(57)【要約】【課題】レーザ溶接方法の利点を維持しつつ、溶接による曲がりなどの変形欠点を解消し、十分に安定した溶け込みが得られるＴ形もしくはＨ形のような形鋼を製造するレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】フィラーワイヤを金属板の突き合わせ部分に対して適切な角度位置に未溶接側から供給し、かつレーザビームを適切な角度で両面同時に照射することで、溶接後の矯正が不要となり、なおかつ複雑な装置を設置する必要が無く、極めて容易に正確で安定的に強度の高いＴ形、もしくはＨ形鋼の溶接を効率的に製造することが可能となる。【選択図】        図９
2005021912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスレーザ、またはＹＡＧレーザを用いて２枚の金属板を互いに垂直に突き合わせ、突き合わせ部に沿って溶接しＴ形もしくはＨ形の形鋼を成型する形鋼のレーザ溶接方法において、突き合わせた金属板の両面から対向する位置に２つのレーザビームを同時に照射するとともに、同方向に照射点を移動させて溶接することを特徴とする形鋼のレーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の形鋼のレーザ溶接方法において、該金属板の突き合わせ部分に対するレーザビームの照射角度を突き合わされた金属板の平面から５度〜４０度の角度範囲に設定することを特徴とする形鋼のレーザ溶接方法。
【請求項３】
請求項２に記載の形鋼のレーザ溶接方法において、該金属板を突き合わせ溶接する際の突き合わせ部に余盛りと脱酸の役割を持たせたフィラーワイヤをレーザ照射地点の手前２ｍｍ〜５ｍｍの位置に５度〜４０度の角度で未溶接側から供給することを特徴とする形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、構造物の支柱や梁などを構成するＴ型もしくはＨ形鋼を製造するためのレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｔ形、もしくはＨ形のような形鋼の溶接による製造方法は、アーク溶接法によって組み立てられている。また、変形問題がほとんど無いという利点を生かして、一部であるがステンレスの形鋼の製造に適用することが試みられているが、レーザ溶接の必要照射精度を実現することが難しく、実生産には未適用である。
【０００３】
しかし、従来用いられていたアーク溶接においては、入熱量が多いため溶接部で溶接側に大きく曲がるなど変形の問題があり、溶接後に曲がり矯正などの余分な工程が必要になるなどの課題がある。一方、レーザ溶接による製造方法においては、入熱量が少ないがマグ溶接同様に依然として変形の問題は解決していない。また、２枚の金属板で構成される突き合わせ部に直接レーザを照射する事になるため、わずかの隙間がある場合や、溶接線に数１００μｍ程度の僅かなうねりが合った場合にも、溶け込みが不安定になる、または溶接欠陥が発生する等の技術的課題があった。この問題を解決するために、特許文献１に記載の如く、スリットを設けた金属材を接合部に挟み込む手法が提案されているが、スリットを設けた金属材を安定的に供給するための装置が煩雑になり、かつスリットを設けた金属材の加工などの工程が必要となる等製造技術上の困難点があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−９９９８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は上記問題点を解決し、溶接による曲がりなどの変形がなく、しかも確実で安定した溶接部を実現する形鋼のレーザ溶接方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、
（１）炭酸ガスレーザ、またはＹＡＧレーザを用いて２枚の金属板を互いに垂直に突き合わせ、突き合わせ部に沿って溶接しＴ形もしくはＨ形の形鋼を成型する形鋼のレーザ溶接方法において、突き合わせた金属板の両面から対向する位置に２つのレーザビームを同時に照射すると、
（２）上記（１）に記載の形鋼のレーザ溶接方法において、該金属板の突き合わせ部分に対するレーザビームの照射角度を突き合わされた金属板の平面から５度〜４０度の角度範囲に設定することを特徴とする形鋼のレーザ溶接方法と、
（３）上記（２）に記載の形鋼のレーザ溶接方法において、該金属板を突き合わせ溶接する際の突き合わせ部に余盛りと脱酸の役割を持たせたフィラーワイヤをレーザ照射地点の手前２ｍｍ〜５ｍｍの位置に５度〜４０度の角度で未溶接側から供給することを特徴とする形鋼のレーザ溶接方法により解決できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、２枚の金属板を垂直に突き合わせてＴ型に構成した後、両側より突き合わせた溶接線に沿って集光したレーザビームのスポットを照射し溶接する。図１は本発明によるＴ形鋼の溶接の説明図である。溶接用のトーチ９内に組み込んだ集光レンズ８でレーザビーム６を集光し、集光スポット７を２枚の金属板すなわち垂直金属板１と水平金属板２の密着部に内側から照射する。レーザビーム６の光軸の傾斜角度は水平金属板２からの角度θ０をθ０＝５〜４０度に設定する。溶接は溶接線を両面同時に同方向に溶接する。これにより垂直金属板は両側から同じ加熱、冷却過程を経るため、片側から溶接された際に生ずる変形は皆無である。
【０００８】
図２はＴ形鋼溶接時のビードの断面形状を示す説明図である。水平金属板２に対するレーザビーム６の入射角度をθ０、垂直金属板１の密着側端面から垂直方向に計った照射位置をΔｚ、ビードの上部幅をＷｂ、ビードの対称軸１４の水平金属板２とのなす角度をθｂとする。このとき、ビード上部の形状はレーザビーム６が照射される箇所の入射角や位置、形状に依存するため、ビード対称軸１４の角度θｂとレーザビーム６の光軸の傾斜角度θ０は必ずしも一致しない。また、ビードの溶融凝固層と母材との境界が水平金属板２の表面、または垂直金属板１の端面に一致する場合、熱伝播によって接する相手側の金属を溶融し難くなるため溶接欠陥になる可能性が高い。
【０００９】
図３に上記の様にレーザトーチ９に傾斜角度θ０を付けた場合のＴ形鋼の溶接ビード断面形状とレーザビームの関係を示す説明図を示す。このように水平側の金属板２と垂直側の金属板１が密着して接している上表面が溶接ビード断面の内部に収まっている状態がこの場合の健全な溶接状態である。一般にはビード幅Ｗｂは３ｍｍ程度であるので、健全な継ぎ手性能を得るための、ビード断面の傾き角は実験的に３度＜θｂ＜２０度程度が適正となる事が分かった。３度以下では水平金属板２に溶け込みが得られないため充分な継ぎ手強度が得られず、２０度以上では垂直金属板１に十分な溶け込みが得られないため充分な継ぎ手強度が得られない。
図４は実験を基に、健全な溶接状態を得たケースについて、ビード角度θｂとレーザ照射角度θ０との関係をまとめたものである。これらの結果として、健全なビードが得られる為のトーチ傾斜角度θ０は５度以上、４０度以下となる。
【００１０】
しかし、上記健全なビードが得られる条件を満たしたとしても、開先の隙間が大きい場合、図５に示すようなビードの窪み１１が間欠的に起こる。また、ビードの窪み１１がない場合にも、外部からの金属の供給をしないため、溶接ビード上部に形成される水平金属板２と垂直金属板１間の曲率半径Ｒは０ｍｍ＜Ｒ＜１ｍｍ程度と極めて小さい。これに対し、２枚の該金属板で構成される突き合わせ部に向けて予めフィラーワイヤを未溶接側から供給しながらレーザ溶接することで、僅かな隙間が有った場合には、その不足する金属量を補えるとともに、溶接線上の数１００μｍ程度の僅かなうねりが有った場合にもワイヤの供給効果によってビードの上部が広くなり、ほぼ一様な幅と深さになり安定したビードが形成されるようになる。さらに、レーザ誘起プラズマの位置制御を行うことにより、フィラーワイヤをレーザ溶接加工前に溶融させることができ、溶融金属が金属板に溶融し滴下した同時かその直後にレーザビームが照射されるため、該金属板表面の酸化皮膜やみがき板の表面粗さ等の表面の状態に左右され難くなり、ほぼ一様な幅と深さの安定したビードが形成され、溶接後に強度的に有利な数ｍｍ程度の適度な曲率半径Ｒが付与されるようになった。
【００１１】
図６はフィラーワイヤを供給した場合の溶接時の斜視図である。金属板の密着面である溶接線に対するフィラーワイヤ１３の供給角度をθｗとする。フィラーワイヤの供給方向は未溶接側から既溶接側になるような方向とする。
図７はフィラーワイヤ１３供給位置とレーザビームスポット間の距離Δｗに対する開先部からワイヤ先端がそれた距離（位置誤差Δｚｗと定義）の関係を示す図である。フィラーワイヤは直交する板面にてガイドされ供給位置のΔｗが２ｍｍ〜５ｍｍの範囲で位置誤差Δｚｗは０ｍｍとなった。Δｗが５ｍｍ以上では供給されるワイヤ素線が長すぎる為ガイド面から離れΔｚｗが発生し溶接不良が発生した。またΔｗが２ｍｍ以下では、フィラーワイヤがレーザビームに直接作用するため、溶け込み深さに不安定が生じた。よって適切なΔｗの範囲は２ｍｍ〜５ｍｍの領域である。
【００１２】
図８はフィラーワイヤ供給角度θｗに対する位置誤差Δｚｗの関係を示す図である。フィラーワイヤ供給角度はθｗが５度〜４０度の範囲で位置誤差Δｚｗが０ｍｍであり、θｗが４０度以上では、一度開先に到達したフィラーワイヤがもう一度離れてしまうため位置誤差が発生する。θｗが５度以下に於いてはフィラーワイヤの供給用トーチと鋼材の物理的干渉のため配置が不可能である。よって、適切な範囲は５度＜θｗ＜４０度の領域であった。
【００１３】
【実施例】
図９は本発明の代表的な構成図である。
本発明者は、Ｔ形鋼のレーザ溶接を実施するに当たり、酸化皮膜付きの鋼板４ｍｍ材を垂直に付き合わせて専用治具にて拘束し互いに密着させた。溶接用レーザは出力４ｋＷの連続発振炭酸ガスレーザを２台用い、図９のように互いに反対側から同方向に溶接するように配置した。そして各々焦点距離ｆ＝１９０ｍｍのレンズを使用して集光した。フィラーワイヤは鉄系でＳｉ、Ａｌを含有するフラックスコア型で直径φ１．２ｍｍのものを２組使用した。溶接速度はＶ＝３ｍ／ｍｉｎ、フィラーワイヤの供給速度はＶｆ＝４ｍ／ｍｉｎとし、供給レートはＶｆ／Ｖ＝１．３３とした。
【００１４】
レーザビーム６は水平金属板２からの入射角度θ０＝１０度とし照射した。そして、垂直金属板１の両面より溶接を開始した。フィラーワイヤの狙い位置はΔｗ＝５ｍｍ、供給角度はθｗ＝２０度とし両側とも未溶接側から供給されるように配置した。
溶接後のビード上表面には両側ともブローホール等の空孔は皆無であり平滑であり、充分な継ぎ手強度であった。また溶接ビードの肉盛り部分の曲率半径Ｒは３ｍｍであった。Ｔ形鋼の水平金属板２の変形量、および垂直板の傾斜は皆無であり、変形はほぼ０であった。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によると、熱歪による変形等がないため溶接後の矯正が不要であり、かつ、複雑な装置も必要とせず極めて容易に正確で安定的に強度の高いＴ形、もしくはＨ形鋼を効率的に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｔ形鋼の溶接の斜視図。
【図２】溶接ビードの断面形状を示す説明図。
【図３】溶接ビードの断面形状とレーザビームの関係を示す説明図。
【図４】レーザビームの投入傾斜角度、及び照射位置と溶接欠陥の発生有無の関係を示す説明図。
【図５】溶接ビード欠陥部断面の説明図。
【図６】フィラーワイヤ供給時の溶接の斜視図。
【図７】フィラーワイヤ供給位置Δｗに対するワイヤの供給位置誤差の関係を示す図。
【図８】フィラーワイヤ供給角度θｗに対するワイヤの供給位置誤差の関係を示す図。
【図９】本発明の代表的な構成図。
【符号の説明】
１：垂直金属板                    ２：水平金属板
３：先行溶接ビード断面            ４：後行溶接ビード断面
５：溶接ビード                    ６：レーザビーム
７：集光スポット                  ８：集光レンズ
９：レーザトーチ                １０：水平金属板と垂直金属板が接する面
１１：ビードの窪み                １２：未溶接部
１３：フィラーワイヤ              １４：ビード対称軸
【図１】
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【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６】
2005021912.tif 000008
【図７】
2005021912.tif 000009
【図８】
2005021912.tif 000010
【図９】
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