JP5483553B2

JP5483553B2 - レーザ・アーク複合溶接法

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Publication number: JP5483553B2
Application number: JP2010009260A
Authority: JP
Inventors: 昌好奥村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: JP2011147944A

Description

本発明は、レーザ溶接および消耗電極式アーク溶接により複合接合して一対の被溶接部材を接合するためのレーザ・アーク複合溶接法に関し、特に一対の被溶接部材間に大きな隙間が存在しても、良好な溶接継手が形成できるレーザ・アーク複合溶接法に関するものである。

曲げ加工やリブ溶接による熱歪み変形の影響を受けた鋼板等の被溶接部材では、溶接接合部（例えば、鋼板の突合せ溶接では鋼板の端面）全長に亘って隙間のない若しくは隙間が一定であるということは殆ど無く、２ｍｍ以下の大きな隙間（以下、「ギャップ」と呼ぶことがある）が存在することがある。大きなギャップが存在する状態のままで溶接を行うと、溶湯垂れや引け等により未溶着隙間となり、溶接欠陥の原因となる。こうしたことから、比較的大きなギャップが存在しても、溶接欠陥を発生させることなく良好な特性の溶接継手が得られるような（以下、このような特性を「耐ギャップ性に優れる」と称する）溶接方法が望まれているのが実情である。

ＭＩＧアーク溶接（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔ−ｇａｓａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ）のような消耗電極式アーク溶接のみで、溶接ワイヤ径（例えば、φ１．２ｍｍ）よりも大きなギャップが存在する状態の溶接を行う際には、図１に示すように、裏当て材を溶接線全長に亘って取り付けると共に、複数回溶接（図１では４ビード、３層）するのが通常である。しかしながら、消耗電極式アーク溶接のみで上記のような溶接を行なうことは、手間がかかると同時に生産性に支障を来すという問題がある。また、板厚が比較的薄い（例えば、厚さｔ：５ｍｍ以下）鋼板を被溶接部材として用いた場合には、アークによる熱影響によって、鋼板が変形するという問題がある。

一方、レーザ溶接とアーク溶接とを組合せたレーザ・アーク複合溶接法は、エネルギー密度が相互に異なる２つの熱源を利用しているため、溶接速度の高速化、開先寸法精度の緩和、溶込み深さの向上、継手部の強度向上および溶接欠陥の抑制等の効果があることが知られている。また、溶接速度の高速化が達成されることによって、板厚が比較的薄い鋼板を被溶接部材として用いた場合であっても、熱量が小さくなることによってアークの熱影響による鋼板変形の発生が抑えられるという利点もある。

図２は、２枚の鋼板（被溶接部材）をレーザ・アーク複合溶接によって突合せ溶接するときの状況例を示す説明図であり、１ａ，１ｂは鋼板、２はレーザヘッド、３はレーザ光、４はアークトーチ、５は溶接ワイヤ、６は溶着金属、７は開先、８はルートギャップを夫々示している。溶接方向前方に、レーザヘッド２を、後方にアークトーチ４を夫々配置し、アーク溶接により鋼板１ａ，１ｂの溶接部に溶着金属６を生成させる前に、レーザ光３を開先７のルートギャップ８に照射して、そのルートフェイス面をレーザ光３によって溶融させた後、アーク溶接によって開先７間のルートギャップ８内に、溶接ワイヤ５の溶滴を流入させて溶着金属６を形成するものである。

こうしたレーザ・アーク複合溶接では、上記した利点を有するものの、耐ギャップ性が依然として良好でない場合があることが指摘されている。即ち、上記の溶接方法は、レーザ溶接を先行させるものであるが、レーザ溶接機と被溶接部材との相対位置の変動によって、レーザ光の焦点位置が溶接過程で変動してしまい、溶込み深さの変動要因となり、こうしたことが比較的大きなギャップが存在しているときに対応できないという問題が生じる。

こうした問題を解決するための技術として、例えば特許文献１に示されるようなレーザ・アーク複合溶接法も提案されている。この技術では、レーザ溶接とＭＡＧアーク溶接を併用する複合溶接法において、アーク溶接を先行させ、レーザ溶接を後行させ、レーザとアークを同一溶接線上に配置させながら溶接するものである。

この技術では、レーザ照射するに先立ち、消耗電極式アーク溶接によってシールドガス（イナートガス）をアークトーチから供給しつつ溶着金属を形成するものであり、レーザ光が確実に溶着金属に照射されることになってレーザ光の焦点位置の変動による影響が少なくなり、耐ギャップ性を良好にするものである。しかしながら、こうした方法によっても若干の解決すべき問題がある。

特開２００６−２２４１３０号公報

アーク溶接を先行させる複合溶接法においては、先行させるアークにおけるトーチ角の開き状態によって、２通りの施工方式が考えられる。その一つは、図３（ａ）に示すようにアークトーチの先端部を溶接進行方向に傾けた状態（即ち、トーチ角度θ₁が溶接方向の反対側に開いた状態）で、アーク溶接を実施する方法（以下、この方法による場合を「アーク前進角方式」と呼ぶことがある）である。もう一つの方法は、図３（ｂ）に示すようにアークトーチの先端部を溶接進行方向と反対の方向に傾けた状態（即ち、トーチ角度θ₁が溶接方向に開いた状態）で、アーク溶接を実施する方法（以下、この方法による場合を「アーク後退角方式」と呼ぶことがある）である。

アーク前進角方式では、扁平なビードが形成されてビード外観が良好になるのであるが、溶け込みが不足する傾向がある。また、アークトーチは、溶接線を含み一方の被溶接部材表面と直交する面内から外して配置される必要があり（後記図４参照）、その結果として溶着金属の偏りが生じて、ブローホールが発生しやすく、溶着金属（結果的に溶接金属）の靭性が悪くなるという問題がある。また、スパッタ生成量も多くなり、溶接作業性が悪くなる傾向がある。

これに対して、アーク後退角方式では、ビードが盛り上がる形で形成され、深溶け込みが達成されやすくなるが、幅が狭い外観で溶着金属が形成されることになり、ビード外観が悪くなるという欠点がある。また、アークトーチは、溶接線を含み一方の被溶接部材表面と直交する面内に配置できるので、発生するスパッタが少なくなると共に、溶着金属の偏りも少なくなると言う利点がある。

上記のように、アーク溶接を先行させる複合溶接法においては、先行させるアークのトーチ角をどの方式に採用しても、若干の問題が残ることになる。こうしたことから、複合溶接方法の利点を生かしつつ、深溶け込みを達成し、ビード外観が良好で、溶着金属の靭性も良好にできるような（即ち、良好な溶接継手を形成できるような）、溶接方法の実現が望まれているのが実情である。

本発明は前記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、アーク溶接およびレーザ溶接により一対の被溶接部材を溶接接合（複合溶接）するに際して、被溶接部材間に大きなギャップが存在していても、良好な溶接継手を高速にて形成することのできるレーザ・アーク複合溶接法を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明のレーザ・アーク複合溶接法とは、一対の被溶接部材を、レーザ溶接および消耗電極式アーク溶接により複合接合するレーザ・アーク複合溶接法において、アーク溶接を先行させると共にレーザ溶接を後行させて、アーク放電とレーザ光照射を同一溶接線上に配置させながら溶接し、且つアーク溶接では、一対のアークトーチを溶接線の両側に配置してそれらの先端を溶接進行方向に傾けた状態とし、前記一対のアークトーチ間の間隙を通って前記レーザ光を照射する点に要旨を有するものである。

本発明方法においては、前記一対のアークトーチは、トーチ角度とベベル角度が互いに等しく、操業電圧および電流が等しいものであることが好ましい。

本発明方法を実施するに当たっては、下記の条件（ａ）または（ｂ）の少なくともいずれかの条件を満足させることが好ましい。
（ａ）アーク溶接におけるアーク放電狙い位置とレーザ光の照射位置との間のアーク・レーザ間隔ＬＡを０ｍｍ超、１０ｍｍ以下に設定して操業を行なうこと、
（ｂ）前記被溶接部材は鋼板であって、鋼板同士を、開先を形成することなく突合せ溶接するものであること。

本発明によれば、アーク溶接を先行させると共にレーザ溶接を後行させるレーザ・アーク複合溶接を実施するに際し、アーク溶接では、一対のアークトーチを溶接線の両側に配置してそれらの先端を溶接進行方向に傾けた状態とし、前記一対のアークトーチ間の間隙を通って前記レーザ光を照射することによって、被溶接部材間に大きなギャップが存在していても、良好な溶接継手を高速にて形成することができた。

消耗電極式アーク溶接のみで、大きなギャップが存在する状態の溶接を行う場合の説明図である。２枚の鋼板（被溶接部材）をレーザ・アーク複合溶接によって突合せ溶接するときの状況例を示す説明図である。前進角および後退角の状況を説明する図である。アーク溶接をレーザ溶接に先行させるレーザ・アーク複合溶接法の詳細を説明するための図である。本発明の複合溶接法を説明するための図である。実施例における溶接接合部の状況を示す説明図である。従来方法（通常のレーザ・アーク複合溶接法）によって得られた溶接継手（突合せ溶接継手）の外観を示す図面代用写真である。後退角方式によるレーザ・アーク複合溶接法によって得られた溶接継手（突合せ溶接継手）の外観を示す図面代用写真である。

アーク溶接のトーチ角度θ₁を前進角とし、且つアーク溶接をレーザ溶接に先行させるためには、アークトーチをレーザヘッドよりも溶接方向後方に配置する必要がある。こうした状況を、図面を用いてより詳細に説明する。図４［図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図］は、アーク溶接をレーザ溶接に先行させるレーザ・アーク複合溶接法の詳細を説明するための図であり、その基本的構成は前記図２と類似し、対応する部分には同一の参照符号が付してある。尚、図４中、ＬＡはアーク放電狙い位置とレーザ照射位置との間隔（アーク・レーザ間距離）を示し、１０は溶接ワイヤ突出長を示している。

アーク溶接を先行させると共にレーザ溶接を後行させて、レーザとアークを同一溶接線上に配置させながら溶接する場合には、アーク溶接の溶接ワイヤとレーザ照射との干渉を避ける必要がある。このため、アークトーチは、溶接線を含み一方の被溶接部材表面と直交する面内から外して、より詳細には、一方の被溶接部材の表面にアーク放電線を投影したときに、この投影線と溶接線とのなす角度θ₂［図４（ａ）：この角度θ₂を「ベベル角度θ₂」と呼ぶ］で操業するのが一般的である。

また上記のようなベベル角度θ₂を設ける場合には、トーチ角度θ₁は、正確には「溶接線を含み一方の被溶接部材表面と直交する面にアーク放電線を投影したときに、この投影線と垂直線とのなす角度θ₁」となる。上記のようなベベル角度θ₂を設けることによって、アーク溶接の溶接ワイヤとレーザ照射との干渉を避けることができる。

アーク溶接を行なうに際しては、前進角方式および後退角方式のいずれを採用するにしても夫々の短所や長所があるが、ビード形状の良否（ビード幅の確保も含む）、ガスシールドの有無、溶接線の追跡の容易性等からすれば前進角方式を採用することが好ましいと考えられた。

そこで本発明者は、アーク溶接として前進角方式を採用することを前提とし、こうした方式を採用することによる不都合を解消するべく、様々な角度から検討した。その結果、アーク溶接では、一対のアークトーチを溶接線の両側に配置してそれらの先端を溶接進行方向に傾けた状態とし、前記一対のアークトーチ間の間隙を通って前記レーザ光を照射すれば、良好な溶接継手が形成できることを見出し、本発明を完成した。

図５は、本発明の複合溶接法を説明するための図である（前記図４と対応する部分には同一の参照符号を付してある）。即ち、本発明方法では、消耗電極式アーク溶接を先行させると共にレーザ溶接を後行させるレーザ・アーク複合溶接法を実施するに際し、アーク溶接では、一対のアークトーチ４ａ，４ｂを配置してそれらの先端を溶接進行方向に傾けた状態とし、前記一対のアークトーチ間の間隙を通って前記レーザ光３が照射されるようにするものである。

上記のように一対のアークトーチ４ａ，４ｂを配置することによって、溶着金属の偏りを回避し、溶着金属（結果的に溶接金属）の靭性が悪くなるという問題を解消できるばかりか、良好な溶け込みも達成できるものとなる。また前進角方式では、基本的に扁平なビードが形成されてビード外観が良好になるという特性も発揮されることになる。

本発明の複合溶接法を実施するに当たっては、前記一対のアークトーチは、必然的に一つの溶湯を形成するように配置されることになる。その際、これらのトーチ角度θ₁およびベベル角度θ₂は互いに等しくなるように配置される（この状態は、溶接線を含んで溶接面に対して垂直な面に対して面対称の関係になる）ことが好ましい。また、こうした状態とした上で、操業電圧および電流を等しくして操業を行なうことが好ましい。

上記のようにして操業することによって、一対のアークのお互いが斜めに照射されるのを打ち消すように作用し、溶け込んだ溶湯が一体化して、偏りを生じることなく深溶け込みが達成されるものとなる。その結果として、溶接継手においても、両被溶接部材において均等に溶着金属（即ち、溶接金属）が形成され、溶け残りが形成されにくくなり、ＨＡＺ靭性においてもより良好なものとなる。

本発明方法を実施するに当り、前記トーチ角度θ₁やベベル角度θ₂を適切に設定することも好ましい要件となる。例えばトーチ角度θ₁が適切でないと、良好なビードが形成されにくくなり、或いはアンダーカットやアンダーフィルが発生する原因となる。こうした観点から、本発明においては、前記トーチ角度θ₁は５〜３０°程度にすることが好ましい。

一方、ベベル角度θ₂が大きくなり過ぎると、溶着金属の溶け込みが悪くなったり、スパッタ発生の原因となるので、３０°以下とすることが好ましい。また、レーザ光との干渉を避けるという観点からすれば、ベベル角度θ₂は少なくとも５°以上であることが好ましい。

本発明のレーザ・アーク複合溶接法においては、消耗電極式アーク溶接におけるアーク放電狙い位置（溶接点）と前記レーザ光の照射位置との間のアーク・レーザ間隔ＬＡ（前記図５参照）も適切に設定することも好ましい要件である。即ち、レーザ照射とアーク放電が干渉することなく、両者を併用することによる効果を有効に発揮させるためには、アーク・レーザ間隔ＬＡは少なくとも０ｍｍ超とすることが好ましい。しかしながら、アーク・レーザ間隔ＬＡが大きくなり過ぎると、後行させるレーザ照射による効果が発揮され難くなるので、１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

本発明で適用する消耗電極式アーク溶接法は、基本的に不活性ガス（例えば、Ａｒ：１００容量％）を用いるＭＩＧ溶接が代表的な方法として挙げられるが、こうした方法に限らず、シールドガスとして一部にＣＯ₂ガスを含んだ雰囲気で行うＭＡＧ（Ｍｅｔａｌａｃｔｉｖｅ−ｇａｓｓｈｉｌｄｅｄａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ）溶接を適用することができる。また、こうしたＭＡＧ溶接を適用する際のシールドガスとしてはＡｒとＣＯ₂の混合ガス（一般的には８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂：「％」は容量％を示す）が挙げられる。

前記図２では開先７を形成したもの（開先加工したもの）を示したが、本発明方法によれば、基本的に開先７を形成せずとも実施できるものである。但し、溶接速度やギャップ量によって、アーク溶湯量が確保できないことや、レーザ光照射能力が不足する場合には、開先７を形成しても良い。

本発明方法は、被溶接部材として例えば鋼板を用いたときに、開先を形成することなく鋼板同士を突合せ溶接する場合に正常な溶接が行えるものである（後記図６参照）。また本発明の構成を採用することによって耐ギャップ性に優れたものとなるものであるが、必要によって開先を形成したものに適用してもよい。更に、ギャップが形成されない状態であっても本発明を実施しても良いことは勿論である。また本発明方法は、同厚の鋼板同士を突合せ溶接する場合に限らず、板厚の異なる鋼板（異厚材）を突合せ溶接する場合にも適用できるものである。

本発明のレーザ・アーク複合溶接法で用いるレーザ光は、溶接される鋼板（被溶接部材）に対してエネルギーを与えることができるものであれば特に限定されず、例えばＣＯ₂レーザ、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ等を用いることができるが、レーザ光の移送性を考慮すれば、ＹＡＧレーザやファイバーレーザを採用するのが好ましい。

本発明方法で用いられる被溶接部材（金属板）の種類についても限定されず、上記した鋼板以外にも、例えばアルミ板等にも適用できるものである。また、こうした被溶接部材の厚さについても限定されず、板厚が３〜４ｍｍの薄板であっても、変形を発生させることなく、溶接できるが、板厚が１２ｍｍまでの金属板についても（厚さの異同に拘わらず）適用できるものである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

板厚が６．０ｍｍの鋼板［鋼種：引張強度９８０ＭＰａ級鋼板］を一対用意し（同厚同士）、一対のＭＡＧアーク溶接（溶接装置：「ＤＷ３００」ダイヘン製）とファイバーレーザ溶接との複合溶接（アーク溶接先行、レーザ溶接後行）によって突合せ溶接を行った（溶接長：２００ｍｍ）。このときの溶接接合部の状況を図６に示す。上記溶接では、鋼板相互のギャップ（図中、「Ｇａｐ」と記する）は１．０ｍｍである。

このとき、シールドガス組成：８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂、レーザ条件（出力：２．５ｋＷ、溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎ、焦点の位置：＋７ｍｍ）で溶接を行った（ＭＡＧアーク溶接の溶接速度はレーザ溶接のときと同じとなる）。シールドガス（８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂の混合ガス）の流量は２５Ｌ／ｍｉｎとし、溶接ワイヤは、７８０ＭＰａ級（溶接後の強度が７８０ＭＰａ級）のＭＧＳ−８０（直径：１．２ｍｍ）を使用した。尚、アーク・レーザ間距離は７ｍｍ、ワイヤ突出長は１５ｍｍと一定に設定した。

このとき、アークトーチを一つだけ設ける従来方法で、（ａ）前進角方式による通常のアーク・レーザ複合溶接法（「通常のアーク・レーザ複合溶接法」と呼ぶ）と、（ｂ）後退角方式によるアーク・レーザ複合溶接法（「後退角方式によるアーク・レーザ複合溶接」と呼ぶ）において、上記と同様の条件で溶接継手（突合せ溶接継手）を形成した。

通常のアーク・レーザ複合溶接法によって得られた溶接継手（突合せ溶接継手）の外観を図７（図面代用写真）に、後退角方式によるアーク・レーザ複合溶接法によって得られた溶接継手（突合せ溶接継手）の外観を図８（図面代用写真）に夫々示すが、ビードが均一に形成されず溶接不良が生じていたり（図７）、良好なビード外観が形成されない（図８）状況であった。

これらに対し、本発明によるアーク・レーザ複合溶接法によって得られた溶接継手では、ビードが均一に形成されており、良好なビード外観を呈する状態で形成されていることが確認できた。

１ａ，１ｂ鋼板
２レーザヘッド
３レーザ光
４，４ａ，４ｂアークトーチ
５溶接ワイヤ
６溶着金属
７開先
８ルートギャップ

Claims

一対の被溶接部材を、レーザ溶接および消耗電極式アーク溶接により複合接合するレーザ・アーク複合溶接法において、アーク溶接を先行させると共にレーザ溶接を後行させて、アーク放電とレーザ光照射を同一溶接線上に配置させながら溶接し、且つアーク溶接では、一対のアークトーチを溶接線の両側に配置してそれらの先端を溶接進行方向に傾けた状態とし、前記一対のアークトーチ間の間隙を通って前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ・アーク複合溶接法。
前記一対のアークトーチは、トーチ角度とベベル角度が互いに等しく、操業電圧および電流が等しいものである請求項１に記載のレーザ・アーク複合溶接法。
アーク溶接におけるアーク放電狙い位置と、前記レーザ光の照射位置との間のアーク・レーザ間隔ＬＡを０ｍｍ超、１０ｍｍ以下に設定して操業を行なう請求項１または２に記載のレーザ・アーク複合溶接法。
前記被溶接部材は鋼板であって、鋼板同士を、開先を形成することなく突合せ溶接するものである請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ・アーク複合溶接法。