(57)【要約】  金属板材の突合せ部を、少なくとも、レーザで溶接する突合せ溶接方法として、少なくとも、突合せ部に形成された隙間の裏側に裏当材をあてがった後、隙間へ予め粒状に形成された溶接材料を充填する工程と、溶接材料が充填された隙間の上方からレーザを照射して、隙間に溶接材料の溶融池を形成させて、突合せ部を溶接する工程とを備えている突合せ溶接方法を提供することにより、厚みのある金属板材を突合せ溶接する際、高いエネルギーのレーザで速い溶接速度を確保しながらも、裏当材の爆発的な挙動の発生を防止して健全な溶接部を効率的に形成させることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板材の突合せ部を、少なくとも、レーザで溶接する突合せ溶接方法であって、
少なくとも、
前記突合せ部に形成された隙間の裏側に裏当材をあてがった後、前記隙間へ予め粒状に形成された溶接材料を充填する工程と、
前記溶接材料が充填された前記隙間の上方からレーザを照射して、前記隙間に前記溶接材料の溶融池を形成させて、前記突合せ部を溶接する工程とを備えていることを特徴とする突合せ溶接方法。
【請求項２】
前記予め粒状に形成された溶接材料が、ワイヤ状の溶接材料をカットすることにより粒状に形成された溶接材料であることを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接方法。
【請求項３】
前記予め粒状に形成された溶接材料が、前記ワイヤ状の溶接材料を、直径と略等しい長さに切断したカットワイヤであることを特徴とする請求項２に記載の突合せ溶接方法。
【請求項４】
前記カットワイヤが、径０．６〜２．０ｍｍで長さ０．６〜２．０ｍｍのカットワイヤであることを特徴とする請求項３に記載の突合せ溶接方法。
【請求項５】
前記カットワイヤが、径１．０ｍｍで長さ１．０ｍｍのカットワイヤであることを特徴とする請求項４に記載の突合せ溶接方法。
【請求項６】
前記予め粒状に形成された溶接材料が、前記ワイヤ状の溶接材料に用いられる材料と同じ化学成分の溶接材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法。
【請求項７】
前記突合せ部の溶接が、レーザを単独で用いるレーザ単独溶接であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法。
【請求項８】
前記突合せ部の溶接が、レーザをアークと併せて用いるレーザ・アークハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法。
【請求項９】
前記金属板材の厚みが２５ｍｍ以下で、シングルパスで突合せ溶接することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法。
【請求項１０】
厚みが２５ｍｍを超える前記金属板材に対して、１パスあたり厚み２０〜２５ｍｍの突合せ溶接を繰り返して多層溶接することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いて厚みのある金属板材を突合せ溶接する突合せ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板などの金属板材の突合せ溶接においては、従来より、電極間に電位差を与えることにより発生するアークの高熱で溶接棒や溶接用ワイヤなどの溶接材料を溶かしながら突合せ部に形成された隙間に入れ、金属板材と一体化させて接合するアーク溶接が広く行われている。なお、この隙間は、「開先」、「ギャップ」とも言われ、Ｉ字状、Ｖ字状、レ字状など様々な形状に隙間が形成されている。【０００３】
しかし、このアーク溶接では、一般に、板厚が５ｍｍを超えると１回（１パス）で溶接を完了することができないため、鋼板の突合せ部に形成させた隙間（開先）を下側から順次（マルチパス）溶接して積層する多層溶接が行われており、高速での溶接ができなかった。【０００４】
そこで、このようなアーク溶接の多層溶接に対して、溶接速度を速くして効率的な突合せ溶接を行うという観点から、近年、高パワー密度熱源のレーザを用いることが提案されており、レーザを単独で用いるレーザ単独溶接や、レーザをアークと併せて用いるレーザ・アークハイブリッド溶接によって、突合せ溶接を１回の溶接（シングルパス）で行うことが重工業分野において始まっている（例えば、特許文献１、２）。【０００５】
特に、開先を最小限にしてレーザを用いる溶接では、従来のアーク溶接に比して、高速で、幅が狭く、深い溶込みの溶接が可能であり、結果として入熱が少なくなることから熱影響が少なく、その結果、熱歪みが小さい溶接継ぎ手を高効率に生成させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−０３２１７４号公報
【特許文献２】特開平１０−０９４８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、単層で深い溶込みの突合せ溶接を開先を貫通させて行おうとすると（貫通溶接）、板厚が厚くなるほど一度に溶融される溶接金属の量が多くなり、溶接金属が重力の影響を大きく受けて突合せ部（開先）から溶け落ちしやすくなるという問題が発生する。【０００８】
このような溶接金属の溶け落ちの発生に対して、従来のアーク溶接においては、予め被溶接材の裏側にフラックスやセラミックスなどの裏当材をあてがい、溶け落ちようとする溶接金属を支え、溶け落ちを防止する方法が提案されている。【０００９】
しかし、このような裏当て材の使用をレーザ溶接やレーザ・アークハイブリッド溶接に適用した場合、図７に一例を示すような裏当材の爆発的な挙動が発生して、健全な溶接部を形成させることが難しいことが、種々の実験の結果から分かった。【００１０】
そこで、本発明は、厚みのある金属板材を突合せ溶接する際、高いエネルギーのレーザで速い溶接速度を確保しながらも、裏当材の爆発的な挙動の発生を防止して健全な溶接部を効率的に形成させることができる突合せ溶接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、厚みのある金属板材を突合せ溶接する際、上記したようなレーザによる裏当材の爆発的な挙動が発生する原因について検討した結果、高いエネルギーのレーザが開先内を直進して裏当材に直接照射されてしまい、その結果、爆発的な挙動の発生を招いていることが分かった。【００１２】
そこで、本発明者は、このような爆発的な挙動の発生を防止して健全な溶接部をシングルパスで形成させる方法についてさらに検討を行い、その結果、レーザ照射時、裏当材があてがわれた開先内に溶融池を形成させることができれば、この溶融池によりレーザが遮られて裏当材に直接照射されないため、裏当材の爆発的な挙動の発生が防止できると考えた。【００１３】
この考えを確認するために、本発明者は、最初に、従来使用されていた溶接ワイヤに替えて、鉄粉など溶接材料のパウダー材を開先内に充填してレーザ溶接を行った。即ち、充填された溶接材料のパウダー材がレーザの照射により溶融して溶接材料の溶融池が裏当材を覆うように形成されれば、レーザが裏当材に直接照射されず、裏当材の爆発的な挙動の発生を防止できると考えた。【００１４】
しかしながら、この場合には、レーザ照射開始直後は、裏当材の爆発的な挙動の発生は抑制できるものの、開先内に充填されたパウダー材がレーザの照射によって溶融池を形成する前にレーザ照射部から発生する金属蒸気の反作用によって開先内から吹き飛ばされてしまい、結果的に裏当材へもレーザが照射されることになって、健全な溶接部を形成させることができないことが分かった。【００１５】
本発明者は、このようなパウダー材の吹き飛びの発生は、パウダー材の粒子が小さく軽量であることや、充填されたパウダー材内に金属蒸気の流路が形成されていないことにより引き起こされたと考え、次に、パウダー材に替えて、溶接用ワイヤと同じ化学成分の細径ワイヤをワイヤ直径とほぼ等しい長さに切断したカットワイヤ（一例を図６に示す）を用いれば、それぞれのカットワイヤには重量があり、また、開先内に充填した際に十分に隙間が確保されるため、金属蒸気が発生しても外部へスムーズに逃がすことができる。この結果、開先内からカットワイヤが吹き飛ばされてしまうようなことが起こらず溶融池が適切に形成されて、健全な溶接部をシングルパスで形成させることができると考えた。【００１６】
そして、実験の結果、このようなカットワイヤを使用した場合には、裏当材の爆発的な挙動が発生せず、また、金属蒸気となって開先内から吹き飛ばされてしまうようなことも起こらずに溶融池が適切に形成されて、表面ビードおよび裏面ビードのいずれも良好に形成され、溶接部には内部欠陥も見当たらない健全な溶接部が形成されることが確認され、この溶接方法を適用することにより、高いエネルギーのレーザで速い溶接速度を確保しながらも、裏当材の爆発的な挙動の発生を防止して健全な溶接部を形成させることができ、今後の厚みのある金属板材の突合せ溶接方法として好ましいことが分かった。【００１７】
そして、さらに実験を進めたところ、開先内に充填される溶接材料としては、より健全な溶接部を形成させるためには、溶接用ワイヤに用いられる材料と同じ化学成分であると溶接材料と一体化して溶接部が形成されて好ましいが、必ずしも限定されないことが分かった。【００１８】
また、市販のカットワイヤでなく、予め所定のサイズの粒状に形成された溶接材料であれば、レーザ照射により発生した金属蒸気の外部への流路を十分に確保することができ、同様に使用できることが分かった。このような材料としては、例えば、パウダー材を所定のサイズの粒状に固化させた溶接材料や、細径の溶接用ワイヤをワイヤ直径と略等しい長さに切断した溶接材料などを挙げることができる。【００１９】
しかし、粒状への形成などに要する手間などを考慮すると、市販品であり入手も容易なカットワイヤの使用が好ましい。そして、カットワイヤの内でも、汎用的に用いられている径０．６〜２．０ｍｍで長さ０．６〜２．０ｍｍ、特に、径１．０ｍｍで長さ１．０ｍｍのカットワイヤが好ましいことが分かった。【００２０】
請求項１〜請求項５に係る発明は、上記の知見に基づく発明であり、請求項１に記載の発明は、
金属板材の突合せ部を、少なくとも、レーザで溶接する突合せ溶接方法であって、
少なくとも、
前記突合せ部に形成された隙間の裏側に裏当材をあてがった後、前記隙間へ予め粒状に形成された溶接材料を充填する工程と、
前記溶接材料が充填された前記隙間の上方からレーザを照射して、前記隙間に前記溶接材料の溶融池を形成させて、前記突合せ部を溶接する工程とを備えていることを特徴とする突合せ溶接方法である。【００２１】
そして、請求項２に記載の発明は、
前記予め粒状に形成された溶接材料が、ワイヤ状の溶接材料をカットすることにより粒状に形成された溶接材料であることを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接方法である。【００２２】
また、請求項３に記載の発明は、
前記予め粒状に形成された溶接材料が、前記ワイヤ状の溶接材料を、直径と略等しい長さに切断したカットワイヤであることを特徴とする請求項２に記載の突合せ溶接方法である。【００２３】
また、請求項４に記載の発明は、
前記カットワイヤが、径０．６〜２．０ｍｍで長さ０．６〜２．０ｍｍのカットワイヤであることを特徴とする請求項３に記載の突合せ溶接方法である。【００２４】
また、請求項５に記載の発明は、
前記カットワイヤが、径１．０ｍｍで長さ１．０ｍｍのカットワイヤであることを特徴とする請求項４に記載の突合せ溶接方法である。【００２５】
そして、請求項６に記載の発明は、
前記予め粒状に形成された溶接材料が、前記ワイヤ状の溶接材料に用いられる材料と同じ化学成分の溶接材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法である。【００２６】
そして、本発明者がさらに検討を進めたところ、このような溶接方法は、レーザを単独で用いるレーザ単独溶接、レーザをアークと併せて用いるレーザ・アークハイブリッド溶接のいずれにおいても適用でき、レーザ・アークハイブリッド溶接の場合、より溶接速度を速くでき、効率的であることが分かった。【００２７】
請求項７、請求項８に係る発明は、上記の知見に基づく発明であり、請求項７に記載の発明は、
前記突合せ部の溶接が、レーザを単独で用いるレーザ単独溶接であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法である。【００２８】
そして、請求項８に記載の発明は、
前記突合せ部の溶接が、レーザをアークと併せて用いるレーザ・アークハイブリッド溶接であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法である。【００２９】
上記したレーザを用いたシングルパスでの突合せ溶接は、従来のアーク溶接に比べて厚板の溶接が可能であるが、溶接される金属板材の板厚はレーザの出力と関係しており、レーザの最大出力に対応して溶接可能な板厚が決定される。具体的には、例えば、一般的に用いられる最大出力１６ｋＷのレーザを用いた場合には、金属板材の板厚が２５ｍｍを超える場合には、最早シングルパスでの突合せ溶接が難しくなる。【００３０】
そこで、このような厚すぎる金属板材の場合には、１パスあたり２０〜２５ｍｍの溶接を繰り返して多層溶接すれば、同様に、健全な溶接部を効率的に形成させることができることを、実験により確認した。【００３１】
請求項９、請求項１０に係る発明は上記の知見に基づく発明であり、請求項９に記載の発明は、
前記金属板材の厚みが２５ｍｍ以下で、シングルパスで突合せ溶接することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法である。【００３２】
そして、請求項１０に記載の発明は、
厚みが２５ｍｍを超える前記金属板材に対して、１パスあたり厚み２０〜２５ｍｍの突合せ溶接を繰り返して多層溶接することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の突合せ溶接方法である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、厚みのある金属板材を突合せ溶接する際、高いエネルギーのレーザで速い溶接速度を確保しながらも、裏当材の爆発的な挙動の発生を防止して健全な溶接部を効率的に形成させることができる突合せ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る突合せ溶接方法において、裏当て材となるフラックスを充填する際に使用される裏当て材充填用部材を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る突合せ溶接方法において、鋼板の突合せ状況を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る突合せ溶接方法において、裏当て材上に突合された鋼板が配置された状況を説明する図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る突合せ溶接方法におけるレーザ・アークハイブリッド溶接を説明する図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る突合せ溶接方法における溶接結果を示す写真である。
【図６】カットワイヤの一例を示す写真である。
【図７】レーザの直接照射により発生する裏当材の爆発的な挙動の一例を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
【００３６】
本実施の形態において金属板材の突合せ溶接は、以下の手順に従って行われる。なお、以下では、裏当材としてフラックスを使用し、厚み２０〜２５ｍｍの金属板材をレーザ・アークハイブリッド溶接により突合せ溶接する場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
１．裏当材（フラックス）充填用部材の準備
最初に、フラックス充填用部材を準備する。具体的には、図１に示すように、幅２０ｍｍ、深さ１０ｍｍの溝２が設けられた銅板１を準備し、台上に静置する。
【００３８】
２．裏当材（フラックス）の充填
次に、台上に静置されたフラックス充填用部材の溝２の中にフラックスを裏当材として充填する。
【００３９】
なお、上記においては、裏当材充填用部材として銅板を使用し、裏当材としてフラックスを使用しているが、これらに限定されず、裏当材充填用部材としては難燃性で耐熱性があり被溶接金属板を支持できる板材を適宜選択して使用することができ、また、裏当材としてはガラステープなどセラミックスタイプの裏当材を使用することができる。
【００４０】
３．突合せ溶接部の形成
次に、図２に示すように、縦７５ｍｍ、横３００ｍｍ、厚み２０〜２５ｍｍの金属板材３の２枚を厚み２．５ｍｍのスペーサを挟んで突き合わせ、幅２．５ｍｍの開先４を形成させる。
【００４１】
なお、図２においては、２枚の金属板材を突き合わせて幅２．５ｍｍでＩ字状の開先を形成させているが、開先の形状はこれに限定されず、各突合せ面を傾斜させたＶ字状の開先や、片方の突合せ面だけを傾斜させたレ字状の開先など、様々な形状に開先を形成させることができる。また、開先の幅（ギャップ）は、板厚や仕上がり形状を考慮して適宜定めればよいが、Ｉ字状の開先の場合、通常は、カットワイヤ直径の２〜５倍に設定する。また、Ｖ字状の開先やレ字状の開先の場合には、開先の幅としてルート部における間隔をカットワイヤ直径の２〜５倍に設定する。
【００４２】
また、本実施の形態において突合せ溶接される具体的な金属板材としては、従来の突合せ溶接と同様に、鉄鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金などの金属板材を挙げることができる。
【００４３】
４．カットワイヤの充填
次に、図３に示すように、溝２にフラックスが充填された銅板１の上に、突き合わされた金属板材３を配置する。このとき、開先４が溝２の上に位置するように配置する。
【００４４】
次に、径１．０ｍｍ、長さ１．０ｍｍのカットワイヤ（図示せず）を開先４内の底部から表面まで充填する。
【００４５】
なお、カットワイヤとしては、上記のサイズに限定されず、汎用的に用いられている径０．６〜２．０ｍｍで長さ０．６〜２．０ｍｍのカットワイヤや粒子を適宜選択して使用して、開先の幅（ギャップ）をカットワイヤや粒子直径の２〜５倍になるように設けることもできる。また、レーザが照射される直前に、カットワイヤを自動で開先部へ充填してもよい。
【００４６】
このとき、カットワイヤなど開先に充填される溶接材料としては、溶接用ワイヤと同じ化学成分の溶接材料であれば好ましいが、溶接用ワイヤと異なる化学成分の溶接材料であってもよい。
【００４７】
５．突合せ溶接
次に、図４に示すように、カットワイヤが充填された開先内にレーザ６を照射して溶接用ワイヤ（図示せず）を溶融させながら突合せ溶接を行う。なお、図４においては、レーザ６をアーク５と併せて用いるレーザ・アークハイブリッド溶接により突合せ溶接を行っている。
【００４８】
このレーザ・アークハイブリッド溶接においては、図４に示すように、アーク５とレーザ６とを、溶接部において、溶接の進行方向に対してアーク５がレーザ６よりも先行するように、アーク５を角度βに、レーザ６を角度φに傾斜させた状態で配置して、溶接面においてアーク５とレーザ６との間に所定の距離Ｂが形成されるようにしている。
【００４９】
なお、上記した角度φ、角度β、距離Ｂ、さらに、アークの条件やレーザの出力は、溶接材料に応じて適宜決定される。
【００５０】
レーザ・アークハイブリッド溶接の場合、先行するアークによって、まず、カットワイヤの上方に溶接用ワイヤを起源とした溶融池が形成され、続いて、レーザ６の接近に伴いカットワイヤが溶融されて溶融池が大きくなり、開先内の下方に流れて貯まる。この結果、フラックスにレーザ６が直接照射されることが防止され、裏当材の爆発的挙動の発生が防止される。その後、開先内では、充填されたカットワイヤと溶接ワイヤとがレーザ６によってさらに溶融されると共に、開先内の金属板材３の壁面部が溶融されて突合せ溶接が進行する。
【００５１】
なお、図４においては、アーク５を先行配置して突合せ溶接を行っているが、溶接方向を逆にして突合せ溶接を行ってもよい。
【００５２】
そして、上記したレーザ・アークハイブリッド溶接に替えて、レーザだけを用いたレーザ単独溶接でも、レーザの照射によってカットワイヤを溶融させて、レーザが直接フラックスに照射されることを防止することができるため、適切に突合せ溶接を行うことができる。
【００５３】
本実施の形態によれば、１回当たりの開先内における溶接材料の埋量を、溶接用ワイヤ、カットワイヤの双方で確保することができるため、１パスで十分な溶接厚みを確保して健全な溶接部を形成させることができ、突合せ溶接の効率を大きく向上させることができる。
【００５４】
この結果、従来の突合せ溶接では困難とされていた板厚の鋼板であっても、健全な溶接部を形成させて溶接することが可能となり、今後の厚板の金属板材の突合せ溶接方法として期待でき、造船、橋梁、建設へ適用した場合、その性能向上に大きく貢献できると期待される。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。【００５６】
１．実施例１〜３
上記した突合せ溶接方法を用いて、表１に示す各条件で突合せ溶接を行い、実施例１〜３の試験体を得た。【００５７】
なお、ここでは、金属板材としてＳＭ４９０Ａ（溶接構造用圧延鋼材）を、フラックスとして神戸製鋼所社製ＲＦ−１（熱硬化性樹脂を含んだ粉末フラックス）を、カットワイヤとしてＹＧＷ１１（径１．０ｍｍ、長さ１．０ｍｍ）を用いた。また、レーザとしてはトルンプ社製およびＩＰＧ社製、アークとしてはパナソニック社製ＹＤ−３５０ＧＢ２を用いた。【００５８】
【表１】
2017099004.tif 000002
【００５９】
２．評価
各試験体の表面、裏面、および断面における溶接状態を観察、評価した。結果を図５に示す。なお、いずれの実施例においても、突合せ溶接時、フラックスの爆発的な挙動は観察されなかった。【００６０】
図５より、実施例１〜実施例３のいずれにおいても、表面に良好な表面ビードが形成されていることが分かる。また、裏面においても、同様に、良好な裏面ビードが形成されていることが分かる。【００６１】
そして、断面においては、いずれも内部欠陥が見られず、十分な突合せ溶接が行われていることが分かる。【００６２】
これらの結果より、本発明を適用することにより、２０〜２５ｍｍと厚みのある金属板材であっても、健全な溶接部を形成することができ、今後の突合せ溶接において有望な選択肢となることが確認できた。【００６３】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記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、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１              銅板
２              溝
３              金属板材
４              開先
５              アーク
６              レーザ
β              アークの傾斜角度
φ              レーザの傾斜角度
Ｂ              溶接面におけるアークとレーザとの距離
【図１】
2017099004.tif 000003
【図２】
2017099004.tif 000004
【図３】
2017099004.tif 000005
【図４】
2017099004.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2017099004.tif 000009
【国際調査報告】
2017099004.tif 000010
2017099004.tif 000011
2017099004.tif 000012
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