レ ー ザ を 用 い た 高エネ ルギ ー密度 加工技 術の研 究

レーザを用いた高エネルギー密度加工技術の研究−溶接部の品質に及ぼすレーザ溶接条件−
高橋 幾久雄＊、桑嶋 孝幸＊
岩手県接合技術研究会
板厚1.0〜3.0mm厚さのステンレス鋼を供試材に、YAGレーザ装置を用いて溶接を行い、溶接部の品質に及ぼす溶接条件を検討した。
シールドガスにArを用いると0.2〜0.4mmのブローホールが発生し易いが、N2を用いるとブローホールの発生は認められない。パルス溶接はＣＷ（連続）溶接に比べてビード幅は狭い。溶接部の引っ張り強さは母材と同等である。ＴＩＧ溶接と比較すると、ビード幅は約半分で、溶接変形防止に有効である。等の結論を得た。
キーワード：YAGレーザ、ステンレス鋼、溶接、シールドガス、ブローホール、ビード幅

Study on High Density Processing Technique Using Laser− the affect of the welding conditions on the welding zone −TAKAHASHI Ikuo and KUWASHIMA Takayuki
Joining and Welding resrarch association of Iwate prefecture
Thickness of 1,2,3mm stainless steel are welded by YAG laser using Ar and N2
shielding gas,and the affect of the welding conditions on the weld zone are studied.
(1) In the case of using Ar shielding gas, there are many blowholes in the welding zone, butusing N2 stield gas, there are not blowhole in the welding zone.
(2) The bead width of the pulse laser welding is narrow in comparison with the CW laserwelding.
(3) The tensile strength is equal to the pulse laser welding in the base metal. The beadwidth of the pulse laser welding is half as large as TIG welding. YAG laser welding iseffective in the prevention of welding deformation.
key words : YAG laser, stainless steel, welding, shielding gas, blowhole, bead width
１

緒

言検討し、レーザ溶接の基礎的性状を調べた。

高エネルギー密度熱源であるレーザを用いる加工技術
は局所的な熱処理や微細加工、溶接、切断等に優れた性２能を発揮する。レーザの特徴は、①集光により高エネル２−１溶接方法ギー密度が得られる。②遠距離の伝送が可能である。③

実験方法

用いたレーザ装置は最大出力 2.5kW の YAG レーザワークと接触しない。④自動化が容易。⑤熱影響が少な加工機である。供試材の材質は SUS304、板厚は 1.0、い。⑥雰囲気を選ばない。等が挙げられる1)。

2.0、3.0mm の 3 種類で、大きさ及び形状は幅 35mm、県内企業はCO2レーザを用いての切断加工が多く、YAG長さ 150mm の板状である。供試材の接合端面は研削加レーザ装置の高出力化に伴い、その活用に期待が寄せら工し、アセトンで脱脂して用いた。接合形状はルート間れている。しかしYAGレーザ溶接の出力やシールドガス、隔 0mm のＩ形突き合わせで、TIG 溶接で両端を仮付け溶接速度等の溶接条件が溶接欠陥や強さ等の品質に及ぼ溶接してから拘束ジグに固定し溶接した。

す影響が不明確になっているのが現状である。
本研究はステンレス鋼を供試材に、YAG レーザ装置を用いて溶接を行い、溶接部の品質に及ぼす溶接条件を

＊

金属材料部

表１に溶接条件を示すが、CW 溶接の他にパルス溶接を行 った。パルス溶接は図１に示すように、波高比80:20、周波数 50Hz である。

岩 手 県 工 業 技 術 セ ン タ ー研 究報告
表１1.0mm の溶接部にブローホールの発生は認められない

溶接条件

が、板厚 2.0mm と 3.0mm の溶接金属内に直径 0.2mm

板厚 (mm)因子
出力3.0〜 0.4mm のブローホールが発生していた。溶接長 601.0、1.2

1.6、1.8mm 当たりの発生個数を図３と図４に示すが、レーザ

1.4、1.6

2.0、2.2

出力が高く、溶接速度が速いと発生個数が少なくなる傾

1.0(kW)

2.00.8溶接速度(cm/min)

80、90、100、110、120

シールドガス
照射法

向が認められる。出力が大きいと凝固までの時間が長い

Ａｒ、Ｎ２

ため、ガスが溶接金属から浮上し易く、溶接速度が速い

ＣＷ（連続）、パルスとビード幅が狭くなる、いわゆる単位溶接長当たりの溶

焦点位置

供試材表面

照射角度

第８ 号（２ ００１ ）（度）

０

接金属量が少なくなることに起因している。

（垂直）
101001.4k W
1.6k W

880

個 数 （個 ）

（％）

50Hz

波高比

1.0k W
1.2k W

t=2.0m m

606440220080000.010.020.030.04
時 間 (sec)

0.050.06

90100110
溶 接 速 度 (cm /m in)

図３ Arガスシールド溶接部のブローホール発生個数

図１ パルスの波形と時間

50t=3.0m m

溶接部の評価法

溶接部の評価方法は溶接外観として表面及び裏面のビード形状、Ｘ線透過試験による内部欠陥検査、断面マクロ組織によるビード幅、余盛及び裏波高さ、熱影響部の幅、引っ張り強さ等を調べた。また、ＴＩＧ溶接との比較を同様の項目で行った。
３３−１1.6kW
1.8kW

2.0kW
2.2kW40
個 数 （個 ）２−２1203020100

実験結果及び考察ＡｒガスシールドＣＷ溶接

板厚 3.0mm の供試材をレーザ出力 2.2kW で溶接し8090100110
溶 接速 度 （cm/m in）

120

図４ Arガスシールド溶接部のブローホール発生個数

た表ビードと裏ビードの外観を図２に示す。溶接速度が異なっても板の裏面まで溶け込む、いわゆるキーホール

図５に板厚 2.0mm の溶接部断面のマクロ組織を示す。

溶 接 状 態 に な っ て い る こ と が 判 る 。 板 厚 1.0 及 び

出力が高く、溶接速度が遅いほどビード幅は広くなる傾2.0mm も同様で、平滑な表裏ビードが得られる。

向が認められる。マクロ組織からブローホール以外の溶Ｘ線透過法で溶接部の内部欠陥検査した結果、板厚

溶接速度：80cm/min

表ビ ード

裏ビ ード

90cm/min

接欠陥発生は認められない。また各板厚全ての溶接材で黙視による熱影響部は確認できなかった。
レーザ溶接では断面板厚中央部付近がくびれるネイルヘッド状の溶接金属になる。各板厚のマクロ組織から表面ビード幅と最小ビード幅の測定結果を図６から図８に示す。溶接速度が速く、出力が少ないほど、表面ビード100cm/min

幅・最小ビード幅共に小さくなる傾向が顕著に認められ110cm/min

る。余盛高さと裏波高さを測定した結果、板厚 1mm の
余盛高さは 0 〜 0.1mm、2mm 厚は 0.1 〜− 0.1mm、120cm/min

3mm 厚は 0.2 〜− 0.1mm で、出力が大きいとのど厚不足になる傾向がある。裏波高さは 1mm 厚で 0 〜

図２ Arガスシールド溶接ビードの外観（出力:2.2kW、t=3.0mm)

0.1mm、2 〜 3mm 厚では 0 〜 0.4mm の範囲で裏波が形成され、溶け込み不足は認められない。

レ ー ザ を 用 い た 高エネ ルギ ー密度 加工技 術の研 究

出力：1.0kW

1.2kW

1.4kW

1.6kW

3.5

溶接速度：80cm/min

1.6kW
1.8kW

表面ビ ード幅

2.0kW
2.2kW

ビード幅 （mm）

3.090cm/min
100cm/min

2.52.01.5
1.0110cm/min

最小ビ ード幅0.5

t=3.0mm

120cm/min0

図５ Arガスシールド溶接部断面のマクロ組織(t=2.0mm)

図８ Arガスシールド溶接部断面のビード幅

2.50.8kW

表面ビ ード幅
最小ビ ード幅

代表して板厚 2.0mm のビード幅測定結果を図９に示

ように t=2.0mm で出力 1.0kW、溶接速度が 100 〜120cm/min はキーホール溶接ができず、溶け込み不足
表面ビ ード幅になっている。溶け込み深さは Ar ガスシールド溶接に比べて少ないと想定されるが、板厚 1.0mm と 3.0mm

t=1.0mm
最小ビード幅08090100110120
溶接速度 （cm/min）
図６ Arガスシールド溶接部断面のビード幅3.0
表面ビード幅

2.5

1.4kW
1.6kW

1.0kW
1.2kW

2.0は全てキーホール溶接になっている。

3.0t=2.0mm

表面ビ ード幅

2.5
2.0
1.5
1.00.5

1.5

1.0kW
1.2kW
90100110
溶接速度 (cm/min)

最小ビ ード幅
01.00.50

最小ビ ード幅
80t=2.0mm

90100110
溶接速度 (cm/min)

120

0.6

シールドガスを N2 に変えて同じ条件で溶接した。表裏のビード外観は Ar ガスシールド溶接と変わりなく平滑なビードが得られる。溶接材のＸ線透過試験結果はいずれの試験材もブローホールの発生は認められなかった。
これは窒素ガス雰囲気では溶融金属の表面張力が低下し、溶融池の流動性が改善される 2)ことと、窒素ガスはオーステナイト組織安定化元素で、フェライト組織に比べてガスの固溶量が大きいためである。ブローホール以外の

余盛裏波高さ (mm)Ｎ２ガスシールドＣＷ溶接

80

1.4kW
1.6kW120

図９ N2ガスシールド溶接部断面のビード幅

図７ Arガスシールド溶接部断面のビード幅
３−２120

ど厚を調べると、図１０の余盛裏波高さ測定結果に示す

0.5

ビード幅 (mm)100110
溶接速度 （cm/min）

すが、Ar ガスシールド溶接と大差ない。ただビードの1.5
1.090

内部欠陥の発生は認められない。

ビード幅 (mm)

ビード幅 (mm)

2.080

1.0kW
1.2kW

0.4

1.4kW
1.6kW

0.20-0.2-0.4-0.6

白抜：余盛高さ
黒塗：裏波高さ
8090100110
溶接速度 (cm/min)

t=2.0mm120

図１０ N2ガスシールド溶接部断面の余盛裏波高さ岩 手 県 工 業 技 術 セ ン タ ー研 究報告
３−３

第８ 号（２ ００１ ）パルス溶接用母材は 700N/mm2 のためである。CW 溶

Ｎ２ガスシールドパルス溶接

N2 ガスシールドパルス溶接は平均出力が 1.7kW 以上接、パルス溶接共にほぼ母材の強さが得られる。にできなかったので、板厚 3.0mm は 1.6kW のみ行った。いずれの溶接材もビード外観は良好であった。図

ArガスシールドCW溶接 ： 母材破断

１１ に板厚 2.0mm の溶接断面マクロ組織を示す。こArガスシールドCW溶接 ： 母材破断のマクロ組織からビード幅を測定した結果を図１２に示N2ガスシールドCW溶接 ： 母材破断す。図９に示すＣＷ溶接のビード幅は出力に依存し、大きく異なるのに対して、パルス溶接は出力や溶接速度のN2ガスシールドCW溶接 ： 母材破断影響を受けず、ビード幅はほぼ同じ値を示し、変化が少N2ガスシールドパルス溶接 ： 溶接部破断ないことが判明した。更にビード幅はＣＷ溶接に比較し、N2ガスシールドパルス溶接 ： 溶接部破断出力が小さいほど狭くなる傾向が高かった。余盛高さと裏波高さを測定した結果、余盛高さは 0.1 〜− 0.1mm、0100200

裏波高さは０.1 〜 0.3mm になる。

300
400500
引っ張り強さ (kN/min）

600700

図１３ 溶接材の引っ張り強さと破断箇所

出力：1.0kW 1.2kW

1.4kW

1.6kW
３−５

溶接速度：80cm/min

ＴＩＧ溶接との比較

図１４は板厚 3.0mm のＴＩＧ溶接条件と断面マクロ組織を示す。ＴＩＧ溶接の表面ビード幅は 5.2mm、最90cm/min

小ビード幅は 3.0mm で、レーザ溶接に比べて、表面ビード幅・最小ビード幅共に２倍近く広くなる。このこと

100cm/min

は溶接変形防止にレーザ溶接が有効と考えられる。また
表面の凹みは 0.3mm、裏側の凹みは 0.1mm である。

110cm/min

熱影響部はレーザ溶接では殆ど生じないが、ＴＩＧ溶接は 0.1 〜 0.3mm 幅に生じる。ＴＩＧ溶接の溶接速度30cm/min に対して、レーザ溶接の溶接速度は 2.5 〜 4120cm/min倍で溶接能率向上にも有意と考えられる。
図１１ パルス溶接の断面マクロ組織 (t=2.0mm)

3.01.0kW
1.2kW

ビード幅 (mm)2.52.01.4kW
1.6kW

表面ビ ード

溶接条件
溶接電流

120A

アーク電圧

29V

溶接速度30cm/min

図１４1.5４1.0

ＴＩＧ溶接条件と断面マクロ組織結言ステンレス鋼のレーザ溶接について検討した結果、以0.5

最小ビ ード下の結論を得た。

t=2.0mm08090100110
溶接速度 (cm/min)

図１２

パルス溶接断面のビード幅

３−４

溶接部の強さ120(1)Ar シールドガス溶接は小さいブローホールが発生し易い。N2 ガスシールド溶接はブローホールの発生が認められない。
(2)パルス溶接は連続溶接に比べて、ビード幅は狭い。
(3)レーザ溶接部の引っ張り強さは母材と同等である。

溶接部の強さを調べるために、板厚 3.0mm、レーザ
出力 1.6kW、溶接速度 100cm/min の溶接条件の試験材(4)レーザ溶接は TIG 溶接に比べ、ビード幅は半分ほどで、熱影響部は確認できず、溶接速度もかなり速くできる。

で引っ張り試験を行った。余盛と裏波は溶接のままである。引っ張り試験結果を図１３に示す。パルス溶接が

文

献

CW 溶接より引っ張り強さが高いのに溶接部破断になっ

1) 松田福久:レーザ表面改質の現状と展開,4, (2001)ているのは、ステンレス鋼母材の購入ロッドが異なり、

2) 川口聖一:ステンレス鋼のレーザ溶接金属の品質,溶CW 溶接用母材の引っ張り強さは 650N/mm2 に対して

接学会誌, 第68巻,(1999),6,P32