溶接方法および溶接装置
二つのエッジ部分（５４ａ，５４ｂ）間に溶接シーム（５２）を形成する溶接装置及び溶接法であり、前記エッジ部分（５４ａ，５４ｂ）は、根本部分（５８）及び傾斜部分（６０）を有するＹ接合部を形成し、前記根本部分（５８）は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（２）によってプラズマ及び溶融金属の単一の相互作用域（２４）にレーザービーム（１０）及びアーク（２２）をあてることを含むハイブリッドレーザー・アーク溶接法で溶接される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は、Ｙ接合部を溶接するために、共通のキャリア機構（４６，５０）に配置される。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、二つのエッジ部分の間において傾斜した接合部に溶接シームを形成する溶接方法（溶接法）に関する。特に、この発明は、１または複数のワークピースが比較的厚く、厚みが２０ｍｍを超える場合において、接合対象の１または複数のワークピースの二つのエッジ部分の間の傾斜した接合部に溶接シームを形成する溶接方法に関する。この発明はさらに、このような溶接法を行うための溶接装置に関する。
【背景】
【０００２】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法［Ｈｙｂｒｉｄ ｌａｓｅｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ］は、製造業において広く使用される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法はレーザー溶接法とアーク溶接法の組み合わせであって、レーザービームとアークが、接合対象の１または複数のワークピースにおける一つの相互作用域に向けられる。レーザービームは、総計約１ＭＷ／ｃｍ２程度になる高い強度をもたらしうる。レーザービームは、幅に対して深さの大きいキーホールとして知られる蒸気キャビティを形成する。一般的にアークは、約１ｋＷ／ｃｍ２程度の実質上低い強度をもたらす。しかしながら、アークの焦点スポットは実質上大きい。その結果、アーク溶接プロセスによるシームは広い。この理由で、ギャップを埋めるにはアーク溶接法を使用した場合が相当よい。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法では、二つの溶接法の利点が組み合わせられる。その結果、各溶接法を単独で行う場合と比較して、より速い溶接速度および接合深さが得られる。それぞれの溶接法からの入力比率はいずれの溶接法がハイブリッドレーザー・アーク溶接法に影響するかを決定する。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法は、シールドガスの下で行われ、そこでレーザービームとアークが本質的に同じ位置でワークピースに作用する。
【０００３】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の一例はＵＳ７２８８７３７に示される。これは、少なくとも互いに溶接されるエッジ部分間の傾斜部分に溶融した材料を堆積させる、レーザー／ＭＩＧハイブリッド溶接に関する。ＵＳ７２８８７３７に示される方法は複数のワークピースの二つのエッジ部分の間に６０ｍｍまでの厚みを有する溶接シームを形成するのに適すると提案されている。
【０００４】
しかしながら、先行技術の方法を用いて高品質の接合部を形成することは困難であることが示された。厚いワークピースのエッジ部分間に溶接シームを形成する場合に、安定的な溶接法の達成の困難性を含む問題が起こりうる。不安定な溶接法において、ワークピースへの進入が変化し、蒸気で充満したキャビティが潰れて溶融金属が１または複数のワークピースの裏側に染み通る危険性がある。裏張りは、エッジ部分間のギャップから溶融材料が流出し、失われ、再度必要になりうることを回避するために、よく知られる方法である。しかし、裏張りはアクセスの制限によって物理的に妨げられる場合がある。
【０００５】
厚いワークピースの間に溶接シームを形成する際に生じうる別の問題は、接合部周りの硬く脆い領域の形成により溶接シームが悪化する可能性があるということである。急冷中に硬く脆い領域がシームに形成される。接合対象のワークピースの厚みが増加すると、局所的な硬く脆い領域の形成の問題が増加するかもしれないということが示された。この局所的な硬く脆い領域の形成の問題は、高強度鋼、すなわち降伏強さが３５５Ｍｐａを超える鉄鋼、を溶接する場合にもまた増加する。そのような材料を使用する場合、接合部の周りの領域での材料硬度のピークは、低強度の材料の溶接と比較して高くなる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上述の問題を緩和することを目的とする。
【０００７】
この目的は請求項１に記載の溶接方法によって達成される。発明は二つのエッジ部分間に溶接シームを形成するための溶接法に関する。このエッジ部分は根本部分［ｒｏｏｔ ｐｏｒｔｉｏｎ］と傾斜部分［ｂｅｖｅｌ ｐｏｒｔｉｏｎ］を有するＹ接合部を成す。本発明に係る溶接方法では根本部分はハイブリッドレーザー・アーク溶接法によって溶接される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法は、レーザービーム及びアークを、根本部分に配されるプラズマ及び溶融金属の単一の相互作用域に向ける。ハイブリッドプロセスは高温および低い熱入力を特徴としている。したがって、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の使用により、オーバーヒート域を含む熱影響域が比較的狭くなり、この熱影響域で接合点の硬度が増す。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法に影響された領域での硬度を低下させるため、本発明では傾斜部はサブマージアーク溶接法で溶接される。さらに、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッドおよびサブマージアーク溶接ヘッドは、共通のキャリア機構上に配置される。したがって単一のパスにおけるＹ接合部の溶接が可能になる。サブマージアーク溶接法は熱入力が高い割に入力電力が低い特徴がある。サブマージアーク溶接法でワークピースへ移動した熱は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法により熱影響を受けた領域を熱処理し、ハイブリッドレーザー・アーク溶接によって形成された硬く脆い領域の硬度のピークを低減する。
【０００８】
本発明のプロセスは特に、根本部分の厚みが８ｍｍを超え、好ましくは１０ｍｍを超える、接合部を溶接するのに適している。厚いルートシームを形成する際に良好にレーザーをワークピースに進出させるために、好ましくは、レーザーの強さは、溶接速度が１ｍ／分である場合に、１ｍｍルート厚さあたり１ｋＷになるべきである。すなわち、８ｍｍの接合部には溶接速度が１ｍ／分である場合に、好ましくは８ｋＷになるべきである。対応して、１０ｍｍの接合部には、溶接速度が１ｍ／分である場合に、レーザーの強さは好ましくは１０ｋＷになるべきである。この要件は７−３０ｍｍの厚さのルートに適用可能であるかもしれない。
【０００９】
溶接法を安定的に保ち、蒸気キャビティの蒸気圧が溶融金属の液溜まりに耐えるとともに、十分な架け渡し機能を供給するために、アーク溶接法での入力はレーザーの強さと均衡するべきであり、ハイブリッドプロセスにおけるアーク溶接法での力はレーザーにより供給される力と同等になるべきである。したがって、ハイブリッドプロセスにおけるアーク溶接に対するレーザーの力の割合は、好ましくは０．９〜１．１の間になるべきである。
【００１０】
レーザービームとアークの個々の影響は根本部分の厚みによって分配され、溶接速度は、したがって、好ましくは１Ｗｓ／ｍ２に相当するべきである。
【００１１】
８ｍｍを超える根本部分を溶接する際のレーザーからの入力において、アーク溶接法からの入力は、接合部における硬度のピークの高さを十分に低減するための高い熱入力を提供するほどに十分に高くなることができない。ハイブリッド法に続くサブマージアーク溶接法の使用で、硬度のピークを十分にならすための十分に大きな熱入力を達成することができる。
【００１２】
熱入力は傾斜部分の容積に比例するので、必要な熱入力は傾斜部分の深さに依存する。１５ｍｍを超え、好ましくは２０ｍｍを超える深さを有する傾斜部分のために、厚い根本部分に適切な熱入力が供給される。根本部分の厚さと傾斜部分の深さの比は０．４〜０．６の範囲であることが特に好ましい。
【００１３】
上述の溶接法は、１５ｍｍを超え、好ましくは３０―６０ｍｍの厚さのワークピースに、単一の溶接パスによって、二つのエッジ部分の間に溶接シームを形成することを可能にする。このエッジ部分は、根本部分及び傾斜部分を有するＹ接合部を形成する。本発明の溶接法は、したがって、厚い物品への溶接シームの効率的な生産を可能にする。ここで、硬く脆い領域での硬度のピークレベルが十分に下がるので、溶接シームの品質は維持され得る。
【００１４】
本発明の溶接法は、少なくとも一つのエッジが、３５５Ｍｐａを超す降伏強さを有する高強度のワークピースの一部である場合に、溶接シームを形成するのに特に適している。
【００１５】
サブマージアーク溶接法の熱影響域がハイブリッドレーザー・アーク溶接法の熱影響域を包含するように、サブマージ・アーク溶接法の溶接パラメータがされ得る。
【００１６】
発明の方法は、Ｙ接合部を形成するエッジ部分間における溶接シームの形成に関する。Ｙ接合部には根本部分及び傾斜部分がある。傾斜部分は接合対象の１または複数のワークピースの第１の側に配され、根本部分は接合対象の１または複数のワークピースの反対の第２の側にまで延びる。
【００１７】
また、発明は、根本部分及び傾斜部分を有するＹ接合部を溶接する溶接装置に関する。作業工程において、傾斜部分が接合対象の１または複数のワークピースの第１の側に配置されるとともに、根本部分は接合されるワークピースの反対の第２の側に延びる。溶接装置は、前述の根本部分を溶接するために設けられたハイブリッド溶接ヘッドを含む。施工においてハイブリッド溶接ヘッドは前述の第１の側に対向して搭載される。溶接装置はさらに、前述の第１の側に向けて搭載されたサブマージアーク溶接ヘッドを含む。両ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージアーク溶接ヘッドは、共通のキャリア機構に搭載される。したがって、ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージアーク溶接ヘッドは接合対象である１または複数のワークピースの同じ側から作用する。したがって、この溶接装置は、単一の溶接パスで、厚いワークピースにおけるシームの溶接を可能にする。そこで、根本部分の単一のパスはハイブリッドレーザー・アーク溶接法で接合され、傾斜部分はサブマージアーク溶接法で接合される。共通のキャリア機構は、固定キャリア機構あるいは可動キャリア機構である。共通のキャリア機構の目的は、根本部分を溶接するハイブリッドレーザー・アーク溶接法と、傾斜部分を溶接するサブマージアーク溶接法とを組み合わせ、単一のパスでＹ接合部の溶接を可能にすることである。ここで、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の両溶接ヘッドは、ワークピースの傾斜側に配される。この目的のため、共通のキャリア機構は、例えば複数の溶接ヘッドを運搬する単一のブラケット、フレーム、アーム、キャリッジなどにより適切にユニット化され得る。また、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の両溶接ヘッドがワークピースの傾斜側に配され、根本部分を溶接するハイブリッドレーザー・アーク溶接法と傾斜部分を溶接するサブマージアーク溶接法とを組み合わせ単一のパスでＹ接合部の溶接を可能にするという目的を満たすとともに複数の要素が複数の溶接ヘッドを溶接シームに対して一致して移動させられるのであれば、代わりに、共通のキャリア機構が複数のブラケット、フレーム、アーム、キャリッジ等の複数の要素で構成され、一方の溶接ヘッドが一方の要素で運搬されるとともに他方が他の要素で運搬されもよい。
【００１８】
溶接装置はさらに、共通のキャリア機構と接合対象の１または複数のワークピースとを相対移動させるために設けられたアクチュエータを含む。
【００１９】
ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージアーク溶接ヘッドは、接合対象の１または複数のワークピースの上あるいは上方で推進する共通のキャリア機構に搭載され得る。あるいは、ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージ溶接ヘッドが固定された共通のキャリア機構に搭載され、接合対象の１または複数のワークピースを推進させるアクチュエータを配してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
発明の実施例は付された図面に関連して下記に記述される。
【図１】図１は、ハイブリッド溶接ヘッドとサブマージ溶接ヘッドを含む溶接装置の断面を示す。
【図２】図２は、本発明における、共通の固定キャリア機構に搭載された溶接装置を示す概要を示す。
【図３】図３は、本発明における、共通の可動キャリア機構に搭載された溶接装置を示す概要を示す。
【図４】図４は、第１及び第２のワークピースのエッジ部分間にシームを形成する溶接法（溶接方法）を示す概要を示す。
【図５】図５は、傾斜部分と根本部分を有するＹ接合部を形成する二つのワークピースのエッジ部分の図形を示す。
【図６】図６は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法とサブマージアーク溶接法の組合せで形成された溶接シーム熱影響域の図形を示す。
【図７ａ】図７ａは、両ハイブリッドレーザー・アーク溶接法およびサブマージアーク溶接法が完了した後の接合部の材料硬度の分布を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法が完了した後、サブマージアーク溶接法が始まる前の接合部の材料硬度の分布を示す。
【図８】図８は、発明にかかる溶接法の温度の図表を示す。
【詳細な説明】
【００２１】
図１に、ハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージ溶接ヘッド４を含む溶接装置１が示される。溶接装置は接合対象の一組のワークピース６における二つのエッジ部分間で溶接シームを形成する。ハイブリッド溶接ヘッドは、Ｙ接合部の根本部分内に焦点を合わせられるレーザービーム１０を発する光学システム８を含む。レーザービーム１０はＹＡＧレーザーあるいはＣＯ２レーザーによって生じうる。ハイブリッド溶接ヘッドは、突出する電極１４を含むアーク溶接ヘッド１２をさらに含む。アーク溶接ヘッド１２は、ガスメタルアーク溶接ヘッド、タングステン不活性ガス溶接ヘッドあるいはプラズマアーク溶接ヘッドであり得る。溶接域１８にシールドガス１６が注がれる。示される実施形態では、シールドガス１６は、アーク溶接ヘッド１２にあるノズル２０を通じて注がれる。両アーク２２及びレーザービーム１０は、シールドガス１６に覆われた単一の相互作用域２４に作用する。ハイブリッド溶接ヘッドの様々な変形が知られている。これらの変形は、レーザービームの先及び／又は後に位置するアーク溶接ヘッドを含み得る。実施形態は単一のアーク溶接ヘッドがレーザービームの後に位置している。施工において、レーザービームは、一般にキーホールと呼ばれる深く狭いキャビティ２６を形成し、そこに蒸発した（ｖａｐｏｒｉｚｅｄ）金属が存在する。キーホール２６は溶融金属２８で囲まれている。ハイブリッド溶接ヘッドは、当業者に知られる任意の従来のタイプでありうる。したがって、より詳細には記述されない。
【００２２】
サブマージアーク溶接ヘッド４は矢印３０で示される溶接方向においてハイブリッド溶接ヘッド２よりも後ろに位置する。サブマージ溶接ヘッド４は、フラックス粉アプリケーター３２と、溶接対象域を覆うフラックス粉の層３８を貫通する消耗し得る電極３６ａ．３６ｂを供給する１以上の電極ヘッド３４ａ，３４ｂと、を含む。サブマージ溶接ヘッド４は、更なる利用のためにプロセスの終わりにフラックス粉を集めるフラックス粉収集装置４０をさらに含む。１または２以上の電極ヘッドを含む様々なタイプのサブマージ溶接ヘッドが知られている。示される実施形態では、二つの電極ヘッドが用いられる。各電極ヘッドは、消耗し得る電極３６ａ，３６ｂから溶融金属が供給される溶接プール４２ａ，４２ｂを創る。各電極３６ａ、３６ｂはアーク３７ａ、３７ｂを生成する。溶接法（溶接プロセス）の間、溶融金属４４の領域は溶接シームを構築する。サブマージアーク溶接ヘッドは、当業者に知られる任意の従来のタイプでありうる。したがって、より詳細には記述されない。
【００２３】
図２では、共通の固定キャリア機構４６上に搭載された溶接装置１の概略図が示される。ハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージ溶接ヘッド４は両方とも、ワークピース６の同じ側に作用する。共通の固定キャリア機構４６はハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージアーク溶接ヘッド４を運搬する。ハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージアーク溶接ヘッド４は互いに間隔Ｄを介して搭載されている。間隔Ｄはレーザービームからサブマージアーク溶接ヘッドにおける第１の電極３６ａの位置までの寸法を取る。サブマージアーク溶接プロセスを遅らせうるワークピースからの超過熱エネルギー量の分散を許すことなくＹ接合部の根本部分に形成されたシームが十分に冷えるように、間隔Ｄは好ましくはｘｍｍ〜ｙｍｍの範囲に選択される。図に示される実施形態では、共通の固定キャリア機構４６を通過して１または複数のワークピース６を移動させることにより、共通の固定キャリア機構４６と接合対象の１または複数のワークピース６との相対移動を可能にする、アクチュエータ４８が配置される。図３に示される実施形態では、望ましくはワークピース６上にキャリア機構５０運搬するホイールを含むアクチュエータ機構によって１または複数のワークピース６に対して相対移動可能な共通の可動キャリア機構５０に、溶接ヘッド２，４を配し、相対移動が遂行される。
【００２４】
図４には、第１及び第２のワークピース６ａ，６ｂのエッジ部分５４ａ，５４ｂ間にシーム５２を形成するための溶接法の概略図が示される。エッジ部分５４ａ，５４ｂは、根本部分５８および傾斜部分６０を有するＹ接合部５６を形成する。プラズマと溶融金属の単一の相互作用域２４にレーザービーム１０及びアーク２２を向けることを含むハイブリッドレーザー・アーク溶接法によって、根本部分５８は溶接される。図４の位置Ａにおけるワークピース６ａ，６ｂ間の根本部分内にレーザービームを向けることでルート溶接を行う。根本部分５８にはキーホール２６が形成されている。キーホール２６は好ましくは根本部分を通って進入することを許容されるべきである。したがって、キーホールは十分な進入の自己的なレーザー溶接プロセスにて形成される。
【００２５】
レーザービームの周辺にアークを発生させるためにアーク溶接ヘッド１２が設けられる。アーク溶接ヘッドは、ガスメタルアーク溶接ヘッド、タングステン不活性ガス溶接ヘッド、または、プラズマアーク溶接ヘッドでありうる。アーク溶接ヘッドは、根本部分５８内に入り込みシームを形成する溶融金属を供給する。図４の位置Ｂにおいて、根本部分は溶融金属で満たされ、位置Ｃにおいて根本部分の金属は固体である。位置ＣとＤとの間において、フラックス粉が適用される。フラックス粉はしたがって、適切には、根本部分５８が固化した後に供給される。フラックス粉は、傾斜部分６０を覆う層３８として存在する。位置Ｄでは、第１のアークはサブマージアーク溶接プロセスで形成される。アークは第１の電極３６ａによって形成される。第１の電極３６ａは傾斜部分６０に液溜まり６２を形成する量の金属を溶融する。示される実施形態では、位置Ｅに配置された第２の電極は、傾斜部分６２が溶融材で満たされるように液溜まり５６を増加させる。位置Ｅに示されるように、溶接装置の単一のパスによって傾斜部分は溶融金属で満たされて完全な接合部を形成する。サブマージアーク溶接プロセスに用いられる電極の数は、したがって、傾斜部分のサイズに応じて適切に選択され得る。
【００２６】
図５において二つのワークピース６ａ，６ｂのエッジ部分５４ａ，５４ｂの図形が示され、そのエッジが根本部分及び傾斜部分６０を有するＹ接合部を構成する。ワークピース６ａ，６ｂは、１５ｍｍを超え、好ましくは３０−６０ｍｍの間の、厚みＴを有する。根本部分は、８ｍｍを超え、好ましくは１０ｍｍを超える、厚さＲを有する。傾斜部分は、１５ｍｍを超え、好ましくは２０ｍｍを超える、深さを有する。
【００２７】
根本部分の厚さと傾斜部分の深さの比は、適正には０．４〜０．６の間で選択される。
【００２８】
Ｙ接合部の図形は、サブマージアークプロセスからの十分な熱入力を許容し、ハイブリッドレーザー・アーク溶接で根本部分の周りに発生した硬度のピークを低減させるとともに、単一のパスでシームが形成可能であるように、選択される。
【００２９】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法では、レーザービームは、７ｋＷを超過する効力をもたらし、また、アークは、７ｋＷを超過する効力をもたらす。レーザービーム及びアークは実質的に等しい結果をもたらす。レーザービームとアークの個々の効力は根本部分の厚さに依存して選択される。好ましくは、レーザービームおよびアークの個々の効力は、根本部分の厚さによって配分され、溶接スピードは本質的に１Ｗｓ／ｍ２に相当する。
【００３０】
図６では、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法及びサブマージアーク溶接法の組み合わせで形成された溶接シーム６８における熱影響域６４，６６の図形が示される。傾斜部分６０は、ワークピース６ａ，６ｂの第１の側７０に配置され、根本部分５８はワーク６ａ、６ｂの反対の第２の側７２にまで延びている。サブマージアーク溶接法の溶接パラメータは、好ましくは、サブマージアーク溶接法による熱影響域６６が対向する第２の側７２にまで下に延びるように選択される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法による熱影響域６４は、根本部分５８の周りに及び、好ましくは反対の第２の側７２にまでずっと延びる。
【００３１】
サブマージアーク溶接法の溶接パラメータは、図に示されるように、サブマージアーク溶接法による熱影響域６６がハイブリッドレーザー・アーク溶接法による熱影響域６４を包含するように、選択される。
【００３２】
図７ａには、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法及びサブマージアーク溶接法の両方が完了した後の接合部の材料硬度分布が示される。
【００３３】
図７ｂには、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法が完了した後、サブマージアーク溶接法が始まる前の接合部の材料硬度分布が示される。
【００３４】
図７ａ，７ｂの溶接シームは、根本部分を溶接する単一パスのハイブリッド溶接法が、単一パスのサブマージアーク溶接法と組み合わされて完全なシームが形成される溶接法の実験によって得られた結果である。
【００３５】
接合部は１２ｍｍ厚のＣＭｎ鋼のＹ接合部である。Ｓｔ３５５グレード材料のサブマージアーク法はハイブリッドレーザー・アーク法と組合せで用いられる。実施例の目的で、４ｋＷのレーザーが用いられた。したがって、根本部分は４ｍｍ厚さを有するように選択される。傾斜部分は６０°の開角を有する。プレート寸法は、１５０×４００ｍｍである。プレート間の前角は５°である。
【００３６】
この方法では溶接実験を実行する際にガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）方法と組み合わせてレーザーを使用した。ＧＭＡＷ方法のエネルギー源はアリスト［Ａｒｉｓｔ］ＭＩＧ ５００Ｗである。レーザー源はランプ供給の、Ｄ７０処理光学を備えたトランプ［Ｔｒｕｍｐｆ］ＨＬ ４００６ ＤのＮｄ：Ｙａｇ共鳴装置である。
【００３７】
ＳＡＷ方法は、ＳＡＷの一対のセットアップを備えた溶接トラクターで行われる。エネルギー源はＬＡＦ６３５が連結された二つのスコット［Ｓｃｏｔｔ］である。
【００３８】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法への熱入力は、レーザービームからの０，２ｋＪ／ｍｍの寄与を有する０，７ｋＪ／ｍｍである。サブマージアーク溶接法からの熱入力は２．４ｋＪ／ｍｍである。
【００３９】
硬度の測定は、図７ａに示されるルートのハイブリッドレーザー・アーク溶接法を完了し、図７ｂに示される傾斜部分のサブマージアーク溶接法が完了した後に行われる。
【００４０】
最適な結果は、影響されない材料である母材における溶接域の冶金の特性に実質的に到達するであろう。ハイブリッドレーザー・アーク溶接は、黒鋼における高いマルテンサイト量、及び二相ステンレス鋼における高いフェライト含有量を有する、硬く脆い接合部を作る。
【００４１】
図７ａの材料硬度分布は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の完成後の接合点が熱影響域において４１０ＨＶを超える高さに達することを示す。硬度はこのように溶接シーム上で急激に変化し、熱影響域外の熱影響を受けない材料とは実質的に異なる治金特性を有する。その領域での硬度の派生は最大２００ＨＶ超えに達する。
【００４２】
サブマージアーク溶接法が溶接シームを完成した後、シームの熱影響域での硬度がサブマージアーク溶接法における熱入力よって、熱影響域での硬度がならされる。高度は熱影響域において最大１００ＨＶに達する。硬度の派生の最大はその領域において約５０ＨＶの範囲である。
【００４３】
テストは、提案の方法が、熱影響領域上において材料硬度の最大値が低く及び変化が小さい高強度鋼に高品質の溶接点を形成することを示す。
【００４４】
図８では、本発明の溶接法の温度グラフが示される。点線８０は接合点の中心位置の温度を示す。ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド８２の位置において、溶接が起こる。溶接域において、使用される材料に依存する約１５００℃の温度で金属が溶融する。溶接ヘッド８２は矢印８４で示される方向に伝わる。ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッドが通過した際、溶接点は冷やされはじめ、マルテンサイト形成が生じるマルテンサイト臨界温度Ｍに達する。これはレーザー溶接ヘッドが通過した後約３秒で生じる。接合される材料と同等の炭素の値に依存するマルテンサイト臨界温度Ｍは、約３００〜８００℃である。接合点がマルテンサイト温度に達した後、サブマージアーク溶接ヘッド８６は溶接工程を開始し、溶接シームに高い熱入力を生成する。サブマージアーク溶接法の間の熱入力は、好ましくはハイブリッドレーザー・アーク溶接法の間の熱入力の少なくとも３倍の高さである。
【００４５】
溶接スピードは約１ｍ／ｓとし、適正には、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッドおよびサブマージアーク溶接ヘッドを互いに５〜１００ｃｍの範囲、好ましくは１０−５０ｃｍ程度、の間隔で配置する。
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、二つのエッジ部分の間において傾斜した接合部に溶接シームを形成する溶接方法（溶接法）に関する。特に、この発明は、１または複数のワークピースが比較的厚く、厚みが２０ｍｍを超える場合において、接合対象の１または複数のワークピースの二つのエッジ部分の間の傾斜した接合部に溶接シームを形成する溶接方法に関する。この発明はさらに、このような溶接法を行うための溶接装置に関する。
【背景】
【０００２】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法［Ｈｙｂｒｉｄ ｌａｓｅｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ］は、製造業において広く使用される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法はレーザー溶接法とアーク溶接法の組み合わせであって、レーザービームとアークが、接合対象の１または複数のワークピースにおける一つの相互作用域に向けられる。レーザービームは、総計約１ＭＷ／ｃｍ２程度になる高い強度をもたらしうる。レーザービームは、幅に対して深さの大きいキーホールとして知られる蒸気キャビティを形成する。一般的にアークは、約１ｋＷ／ｃｍ２程度の実質上低い強度をもたらす。しかしながら、アークの焦点スポットは実質上大きい。その結果、アーク溶接プロセスによるシームは広い。この理由で、ギャップを埋めるにはアーク溶接法を使用した場合が相当よい。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法では、二つの溶接法の利点が組み合わせられる。その結果、各溶接法を単独で行う場合と比較して、より速い溶接速度および接合深さが得られる。それぞれの溶接法からの入力比率はいずれの溶接法がハイブリッドレーザー・アーク溶接法に影響するかを決定する。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法は、シールドガスの下で行われ、そこでレーザービームとアークが本質的に同じ位置でワークピースに作用する。
【０００３】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の一例はＵＳ７２８８７３７に示される。これは、少なくとも互いに溶接されるエッジ部分間の傾斜部分に溶融した材料を堆積させる、レーザー／ＭＩＧハイブリッド溶接に関する。ＵＳ７２８８７３７に示される方法は複数のワークピースの二つのエッジ部分の間に６０ｍｍまでの厚みを有する溶接シームを形成するのに適すると提案されている。
【０００４】
しかしながら、先行技術の方法を用いて高品質の接合部を形成することは困難であることが示された。厚いワークピースのエッジ部分間に溶接シームを形成する場合に、安定的な溶接法の達成の困難性を含む問題が起こりうる。不安定な溶接法において、ワークピースへの進入が変化し、蒸気で充満したキャビティが潰れて溶融金属が１または複数のワークピースの裏側に染み通る危険性がある。裏張りは、エッジ部分間のギャップから溶融材料が流出し、失われ、再度必要になりうることを回避するために、よく知られる方法である。しかし、裏張りはアクセスの制限によって物理的に妨げられる場合がある。
【０００５】
厚いワークピースの間に溶接シームを形成する際に生じうる別の問題は、接合部周りの硬く脆い領域の形成により溶接シームが悪化する可能性があるということである。急冷中に硬く脆い領域がシームに形成される。接合対象のワークピースの厚みが増加すると、局所的な硬く脆い領域の形成の問題が増加するかもしれないということが示された。この局所的な硬く脆い領域の形成の問題は、高強度鋼、すなわち降伏強さが３５５Ｍｐａを超える鉄鋼、を溶接する場合にもまた増加する。そのような材料を使用する場合、接合部の周りの領域での材料硬度のピークは、低強度の材料の溶接と比較して高くなる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上述の問題を緩和することを目的とする。
【０００７】
この目的は請求項１に記載の溶接方法によって達成される。発明は二つのエッジ部分間に溶接シームを形成するための溶接法に関する。このエッジ部分は根本部分［ｒｏｏｔ ｐｏｒｔｉｏｎ］と傾斜部分［ｂｅｖｅｌ ｐｏｒｔｉｏｎ］を有するＹ接合部を成す。本発明に係る溶接方法では根本部分はハイブリッドレーザー・アーク溶接法によって溶接される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法は、レーザービーム及びアークを、根本部分に配されるプラズマ及び溶融金属の単一の相互作用域に向ける。ハイブリッドプロセスは高温および低い熱入力を特徴としている。したがって、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の使用により、オーバーヒート域を含む熱影響域が比較的狭くなり、この熱影響域で接合点の硬度が増す。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法に影響された領域での硬度を低下させるため、本発明では傾斜部はサブマージアーク溶接法で溶接される。さらに、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッドおよびサブマージアーク溶接ヘッドは、共通のキャリア機構上に配置される。したがって単一のパスにおけるＹ接合部の溶接が可能になる。サブマージアーク溶接法は熱入力が高い割に入力電力が低い特徴がある。サブマージアーク溶接法でワークピースへ移動した熱は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法により熱影響を受けた領域を熱処理し、ハイブリッドレーザー・アーク溶接によって形成された硬く脆い領域の硬度のピークを低減する。
【０００８】
本発明のプロセスは特に、根本部分の厚みが８ｍｍを超え、好ましくは１０ｍｍを超える、接合部を溶接するのに適している。厚いルートシームを形成する際に良好にレーザーをワークピースに進出させるために、好ましくは、レーザーの強さは、溶接速度が１ｍ／分である場合に、１ｍｍルート厚さあたり１ｋＷになるべきである。すなわち、８ｍｍの接合部には溶接速度が１ｍ／分である場合に、好ましくは８ｋＷになるべきである。対応して、１０ｍｍの接合部には、溶接速度が１ｍ／分である場合に、レーザーの強さは好ましくは１０ｋＷになるべきである。この要件は７−３０ｍｍの厚さのルートに適用可能であるかもしれない。
【０００９】
溶接法を安定的に保ち、蒸気キャビティの蒸気圧が溶融金属の液溜まりに耐えるとともに、十分な架け渡し機能を供給するために、アーク溶接法での入力はレーザーの強さと均衡するべきであり、ハイブリッドプロセスにおけるアーク溶接法での力はレーザーにより供給される力と同等になるべきである。したがって、ハイブリッドプロセスにおけるアーク溶接に対するレーザーの力の割合は、好ましくは０．９〜１．１の間になるべきである。
【００１０】
レーザービームとアークの個々の影響は根本部分の厚みによって分配され、溶接速度は、したがって、好ましくは１Ｗｓ／ｍ２に相当するべきである。
【００１１】
８ｍｍを超える根本部分を溶接する際のレーザーからの入力において、アーク溶接法からの入力は、接合部における硬度のピークの高さを十分に低減するための高い熱入力を提供するほどに十分に高くなることができない。ハイブリッド法に続くサブマージアーク溶接法の使用で、硬度のピークを十分にならすための十分に大きな熱入力を達成することができる。
【００１２】
熱入力は傾斜部分の容積に比例するので、必要な熱入力は傾斜部分の深さに依存する。１５ｍｍを超え、好ましくは２０ｍｍを超える深さを有する傾斜部分のために、厚い根本部分に適切な熱入力が供給される。根本部分の厚さと傾斜部分の深さの比は０．４〜０．６の範囲であることが特に好ましい。
【００１３】
上述の溶接法は、１５ｍｍを超え、好ましくは３０―６０ｍｍの厚さのワークピースに、単一の溶接パスによって、二つのエッジ部分の間に溶接シームを形成することを可能にする。このエッジ部分は、根本部分及び傾斜部分を有するＹ接合部を形成する。本発明の溶接法は、したがって、厚い物品への溶接シームの効率的な生産を可能にする。ここで、硬く脆い領域での硬度のピークレベルが十分に下がるので、溶接シームの品質は維持され得る。
【００１４】
本発明の溶接法は、少なくとも一つのエッジが、３５５Ｍｐａを超す降伏強さを有する高強度のワークピースの一部である場合に、溶接シームを形成するのに特に適している。
【００１５】
サブマージアーク溶接法の熱影響域がハイブリッドレーザー・アーク溶接法の熱影響域を包含するように、サブマージ・アーク溶接法の溶接パラメータがされ得る。
【００１６】
発明の方法は、Ｙ接合部を形成するエッジ部分間における溶接シームの形成に関する。Ｙ接合部には根本部分及び傾斜部分がある。傾斜部分は接合対象の１または複数のワークピースの第１の側に配され、根本部分は接合対象の１または複数のワークピースの反対の第２の側にまで延びる。
【００１７】
また、発明は、根本部分及び傾斜部分を有するＹ接合部を溶接する溶接装置に関する。作業工程において、傾斜部分が接合対象の１または複数のワークピースの第１の側に配置されるとともに、根本部分は接合されるワークピースの反対の第２の側に延びる。溶接装置は、前述の根本部分を溶接するために設けられたハイブリッド溶接ヘッドを含む。施工においてハイブリッド溶接ヘッドは前述の第１の側に対向して搭載される。溶接装置はさらに、前述の第１の側に向けて搭載されたサブマージアーク溶接ヘッドを含む。両ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージアーク溶接ヘッドは、共通のキャリア機構に搭載される。したがって、ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージアーク溶接ヘッドは接合対象である１または複数のワークピースの同じ側から作用する。したがって、この溶接装置は、単一の溶接パスで、厚いワークピースにおけるシームの溶接を可能にする。そこで、根本部分の単一のパスはハイブリッドレーザー・アーク溶接法で接合され、傾斜部分はサブマージアーク溶接法で接合される。共通のキャリア機構は、固定キャリア機構あるいは可動キャリア機構である。共通のキャリア機構の目的は、根本部分を溶接するハイブリッドレーザー・アーク溶接法と、傾斜部分を溶接するサブマージアーク溶接法とを組み合わせ、単一のパスでＹ接合部の溶接を可能にすることである。ここで、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の両溶接ヘッドは、ワークピースの傾斜側に配される。この目的のため、共通のキャリア機構は、例えば複数の溶接ヘッドを運搬する単一のブラケット、フレーム、アーム、キャリッジなどにより適切にユニット化され得る。また、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の両溶接ヘッドがワークピースの傾斜側に配され、根本部分を溶接するハイブリッドレーザー・アーク溶接法と傾斜部分を溶接するサブマージアーク溶接法とを組み合わせ単一のパスでＹ接合部の溶接を可能にするという目的を満たすとともに複数の要素が複数の溶接ヘッドを溶接シームに対して一致して移動させられるのであれば、代わりに、共通のキャリア機構が複数のブラケット、フレーム、アーム、キャリッジ等の複数の要素で構成され、一方の溶接ヘッドが一方の要素で運搬されるとともに他方が他の要素で運搬されもよい。
【００１８】
溶接装置はさらに、共通のキャリア機構と接合対象の１または複数のワークピースとを相対移動させるために設けられたアクチュエータを含む。
【００１９】
ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージアーク溶接ヘッドは、接合対象の１または複数のワークピースの上あるいは上方で推進する共通のキャリア機構に搭載され得る。あるいは、ハイブリッド溶接ヘッド及びサブマージ溶接ヘッドが固定された共通のキャリア機構に搭載され、接合対象の１または複数のワークピースを推進させるアクチュエータを配してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
発明の実施例は付された図面に関連して下記に記述される。
【図１】図１は、ハイブリッド溶接ヘッドとサブマージ溶接ヘッドを含む溶接装置の断面を示す。
【図２】図２は、本発明における、共通の固定キャリア機構に搭載された溶接装置を示す概要を示す。
【図３】図３は、本発明における、共通の可動キャリア機構に搭載された溶接装置を示す概要を示す。
【図４】図４は、第１及び第２のワークピースのエッジ部分間にシームを形成する溶接法（溶接方法）を示す概要を示す。
【図５】図５は、傾斜部分と根本部分を有するＹ接合部を形成する二つのワークピースのエッジ部分の図形を示す。
【図６】図６は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法とサブマージアーク溶接法の組合せで形成された溶接シーム熱影響域の図形を示す。
【図７ａ】図７ａは、両ハイブリッドレーザー・アーク溶接法およびサブマージアーク溶接法が完了した後の接合部の材料硬度の分布を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法が完了した後、サブマージアーク溶接法が始まる前の接合部の材料硬度の分布を示す。
【図８】図８は、発明にかかる溶接法の温度の図表を示す。
【詳細な説明】
【００２１】
図１に、ハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージ溶接ヘッド４を含む溶接装置１が示される。溶接装置は接合対象の一組のワークピース６における二つのエッジ部分間で溶接シームを形成する。ハイブリッド溶接ヘッドは、Ｙ接合部の根本部分内に焦点を合わせられるレーザービーム１０を発する光学システム８を含む。レーザービーム１０はＹＡＧレーザーあるいはＣＯ２レーザーによって生じうる。ハイブリッド溶接ヘッドは、突出する電極１４を含むアーク溶接ヘッド１２をさらに含む。アーク溶接ヘッド１２は、ガスメタルアーク溶接ヘッド、タングステン不活性ガス溶接ヘッドあるいはプラズマアーク溶接ヘッドであり得る。溶接域１８にシールドガス１６が注がれる。示される実施形態では、シールドガス１６は、アーク溶接ヘッド１２にあるノズル２０を通じて注がれる。両アーク２２及びレーザービーム１０は、シールドガス１６に覆われた単一の相互作用域２４に作用する。ハイブリッド溶接ヘッドの様々な変形が知られている。これらの変形は、レーザービームの先及び／又は後に位置するアーク溶接ヘッドを含み得る。実施形態は単一のアーク溶接ヘッドがレーザービームの後に位置している。施工において、レーザービームは、一般にキーホールと呼ばれる深く狭いキャビティ２６を形成し、そこに蒸発した（ｖａｐｏｒｉｚｅｄ）金属が存在する。キーホール２６は溶融金属２８で囲まれている。ハイブリッド溶接ヘッドは、当業者に知られる任意の従来のタイプでありうる。したがって、より詳細には記述されない。
【００２２】
サブマージアーク溶接ヘッド４は矢印３０で示される溶接方向においてハイブリッド溶接ヘッド２よりも後ろに位置する。サブマージ溶接ヘッド４は、フラックス粉アプリケーター３２と、溶接対象域を覆うフラックス粉の層３８を貫通する消耗し得る電極３６ａ．３６ｂを供給する１以上の電極ヘッド３４ａ，３４ｂと、を含む。サブマージ溶接ヘッド４は、更なる利用のためにプロセスの終わりにフラックス粉を集めるフラックス粉収集装置４０をさらに含む。１または２以上の電極ヘッドを含む様々なタイプのサブマージ溶接ヘッドが知られている。示される実施形態では、二つの電極ヘッドが用いられる。各電極ヘッドは、消耗し得る電極３６ａ，３６ｂから溶融金属が供給される溶接プール４２ａ，４２ｂを創る。各電極３６ａ、３６ｂはアーク３７ａ、３７ｂを生成する。溶接法（溶接プロセス）の間、溶融金属４４の領域は溶接シームを構築する。サブマージアーク溶接ヘッドは、当業者に知られる任意の従来のタイプでありうる。したがって、より詳細には記述されない。
【００２３】
図２では、共通の固定キャリア機構４６上に搭載された溶接装置１の概略図が示される。ハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージ溶接ヘッド４は両方とも、ワークピース６の同じ側に作用する。共通の固定キャリア機構４６はハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージアーク溶接ヘッド４を運搬する。ハイブリッド溶接ヘッド２及びサブマージアーク溶接ヘッド４は互いに間隔Ｄを介して搭載されている。間隔Ｄはレーザービームからサブマージアーク溶接ヘッドにおける第１の電極３６ａの位置までの寸法を取る。サブマージアーク溶接プロセスを遅らせうるワークピースからの超過熱エネルギー量の分散を許すことなくＹ接合部の根本部分に形成されたシームが十分に冷えるように、間隔Ｄは好ましくはｘｍｍ〜ｙｍｍの範囲に選択される。図に示される実施形態では、共通の固定キャリア機構４６を通過して１または複数のワークピース６を移動させることにより、共通の固定キャリア機構４６と接合対象の１または複数のワークピース６との相対移動を可能にする、アクチュエータ４８が配置される。図３に示される実施形態では、望ましくはワークピース６上にキャリア機構５０運搬するホイールを含むアクチュエータ機構によって１または複数のワークピース６に対して相対移動可能な共通の可動キャリア機構５０に、溶接ヘッド２，４を配し、相対移動が遂行される。
【００２４】
図４には、第１及び第２のワークピース６ａ，６ｂのエッジ部分５４ａ，５４ｂ間にシーム５２を形成するための溶接法の概略図が示される。エッジ部分５４ａ，５４ｂは、根本部分５８および傾斜部分６０を有するＹ接合部５６を形成する。プラズマと溶融金属の単一の相互作用域２４にレーザービーム１０及びアーク２２を向けることを含むハイブリッドレーザー・アーク溶接法によって、根本部分５８は溶接される。図４の位置Ａにおけるワークピース６ａ，６ｂ間の根本部分内にレーザービームを向けることでルート溶接を行う。根本部分５８にはキーホール２６が形成されている。キーホール２６は好ましくは根本部分を通って進入することを許容されるべきである。したがって、キーホールは十分な進入の自己的なレーザー溶接プロセスにて形成される。
【００２５】
レーザービームの周辺にアークを発生させるためにアーク溶接ヘッド１２が設けられる。アーク溶接ヘッドは、ガスメタルアーク溶接ヘッド、タングステン不活性ガス溶接ヘッド、または、プラズマアーク溶接ヘッドでありうる。アーク溶接ヘッドは、根本部分５８内に入り込みシームを形成する溶融金属を供給する。図４の位置Ｂにおいて、根本部分は溶融金属で満たされ、位置Ｃにおいて根本部分の金属は固体である。位置ＣとＤとの間において、フラックス粉が適用される。フラックス粉はしたがって、適切には、根本部分５８が固化した後に供給される。フラックス粉は、傾斜部分６０を覆う層３８として存在する。位置Ｄでは、第１のアークはサブマージアーク溶接プロセスで形成される。アークは第１の電極３６ａによって形成される。第１の電極３６ａは傾斜部分６０に液溜まり６２を形成する量の金属を溶融する。示される実施形態では、位置Ｅに配置された第２の電極は、傾斜部分６２が溶融材で満たされるように液溜まり５６を増加させる。位置Ｅに示されるように、溶接装置の単一のパスによって傾斜部分は溶融金属で満たされて完全な接合部を形成する。サブマージアーク溶接プロセスに用いられる電極の数は、したがって、傾斜部分のサイズに応じて適切に選択され得る。
【００２６】
図５において二つのワークピース６ａ，６ｂのエッジ部分５４ａ，５４ｂの図形が示され、そのエッジが根本部分及び傾斜部分６０を有するＹ接合部を構成する。ワークピース６ａ，６ｂは、１５ｍｍを超え、好ましくは３０−６０ｍｍの間の、厚みＴを有する。根本部分は、８ｍｍを超え、好ましくは１０ｍｍを超える、厚さＲを有する。傾斜部分は、１５ｍｍを超え、好ましくは２０ｍｍを超える、深さを有する。
【００２７】
根本部分の厚さと傾斜部分の深さの比は、適正には０．４〜０．６の間で選択される。
【００２８】
Ｙ接合部の図形は、サブマージアークプロセスからの十分な熱入力を許容し、ハイブリッドレーザー・アーク溶接で根本部分の周りに発生した硬度のピークを低減させるとともに、単一のパスでシームが形成可能であるように、選択される。
【００２９】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法では、レーザービームは、７ｋＷを超過する効力をもたらし、また、アークは、７ｋＷを超過する効力をもたらす。レーザービーム及びアークは実質的に等しい結果をもたらす。レーザービームとアークの個々の効力は根本部分の厚さに依存して選択される。好ましくは、レーザービームおよびアークの個々の効力は、根本部分の厚さによって配分され、溶接スピードは本質的に１Ｗｓ／ｍ２に相当する。
【００３０】
図６では、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法及びサブマージアーク溶接法の組み合わせで形成された溶接シーム６８における熱影響域６４，６６の図形が示される。傾斜部分６０は、ワークピース６ａ，６ｂの第１の側７０に配置され、根本部分５８はワーク６ａ、６ｂの反対の第２の側７２にまで延びている。サブマージアーク溶接法の溶接パラメータは、好ましくは、サブマージアーク溶接法による熱影響域６６が対向する第２の側７２にまで下に延びるように選択される。ハイブリッドレーザー・アーク溶接法による熱影響域６４は、根本部分５８の周りに及び、好ましくは反対の第２の側７２にまでずっと延びる。
【００３１】
サブマージアーク溶接法の溶接パラメータは、図に示されるように、サブマージアーク溶接法による熱影響域６６がハイブリッドレーザー・アーク溶接法による熱影響域６４を包含するように、選択される。
【００３２】
図７ａには、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法及びサブマージアーク溶接法の両方が完了した後の接合部の材料硬度分布が示される。
【００３３】
図７ｂには、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法が完了した後、サブマージアーク溶接法が始まる前の接合部の材料硬度分布が示される。
【００３４】
図７ａ，７ｂの溶接シームは、根本部分を溶接する単一パスのハイブリッド溶接法が、単一パスのサブマージアーク溶接法と組み合わされて完全なシームが形成される溶接法の実験によって得られた結果である。
【００３５】
接合部は１２ｍｍ厚のＣＭｎ鋼のＹ接合部である。Ｓｔ３５５グレード材料のサブマージアーク法はハイブリッドレーザー・アーク法と組合せで用いられる。実施例の目的で、４ｋＷのレーザーが用いられた。したがって、根本部分は４ｍｍ厚さを有するように選択される。傾斜部分は６０°の開角を有する。プレート寸法は、１５０×４００ｍｍである。プレート間の前角は５°である。
【００３６】
この方法では溶接実験を実行する際にガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）方法と組み合わせてレーザーを使用した。ＧＭＡＷ方法のエネルギー源はアリスト［Ａｒｉｓｔ］ＭＩＧ ５００Ｗである。レーザー源はランプ供給の、Ｄ７０処理光学を備えたトランプ［Ｔｒｕｍｐｆ］ＨＬ ４００６ ＤのＮｄ：Ｙａｇ共鳴装置である。
【００３７】
ＳＡＷ方法は、ＳＡＷの一対のセットアップを備えた溶接トラクターで行われる。エネルギー源はＬＡＦ６３５が連結された二つのスコット［Ｓｃｏｔｔ］である。
【００３８】
ハイブリッドレーザー・アーク溶接法への熱入力は、レーザービームからの０，２ｋＪ／ｍｍの寄与を有する０，７ｋＪ／ｍｍである。サブマージアーク溶接法からの熱入力は２．４ｋＪ／ｍｍである。
【００３９】
硬度の測定は、図７ａに示されるルートのハイブリッドレーザー・アーク溶接法を完了し、図７ｂに示される傾斜部分のサブマージアーク溶接法が完了した後に行われる。
【００４０】
最適な結果は、影響されない材料である母材における溶接域の冶金の特性に実質的に到達するであろう。ハイブリッドレーザー・アーク溶接は、黒鋼における高いマルテンサイト量、及び二相ステンレス鋼における高いフェライト含有量を有する、硬く脆い接合部を作る。
【００４１】
図７ａの材料硬度分布は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接法の完成後の接合点が熱影響域において４１０ＨＶを超える高さに達することを示す。硬度はこのように溶接シーム上で急激に変化し、熱影響域外の熱影響を受けない材料とは実質的に異なる治金特性を有する。その領域での硬度の派生は最大２００ＨＶ超えに達する。
【００４２】
サブマージアーク溶接法が溶接シームを完成した後、シームの熱影響域での硬度がサブマージアーク溶接法における熱入力よって、熱影響域での硬度がならされる。高度は熱影響域において最大１００ＨＶに達する。硬度の派生の最大はその領域において約５０ＨＶの範囲である。
【００４３】
テストは、提案の方法が、熱影響領域上において材料硬度の最大値が低く及び変化が小さい高強度鋼に高品質の溶接点を形成することを示す。
【００４４】
図８では、本発明の溶接法の温度グラフが示される。点線８０は接合点の中心位置の温度を示す。ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド８２の位置において、溶接が起こる。溶接域において、使用される材料に依存する約１５００℃の温度で金属が溶融する。溶接ヘッド８２は矢印８４で示される方向に伝わる。ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッドが通過した際、溶接点は冷やされはじめ、マルテンサイト形成が生じるマルテンサイト臨界温度Ｍに達する。これはレーザー溶接ヘッドが通過した後約３秒で生じる。接合される材料と同等の炭素の値に依存するマルテンサイト臨界温度Ｍは、約３００〜８００℃である。接合点がマルテンサイト温度に達した後、サブマージアーク溶接ヘッド８６は溶接工程を開始し、溶接シームに高い熱入力を生成する。サブマージアーク溶接法の間の熱入力は、好ましくはハイブリッドレーザー・アーク溶接法の間の熱入力の少なくとも３倍の高さである。
【００４５】
溶接スピードは約１ｍ／ｓとし、適正には、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッドおよびサブマージアーク溶接ヘッドを互いに５〜１００ｃｍの範囲、好ましくは１０−５０ｃｍ程度、の間隔で配置する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つのエッジ部分（５４ａ，５４ｂ）間に溶接シーム（５２）を形成し、
前記エッジ部分（５４ａ，５４ｂ）は、根本部分（５８）及び傾斜部分（６０）を有するＹ接合部を形成し、前記根本部分（５８）は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（２）によってプラズマ及び溶融金属の単一の相互作用域（２４）にレーザービーム（１０）及びアーク（２２）をあてることを含むハイブリッドレーザー・アーク溶接法で溶接され、前記単一の相互作用域（２４）は前記根本部分（５８）に配置されるとともに、前記傾斜部分（６０）はサブマージアーク溶接ヘッド（４）によってサブマージアーク溶接法にて溶接され、前記ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は共通のキャリア機構（４６，５０）に配置される、ことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記根本部分（５８）は、８ｍｍを超え、好ましくは１０ｍｍを超える厚さを有することを特徴とする請求項１の溶接方法。
【請求項３】
前記傾斜部分（６０）は、１５ｍｍを超え、好ましくは２０ｍｍを超える深さを有することを特徴とする請求項１または２の溶接方法。
【請求項４】
前記根本部分（５８）の厚さと前記傾斜部分（６０）の深さとの比率は、０．４〜０．６の間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの溶接方法。
【請求項５】
前記レーザービーム（１０）は７ｋＷを超える効力をもたらし、前記アーク（２２）は７ｋＷを超す効力をもたらすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの溶接方法。
【請求項６】
前記レーザービーム（１０）及び前記アーク（２２）は実質的に同等の効力をもたらすことを特徴とする請求項５の溶接方法。
【請求項７】
前記レーザービーム（１０）及び前記アーク（２２）の個々の効力は、前記根本部分（５８）の厚さによって配分され、溶接速度は実質的に１Ｗ／ｍ２に相当することを特徴とする請求項６の溶接方法。
【請求項８】
前記根本部分（５８）及び前記傾斜部分（６０）は単一のパスで溶接されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの溶接方法。
【請求項９】
少なくとも一つのエッジ（５４ａ，５４ｂ）は３５５ＭＰａを超す降伏強さを有する高強度鋼のワークピース（６）の一部であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの溶接方法。
【請求項１０】
サブマージアーク溶接法の溶接パラメータは、サブマージアーク溶接法の熱影響域（６６）がハイブリッドレーザー・アーク溶接法の熱影響域（６４）を包含するように選択されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかの溶接方法。
【請求項１１】
傾斜部分（６０）は接合対象の１または複数のワークピース（６）の第１の側（７０）に配され、根本部分（５８）は１または複数のワークピース（６）の反対側の第２の側（７２）に延び、サブマージアーク溶接法の溶接パラメータはサブマージアーク溶接法の熱影響域（６６）が前記反対の第２の側（７２）にまで延びるように選択されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの溶接方法。
【請求項１２】
根本部分（５８）及び傾斜部分（６０）を有するＹ接合部を溶接する溶接装置であって、
施工において、前記傾斜部分（６０）は接合対象の１または複数のワークピースの第１の側（７０）に配され、前記根本部分（５８）は接合対象の１または複数のワークピースの前記反対の第２の側（７２）に延び、
施工において前記第１の側（７０）に対向して搭載され、前記根本部分（５８）を溶接するハイブリッド溶接ヘッド（２）を含み、
施工において前記第１の側（７０）に対向して搭載されるサブマージアーク溶接ヘッド（４）をさらに備え、
前記ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（４）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は共通のキャリア機構（４６，５０）に配置される、ことを特徴とする溶接装置（１）。
【請求項１３】
溶接装置（１）は、共通のキャリア機構と接合対象の１または複数のワークピース（６）との相対移動を可能にするアクチュエータ（４８）をさらに備える、ことを特徴とする請求項１２の溶接装置。
【請求項１４】
ハイブリッド溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は、接合対象の１または複数のワークピース（６）の上及び上方で推進される共通の可動キャリア機構（５０）に搭載されることを特徴とする請求項１４の溶接装置。
【請求項１５】
ハイブリッド溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は共通の固定キャリア機構（４６）に搭載され、前記アクチュエータ（４８）が接合対象の１または複数のワークピースを推進させるように備えられたことを特徴とする請求項１４の溶接装置。
【請求項１６】
請求項１−１１のいずれかの溶接方法を行うために設けられたことを特徴とする請求項１２−１６のいずれかの溶接装置。
【請求項１】
二つのエッジ部分（５４ａ，５４ｂ）間に溶接シーム（５２）を形成し、
前記エッジ部分（５４ａ，５４ｂ）は、根本部分（５８）及び傾斜部分（６０）を有するＹ接合部を形成し、前記根本部分（５８）は、ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（２）によってプラズマ及び溶融金属の単一の相互作用域（２４）にレーザービーム（１０）及びアーク（２２）をあてることを含むハイブリッドレーザー・アーク溶接法で溶接され、前記単一の相互作用域（２４）は前記根本部分（５８）に配置されるとともに、前記傾斜部分（６０）はサブマージアーク溶接ヘッド（４）によってサブマージアーク溶接法にて溶接され、前記ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は共通のキャリア機構（４６，５０）に配置される、ことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記根本部分（５８）は、８ｍｍを超え、好ましくは１０ｍｍを超える厚さを有することを特徴とする請求項１の溶接方法。
【請求項３】
前記傾斜部分（６０）は、１５ｍｍを超え、好ましくは２０ｍｍを超える深さを有することを特徴とする請求項１または２の溶接方法。
【請求項４】
前記根本部分（５８）の厚さと前記傾斜部分（６０）の深さとの比率は、０．４〜０．６の間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの溶接方法。
【請求項５】
前記レーザービーム（１０）は７ｋＷを超える効力をもたらし、前記アーク（２２）は７ｋＷを超す効力をもたらすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの溶接方法。
【請求項６】
前記レーザービーム（１０）及び前記アーク（２２）は実質的に同等の効力をもたらすことを特徴とする請求項５の溶接方法。
【請求項７】
前記レーザービーム（１０）及び前記アーク（２２）の個々の効力は、前記根本部分（５８）の厚さによって配分され、溶接速度は実質的に１Ｗ／ｍ２に相当することを特徴とする請求項６の溶接方法。
【請求項８】
前記根本部分（５８）及び前記傾斜部分（６０）は単一のパスで溶接されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの溶接方法。
【請求項９】
少なくとも一つのエッジ（５４ａ，５４ｂ）は３５５ＭＰａを超す降伏強さを有する高強度鋼のワークピース（６）の一部であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの溶接方法。
【請求項１０】
サブマージアーク溶接法の溶接パラメータは、サブマージアーク溶接法の熱影響域（６６）がハイブリッドレーザー・アーク溶接法の熱影響域（６４）を包含するように選択されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかの溶接方法。
【請求項１１】
傾斜部分（６０）は接合対象の１または複数のワークピース（６）の第１の側（７０）に配され、根本部分（５８）は１または複数のワークピース（６）の反対側の第２の側（７２）に延び、サブマージアーク溶接法の溶接パラメータはサブマージアーク溶接法の熱影響域（６６）が前記反対の第２の側（７２）にまで延びるように選択されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの溶接方法。
【請求項１２】
根本部分（５８）及び傾斜部分（６０）を有するＹ接合部を溶接する溶接装置であって、
施工において、前記傾斜部分（６０）は接合対象の１または複数のワークピースの第１の側（７０）に配され、前記根本部分（５８）は接合対象の１または複数のワークピースの前記反対の第２の側（７２）に延び、
施工において前記第１の側（７０）に対向して搭載され、前記根本部分（５８）を溶接するハイブリッド溶接ヘッド（２）を含み、
施工において前記第１の側（７０）に対向して搭載されるサブマージアーク溶接ヘッド（４）をさらに備え、
前記ハイブリッドレーザー・アーク溶接ヘッド（４）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は共通のキャリア機構（４６，５０）に配置される、ことを特徴とする溶接装置（１）。
【請求項１３】
溶接装置（１）は、共通のキャリア機構と接合対象の１または複数のワークピース（６）との相対移動を可能にするアクチュエータ（４８）をさらに備える、ことを特徴とする請求項１２の溶接装置。
【請求項１４】
ハイブリッド溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は、接合対象の１または複数のワークピース（６）の上及び上方で推進される共通の可動キャリア機構（５０）に搭載されることを特徴とする請求項１４の溶接装置。
【請求項１５】
ハイブリッド溶接ヘッド（２）及びサブマージアーク溶接ヘッド（４）は共通の固定キャリア機構（４６）に搭載され、前記アクチュエータ（４８）が接合対象の１または複数のワークピースを推進させるように備えられたことを特徴とする請求項１４の溶接装置。
【請求項１６】
請求項１−１１のいずれかの溶接方法を行うために設けられたことを特徴とする請求項１２−１６のいずれかの溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５１４１８１（Ｐ２０１３−５１４１８１Ａ）
【公表日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４３４８４（Ｐ２０１２−５４３４８４）
【出願日】平成２１年１２月１６日（２００９．１２．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６７２８９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７２７３４
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（３１１００１０１５）イーエスエービー・エービー (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１６日（２００９．１２．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６７２８９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７２７３４
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（３１１００１０１５）イーエスエービー・エービー (2)
【Ｆターム（参考）】
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