3 次元レーザフォーミングにおける被加工材の変形メカニズム－大変形を受けたフレームの修復技術への応用－
兵庫県立大学 大学院工学研究科機械系工学専攻
准教授 布引雅之(平成２３年度一般研究開発助成 AF-2011219）
キーワード：レーザフォーミング 変形修復

ステンレス鋼板
2 実験方法

１．研究の目的と背景
日本において金属薄板のプレス工業はその販売額が 12.1

塑性変形部作成方法

兆円／年を 20 年以上維持しており，日本の大きな基幹産

図 1(a)に示すように 100 ㎜×100 ㎜×1 ㎜の SUS304 材業であるといえる１）．近年，工業用材料として使用されるの中央に直径約 20 ㎜・深さ 1.5～1.6 ㎜のすり鉢状の塑性

金属薄板のプレス加工に求められる形状精度はますます変形部を作成した．試料の下に直径 22 ㎜の穴を開けた SK高くなっており，スプリングバックによって生じる形状誤材ブロックを敷き，半径 10 ㎜の鋼球をプレス機に設置し差を抑制あるいは矯正する方法が望まれている．またステて，約 1ｋN の押し付け荷重で押し付けた． 試料は曲げ応ンレス鋼板が多く用いられている電車や自動車の車輌外力と引張り応力を受けて変形する．ただし，図 1(c)に示板が外力により凹状に塑性変形した場合には一旦外板をすように，塑性変形部の外周の部分領域は主に曲げにより，取り外し内側から叩き出す必要があり修復に要する時間

鋼球が押し付けられている中心部付近は主に引張によりとコストが増加するという問題がある．よって外板を取り変形していると考えられる．試料は表面と裏面に生じた伸外すことなく塑性変形部を修復する新たな手法が望まれび（引張り塑性ひずみ）の差で曲がっているため，塑性変ている． 筆者らは上記のような場合にレーザフォーミン形部を修復するには，表面と裏面のひずみを均衡させるとグが有効であると考えた．レーザフォーミングは板材表面ともに引張りひずみを解消する必要がある．にレーザ光を照射し，局所的な熱応力によって塑性変形さ1kNせて板を曲げる加工法である． 難波ら２）によってレーザフォーミングの加工方法が報告されてから，国内外においworkpiece
SR10mm
SUS3041001001mmてさまざまな研究がなされてきた３－9）．その内容は変形メカニズムの解明・薄板の曲げ・パイプ曲げ・三次元形状の作成など多岐にわたっている．本研究室においても CO2 レ

vices
workpiece

jigjigーザを用いた純チタン板やマグネシウム合金板のレーザフォーミングを行ってきた 10-13）．しかし，それらの多くは

SK11

平板の曲げ加工であり，レーザフォーミングの三次元形状(b)試料外観(b)プレス過程への適用例は未だ少なく，レーザフォーミングによる加工の新たな分野の開拓・基礎研究を行うことが必要であるとExtra force
Tensile plasticstrain

考えた．
そこで，筆者らはレーザフォーミングを用いて，工業製品として広く使用されている SUS304 板に付けられた直径20 ㎜深さ 1.5 ㎜程のすり鉢状の塑性変形部の形状を修復する方法を提案する．レーザフォーミングにより外板を取(c)試料に残留する応力り外すことなく塑性変形部を修復できれば修理等にかか
図1

る時間とコストを大幅に低減できる．また，技量が必要である人の手による板金作業に代わってレーザ加工機によ

2.2

レーザフォーミングによる形状回復実験

本研究では CO2 レーザ加工機を用いて，厚さ 1mm のる自動化が可能になれば，修正作業が簡便に行えると考えられる．

塑性変形部作成方法

SUS304 板へレーザフォーミングを施し，形状の修復を図－ 188 －った．図 2 のように，照射前後の試料形状の形状をレーザ3.実験結果変位計を用いて測定し，図 3 の中心部変位量(d1-d2）を回3.1

塑性変形部外周部へのレーザフォーミング復量と定義し，回復率(d1-d2）/d1 でレーザフォーミング

100 ㎜×100 ㎜×1 ㎜の SUS304 材に生成したすり鉢形状の効果を評価する．すり鉢状の塑性変形部を修復するための凹みをレーザ変位計を用いて測定し，次に表 1 に示す出に，図 4 のような複数の同心円に沿ってレーザを走査させ力 300W のレーザを用いて凹みにレーザフォーミングを適る．この円の 1 つ 1 つを経路と呼び，外側から順番に経路用した後，再び形状を測定することを繰り返し，レーザフ1，経路 2，…とする．形状回復処理においては外側の経ォーミングの効果を検討した．図 5 に円形照射における塑路から順番に，内側の経路へと，レーザフォーミングを行性変形部の回復過程を示している．図中の●印はレーザ回っていく．デフォーカス量を 14 ㎜（スポット直径 1.98

復処理を行う前の表面の形状である．レーザ照射前に最大㎜）に固定し，1 経路に対して送り速度 5 ㎜/sec でレーザ深さが 1.42 ㎜であった塑性変形部に対して，外側の同心を 5 周走査させ，その後，乾燥空気をガス圧 0.25kPa で吹円から内側の同心円へレーザフォーミングを施すことで，き付けながら送り速度 5 ㎜/sec で 5 周走査させる．この最終的に最大深さは 0.23 ㎜へ減少し，形状は 84％回復し加熱 5 周・冷却 5 周を 1 セットとして照射回数を設定する．

た．

レーザ照射条件が曲げ挙動に及ぼす影響，各同心円へのレ

本実験では温度勾配メカニズム(TGM)で試料が変形するーザ照射後に冷却過程を挿入する効果について検討した．

ようにレーザ照射条件を設定しており，レーザが照射され冷却においては乾燥空気を同心円上に吹き付けた．

た部分は上に反るように変形する．そのため変形部は周辺

CCD laser displacement
sensorを巻き込んで中央の凹部を持ち上げるようとする．塑性変outer zone

ことを確認した．

inner zone

表1

塑性変形部の形状計測方法

inner zone
outer zone
outer zone
0d2

displacement mm

図2に試料につけられた凹みが周辺から徐々に回復していく

x-0.4-0.8 convex
convexsectionsection-1.2
concavesection-1.6-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20x mmdisplacement (mm）塑性変形部の形状と回復率の定義

yV=5mm/sec

scanning paths

12345

diameter of scanning path20

1714118

power300W

beam diameter1.98

heating-cooling cycles

3 sets0d1

図3

レーザ照射条件 1(P=300W)

-0.8
-1.2

8
 11
 14
 17
 20

1.42mmbefore processing-1.6-20 -14 -12 -8

図5x0.23mm

-0.4

84%

A cone-shaped dent

形部の外側から内側に向けて順にレーザを照射すると共y-4048
12 16 20x (mm）レーザフォーミングによる形状回復過程（P=300W)

次に表 2 に示す出力 350W のレーザを用いて形状回復を

SUS304(1001001mm)行った際のレーザフォーミング前後における塑性変形部全体形状を示す．図 6(a)はレーザフォーミング前の試料

CO2LaserDry air

Df=14mm形状である．図 6(b)はレーザフォーミング後の試料形状yyである．図は試料中心部（20 ㎜×20 ㎜）の表面形状の 3次元グラフである．1.5 ㎜あった窪みは，レーザフォーミ

xx

ング後には 0.27 ㎜まで減少し，形状は約 82%程度回復し
V=5mm/sec

×5timesHeating process

図4

V=5mm/sec×5times
Cooling processている．実験結果より，曲げが主で塑性変形している外周部分はレーザフォーミングによって形状回復が進んでいレーザフォーミングによる形状回復手法－ 189 －ることを確認した．しかし中心部の変形を完全に回復する

図 8 は，深さ 1.16mm の浅い凹みにレーザフォーミングをことはできなかった．そのには，材料に生じた引張りによ施した場合，回復率が 89%になったことを示している．まるたわみを解消する必要があると考えられる．また，今回た，図 5 より深さ 1.42mm の中程度の凹みの場合は回復率の実験では出力 350W の方が出力 300W の場合に比べて回復が 85%であり，これらの結果より塑性変形量が大きくなる率が悪くなったが，これは試料に事前に与えられた塑性変ほど同条件のレーザフォーミングでは回復量が小さくな形量の影響と受けているからだと考えられる．

るが分かった．

表2

レーザ照射条件 2（P=350W)

scanning paths

12

diameter of scanning path

20

17

3.3 中心部へのレーザ照射が変形回復量に及ぼす影響34514118

power

350W

beam diameter1.98

heating-cooling cycles

3 sets塑性変形中心部の形状回復を図るため，中心部にもレーザを照射するとともに，出力の異なるレーザを照射し，レーザ出力が変形回復量に及ぼす影響を調べた．実験では，
まず図 7 の結果と比較するために表 3 に示すように内側の経路(φ5,φ2)に対してもレーザフォーミングを施した．
次に 6 の結果と比較するために表 4 に示すような 7 つの経0.27路に対して外側から順にレーザフォーミングを行った．
表31.50
BeforeAfter(a)レーザ照射前
図6(b)レーザ照射後レーザフォーミングによる形状回復（P=350W)

レーザ照射条件３(P=300W)

scanning paths

145

67

diameter of scanningpath

20 17 14 1123

8

5

2power

300W

beam diameter1.98

heating-cooling cycles

3 sets塑性変形部の異なる試料に，表 1 と同じレーザ照射条件でレーザフォーミングを施した結果を図 7 と図 8 に示す。

displacement (mm）3.2 塑性変形部の深さが回復率に及ぼす影響

0-0.8

0-1.20.50mm68%-0.8-1.2-1.6-20 -14 -12 -8

displacement (mm）

図90y mm48

表412 16 20

塑性変形量が形状回復に及ぼす影響（d1=1.54mm)

00.13mm

1.16mm-1.2-1.6-20 -14 -12 -8

図8-404x (mm）

812 16 20

塑性変形量が形状回復に及ぼす影響（d1=1.16mm)

図 7 は，深さ 1.54mm の深い凹みにレーザフォーミングを施した結果，回復率が 68%であったことを示している.

displacement (mm）

-0.8

89%

-0.4

-4 y 0mm48

12 16 20

中心部へのレーザ照射による形状回復（P=300W)

1.54mm-4

1.54mm

-1.6-20 -14 -12 -8

レーザ照射条件 4（P=350W)

scanning paths

1diameter of scanningpath

20 17 14 11 8 5 2234

power

350W

beam diameter1.98

heating-cooling cycles

3 sets05

70.26mm-0.4-0.8-1.2-1.6-20 -14 -12 -8683%-0.4

図70.45mm
71%

displacement (mm）-0.4

1.51mm04
8 12 16 20y mm
図 10 中心部へのレーザ照射による形状回復（P=350W)－ 190 －-4

最大深さが 1.54 ㎜の塑性変形部に出力 300W のレーザを部の最大深さは 0.45 ㎜であり，形状は約 70％回復してお中心部にまで照射した場合，図 9 のように最大深さは 0.45り．経路 6（φ5）へのレーザ照射により，更に 3％の回復㎜に減少し，回復率は 71%になった．図 7 に示す外周部だがみられた．ただし，経路 7（φ2）へのレーザ照射では，けにレーザ照射した場合に比べて回復率は 3%高くなった．

試料形状にほとんど回復は見られなかった．

また，最大深さが 1.51 ㎜に出力 350W のレーザを中心部まで照射した場合，図 10 のように最大深さは 0.26 ㎜となり，3.5

塑性変形部周辺へのレーザ照射が変形回復量に及ぼ回復率は 83%となった．図 6 に示す外周部だけにレーザ照す影響射した場合に比べて僅かではあるが 1%回復した.これよ

本研究が提案しているレーザフォーミングにより，塑性り中心部近傍までレーザフォーミングを施せば，回復量が変形部の外周付近は形状の回復が実現しているものと考僅かではあるが上昇することが分かった．

えられるが，変形の中心領域の凹みは全体としての試料の伸びを解消しなければ塑性変形前に回復することは困難であると考えられる．そこで，塑性変形量の少ない範囲か3.4 スポット径を絞ったレーザによる中心部の変形回復
単純に同じレーザ照射条件で塑性変形中心部までレーらレーザを照射することで，中心部を外側に引張り形状回ザを照射しても中心部(φ5,φ2)を精度よく回復させるこ復できるのではないかと考えた．塑性変形部の周囲に UMとはできなかった．この原因のひとつとして，中心部付近を発生させることができれば，塑性変形部を外側に引張るにおいてはレーザスポット直径に比べて照射経路の直径効果が生じると考え，本実験では塑性変形部の周囲のへもが小さく，自己冷却が効かなくなり表面と裏面の温度差がレーザを照射した．

減少するとともに広い範囲の温度が高くなるため，温度勾

塑性変形部の周囲（φ40φ37φ34φ31φ28φ25φ22）で配メカニズムから座屈メカニズムに移ったことが考えら

はレーザ出力を 250W に設定し，塑性変形部（φ19φ16φれる．そこで表４のように経路 6(φ5)と経路 7(φ2)にお13φ10φ7）ではレーザ出力を 350W に設定し，レーザフォいてレーザのスポット径を 1/2 とし，またビーム中心でのーミングを行った．その結果，図 12 に示すように，塑性エネルギー密度が外周部での照射条件と変わらないよう変形部の周囲にもＴＧＭによって塑性変形部の周囲が上に出力を 1/4 としてレーザフォーミングを行った．実験のに反ろうとしていることがわかる．ただし，中心部には結果を図 11 に示す．

0.41 ㎜程度の凹みが残っていおり，中心部の完全な回復
レーザ照射条件 523には至らなかった．

scanning paths

14567

diameter of scanningpath20 17 14 11852250W

300W

87W

beam diameter

1.98

1.00

heating-cooling cycles

3 sets0.4

displacement (mm）

350W

250W

0powerdisplacement (mm）表5-0.4-0.8-1.2-1.60-25-20-15

図 12

変形部周囲へのレーザ照射の効果-0.4-10-50y(mm)510152025-0.84.結-1.2

言本研究では SUS304 板につけられたすり鉢状の塑性変形-1.6-20-16

図 11-12-8-40y(mm)48121620

部を修復するために，複数の同心円上にレーザを走査させてレーザフォーミングを施し，凹みを回復させる手法を考スポット直径と出力の変更による効果案し，その有効性を検証した．得られた成果を以下に示す．
最大深さ 1.50 ㎜の塑性変形部がレーザフォーミング後

１）塑性変形部外周の円形状の走査経路（φ20φ17φ14には 0.4 ㎜まで減少し，形状は約 73％回復した．この中

φ11φ8 の 5 経路）に，出力 CW350W，スポット直径 1.98で経路 5（φ8）へのレーザ照射後の時点では，塑性変形㎜のレーザを送り速度 5 ㎜/sec で照射し，各経路に加熱－ 191 －

－冷却サイクルを 3 セット行った．外側から内側へ順にレ

Sci. E-T ASME. 123 (2001) 674-681.

ーザフォーミングを行った結果，最大深さが 1.50 ㎜であ７） Z. Hu 1, R. Kovacevic, M. Labudovic, Experimental

ったすり鉢状の塑性変形部を最大深さが 0.27 ㎜になるまand numerical modeling of buckling instability ofで減少させ 82％程度形状回復することができた．

laser sheet forming, Int. J. Mach. Tools Manu. 42２）最大深さが 1.54 ㎜の塑性変形部に出力(300W)のレー(2002) 1427-1439.

ザを中心まで照射した場合，塑性変形部の最大深さは８）E. Abed, S. P. Edwardson, G. Dearden and K. G.

0.45 ㎜と 71%しか回復しなかったが，同程度の凹み（最大Watkins: Geometrical-based Control Method for 3D Laser

深さ：1.51 ㎜）に出力 350W のレーザを照射した場合，最Forming, Laser Assisted Net Shape Engineering 5,

大深さは 0.26 ㎜となり 83%回復し，出力に比例して回復

Proceedings of the LANE 2007 (2007) pp. 1043-1052.

率が向上することを確認した．

９）S. P. Edwardson, K. Edwards, C. Carey, G. Dearden

３）温度勾配メカニズム(TGM)により，レーザが照射されand K. G. Watkins, Laser forming for ship building

た部分は上に反るように変形してその周辺を巻き込んでapplications, Steel Tech 2, no. 4 (2008) 42-46.

中央の凹んだ部分を持ち上げると考えた．また実験より塑

１０）奥田孝一，戸田吉宣，布引雅之: CO2 レーザによる性変形部の外側から内側に向けて順にレーザを照射する

マグネシウム合金板の曲げ加工に関する研究（第２報）－に伴って試料につけられた凹みが周辺から徐々に回復しレーザスポット径の曲げ変形挙動に及ぼす影響－, 精密ていくことを確認した．

工学会誌，Vol.72，No.2，pp.214-218 (2006)４）塑性変形中心部は外周に比べて変形しにくく，形状回１１） M. Nunobiki, K. Okuda, K. Hourai and H. Shizuka,

復を図るためにはレーザ出力を上げる，あるいは照射回数

Bending of Pure Titanium Sheet to Curved Surface Shapeを増やす必要があることが分かった．

by Laser Forming Technique, Advances in abrasive５）塑性変形部周囲へのレーザ照射することによって中心technology XIII, Vols. 126-128 (2010), pp. 388-393.

部分が若干外側へ引っ張られる効果は見られたものの，平１２）M. Nunobiki, K. Okuda, T. Takagawa and H. Shizuka,板を完全に回復するには至らなかった．

Deformation behavior simulation in laser forming oftitanium sheet - Influence of free edge on deformation

謝辞

behavior in laser forming -, Advances in abrasive

本研究を遂行するにあたり，公益法人天田財団の平成

technology XIV, (2011) pp. 725-730.

23 年度の一般研究開発助成を賜りました．ここに深く感

１３）布引雅之，蓬莱康佑，奥田孝一，静弘生: CO2 レー

謝の意を表します．

ザフォーミングによる純チタン板の曲面形成に関する研究, 砥粒加工学会誌, 55, pp.739-543 (2011)

参考文献
１）モノづくりの原点科学の世界 VOL.1，ニッポン・スチール・マンスリー 2003. 5 月号

pp.11-20

２）Y. Namba: Laser Forming in Space, Proceedings ofthe International Conference on Lasers ‘85, Las Vegas,(1986) p. 403.
３）上田隆司，山田啓司，及川志郎，細川晃：レーザフォ
ーミング加工に関する基礎的研究，精密工学会誌，67，
2(2001)300
４）三須直志，佐野裕，宮崎俊行，吉岡俊郎，徳永剛，田中義弘：薄板のレーザ曲げ加工，精密工学会誌，71，（2005）５）杉田淳，吉岡俊郎，中村正美，宮崎俊行，三須直史：ステンレス鋼パイプの CO2 レーザによる収縮変形加工―
段付加工および真円度修正―，砥粒加工学会誌,（2008）６）Y. Wenchuan Li and Y. Lawrence, Laser bending oftubes: mechanism, analysis, and prediction, J. Manuf.

－ 192 －