JPH08141763A - レーザ溶接方法 - Google Patents

レーザ溶接方法

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JPH08141763A
JPH08141763A JP6280582A JP28058294A JPH08141763A JP H08141763 A JPH08141763 A JP H08141763A JP 6280582 A JP6280582 A JP 6280582A JP 28058294 A JP28058294 A JP 28058294A JP H08141763 A JPH08141763 A JP H08141763A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ溶接により、溶接ままの状態で高じん
性を有する溶接金属を得る。 【構成】 Pcm 値が0.05〜0.20%の範囲にありかつTiを
0.01〜0.50含有する鋼材を溶接母材として、O2を1〜10
%含むArまたはHeガス、CO2 を5〜50%含むArまたはHe
ガスあるいは空気を雰囲気ガスとしてレーザビームによ
る溶接を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザビームによる
溶接において、高じん性溶接金属が得られるレーザ溶接
方法に関するものである。
【0002】レーザビームは光学系装置を介して高エネ
ルギ密度を提供することができ、電子ビームとともに熱
加工、特に溶接加工に適しその熱源として注目されてい
る。そして、このレーザビームは電子ビームのように真
空雰囲気とする必要がなく、大気中で熱加工できるとい
う大きな利点を有している。しかしながら、発振される
レーザビームの出力が小さかった(高々10kw)ことか
ら、レーザ溶接はこれまで主として薄板の溶接に適用さ
れていた。
【0003】しかるに、最近レーザ発振器のハード面の
開発が進み、60kwもの大出力CO2 レーザ発振管の実用化
も可能となってきて、薄板のみならず厚板の溶接にもレ
ーザ溶接の適用が検討されはじめている。
【0004】一方、このレーザ溶接は、レーザビームが
高エネルギー密度を有しているため深溶込みには有利で
あるが、溶接後の冷却速度が従来のアーク溶接に比し非
常に大きいため、溶接金属は急冷され、アーク溶接金属
の成分設計のままでは硬度が高すぎ、厚板の構造物に適
用するとその溶接金属のじん性が低すぎて実用に耐えら
れないものとなる。したがって、高じん性溶接金属が得
られるレーザ溶接方法の開発が急務となっている。
【0005】なお、電子ビーム溶接の場合に上記と同様
に生じるじん性の劣化は、溶接後に熱処理を施してじん
性の回復をはかるなどの対策がとられているが、エネル
ギーや工数の増大は避けられないという大きな問題を有
していた。
【0006】
【従来の技術】従来のアーク溶接金属の組成をレーザ溶
接金属組成とした場合には、前記したように溶接時の冷
却速度の著しい違いにより、溶接ままの状態では高じん
性の溶接金属を得ることが期待できず、溶接後の熱処理
によってのみ高じん性を付与する方法しかないという問
題があった。
【0007】この問題を解決する手段としては、例え
ば、特開平 5−185280号公報(レーザ溶接用ワイヤ)
に、溶接ワイヤの成分組成とじん性との関係について検
討した結果として、炭素当量が低く、かつBとTiまたは
Zrとを複合添加したワイヤを用いることにより溶接金属
のじん性を改善する技術が提案開示されている。すなわ
ちこの技術は、レーザ溶接時の溶接金属の焼入れ性を低
下させる目的で炭素当量の低い溶接フィラーワイヤを用
い、かつ溶接金属の組織を微細なアシキュラーフェライ
トにすることを目的にBとTiまたはZrを同時にワイヤか
ら添加するものである。
【0008】しかしながら、レーザ溶接の場合にはかか
るフィラーワイヤを用いて溶接しても、母材による希釈
率が著しく大きいため、母材とワイヤとの成分組成の差
異が大きい場合には、溶接金属の成分組成の調整が困難
になるばかりでなく、溶込み深さの変動による溶接金属
の成分組成の変動が大きくなり、均質な溶接金属を得る
ことは期待できない。
【0009】また、溶接金属の凝固時における冷却速度
が著しく大きいため、溶融部は十分に攪拌されないまま
凝固するため、溶込み深さが深い場合には、溶融したフ
ィラーワイヤは溶接ビードの下部まで達しないまま凝固
してしまい、溶接金属全体にわたって期待した成分組成
にすることは極めて困難であるなどの問題があった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記した
問題点を有利に解決し、溶接ままでも安定して溶接金属
全体にわたって優れるじん性が得られるレーザ溶接方法
を提案することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】従来の実用性を考慮した
アーク溶接金属の冷却速度は、溶接金属の組織に関与す
る 800〜500 ℃の温度範囲においては高々30℃/s程度で
あり、ほとんどの場合10〜5℃/sの範囲であるのに対
し、レーザ溶接の場合の冷却速度は1000℃/sにも達し、
10mm以上の溶込みを得る条件下においても 100℃/s程度
になる。
【0012】このような急速冷却溶接金属のじん性に関
して鋭意実験・検討を重ねた結果、溶接のままで高じん
性溶接金属を得ることができるレーザ溶接方法を見出
し、この発明を達成したものである。すなわち、この発
明の要旨とするところは以下のとおりである。
【0013】 成分組成において、下記式(1) であら
わされるPcm 値が0.05〜0.20wt%の範囲にあり、かつTi
を0.01〜0.50wt%の範囲で含有する鋼材を溶接母材と
し、O2:1〜10%を含むArガス、O2:1〜10%を含むHe
ガス、CO2 :5〜50%を含むArガス、CO2 :5〜50%を
含むArガスまたは空気のうちから選んだ1種を雰囲気ガ
スとして、レーザビームによる溶接を行うことを特徴と
するレーザ溶接方法である(第1発明)。 〔記〕 Pcm wt%=C wt%+Siwt%/30+Mnwt%/20+Crwt%/20+Niwt%/60+Mowt %/15+V wt%/10+5Bwt%+Cuwt%/20 ‥‥ (1)
【0014】 溶接母材とする鋼材と同じ成分組成の
フィラーワイヤを用いる第1発明に記載のレーザ溶接方
法である(第2発明)。
【0015】
【作用】この発明の作用効果を実験例をもとにして以下
に述べる。レーザ溶接のように急速冷却される溶接金属
でじん性が低下する原因は強烈な焼入れ効果によって、
溶接金属組織がマルテンサイト組織のみになることであ
る。
【0016】そこで、大気中にてレーザ溶接を行い、レ
ーザ溶接を行った鋼材の前記(1) 式に示したPcm 値とそ
の溶接金属のじん性(0℃におけるシャルピー衝撃吸収
エネルギー)との関係を調査し、表1に示す結果を得
た。
【0017】
【表1】
【0018】表1から明らかなように、Pcm 値が0.07〜
0.16wt%の鋼材の溶接金属の衝撃吸収エネルギーは3 k
gf・m以上の値を示しているが、十分なじん性とはいい
難く、また、その他のPcm 値の鋼材では、衝撃吸収エネ
ルギーは著しく低い値を示している。しかしながら、こ
の結果は、溶接金属のじん性向上にはPcm 値を特定する
ことが有効であることを示唆している。
【0019】そこで、さらに実験・検討を重ねた結果、
Tiを含有させた鋼材を酸化性雰囲気でレーザ溶接するこ
とによって、急速冷却される溶接金属であっても、高じ
ん性のアシキュラーフェライト組織を析出させることが
可能であり、また、このことによって溶接金属のじん性
も飛躍的に向上することを見出した。
【0020】これらの実験結果として、鋼材のPcm 値と
Ti含有量とを変化させ、酸化性雰囲気として5%O2−Ar
のシールドガスを使用してレーザ溶接したときの、溶接
金属のじん性(シャルピー衝撃吸収エネルギー)を表2
にまとめて示す。
【0021】
【表2】
【0022】表2から明らかなように、鋼材のPcm 値が
0.05〜0.20wt%の範囲で、かつTiを0.01wt%以上含有さ
せることによって、十分に優れるじん性を有する溶接金
属が得られる。しかしTiは、0.50wt%を超えて含有させ
てもそれ以上の効果は期待できない。したがって、この
発明においては、レーザ溶接母材とする鋼材について、
Pcm値は、0.05wt%以上、0.20wt%以下とし、Tiは、そ
の含有量を0.01wt%以上、0.50wt%以下とする。
【0023】つぎに、このようなTi添加の効果が発揮で
きる雰囲気ガス組成について述べる。最も工業的に酸化
性雰囲気を提供できるO2またはCO2 を含有するガスにつ
いて実験・検討を行った。O2またはCO2 ガスの容積率を
変化させたArまたはHeガスを雰囲気ガス(シールドガ
ス)として、Pcm 値が0.05wt%および0.20wt%でTiが0.
01wt%含有する鋼材のレーザ溶接を行ったそれぞれの溶
接金属について、じん性や介在物および欠陥の有無など
を調査した。
【0024】この結果、O2含有ガスの場合、含有するO2
が、1%未満では上記したTi添加による溶接金属のじん
性向上効果が期待できず、10%を超えると溶接金属中に
酸化物系の介在物が増加してじん性は逆に低下し、さら
に溶接欠陥も多く発生した。したがって、O2を含有する
ArまたHeガスの場合、O2含有量は1〜10%の範囲とす
る。
【0025】また、CO2 含有ガスの場合、含有するCO2
が5%未満ではTi添加のじん性向上効果が期待できず、
50%を超えると上記と同様介在物によってじん性は低下
し欠陥の発生も多くなった。したがって、CO2 を含有す
るArまたはHeガスの場合、CO 2 含有量は5%〜50%の範
囲とする。
【0026】さらに、酸化性雰囲気ガスとして空気(大
気)についても上記と同様の調査を行った。この結果空
気を雰囲気ガスとして用いても十分にTi添加の効果が発
揮できることが分った。
【0027】一方、上記した実験ではフィラーワイヤを
使用していないため、溶接金属内の成分組成の変動は全
くないことは当然であるが、溶接母材とする鋼材と同じ
成分組成系(共金など)のフィラーワイヤであれば、フ
ィラーワイヤを用いても成分組成の変動のない均質な組
織の溶接金属が得られることも確認した。
【0028】
【実施例】表3、表4および表5に示す種々の成分組成
になる鋼板を溶接母材として、同じく表3、表4および
表5に示す種々の雰囲気ガスを用いてレーザ溶接を施し
たこの発明の適合例と比較例について、じん性(0℃に
おけるシャルピー衝撃吸収エネルギーvEo )を調査し、
それぞれ表3、表4および表5に併記した。
【0029】
【表3】
【0030】
【表4】
【0031】
【表5】
【0032】ここで、上記のレーザ溶接条件は以下のと
おりである。 ・レーザ出力:10kw ・溶接速度:2m/min ・ビームモード:低次マルチモード ・パラボリックミラー:f=10in ・板厚:20mm
【0033】表3、表4および表5から明らかなよう
に、鋼材のTi含有量、Pcm 値さらには溶接雰囲気ガスが
この発明の限定範囲を外れる比較例では良好なじん性が
得られていない。これらの比較例に対し、この発明の適
合例はフィラーワイヤを使用したものも含めて全て優れ
るじん性を示し、とくに試料No.17や19などのようにCr,
Ni, MoおよびVなどの強化成分を含有する高張力鋼であ
っても優れるじん性を示していて、このような高張力鋼
にもこの発明が有利に適用できることを示している。
【0034】このようにこの発明の適合例は、いずれの
場合も十分なじん性が得られるとともに、ブロフォール
や溶接割れ等の溶接欠陥のない健全な溶接金属が得られ
ることも確認できた。したがって、これらの適合例は構
造物の溶接継手として十分実用化できる特性を有してい
る。
【0035】
【発明の効果】この発明は、大出力CO2 レーザ溶接機の
出現によって大いに期待される厚板のレーザ溶接の実用
化において、溶接金属のじん性不足という材質面での問
題点を、溶接母材とする鋼材の成分設計と溶接雰囲気の
制御によって有利に解決し、溶接ままの状態でも全体に
わたり安定して十分なじん性を有するレーザ溶接金属が
得られるようにするものであり、この発明によれば、大
出力CO2 レーザ溶接機の産業界への適用範囲を飛躍的に
拡大し、レーザ溶接が有する最大の利点である低入熱、
高効率の溶接が、高じん性が要求される構造物の溶接に
も適用でき、工業的意義は極めて大きい。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 成分組成において、下記式(1) であらわ
    されるPcm 値が0.05〜0.20wt%の範囲にあり、かつTiを
    0.01〜0.50wt%の範囲で含有する鋼材を溶接母材とし、 O2:1〜10%を含むArガス、 O2:1〜10%を含むHeガス、 CO2 :5〜50%を含むArガス、 CO2 :5〜50%を含むHeガスまたは空気のうちから選ん
    だ1種を雰囲気ガスとして、レーザビームによる溶接を
    行うことを特徴とするレーザ溶接方法。 〔記〕 Pcm wt%=C wt%+Siwt%/30+Mnwt%/20+Crwt%/20+Niwt%/60+Mowt %/15+V wt%/10+5Bwt%+Cuwt%/20 ‥‥ (1)
  2. 【請求項2】 溶接母材とする鋼材と同じ成分組成のフ
    ィラーワイヤを用いる請求項1に記載のレーザ溶接方
    法。
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