレートによって溶融池を攪拌する方法は、部分
溶込みの場合の問題解決法であり、完全溶込み溶接(前
記文献では貫通溶接)ではブローホールの発生が少ない
(前記文献436頁)とされている。しかし、実験した
ところ、ブローホールの生成を防止することができなか
った。
In order to solve this problem, an attempt was made to insert an intermediate metal member of the prior art. However, it is difficult to insert an intermediate member with a continuous production facility such as a process line and an unmanned welding machine, and even if a molten intermediate member composition metal is supplied as a welding wire, there is no effect. Was. The method of improving the fluidity of the molten metal by using a mixed gas in which O 2 and N 2 are added to the He shielding gas and the method of stirring the molten pool by beam oscillating are methods for solving the problem in the case of partial penetration. It is said that the occurrence of blowholes is small in complete penetration welding (penetration welding in the literature) (page 436 in the literature). However, as a result of the experiment, generation of blowholes could not be prevented.

【0007】本発明は高炭素鋼鋼帯のレーザ溶接におけ
るブローホール生成防止技術を開発し、これを提供する
ことを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to develop and provide a technique for preventing blowhole formation in laser welding of a high carbon steel strip.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記問題点
を解決するために、高炭素鋼鋼帯のレーザ溶接条件を各
種設定し、実験を積み重ねて、ブローホールの発生機構
の解明について研究した。その結果、リムド鋼では従来
技術で知られるように鋼中の酸素が溶接部にブローホー
ルを生成させる原因であったが、高炭素鋼では、鋼中の
炭素が大気中の酸素と結合してCO,CO2 ガスを生成
し、それが溶融金属の凝固とともに溶接部のブローホー
ルとして形づくることであるとの知見を得た。それと同
時に、レーザ溶接条件のうち、接合する鋼帯同士のルー
トギャップ(溶接開先間隔)を適切に設定することによ
って上記目的を達成することができることを知見した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors set various laser welding conditions for a high carbon steel strip, accumulated experiments, and elucidated the mechanism of blowhole generation. Studied. As a result, in rimmed steel, oxygen in the steel caused blowholes to form in the weld as known in the prior art, whereas in high carbon steel, carbon in the steel combined with atmospheric oxygen It has been found that CO, CO 2 gas is generated, and this is to form as a blowhole of a welded portion together with solidification of a molten metal. At the same time, it has been found that the above object can be achieved by appropriately setting the root gap (weld groove interval) between steel strips to be joined among laser welding conditions.

【0009】本発明は、炭素量0.5%以上を含有する
高炭素鋼鋼帯を突合せてレーザ溶接するに際して、接合
する鋼帯同士のルートギャップ、レーザビーム照射側
の鋼帯表面におけるレーザビームの1/eエネルギビー
ム直径の1.5〜2.5倍となるようにすることを特徴
とするレーザ溶接方法である。ここにeは自然対数の底
である。
According to the present invention, when a high-carbon steel strip containing 0.5% or more of carbon is butt-welded and laser-welded, the root gap between the steel strips to be joined is changed by a laser beam on the surface of the steel strip irradiated with the laser beam. 1 of 1 / e the energy beam diameter of the beam. A laser welding method characterized in that the ratio is 5 to 2.5 times . Where e is the base of the natural logarithm.

【0010】[0010]

【作用】本発明では、ルートギャップと、レーザビーム
照射側の鋼帯の表面におけるレーザビームの1/eエネ
ルギビーム直径との関係を適正に保つことにより、ブロ
ーホールの生成防止を図ったものである。レーザビーム
のエネルギ密度分布はガウス分布で近似することができ
る(荒田、宮本著「大出力炭酸ガスレーザの熱源的研究
(第1報)1970,溶接学会誌,Vol39,No.
12,P45)。従って、溶接用として使用するレーザ
発振器のパワー及びレーザビームの拡がり角がわかれ
ば、代数計算で最高エネルギ密度を容易に求めることが
できる。上記溶接学会誌44頁に記載されているよう
に、代数計算で求めた最高エネルギ密度の1/eが溶接
に寄与するスポットの大きさ(直径)である。これを計
算すると、使用するレーザ溶接機について、レーザビー
ム特性としての鋼帯表面位置における1/eエネルギビ
ーム直径を求めることができる。
According to the present invention, the generation of blowholes is prevented by properly maintaining the relationship between the root gap and the 1 / e energy beam diameter of the laser beam on the surface of the steel strip on the laser beam irradiation side. is there. The energy density distribution of the laser beam can be approximated by a Gaussian distribution (Arata, Miyamoto, “Heat Source Study of High Power CO2 Laser (1st Report) 1970, Journal of the Japan Welding Society, Vol 39, No.
12, P45). Therefore, if the power of the laser oscillator used for welding and the divergence angle of the laser beam are known, the maximum energy density can be easily obtained by algebraic calculation. As described in the Journal of the Japan Welding Society, page 44, 1 / e of the maximum energy density obtained by algebraic calculation is the size (diameter) of a spot contributing to welding. When this is calculated, the 1 / e energy beam diameter at the steel strip surface position as a laser beam characteristic can be obtained for the laser welding machine to be used.

【0011】本発明によれば、接合する鋼帯同士のルー
トギャップの設定に当り、レーザビーム照射側の鋼帯表
面におけるレーザビームの直径を計算又は測定によって
定量化し、その1/eエネルギビーム直径の1.5〜
2.5倍のルートギャップ値にして溶接する。ルートギ
ャップと、鋼帯表面におけるレーザビームの1/eエネ
ルギビーム直径との比が1.5未満では、高炭素鋼鋼帯
が溶けてその中のCと大気中の酸素とが化合しCO又は
CO2 を発生してブローホールが発生する。従ってこの
比を1.5以上に限定する。一方、この比が2.75以
上になると溶接ワイヤでルートギャップを充填すること
ができなくなる。実技的な適正な溶接条件としてはこの
比を2.5以下とする。この比が1.5〜2.5となる
ようなルートギャップに設定すると、高炭素鋼鋼帯の溶
融部分が少なくなる。その結果、溶融金属に供給される
炭素量が少なくなり、ブローホールの生成がない健全な
溶接部が得られるようになる。
According to the present invention, in setting the root gap between the steel strips to be joined, the diameter of the laser beam on the steel strip surface on the laser beam irradiation side is quantified by calculation or measurement, and the 1 / e energy beam diameter is calculated. 1.5 ~
Weld with a root gap value of 2.5 times. If the ratio of the root gap to the 1 / e energy beam diameter of the laser beam at the surface of the steel strip is less than 1.5, the high carbon steel strip melts and the C therein and oxygen in the atmosphere combine to form CO or Blowholes are generated by generating CO 2 . Therefore, this ratio is limited to 1.5 or more. On the other hand, if the ratio is 2.75 or more, the root gap cannot be filled with the welding wire. As a practical and appropriate welding condition, this ratio is set to 2.5 or less. If the root gap is set so that this ratio becomes 1.5 to 2.5, the molten portion of the high carbon steel strip decreases. As a result, the amount of carbon supplied to the molten metal is reduced, and a sound weld without blowholes can be obtained.

【0012】[0012]

【実施例】図1は本発明の構成を示す溶接断面図であ
る。鋼帯の溶接に際しては、まず先行鋼帯1と後行鋼帯
2の端部同士を対向させ鋼帯同士の間にルートギャップ
3を設定する。次にフィラワイヤ4を供給しながら、レ
ーザビーム5を照射し、レーザビーム5のエネルギでフ
ィラワイヤ4を溶融させ、溶融した金属を鋼帯同士の空
間であるルートギャップ3に充填させることにより溶接
を完了する。
FIG. 1 is a sectional view of a weld showing the structure of the present invention. In welding the steel strips, first, the root gap 3 is set between the steel strips with the ends of the preceding steel strip 1 and the following steel strip 2 facing each other. Next, while supplying the filler wire 4, the laser beam 5 is irradiated, the filler wire 4 is melted by the energy of the laser beam 5, and the molten metal is filled in the root gap 3, which is a space between the steel strips, thereby completing the welding. I do.

【0013】前記のように、使用するレーザ溶接機につ
いて、レーザビーム特性としての鋼帯表面位置における
1/eエネルギビーム直径6を求めることができる。図
1において7はレーザの焦点を示している。ルートギャ
ップを変更して溶接を行った本発明の第1の実施例の効
果を図2に示す。第1の実施例では、鋼帯1、2の材質
として、JISG 4051に規定されている機械構造
用炭素鋼のS55C(C=0.52〜0.58%)を用
い、板厚4.0mmのものを用いた。フィラワイヤは、
JIS Z3312に規定されている溶接ワイヤのYG
W12の直径φ0.9mmを用いた。溶接条件はレーザ
出力10KW、溶接速度2m/minである。
As described above, for the laser welding machine to be used, the 1 / e energy beam diameter 6 at the steel strip surface position as a laser beam characteristic can be obtained. In FIG. 1, reference numeral 7 denotes the focus of the laser. FIG. 2 shows the effect of the first embodiment of the present invention in which welding is performed by changing the root gap. In the first embodiment, as the material of the steel strips 1 and 2, S55C (C = 0.52 to 0.58%) of carbon steel for machine structural use specified in JIS G 4051 was used, and the plate thickness was 4.0 mm. Was used. Filler wire is
YG of welding wire specified in JIS Z3312
A W12 diameter of 0.9 mm was used. The welding conditions were a laser output of 10 KW and a welding speed of 2 m / min.

【0014】図2の縦軸は溶接部100mm当りのブロ
ーホールの合計長さを示し、横軸は変化させたルートギ
ャップと鋼帯表面におけるレーザビームの1/eエネル
ギビーム直径との比を示したものである。図2から明ら
かなようにルートギャップと1/eエネルギビーム直径
比が1.5以上でブローホールが皆無になることが明ら
かである。その比をさらに上げていくと、溶接ワイヤで
ルートギャップが充填できなくなり、溶接不能となる。
その時の比は、約2.75であり、溶接条件としては比
が、1.5〜2.5が適正値である。
The vertical axis in FIG. 2 shows the total length of the blow holes per 100 mm of the welded portion, and the horizontal axis shows the ratio between the changed root gap and the 1 / e energy beam diameter of the laser beam on the steel strip surface. It is a thing. As is clear from FIG. 2, it is clear that there is no blowhole when the ratio of the root gap to the 1 / e energy beam diameter is 1.5 or more. When the ratio is further increased, the root gap cannot be filled with the welding wire, and welding becomes impossible.
The ratio at that time is about 2.75, and a ratio of 1.5 to 2.5 is an appropriate value as the welding condition.

【0015】第2の実施例は、鋼帯1、2の材質をJI
S G4401に規定する炭素工具鋼を用いたものであ
る。種類はSK2(C=1.10〜1.30%)で板厚
は2.0mmである。その他の条件は上記第1の実施例
と同じである。図3は、第2の実施例の効果を示すグラ
フである。グラフの縦軸、横軸は図2と同じである。図
3から明らかなように、第2の実施例では第1の実施例
より、はるかに多くのブローホールが生成している。し
かし、ルートギャップと1/eエネルギビーム直径比が
1.5以上でブローホールが大幅に減少し、さらにその
比を上げるほど低減する。
In the second embodiment, the steel strips 1 and 2 are made of JI
The carbon tool steel specified in SG4401 was used. The type is SK2 (C = 1.10 to 1.30%) and the plate thickness is 2.0 mm. Other conditions are the same as in the first embodiment. FIG. 3 is a graph showing the effect of the second embodiment. The vertical and horizontal axes of the graph are the same as in FIG. As is clear from FIG. 3, much more blowholes are generated in the second embodiment than in the first embodiment. However, when the ratio of the root gap to the 1 / e energy beam diameter is 1.5 or more, the number of blowholes is significantly reduced.

【0016】しかし、第2の実施例でも、その比が約
2.75で溶接ワイヤによるルートギャップの充填がで
きなくなると溶接不可能になる。従って、溶接条件とし
てはその比が1.5〜2.5が適正値である。本発明で
は、高炭素鋼鋼帯の溶接において、鋼帯同士のルートギ
ャップの設定に当り、ルートギャップとレーザビーム照
射側の鋼帯表面におけるレーザビームの1/eエネルギ
ビーム直径との比を1.5〜2.5にしたので、レーザ
ビームが直接鋼帯に照射して溶融することがなくなり、
ブローホールの少ない良好な溶接部が得られた。
However, also in the second embodiment, if the ratio is about 2.75 and it becomes impossible to fill the root gap with the welding wire, welding becomes impossible. Therefore, as the welding conditions, a ratio of 1.5 to 2.5 is an appropriate value. According to the present invention, when welding a high carbon steel strip, when setting the root gap between the steel strips, the ratio of the root gap to the 1 / e energy beam diameter of the laser beam on the steel strip surface on the laser beam irradiation side is set to 1. 0.5 to 2.5, the laser beam does not directly irradiate the steel strip and melts,
A good weld with few blow holes was obtained.

【0017】本発明は、レーザビームの径を計算で求め
る方法を説明したが、これに限らず、エネルギビームの
実測値を用いても良い。
In the present invention, a method of calculating the diameter of a laser beam by calculation has been described. However, the present invention is not limited to this, and an actual measurement value of an energy beam may be used.

【0018】[0018]

【発明の効果】本発明は高炭素鋼鋼帯のレーザ溶接にお
いて、ルートギャップと鋼帯表面におけるレーザビーム
の1/eエネルギビーム直径との比を1.5〜2.5に
して溶接することにより、ブローホールの少ない溶接部
が得られるようになり、連続プロセスラインでの高炭素
鋼帯生産が可能になり、生産コストが低減できるという
すぐれた効果を奏する。
According to the present invention, in the laser welding of a high carbon steel strip, the ratio of the root gap to the 1 / e energy beam diameter of the laser beam on the surface of the steel strip is set to 1.5 to 2.5. As a result, a welded portion with a small number of blow holes can be obtained, a high-carbon steel strip can be produced in a continuous process line, and the production cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の構成を示す溶接断面図である。FIG. 1 is a weld sectional view showing a configuration of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例の効果を示すグラフであ
る。
FIG. 2 is a graph showing the effect of the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例の効果を示すグラフであ
る。
FIG. 3 is a graph showing the effect of the second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 先行鋼帯 2 後行鋼帯 3 ルートギャップ 4 フィラワイヤ 5 レーザビーム 6 鋼帯表面レー
ザビーム1/e直径 7 レーザビーム焦点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Leading steel strip 2 Trailing steel strip 3 Root gap 4 Filler wire 5 Laser beam 6 Steel strip surface laser beam 1 / e diameter 7 Laser beam focus

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 炭素量0.5%以上を含有する高炭素鋼
鋼帯を突合せてレーザ溶接するに際して、接合する鋼帯
同士のルートギャップ、レーザビーム照射側の鋼帯表
面におけるレーザビームの1/eエネルギビーム直径の
.5〜2.5倍となるようにすることを特徴とするレ
ーザ溶接方法。
When a high-carbon steel strip containing 0.5% or more of carbon is butt-welded and laser-welded, the root gap between the steel strips to be joined has a root gap of the laser beam on the steel strip surface on the laser beam irradiation side. 1 / e energy beam diameter
1 . A laser welding method characterized in that the ratio becomes 5 to 2.5 times .
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