特許 7626379 ハイブリッド溶接方法および溶接継手の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-27

(45)【発行日】2025-02-07

(54)【発明の名称】ハイブリッド溶接方法および溶接継手の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/348 20140101AFI20250131BHJP

   B23K 9/16 20060101ALI20250131BHJP

【ＦＩ】

B23K26/348

B23K9/16 K

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018176564

(22)【出願日】2018-09-20

(65)【公開番号】P2020044565

(43)【公開日】2020-03-26

【審査請求日】2021-05-14

【審判番号】

【審判請求日】2023-11-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100162204

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(72)【発明者】

【氏名】▲徳▼永 仁寿

(72)【発明者】

【氏名】富士本 博紀

【合議体】

【審判長】本庄 亮太郎

【審判官】堀内 亮吾

【審判官】大山 健

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０５６６５９３３号明細書（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

B23K 26/348

B23K 9/16

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板厚１６ｍｍ以上の鋼板を突き合わせて、突き合わせ部をアーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接するハイブリッド溶接方法であって、
前記突き合わせ部に形成された開先のルート面ＲＦを２ｍｍ以上１０．５ｍｍ以下とし、ルート隙間ＲＧを２ｍｍ未満（０を含む）とし、かつ前記ＲＦとＲＧが下記式を満たし（但し、ＲＦが６ｍｍであってＲＧが０．８ｍｍである場合を除く）、
ＲＦ≦４×ＲＧ＋４．５
アーク溶接を先行し、レーザ溶接を後行とし、レーザの出力を４．６ｋＷ以下として、前記アーク溶接によって形成された溶融プールに前記レーザを照射し、溶接金属が前記開先の裏側まで貫通する初層の溶接を行うことを特徴とするハイブリッド溶接方法。

【請求項2】

板厚１６ｍｍ以上の鋼板を突き合わせて、請求項１に記載のハイブリッド溶接方法を用いることを特徴とする溶接継手の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アーク溶接とレーザ溶接のハイブリッド溶接により厚板を溶接する溶接方法およびその溶接方法を用いた溶接継手の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、建築構造物、橋梁、鉄道車両、産業機械の大型化に伴い、使用する鋼板の板厚を厚くすることで構造物の設計応力を満足することが行われている。
厚鋼板の溶接では、主に多層盛りのガスシールドアーク溶接が使用される。ガスシールドアーク溶接は、入熱が低く、母材・溶接金属の機械特性が確保しやすい。しかし、板厚が厚くなるに従って、溶接の積層数・パス数が増加して、溶接効率が低くなる。また、裏当を使用しないで、鋼板裏面まで溶接金属が貫通した貫通溶接を安定して行うことは難しくなる。このため、製造工期の短縮、施工コストの削減が可能な効率の良い溶接方法が要求されている。

【0003】

その要求を満たす方法の一つとして、ガスシールドアーク溶接とレーザ溶接を組み合わせたハイブリッド溶接を用いて厚板を高能率で溶接することが検討されている。
例えば、特許文献１には、アーク溶接を先行させ、レーザ溶接を後行させ、アークとレーザを同一溶接線上に配置させながら溶接することで、高速溶接性と耐ギャップ性に優れたハイブリッド溶接方法が開示されている。

【0004】

特許文献２には、１プールで溶接する板厚が５～１６ｍｍの鋼板の突き合わせる一方の開先に、突出部と窪み部とを開先の長手方向に沿って連続的に形成し、突出部の先端面のみが、突き合わせの相手となる開先と当接するように鋼板を配置し、窪み部により形成された開先の間の隙間の中央の領域を含む面と、突出部及び窪み部が形成されている領域の、レーザ光が照射される側の端部との交線上の位置を、レーザ光と溶接ワイヤのねらい位置として溶接を行うことで、開先の間の隙間を容易に確保することができるアークとレーザによるハイブリッド溶接方法が開示されている。

【0005】

特許文献３には、厚さ１６～４０ｍｍの鋼板を、ルートギャップが２～７ｍｍ、開先角度が０度～２０度のＩ形、Ｖ形、Ｙ形などの開先に組み立てた狭開先形状として、アーク溶接トーチを先行させ、その後方にレーザ照射点を配置し、レーザ照射狙い位置をＰ、溶接速度をＶとし、先行のガスシールドアーク溶接のワイヤ狙い位置を原点０とした場合、ワイヤ狙い位置より溶接進行方向の反対方向にＰがＶ～４Ｖの範囲であるようにしたアークとレーザによるハイブリッド溶接方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００６－２２４１３０号公報

【文献】特開２０１１－２１８３６２号公報

【文献】特開２０１７－１５４１５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

近年では、板厚が１６ｍｍ以上であるような厚鋼板をできるだけコストを抑えて高能率に溶接する課題が生じてきた。特許文献１～３の技術は、ハイブリッド溶接により、厚板の突合せ部を片面から裏側まで完全に溶け込ませる貫通溶接を行うものであるが、さらにコストを抑えて高能率に溶接することが望まれる。

【0008】

そこで、本発明は、板厚が１６ｍｍ以上の厚鋼板のアークとレーザによるハイブリッド突き合わせ溶接において、比較的低価格な低出力レーザを利用して高能率で安定して貫通溶接ができるようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者は、上記技術的課題を解決するために鋭意検討した結果、厚鋼板の突き合わせ部に形成する開先のルート面をルート隙間に応じて最適化することにより、低出力レーザを用いても初層を安定して貫通溶接できること、初層の貫通溶接が実現できれば、残りの開先内は通常のアーク溶接による溶接金属で容易に埋めることができることを見出した。
そのような本発明の要旨は、以下のとおりである。

【0010】

（１）板厚１６ｍｍ以上の鋼板を突き合わせて、突き合わせ部をアーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接するハイブリッド溶接方法であって、
前記突き合わせ部に形成された開先のルート面ＲＦを２ｍｍ以上１０．５ｍｍ以下とし、ルート隙間ＲＧを２ｍｍ未満（０を含む）とし、かつ前記ＲＦとＲＧが下記式を満たし、
ＲＦ≦４×ＲＧ＋４．５
アーク溶接を先行し、レーザ溶接を後行とし、レーザの出力を６ｋＷ以下として、初層の溶接を行うことを特徴とするハイブリッド溶接方法。

【0011】

（２）板厚１６ｍｍ以上の鋼板を突き合わせて、上記（１）に記載のハイブリッド溶接方法を用いることを特徴とする溶接継手の製造方法。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、厚鋼板の初層溶接を、低出力レーザを利用して０．８ｍ／分のような早い溶接速度で実施できるので、板厚が１６ｍｍを超えるような厚鋼板を用いた溶接継手を、施工効率や施工コストを大幅に改善して製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明のハイブリッド溶接方法を説明するための図である。

【図2】ハイブリッド溶接によって形成された初層の溶接金属の断面を説明するための図である。

【図3】ハイブリッド溶接によって形成された初層の溶接金属の一例を示す模式図であり、ルート面について、（ａ）の寸法に対して（ｂ）の寸法が短い場合を示す。

【図4】初層の溶接の良否における、Ｙ形開先のルート面とルート隙間の関係を示す図である。

【図5】アークとレーザの間の距離を説明するための図である。

【図6】Ｙ形開先のルート面ＲＦとルート隙間ＲＧを説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、アーク溶接とレーザ溶接とを組み合わせたハイブリッド溶接方法を用い、厚鋼板の片側からの初層溶接において、裏当を使用しないで貫通溶接を安定的に実現する方法である。以下、本発明の実施形態について図面により説明する。

【0015】

アーク溶接とレーザ溶接とを組み合わせたアークとレーザによるハイブリッド溶接では、図１に示すように、２枚の鋼板１、１を突き合わせ、その突き合わせ部に形成された開先２に対し、ガスシールドアーク溶接の溶接トーチ３を先行させ、後方よりレーザ溶接のトーチ４を追随させて両者を同時に矢印方向に移動させることにより、開先内に溶接ビード６を形成しながら鋼板１、１の溶接を行う。

【0016】

ハイブリッド溶接の際、後行のレーザは先行するアーク溶接によって形成された溶融プール５に照射され、アークによる入熱にレーザによる入熱が加わって、図２に示すように、ルート面の部分を開先の裏側（トーチ側とは反対側）まで貫通して溶接した深溶け込みの溶接金属７を形成できる。

【0017】

本発明者らは、１６ｍｍを超えるような厚板を、アークに低出力のレーザを併用するハイブリッド溶接で裏側まで貫通した深溶け込みの溶接を安定的に行う手段について検討した。そして、１層で溶接を行うのではなく、まず溶接金属が開先の裏側まで完全に貫通する初層の溶接を行い、次いで残りの開先内の溶接を行うことを着想した。
初層の貫通溶接を行うことができれば、残りの開先内は通常のアーク溶接もしくはレーザアークハイブリッド溶接による溶接金属で容易に埋めることができる。初層と残りの開先内の溶接法は同一でなくてもよい。

【0018】

そこで、初層の溶接で、開先裏側まで貫通した溶接金属が形成できる条件について検討し、次の実験を行った。
板厚１９ｍｍの鋼板を２枚用意して、これらの突合せ溶接を行った。
鋼板間に形成する開先は、Ｙ形開先として、ルート面ＲＦが２．５ｍｍ、４．５ｍｍ６．５ｍｍ、８．０ｍｍの４種類で、ルート隙間ＲＧが０ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍの５種類として、それぞれ組み合わせて仮組し、アーク溶接を先行とし、レーザ照射を後行とする突き合わせハイブリッド溶接を実施した。
アーク溶接は、日鉄住金溶接工業(株)製ＹＭ－２８（商品名）、１．２ｍｍφのソリッドワイヤを用い、Ａｒ＋２０％ＣＯ_２の混合ガスで、流量２５Ｌ／ｍｉｎのシールドガス条件とした。レーザ溶接にはファイバーレーザを用いた。
アークのねらい位置とレーザ照射点間の距離ＡＬ（図５参照）を２．５ｍｍ、溶接トーチ（ワイヤ軸線）とレーザの光軸の間の角度θ（図５参照）を４５度とし、溶接条件は、ルート面の寸法に応じて表１の条件とした。
貫通溶接が実現できた一例として、ＲＦが異なる場合について溶接後の溶接金属の断面の模式図を図３（ａ）、（ｂ）に示す。いずれも、ルート面の部分に開先の裏側まで貫通して溶接金属が形成され、良好な裏ビードが形成された。

【0019】

【表1】

【0020】

溶接結果の評価は、溶接部裏側の状態を目視し、図３のように溶接金属が開先の裏側まで完全に貫通していた（欠陥のない裏ビードが形成されていた）場合を〇、開先の裏側まで貫通できなかった場合を×とした。
図４に、開先のルート面ＲＦとルート隙間ＲＧの組み合わせに対する溶接結果の関係を示すが、実線より右の領域で良好な結果が得られた。

【0021】

この結果、前記ＲＦとＲＧが下記式を満たす場合に、初層の貫通溶接が安定して実施できることが見出された。
ＲＦ≦４×ＲＧ＋４．５

【0022】

さらに、ＲＦとＲＧの個々の条件についても検討した結果、１６ｍｍ以上の板厚の鋼板の初層の溶接において、開先をＹ形開先などのルート面を有する開先とし、ＲＦとＲＧが上記式を満たすとともに、ＲＦを２ｍｍ以上１０．５ｍｍ以下とし、ＲＧを２ｍｍ未満（０を含む）とすることにより、溶接金属が開先の裏側まで完全に貫通した溶接を安定的に実施できることを見出した。

【0023】

本発明は、以上の条件で溶接することによって、厚鋼板の溶接において、低出力レーザを用いたハイブリッド溶接により高能率に開先裏側まで貫通した初層の溶接金属を得ることができるものであるが、以下、このような本発明に必要な要件や好ましい要件についてさらに詳細に説明する。

【0024】

（ハイブリッド溶接の基本形態）
本発明では、ガスシールドアーク溶接（以後単にアーク溶接と記載する）の溶接トーチ３を先行させ、その後方にレーザトーチ４を配置してハイブリッド溶接を行う。
アーク溶接を先行することにより、レーザ光が確実に溶融プールに照射されることになって、効果的にレーザを利用することができる。

【0025】

先行のアーク溶接は、図１や図４（ａ）に示すように溶接進行方向（図１の矢印方向）側に傾斜する後進法で行うのが好ましい。また、レーザは、溶接進行方向と逆側に傾斜する方向から、アーク溶接によって形成された溶融プール５内に向けて照射する。
これによって、アークによる入熱にレーザによる入熱が加わって、開先裏側まで貫通した深溶け込みの溶接金属を形成できる。

【0026】

アークとレーザの距離ＡＬは、レーザによる入熱を利用できる距離であれば特に限定されないが、距離ＡＬを、図５における位置１０と１１間の距離とすると、１ｍｍ以上、５ｍｍ未満の範囲が好ましい。なお、Ｙ形開先、Ｕ形開先、Ｊ形開先では、位置１０は、ＲＦの上端の高さにおけるアーク溶接のワイヤ８のねらい位置であり、位置１１は、同じくレーザ９の照射点位置である。
また溶接トーチとレーザ光軸間の角度θについても特に限定されないが、２０～６０度の間が望ましい。

【0027】

（鋼板板厚）
溶接の対象とする鋼板の板厚は１６ｍｍ以上とする。厚さが１６ｍｍ未満の特にハイブリッド溶接を用いずとも、本発明と同等の溶接施工効率で溶接することが可能である。板厚の上限としては８０ｍｍ以下が好ましい。より好適には４０ｍｍ以下である。

【0028】

（開先形状）
開先の形状はルート面を有する開先であればその形状は問わない。Ｙ形開先、Ｕ形開先、Ｊ形開先が例示される。それらの開先では、図６にＲＦで示すルート面が２ｍｍ以上１０．５ｍｍ以下で、ＲＧで示すルート隙間が２ｍｍ未満とする。また、ＲＦ（ｍｍ）とＲＧ（ｍｍ）が下記式を満たすものとする。
ＲＦ≦４×ＲＧ＋４．５

【0029】

ルート面が１０．５ｍｍ以下であれば、板厚によらず、ルート隙間ＲＧが２ｍｍ未満で低出力レーザを用いても貫通溶接が可能になる。ルート面が１０．５ｍｍを超えると、低出力レーザを用いた貫通溶接が困難となる。また、ルート面が２ｍｍ未満や、ルート隙間が２ｍｍ以上では、たれ落ちが発生しやすく、良好な裏ビードが形成できない。
また、ルート面ＲＦ（ｍｍ）が、ルート隙間ＲＧ（ｍｍ）との関係で、式（４×ＲＧ＋４．５）から計算される上限を超えると、出力が６ｋＷ以下のレーザでは、溶接金属が開先裏側まで達せず、貫通溶接を実施できない。

【0030】

Ｙ形開先、Ｕ形開先での開先角度は、４０～１４０度であるのが好ましい。より好ましくは４０～１００度である。Ｊ形開先での開先角度は、２０～７０度であるのが好ましい。より好ましくは２０～５０度である。好ましい開先角度では、溶接の積層数が増加せず、溶接施工効率が良い。

【0031】

（初層の溶接）
ハイブリッド溶接による初層の溶接では、溶接金属がルート面の部分を開先の裏側まで貫通して形成され、かつ、良好な裏ビードが形成されるようにする。そのような貫通溶接を行うために、ハイブリッド溶接におけるそれぞれの溶接では、次のような条件とする。

【0032】

アーク溶接における電流、電圧、溶接速度、入熱などの条件は、鋼板の厚さ、開先形状、などに応じて適宜決定することができる。シールドガスについても特に限定されるものではないが、アークの安定性やコスト面を考慮して、Ａｒガスと５～３０％のＣＯ_２ガスからなる混合ガスを用いることが好ましい。
また、レーザとしては、出力が６ｋＷ以下の低出力レーザに制限する。そのようなレーザとしてはＹＡＧレーザ、ディスクレーザもしくはファイバーレーザが好ましい。レーザのシールドガスは、照射点がアークの狙い位置と近いので特に必要ではないが、よりシールドを強化するために、Ａｒガスと５～３０％のＣＯ_２ガスからなる混合ガスなどを用いることができる。また必要に応じて、Ｏ_２ガス、Ｈｅガスを含有させてもよい。

【0033】

ハイブリッド溶接によって形成する初層の板厚方向の厚みは、溶接効率の点からは大きいほうが望ましいが、大きいと凝固割れしやすくなるので、下限はルート面ＲＦ＋１．０ｍｍが望ましい。上限はＲＦ＋６.０ｍｍまでが望ましい。
また、ハイブリッド溶接の溶接速度は、本発明では、０．８ｍｍ／分以上の高速とすることができる。

【0034】

（２層目以降の溶接）
本発明では、初層の溶接を以上で説明したハイブリッド溶接で行うが、残りの開先内は、同様にレーザアークハイブリッド溶接によって溶接することもできるが、初層の貫通溶接がなされているので、ガスシールドアーク溶接によっても容易に溶接することができる。
それぞれの溶接において、できるだけ高能率の溶接方法を採用するのが望ましい。

【実施例】

【0035】

以下に示す条件でハイブリッド溶接を行い、溶接後のビードの形成状況を調査して、前記のように評価した。
鋼板に板厚１９ｍｍの新日鐵住金（株）製のＷＥＬ－ＴＥＮ（登録商標）５９０を使用し、これらの鋼板を突き合わせて仮組し、先行のガスシールドアーク溶接と後行のレーザ溶接を組み合わせたハイブリッド溶接により初層の溶接を実施した。

【0036】

突き合わせ部は、Ｙ形開先で、開先角度６０度、表２に示すルート面（ＲＦ）、ルート隙間（ＲＧ）とした。
アーク溶接は、電流：２４０～２７０Ａ、電圧：２２～２６Ｖ、シールドガス組成：Ａｒ＋２０％ＣＯ_２とし、レーザ溶接は、レーザ媒体：ファイバーレーザ、レーザ出力：４．４～４．６ｋＷとし、溶接速度：１．１～１．８ｍ／ｍｉｎ、アークとレーザ間距離ＡＬ：２．５ｍｍ、溶接トーチとレーザの光軸間の角度θ：４５度として、ルート面のハイブリッド溶接を行った。
溶接後、溶接方向に対して垂直方向に切断し、その断面を鏡面研磨・ナイタール腐食によって組織を現出し、断面の観察から、裏側での溶接金属の溶け込みの良否と溶接裏面割れの有無について評価した。裏側まで溶け込みが良好な溶接金属が形成されていた場合と溶接裏面割れのない場合を〇、それ以外を×とした。
評価結果を同じく表２に示す。

【0037】

【表2】

【符号の説明】

【0038】

１ 鋼板
２ 開先
３ ガスシールドアーク溶接トーチ
４ レーザ溶接トーチ
５ 溶融プール
６ 溶接ビード
７ 溶接金属
８ 溶接ワイヤ
９ レーザ
１０ 溶接ワイヤのねらい位置
１１ レーザ照射点
ＲＦ 開先のルート面
ＲＧ 開先のルート隙間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】