(57)【要約】  低温割れの発生を抑制すべく、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を溶接対象とし、溶接進行方向に対して、消耗電極式アーク溶接を先行に、レーザ溶接を後行に配置し、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離を３〜５ｍｍの範囲にするとともに、アーク溶接の電極角度を溶接進行方向側に２０〜６０°の範囲の後退角とし、レーザ溶接のレーザビームの入射角度を鉛直方向から溶接進行方向へ０〜３０°の範囲の角度とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を溶接対象とし、溶接進行方向に対して、消耗電極式アーク溶接を先行に、レーザ溶接を後行に配置し、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離を３〜５ｍｍの範囲にするとともに、アーク溶接の電極角度を溶接進行方向側に２０〜６０°の範囲の後退角とし、レーザ溶接のレーザビームの入射角度を鉛直方向から溶接進行方向へ０〜３０°の範囲の角度とすることを特徴とするレーザ・アークハイブリッド溶接方法。
【請求項２】
前記アーク溶接の溶接電流が３００Ａ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接方法。
【請求項３】
前記レーザ溶接のレーザ出力が３ｋＷ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、レーザ溶接（ｌａｓｅｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ）と消耗電極式アーク溶接（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）を併用させたレーザ・アークハイブリッド溶接方法（ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ａｒｃ  ｈｙｂｒｉｄ  ｗｅｌｄｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）に関し、特に引張強さ（ｔｅｎｓｉｌｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板（ｈｉｇｈ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｓｔｅｅｌ  ｓｈｅｅｔ  ｏｒ  ｐｌａｔｅ）を対象としたレーザ・アークハイブリッド溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  レーザ溶接は、高いエネルギー密度（ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｄｅｎｓｉｔｙ）を得ることができるため、深溶け込み（ｄｅｅｐ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）の高速溶接（ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ｗｅｌｄｉｎｇ）が可能であり、高能率な溶接方法として期待されている。また、極めて局所的な溶融となるため、母材に加わる熱の影響も小さく、歪や変形の小さな高品質の溶接継手（ｗｅｌｄ  ｊｏｉｎｔ）を得ることができる。【０００３】  一方、従来から多用されているアーク溶接は、レーザ溶接よりも容易に扱うことができ、装置も安価で汎用性がある。しかしながら、レーザ溶接に比べると、溶け込み深さ（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  ｄｅｐｔｈ）は小さく、溶接速度も遅い。【０００４】  そこで、両者の利点を活用すべく、レーザ溶接とアーク溶接を組合せたレーザ・アークハイブリッド溶接が提案されている。そして、レーザ・アークハイブリッド溶接は、エネルギー密度が異なる２つの熱源（ｈｅａｔ  ｓｏｕｒｃｅ）を利用しているため、溶接速度の高速化、開先ギャップ（ｇｒｏｏｖｅ  ｇａｐ）の寸法精度（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ａｃｃｕｒａｃｙ）の緩和、溶け込み深さの増大、溶接継手部の特性向上（具体的には、溶接金属の靭性改善など）、溶接欠陥（ｗｅｌｄ  ｄｅｆｅｃｔｓ）の抑制などに効果があることが知られている。【０００５】  ちなみに、レーザ・アークハイブリッド溶接方法としては、例えば、下記特許文献１〜３などに記載されたものが知られている。【０００６】  特許文献１では、先行にレーザ、後行にアークを配置して、被溶接材のルートギャップ（ｒｏｏｔ  ｇａｐ）を板厚の１０％以上からレーザビーム径（ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）以下の範囲に設定することで、深溶け込みの高速溶接が達成できるレーザ・アークハイブリッド溶接方法が開示されている。【０００７】  特許文献２では、アークを先行させ、レーザを後行させ、レーザとアークを同一溶接線上（ｓａｍｅ  ｗｅｌｄ  ｌｉｎｅ）に配置させながら溶接することで、高速溶接性（ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ）と耐ギャップ性（ｇａｐ  ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）に優れたレーザ・アークハイブリッド溶接方法に関する技術が開示されている。【０００８】  特許文献３では、アークを先行させるとともにレーザを後行させて、且つアーク溶接は一対のアーク電極（ａｒｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）（トーチ（ｔｏｒｃｈ）も言う）を溶接線の両側に配置してそれらの先端を溶接進行方向に傾けた状態とし、アーク電極間の間隙を通ってレーザ光（ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ）を照射することで、被溶接部材間に大きなギャップ（ｇａｐ）が存在しても良好な溶接継手を高速で形成できるレーザ・アークハイブリッド溶接方法に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２１６９７２号公報
【特許文献２】特開２００６−２２４１３０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１４７９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  ところで、レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接後の冷却速度（ｃｏｏｌｉｎｇ  ｒａｔｅ）はアーク溶接に比べて高いため、特に硬化しやすい引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼では溶接金属（ｗｅｌｄ  ｍｅｔａｌ）の低温割れ（ｃｏｌｄ  ｃｒａｃｋｉｎｇ）の発生が懸念される。【００１１】  一般に、低温割れの発生要因としては、（ａ）溶接金属の拡散性水素（ｄｉｆｆｕｓｉｂｌｅ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ）、（ｂ）ＨＡＺ（ｗｅｌｄｅｄ  ｈｅａｔ−ａｆｆｅｃｔｅｄ  ｚｏｎｅ）や溶接金属の硬化組織（ｈａｒｄｅｎｅｄ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、（ｃ）溶接継手の拘束応力（ｒｅｓｔｒａｉｎｔ  ｓｔｒｅｓｓ）、の３つが挙げられ、これらの条件が揃った場合に低温割れが発生するとされている。溶接が終了した直後、溶接金属には水素が過飽和状態で溶解していることが多く、それらが応力の高い箇所に拡散し、集積して割れに至ると考えられている。【００１２】  しかしながら、前述の特許文献１〜３では、開先ギャップの余裕度（ｇａｐ  ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）と高速溶接を両立することに主眼が置かれたものであり、低温割れの防止については考慮されていない。特に、レーザ・アークハイブリッド溶接の場合には、アーク溶接のプロセスにおいて溶接ワイヤ（ｗｅｌｄ  ｗｉｒｅ）や大気中から混入すると考えられる拡散性水素を無視できない。【００１３】  本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板へのレーザ・アークハイブリッド溶接の適用を図る上で課題と考えられる低温割れ防止技術の確立のために、溶接金属の拡散性水素量を低減することができるレーザ・アークハイブリッド溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  上記の課題を解決するために、本発明者は、レーザおよびアークの配置を種々変化させた条件におけるレーザ・アークハイブリッド溶接の溶接金属部の拡散性水素量を測定し、溶接条件（ｗｅｌｄｉｎｇ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）が拡散性水素量におよぼす影響について鋭意検討した。その結果、先行にアーク、後行にレーザを配置して溶接した場合の方が、先行にレーザ、後行にアークを配置して溶接した場合に比べて、拡散性水素量が低減する傾向にあることを見出した。また、先行するアーク溶接の電極角度（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を溶接進行方向側に対して後退角（ｓｗｅｐｔｂａｃｋ  ａｎｇｌｅ）となるように傾斜させた場合に、その拡散性水素量の低減効果が大きいという知見も得た。さらには、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置（ｗｉｒｅ  ａｉｍ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）とレーザビーム照射位置（ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）の距離がある範囲でなければ、拡散性水素量の低減効果が小さいという知見も得た。【００１５】  本発明は、上記のような知見に基づいてなされたものであり、以下のような特徴を備えている。【００１６】  ［１］引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を溶接対象とし、溶接進行方向に対して、消耗電極式アーク溶接を先行に、レーザ溶接を後行に配置し、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離を３〜５ｍｍの範囲にするとともに、アーク溶接の電極角度を溶接進行方向側に２０〜６０°の範囲の後退角とし、レーザ溶接のレーザビームの入射角度（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）を鉛直方向（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）から溶接進行方向（ｗｅｌｄｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）へ０〜３０°の範囲の角度とすることを特徴とするレーザ・アークハイブリッド溶接方法。【００１７】  ［２］前記アーク溶接の溶接電流（ｗｅｌｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ）が３００Ａ以下であることを特徴とする前記［１］に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接方法。【００１８】  ［３］前記レーザ溶接のレーザ出力（ｌａｓｅｒ  ｐｏｗｅｒ）が３ｋＷ以上であることを特徴とする前記［１］または［２］に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接方法。
【発明の効果】
【００１９】  本発明によれば、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板のレーザ・アークハイブリッド溶接を行なうにあたり、溶接金属の拡散性水素量を低減することができ、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板での耐低温割れ性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態において、被溶接材の突合せ溶接（ｂｕｔｔ  ｗｅｌｄｉｎｇ）する時の状況を溶接進行方向の横側から見た模式的側面図である。
【図２】図２は、本発明の実施例において、水素量の測定に用いた試験片の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  本発明の一実施形態におけるレーザ・アークハイブリッド溶接方法について図面を参照して説明する。
【００２２】  図１は、本発明の一実施形態において、被溶接材の突合せ溶接する時の状況を溶接進行方向の横側から見た模式的側面図である。図１中、１は被溶接材、２はアーク溶接電極、３は溶接ワイヤ、４はレーザ溶接ヘッド（ｌａｓｅｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ  ｈｅａｄ）、５はレーザビーム、６は溶接ビード（ｗｅｌｄ  ｂｅａｄ）、矢印Ａは溶接方向をそれぞれ示している。また、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離をＸとする。さらに、アーク溶接電極２の鉛直方向に対する傾斜角（すなわち、後退角）をθａ、レーザ溶接のレーザビームの入射角をθｂとする。なお、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とは、溶接ワイヤの延長線が鋼板表面と交差する点を言う。また、レーザビーム照射位置とは、鋼板表面の照射されたレーザビームのビーム径の中心を言う。
【００２３】  まず、この実施形態では、アーク溶接を先行、レーザ溶接を後行に配置するとともに、アーク溶接の電極角度θａが溶接進行方向側に後退角となるようにしている。これは、アーク溶接を後退角方式（ｓｗｅｐｔｂａｃｋ  ａｎｇｌｅ  ｍｅｔｈｏｄ）で溶接することで、溶接ビードの幅が狭くなり、溶融金属の大気と接触する面積が小さくなることにより、大気中から持ち込まれる拡散性水素を少なくすることができるためである。そのために、アーク溶接電極２とレーザ溶接ヘッド４の取り回しを考えると、アーク溶接が先行の配置となる。
【００２４】  その上で、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離Ｘを３〜５ｍｍの範囲と規定している。Ｘが３ｍｍ未満の場合、溶接ワイヤ３の変動によりレーザビーム５が溶接ワイヤ３に直接当たってしまい、溶接が不安定になりやすい。またＸが５ｍｍを超えるとアーク溶接で形成された溶融池（ｍｏｌｔｅｎ  ｗｅｌｄ  ｐｏｏｌ）とレーザ溶接による溶融池が分離するため、溶融金属が大気と接触する表面積が増加して、拡散性水素が混入しやすくなる。したがって、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離Ｘは３〜５ｍｍの範囲とした。
【００２５】  そして、アーク溶接の後退角θａは２０〜６０°の範囲と規定している。後退角θａが２０°未満であると、アーク溶接の溶接ビードの幅が顕著に狭くならないため、溶接金属の拡散性水素の低減効果が得られにくく、後退角θａが６０°を超えると、アーク溶接のビード形状が不安定になるとともに、溶け込み深さが減少する。したがって、アーク溶接の後退角θａは２０〜６０°の範囲にする。より好ましくは、３０〜４５°の範囲である。
【００２６】  さらに、レーザビーム５の入射角θｂを鉛直方向から溶接進行方向へ０〜３０°の範囲と規定している。レーザビーム５の入射角θｂが０°未満の場合は、レーザ溶接ヘッド４とアーク溶接トーチ２とが溶接進行方向と同じ側に傾斜することになり、お互いに位置的に干渉することになるばかりでなく、得られる効果もない。一方、レーザビーム５の入射角θｂが３０°を超えると、溶け込み深さが減少する。したがって、レーザ溶接のレーザビーム５の入射角θｂは０〜３０°の範囲にする。より好ましくは、０〜１５°の範囲である。
【００２７】  そして、アーク溶接の溶接電流は３００Ａ以下とすることが好ましい。また、レーザ溶接のレーザ出力は３ｋＷ以上とすることが好ましい。
【００２８】  すなわち、アーク溶接電流が３００Ａを超えると、溶接ワイヤ３の溶着量（ｖｏｌｕｍｅ  ｏｆ  ｄｅｐｏｓｉｔ  ｍｅｔａｌ）が増加するため、溶接ワイヤ３より混入する拡散性水素も増加する。したがって、アーク溶接の溶接電流は３００Ａ以下とすることが好ましい。
【００２９】  一方、レーザ出力が３ｋＷ未満であると、厚板のレーザ・アークハイブリッド溶接で期待する深い溶け込みを得ることが難しくなる。また、レーザ溶接による母材の溶融（希釈率（ｄｉｌｕｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ））が小さくなると、アーク単独溶接の場合と近づくことから、拡散性水素の低減効果も得られ難くなる。したがって、レーザ溶接のレーザ出力は３ｋＷ以上とすることが好ましい。
【００３０】  なお、本発明で使用するレーザ溶接としては、様々な形態の発振器（ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を用いたレーザビームを用いることができる。
【００３１】  例えば、気体（例えば、ＣＯ２（ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ｇａｓ）、ヘリウム−ネオン（ｈｅｌｉｕｍ−ｎｅｏｎ）、アルゴン（ａｒｇｏｎ）、窒素（ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、ヨウ素（ｉｏｄｉｎｅ）等）を媒質として用いる気体レーザ（ｇａｓ  ｌａｓｅｒ）、固体（例えば、希土類元素をドープした  ＹＡＧ等）を媒質として用いる固体レーザ（ｓｏｌｉｄ  ｌａｓｅｒ）、レーザ媒質（ｌａｓｅｒ  ｍｅｄｉｕｍ）としてバルク（ｂｕｌｋ）の代わりにファイバー（ｆｉｂｅｒ）を利用するファイバーレーザ（ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ）、デイスクレーザ（ｄｉｓｋ  ｌａｓｅｒ）等が好適である。あるいは、半導体レーザ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒ）を使用しても良い。
【００３２】  また、本発明で使用するアーク溶接としては、シールドガスによりアークおよび溶接金属を大気から遮蔽しながら溶接するガスシールドアーク溶接を用いることができる。
【００３３】  例えば、ＣＯ２ガスあるいはＡｒとＣＯ２の混合ガスを用いるＭＡＧ溶接（ｍｅｔａｌ  ａｃｔｉｖｅ  ｇａｓ  ｗｅｌｄｉｎｇ）、ＡｒやＨｅなどの不活性ガスを用いるＭＩＧ溶接（ｍｅｔａｌ  ｉｎｅｒｔ  ｇａｓ  ｗｅｌｄｉｎｇ）等の電極が連続的に溶融して消耗する溶極式（消耗電極式）溶接が好適である。
【実施例１】
【００３４】  レーザ・アークハイブリッド溶接継手の溶接金属部の拡散性水素量について、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。【００３５】  アーク溶接を対象とした鋼溶接部の水素量の測定方法としては、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１８に示された試験方法が一般的に用いられている。そこで、レーザ・アークハイブリッド溶接の拡散性水素の測定においても、試験片形状、拡散性水素の捕集、水素量の測定方法などの基本事項はＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）に準拠して実施した。すなわち、供試鋼として用いたＨＴ７８０級鋼板より、図２に示すような、板厚１２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ４０ｍｍの試験板１Ａと板厚１２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ４５ｍｍのエンドタブ（ｅｎｄ  ｔａｂ）１Ｂを作製し、レーザ・アークハイブリッド溶接条件を種々変化させた溶接部の拡散性水素量を測定した。【００３６】  表１にレーザ・アークハイブリッド溶接条件を示す。【００３７】
【表１】
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【００３８】  なお、レーザ溶接にはＹＡＧレーザ溶接機を用い、レーザシールドガス（ｌａｓｅｒ  ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ  ｇａｓ）は純Ａｒとした。一方、アーク溶接はＨＴ７８０級ＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤ（ｓｏｌｉｄ  ｗｉｒｅ）（１．２ｍｍ径）を用い、シールドガスは８０ｖｏｌ％Ａｒ−２０ｖｏｌ％ＣＯ２を用いた。また、溶接速度は、板厚１２ｍｍの試験板１Ａの貫通を防ぐため０．５ｍ／ｍｉｎとした。【００３９】  表１中の本発明例（継手Ｎｏ．１、３、４、６、７、８）は、アーク溶接をレーザ溶接に先行させるとともに、アーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離Ｘを３〜５ｍｍの範囲に、またアーク溶接の電極角度θａを２０〜６０°の後退角に、レーザビームの入射角θｂを０〜３０°に配置した例である。なお、継手Ｎｏ．１、３、４、７では、アーク溶接の溶接電流を３００Ａ以下とし、レーザ溶接のレーザ出力を３ｋＷ以上としているが、継手Ｎｏ．６では、アーク溶接の溶接電流を３００Ａ超えである３２０Ａとし、継手Ｎｏ．８では、レーザ溶接のレーザ出力を３ｋＷ未満である２．５ｋＷとしている。【００４０】  これに対して、表１中の比較例（継手Ｎｏ．２、５、９、１０、１１）のうち、継手Ｎｏ．２はレーザ溶接をアーク溶接に先行させた例、継手Ｎｏ．５はアーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離Ｘを３ｍｍ未満である１ｍｍとした例、継手Ｎｏ．９はアーク溶接の溶接ワイヤ狙い位置とレーザビーム照射位置の距離Ｘを５ｍｍ超えである６ｍｍとした例、継手Ｎｏ．１０はレーザビームの入射角θｂを３０°超えである４５°とした例、継手Ｎｏ．１１はアーク溶接のトーチ角度θａを６０°超えである７０°の後退角とした例である。【００４１】  これらのレーザ・アークハイブリッド溶接部の拡散性水素量の測定結果を表２に示す。【００４２】  ここで、拡散性水素量の評価指標（ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｉｎｄｅｘ）として、アーク溶接で一般的に評価に用いられる「溶着金属（ｄｅｐｏｓｉｔ  ｍｅｔａｌ）の質量当たりの水素量」ではなく、「溶接金属の質量当たりの水素量」を用いることとした。その理由として、レーザ・アークハイブリッド溶接の場合には、高エネルギー密度であるレーザ溶接の効果によって母材の溶融（希釈率）がアーク単独溶接に比べて高いため、後者の方が低温割れの評価には適切と判断したためである。なお、拡散性水素の捕集条件（ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）は４５℃×７２時間とし、水素量はガスクロマトグラフ法（ｇａｓ  ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）にて測定した。【００４３】
【表２】
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【００４４】  表２から明らかなように、本発明例では「溶接金属の質量当たりの水素量」は０．４０ｍｌ／１００ｇ以下の値となった。一方、比較例の「溶接金属の質量当たりの水素量」は０．６０ｍｌ／１００ｇを超える値となった。すなわち、本発明により、「溶接金属の質量当たりの水素量」は概ね半減することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】  本発明によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接部の拡散性水素量を低減することができることから、高強度鋼での耐低温割れ性を向上することができるので、産業上格段の効果を奏する。
【符号の説明】
【００４６】  １  被溶接材  １Ａ  試験板  １Ｂ  エンドタブ  ２  アーク溶接電極  ３  溶接ワイヤ  ４  レーザ溶接ヘッド  ５  レーザビーム  ６  溶接ビード 
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2013179614.tif 000007
2013179614.tif 000008