金属ナノペーストを用いた Mg 合金薄板材のレーザ溶接技術の開発と応用
茨城大学

工学部附属超塑性工学研究センター
教授 前川克廣（ 平 成 21 年 度 一 般 研 究 開 発 助 成 AF-2009201）

キ ー ワ ー ド ： マ グ ネ シ ウ ム 合 金 薄 板 ， Nd:YAG レ ー ザ 溶 接 ， 金 属 ナ ノ 粒 子 ペ ー ス ト
１. 研究の目的と背景に，中間材の概念を適用する．このような Mg 合金薄板

軽金属の一種であるマグネシウム（Mg）は，その比重3が 1.738 g/cm とアルミニウム（Al）の 2/3 以下で，引張強さは 160～310 MPa と，工業的に利用可能な金属の中1)材のレーザ溶接技術への，インサート材適用例はほとんど報告されていない．
一般に，Mg 合金板材のインサート材としては，抵抗．ま

溶接の Ag や SUS 箔，MIG・TIG 溶接の溶加棒などがあた材料の再溶解や精錬に必要なエネルギーが小さく，リり，インサート材の発熱や溶融による溶接特性の改善がサイクル性に優れている．

狙いである．本研究では，金属ナノ粒子ペーストをインで最も高い比強度および比剛性特性を有している

近年では，Mg に様々な元素を添加した Mg 合金の開発サート材として用いる．たとえば，平均粒子サイズ 5 nmが 進 み そ の 需 要 が 拡 大 し て い る ． 例 え ば 引 張 強 さ 300の Ag ナノ粒子ペーストの焼成開始温度は，約 220℃とMPa 前後，伸び 10%前後に加工特性を向上させた Mg-ア

Mg 基板の融点より低く，最初に Ag ナノ粒子の焼成が開ルミニウム（Al）-亜鉛（Zn）系の Mg 合金は，自動車や

始 7) し，微細配線 8) や機能性膜形成 9) への利用が提案さ

2)

パソコン，携帯電話などの工業製品に利用されている ．

れている．このようにインサート材の適用による金属板このような工業製品は，Mg や Mg 合金板材の穴あけや間のギャップ改善効果や，ナノ粒子の焼結温度特性がも切断，接着・溶接加工を施すことで生産される．一般に，たらすエネルギー伝播損失抑制効果によって，溶接時の接着を行う Mg や Mg 合金の二次加工技術には，MIG溶込み深さの増加や，アンダーカットの抑制，クラック（Metal Insert Gas）溶接や TIG（Tungsten Insert Gas）溶減少などの効果が期待できる．

接のほか，レーザ溶接3,4)や，レーザ溶接と TIG 溶接を組み合わせたハイブリットレーザ-TIG 溶接 5) などがあり，

本助成研究では，インサート材として Ag ナノ粒子ペーストを用い，低エネルギー溶接やそれに伴うビード安

特にレ ー ザ 溶 接 は ， 比 較 的 安 定 な ビ ー ド が 得 ら れ，Mg定性，走査速度などの溶接パラメータ領域の拡大した，や Mg 合金薄板材のための溶接技術として期待されてい高安定性の Mg 合金薄板材（板厚 0.6 mm 以下）のレーザる．しかしながら，Mg や Mg 合金の持つ高い燃焼性や酸溶接技術の開発を目指す．具体的には，金属ナノペース/塩素環境下での低耐食性は，塑性加工を困難にする．まトの選定と塗布条件の最適化，Ag ナノペーストを用いた

た Mg，Mg 合金の脆性特性は，溶接部位へのボイドやミMg 合金薄板材の溶接パラメータの確立や，Mg 合金薄板クロ／マイクロクラック形成のほか，金属間化合物形成材の強度試験と溶接メカニズムの解明を目指す．

を促すため，それらに伴う継手効率の低下が，Mg／Mg

２. 実験方法

合金溶接時の技術課題となっている．
そこで，これらの課題を少しでも改善するため，被溶

本研究では，今後のデバイスの小型・軽量化に用いら接板材の間に中間材（インサート材）を導入する研究がれると期待される，Mg-Al-Zn 系 Mg 合金（AZ31B）薄板盛んに行われている．例えば，インサート金属として銀材（ファクト株式会社，20 mm×30 mm×t0.3 mm）を使（Ag）箔（t=0.1 mm）を用いて，AZ31B 展伸材（t=0.9 mm）用した．表 1 に実験に使用した材料とその特性を示す．と 1050 アルミニウム材（t=0.9 mm）の異種金属材料の抵

インサート材としては，まず Mg を基本とする元素か抗スポット溶接では，インサート材を用いない場合と比らなる金属ナノ粒子ペーストを準備した．Mg は酸化し較して十字引張荷重が 1.5 倍に増加している 6) ．

やすく，ナノ粒子の作製が不可能であるために酸化マグ

一方，今後のデバイスの小型・軽量化，材料節約・省ネシウムナノ粒子（MgO，Alfa Aesar 社製，粒径 100 nm

資源化等の観点から，板厚 1 mm 以下の Mg 合金材やそ以下）を用いた．この粉末を，高分子バインダ（エチルの溶接技術に対する需要が高まっている．しかしながら，セルロース），エタノールを主成分とする溶媒と混合して薄板材の溶接においては，上記の課題に加え，溶接部位2 種類のペーストを作製した．このときのペースト中のの予期せぬ溶融や材料の切断現象も課題となる．

金属粉末材料の割合は約 25.6 wt%とした．

本研究課題では，Mg-Al-Zn 系 Mg 合金（AZ31B）薄板

一方，Mg 以外の金属ナノ粒子ペーストとして，市販材（t=0.6 mm 以下）を被加工材料とするレーザ溶接技術の Ag ナノ粒子ペースト（ハリマ化成製 NPS-J，平均粒ー 138 ー径φ5 nm，およびハリマ化成製 SS-001，平均粒径φ100

キーエンス製，VK-8700）で観察した．まず溶接した基nm）を準備し，インサート材として使用した．表 2 に，板をエタノールで洗浄後，幅 5 mm 間隔で 4 等分に切断

7)

これらのペーストの物性値を示す ．Ag の原子サイズはし，ポリエステル系樹脂（丸本ストルアス製，No.105）

2.88 Åで，Mg の原子サイズ 3.19 Åに近く，Mg への高に埋め込んだ．その後，＃800，＃1000，＃2400，＃4000

い固溶度を示すと考えられる 10) ．そのため，Ag は Mgの研磨紙で順番に研磨し，酢酸溶液（酢酸：蒸留水＝10や Mg 合金などの溶接時のインサート材として利用されml：100 ml）にて約 10 秒間エッチングを施して最後にエている．

タノールで洗浄した．

これら金属ナノ粒子ペーストを，それぞれ表面を耐水

図 2 に，測定する溶接幅と溶込み深さ，自由表面まで研磨紙(＃1000)で研磨した AZ31B 薄板材上に塗布した．の距離の定義を示す．溶接幅は，2 枚の試験片の境界線

MgO ナノ粒子ペースト，φ100 nm の Ag ナノ粒子ペース上にある溶接部分の幅，溶込み深さは下側の基板の溶込トの場合には，マスク印刷法を用いて塗布した．塗布膜

み深さ（＜300μm），自由表面までの距離は溶接幅の一厚を制御するため，印刷時のマスク（スペーサー）の膜端と自由表面までの距離とした．

厚を約 22，50μm を利用し，2 枚の AZ31B 薄板材の重ね代である 3.6 mm をカバーする幅で塗布した．ペースト
表1Al2.63を塗布した基板は，ホットプレートを用いて仮乾燥（100℃，1 min）を行い，ペースト中の残留溶媒を蒸発させることで基板に定着させた．

元素割合，mass%

一方，φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストの場合には，マ困難であったため，スピンコート法（回転数 1000，2000，3000 rpm×30 s）を使用した．ここで塗布膜厚は約 1～3mm 程度しかないため，仮乾燥（100℃，1 min）後の部位に 3，5，10 回の多層塗りを行い，厚膜化によるギャッ硬化
前プ改善効果を検証した．ちなみに，φ5 nm の Ag ナノ粒

型番
外観
粒子径，nm
金属含有率，wt%
溶剤

NPS-J
濃紺色
3-753-58
テトラデカン

粘度，mPa・s
焼結条件
外観抵抗率，μΩ・cm

7-11
220℃，60 min
銀白色3子ペーストの場合には，将来インクジェット印刷法も適用できる 9) ．
仮乾燥後，ペーストを塗布した面に上板となるもう１枚の AZ31B 基板を重ね合わせた．ペーストを塗布した
AZ31B 薄板を治具に固定し，横から CCD カメラで観察しながら上板とのギャップが 35μm 以下になるよう調整した．板間のギャップが 35μm を越えると，溶接時のエネルギー伝達，およびそれに伴うビートの溶け込み深硬化後(a)さなどの溶接性が悪化し，溶接欠陥増加の原因となる 15) ．

Mg
Bal.

Ag ナノ粒子ペーストの特性 7)

表2スクと基板との間にペーストが入り込みマスク印刷法がAZ31B の化学組成
Zn
Mn
0.71
0.28

SS-001
灰色10082
ジプロピレン
グリコールメ
チルエーテル
1200
銀白色-

Nd:YAGレーザyインサート材

治具

また 2 枚の試験片の重ね代は約 3.6 mm とした．

x

その後，図 1 のように，Nd:YAG レーザ（波長 1.06 μm，パルス幅 2.5 ～4.0 ms，繰り返し周波数 80 Hz，パルスエネルギー1.5～1.8 J）を集光照射することで溶接した．
レーザ照射位置 X（mm）は，インサート材を用いない場合の溶接に適する上側基板の縁（X=0）とした

15)

．ビー

ムスポット径 d は約 0.4 mm で，強度分布トップハット

z

AZ31B
X(b)型，集光に用いたレンズの焦点距離は 100 mm であった．

Nd:YAGレーザyx

サンプル基板を XY ステージ上のガスチャンバー内にインサート材治具設置し，Mg の酸化を抑制するためアルゴンガス雰囲気下（0.2 MPa）でレーザ焼結を行った．供給ガス流量は
20 L/min で，これより少ない場合には Mg の酸化現象がAZ31B

観 察さ れ て い る ．XY ス テ ージの 走 査 速 度は 3.3～ 16.7mm/s（200～1,000 mm/min）とした．焦点位置での照射の際のオーバーラップ率 R は 73～90％となる．
レーザ溶接後の Mg 基板表面に加え，溶接部位断面のボイドやクラックを光学顕微鏡/レーザ顕微鏡（株式会社図1z

レーザ溶接時のレーザ光の走査：(a) MgO ナノ粒子，

φ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストの場合，(b) φ5 nm のAg ナノ粒子ペーストの場合

ー 139 ー一方で，走査型電子顕微鏡（SEM，株式会社キーエン

つ厚膜の塗布条件が得られた．一方，φ100 nm の Ag ナス製，VE-9800）による微細組織観察を行う際は，導電ノ粒子ペーストの場合は，マスク印刷法で塗布し，乾燥性樹脂（マルトー，導電性テクノビット 5000）で埋め込後の膜厚は約 27μm（マスク膜厚約 22μm）であった．

み，同様に断面を研磨した．その後ダイヤモンドペース

この値は板間のギャップ 35μm 以下に収まっている．

ト（粒径 6μm，3μm，1μm）を用いて鏡面研磨を行いた．断 面 を ピク リ ン酸 溶 液(ト リ ニ ト ロ フ ェ ノ ー ル：酢

３.３ Ag ナノ粒子ペーストを用いた Mg 合金薄板材の溶

酸：蒸留水：エタノール=4 g：5 ml：10 ml：70 ml）に約

接パラメータの確立

6 秒間浸してエッチングを施し，エタノールで洗浄した．

まずパルス幅を 2.5～4.0 ms まで変化させて溶接断面研磨後の断面の電子プローブ X 線マイクロアナリシスを観察したところ，パルス幅 2.5 ms ではアンダーカット（EPMA）には，エネルギー分散型 X 線（EDX，堀場製が見られ，パルス幅 4.0 ms では比較的大きなボイドが形作所製，EMAX ENERGY EX-350）を用いた．

成された．これはパルス幅を延ばすことで材料の加熱時また溶接後の継手効率を評価するため，万能試験機間が増加，冷却時間が短縮され，ボイド形成に至ったと（インストロン，MODEL1125/5500R）を用いて溶接後の推測される 11) ．よって以降はパルス幅を 3.0 ms とする．

サンプルの引張せん断試験を行った．引張せん断時の送図 3 に，φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストをインサート

り速度は 0.5 mm/s の一定とした．得られた最大せん断荷材として用いた場合の，溶接後の断面の様子を示す．こ重と自由表面までの距離，サンプルの幅からせん断応力れらの図からは確認できるクラックはない．また図 5 にを導きだし，母材のせん断強さと比較した．

φ5 nm またはφ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストを用いた溶接部位の硬さ試験にはマイクロビッカース硬さ試
験機（ミツトヨ製，AAV-502）を用いた．圧子の押付け
荷重は 245.2 mN，荷重保持時間は 15 s とした．

面までの距離を示す．
φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストをインサート材として用いた場合，ステージの走査速度を 3.3～16.7 mm/s（200溶接ビード～1,000 mm/min）と変化させたところ，走査速度が 3.3

上板～15 mm/s（200～900 mm/min）において溶接が可能であ

下板った．インサート材未使用の場合では，接合可能なステ
溶融深さ
自由表面ま

溶接幅
図2

場合の，走査速度に対する溶接幅，溶込み深さ，自由表

での距離

ージ走査速度は 4.2～7.5 mm/s（250～450 mm/min），その内 6.67～7.5 mm/s（400～450 mm/min）においてボイド径が最小である 3) ．このことから，同じレーザ出力において走査速度範囲が改善されている．
また図 3 から，3.3～5.8 mm/s（200～350 mm/min）に溶接幅，溶接深さと自由表面までの距離

おいて溶接部表面にアンダーカット，12.5～15 mm/s（ 700～900 mm/min）ではボイドが形成され，最適な速度条件

３. 実験成果及び考察としては 6.7～10.8 mm/s（400～650 mm/min）と分かる．

３.１ 金属ナノペーストの選定

これらの条件では，下板への溶込み深さが板厚の 50 %をMgO ナノ粒子ペーストは粒径が小さく，均一で平滑な超え，自由表面までの距離も約 200μm となった．また，塗布が可能で，乾燥後の膜厚は 18μm（マスク膜厚約 22

ほとんどの条件で直径 10～20μm（板厚の 3～7％）のボμm）であった．しかしながら，その後のレーザ照射でイドが形成された．インサート材を用いない場合と比較

下板までの溶込みは観察されているものの，2 枚の板材しては小さいが，目標の板厚の 1％以内には収まらなかの溶接には至らなかった．SEM 観察では MgO 粒子が観った．

察され，レーザ照射による MgO の分解は困難といえる．

一方，φ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストの場合，溶接したがって，基板の融点に対し焼結温度の高いインサー

幅はφ5 nm のペーストとほぼ同様の傾向であるが，走査ト材は使用に適さないことが明らかとなり，AZ31B 薄板

速度が 3.3～10 mm/s（200～650 mm/min）のときに，下材のインサート材として，φ5 nm またはφ100 nm の Ag板の底面までの溶融貫通が観察されている．走査速度 15ナノ粒子ペーストを選択する．

mm/s（900 mm/min）の場合でも，溶接幅約 500μm，溶込み深さ約 200μm が得られている．図 4 に示すように，溶接幅はφ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストの場合が大き３.２ 金属ナノペースト塗布条件の最適化
φ5 nm またはφ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストの塗布

いが，自由表面までの距離はφ5 nm の Ag ナノ粒子ペー条件について検討した．φ5 nm のナノ粒子ペーストのスストのほうが優れている．この原因は，HAZ の拡大に伴ピンコート膜を評価した結果，回転数 1000 rpm×30s のうボイドなどの溶接欠陥の発生と考えられる。

条件において，膜厚約 3μm で塗布面の最大粗さ（Rz）

このように，φ5 nm またはφ100 nm の Ag ナノ粒子ペ0.9μm（母材表面の粗さ Rz=4.7μm）と，比較的均一かーストを使用することで，溶接時の速度幅が大幅に改善

ー 140 ー200 mm/min

走査速度250 mm/min

400 mm/min

550 mm/min

断面100μm

600 mm/min

走査速度700 mm/min

800 mm/min

900 mm/min

断面100μm

図3

溶接後のサンプル断面の様子（インサート材：φ5 nm の Ag ナノ粒子ペースト）された．この理由の一つに，熱伝導，熱伝達特性の改nm の Ag ナノ粒子ペーストもその溶融池に溶け込み，溶善が考えられる．例えば Ag の熱伝導率は 429 W/m·K で，融金属の流れに沿って移動，一様に分布した後に冷却さMg（ 156 W/m·K）の 2.8 倍，母材である AZ31B（76 W/m·K）れたためと推測される．の約 5.6 倍 12) である．これによって，銀ナノ粒子ペース一方，φ100 nm の Ag ナノ粒子ペースト（走査速度 15.8トが存在することで，板材間の熱伝達特性が向上し，接mm/s（950 mm/min））の場合は，Ag は溶融部内にランダ合可能な走査速度範囲が大幅に改善されたと推測される．

ムに分布した．φ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストは焼結

次に腐食後の溶接部断面の SEM 観察により微細組織温度が高く，溶融池内に十分に拡散しないまま冷却されを評価した．図 5 に，φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストをたものと推測される．

イ ン サ ー ト 材 と し て 用 い ， 走 査 速 度 9.2 mm/s （ 550mm/min）で溶接した後の断面 SEM 像を示す．断面は大３.４ レーザ溶接 Mg 合金薄板材の強度試験

きく 3 つの領域に分類され，領域 A では平均結晶粒径 5溶接技術としての実現性を得るため，溶接を行ったμm の微細組織が観察されている．領域 B の平均粒径 121

Mg 合金薄板材の引張せん断試験を実施した．図 7 に，μm と比較的大きく，領域 C は平均粒径 16μm となる．

インサート材未使用の場合と，φ5 nm およびφ100 nm

従来のインサート材を用いない場合，結晶粒径の違いの Ag ナノ粒子ペーストをインサート材として用いた場

で領域Ⅰ（4.0μm），Ⅱ（18μm），Ⅲ（141μm），Ⅳ（14合の破断荷重を示す．インサート材を用いない場合，スμm）と分類され，領域Ⅰはレーザ照射後の溶融と急冷テージの走査速度 7.5 mm/s（450 mm/min）のときに最大によって微細粒が形成される．領域Ⅲはいわゆる熱影響

破断荷重は 779 N が得られている．φ5 nm の Ag ナノ粒相（HAZ）で，加熱による粒成長で柱状の組織となる．

子ペーストを用いると，最大破断荷重は 818 N（走査速領域ⅡはⅠとⅡの混合組織で，領域Ⅳは母材の組織であ度 7.5 mm/s（450 mm/min）とやや増加したが，φ100 nm

る．インサート材を用いる場合と比較すると，領域 A はの Ag ナノ粒子ペーストの場合は全体的に小さく最大で領域Ⅰの組織に近く，領域 B は領域Ⅲ，領域 C は母材で617 N（走査速度 9.2 mm/s（550 mm/min）であった．こある領域Ⅳに近い 3,11) ．

れはφ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストを使用した場合，一方，φ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストの場合は，走接合可能な走査速度範囲は改善されるものの，前節のよ査速度 9.2 mm/s（550 mm/min）の領域 A では微細組織はうに，ボイド形成による自由表面までの距離の減少や観察されないが，走査速度 12.5 mm/s（750 mm/min）でHAZ の拡大で，結果的に破断荷重が得られなかったと推は平均粒径 10μm であった．この速度条件で急冷現象が測される．

起こると推測される．一方領域 B や C は HAZ であった．
図 6 に，φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストをインサート

また，母材の引張強さの 1

3 をせん断応力として継手効率を見積もったところ，インサート材未使用の場合は材として用いた場合の，溶融部と HAZ 境界面の EPMA約 84％で，φ5 nm，φ100 nm の Ag ナノ粒子ペーストを像を示す．走査速度は 9.2 mm/s（ 550 mm/min）であった．

インサート材として用いた場合には，それぞれ，約 92％

図中の溶融部（点 1）と HAZ（点 2）における Ag 検出量（φ5 nm，走査速度 7.5～10.8 mm/s（ 450～650 mm/min）），は，それぞれ 0.389 wt%，0.046 wt%であり，Ag の分布は，約 78％（φ100 nm，走査速度 9.2，12.5 mm/s（550，750

溶融部と HAZ の境界で明瞭であった．これはレーザ照mm/min））と，φ5 nm のペーストの場合に 8％の改善効

射によっ て AZ31B の 溶融 と同 時 に焼 結 温度 の 低いφ5果が得られた．

ー 141 ー

I

900
800

I

溶接幅 (μm）

700

II600

III

500

100 µm

400
300
200

5nm
100nm

100II

III

0150

350

550

750

950

走査速度 (mm/min)(a)溶接幅5 µm

350

溶込み深さ (μm）

300

図5250

レーザ溶接部の微細構造（インサート材：φ5 nmの Ag ナノ粒子ペースト，走査速度 9.2 mm/s（550200mm/min））

150
100
5nm
100nm

500150

350

550

750

950

走査速度 (mm/min)(b)溶融深さ

自由表面までの距離 (μm）

300

5nm
100nm

250
200
150
100

15020200

300

400

500

600700走査速度 (mm/min)

800

900

1000Ag(c)自由表面までの距離
図4

図6

走査速度を 200～900 mm/min に変化したとき溶融部と HAZ 境界面の EPMA 像（インサート材：

φ5 nm の Ag ナノ粒子ペースト，走査速度 9.2 mm/s（550の(a)溶接幅と(b)溶接深さ，(c)自由表面までの距離mm/min））

３.５ レーザ溶接部位の Mg 合金薄板材の硬さ試験
図 8(a)にインサート材未使用（走査速度 7.5 mm/s（450
破断荷重 (N）mm/min）と，図 8(b)にφ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストをインサート材に使用した場合（走査速度 9.2 mm/s（550mm/min）の，溶接部位のマイクロビッカース硬さ試験結果を示す．
インサート材を用いない場合，溶融部の硬さは 80 Hv程度であり，深さ 150μｍ～250μm 付近で硬度が少し低下し（HAZ），最終的に母材の硬さの 60 Hv 程度13)

1000
900
800
700600500400300200
1000200

インサート材なし
5nm
100nm
300400500

600

7008009001000

走査速度 (mm/min)

でほ図7ぼ一定となる．一方，φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストを破断荷重の走査速度の影響インサート材として用いた場合は，溶融部の硬さは 100Hv を越えている．これは，前述の結晶粒の微細化によるーストを用いた場合には，溶融部の硬さが 80～150 Hvものと推測される．また HAZ は 50μm 程度と狭く，ことばらつく結果となっている．これは，Ag ナノ粒子が溶の結果では認識できない．φ100 nm の Ag ナノ粒子ペ融部に不均一に分布しているためと推測される．

ー 142 ー(a) 040 5060 7080 90 100 110(b) 0245.2 mN-50-50-100405060 70

80245.2 mN距離（μm）

距離（μm）

-200
-250
-300

作製や評価に関して多くの助言をいただいた，茨城大学-150

工学部教授 伊藤吾朗氏ならびに機械工学科講師 山崎和-200彦氏，本研究に従事した Mahazdir Ishak 博士，柴崎有宏-250氏，木村学氏ならびに平林和輝氏に感謝する．

-300-350

100 µm-350

この研究は，天田金属加工機械技術振興財団の一般研
究開発助成の支援の下で実施された．また評価サンプル-100-150

謝辞

90 100 110

100 µm-400-400

図 8

レーザ溶接部の硬さ試験結果：(a)インサート材未参考文献

使用（走査速度 7.5 mm/s（450 mm/min），(b)φ5 nm の1)

Ag ナノ粒子ペースト（走査速度 9.2 mm/s（550 mm/min）

社団法人日本塑性加工学会：マグネシウム加工技術，（2004），17-18，コロナ社

2)３.６ 溶接メカニズムの解明

日本マグネシウム協会：現場で生かす金属材料シリーズ マグネシウム，（2000），62-121，カロス出版

これまで得られた結果からφ5 nm の金属ナノ粒子ペ3)

Mahadzir ISHAK et al: Lap Fillet Welding of Thin Sheetーストを用いた場合の溶接メカニズムを推測する．重ねAZ31 Magnesium Alloy with Pulsed Nd:YAG Laser, J.

合わせた AZ31B 薄板材へのレーザ照射により，まず上板

Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol. 3, No.

が溶融される．形成された溶融池が下板に達し，熱伝導，9 (2009) pp. 1045-1056.

熱伝達過程を経て下板と溶接される．このとき低焼結温

4)例えば，L. M. Liu et al: Effect of adhesive on molten

度の Ag ナノ粒子ペーストをインサート材に用いること

pool structure and penetration in laser weld bonding ofで，下板との熱伝達特性が大幅に改善され，接合可能なmagnesium alloy, Optics and Lasers in Engineering,速度領域が拡大する．

Volume 48, Issue 9, (2010) pp. 882–887.

走査速度の高速化に伴い溶融部が急冷され，溶融部全5)体に拡散した Ag ナノ粒子ペーストを起点に結晶組織のHybrid Welding of Magnesium Alloys, Journal of

微細化が進行する．熱影響層 HAZ の狭量化により，結果的にボイドやクラックが減少する．

例えば，Gang Song et al: Investigations on Laser-TIG
Materials Science Forum, 488-489, (2005) pp. 371-376.

6)渡辺健彦ら：マグネシウム合金 AZ31B 板と 1050 ア
ルミニウム板の Ag インサートを用いた抵抗スポッ４. 結論

ト溶接，軽金属，54(7), (2004) 293-297.

Ag ナノ粒子ペーストをインサート材に用いた Mg 合金7)

AZ31B 薄板材（板厚 0.3 mm）の，レーザ重ね隅肉溶接を行い，溶接パラメータ，組織観察，硬さ，溶接継手効

ハリマ

化成株式会社，

http://www.harima.co.jp/index.php8)率などを評価した．その結果を以下にまとめる．

例えば，菅沼克昭ら：金属ナノ粒子ペーストのイン
クジェット微細配線，シーエムシー出版（2006）3-27

１）Nd:YAG レーザによる Ag ナノ粒子ペーストをインサ9)ート材とする AZ31B 薄板材の重ね隅肉溶接に成功
２）φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストを用いた時の最適な及び機能性膜形成，エレクトロニクス実装学会誌，

レーザパラメータは，波長 1.06μm，パルス幅 3.0 ms，繰り返し周波数 80 Hz，パルスエネルギー1.8 J であり，前川克廣ら：プリンテッドエレクトロニクス用レーザ焼結技術：銀ナノ粒子ペーストを用いた微細配線
Vol. 15，No. 1（2012）pp. 96-105.

10) G.V. Raynor: The physical metallurgy of magnesium and接合可能な走査速度範囲が大幅に改善

its alloys, Pergamon Press, London, 1959

３）最適なパラメータでは，微細な結晶粒組織の領域が11) Mahadzir ISHAK et al: Lap Fillet Laser Welding of増加し，熱影響層 HAZ は 50μm 程度．結果的にボイ

AZ31B Thin Sheet Magnesium Alloy using Silver

ドやクラックが減少

Nanoparticles,４）φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストを用いたとき，Agは溶融部にのみ存在J.

Solid

Mechanics

andMaterials

Engineering, Vol. 4, No. 1 (2010) pp. 51-62.
12) 日 本 熱 物 性 学 会 編 ： 新 編 熱 物 性 ハ ン ド ブ ッ ク ，５）φ5 nm の Ag ナノ粒子ペーストを用いた場合の継手（2008）23-24, 368，養賢堂

効率は母材のせん断応力の 92％にまで向上．φ10013) 例 え ば ， L.M. Liu et al: The relationship between

nm のペーストの場合は，ボイドなどの溶接欠陥の発

microstructure and properties of Mg/Al joints using Zn

生で自由表面までの距離が減少し，継手効率の改善

filerには至らなかった

479-483.

今後は，ナノ粒子ペースト塗布方法の改善や T 字継手への展開など，実用化に向けた研究課題が考えられる．

ー 143 ーmetal,MaterialCharacterization,59(2008)