WO2012105326A1 - 溶接方法及び溶接装置 - Google Patents

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WO2012105326A1
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welding
heat
welded
tempering
temperature
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坪田　秀峰
鴨　和彦
真彦 豊田
浩司 沖村
晋也 喜多
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三菱重工業株式会社
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2251/00—Treating composite or clad material
    • C21D2251/04—Welded or brazed overlays

Definitions

  • the present invention relates to a welding method and a welding apparatus.
  • welding is known as one of methods for joining or repairing steel materials such as steel plates and steel pipes.
  • a part of a base material is heated and melted, and a weld metal containing a melted metal is shared between the steel materials to integrate two or more steel materials.
  • a part of the base material is quenched by welding heat to form a heat affected zone. The heat affected zone is partially cured by quenching.
  • the hardened portion may be the starting point for stress corrosion cracking and brittle fracture.
  • the mechanical properties of the heat-affected zone are controlled by tempering the cured part.
  • a method of tempering there are a method of heating the whole steel workpiece in a heat treatment furnace, a method of winding a heater or the like around the welded portion, and a method of heating the welded portion.
  • a large heat treatment furnace and a heater are required when the welded portion covers a wide area.
  • Temper bead welding is known as a technique that can simplify or omit heat treatment for tempering (for example, Patent Document 1).
  • Temper bead welding is a welding method in which a plurality of passes and a plurality of layers of weld beads are laminated by performing welding a plurality of times. According to this temper bead welding, the heat affected zone of the preceding pass can be tempered by heat input for each pass.
  • Temper bead welding has a tempering effect on the welded part of the previous pass in the welding process of the next pass, so there is little need to separately perform heat treatment for tempering.
  • the conventional temper beat welding has problems such that the number of passes increases in order to obtain a sufficient tempering effect, so that the process becomes complicated and the time required for welding becomes long.
  • the heat input for each pass is often set low in order to suppress dripping of the molten pool. The number further increases.
  • the present inventor has proposed a welding apparatus including welding means capable of welding a base material and auxiliary heating means provided behind the welding direction by the welding means and capable of heating the welded portion. . Since this welding apparatus can perform heat treatment for tempering in the same pass on the layers welded in the welding process of each pass, the number of passes can be reduced. However, this welding apparatus has room for improvement in terms of making it possible to control the temperature when the welded portion is heated by the auxiliary heating means with high accuracy.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a welding method and a welding apparatus capable of controlling the temperature of a welded portion when tempering with high accuracy.
  • the welding method of the present invention includes a welding process for welding a base material, and the temperature of the heat affected zone of the welded part welded by the welding process is less than the temperature range for tempering, and the welding process Heat treatment for heating the heat-affected zone to a temperature range for tempering by laser irradiation when welding is not performed.
  • the welding process Heat treatment for heating the heat-affected zone to a temperature range for tempering by laser irradiation when welding is not performed.
  • a second welding process is performed in which welding is performed on the welded portion, and the second welding process is performed on the welded portion welded in the welding process. It may be performed so that the heat affected zone is heated within the temperature range of tempering. If it does in this way, while being able to earn the thickness of a welding part by welding processing and the 2nd welding processing, tempering the heat affected zone of the welding part formed by welding processing with the heat input of the 2nd welding processing Can do.
  • welding is performed along a predetermined welding direction, and the heating process is performed in parallel with the welding process so as to trace and heat the portion welded in the welding process from the rear in the welding direction. May be performed. If it does in this way, since a welding process and a heat processing are performed in parallel, the heat affected zone of a welding part can be tempered efficiently in a short time.
  • the laser irradiation of the heat treatment may be performed so that the weld is melted.
  • the temperature of the region irradiated with the laser light can be controlled with higher accuracy than when the melted portion and the non-melted portion are mixed in the region irradiated with the laser light.
  • the laser irradiation of the heat treatment may be performed while supplying a welding wire to the welding portion. If it does in this way, the thickness of a welding part can be increased and the number of passes required in order to form a welding part of desired thickness can be reduced.
  • the laser beam irradiated in the heating process includes a first spot that can be heated so as to melt a part of the welded part, and the part.
  • it may have a second spot that can be heated so as not to melt the rear part in the welding direction.
  • the welding process may be performed using an arc as a heat source. In this way, it becomes easy to sufficiently heat the base material, and since the heat source of the auxiliary heating means is laser light, no magnetic blow occurs between the heating means and the auxiliary heating means.
  • the welding apparatus includes a welding means including a heating means for heating a base material, and a temperature of a heat-affected zone of a welded portion that is arranged behind the welding means and welded to the welding means.
  • Auxiliary heating means whose relative position with respect to the welding means is controlled so that the heat affected zone is heated to the temperature range of tempering by laser irradiation after the temperature falls below the temperature range. In this way, compared with the case where the heat treatment is performed immediately after the welding process, the heat treatment is hardly affected by variations in heat input, etc. of the welding process when the heat treatment is started.
  • the temperature of the heat affected zone can be controlled, and the heat affected zone can be tempered effectively in a short time.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a welding apparatus according to the first embodiment.
  • a welding apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a welding means 2 and an auxiliary heating means 3 provided at the rear of the welding direction of the welding means 2 (advancing direction of welding).
  • the welding means 2 is a device that heats and welds the base material 4, for example, a device that performs arc welding, laser welding, gas welding, or the like.
  • the welding means 2 of this embodiment performs welding using a TIG arc as a heat source.
  • the base material 4 is a steel material made of, for example, carbon steel or low alloy steel. Although it does not specifically limit about the specific aspect of steel materials, A pressure vessel, piping, etc. are mentioned as a specific example.
  • the welding means 2 includes a welding torch (heating means) 20, a welding power source 21, a welding wire 24, and the like.
  • An electrode 22 made of tungsten or the like is attached to the welding torch 20.
  • the electrode 22 is electrically connected to the welding power source 21.
  • the welding power source 21 supplies shield gas to the welding torch 20 and supplies power to the electrode 22 through the welding torch 20.
  • an arc 23 is generated between the electrode 22 and the base material 4.
  • the arc 23 is covered with a shielding gas so as not to be exposed to the outside air.
  • the welding wire 24 is supplied to the arc 23 automatically or semi-automatically from a supply device (not shown).
  • a portion of the base material 4 exposed to the arc 23 and the welding wire 24 are melted by the heat of the arc 23 to form a molten pool 41.
  • a weld metal 42 which is a part of the welded portion is formed.
  • the auxiliary heating means 3 heats the molten pool 41 on the rear side in the welding direction by laser irradiation.
  • the auxiliary heating means 3 of this embodiment includes a laser light source 30 and an optical head 31.
  • the laser light source 30 is composed of a YAG laser, a semiconductor laser, or the like, and emits a laser beam 34.
  • Laser light 34 enters the optical head 31 through an optical fiber or the like.
  • the optical head 31 includes an optical element group 32, a mirror 33, and the like.
  • the optical element group 32 has, for example, a function of collimating the laser beam 34, a function of adjusting the beam diameter of the laser beam 34, a function of adjusting the polarization state of the laser beam 34, and the like.
  • the optical element group 32 includes, for example, a plurality of lenses, polarizing plates, and the like.
  • the mirror 33 adjusts the optical path of the laser light 34 emitted from the optical element group 32 so that the laser light 34 is emitted from the optical head 31 in a predetermined direction.
  • the laser beam 34 emitted from the optical head 31 is irradiated to the processing portion 43 that is a part of the weld metal 42.
  • the processed part 43 is heated by the irradiated laser beam 34.
  • the auxiliary heating means 3 is not limited in its configuration as long as it can be heated by laser irradiation.
  • a semiconductor laser is used as a light source, a configuration in which light emitted from the light source enters the optical head 31 without passing through an optical fiber may be employed.
  • the traveling direction of the laser light 34 emitted from the optical head 31 can be variably controlled. Thereby, the incident position of the laser beam 34 in the base material 4 can be controlled.
  • the mirror 33 can also function as a scanning optical system.
  • the welding apparatus 1 of the present embodiment includes a control unit 5, a torch moving mechanism 6 that can move while holding the welding torch 20 of the welding means 2, and a head that can move while holding the optical head 31 of the auxiliary heating means 3. And a moving mechanism 7.
  • the control unit 5 includes information indicating the position of the welding target portion on the base material 4, information indicating the position of the welding torch 20 of the welding unit 2, information indicating the position of the optical head 31 of the auxiliary heating unit 3, and welding processing. Each part of the welding apparatus 1 is controlled based on the information indicating the speed, the environmental information indicating the outside air temperature, and the like. These pieces of information are input to the control unit 5 from, for example, a user (welding operator) before or during welding.
  • the control unit 5 controls the heat input to the welding target portion by the welding torch 20 by controlling the output of the welding power source 21 based on the various information described above, and controls the torch moving mechanism 6. Thus, the position of the welding torch 20 with respect to the welding target portion is managed. Further, the control unit 5 manages the intensity of the laser beam 34 emitted from the optical head 31 by controlling the output of the laser light source 30 based on the above various information, and controls the head moving mechanism 7. Thus, the relative position of the optical head 31 with respect to the welding torch 20 is managed.
  • the control unit 5 performs welding so that the auxiliary heating unit 3 heats the heat-affected zone to the tempering temperature range after the temperature of the heat-affected zone of the welded portion welded by the welding means 2 falls below the tempering temperature range.
  • Each part of the apparatus 1 is controlled.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the welded portion.
  • FIG. 3 is a graph showing the temperature of the heat affected zone when being heated by the welding means.
  • the evaluation position P ⁇ b> 1 represents a temperature history at a predetermined position in the heat affected zone described later
  • the evaluation position P ⁇ b> 2 represents a temperature history at a predetermined position in the tempering region 44.
  • the evaluation position P1 is a test position that is an object of the heat affected zone maximum hardness test.
  • the vertical axis represents temperature
  • the horizontal axis represents time with the time when the maximum temperature is reached as the origin.
  • the weld 40 includes a weld metal 42, a tempering region 44, and a quenching region 45.
  • the weld metal 42 is a portion where the molten base material 4 and the molten welding wire 24 are integrated and cooled and solidified.
  • the tempering region 44 and the quenching region 45 are the heat affected zone 50.
  • the vicinity of the boundary between the weld metal 42 and the quenching region 45 (evaluation position P1) is a portion having the highest hardness due to quenching.
  • Hardening region 45 is a portion that quenching effect due to welding heat is hotter than the temperature range T 1 expressed. It is said that the quenching effect is generally determined by the gradient of the temperature history in the temperature range T 1 from approximately 800 ° C. to 500 ° C. The more slowly the gradient of temperature history, i.e., the more time to stay in a temperature range T 1 of the weld from approximately 800 ° C. to 500 ° C. is long, quenching effect is weakened.
  • the tempering region 44 is farther from the weld metal 42 than the quenching region 45.
  • the tempering region 44 is a specific part of the base material 4 in which the temperature peak due to welding heat falls within the temperature range where the tempering effect is exhibited. More time to stay in this temperature range T 2 is longer, tempering effect becomes stronger.
  • the temperature range T 2 at which the tempering effect appears is determined by the material of the base material 4. When the base material 4 is carbon steel or low alloy steel, the temperature range T 2 where tempering effect appears is generally the range of 600 ° C. or higher 700 ° C. or less.
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature of the heat affected zone 50 by the welding method of the first embodiment.
  • the horizontal axis indicates the time from the time when the heating to the evaluation position P1 is started by the welding means 2, and the vertical axis indicates the temperature at the evaluation position P1.
  • control unit 5 is configured so that the auxiliary heating unit 3 heats the heat-affected zone 50 in order to recover the toughness of the heat-affected zone 50 of the welded portion 40 welded by the welding means 2. To control.
  • the control unit 5 controls the welding means 2 and the torch moving mechanism 6 to cause the welding means 2 to execute a welding process for welding the base material 4.
  • the welding process of this embodiment is performed by moving the welding means 2 in a welding direction so that the location welded to the welding means 2 forms a weld line (welded part).
  • the temperature at the evaluation position P ⁇ b> 1 due to heat input from the welding means 2 depends on the material of the base material 4, the outside air temperature, the output of the welding torch 20, and the moving speed of the welding torch 20.
  • the controller 5 controls the auxiliary heating means 3 and the head moving mechanism 7 to execute a heating process for heating the heat affected zone 50 to the tempering temperature range by laser irradiation.
  • a heating process for heating the heat affected zone 50 to the tempering temperature range by laser irradiation.
  • the tempering temperature range here, about the outside air temperature
  • the heating process is performed in parallel with the welding process so as to trace and heat the portion welded in the welding process from the rear in the welding direction.
  • the control unit 5 controls the head moving mechanism 7 so that the welded portion becomes an irradiation region of the laser beam 34 with a predetermined time delay after each portion of the welded portion 40 on the base material 4 is welded.
  • the position of the optical head 31 is managed.
  • the predetermined time delay is set according to the time from the end of heat input to the evaluation position P1 by the welding means 2 until the temperature at the evaluation position P1 becomes less than the tempering temperature range due to heat radiation.
  • the moving speed of the optical head 31 is set according to the distance between the welding torch 20 and the optical head 31 and the time delay described above.
  • the temperature at the evaluation position P1 when heated by the auxiliary heating means 3 is the temperature at the evaluation position P1 immediately before the heating is started (hereinafter referred to as the initial temperature of the heat treatment), the material of the base material, and the outside air temperature. And depends on the intensity of the laser beam 34 emitted from the optical head 31 and the moving speed of the optical head 31.
  • the initial temperature of the heat treatment depends on the heat input in the heat treatment, the outside air temperature, and the time delay.
  • the above-mentioned initial temperature varies when the welding process and the heating process are performed a plurality of times.
  • the error of the actual initial temperature with respect to the average initial temperature when the heat treatment is performed a plurality of times becomes larger as the set value of the initial temperature defined by the time delay is higher. That is, the higher the set value of the initial temperature, the higher the possibility that the temperature at the evaluation position P1 during the heat treatment has a large error with respect to the desired value.
  • the heat input by the auxiliary heating means 3 has a margin so that the temperature at the evaluation position P1 during the heat treatment does not become too high with respect to the temperature range of tempering, a sufficient tempering effect is obtained. There is a possibility that it will not be possible, and the processing time may be long.
  • the initial temperature of the heat treatment is compared with the case where the heat treatment is performed immediately after the welding treatment. Error can be reduced.
  • the temperature at the evaluation position P1 during the heat treatment can be controlled almost without being affected by variations such as heat input due to the welding treatment, and the heat affected zone 50 can be tempered effectively in a short time. it can.
  • 5A to 5D are process diagrams of the welding method of the first embodiment.
  • the welding method of the present embodiment is so-called temper bead welding, and a plurality of first weld lines (initial layers) are formed by performing a series of processes including the welding process and the heating process as described above. Thereafter, a plurality of second weld lines (upper layers) are formed on each weld line by performing a second welding process and a second heat treatment.
  • the base material 4 can be welded with a desired thickness by repeating a series of processes as many times as necessary.
  • the welding apparatus 1 performs the first-pass welding of the initial layer on the surface layer of the base material 4 (see FIG. 5A). Thereby, the weld metal 42a, the tempering area
  • the welding apparatus 1 performs the second pass welding of the initial layer (see FIG. 5B).
  • welding is performed so that a portion of the weld metal 42a of the first pass, here, the weld metal 42b overlaps with about half of the weld metal 42a in the direction along the surface of the base material 4.
  • region 45b are formed.
  • the welding apparatus 1 performs the third pass welding (see FIG. 5C).
  • the third pass welding is performed so that the weld metal 42 c overlaps with about half of the weld metal 42 b in the second pass in the direction along the surface of the base material 4.
  • region 45c are formed.
  • an initial layer is formed on the base material 4 by performing welding a plurality of times on the base material.
  • the initial layer includes a layered weld metal 42d, a layered quenching region 45d, and a layered tempering region 44d.
  • the heat-affected zone 50 including the tempering region 44d and the quenching region 45d is normally hardened by welding heat, but has been tempered by the above heat treatment, so that the reduction in toughness is recovered.
  • the welding apparatus 1 performs welding on the initial layer to form an upper layer (see FIG. 5D).
  • a weld metal 42e, a tempering region 44e, and a quenching region 45e are formed.
  • welding is performed so as to overlap with about half of the weld metal 42e in the direction along the surface of the initial layer.
  • the weld metal 42f, the tempering region 44f, and the quenching region 45f are formed.
  • the upper layer is formed on the initial layer by performing welding a plurality of times on the initial layer.
  • the upper layer thickness or the welding means 2 is used so that a tempering effect is exhibited in the initial layer quenching region 45d, that is, the upper layer tempering regions 44e and 44f overlap the initial layer quenching region 45d.
  • Heat and heat input of the auxiliary heating means 3 are adjusted. Specifically, the time from when the weld 40 is heated by the welding means 2 until it is heated by the auxiliary heating means 3 and the output of the auxiliary heating means 3 are set.
  • a desired number of upper layers are laminated by using the formed upper layer as a base, thereby obtaining a weld 40 having a desired layer thickness.
  • the welding process and the heating process can be performed in the same pass, and welding can be efficiently performed and the reduction in toughness due to quenching can be recovered. it can. Further, in the heat treatment, after the temperature of the heat affected zone 50 becomes less than the temperature range for tempering, the heat affected zone 50 is heated to the temperature range for tempering by laser irradiation. The heat-affected zone 50 can be effectively tempered in a short time.
  • the upper layer is formed by performing a series of processes including the second welding process and the second heating process on the initial layer of welding, and the second welding process is performed by welding the initial layer.
  • the heat-affected zone 50 of the weld zone 40 welded at is heated so as to be within the temperature range of tempering. Therefore, the welded portion 40 having a desired layer thickness can be obtained, and the tempering effect on the lower layer side by the heat input of the welding forming the upper layer side can be enhanced. Therefore, the number of layers necessary for making the welded portion 40 have desired mechanical properties can be reduced, and the base material can be efficiently welded.
  • the heat source of the heating means is an arc, it becomes easy to sufficiently heat the base material. Further, since the heat source of the auxiliary heating means is laser light, no magnetic blow occurs between the heating means and the auxiliary heating means.
  • the welding method of the present embodiment is particularly effective when welding in a welding posture such as an upward posture as well as a downward posture is required.
  • a welding posture such as an upward posture as well as a downward posture is required.
  • the heat input for welding is set low enough to avoid dripping of the molten pool, so that the number of passes increases and the tempering effect is reduced. Since the welding method of this embodiment can improve the tempering effect even when the heat input for welding is reduced, it is possible to avoid a decrease in efficiency due to an increase in passes. Thus, since the welding method of this embodiment can perform welding favorably in all postures, it can cope with various welding objects.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing the welding method of the second embodiment.
  • heat processing are performed so that the welding part 40 may fuse
  • the control unit 5 controls the auxiliary heating unit 3 so that the weld metal 42 formed by the welding unit 2 is melted by heat input by the auxiliary heating unit 3.
  • the heat treatment is performed while supplying the second welding wire 35 to the molten pool in which the weld metal 42 is melted. Thereby, the 2nd molten metal (welding part) 46 is formed.
  • the portion of the weld metal 42 irradiated with the laser beam 34 is partially heated above the melting temperature due to an error in heating temperature. And may partially melt. If the molten pool and the non-molten portion are formed in the portion irradiated with the laser beam 34, the absorption rate of the laser beam 34 differs between the molten pool and the non-molten portion, and the laser beam 34 is irradiated. It becomes difficult to control the temperature of the part that is in high accuracy.
  • the temperature of the portion irradiated with the laser beam 34 is controlled with high accuracy.
  • the temperature of the heat affected zone 50 of the weld 40 shown in FIG. 2 can be controlled with high accuracy.
  • the heat treatment is performed while supplying the second welding wire 35 to the molten pool in which the weld metal 42 is melted, the thickness of the weld 40 including the weld metal 42 and the second molten metal 46 is increased. The number of passes required for forming the welded portion 40 having a desired thickness can be reduced.
  • the heat source of the heating means of the welding means may be laser light. If it does in this way, it will become easy to control the output of a heating means.
  • the welding method of the above embodiment can be performed without using the welding apparatus 1.
  • the position or output of at least one of the welding unit 2 and the auxiliary heating unit 3 may be manually controlled instead of the control unit 5.
  • the heat treatment is performed while supplying the second welding wire 35 to the molten pool melted by the auxiliary heating means 3, but the heat treatment only melts the molten metal without supplying the welding wire. It may be the process.
  • the temperature history of the weld 40 can be controlled by controlling the intensity distribution and number of laser beams emitted from the auxiliary heating means 3 and the irradiation area.
  • FIGS. 7 (a) to 7 (c) are schematic diagrams showing modifications in which the intensity distribution of laser light is adjusted.
  • FIGS. 8A and 8B are schematic views showing a modification in which the number of laser beams is increased.
  • FIGS. 9A and 9B are schematic views showing modifications in which the laser light irradiation region is variably controlled.
  • FIG. 10 is a distribution diagram showing the temperature distribution of the molten metal.
  • FIGS. 7A to 7C, FIGS. 8A, 8B, 9A, and 9B show the planar shape of the laser beam spot on the surface of the base material and the inside of the spot. 2 shows the light intensity distribution in the welding direction.
  • a laser light source that has a circular spot shape in a plane perpendicular to the optical axis of laser light and a Gaussian distribution of light intensity.
  • the planar shape of the laser beam spot S1 is substantially circular.
  • the intensity distribution of the spot S1 has a half width at half maximum larger than that of the Gaussian distribution, and has a broad distribution around the peak of the light intensity. In this way, heat input in the laser light irradiation region can be made uniform.
  • the planar shape of the laser beam spot S2 is substantially elliptical with the welding axis as the major axis.
  • the heating time in the welding direction can be increased, the quenching temperature range or tempering can be reduced to reduce the quenching effect or increase the tempering effect.
  • the time during which the heat-affected zone 50 stays in the temperature range can be increased.
  • the laser beam spot S3 is divided into two spots arranged in the welding direction, and the planar shape of each spot is substantially circular.
  • the intensity distribution of the spot S3 has two light intensity peaks across the optical axis. In this way, the quenching period can be lengthened and tempered by one laser beam.
  • the planar shape and intensity distribution of the laser light spot can be modified as appropriate so as to obtain a desired temperature history in addition to the first to third modifications.
  • Modification 4 shown in FIG. 8A two independent laser beams are used, and two spots S4a and S4b are arranged so as to partially overlap each other.
  • the intensity distribution as a whole of the spots S4a and S4b is a broad distribution around the peak of the light intensity. In this way, heat input in the laser light irradiation region can be made uniform.
  • Modification 5 shown in FIG. 8B three independent laser beams are used, and three spots S5a, S5b, and S5c are arranged so as to partially overlap each other.
  • the number of laser beams can be modified as appropriate so as to obtain a desired temperature history other than the fourth and fifth modifications.
  • one laser beam is used, and the laser beam is scanned so that the spot S6 moves in the welding direction.
  • the light intensity distribution averaged over the scanning period is broad in the welding direction. In this way, the number of laser light sources can be reduced while the area of the laser light irradiation region is secured, and the laser light irradiation region can be expanded.
  • one laser beam is used, and the laser beam is scanned so that the spot S7 meanders and moves in the welding direction.
  • the light intensity distribution that is time-averaged in the scanning cycle is broad in the welding direction and the width direction. In this way, the number of laser light sources can be reduced while the area of the laser light irradiation region is secured, and the laser light irradiation region can be expanded.
  • the first spot S ⁇ b> 3 (see FIG. 7C) that can be heated so as to melt a part of the welded portion 40 and a part of the melted molten portion in the welding direction.
  • Laser irradiation is performed using laser light having a second spot S3 (see FIG. 7C) that can be heated so as not to melt the rear portion.
  • the temperature of the melting and heating part irradiated with the first spot S3 is higher than that of the non-melting heating part irradiated with the second spot S3.
  • the irradiation area of the second spot S3 is wider than the irradiation area of the first spot S3.
  • Such laser light can be realized, for example, by combining two or more modifications 1 to 7. In this way, it is possible to extend the time during which the heat-affected zone 50 in the region irradiated with the second spot S3 is held in the tempering temperature range, and the heat-affected zone 50 can be effectively tempered. it can.
  • the temperature of the welded part when tempering can be controlled with high accuracy.

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Abstract

　本発明の溶接方法は、母材を溶接する溶接処理と、溶接処理で溶接された溶接部の熱影響部の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に、溶接部に溶接処理とは別に溶接が施されていない段階で、熱影響部をレーザ照射によって焼戻しの温度範囲まで加熱する加熱処理と、を有する。

Description

溶接方法及び溶接装置
　本発明は、溶接方法及び溶接装置に関する。
　従来から鋼板や鋼管等の鋼材を接合あるいは補修する方法の１つとして、溶接が知られている。典型的な溶接では、母材の一部を加熱・溶融し、溶融した金属を含んだ溶接金属を鋼材間で共有させて２以上の鋼材を一体化する。通常の溶接方法では、溶接熱により母材の一部が焼入れされて、熱影響部が形成される。熱影響部は、焼入れにより部分的に硬化している。
　継続的に外力や振動を受ける鋼材加工物、例えば圧力容器や配管、各種機械装置、各種構造物にあっては、硬化した部分が応力腐食割れや脆性破壊の起点になるおそれがある。
　通常は、硬化した部分を焼戻しすることにより、熱影響部の機械特性が制御される。
　焼戻しする方法としては、鋼材加工物全体を熱処理炉に入れて加熱する方法や、溶接部にヒーター等を巻きつけて溶接部を加熱する方法等がある。これらの方法では、溶接部が広範囲にわたっていると、大型の熱処理炉やヒーターが必要になる。また、鋼材加工物の補修等で溶接を行う場合には、鋼材加工物の付帯物の耐熱性等の事情により、焼戻しに必要な時間だけ鋼材加工物を加熱することが難しいこともある。
　焼戻し用の熱処理を簡略化あるいは省略可能な技術として、テンパービード溶接が知られている（例えば、特許文献１）。テンパービード溶接は、複数回数の溶接を行うことによって複数パス、複数層の溶接ビードを積層する溶接方法である。このテンパービード溶接によれば、パスごとの入熱によって先行パスの熱影響部を焼戻しすることができる。
特開２０００－２７１７４２号公報
　テンパービード溶接は、次のパスの溶接過程で前のパスの溶接部に対して焼戻し効果が得られるので、焼戻し用の熱処理を別途行う必要性が低い。しかしながら、従来のテンパービート溶接は、十分な焼戻し効果を得るためにパス数が増加するため、工程が複雑になることや溶接に要する時間が長くなること等の課題がある。特に、ティグ溶接等により上向き姿勢で溶接を行う場合等には、溶融池の垂れ落ちを抑制するためにパスごとの入熱を低く設定することが多いので、十分な焼戻し効果を得るにはパス数がさらに増加する。
　本願発明者は、上記の課題を解決すべく、母材を溶接可能な溶接手段と、溶接手段による溶接方向後方に設けられて溶接部を加熱可能な補助加熱手段とを備える溶接装置を提案した。この溶接装置は、各パスの溶接処理で溶接された層に対して同じパスで焼戻し用の熱処理を行うことができるため、パス数を減らすことが可能である。しかし、この溶接装置は、補助加熱手段により溶接部を加熱するときの温度を高精度に制御可能にする観点で改善の余地がある。
　本発明は、上記の事情を鑑み成されたものであって、焼戻しするときの溶接部の温度を高精度に制御可能な溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。
　本発明の溶接方法は、母材を溶接する溶接処理と、前記溶接処理で溶接された溶接部の熱影響部の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に、前記溶接部に前記溶接処理とは別に溶接が施されていない段階で、前記熱影響部をレーザ照射によって焼戻しの温度範囲まで加熱する加熱処理と、を有する。
　このようにすれば、溶接処理の直後に加熱処理が実行される場合と比較して、加熱処理が開始されるときの溶接部の誤差を減らすことができる。したがって、溶接処理の入熱等のばらつきによる影響をほとんど受けることなく、加熱処理中の熱影響部の温度を制御することができ、熱影響部を短時間で効果的に焼戻しすることができる。
　前記溶接処理された溶接部に前記加熱処理を施した後に、前記溶接部の上に溶接を施す第２溶接処理を有し、前記第２溶接処理は、前記溶接処理で溶接された溶接部の熱影響部が焼戻しの温度範囲内に加熱されるように行われてもよい。
　このようにすれば、溶接処理と第２溶接処理とで溶接部の厚みを稼ぐことができるとともに、溶接処理で形成された溶接部の熱影響部を第２溶接処理の入熱で焼戻しすることができる。
　前記溶接処理では、所定の溶接方向に沿って溶接が行われ、前記加熱処理は、前記溶接処理で溶接された箇所を前記溶接方向の後方から追跡して加熱するように、該溶接処理と並行して行われてもよい。
　このようにすれば、溶接処理と加熱処理とを並行して行うので、溶接部の熱影響部を短時間で効率よく焼戻しすることができる。
　前記加熱処理の前記レーザ照射は、前記溶接部が溶融するように行われてもよい。
　このようにすれば、レーザ光が照射される領域に溶融部と非溶融部とが混在する場合と比較して、レーザ光が照射される領域の温度を高精度に制御することができる。
　前記加熱処理の前記レーザ照射は、前記溶接部に溶接ワイヤを供給しながら行われてもよい。
　このようにすれば、溶接部の厚みを増すことができ、所望の厚みの溶接部を形成するのに必要なパスの数を減らすことができる。
　前記溶接処理では、所定の溶接方向に沿って溶接が行われ、前記加熱処理で照射されるレーザ光は、前記溶接部の一部を溶融するように加熱可能な第１スポットと、前記一部に対して前記溶接方向の後方の部分を溶融しないように加熱可能な第２スポットとを有してもよい。
　前記溶接処理は、アークを熱源として行われてもよい。
　このようにすれば、母材を十分に加熱することが容易になり、また補助加熱手段の熱源がレーザ光であるので、加熱手段と補助加熱手段との間に磁気吹きを生じることがない。
　本発明の溶接装置は、母材を加熱する加熱手段を含んだ溶接手段と、前記溶接手段の溶接方向の後方に配置され、前記溶接手段に溶接された溶接部の熱影響部の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に前記熱影響部を焼戻しの温度範囲までレーザ照射によって加熱するように、前記溶接手段に対する相対位置が制御される補助加熱手段と、を備えている。
　このようにすれば、溶接処理の直後に加熱処理が実行される場合と比較して、加熱処理が開始されるときに溶接処理の入熱等のばらつきによる影響をほとんど受けることなく、加熱処理中の熱影響部の温度を制御することができ、熱影響部を短時間で効果的に焼戻しすることができる。
　本発明によれば、焼戻しするときの溶接部の温度を高精度に制御可能な溶接方法及び溶接装置を提供することができる。
第１実施形態の溶接装置の概略構成を示す図である。 溶接部を拡大して示す図である。 溶接手段により加熱されているときの熱影響部の温度を示すグラフである。 第１実施形態の溶接方法による熱影響部の温度を示すグラフである。 （ａ）～（ｄ）は、第１実施形態の溶接方法の工程図である。 第２実施形態の溶接方法を示す概念図である。 （ａ）～（ｃ）は、補助加熱手段の変形例の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、補助加熱手段の変形例の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、補助加熱手段の変形例の説明図である。 補助加熱手段の変形例の説明図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面中の構造の寸法や縮尺は、実際と異なることがある。
［第１実施形態］
　第１実施形態の溶接装置及び溶接方法について説明する。図１は、第１実施形態の溶接装置の概略構成を示す図である。図１に示す溶接装置１は、溶接手段２と、溶接手段２の溶接方向（溶接の進行方向）の後方に設けられた補助加熱手段３とを備えている。
　溶接手段２は、母材４を加熱して溶接する装置、例えばアーク溶接やレーザ溶接、ガス溶接等を施す装置である。本実施形態の溶接手段２は、ティグアークを熱源として溶接を施す。母材４は、例えば炭素鋼あるいは低合金鋼からなる鋼材である。鋼材の具体的態様については、特に限定されないが、具体例として圧力容器や配管等が挙げられる。
　溶接手段２は、溶接トーチ（加熱手段）２０、溶接電源２１、溶接ワイヤ２４等を含んでいる。溶接トーチ２０には、タングステン等からなる電極２２が取り付けられている。
　電極２２は、溶接電源２１と電気的に接続されている。溶接電源２１は、溶接トーチ２０にシールドガスを供給するとともに、溶接トーチ２０を介して電極２２に電力を供給する。電極２２に電力が供給されると、電極２２と母材４との間にアーク２３が発生する。アーク２３は、外気に曝されないようにシールドガスにより覆われる。ここでは、アーク２３に、図示略の供給装置から自動あるいは半自動で溶接ワイヤ２４が供給される。アーク２３に曝された部分の母材４と、溶接ワイヤ２４とがアーク２３の熱により溶融し、溶融池４１が形成される。溶融池４１が冷却凝固することにより、溶接部の一部である溶接金属４２が形成される。
　補助加熱手段３は、溶融池４１に対して溶接方向の後方側をレーザ照射により加熱する。本実施形態の補助加熱手段３は、レーザ光源３０、光学ヘッド３１を含んでいる。レーザ光源３０は、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等により構成され、レーザ光３４を射出する。
　光学ヘッド３１には、光ファイバー等を介してレーザ光３４が入射する。光学ヘッド３１は、光学素子群３２、ミラー３３等を含んでいる。光学素子群３２は、例えばレーザ光３４を平行化する機能や、レーザ光３４のビーム径を調整する機能、レーザ光３４の偏光状態を調整する機能等を有している。光学素子群３２は、例えば複数のレンズ、偏光板等により構成される。ミラー３３は、レーザ光３４が光学ヘッド３１から所定の方向に射出するように、光学素子群３２から射出されたレーザ光３４の光路を調整する。光学ヘッド３１から射出されたレーザ光３４は、溶接金属４２の一部である被処理部４３に照射される。被処理部４３は、照射されたレーザ光３４により加熱される。
　なお、補助加熱手段３は、レーザ照射により加熱可能なものであれば、その構成に限定はない。例えば、半導体レーザを光源に用いる場合等に、光源から射出された光が光ファイバーを介することなく光学ヘッド３１へ入射する構成が採用されることもある。
　ミラー３３として、ガルバノミラー等の可動ミラーを用いることにより、光学ヘッド３１から射出されるレーザ光３４の進行方向を可変に制御することができる。これにより、母材４におけるレーザ光３４の入射位置を制御することができる。ミラー３３を可動ミラーで構成することにより、ミラー３３を走査光学系として機能させることもできる。
　本実施形態の溶接装置１は、制御部５と、溶接手段２の溶接トーチ２０を保持して移動可能なトーチ移動機構６と、補助加熱手段３の光学ヘッド３１を保持して移動可能なヘッド移動機構７と、を有する。
　制御部５は、母材４上の溶接対象部の位置を示す情報や、溶接手段２の溶接トーチ２０の位置を示す情報、補助加熱手段３の光学ヘッド３１の位置を示す情報、溶接の処理速度を示す情報、外気温度を示す環境情報等に基づいて、溶接装置１の各部を制御する。これらの情報は、溶接を施す前や溶接中に、例えばユーザ（溶接作業者）から制御部５へ入力される。
　本実施形態の制御部５は、上記の各種情報に基づいて、溶接電源２１の出力を制御することにより溶接トーチ２０による溶接対象部への入熱を管理するとともに、トーチ移動機構６を制御することにより溶接対象部に対する溶接トーチ２０の位置を管理する。また、制御部５は、上記の各種情報に基づいて、レーザ光源３０の出力を制御することにより光学ヘッド３１から射出されるレーザ光３４の強度を管理するとともに、ヘッド移動機構７を制御することにより溶接トーチ２０に対する光学ヘッド３１の相対位置を管理する。制御部５は、溶接手段２により溶接された溶接部の熱影響部の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に補助加熱手段３が熱影響部を焼戻しの温度範囲まで加熱するように、溶接装置１の各部を制御する。
　図２は、溶接部を拡大して示す図である。図３は、溶接手段により加熱されているときの熱影響部の温度を示すグラフである。図３のグラフにおいて、評価位置Ｐ１は後述する熱影響部内の所定位置における温度履歴を表し、評価位置Ｐ２は焼戻し領域４４内の所定位置における温度履歴を表す。評価位置Ｐ１は、熱影響部最高硬さ試験の対象となる試験位置である。図３のグラフにおいて、縦軸は温度を表し、横軸は最高温度に到達した時間を原点とする時間を表す。
　図２に示すように、溶接部４０は、溶接金属４２、焼戻し領域４４、焼入れ領域４５を含んでいる。溶接金属４２は、溶融した母材４および溶融した溶接ワイヤ２４が一体となり冷却凝固した部分である。焼戻し領域４４および焼入れ領域４５は、熱影響部５０である。
　溶接金属４２と焼入れ領域４５との境界近傍（評価位置Ｐ１）は、焼入れにより最も硬度が高くなる部分である。
　焼入れ領域４５は、溶接熱による焼入れ効果が発現する温度範囲Ｔ１よりも高温になる部分である。焼入れ効果は、一般的に概ね８００℃から５００℃までの温度範囲Ｔ１における温度履歴の勾配で決まると言われている。温度履歴の勾配が緩やかになるほど、すなわち、溶接部が概ね８００℃から５００℃までの温度範囲Ｔ１に滞在する時間が長くなるほど、焼入れ効果が弱くなる。
　焼戻し領域４４は、焼入れ領域４５よりも溶接金属４２から離れている。焼戻し領域４４は、溶接熱による温度ピークが、焼戻し効果が発現する温度範囲内になる母材４の特定の部分である。
　この温度範囲Ｔ２に滞在する時間が長くなるほど、焼戻し効果が強くなる。焼戻し効果が発現する温度範囲Ｔ２は、母材４の材質により定まる。母材４が炭素鋼もしくは低合金鋼である場合には、焼戻し効果が発現する温度範囲Ｔ２は、概ね６００℃以上７００℃以下の範囲である。
　次に、本実施形態の溶接方法について、上記の溶接装置１を利用した溶接方法を例に挙げて説明する。ここでは、まず、溶接部４０の一部に着目した温度履歴を説明する。図４は、第１実施形態の溶接方法による熱影響部５０の温度を示すグラフである。図４のグラフにおいて、横軸は、溶接手段２によって評価位置Ｐ１への加熱が開始された時間を原点とする時間を示し、縦軸は、評価位置Ｐ１の温度を示す。
　本実施形態の溶接装置１は、溶接手段２が溶接した溶接部４０の熱影響部５０の靭性を回復すべく、補助加熱手段３が熱影響部５０を加熱するように、制御部５が各部を制御する。
　制御部５は、溶接手段２及びトーチ移動機構６を制御して、母材４を溶接する溶接処理を溶接手段２に実行させる。本実施形態の溶接処理は、溶接手段２に溶接された箇所が溶接線（溶接部）を形成するように、溶接手段２を溶接方向に移動させることにより実行される。
　溶接手段２からの入熱による評価位置Ｐ１の温度は、母材４の材質と、外気温度と、溶接トーチ２０の出力と、溶接トーチ２０の移動速度とに依存する。
　制御部５は、補助加熱手段３及びヘッド移動機構７を制御して、熱影響部５０をレーザ照射によって焼戻しの温度範囲まで加熱する加熱処理を実行させる。加熱処理は、溶接処理で溶接された溶接部４０の熱影響部５０の温度が焼戻しの温度範囲未満（ここでは、外気温度程度）となった後に、溶接部４０に溶接処理とは別に溶接が施されていない段階で実行される。
　本実施形態において、加熱処理は、溶接処理で溶接された箇所を溶接方向の後方から追跡して加熱するように、溶接処理と並行して行われる。詳しくは、制御部５は、母材４上の溶接部４０の各箇所が溶接されてから所定の時間遅れをもって溶接部がレーザ光３４の照射領域になるように、ヘッド移動機構７を制御して光学ヘッド３１の位置を管理する。
　上記の所定の時間遅れは、溶接手段２による評価位置Ｐ１への入熱が終了してから、評価位置Ｐ１の温度が放熱によって焼戻しの温度範囲未満となるまでの時間に応じて設定される。光学ヘッド３１の移動速度は、溶接トーチ２０と光学ヘッド３１と間の距離と、上記の時間遅れとに応じて設定される。
　補助加熱手段３によって加熱されているときの評価位置Ｐ１の温度は、加熱が開始される直前の評価位置Ｐ１の温度（以下、加熱処理の初期温度という）と、母材の材質と、外気温度と、光学ヘッド３１から射出されるレーザ光３４の強度と、光学ヘッド３１の移動速度とに依存する。上記の加熱処理の初期温度は、加熱処理での入熱と、外気温度と、上記の時間遅れとに依存する。
　ところで、上記の初期温度は、溶接処理及び加熱処理を複数回数行ったときに、ばらつきを有している。加熱処理を複数回行ったときの平均的な初期温度に対する実際の初期温度の誤差は、上記の時間遅れによって規定される初期温度の設定値が高いほど、大きくなる。すなわち、初期温度の設定値が高いほど、加熱処理中の評価位置Ｐ１の温度が所望の値に対して大きな誤差をもつ可能性が高くなる。この誤差を考慮して、加熱処理中の評価位置Ｐ１の温度が焼戻しの温度範囲に対して高くなり過ぎないように、補助加熱手段３による入熱にマージンをもたせると、十分な焼戻し効果が得られなくなる可能性や、処理時間が長時間になる可能性がある。
　本実施形態において、加熱処理が評価位置Ｐ１の温度が焼戻しの温度範囲未満になった後に実行されるので、溶接処理の直後に加熱処理が実行される場合と比較して、加熱処理の初期温度の誤差を減らすことができる。換言すると、溶接処理による入熱等のばらつきによる影響をほとんど受けることなく、加熱処理中の評価位置Ｐ１の温度を制御することができ、熱影響部５０を短時間で効果的に焼戻しすることができる。
　次に、本実施形態の溶接方法の全体のフローを説明する。図５（ａ）～（ｄ）は、第１実施形態の溶接方法の工程図である。本実施形態の溶接方法は、いわゆるテンパービード溶接であり、上記のように溶接処理と加熱処理とを含んだ一連の処理を行うことによって複数の第１の溶接線（初期層）を形成する。その後、各溶接線の上に第２の溶接処理と第２の加熱処理を行うことによって複数の第２の溶接線（上層）を形成する。以下同様に、必要な回数だけ一連の処理を繰り返すことによって、母材４に所望の厚みで溶接を施すことができる。
　溶接装置１は、母材４の表層に初期層の第１パスの溶接を施す（図５（ａ）参照）。これにより、溶接金属４２ａ、焼戻し領域４４ａ、焼入れ領域４５ａが形成される。この焼入れ領域４５ａは、溶接と同じパス（第１パス）で補助加熱手段３によって加熱され、焼戻しされる。
　次いで、溶接装置１は、初期層の第２パスの溶接を施す（図５（ｂ）参照）。第２パスでは、第１パスの溶接金属４２ａの一部、ここでは母材４の表面に沿う方向で溶接金属４２ｂが溶接金属４２ａの半分程度と重なるように溶接を施す。これにより、溶接金属４２ｂ、焼戻し領域４４ｂ、焼入れ領域４５ｂが形成される。
　次いで、溶接装置１は、第３パスの溶接を施す（図５（ｃ）参照）。第３パスでは、母材４の表面に沿う方向で溶接金属４２ｃが第２パスの溶接金属４２ｂの半分程度と重なるように溶接を施す。これにより、溶接金属４２ｃ、焼戻し領域４４ｃ、焼入れ領域４５ｃが形成される。同様にして母材に複数回数の溶接を行うことにより、母材４に初期層を形成する。初期層は、層状の溶接金属４２ｄ、層状の焼入れ領域４５ｄおよび層状の焼戻し領域４４ｄを含んでいる。焼戻し領域４４ｄと焼入れ領域４５ｄとを含んだ熱影響部５０は、通常であれば溶接熱により硬化しているが、上記の加熱処理で焼戻しされているので、靭性の低下が回復されている。
　次いで、溶接装置１は、初期層の上に溶接を施して上層を形成する（図５（ｄ）参照）。図５（ａ）に示した溶接と同様の溶接を施すことにより、溶接金属４２ｅ、焼戻し領域４４ｅ、焼入れ領域４５ｅが形成される。また、図５（ｂ）に示した溶接と同様に、初期層の表面に沿う方向で溶接金属４２ｅの半分程度と重なるように溶接を施す。これにより、溶接金属４２ｆ、焼戻し領域４４ｆ、焼入れ領域４５ｆが形成される。同様にして初期層に複数回数の溶接を行うことにより、初期層上に上層を形成する。上層の溶接では、初期層の焼入れ領域４５ｄに焼戻し効果を発現するように、すなわち上層の焼戻し領域４４ｅ、４４ｆが初期層の焼入れ領域４５ｄと重なるように、上層の層厚や溶接手段２による入熱、補助加熱手段３の入熱を調整する。具体的には、溶接部４０が溶接手段２により加熱されてから補助加熱手段３により加熱されるまでの時間や、補助加熱手段３の出力を設定する。以下同様に、形成された上層を下地として、所望の数の上層を積層することにより、所望の層厚の溶接部４０が得られる。
　以上のような本実施形態の溶接装置１によれば、溶接処理と加熱処理とを同じパスで実行することができ、効率よく溶接を施すことができるとともに焼入れによる靭性の低下を回復することができる。また、加熱処理では、熱影響部５０の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に、熱影響部５０をレーザ照射によって焼戻しの温度範囲まで加熱するので、熱影響部５０の温度を高精度に制御することができ、熱影響部５０を短時間で効果的に焼戻しすることができる。
　また、本実施形態では、溶接の初期層の上に、第２溶接処理と第２加熱処理とを含んだ一連の処理を行って上層を形成し、第２溶接処理は、初期層の溶接処理で溶接された溶接部４０の熱影響部５０が焼戻しの温度範囲内に加熱されるように行われる。したがって、所望の層厚の溶接部４０が得られるとともに、上層側を形成する溶接の入熱による下層側の焼戻し効果を高めることができる。よって、溶接部４０を所望の機械特性にするために必要な層の数を減らすことができ、母材に効率よく溶接を施すことができる。
　また、加熱手段の熱源がアークであれば、母材を十分に加熱することが容易になる。また、補助加熱手段の熱源がレーザ光であるので、加熱手段と補助加熱手段との間に磁気吹きを生じることがない。
　本実施形態の溶接方法は、下向き姿勢のみならず上向き姿勢等の溶接姿勢での溶接が要求される場合に特に有効である。下向き姿勢以外の溶接姿勢では、一般に溶融池の垂れ落ちを回避可能な程度に溶接用の入熱が低く設定されるので、パスの数が増えてしまうとともに焼戻し効果が軽減してしまう。本実施形態の溶接方法は、溶接用の入熱を減らした場合でも焼戻し効果を高めることができるので、パスの増加による効率低下を回避することができる。このように、本実施形態の溶接方法は、全姿勢で良好に溶接を施すことが可能であるので、多様な溶接対象に対応可能になる。
［第２実施形態］
　次に、第２実施形態の溶接方法について説明する。第２実施形態の溶接方法は、例えば第１実施形態で説明した溶接装置を利用して、行うことができる。第１実施形態と同様の構成要素については、同じ符号を付して、説明を簡略化あるいは省略することがある。
　図６は、第２実施形態の溶接方法を示す概念図である。
　図６に示すように、第２実施形態において、加熱処理は、溶接部４０が溶融するように行われる。詳しくは、制御部５は、溶接手段２によって形成された溶接金属４２が補助加熱手段３による入熱で溶融するように、補助加熱手段３を制御する。本実施形態では、溶接金属４２が溶融した溶融池に第２の溶接ワイヤ３５を供給しながら、加熱処理が行われる。
　これにより、第２の溶融金属（溶接部）４６が形成される。
　ところで、溶接金属４２が溶融しない温度の近傍までレーザ照射により溶接金属４２を加熱すると、レーザ光３４が照射されている部分の溶接金属４２は、加熱温度の誤差によって部分的に溶融温度以上に加熱され、部分的に溶融することがある。レーザ光３４が照射されている部分に溶融池と非溶融部とが形成されていると、レーザ光３４の吸収率が溶融池と非溶融部とで異なるようになり、レーザ光３４が照射されている部分の温度を高精度に制御することが難しくなる。
　第２実施形態の溶接方法では、レーザ光３４が照射されている部分がほぼ全域にわたって溶融するように加熱処理を行っているので、レーザ光３４が照射されている部分の温度を高精度に制御することができ、図２に示す溶接部４０の熱影響部５０の温度を高精度に制御することができる。また、加熱処理は、溶接金属４２が溶融した溶融池に第２の溶接ワイヤ３５を供給しながら行われるので、溶接金属４２と第２の溶融金属４６を含んだ溶接部４０の厚みを稼ぐことができ、所望の厚みの溶接部４０を形成する上で必要なパス数を減らすことができる。
　なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、溶接手段の加熱手段の熱源がレーザ光であってもよい。このようにすれば、加熱手段の出力を制御することが容易になる。
　また、上記の実施形態の溶接方法は、溶接装置１を利用しないで行うこともできる。例えば、溶接手段２と補助加熱手段３の少なくとも一方の位置あるいは出力を、制御部５に代えて手動で制御してもよい。第２実施形態では、補助加熱手段３によって溶融した溶融池に第２の溶接ワイヤ３５を供給しながら加熱処理を行っているが、加熱処理は、溶接ワイヤを供給しないで溶融金属を溶融させるだけの処理でもよい。
　また、次に説明する変形例のように、補助加熱手段３から射出されるレーザ光の強度分布や数、照射領域の制御等により、溶接部４０の温度履歴を制御することも可能である。
　図７（ａ）～（ｃ）は、レーザ光の強度分布を調整した変形例を示す模式図である。図８（ａ）、（ｂ）は、レーザ光の光線の数を増やした変形例を示す模式図である。図９（ａ）、（ｂ）は、レーザ光の照射領域を可変に制御するようにした変形例を示す模式図である。図１０は、溶融金属の温度分布を示す分布図である。図７（ａ）～（ｃ）、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）の各図には、母材表面におけるレーザ光のスポットの平面形状と、スポット内の溶接方向の光強度の分布とを図示している。
　一般にレーザ光源として、レーザ光の光軸に直交する面内におけるスポット形状が円形であり光強度の分布がガウス分布であるものが知られている。
　図７（ａ）に示す変形例１では、レーザ光のスポットＳ１の平面形状が略円形になっている。スポットＳ１の強度分布は、ガウス分布よりも半値半幅が大きくなっており、光強度のピーク周りでブロードな分布になっている。このようにすれば、レーザ光の照射領域における入熱を均一化することができる。
　図７（ｂ）に示す変形例２では、レーザ光のスポットＳ２の平面形状が、溶接方向を長軸とする略楕円形になっている。このようにすれば、同じ出力のレーザ光間で比較したときに、溶接方向での加熱時間を増やすことができ、焼入れ効果を軽減し、あるいは焼戻し効果を高めるように、焼入れの温度範囲あるいは焼戻しの温度範囲に熱影響部５０が滞在する時間を長くすることができる。
　図７（ｃ）に示す変形例３では、レーザ光のスポットＳ３は、溶接方向に並ぶ２つのスポットに分かれており、各々スポットの平面形状が、略円形になっている。スポットＳ３の強度分布は、光軸を挟んで２つの光強度のピークを有している。このようにすれば、端的には１つレーザ光によって焼入れ期間を長くするとともに、焼戻しすることができる。
　レーザ光のスポットの平面形状や強度分布については、変形例１～３以外にも、所望の温度履歴が得られるように適宜変形可能である。
　図８（ａ）に示す変形例４では、独立した２つのレーザ光を用いており、２つのスポットＳ４ａ、Ｓ４ｂが互いに一部を重ね合わされて配置されている。スポットＳ４ａ、Ｓ４ｂの全体としての強度分布は、光強度のピーク周りでブロードな分布になっている。このようにすれば、レーザ光の照射領域における入熱を均一化することができる。
　図８（ｂ）に示す変形例５では、独立した３つのレーザ光を用いており、３つのスポットＳ５ａ、Ｓ５ｂ、Ｓ５ｃが互いに一部を重ね合わされて配置されている。
　レーザ光の数としては、変形例４、５以外にも所望の温度履歴が得られるように適宜変形可能である。
　図９（ａ）に示す変形例６では、１つのレーザ光を用いており、スポットＳ６が溶接方向に移動するようにレーザ光を走査している。走査周期で時間平均した光強度の分布は、溶接方向にブロードな分布になる。このようにすれば、レーザ光の照射領域の面積を確保しつつレーザ光源の数を減らすことや、レーザ光の照射領域を広げることができる。
　図９（ｂ）に示す変形例７では、１つのレーザ光を用いており、スポットＳ７が溶接方向に蛇行して移動するようにレーザ光を走査している。走査周期で時間平均した光強度の分布は、溶接方向および幅方向にブロードな分布になる。このようにすれば、レーザ光の照射領域の面積を確保しつつレーザ光源の数を減らすことや、レーザ光の照射領域を広げることができる。
　図１０に示す変形例８では、溶接部４０の一部を溶融するように加熱可能な第１スポットＳ３（図７（ｃ）参照）と、溶融した溶融部の一部に対して溶接方向の後方の部分を溶融しないように加熱可能な第２スポットＳ３（図７（ｃ）参照）とを有するレーザ光を用いて、レーザ照射を行っている。図１０に示すように、第１スポットＳ３が照射された溶融加熱部は、第２スポットＳ３が照射された非溶融加熱部よりも温度が高くなっている。ここでは、第２スポットＳ３の照射領域は、第１スポットＳ３の照射領域よりも広範囲にわたっている。このようなレーザ光は、例えば変形例１～７の２以上を組み合わせることで、実現することができる。このようにすれば、第２スポットＳ３が照射されている領域の熱影響部５０が、焼戻しの温度範囲に保持される時間を延ばすことができ、熱影響部５０を効果的に焼戻しすることができる。
　本発明の溶接方法及び溶接装置によれば、焼戻しするときの溶接部の温度を高精度に制御可能である。
１・・・溶接装置、２・・・溶接手段、３・・・補助加熱手段、４・・・母材、５・・・制御部、６・・・トーチ移動機構、７・・・ヘッド移動機構、２０・・・溶接トーチ、２１・・・溶接電源、２２・・・電極、２３・・・アーク、２４・・・溶接ワイヤ、３０・・・レーザ光源、３１・・・光学ヘッド、３２・・・光学素子群、３３・・・ミラー、３４・・・レーザ光、３５・・・第２の溶接ワイヤ、４０・・・溶接部、４１・・・溶融池、４２・・・溶接金属

Claims (8)

  1. 　母材を溶接する溶接処理と、
    　前記溶接処理で溶接された溶接部の熱影響部の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に、前記溶接部に前記溶接処理とは別に溶接が施されていない段階で、前記熱影響部をレーザ照射によって焼戻しの温度範囲まで加熱する加熱処理と、を有する溶接方法。
  2. 　前記溶接処理された溶接部に前記加熱処理を施した後に、前記溶接部の上に溶接を施す第２溶接処理を有し、
    　前記第２溶接処理は、前記溶接処理で溶接された溶接部の熱影響部が焼戻しの温度範囲内に加熱されるように行われる請求項１に記載の溶接方法。
  3. 　前記溶接処理では、所定の溶接方向に沿って溶接が行われ、
    　前記加熱処理は、前記溶接処理で溶接された箇所を前記溶接方向の後方から追跡して加熱するように、該溶接処理と並行して行われる請求項１又は２に記載の溶接方法。
  4. 　前記加熱処理の前記レーザ照射は、前記溶接部が溶融するように行われる請求項１～３のいずれか一項に記載の溶接方法。
  5. 　前記加熱処理の前記レーザ照射は、前記溶接部に溶接ワイヤを供給しながら行われる請求項４に記載の溶接方法。
  6. 　前記溶接処理では、所定の溶接方向に沿って溶接が行われ、
    　前記加熱処理で照射されるレーザ光は、前記溶接部の一部を溶融するように加熱可能な第１スポットと、前記一部に対して前記溶接方向の後方の部分を溶融しないように加熱可能な第２スポットとを有する請求項４又は５に記載の溶接方法。
  7. 　前記溶接処理は、アークを熱源として行われる請求項１～５のいずれか一項に記載の溶接方法。
  8. 　母材を加熱する加熱手段を含んだ溶接手段と、
    　前記溶接手段の溶接方向の後方に配置され、前記溶接手段に溶接された溶接部の熱影響部の温度が焼戻しの温度範囲未満となった後に前記熱影響部を焼戻しの温度範囲までレーザ照射によって加熱するように、前記溶接手段に対する相対位置が制御される補助加熱手段と、を備えている溶接装置。
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