レーザ加工材のミクロ組織の解明と材料特性データベースの構築
成蹊大学 理工学部 エレクトロメカニクス学科准教授 酒井 孝
（平成 20 年度一般研究開発助成 AF-2008203）
キーワード：レーザ加工，曲げ，スプリングバック，結晶方位，集合組織，データベース

１．研究の目的と背景

ブル分布と統計的手法によるスプリングバック量の推定

レーザマシンにより切断された加工材の周辺部は，レーを試みた．

ザ照射部に多大な熱的影響を受けるため，ブランクの部位

将来的にはこのデータベースを援用することで，レーザにより組織や材料特性が異なる．そのため，各部位でひず加工材のスプリングバック量が高精度に予測できること

み分布や結晶粒度などが異なり，機械的性質も一様ではなになる．さらに，このデータベースは，集合組織を制御しい．レーザ加工材の曲げ加工において，スプリングバックて所望の高精度曲げ加工を実現する高付加価値材料の創を正確に予測して高精度の曲げ加工を実現するためには，製にも応用できる．

材料の微視的な特性を考慮する必要があると考えられる．
また，レーザマシンにより材料の切断を行い，曲げ加工を

２．供試材および実験方法

施すと，レーザ加工面で反りが発生して高精度曲げ加工を

本研究の供試材には，板厚 t＝1.2mm の一般冷間圧延鋼行う上で大きな問題となっている．このようなレーザ切断板（SPCC），アルミニウム合金板（A6022-H18）を，㈱ア

材の反りの発生メカニズムを解明するためにも，材料の微マダ社製・レーザ加工機を用いて図 1 に示すように長さ l視的な特性の変化について調査することが必要である．

＝100mm，幅 w＝50mm に切断して試験片を作製した．ア

このような背景のもと，本研究では一般冷間圧延鋼板

シストガスを窒素とし，レーザ出力およびレーザガンの移（SPCC）やアルミニウム合金（A6022-H18）を対象として，動速度の違いによる特性変化を調べるために，試験片を作

レーザ加工が基本的な材料特性にどのような影響を及ぼ製するにあたりそれぞれの加工条件を表 1 のように変化さすのかを調査することを目的として，レーザ加工時の熱的せた．表内の①〜⑩の表示は，実験結果の整理で用いた．

影響における組織変化を観察するとともに，各部位におけ採取した試験片に対して，耐水研磨紙（＃600，＃800，るマイクロビッカースによる硬さ分布を調べた．これらの＃1000，＃1200，＃1500）を使用して湿式研磨し，その後，実験結果から，組織変化と硬さ分布との関連性について考Al2O3 微粒子（1.0，0.05μm）を使用したバフ研磨を行った．

察した．さらに，ラボレベルでの曲げ試験を行うことによ

SPCC 試験片については，2vol%ナイタルを用いて 5s の化り，組織変化と硬さ分布がスプリングバック特性に及ぼす学腐食を行った．このようにして作製した試験片に対して影響の基礎データを収集し，レーザ加工材の特性についてレーザ加工により切断された面の一方を基準に，中央部，調査した．これらの研究成果から，レーザ加工における出端部とそれぞれ定義し，それぞれの部位で光学顕微鏡を用力や加工速度がミクロ組織や硬さに影響することが明らいて圧延方向および板厚方向の組織観察を行った．また，

かになれば，高精度曲げ加工を行ううえでミクロ組織や残撮影した写真をデジタル結合し，レーザ加工面からの組織留応力等の材料特性を考慮し制御する必要性が明らかにの変化を観察した．平均結晶粒径の測定には交点係数法をなる．

用いた．

また，SEM-EBSD や XRD による組織観察と集合組織測

マイクロビッカース硬さ試験機・MXT-α7e を用いて，上定を行い，レーザ切断による結晶方位の変化について，各のように定義した部位に対して，他方の切断面からの距離種の定量データを実験的に得た．このようにして得られたにしたがって硬さがどのように変化するのかを調べた．試レーザ加工材の曲げ加工に関するスプリングバックデー

験条件は，測定荷重 490.3mN，圧子押込時間 15s とした．

タと集合組織のデータを対にした結晶方位データを，本研

曲げ試験は汎用の万能試験機と金型を組み合わせ，高精(1)究で構築したデータベース に蓄積した．そして，このデ度角度センサによる少数第 2 位までの正確なスプリングバータベースから抽出した曲げ加工によるスプリングバッック量を調査した．また，結晶方位測定では微小部 X 線回ク量と結晶方位分布の定量データを応用して，3 母数ワイ折装置を用いて，非曲げ部と曲げ部に対して行い，描いたー 12 ー

Laser processed surface
ND1.2mm

TD50mmRD 100mm
図 1 レーザ切断材の形状および寸法(a) メインメニュー(b) 実験データ入力フォーム

表 1 レーザ切断の加工条件
材料速度m/min

出力 kW

ガス圧力
MPa

レーザタイプ

0.8CW

2.0 ①
4.0 ②
3.0

8.0 ④

SPCC
A6022-H186.0 ③
10.0 ⑤

2.0 ⑥
2.5 ⑦(c) 材料特性値の推定結果フォーム

3.0 ⑧

図 2 本研究で提案した材料特性データベースのユー

6.0

ザインターフェイス

3.5 ⑨
4.0 ⑩

Microsoft Access2010 start
正 極 点 図 か ら 結 晶 方 位 分 布 関 数 （ ODF ： OrientationMain menu - Fig. 2(a)Distribution Function）を求めた．

3．データベースシステムの概要
データベースは Microsoft 社製の Access2010 をツールとして設計した．データベースの各インタフェースを図 2 に示す．スタートフォームである（a）メインメニューから

Experimental
input - Fig. 2(b)Estimation ofproperties - Fig. 2(c)StoreExtraction

Characteristics ofevaluation

Characteristics ofeach plot（b）実験結果入力フォーム，または（c）材料特性推定フォームを選択し，図 3 に示したフローチャートにしたがって操作を行った．データ内容は材料名とレーザ加工条件，板厚，目標曲げ角度，スプリングバック量，結晶方位特性

Weibull distribution - Figs. 8, 9を関連付けて管理し，試験片 1 本をデータセットの最小単位として入力した．したがって，データを検索した結果，Cumulative distribution functionof each parameter - Table 3, 5

異なる傾向を示したデータがあれば，試験片の材料や条件等を容易に検索することができる．

Estimation output - Table 4, 6

これまでに著者らは微細結晶粒の曲げ加工にともなう結晶方位データベースの構築とスプリングバック推定にMicrosoft Access2010 end

関して良好な結果を得ており(2), (3)，本報のレーザ加工材の材料特性のデータベース化についても学術的に大変有意

図 3 データベース操作のフローチャート義であると考えている．

4．実験結果および考察の板厚方向の組織写真を図 4 に示す．レーザ加工条件につ4.1 SPCC レーザ加工材の組織観察結果
組織観察の一例として，レーザ加工による中央部，端部いは，先の表 1 に①〜⑩を示した．また，表 2 にそれぞれー 13 ー

レーザ照射：レーザ照射部

：非照射部

（上部）

（下部）

照射経路
(a) 中心部 (b) 端部

Rolling direction

100μm(a) 中心部(b) 端部(1) ワイヤカット放電加工(a) 中心部(b) 端部(2) レーザ加工条件①(a) 中心部(b) 端部(3) レーザ加工条件④(a) 中心部(b) 端部(4) レーザ加工条件⑤(a) 中心部(b) 端部(5) レーザ加工条件⑥(a) 中心部(b) 端部(6) レーザ加工条件⑩

図 4 SPCC 材板厚方向の光学顕微鏡による組織写真（デジタル結合後のもの）

ー 14 ー

表 2 加工条件別の平均結晶粒径の算出結果
加工条件

測定箇所

(1)
ワイヤカット放電加工(a)中央部(2)
加工条件①（2.0m/min,3.0kW）(a)中央部(3)
加工条件④（8.0m/min,3.0kW）(a)中央部

(b)端部

(b)端部

(b)端部

粒径 μm

レーザ照射部

95.5

非照射部

96.4

レーザ照射部

81.9

非照射部

97.8

レーザ照射部

34.6非照射部

34.0

レーザ照射部

35.2

非照射部

37.2

レーザ照射部

133.2

非照射部

11.4

レーザ照射部

138.1

非照射部

25.08

加工条件

測定箇所

(4)
加工条件⑤（10.0m/min,3.0kW）(a)中央部(5)
加工条件⑥（6.0m/min,2.0kW）(a)中央部(6)
加工条件⑩（6.0m/min,4.0kW）(a)中央部

(b)端部

(b)端部

(b)端部

粒径 μm

レーザ照射部

142.9

非照射部

25.3

レーザ照射部

125.6

非照射部

85.5

レーザ照射部

49.5

非照射部

26.5

レーザ照射部

167.9

非照射部

118.1

レーザ照射部

98.3

非照射部

46.3

レーザ照射部

86.3

非照射部

92.6

0.5

1250
(a) 中心部(b) 端部HV

200
150
10002500.5010.510

レーザ照射部からの距離, mm(2) レーザ加工材（加工条件①）(1) ワイヤカット放電加工材(3) レーザ加工材（加工条件②）

HV200150
10000.5

100.5

100.5

1

レーザ照射部からの距離, mm(5) レーザ加工材（加工条件⑤） (6) レーザ加工材（加工条件⑥）(4) レーザ加工材（加工条件④）250

HV200150
10000.51(7) レーザ加工材（加工条件⑦）

00.5

100.5

1

レーザ照射部からの距離, mm(8) レーザ加工材（加工条件⑧） (9) レーザ加工材（加工条件⑨）

図 5 SPCC レーザ加工材の板厚方向におけるマイクロビッカース硬さ分布

ー 15 ー

{100}
pole figureの照射部と非照射部の平均結晶粒径の算出結果を示す．組っている．参考として，同図(1)は同じ試料をワイヤカット
放電加工により切断したものであり，どの部位でも同様なODF
φ2＝45°

Laserprocess

織写真の上部がレーザ照射部であり下部は非照射部とな

ND IPF

材は入熱の条件により組織の変化に違いがあることがわ
かる．出力および，レーザ加工速度を低く設定した①のレーザ加工条件では，全体的に微細化されているが照射部かBendingprocess

組織・粒径であることがわかる．それに対してレーザ加工

らの距離にしたがって組織は変化していない．しかし，レ
図 6 A6022-H18 レーザ加工材の曲げ加工前後での結晶方位分布ーザ加工速度を速くした④および⑤を見ると照射部では多大な熱影響を受け，再結晶の後に粒成長して組織が粗大っていることがわかる．これは，非照射部では急加熱およびレーザガンの高速移動にともなう急冷却によりマルテンサイト変態が生じていることに起因する．出力を下げて加熱条件が緩やかな⑥についても板厚方向に熱が均一に伝達しておらず，レーザ照射部と非照射部で異なる組織を

Accumlation ratio (%)

化しているが，距離が離れることで結晶サイズが小さくな
60Laser process
Bending process

50403020100形成した．

{100}

{110}

{111}

(a) IPF から得られた各方位への面積率

板厚方向のマイクロビッカース硬さ試験で得られた結果に対して，横軸をレーザ照射部からの距離（0〜板厚1.2mm），縦軸を HV 値としてプロットした結果を図 5 に示す．それぞれの図から，(1)ワイヤカット放電加工材に比べて(2)〜(9)のレーザ加工材では，試験片に熱的影響が付

Accumlation ratio (%)

4.2 SPCC レーザ加工材の板厚方向の硬さ試験結果
30Laser process
Bending process

2520151050加されてマルテンサイト変態による微細結晶粒化，もしくは加工硬化の影響でより高い硬度を示している．
それぞれの図の(a)中心部と(b)端部を比べると，加工条件(b) ODH から得られた集合組織の面積率にともなって硬さ変化の様相が異なっている．(2)および
図 7 結晶方位分布の定量的解析結果(3)では部位の違いによって硬さの値に顕著な違いは現れない．これは加工速度が遅いためともに十分な量の熱が材料に入射し，その上で均一に冷却したために均一組織となったと考えられる．これらの条件下ではレーザ加工による加熱・冷却の一連の熱処理の効果により，50〜70%の硬さの向上があった．t＝1.2mm の SPCC 材を被加工材とした場合のレーザ加工では，材料の板厚方向に均一に入熱できる加工条件は，出力が 3.0kW，かつ移動速度が 2.0〜4.0m/min の範囲内であることがわかった．
(4)〜(9)に示したレーザ加工条件下では，おおよそ(b)端部よりも(a)中心部が高い硬さの値を示した．(b)端部では
ND 方向と TD 方向の 2 度にわたって入熱の影響を受けるので，静的再結晶が起こり再結晶化して加工硬化層が除去されて硬さが低くなった．に結晶方位分布関数による A6022-H18 レーザ加工材の曲げ前後における結晶方位分布をそれぞれ表示したものを示す．曲げ加工後の{100}極点図は，中心から 25°と 90°離れた位置に極密度の集積がみられた．さらに，ND 逆極点図（IPF：Inverse Pole Figure）では{100}と{112}方位から{110}方位へ分布が変動している．これは φ2＝45°の結晶方位分布関数（ODF：Orientation Determination Function）によると，f.c.c.金属のせん断集合組織である{112}<110>・{111}<211>とレーザ照射によって発達した再結晶集合組織の Cube 方位{001}<100>が，曲げ加工と結晶すべり系によって，Brass 方位{011}<211>および P 方位{011}<111>へ結晶回転・分散したと考えられる．なお，本研究に関する

4.3 A6022-H18 レーザ加工材の曲げ加工前後での集合組織の変化
集合組織の変化について調べた結果の一例として，図 6レーザ加工材の集合組織測定結果については業績が多数あり，詳しくは文献を参照されたい (4), (5)．
このような結晶方位の変化を精細に把握するため，結晶方位集積プログラムを作成した．このプログラムは ODF

ー 16 ー

図 8 3 母数ワイブル分布の分布関数（A6022-H18 材）

図 9 3 母数ワイブル分布の分布関数（全ての材料）

表 3 ワイブル分布の各母数値

表 5 ワイブル分布の各母数値

形状母数

[001]

[011]

[111]

SB

1.93

4.69

1.194.31

[001]

[011]

[111]

形状母数

1.74

2.43

2.37

2.1137.7

31.1

33.4

1.53

0.00

9.80

0.000.65

尺度母数

31.0

41.0

9.30

2.23

尺度母数

位置母数0.000.00

26.40.00

位置母数

表 6 スプリングバック量の推定結果

表 4 スプリングバック量の推定結果

スプリングバック量スプリングバック量
推定値 (°)

2.02

推定値 (°)

2.85

実験結果 (°)

1.92

実験結果 (°)

1.92

0.10

誤差 (°)

0.93

誤差 (°)

SB

によって得られた方位密度から，ND 逆極点図の各頂点

図 8 において，データ点は直線状にプロットされている{100}，{110}，{111}周辺と ODF の断面 φ2＝45°におけるのでワイブル分布関数近似でばらつきがある．この 3 母数

代表的な方位の集積割合を算出し，結晶方位特性のパラメ

ワイブル分布と累積分布関数を用いて表 3 に示す各母数をータとしてデータベースへ入力できる．図 6 に示した ND推定した．その結果として表 4 より，A6022-H18 材のスプ面の IPF と ODF における結晶方位の集積割合を図 7 に示

リングバック量の推定は実験値と比較して大変良い結果す．この結果から，結晶方位分布の特徴を定量データとしが得られた．一般に，3 母数ワイブル分布による推定は，て理解できる．

データ点数が 50 以上必要と言われている．したがって，さらなるデータの補充をすることで推定値の誤差を小さ4.4 材料特性データベースを援用したスプリングバッくすることができると考えている．
同様に，SPCC 材を含めたすべてのレーザ加工材を図 9ク料の推定結果
データベースに蓄積された A6022-H18 材の結晶方位特に示す 3 母数ワイブル分布にプロットし，表 5 の各母数を性とスプリングバック特性を用いて，確率統計解析による推定した．その結果として表 6 から，すべてのレーザ加工曲げ後のスプリングバック特性と曲げ前の結晶方位特性材によるスプリングバック量の推定に大きな誤差が現れを推定した．STANAD（Statistical Analysis Software forた．このことから，確率統計解析による推定はデータの質

Material Strength Database for Reliability Design）を用いて作が信頼性において重要であり，材料別にデータを取り扱う

図した 3 母数ワイブル分布の累積分布関数を図 8 に示し，必要がある．このことは，同じ曲げ応力を負荷しても結晶母数値を表 3 に示した．また，結晶方位特性とスプリング格子型が異なれば最終安定方位が異なり，したがってワイバック特性の推定結果を表 4 に示す．3 母数ワイブル分布ブル分布関数の挙動も異なることを示している．の各母数からスプリングバック量を推定する手法については，紙面の都合で省略するので参考文献を参照されたい(6), (7)．

5．結言
レーザ加工材におけるスプリングバック特性と結晶方ー 17 ー位特性の相関をデータベースに構築した．これを新しい曲277-278, 山形, (2010 年 10 月).

げ加工システムとして統計的手法によるスプリングバッ(3) 酒井 孝, 小俣 均, 小山純一, 「SEM-EBSD 結晶方位ク量の推定を行った結果，十分な予測精度を確認することデータベースを応用した微細結晶粒材のスプリングができた．また，結晶方位特性をデータベースへ蓄積するバック量の推定」, 日本材料学会第 60 期学術講演会講ことで，近年盛んに行われている集合組織制御への媒体の演論文集 CD-ROM, No. 623, 大阪, (2011 年 5 月).

1 つとなり，スプリングバック量の制御ができると考えて(4) 菊田進作, 酒井 孝, 小俣 均, 小山純一, 「アルミニウいる.

ム合金板の集合組織に及ぼすレーザ切断条件の影響」,
軽金属学会・第 121 回秋季大会講演概要, pp. 19-20, 東謝 辞京, (2011 年 11 月).

本研究は天田金属加工機械技術振興財団の研究開発助(5) 菊田進作, 酒井 孝, 小俣 均, 小山純一, 「レーザ加工成（AF-2008203）により遂行された．ここに記して深甚な材の曲げ応力負荷にともなう集合組織の変化」,謝意を表します．また、研究の遂行にあたり実験・解析でJCOSSAR2011（構造物の安全性および信頼性）A 論文（査読付き）, 第 7 巻, pp. 548-553, (2011 年 10 月).

多大な協力を頂いた研究室学生に感謝致します．

(6) 酒井 孝, 菊田進作, 小俣 均, 小山純一, ｢結晶方位デ参考文献ータベースを応用した難加工材料のスプリングバッ(1) 酒井 孝, 平尾哲郎, 小俣 均, 小山純一, 「微細結晶粒ク量の推定｣, 日本塑性加工学会第 61 回塑性加工連合

材の曲げ加工に関する結晶方位データベースの構築」,

講演会講演論文集, pp. 279-280, 山形, (2010 年 10 月).

JCOSSAR2011（構造物の安全性および信頼性）A 論文(7) 菊田進作, 酒井 孝, 小俣 均, 小山純一, 「XRD 結晶（査読付き）, 第 7 巻, pp. 554-559, (2011 年 10 月).

方位データベースを応用したレーザ加工材のスプリ(2) 酒井 孝, 菊田進作, 小俣 均, 小山純一, ｢高機能難加ングバック量の推定」, 日本材料学会第 60 期学術講演

工材の曲げ加工に関する結晶方位データベースの構会講演論文集 CD-ROM, No. 622, 大阪, (2011 年 5 月).

築｣, 第 61 回塑性加工連合講演会講演論文集, pp.

ー 18 ー