激光电弧复合焊接方法及借助该焊接方法的焊接构件的制造方法

摘要

本发明提供可以在将焊接速度提高到20m/分钟左右的同时、焊道形状良好并且可以抑制气孔等焊接缺陷的焊接方法、以及使用了该焊接方法的制造焊接构件的方法。本发明提供的激光电弧复合焊接方法是将不锈钢、钛、或者钛合金的平板或制成管状的带状板的两个端部对焊的焊接方法，其特征在于，在对接部的焊接中，先进行激光焊接，后进行TIG电弧焊接，在将激光照射和电弧放电配置于同一焊接线上的同时进行焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及将不锈钢、钛、或者钛合金对焊的焊接方法、以及利用该 焊接方法制造焊接构件的方法。以下将以钛或者钛合金(以下将两者合并 简称为“钛”。)为例举出进行说明，然而并不是限定于此的意思。

背景技术

钛由于耐腐蚀性优异，因此在石油、化学工业、火力·原子能发电、 海水的淡水化等工厂、或航天·航空器领域中，作为热交换器、或冷凝器 使用。所述用途中，钛被作为焊接管、或将焊接管与管板焊接接合的构件 等使用，特别是焊接管使用外径为12～60mm左右，板厚为0.3～2.5mm 左右的构件。

一般来说，钛管的焊接利用TIG电弧进行。TIG电弧焊接(钨极惰 性气体保护电弧焊)具有可以获得良好的焊道形状等长处，然而另一方面， 所述的0.3～2.5mm的板厚下的焊接速度虽然根据板厚而不同，然而大致 上为9m/分钟左右(例如，在板厚为0.5mm的情况下为7m/分钟，板厚为 1.2mm时为2m/分钟)以下。与之不同，激光由于热源的能量密度高，因 此熔深大，可以实现高速焊接，另外，激光焊接由于母材的总热量输入量 小，焊接热影响部的宽度极窄，因此焊接金属的冷却速度变大，焊接部的 性能(韧性等)也良好。但是，激光焊接中，如果产生贯穿板厚的小孔 (keyhole)而不稳定地变动，就会产生向其附近的熔池中卷入气体的气 流。一旦该卷入的气体成为气泡而原样不变地凝固，就会有容易在焊接部 中产生气孔等焊接缺陷的情况。

例如，专利文献1～4中，公开有如下的焊接方法，即，在发挥焊接 速度快这样的激光焊接的长处的同时，还提高了焊接性、抑制了气孔等焊 接缺陷。专利文献1中公开有使用了等离子体焊接和激光焊接的焊接方 法。更具体来说，在借助等离子体焊炬的先行预热后，进行激光焊接，提 高对焊性(熔深深度和焊道宽度)和焊接速度。专利文献2、3中，通过 在进行高频预热后，进行激光焊接，来防止金属管内面的瘤状突起的产生、 抑制气孔等焊接缺陷的产生。专利文献4中，在进行激光焊接时，通过向 熔池照射2条激光束，来防止气孔或凝固破裂的产生。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2008-502485号公报

专利文献2：日本特开2001-18081号公报

专利文献3：日本特开2001-287061号公报

专利文献4：日本特开平8-90265号公报

发明内容

本发明的目的在于，提供焊接速度快、焊道形状良好、并且可以抑制 气孔等焊接缺陷的焊接方法、以及使用了该焊接方法的制造焊接构件的方 法。

解决了上述问题的本发明的焊接方法是一种激光电弧复合焊接方法， 对不锈钢、钛、或者钛合金的平板或制成管状的带状板的两个端部进行对 焊，其特征在于，在对接部的焊接中，先进行激光焊接，后进行TIG电 弧焊接，在将激光照射和电弧放电配置于同一焊接线上的同时进行焊接。

优选所述激光焊接的激光的焦点位于被焊接构件的上方，并且以使向 被焊接构件照射的激光束径为1mm以上的方式散焦。

优选在所述激光焊接中，照射在铅直方向与激光的夹角为10°以内的 范围中向焊接进行方向倾斜的激光，或者铅直地照射激光，在所述TIG 电弧焊接中，在铅直方向与焊炬的夹角为10～45°的范围中将焊炬的前端 向焊接进行方向倾斜。

优选所述激光焊接中的激光的照射位置与所述TIG电弧焊接中的电 弧放电瞄准位置的间隔LA为3～7mm、在氩气中进行本发明的焊接、或 者利用氩气进行所述TIG电弧焊接的焊炬保护(ト一チシ一ルド)、后 保护(アフタ一シ一ルド)、及背面保护(バツクシ一ルド)等。此外， 本发明的焊接方法中，还优选在所述激光焊接之前，进行借助TIG电弧 的预热。

在本发明中，还包括利用上述的任意一种焊接方法来制造平板或管状 的对焊构件的方法。

发明效果

根据本发明，焊接速度被加快，焊道形状平滑而宽广，并且可以抑制 气孔等焊接缺陷。

附图说明

图1是表示激光的焦点处于被焊接构件的表面时的小孔、以及气孔的 生成的样子的概略图。

图2是表示本发明的焊接方法的一例的图。

图3(a)是表示被散焦了的激光的照射的样子的图，图3(b)是表 示焦点距离和散焦量对照射激光直径造成的影响的曲线图。

图4是表示板厚0.5mm及1.2mm时的激光束径与气孔产生的关系的 图。

图5A是观察焊接部的外观得到的光学显微镜照片。

图5B是观察焊接部的剖面得到的光学显微镜照片。

具体实施方式

本发明人等为了获得发挥出激光焊接和普遍用于钛管中的TIG电弧 焊接的各自的长处的焊接方法，反复进行了研究。其结果是判明，在激光 焊接与TIG电弧焊接的复合焊接中，如果在先进行激光焊接、后进行TIG 电弧焊接地将激光照射和电弧放电配置于同一焊接线上的同时进行焊接， 就可以达成上述目的。

即，本发明中最大的特征在于后进行TIG电弧焊接这一点，通过使 TIG焊炬角度为前进角，即，TIG焊炬的前端为从铅直向下方向朝向焊接 进行方向倾斜的状态，焊道的宽度、光滑性就会变得良好。此外，后进行 的TIG电弧焊接可以将因激光焊接而形成的熔池内的气泡排出。

本发明的激光焊接中，优选以使激光的焦点位于被焊接构件的上方、 并且向被焊接构件照射的激光束径(直径)为以上的方式散焦。 如果进行激光焦点处于被焊接构件的表面的集中照射，则如图1所示由小 孔的不稳定的变动造成的气孔的产生就会变得明显，然而通过将激光散 焦，就可以防止小孔的产生、或者使小孔变浅。对于进行了散焦的情况下 的向被焊接构件照射的激光束径，只要是可以进行焊接，则越大越好。所 以，更优选为以上。而且，为了即使增大向被焊接构件照射的激 光束径也可以进行焊接，需要增大激光器功率。

所述激光焊接中，优选照射在铅直方向与激光的夹角(以下称作“激 光照射角”。)为10°以内的范围中向焊接进行方向倾斜的激光，或者铅 直地照射激光，所述TIG电弧焊接中的焊炬在铅直方向与焊炬的夹角(以 下称作“TIG焊炬角”。)为10～45°的范围中使焊炬的前端向焊接进行方 向倾斜。如果激光照射角超过10°，则为了进行焊接就需要高的激光器功 率。另外，虽然激光照射角也可以是0°(即铅直地照射激光)，然而由 于会有反射损伤(由反射光造成的激光头等的损伤)，因此最好超过0°。 另外，由于TIG焊炬是在激光器后方相邻地设置，因此TIG焊炬角优选 为10°以上。另一方面，TIG焊炬角优选为45°以下。如果TIG焊炬角超 过45°，则熔深小，焊道宽度不规则地变宽，即焊接贡献、焊道形状变差。 激光照射角的下限更优选为3°，进一步优选为4°，激光照射角的上限更 优选为8°，进一步优选为7°。TIG焊炬角的下限更优选为15°，进一步优 选为20°，TIG焊炬角的上限更优选为40°，进一步优选为35°(特别是 30°)。

所述激光焊接中的激光的照射位置与所述TIG电弧焊接中的电弧放 电瞄准位置的间隔LA优选为3～7mm。通过将LA设为3mm以上，就 不会有激光照射与TIG电弧放电冲突的情况，可以有效地发挥将两者并 用所带来的效果。另一方面，如果LA过大，则无法充分地发挥后进行的 TIG电弧焊接的效果，因此优选设为7mm以下。LA的下限更优选为4mm， LA的上限更优选为6mm，进一步优选为5mm。

另外，本发明的焊接方法优选在氩气中进行焊接、或者利用氩气进行 所述TIG电弧焊接的焊炬保护、后保护、及背面保护。通过在此种气氛 中进行焊接或者进行保护，就可以防止焊接部的氧化。

图2中表示出本发明的焊接方法的一例。优选在进行TIG电弧焊接 时，恰当地控制电极距离(电极长度方向的延长线上的、电极前端与被焊 接构件的距离)或电极突出长度，电极距离为2～3mm左右，电极突出 长度通常为15～20mm左右。另外，本发明的焊接方法中的TIG电弧焊 接也可以不使用填充金属。

本发明的焊接方法中使用的激光器只要是可以对被焊接构件提供能 量，就没有特别限定，例如可以举出CO₂激光器等气体激光器；YAG激 光器、圆盘激光器、光纤激光器等固体激光器；热交换效率高的半导体激 光器(LD)等。另外，激光的光束形状没有特别限定，可以举出圆形、 椭圆形、矩形等。在光束形状为矩形的情况下，可以实现与如下的光束大 致同等的良好的焊接，即，是具有与焊接方向的光束长度相同长度的直径 的散焦圆形光束，且光束密度(输出/面积)相同。另外，优选矩形光束 的宽度(与焊接方向垂直的方向的长度)小于所述的散焦圆形光束直径， 如果是这样，则由于照射光束面积变小，因此可以实现低输出下的焊接。

另外，本发明的焊接方法中，也可以在激光焊接之前，还利用TIG 电弧进行预热。通过在激光焊接之前用TIG电弧进行预热，激光的吸收 性就会提高，因此即使抑制激光器装置的输出也可以进行良好的焊接。在 激光焊接之前进行的TIG电弧的焊接条件可以设为与上述的后行TIG电 弧焊接相同。

本发明的焊接方法可以适用于不锈钢、钛、或者钛合金，可以制造管 状的对接构件或平板的对接构件。通过满足上述的要件，可以将快速的焊 接速度、平滑且宽广的焊道形状、以及对焊接缺陷(气孔等)的抑制全都 实现。而且，根据本发明的焊接方法，焊接速度在所述的板厚0.3～2.5mm 的范围中最快可以确保20m/分钟左右，与以往(板厚为0.5mm的情况下 最快为15m/分钟、板厚为1.2mm的情况下最快为8m/分钟)相比，可以 确保大约2倍以上的焊接速度。

实施例

下面，举出实施例对本发明进行更具体的说明。本发明不受以下的实 施例限制，当然也可以在能够适合前述、后述的宗旨的范围中适当地加以 变更后实施，它们都包含于本发明的技术的范围中。

作为激光焊接机，使用最大功率10kW的光纤激光焊接机(焊接机： IPG公司制)，调查了激光照射角0°(即铅直向下方向)的情况下的、 焦点距离和散焦量对照射激光直径造成的影响。表1及图3中，表示出焦 点距离为250mm、以及500mm时的散焦量与照射激光直径的关系。

[表1]

实验例1

实施例1

在以下所示的条件下先进行激光焊接，后进行TIG电弧焊接，以4～ 15m/分钟的焊接速度进行焊接。对于激光焊接，基于上述结果，将焦点 距离设为250、500mm，将散焦量设为-3(板内)～+60mm而调整了 照射激光直径(照射激光直径为)，并且控制了激光器输出。 而且，在TIG焊炬保护、后保护及背面保护中使用了氩气，激光焊接中 的激光的照射位置与所述TIG电弧焊接中的电弧放电瞄准位置的间隔LA 为5mm。

激光焊接条件(先进行)

激光焊接机            ：IPG公司制、最大功率10kW、光纤激

光焊接机

激光照射角            ：5°

TIG电弧焊接(后进行)

TIG焊接机             ：ダイヘン公司制

电流                  ：最大500A(焊接电流为170A)

保护气体              ：氩气

电极突出长度          ：15～17mm

电极距离              ：2mm

TIG焊炬角             ：前进角30°

钨电极(负)            ：直径4mm、电极棒前端角60°

被焊接构件

材质                  ：纯Ti

形状                  ：板厚0.5mm及1.2mm

                      管外径

                      焊接长度1m

对在上述的条件下焊接的管状构件的全长进行基于JIS H0515的涡 流探伤检查，在该涡流探伤检查中的高信号部或任意的300mm焊接长度 的区域，进行基于JIS Z3107的放射线透过试验，确认了气孔的产生。

将结果表示于图4中。图4是表示关于板厚0.5mm及1.2mm时的激 光束径与气孔的产生的关系的图。无论哪种情况下，在激光束径被散焦到 以上时，都抑制了气孔的产生。图4中，在实线以上的激光器输出 下焊接部被切断，然而在虚线以下的激光器输出下则残留有未接合部。所 以，图4的由实线和虚线包围的范围表示出合适的焊接条件的范围。

比较例1

除了单独利用激光焊接进行焊接以外，与实施例1相同地确认了有无 气孔的产生。其结果是，在单独使用激光焊接的情况下，在激光束径被散 焦到以上时抑制了气孔的产生。

根据实施例1及比较例1可知，通过将激光束径散焦到一定程度以上 可以抑制气孔的产生，并且通过在激光焊接后续接TIG电弧焊接，即使 是更小的激光束径，也可以抑制气孔的产生。对此可以认为，通过利用散 焦来增大激光束径、或在激光焊接后续接TIG电弧焊接，则对焊方向的 热量输入时间变长，即焊池变长，这对气孔抑制有很大影响。所以，对于 激光束径，只要是可以进行焊接，则越大(被散焦)越好。

实验例2

对于表2中所示的条件、以及其他的条件与实验例1相同地进行焊接， 观察了焊接部的外观及剖面。将外观照片、及剖面的光学显微镜(倍率： 50倍)照片分别表示于图5A、图5B中。

可知在激光焊接之后进行TIG电弧焊接的一方焊道形状宽广、平滑 (图5A)，另外对于剖面，上下焊道端变得光滑(图5B)。另外，使 TIG电弧焊接电流在100～400A的范围中变化而观察了焊道形状，结果 发现，伴随着电流的增加，焊道宽度增加，然而高输出下因电极消耗而变 得不稳定，因此优选以200A左右为上限。

[表2]

实验例3

对于表3中所示的条件、以及其他的条件与实验例1相同地进行焊接， 与实验例2相同地观察了焊道形状。

[表3]

虽然在No.5、6的任意的情况下都可以进行焊接，然而在先进行TIG 的No.6中由于TIG焊炬为后退角(即，TIG焊炬的前端从铅直向下方向 向与焊接进行方向相反的方向倾斜)，因此焊道形状变为凸状。而且，由 于在No.6中因先进行TIG而将被焊接构件预热，因此用比No.5低的激 光器输出也可以进行焊接。

工业上的可利用性

根据本发明，由于能够以快速的焊接速度实现焊道形状优异并且焊接 缺陷少的焊接，因此十分有用。