ＬＭＰシンポジウム２０１２「レーザ加工の基礎と最新動向」
各種金属材料・異材のレーザ溶接沓名 宗春（株）最新レーザ技術研究センター（光産業創成大学院大学 特任教授）

１．はじめに、 「金属とはどういうものか」
工業材料としての金属金属の特性
１）金属光沢を示す。
２）電気の良導体である。
３）熱の良導体である。
４）展性や延性に優れている。
５）固体状態で結晶構造をもつ。

原子の結合様式

金属の結晶格子

体心立方格子面心立方格子

最密六方格子電気抵抗率 と熱伝導率

金属の精錬：酸化物からの還元

Ｃ炭素のよる
鉄鉱石の還元
2FeO + 2C = 2Fe + 2CO
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO

Ｃ炭素のよる
銅鉱石の還元２CuO + 2C = Cu + 2CO

世界の七不思議:
2300年間さびない鉄柱（インドDelhi）

長さ：７．２１ｍ
直径：３２～４２ｃｍ
ウーツ鋼化学組成：
C : 0.08%
P : 0.114%
S : 0.006%
Damascus 剣はウーツ鋼で造られた

２．各種金属のレーザ溶接
レーザ溶接時の加熱速度と冷却速度

レーザ溶接時の冷却速度低炭素鋼レーザ溶接部の特異性
レーザ溶接部とアーク溶接部

レーザ溶接部

アーク溶接部

溶接熱影響部の組織変化

母材原質部

粒状パーライト部

細粒域

粗粒域

レーザ溶接の熱サイクルデータ

低炭素鋼のレーザ溶接時の冷却速度

高速溶接はよいことか？
• 溶接を高速で行うとこのような組織が熱影響部に生じる．
• 溶接金属部は炭素量により異なるが，ほぼ均一な組織が生じ，その硬さは中央部で大きな硬化がみられる．
• アーク溶接部は溶接金属に近い熱影響部が最も硬さが高い• ステンレス鋼の場合には熱影響部が急冷されても硬化しない。逆に、スレンレス鋼を大入熱でアーク溶接すると、450－750℃の加熱冷却範囲でCr炭化物が生成し、粒界のクロム濃度が減少し、粒界腐食も問題が生じるが、ステンレス鋼をレーザ溶接すると溶接入熱が少なく、粒界耐食の問題が生じないなどの利点がある．

レーザ溶接のビード形状の例

溶接部の硬さ分布

レーザ溶接部の硬さ分布と炭素当量• ＣＥLaser =C + Si/50 + Mn/25 + P/2 +Cr/25 ・・・・（海津,NKK)
PL = C + Mn/22 + 14B ・・・（高、住友金属）

リモート溶接
加工光学系

炭素鋼の凝固割れ感受性• 炭素当量と硬さ

薄板溶接における他の工法との比較

極低炭素鋼のレーザ溶接実験

Ｃ鋼及びＤ鋼のレーザ溶接部
V=0.9m/min

C鋼（0.014%C)

D鋼(0.024%C)

Ｃ鋼の溶接金属組織

Ａ鋼およびＤ鋼の溶接部組織
V=0.9m/min

Ａ鋼（0.001%C)

D鋼(0.024%C)

溶接欠陥（ポロシティ、割れ）ポロシティの発生

レーザ溶接用ＣＣＴ図

Fincantieri,Monfalcone造船所
イタリア、ＩＰＧ資料

IMG社施工樹脂コート鋼のレーザ溶接

表面処理鋼板の限界溶接速度

エリクセン試験結果

３．２ 低合金鋼• 通常，合金元素の含有量が5％以下の鋼を低合金鋼と呼んでおり，代表的なものが低合金高張力鋼である．モータのコアとして用いる電磁鋼板（約3％Si），アルミキルド低温用鋼，21/4 Cr-1Mo耐熱鋼なども低合金鋼である．これらの鋼は合金元素やその量により溶接性が変化する．一般的に合金元素の添加が大きいほど，溶接急冷時の鋼の硬化が著しい．とくにC，Mn，Cr，Ni，Moなどにより硬化する．
レーザー溶接ではアーク溶接に比べて，急冷のためより熱影響部が硬化する．

低合金高張力鋼• 溶接構造用鋼として用いられる高張力鋼にはその引張強さにより50キロ級，60キロ級，80キロ級，及び100キロ級などと呼ばれ（最近は単位にMPaが用いられているので，490級，780級，980級などと呼ぶ），その製鋼法や熱処理が異なる．
これらの鋼の強化方法は主に５種類ある．
１）Ｍn，Ti，C，B，Vなどの合金元素を増加して高める方法
２）TMCP法により結晶粒を微細化する方法
３）焼入れ（Quenching）および焼戻し（Tempering）処理（QT処理）による方法
４）圧延、鍛造など加工硬化させる方法
５）マレージング鋼のように時効硬化させる方法

低合金高張力鋼
••
•
•
•
•

1,000MPaを超える鋼： 自動車のセンターピラーなどに
JIS-SM490，DIN-St52，BS-50Dなどの50キロ級の鋼はポロシティの発生も少なく，硬化も軽く溶接性がよい．また，切欠きじん性も高い．
X-80パイプライン用鋼，HY-80，HY-100，HY-130など60キロ以上の強度のものは溶接金属の切欠きじん性や熱影響部の硬化及び低温割れが問題となる．
海洋構造物用HY鋼のレーザー溶接部は母材に比べ，引張強さや伸びの低下はわずかであるが，切欠きじん性の低下が大きい
低C-高Mnフィラーワイヤによる改善方法がとられ，図12に示すように改善された例もある[24]．X-80鋼をサブマージアーク溶接するとシャルピー試験の遷移温度が-18℃と高いが，2パスレーザー溶接継手では-90℃まで下がり，切欠きじん性の向上が見られる。

溶接部の切欠きじん性ハイブリッド溶接におけるじん性の改善

ケイ素鋼板のレーザ溶接継手の引張特性

３．３ ステンレス鋼
ステンレス鋼は12％以上のCrを含有する鋼の総称である。
マルテンサイト系，
フェライト系
オーステナイト系
２相系がある。
スレンレス鋼の大きな欠点の1つに溶接熱影響部の粒界腐食（ウェルド・ディケイ：Weld Decay）がある．溶接時に冷却速度が遅いと800℃から500℃まで冷却する過程でCr炭化物が鋼の結晶粒界に生成して，その周りのCr濃度を低下させるために生じる．レーザー溶接がステンレス鋼の溶接に最適である理由は高速溶接が可能で，入熱が少なく急冷されるため，図14に示す温度領域を数秒で通過するためこのCr炭化物が生成しない．

ウエルド・デデケイ

ステンレス鋼の凝固割れ傾向

凝固割れ感受性に及ぼす凝固形態の影響（益本、玉置、沓名：溶接学会誌41-11 (1972), p1306-)

シェフラー組織図上での試験片化学組成

円周溝溶接割れ試験

試験条件
レーザ出力 ：2.0kW
焦点はずし ： 2.0mm
溶接速度：1m/min
溝径：15mm
シールドガス ： Ar
その流量:15 L/min

２．実験結果および考察
円周溝溶接割れ試験結果

凝固割れ破面のSEM画像

凝固形態と割れ感受性

凝固割れの発生状況（Ｂ４試験片 デルタフェライト：１３％ ）凝固割れの発生状況（Ｂ４試験片 デルタフェライト：２％ ）TIG溶接およびレーザ溶接の凝固割れ感受性の比較

マルテンサイト系
13％Cr（410型）を代表とするマルテンサイト系
ステンレス鋼はナイフやカミソリ歯などに利用されているが，溶接後，急冷すると硬化しマルテンサイト組織となる．窒素ガスシールドすると割れやポロシティのない健全な溶接部が得られる[31]．現在，カミソリの2重歯が光ファイバを用いたYAGレーザーで大量に溶接されている．

フェライト系
17％Crのフェライト系（430型）ステンレス鋼の溶接部の性能には溶接入熱やC量が大きく影響する．レーザー溶接部はTIG溶接部に比べ，入熱が低いため，より高C量でも表曲げ試験で割れを生じない[32]．結晶粒の粗大化およびマルテンサイトの生成も抑制され，溶接金属のじん性，延性及び耐食性が向上する．

オーステナイト系
18Cr-8Ni（304型）で代表されるオーステナイト系ステンレス鋼は他の系に比べて，非磁性で，50％膨張係数が大きく，熱伝導度が低いのが特徴である．レーザー溶接性は極めてよい．しかも高速溶接が可能で，溶接変形の発生が微量であるため，最近，TIG溶接やプラズマ溶接に代わってレーザー溶接が適用されることが多い．
ステンレス鋼パイプの造管ラインに導入されている[33]．ただ，310型のような完全オーステナイト系では凝固割れが発生することもある．304型に2％のMoを添加した316型もほぼ304型と同等の溶接性を示す．原子力プラント機器部品にレーザ溶接が適用されている．炭素をTiで安定化した321型のレーザ溶接継手もTIG溶接継手に比べて凝固組織が微細になり優れ４．非鉄金属材料のレーザー溶接
４．１アルミニウム合金• アルミニウムおよびその合金は金や銀のようにレーザー光の反射が大きく熱伝導率も高いので一般にレーザー溶接が幾分困難である．しかも，ポロシティや凝固割れが発生することが多いので溶接には十分な注意が必要である．ポロシティはシールド不十分のために大気（水分）を巻き込みによる水素または酸化皮膜中の水素基からの水素によるポロシティを生成したり，MgやZnを多く含む合金ではこれらの元素が溶接中に金属蒸気になりポロシティを生成する．よって，シールドを十分にしてビームの出力密度を下げて適正条件で溶接することが必要である[37]

アルミニウム合金溶接部の硬さ

1mm

Fig. Cross section of laser weld joint

Vickers hardness (HV100gf)

継手引張試験結果 (3m/min)
120100806040

Weld metal20BasemetalHAZ

0-2-10123456

Distance from bead center (mm)Fig. Hardness distribution
Filler metal ：Ni-1.5Zr
Welding speed ：Single side 18m/min
Width of HAZ ：3.3 mm
2mm

Tensile strength ：188 MPa
Elongation ：8.4 %Failure location ：Heat affected zone

1mm

Fig. Failure of welded joint after tensile test

1mmFig. Cross section of laser weld joint

Vickers hardness (Hv100gf)

継手引張試験結果 (18m/min)
12010080604020

Weld metal

HAZ

Base metal

0-1-0.5
00.5
11.5
Distance from bead center (mm)2Fig. Hardness distribution
Filler metal ：Cu-1.5Zr
Welding speed ：Both side 18m/min
Width of HAZ ：0.6 mm
Tensile strength ：235 MPa
Elongation ：4.9 %Failure location ：Interface of bead metal
Fig. Failure of welded joint after tensile test

Ａ1×××系純アルミニウム•
マグネシウムや亜鉛などの合金化されたものに比べ，純ア
ルミニウムは反射率や熱伝導率が30％から50％高いため，表面にビーム吸収剤を塗布したり，酸化皮膜を生成させないと溶込みが熱伝導型の浅い溶込みとなる．凝固速度も極めて速い．渡辺らはYAGレーザーにより溶接し，溶融特性や継手性能を調べ，熱影響部の軟化および溶接金属の硬化を確認している[40]．
Ａ2×××系合金•2017，2090，2219合金などのレーザー溶接ではポロシ
ティや割れが発生する．とくに2090では熱影響部に液化割れが見られ，溶接金属の軟化も著しい[41]．適正条件を選ぶことで溶接できる．2219合金でT4処理したものは溶接金属の硬さが著しく低下する．このような時は後熱処理を施すこともある．

Ａ3×××系合金•3003合金のレーザー溶接部は他の合金系に比べて硬さや引張強さが低い．とくに熱影響部で硬さが低下する．ただ，ポロシティの発生は少ない．
Ａ5×××系•
5052，5083，5182，5356および5456合金のレーザー溶接は可能である．Mgを約2.5％含む5052合金はYAGレー
ザーで点溶接した時はナゲット部に凝固割れが生じることがある．CO2レーザーで5052合金を溶接した場合は良好で，母材（0材）と同等の強度が得られる．5052及び5182
合金では点溶接部は抵抗スポット溶接と同等の強度が得られ，突合せ継手では母材の約80％の強度であるがフィラーワイヤを用いると，100％の強度が得られる[42]．
•Mgが約4.5％高い5083合金では他の合金に比べ，ポロシティが発生しやすいが，割れはなく，溶接性はアーク溶接と同様に良好である．溶込みも最も深い．5182も5083合金と同様である．5456も約5％のMgを含むため，ポロシティの発生が多く，図18に示すよう溶接金属からのMgのロスが起こり硬さや強度が低下するので[43]注意を要する．

Ａ6×××系• 6005，6061，6063合金はSi含有量が約0.8～1.0％と高く，凝固割れを発生しやすい組成である
ため、溶接速度を遅くするなどの溶接条件を選ぶことあるいはフィラーワイヤ（4047型など）を用いることによりレーザー溶接が可能である[44]．
Ａ7×××系• 7075及び7N01合金はAl-Zn-Mgの3元合金であり，凝固割れが発生しやすい．また，溶接金属の硬さおよび継手強度が著しく低下する．T6処理による時効硬化が溶接により解除されるからである．後熱処理をすれば回復する．Ａ

４．2．チタン合金
純チタンはα相で非常に耐食性がよい．
そのレーザー溶接部は急冷のため，わずかな針状β相がα相地に生じ，硬さは上昇し、シャルピー衝撃値は母材の約50％（約60J）に低下する．
一方，Ti-6Al-4V合金はα相＋β相であり，急冷による溶接金属の硬さ上昇が著しく，図に示すようにその衝撃値も遷移が0℃以下でおこり，-30℃では母材の約60％（13J）となる[45]．この合金はαチタンからα＋β相への変態があり，急冷による相変態のために継手性能がレーザー溶接条件により大きく左右される．

チタン合金のレーザ溶接金属の吸収エネルギー

ニッケル超合金の溶接性

管と管板とのリモートレーザ溶接

４．４ 銅• 銅は反射率が高く熱伝導が非常によいので，アーク溶接も困難であるが，高出力のレーザーで熱を集中すると溶接ができる．5kWで約2mmの純銅（無酸素銅）が溶接できる。強度を要するときに用いるベリリウム銅もニッケルメッキするとレーザー溶接できる[48]．
• タフピッチ銅に比べて、無酸素銅はH２Oガスの発生もなくレーザ－溶接できる。近年、２倍波または３倍波の波長可変レーザーを用いて、ビーム吸収率を高めてレーザー溶接する例が見られる。

ミヤチテクノス

４．5その他の非鉄金属材料
マグネシウム合金•

軽量合金のマグネシウム合金は酸化や燃焼が生じやすいが，航空機部品には多く用いられている．通常TIGかMIG溶接がなされるが，純マグネシウムやAZ31B合金のレーザー溶接が検討されている．非常に溶込みが深く，アルゴンシールドにより2m/分の速度で3kWの出力のとき，約6mmの溶込みをいずれの場合も得ている[49]．ただ、鋳物材はポロシティが生じやすいので、注意が必要である。

マグネシウム管およびフードのレーザ溶接

ジルコニウム合金•

原子炉燃料棒のクラッド管としてのジルカロ
イ2のレーザー溶接の結果，TIG溶接継手に比べて溶接金属の硬さは280Hvと約50Hv高いが，その引張特性は表6に示すよ
うに降伏点および引張強さが幾分低く，伸びおよび絞りがより高い値を示した[50]．ジ
ルカロイ4もほぼ同様の継手性能を示す．

表6 ジルカロイ2のTIG溶接およびレーザー溶接の結果

５．金属系異材継手のレーザー溶接

レーザロール溶接法の概略図

レーザロール溶接の状況

Fe-Al 系金属間化合物の機械的性質
Hardness and fracture toughness ** M.Yasuyama and K.Ogawa, JJWS,1996

Flow curves under compressive loading *（泰山ら）

 Fe-rich IMC are ductile Al-rich IMC are brittle
 Therefore, if amount of Fe-rich ductile IMC in interface
layer is increased at the expense of Al-rich brittle IMC, thejoint strength may improve.

接合界面のEPMA分析結果

Ductile IMC (FeAl+Fe3Al)
Brittle IMC (Fe2Al5+FeAl3)

引張せん断試験結果

SPCC母材で破断

Erichsen Test 結果

ＬＲ溶接継手の破断状況

レーザロール溶接法の分類
Self-melting Zone

Fusion Zone

AAPressureAorA

B

1．Fusion welding

A PressureAor(MPA≧MPB)

B

レーザロール溶接法

2．Solid-state welding
Brazing / Soldering materials

Aor

A

B
3．Brazing

4．Laser roll welding

融点が離れている場合•融点の違いを利用•高融点側の材料を加熱し低融点側の材料に押し付ける•低融点側が溶融し接合する
融点が近い組み合わせの場合•相互拡散をさせ融点の下がる共晶組織を生成させ接合する

レーザロール溶接の課題
現各種異種金属継手について基礎的な研究を進めてきたが、実用化のためには解決すべき課題も多い。
これを解決するために次のような開発進めてきた。
（１）科学技術振興機構の開発事業：「レーザによる異種金属ハイブリッド構造部材の圧接技術」（平成１５年度～平成１７年度）㈱ファインプロセスおよび名古屋大学（２）経済産業省の地域新生コンシーアム研究開発事業：「最新レーザ利用生産システムおよび高強度高機能部材の開発」（平成１６年度～平成１７年度）
名古屋大学、三重大学、堀江金属工業、レーザックス、中央精機、
大同メタル

太陽電池での銅とアルミニウムの溶接

銅とアルミニウムのスキャナー溶接

移行継手を利用５．２ 金属と非金属の異材のレーザ溶接
アルミニウムと樹脂の溶接（片山研）

アルミニウムとＣＦＲＰのレーザ溶接（Ｔｈｏｍｙ；ＢＩＡＳ ）６．今後の展望と課題
各種金属のレーザ溶接は益々重要さを増している．
そのためには，まず，素材の性質を十分把握した上で，溶接施工条件の設定をすべきである．従来のアーク溶接法とは異なる点も多いので，専門家の意見を聞くのも1つの解決方法である．最近は金属以外にも，樹脂のレーザ溶接やCFRP複合材料と金属のレーザ溶接が研究・開発され，益々解決すべき課題が増加している．

ご静聴ありがとうございました
Thank you for your kind attention.

ガラスの中にレーザで築いたお城