レーザー・ＭＩＧハイブリッド溶接のアルミニウム車両への適用米谷弘車両事業本部研究開発部 ① １．はじめに MIGトーチレーザー・ビーム当社では、より高品質な車両を製造するための新たな ④ 接合技術として、レーザー溶接の適用を開始している。 ⑤ 溶接方向ステンレス車両においては、レーザー溶接を適用した車 ② ③ ⑥ 両がすでに営業に供されている。この度、アルミニウム車両の屋根構体にレーザー・ＭＩＧハイブリッド溶接を【L&M 溶接のおもなパラメータ】適用したので、以下に概要を紹介する。２．レーザー・ＭＩＧハイブリッド溶接（Ｌ＆Ｍ溶接）とは ①レーザ出力 ④MIGアーク電流・電圧 ②ビーム径 ⑤トーチ角度 ③レーザ・MIG間距離 ⑥溶接速度図１ L&M溶接のイメージ図Ｌ＆Ｍ溶接は、レーザーとアークの２つの熱源を同一独では溶接部に欠陥が生じやすいが、ＭＩＧ溶接とのハ箇所に作用させて溶接する方法で、それぞれの短所を補イブリッド化によって低減あるいは解消できる効果も報うとともに長所を相乗させる溶接方法である。告されている１），２）。Ｌ＆Ｍ溶接の構成要素のうち、レーザー溶接は、集光図１にＬ＆Ｍ溶接のイメージ図を示す。おもに図中① された高エネルギー密度のレーザー・ビームを溶接箇所〜⑥のパラメータを用いて２つの熱源を適切に組合せてに照射する溶接方法で、深溶込み・高速度・低溶接歪が溶接する。特長であるが、一方でギャップ裕度や施工誤差裕度に対このような特長を持つＬ＆Ｍ溶接をアルミニウム車両して厳しい制約があり、継手形状の精度や組立精度を厳に適用した場合に期待できる効果を表１に示す。しく管理することが必要となる。これに対してＭＩＧ溶接は、溶接速度・溶込深さの点でレーザー溶接に劣るが、３．アルミニウム合金と溶接方法ギャップ裕度や施工誤差裕度など施工性には優れている。これら２つの熱源（レーザーとアーク）の組合せ方を車両の構体に用いられる押出形材の材料には、特に強度調整してハイブリッド化することによって、深溶込み・を必要とする部位を除くと押出性に優れ、大型で薄肉の押出高速度性・低溶接歪の特長を保ちながらギャップ裕度や形材や大型で中空の押出形材が製造できるＡ６Ｎ０１Ｓ−Ｔ５施工誤差裕度に優れた溶接とすることができる。また、材が使用されている。この合金はいわゆるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金への適用に関しては、レーザー溶接単の合金で、熱処理によってＭｇ２Ｓｉの微細な析出物を晶出 ● 33● Te c h n i c a l Report 表１アルミニウム車両への適用効果適用効果４．溶接継手の特性効果に寄与する特長高強度保持熱影響力による強度低下域が小さく、継手効率が高い品質高寸法精度入熱が小さく、溶接歪が小さい向上品質安定完全自動化が可能で、熟練工に頼らずに溶接できる意匠性向上ビード幅が小さく、溶接跡が目立たない高速度 M IG溶接の3〜4倍の速度で溶接できる（当社比）形材精度の制約緩和ギャップ裕度に優れ、一般の形材精度でも溶接できる平滑化作業の削減余盛が小さなビード形状で、外板の平滑化が容易生産性向上構体に最も多く使用されていさせることによって強度を向上させて使用されている。るＡ６Ｎ０１Ｓ−Ｔ５材にＬ＆Ｍ溶接を適用した場合の継手の特性について、以下に示す。４．１溶接部断面図２に、ａ）従来からＭＩＧ溶接で用いられている形材ＭｇおよびＳｉはおよそ３２０℃以上ではマトリックス中にの継手形状に適用した場合、ｂ）開先角度を狭くして適用固溶しており、温度の低下とともにＭｇ２Ｓｉとなるが、冷した場合、ｃ）従来どおりＭＩＧ溶接した場合の溶接部断却速度が遅いと大きな析出物となり、強度への寄与は小面を示す。さい。そこで、押出しあるいは溶体化処理後に急冷してＭＩＧ溶接とＬ＆Ｍ（従来継手）とは同じ継手形状であ固溶ＭｇおよびＳｉを残した後、微細なＭｇ２Ｓｉとする熱処るが、ＭＩＧ溶接ではＶ形の溶込み形状である（図２ｃ）の理（時効処理）を施して使用されている。溶接などによっに対してＬ＆Ｍ溶接はＵ形となっており（図２ａ）、局所て３２０℃以上に加熱されると微細なＭｇ２Ｓｉ析出物はマト的に付与されるレーザーによる熱によって広範囲に広がリックス中に固溶して冷却過程で大きな析出物となり、るＭＩＧアークによる入熱を抑えつつ深い溶込みを得て強度は低下する３）。いることが分かる。開先角度を狭くした場合（図２ｂ）にしたがって、溶接で与える熱量を小さくして３２０℃以は、同等の深さを保ちながら幅の狭い溶込み形状となり、上になる領域を小さくすれば、溶接によって強度が低下より小さい入熱での溶接が実現している。溶接速度はする範囲を小さくでき、結果として継手効率を向上する［Ｌ＆Ｍ（狭開先）＞Ｌ＆Ｍ（従来継手）＞ＭＩＧ溶接］の順ことができる。このような性質を持つＡ６Ｎ０１Ｓ−Ｔ５材であり、生産性の向上にも寄与することができる。は、小さい入熱で深い溶込みを得ることができるＬ＆Ｍ４．２硬さ分布溶接の適用効果が大きな材料のひとつといえる。各種溶接方法との特性比較を表２に示す。溶接部近傍の硬さ分布を図３に示す。溶接部の近傍は熱影響によって軟化するが、軟表２アルミニウム溶接方法の特性比較溶接方法溶接速度溶接歪強度ギャップ / 施工誤差裕度継手形状自由度余盛の仕上げ L & M 溶接 ○ ○ ○ ○ ○ ○ M I G 溶接 △ △ ○ ○ ○ △ レーザー溶接 ○ ○ ○ × △ ○ 摩擦攪拌溶接 △ ○ ○ × △ △ 3mm ａ）Ｌ＆Ｍ溶接（従来継手）先）＜Ｌ＆Ｍ（従来継手）＜ＭＩＧ溶接］の順となっており、熱影響 3mm ｂ）Ｌ＆Ｍ溶接（狭開先）図２溶接部断面近畿車輌技報第１３号２００６.１０化部の大きさは、［Ｌ＆Ｍ（狭開 ● 34● 3mm ｃ）ＭＩＧ溶接 110 おり、この効果は狭開先にすることによってより大きく L&M（従来継手） L&M（狭開先） MIG ビッカーズ固さ（HV, 500gf） 100 することができる。なお、試験片は車両における使用形態に沿って、余盛は削除し、裏板を残した形状とした。 90 80 ５．溶接設備とアルミニウム車両への適用 70 Ｌ＆Ｍ溶接の特徴について検討した結果、鉄道車両へ 60 50 -25 の適用が可能と判断し、設備を導入するとともにアルミ -20 -15 -10 -5 0 5 10 ビート中央からの距離（mm） 15 20 25 ニウム車両の屋根構体に適用した。図５に溶接設備と施図３溶接部近傍の硬さ分布工状況を示す。設備は２５ｍ長の車両にも対応できるものとしており、 240 220 0.2％耐力溶接時に次施工の段取りができるよう前後に２か所の作引張強さ 0.2％耐力、引張強さ（MPa） 200 業ステージを設け、溶接施工する場所に応じて溶接装置 180 およびレーザー遮へい室が移動できる仕組みとなってい 160 140 る。溶接ヘッドには位置決めセンサを設けて溶接線（開 120 100 先）をならうことにより、溶接作業の完全自動化が達成 80 されている。 60 40 20 0 MIG溶接Ｌ＆Ｍ溶接（従来継手）６．今後の課題Ｌ＆Ｍ溶接（挟開先）図４静的強度の比較アルミニウム車両への適用はＭＩＧ溶接用の継手形状からはじめたが、Ｌ＆Ｍ溶接にふさわしい形状とすることによって、適用の効果をより高めることが可能と考えての範囲が小さい溶接が実現できていることが確認できいる。今後、継手形状をはじめとした種々の検討を進め、る。より高品質な車両の実現に貢献したいと考えている。４．３静的強度参考文献１）片山聖二ほか：軽金属溶接，Ｖｏｌ．４４（２００６）Ｎｏ．３，ｐ１１２）江口法孝ほか：神戸製鋼技報，Ｖｏｌ．５４（２００４）Ｎｏ．２，ｐ５７３）松岡一祥ほか：軽金属溶接，Ｖｏｌ．３７（１９９９）Ｎｏ．５，ｐ１静的強度の比較を図４に示す。ＭＩＧ溶接と同じ形状の継手でもＬ＆Ｍ溶接を適用した場合には熱影響範囲が小さいことによって、高い耐力および引張強さが得られてレーザー・ビームヘッド位置決めセンサＭＩＧトーチ図５Ｌ＆Ｍ溶接設備と施工状況（特許出願中） ● 35●