高 力 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の レ ー ザ 溶 接 特 性
日 大 生 産 工 (研 ) ○ 上 村 直 嵩 日 大 生 産 工 大 久 保 通 則
１ ． 緒 言
ア ル ミ ニ ウ ム は ，他 の 金 属 に 比 べ 軽 量 性 ，耐 食 性 ，強 度 特 性 ，加 工 性 等 が 優 れ て い る ．ま た ，様 々 な 添 加 元 素 を 加 え る こ と に よ っ て 様 々 な 分 野 の 用 途 に 使 わ れ て お り ， 近 年 で は ， 省 資 源・省 エ ネ ル ギ ー に 役 立 つ 金 属 と し て そ の 使 用 量 は 上 昇 一 途 で あ る ．ま た 最 近 で は ，レ ー ザ 加 工 機 器 の め ざ ま し い 発 展 に よ り ，レ ー ザ 溶 接 を 始 め と す る レ ー ザ 加 工 技 術 の 実 用 化 が 着 実 に 進 ん で る ．本 研 究 で は ，溶 接 部 が 受 け る 衝 撃 に 如 何 に 耐 え う る か を 調 べ る た め に ，ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 薄 板 を Y A G レ ー ザ 溶 接 ，デ ィ ス ク レ ー ザ 溶 接 し た 試 験 片 で 落 垂 試 験 と 引 張 り 試 験 を 行 い ， 溶 接 部 強 度 特 性 を 調 べ た ．
２ ． 実 験 方 法 お よ び 試 験 方 法
２ ． １ 供 試 材
本 研 究 で 使 用 す る 供 試 材 を Table1 に 示 す ． 供 試 材 は ， A2017P-T3 板 厚 0.8m，
縦 100mm，横 60mm に 加 工 し た も の を 使 用 し た ．
Table 1 Chemical compositions of base metals.
Elements(mass%) Item
Si Cu Mn Mg Cr Al A201
7
0.5 3
3.9 9
0.6 4
0.5 3
0.0 4
bal .
２ ． ２ 溶 接 方 法
溶 接 方 法 は ， YAG レ ー ザ 溶 接 ， デ ィ ス ク レ ー ザ 溶 接 を 行 っ た ．溶 接 方 法 を Fig.1 に 示 す ．
Fig.1 Method of welding
２ ． ３ 実 験 方 法
実 験 方 法 は 溶 接 部 の 試 験 組 織 観 察 ， 落
Laser welding characteristics of high stength aluminum alloy
Naotaka KAMIMURA and Michinori OKUBO
垂 試 験 と 引 張 り 試 験 を 行 い ， 溶 接 部 の 強 度 特 性 を 調 べ た ．引 張 り 試 験 は JIS7 号 試 験 片 で 行 っ た ．
ま た ，引 張 り 試 験 で は 母 材 の 溶 接 効 率 を 100%と し て 行 っ た ．
落 垂 試 験 は ， 重 さ 2kg の 鉄 棒 を 使 い 塩 化 ビ ニ ー ル 製 パ イ プ の 中 を 通 し ， 落 垂 試 験 を 行 っ た ． 試 験 片 は 試 験 片 を 押 さ え る 冶 具 で ， 溶 接 部 と 平 行 に ， ボ ル ト で 固 定 し ，高 さ 1m，2m か ら 落 下 さ せ 実 験 を 行 っ た ． そ し て 実 験 は ， 鉄 棒 が 溶 接 部 に 落 下 す る よ う に 落 下 さ せ ， 溶 接 部 の 破 壊 長 さ で 強 度 特 性 を 検 討 し た ．ま た ， 母 材 と の 比 較 方 法 と し て ， 母 材 の 破 壊 長 さ と ， 溶 接 部 の 破 壊 長 さ を 比 較 ・ 検 証 し た ． ３ ． 実 験 結 果 お よ び 考 察
３ ． １ 組 織 観 察
Y A G レ ー ザ 溶 接 の 組 織 観 察 を F i g . 2 , F i g . 3 に 示 す ．Y A G レ ー ザ 溶 接 は 熱 影 響 部 が 少 な い こ と が 分 か る ．ま た ，
F i g . 2 M a c r o s t r u c t u r e o f Y A G l a s e r
b u t t w e l d z o n e .
溶 融 金 属 部 分 は 母 材 と 比 較 す る と ， 金 属 結 晶 部 分 が 微 細 化 し て い る ． 突 合 せ と ， 重 合 せ の 溶 融 金 属 部 分 を 比 較 す る と 突 合 せ が 解 け 落 ち て い る の に 対 し ， 重 合 せ 溶 接 で は ， 逆 に 溶 融 金 属 部 分 が 盛 り 上 が っ て い る ． こ れ は ， 熱 の 逃 げ 方 が 異 な る た め に 違 っ た 形 状 に な っ た と 考 え ら れ る ．
F i g 3 . M a c r o s t r u c t u r e o f Y A G l a s e r
l a p w e l d z o n e .
デ ィ ス ク レ ー ザ 溶 接 の 組 織 観 察 を
F i g . 4 M a c r o s t r u c t u r e o f D i s k l a s e r
b u t t w e l d z o n e .
F i g . 4 , F i g . 5 に 示 す ． D i s k レ ー ザ 溶 接 は 熱 影 響 部 が 少 な く ， 溶 融 金 属 部 分 も 少 な い こ と が 分 か る ． ま た ， 重 合 わ せ 溶 接 で は ， 下 部 ま で 完 全 に 溶 接 さ れ ず に ， 左 右 に 溶 融 金 属 部 分 が 広 が っ て い る こ と が 分 か る ．
F i g . 5 M a c r o s t r u c t u r e o f D i s k l a s e r
l a p w e l d z o n e .
３ ． １ 引 張 試 験
引 張 り 突 合 せ 試 験 の 実 験 結 果 を F i g . 6 に 示 す ． 突 合 せ の 引 張 り 試 験 で は ，共 に 引 張 り 強 さ が 3 0 0 M P a 以 上 と 母 材 と 比 較 す る と 非 常 に 高 い 溶 接 効 率 を
0 100 200 300 400 500
YAG laser Disk laser Base Metal Butt Welding Condition
T ens ile S tr e n gth (M P a)
0 20 40 60 80 100
J o in t E ff ici enc y(% )
F i g . 6 R e s u l t o f t e n s i l e t e s t .
示 し た ． こ れ は ， 溶 接 部 と 熱 影 響 部 が 比 較 的 少 な い た め だ と 考 え ら れ る ．
引 張 り 試 験 の 重 合 せ の 結 果 を F i g . 7 に 示 す ． 重 合 せ で は 溶 接 部 の 強 度 は あ ま り 高 く な く ，Y A G レ ー ザ 溶 接 で 8 3 M p a ， デ ィ ス ク レ ー ザ 溶 接 で 1 5 6 M P a と 母 材 の 4 1 7 M P a に 比 べ る と か な り 低 い 強 度 と な っ た ． こ れ は ， 溶 接 部 が 少 な い た め に ， 単 位 面 積 あ た り に か か る 力 が 大 き い た め と 考 え ら れ る ．
0 100 200 300 400 500
YAG Laser Disk Laser Base Metal Lap Welding Condition
Tensile Strength(MPa)
0 20 40 60 80 100
Joint Efficiency(%)
F i g . 7 R e s u l t o f t e n s i l e t e s t . 引 張 り 試 験 の 突 合 せ と 重 合 せ を 比 較 す る と ， 突 合 せ 溶 接 の ほ う の 強 度 が 高 い こ と が 得 ら れ た ．
３ ． ２ 落 垂 試 験
落 垂 試 験 突 合 せ の 結 果 を F i g . 8 に 示 す ． 落 垂 試 験 突 合 せ で は ， 母 材 と 比 較 す る と ，1 m で は あ ま り 溶 接 部 と 強 度 は 変 わ ら な い が ，2 m で は 差 が さ ら に 大 き く な り ， 溶 接 部 が 脆 い こ と が 分 か る ． ま た ，デ ィ ス ク レ ー ザ 溶 接 は 1 m で も 衝 撃 に 対 す る 耐 性 が あ ま り 高 く な い こ と
が 分 か る ． ま た ， Y A G レ ー ザ 溶 接 の 1 m で 溶 接 部 が 破 壊 さ れ な か っ た の は ， 実 験 を す る と き の 冶 具 の 押 さ え が 少 し 甘 か っ た た め だ と 考 え ら れ る ．
0 20 40 60 80 100
Base Metal YAG butt Disk butt Butt Welding Condition
D e st ru ct io n le n gt h (mm)
1m 2m
F i g . 8 D e s t r u c t i o n l e n g t h . 落 垂 試 験 重 合 せ の 結 果 を F i g . 9 に 示 す ． 重 合 せ で は ， デ ィ ス ク レ ー ザ は ほ ぼ 完 全 に 破 壊 さ れ て い る ． Y A G レ ー ザ 溶 接 で は 母 材 と あ ま り 変 わ ら な い 結 果 と な っ て い る が ， こ れ は 試 験 片 の 寸 法 が 冶 具 の 押 さ え に 対 し て ぎ り ぎ り だ っ た た め に ， 押 さ え が 甘 く こ う い う 結 果 に な っ た と 考 え ら れ る ． 以 上 の 結 果 か ら ，
0 20 40 60 80 100
Base Metal YAG Lap Disk Lap Lap Welding Condition
D e st ruct io n le n gt h (mm)
1m 2m
F i g . 9 D e s t r u c t i o n l e n g t h .
重 合 せ 溶 接 は 母 材 と 比 較 し て 非 常 に 衝 撃 に 弱 い こ と が 分 か る ．
落 垂 試 験 の 突 合 せ 溶 接 と 重 合 せ 溶 接 を 比 較 す る と ， 重 合 せ 溶 接 よ り ， 突 合 せ 溶 接 の 方 が 衝 撃 に 対 す る 耐 性 が 強 い こ と が 得 ら れ た ． ま た ， 1 m か ら 2 m に 高 さ が 変 わ る と 破 壊 長 さ が 2 倍 以 上 に な り ， 衝 撃 に 対 す る 耐 性 が さ ら に 低 く な る こ と 得 ら れ た ．
４ ． 結 言
板 厚 0 . 8 mm の A 2 0 1 7 母 材 と 各 レ ー ザ 溶 接 を 比 較 し て 得 ら れ た 結 果 は 以 下 の 通 り で あ る ．
( 1 ) 突 合 わ せ 溶 接 の 方 が 重 合 せ 溶 接 よ り 高 い 強 度 ， 衝 撃 耐 性 が 得 ら れ る こ と が 分 か っ た ．
( 2 ) 引 張 り 試 験 で は レ ー ザ 溶 接 は 突 合 せ 溶 接 で は 高 い 引 張 り 強 さ を 得 ら れ る が ， 重 合 せ 溶 接 で は ， 溶 接 面 積 が 少 な い た め に 引 張 り 強 さ が 低 下 す る こ と が 得 ら れ た ．
参 考 文 献
1 ) 蓮 井 淳 ， 橋 本 達 哉 ， 太 田 省 三 郎 朝 倉 書 店 ， ｢ 溶 接 の 辞 典 ｣ p 2 2 4
2 ) 神 尾 彰 彦 ，軽 金 属 学 会 ，｢ ア ル ミ ニ ウ ム の 組 織 と 性 質 ｣ p 1 9 2 , 2 1 0
3 ) 軽 部 規 夫 ， 溶 接 技 術 2 0 0 4. 5 月 号 V o l 1 5 2 ， p 6 7 〜 7 2
