激光电弧复合焊接方法
【专利摘要】为了抑制低温破裂的发生，以拉伸强度为780MPa以上的高强度钢板为焊接对象，对于焊接行进方向，配置成先进行消耗电极式电弧焊接，后进行激光焊接，电弧焊接的焊丝目标位置与激光束照射位置的距离设为3～5mm的范围，并将电弧焊接的电极角度在焊接行进方向侧设为20～60°的范围的后退角，将激光焊接的激光束的入射角度从铅垂方向向焊接行进方向设为0～30°的范围的角度。
【专利说明】激光电弧复合焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及并用激光焊接（laser welding)和消耗电极式电弧焊接（consumable electrode arc welding)的激光电弧复合焊接方法（laser and arc hybrid welding method),尤其是涉及以拉伸强度（tensile strength)为780MPa以上的高强度钢板（high strength steel sheet or plate)为对象的激光电弧复合焊接方法。
【背景技术】
[0002] 激光焊接能够得到高的能量密度（high-energy density)，因此能够进行深的烙 深（deep penetration)的高速焊接（high speed welding),可期待作为高效率的焊接方 法。而且，由于成为极其局部性的熔融，因此向母材施加的热量的影响也减小，能够得到应 变或变形小的高品质的焊接接头（weld joint)。
[0003] 另一方面，一直以来多使用的电弧焊接比激光焊接能够容易地处理，装置也廉价 且具有通用性。然而，当与激光焊接相比时，烙深的深度（penetration depth)小,焊接速 度也慢。
[0004] 因此，为了有效利用两者的优点，提出了将激光焊接与电弧焊接组合的激光电弧 复合焊接。并且，激光电弧复合焊接利用能量密度不同的2个热源（heat source)，因此 可知在焊接速度的高速化、坡口间隙（groove gap)的尺寸精度（dimension accuracy)的 缓和、熔深的增大、焊接接头部的特性提高（具体而言，焊接金属的韧性改善等）、焊接缺陷 (weld defects)的抑制等上有效。
[0005] 而且，作为激光电弧复合焊接方法，已知有例如下述专利文献1?3等记载的方 法。
[0006] 在专利文献1中，公开了如下的激光电弧复合焊接方法：先配置激光，后配置 电弧，将被焊接材料的焊缝根部间隙（root gap)设定为板厚的10%以上至激光束直径 (laser beam diameter)以下的范围，能够实现深的烙深的高速焊接。
[0007] 在专利文献2中，公开了如下的激光电弧复合焊接方法：使电弧在先，使激光在 后，将激光和电弧配置在同一焊接线上（same weld line)并进行焊接，由此高速焊接性 (high speed weldability)和耐间隙性（gaptolerance)优异。
[0008] 在专利文献3中，公开了关于如下的激光电弧复合焊接方法的技术：使电弧在先 并使激光在后，且电弧焊接将一对电弧电极（arc electrode)(也称为焊炬（torch))配置 在焊接线的两侧而使它们的前端向焊接行进方向倾斜的状态，通过电弧电极间的间隙而照 射激光束（laser beam),由此即使被焊接部件间存在大的间隙（gap)也能够高速地形成良 好的焊接接头。
[0009] 在先技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开平10-216972号公报
[0012] 专利文献2 :日本特开2006-224130号公报
[0013] 专利文献3 :日本特开2011-147944号公报
【发明内容】
[0014] 发明要解决的课题
[0015] 然而，由于激光电弧复合焊接的焊接后的冷却速度（cooling rate)比电弧焊接 高，因此尤其是在容易硬化的拉伸强度为780MPa以上的高强度钢中，担心焊接金属（weld metal)的低温破裂（cold cracking)的发生。
[0016] 通常，作为低温破裂的发生主要原因，可列举（a)焊接金属的扩散性氢 (diffusible hydrogen)、（b)HAZ(welded heat-affected zone)或焊接金属的硬化组织 (hardened microstructure)、（c)焊接接头的限制应力（restraint stress)这三个，在这 些条件齐备的情况下，会发生低温破裂。可考虑在焊接刚结束之后，氢以过饱和状态溶解于 焊接金属的情况多，它们向应力高的部位扩散，集中而达到破裂。
[0017] 然而，在前述的专利文献1?3中，着眼点放置于同时实现坡口间隙的富余度（gap tolerance)和高速焊接这两者，对于低温破裂的防止未进行考虑。尤其是在激光电弧复合 焊接的情况下，在电弧焊接的工艺中，无法忽视考虑到从焊丝（weld wire)或大气中混入的 扩散性氢。
[0018] 本发明鉴于上述的情况而作出，在实现向拉伸强度为780MPa以上的高强度钢板 的激光电弧复合焊接的适用的基础上，为了考虑课题的低温破裂防止技术的确立，目的在 于提供一种能够减少焊接金属的扩散性氢量的激光电弧复合焊接方法。
[0019] 用于解决课题的方案
[0020] 为了解决上述的课题，本
【发明者】测定使激光及电弧的配置发生各种变化的条 件下的激光电弧复合焊接的焊接金属部的扩散性氢量，仔细研究了焊接条件（welding condition)对扩散性氢量造成的影响。其结果是发现了，在先配置电弧且在后配置激光进 行焊接的情况与在先配置激光且在后配置电弧进行焊接的情况相比，扩散性氢量处于减少 的倾向。而且，使在先的电弧焊接的电极角度（angle of electrode)相对于焊接行进方向 侧以成为后退角（sw印tback angle)的方式倾斜时，得到了该扩散性氢量的减少效果大这 样的见解。而且，也得到了若电弧焊接的焊丝目标位置（wire aim position)与激光束照 射位置（laser beam irradiation position)的距离不在某范围，则扩散性氢量的减少效 果小这样的见解。
[0021] 本发明基于上述那样的见解而作出，具备以下那样的特征。
[0022] [1] -种激光电弧复合焊接方法，其特征在于，以拉伸强度为780MPa以上的高强 度钢板为焊接对象，配置成相对于焊接行进方向先进行消耗电极式电弧焊接而后进行激 光焊接，电弧焊接的焊丝目标位置与激光束照射位置的距离为3?5mm的范围，并将电弧 焊接的电极角度设为向焊接行进方向侧20?60°的范围的后退角，将激光焊接的激光束 的入射角度（angle of incidence)设为从铅垂方向（vertical direction)向焊接行进 (welding direction)方向的0?30。的范围的角度。
[0023] [2]根据所述[1]记载的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述电弧焊接的焊 接电流（weld current)为300A以下。
[0024] [3]根据所述[1]或[2]记载的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光焊 接的激光输出（laser power)为3kW以上。
[0025] 发明效果
[0026] 根据本发明，每当进行拉伸强度为780MPa以上的高强度钢板的激光电弧复合焊 接时，能够减少焊接金属的扩散性氢量，能够提高拉伸强度为780MPa以上的高强度钢板的 耐低温破裂性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是在本发明的一实施方式中，被焊接材料的对接焊（butt welding)时的状况 的从焊接行进方向的横侧观察到的示意性侧视图。
[0028] 图2是在本发明的实施例中，氢量的测定所使用的试验片的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 参照附图，说明本发明的一实施方式的激光电弧复合焊接方法。
[0030] 图1是在本发明的一实施方式中被焊接材料的对接焊时的状况的从焊接行进方 向的横侧观察到的示意性侧视图。图1中，1表示被焊接材料，2表示电弧焊接电极，3表示 焊丝，4表示激光焊接头（laser welding head), 5表示激光束，6表示焊道（weld bead),箭 头A表示焊接方向。而且，电弧焊接的焊丝目标位置与激光束照射位置的距离设为X。此 夕卜，电弧焊接电极2相对于铅垂方向的倾斜角（S卩，后退角）设为e a，激光焊接的激光束的 入射角设为Θ b。需要说明的是，电弧焊接的焊丝目标位置是指焊丝的延长线与钢板表面交 叉的点。而且，激光束照射位置是指钢板表面的被照射了的激光束的射束直径的中心。
[0031] 首先，在该实施方式中，配置成先进行电弧焊接，后进行激光焊接，并且电弧焊 接的电极角度Qa在焊接行进方向侧成为后退角。这是因为，使电弧焊接以后退角方式 (sweptback angle method)进行焊接，由此焊道的宽度缩窄，烙融金属的与大气接触的面 积减小，由此能够减少从大气中带入的扩散性氢。因此，当考虑电弧焊接电极2和激光焊接 头4的处理时，配置成先进行电弧焊接。
[0032] 在此基础上，将电弧焊接的焊丝目标位置与激光束照射位置的距离X规定为3? 5mm的范围。在X小于3mm时，因焊丝3的变动而激光束5与焊丝3直接碰触，焊接容易变 得不稳定。而且，当X超过5mm时，由电弧焊接形成的烙融池 （molten weld pool)和基于激 光焊接的熔融池分离，因此熔融金属与大气接触的表面积增加，扩散性氢容易混入。因此， 电弧焊接的焊丝目标位置与激光束照射位置的距离X设为3?5mm的范围。
[0033] 并且，电弧焊接的后退角Θ a规定为20?60°的范围。当后退角0a小于20° 时，电弧焊接的焊道的宽度未显著缩窄，因此难以得到焊接金属的扩散性氢的减少效果，当 后退角Ga超过60°时，电弧焊接的焊道形状变得不稳定，并且熔深减少。因此，电弧焊接 的后退角0 a设为20?60°的范围。更优选为30?45°的范围。
[0034] 而且，将激光束5的入射角Θ b从铅垂方向向焊接行进方向规定为0?30°的范 围。在激光束5的入射角0b小于0°时，激光焊接头4和电弧焊接焊炬2向与焊接行进方 向相同的一侧倾斜，不仅相互位置发生干涉，而且也没有得到的效果。另一方面，当激光束 5的入射角0b超过30°时，熔深减少。因此，激光焊接的激光束5的入射角0b设为0? 30°的范围。更优选为0?15°的范围。
[0035] 并且，电弧焊接的焊接电流优选为300A以下。而且，激光焊接的激光输出优选为 3kW以上。
[0036] 即，当电弧焊接电流超过300A时，焊丝3的烙敷量（volume of deposit metal) 增加，因此由焊丝3混入的扩散性氢也增加。因此，电弧焊接的焊接电流优选设为300A以 下。
[0037] 另一方面，当激光输出小于3kW时，难以得到在厚板的激光电弧复合焊接中期待 的深的烙深。而且，当基于激光焊接的母材的烙融（稀释率（dilution ratio))减小时，由 于接近于电弧单独焊接的情况，因此也难以得到扩散性氢的减少效果。因此，激光焊接的激 光输出优选为3kW以上。
[0038] 需要说明的是，作为在本发明中使用的激光焊接，可以使用利用了各种方式的振 荡器（oscillator)的激光束。
[0039] 优选例如使用气体（例如，CO2 (carbon dioxide gas)、氦-氖（helium-neon)、 氦（argon)、氮（nitrogen)、碘（iodine)等）作为介质的气体激光（gas laser)、使用固体 (例如，掺杂了稀土类元素的YAG等）作为介质的固体激光（solid laser)、取代松散材料 (bulk)而利用纤维（fiber)作为激光介质（laser medium)的纤维激光（fiber laser)、盘形 激光（disk laser)等。或者也可以使用半导体激光（semiconductor laser)。
[0040] 另外，作为在本发明中使用的电弧焊接，可以使用通过保护气体将电弧及焊接金 属从大气屏蔽并进行焊接的气体保护电弧焊接。
[0041] 例如，优选使用CO2气体或Ar与CO2的混合气体的MAG焊接（metal active gas welding)、使用Ar或He等惰性气体的MIG焊接（metal inert gas welding)等电极连续 熔融而消耗的熔极式（消耗电极式）焊接。
[0042] 实施例1
[0043] 关于激光电弧复合焊接接头的焊接金属部的扩散性氢量，列举实施例而更具体地 说明本发明。
[0044] 作为以电弧焊接为对象的钢焊接部的氢量的测定方法，通常使用JIS Z 3118所示 的试验方法。因此，在激光电弧复合焊接的扩散性氢的测定中，试验片形状、扩散性氢的捕 集、氢量的测定方法等基本事项遵照JIS(Japanese Industrial Standards)来实施。艮p， 由作为供试钢而使用的HT780级钢板，制作出图2所示那样的板厚12mmX宽度25mmX长 度40mm的试验板IA和板厚12mmX宽度25mmX长度45mm的引弧板（end tab) 1B，测定了 使激光电弧复合焊接条件发生各种变化的焊接部的扩散性氢量。
[0045] 表1示出激光电弧复合焊接条件。
[0046] [表 1]
[0047] 【表1】
[0048]
【权利要求】
1. 一种激光电弧复合焊接方法，其特征在于， 以拉伸强度为780MPa以上的高强度钢板为焊接对象，配置成相对于焊接行进方向先 进行消耗电极式电弧焊接而后进行激光焊接，电弧焊接的焊丝目标位置与激光束照射位置 的距离为3?5mm的范围，并将电弧焊接的电极角度设为向焊接行进方向侧20?60°的范 围的后退角，将激光焊接的激光束的入射角度设为从铅垂方向向焊接行进方向的0?30° 的范围的角度。
2. 根据权利要求1所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于， 所述电弧焊接的焊接电流为300A以下。
3. 根据权利要求1或2所述的激光电弧复合焊接方法，其特征在于， 所述激光焊接的激光输出为3kW以上。
【文档编号】B23K26/348GK104349863SQ201380028227
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年5月29日
【发明者】角博幸 申请人:杰富意钢铁株式会社