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重ね隅肉溶接方法 - JFEスチール株式会社
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発明の名称 重ね隅肉溶接方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−90397(P2007−90397A)
公開日 平成19年4月12日(2007.4.12)
出願番号 特願2005−284199(P2005−284199)
出願日 平成17年9月29日(2005.9.29)
代理人 【識別番号】100105968
【弁理士】
【氏名又は名称】落合 憲一郎
発明者 小野 守章 / 安田 功一
要約 課題
優れた疲労特性が要求される自動車用薄鋼板の、レーザ溶接とガスメタルアーク溶接の複合溶接からなる重ね隅肉溶接方法を提供する。

解決手段
先行溶接をレーザ溶接、後行溶接をガスメタルアーク溶接とし、レーザ溶接による溶融池が凝固する前に、溶融池にガスメタルアーク溶接のアーク放電を行う。レーザ溶接におけるレーザのビーム径D(mm)、レーザ出力P(W)および溶接速度V(m/min)は次式を満足する。 120<P/(S・V2)<170ここでS=π(D/2)2はレーザビーム照射面積。
特許請求の範囲
【請求項1】
先行溶接をレーザ溶接、後行溶接をガスメタルアーク溶接とする複合溶接による重ね隅肉溶接方法において、前記レーザ溶接による溶融池が凝固する前に、該溶融池に前記ガスメタルアーク溶接のアーク放電を行い、
前記レーザ溶接におけるレーザのビーム径D(mm)、レーザ出力P(W)および溶接速度v(m/min)が下式の関係を満足することを特徴とする重ね隅肉溶接方法。
120<P/(S・v2)<170 ・・・・・ (1)
ここで、S=π(D/2)2
【請求項2】
前記レーザ溶接におけるレーザビーム中心の狙い位置は,重ね隅肉継手の上板エッジ部から溶接線直角方向に,レーザビーム径をDとして0mm以上、D×3/4mm以下の範囲で、前記ガスメタルアーク溶接のワイヤ狙い位置は、レーザビーム中心の狙い位置より後方で、溶接線平行方向に0.5mm以上,4mm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載する重ね隅肉溶接方法。
【請求項3】
前記レーザ溶接におけるレーザの照射角度および前記ガスメタルアーク溶接のワイヤ狙い角度θ(deg.)を,溶接方向に垂直な面内において被溶接材の法線方向に対して 5.0≦θ≦40,下板側に傾斜させることを特徴とする請求項1または2に記載の重ね隅肉溶接方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ溶接とガスメタルアーク溶接の複合溶接からなる重ね隅肉溶接方法に関し、優れた疲労特性が要求される自動車用薄鋼板の重ね隅肉溶接方法として好適なものに関する。
【背景技術】
【0002】
溶接構造物の強度を増加させるために強度の高い材料を使用するが,疲労強度について見てみると,溶接構造物の疲労強度は溶接継手に支配され,材料強度に依らず疲労強度はほぼ一定値となるため,強い材料を使用しても疲労強度は向上しない。
【0003】
アーク溶接継手に繰返し応力或いは荷重が負荷される場合,疲労亀裂は溶接止端部から発生する。溶接止端部は形状的に不連続のため応力が集中するためである。
【0004】
例えば、図4は重ね隅肉溶接部の断面形状を示し、上板10と下板20からなる隅肉溶接部でのど厚a等で規定される溶接金属30の形状が不適切な場合は、継手強度が低下する。
溶接継手の疲労強度は,溶接部近傍の引張残留応力および溶接止端部の形状に支配される。
【0005】
溶接継手の疲労強度を向上させる手法として,溶接部の近傍をショットブラスト処理および加熱して引張残留応力を軽減する方法(非特許文献1),オーステナイト系ステンレス製の溶接ワイヤを用いて溶接部をマルテンサイト組織の膨張を利用して引張残留応力を軽減する方法(特許文献1)ならびに溶接止端部をTIGアーク等で再溶融させて平坦化させる方法等,多くの手法が提案されている。
【特許文献1】特開2001-246495号公報
【非特許文献1】溶接学会論文集vol17,No.2(1999)p319-325 「薄鋼板のアーク溶接部の疲労強度向上に対する局部加熱の効果-局部加熱による残留応力低減効果-」大沢紘一等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら,上述した手法は溶接した後にもう一工程が必要で,工数が増加し生産性の低下およびコスト高をもたらす。また,オーステナイト系ステンレス製の溶接ワイヤを用いると溶接部が硬くて脆いマルテンサイト組織になるため伸びが低く加工性が劣り、溶接ワイヤも高価である。
【0007】
本発明は,このような要望に答えるべく開発したものであり,レーザとアークを併用した溶接法による薄鋼板の隅肉溶接において溶接止端部を平滑化させ疲労強度の優れたビードを得る、生産性およびコスト的に優れた溶接方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の課題は以下の手段により達成可能である。
1.先行溶接をレーザ溶接、後行溶接をガスメタルアーク溶接とする複合溶接による重ね隅肉溶接方法において、前記レーザ溶接による溶融池が凝固する前に、該溶融池に前記ガスメタルアーク溶接のアーク放電を行い、
前記レーザ溶接におけるレーザのビーム径D(mm)、レーザ出力P(W)および溶接速度v (m/min)が下式の関係を満足することを特徴とする重ね隅肉溶接方法。
120<P/(S・v2)<170 ・・・・・ (1)
ここで、S=π(D/2)2でレーザビームの照射面積を示す。
【0009】
2.前記レーザ溶接におけるレーザビーム中心の狙い位置は,重ね隅肉継手の上板エッジ部から溶接線直角方向に,レーザビーム径をDとして0mm以上、D×3/4mm以下の範囲で、前記ガスメタルアーク溶接のワイヤ狙い位置は、レーザビーム中心の狙い位置より後方で、溶接線平行方向に0.5mm以上,4mm以下の範囲にあることを特徴とする1に記載する重ね隅肉溶接方法。
【0010】
3.前記レーザ溶接におけるレーザの照射角度および前記ガスメタルアーク溶接のワイヤ狙い角度θ(deg.)を,溶接方向に垂直な面内において被溶接材の法線方向に対して 5.0≦θ≦40,下板側に傾斜させることを特徴とする1または2に記載の重ね隅肉溶接方法。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば自動車などに用いられる薄鋼板の隅肉溶接において溶接止端部が平滑化し、疲労強度の優れたビードが得られ産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明は、重ね隅肉溶接を、先行溶接をレーザ溶接、後行溶接をガスメタルアーク溶接とする複合溶接とし、レーザ溶接後、ガスメタルアーク溶接を行うタイミングおよび個々の溶接条件を最適化することを特徴とする。以下の説明において重ね隅肉溶接継手で上側となる被溶接材を上板、下側となるものを下板とする。
【0013】
本発明に係る重ね隅肉溶接では、先行溶接をレーザ溶接、後行溶接をガスメタルアーク溶接とし、ガスメタルアーク溶接は、先行するレーザ溶接による溶融池が凝固する前に、該溶融池に前記ガスメタルアーク溶接のアーク放電を行う。レーザビームの照射によって形成された溶融池にアークを照射すると,アーク放電がレーザ照射部に安定に生成・維持される。
【0014】
アーク溶接によって供給された溶融金属は,レーザ溶接によって形成された溶融・加熱領域により冷却速度が緩和され溶接止端部が平坦化する。尚、前記アーク放電は溶融池が含まれる領域に照射されれば良く溶融池に限定しない。
【0015】
レーザ溶接はレーザのビーム径D(mm)、レーザ出力P(W)および溶接速度v(m/min)として,式(1)の関係を満足するように設定すると良好な溶接部が得られ好ましい。
120<P/(S・v2)<170 ・・・・・ (1)
ここで、S=π(D/2)2でレーザビームの照射面積を示す。
【0016】
P/(S・v2)が120以下であると,レーザのパワー密度が低過ぎて下板および上板が加熱できず,アークが不安定になると同時に,溶融金属と下板および上板との馴染みが悪く、特に溶接止端部が平坦化しない。
【0017】
一方,P/(S・v2)が170を超えると,レーザのパワー密度が過大となり,下板の溶け込みが大き過ぎて貫通する。更に,上板も過大に溶融するため溶接部ののど厚が小さくなり静的継手強度が低くなる。
【0018】
図1は、レーザビーム、ガスメタルアーク溶接ワイヤの重ね隅肉継手に対する、好ましい狙い位置を説明する模式図で、図において、1は上板、2は下板、3はレーザビームのねらい位置、4はガスメタルアーク溶接のアーク照射のねらい位置、5は溶接進行方向、11は上板1のエッジ部、Dはレーザビーム径を示す。
【0019】
レーザ溶接におけるレーザビームの狙い位置3はレーザビーム中心(図中、黒点で表示)で,重ね隅肉継手の上板エッジ部11から溶接線5と直角方向に,0mm以上、レーザビーム径D ×3/4mm以下の範囲(図中 l1と表示)で、前記ガスメタルアーク溶接のアーク照射のねらい位置4はワイヤ狙い位置(図中、黒点で表示)で、レーザビームの狙い位置3の後方で、溶接線平行方向に0.5mm以上,4mm以下の範囲(図中 l2と表示)とする。
【0020】
レーザおよびガスメタルアーク溶接を照射する位置が,上板端部から上板側に,0mm未満であると上板が溶け過ぎ,溶接部の脚長が小さくなり継手強度が低下する。一方,上板端部から上板の反対側にD×3/4mmを超えると,接合部が上板端部から離れ過ぎ,のど厚は小さくなり溶接継手強度が低下する。
【0021】
上述したように、レーザビーム中心とワイヤ狙い位置を規定すると、溶接線に平行に、すなわち、上板エッジ部11に平行に両者が一直線上となり、上板を多量に溶融させることなく重ね隅肉継手が得られて好ましい。
【0022】
図2は好ましい、レーザビームの照射角度およびガスメタルアーク溶接ワイヤの狙い角度を説明する図で,図において6はレーザビーム中心軸およびガスメタルアーク溶接ワイヤ中心を示す。
【0023】
レーザビーム中心軸およびガスメタルアーク溶接ワイヤ中心(いずれも図中、符号6)は溶接方向に垂直な面内において被溶接材(図では下板)の法線方向に対して 5.0≦θ≦40,下板側に角度θだけ傾斜させる。
【0024】
角度θが,溶接方向に垂直な面内(溶接方向に垂直で鋼板面の法線方向)において5(deg.)未満の場合には,溶接ビードのフランク角(図4参照)が急な角度になり疲労強度の低下やスラグ巻込み等の溶接欠陥を発生することとなる。
【0025】
一方,角度θが,上記面内に40(deg.)を超える場合には,溶接ビードののど厚が不足するため疲労強度の低下はもとより静的継手強度も低下するようになる。
【0026】
従って,重ね隅肉溶接継手に欠陥が少なく,静的および疲労強度の優れた溶接ビードを得るためには,角度θ(deg.)を 5.0≦θ≦40とすることが好ましい。
【0027】
本発明のレーザ発振器は特に規定しないが,溶接に用いるため出力200ワット以上,好適にはキロワットクラスの出力とすることが好ましい。レーザの種類としては,レーザ光生成媒体としてYAGロッドを用いてハロゲンランプ等でレーザ光を励起するタイプや,レーザダイオード(LD)でレーザ光を励起するタイプのYAGレーザが好ましい。その他に炭酸ガスレーザ,スラブレーザ,ルビーレーザ,エキシマレーザ,半導体レーザ,その他のものを用いることができる。
【0028】
光学系には,変向用反射ミラーと数枚の正負の集束レンズを組み合わせた光学系を備えるものが好ましいが、レンズ系を用いずに凹面鏡と凸面鏡の組み合わせだけでレーザ光を集束するようにしてもよい。
【0029】
ガスメタルアーク溶接装置は,金属薄板の溶接を対象とするため,溶接用ワイヤは直径1.2mm以下の細径ワイヤを用いるのが好ましい。シールドガスには,アークの安定性と溶接金属の酸化防止とを同時に達成するために,アルゴンガス等の不活ガスを用いることが好ましいが,アルゴンガス中に炭酸ガスを10〜100%の範囲で混合させたガスおよびアルゴンガス中に水素ガス或いはヘリウムガスを2〜20%の範囲で混合させたガスを用いることも可能である。以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例1】
【0030】
上板厚が1.6mmおよび下板厚2.0mmの軟鋼板を用いて,両者間に隙間を設けずに隅肉継手を形成し、溶接を行った。隅肉溶接は,先行溶接をYAGレーザ溶接、後行溶接をガスメタルアーク溶接とする複合溶接で行った。
【0031】
YAGレーザ溶接およびガスメタルアーク溶接は,レーザビーム中心位置とワイヤ中心の間隔は1mm、照射角度は,溶接方向に垂直に鋼板面の法線方向に対して角度θ(deg.)を20度として溶接を行った。YAGレーザ出力Pは,加工点で1kw、2kWおよび3kWに設定した。ビーム径D(mm),溶接速度v(m/min)を変化させた。
【0032】
得られた溶接部の品質評価は,シェンク型の片振り曲げ疲労試験を行い。破断寿命1000万回で破断しない最大応力範囲を疲労限度σWと定義し,該疲労限度σWが200Mpaを超える値となる条件を,良好と判定した。
【0033】
表1に試験条件および得られた疲労強度を、図3に試験結果を図示する。120<P/(S・v2<170を満足する範囲において、疲労限度σWが200Mpaを超え、本発明により、良好な疲労特性を有する隅肉溶接継手が得られることが確認された。ここでS=π(D/2)2はレーザビーム照射面積を示す。
【0034】
【表1】


【実施例2】
【0035】
レーザの狙い位置とガスメタルアークの狙い位置の溶接部品質に及ぼす影響およびレーザの照射角度の,疲労強度に及ぼす影響を調査した。
【0036】
上下の板厚がそれぞれ,0.8と1.6mmおよび1.6と2.0mm軟鋼板鋼板を用いて,隙間をゼロにして重ね隅肉溶接を行った。溶接は,YAGレーザ溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明に係る溶接法で行った。
【0037】
溶接条件は,レーザ狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位置を0.0mmから5.0mmまで変化させ,レーザ照射角度を0度から50度まで変化させ,レーザ出力1,3kWで行った。
【0038】
溶接部の品質評価は,シェンク型の片振り曲げ疲労試験を行い。破断寿命1000万回で破断しない最大応力範囲を疲労限度σWと定義し,この値を求めた。評価結果は,疲労限度が200Mpaを超える値となる条件を,良好と判定した。
【0039】
表2に、試験条件を示す。実験結果から,レーザビームとアークの照射間隔は,0.5mm以上,4mm以下の範囲で,かつ,レーザおよびガスメタルアーク溶接の照射角度は,溶接方向に垂直で重ね隅肉鋼板面の法線方向に対して角度θ(deg.)を 5.0≦θ≦40の範囲において、疲労限度が200MPaを超える値が得られた。
【0040】
レーザの狙い位置とガスメタルアークの狙い位置が4mmを超えて設定された場合には,両者の距離が離れ過ぎているため,レーザ照射によるアークの安定化および集中効果が僅かに低下して,溶接欠陥の発生個数が増加するが,実用上支障は無い。
【0041】
一方,レーザの狙い位置とガスメタルアークの狙い位置が0.5mm未満で設定された場合には,アーク溶接による溶滴がレーザと干渉して溶接ビードが不連続になり好ましくない。
【0042】
従って,健全な溶接部を得るためには、レーザの狙い位置とガスメタルアークの狙い位置の距離を0.5mm以上,4mm以下に設定することが好ましい。
【0043】
レーザおよびガスメタルアーク溶接の照射角度が,溶接方向に垂直に鋼板面の法線方向に対して0 deg.の場合には,溶接ビードのトウ角が30度を超える急な角度になり疲労強度の低下やスラグ巻込み等の溶接欠陥を発生する。
【0044】
一方,レーザおよびガスメタルアーク溶接の照射角度が,溶接方向に垂直に鋼板面の法線方向に対して40 deg.を超える場合には,溶接ビードののど厚が不足するため疲労強度の低下はもとより静的継手強度も低下するようになる。
【0045】
以上の結果から,重ね隅肉溶接継手に欠陥が少なく,静的および疲労強度の優れた溶接ビードを得るためには,レーザおよびガスメタルアーク溶接の照射角度は,溶接方向に垂直に鋼板面の法線方向に対して角度θ(deg.)を 5.0≦θ≦40の範囲で上板に対して反対方向に傾斜させるように設定することが好適であることが明らかになった。
【0046】
【表2】


【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】本発明例。
【図2】本発明例。
【図3】疲労強度に及ぼすビーム径D(mm)、レーザ出力P(W)および溶接速度v(m/min)の影響を示す図(実施例)。
【図4】重ね隅肉溶接部の形状を示す図。
【符号の説明】
【0048】
1 上板
2 下板
3 レーザビームのねらい位置
4 ガスメタルアーク溶接のアーク照射のねらい位置
5 溶接進行方向
6 レーザビーム中心軸(ガスメタルアーク溶接ワイヤ中心軸)
11 上板エッジ部
D レーザビーム径




 

 


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