JP3767369B2

JP3767369B2 - 薄鋼板の重ね溶接方法及び溶接結合薄鋼板

Info

Publication number: JP3767369B2
Application number: JP2000339287A
Authority: JP
Inventors: 幸雄真保; 守章小野; 明英吉武; 佳弘細谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: JP2002144063A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄鋼板或いは薄鋼板によって形成された構造物の重ね溶接に用いられる溶接方法及びその方法により得られた溶接結合薄鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄鋼板にて形成された構造物の接合には、従来主に電気抵抗スポット溶接法やアーク溶接法が用いられているが、近年レーザー溶接法が採用されるようになってきた。これは、レーザー溶接を採用した場合には、片側からの溶接で済むとともに、ビード幅が狭いために従来工法である抵抗スポット溶接やアーク溶接に比べて接合部の設計自由度が大きく、溶接継手としての幅を狭くすることが可能となる等の利点を有するためである。
【０００３】
レーザー光は、非常に強い集光性があり、エネルギー密度の極めて高い集中熱源となるので、溶接に適用すれば、溶け込み深さが深く、高速溶接を行なうことができる。
【０００４】
しかしながら、レーザー溶接法には以下の課題を有している。レーザー溶接ではレーザー光の集光性がよいという特長の裏返しとして、被溶接物の重ね合わせ品質を厳格に管理する必要がある。重ね継手では、上下の被溶接物間の隙間の許容量は上部側被溶接物の板厚の３０％程度であり、これを越えると溶融部が上部被溶接物から溶け落ちて、重ね継手の強度が低下する。以上のような条件を満たすために、重ね継手の上側もしくは上下両側から被溶接物に加圧力を加えて重ね継手の隙間の寸法を矯正しつつレーザー溶接を施すようにする方法が、特開昭59-179284号公報および特開平4-258391号公報に開示されている。
【０００５】
一方、薄鋼板閉断面構造物の溶接では上下両側から加圧力を付与することができないため、片側からのみ加圧する方法が特開平8-90264号公報に開示されている。薄鋼板閉断面構造物の剛性が高い場合には、加圧力を増加に伴って板間の隙間が減少するのに対して、薄鋼板閉断面構造物の剛性が低い場合には、ある値以上に加圧力が大きくなると継手全体の変形が大きくなり、逆に隙間が大きくなるという問題点を有している。そこで、加圧変位や加圧力をオンライン制御する方法を提案している。
【０００６】
以上のように，薄鋼板にて形成された構造物をレーザーで溶接する場合には、被溶接物間の隙間を厳格に管理するために厳格に加圧して、溶接する必要がある。しかし、薄鋼板構造物の形状が複雑な場合や板厚構成が多岐にわたる場合には、高精度の加圧制御が困難となり、継手強度が低下することが考えられる。また、薄鋼板閉断面構造物の溶接では、片側溶接が可能なアーク溶接法が使われる場合がある。アーク溶接法として、従来から汎用されているものとして、ティグ溶接、プラズマ溶接およびガスメタルアーク溶接が知られている。ティグ溶接は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で、タングステン電極と母材間にアークを発生させて溶接する方法である。プラズマ溶接は、溶接トーチ内の２電極間に通電してアークを発生させ、その周囲にアルゴンと水素とを混合した作動ガスを送り込むと、作動ガスはアークの熱で電離してイオンと電子が混在したガス体であるプラズマとなり、このプラズマの熟で溶接する方法である。ティグ溶接およびプラズマ溶接は、非消耗電極方式溶接法と呼ばれている。一方、ガスメタルアーク溶接は、アルゴンなどの不活性ガスや炭酸ガスおよびこれらの混合ガス雰囲気中で、連続的に溶接用ワイヤを供結しながら、溶接用ワイヤと母材間にアークを発生させて両者を溶融させて溶接する方法であり、消耗電極方式溶接法と呼ばれている。
【０００７】
これらのアーク溶接法では、レーザー溶接法に比べて熱源の収束性が劣ることや溶接速度が遅いために、薄鋼板構造物に対して溶接入熱が過大であり溶け落ち欠陥が発生しやすく、継手強度を低下させるという課題を有する。
【０００８】
一方、薄鋼板溶接への適用例は無いが、レーザーとアークとを同時に照射して溶接する方法が提案されている。
【０００９】
レーザー溶接とアーク溶接を複合させた場合の溶け込み量は、単純に両溶接法の溶け込み量の和よりも大きくなる。これはレーザー照射によって、溶接部にキーホールが形成されるため、アークの加熱が鋼材の表面からだけではなく、キーホール内部からも行われるためであると考えられている。加えて、アークによって鋼材表面が加熱されるために、レーザーエネルギーの鋼材への吸収率が向上するためと指摘されている。
【００１０】
この溶接方法は、例えば、特開昭62-263869号公報、特許登録1798896号公報、特開平9-122950号公報および特開平10-272578号公報において開示されている。ここで共通していることは、レーザーとティグアークとを複合化していることである。特開平10-216979号公報には、レーザーとプラズマを複合化した溶接方法が開示されている。
【００１１】
しかし、ここで開示されている溶接技術は、薄鋼板間に隙間を有する薄板構造物の重ねおよび隅肉溶接には適さない。すなわち、レーザーとティグアーク或いはプラズマを複合化することにより、溶接速度の高速化を図ることができるが、ティグアーク或いはプラズマ溶接法はいずれも非消耗電極方式溶接法であるため、重ね継手における上下被溶接物間の隙間の許容量の増加には寄与せず、溶け落ち欠陥に起因して継手強度の低下をきたすという課題は解決できない。
【００１２】
レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化した溶接法については、IIW Doc.XII-1565-99等に研究例が記載されている。ここでの研究例は、厚鋼板およびアルミニウム合金の溶接事例が示されている。前者の厚鋼板の溶接に関して、開先形状をＶ開先からＹ開先にすることにより溶接生産性が向上することや、アーク溶接の後熱サイクルによりレーザー溶接金属が焼きなまされて靭性向上が図れると指摘されている。一方、後者では、アルミニウム合金薄板の突合せ溶接の研究事例が示されている。ここでは、アルミニウム合金はレーザー光に対して反射率が高いため、レーザーの溶接効率が低い。そこで、アーク熱源でアルミニウム合金を加熱してレーザー光の吸収率を高めることで、高能率の溶接が可能となると指摘されている。
【００１３】
しかし、これらの研究事例においても、薄鋼板構造物の重ね溶接における、被溶接物間の隙間の許容量の増加には寄与せず、溶け落ち欠陥に起因して継手強度が低下をきたすという課題は解決できない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、薄鋼板或いはそれによって形成された構造物の重ね溶接において、以下の課題があった。
【００１５】
レーザー溶接では被溶接物間の隙間許容量が小さく、隙間が許容量を超えた場合に上側の被溶接物が溶け落ちるという課題がある。また、溶接ビード幅が狭いため被溶接材の板厚が厚いあるいは強度が高い場合には溶接部の強度が母材のそれを下回り、十分な継手強度を確保できない問題がある。この課題を解決するためにはビード幅を広くしてやればよいが、これを実現する適当な溶接技術がなかった。すなわち、レーザー溶接ではビード幅を広げるためにレーザパワーを増加あるいは溶接速度を低下させてもレーザー光線は金属薄板を貫通してしまいビード幅を大幅に広げることはできない。
【００１６】
各種のアーク溶接では、薄鋼板構造物を対象にした場合には溶接入熱が過大であり上下側の被溶接物が溶け落ちるという課題がある。さらには、アーク溶接法では溶接速度を上げるとビードがハンピングする、アークが維持できなくなるなどそれぞれのパラメータを独立に変えうる範囲が狭く、溶接入熱をコントロールすることが難しい。このため、薄鋼板の突合せ溶接において板厚に応じた適正なビード幅の溶接部を得ることがむずかしい。
【００１７】
レーザーとティグアーク或いはプラズマを複合溶接法では、溶接用ワイヤを添加する溶接法でないため、レーザー溶接と同様に上側の非溶接物が溶け落ちるという課題を解決できない。
【００１８】
溶接用ワイヤを添加する溶接法としては、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化した溶接法があるが、隙間を有する薄鋼板構造物の重ね溶接を対象とした溶接技術は存在しない。
【００１９】
本発明は、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化する際にその溶接ビードの幅を特定条件を満足するように設定することにより、隙間を有する薄鋼板或いはそれによって形成された構造物の重ね溶接において隙間許容量を増大し，ビード幅を適正化することにより十分な継手強度が得られ、かつ高速溶接をおこなうことができる、重ね溶接法及び溶接結合薄鋼板を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、薄鋼板の重ね溶接において溶接予定個所にＹＡＧレーザーを照射する工程と、この照射工程の後、高温領域の溶接予定個所にガスメタルアーク溶接を行なう工程を備え、前記レーザー照射工程及びアーク溶接工程において溶接ビードの幅Ｗが以下の式（１）の条件を満足するようにレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調節した薄鋼板の重ね溶接方法。
Ｗ＞ＴＳ×ｔ／（１．９×Ｈｖ）（１）
ただし、Ｗ（ｍｍ）：溶接ビード幅（２枚の板の間におけるビード幅）、Ｈｖ：溶接金属のビッカース硬さ、ｔ（ｍｍ）：板厚（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）、ＴＳ（ＭＰａ）：引張強さ（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）である。
第２の発明は、ＹＡＧレーザーを照射する工程においてレーザーの狙い位置が、ガスメタルアーク溶接の狙い位置よりも０ｍｍ以上、８ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする第１の発明に記載する薄鋼板の重ね溶接方法。
第３の発明は、ガスメタルアーク溶接工程において、溶接ワイヤ材料の化学成分が質量％でＣ：０．００１０〜０．０３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．５０％、Ｍｎ：０．０２〜１．５０％を満たす範囲で含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分を有することを特徴とする第１または第２の発明に記載の薄鋼板の重ね溶接方法。
第４の発明は、厚さ０．３ｍｍ以上、６ｍｍ以下の薄鋼板を第１〜第３の発明のいずれかの方法で重ね溶接して製造された溶接結合薄鋼板。
第５の発明は、第１〜第３の発明のいずれかの重ね溶接方法で使用される化学成分が質量％でＣ：０．００１０〜０．０３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．５０％、Ｍｎ：０．０２〜１．５０％を満たす範囲で含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分を有する溶接ワイヤ材料である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に適用できる薄鋼板の適用板厚範囲は、溶接入熱、溶接速度等の溶接条件に依存するが、一般的には、０．３ｍｍ以上、６ｍｍ以下である。
【００２２】
この薄鋼板を金型或いはロール等で成形した複数の部材を溶接する場合には、薄鋼板成形品はスプリングバックにより重ね部或いは重ね隅肉部に隙間を生じているから、溶融金属を供給しながら溶接する必要がある。本発明者らは、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した溶接方法に関して、溶接の高速化や溶接精度が大幅に緩和する技術を見出した。
【００２３】
第１の発明によると、レーザー溶接と溶接用ワイヤを供給するガスメタルアーク溶接とを複合化した溶接法（レーザー溶接後にガスメタルアーク溶接する溶接法）により、隙間を有する薄鋼板成形品を溶け落ち等の溶接欠陥なしで溶接することができる。
【００２４】
すなわち、ガスメタルアーク溶接単独では、溶接速度は最大２ｍ／ｍｉｎ程度であり、薄鋼板構造物を溶接する場合には、溶接入熱が過大となり溶け落ち欠陥を生じやすい。
【００２５】
これに対し、本発明では、レーザー照射後ガスメタルアーク溶接を行っている。このことにより、レーザーを照射された鋼材は、溶融・蒸発して、その一部が電離してプラズマとなる。この高温領域は、レーザー照射により金属蒸気密度および金属イオン密度が高いことに加えて、鋼材からの熱電子放出エネルギー或いは鋼材への熱電子吸収エネルギーも大幅に低下するため、ここにアークを照射すれば容易にアークの陽極点或いは陰極点になりやすく、アークの発生・維持が安定化し、アークが集中するようになる。またＹＡＧレーザーはアークにより発生するプラズマに吸収されないのでアーク中に照射することができる。しかし炭酸ガスレーザはアークにより発生するプラズマに吸収されるので、レーザー照射位置をアーク溶接位置から離さなければならずレーザーとアークの複合効果が得られない。
【００２６】
したがって、本発明によれば、レーザー溶接と複合化することによりガスメタルアークは安定化し、溶接速度が６ｍ／ｍｉｎ超えでも溶接可能となる。このように、高速溶接を可能となるため、溶接入熱はガスメタルアーク単独溶接に比べて３０％以下となり、溶け落ち欠陥を生じなくなる。くわえて、ガスメタルアーク溶接では溶接用ワイヤを溶融して、薄鋼板構造物の隙間を埋めながら溶接が行われるため、隙間許容量を大幅に増加させることができる。
【００２７】
そして本発明では、適正な溶接ビード幅Ｗを式（１）となるように規定している。
【００２８】
Ｗ＞ＴＳ×ｔ／（１．９×Ｈｖ）（１）
ただし、Ｗ（ｍｍ）：溶接ビード幅（２枚の板の間におけるビード幅）、Ｈｖ：溶接金属のビッカース硬さ、ｔ（ｍｍ）：板厚（垂ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）、ＴＳ（ＭＰａ）：引張強さ（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）である。
【００２９】
従来法であるレーザーによる重ね溶接ではビード幅は板厚によらずほぼ一定であり、２枚の重ね溶接される鋼板の板厚に応じて適正なビード幅にすることが困難である。これに対して本発明の方法によれば、レーザー溶接とアーク溶接を複合していることによりアークが安定化し、アーク電流や溶接速度のとりうる範囲が広く、溶接入熱の調節が容易にできる。このことにより、被溶接材の板厚、強度に応じた適正な溶接ビード幅を得ることができる。
【００３０】
ビード幅を２枚の鋼板の間のビード幅により式（１）のように規定した。この理由を図を用いて説明する。図１に２枚の薄鋼板を重ね溶接する場合の溶接部断面を示す。
図１に示す量ね溶接継手の単位幅あたりの溶接金属の引張り強さＴｗ（Ｎ／ｍｍ）は溶接金属のビッカース硬さＨｖと２枚の鋼板の間のビード幅Ｗ（ｍｍ）により以下のように表される。
Ｔｗ＝１．９×Ｈｖ×Ｗ
母材の単位幅あたりの引張り強さＴＢ（Ｎ／ｍｍ）は材料の引張り強さＴＳ（ＭＰａ）と板厚ｔ（ｍｍ）とから以下のように表される。
ＴＢ＝ＴＳ×ｔ
溶接金属の強度が母材の強度を超えて、継手が母材で破断するようにするには
１．９×Ｈｖ×Ｗ＞ＴＳ×ｔ
すなわち、Ｗ＞ＴＳ×ｔ／（１．９×Ｈｖ）を満足すればよい。なお溶接金属の硬さＨｖは溶接条件や母材および溶接ワイヤの組成に依存するため、実測して溶接ビード幅Ｗを決定すればよい。
【００３１】
ここで、ガスメタルアーク溶接装置は、薄鋼板の溶接を対象とするため、溶接用ワイヤは直径１．２ｍｍ以下の細径ワイヤを用いるのが望ましい。シールドガスには、アークの安定性と溶接金属の酸化防止とを同時に達成するために、アルゴンガス等の不活ガスを用いることが望ましいが、アルゴンガス中に炭酸ガスを１０〜１００％の範囲で混合させたガスおよびアルゴンガス中に水素ガス或いはヘリウムガスを２〜２０％の範囲で混合させたガスを用いることもできる。
【００３２】
また本発明では、レーザー光軸に対して，ガスメタルアークトーチの照射角度を５度以上、５０度以下に設定するのが好ましい。
【００３３】
レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５度未満に設定すると、レーザー溶接により形成される蒸発孔をガスメタルアーク溶接により供給される溶融金属が潰すため、溶け込み深さが減少すると同時に、その溶融金属にレーザーが照射されてスパッタの発生が誘発され、溶接継手品質を低下させるという問題を生じる。
【００３４】
一方、レーザー光舳に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５０度越えに設定すると、レーザー照射によりレーザー光軸と同軸方向に形成される蒸発孔に対して、ガスメタルアーク溶接からの溶融金属の供給角度が急峻になるため、レーザー溶接部に安定に溶融金属を供給できず、ブローホールやハンピンングビード等の溶接欠陥が発生しやすい。このような理由から、ガスメタルアークトーチの照射角度を５度〜５０度とするのがよい。
【００３５】
光学系には、変向用反射ミラーと数枚の正負の集束レンズを組み合わせた光学系を備えるものが好ましいが、レンズ系を用いずに凹面饒と凸面鏡の組み合わせだけでレーザー光を集束するようにしてもよい。
【００３６】
次に第２の発明によると、レーザーの狙い位置は、溶接線方向に対して、ガスメタルアーク溶接の狙い位置よりも０〜８ｍｍ先行するように設定されている。
【００３７】
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離が、８ｍｍを越えて設定された場合には、両者の距離が離れすぎているため、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果が期待できなくなる。また、レーザーの狙い位置が、溶接線方向に対して垂直方向に、ガスメタルアーク溶接の狙い位置がずれた場合でも、プラスマイナス２ｍｍ以内に設定されていれば、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果が認められ、好適である。
【００３８】
第３の発明では、本発明の重ね溶接を行う際に、溶接ワイヤ材料の化学成分を質量％でＣ：０．００１０〜０．０３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．５０m％、Ｍｎ：０．０２〜１．５０％、残部が実質的に鉄および不可避的不純物からなると規定している。本発明の方法では溶接入熱が少ないため溶接金属は急速冷却され硬化する。溶接部が硬化すると結合部材の成型性が低下する。このため上記のように溶接ワイヤの成分を規定した。以下にそれぞれの成分をこのように規定した理由について述べる。
【００３９】
Ｃ：０．００１０〜０．０３０％
Ｃは鋼の焼入れ性を高め、溶接金属の硬化をもたらす元素である。このため０．０３０％以下とする。しかし、Ｃ濃度をあまり低くしすぎると粒界強度が低下して２次加工割れが生じやすくなるため０．００１０％以上とする。
【００４０】
Ｓｉ：０．０２〜１．５０％
Ｓｉは脱酸元素として添加するほか、鋼を固溶強化するため用いられる。溶接中に酸素が空気中またはシールドガスから溶接金属に混入し、鋼中のＣと反応してＣＯとなりブローホールの原因となるのを防止するためＳｉは０．０２％以上添加する。しかしながら過剰の添加は鋼の焼入れ性を高め溶接金属の硬化をもたらすため１．５０％以下とする。
【００４１】
Ｍｎ：０．０２〜１．５０％
Ｍｎも脱酸元素として添加するほか、鋼を固溶強化するため用いられる。溶接金属の脱酸のため０．０２％以上添加するが、過剰の添加鋼の焼入れ性を高め溶接金属の硬化をもたらすため１．５０％以下とする。
【００４２】
さらに残部は実質的に鉄および不可避的不純物からなるが、本発明の作用効果を妨げない範囲で不可避的不純物以外の微量元素を含んでもよい。
第４の発明は、本発明の重ね溶接で得られた溶接結合薄鋼板である。また、第５の発明は、本発明の重ね溶接で用いる溶接ワイヤ材料である。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
【００４４】
［実施例１］
上側と下側の板厚がそれぞれ、０．８ｍｍと１．２ｍｍの薄鋼板の重ね溶接を行った。薄鋼板はいずれも４５０ＭＰａ級冷延鋼板である。機械的性質を表１に示す。重ね継手として、上下鋼板の隙間を、０．２５ｍｍから２．０ｍｍまで変えた試験片を準備した。溶接は、ＹＡＧレーザー溶接法のみ、ガスメタルアーク溶接法のみ、およびＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。各溶接法の溶接条件を表２に示す。またガスメタルアーク溶接のみ、及びＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明方法のガスメタルアーク溶接では直径０．８ｍｍの溶接ワイヤを用いた。この溶接ワイヤーの組成を表３に示す。
【００４５】
表４（及び表４続き）に、試験結果を示す。溶接試験の評価は、以下のように行った。溶け落ちがなく、継手強度が十分な溶接部が得られた場合を「〇」とした。これに加えてスパッタ付着がなく、ハンピングによるビード幅のばらつきがほとんどなく、均一なビードが形成された場合を「◎」とした。また、溶け落ちは生じないが溶け込み深さの僅かな低下などにより溶接継手品質が若干低下する場合を「△」、溶接部が溶け落ちた場合を「×」とした。また、上側と下側の鋼板がつながらない場合も、継手強度がゼロのため、「×」とした。特に、ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が高速化するとアークが不安定となり溶接部が形成できなくなる。この場合も「×」とした。
【００４６】
ＹＡＧレーザー溶接法では、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、鋼板隙間の許容量は０．５ｍｍであるが、１．０ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度では、鋼板隙間の許容量は０．２５ｍｍと狭くなる。これは、ＹＡＧレーザーでは溶接幅が約１ｍｍと狭いため、溶融金属量が少なく、高々０．５ｍｍの鋼板隙間があっても上側と下側の鋼板とがつながらないためである。
【００４７】
ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、溶接入熱が過大となるため溶け落ちる。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎでは、溶接入熱が適正であり、鋼板隙間が０．７５ｍｍまでは健全な溶接部がえられるが、鋼板隙間が０．７５ｍｍを越えると、上側の鋼板に溶け落ちが生じ、上下の鋼板がつながらない。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎを越えるとアークが不安定となり健全な溶接部が形成できなくなる。
【００４８】
本発明法のレーザー・アーク複合溶接法では、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎと低速の場合においても、アークがレーザー照射部に集中し、溶接部幅はガスメタルアーク溶接法に比較して約５０％と細くなるため、溶け落ちは生じない。また、鋼板隙間の許容量は２．０ｍｍ越えとなる。さらに、アークはレーザー照射により安定するため、溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎ以上の場合でも、溶け落ちのない健全な溶接部が得られ、鋼板隙間の許容量は２．０ｍｍ越えである。
【００４９】
鋼板隙間１．０ｍｍ以下の場合には、ビード幅のばらつきがほとんどなく、均一なビードが形成されている。鋼板隙間が１．０ｍｍ越えで２．０ｍｍ以下の場合には、溶け込み深さがややばらつくが、溶け込み深さの減少はない。鋼板隙間が２．０ｍｍの場合には、溶け込み深さがやや減少する。
したがって、本発明法は、溶接の高速化と溶接精度の大幅な緩和が同時に達成できる。
【００５０】
【表１】

【００５１】
【表２】

【００５２】
【表３】

【００５３】
【表４】

【００５４】
【表５】

【００５５】
［実施例２］
レーザー光軸に対するガスメタルアークトーチの照射角度の溶接部品質に及ぼす影響を調査した。
溶接実験では、上側と下側の板厚がそれぞれ１．２ｍｍと１．６ｍｍで、０．５ｍｍの隙間を有する重ね試験片を用いて、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。溶接条件は、レーザー光軸に対するガスメタルアークトーチの照射角度を５度から７０度まで変化させた。その他の条件は、表２に示す条件と同じである。また、溶接継手部の品質評価は、実施例１で実施した評価方法と同様の方法で行った。また鋼板はいずれも実施例１で用いたのと同様の４５０ＭＰａ級冷延鋼板である。
【００５６】
表５に、溶接試験結果を示す。
レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度が５度未満の場合においては、スパッタの発生が多く溶け込み深さが若干低下した。
一方、レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５０度越えに設定すると、レーザー溶接部にガスメタルアーク溶接からの溶融金属の供給安定にやや劣り、ハンピングビードとなっている。
したがって、好ましくは、レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を、５度以上、５０度以下に設定することにより、健全な溶接部が確実に得られることがわかる。
さらに、レーザー光軸に対してガスメタルアークの照射角度を、１０度以上、３０度以下に設定すると、スパッタの付着が大幅に減少して、ハンピングによるビード幅のばらつきもほとんどなくなるため、レーザー光軸に対してガスメタルアークトーチの照射角度を１０度以上、３０度以下に設定することがより好ましい。
【００５７】
【表６】

【００５８】
［実施例３］
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の溶接部品質に及ぼす影響を調査した。
溶接実験では、上側と下側の板厚がそれぞれ１．２ｍｍと１．６ｍｍで、０．５ｍｍの隙間を有する重ね試験片を用いて、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。溶接条件は、レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置を、０ｍｍから１２ｍｍまで変化させた。その他の条件は、表２に示す条件と同じである。また、溶接継手都の品質評価は、実施例１で実施した評価方法と同様の方法で行った。また鋼板はいずれも実施例１で用いたのと同様の４５０ＭＰａ級冷延鋼板である。表６に溶接試験結果を示す。
【００５９】
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離が８ｍｍを越えて設定された場合には、両者の距離が離れすぎているため、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果が低下して、溶けこみ深さが僅かに減少している。したがって、レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離を健全な溶接部が確実に得られる０ｍｍ以上、８ｍｍ以下、より好ましくは６ｍｍ以下に設定することが望ましい。
【００６０】
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離を０ｍｍ以上、２ｍｍ以下に設定すると、レーザー照射部によるアークの安定と集中効果がより顕在化するため、溶け込み深さの均一性が高まり、スパッタの発生も抑えられるため、レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離を０ｍｍ以上、２ｍｍ以下に設定するのがより好ましい。
【００６１】
【表７】

【００６２】
［実施例４］
薄鋼板の重ね溶接を本発明のレーザー・アーク接合溶接溶接法および比較としてレーザー溶接（単独）、ガスメタルアーク溶接（単独）により作成した。
【００６３】
溶接に用いた鋼板は厚み１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級熱延鋼板である。表７に化学成分、概械的特性を示す。
【００６４】
【表８】

【００６５】
溶接条件を表８に示す。
【００６６】
【表９】

【００６７】
またガスメタルアークに用いた溶接ワイヤの組成を表９に示す。
【００６８】
【表１０】

【００６９】
図２に重ね溶接継手の評価に用いた、せん断引張り試験片の形状を示す。幅１０ｍｍの鋼板を重ね合わせて、引張り方向に垂直に溶接ビードを置いている。
【００７０】
表１０に重ね溶接継手の評価結果を示す。レーザ（単独）溶接の場合にはビード幅が狭いため、溶接部の強度は母材を下回り、継手はいずれも溶接部で破断している。またガスメタルアーク溶接（単独）ではビード幅が広くなるため溶接部の強度は高くなるが、入熱が過大であり熱影響部が軟化するため継手の強度は母材の強度から本来得られるせん断引張り強さ（約９８００Ｎ）を大きく下回っている。またガスメタルアーク溶接では入熱を下げるために溶接速度を上げると、ビードがハンピングしてビードが安定して形成できなくなる。
【００７１】
これに対し、レーザー・アーク複合溶接法ではレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調整して適正なビード幅および入熱をとることができる。このため熱影響部の軟化はまったく生じておらず、ビード幅Ｗを本発明の範囲（Ｗ＞ＴＳ・ｔ／１．９Ｈｖ）に設定した場合には、継手は母材で破断し、母材の本来の強度が得られている。
【００７２】
また、この表から、本願発明の溶接方法はレーザー（単独）、ガスメタルアーク（単独）と比較して高い溶接速度が得られることが明らかである。
【００７３】
【表１１】

【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化する際に、溶接ビード幅を薄鋼板の引張り強さ、板厚、溶接金属のビッカース硬さにおうじて調節する本発明のレーザー・アーク複合溶接方法によれば以下のような効果を奏する。
【００７５】
（１）レーザー単体およびアーク単体での溶接に比較して、重ね溶接の許容隙間量が、大幅に拡大できる。
【００７６】
（２）アーク単体溶接に比べて大帽に高速化でき、レーザー溶接並みの高速度溶接が可能である。
【００７７】
（３）入熱を抑えて適正なビード幅を得ることができるので十分な継手強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね溶接継手の断面図。
【図２】重ね溶接継手のせん断引張り強さ試験片の説明図。

Claims

薄鋼板の重ね溶接において溶接予定個所にＹＡＧレーザーを照射する工程と、この照射工程の後、高温領域の溶接予定個所にガスメタルアーク溶接を行なう工程を備え、前記レーザー照射工程及びアーク溶接工程において溶接ビードの幅Ｗが以下の式（１）の条件を満足するようにレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調節した薄鋼板の重ね溶接方法。
Ｗ＞ＴＳ×ｔ／（１．９×Ｈｖ）（１）
ただし、Ｗ（ｍｍ）：溶接ビード幅（２枚の板の間におけるビード幅）、Ｈｖ：溶接金属のビッカース硬さ、ｔ（ｍｍ）：板厚（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）、ＴＳ（ＭＰａ）：引張強さ（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）である。
ＹＡＧレーザーを照射する工程においてレーザーの狙い位置が、ガスメタルアーク溶接の狙い位置よりも０ｍｍ以上、８ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載する薄鋼板の重ね溶接方法。
ガスメタルアーク溶接工程において、溶接ワイヤ材料の化学成分が質量％でＣ：０．００１０〜０．０３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．５０％、Ｍｎ：０．０２〜１．５０％を満たす範囲で含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄鋼板の重ね溶接方法。
厚さ０．３ｍｍ以上、６ｍｍ以下の薄鋼板を請求項１〜３のいずれかの方法で重ね溶接して製造された溶接結合薄鋼板。
請求項１〜３のいずれかの重ね溶接方法で使用される化学成分が質量％でＣ：０．００１０〜０．０３０％、Ｓｉ：０．０２〜１．５０％、Ｍｎ：０．０２〜１．５０％を満たす範囲で含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分を有する溶接ワイヤ材料