溶接用ワイヤと該ワイヤを用いた溶接方法

【課題】空打ちをしなくとも良好なビード形状、加工成形性、及び健全な溶接部が得られる溶接用ワイヤと、そのワイヤを用いた溶接方法を提供することにある。
【解決手段】ワイヤ外面の一部に平面部を備え、平面部がワイヤの長手方向に平行し、平面幅が長手方向に直交するワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする。
本発明の溶接用ワイヤとして、ワイヤ外面の三方向に平面部を備え、長手方向に直交する断面を略三角形状と成すものと、ワイヤ外面が平面部と、平面部より一方側に突出する曲面部とから成り、長手方向に直交する断面を蒲鉾状と成すものと、ワイヤ外面が平面部と、平面部より一方側に突出する山型部とから成り、長手方向に直交する断面を略台形状と成すものがある。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接作業時に用いる溶接用ワイヤと、該ワイヤを用いた溶接方法に関するもので、特にレーザー溶接とガス溶接に用いる溶接用ワイヤと、該ワイヤを用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源としてＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザー等を用いたレーザー溶接（レーザビーム溶接、光ビーム溶接とも称する）は、レーザー発振器によって作られた波長と位相の揃った光をレンズやミラーで細く絞って溶加材（溶接材、ワイヤとも称する）に照射し、この光を被溶接材に吸収させる事により加熱・溶湯して接合する方法である。
このレーザー溶接の特徴は、溶接ア−クの千倍以上の高エネルギー密度で光ビームは大気中で減衰せず、サブミリの微細性及び光学系によってビームを自由に操作できる高制御性にある。即ち、熱の集中性が高く、かつ低入熱溶接が可能であることから、各種の溶接に利用されている。
【０００３】
従来レーザー溶接の内、溶加材として比較的中炭素量でＳｉやＭｎを含有するソリッドワイヤを用いる溶接方法では、図８（イ）の如く円形断面の溶加材、即ち、丸棒状溶加材（以下、丸棒材と略す）を用い、この丸棒材に向けてレーザービームを照射し、丸棒材の溶湯固化にて二母材を繋いだり、母材の一部にビード形成（肉盛りとも称する）したり、母材の溝を塞いだり、母材の文字用凹部を塞いで文字の移動及び修正等をしていた。
丸棒材は、一定長さの棒状タイプと、ドラムに巻付けられた線状タイプとがあり、レーザー溶接以外のガス溶接、アーク溶接、電子ビーム溶接においても用いられている。
【特許文献１】特許第３２０５４４９号
【特許文献２】特許第３８６８１１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
丸棒材を用いたレーザー溶接にてビード形成を行うと、ビードの中心部は良好に溶着するも、中心部より離れた両側が必ずしも良好に溶着しないことがある。その原因として、冷却速度が速いこと、酸化物（スラグ）が溶湯金属に巻き込まれること、気泡等が発生すること、図８（イ）の如く丸棒材の上からレーザーを照射した時、丸棒材の下側左右に影が生じ、影に溶湯が図８（ロ）の如く被さること等が考えられるが、正確な原因は今だ解明されていない。
上記の微細欠陥は、通常の溶接及び肉盛りにおいては問題となりにくいが、精密金型や鏡面磨き金型（例えば、光学レンズや携帯電話倶匡体）では、許容されない。
【０００５】
この欠点を補うため、丸棒材にレーザーを照射しながら図８（ハ）の如くビード形成を行った後、図９（イ）（ロ）の如くビードの片側にレーザーのみを空打ちするか、図１０（イ）（ロ）の如くビードの両側にレーザーを空打ちしていたが、ビードの片側にレーザーを空打ちする場合、ビード形成時と一回の空打ち時の２度に渡りレーザーを照射し、また、ビードの両側にレーザーを空打ちする場合、ビード形成時と二回の空打ち時の３度に渡りレーザーを照射するため、作業時間が２倍から３倍になり、その分、高価になる不都合があつた。更に、レーザー発振器の耐久時間（使用時間）に限界があるため、ビード形成毎に一回の空打ちを行うと、ビード形成範囲が１／２になり、ビード形成毎に二回の空打ちを行うと、ビード形成範囲が１／３になる不都合があつた。
【０００６】
そこでこの発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空打ちをしなくとも良好なビード形状、加工成形性、及び健全な溶接部が得られる溶接用ワイヤと、該ワイヤを用いた溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の溶接用ワイヤは、請求項１として、ワイヤ外面の一部に平面部を備え、平面部がワイヤの長手方向に平行していることを特徴とする。
請求項２は、請求項１の溶接用ワイヤにおいて、平面幅が長手方向に直交するワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする。
請求項３は、請求項１の溶接用ワイヤにおいて、ワイヤ外面の三方向に平面部を備え、総ての平面部がワイヤの長手方向に平行し、長手方向に直交する断面が略三角形状を成し、平面部の一つの平面幅がワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする。
請求項４は、請求項１の溶接用ワイヤにおいて、ワイヤ外面が平面部と、平面部より一方側に突出する曲面部とから成り、平面部と曲面部とがワイヤの長手方向に平行し、長手方向に直交する断面が蒲鉾状を成し、平面幅がワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする。
請求項５は、請求項１の溶接用ワイヤにおいて、ワイヤ外面が平面部と、平面部より一方側に突出する山型部とから成り、平面部と山型部とがワイヤの長手方向に平行し、長手方向に直交する断面が平面部を底辺とする略台形状を成し、平面幅がワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする。
【０００８】
ここでワイヤ外面とは、溶接用ワイヤを形成している最外側の面を言い、長手方向とは、溶接用ワイヤの長尺（延長）方向を言う。
ここで平面部とは、一定幅の平面又は略平面的で、且つ長手方向に平行する面を言い、ワイヤ断面において最も広幅となることが多く、この平面部を母材に当接し、上方よりレーザーを照射して溶湯することで、良好なビード形状、加工成形性、溶接部の内部健全性が同時に確保できる。
ここで三方向とは、平面部に直交する中心線がＹ字状に交差する状態を言い、三角形とは、二等辺三角形、正三角形、その他の三角形と、これら三角形の各頂部に丸みを持たせたものを言う。
ここで曲面部とは、平面部の半幅に中心点を有する半円面と、平面部の半幅下方に中心点を有する円弧面と、楕円の略半分に相当する半楕円面を言い、蒲鉾状とは、平らな板上に練り魚肉を盛り上げ、蒸し揚げた蒲鉾に類似する状態、即ち、半楕円面を形成するものを言う。
ここで山型部とは、裾部より上方に向かって細くなる状態を言い、台形とは、平面部と平行に、平面幅より小幅の天面を有するものを言い、天面の両縁に丸みを持たせたものも含む。
【０００９】
本発明の溶接方法は、請求項１〜５の溶接用ワイヤの平面部を溶接面に沿って送給し、平面部を溶接面に当接する状態で上方から熱エネルギーを当て、熱エネルギーにて溶接用ワイヤを溶湯し、溶湯部の熱放出にて溶接部を形成することを特徴とする。
ここで溶接面とは、溶接を行う対象物で、例えば母材表面、母材溝面、母材凹部面を言う。また、溶湯部とは、溶接用ワイヤが熱エネルギーによって溶けた状態を言い、溶接部とは、溶湯部が冷却固化した状態を言い、熱放出とは、溶湯部から熱が外気に逃げることを言う。
ここで熱エネルギーとは、溶接用ワイヤを速やかに溶かすエネルギーで、主にレーザーを用いるが、ガス、アーク、電子ビームを用いることも可能である。
本発明溶接用ワイヤの平面幅がワイヤ断面において最も広幅であるので、ワイヤ平面部を溶接面に当接しながら熱エネルギー（レーザー）を照射しても、溶接用ワイヤの影が発生しない。即ち、影が発生しないので、溶湯もかぶさることがない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の溶接用ワイヤは上記構造のとおりであるから、次に記載する効果を奏する。
請求項１の溶接用ワイヤは、長手方向に平行して平面部を設けているから、その平面部を溶接面に当接しながら供給し、熱エネルギーを照射し得る。即ち、溶接面と溶接用ワイヤとの間に隙間が発生しないので、円形断面ワイヤの如く不具合が生じない。
また、本発明の溶接用ワイヤを用いると、スパッタ、ヒュームの発生が少なく、且つ欠陥の少ない良好な溶接部を得ることが可能になる。即ち、良好なビード形状、溶接部の内部健全性、加工成形性が得られるばかりか、溶接の信頼性を大幅に向上させることに寄与できる。
【００１１】
請求項２の溶接用ワイヤは、請求項１の特徴に加えて、平面幅が長手方向に直交するワイヤ断面において最も広幅となり、その平面部を溶接面に沿って供給するので、溶接用ワイヤの上方から熱エネルギーを当てても影が発生しない。その結果、溶接不良が著しく低減する。
請求項３の溶接用ワイヤは、請求項１の特徴に加えて、平面幅が同じ平面部を三方向に備えておくと、三方向の平面部の何れでも溶接面に沿って供給し得る。三方向の平面部の一つを他より広幅にし、広幅の平面部を溶接面に沿って供給すれば、溶湯のかぶりが少なくなる。
請求項４，５の溶接用ワイヤは、請求項１の特徴に加えて、蒲鉾状又は略台形状を成しているので、平面部を溶接面に沿って供給することができる。即ち、円形断面の溶接用ワイヤより供給のコントロールが容易である。
【００１２】
本発明によるレーザ溶接方法は、請求項６のとおりであるから、次に記載する効果を奏する。
本発明溶接用ワイヤの平面部を溶接面に沿って送給し得るので、熱エネルギーを安定した状態で当てることができる。その結果、溶接用ワイヤの溶湯も一定するし、溶湯部からの熱放出も一定する。特に、熱エネルギーを当てた時に影が生じないので、溶湯のかぶりも溶接不良も少なくなる。特に、熱エネルギーの空打ちを省略し、溶接効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による溶接用ワイヤの最良形態を説明すると、図１の如くワイヤ外面２が平面部３と、平面部３より一方側に突出する曲面部４とから成り、平面部３と曲面部４とが溶接用ワイヤ１の長手方向に平行するものであって、具体的には、曲面部４が半楕円面４１であり、平面部３と半楕円面４１とが溶接用ワイヤ１の長手方向に平行し、溶接用ワイヤ１の長手方向に直交する断面が蒲鉾状を成し、平面部４の平面幅Ｈがワイヤ断面において最も広幅となる。
以後、最良形態の溶接用ワイヤ１を蒲鉾状ワイヤ１１とする。
【００１４】
本発明の蒲鉾状ワイヤ１１を用いてビード形成する場合、図２（イ）の如く平面部３を母材Ｂの溶接面ｂに沿って送給し、平面部３を溶接面ｂに当接する状態で曲面部４の上方から熱エネルギーＥとしてレーザーｅを照射すれば、図２（ロ）の如く平面部４の平面幅Ｈが蒲鉾状ワイヤ１１の最大幅であるから、溶接面ｂにレーザーｅの影ｆが発生しない。蒲鉾状ワイヤ１１はレーザーｅの照射により溶湯し、溶湯部Ｃが溶接面ｂと溶着し、溶湯部Ｃの熱放出にて溶接部Ｄ（ビード）を形成する。その結果、ビードＤの側端に溶接不良（レーザーｅの照射による影ｆと思われる痕跡等）が生じない。
【実施例１】
【００１５】
本発明による第一実形態を、最良形態と相違する点について説明すると、第一実形態の溶接用ワイヤ１は、図３（イ）の如く平面部３を三方向に備えるもので、即ち、第一平面部３１と第二平面部３２と第三平面部３３にてワイヤ外面２を形成し、その内の第一平面部３１の平面幅Ｈを第二第三平面部３２，３３より広幅とし、それらの平面部３１、３２、３３が溶接用ワイヤ１の長手方向に平行し、溶接用ワイヤ１の長手方向に直交する断面が三角形を成している。
以後、第一実形態の溶接用ワイヤ１を三角状ワイヤ１４とする。この三角状ワイヤ１４において、第一平面部３１が最も広幅である。
【実施例２】
【００１６】
本発明による第二実施形態を、最良形態及び第一実形態と相違する点について説明すると、第二実形態の溶接用ワイヤ１は、図４の如く平面部３を表裏面に備えるもので、即ち、表裏面に平面幅Ｈが同じ第一平面部３１と第二平面部３２を備え、第一第二平面部３１，３２と左右側面部６１，６２とにてワイヤ外面２を形成し、両平面部３１，３２と両側面部６１，６２が溶接用ワイヤ１の長手方向に平行し、溶接用ワイヤ１の長手方向に直交する断面が矩形状を成している。
以後、第二実施形態の溶接用ワイヤ１を矩形状ワイヤ１６とする。この矩形状ワイヤ１６において、第一平面部３１と第二平面部３２が最も広幅である。
【実施例３】
【００１７】
本発明による第三実施形態を、最良形態及び第一及び第二実形態と相違する点について説明すると、第二実形態の溶接用ワイヤ１は、図５の如く平面部３と、平面部３より一方側に突出する山型部５とにてワイヤ外面２を形成するもので、山型部５は平面部３と、平面部３より小幅で、且つ平面部３に平行する天面５１との左右に傾斜面５２，５３を備え、平面部３と天面５１と傾斜面５２，５３とが溶接用ワイヤ１の長手方向に平行し、溶接用ワイヤ１の長手方向に直交する断面が平面部３を底辺とする台形状を成している。
以後、第三実施形態の溶接用ワイヤ１を台形状ワイヤ１７とする。この台形状ワイヤ１７において、平面部３が最も広幅である。
【実施例４】
【００１８】
本発明の溶接用ワイヤ１を用い、
溶接条件としてはＣＯ2 レーザーｅを用い、出力は４ＫＷ、モードはマルチモードとし、溶接速度は２．０ m/minでビード試験を実施した。
溶接は、最大出力４５ｋＷの溶接装置を用い、実出力４０ｋＷ、溶接速度３ｍ／ｍｉｎ、溶接用ワイヤ１の送給速度３ｍ／ｍｉｎ、溶接用ワイヤ１の挿入角度３０゜（母材との角度、溶接前方から挿入）の条件で行った。
【００１９】
溶接終了後、ビードＤのビード幅、ビード高さ等の状態を外観観察（目視）により行った所、良好な結果が得られた。
また、放射線透過試験による溶接欠陥の調査、ビードＤの切削による溶接欠陥の調査等を行った所、溶接欠陥がなかった。
その結果、広範囲な溶接条件で加工成形性に優れたビードＤを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
蒲鉾状ワイヤ１１において、図６（イ）の如く曲面部４が平面部３に中心を有する半円面４２であり、平面部３と半円面４１とでワイヤ外面２を形成した半円形状ワイヤ１２とすることも可能であるし、図６（ロ）の如く曲面部４が平面部３より下方に中心を有する円弧面４３であり、平面部３と円弧面４３とでワイヤ外面２を形成した円弧状ワイヤ１３とすることも可能である。
三角状ワイヤ１４において、図３（ロ）の如く第一平面部３１と第二平面部３２と第三平面部３３の平面幅Ｈを同一とし、即ち、同じ平面部３を１２０度間隔で形成した断面正三角形状の正三角状ワイヤ１５とすることも可能である。
【００２１】
三角状ワイヤ１４と正三角状ワイヤ１５の各頂部、矩形状ワイヤ１６の少なくとも表側平面部３１の両角部、台形状ワイヤ１７の少なくとも山型部５の頂部両角部に、各々アール加工を施しても略同様の効果が得られる。
溶接用ワイヤ１の材質は自由であり、長さも自由であるが、平面幅Ｈは、レーザービーム径より小さくする方が望ましく、２mm以下が好ましい。
実施例ではレーザーｅを用いたが、ガス溶接、アーク溶接、電子ビーム溶接においても同様の効果が得られることが想定できる。また、実施例では図７（イ）（ロ）の如く、母材Ｂに対するビードＤの形成について説明したが、図７（ハ）の如く母材Ｂの溝ｂ１を塞いだり、図７（ニ）の如く母材Ｂの文字用凹部ｂ２を塞いだりすることも可能である。
更に、ビーム径、出力、溶接速度、被溶接材の材質、その母材表面処理方法、板厚等は実施例に制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による溶接用ワイヤ（蒲鉾状ワイヤ）の最良形態を示す斜視図である。
【図２】溶接用ワイヤ（蒲鉾状ワイヤ）を用いた溶接例を示すもので、（イ）は溶接面に対する蒲鉾状ワイヤの供給状態を示し、（ロ）はレーザ照射後の状態を示す。
【図３】第一実施形態における溶接用ワイヤ（三角状ワイヤ）の斜視図（イ）と、その類例溶接用ワイヤ（正三角状ワイヤ）の正面図（ロ）である。
【図４】第二実施形態における溶接用ワイヤ（矩形状ワイヤ）の正面図である。
【図５】第三実施形態における溶接用ワイヤ（台形状ワイヤ）の正面図である。
【図６】半円状ワイヤの斜視図（イ）と、円弧状ワイヤの斜視図（ロ）である。
【図７】（イ）（ロ）（ハ）（ニ）本発明の溶接用ワイヤを用いた概略溶接例を示す断面図である。
【図８】従来溶接材に対するレーザ照射直後の断面図（イ）、レーザ照射による溶接例を示す断面図（ロ）と平面図（ハ）である。
【図９】レーザ照射によって形成されたビードに対するレーザの片打ち状態を示す断面図（イ）と平面図（ロ）である。
【図１０】レーザ照射によって形成されたビードに対するレーザの両打ち状態を示す断面図（イ）と平面図（ロ）である。
【符号の説明】
【００２３】
１溶接用ワイヤ、
１１蒲鉾状ワイヤ、１２半円形状ワイヤ、１３円弧状ワイヤ
１４三角状ワイヤ、１５正三角状ワイヤ
１６矩形状ワイヤ、１７台形状ワイヤ
２ワイヤ外面
３平面部、３１第一平面部、３２第二平面部、３３第三平面部
４曲面部、４１半楕円面、４２半円面、４３円弧面
５山型部、５１天面、５２，５３傾斜面
６１，６２側面部
Ｂ母材、ｂ溶接面
Ｃ溶湯部
Ｄ溶接部（ビード）
Ｅ熱エネルギー、ｅレーザー
ｆ影
Ｈ平面幅

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ外面（２）の一部に平面部（３）を備え、平面部（３）がワイヤの長手方向に平行していることを特徴とする溶接用ワイヤ。
【請求項２】
平面部幅（Ｈ）が長手方向に直交するワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする請求項１に記載の溶接用ワイヤ。
【請求項３】
ワイヤ外面（２）の三方向に平面部（３１，３２，３３）を備え、総ての平面部（３１，３２，３３）がワイヤの長手方向に平行し、長手方向に直交する断面が略三角形状を成し、平面部（３１，３２，３３）の一つの平面部幅（Ｈ）がワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする請求項１に記載の溶接用ワイヤ。
【請求項４】
ワイヤ外面（２）が平面部（３）と、平面部（３）より一方側に突出する曲面部（４）とから成り、平面部（３）と曲面部（４）とがワイヤの長手方向に平行し、長手方向に直交する断面が蒲鉾状を成し、平面部幅（Ｈ）がワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする請求項１に記載の溶接用ワイヤ。
【請求項５】
ワイヤ外面（２）が平面部（３）と、平面部（３）より一方側に突出する山型部（５）とから成り、平面部（３）と山型部（５）とがワイヤの長手方向に平行し、長手方向に直交する断面が平面部（３）を底辺とする略台形状を成し、平面部幅（Ｈ）がワイヤ断面において最も広幅であることを特徴とする請求項１に記載の溶接用ワイヤ。
【請求項６】
本発明による溶接用ワイヤ（１）の平面部（３）を溶接面（ｂ）に沿って送給し、平面部（３）を溶接面（ｂ）に当接する状態で上方から熱エネルギー（Ｅ）を当て、熱エネルギー（Ｅ）にて溶接用ワイヤ（１）を溶湯し、溶湯部（Ｃ）の熱放出にて溶接部（Ｄ）を形成することを特徴とする溶接方法。

【図１】