JP2019038003A - 仮付け溶接方法及び仮付け溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】仮付け溶接した接合部の強度を向上させることができるとともに、ビードの余盛高さを低くすることができる、仮付け溶接方法及び仮付け溶接装置を提供する。【解決手段】本実施形態の仮付け溶接方法は、第一継手１と第二継手２との接合部３の一部を本溶接前に所定の間隔で仮付けする仮付け溶接方法であって、接合部３に溶加材Ｗを供給し、接合部３にレーザ光Ｌを偏向させながら照射して、溶加材Ｗをレーザ光Ｌにより切断しながら接合部３に溶着させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、仮付け溶接方法及び仮付け溶接装置に関し、特に、仮付け溶接後の本溶接を効率よく行うことができる、仮付け溶接方法及び仮付け溶接装置に関する。

例えば、クレーン車、高所作業車、橋梁点検車等の構成部品であるブームは、中空の筒形状を有する長尺の鋼構造物である。かかるブームは、近年、断面略Ｕ字形状を有する鋼材の開放側の両端部同士を突合せ溶接することによって長尺の筒形状に形成されている。

このブームのような長尺又は大型の鋼構造物において、溶接距離が長い場合には、溶接時の入熱による変形や位置ずれを抑制するために、溶接線上の複数個所を仮付け溶接するのが一般的である。例えば、特許文献１には、ＭＩＧ溶接を用いて仮付けすること、レーザ溶接を用いて仮付けすること、レーザ溶接及びアーク溶接を複合したハイブリッド溶接を用いて仮付けすることが開示されている。

特開２００２−１７２４７７号公報

しかしながら、仮付けにＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接等のアーク溶接を用いた場合には、ビードの余盛が大きくなりやすく、本溶接時に溶接装置が迷走したり停止したりする原因になってしまうという問題がある。また、本溶接時に影響を与えない程度までビードを機械加工することも考えられるが、この場合には作業工程が増加してしまうという問題がある。また、仮付け溶接した部分において本溶接時に十分な溶け込み深さを得ることができず、仮付け溶接した部分が溶接不良になってしまうという問題もある。

また、仮付けにレーザ溶接を用いた場合には、接合部の強度が低く、大型の鋼構造物では搬送時や溶接時に接合部が破断してしまうという問題がある。特に、大型の鋼構造物のように溶接距離が長い場合には、継手間に隙間が空いていることが多く、レーザ溶接では十分に母材を加熱溶融させることができない。

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、仮付け溶接した接合部の強度を向上させることができるとともに、ビードの余盛高さを低くすることができる、仮付け溶接方法及び仮付け溶接装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、第一継手と第二継手との接合部の一部を本溶接前に所定の間隔で仮付けする仮付け溶接方法において、前記接合部に溶加材を供給し、前記接合部にレーザ光を偏向させながら照射して、前記溶加材を前記レーザ光により切断しながら前記接合部に溶着させる、ことを特徴とする仮付け溶接方法が提供される。

前記仮付け溶接方法は、前記溶加材を前記接合部に所定角度だけ傾斜させた状態で押圧しながら供給するようにしてもよい。

また、前記仮付け溶接方法は、前記第一継手及び前記第二継手を上下に配置して、前記レーザ光を横向きに照射するようにしてもよい。

また、前記第一継手は、略Ｕ字形状又は略半円形状の断面を有する鋼材の断面における両端部によって構成され、前記第二継手は、前記第一継手の前記両端部と対峙する両端部を備えた断面を有する鋼材によって構成されていてもよい。さらに、前記仮付け溶接方法は、前記鋼材の左右に位置する二つの接合部を同時に仮付け溶接するようにしてもよい。

また、本発明によれば、第一継手と第二継手との接合部の一部を本溶接前に所定の間隔で仮付けする仮付け溶接装置において、前記接合部に溶加材を供給する溶加材供給装置と、前記接合部にレーザ光を偏向させながら照射するレーザ溶接装置と、を備えることを特徴とする仮付け溶接装置が提供される。

上述した本発明に係る仮付け溶接方法及び仮付け溶接装置によれば、アーク溶接を用いずにレーザ溶接のみを用い、レーザ溶接部に溶加材を供給するようにしたことから、仮付け溶接する接合部に溶着金属を付加することができ、仮付け溶接した接合部の強度を向上させることができる。また、本発明では、レーザ光を偏向させながら照射していることから、溶加材を切断しつつ溶着金属を分散させることができ、ビードの余盛高さを低くすることができる。

本発明の一実施形態に係る仮付け溶接方法を示す説明図であり、（Ａ）は接合部の断面図、（Ｂ）は接合部の正面図、である。 図１に示した溶加材の供給方法の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、を示している。 レーザ光のオシレーションの変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、（Ｃ）は第三変形例、（Ｄ）は第四変形例、を示している。 試験片の断面マクロを示す図であり、（Ａ）は比較例、（Ｂ）は第一試験片、（Ｃ）は第二試験片、を示している。 本発明の一実施形態に係る仮付け溶接装置を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図１（Ａ）〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る仮付け溶接方法を示す説明図であり、（Ａ）は接合部の断面図、（Ｂ）は接合部の正面図、である。図２は、図１に示した溶加材の供給方法の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、を示している。

図１に示したように、本実施形態の仮付け溶接方法は、第一継手１と第二継手２との接合部３の一部を本溶接前に所定の間隔で仮付けする仮付け溶接方法であって、接合部３に溶加材Ｗを供給し、接合部３にレーザ光Ｌを偏向させながら照射して、溶加材Ｗをレーザ光Ｌにより切断しながら接合部３に溶着させるようにしたものである。

本明細書において、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示したように、接合部３の延在方向にＸ軸を設定し、Ｘ軸に垂直な水平方向にＹ軸を設定し、鉛直方向にＺ軸を設定するものとする。

第一継手１及び第二継手２は、例えば、所定の形状を有する鋼板である。図示したように、第一継手１及び第二継手２は、第二継手２を下方に配置し、第一継手１を上方に配置した状態で仮付けされる。ここでは、第一継手１の板厚が第二継手２の板厚よりも大きい場合を図示しているが、第一継手１及び第二継手２は同じ板厚であってもよいし、第二継手２の板厚が第一継手１の板厚よりも大きくてもよい。

また、第一継手１及び第二継手２は、鋼板によって形成されていることから、少なからず加工誤差や変形等を有しており、接合部３のＺ軸方向に隙間Δｇが形成されることがある。本実施形態では、接合部３が隙間Δｇを有する場合であっても、溶加材Ｗを供給することによって仮付け溶接できるようにしている。なお、隙間Δｇは、仮付け溶接時に所定の閾値（例えば、１〜２ｍｍ程度）以下であることが好ましい。

溶加材Ｗは、例えば、溶接ワイヤである。また、溶加材Ｗは、図１（Ａ）に示したように、溶加材供給装置４により接合部３に供給される。溶加材供給装置４は、例えば、溶加材Ｗの姿勢を保持するガイド部材４１と、溶加材Ｗ（溶接ワイヤ）をコイル状に巻いた溶接ワイヤドラム４２と、溶接ワイヤドラム４２からガイド部材４１に溶加材Ｗを送り出す溶接ワイヤ送給装置４３と、を備えている。なお、図示しないが、溶加材供給装置４は、ガイド部材４１を所定の位置に固定する固定手段を備えていてもよい。

レーザ光Ｌは、例えば、図１（Ａ）に示したように、レーザ溶接装置５により接合部３に照射される。レーザ溶接装置５は、例えば、レーザ光Ｌを偏向可能に照射するレーザスキャンヘッド５１と、レーザ光を生成するレーザ発振器５２と、レーザ光をレーザ発振器５２からレーザスキャンヘッド５１に搬送する光ファイバ５３と、を備えている。なお、図示しないが、レーザ溶接装置５は、レーザスキャンヘッド５１を所定の位置に固定する固定手段を備えていてもよい。

溶加材Ｗは、図２（Ａ）に示したように、Ｘ軸方向に延在する接合部３に対してＹ軸方向に所定角度αだけ傾斜させた状態で供給される。本明細書において、この角度αを溶加材Ｗの進入角と称するものとする。本実施形態に係る仮付け溶接方法では、接合部３に供給された溶加材Ｗをレーザ光Ｌで切断して溶着させていることから、進入角αを大きくすると、切断された溶加材Ｗと接合部３との距離が大きくなってしまい、溶加材Ｗの溶着度合いが低下する可能性がある。そこで、溶加材Ｗは、できるだけ接合部３に接近させた状態で供給することが好ましい。進入角αは、例えば、０°＜α≦１０°の範囲内に設定される。

また、溶加材Ｗは、図２（Ｂ）に示したように、接合部３に対して第二継手２側からＺ軸方向に所定角度βだけ傾斜させた状態で供給される。本明細書において、この角度βを溶加材Ｗの傾斜角と称するものとする。この傾斜角βは、第一継手１及び第二継手２の板厚の大きさ等の条件に応じて変更される。例えば、図１（Ａ）に示したように、上側に配置された第一継手１の板厚が下側に配置された第二継手２の板厚よりも大きい場合には、溶加材Ｗは下側から接合部３に供給される。また、第一継手１及び第二継手２が同じ板厚の場合には、傾斜角βは０°に設定してもよい。また、上側に配置された第一継手１の板厚が下側に配置された第二継手２の板厚よりも小さい場合には、溶加材Ｗを接合部３に上側から供給するようにしてもよい。

また、レーザ光Ｌは、図１（Ａ）に示したように、接合部３に対して第二継手２側からＺ軸方向に所定角度γだけ傾斜させた状態で照射される。本明細書において、この角度γをレーザ光Ｌの照射角と称するものとする。この照射角γは、第一継手１及び第二継手２の板厚の大きさに応じて変更される。例えば、図示したように、上側に配置された第一継手１の板厚が下側に配置された第二継手２の板厚よりも大きい場合には、溶加材Ｗは下側から接合部３に供給される。また、第一継手１及び第二継手２が同じ板厚の場合には、照射角γは０°に設定してもよい。また、上側に配置された第一継手１の板厚が下側に配置された第二継手２の板厚よりも小さい場合には、溶加材Ｗを接合部３に上側から供給するようにしてもよい。

また、レーザスキャンヘッド５１から出力されるレーザ光Ｌは、図１（Ｂ）に示したように、Ｚ方向に偏向されて接合部３に照射される。レーザ光Ｌは、例えば、レーザスキャンヘッド５１に設けられた複数の偏向ミラー（図示せず）を用いて偏向される。なお、偏向ミラーとしては、高速で振動するガルバノミラーや回転するポリゴンミラー等を利用することができる。

レーザ光Ｌは、例えば、図示したように、Ｚ軸方向に所定の周期でジグザグに揺動される。本明細書において、このレーザ光Ｌの軌跡をオシレーションと称するものとする。図１（Ｂ）に示したように、レーザ光Ｌの偏向幅Ｓは、接合部３の隙間Δｇよりも大きく設定される。また、接合部３は、図示したように、一定の間隔で所定の長さだけ仮付け溶接される。

このように、レーザ光Ｌを接合部３の延在方向に対して異なる方向に偏向させながら照射することにより、接合部３の供給された溶加材Ｗを切断しながら溶着させることができる。また、レーザ光Ｌを偏向させることにより、切断した溶加材Ｗ（溶着金属）を接合部３で分散させることができ、ビードＢの余盛高さを低くすることができる。

また、本実施形態に係る仮付け溶接方法では、アーク溶接を用いずにレーザ溶接のみを用い、レーザ溶接部に溶加材Ｗを供給するようにしたことから、仮付け溶接する接合部３に溶着金属を付加することができ、仮付け溶接した接合部３の強度を向上させることができる。また、アーク溶接を用いていないことから、仮付け溶接時に第一継手１及び第二継手２に電流を流す必要がなく、鋼材への無駄な入熱を低減することができ、鋼材の変形を抑制することもできる。

また、仮付け溶接を下向きのアーク溶接で行った場合には、溶着金属が自重により下方に垂れ落ちて、ビードＢの裏側の余盛高さが高くなる可能性があるところ、本実施形態に係る仮付け溶接方法では、横向きに仮付け溶接していることから、ビードＢの裏側の余盛高さを低くすることができる。

次に、レーザ光Ｌの偏向方法の変形例について、図３を参照しつつ説明する。ここで、図３は、レーザ光のオシレーションの変形例を示す図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、（Ｃ）は第三変形例、（Ｄ）は第四変形例、を示している。

図３（Ａ）に示した第一変形例は、レーザ光Ｌを略正弦波状に偏向させたものである。また、図３（Ｂ）に示した第二変形例は、レーザ光Ｌを略楕円形状に偏向させたものである。このとき、溶接方向の下流側の偏向幅を上流側の偏向幅よりも大きくするようにしてもよい。このように、接合部３の延在方向に沿ってレーザ光Ｌの偏向幅を傾斜させることにより、溶着金属を効果的に分散させることができる。

図３（Ｃ）に示した第三変形例は、レーザ光Ｌを横向きの８字形状に偏向させたものである。また、図３（Ｄ）に示した第四変形例は、レーザ光Ｌを縦向きの８字形状に偏向させたものである。このとき、レーザ光Ｌは、複数の８の字を描きながら接合部３に沿って移動される。なお、レーザ光Ｌのオシレーションは、図示した形状に限定されるものではない。

上述した本実施形態に係る仮付け溶接方法により第一継手１及び第二継手２を仮付けした後、接合部３に沿って本溶接を行う。本溶接では、例えば、アーク溶接とレーザ溶接とを併用したレーザアークハイブリッド溶接が用いられる。かかる本溶接では、一般に、溶接装置は接合部３に沿って倣い制御される。上述したように、本実施形態に係る仮付け溶接方法を用いて仮付け溶接したビードＢは、表側及び裏側の余盛高さが低いことから、倣い制御に与える影響が少なく、溶接装置を倣い制御したままビードＢをスキップしたり、ビードＢをそのまま本溶接したりすることができる。

ここで、図４は、試験片の断面マクロを示す図であり、（Ａ）は比較例、（Ｂ）は第一試験片、（Ｃ）は第二試験片、を示している。なお、各図に示したスケールの目盛は１ｍｍである。

図４（Ａ）に示した比較例は、従来のアーク溶接で仮付け溶接した後、レーザアークハイブリッド溶接により本溶接したものである。アーク溶接で下向きに仮付け溶接した場合には、図示したように、ビードの表側及び裏側の余盛高さが高く形成されている。また、従来の方法では仮付け溶接時に溶着される溶着金属の分量が多いことから、本溶接時に十分な溶け込み深さを得ることができず、非貫通が生じたり、裏側のビードが細くなったり、接合部の内部にクラックを生じたりすることとなる。なお、比較例では、本溶接時に倣い制御ができないことから、仮付け溶接した部分のみ個別に本溶接を行っている。

図４（Ｂ）に示した第一試験片は、接合部の隙間が０ｍｍのものである。また、図４（Ｂ）において、上段の図は仮付け溶接した部分の断面マクロであり、中段の図は仮付け溶接した部分を本溶接した部分の断面マクロであり、下段の図は仮付け溶接していない部分を本溶接した部分の断面マクロである。なお、第一試験片では、倣い制御したまま本溶接を行っている。

図４（Ｃ）に示した第二試験片は、接合部の隙間が１ｍｍのものである。また、図４（Ｃ）において、上段の図は仮付け溶接した部分の断面マクロであり、中段の図は仮付け溶接した部分を本溶接した部分の断面マクロであり、下段の図は仮付け溶接していない部分を本溶接した部分の断面マクロである。なお、第二試験片では、倣い制御したまま本溶接を行っている。

図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）の上段に示したように、接合部の隙間の有無に関わらず、仮付け溶接した接合部のビードは、図４（Ａ）に示した比較例と比較して、表側及び裏側の余盛高さが低く形成されている。なお、第一試験片及び第二試験片では、接合部の裏側までビードが形成されていないが、レーザ溶接に溶加材を加えていることから、そのビードは十分な強度を有している。

また、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）の中段に示したように、仮付け溶接した部分についても、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）の下段に示した仮付け溶接していない部分を本溶接した場合と同程度のビードを形成することができている。また、仮付け溶接した部分についても、本溶接時に十分な溶け込み深さを得ることができ、非貫通が生じたり、裏側のビードが細くなったり、接合部の内部にクラックを生じたりしていないことがわかる。

次に、本発明の一実施形態に係る仮付け溶接装置について説明する。ここで、図５は、本発明の一実施形態に係る仮付け溶接装置を示す斜視図である。なお、各図において、溶加材供給装置４及びレーザ溶接装置５の図を簡略化してある。

仮付け溶接装されるワーク６は、例えば、クレーン車や高所作業車等に使用されるブームやジブ等の筒型の鋼材である。ワーク６は、使用時の姿勢に対して長手方向に沿って上下に二分割されており、上側ワーク６１は丸いＵ字形状（又は略半円形状）の断面を有し、下側ワーク６２は角張ったＵ字形状の断面を有している。第一継手１は、上側ワーク６１の両端部によって構成され、第二継手２は、下側ワーク６２の両端部によって構成される。

本実施形態に係る仮付け溶接装置は、上述した溶加材供給装置４及びレーザ溶接装置５を備えている。また、仮付け溶接装置は、ワーク６を支持する載置台７と、載置台７の左右両側に沿って延設された一対のガイドレール８と、ガイドレール８に沿って移動する門型の移動体９と、を備えている。

溶加材供給装置４及びレーザ溶接装置５は、図示したように、移動体９の左右両側に配置されている。なお、溶加材供給装置４を構成する溶接ワイヤドラムやレーザ溶接装置５を構成するレーザ発振器は移動体９に搭載してもよいし、移動体９とは別に床面等に配置するようにしてもよい。

また、移動体９は、ワーク６を左右両側から内側に押圧する一対のプレス装置１０と、ワーク６を上側から下方に押圧するプレス装置１１と、とを備えていてもよい。かかるプレス装置１０，１１を配置することにより、仮付け溶接時にワーク６を位置決めすることができ、接合部３の隙間を最小限に設定することができ、効果的に仮付け溶接することができる。

ワーク６は、上側ワーク６１の第一継手１と下側ワーク６２の第二継手２とを突合わせた状態で載置台７上にセットされる。その後、所定の位置に移動体９を移動させ、プレス装置１０，１１によりワーク６を位置決めし、上述した仮付け溶接方法により左右両側の仮付け溶接を同時に行う。仮付け終了後、プレス装置１０，１１を解除し、再び所定の位置に移動体９を移動させ、ワーク６の位置決め及び仮付け溶接を行う。以下、この処理を繰り返す。

かかる仮付け溶接装置によれば、ワーク６の左右両側に位置する接合部３を同時に仮付け溶接することができ、仮付け溶接工程の処理時間を短縮することができる。なお、ワーク６は、図示した形状に限定されるものではなく、例えば、鋼構造物の柱等に使用される中空の略四角柱形状の鋼材であってもよいし、配管等に使用される中空の円筒形状の鋼材であってもよい。

また、ここでは、ワーク６の左右両側に接合部３を有する場合について説明しているが、ワーク６の左右片側にのみ接合部３を有する場合についても、上述した仮付け溶接装置により仮付け溶接することができる。このとき、移動体９に配置された溶加材供給装置４及びレーザ溶接装置５の一方のみを使用してもよいし、仮付け溶接しない側の溶加材供給装置４及びレーザ溶接装置５を移動体９から取り外しておいてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、例えば、本溶接が突合せ溶接の場合だけでなく隅肉溶接の場合にも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 第一継手
２ 第二継手
３ 接合部
４ 溶加材供給装置
５ レーザ溶接装置
６ ワーク
７ 載置台
８ ガイドレール
９ 移動体
１０，１１ プレス装置
４１ ガイド部材
４２ 溶接ワイヤドラム
４３ 溶接ワイヤ送給装置
５１ レーザスキャンヘッド
５２ レーザ発振器
５３ 光ファイバ
６１ 上側ワーク
６２ 下側ワーク
Ｌ レーザ光
Ｗ 溶加材

Claims (6)

1. 第一継手と第二継手との接合部の一部を本溶接前に所定の間隔で仮付けする仮付け溶接方法において、
   前記接合部に溶加材を供給し、前記接合部にレーザ光を偏向させながら照射して、前記溶加材を前記レーザ光により切断しながら前記接合部に溶着させる、
   ことを特徴とする仮付け溶接方法。
2. 前記溶加材を前記接合部に所定角度だけ傾斜させた状態で押圧しながら供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の仮付け溶接方法。
3. 前記第一継手及び前記第二継手を上下に配置して、前記レーザ光を横向きに照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の仮付け溶接方法。
4. 前記第一継手は、略Ｕ字形状又は略半円形状の断面を有する鋼材の断面における両端部によって構成され、前記第二継手は、前記第一継手の前記両端部と対峙する両端部を備えた断面を有する鋼材によって構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の仮付け溶接方法。
5. 前記鋼材の左右に位置する二つの接合部を同時に仮付け溶接する、ことを特徴とする請求項４に記載の仮付け溶接方法。
6. 第一継手と第二継手との接合部の一部を本溶接前に所定の間隔で仮付けする仮付け溶接装置において、
   前記接合部に溶加材を供給する溶加材供給装置と、
   前記接合部にレーザ光を偏向させながら照射するレーザ溶接装置と、
   を備えることを特徴とする仮付け溶接装置。