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高出力ファイバレーザによる自動車用アルミニウム合金の高速・高品位溶接技術の開発
Development of Welding Technology of High Speed and High Quality Welding of AluminumAlloy for Automobiles with High Power Fiber laser
西井 諒介，田邉猛，高田 一輝，茅原崇
Ryosuke Nishii , Takeshi Tanabe , Kazuki Takada and Takashi Kayahara

1. は じ め にアルミニウム合金は軽量かつ高強度であるため様々な分品位な溶接を実現した．

2.

ビームモード制御技術

野で広く採用されている．特に自動車用部材に対しては，ファイバレーザ溶接においては高いパワー密度によりキドア，フェンダー，ボンネット等に各種アルミニウム合金ーホールが形成され，溶融池内部に急激な温度変化と激しが採用されている1)～3)．それに伴い自動車の組み立て工程

い対流が引き起こされることが知られている．溶融池内部における接合技術の重要性が増している．我々は数多くあが不安定であるとブローホールやスパッタなどの溶接欠陥る接合技術の中でもファイバレーザに着目し，溶接技術開の発生につながるため，これらの溶接欠陥を抑制できる溶発を行っている．

接技術の開発が求められている．当社はファイバレーザ溶

ファイバレーザはビーム品質が優れており集光が容易で接で発生する溶接欠陥やスパッタ発生等の課題を解決するあるため，アルミニウム合金を溶かすのに十分なパワー密ため，レーザ集光点の光強度分布を精密に制御可能なファ度が確保できることやすべてファイバで構成されているたイバレーザ用ビームモード制御技術を開発した．このビーめ振動に強くメンテナンスが容易であることなどメリット

ムモード制御技術は加工光学系中にビームモード制御素子は多い．またアルミニウム合金は高い熱伝導率を持つためを挿入することでビームを複数に分岐し，任意の光強度分溶融させるためには大きな入熱が必要となり高速化は難し布に制御するものである．複数の集光スポットを密に配置いとされてきたが，ファイバレーザの集光性の良さを活かすれば各スポットが結合され連続的な光強度分布になり，せば溶接速度向上も狙える．

スポット間を十分に離せば離散的な複数スポットの光強度

一方で一般的なアルミニウム合金溶接と同様に，酸化膜分布を形成できる． Fig. 1( a )にビームモードを制御する層の存在や高い熱伝導率，線膨張係数により溶接が難しく前のプロファイルを，Fig. 1(b),(c)にビームモード制御後なり，変形や割れ，ブローホール等の溶接欠陥が発生しやのプロファイルの例を示す．これらより実際に光強度分布すいという課題がある4)．さらにファイバレーザ溶接におが任意の分布に制御できていることが確認できる．この技

いては鉄鋼材料と比較してファイバレーザの波長における術を用いればビームを任意の光強度分布に制御することが反射率が高く，より高いパワー密度が必要なことなどから可能であるため，材料種や溶接・切断・焼き入れなどの用安定した溶接は難しいとされていた5),6)．

途に応じて最適なビームモードを選択できる．溶接に関しこれらの課題に対し，当社では， 12 kW マルチモードていえばビームモードを選択し溶融池を安定化させること

ファイバレーザとレーザのビームプロファイルを任意の形で，スパッタなどの溶接欠陥を抑制できると考えられる．

状に制御する技術（ビームモード制御技術）を用いて高速・このビームモード制御技術をアルミ合金の溶接へ適用すれ高品位溶接にトライしてきた．今回はビームモード制御をば，高品位な溶接が実現できると考えた．

用いアルミニウム合金に対する溶接条件を最適化することでブローホール等の溶接欠陥を大幅に抑制し，高速かつ高古河電気工業株式会社
FURUKAWA ELECTRIC CO., LTD.
原稿受付：2020年10月15日

3.

ビームモード制御技術を用いたアルミニウム合金溶接

実際にビームモード制御技術を適用しアルミニウム合金のファイバレーザ溶接を行った．実験に用いたレーザ発振
軽 金 属 溶 接Vol. 59 (2021) No. 4

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Fig. 1

Fig. 2

ビームモード制御例(a)通常のビームモード，（b)センター＆リング形状，（c)当社ロゴ形状

古河電工製 12 kW マルチモードファイバレーザ外観
Fig. 3

Table 1

古 河 電 工 製 12 kW マ ル チ モ ー ド フ ァ イ バ
レーザの光学特性

溶接設備構成(b)は内部 CT 画像，Fig. 4(c),(d)は溶接部断面写真であ型式

FEC12000M

定格出力12000 W

れないことがわかるが，Fig. 4(b),(c),(d)より溶接ビード

波長1070 nm

内部にはブローホールが発生していることがわかる．これファイバコア径100 mm

は溶接時に発生した金属蒸気や巻き込んだ金属蒸気が放出

ビーム品質 BPP（Typical)

3.5 mm rad

される前に溶融金属が凝固しているためと考えられる．こる． Fig. 4 ( a )より表面ビードに関しては溶接欠陥がみらのようにアルミニウム合金溶接においては欠陥が非常に発生しやすい．次にビームモード制御を適用した場合の溶接器は古河電工製マルチモードファイバレーザであり，外観結果を Fig. 5 に示した． Fig. 5 ( a )に溶接ビード外観写を Fig. 2 に，光学特性を Table. 1 に示した．この特性に真，（b)に内部 CT 画像，（c),(d)に溶接部断面写真を示す．

より高いパワー密度を実現し，高い熱伝導率を持つ材料でFig. 5 ( a )より溶接ビードにハンピングやブローホールがあっても局所的に温度を上昇させ，溶融させることができなく外観良好であることが確認できた．また Fig. 5 ( b ) ,る．

(c) ,( d)より溶接部内のブローホールの発生も抑制できて設備構成を Fig. 3 に示した． 6 軸ロボットに光学ヘッいることが確認できた．これは光強度分布を制御し溶融池ドを取り付け，この光学ヘッドにより 12 kW マルチモーの挙動を安定させることで金属蒸気の放出口も安定し，溶ドファイバレーザから出射されたレーザ光を集光した．レ

融金属が凝固し終わる前に金属蒸気が放出されたためだと

ー ザ 出 力 は 6 ～ 12 kW ， 掃 引 速 度 は 6 ～ 10 m / min と し考えられる．これらの結果よりビームモード制御技術の優た．ビームモード制御を適用し，光強度分布を制御するこ位性を確認することができる．とで溶接欠陥等の抑制を狙った．用いたサンプルはアルミまた高速度カメラを用いて溶接時の溶融池を観察した．

ニウム合金（A6061）t＝2 mm であり，2 枚を重ね合わせ溶接欠陥が発生した場合の高速度カメラ像を Fig. 6(a)にた状態でサンプル表面にレーザを照射した．溶け込み深さ示した． Fig. 6 ( a )の溶融池を観察することで，溶接欠陥は非貫通溶接となる 4 mm 未満に制御した．

が発生する場合の溶融池は大きさが不安定であり，金属蒸比較のため溶接条件を最適化する前の溶接欠陥が発生し気が放出される様子はみられないことがわかった．次にビた場合のアルミニウム合金のファイバレーザ溶接結果をームモード制御を適用した場合の溶融池高速度カメラ像をFig. 4 に示した．Fig. 4(a)は溶接ビード外観写真，Fig. 4

Fig. 6 ( b )に示した．溶融池の大きさはほぼ一定を保ち，

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Fig. 4

ブローホールが発生したアルミニウム合金溶接結果(a)溶接ビード外観，（b) CT 画像上面図，（c)ビード横断面，（d)ビード縦断面

Fig. 5

ビームモード制御を適用したアルミニウム合金溶接結果(a)溶接ビード外観，（b) CT 画像上面図，（c)ビード横断面，（d)ビード縦断面

Fig. 6

溶融池の高速度カメラ像(a)溶接欠陥発生時，（b)ビームモード制御適用時溶融池から金属蒸気が放出される様子が確認できる．レー
ザ出力，速度，溶け込み深さ，凝固するまでの時間，溶融池の面積などが適切であると金属蒸気が放出され，欠陥の少ない溶接が実現できることを示した．次に溶接中の加工内部の状況を疑似的に作り出し観察した． Fig. 7 にセットアップ概略図を示す．Fig. 7 に示した通り重ね合わせたアルミニウム合金の側面にガラス板をあて，それらの境界にレーザを照射し側面側から高速度カメラで撮影した．
Fig. 8 に溶融池の疑似断面像を示す． Fig. 8 ( a )は溶接欠陥発生時の疑似断面であり溶接部内に気泡が残った状態でFig. 7

溶融池の疑似断面(a)溶接欠陥発生時，（b)ビームモード制御適用時
軽 金 属 溶 接Vol. 59 (2021) No. 4

Fig. 8

溶融池の疑似断面(a)溶接欠陥発生時，（b)ビームモード制御適用時凝固していることが確認できる．一方，ビームモード制御を適用した際の疑似断面 Fig. 8 ( b )ではほとんど気泡が残っていないことがわかる．ビームモード制御を適用し，最適化した条件では金属蒸気の放出が安定して行われるため溶接部内の気泡が少なくなる傾向があった．このことか
らも出力，速度だけでなくビームモード制御を用いて溶け込み深さ，凝固するまでの時間，溶融池の面積などを最適化することでブローホールを抑制できることがわかった．

4. お わ り にMicro/Nano engineering, 141 (2019), 17.
株 UACJ の高機能アルミニウム材料開発と将来
2 ) 渋江和久：
展望，UACJ Technical Reports, Vol. 5, (2018), 213.
3 ) 小西徳次郎：自動車車体の溶接・接合，溶接学会誌， 74 8(2005), 69.
4 ) 圓城敏男：アルミニウムおよびその合金の溶接，軽金属，
338 (1983), 482490.
5) 山岡弘人，結城正弘，土屋和之：AlMgSi 系合金レーザ溶接部における凝固割れ防止に関する検討，溶接学会論文集，183 (2000), 4224306 ) 片山聖二：アルミニウム合金のレーザ溶接，軽金属， 62 2(2012), 75
83.

執筆者の紹介ファイバレーザを用いたアルミニウム合金の高速・高品位溶接にトライした．通常の溶接ではブローホール等の溶接欠陥が生じやすいが，ビームモード制御技術により溶融池を安定させることで溶接欠陥を大幅に抑えた加工が可能となった．ファイバレーザの高パワー密度を活かした高速溶接にビームモード制御技術を適用することで，高速・高品位溶接を実現することができた．今回はアルミニウム合金を紹介したが，ビームモード制御技術を用いれば他の難加工材料へも対応可能である．この技術を活かし今後は古西井諒介

田邉猛

高田一輝

茅原崇

河電工としてさらなる溶接技術の開発を行い，その発展に貢献し，お客様にソリューションを提案していきたいと考えている．
参考文献1) A. Das, I. Butterworth, I. Masters and D. Williams: Evaluation of Key Geometrical and Mechanical Properties for RemoteLaser Welded AC170PX Aluminum Joints, Journal of Laser

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