(57)【要約】【課題】開先のある厚鋼板をレーザ溶接で裏波溶接する。【解決手段】Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先を、通電加熱したフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接するホットワイヤ・レーザ複合溶接方法において、レーザビームを溶接線に沿って移動させて照射するとき、上記通電加熱したフィラーワイヤを上記レーザビームの照射位置の後に配置しつつ、上記レーザビームのフォーカス位置を、被溶接材の板厚方向に、下記式（１）で定義する周波数Ｆ［Ｈｚ］で振動させ、上記レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の範囲の上端を、上記開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上記振幅の範囲の下端を、ルートフェイス上端表面に前記レーザビームが照射される位置に設定することを特徴とする、厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０・・・（１）ただし、Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、溶接速度を表す。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先を、通電加熱したフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接するホットワイヤ・レーザ複合溶接方法において、レーザビームを溶接線に沿って移動させて照射するとき、
上記通電加熱したフィラーワイヤを上記レーザビームの照射位置の後に配置しつつ、
上記レーザビームのフォーカス位置を、被溶接材の板厚方向に、下記式（１）で定義する周波数Ｆ［Ｈｚ］で振動させ、
上記レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の範囲の上端を、上記開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上記振幅の範囲の下端を、ルートフェイス上端表面に前記レーザビームが照射される位置に設定する
ことを特徴とする、厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０                ・・・（１）
ただし、Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、溶接速度を表す。
【請求項２】
前記フィラーワイヤの中心線と前記ルートフェイス上端表面の交点と、前記レーザビームの中心線と前記ルートフェイス上端表面の交点との距離が１〜３ｍｍであり、前記フィラーワイヤのワイヤ送給角度が４５〜８０度である
ことを特徴とする、請求項１に記載の厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接とホットワイヤ溶接を組み合わせた溶接方法に係わり、主に、造船やパイプライン、建設機械等を対象とする比較的厚い鋼板で、特に、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する厚鋼板の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接では、高いエネルギー密度の熱源の利用が特徴であり、レーザビームを照射した材料表面での蒸発及びその蒸発反力により、溶融池内にキーホールが形成され、深溶け込みの溶接継手を得ることができる。このように、深溶け込みの溶接が可能であることから、レーザ溶接は、高能率な溶接であると共に、鋼板への溶接入熱が小さく、溶接ひずみが小さい高品質な溶接継手を得ることができる。
【０００３】
一方で、レーザ溶接では、１ｍｍ未満の集光径が使用されることが多いため、高い開先精度が求められる。実際の溶接施工では、突合せ継手部の鋼板間に隙間が生じる場合がある。特に、厚鋼板のレーザ溶接では、フィラーワイヤ等により、不足した溶融金属を補う必要がある。しかしながら、フィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接を行うと、レーザの出力が、フィラーワイヤの溶融のために奪われるので、溶接効率が低下する問題が生じる。
【０００４】
フィラーワイヤの供給に伴う溶接効率の低下を防ぐ手法として、特許文献１に開示されたホットワイヤ・レーザ溶接法が知られている。本手法では、開先を有する溶接継手に対して、フィラーワイヤを通電加熱により融点直下の温度まで上昇させてから溶接部に供給するため、レーザの出力をフィラーワイヤに奪われることなく、効率的な溶接が可能となる。
【０００５】
加えて、ホットワイヤ・レーザ溶接法では、レーザビームを開先幅と同程度の集光径にディフォーカスすることによって、レーザの出力が、開先部の表層を溶融させることにのみ使用される。その後、通電加熱されたフィラーワイヤを開先部に供給することによって、開先溶接が可能となるため、被溶接材への入熱が低減され、溶接熱影響による被溶接材性能の劣化を抑制することができる。
【０００６】
しかしながら、ホットワイヤ・レーザ溶接法では、上述の溶接熱影響を低減するために、ディフォーカスしたレーザビームを開先部に照射するので、キーホールが形成されない。それ故、ホットワイヤ・レーザ溶接法は、厚鋼板の深溶け込み及び裏波溶接に適さない溶接方法である。
【０００７】
レーザ溶接による深溶け込み能力と、ホットワイヤ・レーザ溶接による高効率な開先溶接の能力とを両立させれば、厚鋼板の高能率な溶接を達成することが可能となるが、レーザ溶接とホットワイヤ・レーザ溶接では、レーザビームの集光条件が異なるので、上記両立は、難しい。
【０００８】
特許文献２には、差厚材の突合せレーザ溶接において、開先ギャップ裕度を高めるために、レーザビームのフォーカス位置を上下に振動させ、厚さに差のある２枚の薄鋼板を溶接する方法が、開示されている。この溶接方法では、差厚材の突合せ継手のレーザ溶接における開先ギャップ裕度を向上させるために、レーザビームのフォーカス位置を変えている。しかしながら、溶接対象が、テーラードブランク等の自動車用の薄鋼板であり、かつ、フィラーワイヤ又はホットワイヤの供給に関する記載がないため、そのまま厚鋼板の開先溶接に適用することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−０２０２９１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３６２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する厚鋼板の開先に対して、レーザ溶接による裏波溶接と、ホットワイヤ・レーザ溶接による開先溶接が両立した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】
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を解決するために詳細な研究を行った。その結果、適切な振動周波数でレーザビームのフォーカス位置を上下に振動させ、レーザ溶接とホットワイヤ・レーザ溶接を周期的に繰り返すことによって、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する厚鋼板の開先の良好な溶接が可能となることを見出した。
【００１２】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先を、通電加熱したフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接するホットワイヤ・レーザ複合溶接方法において、レーザビームを溶接線に沿って移動させて照射するとき、
上記通電加熱したフィラーワイヤを上記レーザビームの照射位置の後に配置しつつ、
上記レーザビームのフォーカス位置を、被溶接材の板厚方向に、下記式（１）で定義する周波数Ｆ［Ｈｚ］で振動させ、
上記レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の範囲の上端を、上記開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上記振幅の範囲の下端を、ルートフェイス上端表面に前記レーザビームが照射される位置に設定する
ことを特徴とする、厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０                ・・・（１）
ただし、Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、溶接速度を表す。
【００１３】
（２）前記フィラーワイヤの中心線と前記ルートフェイス上端表面の交点と、前記レーザビームの中心線と前記ルートフェイス上端表面の交点との距離が１〜３ｍｍであり、前記フィラーワイヤのワイヤ送給角度が４５〜８０度である
ことを特徴とする、前記（１）に記載の厚鋼板のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接法によれば、レーザビームのフォーカス位置が、ルートフェイス上端表面にある時は、キーホールが形成され深溶込みが得られ、また、レーザビームのフォーカス位置が、Ｕ字型又はＶ字型の開先の基準とした開口部幅となるディフォーカスしたところにある時は、開先表面の鋼板が溶融され、ホットワイヤによる溶融金属で開先内を埋めることができる。このように、レーザビームを上下振動させることで、深溶込みと開先溶接の両方を達成することができる。
【００１５】
そして、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先形状部を溶接する際、レーザ溶接の焦点の振動振幅と振動周波数を適切に設定することにより、レーザ溶接により厚鋼板を裏波溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明により溶接される被溶接材の開先部の一例を示す図である。
【図２】本発明の溶接を行っている状態の一例を示す図である。
【図３】レーザビームとフィラーワイヤの配置の一例を示す図である。
【図４】融点近くまで加熱されたフィラーワイヤが垂れている状態の一例を示す図である。
【図５】レーザビームのフォーカス位置を、基準とした開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射する場合の一例を示す図である。
【図６】レーザビームのフォーカス位置を、開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射した場合のホットワイヤ・レーザ溶接部断面の一例を示す図である。
【図７】ルートフェイス上端表面に照射した場合の一例を示す図である。
【図８】ルートフェイス上端表面に照射した場合のホットワイヤ・レーザ溶接部断面の一例を示す図である。
【図９】溶接速度とビーム振動周波数の関係を示す図である。
【図１０】本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法で、１パス溶接した後の溶接断面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、以下に説明する実施形態は本発明の１つの例であって、本発明が以下の実施形態により制限されるものではない。
【００１８】
図１に、本発明により溶接される被溶接材の開先部の一例、即ち、Ｕ字型の開口部とストレート部を有する開先部を示す。この開先部は、板状の被溶接材１１、１２を対向して配置し、上部にＵ字型の開先１３、下部にストレート形状のルートフェイスＲＦを有することが特徴である。なお、図１に示す開先部では、被溶接材の突出部１４、１５を密着させた状態で示したが、ルートフェイスＲＦは１〜１０ｍｍ程度、ルートギャップＲＧは０〜１ｍｍ程度が望ましい。
【００１９】
図２に、本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接を行っている状態の一例を示す。ワイヤトーチ２２に接続されたホットワイヤ電源２６を用いて、フィラーワイヤ２５と被溶接材２４の間を通電することによって、フィラーワイヤ２５を融点直下の温度に加熱して溶接部に供給する。なお、通電加熱したフィラーワイヤをホットワイヤと称することもある。
【００２０】
以下に、ホットワイヤ・レーザ溶接のフィラー送給に関する基本的な事項を説明する。
先ず、フィラーワイヤ送給位置に関して、フィラーワイヤ２５の中心線とルートフェイスＲＦ上端表面の交点と、レーザスキャナ２１から発射されたレーザビーム２３の中心線とルートフェイスＲＦ上端表面の交点との間の距離をｘとする。この距離ｘは１〜３ｍｍが好ましい。
【００２１】
フィラーワイヤ２５は、レーザビーム２３の直接照射で溶融するのではなく、通電加熱による抵抗発熱で、融点近くまで加熱されて供給される。通電加熱を行うためには、フィラーワイヤを被溶接材の溶接部に接触させる必要がある。しかしながら、距離ｘが１ｍｍ未満になると、レーザビーム２３によってフィラーワイヤ２５が溶融し、フィラーワイヤ２５と被溶接材の溶接部の接触不良を招き、フィラーワイヤ２５が供給できなくなる。一方、距離ｘが３ｍｍ超であると、レーザビーム２３による溶融池とフィラーワイヤ２５が分離してしまい、溶接ビード形状が乱れた状態となる。
【００２２】
次に、図３に、レーザビームとフィラーワイヤの配置の一例を示す。図３に示す配置例において、フィラーワイヤ２５のワイヤ送給角度θは、溶接方向におけるルートフェイスＲＦ上端表面からフィラーワイヤ２５の中心線までの角度であり、４５〜８０度が好ましい。
【００２３】
フィラーワイヤ２５は、融点近くまで加熱されているため軟らかくなっている。このため、図４に示すように、ワイヤ送給角度θが４５度より小さいとフィラーワイヤ２５’がたれて、距離ｘが１〜３ｍｍの範囲からはずれ、設定したワイヤ送給位置に送給されなくなる場合がある。一方、ワイヤ送給角度θが８０度より大きいと、レーザビーム２３が直接フィラーワイヤ２５に照射されるため、通電加熱ができなくなる。
【００２４】
また、設定したワイヤ送給位置への送給及びフィラーワイヤ２５への通電加熱を容易に行うために、ワイヤ送給角度θは、５０〜７０度が更に好ましい。
【００２５】
図５に、レーザビームのフォーカス位置を、基準とした開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射する場合の一例を示す。フィラーワイヤ送給部の開先面を安定して溶融させるためには、レーザビーム２３をディフォーカスし、その集光径がホットワイヤ供給後のビード高さにおける開口部の幅に一致させることが望ましい。
【００２６】
図６に、レーザビームのフォーカス位置を、開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射した場合の溶接部断面の一例を示す。適正なホットワイヤ・レーザ溶接条件を選定すると、溶接金属部４１により開先内を埋めることはできる。しかし、レーザをディフォーカスするとレーザビーム照射範囲のエネルギー密度が低下し、ルートフェイスＲＦは残ったままで、深溶け込み及び裏波を形成することができない。
【００２７】
図７に、ルートフェイス上端表面に照射した場合の一例を示し、図８に、ルートフェイス上端表面に照射した場合の溶接部断面の一例を示す。
【００２８】
図８に示すように、ルートフェイス上端表面にフォーカス位置を設定すると、深溶け込みの溶接金属部６１が形成される。しかし、レーザ照射範囲が開先の開口部幅よりも小さいために、開口部の鋼板表面を溶融することができず、ホットワイヤと鋼板の接合が適切に行われない。その結果、ホットワイヤは、ワイヤのみが溶融凝固した状態でワイヤ塊６２となる。ワイヤ塊６２は、溶接金属部６１及び被溶接材１１、１２とは接合されていない。
【００２９】
図６に示す良好な開先溶接を得つつ、図８に示す深溶け込み溶接を実現するために、ルートフェイス上端表面へのフォーカス位置の設定と、開先幅に合わせたスポット径になるようにフォーカス位置の設定とを、周期的に繰り返して溶接を行う手法を検討した。
【００３０】
図９に、溶接速度とビーム振動周波数の関係を示す。溶接速度が１０ｍｍ／ｓと比較的低速の場合は、３Ｈｚと低周波数の振動で良好な溶接が可能であったが、溶接速度が増加するに従って、レーザビームの振動周波数の下限が増加する結果となった。
【００３１】
１回当たりのレーザビームの振動に対する溶接線方向の移動量を５ｍｍ以下とすることによって、良好な開先溶接及び深溶け込み溶接が可能である。これより、振動周波数Ｆの下限は、Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５［Ｈｚ］と表現することができる。下限周波数未満の振動数を設定すると、裏波溶接部が断続的となり溶接裏面に融合不良が発生する。
【００３２】
一方、振動周波数が２０Ｈｚを超えると、いずれの溶接速度においても裏波ビードの形成不良となった。振動周波数が高くなると、十分な深溶け込み溶接を行う前に溶接が進行する結果と考えられる。以上の結果から、レーザビームの振動周波数の適正範囲は、
Ｖ［ｍｍ／ｓ］／５≦Ｆ［Ｈｚ］≦２０
である。
【００３３】
また、レーザビームの振動周波数の好ましい範囲は、
１０≦Ｆ［Ｈｚ］≦１５
である。レーザビームの振動周波数が、この範囲であれば、溶接速度５〜４０ｍｍ／ｓの範囲において、良好な開先溶接及び深溶け込み溶接が可能である。
【００３４】
本発明のホットワイヤ・レーザ複合溶接方法は、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部がある開先を有する厚鋼板の最初の１パス１層を溶接する方法である。これにより、裏波溶接ができ、図１０に示すような溶接金属１０１が得られる。開先をすべて埋めるためには、２パス以降の溶接を行なう。この場合は、通電加熱したフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接し、レーザビームのフォーカス位置は振動させないで行なう。レーザビームは、ディフォーカスした状態にする。多パス溶接により、開先を埋める。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００３６】
表１に、用いた板厚２０ｍｍの鋼板及び直径１．２ｍｍの溶接ワイヤ（溶接材料）の成分組成を示す。この鋼板及び溶接ワイヤを用いて、ホットワイヤ・レーザ複合溶接方法によって、溶接長２００ｍｍの溶接継手を１パス１層で作製し、溶接後の試験体の裏波形成率を測定した。
【００３７】
【表１】
2015182126.tif 000003
【００３８】
裏波形成率の測定方法は、次に示す通りである。
溶接ビードの中央部を挟んだ１５０ｍｍの距離の部分において、裏波が形成されている部位を目視で確認し、その部位の長さを測定し、次式により測定対象長さ１５０ｍｍに対する割合を算出した。裏波形成率１００％を良好な溶接部と判断した。
裏波形成率（％）＝（裏波形成箇所の長さの合計）×１００／１５０
【００３９】
結果を表２に示す。なお、レーザビームのフォーカス位置の上下振動の振幅の際は、開口部の幅とレーザ照射範囲が一致させる必要がある。本実施例では、表２の「基準とした開先幅」に記す値とレーザスポット径が、一致するようにディフォーカス位置を設定した。ディフォーカス距離は、ルートフェイス上端表面からの距離で示す。
【００４０】
溶接条件は、以下の通りである。
＜ホットワイヤ・レーザ溶接条件＞
レーザ発振器            ファイバーレーザＹＬＲ−１００００（ＩＰＧ社製）
ホットワイヤ電源        パワーアシスト（バブ日立工業株式会社製）
溶接姿勢                下向き水平
シールドガス種          Ａｒ
シールドガス流量        ２０Ｌ／ｍｉｎ
溶接ワイヤ              ＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１２相当
レーザ角度              後退角５°
【００４１】
【表２】
2015182126.tif 000004
【００４２】
表２において、Ａ−１〜Ａ−４は比較例であり、Ｈ−１〜Ｈ−８は発明例である。
Ａ−１〜Ａ−２は、レーザビームの上下振動の周波数Ｆが、式（１）を満たさない例である。振動周波数が大きく、キーホールが安定しないうちにレーザビームが移動するため、裏波が安定して形成されなかった。
【００４３】
Ａ−３は、レーザビームを開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に設定し、上下振動せずに溶接を行った例である。この場合は開先内を埋めることはできるが、キーホールが形成出来ず、裏波形成率は０％となった。
【００４４】
Ａ−４は、レーザビームをルートフェイス上端表面に設定し、上下振動せずに溶接を行った例である。この場合は、Ｖ開先の表面を溶融することが出来ず、ホットワイヤによる溶融ワイヤと鋼板が接合されず、溶接後に溶融ワイヤの塊のみが取れた。そのため、裏波は形成されていたが、溶接不良と判断した。
【００４５】
一方、発明例であるＨ−１〜Ｈ−８はレーザビームの上下振動数Ｆが式（１）の範囲内であり、安定したキーホールの形成及びホットワイヤ溶接が行えたため良好な裏波形成が行えた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明により、造船やパイプライン、建設機械等を対象とする比較的厚い鋼板で、特に、Ｕ字型又はＶ字型の開口部とストレート部を有する開先形状部の溶接において、レーザ溶接による裏波溶接と、ホットワイヤ・レーザ溶接による開先溶接を両立することが可能となる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。
【符号の説明】
【００４７】
１１、１２、２４    被溶接材
１３    開先部
１４、１５    被溶接材の突出部
２１    レーザスキャナ
２２    ワイヤトーチ
２３    レーザビーム
２５    フィラーワイヤ
２５’    融点近くまで加熱されたフィラーワイヤ
２６    ホットワイヤ電源
４１    レーザビームのフォーカス位置を、基準とした開口部の幅とレーザ照射範囲が一致する位置に照射した場合に形成される溶接金属部
６１    ルートフェイス上端表面に照射した場合の溶接金属部
６２    ワイヤ塊
ＲＦ    開先のストレート部（ルートフェイス）
ＲＧ    開先のストレート部のギャップ（ルートギャップ）
θ    フィラーワイヤのワイヤ送給角度
【図１】
2015182126.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
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【図６】
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【図８】
2015182126.tif 000013
【図１０】
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