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栃木県産業技術センター 研究報告 No.12(2015)
レーザ溶接ビードマップの開発
赤羽 輝夫* 関口 康弘*
To Provide a Bead-Map for Laser Welding
Teruo AKABA and Yasuhiro SEKIGUCHI
平成24年度から25年度に実施した研究「CO2レーザによる異種金属溶接における特性評価」において,
溶接条件と溶接結果の関係が把握できるレーザ溶接ビードマップを開発した。1)2)
この活用により鋼と
ステンレス等の異種材料溶接における最適溶接条件の選定に効果が認められた。しかし,異種材料の溶接
にレーザ溶接ビードマップを活用するためには,最適条件の平均値をアレンジするなどの工夫が必要であ
った。
本年度は,実際に同種・異種材料の試験片を溶接してレーザ溶接ビードマップの開発を行った。その結
果,同種・異種材料の溶接条件と溶接結果の「見える化」が実現でき,最適条件,良好条件の範囲,
欠陥の発生する条件等が把握できるようになった。
Key Words : レーザ溶接,レーザ溶接ビードマップ,異種材料,溶接条件,最適化
1 はじめに
省資源・省エネルギー化が進展する中,自動車業界で
は車体の軽量化を推進している。車体の軽量化方法と
して,テーラードブランク工法(TB工法:異種金属や
板厚の異なる材料をレーザ溶接等で溶接してからプレ
ス成形する方法で,軽量化や高強度化に有効。)が広が
りを見せている。
県内の中小企業が今後TB工法を実施するには,レー
ザ溶接技術の高度化や溶接条件の最適化法を図ること
が必要となる。
本研究では,これまでの研究で開発したレーザ溶接ビ
ードマップ(LBM:レーザ出力及び加工速度等を複数の
水準で変化させ,ビード・オン・プレートによる溶接
ビードを2次元に配置し,傾向を「見える化」したも
の。)について,実際の試験片溶接によるパターン展開を
行う。それらの特性を把握し,溶接条件の最適化をルー
チン化させて活用を図る。
2 研究の方法
2.1 LBM規格
表1に示す組合せで3種類のLBMを作製することとし
た。①は鋼板(材質:SPCC,板厚:3.2mm)の同種であ
り,②は鋼板(材質:SPCC,板厚:2.0mm)と鋼板(材
質:SPCC,板厚:3.2mm)の異種であり,③は鋼板(材
質:SPCC,板厚:2.0mm)とステンレス板(材質:SUS
304,板厚:2.0mm)の異種である。
レーザ出力と加工速度はそれぞれ5水準とし,水準値
は平成24年度から25年度に実施した研究「CO レーザに2
よる異種金属溶接における特性評価」で得られた最適
条件を基とし,さらに予備実験を加えて選定した。
溶接後に試験片の両端部を切断しサイズを25mm×
25mmとした。LBMは3種類とも縦横200mmのアクリル板に
試験片サイズの穴を合計25個開けて試験片をはめ込み,
ビードの裏面も観察できるようにした。
表1 試験材料
種 試験片A 試験片B レーザ出力 加工速度
別 (板厚mm) (板厚mm) (kW) (mm/min)
① SPCC 3.2 SPCC 3.2 2.0~4.0 1.0~3.0
② SPCC 2.0 SPCC 3.2 2.2~3.8 0.8~4.0
③ SPCC 2.0 SUS304 2.0 2.4~4.0 1.9~3.1
2.2 レーザ溶接方法
各試験片は,初めにレーザ切断により45mm×25mmに
切断し,レーザ溶接面の変質を避けるために湿式切断
機により45mm×12.5mmに精度良く分割し,アセトンに
よる脱脂を行った。
レーザ溶接には,三次元レーザ加工機(㈱日平トヤ
マTLM-408C-40F)を使用した。試験材料の突合せ面を
経常研究
* 栃木県産業技術センター 材料技術部
(b)下型表面黒鉛粒数
図 6 試料表面近傍の黒鉛粒数
表 5 試料表面近傍のチル組織
鋳型 鋳型温度
(℃)
水分量
(%)
肉厚(mm)
8 6 4
CO2 - - 下型 ○ ○ ×
上型 ○ ○ ×
凍結 -30
5 下型 ○ ○ ×
上型 ○ ○ ×
10 下型 × × ×
上型 × × ×
CO2 鋳型 6mm 上型表面近傍
鋳型温度-30℃ 水分量 5% 6mm 上型表面近傍
鋳型温度-30℃ 水分量 10% 6mm 上型表面近傍
図 7 階段状試験片 6mm 上型表面近傍の組織
4 おわりに
鋳型温度と水分量の異なる凍結鋳型を用いて鋳造実
験を行い以下の結果を得た。
(1)水分量 5%の凍結鋳型流動長は,CO2 鋳型を上回り,
凍結鋳型の流動性が優れることが確認できた。水
分量 5%の凍結鋳型での鋳型温度と流動長の関係
は,鋳型温度を下げると流動長が長くなる傾向を
示したが,炭素当量の影響も考慮する必要があ
る。水分量 10%の凍結鋳型は,CO2 鋳型とほぼ同等
の流動長で鋳型温度との相関は確認できなかっ
た。
(2)CO2 鋳型および水分量 5%の凍結鋳型は,炭素当量
が増加すると流動長が長くなる傾向が認められ
た。水分量 10%の凍結鋳型は,炭素当量との相関
は確認できなかった。
(3)水分量 5%の凍結鋳型の冷却速度は CO2 鋳型と同等
で,水分量が 10%に増加すると冷却速度が速くな
ることが示唆された。
(4)薄肉鋳物製造の実用化へ向けて,凍結鋳型の鋳型
温度および水分量の最適値の目安が得られた。
謝 辞
本 研 究 を実 施 するにあたって,岩 手 大 学 工 学 部 附 属
鋳 造 技 術 研 究 センター 堀 江 皓 客 員 教 授 , (独 )産 業 技
術 総合 研 究 所 サステナブルマテリアル研 究部 門 凝 固
プロセス研究グループ 多田周二氏,尾村直紀氏には多
大なる支援を受けたので,ここに感謝の意を表する。
本研究は,公益社団法人
JKA により整備した機器を
活用して実施しました。
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栃木県産業技術センター 研究報告 No.12(2015)
図8 マクロ試験結果①
図9 マクロ試験結果②
図10 マクロ試験結果③
①のマクロ試験結果,LBM中央条件では良好な溶接
状態であった。また,高出力条件と低速条件では,入
熱量が多く,溶接部と熱影響部が拡大した。低出力条
件と高速条件では,入熱量が少なく溶込不足であった。
板厚3.2mmは溶融部が深いため発生したガスが閉じこ
められやすく,ブローホールが発生した。
②のマクロ試験結果,中速条件では出力が変化して
も良好な溶接状態であった。また,低速条件では,入
熱量が多く,溶接部と熱影響部が拡大した。薄板の効
果により,溶接部にブローホールは見られなかった。
③のマクロ試験結果,中央条件と高出力条件では良
好な溶接状態であった。また,低速条件では,入熱量
が多く,溶接部と熱影響部が拡大した。低出力条件と
高速条件では,溶込不良であった。溶接部内部の融合
状態はマーブル状であった。
3.3 LBMの硬さ分布試験
図11 硬さ分布試験結果①
[板厚3.2mm側] [板厚2.0mm側]
図12 硬さ分布試験結果②
[SPCC側] [SUS304側]
図13 硬さ分布試験結果③
図11,12,13に①,②,③の硬さ分布試験結
果をLBMの水準に関連づけて示す。
①の硬さ分布試験結果,母材の硬さが100HV程度に対
正確に位置決めするための治具を使用した。
溶接継ぎ手はI型突合せとした。
①の溶接には軟鋼製のφ9mmフィラーを使用し,②は
フィラーを使用せず,③はステンレス製のφ9mmフィラ
ーを使用した。フィラー送り速度は200mm/minに統一し
た。
レーザ溶接時のビームの焦点位置を試験片の表面に
合わせ,2枚の試験片の突合せ面(接合線)上をレーザ
ビームの中心が通過する状態を基準とした。
溶接条件のうち,デューティ(レーザを照射してい
る時間の割合)100%,狙い位置(突合せ面から溶接線
のオフセット量)0mm,アルゴンのシールドガス流量を
20L/min,パルス溶接時の周波数を2kHzに統一した。
2.3 LBM評価試験
外観検査を行い,溶接部の溶込不良,融合不良,熱
影響部,アンダーフィル等について観察した。なお,
良好な溶接とは,余盛が溶接ビードの表面と裏面に連
続する状態とした。
溶接試験片を切断,樹脂埋め,研磨,エッチング処
理した溶接部断面を金属顕微鏡(オリンパス㈱GX71)
によりマクロ組織を観察した。3種類のLBMの25試験片
から中央条件,その高低出力条件,その高低速度条件
の5試験片を対象とした。エッチング処理は,SPCCはナ
イタル液を使用した。SPCCとSUS304の試験片は,SPCC
側をマスキングした状態でシュウ酸液による電解エッ
チングによりSUS304を行った後に,ナイタル液でSPCC
側をエッチングした。
マイクロビッカース試験機
(㈱フューチュアテックFM-
ARS10K)により,各材料の溶
接部近傍の硬さ分布を測定し
た。3種類のLBMの25試験片か
ら中央条件,その高低速度条
件の3試験片を対象とした。 図1 測定部
押印加重を50gfとし,図1に示す溶接部の中央から±5m
mの範囲を0.5mm間隔で測定した。
3 結果及び考察
3.1 LBM及び外観検査
図2,4,6は実際に作製したLBM①,②,③の写真
であり,図3,5,7は①,②,③の外観検査結果を
図示したものである。縦軸にレーザ出力の5水準を,横
軸に加工速度の5水準を対応させた。
①の外観検査の結果,最適条件はレーザ出力3.5kW下
近傍,加工速度2.5mm/min下近傍にあり,良好条件は図
3のマーキングした5条件であった。また,レーザ出力
図2 作製した LBM ① 図3 外観検査図①
図4 作製した LBM ② 図5 外観検査図②
図6 作製した LBM ③ 図7 外観検査図③
の低下に伴い溶込不良とフィラー融合不良が発生し,
加工速度の低下に伴い熱影響部が拡大した。
②の外観検査の結果,最適条件はレーザ出力3.0kW付
近,加工速度2.4mm/min下近傍にあり,良好条件は図5
のマーキングした11条件であった。また,レーザ出力
の低下と加工速度の拡大に伴い溶込不良が発生し,加
工速度の低下に伴い熱影響部が拡大した。
③の外観検査の結果,最適条件はレーザ出力3.6kW下
近傍,加工速度2.8mm/min下近傍にあり,良好条件は図
7のマーキングした7条件であった。また,レーザ出力
の低下に伴い溶込不良とアンダーフィルが発生し,加
工速度の低下に伴い熱影響部が拡大と融合不良が発生
した。
3.2 LBMのマクロ試験
図8,9,10に①,②,③のマクロ試験結果をLB
Mの配置と関連づけて示す。
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栃木県産業技術センター 研究報告 No.12(2015)
図8 マクロ試験結果①
図9 マクロ試験結果②
図10 マクロ試験結果③
①のマクロ試験結果,LBM中央条件では良好な溶接
状態であった。また,高出力条件と低速条件では,入
熱量が多く,溶接部と熱影響部が拡大した。低出力条
件と高速条件では,入熱量が少なく溶込不足であった。
板厚3.2mmは溶融部が深いため発生したガスが閉じこ
められやすく,ブローホールが発生した。
②のマクロ試験結果,中速条件では出力が変化して
も良好な溶接状態であった。また,低速条件では,入
熱量が多く,溶接部と熱影響部が拡大した。薄板の効
果により,溶接部にブローホールは見られなかった。
③のマクロ試験結果,中央条件と高出力条件では良
好な溶接状態であった。また,低速条件では,入熱量
が多く,溶接部と熱影響部が拡大した。低出力条件と
高速条件では,溶込不良であった。溶接部内部の融合
状態はマーブル状であった。
3.3 LBMの硬さ分布試験
図11 硬さ分布試験結果①
[板厚3.2mm側] [板厚2.0mm側]
図12 硬さ分布試験結果②
[SPCC側] [SUS304側]
図13 硬さ分布試験結果③
図11,12,13に①,②,③の硬さ分布試験結
果をLBMの水準に関連づけて示す。
①の硬さ分布試験結果,母材の硬さが100HV程度に対
正確に位置決めするための治具を使用した。
溶接継ぎ手はI型突合せとした。
①の溶接には軟鋼製のφ9mmフィラーを使用し,②は
フィラーを使用せず,③はステンレス製のφ9mmフィラ
ーを使用した。フィラー送り速度は200mm/minに統一し
た。
レーザ溶接時のビームの焦点位置を試験片の表面に
合わせ,2枚の試験片の突合せ面(接合線)上をレーザ
ビームの中心が通過する状態を基準とした。
溶接条件のうち,デューティ(レーザを照射してい
る時間の割合)100%,狙い位置(突合せ面から溶接線
のオフセット量)0mm,アルゴンのシールドガス流量を
20L/min,パルス溶接時の周波数を2kHzに統一した。
2.3 LBM評価試験
外観検査を行い,溶接部の溶込不良,融合不良,熱
影響部,アンダーフィル等について観察した。なお,
良好な溶接とは,余盛が溶接ビードの表面と裏面に連
続する状態とした。
溶接試験片を切断,樹脂埋め,研磨,エッチング処
理した溶接部断面を金属顕微鏡(オリンパス㈱GX71)
によりマクロ組織を観察した。3種類のLBMの25試験片
から中央条件,その高低出力条件,その高低速度条件
の5試験片を対象とした。エッチング処理は,SPCCはナ
イタル液を使用した。SPCCとSUS304の試験片は,SPCC
側をマスキングした状態でシュウ酸液による電解エッ
チングによりSUS304を行った後に,ナイタル液でSPCC
側をエッチングした。
マイクロビッカース試験機
(㈱フューチュアテックFM-
ARS10K)により,各材料の溶
接部近傍の硬さ分布を測定し
た。3種類のLBMの25試験片か
ら中央条件,その高低速度条
件の3試験片を対象とした。 図1 測定部
押印加重を50gfとし,図1に示す溶接部の中央から±5m
mの範囲を0.5mm間隔で測定した。
3 結果及び考察
3.1 LBM及び外観検査
図2,4,6は実際に作製したLBM①,②,③の写真
であり,図3,5,7は①,②,③の外観検査結果を
図示したものである。縦軸にレーザ出力の5水準を,横
軸に加工速度の5水準を対応させた。
①の外観検査の結果,最適条件はレーザ出力3.5kW下
近傍,加工速度2.5mm/min下近傍にあり,良好条件は図
3のマーキングした5条件であった。また,レーザ出力
図2 作製した LBM ① 図3 外観検査図①
図4 作製した LBM ② 図5 外観検査図②
図6 作製した LBM ③ 図7 外観検査図③
の低下に伴い溶込不良とフィラー融合不良が発生し,
加工速度の低下に伴い熱影響部が拡大した。
②の外観検査の結果,最適条件はレーザ出力3.0kW付
近,加工速度2.4mm/min下近傍にあり,良好条件は図5
のマーキングした11条件であった。また,レーザ出力
の低下と加工速度の拡大に伴い溶込不良が発生し,加
工速度の低下に伴い熱影響部が拡大した。
③の外観検査の結果,最適条件はレーザ出力3.6kW下
近傍,加工速度2.8mm/min下近傍にあり,良好条件は図
7のマーキングした7条件であった。また,レーザ出力
の低下に伴い溶込不良とアンダーフィルが発生し,加
工速度の低下に伴い熱影響部が拡大と融合不良が発生
した。
3.2 LBMのマクロ試験
図8,9,10に①,②,③のマクロ試験結果をLB
Mの配置と関連づけて示す。
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栃木県産業技術センター 研究報告 No.12(2015)
経常研究
銘仙柄を活用した繊維製品試作開発
田中 武* 井田 恵司*
Prototype Development Fiber Products Using the Meisen Pattern