レーザ狭開先多層盛溶接方法と装置
【課題】厚板であって，幅４ｍｍ〜６ｍｍの開先を設けた金属製の溶接母材の狭開先多層盛溶接を低出力レーザによって確実に行うことができるレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置を提供すること。
【解決手段】レーザ光２の焦点を外して得られるレーザスポット２１を狭開先に加工した金属製の溶接母材８に照射するとともに，ホットワイヤ３を母材８の溶融部分の中央に供給して溶融プール７を形成し、ワイヤ３を挟んでそれぞれ同じ側にある開先壁面１０又は１１と溶融プール７の境界線とワイヤ３の側縁との間とワイヤ３を照射しないように溶融プール７と前方開先底面１２との境界線上を通る略Ｕ字形の軌跡上をレーザスポット２１を往復走査させて溶接をするレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【解決手段】レーザ光２の焦点を外して得られるレーザスポット２１を狭開先に加工した金属製の溶接母材８に照射するとともに，ホットワイヤ３を母材８の溶融部分の中央に供給して溶融プール７を形成し、ワイヤ３を挟んでそれぞれ同じ側にある開先壁面１０又は１１と溶融プール７の境界線とワイヤ３の側縁との間とワイヤ３を照射しないように溶融プール７と前方開先底面１２との境界線上を通る略Ｕ字形の軌跡上をレーザスポット２１を往復走査させて溶接をするレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ溶接とホットワイヤ溶接とを組合せた溶接方法に係わり、特に圧力容器に用いられる肉厚２０ｍｍ以上の鋼板あるいは鋼管の高能率溶接に好適なレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接とは、レーザ光を熱源とした溶接である。レーザ溶接はエネルギー密度の違いによって、（ａ）レーザ光を１点に集中することで照射位置の材料を蒸発し、発生した金属蒸気ジェットの反力で深い溶込みを得る「キーホール型溶接」と、（ｂ）レーザ光線を比較的広い範囲に分散することで溶融接合を行う「熱伝導型溶接」の２種類に分けられる。
【０００３】
キーホール型溶接には、例えば２０ｍｍ以上の厚板溶接向けとして、１０ｋＷ〜２０ｋＷのレーザを用いる方法がある。この方法は，溶接の高能率化が可能となる一方、溶接金属の幅に対して深さが大きくなる、いわゆる深溶込み形状の溶接金属となるので、溶接母材の種類や溶接条件によって溶接部中央部に割れが生じやすく、溶接欠陥となる。
【０００４】
熱伝導型溶接には薄板や箔の溶接やロウ付け（母材が溶融しない接合法）向けとして、０．１ｋＷ〜５ｋＷ程度の低〜中出力のレーザを用いる方法がある。この方法では金属蒸気が発生せず欠陥は生じ難いものの、溶込みが浅いので厚板の溶接には使用できない。
【０００５】
特許文献１には、肉厚材の溶接に関し、材料の端面に狭開先を設けたワークに対し、ここにフィラーワイヤを添加しつつ、レーザ溶接を行う方法が開示されている。この方法によれば、開先の上方にミラーを設置し、そのミラーでレーザ光を溶接進行方向に対して横向きに振幅することで、開先壁面の溶融を促進する狭開先レーザ溶接方法が開示されている。この方法により、開先の壁面がレーザによって直接照射された部位が溶融し、確実に溶着金属と金属製の溶接母材が一体となることから、低出力のレーザであっても溶接欠陥の少ない厚板の溶融接合が可能である。
【０００６】
特許文献２は、狭開先溶接において、レーザ光の照射位置を開先の底部で所定の振幅で進行方向に対して左右方向および開先壁面に対して垂直方向に周期的に揺動する方法、ならびにフィラーワイヤの狙い位置を開先中央に維持する制御方法、および金属蒸気を排除するための不活性ガスシールドの送給方法が開示されている。これらの方法によれば、溶接ビードと開先壁面との間に生じる融合不良を防止するとともに、フィラーワイヤの狙い位置がずれることによる、開先壁面へのフィラーワイヤ溶着、送給不具合、融合不良を防止しつつ、高能率の溶接が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−２２０２９３号公報
【特許文献２】特開２０１１−５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１や特許文献２記載のレーザ溶接法は、レーザ光を進行方向に対して横方向あるいは垂直方向に振幅することで開先壁面の溶融には効果が大きい。その一方で、開先底部は溶融プールを介して加熱されるので、比較的低いレーザ出力で開先内部に溶接ビードを積層した場合に各溶接層間に未溶着欠陥が生じやすくなる。
【０００９】
このように、開先幅３ｍｍ〜１０ｍｍの開先幅を有するボイラ主配管に使用される高強度耐熱材料のレーザ狭開先溶接においては、低出力レーザが用いられる場合に開先底面と左右開先壁面の溶着を確実に行うことが従来の課題であった。また、大出力レーザが用いられる場合に溶接金属の深い溶込み形状に起因する梨型ビード割れと呼ばれる欠陥の防止が課題である。
【００１０】
そこで本発明の課題は、厚板であって，幅４ｍｍ〜６ｍｍの開先を設けた金属製の溶接母材の狭開先多層盛溶接を低出力レーザによって確実に行うことができるレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題は、次の構成によって解決される。
請求項１に記載の発明は、狭開先加工した金属製の溶接母材の開先底面に形成される溶融プールに焦点を外したレーザ光を照射しつつ溶接母材とフィラーワイヤ間に通電したホットワイヤを供給しながら行われるレーザ狭開先多層盛溶接法において、開先底面に形成される溶融プール表面上をレーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットが、フィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間を通り、かつ溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る、略Ｕ字形の軌跡上を往復走査して連続溶接することを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、レーザスポット径（Ｒ）が、一対の開先壁面の幅（ｔ）、ワイヤ径（ｗ）としたときに、次式（１）
（ｔ−ｗ）／４≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／２ （１）
の関係を満たすレーザスポット径（Ｒ）の範囲であって、かつレーザ光の狙い位置におけるレーザスポットのエネルギー密度の範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることを特徴とする請求項１記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、略Ｕ字状の軌跡を通る１回のレーザスポット走査周期のうち、レーザスポットが溶融プールと左右開先壁面との境界線とフィラーワイヤの間を通る回数と、溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る回数を変化させることを特徴とする請求項２記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、狭開先形状を加工した金属製の溶接母材の開先中央部にフィラーワイヤを送給するためのフィラーワイヤ送給ノズルと、ホットワイヤを得るためのフィラーワイヤの加熱電源装置と、溶接部へ不活性シールドガスを供給するための不活性シールドガス供給装置と、溶融部に形成される溶融プールを監視するための監視カメラと、溶融プール上のフィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間および溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る略Ｕ字形の軌跡上を、レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットを往復走査させて溶接部にレーザ光を照射するためのレーザスポット走査機構を有するレーザ装置を備えたレーザ狭開先多層盛溶接装置である。
【００１５】
（作用）
本発明の請求項１〜４記載の発明には、次のような作用がある。
請求項１記載の発明によれば、レーザスポットが溶融プール表面上を進行方向に対してフィラーワイヤを挟んでそれぞれ一方の側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通り、かつ溶融プールと前方開先底部との境界線上を通る略Ｕ字形の軌跡上をレーザスポットが往復走査することで、開先壁面と開先底面を構成する溶接金属の溶着促進効果と凹型溶接ビード形成による、溶着した溶接金属の積層時の溶接欠陥抑制効果がある。
【００１６】
このうち、レーザスポットが開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通ることで、溶融プール表面で反射したレーザ光線が開先壁面を照射・溶融するので、開先壁面と溶接金属との溶着が促進される。さらに、レーザスポットの照射位置が、フィラーワイヤを超えて、溶接方向に対して後ろ側にまで照射されることで溶接ビードの中央部分が壁面部よりも低くなる、いわゆる凹型ビードが形成されて溶着金属（溶着した溶接金属）の積層時の欠陥発生が抑制される。
【００１７】
一方、レーザスポットが開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通らない場合、溶接ビードと溶接母材との間にアンダカットと呼ばれる溝状の溶接欠陥が形成されるとともに凸型ビードが形成される。凸型ビード上に溶着金属を積層すると、各層の間の開先壁面側での溶着が行われない未溶着欠陥を生じる（図９の（Ｄ）と（Ｅ）参照）。
【００１８】
また、レーザスポットがフィラーワイヤ上を通る場合、フィラーワイヤがレーザ照射によって溶断される。その際、液滴（スパッタ）が開先壁面又は開先底面の内部へ飛散したり、フィラーワイヤが切断したりすることで通電加熱停止が生じるために溶接作業の阻害が生じる。
さらに、レーザスポットが開先壁面よりも外側を通る場合、金属製の溶接母材上面が溶融し、溶接を続ける上で障害となることに加え、溶融プールへのレーザ光の照射が不十分となり溶接作業が阻害される。
【００１９】
このほか、レーザスポットが溶融プールと前方開先底面との境界線上を通ることで、開先底面の溶融が促進される効果がある。これに対し、溶融プールと開先底部との境界線よりも進行方向前側の開先底面上をレーザスポットが通る場合、あるいは溶融プール表面上をレーザスポットが通る場合には、多層盛溶接時に各溶接層の間に未溶着欠陥が生じる。
【００２０】
さらに、上記略Ｕ字形の軌跡上のレーザスポットの走査速度は、２０〜２００ｍｍ／ｓの範囲とすることが望ましい。レーザスポットの走査速度がこの範囲よりも大きい場合、レーザ照射によっても開先の溶融が行われなくなり、溶接金属が溶着されない。走査速度がこの範囲よりも小さい場合、溶融プールが縮小してフィラーワイヤを溶融プールに挿入できなくなる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、往復走査されるレーザのスポット径（Ｒ）の範囲は一対の開先壁面の幅（ｔ）、ワイヤ径（ｗ）との間に次式（１）の関係があることが望ましい。
（ｔ−ｗ）／４≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／２ （１）
スポット径（Ｒ）がこの範囲よりも大きい場合、レーザ光がフィラーワイヤまたは金属製の溶接母材上面に干渉するため、フィラーワイヤの溶断や金属製の溶接母材上面が溶融して溶接作業が阻害される。また、スポット径（Ｒ）がこの範囲よりも小さくなると、開先壁面へのレーザ光の反射が十分に行われにくくなる。すなわち、本願発明の狭開先溶接方法においては、開先壁面はレーザ光の光軸とほぼ平行であり、開先壁面と溶接金属の溶着を促進するためには、溶融プール表面でレーザ光を反射させ、その反射光により開先壁面を溶融する必要がある。このため，スポット径（Ｒ）がこの範囲よりも小さい場合、レーザ光の反射によって溶融しない部位が生じやすくなるので、開先壁面の未溶着欠陥が生じやすくなる。
【００２２】
さらに、上記スポット径（Ｒ）を有するレーザスポットのエネルギー密度、すなわちレーザ出力をスポットの面積で割った値の範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることが望ましい。レーザスポットのエネルギー密度が２．０ｋＷ/ｍｍ2を超えると、レーザ照射位置における溶接金属の蒸発が活発になり、金属蒸気が開先壁面に付着して溶接金属の溶着を阻害するのでエネルギー密度は２．０ｋＷ/ｍｍ2以下に制限される。また、エネルギー密度が０．５ｋＷ／ｍｍ2以下になると反射光による開先壁面の溶融が行われなくなる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、レーザスポットの走査周期１回分のうち、溶接進行方向に対してレーザスポットの左側溶融プール領域あるいは右側溶融プール領域内でレーザスポットの反復回数を増やすことで開先壁面の溶融促進効果が得られる。すなわち、図７に示すレーザスポット通過点Ａ〜Ｄの４点について、（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）→（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）のようにレーザスポットを反復走査することによって、開先壁面と溶接金属との溶着が促進される効果がある。
【００２４】
反復回数が増大すると溶融プールの幅がさらに大きくなるが、過度に溶融プール幅が増えるとアンダカットと呼ばれる凹みが開先壁面と溶融プールの境界部に生じる。アンダカット部には未溶着欠陥が生じるため、溶接欠陥の抑制される反復回数には範囲がある。また、レーザスキャナ装置によってレーザスポットの移動速度には上限があるので、反復回数を多くした場合に、レーザ走査周期が長くなってしまうと、開先底面において周期的に未溶融欠陥が生じる場合がある。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、溶融プール表面において、レーザスキャナと呼ばれる複数の鏡を組み合わせたレーザ装置を溶接部近傍に対してレーザスポットを２次元走査するために使用されるが、レーザヘッドを移動することでもレーザスポットを２次元走査することができる。
【００２６】
溶融プール監視カメラは、レーザ光線照射方向と同じ方向から溶融プールを観察し、レーザスポットの走査範囲を決定するために使用される装置であるが、レーザの光軸とは異なる方向に設置したカメラを用いても良い。
【００２７】
フィラーワイヤは、開先内部の空間を埋めるための溶着金属形成に使用される。フィラーワイヤと溶接母材との間にはホットワイヤ加熱電源装置によって電流が流され、フィラーワイヤがジュール加熱される。これにより、低出力レーザ溶接装置を用いても溶融プールの大きさが保たれる効果がある。
【００２８】
フィラーワイヤ供給ノズルは、例えば内部にフィラーワイヤのガイド孔を有する耐熱セラミックからなり、通電加熱によって柔らかくなったフィラーワイヤを溶融プール中央に導くためのものであり、フィラーワイヤが開先壁面に接触し、付着することで溶接作業が阻害されることを防止する効果がある。前記ガイド孔内部に、不活性シールドガス供給装置からアルゴン、窒素、炭酸ガス、ヘリウム、あるいはこれらの混合ガスを流通することで高温の溶融プール、高温の溶着金属及びフィラーワイヤの酸化防止効果が得られる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１、４記載の発明によれば、溶融プール表面上を溶接進行方向に対して同じ側にある開先の両壁面のいずれか一方の壁面と溶融プールの境界線と溶接ワイヤ側縁との間を通り、溶接ワイヤを照射しないように溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る略Ｕ字形の軌跡上を前記レーザスポットを往復走査させることで、開先壁面と開先底面の溶融促進効果と凹型溶接ビードの形成により、溶着金属の積層時の溶接欠陥抑制効果がある。
【００３０】
請求項２に記載の発明によれば、往復走査されるレーザのスポット径（Ｒ）と一対の開先壁面の幅（ｔ）とワイヤ径（ｗ）との間に前記式（１）の関係があることで、レーザ光がフィラーワイヤまたは金属製の溶接母材上面に干渉することなく、また開先壁面へのレーザ光の反射が十分に行われるため開先壁面の未溶着欠陥が生じない。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、レーザスポットの走査周期１回分のうち、左側溶融プール領域あるいは右側溶融プール領域内でレーザスポットの反復回数を増やすことで開先壁面の溶融促進効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例で用いられる装置構成を示す模式図である。
【図２】本発明のレーザスキャナの構造を示す模式図である。
【図３】本発明の監視カメラで取得される溶接中の溶融プール画像である。
【図４】本発明の左右開先壁および前方開先底面と溶融プールとの境界線を説明する図である。
【図５】本発明のレーザスポット径の最大径を説明する図である。
【図６】本発明のレーザ照射範囲を説明する図である。
【図７】本発明のレーザ照射経路の通過点をあらわす。
【図８】本発明の実施例で用いられるレーザスポット条件範囲である。
【図９】溶接試験結果の断面模式図
【図１０】本発明の実施例の方法で得られる溶接部の溶込み断面形状である。
【図１１】従来キーホール型溶接で得られる溶接部の溶込み断面形状である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
［実施例１］〜［実施例９］
以下に添付の図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明であるレーザ狭開先多層盛溶接に使用される溶接装置の構成および溶接中の状況について、溶接進行方向に対して右側面より見た状態を模式的に示している。レーザ装置２４に設けられるレーザ溶接ヘッド１からレーザ光２が溶融プール７に向かって照射される。また、耐熱セラミックス製の管であるフィラーワイヤノズル４の内部にはフィラーワイヤ３のガイド孔を有しており、フィラーワイヤノズル４の先端からフィラーワイヤ３が露出している。また、ホットワイヤ加熱電源装置５によって、フィラーワイヤ３と母材８との間に電流を流し、フィラーワイヤ３をジュール熱により加熱する。フィラーワイヤノズル４は，開先底面１２に対して進行方向後ろ側から８０°の角度でレーザ照射位置に向けて溶接方向後側からフィラーワイヤ３を送給できるように固定されている。
【００３４】
そして加熱されたフィラーワイヤ３の先端を母材８の溶着金属２０の先端部に形成される溶融プール７に挿入する。溶融プール７および高温の溶着金属２０の酸化を防止するためにシールドガス送給ノズル６からアルゴンガスなどの不活性ガスを用いて溶接部に噴出している。本実施例では不活性ガスとしてアルゴンガスを使用したが、窒素、炭酸ガス、ヘリウム又はこれらの混合ガスを用いても良い。
【００３５】
本実施例では、溶融プール７の表面にレーザスポット２１（図５参照）が形成されるように、レーザ光２の焦点位置を溶接部上方とした。
【００３６】
レーザ溶接ヘッド１には図２に示すようにＸ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２からなるレーザ光線の２次元走査機構、いわゆるレーザスキャナが内蔵されており、レーザ光源３０からのレーザ光２をＸ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２により反射して二次元上の照射範囲３４に照射する。レーザ溶接ヘッド１には、溶融プール観察用同軸カメラ９が接続されており、図３の溶接部の平面図に示すように、母材８の開先壁面１０、１１及び開先底面１２で囲まれた領域にフィラーワイヤ３が挿入され、フィラーワイヤ３の先端部の周りに溶融プール７が形成されていることがカメラ９による画像で得られる。この画像から図４の溶接部の平面図に示すような溶接進行方向の左側溶融プール領域１６、前方溶融プール照射領域１７及び右側溶融プール領域１８が得られ。また溶融プール７と開先先端との境界線１３がこれら左側溶融プール領域１６、前方溶融プール照射領域１７及び右側溶融プール領域１８でのレーザ光２の照射により開先壁面１０、１１及び開先底面１２との間に形成される。
【００３７】
図５の溶接部の平面図に示すレーザスポット２１の径Ｒはフィラーワイヤ３の側縁から同じ側にある開先壁面１０又は１１までの長さに等しいものとする。
【００３８】
図６の溶接部の平面図に対応させて示すようにレーザスポット２１の移動軌跡２３は略Ｕ字形をしており、レーザ照射範囲２２をレーザ光２が往復走査する。
【００３９】
表１には、レーザスポット２１を略Ｕ字形の移動軌跡上を走査させたことによる効果を検証した溶接実験結果を示す。この実験では、母材８はボイラ用鋼材である前記火ＳＣＭＶ２８板材（厚さ３０ｍｍ）とし、これに開き角度が１°で、開先壁面１０，１１の上端の開き幅が２〜１０ｍｍの開先を設け、フィラーワイヤ３は直径１．０ｍｍのＴＧＳ−９Ｃｂ（株式会社神戸製鋼所製）を用いた。
【表１】
表１には、本発明の各実施例と比較例で用いた溶接条件と、そのときの溶接欠陥の発生状況を示す。この溶接実験では、いずれの溶接速度も３００ｍｍ／分としたが、１００〜８００ｍｍ／分までの範囲での接合が可能である。また、フィラーワイヤ３の送給量Ｌ(ｍｍ／分)は開先幅ｔに対してＬ＝１９０×ｔ2とし、高さ約ｔ／２の分だけ、１パスごとに溶接金属が積層されるようにした。
【００４０】
レーザスポット２１の走査速度に関して、２０〜２００ｍｍ／秒の範囲において溶接が可能であった。比較例１のように走査速度が低くなりすぎると、例えば図４の溶融プール領域１６をレーザが照射している間、溶融プール領域１７および溶融プール領域１８が凝固してしまい、フィラーワイヤ３を挿入することができなくなり、継手を形成できなかった。これに対して、比較例２のように、走査速度が高くなりすぎると、開先の溶融が不十分となり未溶着欠陥を生じた。また、比較例３のように、開先幅ｔが狭い場合には、レーザスポット２１をフィラーワイヤ３に干渉しないように走査することが困難となる上に、レーザスポット２１が小さくなりすぎてしまい、高いエネルギー密度となるために深い溶け込みが生じて溶接ビードの中央に割れを生じた。
【００４１】
これに対し、比較例４のように、開先幅ｔが広い場合には、レーザスポット２１が大きくなりすぎてしまい、開先壁面の溶着が行われにくくなった。このため開先壁面が溶融せず、溶接金属の溶着が行われなかった。
比較例５および６は、レーザ光２を左右に揺動した場合の溶接結果である。開先幅ｔが３ｍｍと狭い場合は、比較例３と同様に深い溶込み形状となり、溶接金属中央に割れが生じた。開先幅ｔが５ｍｍとなると、今度は開先底面１２の溶融が不十分となり、溶融接合が行われなくなった。
【００４２】
レーザスポット２１を固定した比較例７および８においては、溶融プール７の表面でレーザ光２の反射が生じ、開先面の一部との溶着が行われたが、本試験例のように、開先幅ｔに対して溶接ビードの深さｈが比較的大きい条件であるために、未溶着欠陥を生じた。
【００４３】
レーザスポット２１を前後に揺動した比較例９および１０においては、溶融プール７の底面の溶融が促進されたものの、開先壁面に対しては溶融が完全にはなされない結果となった。
【００４４】
［実施例１０］
開先幅ｔ：３〜８ｍｍ、フィラーワイヤ径１ｍｍ、１、２ｍｍ、溶接速度：３００ｍｍ／分、スポット揺動速度：１００ｍｍ／秒の条件で、５層の狭開先溶接を行った時の溶接欠陥に及ぼすレーザスポット条件の影響を評価した。図８は、レーザ出力：Ｐ（ｋＷ）、レーザスポット径Ｒ（ｍｍ）、一対の開先壁面１０，１１の幅ｔ（ｍｍ）、ワイヤ径ｗ（ｍｍ）とし、比スポット径（＝Ｒ／(（ｔ−ｗ）／２) ）を横軸、エネルギー密度（＝Ｐ／（（Ｒ／２）2・π））を縦軸とし溶接の状況を分類した。
【００４５】
比スポット径が１を超える領域、すなわちレーザスポット２１がフィラーワイヤ３あるいは金属製の溶接母材上面（開先壁面１０，１１の隣接部位である母材上面）に干渉する領域においては、フィラーワイヤ３の溶断や、開先壁面１０，１１の上部にレーザ照射が行われる。フィラーワイヤ３の溶断の場合は、フィラーワイヤ３が溶融した液滴（スパッタ）が開先壁面１０，１１の内側に飛散し、溶着金属を積層する際の障害となった。開先壁面１０，１１に隣接部位である母材上面にレーザ照射が行われる場合は、開先壁面１０，１１の寸法が変化し、溶接を続けることが困難となった。比スポット径が０．５以下の領域では、開先壁面１０，１１の溶融が十分になされず、溶着金属と開先壁面１０，１１とが溶融接合されていない部位が観察された。
【００４６】
エネルギー密度が２．０ｋＷ／ｍｍ2を超える領域においては、溶接部から激しく金属蒸気が発生し、深い溶け込みを生じて溶接金属中央部に割れが生じた。また、エネルギー密度が０．５ｋＷ／ｍｍ2以下の領域においては、開先底面１２、あるいは左右開先壁面１０，１１の溶着がなされなかった。
【００４７】
以上の結果より、溶接欠陥を生じないレーザスポット２１の条件範囲としては、幾何学的条件として比スポット径が０．５〜１の範囲、すなわち（ｔ−ｗ）／２≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／４ の関係を満たした上で、熱的条件としてエネルギー密度範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることを満たすことが望ましい。
【００４８】
［実施例１１］〜［実施例１３］
開先幅ｔ：５ｍｍ、フィラーワイヤ径：１ｍｍ、溶接速度：３００ｍｍ／分、スポット揺動速度：１００ｍｍ／秒、レーザスポット径：２ｍｍ、レーザスポット２１のエネルギー密度：０．５ｋＷ／ｍｍ2の条件で、５層の狭開先溶接を行い、レーザスポット２１の走査周期１回分のうち左側溶融プール７の領域あるいは左側溶融プール７の領域内でレーザスポット２１の反復回数を増加する溶接方法を試験した。
【００４９】
図７に示すレーザスポット通過点Ａ、通過点Ｂ、通過点Ｃ、通過点Ｄの４点について、（Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ）→（Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ）→・・・のように実施例１〜９の略Ｕ字形の走査経路に相当する走査経路を，反復回数１回の経路と定義する。
【００５０】
これに対し，（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）→（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）→・・・のように片側の溶融プール７の領域内でレーザスポット２１をそれぞれ２回ずつ往復する反復走査する場合を反復回数２回の経路と定義する。
【００５１】
表２は反復回数による溶込み形状を比較したものであり、反復回数が２回、３回の経路においては開先壁面の融合が促進されて良好な溶接断面を取得できたが、反復回数がさらに増大すると、開先壁面１０，１１は大幅に溶融し、図９の（Ｆ）に見られるアンダカットと呼ばれる欠陥を生じた。さらに反復回数を増大すると、開先底面１２の未溶融の部位が観察された。
【００５２】
なお、図９の（Ａ）が正常な溶接断面であり、（Ｂ）は溶け込みが深すぎて溶接金属中央部に割れが生じてしまった溶接断面であり、（Ｃ）は開先壁面１０，１１の下側と開先底面１２に未溶着部分が生じた場合の溶接断面であり、（Ｄ）は凸型ビートができ、層間の開先壁面１０，１１が未溶着状態のままとなった場合の溶接断面であり、（Ｅ）は凸型ビートができ、開先壁面１０，１１に未溶着部分ができた場合の溶接断面である。
【表２】
こうして図１０の溶接部の溶け込み断面図に示すような、未溶着欠陥の無い、幅が広くて浅い溶接金属が積層された多層盛溶接が得られる。これは図１１に示す従来のキーホール型溶接によって得られる溶接部の溶け込み断面図と比較して、深い溶込形状によって生じる溶接金属の割れの抑制が可能となることが分かる。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザ溶接ヘッド ２ レーザ光線
３ フィラーワイヤ ４ フィラーワイヤノズル
５ ホットワイヤ加熱電源装置 ６ シールドガス送給ノズル
７ 溶融プール ８ 母材
９ 溶融プール観察用同軸カメラ １０ 開先左壁面
１１ 開先右壁面 １２ 開先底面
１３ 溶融プールと開先底面の境界線 １６ 左側溶融プール領域
１７ 前方溶融プール照射領域 １８ 右側溶融プール領域
２０ 溶着金属 ２１ レーザスポット
２２ レーザ照射範囲 ２３ レーザスポットの軌跡
２４ レーザ装置 ３０ レーザ光源
３１ Ｘ軸ミラー ３２ Ｙ軸ミラー
３４ 二次元上の照射範囲
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ溶接とホットワイヤ溶接とを組合せた溶接方法に係わり、特に圧力容器に用いられる肉厚２０ｍｍ以上の鋼板あるいは鋼管の高能率溶接に好適なレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接とは、レーザ光を熱源とした溶接である。レーザ溶接はエネルギー密度の違いによって、（ａ）レーザ光を１点に集中することで照射位置の材料を蒸発し、発生した金属蒸気ジェットの反力で深い溶込みを得る「キーホール型溶接」と、（ｂ）レーザ光線を比較的広い範囲に分散することで溶融接合を行う「熱伝導型溶接」の２種類に分けられる。
【０００３】
キーホール型溶接には、例えば２０ｍｍ以上の厚板溶接向けとして、１０ｋＷ〜２０ｋＷのレーザを用いる方法がある。この方法は，溶接の高能率化が可能となる一方、溶接金属の幅に対して深さが大きくなる、いわゆる深溶込み形状の溶接金属となるので、溶接母材の種類や溶接条件によって溶接部中央部に割れが生じやすく、溶接欠陥となる。
【０００４】
熱伝導型溶接には薄板や箔の溶接やロウ付け（母材が溶融しない接合法）向けとして、０．１ｋＷ〜５ｋＷ程度の低〜中出力のレーザを用いる方法がある。この方法では金属蒸気が発生せず欠陥は生じ難いものの、溶込みが浅いので厚板の溶接には使用できない。
【０００５】
特許文献１には、肉厚材の溶接に関し、材料の端面に狭開先を設けたワークに対し、ここにフィラーワイヤを添加しつつ、レーザ溶接を行う方法が開示されている。この方法によれば、開先の上方にミラーを設置し、そのミラーでレーザ光を溶接進行方向に対して横向きに振幅することで、開先壁面の溶融を促進する狭開先レーザ溶接方法が開示されている。この方法により、開先の壁面がレーザによって直接照射された部位が溶融し、確実に溶着金属と金属製の溶接母材が一体となることから、低出力のレーザであっても溶接欠陥の少ない厚板の溶融接合が可能である。
【０００６】
特許文献２は、狭開先溶接において、レーザ光の照射位置を開先の底部で所定の振幅で進行方向に対して左右方向および開先壁面に対して垂直方向に周期的に揺動する方法、ならびにフィラーワイヤの狙い位置を開先中央に維持する制御方法、および金属蒸気を排除するための不活性ガスシールドの送給方法が開示されている。これらの方法によれば、溶接ビードと開先壁面との間に生じる融合不良を防止するとともに、フィラーワイヤの狙い位置がずれることによる、開先壁面へのフィラーワイヤ溶着、送給不具合、融合不良を防止しつつ、高能率の溶接が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−２２０２９３号公報
【特許文献２】特開２０１１−５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１や特許文献２記載のレーザ溶接法は、レーザ光を進行方向に対して横方向あるいは垂直方向に振幅することで開先壁面の溶融には効果が大きい。その一方で、開先底部は溶融プールを介して加熱されるので、比較的低いレーザ出力で開先内部に溶接ビードを積層した場合に各溶接層間に未溶着欠陥が生じやすくなる。
【０００９】
このように、開先幅３ｍｍ〜１０ｍｍの開先幅を有するボイラ主配管に使用される高強度耐熱材料のレーザ狭開先溶接においては、低出力レーザが用いられる場合に開先底面と左右開先壁面の溶着を確実に行うことが従来の課題であった。また、大出力レーザが用いられる場合に溶接金属の深い溶込み形状に起因する梨型ビード割れと呼ばれる欠陥の防止が課題である。
【００１０】
そこで本発明の課題は、厚板であって，幅４ｍｍ〜６ｍｍの開先を設けた金属製の溶接母材の狭開先多層盛溶接を低出力レーザによって確実に行うことができるレーザ狭開先多層盛溶接方法と装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題は、次の構成によって解決される。
請求項１に記載の発明は、狭開先加工した金属製の溶接母材の開先底面に形成される溶融プールに焦点を外したレーザ光を照射しつつ溶接母材とフィラーワイヤ間に通電したホットワイヤを供給しながら行われるレーザ狭開先多層盛溶接法において、開先底面に形成される溶融プール表面上をレーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットが、フィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間を通り、かつ溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る、略Ｕ字形の軌跡上を往復走査して連続溶接することを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、レーザスポット径（Ｒ）が、一対の開先壁面の幅（ｔ）、ワイヤ径（ｗ）としたときに、次式（１）
（ｔ−ｗ）／４≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／２ （１）
の関係を満たすレーザスポット径（Ｒ）の範囲であって、かつレーザ光の狙い位置におけるレーザスポットのエネルギー密度の範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることを特徴とする請求項１記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、略Ｕ字状の軌跡を通る１回のレーザスポット走査周期のうち、レーザスポットが溶融プールと左右開先壁面との境界線とフィラーワイヤの間を通る回数と、溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る回数を変化させることを特徴とする請求項２記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法である。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、狭開先形状を加工した金属製の溶接母材の開先中央部にフィラーワイヤを送給するためのフィラーワイヤ送給ノズルと、ホットワイヤを得るためのフィラーワイヤの加熱電源装置と、溶接部へ不活性シールドガスを供給するための不活性シールドガス供給装置と、溶融部に形成される溶融プールを監視するための監視カメラと、溶融プール上のフィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間および溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る略Ｕ字形の軌跡上を、レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットを往復走査させて溶接部にレーザ光を照射するためのレーザスポット走査機構を有するレーザ装置を備えたレーザ狭開先多層盛溶接装置である。
【００１５】
（作用）
本発明の請求項１〜４記載の発明には、次のような作用がある。
請求項１記載の発明によれば、レーザスポットが溶融プール表面上を進行方向に対してフィラーワイヤを挟んでそれぞれ一方の側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通り、かつ溶融プールと前方開先底部との境界線上を通る略Ｕ字形の軌跡上をレーザスポットが往復走査することで、開先壁面と開先底面を構成する溶接金属の溶着促進効果と凹型溶接ビード形成による、溶着した溶接金属の積層時の溶接欠陥抑制効果がある。
【００１６】
このうち、レーザスポットが開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通ることで、溶融プール表面で反射したレーザ光線が開先壁面を照射・溶融するので、開先壁面と溶接金属との溶着が促進される。さらに、レーザスポットの照射位置が、フィラーワイヤを超えて、溶接方向に対して後ろ側にまで照射されることで溶接ビードの中央部分が壁面部よりも低くなる、いわゆる凹型ビードが形成されて溶着金属（溶着した溶接金属）の積層時の欠陥発生が抑制される。
【００１７】
一方、レーザスポットが開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁との間を通らない場合、溶接ビードと溶接母材との間にアンダカットと呼ばれる溝状の溶接欠陥が形成されるとともに凸型ビードが形成される。凸型ビード上に溶着金属を積層すると、各層の間の開先壁面側での溶着が行われない未溶着欠陥を生じる（図９の（Ｄ）と（Ｅ）参照）。
【００１８】
また、レーザスポットがフィラーワイヤ上を通る場合、フィラーワイヤがレーザ照射によって溶断される。その際、液滴（スパッタ）が開先壁面又は開先底面の内部へ飛散したり、フィラーワイヤが切断したりすることで通電加熱停止が生じるために溶接作業の阻害が生じる。
さらに、レーザスポットが開先壁面よりも外側を通る場合、金属製の溶接母材上面が溶融し、溶接を続ける上で障害となることに加え、溶融プールへのレーザ光の照射が不十分となり溶接作業が阻害される。
【００１９】
このほか、レーザスポットが溶融プールと前方開先底面との境界線上を通ることで、開先底面の溶融が促進される効果がある。これに対し、溶融プールと開先底部との境界線よりも進行方向前側の開先底面上をレーザスポットが通る場合、あるいは溶融プール表面上をレーザスポットが通る場合には、多層盛溶接時に各溶接層の間に未溶着欠陥が生じる。
【００２０】
さらに、上記略Ｕ字形の軌跡上のレーザスポットの走査速度は、２０〜２００ｍｍ／ｓの範囲とすることが望ましい。レーザスポットの走査速度がこの範囲よりも大きい場合、レーザ照射によっても開先の溶融が行われなくなり、溶接金属が溶着されない。走査速度がこの範囲よりも小さい場合、溶融プールが縮小してフィラーワイヤを溶融プールに挿入できなくなる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、往復走査されるレーザのスポット径（Ｒ）の範囲は一対の開先壁面の幅（ｔ）、ワイヤ径（ｗ）との間に次式（１）の関係があることが望ましい。
（ｔ−ｗ）／４≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／２ （１）
スポット径（Ｒ）がこの範囲よりも大きい場合、レーザ光がフィラーワイヤまたは金属製の溶接母材上面に干渉するため、フィラーワイヤの溶断や金属製の溶接母材上面が溶融して溶接作業が阻害される。また、スポット径（Ｒ）がこの範囲よりも小さくなると、開先壁面へのレーザ光の反射が十分に行われにくくなる。すなわち、本願発明の狭開先溶接方法においては、開先壁面はレーザ光の光軸とほぼ平行であり、開先壁面と溶接金属の溶着を促進するためには、溶融プール表面でレーザ光を反射させ、その反射光により開先壁面を溶融する必要がある。このため，スポット径（Ｒ）がこの範囲よりも小さい場合、レーザ光の反射によって溶融しない部位が生じやすくなるので、開先壁面の未溶着欠陥が生じやすくなる。
【００２２】
さらに、上記スポット径（Ｒ）を有するレーザスポットのエネルギー密度、すなわちレーザ出力をスポットの面積で割った値の範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることが望ましい。レーザスポットのエネルギー密度が２．０ｋＷ/ｍｍ2を超えると、レーザ照射位置における溶接金属の蒸発が活発になり、金属蒸気が開先壁面に付着して溶接金属の溶着を阻害するのでエネルギー密度は２．０ｋＷ/ｍｍ2以下に制限される。また、エネルギー密度が０．５ｋＷ／ｍｍ2以下になると反射光による開先壁面の溶融が行われなくなる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、レーザスポットの走査周期１回分のうち、溶接進行方向に対してレーザスポットの左側溶融プール領域あるいは右側溶融プール領域内でレーザスポットの反復回数を増やすことで開先壁面の溶融促進効果が得られる。すなわち、図７に示すレーザスポット通過点Ａ〜Ｄの４点について、（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）→（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）のようにレーザスポットを反復走査することによって、開先壁面と溶接金属との溶着が促進される効果がある。
【００２４】
反復回数が増大すると溶融プールの幅がさらに大きくなるが、過度に溶融プール幅が増えるとアンダカットと呼ばれる凹みが開先壁面と溶融プールの境界部に生じる。アンダカット部には未溶着欠陥が生じるため、溶接欠陥の抑制される反復回数には範囲がある。また、レーザスキャナ装置によってレーザスポットの移動速度には上限があるので、反復回数を多くした場合に、レーザ走査周期が長くなってしまうと、開先底面において周期的に未溶融欠陥が生じる場合がある。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、溶融プール表面において、レーザスキャナと呼ばれる複数の鏡を組み合わせたレーザ装置を溶接部近傍に対してレーザスポットを２次元走査するために使用されるが、レーザヘッドを移動することでもレーザスポットを２次元走査することができる。
【００２６】
溶融プール監視カメラは、レーザ光線照射方向と同じ方向から溶融プールを観察し、レーザスポットの走査範囲を決定するために使用される装置であるが、レーザの光軸とは異なる方向に設置したカメラを用いても良い。
【００２７】
フィラーワイヤは、開先内部の空間を埋めるための溶着金属形成に使用される。フィラーワイヤと溶接母材との間にはホットワイヤ加熱電源装置によって電流が流され、フィラーワイヤがジュール加熱される。これにより、低出力レーザ溶接装置を用いても溶融プールの大きさが保たれる効果がある。
【００２８】
フィラーワイヤ供給ノズルは、例えば内部にフィラーワイヤのガイド孔を有する耐熱セラミックからなり、通電加熱によって柔らかくなったフィラーワイヤを溶融プール中央に導くためのものであり、フィラーワイヤが開先壁面に接触し、付着することで溶接作業が阻害されることを防止する効果がある。前記ガイド孔内部に、不活性シールドガス供給装置からアルゴン、窒素、炭酸ガス、ヘリウム、あるいはこれらの混合ガスを流通することで高温の溶融プール、高温の溶着金属及びフィラーワイヤの酸化防止効果が得られる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１、４記載の発明によれば、溶融プール表面上を溶接進行方向に対して同じ側にある開先の両壁面のいずれか一方の壁面と溶融プールの境界線と溶接ワイヤ側縁との間を通り、溶接ワイヤを照射しないように溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る略Ｕ字形の軌跡上を前記レーザスポットを往復走査させることで、開先壁面と開先底面の溶融促進効果と凹型溶接ビードの形成により、溶着金属の積層時の溶接欠陥抑制効果がある。
【００３０】
請求項２に記載の発明によれば、往復走査されるレーザのスポット径（Ｒ）と一対の開先壁面の幅（ｔ）とワイヤ径（ｗ）との間に前記式（１）の関係があることで、レーザ光がフィラーワイヤまたは金属製の溶接母材上面に干渉することなく、また開先壁面へのレーザ光の反射が十分に行われるため開先壁面の未溶着欠陥が生じない。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、レーザスポットの走査周期１回分のうち、左側溶融プール領域あるいは右側溶融プール領域内でレーザスポットの反復回数を増やすことで開先壁面の溶融促進効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例で用いられる装置構成を示す模式図である。
【図２】本発明のレーザスキャナの構造を示す模式図である。
【図３】本発明の監視カメラで取得される溶接中の溶融プール画像である。
【図４】本発明の左右開先壁および前方開先底面と溶融プールとの境界線を説明する図である。
【図５】本発明のレーザスポット径の最大径を説明する図である。
【図６】本発明のレーザ照射範囲を説明する図である。
【図７】本発明のレーザ照射経路の通過点をあらわす。
【図８】本発明の実施例で用いられるレーザスポット条件範囲である。
【図９】溶接試験結果の断面模式図
【図１０】本発明の実施例の方法で得られる溶接部の溶込み断面形状である。
【図１１】従来キーホール型溶接で得られる溶接部の溶込み断面形状である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
［実施例１］〜［実施例９］
以下に添付の図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明であるレーザ狭開先多層盛溶接に使用される溶接装置の構成および溶接中の状況について、溶接進行方向に対して右側面より見た状態を模式的に示している。レーザ装置２４に設けられるレーザ溶接ヘッド１からレーザ光２が溶融プール７に向かって照射される。また、耐熱セラミックス製の管であるフィラーワイヤノズル４の内部にはフィラーワイヤ３のガイド孔を有しており、フィラーワイヤノズル４の先端からフィラーワイヤ３が露出している。また、ホットワイヤ加熱電源装置５によって、フィラーワイヤ３と母材８との間に電流を流し、フィラーワイヤ３をジュール熱により加熱する。フィラーワイヤノズル４は，開先底面１２に対して進行方向後ろ側から８０°の角度でレーザ照射位置に向けて溶接方向後側からフィラーワイヤ３を送給できるように固定されている。
【００３４】
そして加熱されたフィラーワイヤ３の先端を母材８の溶着金属２０の先端部に形成される溶融プール７に挿入する。溶融プール７および高温の溶着金属２０の酸化を防止するためにシールドガス送給ノズル６からアルゴンガスなどの不活性ガスを用いて溶接部に噴出している。本実施例では不活性ガスとしてアルゴンガスを使用したが、窒素、炭酸ガス、ヘリウム又はこれらの混合ガスを用いても良い。
【００３５】
本実施例では、溶融プール７の表面にレーザスポット２１（図５参照）が形成されるように、レーザ光２の焦点位置を溶接部上方とした。
【００３６】
レーザ溶接ヘッド１には図２に示すようにＸ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２からなるレーザ光線の２次元走査機構、いわゆるレーザスキャナが内蔵されており、レーザ光源３０からのレーザ光２をＸ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２により反射して二次元上の照射範囲３４に照射する。レーザ溶接ヘッド１には、溶融プール観察用同軸カメラ９が接続されており、図３の溶接部の平面図に示すように、母材８の開先壁面１０、１１及び開先底面１２で囲まれた領域にフィラーワイヤ３が挿入され、フィラーワイヤ３の先端部の周りに溶融プール７が形成されていることがカメラ９による画像で得られる。この画像から図４の溶接部の平面図に示すような溶接進行方向の左側溶融プール領域１６、前方溶融プール照射領域１７及び右側溶融プール領域１８が得られ。また溶融プール７と開先先端との境界線１３がこれら左側溶融プール領域１６、前方溶融プール照射領域１７及び右側溶融プール領域１８でのレーザ光２の照射により開先壁面１０、１１及び開先底面１２との間に形成される。
【００３７】
図５の溶接部の平面図に示すレーザスポット２１の径Ｒはフィラーワイヤ３の側縁から同じ側にある開先壁面１０又は１１までの長さに等しいものとする。
【００３８】
図６の溶接部の平面図に対応させて示すようにレーザスポット２１の移動軌跡２３は略Ｕ字形をしており、レーザ照射範囲２２をレーザ光２が往復走査する。
【００３９】
表１には、レーザスポット２１を略Ｕ字形の移動軌跡上を走査させたことによる効果を検証した溶接実験結果を示す。この実験では、母材８はボイラ用鋼材である前記火ＳＣＭＶ２８板材（厚さ３０ｍｍ）とし、これに開き角度が１°で、開先壁面１０，１１の上端の開き幅が２〜１０ｍｍの開先を設け、フィラーワイヤ３は直径１．０ｍｍのＴＧＳ−９Ｃｂ（株式会社神戸製鋼所製）を用いた。
【表１】
表１には、本発明の各実施例と比較例で用いた溶接条件と、そのときの溶接欠陥の発生状況を示す。この溶接実験では、いずれの溶接速度も３００ｍｍ／分としたが、１００〜８００ｍｍ／分までの範囲での接合が可能である。また、フィラーワイヤ３の送給量Ｌ(ｍｍ／分)は開先幅ｔに対してＬ＝１９０×ｔ2とし、高さ約ｔ／２の分だけ、１パスごとに溶接金属が積層されるようにした。
【００４０】
レーザスポット２１の走査速度に関して、２０〜２００ｍｍ／秒の範囲において溶接が可能であった。比較例１のように走査速度が低くなりすぎると、例えば図４の溶融プール領域１６をレーザが照射している間、溶融プール領域１７および溶融プール領域１８が凝固してしまい、フィラーワイヤ３を挿入することができなくなり、継手を形成できなかった。これに対して、比較例２のように、走査速度が高くなりすぎると、開先の溶融が不十分となり未溶着欠陥を生じた。また、比較例３のように、開先幅ｔが狭い場合には、レーザスポット２１をフィラーワイヤ３に干渉しないように走査することが困難となる上に、レーザスポット２１が小さくなりすぎてしまい、高いエネルギー密度となるために深い溶け込みが生じて溶接ビードの中央に割れを生じた。
【００４１】
これに対し、比較例４のように、開先幅ｔが広い場合には、レーザスポット２１が大きくなりすぎてしまい、開先壁面の溶着が行われにくくなった。このため開先壁面が溶融せず、溶接金属の溶着が行われなかった。
比較例５および６は、レーザ光２を左右に揺動した場合の溶接結果である。開先幅ｔが３ｍｍと狭い場合は、比較例３と同様に深い溶込み形状となり、溶接金属中央に割れが生じた。開先幅ｔが５ｍｍとなると、今度は開先底面１２の溶融が不十分となり、溶融接合が行われなくなった。
【００４２】
レーザスポット２１を固定した比較例７および８においては、溶融プール７の表面でレーザ光２の反射が生じ、開先面の一部との溶着が行われたが、本試験例のように、開先幅ｔに対して溶接ビードの深さｈが比較的大きい条件であるために、未溶着欠陥を生じた。
【００４３】
レーザスポット２１を前後に揺動した比較例９および１０においては、溶融プール７の底面の溶融が促進されたものの、開先壁面に対しては溶融が完全にはなされない結果となった。
【００４４】
［実施例１０］
開先幅ｔ：３〜８ｍｍ、フィラーワイヤ径１ｍｍ、１、２ｍｍ、溶接速度：３００ｍｍ／分、スポット揺動速度：１００ｍｍ／秒の条件で、５層の狭開先溶接を行った時の溶接欠陥に及ぼすレーザスポット条件の影響を評価した。図８は、レーザ出力：Ｐ（ｋＷ）、レーザスポット径Ｒ（ｍｍ）、一対の開先壁面１０，１１の幅ｔ（ｍｍ）、ワイヤ径ｗ（ｍｍ）とし、比スポット径（＝Ｒ／(（ｔ−ｗ）／２) ）を横軸、エネルギー密度（＝Ｐ／（（Ｒ／２）2・π））を縦軸とし溶接の状況を分類した。
【００４５】
比スポット径が１を超える領域、すなわちレーザスポット２１がフィラーワイヤ３あるいは金属製の溶接母材上面（開先壁面１０，１１の隣接部位である母材上面）に干渉する領域においては、フィラーワイヤ３の溶断や、開先壁面１０，１１の上部にレーザ照射が行われる。フィラーワイヤ３の溶断の場合は、フィラーワイヤ３が溶融した液滴（スパッタ）が開先壁面１０，１１の内側に飛散し、溶着金属を積層する際の障害となった。開先壁面１０，１１に隣接部位である母材上面にレーザ照射が行われる場合は、開先壁面１０，１１の寸法が変化し、溶接を続けることが困難となった。比スポット径が０．５以下の領域では、開先壁面１０，１１の溶融が十分になされず、溶着金属と開先壁面１０，１１とが溶融接合されていない部位が観察された。
【００４６】
エネルギー密度が２．０ｋＷ／ｍｍ2を超える領域においては、溶接部から激しく金属蒸気が発生し、深い溶け込みを生じて溶接金属中央部に割れが生じた。また、エネルギー密度が０．５ｋＷ／ｍｍ2以下の領域においては、開先底面１２、あるいは左右開先壁面１０，１１の溶着がなされなかった。
【００４７】
以上の結果より、溶接欠陥を生じないレーザスポット２１の条件範囲としては、幾何学的条件として比スポット径が０．５〜１の範囲、すなわち（ｔ−ｗ）／２≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／４ の関係を満たした上で、熱的条件としてエネルギー密度範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることを満たすことが望ましい。
【００４８】
［実施例１１］〜［実施例１３］
開先幅ｔ：５ｍｍ、フィラーワイヤ径：１ｍｍ、溶接速度：３００ｍｍ／分、スポット揺動速度：１００ｍｍ／秒、レーザスポット径：２ｍｍ、レーザスポット２１のエネルギー密度：０．５ｋＷ／ｍｍ2の条件で、５層の狭開先溶接を行い、レーザスポット２１の走査周期１回分のうち左側溶融プール７の領域あるいは左側溶融プール７の領域内でレーザスポット２１の反復回数を増加する溶接方法を試験した。
【００４９】
図７に示すレーザスポット通過点Ａ、通過点Ｂ、通過点Ｃ、通過点Ｄの４点について、（Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ）→（Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ）→・・・のように実施例１〜９の略Ｕ字形の走査経路に相当する走査経路を，反復回数１回の経路と定義する。
【００５０】
これに対し，（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）→（Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ）→（Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｄ→Ｃ）→・・・のように片側の溶融プール７の領域内でレーザスポット２１をそれぞれ２回ずつ往復する反復走査する場合を反復回数２回の経路と定義する。
【００５１】
表２は反復回数による溶込み形状を比較したものであり、反復回数が２回、３回の経路においては開先壁面の融合が促進されて良好な溶接断面を取得できたが、反復回数がさらに増大すると、開先壁面１０，１１は大幅に溶融し、図９の（Ｆ）に見られるアンダカットと呼ばれる欠陥を生じた。さらに反復回数を増大すると、開先底面１２の未溶融の部位が観察された。
【００５２】
なお、図９の（Ａ）が正常な溶接断面であり、（Ｂ）は溶け込みが深すぎて溶接金属中央部に割れが生じてしまった溶接断面であり、（Ｃ）は開先壁面１０，１１の下側と開先底面１２に未溶着部分が生じた場合の溶接断面であり、（Ｄ）は凸型ビートができ、層間の開先壁面１０，１１が未溶着状態のままとなった場合の溶接断面であり、（Ｅ）は凸型ビートができ、開先壁面１０，１１に未溶着部分ができた場合の溶接断面である。
【表２】
こうして図１０の溶接部の溶け込み断面図に示すような、未溶着欠陥の無い、幅が広くて浅い溶接金属が積層された多層盛溶接が得られる。これは図１１に示す従来のキーホール型溶接によって得られる溶接部の溶け込み断面図と比較して、深い溶込形状によって生じる溶接金属の割れの抑制が可能となることが分かる。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザ溶接ヘッド ２ レーザ光線
３ フィラーワイヤ ４ フィラーワイヤノズル
５ ホットワイヤ加熱電源装置 ６ シールドガス送給ノズル
７ 溶融プール ８ 母材
９ 溶融プール観察用同軸カメラ １０ 開先左壁面
１１ 開先右壁面 １２ 開先底面
１３ 溶融プールと開先底面の境界線 １６ 左側溶融プール領域
１７ 前方溶融プール照射領域 １８ 右側溶融プール領域
２０ 溶着金属 ２１ レーザスポット
２２ レーザ照射範囲 ２３ レーザスポットの軌跡
２４ レーザ装置 ３０ レーザ光源
３１ Ｘ軸ミラー ３２ Ｙ軸ミラー
３４ 二次元上の照射範囲
【特許請求の範囲】
【請求項１】
狭開先加工した金属製の溶接母材の開先底面に形成される溶融プールに焦点を外したレーザ光を照射しつつ溶接母材とフィラーワイヤ間に通電したホットワイヤを供給しながら行われるレーザ狭開先多層盛溶接法において、
開先底面に形成される溶融プール表面上をレーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットが、フィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間を通り、かつ溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る、略Ｕ字形の軌跡上を往復走査して連続溶接することを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接方法。
【請求項２】
レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットの径（Ｒ）が、開先壁面の幅（ｔ）、ワイヤ径（ｗ）としたときに、次式（１）
（ｔ−ｗ）／４≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／２ （１）
の関係を満たすレーザスポット径（Ｒ）の範囲であって、かつレーザ光の狙い位置におけるレーザスポットのエネルギー密度の範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることを特徴とする請求項１記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法。
【請求項３】
レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットの略Ｕ字状の軌跡を通る１回のレーザスポット走査周期のうち、レーザスポットが溶融プールと左右開先壁面との境界線とフィラーワイヤの間を通る回数と、溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る回数を変化させることを特徴とする請求項２記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法。
【請求項４】
狭開先形状を加工した金属製の溶接母材の開先中央部にフィラーワイヤを送給するためのフィラーワイヤ送給ノズルと、
ホットワイヤを得るためのフィラーワイヤの加熱電源装置と、溶接部へ不活性シールドガスを供給するための不活性シールドガス供給装置と、
溶融部に形成される溶融プールを監視するための監視カメラと、
溶融プール上のフィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間および溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る略Ｕ字形の軌跡上を、レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットを往復走査させて溶接部にレーザ光を照射するためのレーザスポット走査機構を有するレーザ装置
を備えたことを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接装置。
【請求項１】
狭開先加工した金属製の溶接母材の開先底面に形成される溶融プールに焦点を外したレーザ光を照射しつつ溶接母材とフィラーワイヤ間に通電したホットワイヤを供給しながら行われるレーザ狭開先多層盛溶接法において、
開先底面に形成される溶融プール表面上をレーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットが、フィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間を通り、かつ溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る、略Ｕ字形の軌跡上を往復走査して連続溶接することを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接方法。
【請求項２】
レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットの径（Ｒ）が、開先壁面の幅（ｔ）、ワイヤ径（ｗ）としたときに、次式（１）
（ｔ−ｗ）／４≦Ｒ≦（ｔ−ｗ）／２ （１）
の関係を満たすレーザスポット径（Ｒ）の範囲であって、かつレーザ光の狙い位置におけるレーザスポットのエネルギー密度の範囲が０．５〜２．０ｋＷ/ｍｍ2であることを特徴とする請求項１記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法。
【請求項３】
レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットの略Ｕ字状の軌跡を通る１回のレーザスポット走査周期のうち、レーザスポットが溶融プールと左右開先壁面との境界線とフィラーワイヤの間を通る回数と、溶融プールと前方開先底面との境界線上を通る回数を変化させることを特徴とする請求項２記載のレーザ狭開先多層盛溶接方法。
【請求項４】
狭開先形状を加工した金属製の溶接母材の開先中央部にフィラーワイヤを送給するためのフィラーワイヤ送給ノズルと、
ホットワイヤを得るためのフィラーワイヤの加熱電源装置と、溶接部へ不活性シールドガスを供給するための不活性シールドガス供給装置と、
溶融部に形成される溶融プールを監視するための監視カメラと、
溶融プール上のフィラーワイヤを挟んで同じ側にある開先壁面と溶融プールの境界線とフィラーワイヤ側縁の間および溶融プールと前方開先底面との境界線上を、フィラーワイヤを照射しないように通る略Ｕ字形の軌跡上を、レーザ光の焦点を外して得られるレーザスポットを往復走査させて溶接部にレーザ光を照射するためのレーザスポット走査機構を有するレーザ装置
を備えたことを特徴とするレーザ狭開先多層盛溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２０６１４４（Ｐ２０１２−２０６１４４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４０９９（Ｐ２０１１−７４０９９）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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