レーザによる局所温度制御を応用した異種材料の半凝固微細接合技術「SPLASH」の開発
芝浦工業大学 機械制御システム工学科
助教 酒井 康徳（2018 年度 奨励研究助成（若手研究者） AF-2018239-C2）
キーワード：レーザ加工, 接合加工，攪拌プロセス

１．研究の目的と背景

このように，既存の接合技術には，解決すべき課題が存

微細接合技術は，センサや MEMS デバイス，電子機器を在しており，高融点材料や熱伝導性が高い材料などの高品製造する上で不可欠な技術であり 1)，レーザ溶接が広く用位な接合を困難としている要因の１つとなっている．そこいられる．レーザを用いれば，局所的な急加熱ができるたで，より高強度かつ高信頼な接合を実現するために，レーめ，電子デバイスの微細配線の接合や，自動車部品の精密ザ溶融と攪拌プロセスとを複合したレーザ加熱攪拌技術

接合に用いられることが多い．また，近年では，摩擦攪拌（Laser Melting Stir Process; LMSP）を開発している．

接合（FSW）が，材料を溶融させずに接合可能な方法とし

LMSP では，レーザにより急加熱・溶融させた材料を空冷て実用されている．FSW は，航空機や鉄道車両に使用されするのではなく，攪拌しながら凝固させていく．このようる高い信頼性が不可欠な部品や，熱影響を抑制しなければにすることで，半凝固状態を経て，材料が凝固する．半凝ならない部品の接合でよく用いられる．

固で溶融させると，材料内の空隙や結晶粒の粗大化を抑制

レーザ溶接では，レンズで小さく絞った光を照射し，局できることが報告されている 5)．LMSP は，溶融させた材料所的な加熱・溶融・凝固過程を経て，加工が行われる．そを攪拌することで，半凝固状態を創り出すことで，機械的のため，熱影響に伴う結晶組織の粗大化が生じ，接合部の特性の向上を目指すものである．

機械的強度を低下させてしまう問題がある 2）．また，別の本研究では，提案手法であるレーザ加熱攪拌プロセス問題として，接合に伴う熱影響層で空隙やクラック，表面LMSP の実現可能性を実験的に検証するとともに，接合部膨張などの発生が挙げられ，これらも接合部の機械的強度材の機械的性質やそのばらつきを，レーザ溶接による接合

3)や信頼性を低下させる要因となっている ．

部材と比較しながら明らかとする．

一方，摩擦攪拌接合は，材料を溶融させず，固相状態で接合するため，レーザ溶接と比べて熱影響が抑制できる．
そのため，結晶粒の粗大化による機械的強度の低下も小さ4)２．実験方法図 1(a)に，LMSP の加工原理を示す．接合したい 2 枚のい ．回転させた工具を材料に押しつけ，そのときに生じ重ね合わせ，接合箇所にレーザを照射すると，溶融池が形る摩擦熱によって材料が軟化される．摩擦熱を利用してい成される．この池に攪拌工具を挿入して，攪拌をする．こるため，高融点材料へそのまま摩擦攪拌接合を適用するこの状態で，加熱・攪拌位置をずらしていくことで，溶融・とは困難である．また，材料軟化に必要な摩擦熱を発生さ攪拌・徐冷・凝固という過程で接合プロセスが進展する．

せるために，工具を高速回転させながら材料に強く押しつLMSP では，レーザを加熱源としており，レーザ出力やけなければならず，高剛性な FSW 加工機が求められるほスポット径，送り速度を変えることで，任意に加熱量を制か，強固に材料を固定するための工夫が不可欠となる．

御可能である．また，FSW では，工具径を大きくして十分

図1

レーザ加熱攪拌プロセスの原理と試作した実験装置

図2

異なる方法で加工した表面の観察結果 (攪拌時の工具挿入深さ: 30 μm, レーザのピーク出力: 800 W,
パルス照射時間: 1.0 ms, パルス照射周波数: 30 Hz, 送り速度: 7.2 mm/s.)

な摩擦熱を発生させる必要があるため，微細化が困難な場

し），② 攪拌のみ（レーザ照射なし） ③ LMSP（レーザ照合がある．一方，LMSP の場合は，FSW のような工具径の制射と攪拌）の 3 通りで材料表面を加工した．なお，攪拌時

約がないのが特徴である．

は，いずれも工具を約 30 µm 挿入した．

図 1(b)に，LMSP の実現可能性を検討するために試作し次に，レーザ照射条件が加工に及ぼす影響を検討するたた実験装置を示す．レーザ光源としてパルス YAG レーザ

め，入熱量に大きな影響を及ぼすピーク出力とパルス周波（ML-2150A; アマダウエルドテック社（旧アマダミヤチ

数をそれぞれ 3 通りに変えて，LMSP による加工実験をし社）, 神奈川, 日本）を使用した．レーザ波長は 1064 nm,た．加熱位置での入熱量は，レーザ照射条件のほかにも送平均出力は 25 W である．ガウス分布の強度を有する．まり速度の影響も受ける．そこで，加工条件を整理するためた，レーザヘッドと攪拌工具用スピンドルは，X-Z 方向のに，オーバラップ率 7)を定義した．オーバラップ率は，送2 軸自動ステージのテーブルに一緒に取り付けてあり，照り速度，ピーク出力，パルス周波数の関数となる．これが射位置と攪拌位置が変わらないように工夫してある．

一定となるように，実験条件を変化させた．

さらに，レーザヘッドは，2 軸の手動精密ステージを解最後に，LMSP による接合を行い，レーザ溶接と比較しして，自動ステージに固定してある．加工物法線方向に対ながら，接合強度を評価した．2 枚の SUS304 薄板を重ねして 45°傾斜した方向から，材料へレーザを照射する．

合わせて接合を行い，万能試験機（MCT-1150; A&D 社, 東

手動ステージの位置を調節することで，スピット径と照射京, 日本）を用いて，接合部のせん断強度を測定した．

位置を任意に変更できる．本報では，スポット径が 2 mm，なお，本実験は全て大気中で実施しており，シールドガ

攪拌工具と照射中心位置とが 0.5 mm となるように位置をスは使用していない．また，レーザの出力変動や強度分布調整した．

が，加工特性に影響を及ぼすと考えられる．これらは，実攪拌工具には，右刃右ねじれの超硬エンドミル(直径1.0 mm, 刃長: 4 mm, 刃数: 4, ねじれ角: 30°)を使用

験や粒子法（SPH 法）を用いた数値解析によって，今後検討する予定である．

した．右刃右ねじれのエンドミルを CW 方向へ回転させると，切りくず（材料）は上方向へ排出される．本実験では，工具を CCW 方向へ回転させることで，溶融した材料が攪拌中に溶融池から排出させるのを抑制した．
FSW では，工具回転数と送り速度の組み合わせによって，３．実験結果と考察
図 2 に，レーザ照射のみ，攪拌のみ，LMSP の 3 通りで加工したときの表面を観察した結果を示す．観察には，非接触粗さ測定器（µsurf; Nano focus 社, Oberhausen,接合部の機械的特性が大きく変化する 6)．そのため，今Germany）を用いた．図中の色スケールは，表面凹凸の高LMSP でも送り速度と工具回転数は加工特性を支配する重さを表している．

要なパラメータであると予想できる．本報告では，LMSP の

図 2(a)に示す攪拌だけを行った場合を見ると，材料表実現可能性を検討するため，工具回転数は 2000 rpm に設面が工具で削られ，凹みが生じていることがわかる．また，定した．

工具を CCW 方向へ回転させているため，切削はされず，工接合する加工材料として，オーステナイト系ステンレス具による攪拌が生じている様子が確認できる．一方，図鋼 SUS304 の薄板（厚さ：100 µm）を使用した．薄板は，2(b)に示したレーザ照射のみを行った場合を見ると，大き浮き上がりを防止するための固定ジグを用いて，X 軸方向く不均一な隆起が加工部に生じていることがわかる．これへ駆動可能な自動ステージ上に固定した．

は，急激な加熱にともなって，金属蒸気が発生し，その影実験では，まず LMSP の加工原理の検証を行った．1 枚の薄板を実験装置に取り付け，①レーザ照射のみ（攪拌な響によって溶融した材料が隆起・凝固したものと考えられる．

パルス照射周波数 f とピーク出力 P が加工表面に及ぼす影響

図31050 mm

10引張⼒0.15

接合部

せん断強度 N35(a) SUS304薄板の接合条件
図4302520LMSPレーザ溶接

1510700800900
レーザ出⼒ W(b) せん断強度とレーザ出⼒との関係

パルス照射周波数 f とピーク出力 P が加工表面に及ぼす影響

一方，LMSP で加工した場合，攪拌工具により削られたしまっているものと考えられる．

凹みや，不均一で大きな隆起も発生せず，攪拌のみやレー

図 3(d)～(f)には，パルス周波数は 30 Hz とし，ピークザ照射のみの場合と比較して，良好な接合面が得られてい出力を 700～900 W の間で変化させたときの表面凹凸の状る．加工部外縁に，わずかに隆起した部分が均一に生じて態を示す．ピーク出力が 800，900 W の場合，攪拌加工がいる．FSW でも同様な現象が生じることが知られており 8)，されている様子が分かるが，900 W の場合の方が加工部外攪拌による材料の塑性流動に起因している．以上の結果よ縁の隆起量が多い．また，700 W の場合は，他の場合と比り，レーザ加熱によって生じた溶融池を攪拌することで，べて不均一な隆起が生じていた．これらの結果から，レー攪拌加工ができることが分かった．

ザパワーは低すぎても，高すぎても，加工面の凹凸が不均

そこで，次に，レーザ照射条件が加工面性状に及ぼす影響を検討した．

一になったり，大きくなったりすることが予想できる．
次に，LMSP によって重ね合わせ接合を行った結果につ

図 3（a）～（c）に，加工部の表面凹凸を測定した結果

いて述べる．図 4(a)に示すように SUS304 薄板を重ね合わを示す．レーザのピークパワーは一定とし，パルス周波数せ，LMSP によって接合した．接合した板材を引張り，接合を 20～30 Hz で変化させてある．図から分かるように，良部が破断したときの力を接合部のせん断強さとした．レー

好な攪拌ができているのは，パルス周波数が 30 Hz のときザ出力を変えた場合のせん断強度を，図 4(b)に示す．比のみで，それ以外の条件では材料が工具によって削られ，較のため，LMSP と同じ条件でレーザ溶接も行い，そのせ凹んでいる．これは，パルス周波数が小さすぎると，十分ん断強度の違いを比較した．測定は，１つの条件に対して，な加熱ができず，攪拌工具が通過する前に材料が凝固して3 回行っており，図には最大値，最小値，平均値を示して（若手研究者）（AF-2018239-C2）の助成を受けて実施されある．
図から分かるように，LMSP では，レーザ出力が高いほた．ここに，深く謝意を表明する．

ど，せん断強度が高くなる．一方，レーザ溶接の場合は，今回実験した範囲では，レーザ出力によるせん断強度の変参考文献化は小さかった．レーザ出力が 900 W の場合，LMSP の方

1） Zhou Y, Hu A, Khan MI, Wu W, Tam B, Yavuz M. Recentがレーザ溶接よりもせん断強度が高くなる傾向がある．接progress in micro and nano-joining. J Phys Conf

合強度のばらつきを見てみると，レーザ溶接では，同じ条Ser 2009;165. doi:10.1088/1742-6596/165/1/012012.

件で加工しても，せん断強度に大きなばらつきがあること

2） Choudhury B, Chandrasekaran M. Investigation onが分かる．一方，LMSP では，せん断強度のばらつきが，どwelding characteristics of aerospace materials -のレーザ出力の場合でも低い．

A以上のことから，LMSP では，レーザ照射条件によっては，レーザ溶接と同程度以上のせん断強度が得られること

review.

MaterToday

Proc

2017;4:7519–26.

doi:10.1016/j.matpr.2017.07.083.
3） Katayama

S,

KawahitoY,MizutaniM.

Latestを示した．また，強度のばらつきが小さく，信頼性が高い

progress in performance and understanding of laser

接合ができる可能性が高いことが示唆された．

welding.

LMSP では，溶融池を攪拌するため，空隙が生じにくく，Phys

Procedia

2012;39:8–16.

doi:10.1016/j.phpro.2012.10.008.

また，攪拌による半凝固相が生じているため，高強度かつ

4） Cetkin E, Çelik YH, Temiz S. Microstructure and

安定した接合ができているものと考えられる．さらに，材

mechanical properties of AA7075/AA5182 jointed by

料の溶融状態と組成流動状態が接合品質に大きく影響す

FSW. J Mater Process Technol 2019;268:107–16.

るため，レーザ照射条件と攪拌条件の適切な組み合わせを

doi:10.1016/j.jmatprotec.2019.01.005.

検討することが重要である．今後，表面品質や接合強度の観点から，加工条件を最適化する必要がある．

5） Xing B, Hao Y, Li YD, Ma Y, Chen TJ. Microstructure
control of AZ31 alloy by self-inoculation method
for semisolid rheocasting. Trans Nonferrous Met

４．結びSoc

本研究では，新しい微細接合方法であるレーザ加熱攪拌

China(EnglishEd

2013;23:567–75.

doi:10.1016/S1003-6326(13)62501-7.

プロセス（Laser Melting Stir Process; LMSP）の開発を

6） Ishikawa T, Fujii H, Genchi K, Iwaki S, Matsuoka

目指して，その実現可能性を検討した 9～10)．その結果，レS, Nogi K. High speed-high quality friction stirーザで加熱して形成された溶融池を攪拌しながら凝固さ

welding of austenitic stainless steel. ISIJ Intせることで，攪拌プロセスが実現できることを示した．ま2009;49:897–901.

た，レーザの照射条件が，攪拌の可否や加工痕の表面性状

doi:10.2355/isijinternational.49.897.に大きな影響を及ぼすことを明らかとした．
また，レーザ溶接と LMSP とを比較して，ステンレス鋼

7） Farnia A, Malek F, Sabbaghzadeh J. Effects ofpulse duration and overlapping factor on melting

SUS304 薄板の重ね合わせ接合時の接合強度を評価した結ratio in preplaced pulsed Nd : YAG laser cladding.

果，LMSP によってレーザ溶接と同程度の接合強度が得らOptれることが確認できた．また，LMSP での接合強度のばら

doi:10.1016/j.optlaseng.2012.07.015.

LasersEng2013;51:69–76.

つきは，レーザ溶接よりも大幅に小さいことが確認できた． 8） Węglowski MS. Friction stir processing – State of
本実験のように，パルス波レーザを用いると，入熱量の変動が大きくなるため，安定した加熱が必要となる．今後
は，粒子法（SPH 法）を用いた数値シミュレーションやよthe art. Arch Civ Mech Eng 2018;18:114–129.
doi:10.1016/j.acme.2017.06.002.
9） 9)Y. Sakai, W. Ichikawa, T. Tanaka, Novel laser

り詳細な実験により，LMSP 加工時に生じる物理現象を解

melting

明するとともに，最適加工条件（どのようなレーザ照射条Manufacturing件，攪拌条件が良いのか）について，決定指針を構築して10.1016/j.mfglet.2020.05.004

いく．また，レーザ溶接，FSW と比較しながら，材料組織の状態を詳細に明らかとする．
今後の展望として，LMSP による傾斜組成を有する傾斜機能微細構造物の造形へ応用することを考えている．

stirprocessformicrowelding,Letters

2020;18;6-9.

doi:10） 10)W. Ichikawa, Y. Sakai, T. Tanaka, Developmentof new micro laser stir welding process withliquid-solidphaseshift,

ProceedingofInternational Conference of Asian Society forPrecision Engineering and Nanotechnology, 2019;

謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団による奨励研究助成

1-4.