(57)【要約】  本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して鋼板を溶接する際に使用するシールドガスにおいて、前記シールドガス中の二酸化炭素の体積％をＡ、酸素の体積％をＢとしたとき、二酸化炭素と酸素の混合割合が、下記式：１５≦Ａ≦３５、かつ、１．０≦Ｂ＜９．０、かつ、Ｂ≧１６―０．６Ａを満たす範囲であることを特徴とするハイブリッド溶接用シールドガスに関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接とアーク溶接とを併用して鋼板を溶接する際に使用するシールドガスにおいて、
前記シールドガス中の二酸化炭素の体積％をＡ、酸素の体積％をＢとしたとき、二酸化炭素と酸素の混合割合が、下記式：
１５≦Ａ≦３５、かつ、１．０≦Ｂ＜９．０、かつ、Ｂ≧１６―０．６Ａ
を満たす範囲であることを特徴とするハイブリッド溶接用シールドガス。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド溶接用シールドガスにおいて、
前記二酸化炭素と酸素との混合割合が、下記式：
２５≦Ａ≦３５、かつ、Ｂ≧８−０．２Ａ、かつ、Ｂ≦１３−０．２Ａ
を満たす範囲であることを特徴とするハイブリッド溶接用シールドガス。
【請求項３】
レーザ溶接とアーク溶接とを併用して鋼板を溶接するハイブリッド溶接方法において、
レーザビーム、アーク、及び、請求項１または請求項２記載のシールドガスを鋼板に供給することを特徴とするハイブリッド溶接方法。
【請求項４】
請求項３記載のハイブリッド溶接方法において、前記シールドガスをアークと同軸方向から鋼板に供給し、前記シールドガスと同一組成のアシストガスを、更に、溶接進行方向側から鋼板に供給することを特徴とするハイブリッド溶接方法。
【請求項５】
前記鋼板が、冷間圧延鋼板、熱間圧延鋼板、及び溶接構造用圧延鋼材からなる群から選択されるいずれか一つであることを特徴とする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、レーザ光を用いるレーザ溶接とアークを用いるアーク溶接とを併用して行うハイブリッド溶接に関する。
本願は、２００５年８月３１日に出願された特願２００５−２５０８８９号に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド溶接とは、レーザ溶接とアーク溶接とを併用する溶接方法である。ハイブリッド溶接の特徴は、高速かつ深溶け込みが得られ、熱源としては高価であるレーザ溶接の特徴と、熱源として安価かつワイヤ供給により開先精度が緩和されるアーク溶接を組み合わせることにより、双方の欠点を補完することが可能な溶接方法である。【０００３】
これにより、レーザ溶接では困難であったギャップのある継手の溶接が可能となり、かつアーク溶接では難しい深溶け込みや高速化が可能になり、これにより被溶接材への入熱が少なくなり、溶接変形の低減が図れることになる。【０００４】
しかし、ハイブリッド溶接では熱源にレーザ光を用いるため、レーザ溶接の問題点であるブローホール等の溶接欠陥がハイブリッド溶接にも発生しやすいという問題がある。
従来、ハイブリッド溶接において、溶接時に溶融池を遮蔽するシールドガスとして、アーク溶接に用いられるシールドガスが用いられており、一般にはアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスに炭酸ガスまたは酸素ガスを加えた混合ガスが用いられている。【０００５】
ところで、ハイブリッド溶接を行った際に発生するブローホール等の内部欠陥を防止する方法として、アルゴンガスが１０〜８０％、残部がヘリウムからなる混合ガスをシールドガスとして用いる溶接方法が、特許文献１に提案されている。【０００６】
しかし、この方法では、ヘリウムが高価なガスであり付加価値の高いもの以外、利用することは困難である。また、炭酸ガスや酸素ガスといったアークを安定化させる元素を含有していないため、鋼板のハイブリッド溶接ではアークの溶滴移行が不安定となり、溶接不良が発生する問題がある。【０００７】
ところで、レーザ溶接におけるブローホール等の溶接欠陥を防止する方法として、アルゴンガスに２〜５体積％の酸素ガスを添加した混合ガスを用いることが特許文献２に開示されいる。
この混合ガスをシールドガスとしてハイブリッド溶接に適用した試験結果によれば、単に酸素ガスを２〜５体積％添加しただけでは、アークが安定せず、ビード形状不良及び内部欠陥の発生が著しいことが判明した。【０００８】
また、レーザ溶接におけるブローホール等の溶接欠陥を防止する方法として、アルゴンなどの不活性ガスに８０〜９５体積％の炭酸ガスを添加した混合ガスを用いることが特許文献３に開示されている。
この混合ガスに関しても、試験結果から、炭酸ガスを５０体積％以上とした場合には、内部欠陥の総数は減るものの溶接部内部に直径１．０ｍｍ以上のブローホールが発生し、溶接部断面におけるブローホール断面積率が増加するため好ましくないことが明らかになった。【０００９】
さらに、アーク溶接用のシールドガスとして一般的に用いられているアルゴン−炭酸ガス混合ガス、アルゴン−酸素混合ガスを用いても、本発明者らが行った試験結果では内部欠陥を満足できる程度まで低減できなかった。
【特許文献１】特開２００３−１６４９８３号公報
【特許文献２】特開平９−１０３８９２号公報
【特許文献３】特開２００１−１３８０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
よって、本発明における課題は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して鋼板を溶接する際に使用するシールドガスにおいて、溶接部にブローホール等の内部欠陥が生じることがなく、しかもアークが安定しビード形状が良好となり、かつ安価に提供できるハイブリッド溶接用のシールドガスを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するため、本発明では、ハイブリッド溶接の溶接欠陥の中でも、特にブローホールの低減を目的とし、シールドガスの成分に着目し、アルゴンガス、酸素ガス、炭酸ガスの３種のガスを特定の割合で混合した混合ガスを用いることにより、溶接欠陥を改善することを見出したものである。【００１２】
本発明の第１の実施態様は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して鋼板を溶接する際に使用するシールドガスにおいて、前記シールドガス中の二酸化炭素の体積％をＡ、酸素の体積％をＢとしたとき、二酸化炭素と酸素の混合割合が、下記式：
１５≦Ａ≦３５、かつ、１．０≦Ｂ＜９．０、かつ、Ｂ≧１６―０．６Ａ
を満たす範囲であることを特徴とするハイブリッド溶接用シールドガスである。【００１３】
前記第１の実施態様のハイブリッド溶接用シールドガスにおいて、二酸化炭素と酸素との混合割合が、下記式：
２５≦Ａ≦３５、かつ、Ｂ≧８−０．２Ａ、かつ、Ｂ≦１３−０．２Ａ
を満たす範囲であることがより好ましい。【００１４】
本発明の第２の実施態様は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して鋼板を溶接するハイブリッド溶接において、レーザービーム、アーク及び前記シールドガスを鋼板に供給することを特徴とするハイブリッド溶接方法である。【００１５】
前記第２の実施態様のハイブリッド溶接方法において、前記シールドガスをアークと同軸方向から鋼板に供給し、前記シールドガスと同一組成のアシストガスを、更に、溶接進行方向側から鋼板に供給することがより好ましい。
前記鋼板は、冷間圧延鋼板、熱間圧延鋼板、及び溶接構造用圧延鋼材からなる群から選択されるいずれか一つであることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にあっては、上記特定組成のシールドガスを用いることにより、溶接金属の表面張力を低下させ、溶融池底部に存在する気泡の排出を促し、鋼板のハイブリッド溶接において、発生する内部欠陥(ブローホール)の発生数を抑制することができる。
また、同時に二酸化炭素が適量存在することにより溶接時のアークの不安定化を防止しすることができるという効果が得られる。
また、高速溶接を行う場合にはシールド性が低下する恐れがあるが、別途溶接進行方向の前方側からシールドガスと同一組成のアシストガスを流すことにより、高速溶接を行う場合であっても高いシールド性を維持することできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のハイブリッド溶接に用いられる溶接装置の要部を示す概略構成図である。
【図２】本発明のシールドガス中の酸素と二酸化炭素の混合比の範囲を表した図表である。
【符号の説明】
【００１８】
１    レーザヘッド
３    鋼板
４    アークトーチ
５    ワイヤ
６    先端部材
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明のハイブリッド溶接方法に用いられる溶接装置の一例の要部を示すもので、図中符号１はレーザヘッドを示す。このレーザヘッド１は、その内部に集光レンズなどの光学レンズ系が収められている。このレーザヘッド１には、光ファイバ２により図示しないＹＡＧ（Ｎｄ）レーザ発振装置などのレーザ光源から導光された波長１．０６４μｍのレーザ光が入力され、レーザ光がここで集光されてビーム状になって、鋼板３の溶接部位に照射されるようになっている。【００２０】
また、符号４はアークトーチを示す。このアークトーチ４には、図示しないワイヤ供給装置からワイヤ５が送給され、このワイヤ５の先端部がアークトーチ４の先端部材６から溶接部位に向けて突出し、溶接チップとして機能するようになっている。
さらに、先端部材６には、ワイヤ５の外周側からシールドガスが噴出する噴射口が形成されており、シールドガス供給源（図示略）からパイプ７を通り、アークトーチ４のシールドガス流入口８に供給されたシールドガスが上記先端部材６の噴射口から溶接部位にめがけて噴射されるようになっている。【００２１】
また、ワイヤ５は、ワイヤ供給装置を介して図示しない溶接電源に接続されており、これによってワイヤ５の先端部から溶接部位に向けてアークが飛ぶようになっている。さらに、図１中の矢印は、溶接進行方向を示している。【００２２】
さらに、図中符号９はアシストガスノズルを示す。このアシストガスノズル９は、溶接進行方向側に配置されて、パイプ１０を経てアシストガス供給源（図示略）に接続されており、これによりアシストガスがその先端から鋼板３の溶接部位に向けて噴射されるようになっている。【００２３】
また、図１に示すように、アークトーチ４の中心軸、レーザ光の光軸およびアシストガスノズル９の中心軸は、アークとレーザ光の干渉を防ぐため、いずれも鉛直線に対して傾斜しており、アークトーチ４の傾斜方向とレーザ光軸およびアシストガスノズル９の傾斜方向は、互いに相対するように配置されている。【００２４】
次に、このような溶接装置を用い、被溶接部材として鋼板をハイブリッド溶接する方法について説明する。
鋼板として、冷間圧延鋼板、熱間圧延鋼板、溶接構造用圧延鋼材を好ましく用いることができる。
レーザヘッド１から波長１．０６４μｍ、出力１〜２０ｋＷのレーザ光を出射し、レーザビームを鋼板３の溶接部位に照射する。なお、その他のレーザ光としては、ＹＡＧ（Ｙｂ）レーザ、波長１．０３μｍ、炭酸ガスレーザ、波長１０．６μｍ、半導体レーザ、波長０．８μｍ、０．９５μｍが使用可能である。【００２５】
また、アークトーチ４のワイヤ５に直流電流を印加し、ワイヤ５の先端部からアークを溶接部位に向けて飛ばす。これと同時にアークトーチ４の先端部材６の噴射口から溶接部位にめがけてシールドガスを噴射する。【００２６】
このシールドガスは、その組成がアルゴンと二酸化炭素と酸素からなり、二酸化炭素と酸素の混合割合を、二酸化炭素の体積％をＡ、酸素の体積％をＢとしたとき、
１５≦Ａ≦３５、かつ、１．０≦Ｂ＜９．０、かつ、Ｂ≧１６―０．６Ａ
の範囲、好ましくは、
２５≦Ａ≦３５、かつ、Ｂ≧８−０．２Ａ、かつ、Ｂ≦１３−０．２Ａ
の範囲に調整したものである。【００２７】
シールドガス中における二酸化炭素と酸素の混合割合を前記範囲内に設定することにより、アーク安定性を保ち、溶接作業性に優れたものとなり、また、溶接部の内部欠陥（ブローホール、ピット等）の発生を抑制することができる。【００２８】
図２は、このシールドガス中の二酸化炭素および酸素の濃度の範囲を描いたもので、実線で囲んだ範囲（領域Ｉと言うことがある）が、１５≦Ａ≦３５、かつ、１．０≦Ｂ＜９．０、かつ、Ｂ≧１６―０．６Ａの範囲を示し、破線で囲んだ範囲（領域ＩＩと言うことがある）が、２５≦Ａ≦３５、かつ、Ｂ≧８−０．２Ａ、かつ、Ｂ≦１３−０．２Ａの範囲を示している。【００２９】
そして、領域Ｉを満たす組成のシールドガスを用いることで、後述の実験例からも明らかなように、溶接長さ１００ｍｍ当たりのブローホール発生数が２５個未満となり、領域ＩＩを満たす組成のシールドガスを用いることで、溶接長さ１００ｍｍ当たりのブローホール発生数が１０個以下となる。【００３０】
本発明のシールドガスにおける二酸化炭素と酸素との混合比は、後述する実験例に示すように、実際に溶接作業を実施し、溶接作業性、溶接部での欠陥発生状況等を評価することで求められたものである。
また、このシールドガスの噴射流量は、通常１０〜３０リットル／分程度とされる。【００３１】
また、本発明の溶接方法では、溶接速度が２００ｃｍ／分以上の高速とする場合には、アシストガスノズル９からアシストガスを溶接部位に向けて流すことが好ましい。このアシストガスとしては、前記シールドガスと同じ組成のガスが用いられ、その流量は１０〜４０リットル／分程度とされる。【００３２】
すなわち、溶接速度が高速となると、シールドガスによる溶融池のシールドが乱され、シールド性が低下する可能性が生じるが、このアシストガスを流すことにより、このシールド性の低下を防ぐことができ、高速溶接においても良好な溶接を行うことができる。
【実施例】
【００３３】
実施例および比較例
シールドガスを用いたハイブリッド溶接を、図１に示した溶接装置を用いて実施した。
溶接は、ビードオンプレートにて、次の条件で行った。シールドガスはアークトーチより供給した。被溶接材料には、鋼板（ＳＰＣＣ）、厚さ３．２ｍｍを用いた。シールドガスには、アルゴンと酸素と二酸化炭素の３成分混合ガスを用い、これら３成分を種々の割合で混合し、多数の組成の異なるシールドガスとした。【００３４】
溶接部の内部欠陥数から、シールドガス中における酸素と二酸化炭素の混合比の最適範囲を実験的に求めた。
以下の溶接条件でハイブリッド溶接し、溶接時に生じた内部欠陥(ブローホール、ピット等)の発生およびアーク安定性から、ハイブリッド溶接に適する混合比の範囲を求めた。
一般的なアーク溶接用のシールドガスであるアルゴンガス−２０％炭酸ガスを用いた場合（ブローホール発生数４９個）に比べて、発生する内部欠陥数（ブローホール）が半分（２５個）未満となり、かつ、アークが安定し、ピットの発生が認められない範囲をハイブリッド溶接に適する範囲（領域Ｉとなる）とした。さらに、ブローホールがアルゴンガス−２０％炭酸ガスを用いた場合に比べて、１／５（１０個）以下となる濃度範囲をより好ましい範囲（領域ＩＩとなる）とした。
溶接条件は、以下の通りである。
アーク溶接：マグ溶接溶接速度１．０ｍ／ｍｉｎ、チップ母材間距離：１５ｍｍ、レーザ出力（ＹＡＧレーザ）：２．０ｋＷ、溶接電流：１５０Ａ、シールドガス流量：２０ｌ／ｍｉｎ【００３５】
溶接を１００ｍｍ行い、ブローホールの数、ブローホール径、ピットの発生の有無およびアーク安定性に関して評価した。その結果を表１と表２に分けて示した。【００３６】
【表１】
2007026493.tif 000002
【００３７】
【表２】
2007026493.tif 000003
【００３８】
表１および表２において、×はアーク不安定、ピット発生、ブローホール径１．０ｍｍ以上、ブローホール発生数２５個以上の少なくとも一つに該当するものを示し、○はブローホール発生数が２５個未満のものを示し、◎は、ブローホール発生数が１０個以下のものを示す。【００３９】
この表１および表２の評価結果をグラフにプロットし、評価が「○」もしくは「◎」のガス組成点が存在する領域を求めたものが、図２における領域Ｉであり、評価が「◎」のガス組成点が存在する領域を求めたものが、図２における領域ＩＩである。
そして、この領域Ｉ、ＩＩから上述の関係式を導き出したものである。【００４０】
参考例
本発明の効果を確認するために、従来のレーザ溶接およびアーク溶接を行い、その溶接長１００ｍｍ当たりのブローホール数を評価した。
被溶接材料、溶接速度、レーザ出力、溶接電流、チップ母材間距離は、先の例と同じ条件にて行った。【００４１】
・レーザ溶接
溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力：２．０ｋＷ、シールドガス：Ａｒ（汎用レーザ溶接用ガス）、シールドガス流量：４０Ｌ／ｍｉｎ【００４２】
・アーク溶接溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎ、チップ母材間距離：１５ｍｍ、溶接電流：１５０Ａ、シールドガス：Ａｒ−２０％ＣＯ２（汎用アーク溶接用ガス）、シールドガス流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
結果を表３に示す。なお、表３にはシールドガスとして従来のアーク溶接に汎用されているＡｒ−２０％ＣＯ２のシールドガスを用いたハイブリッド溶接による結果も示している。【００４３】
【表３】
2007026493.tif 000004
【００４４】
表３の結果から、従来のアーク溶接に汎用されているＡｒ−２０％ＣＯ２のシールドガスを用いたハイブリッド溶接では、４９個のブローホールが生じることがわかる。すなわち、本発明のシールドガスを用いることにより、ハイブリッド溶接でのブローホールの発生を従来のものに比べて半分以下、さらには５分の１以下に低減することができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、上記特定組成のシールドガスを用いることにより、鋼板の表面張力を低下させ、溶融池底部に存在する気泡の排出を促し、鋼板のハイブリッド溶接において、発生する内部欠陥(ブローホール等)の発生数を抑制することができる。
また、同時に二酸化炭素が適量存在することにより溶接時のアークの不安定化を防止しすることができるという効果が得られる。
また、高速溶接を行う場合にはシールド性が低下する恐れがあるが、別途溶接進行方向の前方側からシールドガスと同一成分のアシストガスを鋼板に供給することにより、高速溶接を行う場合であっても、高いシールド性を維持することができる。
【図１】
2007026493.tif 000005
【図２】
2007026493.tif 000006
【国際調査報告】
2007026493.tif 000007
2007026493.tif 000008
2007026493.tif 000009
2007026493.tif 000010