JP4035335B2

JP4035335B2 - アークとレーザの複合溶接方法

Info

Publication number: JP4035335B2
Application number: JP2002014582A
Authority: JP
Inventors: 賢司斉藤; 裕之武田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003220481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接とレーザ溶接とを複合して鋼製被溶接物の溶接を行うアークとレーザの複合溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アーク溶接とレーザ溶接とを複合して、鋼板部材からなる被溶接物であるＴ継手、重ね継手のすみ肉溶接を行うようにしたアークとレーザの複合溶接（以下、アーク・レーザ複合溶接という）方法が知られている（特開２００１−２７６９６９号公報）。この従来のアーク・レーザ複合溶接方法は、Ｔ継手、重ね継手のすみ肉溶接を行うに際し、高速で溶接を行う場合でもハンピング現象を発生することなく健全な溶接部を得ることができ、被溶接部材間に比較的大きなギャップ（Ｇａｐ）が存在する場合でも健全な溶接を行うことができ、また、溶接後の変形量が小さく、高い継手強度を得ることができるようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者らは、アーク・レーザ複合溶接を行う場合、以下に説明するような問題点のあることがわかった。
【０００４】
本発明者らは、アーク・レーザ複合溶接を行う場合、レーザ溶接単独の場合と比較して突合せ面でのギャップに対する許容範囲が拡大し、また、アーク溶接単独の場合と比較して高速溶接が可能となる等の長所が存在することを見出している。このような長所は、アークとレーザビームが相互に影響し合うことによって得られる有効な効果である。一方、このような効果が得られるものの、アーク・レーザ複合溶接特有の問題点があることがわかった。
【０００５】
すなわち、前記のような効果を得るためには、アークとレーザビーム間の距離をある程度以下に設定する必要があるものの、そのようなアークとレーザ間距離においては、レーザ溶接用のシールドガスとアーク溶接用のシールドガスとが互いにぶっかり合ってしまい、同一のシールドガス条件で各々単独で溶接を行う場合と比較して、シールド性、特にアーク溶接側のシールド性が低下しやすくなることがわかった。
【０００６】
特に、アーク・レーザ複合溶接の長所である高速溶接を行う場合、シールド性が著しく低下しやすくなり、溶融金属部への大気巻込みが顕著となり、大気中の酸素が溶融金属中に含まれるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ等の脱酸元素と反応し、酸化物が生成することになる。
【０００７】
通常のアーク溶接でも多少の大気巻込みは存在しており、またシールドガス中に含まれる酸素（シールドガスがＣＯ₂ １００％の場合、ＣＯ₂ →ＣＯ＋Ｏで生成）との反応により、このような酸化物は生成している。ところが、アーク溶接単独では、アーク・レーザ複合溶接と比較して入熱が大きく、冷却時間が十分に長いため、酸化物は、通常その多くがスラグとして溶融金属表面へと浮上し、靭性に対して無害、あるいは極めて軽微な影響を及ぼすに過ぎない。
【０００８】
しかし、アーク・レーザ複合溶接のように通常のアーク単独溶接に比べて冷却速度が著しく速い場合には、前述のような酸化物が溶接金属中に凍結され、外部から応力が負荷された際に破壊の起点となるため、溶接金属の靭性が著しく低下するという問題が生じる。なお、シールド性の低下を回避すべく、アークとレーザビーム間の距離を十分に離すようにすると、当然ながら、前述したアーク・レーザ複合溶接による効果（ギャップに対する許容範囲が拡大すること、高速溶接が可能であること）が得られなくなってしまう。
【０００９】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アーク溶接とレーザ溶接とを複合して被溶接物の溶接を行うに際し、溶接金属中に含まれる酸素量（酸化物量）を低減することにより、靭性の良好な溶接部を得ることができる、アークとレーザの複合溶接方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は次のように構成されている。請求項１の発明は、アーク溶接とレーザ溶接とを複合して被溶接物の溶接を行うアークとレーザの複合溶接方法において、アーク溶接のシールドガスとして不活性ガスに体積比率で２％以下のＯ₂を混合したガス又は不活性ガスに体積比率で５％以下のＣＯ₂ を混合したガスを使用するとともに、アーク溶接のシールドガス流量VA（リットル／ｍｉｎ）とレーザ溶接のシールドガス流量VL（リットル／ｍｉｎ）との比率VL／VAが、０．７≦VL／VA≦２の範囲を満足し、かつ、アーク溶接のシールドガス流量VAが３５リットル／ｍｉｎ以上であることを特徴とするアークとレーザの複合溶接方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記請求項１記載のアークとレーザの複合溶接方法において、溶接に先立つ前処理として、被溶接材における溶接線に沿う接合面及びその近傍の被溶接材表面に対して酸化膜除去を行うことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。まず、本発明によるアーク・レーザ複合溶接方法の構成と該方法における数値限定理由について詳細に説明する。
【００１６】
本発明者らは、アーク・レーザ複合溶接においては、溶融金属の冷却速度が速いために溶融金属中に混入する酸素量を極力抑える必要があることから、シールドガスから混入する酸素量が十分問題になり得る量であることを突き止め、溶接金属の靭性向上のためにはシールドガス中の酸素量低減が必須であると考えた。そこで、本発明によるアーク・レーザ複合溶接方法においては、アーク溶接のシールドガスとして、通常のガスシールドアーク溶接で多用されるＭＡＧ（マグ）溶接用シールドガスに代えて、ＭＩＧ（ミグ）溶接用シールドガスを用いている。すなわち、アーク溶接のシールドガスとして、不活性ガス（Ａｒガス）に少量の活性ガスを添加したガスであって、不活性ガスに２％（ｖｏｌ％）以下のＯ₂を混合したガス又は不活性ガスに５％（ｖｏｌ％）以下のＣＯ₂ を混合したガスを用いている。
【００１７】
ところで、アーク溶接側のシールドガスとしてＭＩＧ溶接用シールドガスを用いることだけでは、溶融金属部への混入酸素量の低減を十分になし得ることはできない。すなわち、前述したように、アーク・レーザ複合溶接においてはシールド性が低下し易いために、大気中からの酸素の混入が考えられるためである。
【００１８】
なぜなら、一般に、アーク溶接では、シールドガスの流量は通常２０〜２５リットル／ｍｉｎ程度であり、アークの周りを層流のシールドガスのカーテンで覆うようになっているからである。そのような状態で高速溶接を行うと、シールドのカーテンが乱れ易くなり、シールド性が低下する。また、アーク・レーザ複合溶接の場合、アークの近傍にレーザのシールドガスが存在するが、レーザ溶接でのシールドは、アーク溶接でのシールドとは発想が異なり、ビーム照射位置近傍をシールドガスで置換するものである。そのため、レーザ溶接のシールドガス流量は５０リットル／ｍｉｎ程度でアーク溶接のガス流量と比較して相当に多く、そのような大量に流されるレーザ用シールドガスが近傍に存在する場合、アーク溶接のシールド性が低下することが容易に推測できる。
【００１９】
したがって、アーク・レーザ複合溶接におけるアーク溶接のシールドガス流量VA（リットル／ｍｉｎ）は、高速溶接を行う際にも乱れないように、通常のアーク溶接よりも多くすること、また、レーザ溶接のシールドガスによって乱されることがないように、レーザ溶接のシールドガス流量VL（リットル／ｍｉｎ）との比率を適正な範囲とすること、が必要である。
【００２０】
以上の理由により、本発明によるアーク・レーザ複合溶接方法では、アーク溶接側のシールドガス流量VAの下限値、及び、アーク溶接のシールドガス流量VAとレーザ溶接のシールドガス流量VLとの比率VL／VAを規定した。
【００２１】
すなわち、アーク溶接側のシールドガス流量VAの下限値は、３５リットル／ｍｉｎ、好ましくは５０リットル／ｍｉｎである。また、比率VL／VAについては、０．７≦VL／VA≦２の範囲とした。アーク・レーザ複合溶接においては、レーザ溶接とアーク溶接が近傍で行われるため（例えば、アークとレーザ間距離：５ｍｍ）、双方のシールドガス流量が近いものでないと、一方のシールド性が他方のシールドガスによって低下することになる。そのため、比率VL／VAの下限値を０．７とし、上限値を２とした。この範囲を外れると、アーク又はレーザ溶接の側のシールド性が低下して、シールド性低下防止効果が発揮されない。
【００２２】
また、本発明によるアーク・レーザ複合溶接方法では、溶接に先立つ前処理として、被溶接材（被溶接物）における溶接線に沿う接合面及びその近傍の被溶接材表面に対してグラインダー処理、酸洗処理などによる被溶接材の酸化膜（酸化皮膜）除去を行うことがよい。これにより、溶融金属中への混入酸素量の一層の低減を図ることができる。
【００２３】
次に、本発明による請求項１又は２記載のアーク・レーザ複合溶接方法におけるアーク溶接の消耗電極として推奨されるアーク・レーザ複合溶接用溶接ワイヤの構成と該溶接ワイヤにおける数値限定理由について詳細に説明する。
【００２４】
本発明者らは、前記アーク・レーザ複合溶接方法に脱酸効果に優れた溶接ワイヤを用いることにより、溶接金属の靭性低下を防止して靭性の良好な溶接部を得ることを考えた。ところで、通常のアーク単独の溶接においても大気の巻込み等により、溶融金属中への酸素の巻込みは存在するために、一般的にはＳｉ、Ｍｎを添加してスラグとして除去することがなされている。
【００２５】
これに対して、アーク・レーザ複合溶接においては、通常のアーク単独の溶接と比較して冷却速度が速いために、酸化物の除去と同時に、鋼素地自身の硬化による靭性低下を防ぐことを考慮する必要がある。したがって、脱酸元素として考えられる元素のうちＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの増量は、溶接金属中への固溶量増大によるマルテンサイト化を促進し、鋼素地自身の靭性低下を招くために限界がある。
【００２６】
そこで本発明者らは、Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｃａといった、鋼の組織変化への影響が小さく、かつ脱酸効果が大きい元素に着目し、これらの元素の適正量添加により、鋼素地自身の靭性低下防止と脱酸とを両立しうると考えた。また、冷却速度の速いアーク・レーザ複合溶接において酸化物がスラグとして浮上するには、できるだけ速い時間で酸化物を生成する必要がある。前記元素：Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｃａは、いずれも通常の脱酸材として使用されているＳｉと比較して、酸化物形成能が高い元素であることから、短時間で酸化物を生成するという観点からも溶接ワイヤ成分として有効である。
【００２７】
ここで、溶接ワイヤの形態としては、フラックス入りワイヤ（以下ＦＣＷという）よりも、ソリッドワイヤである方が好ましい。なぜなら、ＦＣＷは、鋼製フープでフラックスを包み込んだ構造であるから、フラックス中又はフラックスとフープの間に含有する酸素量がソリッドワイヤに比べて多くなってしまうためである。
【００２８】
以上のことから、本発明による請求項１又は２記載のアーク・レーザ複合溶接方法におけるアーク溶接の消耗電極として推奨されるアーク・レーザ複合溶接用溶接ワイヤは、Ｃ、Ｓｉ及びＭｎを含有し、さらに、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＣａうちの少なくとも１種を含有し、かつ、これらＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＣａの総和Ｘが、質量％で、０．５％≦Ｘ≦３．０％の範囲を満足し、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなるものとした。ここで、前記総和Ｘを、０．５％≦Ｘ≦３．０％の範囲に規定した理由は、前記総和Ｘが０．５％を下回ると、前述した鋼素地自身の靭性低下防止と脱酸とを両立しうる効果が十分に発揮されず、一方、３．０％を上回ると前記効果が飽和するだけでなく、ワイヤコストが高くなる。したがって、前記総和Ｘの範囲は０．５％≦Ｘ≦３．０％とした。なお、このアーク・レーザ複合溶接用溶接ワイヤは、必要に応じて脱酸元素であるＣｒを添加するようにしてもよい。
【００２９】
【実施例】
表１に示す溶接条件にて突合せ継手のアーク・レーザ複合溶接を行い、溶接部の靭性を評価した。その際、アーク溶接用の溶接ワイヤ（ワイヤ径：１．２ｍｍφ）は、表２に示すものを作製して用いた。
【００３０】
溶接試験に用いた突合せ継手を図１に示す。同図に示すように、板厚（ｔ）５ｍｍ×幅（Ｗ）１５０ｍｍ×長さ（Ｌ）３００ｍｍの比較的薄板の被溶接鋼板１，２により突合せ継手を組み立て、鋼板端面１ａ，２ａの突合せ面をこれに沿って溶接した。突合せ継手を構成する被溶接鋼板１，２は、引張強さ８０ｋｇｆ／ｍｍ² （７８０Ｎ／ｍｍ² ）級高張力鋼を用いた。なお、表１の「溶接前処理」の欄において処理１とあるもの（Ｎｏ．１９及びＮｏ．２１）は、突合せ継手の組み立てに際し、鋼板端面１ａ，２ａと溶接線近傍の鋼板表面をグラインダー処理して、酸化皮膜の除去を行ったものである。
【００３１】
ここで、アーク・レーザ複合溶接におけるレーザ溶接には、炭酸ガスレーザを用いた（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２１）。また、アーク・レーザ複合溶接では、図３に示すように、アークを先行、レーザを後行とし、アークとレーザ間距離Ｄを５ｍｍとした（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２１）。このアークとレーザ間距離Ｄは、高速溶接時のアーク安定性や溶込み形状の適正化などのアーク・レーザ複合溶接における長所を十分に生かすことができるとともに、シールド不良防止を可能とする適正溶接条件の範囲内より５ｍｍに設定したものである。なお、レーザ先行の場合に比べてアークを先行させる配置の方が、溶込み形状が幅広となって酸化物の排出性に優れていることから、実施例及び比較例ともにアーク先行によるアーク・レーザ複合溶接を行った。なお、図３において、３は溶接トーチ、４は溶接ワイヤ、５はレーザノズル、６はレーザビームを、それぞれ示す。
【００３２】
靭性評価については、継手溶接部から、図２に示すサブサイズのシャルピー衝撃試験片を採取し、ＪＩＳ規格に準じてシャルピー衝撃試験を行って溶接部の靭性を評価した。評価基準は、４ｋｇｆ・ｍ以上の吸収エネルギーが得られたものを○（良好）、６ｋｇｆ・ｍ以上の吸収エネルギーが得られたものを◎（極めて良好）、４ｋｇｆ・ｍ未満の吸収エネルギーしか得られなかったものを×（劣る）とし、前記○及び◎を合格、×を不合格とした。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
表１から明らかなように、本発明例（Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２１）は、溶接部の含有酸素量を低く抑えることができ、靭性が良好な溶接が得られている。
【００３６】
一方、比較例（Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７、Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１６）では、本発明で規定する要件の何れかを欠くため、溶接部の靭性が低いものであった。すなわち、Ｎｏ．３はアーク溶接側のシールドガス流量が下限値を下回っており、アーク溶接側のシールド性が悪くて大気中からの酸素が溶融金属へ混入し、溶接部の靭性が低いものであった。Ｎｏ．４はアーク溶接側のシールドガス流量が下限値を外れるとともに、比率VL／VAが上限値を外れており、アーク溶接側のシールド性が悪く、溶接部の靭性が低いものであった。Ｎｏ．５は比率VL／VAが下限値を外れ、レーザ溶接側のシールド性が悪く、溶接部の靭性が低いものであった。Ｎｏ．６及びＮｏ．７はアーク溶接側のシールドガス組成が規定を外れており、溶接金属中の酸素量が多く、溶接部の靭性が低いものであった。
【００３７】
また、Ｎｏ．１４はアーク溶接側のシールドガス組成が規定を外れ、溶接部の靭性が低いものであった。Ｎｏ．１５はアーク溶接側のシールドガス流量が下限値を外れ、溶接部の靭性が低いものであった。Ｎｏ．１６はアーク溶接側のシールドガス流量が下限値を外れ、溶接部の靭性が低いものであった。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、アーク溶接とレーザ溶接とを複合して被溶接物のアーク・レーザ複合溶接を行うに際し、アーク溶接のシールドガスとして不活性ガスに体積比率で２％以下のＯ₂を混合したガス又は不活性ガスに体積比率で５％以下のＣＯ₂ を混合したガスを使用するとともに、アーク溶接側のシールドガス流量VAの下限値、及び、アーク溶接のシールドガス流量VAとレーザ溶接のシールドガス流量VLとの比率VL／VAを規定することで、溶接金属中に含まれる酸素量（酸化物量）を低減することにより、靭性の良好な溶接部を得ることができるアークとレーザの複合溶接方法を提供することができ、アーク・レーザ複合溶接の適用拡大に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接試験に用いた突合せ継手を示す斜視図である。
【図２】サブサイズのシャルピー衝撃試験片の形状寸法を示す斜視図である。
【図３】実施例におけるアークとレーザとの先行・後行の位置関係を示す模式的説明図である。
【図４】突合せ継手を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２…被溶接鋼板１ａ，２ａ…被溶接鋼板端面３…溶接トーチ４…溶接ワイヤ５…レーザノズル６…レーザビーム

Claims

アーク溶接とレーザ溶接とを複合して被溶接物の溶接を行うアークとレーザの複合溶接方法において、アーク溶接のシールドガスとして不活性ガスに体積比率で２％以下のＯ₂を混合したガス又は不活性ガスに体積比率で５％以下のＣＯ₂ を混合したガスを使用するとともに、アーク溶接のシールドガス流量VA（リットル／ｍｉｎ）とレーザ溶接のシールドガス流量VL（リットル／ｍｉｎ）との比率VL／VAが、０．７≦VL／VA≦２の範囲を満足し、かつ、アーク溶接のシールドガス流量VAが３５リットル／ｍｉｎ以上であることを特徴とするアークとレーザの複合溶接方法。
請求項１記載のアークとレーザの複合溶接方法において、溶接に先立つ前処理として、被溶接材における溶接線に沿う接合面及びその近傍の被溶接材表面に対して酸化膜除去を行うことを特徴とするアークとレーザの複合溶接方法。