专利名称：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
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O. 3 2. 5_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O. 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O. 5_的情况下为7m/分钟，板厚为I. 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I 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I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I :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Imm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(卜一 f '> 一> F )、后保护(7· 7夕一-> 一> F )、及背面保护(K V夕V一& K )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。
图I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是表不板厚O. 5mm及I. 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。
具体实施例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)力φ Him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I所亍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φ .Imm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O. 3 2. 5mm的范围中最快可以确保20m/分钟左右，与以往(板厚为O. 5mm的情况下最快为15m/分钟、板厚为I. 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IOkW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I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 I]
权利要求
1.一种激光电弧复合焊接方法，对不锈钢、钛、或钛合金的平板或者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。
2.根据权利要求I所述的焊接方法，其中， 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Imm以上的方式散焦。
3.根据权利要求I或2所述的焊接方法，其中， 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 °的范围中使焊炬的前端向焊接进行方向倾斜。
4.根据权利要求I或2所述的焊接方法，其中， 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。
5.根据权利要求I或2所述的焊接方法，其中， 在氩气中进行焊接。
6.根据权利要求I或2所述的焊接方法，其中， 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。
7.根据权利要求I或2所述的焊接方法，其中， 在所述激光焊接之前，借助TIG电弧进行预热。
8.一种利用权利要求I或2所述的焊接方法来制造平板或管状的对焊构件的方法。
全文摘要
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。
文档编号B23K9/235GK102791420SQ20118001272
公开日2012年11月21日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月8日
发明者小桥泰三, 松并正宽, 滨田猛, 石外伸也, 铃木荣一 申请人:株式会社神户制钢所, 神钢特殊钢管株式会社