レーザスポット溶接の最適化に関する研究
A Study on the Optimization of the Laser Spot Welding
河田直樹
遠藤翔太
吉澤正皓
側垣正

Naoki KAWADA
Shota ENDO
Masaaki YOSHIZAWA
Tadashi SOBAGAKI

現在，レーザ溶接に用いられる主なレーザには，YAG レーザ，半導体レーザ，ファイバレーザがあり，さまざまな利用形態がある．当社では，sustina を中心とするステンレス車両にレーザを積極的に利用しているが，主力としてきた YAG レーザの老朽化により，半導体レーザ，ファイバレーザへの置き換えが始まっている．
そこで，今後の発展を考慮し，YAG レーザで得た最適化技術を半導体レーザ，ファイバレーザに適用し，利用の拡大を図った．
その結果，YAG レーザと同様に最適化でき，最適化技術の有効性を確認したので報告する．
Laser used for laser welding, YAG laser, a DDL, a fiber laser. These lasers have various usages. Stainlessrailway vehicles including sustina are effectively used to produce laser welding. However, YAG laser, which has beenused so far, is aging, so it is becoming every conversion to DDL and fiber laser.Therefore, in order to use to produce
the DDL or fiber laser of railway vehicles as the YAG laser was optimized using the quality engineering.
As a result, quality engineering is to stabilize the welding quality of the new laser welding system, confirmed thesuitability of the railway vehicle production.

ンレス鋼製車両への利用に対する最適化を図った．

１ はじめにその結果，YAGレーザ溶接技術と同様に最適化でき，現在，ステンレス鋼など鉄系材料のレーザ溶接に用い最適化技術の有効性を確認したので報告する．

られる主な産業用レーザには，YAGレーザ，半導体レ２ レーザスポット溶接品質の考え方ーザ，ファイバレーザがあり，各産業界にてさまざまな利用形態がある．当社では主に溶接による熱ひずみの低レーザスポット溶接の品質は，ステンレス鋼製車両の減と鉄道車両の水密性向上を目的として，現在までに在来工法である抵抗スポット溶接の品質に換算し，設計sustinaを中心とするステンレス鋼製車両にレーザ溶接をしやすいように配慮している．この点が当社のレーザス(1)

積極的に利用している ．

ポット溶接技術の特徴である．基本的な考え方は，抵抗

しかし，レーザ発振器の寿命等による機器更新の時期スポット溶接の溶接部（ナゲット）1点あたりのもつ強を迎えたこともあって，従来のYAGレーザ溶接設備に度に対して，レーザスポット溶接の溶接部が何点あればよる生産から半導体レーザやファイバレーザの溶接設備等価な強度となるか，あるいは上回る強度となるかといによる生産に切り替えている．これらの設備の最も大きうこととなる．被溶接材料からみれば，溶接部が分散しな違いはレーザの発振方式であり，これによってレーザて配置された形態といえる．の波長や空間的強度分布が異なる．

このような観点で溶接システム，溶接継手強度を定義

また，これに伴って位置決めのための制御装置やレーし，レーザスポット溶接の品質と管理方法について考え

ザ溶接用の加工ヘッド（主に集光光学系や保護装置，測る．

定機器などで構成される）にも違いがあり，全体システ
２．１ 溶接システム

ムで大きな変化が生じており，溶接条件の見直しが必要であると考える．

溶接システムは，溶接機本体のほかにワーク，治具なそこで，これまで生産の主力としてきたYAGレーザども含めて考え，総合的に捉えることが重要である．こで得た品質工学に基づく最適化技術を半導体レーザ溶接のことは，レーザ溶接に限ったことではなく，あらゆる設備とファイバレーザ溶接設備にそれぞれ適用し，ステ加工プロセスに当てはまると考える(2)．

総合車両製作所技報第４号

30レーザスポット溶接の最適化に関する研究

レーザスポット溶接のプロセスの一例を図１に示す．

ナゲット一点あたりの面積の総和を接合面積とし，縦軸まず，溶接条件を最適化し，生産ラインでは，部材や治を引張せん断荷重としている．図3と抵抗スポット溶接具のセット，動作確認といった「溶接前プロセス」からの強度からレーザスポット溶接の打点数を決定できる．

始まり，その次にレーザ発振，送り装置動作，アシスト

また，接合面積と引張せん断荷重の相関係数は0.994

ガス供給がほぼ同時に行われる「溶接中プロセス」があであり，両者の関連性は極めて高いので，図3に基づいる．最後に治具解除，溶接部良否判定，部材搬出がなさた強度の予測が可能であるといえる．

れる「溶接後プロセス」で生産の1サイクルが完了する．

さらに，レーザ溶接は非接触加工であるため，抵抗ス

こういった考え方はレーザ加工の先駆者の間で個別にポットの溶接部の配置の障害となる分流もないので，ほぼ自在にナゲットを配置できる利点がある．

pre-process，in-process，post-processと定義され，レー以上のことから，レーザスポット溶接は，設計上，施ザ加工の基本的な単位となっている．

工上の両面で自由度が大きい溶接方法といえる．

本稿では，これらすべてのプロセスを溶接システムと考え，最適化や管理の対象としている．

表1

ナゲット面積と列数による継手強度確認試験

1-11-21.1 mm

121.4 mm231221-32-12-22-3

図13レーザ溶接プロセス

２．２ 溶接継手強度
レーザスポット溶接継手の強度の考え方は，在来工法である抵抗スポット溶接に準ずるものであると述べた．
ここでは，その具体的な評価方法について述べる．
抵抗スポット溶接の静的強度の評価は，溶接機の性能試験や日常管理などでも用いている短冊試験片を用いた引張せん断試験にて行っている．これと同等の評価ができるようにレーザスポット溶接の試験片を作製する．こ
図2のときの試験片の概要を図2に示す．引張せん断試験で引張せん断試験片

は溶接部の体積よりも，接合界面（重ね部）で溶融している面積が強度に影響するため，抵抗スポット溶接で必要としているナゲット径が主たるパラメータとなる．
ナゲット径を一つの指標として考えた場合，レーザス
ポット溶接では一点あたりのナゲットが小径であるために，複数ナゲットの径の合計が抵抗スポット溶接で短冊試験片に溶接されるナゲット径と同等となるように溶接する必要がある．
抵抗スポット溶接と同等の強度を得るためにレーザス
ポット溶接のナゲットが何点必要であるかを調べるた
め，
YAGレーザにて短冊試験片に1列（8点），2列（16点），3列（24点）溶接し，引張せん断試験を行って実際の強図3

度を調べてみた(3)．その結果を図3に示す．横軸を表1の

31

レーザスポット溶接のナゲット面積と強度

2015年12月

２．３ 溶接品質の管理方法

３．１ 基本機能

レーザ溶接の場合，レーザ出力，溶接速度，加工ガス

品質工学で扱う「機能」は，品質を達成するためのシ（アシストガス）等の溶接条件のほかに，機械装置の位ステム（技術や機械装置）がもつ基本的な「はたらき」

置決め精度や部材精度，治具の健全性など図1に示すレとしている．

ーザ溶接の全プロセスで各々の状態を監視することが重そして，システムの本来のはたらきが使用条件や環境要となり，特に溶接中のレーザ加工ヘッド周辺の光強度条件にどれだけ影響されにくいか，あるいは，ばらつきを測定して状態を判定するモニタリングシステムが大きにくいかを「機能性」と定義している．機能性を「製品な役割を果たしている．

やシステムの本来の働きはエネルギ変換である」とした

一方，経験的には，他の溶接方法と同様に日常管理と考えに基づいて表現した関数が基本機能である．基本機

称する各機器の始業前点検や短冊状の引張せん断試験用

能は式（1）で表現され，Mはシステムの入力，y はシス

溶接試験片（図2）の強度による溶接設備全体の健全性テムの出力，βは感度である（図4）．なお，基本機能は確認が有効であることがわかっている．

目的機能と理想機能に大別される．

さらに，被溶接材料の板厚の10%程度の部材精度を維

y=βM・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（1）

持することが有効であることもわかっているため，被溶接材料の部材精度，機械類の位置決め精度をこれに準じ目的機能は，目的を達成するためのシステムのはたらて管理する必要があり，これらも種々の測定器，センサきで顧客の望む製品の機能（品質特性）を指す．

を用いて自動で監視する手段が多く見られるようになっ一方，理想機能は，システムの目的機能を実現するたてきた．

めの技術的手段となるはたらきで，ニュートンの法則や以上のように，自動で常時監視するシステムと，作業オームの法則など科学的な法則を指す．

者自身によって確認する日常管理（日常点検）の併用によって，高品質なレーザ溶接を実現できると考えている．
3

パラメータ設計の導入

パラメータ設計は，品質工学（タグチメソッド）のオフラインでの最適化手法で，より具体的には「SN比」「，損失関数」，「直交表」の3要素を用いて，研究開発した技術や製品が市場または製造工程で成立するか否かを推し量る評価手法である(4)．設計対象の基本的な「機能」を定義し，SN比によって，その「機能」が誤差や外乱にM対してロバスト（頑健）であるかどうかを評価している．
図4

また，「直交表」によって，ロバスト性の高い設計因子の抽出と，パラメータの決定が容易になるという特徴がある．
表2

総合車両製作所技報第４号

レーザ溶接システムで考えられる主な機能

32

基本機能

レーザスポット溶接の最適化に関する研究

このような前提でレーザ溶接を目的別に機能で分解す

このようにして定めた基本機能，誤差因子，制御因子

ると，おおよそ表2のように示される．便宜上システムと直交表を用いて実験を計画する．

①～⑤と示したが，①，②が上位概念となり，③，④，表3⑤が下位概念となる（溶接継手形態で③，④，⑤は最適化する対象が異なるため，製品別技術の問題ともいえる．
もさまざまな基本機能が考えられる）．最適化を行うな
らば，上流に位置する①から⑤に向かって最適化するのABCDEFGHがよく，①や②で最適化を行えば，③，④，⑤での機能の乱れは少なく，③，④，⑤の最適化は比較的容易であると考えられる．
当社でのYAGレーザによるレーザスポット溶接の最適化では，①→②のプロセスでほぼ最適化がなっている

システム①の制御因子+1
F200:Ar : CO2mm-2.0mm

B0+2.0

12A
BCmm

F200

F150Dmm

3.04.05.023mm

2.0Ar100%-2.03.0
Ar+10%CO204.0
Ar+10%O2+2.0FGH

基本機能は表2にて整理した入出力を用いる．誤差因:He : Ar

システム②の制御因子

Eらのパラメータ設計について示す．

3e表5

本稿では，表2のシステム①および②に着目し，これ2F250:Ar : O2A（最適な状態）からの変化を監視するモニタリングシス

３．２ 実験計画

N2
0.1

表4

ため，③，④，⑤はパラメータ設計を行わず，初期状態テム中心の保全によって品質を維持している．

N1mm

表2に示される③～⑤の基本機能は一例であり，ほかに誤差因子 Nmm

3子および制御因子の設定が実験計画の主な作業となる．
３．３ 要因効果と最適化

まず，誤差因子には機能をばらつかせる要因を選択する．この場合，レーザによる重ね溶接の結果を著しく変表4，5によって計画された実験から二乗和の分解を行化させる被溶接材料の重ね部のギャップ（隙間）とする．

ない，SN比が算出され，要因効果図（図5および図6）

溶接品質の管理でも述べたが，板厚の10%程度を限度とが得られる．要因効果図とは，横軸を表4，表5で示したするのが経験的に望ましいので，ここでは0.1mmとして制御因子の水準とし，縦軸をSN比で示す図である．

いる．

例えば，表4の因子Dは溶接雰囲気に投入するガスのなお，誤差因子は，システム①および②で共通である

流量で，第1水準が少量で，第3水準に向かって増加させが，システム③では被溶接材料の板厚（どのような板厚ているが，よりSN比（ワークギャップに対する溶接品でもギャップ量が密着となるように抑えられる治具），質の安定性）が高くなるのは，ガスを減らした方が良い

システム④ではシステム①，②と同様に被溶接材料のギのか，増やした方が良いのかということがわかる．

ャップ，システム⑤では，板厚または材料の表面特性（どまた，各因子の水準間の差が大きいものが安定性へののような板厚でも安定した研磨ができる，どのような表影響度が大きいことを示し，水準1から水準3へ向かって面の材料でも安定した研磨ができる）といった考え方で増加または減少の傾向がつかめない因子（図では山型や設定する ．

谷型になる因子）は交互作用（因子間の影響によって予(5)次に，制御因子には，システム①では表4，システム測できないふるまいをすること）があることを示してい②では表5のような因子を設定する．どちらも溶接条件る．交互作用の存在は，最適条件の再現性にも関わってが大半を占めているが，大きな違いはレーザの出射形態いるが，実験計画，実験，実験データの計算等に誤りがである．システム①は連続波での最適化を行い，システある可能性も示唆しており，実験の計画から結果までのム②は矩形波（パルス）での最適化を行うことになる．

妥当性を知ることができるといえる．

システム①ではレーザ溶接そのものを被溶接材料のギャ再現性は，要因効果図から推定した現行条件と最適条ップに対して安定化し，システム②では被溶接材料の溶件のSN比の差（推定の利得）と，実際に現状条件と最接後の強度を従来溶接法による継手と同等とし，被溶接適条件で実験を行ない，得られたSN比の差（確認の利得）材料のギャップに対して安定化するという違いがある．

をそれぞれ算出して確認することができる．

33

2015年12月

続いて製品適用に欠かせない溶接継手の評価は表2の②の方法によって確立している．システム②の要因効果は図6の通りであり，継手強度に対しては，特にパルス波形の形状の効果が大きいことがわかる．その反面，システム①で効果が大きかった焦点距離やガス関係のパラメータの効果が小さくみえる．
このことは，レーザスポット溶接ではパルス波形の形状設計が重要であることを示しており，ほかの方式のレーザにも有効なパラメータであると考える．

図5

４．２ ファイバレーザ

システム①の要因効果図（SN 比）ファイバレーザは，YAGレーザに近いシステムであるが，ビーム径をかなり小さく絞れるために，よりエネルギ密度が高いことが特徴となる．
このため，時間領域のレーザ出力の安定性をもたらす
反面，高いエネルギ密度によって被溶接物への熱エネルギの入り方が急峻になるため，連続溶接の始端部やレーザスポット溶接におけるスパッタの発生を抑えることが課題となる．もう少し簡単に表現すれば，材料への熱エネルギの投入方法を見直す必要があるといえる．
このような背景から，表2に示す①の熱エネルギの収支と②の溶接継手の強度に着目した評価方法を組み合わ

図6

せたパラメータ設計を行った．表6に制御因子を示す．

システム②の要因効果図（SN 比）スパッタの抑制を考慮したパルス波形の設計に主眼をおいた実験計画となっており，加工ガス系の一部見直しと，４ レーザの方式による最適化の比較

パルスレーザの波形に関わるパラメータを設定した．

本稿では，レーザの発振方式として，YAGレーザ，パルス波形の基本形状はYAGレーザの最適値から矩DDL，ファイバレーザの3種類のパラメータ設計で用い形としながらも，熱エネルギが急峻に入ることを考慮したパラメータと，その効果から，各レーザの最適化に用て，矩形の一部の出力を下げる方法を採ることにした．
図7に示すように，パルス波形に前段・後段を定義し，いたパラメータの共通点と相違点を整理する．

それぞれのピーク出力と時間の幅を設定することで，矩形波の前または後に段の付いた波形を形成することとし

４．１ YAGレーザた．これに関わるパラメータが表6の因子D，および因当社として最初に最適化を行い，製品適用を行ったレ子Eである．

ーザである．最適化は表2に示す①から④までを行っている．特に重要なことは①の熱エネルギ収支の最適化によって，後述する他方式のレーザにも共通する技術とし計，被溶接物に対するギャップ裕度の定量化などができ

P2

P1て，レーザ加工ヘッドの光学系の設計，加工ガス系の設ている．システム①の要因効果は図5の通りであり，レーザの焦点距離（ここでは，ビーム径に等しい）とガス関係のパラメータの効果が大きいことがわかる．
そのため，レーザの方式ごとの最適化は実際のところ，システムの入力となる熱エネルギの被溶接物への入れ方の設計となり，レーザの出射パターンと溶接速度などが主なパラメータとなった．

総合車両製作所技報

第４号

図734

パルス波形の設計の考え方（その 1）

レーザスポット溶接の最適化に関する研究

実験結果を図8に示す．図5，6と比較すると，各因子ギが緩やかに変化することを考慮し，一度設計の原点にの水準の振れ幅が大きいが，因子間の差は小さいことが戻る意味で矩形波，台形波，三角波の3種類の形状をあわかる．ガスノズル方式を除けば，YAGレーザの最適らためて検討することとした．

化で効果が大きいパラメータを選んで構成したので，全図9にDDLのパルス波形の設計の考え方を示す．図7

体的に効果が上がり，結果として因子間の差が小さくなのように矩形波を前段・後段に分けるのではなく，基本ったと考える．

パルスに別のパルスを追加する方法とした．これにより，

表6

基本波形の前（図9の矢印①のイメージ）または後ろ（図ファイバレーザ溶接の制御因子

9の矢印②のイメージ）に矩形波や台形波，三角波を追/A type加することで1つのパルス波形を構成している．

B type

このような考え方で設定した制御因子が表7である．
DからHがパルス波形の設計に関わる因子となっており，DDLもYAGレーザとの技術的相違点を中心にパラメータを設定している．

(mm)

5.0

7.5

10.00+1.0+2.0--mm-

図9

パルス波形の設計の考え方（その 2）
表7/A:

図8

DDL 溶接の制御因子
12Ar

Ar+5%O23

B:

要因効果図（SN 比）C:４．３ DDL

D:E:

DDLはDirect Diode Laserの略で，加工ヘッド内に半F:導体で構成されるレーザの発振源を配置し，半導体からG:被溶接物に直接照射する方式のレーザである．焦点でのH:

ビーム形状が矩形でYAGレーザやファイバレーザに比べてビームサイズが大きく，エネルギ密度が低い傾向にある．
このため，溶接では，YAGレーザやファイバレーザと比べ，材料への熱エネルギの入り方は緩やかになると考えられるので，ファイバレーザの最適化と同様に表2に示す①の熱エネルギの収支と②の溶接継手の強度に着目した評価方法を組み合わせたパラメータ設計を行った．
制御因子を表7に示す．ほかのレーザと同様に加工ガスに関わるパラメータとパルス波形に関わるパラメータがあることがわかる．DDLの波形の設計は，熱エネル

図 1035

要因効果図（SN 比）2015年12月

４．４ レーザ発振方式とパラメータの整理

次に，表8で示されている制御因子以外の固定パラメータを固定パラメータとして，主要な溶接パラメータす

各発振方式のパラメータ設計における因子を表8にまべてを表9としてまとめた．

とめる．YAG①はYAGレーザのシステム①の最適化を最初にYAGレーザの最適化を行なっていることもあ示し，YAG②はシステム②の最適化を示している．
全体で共通していることは，加工ガスのパラメータがって，YAG①，YAG②では固定パラメータが少なく，必ず含まれており，溶接継手の強度を評価値とした最適さまざまな角度からパラメータの探索を行なっているこ化（YAG②，ファイバ，DDL）では，パルス波形の形とがわかる．これらをベースにしたファイバレーザや状を決定するパラメータ（波形形状，ピーク出力，パルDDLは，YAG①，②で得た結果を利用できる因子が多く，ス幅など）の効果が大きく，全てのレーザ発振方式に共固定パラメータが多くみられる．
その一方で，レーザの性質の違いから加工ガスとパル通していることがわかる．

ス波形の形状に関わるパラメータは，それぞれのレーザまた，溶接継手ということもあって，溶接ピッチ（単でアレンジして用いている．

位長さ辺りのレーザスポット溶接点数に大きく影響する）の効果が大きいこともわかる．
表8YAG

レーザ発振方式とパラメータの整理

YAGDDLABCD

()

E()

FGeHe
表9レーザ発振方式と各パラメータの水準の関係

YAGYAG

22DDL
111333231333

総合車両製作所技報第４号

1363133133333333

1131113113)

2

11113(13111レーザスポット溶接の最適化に関する研究

それから，最適条件による溶接継手の強度を比較した．

関する考察－」，2007年度精密工学会春季大会学術講各レーザの引張せん断荷重を表10に示す．YAGレーザ

演会論文集，757-758，（2007），（社）精密工学会とファイバレーザは，ビーム径を同じφ0.6mmであるた（4）矢野宏：「品質工学概論」，13，（2009），日本規格協会

め，継手強度もほぼ等しい結果が得られているが，DDL（5） 七里マリア，他：「ステンレス鋼板における研磨加工はビームの大きさが0.5mm×3.5mmの矩形なので，レーの評価技術の開発」，東急車輛技報 第61号，26-33，

ザスポット溶接部一点あたりの面積が大きく異なり，（2011），東急車輛製造㈱DDLの継手強度が強くなっているように見える．
これは，単純に溶接部の面積の違いによるものなので，溶接部の面積を増やす，すなわち溶接点数を増やせば解決する問題である．
著者紹介

YAGの場合，図3の結果を用いれば，溶接を1列増やして3列にすると，22 ～ 24kNの強度を得ることができ

河田直樹

るので，DDLに遜色無い強度を得ることができる．こ博士（工学）
生産本部
技術部（接合技術センター） 主査

ういった調整が容易にできるのも，レーザスポット溶接の特徴といえる．
表 10

各レーザの最適条件における引張せん断荷重

YAG
16.50kN遠藤翔太

DDL
16.65kN

生産本部
技術部（接合技術センター）

21.15kN

５ まとめ

吉澤正皓

YAGレーザで培ってきた最適化技術を，半導体レーザ，ファイバレーザによるレーザスポット溶接に適用し，生産本部技術部（接合技術センター）最適化を試みた．いずれのレーザでも加工ガスに関わるパラメータとパルス波形の形状に関わるパラメータの影

側垣響が大きく，最適化に寄与していることが確認できた．

正

生産本部
生産管理部（生産技術） 主査

冒頭でも述べたが，レーザ溶接にはさまざまな利用形態があり，用途に合った最適値が存在している．
sustinaへの利用形態として，レーザを連続照射して溶接を行なう突合せ溶接や水密溶接もあり，これらに適するレーザもまたさまざまである．
今後も製品に適したレーザ溶接の利用形態を模索し，これまで培ってきた最適化技術を用いて，より溶接品質をもとめていきたい．
参考文献（1） 浅 賀哲也，他：「「sustina」国内第1号車両の開発」，総合車両製作所技報 第2号，5-6，（2013），㈱総合車両製作所（2） 河田直樹，他：「ステンレス鋼板のレーザ溶接システムに関する状態監視システムの開発」，精密工学会誌
Vol.75 No.5，629-633，（2009），精密工学会（3） 大塚陽介，他：「レーザによるステンレス鋼溶接部の評価方法の開発（第2報）－疲労強度を含めた評価に37

2015年12月