JP2016132007A - Laer-arc hybrid welding method, ana laser-arc hybrid welded structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接と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方法及びレーザ・アークハイブリッド溶接構造体に関するものである。 The present invention relates to a laser / arc hybrid welding method combining laser welding and arc welding and a laser / arc hybrid welding structure.
レーザに代表される高パワー密度の熱源を用いた溶接として、レーザ溶接法とアーク溶接法の両方を用いるレーザ・アークハイブリッド溶接法が、船舶等の輸送機械や産業機械等の重工業分野に用いられる鋼板に対する溶接方法として実用化されている。 Laser-arc hybrid welding using both laser welding and arc welding as welding using a high power density heat source typified by laser is used in heavy industry fields such as transport machinery for ships and industrial machinery. It has been put to practical use as a welding method for steel plates.
前記レーザ・アークハイブリッド溶接法は、アーク溶接法だけを用いる場合に比べて溶接部の溶融深さが大きく、且つ溶融幅が狭い溶融形状となり、変形および熱影響の小さい溶接が可能となる。 The laser / arc hybrid welding method has a melting shape in which the melting depth of the welded portion is large and the melting width is narrow as compared with the case where only the arc welding method is used, and welding with less deformation and thermal influence is possible.
一方で、その溶融幅（溶融領域）の狭さのため、系外から異物の混入の影響を受けやすくなる虞がある。
より具体的には、レーザ切断のような熱加工法を用いて母材となる鋼板の開先加工を行うと、その開先面に酸化膜が生成する。当該酸化膜を開先面に残したままレーザ・アークハイブリッド溶接を行うと、溶接時に、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４等で構成される前記酸化膜が前記レーザの高パワー密度の熱によってＦｅとＯに解離するとともに、解離したＯが溶融金属中に溶解する。その結果、溶融金属中において母材由来のＣと前記開先面の酸化膜由来のＯが反応してＣＯガスが発生し、溶融金属の凝固時に前記ＣＯガスが大気中に放出されずに金属内に残るとポロシティ（ブローホールとも言う）となる。
On the other hand, due to the narrow melting width (melting region), there is a risk of being easily affected by foreign matters from outside the system.
More specifically, when a groove processing is performed on a steel plate as a base material using a thermal processing method such as laser cutting, an oxide film is generated on the groove surface. When laser-arc hybrid welding is performed with the oxide film left on the groove surface, the oxide film composed of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4, etc. is heated by the high power density heat of the laser during welding. While dissociating into Fe and O, the dissociated O dissolves in the molten metal. As a result, in the molten metal, C derived from the base material and O derived from the oxide film on the groove surface react to generate CO gas, and the metal is not released into the atmosphere when the molten metal is solidified. If left inside, it becomes porosity (also called blowhole).
ここで、レーザ溶接法においては、特許文献１や特許文献２に示すような溶接部におけるポロシティ（ブローホール）対策が行われている。
例えば、特許文献１には、熱間圧延した鋼材の接合（熱間接合）を行うにあたり、アルミニウム、シリコン、チタン等を含む鉄合金の粉末の脱酸剤を脱酸剤供給装置等を用いて開先部に供給しつつ、レーザ溶接する方法が開示されている。
Here, in the laser welding method, measures against porosity (blow hole) in a welded portion as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 are taken.
For example, Patent Document 1 discloses that a deoxidizer of a powder of an iron alloy containing aluminum, silicon, titanium, or the like is used for a hot-rolled steel material (hot bonding) by using a deoxidizer supply device or the like. A method of laser welding while supplying the groove portion is disclosed.
特許文献２には、厚板のレーザ溶接において、前記厚板の裏面にアルミニウム、シリコン、チタン等を含む合金の粉末を塗布して溶接を行うことが開示されている。 Patent Document 2 discloses that in laser welding of a thick plate, welding is performed by applying a powder of an alloy containing aluminum, silicon, titanium or the like to the back surface of the thick plate.
本発明は、レーザ・アークハイブリッド溶接法により鋼材を開先溶接する際に、溶接部におけるポロシティの発生を抑制または回避し、信頼性の高い溶接構造体を得ることができるレーザ・アークハイブリッド溶接方法を提供することを目的とする。 The present invention relates to a laser / arc hybrid welding method capable of suppressing or avoiding the occurrence of porosity in a welded portion and obtaining a highly reliable welded structure when welding a steel material by laser / arc hybrid welding. The purpose is to provide.
上記課題に鑑み、本発明の第１の態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、レーザ溶接とアーク溶接の両方を用いて鋼材を開先溶接するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、前記鋼材の開先面の少なくとも一方に、粉末の脱酸剤を有機溶媒に混合した脱酸剤ペーストを塗布する脱酸剤塗布工程を有することを特徴とするものである。 In view of the above problems, the laser-arc hybrid welding method according to the first aspect of the present invention is a laser-arc hybrid welding method in which the steel is groove-welded using both laser welding and arc welding. It is characterized by having a deoxidizer application step of applying a deoxidizer paste in which a powder deoxidizer is mixed with an organic solvent on at least one of the front surfaces.
本発明において「脱酸剤」とは、脱酸反応（還元）を示す金属元素を含む材料である。
また「粉末」とは、細かい粒子の集合体を意味する。前記粒子は球状、粒状等のほぼ同一形状の粒子の集合体である場合の他、不規則形状の粒子の集合体であってもよい。
In the present invention, the “deoxidizing agent” is a material containing a metal element that exhibits a deoxidation reaction (reduction).
“Powder” means an aggregate of fine particles. The particles may be aggregates of irregularly shaped particles as well as aggregates of particles having substantially the same shape such as spherical shape and granular shape.
前述したように、前記開先面に酸化膜（Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４等）があると、溶接時のレーザの熱によって、前記酸化膜から解離したＯと母材の鋼材由来のＣが反応して溶融金属中にＣＯガスが発生する。
本態様においては、前記鋼材の開先面の少なくとも一方に、粉末の脱酸剤を有機溶媒に混合した脱酸剤ペーストが塗布されていることにより、溶接時に、鋼板の厚さ方向全体の溶融金属中に脱酸剤を分散させることが可能となる。
As described above, when there is an oxide film (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4, etc.) on the groove surface, it is derived from the steel material of O and the base material that is dissociated from the oxide film by the heat of the laser during welding. C reacts to generate CO gas in the molten metal.
In this aspect, the deoxidizer paste in which the powder deoxidizer is mixed with the organic solvent is applied to at least one of the groove surfaces of the steel material, so that the entire thickness direction of the steel sheet is melted during welding. It becomes possible to disperse the deoxidizer in the metal.
前記脱酸剤は、溶融金属中において発生した前記ＣＯガスと反応してスラグ（固体の酸化物）を形成する。前記スラグは溶融金属中を浮上して当該溶融金属外に排出される。
脱酸剤が鋼板の厚さ方向全体の溶融金属中に分散されていることにより、該脱酸剤は、前記溶融金属中において発生したＣＯガスと速やかに反応することができる。以って、溶融金属中に発生したＣＯガスが高効率に系外に除去されるので、溶融金属が凝固して形成される溶接部（溶接金属）におけるポロシティの発生を効果的に抑制または回避することができる。
The deoxidizer reacts with the CO gas generated in the molten metal to form slag (solid oxide). The slag floats in the molten metal and is discharged out of the molten metal.
Since the deoxidizer is dispersed in the molten metal in the entire thickness direction of the steel sheet, the deoxidizer can react quickly with the CO gas generated in the molten metal. As a result, the CO gas generated in the molten metal is removed from the system with high efficiency, so that the generation of porosity in the weld zone (welded metal) formed by solidification of the molten metal is effectively suppressed or avoided. can do.
尚、前記脱酸剤ペーストは、液体よりも粘性が高く流動性が少ない状態で、溶接時に開先面に保持させることが可能な粘度を有するものが好ましい。また、開先面への塗布時には流動性があるが、前記有機溶媒を蒸発させることによって溶接時には開先面に保持されるものでもよい。 The deoxidizer paste preferably has a viscosity that is higher than that of the liquid and less fluid, and has a viscosity that can be held on the groove surface during welding. Moreover, although it has fluidity | liquidity at the time of application | coating to a groove surface, it may be hold | maintained at a groove surface at the time of welding by evaporating the said organic solvent.
本発明の第２の態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、第１の態様において、前記鋼材の厚さは６．０ｍｍ以上であることを特徴とするものである。 The laser-arc hybrid welding method according to the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the steel material has a thickness of 6.0 mm or more.
一般的に、鋼材の厚さが厚くなると、その厚みのために溶融金属中に発生したＣＯガスが系外に除去され難くなるのでポロシティは発生し易くなる。厚さ６．０ｍｍ以上の鋼材では、特にポロシティが溶接部の強度に影響を及ぼす虞が高くなる。
本態様によれば、厚さ６．０ｍｍ以上の鋼材をレーザ・アークハイブリッド法により溶接する際に、ポロシティの発生を効果的に抑制または回避し、より信頼性の高い溶接を行うことができる。
Generally, when the thickness of the steel material is increased, porosity is easily generated because the CO gas generated in the molten metal due to the thickness is difficult to be removed out of the system. In a steel material having a thickness of 6.0 mm or more, there is a high possibility that the porosity may affect the strength of the welded portion.
According to this aspect, when steel materials having a thickness of 6.0 mm or more are welded by the laser-arc hybrid method, the generation of porosity can be effectively suppressed or avoided, and more reliable welding can be performed.
本発明の第３の態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、第１の態様または第２の態様において、前記脱酸剤塗布工程の後に、前記脱酸剤ペーストに含まれる有機溶媒を蒸発させる溶媒蒸発工程を有することを特徴とするものである。 In the laser-arc hybrid welding method according to the third aspect of the present invention, the organic solvent contained in the deoxidizer paste is evaporated after the deoxidizer application step in the first aspect or the second aspect. It has a solvent evaporation step.
本態様によれば、前記脱酸剤塗布工程の後に溶媒蒸発工程を行うことにより、溶接部への前記有機溶媒由来の炭素の混入を低減することができる。 According to this aspect, by performing the solvent evaporation step after the deoxidizer application step, it is possible to reduce mixing of carbon derived from the organic solvent into the welded portion.
本発明の第４の態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、第１の態様から第３の態様のいずれかにおいて、前記鋼材の開先面をレーザ切断により形成することを特徴とするものである。 A laser-arc hybrid welding method according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to third aspects, the groove surface of the steel material is formed by laser cutting. is there.
レーザ切断は高速切断が可能であり、形状精度の高い切断部とすることができるため、母材となる鋼材の開先加工を高効率且つ高精度に行うことができる。
ここで、レーザ切断は、一般的にアシストガスとして酸素が使われるため、前記鋼材の開先面をレーザ切断により形成すると、開先面となる切断部に酸化膜が形成される。
本態様によれば、レーザ切断によって開先面を形成し、該開先面に酸化膜を有する場合に、ポロシティの発生を抑制または回避することができる。
Laser cutting is capable of high-speed cutting, and can be a cutting portion with high shape accuracy, so that it is possible to perform groove processing of a steel material as a base material with high efficiency and high accuracy.
Here, since laser cutting generally uses oxygen as an assist gas, when the groove surface of the steel material is formed by laser cutting, an oxide film is formed at the cut portion that becomes the groove surface.
According to this aspect, when a groove surface is formed by laser cutting and an oxide film is provided on the groove surface, generation of porosity can be suppressed or avoided.
本発明の第５の態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、第１の態様から第４の態様のいずれかにおいて、前記脱酸剤は、純アルミニウム、アルミニウム合金から選択される材料であることを特徴とするものである。 In the laser-arc hybrid welding method according to the fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the deoxidizer is a material selected from pure aluminum and an aluminum alloy. It is characterized by.
本態様によれば、前記脱酸剤とＣＯガスを効果的に反応させ、前記溶融金属中に生じたＣＯガスを高効率で除去することができる。 According to this aspect, the deoxidizer and CO gas can be reacted effectively, and the CO gas generated in the molten metal can be removed with high efficiency.
本発明の第６の態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接構造体は、レーザ溶接とアーク溶接の両方を用いて鋼材を開先溶接したレーザ・アークハイブリッド溶接部を有する溶接構造体であって、前記鋼材の厚さは６．０ｍｍ以上であり、前記溶接部のうち、前記アーク溶接による溶接金属のミクロ組織において、ベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率が２５％以下であることを特徴とするものである。 A laser / arc hybrid welded structure according to a sixth aspect of the present invention is a welded structure having a laser / arc hybrid welded portion obtained by groove welding a steel material using both laser welding and arc welding, The thickness of the steel material is 6.0 mm or more, and the volume fraction of the grain boundary ferrite with respect to the volume fraction of bainite is 25% or less in the weld metal microstructure of the arc welding among the welds. It is a feature.
後の実施例に示すように、開先面に前記脱酸剤ペーストを塗布してレーザ・アークハイブリッド溶接を行うと、その溶接部のうち、アーク溶接による溶接金属のミクロ組織において、ベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率が２５％以下であることが分かった。すなわち、前記溶接金属のミクロ組織において、ベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率が２５％以下であるレーザ・アークハイブリッド溶接部は、開先面に前記脱酸剤ペーストを塗布してレーザ・アークハイブリッド溶接を行った溶接部であると言える。 As shown in the following examples, when the laser-arc hybrid welding is performed by applying the deoxidizer paste on the groove surface, the volume of bainite in the weld metal microstructure of the arc welding among the welded portions. It was found that the volume fraction of grain boundary ferrite with respect to the fraction was 25% or less. That is, in the microstructure of the weld metal, the laser-arc hybrid weld where the volume fraction of grain boundary ferrite with respect to the volume fraction of bainite is 25% or less is obtained by applying the deoxidizer paste on the groove surface. It can be said that this is a welded part that has undergone laser-arc hybrid welding.
本態様に係るレーザ・アークハイブリッド溶接構造体は、開先面に前記脱酸剤ペーストを塗布してレーザ・アークハイブリッド溶接が行われたレーザ・アークハイブリッド溶接部を有するので、当該溶接部におけるポロシティの発生が抑制または回避され、信頼性の高い溶接構造体とすることができる。 Since the laser-arc hybrid welded structure according to this aspect has a laser-arc hybrid welded portion in which laser-arc hybrid welding is performed by applying the deoxidizer paste on the groove surface, the porosity in the welded portion is increased. Generation | occurrence | production of is suppressed or avoided and it can be set as a reliable welded body.
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, They are also included within the scope of the present invention.
＜レーザ・アークハイブリッド溶接方法の概要＞
本発明に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法の概要について図に基づいて説明する。図１は、本発明に係るレーザ・アークハイブリッド方法について説明する図である。
図１において符号３はレーザ溶接を行うレーザトーチであり、符号４はアークトーチである。符号５は溶接ワイヤである。鋼材１ａ、鋼材１ｂをレーザ・アークハイブリッド溶接する場合、アークトーチ４によるアーク溶接が先行して行われ、続いてレーザトーチ３によるレーザ溶接が行われる。
<Outline of laser-arc hybrid welding method>
An outline of the laser-arc hybrid welding method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining a laser-arc hybrid method according to the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 3 is a laser torch for performing laser welding, and reference numeral 4 is an arc torch. Reference numeral 5 denotes a welding wire. When laser-arc hybrid welding is performed on the steel material 1a and the steel material 1b, arc welding by the arc torch 4 is performed in advance, and then laser welding by the laser torch 3 is performed.
本発明は、レーザ溶接とアーク溶接の両方を用いて鋼材１ａ、鋼材１ｂを開先溶接するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、溶接される鋼材１ａの開先面２ａに粉末の脱酸剤を有機溶媒に混合した脱酸剤ペースト１０を塗布して（脱酸剤塗布工程）、レーザ・アークハイブリッド溶接を行う点が特徴である。
以下において、脱酸剤ペースト１０を構成する脱酸剤と有機溶媒および脱酸剤ペースト１０について説明し、続いて前記脱酸剤塗布工程について説明する。
In the laser-arc hybrid welding method in which the steel material 1a and the steel material 1b are groove-welded using both laser welding and arc welding, a powder deoxidizer is organically applied to the groove surface 2a of the steel material 1a to be welded. It is characterized in that laser-arc hybrid welding is performed by applying a deoxidizer paste 10 mixed with a solvent (deoxidizer application step).
Hereinafter, the deoxidizer, the organic solvent, and the deoxidizer paste 10 constituting the deoxidizer paste 10 will be described, and then the deoxidizer application step will be described.
［脱酸剤］
前記脱酸剤としては、溶融金属中に含まれるＯと反応して固体の酸化物（スラグ）を生成させるＡｌ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｇ等の金属元素を含む材料が用いられる。
特に、純アルミニウム、アルミニウム合金等が好ましい。
[Deoxidizer]
As the deoxidizer, a material containing a metal element such as Al, Mn, Si, Ti, or Mg that reacts with O contained in the molten metal to generate a solid oxide (slag) is used.
In particular, pure aluminum, aluminum alloy and the like are preferable.
［有機溶媒］
前記脱酸剤を混合する有機溶媒としては、前記脱酸剤と混合してペースト状になる有機溶媒を用いる。有機溶媒は、粘度が高く、室温で気化し易いものが好ましい。
例えば、エチレングリコールモノブチルエーテル等のエチレングリコール系の溶媒が挙げられる。
[Organic solvent]
As the organic solvent for mixing the deoxidizing agent, an organic solvent that is mixed with the deoxidizing agent to become a paste is used. The organic solvent preferably has a high viscosity and is easily vaporized at room temperature.
For example, an ethylene glycol solvent such as ethylene glycol monobutyl ether can be used.
［脱酸剤ペースト］
脱酸剤ペースト１０は、前記脱酸剤を前記有機溶媒に混合して調製することができる。
脱酸剤ペースト１０は、液体よりも粘性が高く流動性が少ない状態で、溶接時、すなわち開先面２ａがほぼ鉛直方向（図１における上下方向）に沿うように配置された場合に、脱酸剤ペースト１０を開先面に保持させることが可能な粘度を有するものが好ましい。
[Deoxidizer paste]
The deoxidizer paste 10 can be prepared by mixing the deoxidizer with the organic solvent.
The deoxidizer paste 10 has a higher viscosity and less fluidity than a liquid, and is removed during welding, that is, when the groove surface 2a is arranged substantially along the vertical direction (vertical direction in FIG. 1). What has the viscosity which can hold | maintain the acid agent paste 10 on a groove surface is preferable.
また、後述する脱酸剤塗布工程における塗布時（例えば開先面２ａを水平にして塗布する場合）には流動性があるが、前記有機溶媒を蒸発させることによって、溶接時（開先面２ａがほぼ鉛直方向に沿って配置される）には開先面２ａに保持されるようにしてもよい。 In addition, although there is fluidity at the time of application in a deoxidizer application step described later (for example, when the groove surface 2a is applied horizontally), by evaporating the organic solvent, welding (groove surface 2a). May be held along the groove surface 2a.
［脱酸剤塗布工程］
次に、脱酸剤塗布工程について説明する。本説明では、図１における一方の鋼材１ａの開先面２ａに脱酸剤ペースト１０を塗布する場合について説明する。
脱酸剤塗布工程は、母材となる鋼材１ａの開先面２ａに脱酸剤ペースト１０を塗布する工程である。脱酸剤ペースト１０は、開先面２ａにほぼ均一に塗布されることが好ましい。脱酸剤ペースト１０を開先面２ａに均一に塗布方法の一例としては、図２に示す方法が挙げられる。図２は、脱酸剤塗布工程について説明する図であり、（Ａ）は開先面と同一面を成す支持板を配設した図、（Ｂ）は支持板上に枠板を配設した図、（Ｃ）は開先面に脱酸剤ペーストを塗布した図である。
[Deoxidizer application process]
Next, the deoxidizer application process will be described. In this description, the case where the deoxidizer paste 10 is applied to the groove surface 2a of one steel material 1a in FIG. 1 will be described.
The deoxidizer application step is a step of applying the deoxidizer paste 10 to the groove surface 2a of the steel material 1a as a base material. The deoxidizer paste 10 is preferably applied almost uniformly to the groove surface 2a. An example of a method for uniformly applying the deoxidizer paste 10 to the groove surface 2a is the method shown in FIG. 2A and 2B are diagrams for explaining a deoxidizer application step, in which FIG. 2A is a diagram in which a support plate that is flush with the groove surface is disposed, and FIG. 2B is a diagram in which a frame plate is disposed on the support plate. FIG. 4C is a diagram in which a deoxidizer paste is applied to the groove surface.
図２（Ａ）に示すように、支持板１１は開先面２ａが嵌まる大きさの開口部１２を備えており、開先面２ａを開口部１２に嵌め込んで支持板１１の面と開先面２ａとが同一面を成すように配設する。 As shown in FIG. 2 (A), the support plate 11 includes an opening 12 having a size that allows the groove surface 2a to be fitted, and the groove surface 2a is fitted into the opening 12 so that the surface of the support plate 11 is fitted. It arrange | positions so that the groove surface 2a may form the same surface.
続いて図２（Ｂ）に示すように、支持板１１の上に枠板１３を配設する。枠板１３には開先面２ａと同じ大きさの開口部１４が設けられており、図２（Ｃ）に示すように、配設された枠板１３の開口部１４を埋めるように脱酸剤ペースト１０を塗布することにより、枠板１３の厚さに脱酸剤ペースト１０を塗布することができる。支持板１１、枠板１３としては、例えばアクリル板やＳＵＳ板を用いることができる。 Subsequently, as shown in FIG. 2B, the frame plate 13 is disposed on the support plate 11. The frame plate 13 is provided with an opening 14 having the same size as the groove surface 2a. As shown in FIG. 2C, the deoxidation is performed so as to fill the opening 14 of the disposed frame plate 13. By applying the agent paste 10, the deoxidizer paste 10 can be applied to the thickness of the frame plate 13. As the support plate 11 and the frame plate 13, for example, an acrylic plate or a SUS plate can be used.
塗布される脱酸剤ペースト１０が多いと、溶接金属中のアルミニウム含有量が過多となって、溶接部の靭性が低下する虞があるため、枠板１３の厚さを１００μｍにして、脱酸剤ペースト１０を開先面２ａに対して約１００μｍの厚さに塗布することが望ましい。 When the amount of the deoxidizer paste 10 applied is excessive, the aluminum content in the weld metal becomes excessive, and the toughness of the welded portion may be reduced. Therefore, the thickness of the frame plate 13 is set to 100 μm, and deoxidation is performed. It is desirable to apply the agent paste 10 to the groove surface 2a to a thickness of about 100 μm.
脱酸剤ペースト１０は、図１のように少なくとも一方の鋼材１ａの開先面２ａに塗布されていればよいが、溶接される両方の鋼材１ａ、鋼材１ｂのそれぞれの開先面２ａ、開先面２ｂに塗布してもよい。
尚、両方の開先面２ａ、開先面２ｂに脱酸剤ペースト１０を塗布する場合には、例えば、一方の開先面にのみに塗布する場合の約半分ずつの脱酸剤ペースト１０を二つの開先面２ａ、開先面２ｂに分けて塗布するなどして、開先面２ａ、開先面２ｂに塗布した脱酸剤ペースト１０のトータルの厚さが約１００μｍとなるようにするとよい。
The deoxidizer paste 10 is only required to be applied to the groove surface 2a of at least one steel material 1a as shown in FIG. 1, but the groove surface 2a of each of the steel materials 1a and 1b to be welded is opened. You may apply | coat to the front surface 2b.
When applying the deoxidizer paste 10 to both the groove surfaces 2a and 2b, for example, about half of the deoxidizer paste 10 applied to only one groove surface is applied. If the deoxidizer paste 10 applied to the groove surface 2a and the groove surface 2b is applied to the two groove surfaces 2a and the groove surface 2b separately, the total thickness of the deoxidizer paste 10 is about 100 μm. Good.
また、脱酸剤塗布工程の後に、脱酸剤ペースト１０に含まれる有機溶媒を蒸発させる溶媒蒸発工程を行うことができる。
溶媒蒸発工程を行い、脱酸剤ペースト１０に含まれる有機溶媒を減らすことにより、溶接部への前記有機溶媒由来の炭素の混入を低減することができる。
Moreover, the solvent evaporation process which evaporates the organic solvent contained in the deoxidizer paste 10 can be performed after a deoxidizer application | coating process.
By performing the solvent evaporation step and reducing the organic solvent contained in the deoxidizer paste 10, mixing of carbon derived from the organic solvent into the welded portion can be reduced.
次に、前記脱酸剤塗布工程を行ってレーザ・アークハイブリッド溶接を行うことによる作用効果について説明する。図３は、レーザ・アークハイブリッド法による溶接部を示す図である。 Next, the effect by performing the said deoxidizer application | coating process and performing a laser arc hybrid welding is demonstrated. FIG. 3 is a diagram showing a welded part by the laser-arc hybrid method.
開先面２ａ、開先面２ｂ（図１を参照）には、鋼材１ａ、鋼材１ｂの切断時に酸化膜ができる場合や、酸化膜を取る開先加工を行っても時間が経って再び酸化膜ができる場合がある。
酸化膜（Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４等）があると、レーザ溶接を行った時に、そのレーザの高パワー密度の熱によって前記酸化膜から解離したＯと鋼材１ａ、鋼材１ｂ由来のＣが反応して溶融金属２１中にＣＯガスが発生する（図３）。溶融金属２１中に残ったＣＯガスは、溶融金属２１が凝固した溶接金属２４においてポロシティ２５となり、溶接部２０の欠陥となる。
図３に示すように、溶接部２０のうち、レーザ溶接部２２にポロシティ２５は生じやすい。
The groove surface 2a and the groove surface 2b (see FIG. 1) are oxidized again when time passes even if an oxide film is formed when the steel material 1a and the steel material 1b are cut, or when groove processing for removing the oxide film is performed. A film may be formed.
When there is an oxide film (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4, etc.), when laser welding is performed, O dissociated from the oxide film by the heat of the high power density of the laser and the C derived from the steel material 1a and the steel material 1b. React to generate CO gas in the molten metal 21 (FIG. 3). The CO gas remaining in the molten metal 21 becomes a porosity 25 in the weld metal 24 where the molten metal 21 is solidified, and becomes a defect of the weld 20.
As shown in FIG. 3, the porosity 25 tends to occur in the laser welded portion 22 in the welded portion 20.
本レーザ・アークハイブリッド溶接方法においては、開先面２ａに粉末の脱酸剤を含む脱酸剤ペースト１０が塗布されていることにより、溶接時に、鋼板１ａ、鋼板１ｂの厚さ方向（図３の矢印Ｚで示す方向）全体の溶融金属２１中に脱酸剤を分散させることができる。 In this laser-arc hybrid welding method, the deoxidizer paste 10 containing a powder deoxidizer is applied to the groove surface 2a, so that the thickness direction of the steel plates 1a and 1b during welding (FIG. 3). The direction indicated by the arrow Z) can be dispersed in the entire molten metal 21.
前記脱酸剤は、溶融金属２１中において発生したＣＯガスと反応してスラグと称される固体の酸化物を形成するとともに、該スラグは溶融金属２１中を浮上して溶融金属２１外に排出される。脱酸剤が鋼板１ａ、鋼板１ｂの厚さ方向全体の溶融金属２１中に分散されていることにより、該脱酸剤は、溶融金属２１中において発生したＣＯガスと速やかに反応することができる。以って、溶融金属２１中に発生したＣＯガスが高効率に系外に除去され、溶融金属２１が凝固して形成される溶接部２０（溶接金属２４）におけるポロシティの発生を効果的に抑制することができる。 The deoxidizer reacts with the CO gas generated in the molten metal 21 to form a solid oxide called slag, and the slag floats in the molten metal 21 and is discharged out of the molten metal 21. Is done. Since the deoxidizer is dispersed in the molten metal 21 in the entire thickness direction of the steel plate 1a and the steel plate 1b, the deoxidizer can react quickly with the CO gas generated in the molten metal 21. . Accordingly, the CO gas generated in the molten metal 21 is removed from the system with high efficiency, and the generation of porosity in the welded portion 20 (welded metal 24) formed by solidification of the molten metal 21 is effectively suppressed. can do.
本レーザ・アークハイブリッド溶接方法は、厚さ６．０ｍｍ以上の鋼材１ａ、鋼材１ｂを溶接する際に行うと、特に効果的に上記作用効果を奏する。
溶接される鋼材の厚さが厚くなると、その厚みのために溶融金属２１中に発生したＣＯガスが系外に除去され難くなるのでポロシティ２５は発生し易くなる。
更に、板厚Ｌ（図３）が厚い鋼板に対してレーザ・アークハイブリッド溶接を行った場合、アーク溶接部２３の深さ（３〜６ｍｍ程度）は板厚Ｌが薄い場合と大きくは変わらず、レーザ溶接部２２のみが深くなる。溶融幅が狭いレーザ溶接部２２が深くなると溶融金属２１の凝固速度が速くなるので、ＣＯガスはレーザ溶接部２２から一層除去され難くなり、以ってポロシティ２５が生じ易くなる。
The present laser-arc hybrid welding method exhibits the above-mentioned effects particularly effectively when it is performed when welding the steel materials 1a and 1b having a thickness of 6.0 mm or more.
When the thickness of the steel material to be welded is increased, the porosity 25 is likely to be generated because the CO gas generated in the molten metal 21 due to the thickness becomes difficult to be removed out of the system.
Furthermore, when laser-arc hybrid welding is performed on a steel plate having a large plate thickness L (FIG. 3), the depth (about 3 to 6 mm) of the arc welded portion 23 is not significantly different from that when the plate thickness L is thin. Only the laser weld 22 is deepened. When the laser welding portion 22 having a narrow melting width is deepened, the solidification rate of the molten metal 21 is increased, so that the CO gas is more difficult to be removed from the laser welding portion 22, and the porosity 25 is easily generated.
このため、厚さ６．０ｍｍ以上の鋼材では、ポロシティ２５による溶接部２０の強度低下の虞が特に高くなるが、本方法を用いることによって、溶接部２０におけるポロシティ２５の発生を抑え、より信頼性の高いレーザ・アークハイブリッド溶接を行うことができる。 For this reason, in steel materials with a thickness of 6.0 mm or more, there is a particularly high risk of the strength of the welded portion 20 being lowered due to the porosity 25. High performance laser-arc hybrid welding can be performed.
また、本レーザ・アークハイブリッド溶接方法において、鋼材１ａ、鋼材１ｂの開先面２ａ、開先面２ｂは、レーザ切断により形成することが好ましい。レーザ切断は鋼材１ａ、鋼材１ｂの高速切断が可能であり、形状精度の高い切断部とすることができるため、開先面２ａ、開先面２ｂの加工を高効率且つ高精度に行うことができる。
レーザ切断は、一般的にアシストガスとして酸素が使われるため、開先面２ａ、開先面２ｂとなる切断部には酸化膜が形成されるが、本発明に係るレーザ・アークハイブリッド溶接方法を用いて溶接することにより、開先面２ａ、開先面２ｂに酸化膜があってもポロシティの発生を抑制または回避することができる。
Moreover, in this laser-arc hybrid welding method, it is preferable to form the groove surface 2a and the groove surface 2b of the steel material 1a and the steel material 1b by laser cutting. Laser cutting enables high-speed cutting of the steel material 1a and the steel material 1b, and can form a cutting portion with high shape accuracy. Therefore, the processing of the groove surface 2a and the groove surface 2b can be performed with high efficiency and high accuracy. it can.
In laser cutting, oxygen is generally used as an assist gas, so an oxide film is formed on the cut portions that become the groove surface 2a and groove surface 2b. However, the laser-arc hybrid welding method according to the present invention is used. By using and welding, even if there exists an oxide film in the groove surface 2a and the groove surface 2b, generation | occurrence | production of a porosity can be suppressed or avoided.
［具体例］
レーザ・アークハイブリッド構造体を以下の手順で作成した（実施例１）。比較例は、開先面への脱酸剤塗布工程を行わないレーザ・アーク溶接によってレーザ・アークハイブリッド構造体を作製した（比較例１および比較例２）。
[Concrete example]
A laser-arc hybrid structure was prepared by the following procedure (Example 1). The comparative example produced the laser-arc hybrid structure by the laser-arc welding which does not perform the deoxidizer application process to a groove surface (comparative example 1 and comparative example 2).
（実施例１）
＜レーザ・アークハイブリッド溶接構成＞
レーザ：ディスクレーザ発振器（波長１０３０ｎｍ）
アーク：デジタルインバータ制御式ＣＯ２／ＭＡＧ／ＭＩＧ自動溶接機
先行熱源：アーク
溶接ワイヤ：ＹＧＷ１１（ＪＩＳ Ｚ３３１２）、φ１．２ｍｍ
母材（鋼材）：船級規格鋼板ＫＡ、板厚１２．５ｍｍ
開先加工：レーザ切断（Ｉ形開先）
Example 1
<Laser / arc hybrid welding configuration>
Laser: disk laser oscillator (wavelength 1030nm)
Arc: Digital inverter controlled CO 2 / MAG / MIG automatic welding machine Prior heat source: Arc Welding wire: YGW11 (JIS Z3312), φ1.2mm
Base material (steel material): Ship standard steel plate KA, plate thickness 12.5mm
Groove machining: Laser cutting (I-shaped groove)
脱酸剤ペーストは、脱酸剤としての平均粒径２０μｍの純アルミニウム粉末（ｇ）と、有機溶媒としてのエチレングリコールモノブチルエーテル（μｌ）を１８０μｌ／ｇの割合で混合し、１０分間撹拌したものを用いた。鋼材をレーザ切断した切断面を開先面とし、開先面（前記レーザ切断によって酸化膜ができている）の一方に脱酸剤ペーストを１００μｍの厚さで均一に塗布し（脱酸剤塗布工程）、１時間室温に置いてエチレングリコールモノブチルエーテルを揮発させた（溶媒蒸発工程）。
脱酸剤ペーストを塗布した開先面と塗布しない開先面とを突き合わせ、表１に示す溶接条件によってレーザ・ハイブリッド溶接を行い、レーザ・ハイブリッド溶接構造体としての溶接継手を作製した。
The deoxidizer paste is a mixture of pure aluminum powder (g) having an average particle size of 20 μm as a deoxidizer and ethylene glycol monobutyl ether (μl) as an organic solvent at a rate of 180 μl / g and stirred for 10 minutes. Was used. A cut surface obtained by laser cutting of a steel material is used as a groove surface, and a deoxidizer paste is uniformly applied to one of the groove surfaces (the oxide film is formed by the laser cutting) with a thickness of 100 μm (deoxidizer coating). Step) Ethylene glycol monobutyl ether was volatilized by leaving it at room temperature for 1 hour (solvent evaporation step).
The groove surface to which the deoxidizer paste was applied and the groove surface to which the deoxidizer paste was not applied were butted together, and laser / hybrid welding was performed under the welding conditions shown in Table 1 to produce a welded joint as a laser / hybrid welded structure.
（比較例１）
比較例１は、実施例１と同じレーザ・アークハイブリッド溶接構成で、母材である鋼材の開先面への脱酸剤塗布工程を行わずにレーザ・アークハイブリッド溶接を行ったものである。
すなわち、脱酸剤ペーストが塗布されていない開先面（レーザ切断）同士を突き合わせ、表１に示す溶接条件によってレーザ・ハイブリッド溶接を行い、レーザ・ハイブリッド溶接構造体としての溶接継手を作製した。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 has the same laser / arc hybrid welding configuration as that of Example 1, and performs laser / arc hybrid welding without performing the deoxidizer application step on the groove surface of the steel material as the base material.
That is, the groove surfaces (laser cutting) to which the deoxidizer paste was not applied were butted together and laser / hybrid welding was performed under the welding conditions shown in Table 1 to produce a welded joint as a laser / hybrid welded structure.
（比較例２）
比較例２も比較例１と同様に、開先面への脱酸剤塗布工程を行わずにレーザ・アークハイブリッド溶接を行ったものであるが、比較例２は、ワイヤブラシを用いて開先面の酸化膜を機械的に除去し、開先面に酸化膜がほぼ形成されていない状態で溶接を行い、レーザ・ハイブリッド溶接構造体としての溶接継手を作製した。
尚、表２に実施例１と比較例１、比較例２の条件の違いを示す。
(Comparative Example 2)
Similarly to Comparative Example 1, Comparative Example 2 was obtained by performing laser-arc hybrid welding without performing the deoxidizer application process on the groove surface. Comparative Example 2 was performed using a wire brush. The oxide film on the surface was mechanically removed, and welding was performed with almost no oxide film formed on the groove surface, and a weld joint as a laser / hybrid welded structure was produced.
Table 2 shows the difference in conditions between Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
［溶接部の評価］
＜溶接部断面のマクロ観察＞
溶接部断面について、ポロシティの有無の確認を行った。実施例１、比較例１、比較例２の溶接部の溶接部断面のマクロ観察写真を図４に示す。図４は、溶接部断面のマクロ観察写真であり、（Ａ）は実施例１の溶接部であり、（Ｂ）は比較例１の溶接部であり、（Ｃ）は比較例２の溶接部である。
[Evaluation of welds]
<Macro observation of weld cross section>
The weld cross section was checked for the presence or absence of porosity. The macro observation photograph of the welded section of the welded parts of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 is shown in FIG. FIG. 4 is a macro observation photograph of a cross section of a welded portion, (A) is a welded portion of Example 1, (B) is a welded portion of Comparative Example 1, and (C) is a welded portion of Comparative Example 2. It is.
＜放射線透過検査＞
溶接部に対し、放射線透過検査（ＲＴ）による溶接部内のポロシティの有無の確認を行った。実施例１、比較例１、比較例２の溶接部の放射線透過検査の結果を図５に示す。図５（Ａ）は実施例１の溶接部であり、図５（Ｂ）は比較例１の溶接部であり、図５（Ｃ）は比較例２の溶接部である。尚、図５の画像は、図３における＋Ｚ側から−Ｚ側に向けて撮影したものである。
<Radiation transmission inspection>
With respect to the welded portion, the presence or absence of porosity in the welded portion was confirmed by a radiographic inspection (RT). The result of the radiation transmission inspection of the welded part of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 is shown in FIG. 5A is a welded part of Example 1, FIG. 5B is a welded part of Comparative Example 1, and FIG. 5C is a welded part of Comparative Example 2. FIG. 5 is taken from the + Z side to the −Z side in FIG.
図４（Ａ）および図５（Ａ）に示されるように、実施例１の溶接部にポロシティは観察されず、内部欠陥のない溶接部を得ることができた。一方、脱酸剤ペーストを塗布しない比較例１（開先面に酸化膜あり）では、溶接部にポロシティが発生していた[図４（Ｂ）および図５（Ｂ）]。
比較例２は、開先面に酸化膜がほぼない状態であるので、脱酸剤ペーストを塗布せずにレーザ・アークハイブリッド溶接を行っても溶接部にポロシティは発生していなかった[図４（Ｃ）および図５（Ｃ）]。
As shown in FIG. 4 (A) and FIG. 5 (A), no porosity was observed in the welded part of Example 1, and a welded part without internal defects could be obtained. On the other hand, in Comparative Example 1 (with an oxide film on the groove surface) in which the deoxidizer paste was not applied, porosity was generated in the weld [FIGS. 4B and 5B].
In Comparative Example 2, since there was almost no oxide film on the groove surface, no porosity was generated in the weld even when laser-arc hybrid welding was performed without applying the deoxidizer paste [FIG. 4]. (C) and FIG. 5 (C)].
＜ミクロ組織観察＞
また、溶接部について、アーク溶接部とレーザ溶接部のそれぞれの溶接金属に対して光学顕微鏡によるミクロ組織観察を行った。その結果を図６に示す。図６（Ａ）は実施例１の溶接部であり、図６（Ｂ）は比較例１の溶接部であり、図６（Ｃ）は比較例２の溶接部である。
<Microstructure observation>
Moreover, about the welding part, the microstructure observation with the optical microscope was performed with respect to each welding metal of an arc welding part and a laser welding part. The result is shown in FIG. 6A shows the welded portion of Example 1, FIG. 6B shows the welded portion of Comparative Example 1, and FIG. 6C shows the welded portion of Comparative Example 2. FIG.
図６（Ａ）に示されるように、実施例１のレーザ・アークハイブリッド溶接構造体は、溶接部（図３における符号２０の部分）のうち、アーク溶接部（アーク溶接による溶接金属：図３における符号２３の部分）のミクロ組織において、粒界フェライトおよびフェライトサイドプレートが減少し、微細なベイナイトを多く有することが明らかとなった。これは、アルミニウムが優先的に酸素と結び付くことにより、粒界フェライトおよびフェライトサイドプレートの核生成サイトとなるＳｉ、Ｍｎ酸化物の生成が抑制されるためと考えられる。
つまり、開先面に脱酸剤ペーストを塗布してレーザ・アークハイブリッド溶接を行うと、アークによる溶接金属２３（図３を参照）のミクロ組織において、粒界フェライトおよびフェライトサイドプレートが減少すると考えられる。
このようなレーザ・アークハイブリッド溶接構造体は、溶接部におけるポロシティの発生が抑制され、信頼性の高い溶接構造体であると言える。
As shown in FIG. 6 (A), the laser-arc hybrid welded structure of Example 1 is an arc welded portion (welded metal by arc welding: FIG. 3) among the welded portions (portion 20 in FIG. 3). In the microstructure of the part 23), it was revealed that the grain boundary ferrite and the ferrite side plate are reduced and there are many fine bainite. This is presumably because the formation of Si and Mn oxides that serve as nucleation sites for grain boundary ferrite and ferrite side plates is suppressed when aluminum is preferentially combined with oxygen.
That is, when laser-arc hybrid welding is performed with a deoxidizer paste applied to the groove surface, the grain boundary ferrite and ferrite side plate are reduced in the microstructure of the weld metal 23 (see FIG. 3) by the arc. It is done.
Such a laser-arc hybrid welded structure can be said to be a highly reliable welded structure in which the occurrence of porosity in the welded portion is suppressed.
次に、当該部のミクロ組織に及ぼす本発明の影響を定量的に評価するため、実施例１、比較例２、比較例３における当該部のミクロ組織を各１０視野観察し、ベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率の割合を点算法によって計測した。各１０視野平均値による定量結果を表３に示す。
実施例１におけるベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率の割合の１０視野平均値は１９．６％であるが、前記１０視野における値の分布から、本発明の適用の有無を判定するための、当該部におけるベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率の割合の閾値としては、２５％が妥当と判断される。
このようなレーザ・アークハイブリッド溶接構造体は、溶接部におけるポロシティの発生が抑制され、信頼性の高い溶接構造体であると言える。
Next, in order to quantitatively evaluate the influence of the present invention on the microstructure of the part, the microstructures of the part in Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 were observed in 10 fields of view, and the volume fraction of bainite. The ratio of the volume fraction of grain boundary ferrite to the percentage was measured by the point calculation method. Table 3 shows the results of quantification based on the average value of each 10 fields.
The 10 field average value of the ratio of the volume fraction of grain boundary ferrite to the volume fraction of bainite in Example 1 is 19.6%, and it is determined whether or not the present invention is applied from the distribution of values in the 10 fields of view. Therefore, it is determined that 25% is appropriate as a threshold value of the ratio of the volume fraction of grain boundary ferrite to the volume fraction of bainite in the part.
Such a laser-arc hybrid welded structure can be said to be a highly reliable welded structure in which the occurrence of porosity in the welded portion is suppressed.
１ａ、１ｂ 鋼材、 ２ａ、２ｂ 開先面、
３ レーザトーチ、４ アークトーチ、５ 溶接ワイヤ
１０ 脱酸剤ペースト、１１ 支持板、１２ 開口部、１３ 枠板、１４ 開口部、
２０ 溶接部、２１ 溶融金属、２２ レーザ溶接部、２３ アーク溶接部、
２４ 溶接金属、 ２５ ポロシティ、Ｌ 板厚
1a, 1b steel, 2a, 2b groove face,
3 Laser torch, 4 Arc torch, 5 Welding wire
10 deoxidant paste, 11 support plate, 12 opening, 13 frame plate, 14 opening,
20 welds, 21 molten metal, 22 laser welds, 23 arc welds,
24 weld metal, 25 porosity, L plate thickness
Claims (6)
前記鋼材の開先面の少なくとも一方に、粉末の脱酸剤を有機溶媒に混合した脱酸剤ペーストを塗布する脱酸剤塗布工程を有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。 In the laser-arc hybrid welding method in which the steel is groove-welded using both laser welding and arc welding,
A laser-arc hybrid welding method comprising a deoxidizer application step of applying a deoxidizer paste in which a powder deoxidizer is mixed with an organic solvent to at least one of the groove surfaces of the steel material.
前記鋼材の厚さは６．０ｍｍ以上であ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。 The laser-arc hybrid welding method according to claim 1,
The method of laser-arc hybrid welding, wherein the steel material has a thickness of 6.0 mm or more.
前記脱酸剤塗布工程の後に、前記脱酸剤ペーストに含まれる有機溶媒を蒸発させる溶媒蒸発工程を有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。 In the laser-arc hybrid welding method according to claim 1 or 2,
A laser-arc hybrid welding method comprising a solvent evaporation step of evaporating an organic solvent contained in the deoxidizer paste after the deoxidizer application step.
前記鋼材の開先面をレーザ切断により形成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。 In the laser-arc hybrid welding method according to any one of claims 1 to 3,
A laser-arc hybrid welding method, wherein a groove surface of the steel material is formed by laser cutting.
前記脱酸剤は、純アルミニウム、アルミニウム合金から選択される材料であ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。 In the laser-arc hybrid welding method according to any one of claims 1 to 4,
The laser-arc hybrid welding method, wherein the deoxidizer is a material selected from pure aluminum and an aluminum alloy.
前記鋼材の厚さは６．０ｍｍ以上であり、
前記溶接部のうち、前記アーク溶接による溶接金属のミクロ組織において、ベイナイトの体積分率に対する粒界フェライトの体積分率が２５％以下であることを特徴とする、レーザ・アークハイブリッド溶接構造体。 A welded structure having a laser-arc hybrid welded portion in which steel is groove-welded using both laser welding and arc welding,
The steel material has a thickness of 6.0 mm or more,
The laser-arc hybrid welded structure according to claim 1, wherein a volume fraction of grain boundary ferrite with respect to a volume fraction of bainite is 25% or less in the weld metal microstructure of the arc welding among the welds.
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