高出力半導体レーザとホットワイヤ法とを組み合わせた高能率マルチマテリアル AM 技術の開発
広島大学 大学院 先進理工系科学研究科教授 山本 元道（2020 年度 一般研究開発助成 AF-2020212-B2）
キーワード：高出力半導体レーザ，ホットワイヤ，効能率マルチマテリアル AM

１．研究の目的と背景
一般的な金属粉末を用いた AM（アディティブ・マニュ

２．供試材料および実験条件
2・1供試材料

ファクチャリング）技術では種々の可能性が検討されてお供試ワイヤには，SUS308L（直径 1.2mm），Inconel625

り，極一部の高価な材料を用いた小型製品製造には既に適（直径 1.2mm），A5356WY（直径 1.2mm），NCU-M（直用され始めている 1〜10）．一方，低施工能率，金属粉末の低径 1.2mm）を用いた．母材には，板厚 9〜24mm の 400

い溶着効率，欠陥生成リスク，金属粉末の価格，厚肉製品〜490MPa 級鋼板（SUS308L，SUS630，NCU-M 用），や大型製品への適用が困難などの問題を有しており，今後板厚 20mm の A5083O（A5356WY 用）を供試した．の一般製品製造への広がりのある適用拡大は望めない．さらに，近年高出力・高品質化および低価格化の著しい近赤2・2外領域波長のファイバーレーザが一般に用いられている

図 1 に，実験システムの外観を示す．熱源には，定格出実験条件

が，Al 合金や Cu 合金などの材料では固相での吸収率が低力 6kW の半導体レーザを用いた．施工中は，高速度カメ

く，当該材料の AM 技術はグリーンレーザやブルーレーザラを用いて溶融池形成およびホットワイヤ送給状況を観を用いて検討されている．また，アーク溶接技術（TIG 溶察した．レーザ照明（808nm）とバンドパスフィルタを用接，MIG 溶接など）を用いた AM 技術も一部開発・実用化

い，溶接方向前方（溶融前方）から撮影した．レーザヘッ

されており，施工能率向上，ワイヤ材料の適用などのメリドおよびワイヤトーチは固定し，試験片をスライダに設置ットが得られているものの，スパッタ・ヒュームの発生，した治具に固定して移動させた．シールドには Ar ガスをアーク現象・入熱制御の困難さ，適用ワイヤの制約，酸化・用いた．

窒化などの問題を抱えている 11〜15）．
著者らは長年，ホットワイヤ法とレーザ熱源とを組み合わせた溶接・接合技術の開発を行ってきた 16〜21）．ホットワイヤ法では，ワイヤをジュール発熱によって通電加熱し，融点直下まで効率的に温度を上昇させた添加材料を供給できる．また，製品の目的に応じた専用のワイヤはもとより，一般の多種多様な金属ワイヤのほぼ全てが使用可能であり大幅な製造コストの低減が期待できる．半導体体レーザはファイバーレーザなどと異なり，ビーム品質は劣るものの，比較的容易に任意のスポット形状を形成でき，そのスポット内のエネルギー分布も制御可能である．ホットワ

図 1 実験システム外観

イヤ法と半導体レーザ熱源とを組み合わせることで，低入熱，高能率な積層造形が可能になると考えられる．さらに，

図 2 に施工条件の概要図を，施工条件を表 1 に示す．矩スパッタ・ヒュームの発生や酸化・窒化も大幅に抑制でき，形レーザスポットを適用し，長辺がビード幅方向になるよ

溶着効率はほぼ 100%であるため，施工能率は現状の AM 手うに照射した．スポット形状は 1.6×11mm を基本とし，法に比べて 10 倍以上が実現可能である．本特徴を積極的積層幅制御確認のために 2×3mm および 1.6×6mm と変に活用することで，現在は鋳造や切削，小型部品の組み合化させての実験も実施した．レーザ出力，施工速度，ワイわせでのみ製造可能で，既存 AM 技術では製造困難であるヤ送給速度を種々変化させて，施工安定生，積層体形状へ厚肉・大型部品の製造が可能になる．の影響を調査した．ワイヤは施工方向前方から挿入し，挿本研究では，高出力半導体レーザとホットワイヤ法を組入角度は 45˚とした．ワイヤ電流は，後述の適正加熱電流み合わせた AM 技術を用い，種々のワイヤでの施工現象観実験および推定から得られた結果をもとに，ワイヤ種類と察，適正条件導出を実施した結果について報告する．

ワイヤ送給速度に応じた適正値を設定した．

測した．図 4 に，各ワイヤでの計測結果を●印で示す．レ
ーザを照射せず，通電したワイヤのみを母材表面に送給し，各ワイヤ送給速度においてワイヤ先端が溶融池直下まで適正に加熱できた（ワイヤの溶断および突きが生じない）電流を適正値とした．電気抵抗値が大きく異なる 4 種類の各ワイヤで，5〜20m/min（NCU-M の場合 2.5〜10m/min）の幅広いワイヤ送給速度範囲での適正電流を得ることが
図 2 施工条件の概要図できた．

表 1 施工条件
Number of layers
Laser spot size, mm
Laser irradiating angle, deg.
Laser power, kW
Defocus amount, mm
Process speed, m/min
Wire feeding speed, m/min
Wire feeding rate
Wire current, AWire feeding angle, deg.
Shielding gas (Ar), l/min

2・31~152×3, 1.6×6, 1.6×115, 101.875~6.0
00.1~0.6
1~202.5~400~364
455~30

図 4 適正ワイヤ電流計測結果および計算結果
ワイヤの加熱・送給時の温度分布を推定する簡易手法を評価方法

作製した積層体に，ワイヤの飛び出しや形状の不連続が見られるものは外観評価を×とし，外観の良好な積層体（●）のみ断面形状とうの評価を実施した．
各種パラメータの影響調査や適正条件の導出には，3 層の積層体を用いた．長さ 125mm の積層体を形成し，施工開始位置から 40mm，60mm，80mm の 3 断面を観察した．図 3 に，断面形状の評価法を示す．最大高さ（Maximumheight），有効高さ（Effective height），有効幅（Effectivewidth）を計測し，ニアネットシェイプ率（Near net shaperate）を最終的な評価パラメータとして採用した．

検討した．図 5 に，ワイヤ温度分布の計算手法の模式図を示す．ワイヤの通電領域を 0.1mm に分割し，「電気抵抗によるジュール発熱」，「ワイヤ周辺への放熱」，「ワイヤとコンタクトチップの接触抵抗によるジュール発熱」を考慮して，分割した 0.1mm ごとの温度上昇（ΔT）を計算する．
通電領域端（ワイヤ先端）での温度が，各ワイヤの融点近傍となる電流値を算出した．計算には，接触抵抗，ならびに温度依存を考慮した電気抵抗率，比熱，比重を用いた．
計算結果を，図 4 中に◇印で示す．電気抵抗値が大きく異なる 4 種類の各ワイヤで，5〜20m/min（NCU-M の場合2.5〜10m/min）の幅広いワイヤ送給速度範囲での適正電流を制度良く推定できている．

図 3 断面形状評価法
図 5 ワイヤ温度分布計算手法
3 層の積層体形成で導出した適正条件を用い，11〜15 層の積層体を作製し，積層体長さ方向から試験片を切り出し3・2て，引張試験を実施した．

SUS308L ワイヤを用いて，各パラメータが施工現象おSUS308L ワイヤでの検討

よび積層体形状に及ぼす影響を調査し，適正施工条件の導３．実験結果および考察
3・1

適正ワイヤ電流の計測および計算4 種類の各ワイヤを用い，5〜20m/min（NCU-M の場
合 2.5〜10m/min）の各ワイヤ送給速度での適正電流を計出を行った．施工条件を表 2 に示す．ワイヤ送給比（ワイヤ送給速度／施工速度），施工速度，レーザ出力の 3 パラメータに注目し，それぞれ他の 2 パラメータを固定した状態で変化させた．

表 2 SUS308L ワイヤでの施工条件
Wire feeding rate
Wire feeding speed,m/min

206810

Wire current, A123 141 160

Process speed, m/min
Laser power, kW

2020304066912123~125123 151 176

0.3 0.4 0.5

0.30.35.5

3.3 4.0 5.0 5.55.5

各パラメータの影響の検討前に，施工可能（外観試験で不良の無い良好な積層体外観が得られる）範囲を調査した
結果を図 6 に示す．ワイヤ送給比を固定（単位長さあたりの積層量を固定）した場合の各施工速度において，また施工速度を固定した場合の各ワイヤ送給比において，施工可能なレーザ出力最小値を得ることができた．

図 6 施工可能範囲調査結果
3 パラメータそれぞれを変化させた場合の，積層体断面写真および断面形状計測結果を図 7 に示す．断面計測は先に述べたように 3 箇所で行い，平均値を計測結果として用いた．断面写真は，施工開始位置から 40mm のものである．施工速度を上昇させると，単位長さあたりへの入熱が低下するため，積層体幅が小さくなる一方，単位長さあた

図 7 積層体断面写真および断面形状計測結果

りへの溶着量（ワイヤ送給比）は変化しないため積層高さは増加している．レーザパワーを上昇させると，位長さあたりへの入熱が増加するため，積層体幅が大きくなる一方，単位長さあたりへの溶着量（ワイヤ送給比）は変化しない
ため積層高さは低下している．単位長さあたりへの入熱量を変化させずにワイヤ送給比を上昇させると，単位長さあたりへの溶着量が増加するため，積層幅はほぼ一定のまま，積層高さが大きくなっている．しかしながら，送給比 40

図 8 適正施工条件の導出結果まで上昇させると，幅方向に膨らむ形状となってしまい，ニアネットシェイプ率は低下し始めるようである．
上述の検討結果をもとに，ニアネットシェイプ率が最も大きくなる施工条件の導出を行なった．図 8 に，レーザ出力 5.5kW で施工速度とワイヤ送給比を変化させた場合のニアネットシェイプ率の計測結果を示す．施工速度0.36m/min，ワイヤ送給比 33.3 の条件において，ニアネットシェイプ率 80%の結果が得られた．

図 9 大型積層体施工結果

上述の適正条件を用い，15 層の大型積層体を作製し，当該積層体から試験片を切り出して引張試験を実施した．
作製した大型積層体の外観および断面写真と形状計測結できた．引張試験結果から，供試ワイヤのカタログ値と同果を，図 9 に示す．外観および断面に欠陥は認められず，程度の引張強さ（558MPa）および伸び（49%）を得るこ

ニアネットシェイプ率 83%の良好な積層体を得ることがとができた．

3・3

レーザスポット幅の影響検討（SUS308L ワイヤ）

3・4

Inconel625 ワイヤでの検討

SUS308L ワイヤを用い，レーザスポット幅を変化させ，SUS308L ワイヤの場合と同様に，ワイヤ送給比，施工施工結果に及ぼす影響を調査した．図 10 に，レーザスポ速度，レーザ出力の 3 パラメータに注目し，それぞれ他のット幅 3mm，6mm，11mm それぞれでの積層体断面写真

2 パラメータを固定した状態で変化させた．施工条件を表および断面形状計測結果を示す．レーザスポット幅が変化

3 に示す．Inconel625 ワイヤの場合でも，施工速度，レーしても，上述の基礎検討結果と同様の傾向を示している．

ザ出力，ワイヤ送給比が積層体形状に及ぼす影響は，それぞれのレーザスポット幅において，適正施工条件を用SUS308L と同様であった．ニアネットシェイプ率 80%をいることで，ニアネットシェイプ率 80%程度を得ること超える適正施工条件を得ることができた．

ができている．また図 11 に示すように，本プロセスでは，

表 3 Inconel625 ワイヤでの施工条件

レーザスポット幅と形成される積層体の有効幅にほぼ 1:1

Wire feeding rateの関係が認められ，効率的に積層体形状を変化させること

Wire feeding speed,m/minが可能である．

Wire current, A

301215183040203040152010152064 184 202 183~185 209~211 150 184 210

Process speed, m/min

0.4 0.5 0.6Laser power, kW

6.00.55.05.5 6.00.56.0

図 10 レーザスポット幅の影響

図 11 レーザスポット幅と有効幅との関係

図 12 積層体断面写真および断面形状計測結果

3・5A5356WY ワイヤでの検討

表 4 A5356WY ワイヤでの施工条件

他のワイヤと同様に，ワイヤ送給比，施工速度，レーザ

Wire feeding rate

出力の 3 パラメータに注目し，それぞれ他の 2 パラメー

Wire feeding speed,m/min302030401815101520タを固定した状態で変化させた．施工条件を表 4 に示す．

Wire current, A

212 239 268

239

212 239 286

A5356WY ワイヤの場合でも，施工速度，レーザ出力，ワProcess speed, m/min

0.4 0.5 0.60.50.3

Laser power, kW6.05.0 5.5 6.06.0

イヤ送給比が積層体形状に及ぼす影響は，他のワイヤと同301215様であった．断面写真を見ると，他のワイヤに比べて形状が崩れている様子が観察される．このため，ニアネットシ
ェイプ率は最大で 70%となり，他のワイヤに比べて若干低下した．これは，A5356WY ワイヤの融点が低く，表面張力が小さいためであると考えられる．
上述の適正条件を用い，11 層の大型積層体を作製し，当該積層体から試験片を切り出して引張試験を実施した．
作製した大型積層体の外観を図 14 に示す．外観から他のワイヤに比べて積層体形状が若干凸凹しており，より適正な施工条件の導出および精密な制御が必要であることがわかった．引張試験結果から，供試ワイヤのカタログ値と同程度の引張強さ（265MPa）および伸び（23%）を得ることができた．

４．まとめ
6kW 高出力半導体レーザとホットワイヤとを組み合わせ，効能率かつ高施工裕度な AM 技術の確立を目指し，4種類のワイヤ（SUS308L，Inconel625，A5356WY，NCUM）を用いての検討を行った．得られた成果の概要を以下に示す．
（1）4 種類のワイヤそれぞれにおいて，ワイヤ送給速度5〜20m/min（NCU-M の場合 2.5〜10m/min）の広い範囲での適正加熱電流を実験的に得ることができた．また，ワイヤ温度分布の簡易推定手法を提案し，適正加熱電流の推定をおこなったところ，4 種類のワイヤ全てにおいて実験結果を精度良く推定することができた．
（2）SUS308L ワイヤおよび幅 11mm のレーザスポットを用いた検討結果から，施工速度およびワイヤ送給比（ワイヤ送給速度／施工速度）を大きく変化させた場合の施工可能レーザ出力の下限値を得ることができた．
（3）3 種類のワイヤ（SUS308L，nconel625，A5356WY）
および幅 11mm のレーザスポットを用いた 3 層施工によ

図 13 積層体断面写真および断面形状計測結果

る検討結果から，施工速度，レーザ出力，ワイヤ送給比の3 パラメータが積層体形状に及ぼす影響を把握し，適正施工条件を得ることができた．SUS308L および nconel625
ワイヤでは約 80%，A5356WY ワイヤでは約 70%のニアネットシェイプ率を達成することができた．
（4）SUS308L および A5356WY ワイヤを用いた大型積層体を作製し，当該積層体から切り出した試験片による引張試験から，各ワイヤのカタログ値と同程度の引張強度および破断伸びを得ることができた．

図 14 大型積層体施工結果

参考文献

metallurgical aspects of laser additive manufacturing

1) Deb Roy, T. Wei, H.L. Zuback, J.S. Mukherjee, T.

(LAM): Stainless steels, nickel superalloys, andElmer, J.W. Milewski, J.O. Beese, A.M. Wilson-Heid,titanium alloys, 16(2022), 1029- 1068.

A. De, A. Zhang, Additive manufacturing of metallic

14) M.M. Ruthandi. High-efficiency and High-quality

components -Process, structure and properties. Prog.

Laser Welding of Difficult-to- weld Materials,Mater. Sci. 2018, 92, 112–224.

Graduate School of Natural Science and Technology,2) Milewski, J.O. Additive Manufacturing of Metals;

Okayama university, 2019.

Springer Series in Materials Science; Berlin /15) H.S. Prasad, F. Brueckner, J. Volpp, and A.F.H.

Heidelberg, Germany, 2017; Volume 258, pp. 7–33.

Kaplan. Laser metal deposition of copper on diverse

3) J.O. Milewski. Additive manufacturing of metals,metals using green laser sources, The International

Springer series in materials science, 258(2017), 7-33.

Journal of Advanced Manufacturing Technology,4) W.E. Frazier. Metal Additive Manufacturing: AReview, ASM International, 23(2014), 1917-1928.

107(2020), 1559-1568.
16) K. Shinozaki, M. Yamamoto, Y. Nagamitsu, T.

5) V. Schultz, T. Seefeld, and F. Vollertsen. Gap

Uchida, K. Mitsuhata, T. Nagashima, T. Kanazawa,bridging ability in laser beam welding of thinand H. Arashin. Melting Phenomenon during Ultra-aluminum sheets, Physics Procedia, 56(2014), 545–

High-Speed GTA Welding Method using Pulse-553.

heated Hot-wire, Quarterly Journal of The Japan6) R. Suzuki, Engineering Data sheet, J.JWS, 75–6(2005), 459.
7) A.

Welding Society, 27(2009), 22-26.
17) K. Shinozaki, M. Yamamoto, K. Mitsuhata, T.

Bandyopadhyay

andS.

Bose.

Additive

Manufacturing, CRC Press, Florida, 2015.

Nagashima, T. Kanazawa, and H. Arashin. Beadformation and wire temperature distribution during

8) I. Gibson, D.W. Rosen, and B. Stucker. Additive

Ultra-High- Speed GTA Welding using pulse-heated

Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to

hot-wire, welding in the world, 55(2011), 12-18.

Direct Digital Manufacturing, Springer, Berlin, 2009.

18) M. Yamamoto, K. Shinozaki, K. Kadoi, D. Fujita, T.

9) C. Tutor. Additive Manufacturing: analysis of theInoue, M. Fukahori, and Y. Kitahara. Development

economic context and evaluation of the indoor airof Hot-wire Laser Welding Method for Lap Joint ofquality, with a Total Quality Management approach,Steel Sheet with Wide Gap, Quarterly Journal of The

DepartmentofEconomics,Society,Politics,

University of Urbino, 2018.

Japan Welding Society, 29(2011), 58-61.
19) R. Phaoniam, K. Shinozaki, M. Yamamoto, K. Kadoi,

10) S.A.M. Tofail, E.P. Koumoulos, A. Bandyopadhyay, S.

S. Tsuchiya, and A. Nishijima. Development of aBose, L.O. Donoghue, and C. Charitidis. Additive

highly efficient hot-wire laser hybrid process for

manufacturing:

andtechnologicalnarrow-gap welding—welding phenomena and theirandopportunities,

adequate conditions, Welding in the World, 57(2013),

11) G.H. Gong, J.J. Ye, Y.M. Chi, Z.H. Zhao, Z.F. Wang,20) K. Kadoi, K. Shinozaki, M. Yamamoto, K. Owaki, K.

challenges,scientificmarketuptakeMaterials Today, 21(2018), 22-37.
etal.

Researchstatusof607-613.
additive

Inose, and D. Takayanagi. Development of High-manufacturing for metal: Journal of Materials

laser

efficiency / High-quality Hot-wire Laser Fillet

Research and Technology, 15(2021), 855-884.

Welding Process, Quarterly Journal of The Japan

12) C.L. Tan, F. Weng, S. Sui, Y.X. Chew, and G.J. Bi.
Progress

andperspectives

manufacturingofkeyInternational

Journalinlaser

aeroengineofMachine

Welding Society, 29(2011), 62-65.

additive21) M. Todo, K. Shinozaki, M. Yamamoto, K. Kadoi, M.

materials,Yamamoto. R. Phaonaim, and T. Okagaito. Hot-wire

Tools

Laser Welding Process Using Laser Diode for Large-andManufacture, 170(2021), 103804.
13) K. Moeinfar, F. Khodabakhshi, S.F. Kashani-bozorg,
M. Mohammadi, and A.P. Gerlich. A review on

Diameter Pipe with Narrow Gap Joint. Quarterly
Journal of The Japan Welding Society, 33(2015),
107-110.