Ti/A5052 薄板の YAG レーザ重ね溶接性に及ぼすインサート材の効果

Ti/A5052 薄板の YAG レーザ重ね溶接性に及ぼすインサート材の効果 

日 大 生 産 工 （ 院 ） ○   渡 邊     汗     日 大 生 産 工       朝 比 奈   敏 勝  

１ ． 緒   言  

  工 業 製 品 の 機 能 向 上 ・ 多 様 化 お よ び 軽 量 化 を 図 る た め の 手 段 と し て ， 異 種 材 料 間 の 接 合 技 術 （ 異 材 接 合 ） は 大 変 期 待 さ れ て い る ． ま た ， ア ル ミ ニ ウ ム は 鉄 鋼 の 3 0 % 程 度 の 比 重 で あ り ， 自 動 車 等 の 重 量 低 減 を 図 る こ と が で き る 材 料 で あ る ． 自 動 車 重 量 の 1 0 ％ 低 減 に よ り C O₂排 出 量 を 9%削 減 可 能 ^{1 )}で あ る こ と か ら も ，京 都 議 定 書 で 策 定 さ れ た 高 い C O₂ 削 減 目 標 へ の 有 効 な 材 料 と な り う る ．  

著 者 ら は ，数 種 の ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と 純 チ タ ン の 異 材 重 ね 溶 接 を パ ル ス Y A G レ ー ザ に よ り 行 い ，溶 融 現 象 お よ び 継 手 の 機 械 的 性 質 を 解 明 し た ． ま た ， 継 手 の 強 度 向 上 を 目 的 に ， ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 と 純 チ タ ン の 間 に イ ン サ ー ト 材 と し て 純 ジ ル コ ニ ウ ム お よ び 純 ニ ッ ケ ル （ 共 に 厚 さ 1 0µm ） を 挿 入 し 異 材 重 ね 溶 接 を 行 っ た ． そ の 結 果 ， イ ン サ ー ト 材 を 使 用 す る こ と に よ り 継 手 の 引 張 せ ん 断 強 度 が 向 上 し ， 継 手 効 率 は 5 6 . 9 ％ を 示 し た ． ま た 溶 融 凝 固 部 中 で の ブ ロ ー ホ ー ル の 発 生 を 抑 制 す る こ と も 可 能 と な っ た ^{2 )}．  

そ こ で ， 本 研 究 で は イ ン サ ー ト 材 に ， ろ う 材 と し て 様 々 な 材 料 に よ く 用 い ら れ る ^{3 )}純 銀 を 用 い て 溶 接 を 行 い ， 得 ら れ た 継 手 の 機 械 的 性 質 を 検 討 し た ． ま た ， 継 手 の 機 械 的 性 質 に 及 ぼ す イ ン サ ー ト 材 の 板 厚 の 影 響 を 明 ら か と す る た め ， イ ン サ ー ト 材

（ Z r , N i お よ び A g） の 板 厚 を 1 0 0µm と し て 溶 接 し ， 得 ら れ た 継 手 を イ ン サ ー ト 材 な し の 継 手 お よ び イ ン サ ー ト 材 の 板 厚 が 1 0µm の 継 手 と 比 較 ・ 検 討 し た ．  

２ ． 供 試 材 お よ び 実 験 方 法  

  供 試 材 に は J I S   H 4 6 0 0 お よ び H 4 0 0 0 に 準 じ た 市 販 の 純 チ タ ン ２ 種 ( T P 3 4 0 C ) ， 市 販 の 5 0 5 2 ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 ( A 5 0 5 2 ‑ H 3 4 ) そ れ ぞ れ 板 厚 0 . 6 m m を 使 用 し た ． 供 試 材 の 化 学 組 成 を Table 1， 機 械 的 性 質 を Table 2 に 示 す ． 供 試 材 は 長 さ 2 0 0 m m ， 幅   8 0 m m に 機 械 加 工 し た 後 ， 接 合 部 周 辺 を 研 磨 ， ブ タ ノ ン で 脱 脂 洗 浄 し て 実 験 に 供 し た ．ま た ，イ ン サ ー ト 材 に は 純 度 9 9 % 以 上 の A g 箔 お よ び Z r ・ N i 箔 （ 厚 さ 1 0µm ） を 使 用 し た ． イ ン サ ー ト 材 は 幅 1 0 m m に 加 工 し ， 供 試 材 と 同 様 に 脱 脂 洗 浄 し ， 実 験 に 供 し た ．  

Table 1 Chemical compositions of base metals.

TP340C Pure Titanium

H O N Fe Ti 0.002 0.1 0.01 0.07 Bal.

5052 Aluminum Alloy

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 0.09 0.27 0.02 0.02 2.45 0.20 0.00 0.01 Bal.

Table 2 Mechanical properties of base metals.

Materials

Tensile

Elongation Hardness strength

(MPa) (%) (HK0.025)

TP340C 343 43 149

A5052 274 9.7 87

Table 3 Laser welding conditions.

Laser output Q (W) 140~380 Pulse width PW (ms) 7.5 Pulse frequency f (Hz) 20 Welding speed V (mm/min) 600 Laser head angle θ (deg.) 20 Shielding gas

flow rate

Surface Gs (ℓ/min) 30 Backing Gb (ℓ/min) 30

The Effect of Insert Metals on Lap Weldability of Pulsed YAG Laser Welded Sheets.

Kan WATANABE and Toshikatsu ASAHINA 

  溶 接 装 置 は ，最 大 平 均 出 力 5 5 0 W ( 最 大 パ ル ス エ ネ ル ギ ー : 7 0 J ) の パ ル ス Y A G レ ー ザ 溶 接 装 置 を 使 用 し , レ ー ザ 出 力 は 溶 接 装 置 の 使 用 限 に よ り 最 大 4 0 0 W 以 下 に 設 定 し た ． 溶 接 条 件 を Table 3 に 示 す ． レ ー ザ ヘ ッ ド は ， 供 試 材 か ら の 反 射 光 を 避 け る た め に 前 進 角 を 設 け ，既 報 ^{4 )}に よ り 最 適 の 条 件 と さ れ て い る 2 0 ° と し た ． 集 光 レ ン ズ に は 焦 点 距 離 8 0 m m の レ ン ズ を 使 用 し ， 焦 点 位 置 を 供 試 材 の 表 面 と し た ． シ ー ル ド ガ ス お よ び バ ッ ク シ ー ル ド ガ ス に は A r を 使 用 し ， 流 量 は 特 に 純 チ タ ン の 酸 化 を 防 止 す る た め に 必 要 最 低 限 の 3 0ℓ/ m i n と し た ． 溶 接 は 重 ね 代 を 2 0 m m 設 け ， 溶 接 方 向 は 圧 延 方 向 に 対 し て 直 角 と し た ． ア ル ミ ニ ウ ム は 酸 化 被 膜 を 持 ち ， ま た レ ー ザ 光 を 反 射 し や す い た め ， 重 ね 溶 接 は 上 板 に T i ， そ の 下 に イ ン サ ー ト 材 ， 下 板 に A 5 0 5 2 と し た ． イ ン サ ー ト 材 の 厚 さ を 1 0 0µm と す る た め ， そ れ ぞ れ の 箔 を 1 0 枚 重 ね る こ と で 実 験 を 行 っ た ．  

得 ら れ た 継 手 に つ い て ビ ー ド 外 観 観 察 ， 継 手 横 断 面 の マ ク ロ 組 織 観 察 を 行 っ た ． ま た ， 継 手 を 幅 2 5 m m の 矩 形 に 加 工 し ， 引 張 せ ん 断 試 験 お よ び 曲 げ 半 径 6 . 5 m m で 裏 曲 げ 試 験 を 行 っ た ．  

３ ． 実 験 結 果 お よ び 考 察  

3 . 1   イ ン サ ー ト 材 と し て の A g の 効 果     Table 4 に 各 種 イ ン サ ー ト 材 を 用 い た 場 合 の 溶 接 条 件 を 示 す ． イ ン サ ー ト 材 と し て A g を 挿 入 す る こ と で ， Z r お よ び N i と 同 様 に 溶 接 条 件 が 広 範 囲 と な っ た ． こ の こ と は ， A g の 融 点 が 1 2 3 5 K で あ り ， A 5 0 5 2 の 融 解 温 度

（ 9 2 2 K ） に 比 較 し て 高 く ， 熱 伝 導 の 障 壁 と な り キ ー ホ ー ル の 形 成 が 困 難 と な っ た た め で あ る ^{2 )}． こ の 結 果 は ， Z r お よ び N i と 比 較 し て も ，同 様 の 効 果 が 得 ら れ て い る こ と が 明 ら か と な っ た ．し か し ，A g の 融 点 は Z r お よ び N i の 融 点 に 比 較 し て 約 5 0 0 K も し く は そ れ 以 上 低 い た め ， 良 好 な ビ ー ド を

Table 4 Relation bet ween insert metals and welding condition (PW=7.5ms).

  I n s e r t m e t a l L a s e r

o u t p u t (W ) N o n e Z r N i A g

1 4 0

× ×

1 6 0

○

○ ×

1 8 0

○ ○

○

2 0 0

○ ○ ○

2 2 0

○ ○ ○

2 4 0

× ○ ○ ○

2 6 0

○ ○ ○ ○

2 8 0

○ ○ ○ ○

3 0 0

○ ○ ○ ○

3 2 0

○ ○ ○ ○

3 4 0

○ ○

3 6 0

○

3 8 0 △

△ :  C o n t i n u o u s b u r n t h r o u g h 

○

×

Fig. 1 Typic al bead appearances of welded joints.

Fig. 2 Macrostructures of welded joints.

得 る こ と が で き る 範 囲 は 若 干 狭 く な る 傾 向 が 認 め ら れ た ．  

次 に T a b l e   3 の 良 好 な ビ ー ド を 得 ら れ る 条 件 の 中 で ， 代 表 的 な ビ ー ド 外 観 の 例 を Fig. 1に 示 す ．ビ ー ド 幅 は ， レ ー ザ 出 力 の 増 加 に 伴 い 広 く な り ， レ ー ザ 出 力 2 4 0 W か ら 継 手 の 裏 側 に 溶 落 ち が 肉 眼 に よ り 確 認 す る こ と が で き た ． レ ー ザ 出 力 が 3 0 0 W を 超 え る と 溶 落 ち は ほ ぼ 連 続 的 に 発 生 す る 条 件 で は ，既 報 ^{2 )}よ り 継 手 効 率 の 低 下 が 見 込 ま れ る た め ， レ ー ザ 出 力 3 6 0 W 以 上 の 条 件 で は 溶 接 を 行 わ な か っ た ．  

Fig.2  に 溶 接 継 手 の 横 断 面 マ ク ロ 組 織 を 示 す ． ビ ー ド 幅 と 同 様 に ， 接 合 部 幅 も レ ー ザ 出 力 の 増 加 に 伴 い 広 く な る ． ま た ， 溶 融 凝 固 部 の 面 積 も レ ー ザ 出 力 の 増 加 に 伴 い 増 加 し た ． 溶 込 み 方 向 の 溶 融 凝 固 部 直 下 に ， 混 合 層 が 確 認 で き る ． こ の 混 合 層 は レ ー ザ 出 力 3 0 0 W の 条 件 で 最 も 広 い 範 囲 で 形 成 さ れ ， 主 と し て T i ‑ A l 間 の 化 合 物 が 形 成 さ れ て い る と 推 測 す る ． イ ン サ ー ト 材 に Z r お よ び N i を 用 い る こ と で は ， 溶 融 凝 固 部 中 で の ブ ロ ー ホ ー ル の 生 成 を 完 全 に 抑 制 す る こ と は で き な か っ た が ， 本 結 果 で は ブ ロ ー ホ ー ル は 確 認 で き な か っ た ．  

引 張 せ ん 断 試 験 結 果 ， ビ ー ド 幅 お よ び 接 合 部 幅 の 関 係 を Fig. 3 に 示 す ． 最 大 引 張 せ ん 断 荷 重 は ， レ ー ザ 出 力 2 8 0 W の 条 件 で 溶 接 さ れ た 継 手 で 得 ら れ ， そ の 値 は 2 . 0 3 ｋ N で あ っ た ． Ⅰ の 範 囲 で は ， ビ ー ド 幅 お よ び 接 合 部 幅 の 増 加 に 伴 い ， 継 手 強 度 は 急 激 に 向 上 す る ． そ の 後 ， 範 囲 Ⅱ で は ほ ぼ 2 k N 程 度 の 荷 重 で 推 移 す る が ，継 手 が 連 続 的 に 溶 落 ち を 発 生 す る 範 囲 Ⅲ か ら ， 引 張 せ ん 断 荷 重 は 急 激 に 低 下 し た ． こ れ は ， 範 囲 Ⅰ で 接 合 部 面 積 が 拡 大 し ， 範 囲 Ⅱ で A g の 融 解 に よ り 溶 落 ち が 開 始 し ， 範 囲 Ⅲ で は 完 全 に 溶 落 ち る こ と に 起 因 し て い る ． こ の こ と か ら ， 若 干 溶 落 ち し て い る 継 手 の 強 度 が 大 と な る こ と が 明 ら か と な っ た ．曲 げ 試 験 の 結 果 ，レ ー ザ 出 力 2 2 0 W ，

2 4 0 W お よ び 2 6 0 W の 継 手 で は 曲 げ が 可 能 で あ っ た が ， そ の 他 の 継 手 で は 剥 離 破 断 も し く は 母 材 破 断 と な り 曲 げ 加 工 は 不 可 能 で あ っ た ．  

3 . 2   イ ン サ ー ト 材 板 厚 の 影 響  

180 200 220 240 260 280 300 320

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Laser output / W Bead width / mm Bonded zone width / mm

Bead width : Bonded zone width : Tensile shear load :

Tensile shear load / kN

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

Fig. 3 Relation bet ween bead width, bonded zone width and tensile shear load.

Table 5 Welding conditions of joints using insert metal (Thickness : 100µm).

  I n s e r t m e t a l

  Z r N i A g

Laser output (W) 2 8 0 2 4 0 3 2 0

2 9 0 2 6 0 3 4 0 3 0 0 2 8 0 3 6 0 3 2 0 3 0 0 3 8 0 3 4 0 3 2 0 4 0 0

Fig. 4 Penetration bead appearances of welded joints.

  異 種 金 属 の 混 合 を 最 小 限 に 抑 え ， 接 合 部 面 積 を 増 加 さ せ る こ と で 継 手 の 強 度 向 上 を 図 る 方 法 が 検 討 さ れ て い る ^{5 )}．そ こ で ，高 融 点 の イ ン サ ー ト 材 板 厚 を 1 0 0µm と す る こ と で 接 合 界 面 の 溶 融 幅 を 増 加 さ せ る た め ， イ ン サ ー ト 材 を 1 0 枚 重 ね て 溶 接 し た ． レ ー ザ 出 力 は 過 去 の 実 験 結 果 よ り ， 継 手 の 裏 側 に 溶 落 ち が 確 認 で き た 継 手 の 条 件 か ら 溶 落 ち が 連 続 的 に 発 生 す る 条 件 ま で と し た ．Table 5 に レ ー ザ 出 力 の 選 定 結 果 を 示 す ． ま た ，Fig. 4 に そ れ ぞ れ の レ ー ザ 出 力 に よ り 溶 接 さ れ た 継 手 の 裏 ビ ー ド を 示 す ． イ ン サ ー ト 材 に Z r お よ び N i を 用 い た 場 合 ，イ ン サ ー ト 材 板 厚 を 1 0 倍 ( 1 0 0µm ) と し て も 継 手 が 溶 落 ち る た め に 必 要 な レ ー ザ 出 力 は 変 化 し な い ． し か し ， イ ン サ ー ト 材 に A g を 用 い る と ， イ ン サ ー ト 材 板 厚 を 1 0 倍 に す る こ と に よ り ， 良 好 な 継 手 を 得 る た め に 必 要 な レ ー ザ 出 力 は 増 加 す る ．  

Fig. 5 に そ れ ぞ れ の イ ン サ ー ト 材 板 厚 に お け る 引 張 せ ん 断 試 験 結 果 を 示 す ． ま た ， 矢 印 は そ れ ぞ れ の 条 件 中 で 最 も 高 い 引 張 せ ん 断 荷 重 を 示 し た 条 件 お よ び そ の 値 で あ る ． イ ン サ ー ト 材 の 厚 さ を 1 0 倍 に す る こ と で ， 継 手 の 引 張 せ ん 断 強 さ は 低 下 す る ． こ れ は ， イ ン サ ー ト 材 の 種 類 に 関 わ ら

ず 同 様 で あ る が ， Z r の 場 合 の み ， そ の 減 少 量 は 少 な い ． イ ン サ ー ト 材 の 板 厚 を 増 加 さ せ る こ と に よ り 継 手 強 度 を 向 上 さ せ る こ と は で き な か っ た ．  ４ ． 結   言  

  イ ン サ ー ト 材 と し て A g を 挿 入 す る こ と で ， T P 3 4 0 C / A 5 0 5 2 継 手 の 引 張 せ ん 断 強 度 は 若 干 向 上 し た ． ま た ， 溶 融 凝 固 部 中 で の ブ ロ ー ホ ー ル の 生 成 も ほ ぼ 抑 制 で き る こ と を 明 ら か と し た ．  

  各 種 イ ン サ ー ト 材 （ Z r , N i お よ び A g ） の 板 厚 を 増 加 さ せ る こ と で 継 手 強 度 向 上 を 図 っ た が ，板 厚 1 0µm の イ ン サ ー ト 材 を 使 用 し た 継 手 に 比 較 し て ， 引 張 せ ん 断 強 度 は 若 干 低 下 し た ．   

  参 考 文 献  

１ ） 国 土 交 通 省 H P ， 自 動 車 交 通 ， 自 動 車 燃 費 一 覧 ( 2 0 0 8 )  

２ ）K a n   W A T A N A B E ,   T o s h i k a t s u   A S A H I N A ,   L a p   W e l d a b i l i t y   o f   P u r e   T i   a n d   5 0 5 2   A l u m i n u m   A l l o y   S h e e t s   U s i n g   P u l s e d   Y A G   L a s e r ,   I C M & P ,   p p . 1 1 0 ( 2 0 0 8 )   ３ ） 例 え ば ， 中 田 一 博 ら ， A g ろ う 材 に よ る

ア ル ミ ニ ウ ム / 鉄 異 材 レ ー ザ ブ レ ー ズ 溶 接 ， 溶 接 学 会 全 国 大 会 講 演 概 要 ， p p . 1 4 6 ( 2 0 0 7 )  

４ ） 伊 藤 洋 介 ら ， 純 チ タ ン Y A G レ ー ザ 溶 接 継 手 の 機 械 的 性 質 に 及 ぼ す ア シ ス ト ガ ス 流 量 の 影 響 ，第 1 0 8 回 軽 金 属 学 会 春 季 大 会 講 演 概 要 ， p p . 1 2 9 ( 2 0 0 5 )  

５ ） 例 え ば ， 日 本 マ グ ネ シ ウ ム 協 会 ， 異 種 金 属 と マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 接 合 技 術 ， p p . 1 0 3 ‑ 1 2 8 ( 2 0 0 7 )  

200 250 300 350 0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Laser output / W

Tensile shear load / kN ^1.92kN

1.63kN

150 200 250 300 350

Ni as an insert metal Ag as an insert metal

150 200 250 300 350 400 Zr as an insert metal

Insert metal thickness

: 10μm : 100μm

1.81kN 2.03kN 1.68kN

1.27kN

  Fig. 5 Relationship bet ween tensile shear load and insert metal thickness.