JP4470482B2

JP4470482B2 - 重ね隅肉継手のろう付け方法

Info

Publication number: JP4470482B2
Application number: JP2003425413A
Authority: JP
Inventors: 大寛堀越; 守章小野; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005177849A

Description

本発明は、薄鋼板あるいは薄鋼板によって形成される構造物の接合に用いられる重ね隅肉継手のろう付け方法に関する。

薄鋼板にて形成される構造物の接合には、銀、銅など、母材となる鋼より低融点のろう材を利用したアークろう付け法が主に用いられている。アークろう付け法は、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、連続的にろうのワイヤを供結しながら、ワイヤと母材間にアークを発生させて接合する方法である。

しかし、アークろう付け法は熱源の収束性が劣るため、ろう付け速度が遅く、薄鋼板構造物に対して入熱が過大になり、熱変形が大きくなるばかりでなく、溶け落ち欠陥が発生しやすい等の問題点がある。

近時、アークろう付け法における上記の欠点を持たないろう付け方法として、例えば特許文献１に記載されているようなレーザを熱源とするレーザろう付け法が実用化されてきている。レーザろう付け法では、レーザ照射によってろう材を溶融させるとともに母材の表層部を数μｍ深さ溶融させ、少量の母材とろう材とを希釈混合させて接合する。このようなレーザろう付け法によれば、アークろう付け法やレーザ溶接に比べて溶け落ち欠陥は発生せず、鋼板の熱変形が抑えられる。
特開２００３−２２５７８４号公報

しかし、レーザろう付け法においては、レーザエネルギーの大部分をろう材の溶融に費やすため、レーザ溶接法に比べて接合速度が大幅に低下する。また、レーザろう付け法では、直径数ミリ以下のレーザビームをろう材に精度良く照射させることが肝要であるため、例えば重ね隅肉継手のような複雑な形状の接合部を得ることが難しい。

薄鋼板またはそれによって形成された構造物の重ね隅肉継手をろう付けする際に、上述した従来技術には以下に挙げる種々の問題点がある。

アークろう付け法では、接合速度が遅く、作業効率が低い。また、入熱量をコントロールしにくく、薄鋼板の板厚に応じた適正なろう付け部のビード幅を得ることが難しい。さらに、入熱量が過大になると、上下側の被ろう付け物が溶け落ちる。

レーザろう付け法では、ろう材の溶融に時間を要するため作業効率が上がらない。また、レーザビームに対するろう材の供給精度が厳しい。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、接合速度が速く、低入熱の接合により被ろう付け物の熱変形を小さくできる重ね隅肉継手のろう付け方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、銅または銀等のワイヤを用いたアークろう付けとレーザ照射とを組み合わせることで、生産効率、接合強度、隙間許容量、ビード形状の全てがバランス良く向上するという知見を得た。本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。

本発明に係る重ね隅肉継手のろう付け方法は、薄鋼板構造物の重ね隅肉継手を接合する方法であって、
板厚１ｍｍ以下の薄鋼板の重ね合せ部の相互間隙Ｓを０．２５ｍｍ以上１ｍｍ以下とする重ね隅肉継手の接合予定箇所にレーザを照射する工程(i)と、
前記レーザ照射箇所に不活性ガスを供給して所定の不活性雰囲気を形成するとともに、銅および銀を主体とするワイヤ状のろう材を送給し、前記不活性雰囲気下で前記ろう材と前記レーザ照射箇所の母材との間にアークを発生させ、熱変形を小さくするためにアークろう付け速度を２〜５ｍ／分とする入熱量を低く抑えたアークにより前記ろう材を溶融させる工程(ii)と、を具備することを特徴とする。

上記工程(i)では、板厚１ｍｍ以下の薄鋼板の重ね合せ部の相互間隙Ｓを０．２５ｍｍ以上１ｍｍ以下とする。重ね合せ部の相互間隙Ｓが１ｍｍを超えると、アークろう付け時に溶け落ちが発生しやすくなり、重ね合せた鋼板が接合されなくなるおそれがあるからである。

上記工程(ii)では、アークろう付け速度を２〜５ｍ／分とする。ろう付け速度が２ｍ／分を下回ると、入熱量が過大になり、ビード形状が不良になって溶け落ちが発生しやすくなるからである。なお、２ｍ／分を下回る遅いろう付け速度では、相互間隙Ｓを０．５〜１．０ｍｍと小さくした場合であっても溶け落ちを生じることがある。また、遅いろう付け速度の場合は入熱量が過大になるため、アーク出力を大きくすることができなくなるという不都合も生じる。アークろう付け速度と重ね合せ部の相互間隙Ｓとアーク出力とレーザ出力との間には明らかではないが相関があるので、注意を要する。

一方、ろう付け速度が５ｍ／分を上回ると、入熱量が不足し、ろう材の溶融が不十分になり、接合強度が不足するようになるからである。

本発明では、先ずレーザ照射により接合予定箇所を加熱し、母材側に所定の熱エネルギを予め付与しておくので、その後に続くアークろう付け時の入熱量の不足が補われ、ろう材と母材の表層部が速やかに溶融するようになる。このため重ね合せ部に多少の相互間隙があったとしても、溶け落ちを生じることなく接合することが可能となる。

本発明によれば、レーザ照射とアークろう付けを複合化させることにより、構造物の重ね隅肉継手の接合において、溶け落ちがなく、高速ろう付けが可能になり、高強度で、熱変形がない良好な重ね隅肉継手が提供される。

以下、本発明の最良の実施の形態について説明する。

本発明では、ろう材ワイヤを電極として用いたアークろう付けをレーザ照射後に行う。アークろう付け単独の場合、薄鋼板構造物に対して入熱が過大となり、溶け落ち欠陥を生じやすくなる。しかし、本発明では、アークがレーザ照射部に集中するため、ろう付け部の幅が細くなり、かつ低入熱のアークろう付けが可能になるため、溶け落ちは生じない。

ビード幅のばらつきもほとんどなく、均一なビードが形成される。また、レーザろう付けのみでは、ろうの溶融にエネルギーを費やすため接合速度はレーザ溶接速度に比べて大幅に低下するが、本発明では、ろう材の溶融はレーザエネルギーではなく、アークにより溶融させるためレーザ溶接と同じ高速接合が可能である。さらに、レーザ照射は、鋼板の表面から数μｍ深さまでの表層部分を溶融するのみで、板厚を貫通させる必要がないため、レーザ溶接のみで接合する場合よりも低入熱となる。

［実施例］
以下、本発明の好適な実施例について説明する。

幅２００ｍｍ、長さ３００ｍｍで厚さが１．０ｍｍのサイズの薄鋼板を２枚重ねて、隅肉継手のろう付けを行った。

試験に用いた材料は、引張強度ＴＳが４４２ＭＰａ、降伏強度ＹＳが２９９ＭＰａの４４０ＭＰａ級冷延鋼板である。その組成および機械的性質を表１に示す。上下鋼板の相互間隙Ｓを、０．２５ｍｍから１ｍｍまでの間で様々に変えた複数の試験片を準備した。

ろう付けは、次の３つを複合化した方法で行った。

(１)銅系ワイヤを電極としたアークろう付け法
(２)ＹＡＧレーザ照射による銅系ワイヤのろう付け法
(３)ＹＡＧレーザ照射と銅系ワイヤを電極としたアークろう付け法
各々のろう付け条件は、(１)と(３)のアークろう付けが電流値１００Ａ、電圧２０Ｖ、アーク長さ５ｍｍ、(２)と(３)のＹＡＧレーザが波長１．０６μｍ、出力２ｋＷ連続発振とした。

ろう材となるワイヤは、表２に示す組成で、直径０．８ｍｍサイズを使用した。

表３に試験結果を示す。接合性評価は、スパッタ、溶け落ちが発生せず、安定なろう付け部が得られた場合を記号○で表示し、スパッタ、溶け落ちが生じ、ろう付け部が不均一となった場合を記号×で表示した。

熱変形評価は、ろう付け線方向（３００ｍｍ）の変形量を測定した。変形量が４ｍｍを超える場合を記号×で表示し、変形量が４ｍｍ以下を記号○で表示した。接合部強度は、JIS Z3136に規定された試験方法に準じた引張せん断試験で評価した。継手強度が２００ＭＰａ以下の場合を記号×で表示し、２００ＭＰａ以上の場合を記号Ｏで表示した。

図１（ａ）（ｂ）に引張せん断試験片の形状を示す。試験片１は、板厚ｔ、長さＬ３、幅Ｌ４が同サイズの薄鋼板２を２枚用い、その一部を重ね合せ、重ね合せ部３の段差をろう付けして隅肉継手４を形成した。引張り軸に直交する向きにろう付けビード４を置いて試験片１を作製した。試験片１の各部の寸法は、全長Ｌ３が１７０ｍｍ、幅Ｌ４が３０ｍｍ、重ね合せ部の長さＬ２が３０ｍｍ、板厚ｔが１．０ｍｍである。

表３の結果から明らかなように、本発明のレーザ・アークろう付け複合法（実施例１〜９）では溶け落ちの問題はなく、また、アークはレーザ照射により安定するため健全なろう付け部が得られた。

ろう材の母材への溶け込みはほとんどなく、ろう材と母材との成分の拡散混合（希釈）、および界面の凝固時に形成される数μｍ厚のセルのアンカー効果で接合しており、接合強度に問題はなく、熱変形も小さかった。

このように本発明のレーザろう付け法によれば、接合の高速化、溶け落ちの回避、ビード形状の安定化、高強度化のすべてを達成することができた。

［比較例］
アークろう付け法（比較例１〜１８）では、出力条件が１５０Ａ、２０Ｖの場合、ろう付け速度０．５ｍ／分では、入熱量が過大となるため、相互間隙Ｓが０．５ｍｍ以上で溶け落ちが生じ、上下の鋼板がつながらなかった。

ろう付け速度が１ｍ／分以上では高速すぎてアークが不安定となり、ビード形状に問題を生じた。

また、出力条件が１００Ａ、１０Ｖの場合には、低入熱のためアークが不安定となり、ビード形状に問題を生じた。また、この出力条件では熱変形の問題もあった。

レーザろう付け法（比較例１９〜２７）では、ろう付け速度１ｍ／分では入熱過多のため、相互間隙Ｓが０．５ｍｍ以上で溶け落ちが生じた。ろう付け速度１ｍ／分以上では高速すぎて入熱不足となり、ろう材の溶融が不十分となるので、接合強度に問題を生じた。

（ａ）は引張せん断試験片の側面図、（ｂ）は引張せん断試験片の平面図。

符号の説明

２…鋼板（母材）
３…重ね合せ部
４…ろう付けビード（重ね隅肉継手）

Claims

薄鋼板構造物の重ね隅肉継手を接合する方法であって、
板厚１ｍｍ以下の薄鋼板の重ね合せ部の相互間隙Ｓを０．２５ｍｍ以上１ｍｍ以下とする重ね隅肉継手の接合予定箇所にレーザを照射する工程(i)と、
前記レーザ照射箇所に不活性ガスを供給して所定の不活性雰囲気を形成するとともに、銅および銀を主体とするワイヤ状のろう材を送給し、前記不活性雰囲気下で前記ろう材と前記レーザ照射箇所の母材との間にアークを発生させ、熱変形を小さくするためにアークろう付け速度を２〜５ｍ／分とする入熱量を低く抑えたアークにより前記ろう材を溶融させる工程(ii)と、
を具備することを特徴とする重ね隅肉継手のろう付け方法。