JP6919783B2

JP6919783B2 - 溶接部欠陥の補修方法

Info

Publication number: JP6919783B2
Application number: JP2017132761A
Authority: JP
Inventors: 直幸松本; 大記置田; 幸太郎猪瀬
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: JP2021167026A; JP7189516B2; JP2019013954A

Description

本発明は、溶接部欠陥の補修方法に関する。

金属部材からなる被溶接部材同士の溶接部には、溶接条件が適正でなかった場合等において、ポロシティ、融合不良、スラグ巻き込み、溶込不良、割れ等の欠陥が生じることがある。このような欠陥の存在は溶接強度の低下に繋がり好ましいことではない。

そこで、従来、このような欠陥が溶接部に発見された場合には、溶接部の欠陥を含む部分を削り取り、削り取った部分にアーク溶接等によりさらに溶接を施工するようにして、溶接部の補修が行われてきた（特許文献１）。

特開２０１２−２４００５９号公報

しかしながら、上記従来の溶接部の補修方法では、溶接部の欠陥を含む部分を削り取った後、さらに溶接を行わなければならず、補修作業に手間と多大な時間を要するという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、補修作業の大幅な時間短縮を実現可能な溶接部欠陥の補修方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様の溶接部欠陥の補修方法は、溶接された被溶接部材の溶接部に存在する欠陥を補修する溶接部欠陥の補修方法であって、前記欠陥は前記溶接部のうち溶接金属の内部に存在する欠陥であり、レーザビームを前記溶接部により形成された溶接線上で移動させながら前記溶接部の幅方向で揺動させつつ前記溶接部に照射し、前記溶接部のうち前記欠陥周りの部分を溶融して補修溶接を行い、揺動速度と移動速度を合成した走査速度を２．５m/min以下、且つ、揺動周期での移動距離を２．８mm以下とする、ことを特徴とする。

第２の態様の溶接部欠陥の補修方法は、アーク溶接とレーザ溶接とを合わせて被溶接部材同士の溶接接合を行うレーザアークハイブリッド溶接が採用され、アーク放電を行いつつ前記レーザビームを前記溶接部に照射し、前記溶接部のうち前記欠陥周りの部分を溶融して前記補修溶接を行うことを特徴とする。

本発明の溶接部欠陥の補修方法によれば、溶接部のうち溶接金属の内部に欠陥が存在する場合において、欠陥周りの部分にレーザビームを揺動速度と移動速度を合成した走査速度を２．５m/min以下、且つ、揺動周期での移動距離を２．８mm以下とするようにして溶接線上で移動させながら溶接部の幅方向で揺動させつつ照射することにより、欠陥周りの部分が溶けて再び溶融池が良好に形成され、欠陥が溶融池に取り込まれて消滅する。
これにより、欠陥周りの部分にレーザビームを照射するという簡単な構成で溶接部欠陥の補修を行うようにでき、補修作業の時間を大幅に短縮することができる。

レーザアークハイブリッド溶接装置を示す図である。溶接部の内部の欠陥を示す図である。補修溶接を行った溶接部を示す写真である。溶接部の内部の欠陥の補修可能な領域を実験結果として示す図である。レーザビームに関し溶接線に沿う距離と揺動幅との関係を模式的に示す図である。レーザビームの揺動幅と揺動周波数とを種々変化させレーザ走査速度を可変して溶接部の補修を行った場合の実験結果を示す図である。内部に溶込不良からなる欠陥を有する隅肉溶接の溶接部を示す図である。補修溶接を行った隅肉溶接の溶接部を示す図である。

以下、本発明に係る溶接部欠陥の補修方法について図面を参照しながら説明する。
本発明に係る溶接部欠陥の補修方法では、例えば、アーク溶接とレーザ溶接とを合わせて施工することで金属部材である被溶接部材同士の溶接接合を行うレーザアークハイブリッド溶接の技術が適用される。

図１を参照すると、レーザアークハイブリッド溶接を行うレーザアークハイブリッド溶接装置が突き合わせ溶接された被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部Ｗの補修作業を行っている状態で示されており、以下レーザアークハイブリッド溶接装置の概要について説明する。

レーザアークハイブリッド溶接装置１は、アーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０からなり、被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接方向、即ち溶接部Ｗの連続する溶接線に沿う方向（図中に矢印で示す）に移動可能に構成されている。

アーク溶接装置１０は、被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部Ｗに対し例えば溶接トーチ１２の先端から消耗電極としての溶接ワイヤ１４が斜めに送り出されるように構成されている。なお、アーク溶接装置１０は、溶接トーチ１２の先端に消耗しない電極棒を取り付けるようにしてもよく、これによりアーク放電のみ行うことも可能である。

一方レーザ溶接装置２０は、レーザ発生装置（図示せず）から供給されるレーザビームＬＢをレーザ照射ヘッド２２で集光して被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部Ｗに照射させるよう構成されている。また、レーザ溶接装置２０は、レーザ照射ヘッド２２を経て集光したレーザビームＬＢを被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接線に対し垂直方向、即ち溶接部Ｗの幅方向（図中に矢印で示す）に揺動可能にも構成されている。レーザの種類としてはＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等が採用される。

このように構成されたレーザアークハイブリッド溶接装置１では、溶接線が溶接ワイヤ１４の先端とレーザビームＬＢの集光点とを結ぶ線に一致するように被溶接部材Ｓ、Ｓがセットされ、溶接線に沿う方向（図中の矢印方向）に送られてアーク溶接、レーザ溶接の順に溶接作業が行われる。

以下、本発明に係る溶接部欠陥の補修方法について詳細に説明する。
溶接構造物を構成する被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部Ｗについて非破壊検査等が実施され、溶接部Ｗの内部に、図２に示すようなポロシティ、融合不良、スラグ巻き込み、溶込不良、割れ等の欠陥が発見されると、当該欠陥部分にアーク放電とレーザ照射を行うべく、上記レーザアークハイブリッド溶接装置１を溶接部Ｗの溶接線が溶接ワイヤ１４の先端とレーザビームＬＢの集光点とを結ぶ線に一致するようにセットする。

以下、欠陥の状態に応じた補修方法を実施例１〜実施例３として説明する。
［実施例１］
実施例１では、突き合わせ溶接された被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部Ｗの内部に欠陥が１箇所だけ存在している場合を例に説明する。
この場合、１箇所の欠陥だけを補修すればよいので、アーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０とを大きく移動させることなく補修作業を行う。

先ず、アーク溶接装置１０を作動させ、欠陥に向けて溶接ワイヤ１４からアーク放電を行う。これにより、溶接部Ｗの欠陥の周辺部分が溶融する。この際、アーク放電で溶接部Ｗを完全に溶融させる必要はなく、溶接部Ｗをある程度溶融するようにアーク電流は適宜調整される。

そして、溶接部Ｗの欠陥の周辺部分がある程度溶融した状態になると、レーザ溶接装置２０を作動させ、欠陥に向けてレーザ照射を行う。具体的には、レーザ照射ヘッド２２で集光したレーザビームＬＢの照射位置が欠陥に対応した位置となるよう、アーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０とを共に移動させ、通常のレーザ溶接におけるレーザパワーでレーザ照射を行う。

さらに、レーザ照射ヘッド２２で集光され照射されるレーザビームＬＢを溶接線に対し垂直方向、即ち溶接部Ｗの幅方向に揺動させる。ここでは、例えば一定の周期でレーザ照射ヘッド２２を往復動させるようにしてレーザビームＬＢを搖動させる。

このように、欠陥の周辺部分がアーク放電によってある程度溶融した状態でレーザビームＬＢを欠陥に向けて集光して照射すると、レーザビームＬＢはアーク放電よりも深い部分まで届くので、アーク放電によってある程度溶融した溶接部Ｗの欠陥の周辺部分はほぼ完全に溶融した状態とされ、再び溶融池が形成される。

これにより、溶接部Ｗの内部に存在していた欠陥は、溶接部Ｗの深い位置に存在しているような場合であっても、アーク放電とレーザビームＬＢとによって新たに形成される溶融池に取り込まれ、消滅する。

特に、レーザビームＬＢを溶接部Ｗの幅方向に揺動させることにより、溶接部Ｗの部分のみならず、溶接部Ｗの周辺の被溶接部材Ｓ、Ｓも一部溶融され、溶融池の範囲が元の溶接部Ｗの範囲よりも広がる。これにより、欠陥が溶融池に取り込まれ易くなり、欠陥が比較的大きい場合であっても、良好に消滅する。

例えば、欠陥がポロシティである場合には、ポロシティが溶融池の溶接金属によって埋められ、或いは、溶融池がレーザビームＬＢの揺動により攪拌されることでポロシティ内の気体が溶融池から大気中に放散されて、消滅する。

さらには、レーザビームＬＢを揺動させることで、新たに欠陥が生じることが防止される。例えば、欠陥が溶接部Ｗの比較的深い位置に存在しているような場合、通常はレーザビームＬＢの出力を高くする必要があり、このようにレーザビームＬＢの出力が高いと新たに割れ等の欠陥が発生する可能性があるが、レーザビームＬＢを揺動させることにより、溶融池の範囲が広がるとともに溶融池が攪拌され、新たな欠陥が生じた側から溶融池に取り込まれ、新たな欠陥の生成が未然に防止される。

図３を参照すると、溶接部Ｗの内部の欠陥に対しアーク放電を行うとともにレーザビームＬＢを揺動させながら照射して補修溶接を行った補修結果が新たな溶接部Ｗ’として写真で示されているが、同写真に示すように、欠陥は良好に消滅する。

なお、ここでは、レーザビームＬＢを揺動させるようにしているが、欠陥が溶接部Ｗの比較的浅い位置に存在している場合には、レーザビームＬＢを揺動させなくてもよい。レーザビームＬＢを揺動させないと、溶込み先端部幅が狭く溶融池の範囲も狭くなるのであるが、欠陥が溶接部Ｗの比較的浅い位置であれば欠陥を溶融池に取り込み、消滅させることが可能である。

図４を参照すると、溶接部Ｗの内部の欠陥の補修可能な領域が、レーザビームＬＢを揺動させない場合（◆印）と所定揺動幅（例えば、幅６mm）で揺動させた場合（●印）とのそれぞれについて実験結果として示されている。同図に示すように、レーザビームＬＢを揺動させない場合には、レーザビームＬＢの溶込み先端部幅が狭いため、溶接部Ｗの深い位置にある欠陥については補修が難しいものの、溶接部Ｗの比較的浅い位置にある欠陥については補修可能である。一方、レーザビームＬＢを揺動させるようにすれば、溶接部Ｗの比較的浅い位置のみならず、溶接部Ｗの比較的深い位置（例えば、深さ２０mm）及び溶接部Ｗの幅方向外縁付近にある欠陥についても十分に補修可能である。

また、ここでは、欠陥に向けてアーク溶接装置１０によりアーク放電を行った後にレーザ溶接装置２０によりレーザ照射を行うようにしているが、アーク溶接装置１０によりアーク放電を行うことなくレーザ溶接装置２０によりレーザ照射だけを行うようにしてもよい。この場合であっても、例えば欠陥が比較的小さいような場合には、溶接部Ｗの欠陥周りの部分を十分に溶融し、溶融池を形成することは可能である。

また、アーク溶接装置１０において、消耗電極として溶接ワイヤ１４を用いている場合、溶接ワイヤ１４が溶加材として溶出して新たな溶接金属を形成することになるが、溶接ワイヤ１４に代えて消耗しない電極棒を用いた場合には、アーク放電だけが行われることになり、溶接ワイヤ１４の消費が抑えられる。

［実施例２］
実施例２では、突き合わせ溶接された被溶接部材Ｓ、Ｓの溶接部Ｗの内部に欠陥が溶接線に沿い連続して複数存在している場合を例に説明する。
この場合には、欠陥が存在する溶接部Ｗの範囲において、アーク溶接装置１０を作動させて溶接ワイヤ１４からアーク放電を開始した後、アーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０とを溶接線に沿って移動させながら、レーザ溶接装置２０をも作動させて溶接部Ｗに向けてレーザ照射を連続的に実施する。

この際、アーク溶接装置１０とレーザ溶接装置２０とを溶接線に沿って移動させながら、レーザ照射ヘッド２２で集光され照射されるレーザビームＬＢを溶接線に対し垂直方向、即ち溶接部Ｗの幅方向に揺動させる。

即ち、図５に溶接線に沿う距離と揺動幅との関係を模式的に示すように、レーザビームＬＢを溶接線に沿って移動させながら同時に溶接部Ｗの幅方向に揺動させ、走査させる。
このようにレーザビームＬＢを移動させつつ揺動を繰り返して走査させる場合、上記実施例１の場合のような移動せずに揺動させただけの状況とは異なり、レーザビームＬＢの中心は同一軌跡上を再び通らない。故に、溶接部Ｗを十分に溶融させて溶融池を形成するためには、レーザビームＬＢの揺動速度と移動速度、即ちこれらを合成したレーザ走査速度、及び、レーザビームＬＢの重なり度合いと相関のあるレーザビームＬＢの揺動周期での移動距離（以下、ピッチという）が重要な要素となる。

ここでは、具体的には、レーザ走査速度が２．５m/min以下、ピッチが図５に示すように２．８mm以下となるようにレーザ走査速度とピッチを設定し、レーザビームＬＢを走査させる。

図６を参照すると、揺動幅と揺動周波数とを種々変化させレーザ走査速度を可変して溶接部Ｗの補修を行った場合の実験結果が示されている。同図において、横軸がレーザ走査速度を示し、縦軸は溶込み深さ／溶込み先端部幅（溶込み深さを溶込み先端部幅で除した値）を示している。ここでは、溶接条件として、アーク電流は１００Ａ、１２５Ａ、１５０Ａの何れかとし、レーザパワーは１０ｋＷ、１５ｋＷの何れかとし、シールドガスとしてＣＯ_２（流量２０L/min）を用いた。

レーザビームＬＢの移動速度を常用される所定の移動速度として、例えば揺動周波数が小さい場合には、レーザ走査速度は小さくなるもののピッチが大きくなり、溶込み深さ／溶込み先端部幅は大きくなる傾向にある。

図６において、○印はレーザ走査速度が２．５m/minを超えている場合、或いは、ピッチが２．８mmを超えている場合に該当しており、例えば、○印のうち、レーザ走査速度が１．２m/min近傍で溶込み深さ／溶込み先端部幅が値３以上の３点では、ピッチがそれぞれ２．９mm、３．６mm、４．９mmと２．８mmを超えており、レーザ走査速度が２．７m/min近傍で溶込み深さ／溶込み先端部幅が値１近傍の１点では、レーザ走査速度が２．５m/minを超え且つピッチも４．４mmと２．８mmを超えている。これらの場合には、それぞれ対応する写真（ａ）及び写真（ｃ）に示すように、欠陥が消滅していないか或いは新たな欠陥が生じ、補修溶接としては不適切である。
一方、図６において、●印はレーザ走査速度が２．５m/min以下且つピッチが２．８mm以下となる場合に該当しており、この場合には、対応する写真（ｂ）に示すように、欠陥が消滅しているか或いは新たな欠陥も生じておらず、補修溶接は適切である。

このように、レーザ走査速度が２．５m/min以下且つピッチが２．８mm以下となるようにレーザ走査速度とピッチとを設定することで、レーザビームＬＢを適正に走査させながら欠陥の補修を行うようにでき、欠陥が溶接部Ｗの内部に溶接線に沿い連続して複数存在している場合であっても、高品質の補修溶接を実現することができる。

特に、上記実施例１において図４で示したように、溶接部Ｗの内部の欠陥を補修可能な領域内に欠陥が有り、レーザビームＬＢの揺動をこれに対応する所定揺動幅（例えば、幅６mm）の範囲で実施する場合には、１パスの補修溶接で高品質の補修溶接を実現することができる。なお、欠陥が当該補修可能な領域を超えて広範囲に存在している場合であっても、補修溶接をマルチパスで行うことにより、同様に高品質の補修溶接を実現することができる。

なお、アーク溶接装置１０によりアーク放電を行うことなくレーザ溶接装置２０によりレーザ照射だけを行うようにしてもよい点、溶接ワイヤ１４に代えて消耗しない電極棒を用いてもよい点は実施例１の場合と同様である。

［実施例３］
実施例３では、隅肉溶接された被溶接部材Ｓ、Ｓの一対の溶接部Ｗの内部に溶込不良からなる欠陥が存在している場合を例に説明する。なお、溶接部Ｗの内部には本来溶接されるべき部分をも含んでいる。

隅肉溶接では、図７に示すように、特に溶接部Ｗの内部で被溶接部材Ｓ、Ｓ同士が溶接されていないまま残っているような溶込不良からなる欠陥が有り、このような欠陥であっても、レーザアークハイブリッド溶接装置１を用いて補修することが可能である。

即ち、一対の溶接部Ｗの一方或いは双方において、実施例１及び実施例２で述べたと同様にして、アーク溶接装置１０を作動させてアーク放電を行い、レーザ溶接装置２０により溶接部Ｗに向けてレーザ照射を実施する。

これにより、図８に示すように、被溶接部材Ｓ、Ｓ同士の溶込不良となっていた部分において新たに溶融池が形成され、被溶接部材Ｓ、Ｓ同士が更なる欠陥の発生なく良好に溶接されて溶込不良が解消され、新たな溶接部Ｗ’が形成される。

以上説明したように、本発明に係る溶接部欠陥の補修方法によれば、溶接部Ｗの内部にポロシティ、融合不良、スラグ巻き込み、溶込不良、割れ等の欠陥が発見された場合において、欠陥周りの部分に少なくともレーザビームＬＢを集光して照射することにより、欠陥周りの部分を溶融させて再び溶融池を形成でき、当該溶融池に欠陥を取り込みながら欠陥を良好に消滅させることができる。これにより、欠陥周りの部分にレーザビームＬＢを照射するという簡単な構成にして溶接部Ｗの内部に存在する欠陥の補修を良好に行うようにでき、溶接部Ｗの補修作業の時間を大幅に短縮することができる。

この場合において、レーザアークハイブリッド溶接の技術を適用し、アーク放電を行いつつレーザビームＬＢを集光して溶接部Ｗに照射することにより、溶接部Ｗをアーク放電により欠陥の周辺部分を含めてある程度まで溶融させた状態でレーザビームＬＢを照射でき、欠陥の周辺部分をほぼ完全に溶融させて溶融池を形成し、十分に補修溶接を行うことができる。

また、集光したレーザビームＬＢを溶接部Ｗの幅方向で揺動させるようにすることで、溶融池の範囲を元の溶接部Ｗの範囲よりも広げ、欠陥を溶融池に取り込み易くでき、欠陥が比較的大きい場合であっても良好に消滅させることができるとともに、溶融池が攪拌されることで新たな欠陥の発生を未然に防止できる。

また、レーザビームＬＢを溶接部Ｗの幅方向で揺動させるとともに溶接部Ｗにより形成された溶接線上で移動させながら溶接部Ｗに照射するようにし、このときの走査速度を２．５m/min以下とし、ピッチを２．８mm以下とすることにより、溶接部Ｗに溶接線に沿って複数の欠陥が連続して存在しているような場合において、新たな欠陥の発生を未然に防止しながら、高品質の補修溶接を実現することができる。

以上で本発明に係る実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、レーザアークハイブリッド溶接の技術を適用し、レーザアークハイブリッド溶接装置１を用いて溶接部Ｗの補修溶接を行うようにしたが、アーク放電を行わずレーザ照射だけで補修溶接を行う場合には、レーザアークハイブリッド溶接装置１に代えてレーザ溶接装置を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、被溶接部材Ｓ、Ｓの突き合わせ溶接における溶接部Ｗ、或いは隅肉溶接における溶接部Ｗの内部に存在する欠陥の補修を例に説明したが、溶接部Ｗの内部に欠陥が存在していれば、本発明に係る溶接部欠陥の補修方法を適用可能である。

１レーザアークハイブリッド溶接装置
１０アーク溶接装置
１２溶接トーチ
１４溶接ワイヤ
２０レーザ溶接装置
２２レーザ照射ヘッド
ＬＢレーザビーム
Ｓ被溶接部材
Ｗ、Ｗ’ 溶接部

Claims

溶接された被溶接部材の溶接部に存在する欠陥を補修する溶接部欠陥の補修方法であって、
前記欠陥は前記溶接部のうち溶接金属の内部に存在する欠陥であり、
レーザビームを前記溶接部により形成された溶接線上で移動させながら前記溶接部の幅方向で揺動させつつ前記溶接部に照射し、前記溶接部のうち前記欠陥周りの部分を溶融して補修溶接を行い、
揺動速度と移動速度を合成した走査速度を２．５m/min以下、且つ、揺動周期での移動距離を２．８mm以下とする、溶接部欠陥の補修方法。
アーク溶接とレーザ溶接とを合わせて被溶接部材同士の溶接接合を行うレーザアークハイブリッド溶接が採用され、アーク放電を行いつつ前記レーザビームを前記溶接部に照射し、前記溶接部のうち前記欠陥周りの部分を溶融して前記補修溶接を行う、請求項１に記載の溶接部欠陥の補修方法。