球状黒鉛鋳鉄と低合金鋼のレーザ接合に関する研究
仙台高等専門学校 材料工学科
教授 柴田公博（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009205）

キーワード：レーザ溶接 接合界面 接合強度
観写真を示す。

１．研究の目的と背景
近年、石油資源の枯渇や地球温暖化の問題から、自動車をはじめとする輸送機関の低燃費化が求められている。低燃費化の手段として軽量化が有効であることから、軽量材料の適用や軽量構造への代替のための技術開発が行われている。自動車などの駆動系部品は高強度を要求されるため強靭な鋼や鋳鉄などが用いられており、塑性加工や鋳造によって作られた部品が、ボルト締結構造によって組み立てられる方法が取られている。しかしながら、これまでの機械的締結方法では十分な軽量化が図れないため、溶接

図１ 試料接合部の形状による締結構造に代替することにより軽量化を図ることが検討されている１）、2）。 しかしながら鋳鉄と鋼の溶接では、溶融凝固部

表１ 溶接条件

およびその周辺でおこる相変態により生成する脆性な組織や、熱溶接条件
炭酸ガスレーザ(三菱6050)
溶接速度(m/min)
10設定値(ｋW)3.1
レーザ出力
加工点(ｋW)
2.54
種類
Arガス
シールドガス流量(L/min)
20
供給速度
溶接ワイヤ
2.06(m/min)

膨張や収縮に伴い発生する応力のために、割れが発生しやすいこ

レーザ加工機器とから、技術的に解決すべき課題が少なくない３）。
本研究は、近年開発された高輝度の高出力レーザを用いて、鋳鉄と鋼を健全に溶融接合する技術の研究開発を行うもので、本技術を輸送機器の駆動系部品に代表されるような、塑性加工された鋼部品と鋳鉄部品の締結に適用することで、軽量化・低燃費化に貢献する技術を創出することを目的とする。具体的には、パーラ
イト球状黒鉛鋳鉄と低合金炭素鋼からなるディファレンシャルギ
ヤを試料とし、ビームクオリティの優れる炭酸ガスレーザを用いて熱影響部を出来るだけ少なくし、同時に接合部にフィラーを添加することにより、溶融部の組成をコントロールし、脆弱な組織の生成を抑えることにより、この異種材溶接の技術的な課題を解決しようとするものである。

図２ 溶接されたディファレンシャルギヤ試料

２．研究方法球状黒鉛鋳鉄(FCD600)と低炭素合金鋼(SCM418H)からなる溶融部への鋳鉄の溶け込み量の影響を調べるためにレーザ照

ギヤ試料の接合部に図１に示すような開先を設け、Ni 合金フ射位置を開先中央狙い、鋳鉄寄りに 0.2mm および 0.3mm、同じィラーワイヤー(JIS Y308)を供給しながら、表１に示す溶接

く鋼寄りに 0.2mm および 0.3mm 変動させて実験を行った。接条件にてレーザ溶接を行った。図２は溶接したギヤ試料の外合部の組織は光学顕微鏡により観察した。組織の詳細な観察ー 161 ーには透過電子顕微鏡および後方散乱電子解析パターン(EBSP

方向に垂直にビード表面に発生した横割れであった。図５(b)法)を用いた。マイクロビッカースによる硬度測定を図１に示

より割れはオーステナイトデンドライト間に発生していた。

す位置で行った。また、EPMA による C 量および Ni 量の測定も

図６にレーザ照射位置が中央狙いの試料のマクロ組織を示同じ位置で行った。測定された Ni 量からワイヤ希釈率を推定す。組織中央部にみられる黒い部分は Ni 合金ワイヤと鋳鉄おした。また、マクロ写真より溶融部面積の測定を行った。

よび鋼が溶け合ってできた溶融部である。その両側に熱影響接合部の強度評価は、ギヤ試料から切り出した微小引張試験部が存在した。鋳鉄側の溶融部ミクロ組織は図７(a)のように片にて行った。図３にギヤ試料の接合部の断面写真を、図４に黒鉛周辺にレデブライト共晶組織が黒鉛をとりまくように生接合部から放電加工により切り出した試験片形状を示す。

成する特徴的な組織６）となった。またレデブライトの外側に応力解析には汎用ソフト ANSYS４）、５）を用いた。材料物性値お高炭素のマルテンサイト組織が形成された。図７(b)に示すよよび試験片形状を用い 3D モデルを作成し、破断荷重、破断ス

うにSCM側では熱影響部にマルテンサイト組織が観察された。

トロークを用いて引張方向応力・ひずみエネルギを求めた。

溶融部のオーステナイトとマルテンサイトの境界部は溶融時に液相と固相が混在した組織が見られた。図６及び図７と同様のマクロ・ミクロ組織はすべての試料で観察された。

図３ ギヤ試料の溶接部断面写真

図６ 溶融部マクロ組織
図４ 引張試験片形状

３．研究成果３・１ 溶融部の組織観察
溶接実験の結果、レーザ照射位置が鋳鉄寄り 0.3 ㎜の試料
では溶接部上部に割れが発生した。図５に割れを示す。溶接

図７ 溶接部のミクロ組織 (a)鋳鉄側(b)鋼側

続いて図７(a)の□で囲むミクロ組織を詳細に観察するため、
EBSP 分析および透過電子顕微鏡による観察を行った。図８に
図５ 発生した割れ(a)カラーチェック (b)断面ミクロ組織

EBSP 分析の結果を示す。
図８(b)に示すフェーズマップにおいて、赤色の相はマルテンサイト相、青色の相は残留オーステ

ー 162 ー(a) Band contrast map(a) 透過電子顕微鏡像(b) Phase map（b）555 位置からの回折パターン

図８EBSP 分析(a) 測定位置(b)マッピング(c)方位測定(c) Inverse pole figure(X 方向)
図８

EBSP 結果（c）557 位置からの回折パターン

ナイト相、黄色の相は Fe3C 相と推定される。観察範囲内に占める割合はそれぞれ 29％、9％、61％であった。
図９は透過電子顕微鏡像およびその回折パターンを示す。回折パターンより、マルテンサイト、セメンタイト、オーステナイトであることが確認された。このこと
より、鋳鉄側溶融部は、レデブライト共晶、残留オーステナイトを含むマルテンサイト、セメンタイトからなる（d）560 位置からの回折パターン
図９

特徴的な組織を示す。

ー 163 ー

透過電子顕微鏡像及び回折パターン

硬度、溶融面積、C 量及びワイヤ希釈率

ブライト共晶組織が生成することはすでに確認したが、レーザ照射位置を変動させた試料における割れの有レデブライト共晶組織が多く集まると割れが発生しや無を溶融部の硬度、溶融面積、C 量、ワイヤ(Ni)希釈率すくなる。鋳鉄が多く溶け込むとその分だけ炭素濃度がと共に表２にまとめる。

高くなり、レデブライト共晶組織が多く生成される。こ３・２のことから、レーザ照射位置を鋳鉄寄りにずらした試料
表２はより低い荷重で破断したと考えられる。

硬度、溶融面積、C 量及びワイヤ希釈率

試料1
レーザ照射
中央狙い位置
Ni量(％)
10
レーザ出力2.54(kW)
硬度(Hv0.3)293
溶融面積5.342(㎜ )C量（質量％）
2.81
ワイヤ（Ni)79.1
希釈率（％）
割れ
無2
鋳鉄寄り
0.3㎜
103
鋼寄り0.3㎜
102.542.54456

340

6.26

6.00

4.19

2.0181.180.2

有無図１０

中央狙い、鋳鉄寄り 0.3mm、鋼寄り 0.3mm の 3 つのレ

引張試料の破断箇所

ーザ照射位置を比較した。図５で割れが観察されたギヤ
試料はレーザビームを鋳鉄寄り 0.3mm に照射した試料である。割れは最終凝固部に発生した。この試料では硬度、溶融面積、C 量、ワイヤ希釈率すべてが中央狙いあるいは鋼寄り試料よりも高くなっており、鋳鉄がより多く溶け込んだことが分かる。このことにより靱性が低下したことが割れの一因といえる。レーザビームを鋳鉄寄り 0.2mm に照射した試料では、同様の割れが発生していないことから、溶接方向に垂直の割れの発生は鋳鉄の溶

図１１

レーザ照射位置ごとの破断荷重け込み量に依存することが推定される。
引張試験片にかかる応力を解析するために、歯車から切３・３

微小引張試験片を用いた接合部強度評価

り出した試験片を基に、汎用構造解析ソフトウェア

レーザ照射位置を開先中央部、鋳鉄寄りに 0.2mm、鋼ANSYS４）、５）により三次元モデルを作製した。

寄りに 0.2mm ずらした３種類のギヤ試料より図４に示す微小引張試験片をそれぞれ３体ずつ切り出し、島津オートグラフにて引張試験を行った。 試験片にはいずれも初期亀裂が存在しなかった。図１０に引張試験後の破断した試験片の写真を示す。すべての試料は鋳鉄側溶融部界面近傍で破断した。図１１に破断荷重を示す。レー
ザ照射位置を鋳鉄側にずらした試料は、他の２種類の試料に比べて最も破断荷重が低い値となった。これはレー
ザ照射位置を鋳鉄側にずらすことにより、より多くの鋳鉄が溶け込んだことに関係する。球状黒鉛の周りにレデー 164 ー

図１２三次元モデルの要素分け図１２に示すすように作製ししたモデルを鋳鋳鉄、溶接部(N i)、ロ組織は黒鉛周周辺にレデブライト共晶
溶融部ミクロ鋼の３つの要要素に分け、表３に示す材料特特性値を用い て組織が黒鉛ををとりまくよ うに生成する特特徴的な組解析した。

織となった。
。またレデブラライトの外側に高炭素のマルテンサイ
イトが形成されれ、残留オースステナイト
表３

計算にに用いた物性値値が存在していいる。
(2) レーザ照射位位置が鋳鉄側ににずれると、鋳鋳鉄の溶融体積が増えるるため、溶融部部面積が増加し、接合部最終凝固部にに溶接方向に垂垂直方向に割れれが発生した。

図１３に ANSSYS による解析
析結果の例を示示す。この図は三三(3) レーザ溶接部部の引張試験結結果および有限要素解析次元モデルににかかっているる応力分布を示示している。青色色から、破断はは全て溶接部底底部鋳鉄側から発生し、の箇所の応力力が低く、赤色に近づくにつれれて高い応力 が鋳鉄側の界面面に沿って亀裂裂が進行し、破破断するとかかっているることを示す。解析結果より溶接部周辺、特考えられる。
。に溶接部底部部(モデル右側側)に高い応力ががかかってい る(4) 適切な溶接条条件を選ぶこ とにより、レーーザ溶接にことが分かる
る。この結果から試験片の溶接接部底部から発発よる健全な鋼鋼と鋳鉄の溶接接体を得ることが可能で生した亀裂がが、鋳鉄側溶融部部界面および熱熱影響部を伝搬搬ある。

し破断に至っったと考えられれる。

謝辞
本研
研究は、天田金属加工機械技術術振興財団の一般研究開発助助成により遂行行された。ここ に記して深甚な感謝の意を表表します。また
た、研究の遂行行にあたり、試料製作などで多多大な協力をいいただきまし た日産自動車
車株式会社、（株株）日産アークに、また実験 で多大な協力をいただきまし
した仙台高等専専門学校准教授
授熊谷進氏、当時の仙台高等専専門学校生宮下下仁氏、菅井進進也氏、星野真真理氏、紺野崇聡聡氏に感謝いた
たします。
低（応応力）
図１３
３

高参考文献
献

解析結果

xle Gears,
1 ） T. Angerer, Laser Wellding of Ax
Proceedings of Stuttgartter Lasertage,, (March. 4,４．結論

2008, Stuttgart)

球状黒鉛鋳鋳鉄(FCD600)とと低炭素合金鋼鋼(SCM418H)を２）例えばNi 合金フィララーワイヤー((JIS Y308)を供供給しながらレレ特許
許出願公表番号号 2007‐50814
45

著、鋳鋼・鋳鉄
鉄溶接のかんどどころ（溶接３）仁熊、副島著

ーザ溶接したたギヤ試料の接接合部の組織おおよび強度特性
性

技術シリーズズ 12、産報出版版）

を調べた結果果、以下のこととを明らかにしした。

「ANSYS 入門セセミナー」
４）(1) 溶融部中中央は Ni 合金
金ワイヤと鋳鉄鉄および鋼が溶
溶

サイバネッ
ット株式会社

け合っててできたオースステナイト相がが存在し、そのの2004 年

発行

2004 年「ANSYS 中級セセミナー」
５）

両側の鋼鋼側は溶融時にに液相と固相がが混在した組織織、その外側側に熱影響部がが存在した。ままた、鋳鉄側のの発行

サイバネッット株式会社

６）M. Hatate et.al., Vacuumm 73(2004)667-671

ー 165 ー