ファイバーレレーザととホットワイヤ法法を併用用した
高品質・高能能率溶接
接技術の開発広島大学
学大学院 工
工学研究院 材料・生産加材
加工部門
助助教 門井浩太
太（平成成 21 年度一般般研究開発助
助成 AF-20099210）
キーワード：ホットワイイヤ・レーザザ溶接，すみ肉肉溶接，低変変形
1. 緒言

熱源のレーザには，定格出力
力 3 kW のファイイベーレーザと造船や橋梁梁の建設において中厚板のすみみ肉溶接が多く
く実

6 kW の半導体レレーザを用いた
た．ファイバーレレーザは溶接現現施されている．
．これらの溶接には利便性や経経済性を考慮しし，象や再適用説条件
象件の導出に用いい，出力を 3kWW 一定として用CO2 溶接が広く適用されている
る．近年では，溶溶接施工の高速速化いた．一方，半導い導体レーザは高高速化の検討に用用いた．

や高品質化のため，タンデムアアーク溶接やフラックスコアード
ドワ

溶接条件を Ta
able 2 に示す．レーザおよびワワイヤ挿入の条イヤの適用などども進められていいる 1,2)．しかしなながら，高速化やや高件をそれぞれ変化件化させて実験をを行った．レーザ
ザスポット径は溶着量化のためめの溶接施工条条件では，アンダダーカットなどのの溶焦点外し距離を設焦設けることで制制御した．Fig. 1 に実験外様子接欠陥が発生しやすくなる．ささらに，母材へのの投入熱量が増増加を示す．レーザ反を反射光のレーザヘザヘッドへの侵入入を抑制するたするために，母母材変形量の増大大を招いてしまうう．そのため，高高速，め，レーザヘッド
め
ドは溶接方向にに 5°傾けた．ままた，レーザヘ高溶着量などのの高能率化だけ
けでなく，投入熱熱量や母材希釈
釈のッドおよび添加ワッワイヤは，溶接線線垂直方向に 45°傾けた．
4
添低減，スパッタタ発生がないなど
どの高品質化も達達成可能な溶接
接施

加ワイヤは，溶接加接後方より挿入入し，レーザスポポット中心から工技術の開発がが求められていいる．

ワイヤ中心までのワの距離をワイヤヤ挿入位置とした
た．ワイヤ挿入入

レーザ溶接
接3,4)

やレーザ・アアークハイブリッド
ド溶接5-7)は，高高速

角度は，母材表面
角面から溶接方向向への傾け角としした．

化と低入熱施工工が可能な溶接接技術である．ししかし，レーザ溶溶接

溶接中の母材ややワイヤの溶融融現象，溶融池のの動きを詳細にをすみ肉溶接にに適用し，深い溶溶込みを得るた
ためには，高出力力レ検討するため，高検高速度ビデオカメラによるそのの場観察を行っーザ必要となるる．さらに，余盛盛部形成のためにには，高精度なな位た．Table
た
3 に撮撮影条件を示す．カメラ A は溶溶融池の動きや置制御下での溶溶加材の添加がが必要となり，レーーザで溶加材とと母母材の溶融などの母の前方の撮影にに用いた．980 nm
m の照明用レー材の溶融しなけければならず，詳詳細な溶融制御御は困難となる．一方，レーザ・アークハイブリッド
ド溶接は，レーザザで深い溶込み
みをTable 1 Chem
mical compositionns of used materiaals. (mass%)

得，そこにアーーク溶接によってて余盛が形成されれるため，CO2 溶溶接やレーザ溶接にに比べてすみ肉肉溶接に適していいる．しかしなががら，
本施工法は，アアークとレーザととの複合プロセススであるため現現象が複雑や，高溶溶着化を行うと欠欠陥形成やスパパッタの発生など
どはTable 2 Weldinng conditions.

避けられない．
本研究ではは，ホットワイヤ法
法とレーザ溶接をを組み合わせたたホットワイヤ・レーーザ溶接を適用しし，高品質（低入入熱，低変形などど）かつ高能率（高高溶着量，高速ななど）なすみ肉溶溶接技術の開発発を行った．ホットワ
ワイヤ法は，通電電加熱によって溶溶加材である添添加ワイヤの溶融のの制御が可能とななる 8-10)．したががって，添加ワイ
イヤの溶融は印加電電流によって，母母材の溶融はレーザによって溶溶融させることでそれぞれの溶融をを独立制御でき，，母材溶融の低低減，高溶着量化を達成できる．本
本報告では，溶接接現象に及ぼすす溶接条件の影響をを検討した．高速速ビデオカメラをを用いたその場場観察を実施するこことで，溶接施行行中の母材やワイイヤの溶融現象象を調査することでで，溶接現象を詳詳細に評価し，本本溶接法におけける溶接現象の解明明や最適溶接条条件の導出を行っった．

2. 実験方法法
母材には板
板厚 9 mm の SS4400 を，添加ワイイヤにはφ1.4 mmmの YGW11 を用用いた．化学組
組成を Table 1 に示す．にー 185 ーTablee 3 Conditions off in-situ observation.

Spot diameter: 7.5 mm, Wire feeding position: 2mm,
Wire feeding speed: 1.8 m/min, Wire feeding angle: 55°

Fig. 2 High speed camera images on each wire current.

a) Lateral direction

Spot diameter: 7.5 mm, Wire current: 110 A,
Wire feeding speed: 1.8 m/min, Wire feeding angle: 55°a) 0 mm b) 2 mm
Fig. 3 Effect of wire feeding position on welding.

b) Welding direction
Fig. 1 Schematic illustrations of experimental setup.
?5ĥƑĘĖU>\[^A"ķ! 9805 nm "K^H
L@N8ZC`5ŜŇ1[`?5ŷćžÃ"äÏ5őƒ<VX B #Č]9W"ēŐ5İš1
+ƑÑê /"Ŗ¶!ĥƑęí#ĥƑĘĖU>\[^A"ķ!9505 nm "K^HL@N8ZC`5ŜŇäÏ5őƒÒ/2łÜ5éƑéƊĿņŖ¶Ƒ" .$ŋž"ď³5őƒ)ƑłÜ"ËÌŞƍ5őþ÷ĩĝÖ"ŝv5őƒ/TC8;(=HFig. 4 Leg length change with spot diameter of laser.

7#R%

#+!Ƒ]9W"ēŐĢť .$²³]9WēŐ"
+"ŴĀòm¹"+ƑČ]9WēŐ!·1]9W]9WâŗÊ5¬3Ƒ55.$ 75"âòmƏ]9WƈĈƑâpŇƑâŗÊƐ"ÏƋ5ùśƒ

ŗÊ#Ƒ²³]9W"ůŁ .$ēŐ İš2ƒ

Fig. 2 !]9WƈĈ5¬ēãƅ"ƎŰMF; Ƒ35#ƑēŐĄÑķŸ"¢Ñ"¢Ĭ!ãŘ-<VX}5ıƒ]9WƈĈ 110 A #Ƒ²³]9W"

 0ƑĽM`H­Ŗ5ƒēŐ İš 1ƒaêƑ100 A #]9W"Ě e

lc.0Ƒ²³]9W"ůŁ .$ēŐ5ŲÙ1!

 0ƑēŐĄÉŸ"¢rŸƏāñƐ!ãŘ1û°#Ƒ[`?ƑČ]9WƑēŐĄ"® -pŇ5ňØ4 1ƒ)Ƒ120 A #Ƒű Ě!.0Ƒ]9W"ēcŴĀēãòm5ą³1Õŕ 1 4 1ƒé İš 1ƒŃ]9WâpŇ5¬ƅ"ƎŰMF;<VX

=4@M"02@M+=47#

1S

}5 Fig. 3 !ıƒ]9WâpŇ 2 mm "ªƑ]9WFig. 4 ![`?@TEGÐŋž"Ɓx5ıƒ²³ĩ!ēŐ1û° İš 1ƒaêƑ[`?@TEGƑ[gÔ!]9W5âª#Ƒ[`? Č]9W!

`?!#N69K[`?5ĥƑ# 3 kWƑēãŰÊ#īãę¸!.]9W ēé1 4 1ƒ

0.3 m/min a³ƒ¡g"įŅ#Ƒ@TEGÐ.0ĺ

mm lc"âpŇ#ƑēŐĄ"® 
+Ƒ²³â ƒ

Ƒ33 mm ld[`?"ę¸ƌ¦5ı1ƒČ]9W"ïė!
4/Ƒ@TEGÐ"«®,!ŋž#«®1 41ƒ)Ƒ2"ŋž! ,]9W5Čê®

ー 186 ーŋž5ıƑ[`?ę¸¦.0,®

y 1ƒ"įŅ#[`?ę¸ƌ¦5ı1ƒēŐĄ"­ķ#k"Ÿ !Ă&í1 1ƒēŐż¼"[`?"¸
ġ#Ǝ+Ƒ[`?#ƑēŐĄœƊ¸-ƒ ƑēŐĄœƊƏĝ!ēŐĄ­ķƐ¸[`?
 Ƒhāñ5ēŐ1+Ƒŋž «®1ň/21ƒ
Fig. 6 ! Fig. 4 ıòm! 1M`HéƊ5ıƒ3mm "@TEGÐ#Ƒk"òm!Ă&ēŭ*ċ ċ1ƒ2#Ƒa"[`?1+Ƒ@TEGÐ º:IZ=`µÊ cì+ň/21ƒ[`?@TEGÐ 4.5 mm #Ƒāñ"ēŐŻƏÂ
Spot size: 6.0mm, Wire current : 114A, Wire feeding angle: 55 °Wire feeding position: 1.5mm, Wire feeding speed : 2.2m/minƑ

Fig. 5 High resolution high speed camera image.

ŹġƐ ƉÄ!º 4 1ƒ/!Ƒ;`KXEP-7^D`<EG "ēãÿƄ#Ŗ¶2
Ƒ@TEGÐƒ

6.0 - 7.5 ƔƔ#ƑpƊĵŬ0"ßĚŻ č»1+ƑZ`GŸ! Őeō Ĩģ1
 4 1ƒ
Fig. 7 !]9WůŁŰÊŋž"Ɓx5ıƒŋž#]9WůŁŰÊ"«®,!«®Ƒ3 m/min 5ũ 1.a³"y 1 4 1ƒ"a³y#. 4mm 5ıƑ[`?"¸!.āñ5ēŐ1+Ƒ
Wire feeding angle: 55 °, Wire feeding position: 1.5 mm,Wire current : 84-122 A, Wire feeding speed: 1.1-2.4 m/min

Fig. 6 Cross sections of weld bead on each spot diameter.

]9W5ůŁ òm!Ă&®

y5ıƒ

ƑFig. 8 !ıû!ƑM`HéƊ#ƑůŁŰÊ"«®,!bŗÎ /Û¥%ŵĳƑZ`GŸ"ŐeōŸ «®1 4 1ƒ2#Ƒ]9WůŁŰÊ «®!o
ēŐĄ"rĵ «®ƑēŐĄ"ÎĞ¬!.1¸Ğ×"¬-ßĚŻ!eŪ!.1+ň /21ƒ Ƒ!]9WůŁŰÊ5¬1"*#Ƒ[`?"¸5ĥŋž"«!Ƃħ 1ň /21ƒ ƑēãĢť"Ó!#Ƒ°"Ĭisĥ5ňØc"Ŵ Ŷà ă+/21ƒîŴ òmdÒ/2ēãłÜ#ƑāñÂŹġƓæ%Ƒ
Ľļ¦"Æ£ļÐƓ60 !mƑĚÏƋŸÅƓ1 mm 5ıƑËÌÍÊ,ŜŚÍÊ5 !Ũ y5ıƒ
lc"ŀô.0ƑðP\B@#ēãĢť!ÏƋ5(û ° 0Ƒ°"îŴ!.²³]9Wāñ"ēŐĢť5Ò1  ƑqĚƑqÂŹ ƎŊġ ēãłÜ5Ò1 Ŋ 1ƒ

Fig. 7 Relationship between leg length and wire feeding speed.
U&'"AUO)9L

Fig. 9 !¹r[`?5ĥƑĴ"[`? .$ēãŰÊÒ/2M`HéƊ5ıƒ3 kW "ªƑ0.6m/min "ēãŰÊ²³M`H Ò/21ƒ²³
M`H"Ò/21î®"ēãŰÊ#[`?"«®,!«®Ƒ4.0 kW # 1.0 m/minƑ5.8 kW # 2.0 m/min
Spot diameter: 7.5 mm, Wire feeding position: 1.5 mm
Wire current: 0-149 A Wire feeding angle: 55 °Fig. 8 Cross sections of weld bead on each wire feeding speed.

1 4 1ƒ/!Ƒî®ēãŰÊ «®,Ƒāñ"ÂŹġ-ŋž "ēãM`H"ĝÖ!®

ų# ƒ[`? 5.8 kWƑēãŰÊ 2.0 m/min Ò/2ēãM`H#ƑŋžƓ4 mm āñÂŹġƓ1%ƑĽļ¦"Æ"]9WČ!.1ŋž"«®5ùś1+Ƒ[`?@T£ļÐƓ60 !mƑĚÏƋŸÅƓ1 mm 5ı1ƒ 

EGÐ 6 mm "ƎŰMF;<VX}5 Fig. 5 !ıƒ¡gƑ[`?"«®1ƑēãłÜŧƏqÂŹƑ

ー 187 ー

Fig. 9 Cross sections of bead welded on each wire welding speed and laser power using laser diode.
W_[`?ēãĆ!Ă&º 1ƒ ƑSEG]9W_[`?ēã#Ƒŗ¬ÎŻ º ƎēĭŻƑā
ñqÂŹ ~2ĝÖ5ï1ēãÝŒ1ň /21ƒ

Ǝŧ ƎŊġ *ŉēãÝŒ"ƀĨ5ĪĩƑS
EG]9WĆ[`?ēã"tĥ!.1SEG]9W_[`?ēãĆ"Ŵĥ5ùśƒƎŰÊMF;<VX5ĥ"ªŖ¶5´ëƑēãĢť"şľ ùś .$ŴĀēãòm"¹5őƒÒ/2ŀř5ld!ıƒ! [`?#āñœƊ!īãę¸2ƑēŐĄœƊ¸[`? ēŐĄŮz"āñ5| !ēŐƑ[`?ę¸Ļ .0,®
Fig. 10 Angular distortion on each welding process.

ŋž5ï1āñÂŹ"ú+» łÜ Ò/21ƒ
! SEG]9W#ƑēãêÑê /Ƒ[`?"īãęqĚƑƎŊġƐ5ńá))"ƎŰ Ŋ 1ƒ

¸!.1ēé Ĩģ ēŐĄÑķŸ%ƑŴĀ ]9WƈĈ!.1Ě5őƑ²³uŁJ-0P<.1ƒ

Fig. 10 !õēãĆ! 1ŗ¬ÎŻ5ı 11)ƒSEG]9! [`?Ɠ5.8 kWƑēãŰÊƓ2.0 m/min ! ƑW_[`?ēã"ěƊēã! 1ŗ¬ÎŻ#Ƒ[`?ē

ŋžƓ4.4 mmƑÂŹġƓ1%, HAZ ÅƓ0.45 mm, ŐŸã .$[`?_7`>J9OYEHēãĹ"y5ıƒ"ļÐƓ66!m "łÜ Ò/2ƒ)ƑēãłÜŸ")ƑSEG]9W_[`?ēã"fƊēã#Ƒ[`?_7`>J9OYEHēã

ËÌÍÊ#ŜŚ§ĒÍÊ5 !ĐŪƒ.a"y5ı"!·! SEG]9W_[`?Ć!.0ƑGMA ēãĹ!ŕăGMA "¬ÎŻ!Ă&ŏº 21*ŉŸÎĞ5ńáƑ[`?ğēã-[1 4 1ƒSEG]9W_[`?ēãĆÒ/21`?_7`>J9OYEGēãĹ"q¬Î5´Ģ

ēãM`HÎĞƏŋž Ɛ#ƑGMA ēã'(a"y 1ƒƑaŌĩ

Ò/21!,

4/Ƒŗ¬ÎŻ#ºƒaêƑ[`*E5>?-[`?_7`>J9OYEGēã"ŗ¬ÎŻ#'(a"y1"!·ƑÒ/21ēãM`H#SEG]91)

ー 188 ーc½Ɠēã±nŠ, 78 (2009), 693-708

2)長岡，橋本，横田，岸本：神戸製鋼技報, 54 (2009), 20-243)

S. Katayama, Y. Kawahito, M. Mizutani: Physics Procedia, 57)(2010), 9-174)
5)World, 54 (2010), R62-70

X. Zhang, E. Ashida, S. Katayama and M. Mizutani:8)

堀，渡辺，明賀，草野：溶接学会論文集, 21 (2003), 362-373

Quarterly J. Japan Welding Soc., 27 (2009), 64s-68s

9)

M. Yamamoto, K. Shinozaki, T. Myoga, T. Kanazawa and H.

U. Dilthey, A. Wieschemann: IIW Doc., XII-1565-99(1999)

6)

F. Vollertsen, S. Grünenwald, M. Rethemeier, A.
Gumenyuk, U. Reisgen ans S. Olschock: Welding in theArashin: IIW Doc. XII-1927-07 (2007)10) M. Yamamoto, K. Shinozaki, K. Mitsuhata, T. Nagashima, T.

牧野，椎原，浅井：溶接学会誌, 70 (2001), 400-404

Kanazawa and H. Arashin: Welding in the world, 55 (2011)11) 猪瀬：第 74 回レーザ加工学会講演論文集, (2010),
131-136

ー 189 ー