JPWO2019059149A1

JPWO2019059149A1 - レーザ・アークハイブリッド溶接方法

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Publication number: JPWO2019059149A1
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Inventors: 匠平岩田; 泰明沖田; 靖木谷
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Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-11-14
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Abstract

溶滴の移行形態を制御することでスパッタの発生を大幅に抑制し、かつ溶接電流を低く設定することによって溶接に伴う熱影響や熱変形を抑制することが可能なレーザ・アークハイブリッド溶接方法を提供する。本発明は、ガスシールドアーク溶接によって生じる溶融池に溶接用鋼ワイヤから移行する溶滴の最小直径ＤＭＩＮ（ｍｍ）がレーザ溶接によって発生するレーザの出力Ｐ（ｋＷ）に対してＤＭＩＮ≧（Ｐ／１５）＋（１／２）を満足し、溶滴の最大直径ＤＭＡＸ（ｍｍ）がガスシールドアーク溶接によって生じるアークの長さＭ（ｍｍ）に対してＭ≧４ＤＭＡＸ／３を満足するレーザ・アークハイブリッド溶接方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせて溶接を行なうレーザ・アークハイブリッド溶接方法に関する。詳しくは、ガスシールドアーク溶接によって生じる溶融池に溶接用鋼ワイヤから移行する溶滴の直径、およびアークの長さ（以下、アーク長という）を制御することで、スパッタの発生を抑制したレーザ・アークハイブリッド溶接方法に関するものである。

レーザ溶接は、エネルギー密度の高いレーザを熱源とするため、溶接速度の増速ならびに溶込み深さの増加を図ることができ、かつ溶融幅が狭いので、溶接に伴う熱影響や熱変形を小さく抑えることが可能となる。その結果、高品質な溶接部が得られるという利点を有する。その反面、このレーザ溶接は使用する装置が高価であり、しかも開先を形成する際に精度良く加工することが要求されるので、溶接施工のコスト面で従来の溶接技術と比較して不利である。

一方でガスシールドアーク溶接は、溶接速度や溶込み深さがレーザ溶接に比べて劣り、溶接に伴う熱変形や熱影響がレーザ溶接よりも大きくなるが、溶接施工のコストを低く抑えることが可能である。また、使用する溶接用鋼ワイヤの成分を調整することによって溶接金属の組成を制御でき（特許文献１を参照）、しかも、開先の加工に求められる精度はレーザ溶接に比べて厳しくないという利点がある。

これらのレーザ溶接とガスシールドアーク溶接の長所を共に活かした溶接技術として、ガスシールドアークとレーザを同時に被溶接物（たとえば鋼板等）の表面に照射するレーザ・アークハイブリッド溶接がある。レーザ・アークハイブリッド溶接は溶接ギャップ裕度の向上や溶接速度の増加が可能であるため、溶接施工の能率向上が可能な溶接技術である。

一般にガスシールドアーク溶接において、スパッタの発生に影響を及ぼす重要な要素として、溶滴の移行形態が挙げられる。溶接用鋼ワイヤから溶融池に移行する溶滴の形態は、溶接用鋼ワイヤの成分やシールドガスの種類、およびアークを発生させる溶接電流等の様々な溶接条件によって変化する。

つまりガスシールドアーク溶接のように、熱源としてアークだけを使用する場合は、溶滴と溶融池との短絡の解放、あるいは、溶滴の溶融池外への離脱等によってスパッタが発生する。したがって、スパッタの発生量は、溶滴の移行形態（すなわち溶接用鋼ワイヤから溶滴が離脱する時の形態）に大きく依存する。

これに対して、レーザ溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせて溶接を行なうレーザ・アークハイブリッド溶接では、熱源となるレーザとアークの相互作用によって溶滴の移行が不安定になるので、スパッタが多量に発生することが知られている。しかし、溶滴の移行形態がスパッタの発生に及ぼす影響は、未だ明確には解明されていない。

レーザ・アークハイブリッド溶接の施工中に多量のスパッタが発生すれば、溶接機本体および周辺の光学系機器にスパッタが付着して、設備故障や施工能率の低下を引き起こす。したがって、スパッタの発生を極力抑制することが必要である。

そこで本発明者らは、レーザ溶接を先行させ、ガスシールドアーク溶接としてＭＡＧ溶接を後行させてレーザ・アークハイブリッド溶接を行なって、その際の溶滴の移行形態について詳細に調査した。その結果、スパッタの発生原因は、鋭く尖った溶接用鋼ワイヤの先端から溶融池に移行する溶滴が小さく軽量であるためであり、この溶滴がレーザ照射により誘起される被溶接物の蒸発圧力によって上方へ飛散し、それが冷却されてスパッタとなることが分かった。

次に、特許文献１に開示されたレーザ・アークハイブリッド溶接方法、具体的にはＣＯ_２を６０体積％以上含有するシールドガス下で希土類元素（以下、ＲＥＭという）を添加した鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤをマイナス極とする正極性のガスシールドアーク溶接とレーザ溶接を組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接を行なって、溶滴の移行形態について詳細に調査した。その結果、特許文献１に開示されたレーザ・アークハイブリット溶接では、レーザ照射に起因する溶滴の飛散は認められないが、アーク長が短く、溶滴と溶融池が短絡することでスパッタが発生した。さらに、このレーザ・アークハイブリッド溶接では電流値が低い条件（溶接電流２００Ａ程度）ではグロビュール移行となり、非常に多くのスパッタが発生した。つまり、スパッタの発生を抑制する観点から、適用可能な溶接電流を比較的高い値に制限せざるを得ないので、溶接に伴う熱影響や熱変形が大きくなるという問題がある。

なお国際溶接学会（ＩＩＷ）では、溶滴の移行形態を次のように定義している。溶接用鋼ワイヤより大きい溶滴が移行する形態はグロビュール移行と定義され、スパッタが多く発生する。溶接用鋼ワイヤより小さい溶滴が移行する形態はスプレー移行と定義され、スパッタの発生は少ない。そして、スプレー移行のうち、溶滴が一滴ごとに規則正しく移行するものをプロジェクト移行と定義し、鋭く尖った溶接用鋼ワイヤの先端から小粒の溶滴が流れるように移行するものをストリーミング移行と定義している（非特許文献１を参照）。

特開２００５−２１９０６２号公報

Classification of Metal Transfer on arc electric welding processes, IIW Doc. XII-636-76 (1976)

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、溶滴の移行形態を制御することでスパッタの発生を大幅に抑制し、かつ溶接電流を低く設定することによって溶接に伴う熱影響や熱変形を抑制することが可能なレーザ・アークハイブリッド溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、レーザ・アークハイブリッド溶接において、スパッタの発生量を低減する溶接方法について、溶滴の移行形態に着目して鋭意検討した。そして、以下に述べる知見を得た。

すなわち、レーザ・アークハイブリッド溶接において発生するスパッタは、
(ａ)レーザの照射により誘起される金属の蒸発圧力によって、軽量な溶滴が空中へ飛散して発生するスパッタと、
(ｂ)溶滴と溶融池が短絡し、それが解放される時に発生するスパッタと
の２種類に大別される。

そして、上記(ａ)のスパッタを防止するためには、溶接用鋼ワイヤの先端から溶融池に移行する溶滴に一定以上（すなわち空中を浮遊しない程度）の重量を付与する必要がある。

また、上記(ｂ)のスパッタを防止するためには、アーク長を延ばして、短絡を防止する必要がある。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、レーザ溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせて溶接を行なうレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、ガスシールドアーク溶接によって生じる溶融池に溶接用鋼ワイヤから移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮ（ｍｍ）がレーザ溶接によって発生するレーザの出力Ｐ（ｋＷ）に対して(１)式を満足し、溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸ（ｍｍ）がガスシールドアーク溶接によって生じるアークの長さＭ（ｍｍ）に対して(２)式を満足するレーザ・アークハイブリッド溶接方法である。
Ｄ_ＭＩＮ≧（Ｐ／１５）＋（１／２）・・・(１)
Ｍ≧４Ｄ_ＭＡＸ／３・・・(２)
本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接方法においては、ガスシールドアーク溶接にて、Ａｒを６０体積％以上含有するシールドガスを使用するとともに、ＲＥＭを０．０１５〜０．１００質量％含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを使用し、かつ正極性で溶接を行なうことが好ましい。

本発明によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接方法において、スパッタの発生を大幅に抑制し、しかも溶接に伴う熱影響や熱変形を抑制することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接の構成を示す模式図である。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接の構成を示す模式図である。図１中の符号は、１は溶滴、２は溶接用鋼ワイヤ、３はトーチ、４はアーク、５は集光レンズ、６は保護レンズ、７はレーザ、８は溶融池、９は鋼板を示す。矢印Ａは溶接方向を示す。符号Ｍはアーク長である。そして、鋼板９の図示されていない溶接線に対して、レーザ７がほぼ鉛直方向に照射され、アーク４が斜め方向に発生して、溶融池８を形成する。

本発明のレーザ溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせて溶接を行なうレーザ・アークハイブリッド溶接において、スパッタの発生量を抑制するために、ガスシールドアーク溶接によって生じる溶融池に溶接用鋼ワイヤから移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮ（ｍｍ）が、レーザ溶接によって発生するレーザの出力Ｐ（ｋＷ）に対して、下記の(１)式を満足する必要がある。
Ｄ_ＭＩＮ≧（Ｐ／１５）＋（１／２）・・・(１)
移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮが(１)式を満たさない場合（すなわち、Ｄ_ＭＩＮが（１）式の右辺の値未満となる場合）は、溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮが小さ過ぎるので、溶滴が小さく軽量であり、レーザにより誘起される蒸発圧力によって溶滴が飛散してスパッタとなる。一方で、レーザの出力を増加すると、蒸発圧力は大きくなり、その結果、軽量の溶滴のみならず、重い溶滴も飛散する。したがって、上記(ａ)のスパッタを防止するためには、レーザの出力Ｐと溶滴の最少直径Ｄ_ＭＩＮとの相互作用を評価する指標である(１)式を満足するように調整する必要がある。
移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮの上限は特に規定しないが、ワイヤに懸垂する溶滴の安定性の観点より、溶接ワイヤ直径の１．３倍以下であることが好ましい。

ＲＥＭを添加した鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを使用し、正極性でガスシールドアーク溶接を行なうことによって、移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮを溶接用鋼ワイヤよりも小さくすることが可能である（参考文献１を参照）。
参考文献１特開２００４−１８８４２８号公報
なお、一般的な溶接用鋼ワイヤを使用し、逆極性でガスシールドアーク溶接を行う場合には、溶接電流の変化に伴い移行する溶滴の径は大きく変化するため、安定してスパッタ発生防止効果を得ることは困難である。

さらに、本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接において、スパッタの発生量を抑制するために、ガスシールドアーク溶接によって生じる溶融池に溶接用鋼ワイヤから移行する溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸ（ｍｍ）が、ガスシールドアーク溶接におけるアーク長Ｍ（ｍｍ）に対して、下記の(２)式を満足する必要がある。
Ｍ≧４Ｄ_ＭＡＸ／３・・・(２)
移行する溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸが(２)式を満たさない場合（すなわち、Ｍが（２）式の右辺の値を超える場合）は、溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸが大き過ぎるので、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した状態の溶滴が溶融池と短絡し、それが解放される時にスパッタが発生する。したがって、上記(ｂ)のスパッタを防止するためには、ガスシールドアーク溶接におけるアーク長Ｍと溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸとの相互作用を評価する指標である(２)式を満足するように調整する必要がある。つまり、溶滴をアーク長Ｍよりも十分に短くすることによって、短絡を防止することが可能となる。

アーク長Ｍは、シールドガスの電位頻度に応じて変化する。そして、シールドガスの電位頻度は、シールドガスの成分に応じて変化する。したがって、シールドガスの成分を調整することによって、アーク長Ｍを制御することができる。具体的には、Ａｒの電位傾度は０．５Ｖ／ｃｍ、ＣＯ_２の電位傾度は１．５Ｖ／ｃｍであるから、シールドガスにおけるＡｒの含有量を増やすことでアーク長Ｍを延長できる。

ここで、移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮ、最大直径Ｄ_ＭＡＸ、ならびにアーク長Ｍについて説明する。

図１に示すように、ビードオンプレート溶接を行ないながら、溶接開始端部から溶接方向に１０ｍｍまでの部分および溶接終了端部から溶接方向の逆方向に１０ｍｍまでの部分を除く任意の部分において、高速度カメラを用いて溶滴の移行現象を１秒間撮影する。その撮影画像の中で、溶滴１が溶接用鋼ワイヤ２から離脱した直後の画像を抽出および解析して、各画像で離脱した直後の溶滴径（溶滴径は、溶接の進行方向に対して垂直方向の直径と水平方向の直径の平均値として算出する）を測定する。

こうして算出された多数の溶滴径のうち、最も小さい値を最小径、最も大きい値を最大径とする。そして、同様のビードオンプレート溶接および画像解析を１０回繰り返して、得られた１０個の最小径の平均値を最小直径Ｄ_ＭＩＮ（ｍｍ）とし、１０個の最大径の平均値を最大直径Ｄ_ＭＡＸ（ｍｍ）とする。

さらに、上記したビードオンプレート溶接にて撮影された、溶滴１が溶接用鋼ワイヤ２から離脱した直後の各画像らを解析して、溶接用鋼ワイヤ２の先端から溶融池８に到る距離（すなわち溶接用鋼ワイヤ２の軸方向に平行な直線の溶接用鋼ワイヤ先端から溶融池までの長さ）を測定し、それらの平均を測定結果とする。そして、同様のビードオンプレート溶接を１０回繰り返して、得られた１０個の測定結果の平均値をアーク長Ｍ（ｍｍ）とする。

次に、本発明で使用する溶接用鋼ワイヤの成分について説明する。

ＲＥＭ：０．０１５〜０．１００質量％
ＲＥＭは、製鋼および鋳造時の介在物の微細化、溶接金属の靱性改善のために有効な元素である。また、正極性のガスシールドアーク溶接においては、ＲＥＭは溶滴の微細化と移行の安定化を図るために不可欠な元素であり、深い溶込みが得られるという効果を有する。そのため、図１に示すようなレーザ・アークハイブリッド溶接においては、先行するレーザ溶接によって生じたブローホールを再溶融して気泡として浮上させ、溶接欠陥を抑制することができる。ＲＥＭ含有量が０．０１５質量％未満では、スパッタ低減と溶接欠陥抑制の効果が得られない。一方、ＲＥＭ含有量が０．１００質量％を超えると、溶接用鋼ワイヤの製造工程で割れが生じたり、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、ＲＥＭ含有量は０．０１５〜０．１００質量％の範囲内を満足することが好ましい。なお、ＲＥＭ含有量は、より好ましくは０．０２５〜０．０５０質量％である。

ここでＲＥＭとは、周期表の３族に属する元素の総称である。本発明では、原子番号５７〜７１の元素を使用するのが好ましく、特にＣｅ、Ｌａが好適である。Ｃｅ、Ｌａを溶接用鋼ワイヤに添加する場合は、ＣｅまたはＬａを単独で添加しても良いし、ＣｅおよびＬａを併用しても良い。なお、ＣｅおよびＬａをともに添加する場合は、あらかじめＣｅ：４０〜９０質量％、Ｌａ：１０〜６０質量％の範囲内で混合して得られた混合物を使用するのが好ましい。

なお本発明では、基本成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓを下記の通り含有する溶接用鋼ワイヤに適用するのが好ましい。

Ｃ：０．２０質量％以下
Ｃは、溶接金属の強度を確保するのに必要な元素であり、溶融メタルの粘性を低下させて流動性を向上させる効果がある。しかしＣ含有量が０．２０質量％を超えると、正極性の溶接において溶滴および溶融メタルの挙動が不安定となるのみならず、溶接金属の靭性の低下を招く場合がある。したがって、Ｃ含有量は０．２０質量％以下を満足することが好ましい。一方、Ｃ含有量を過剰に減少させると溶接金属の強度を確保できない場合がある。そのため、Ｃ含有量は０．００３〜０．２０質量％とするのが一層好ましい。なお、Ｃ含有量は０．０１〜０．１０質量％が更に好ましい。

Ｓｉ：０．０５〜２．５質量％
Ｓｉは、脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。ガスシールドアーク溶接では、Ｓｉ含有量が０．０５質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する場合がある。さらに正極性のガスシールドアーク溶接におけるアークの拡がりを抑え、溶滴を微細化し挙動を安定化する作用も有する。一方、Ｓｉ含有量が２．５質量％を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜２．５質量％の範囲内が好ましい。ただしＳｉ含有量が０．６５質量％を超えると、小粒のスパッタが増加する傾向が現われるので、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．６５質量％の範囲内が一層好ましい。

Ｍｎ：０．２５〜３．５質量％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。Ｍｎ含有量が０．２５質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足し、溶接金属にブローホールが発生する場合がある。一方、Ｍｎ含有量が３．５質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は０．２５〜３．５質量％の範囲内が好ましい。なお、溶融メタルの脱酸を促進し、ブローホールを防止するためには、Ｍｎ含有量は０．４５質量％以上が望ましい。そのため、Ｍｎ含有量は０．４５〜３．５質量％とするのが一層好ましい。

Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐは、鋼の融点を低下させるとともに、電気抵抗率を向上させ、溶融効率を向上させる元素である。さらに正極性のガスシールドアーク溶接において、溶滴を微細化し、アークを安定化する作用も有する。しかしＰ含有量が０．０５質量％を超えると、正極性のガスシールドアーク溶接において溶融メタルの粘性が著しく低下し、アークが不安定となり、小粒のスパッタが増加する場合がある。また、溶接金属の高温割れを生じる危険性が増大する場合がある。したがって、Ｐ含有量は０．０５質量％以下が好ましい。なお、より好ましくは、Ｐ含有量は０．０３質量％以下である。一方、溶接用鋼ワイヤの素材となる鋼材を溶製する製鋼段階でＰを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点からＰ含有量は０．００２質量％以上が望ましい。そのため、Ｐ含有量は０．００２〜０．０３質量％とするのが一層好ましい。

Ｓ：０．０２質量％以下
Ｓは、溶融メタルの粘性を低下させ、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴の離脱を促進し、正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを安定化する。またＳは、正極性のガスシールドアーク溶接においてアークを広げ、溶融メタルの粘性を低下させてビードを平滑にする効果も有する。しかしＳ含有量が０．０２質量％を超えると、小粒のスパッタが増加するとともに、溶接金属の靭性が低下する場合がある。したがって、Ｓ含有量は０．０２質量％以下が好ましい。一方、溶接用鋼ワイヤの素材となる鋼材を溶製する製鋼段階でＳを低減するためには長時間を要するので、生産性向上の観点からＳ含有量は０．００２質量％以上が望ましい。そのため、Ｓ含有量は０．００２〜０．０２質量％とするのが一層好ましい。

さらに本発明では、上記した組成に加えて、溶接用鋼ワイヤがＴｉ、Ｚｒ、Ｏ、Ｃａ、Ａｌのうちから選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましい。

Ｔｉ：０．０２〜０．５０質量％およびＺｒ：０．０２〜０．５０質量％のうちの１種または２種
Ｔｉ、Ｚｒは、いずれも強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性の低下を抑制してビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する効果がある。このような効果を有する故に３５０Ａ以上の高電流溶接においてＴｉ、Ｚｒは有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。Ｔｉ含有量が０．０２質量％未満、Ｚｒ含有量が０．０２質量％未満では、この効果は得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．５０質量％を超える場合、Ｚｒ含有量が０．５０質量％を超える場合は、溶滴が粗大化して大粒のスパッタが多量に発生する場合がある。したがって、Ｔｉ、Ｚｒを含有する場合は、それぞれＴｉ：０．０２〜０．５０質量％、Ｚｒ：０．０２〜０．５０質量％の範囲内が好ましい。

Ｏ：０．００８０質量％以下
Ｏは、正極性のガスシールドアーク溶接において溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴に発生するアーク点を不安定にするとともに、溶滴の挙動を不安定にする作用がある。Ｏ含有量が０．００８０質量％を超えると、正極性の高電流溶接におけるアークの集中と安定化というＲＥＭ添加の効果が損なわれ、溶滴の揺動が増大してスパッタが多量に発生する場合がある。また、レーザ・アークハイブリッド溶接方法においては、先行するレーザ溶接によって生じたブローホールを再溶融できずに溶接欠陥を残留させてしまう問題が生じる場合がある。したがって、Ｏ含有量は０．００８０質量％以下とするのが好ましい。ただし、Ｏ含有量が０．００１０質量％未満では、Ｏ添加による低粘性化による溶滴の離脱性向上効果は充分に得られない。したがって、Ｏを含有する場合は、Ｏ含有量は０．００１０〜０．００８０質量％が好ましい。さらにＯ含有量は０．００１０〜０．００５０質量％が一層好ましい。

Ｃａ：０．０００８質量％以下
Ｃａは、製鋼および鋳造時に不純物として溶鋼に混入したり、あるいは伸線加工時に不純物として溶接用鋼ワイヤに混入する。正極性のガスシールドアーク溶接では、Ｃａ含有量が０．０００８質量％を超えると、高電流溶接におけるアークの集中と安定化というＲＥＭ添加の効果が損なわれる。したがって、Ｃａを含有する場合は、Ｃａ含有量は０．０００８質量％以下が好ましい。

Ａｌ：０．００５〜３．００質量％
Ａｌは、強脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加する元素である。さらに溶融メタルの脱酸によって粘性を低下してビード形状を安定化（すなわちハンピングビードを抑制）する効果がある。Ａｌは、逆極性のガスシールドアーク溶接では、明確な溶滴移行の安定化効果は認められないが、正極性のガスシールドアーク溶接では、３５０Ａ以上の高電流溶接において溶滴移行の安定化効果が顕著に発揮される。一方、Ａｌは、低電流溶接においては、短絡移行回数を増加させて溶滴移行の均一化とビード形状の改善を達成できる。また、Ａｌは、Ｏとの親和力によって、溶接用鋼ワイヤの製造段階におけるＲＥＭの酸化ロスを低減する効果も有する。Ａｌ含有量が０．００５質量％未満では、このような効果は得られない。一方、Ａｌ含有量が３．００質量％を超える場合は、溶接金属の結晶粒が粗大化し、靭性が著しく低下する場合がある。したがって、Ａｌを含有する場合は、Ａｌ含有量は０．００５〜３．００質量％の範囲内が好ましい。

さらに必要に応じて下記の元素を添加しても、本発明の効果を減じるものではない。

Ｃｒ：０．０２〜３．０質量％、Ｎｉ：０．０５〜３．０質量％、Ｍｏ：０．０５〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１５質量％、Ｍｇ：０．００１〜０．２０質量％、Ｎｂ：０．００５〜０．５質量％、Ｖ：０．００５〜０．５質量％
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ｍｇは、いずれも溶接金属の強度を増加し、耐候性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果は得られない。一方、これらの元素は過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ｍｇを含有する場合は、それぞれＣｒ：０．０２〜３．０質量％、Ｎｉ：０．０５〜３．０質量％、Ｍｏ：０．０５〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１５質量％、Ｍｇ：０．００１〜０．２０質量％の範囲内が好ましい。

Ｎｂ：０．００５〜０．５質量％、Ｖ：０．００５〜０．５質量％
Ｎｂ、Ｖは、いずれも溶接金属の強度、靭性を向上し、アークの安定性を向上させる元素である。これらの元素の含有量が微少である場合は、このような効果は得られない。一方、これらの元素は過剰に添加すると、溶接金属の靭性の低下を招く。したがって、Ｎｂ、Ｖを含有する場合は、それぞれＮｂ：０．００５〜０．５質量％、Ｖ：０．００５〜０．５質量％の範囲内を満足するのが好ましい。

上記した溶接用鋼ワイヤの成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。たとえば、鋼材を溶製する段階や溶接用鋼ワイヤを製造する段階で不可避的に混入する代表的な不可避的不純物であるＮは、０．０２０質量％以下に低減するのが好ましい。

次に本発明の溶接条件について説明する。

上述したように、シールドガスの成分を調整することによって、アーク長Ｍを制御することができる。アーク長Ｍは、シールドガスの電位頻度に応じて変化する。そのため、本発明の効果をより顕著に得るには、シールドガスにおけるＡｒの含有量を増やすことが好ましい。

シールドガスは、Ａｒを６０体積％以上含有するガスを用いる。シールドガスとしてＡｒを６０体積％未満含有するガスでは、アーク長が短くなり（２）式を満足しない恐れがある。シールドガスの残部（すなわち４０体積％以下）は、ＣＯ_２およびＯ_２のうちの１種以上のガスを混合し、１５体積％以上含むのが好ましい。溶接用鋼ワイヤの突き出し長さは１５〜３０ｍｍが好ましい。ワイヤ径は０．８〜１．６ｍｍが好ましい。なお、例えば、ワイヤ径が１．２ｍｍの場合、ガスシールドアーク溶接の溶接電流は１５０〜５００Ａ、溶接電圧は２５〜３８Ｖ（溶接電圧は溶接電流とともに上昇）が好ましい。

一方、レーザ溶接のシールドガスは、上記したガスシールドアーク溶接と同じシールドガスを使用する。レーザ溶接のレーザ出力は２ｋＷ以上、レーザ溶接の焦点深さ（フォーカス深さ）は−２〜＋１０ｍｍが好ましい。レーザ溶接の焦点径（フォーカス径）は開先のギャップに応じて変化するものの、２ｍｍ以下が好ましい。

レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接速度は１５０〜４００ｃｍ／分が好ましく、レーザの集光点（すなわち焦点）とガスシールドアーク溶接のアーク点との距離は２〜７ｍｍが好ましい。

本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接として、JIS Z 3312YGW11相当の溶接用鋼ワイヤの成分をベースにＲＥＭを含有する溶接用鋼ワイヤを使用し、シールドガスとしてＡｒ−２０体積％ＣＯ_２を使用した正極性のガスシールドアーク溶接とＹＡＧレーザ溶接とを組み合わせて、板厚３ｍｍの鋼板に対しＹＡＧレーザを先行、ガスシールドアーク溶接を後行として、ビードオンプレート溶接を行なった（図１を参照）。これを発明例とする。

次に、比較のために、同じ成分を有する溶接用鋼ワイヤを使用し、シールドガスとして１００体積％ＣＯ_２を使用した正極性のガスシールドアーク溶接とＹＡＧレーザ溶接とを組み合わせた溶接（比較例１）と、安定した溶滴移行とされている一般的なガスシールドアーク溶接であるＭＡＧ溶接とＹＡＧレーザ溶接とを組み合わせた溶接（比較例２）をそれぞれ行なった。表１に、本実施例および比較例１、２に用いた溶接用鋼ワイヤの成分を示す。溶接条件は表２に示す通りである。

これらの発明例および比較例１、２について、溶融池に移行する溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸと最小直径Ｄ_ＭＩＮ、ならびにアーク長Ｍを上記の測定方法でそれぞれ調査した。その結果を表３に示す。また、(１)式および(２)式を満足するか否かを、満足する（○）、および満足しない（×）として評価し、その結果を表３に示す。

さらに、スパッタの発生量を測定した結果を表３に併せて示す。スパッタの発生量の測定は、発明例および比較例１、２のレーザ・アークハイブリッド溶接をＣｕ製捕集容器内で５００ｍｍの長さで行ない、その際に発生したスパッタを捕集しその重量を測定した。重量が０．６ｇ未満を良（○）、０．６ｇ以上１．２ｇ未満を可（△）、１．２ｇ以上を不可（×）として評価した。

表３から明らかなように、(１)式および(２)式の評価がともに〇のものは、スパッタ発生量の評価においても良（〇）であった。すなわち、発明例におけるスパッタの発生量の結果から、広い電流域においてスパッタの発生の抑制が確認された。特に、比較例１と比べて、低い溶接電流域（２２０Ａ）において溶接スパッタが約２２％まで低減していた。

つまり本発明によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接において、ガスシールドアーク溶接における溶融池へ移行する溶滴径およびアーク長を適正に保つことによってスパッタ発生の抑制が可能となった。さらに、シールドガスがＡｒ６０体積％以上を含有する雰囲気中でＲＥＭを０．０１５〜０．１００質量％含有する溶接用鋼ワイヤを用いて正極性のガスシールドアーク溶接を行なうことで、スパッタ発生を抑制する効果が顕著に発揮された。

１溶滴
２溶接用鋼ワイヤ
３トーチ
４アーク
５集光レンズ
６保護レンズ
７レーザ
８溶融池
９鋼板

Claims

レーザ溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせて溶接を行なうレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、
前記ガスシールドアーク溶接によって生じる溶融池に溶接用鋼ワイヤから移行する溶滴の最小直径Ｄ_ＭＩＮ（ｍｍ）が前記レーザ溶接によって発生するレーザの出力Ｐ（ｋＷ）に対して(１)式を満足し、前記溶滴の最大直径Ｄ_ＭＡＸ（ｍｍ）が前記ガスシールドアーク溶接によって生じるアークの長さＭ（ｍｍ）に対して(２)式を満足するレーザ・アークハイブリッド溶接方法。
Ｄ_ＭＩＮ≧（Ｐ／１５）＋（１／２）・・・(１)
Ｍ≧４Ｄ_ＭＡＸ／３・・・(２)
前記ガスシールドアーク溶接にて、Ａｒを６０体積％以上含有するシールドガスを使用するとともに、ＲＥＭを０．０１５〜０．１００質量％含有する鋼素線からなる前記溶接用鋼ワイヤを使用し、かつ正極性で溶接を行なう請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接方法。