(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ溶接とサブマージアーク溶接を組み合わせて厚鋼板（板厚10〜40mm）の突合せ溶接を行なうにあたって、優れた靭性を有する溶接金属を簡便な手段で得ることができる厚鋼板の突合せ溶接方法、その突合せ溶接方法による厚鋼板の突合せ溶接継手、その突合せ溶接継手を有すること溶接構造物を提供する。【解決手段】溶接進行方向の前方にレーザ溶接機を配設し、後方にサブマージアーク溶接機を配設し、先行するレーザ溶接による溶融池と後行するサブマージアーク溶接による溶融池とをそれぞれ個別に形成し、かつレーザ溶接のレーザ照射点とサブマージアーク溶接のアーク点との距離Ｌ（mm）がＬ≦1.2×10-3×ｖ×ｔ2／（ＱLBW×Ｃm）を満足するとともに、サブマージアーク溶接の入熱ＱSAW（Ｊ／mm）がＱSAW≧0.5×10-6×ＱLBW×ｔ2／Ｃmを満足する厚鋼板１の突合せ溶接方法である。【選択図】図１
2016150371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚鋼板の突合せ溶接方法において、溶接進行方向の前方にレーザ溶接機を配設し、後方にサブマージアーク溶接機を配設し、先行するレーザ溶接による溶融池と後行するサブマージアーク溶接による溶融池とをそれぞれ個別に形成し、かつ前記レーザ溶接のレーザ照射点と前記サブマージアーク溶接のアーク点との距離Ｌ（mm）が(1)式を満足するとともに、前記サブマージアーク溶接の入熱ＱSAW（Ｊ／mm）が(2)式を満足することを特徴とする厚鋼板の突合せ溶接方法。
Ｌ（mm）≦1.2×10-3×ｖ×ｔ2／（ＱLBW×Ｃm）      ・・・(1)
ＱSAW（Ｊ／mm）≧0.5×10-6×ＱLBW×ｔ2／Ｃm      ・・・(2)
ＱLBW＝Ｐ／ｖ
Ｃm＝ρ×ｃ×λ
ｖ：溶接速度（mm／秒）
ｔ：厚鋼板の板厚（mm）
ＱLBW：レーザ溶接の入熱（Ｊ／mm）
Ｐ：レーザ溶接の出力（Ｗ）
Ｃm：材料定数
ρ：厚鋼板の密度（ｇ／mm3）
ｃ：厚鋼板の比熱（Ｊ／〔ｇ・Ｋ〕）
λ：厚鋼板の熱伝導率（Ｗ／〔mm・Ｋ〕）
【請求項２】
請求項１に記載の突合せ溶接方法によって厚鋼板を接合してなることを特徴とする厚鋼板の突合せ溶接継手。
【請求項３】
請求項１に記載の突合せ溶接方法によって厚鋼板を接合した突合せ溶接継手を有することを特徴とする溶接構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚鋼板の突合せ溶接方法、およびそれによって形成される突合せ溶接継手、ならびにその突合せ溶接継手を有する溶接構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、エネルギー密度が高いので、溶込みを深くし、かつ溶接速度を速くすることが可能であることから、厚鋼板の突合せ溶接に好適な能率の良い溶接技術として期待されている。しかも、溶接の熱影響が及ぶ領域が著しく小さいので、熱による歪みや変形が小さい良好な形状の突合せ溶接継手が得られるという利点を有している。
【０００３】
しかしレーザ溶接は、入熱が極めて小さいので、溶接後の冷却速度が速くなり、溶接金属が硬化するのは避けられず、その結果、溶接金属の靭性が劣化するという欠点を有している。そこで、レーザ溶接によって形成される溶接金属の靭性劣化を防止する技術が検討されている。
【０００４】
たとえば特許文献１には、鋼板に適正な量のTiやBを添加し、かつAlとOの含有比率およびCeq（すなわち炭素当量）を適正に調整することによって、レーザ溶接の溶接金属を微細なアシキュラーフェライト組織とし、その結果、溶接金属の靭性を改善する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、鋼板の成分を適正に調整することによって、レーザ溶接の溶接金属のオーステナイト粒径を微細にするとともに、微細かつ少量の析出物（すなわち炭化物、島状マルテンサイト）が分散したマルテンサイト組織とし、その結果、溶接金属の靭性を改善する技術が開示されている。
【０００６】
これら特許文献１、２に開示された技術は、鋼板の用途や寸法に応じた成分を設計する必要がある。したがって、汎用の鋼板の突合せ溶接に、これらの技術を適用するのは困難である。とりわけ、厚鋼板の突合せ溶接では、レーザ溶接後の冷却速度が大幅に増加するので、溶接金属が著しく硬化し、靭性の劣化を招く。
【０００７】
そこで、レーザ溶接の欠点を補いながら、その利点を活用する溶接技術として、レーザ溶接とアーク溶接を組合せた複合溶接が検討されている。
【０００８】
たとえば特許文献３に、厚鋼板の突合せ溶接で形成される溶接金属を軟質化するために、Ｙ開先のルート面を複合溶接で接合した後、サブマージアーク溶接で突合せ部全体を接合する技術が開示されている。しかしこの技術は、レーザ溶接とガスメタルアーク溶接あるいはプラズマアーク溶接とを組合せた複合溶接の後に、さらにサブマージアーク溶接を行なうので、溶接装置の構成のみならず、溶接施工の作業手順が複雑になり、施工コストの上昇を招く。
【０００９】
特許文献４には、厚鋼板の突合せ溶接の溶接速度を向上するために、先行するレーザ溶接にて、フィラーを供給しながらＹ開先のルート面を接合し、引き続き、サブマージアーク溶接で突合せ部全体を接合する複合溶接の技術が開示されている。しかしこの技術は、先行するレーザ溶接によって形成される硬質の溶接金属を、後行するサブマージアーク溶接で十分に軟化させることができず、その結果、溶接金属の靭性の劣化を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2003-200284号公報
【特許文献２】特開2008-184672号公報
【特許文献３】特表2013-514181号公報
【特許文献４】特表2014-510642号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、レーザ溶接とサブマージアーク溶接を組み合わせて厚鋼板の突合せ溶接を行なうにあたって、優れた靭性を有する溶接金属を簡便な手段で得ることができる厚鋼板の突合せ溶接方法、その突合せ溶接方法によって厚鋼板を接合してなる厚鋼板の突合せ溶接継手、その突合せ溶接方法によって厚鋼板を接合した突合せ溶接継手を有する溶接構造物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】
【００１２】
入熱が小さい故に、溶接金属の靭性が劣化するというレーザ溶接の欠点を解消するために、本発明者はサブマージアーク溶接を併用する溶接技術に着目した。サブマージアーク溶接は、大電流を供給して、入熱の増大すなわちワイヤ溶着量の増加が可能であるから、溶接速度を増速することができる。したがって、レーザ溶接とサブマージアーク溶接を組み合わせることによって、レーザ溶接の利点を損なうことなく、レーザ溶接の欠点を補うことができる。
【００１３】
そして本発明者らは、レーザ溶接とサブマージアーク溶接を組み合わせる溶接技術について詳細に研究した。その結果、溶接進行方向にレーザ溶接を先行させ、引き続き、後行するサブマージアーク溶接でレーザ溶接の熱履歴を制御することによって、優れた靭性を有する溶接金属を得ることができ、しかも溶接熱影響部の靭性も改善できることを見出した。ここで、レーザ溶接の熱履歴の制御とは、先行するレーザ溶接による溶接金属（以下、レーザ溶接金属という）が、靭性劣化の原因となるマルテンサイト変態を生じる温度域まで冷却される前に、後行するサブマージアーク溶接によってレーザ溶接金属を再加熱して下部ベイナイト組織を形成することを意味する。
【００１４】
つまり、先行のレーザ溶接と後行のサブマージアーク溶接の距離を適正に調整することによって、レーザ溶接金属の靭性を改善することができる。また、サブマージアーク溶接による溶接金属（以下、アーク溶接金属という）および溶接熱影響部の靭性は、入熱を適正に調整することによって、改善することができる。
【００１５】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００１６】
すなわち本発明は、厚鋼板の突合せ溶接方法において、溶接進行方向の前方にレーザ溶接機を配設し、後方にサブマージアーク溶接機を配設し、先行するレーザ溶接による溶融池と後行するサブマージアーク溶接による溶融池とをそれぞれ個別に形成し、かつレーザ溶接のレーザ照射点とサブマージアーク溶接のアーク点との距離Ｌ（mm）が(1)式を満足するとともに、サブマージアーク溶接の入熱ＱSAW（Ｊ／mm）が(2)式を満足する厚鋼板の突合せ溶接方法である。
Ｌ（mm）≦1.2×10-3×ｖ×ｔ2／（ＱLBW×Ｃm）      ・・・(1)
ＱSAW（Ｊ／mm）≧0.5×10-6×ＱLBW×ｔ2／Ｃm      ・・・(2)
ＱLBW＝Ｐ／ｖ
Ｃm＝ρ×ｃ×λ
ｖ：溶接速度（mm／秒）
ｔ：厚鋼板の板厚（mm）
ＱLBW：レーザ溶接の入熱（Ｊ／mm）
Ｐ：レーザ溶接の出力（Ｗ）
Ｃm：材料定数
ρ：厚鋼板の密度（ｇ／mm3）
ｃ：厚鋼板の比熱（Ｊ／〔ｇ・Ｋ〕）
λ：厚鋼板の熱伝導率（Ｗ／〔mm・Ｋ〕）
また本発明は、上記の突合せ溶接方法によって厚鋼板を接合してなる厚鋼板の突合せ溶接継手である。
【００１７】
また本発明は、上記の突合せ溶接方法によって厚鋼板を接合した突合せ溶接継手を有すること溶接構造物である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、レーザ溶接とサブマージアーク溶接を組み合わせて厚鋼板の突合せ溶接を行なうにあたって、優れた靭性を有する溶接金属を簡便な手段で得ることができ、その結果、優れた靭性を有する溶接金属によって形成される突合せ溶接継手、およびその突合せ溶接継手を有する溶接構造物を得ることが可能となり、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の突合せ溶接方法を適用する開先の例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明で用いるレーザ溶接機とサブマージアーク溶接機の配置の例を模式的に示す断面図である。
【図３】突合せ溶接継手におけるレーザ溶接金属、アーク溶接金属、溶接熱影響部を模式的に示す断面図である。
【図４】図３に示す突合せ溶接継手からシャルピー衝撃試験片を採取した位置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明の突合せ溶接方法を適用する開先の例として、Ｙ開先を模式的に示す断面図である。図１中のtは板厚（mm）、θは開先角度（°）、ｈは開先深さ（mm）である。以下では、図１〜３を参照して、厚鋼板のＹ開先による突合せ溶接を行なう例について説明する。
【００２１】
図１に示すような加工を側面に施した厚鋼板１を突合せてＹ開先をなし、図２に示すようにレーザ溶接機５を先行させて、ルート面２のレーザ溶接を行なう。図２中の矢印Ａは、溶接進行方向を示す。レーザ溶接機５の後方にはサブマージアーク溶接機８が配設されており、レーザ溶接金属３の上部およびＹ開先の開口部のサブマージアーク溶接を行なう。サブマージアーク溶接に必要なフラックス９は、レーザ溶接機５とサブマージアーク溶接機８の中間に位置するフラックスホッパー７から供給される。また、レーザ溶接機５のレーザ照射点にフラックス９が流れ込むのを防止するために、フラックスストッパー６を配設することが好ましい。
【００２２】
こうして、図３に示すように、レーザ溶接金属３の上部から厚鋼板１の上面までサブマージアーク溶接金属４が形成され、かつサブマージアーク溶接による溶接熱影響部11が生じる。なおレーザ溶接による熱影響部は、既に説明した通り著しく小さいので、本発明を適用して形成される突合せ溶接継手の特性に影響を及ぼさない。したがって、レーザ溶接による熱影響部は図示を省略する。
【００２３】
図２に示すレーザ溶接機５のレーザ照射点とサブマージアーク溶接機８のアーク点との距離Ｌ（mm）が大きすぎると、レーザ溶接による溶融池が、サブマージアーク溶接によって再加熱される前にマルテンサイト変態を起こしてしまうので、レーザ溶接金属３全体がマルテンサイト組織となり、靭性の劣化を招く。したがって距離Ｌは、下記の(1)式を満足する必要がある。
【００２４】
一方で、距離Ｌ（mm）が小さすぎると、レーザビーム12がサブマージアーク溶接のフラックス９に照射され、安定した溶接ができないという問題が生じる。したがって、レーザ溶接による溶融池とサブマージアーク溶接による溶融池が、それぞれ個別に形成されるように距離Ｌを保つ必要がある。
【００２５】
また、サブマージアーク溶接の入熱ＱSAW（Ｊ／mm）が小さすぎると、レーザ溶接金属３全体を再加熱できないので、部分的にマルテンサイト組織が形成され、靭性の劣化を引き起こす。したがって入熱ＱSAW（Ｊ／mm）は、下記の(2)式を満足する必要がある。
Ｌ（mm）≦1.2×10-3×ｖ×ｔ2／（ＱLBW×Ｃm）      ・・・(1)
ＱSAW（Ｊ／mm）≧0.5×10-6×ＱLBW×ｔ2／Ｃm      ・・・(2)
ＱLBW＝Ｐ／ｖ
Ｃm＝ρ×ｃ×λ
ｖ：溶接速度（mm／秒）
ｔ：厚鋼板の板厚（mm）
ＱLBW：レーザ溶接の入熱（Ｊ／mm）
Ｐ：レーザ溶接の出力（Ｗ）
Ｃm：材料定数
ρ：厚鋼板の密度（ｇ／mm3）
ｃ：厚鋼板の比熱（Ｊ／〔ｇ・Ｋ〕）
λ：厚鋼板の熱伝導率（Ｗ／〔mm・Ｋ〕）
つまり、レーザ溶接とサブマージアーク溶接による溶融池が個別に形成され、かつ(1)式を満足するように距離Ｌを調整し、入熱ＱSAW（Ｊ／mm）が(2)式を満足するように調整することによって、靭性劣化の原因となるマルテンサイト変態を生じる温度域までレーザ溶接金属３が冷却される前に、サブマージアーク溶接によってレーザ溶接金属３全体を再加熱して下部ベイナイト組織を形成することが可能となる。
【００２６】
なお、通常の厚鋼板では、ρは7.6〜8.2ｇ／mm3、ｃは0.4〜1.0Ｊ／〔ｇ・Ｋ〕、λは0.07〜0.03Ｗ／〔mm・Ｋ〕である。
【００２７】
突合せ溶接に供する厚鋼板１の板厚ｔは、特に限定しない。ただし、板厚ｔが小さすぎると、サブマージアーク溶接による再加熱で温度が高くなりすぎるため、下部ベイナイト組織を形成し難くなる。板厚ｔが大きすぎると、サブマージアーク溶接によってレーザ溶接金属３全体を再加熱することが困難になり、部分的にマルテンサイト組織が形成される。したがって、板厚ｔは10〜40mmが好ましい。
【００２８】
また、図１〜３にＹ開先の例を示したが、開先の形状は特に限定しない。ただし、突合せ溶接に供する厚鋼板１の間隔が広い部位（たとえば図１に示すＹ開先の厚鋼板１の上面側）はレーザ溶接が困難であるから、ルート面を備えた開先（たとえばＹ開先、Ｉ開先、Ｘ開先等）に本発明を適用して、そのルート面をレーザ溶接で接合することが好ましい。
【００２９】
このようにして厚鋼板の突合せ溶接を行なうことによって、厚鋼板の成分を限定する必要はなく、汎用の厚鋼板の突合せ溶接にて優れた靭性を有する溶接金属を得ることができる。
【実施例】
【００３０】
表１に示す成分の厚鋼板１に、図１に示すような開先加工を施し、突合せ溶接継手とした。その手順を以下に説明する。なお、厚鋼板１の板厚と開先寸法は、表２に示す通りである。
【００３１】
【表１】
2016150371.tif 000003
【００３２】
【表２】
2016150371.tif 000004
【００３３】
図２に示すように、レーザ溶接機５を先行させてルート面２のレーザ溶接を行ない、引き続き、レーザ溶接金属３の上部およびＹ開先の開口部のサブマージアーク溶接を行なった。サブマージアーク溶接に必要なフラックス９はフラックスホッパー７から供給し、さらに、フラックス９がレーザ溶接機５のレーザ照射点にフラックス９が流れ込まないようにフラックスストッパー６を使用した。
【００３４】
レーザ溶接およびサブマージアーク溶接の条件は、表３、４に示す通りである。(1)式および(2)式の右辺を算出するにあたって、厚鋼板の密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率λは、それぞれρ＝0.00786ｇ／mm3、ｃ＝0.46Ｊ／（ｇ・Ｋ）、λ＝0.05Ｗ／（mm・Ｋ）とした。
【００３５】
【表３】
2016150371.tif 000005
【００３６】
【表４】
2016150371.tif 000006
【００３７】
こうして形成された突合せ溶接継手からＶノッチシャルピー衝試験片を採取して、ＪＩＳ規格Z3111に準拠してシャルピー衝撃試験を行なった。試験片採取位置10は、図４に示す通り、ノッチ位置がレーザ溶接金属３の中央部と一致するようにした。
【００３８】
表３、４から明らかなように、発明例は、遷移温度vＴrsが−22〜−32℃であり、優れた靭性を有することが確かめられた。
【００３９】
これに対して比較例である継手番号３、４、５、11、12、13、19、20、21は、距離Ｌが(1)式を満足しないので、遷移温度vＴrsが上昇して、靭性が劣化した。また、継手番号６、14、15、22、23は、入熱ＱSAW（Ｊ／mm）が(2)式を満足しないので、靭性が劣化した。
【符号の説明】
【００４０】
１  厚鋼板
２  ルート面
３  レーザ溶接金属
４  サブマージアーク溶接金属
５  レーザ溶接機
６  フラックスストッパー
７  フラックスホッパー
８  サブマージアーク溶接機
９  フラックス
10  試験片採取位置
11  溶接熱影響部
12  レーザビーム
【図１】
2016150371.tif 000007
【図２】
2016150371.tif 000008
【図３】
2016150371.tif 000009
【図４】
2016150371.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月4日(2016.1.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
なお、通常の厚鋼板では、ρは7.6×10-3〜8.2×10-3ｇ／mm3、ｃは0.4〜1.0Ｊ／〔ｇ・Ｋ〕、λは0.07〜0.03Ｗ／〔mm・Ｋ〕である。