高出力半導体レーザとホットワイヤ法とを組み合わせた極厚鋼板 1 パス縦向き溶接技術の開発
広島大学 大学院 工学研究科教授 山本 元道（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017230）
キーワード：高出力半導体レーザ，ホットワイヤ，厚鋼板，1 パス立向き，矩形ビーム

１．研究の目的と背景
近年，大型船舶建造分野では，高能率・高品質（低変形・2・2実験方法

図 2 に，板厚 26mm の試験片に対する実験システムの低入熱）溶接技術として有望なレーザ溶接技術の導入が強概略図を示す．まず 2 枚の母材鋼板を隙間（開先）を設けく期待されている．大型船舶では 20mm を超える板厚の鋼て水冷銅板上に設置し，隙間（開先）を含む母材鋼板側面板が主に使用されており，特に大型コンテナ船では，重要に水冷銅板を両側から軽く押し当てる．1 台の半導体レー強度部材に 50mm を超える板厚の高張力・高靭性鋼板が適ザ発振器によって任意のレーザビームを形成して試験片1〜5）．開先加工などはプラズマ切断およびガ上方から照射しつつ，水冷銅板上に設置した試験片を降下

ス切断で行われ，溶接長は 20m に達する場合もある．これさせることによって，1 パス立向き溶接を再現した．レー

までもレーザ・アークハイブリッド溶接の適用が検討されザ照射条件の影響を検討するために，固定照射および揺動てきたが，開先加工精度，ギャップ裕度，板厚，溶接継手照射を適宜適用した．

用されている

靭性，導入コストなどの問題で，板厚 10mm 程度以下の極限られた範囲での適用にとどまっている．

図 3 に，板厚 50mm の試験片に対する実験システムの概略図を示す．板厚 26mm での検討時と同様に，2 枚の著者らは，長年，ホットワイヤ法を用いた高能率・高品母材鋼板を隙間（開先）を設けて水冷銅板上に設置した．

質溶接技術の開発を行ってきた 6〜8）．近年は，アーク熱源

2 台の半導体レーザ発振器によって 2 つのレーザビームに比べてより精密な入熱制御，さらなる低入熱化・高能率をそれぞれ形成して，総出力 12kW の条件で 1 パス立向化が期待できる，レーザ熱源との組み合わせを検討してきき溶接を検討した．片方のレーザビームは固定照射とし，た．厚鋼板 1 パス立向き溶接技術に関するこれまでの研究

もう片方のレーザビームは揺動照射とした．

では，板厚 28mm 程度までの供試材料に対して，高出力半ホットワイヤは，側面の水冷銅板片側に送給用の穴を加導体レーザとホットワイヤ法とを組み合わせた溶接プロ工して送給した．シールドガスは，両側の水冷銅板内に加セスの実現に注力してきた 9〜10）．

工した穴を通じて開先内の溶融池上部に供給した．試験片本研究では，まず 6kW 高出力半導体レーザを用いて，ビーム形状・寸法の適正化，ビーム揺動照射条件の適正化お上方に小型高速度カメラを設置し，開先内での溶融池形成状態やホットワイヤ送給状態を観察した．

よび反射レーザ光による溶融現象の解明を実施した．さらに，2 台の 6kW 高出力半導体レーザを組み合わせて総出力を 12kW とし，板厚 50mm の極厚鋼板に対して本プロセスが適用可能か検討した．板厚に対して比較的低出力のレーザではあるが，レーザビーム形状およびエネルギー分布制御などを適正化することで，本プロセスが適用可能かを調査した 11〜12）．

２．供試材料および実験条件
2・1

図 1 試験片形状・寸法

供試材料

母材には，板厚 26mm および 50mm の造船用高張力鋼板を用いた．図 1 に示すように，試験片寸法は幅 50mm
あるいは 100mm，高さ 200mm とし，当該試験片 2 枚を幅 10mm の隙間（開先）を設けて突合せて設置し，立向き溶接を実施した．添加ワイヤには，直径 1.6mm の高張力鋼板用ワイヤ（JIS Z 3325 YGL2-6A (AP) ，JIS Z 3312
G78A4UMN5C1M3T）を用いた．

図 2 実験システム概略図（1 ビーム，板厚 26mm）

表 2 実験条件 2（板厚 26mm，1 ビーム）
Laser power, kWSpot size (Defocus), mm
Defocus amount, mm
Laser power density, W/mm2
Laser irradiating angle, deg.

62w x 27l
20111
0Weaving form

図 3 実験システム概略図（2 ビーム，板厚 50mm）
2・3

実験条件

Exponential

Sine

Weaving frequency, Hz
Duration time near groove surface, ms
Total duration time near groove surface
for 1 second, ms
Welding speed, cm/min
Wire feeding speed for one wire, m/min
Wire current for one wire, A
Wire feeding angle, deg.
Shielding gas (Ar), l/min

15
11.5

345
72.5

172.5

170

362.5

1.7
1.24934520

表 1 に板厚 26mm の試験片を用いてビーム形状（幅）およびビーム揺動照射の影響を検討した際の実験条件を，

表 3 実験条件 3（板厚 50mm，2 ビーム）

表 2 に板厚 26mm の試験片を用いてビーム揺動条件（波Irradiating type

StableWeaving形）の影響を検討した際の実験条件を，表 3 に板厚 50mm

Laser power, kW66の試験片を用いて 2 ビーム照射を行った際の実験条件をDefocus

Just focus

Just focus

それぞれ示す．表 1 に示した実験条件では，ビーム長さはLaser irradiating angle, deg.

350

板厚相当に設定し，ビーム幅は固定照射の場合は開先幅にLaser spot size, mm8x512x56合わせた 10mm，揺動照射の場合は 4mm あるいは 2mm

Weaving frequency, Hz5とした．レーザ出力は 6kW 一定としたため，それぞれのWeaving waveform

Exponential

ビーム形状でのエネルギー密度は，23，55，111W/mm2 でWelding speed, cm/min3.3ある．表 2 に示した実験条件では，揺動波形を 2 種類採用

Wire feeding speed, m/min

10し，揺動周波数を 15 あるいは 5Hz と変化させた．開先幅

Wire current, A

228

方向への揺動 1 サイクル中の開先表面においてレーザ照Shielding gas, 10 L/min

80%Ar + 20%O2

射時間は，揺動波形と揺動周波数との組み合わせにより11.5〜72.5ms となる．表 3 に示した板厚 50mm に対する

３．実験結果および考察

実験条件では，片側を 8×51mm の矩形レーザビームの定3・1常照射とし，もう片方を 2×56mm の矩形レーザビームの3・1・1揺動照射とした．

図 4 に，試験片上方から高速度カメラによって撮影したレーザビーム幅の影響溶接中可視化結果

溶接速度（試験片降下速度）は各条件で一定とし，ワイ開先内部の可視化画像の模式図と撮影例を示す．画像中央

ヤ送給速度は開先内を充填する必要十分な値とした．ホッの比較的輝度の高い部分が溶融池であり，溶融池中央部にトワイヤ電流は，上記ワイヤ送給速度に応じた適正値とし挿入されるホッとワイヤ先端も明瞭に確認できる．

た．シールドガスには Ar あるいは 80%Ar+20%O2 の混合ガスを用いた．

図 5 に，板厚 26mm の試験片を用いてビーム幅およびビーム揺動照射の影響を検討した際の可視化画像を示す．
図 6 には，図 5 の可視化画像を輝度分布として示す．溶接表 1 実験条件 1（板厚 26mm，1 ビーム）
Laser irradiation method
Weaving frequency, Hz
Weaving waveform
Laser irradiating angle, deg.
Laser power, kW
Spot size (Defocus), mm
Defocus amount, mm
Laser power density, W/mm2Welding speed, cm/min
Wire feeding speed, m/min
Wire current, A
Wire feeding angle, deg.
Shielding gas (Ar), l/min

Stationary10w x 26l
023161

Weaving
5Exponential
1564w x 27l2w x 27l
202055
111
3.3
5.31
181
164
4510

中の可視化動画から，全ての条件において安定した溶融池形成およびワイヤ送給が実現できていることが確認できた．図 6 に示した輝度分布を見ると，エネルギー密度の最も低いビード幅 10mm の定常照射条件では，輝度値（温度）は比較的低く，溶融池全体で均一な分布となっている．
一方，ビーム幅を狭くしてエネルギー密度を大きくし，揺動照射を適用した場合には，レーザビームの照射時間が相対的に長くなる開先壁面近傍（溶融池両端部）において輝度（温度）が高くなっている．さらに，ビーム幅が 2mmでエネルギー密度が最も高い場合には，開先壁面近傍の溶融池両端部の狭い範囲において輝度（温度）が比較的高くなっている．

3・1・2

断面観察結果図 7 に，継手の水平断面観察結果を示す．全ての条件において，レーザ照射側（写真上側）では溶接金属が完全に充填しておらず，ワイヤ送給側では十分な溶接金属が形成されている．ビーム幅が広くエネルギー密度の最も小さい
固定照射の条件では，ビーム幅が狭くエネルギー密度の大きい揺動照射の条件に比べて，ビード幅が狭く，開先に沿ったビードが形成されている．一方，ビード幅 4mm として揺動照射を適用した条件では，他の条件に比べてビード幅が広く母材溶融量が大きいことがわかる．

図 4 溶接中の可視化画像の模式図と撮影例

図 8 に，図 7 に示した各条件の継手断面において計測した板厚方向のビード幅分布を示す．溶接スタート位置から 50mm および 70mm の位置の 2 断面での計測結果を示している．
（a）に示すビーム幅が広くエネルギー密度の最も小さい固定照射の条件では，試験片両表面近傍に大きな融合不良が確認された．板厚中央部においても母材溶融量（溶込み）は非常に小さく，最大でも 1mm（片側 0.5mm）程度であった．一方，（b）に示すビード幅 4mm あるいは（c）に示すビード幅 2mm の揺動照射を適用した条件では，固定照射の条件に比べてビード幅が広く母材溶融量が大きいことがわかる．また融合不良も溶接スタート位置から 70mm の断面においてレーザ照射側の狭い範囲でのみ確認された．さらに，ビード幅 4mm では 2mm の場合に比べてエネルギー密度が 1/2 と大きく低下しているにもかかわらず，母材溶融量（溶込み）が大きくなっている．

図 5 溶接中の可視化画像

これは図 6 に示したように，開先幅（10mm）に対してビ（ビーム幅・揺動照射の影響，板厚 26mm）ーム幅を狭くしすぎるとレーザ照射と反対側の開先壁面近傍の温度が急激に低下する一方，開先幅に対してある程度のビーム幅を維持した場合には，当該部の温度低下が抑制できるためであると考えられる．
図 9 に，エネルギー密度および開先幅（WG ：10mm）に対するビーム幅（WL）の割合（WL/WG）とビード幅ならびに融合不良率との関係を示す．ビーム幅を広くしてエネルギー密度を小さくしすぎると，開先壁面近傍での温度上昇が不十分となり融合不良率が大きく上昇する．一方，開先幅に対してビーム幅を狭くしすぎると，エネルギー密度は大きくなりレーザ照射側の開先壁面近傍の温度は比較的上昇しやすくなり，融合不良率は大きく上昇しないものの，レーザ照射されていない反対側の開先壁面近傍の温度は急激に低下し，母材溶融量すなわちビード幅が小さくなったと考えられる．
本溶接プロセスを効率的かつ安定的に実施するためには，溶融池の温度が急激に低下しないように保ちつつ，開先壁面近傍への入熱が大きくなるようにエネルギー密度をできるだけ高める必要があることが明らかになった．

図 6 溶接中の輝度分布（ビーム幅・揺動照射の影響，板厚 26mm）

図 7 断面観察結果（ビーム幅・揺動照射の影響，板厚 26mm）

図 9 ビード幅・融合不良率計測結果（ビーム幅・揺動照射の影響，板厚 26mm）

3・2

レーザビーム揺動条件の影響

図 10 に，継手の水平断面および縦断面観察結果を示す．
図 10 中には，縦断面写真中に赤枠で示した領域の拡大写真も示している．全ての条件の水平断面において，鋼板両表面近傍において融合不良が観察される．縦断面写真中の拡大写真を見ると，揺動周波数が大きい（15Hz）サイン（a）ビーム形状：10×26mm，固定照射波形を適用した場合に大きな融合不良が発生していた．一方，揺動周波数が小さい（5Hz）指数関数波形を適用した場合には融合不良は観察されなかった．
図 11 に，ビーム揺動の 1 サイクル中での開先壁面近傍におけるレーザ照射継続時間と溶接金属の開先面積に対する充填率および融合率との関係を示す．溶接金属の充填率は，ビーム揺動条件を変化させてもほぼ一定になっている．一方，融合不良率は，開先壁面近傍におけるレーザ照射継続時間が長くなるほど融合率が上昇，すなわち母材溶融が促進されていることがわかる．

（b）ビーム形状：4×27mm，揺動照射

本溶接プロセスを効率的かつ安定的に実施するためには，溶融池を安定して維持できる程度以上のビーム揺動周波数とし，揺動周波数はあまり大きくせず，開先壁面近傍でのレーザ照射計測時間をできるだけ長くする必要があることが明らかになった．

（c）ビーム形状：2×27mm，揺動照射
図 8 ビード幅計測結果（ビーム幅・揺動照射の影響，板厚 26mm）

きている．
図 3 および表 3 に示したように，幅の広い固定照射ビームと幅の狭い揺動照射ビームとを組み合わせることで，溶融池の安定した形成・維持と開先壁面近傍への効果的なレーザ照射による母材溶融の促進が実現できたと考えられる．

図 10 断面観察結果（ビーム揺動条件の影響，板厚 26mm）

図 12 溶接後の試験片外観および断面

４．まとめ
2 台の 6kW 高出力半導体レーザとホットワイヤとを組み合わせ，板厚 26mm および板厚 50mm の高張力厚鋼板の 1 パス縦向き溶接を検討した．得られた成果の概要を以下に示す．
（1）板厚 26mm，開先幅 10mm の I 形突合せ継手に対して，6kW 半導体レーザ発振器とホットワイヤシステムとを組み合わせることで，エレクトロガスアーク溶接法と同程度の施工能率で，低入熱・低変形な 1 パス立向き溶接を実現することができた．
（2）開先壁面近傍への入熱を大きくして母材溶融を促進するために，ビーム幅を狭くしてエネルギー密度を高め，

図 11 溶接金属充填率・融合不良率計測結果

当該部でのレーザ照射時間を長くするビーム揺動条件を（ビーム揺動条件の影響，板厚 26mm）選定することが必要である．一方，開先内の溶融池を安定して形成・維持しつつ，急激な温度低下を防止するためには，開先幅に対して適切なビーム幅を選択する必要がある．

2 ビーム照射による板厚 50mm での検討結果（3）板厚 50mm，開先幅 10mm の I 形突合せ継手に対し

図 12 に，溶接後の試験片外観および断面観察結果を示て，8×51mm の矩形ビームの定常照射と 2×56mm の矩す．左側に示す試験片外観を見ると，非常に安定したビー形ビームの揺動照射とを組み合わせることで，総出力ドが試験片両側に形成されており，欠陥等も観察されなか12kW の比較的低いレーザパワーで，開先全面での安定しった．本実験では試験片の強固な拘束は行わなかったが，た溶融池形成と十分な母材溶融を実現することができた．

面外変形は非常に小さかった．右側に示す断面写真を見る（4）適正なレーザビーム形状，レーザビーム照射条件，と，ワイヤ送給側と反対側で溶融幅が少し異なるものの，ホットワイヤ送給条件を適用することで，低入熱，低希釈

開先両面の板厚方向全体にわたって，融合不良等の欠陥ので融合不良の無い，良好な継手を得ることができた．

3・3

無い安定したビードが得られていることがわかる．当該断面写真から計測した希釈率は 17%であり，現在適用されているエレクトロガスアーク溶接やエレクトロスラグ溶接に比べて，大幅に低下させることができている．また熱影響部（HAZ）幅も 13mm と，エレクトロガスアーク溶接やエレクトロスラグ溶接に比べて，低下させることがで参考文献
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