(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．６重量％以上のＣを含む鋼板のレーザ溶接を行うにあたり、次式で表わされる溶接金属中のＣ含有量が０．５５重量％以下となるようにフィラーワイヤを添加することを特徴とする高炭素鋼のレーザ溶接方法。
ＣWM＝ＣBase×（Ｄ／１００）＋ＣFiller×｛１−（Ｄ／１００）｝
ＣWM：溶接金属中のＣ含有量（重量％）
ＣBase：母材のＣ含有量（重量％）
ＣFiller：フィラーワイヤのＣ含有量（重量％）
Ｄ：希釈率（溶接金属中の母材溶融率）（％）
【請求項２】
前記フィラーワイヤの代わりに箔、板状のインサート材を突合せあるいは重ね合わせ面間に挟持し、あるいは粉末を供給してレーザ溶接を行うことを特徴とする請求項１記載の高炭素鋼のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、０．６重量％以上のＣを含む高炭素鋼板のレーザ溶接において、ブローホール、ピットなどの欠陥のない継手を得る溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
０．６重量％以上のＣを含む高炭素鋼板のレーザ溶接においては、鋼中のＣと大気中に含まれる酸素との反応により、ＣＯあるいはＣＯ2 ガスが発生し、このガスの発生量が多い場合は、ガスが溶接中の溶融金属から放出される際に、溶融金属がスパッタとして飛散し、ピットと呼ばれる開口状の欠陥が生じる。また、ガスの発生量が比較的少ない場合においても、溶接金属の凝固時にガスが溶接部に内包され、ブローホールと呼ばれる空孔状の欠陥が生じる。
【０００３】
レーザ溶接の場合、熱源とするレーザビームの集光点におけるエネルギー密度が非常に高く、レーザビーム直下の溶融金属は局所的に極めて高温に加熱されるため、鋼中Ｃの反応によるガス発生はレーザ照射条件の調整等では避け難い。特に、高出力のレーザビームを用いて完全溶け込みのキーホール溶接を行う場合は、レーザ溶接中に表裏からキーホールを通じて外気が混入し易くなるため、ガス発生が促進され欠陥発生が顕著となる。
【０００４】
この問題を解決するために、従来、特開平８−２１５８７０号公報に開示されているように、溶接中に溶融プール表面に不活性ガスを吹付けて保護するとともに、裏当て金からも不活性ガスを流し裏面を保護するという方法が用いられている。この方法によれば、溶接中溶融金属内に外気が混入するのを防ぐことができ、鋼中Ｃの反応によるガス発生を抑制し、ブローホールのない溶接を行うことができる。
【０００５】
しかしながら、この方法では、裏面側に保護ガスを流すことが可能な大がかりな機構の裏当て金が必要となり、レーザ溶接の特徴である自由度の高い溶接施工が制限されることになる上、高価な不活性ガスを大量に消費することとなりコストアップを招くことになる。また、特に高出力、あるいは集光性の高いレーザビームを用いて高速溶接を行う場合などに、不活性ガスによる溶融プールの保護が効果的に行われない場合も考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題を解決するべく、高炭素鋼のレーザ溶接において適切なフィラー材添加を行い、溶融金属中のＣ量を制限することによって、溶融金属中のガス発生を抑制し、ピットやブローホールなどの溶融欠陥のない健全な溶接継手を得ることが可能な溶接方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明における高炭素鋼のレーザ溶接方法は、０．６重量％以上のＣを含む鋼板のレーザ溶接を行うにあたり、次式で表わされる溶接金属中のＣ含有量が０．５５重量％以下となるようにワイヤ状、箔状あるいは粉末状のフィラー材を添加することにより、鋼中Ｃの反応によるガス発生を抑制し、ピットやブローホールなどの溶接欠陥の発生を防止するものである。
【０００８】
ＣWM＝ＣBase×（Ｄ／１００）＋ＣFiller×｛１−（Ｄ／１００）｝
ＣWM：溶接金属中のＣ含有量（重量％）
ＣBase：母材のＣ含有量（重量％）
ＣFiller：フィラーワイヤのＣ含有量（重量％）
Ｄ：希釈率（溶接金属中の母材溶融率）（％）
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細を述べる。
Ｃ含有量０．６重量％以上の高炭素鋼板のレーザ溶接において、ピット、ブローホールと呼ばれる開口状及び空孔状の欠陥が発生するのは、溶接中に鋼中Ｃと大気中の酸素が反応し、ＣＯあるいはＣＯ2 ガスが発生するためである。即ち、鋼中Ｃと酸素の反応を抑制することにより欠陥の防止が可能となる。
【００１０】
この鋼中Ｃと酸素の反応を抑制する手法としては、溶接中に溶融部を不活性ガスあるいは非酸化性ガスで保護する方法が従来から開発されていたが、発明者等は母材よりもＣ含有量が低いフィラー材を添加し、溶融金属中のＣ濃度を低下させることが有効であることを見出した。
この溶融金属中のＣ濃度を低下させる手法は、保護ガスによる方法よりも溶接速度等の溶接条件の影響を受けにくく、安定した欠陥防止効果が得られるという利点がある。また、裏面側に裏当て金を設置して裏面にも保護ガスを流す方法に比べると、追加設備が簡便であるとともに、被溶接材の拘束に対する自由度が高く、さらにガスの消費が少なくランニングコストが抑えられるという利点がある。
【００１１】
発明者等は、このフィラー材の添加による欠陥防止方法について検討を重ねた結果、
ＣWM＝ＣBase×（Ｄ／１００）＋ＣFiller×｛１−（Ｄ／１００）｝
ＣWM：溶接金属中のＣ含有量（重量％）
ＣBase：母材のＣ含有量（重量％）
ＣFiller：フィラーワイヤのＣ含有量（重量％）
Ｄ：希釈率（溶接金属中の母材溶融率）（％）
で求められる溶融金属中のＣ量を０．５５重量％以下とすることにより、ピット、ブローホールなどの溶接欠陥のないレーザ溶接を行うことが可能となることを知見するに至った。
【００１２】
希釈率Ｄは、溶接金属の量に対する溶接金属中に溶け込んだ母材（被溶接材）の量の比で表わされ、図１に示す溶接部の溶接方向と直交する断面の断面図で説明すると、溶接金属２の断面積（母材１の溶融部分（図中Ａ、Ａ’）の面積とフィラー材の溶融部分（図中Ｂ）の面積との合計量）に対する、母材１の溶融部分（図中Ａ、Ａ’）の断面積の比率である。つまり、
希釈率Ｄ＝｛（Ａ＋Ａ’）／（Ａ＋Ａ’＋Ｂ）｝×１００（％）
で表わされる。
【００１３】
溶融金属のＣ濃度をフィラー材の添加により臨界濃度すなわち０．５５重量％以下に低下させることにより、鋼中Ｃと外気から混入する酸素の反応が抑制され、高出力のレーザキーホール溶接においても、特別な保護ガスの供給を必要とせず、保護ガスによる外気の遮蔽が不十分であってもＣＯ及びＣＯ2 ガスの発生を防ぐことが可能となる。
【００１４】
Ｃ濃度が０．６重量％未満である鋼板を溶接する際に、フィラー材を添加せずにレーザ溶接を行ってもＣＯやＣＯ2 の発生にともなう欠陥は発生しない。この場合、溶接金属中のＣ濃度は被溶接材のＣ濃度とほぼ同一となると考えられ、溶接金属中のＣ含有量は０．６重量％未満の値であると考えられる。しかしながら、Ｃ濃度が０．６重量％以上の鋼板をフィラー材を添加してレーザ溶接する場合は、溶接金属中のＣ濃度を０．５５重量％以下まで低減しなければ前記欠陥の発生を防止できない。この理由は、溶接金属内でＣ含有量が０．６重量％以上の被溶接材とフィラー材との混合が不均一となるため、溶接金属全体の平均としてのＣ含有量が０．６重量％未満であっても、部分的にＣ含有量の高い部分が生じて、この部分からのＣＯやＣＯ2 の発生が多くなるためと考えられる。
【００１５】
本発明法におけるフィラー材の添加は、低炭素鋼のワイヤによる添加が最も一般的で汎用性が高いといえるが、粉末状のものを用いたり、箔あるいは薄板を突き合わせ面に予めインサートしても用いても、溶接金属中のＣ量が前述の適正範囲にある限り同等の効果が得られる。
実施例−１
次に本発明の実施例を示す。供試材および溶接条件は以下の通りとし、突合わせギャップ量およびフィラーワイヤ添加量を種々変化させて突合わせ溶接を行った。
【００１６】
母材（被溶接材）：工具鋼ＳＫ４（板厚４ｍｍ、Ｃ含有量０．９５重量％）、
工具鋼ＳＫ７（板厚４ｍｍ、Ｃ含有量０．６３重量％）
レーザ出力：５ｋＷ、溶接速度：１〜２ｍ／ｍｉｎ
シールドガス：Ｈｅ（４０リットル／ｍｉｎ）
集光光学系：放物面鏡（焦点距離：１０インチ）
焦点位置：±０ｍｍ（鋼板表面）
突合わせギャップ：０〜０．５ｍｍ
フィラーワイヤ：極低炭素鋼（線径０．９ｍｍ、Ｃ含有量０．００５重量％）
ワイヤ供給速度：２〜８ｍ／ｍｉｎ
溶接部は、ビード外観観察によるピット（ビード表面に観察される穴状の欠陥）の有無とＸ線透過試験で検出されたブローホール（ビードに内在する空孔状欠陥）の個数によって評価した。
【００１７】
溶接部の希釈率は、溶接後のビード断面を観察し、図１を用いて説明した前述の定義に従い実測を行って求めた。
試験結果を表１に示す。溶接金属中Ｃ含有量は、
ＣWM＝ＣBase×（Ｄ／１００）＋ＣFiller×｛１−（Ｄ／１００）｝
を用いて計算し、ブローホール個数はＸ線透過像で確認できる溶接長さ１００ｍｍあたりの個数とした。
【００１８】
【表１】
0003716583.tif 000002
【００１９】
Ｎｏ．１〜５およびＮｏ．１１〜１２は本発明の実施例であり、突合わせギャップを広めに設定したり、極低炭素鋼のフィラーワイヤの添加を多くすることによって、溶接金属中のＣ含有量を０．５５重量％以下としたため、ビット及びブローホールのない健全な溶接部が得られた。なお、実施例３は、ワイヤを添加して溶接を行ったのではなく、フィラーワイヤと同組織の薄板（厚さ０．５ｍｍ）を予め突き合わせ面間に挟んでおいて溶接したものである。
【００２０】
一方、Ｎｏ．６〜１０では、フィラーワイヤの添加が十分でなく、溶接金属中のＣ含有量が０．５５重量％を越えたため、ピット、ブローホールが溶接部に発生した。特にワイヤを添加しなかったＮｏ．１０では、ビード全線にわたって連続的にピットが発生するという結果になった。また、Ｎｏ．１３およびＮｏ．１４についても、フィラーワイヤの添加が十分でなく、ピットは発生していないもののブローホールの発生が認められた。
【００２１】
実施例−２
実施例−１と同様、レーザ装置、シールドガスを用い、突合わせギャップ量を一定とし、以下に示すフィラーワイヤ（ａ）又は（ｂ）を用いて、母材ＳＫ７（板厚４ｍｍ、Ｃ含有量０．６３重量％）の突合溶接を行い、ピット及びブローホール発生状態を検出した。結果を表２に示した。
【００２２】
（ａ）極低炭素鋼（線径０．９ｍｍ、Ｃ含有量０．００５重量％）
（ｂ）低炭素鋼（線径０．９ｍｍ、Ｃ含有量０．１２重量％、ＪＩＳ  ＹＧＷ−１２相当）
表２から溶接金属中のＣ含有量を０．５５重量％以下に抑える条件下でピット及びブローホールのない優れた溶接部を形成することができたことが明らかである。
【００２３】
【表２】
0003716583.tif 000003
【００２４】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明に従って、０．６重量％以上のＣを含む鋼板のレーザ溶接において、次式で表わされる溶接金属中のＣ含有量が、０．５５重量％以下となるようにフィラーワイヤを添加することによって、特殊なガスシールドを必要としないで、ビットやブローホールのない健全な溶接を行うことが可能となる。
【００２５】
また、フィラー材としてワイヤの代わりに箔、板状のインサート材を用いたり、粉末を供給してレーザ溶接を行っても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ溶接部の模式断面図である。
【符号の説明】
１    母材
２    溶接金属
【図１】
0003716583.tif 000004