JPS61253186A - 電気エネルギ−併用エネルギ−ビ−ム溶接法 - Google Patents

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、例えばレーザービームのようなエネルギービ
ームの投射と電気抵抗溶接法と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鋼帯を
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、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ペネ１−レー
タと呼ばれる溶接欠陥が発生する場合がある。低入熱造
管で発生する冷接はエツジ部の加熱不足が主原因であり
、高入熱造管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、ｌＯ
〜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つの現象の相乗効果によ
り周波数が高くなるほど電気的溶接効果は大きくなる。

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、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
考えると、アプセットによって溶接部は変形し、第７ａ
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溶接欠陥が多発する。メタルフロー
立上り角Ｏと溶接部の靭性は第７ｂ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。なお、
第７ｂ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。

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端面から帯板外部に排出される。

この電磁圧力の方向を第８ａ図に示す。従って、溶接直
前の端面の突合せ形状は、第８ｂ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８Ｃ図の上欄に示す。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。この状態を第８ｃ図
の下欄に示す。

〔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。また熱影響部
が大きいという問題もある。

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■ビード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、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号で改良が提
案されている。

たとえば特願昭５８−１’０７１２０号の方法の概要を
第１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７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４から、ビームガイド２９を通して照射さ
れるレーザービームＬ　Ｂ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し；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。

このような複合溶接においても、高周波抵抗溶接主体の
加熱特性であるので、エッチ部の溶融だれか大きく、又
溶融層（熱影響部）が厚く、溶融部押し出し量が多いた
め、メタルフロー立上り角が大きくなり、継手性能に問
題がある。

本発明はこの種の、高周波電気抵抗溶接とエネルギービ
ームを併用する複合溶接法の改良に関し、継手性能の向
上、すなわち、溶接欠陥を生じないで熱影響部及び、溶
融部押し出し量を低減し、メタルフロー立上り角を小さ
くすることを目的とする。

〔間頭点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明においては、エネルギ
ービームと高周波抵抗溶接を併用する複合溶接において
：必要最小限アプセット量を設定し；溶接速度２被溶接
物物性およびエネルギービームの最大パワーに基づいて
、上記アプセット量が得られる最低必要限の深さで板厚
方向し；可及的に幅広く溶融部を得るビーム断面プロフ
ィルおよびエネルギー分布のエネルギービームで板厚中
央部を加熱し；同時に、エネルギービームでカバー出来
ない板厚両端部を高周波電流によるジュール熱によって
加熱し；両者の併用加熱によって可及的に小さいアプセ
ット量の溶接を行なう。

〔作用〕

これによれば、エネルギービームによる溶接が主体であ
って、可及的に小さいアプセット量が得られる最低必要
限の深さの溶融が広い範囲にわたり、エネルギービーム
による加熱が実質上行なわれないコーナ部などの小部分
のみが高周波電流で加熱されるので、溶融部の深さが全
体に浅く、熱影響部が狭いので、溶接欠陥を生じないの
は勿論、熱影響部が低減し、溶融部押し出し量が低減し
、メタルフロル立上り角が小さい、性能が良い継手が得
られる。

また、エネルギービームを最大限使用し、高周波電流に
よる加熱を最小限とするので、高周波電流による加熱域
が狭くその分溶接面（エッヂ２）の酸化が少なくてエネ
ルギービームのクサビ形に対向するエッチでの多重反射
において吸収される量が小さくて溶接点に吸収される量
が多く、また、エネルギービームの加熱では温度上昇が
瞬時であって高周波抵抗溶接の１０倍以上の溶接効率（
単位パワー当りの溶接量）をもたらすので、電力利用効
率が非常に高くなる。このように、エネルギー経済およ
び継手性能においてエネルギービーム溶接の利点が最大
限に発揮される。

現在レーザ溶接機に使用し得るレーザ発振器は最高パワ
ーが２０ＫＷ程度であり、比較的に低パワーである。そ
こで本発明の実施例においては、必要に応じて２個のレ
ーザ発振器の出力ビームを合成して高パワーのレーザビ
ームを得ると共に、各ビームの分布パターンと各ビーム
のパワーを調整して、可及的に小さいアプセット量の、
板厚方向で可及的に幅広くしかも均一な浅い溶融層を形
成することができる。さらにこのレーザビームによる溶
融がもたらされない部分に、高周波電流で、同様な浅い
溶融層を形成する。これによれば、エネルギービームの
パワー総量が大きくなり、広い範囲をエネルギービーム
で負担させることができると共に、溶接速度を速くし得
る。エネルギービーム溶接の利点が更に大きくもたらさ
れる。

次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明を一態様で実施する溶接装置の構成概要
を示す。管状体１のエッヂ部２はレーザ照射装置４から
ビームガイド２９を通して照射されるレーザービームＬ
Ｂおよび接触子７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。

スクイズロール３には速度計１０が結合されており、ス
クイズローラ３の線速度、すなわち溶接速度を示すイコ
号が速度計１０から管状体データ処理器１２に与えられ
る。管状体データ処理器１２には、管状体の寸法、成分
等に関するデータが上位計算機から与えられる。管状体
データ処理器１２は、管状体１の成分、板厚９表面状態
、物性および開先形状等のデータを受けて、アプセット
量演算に要するデータをアプセット演算器１４に与え。

また、入熱速度（溶接パワー）データをパワーデータ処
理器１５に与える。

アプセット演算器１４は、処理器１２より与えられたデ
ータを前以って入力され記憶している実績データ（実験
上得られたデータおよび操業結果よす得られたデータ）
と対比して、今回の被溶接物に関する圧下量（置部アプ
セット量をもたらす圧下量）を導出し、これを圧下制御
器９およびパワーデータ処理器１５に与える。圧下制御
器９は、この圧下量を目標値として圧下機構２１を設定
しかつ制御する。

管状体１に関する溶接条件およびプロセス関連データ１
ま溶接データ処理器１３に与えられる。溶接データ処理
器１３は、溶融深さ、熱影響部幅。

立上り角θ等の溶接データをパワーデータ処理器１５に
与える。

パワーデータ処理器１５は、アプセット演算器１４より
の圧下量データ、管状体データ処理器１２よりの入熱速
度（溶接パワー）データおよび溶接データ処理器１３よ
りの溶接データを実績データ（実験上得られたデータお
よび操業結果より得られたデータ）と対比して、レーザ
ビームによる加熱パターン（板厚方向の加熱温度分布）
と高周波電力による加熱パターン（板厚方向の加熱温度
分布）を演算して高周波加熱パターンデータを高周波電
力演算器１６に与える。またパワーデータ処理器１５は
、レーザビーム加熱パターンより。

後述するビームプロフィルと、後述する複合ビー１１の
各ビームパワーを演算し、プロフィルデータを光学系制
御器１７に、また各ビームパワーデータをレーザ制御器
１８に与える。

高周波電力演算器１６は、高周波加熱パターンデータよ
り、高周波周波数および印加電圧を演算してこれらを指
示するデータを高周波電力制御器１９に与える。高周波
電力制御１９は、高周波電源の発振周波数と出力電圧を
指示されたものに設定する。

レーザ照射装置４としてレーザ発振器を２台用いた場合
を第２図に示す。第２図において、ＬＧ１＋ＬＧ２はレ
ーザ発振器であり、それぞれレーザビームＬＢ、。

ＬＢｌをミラーＭＢ、、ＭＢ２に照射する。ミラーＭＢ
１　、ＭＢ２で反射されて、更に合成ミラーＭｘで反射
されてレーザビームＬＢ１　、ＬＢｌが合成され、合成
ビームＬＢｘがビームガイド２９を通してクサビ形開先
に投射される。なお、更にビームパワーを大きく必要と
する場合、あるいはレーザビームの広がりを大きく必要
とする場合には、第３図に示すように、４個（３個でも
可）のレーザ発振器Ｌ　Ｇ　ｌ−Ｌ　Ｇ　４　ｙ　ミラ
ーＭＢＩ〜Ｍ　Ｂ　ａ　＋合成ミラーＭｘ１．　Ｍｘ２
　、ミラーＭＢ５゜ＭＢ６２合成ミラーＭ　ｘ　３　を
用いて４ビームの合成ビームＬＢｘ３を得るようにして
もよい。同様に８個、１６個等多くのレーザ発振器のビ
ームを合成するようにしてもよい。第３図に示す態様で
の合成ビームＬＢｘ　（ＬＢｌ　＋ＬＢ２　＋ＬＢ３　
＋ＬＢ４）は、第４図に示すように溶接点に投射される
。図においてｈｐは電気抵抗溶接（高周波溶接）による
加熱温度分布を示し、ｈＩ、ｈ４がｈ２．ｈ３よりも高
い。この態様では、ＬＢｌ。

ＬＢ４よりもＬＢｌ、ＬＢ３のパワーを大きくして点線
で示すように加熱温度分布を均一にする。

第５ａ図、第５ｂ図および第５ｃ図を参照して、第１図
に示すレーザ照射装置４で用いられている第２図に示す
組合せによるレーザビームプ口フイルの制御態様を説明
すると１合成ミラーＭｘの合成角度θ２を９０°とし、
レーザビームＬＢＩ　。

ＬＢ２を平行に投射した場合、ベンディングミラＭ　Ｂ
　＋、　＋　Ｍ、Ｂ　２のベンド角θ１を９０°以下に
すると、θ３が０″以下となり、ＬＢ、とＬＢ２が煎れ
（交叉せず）、たとえばこれらの投射像は第５ｂ図に示
すようにセパレート型となる。θ１を９０°以上とする
とＬＢＩとＬＢ２が交叉し、たとえばこれらの投射像は
第５ｃ図に示すようにラップ型となる。このようなビー
ムの位置調整は合成ミラーＭｘの合成角度θ２を調整す
ることによっても行ない得る。

また本発明においては、第６ａ図に点線で示すように適
当な光学系を用いて中央部に一様にレーザビームを導入
し、端部を一点鎖線で示すように高周波電流で加熱し、
合成して均一加熱を行うことも可能である。またエネル
ギービームのパワーが十分なときには第６ｂ図に示すよ
うに全体をエネルギービームのみで加熱することも考え
られるが、この場合も第６ｃ図に示すように大部分エネ
ルギービームで加熱し、両端部の僅かの部分を高周波電
流が加熱するか、あるいは第６ｄ図に示すように極厚全
体をエネルギービームで加熱し、両端にはみ出るビーム
を上下に設置した反射ミラーＲＦで開先内に入れるよう
にすることが必要である。

以上説明したように１本発明においては次の態様で溶接
が行なわれる。

１）溶接面の仕上寸法、突合せ状態、継手性能等を考慮
してきめられる必要量／ｈ限アップセッ１−量が設定さ
れ、 ２）溶接速度、被溶接物物性、レーザビームの最大パワ
ーを考慮に入れて、溶接面板厚中央部を、上記アプセッ
ト量が得られる最低必要限の深さ。

かつ可能な限り板厚方向に幅広く溶融部が得られるよう
に、レーザビーム断面プロフィルおよびエネルギー分布
が形成され、 ３）レーザビームでカバーできない板厚両端部（コーナ
部）が高周波電流によるジュール熱によって加熱され、 ４）両者の併用加熱によって板厚方向全幅にねたって必
要最小限アプセット量を確保するに必要な最小限の溶融
が行なわれ、 ５）必要最小限の電力で、最適な継手性能が得られる。

これにより、加熱温度分布が厚み方向で均一で熱影響部
の広がりが最も小さく、溶接欠陥がなく、しかも靭性が
高い溶接が行なわれる。また、レーザビームパワーが大
きいので高速の溶接が可能である。

なお、レーザビームによる加熱は、管状体のクサビ形開
先部に水平方向からレーザビームを入射して行なうが、
レーザビームは完全に水平でなくても実用的な範囲で斜
に入射することも可能である。また、レーザビームは必
ずしも溶接点に焦点を合せた細いビームでなく、幅広い
ビームでスクイズ点（溶接点）より前の開先対向面にあ
るように入射し、クサビ状空間の両壁で多重反射を繰り
返しながら次段に空間エネルギー密度を増して行き、ク
サビ状空間の深奥部（溶接点）を加熱溶融する態様でも
よい。更に、レーザビームを板厚方向に走査させてもよ
い。

〔実施例〕

５　　ＫＷ、円形ビーム、ビーム径５０＋ｎ＋ｎ、のＣ
Ｏ２レーザ発振器２台を第２図に示す組合せとし、ベン
ド角θ１　＝９２’　１合成角θ２＝９０６でビームを
合成し、ｌ０ＫＷレ一ザ溶接機として高周波電気抵抗溶
接法と併用して複合溶接を実施した。

投射ビーム像は、横４ｍｍ、縦８ｍｍの第５ｃ図に示す
楕円形状にした。溶接結果は第１表の通りであリ、従来
法に比べて非常に良い継手性能のパイプを造ることがで
きた。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明では、溶融部の深さが全体に浅く、熱
影響部が狭いので、溶接欠陥を生じないのは勿論、熱影
響部が低減し、溶融部押し出し量が低減し、メタルフロ
ー立上り角が小さい、性能が良い継手が得られる。また
電力利用効率が高い。

【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、第２図は第１図に示すレーザ照射装
置４の構成を示すブロック図である。 第３図はレーザ照射装置４の他の構成例を示すブロック
図、第４図は第３図に示す構成で得られるレーザビーム
の被溶接物への投射位置を示す説明図である。 第５ａ図は第２図の一部を拡大して示すブロック図、第
５ｂ図および第５ｃ図は、第２図の構成によって得られ
る投射ビーム像を示す拡大平面図である。 第６ａ図、第６ｂ図および第６Ｃ図はレーザ照射装置４
の他の構成例を示すブロック図である。 第７ａ図は従来の高周波電気抵抗溶接による継手の拡大
断面図、第７ｂ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８ａ図は従来の高周波電気抵抗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８ｂ図は従来
の高周波電気抵抗溶接における溶接エッチ部の溶融状態
を示す断面図、第８ｃ図は従来の高周波電気抵抗溶接に
おける溶接エッヂ部のアプセノ１〜後の冷却状態を示す
断面図である。 １：管状体　　　　　２：エツジ（溶接前対向面）３ニ
スクイズローラ　４：レーザ照射装置７：接触子　　　
　２９：ビームガイド車２図 東４図 東５８図 第６ａ起 ＄ｓｄ＋日 ′４６ｂ旧 第６ｃ　＋、ｉ 手続補正書（方式） 昭和６１年　５月３０日 特許庁長官　宇　賀　　道　部　殿 １、事件の表示　昭和６０年特許願第００２４４７号　
　　　　、ｉ２、発明の名称　電気エネルギー併用エネ
ルギービーム溶接ａ４１３、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
昭和６１年　５月　７日（発送日同年　５月２７日）６
、補正の対象　明細書の図面の簡単な説明の欄７、補正
の内容 明細書第２０頁第２行の「および第６ｃ図は」を「、第
６ｃ図および第６ｄ図は」に訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）相向い合う溶接面が漸近し、溶接点を頂点とする
   クサビ形状をなす被溶接物の、該クサビ形状の開放側か
   ら溶接点へエネルギービームを投射し、併せて溶接部近
   傍に電気エネルギーを供給してクサビ形状の頂点を溶接
   温度まで加熱する電気エネルギー併用エネルギービーム
   溶接法において：可及的に小さいアプセット量を設定し
   ；溶接速度、被溶接物物性およびエネルギービームの最
   大パワーに基づいて、上記アプセット量が得られる最低
   必要限の深さで板厚方向に可及的に幅広く溶融部を得る
   ビーム断面プロフィルおよびエネルギー分布のエネルギ
   ービームで板厚中央部を加熱し；同時に、エネルギービ
   ームでカバー出来ない板厚両端部を高周波電流によるジ
   ュール熱によって加熱し；両者の併用加熱によって前記
   アプセット量の溶接を行なうことを特徴とする電気エネ
   ルギー併用エネルギービーム溶接法。