JPH05192781A

JPH05192781A - レーザ溶接施工法

Info

Publication number: JPH05192781A
Application number: JP4210814A
Authority: JP
Inventors: Fumito Yoshino; 芳野文人; Hiroyuki Shimizu; 清水弘之; Hiroshi Saito; 洋斉藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1993-08-03

Abstract

(57)【要約】【目的】低炭素当量の鋼板のレーザ溶接で靭性の優れ
た溶接継手を得る。【構成】Ｃ：０.１８％以下、Ｓi：０.１〜０.４％、
Ｍn：０.７〜１.７％を含有する開先の母材板表面での
開口幅が５mm以下のＴＭＣＰ鋼板を母材とし、Ｃ：０.
１０％以下、Ｓi：０.５０％以下、Ｍn：１.５０％以下
及びＢ：０.００１６〜０.０１０％を含有し、更にＴ
i：０.０１〜０.１０％及びＺr：０.０１〜０.１０％の
１種又は２種を含有し、残部がＦe及び不純物からなる
ワイヤを使用し、かつ、レーザビームをアクリル板に照
射したときに得られるアクリル板表面でのバーンパター
ン径が５mm以下の条件でレーザ溶接することを特徴とし
ている。ワイヤ中のＯ(酸素)量は０.０００１〜０.２０
％が望ましい。Ｔi、Ｚrの酸化、窒化によりＯ、Ｎを固
定してＢの酸化、窒化を防止し、固溶Ｂによる結晶粒微
細化効果とＴi、Ｚrの酸化物による微細結晶の核生成に
よる効果により、靭性向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱源としてレーザを用い
て溶接する方法に関し、より詳細には、比較的低炭素当
量の鋼板を母材として用いた場合に優れた靭性が得られ
るレーザ溶接施工法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レーザ
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を熱源に用いた
接合法であり、熱源としてＣＯ₂レーザやＹＡＧレーザ
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。

【０００３】従来、レーザ溶接では、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(ワイヤ)を用いる方法の２種類の方法が採用され
ていた。しかし、前者のようにワイヤを用いないレーザ
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。また母材の炭素当量が高い場合には溶接
金属が硬く、かつ靭性が得られないという問題もあっ
た。

【０００４】一方、後者のワイヤを用いたレーザ溶接で
は、比較的中炭素量のワイヤが用いられていたが、ワイ
ヤを用いないレーザ溶接の場合のような母材の目違い、
ギャップに対する許容範囲等々の問題は解消できるもの
の、溶接金属の硬さが高い欠点があった。そこで、比較
的低炭素量でＳiやＭnを含有するワイヤを使用すること
が試みられている。これによれば、母材の希釈を受けて
も、溶接金属の硬さを低下させることができる。しか
し、冷却速度が速いため硬さが必要以上に高くなり易
く、靭性がでないという問題があった。特に母材として
比較的低炭素当量の鋼板を用いた場合に靭性の劣化が大
きかった。

【０００５】本発明は、上記従来技術の問題点を解決
し、ワイヤを用いるレーザ溶接において、母材として比
較的低炭素当量の鋼板を用いた場合に靭性を向上させる
ことができるレーザ溶接施工法を提供することを目的と
するものである。

【０００６】

【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、母材に比較的低炭素当量の鋼板を用い
た場合にワイヤの成分組成及び溶接条件と靭性の関係に
ついて検討した。その結果、炭素当量が低く、かつＢと
Ｔi又はＺrを複合添加したワイヤを用いると共に溶接条
件を規制することにより可能であることを見い出し、こ
こに本発明を完成したものである。

【０００７】すなわち、本発明は、Ｃ：０.１８％以
下、Ｓi：０.１〜０.４％、Ｍn：０.７〜１.７％を含有
し且つ開先の母材板表面での開口幅が５mm以下のＴＭＣ
Ｐ鋼板を母材とし、Ｃ：０.１０％以下、Ｓi：０.５０
％以下、Ｍn：１.５０％以下及びＢ：０.００１６〜０.
０１０％を含有し、更にＴi：０.０１〜０.１０％及び
Ｚr：０.０１〜０.１０％の１種又は２種を含有し、残
部がＦe及び不純物からなるワイヤを使用し、かつ、レ
ーザビームをアクリル板に照射したときに得られるアク
リル板表面でのバーンパターン径が５mm以下の条件でレ
ーザ溶接することを特徴とするレーザ溶接施工法を要旨
とするものである。

【０００８】以下に本発明を更に詳述する。

【０００９】

【作用】

【００１０】本発明のレーザ溶接施工法では、まず、母
材として比較的低炭素当量の鋼板を用いることを前提と
している。但し、単に炭素当量が低いだけでは溶接継手
に要求される強度、靭性等の特性が得られない。このよ
うな要求特性を満足し得る鋼板として、いわゆるＴＭＣ
Ｐ鋼板が適している。

【００１１】ＴＭＣＰは“Ｔhermo-Ｍechanical Ｃontr
ol Ｐrocess”の略称で「熱加工制御」と呼ばれる製法
であり、制御圧延後空冷を行う非水冷型ＴＭＣＰと制御
圧延後加速冷却を行う水冷型ＴＭＣＰとに大別される。
ＴＭＣＰ鋼板は、制御圧延により得られる高靭性を備
え、同一強度レベルを低い炭素当量で達成でき、特に加
速冷却効果により高強度を付加できるので、優れた低温
靭性と溶接性が得られる特長がある(「日本造船学会
誌」第７２６号(平成元年１２月)ｐ.７９７〜８０８参
照)。ＴＭＣＰ鋼板は炭素当量(Ｃeq)が低く、非水冷型
ＴＭＣＰ鋼板で０.３４〜０.３８％、水冷型ＴＭＣＰ鋼
板で０.３０〜０.３６％といわれており、概ねＣ：０.
１８％以下、Ｓi：０.１〜０.４％、Ｍn：０.７〜１.７
％を含有する成分組成を有している。勿論、Ｎi、Ｍo、
Ｖ等々の合金元素が含まれる場合もあることは云うまで
もない。

【００１２】本発明では、このような低炭素当量のＴＭ
ＣＰ鋼板を母材としてレーザ溶接する場合に、まず、低
炭素当量でＢとＴi又はＺrを複合添加した特定成分組成
のワイヤを用いるのである。ワイヤの炭素当量が低いの
で溶接金属が急冷されてもその組織をフェライト系にす
ることができ、しかも、Ｔi又はＺrでＯ、Ｎを固定する
ことによってＢの酸化、窒化を防止し、Ｂを固溶状態に
して結晶粒微細化を図ると共に、Ｔi、Ｚrの酸化物を微
細化の核とすることにより、溶接部の靭性を向上させる
ことができる。また、ワイヤ中にＢ、Ｔi、Ｚrを添加す
るとＣ、Ｓi、Ｍnだけの場合よりもワイヤ剛性が得られ
る効果もあり、特にＴi添加の場合に効果が大きい。以
下にワイヤの成分限定理由について説明する。

【００１３】Ｃ：前述の如く、従来、溶加材として比較
的中炭素量の鋼ワイヤが用いられていたのは、母材であ
る鋼板とほぼ同程度の炭素含有量のものが選定されてい
たためであり、少なくともワイヤ中のＣ量が０.１０％
以上であった。このため、溶接金属が急冷されマルテン
サイト、ベイナイト等が生成して硬化し、靭性が得られ
なかった。本発明では、母材として低炭素当量のＴＭＣ
Ｐ鋼板を用いるので、ワイヤ中の炭素量も低くくし、溶
接金属が急冷されてもフェライトが生成し易いようにす
る必要がある。そのためにワイヤ中の炭素量を０.００
５％以下に規制するのが好ましい。炭素量が０.００５
％より多いと溶接金属の組織をフェライト系とすること
が困難になる。もっとも、母材が中・高炭素鋼(Ｃ量０.
１８％以上)の場合にはワイヤ中のＣ量をできるだけ低
く抑える必要があることは云うまでもないが、Ｃ量が
０.１８％以下の鋼板の場合でも、溶接金属中のフェラ
イト量が必ずしも１００％にならない場合があり、この
ような場合であっても、本発明の溶接施工法によれば、
ワイヤ中のＣ量を０.１０％以下に規制することによ
り、高い靱性値の溶接金属を得ることができる。よっ
て、ワイヤ中のＣ量は０.１０％以下とし、好ましくは
０.００５％以下である。

【００１４】Ｓi、Ｍn：前述の急冷による硬化作用に対
してＳiとＭn含有量も影響を及ぼすので、Ｓi及びＭnも
それぞれ低Ｓi、低Ｍnとするのが好ましい。具体的に
は、ワイヤ中のＳi量は０.３０％以下、Ｍn量は０.５０
％以下である。しかし、シールドガス又はアシストガス
としてＣＯ₂又はＯ₂等の活性ガスを混合使用する場合、
溶接金属中への歩留りは低減化するので、予めこの歩留
りを考慮しておく必要がある。また、レーザ照射時の溶
接金属溶融部の母材へのなじみを良くし、欠陥を低減す
るためには一定量Ｓiを添加する必要がある。またＭnは
焼入れ性に対する寄与はＣほどではなく、むしろ本発明
範囲内にあるワイヤ成分系、母材成分系の組み合わせで
は高目の方が高靱性が得られる場合もある。よって、Ｓ
i量は０.５０％以下、Ｍn量は１.５０％以下とする。

【００１５】Ｂ：Ｂは溶接金属中に固溶状態に保つこと
によってフェライトの生成温度を下げ、粒界フェライト
やフェライトサイドプレートの生成を抑制し、アシキュ
ラーフェライトの生成を促進する作用があるので、微細
なフェライトが得られ、結晶粒微細化の効果により靭性
を向上することができる。そのためにはワイヤ中にＢを
０.００１６％以上添加する必要がある。しかし、０.０
１０％を超えると逆に靭性が劣化するので好ましくな
い。よって、ワイヤ中のＢ量は０.００１６〜０.０１０
％の範囲とする。好ましいＢ量は、Ｔi又はＺr量や酸素
量にもよるが、０.００２０〜０.００６０％である。

【００１６】Ｔi、Ｚr：Ｂ単独添加だけではＢが酸化又
は窒化してしまうため、上述の固溶Ｂによる結晶粒微細
化効果が得られない。そのため、ワイヤ中にＴiを添加
することにより、Ｔiが酸化又は窒化することによって
Ｏ、Ｎを固定してＢの酸化又は窒化を防止し、Ｂを固溶
状態に保つことができる。また、Ｔiは酸化物(ＴiＯ₂)
を作ることにより細粒化の核となり、結晶粒を微細化す
る効果もある。これらの効果を得るには、Ｔi量が０.０
１％以上必要である。しかし、０.１０％を超えると酸
化物又は窒化物が多くなりすぎて靭性を損なうので好ま
しくない。よって、ワイヤ中のＴi量は０.０１〜０.１
０％の範囲とする。ＺrもＴiと同様の効果があるので、
ワイヤ中のＺr量を０.０１〜０.１０％の範囲とする。
但し、これらＴi、Ｚrはいずれか一方を添加すれば足り
るが、双方を添加しても同様の効果が得られる。

【００１７】ワイヤ中の不純物はできるだけ少ない方が
よい。なお、酸素(Ｏ)はフェライト組織を微細化させる
核として、例えば、上述のＴi、Ｚrの酸化物として存在
させて結晶粒の微細化の効果を確保するためには最小限
の量が必要である。すなわち、ワイヤ中には０.０００
１％以上の酸素量が含まれているのが好ましい。しか
し、０.０５％より多いと気孔が発生し易くなり、健全
な溶接部を得難くなるが、シールドガス及び／又はアシ
ストガス中にＣＯ₂やＯ₂のような活性ガスを混在させる
と、ワイヤ中のＯ(酸素)が更に高くても気孔の発生を抑
制できる。その許容限は０.２０％である。

【００１８】本発明では、上述の母材及びワイヤを用い
ると共に、溶接条件として、レーザのエネルギー密度を
十分確保する必要がある。エネルギー密度が低すぎると
十分な溶込みが得られにくくなり、健全な溶接部が得ら
れない。レーザのエネルギー密度は、周知の如く、アク
リル樹脂板にレーザを照射したときに得られるアクリル
板表面でのバーンパターン径(図１参照)で評価される
が、このバーンパターン径が５mmより大きいと十分なエ
ネルギー密度が得られないので、本発明では５mm以下の
狭いバーンパターン径の条件とする。

【００１９】また、本発明では、開先の母材板表面での
開口幅(開先幅)を５mm以下とする必要がある。レーザ溶
接の場合、レンズからの距離(焦点距離)が重要であっ
て、離れるほどエネルギー密度が低下し、溶け込みが浅
くなる。例えば、２パス／層のような溶接施工法では安
定したビードを得ることは困難であるので、１パス／層
の施工法を基準とするのが好ましい。１パス／層による
溶接施工の場合、安定溶接条件は開先幅５mm以下であ
る。それ以上では安定したビードが得られない。また融
合不良等の欠陥を生じ易い。更に、エネルギー密度が低
下し、良好なレーザ溶接を行うことが困難となる。

【００２０】レーザ溶接の他の主な条件としては、レー
ザ光の種類、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。レーザ光の
種類には気体レーザ(例、ＣＯ₂レーザ)や固体レーザ
(例、ＹＡＧレーザ)などがあるが、大きな出力が得られ
るＣＯ₂レーザが望ましく、ＹＡＧレーザも可能であ
る。レーザビームモードには、シングルモード、マルチ
モード、リングモードなどがある。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。また、酸
化防止、スパッタ防止等々のためにＡrなどのシールド
ガスをアシストガスとして供給してもよい。なお、ビー
ムスキャナーを用いてレーザビームを左右に往復運動さ
せつつ溶接すると、ギャップ裕度、狙いずれ等に有効で
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。

【００２１】次に本発明の実施例を示す。

【００２２】

【実施例１】母材として表１に示す成分組成のＴＭＣＰ
鋼板(板厚１２mm)を用い、図２に示す突合せ継手で幅
１.２mm、深さ６mmの開先を形成し、表２、表３及び表
４に示す種々の成分組成のワイヤ(径１.２mm)を用いて
図３に示す溶接施工要領にて、ＣＯ₂レーザを用いてレ
ーザ溶接試験を行った。なお、ワイヤ中の他の成分は
Ｃ：０.００４％、Ｓi：０.０９％、Ｍn：０.２４％で
ある。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】溶接条件は、出力：１０ＫＷ、溶接速度：
１m／min、ワイヤ送給速度：４m／min、レンズ径：７.
５in、バーンパターン径：２mm、アシストガス：Ａr(２
０ｌ／min)である。

【００２８】得られた溶接部から衝撃試験片(２mmＶサ
イドノッチ)を採取し、衝撃値を調べた。その結果は、
表２、表３、表４に示すように、本発明範囲の成分組成
を有するワイヤを用いることにより、優れた靭性が得ら
れている。

【００２９】

【実施例２】母材として表５に示す成分組成のＴＭＣＰ
鋼板(板厚１２mm)を用い、図２に示す突合せ継手で幅
１.２mm、深さ６mmの開先を形成し、表６に示す種々の
成分組成のワイヤ(径１.２mm)を用いて図３に示す溶接
施工要領にて、ＣＯ₂レーザを用いてレーザ溶接試験を
行った。

【００３０】

【表５】

【００３１】

【表６】

【００３２】溶接条件は、出力：１０ＫＷ、溶接速度：
１m／min、ワイヤ送給速度：４m／min、レンズ径：７.
５in、バーンパターン径：２mmで、表６に示すシールド
ガス及びアシストガス(２０ｌ／min)を用いた。

【００３３】得られた溶接部から衝撃試験片(２mmＶサ
イドノッチ)を採取し、衝撃値を調べた。その結果は、
表６に示すように、本発明範囲の成分組成を有するワイ
ヤを用いることにより、優れた靭性が得られている。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
低炭素当量の母材鋼板に対して低炭素当量でＢとＴi又
はＺrを複合添加したワイヤを用いて高エネルギー密度
でレーザ溶接するので、低炭素当量の母材鋼板について
優れた靭性を有する健全な溶接継手が得られる。特に母
材が厚板(５mm以上)の場合に効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザビームのバーンパターン径を説明する図
である。

【図２】母材鋼板の形状寸法(mm)及び開先形状を示す図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は溶接継手部を示す断面図
である。

【図３】溶接施工要領を説明する図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で(以下、同じ)、Ｃ：０.１８％
以下、Ｓi：０.１〜０.４％、Ｍn：０.７〜１.７％を含
有し且つ開先の母材板表面での開口幅が５mm以下のＴＭ
ＣＰ鋼板を母材とし、Ｃ：０.１０％以下、Ｓi：０.５
０％以下、Ｍn：１.５０％以下及びＢ：０.００１６〜
０.０１０％を含有し、更にＴi：０.０１〜０.１０％及
びＺr：０.０１〜０.１０％の１種又は２種を含有し、
残部がＦe及び不純物からなるワイヤを使用し、かつ、
レーザビームをアクリル板に照射したときに得られるア
クリル板表面でのバーンパターン径が５mm以下の条件で
レーザ溶接することを特徴とするレーザ溶接施工法。
【請求項２】前記ワイヤがＯ(酸素)：０.０００１〜
０.２０％を含有するものである請求項１に記載の方
法。