JPWO2007032176A1 - Welding method and welding apparatus - Google Patents

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Abstract

溶込みが深く、酸化物系フラックスを使用せず、しかもタングステン電極の消耗が少ないTIG溶接方法と同じくレーザ発振源の出力の増大が不必要であるレーザ溶接方法であって、第1溶接材と第2溶接材との接触部分の酸素濃度を高める前処理ステップと、前記接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、前記第1溶接材と前記第2溶接材とを接合する接合ステップとを包含する溶接方法。A laser welding method that does not require an increase in the output of the laser oscillation source, similar to the TIG welding method, which has a deep penetration, does not use an oxide-based flux, and consumes little tungsten electrode. A pretreatment step for increasing the oxygen concentration in a contact portion with the second welding material, and a joining step for joining the first welding material and the second welding material by melting at least a part of the contact portion. Including welding method.

Description

本発明は溶接方法および溶接装置に関し、特にTIG溶接とレーザ溶接において、前処理として活性ガス中で溶接箇所に集中熱源を照射して酸素の濃化した微小、局所的な領域を作製しておく溶接方法および溶接装置に関する。   The present invention relates to a welding method and a welding apparatus, and in particular, in TIG welding and laser welding, as a pretreatment, a concentrated heat source is applied to a welding spot in an active gas to prepare a minute and local region in which oxygen is concentrated. The present invention relates to a welding method and a welding apparatus.

TIG溶接は、アルゴン等の不活性シールドガス中で溶接しようとする2つの溶接材(溶接対象の材料)の接合箇所とタングステン電極間に電気でアークを発生させ、アーク(ビーム。以下、原則として「アーク」と記す)の熱で溶接材を溶融し、溶接材を接合させる溶接方法である。   In TIG welding, an electric arc is generated between the junction of two welding materials (materials to be welded) to be welded in an inert shielding gas such as argon and a tungsten electrode, and an arc (beam. This is a welding method in which the welding material is melted by the heat of “arc” to join the welding material.

TIG溶接の場合、単にアークを発生させるだけでは、通常アークが集中しないため、パワー密度が低く、溶接材の溶込みが浅くなり、厚肉の溶接材を溶接する際の効率が低下する。   In the case of TIG welding, simply generating an arc does not normally concentrate the arc, so that the power density is low, the penetration of the welding material becomes shallow, and the efficiency when welding a thick welding material is lowered.

即ち、溶接金属中の硫黄や酸素の含有量がある値を境にして、例えば鉄であれば硫黄が約50ppm、酸素であれば約70ppmを境にして、表面張力の関係で溶融池で溶融金属の対流の方向が逆転し、硫黄あるいは酸素の量が前記値以上の場合にはアークの方向に(溶融池の真中で下向きに)流れ、硫黄あるいは酸素の量が前記値未満の場合にはアークの方向と逆方向に(溶融池の真中で上向きに)流れる様になる(特許文献1の図3と図4)。しかし、硫黄は、含有量が多いと金属の溶接凝固割れが起こりやすくなる等、悪影響を与えるため、通常溶接する金属の製造時から出来るだけ除去されている。また、酸素も耐食性や低温靭性の観点から500pp以下の範囲であれば問題がないとされているが、通常10〜50ppm程度と低いことが多い。この結果、そのままでは、溶接時の溶融池内にアークの方向と逆の対流が発生することとなり、溶接材の溶込みが浅くなる。   That is, when the content of sulfur and oxygen in the weld metal is a certain value, for example, if iron, sulfur is about 50 ppm and if oxygen is about 70 ppm, it melts in the molten pool due to surface tension. If the direction of convection of the metal is reversed and the amount of sulfur or oxygen is greater than the above value, it flows in the direction of the arc (downward in the middle of the molten pool), and if the amount of sulfur or oxygen is less than the above value It flows in the direction opposite to the direction of the arc (upward in the middle of the molten pool) (FIGS. 3 and 4 of Patent Document 1). However, sulfur is removed as much as possible from the time of manufacture of the metal to be welded normally because it has an adverse effect such that the weld solidification cracking of the metal tends to occur when the content is large. In addition, oxygen is considered to have no problem as long as it is in the range of 500 pp or less from the viewpoint of corrosion resistance and low temperature toughness, but is usually as low as about 10 to 50 ppm. As a result, as it is, convection reverse to the direction of the arc occurs in the molten pool at the time of welding, and the penetration of the welding material becomes shallow.

溶接材の溶込みを深くするために、予め溶接箇所に酸化物系のフラックスを塗布して溶融金属中の酸素の濃度を増加させ、アークの方向に対流が生じる様にして溶込みを深くし、溶接後に除去する方法(A―TIG溶接法)が開発され、利用されはじめている(特許文献2)。
また、不活性シールドガスに酸素、炭酸ガス等の活性ガスを適量混合して溶込み深さを増大する方法(AA―TIG溶接法)も開発されている(特許文献3、同4)。
特開平6−277847号公報 特開2002−120088号公報 特開2003−19561号公報 特開2004−298963号公報
In order to deepen the penetration of the weld material, an oxide-based flux is applied to the welded area in advance to increase the oxygen concentration in the molten metal and deepen the penetration so that convection occurs in the direction of the arc. A method of removing after welding (A-TIG welding method) has been developed and used (Patent Document 2).
In addition, a method (AA-TIG welding method) in which an appropriate amount of an active gas such as oxygen or carbon dioxide is mixed with an inert shielding gas to increase the penetration depth (AA-TIG welding method) has been developed (Patent Documents 3 and 4).
JP-A-6-277847 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-120088 JP 2003-19561 A JP 2004-298963 A

しかしながら、前記A−TIG溶接法は、溶接に先立って酸化物系フラックスを塗布し、溶接後にフラックスを除去する必要があるため、手間がかかり過ぎる。
また、前記AA−TIG溶接法は、不活性シールドガス中の酸素とタングステン電極が反応してWOが生じるため、タングステン電極の消耗が激しい。
これらのため、酸化物系フラックスを使用せず、またタングステン電極の消耗が少なく、しかも溶込みが深いTIG溶接方法の開発が望まれていた。
However, since the A-TIG welding method needs to apply an oxide-based flux prior to welding and remove the flux after welding, it takes too much work.
In the AA-TIG welding method, oxygen in the inert shielding gas reacts with the tungsten electrode to generate WO 3 , so that the tungsten electrode is heavily consumed.
For these reasons, it has been desired to develop a TIG welding method that does not use an oxide flux, consumes less tungsten electrode, and deeply penetrates.

また、溶接材をレーザ光で溶融させて接合するレーザ溶接においても、同様に溶込みが浅くなるため、酸化物系フラックスを使用せず、またレーザ発振源の出力を増大したりすることなく、しかも溶込みが深い方法の開発が望まれていた。   Also, in laser welding in which the welding material is melted with laser light and joined, the penetration is similarly shallow, so that an oxide-based flux is not used, and without increasing the output of the laser oscillation source, Moreover, development of a method with deep penetration has been desired.

さらに溶接材をレーザ光で溶融させて接合するレーザ溶接において、酸化物系フラックスを使用せず、またレーザ発振源の出力を増大したりすることなく、溶込みが深く、ポロシティ等の溶接欠陥のない方法の開発が望まれていた。特に、レーザ溶接では、パワー密度が高い場合、キーホール型の溶接となり、キーホール先端部から気泡が発生し、それが溶接ビード部にポロシティとして生成するため、キーホールのない熱伝導型で深溶込み溶接部を形成する溶接方法の開発が望まれていた。   Furthermore, in laser welding, where welding materials are melted with laser light and joined, oxide penetration is not used and the output of the laser oscillation source is not increased. There was no desire to develop a method. In particular, in laser welding, when the power density is high, keyhole type welding is performed, and bubbles are generated from the tip of the keyhole, which is generated as porosity in the weld bead, so that the heat conduction type without keyhole is deep. Development of a welding method for forming a penetration weld has been desired.

本願の発明者は、以上の課題を解決するため鋭意研究を行った結果、溶接の前処理として第1溶接材と第2溶接材との接触部分の酸素濃度を高めることによって溶込みが深くなることを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。
以下、各請求項の発明を説明する。
The inventors of the present application have conducted intensive research to solve the above problems, and as a result of the pretreatment of welding, the penetration becomes deeper by increasing the oxygen concentration at the contact portion between the first welding material and the second welding material. The present invention has been found and the present invention has been completed.
The invention of each claim will be described below.

本発明の溶接方法は、第1溶接材と第2溶接材とを溶接する溶接方法であって、前記第1溶接材と前記第2溶接材との接触部分の酸素濃度を高める前処理ステップと、前記接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、前記第1溶接材と前記第2溶接材とを接合する接合ステップとを包含する溶接方法である。
本発明の溶接方法においては、前処理ステップにおいて、前記第1溶接材と前記第2溶接材との接触部分に酸素が溶け込み、あるいは接触部分が酸素と反応して酸素濃度が高まる。このため、表面張力の影響で、溶融池内では(溶融池の溶接方向に直交する断面の)中心に下向きの対流が生じる、即ちアークの方向、レーザビームの方向へ沿った対流が生じる。その結果、溶融池は溶接方向に直交する方向には広がらず、溶接材の厚さ方向に深くなり、溶接箇所の溶込みが深くなる。
このため、フラックスを使用する場合に比較して、フラックスの塗布や除去という人手のかかる作業をする必要がなく、溶接作業の自動化も一層容易となる。
本発明の溶接方法において、前処理ステップは、活性ガスを含むガス雰囲気中で前記接触部分の酸素濃度を高めるステップを包含してもよい。
本発明の溶接方法において、前処理ステップは、前記接触部分に熱源を照射することによって前記接触部分の酸素濃度を高めるステップを包含してもよい。
前記活性ガスは酸素または炭酸ガスであり、ガス雰囲気中での活性ガスの濃度は、2体積%以上であってもよい。
なお、活性ガス雰囲気中または活性ガスを含む不活性シールドガス雰囲気中において、溶接材の溶接を行う箇所に集中熱源を照射して酸素の濃化した微小、局所的な領域を作製しておく前処理ステップと、前記前処理ステップにおいて作製された酸素の濃化した微小、局所的な領域を、不活性シールドガス雰囲気中においてアーク熱源またはレーザで溶融させつつ、前記溶接を行う箇所を溶接する溶接ステップとを有していることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。
The welding method of the present invention is a welding method for welding a first welding material and a second welding material, and a pretreatment step for increasing the oxygen concentration in a contact portion between the first welding material and the second welding material; A welding method including a joining step of joining the first welding material and the second welding material by melting at least a part of the contact portion.
In the welding method of the present invention, in the pretreatment step, oxygen dissolves in the contact portion between the first welding material and the second welding material, or the contact portion reacts with oxygen to increase the oxygen concentration. For this reason, due to the influence of the surface tension, downward convection occurs in the center of the molten pool (in the cross section perpendicular to the welding direction of the molten pool), that is, convection along the direction of the arc and the direction of the laser beam occurs. As a result, the molten pool does not spread in the direction orthogonal to the welding direction, but deepens in the thickness direction of the weld material, and the penetration of the welded portion deepens.
For this reason, compared with the case of using a flux, it is not necessary to perform a labor-intensive operation of applying and removing the flux, and automation of the welding operation is further facilitated.
In the welding method of the present invention, the pretreatment step may include a step of increasing the oxygen concentration in the contact portion in a gas atmosphere containing an active gas.
In the welding method of the present invention, the pretreatment step may include a step of increasing the oxygen concentration in the contact portion by irradiating the contact portion with a heat source.
The active gas is oxygen or carbon dioxide, and the concentration of the active gas in the gas atmosphere may be 2% by volume or more.
Before creating a small, localized region enriched in oxygen by irradiating a location where the welding material is to be welded with a concentrated heat source in an active gas atmosphere or an inert shielding gas atmosphere containing an active gas. Welding that welds the portion to be welded while melting the oxygen-enriched micro-local region produced in the pretreatment step and an arc heat source or laser in an inert shielding gas atmosphere The welding method characterized by having a step is also within the scope of the present invention.

本願における発明においては、前処理ステップにおいて、溶接材の溶接を行う箇所が、活性ガス雰囲気中または活性ガスを含む不活性シールドガス雰囲気中において、集中熱源を照射されることにより溶融し、そこへ酸素が溶け込み、あるいは酸素と反応して酸素の濃化した微小、局所的な領域が作製される。このため、溶接を行う箇所をアーク熱源またはレーザで溶融させて溶接する際、溶融池内の溶融した金属材料中の酸素濃度が高くなり、表面張力の影響で、溶融池内では(溶融池の溶接方向に直交する断面の)中心に下向きの対流が生じる、即ちアークの方向、レーザビームの方向へ沿った対流が生じる。その結果、溶融池は溶接方向に直交する方向には広がらず、溶接材の厚さ方向に深くなり、溶接箇所の溶込みが深くなる。
このため、フラックスを使用する場合に比較して、フラックスの塗布や除去という人手のかかる作業をする必要がなく、溶接作業の自動化も一層容易となる。
また、不活性シールドガスに酸素、炭酸ガス等の活性ガスを適量混合して溶込み深さを増大する場合に比較して、タングステン電極の激しい消耗もなくなる。
なお、アーク溶接においては、溶接を行う部分の微小、局所的な領域に酸素濃化層が存在すると、溶接時に溶融池内に酸素が溶け込むためアークが溶融池上部中心部に集中するようになり、このことにより、集中した溶融池上部から溶融池底部への電磁対流、さらに、このアークの緊縮効果も電磁対流の促進に繋がり、溶込み深さの増加に寄与するものと思われる。
また、レーザ溶接においては、吸収率が増加することも溶込み深さの増加に寄与するものと思われる。
In the invention of the present application, in the pretreatment step, the portion where the welding material is welded is melted by being irradiated with a concentrated heat source in an active gas atmosphere or in an inert shield gas atmosphere containing an active gas. Oxygen dissolves or reacts with oxygen to create a micro, localized region enriched in oxygen. For this reason, when the part to be welded is melted with an arc heat source or a laser and welded, the oxygen concentration in the molten metal material in the molten pool increases, and the surface tension affects the molten pool (the welding direction of the molten pool). Downward convection occurs at the center of the cross section orthogonal to the arc, that is, along the direction of the arc and the direction of the laser beam. As a result, the molten pool does not spread in the direction orthogonal to the welding direction, but deepens in the thickness direction of the weld material, and the penetration of the welded portion deepens.
For this reason, compared with the case of using a flux, it is not necessary to perform a labor-intensive operation of applying and removing the flux, and automation of the welding operation is further facilitated.
Further, compared with the case where an appropriate amount of an active gas such as oxygen or carbon dioxide gas is mixed with the inert shielding gas to increase the penetration depth, the tungsten electrode is not severely consumed.
In arc welding, if there is an oxygen-enriched layer in the minute, local area of the part to be welded, the oxygen will melt into the molten pool during welding, so that the arc will concentrate at the center of the molten pool, Thus, it is considered that the electromagnetic convection from the concentrated molten pool top to the molten pool bottom, and the arcing effect of this arc also lead to the promotion of electromagnetic convection and contribute to the increase of the penetration depth.
In laser welding, an increase in absorption rate is thought to contribute to an increase in penetration depth.

ここに、第1溶接材と第2溶接材との接触部分は、例えば「微小、局所的な領域」である。「微小、局所的な領域」は、前処理の効果がもたらされる範囲であればよいが、一般的には2枚の板材を突き合せて溶接する箇所を中心にして溶接ビード幅より狭い領域、通常幅3mm程度、好ましくは1mm程度であり、深さは3mm程度以下、好ましくは0.5mm程度の領域である。
なお、溶接時における酸素の濃化した微小、局所的な領域は極めて狭く、量的にも少ないため、当該領域が溶融したままであるか、冷却固化しているかによって、溶接箇所を溶接する際に必要とされるエネルギーの変化は、溶融している場合が若干少ない程度であり、大きな差はない。このため、当該領域が溶融しているか、固化しているかに関係なく本発明の効果が発揮される。
Here, the contact portion between the first welding material and the second welding material is, for example, “a minute, local region”. The “fine, local region” may be in a range where the effect of the pretreatment is brought about, but in general, a region narrower than the weld bead width centering on a position where two plate materials are butted and welded, The width is usually about 3 mm, preferably about 1 mm, and the depth is about 3 mm or less, preferably about 0.5 mm.
In addition, since the oxygen-concentrated minute and local region where oxygen is concentrated during welding is extremely narrow and small in quantity, when welding the welding location depending on whether the region remains molten or cooled and solidified. The change in energy required for this is slightly less in the case of melting, and there is no significant difference. For this reason, the effect of the present invention is exhibited regardless of whether the region is melted or solidified.

溶接対象の金属としては、活性ガスの成分元素が溶け込むことにより、溶接時に溶融池でアークやレーザの方向へ沿った対流が生じるステンレスを含む鉄鋼系、その他非鉄鋼系金属材料ではチタンやアルミ等の金属である。
「活性ガス」については、集中熱源で照射することにより、溶接する金属の溶接深さを狭く深くなる様に作用するガスである限り制限されないが、一般には溶接する金属が鉄鋼系金属であれば、酸素や高温で分解して酸素が発生する炭酸ガスである。
「集中熱源」としては、集中した熱源であれば制限されないが、好ましくはレーザ照射、マイクロプラズマ等が挙げられる。特に、半導体レーザによる照射が、固体で安価なため好ましい。
Metals to be welded include steels including stainless steel that cause convection along the arc and laser direction in the weld pool when the active gas component elements melt, and titanium and aluminum for other non-ferrous metal materials. The metal.
The “active gas” is not limited as long as it is a gas that acts to narrow and deepen the welding depth of the metal to be welded by irradiating with a concentrated heat source, but generally if the metal to be welded is a steel-based metal , Oxygen or carbon dioxide gas that decomposes at high temperatures to generate oxygen.
The “concentrated heat source” is not limited as long as it is a concentrated heat source, but preferably includes laser irradiation, microplasma and the like. In particular, irradiation with a semiconductor laser is preferable because it is solid and inexpensive.

なお、前記の溶接方法であって、前記溶接材(第1溶接材と第2溶接材)は、鉄鋼系材料であることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In addition, it is the said welding method, Comprising: The said welding material (1st welding material and 2nd welding material) is a steel-type material, The welding method characterized by the above-mentioned is the range of the invention in this application.

本願における発明の溶接材については、溶融池における溶融金属のアークの方向に沿って流れる対流現象が生じる材料であれば制限されないが、鉄鋼系材料、特に炭素鋼やステンレス鋼、なかでもオーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304(18−8ステンレス鋼)やSUS316(18−8―2Moステンレス鋼)において、本発明の効果が最も発揮される。   The welding material of the present invention is not limited as long as it is a material that causes a convection phenomenon that flows along the direction of the arc of the molten metal in the molten pool, but is not limited to steel materials, particularly carbon steel or stainless steel, especially austenitic stainless steel. The effects of the present invention are most exhibited in SUS304 (18-8 stainless steel) and SUS316 (18-8-2Mo stainless steel), which are steel.

なお、前記の溶接方法であって、前記前処理ステップにおける前記活性ガスは酸素または炭酸ガスであり、また前記活性ガスを含む不活性シールドガス中には酸素または炭酸ガスが2体積%以上含まれていることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In the above welding method, the active gas in the pretreatment step is oxygen or carbon dioxide, and the inert shielding gas containing the active gas contains 2% by volume or more of oxygen or carbon dioxide. The welding method characterized by the above is also within the scope of the present invention.

前処理ステップにおける活性ガスとしては、酸素または炭酸ガスが効果的であり、特に高純度酸素が好ましい。
また、不活性シールドガスに2体積%以上、好ましくは30体積%以上の酸素または炭酸ガスが含まれていることにより、充分な前処理効果を達成させることができる。
なお、炭酸ガスの場合には、集中熱源の照射による高熱で分解し、発生した酸素が酸素の濃化した領域の形成に寄与することとなる。
また、酸素等が30体積%以下であっても、条件によって、例えば集中熱源の移動速度が遅い、溶接材が薄い場合、前記のアルミのような非鉄鋼系材料等の場合において有効である。
As the active gas in the pretreatment step, oxygen or carbon dioxide is effective, and high purity oxygen is particularly preferable.
Further, when the inert shielding gas contains 2% by volume or more, preferably 30% by volume or more of oxygen or carbon dioxide gas, a sufficient pretreatment effect can be achieved.
In the case of carbon dioxide gas, it decomposes with high heat by irradiation of a concentrated heat source, and the generated oxygen contributes to the formation of a region where oxygen is concentrated.
Even if oxygen or the like is 30% by volume or less, depending on conditions, for example, when the moving speed of the concentrated heat source is slow or the welding material is thin, it is effective in the case of the non-ferrous material such as aluminum.

なお、前記の溶接方法であって、前記溶接ステップにおける溶融池中の酸素濃度は、70ppm以上であることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In addition, the welding method, wherein the oxygen concentration in the molten pool in the welding step is 70 ppm or more, is also within the scope of the invention of the present application.

本願における発明において、溶融池内の酸素の濃度が70ppm以上である場合には、溶融池内に生じる対流は、確実に溶融池の断面の中心で下向き、即ちアークやレーザビームの方向に沿っているため、溶接材の溶込みが深くなる。   In the invention of the present application, when the concentration of oxygen in the molten pool is 70 ppm or more, the convection generated in the molten pool is surely downward at the center of the cross section of the molten pool, that is, along the direction of the arc or laser beam. , The penetration of the welding material deepens.

なお、前記の溶接方法であって、前記アーク熱源を使用する溶接は、TIG溶接であることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In addition, the welding method, wherein the welding using the arc heat source is TIG welding, is also within the scope of the invention of the present application.

TIG溶接においては、溶融池の上部中央から下部(底の)中央に、アークに沿った電磁対流が生じるため、レーザ溶接に比較して本発明の効果が一層大きく発揮されることとなる。   In TIG welding, electromagnetic convection along the arc is generated from the upper center of the molten pool to the lower (bottom) center, so that the effect of the present invention is further enhanced compared to laser welding.

なお、前記の溶接方法であって、前記集中熱源は、レーザであることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In addition, the welding method, wherein the concentrated heat source is a laser, is also within the scope of the invention of the present application.

炭酸ガスレーザ、YAGレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ励起固体レーザ等のレーザを使用すれば、電極等を用いないため、純度が100%酸素が利用可能になるため、前処理として有利になる。   If a laser such as a carbon dioxide laser, YAG laser, semiconductor laser, fiber laser, disk laser, or semiconductor laser pumped solid-state laser is used, since no electrode is used, 100% oxygen can be used as a pretreatment. Become advantageous.

なお、前記の溶接方法であって、前記集中熱源は、前記溶接ステップで使用するアーク熱源またはレーザよりパワー密度が高いことを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In addition, the welding method in which the concentrated heat source has a higher power density than the arc heat source or laser used in the welding step is also within the scope of the invention of the present application.

集中熱源のパワー密度(エネルギー密度)が高いため、酸素の濃化した領域は、熱が周囲に逃げやすい微小、局所的な領域であっても、確実かつ短時間で作製することが容易となる。   Because the power density (energy density) of the concentrated heat source is high, the oxygen-enriched region is easy to manufacture reliably and in a short time, even if it is a minute, local region where heat easily escapes to the surroundings. .

なお、前記の溶接方法であって、前記集中熱源の照射は10W以上の出力の熱源を1000mm/s以下の速度で移動させるものであり、前記溶接ステップにおける溶接はTIG溶接であり、溶接速度は100mm/s以下であることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In the welding method, the irradiation of the concentrated heat source moves a heat source having an output of 10 W or more at a speed of 1000 mm / s or less, welding in the welding step is TIG welding, and a welding speed is A welding method characterized by being 100 mm / s or less is also within the scope of the present invention.

本願における発明においては、以上の条件で前処理を行った後、溶接を行うので深溶込みが得られることとなる。
なお、条件にもよるが、ステンレス鋼等鉄鋼系材料の場合には、前処理として例えば、集中熱源の照射は100Wの出力の熱源を10〜30mm/sの速度で移動させると、溶接時に溶融池に供給される酸素の量が多過ぎも、少な過ぎもせず、適切な量であるため、良好なTIG溶接が行われる。
集中熱源として100Wとしているのは、実施を考えた場合には、極力低パワーが望ましいことによる。
次の溶接における速度としては、溶込みは溶接速度が遅いほど深くなるが、板厚によっては、1〜3mm/sで十分なときがある。
In the invention in the present application, since the pretreatment is performed under the above conditions and then welding is performed, deep penetration is obtained.
Depending on the conditions, in the case of steel materials such as stainless steel, as a pretreatment, for example, irradiation with a concentrated heat source can be performed by moving a heat source with an output of 100 W at a speed of 10 to 30 mm / s. Since the amount of oxygen supplied to the pond is neither too much nor too little and is an appropriate amount, good TIG welding is performed.
The reason why the concentrated heat source is set to 100 W is that low power is desirable as much as possible in consideration of implementation.
As the speed in the next welding, the penetration becomes deeper as the welding speed is slower, but 1 to 3 mm / s may be sufficient depending on the plate thickness.

なお、前記の溶接方法であって、前記集中熱源の照射は10W以上の出力の熱源を1000mm/s以下の速度で移動させるものであり、前記溶接ステップにおける溶接はTIG溶接であり、5mm/s以下の速度で溶接材に5mm以上の深溶込みを行うものであることを特徴とする溶接方法も、本願における発明の範囲である。   In the above welding method, the irradiation of the concentrated heat source moves a heat source having an output of 10 W or more at a speed of 1000 mm / s or less, welding in the welding step is TIG welding, and 5 mm / s. A welding method characterized by performing deep penetration of 5 mm or more into the welding material at the following speed is also within the scope of the present invention.

本願における発明においては、高パワー密度のレーザを利用しているため、酸素の濃化した微小、局所的な領域の作製は比較的短時間で可能であり、当該領域に酸素が充分に採りこまれることとなる。このため、比較的厚い溶接材を溶接する際に、1回のパスで深い溶込み深さが得られることとなる。
なお、条件にもよるが、ステンレス鋼等鉄鋼系材料の場合には、前処理として例えば集中熱源の照射は100Wの出力の熱源を3mm/s以下の速度で移動させ、TIG溶接で2mm/s以下の速度で溶接材に7mm以上の深溶込みが得られ、好ましい。
さらに、溶接速度は、貫通溶接の厚さにもよるが、厚さ11mm程度の場合には0.85mm/s程度であり、厚さ8mm程度の場合には1.5mm/s程度であることが好ましい。
In the invention of the present application, since a high-power density laser is used, it is possible to produce a minute and localized region enriched with oxygen in a relatively short time, and oxygen is sufficiently taken into the region. Will be. For this reason, when welding a comparatively thick welding material, the deep penetration depth will be obtained by one pass.
Depending on the conditions, in the case of a steel-based material such as stainless steel, as a pretreatment, for example, irradiation with a concentrated heat source moves a heat source with an output of 100 W at a speed of 3 mm / s or less, and 2 mm / s by TIG welding. A deep penetration of 7 mm or more is obtained in the welding material at the following speed, which is preferable.
Further, the welding speed depends on the thickness of the penetration welding, but is about 0.85 mm / s when the thickness is about 11 mm, and about 1.5 mm / s when the thickness is about 8 mm. Is preferred.

本発明の溶接装置は、第1溶接材と第2溶接材とを溶接する溶接装置であって、前記第1溶接材と前記第2溶接材との接触部分の酸素濃度を高める前処理手段と、前記接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、前記第1溶接材と前記第2溶接材とを接合する接合手段とを備え、それによって本発明の効果を得ることができる。
前記前処理手段は、活性ガスを含むガス雰囲気中で前記接触部分の酸素濃度を高める手段を備えてもよい。
前記前処理手段は、前記接触部分に熱源を照射することによって前記接触部分の酸素濃度を高める照射手段を備えてもよい。
前記照射手段はレーザであってもよい。
前記接合手段は、前記接触部分の少なくとも一部を溶融する溶融手段を備え、前記照射手段のパワー密度は、前記溶融手段のパワー密度より高くてもよい。
なお、活性ガス雰囲気中または活性ガスを含む不活性シールドガス雰囲気中において、溶接材の溶接を行う箇所に集中熱源を照射して酸素の濃化した微小、局所的な領域を作製する前処理部と、前記前処理部において作製された酸素の濃化した微小、局所的な領域を、不活性シールドガス雰囲気中においてアーク熱源またはレーザで溶融させつつ、前記溶接を行う箇所を溶接する溶接部を有していることを特徴とする溶接装置も、本願における発明の範囲である。
The welding apparatus of the present invention is a welding apparatus for welding a first welding material and a second welding material, pretreatment means for increasing the oxygen concentration in a contact portion between the first welding material and the second welding material; Further, by melting at least a part of the contact portion, a joining means for joining the first welding material and the second welding material is provided, whereby the effect of the present invention can be obtained.
The pretreatment means may include means for increasing the oxygen concentration of the contact portion in a gas atmosphere containing an active gas.
The pretreatment means may include irradiation means for increasing the oxygen concentration in the contact portion by irradiating the contact portion with a heat source.
The irradiation unit may be a laser.
The joining unit may include a melting unit that melts at least a part of the contact portion, and the power density of the irradiation unit may be higher than the power density of the melting unit.
It should be noted that a pre-processing unit for producing a minute, local region in which oxygen is concentrated by irradiating a location where welding material is to be welded with a concentrated heat source in an active gas atmosphere or an inert shielding gas atmosphere containing an active gas. And a welded portion for welding the portion to be welded while melting an oxygen-enriched minute and local region produced in the pretreatment portion with an arc heat source or laser in an inert shielding gas atmosphere. The welding apparatus characterized by having is also the scope of the invention in this application.

なお、前記の溶接装置であって、前記前処理部で照射する集中熱源は、前記溶接部で使用するアーク熱源またはレーザよりパワー密度が高いことを特徴とする溶接装置も、本願における発明の範囲である。   The welding apparatus, wherein the concentrated heat source irradiated in the pretreatment section has a higher power density than the arc heat source or laser used in the welding section, is also within the scope of the present invention. It is.

本発明においては、前処理ステップにおいて、第1溶接材と第2溶接材との接触部分に酸素が溶け込み、あるいは接触部分が酸素と反応して酸素濃度が高まる。このため、接合ステップにおいて、表面張力の影響で溶融池内では、溶融池の溶接方向に直交する断面の中心に下向きの対流が生じる、即ちアークの方向、レーザビームの方向へ沿った対流が生じ、溶融池は広がらず、深くなり、その結果溶接箇所の溶込みの深さが大きくなる。   In the present invention, in the pretreatment step, oxygen dissolves in the contact portion between the first welding material and the second welding material, or the contact portion reacts with oxygen to increase the oxygen concentration. Therefore, in the joining step, downward convection occurs in the center of the cross section perpendicular to the welding direction of the molten pool in the molten pool due to the influence of surface tension, that is, convection along the direction of the arc and the direction of the laser beam occurs. The weld pool does not widen and deepens, resulting in a greater depth of penetration at the weld.

従って、酸化物系フラックスを使用せず、またタングステン電極の消耗が少なく、しかも溶込みが深いアーク溶接方法が得られる。
また、酸化物系フラックスを使用せず、またレーザ発振源の出力を増大したりすることなく、しかも溶込みが深いレーザ溶接方法が得られる。
Therefore, it is possible to obtain an arc welding method that does not use an oxide-based flux, consumes less tungsten electrode, and deeply penetrates.
Further, a laser welding method can be obtained without using an oxide-based flux and without increasing the output of the laser oscillation source and deeply penetrating.

第1実施例についてTIG溶接における溶接箇所の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the welding location in TIG welding about 1st Example. 第1実施例について溶接箇所の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the welding location about 1st Example. 第1実施例について溶接箇所のビードの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the bead of a welding location about 1st Example. 第3実施例についてレーザ溶接における溶接箇所の断面とビードの様子を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the welding location in a laser welding, and the mode of a bead about 3rd Example. 本発明の溶接装置を示す図である。It is a figure which shows the welding apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10A 第1溶接材
10B 第2溶接材
11 前処理済みの部分
12 前処理をしていない部分
13 蛇行
15、17 前処理済みの部分における溶込みがなされた箇所
16、18 前処理なされていない部分における溶込みがなされた箇所
19 2個の板材の突合せ接触部
20 ポロシティ
21 溶接箇所表面の凹凸
25 スラグの堆積
30 TIG溶接機の先端
31 前処理手段
32 接合手段
100 溶接装置
10A 1st welding material 10B 2nd welding material 11 Pre-processed part 12 Non-pre-processed part 13 Meandering 15 and 17 Places 16 and 18 where pre-processed part has been melted 19 where two plates are welded 20 Porosity 21 Unevenness 25 on the surface of the welded portion 25 Slag accumulation 30 Tip 31 of TIG welding machine Pretreatment means 32 Joining means 100 Welding device

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。   Hereinafter, the present invention will be described based on the best mode. Note that the present invention is not limited to the following embodiments. Various modifications can be made to the following embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.

(本発明の装置)
図5は、本発明の溶接装置100を示す。溶接装置100は、第1溶接材10Aと第2溶接材10Bとを溶接する溶接装置であって、前処理手段31と、接合手段32とを備える。
前処理手段31は、第1溶接材10Aと第2溶接材10Bとの接触部分の酸素濃度を高める。前処理手段31は、活性ガスを含むガス雰囲気中で接触部分の酸素濃度を高める手段を備える。前処理手段31は、接触部分に熱源を照射する照射手段を備える。照射手段は、例えば、YAGレーザである。
接合手段32は、接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、第1溶接材10Aと第2溶接材10Bとを接合する。接合手段32は、接触部分の少なくとも一部を溶融する溶融手段を備える。
なお、溶接装置100においては、前処理手段31と接合手段32とは分離して備えられているが、接合前に接触部分の酸素濃度を高めることができる限りは前処理手段31と接合手段32とが一体であってもよい。
(試験条件)
本発明の効果を確認するため行った種々の試験の試験条件について説明する。
(1)使用材料
溶接に使用した材料は、主に公称値0.003%S(硫黄)のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304、#400研磨)市販材(200×50×8t)である。なお、現象の再現性確認、比較検討のため、一部、0.001%S材、0.02%S材でも実験を行った。
(2)前処理ステップ
前処理ステップは、第1溶接材10Aと第2溶接材10Bとの接触部分の酸素濃度を高めるステップである。
たとえば、照射手段としてYAGレーザを使用し、出力100W、焦点直径約1mm、移動速度0.85mm/sから30mm/sで突合せ溶接する箇所を照射した。
このレーザは、最大出力1.8kWのNEC製YAGレーザであり、レーザ光学系の保護と前処理を兼ねて、直径6mmの同軸ノズルから酸素(活性ガス)、またはアルゴンと酸素の混合ガス(活性ガス)を供給した。
なお、活性ガスとして酸素のみを使用するときには、10l/min〜20l/minを流した。
このように、本発明によれば、前処理ステップにおいて、例えば活性ガスを含むガス雰囲気中で接触部分の酸素濃度を高める。
(Device of the present invention)
FIG. 5 shows the welding apparatus 100 of the present invention. The welding apparatus 100 is a welding apparatus that welds the first welding material 10 </ b> A and the second welding material 10 </ b> B, and includes a pretreatment unit 31 and a joining unit 32.
The pretreatment means 31 increases the oxygen concentration at the contact portion between the first welding material 10A and the second welding material 10B. The pretreatment means 31 includes means for increasing the oxygen concentration at the contact portion in a gas atmosphere containing an active gas. The pretreatment unit 31 includes an irradiation unit that irradiates the contact portion with a heat source. The irradiation means is, for example, a YAG laser.
The joining means 32 joins the first welding material 10A and the second welding material 10B by melting at least a part of the contact portion. The joining unit 32 includes a melting unit that melts at least a part of the contact portion.
In the welding apparatus 100, the pretreatment means 31 and the joining means 32 are provided separately, but the pretreatment means 31 and the joining means 32 are provided as long as the oxygen concentration at the contact portion can be increased before joining. And may be integrated.
(Test conditions)
The test conditions of various tests conducted to confirm the effect of the present invention will be described.
(1) Material Used The material used for welding is mainly austenitic stainless steel (SUS304, # 400 polished) commercial material (200 × 50 × 8 t) having a nominal value of 0.003% S (sulfur). For confirmation of the reproducibility of the phenomenon and comparative study, some experiments were also performed with 0.001% S material and 0.02% S material.
(2) Pretreatment step The pretreatment step is a step of increasing the oxygen concentration in the contact portion between the first welding material 10A and the second welding material 10B.
For example, a YAG laser was used as the irradiation means, and the portion to be butt welded was irradiated at an output of 100 W, a focal diameter of about 1 mm, and a moving speed of 0.85 mm / s to 30 mm / s.
This laser is an NEC YAG laser with a maximum output of 1.8 kW. It serves as a protection and pretreatment for the laser optical system, and oxygen (active gas) or a mixed gas of argon and oxygen (active gas) from a coaxial nozzle with a diameter of 6 mm. Gas).
When only oxygen was used as the active gas, a flow rate of 10 l / min to 20 l / min was passed.
Thus, according to the present invention, in the pretreatment step, for example, the oxygen concentration at the contact portion is increased in a gas atmosphere containing an active gas.

(3)溶接の方法(接合ステップ)
接合ステップは、接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、第1溶接材10Aと第2溶接材10Bとを接合するステップである。
銅製ブロック(250×200×30t)上で、突合せ溶接を行った。
TIG溶接については、溶融手段を備えるTIG溶接装置を用いる。DCENモード(Direct Current Electrode Negative、直流棒マイナス)で直径3.2mmのCe入りタングステン電極を使用し、電流は75Aから300Aであり、電極高さは1mmから10mmとし、ノズル径11mm、ノズル高さ10mm、シールドガスとしてアルゴンを15l/minで流した。
レーザ溶接については、溶融手段を備えるYAGレーザを使用し、パワーは3kWであり、シールドガスとしてアルゴンを30l/minで流した。
(3) Welding method (joining step)
The joining step is a step of joining the first welding material 10A and the second welding material 10B by melting at least a part of the contact portion.
Butt welding was performed on a copper block (250 × 200 × 30 t).
About TIG welding, a TIG welding apparatus provided with a melting means is used. Using a tungsten electrode containing Ce 2 O 3 with a diameter of 3.2 mm in DCEN mode (Direct Current Electrode Negative, DC rod minus), current from 75 A to 300 A, electrode height from 1 mm to 10 mm, nozzle diameter 11 mm, The nozzle height was 10 mm, and argon was flowed at 15 l / min as a shielding gas.
For laser welding, a YAG laser equipped with a melting means was used, the power was 3 kW, and argon was flowed at 30 l / min as a shielding gas.

(試験結果)
以下、比較例をも参照しつつ、実施例を説明する。
(第1実施例)
前記の溶接材を突合せ溶接する際、比較のために溶接箇所の前半分は前処理なしとし、後半分のみ前処理を施した。この様子を、図1に示す。図1において、10Aは第1溶接材(溶接する板材)であり、10Bは第2溶接材(溶接する板材)であり、11は前処理済みの部分であり、12は前処理をしていない部分であり、19は2個の板材の突合せ接触部(接触部分)、即ち溶接箇所の端面であり、30はTIG溶接機(溶接手段32)の先端である。また、太線の矢印は溶接方向を示す。
(Test results)
Hereinafter, examples will be described with reference to comparative examples.
(First embodiment)
When butt welding the above-mentioned welding materials, the front half of the welded part was not pretreated for comparison, and only the rear half was pretreated. This is shown in FIG. In FIG. 1, 10A is a first welding material (a plate material to be welded), 10B is a second welding material (a plate material to be welded), 11 is a pretreated portion, and 12 is not pretreated. Reference numeral 19 denotes a butt contact portion (contact portion) of two plate members, that is, an end face of a welding portion, and 30 denotes a tip of a TIG welding machine (welding means 32). A thick line arrow indicates a welding direction.

前処理部済みの部分11として、2個の板材の突合せ接触部19の上端に、YAGレーザを出力100W、速度20mm/s、酸素(活性ガス)の流量10l/minで照射し、幅約0.8mm、深さ約0.2mmの局所溶融部(接触部分)の酸素を濃化した。   As the pre-processed portion 11, the upper end of the butt contact portion 19 of the two plate materials is irradiated with a YAG laser at an output of 100 W, a speed of 20 mm / s, and a flow rate of oxygen (active gas) of 10 l / min. The oxygen in the local melted part (contact part) having a depth of about 8 mm and a depth of about 0.2 mm was concentrated.

しかる後、局所溶融部を、電流150A、溶接速度2mm/s、アルゴン流量15l/min、電極高さ2mmの条件でTIG溶接を行った。得られた溶込み深さは、4mmであった。
前処理を行わず、同じ条件でTIG溶接を行った場合には、溶込み深さは約2mmであり、ビードの幅は前処理を行った場合に比較して広がっていた。
なお、前処理済みの部分11に、前記と同じ条件で溶接速度のみ1mm/sに変えて行った補足実験の結果では、厚さ8mmの板の貫通溶接が可能であり、溶接箇所の深さと幅の比、D/Wは1以上であった。
Thereafter, TIG welding was performed on the locally melted portion under the conditions of a current of 150 A, a welding speed of 2 mm / s, an argon flow rate of 15 l / min, and an electrode height of 2 mm. The penetration depth obtained was 4 mm.
When TIG welding was performed under the same conditions without pretreatment, the penetration depth was about 2 mm, and the width of the bead was wider than when pretreatment was performed.
As a result of a supplementary experiment conducted on the pre-treated portion 11 under the same conditions as described above, only the welding speed was changed to 1 mm / s, it was possible to penetrate through a plate having a thickness of 8 mm. The width ratio, D / W, was 1 or more.

図2に、溶接箇所の断面を示す。図2の(1)は前処理済みの部分の断面を示し、(2)は前処理をしていない部分の断面を示す。また、図2において、15は前処理済みの部分における溶込みがなされた場所であり、16は前処理をしていない部分における溶込みがなされた場所である。何れも、溶接箇所の断面は左右対称であるが、前処理済みの部分の方が対象性が良好であり、さらに底面は綺麗な曲面を形成し、また溶込み深さ(D)が大きく、溶込みの幅(W)が小さく、D/Wが1以上であることが判る。   In FIG. 2, the cross section of a welding location is shown. (1) of FIG. 2 shows a cross section of a part that has been pretreated, and (2) shows a cross section of a part that has not been pretreated. In FIG. 2, 15 is a place where the penetration has been made in the pre-processed portion, and 16 is a place where the penetration has been made in the portion that has not been pre-treated. In both cases, the cross section of the welded part is symmetrical, but the pre-processed part has better objectivity, the bottom surface forms a beautiful curved surface, and the penetration depth (D) is large. It can be seen that the penetration width (W) is small and the D / W is 1 or more.

図3に、溶接箇所のビードの様子を示す。図3の14に示す様に、溶接が前処理済みの部分に達した位置で一端ビード幅が広がり、その後幅の狭いビードが安定して形成されていた。また、前処理を行っていない部分では溶込み部16に多少の蛇行13やスラグの堆積25が見られたが、前処理済みの部分15ではビードの蛇行やスラグの明らかな堆積は見られなかった。   In FIG. 3, the mode of the bead of a welding location is shown. As indicated by 14 in FIG. 3, the bead width widened at a position where the welding reached the pre-processed portion, and then a narrow bead was stably formed. Further, some meandering 13 and slag accumulation 25 were observed in the melted portion 16 in the untreated portion, but no bead meandering or obvious slag accumulation was observed in the pretreated portion 15. It was.

以上より、前処理により、溶込み深さが2倍程度に大きくなること、それにもかかわらず良好なTIG溶接が可能であることが判った。   From the above, it was found that the pretreatment increased the penetration depth to about twice, and nevertheless, good TIG welding was possible.

(第2実施例)
本実施例は、深い溶込みを得るために、溶接電流が大きな場合や溶接速度が遅い場合には、溶融池が拡大するためより多くの酸素の供給が必要と考えられるので、溶接電流が200Aの場合における貫通溶接が可能な条件を調査したものである。
前記の溶接材を突合せ溶接するに先立ち、前処理として溶接箇所(第1溶接材10Aと第2溶接材10Bとの接触部分)にYAGレーザを出力100W、移動速度2mm/s、酸素(活性ガス)の流量10l/minで照射し、局所溶融部(接触部分)の酸素を濃化した。
しかる後、局所溶融部を、電流200A、溶接速度0.85mm/sでTIG溶接を行った。この場合には、板厚11mmの貫通溶接が可能であった。
また、溶接速度が1.5mm/sの場合には、板厚8mmの貫通溶接が可能であった。
(Second embodiment)
In this example, in order to obtain deep penetration, when the welding current is large or when the welding speed is low, it is considered that a larger amount of oxygen needs to be supplied because the molten pool expands. In this case, the conditions under which penetration welding is possible were investigated.
Prior to the butt welding of the above-mentioned welding material, as pretreatment, a YAG laser is output at a welding point (contact portion between the first welding material 10A and the second welding material 10B) with an output of 100 W, a moving speed of 2 mm / s, oxygen (active gas) ) At a flow rate of 10 l / min to concentrate oxygen in the local melting part (contact part).
Thereafter, TIG welding was performed on the locally melted portion at a current of 200 A and a welding speed of 0.85 mm / s. In this case, through welding with a plate thickness of 11 mm was possible.
Further, when the welding speed was 1.5 mm / s, through welding with a plate thickness of 8 mm was possible.

比較のために、前処理を行わず、同じ条件でTIG溶接を行った。この場合には、溶込み深さは約2mmであった。
これにより、前処理を行うことにより溶込みが深くなるだけでなく、前処理速度を遅くすると酸素の濃化量が増加するため、板厚が大きくても1パスで溶接可能であることが判る。
For comparison, TIG welding was performed under the same conditions without performing pretreatment. In this case, the penetration depth was about 2 mm.
As a result, not only does the pretreatment deepen the penetration, but if the pretreatment speed is slowed down, the amount of oxygen concentration increases, so that it is possible to weld in one pass even if the plate thickness is large. .

(第3実施例)
本実施例は、第1実施例において、TIG溶接に代えてレーザ溶接としたものであり、前処理は第1実施例と同じである。
レーザ溶接は、YAGレーザまたは半導体レーザを使用し、出力は3kW、溶接速度は10mm/s、アルゴン流量30l/minの条件で行った。
(Third embodiment)
In this embodiment, laser welding is used instead of TIG welding in the first embodiment, and the pretreatment is the same as in the first embodiment.
Laser welding was performed using a YAG laser or a semiconductor laser under the conditions of an output of 3 kW, a welding speed of 10 mm / s, and an argon flow rate of 30 l / min.

また、第1実施例と同じく、比較のために溶接箇所の前半分は前処理なしとし、後半分のみ前処理を施し、前処理の有無による相違を調べた。   Also, as in the first example, for comparison, the front half of the welded portion was not pretreated, only the rear half was pretreated, and the difference due to the presence or absence of pretreatment was examined.

焦点はずし距離が20mmの場合のYAGレーザと焦点位置での半導体レーザ溶接を2mm/sで行った場合、図2と同様の結果(溶接箇所の断面が左右対称であるが、前処理済みの部分の方が対象性が良好であり、さらに底面は綺麗な曲面を形成し、また溶込み深さ(D)が大きく、溶込みの幅(W)が小さく、D/Wが1以上であること)が認められ、TIG溶接時と同様に前処理をした所で深溶込みが得られた。そして、熱伝導型の溶接のため、ポロシティのない溶接部の作製が可能であることが判った。
また、溶接材の表面にレーザの焦点が位置する(焦点はずし距離が0mm)ようにしてYAGレーザ溶接を行った場合、溶接箇所の断面とビードの様子を図4に示す。図4において、(1)は前処理済みの部分を示し、(2)は前処理をしていない部分を示す。また、(1)と(2)において、上側は溶接箇所の断面図であり、下側はビードの様子を示す図である。さらに、図4において、20はポロシティであり、21は溶接箇所の凹凸であり、点線で示す29が溶接箇所の中心線(溶接材の突合せ接触部19の上方)である。
前処理をしていない場合に比較して、前処理をしたものは表面の凹凸がある場所の幅が狭いことからも判る様にビード表面付近が細くなっており、溶込み深さも少し増大していた。さらに、溶融した場所内のポロシティ20が低減していることが判る。
これにより、前処理は、レーザ溶接においても、熱伝導型とキーホール型のいずれにおいても、有効であることが判る。
When the YAG laser when the defocusing distance is 20 mm and the semiconductor laser welding at the focal position are performed at 2 mm / s, the result similar to FIG. 2 (the cross section of the welded part is symmetrical, but the pre-processed part Is better in objectivity, has a beautiful curved bottom surface, has a large penetration depth (D), a small penetration width (W), and a D / W of 1 or more. ) Was observed, and deep penetration was obtained when pretreatment was performed in the same manner as in TIG welding. And it turned out that the welding part without a porosity is possible for heat conduction type welding.
Further, when YAG laser welding is performed so that the focal point of the laser is located on the surface of the welding material (the defocusing distance is 0 mm), the cross section of the welded portion and the state of the bead are shown in FIG. In FIG. 4, (1) shows the part which has been pre-processed, and (2) shows the part which has not been pre-processed. Further, in (1) and (2), the upper side is a cross-sectional view of a welded portion, and the lower side is a diagram showing a state of a bead. Furthermore, in FIG. 4, 20 is a porosity, 21 is the unevenness | corrugation of a welding location, and 29 shown with a dotted line is the centerline (above the butt contact part 19 of a welding material) of a welding location.
Compared to the case without pre-treatment, the pre-treatment is thin near the bead surface and the penetration depth is slightly increased, as can be seen from the narrow width of the area with surface irregularities. It was. Further, it can be seen that the porosity 20 in the melted place is reduced.
As a result, it can be seen that the pretreatment is effective for both laser welding, heat conduction type and keyhole type.

(第4実施例)
以下に示す様に、前処理として照射手段のレーザ照射の速度を2mm/sから300mm/sまで変えて、溶接部がどの様に変化するかを調べた。その結果、レーザ照射の速度を変えることにより、TIG溶接時の溶融池への酸素供給量が制御できることが判明した。
さらに、10mm/sから30mm/sが、最適なレーザ照射速度であることが判明した。
なお、TIG溶接の条件は、第1実施例と同じである。
(Fourth embodiment)
As shown below, as a pretreatment, the laser irradiation speed of the irradiation unit was changed from 2 mm / s to 300 mm / s to examine how the welded portion changed. As a result, it was found that the amount of oxygen supplied to the molten pool during TIG welding can be controlled by changing the laser irradiation speed.
Furthermore, it has been found that the optimum laser irradiation speed is 10 mm / s to 30 mm / s.
The TIG welding conditions are the same as in the first example.

具体的な試験結果は、先ず2mm/s、5mm/sでは、表面から見てビードが蛇行気味で酸化スラグも多く付着していた。また、断面は深い溶込みになってはいるものの、溶融部が左右非対称であったり、溶融部の中心が浅くなったりしていた。供給酸素が多いため、ビードが荒れたものと思われる。なお、溶接箇所の酸素量は、2mm/sにおいて、最大220ppm程度であった。   The specific test results were as follows. First, at 2 mm / s and 5 mm / s, the beads were meandering as viewed from the surface, and a large amount of oxidized slag was adhered. Moreover, although the cross section was deeply penetrated, the melted part was asymmetrical in the left-right direction, or the center of the melted part was shallow. It seems that the bead was rough due to the large amount of oxygen supplied. In addition, the oxygen amount of the welding location was about 220 ppm at maximum at 2 mm / s.

10mm/sから30mm/sでは、ビード表面は綺麗であり、溶融部は左右対称であり、底部は綺麗な曲面になっていた。酸素の供給量が適正であるからと思われる。なお、溶接箇所の酸素量は、20mm/sにおいて、最大135ppm程度であった。   From 10 mm / s to 30 mm / s, the bead surface was clean, the melted part was symmetrical, and the bottom part was a beautiful curved surface. This is probably because the oxygen supply is appropriate. In addition, the oxygen amount of the welding location was about 135 ppm at the maximum at 20 mm / s.

40mm/sから50mm/sでは、ビード表面が再び蛇行気味であり、かつビード幅が広がりつつあり、溶込みも浅くなりつつある過度期の様である。供給酸素が、少し不足するからと思われる。   From 40 mm / s to 50 mm / s, the bead surface seems to meander again, the bead width is widening, and the penetration is becoming shallower. This is probably due to a shortage of oxygen supply.

70mm/sから150mm/sでは、ビード幅は前処理をしない場合よりも広がり、溶込みも極めて浅くなった。僅かな酸素の供給であるため、却って悪化したものと思われる。   From 70 mm / s to 150 mm / s, the bead width was wider than that without pretreatment, and the penetration was extremely shallow. It seems to have deteriorated because of a slight supply of oxygen.

200mm/s以上では、前処理をしない場合とほぼ同じであった。酸素量が少ないため、影響が出て来ないからと思われる。   At 200 mm / s or more, it was almost the same as the case where no pretreatment was performed. This is probably because the amount of oxygen is small, so there is no effect.

以上の結果、前記の如く、照射手段のレーザ照射の速度を変えることにより、TIG溶接時の溶融池への酸素供給量が制御でき、10mm/sから30mm/sが、最適なレーザ照射速度であることが判っただけでなく、以下のことも判った。
溶接材が8mmから11mmの厚板である場合には、溶接で生じる溶融池が大きくなる。そこで、前処理速度を1mm/s程度と遅くして酸素の濃化した微小、局所的な領域に溶込む酸素量を多くしておけば、溶融池の酸素量は丁度適切な濃度になるため、良好な溶接が得られる。この結果、1回のパスで貫通溶接が得られることとなる。また、溶接材が4mm程度の板厚さであれば、前処理速度を2mm/s程度と8mmから11mmの厚板の場合に比べて速くしておくと、溶融池の酸素濃度が適切になり、適切な貫通溶接が得られること等、実際の溶接作業の効率化につながるデータが得られた。
以上、本発明について説明した。
なお、本願における発明の溶接材については、溶融池における溶融金属のアークの方向に沿って流れる対流現象が生じる材料であれば制限されないが、例えば、鉄鋼系材料、特に炭素鋼やステンレス鋼、なかでもオーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304(18−8ステンレス鋼)やSUS316(18−8―2Moステンレス鋼)において、本発明の効果が最も発揮される。
前処理ステップにおける活性ガスとしては、酸素または炭酸ガスが効果的であり、特に高純度酸素が好ましい。
また、不活性シールドガスに2体積%以上、好ましくは30体積%以上の酸素または炭酸ガスが含まれていることにより、充分な前処理効果を達成させることができる。
なお、活性ガスが炭酸ガスである場合には、集中熱源の照射による高熱で分解し、発生した酸素が酸素の濃化した領域の形成に寄与することとなる。
また、酸素等が30体積%以下であっても、条件によって、例えば集中熱源の移動速度が遅い、溶接材が薄い場合、前記のアルミのような非鉄鋼系材料等の場合において有効である。
照射手段として炭酸ガスレーザ、YAGレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ励起固体レーザ等のレーザを使用すれば、電極等を用いないため、純度が100%酸素が利用可能になるため、前処理として有利になる。
照射手段のパワー密度は、溶融手段のパワー密度より高いことが好ましい。照射手段のパワー密度(エネルギー密度)が溶融手段のパワー密度より高い場合には、酸素の濃化した領域は、熱が周囲に逃げやすい微小、局所的な領域であっても、確実かつ短時間で作製することが容易となるからである。

As a result, as described above, the amount of oxygen supplied to the molten pool during TIG welding can be controlled by changing the laser irradiation speed of the irradiation means, and 10 to 30 mm / s is an optimum laser irradiation speed. Not only was it known, but also the following:
When the welding material is a thick plate of 8 mm to 11 mm, the molten pool generated by welding becomes large. Therefore, if the pretreatment speed is slowed down to about 1 mm / s to increase the amount of oxygen dissolved in the minute and localized region where oxygen is concentrated, the amount of oxygen in the molten pool becomes just an appropriate concentration. Good welding can be obtained. As a result, through welding is obtained in one pass. Also, if the welding material is a plate thickness of about 4 mm, the oxygen concentration in the molten pool becomes appropriate if the pretreatment speed is about 2 mm / s, which is higher than that of a plate of 8 to 11 mm. The data that lead to the efficiency of the actual welding work, such as the ability to obtain appropriate through welding, was obtained.
The present invention has been described above.
The welding material of the present invention is not limited as long as it is a material that causes a convection phenomenon that flows along the direction of the arc of the molten metal in the molten pool. For example, steel-based materials, particularly carbon steel and stainless steel, However, the effects of the present invention are most exhibited in SUS304 (18-8 stainless steel) and SUS316 (18-8-2Mo stainless steel), which are austenitic stainless steels.
As the active gas in the pretreatment step, oxygen or carbon dioxide is effective, and high purity oxygen is particularly preferable.
Further, when the inert shielding gas contains 2% by volume or more, preferably 30% by volume or more of oxygen or carbon dioxide gas, a sufficient pretreatment effect can be achieved.
When the active gas is carbon dioxide, it is decomposed by high heat by irradiation with a concentrated heat source, and the generated oxygen contributes to the formation of a region where oxygen is concentrated.
Even if oxygen or the like is 30% by volume or less, depending on conditions, for example, when the moving speed of the concentrated heat source is slow or the welding material is thin, it is effective in the case of the non-ferrous material such as aluminum.
If lasers such as carbon dioxide laser, YAG laser, semiconductor laser, fiber laser, disk laser, semiconductor laser pumped solid laser are used as the irradiation means, since no electrode is used, 100% oxygen with a purity of 100% can be used. This is advantageous as a pretreatment.
The power density of the irradiation means is preferably higher than the power density of the melting means. When the power density (energy density) of the irradiation means is higher than the power density of the melting means, the oxygen-enriched area is reliable and short-time even if it is a minute, local area where heat easily escapes to the surroundings. This is because it becomes easy to manufacture.

Claims (9)

第1溶接材と第2溶接材とを溶接する溶接方法であって、
前記第1溶接材と前記第2溶接材との接触部分の酸素濃度を高める前処理ステップと、
前記接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、前記第1溶接材と前記第2溶接材とを接合する接合ステップと
を包含する溶接方法。
A welding method for welding a first welding material and a second welding material,
A pretreatment step for increasing the oxygen concentration of the contact portion between the first welding material and the second welding material;
A welding method including a joining step of joining the first welding material and the second welding material by melting at least a part of the contact portion.
前記前処理ステップは、活性ガスを含むガス雰囲気中で前記接触部分の酸素濃度を高めるステップを包含する、請求項1に記載の溶接方法。   The welding method according to claim 1, wherein the pretreatment step includes a step of increasing an oxygen concentration of the contact portion in a gas atmosphere containing an active gas. 前記前処理ステップは、前記接触部分に熱源を照射することによって前記接触部分の酸素濃度を高めるステップを包含する、請求項1に記載の溶接方法。   The welding method according to claim 1, wherein the pretreatment step includes a step of increasing an oxygen concentration of the contact portion by irradiating the contact portion with a heat source. 前記活性ガスは酸素または炭酸ガスであり、
前記ガス雰囲気中での前記活性ガスの濃度は、2体積%以上である、請求項2に記載の溶接方法。
The active gas is oxygen or carbon dioxide,
The welding method according to claim 2, wherein the concentration of the active gas in the gas atmosphere is 2% by volume or more.
第1溶接材と第2溶接材とを溶接する溶接装置であって、
前記第1溶接材と前記第2溶接材との接触部分の酸素濃度を高める前処理手段と、
前記接触部分の少なくとも一部を溶融することによって、前記第1溶接材と前記第2溶接材とを接合する接合手段と
を備える溶接装置。
A welding apparatus for welding a first welding material and a second welding material,
Pretreatment means for increasing the oxygen concentration of the contact portion between the first welding material and the second welding material;
A welding apparatus comprising: a joining unit that joins the first welding material and the second welding material by melting at least a part of the contact portion.
前記前処理手段は、活性ガスを含むガス雰囲気中で前記接触部分の酸素濃度を高める手段を備える、請求項5に記載の溶接装置。   The welding apparatus according to claim 5, wherein the pretreatment means includes means for increasing an oxygen concentration of the contact portion in a gas atmosphere containing an active gas. 前記前処理手段は、前記接触部分に熱源を照射することによって前記接触部分の酸素濃度を高める照射手段を備える、請求項5に記載の溶接装置。   The welding apparatus according to claim 5, wherein the pretreatment unit includes an irradiation unit that irradiates the contact portion with a heat source to increase an oxygen concentration in the contact portion. 前記照射手段はレーザである、請求項7に記載の溶接装置。   The welding apparatus according to claim 7, wherein the irradiation unit is a laser. 前記接合手段は、前記接触部分の少なくとも一部を溶融する溶融手段を備え、
前記照射手段のパワー密度は、前記溶融手段のパワー密度より高い、請求項7に記載の溶接装置。
The joining means includes a melting means for melting at least a part of the contact portion,
The welding apparatus according to claim 7, wherein a power density of the irradiation unit is higher than a power density of the melting unit.
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