JPS61182887A - レ−ザ−ビ−ム併用高周波電気抵抗溶接法 - Google Patents

レ−ザ−ビ−ム併用高周波電気抵抗溶接法

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JPS61182887A
JPS61182887A JP60024916A JP2491685A JPS61182887A JP S61182887 A JPS61182887 A JP S61182887A JP 60024916 A JP60024916 A JP 60024916A JP 2491685 A JP2491685 A JP 2491685A JP S61182887 A JPS61182887 A JP S61182887A
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芳賀 博世
Nobuo Mizuhashi
伸雄 水橋
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勝宏 南田
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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、高周波電気抵抗溶接法と1例えばレーザービ
ームのような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って銅帯を
管状に成形し、それらのエツジ部をスクイズロールによ
って突合わせる。これによリエッヂ部が、衡合部を頂点
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4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って高周波電
流を流す。この高周波電流によっ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ベネトレータ
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っ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繰り返すことが主
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
〜500KHz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つの効果の相乗効果によ
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ッヂ端面
を溶融せしめると同時に、スクイズロールで接合部に強
いアブセッ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。アプセットによって溶
接部は変形し、第3図に示すように、熱影響部のメタル
フローが立上る。
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
セッ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、異常に低い靭接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ットを
強くしなければならず、アプセットを強くすると、メタ
ルフロー立上り角θが大きくなって溶接部の靭性が低下
するという相反する問題があった。
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にのため、
突合せ端面中心部と比較してコーナ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っ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。従って、溶接直前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っている
。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ットを加えない
状態で溶鋼が凝固すると、コーナ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ッ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層は薄いフィルム状
となって板厚面内には収縮孔が発生しないにの状態を第
8図に示す。すなわち従来低アプセットで溶接できなか
ったのは高周波電流の不均一分布に基づく端面の否均−
溶融の結果であって、端面の均一溶融を実現すれば低ア
プセット溶接が可能であることが分った。
これらの現象は、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56−11459
0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のエッチ部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
波電力によって発生するジュール熱、および、レーザー
照射装置6から、ビームスキャナ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によって全肉範囲
に亘っ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っ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った
が、エッチ部の溶融だれか大きく。
強いアブセット力が必要なため、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l!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ュー
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;前記突合せ端面の角隅部溶融量
を測定し、測定値に応じてレーザービームのエネルギー
量、投射点エネルギー分布および高周波電気抵抗溶接装
置の出力、の少なくとも一者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ッ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WVO,および、角
隅線に接し該端面に連続する外側面の溶融量Who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Who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WhO,Wvoは高周波抵抗溶接機の
出力で定まる。従ってwhol Wvo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、が又は、■ 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tob図が第10a図のXB−XB線断面であると
し、クサビ形頂点(溶接点)を基点0とする。板厚5m
m+〜250+I+の管状体に関する実験によると、W
vとwhはほぼ比例関係にあり、Wv= a Wh、 
a = 1.5〜2であることが分かった。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。従っ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
も分った。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Wv(1は、WVO= a W
h。
;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W h 
O、Wv(1が求16゜ 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
面の溶融量whを測定し、これより溶接点の溶融量Wh
o 、Wvo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WhO、W
vO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ィードバ
ック制御し得る。このフィードバック制御の時定数は、
溶接点における溶融量Wh(1,Wv□が、接触子7の
位置にあった管状体lの部位が溶接点に至るまでに加わ
ったジュ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、WvOに対応して、Wv 
0部以外の板厚領域WLHを集中的に深さWh、たけ溶
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WVO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ィードバッ
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ッヂコーナ部
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
を合理的に補った、全体として最適なパワー分布となる
溶接が可能である。したがって、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のエッチ部2は接触子4から供給
される高周波電力によって発生するジュール熱およびレ
ーザ照射装置6からビーム形状制御器7.ガイド9を通
して照射されるレーザービームLBによって全肉範囲に
亘っ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ようビーム形状1泣置を制
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
せから成っている。
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11x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)式で溶接点の溶融量WhO,WvO
を演算し、与えられている板厚とWvOよりレーザービ
ームによる、要溶融幅(板厚方向)WLH,(板巾方向
)WhO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線に沿って温度分布を測定した
例を第12図に示す。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iob図に示
す角隅部3角形部分は斜辺だけが残り、斜辺の温度は融
点に等しい。従っ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。
角隅部の溶融中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CCDl1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 t!、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なく、溶融開始点さえ分ればクサビ
形状頂点(溶接点)におけるWhO,WvOの値の算出
には十分である。熱論2ケ所以上の位置におけるwhを
測定すればW)io、Wvo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1
1により算出され、〔3〕演算器12はWh、x 及び
板厚からWh、 。
Wv□及びレーザービームによる板厚方向要溶融巾WL
 H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WLH
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は板厚方向要溶融巾WLHと板厚方向溶
融量さWhoおよび造管速度より必要レーザー出力を算
出しレーザー発振滞日の出力を制御し、 〔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脅せ端面ば
、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〕弱いアブセット力で、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ィルム状となり
〔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API 5LX−X70 、外径406 m m 
s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800KVおよび15KIt1
である。
レーザー発振出力は定格100%の15にυ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厚方向溶融量Whoと板厚方向溶融
量Wvl)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/winのとき、また条件りにおいては
Wh=0.5m11.溶接速度14m/win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、Wh、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。
アプセット量は1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”であった。
従来法では最適アプセット量を4.3−m(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
℃に焼増した。造管後の鋼管から溶接部のJISJ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1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、低アプセット力で溶接できるため熱
影響部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った。
【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
を示すブロック図である。 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ッチ部の
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ッチ部のアプセット開始直前の
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ッチ部のアプセット後の冷
却状態を示しそれぞれ低アプセウトの場合及び標準的な
アプセッ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tob図は第10a図のXB−X
B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中whの変化を示すグラフ、
第12図は第10a図のXB−XB線に沿って測定した
温度分布を示すグラフである。 l:管状体        2:突合せ面3ニスクイズ
ロール    4:接触子5:高周波電気抵抗溶接装置 6:レーザー発振装置 7:ビーム形状制御器  8:ビームスキャナ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 事3図 第5 図 寮6図 粛4 図 塔7 図 予12  図 妬10b図 キ11回 手続補正書(自発) 昭和60年 6月12日 1、事件の表示 昭和60年特許願第024916号2
、発明の名称    レーザービーム併用高周波電気抵
抗溶接法3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 住所    東京都千代田区大手町二丁目6番3号名称
    (665)新日本V!5鐵株式會社代表者 武
 1) 豊 4、代理人  〒103  電話 03−864−60
52住 所  東京都中央区東日本橋2丁目27番6号
5、補正の対象 明細書の発明の名称の欄、特許請求の
範囲の欄、発明の詳細な説明の欄、および図面 6、補正の内容 (1)明細書の第1頁の特許請求の範囲の欄全文を次の
通りに訂正する。 「2、特許請求の範囲 (1)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電気レーザーを供給しし
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ュール熱と投
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併用高周波電気抵抗
溶接法において:前記突合せ端面の角隅部の溶融量を測
定し、測定値に応じてエネルギービームのエネルギ量、
投射点エネルギ分布および高周波電気抵抗溶接装置の出
力、の少なくとも一者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。 (2)突合せ端面の角隅部の溶融量を、突合せ端面溶融
開始点とクサビ形状頂点間の一点以上における、該角隅
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、前記特許請求の範囲
第(1)項記載のレーザービーム併用高周波電気抵抗溶
接法。」(2)明細書の下記頁、行の誤とした部分を正
とした内容に訂正する。 (3)明j411書の第2頁第6〜7行の「例えばレー
ザービームのような」を削除する。 (4)第9図を添付した別紙の通りに訂正する。 7、添付書類の目録 (1)図面・・・・・・1葉 手続補正書(自発) 昭和60年 7月2日 1、事件の表示 昭和60年特許願第024916号2
、発明の名称    レーザービーム併用高周波電気抵
抗溶接法3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 住所    東京都千代田区大手町二丁目6番3号名称
    (665)新日本製鐵株式会社代表者 武 1
) 豊 4、代理人  〒103  電話 03−864−60
52住 所  東京都中央区東日本橋2丁目27番6号
6、補正の内容 (1)明細書の特許請求の範囲の欄全文を次の通りに訂
正する。 「2、特許請求の範囲 (1)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ュール熱と投射
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併用高周波電気抵抗溶
接法において:前記突合せ端面の角隅部の溶融量を測定
し、測定値に応じてレーザービームのエネルギ量、投射
点エネルギ分布および高周波電気抵抗溶接装置の出力、
の少なくとも一者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。 (2)突合せ端面の角隅部の溶融量を、突合せ端面溶融
開始点とクサビ形状頂点間の一点以上における、該角隅
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、前記特許請求の範囲
第(1)項記載のレーザービーム併用高周波電気抵抗溶
接法。」以上

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)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電気エネルギーを供給し
    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ュール熱と
    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併用高周波電気抵
    抗溶接法において: 前記突合せ端面の角隅部の溶融量を測定し、測定値に応
    じてエネルギービームのエネルギ量、投射点エネルギ分
    布および高周波電気抵抗溶接装置の出力、の少なくとも
    一者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。
  2. (2)突合せ端面の角隅部の溶融量を、突合せ端面溶融
    開始点とクサビ形状頂点間の一点以上における、該角隅
    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、前記特許請求の範囲
    第(1)項記載のレーザービーム併用高周波電気抵抗溶
    接法。
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