(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０９〜０．２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．７％、
Ｍｎ：１．０９〜１．６％、
Ｐ  ：０．０２５％以下、
Ｓ  ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０１２〜０．１％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が６ｍｍ以上のｔ（ｍｍ）である厚鋼板を出力Ｐ（ｋＷ）のレーザーを用いて速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）で溶け込み溶接する際、
（％Ａｌ）＋（１／１０）（％Ｓｉ）≧ｖｔ／（５０００＋１５０Ｐ）√Ｐ
を満たすように前記レーザーの溶接速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）と出力Ｐ（ｋＷ）のいずれか一方又は両方を調整することを特徴とするレーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ  ：０．０９〜０．２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．７％、
Ｍｎ：１．０９〜１．６％、
Ｐ  ：０．０２５％以下、
Ｓ  ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０１２〜０．１％
を含有し、さらに質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｚｒ：０．００１〜０．１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０２％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０２％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．２％
の一種または二種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が６ｍｍ以上のｔ（ｍｍ）である厚鋼板を出力Ｐ（ｋＷ）のレーザーを用いて速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）で溶け込み溶接する際、
(%Al)+(1/10)(%Si)+(1/3)(%Ti)+(1/3)(%Zr)+(3/4)(%Mg)+(1/2)(%Ca)+(1/5)(%REM)
≧vt/(5000+150P)√P
を満たすようにレーザーの速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）と出力Ｐ（ｋＷ）のいずれか一方又は両方を調整することを特徴とする、レーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法。
【請求項３】
さらに質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｎｉ：０．１０〜２．０％、
Ｃｒ：０．０３〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ  ：０．０１〜０．４０％、
Ｂ  ：０．０００２〜０．００２０％
の一種又は二種以上を含有せしめることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法。
【請求項４】
上記鋼成分のうち、質量％で、
Ｃ  ：０．０９〜０．１８％、
Ｓｉ：０．０５〜０．４％、
Ｐ  ：０．０１０％以下、
Ｓ  ：０．００８％以下
としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業プラント、機械、船舶、建築、その他の鋼構造物に適用されるレーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大出力レーザー溶接機の開発とともに、厚鋼板のレーザー溶接の実用化が活発に進められている。エネルギー密度の高いレーザービームを溶接熱源にすることによって、深溶け込みの高速・高能率溶接が可能であり、また、溶接変形の大幅低減、溶接部の形状・材質改善、フィラーメタルの不使用（あるいは使用しても使用量の低減）によるコストメリット、などが期待されるからである。
【０００３】
一方、厚鋼板溶接にレーザー溶接の適用する場合、溶接金属中のブローホールの発生が溶接施工上の大きな課題の一つである。従来、厚鋼板のレーザー溶接時のブローホール低減のために、特開昭６０−２０６５８９号公報に開示されているごとく、レーザー照射位置の制御などによる対策が考えられてきたが、板厚や溶接条件の変更に伴い毎回に照射位置を最適化する必要があり、実用的とはいえない。
【０００４】
また、実際の適用では、プラズマ切断やガス切断、レーザー切断などによる切断ままの状態で開先面に適用し溶接するケースが多く、その場合、機械加工した開先を用いるのに比べてブローホールの発生が一層顕著である。しかしながら、鋼構造物をレーザー溶接で組み立てる際、開先を機械加工するのは、施工効率的に、ひいては経済的に現実的ではなく、プラズマ切断やガス切断、レーザー切断などによる切断ままの状態で溶接してもブローホールの発生のない鋼板及び溶接方法が望まれる。
これに対して本発明者らは従来知見を基に溶接条件の最適化からブローホール低減を種々検討したが、大幅な改善には至らなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の背景に鑑み、レーザー溶接時のブローホール発生を抑制しうる溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは種々の組成・板厚の鋼板を試作し、それをレーザー切断したものを突き合わせ開先とし、種々のレーザー出力、溶接速度で溶接し、溶接部のブローホール発生を詳細に調査した。その結果、ブローホール発生は鋼板突き合わせ面の性状に依存することが明らかとなった。すなわち、突き合わせ面は実用的な観点に立ちレーザー切断ままを用いたが、その切断面が比較的平坦で酸化スケールの残存が少ない場合は相対的にブローホールの発生少なく、一方、切断面の凹凸が大きく、かつ／または、面上に残存する酸化スケールが多く、しかもそれによって切断面が粗い場合はブローの発生頻度が高いという結論に至った。
【０００７】
一方、ブローホールの発生を、鋼板成分、板厚、溶接条件の影響の観点から解析すると、そのいずれにも強い関係があった。鋼材成分の影響については、脱酸元素、特にＡｌ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａを増すほどブローホールの発生が低減することがわかった。また、板厚、溶接条件の影響では、板厚が増すほど、溶接速度が増すほど、ブローの発生傾向は強く、他方、出力の大きいレーザー溶接機を用いるほど発生傾向は低下した。
【０００９】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ  ：０．０９〜０．２％、      Ｓｉ：０．０５〜０．７％、
Ｍｎ：１．０９〜１．６％、      Ｐ  ：０．０２５％以下、
Ｓ  ：０．０１５％以下、        Ａｌ：０．０１２〜０．１％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が６ｍｍ以上のｔ（ｍｍ）である厚鋼板を出力Ｐ（ｋＷ）のレーザーを用いて速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）で溶け込み溶接する際、
（％Ａｌ）＋（１／１０）（％Ｓｉ）≧ｖｔ／（５０００＋１５０Ｐ）√Ｐ
を満たすように前記レーザーの溶接速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）と出力Ｐ（ｋＷ）のいずれか一方又は両方を調整することを特徴とするレーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法。
（２）質量％で、
Ｃ  ：０．０９〜０．２％、 Ｓｉ：０．０５〜０．７％、
Ｍｎ：１．０９〜１．６％、 Ｐ  ：０．０２５％以下、
Ｓ  ：０．０１５％以下、 Ａｌ：０．０１２〜０．１％
を含有し、さらに質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．１％、      Ｔｉ：０．００１〜０．１％、
Ｚｒ：０．００１〜０．１％、      Ｍｇ：０．０００１〜０．０２％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０２％、  ＲＥＭ：０．００１〜０．２％
の一種または二種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が６ｍｍ以上のｔ（ｍｍ）である厚鋼板を出力Ｐ（ｋＷ）のレーザーを用いて速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）で溶け込み溶接する際、
(%Al)+(1/10)(%Si)+(1/3)(%Ti)+(1/3)(%Zr)+(3/4)(%Mg)+(1/2)(%Ca)+(1/5)(%REM)
≧vt/(5000+150P)√P
を満たすようにレーザーの速度ｖ（ｃｍ／ｍｉｎ）と出力Ｐ（ｋＷ）のいずれか一方又は両方を調整することを特徴とする、レーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法。
（３）さらに質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、      Ｎｉ：０．１０〜２．０％、
Ｃｒ：０．０３〜３．０％、      Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ  ：０．０１〜０．４０％、    Ｂ  ：０．０００２〜０．００２０％
の一種又は二種以上を含有せしめることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のレーザー溶接性に優れた鋼板の溶接方法。
（４）上記鋼成分のうち、質量％で、
Ｃ  ：０．０９〜０．１８％、    Ｓｉ：０．０５〜０．４％、
Ｐ  ：０．０１０％以下、        Ｓ  ：０．００８％以下
としたことを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれかに記載のレーザー溶接性に優れた鋼板の溶接方法。
【００１０】
この場合、溶接に使われるレーザーとしては、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザーなどが主であるが、溶接熱源として使用可能であるかぎりすべてのレーザーに本発明は適用可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明において鋼の化学成分を限定した理由を述べる。
Ｃは安価に強度を向上するのに最も有効な元素であるが、０．２％を越えると母材の低温靱性を阻害し、さらにレーザー溶接部の硬化を著しく促進することから、上限を０．２％とした。一方、Ｃ量が０．０４％未満の場合は、レーザー溶接金属の凝固割れ感受性が増す。また、レーザー切断、またはプラズマ切断、あるいはガス切断ままで供される開先面（以後、切断まま開先面）の粗さが増し、そのためその突き合わせの溶接部でブローホールの発生が促進されることを本検討で知見した。なお、実用的に耐割れ性、耐ブローホールを十分確保するには、Ｃが０．０９％以上であることが望ましく、溶接部の硬化を一層抑えるためには０．１８％以下であることが望ましい。
【００１２】
Ｓｉは強度向上元素として有効であり安価な溶鋼の脱酸元素としても有用であるが、０．７％を越えると切断まま開先面を粗くし、そのためその突き合わせの溶接部でブローホールの発生を促進することがわかった。一方、それ以下の含有では弱いながらブローホールの抑制に有効な傾向をみせた。この傾向は０．０５％程度まで見られ、それ未満ではみられなかった。よって０．０５％〜０．７％と限定した。なお、レーザー、プラズマ等で切断ままでレーザー溶接に供され、かつ、耐ブローホール性が厳しく要求される場合は０．４％以下であることが望ましい。
【００１３】
Ｍｎは強度を向上する有用な元素であり、その必要下限から１．０９％以上として、一方、１．６％超の添加はブローホールの発生を促進することを知見し、１．０９〜１．６％に限定した。
【００１４】
Ｐは凝固時の偏析率が高く、レーザー溶接部の凝固割れの主原因の一つであり、割れ感受性の低減のためには０．０２５％以下が必要であり、コストとの兼ね合いもあるが、割れ性を非常に低くするためには０．０１０％以下であることが好ましい。
【００１５】
Ｓは溶鋼の流動に影響を与える元素であり、過剰に含有すると、レーザー溶接時、特に下向き溶接で溶鋼の垂れ落ちにつながる。さらにＳはＰと同様、レーザー溶接時の溶接割れ感受性を高めるため、０．０１５％以下に抑える必要がある。割れ性を非常に低くするためには０．００８％以下であることが好ましい。
【００１６】
Ａｌは脱酸上必要な元素であり０．０１２％以上添加が必要である。本発明者はＡｌの添加がブローホールの抑制に有効であることを知見した。ただし０．１％を越える過度の添加は溶接部の靱性を損なうために、０．０１２〜０．１％に限定した。
【００１７】
ＮｂはＴＭＣＰ鋼において鋼板の強度、靭性の両立する極めて重要な元素である。また、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬化性の主要因であるＣ、Ｎを固定する働きもある。ただし０．１％を越える添加は析出による母材硬化を促進して有害なため、０．００１〜０．１％に限定した。
【００１８】
Ｔｉは脱酸元素として有効であり、加えてＮｂと同様、ＴＭＣＰ鋼において母材の強度・靭性の両立に重要な元素である。さらに、本発明者らはＴｉ添加により、ブローホール発生、ＨＡＺ硬化が抑制されることも知見した。ただし、０．１％を越える添加は、母材、溶接部とも靭性に有害であることから、０．００１〜０．１％に限定した。
【００１９】
Ｚｒは溶鋼中Ａｌとほぼ同じ脱酸力を有し、脱酸元素として利用可能であるが、さらに、鋼板中の固溶ＺｒはＡｌ同様、レーザー溶接部のブローホール生成を抑制することが判明した。ただし過剰な添加は溶接部靭性を損ねるので、０．００１〜０．１％に限定した。
【００２０】
Ｍｇ，Ｃａ，ＲＥＭは溶鋼中で強力な脱酸力を有し、鋼板製造時およびレーザー溶融プール中で脱酸元素として利用できる。加えて、これら元素は強力な脱硫元素でもありＳの偏析に起因する溶接金属の凝固割れを抑制する働きを有する。さらに、本発明者らはこれらの元素の添加は、レーザー溶接時のブローホールの発生や溶接金属及びＨＡＺの焼入れ硬化を抑える働きがあることも知見した。ただしいずれの元素も、過剰な添加は、レーザー溶接時のキーホール内でのプラズマの安定性を損なうとともに、溶接部靭性も阻害するため、その範囲を、Ｍｇ：０．０００１〜０．０２％、Ｃａ：０．０００１〜０．０２％、ＲＥＭ：０．００１〜０．２％に限定した。
【００２１】
さらに、母材強度の向上や低温靱性・溶接性の改善を目的とした低炭素等量化のために、要求される品質特性又は鋼材の大きさ・鋼板厚に応じて本発明で規定する合金元素（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｂ）を強度・低温靱性・溶接性を向上する観点から一種又は二種以上添加しても本発明の効果は何ら損なわれることはない。
【００２２】
次に、鋼材成分と溶接条件の関係式について限定理由を述べる。
本発明者らが、レーザー溶接時のブローホールの発生を、鋼板成分、板厚、溶接条件の影響の観点から解析した結果、脱酸元素、特にＡｌ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａを増すほどブローホールの発生が低減することを知見した。また、板厚、溶接条件の影響では、板厚が増すほど、溶接速度が増すほど、ブローの発生傾向は強く、他方、出力の大きいレーザー溶接機を用いるほど発生傾向は低下することが判明した。これらの実験結果を回帰的に解析し、ブローホール低減に有効な鋼板成分の指標として
(%Al)+(1/10)(%Si)+(1/3)(%Ti)+(1/3)(%Zr)+(3/4)(%Mg)+(1/2)(%Ca)
+(1/5)(%REM)
を得た。すなわち、この値が大きいほど溶接時のブロー発生傾向は小さいことが判明した。それぞれの元素の係数は、実験的に決定したものである。
【００２３】
一方、溶接条件、板厚の影響としては
（１００＋３Ｐ）√Ｐ／ｖｔ
という指標を得た。ここで、Ｐはレーザー溶接機の出力（ｋＷ）であり、ｖは溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、ｔは板厚（ｍｍ）である。この値が大きいほどブローホールの発生傾向が小さく、この指標の値が小さいほどブローホールの発生が顕著であった。
【００２４】
さらに、両者の効果を統合して、
(%Al)+(1/10)(%Si)+(1/3)(%Ti)+(1/3)(%Zr)+(3/4)(%Mg)+(1/2)(%Ca)
+(1/5)(%REM)≧(1/50)(vt/(100+3P)√P)
を満足する場合にブローホールの発生傾向が極めて低いことが本検討の詳細な検討からにより明らかとなった。鋼材成分が所定のレーザー溶接条件のもと、時に耐ブローホール発生の良好な鋼材達成のため、鋼材成分と溶接条件の関係として限定した。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の効果を実施例によりさらに具体的に示す。
まず表１に示すような鋼を、一般的な方法で、溶製、熱間圧延し、所定の板厚の厚鋼板を作製した。表１中、鋼Ａ〜Ｄが本発明例であり、鋼Ｅ，Ｆは比較例であり、この鋼ＥはＣ，Ｍｎが本発明の範囲外、鋼ＦはＣ，Ｐ，Ｓが本発明の範囲外である。
【００２６】
表２にこれら鋼板Ａ〜Ｆを種々の条件でレーザー溶接したときの溶接条件、および溶接性の評価結果を示す。尚、レーザー溶接には、出力１５ｋＷと４５ｋＷのＣＯ2 レーザーを用いた。溶接用の開先は、鋼板を６ｋＷのレーザー切断機にて切断したものを突き合わせてＩ開先とした。溶接姿勢としては水平横向き、および下向きとし、溶接時のレーザービームフォーカス位置は鋼板表面とした。シールドガスはフロント、バックともＨｅで、流量はフロント５０L/min.、バック２０L/min.である。溶接性の評価としては、定常ビード部分（１ｍ）について、溶け込み（貫通／未貫通）の確認、溶け落ちの有無の確認、１０ｃｍ間隔１０箇所の溶接部断面検査によるブローホール、凝固割れの有無の確認、を行った。
【００２７】
本発明例の１〜４は本発明の条件を満たしているため、溶け落ち、ブローホール、凝固割れのない良好な溶接が可能であった。
これに対し、比較例１は発明例１と比較して、溶接速度が速いために左辺の値が右辺の値より小さくなり、即ち、下記式のようになり、
(%Al)+(1/10)(%Si)+(1/3)(%Ti)+(1/3)(%Zr)+(3/4)(%Mg)+(1/2)(%Ca)
+(1/5)(%REM)≦vt/(5000+150P)√P
ブローホールが発生した。表中Ｙは上記計算式の左辺(*1)と右辺(*2)が(*1)≧(*2)（本発明範囲）であり、Ｎは(*1)≦(*2)（本発明範囲外）であることを示す。
【００２８】
また、比較例２は発明例２と比較して、溶接速度が速いために比較例１と同様に左辺の値が右辺の値より小さくなり、ブローホールが発生した。比較例３は発明例３と比較して、レーザー出力が２／３低下したのに対し溶接速度が１／３の低下であったために、左辺の値が右辺の値より小さくなりブローホールが発生した。
比較例４は、Ｃ，Ｍｎが本発明から外れた低Ｃ，高Ｍｎ鋼であったためにブローホール及び溶接凝固割れが発生した。さらに、比較例５は、Ｃ，Ｍｎが本発明から外れた低Ｃ，高Ｍｎ鋼で、しかも、左辺の値が右辺の値より小さくなりブローホール及び凝固割れが発生した。
【００２９】
比較例６は、Ｃ，Ｐ，Ｓが本発明から外れた高Ｃ，高Ｐ，高Ｓ鋼であったために溶接凝固割れが多発し、比較例７は比較例６と同様にＣ，Ｐ，Ｓが本発明から外れた高Ｃ，高Ｐ，高Ｓ鋼であったために、下向き溶接では、溶け落ちが認められ溶接ビード不良であった。
【００３０】
【表１】
0004358407.tif 000002
【００３１】
【表２】
0004358407.tif 000003
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、鋼の成分量を規制し、かつ、脱酸元素と溶接条件の適正バランスを規定することにより、鋼板のレーザー溶接性を向上させ、特に厚鋼板のレーザー溶接で最も問題となるブローホール発生の抑制を可能ならしめた。特にレーザー溶接の際の開先にレーザー切断、またはプラズマ切断、あるいはガス切断ままの切断面を適用しても耐ブローホール性に優れ、かつ、耐割れ性、耐溶け落ち性なども優れているため、今後さらに適用拡大が期待される厚鋼板のレーザー溶接において、多大な経済的メリットを享受できるものである。