レーザにより溶滴移行を制御する Ar-MIG 溶接プロセスの開発
独立行政法人 物質・材料研究機構 元素戦略材料センター 構造体化グループ
グループリーダ（平成 22 年度中村照美

一般研究開発助成 AF-2010211）

キーワード: レーザ，MIG 溶接，溶滴移行が開発された 2)．同軸複層ワイヤは，融点の異なる材料

１．研究の目的と背景
溶接ワイヤを一定の速度で送給し，ワイヤ先端と母材を芯線(内側)とフープ(外側)に使用することによりワイの間でアークを発生させてワイヤと母材を溶融させる

ヤ先端部の溶融挙動を変え，溶融金属液柱を短くするこ消耗電極式溶接(GMA 溶接)は広く使用されている．靱性とができる．この同軸複層ワイヤにより安定な Ar-MIGや延性などの溶接部の性能向上を図るためにはシール接が初めて可能になった 2)．

ドガスに純 Ar ガスを用いることが有効である 1)．しか液柱を短くする観点からは，図 1 に示す液柱を切断・し，シールドガスに純 Ar ガスを用いると，ワイヤ先端除去すると同軸複層ワイヤと同等な効果が得られ安定部には図 1 に示すように長く伸びた溶融金属液柱が生じな Ar-MIG 溶接が可能になる．これを実現するには非接る．この溶融金属液柱は不安定に動き，アークもこれに触で高精度な切断ができるレーザが最も有効である．そ連動して動き回るので溶接が不安定になる．このため，

こで，本研究では溶接アーク中で溶融金属液柱を切断・純 Ar ガスを使用した MIG 溶接（MIG 溶接は GMA 溶接除去するための基礎的検討を行った．のシールドガスに Ar と酸素の混合ガスを使用したものであり，純 Ar シールドガスを使用した場合を Ar-MIG

２．実験方法溶接と称する）は不安定であるとされ実用化されなかっ

図 3 に実験に用いた装置の概略を示す．10 kW のファた 1)．Ar-MIG 溶接で安定な溶接を可能とするために，融点の異なる材料を組み合わせた同軸複層ワイヤ(図 2)

図 1 純 Ar-MIG 溶接で生じる溶融金属液柱

図 2 同軸複層ワイヤの断面

図 3 実験装置

ー 186 ー

イバーレーザ (ファイバー径 0.2 mm，焦点距離:250 mm)

振条件は CW とし，ワイヤを安定に切断できるレーザ出力条を使用した．レーザ発振形態は CW と PW(パルス)であ件を求めた．レーザの焦点位置はワイヤ表面とし(焦点位置る．溶接機には最大電流として 500 A が使用できる市販± 0 mm)，ワイヤ送給速度 vf が 5.0 と 10.0 m/min の場合にの溶接機を使用した．純 Ar シールドガスの流量は 25ついて調べた．なお，vf =5 m/min は電流が 250 A の時のl/min とし，市販の鋼用溶接ワイヤ(ワイヤ径：0.9 mm)ワイヤ送給速度に相当し，vf =10 m/min は，電流が 350Aを使用した．の時のワイヤ送給速度に相当する．

初めに純 Ar シールドガス中で溶接のみを行った結果

試験結果を表 1 に示す．ワイヤ送給速度 vf =5 m/minを図 4 に示す．電流は 250 A，電圧 34 V として溶接ワイの時に安定な切断を行うには，レーザ出力は 2.0 kW 以上

ヤの溶融挙動を高速度ビデオカメラ (撮影速度：10000必要であり，vf =10 m/min の時には 3.0 kW 以上必要である．

fram/s)で観察した．ワイヤの突出し長さは 10 mm である.

ワイヤ送給速度が大きい場合にはレーザが照射されたワイヤ先端には溶融金属液柱が生じ，不安定に動き回る位置が移動し，静止した材料を切断する通常のレーザ切ことが観察できた．この溶接条件下で溶融金属液柱が生断よりもより大きなレーザパワーが必要となった．また，成する位置を明確にすることができた．

2.0 kW 以上のレーザ装置ではチラー等の冷却装置が必要となるので装置の大型化が避けられない．
表 1 ワイヤを安定に切断できるレーザ出力条件(CW モード)

発振形態

CW
図 4 ワイヤの突出長さとその先端に生じる溶融金属液柱

レーザ照射位置とワイヤ切断条件の関係を調べるた

出力（kW)

ワイヤ送給速度(m/min)

5.0

10.0

1.0△

×2.0○

△

2.5○

△

3.0-○

4.0-○

○:切断可能、 △：切断に失敗することがある
×：切断不可能、-:実施しない

めに，ノズル先端から 10 mm の所をレーザの焦点位置基準（A）とし，焦点がこれよりも上にある時を+，下次に，レーザの出力を下げてワイヤを安定に切断するたにある時を－として焦点位置の影響を調べた．さらに，

めにレーザをパルス化 (PW) して切断試験を行った．ここレーザを左右にシフトさせ，A 点よりも焦点が左にある

ではパルスレーザのピーク出力を 6.0 と 4.5 kW とし，ピーク時を+，右にある時を－として(図 5)，ワイヤ切断挙動に出力時間を 10 ms，パルス周波数を 10 Hz，ワイヤ送給速

対するレーザ照射位置の影響を調べた．

度 vf =5 m/min とした．
ワイヤ切断に対するレーザパルスの影響を調べた結果を
表 2 に示す．焦点位置がワイヤ表面（焦点位置 ±0 mm）の時には，ピーク時のレーザ出力を 6.0 kW とすると安定な切断が可能である(記号 B)．この時の平均レーザ出力は 0.6kW であり，CW の時よりも小さくできる．レーザ出力を 1 kW
表 2 ワイヤを安定に切断できるレーザ出力条件(PW モード)

図 5 レーザの焦点位置とレーザシフト

３．実験成果
３・１ コールドワイヤの切断試験結果
初めにアーク無しでワイヤの切断試験を行った．レーザ発ー 187 ー以下にできるので，装置は空冷のみで対応可能となりチラであるが，レーザのエネルギー密度低下が生じ切断性能ー等が不要なコンパクトな装置が可能である．

が低下する．このことから，ピーク時のレーザ出力 4.5 kW

ピーク時のレーザ出力が 4.5 kW の時にはワイヤの安定ではデフォーカスしても切断能力は十分とは言えない．したな切断ができなかった(記号 A)．そこで，この時の切断状況

がって，ピーク時のレーザ出力 6.0 kW，焦点位置を+2 mmを高速度ビデオカメラで調べた結果を図 6 に示す．レーザが安定な切断条件であることがわかった．

照射初期からレーザがワイヤに当たり明るくなっている(図 6(A)-(a))．レーザ照射直後からワイヤの一部が溶融している

３・２ 溶接時のワイヤの切断試験結果

が，レーザ照射終了後ではワイヤ全面の溶融には至らず切アークが無い時の溶接ワイヤの切断条件が明らかになっ断はできなかった(図 6 (A)-(c))．ピーク時のレーザ出力がたので，実溶接時のアーク中でのワイヤ切断試験を行った．

6.0 kW の時にはレーザ照射終了直前でワイヤ細くなり(図 6ここで溶接電流は 250 A とし，vf =5 m/min，溶接速度は 5(B)-(b))，ワイヤの全面の切断が可能になった(図 6 (B)-(c))．

mm/s である．初めに，レーザ発振条件を CW とした時の結果を表 3 に，ワイヤの切断状況を図 8 に示す．なお，レーザの焦点位置はワイヤ表面(焦点位置±0 mm)である．
レーザの出力が 1.0 kW の時には(記号 G)，レーザ照射
初期では図 8 (G)-(a) のように溶融金属液柱が切断され，切断された溶融金属液柱は溶滴となり落下する．その後は
図 8 (G)-(b) に示すように，溶融金属液柱がレーザ照射位置から折れ曲がり，溶融金属液柱を切断することができなかった．レーザ出力を上げ 2.0 kW としても(記号 H)，同様な傾向となり溶融金属液柱の切断には至らなかった．レーザが当たった部分の反跳力により溶融金属液柱が曲がり効果的な切断には至っていない．今回の試験ではレーザを一方向から照射したので溶融金属液柱の屈曲が生じた．これを回避するには，二方向からレーザを照射するなどのレーザ

図 6 焦点位置 ± 0 mm の時のワイヤ切断状況

照射方向を変える検討や，さらに大きなレーザパワーの検ファイバーレーザは集光特性が良く焦点位置がわずかに討が必要である．

ずれただけでレーザがワイヤに当たらなくなり安定なワイヤ

表 3 CW 条件での溶融金属液柱の切断試験結果切断が困難になる．そこで，焦点位置をずらしてデフォーカスさせてレーザの照射範囲を広げた時の切断特性を調べた．
焦点位置を+2 mm，+4 mm とした時の結果を表 2 に示す．
ピーク時のレーザ出力を 6.0 kW，焦点位置を+2 mm とす
ると(記号 D)，レーザ照射終了時にはワイヤは完全に切断され(図 7 (D)-(c))，安定な切断が可能になる．しかし，レーザピーク出力を 4.5 kW とした時にはワイヤの切断はできなかった(記号 C)．ピーク時のレーザ出力が 4.5 kW，焦点位置が+4 mm の時には(記号 E)，ピーク時のレーザ出力 6.0kW，焦点位置±0 mm の時と同様に(記号 B)，レーザ照射部は細くなり切断できるものの，切断の失敗も認められた．
レーザ照射範囲が広くなるとワイヤ切断に対して有効

図 7 レーザピーク出力 6.0 kW，焦点距離 +2 mm でのワイヤの切断状況

ー 188 ー

図 8 溶接時のワイヤ切断特性（CW モード）

次にレーザ発振条件をパルス（PW）とした時の結果を表

周波数を 20 Hz にしても同様な傾向が得られた(記号 J) ．

4 に示す．ここではパルス条件の時にワイヤの切断特性がすなわち，レーザ照射初期では溶融金属液柱の切断が可良好であったレーザ焦点距離を+ 2mm とし，パルス周波数能であるが，溶融金属液柱部にレーザが照射されるようになの影響を見るために周波数を 10 と 20 Hz とした．さらに，ると，溶融金属液柱が屈曲する．20 Hz の時には図 9(c)のレーザの最小照射エネルギーを調べるためにパルスピー状態が短くなるだけで，溶融金属液柱の切断に対してはクを 3.0 kW にした時の切断特性を調べた．

ほとんど効果が無いことがわかった．
レーザの照射エネルギーの最小レベルを調べるためにレーザピークを 3.0 kW(記号 K)とした時の結果を図 10

表 4 PW 条件での溶融金属液柱の切断試験結果に示す． レーザ照射初期では溶融金属液柱の切断ができるものの，切断後はレーザピークが 6.0 kW と同様な結果となった(図 10(b), (c))．
このように，溶融金属液柱を効果的に切断するためには溶融金属液柱そのものにレーザを照射することは得策とは言えない．レーザを照射しても曲がらない部位にレーザを照射することが必要である．すなわち，ワイヤの温度が低く剛性が確保できるトーチ側にレーザ照射位置を変えることがパルスピークが 6.0 kW の時のワイヤ先端部の切断挙動有効である．その他に，レーザを相対する二方向から行うを図 9 に示す(記号 I)．レーザ照射前では溶融金属液柱がことも有効な手法と考えられる．今回は装置の制約上からレ生じている（図 9(a)）．レーザが照射されると，この溶融金属ーザ照射位置を変えた試験を行った．

液柱の先端部が切断される(図 9(b))．その後，溶融金属液柱が伸び CW の時と同様に(図 8 記号 G-(b), H-(b))，溶融金属液柱が折れ曲がり(図 9(c))，この状態がレーザ照射終了まで続いている．レーザ照射が終了すると溶融金属液柱が再び伸び，レーザ照射前の状態に戻った（図 9(d)）．

（I）
レーザ照射前

レーザ照射初期
レーザ

溶融金属液柱アークｂａ

切断された液柱

レーザ照射終了前 レーザ照射終了後

溶融金属液柱図 10 溶接時のワイヤ切断特性(PW モード)ｃｄ

パルスピーク：3.0kW

図 9 溶接時のワイヤ切断特性(PW モード)
パルスピーク 6.0 kW

ー 189 ーレーザ照射ヘッドをトーチ側に移動させ，完全に溶融してそこで，レーザ照射位置をさらにトーチ側に寄せレーいない剛性のある部分のワイヤ切断を試みた．具体的にはザシフトを+4 mm (記号 M)とした．図中の(A)の破線はレレーザシフトを+2 mm，+4 mm と変えて切断特性を調べた．

ーザシフト 0 mm の位置で，(B)の破線はレーザシフトがレーザの焦点位置はワイヤ表面から+2 mm の位置に来る+4 mm の位置である．レーザ照射初期で溶融金属液柱がようにレーザ光学系の調整を行った．試験結果を表 5 にワイ切断された後でも溶融金属液柱が伸びることなく切断が可

ヤ先端部の切断状況挙動を図 11(記号 L)，図 12(記号 M)

能になっている(図 12 (c), (d), (e))．溶融金属液柱の安定に示す．

な切断を行うためには，ワイヤの剛性が確保できている部分にレーザを照射することが必要である．レーザ照射

表 5 レーザシフトを変えた時の溶融金属液柱のによる反跳力とワイヤの剛性の大小により溶融金属液切断試験結果

柱が曲がるか，切断されるかが決まる．これについては今後の詳細な検討が必要である．

（M）
レーザ照射前(B)

レーザ照射初期(A)

レーザ

溶融金属液柱アーク

切断された液柱ａｂ

レーザ照射中レーザ照射中ｃ

切断された液柱ｄレーザ照射終了前 レーザ照射終了後

図 11 溶接時のワイヤ切断特性(PW モード)
パルスピーク：6.0 kW，レーザシフト+2 mm
レーザシフトが+2 mm の時(記号 L)の時には,記号 I(図 9),ef

記号 J, 記号 L(図 10) の時と同様に，レーザ照射初期で溶融金属液柱の切断ができるが，その後に形成される溶融金属液柱が曲がり，安定なワイヤ切断には至らなかった．

図 12 溶接時のワイヤ切断特性(PW モード)
パルスピーク：6.0 kW，レーザシフト+4 mm

ー 190 ー

レーザを使用し小電流域のグロブール移行の制御が力を 6.0 kW とすると安定な切断が可能である．この時の試みられている 4-6)．ワイヤ先端に形成される溶滴にレ

平均レーザ出力は 0.6 kW となり CW の時よりも低くできーザを照射し，反跳力を利用して溶滴離脱を制御するもる．のである．本研究はこれらよりも大電流域で形成される(3) 発振モードが CW の時に溶接アーク内でワイヤにレー溶融金属液柱の形成を防ぐことを目的としてワイヤにザ照射を行うと，溶融金属液柱が折れ曲がり，溶融金属レーザ溶射を行っている．本研究の方法によりより安定液柱が切断されることはなかった．レーザ出力を 2.0 kW

な Ar-MIG 溶接のためのレーザ照射条件を明らかにするとしても，同様な傾向となり溶融金属液柱の切断には至ことができた．

らなかった．
(4) 発振モードを PW として溶接アーク内でワイヤにレーザ３・３ ビード形状照射を行う（パルスピーク時のレーザ出力を 6.0 kW），照レーザシフトが+4 mm の時の溶接ビードの外観を図 13 に射初期には液柱の切断が可能である．しかし，溶融金示す．ここでは短絡や目立ったスパッタもなく良好な溶接ビ属液柱部にレーザが当たるようになると溶融金属液柱がードが得られた．このように，レーザを使用することで安定な折れ曲がり，溶融金属液柱が安定に切断されることはな

Ar-MIG 溶接が可能になった．

かった．
(5) ワイヤ未溶融で剛性のある部分にレーザを照射（レーザシフト+4 mm）したところ，溶融金属液柱の折れ曲がりもなくワイヤの安定な切断が可能になり、良好なビード外観が得られた．ワイヤの剛性が確保できる部分にレーザ照射することが重要であることが明らかになった．

謝辞

本研究は公益財団法人天田財団より研究助成を受けて

図 13 溶接ビードの外観行われたものである．ここに，深く感謝の意を表します．

４. 結論
純 Ar シールドガス中で生じる溶融金属液柱を切断する

参考文献

ためのレーザ照射条件について検討を行った．本研究では

1） 銭谷哲・中村照美・平岡和雄・篠崎賢二，：溶接学会
論文集， 25-1 (2007)， 187．

レーザを一方向から照射する単純な方法であるが，溶接時のワイヤの切断特性について基礎条件を求めることができ

2) T． Nakamura， K． Hiraoka and S． Zenitani: Scienceた．今後はレーザ照射ヘッドを溶接トーチに組み込み，実and Technology of Welding and Joining， 13-1(2008)，

溶接施工が可能な装置開発とレーザ照射条件を検討する．

25．
4）Y． Huang and Y． M． Zhang：Welding Journal， 89，

得られた結論を以下に示す．
(1) 発振モードが CW の時には，ワイヤを切断するために必要なレーザパワーは 2.0 kW 以上必要である．ワイヤ送9（2010）， 181s．
5）Y． Huang and Y． M． Zhang：Welding Journal， 90，

給速度が大きい vf = 10 m/min の時には 3.0 kW 以上必9（2011）， 205s．
6）Y． Huang and Y． M． Zhang：Welding Journal， 91，要である．
(2) 発振モードが PW の時にはパルスピーク時のレーザ出ー 191 ー9（2012）， 140s．