JP7435834B2 - レーザビーム溶接方法とその溶接機ならびに突合せ溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼板の突合せ溶接に用いられるレーザビーム溶接方法とその方法に用いる溶接機、ならびに、上記方法で得られた突合せ溶接継手に関するものである。
近年、鋼板等の鉄鋼製品は、製品品質の向上、生産性の向上等の観点から、酸洗ラインや冷間圧延ライン、焼鈍ライン、精整ライン等では、コイル状に巻き取った鋼板を巻き戻しながら連続的に処理することが行われている。斯かる連続処理ラインでは、コイル状に巻き取った鋼板を巻き戻しながら連続的に処理するため、ラインの入側において先行する鋼板コイルの後端と、後行の鋼板コイルの先端とを何らかの手段で接合する必要がある。
上記接合手段としては、従来、フラッシュバット溶接が多く使用されているが、合金成分を多量に含んだ脆性に劣る鋼板に対しては、レーザ溶接等が主に用いられている。このレーザ溶接においては、先行鋼板の尾端と後行鋼板の先端を溶接機に備えられた剪断機で切断して溶接端面の精度を整えた後、該端部を突合せて溶接を行っている。この際、上記突き合せた鋼板間の間隙幅は、一般に、鋼板板厚の１／１０以下程度に設定されている。
しかし、上記鋼板を切断加工した場合には、完全に直線に切断することは難しい。また、切断端面には、ダレやカエリが生じるため、切断精度を如何に高めても、上記突き合せた鋼板間の間隙幅（ギャップ）を０（ゼロ）とすることは不可能である。また、鋼板の突合せ条件の変動等により、板幅方向で鋼板間の間隙幅が変化する場合もある。上記問題点に対しては、突き合わせる鋼板のうちの一方を表裏反転させて、突き合わせた鋼板間の間隙をできる限り低減する技術（例えば、特許文献１参照）が提案されている。また、上記鋼板間の間隙部に溶加材（フィラー）を供給し、鋼板とともにフィラーを溶融して溶接金属を形成して溶接することが行われている（例えば、特許文献２、３参照）。
しかし、鋼板の溶接に用いられているレーザビームは、一般的に、出力が１０ｋＷ以下で、ビーム径が０．４～０．６ｍｍ程度のものが用いられているため、溶接部にレーザビームを溶接部に的確に照射するのは容易ではない。そこで、溶接部に照射するレーザビームを鋼板の突合せ部を横切るように揺動（ウィービング）することが行われている（例えば、特許文献４～７参照）。
しかしながら、上記特許文献４～６に開示の技術は、レーザビームを揺動することを開示しているものの、溶接部にフィラーを供給しない技術であり、フィラーを供給する場合には適用できない。また、上記特許文献７に開示の技術は、溶接部にフィラーを供給し、かつ、レーザビームを揺動することを開示している。しかし、突き合わせた鋼板間の間隙幅が大きい場合や溶接速度が変動する場合、上記間隙幅が板幅方向で変化しているような場合等には、機械的強度の優れた溶接継手を安定して得ることができないという問題があった。
本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものである。その目的は、鋼板同士をレーザで突合せ溶接する際、突き合わせた鋼板間の間隙幅（ギャップ）が大きい場合や間隙幅が板幅方向で変化するような場合においても、安定して高品質の突合せ溶接継手を得ることができるレーザビーム溶接方法を提案することにある。さらにその方法に用いるレーザビーム溶接機と上記方法で得られた溶接継手を提供することにある。
発明者らは、上記課題を解決するため、フィラーの供給条件とレーザビームの照射条件に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、突き合わせた鋼板の突合せ部にレーザビームを照射して突合せ溶接する際、上記鋼板間の間隙部に供給するフィラーの供給量を適正範囲に制御する。具体的には、溶接点（レーザビーム照射位置）前方の鋼板間の間隙幅を検出する検出器を配設し、かつ、上記検出器とフィラー供給装置をと連動させ、上記検出器で検出した間隙幅に応じてフィラーの供給量を適正範囲に制御する。さらに上記フィラーを供給した間隙部に照射するレーザビームを、上記検出器で検出した間隙部の位置に基づいて、上記間隙部を横切る（跨ぐ）ように回転させながら照射し、溶接部を広範囲かつ均一に照射する。これらにより、鋼板間の間隙部の幅変動等に対して十分に対応できるだけでなく、溶接ビード部におけるスパッタの発生等も軽減できるので、高品質の突合せ溶接継手を安定して得ることができることを見出した。
上記知見に基づく本発明は、突き合わせた鋼板間の間隙部にフィラーを供給しつつレーザビームを照射して突合せ部の鋼板とフィラーを溶融・凝固させて溶接金属を形成し、上記突き合わせた鋼板を溶融接合するレーザビーム溶接方法において、上記レーザビームを、鋼板間隙部を跨いで回転しながら照射するとともに、上記間隙部に供給するフィラーの単位時間当たりの供給量を、単位時間当たりに溶接する鋼板間の間隙体積に対して所定の範囲内に制御することを特徴とするレーザビーム溶接方法を提案する。
本発明の上記レーザビーム溶接方法は、下記の（１）～（６）のすべての条件を満たして溶接を行うことで、下記の（７）および（８）の条件を満たす溶接金属を形成することを特徴とする。
記
（１） ０．４≦ｔ≦１０．０
（２） ０．８０≦ｖ≦８．０
（３） ０＜ａ≦１．０
（４） ５０≦ｆ≦４００
（５） ０＜ｐ≦７０
（６） １．０≦Ｖ／ｇ≦４．０
（７） ０．８０≦ｈ／ｔ≦１．２０
（８） ０．２≦ｗ≦３．０
ここで、上記のｔは鋼板の板厚（ｍｍ）、ｖは溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）、ａはレーザビームの回転幅（ｍｍ）、ｆはレーザビームの回転周波数（Ｈｚ）、ｐはレーザビームが回転する際に描く円の扁平率（％）、Ｖは単位時間あたりのフィラー供給量（ｍｍ３／ｍｉｎ）、ｇは単位時間あたりに溶接する鋼板間の間隙体積（ｍｍ３／ｍｉｎ）、ｈは溶接中央部の厚さ（ｍｍ）、ｗは溶接部の板厚方向の最小溶融幅（ｍｍ）である。
記
（１） ０．４≦ｔ≦１０．０
（２） ０．８０≦ｖ≦８．０
（３） ０＜ａ≦１．０
（４） ５０≦ｆ≦４００
（５） ０＜ｐ≦７０
（６） １．０≦Ｖ／ｇ≦４．０
（７） ０．８０≦ｈ／ｔ≦１．２０
（８） ０．２≦ｗ≦３．０
ここで、上記のｔは鋼板の板厚（ｍｍ）、ｖは溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）、ａはレーザビームの回転幅（ｍｍ）、ｆはレーザビームの回転周波数（Ｈｚ）、ｐはレーザビームが回転する際に描く円の扁平率（％）、Ｖは単位時間あたりのフィラー供給量（ｍｍ３／ｍｉｎ）、ｇは単位時間あたりに溶接する鋼板間の間隙体積（ｍｍ３／ｍｉｎ）、ｈは溶接中央部の厚さ（ｍｍ）、ｗは溶接部の板厚方向の最小溶融幅（ｍｍ）である。
また、本発明は、突き合わせた鋼板を溶融接合するレーザビーム溶接機であって、レーザビームを発振するレーザ発振器と、上記レーザビームを伝送する伝送系と、上記レーザビームを回転しながら鋼板間隙部を跨いで照射する加工ヘッドと、上記間隙部にフィラーを供給するフィラー供給装置と、上記突き合わせた鋼板の突合せ位置と間隙幅を検出する検出器と、フィラー供給装置から鋼板間隙部に供給するフィラーの量を制御する制御部とを有し、上記制御部は、溶接速度と上記検出器で検出した間隙幅から算出される単位時間あたりに溶接する溶接間隙体積に応じてフィラー供給装置から供給するフィラーの供給量を所定の範囲に制御する機能を有することを特徴とするレーザビーム溶接機である。
また、本発明は、板厚が０．４～１０．０ｍｍの鋼板の突合せ溶接継手であって、上記溶接継手の溶接部は、鋼板とフィラーから構成された溶接金属を有し、かつ、上記溶接金属の幅中央部の厚さｈおよび厚さ方向の溶融最小幅ｗが、下記（７）および（８）の条件を満たすことを特徴とする突合せレーザビーム溶接継手である。
記
（７） ０．８０≦ｈ／ｔ≦１．２０
（８） ０．２≦ｗ≦３．０
記
（７） ０．８０≦ｈ／ｔ≦１．２０
（８） ０．２≦ｗ≦３．０
本発明によれば、レーザビーム溶接で鋼板を突合せ溶接する際、溶接部に供給するフィラーの供給量を適正化するとともに、レーザビームの照射条件を適正化したので、外観のみならず強度特性に優れる溶接継手を安定して得ることが可能となる。したがって、本発明の技術を鋼板の連続処理ラインに適用した場合には、溶接不良による再溶接の時間を低減したり、ライン内での破断を低減したりすることができるので、生産性の向上に寄与する。また、溶接部に供給するフィラーの量も低減できるという効果もある。
まず、本発明に係る鋼板の突合せ溶接に用いるレーザビーム溶接方法と溶接機について図を用いて説明する。
図１は、突き合わせた２枚の鋼板Ｓ１，Ｓ２を溶融接合する本発明のレーザビーム溶接機と溶接方法の概要を説明する一例図であり、（ａ）は全体像、（ｂ）は（ａ）中に示したＡ部の拡大図である。上記溶接機は、レーザビームＬを発振するレーザ発振器１と、上記レーザビームＬを伝送する伝送系２と、上記レーザビームＬを突き合せた鋼板間の間隙部４に照射する加工ヘッド３と、上記鋼板間の間隙部４にフィラー５を供給するフィラー供給装置６と、上記突き合わせた鋼板の突合せ位置と間隙部の幅Ｇを検出する検出器７と、上記フィラー供給装置６から鋼板間隙部４に供給するフィラー５の量を制御する制御部８とを有している。そして、上記加工ヘッド３から照射されたレーザビームＬによって、突合せ部近傍の鋼板と上記鋼板間の間隙部４に供給されたフィラー５とを溶融・凝固することで溶接部（溶接金属）９を形成する。
図１は、突き合わせた２枚の鋼板Ｓ１，Ｓ２を溶融接合する本発明のレーザビーム溶接機と溶接方法の概要を説明する一例図であり、（ａ）は全体像、（ｂ）は（ａ）中に示したＡ部の拡大図である。上記溶接機は、レーザビームＬを発振するレーザ発振器１と、上記レーザビームＬを伝送する伝送系２と、上記レーザビームＬを突き合せた鋼板間の間隙部４に照射する加工ヘッド３と、上記鋼板間の間隙部４にフィラー５を供給するフィラー供給装置６と、上記突き合わせた鋼板の突合せ位置と間隙部の幅Ｇを検出する検出器７と、上記フィラー供給装置６から鋼板間隙部４に供給するフィラー５の量を制御する制御部８とを有している。そして、上記加工ヘッド３から照射されたレーザビームＬによって、突合せ部近傍の鋼板と上記鋼板間の間隙部４に供給されたフィラー５とを溶融・凝固することで溶接部（溶接金属）９を形成する。
上記加工ヘッド３の内部には、図２に示すように、複数枚のミラー１０ａ、１０ｂが内蔵されている。そして、上記ミラーが連動して動作することにより、レーザビームＬが、図３（ａ）に示したように、突き合わせた鋼板間の間隙部４を跨いで円弧を描くように回転しながら照射される。加工ヘッド３は、溶接時には、溶接方向ｄの方向に向かって移動する、あるいは、鋼板が上記ｄとは逆方向に移動するので、溶接部に照射されるレーザビームの軌跡は、図３（ｂ）に示したように螺旋状となる。
また、上記フィラーの供給量を制御する制御部８は、上記検出器７で測定した、溶接点（レーザビーム照射位置）前方の鋼板間の間隙部４の幅Ｇおよびそのときの溶接速度ｖに基づいて、単位時間あたりに溶接する鋼板間の間隙体積Ｖと、上記間隙体積に対して所定の倍数のフィラー供給量（単位時間あたりにフィラー供給装置から供給するフィラーの量）ｇを算出する。そして、その結果をフィラー供給装置６に伝達してフィラー５の供給速度に反映させる。
ここで、本発明における突き合わせた鋼板間の間隙部の幅Ｇは、図４に示したように、突き合わせた２枚の鋼板端面先端の最小間隔と定義する。なお、図１（ｂ）には、鋼板間の間隙部４の幅Ｇを測定する検出器として、鋼板の上下にレーザ照射器７ａと透過したレーザの受光器７ｂからなる間隙部の幅検出器７を配置した例を示した。しかし、間隙部４の幅Ｇを正確に測定することができれば、必ずしも上下に配置する必要はない。
次に、上記レーザビーム溶接機およびレーザビーム溶接方法を用いて得られる本発明の突合せ溶接継手について説明する。
本発明の突合せ溶接継手は、以下に説明する（１）、（７）および（８）の条件を満たしていることが必要である。
（１）０．４≦ｔ≦１０．０
まず、本発明の突合せ溶接継手を構成する鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）は、レーザビーム溶接が可能な板厚である０．４～１０．０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。板厚ｔが０．４ｍｍ未満では、溶接時に溶落ちが起こり、穴あき等の欠陥が発生する虞があるため、レーザビームの出力を下げる必要があり、生産性を阻害する。一方、板厚ｔが１０．０ｍｍを超えると、通常、レーザビーム溶接に使用されている１０ｋＷ程度以下の出力では投入熱エネルギーが不足し、後述する溶接金属の厚さ方向の最小溶融幅ｗを確保できなくなり、溶接速度を下げざるを得なくなる。そのため、高速溶接という本発明のメリットを得ることができなくなる。より好ましい板厚は１．０～４．０ｍｍの範囲である。
本発明の突合せ溶接継手は、以下に説明する（１）、（７）および（８）の条件を満たしていることが必要である。
（１）０．４≦ｔ≦１０．０
まず、本発明の突合せ溶接継手を構成する鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）は、レーザビーム溶接が可能な板厚である０．４～１０．０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。板厚ｔが０．４ｍｍ未満では、溶接時に溶落ちが起こり、穴あき等の欠陥が発生する虞があるため、レーザビームの出力を下げる必要があり、生産性を阻害する。一方、板厚ｔが１０．０ｍｍを超えると、通常、レーザビーム溶接に使用されている１０ｋＷ程度以下の出力では投入熱エネルギーが不足し、後述する溶接金属の厚さ方向の最小溶融幅ｗを確保できなくなり、溶接速度を下げざるを得なくなる。そのため、高速溶接という本発明のメリットを得ることができなくなる。より好ましい板厚は１．０～４．０ｍｍの範囲である。
（７）ｈ／ｔ：０．８０～１．２０
図５は、突合せ溶接継手の溶接部の断面を示した模式図であり、突き合せた鋼板間には鋼板とフィラーとが溶融・混合して形成された溶接金属９が存在している。ここで、上記溶接金属９の幅中央部の厚さｈ（ｍｍ）は、突き合せた鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）に対する比（ｈ／ｔ）が０．８０～１．２０の範囲であることが好ましい。（ｈ／ｔ）が０．８０未満では、溶接ビード（溶接金属）のアンダーフィル（溶接金属が凹んだ状態）が大きくなり過ぎ、応力集中が起こるために十分な強度が得られない。一方、１．２０を超えると、溶接金属と母材の鋼板板厚との段差が大きくなり過ぎ、鋼板と溶接金属との境界部に応力が集中するため、例えば、溶接後、冷間圧延を行うような場合には、板破断を起こす原因となるため好ましくない。より好ましい（ｈ／ｔ）は０．９～１．１の範囲である。なお、突き合せた２枚の鋼板Ｓ１，Ｓ２の板厚が異なる場合の板厚ｔは、２枚の鋼板の平均板厚とする。
図５は、突合せ溶接継手の溶接部の断面を示した模式図であり、突き合せた鋼板間には鋼板とフィラーとが溶融・混合して形成された溶接金属９が存在している。ここで、上記溶接金属９の幅中央部の厚さｈ（ｍｍ）は、突き合せた鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）に対する比（ｈ／ｔ）が０．８０～１．２０の範囲であることが好ましい。（ｈ／ｔ）が０．８０未満では、溶接ビード（溶接金属）のアンダーフィル（溶接金属が凹んだ状態）が大きくなり過ぎ、応力集中が起こるために十分な強度が得られない。一方、１．２０を超えると、溶接金属と母材の鋼板板厚との段差が大きくなり過ぎ、鋼板と溶接金属との境界部に応力が集中するため、例えば、溶接後、冷間圧延を行うような場合には、板破断を起こす原因となるため好ましくない。より好ましい（ｈ／ｔ）は０．９～１．１の範囲である。なお、突き合せた２枚の鋼板Ｓ１，Ｓ２の板厚が異なる場合の板厚ｔは、２枚の鋼板の平均板厚とする。
（８）溶接金属の板厚方向の最小溶融幅ｗ：０．２～３．０ｍｍ
また、本発明の突合せ溶接継手は、図５に示した溶接金属の板厚方向の最小溶融幅ｗ（ｍｍ）が、０．２～３．０ｍｍの範囲内にあることが必要である。最小溶融幅ｗが０．２ｍｍ未満では、溶接金属の溶融不足により、突合せ継手の強度が十分に確保できない。一方、最小溶融幅ｗが３．０ｍｍを超えると溶接金属の溶落ちが発生して上記（ｈ／ｔ）を確保できなくなったり、欠陥が発生したりする。好ましい最小溶融幅ｗ（ｍｍ）は０．６～２．０ｍｍの範囲である。
また、本発明の突合せ溶接継手は、図５に示した溶接金属の板厚方向の最小溶融幅ｗ（ｍｍ）が、０．２～３．０ｍｍの範囲内にあることが必要である。最小溶融幅ｗが０．２ｍｍ未満では、溶接金属の溶融不足により、突合せ継手の強度が十分に確保できない。一方、最小溶融幅ｗが３．０ｍｍを超えると溶接金属の溶落ちが発生して上記（ｈ／ｔ）を確保できなくなったり、欠陥が発生したりする。好ましい最小溶融幅ｗ（ｍｍ）は０．６～２．０ｍｍの範囲である。
次に、上記に説明した本発明のレーザビーム溶接機を用いて、上記（７）および（８）の特性を有する本発明の突合せ溶接継手を得るためには、上記（１）に加えて、以下に示す（２）～（６）の条件のすべてを満たして突合せ溶接を行うことが必要である。
（２）溶接速度ｖ：０．８０～８．０ｍ／ｍｉｎ
本発明の突合せ溶接継手は、前述したように、板厚が０．４～１０．０ｍｍの鋼板を突き合わせてレーザビーム溶接したものである。上記レーザビーム溶接を行うときの溶接速度ｖは、０．８０～８．０ｍ／ｍｉｎの範囲とする必要がある。
溶接速度ｖが０．８０ｍ／ｍｉｎを下回ると、溶接単位長さあたりの投入熱エネルギーが過剰となり、溶落ちが発生して継手強度が確保できなくなる虞があるため好ましくない。一方、８．０ｍ／ｍｉｎを超えると、逆に溶接単位長さあたりの投入熱エネルギーが不十分となり、溶け込み不足を起こして溶接金属の最小溶融幅ｗを確保できなくなる。好ましい溶接速度ｖは１．５～５．０ｍ／ｍｉｎの範囲である。
（２）溶接速度ｖ：０．８０～８．０ｍ／ｍｉｎ
本発明の突合せ溶接継手は、前述したように、板厚が０．４～１０．０ｍｍの鋼板を突き合わせてレーザビーム溶接したものである。上記レーザビーム溶接を行うときの溶接速度ｖは、０．８０～８．０ｍ／ｍｉｎの範囲とする必要がある。
溶接速度ｖが０．８０ｍ／ｍｉｎを下回ると、溶接単位長さあたりの投入熱エネルギーが過剰となり、溶落ちが発生して継手強度が確保できなくなる虞があるため好ましくない。一方、８．０ｍ／ｍｉｎを超えると、逆に溶接単位長さあたりの投入熱エネルギーが不十分となり、溶け込み不足を起こして溶接金属の最小溶融幅ｗを確保できなくなる。好ましい溶接速度ｖは１．５～５．０ｍ／ｍｉｎの範囲である。
（３）回転幅ａ：０ｍｍ超え１．０ｍｍ以下
本発明のレーザビーム溶接は、図３に示したように、レーザビームを溶接する鋼板間の間隙部を横切って（跨いで）円弧を描くように回転（揺動）しながら照射する。それにより、間隙部に供給されたフィラーと間隙部近傍の鋼板を溶融・凝固して溶接部（溶接金属）を形成することを特徴としている。上記レーザビームが円弧を描くときの幅（回転幅）ａは、突き合せた鋼板間の間隙幅Ｇより大きく、かつ、０ｍｍ超え１．０ｍｍ以下とする必要がある。なお、上記回転幅ａはレーザビーム径の中心間距離である。
本発明のレーザビーム溶接は、図３に示したように、レーザビームを溶接する鋼板間の間隙部を横切って（跨いで）円弧を描くように回転（揺動）しながら照射する。それにより、間隙部に供給されたフィラーと間隙部近傍の鋼板を溶融・凝固して溶接部（溶接金属）を形成することを特徴としている。上記レーザビームが円弧を描くときの幅（回転幅）ａは、突き合せた鋼板間の間隙幅Ｇより大きく、かつ、０ｍｍ超え１．０ｍｍ以下とする必要がある。なお、上記回転幅ａはレーザビーム径の中心間距離である。
回転幅ａが０ｍｍの場合（円弧を描かない場合）で、例えば、レーザビームのビーム径が０．５ｍｍであったときは、０．５ｍｍ幅の領域を照射可能であるが、突き合せた鋼板間に間隙部が存在することを考慮すると、鋼板を溶融できない部分が発生する虞がある。また、ａが０ｍｍでは、レーザビームで照射する位置が少しでもずれると、溶接されない箇所が発生する虞もある。したがって、回転幅ａは０ｍｍ超えとする。一方、回転幅ａは、大きいほど突合せ間隙（ギャップ）の変動に対して有利となる。しかし、照射範囲が広くなる分、単位面積当たりの投入エネルギーが減少するため、溶接速度が遅くせざるを得なくなったり、広い範囲で溶融が起こるため、溶落ちが発生しやすくなったりする。そこで、高速溶接を達成する観点から、溶融幅ａの上限は１．０ｍｍとする。好ましい回転幅ａは０．２～０．６ｍｍの範囲である。
（４）回転周波数ｆ：５０～４００Ｈｚ
レーザビームが円弧を描いて回転するときの回転速度（回転周波数ｆ）は、５０～４００Ｈｚの範囲とする必要がある。
回転周波数ｆが、５０Ｈｚを下回ると、溶接速度ｖに対する周波数ｆが小さく、隣り合うレーザビームの照射軌跡と重ならない部分が生じて、溶接不良が一定間隔で発生するようになる。一方、回転周波数ｆは、高いほど鋼板表面をレーザビームで均一に加熱することができるので、溶接部に形成されるビード表面を平滑化する効果が高まる。しかし、レーザビームが照射される部分について考えれば、周波数が上がるほどレーザビームの走査速度が上がり、照射時間が短くなって単位面積あたりの投入エネルギーが減少するので、高い溶接速度を確保するには、レーザビームの出力を高める必要がある。しかし、レーザビームの出力を高くし過ぎると、レーザビームが照射されたビード表面のスパッタ発生が激しくなり、却ってビード表面が粗くなってしまう。そのため、回転周波数の上限は４００Ｈｚとする。好ましい回転周波数ｆは１００～２００Ｈｚの範囲である。
レーザビームが円弧を描いて回転するときの回転速度（回転周波数ｆ）は、５０～４００Ｈｚの範囲とする必要がある。
回転周波数ｆが、５０Ｈｚを下回ると、溶接速度ｖに対する周波数ｆが小さく、隣り合うレーザビームの照射軌跡と重ならない部分が生じて、溶接不良が一定間隔で発生するようになる。一方、回転周波数ｆは、高いほど鋼板表面をレーザビームで均一に加熱することができるので、溶接部に形成されるビード表面を平滑化する効果が高まる。しかし、レーザビームが照射される部分について考えれば、周波数が上がるほどレーザビームの走査速度が上がり、照射時間が短くなって単位面積あたりの投入エネルギーが減少するので、高い溶接速度を確保するには、レーザビームの出力を高める必要がある。しかし、レーザビームの出力を高くし過ぎると、レーザビームが照射されたビード表面のスパッタ発生が激しくなり、却ってビード表面が粗くなってしまう。そのため、回転周波数の上限は４００Ｈｚとする。好ましい回転周波数ｆは１００～２００Ｈｚの範囲である。
（５）扁平率ｐ：０％超え７０％以下
本発明のレーザビーム溶接においては、図３に示したように、レーザビームが円弧を描くように回転させながら溶接部に照射することを特徴としている。上記した円弧の形状は、溶接ヘッド３が停止しているときに描く円の扁平率ｐが０％超え７０％以下の範囲であることが必要である。具体的には、上記停止時に描く円の溶接方向に直角方向の幅（前述した回転幅ａ）に対する溶接方向の幅ｂの比（ｂ／ａ×１００（％））を扁平率ｐとしたとき、上記扁平率ｐが０％超え７０％以下の範囲であることが必要である。
本発明のレーザビーム溶接においては、図３に示したように、レーザビームが円弧を描くように回転させながら溶接部に照射することを特徴としている。上記した円弧の形状は、溶接ヘッド３が停止しているときに描く円の扁平率ｐが０％超え７０％以下の範囲であることが必要である。具体的には、上記停止時に描く円の溶接方向に直角方向の幅（前述した回転幅ａ）に対する溶接方向の幅ｂの比（ｂ／ａ×１００（％））を扁平率ｐとしたとき、上記扁平率ｐが０％超え７０％以下の範囲であることが必要である。
上記扁平率ｐが０（加工ヘッド３が停止時のレーザビームの照射軌跡が溶接直角方向の直線となる）では、レーザビームの照射軌跡が波線状となり、揺動幅が最大となる両幅端部には一定間隔で未溶融部が発生し、溶接不良を引き起こす虞がある。しかし、扁平率ｐを０超えとし、レーザビームが円弧を描くように回転させながら照射した場合には、上記の未溶融部の発生は解消される。また、扁平率ｐが０の場合には、レーザビームが鋼板間隙間（溶接線）の中央部を通過するときの走査速度ベクトルと溶接速度ベクトルとの合計速度ベクトルと、レーザビームの振幅が最大のときの走査速度ベクトルと溶接速度ベクトルとの合計速度ベクトルとのスカラー差が大きくなる。その結果、両位置における熱エネルギー投入量に差が生じ、均一に加熱することができなくなる。一方、扁平率ｐを０超えとし、レーザビームが円弧を描くように回転させながら照射した場合には、上記両位置における合計速度ベクトルのスカラー差は小さくなるので、鋼板を均一に加熱することが可能となる。しかし、扁平率ｐを７０％を超えて大きくし過ぎると、レーザビームの走査速度が上昇するので、回転周波数ｆを高めたときと同様、単位面積あたりの照射時間が短くなる。その結果、レーザの出力を高めて溶込み深さを確保しなければならなくなるため、ビード表面のスパッタ発生が激しくなり、ビード表面形状も粗くなる。よって扁平率ｐは０％超え７０％以下制限する。好ましい扁平率ｐは３０～５０％の範囲である。
（６）Ｖ／ｇ：１．０～４．０
鋼板を突合せ溶接する際、突き合せた鋼板間の間隙部にフィラーを供給する場合には、単位時間あたりに供給するフィラーの供給量Ｖ（ｍｍ３／ｍｉｎ）は、単位時間あたりに溶接する間隙体積ｇ（ｍｍ３／ｍｉｎ）の１．０～４．０倍の範囲とする必要がある。Ｖ／ｇが１．０を下回ると、間隙部に供給するフィラーが少な過ぎて、形成されるビード（溶接金属）がアンダーフィルの状態となり、ｈ／ｔ≧０．８０を達成できないため、十分な溶接強度を確保できなくなる。一方、Ｖ／ｇが４．０を超えると、逆にビードが鋼板に対して盛り上がり、鋼板と溶接金属の境界部に応力が集中するため、加工性を害するようになる。また、フィラーを溶融するために必要な熱エネルギーも上昇するため、溶接速度を低下するか、レーザ出力を高めることが必要となる。好ましいＶ／ｇは１．５～２．５の範囲である。
鋼板を突合せ溶接する際、突き合せた鋼板間の間隙部にフィラーを供給する場合には、単位時間あたりに供給するフィラーの供給量Ｖ（ｍｍ３／ｍｉｎ）は、単位時間あたりに溶接する間隙体積ｇ（ｍｍ３／ｍｉｎ）の１．０～４．０倍の範囲とする必要がある。Ｖ／ｇが１．０を下回ると、間隙部に供給するフィラーが少な過ぎて、形成されるビード（溶接金属）がアンダーフィルの状態となり、ｈ／ｔ≧０．８０を達成できないため、十分な溶接強度を確保できなくなる。一方、Ｖ／ｇが４．０を超えると、逆にビードが鋼板に対して盛り上がり、鋼板と溶接金属の境界部に応力が集中するため、加工性を害するようになる。また、フィラーを溶融するために必要な熱エネルギーも上昇するため、溶接速度を低下するか、レーザ出力を高めることが必要となる。好ましいＶ／ｇは１．５～２．５の範囲である。
なお、本発明のレーザビーム溶接方法および溶接機を適用することができる鋼板については特に制限はなく、板厚が０．４～１０．０ｍｍの２７０～４４０ＭＰａ級の鋼板であれば、いずれにも適用することができる。また、溶接時に鋼板間の間隙部に供給するフィラーについても、上記鋼板の溶接に通常用いられているフィラーであればよく、特に制限はない。
また、本発明のレーザビーム溶接技術は、鋼板を接合するすべての技術分野に適用できる。特に、ラインの入側において先行する鋼板コイルの尾端と後行の鋼板コイルの先端とを溶接して鋼板を連続的に処理する鋼板の連続処理ラインに対しては好適に用いることができる。
Ｃ：０．０２～０．１５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．０１～０．８ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．２～１．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１～０．０３ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００２～０．００６ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１～０．０３ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１～０．０６ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０１～０．０４ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．００１～０．０１ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．００１～０．０１ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、板厚が０．３ｍｍ、０．６ｍｍ、１．６ｍｍ、２．３ｍｍ、３．２ｍｍ、４．５ｍｍ、６．４ｍｍ、８．０ｍｍおよび１０．８ｍｍである２７０～４４０ＭＰａ級の素材鋼板から、板幅：１０００ｍｍ×長さ：１５００ｍｍの試験片を採取した。次いで、上記試験片を、図１に示したレーザビーム溶接機およびレーザビーム溶接方法を用いて突合せ溶接し、溶接継手を作製する実験を行った。上記レーザビーム溶接には、最大出力が１０ｋＷのファイバーレーザを用いた。突合せ溶接するときの条件（鋼板板厚ｔ、鋼板間の間隙幅Ｇ、レーザ出力Ｗ、溶接速度ｖ、レーザビームの回転幅ａ、回転周波数ｆ、扁平率ｐ、フィラー供給量Ｖ）を表１に示したように種々に変化させた。なお、溶接する鋼板間の間隙部に供給するフィラーには、直径が０．９ｍｍφのＪＩＳ Ｚ ３３１２のＹＧＷ１２に規定されるマグ溶接用ソリッドワイヤを用い、供給速度を制御することで、単位時間当たりのフィラー供給量Ｖを変化させた。
上記のようにして得た溶接継手について、以下の評価を行った。
＜溶接部の断面観察＞
作製した溶接継手の溶接開始部、溶接長さ中央部、および、溶接終了部の３ヶ所についての溶接金属の断面組織を観察し、図５に示した溶接金属の幅中央部の厚さｈおよび溶接金属の厚さ方向の最小溶融幅ｗを測定した。
＜引張試験＞
作製した溶接継手の溶接線長さ方向中央部から、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定される引張試験片（板厚ｔが０．３～３ｍｍまではＪＩＳ５号試験片、３ｍｍ超えはＪＩＳ１４Ｂ試験片）を各３本ずつ採取し、引張試験を実施した。この際、引張試験片は、溶接部が平行部の長さ方向中央部に位置するように採取した。その結果、３本すべての引張試験片が母材破断したものを合格（○）、１本でも溶接部で破断したものは不合格（×）と評価した。
＜張出試験＞
溶接継手の溶接開始部、溶接中央部、および、溶接終了部の３箇所から、９０ｍｍφの円板状試験片を採取し、それぞれに対してエリクセン試験を模した球頭パンチを用いた張出試験を実施した。その結果、３箇所の試験片すべてが溶接金属以外の部分で破断したものを合格（○）、１箇所でも溶接金属あるいは溶接金属と母材鋼板の境界部に沿って破断をしたものは不合格（×）と評価した。
＜溶接部の断面観察＞
作製した溶接継手の溶接開始部、溶接長さ中央部、および、溶接終了部の３ヶ所についての溶接金属の断面組織を観察し、図５に示した溶接金属の幅中央部の厚さｈおよび溶接金属の厚さ方向の最小溶融幅ｗを測定した。
＜引張試験＞
作製した溶接継手の溶接線長さ方向中央部から、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定される引張試験片（板厚ｔが０．３～３ｍｍまではＪＩＳ５号試験片、３ｍｍ超えはＪＩＳ１４Ｂ試験片）を各３本ずつ採取し、引張試験を実施した。この際、引張試験片は、溶接部が平行部の長さ方向中央部に位置するように採取した。その結果、３本すべての引張試験片が母材破断したものを合格（○）、１本でも溶接部で破断したものは不合格（×）と評価した。
＜張出試験＞
溶接継手の溶接開始部、溶接中央部、および、溶接終了部の３箇所から、９０ｍｍφの円板状試験片を採取し、それぞれに対してエリクセン試験を模した球頭パンチを用いた張出試験を実施した。その結果、３箇所の試験片すべてが溶接金属以外の部分で破断したものを合格（○）、１箇所でも溶接金属あるいは溶接金属と母材鋼板の境界部に沿って破断をしたものは不合格（×）と評価した。
上記評価試験の結果を表１に併記した。
表１から、本発明の条件を満たすＮｏ．２，５，１４～１６，２１，２６，３１および３７の発明例の溶接継手は、いずれもｈ／ｔが０．８０～１．２０で、溶接金属の溶融最小幅が０．２～３．０ｍｍの範囲内にある。そのため、引張試験および張出試験の結果もすべて合格と評価された。
これに対して、比較例の溶接継手は、溶接金属のｈ／ｔおよび溶融最小幅ｗのいずれか１以上が本発明の条件を満たしていないため、引張試験では溶接部で破断したり、張出試験では溶接金属と鋼板の境界部に沿って破断が発生したりしていた。
例えば、Ｎｏ．１は、板厚が薄過ぎたため、溶落ちを起こして、ｈ／ｔが０．８０未満、溶融最小幅ｗが０．１ｍｍしかなかった。一方、Ｎｏ．４２は、板厚が厚過ぎたため、１０ｋＷのレーザ出力では投入熱エネルギーが不足し、溶融最小幅ｗが０．２ｍｍを確保できていない。
また、Ｎｏ．３の溶接接手は、溶接速度が速過ぎて、単位面積あたりの投入熱エネルギーが不足したため、最小溶融幅ｗが０．１ｍｍでしかない。逆に、Ｎｏ．３６の溶接継手は、溶接速度が本発明範囲より低いため、低いｈ／ｔとなっている。
また、Ｎｏ．６～８，１０～１２，１７～１９，２２～２４，２７～２９，３２～３４および３８～４０の溶接継手は、レーザビームの回転幅ａ、回転周波数ｆおよび扁平率ｐのうちのいずれかが本発明の範囲外であったため、ｈ／ｔが０．８０を下回っている。
また、Ｎｏ．１３の溶接接手は、Ｖ／ｇが１．０を下回っているためｈ／ｔが０．８０より小さくなっている。逆に、Ｎｏ．４，９，２０，２５，３０，３５および４１の溶接継手は、Ｖ／ｇが大き過ぎたため、ｈ／ｔが１．２０を超えている。
表１から、本発明の条件を満たすＮｏ．２，５，１４～１６，２１，２６，３１および３７の発明例の溶接継手は、いずれもｈ／ｔが０．８０～１．２０で、溶接金属の溶融最小幅が０．２～３．０ｍｍの範囲内にある。そのため、引張試験および張出試験の結果もすべて合格と評価された。
これに対して、比較例の溶接継手は、溶接金属のｈ／ｔおよび溶融最小幅ｗのいずれか１以上が本発明の条件を満たしていないため、引張試験では溶接部で破断したり、張出試験では溶接金属と鋼板の境界部に沿って破断が発生したりしていた。
例えば、Ｎｏ．１は、板厚が薄過ぎたため、溶落ちを起こして、ｈ／ｔが０．８０未満、溶融最小幅ｗが０．１ｍｍしかなかった。一方、Ｎｏ．４２は、板厚が厚過ぎたため、１０ｋＷのレーザ出力では投入熱エネルギーが不足し、溶融最小幅ｗが０．２ｍｍを確保できていない。
また、Ｎｏ．３の溶接接手は、溶接速度が速過ぎて、単位面積あたりの投入熱エネルギーが不足したため、最小溶融幅ｗが０．１ｍｍでしかない。逆に、Ｎｏ．３６の溶接継手は、溶接速度が本発明範囲より低いため、低いｈ／ｔとなっている。
また、Ｎｏ．６～８，１０～１２，１７～１９，２２～２４，２７～２９，３２～３４および３８～４０の溶接継手は、レーザビームの回転幅ａ、回転周波数ｆおよび扁平率ｐのうちのいずれかが本発明の範囲外であったため、ｈ／ｔが０．８０を下回っている。
また、Ｎｏ．１３の溶接接手は、Ｖ／ｇが１．０を下回っているためｈ／ｔが０．８０より小さくなっている。逆に、Ｎｏ．４，９，２０，２５，３０，３５および４１の溶接継手は、Ｖ／ｇが大き過ぎたため、ｈ／ｔが１．２０を超えている。
本発明の技術は、鋼板の連続処理ラインの入側において先行鋼板の尾端と後行鋼板の先端を突き合わせ溶接する場合のみならず、異なる種類の鋼板や異なる板厚の鋼板を溶接してテーラードブランク材を製造する場合にも適用することができる。
１：レーザ発振器
２：伝送系
３：加工ヘッド
４：鋼板間の間隙部
５：フィラー
６：フィラー供給装置
７、７ａ、７ｂ：間隙部の幅検出器
８：演算器
９：溶接金属（溶接部）
１０ａ、１０ｂ：ミラー
Ｌ：レーザビーム
Ｓ１、Ｓ２：鋼板
ａ：レーザビームが描く円弧の溶接直角方法の幅（回転幅）
ｂ：レーザビームが描く円弧の溶接方向の幅
ｄ：溶接方向
Ｇ：鋼板間の間隙幅
ｈ：溶接金属の幅中央の厚さ
ｗ：溶接金属の厚さ方向の最小溶融幅
２：伝送系
３：加工ヘッド
４：鋼板間の間隙部
５：フィラー
６：フィラー供給装置
７、７ａ、７ｂ：間隙部の幅検出器
８：演算器
９：溶接金属（溶接部）
１０ａ、１０ｂ：ミラー
Ｌ：レーザビーム
Ｓ１、Ｓ２：鋼板
ａ：レーザビームが描く円弧の溶接直角方法の幅（回転幅）
ｂ：レーザビームが描く円弧の溶接方向の幅
ｄ：溶接方向
Ｇ：鋼板間の間隙幅
ｈ：溶接金属の幅中央の厚さ
ｗ：溶接金属の厚さ方向の最小溶融幅
Claims (4)
- 突き合わせた板厚が０．４～１０．０ｍｍの鋼板間の間隙部にフィラーを供給しつつレーザビームを照射して突合せ部の鋼板とフィラーを溶融・凝固させて溶接金属を形成し、上記突き合わせた鋼板を溶融接合するレーザビーム溶接方法において、
上記レーザビームを、鋼板間隙部を跨いで回転しながら照射するとともに、
上記間隙部に供給するフィラーの単位時間当たりの供給量を、単位時間当たりに溶接する鋼板間の間隙体積に対して所定の範囲内に制御することを特徴とするレーザビーム溶接方法。 - 下記の（１）～（６）のすべての条件を満たして溶接を行うことで、下記の（７）および（８）の条件を満たす溶接金属を形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム溶接方法。
記
（１） ０．４≦ｔ≦１０．０
（２） ０．８０≦ｖ≦８．０
（３） ０＜ａ≦１．０
（４） ５０≦ｆ≦４００
（５） ０＜ｐ≦７０
（６） １．０≦Ｖ／ｇ≦４．０
（７） ０．８０≦ｈ／ｔ≦１．２０
（８） ０．２≦ｗ≦３．０
ここで、上記のｔは鋼板の板厚（ｍｍ）、ｖは溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）、ａはレーザビームの回転幅（ｍｍ）、ｆはレーザビームの回転周波数（Ｈｚ）、ｐはレーザビームが回転する際に描く円の扁平率（％）、Ｖは単位時間あたりのフィラー供給量（ｍｍ３／ｍｉｎ）、ｇは単位時間あたりに溶接する鋼板間の間隙体積（ｍｍ３／ｍｉｎ）、ｈは溶接中央部の厚さ（ｍｍ）、ｗは溶接部の板厚方向の最小溶融幅（ｍｍ）である。 - 突き合わせた板厚が０．４～１０．０ｍｍの鋼板を溶融接合するレーザビーム溶接機であって、
レーザビームを発振するレーザ発振器と、
上記レーザビームを伝送する伝送系と、
上記レーザビームを回転しながら鋼板間隙部を跨いで照射する加工ヘッドと、
上記間隙部にフィラーを供給するフィラー供給装置と、
上記突き合わせた鋼板の突合せ位置と間隙幅を検出する検出器と、
フィラー供給装置から鋼板間隙部に供給するフィラーの量を制御する制御部とを有し、
上記制御部は、溶接速度と上記検出器で検出した間隙幅から算出される単位時間あたりに溶接する溶接間隙体積に応じてフィラー供給装置から供給するフィラーの供給量を所定の範囲に制御する機能を有することを特徴とするレーザビーム溶接機。 - 請求項１または２に記載のレーザビーム溶接方法を用いて板厚ｔが０．４～１０．０ｍｍの鋼板の突合せ溶接継手を製造する方法において、
上記溶接継手の溶接部が、鋼板とフィラーから構成された溶接金属を有し、かつ、
上記溶接金属の幅中央部の厚さｈおよび厚さ方向の溶融最小幅ｗが、下記（７）および（８）の条件を満たすよう溶接することを特徴とする突合せレーザビーム溶接継手の製造方法。
記
（７） ０．８０≦ｈ／ｔ≦１．２０
（８） ０．２≦ｗ≦３．０
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| Series | Welding of stainless steels and other joining methods |
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