QCW を用いた半導体レーザによる溶接
Welding With Quasi-Continuous Wave Direct Diode Laser
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
河 田 直 樹 Naoki KAWADA
遠 藤 翔 太 Shota ENDO

近年，当社のステンレス鋼製鉄道車両構体の製造においてレーザ溶接の適用が増えてきている．レーザ溶接を適用する部位の継手形状や，要求する機能により種々の溶接形態が存在している．これらは大まかに分けて連続した溶接か，断続した溶接かのどちらかである．特に後者はレーザの出力を時間的に制御する必要がある．
今回，当社の保有する高出力半導体レーザを改造し，ミリ秒単位でレーザ出力を制御する QCW（Quasi-ContinuousWave）動作が行えるように改造を行った．本稿では QCW を用いた半導体レーザによる溶接を，過去のレーザ溶接の適用事例を交えて解説する．

１ はじめに

２ QCWを用いたレーザ溶接

当社が手掛けたステンレス鋼製鉄道車両構体の中でレ２．１

レーザスポット溶接への置換え

ステンレス鋼製の鉄道車両構体のほとんどは抵抗スポーザ溶接を適用した主な車両に横浜新都市交通2000型とット溶接によって組み立てられており，側構体（鉄道車

東急電鉄5576号車がある．
横浜新都市交通2000型では外板補強と外板を点で接両構体の側面）2面で合わせて約1万点にもおよぶ抵抗ス合するレーザによるスポット溶接（以下，レーザスポッ

ポット溶接をしている．この中には図1に示すように塑

ト溶接），東急電鉄5576号車では外板同士を連続して接性加工によって作られた補強部材が，外板に溶接された合する突合せ溶接等を行った (1)．

構造が多数ある．

本稿で解説する高出力半導体レーザ装置は最大出力が6kW，焦点位置でのビームサイズが0.5mm×3.5mm（半値全幅：レーザ光の空間的強度分布がピーク値の半分となる幅）である．LD（レーザダイオード）からの光を集光し直接加工を行うことから，ダイレクトダイオードレーザ（以下，DDL）と呼ばれる．主に研究用として使用しており，CW（連続波）に加えてQCW（準連続波）が行えるように改造を行った．この改造により連続溶接だけでなく，レーザスポット溶接を可能にした．
半導体レーザの適用と言えば，自動車のテーラードブ

図1

ランク溶接や炭素鋼の焼き入れ等があり，深い溶込みを外板補強と外板必要としない加工が多い．当社の保有するDDLは研究

ここで少し抵抗スポット溶接について述べる．抵抗ス

ではステンレス鋼の3.0mmと4.5mmの突合せ溶接を行っ

ポット溶接部の断面を模式図として図2に示した．スポているが，溶接可能な板厚としては上限に近い ．

ット溶接の溶融部（以下，ナゲット）は重なった板の板(2)ステンレス鋼製鉄道車両構体の側構体を構成する外板厚の中心から楕円体状に成長し，上板と下板の界面までと外板補強の板厚は主に1.5mm，0.8mmと薄く，DDLにナゲットが形成されることで接合が完了する．また，抵よる溶接を適用するのに十分に可能な範囲である．本稿

抗スポット溶接は図3に示すように等間隔で行われる．

ではレーザ溶接の研究として行った半導体レーザのQCWを用いた薄板の溶接について解説する．

総合車両製作所技報第3号

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QCW を用いた半導体レーザによる溶接

図2

スポット溶接の模式図

図4図5

連続で溶接する場合（CW）

等間隔で溶接する場合（QCW）

抵抗スポット溶接をレーザスポット溶接に置き換えた
場合の模式図を図6に示した．DDLによる溶接部の大きさは上から見ると楕円形状となる．溶接の一点一点が小さいため，多点を溶接する必要がある．これら一点の溶
図3

接部の幅方向の断面を模式図的に描くと図7のようになスポット溶接施工の模式図

る．レーザ光は補強側から照射され，外板の板厚の半ばまで溶け込む．非常に小さな範囲かつ，部分溶込みとな重ね継手では上板と下板の界面に形成されたナゲットるため，外板側からは，溶接した痕が微小なひずみとしの面積が力を受け持つことになり非常に重要である．特てしか見えない．溶接後の外観については後述するので，に抵抗スポット溶接では先に述べたように重ねた板厚のそちらを参照されたい．

中心からナゲットが成長するため板厚の枚数や組合せにもよるが，極端に薄い板が厚い板の上に重ねられた場合，接合が困難となる．
この抵抗スポット溶接による接合をレーザスポット溶接に置き換えようとした場合，以下の3点が必要となる．
① 等間隔な溶接部の形成② 上板と下板の界面における接合面積③ ギャップ裕度①の等間隔な溶接部の形成であるが，レーザ光は溶接の際に何らかの手段，方法によって移動している．図4に示すように時間に対して一定出力のレーザ光が照射され，移動速度（溶接速度）も一定であれば連続した溶接部が形成される．これに対して等間隔で溶接するためには図5に示すように，レーザの出力を時間で制御する必要がある．

図647

レーザスポット溶接施工の模式図

2014年12月

図7２．２

溶接部断面の模式図

レーザスポット溶接の諸条件

レーザ出力の単位はW（＝J/s）であるから図5の一つの山（以下，パルス）の面積が，照射されたレーザのエ

図9

パルス幅 20ms の溶接部断面図 10

パルス幅 30ms の溶接部断面図 11

パルス幅 40ms の溶接部断面ネルギの合計となる．また，溶接速度により単位長さ当たりに与えられるエネルギ，照射される距離が決定されるため，②上板と下板の界面における接合面積，③ギャップ裕度にとって重要な条件となる．
図8に矩形パルスの模式図を示す．ここでは20ms，30ms，40msの3種 類 を 作 製 し， そ れ ぞ れ 溶 接 速 度 を2500mm/min，1667mm/min，1250mm/minと し た． 各 パ
ルス幅と溶接速度の積を計算すると約0.8mmとなり，これはレーザ光が照射中に進む距離である．ここにビームの長手方向3.5mmを足した約4.3mmがおおよその溶接長となる．また，溶接の間隔はパルス間の時間と溶接速度によって，同様に決まる．図9，図10，図11にそれぞれ溶接部の長手方向の断面を示す．

重ね溶接では上板から下板まで溶け込ませるために，図8単位長さ当たりのエネルギが重要となる．また，この例

レーザパルスの例

ではレーザ出力を固定しているが，レーザ出力の大きさも溶込み深さに対して重要な条件となる．

どの断面においても表面上の溶融した長さは約4mm程度で変化はないが，パルス幅の増加に伴い溶込み深さが次にパルスの形状による効果について述べる．図11で終端にかけて増加していることが分かる．レーザ出力は示したパルス幅40msの溶接部外観を図12に示す．溶接5.0kWであるから，それぞれのパルス幅での合計エネル部の中央から終端付近にかけてから，0.5mm径程度のスギは100J，150J，200Jとなる．レーザが照射される距離パッタが飛散していることが分かる．これに対して，レはほとんど同じであるから，単位長さ当たりに与えられーザ出力の一部を減少させたパルスでの溶接例を示す．

るエネルギの量もこの順となり，溶込み深さの増加と一パルス形状を図13に示す．また，その溶接部外観を図14致する．に示す．

総合車両製作所技報第3号

48QCW を用いた半導体レーザによる溶接い，誤差因子として0.1mmのギャップを設定した．直交表を用いた実験については過去にも同様の実験を行っている (3)．
図15にL18直交表を示す．L18直交表ではA 〜 Hの8因子にそれぞれ，Aに2水準，B ～ Hに3水準を割りつけられる．各水準の組合せを総当たりで行った場合は合計で2×37=4374通りの実験が必要であるが，L18直交表では図15に示す18通りの実験で済ませることができる．今回はここに密着状態と0.1mmギャップという2因子を誤差
図 12因子として割り付けるため，合計で36通りとなる．

レーザスポットの溶接部外観

図 13

図 15

パルス形状の変更例

L18 直交表

この実験を元に設計した最適条件は現在までに分かっている範囲で0.25mmのギャップを許容できている．図16に最適条件により施工した継手の引張せん断試験の結果を示す．今回の継手では合格ラインが5kNであり，密着，0.1mmギャップ，0.25mmギャップにおいて十分な静的強度がえられた．

図 14

パルス形状変更後の外観

図13のパルスは単純な40msの矩形波に比べて1/16ほどエネルギが減少しただけであるが，図14に示した外観のようにスパッタが減少している．スパッタはその後の工程で除去される手間を考えれば少ない方がよく，パルス形状を設計する上で一つの考えるべき要素となる．
２．３

図 16
２．４

レーザスポット溶接の最適化

引張せん断試験

レーザスポット溶接の施工例

さて②，③の条件を満たす上で今までに述べてきた

最 適 条 件 を 用 い て 幅600mm× 長 さ1200mmの様々な要素を考慮し，総当たりで実験を行っていては膨

SUS301L-DLT #80BGの板にSUS301L-HTの外板補強大な実験を行わなければならない．そこで，品質工学にを溶接したパネルを製作した．図17にパネルの外観を示おけるパラメータ設計を行った．今回はL18直交表を用す．外板補強の向きはBGの研磨目方向と平行になって49

2014年12月

おり，溶接をした痕が目立ちにくい．施工の際には外板次にBG目と直交するように外板補強を配置した場合の表面にPVC保護シートを貼った状態で溶接を行っての外観を図18に示す．図17（a）と図18（a）を比べると，いるが，外板の表面には焼けや糊の跡が無く良好な仕上

図18（a）では溶接箇所がくっきりと分かる．なお，BGがりである．の研磨目と平行にレーザスポット溶接を行う手法は横浜新都市交通2000型で実際に適用されている．この他，代表的な表面仕上げのステンレス鋼を用いて同様のパネルを製作し外観の評価等を行っている．
２．５

突合せ継手への応用

東急電鉄5576号車の側外板は図19に示す従来のせぎり継手ではなく，図20に示すレーザ溶接による突合せ継手となっている．この時，レーザを照射した側が車内側，裏波ビードが出る側が車外側となる．
（a）表面

図 19

せぎり継手

図 20

突合せ継手

（b）裏面
図 17 パネル外観

溶加材を供給しない“とも付け”ではルートギャップによって溶け落ちや，溶接ビード表面に凹みが生じる．
特にレーザ溶接は熱源が微小であるため，特に注意が必要である．そこで，事前に仮止めとしてレーザスポット溶接を行い材料の開きを防止している．この仮止め点の（a）表面大きさ，溶込み深さ，ピッチは2.1節で述べてきた内容の応用である．
仮止め溶接の外観を図21に示す．また，仮止め点の断面を図22に示す．図21では20mmピッチで仮止め溶接を行っているが，これは溶接条件を出すための試験である．
実際には50 ～ 100mmピッチ程度で良い．図22の断面を見てわかる通り溶込みは板厚の半分程度であり，この後に本溶接を行っても外観上ではまったくわからない．例
として図23に仮止め溶接後の本溶接の裏波ビードを示

図 18

総合車両製作所技報

す．仮止め点は図中の溶接線の中央にあるが，外観から（b）裏面
BG 目に直交した場合のパネル外観第3号は見分けることはできない．

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QCW を用いた半導体レーザによる溶接

この他に，レーザスポット溶接をラップさせた突合せ全体の最適化が最も重要なことである．今回の半導体レ溶接や，レーザ出力を細かく増減させた突合せ溶接等をーザのQCW改造はいわばレーザビームという熱源への実験的に行っている．

機能付加である．
今後は改造により可能となった，種々の溶接法を含めた技術の全体最適を行っていきたいと考えている．簡単
ではあるが本稿が半導体レーザによる溶接の一例として参考になれば幸いである．
参考文献（1）浅賀，他：「「sustina」国内第1号車両の開発」
，総合

図 21

車両製作所技報 Vol.2，4，（2013），（株）総合車両

仮止め溶接の外観

製作所（2）吉澤，他：「板厚の異なるステンレス鋼板のレーザ突合せ溶接」，溶接学会全国大会講演概要 第92集，6，（2013），一般社団法人溶接学会（3）河田，他：「パルス波形制御によるステンレス鋼板のレーザスポット溶接の最適化技術の開発」，東急
車輛技報 Vol.60，26，（2010），東急車輌製造（株）

図 22（4）柴田，他：「自動車産業分野」，レーザー研究 第26巻，仮止め溶接の断面11，（1998），一般社団法人レーザー学会

著者紹介
吉澤正皓
図 23

生産本部
技術部（接合技術センター）

仮止め溶接後の裏波ビード

河田直樹

３ おわりに博士（工学）
生産本部
技術部（接合技術センター） 主査

初めてレーザ発振が実現された1960年から半世紀が経過した今日では，レーザ溶接が世の中で広く利用されている．自動車の分野においては欧米での動きが早く，

遠藤翔太

1970年代からレーザ溶接の開発が行われていた (4)．鉄道

生産本部
技術部（接合技術センター）

車両構体へのレーザ溶接実用化の海外での動きは確認できていないが，国内では実験例を除くとレーザ溶接を適用した車両が営業運転を開始してから10年を経ていな
い．
重厚長大な鉄道車両構体にレーザ溶接を適用するにあたり，そこには様々な課題があり，車両メーカ各社の創意工夫によって実用化に結びついている．その中で，当社ではレーザによる側外板の突合せ溶接，外板補強と外板のレーザスポット溶接を実用化してきた．
鉄道車両構体製造だけでなくレーザ溶接の実用化は，レーザ装置単体の機能や性能ではなく，被溶接物を含む

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