(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みの異なる薄鋼板の突合わせ部を溶接する際に、突合わせ部にＹＡＧレーザーを照射する工程と、この照射工程の後、高温領域の溶接予定個所にガスメタルアーク溶接を行う工程と、このガスメタルアーク溶接後、溶接部に温度５００℃〜８００℃で熱処理を行う工程とを備え、溶接ビード幅Ｗが以下の式（１）の条件を満足するようにレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調節し、かつＹＡＧレーザーを照射する工程において、レーザーの狙い位置がガスメタルアーク溶接の狙い位置から０ｍｍ以上、８ｍｍ以下先行する位置にあることを特徴とする突合わせ溶接方法。
Ｗ＞ｔ１−ｔ２      （１）
ただし、
Ｗ：溶接ビード幅（溶接した側の表面から見た幅）、
ｔ１：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち厚い側）
ｔ２：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち薄い側）
【請求項２】
ガスメタルアーク溶接を行う工程は、溶接ワイヤ材料の供給速度Ｓ（ｇ／分）が以下の条件式（２）を満たす請求項１に記載の突合わせ溶接方法。
Ｓ≧ρ×ｄ×ｖ×（ｔ１＋ｔ２）／２ （２）
但し、ρ：溶接材料の密度（ｇ／ｃｍ３），ｖ：溶接速度（ｃｍ／分）、ｄ：突合せギャップ（ｃｍ）である。
【請求項３】
厚みの異なる薄鋼板の突合わせ部を溶接する際に、突合わせ部にＹＡＧレーザーを照射する工程と、この照射工程の後、高温領域の溶接予定個所にガスメタルアーク溶接を行う工程とを備え、溶接ビード幅Ｗが以下の式（３）の条件を満足するようにレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調節し、かつガスメタルアーク溶接を行う工程において、溶接ワイヤ材料の化学成分が、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０２〜１．５％、Ｍｎ：０．０２〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなることを特徴とする突合わせ溶接方法。
Ｗ＞ｔ１−ｔ２ （３）
ただし、
Ｗ：溶接ビード幅（溶接した側の表面から見た幅）、
ｔ１：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち厚い側）
ｔ２：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち薄い側）
【請求項４】
いずれもが板厚０．３ｍｍ〜６ｍｍの範囲にある薄鋼板に対し、請求項1乃至３のいずれか1の溶接方法を行って得られることを特徴とする溶接結合薄鋼板。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか1の溶接方法のガスメタルアーク溶接工程に用いられ、質量％でＣ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０２〜１．５％、Ｍｎ：０．０２〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる溶接ワイヤ材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ビード幅を板厚に応じて適正に調節し、厚みの急激な変化を緩和することができ、また隙間許容量の大きい突合わせ溶接方法及びその方法により得られた成形性に優れた溶接結合薄鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属薄板の突合わせ溶接には、アーク溶接法や電気抵抗シーム溶接法が用いられているが、近年レーザー溶接法が採用されるようになってきた。レーザー溶接法は、溶接速度が速いことやビード幅が狭いために従来工法であるアーク溶接法や電気抵抗シーム溶接法に比べて、溶接速度が速く生産性が高くなることや、ビード幅が狭いため溶接結合薄板のプレス成形性が優れる等の利点を有する。レーザー光は、非常に強い集光性があり、エネルギー密度の極めて高い集中熱源となるので、溶接に適用すれば、溶け込み深さが深く、高速溶接を行うことができる。しかしながら、レーザー溶接法には以下の課題を有している。
【０００３】
レーザー溶接ではレーザー光の集光性が高いという特長の裏返しとして、被溶接物の突合わせ間隙を厳格に管理する必要がある。突合わせ間隙の許容量は、被溶接物の板厚の１０％程度であり、これを越えると溶融部が溶け落ちて、溶接継手の強度が低下する。くわえて、レーザー溶接法が高速溶接という裏返しとして、溶接部は急速に冷却され溶接金属が硬化するため、レーザー溶接結合薄板のプレス成形性が低下する。
【０００４】
さらには、厚みの異なる金属薄板の突合わせ溶接においては、レーザー溶接ではビード幅が狭いため溶接部での厚みの変化が急激になり、溶接結合金属薄板をプレス成型する際に厚みの薄い金属薄板側の溶接部近傍に応力が集中しやすく成形性に劣る。
【０００５】
また、金属薄板の突合わせ溶接では、アーク溶接法や電気抵抗シーム溶接法が使われる。前者のアーク溶接法は、従来から汎用されているものとしてティグ溶接、プラズマ溶接およびガスメタルアーク溶接が知られている。ティグ溶接は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で、タングステン電極と母材間にアークを発生させて溶接する方法である。プラズマ溶接は、溶接トーチ内の２電極間に通電してアークを発生させ、その周囲にアルゴンと水素とを混合した作動ガスを送り込むと、作動ガスはアークの熱で電離してイオンと電子が混在したガス体であるプラズマとなり、このプラズマの熱で溶接する方法である。ティグ溶接およびプラズマ溶接は、非消耗電極方式溶接法と呼ばれている。一方、ガスメタルアーク溶接は、アルゴンなどの不活性ガスや炭酸ガスおよびこれらの混合ガス雰囲気中で、達続的に溶接用ワイヤを供給しながら、溶接用ワイヤと母材間にアークを発生させて両者を溶融させて溶接する方法であり、消耗電極方式溶接法と呼ばれている。
【０００６】
これらのアーク溶接法では、レーザー溶接法に比べて熱源の収束性が劣ることや溶接速度が遅いために、金属薄板を突合わせ溶接すると、溶接入熱が過大となり、溶け落ち欠陥が発生しやすく、熱変形も大きくなるという課題を有する。
【０００７】
後者の、電気抵抗シーム溶接法は、上下一対の円盤状の電極で接合する２枚の金属薄板の端部を加圧しながら電流を流して、金属薄板の固有抵抗により発熱・溶融して接合する方法である。そのため、この方法は、溶接部の厚さが厚く、幅が広いため、プレス成形性がレーザー溶接法およびアーク溶接法に比べて劣る。
【０００８】
一方、レーザーとアークとを同時に照射して溶接する方法が提案されている。レーザー溶接とアーク溶接を複合させた場合の溶け込み量は、単純に両溶接法の溶け込み量の和よりも大きくなる。これはレーザー照射によって、溶接部にキーホールが形成されるため、アークの加熱が鋼材の表面からだけではなく、キーホール内部からも行われるためであると考えられている。くわえて、アークによって鋼材表面が加熱されるために、レーザーエネルギーの鋼材への吸収率が向上するためと指摘されている。この溶接方法は、例えば、特開昭６２−２６３８６９号公報、特許登録１７９８８９６号公報、特開平９−１２２９５０号公報および特開平１０−２７２５７８号公報において開示されている。ここで共通していることは、レーザーとティグアークとを複合化していることである。特開平１０−２１６９７９号公報には、レーザーとプラズマを複合化した溶接方法が開示されている。しかし、ここで開示されている溶接技術は、隙間を有する薄鋼板の突合わせ溶接には適さない。すなわち、レーザーとティグアーク或いはプラズマを複合化することにより、溶接速度の高速化を図ることができるが、ティグアーク或いはプラズマ溶接法はいずれも非消耗電極方式溶接法であり溶接ワイヤからの溶融金属の供給は無いため、突合わせ継手における被溶接物間の隙間許容量の増加には寄与せず、溶け落ち欠陥に起因して継手強度の低下をきたすという課題は解決できない。レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化した溶接法については、ＩＩＷ  Ｄｏｃ．XII−１５６５−９９等に研究例が記載されている。ここでの研究例は、厚鋼板およびアルミニウム合金の溶接事例が示されている。前者の厚鋼板の溶接に関して、開先形状をＶ開先からＹ開先にすることにより溶接生産性が向上することや、アーク溶接の後熱サイクルによりレーザー溶接金属が焼きなまされて靭性向上が図れると指摘されている。一方、後者では、アルミニウム合金薄板の突合わせ溶接の研究事例が示されている。ここでは、アルミニウム合金はレーザー光に対して反射率が高いため、レーザーの溶接効率が低い。そこで、アーク熱源でアルミニウム合金を加熱してレーザー光の吸収率を高めることで、高能率の溶接が可能となると指摘されている。
【０００９】
しかし、これらの研究事例においても、金属薄板の突合わせ溶接における突合わせ許容量の増加には寄与せず、溶け落ち欠陥に起因して継手強度が低下をきたすという課題は解決できない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、厚みの異なる薄鋼板の突合わせ溶接において、以下の課題があった。
【００１１】
レーザーによる突合わせ溶接では隙間の許容量が小さく、突合わせ隙間をできるだけ小さく（例えば０．０５ｍｍ以下など）管理する必要がある。このため突合せ面を極めて正確に切断して突合わせなければならないが、切断面の曲がりやバリなどによって隙間が許容限度を超える場合もあり、隙間許容限度の大きい溶接技術が望まれていた。
【００１２】
また、各種のアーク溶接では、薄鋼板構造物を対象にした場合には溶接入熱が過大であり被溶接物が溶け落ちるという課題がある。また、レーザーとティグアーク或いはプラズマを複合溶接法では、溶接用ワイヤを添加する溶接法でないため、レーザー溶接と同様に隙間の許容量が小さいという課題を解決できない。
【００１３】
溶接用ワイヤを添加する溶接法としては、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化した溶接法があるが、これらは厚鋼板やアルミニウム合金を対象とした溶接技術であり、薄鋼板の突合わせ溶接を対象とした溶接技術は存在しない。
【００１４】
さらには、厚みの異なる薄鋼板の突合わせ溶接においては、レーザー溶接ではビード幅が狭いため溶接部での厚みの変化が急激になり、溶接結合薄鋼板をプレス成型する際に厚みの薄い薄鋼板側の溶接部近傍に応力が集中しやすく成形性に劣る課題があった。この課題を解決するためにはビード幅を広くして溶接部での厚みの変化を緩やかにしてやればよいが、これを実現する適当な溶接技術がなかった。すなわち、レーザー溶接ではビード幅を広げるためにレーザーパワーを増加あるいは溶接速度を低下させてもレーザー光線は薄鋼板を貫通してしまいビード幅を広げることはできない。またアーク溶接法では溶接速度を上げるとビードがハンピングする、アークが維持できなくなるなどそれぞれのパラメータを独立に変えうる範囲が狭く、溶接入熱をコントロールすることが難しい。このため、厚みの異なる薄鋼板の突合わせ溶接において板厚に応じた適正なビード幅の溶接部を得ることがむずかしい。
【００１５】
本発明は、このような課題を解決するために、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化することにより、厚みの異なる薄鋼板の突合わせ溶接において、溶接ビード幅を板厚に応じて適正に調節し、厚みの急激な変化を緩和することができ、また隙間許容量の大きい溶接法及びこの方法によれ得られた成形性に優れた溶接結合薄鋼板を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、厚みの異なる薄鋼板の突合わせ部を溶接する際に、突合わせ部にＹＡＧレーザーを照射する工程と、この照射工程の後、高温領域の溶接予定個所にガスメタルアーク溶接を行う工程と、このガスメタルアーク溶接後、溶接部に温度５００℃〜８００℃で熱処理を行う工程とを備え、溶接ビード幅Ｗが以下の式（１）の条件を満足するようにレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調節し、かつＹＡＧレーザーを照射する工程において、レーザーの狙い位置がガスメタルアーク溶接の狙い位置から０ｍｍ以上、８ｍｍ以下先行する位置にあることを特徴とする突合わせ溶接方法。
【００１７】
Ｗ＞ｔ１−ｔ２      （１）
ただし、
Ｗ：溶接ビード幅（溶接した側の表面から見た幅）、
ｔ１：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち厚い側）
ｔ２：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち薄い側）
【００１９】
第２の発明は、ガスメタルアーク溶接を行う工程は、溶接ワイヤ材料の供給速度Ｓ（ｇ／分）が以下の条件式（２）を満たす第１の発明に記載の突合わせ溶接方法。
【００２０】
Ｓ≧ρ×ｄ×ｖ×（ｔ１＋ｔ２）／２      （２）
但し、ρ：溶接材料の密度（ｇ／ｃｍ３），ｖ：溶接速度（ｃｍ／分）、ｄ：突合せギャップ（ｃｍ）である。
【００２１】
第３の発明は、厚みの異なる薄鋼板の突合わせ部を溶接する際に、突合わせ部にＹＡＧレーザーを照射する工程と、この照射工程の後、高温領域の溶接予定個所にガスメタルアーク溶接を行う工程とを備え、溶接ビード幅Ｗが以下の式（３）の条件を満足するようにレーザー出力、アーク電流、溶接速度を調節し、かつガスメタルアーク溶接を行う工程において、溶接ワイヤ材料の化学成分が、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．００３％、Ｓｉ：０．０２〜１．５％、Ｍｎ：０．０２〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなることを特徴とする突合わせ溶接方法。
Ｗ＞ｔ１−ｔ２ （３）
ただし、
Ｗ：溶接ビード幅（溶接した側の表面から見た幅）、
ｔ１：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち厚い側）
ｔ２：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち薄い側）
【００２２】
第４の発明は、いずれもが板厚０．３ｍｍ〜６ｍｍの範囲にある薄鋼板に対し、第１〜第３の発明のいずれか1の溶接方法を行って得られることを特徴とする溶接結合薄鋼板。
【００２３】
第５の発明は、第１〜第３の発明のいずれか1の溶接方法のガスメタルアーク溶接工程に用いられ、質量％でＣ：０．００１〜０．０３％、Ｓｉ：０．０２〜１．５％、Ｍｎ：０．０２〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる溶接ワイヤ材料。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に適用できる板厚範囲は、溶接入熱、溶接速度等の溶接条件に依存するが、一般的には、０．３ｍｍ以上、６ｍｍ以下である。
【００２５】
第１の発明ではＹＡＧレーザー溶接と溶接用ワイヤを供給するガスメタルアーク溶接とを複合化した溶接法により、板厚に応じた適正なビード幅を容易に得ることができ溶接部での急激な厚み変化を緩和することができるほか、隙間を有する突合わせ溶接において溶け落ち等の溶接欠陥の無い溶接を行うことができる。
【００２６】
すなわち、ガスメタルアーク溶接単独では、溶接速度は最大２ｍ／ｍｉｎ程度であり、薄鋼板構造物を溶接する場合には、溶接入熱が過大となり溶け落ち欠陥を生じやすい。
【００２７】
これに対し、本発明では、レーザー照射後ガスメタルアーク溶接を行っている。このことにより、レーザーを照射された鋼材は、溶融・蒸発して、その一部が電離してプラズマとなる。この高温領域は、レーザー照射により金属蒸気密度および金属イオン密度が高いことに加えて、鋼材からの熱電子放出エネルギー或いは鋼材への熱電子吸収エネルギーも大幅に低下するため、ここにアークを照射すれば容易にアークの陽極点或いは陰極点になりやすく、アークの発生・維持が安定化し、アークが集中するようになる。またＹＡＧレーザーはアークにより発生するプラズマに吸収されないのでアーク中に照射することができる。しかし炭酸ガスレーザーはアークにより発生するプラズマに吸収されるので、レーザー照射位置をアーク溶接位置から離さなければならずレーザーとアークの複合効果が得られない。
【００２８】
したがって、本発明によれば、レーザー溶接と複合化することによりガスメタルアークは安定化し、溶接速度が６ｍ／ｍｉｎ超えでも溶接可能となる。このように、高速溶接を可能となるため、溶接入熱はガスメタルアーク単独溶接に比べて３０％以下となり、溶け落ち欠陥を生じなくなる。くわえて、ガスメタルアーク溶接では溶接用ワイヤを溶融して、薄鋼板構造物の隙間を埋めながら溶接が行われるため、隙間許容量を大幅に増加させることができる。
【００２９】
またアークが安定化することによりアーク電流や溶接速度のとりうる範囲が広く、溶接入熱の調節が容易にできる。このことにより溶接ビード幅を適正にすることができ、溶接部における厚みの変化を緩やかにして薄い板側の応力集中を低下させて金属結合部材の成形性を向上させることができる。
【００３０】
更に本発明によると、ビード幅Ｗを式（１）となるように規定している。
【００３１】
Ｗ＞ｔ1 −ｔ2                         （１）
ただし、Ｗ：溶接ビード幅（溶接した側の表面から見た幅）、ｔ1 ：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち厚い側）、ｔ2 ：板厚（突合わせ溶接される２枚の薄鋼板のうち薄い側）である。
【００３２】
従来法であるレーザーによる突合わせ溶接ではビード幅は板厚によらずほぼ一定であり、２枚の突合わせ溶接される板厚に応じて適正なビート幅にすることが困難である。これに対して本発明の方法によれば、レーザー溶接とアーク溶接を複合していることによりアークが安定化し、アーク電流や溶接速度、レーザーパワーを広い範囲にわたって変えることができるので、ビード幅の調節が容易である。溶接部における厚みの急激な変化を緩和し、溶接結合部材の成形性を向上するビード断面の形状を表側のビード幅により式（１）のように規定した。この理由を、図を用いて説明する。図１に２枚の薄鋼板を突合わせ溶接する場合の溶接部断面を示す。図１から明らかなようにビード幅Ｗが式（１）を満足すると、溶接止端部の角度は４５°以下となり、薄い板側の溶接止端部近傍での応力集中は大幅に緩和され、本発明による方法で作成した金属結合素材は高い成形性を有するようになる。
【００３３】
第２の発明はアーク溶接工程の後に溶接部を後熱処理する突合わせ溶接方法である。
【００３４】
本発明の溶接方法は入熱が小さいため、溶接金属は急冷され硬化する場合がある。溶接部が硬化した場合には溶接部に焼き戻し熱処理を施し軟化させることができる。熱処理は生産性を考え高周波による加熱などが適しているが、このほかにデフォーカスしたレーザービームやガス炎、赤外線、電気抵抗加熱などをもちいてもよい。熱処理温度は５００℃〜８００℃で熱処理時間は０．１秒から１００秒程度が好ましい。
【００３５】
第３の発明によると、レーザーの狙い位置は．溶接線方向に対して、ガスメタルアーク溶接の狙い位置よりも０〜８ｍｍ先行するように設定されている。
【００３６】
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離が、８ｍｍを越えて設定された場合には、両者の距離が離れすぎているため、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果が期待できなくなる。また、レーザーの狙い位置が、溶接線方向に対して垂直方向に、ガスメタルアーク溶接の狙い位置がずれた場合でも、プラスマイナス２ｍｍ以内に設定されていれば、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果が認められ、好適である。なお、０〜８ｍｍとは、レーザーの狙い位置とアーク溶接の狙い位置との間の直線距離ではなく、溶接線に沿う長さを意味する。
【００３７】
第４の発明によると、第１の発明におけるガスメタルアーク溶接を行う際に、溶接ワイヤ材料の供給速度Ｓ（ｇ／分）が以下の条件式（２）に規定されている。
【００３８】
Ｓ≧ρ×ｄ×ｖ×（ｔ１＋ｔ２）／２      （２）
但し、ρ：溶接材料の密度（ｇ／ｃｍ３）、ｖ：溶接速度（ｃｍ／分）、ｄ：突合せギャップ（ｃｍ）である。
【００３９】
突合せ溶接においては切断端面にバリやだれがあるため若干の隙間があいている場合が多い。従って、溶接部のアンダーフィルがなくかつ溶接止端部の角度が４５°以下となるようにするには式（２）を満足する供給量で溶接ワイヤを供給する。式（２）で規定する理由を以下に述べる。
【００４０】
図５の（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後、（ｃ）は溶接前後の断面を比較した図である。これらの図から明らかなように、溶接後のビード形状が凹にならないようにするには、溶接前後で増加する断面の面積ｄ×（ｔ１＋ｔ２）／２に相当する量かそれ以上溶接材料を供給する必要がある。従って、溶接ワイヤ材料の供給速度Ｓ（ｇ／分）は
Ｓ≧ρ×ｄ×ｖ×（ｔ１＋ｔ２）／２      （２）
但し、ρ：溶接材料の密度（ｇ／ｃｍ３）、ｖ：溶接速度（ｃｍ／分）、ｄ：突合せギャップ（ｃｍ）である。
【００４１】
第５，第７の発明ではガスメタルアーク溶接を行う工程において用いる溶接ワイヤ材料の化学成分を質量％でＣ：０．００１〜０．０３％，Ｓｉ：０．０２〜１．５％，Ｍｎ：０．０２〜１．５％を含有し、残部実質的に鉄からなると規定している。本発明の方法では溶接入熱が少ないため溶接金属は急速冷却され硬化する。溶接部が硬化すると結合部材の成形性が低下する。このため上記のように溶接ワイヤの成分を規定した。以下にそれぞれの成分をこのように規定した理由について述べる。
【００４２】
Ｃ：０．００１〜０．０３％
Ｃは鋼の焼入れ性を高め、溶接金属の硬化をもたらす元素である。このため０．０３％以下とする。しかし、Ｃ濃度をあまり低くしすぎると粒界強度が低下して２次加工割れが生じやすくなるため０．００１％以上とする。
【００４３】
Ｓｉ：０．０２〜１．５％
Ｓｉは脱酸元素として添加するほか、鋼を固溶強化するため用いられる。溶接中に酸素が空気中から溶接金属に混入し、鋼中のＣと反応してＣＯとなりブローホールの原因となるのを防止するためＳｉは０．０２％以上添加する。しかしながら過剰の添加は鋼の焼入れ性を高め溶接金属の硬化をもたらすため１．５％以下とする。
【００４４】
Ｍｎ：０．０２〜１．５％
Ｍｎも脱酸元素として添加するほか、鋼を固溶強化するため用いられる。溶接金属の脱酸のため０．０２％以上添加するが、過剰の添加鋼の焼入れ性を高め溶接金属の硬化をもたらすため１．５％以下とする。
【００４５】
さらに残部は実質的に鉄からなるが、本発明の作用効果を妨げない範囲で微量元素を含んでもよい。
【００４６】
第６の発明は、本発明方法で得られた溶接結合薄鋼板である。この溶接結合薄鋼板は、成形性の優れたものである。
【００４７】
また本発明では、レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５度以上、５０度以下に設定するのが好ましい。
【００４８】
レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５度未満に設定すると、レーザー溶接により形成される蒸発孔をガスメタルアーク溶接により供給される溶融金属が潰すため、溶け込み深さが減少すると同時に、その溶融金属にレーザーが照射されてスパッタの発生が誘発され、溶接継手品質を低下させるという問題を生じる。
【００４９】
一方、レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５０度越えに設定すると、レーザー照射によりレーザー光軸と同軸方向に形成される蒸発孔に対して、ガスメタルアーク溶接からの溶融金属の供給角度が急峻になるため、レーザー溶接部に安定に溶融金属を供給できず、ブローホールやハンピングビード等の溶接欠陥が発生しやすい。このような理由から、ガスメタルアークトーチの照射角度を５度〜５０度とするのがよい。
【００５０】
また、本発明のレーザー発振器は、溶接に用いるため出力２００ワット以上、好適にはキロワットクラスの出力が必要である。光学系には、変向用反射ミラーと数枚の正負の集束レンズを組み合わせた光学系を備えるものが好ましいが、レンズ系を用いずに凹面鏡と凸面鏡の組み合わせだけでレーザー光を集束するようにしてもよい。
【００５１】
ガスメタルアーク溶接装置は、薄鋼板の溶接を対象とするため、溶接用ワイヤは直径１．２ｍｍ以下の細径ワイヤを用いるのが望ましい。シールドガスには、アークの安定性と溶接金属の酸化防止とを同時に達成するために、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることが望ましいが、アルゴンガス中に炭酸ガスを１０〜１００％の範囲で混合させたガスおよびアルゴンガス中に水素ガス或いはヘリウムガスを２〜２０％の範囲で混合させたガスを用いることもできる。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
【００５３】
［実施例１］
０．８ｍｍと１．６ｍｍの薄鋼板の突合わせ溶接を行った。突合わせ継手として、突合わせの隙間を、０．０５ｍｍから０．５０ｍｍまで変えた試験片を準備した。溶接は、ＹＡＧレーザー溶接法のみ、ガスメタルアーク溶接法のみ、およびＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。各溶接法の溶接条件を第１表に示す。
【００５４】
第２表に、試験結果を示す。溶接試験の評価は、以下のように行った。溶け落ちがなく、継手強度が十分な溶接部が得られた場合を「○」とした。これに加えてスパッタの付着がなく、ハンピングによるビード幅のばらつきがほとんどなく、均一なビードが形成された場合を「◎」とした。また、溶け落ちは生じないが溶け込み深さの僅かな低下などにより溶接継手品質が若干低下する場合を「△」、溶接部が溶け落ちた場合を「×」とした。また、鋼板がつながらない場合も、継手強度がゼロのため、「×」とした。特に、ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が高速化するとアークが不安定となり溶接部が形成できなくなる。この場合も「×」とした。
【００５５】
ＹＡＧレーザー溶接法では、溶接速度が１ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、鋼板隙間の許容量は０．０５ｍｍであるが、２．０ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度では、鋼板隙間が０．０５ｍｍでもアンダーフィルとなって健全な継手が得られない。これは、ＹＡＧレーザーではビード幅が約１ｍｍと狭いため、溶接金属量が少なく、高々０．０５ｍｍの鋼板隙間があっても左右の鋼板をつなぐ溶接金属が不足するためである。
【００５６】
ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、溶接入熱が過大となるため溶け落ちる。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎでは、溶接入熱が適正であり、鋼板隙間が０．４ｍｍまでは健全な溶接部がえられるが、鋼板隙間が０．４ｍｍを越えると、左右の鋼板がつながらない。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎを越えるとアークが不安定となり健全な溶接部が形成できなくなる。
【００５７】
本発明法のレーザー・アーク複合溶接法では、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎと低速の場合においても、アークがレーザー照射部に集中し、溶接部幅はガスメタルアーク溶接法に比較して約５０％と細くなるため、溶け落ちは生じない。また、鋼板隙間の許容量は０．３ｍｍとなる。さらに、アークはレーザー照射により安定するため、溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎ以上の場合でも、ハンピングのない溶接部が得られ、鋼板隙間の許容量は０．３ｍｍである。
【００５８】
したがって、本発明法は、溶接の高速化と溶接精度の大幅な緩和が同時に達成できる。
【００５９】
【表１】
0003767374.tif 000002
【００６０】
【表２】
0003767374.tif 000003
【００６１】
［実施例２］
レーザー光軸に対するガスメタルアークトーチの照射角度の溶接部品質に及ぼす影響を調査した。
【００６２】
溶接実験では、板厚がそれぞれ１．２ｍｍと１．６ｍｍで０．１ｍｍの隙間を有する突合わせ試験片を用いて、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化した本発明溶接法で行った。溶接条件は、レーザー光軸に対するガスメタルアークトーチの照射角度を３度から７０度まで変化させた。その他の条件は、第１表に示す条件と同じである。また、溶接継手部の品質評価は、実施例１で実施した評価方法と同様の方法で行った。
【００６３】
第３表に、溶接試験結果を示す。
【００６４】
レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度が５度未満の場合はスパッタの発生が多く溶け込み深さが若干低下した。
【００６５】
一方、レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５０度越えに設定すると、レーザー溶接部にガスメタルアーク溶接からの溶融金属の供給安定にやや劣り、ハンピングビードとなっている。
【００６６】
したがって、好ましくは、レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を、５度以上、５０度以下に設定することにより、健全な溶接部が得られる。
【００６７】
さらに、レーザー光軸に対してガスメタルアークの照射角度を、１０度以上、３０度以下に設定すると、スパッタの付着が大幅に減少して、ハンピングによるビード幅のばらつきもほとんどなくなるため、レーザー光軸に対してガスメタルアークトーチの照射角度を１０度以上、３０度以下に設定することがより好ましい。
【００６８】
【表３】
0003767374.tif 000004
【００６９】
［実施例３］
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の溶接部品質に及ぼす影響を調査した。
【００７０】
溶接実験では、板厚がそれぞれ１．２ｍｍと０．６ｍｍで、０．１ｍｍの隙間を有する突合わせ溶接を用いて、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。溶接条件は、レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置を、０ｍｍから１２ｍｍまで変化させた。その他の条件は、第１表に示す条件と同じである。また、溶接継手部の品質評価は、実施例１で実施した評価方法と同様の方法で行った。
【００７１】
第４表に、溶接試験結果を示す。
【００７２】
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離が８ｍｍを越えて設定された場合には、両者の距離が離れすぎているため、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果が低下して、溶け込み深さが僅かに減少している。
【００７３】
したがって、好ましくはレーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離を０ｍｍ以上、８ｍｍ以下に設定することが望ましい。
【００７４】
レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離を０ｍｍ以上、２ｍｍ以下に設定すると、レーザー照射部によるアークの安定と集中効果がより顕在化するため、溶け込み深さの均一性が高まり、スパッタの発生も抑えられるため、レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置の距離を０ｍｍ以上、２ｍｍ以下に設定するのがより好ましい。
【００７５】
【表４】
0003767374.tif 000005
【００７６】
［実施例４］
図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている溶接装置の構成部品の形状、寸法およびその相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００７７】
図２には、本発明の実施形態に係るレーザー加工へッドが１で示されており、レーザー加工へッドに内蔵するファイバコネクタ、光ファイバー２を経て、レーザー発振器であるＹＡＧレーザー発振器に接続している。
【００７８】
さらに、アーク発生用のガスメタルアーク溶接ヘッド３は、前記のレーザー加工ヘッド１の先端部に、このレーザー加工ヘッド１と２０度の角度をなし、また、レーザー光の狙い位置とガスメタルアークの狙い位置の距離を２ｍｍに設定して、簡単なクランプ治具６によって装着されている。
【００７９】
また、ガスメタルアーク溶接ヘッド３はガスメタルアーク溶接装置に接続されたパワーケーブルと溶接用ワイヤ供給ケーブルとを同軸にしたケーブル５に接続されている。
【００８０】
このように、レーザー発振器から発振されたレーザー光を加工位置に集束させる光学系を備えるレーザー加工ヘッドの先端部に、ガスメタルアーク溶接トーチを取付けることにより、コンパクトなレーザー・アーク複合溶接トーチを形成することができる。
【００８１】
また、このレーザー・アーク複合溶接トーチは、産業用ロボットのアーム７に支持されていることにより、汎用性のある産業用ロボットを中心とした設備構成でレーザー・アーク複合溶接を実現できる。
【００８２】
なお、溶接方向は、符号８に示すように、レーザーが先行する方向に行われる。溶接は、材料９と材料１０とを突合わせた継手である。
【００８３】
［実施例５］
厚みの異なる薄鋼板の突合わせ溶接を本発明のレーザー・アーク複合溶接法により作成した。。
【００８４】
溶接に用いた鋼板は厚み０．８，１．６，２．４ｍｍの３４０ＭＰａ級冷延鋼板である。溶接条件は第５表に示す。
【００８５】
【表５】
0003767374.tif 000006
【００８６】
またガスメタルアークに用いた溶接ワイヤの組成を第６表に示す。
【表６】
0003767374.tif 000007
【００８７】
アーク電流、溶接速度、レーザー出力を変えて、いろいろなビード形状の突合わせ溶接継手を作成した。球頭張り出し試験、穴拡げ試験を行ない、溶接部の成形能を調査した。また、球頭張り出し試験片および試験条件は図３，第８表に、穴拡げ試験片および試験条件は図４，第９表に示したとおりである。試験結果を第７表に示す。この表から、本発明のビード幅の範囲（Ｗ＞（ｔ1 −ｔ2 ））では溶接結合部材の成形性に優れていることがわかる。
【００８８】
【表７】
0003767374.tif 000008
【００８９】
【表８】
0003767374.tif 000009
【００９０】
【表９】
0003767374.tif 000010
【００９１】
［実施例６］
厚みの異なる薄鋼板の突合せ溶接を本発明のレーザー・アーク溶接法により作成した。溶接に用いた鋼板は３４０ＭＰａ級冷延鋼板である。溶接条件は第５表と同じ条件である。
【００９２】
また、ガスメタルアークに用いた溶接ワイヤの組成を第１０表に示す。溶接ワイヤの密度は７．９ｇ／ｃｍ３である。
【００９３】
【表１０】
0003767374.tif 000011
【００９４】
アーク電流、溶接速度、ワイヤ供給速度、レーザー出力を変えて、いろいろなビード形状の突合せ溶接継手を作成した。球頭張り出し試験、穴拡げ試験を行ない、溶接部の成形能を調査した。また、球頭張り出し試験片及び試験条件は図３、第８表に、穴拡げ試験片及び試験条件は図４、第９表に示したとおりである。試験結果を第１１表に示す。この表から、ワイヤ供給量Ｓが式（２）を満足する範囲では溶接結合部材の成形性に特に優れていることがわかる。
【００９５】
【表１１】
0003767374.tif 000012
【００９６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の製造方法に依れば厚みが異なる薄鋼板を突合わせ溶接しても溶接部の成形性に優れまた隙間の許容量が大きく施工が容易であるという有用な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２枚の薄鋼板を突合わせ溶接する場合の溶接部断面を示す説明図。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザー加工ヘッドの説明図。
【図３】本発明による溶接結合材の球頭張出し試験の試験片形状を示す図。
【図４】本発明による溶接結合材の穴拡げ試験の試験片形状を示す図。
【図５】本発明の請求項２において式（２）で規定した理由を説明するための図で、（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後、（ｃ）は溶接前後の断面比較を示す。
【符号の説明】
１．．．レーザー加工ヘッド
２．．．光ファイバー
３．．．ガスメタルアーク溶接ヘッド
４．．．ガスメタルアーク
５．．．ケーブル
６．．．回転機構
７．．．産業用ロボットのアーム
８．．．溶接方向
９，１０．．．材料（薄鋼板）
【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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