【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***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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser welding method for manufacturing a T-shaped or H-shaped steel constituting a column or beam of a structure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the manufacturing method by welding of shape steel like T type or H type is assembled by the arc welding method. In addition, taking advantage of the fact that there is almost no deformation problem, it has been tried to apply to the manufacture of a part of stainless steel, but it is difficult to achieve the required irradiation accuracy of laser welding, and actual production Not applicable to
[0003]
However, arc welding that has been used in the past has a problem of deformation such as a large bending to the welding side at the weld due to a large amount of heat input, and there is a problem that an extra process such as bending correction is required after welding. . On the other hand, in the manufacturing method by laser welding, although the amount of heat input is small, the problem of deformation has not been solved as in the case of mag welding. In addition, since the laser is directly irradiated to the butt portion composed of two metal plates, it melts even when there is a slight gap or when a slight undulation of about several hundred μm is fitted to the weld line. There are technical problems such as instability or weld defects. In order to solve this problem, as described in Patent Document 1, a method of sandwiching a metal material provided with a slit between joints has been proposed, but an apparatus for stably supplying a metal material provided with a slit is proposed. However, there are difficulties in manufacturing technology, such as the need for a process such as processing of a metal material provided with slits.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-99982
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems and to provide a laser welding method for a shape steel that realizes a reliable and stable welded portion without deformation such as bending due to welding.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The problem is
(1) In a laser welding method of a shape steel in which two metal plates are butted vertically using a carbon dioxide laser or a YAG laser and welded along the butted portion to form a T-shaped or H-shaped steel. When two laser beams are simultaneously irradiated to the opposite position from both sides of the metal plate,
(2) In the method for laser welding of shape steel as described in (1) above, the irradiation angle of the laser beam to the abutting portion of the metal plate is set to an angle range of 5 to 40 degrees from the plane of the abutted metal plate. A method for laser welding of a section steel,
(3) In the method of laser welding of shape steel as described in (2) above, a filler wire having a role of surplus and deoxidation at the butt portion when the metal plate is butt welded is 2 mm before the laser irradiation point. This can be solved by a laser welding method for section steel, characterized in that it is supplied from the unwelded side at an angle of 5 to 40 degrees at a position of 5 mm.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, two metal plates are vertically butted to form a T shape, and then a laser beam spot condensed along a weld line butted from both sides is irradiated and welded. FIG. 1 is an explanatory view of welding of a T-section steel according to the present invention. A condensing lens 8 incorporated in a welding torch 9 condenses the laser beam 6 and irradiates a condensing spot 7 from the inside to the contact portion of two metal plates, that is, the vertical metal plate 1 and the horizontal metal plate 2. . The inclination angle of the optical axis of the laser beam 6 is set such that the angle θ0 from the horizontal metal plate 2 is θ0 = 5 to 40 degrees. Welding is performed by welding both sides of the welding line in the same direction at the same time. As a result, since the vertical metal plate undergoes the same heating and cooling process from both sides, there is no deformation that occurs when welding from one side.
[0008]
FIG. 2 is an explanatory view showing a cross-sectional shape of the bead at the time of T-shaped steel welding. The incident angle of the laser beam 6 with respect to the horizontal metal plate 2 is θ0, the irradiation position measured in the vertical direction from the end surface on the close contact side of the vertical metal plate 1 is Δz, the upper width of the bead is Wb, and the horizontal metal plate 2 of the bead symmetry axis 14 The angle between and is θb. At this time, since the shape of the upper part of the bead depends on the incident angle, position, and shape of the portion irradiated with the laser beam 6, the angle θb of the bead symmetry axis 14 and the tilt angle θ0 of the optical axis of the laser beam 6 do not necessarily match. . Further, when the boundary between the molten solidified layer of the bead and the base material coincides with the surface of the horizontal metal plate 2 or the end surface of the vertical metal plate 1, it becomes difficult to melt the metal on the other side in contact with the heat propagation. Is likely to be.
[0009]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the cross-sectional shape of the weld bead of the T-shaped steel and the laser beam when the laser torch 9 is provided with the inclination angle θ0 as described above. In this case, the state where the upper surface where the horizontal metal plate 2 and the vertical metal plate 1 are in close contact with each other is within the weld bead cross section is a sound welded state in this case. In general, since the bead width Wb is about 3 mm, it has been experimentally found that an appropriate inclination angle of the bead section is about 3 degrees <θb <20 degrees in order to obtain sound joint performance. If the angle is 3 degrees or less, the horizontal metal plate 2 cannot be melted, so that a sufficient joint strength cannot be obtained. If the angle is 20 degrees or more, the vertical metal plate 1 cannot be sufficiently melted, so that a sufficient joint strength cannot be obtained.
FIG. 4 summarizes the relationship between the bead angle θb and the laser irradiation angle θ0 for a case where a sound welded state was obtained based on experiments. As a result, the torch inclination angle θ0 for obtaining a healthy bead is not less than 5 degrees and not more than 40 degrees.
[0010]
However, even if the conditions for obtaining a healthy bead are satisfied, if the gap of the groove is large, the bead depression 11 as shown in FIG. 5 occurs intermittently. Further, even when there is no bead dent 11, since no metal is supplied from the outside, the radius of curvature R between the horizontal metal plate 2 and the vertical metal plate 1 formed on the top of the weld bead is about 0 mm <R <1 mm. And extremely small. On the other hand, when there is a slight gap by laser welding while supplying the filler wire from the unwelded side in advance toward the abutting portion constituted by the two metal plates, the gap is insufficient. The amount of metal can be compensated, and even if there is a slight swell of several hundreds of μm on the weld line, the upper part of the bead is widened by the effect of supplying the wire, and a stable bead is formed with a substantially uniform width and depth. Will come to be. Furthermore, by controlling the position of the laser-induced plasma, the filler wire can be melted before laser welding, and the laser beam is irradiated at the same time or immediately after the molten metal is melted and dropped onto the metal plate, It becomes difficult to be influenced by the surface condition such as the oxide film on the surface of the metal plate and the surface roughness of the polished plate, and a stable bead having a substantially uniform width and depth is formed, and several mm which is advantageous in terms of strength after welding. A moderate radius of curvature R of about a degree has been provided.
[0011]
FIG. 6 is a perspective view at the time of welding when a filler wire is supplied. The supply angle of the filler wire 13 with respect to the welding line which is the adhesion surface of the metal plate is defined as θw. The supply direction of the filler wire is a direction from the unwelded side to the already welded side.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship of the distance (defined as position error Δzw) that the tip of the wire deviates from the groove portion with respect to the distance Δw between the filler wire 13 supply position and the laser beam spot. The filler wire was guided by orthogonal plate surfaces, and the positional error Δzw was 0 mm when Δw of the supply position was in the range of 2 mm to 5 mm. When Δw is 5 mm or more, the supplied wire strand is too long, so that Δzw is generated away from the guide surface, resulting in poor welding. When Δw is 2 mm or less, the filler wire directly acts on the laser beam, so that the penetration depth becomes unstable. Therefore, an appropriate range of Δw is an area of 2 mm to 5 mm.
[0012]
FIG. 8 is a diagram showing the relationship of the position error Δzw with respect to the filler wire supply angle θw. The filler wire supply angle is such that θw is in the range of 5 to 40 degrees and the position error Δzw is 0 mm. If θw is 40 degrees or more, the filler wire that has once reached the groove is separated once again, so that a position error occurs. When θw is 5 degrees or less, the arrangement is impossible due to physical interference between the filler wire supply torch and the steel material. Therefore, an appropriate range is an area where 5 degrees <θw <40 degrees.
[0013]
【Example】
FIG. 9 is a typical block diagram of the present invention.
In carrying out laser welding of the T-shaped steel, the present inventor vertically attached a steel plate 4 mm material with an oxide film, and restrained it with a dedicated jig to bring it into close contact with each other. As the welding lasers, two continuous oscillation carbon dioxide lasers with an output of 4 kW were used and arranged so as to be welded in the same direction from opposite sides as shown in FIG. And it condensed using the lens of each focal distance f = 190mm. The filler wires used were two sets of iron-based flux core type containing Si and Al and having a diameter of 1.2 mm. The welding speed was V = 3 m / min, the filler wire supply speed was Vf = 4 m / min, and the supply rate was Vf / V = 1.33.
[0014]
The laser beam 6 was irradiated at an incident angle θ0 = 10 degrees from the horizontal metal plate 2. Then, welding was started from both surfaces of the vertical metal plate 1. The target position of the filler wire was Δw = 5 mm, the supply angle was θw = 20 degrees, and both sides were arranged to be supplied from the unwelded side.
There were no holes such as blow holes on both sides of the upper surface of the bead after welding, and it was smooth and had a sufficient joint strength. Moreover, the curvature radius R of the build-up portion of the weld bead was 3 mm. The amount of deformation of the horizontal metal plate 2 made of T-shaped steel and the inclination of the vertical plate were none, and the deformation was almost zero.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, since there is no deformation due to thermal strain, correction after welding is unnecessary, and no complicated device is required, and a T-shaped or H-shaped steel with high strength can be obtained easily and accurately. It becomes possible to manufacture efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of T-shaped steel welding.
FIG. 2 is an explanatory view showing a cross-sectional shape of a weld bead.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a relationship between a cross-sectional shape of a weld bead and a laser beam.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the tilt angle of the laser beam, the irradiation position, and whether or not a welding defect occurs.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a cross section of a weld bead defect portion.
FIG. 6 is a perspective view of welding when supplying a filler wire.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship of a wire supply position error with respect to a filler wire supply position Δw.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship of a wire supply position error with respect to a filler wire supply angle θw.
FIG. 9 is a typical configuration diagram of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Vertical metal plate 2: Horizontal metal plate 3: Cross section of preceding weld bead 4: Cross section of subsequent weld bead 5: Weld bead 6: Laser beam 7: Condensing spot 8: Condensing lens 9: Laser torch 10: With horizontal metal plate Surface 11 in contact with vertical metal plate 11: Bead depression 12: Unwelded portion 13: Filler wire 14: Bead symmetry axis
