JPH03230880A

JPH03230880A - レーザーによる溶接方法

Info

Publication number: JPH03230880A
Application number: JP2023708A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Sakai; 酒井　芳也; Minoru Yamada; 稔山田; Fumito Yoshino; 芳野　文人; Tetsuo Suga; 哲男菅; Toshihiko Nakano; 利彦中野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-10-14
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2711007B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は熱源としてレーザーを用いて溶接する方法に関
する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）レーザー加工
技術の１つとして、レーザー溶接が知られている。

レーザー溶接は、高エネルギー密度で、大気中で減衰せ
ず、光エネルギーである等の特長を有するレーザーを熱
源に用いた接合法であり、熱源としてＣＯ２レーザーや
ＹＡＧレーザーなどが用いられる。このため、高速溶接
ができ、薄板の突合せ溶接や重ね溶接に利用されている
。また、電子ビーム溶接のように真空加工室を必要とせ
ず、マルチ加工も可能であるので、電子ビーム溶接に代
替する溶接法として採用されつつある。

従来、レーザー溶接では、溶加材を用いずに実施する方
法と、比較的中炭素量でＳｉやＭｎを含有する溶加材（
ソリッドワイヤ）を用いる方法の２通りが採用されてい
た。

しかし、前者のように溶加材を用いないレーザー溶接の
場合には、母材の目違い、ギャップに対する許容範囲が
狭く、またブローホールやピットが出易いという問題が
あった。

一方、後者のように、溶加材を用いたレーザー溶接の場
合には、冷却速度が速いため、溶接後の溶接金属の硬さ
（すなわち、引張強度）が高くなり過ぎ、母材との強度
差が大きく、溶接継手としては問題が多い。

また、例えば、亜鉛メツキ鋼板のような表面処理鋼板を
溶接する場合、溶接部にピット、ブローホールが多発す
るという問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、溶加材を用
いても、健全な溶接継手が得られるレーザー溶接方法を
提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）前記課題を解決するため、本発明者は、特に亜鉛メツキ
鋼板をレーザービーム溶接する際の溶接３− 条件、溶加材成分などについて鋭意研究を重ねた。

その結果、溶加材を使用すると、母材の目違いやギャッ
プがあっても溶接断面積の肉厚が充分得られると共に、
溶接金属の硬化抑制等に効果があるが、従来の比較的中
炭素量含有のソリッドワイヤでは、特に溶接金属の硬化
抑制効果が充分に得られず、溶接金属と母材或いはＨＡ
Ｚ（ｍ液熱影響部）との硬さの違いが比較的大きいこと
、並びに溶接部にピットやブローホールが多く発生する
ことが判明した。そこで、溶加材の形状や成分組成につ
いて更に検討を重ねた結果、ここに本発明をなしたもの
である。

すなわち、本発明は、溶加材を用い、熱源としてレーザ
ーを用いて溶接するに際し、溶加材としてフラックス入
りワイヤを用い、好ましくは少なくとも脱酸剤を含有す
るフラックス入りワイヤを用いることを特徴とするレー
ザーによる溶接方法を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用）一まず、本発明に用いる溶加材について説明する。

前述の如く、従来は、溶加材として比較的中炭素量のソ
リッドワイヤが用いられていたのに対し、本発明では、
フラックス入りワイヤを用いることを最も特徴とする点
である。

フラックス入りワイヤを用いると、溶加材を使用しない
場合に比べ、母材の目違い、ギャップに対する許容範囲
を拡大できる効果が得られる。しかも、従来のソリッド
ワイヤの場合に比べ、溶接後の溶接金属の硬さ、すなわ
ち、引張強度が高くなりすぎることによる母材との強度
差を比較的小さくできることが判明した。また、従来の
ソリッドワイヤでは脱酸剤が効果的に含まれていないの
に対し、フラックス入りワイヤにすれば脱酸剤を適量を
含有させることができるので、溶接部にピットやブロー
ホールの発生を低減でき、特に亜鉛メツキ鋼板を溶接す
る場合、その効果が顕著である。

このため、前記フラックス入りワイヤとしては、少なく
とも脱酸剤を含有するものを用いるのが好ましい。脱酸
剤は、溶融金属の粘性及びスラグの発生量を調整して、
特に亜鉛メツキ鋼板の場合に亜鉛蒸気の成長、浮上、大
気への放出等を制御し、ブローホール、ピットなどの気
孔の発生を抑制し、並びにビードの外観、形状等の溶接
作業性や溶接金属の強度、靭性等の機械的性能を実用上
問題のない範囲に管理することができる。そのためには
、フラックスに添加する場合にはフラックス全重量に対
して５〜３０ｗｔ％が望ましい。５υｔ％より少ないと
そのような効果が得られず、また３０ｗｔ％より多いと
、溶接金属の強度が高くなりすぎ、それによる靭性低下
が生じ、特に母材やＨＡＺとの強度差が大きくなるので
望ましくない。

このような脱酸剤としては、適宜の成分をフラックス中
或いは金属外皮中に含有させることができるが、溶接金
属の硬さ（引張強度）を上げずに脱酸作用のある元素が
好ましい。

代表的な脱酸剤としては、Ｓｉ、Ｍｎなどが挙げられる
。これらは、フラックス中に単体で添加しても、またＦ
ｅ−８ｉ、　Ｆｅ−Ｍｎ、　ＦｅＦｅ−８ｉ−、Ｆｅ−
８ｉ−Ｚｒ等の化合物として添加してもよい。

更に金属外皮中に添加してもよい。

また、Ｔｉ、Ｚｒ及びＮｂも合金元素として添加するこ
とができ、ワイヤ全重量当り、Ｔｉ：０．０１−０．０
１５ｗｔ％、Ｚｒ：　０．０１〜０．１５ｔｉｔ％及び
Ｎｂ：　０．０１〜０．０１５ｗｔ％の１種又は２種を
含有させるのが好ましい。これらＴｉ、Ｚｒ及びＮｂは
、特に亜鉛メツキ鋼板を溶接する場合、亜鉛と化合物を
生成したり、溶融金属の粘度を上げるなどの作用もあり
、ピット、ブローホールの低減効果が顕著である。なお
、それぞれ下限値未満では気孔防止効果が得られず、ま
た上限値より多量に含有させると溶接金属の耐割れ性、
伸び、靭性等の機械的性能を低下させる。Ｔｉ、Ｚｒ及
びＮｂは、フラックス中に単体で添加しても、また化合
物や他のＦｅ−Ｚｒ−８ｉ、　Ｆｅ−Ｚｒ、　Ｆｅ　−
Ｔｉ、Ｆｅ−Ｎｂ等原料に含有された形で添加してもよ
い。更に外皮金属中に加えてもよい。

フラックス入りワイヤには、ワイヤ全重量当り、Ｃを０
．３０ｔｙｔ％以下で含有させることができる。

７− このワイヤ中のＣ（外皮金属及び／又はフラックス）は
、溶融金属の中でＣＯ又はＣＯ２ガスを発生させ、溶融
池を撹拌する作用があり、特に亜鉛メツキ鋼板の溶接の
場合、溶融金属中の亜鉛蒸気の浮上及び大気への放出が
促進され、気孔の発生数が減少する。しかし、０．３０
υｔ％より多いとＣＯやＣＯ２ガスの発生量が増加し、
却って気孔の発生を招く。Ｃは、フラックス中に炭素単
体で添加しても、また他のＦ　ｅ　−Ｍ　ｎ　−Ｃ等原
料中に含有された形で添加してもよい。更に外皮金属中
に添加してもよい。

他の成分としては、Ｆｅ、Ｐなどを適宜添加することが
できる。

Ｆｅはメタル系フラックス入りワイヤとする場合に必須
とする成分である。特に亜鉛メツキ鋼板の溶接の場合、
スラグ発生量を少なくして亜鉛蒸気が溶融池から大気へ
放出するのを促進するためには、チタニア系よりもメタ
ル系のフラックス入りワイヤの方が適している。メタル
系フラックス入りワイヤの特性を具備させるにはフラッ
クス中８− のＦｅ量を６５〜９Ｑｗｔ％とするのが望ましい。

Ｐは、特に亜鉛メツキ鋼板を溶接する場合、亜鉛の融点
以上の温度において亜鉛と安定な化合物（Ｐ−Ｚｎ系、
Ｐ−Ｚｎ−Ｆｅ系等）を生成し、亜鉛蒸気の発生量を減
少し、気孔の発生を抑制する効果がある。そのためには
、ワイヤ全重量に対して０．０２５〜０．１５ｗｔ％含
有させる。Ｐはフラックス中にＰ単体で添加しても、ま
た他の原料Ｆｅ−Ｐ等中に含有された形で添加してもよ
い。更に外皮金属中に加えてもよい。

フラックス入りワイヤのフラックス率は１０〜３５％が
望ましい。

フラックス入りワイヤの断面形状（第２図参照）、ワイ
ヤ径なども特に制限されない。

望ましいフラックス入りワイヤの成分組成は、以下（１
）〜（２）のとおりである。

（１）少なくとも、主としてＳｉ及びＭｎからなる脱酸
剤を５〜３０＋ｔ％含有するフラックスを、フラックス
率１０〜３５％となるように鋼製外皮中に充填し、かつ
、ワイヤ全重量当り、Ｃ：Ｏ。

３０ｗｔ％以下を含有し、必要に応じて更にＴｉ：０．
０１〜０．１５％及びＮｂ：　０．０１−０．１５ｔｓ
ｔ％の１種又は２種を含有しているフラックス入りワイ
ヤ。

（２）　　Ｆｅを６５〜９０ｗｔ％、主としてＳｉ及び
Ｍｎからなる脱酸剤を５〜３０ｔｇｔ％、いわゆるアー
ク安定剤を０．１〜１０％含有するフラックスを、フラ
ックス率１０〜３５％となるように鋼製外皮中に充填し
、かつ、ワイヤ全重量当り、Ｃ：０．１０〜０．３０す
ｔ％以下、Ｐ：０．０２５〜０゜１５ｔａｔ％、Ｚｒ：
　０．０１−０．１５ｗｔを含有し、必要に応じて更に
Ｔｉ：０．０１〜０．１５％及びＮｂ：０．０１〜０．
１５ｗｔ％の１種又は２種を含有しているメタル系フラ
ックス入りワイヤ。

このような成分組成のフラックス入りワイヤを溶加材と
して用いるレーザー溶接は、第１図に示すように、レー
ザー発振器１に伝達系を介して接続されているトーチ２
からレーザービームを照射し、このレーザービーム中に
溶加材３を送給して溶融させ、母材４の溶接継手に溶接
ビード５を形成するように施工する。この場合、酸化防
止、スパッタ防止等々のためにＡｒ、Ｈｅなどのシール
ドガスをアシストガス６として供給してもよい。

レーザー溶接の主な条件としては、レーザー光の種類、
ビームモード、出力、溶接速度などがあるが、それらは
特に制限されるものではない。

レーザー光の種類には気体レーザーＣ例、ＣＯ２レーザ
−）や固体レーザー（例、ＹＡＧレーザ−）などがある
が、大きな出力が得られるＣＯ□レーザーが望ましく、
ＹＡＧレーザーも可能である。

レーザービームモードには、シングルモード、マルチモ
ード、リングモートなどがある。パワー密度はシングル
モードが最も高いが、溶込み特性やギャップ等の点から
、マルチモードやリングモードが望ましい。

出力、溶接速度等の実用的範囲としては、出力は１〜５
ＫＷ、溶接速度は１　、０〜５　、０ｍ／ｍｉｎである
。

なお、ビームスキャナーを用いてレーザービームを左右
に往復運動させつつ溶接すると、ギヤツ＝１１− プ裕度、狙いず九等に有効であるほか、溶融金属プール
が撹拌されるので、ブローホールを低減する効果がある
。

勿論、本発明は、母材の材質、板厚等にも制限がないこ
とは云うまでもなく、薄鋼板の突合せ溶接、重ね溶接に
適しており、特にメタル系フラックス入りワイヤは亜鉛
メツキ鋼板のレーザー溶接に好適である。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

失旅餌よまず、溶加材として、第１表に示す構成の１゜２ｍｍφ
のフラックス入りワイヤを製作した。外皮金属には軟鋼
を使用し、Ｃ，Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂは、主としてフラ
ックスより添加して調整し、またＦｅは鉄粉を、脱酸剤
はＳｉ、Ｍｎの鉄合金を用いた。

次いで、これらのフラックス入りワイヤを用い、第１図
に示す溶接施工要領にて、レーザー溶接試験を行い、ブ
ローホール発生数を調べた。その結１２− 果を第１表に併記する。

ナ１３、レーザー溶接条件としては、ＣＯ２レーザーを
用い、出力を２．５〜３ＫＷの範囲で変化させ、モード
はマルチモードとし、溶接速度は８０〜２００ｃｍ／ｍ
ｉｎの範囲で変化させた。また、溶加材は送給速度１８
０ｃｍ／ｍｉｎで送給し、Ａｒガス（流量２０Ω／ｍ１
ｎ）をアシストガスとして用いた。溶接継手は突合せ継
手とした。

母材には、２．３ＩＩＩＩ１１厚、亜鉛目付量９０／９
０ｇ／ｍ２の亜鉛メツキ鋼板を使用した。

なお、比較のため、溶加材を使用しない場合、中炭素含
有量のソリッドワイヤの場合についても溶接試験を行っ
た。

第１表より明らかなように、添加材を使用しない比較例
や、ソリッドワイヤを使用した比較例では、ブローホー
ルの発生が多い。

一方、フラックス入りワイヤを使用した本発明例では、
いずれもブローホールの発生が殆どなく、或いは皆無で
あった。

ｒ以下余白】 −１４− 矢ＪＬｆ！１実施例１における第１表中のＮα１のフラックス入りワ
イヤ（本発明例）と比較例のＮα１５（ソリッドワイヤ
）を溶加材として用い、或いは溶加材なしで、実施例１
と同じレーザー溶接条件で溶接試験を行った。但し、母
材としては１．２ｍｍ厚の５ｐｃｃ材（ＪＩＳ　　Ｇ３
１４１）を使用した。

その結果、溶加材なしの比較例ではブローホールが多発
したのに対し、溶加材としてソリッドワイヤを用いた比
較例では、溶接金属の硬さがＨｖ２８９であり、母材の
硬さ（Ｈｖｌ　２６）との差が大きく、ブローホールの
発生が観察された。

一方、フラッグス入すワイヤを用いた本発明例は、溶接
金属の硬さがＨｖ１８７であって、母材の硬さとの差が
小さく、またブローホールの発生が殆どなかった。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、レーザービーム
溶接に際してフラックス入りワイヤを用いるので、母材
の目違い、ギャップに対する許容範囲を拡大できると共
に、ブローホール等の溶接欠陥のない健全な溶接継手が
得られるほか、溶接金属の強度を母材やＨＡＺのそれに
近くすることができる。特に亜鉛メツキ鋼板の溶接の場
合、ブローホールやピット等の欠陥を顕滅できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザービーム溶接の施工要領を示す説明図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明に用いるフラックス入り
ワイヤの断面形状の例を示す図である。１・・・レーザー発振器、２・・・トーチ、３・・・溶
加材、４・・・母材、５・・・溶接ビード、６・・・ア
シストガス、Ｆ・・・フラックス、Ｍ・・・外皮金属。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）溶加材を用い、熱源としてレーザーを用いて溶接
するに際し、溶加材としてフラックス入りワイヤを用い
ることを特徴とするレーザーによる溶接方法。
（２）前記フラックス入りワイヤが、少なくとも脱酸剤
を含有するものである請求項１に記載の方法。
（３）前記フラックス入りワイヤが、少なくとも主とし
てＳｉ及びＭｎからなる脱酸剤を５〜３０ｗｔ％含有す
るフラックスを、フラックス率１０〜３５％となるよう
に鋼製外皮中に充填し、かつ、ワイヤ全重量当り、Ｃ：
０．３０ｗｔ％以下を含有し、必要に応じて更にＴｉ：
０．０１〜０．１５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５ｗｔ
％、Ｐ：０．０２５〜０．１５ｗｔ％及びＺｒ：０．０
１〜０．１５ｗｔ％の１種又は２種を含有しているもの
である請求項１又は２に記載の方法。