技術紹介

レーザ・アークハイブリッド溶接技術の現状と今後の課題
川口勲 *Kawaguchi Isao
近年、レーザ発振器の高品質化・高出力化に伴い、レーザ加工技術はその適用先を広げている。特に、これまで課題となっていた大型構造物の厚板への適用に向け、レーザ・アークハイブリッド溶接の研究・開発が進み、実用化段階に来ている。このようなレーザ・アークハイブリッド溶接技術の現状や特徴、適用事例と共に、今後の課題について紹介する。
キーワード：レーザ加工、レーザ溶接、ファイバーレーザ、レーザ・アークハイブリッド溶接指摘されている。特に、重工業分野における大型1．緒言

構造物の施工へ導入する上で、これらの問題点のレーザ・アークハイブリッド溶接（以下、ハイ解決が不可欠である。

ブリッド溶接という）は、レーザ溶接とアーク溶

一方、アーク溶接は装置が比較的安価で、もっ接の長所を活かしながら、欠点を補完しあう溶接とも広範囲に利用されている溶接方法であり、そ方法として注目されている。の技術的蓄積、信頼性が高い溶接方法ではあるもレーザ溶接は、低入熱・高精度・高速溶接や深のの、レーザ溶接と比較して入熱が高いことから溶込み溶接という優れた特徴があり、各種産業に溶接変形が大きくなること、高速溶接時にはビーおいて実用化されている。特に、近年、レーザ発ド表面が不安定になりハンピングビードと呼ばれ振器のビーム品質・出力・信頼性が急速に進歩しる不整ビードが形成されやすいなどの問題点があてきたことや発振・励起方式の異なるレーザ発振る。

器が高出力レベルでの実用化を迎えていること、このような背景から、各熱源を組合せることにモニタリングやビーム制御技術等の周辺技術が進より、より高効率・高品質な溶接を目指した技術歩してきたことから、それらの特徴を活用した新がハイブリッド溶接技術であり、近年、研究開発

しいレーザ溶接技術が提案されてきている。

が盛んに行われ、実用化されつつある技術である。

しかし、レーザ品質が向上することは、突合せ

ここではハイブリッド溶接の特徴、およびその溶接におけるギャップ裕度の低下、溶接金属中に開発の状況を IHI 技術開発本部と共に行った IIC

発生する気泡（ポロシティ）などの発生量の増大、でのこれまでのハイブリッド溶接技術への取り組アンダーカット（溶接ビード止端部に発生するみと今後の展開を中心に紹介する。

ノッチ状の欠陥）などを招く可能性があることが＊研究開発事業部

生産技術部 専門課長

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ザと比較して、発振器の省スペース化が可能で、2．ハイブリッド溶接技術の特徴
2．1

発振効率が高く、高ビーム品質が得られることかハイブリッド溶接技術の開発

ら、従来のレーザ溶接以上の高速溶接や深溶込み

ハイブリッド溶接は 1970 年代後半から研究開溶接が可能となった。これらの性能向上がハイブ発が始まったものの、本格的な実用化に向けた開リッド溶接においても期待され、各分野で適用の発は、ハイブリッド溶接による溶け込み深さの増ための研究開発が活発に展開されている。

大や溶接の高効率化に効果があることが示された

2．3

ハイブリッド溶接技術の特徴

90 年代後半からであった。その後、レーザ熱源

前述したように、レーザ溶接は、高速溶接や深の高品質化、高出力化の急速な進歩や発振器の種

溶込み溶接、入熱が抑えられることによる低ひず類の多様化に伴い多くの熱源の組合せが試行さみ溶接という非常に有用な特徴を持つが、一方で、れ、同時に溶接ヘッドの開発もさかんに行われて開先裕度が狭く、深溶込みになるに従いポロシいる。このような研究開発の成果として、自動車、ティなどの溶接欠陥が発生するという欠点を持っ船舶・橋梁などで、一部実用化されている。ている。本項目では、このような欠点を解消する

2．2

手段のひとつとしてのハイブリッド溶接の利点にハイブリッド溶接の装置構成

ハイブリッド溶接装置は、レーザ溶接に使用すついて、述べる。

るレーザ発振器と市販されているアーク溶接用の（1）アークの安定化電源を組合せ、市販されているレーザヘッドや独レーザ照射によってアークが安定化することに自に開発したレーザヘッドにアーク溶接用のトーついては、多くの研究報告があり、この特徴を利チを装着させることが、一般的である。ハイブリッ

用することが、ハイブリッド溶接を使用する大きド溶接に使用するレーザ発振器は通常のレーザ溶な目的のひとつである。溶接アークの指向性の欠接と同様の発振器から選定される。この中でも、如は、ビード蛇行や溶接欠陥の発生要因となり、近年、ファイバーでレーザ光の伝送が可能で、よ低電流条件においてはアークの不安定性や電極のり高品質なビーム品質が得られるディスクレーザ消耗などによる電極先端形状の変形などが発生すやファイバーレーザの使用例が増加している。特る。ハイブリッド溶接は、溶接中になんらかの要に図 1 に示すファイバーレーザは従来の他のレー因によってアークに偏向が生じた場合、アークプラズマをレーザプラズマが誘導して極点をレーザ照射点近傍に拘束できるため、より指向性の高い安定した熱源が得られる。特に、薄板溶接の場合に用いられる速度域では、アークの安定化に有効であるとする研究報告が多数あり、ハイブリッド溶接の有効性を示す特徴となっている。この作用により、アーク単独の溶接においては、図 2（a）に示すようにハンピングが発生するような速度域においてもハイブリッド溶接を行うことによって（b）に示すような良好なビードを得ることが可能

図１ ファイバーレーザ発振器の例となる。

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深さは、図 3 に示すように、レーザ単独溶接と比較して溶込み深さが深くなる 1）。また、レーザ単独溶接における深溶込み溶接はポロシティなど（ａ） アーク単独溶接において発生するハンピングビードの溶接欠陥の発生が懸念されるため、Y 開先を用いて、1 層目はレーザ単独溶接で行い、2 層目にハイブリッド溶接を用いるなどの手法がとられる場合もある。

（ｂ） (a) と同じ速度によるハイブリッド溶接のビード
外観

・4.5kW CW YAGレーザ
・伝送径：0.6mmφ ・焦点距離：200mm
・レーザ先行(±0mm) ・ビードオン
・LA距離±0mm 4.5kWレーザ溶接
・レーザ先行15

溶込み深さ：ｍｍ

図２ ハイブリッド溶接によるビード形状の安定化（2）溶接速度の高速化
アーク溶接を単独で行った場合、溶接速度が速すぎると、極点移動がスムーズに行えなくなるこ

アーク溶接（CO2溶接）10

ハイブリッド溶接
4.5kW-LBW+CO2ｱｰｸ5とから、アークが不安定化し、ハンピングビード0が形成されることが知られている。しかしながら、

0ハイブリッド溶接を用いることにより、前項で述

1
溶接速度：m/min

2

図３ ハイブリッド溶接による溶込み深さの増加 1）

べたように、アークが安定化により高速域まで安定な溶接が可能となる。また、板厚 10 mm 前後のステンレス鋼板の 1 パス下向き突合せ貫通溶接（4）開先裕度の拡大においても、レーザ単独溶接と比較して、10 ～レーザ溶接部にギャップが発生した場合、アン20％程度の溶接速度の増加が可能である。

ダーフィルや材料によっては溶接割れが発生しや（3）溶込み深さの増加

すくなるため、レーザ単独で溶接を行う場合は一下向きの突合せ溶接の場合、ハイブリッド溶接

般的には開先加工に機械加工を行い、ギャップをは、レーザ単独溶接と比較して、溶込み深さが深極小化して施工する必要がある。しかし、寸法精くなるという特徴がある。しかし、溶接条件を選度を出しにくい曲線部や、6 mm 程度以上の板厚定する必要があり、どのような条件においても深の材料をレーザ切断面のまま溶接を行う場合、さくなるわけではない。特に、レーザとアークの照らに、大型構造物を製作する場合などではギャッ射位置や、溶接の姿勢などによって大きく変化すプをゼロに管理することが困難な場合が多い。ハることが知られている。溶込み深さが深くなる溶イブリッド溶接は、寸法精度の緩和や許容ギャッ接条件は、キーホールが形成されていて、かつ、プを大きくできる特徴があり、レーザ単独溶接でレーザ照射位置でのアーク溶接により形成されるは困難である適用範囲への拡大が期待されてい溶融池の表面深さが重要であり、溶融金属層の厚る。ギャップ裕度は、図 4 に示すように、板厚い部分にレーザを照射しないような、溶接条件を12 mm のステンレス鋼に対して、レーザ単独溶接選定する必要がある。このような適正条件を用いにおいては 0.5 mm のギャップでアンダーカットることにより、ハイブリッド溶接における溶込みが生じるが、ハイブリッド溶接を行うことにより

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溶接方法

レーザレーザハイブリッドアーク（MAG）

ギャップ0mm

0.5mm

2mm2mmマクロ観察結果

図４ 各種溶接方法のギャップ裕度 2）
2 mm のギャップ裕度が得られることがわかる 2）。と比較して変形量が低減できることを示してい（5）溶接変形の低減る。ただし、レーザ単独溶接と比較すると変形量

前項で、レーザ溶接の弱点であるギャップ裕度が大きくなるため他のメリットなどもよく考慮しをハイブリッド溶接を行うことにより解決できるてハイブリッド溶接を選定する必要がある。

ことを示したが、逆にアーク溶接の弱点である変（6）継手強度の改善

形量もハイブリッド溶接を行うことにより低減す

レーザ溶接は、急熱急冷であることから溶接部ることができる。の硬度が高くなったり、靭性が低下することがあ

図 5 は、板厚 12 mm のステンレス鋼を各溶接る。レーザ単独溶接においては、これらの機械的方法によって突合せ溶接を行った場合の角変形量性質を改善することは困難である。しかし、ハイ2）を比較した結果である 。ただし、開先は、レーブリッド溶接は、入熱がレーザ溶接と比較すると

ザ溶接はギャップ 0 mm の I 開先、ハイブリッド高いため冷却速度が緩和されること、溶接ワイヤ

溶 接 は 0.5 mm ギ ャ ッ プ の I 開 先、 ア ー ク 溶 接を使って成分調整を行うことができるため機械的（MAG 溶接）は、60° V 開先を用いている。そ性質の改善がレーザ溶接と比較して容易である 3）。の結果、ハイブリッド溶接はアーク溶接とレーザ（7）溶接欠陥の抑制
レーザ溶接においては、溶込み深さが増加する溶接の中間の変形量に位置しており、アーク溶接にしたがって発生するポロシティや入熱などの溶接条件や継手形状などによって発生する割れが溶

120

拘束無し
拘束有り

角変形 θ（mrad）

100

接欠陥として発生しやすくなる傾向にあるが、ハイブリッド溶接は、溶接条件を適正化することに80よりこのような溶接欠陥の低減に効果があること

60が示されている。特に , ポロシティの原因は、キー40

ホールの不安定性が要因となったキーホール挙動が大きな影響を与えることが知られており、レー20

ザ単独溶接においても種々の解決方法が検討されたれ落ち
0LBW

GMAW

溶接方法

Hybridている。一方、ハイブリッド溶接は、レーザ溶接と比較して溶融プールが大きく、溶融プールの動図５ ス
 テンレス鋼の各種溶接方法の角変形量の一例 2）—

きにも変化があり、発生したポロシティが溶融池

52—

表面から抜け、ポロシティの低減に有効であると溶接を用いる特質上、自動化は不可欠である。基する報告もある 。しかし、溶接条件によっては、本的には、複雑な溶接線や比較的小型な部材にはアーク溶接の溶融金属の移行時にキーホール挙動

図 7 に示すような多関節ロボットが多く用いらが不安定化し、ポロシティの発生量が増加する場

れ、直線の溶接には精度に優れた図 8 に示すよ合もあり、注意が必要である。

うなカンチレバータイプやガントリータイプのロ3）

ボットが多く用いられる。また、大型構造物にな

3．ハイブリッド溶接の最近の適用
3．1

るに従って図 6 で示したような大型装置が必要

薄板への適用例になるが、コスト面からの制約も大きくなる。こ

薄板は、寸法精度の向上と共に高速溶接が行えのような観点から、走行台車を用いたハイブリッ

る点と継手特性の向上が図られる箇所に適用が進ド溶接装置の開発が必要であり当社グループにおめられている。その例としてフォルクスワーゲン

いても図 9 に示す自走式の溶接装置を開発し 2）、ではドア部分へのハイブリッド溶接の適用が行わ良好な溶接継手を得ている。また、大型部材を溶れている 。そのほか、国内でもテーラードブラ接する場合には、狙い位置精度、溶接変形などのンク材や車輌のアルミ溶接へのハイブリッド溶接観点から、拘束方法や開先倣い機構を用いた溶接

3）の適用もされている 。
4）3．2

厚板への適用例

厚板の場合は、変形が少なく後工程の仕上げ調整や組立て工数の削減が期待できる箇所への適用が考えられる。ヨーロッパでは、図 6 に示すような装置を用いた造船用部材の隅肉溶接や、サンドイッチパネルへのハイブリッド溶接が実用化され 3）、また、橋梁部材への適用も行われている 5）。

図７ 多軸ロボットによるハイブリッド溶接の例

図６ ハイブリッド溶接の造船部材への適用例 4）3．3

自動化への動き

ハイブリッド溶接は、アーク溶接条件やレーザ

図８ カンチレバー式のハイブリッド溶接装置の一例

溶接条件などのパラメータが多く、また、レーザ

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う進んでいるか”、溶接技術

Vol.56（2008）、

No.2 pp.51-58
5）猪瀬、神林、井戸、大脇、宮地：“レーザ・アーク ハ イ ブ リ ッ ド 溶 接 の 橋 梁 部 材 へ の 適 用”、
IHI 技報図９ 走行台車を用いたハイブリッド溶接装置の一例 2）装置の開発・適用が重要な課題となる。
4．今後の展望現在、ハイブリッド溶接は、その使用目的による熱源の選択、溶接条件の適正化、自動化、溶接現象の可視化および品質管理技術などのシステム化が課題であり、その中でも、材質・板厚に適合したシステムの供給を迅速に行える技術の構築が重要である。
参考文献
1）河合、岩見、馬場、小川：“レーザ・アークハ
イブリッド溶接現象の観察”、第 153 回溶接
アーク物理研究委員会資料
2）山岡：“各種材料のレーザ溶接とその応用”、溶接技術

Vol.55（2007）、No.11 pp.93-973）安部、林：“レーザ・アーク複合溶接法とその将 来 ”、 溶 接 技 術 Vol.51（2003）、No.7、pp.62-67
4）片山：“レーザ・アークハイブリッド溶接はど研究開発事業部
生産技術部 専門課長

川口勲

TEL. 045-759-2120
FAX. 045-759-2155—

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Vol.49 No.1（2009-3）pp.60-63