JP2013233557A

JP2013233557A - レーザ・アークハイブリッド溶接方法

Info

Publication number: JP2013233557A
Application number: JP2012106669A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitani; 靖木谷; Tomomasa Ikeda; 倫正池田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-21

Abstract

【課題】高強度薄鋼板の重ね継手を形成するにあたって、重ね継手の引張剪断強度を向上できるレーザ・アークハイブリッド溶接を提供する。
【解決手段】レーザビーム溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接によって高強度薄鋼板１，２の重ね継手を形成するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、高強度薄鋼板１，２の板隙量ｄを0.2mm以上とし、板隙量ｄ（mm）、ガスシールドアーク溶接のアーク電流Ｉ（Ａ）、およびレーザ・アークハイブリッド溶接の溶接速度Ｖ（ｍ／分）がＩ≧ｄ×Ｖ×80を満足するように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高強度薄鋼板の重ね継手を形成するにあたって、引張剪断強度の高い重ね継手を高能率で形成することができるレーザ・アークハイブリッド溶接方法に関するものである。

レーザビーム溶接とガスシールドアーク溶接を組み合わせて溶接を行なう技術は、レーザ・アークハイブリッド溶接と呼ばれており、溶込みが深くかつ溶接速度の増速が可能というレーザビーム溶接の利点と、溶加材としてワイヤを溶着させることによって穴あき等の溶接欠陥を防止するというガスシールドアーク溶接の利点を兼ね備えた溶接技術として検討が進められている。

たとえば特許文献１には、ＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置として溶接ヘッドの構成が開示されている。特許文献２には、ロボットでレーザ・アークハイブリッド溶接を行なう際のレーザビームとアークの制御方法が開示されている。これら特許文献１，２に開示されているように、レーザ・アークハイブリッド溶接を活用するための溶接装置やその周辺機器、あるいは制御技術が開発されている。

また特許文献３には、レーザ・アークハイブリッド溶接におけるシールドガスの組成を適正化することによって、ビード形状を改善するとともに、スパッタを低減する技術が開示されている。特許文献４には、薄鋼板の突き合わせ溶接にて、ギャップが存在する場合でも溶け落ち等の欠陥が発生しないレーザ・アークハイブリッド溶接技術が開示されている。これら特許文献３，４に開示されているように、レーザ・アークハイブリッド溶接の設定条件を適正化する技術も開発されている。

一方で、近年、環境保護の観点から自動車のＣＯ₂排出量の低減が要求されており、車体に高強度薄鋼板を採用して薄肉化することによって、車体の軽量化、すなわち燃費の向上を図っている。そのため、高強度薄鋼板の溶接継手の強度を高めて、高強度薄鋼板と同等の強度を確保する必要がある。
ところが特許文献１〜４に開示された技術は、レーザ・アークハイブリッド溶接を実用化するために溶接欠陥の防止、溶接性の改善等を図る技術であるから、高強度薄鋼板に適用した場合に、溶接継手の強度の向上は期待できない。

特に高強度薄鋼板の重ね継手では、溶融メタルの幅（以下、溶融幅という）が重ね継手の引張剪断強度に多大な影響を及ぼし、重ね面の溶融幅を広げることによって、高強度薄鋼板の重ね継手の引張剪断強度が向上することが発明者の研究によって判明した。
これに対して従来のレーザ・アークハイブリッド溶接は、レーザビームの照射によって高速かつ深溶込みの溶接を可能とするとともに、アークがワイヤを溶融して溶融メタルに供給することによって穴あき、溶け落ち等の欠陥を防止でき、かつレーザビームで溶融した溶融幅をアークで拡大することは可能である。しかし図２(a)に示すように、重ね継手の表面近傍の溶融幅がアークによって拡大され、重ね継手の引張剪断強度の向上に寄与する重ね面の溶融幅は拡大されなかった。

以上に説明した通り、レーザ・アークハイブリッド溶接で高強度薄鋼板の重ね継手を形成するにあたって、重ね面の溶融幅を拡大する技術は確立されていない。そのため重ね継手の引張剪断強度の向上を達成できないので、高強度薄鋼板の重ね継手に負荷が作用したときに、図２(b)に示すような溶接金属の剪断破断が発生し易い。

特許第3753656号公報特許第4264883号公報特開2006-75847号公報特許第4064643号公報

本発明は、高強度薄鋼板の重ね継手を形成するにあたって、重ね継手の引張剪断強度を向上できるレーザ・アークハイブリッド溶接を提供することを目的とする。

発明者は、レーザ・アークハイブリッド溶接で高強度薄鋼板の重ね継手を形成するにあたって、重ね継手の引張剪断強度を向上する技術について検討した。そして、レーザ・アークハイブリッド溶接における各々の機能、つまり溶込みを深くするとともに溶接速度を高速化するレーザビーム溶接の機能、および溶融したワイヤを溶融メタルに供給して溶接欠陥を防止するとともに溶融幅を拡大するガスシールドアーク溶接の機能についてそれぞれ検討し、高強度薄鋼板の配置およびガスシールドアーク溶接の設定条件を調整することによって、重ね面の溶融幅を拡大することが可能であり、ひいては重ね継手の引張剪断強度を向上できることを見出した。

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。
すなわち本発明は、レーザビーム溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接によって高強度薄鋼板の重ね継手を形成するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、高強度薄鋼板の板隙量ｄを0.2mm以上とし、板隙量ｄ（mm）、ガスシールドアーク溶接のアーク電流Ｉ（Ａ）、およびレーザ・アークハイブリッド溶接の溶接速度Ｖ（ｍ／分）が下記の(1)式を満足するレーザ・アークハイブリッド溶接方法である。
Ｉ≧ｄ×Ｖ×80 ・・・(1)
ここで、板隙量ｄは、２枚の高強度薄鋼板の隙間の間隔を指す。また、レーザ・アークハイブリッド溶接では、レーザビーム溶接とガスシールドアーク溶接を同じ溶接速度で行なうので、レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接速度Ｖは、ガスシールドアーク溶接の溶接速度に等しい。

本発明によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接によって高強度薄鋼板の重ね継手を形成するにあたって、重ね継手の引張剪断強度を向上できるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接方法で形成した重ね継手の例を模式的に示す断面図である。従来の重ね継手の例を模式的に示す断面図であり、(a)は板隙量を０mmとして重ね継手を形成した例、(b)は溶接金属が剪断破断した例を示す。レーザ・アークハイブリッド溶接の施工例を模式的に示す断面図である。引張剪断試験の試験片を示す斜視図である。

図１は、本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接方法で形成した重ね継手の例を模式的に示す断面図である。重ね継手の上側に配置される高強度薄鋼板１（以下、上鋼板という）と、下側に配置される高強度薄鋼板２（以下、下鋼板という）との間に隙間を設け、その間隔を板隙量ｄ（mm）する。なお、上鋼板１と下鋼板２と板厚は必ずしも同一とする必要はないが、同一板厚の上鋼板１と下鋼板２に本発明を適用すれば、良好な重ね継手を安定して得ることができる。

板隙量ｄが0.2mm未満では、上鋼板１と下鋼板２の隙間が狭すぎるので、レーザ・アークハイブリッド溶接による溶融メタルが、上鋼板１と下鋼板２の隙間に流入せずに凝固する。そのため、図１に示すような重ね面の溶融幅を広げる効果が得られず、図２(a)に示すような重ね継手が形成される。したがって、板隙量ｄは0.2mm以上とする。適正な板隙量ｄを設けることによって、図１に示すように、重ね面における溶融幅を広げて上鋼板１、下鋼板２と溶接金属３との接触面積を増加させて、重ね継手の引張剪断強度を向上する。つまり、上鋼板１と下鋼板２の隙間に溶融メタルを流入させた後に凝固させることによって、溶接金属３に突起状の凸部を形成し、重ね継手に負荷が作用したときの応力集中を緩和する。

一方、板隙量ｄを過剰に拡大すると、溶融メタルが上鋼板１と下鋼板２の隙間から流出して、穴あき、溶け落ち等の溶接欠陥が発生し易くなる。発明者の研究によれば、板隙量ｄが上鋼板１の板厚ｔ（mm）の70％を超えると、溶接欠陥の発生頻度が著しく増大する。したがって、板隙量ｄは0.7×ｔ以下（すなわち0.2mm〜0.7×ｔの範囲内）とすることが好ましい。

本発明では、上記したように、板隙量ｄを設けた上鋼板１と下鋼板２の重ね面における溶融幅を拡大し、負荷が作用したときの応力集中を緩和することによって、重ね継手の引張剪断強度を向上する。一方で、板隙量ｄを設けることによって溶接欠陥が発生し易くなるので、板隙量ｄに応じてワイヤの溶融量を調整する必要がある。つまり、ガスシールドアーク溶接のワイヤが溶融して上鋼板１と下鋼板２の溶融メタルに移行することによって、溶接欠陥を防止する。したがって、板隙量ｄが大きいほど、ワイヤの溶融量を増加するために、アーク電流を高く設定する必要がある。

また、ガスシールドアーク溶接のアーク電流を高めることによって、溶接入熱が増加することになり、溶融幅を拡大する効果、特に重ね面における溶融幅を拡大する効果が得られる。
そこで発明者は、設定条件を種々変更してレーザ・アークハイブリッド溶接を行ない、重ね継手に及ぼす影響を調査した。その結果、レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接速度（すなわちガスシールドアーク溶接の溶接速度）Ｖ（ｍ／分）、ガスシールドアーク溶接のアーク電流Ｉ（Ａ）、および板隙量ｄ（mm）を下記の(1)式を満足するように調整することによって、溶接欠陥の防止と重ね面における溶融幅の拡大を達成できることを見出した。
Ｉ≧ｄ×Ｖ×80 ・・・(1)
つまり、ガスシールドアーク溶接のアーク電流Ｉが(1)式を満足しない場合（すなわちＩ＜ｄ×Ｖ×80）には、十分な溶接入熱が得られず、溶接欠陥が発生し易くなり、かつ重ね面における溶融幅を拡大することは困難である。

一方、過剰なアーク電流Ｉを供給すると、溶接入熱が過大となり、多量に発生した溶融メタルによってレーザビームが遮られ、溶込み深さが減少する。したがって、アーク電流Ｉは300Ａ以下（すなわちｄ×Ｖ×80〜300Ａの範囲内）とすることが好ましい。
本発明では、レーザビームの照射に関して設定条件（たとえばレーザ出力、レーザビーム径等）を規定しない。レーザ・アークハイブリッド溶接におけるレーザビーム溶接の機能は、溶込みを深くするとともに溶接速度を高速化する点にあり、少なくとも下鋼板２に十分な溶込みが得られるようにレーザビームを照射すれば良い。そのレーザビームの設定条件によって、本発明の効果が損なわれることはない。

なお、レーザビーム溶接を行なわない場合は、ガスシールドアーク溶接のみで２枚重ねの貫通溶接が可能となるような溶込み深さを得ることが困難となり、溶接入熱を増加しても重ね面で十分な溶融幅が得られない。
したがって本発明は、レーザビーム溶接とガスシールドアーク溶接を組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接によって高強度薄鋼板の重ね継手を形成する際に適用するものとする。

引張強さ590Ｎ／mm²級高強度薄鋼板を２枚ずつ重ね代30mmで重ねて、図３に示すようにレーザ・アークハイブリッド溶接を行ない、図２(a)に示すような板隙量ｄを設けない重ね継手、あるいは図１に示すような板隙量ｄを設けた重ね継手を形成した。なお図３では、下鋼板２は図示を省略する。レーザビーム４は波長1.06μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザを使用し、照射角度αを90°、スポット径を0.6mmとした。ワイヤ５はＪＩＳ規格Z3312で規定されるマグ溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤ径0.9mm）を使用し、トーチ角βを60°、シールドガスをAr−20％ＣＯ₂（供給量15 liter／分）とした。上鋼板１表面におけるレーザビーム４の照射位置とワイヤ５の先端位置との距離Ｌは２mmとした。上鋼板１と下鋼板２の板厚は、溶接No.１〜12ではいずれも1.4mmとし、溶接No.13〜23ではいずれも2.3mmとした。その他の設定条件は表１に示す通りである。

得られた重ね継手から、図４に示すような形状の試験片を採取して、引張剪断試験を行ない、破断するまでの最大荷重を測定するとともに、破断位置を特定した。その結果を表１に併せて示す。なお、表１中の引張剪断強度は、同一条件の引張剪断試験を３回行なった平均値である。また破断形態は、ビード６が剪断破断したものをビード剪断と記し、ビード６は破断せず、溶接熱影響部（いわゆるＨＡＺ）あるいは母材（すなわち高強度薄鋼板）が破断したものを母材・ＨＡＺと記す。

表１中の発明例（溶接No.５、６、８、９、11、12、17、18、20、21、23）は板隙量ｄとアーク電流Ｉが本発明の範囲を満足する例である。比較例の溶接No.１〜４、13〜16は板隙量ｄが本発明の範囲を外れる例、溶接No.７、10、19、22はアーク電流Ｉが本発明の範囲を外れる例である。
表１から明らかなように、発明例では引張剪断強度が22.0〜25.2ｋＮであったのに対して、比較例では12.2〜21.5ｋＮであり、本発明によって重ね継手の引張剪断強度が向上することが確かめられた。

１上鋼板
２下鋼板
３溶接金属
４レーザビーム
５ワイヤ
６ビード

Claims

レーザビーム溶接とガスシールドアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接によって高強度薄鋼板の重ね継手を形成するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、前記高強度薄鋼板の板隙量ｄを0.2mm以上とし、該板隙量ｄ（mm）、前記ガスシールドアーク溶接のアーク電流Ｉ（Ａ）、および前記レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接速度Ｖ（ｍ／分）が下記の(1)式を満足することを特徴とするレーザ・アークハイブリッド溶接方法。
Ｉ≧ｄ×Ｖ×80 ・・・(1)