JP6512880B2 - Shield nozzle and shield method - Google Patents
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Description
本発明は、厚板の突合せ継手その他の継手に対する狭開先溶接において用いられる、ガスシールドノズルおよびガスシールド方法に関する。 The present invention relates to a gas shield nozzle and a gas shield method used in narrow gap welding for thick plate butt joints and other joints.
従来、溶接作業を容易にし、溶接継手の品質を向上させるために、突合せ溶接等において母材の溶接面に開先を設ける開先溶接が行われている。鉄鋼材料やニッケル基合金等の厚板に対して開先溶接を行う場合、母材の板厚が増加するのに伴い開先断面積が増加し、溶接効率が低下したり、変形や溶接ひずみの増加によって溶接品質が低下したりする傾向がある。このため、開先を狭くして開先断面積を小さくする狭開先溶接への要求が高まっており、近年の溶接技術の進歩により熱源の出力、熱源をレーザ光としたときの集束性または指向性が著しく向上していることとも相まって、盛んに開発が進められている。 Conventionally, in order to facilitate the welding operation and to improve the quality of the welded joint, groove welding has been performed in which a groove is provided on a welding surface of a base material in butt welding or the like. When performing groove welding on thick plates such as steel materials and nickel-based alloys, the groove cross-sectional area increases as the thickness of the base material increases, and the welding efficiency decreases, or deformation or welding distortion occurs. There is a tendency for the weld quality to deteriorate due to the increase of For this reason, there is an increasing demand for narrow groove welding which narrows the groove and reduces the groove cross-sectional area, and the progress of welding technology in recent years makes the output of the heat source, focusing when the heat source is laser light or Along with the remarkable improvement of directivity, development is actively promoted.
種々の溶接方法において、溶接部に気孔や割れ等の溶接欠陥が生じないよう、溶接部における酸素を含んだ空気をシールドガスで置換するのが重要であることは公知の事実であり、溶接部のガスシールドの重要性は、厚板狭開先溶接においても同様である。 It is a well-known fact that it is important to replace oxygen-containing air in the weld with a shielding gas so that welding defects such as pores and cracks do not occur in the weld in various welding methods, and the weld The importance of the gas shield is the same for thick plate narrow gap welding.
溶接部をガスシールドする方法としては、シールドノズルの円形開口部からシールドガスを噴射して母材表面に吹き付ける方法(たとえば特許文献1)等があるが、厚板狭開先溶接においては、母材表面ではなく開先内の溶接部をガスシールドすることが必要である。開先外部から開先内の溶接部に向けてシールドガスを噴射すると、シールドガスは乱流状態となって外気を巻き込み、開先内の空気を効率的に置換しない。また、開先外部から供給されたシールドガスが開先底部に届かないうちにレーザ光が照射されてしまうことがあり、十分な溶接品質が保証されないことがある。このため、開先内の溶接部をガスシールドすべく、開先内にシールドノズルを挿入する方法(たとえば特許文献2)も開発されている。しかし、厚板狭開先溶接において開先内にシールドノズルを挿入した場合、溶接中に発生したスパッタが開先壁面に付着したり、開先が入熱によって縮んだりなどすることによって、シールドノズルが開先と干渉して損傷してしまうことがあるため、シールドノズルを開先内に挿入することは実用的でない。加えて、母材の板厚が大きくなるほど、または開先角度が小さくなるほど、開先内へのシールドノズルの挿入が困難になることからも、厚板狭開先溶接における実用性は低い。 Although there is a method (for example, patent document 1) etc. which spray shield gas from the circular opening of a shield nozzle and spray it on the surface of a base material as a method of carrying out gas shielding of a welding part etc. It is necessary to gas shield the welds in the groove rather than the surface of the material. When the shield gas is injected from the outside of the groove toward the welded portion in the groove, the shield gas becomes turbulent and entrains the outside air, and the air in the groove is not efficiently replaced. In addition, the laser beam may be irradiated before the shield gas supplied from the outside of the groove reaches the bottom of the groove, and sufficient welding quality may not be guaranteed. For this reason, a method (for example, Patent Document 2) has also been developed in which a shield nozzle is inserted into a groove in order to gas-shield a weld in the groove. However, when the shield nozzle is inserted into the groove in thick plate narrow groove welding, the spatter generated during welding adheres to the wall surface of the groove, or the groove is shrunk due to heat input, etc. It is not practical to insert a shield nozzle into the groove, as it may cause damage due to interference with the groove. In addition, the larger the thickness of the base material or the smaller the groove angle, the more difficult it is to insert the shield nozzle into the groove, so the practicality in thick plate narrow groove welding is low.
また、熱源を移動させ連続的に行われる溶接においては、例えばレーザ光を熱源とした場合、シールドノズルはレーザ光の照射部の移動に伴って移動するが、照射部のみではなく、溶接予定部(すなわち照射部に対して溶接方向前方に位置する部分)や高温状態にある溶接完了部(すなわち照射部に対して溶接方向後方に位置する部分)においてもシールド雰囲気を形成することが好ましい。通常採用される細径パイプのシールドノズルによっては溶接完了部を含む広範囲がガスシールドされないため、複数のシールドガス噴出口を備えるシールドノズル(たとえば特許文献3)も開発されているが、厚板狭開先溶接において開先内の溶接部近傍に十分なシールド雰囲気を形成するには、シールドノズルやシールドガス噴出口の形状等の工夫が依然必要である。 Moreover, in welding performed by moving the heat source continuously, for example, when the laser light is used as the heat source, the shield nozzle moves along with the movement of the irradiation part of the laser light, but not only the irradiation part but the welding planned part It is preferable to form a shield atmosphere also at a welding completion portion (that is, a portion located rearward to the welding direction with respect to the irradiation portion) (that is, a portion located forward in the welding direction with respect to the irradiation portion) Since a wide range including a weld completion part is not gas-shielded depending on the shield nozzle of a small diameter pipe usually adopted, the shield nozzle (for example, patent documents 3) provided with a plurality of shield gas jets is also developed. In order to form a sufficient shield atmosphere in the vicinity of the weld portion in the groove in the groove welding, some measures such as the shape of the shield nozzle and the shield gas jet are still required.
本発明は、上述した従来法の問題点を鑑みてなされたもので、厚板狭開先溶接において、開先内の溶接部に十分なシールド雰囲気を形成することが可能なシールドノズルおよびシールド方法を提供することを目的とする。また、溶接予定部や高温状態にある溶接完了部を含む、溶接部近傍にシールドガスを供給することが可能なシールドノズルおよびシールド方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the conventional method, and in a shield narrow gap welding, a shield nozzle and a shield method capable of forming a sufficient shield atmosphere in a weld portion in a groove Intended to provide. Another object of the present invention is to provide a shield nozzle and a shield method capable of supplying shield gas in the vicinity of a weld, including a portion to be welded and a weld completion portion in a high temperature state.
本発明者らは、開先外部から開先内に、シールドガスを一様な流れ、つまり層流の状態で供給することにより、開先内の溶接部において高いガスシールド効果が得られることを見出した。 The present inventors have found that by supplying shield gas from the outside of the groove into the groove in a uniform flow, that is, in a laminar flow state, a high gas shielding effect can be obtained at the weld in the groove. I found it.
すなわち、第1発明に係るシールドノズルは、厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールドノズルであって、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置され、レーザ光が通過するレーザ通路と、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給する層流発生部と、を有し、前記レーザ通路のレーザ光源側に、圧縮空気の噴射により開先部への外気の流入および/または開先部からのシールドガスの漏出を防ぐエアノズルを有することを特徴とする。
また、第2発明に係るシールドノズルは、厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールドノズルであって、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置され、レーザ光が通過するレーザ通路と、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給する層流発生部とを有し、前記層流発生部が、溶接部に対向する層流放出面を有し、前記層流放出面から開先底部までの距離をH、溶接送り速度をV w 、ガス流速をV g 、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間をtとしたとき、前記層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さL 1 および溶接進行方向後方の長さL 2 が次式を満たすことを特徴とする。
L 1 ≧H×V w /V g −式(1)
L 2 ≧V w ×t −式(2)
That is, the shield nozzle according to the first aspect of the invention is a gas shield nozzle used for thick plate narrow groove laser welding, and is disposed between the laser light source and the weld so as to cover the weld at the groove. the laser paths that the laser beam passes, the shielding gas possess and supplying layer flow generation section, in a state of laminar flow in the weld from the groove outside, the laser light source side of said laser paths, ejection of compressed air It has an air nozzle which prevents outside air from flowing into the groove and / or leakage of shielding gas from the groove .
The shield nozzle according to the second aspect of the present invention is a gas shield nozzle used for thick plate narrow groove laser welding, and is disposed between the laser light source and the weld so as to cover the weld at the groove. A laser flow path through which the laser light passes, and a laminar flow generation unit for supplying shield gas from the outside of the groove to the weld in a laminar flow state, and the laminar flow generation unit is a laminar flow opposed to the weld It has an exit surface, the distance from the laminar flow release surface to the groove bottom is H, the welding feed rate is V w , the gas flow rate is V g , and the time for cooling to a temperature at which oxidation of the weld completion part is suppressed is t. when the laminar flow length of the welding direction ahead of the center of the laser path of the emission surface L 1 and welding direction behind the length L 2 is to satisfy the following equation.
L 1 HH × V w / V g -Equation (1)
L 2 VV w × t − equation (2)
第3発明に係るシールドノズルは、第1または2発明の構成において、溶接部に溶接ワイヤを供給する際に溶接ワイヤを挿通させることができるワイヤ通路をさらに有する。
第4発明に係るシールドノズルは、第1〜3発明いずれかの構成において、前記層流発生部が、シールドガスの通過可能な多孔焼結体からなることを特徴とする。
The shield nozzle according to the third aspect of the present invention further includes a wire passage through which a welding wire can be inserted when supplying the welding wire to the welding portion in the configuration of the first or second aspect of the invention.
The shield nozzle according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the configuration according to any of the first to third aspects, the laminar flow generation portion is made of a porous sintered body through which a shield gas can pass.
第5発明に係るシールド方法は、厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールド方法であって、レーザ光が通過するレーザ通路を有するとともにシールドガスを放出することができるシールドノズルを、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置し、前記シールドノズルを用いて、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給し、前記シールドノズルとして、溶接部に対向する層流放出面を有するシールドノズルを用い、前記層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さをL 1 、溶接進行方向後方の長さをL 2 、前記層流放出面から開先底部までの距離をH、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間をtとしたとき、溶接送り速度V w およびガス流速V g について次式の条件設定を行うことを特徴とする。
V g ≧H×V w /L 1 −式(3)
V w ≦L 2 /t −式(4)
A shielding method according to a fifth aspect of the present invention is a gas shielding method used for thick plate narrow groove laser welding, which comprises a laser passage through which laser light passes and a shield nozzle capable of emitting a shielding gas, a laser light source Is disposed between the weld and the weld so as to cover the weld at the groove, and shield gas is supplied from the outside of the groove to the weld in a laminar flow state using the shield nozzle, and the shield nozzle is used as the shield nozzle Using a shield nozzle having a laminar flow emitting surface facing the weld, the length in front of the direction of welding from the center of the laser passage in the laminar flow emitting surface is L 1 , the length behind the welding in the direction of welding L 2 , distance H from flow discharge surface to the groove bottom portion, when the time for oxidation of the welding completion portion is cooled to a temperature which is suppressed to a t, the welding feed speed V w and the gas flow velocity V g And performing condition setting equation.
V g H H × V w / L 1 -Equation (3)
V w ≦ L 2 / t − equation (4)
第1発明および第5発明の構成によれば、シールドノズルは、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給する。層流状態のシールドガスは、外気を巻き込むことなく開先内に流入し、開先内に存在する、酸素を含んだ空気を押し出す。開先内の空気はシールドガスによって次第に置換され、開先内に高いシールド雰囲気が形成される。シールドノズルはレーザ通路を有するため、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置されていても、レーザ光を遮ることはない。 According to the configurations of the first and fifth inventions, the shield nozzle supplies the shield gas from the outside of the groove to the weld in a laminar flow. The laminar shielding gas flows into the groove without entraining external air and pushes out the oxygen-containing air present in the groove. The air in the groove is gradually replaced by the shielding gas to form a high shielding atmosphere in the groove. Since the shield nozzle has the laser passage, the laser beam is not blocked even if the shield nozzle is disposed between the laser light source and the weld so as to cover the weld at the groove.
第3発明に係るシールドノズルはワイヤ通路を有するため、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置されていても、溶接ワイヤの送給を妨げることはない。 Since the shield nozzle according to the third aspect of the present invention has the wire passage, it does not prevent the feeding of the welding wire even if it is disposed between the laser light source and the welding portion so as to cover the welding portion at the groove. .
第1発明に係るシールドノズルは圧縮空気を噴射するエアノズルを備えており、噴射された圧縮空気はエアカーテン(エアナイフ)としての役割を果たす。すなわち、外気がレーザ通路から開先部に流入したり、シールドガスがレーザ通路から漏出したりすることを防ぐ。さらに、エアノズルから噴射された圧縮空気のエアカーテン(エアナイフ)は、溶接部で発生したプルームやスパッタが噴き出してレーザ光源等の溶接装置を損傷することを防止する役割も果たす。 The shield nozzle according to the first aspect of the present invention includes an air nozzle for injecting compressed air, and the injected compressed air serves as an air curtain (air knife). That is, the outside air flows into the laser communication path or RaHiraku destination unit or prevents shielding gas or leaking laser communication path or al. Furthermore, the air curtain (air knife) of the compressed air jetted from the air nozzle also plays a role of preventing the plume and spatter generated at the weld from spouting and damaging the welding apparatus such as the laser light source.
第2発明および第5発明の構成によれば、層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さL1、溶接進行方向後方の長さL2、層流放出面から開先底部までの距離H、溶接送り速度Vw、ガス流速Vg、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間tが次式の関係を満たすため、後述するように、溶接予定部(すなわち、溶接進行方向前方)や高温状態にある溶接完了部(すなわち、溶接進行方向後方)を含む、溶接部近傍にシールドガスを供給することができる。 According to the configurations of the second and fifth inventions, the length L 1 forward in the welding direction from the center of the laser passage in the laminar flow surface, the length L 2 backward in the welding direction, the laminar flow surface to the groove bottom The welding planned portion (that is, the welding scheduled portion (i.e., as described later) because the distance H of the welding feed velocity V w , the gas flow velocity V g , and the time t for cooling to the temperature at which oxidation of the weld completion portion is suppressed satisfy the following equation. The shield gas can be supplied in the vicinity of the weld including the weld progress direction (forward) and the weld completion portion (that is, the weld progress direction backward) in a high temperature state.
L1/Vw≧H/Vg −式(5)
L2/Vw≧t −式(6)
請求項2および請求項5に記載された式(1)および式(3)は、式(5)を変形してL1またはVgを左辺に置いたものであり、式(2)および式(4)は、式(6)を変形してL2またはVwを左辺に置いたものである。
L 1 / V w HH / V g −Equation (5)
L 2 / V w tt − equation (6)
Formulas (1) and (3) described in
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
図2は、本発明の対象とする、厚板狭開先溶接の模式図である。図3において、1は母材の厚板であり、その溶接面には開先2が形成されている。本発明においては、厚板1表面側の開先2周辺の空間を開先部と呼ぶ。3はレーザ光であり、レーザ光源(図示せず)から射出され、開先2内部に集光される。4はシールドノズルであり、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置され、開先2内の溶接部にシールドガス5を供給する。ここで、本発明において、厚板とは板厚が50mmt以上である鋼板や鋼材をいい、板厚200mmt程度までの厚板であれば本発明の対象となり得る。また、本発明において、狭開先とはルート幅が5mm以下であり、かつ開先角度が片側4°以下である開先をいうものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic view of thick plate narrow gap welding which is the object of the present invention. In FIG. 3, 1 is a thick plate of a base material, and a
図3および図4を参照し、本発明に係るシールドノズル4の構成を説明する。
シールドノズル4は、シールドガス供給口6、ケース7、レーザ通路8、および層流発生部9を有し、層流発生部9は、溶接部に対向し、溶接部に向けてシールドガス5を放出する層流放出面10を有する。ガスボンベ等から供給されたシールドガス5は、シールドガス供給口6を通って密閉構造のケース7内に流入し、層流発生部9によって層流化され、層流放出面10から放出される。シールドガス供給口6の材質、形状、大きさ、位置等は特に限定されず、公知のノズルや導管を用いることができる。ケース7の材質、形状、位置等も特に限定されず、矩形や円形等の金属製フレームを用いることができる。
The configuration of the
The
層流発生部9は、ケース7内のシールドガス5を層流化して溶接部に供給する手段であり、シールドガス5が通過できる数十μm〜100μm程度の微小な径の空孔を持つ焼結体のほか、金属メッシュ、セラミック、焼結金属等により形成することができる。また、ケース7内にスチールウールを配し、金属メッシュによって支持することによっても形成することができる。
The laminar
レーザ通路8は、レーザ光3が通過し得るよう、光軸に沿って、ケース7および層流発生部9を貫通するように形成される。レーザ通路8は、具体的には、貫通孔や、円筒状または円錐台状のガラス等であってもよい。
The
また、シールドノズル4は、溶接部に溶接ワイヤを供給する際に溶接ワイヤを挿通させることができるワイヤ通路11を有していてもよい。ワイヤ通路11は、溶接ワイヤを挿通することができるものであればよく、幅数mm程度のスリット等が採用され得る。
Further, the
ケース7内のシールドガス5が漏出しないよう、レーザ通路8およびワイヤ通路11の側面は塞いでおく必要がある。
さらに、シールドノズル4は、レーザ通路8および/またはワイヤ通路11からレーザ光源側に離れた位置に、圧縮空気の噴射により開先部への外気の流入および/または開先部からのシールドガス5の漏出を防ぐ、エアノズル12を有していてもよい。エアノズル12は、レーザ通路8やワイヤ通路11の、レーザ光源に対向して開口している面上にエアカーテン(エアナイフ)を形成すべく、取り付け位置や噴出方向、形状や大きさ、取り付け個数を適宜調整することができる。例えば、レーザ通路8が貫通孔である場合にはレーザ通路8からレーザ光源側に離れた位置に、ワイヤ通路11が設けられている場合にはワイヤ通路11からレーザ光源側に離れた位置にエアノズル12を配置するとよく、レーザ通路8およびワイヤ通路11の両方がレーザ光源に対向して開口している場合には、複数のエアノズル12や広範囲に圧縮空気を噴射できるエアノズル12を設けると良い。なお、エアノズル12は、圧縮空気が層流発生部7から放出されたシールドガス5の流れに影響を及ぼさない程度に、レーザ通路8および/またはワイヤ通路11からレーザ光源側に離れた位置に設けられるべきである。
The sides of the
Furthermore, the
続いて、図1を参照する。本発明に係るシールドノズルおよびシールド方法は、積層溶接や突合せ溶接、肉盛り溶接等の種々の溶接方法に利用することが可能であり、開先や継手の種類も制限されないが、図面を参照した以下の説明はV字開先突合せ継手の積層溶接における実施態様に関するものである。図1および図7〜13において、溶接進行方向前方(図中左方向)を前、溶接進行方向後方を後として、紙面手前を左、紙面奥を右、図中上方向を上、図中下方向を下とするが、これらの方向は便宜上のものであり、本発明の実施はこれらの方向に限定されるものではない。 Subsequently, FIG. 1 will be referred to. The shield nozzle and the shield method according to the present invention can be used for various welding methods such as lamination welding, butt welding, build-up welding, etc. The types of groove and joint are not limited either, but the drawings were referred The following description relates to the embodiment in laminated welding of V-groove butt joints. 1 and 7 to 13, the front in the welding progress direction (left direction in the drawing) is front, the rear in the welding progress direction is rear, the paper front is left, the paper back is right, the upper direction is up, the lower in the drawing. Although the directions are downward, these directions are for convenience, and the implementation of the present invention is not limited to these directions.
シールドノズル4は、層流発生部9の層流放出面10が開先部における溶接部を覆い、厚板1表面に平行になるように配置される。レーザ光3は、上方のレーザ光源(図示せず)から射出され、レーザ通路8を通って、スポット径0.5〜2.0mm程度で開先2内部に集光される。レーザ光3は、所定の溶接送り速度で前方に移動するとともに所定の周波数で左右方向にウィービングし、積層の進行に伴って上下方向に移動してもよい。シールドノズル4はレーザ光3に同期して移動し、開先部における溶接部を覆う。具体的には、シールドノズル4はレーザ光3の移動に同期した装置によって支持され、かつ移動される。
The
図1において、13は溶接ワイヤであり、溶接ワイヤ13は、シールドノズル4の前方または後方から、開先2内の溶接部に供給される。溶接ワイヤ13としては、市販の細径ワイヤ等を用いればよく、細径ワイヤ以外に、溶接効率を向上させるために、太径ワイヤや帯状ワイヤ等を用いることも可能である。14は溶融ビードであり、溶接ワイヤ13が供給されている溶接部の後方にある、溶接完了部に形成される。
In FIG. 1,
シールドノズル4内のシールドガス供給口6からケース7内に流入したシールドガス5は、層流発生部9により層流化され、溶接部に対向する層流放出面10から開先2内の溶接部に向けて放出される。層流状態のシールドガス5は開先2内に流入し、開先2内の空気を置換してシールド雰囲気を形成する。シールドガス5には市販のものを用いることができ、CO2等の活性ガス、Ar,N2,He等の不活性ガス、Ar−CO2混合ガス等、その種類や流量は、溶接条件によって適宜決定すればよい。
The shield gas 5 that has flowed into the case 7 from the shield
同図において、L1[mm]は、レーザ通路8の中心より前方の層流放出面10の長さ、L2[mm]はレーザ通路8の中心より後方の層流放出面10の長さであり、H[mm]は層流放出面10から開先2底部までの距離である。Vw[mm/sec]は溶接送り速度であり、Vg[mm/sec]はガス流速、すなわち、シールドガス供給口6から供給されるガス流量[mm3/sec]を、層流放出面10の面積[mm2]で割ったものである。
In the figure, L 1 [mm] is the length of the
シールドノズル4により供給された層流状態のシールドガス5が開先2内の溶接部に届くまでには、最大でH/Vg[sec]程度の時間を要する。そのため、溶接進行方向前方の溶接予定部にもシールドガス5のプリフローを行っておくことが好ましく、溶接予定部にプリフローが開始されてから実際にレーザ光3が照射されるまでの時間L1/Vw[sec]内に、シールドガス5が開先2底部に届いていることが必要である。すなわち、
L1/Vw≧H/Vg −式(5)
層流発生部9の層流放出面10の寸法(形状)と溶接条件との関係が上記式(5)を満たさない場合、開先2内の溶接部にシールドガス5が供給される前、つまり十分なシールド雰囲気が形成される前にレーザ光3が照射されて溶接が開始されてしまうおそれがある。
It takes about H / Vg [sec] at the maximum until the laminar flow of the shielding gas 5 supplied by the shielding
L 1 / V w HH / V g −Equation (5)
If the relationship between the dimension (shape) of the laminar
下記の式(1)および式(3)は、式(5)を変形したものであり、それぞれ、十分なプリフローを行うための、レーザ通路8の中心より前方の層流放出面10の長さL1の最小値と、ガス流速Vgの最小値を定めたものである。
Equations (1) and (3) below are variations of Equation (5), and each has a length L of the
L1≧H×Vw/Vg −式(1)
Vg≧H×Vw/L1 −式(3)
溶接部後方の溶接完了部は、一般的に、高温状態にある方が酸化されやすく、ある温度以下になると酸化が抑制される。酸化が抑制される温度は母材の組成等により異なるが、300〜550℃程度であり、鉄では約500℃以下、チタンでは約350℃以下である。溶接完了部が、酸化が抑制される温度まで冷却されるのに要する時間tは、レーザ出力や溶接送り速度等によって決まり、例えば本発明の実験例においては、レーザ出力6kW、溶接送り速度5mm/secの場合、溶接完了部が500℃以下まで冷却されるには15secほどかかる。高温状態にある溶接完了部は、酸化が抑制される温度まで冷却されるまでシールドガス5のアフターフローを行っておくことが好ましく、すなわち、
L2/Vw≧t −式(6)
層流発生部9の層流放出面10の寸法(形状)と溶接条件との関係が上記式(6)を満たさない場合、高温状態の溶接完了部におけるシールド性が不十分になり、溶接完了部が酸化されてしまうおそれがある。
L 1 HH × V w / V g -Equation (1)
V g H H × V w / L 1 -Equation (3)
Generally, the weld completion portion at the rear of the weld portion is easily oxidized when the temperature is high, and the oxidation is suppressed when the temperature is below a certain temperature. The temperature at which oxidation is suppressed varies depending on the composition of the base material and the like, but is about 300 to 550 ° C., about 500 ° C. or less for iron and about 350 ° C. or less for titanium. The time t required for the weld completion portion to be cooled to the temperature at which oxidation is suppressed is determined by the laser output, the welding feed rate, etc. For example, in the experimental example of the present invention, the laser output is 6 kW, the welding feed rate 5 mm / In the case of sec, it takes about 15 seconds for the weld completion portion to be cooled to 500 ° C. or less. It is preferable to perform afterflow of the shielding gas 5 until it is cooled to a temperature where oxidation is suppressed, that is,
L 2 / V w tt − equation (6)
When the relationship between the dimension (shape) of the laminar
下記の式(2)および式(4)は、式(6)を変形したものであり、それぞれ、十分なアフターフローを行うための、レーザ通路8の中心より後方の層流放出面10の長さL2の最小値と、溶接送り速度Vwの最大値を定めたものである。
Equations (2) and (4) below are variations of Equation (6), and the length of the
L2≧Vw×t −式(2)
Vw≦L2/t −式(4)
図7および図8を参照して、第2発明に係るワイヤ通路11の有無による差異を示し、シールドノズル4がワイヤ通路11を有することの効果について説明する。図7および図8は、開先突合せ継手の積層溶接において、開先底部から上方へと積層が進み、厚板1表面付近の溶接を行う様子を示しており、溶接ワイヤ13をシールドノズル4の前方から45°の送給角度(溶接ワイヤ13と厚板1表面とのなす角)で送給する場合を示す。図7および図8は、それぞれ、シールドノズル4がワイヤ通路11を有さない場合、シールドノズル4がワイヤ通路11を有する場合のものである。
L 2 VV w × t − equation (2)
V w ≦ L 2 / t − equation (4)
The difference due to the presence or absence of the
開先2底部や底部付近の溶接を行う場合、開先2内に挿入される溶接ワイヤ13と、開先2外部に配置されるシールドノズル4の干渉が問題になることはないが、積層が進み、溶接ワイヤ13の供給位置が厚板1表面に近づくと、溶接ワイヤ13の上部がシールドノズル4の層流放出面10に干渉する。溶接ワイヤ13の送給角度を調節することによってシールドノズル4との干渉を避けるのは難しく、また溶接ワイヤ13の送給角度を下げるにも限界があるため、厚板1表面付近の溶接を行うにはシールドノズル4を上昇させる必要が生じる。
When welding at the bottom of the
図7に示すごとく、シールドノズル4にワイヤ通路11が形成されていないと、シールドノズル4のレーザ通路8より前方の部分と溶接ワイヤ13の上部とが互いに干渉することのないよう、シールドノズル4を上方に持ち上げる必要がある。溶接ワイヤ13の送給角度が45°の場合、厚板1表面と層流発生部9の層流放出面10との間の距離が、レーザ通路8の中心より前方の層流放出面10の長さL1と同程度以上となるようにする必要が生じる。後述する実験例と同じ寸法のシールドノズル4を用いた場合、層流発生部9の層流放出面10は厚板1表面の50mm程度上方に配置される必要がある。層流放出面10が溶接部から遠ざかることにより、放出されたシールドガス5が効率的に開先2内に供給されなくなり、溶接品質の低下が生じる可能性がある。これに対し、図8に示すごとく、シールドノズル4にワイヤ通路11が形成されている場合、積層が進み、厚板1表面付近への溶接ワイヤ13の供給が必要になっても、シールドノズル4を上方に持ち上げる必要はなく、溶接部の高いシールド性を維持したまま開先2内の溶接部に溶接ワイヤ13を送給することができ、高品質な積層溶接が可能となる。
As shown in FIG. 7, in the case where the
以下、実験例および対比例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
[実験例1]
本例は、図9に示すごとく、本発明に係るシールドノズルおよびシールド方法を用いた例である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on experimental examples and comparative examples.
[Experimental Example 1]
This example is an example using a shield nozzle and a shield method according to the present invention as shown in FIG.
板厚100mmの厚板1を準備し、その溶接面にルート幅3mm、片側2°のV字型の開先2を形成して裏当てを取り付けた。シールドノズル4を、層流発生部9の層流放出面10が厚板1表面と平行に、その8mm上方に位置するように配置した。このとき、層流放出面10から開先2底部までの距離は108mmであった。
A thick plate 1 having a thickness of 100 mm was prepared, and a V-shaped
シールドノズル4のケース7として150×100×20mmtの矩形状の金属製フレームを用い、溶接進行方向に対する前方長さが45mm、後方長さが105mmになるよう、ケース7にレーザ通路8としての貫通孔(φ30mm)を形成した。溶接ワイヤ13はφ1.2mmの市販のものを用い、溶接ワイヤ13を溶接進行方向前方から供給するために、幅5mmのスリット状のワイヤ通路11をケース7に形成した。シールドノズル4の下面は、レーザ通路8およびワイヤ通路11を除く部分が層流放出面10となっており、層流発生部9には、粒径3μmのステンレス粒子からなり数十μmの空孔を持つ多孔焼結体を用いた。シールドガス5にはCO2を用い、一定流量50L/min(=8.33×105mm3/sec)で供給した。エアノズル12としては、ノズル幅40mmのフラットノズルを、レーザ通路8の上方30mmの位置に、レーザ光3の光軸を横断するエアカーテン(エアナイフ)を形成するように配置した。エアノズル12から噴射される圧縮空気の流速は、20m/secとした。
A 150 x 100 x 20 mm t rectangular metal frame is used as the case 7 of the
図中のレーザ光3は溶接部を示すための便宜上のものであって実際の溶接は行わないが、レーザ出力を6kw、溶接送り速度を5mm/secとした場合、層流放出面10の寸法(形状)と溶接条件との関係は、先述の式(5)および(6)を満足するものであった。
The
図9内のグラフは、レーザ光3を照射しないときの開先2底部における酸素濃度を、溶接進行方向に沿って10〜20mm間隔で測定した結果を示している。
グラフに示すように、溶接部前方から後方まで広範囲にかけて酸素濃度0%が維持され、広範囲での高いシールド性が示された。
[対比例1]
従来例として、太径パイプを3本連結してなる太径パイプ製シールドノズル15を開先2外部に配置した場合について、図10に示す。シールドノズル以外の溶接条件や測定内容は実験例1と同様とした。また、グラフには、シールドガス5の流量を30L/min(=5.0×105mm3/sec)に変更した場合の酸素濃度を併せて示す。
The graph in FIG. 9 shows the results of measuring the oxygen concentration at the bottom of the
As shown in the graph, the oxygen concentration was maintained at 0% over a wide area from the front to the rear of the weld, indicating high shielding properties over a wide area.
[Comparison 1]
As a conventional example, FIG. 10 shows a case where a large diameter
本例に用いた太径パイプは、一辺15mmの正方形断面を有する角パイプであり、その一端を、角パイプを水平方向から45°傾けた際に端面が母材表面と平行になるように切断してガス噴出口とした。前記太径パイプを3本連結して太径パイプ製シールドノズル15とし、ガス噴出口の溶接部に近接する側の端部が溶接部の108mm後方、厚板1表面の8mm上方に位置するように配置した。
The large diameter pipe used in this example is a square pipe having a square cross section with a side of 15 mm, and when one end of the square pipe is inclined 45 ° from the horizontal direction, the end face is cut parallel to the surface of the base material Then it was used as a gas spout. Three large diameter pipes are connected to form a large diameter
グラフに示すように、噴射されたシールドガス5は主に溶接部およびその前後30mmの範囲にしか到達せず、溶接部前後30mm以内においても、開先2底部の酸素濃度は4%以上となった。
[対比例2]
従来例として、細径パイプを10本連結してなる細径パイプ製シールドノズル16を開先2内に挿入した場合について、図11に示す。シールドノズル以外の溶接条件や測定内容は実験例1と同様とした。また、グラフには、シールドガス5の流量を30L/min(=5.0×105mm3/sec)に変更した場合の酸素濃度を併せて示す。
As shown in the graph, the injected shielding gas 5 mainly reaches only the weld and the range of 30 mm around and around the weld, and the oxygen concentration at the bottom of the
[Comparison 2]
As a conventional example, FIG. 11 shows a case where a small diameter
本例に用いた細径パイプは径3mmの丸パイプであり、それを10本連結したものを細径パイプ製シールドノズル16とした。細径パイプ製シールドノズル16を、水平方向から45°傾けて開先2内の、開先2底部から30mm上方の位置に挿入し、ガス噴出口の溶接部に近接する側の端部が溶接部の30mm後方に位置するように配置した。
The small diameter pipe used in this example is a round pipe having a diameter of 3 mm, and a pipe in which ten pipes are connected is used as a small diameter
グラフに示すように、噴射されたシールドガス5は主に溶接部後方20〜60mmの範囲、すなわち細径パイプ製シールドノズル16の噴出口付近にしか到達しなかった。溶接部での酸素濃度は2〜4%であり、また、開先2底部の酸素濃度が0%になるのは噴出口付近のみであって、開先2底部の広範囲において十分なシールド雰囲気は形成されなかった。
[実験例2〜4]
実験例2〜4は、図12にある通り、本発明においてシールドノズル4にワイヤ通路11が形成されていない場合を示すためのものである。また、ワイヤ通路11が形成されていない場合においての、エアノズル12の有無による、開先2底部の酸素濃度の違いを示す。実験例1の溶接条件において、溶接ワイヤ13の送給角度が45°である場合を想定し、層流発生部9の層流放出面10が厚板1表面と平行に、その50mm上方に位置するように配置した。
As shown in the graph, the injected shield gas 5 mainly reached only in the range of 20 to 60 mm behind the weld, that is, in the vicinity of the jet nozzle of the thin
[Experimental examples 2 to 4]
Experimental Examples 2 to 4 are for showing the case where the
実験例2は、ワイヤ通路11が形成されておらず、レーザ通路8が貫通孔であり、エアノズル12が設けられていない例である。実験例3は、ワイヤ通路11が形成されておらず、レーザ通路8が貫通孔であり、レーザ通路8上方にエアノズル12が設けられている例である。実験例4は、ワイヤ通路11が形成されておらず、レーザ通路8がレーザ光3を透過する材質によって塞がれており、エアノズル12が設けられていない例である。
Experimental Example 2 is an example in which the
シールドノズル4にワイヤ通路11が形成されていない場合、シールドノズル4と溶接部との距離が遠くなるため、図13内のグラフに示すように、開先2底部の溶接部近傍における酸素濃度は、エアノズル12を用いない実験例2では4%以上であり、エアノズル12を用いた実験例3においても2%以上となった。
[実験例5〜7]
実験例5〜7は、図13にある通り、本発明におけるエアノズル12の効果を示すためのものである。実験例1の溶接条件において、エアノズル12を用いることによる効果を見やすくするため、シールドノズル4を母材表面の20mm上方に配置して、シールドガス5の供給および酸素濃度の測定を行った。
When the
[Experimental Examples 5 to 7]
Experimental Examples 5 to 7 are for showing the effect of the
実験例5は、ワイヤ通路11が形成されており、レーザ通路8が貫通孔であり、エアノズル12が設けられてない例である。実験例6は、ワイヤ通路11が形成されており、レーザ通路8が貫通孔であり、レーザ通路8上方にエアノズル12が設けられている例である。実験例7は、ワイヤ通路11が形成されており、レーザ通路8がレーザ光3を透過する材質によって塞がれており、エアノズル12が設けられていない例である。
Experimental Example 5 is an example in which the
図14内のグラフに示すように、エアノズル12を用いることにより、開先2底部の酸素濃度を低くし、高いシールド性が実現された。
As shown in the graph in FIG. 14, by using the
本発明は、厚板の突合せ継手その他の継手に対する狭開先溶接において利用することができ、また、極めて狭い開先における溶接にも利用できる。さらに、以上に説明したようなレーザ溶接のみではなく、レーザを用いないアーク溶接等の狭開先溶接においても利用可能性がある。 The present invention can be used in narrow gap welding for thick butt joints and other joints, and can also be used for welding in extremely narrow gaps. Furthermore, in addition to the laser welding as described above, the present invention may also be used in narrow gap welding such as arc welding that does not use a laser.
1 厚板
2 開先
3 レーザ光
4 シールドノズル
5 シールドガス
6 シールドガス供給口
7 ケース
8 レーザ通路
9 層流発生部
10 層流放出面
11 ワイヤ通路
12 エアノズル
13 溶接ワイヤ
14 溶融ビード
15 太径パイプ製シールドノズル
16 細径パイプ製シールドノズル
Reference Signs List 1
Claims (5)
L 1 ≧H×V w /V g −式(1)
L 2 ≧V w ×t −式(2) A gas shield nozzle used for thick plate narrow groove laser welding, which is disposed between a laser light source and a weld so as to cover a weld at a bevel and through which laser light passes, and a shield gas possess a supplying layer flow generation section in a state of laminar flow in the weld from the groove outside, the laminar flow generating unit has a laminar flow emitting surface facing the weld, open from the laminar flow emitting surface Assuming that the distance to the front bottom is H, the welding feed rate is V w , the gas flow rate is V g , and the time for cooling to a temperature at which oxidation of the weld completion portion is suppressed t, the laser passage of the laminar flow emission surface shield nozzle length of welding direction ahead of the center L 1 and welding direction behind the length L 2 is to satisfy the following equation.
L 1 HH × V w / V g -Equation (1)
L 2 VV w × t − equation (2)
V g ≧H×V w /L 1 −式(3)
V w ≦L 2 /t −式(4) A gas shield method used for thick plate narrow groove laser welding, which has a laser passage through which a laser beam passes and a shield nozzle capable of releasing a shield gas, is opened between the laser light source and the welding portion. The shield nozzle is disposed so as to cover the weld in the tip, and shield gas is supplied from the outside of the groove to the weld in a laminar flow state using the shield nozzle, and the shield nozzle is a laminar flow release surface facing the weld. The length from the center of the laser passage of the laminar flow emitting surface to the welding advancing direction L 1 , the length from the welding advancing direction L 2 , the distance from the laminar flow emitting surface to the groove bottom wherein H, when the time for oxidation of the welding completion portion is cooled to a temperature which is suppressed to a t, that setting a condition of the following equation for the welding feed speed V w and the gas flow velocity V g Cie Rudo way.
V g H H × V w / L 1 -Equation (3)
V w ≦ L 2 / t − equation (4)
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