JP3217138B2 - レーザ溶接用ワイヤ - Google Patents

レーザ溶接用ワイヤ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は熱源としてレーザを用い
て溶接する際に用いるワイヤに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レーザ
溶接は、高エネルギー密度で、大気中で減衰せず、光エ
ネルギーである等の特長を有するレーザを熱源に用いた
接合法であり、熱源としてCO2レーザやYAGレーザ
などが用いられる。このため、高速溶接ができ、薄板の
突合せ溶接や重ね溶接に利用されている。また、電子ビ
ーム溶接のように真空加工室を必要とせず、マルチ加工
も可能であるので、電子ビーム溶接に代替する溶接法と
して採用されつつある。
【0003】従来、レーザ溶接では、溶加材を用いずに
実施する方法と、比較的炭素量の多いSiやMnを含有す
る溶加材(ワイヤ)を用いる方法の2種類の方法が採用さ
れていた。しかし、前者のようにワイヤを用いないレー
ザ溶接の場合には、母材の目違い、ギャップに対する許
容範囲が狭く、またブローホールやピットが出易いとい
う問題があった。また母材の炭素当量が高い場合には溶
接金属が硬く、かつ靭性が得られないという問題もあっ
た。
【0004】一方、後者のワイヤを用いたレーザ溶接で
は、比較的中炭素量のワイヤが用いられていたが、ワイ
ヤを用いないレーザ溶接の場合のような母材の目違い、
ギャップに対する許容範囲等々の問題は解消できるもの
の、溶接金属の硬さが高い欠点があった。そこで、比較
的低炭素量でSiやMnを含有するワイヤを使用すること
が試みられている。これによれば、母材の希釈を受けて
も、溶接金属の硬さを低下させることができるものの、
冷却速度が速いため焼きが入り易く、靭性がでないとい
う問題があった。
【0005】本発明は、上記従来技術の問題点を解決
し、ワイヤを用いるレーザ溶接において、溶接継手の靭
性を向上させることができる溶接材料を提供することを
目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明者は、母材として比較的中炭素当量の鋼板を
用いた場合にワイヤの成分組成と靭性の関係について検
討した。その結果、炭素当量が低く、かつBとTi又は
Zrを複合添加したワイヤを用いることにより可能であ
ることを見い出し、ここに本発明を完成したものであ
る。
【0007】すなわち、本発明は、C:0.10%以
下、Si:0.50%以下、Mn:1.50%以下及びB:
0.0016〜0.010%を含有し、更にTi:0.01
〜0.10%及びZr:0.01〜0.10%の1種又は2
種を含有し、残部がFe及び不純物からなることを特徴
とするレーザ溶接用ワイヤを要旨とするものである。
【0008】以下に本発明を更に詳述する。
【0009】
【作用】
【0010】本発明のワイヤは、前述のように低炭素当
量でBとTi又はZrを複合添加した特定成分組成のワイ
ヤである。ワイヤの炭素当量が低いので溶接金属が急冷
されてもその組織をフェライト系にすることが容易で、
しかも、Ti又はZrでO、Nを固定することによってB
の酸化、窒化を防止し、Bを固溶状態にして結晶粒微細
化を図ると共に、Ti、Zrの酸化物を微細化の核とする
ことにより、溶接部の靭性を向上させることができる。
また、ワイヤ中にB、Ti、Zrを添加するとC、Si、
Mnだけの場合よりもワイヤ剛性が得られる効果もあ
り、特にTi添加の場合に効果が大きい。以下にワイヤ
の成分限定理由について説明する。
【0011】C:前述の如く、従来、溶加材として比較
的中炭素量の鋼ワイヤが用いられていたのは、母材であ
る鋼板とほぼ同程度の炭素含有量のものが選定されてい
たためであり、少なくともワイヤ中のC量が0.10%
以上であった。このため、溶接金属が急冷されマルテン
サイト、ベイナイト等が生成して硬化し、靭性が得られ
なかった。本発明では、ワイヤ中の炭素量も低くくし、
溶接金属が急冷されてもフェライトが生成し易いように
するためには、ワイヤ中の炭素量を0.005%以下に
規制するのが好ましい。炭素量が0.005%より多い
と溶接金属をフェライトに富む組織とすることが困難に
なる。もっとも、母材が中・高炭素鋼(C量0.18%以
上)の場合にはワイヤ中のC量をできるだけ低く抑える
必要があることは云うまでもないが、C量が0.18%
以下の鋼板の場合でも、溶接金属中のフェライト量が必
ずしも100%にならない場合があり、このような場合
であっても、本発明の成分系のワイヤによれば、ワイヤ
のC量を0.10%以下に規制することにより、高靱性
値の溶接金属を得ることができる。よって、ワイヤ中の
C量は0.10%以下とし、好ましくは0.005%以下
である。
【0012】Si、Mn:前述の急冷による硬化作用に対
してSiとMn含有量も影響を及ぼすので、Si及びMnも
それぞれ低Si、低Mnとするのが好ましい。具体的に
は、ワイヤ中のSi量は0.30%以下、Mn量は0.50
%以下である。しかし、シールドガス又はアシストガス
としてCO2又はO2等の活性ガスを混合使用する場合、
溶接金属中への歩留りは低減化するので、予めこの歩留
りを考慮しておく必要がある。また、レーザ照射時の溶
接金属溶融部の母材へのなじみを良くし、欠陥を低減す
るためには一定量Siを添加する必要がある。またMnは
焼入れ性に対する寄与はCほどではなく、むしろ本発明
範囲内にあるワイヤ成分系と、低炭素当量の母材の組み
合わせでは高目の方が高靱性が得られる場合もある。よ
って、Si量は0.50%以下、Mn量は1.50%以下と
する。
【0013】B:Bは溶接金属中に固溶状態に保つこと
によってフェライトの生成温度を下げ、粒界フェライト
やフェライトサイドプレートの生成を抑制し、アシキュ
ラーフェライトの生成を促進する作用があるので、微細
なフェライトが得られ、結晶粒微細化の効果により靭性
を向上することができる。そのためにはワイヤ中にBを
0.0016%以上添加する必要がある。しかし、0.0
10%を超えると逆に靭性が劣化するので好ましくな
い。よって、ワイヤ中のB量は0.0016〜0.010
%の範囲とする。好ましいB量は、Ti又はZr量や酸素
量にもよるが、0.0020〜0.0060%である。
【0014】Ti、Zr:B単独添加だけではBが酸化又
は窒化してしまうため、上述の固溶Bによる結晶粒微細
化効果が得られない。そのため、ワイヤ中にTiを添加
することにより、Tiが酸化又は窒化することによって
O、Nを固定してBの酸化又は窒化を防止し、Bを固溶
状態に保つことができる。また、Tiは酸化物(TiO2)
を作ることにより細粒化の核となり、結晶粒を微細化す
る効果もある。これらの効果を得るには、Ti量が0.0
1%以上必要である。しかし、0.10%を超えると酸
化物又は窒化物が多くなりすぎて靭性を損なうので好ま
しくない。よって、ワイヤ中のTi量は0.01〜0.1
0%の範囲とする。ZrもTiと同様の効果があるので、
ワイヤ中のZr量を0.01〜0.10%の範囲とする。
但し、これらTi、Zrはいずれか一方を添加すれば足り
るが、双方を添加しても同様の効果が得られる。
【0015】ワイヤ中の不純物はできるだけ少ない方が
よい。なお、酸素(O)はフェライト組織を微細化させる
核として、例えば、上述のTi、Zrの酸化物として存在
させて結晶粒の微細化の効果を確保するためには最小限
の量が必要である。すなわち、ワイヤ中には0.000
1%以上の酸素量が含まれているのが好ましい。しか
し、0.05%より多いと気孔が発生し易くなり、健全
な溶接部を得難くなるが、シールドガス及び/又はアシ
ストガス中にCO2又はO2のような活性ガスを混在させ
ると、ワイヤ中のO(酸素)が更に高くても気孔の発生を
抑制できる。その許容限は0.20%である。
【0016】なお、レーザ溶接の主な条件としては、レ
ーザ光の種類、ビームモード、出力、溶接速度などがあ
るが、それらは特に制限されるものではない。レーザ光
の種類には気体レーザ(例、CO2レーザ)や固体レーザ
(例、YAGレーザ)などがあるが、大きな出力が得られ
るCO2レーザが望ましく、YAGレーザも可能であ
る。レーザビームモードには、シングルモード、マルチ
モード、リングモードなどがある。パワー密度はシング
ルモードが最も高いが、溶込み特性やギャップ等の点か
ら、マルチモードやリングモードが望ましい。また、酸
化防止、スパッタ防止等々のためにArなどのシールド
ガスをアシストガスとして供給してもよい。ビームスキ
ャナーを用いてレーザビームを左右に往復運動させつつ
溶接すると、ギャップ裕度、狙いずれ等に有効であるほ
か、溶融金属プールが撹拌されるので、ブローホールを
低減する効果がある。ワイヤ径はレーザビーム径より小
さくする方が良く、2mm以下が好ましい。
【0017】また、母材としては、従来と同様、中炭素
当量の鋼板であるが、特に制限されるものではない。例
えば、TMCP鋼板のような低炭素当量の鋼板にも適用
できる。TMCP鋼板は炭素当量(Ceq)が低く、非水冷
型TMCP鋼板で0.34〜0.38%、水冷型TMCP
鋼板で0.30〜0.36%といわれている(「日本造船
学会誌」第726号(平成元年12月)p.797〜80
8参照)。
【0018】次に本発明の実施例を示す。
【0019】
【実施例1】母材として表1に示す成分組成の中炭素鋼
板(板厚12mm)を用い、図1に示す突合せ継手で幅1.
2mm、深さ6mmの開先を形成し、表2、表3及び表4に
示す種々の成分組成のワイヤ(径1.2mm)を用いて図2
に示す溶接施工要領にて、CO2レーザを用いてレーザ
溶接試験を行った。なお、ワイヤ中の他の成分はC:
0.003%、Si:0.08%、Mn:0.19%であ
る。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】
【表3】
【0023】
【表4】
【0024】溶接条件は、出力:10KW、溶接速度:
1m/min、ワイヤ送給速度:4m/min、レンズ径:7.
5in、バーンパターン径:2mm、アシストガス:Ar(2
0l/min)である。
【0025】得られた溶接部から衝撃試験片(2mmVサ
イドノッチ)を採取し、衝撃値を調べた。その結果は、
表2、表3、表4に示すように、本発明範囲の成分組成
を有するワイヤを用いることにより、優れた靭性が得ら
れている。
【0026】
【実施例2】母材として表5に示す成分組成のTMCP
鋼板(板厚12mm)を用い、図1に示す突合せ継手で幅
1.2mm、深さ6mmの開先を形成し、表6に示す種々の
成分組成のワイヤ(径1.2mm)を用いて図2に示す溶接
施工要領にて、CO2レーザを用いてレーザ溶接試験を
行った。
【0027】
【表5】
【0028】
【表6】
【0029】溶接条件は、出力:10KW、溶接速度:
1m/min、ワイヤ送給速度:4m/min、レンズ径:7.
5in、バーンパターン径:2mmで、表6に示すシールド
ガス及びアシストガス(20l/min)を用いた。
【0030】得られた溶接部から衝撃試験片(2mmVサ
イドノッチ)を採取し、衝撃値を調べた。その結果は、
表6に示すように、本発明範囲の成分組成を有するワイ
ヤを用いることにより、優れた靭性が得られている。
【0031】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のレーザ溶
接用ワイヤは、低炭素当量でBとTi又はZrを複合添加
したワイヤであるので、優れた靭性を有する健全な溶接
継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】母材鋼板の形状寸法(mm)及び開先形状を示す図
で、(a)は平面図、(b)は溶接継手部を示す断面図
である。
【図2】溶接施工要領を説明する図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−64486(JP,A) 特開 昭63−126683(JP,A) 特開 昭62−279092(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/30 B23K 26/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で(以下、同じ)、C:0.10%
    以下、Si:0.50%以下、Mn:1.50%以下及び
    B:0.0016〜0.010%を含有し、更にTi:0.
    01〜0.10%及びZr:0.01〜0.10%の1種又
    は2種を含有し、残部がFe及び不純物からなることを
    特徴とするレーザ溶接用ワイヤ。
  2. 【請求項2】 前記ワイヤがO(酸素):0.0001〜
    0.20%を含有するものである請求項1に記載のレー
    ザ溶接用ワイヤ。
  3. 【請求項3】 ワイヤ径はビーム直径以下であると共
    に、2mm以下である請求項1又は2に記載のレーザ溶接
    用ワイヤ。
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