JPH0418952B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、高周波電気抵抗溶接法と、レーザー
ビームの投射を併用する複合溶接法に関するもの
である。 〔従来の技術〕 物体を溶接することは広範囲な分野で必要とさ
れ、各種の方法が用いられているが、その中で高
周波電気抵抗溶接法は最もよく使われている技術
の１つである。 例えば溶接管の製造分野においては、一般に電
縫管と呼ばれる管の、溶接速度の速い、即ち生産
性の高い溶接法として用いられている。 電縫管の製造方法、例えば従来の高周波接触溶
接法による溶接造管工程では、まず成形ロール群
によつて鋼帯を管状に整形し、それらのエツジ部
をスクイズロールによつて突合わせる。これによ
りエツジ部が、衝合部を頂点とするクサビ形状を
呈する。 スクイズロールの上流に配設された接触子に、
高周波電圧を印加し、１つの接触子から他の接触
子へ高周波電流を流してクサビ形状をなすエツジ
部に沿つて高周波電流を流す。この高周波電流に
よつてエツジ部が加熱されクサビ形状の頂点すな
わち溶接点が溶接温度に達しスクイズロールによ
り加圧溶接される。 電縫管の溶接品質には溶接電流の大小が大きく
影響を及ぼし、溶接電力が過小のときにはエツジ
部は低入熱状態となり冷接と呼ばれる溶接欠陥が
発生する。溶接電力が過大になりエツジ部が高入
熱状態となるとペネトレータと呼ばれる溶接欠陥
が発生する場合がある。低入熱溶接で発生する冷
接はエツジ部の加熱不足が主原因であり、高入熱
溶接で発生するペネトレータはエツジ部が溶融し
溶融金属が電磁力によつて溶接面から排出される
ために溶接点が管軸方向に周期的位置変動を操り
返すことが主原因である。 このような従来の問題点を更に詳しく説明す
る。一般に電縫溶接造管に用いる高周波電力とし
ては、10〜50KHzの周波数帯が用いられ、高周波
特有の「表皮効果」と「近接効果」の２つの効果
の相乗結果により周波数が高くなるほど加熱効率
は大きくなる。これが電縫溶接造管に広く高周波
電力が用いられる理由である。 ところで従来電縫溶接は、高周波加熱によりエ
ツジ端面を溶融せしめると同時に、スクイズロー
ルで接合部に強いアプセツト力を加えて大部分の
溶融金属を加熱中に生じた酸化物と共に溶接部外
に排出するという機構で溶接が行なわれると考え
られていた。アプセツトによつて溶接部は変形
し、第３図に示すように、熱影響部のメタルフロ
ーガ立上る。 メタルフローが立上ると帯板に含まれる介在物
も同時に立上り、また表面に比べて機械的、化学
的性質の劣る内質部が表面に露出するという欠点
が生ずる。他方、アプセツトを加えないと板厚面
内に凝固収縮孔を生ずるなど溶接欠陥が多発す
る。 メタルフロー立上り角θと溶接部の靭性は第４
図に示す関係となり、立上り角θが大きくなるほ
ど靭性が低下する。立上り角θが小さいと溶接欠
陥のため靭性がばらつき、異常に低い靭性値を示
す場合がある。なお、第４図の斜線領域が靭性の
範囲を示す。靭性は斜線範囲内でばらつく。従来
メタルフロー立上り角は50〜70°程度が良好であ
ると考えられてきた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の高周波電気抵抗溶接では、上述のよう
に、板厚面内に収縮孔を生じないようにするため
にはアプセツトを強くしなければならず、アプセ
ツトを強くすると、メタルフロー立上り角θが大
きくなつて溶接部の靭性が低下するという相反す
る問題があつた。 この問題点を解決するため本発明者等は種々検
討を重ねた結果以下の事実を見出した。すなわ
ち、高周波電流は突合せ端面の表面、特にコーナ
部に集中する。このため、突合せ端面中心部と比
較してコーナー部の溶融量が多くなる。端面に生
じた溶融金属は、相対する突合せ面を流れる互い
に逆向きの電流によつて誘起される電磁圧力の作
用で溶接部外に排出される。この電磁圧力の方向
を第５図に示す。従つて、溶接前面の端面の突合
せ形状は、第６図に示すように、中心部の膨らん
だ凸形となつている。溶接直後の端面の間の部分
は溶鋼で埋められる。このままの状態又は溶接部
にほとんどアプセツトを加えない状態で溶鋼が凝
固すると、コーナー部近傍に凝固収縮孔が発生
し、この部分が溶接欠陥になる。この状態を第７
図に示す。もし溶接部に強いアプセツトが加えら
れると溶接部が変形して凸面形から平面形となり
凝固相は薄いフイルム状となつて板厚面内には収
縮孔が発生しない。この状態を第８図に示す。す
なわち従来低アプセツトで溶接できなかつたのは
高周波電流の不均一分布に基づく端面の不均一溶
融の結果であつて、端面の均一溶融を実現すれば
低アプセツト溶接が可能であることが分つた。 これらの現像は、ストレートシームの電縫管に
限らずスパイラル管やＩビームなど形鋼の電気抵
抗溶接においても見られる。 一方、溶接時の熱影響が少なく優れた溶接品質
が得られる溶接法としてレーザー、電子ビームな
どのエネルギービームを用いる溶接法があり、特
開昭56−114590において、これらのエネルギービ
ームを、溶接されるべきクサビ形状の頂点すなわ
ち溶接点に投射する溶接法が提案され、更に特願
昭58−107120号で高周波電気抵抗溶接にレーザー
ビームを併用する複合溶接法が提案されている。 上記特願昭58−107120号の方法の概要を第２図
を参照して説明すると、管状体１のエツヂ部２
（クサビ形状をなす溶接対向面）は接触子４から
供給される高周波電力によつて発生するジユール
熱、および、レーザー照射装置６から、ビームス
キヤナ８、ビームガイド９を通して照射されるレ
ーザービームLBによつて全肉範囲に亘つて溶接
温度に均一に加熱される。 レーザービームLBは所定角度をなすクサビ形
状の頂点、すなわち溶接点、を中心に所定角度の
範囲で、管状体１の溶接前対向面２に向けて往復
走査される。レーザビームLBは対向面の一方に
当つてそこで反射されて他方に向い他方で反射さ
れてまた該一方に当るという具合に反射を繰り返
して最後に溶接点に至る。すなわち、レーザービ
ームLBが直接に溶接点に照射されなくても反射
収束により溶接点に自動的に収束する。 この複合溶接法の目的は突合せ面の温度の均一
化であり、なるほど冷接欠陥発生防止には著しく
効果的であつたが、エツジ部の溶融だれが大き
く、強いアプセツト力が必要なため、メタルフロ
ー立上り角が大きくなり、継手性能に問題を残し
ていた。 本発明はこのレーザービームを併用する高周波
電縫溶接の改良に関し、継手性能を向上させるべ
く、溶接欠陥を発生させることなく溶融部押し出
し量を低減し、メタルフロー立上り角の小さな溶
接を安定して実現をすることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の要旨は、相向い合う突合せ端面が漸近
し溶接点を頂点とするクサビ形状をなす被溶接物
へ高周波電流を供給ししかも該クサビ形状の開放
側から溶接点へレーザービームを投射して、高周
波電流により発生するジユール熱と投射レーザー
ビームエネルギーでクサビ形状の頂点を溶接温度
まで加熱するレーザービーム併用高周波電気抵抗
溶接法において：前記突合わせ端面の溶融開始点
とクサビ形状頂点間の一点以上における、突合わ
せ端面の角隅部の角隅線に接し該端面に連続する
外側面の溶融量を測定して、これに基づいて算出
する計算値に応じて、レーザービームのエネルギ
ー量および投射点エネルギー分布を制御すること
を特徴とするレーザービーム併用高周波電気抵抗
溶接法、にある。 以下本発明を図面に基いて詳細に説明する。 溶接欠陥がない低アプセツト溶接の前提とな
る、突合せ面の均一溶融を実現するには、第９図
に示したように、高周波抵抗加熱により溶融し
た、クサビ形状端面２の角隅部における端面厚み
方向の溶融量Wv₀、および、角隅線に接し該端面
に連続する外側面の溶融量Wh₀で定まる３角形部
分の補領域をエネルギービームで溶融させて、端
面２よりWh₀の深さで厚み方向に均一に溶融する
のが良い。 ところで第９図のWh₀，Wv₀は高周波抵抗溶接
機の出力で定まる。従つてWh₀，Wh₀を知ること
ができれば、 高周波出力に応じてレーザービームの出力及
び／又はビーム形状を変える、か又は、 レーザービームの出力及び／又はビーム形状
に応じて適正な高周波出力を投入することによ
り、突き合せ面の均一溶融を実現することがで
きる。 今第１０ｂ図が第１０ａ図のXB−XB線断面
であるとき、クサビ形頂点（溶接点）を基点０と
する。板厚５mm〜25mmの管状体に関する実験によ
ると、WvとWhはほぼ比例関係にあり、 Wv＝αWh，α＝1.5〜２ であることが分つた。また、Wv，Whは端面２
の溶融開始点から溶接点の間で溶融開始点からの
距離にほぼ比例する。従つて溶接点からの距離を
ＸとすればWhは第１１図に示すように変化する
ことも分つた。これらの関係より、溶接点の、高
周波抵抗溶接による板厚方向溶融量Wv₀は、 Wv₀＝αWh₀＝α（ax＋Wh） ……(1) 但し、ａは第１１図に示す直線の勾配、で求め
得る。これによれば、Whの測定点ｘを固定して
既知とすれば、αおよびａは定数であるので、所
定点ｘの溶融量Whを測定することにより、溶接
点における板巾方向及び板厚方向の溶融量Wh₀，
Wv₀が求まる。 そこで本発明の好ましい実施例においては、溶
接点よりも所定距離ｘ前の、対向面角隅部の角隅
線に接する外側面を溶融量Whを測定し、これよ
り溶接点の溶融量Wh₀，Wv₀を演算する。 高周波抵抗溶接による溶接点における溶融量
Wh₀，Wv₀が求まると高周波抵抗溶接機の出力の
適否が分かり、これに基づいて高周波抵抗溶接機
の出力をフイードバツク制御し得る。このフイー
ドバツク制御の時定数は、溶接点における溶融量
Wh₀，Wv₀が、接触子７の位置にあつた管状体１
の部位が溶接点に至るまでに加わつたジユール熱
に依存するので、比較的に長い。 これに対してエネルギービームによる加熱制御
は、遅れ時定数がほとんどないので、Wv₀に対応
して、Wv₀部以外の板厚領域W_LHを集中的に深さ
Wh₀だけ溶融させて、結局板厚方向全体を均一な
深さに溶融させるエネルギーおよび又はエネルギ
ー分布が瞬時に得られる。高周波抵抗溶接による
溶融量Wh₀を所望値に安定に設定し得る場合に
は、レーザー発振器出力又はレーザービーム形状
を制御し高周波抵抗溶接出力のフイードバツク制
御を省略し得る。 〔作用〕 本発明によれば、高周波抵抗溶接によるエツヂ
コーナ部の過溶融とコーナ部の内側の溶融不足と
いう不均一溶融を合理的に補つた、全体として最
適なパワー分布となる溶接が可能である。したが
つて、厚い板厚でも広範囲レーザービームによる
一様溶融を実施し得る。 第１図に本発明を一態様で実施する装置構成を
示す。これにおいて、管状体１のエツヂ部２は接
触子４から供給される高周波電力によつて発生す
るジユール熱およびレーザー照射装置６からビー
ム形状制御機７、ガイド９を通して照射されるレ
ーザービームLBによつて全肉範囲に亘つて均一
に溶融される。 特にビーム形状制御器７は、レーザービームが
板厚中心部の溶融不足域に照射されるビーム形
状、位置を制御する装置で、例えば特願昭58−
75319号で提案した非点収差ミラー、および通常
ミラー，レンズの組合せから成つている。 溶接点よりやや前の点を視野中心にして、赤外
線領域に感度が高いビデオカメラ１０が配置され
てクサビ形状部を撮影し、ビデオ信号をビデオア
ナライザ１１に与える。ビデオアナライザ１１
は、ビデオ信号を処理して溶接点０より所定距離
ｘ前の２端面それぞれのWhを演算し、それらの
平均値を演算器１２に与える。演算器１２は更
に、上記(1)式で溶接点の溶数量Wh₀，Wv₀を演算
し、与えられている板厚とWv₀よりレーザービー
ムによる、要溶融幅（板厚方向）W_LH、（板巾方
向）Wh₀を演算してビーム形状制御器７およびレ
ーザ出力制御器１４に与える。かくしてレーザー
ビームLBは板厚中心部の溶融不足を完全に補う
ようにビーム形状及び出力が調整され、突合せ面
２は均一に溶融される。 第１０ａ図のXB−XB線に沿つて温度分布を
測定した例を第１２に示す。前述したように溶融
金属は全て電磁力により溶接部外へ排出されるか
ら、第１０ｂ図に示す角隅部３角形隅部は斜辺だ
けが残り、斜辺の温度は融点に等しい。従つて真
上から測温した第１２図において、融点Tm以上
の温度域の巾を算出すればWhが求められる。 角隅部の溶融巾Wh測定のための温度計として
はビデオアナライザの他にCCD温度計なども利
用可能なことは云うまでもなく、特に限定するも
のではない。 Whを測定する個所は溶融開始からクサビ形頂
点に至る任意の一点でよく、溶融開始点さえ分れ
ばクサビ形状頂点（溶接点）におけるWh₀，Wv₀
の値の算出には十分である。無論２ケ所以上の位
置におけるWhを測定すればWh₀，Wv₀算出精度
は更に向上することは云うまでもない。 以上の結果、第１図に示すレーザービーム併用
高周波電気抵抗溶接装置により以下の態様で溶接
が行われる。 〔1〕 高周波電流はレーザービームの照射を受け
ない突き合せ面角隅部を充分に溶融せしめ、 〔2〕 角隅部の溶融量Whがビデオカメラ１０およ
びビデオアナライザ１１により算出され、 〔3〕 演算器１２はWh，ｘ及び板厚からWh₀，
Wv₀及びレーザービームによる板厚方向要溶融
巾W_LHを算出してビーム形状制御器７およびレ
ーザ出力制御器１４に出力し、 〔4〕 ビーム形状制御器７はレーザービームがW_LH
面を照射するようビーム形状を制御し、 〔5〕 レーザ出力制御器１４の板厚方向要溶融巾
W_LHと板巾方向要溶融深さWh₀および造管速度
より必要レーザー出力を算出しレーザー発振器
６の出力を制御し、 〔6〕 レーザー出力とビーム形状は最適化され、
高周波電流とレーザービームの複合作用により
突合せ端面は、クサビ形状の頂点近傍ではほぼ
均一な溶融状態となり、 〔7〕 弱いアプセツト力で、メタルフローをほと
んど立上らせることなく大部分の溶融金属は溶
接部外に押し出され、溶融層は凝固収縮孔のな
い薄いフイルム状となり、 〔8〕 溶接欠陥がなく強度、靭性のすぐれた溶接
継手が得られる。 なお、上述の説明ではレーザー出力を制御する
態様を示したが、以下の実施例に示すように、レ
ーザー出力を一定とし、高周波電気抵抗溶接機の
出力を制御することも可能である。 〔実施例〕 鋼種API5LX−X70、外径406mm、肉厚16mm、
の鋼管を従来の高周波電気抵抗溶接と、本発明法
によるレーザー併用溶接で造管した。使用した高
周波電気抵抗溶接機の出力およびレーザー発振器
の定格発振出力はそれぞれ800KWおよび15KW
である。レーザー発振出力は定格100％の15KW
とし、照射面は肉厚中心を中心に肉厚の50％（条
件Ｃ）及び80％（条件Ｄ）とした。ビデオカメラ
１０およびビデオアナライザ１１で、溶融開始位
置とクサビ形頂点の間の中間位置における溶融量
Whを測定し、演算器１２でクサビ形頂点におけ
る板巾方向溶融量Wh₀と板厚方向溶融量Wh₀を算
出した。予備実験の結果、条件Ｃにおいては、
Wh＝0.8mm、溶接速度18ｍ／minのとき、また条
件ＤにおいてはWh＝0.5mm、溶接速度14ｍ／min
のときに、最も均一溶融に近い結果を得た。そこ
で条件Ｃ，Ｄにおいては高周波電気抵抗溶接装置
５の出力を、 Wh₀がそれぞれ0.8mmおよび0.5mmになるように
高周波電力制御器１３を設定することにより、制
御した。 アプセツト量は、本発明法においては1.5mmで
この時のメタルフロー立上り角は約30°であつた。
従来法では最適アプセツト量を4.3mm（条件Ａ）
および比較として1.5mm（条件Ｂ）を設定し、高
周波電気抵抗溶接入熱は予備実験で溶接欠陥の発
生が最も少なくなる条件を求めてこれに設定し
た。 溶接後シーム熱処理装置により溶接部外表面を
1000℃に焼準した。造管後の鋼管から溶接部の
JIS4号衝撃試験片を採取し、溶接部の靭性を比較
した。溶接条件と靭性の関係を次の第１表に示
す。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば溶接部の深さが
板厚方向に均一となる溶接条件が安定して実現可
能で溶接欠陥を生じないのは勿論、低アプセツト
力が溶接できるため熱影響の変形量が低減しメタ
ルフロー立上り角が小さくなる。この結果第１表
に示されるように従来と比べて著しく靭性の高い
溶接部が得られるようになつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一態様で実施する溶接装置の
構成概要を示すブロツク図である。第２図は従来
のレーザービーム併用高周波電縫溶接装置の構成
概要を示す斜視図である。第３図は従来の高周波
電縫溶接による継手の拡大断面図、第４図は該継
手の立上り角と靭性の関係を示すグラフである。
第５図は従来の高周波電縫溶接における溶接エツ
ヂ部の溶融状態と電磁力を示す断面図、第６図は
従来の高周波電縫溶接における溶接エツヂ部のア
プセツト開始直前の溶融状態を示す断面図、第７
図および第８図は従来の高周波電縫溶接における
溶接エツヂ部のアプセツト後の冷却状態を示しそ
れぞれ低アプセつトの場合及び標準的なアプセツ
トの場合の断面図で、第９図は高周波電流による
溶融部とレーザービームによる溶融部とを示す模
式図、第１０ａ図は高周波電流により加熱されて
いるクサビ形状表面の模式図、第１０ｂ図は第１
０ａ図のXB−XB線断面図、第１１図は溶融開
始よりクサビ形状頂点に至る間における角隅部溶
融巾Whの変化を示すグラフ、第１２図は第１０
ａ図のXB−XB線に沿つて測定した温度分布を
示すグラフである。 １：管状体、２：突合せ面、３：スクイズロー
ル、４：接触子、５：高周波電気抵抗溶接装置、
６：レーザー発進装置、７：ビーム形状制御器、
８：ビームスキヤナ、９：ビームガイド、１０：
ビデオカメラ、１１：ビデオアナライザ、１２：
演算器、１３：高周波電力制御器、１４：レーザ
ー出力制御器、LB：レーザービーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相向かい合う突合わせ端面が漸近し溶接点を
   頂点とするクサビ形状をなす非溶接物へ高周波電
   流を供給ししかも該クサビ形状の開放側から溶接
   点へレーザービームを投射して、高周波電流によ
   り発生するジユール発熱と投射レーザービームの
   エネルギーでクサビ形状の頂点を溶接温度まで加
   熱する、レーザービームを併用した高周波電気抵
   抗溶接法において： 前記突き合わせ端面の溶融開始点とクサビ形状
   頂点間の一点以上における、突合わせ端面の角隅
   部の角隅線に接し該端面に連続する外側面の溶融
   量を測定して、これに基づいて算出する計算値に
   応じて、レーザービームのエネルギー量および投
   射点エネルギー分布を制御することを特徴とする
   レーザービーム併用高周波電気抵抗溶接法。