JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）p. 28-33

自動車車体へのレーザ溶接技術の適用
Applications of Laser Welding Technologies to Automotive Bodies
木谷靖

KITANI Yasushi

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部

大井健次

OI Kenji

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部長・博士（工学）主任研究員（副部長）・博士（工学）玉井良清TAMAI Yoshikiyo

JFE スチール

スチール研究所

薄板加工技術研究部

主任研究員（副部長）・博士（工学）要旨
高張力鋼板重ね溶接継手へのリモートレーザ溶接適用および連続溶接適用によるフレーム部品の剛性向上について紹介する。980 MPa 級鋼板の溶接において，リモートレーザ溶接継手は抵抗スポット溶接継手より高い十字引張強さとなり，溶接線サイズを容易に調整できるリモートレーザ溶接がはく離強度向上に有利であることが示唆された。ハット型試験片のフランジ部を抵抗スポット溶接，レーザ溶接，レーザ・アークハイブリッド溶接で溶接を行ない，ねじり剛性を評価した結果，連続溶接であるレーザ溶接，レーザ・アークハイブリッド溶接の方が高い剛性となり，溶接位置をフランジ中央から角部 R 止まりおよび内部とすることでさらに剛性が向上した。

Abstract:
The application of remote laser welding to the high tensile steel sheet lap joint and the rigidity improvement of theframe parts by application of continuous welding were introduced. In the lap welding of 980 MPa grade steel sheet,the remote laser welded joints showed higher cross tensile strength than the resistance spot welded joints. The
remote laser welding, which allowed easier control of the weld size, had an advantage for the improvement of peelstrength. As a result of torsional rigidity test of the hat shape test pieces whose fringes were welded by resistancespot welding, laser welding and laser-arc hybrid welding, laser and laser-arc hybrid welding as continuous welding
provided the higher rigidity. Further changing welding position from the fringe center to the corner end and theinside corner led to improve the rigidity.

1． はじめにる。また，近年自動車車体の軽量化を目的として，車体部品の高張力鋼板化が進んでいるが，軽量化と強度・剛性の自動車車体に適用される溶接法の 1 つにレーザ溶接があ両立のために，抵抗スポット溶接による点溶接からレーザ溶る。レーザ溶接は抵抗スポット溶接やアーク溶接に比べて接およびレーザ・アークハイブリッド溶接による連続溶接に歴史は浅く，自動車分野においては 1990 年代に高出力 CO2転換するというニーズが高まっている。
JFE スチールでは，自動車車体の軽量化ニーズに対応して，レーザの普及に伴い，テーラード・ブランクの溶接に広く適1, 2）。その後，光ファイバーによるビー優れた特性の鋼板を開発・提供するとともに，それら鋼板ム伝送が可能な高出力 Nd:YAG レーザが市販されるようにによる部品性能を高めるための溶接方法として，レーザ溶接なり，ロボットによる 3 次元溶接技術が開発され，抵抗スポッおよびレーザ・アークハイブリッド溶接技術の開発を行なっ用されるようになった

3-5）が，レーザ設てきた。本報告では，JFE スチールにおける最近の研究開備が高価であること，継手の精度要求が厳しいことなどの発例として，高張力鋼板の重ね溶接へのリモートレーザ溶ト溶接に代わって車体組立てに適用された接適用とフレーム部品フランジ部への連続溶接としての理由により限定的な適用に留まった。
近年，Nd:YAG レーザと同様に光ファイバーでのビーム伝送が可能で，高出力かつビーム集光性に優れたファイバーレーザ溶接およびレーザ・アークハイブリッド溶接適用による剛性向上について検討した結果について述べる。

レーザあるいはディスクレーザが普及し，改めて自動車車体へのレーザ溶接適用が注目されるようになった。高集光性のレーザにより実現されたリモートレーザ溶接

6, 7）

2． 高張力鋼板重ね継手のリモートレーザ溶接

は，溶接2.1

時間を大幅に短縮でき，高価なレーザ設備を使用してもコ

リモートレーザ溶接の特徴

リモートレーザ溶接プロセスの光学系構成模式図を図 1

ストメリットが得られる溶接法として適用が広まりつつあに示す。ガルバノスキャナと呼ばれる 2 枚のミラーの角度を2014 年 1 月 13 日受付

高速で制御することにより，ワーク上の一定範囲内でのレー－ 28 －Copyright © 2014 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

自動車車体へのレーザ溶接技術の適用

Laser beam

Scanning mirrors

Bending mirror(a) Line(b) Circle(d) Ellipse(e) Wave(c) C shape

Focusing (Fθ ) lens

図 2 リモートレーザ溶接におけるさまざまな溶接線形状
Fig. 2
Laser beamscanning area

リモートレーザ溶接では，レーザビームをガルバノスキャナによって走査するため，ロボット，加工機の動作による溶図 1 リモートレーザ溶接プロセスの模式図
Fig. 1

Variation of weld line shapes in remote laser welding

接と異なり溶接線形状の制約がほとんどない。そのため，図Schematic illustration of remote laser welding process

2 に示すような直線以外の円，C 字，楕円のような曲線，波線などのさまざまな形状で容易に溶接が行なえ，部品形状および必要特性に合わせて溶接線形状を選択することが可

Remoteweldinghead能である。

Work distance＝450 mm2.2 モートレーザ溶接による
リ980 MPa 級高張力鋼板重ね溶接継手の特性

リモートレーザ溶接は抵抗スポット溶接に比べて溶接時間を大幅に短縮できるというメリットがあるが，継手特性についての検討はまだ十分に行なわれていない。そこで，抵抗スポット溶接でしばしば問題とされる高張力鋼板のはく離Work
piece強度（十字引張強さ）を確認するリモートレーザ溶接試験を行なった。
板 厚 1.6 mm の 980 MPa 級 高 張 力 鋼 板（JFS A 2001，JSC980Y）を使用し，写真 1 に示したリモートレーザ溶接シ

写真 1 ロボットリモートレーザ溶接システムの例
Photo 1

ステムにより写真 2 に示すように十字引張試験片（JIS Z 3137

Example of robotic remote laser welding systemに準拠）の重ね部中央に直径 3～12 mm の円形の溶接線とザビーム照射位置を瞬時に移動させることができ，レーザなる貫通溶接を行なった（写真 2 は直径 8 mm の試験片外ビーム照射範囲内の離れた箇所の溶接をビーム移動時間の観）。レーザ 溶 接 条 件は，レーザ出力 4.0 kW，溶 接 速 度ロスなく行なうことが可能となる。このレーザビーム照射範2.5 m/min で，溶接部の断面マクロ組織は写真 3 に示すとお囲を大きくするには，焦点距離の長い集光レンズを使用するりとなり，重ね面の溶接金属幅は約 0.8 mm であった。

ことが有利であり，そのために集光性に優れたファイバー

図 3 にリモートレーザ溶接継手の十字引張試験結果を示

レーザあるいはディスクレーザを組合せたシステムが普及しす。図中に比較として，溶融ナゲット径 5.4 mm の抵抗スポッている。写真 1 にロボットによるリモートレーザ溶接システ

ト溶接継手（一般的に要求されるナゲット径 4 t ＝5.1 mm，ムの例を示す。このシステムでは，ファイバーレーザ発振器，t: 板厚（mm））の十字引張強さを併せて示す。リモートレー6 軸多間接ロボットとガルバノスキャナ光学系を組み合わ

ザ溶接継手の十字引張試験破断位置は，すべて溶接金属近せ，ワーク距離 450 mm でワーク上に 200 mmf のビーム照傍の母材であった。破断位置の断面観察例を写真 4 に示す。

射範囲を実現し，ロボットの動作とガルバノスキャナの制御

リモートレーザ溶接継手の十字引張強さは，溶接線直径を同期させた「オン・ザ・フライ」溶接により高効率の溶接の増加に伴い増加し，抵抗スポット溶接のナゲット径と同じ施工を可能としている。

溶接線直径となる継手では，およそ 1.5 倍程度の強さになる－ 29 －

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

自動車車体へのレーザ溶接技術の適用

Cross tension strength, CTS (kN)2010 mm
50 mm

写真 2 十字引張試験片の外観（溶接線直径＝8 mm）
Photo 21510Resistance spot welding(Nugget diameter＝5.4 mm>4√t ）50Appearance of cross tension test specimen (Weld linediameter＝8 mm)

2468101214Diameter of weld line (mm)

図3 9 80 MPa 級薄鋼板リモートレーザ溶接継手の十字引張試験結果
Fig. 3

Cross tension test result of remote laser welded jointsof 980 MPa grade steel sheet

1 mm

写真 3 リモートレーザ溶接部の断面マクロ組織
Photo 3Macrostructure of cross section of remote laser weldと見込まれる。このことから，リモートレーザ溶接では

1 mm

980 MPa 級の高張力鋼板の継手において，抵抗スポット溶接よりも狭いフランジ幅あるいは溶接サイズで同等以上の

写真 4 十字引張試験後の破断部断面マクロ組織例

はく離強度が得られると考えられる。

Photo 4 Example of macrostructure of fracture part after
cross tension test

図 4 に抵抗スポット溶接およびレーザ溶接における溶接部断面図を模式的に示す。十字引張試験時の破断発生位置は重ね面の溶接金属部あるいはその近傍であるが，抵抗ス

Stress concentrationpoint

Stress concentration point

ポット溶接とレーザ溶接ではその位置の形状が異なる。加圧しながら通電によって溶接ナゲットを形成する抵抗スポッ

Weldmetal

Weldnugget

ト溶接では，溶接ナゲット近傍の重ね面にコロナボンドと呼ばれる固相接合領域が存在する。そのため，図 4（a）に示

Corona bond

したように重ね面の溶接ナゲット境界は非常に鋭い切欠きとなり，大きな 応 力 集 中 が 起こると考 えられる。 特 に，(a) Resistance spot weld

980 MPa 級鋼のような高張力鋼板では，溶接ナゲット近傍の熱影響部は硬化が著しいため，この応力集中により低い(b) Laser weld

図4 抵 抗スポット溶接とレーザ溶接の十字引張試験における破断部の比較

荷重ではく離破断が起こりやすくなる。一方，レーザ溶接でFig. 4は，コロナボンドのような固相接合領域が存在しないため，
図 4（b）に示したように重ね面の溶接金属部の切欠きは抵Comparison of fracture parts in cross tension test
between resistance spot weld and laser weld

抗スポット溶接ほど鋭くなく，応力集中の程度が低くなるため，低い荷重ではく離破断が起こりにくい状態になっている

く離強度に対して有利な溶接方法であるといえる。と考えられる。よって，レーザ溶接は，抵抗スポット溶接に以上の結果から，リモートレーザ溶接は，単に効率的な比べて容易に溶接サイズを拡大させることができることに加溶接法であるのみではなく，抵抗スポット溶接で問題となるえ，応力集中が起こりにくい溶接部形状となることから，は高張力鋼板継手のはく離強度など，継手特性の向上にも優JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

－ 30 －

自動車車体へのレーザ溶接技術の適用位性があるということが示唆された。

種の溶接法により溶接した。溶接位置は，図 6 に示すように，フランジ中央部，角部止まり位置，角内部（角部止まり位置

3． フレーム部品への連続溶接適用による剛性向上
3.1から 4 mm 内側）の 3 種とし，抵抗スポット溶接はフランジ中央部のみ，レーザ溶接はフランジ中央部と角部止まり位
置，レーザ・アークハイブリッド溶接は角部止まり位置と角 レーム部品へのレーザ溶接およびレーザ・フ
アークハイブリッド溶接適用のメリット

アークハイブリッド溶接の溶接条件を示す。レーザ・アーク

自動車車体の軽量化のためには，使用する鋼板を高張力ハイブリッド溶接は，図 7 に示すようにレーザビームが先行化して板厚を低減することが有効であるが，板厚の低減にする形式とした。写真 5 に，レーザ溶接およびレーザ・アーよる剛性低下が懸念される。部品としての剛性は，鋼板特クハイブリッド溶接によるフランジ溶接部の断面マクロ組織性以外に溶接状態の影響も大きく，抵抗スポット溶接のようを示す。レーザ・アークハイブリッド溶接は，角部止まり位内部の試験片を作製した。表 1 にレーザ溶接およびレーザ・な点状の溶接に比べてレーザ溶接およびレーザ・アークハ
イブリッド溶接のような連続溶接が剛性に対して有利である(a) Center of fringeと考えられる。レーザ溶接は，高速・低入熱の溶接方法で，(b) Corner end

抵抗スポット溶接に比べて狭いフランジ幅での溶接が可能であり，連続溶接化に加えてフランジ削減による軽量化効(c) Inside corner

果も期待できる。レーザ・アークハイブリッド溶接は，アーク溶接を重畳させることにより溶接部に溶着金属を添加でき，レーザ溶接よりも大きなギャップで溶接が可能となるため，継手の精度要求が緩和される。
（株）エイチワン殿では，フレーム部品の軽量化と剛性向上を両立させるために，フレームのフランジ部分に連続溶接を適用することを検討され，レーザ溶接およびレーザ・アークハイブリッド溶接の適用とフランジ溶接箇所の調整による

図 6 ハット型試験片フランジの溶接位置剛性向上効果を明らかにするため，JFE スチールとの共同研

Fig. 6究としてハット型試験片による剛性試験を実施した。

3.2

Welding positions at fringe of hat shape test piece

表 1 レーザおよびレーザ・アークハイブリッド溶接の溶接条件

ハット型試験片による連続溶接適用剛性試験

Table 1Welding conditions of laser and laser-arc hybridwelding

フレーム部品フランジ部の溶接において，抵抗スポット溶接に対する連続溶接としてのレーザ溶接およびレーザ・アー

Laser beamwelding

クハイブリッド溶接適用による剛性向上効果を検証するため，図 5 に示す形状のハット型試験片のねじり剛性試験を実施した。このハット型試験片の両側フランジ重ね部を，抵抗スポット溶接（溶接ピッチ：35 mm），レーザ溶接およびレーザ・アークハイブリッド溶接（全長 800 mm 連続）の 380

R605

Laser power (kW)

3.0

3.0

Arc current (A)―160

Welding speed (m/min)

2.0

2.0

Shielding gas

ArAr-20％ CO2Welding wire―

JIS Z 3312
YGW12(dia.＝0.9 mm)Material:
JFS A 2001
JSC270D (1.6 mmt)

R5Arc torch
angle＝60°

22.4

Laser-arc
hybrid welding

Laser: Nd: YAG
Beam incident angle＝90°
Beam spot diameter＝0.6 mm
Focal position＝±0 mm
Welding
direction

800
Wire extension＝15 mmunit: mm

図 5 ねじり剛性試験用ハット型試験片Fig. 5Laser beam spot/
wire distance＝2 mm

図 7 レーザ・アークハイブリッド溶接の模式図

Hat shape test piece for torsional rigidity test

Fig. 7－ 31 －Schematic illustration of laser-arc hybrid welding
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

自動車車体へのレーザ溶接技術の適用

1 mm

1 mm(a) Laser beam welding
Welding position: Center of fringe(b) Laser beam welding
Welding position: Corner end

1 mm

1 mm(c) Laser-arc hybrid welding
Welding position: Corner end(d) Laser-arc hybrid welding
Welding position: Inside corner

写真 5 レーザおよびレーザ・アークハイブリッド溶接部のマクロ組織
Photo 5Macrostructures of laser and laser-arc hybrid welds

Torsional rigidity ratio(RSW (CTR)＝1.0)

1.20
Torsion force
Hat shape test piece

1.10
1.00
0.90
0.80

LBW(CTR)

LBW
(REN)

HBW(REN)

HBW
(RIN)

RSW: Resistance spot welding (Pitch=35 mm)
LBW: Laser beam welding
HBW: Laser-arc hybrid welding
CTR: Welding position = Center of fringe
REN: Welding position = Corner end
RIN: Welding position = Inside center

写真 6 ねじり剛性試験の状況
Photo 6RSW(CTR)

Appearance of torsional rigidity test

図 8 ねじり剛性試験結果
Fig. 8

置ではレーザ溶接よりも溶融幅が広くなり，また角内部ではTorsional rigidity test results

重ね部の隙間に溶着金属が充填されることにより欠陥のない溶接部となった。

この結果から，抵抗スポット溶接から連続レーザ溶接に置き作製したハット型試験片を写真 6 に示すねじり剛性試験

換えることで約 8％の剛性向上（RSW（CTR）と LBW（CTR）に供し，ねじり荷重負荷時の角度-トルク曲線の傾きから剛の比較）があり，さらに溶接位置を角部止まり位置とするこ性値を算出し，抵抗スポット溶接による試験片（溶接ピッチ：とで約 13％の剛性向上（LBW（REN））があることが明ら

35 mm，溶接位置：フランジ中央）の剛性値を 1 とした際のかになった。また，レーザ・アークハイブリッド溶接を適用

各試験片の剛性値の比率を剛性比として図 8 に整理した。

し角部止まり位置および角内部を溶接することにより，抵抗JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

－ 32 －

自動車車体へのレーザ溶接技術の適用

Major strain

ポット溶接に代わる溶接法として，リモートレーザ溶接およ−4び連続溶接としてのレーザ溶接，レーザ・アークハイブリッ

5.0×10

ド溶接の最近の研究開発事例を紹介した。レーザ溶接はこれまで設備が高価であることが実適用の障壁となっていたが，リモートレーザ溶接のような機器の発展による効率化や高張力鋼板による部品の連続溶接化のニーズ拡大などを背0(a) Laser beam welding
Welding position:
Center of fringe

景に，今後自動車車体の溶接への普及が進むことが期待さ(b) Laser beam welding
Welding position:
Corner end

れる。JFE スチールでは，レーザ溶接に関する新技術の開発および実用化を推進し，自動車ユーザー各社での高張力

図9 ハ ット型試験片のフランジ部における主応力分布の CAE
解析
Fig. 9鋼板の適用拡大による車体軽量化および安全性向上への貢献に注力したいと考えている。

Computer Aided Engineering (CAE) analysis of major
strain distribution at fringe area of hat shape test piece

フレーム部品への連続溶接適用による剛性向上について，共同研究として各種試験の実施に協力いただき，また本報

スポット溶接よりも約 16～18％の剛性向上があることが明告への記載を許諾いただいた株式会社エイチワン武部洋行

らかになった。

主任，杉原文彦主任補および関係各位殿に深く感謝の意を図 9 に，フランジ中央部をレーザ溶接した試験片（LBW表します。

（CTR））および角部止まり位置をレーザ溶接した試験片（LBW（CTR））におけるフランジ部の主応力ひずみ分布をCAE（Computer Aided Engineering）解析により求めた結果

参考文献
1）池本公一，杉浦宏明，東和男，有馬幸一，高砂俊之．塑性と加工．

を示す。角部止まり位置を溶接した（b）では，フランジ中央部を溶接した（a）に比べ，フランジ中央部から角部止まり位置の範囲の変形が抑制されており，その結果縦壁部に生じるひずみが低減され，試験片のねじり剛性が向上したことが分かる。
以上のことから，フレーム部品のフランジ部の溶接において，連続溶接を適用するとともに溶接位置を選択することで1991, vol. 32, no. 370, p. 1383-1390.
2）森清和，伊藤之修，西島直哉，浪形誠，坂元宏規．日産技報．1994,
no. 35, p. 121-126.
3）白井雅人．レーザ加工学会論文集．2002, no. 55, p. 1-6.
4）樽井大志，森清和，長谷川隆久．レーザ加工学会論文集．2005, no. 64,
p. 46-51.
5）Loeffler, Klaus．レーザ加工学会論文集．2005, no. 64, p. 1-6.
6）空田和彦．レーザ加工学会論文集．2007, no. 68, p. 147-150.
7）吉川暢広，樽井大志，森清和，坂本剛．レーザ加工学会論文集．2010,
no. 73, p. 53-56.

剛性を向上させることが可能であり，鋼板の高張力化・薄肉化と溶接方法の組合せによって軽量化と剛性向上を両立させる可能性が示唆された。

4． おわりに
自動車車体の軽量化ニーズは今後ますます厳格化する傾向にあり，軽量化と車体強度および剛性を両立させるためには，各種の高機能高張力鋼板を有効に活用するとともに溶接技術を開発することが重要である。本報告では，抵抗ス－ 33 －木谷靖

大井健次

玉井良清JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）
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