レーザ加工技術を援用した
長寿命大型溶接構造物建造技術に関する研究
九州大学 大学院工学研究院 海洋システム工学部門
教授 後藤 浩二（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018206-B2）
キーワード：レーザ照射，結晶粒微細化，応力集中緩和，疲労1.研究の背景と目的は深刻なダメージを受け，場合によっては剥がれ落

船舶・海洋構造物，橋梁，鉄道車両，高層建築鉄骨構造ちてしまうこともある．長期に渡って疲労強度を良等，多くの大型構造物の損傷形態は応力集中部を起点とす好に保持することを考えると，応力集中の影響が低る場合が大半である．日本機械学会による機械・構造物の下する表層部よりも深い箇所に結晶粒微細化効果を破損事故例の分類によれば，損傷事故の 8 割以上に疲労が付与するほうが望ましい．

深く関わっていることから，大型構造物における疲労損傷事故を防止することは，豊かでかつ安全な社会活動を営む

一方，申請者は従来のアーク溶接と比べて優れた継手品ために，極めて重要な課題である．大型溶接構造物中には質を有し，かつ大型構造物建造に適用される板厚やギャッ応力集中源である溶接継手が多数内在していることに加プ裕度にも対応可能と期待されるレーザ・アークハイブリ

え，母材性能が改善しても疲労強度の改善には寄与しない

ッド溶接技術を船体構造の建造に適用するため，様々な検という広く知られた事実がある．溶接継手の疲労強度改善討に取り組んできた 2)．その成果の一つとして，大型溶接を目的とした耐疲労鋼も開発されているが，耐疲労性能の構造物中に多数存在するすみ肉溶接継手を，ハイブリッド劇的な改善には至っていない．

溶接により片側からの 1 パス完全溶込み継手に置き換え

金属材料の強度と靭性を同時に改善可能な手法は結晶ることを考え，長尺溶接にも対応できる施工条件を確立す

粒微細化のみであるが，西尾ら 1)は，軟鋼板にレーザ照射るとともに，溶接変形や疲労強度の面での優位性を確認しを繰り返し，照射部近傍温度履歴が A3 変態点を跨ぐ前後ている．この置き換えを達成できれば，強度要件を満たしとなるようにすることで，結晶粒が微細に均一化することつつ，より軽量の構造物の製造が可能となる．また，上述を示している．ただし西尾らの方法では，金属を溶融させのハイブリッド溶接による継手の溶接止端に表面近傍のないように小入熱のレーザ照射を複数回付与するように溶融を許容するレーザ照射処理を施せば，従来のアーク溶している．一方，金属表面を溶融させないレーザ照射条件

接による溶接継手と比較して長期の稼働期間において優を与えることは必ずしも容易ではない．著者らは，大型構れた疲労寿命を有する継手の製造が可能となる．

造物の強度部材として使用される通常鋼を評価対象とし本研究では，上述の研究背景に基づき，溶接止端部に対て，西尾らの方法に沿って，材料表面を完全に溶融させなする表面溶融を許容する適切なレーザ照射条件について

い結晶粒微細化を試みたが，適切な条件を導出することは検討するとともに，疲労強度改善効果に関しても検討を実困難であった．

施した．実験には申請者の研究室が所有するレーザ・アー

この結果を考慮し，表層部の溶融は許容する立場を採用

クハイブリッド溶接実験装置を活用し，レーザ光路上に意することにしたが，表層部の溶融を許容すると，逆に以下図するガス雰囲気を形成するため，アークトーチからガスの点で有利なことが期待される．

のみを噴出するなどの工夫を行った．

(1)

大型溶接構造物で生じる損傷の多くは，溶接止端部

2.レーザ照射条件に関する検討を起点とする疲労破壊である．そこで，溶接止端部

2.1 実験条件と方法(2)にレーザ照射処理を施して結晶粒微細化効果を付与

最初に，レーザ照射条件と結晶粒微細化の関係性に関すしようとすれば，TIG ドレッシング処理と同様に溶る知見の蓄積を目的に，レーザ照射時の雰囲気ガスおよび接止端形状が滑らかなることから，応力集中が緩和

レーザ照射回数が溶込み形状と結晶粒の微細化の度合いして溶接継手の疲労強度に対して有利に働く．に与える影響を確認した．

表層部が溶融するということは，付与される熱履歴

実験方法は，レーザ光路上に CO2 ガス雰囲気を形成しの観点から，表層より一定距離深い箇所の結晶粒がた状態で照射を行った．レーザヘッドは試験体とほぼ垂直微細化される．船体の船倉部やバラストタンク部をに配置した．供試材は板厚 14 mm の KD36 鋼（船級協会

考えると，経年に伴う腐食や積載時の（バケットな承認を有する降伏応力 36 kgf/mm2 級の低炭素鋼）である．

どの衝突に相当する）グラブ荷重等の影響で表層部表面性状は防錆プライマを剥離し，フライス加工により黒皮を切削した．レーザの照射条件を表 1 に示す．レーザ移動速度は全て 600 mm/min とした．

ID 2 と ID 3 においては，大気中照射と比較して CO2 雰
囲気中照射では溶融および変質域の幅が増大した．この理由は，CO2 雰囲気中では大気中よりも表面活性元素である

表1

試験条件

酸素の量が溶融部において少ないために，表面張力対流が試験 ID

1レーザ出力 (kW)0.3デフォーカス距離 (mm)5232.610変化した影響を受けたと考えられる．ID 2 は溶込みが深い
ため表面近傍でのみ溶融地内の対流の変化が影響した結15果，表面付近の溶融および変質域の幅が増加したものと考えられる．照射回数を重ねることで，ID 1 と ID 2 では幅試験 ID 1 は試験体表面を溶融させないことを想定した照射条件，ID 2 は溶込みの深いキーホール型の溶融形態，方向に，ID 3 では深さ方向に顕著に溶融および変質域の増大が確認された．

ID 3 は ID 2 からデフォーカス距離のみを大きくし，幅広金属結晶粒径について，全ての条件で結晶粒の微細化がの溶融形態となることを想定した照射条件である．また，確認された．一方で，全ての条件で CO2 雰囲気中照射（ID

上記 ID 1～3 において，照射回数の影響を検討するため，B）では大気中照射（ID A）と比較して粒径がわずかに大大気中（ガス無し）の条件下で，レーザ照射回数を 4 回ときくなるという傾向が確認された．また，照射回数 4 回した実験及びレーザ光路上が大気まま（CO2 ガスパージ（ID C）の方が 1 回（ID A）と比較して粒径が小さく出て無し）での実験も行った．

おり，照射回数の増加に伴い微細化が促進される傾向が確認された．西尾らの研究においても同様の傾向が報告されている．熱伝導型の溶融形態を想定した ID 3 の照射条件

2.2 実験結果
レーザ照射後の試験体を適切な大きさに切り出し，ベルはキーホール型の溶融形態を想定した ID 2 から得られた

トサンダーを用いて粒度#1000 まで研磨後，4%ナイタール試験片より全体的に粒径が小さく出ており，微細化効果がでエッチングを行い，断面をアセトンで洗浄した試験片により大きくなることが示唆される．

ついてマクロ断面観察を行った．照射影響により母材部と母材部の硬さの平均は，KD36 では 190 HV であり，平組織の様相が異なった領域および溶融域の計測結果，微細均結晶粒径は 10.4 µm であった．いずれもボンド部もしく化が顕著な領域における粒径計測結果，変質部と母材部のはその近傍で最高硬さを確認した．

境目を 0.1 mm の間隔で測定したビッカース硬さ試験の結果を表 2 に，1 回照射試験片のマクロ断面の写真を図 1 に示す．

表2試験ID

123A
B
CABCAB
Cガス
雰囲気AirCO2AirAir
CO2AirAir
CO2Air断面マクロ観察による測定結果と硬さ測定結果

レーザ照射影響範囲
レーザ
照射回数

14
14
14

溶融範囲

最大幅(mm)

最大深さ(mm)

最大幅(mm)

最大深さ(mm)

0.97
0.89
1.13
4.12
5.09
4.66
3.15
4.96
3.20

0.47
0.39
0.50
4.07
4.03
4.21
2.63
2.74
2.83

0.68
0.67
0.75
2.94
4.02
3.44
2.06
3.83
2.10

0.39
0.31
0.40
3.77
3.45
3.89
2.21
2.492.51

平均
結晶粒
直径(μm)
2.8
3.1
2.4
3.6
4.0
2.8
2.4
3.6
2.3

ビッカース
硬さ最大値
(HV)
499462495441430
431445419462

ガス雰囲気ID 1

ID 2ID 3大気（Air）

CO2 ガス

図1

断面マクロ

3.表面溶融無しでの結晶粒微細化条件探索

ここで，
E:エネルギ密度（J/mm2），

W 

熱効率，部自体は照射影響部内に存在するが，同時に溶融部と細粒

v：レーザ照射移動速度（mm/s），部の間に粗粒域が発生する．この領域では亀裂進展速度が

レーザスポット直径（mm）．

3.1 実験条件と方法
前章に示したレーザ照射実験では，いずれも鋼材表面の溶融が確認された．表面の溶融を許す場合，結晶粒の細粒レーザ出力（W），母材原質部よりも速くなるため，全体で見ると疲労強度の有意な向上効果が得られない恐れがある．このことから，レーザ照射点における亀裂の発生ならびに進展抑制のた

表 3めには鋼材（照射点）表面を溶融させずに一定以上の深さ条件で結晶粒を微細化させる必要がある．

ID レーザ出力 デフォーカ

そこで，レーザ出力，デフォーカス距離，照射速度を変表面の結晶粒微細化を検討するためのレーザ照射(kW)ス距離 (mm)

更しながら複数の条件でビードオンによるレーザ照射施

150工を実施し，適正な照射条件を探索した．なお，建造中の260構造物への適用を念頭に，照射回数は 1 回に固定した．

32.で説明した実験ではレーザヘッドを鋼材と垂直に配4置したため，鋼材表面におけるレーザの熱源形状は，ほぼ5円形であったため，熱源強度分布はガウス分布に近い状態6であり，円形状の中心で熱源強度は最大となる．そこで本

7検討では，照射角度を移動方向と平行に傾斜させることで8鋼材表面の熱源形状は楕円形状とした．この結果，熱源集中度が緩和されるため，鋼材表面の溶融防止が期待される．
表 3 にはレーザ出力，デフォーカス距離，移動速度の照70910

エネルギ密度(J/mm2)
6.74

2,0005.624.82

1.041.41

移動速度(mm/min)

1,700

5.67

1,000

9.65

600

16.1

2,000

6.54

1,800

7.27

1,400

9.34

1,000

13.1

射条件とこれらの照射条件に基づいて，式（1）により計算したエネルギ密度を示す．式（1）は熱源形状が円であ3.2 実験結果る場合の式であるので，レーザ照射に角度をつけた際のレ図 2 には本実験で得られた微細化領域のミクロ観察写

ーザ熱源形状はやや楕円型となり厳密には異なるが簡便

真の一部と，比較のために母材の金属結晶粒ミクロ観察写さを優先し，近似ではあるがこれを適用することにした．

真を示す．

E  W v

（1）程度深くなった段階で微細化効果は消失し，母材の金属結晶粒径と同等な大きさにとどまることを確認した．

4.すみ肉溶接止端部に対するレーザ照射
4.1 実験条件と方法
本章では，溶接継手へのレーザ照射効果による，溶接止端部近傍の結晶粒微細化効果及び止端半径に起因する応力集中の緩和効果を検証する．
表 4 に示す溶接施工条件で，図 4 に示すすみ肉溶接による T 継手を製作し，この溶接止端部（主板側）に対して表5 に示す条件でレーザ照射を行った．レーザ照射速度は溶（a） 実験 ID 2 で得られた微細結晶接施工速度と同じ 600mm/min とした．
表4T 継手製作の溶接施工条件
373

電流（A）：電圧（V）：

31.7

溶接速度（mm/min）：

600（b）母材原質部

Average grain size (μm)

図2

図41412

表510ID

レーザ出力

T 継手

レーザ照射条件
デフォーカスエネルギ密度距離 (mm)(J/mm2)8115172623089456046045590306153433017845120

Base metal
ID:7ID:8420

図3マクロ観察（赤線の長さ 50 m）

0.10.20.3

0.40.5Depth from surface (mm)30.6

表層からの深さと結晶粒系の関係（ID 7，ID 8）

本章に示すレーザ照射条件での結果は，表面の溶融がほとんど無く結晶粒微細化を達成していることを確認した．
一方，1.でも述べたように，長期稼働期間に渡って疲労強度の健全性を担保するには，表層部ではなく，ある程度の深さ位置において結晶粒微細化を達成することが必要である．本研究を実際の大型構造物建造に付加的に適用することを考慮すれば，深部までレーザ照射効果が届き，かつレーザ照射時間が短時間であることが望ましい．そこで，
表 3 に示す実験の中でこれらの条件を満たすと思われる
施工条件の ID 7 と ID 8 に着目し，微細化効果の及んでいる深さを調査した．図 3 に結果を示すが，表面から 0.3 mm

2.5785.096090109060

レーザ照射の前後で溶接止端部の形状を三角測距方式二次元レーザ変位計（KEYENCE LJ-V series）とスライド方向に座標間隔が均一なリニアエンコーダシステム（RENISHAW Tonic T100x RGSZ）を組み合わせて用いることで測定し，止端半径ならびにフランク角等の幾何形状を得た．測定は，溶接線方向中央の 100mm において間隔0.2mm（500 点）で形状を計測し，各パラメータの分布と平均を計測した．

4.2 実験結果
各照射条件における止端半径およびフランク角の平均を図 5 に，立板・主板側の脚長の平均を図 6 に示す．加えて，辻 3)による非荷重伝達型隅肉継手止端部に対する応力集中推定式を用いて曲げを受ける T 継手の形式に対して応力集中係数 Kt を算出し，結果を図 7 に示す．

Toe radius (mm)14As weld
2.5kW
5.0kW

12108（a）主板側

64800

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Defocusing distance (mm)（a）止端半径150As weld
2.5kW
5.0kW

As weld
2.5kW
5.0kW

7.5
76.5
65.5
51014013020304050607080908090

Defocusing distance (mm)（b）立板側

図6

レーザ照射後の脚長

3.21201100

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Defocusing distance (mm)（b）フランク角

図5

レーザ照射後の溶接止端部形状

図 5 に示す結果から，止端半径およびフランク角いずれもデフォーカス距離 Df を大きくする程増大する傾向を確認した．しかしながら，一部の照射条件でその傾向から逸脱している場合もある．この原因として，すみ肉溶接のビード形状のバラツキを考慮せず一律にレーザ照射したことが狙い位置のずれなどを引き起こした可能性が考えられる．しかしながら，いずれの場合もデフォーカス距離 Dfを大きくとるほど応力集中係数 Kt は減少傾向にあり，効果的な形状緩和効果を得るためにはデフォーカス距離を大きくとることが望ましいと考えられる．

Stress concentration factor Kt (mm)Flank angle (°)

160

Leg length at flange (mm)

23.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.01.8
1.6

As weld
2.5kW
5.0kW

1.4
1.2
1.0010203040506070

Defocusing distance (mm)
図 7 レーザ照射後の止端部の応力集中係数

5.疲労強度改善に関する検討
5.1 実験条件と方法
溶接止端部に対するレーザ照射による疲労強度改善効果を継手製造時に付与することを目的に，継手製造に資するアーク溶接に対してタンデム方式でレーザ照射を行う

こととした．すなわち，アーク溶接後生成される溶接止端る必要があるが，今回はこの確認には至っておらず，将来位置を予測したうえでレーザ照射位置を決定し，生成され課題と考える．なお，全ての試験片において，疲労亀裂はた溶接ビードを被覆するスラグを除去することなくアーレーザ照射端部より発生した．

工条件は 4.の表 4 であり，レーザ照射の施工条件を表 5 のID 2 と ID 3 である．これらの施工条件により製作した継手の ID を順に F1，F2 とする．また，疲労強度の比較検討のため，アーク溶接のみ施工・レーザ照射無しの継手も製作した．この継手の ID を F3 とする．
5.2 レーザ照射による止端形状改善
レーザ照射後のそれぞれの継手に対して，溶接止端半径及びフランク角を測定した．また，4.2 と同様に辻の式により応力集中係数も算定した．これらの結果を表 6 に示すが，レーザ照射による応力集中の緩和を確認できる．参考のため，レーザ照射した溶接止端部の断面マクロ観察写真

Nominal stress range at weld toe [MPa]ク溶接とほぼ同時にレーザ照射施工した．アーク溶接の施

400
300200100908070605040 510

レーザ照射後の溶接止端形状等

IIW FAT100

ID2F2IIW FAT80

ID3F3JSSC Class E

610
Number of cycles to Fracture [Cycle]
図9を図 8 に示す．
表6F1ID1107

疲労試験結果（S-N 曲線）

6.結論

ID

止端半径 (mm)フランク角 (°)

応力集中係数

本研究では，溶接止端部にレーザ照射することで，溶接F13.1620.21.53

止端部の応力集中緩和及び内部組織の結晶粒微細化を同F22.1722.21.65

時に処置し，溶接継手の疲労強度を改善する目的に資する

F3

1.0438.82.33

レーザ照射条件の探索を行った．
その結果，実際の大型溶接構造物建造時に同時にレーザ照射することを前提とした照射条件を導出し，疲労強度の照射位置大幅な改善を確認した．一方，板内部の結晶粒微細化効果が疲労寿命改善効果に及ぼす定量的検証には至っていないため，これを検証するための疲労亀裂伝播試験方法の検討等が将来課題であろう．

謝辞

疲労試験の実施に際して，（国研）海上技術安全研究所の穴井陽祐氏にご協力を賜りました．ここに記して御礼申し上げます．
図8

参考文献

レーザ照射した溶接止端部の断面マクロ観察

1)
上記の継手 F1～F3 から三点曲げ疲労試験片を複数体製

西尾 一政 他：レーザ照射による結晶粒の微細化，機能材料，Vol.27，No.7，pp.56-60，2007.

5.3.疲労強度に関する検討

2)

例 え ば ， Gotoh, K. et al.: Fundamental Studies on

作して疲労試験を実施した．結果を図 9 に示す．同図にはApplicationすみ肉溶接継手に対する複数の疲労設計線図（IIW FAT100，

Manufacturing Primary Structural Members in General

FAT80，JSSC Class E）も示すが，これらとの比較結果より，

Merchant Ships, Proceedings of the 8th International

レーザ照射を行うことによる疲労強度の改善が確認できCongress on Laser Advanced Materials Processing

る．これは，溶接止端部へのレーザ照射による止端形状の(LAMP 2019), May 2019.

変化にともなう応力集中の緩和が主な要因と考えられる．

3)ofLaser-Arc

HybridWeldingfor

辻勇：非荷重伝達型すみ肉溶接継手の止端部の応力結晶粒微細化の効果の定量的な確認のためには，疲労亀裂集中係数の推定式，西部造船会会報，No.80，1990，

成長履歴を確認し，微細化領域での伝播速度低下を確認す

241-251.