レーザー溶接接合材の 3 次元的内部観察による劣化損傷機構に基づく高機能複合接合技術の開発
広島大学大学院工学研究科 機械物理工学専攻助教 曙 紘之（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013207）
キーワード：レーザー溶接，劣化損傷，内部観察

１．研究の目的と背景

同材を板状に機械加工後，図 1 に示すように二枚の鋼板

レーザー溶接はその多くの利点から，近年，その適用範を重ね合わせ，レーザー溶接によって線接合を行ないそれ囲が拡大している接合技術 1)，2)である．しかしながら，そぞれ試験に供した．本研究ではこれ以降，図 1(a)レーザーの接合部形状については経験的な部分が大きいのが現状

溶接部に主にせん断負荷が作用する継手を TS(Tensionであり，優れた耐久性を有する最適な接合部形状についてShear)継手，図 1(c)レーザー溶接部に主に引張負荷が作用の知見が求められている．このような最適な接合部形状のする継手を CT(Cross Tension)継手と称す．なお，図 1 の選定には，長期の使用に伴う劣化・損傷機構を把握するこTS 継手に関しては TS 継手よりも持ち手部の短い TS-Shortとが必要不可欠であるが，レーザー溶接接合材のような多継手（図 1(b)），CT 継手に関しては溶接幅の太い CT-Wide

くの接合材の損傷は，その多くが被接合材内部に生じる内継手を作成し実験検討を行った．

部損傷であるため，一般的な外部からの観察では損傷メカ14ニズムを追跡することが困難である．そこで申請者らはこ

4× 8.1 12.5

2512.5れまでスポット溶接接合材，および樹脂系接着接合材の強3050

度特性，とりわけ繰返し負荷に対する耐久性評価を実験的に行っており，独自の 3 次元的内部観察手法により内部劣溶接部化損傷機構の解明に成功している．同手法をレーザー溶接

1.2接合材に適用することにより，繰返し負荷に対する耐久性，250および内部劣化損傷機構の解明を行い，最適なレーザー接(a) TS継手合部形状について検討することが本研究の目的である．さらに，得られた知見に基づき，レーザー溶接を主要接合方12.5法としながら，そこにスポット溶接，樹脂系接着を援用し，2512.5従来の接合部材よりも極めて優れた耐久性を有する複合接合技術を提案することが本研究の最終目的である．

溶接部

２．供試材料および実験方法
150

2.1 供試材料
図１に本研究では，板厚 t=1.2mm の 270MPa 級自動車用(b) TS-Short継手軟鋼板（JSC270D）を供試材料とした．同材の化学成分お16× 8.1

よび機械的特性を表 1，表 2 に示す．

表1 JSC270Dの化学組成
Si<0.01

Mn0.18

P0.015

S0.007

17.5

Fe
Bal.

25C0.046

溶接部
12.51012.5

表2 JSC270Dの機械的特性
Yield strength Tensile strength
[MPa]
[MPa]
177314

Elongation[%]
47.6150(c) CT継手
図1 レーザー溶接試験体形状1.2本研究で採用したレーザー溶接条件を表 3 に示す．ビード長は全継手において 25mm に 統一し，ビード幅はCT-Wide 継手では 2.3mm，他継手では 0.9mm に統一した．
なお，シートギャップは 0mm にてレーザー溶接を行った．

表3 各種レーザー溶接条件
Parameter

TS , CT

CT-wide3.0

2.0

Laser power [kW]
Focus size [mm]0.4

Welding speed [m/min]

2.8

Defocus [mm]0Laser incidence angle [degree]

5Sheet gap [mm]0Welding length [mm]25Welding width [mm]0.90.1mm0.5

図3 スリット先端のモデル詳細

３．実験成果3.1 組織観察結果
ビード幅の細い TS 継手，TS-Short 継手，CT 継手，お2.3

よびビード幅の太い CT-Wide 継手の溶接部周辺組織の観察結果をそれぞれ図 4(a)および図 4(b)に示す．
なお両図は，

2.2 試験方法溶接方向に対し直角方向からの断面観察結果である．どち静的引張試験，および繰返し疲労試験は，電気油圧式らにおいても，レーザーの入熱によって母材が溶融・凝固5kN サーボパルサーを用いた．疲労試験の試験条件は，試して形成された溶接金属（Weld metal），溶接金属の周辺で

験周波数 f=5～20Hz，Rp(Pmin/Pmax)=0.1 で行い，未破断母材が一度オーステナイト相になり冷却されることで巨時の打切り回数は N=107cycles とした．

視的に組織変化が認められる熱影響部（HAZ），および母材部（Base metal）の 3 種類の組織に分類される．

HAZ

2.3 有限要素解析条件
有限要素法解析には MSC.Software 社製ソフト，Patran

母材

溶接金属

母材および Nastran を用いた．解析で用いた各継手モデル形状

レーザー照射方向を図 2 にそれぞれ示す．スリット先端は応力が集中すると考えられるため，図 3 に示すように要素寸法を他の部分に比べ細密に分割した．なお，スリット幅はレーザー溶接継手 の 断 面 観 察 結 果 よ り 0.02mm と し た ． 母 材 と す る
JSC270D の機械的性質に基づき，全継手においてヤング率206GPa，ポアソン比 0.33 とし，メッシュ形状は六面体で統一した．

0.5mm(a) TS継手(b) CT継手, CT-wide継手
図2 FEMモデル

レーザー照射方向

母材(a) TS継手, TS-Short継手，CT継手
HAZ
HAZ
溶接金属

0.5mm
(b) CT-wide継手
図4 溶接部の組織観察結果

3.2 硬さ測定結果
ビード幅の細い TS 継手，TS-Short 継手，CT 継手，お分布を測定した結果を図 5(a)(b)に示す．縦軸はビッカース硬さ，横軸は溶接金属中心からの距離とする．同図より母材部と比べ溶接金属は約 1.6 倍高い硬さを示し，熱影響部においては溶接金属近傍から母材部に向い硬さが低下する傾向が確認された．

200
ビッカース硬さ [HV]

CT-wideTS6CT42

母 材

HAZ

溶金部

8負荷試験力, P [kN]

よびビード幅の太い CT-wide 継手の溶接金属周辺の硬さ

0150

01020
ピストン変位 [mm]3040

図6 各種継手の静的引張試験結果

100

表4 各種継手の静的強度

Type
TSTS-Short
CTCT-wide

5000

123
溶接金属中心からの距離 [mm]4

静的強度 [kN]7.78.07.78.5(a) TS継手，TS-Short継手，CT継手
溶金部

HAZ

母 材

3.4 繰返し負荷試験による損傷機構（TS 継手，TS-Short

ビッカース硬さ [HV]

200継手）
TS 継手，および TS-Short 継手に繰返し負荷を与え，試験途中で試験を停止し，継手中央断面を観察することによ150

り，両継手の損傷機構の解明を行った．なお，TS 継手，および TS-Short 継手に損傷機構の差異は確認されなかっ100たため，代表例として TS 継手の観察結果を図 7 に示す．
同図はすべて溶接方向に平行な断面観察結果であり，(i)，5000(ii)は高荷重振幅（Pa=2100N）を与えた場合の溶接始端側，および終端側の観察結果を示している．なお同図の S，E123
溶接金属中心からの距離 [mm](b) CT-wide継手

4

図5 溶接部周辺の硬さ測定結果

は図において確認されたき裂の発生，終点の場所をそれぞれ示している．同図より，き裂発生起点は鋼板の間のスリット先端であり，溶接始端および終端側のき裂は溶接金属領域内を溶接方向と平行に進展していることが観察された．
次に，より低い荷重振幅（Pa=900N）を与えた場合の継3.3 静的引張試験結果

手中央断面の溶接始端側，および終端側を観察した結果を各継手の静的引張試験結果および静的強度を図 6，表 4

図 8 に示す．同図より，き裂発生起点は鋼板の間のスリッにそれぞれ示す．同図縦軸は継手に負荷した試験力を，横ト先端であり，溶接始端および終端側のき裂は溶接金属領

軸はピストン変位を表している．なお，各継手において，域内を溶接方向に対して約 50～60°の方向へと進展して最大荷重付近でビード部端よりき裂が確認され，その最大いることが観察された．

荷重を継手の静的強度とした．また，各継手 2～3 本を試以上の観察結果より，溶接部に主にせん断の負荷を受け験に供し，同程度の静的強度となることを確認している．

る溶接継手の場合，き裂発生部は溶接部両端のスリット先同図より，TS，TS-Short，CT および CT-Wide 継手の静的端であること，また発生したき裂は負荷する試験力レベル強度は同程度あることがわかった．このことから，ビードにより，進展経路が異なることが明らかとなった．

幅は静的強度に顕著な影響を及ぼさないことがわかった．

1mm(i) 溶接始端部(i) 溶接始端部(ii) 溶接終端部

レーザー
照射方向

(a) 溶金部両端の断面観察結果(Pa=2,100N,N/Nf =80%)(a) 溶金部両端の断面観察結果(Pa=175N,N/Nf =89%)
レーザー
照射方向

1mm1mm1mm(ii) 溶接終端部

溶接方向(b) き裂進展経路の模式図
溶接方向

図9 損傷機構の観察（CT継手，CT-wide継手）(b) き裂進展経路の模式図
図7 損傷機構の観察（TS継手）

3.6 有限要素解析を用いた応力状態の検討
これまでの実験的検討より，レーザー溶接継手の損傷機構は溶接部両端のスリット先端であることが明らかとなった．そこで有限要素法 FEM 解析により，初期損傷の発生箇所であるスリット先端の応力状態を定量的に評価した．結果を図 10 に示す．
同図より，継手形状によらず，スリット先端には非常に高い応力が作用していることがわかる．さらに，スリット

1mm1mm(i) 溶接始端部(ii) 溶接終端部(a) 溶金部両端の断面観察結果(Pa=900N,N/Nf =57%)

先端から 1mm 程度内部にはほとんど応力が作用していないこともわかる．このような高い応力状態であるスリット先端が初期損傷の発生起点となり，き裂の発生を助長し，最終的な継手全体の破壊を導くことが明らかとなった．

レーザー
照射方向

4,800MPa

溶接方向(b) き裂進展経路の模式図
図8 損傷機構の観察（TS継手）
3.5

繰返し負荷試験による損傷機構（CT 継手，CT-wide(a) TS継手

0MPa
6,700MPa(b) CT継手

0MPa継手）
前節同様，CT 継手，および CT-wide 継手に繰返し負荷を与え，試験途中で試験を停止し，継手中央断面を観察することにより，両継手の損傷機構の解明を行った．なお，
CT 継手，および CT-wide 継手に損傷機構の差異は確認されなかったため，代表例として CT-wide 継手の観察結果を
図 9 に示す．
同図より，Ct-wide 継手のき裂発生箇所は，TS 継手同様，溶接部始端部，および溶接部終端部のスリット先端であり，き裂発生後，溶接金属領域内を溶接方向に対し約 40～50°の方向へ進展していることが観察された．なお，CT継手，および CT-wide 継手の場合，負荷する試験力レベルによらず，全て同様の損傷機構であった．

図10 各種継手のスリット先端の応力状態

3.7より優れた耐久性を有するレーザー溶接接合技術の提案
これまで得られた実験的知見を総合すると，レーザー溶接継手の弱部は溶接始端部，および終端部に形成されるス解明し，得られた知見を基に，より優れた耐久性を有するレーザー溶接接合技術の提案を行った．今後，提案する新接合技術の優位性・有用性について積極的に検討を行う予定である．

リット先端であるといえる．これら劣化損傷機構の解明に謝基づくと，より優れた耐久性を有する高機能接合継手を実辞現するためには，上述したスリットを形成しないことが重本研究の遂行をご支援いただきました公益財団法人天田要であることが考えられる．例えば，予め 2 枚の鋼板を樹財団に深く謝意を表します．

脂接着し，そこにレーザー溶接を施すことにより，上述し参考文献たスリット先端の形成を抑制することが可能となる．今後は，このような複合接着技術の開発を行い，その耐久性に1)ついて実験的検討を行っていく予定である．

津田，臺丸谷，小林，砂山：高張力鋼板のレーザー溶
接継手の衝撃引張特性に及ぼす予疲労の影響，材料,Vol.55, No.9(2006),824-830.

４．結び
本研究では，負荷様式の異なる 2 種のレーザー溶接試験体を用い，繰返し負荷に対する内部劣化損傷機構を詳細に

2)

北村：レーザ溶接重ね継手の強度に関する基礎研究,溶接学会誌, Vol.73, No.8(2004), 565-568.