ファイバーレーザ溶接を用いた二相ステンレス鋼溶接継手の機械的特性と耐食性を考慮した溶接継手部の健全性評価に関する研究
北海道科学大学 寒地先端材料研究所
教授 齋藤 繁（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019218-B3）
キーワード：ファイバーレーザ溶接，二相ステンレス鋼，溶接金属

１．研究の目的と背景

レーザ出力を 2kW に変更した。開先突合せ部は I 型開先と近年、自動車車体の軽量化を目的に、抵抗スポット溶接し、作製した突合せ溶接試験片からは 12mm 角にそれぞれによる点溶接からファイバーレーザ溶接による連続溶接

レーザ切断して溶接継手小片を 15 個採取した。レーザ切に転換するといったニーズが高まっている。ファイバーレ断およびファイバーレーザ溶接は(株)トリパス石狩工場

ーザ溶接は抵抗スポット溶接と比較して溶接時間を大幅で実施した。図 2 は、溶接継手小片の外観を示す。図中のに短縮することができ、溶接速度が速く、高精度の溶接が上部と下部はそれぞれ二相ステンレス鋼板であり、中央部可能である。さらに、ひずみや焼けが少なく、高品質な仕に溶接ビートが形成されている。レーザ切断後の溶接継手上がりとなるため、他の溶接工法に比べて溶接継手強度が小片は樹脂埋めした後、溶接継手小片に対して、垂直方向優れている。に切断した。溶接継手小片の切断面は、ダイヤモンド研磨

フェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる材により鏡面研磨した後、10％しゅう酸電解エッチングを

二相ステンレス鋼は高強度かつ耐食性に優れており、オー行い、光学顕微鏡を用いて溶接継手小片の断面組織観察をステナイト系ステンレス鋼(SUS304)と比較して約 2 倍の行った。

1)

高強度を有する 。そのため、構造材の板厚を薄くすることで軽量化や使用量を削減することが可能となる。本研究で用いた二相ステンレス鋼(SUS821L1)の耐食性は SUS304と同等であるため、主に河川内設備や化学プラントなどの構造材として使用されている。一方、北海道のような積雪寒冷地で使用される大型機械部品の構造材には高強度と軽量化、さらには耐食性も求められる。そのため、二相ス
テンレス鋼板同士の突合せ溶接にファイバーレーザ溶接を適用し、ファイバーレーザ溶接の溶接適正条件の確立を目指している。
そこで本研究では、ファイバーレーザ溶接を用いて二相ステンレス鋼板同士の突合せ溶接を行い、溶接継手部における断面組織と機械的特性との関係について検討した。また、実機使用環境における溶接継手の健全性評価について検討するため、耐食性を考慮して過酷な複合腐食試験を施した突合せ溶接試験片の引張強度特性について検討した。

図1

本研究で用いたファイバーレーザ溶接システムと溶接の様子

２．実験方法
溶接方向

本研究で用いた二相ステンレス鋼は化学成分(mass%)
Fe-21Cr-2Ni-3Mn-1Cu-0.17N からなる SUS821L1 であり、幅 32mm、長さ 280mm、厚さ 1mm の板状にレーザ切断された二相ステンレス鋼板母材 Aものである。

溶接ビート

図 1 は、本研究で用いたファイバーレーザ溶接システムと溶接の様子を示し、多関節ロボットに取り付けられた溶接ヘッドによって溶接施工が自動化される。ファイバーレ母材 Bーザ溶接の条件はレーザ出力 1kW、溶接速度 2000mm/minで行い、アシストガスに窒素を用いた。なお、レーザ出力
1kW では溶込み不足による未貫通溶接が確認されたため、5mm

二相ステンレス鋼板
図2

溶接継手小片の外観

溶接継手小片の溶接部断面近傍における硬さ測定には、ファイバーレーザ溶接を施した溶接継手の耐食性を検マイクロビッカース硬さ試験機を使用した。硬さ測定位置討するため、二相ステンレス鋼板同士の突合せ溶接試験片は、二相ステンレス鋼板の表面側および裏波側から 0.2mmに対して複合腐食試験を行った。試験方法は JIS H 8502の深さと板厚の中央部(3 列)の計 5 列を測定間隔 0.15mmに準拠し、塩水噴射(5%NaCl、35℃)を 2h、乾燥(60℃)をで行い、試験力は 1.961N とした。

4h、湿潤(95%RH、35℃)を 2h の計 8h を 1 サイクルとしてファイバーレーザ溶接を施した溶接継手の引張強度特96 サイクルを実施した。複合腐食試験後の引張試験用突性を検討するため、二相ステンレス鋼板同士の突合せ溶接合せ溶接試験片は、前述のようにテンシロン万能材料試験を行った後、レーザ切断で引張試験用突合せ溶接試験片をを使用し、標線間距離 15mm、チャック間距離 30mm、クロ作製した。引張試験用突合せ溶接試験片は JIS Z 2241 にスヘッド変位速度 3mm/min として引張試験を行った。

準拠し、全体の長さ 70mm、幅 15mm とし、平行部の長さ 15mm、幅 5mm の形状になるようにレーザ切断を行った。比較のため、板状の二相ステンレス鋼(SUS821L1)およびオーステナ３．実験結果および考察
3・1 レーザ出力１kW における二相ステンレス鋼溶接継イト系ステンレス鋼(SUS304)から、引張試験用突合せ溶接試験片と同一の形状にレーザ切断し、それぞれ未溶接試験片として引張試験に供した。

手小片の断面組織とビッカース硬さ
図 4 は、レーザ出力 1kW でファイバーレーザ溶接を施した二相ステンレス鋼溶接継手小片における溶接部近傍の

図 3 は、引張試験用突合せ溶接試験片の外観とチャッキ断面組織一例を示す。断面組織より、二相ステンレス鋼板ング時の様子を示す。引張試験用溶接試験片は図に示すよ(母材 A と母材 B)間には溶接金属が形成され、溶込み形状

うに上部の二相ステンレス鋼板 A と下部の二相ステンレ

は図 4 に示すように溶接金属の上部の幅が広く、裏波側はス鋼板 B が突合せ溶接されており、中央部には溶接ビー溶込み幅が狭くなるワインカップ形状であり、貫通溶接さドが確認できる。引張試験にはテンシロン万能材料試験をれていることがわかる。

使用し、標線間距離 15mm、チャック間距離 30mm とした。

図 5 は、レーザ出力 1kW でファイバーレーザ溶接を施し引張試験用突合せ溶接試験片の向きは図に示すように溶た二相ステンレス鋼溶接継手小片における溶接部近傍の接ビードがいずれも同じ方向になるように固定した。引張断面組織とマイクロビッカース硬さ試験結果一例を示す。

試験用溶接試験片は下部(母材 B)側治具を固定し、上部断面組織より、二相ステンレス鋼板(母材 A と母材 B)間に(母材 A)側治具は引張方向に移動する。引張試験のクロスはいずれの溶接継手小片(計 15 個)においても、溶接金属ヘッド変位速度は 3mm/min とし、引張試験中はデータ処が形成されている。一方、溶接継手小片の一部には図に示理システムを用いてデータを収集した。引張試験には溶接すように鋼板の裏波側に溶込み不足からなる未貫通溶接開始直後(No. 4)、中間箇所(No. 9)、終了直前(No. 15)部が確認され、レーザ光の出力不足により十分な溶込み深の引張試験用突合せ溶接試験片をそれぞれ使用した。引張さが得られなかったと考えられる。断面組織における表面試験前および引張試験後における突合せ溶接試験片は樹側のマイクロビッカース硬さ試験結果より、二相ステンレ脂埋めした後、二分割に切断した。各溶接試験片の切断面

ス鋼板(母材 A および母材 B)のビッカース硬さは 249～

は、ダイヤモンド研磨材により鏡面研磨した後、10％しゅ

264HV の範囲であるのに対し、溶接金属におけるビッカー

う酸電解エッチングを行い、光学電子顕微鏡を用いて断面ス硬さは 280～305HV の範囲であった。すなわち、溶接金組織観察を行った。

属は二相ステンレス鋼板(母材 A および母材 B)と比較して40～50HV 程度硬化する傾向を示した。

二相ステンレス鋼板
母材 A

上部側治具(移動)

溶接ビート
溶接金属
母材 A

母材 B

下部側治具(固定)

母材 B

5mm

二相ステンレス鋼板
図3

引張試験用溶接試験片の外観とチャッキング時の様子

図4

二相ステンレス鋼溶接継手小片における溶接部近傍の断面組織(レーザ出力：1kW)

ビッカース硬さにおけるファイバーレーザ溶接の条件はレーザ出力 2kW、320

溶接速度 2000mm/min で行った。

280

溶接金属

240

3・3 引張試験用突合せ溶接試験片の引張強度特性200

図 7 は、破断後における引張試験用突合せ溶接試験片の1471013測定箇所

15

外観と破断部近傍の断面組織を示す。破断後の引張試験用

18

突合せ溶接試験片は、図 7(a)に示すように二相ステンレス鋼板(母材 A)側に溶接ビードが残存していることがわかる。なお、断面組織は図 7(a)中の母材 A 側における黒溶接金属
表面側
中間①
中間②
中間③
裏波側

色枠で囲んだ部分を観察した。破断部近傍の断面組織は母材 A と溶接金属が共存しているのに対し、母材 B の裏波側には一部母材 B と見られる部分が確認できる。
母材 B

母材 A

母材 A
図5

母材 A

二相ステンレス鋼溶接継手小片における溶接部近傍の断面組織とマイクロビッカース硬さ試験
試験結果(レーザ出力：1kW)

3・2 レーザ出力 2kW における二相ステンレス鋼溶接継手小片の断面組織

溶接金属

図 6 は、レーザ出力 2kW でファイバーレーザ溶接を施した二相ステンレス鋼溶接継手小片における溶接部近傍の断面組織一例を示す。レーザ出力 2kW における断面組織より、断面組織は溶接開始直後(a)#1 と(b)#3、溶接中間位置(c)#7 と(d)#10 および溶接終了付近(e)#13 と(f)#15 に母材 B
0.5mm

おいて、いずれも貫通溶接されてり、溶接金属はワインカップ状を有している。本研究では、ファイバーレーザ溶接(a)外観を施した二相ステンレス鋼溶接継手小片(計 15 個)に対して溶込み不足による未貫通溶接部が生じていないことを

図7確認した。そのため、引張試験用突合せ溶接試験片の作製

溶接金属

母材 A

(b)破断部近傍の断面組織

破断後における引張試験用突合せ溶接試験片の外観と破断部近傍の断面組織

溶接金属

母材 B

母材 A

溶接金属

母材 B

母材 A

母材 B

(a)溶接開始直後[#1](c)溶接中間位置[#7](e)溶接終了付近[#13]

溶接金属

溶接金属

溶接金属

母材 A

母材 B(b)溶接開始直後[#3]
図6

母材 A

母材 B(d)溶接中間位置[#10]

母材 A

母材 B(f)溶接終了付近[#15]

二相ステンレス鋼溶接継手小片における溶接部近傍の断面組織(レーザ出力：2kW)

図 8 は、引張試験用突合せ溶接試験片の荷重-伸び線図

図 9 は、複合腐食試験後における引張試験用突合せ溶接を示す。本研究では、引張試験用突合せ溶接試験片の上部試験片の荷重-伸び線図を示す。複合腐食試験後の突合せ(母材 A)側を固定する治具を移動させるクロスヘッドの溶接試験片は、図中の緑色線で示すように引張試験用突合移動量を測定した。また、図中には未溶接試験片の二相スせ溶接試験片(赤色線)とほぼ同程度の傾向を示しており、テンレス鋼(SUS821L1)とオーステナイト系ステンレス鋼

複合腐食試験による引張強度特性の低下は見られなかっ(SUS304)の結果を示している。これらの結果より、突合せた。

溶接試験片は図中の青色線で示すように明瞭な降伏現象

本研究の一連の結果から、ファイバーレーザ溶接を施しが見られず、一般的なステンレス鋼と同様の傾向を示した。

た二相ステンレス鋼板の突合せ溶接継手においては引張

また、突合せ溶接試験片の最大荷重は約 3.9kN であり、図強度特性に関する新たな知見を得ることができた。したが中の赤色線で示す未溶接試験片(SUS821L1)とほぼ同程度って、溶接継手部の組織形態と機械的特性との関係を把握であるのに対し、伸びは減少することが明らかになった。

することにより、突合せ溶接継手の機械的特性に起因する破断後の断面組織観察では、溶接金属中のオーステナイト支配因子の解明を明らかにすることができる。

相とフェライト相の量比が大幅に変化しており、母材と大きく異なることが知られている 2)。特に、破面の組織がデ４．結論

ィンプルと呼ばれる延性破壊によって生じる破面状態を本研究では、ファイバーレーザ溶接を用いて二相ステン示しており、この差異については破断部とその近傍の組織レス鋼板同士の突合せ溶接を行い、溶接継手部における断観察および元素分析を行い、詳細に検討する必要がある。

面織と機械的特性との関係について検討した。また、実機使用環境における溶接継手の健全性評価について検討するため、耐食性を考慮して過酷な複合腐食試験を施した突合せ溶接試験片の引張強度特性について検討した。得られ

SUS821L1
最⼤荷重 F / N

SUS304

た結果は、以下のよう要約される。
(1) レーザ出力 2kW において、未貫通溶接部が生じない溶接継手小片を得ることができた。
(2) 二相ステンレス鋼板(母材 A と母材 B)間には溶接金属が形成され、ワインカップ形状で貫通溶接される。また、溶接金属は二相ステンレス鋼板と比較して硬化す

突合せ溶接試験片る傾向を示した。
(3) 引張試験用突合せ溶接試験片の最大荷重は約 3.9kNであり、未溶接試験片(SUS821L1)とほぼ同程度であるのに対し、伸びは減少した。

伸び(クロスヘッド変位量) Δl / mm
図8

引張試験用突合せ溶接試験片の荷重-伸び線図(4) 複合腐食試験後の突合せ溶接試験片は、引張試験用突合せ溶接試験片とほぼ同程度の傾向を示し、複合腐食試験による引張強度特性の低下は見られなかった。

SUS821L1

謝辞

最⼤荷重 F / N

本研究を遂行するにあたり、複合腐食試験の実施にご突合せ溶接試験片協力頂いた地方独立行政法人北海道立総合研究機構の櫻庭洋平氏に厚く御礼申し上げます。また、本研究は公益

複合腐食試験後の突合せ溶接試験片社 団 法 人 天 田 財 団 の 2019 年 度 一 般 研 究 開 発 助 成(AF-2019218-B3)を受けて実施されたものであり、深く感謝申し上げます。

参考文献
伸び(クロスヘッド変位量) Δl / mm
図9複合腐食試験後における引張試験用突合せ溶接
試験片の荷重-伸び線図

1)

加賀祐司:JSSC, AUTUMN No.19 (2014), 3.

2)

大村朋彦, 櫛田隆弘, 小溝裕一:溶接学会誌, Vol.68
No.6(1999), 37.