マグネシウム合金のレーザ溶接技術
Laser Welding of Magnesium Alloy
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA

マグネシウム合金は，既存の実用金属の中でも軽量かつ高強度である．現在の高速鉄道車両にはアルミニウム合金が使用されている．将来においてアルミニウム合金よりも軽量であるマグネシウム合金を鉄道車両構体に用いるための研究が各所で行われている．鉄道車両製造には溶接が必須技術である．アーク溶接，抵抗スポット溶接が鉄道車両製造における溶接方法の主流である．このほかに近年ではレーザ溶接や FSW も広く使用されている．当解説ではマグネシウム合金のレーザ溶接について解説する．

１ はじめに

表1よりアルミニウムとマグネシウムでは，ほぼ同じ当社の製造する鉄道車両の大半はステンレス鋼製であ融点，比熱であることがわかる．ただし，マグネシウムる．これは主に通勤車両として使用されている．対しての熱伝導率はアルミニウムの約2/3程度である．マグネ

特急車や新幹線車両においては軽量なアルミニウム合金

シウムと鉄では融点，比熱，熱伝導率に2倍以上の差がが使用されている．

ある．マグネシウムは熱物性としてはアルミニウムに近い性質がある．

車体が軽量であることは鉄道車両において重要な開発目標の一つである．近年，アルミニウム合金より軽量な

表1

マグネシウム合金を鉄道車両用の材料として使用する動きがある．マグネシウム合金は密度がアルミニウム合金の約2/3であり，大幅な軽量化が見込まれる．
マグネシウム合金はアルミニウム合金同様に圧延材，押出形材の製作が可能である．現在，アルミニウム合金材
質材
Fe質Al
Fe
Mg
Al
Mg

製車両はダブルスキン押出形材を溶接により組み立てて融点
（℃）
融点
1536
（℃）
660
1536
649
660
649

沸点
（℃）
沸点
2860
（℃）
2520
2860
1090
2520
1090

熱物性（1）

比熱
熱伝導率（ J/kg・℃）（W/m・℃）
比熱
熱伝導率
456
78
（ J/kg・℃）（W/m・℃）
917
238
456
781038156
9172381038156

レーザ溶接では表1の熱物性に加えて，材料固有のレいる．マグネシウム合金製車両についてはさまざまな構ーザ波長に対する吸収率という性質が重要である．これ造を検討中である．
マグネシウム合金の溶接については種々の方法が検討

は，レーザを材料に照射したとき，どれだけのエネルギされている．具体的にはアルミニウム合金製車両の主なが吸収されるかを示すものである．ここではYAGレー溶接法であるMIG溶接，TIG溶接，このほかにFSW，レザ や フ ァ イ バ レ ー ザ， 半 導 体 レ ー ザ の 波 長 に 近 いーザ溶接等である．

1000nm付近のデータを表2に示した．

種々の溶接法の中でレーザ溶接には施工上の利点とし

表2より，たとえば鉄の場合は吸収率が約40%であるて低ひずみ，高速溶接がある．これらをマグネシウム合から，投入したレーザのエネルギの約40%が熱となり加金製車両の製造で実現するため，マグネシウム合金の溶工に寄与する．三種の金属を比較するとマグネシウムは接性の確認実験を実施した．この結果を「マグネシウム

鉄とアルミの中間に位置する吸収率を有していることが合金のレーザ溶接技術」として解説する．

わかる．
（2）
1000nm
材質表 2 レーザ波長Fe
Al 付近の吸収率Mg

２ マグネシウムの物性
鉄道車両構体を構成する材料の熱物性を表1に示す．
ただし，合金の種類によって物性値が異なるため，主な構成元素で示した．

総合車両製作所技報第５号

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吸収率
材質

約Fe40%

約Al10%

約
Mg25%

吸収率

約 40%

約 10%

約 25%

マグネシウム合金のレーザ溶接技術

マグネシウムの吸収率はアルミニウムに比べて2倍以

表3よりガスノズルが細いほうが，比較的に溶け込み上であり，なおかつ2つの材料の熱物性は同程度であるが深い傾向にあることがわかる．この傾向はステンレスことから，マグネシウムはアルミニウムよりレーザによ鋼板の場合においても同様である．3mm板を貫通溶接すって加熱が容易であると考えられる．また，マグネシウるには，およそ4.0m/min未満の溶接速度が必要であると

ムと鉄を比べた場合，熱物性，吸収率に大きな差がある．

考えられる．

次章においてはマグネシウム合金と，実際に鉄道車両板厚3mmのステンレス鋼において，同様にレーザ出力構体に使用されるステンレス鋼について溶接性の比較を3kWで溶接した場合の断面マクロ写真を表4に示す．こ行う．両合金の諸物性は省略するが，マグネシウム合金

こでは溶接速度をパラメータとしている．なお，ガス流とステンレス鋼の物性の関係はマグネシウムと鉄と同程量は純Ar 30L/minである．
表4の中で最も速い溶接速度3.0m/minにおいては，お度である．
3

よそ1mm程度しか溶け込み深さが得られていない．3mm

マグネシウム合金の溶接性の厚さを貫通溶接するためには0.6m/minの溶接速度が必

３．１ マグネシウム合金の溶け込み要となっていることがわかる．

レーザ溶接におけるパラメータは溶接時に容易に変更

表4

可能なレーザ出力，溶接速度，加工ガス流量や，装置側マグネシウム合金の溶け込み溶接速度（ m/min）
溶接速度（ m/min）の構成を変更する必要があるビーム径，ガスノズル径・角度等がある．
まず初めに溶接速度とガスノズル径をパラメータとした時のマグネシウム合金の溶け込みについて調査した．
表3に結果の断面マクロ写真を示す．材料は板厚が3mm

ガスノズル径φ4ガスノズル径φ40.60.6のマグネシウム合金である．継手はビードオンプレートとした．溶接部近傍は溶接前にワイヤブラシにより酸化被膜を除去した．使用したレーザは波長940nmの半導体レーザである．レーザ出力は3kW，ガス流量は純Ar15L/minに固定した．

0.9

溶接速度 表 3 マグネシウム合金の溶け込み
ガスノズル径φ12（ m/min） ガスノズル 径φ4
溶接速度
ガスノズル径φ12（ m/min） ガスノズル 径φ40.94.04.0

1.5
1.55.05.0
3.06.03.06.0

これらの断面マクロ写真から求めた溶接速度ごとの溶8.0

け込み深さの比較を図1に示す．なお，溶込み深さ3mm8.0の位置のステンレス鋼板のプロットは，貫通溶接されているため参考の点である．グラフを横軸方向に見ていくと，Mg合金がある溶込み深さを得ようとした場合，ステン

63

2016年12月

レス鋼板に比べて5倍程度速い溶接速度でよいとわかる．

いる．後半の酸化被膜を除去していない区間では，溶接表2のレーザ吸収率ではマグネシウムは鉄の半分程のビードが形成できていない．わずかに板の表面の一部と，吸収率であったが，マグネシウム合金はステンレス鋼よルート面が若干溶融しただけである．レーザ出力は一定

りも高速で溶接が可能であることがわかった．のまま，一定速度で溶接を行っているわけであるから，この差異は酸化被膜の有無が原因にほかならない．
酸化被膜を除去していない部位に照射されたレーザは一部が材料に吸収されるが，材料を溶融させる程では無い．大部分は反射し空間中に拡散していったと考えられる．酸化被膜の除去はレーザ溶接に際して重要なことがわかる．
４ マグネシウム合金の溶接継手の例
図3は厚さ3mmの板を突合せ溶接（裏当て有り）した断面マクロ写真である．レーザ装置は半導体レーザである．第3章で述べたようにマグネシウム合金はステンレス鋼に比べて高速で溶接することが可能である．その反

図1面，突合せ溶接では裏波や一部母材の蒸発等により，ビ溶け込み深さの比較ード表面が落ち込みやすい．

３．２ マグネシウム合金の酸化被膜

溶込みは裏当て板にまで達しており十分であるが，ビアルミニウム合金のレーザ溶接では母材に比べて融点ード表面に若干のアンダカットが発生している．このアの高い酸化被膜が溶接を阻害する．またアーク溶接におンダカットを低減する方法としては溶接条件や光学系，いても溶接欠陥を発生させる原因となる．マグネシウムまたはワイヤの添加が考えられる．

合金の表面に存在する酸化被膜も同様に，レーザ溶接に

ここではワイヤを添加する方法について述べる．ワイヤとって有害である．しかし，実際に酸化被膜を除去しなを添加する方法にも種々ある．レーザによる溶融池に対い状態でレーザ溶接を行った例は少ない．ここでは引きして常温のワイヤを送給する方法，ワイヤに電流を流し続き前節の半導体レーザを用いて，マグネシウム合金表ジュール発熱により融点直下まで加熱し，送給するホッ

面の酸化被膜を除去した場合としない場合でどのようなトワイヤという方法，またはレーザとアークを併用した結果となるかを確認した．

レーザアークハイブリッド等である．

継手形態は突合せとして，溶接予定線の前半は酸化被膜をワイヤブラシにより除去し，後半は材料のままとした．板厚は3mmである．溶接条件はレーザ出力3kW，溶接速度5.0m/min，ノズル径φ4である．図1によると約3mmの溶込みが得られる条件である．

図2

突合せ継手の外観

レーザは紙面右から左に向かって進行している．初めに酸化被膜を除去した区間を通過する．ここでは溶接ビードが形成されビード止端の周囲にヒュームが付着して総合車両製作所技報

第５号

図3

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半導体レーザによる突合せ溶接（裏当て有）マグネシウム合金のレーザ溶接技術

図4に半導体レーザにおいて常温のワイヤを添加し溶５ おわりに接した断面マクロ写真を示す．図3に比べてカットは減

マグネシウム合金とステンレス鋼との溶込みの比較，少している．余盛りが低いが，現在溶接条件の調査中でおよびワイヤを添加したいくつかの実験を実施し，基礎あり今後改善を行っていく予定である．

的なマグネシウム合金の溶接性を確認した．

この方法の場合，レーザのエネルギにより母材およびマグネシウム合金はステンレス鋼よりも高速で溶接がワイヤを溶融させなければならない．そのため，入熱量可能な合金であることがわかった．また，酸化物がレーが増加してしまう．また，ワイヤの狙い位置，ビーム径，ザ溶接に与える影響について確認した．ワイヤを添加し溶接速度とワイヤ送給速度の関係等，通常のレーザ溶接た溶接試験ではホットワイヤの有効性を確認した．に比べてパラメータが増える．現在は，溶接速度とワイ今後は溶接条件の最適化を行い，より実際の構造物にヤ送給速度の比であるワイヤ送給比を主なパラメータ設近い試験体での実験を行いたいと考えている．

定し実験を継続して行っている．

参考文献
（1）
（一社）アルミニウム協会：「アルミニウムハンドブック（第6版）」，29，（2001），（株）昭栄社印刷所
（2）
中田一博：
「マグネシウム合金の溶接」，溶接技術，121，（2012），産報出版（株）

著者紹介
図4

ワイヤを添加した例（半導体レーザ使用）
吉澤正皓

図4の方法に対してホットワイヤ法では，先に述べたようにジュール熱によりワイヤを融点近くまで加熱させるため，レーザはほとんど母材を溶融させるだけで良い．

生産本部
技術部（接合技術センター）

また，通常のワイヤ送給に比べて溶着金属の量を制御しやすいという利点がある．ホットワイヤ法による溶接部の断面マクロ写真を図5に示す．使用したレーザはファイバレーザである．熱影響の範囲も小さく，なおかつ非常に整った余盛りを形成している．

図5

ホットワイヤによる溶接例（ファイバレーザ）

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