JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）p. 57-63

大出力真空レーザ溶接技術の鉄鋼製造工程への適用
Application of High-Power Vacuum Laser Welding Technology
to Steel Plate Production Process
木谷靖

KITANI Yasushi

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部

松下宗生

MATSUSHITA Muneo

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部

深堀友晃

FUKAHORI Tomoaki

JFE スチール

西日本製鉄所（福山地区） 厚板部

主任研究員（副部長）・博士（工学）主任研究員（副部長）・Ph. D.
厚板技術室主任部員（副課長）

要旨10 kW 以上の大出力の厚鋼板レーザ溶接では，溶接中のスパッタ発生やアンダーフィルなどの溶接欠陥が問題となる。レーザ溶接は一般的に大気中で行われるが，真空中のレーザ溶接ではスパッタの発生が低減され，溶接欠陥が防止でき，また，溶込み深さが増加し，大出力でも良好なレーザ溶接継手を得ることができる。この真空レーザ
溶接のメリットを活用して，圧延クラッド鋼板製造工程におけるスラブ組立て溶接技術を開発した。熱レンズ効果
によるビーム焦点位置変動を抑制する集光光学系の最適化設計などを行い，世界初となる 30 kW 級大出力真空レーザ溶接設備を圧延クラッド鋼板製造ラインに導入した。

Abstract:
In high-power laser welding of thick steel plates with over 10 kW laser power, problems such as spatter formation
during welding and weld failures including underfill sometimes occur. Laser welding, which is generally carried out inthe atmosphere, performed in vacuum reduces spatter formation and avoids weld failures. Moreover it increases
penetration depth and provides satisfactory welded joints. As an application to fully utilize the advantage of laser
welding in vacuum, slab assembly welding technology in a rolled clad plate production process was developed. By
applying optimally designed focusing optics to reduce focus shift caused by thermal lens effect, the world-first 30 kWclass high-power vacuum laser welding system was installed at the rolled clad plate production line in JFE Steel.

1． はじめにたが，大出力レーザの使用に耐える光学系などの周辺装置の整備，あるいは溶接スパッタおよび欠陥の防止などの品

レーザ溶接は，レーザビームを小径のスポットに集光し高エネルギー密度の熱源として利用する溶接方法で，アーク質管理上の課題があり，10 kW を超える出力のレーザ溶接の適用はごく一部に限定されていた。

溶接などに比べて高速，深溶込み，高品質などのメリットを

大出力レーザ溶接における溶接スパッタおよび欠陥発生有する。1970 年代に kW クラスの出力の CO2 レーザ発振器の問題に対しては，真空雰囲気で溶接を行うことが有効でが市販されて以降，レーザ発振器の高出力化が進み，様々あると知られているな産業分野においてレーザ溶接が普及してきた。鉄鋼製造

ある電子ビーム溶接に対し，レーザ溶接は大気中の溶接が工程においては，1980 年代後半から連続冷間圧延ラインな可能というメリットを有すると認識されていたが，100 kW

どでのコイル継ぎ溶接

1, 2）にレーザ溶接が適用され，その後3）鋼管の溶接 ，熱間圧延ラインの粗バーの溶接

4）

などに

7-9）

。同様の高エネルギービーム溶接でまでの大出力レーザ溶接における溶接品質の向上を目的として，真空レーザ溶接技術が注目されるようになってきた。

10～45 kW の高出力の CO2 レーザ溶接が適用されてきた。

本報告では，厚鋼板の大出力真空レーザ溶接の特徴および2000 年以降は，溶接に適用されるレーザ発振器の主流が，メリットについて解説し，30 kW 級の大出力レーザを使用し気体レーザである CO2 レーザからファイバーレーザ，ディた真空レーザ溶接の世界初の実用化例として，圧延クラッ

スクレーザなどの固体レーザに変わり，レーザ発振器の高ド鋼板製造工程におけるクラッドスラブ組立て溶接技術の出力化が加速し，100 kW のファイバーレーザが市販され溶開発および真空レーザ溶接設備の導入について紹介する。

接への適用が検討されるようになった

5, 6）。このような大出

力のレーザ発振器を溶接に適用することにより，従来よりも大きな板厚の鋼板の深溶込み溶接が可能となると期待され

2． 大出力レーザ溶接の問題点と真空溶接のメリット
写真 1 に大出力ファイバーレーザ溶接の例として，レー2020 年 2 月 27 日受付－ 57 －
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大出力真空レーザ溶接技術の鉄鋼製造工程への適用

ザ出力 25 kW，溶接速度 1 m/min の条件で炭素鋼（JIS G
3106：SM490B）のメルトランを行った結果6）を示す。溶接る。写真 3 に，真空中での大出力レーザ溶接例として，雰
囲気圧 100 Pa（大気圧の 1/1 000）のチャンバー内でファイ表面の外観を見ると溶接ビード周辺に多数のスパッタが付

バーレーザ出力 25 kW，溶接速度 0.5 m/min の条件のメル着しており，断面マクロ組織観察ではそのスパッタ飛散の

トランを行った結果を示す。溶接表面外観では溶接ビード

影響により溶接金属表面が欠損したアンダーフィルが発生

周辺へのスパッタの付着が見られず，溶接部断面マクロ組

していることが確認できる。このように大気中で大出力レー

織ではアンダーフィルなどの溶接欠陥がない良好な品質のザによる厚鋼板の深溶込み溶接を行うと，レーザビーム照溶接部が得られていることが確認できる。

射直下で鋼が急激に蒸発しその蒸気圧により溶融金属が飛

図 1 に，レーザ出力 10～50 kW，溶接速度 0.5 m/min の散するため，写真 2 に示すように多量のスパッタが発生する。

条件で炭素鋼（JIS G 3106，SM490B）のメルトランを行っ

スパッタの発生は溶接金属のアンダーフィルなどの溶接欠た場合の大気中（100 kPa）および真空中（100 Pa）での溶陥の原因となるため，大出力レーザ溶接において欠陥のな込み深さの比較を示す。どちらの雰囲気条件でもレーザ出い高品質の溶接部を得ることは非常に困難になる。

力の増加とともに溶込み深さは増加するが，大気中よりも真このスパッタ発生の問題に対する解決策の 1 つが，大出力レーザ溶接を真空あるいは減圧雰囲気で行うことである。
真空中では，鋼の蒸発により発生する金属蒸気が気圧で抑制されることなく瞬時に拡散し，レーザビーム照射直下で蒸気圧が急激に上昇することがなくなる。そのため，蒸気圧によるスパッタ飛散が抑止でき，アンダーフィルなどの欠陥を生じることなく良好な深溶込み溶接を行うことが可能にな

写真 3 真空中での大出力ファイバーレーザ溶接例（雰囲気圧 100 Pa，レーザ出力 25 kW，溶接速度 0.5 m/min，メルトラン）
Photo 3 Example of high-power fiber laser welding in vacuum(Atmospheric pressure: 100 Pa, Laser power: 25 kW, Welding
speed: 0.5 m/min, Melt run)

写真 1 大出力ファイバーレーザによる溶接例（レーザ出力 25 kW，溶接速度 1 m/min，メルトラン）
Photo 1 Example of high-power fiber laser welding(Laser power: 25 kW, Welding speed: 1 m/min, Melt run)

図 1 大気中および真空中におけるレーザ溶接溶込み深さの比較（溶接速度 0.5 m/min，メルトラン）
Fig. 1 Comparison of penetration depth of laser welding
between in atmosphere and in vacuum(Welding speed: 0.5 m/min, Melt run)

写真 2 大出力ファイバーレーザ溶接におけるスパッタ発生
Photo 2

Spatter formation of high-power fiber laser welding

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空中の溶接で溶込み深さが大きくなる傾向がある。大気中
ではレーザ出力が 10 kW から 50 kW と 5 倍に増加しても，

3． 圧延クラッド鋼板製造工程への大出力真空レーザ溶接適用

溶込み深さは約 10 mm から約 30 mm と 3 倍しか増加しない。
一方真空中では，レーザ出力の増加に対する溶込み深さの前述した大出力真空レーザ溶接のメリットを活用できる増加の割合が大きく，レーザ出力が 10 kW から 50 kW と 5

適用対象として，JFE スチールでは圧延クラッド鋼板製造ラ倍に増加すると，溶込み深さは約 20 mm から約 70 mm まで

インにおけるクラッドスラブ組立て溶接技術の開発を進めて3.5 倍に増加する。真空中のレーザ溶接では，大気中に比べきた。クラッド鋼板とは，炭素鋼または低合金鋼の鋼板（母て 2 倍以上の溶込み深さが得られ，高効率で厚板深溶込み材）の表面全面に他の金属が被覆された複合鋼板で，鋼板の溶接が可能であるというメリットがある。

と被覆される金属との境界面が金属組織的に接合されてい以上のように，真空中でのレーザ溶接は，大気中で問題るものを指す。被覆される金属（合せ材）には，ステンレスとなるスパッタ発生が防止でき，また同じレーザ出力で大気

鋼，ニッケル合金，銅合金といった耐食性，耐熱性など炭中よりも大きい溶込み深さを得ることができる。この特徴は素鋼あるいは低合金鋼にはない特性を有する金属が選択さより大きなレーザ出力および 溶 込み深さで顕 著となり，れる。クラッド鋼板の製造方法には，圧延法，肉盛溶接法，10 kW 以上の大出力レーザ溶接での溶接品質低下の問題を爆着法などがあり

解 消 する大きな メリットで ある。またこの メリットは，圧延法（図 2）によるクラッド鋼板を製造している。クラッ

100 Pa 程度の真空度で発現することから

10），一般的に電子11），当社では熱間圧延ラインを利用したド鋼板用のスラブの組立て方法には，図 3 に示すオープン

ビーム溶接で必要とされる 0.001 Pa 程度の真空度に比べて方式とサンドイッチ方式があり，オープン方式では母材と合かなり低い真空度で高い品質の溶接が実現できる。真空中

せ材の重ね面を，サンドイッチ方式では母材とスペーサーのでのレーザ溶接は大気中のレーザ溶接では不要な真空設備

重ね面をそれぞれ溶接して圧延用のスラブを組み立てる。

が必須であるため，設備構成が煩雑になり，また設備コスト

スラブ組立てを含む圧延クラッド鋼板の製造手順は以下のが増加するというデメリットはあるが，電子ビーム溶接よりとおりである。

は低い真空度で簡便な溶接が可能である。そのため，高真（1）クラッドとして組合せる母材と合せ材を前工程の熱間圧空装置が制約となる電子ビーム溶接よりも汎用性が高く，より広範囲の用途に適用できることが期待される。

延にて製造する。
（2）オープン方式では，母材と合せ材の重ね面を仕上げた
状態で重ね合わせて仮付けする。サンドイッチ方式で

図 2 圧延型クラッド鋼板の製造工程概略
Fig. 2Outline of production process of hot rolled clad steel

図 3 圧延型クラッド鋼板製造におけるスラブ組立方式
Fig. 3

Slab assembly types of hot rolled clad steel production－ 59 －

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は，2 組の母材と合せ材を上下に背中合わせで積層し，ず，母材と合せ材の組合せによる溶接条件変動がない安定合せ材が内包される形で上下の母材間の隙間にスペーした深溶込み溶接が可能というメリットがある。さらに，前

サーを挿入して母材とスペーサーを仮付けする。

述した真空レーザ溶接のメリットから，電子ビーム溶接に代（3）仮付けされたスラブは大型チャンバー内で真空雰囲気

わるクラッドスラブ組立て溶接方法として大出力真空レーとなった状態で母材と合せ材の接合面（オープン方式）

ザ溶接が非常に有望であると期待される。ただし，大出力または母材とスペーサーの接合面（サンドイッチ方式）

真空レーザ溶接を製造工程で実用化するに際しては課題がの四辺を溶接し，接合面が密閉された状態の圧延用組あった。重要な課題の一つが大出力レーザ溶接での溶接安立てスラブを作製する。

定性，すなわち大出力で長時間の溶接を行う際に安定した（4）溶接された組立てスラブを再び熱間圧延し所定の製品

一定形状の溶込みが得られることである。図 4 にレーザ出板厚に調整するとともに，母材と合せ材の界面を金属

力 20 kW，溶接速度 0.5 m/min で炭素鋼（SM490B）の真空

組織的に接合し，圧延クラッド鋼板が完成する。

溶接（雰囲気圧 100 Pa）を行った場合の溶接時間経過にと上記（3）のステップにおけるスラブ組立て溶接では，後もなう溶込み形状の変化を示す。溶込み形状は溶接開始かの（4）の熱間圧延の際の加熱～圧延プロセスに耐える溶接

らの距離すなわちレーザ照射時間の増加にしたがって変化

継手特性が要求される。すなわち，線膨張係数の異なる母

し，徐々に溶込み深さが増加し溶融幅が減少している。こ材と合せ材の界面で発生する熱応力による合せ材の剥離をの溶込み形状の変化は，レーザビームを集光するレンズに防止し，かつ圧延中に母材と合せ材の界面に酸素が侵入す

レーザビームエネルギーの吸収による熱変形が生じる熱レ

る酸化による接合不良部の生成を回避するため，所定の溶

ンズ効果

込み深さを維持して溶接強度を確保するとともに溶接部にザビーム焦点位置の移動（フォーカスシフト）の影響で安欠陥を発生させずに封止性を保証することが必要となる。

定した溶込み形状を維持することが困難となる。特に 20 kW

スラブ組立て溶接に適する溶接法として，従来から大型13）によるもので，熱レンズ効果によって起こるレー

以上の大出力レーザ溶接では，ビーム透過率の高いレンズの真空チャンバー内での電子ビーム溶接が適用されていた。

を使用した場合でも吸収されるビームエネルギーが大きくな

しかし，オープン方式のクラッドスラブの組立て溶接は母材ることに加え，空冷効果がない真空中では大気中よりも集光と合せ材の異種金属溶接となるため，電子ビーム溶接ではレンズの温度上昇が起こりやすいことから，大出力真空レー

溶接中に発生する熱起電力の電磁気的影響により電子ビー

ザ溶接では熱レンズ効果による溶込み形状変化がより深刻

ムが偏向する12）という現象が生じる。
このビーム偏向により，な問題になる。

一部のクラッドスラブ組立てで所定の溶込み深さが得にく

この熱レンズ効果を低減するために，大出力真空レーザ

い，合せ材の組合せごとにビーム偏向を考慮した溶接条件

溶接用の集光光学系としてレンズ構成，レンズ材質・コーの設定が必要になるなどの問題が発生し，溶接不良や溶接

ティング，水冷機構などの最適化を行った。レンズ構成に能率の低下の原因となることがあった。

ついては，一般的にコリメーションレンズ，集光レンズなど

一方レーザ溶接は，光であるレーザビームを熱源とする

複数枚のレンズで構成される集光光学系を 1 枚のレンズでため，異種金属溶接でも熱起電力の発生などの影響を受け集光できる構成とし，熱レンズ効果によるフォーカスシフト

図 4 溶接時間の経過にともなう溶込み形状変化（雰囲気圧 100 Pa，レーザ出力 20 kW，溶接速度 0.5 m/min，メルトラン）
Fig. 4 Penetration shape change with elapsed welding time
(Atmospheric pressure: 100 Pa, Laser power: 20 kW, Welding speed: 0.5 m/min, Melt run)
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量を極力抑制できる光学系を製作した。図 5 に集光光学系

ドガス機構の設置など，真空中での大出力レーザ溶接特有の最適化前後のレーザ出力 20 kW 照射時のフォーカスシフの多数の課題を解決した。その成果として，当社西日本製

ト量測定結果を示す。集光光学系の最適化によりレーザ照鉄所（福山地区）厚板工場の圧延クラッド鋼板製造工程に，射時間 120 秒でのフォーカスシフト量が約 30 mm から約

世界初となる 30 kW 級大出力ファイバーレーザを使用した

4 mm まで大幅に低減されたことを確認した。図 6 に，最適真空レーザ溶接システムを導入した。図 7 に導入したシス化された集光光学系を用いた大出力真空レーザ溶接におけテムの構成概要を，写真 4 にシステムの真空チャンバーにる溶込み形状変化を示す。30 kW という大出力のレーザ溶

組立てスラブが挿入されている状況を示す。30 kW 級ファ

接でも溶込み形状変化は大幅に抑制され，安定した溶込み

イバーレーザ発振器からビーム伝送用のプロセスファイ

形状が得られた。

バーを介して大型真空チャンバー内のレーザ溶接ヘッドに以上の熱レンズ効果対策に加え，クラッドスラブの組立

レーザビームを導光する。溶接ヘッドには熱レンズ効果を極て溶接に必要な溶込み深さと溶融幅を得るためのレーザ出小化した集光光学系などの最適化した機構が組み込まれて力，溶接速度およびレーザビーム焦点位置などの適正溶接

おり，溶接ヘッドが組立てスラブの周囲四辺を移動して母条件の設定，真空中の長時間の溶接で集光光学系が溶接材と合せ材，あるいは母材とスペーサーの重ね面を水平横ヒュームによって汚染されないように保護するためのシール

向き姿勢で溶接する。真空雰囲気のままクラッドスラブの四辺を溶接することで，接合面が真空状態で密閉された組立てスラブが作製される。組立てスラブの四辺の周長は 10 m以上になるものもあり，数段重ねたクラッドスラブの溶接を行う場合，総溶接時間は数時間になる。
写真 5 に，大出力真空レーザ溶接システムを用いて作製したオープン方式のクラッド組立てスラブの溶接ビード表面
外観および断面マクロ組織観察例を示す。この例では母材が炭素鋼（写真下側），合せ材がステンレス鋼（写真上側）の組合せであり，レーザ出力 30 kW，溶接速度 0.5 m/min
で溶接ビード表面の溶融幅は 10 mm，溶込み深さは 56 mmとなっている。溶接ビード外観では，真空レーザ溶接の特徴であるスパッタ発生のない美麗なビードが確認でき，断面マクロ組織では，ビーム偏向および溶接欠陥がない重ね

図5 集
 光光学系最適化前後のレーザビームフォーカスシフト
量比較（レーザ出力 20 kW）
Fig. 5 Comparison of laser beam focus shift distance between
before and after optimization of focusing optics(Laser power: 20 kW)

面に沿った深い溶込みの良好な溶接部が確認できる。このように，大出力真空レーザ溶接はクラッドスラブ組立てに好適な溶接方法であり，実生産工程において極めて有用なプ
ロセスであることが実証された。この大出力真空レーザ溶接

図 6 集光光学系最適化後の溶接時間の経過にともなう溶込み形状変化（雰囲気圧 100 Pa，レーザ出力 30 kW，溶接速度 0.5 m/min，メルトラン）
Fig. 6 Penetration shape change with elapsed welding time after optimization of focusing optics(Atmospheric pressure: 100 Pa, Laser power: 30 kW, Welding speed: 0.5 m/min, Melt run)－ 61 －

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図 7 クラッドスラブ組立て真空レーザ溶接設備の模式図
Fig. 7

Schematic illustration of vacuum laser welding system for clad slab assembly

システムは，従来の電子ビーム溶接を上回る溶接能率で操業され，種々の合せ材の組合せで安定した溶接品質を保証しており，圧延クラッド製品の製造効率向上およびクラッド
新製品の開発に大きく貢献している。

4． おわりに
大出力レーザ溶接の課題を解決できる真空レーザ溶接技
術について解説し，厚鋼板の深溶込みかつ高品質の溶接を実現するために有望な溶接方法であることを示した。当社
では，これまで積極的にレーザ溶接技術の開発を進めてきたが，圧延クラッド鋼板製造工程のスラブ組立て溶接という大出力真空レーザ溶接のメリットを最大限活用できるニーズに適合する技術開発を行ったことにより，世界初となる
30 kW 級大出力真空レーザ溶接システムの実機化が実現できた。圧延クラッド鋼板製造工程への導入は，大出力レー
写真 4 クラッドスラブ組立てラインの真空チャンバー入口

ザによる厚鋼板の深溶込み溶接を生産ラインで実用化した

Photo 4 Entrance of vacuum chamber of clad slab assemblylineという象徴的な事例であり，実生産で多大な効果が得られた成功例であるといえる。今後レーザ発振器の高出力化と

写真 5 クラッドスラブ組立て真空レーザ溶接部のビード外観および断面マクロ組織例（レーザ出力 30 kW，溶接速度 0.5 m/min）Photo 5

Examples of weld bead appearance and cross sectional macrostructure of vacuum laser weld in clad slab assembly(Laser power: 30 kW, Welding speed: 0.5 m/min)

JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

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大出力真空レーザ溶接技術の鉄鋼製造工程への適用

低価格化が進み，また光学系などの周辺装置の開発も推進

国大会講演概要．2015, no. 96, p. 162-163.
6）角博幸，木谷靖，大井健次，住森大地，水谷春樹，伊藤晋吾，川人洋介，
片山聖二．100 kW 出力レーザを用いた厚鋼板の溶接における溶込み特されるが，大出力レーザを実用的な溶接方法として使いこな
す選択肢として真空レーザ溶接技術は有望である。

性．溶接学会全国大会講演概要．2015, no. 97, p. 148-149.
7）Katayama, S.; Abe, Y.; Mizutani, M.; Kawahito, Y. Deep Penetration

当社では，この圧延クラッド鋼板製造工程への大出力真Welding with High-Power Laser under Vacuum. Transactions of JWRI.

空レーザ溶接適用をステップとして，今後も大出力レーザを

2011, vol. 40, no. 1, p. 15-19.

利用した革新的溶接技術の開発を行い，鉄鋼製造プロセス

8）川人洋介，水谷正海，片山聖二，河野渉，牧野吉延，住森大地，伊藤晋吾，鈴木啓市．30 kW 出力を超える大出力レーザ溶接における低真の進歩に寄与して行きたいと考える。

空の効果．溶接学会全国大会講演概要．2015, no. 96, p. 164-165.
9）Francis, J. A.; Holtum, N.; Olschok, S.; Roy, M. J.; Vasileiou, A. N.;
Jakobs, S.; Reisgen, U.; Smith, M. C. Vacuum laser welding of SA508

謝辞

steel. Journal of Materials Processing Technology. 2019, no. 274-116269,

圧延クラッド鋼板製造工程での大出力真空レーザ溶接技
術の実機化に際しては，最適化集光光学系を含むレーザ溶
接ヘッドおよびレーザ溶接システム全体の設計・製作について，三菱重工工作機械株式会社殿に多大なる協力をいた
だいた。この場を借りて感謝の意を表したい。
参考文献
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5）片山聖二，水谷正海，川人洋介，河野渉，牧野吉延，住森大地，伊藤晋吾，鈴木啓市．100 kW 出力レーザの溶接性の可能性．溶接学会全－ 63 －

木谷

靖

松下 宗生

深堀 友晃

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