レーザー溶接の基礎：非接触融着技術をマスターする

レーザー溶接の基礎

レーザー溶接は、溶接される部品の片側から溶接ゾーンへのアクセスを必要とする非接触プロセスです。

• 溶接は、強力なレーザー光が材料を急速に加熱することで形成されます（通常ミリ秒単位で計算されます）。

• 溶接には一般的に3つのタイプがあります：

– 伝導モード

– 伝導/貫通モード

– 貫通またはキーホールモード

• 伝導モード溶接は低エネルギー密度で実施され、浅く幅広い溶接ナゲットを形成します。

• 伝導/貫通モードは中程度のエネルギー密度で発生し、伝導モードよりも深い貫通を示します。

• 貫通またはキーホールモード溶接は、深く狭い溶接が特徴です。

– このモードでは、レーザー光が材料内部に延びる気化した材料のフィラメント「キーホール」を形成し、レーザー光を材料内部に効率的に伝達する導管となります。

– このエネルギーの材料内部への直接供給は、貫通を達成するために伝導に依存しないため、材料への熱入力を最小限に抑え、熱影響部（HAZ）を減少させます。

伝導溶接

• 伝導接合とは、レーザービームを以下のように集光する一連のプロセスを指します：

– 10³ Wmm⁻² オーダーの電力密度を与える

– 顕著な気化を伴わずに材料を融解させて接合を作る

• 伝導溶接には2つのモードがあります：

– 直接加熱

– エネルギー伝送

直接加熱

• 直接加熱では、

– 熱流が表面熱源からの古典的な熱伝導によって支配され、ベース材の一部を溶かして溶接が行われます。

• 最初の伝導溶接は1960年代初頭に、低出力パルスルビーレーザーとCO2レーザーを用いてワイヤコネクタで行われました。

• 伝導溶接は、ワイヤや薄板の形で幅広い金属や合金に対して、様々な構成で以下を用いて実施できます：

– 数十ワットオーダーの出力を持つCO2、Nd:YAG、ダイオードレーザー

– CO2レーザービームによる直接加熱は、ポリマーシートの重ね継ぎや突き合わせ継ぎにも使用できます。

伝送溶接

• 伝送溶接は、Nd:YAGおよびダイオードレーザーの近赤外放射を透過するポリマーを接合する効率的な手段です。

• エネルギーは新規の界面吸収法によって吸収されます。

• マトリックスと補強材の熱的特性が類似していれば、複合材も接合可能です。

• 伝導溶接のエネルギー伝送モードは、特にポリマーのように近赤外放射を透過する材料に用いられます。

• 重ね継ぎの界面に吸収性インクを配置します。インクがレーザービームのエネルギーを吸収し、それが周囲の限られた厚みの材料に伝導されて溶融界面膜を形成し、それが凝固して溶接継手となります。

• 厚肉の重ね継ぎを、継手の外側表面を溶かすことなく作成できます。

• 突き合わせ継ぎは、継手線に向かって角度をつけて片側の材料を通してエネルギーを導くか、材料が高透過性であれば一端から導くことで作成できます。

レーザー半田付けとろう付け

• レーザー半田付けおよびろう付けプロセスでは、ビームを用いて充填材を溶かし、ベース材を溶かさずに継手の端部を濡らします。

• レーザー半田付けは1980年代初頭から、プリント基板のスルーホールを通じた電子部品リードの接合で普及し始めました。プロセスパラメータは材料特性によって決定されます。

貫通レーザー溶接

• 高電力密度では、エネルギーが吸収されればすべての材料が蒸発します。したがって、この方法で溶接する場合、通常は蒸発によって穴が形成されます。

• この「穴」が材料を貫通し、その背後で溶融した壁が閉じていきます。

• 結果としていわゆる「キーホール溶接」が得られます。これは平行な側面を持つ融合ゾーンと狭い幅が特徴です。

レーザー溶接効率

• この効率の概念を定義する用語として「接合効率」があります。

• 接合効率は真の効率ではなく、単位は（mm²接合/kJ供給）となります。

– 効率＝V・t/P（切断における比エネルギーの逆数）ここで、V＝移動速度 mm/s、t＝溶接厚み mm、P＝入射電力 kW

接合効率

• 接合効率の値が高いほど、不要な加熱に費やされるエネルギーが少なくなります。

– 熱影響部（HAZ）が小さい

– 歪みが少ない

• 抵抗溶接がこの点で最も効率的です。融解とHAZのエネルギーが、溶接される高抵抗界面のみで生成されるためです。

• レーザーと電子ビームも優れた効率と高い電力密度を持ちます。

プロセスのバリエーション

• アーク増強レーザー溶接

– レーザービーム相互作用点の近くに取り付けられたTIGトーチのアークが、レーザー生成ホットスポットに自動的にロックオンします。

– この現象に必要な温度は、周囲温度より約300°C高い程度です。

– 走行速度のために不安定なアークを安定化させるか、安定したアークの抵抗を低減させる効果があります。

– ロックオンは、低電流で遅いカソードジェットを持つアーク、すなわち80A未満の電流でのみ発生します。

– アークはレーザーとワークの同一側にあるため、設備投資のわずかな増加で溶接速度を倍増できます。

• ツインビームレーザー溶接

– 2本のレーザービームを同時に使用すると、溶融池の形状と溶接ビードの形状を制御する可能性があります。

– 2本の電子ビームを用いると、キーホールを安定化させ、溶融池の波立ちを減らし、より良い貫通とビード形状が得られます。

– エキシマレーザーとCO2レーザーの組み合わせでは、アルミニウムや銅などの高反射率材料の溶接において、結合性が向上することが示されました。

– 結合性向上の主な理由は以下と考えられました：

• エキシマによる表面リップルで反射率を変化させる

• エキシマ生成プラズマを通じた結合の副次的効果