WO2013001934A1 - Ｔ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法 - Google Patents

Ｔ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法 Download PDF

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arc
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旭東 張
栄次 芦田
湘 多羅沢
幸弘 曽我
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint that joins two members to form a T-shaped joint.
  • the shape of the welded joint that joins the two metal members varies depending on the product shape and performance requirements.
  • one type is a T-shaped joint in which the other plate material (hereinafter referred to as a rib) is installed on the surface of one plate material (hereinafter referred to as a flange).
  • This T-shaped joint is often formed by arc welding.
  • arc welding has the problems of low welding speed and large deformation.
  • FIG. 4 and FIG. 7 of Japanese Patent Laid-Open No. 2008-272826 show laser independent welding in which laser welding is performed in a groove shape that does not leave a gap between a flange and a rib constituting a T-shaped joint.
  • FIGS. 9 and 10 each disclose a technique of a welding method in which laser / arc combined welding using laser welding and arc welding is applied to a groove between a flange and a rib.
  • Patent Document 2 discloses that a re-shaped or J-shaped groove is provided in a gap between a flange and a rib constituting a T-shaped joint, and the root of the re-shaped or J-shaped groove.
  • a technique of a welding method that combines laser welding and arc welding is disclosed in which laser welding is applied to a portion and arc welding is applied to an expanded portion of the ladle or J-shaped groove.
  • arc welding is performed on one side of a groove shape that does not leave a gap between the flange and the rib constituting the T-shaped joint.
  • a technique of a welding method combining laser welding and arc welding is disclosed in which laser welding is performed as finish welding on the other side of the groove shape between the flange and the rib.
  • the flange and the T-type joint having a rib thickness of more than a dozen mm or more are provided.
  • the plate thickness at which the flange contact portion of the T-shaped joint and the rib contact portion are melt-bonded when no groove is provided at the rib contact portion is provided.
  • welding is performed by providing a L-shaped groove or a J-shaped groove at the contact portion between the flange and the rib of the T-shaped joint.
  • the welding method combining laser welding and arc welding with a T-type joint provided with a lave groove or a J-type groove has insufficient penetration depth of the weld, and welding with stable penetration depth is possible. There is a problem that part cannot be obtained.
  • the local groove shape near the laser irradiation position 6 (laser beam 3 and the action point of the object to be welded) for irradiating the laser beam 3 of laser welding is the groove. Since the V-shaped portion above the root portion 41 has an acute angle, the molten metal melted by the laser irradiation is pulled by the side wall of the V-shaped portion above the groove root portion 41 due to the effect of surface tension. This is due to the fact that the flow is prevented from flowing backward in the welding direction.
  • the amount of molten metal in the laser irradiation increases, and as shown in FIG. 5 of the comparative example, the penetration depth 11 of the weld 7 formed starting from the laser irradiation position 6 becomes shallow, and the weld There is a problem that the penetration shape of 7 becomes unstable.
  • the T-shaped joint in which the rib, which is the other material to be welded is in contact with the surface of the flange, which is the other material to be welded.
  • a groove portion is formed on a side surface of the rib to be a contact portion between the rib constituting the T-shaped joint and the flange, and A flat part is formed at the bottom of the groove part formed in the contact part, and the groove part formed with the flat part is subjected to composite welding using both laser welding for irradiating laser light and arc welding.
  • a weld bead of weld metal is formed in the groove portion, and the flange and the rib constituting the T-shaped joint are welded.
  • the T type in which the rib which is the other material to be welded is brought into contact with the surface of the flange which is the one material to be welded so as to be orthogonal to each other.
  • groove portions are respectively formed on the side surfaces of both sides of the rib material to be a contact portion between the rib and the flange constituting the T-shaped joint, Laser welding and arc in which flat portions are formed at the bottoms of the two groove portions formed at the abutting portions with the flanges of the ribs, and laser light is irradiated to both the groove portions formed with these flat portions.
  • Composite welding using both of the welding is performed to form weld beads of weld metal on both of the groove portions, and the flange and the rib constituting the T-shaped joint are welded.
  • the T-shaped joint in which the rib, which is the other material to be welded, is in contact with the surface of the flange, which is the other material to be welded is orthogonal.
  • a groove portion is formed on a side surface of the rib to be a contact portion between the rib constituting the T-shaped joint and the flange, and The groove portion formed on the contact portion is formed by an arc portion and an inclined surface having an inclination angle connected to the arc portion, and the groove portion formed by the arc surface and the inclined surface connected to the arc portion is formed on the groove portion.
  • the flange and the rib constituting the T-shaped joint are welded by providing a weld portion in which a weld bead is formed in the groove portion by performing combined welding using both laser welding and laser welding that irradiate laser light. It is characterized by
  • an increase in energy consumption and a decrease in welding efficiency are avoided, and a deep weld is obtained at the bonding surface between the flange and the rib of the T-shaped joint, and a weld joint having a stable penetration shape is obtained.
  • a combined welding method of laser welding and arc welding of the T-shaped joint can be realized.
  • FIG. 1 shows a T-shaped joint to be welded in a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint according to a first embodiment of the present invention.
  • the object to be welded is a carbon steel plate material that forms ribs 2 that are 400 mm long, 200 mm wide, and 20 mm thick on a carbon steel plate material that forms a flange 1 that is 400 mm long, 400 mm wide, and 20 mm thick. This constitutes a T-shaped joint.
  • the welding in which the flange 1 and the rib 2 are joined to form a T-shaped joint was performed by laser / arc combined welding using the laser beam 3 and the arc 100 together.
  • the arrow indicates the welding direction.
  • FIG. 2 shows a groove shape formed at the contact portion of the flange 1 and the rib 2 of the T-shaped joint to be welded in the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-shaped joint according to the first embodiment of the present invention. Indicates.
  • the flat portion 4 in the groove portion A in which the flat portion 4 is provided at the bottom portion that becomes the contact portion between the flange 1 and the rib 2 of the T-shaped joint is formed by machining in another process not shown. It has been done.
  • the width of the flat portion 4 in the groove portion A in which the flat portion 4 is provided at the bottom portion where the flange 1 and the rib 2 of the T-shaped joint are in contact is confirmed by experiment.
  • a deep penetration shape peculiar to welding cannot be obtained stably, and in order to melt and bond the abutting portion between the flange 1 and the rib 2 as in the T-type joint of the present invention, the laser has the flange 1 It is necessary to irradiate the rib 2 side with an angle with the surface.
  • the width of the flat portion 4 formed on the bottom portion of the groove portion A in which the flat portion 4 is provided at the bottom portion serving as the contact portion between the flange 1 and the rib 2 needs to be at least 1 mm. Further, if the width of the flat portion 4 formed at the bottom of the groove portion A is too wide, a large amount of weld metal is required to fill the groove portion A. Therefore, the width of the flat portion 4 of the groove portion A is 5 mm. The following is preferable.
  • the flat portion of the groove portion A provided with the flat portion 4 at the bottom portion that becomes the contact portion between the flange 1 and the rib 2 of the T-shaped joint.
  • the width of the part 4 was 2 mm.
  • the flat portion 4 of the groove portion A is formed to be perpendicular to the contact surface between the flange 1 and the rib 2.
  • the flat portion 4 may be formed so as to be orthogonal to a center line 31 of a laser beam 3 to be described later.
  • the groove root portion 41 shown in FIG. 2, which serves as the contact surface between the flange 1 and the rib 2 forming the T-shaped joint, is determined by welding conditions such as a predetermined laser output of the laser beam 3 and a welding speed. Is desirable.
  • the dimension of the route portion 41 is 12 mm.
  • each of the flange 1 and the rib 2 is fixed using a restraining jig (not shown), and the flange 1 and the rib 2 are brought into contact with each other.
  • the groove root portion 41 serving as the contact surface is held so that there is no gap.
  • the laser beam 3 output from a laser oscillator (not shown) is guided by an optical fiber (not shown) and condensed by a condenser lens (not shown) of the laser processing head.
  • the condensed laser beam 3 is irradiated on the surface of the flat portion 4 of the groove portion A provided on the rib 2.
  • the laser beam 3 for laser welding is irradiated from the side where the flat portion 4 of the groove portion A provided on the rib 2 is formed.
  • the laser irradiation position 6 shown in FIG. 2 which is the point of action of the laser beam 3 and the flat portion 4 is an end portion on the rib 2 side of the flat portion 4 of the groove portion A (the flat portion 4 is a flange).
  • the distance from the position in contact with 1) is set to be 1/2 or more of the width of the flat portion 4.
  • the upper limit distance of the laser irradiation position 6 is a position where the irradiated laser beam 3 does not interfere with the wall surface of the groove portion A.
  • the laser irradiation angle for irradiating the laser beam 3 is such that the center line 31 of the laser beam 3 is the laser irradiation position 6, the back end of the rib 2, and the flange 1, as shown by a one-dot chain line in FIG. 2. It was set to pass through the intersection 5 with the surface.
  • Arc welding includes an arc welding power source, a shield gas supply device, a welding wire feeding device, and a welding torch 100 (not shown).
  • the laser beam 3 is preceded in the welding direction, but the arc may be preceded.
  • a shielding gas is used to prevent oxidation of the molten metal.
  • a gas composed of at least one selected from argon, helium, nitrogen, oxygen, carbon dioxide and the like is used.
  • shielding gas is used for laser / arc combined welding, which is advantageous for the stability of arc welding, but when the distance between the laser beam and the arc is large, two different types of shielding gas are used. May be.
  • the shielding gas that does not easily generate porosity even when the shielding gas is taken in by forming a keyhole by laser light irradiation and the shielding gas that stabilizes the arc welding process are not necessarily the same.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional shape of a welded portion of a T-shaped joint manufactured by a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint according to this embodiment.
  • a welding portion 7 in which a welding bead 71 on the front side is formed by arc welding is provided on A, and at the same time, the flange 1 and the rib 2 are welded through the rib 2 by laser welding that irradiates laser light 3.
  • a welded portion 7 having a backside weld bead 72 having a stable shape can also be provided on the backside of the plate.
  • FIG. 4 shows a laser mold in which laser-arc combined welding is performed using a laser beam groove 4b that does not have a flat portion 4 at a groove portion between a flange 1 and a rib 2 constituting a T-shaped joint as a comparative example.
  • the groove shape is shown.
  • the dimensions of the groove root 41 serving as the contact surface between the flange 1 and the rib 2 are the same as those used in the laser welding method of the T-type joint and the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-type joint of the first embodiment.
  • the laser-arc combined welding of the comparative example shown in FIGS. 4 and 5 is the same as that used in the laser welding method of the T-type joint and the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-type joint of the first embodiment. This was carried out by a laser-arc combined welding method with a different configuration.
  • FIG. 5 shows a welding result of a comparative example when laser-arc combined welding is performed on a ladle groove.
  • the laser / arc combined welding of the comparative example shown in FIG. 5 shows the welding result of the comparative example when laser / arc combined welding is performed on the ladle groove 4b of the T-shaped joint shown in FIG. is there.
  • the front side of the welded rib 2 of the T-shaped joint is provided with a welded portion 7 in which a good front-side weld bead is formed. 3, the penetration depth 11 of the welded portion 7 is insufficient, and the contact portion between the flange 1 and the rib 2 is not completely melted. An unmelted part is generated.
  • the contact between the flange 1 and the rib 2 is achieved.
  • the flange 7 and the rib 2 are welded by penetrating the rib 2 from the front side to the back side by the laser beam 3, and a weld bead 7 having a stable back side bead 72 is formed on the back side of the rib 2. Therefore, a deep penetration from the front surface of the rib 2 to the back surface can be obtained at the bonding surface between the flange 1 and the rib 2 of the T-shaped joint, and a weld joint having a stable penetration shape can be obtained.
  • an increase in energy consumption and a decrease in welding efficiency are avoided, and a deep penetration is obtained at the bonding surface between the flange and the rib of the T-shaped joint.
  • a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint that can obtain a stable welded joint can be realized.
  • the laser welding and arc welding combined welding method of the T-type joint of the present embodiment has the same basic configuration as the laser welding and arc welding combined welding method of the T-shaped joint of the first embodiment described above. Therefore, the description of the configuration common to both is omitted, and only different parts will be described below.
  • the contact portion between the flange 1 and the rib 2 is welded from both sides of the rib 2.
  • FIG. 6 shows the groove shape of the T-shaped joint used in the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-shaped joint according to the second embodiment of the present invention.
  • the object to be welded is a T-shaped joint in which a rib 2 of a stainless steel plate of length 400 mm ⁇ width of 400 mm ⁇ thickness of 30 mm is welded onto a flange 1 of a stainless steel plate of length 400 mm ⁇ width 400 mm ⁇ thickness 30 mm. is there.
  • Groove portions A provided with flat portions 4 and 9 on both sides of the rib 2 are respectively provided on the bottom portion of the T-shaped joint which is a contact portion between the flange 1 and the rib 2.
  • the widths of the flat portions 4 and 9 were 3 mm.
  • the welding to be performed was performed by a laser / arc combined welding method having the same configuration as the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-shaped joint in the first embodiment.
  • Ar + 2% O 2 gas different from the first embodiment was used.
  • the laser irradiation position 6 of the laser beam 3 is the center in the width direction of the flat portions 4 and 9 at the lower part of each groove portion A on both sides of the rib 2 as in the case of the first embodiment shown in FIG. A point (a point that is half the width of the flat portions 4 and 9) was used.
  • the extension lines of the center line 31 of the laser beam 3 are the laser irradiation position 6, the rib 2 and the flange 1. It set so that the intersection 5 of the back surface end of the rib 2 used as a contact part and the surface of the flange 1 might pass.
  • the combined welding method of laser welding and arc welding of the present embodiment may be performed simultaneously with the combined welding method of laser welding and arc welding from both the grooves A formed on both sides of the rib 2 or the groove.
  • the combined welding method of laser welding and arc welding may be applied to each side of A.
  • the welded portion 8 having 81 formed therein the melted portion 7 and the melted portion 8 are joined at the central portion, and a good melted shape with no unmelted residue at the contact portion between the rib 2 and the flange 1 is obtained.
  • a high-quality T-type welded joint with no weld defects was obtained.
  • an increase in energy consumption and a decrease in welding efficiency are avoided, and a deep penetration is obtained at the bonding surface between the flange and the rib of the T-shaped joint.
  • a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint that can obtain a stable welded joint can be realized.
  • the laser welding and arc welding combined welding method of the T-type joint of the present embodiment has the same basic configuration as the laser welding and arc welding combined welding method of the T-shaped joint of the first embodiment described above. Therefore, the description of the configuration common to both is omitted, and only different parts will be described below.
  • the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-shaped joint of the present embodiment is an example in which the shape of the groove portion is different from the same welding target as in the first embodiment.
  • FIG. 8 shows the shape of the groove portion B in the combined welding method of laser welding and arc welding of the T-shaped joint of this example.
  • the groove portion B in the present embodiment is configured by an arc portion 10 having a radius R formed at one end of a contact portion between the rib 2 and the flange 1, and an inclined surface 12 having an inclination angle ⁇ connected to the arc portion 10. It becomes the shape of the groove part.
  • the radius of curvature of the radius R forming the arc portion 10 constituting the groove portion B is 1 mm, and the width of the inclined surface 12 constituting the groove portion B is 1 mm.
  • the inclination angle ⁇ of the inclined surface 12 that is the groove angle of the groove portion B is 20 degrees, but the inclination angle ⁇ can be set in the range of 5 to 45 degrees.
  • the dimension of the root part 41 where the groove of the rib 2 is not set is 12 mm, which is the same as that of the root part 41 in the first embodiment.
  • the tip B is used.
  • a welded portion 82 is provided in which the groove portion B is backfilled using arc welding called GMAW (Gas Metal Arc Welding) to form a front-side bead 72.
  • GMAW Gallium Arc Welding
  • a welded portion 81 and a welded portion 82 as shown in FIG. 9 can be provided. That is, in this embodiment, the root portion 41 is completely melted by applying laser welding to the groove portion B formed by the arc portion 10 and the inclined surface 12 having the inclination angle ⁇ connected to the arc portion 10, so that the rib portion 41 is completely melted. 2 penetrates to the back side, and a welded portion 81 in which a weld bead 72 on the back side is formed on the rib 2 can be provided.
  • the welding material is not added, and welding is performed only with the laser.
  • welding may be performed while adding the welding material.
  • the backfill welding of the groove portion B is not limited to GMAW, but may be GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), plasma welding, or laser welding while adding a welding material.
  • an increase in energy consumption and a decrease in welding efficiency are avoided, and a deep penetration is obtained at the bonding surface between the flange and the rib of the T-shaped joint.
  • a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint that can obtain a stable welded joint can be realized.
  • the present invention is applicable to a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint, but is particularly effective for a combined welding method of laser welding and arc welding of a T-shaped joint of medium and thick plates.

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Abstract

エネルギーの消費量の増加や溶接効率の低下を回避して、Ｔ型継手のフランジとリブとの接着面に深い溶込みを得ると共に溶込み形状の安定した溶接継手を得るＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法を実現すべく、一方の被溶接材であるフランジ（１）の面上に他方の被溶接材であるリブ（２）を直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、Ｔ型継手を構成するリブ（２）とフランジ（１）との当接部となる該リブの側面に開先部（Ａ）を形成し、前記リブのフランジとの当接部に形成した開先部（Ａ）の底部に平坦部（４）を形成し、この平坦部（４）を形成した前記開先部（Ａ）にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を実施して前記開先部（Ａ）に溶接金属の溶接ビード（７１）、（７２）を形成し、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接する。

Description

Ｔ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法
　本発明は、２つの部材を接合させてＴ型継手を形成するＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法に関するものである。
　２つの金属部材を接合させる溶接継手の形状は、製品の形状と性能の要求に応じて異なる。板材と板材を溶接させる場合、一方の板材（以下フランジと称す）の面上に他方の板材（以下リブと称す）を設置した構成のＴ型継手はその一つである。
　このＴ型継手はアーク溶接によって接合して形成することが多い。しかし、アーク溶接は溶接速度が低く、変形が大きいという問題点がある。
　そこで、最近では、Ｔ型継手の溶接にアークに比べエネルギー密度が高いレーザ光を利用したレーザ溶接や、レーザ光とアークを併用したレーザ・アーク複合溶接が行われている。
　特開２００８－２７２８２６号公報（特許文献１）の図４及び図７には、Ｔ型継手を構成するフランジとリブとの間に隙間を空けない開先形状にレーザ溶接を施工するレーザ単独溶接が、及び、図９及び図１０にはフランジとリブとの間の開先にレーザ溶接とアーク溶接とを併用したレーザ・アーク複合溶接を施工する溶接方法の技術がそれぞれ開示されている。
　特開２００６－２２４１３７号公報（特許文献２）には、Ｔ型継手を構成するフランジとリブとの間の隙間にレ型またはＪ型開先を設け、該レ型またはＪ型開先のルート部にレーザ溶接を施工すると共に、該レ型またはＪ型開先の拡開部にアーク溶接を施工するようにした、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合せた溶接方法の技術が開示されている。
　特開２００９－８２９８０号公報（特許文献３）の図２には、Ｔ型継手を構成するフランジとリブとの間との間に隙間を空けない開先形状の一方の片側にアーク溶接を施して接合し、フランジとリブとの間の前記開先形状の他方の片側にレーザ溶接を仕上げ溶接として施して接合する、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合せた溶接方法の技術が開示されている。
特開２００８－２７２８２６号公報 特開２００６－２２４１３７号公報 特開２００９－８２９８０号公報
　ところで、特開２００６－２２４１３７号公報に開示されたようなレーザ溶接とアーク溶接とを組み合せた溶接方法に関する技術では、リブの厚さが十数ｍｍ以上であるＴ型継手に対して、フランジとリブの当接部に開先を設けない場合にＴ型継手のフランジとリブの当接部を溶融接合させる板厚に限界がある。そのため、上記Ｔ型継手のフランジとリブの当接部にレ型開先またはＪ型開先を設けて溶接が行われている。
　しかしながら、Ｔ型継手にレ型開先またはＪ型開先を設けたレーザ溶接とアーク溶接とを組み合せた溶接方法は溶接部の溶込み深さが不十分であり、溶け込み深さの安定した溶接部が得られないという問題がある。
　これは、比較例の図４に示すように、レーザ溶接のレーザ光３を照射するレーザ照射位置６（レーザ光３と被溶接対象の作用点）付近の局部的な開先形状は、開先ルート部４１の上方のＶ型部分が鋭角であるため、レーザ照射による溶融された溶融金属が、表面張力の効果で開先ルート部４１の上方のＶ型部分の側壁に引っ張られ、この溶融金属が溶接方向の後方に流動することが阻害されることによるものである。
　その結果、レーザ照射における溶融金属の量が増加し、比較例の図５に示すように、レーザ照射位置６を起点として形成される溶接部７の溶込み深さ１１が浅くなるとともに、溶接部７の溶込み形状が不安定となるという課題がある。
　そこで、レーザ出力を増やすことや、溶接速度を減らすことにより、上述の溶接部７の溶込み深さを増加させることは可能であるが、この場合、レーザ出力増大によるエネルギーの消費量の増加や、溶接速度減少による溶接効率の低下を招くという課題がある。
　本発明の目的は、エネルギーの消費量の増加や溶接効率の低下を回避して、Ｔ型継手のフランジとリブとの接着面に深い溶込みを得ると共に溶込み形状の安定した溶接継手を得るようにしたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法を提供することにある。
　本発明のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法は、一方の被溶接材であるフランジの面上に他方の被溶接材であるリブを直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、前記Ｔ型継手を構成する前記リブと前記フランジとの当接部となる該リブの側面に開先部を形成し、前記リブのフランジとの当接部に形成した前記開先部の底部に平坦部を形成し、この平坦部を形成した前記開先部にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を施して前記開先部に溶接金属の溶接ビードを形成し、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接することを特徴とする。
　また、本発明のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法は、一方の被溶接材であるフランジの面上に他方の被溶接材であるリブを直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、前記Ｔ型継手を構成する前記リブと前記フランジとの当接部となる該リブ材の両側の側面に開先部をそれぞれ形成し、　前記リブのフランジとの当接部に形成した前記双方の開先部の底部に平坦部を形成し、これらの平坦部を形成した前記双方の開先部にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を施して前記双方の開先部に溶接金属の溶接ビードをそれぞれ形成し、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接することを特徴とする。
　本発明のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法は、一方の被溶接材であるフランジの面上に他方の被溶接材であるリブを直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、前記Ｔ型継手を構成する前記リブと前記フランジとの当接部となる該リブの側面に開先部を形成し、前記リブのフランジとの当接部に形成した前記開先部は円弧部と該円弧部に連なる傾斜角を有する傾斜面によって形成し、この円弧部と該円弧部に連なる該傾斜面によって形成された前記開先部にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を施して前記開先部に溶接ビードを形成した溶接部を設けることにより、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接することを特徴とする。
　本発明によれば、エネルギーの消費量の増加や溶接効率の低下を回避して、Ｔ型継手のフランジとリブとの接着面に深い溶込みを得ると共に溶込み形状の安定した溶接継手を得るようにしたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法が実現できる。
本発明の第１実施例における溶接対象のＴ型継手を示す概略図。 本発明の第１実施例におけるＴ型継手の開先形状を示す概略図。 本発明の第１実施例におけるＴ型継手の溶接結果を示す概略図。 比較例のＴ型継手の開先形状を示す概略図。 比較例のＴ型継手の溶接結果を示す概略図。 本発明の第２実施例におけるＴ型継手の開先形状を示す概略図。 本発明の第２実施例におけるＴ型継手の溶接結果を示す概略図。 本発明の第３実施例におけるＴ型継手の開先形状を示す概略図。 本発明の第３実施例におけるＴ型継手の溶接結果を示す概略図。
　本発明の実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法について、図面を引用して以下に詳細を説明する。
　本発明の第１実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法について、図１及び図２を用いて詳細に説明する。
　図１は、本発明の第１実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法における溶接対象のＴ型継手を示すものである。
　その溶接対象は、長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×厚さ２０ｍｍのフランジ１を形成する炭素鋼板材の上に、長さ４００ｍｍ×幅２００ｍｍ×厚さ２０ｍｍのリブ２を形成する炭素鋼板材が溶接されてＴ型継手を構成したものである。
　フランジ１とリブ２とを接合させてＴ型継手を形成する溶接は、レーザ光３とアーク１００を併用したレーザ・アーク複合溶接で実施した。尚、矢印は溶接方向を示す。
　図２は、本発明の第１実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法における溶接対象のＴ型継手の、フランジ１とリブ２の当接部に形成した開先形状を示す。
　図２において、Ｔ型継手の前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部に平坦部４を設けた開先部Ａにおける平坦部４は、図示されていない別の工程で機械加工により形成されたものである。
　上記Ｔ型継手の前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部に平坦部４を設けた開先部Ａにおける平坦部４の幅は、実験により確認したところ、１ｍｍ以下の幅では、レーザ溶接特有の深い溶込み形状が安定して得られず、また、本発明の対象のＴ型継手のような、フランジ１とリブ２の当接部を溶融接合させるためには、レーザはフランジ１の面と角度を有してリブ２側に照射させる必要がある。
　このため、前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部に平坦部４を設けた開先部Ａの底部に形成する平坦部４の幅は、少なくとも１ｍｍ以上とする必要がある。また、開先部Ａの底部に形成する平坦部４の幅が広すぎると開先部Ａを埋めるのに多くの溶接金属を必要とするため、開先部Ａの平坦部４の幅は５ｍｍ以下とすることが好ましい。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、Ｔ型継手の前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部に平坦部４を設けた前記開先部Ａの平坦部４の幅を２ｍｍとした。また、この開先部Ａの前記平坦部４は前記フランジ１とリブ２との当接面と垂直になるように形成されている。なお、前記平坦部４は後述するレーザ光３の中心線３１と直行するように形成してもよい。
　Ｔ型継手を形成する前記フランジ１とリブ２の当接面となる図２に示した開先ルート部４１の寸法は、レーザ光３の所定のレーザ出力と溶接速度などの溶接条件により決めるのが望ましい。本実施例では、上記ルート部４１の寸法を１２ｍｍとした。
　上記フランジ１とリブ２とはＴ型継手を形成するように組立された後、拘束ジグ（図示せず）を用いてフランジ１とリブ２のそれぞれを固定し、上記フランジ１とリブ２の当接面となる開先ルート部４１に隙間がないように保持されている。
　図示されていないレーザ発振器から出力されたレーザ光３は、光ファイバー（図示せず）により導光され、レーザ加工ヘッドの集光レンズ（図示せず）で集光される。集光されたレーザ光３はリブ２に設けた上記開先部Ａの平坦部４の表面に照射される。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、レーザ溶接のためのレーザ光３はリブ２に設けた開先部Ａの平坦部４が形成された側から照射されているが、上記レーザ光３と上記平坦部４の作用点である図２に示したレーザ照射位置６は、上記開先部Ａの平坦部４のリブ２側の端部（平坦部４がフランジ１に接する位置）からの距離が上記平坦部４の幅の１／２又はそれ以上になるように設定した。また、レーザ照射位置６の上限の距離は、照射されるレーザ光３が開先部Ａの壁面と干渉しない位置となる。
　また、レーザ光３を照射するレーザ照射角度は、図２に一点鎖線で示したように、レーザ光３の中心線３１が、前記レーザ照射位置６と、前記リブ２の裏面端と前記フランジ１の表面との交差点５を通過するように設定した。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、レーザ溶接とアーク溶接を併用して溶接を行った。アーク溶接は図示されていないアーク溶接電源、シールドガス供給装置、溶接ワイヤ送給装置と溶接トーチ１００から構成されている。また、本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、溶接方向に対しレーザ光３を先行させているが、アークを先行させてもよい。
　フランジ１とリブ２を溶接する際には、溶融金属の酸化を防止するためにシールドガスが使用されている。シールドガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素などより選択される少なくとも１種以上からなるガスを用いる。
　一般的には、レーザ・アーク複合溶接に対し、アーク溶接の安定性に有利なシールドガス１種を用いているが、レーザ光とアーク間距離が大きい場合、異なる２種類のシールドガスを使用しても良い。
　これは、レーザ光の照射によりキーホールが形成されてシールドガスが採りこまれてもポロシティを生じにくいシールドガスと、アーク溶接過程を安定させるシールドガスは必ずしも一致ではないためである。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、Ａｒ＋２０％ＣＯ２ガスを用いた。
　図３は、本実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法で作製されたＴ型継手の溶接部の断面形状を示すものである。Ｔ型継手の隅肉溶接において、前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部に平坦部４を設けた開先Ａを用いることにより、１回の溶接でリブ２の表側の開先部Ａにアーク溶接により表側の溶接ビード７１が形成された溶接部７が設けられると同時に、レーザ光３を照射するレーザ溶接よってリブ２を貫通してフランジ１とリブ２とが溶接され、リブ２の裏側にも形状の安定した裏側の溶接ビード７２を形成した溶接部７を設けることができている。
　次に、本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法の効果を示すため、比較例として、図４及び図５に示すように、Ｔ型継手を構成するフランジ１とリブ２の間の開先部に平坦部４を備えていないレ型開先を用いてレーザ・アーク複合溶接を実施した。
　図４は、比較例としてＴ型継手を構成するフランジ１とリブ２の間の開先部に平坦部４を備えていないレ型開先４ｂを用いてレーザ・アーク複合溶接を実施したレ型開先形状を示す。前記フランジ１とリブ２の当接面となる開先ルート部４１の寸法は第１実施例のＴ型継手のレーザ溶接方法及びＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法に用いた開先部Ａと同様の１２ｍｍである。
　図４及び図５に示した比較例のレーザ・アーク複合溶接は、第１実施例のＴ型継手のレーザ溶接方法及びＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法に用いたものと同様な構成のレーザ・アーク複合溶接法で実施したものである。
　図４に示した比較例のレーザ・アーク複合溶接では、前記したようにＴ型継手を構成するフランジ１とリブ２の間に平坦部を備えていないレ型開先４ｂを形成して、このレ型開先にレーザ・アーク複合溶接を実施した場合における比較例の溶接結果を図５に示すものである。
　図５に示した比較例のレーザ・アーク複合溶接では、図４に示したＴ型継手の前記レ型開先４ｂにレーザ・アーク複合溶接を実施した場合の比較例の溶接結果を示すものである。
　図５に示したように、この比較例においては、溶接されたＴ型継手のリブ２の表側は良好な表側の溶接ビードを形成した溶接部７が設けられているが、リブ２がレーザ光３によって貫通溶融されなかったために溶接部７の溶込み深さ１１は不十分となってフランジ１とリブ２の当接部が完全に溶融されず、フランジ１とリブ２の当接部に一部未溶融部が生じている。
　これに対して本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、前述した図３に示したように、Ｔ型継手の隅肉溶接において、前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部に平坦部４を設けた開先Ａを用いることにより、１回の溶接でリブ２の表側の開先部Ａにアーク溶接によって表側の溶接ビード７１を形成した溶接部７が設けられると同時に、レーザ光３によってリブ２を表側から裏側に貫通してフランジ１とリブ２とが溶接され、リブ２の裏側にも形状の安定した裏側の溶接ビード７２を形成した溶接部７が設けられることから、Ｔ型継手のフランジ１とリブ２との接着面にリブ２の表面から裏面に至る深い溶込みを得ると共に、溶込み形状の安定した溶接継手を得ることができる。
　前記したように本実施例によれば、エネルギーの消費量の増加や溶接効率の低下を回避して、Ｔ型継手のフランジとリブとの接着面に深い溶込みを得ると共に、溶込み形状の安定した溶接継手を得るようにしたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法が実現できる。
　次に、本発明の第２実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法について図６と図７を用いて詳細に説明する。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法は、先に説明した第１実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、フランジ１とリブ２の当接部をリブ２の両側から溶接を行った例である。
　図６は本発明の第２実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法に用いたＴ型継手の開先形状を示す。溶接対象は、長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×厚さ３０ｍｍのステンレス鋼板材のフランジ１の上に、長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×厚さ３０ｍｍのステンレス鋼板材のリブ２が溶接されるＴ型継手である。
　上記Ｔ型継手の前記フランジ１とリブ２の当接部となる底部には、リブ２の両側に平坦部４及び９を備えた開先部Ａをそれぞれ設けており、前記各開先部Ａにおける平坦部４及び９の幅はそれぞれ３ｍｍとした。
　実施する溶接は、第１実施例におけるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法と同様の構成であるレーザ・アーク複合溶接法により行った。シールドガスは第１実施例と異なるＡｒ＋２％Ｏ２ガスを用いた。
　レーザ光３のレーザ照射位置６は、前記リブ２の両面とも、図２に示した実施例１の場合と同様に、各開先部Ａの低部の平坦部４及び９の幅方向の中心点（上記平坦部４、９の幅の１／２となる点）とした。
　また、レーザ光３のレーザ照査角度についても、図２に示した実施例１の場合と同様に、レーザ光３の中心線３１の延長線が、レーザ照射位置６と、リブ２とフランジ１の当接部となるリブ２の裏面端とフランジ１の表面との交点５を通るように設定した。
　本実施例のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法は、リブ２の両側に形成した双方の開先Ａから同時に前記レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法を施しても良いし、或いは前記開先Ａの片側ずつに前記レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法を施しても良い。
　図７にＴ型継手を構成するリブ２の両側に平坦部４と平坦部９をそれぞれ備えた開先部Ａに本実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法を適用した溶接結果を示す。
　図７に示したように、リブ２の両側から前記両開先部Ａに施したレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接を施して、表側の溶接ビード７１を形成した溶接部７及び表側の溶接ビード８１を形成した溶接部８を設けることによって、前記溶融部７及び溶融部８の溶込みが中央部でつながり、リブ２とフランジ１の当接部に未溶融残りのない良好な溶込み形状が得られ、溶接欠陥のない高品質なＴ型溶接継手が得られた。
　前記したように本実施例によれば、エネルギーの消費量の増加や溶接効率の低下を回避して、Ｔ型継手のフランジとリブとの接着面に深い溶込みを得ると共に、溶込み形状の安定した溶接継手を得るようにしたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法が実現できる。
　次に、本発明の第３実施例であるＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法について図８を用いて説明する。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法は、先に説明した第１実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、第１実施例と同じ溶接対象に対し、開先部の形状が異なる例である。
　図８は本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法の開先部Ｂの形状を示す。本実施例における開先部Ｂは、リブ２とフランジ１の当接部の一端に形成された半径Ｒの円弧部１０と、この円弧部１０に連なる傾斜角θを有する傾斜面１２によって構成された開先部の形状となる。
　前記開先部Ｂを構成する前記円弧部１０を形成する半径Ｒの曲率半径は１ｍｍ、前記開先部Ｂを構成する前記傾斜面１２の幅は１ｍｍである。また、開先部Ｂの開先角度となる前記傾斜面１２の傾斜角θは２０度としたが、前記傾斜角θは５～４５度の範囲で設定可能である。
　また、リブ２の開先が設定されていないルート部４１の寸法は、実施例１の場合のルート部４１と同じ１２ｍｍした。
　本実施例のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法では、前記したように半径Ｒの円弧部１０と、この円弧部１０に連なる傾斜角θを有する傾斜面１２によって構成される開先部Ｂを用いている。
　そして、まず始めに、前記開先部Ｂにレーザ光３を照射するレーザ溶接を単独で施して、フランジ１とリブ２の当接部のルート部４１を溶融接合して開先部Ｂと反対側の面に裏側のビード７２を形成した溶接部８１を設ける。
　次に、ＧＭＡＷ（Gas Metal Arc Welding）と呼ばれるアーク溶接を用いて開先部Ｂに埋め戻し溶接を施して表側のビード７２を形成した溶接部８２を設ける。　
　この結果、図９に示すような溶接部８１及び溶接部８２をそれぞれ設けることができる。即ち、本実施例においては、円弧部１０と該円弧部１０に連なる傾斜角θを有する傾斜面１２によって構成される開先部Ｂにレーザ溶接を施すことによってルート部４１は完全溶融されてリブ２は裏側まで貫通し、リブ２に裏側の溶接ビード７２を形成した溶接部８１を設けることができる。
　また、前記開先部Ｂにアーク溶接を施すことにより、開先部Ｂが完全に埋め戻されて良好な表側の溶接ビード７１を形成する溶接部８２を設けることができる。
　本実施例においては、レーザ溶接の場合に溶接材料の添加は行わずレーザのみで溶接したが、溶接材料を添加しながら溶接を行っても良い。また、開先部Ｂの埋め戻し溶接はＧＭＡＷに限定されるものではなく、ＧＴＡＷ（Gas Tungsten Arc Welding）、プラズマ溶接や、溶接材料添加しながらのレーザ溶接でも良いことは言うまでもない。
　前記したように本実施例によれば、エネルギーの消費量の増加や溶接効率の低下を回避して、Ｔ型継手のフランジとリブとの接着面に深い溶込みを得ると共に、溶込み形状の安定した溶接継手を得るようにしたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法が実現できる。
　本発明はＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法に適用可能であるが、特に中厚板及び厚板のＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法に有効である。
　１：フランジ、２：リブ、３：レーザ光、３１：レーザ光の中心線、４：平坦部、４１：開先ルート部、５：フランジ表面とリブ裏面端との交点、６：レーザ照射位置、７、８：溶接部、７１：表側の溶接ビード、７２：裏側の溶接ビード、８１、８２：溶接部、９：平坦部、１０：円弧部、１１：溶込み深さ、１２：傾斜面、１００：アーク溶接トーチ。

Claims (7)

  1. 　一方の被溶接材であるフランジの面上に他方の被溶接材であるリブを直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　前記Ｔ型継手を構成する前記リブと前記フランジとの当接部となる該リブの側面に開先部を形成し、
    　前記リブのフランジとの当接部に形成した前記開先部の底部に平坦部を形成し、
    　この平坦部を形成した前記開先部にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を施して前記開先部に溶接ビードを形成した溶接部を設けることにより、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
  2. 　一方の被溶接材であるフランジの面上に他方の被溶接材であるリブを直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　前記Ｔ型継手を構成する前記リブと前記フランジとの当接部となる該リブ材の両側の側面に開先部をそれぞれ形成し、
    　前記リブのフランジとの当接部に形成した前記双方の開先部の底部に平坦部を形成し、　これらの平坦部を形成した前記双方の開先部にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を施して前記双方の開先部に溶接金属の溶接ビードを形成した溶接部をそれぞれ設けることにより、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載されたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　前記開先部の底部に形成する平坦部の幅は１ｍｍ以上で５ｍｍ以下となるように設定することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
  4. 　請求項１又は請求項２に記載されたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　前記開先部にレーザ光を照射するレーザ照射位置となる前記レーザ光と前記平坦部の交差点から上記平坦部のリブ側の端部からの距離が上記平坦部の幅の１／２以上となるように設定することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
  5. 　請求項１又は請求項２に記載されたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　前記開先部にレーザ光を照射するレーザ照射角度は、前記レーザ光の中心線の延長線が前記レーザ照射位置６と前記リブの裏面端と前記フランジの表面との交差点を通過するように設定することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
  6. 　一方の被溶接材であるフランジの面上に他方の被溶接材であるリブを直交するように当接したＴ型継手を溶接するレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　前記Ｔ型継手を構成する前記リブと前記フランジとの当接部となる該リブの側面に開先部を形成し、
    　前記リブのフランジとの当接部に形成した前記開先部は円弧部と該円弧部に連なる傾斜角を有する傾斜面によって形成し、
    　この円弧部と該円弧部に連なる該傾斜面によって形成された前記開先部にレーザ光を照射するレーザ溶接とアーク溶接の双方を併用した複合溶接を施して前記開先部に溶接ビードを形成した溶接部を設けることにより、Ｔ型継手を構成する前記フランジとリブを溶接することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
  7. 　請求項６に記載されたＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法において、
    　円弧部と該円弧部に連なる傾斜面によって形成された前記開先部の前記傾斜面の傾斜角は５～４５度となるように設定することを特徴とするＴ型継手のレーザ溶接とアーク溶接の複合溶接方法。
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