JP6155183B2

JP6155183B2 - 狭開先レーザ溶接方法

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Publication number: JP6155183B2
Application number: JP2013266375A
Authority: JP
Inventors: 湘多羅沢; 栄次芦田; 旭東張; 鈴木　国彦; 国彦鈴木
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: JP2015120188A

Description

本発明は、被溶接材の溶接部位に狭開先を形成し、狭開先内にレーザ光を導光して集光照射し、狭開先内のレーザ光の照射部に溶接ワイヤを供給しながら開先部を積層溶接する狭開先レーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、通常のアーク溶接に比べ、深い溶込みが得られる。さらに、低歪み、高速度、高精度の溶接継手が得られることから、現在各分野で使用されている。

レーザ溶接は、溶け込みが深く、溶接金属の凝固速度が速い。このため、溶接金属内部の中央部に、溶接欠陥（例えば、凝固割れ等の溶接割れや、溶接ビードと被溶接材との融合不良）が生じやすいという難点を有する。また、厚さ２５ｍｍを超える厚板を被溶接部材とする溶接においては、被溶接材の突き合わせ部に狭開先を形成し、狭開先内にレーザ光を導光して集光照射し、狭開先内のレーザ光の照射部に溶接ワイヤを供給しながら開先部を積層溶接する方法が行われている。レーザ溶接の溶接割れは一般的に溶接金属内部に生じることが多い。このため、溶接割れの有無を溶接後すぐ目視検査等で判断することができないので、溶接終了後に、放射線透過試験（ＲａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃＴｅｓｔｉｎｇ：ＲＴ）や超音波探傷試験（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ：ＵＴ）等により溶接割れ発生の有無を確認する検査が行われている。溶接割れが発見された場合、溶接金属内部に生じた割れを除去し、補修溶接を行い、健全な溶接継手を確保する方法がとられているが、ＲＴやＵＴ等の検査や補修溶接作業に多くの工数を必要とする。

このため、溶接金属内部に溶接割れ等の溶接欠陥を生じさせない健全な継手が得られる溶接技術や仮に溶接割れが起きても、溶接割れは表面に開口し、確認または検出し易い溶接技術が必要とされている。

特開２０１３‐１２８９３８号公報（特許文献１）には、レーザ溶接を用いた薄板（板厚０．５ｍｍ〜３．２ｍｍ）のフランジ端部重ね溶接方法において、溶接部の凝固過程で、等軸晶を溶融池内に生成させることにより溶接時の凝固割れを抑制することを特徴とするレーザ溶接方法が開示されている。この方法は、薄板の重ねワンパス溶接である。

特開平９‐２０１６８７号公報（特許文献２）には、溶接の作業効率の向上を図るため、被溶接部を狭い開先幅に設定しフィラーワイヤを供給しつつレーザトーチからレーザビームを上記狭い開先幅を通して上記フィラーワイヤの部分に照射し、積層溶接することを特徴とする狭開先レーザ溶接方法が開示されている。

特開平７‐３２３３８６号公報（特許文献３）には、欠陥発生の抑制を目的とし、レーザを用いた厚板の溶接において、レーザビームの焦点位置をルートフェース上より焦点距離の１／２０以上離してビームを照射し、溶加材としてフラックスコアードワイヤを使用することを特徴とし、１層目は完全溶込溶接とし、２層目以上は焦点位置を前層ビード上より焦点距離の１／２０以上離してビームを照射し、２層目以上に使用する溶加材としてフラックスコアードワイヤを使用して多層溶接することを特徴とするレーザ溶接方法が開示されている。この方法は、１層目は完全溶込溶接とし、２層目以上は焦点位置を大きく離してビームを照射し、熱伝導型のレーザ溶接条件を用い溶接することを特徴とする。

特許第３６７１５４４号（特許文献４）には、５０重量％以上の鉄、および０．２重量％以上の炭素、または０．０４５重量％以上の硫黄、または０．０４重量％以上のりんを含有する鉄・炭素鋼材料、およびクロム当量とニッケル当量の比Ｃｒ_ｅｑ／Ｎｉ_ｅｑが１．４８以下のステンレス鋼から選ばれた複数の板材を重ね合わせ、これに酸素ガス含有量を５〜５０容量％に調整しているアシストガスを吹きつけながら、レーザビームを照射して、溶接部におけるＷ／Ｌ比（但しＷは溶融部のビード幅を表し、Ｌは前記複数の板材の接合部の幅を表す）を、１．０〜１．５の範囲にコントロールすることを特徴とするレーザ溶接方法が開示されている。この溶接方法は重ねワンパス溶接であり、本発明の狭開先多層盛レーザ溶接とは異なる。

特開２０１３‐１２８９３８号公報特開平９‐２０１６８７号公報特開平７‐３２３３８６号公報特許第３６７１５４４号

特許文献１には、溶接金属の成分の制御によって溶接金属の中央部に等軸晶を生成させることにより溶接時の凝固割れを抑制することが記載されているが、厚板の狭開先レーザ多層溶接方法ではなく、薄板重ねワンパスレーザ溶接方法である。また、溶接成分を制御しないで、溶接プロセス制御の観点で溶接割れを抑制する方法については記載されていない。

特許文献４には、溶接割れを防止するため、アシストガスに酸素を含有するガスを用いてレーザ溶接部におけるＷ／Ｌ比を１．０〜１．５の範囲にコントロールすることが開示されているが、突き合わせ溶接であり、開先内にレーザを照射し、照射部にフィラーワイヤを供給しながら積層溶接する場合の溶接欠陥の発生を抑制する方法については記載されていない。

特許文献２および特許文献３には、狭開先内にレーザを照射し多層溶接する方法が開示されている。特許文献２には溶接欠陥の発生の防止あるいは抑制方法については記載されていない。特許文献３には被溶接材の溶融不良による溶接欠陥（融合不良）を防止し無欠陥の溶接継ぎ手を得る方法が開示されているが、溶接割れの発生の防止あるいは抑制方法については記載されていない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、溶接割れ及び融合不良を抑制することが可能な狭開先レーザ溶接方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、
被溶接材を突き合わせて狭開先を形成し、前記狭開先内にレーザ光を導光して集光照射し、前記狭開先内の前記レーザ光の照射部に溶接ワイヤを送給しつつ前記溶接ワイヤ及び前記被溶接材を溶融させて溶接ビードを形成し、前記溶接ビードを多層積層して被溶接材の積層溶接を行う狭開先レーザ溶接方法において、
前記狭開先の開先幅は２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、
２層目以降の前記溶接ビードの形成の際、
前記レーザ光を、前記照射部における前記レーザ光の照射幅Ｓと前記照射部の開先底幅Ｗとの比Ｓ／Ｗが１／４以上３／４以下となるように照射し、
且つ、前記溶接ビードの溶込み形状を、前記溶接ビードの積層高さＤと下層溶接ビードへの溶込み深さＰの和である溶け込み高さＨと、前記溶接ビードの開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭとの比Ｈ／ＷＭが１．５以上２．５以下となるように溶接条件を制御することを特徴とする狭開先レーザ溶接方法を提供する。

本発明によれば、溶接割れ及び融合不良を抑制することが可能な狭開先レーザ溶接方法を提供することができる。

狭開先レーザ溶接方法の工程の１部を模式的に示す図である。溶接金属（２層目溶接ビード）に発生した溶接割れの１例を示す断面光学顕微鏡写真である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法が適用される被溶接材の１例を示す斜視模式図である。図３の正面図である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した積層溶接ビードの一例を示す断面模式図である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した溶接ビードの一例を示す断面模式図である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した積層溶接ビードの一例を示す断面模式図である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した溶接ビードの一例を示す断面模式図である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した溶接ビードの溶込み形状の一例を示す断面模式図である。本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した溶接ビードの溶込み形状の一例を示す断面模式図である。実施例１のＳ／ＷとＨ／ＷＭと溶接欠陥の有無の関係を示す図である。実施例２のレーザ光４の揺動幅ＷＥと照射幅Ｓの関係を示す図である。実施例の溶接構造物の開先形状を示す断面模式図である。実施例３で作製した積層溶接ビードの断面模式図である。

（本発明の基本思想）
狭開先レーザ溶接方法は、原子力発電プラント等の大型構造物に使用される、板の厚さが２５ｍｍを超える厚板のステンレス鋼の溶接に用いられる方法である。

図１は狭開先レーザ溶接の工程の１部を模式的に示す図である。図１に示すように、まず被溶接材１００（１０１ａ及び１０１ｂ）の突き合わせ部に狭開先１０２を形成する。図示されていないレーザ発振器から発振されたレーザ光は、光ファイバー８により伝送され加工ヘッド７に送られる。加工ヘッド７でレンズにより集光されたレーザ光４は被溶接部材１０１ａと１０１ｂにより形成された狭開先１０２内に導光されて集光照射され、被溶接材１０１ａ、１０１ｂ及び溶接ワイヤ（フィラーワイヤ）３を溶融し、溶融プール９を形成しながら溶接を行い溶接ビード５を形成し、溶接ビード５を多層積層して開先部を埋めて行われる。

溶接ワイヤ３は溶接方向前方から溶融プール９内に送給される。溶融プール９及びその近傍は、シールドガスノズル６から噴出されたシールドガスによりシールドされる。

上記狭開先レーザ溶接では、下部の溶接ビードの表面、開先壁の側面および溶接ワイヤを安定的に溶融させるために、レーザ光４は焦点位置をずらしたデフォーカス条件で照射される。しかし、積層部の溶接ビードの溶け込み形状におけるＨ／ＷＭ比（Ｈは溶接ビードの溶け込み高さを表し、溶接ビードの積層高さと下部ビードへの溶込み深さの和であり、ＷＭは溶接ビードの開先幅方向の溶込みの最大幅を表す）が１以上になると、図２に示したように溶接金属（溶接ビード）２００の中央に凝固割れ２０１（図２中黒い部分）が生じるという問題がある。

一般に溶接割れを抑制するためには、溶接ワイヤを添加し溶接金属のフェライト量を増加させることが有効といわれているが、狭開先溶接では、一般のＶ型開先等に比べ被溶接材の希釈率が高いので、被溶接材のＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．４０以下のオーステナイト系ステンレス鋼に対してはワイヤの添加のみでは溶接割れの発生を防止することが困難である。また、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が低くなると、溶融金属の凝固も不安定となりやすく、溶接割れとともに融合不良を生じやすくなる。

本発明者らは、狭開先レーザ溶接方法において、溶接金属の成分を制御することなく溶接欠陥を抑制することが可能な溶接方法の条件について鋭意検討した。その結果、レーザ光の照射幅Ｓと照射部の開先底幅Ｗとの比Ｓ／Ｗと、溶接ビードの溶け込み高さＨと溶接ビードの開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭとの比Ｈ／ＷＭを一定の範囲に制御することで、溶接欠陥を抑制することが可能であることを見出した。本発明は、該知見に基づくものである。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明はこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および改良が可能である。

本発明に係る狭開先レーザ溶接方法は、上述した図１に示した態様で実施することができる。図１には示していないが、レーザ発振器、ワイヤ送給制御装置、ガス流量制御装置及び溶接マニピュレータは溶接制御装置に接続されており、レーザ出力、レーザ光の焦点はずし距離、溶接速度及びワイヤ送給速度等の溶接条件並びに動作タイミング等が制御される。

レーザ光４としては、設備の小型化が可能で、高品質の溶接部が得られ易いファイバーレーザ、ディスクレーザ等のファイバー伝送が可能な波長が１μｍ程度のレーザを用いることが好ましい。ＣＯ_２レーザのように発振波長の長いレーザの場合、溶接装置が大型となると共にプラズマが発生しやすいため溶接部に欠陥を生じやすく好ましくない。

レーザ加工ヘッド７は、図示していない溶接マニピュレータに搭載され、直線溶接が出来るように構成されている。本発明のような開先幅の狭い（２ｍｍ以上４ｍｍ以下）狭開先溶接では、溶込み形状に及ぼす溶接姿勢の影響は小さいことから、溶接姿勢は特に限定されないが、下向きおよび横向き姿勢で実施することが好ましい。

図３は本発明に係る狭開先レーザ溶接方法が適用される被溶接材の１例を示す斜視模式図であり、図４は図３の正面図である。図３及び図４に示したように、本発明に係る狭開先レーザ溶接方法では、被溶接材１ａと１ｂを突き合わせて狭開先２を形成し、突き合せ溶接を行う。被溶接材１ａ、１ｂとしては特に限定は無いが、本発明は原子力プラント等の構造物に使用される、板厚が２５ｍｍ以上で材料成分から算出されるＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．３１以上１．４０以下のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に好適である。そのような被溶接材として、例えば板厚３０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌを用いることができる。ＳＵＳ３１６Ｌは、ディロングの組織図（Ｃｒ当量：Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ、Ｎｉ当量：Ｎｉ＋３０×Ｃ＋３０×Ｎ＋０．５×Ｍｎ、単位：ｍａｓｓ％）から算出したＣｒ当量／Ｎｉ当量は１．３６である。

図４に示したように、溶接開先の中央部には、被溶接材１ａ及び１ｂの部材面を合わせたルートフェース１０が形成されており、その片側に開先溝部１１が形成されている。本明細書では被溶接材１ａ及び１ｂの開先溝部１１が形成されている面を「被溶接材表面」とし、対向する面を「被溶接材底面」とする。図中、θは開先角度である。ルートフェース１０の長さＬは、レーザ出力を考慮し、ルートフェースの突き合せ面が片面から溶接して完全に貫通溶融できる長さとすることが好ましい。開先溝部１１は、本発明では開先幅ＢＷが２ｍｍ〜４ｍｍ（２ｍｍ以上４ｍｍ以下）となるように形成する。開先幅ＢＷは開先両側面（被溶接材１ａ及び被溶接材１ｂの開先側面）と開先底部との交点間の距離である。なお、開先底面の端部は曲率を有している。開先角度θは特に限定は無いが、４°〜５°が好ましい。

図５は本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した積層溶接ビードの一例を示す断面模式図である。図５に示したように、溶接は、開先組み立てを行った後、開先溝部１１の底部の中心部に、集光されたレーザ光４を照射し、形成された溶融プール内に溶接ワイヤ３を送給しながら細く長い形状の初層溶接ビード１２を形成し、ルートフェース１０の接合された面を貫通溶融接合させる。初層溶接ビード１２の形成条件については、ルートフェースを完全に溶融させるため、レーザ光４の焦点位置が開先底面から板厚方向に０ｍｍ以上＋５ｍｍ以下又は０ｍｍ以上−５ｍｍとすることが好ましい。なお、ここで「−」とは、被溶接材の底面（ルートフェース１０）方向を示し、「＋」とは、被溶接材の表面方向を示す。

ルートフェース１０を溶接後、狭開先内の初層溶接ビード１２の表面部にレーザ光４を照射し、溶接ワイヤ３を供給しつつ、レーザ光４で溶接ワイヤ３と被溶接材１ａ及び１ｂを溶融させて開先溝部１１を埋め、多数の溶接ビード１３（１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ）を積層する。このように溶接ビードの形成を繰り返すことにより、開先部を埋めて接合させる。このとき、溶接割れは２層目が最も生じやすい。そこで、本発明では２層目以降の溶接ビードの形成の際、溶接ビードの溶込み形状を、以下のように制御する。

図６及び図７は本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した積層溶接ビードの一例を示す断面模式図である。図６は初層溶接ビード形成後を、図７は２層目の溶接ビード形成後の状態を示している。本発明において開先底幅Ｗとは図６のように、下層溶接ビード（図６では初層溶接ビード１２）表面の開先幅方向の開先壁面と下層溶接ビードとの境界間の距離である。また、本発明において溶込み形状の最大幅ＷＭは、図７のように、溶接ビード１３の溶込みにおける開先幅方向の最大幅である。溶接ビード１３の溶込み高さＨは、溶接ビード１３の溶込み形状における板厚方向の溶込み下端（最大溶込み部）と溶接ビード表面間の距離である。この溶接ビード１３の溶込み高さＨは、下層溶接ビードに溶け込んだ深さである溶込み深さＰと下層溶接ビード表面から上に盛られた溶接金属の高さ（溶接ビードの積層高さ）Ｄの和である。

本発明では、２層目以降の溶接ビードの形成の際、上述した溶接ビードの溶け込み高さＨと、溶接ビードの開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭとの比Ｈ／ＷＭが１．５以上２．５以下となるように溶接条件を制御する。Ｈ／ＷＭが１．５未満及び２．５より大きくなると、溶接割れおよび融合不良（溶接金属と被溶接材の非接触部分）が生じやすくなる。

図８は本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した積層溶接ビードの一例を示す断面模式図である。図８に示したように、本発明においてレーザ光４の照射幅Ｓは、開先底面１４へ照射されたレーザ光の開先幅方向の幅である。図８の場合は、初層溶接ビード１２の表面でのレーザ光の幅（ビーム径）である。

本発明では、２層目以降の溶接ビードの形成において、レーザ光４を、照射部におけるレーザ光４の照射幅Ｓと照射部の開先底幅Ｗとの比Ｓ／Ｗが１／４以上３／４以下となるように溶接条件を制御する。

Ｓ／Ｗが１／４未満の場合、レーザ光が過度に集光され、溶接ビードの幅は狭くなり、深さ方向では深くなりやすく、開先側面の底部に融合不良が生じやすくなる。また、Ｓ／Ｗが３／４を超えると、レーザ光が広い範囲に集光され、溶接ビードの溶け込み高さＨが小さくなりやすく、積層された溶接ビード間に融合不良が生じやすくなる。さらに、開先壁とレーザ光が干渉しやすくなるので、ビード形成不良を起こしやすくなり、融合不良や溶接割れを生ずる。

以上のことから、溶接割れ及び融合不良の無い健全な積層溶接ビードを得るためには、Ｓ／Ｗを１／４以上３／４以下とし、且つ積層ビードの溶込み形状をＨ／ＷＭが１．５以上２．５以下となるように溶接条件を制御することで、溶接欠陥の発生を抑制することができ、良好な溶接ビードが得られる。

なお、レーザ光４の照射幅Ｓは、レーザ光４の焦点位置１５を被溶接材の底面方向又は表面方向（開先板厚方向の上方向）にずらすことにより制御することができる。また、レーザ光４を開先幅方向に揺動・走査させることにより制御することもできる。

また、溶接ビードの溶込み形状（Ｗ、Ｈ及びＷＭ）は、レーザ出力、溶接速度、溶接ワイヤ送給速度、レーザ光の照射幅（焦点はずし距離）及び溶接ワイヤ挿入位置等により制御することができる。

Ｓの値は、集光レンズにおけるレーザ光のビーム径、レンズの焦点距離及びデフォーカス距離によって算出される。また、Ｈ、Ｗ及びＷＭの値は、被溶接材の断面を光学顕微鏡により観察して測定することができる。

本発明の狭開先レーザ溶接方法において、溶接ビードの溶込み深さＰを２ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることが好ましい。大型構造物の溶接では、拘束度や構造物の熱容量等の影響で、溶接ビードの溶込み深さＰが開先底幅Ｗ未満の場合、融合不良を生じやすい。また。溶込み深さが深くなり７ｍｍを超えるようになると溶接割れを生じやすくなる。このため、溶接ビード１３の溶込み深さＰは、２ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることが好ましい。

図９及び図１０は、本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて作製した溶接ビードの溶込み形状の一例を示す模式図である。図９は溶込み形状の最大幅ＷＭの位置１６が、積層高さＤの１／２の位置より上方（被溶接材の表面方向）にある場合の溶込み形状であり、図１０は溶込み形状の最大幅ＷＭの位置１６が、積層高さＤの１／２の位置より下方（被溶接材の底面方向）にある場合の溶込み形状である。溶込み形状の最大幅ＷＭの位置により溶接金属の最終凝固部が異なる。図９のような溶込み形状の場合には、最終凝固部は溶接ビードの表面近傍となる。したがって、仮に溶接ビード形成時に溶接割れが生じても、次の溶接ビード（上層の溶接ビード）の形成時に溶接割れを埋めることができる。また、最上層の溶接ビード形成時に溶接割れが生じても、溶接割れの開口部は表面となるので、溶接割れ有無の判定および補修が容易となるので、溶接検査工程等を大幅に削減することができる。

一方、図１０のような溶込み形状の場合には、最終凝固部は溶接ビードの中央部分となり、仮に溶接ビード形成時に溶接割れが生じた場合、次の溶接ビード（上層の溶接ビード）の形成時に溶接割れを埋めることができなくなる。また溶接割れ有無の判定を、ＲＴやＵＴで検査しなければならない。

以上のことから、溶接割れおよび融合不良の発生を抑制する積層ビードの溶込み形状としては、開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭの位置１６が積層高さＤの１／２より上方にある形状とすることが望ましい。

以下、本発明を実施例によりより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（試験Ｎｏ．１〜１５の溶接条件と溶接欠陥評価結果）
本実施例では溶接条件を変えて（開先幅ＢＷ、Ｓ／Ｗ及びＨ／ＷＭの値を変えて）溶接を行い、溶接欠陥の有無を調査した。

本実施例では、被溶接材１ａ及び１ｂとして板厚３０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量１．３６）用い、溶接ワイヤとしてＹＳ３０８Ｌを用いた。ルートフェース１０の長さＬは、８ｍｍとした。また、開先幅ＢＷを２ｍｍ〜４ｍｍとし、開先角度θを４°〜５°とした。

レーザ光として、波長１０３０ｎｍのレーザ光を使用した。溶接は、レーザ出力：４〜６ｋＷ、溶接速度：１００〜５００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接ワイヤ送給速度：１〜３ｍｍ／ｍｉｎ、溶接挿入ワイヤ位置：溶接プール中央部として行った。本実施例では、すべての試験について溶接ビードの前開先幅方向の溶込みの幅が最大となる位置が、溶接ビードの積層高さＤの１／２より上方となるようにした。初層溶接ビード溶接時のレーザ光の焦点位置を、開先底面の０〜＋５ｍｍとした。溶接は下向きおよび横向き姿勢で実施した。Ｓの値は、０．５６〜１ｍｍであり、集光レンズにおけるレーザ光のビーム径、レンズの焦点距離及びデフォーカス距離によって算出した。なお、焦点位置のずらし距離（焦点はずし距離）と照射部におけるレーザ光のビーム径の関係をあらかじめビームプロファイラーを用いて測定し、Ｓを算出した。本実施例の溶接条件を後述する表１に示す。

なお、開先底幅Ｗ、溶接ビードの溶込み深さＰ及び開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭは、溶接後、構造物から溶接部を切りだし、２層目の溶接ビード断面を光学顕微鏡で観察して測定した値である。

溶接欠陥の評価として、溶接割れの有無及び融合不良の有無を検査した。検査は、溶接後の構造物から溶接部を切りだし、２層目の溶接ビードの断面を光学顕微鏡で観察して溶込み形状から目視で溶接欠陥（溶接割れ及び融合不良）の有無を判断して行った。溶接欠陥が無いものを「合格」とし、溶接割れ及び融合不良の少なくとも１一方があるものを「不合格」と評価した。評価結果を表１に示す。

表１に示したように、本発明の規定（Ｓ／Ｗが１／４以上３／４以下、Ｈ／ＷＭが１．５以上２．５以下）を満たすものは、溶接欠陥の評価結果が全て「合格」であったが、本発明の規定を満たさないもの（試験Ｎｏ．２〜４、１１、１３及び１４）は溶接欠陥が生じ、評価結果が「不合格」であった。この結果から、本発明において、溶接欠陥を抑制するためにＳ／Ｗが１／４以上３／４以下、Ｈ／ＷＭが１．５以上２．５以下とすることが有効であることが示された。

図１１は実施例１のＳ／ＷとＨ／ＷＭと溶接欠陥の有無の関係を示す図である。図中、「○」は溶接欠陥無しを示し、「×」は溶接欠陥有りを示す。

（試験Ｎｏ．１６〜１８の溶接条件と評価結果）
本実施例ではレーザ光４の開先幅方向に揺動・走査させる方法により照射幅Ｓを変えて溶接を行い、溶接欠陥の有無を調査した。レーザ光４の照射幅Ｓの制御方法以外の条件は、実施例１と同様である。

実施例１では、開先底部に照射されるレーザ光４の照射幅Ｓは焦点位置を前記狭開先内の照射位置より上方（開先表面方向）にずらすことにより所定の幅になるように制御したが、本実施例では、照射幅Ｓを、ビームスキャナを用いて開先幅方向に揺動・走査させる方法により制御した。

図１２はレーザ光４の揺動幅ＷＥと照射幅Ｓの関係を示す図である。本実施例では、照射幅Ｓは開先底面１４に照射されたレーザ光４のビーム径ＬＷと揺動幅ＷＥの和とした。図１２ではレーザ光４の焦点位置１５を開先底面１４より上方にずらしているが、焦点位置を開先底面１４としてもよい。また、揺動・走査は開先幅方向に往復揺動してもよいが、本実施例では開先中心線を中心とする円状にビームを揺動・走査させた。このため本実施例の照射幅Ｓは、レーザ光４の円状ビームの直径とレーザビームのスポット径の和とした。レーザ光４のビームの径ＬＷは０．２８ｍｍ、円状ビームの周波数は８Ｈｚ、溶接速度は２０ｃｍ／ｍｉｎとした。表２に初層溶接後、揺動幅ＬＷを０ｍｍ（揺動なし）、１．０ｍｍ、１．５ｍｍとして２層目の積層溶接を行った場合の溶込み深さＰ、Ｓ／ＷおよびＨ／ＷＭと溶接欠陥の結果を示す。

表２に示したように、レーザビームを揺動させてＳ／Ｗを本発明の規定範囲内（１／４〜３／４）としたもの（試験Ｎｏ．１７及び１８）は、溶接欠陥評価結果が全て合格となった。一方、揺動を行わなかった試験Ｎｏ．１６は、Ｓ／Ｗが０．０９と小さくなり、溶接割れおよび融合不良が認められた。

以上の結果から、レーザビームを揺動させることで照射幅Ｓを制御しても、Ｓ／Ｗが１／４〜３／４で、且つＨ／ＷＭが１．５〜２．５の範囲内であれば健全な溶接ビードが得られることが確認された。なお、本試験では、レーザビームを円状に走査させたが、四角形状、コの字形あるいはＵ字型に走査させてもよい。

本実施例では、本発明に係る狭開先レーザ溶接方法を用いて、厚板の円筒形構造物を溶接した。図１３は本実施例で溶接した開先形状を示す図である。

被溶接材１ａ及び１ｂの板厚Ｌは５０ｍｍである。被溶接材１ａと１ｂを突き合わせ、両側に開先溝部１１ａ、１１ｂを形成した。中央部のルートフェース１０の高さＬは１５ｍｍとした。開先幅ＢＷは３ｍｍである。なお、開先溝部１１ａと１１ｂの開先角度は、収縮、変形等を考慮し、積層進行において各層積層時の開先底幅が３．０±０．３ｍｍの範囲になるように設定した。被溶接材１ａと１ｂと突き合わせはルートフェース１０部に合わせ段差１７を設けて開先底部がずれないように合わせた。被溶接材１ａ、１ｂはＣｒ当量／Ｎｉ当量１．４０のオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌである。開先底部に照射されるレーザ光４の照射幅Ｓは焦点位置を前記狭開先内の照射位置より上方（開先表面方向）にずらすことにより所定の幅に設定した。溶接は横向き姿勢で実施した。

図１４に本実施例の狭開先レーザ溶接における積層の模式図を示す。図１４において、紙面の上方が円筒形構造物の外側であり、紙面の下方が円筒形構造物の内側である。両面から溶接し８パスで接合した。まず初層溶接を両面から行い、初層溶接ビードの１２ａと１２ｂとをラップさせルートフェース部を完全に溶融させたのち、積層溶接により開先溝部を埋めた。初層後の積層溶接は、まず、外側から２層目溶接ビード１８ａを形成し、次に内側から溶接して２層目溶接ビード１８ｂを形成した。つぎに内側から溶接し３層目ビード１９ｂを形成したのち、外側から溶接し外側３層目ビード１９ａを形成した。最終層の４層目は外側４層目ビード２０ａを形成した後、最後に内側４層目ビード２０ｂを溶接した。表３に各層の溶接前の開先底幅Ｗとその層の溶込み深さＰ、レーザビームの照射幅Ｓと開先底幅Ｗとの比（Ｓ／Ｗ）及び溶接ビードの溶込み高さＨと開先幅方向の最大溶込み幅ＷＭとの比（Ｈ／ＷＭ）と、溶接欠陥の評価結果を示す。

いずれの層にも溶接欠陥（溶接割れ及び融合不良）の発生は認められなかった。２層目〜４層目の各ビードの溶込み形状のＨ／ＷＭは１．６〜２．２であり、溶接割れ並びに融合不良が生じないとされるＨ／Ｗの範囲１．５〜２．５内である。また。溶込み深さＰも好ましいとされる２ｍｍ〜７ｍｍの範囲内である。本実施例の結果、２層目以降の積層溶接においても、Ｓ／Ｗが１／４〜３／４で、且つＨ／ＷＭが１．５〜２．５の範囲内の溶込み形状が得られる条件で溶接を行えば健全な溶接ビードが得られることが確認された。

以上説明したように、本発明によれば溶接割れ及び融合不良を抑制することが可能な狭開先レーザ溶接方法を提供できることが示された。

なお、上述した実施形態や実施例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

例えば、上記実施例では、３０ｍｍと５０ｍｍ厚さの板の狭開先突き合せ溶接に適用して結果について説明したが、被溶接材はこれらに限定されるものではない。また、本発明の実施例では、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が１．３１〜１．４０のオーステナイト系ステンレス鋼を用いたが、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量が１．４０以上のオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌ鋼の溶接においても同様な結果が得られるのは言うまでもない。

１，１ａ，１ｂ…被溶接材、２…狭開先、３…溶接ワイヤ、４…レーザ光、５…溶接ビード、６…シールドガスノズル、７…加工ヘッド、８…光ファイバー、９…溶融プール、１０…ルートフェース、１１…開先溝部、１２，１２ａ，１２ｂ…初層溶接ビード、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…溶接ビード、１４…開先底面、１５…レーザ光の焦点位置、１６…開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭの位置、１７…合わせ段差、１８ａ，１８ｂ…２層目溶接ビード、１９ａ，１８ｂ…３層目溶接ビード、２０ａ，１８ｂ…４層目溶接ビード。

Claims

被溶接材を突き合わせて狭開先を形成し、前記狭開先内にレーザ光を導光して集光照射し、前記狭開先内の前記レーザ光の照射部に溶接ワイヤを送給しつつ前記溶接ワイヤ及び前記被溶接材を溶融させて溶接ビードを形成し、前記溶接ビードを多層積層して前記被溶接材の積層溶接を行う狭開先レーザ溶接方法において、
前記狭開先の開先幅は２ｍｍ以上４ｍｍ以下であり、
２層目以降の前記溶接ビードの形成の際、
前記レーザ光を、前記照射部における前記レーザ光の照射幅Ｓと前記照射部の開先底幅Ｗとの比Ｓ／Ｗが１／４以上３／４以下となるように照射し、
且つ、前記溶接ビードの溶込み形状を、前記溶接ビードの積層高さＤと下層溶接ビードへの溶込み深さＰの和である溶け込み高さＨと、前記溶接ビードの開先幅方向の溶込みの最大幅ＷＭとの比Ｈ／ＷＭが１．５以上２．５以下となるように溶接条件を制御することを特徴とする狭開先レーザ溶接方法。
前記レーザ光の照射幅Ｓを、前記レーザ光の焦点位置を前記被溶接材の板厚方向にずらすことにより制御することを特徴とする請求項１に記載の狭開先レーザ溶接方法。
前記レーザ光の照射幅Ｓを、前記レーザ光を前記開先幅方向に揺動・走査させることにより制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の狭開先レーザ溶接方法。
前記下層溶接ビードへの溶込み深さＰが２ｍｍ以上７ｍｍ以下となるように溶接条件を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の狭開先レーザ溶接方法。
前記溶接ビードの前記開先幅方向の溶込みの幅が最大となる位置が、前記溶接ビードの積層高さＤの１／２より上方にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の狭開先レーザ溶接方法。
前記被溶接材は、材料成分から算出されるＣｒ当量／Ｎｉ当量が１．３１以上１．４０以下のオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の狭開先レーザ溶接方法。