TWI806303B - 含Si鋼板的雷射焊接方法及雷射焊接裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種雷射焊接方法、及用於該方法的雷射焊接裝置，所述雷射焊接方法在使含Si鋼板通過連續處理生產線時，於生產線輸入側使先行鋼板的後端與後行鋼板的前端對接，一邊向該對接部供給填充焊絲一邊照射雷射，以使填料熔融、凝固而進行焊接，所述雷射焊接方法中，作為向所述焊接部的表面及背面噴射的遮護氣體，使用合計含有10 vol%以上且30 vol%以下的CO 2氣及N 2氣中的至少一種的He氣或Ar氣，藉此可較現有技術將焊接金屬的硬度HV0.2降低至350以下。

Description

含Si鋼板的雷射焊接方法及雷射焊接裝置
本發明是有關於一種於對含Si鋼板連續地進行處理的生產線的輸入側，使先行鋼板的後端部與後續鋼板的前端部對接來進行接合的雷射焊接方法及其裝置。
近年來，於煉鐵行業領域中，用於製造鋼板的熱軋機、酸洗設備、冷軋機、退火設備等對鋼板連續地進行處理的形態成為主流。於此種對鋼板進行連續處理的生產線上，為了使作為處理對象的鋼板不間斷地通過生產線，需要於生產線的輸入側使先行鋼板的後端部與後行鋼板的前端部對接來進行焊接接合。所述鋼板彼此的焊接多使用閃光對焊（flash butt welding）或雷射焊接。特別是如電磁鋼板、不鏽鋼板等般硬質且韌性差的難以軋製的材料中，大多藉由雷射焊接進行接合。
於雷射焊接中，由振盪器振盪出的雷射光經由光路而傳輸，利用聚光透鏡聚光為適當的尺寸並照射至鋼板彼此的對接部。對接部的鋼板藉由所照射的雷射光而被加熱並熔融，於冷卻、凝固後形成焊接部。此時，如非專利文獻1所記載般，為了防止熔融後的金屬氧化，一般將Ar、He等惰性氣體作為遮護氣體供給至接合部的表面、背面。
然而，鋼板的焊接部於雷射焊接後受到驟冷而硬化，因此無法確保充分的韌性。特別是於包含大量Si的鋼板中，焊接部的脆化明顯，Si含量越多，該傾向越顯著。因此，於對含Si鋼板進行雷射焊接而接合的生產線上，有時會於通板過程中在焊接部發生板斷裂。若於通板過程中發生板斷裂，則復原需要長時間，工作率及生產性大幅降低。另外，於軋製機等中，輥受到損傷，因此，輥單位負載亦劣化。
作為解決該問題的技術，於專利文獻1中揭示了一種在對含Si鋼板進行焊接時向接合部添加填料來稀釋焊接金屬中的Si濃度，藉此獲得韌性優異的焊接接頭（焊接部）的技術。另外，根據該技術，可防止焊接部的脆化，並且可防止於焊接部生成粗大肥粒鐵而機械特性變差、或者防止熱影響部的晶粒粗大化而容易斷裂。 [現有技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開平05-305466號公報 [非專利文獻]
非專利文獻1：新井武二、遝名宗春、宮本勇，「雷射焊接加工」，天田雷射加工研究會，1996年發行，p.12-17
[發明所欲解決之課題]
然而，於含有1.0質量%（mass%）以上的Si的鋼板中，即便於雷射焊接時添加填料來稀釋焊接部的Si濃度，於如填料的供給不足般的情況下，有時Si濃度的稀釋會變得不充分，焊接金屬與母材相比而硬質化，此時有無法完全防止冷軋中的板斷裂的問題。
本發明是鑒於現有技術所抱有的所述問題點而完成者，其目的在於提出一種在對含Si鋼板進行雷射焊接時可使焊接部的硬度較現有技術降低的雷射焊接方法，並且提供一種用於該方法的雷射焊接設備。 [解決課題之手段]
發明者等人為了解決上述課題，著眼於雷射焊接時向焊接部的表面、背面噴射的遮護氣體進行了反覆研究。先前，於使鋼板對接來進行雷射焊接時，為了防止因來自大氣中的氮或氧混入而造成的氣孔（blow hole）等焊接缺陷的產生，對焊接部的表面側及背面側噴射Ar單一氣體或He單一氣體作為遮護氣體來予以完全遮護。但是，發明者等人發現，藉由使所述遮護氣體的組成、及流量恰當化，具體而言在以He氣或Ar氣為主要成分的遮護氣體中於焊接金屬中不會產生氣孔的範圍內含有CO 2氣及/或N 2氣體，與Ar單一氣體或He單一氣體相比，可穩定地降低焊接金屬部的硬度，從而開發出本發明。
基於上述見解的本發明提出一種含Si鋼板的雷射焊接方法，在使含Si鋼板通過連續處理生產線時，於生產線輸入側使先行鋼板的後端與後行鋼板的前端對接，一邊向所述對接部供給填充焊絲一邊照射雷射，以使填料熔融、凝固而進行焊接，所述雷射焊接方法的特徵在於，作為向所述焊接部的表面及背面噴射的遮護氣體，使用合計含有10 vol%以上且30 vol%以下的CO 2氣及N 2氣中的至少一種的He氣或Ar氣，藉此使焊接金屬的硬度HV0.2成為350以下。
另外，特徵在於，本發明含Si鋼板的雷射焊接方法中使用的所述填充焊絲的Si含量為0.5質量%以下。
另外，本發明為一種含Si鋼板的雷射焊接裝置，其特徵在於，具有：雷射照射部，向含Si鋼板的對接部照射自雷射振盪器振盪出的雷射；填充焊絲供給裝置，向所述對接部供給填充焊絲；遮護氣體噴射裝置，向所述對接部的表面、背面噴射以He或Ar為主要成分的遮護氣體來遮護焊接部；以及控制部，對所述雷射照射部、填充焊絲供給裝置及遮護氣體噴射裝置進行控制，所述控制部具有控制成合計含有10 vol%以上且30 vol%以下的、He氣或Ar氣中包含的CO 2氣及N 2氣中的至少一種的功能。 [發明的效果]
根據本發明，當對Si含量為1.0質量%以上的含Si鋼板進行雷射焊接時，即便於填料的供給不充分、焊接部的Si濃度未被充分稀釋時，亦可將焊接部的硬度穩定地降低至以HV0.2計為350以下，因此可大幅減少連續處理生產線通板時的板斷裂。另外，本發明的所述技術僅調整遮護氣體的組成及流量，因此於現有的雷射焊接設備中亦能夠實施。
首先，對本發明的雷射焊接方法進行說明。 本發明的雷射焊接方法是有關於以下雷射焊接方法的技術，所述雷射焊接方法在使含Si鋼板通過連續處理生產線時，於生產線輸入側使先行鋼板的後端與後行鋼板的前端對接，一邊向所述對接部供給填充焊絲一邊照射雷射，以使填料熔融、凝固而進行焊接。
此處，所述含Si鋼板是指含有1.0質量%以上的Si的鋼板，可為熱軋鋼板、冷軋鋼板的任一者。再者，為了進一步享有本發明的效果，較佳為含有3.0質量%以上的Si的鋼板。
另外，所述連續處理生產線是指對含Si鋼板連續地進行處理的生產線，只要是於熱軋設備、酸洗設備、冷軋設備、清洗設備、連續退火設備、調質軋製設備或精整設備等中在生產線輸入側將先行的鋼板的尾端與後行的鋼板的前端進行雷射焊接而對含Si鋼板進行連續處理的生產線，則可為任一者。
於所述雷射焊接中，為了防止焊接金屬部的氧化、因存在於雷射照射部的金屬蒸氣或氣體的分離而產生電漿從而投入至材料的能量減少，於焊接部的表面、背面，將He單一氣體或Ar單一氣體等惰性氣體噴射至焊接部（對接部）的表面、背面來予以遮護。該遮護氣體是影響雷射焊接的焊接部的特性的重要參數之一。
此處，本發明的雷射焊接方法的特徵在於，作為所述遮護氣體，使用以He或Ar為主要成分且合計含有10 vol%以上且30 vol%以下的CO 2氣及N 2氣中的至少一種的混合氣體來代替所述He單一氣體或Ar單一氣體等。藉由使用所述遮護氣體，與使用He單一氣體或Ar單一氣體的情況相比，焊接部的硬度降低，具體而言，能夠使焊接金屬的最高硬度成為以日本工業標準（Japanese Industrial Standards，JIS）Z 2244（2009）中規定的HV0.2計為350以下。但是，若超過30 vol%，則會產生氣孔，因此將上限設為30 vol%。再者，所述CO 2氣及N 2氣的合計含量的較佳範圍為15 vol%〜25 vol%。
如上所述般藉由使用He或Ar與CO 2氣及/或N 2的混合氣體作為遮護氣體而焊接部的硬度降低的理由尚未充分明確，但認為原因在於，焊接金屬中的強化元素以碳化物、氮化物的形式析出。
再者，當對He氣與Ar氣進行比較時，He氣的電離電壓更高，更不易產生電漿，因此作為主要成分氣體，較佳為He氣。
另外，當將使用He單一氣體或Ar單一氣體時的流量設為100時，本發明的雷射焊接方法較佳為將向所述焊接部的表面、背面噴射的遮護氣體的合計流量降低至80〜90。藉此，可進一步提高所述混合氣體所帶來的焊接部硬度降低效果。認為其理由在於：可適度地減弱對焊接部的遮護效果，從而提高焊接金屬中的氧量、氮量。再者，更佳的流量為將He單一氣體或Ar單一氣體時的流量設為100時的85〜90的範圍。
另外，於本發明的雷射焊接方法中，為了稀釋含Si鋼板彼此的焊接部的Si濃度以降低焊接金屬的硬度，作為向焊接部送入的填充焊絲，較佳為使用Si含量為0.5質量%以下者。更佳為0.1質量%以下。例如，若為威爾米格（WELMIG）（註冊商標）625等，則可適宜地使用。
接下來，對本發明的雷射焊接裝置進行說明。 本發明的雷射焊接裝置的特徵在於，具有：雷射照射部，向含Si鋼板的對接部照射自雷射振盪器振盪出的雷射；填充焊絲供給裝置，向所述對接部供給填充焊絲；遮護氣體噴射裝置，向所述對接部的表面、背面噴射以He或Ar為主要成分的遮護氣體來遮護焊接部；以及控制部，對所述雷射照射部、填充焊絲供給裝置及遮護氣體噴射裝置進行控制，所述控制部具有控制成合計含有10 vol%以上且30 vol%以下的、He氣或Ar氣中包含的CO 2氣及N 2氣中的至少一種的功能。
圖1表示設置於鋼板的連續處理生產線的輸入側的、用於本發明的雷射焊接的雷射焊接裝置的一例。所述雷射焊接裝置1包括：雷射照射部，將自雷射振盪器2振盪出的雷射束L經由導光路3導向聚光部（聚光透鏡）4，利用該聚光透鏡4聚光後，照射至先行的鋼板S1與後行的鋼板S2的對接部；填充焊絲供給裝置5，向所述對接部供給填充焊絲W；遮護氣體噴射裝置，向所述對接部的表面、背面噴射以He或Ar為主要成分的遮護氣體來遮護焊接部；以及控制部6，使用執行處理程式的中央處理單元（central processing unit，CPU）等運算處理裝置，對焊接裝置1的所述雷射照射部、填充焊絲供給裝置5及遮護氣體噴射裝置的各結構部進行控制。藉由照射至所述對接部的雷射束，填充焊絲W與兩塊鋼板S1、S2的對接部熔融、凝固而形成焊接部M。
所述圖1中的遮護氣體噴射裝置包括：與雷射束L同軸地向鋼板彼此的對接部的表（正）面側噴射的中心氣體G1、自側面向對接部的表（正）面側噴射的側部氣體G2、以及向對接部的背面側噴射的背部氣體G3，各自所噴射的遮護氣體的組成及噴射量由控制部6控制。
此處，於本發明的所述雷射焊接裝置中，重要的是所述控制部6對所述遮護氣體的氣體組成進行控制，具體而言，對於自圖1所示的He儲氣瓶8a、Ar儲氣瓶8b、CO 2儲氣瓶8c及N 2儲氣瓶8d供給的He氣、Ar氣、CO 2氣及N 2氣，於遮護氣體混合部7中，以He氣或Ar氣中包含的CO 2氣及N 2氣中的至少一種合計成為10 vol%以上且30 vol%以下的方式混合並調整後進行供給。只要所述CO 2氣及N 2氣的合計含量為所述範圍內，則He氣或Ar氣中所含的氣體可僅為CO 2氣或僅為N 2氣。藉此，可於焊接部中不產生氣孔等焊接缺陷的情況下使焊接金屬的硬度成為以HV0.2計為350以下。
另外，於本發明的所述雷射焊接裝置中，重要的是當將使用He單一氣體或Ar單一氣體作為遮護氣體時的流量設為100時，所述控制部6具有將所述遮護氣體的流量（G1、G2及G3的合計流量）降低至80〜90範圍的流量調整功能。藉此，可進一步提高所述氣體組成控制所帶來的焊接金屬硬度降低效果。此外，於如圖1所示的雷射焊接裝置中，使用He單一氣體或Ar單一氣體作為遮護氣體時的遮護氣體G1、遮護氣體G2及遮護氣體G3的合計流量通常為150 L/min〜200 L/min左右。
再者，所述圖1示出了使用二氧化碳雷射作為焊接中使用的雷射的焊接裝置的結構例，但於本發明中，並不限定於二氧化碳雷射，亦可使用碟式雷射（disk laser）或光纖雷射（fiber laser）等。再者，於使用碟式雷射、光纖雷射、或釔鋁石榴石（yttrium aluminium garnet，YAG）雷射的情況下，波長短而不易產生電漿，因此不需要中心氣體G1。
再者，於本發明中，雷射焊接方法是如上所述般藉由使遮護氣體的氣體組成與流量恰當化而於不產生焊接缺陷的情況下將焊接部的最高硬度降低至以HV0.2計為350以下的技術，藉此，可大幅減少將鋼板彼此焊接以連續地通過連續處理生產線時的焊接部的板斷裂。 [實施例1]
對於板厚為2.0 mm〜2.2 mm、含有3.0質量%〜3.5質量%的Si的含Si鋼板，於對該鋼板進行連續處理的生產線的輸入側所設置的、如圖1所示的本發明雷射焊接裝置中，使焊接時的遮護氣體的組成及遮護氣體的流量如表1所示般進行各種變化來進行焊接實驗。 具體而言，雷射焊接是使自所述鋼板採取的兩塊鋼板對接，一邊送入Si含量為0.10質量%的威爾米格（WEL MIG）（註冊商標）625作為填充焊絲，一邊進行雷射焊接。焊接中使用的雷射使用了二氧化碳雷射，於功率10 kW、束徑0.5 mm、焊接速度3.0 m/min、填充焊絲供給速度5.5 m/min的條件下進行焊接。
針對如上所述般獲得的雷射焊接部進行以下評價。 ＜外觀評價＞ 以目視觀察焊縫部，調查有無氣孔的產生，將無氣孔的產生者評價為合格。 ＜焊接部的硬度評價＞ 將焊接部沿橫切方向切斷，測定其剖面的板厚及熔融寬度的中央部分的維氏硬度（Vickers hardness）HV0.2，將其最大硬度為350以下者評價為合格。
關於所述評價結果，一併記載於記載有焊接條件的表1中。 根據該結果可知，於使用100%的He氣作為遮護氣體的現有技術的焊接條件下，焊接金屬的維氏硬度HV0.2大大超過350，但藉由使用在He氣中合計含有10 vol%以上的CO 2氣及/或N 2氣的混合氣體，可將HV0.2降低至350以下。但是，若合計含有30 vol%以上的CO 2氣及/或N 2氣，則雖然焊接金屬的HV0.2進一步降低，但於焊縫部會產生氣孔。因此可知，本發明中使用的遮護氣體需要使用合計含有10 vol%以上且30 vol%以下的CO 2氣及/或N 2氣的He氣。另外亦可知，所述CO 2氣與N 2氣的焊接金屬硬度降低效果大致相等，但CO 2氣稍大。 另外亦可知，於遮護氣體的組成滿足上述範圍的情況下，當將使用He氣100%的遮護氣體時的遮護氣體的流量設為100時，將向焊接部的表面、背面噴射的遮護氣體的合計流量降低至80〜90的範圍，藉此可進一步降低焊接金屬的硬度。 另外亦確認到，於使用Ar氣代替He氣作為遮護氣體的主要成分的情況下，亦獲得大致相同的效果。
[表1]
            HV0.2 No. 遮護氣體組成（vol%） 遮護氣體流量（L/min） 焊接部的評價 備註
He Ar CO 2 N 2 CO 2+N 2 中心氣體G1 側部氣體 G2 背部氣體 G3 合計（＊） 焊接金屬硬度 [HV0.2] 有無 氣孔的產生
1 100 - 0 0 0 50 50 70 170(100) 390 無 參考例（基準）
2 95 - 2.5 2.5 5 50 50 70 170(100) 375 無 比較例
3 90 - 5 5 10 50 50 70 170(100) 345 無 發明例
4 80 - 10 10 20 50 50 70 170(100) 334 無 發明例
5 75 - 12.5 12.5 25 50 50 70 170(100) 322 無 發明例
HV0.2  HV0.2 6 70 - 15 15 30 50 50 70 170(100) 310 無 發明例
7 60 - 20 20 40 50 50 70 170(100) 277 有 比較例
8 90 - 5 5 10 45 45 63 153(90) 344 無 發明例
9 90 - 5 5 10 40 40 56 136(80) 323 無 發明例
10 90 - 5 5 10 35 35 49 119(70) 308 無 發明例
11 80 - 10 10 20 45 45 63 153(90) 333 無 發明例
12 80 - 10 10 20 40 40 56 136(80) 327 無 發明例
  13 80 - 10 10 20 35 35 49 119(70) 301 無 發明例
14 75 - 12.5 12.5 25 45 45 63 153(90) 326 無 發明例
15 75 - 12.5 12.5 25 40 40 56 136(80) 317 無 發明例
16 75 - 12.5 12.5 25 35 35 49 119(70) 297 無 發明例
17 70 - 15 15 30 40 40 56 136(80) 325 無 發明例
18 70 - 15 15 30 35 35 49 119(70) 289 無 發明例
19 90 - 10 - 10 50 50 70 170(100) 347 無 發明例
  20 80 - 20 - 20 50 50 70 170(100) 336 無 發明例
21 75 - 25 - 25 50 50 70 170(100) 327 無 發明例
22 90 - - 10 10 50 50 70 170(100) 339 無 發明例
23 80 - - 20 20 50 50 70 170(100) 321 無 發明例
24 75 - - 25 25 50 50 70 170(100) 317 無 發明例
25 - 80 20 - 20 40 40 56 136(80) 311 無 發明例
26 - 80 - 20 20 40 40 56 136(80) 302 無 發明例
＊：將He氣100%設為100時的比率（%）
對於板厚為2.0 mm〜2.2 mm的範圍、於3.0質量%〜3.5質量%的範圍內含有Si的含Si鋼板，於在生產線輸入側利用圖1所示的雷射焊接機使先行的鋼板的尾端與後行的鋼板的前端對接來進行雷射焊接、並進行冷軋的連續軋製生產線上，於所述雷射焊接時應用所述表1中記載的本發明的雷射焊接方法（No.8及No.12）與現有技術的雷射焊接方法（No.1），進行對冷軋過程中於焊接部發生了板斷裂的卷材的產生率進行比較的步驟實驗。作為填充焊絲，使用與實施例1相同者，雷射焊接於功率10 kW、束徑0.5 mm、焊接速度3.0 m/min、填充焊絲供給速度5.5 m/min的條件下進行。另外，當對上述三個焊接方法進行比較時，使各方法中的作為軋製對象的鋼板的板厚結構、鋼種（Si含量）結構等大致相同，根據下述式求出焊接部的板斷裂的發生率。 板斷裂發生率（%）=（發生了板斷裂的卷材數）/（總軋製卷材數）×100
將所述結果示於圖2中。根據該圖可知，藉由應用本發明的雷射焊接方法，可將焊接部的板斷裂的發生率降低至1/2以下。 [產業上之可利用性]
本發明的技術並不限定於設置在含Si鋼板的連續處理生產線的輸入側的雷射焊接設備，亦可適宜地應用於單獨的雷射焊接裝置。另外，本發明的技術有亦可應用於含Si鋼板以外的、於焊接部容易發生板斷裂的鋼板的焊接中的可能性。
1:雷射焊接裝置 2:雷射振盪器 3:導光路 4:聚光部 5:填充焊絲供給裝置 6:控制部 7:遮護氣體混合部 8a:儲氣瓶 8b:儲氣瓶 8c:儲氣瓶 8d:儲氣瓶 L:雷射束 S1、S2:要焊接的含Si鋼板 W:填充焊絲 G1:遮護氣體 G2:遮護氣體 G3:遮護氣體 M:焊接部
圖1是說明本發明中使用的雷射焊接裝置的一例的圖。 圖2是於先前的焊接方法與本發明的焊接方法中對焊接部的板斷裂發生率進行比較而得的圖表。
1:雷射焊接裝置
2:雷射振盪器
3:導光路
4:聚光部
5:填充焊絲供給裝置
6:控制部
7:遮護氣體混合部
8a:儲氣瓶
8b:儲氣瓶
8c:儲氣瓶
8d:儲氣瓶
L:雷射束
S1、S2:要焊接的含Si鋼板
W:填充焊絲
G1:遮護氣體
G2:遮護氣體
G3:遮護氣體
M:焊接部

Claims (3)

  1. 一種含Si鋼板的雷射焊接方法，在使含Si鋼板通過連續處理生產線時，於生產線輸入側使先行鋼板的後端與後行鋼板的前端對接，一邊向所述對接部供給填充焊絲一邊照射雷射，以使填料熔融、凝固而進行焊接，所述雷射焊接方法的特徵在於，作為向所述焊接部的表面及背面噴射的遮護氣體，使用He氣或Ar氣、與CO2氣及/或N2氣的混合氣體，所述CO2氣及/或N2氣合計含有10vol%以上且30vol%以下，藉此使焊接金屬的硬度HV0.2成為350以下。
  2. 如請求項1所述的含Si鋼板的雷射焊接方法，其中，所述填充焊絲的Si含量為0.5質量%以下。
  3. 一種含Si鋼板的雷射焊接裝置，其特徵在於，具有：雷射照射部，向含Si鋼板的對接部照射自雷射振盪器振盪出的雷射；填充焊絲供給裝置，向所述對接部供給填充焊絲；遮護氣體噴射裝置，向所述對接部的表面、背面噴射以He或Ar為主要成分的遮護氣體來遮護焊接部；以及控制部，對所述雷射照射部、填充焊絲供給裝置及遮護氣體噴射裝置進行控制，所述遮護氣體含有所述He氣或Ar氣中包含合計10vol%以上且30vol%以下的CO2氣及/或N2氣，所述控制部具有控制成合計10vol%以上且30vol%以下的所述CO2氣及/或N2氣中的功 能，使所述焊接部的焊接金屬硬度HV0.2成為350以下。
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