JP5600837B2

JP5600837B2 - 狭開先多層盛レーザ溶接方法

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Publication number: JP5600837B2
Application number: JP2010157933A
Authority: JP
Inventors: 賢二篠崎; 元道山本; 浩渡辺
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-07-12
Also published as: JP2012020291A

Description

本発明はレーザ溶接とホットワイヤ溶接とを組合せた溶接方法に係わり、特に２０ｍｍ以上の鋼板あるいは鋼管の突合せ溶接を高品質、高能率に行うのに好適な狭開先多層盛レーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接は高いエネルギーのレーザ光を用い、レーザ光をレンズにより集光してより高いエネルギー密度として、被溶接部である鋼板等の母材に当てることにより母材を溶融するため、通常のアークを熱源とするアーク溶接に比べて前記母材の肉厚方向において深い溶込みが得られること、母材の溶融速度が早いことから高速溶接が可能であること、母材の溶融部の外側に生じる溶接熱影響部の範囲が狭くて溶接変形が少なく低歪みの溶接施工が行えること、などの特徴を有する溶接方法である。また、高能率溶接方法である電子ビーム溶接のように被溶接部を真空環境にする必要がないので、高能率溶接法として各方面で使用されるようになってきている。

一般的なレーザ溶接方法について説明する。説明を簡略化するため板上にビード置きを行うビードオンプレート溶接の例で説明する。一般的に知られているのは次の２種類である。まず１つは深溶け込み型レーザ溶接方法（キーホール溶接方法とも称することがある）であり、図６、図９に示す。図６において図示しないレーザ光源と被溶接部である母材３との間に置かれた集光レンズ１５により前記レーザ光源からのレーザ光１は集光されて焦点１４を形成する。さらにこの溶接方法では図９に示すように前記焦点１４の位置が母材３の表面に来るように設定することで、該母材３の表面に非常に高いエネルギー密度のレーザ光が供給されるため、母材３の表面は急速に溶融、蒸発して金属蒸気となる。この金属蒸発の反力により母材３の肉厚方向にはキーホール１６と呼ばれる空隙が形成され、母材３に対してレーザ光１を溶接方向に移動させることにより前記キーホール１６が連続的に形成される。前記キーホール１６の後方には溶融池５が連続的に形成されることから幅が狭く深い溶込みの溶接ビード４が得られる。得られたビード４の断面形状を図１０に示す。図１０において溶接ビード４の断面は母材３の肉厚方向に細く縦長の形状になる。なお、本明細書では説明の都合により、母材３または母材３および図示しない溶加材（ワイヤなど）とが溶融している状態を溶融池５とし、冷却により凝固した状態のものを溶接ビード４または溶接金属と呼称することにする。

次に、もう一つは熱伝導型レーザ溶接方法であり、図６、図７に示す。図６において図示しないレーザ光源と被溶接部である母材３との間に置かれた集光レンズ１５により前記レーザ光源からのレーザ光１は集光されて焦点１４を形成する。さらにこの溶接方法では、図６に示すようにレーザ光１の焦点１４の位置が母材３の表面よりレーザ光１の光源側に来るように設定すること（これを「焦点外し距離をプラスにする」ということがある）で、母材３の表面に前記焦点１４を合わせる場合よりも低いエネルギー密度のレーザ光１を照射して熱伝導により母材３を溶融する方法であり、前記図９に示すキーホール１６を形成する溶接方法に比べて母材３の肉厚方向に浅く幅の広い溶融池５が形成される。図７に示すように母材３に対してレーザ光１を溶接方向に移動させることにより溶接方向の後方には前記溶融池５が連続的に形成され、冷却して溶接ビード４が得られる。得られた溶接ビード４の断面形状を図８に示す。図８に示すように溶接ビード４の断面形状において、母材の溶け込みは母材３の肉厚方向に凸の半円形状になる。

前記深溶け込み型レーザ溶接方法と熱伝導型レーザ溶接方法とは、前記したようにそれぞれ異なる溶接方法であり、適用箇所により選択されている。前記深溶け込み型レーザ溶接方法では、１パスで得られる溶け込み深さが概ね出力１ｋＷ当たり約１ｍｍと熱伝導型レーザ溶接方法よりも大きな溶け込みが得られることから、５ｍｍ以下程度の薄板材同士を端面で溶接接合する場合などへの適用では、５,６ｋＷクラスのレーザ加工機を使用して、１パスでの溶接が可能であり広く普及している。板厚が５ｍｍより厚くなると、より出力の大きなレーザ加工機を使用することになるが、これらの板材同士を端面で溶接接合する場合などへの適用に対しては、特に溶接位置になる接合面の加工精度が高いことが不可欠であり、加工精度が悪くギャップ等が大きくなると出力が高いために溶け込み深さの制御ができず溶け落ちが生じるなど溶接ビードの成形が困難になるため、フィラーワイヤなどの溶加材を供給することが不可欠になる。

すなわちレーザ溶接単独では１パスでの溶融を行うには出力あたりの溶け込み深さには限界があり、通常使用されているのは５,６ｋＷ出力クラスのレーザ加工機を用いて板厚が５ｍｍより薄いものに対してであり、板厚が５ｍｍ以上になると溶接位置の加工精度が要求されるようになり、そうでないものはフィラーワイヤなどの溶加材を供給することが必要になる。１０ｍｍ、２０ｍｍなどさらに厚い板厚では、より出力の大きなレーザ加工機を使用することも可能だが、非常に高価であり、通常は５,６ｋＷ出力クラスのレーザ加工機を用いて、接合面を機械加工によりV型やU型の開先とし多層盛溶接していくことになる。
以上、深溶け込み型レーザ溶接で説明したが、それよりも溶け込み深さが小さい熱伝導型レーザ溶接方法においても同様である。

上記従来のレーザ溶接では１パスでの溶接可能な板厚に限界があるために、厚板をレーザ溶接する方法として、溶接部に狭い開先を設けて、溶接長手方向に溶接金属の積層を数回繰り返すことで肉厚全体を溶接する方法が行われている。特開平９−２０１６８７号公報（特許文献１）には肉厚５０ｍｍをレーザ溶接する技術が開示されており、非特許文献１には肉厚２０ｍｍ、３０ｍｍをレーザ溶接する技術が開示されており、非特許文献２には肉厚３０ｍｍ、５０．８ｍｍをレーザ溶接する技術が開示されている。すなわち、これら文献記載のレーザ溶接方法は、図１１に示すように被溶接部を狭い開先幅に設定して該開先内の母材３表面にワイヤ２を供給しつつ、レーザ光を狭い開先幅を通してワイヤ２に照射し、狭い開先幅の奥から層を形成して手前へと積層溶接する方法である。すなわち、特開平９−２０１６８７号公報（特許文献１）では開先幅は２±０．５ｍｍに設定されており、直径１．２ｍｍのフィラーワイヤを技術内容から推測される溶接方向前側から開先底部に向けて挿入後、レーザビームをフィラーワイヤに照射して、フィラーワイヤを溶融させて溶融池を形成しながら溶接部を繰り返し往復することで開先内に溶接金属の積層を形成している。また、非特許文献１では開先底幅は３．０ｍｍに設定されており、フィラーワイヤを溶接方向前側から開先底部に向けて挿入後、レーザビームをフィラーワイヤに照射して、該ワイヤを溶融させて溶融池を形成しながら溶接部を繰り返し往復することで開先内に溶接金属の積層を形成している。特開平９−２０１６８７号公報（特許文献１）の溶接方法と非特許文献２の溶接方法とが異なるのは、前者がレーザ光の焦点位置を開先底部のフィラーワイヤの位置よりレーザ光の光源側に来るように設定していることで前記の熱伝導型レーザ溶接方法のような溶接方法となっており、後者がレーザ光の焦点位置を開先底部のフィラーワイヤの位置にすることであり、前記の深溶け込み型レーザ溶接方法のような溶接方法となっていることである。

いずれの方法にしても開先幅の空間を通してレーザ光が、ワイヤの先端部すなわち溶接箇所へ照射される。このときワイヤは溶融するので、ワイヤが連続的に供給されるとともにレーザ光が移動して溶接層が形成される。このように溶接層の形成が繰り返されて溶接層が順次奥から手前へと形成されて、積層溶接が行われる。

次に、いままでは溶接金属による積層について説明してきたが、開先内を溶接金属により積層する場合に問題となるのは、開先面側の溶融が不十分な状態のままで溶融池が冷却されて、開先面の母材と溶接金属との間に空隙や、溶着はしているが融合していない融合不良が生じないようにすることである。特開昭６２−２２０２９３号公報（特許文献２）や特開平４−１５７０７７号公報（特許文献３）には、被溶接部を狭い開先幅に設定してワイヤを供給しつつ、レーザビームをミラーにより開先幅方向に揺動させて開先底を照射することで、ワイヤと開先壁及び開先底を溶融し、狭い開先幅の奥から手前に向けて順次層を形成して積層溶接するレーザ溶接による狭開先溶接方法が開示されている。

また、溶接電源とは別にワイヤ加熱電源よりワイヤに通電するホットワイヤ溶接法を用いることにより効率を向上させたレーザ溶接方法として、特開昭６１−２３２０８０号公報（特許文献４）には、ワイヤを溶接方向前方から供給して被溶接部前方の母材である未溶接部に接触させて通電による抵抗発熱した後にレーザ光に直接照射させるようにホットワイヤを供給し、溶接する方法が開示され、また特開昭６１−２３２０８１号公報（特許文献５）にはワイヤを溶接方向後方から供給して溶融池に接触して電気抵抗発熱し、同時にレーザ光に直接照射させるようにホットワイヤを供給し、溶接する方法が開示されている。

特開平９−２０１６８７号公報特開昭６２−２２０２９３号公報特開平４−１５７０７７号公報特開昭６１−２３２０８０号公報特開昭６１−２３２０８１号公報

多羅沢、安間、岡田、芦田、張「タグチメソッド手法による狭開先レーザ溶接条件の基礎検討」、溶接学会全国大会講演概要、Ｖｏｌ．８４、（２００９−４）張、芦田、多羅沢、安間、岡田「狭開先レーザ溶接部に生ずる溶接欠陥とその防止に関する検討」、溶接学会全国大会講演概要、Ｖｏｌ．８４、（２００９−４）

特開平９−２０１６８７号公報に記載された従来技術では、当該公報２頁の段落に記載されているように、被溶接部の開先幅を狭い開先幅に設定し、フィラーチューブ９（フィラーワイヤ９の誤記）を開先内の溶接箇所に挿入し、溶接箇所の正面に配置したトーチからレーザビームを、開先を通してフィラーチューブ９（フィラーワイヤ９の誤記）部に照射して溶接金属（当該公報には溶融池と称されている）を形成するようにしているため、溶融池の形成により溶融池にレーザ光が当たり、溶融池からの伝熱により開先壁と開先底を溶融するようになり、溶接効率を上げるためにフィラーワイヤの供給量を増やすか又はフィラーワイヤの供給量はそのままで溶接速度を速くすると、開先壁と開先底の溶融が悪くなり融合不良の欠陥が発生しやすくなるという問題があった。

また、特開昭６２−２２０２９３号公報や特開平４−１５７０７７号公報に記載された従来技術では、レーザ光を溶接部に直接照射するために開先壁と開先底の溶融能力が上がり効率向上が図られているが、レーザ光を揺動する光学系が複雑であり、長時間溶接を行おうとするとレーザ光を揺動するミラーはレーザ光により温度上昇し、ひずみが発生するため冷却機能が必要であるため、さらに光学系が複雑になり、また大型化し、高価になるという問題があった。これは長焦点距離のレーザビームを開先底２〜５ｍｍ幅で振り、さらに前記レーザビームの振りにより開先上部でレーザ光が蹴られないようにするためにミラーの振り角を非常に小さくする必要があり、このために高精度の光学機器を用いることが求められる。

また、特開昭６１−２３２０８０号公報及び特開昭６１−２３２０８１号公報記載の発明はワイヤに通電するホットワイヤとレーザ溶接を併用することで、レーザ光の有する高密度エネルギーをフィラーワイヤの溶融に使用しなくて済むようにして溶接速度と効率を高めることができるというものであるが、前記公報に開示されているものは、Ｉ型開先の１パス溶接が対象である。これに対して本願では溶接開先の形状は狭開先とし、これを複数の溶接ビードの積層からなる多層盛で溶接するものであり、前記公報に開示された方法は、特に狭開先多層盛溶接での技術的課題である２層目以降の開先壁や前層の溶融については全く対応できない。
本発明の課題は、溶接母材の肉厚が２０ｍｍ以上の狭開先多層盛溶接であっても高効率、高品質な狭開先多層盛レーザ溶接方法を提供することである。

上記本発明の課題は次の構成によって解決される。
請求項１記載の発明は、溶加材として溶接ワイヤ（２）を用いて狭開先に加工した被溶接母材（３）を多層盛で溶接する狭開先多層盛レーザ溶接方法において、レーザ光（１）を該レーザ光（１）の焦点を外して前記開先に加工した被溶接母材（３）に照射して該被溶接母材（３）を溶融すると共に、前記溶接ワイヤ（２）を該溶接ワイヤ（２）と前記被溶接母材（３）間に通電して該ワイヤ（２）の抵抗発熱により加熱するホットワイヤとし、前記レーザ光（１）を被溶接母材（３）表面に対して照射角度θ _１８０〜１００度で照射し、前記レーザ光（１）の後方に前記レーザ光（１）の照射角度と近似した被溶接母材（３）表面に対する傾斜角度で溶接ワイヤ（２）を前記被溶接母材（３）の溶融により形成した溶融池（５）に挿入し、前記被溶接母材（３）の溶融および前記溶接ワイヤ（２）の挿入により形成された溶融池（５）に対して前記レーザ光（１）を開先幅一杯に照射し、前記溶融池５に形成された急傾斜面からのレーザ光（１）の反射光（１’）を前記溶融池（５）の溶接方向前方の前記狭両開先壁（７）から開先底（８）、または両開先壁（７）から既に溶接した積層（１０’）上に照射して溶融して溶融池（５）を連続的に形成することを特徴とする狭開先多層盛レーザ溶接方法である。

請求項２記載の発明は、被溶接母材（３）の表面に対してレーザ光（１）の照射角度θ _１が８０〜１００度で、溶接ワイヤ（２）の溶融池（５）への挿入角度θ _２が９０〜１２０度であることを特徴とする請求項１記載の狭開先多層盛レーザ溶接方法である。

（作用）
本発明の請求項１、２記載の発明によれば、次のような作用がある。
すなわち、本発明は従来方法と異なり、まず、レーザ光１をプラス側またはマイナス側に焦点を外した距離で溶融池５の表面に照射させることで、ビード４の断面形状が図１０に示すように深くなることを避けることができる。

次に、レーザ光１により溶加材として添加するワイヤ２を直接照射して溶融するのではなく、ワイヤ２に通電して抵抗発熱により加熱するホットワイヤとすることで、ワイヤ２は通電による抵抗発熱により、ワイヤ２が溶融池５内に挿入される前に融点近くまで加熱されるようにする。これにより、レーザ光１のエネルギーは基本的に被溶接母材３のみの溶融に当てることができることから、必要なレーザ光のエネルギーを半減することが可能になる。具体的には、通常の厚板鋼板溶接では５〜８ｋＷのレーザ加工機が使われるが、本溶接法を用いれば3〜５ｋＷのレーザ加工機で溶接を行うことができるようになる。通常レーザ加工機の値段は１ｋＷ約１千万円するので、初期設備費を大幅に低減できる。

また、レーザ光１を溶接進行方向前方から被溶接母材３の被溶接部に形成される溶融池５に照射し、その後方よりホットワイヤ２を溶融池５にレーザ光１の母材３表面に対する照射角度と近似した傾斜角度で立てて挿入することで溶融池５に急傾斜面（図４の傾斜角度αの傾斜面）を形成し、同時にレーザ光１を溶融池５の溶接方向前方の表面に開先幅一杯に照射し、溶融池５の表面でのレーザ光１の反射光１’が溶融池５近傍であり、溶融池５の斜め前方（溶融池５の溶接方向の前半部、図４に示す溶融池５のワイヤ２が挿入している右側の傾斜面側で、溶接方向を１２時とする時計の短針が９時から３時までの間）の母材３の表面に向かう入射角度で溶融池５の表面に照射することで溶融池５の溶接方向前方の前記被溶接部の両開先壁７から開先底８、または２層目以降で既に積層１０’がある場合は、両開先壁７から一つ前の積層１０’を溶融して溶融池５を形成することに本発明の一つの特徴がある。特に、開先幅一杯にレーザ光１を照射することにより両開先壁７を確実に溶融することが可能になる。これにより狭開先溶接で一番問題になる両開先壁７、開先底８または一つ前の積層１０’の溶融をレーザ光の反射光１’で行うことになり、レーザ光１を開先壁７に指向させるために左右に精密に振る等の操作をする必要がなくなり、レーザ光学系の大型化、高精密化の必要がない。

表１にレーザ照射角度θ１、ワイヤ挿入角度θ２、ワイヤ送給位置を変化させた場合に正常な溶接ビード４が得られる範囲を示す。ワイヤ挿入角度θ２とワイヤ送給位置をそれぞれ１０５°、２ｍｍとした場合に、被溶接母材３の表面に対してレーザ光１の照射角度θ１を８０〜１００°で照射すると溶接ビード４が凹形状となり多層盛溶接に適した形状とすることができた。この範囲から外れる角度で照射すると融合不良が生じた。これは溶融池５の前方から斜め前方にかけてレーザ光１の反射光１’を向けることができないためである。

表１に示すようにレーザ照射角度θ１とワイヤ送給位置をそれぞれ９０°、２ｍｍとした場合に、被溶接母材３の表面に対してワイヤ挿入角度θ２を９０〜１２０°で挿入すると溶接ビード４が凹形状となり多層盛溶接に適した形状とすることができた。この範囲から外れる角度でワイヤ２を挿入すると開先の上方に設定するレーザヘッドとワイヤトーチが干渉するか、溶接ビード４が凸状になった。前者は現在の装置の大きさから物理的な制限があるためであり、後者はワイヤ２が溶融池５の温度が低い後方から挿入され、ワイヤ挿入位置で凝固し、中央が盛り上ったビードになる。

同じく表１において、レーザ照射角度θ１とワイヤ挿入角度θ２をそれぞれ９０°、１０５°とした場合に、図５で示すワイヤ送給位置をレーザ光より１〜３ｍｍ後方で照射すると溶接ビード４が凹形状となり多層盛溶接に適した形状とすることができた。この範囲から外れる位置にすると溶接ビード４の形状が凹形状に形成できず、凸凹や凸形状となった。

すなわち、請求項１記載の発明によれば、ホットワイヤ２はレーザ光１より溶接方向に対して後行させることで溶融池５の表面でのレーザ光１の反射の障害にならないようにし、さらに請求項２記載の発明によれば、ホットワイヤ２の溶融池５の表面に対する挿入角度θ２を母材３の表面に対して溶接進行方向の後方向側に９０度から１２０度の挿入角度θ２、望ましくは１００〜１１０度の挿入角度θ２で溶融池５の上方から挿入することで溶接ビード４が凹形状となり多層盛溶接に適した形状とすることができた。前記挿入角度θ２が９０度未満であるとレーザ光１とワイヤ２が干渉し、また前記挿入角度θ２が１２０度を超えるとワイヤ２が溶融池５後方に挿入されることになり溶接ビード４が凸形状になり次層溶接時に開先壁７の溶融が難しくなり融合不良発生の原因になる。

また、図５に示すワイヤ２の溶融池５への挿入位置も重要なパラメータになり、ワイヤ
挿入位置とレーザ光１の中心軸の溶融池５への照射位置との間隔が大き過ぎると溶融池５の端にワイヤ２が挿入されることになり、ビード４の表面形状が凸形状になり次層溶接時に開先壁７の溶融が難しくなり融合不良発生の原因になる。逆にワイヤ２の溶融池５への挿入位置とレーザ光１の中心軸の溶融池５への照射位置との間隔が小さいとワイヤ２にレーザ光１が当たるようになり、ワイヤ２がレーザ光１により溶融され、溶断する現象が発生し、溶融池５の表面における波打ち溶接現象が乱れてビード４の形状に凹凸が発生する。

請求項１記載の発明によれば、ホットワイヤ溶接によりワイヤ２は融点近くまで加熱するため、レーザ光１のエネルギーは基本的に被溶接母材３のみの溶融に当てることができることから、必要なレーザ光のエネルギーを半減することが可能になる。これにより、厚板溶接では５〜８ｋＷのレーザ加工機が通常使われるが、本溶接法を用いれば３〜５ｋＷのレーザ加工機で厚板溶接を行うことができるようになる。通常レーザ加工機の値段は１ｋＷ約１千万円するので、初期設備費を大幅に低減できる。また、狭開先溶接で一番問題になる両開先壁７、開先底８または一つ前の積層１０’の溶融をレーザ光１の反射光１’で行うことになり、レーザ光１を両開先壁７に指向させるために左右に精密に振る等の操作をする必要がなくなり、レーザ光学系の大型化、高精密化の必要がない。

さらに、反射レーザ光１’により溶融池５の溶接方向前方の前記被溶接部の両開先壁７から開先底８または２層目以降で既に積層１０’がある場合は、両開先壁７から一つ前の積層１０’を容易に溶融して溶融池５を形成するため母材３の溶込みが小さく、入熱も小さいことから母材３に形成される熱影響部が小さく、靭性などの継手品質が従来より向上し、歪の小さい溶接が可能であり、狭開先溶接で発生しやすい凝固割れを抑制することができる。

そして、前記被溶接母材３の溶融および前記溶接ワイヤ２の挿入により形成した溶融池５に対して開先幅一杯に照射したレーザ光の反射光１’を前記溶融池５の溶接方向前方の前記狭開先の両開先壁７から開先底８または両開先壁７から既に溶接した積層１０’上に照射して溶融することにより溶融池５を連続的に形成することができるので、狭開先を１層１パスで積層することができる。

また、被溶接母材３の表面に対してレーザ光１の照射角度θ _１を８０〜１００度とすることとレーザ光１の照射角度と近似した被溶接母材３表面に対する角度で溶接ワイヤ２を溶融池５に挿入することなどにより、レーザ光１とワイヤ２が干渉することがなく、また溶融池５表面の傾斜角度α（図４参照）が小さくならないのでレーザ光１の反射光１’が前記狭開先の両開先壁７から開先底８または両開先壁７から既に溶接した積層１０’上に照射して溶融することにより溶融池５を連続的に形成することができるので、溶接速度に好結果をもたらす。
また、請求項２記載の発明によれば、前記請求項１記載の発明の効果に加えて、ホットワイヤ２の溶融池５の表面に対する挿入角度θ _２を母材３の表面に対して溶接進行方向の後方向側に挿入角度θ _２＝９０度〜１２０度、望ましくは１００〜１１０度で溶融池５の上方中央部における溶接進行方向に挿入し（図５参照）、さらに被溶接母材３の表面に対してレーザ光１の照射角度θ１を８０〜１００度とすることで、レーザ光１とワイヤ２が干渉することがなく、また溶融池５表面の傾斜角度α（図４参照）が小さくならないのでレーザ光１の反射光１’が母材３の表面に向かうことができ、溶接速度に好結果をもたらす。

本発明の狭開先多層盛レーザ溶接方法の第一の実施形態を説明するための模式図である。本発明の狭開先多層盛レーザ溶接方法の第二の実施形態を説明するための模式図である。本発明の狭開先多層盛レーザ溶接方法の第三の実施形態を説明するための模式図である。溶融池表面でレーザ光１が反射する現象を説明する模式図である。レーザ光１の照射角度θ１、ワイヤ挿入角度θ２、ワイヤ送給位置を説明するための模式図である。レーザ光１の焦点外し距離を説明する模式図である。熱伝導型レーザ溶接方法を説明するための模式図である。熱伝導型レーザ溶接のビード断面形状の模写図である。深溶け込み型レーザ溶接方法を説明するための模式図である。深溶け込み型レーザ溶接のビード断面形状の模写図である。母材表面にワイヤを供給しつつ、レーザ光をワイヤに照射しながら、狭い開先幅の奥から層を形成して手前へと積層溶接する方法の模式図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面により説明する。
図１は本実施例の多層盛レーザ溶接方法を説明するための模式図であり、図４は溶融池５の表面でレーザ光１が反射する現象を説明する模式図であり、図５はレーザ光１の照射角度θ１、ワイヤ挿入角度θ２及びワイヤ挿入位置を説明するための模式図である。

被溶接物の母材３に開先壁７が対向する空間部である開先６を加工して設けて溶接部を形成させる。該溶接部の開先幅は２〜６ｍｍであり、上部の開先幅は溶接による収縮を考慮して溶接部の開先幅より収縮代分広くなっている。レーザ光１は図示していないレーザ加工機の集光レンズにより集光され、焦点からプラスしてずれた距離（「焦点ずらし距離プラス」という）で溶融池５の表面に照射する。

ワイヤ２はホットワイヤ電源１１、給電部１２及びセラミックガイド１３を用いて、ホットワイヤ電源１１より給電部１２、ワイヤ２、溶融池５、母材３及びホットワイヤ電源１１を順次経由する回路に電流を流し、ワイヤ２を抵抗加熱する。
そして、ワイヤ２を溶融池５内に挿入する前に融点近くまで加熱する。ホットワイヤ溶接によりワイヤ２は融点近くまで加熱するため、レーザ光１のエネルギーは基本的に被溶接母材３のみの溶融に当てることができることから、必要なレーザ光のエネルギーを半減することが可能になる。これにより、厚板溶接では５〜８ｋＷのレーザ加工機が通常使われるが、本溶接法を用いれば３〜５ｋＷのレーザ加工機で厚板溶接を行うことができるようになる。

レーザ光１を溶接進行方向の前方から被溶接母材３に照射し、被溶接母材３の溶接進行方向の後方よりホットワイヤ２を溶融池５にレーザ光１の照射角度と近似した角度で立てて挿入することで溶融池５に母材３に対する急傾斜面（図４の傾斜角度αの傾斜面）を形成し、同時にレーザ光１を溶融池５の溶接方向前方の表面に照射し、溶融池５の表面でのレーザ光１の反射光１’が溶融池５近傍であり、溶融池５の斜め前方（溶融池５の溶接方向の前半部、図４に示す溶融池５のワイヤ２が挿入している右側の傾斜面側で、溶接方向を１２時とする時計の短針が９時から３時までの間）の母材３の表面に向かう入射角度で溶融池５の表面に照射する。

レーザ光１の焦点を外した距離で溶融池５にレーザ光１を照射する場合に、レーザ光１を母材３の表面に対して傾斜角度α（図４）の傾斜面を有する溶融池５に向けてレーザ光１を開先幅一杯に照射する。このようにレーザ光１を、その焦点を外した距離で溶融池５に照射させることで、レーザエネルギーの一部が溶融池５に吸収され、レーザ光１の一部が溶融池５の表面で母材３の表面側に向けて反射し、母材３の狭い両側の開先壁７と開先底８または一つ前の積層１０’の溶融に照射され、開先壁７と開先底８の一部または一つ前の積層１０’が溶融あるいは加熱されるために溶融池５の通過で完全に開先壁７と開先底８または一つ前の積層１０’を溶融することができる。こうして溶接がスムーズに進行し、従来より早い溶接速度で、一層一パスの良好な溶接ができる。

また、本発明ではレーザ光１をプラス側又はマイナス側に焦点を外した距離で溶融池５の表面に照射する必要がある。これは、溶融池５の表面にレーザ光１の焦点を当てると、ビード４の断面形状が図１０に示すように深くなるので、この現象を避けるためである。このようにレーザ光１を焦点を外した距離で溶融池５に照射させることで図８に示すような断面半円形状のビード４が得られる。

ホットワイヤ２は溶融池５にレーザ光１の照射角度と同じかまたは近似した角度で立てて挿入することで、母材３の表面に対して溶融池５の表面が急傾斜（図４に示す傾斜角度α）を形成する。ワイヤ２にレーザ光１を当てなくても加熱しているため溶融できる。また、ホットワイヤ２の温度が融点近傍より低いと、溶融池５へのホットワイヤ２の挿入時に溶融池５より熱を奪うため、溶融池５による壁の溶融が不完全になりビード形状が凹形状にならず次層溶接時に融合不良を発生する。

図５に示すように母材３の表面に対して溶接進行方向前側に傾斜させたワイヤ挿入角度θ２を９０度〜１２０度、望ましくは１００〜１１０度で溶融池５の上方中央部に挿入することが必要である。前記ワイヤ挿入角度θ２が９０度未満であるとレーザ光１とワイヤ２が干渉し、また前記ワイヤ挿入角度θ２が１２０度を超えると溶融池５の表面の前記傾斜角度αが小さくなり、レーザ光１の反射光１’を溶融池５の近傍に照射できなくなり、両側開先から底の溶融が不完全になり融合不良が発生する。また、ワイヤが溶融池の後方に挿入されるため、挿入と同時に凝固しビードが凸状になる。

また、図５に示すように溶融池５の表面におけるワイヤ２の挿入位置も重要なパラメータになり、前記ワイヤ２の溶融池５の表面での挿入位置はレーザ光１の中心軸の溶融池５の表面より、例えば１〜３ｍｍだけ溶接進行方向の後側とする。ワイヤ２の溶融池５の表面での挿入位置をレーザ光１の中心軸の溶融池５の表面より、例えば３ｍｍより大き過ぎると溶融池５の端にワイヤ２が挿入されることになり、ビード形状が凸形状になって次層の溶接時に開先壁７の溶融が難しくなり、融合不良発生の原因になる。逆にワイヤ２の溶融池５の表面への前記挿入位置がレーザ光１の中心軸の溶融池５の表面より１ｍｍより小さいとワイヤ２にレーザ光１が当たるようになり、ワイヤ２がレーザ光１により溶融されて溶断する現象が発生し、溶融池５の表面が波打ち溶接現象により乱れてビード４の表面に凹凸が発生する。ワイヤ２の前記挿入位置はレーザ光１の中心軸の溶融池５の表面より、例えば２ｍｍ前後が最良であった。

レーザ光１を母材３の表面に対して急斜面を形成した溶融池５に照射すると、図４に示すようにレーザエネルギーの一部が溶融池５に吸収され、レーザ光１の一部が溶融池５の表面で反射し、溶融池５の前方又は両側の開先底８と開先壁７に照射されて一部溶融し、図１又は図２に示す両側の開先壁７と開先底８または一つ前の積層１０’に溶融部（壁）９、溶融部（底）１０を形成し、あるいは加熱されるために溶融池５の通過で両側の開先壁７と開先底８または一つ前の積層１０’を完全に溶融することができる。

レーザ光１の中心軸の母材３の表面に対して溶接進行方向前側に傾斜させた傾斜角度θ１は８０度〜１１０度が最適で、溶融池５の前記傾斜角度α（パラメータは溶接速度、レーザパワー、ワイヤの送給量、ワイヤの挿入角度θ２）により変更する必要がある。
ステンレス鋼を用いた代表的溶接試験条件は、開先幅３ｍｍ、レーザパワー３ｋＷ、溶接速度０．５ｍ／ｍｉｎ、ワイヤ径１．２ｍｍ、ワイヤ送給速度６ｍ／ｍｉｎでビード高さ６ｍｍの溶接ビードを施工することができた。なお、上記ワイヤ径は１．２ｍｍに限定されるものではない。

こうして、本実施例により、多層盛レーザ溶接で一番問題になる両側の開先壁７と開先底８または一つ前の積層１０’の溶融が溶融池５の表面で反射したレーザ光１’により充分行われるため、ワイヤ送給量、溶接速度を従来よりも向上させることが可能になり、高能率、高品質な多層盛レーザ溶接を行うことができる。
なお、前記特許文献１（特開平９−２０１６８７号公報）記載の方法では溶接速度は０．１０〜０．３０ｍ／ｍｉｎであり、非特許文献１（「タグチメソッド手法による狭開先レーザ溶接条件の基礎検討」）では溶接速度は０．１５ｍ／ｍｉｎであり、本実施例の溶接速度の方が速いことが分かる。

また、本実施例のレーザ溶接方法では母材３の溶込みが小さく、入熱も小さいことから熱影響部が小さく、得られた溶接材の靭性などの継手品質が向上し、歪の小さい溶接が可能であり、溶接で発生しやすい凝固割れを抑制することができる。
さらに、通常のレーザ溶接ではレーザ光１で母材３とワイヤ２の両方を溶融するエネルギーを供給する必要があるが、ホットワイヤ２の適用によりレーザエネルギーはほとんどが母材３の溶融に当てられるため、レーザパワーを抑えられ高価なレーザ加工装置の設備費を従来より低減できる。

図２には、本発明の狭開先多層盛レーザ溶接方法の他の実施例の模式図を示す。本実施例はレーザ光１の焦点外し距離をマイナス（レーザ光１の焦点が溶融池５の内部にある）にして照射する。この場合に図１に示すレーザ光１の焦点外し距離をプラスにした場合と同様の効果が得られる。レーザ光１の焦点外し距離をマイナスにすると溶融池５の表面で反射したレーザ光１の範囲が図１に示す焦点外し距離をプラスにした場合より小さく溶融池５に近い位置にレーザ光１が照射されることになる。母材３の表面に対する溶融池５の表面におけるレーザ光１の傾斜角度θ１、レーザ光１の照射パワーに応じて焦点外し距離をプラスにするかマイナスにするかを選択することができる。

ホットワイヤとレーザを組合せたレーザ溶接法で溶接速度が大きく、低変形の高品質溶接が可能となる。

１レーザ光２ワイヤ
３母材４溶接ビード
５溶融池６開先
７開先壁８開先底
９溶融部（壁）１０溶融部（底）
１０’ 積層１１ホットワイヤ電源
１２給電部１３セラミックガイド
１４焦点１５集光レンズ
１６キーホール

Claims

溶加材として溶接ワイヤ（２）を用いて狭開先に加工した被溶接母材（３）を多層盛で溶接する狭開先多層盛レーザ溶接方法において、
レーザ光（１）を該レーザ光（１）の焦点を外して前記開先に加工した被溶接母材（３）に照射して該被溶接母材（３）を溶融すると共に、
前記溶接ワイヤ（２）を該溶接ワイヤ（２）と前記被溶接母材（３）間に通電して該ワイヤ（２）の抵抗発熱により加熱するホットワイヤとし、
前記レーザ光（１）を被溶接母材（３）表面に対して照射角度θ _１８０〜１００度で照射し、前記レーザ光（１）の後方に前記レーザ光（１）の照射角度と近似した被溶接母材（３）表面に対する傾斜角度で溶接ワイヤ（２）を前記被溶接母材（３）の溶融により形成した溶融池（５）に挿入し、
前記被溶接母材（３）の溶融および前記溶接ワイヤ（２）の挿入により形成された溶融池（５）に対して前記レーザ光（１）を開先幅一杯に照射し、
前記溶融池（５）に形成された急傾斜面からのレーザ光（１）の反射光（１’）を前記溶融池（５）の溶接方向前方の前記狭両開先壁（７）から開先底（８）、または両開先壁（７）から既に溶接した積層（１０’）上に照射して溶融して溶融池（５）を連続的に形成する
ことを特徴とする狭開先多層盛レーザ溶接方法。
被溶接母材（３）の表面に対してレーザ光（１）の照射角度θ _１が８０〜１００度で、溶接ワイヤ（２）の溶融池（５）への挿入角度θ _２が９０〜１２０度であることを特徴とする請求項１記載の狭開先多層盛レーザ溶接方法。