JP5813337B2 - アルミナイズ金属工作物をレーザー−アークハイブリッド溶接する方法 - Google Patents

Description

本発明はアルミナイズ表面層または皮膜を有する１つ以上の金属工作物すなわちアルミニウムを含む金属工作物をレーザー−アークハイブリッド溶接する方法に関する。

高温引抜可能な（hot-drawable）材料、すなわち約９００℃で引抜可能な（drawable）、例えば２２Ｍｎ／Ｂ５鋼（具体的には０．２２％のＣ、１．２５％のＭｎおよびＢを含む）で形成されたＵＳＩＢＯＲ １５００は、非常に高い降伏強度（ＶＨＹＳ鋼）を有し、通常アルミニウムおよびケイ素をベースとする層または皮膜で（「Ａｌ-Ｓｉ層」と呼ばれる）、たとえば９０％Ａｌ＋１０％Ｓｉ（重量％）からなるもので被覆され、酸化、およびそれゆえに熱処理中のスケールの出現を防止する。

これは、このＡｌ−Ｓｉ層がないと、スケールが表面に出現した場合、スケール層をサンドブラストまたは他の同等な技術によって除去せねばならず、それゆえに多額の余計なコストおよび工業的な立場からの生産性の損失を招く追加の操作を要するためである。

さらに、Ａｌ−Ｓｉ層はシートを高温引抜する場合に表面潤滑剤としても役立つ。

この層の厚さは通常例えばＵＳＩＢＯＲ １５００に関して約３０μｍで、処理の継続時間に拠るが、層中への鉄拡散および鉄中へのアルミニウム拡散によって熱処理後それは約４０〜４５μｍになる。４５μｍという上限値は通常は限界値である。というのは、より厚い層は非常に脆くなるためである。

このＡｌ−Ｓｉ層は抵抗スポット溶接において接触抵抗を増大させ、非被覆鋼よりも導電性が低いことを示唆している。

このタイプの皮膜をつけて製造された鋼部材は主に構造部材、特に、センターピラー、非侵入補強材、バンパーの横材、その他のような自動車部品である。しかしながら、Ａｌ−Ｓｉ層で被覆された鋼管を用いて種々の構造材（例えば排気管のような）を製造することも可能である。

これらの被覆された部材の通常の厚さは０．８ｍｍ〜２．５ｍｍである。

一般に、このタイプのＡｌ−Ｓｉ皮膜をもつ部材の使用は顕著に伸びている。というのはこのタイプの皮膜が特に上述したスケール付着物を防ぐことを可能にするためである。もっとも、これらの構造部材は高温時のみで引抜可能であり、それらの機械的特性は形成直後に行われる熱処理後にのみ得られる。

しかしながら、これらのシートは溶接前に切断し、それから引抜かねばならない。この切断操作は通常、剪断またはレーザー切断のいずれかによって達成される。

レーザー切断法は皮膜を切断側端面に持っていくことがない利点がある。しかしながら、この方法は完全なレーザー切断装置の入手を必要とするので投資コストの点で高価であって、それで工業での広範な使用を抑止している。

さらに剪断法は最も高価でなく、それゆえに工業で最も広範な方法であるが、スリップ効果によって一部のＡｌ−Ｓｉ皮膜を金属工作物の端面上へ運ぶという重大な欠点をもつ。

したがって、剪断によって切断されたアルミナイズ鋼のシートまたは工作物の、その後に続く突き合せ端面配置でのレーザー溶接操作（バット溶接）の間、溶接後にベース金属および溶融域よりも抗張力の低い溶接ビード内の相が存在することに特に言及する。

この相の組成の化学分析は、この相が鋼のオーステナイト変態を防ぐのに十分高いパーセンテージのアルミニウム含有量（＞１．２重量％）を有することを示している。これは、アルミニウムはα相を誘起する元素なので、ある含有量以上でアルミニウムが鋼のオーステナイト変態を防ぐためである。冷却すると、相の微細構造は変化せず、δフェライト形態に留まり、２３０Ｈｖに近い硬度を有する。マトリクスそれ自体はオーステナイト変態、それからマルテンサイト／ベイナイト変態を受け、約４５０Ｈｖの硬度となる。

金属間化合物はアルミニウム含有量１３％（Ｆｅ_３Ａｌ）、３３％（ＦｅＡｌ）、その他の場合に存在する。これらの含有量はレーザーのみを用いて製造された試料で測定した。

換言すれば、マトリクスよりも低い強度をもつ相が存在し、このことはアセンブリーのの機械的特性の低下をもたらす。

オーステナイト変態が抑制されているので、９００℃に加熱（オーステナイト化）したときに、この相がマトリクス中で溶体になることはなく、その結果、バット溶接操作に続く９００℃での引抜の間、この相がマトリクス（この温度ではオーステナイトの形態にある）よりも抗張力が低いと仮定すると、クラックのリスクがある。さらに、このようなビードに機械的試験を実施した後、溶接の総合的な強度はベース金属よりも低いことがわかった。

それゆえに生じている問題はアルミナイズ工作物、すなわち表面にＡｌ−Ｓｉ皮膜を有する工作物を溶接するのに有効な方法をどのように提供し、特に良好な特性をもつ溶接継手を得ることを可能にするかということである（工作物を剪断により切断し、それらの側端の表面を準備する工程を受けない場合を含む）。

本発明の解決策はレーザービームによって少なくとも１つの金属工作物をレーザー溶接する方法であって、前記工作物はアルミニウムを含む表面皮膜を有し、レーザービームを少なくとも１つの電気アークと組み合わせて、金属を溶融し、前記工作物を溶接することを特徴とする。

換言すれば、実際の溶接の間、電気アークはレーザービームと組み合わせて同時に１つの共通の溶接点または領域を打つことによってアセンブルされる工作物の金属を溶融する。

場合によって、本発明の方法は１つ以上の以下の特徴を含んでもよい。

−皮膜は主にアルミニウムおよびケイ素を含む。

−皮膜は５〜４５μｍの間の厚さを有する。

−少なくとも１つの工作物が鋼でできている。

−少なくとも１つの工作物が０．５〜４ｍｍ、好ましくは約０．８〜２．５ｍｍの厚さを有する。

−少なくとも１つの工作物が、溶接に先立って、その端面の１つの表面上に前記皮膜の付着物、特にＡｌ／Ｓｉの付着物を有する。

−アークはタングステン（すなわちＴＩＧトーチ）溶接電極によって送出されるか、または消耗ワイヤーの末端に生じる。

−互いに突き合わせた端面で位置合わせした２つの工作物を溶接するか、または一緒に合わせた１つの同じ工作物の２つの端面、特に管の２つの長手方向の端面を溶接する。

−溶接の間、ヘリウム／アルゴン混合物または純アルゴンから選ばれたシールドガスを用い、溶接ビードの少なくとも一部にガスシールドを与える。

−レーザービームをＣＯ２、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードまたはイッテルビウムドープファイバータイプのレーザー発振機によって発生する。

本発明は、添付の図面と関連して、例として示すが限定を意味しない以下の記述によってより良く理解されるだろう。

図１はアルミナイズ鋼工作物１の断面の図。 図２はレーザー−ＴＩＧハイブリッド溶接の原理を示す。 図３はレーザー−ＭＩＧ／ＭＡＧハイブリッド溶接の原理を示す。

図１はアルミナイズ鋼工作物１の図を断面で示す。すなわちそれはＡｌ−Ｓｉ皮膜または層２（すなわちアルミニウムおよびケイ素ベースの表面層、例えば９０％Ａｌ＋１０％Ｓｉでできており、特に酸化、それゆえ工作物が熱処理を受けた後のスケールの出現の防止を意図する）で覆われている。工作物は例えば１．５ｍｍの厚さをもち、Ａｌ−Ｓｉ層は例えば約３０μｍの厚さ（Ｅ）をもつ。この工作物１は剪断によって切断され、スリップ効果によって工作物１の端面１ａ上にＡｌ−Ｓｉ皮膜の一部である有害な付着物２ａ、２ｂが生じる。

図２および図３は、図１に示した工作物のように、剪断によって切断された２つのアルミナイズ鋼工作物１を一緒に接合する本発明によるレーザー−アークハイブリッド方法を実施する２つの方法を概略的に示す。より正確には、図２はレーザー−ＴＩＧハイブリッド溶接の原理を示すが、図３はレーザー−ＭＩＧ／ＭＡＧハイブリッド溶接の原理を示す。

溶融領域のアルミニウム含有量を減じる、したがってその均一性を向上するために溶接ビード中の鋼の希釈度の増大が望まれる場合は、レーザー−ＴＩＧハイブリッド溶接が代わりに使われる（図２）。この場合、レーザービーム３を非消耗タングステン電極５を備えたＴＩＧ溶接トーチから送出される電気アーク４と組み合わせる。

アークの前にレーザービームがある配置におけるレーザー−ＴＩＧハイブリッド溶接の使用、すなわちアークの直前でレーザーが溶接される少なくとも１つの工作物を打つ配置は溶融領域のサイズの増大を可能にし、したがって低いアルミニウム含有量（α相を誘起する元素）および高いマグネシウム含有量（γ相を誘起する元素）をもつ鋼のより大きな関与を可能にし、これは溶融領域でより大きい。

アルミニウムはＡｌ−Ｓｉ保護層によってのみ与えられるので、測定は溶接操作の間に気化した皮膜の比率が溶融領域における測定値よりもはるかに大きいということを示している。

レーザーの背後にアークを与えることによっておよび／または追加のエネルギー源を与える、たとえばレーザービームの焦点をずらすか、または長円の焦点をもつことによって、溶融領域を均質化し、それでδフェライト相をつくる１．２％より大きい局所的なアルミニウム濃度をなくすことが可能になる。

換言すれば、レーザー−ＴＩＧハイブリッド溶接操作を実行することによって、溶融金属の体積を増大し、溶融領域を均質化し、したがって１．２％より大きい局所的なアルミニウム濃度をなくすことによって、溶融領域におけるアルミニウムの比率を減じることができる。

対して、γ相を誘起する元素、たとえばＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、その他を代わりに与え、溶接において相変態を許容するオーステナイト域を増大させる、すなわちアルミニウムのα相誘起効果を妨げるようにし、一方で溶融領域の均質性をなお向上させることが望ましい場合は、レーザー−ＭＩＧハイブリッド溶接の使用が好適である（図３）。この場合、レーザービーム３をフラックス入りワイヤー６またはソリッドワイヤーのような消耗ワイヤー６を備えたＭＩＧ／ＭＡＧ溶接トーチによって送出される電気アーク４と組み合わせる。最も適切なワイヤー６の選択はベース金属の組成、ビードの所望の特性、その他によりなされる。

事実、アークの前にレーザーがある配置におけるレーザー−ＭＩＧハイブリッド溶接は、溶融領域を通じてオーステナイト変態を維持するのに好適なγ相を誘起する元素（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、その他）を含むフラックス入りワイヤーまたは他のものの使用を許容する。

電気アークおよび／またはレーザービーム焦点ずれからの追加のエネルギー供給は溶融領域を均質化し、その結果δフェライト相の存在をなくす。

比較実験
３０μｍのＡｌ／Ｓｉ層で被覆した１．８ｍｍ厚の２つのＵＳＩＢＯＲ １５００工作物を溶接した。工作物の１つはその端面にＡｌ付着物をもち、これは剪断による切断に特有である。

用いたシールドガスはＡｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅによって販売されているＡｒｃａｌ３７、すなわち７０体積％ヘリウム／３０体積％アルゴンの混合物であった。

これら工作物を以下を用いて溶接した。

−２５０ｍｍの焦点距離を有する６ｋｗパワーのＣＯ_２レーザーと、２００Ａの電流および１６Ｖの電圧でＴＩＧ／ＡＣトーチから発生したアーク、２ｍｍの電極／ビーム距離および４ｍ／ｍｉｎでの溶接速度での本発明のアーク−レーザーハイブリッド方法。

−比較のために、６ｋｗのパワー、２５０ｍｍの焦点距離および４ｍ／ｍｉｎの速度での通常のレーザー溶接方法。

得られた比較結果は下表に示す。

Ｒ_ｐ0.2は材料の降伏強度、すなわち弾性変形の限界である。

Ｒ_ｍは塑性変形後の材料の抗張力である。

Ａ％は材料の伸びである（引抜のための有効値）。

得られた結果は引張値（Ｒ_ｍおよびＡ％）がレーザー−ＴＩＧハイブリッド方法に好適であることを示す。なぜならば本発明の方法で溶接した材料の降伏強度は実質的に同一であるが、きわめて明らかな向上が塑性変形後の抗張力および材料の伸びの両方において観察されたからである。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］レーザービーム（３）によって少なくとも１つの金属工作物をレーザー溶接する方法であって、前記工作物はアルミニウムを含む表面皮膜（２）を有し、レーザービーム（３）を少なくとも１つの電気アーク（４）と組み合わせて、金属を溶融し、前記少なくとも１つの工作物（１）を溶接することを特徴とする方法。
［２］皮膜（２）が主にアルミニウムおよびケイ素を含むことを特徴とする項１による方法。
［３］皮膜（２）が５〜４５μｍの間の厚さを有することを特徴とする項１および２のいずれかによる方法。
［４］少なくとも１つの工作物（１）が鋼でできていることを特徴とする項１ないし３のうちの１つによる方法。
［５］少なくとも１つの工作物（１）が０．５〜４ｍｍ、好ましくは約０．８〜２．５ｍｍの厚さを有することを特徴とする項１ないし４のうちの１つによる方法。
［６］少なくとも１つの工作物（１）が、溶接に先立って前記皮膜（２）の付着物（２ａ、２ｂ）、特にＡｌ／Ｓｉの付着物を側端面（１ａ）の１つの表面上に有することを特徴とする項１ないし５のうちの１つによる方法。
［７］アーク（４）はタングステン溶接電極（５）によって送出されるか、または消耗ワイヤー（６）の末端に生じることを特徴とする項１ないし６のうちの１つによる方法。
［８］互いにつき合わせた端面で位置合わせした２つの工作物（１）を溶接するか、または一種に合わせた１つの同じ工作物の２つの端面、特に管の２つの長手方向の端面を溶接することを特徴とする項１ないし７のうちの１つによる方法。
［９］溶接の間、ヘリウム／アルゴン混合物または純アルゴンから選ばれたシールドガスを用い、溶接ビードの少なくとも一部にガスシールドを与えることを特徴とする項１ないし８のうちの１つによる方法。
［１０］レーザービームをＣＯ _２ 、Ｎｉ：ＹＡＧ、ダイオードまたはイッテルビウムドープファイバータイプのレーザー発振機によって発生することを特徴とする項１ないし９のうちの１つによる方法。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの電気アーク（４）と組み合わせたレーザービーム（３）によって、表面皮膜（２）を有している少なくとも１つの鋼工作物（１）をアーク−レーザーハイブリッド溶接する方法であって、前記アーク（４）及び前記レーザービーム（３）を、前記少なくとも１つの工作物（１）の単一の共通溶接領域に同時に当てて、この金属を溶融させるとともに前記少なくとも１つの工作物（１）を溶接し、前記皮膜（２）は、アルミニウムとケイ素とを主に含み、５〜４５μｍの厚さ（Ｅ）を有しており、溶融領域の体積を増大させるために、前記アーク（４）は、前記レーザービーム（３）の背後に与えられることを特徴とする方法。
2. 前記皮膜（２）は３０〜４５μｍの厚さ（Ｅ）を有していることを特徴とする請求項１による方法。
3. 前記皮膜（２）は３０μｍの厚さ（Ｅ）を有していることを特徴とする請求項１および２のいずれかによる方法。
4. 前記皮膜（２）は９０重量％のアルミニウムと１０重量％のケイ素とから形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のうちの１つによる方法。
5. 前記工作物（１）の少なくとも１つは０．５〜４ｍｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１ないし４のうちの１つによる方法。
6. 前記工作物（１）の少なくとも１つは、その側端面（１ａ）の少なくとも１つの表面上に、前記Ａｌ／Ｓｉ皮膜（２）の付着物を有していることを特徴とする請求項１ないし５のうちの１つによる方法。
7. 前記アーク（４）をタングステン溶接電極（５）によって送出することを特徴とする請求項１ないし６のうちの１つによる方法。
8. 前記電気アークを消耗ワイヤー（６）の末端に生じさせることを特徴とする請求項１ないし６のうちの１つによる方法。
9. 前記溶接の間、ヘリウム／アルゴン混合物または純アルゴンから選らばれるシールドガスを用いて、溶接ビードの少なくとも一部の上にガスシールドを与えることを特徴とする請求項１乃至８のうちの１つによる方法。
10. 前記レーザービーム（３）をＣＯ₂、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードまたはイッテルビウムドープファイバータイプのレーザー発振機によって発生させることを特徴とする請求項１ないし９のうちの１つによる方法。

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