WO2007032176A1

WO2007032176A1 - 溶接方法および溶接装置

Info

Publication number: WO2007032176A1
Application number: PCT/JP2006/316188
Authority: WO
Inventors: Seiji Katayama; Masami Mizutani; Yasuaki Naito
Original assignee: Osaka University; Juridical Foundation Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2007-03-22
Also published as: JP4876260B2; JPWO2007032176A1

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。

Description

明細書

溶接方法および溶接装置

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] TIG溶接は、アルゴン等の不活性シールドガス中で溶接しょうとする 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、ァーク (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。

[0003] 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、パワー密度が低ぐ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。

[0004] 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力通常 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。

[0005] 溶接材の溶込みを深くするために、予め溶接箇所に酸ィ匕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)も開発されてヽる (特許文献 3、同 4)。特許文献 1：特開平 6— 277847号公報

特許文献 2：特開 2002— 120088号公報

特許文献 3：特開 2003— 19561号公報

特許文献 4：特開 2004— 298963号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力しながら、前記 A— TIG溶接法は、溶接に先立って酸ィ匕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。

3

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、TIG溶接方法の開発が望まれてヽた。

[0007] 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ぐし力も溶込みが深い方法の開発が望まれていた。

[0008] 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ぐ溶込みが深ぐ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 Vヽ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!/ヽた。

課題を解決するための手段

[0009] 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。

[0010] 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、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力かる作業をする必要がなぐ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!/、。

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!ヽ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。

[0011] 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力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ぉヽて、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。

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 U、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ちのと居、われる。

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、前処理の効果力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 lmm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ぐ量的にも少ないため、当該領域が溶融したままである力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力、固化しているかに関係なく本発明の効果が発揮される。 [0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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％以上含まれてヽ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。

[0017] 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、。

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。

[0018] 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

[0019] 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、るため、溶接材の溶込みが深くなる。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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 lOOOmmZs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 lOOmmZs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。

[0027] 本願における発明にお、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 10〜30mmZs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!/、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、 l〜3mmZsで十分なときがある。

[0028] 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 lOOOmmZs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、 5mmZs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。

[0029] 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 3mmZs以下の速度で移動させ、 TIG 溶接で 2mmZs以下の速度で溶接材に 7mm以上の深溶込みが得られ、好まヽ。さらに、溶接速度は、貫通溶接の厚さにもよる力厚さ 11mm程度の場合には 0. 8 5mmZs程度であり、厚さ 8mm程度の場合には 1. 5mmZs程度であることが好ましい。

[0030] 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、それによつ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ょ、。

前記照射手段はレーザであってもよ、。

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ょ、。

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一ザで溶融させつつ、前記溶接を行う箇所を溶接する溶接部を有してヽ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。

[0031] 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。

発明の効果

[0032] 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。

[0033] 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ぐし力も溶込みが深、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ぐしかも溶込みが深、レーザ溶接方法が得られる。

図面の簡単な説明 [0034] [図 1]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。

[図 2]第 1実施例について溶接箇所の断面を示す図である。

[図 3]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。

[図 4]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。

[図 5]本発明の溶接装置を示す図である。

符号の説明

[0035] 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

発明を実施するための最良の形態

[0036] 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カ卩えることが可能である。

[0037] (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 10 A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 3 1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っ、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）巿販材（200 X 50 X 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 lmm、移動速度 0. 85mmZsから 30mmZs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の同軸ノズルカゝら酸素 (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、 10lZmin〜20lZminを流しこのように、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。

[0038] (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 10

A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 X 200 X 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 (D irect Current Electrode Negative、直流棒マイナス）で直径 3. 2mmの Ce O

2 3 入りタングステン電極を使用し、電流は 75A力ら 300Aであり、電極高さは lmmから 10mmとし、ノズル径 l lmm、ノズル高さ 10mm、シールドガスとしてアルゴンを 151 Zmin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 30lZminで流した。

[0039] (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。

[0040] 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レ一ザを出力 100W、速度 20mmZs、酸素（活性ガス）の流量 lOlZmin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。

[0041] し力る後、局所溶融部を、電流 150A、溶接速度 2mmZs、アルゴン流量 15lZmi n、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であつ前処理を行わず、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、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 ImmZs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、 DZWは 1以上であった。

[0042] 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)が大きぐ溶込みの幅 (W)が小さぐ DZWが 1以上であることが判る

[0043] 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!、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 1 3ゃスラグの堆積 25が見られた力前処理済みの部分 15ではビードの蛇行ゃスラグの明らかな堆積は見られな力つた。

[0044] 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。

[0045] (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 10 A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 2mmZs 、酸素 (活性ガス)の流量 lOlZminで照射し、局所溶融部 (接触部分)の酸素を濃化した。

しカゝる後、局所溶融部を、電流 200A、溶接速度 0. 85mmZs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. 5mmZsの場合には、板厚 8mmの貫通溶接が可能であった

[0046] 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ぐ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。

[0047] (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 10mmZs、アルゴン流量 30lZminの条件で行った。

[0048] また、第 1実施例と同じぐ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。

[0049] 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 2mmZs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)が大きぐ溶込みの幅 (W)が小さぐ DZW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、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（焦点はずし距離力 SOmm)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つており、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。

[0050] (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 2mmZsから 300 mmZs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、 lOmmZsから 30mmZs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。

[0051] 具体的な試験結果は、先ず 2mmZs、 5mmZs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つたりしていた。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。

[0052] lOmmZsから 30mmZs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、 20mmZsにおいて、最大 135ppm程度であった。

[0053] 40mmZsから 50mmZs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。

[0054] 70mmZsから 150mmZs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つた。僅かな酸素の供給であるため、却って悪ィ匕したものと思われる。

[0055] 200mmZs以上では、前処理をしな、場合とほぼ同じであった。酸素量が少なヽため、影響が出て来ないからと思われる。

以上の結果、前記の如ぐ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、 lOmmZsから 30mmZsが、最適なレーザ照射速度であることが判っただけでなぐ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 ImmZs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、溶接材カ S4mm程度の板厚さであれば、前処理速度を 2mmZs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ィ匕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 SUS 316 ( 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、。

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。

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 1、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。

Claims

請求の範囲

[1] 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ツプと、

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。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 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。

[7] 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。

[8] 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。

[9] 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。