半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発
Development of Different Thickness Butt Welding Technology by Direct Diode Laser for Railway Vehicle
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
河 田 直 樹 Naoki KAWADA
武 Takeshi ISHIKAWA
石川鉄道車両製造におけるレーザ溶接はステンレス鋼の薄板の突合せや重ね溶接への適用がある．これ以外では中板同士の異板厚突合せ溶接にYAGレーザを適用した例がある．YAGレーザではアンダーフィルの発生や，ギャップ裕度が小さいなどの課題があった．これらを解決するために，半導体レーザにより異板厚突合せ溶接技術の開発を行った．使用した半導体レーザのビーム形状は矩形であり，YAGレーザよりも溶接線方向に長い加熱時間がある．その結果，YAGレーザに比べて溶接入熱を低減できた．また，母材と同等の継手強度が得られた．

Laser welding is applied butt and lap joints of stainless steel sheet in manufacturing of railway vehicle. Hereis another example of application laser-welding. It is different thickness butt welding by using YAG laser. Thesejoints thickness are 3.0mm and 4.5mm. YAG laser welding has two problems. These problems are underfill ofweld defect and little gap tolerance. This study use direct diode laser （DDL） to solve these problems. DDL
has rectangle and long length beam spot. This beam spot can provide long heating time more than beam spot ofYAG laser. As a result DDL welding can reduce welding heat input comparison with YAG laser welding. In
addition, strength of welded joint is equivalent to base metal.

１ はじめにこの結果を報告する．

鉄道車両製造における溶接技術は抵抗スポット溶接，アーク溶接が主流である．2000年以降はレーザ溶接を適２実験方法

２．１用したステンレス製車両が登場しており，当社も2011年

供試材および実験装置の外板と構体骨組の接合に供試材はオーステナイト系ステンレス鋼のSUS304をレーザ溶接
レーザスポット溶接 を適用した実績がある．

使用した．板厚は3.0mmと4.5mmである．継手形状は突は速い溶接速度でも深い溶込みが得られる．
また，加熱さ合せ継手である．図1に示すように段差面をレーザ照射れる範囲は非常に微小であり結果として入熱が少なく熱側，平滑面を裏側とした．板端の加工はシャー切断またに横浜新都市交通 2000型

（1）

（2）

ひずみの小さい溶接が可能である．これは後工程での修はレーザ切断とした．シャー切断の場合，突合せの際に正作業の減少や，組み付けを容易にする等の利点がある．

ダレ面をレーザ照射側となるように組み合わせた．

ステンレス鋼製車両の外板や骨部材の板厚は1.0～1.5 mmの薄板であるが，一部の部材には中板も存在し当社では厚さ3.0 mmと4.5 mm の中板同士の突合せ溶接にYAGレーザを適用した実績がある．しかし，YAGレーザの場合はアンダーフィルの抑制と，ギャップ裕度の緩和のためにビームを光学系で二つに分割し，なおかつフィラーワイヤを併用しての接合であった（3）．これに対して，YAGレーザのツインスポットの光学系を簡易化し，フィラーワイヤを用いない接合を目指し，矩形のビームを持つ半導体レーザを用いて中板同士の異板厚突合せ溶接技術の開発を行った．結果，フィラーワイヤを用いず接合が可能となり，なおかつ入熱量の低減に成功した．

総合車両製作所技報創刊号

16

図1 突合せ継手の形状

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発

図2に溶接装置の配置を示す．使用したレーザ装置のかる（デフォーカスする）と考えられる．また，常に波長は940nmである．当装置はファイバ伝送ではなく，3.0mm板表面はデフォーカスであり，パワー密度は90%

被加工物に直接レーザ光を照射するダイレクトダイオー未満となる．3.0mm板表面を焦点位置とした場合は，反ドレーザ（DDL） である．レンズの焦点距離は130 mm

対に段差部が溶けるにつれて溶接ビードは焦点位置に近であり，焦点位置でのビームサイズは半値全幅で幅づくと考えられる．よって，3.0mm板表面に焦点位置を0.5mm，長さ3.5mmの矩形である．ビームの長手方向は設定することとした．

（4）

溶接方向と同一とした．加工ガスはサイドガスノズルから供給し，加工ガスは純Ar，流量は30L／minとした．
接合には幅10mm，深さ10mmの溝付きの銅定盤を用いた．

３ 結果と考察
３．１

板の切断方法の違いによる接合突合せ面がレーザ切断の場合とシャー切断の場合の溶接部断面マクロ写真を図 4 ，5に示す．
レーザ出力は 5 kW，溶接速度は1.2m／minである．ねらい位置を突合せの中心とし，溶接方向は紙面奥から手前である．

図2 溶接装置の配置
２．２

焦点位置の検討

波長940nmに対し高吸収の黒アクリルに極低パワーのレーザを高速で走査し，蒸発幅を計測し，これを簡易的にビーム幅とした．この結果を図 3 に示す．図中の点線

図4 レーザ切断の場合の溶接部断面マクロ写真（レーザ出力：5kW，溶接速度：1.2m／min）

または破線と実線の交点は，照射痕の幅が最も絞れた位置から√2倍，1.05倍になる位置である．半値全幅で定義されるビームサイズと照射痕に相似性があると仮定すると，それぞれの位置ではパワー密度が 50％，90％相当となる．

図5 シャー切断の場合の溶接部断面マクロ写真（レーザ出力：5kW，溶接速度：1.2m／min）
図3 ビーム幅の計測結果レーザ切断，シャー切断のどちらにおいても溶接ビード

レーザ照射部には板厚差により1.5mmの段差がある．

が4.5 mm板から3.0 mm板にかけて傾斜面を形成し，裏面溶接に際してこの段差部は溶融し，傾斜面を形成するとでは約1.0 mmの裏波ビードが発生している．シャー切断考えられる．仮に4.5mm板表面に焦点を合わせた場合，の場合，3.0 mm板から見て若干のアンダーフィルが生じた．

段差部が溶けるにつれて溶接ビードは焦点位置から遠ざ

どちらの場合も溶接部にブローや割れ等の発生は無い ．

1717

2013年１月

2008年に報告したYAGレーザの溶接条件（3）は4kW，0.8m／minである．対してレーザ出力は若干の増である

盛り上っており，まったくアンダーフィルを生じていな
い．

が，溶接速度は向上した．単純にレーザ出力を溶接速度で除して投入熱量を計算するとYAGレーザでは 3000J／cm，DDLでは 2500J／cmとなり，計算では入熱を17 %低減できている．また，板の切断方法に関わらず，フィラーワイヤを用いること無く接合できた．
DDLのビームは長手方向が3.5 mmであり，YAGレーザのビームは0.6 mmのスポットが直列に並んでいるので約1.2mmである．よってDDLとYAGレーザではビームの長さに約 3 倍の差がある．もし同じ速度で溶接するのであれば，ある点での加熱時間は 3 倍の差がある．ただし，溶接速度はDDLの方が1.5 倍速い．よって，今回の溶接条件では約 2 倍の加熱時間の差となる．よって，
図7（a）ねらい位置Aの溶接部断面マクロ写真

4.5mm板の上端部が十分に溶融し3.0mm板側に流れ込み，シャー切断の場合はダレ面の空隙を埋めたと考えられる．また，YAGに比べて長い加熱時間により裏面までの溶込みを得られたと考えられる．
３．２

ねらい位置の影響

３．２．１

水平方向のずれ3.1の接合試験ではねらい位置を突合せの中心とした．
本項では水平方向にねらいがずれた場合の影響を明らかにするために図 6 に示すように，突合せ面を中心として左右に最大1.0mmの距離をずらして接合を行った．焦点位置は3.0mm板の表面とした．板の端面はレーザ切断である．
図7（b）ねらい位置Bの溶接部断面マクロ写真

図6 ねらい位置の模式図
図 7 にねらい位置 A ～ E の断面マクロ写真を示す．レ

図7（c）ねらい位置Cの溶接部断面マクロ写真

ーザ出力は 5 kW，溶接速度は1.2m／minである．溶接方向は紙面奥から手前である．
図7（a）（b）のねらい位置が4.5 mm 板側に寄った場合は図（7 c）の突合せ中心を狙った場合に比べてビード表面が
総合車両製作所技報

創刊号

1818

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発

図8 ねらい位置とアンダーフィルの深さの関係
３．２．２

垂直方向のずれ（焦点位置のずれ）

垂直方向のずれ，すなわち焦点位置のずれの影響につ

図7（d）ねらい位置Dの溶接部断面マクロ写真

いて実験を行った．焦点位置を図 9 に示すように始端は3.0 mm板表面に合わせ，終端は4.5mm板表面に合わせた．
ねらい位置は突合せの中心とした．

図7（e）ねらい位置Eの溶接部断面マクロ写真

図9 始終端の焦点位置の模式図

これに対して図 （7 d）（e）の3.0mm 板側に寄った場合では，4.5 mm 板の上端部が溶け残っている．図 7（e）の溶溶接部始終端および中央での継手裏面の外観写真を図

け残った4.5 mm 板の端部に沿って白い二点差線を引いた

10（a）～（c）に示す．裏波は図10（a）（b）では安定して連ところ，4.5 mm 板側にはほとんど溶込みはない．また図7続に発生しているが，図10（c）溶接部終端の手前30 mmか（d）（e）
ともにアンダーフィルが生じている．

ら不安定で断続的になり最終的には消滅している．

図7（a）
（b）
において，アンダーフィルが生じない理由

溶接部の始終端から30 mmと溶接部の中央で断面マクは次のことが考えられる．4.5 mm 板側にねらいが寄った

ロ観察を行い，各部を計測した．計測箇所を図11に示す．

場合，3.0 mm板側に溶け落ちさせる体積が増加する．ま

計測結果を表 1 に示す．ビード幅にほとんど変化は無い

た，4.5 mm 板表面では1.5mmのデフォーカス状態にありが，裏波幅は始端と終端で 1 mm減少している．アンダー

パワー密度が低下することから溶融能力が低下し端部がフィルは3.2.1の図 7（a）
（b）ねらい位置が4.5mm板側に3.0 mm板側に流れずに盛り上ったと考えられる．対して，寄った場合のようにビードが盛り上がっており発生して

図7（d）（e）のようにねらい位置が3.0 mm板側に寄った場いなかった．溶接部断面積も減少しており，吸収された合は，マクロ写真からも明らかなように4.5mm板からのエネルギに差があると考えられる．

溶融金属の供給がなく，裏面に裏波として出た分の体積終端の手前30mmの位置では，3.0mm板表面から焦点がによりアンダーフィルが生じたと考えられる．

上方に約1.2mm移動しており，図 3 の結果からパワー密度

図 8 にねらい位置とアンダーフィルの深さの計測結果が始端に比べ10%ほど減少しているはずである．今回の実を示す．継手の薄い側の板厚3.0 mmを基準として考える

験では溶接部後方は貫通溶接されており，そこからの熱と，ねらい位置が3.0 mm板側に1.0 mmずれた時点でアン伝導の影響がある．よって，実際に裏波ビードが減少する

ダーフィルの深さは板厚の10 %を超える．よって，ねら焦点位置のずれはより小さいと考えられる．確実に貫通い位置は3.0mm板側に0.5mmまでが良い．

溶接をするためには，垂直方向のずれは 1 mmまでが良い．

1919

2013年１月

３．３

引張試験

3.2.1で作製した継手の引張試験を行った．試験片形
状は突合せ溶接継手の引張試験方法 JIS Z 3121の1A号試験片とした．継手には1.5mmの板厚差があり，このままでは引張試験の際に軸がずれる．そこで図12に示すように4.5mm板の裏面に1.5mmのSUS304 板をスポット溶接で取り付けた．比較として3.0mm板から母材の引張試験片を採取した．こちらは，金属材料の引張試験方法
JIS Z 2201の13B号とした．引張速度は熱間圧延ステンレス鋼板および鋼帯JIS G 4304により試験片平行部のひずみ増加率を40～80%／minとするために36mm／minとした．

図10（a）始端付近の継手裏面の外観

引張試験の結果を図13に示す．ねらい位置Aの4.5mm板側に1.0mm寄った継手以外はほとんど母材と同等であった．図14にねらい位置Aの継手の引張試験後の破断面を示す．破断面には引張りで破断した濃いグレーの面と縦に筋の入った銀光沢の面がある．この銀光沢の面にある縦筋は，光学顕微鏡での観察から供試材端面のレーザ切断の加工痕と考えられる．図 （7 a）を見ると3mm側の溶接部の境界に垂直な部分があり，これが供試材の切断面（突合せ面）であると考えられる．ビームの幅は0.5mmであるから，4.5mm側にねらい位置が1.0mm寄った場合，3.0mm板は直接加熱されず4.5mm板からの熱伝導により溶融すると考えられる．このため，突合せのギャップに

図10（b）中央付近の継手裏面の外観

より熱が伝わらず切断面の一部が接合されずに残ったと考えられる．引張試験の結果を考慮し，4.5mm板側へのねらい位置のずれは0.5mmまでが良い．

図11 溶接部の測定箇所

図10（c）終端付近の継手裏面の外観
表1 溶接部の測定結果

start

centerend

averageσA（mm）

3.1

3.2

2.9

3.10.1B（mm）

0.20.1-

0.20.1

C（mm）

3.2

3.02.12.80.5D（mm）

0.90.70.60.70.1

E（mm ） 11.4

12.1

10.8

11.40.52

総合車両製作所技報創刊号

2020半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発（4）焦点位置にずれが無く，ねらい位置のずれが突合せ
中心から左右に0.5 mm以内の場合，引張強さは母材と同等である．
本研究の成果をMIG溶接で施工していた製品に適用した結果，工数を50%以上低減できた．これは溶接入熱が減少しひずみが低減できたことと，MIG溶接に比べて余盛が少なくグラインダ仕上げの時間が減少したことにより修正作業が不要となったためである．
参考文献
図12 引張試験片の模式図（1）原茂幹大，他：「横浜新都市交通 金沢シーサイドライン2000型車両」，車両技術 241号，131，（2011），
社団法人日本鉄道車両工業会（2）河田直樹，他：「パルス波形制御によるステンレス鋼板のレーザスポット溶接の最適化技術の開発」，
東急車輛技報 60号， 26-35，（2010），東急車輛製造（株）（3）越川純，他：「ステンレス鋼板のレーザによる突合せ溶接に関する安定化手法の開発」，東急車輛技報
58号， 26，（2008），東急車輛製造（株）（4）宮島博文，他：「kW級半導体レーザ発振機の開発と溶接特性（第1報） : kW級半導体レーザ発振機の開図13 各ねらい位置における引張強さ発」，溶接学会全国大会講演概要 第82集，23，（2008），
一般社団法人溶接学会

著者紹介
吉澤正皓
生産本部
技術部（基礎開発）

図14 引張試験後の破断面（3mm板側）
４

河田直樹
博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査

まとめ

異板厚の突合せ溶接にDDLを用いて実験を行った結果，以下の知見が得られた．

石川（1）DDLの場合，フィラーワイヤを必要とせず．その為，博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）課長

余分な余盛が無い．なおかつ，YAGレーザに比べて入熱を低減できる．

武（2）焦点位置にずれが無い場合，ねらい位置は突合せ中心から左右に0.5mmを許容できる．
（3）ねらい位置が突合せ中心の場合，焦点位置のずれは垂直上方に 1 mmを許容できる．

2121

2013年１月