レーザー溶接の技術、種類、産業応用を解説

レーザー溶接とは？

レーザービーム溶接（LBW）は、レーザーを使用して金属や熱可塑性プラスチックの部品を接合する溶接技術です。ビームは集中熱源を提供し、狭く深い溶接と高い溶接速度を可能にします。キーホール溶接または貫通モード溶接に基づいています。

レーザー溶接は、伝導限定溶接とキーホール溶接という2つの根本的に異なるモードで動作します。レーザービームがワークに照射される際のパワー密度分布によって、どのモードで材料と相互作用するかが決まります。

これらのプロセスは、自動車産業などで自動化を用いた大量生産用途に頻繁に使用されます。レーザー溶接の主な利点は、高エネルギー密度により、継手エッジ付近の領域を溶融させながら、部品の広い領域に影響を与えない点です。

レーザー溶接は、アーク溶接プロセスと比較して比較的低熱入力で高アスペクト比溶接を生成する高出力密度融解溶接プロセスです。さらに、レーザー溶接は「真空外」で実行可能で、近赤色固体レーザービームの光ファイバー伝送により、他の接合技術と比較して柔軟性が向上しています。

レーザービーム機械の装置

レーザービーム溶接の主要部品または装置は以下の通り：

• レーザー機械： 溶接用レーザーを生成する機械。主要構成要素は以下に示す。
• 電源： レーザー機械に高電圧電源を印加してレーザービームを生成。
• CAM： コンピュータ支援製造で、レーザー機械をコンピュータと統合して溶接プロセスを実行。レーザーによる溶接中の全制御動作はCAMで行われ、溶接プロセスを大幅に高速化。
• CAD： コンピュータ支援設計。溶接ジョブの設計に使用。コンピュータでワークピースを設計し、どう溶接するかを決定。
• シールドガス： 溶接プロセス中にワークピースの酸化を防ぐために使用されることがある。

レーザービーム溶接の仕組み

レーザー溶接は、レーザービームを用いて金属や熱可塑性プラスチックを接合し溶接を形成するプロセスです。このような集中熱源であるため、薄板では毎分メートルオーダーの高速溶接が可能で、厚板では角張った部品間で狭く深い溶接が可能です。

レーザービーム溶接は、原子の電子が何らかのエネルギーを受けて励起され、しばらくして基底状態に戻るときに光子を放出する原理で動作します。

この放出光子の濃度は、誘導放出によって増大し、高エネルギー集束レーザービームが得られます。誘導放出による光増幅はレーザーと呼ばれます。

最初に、溶接機を（接合する2つの金属片の間の）所望位置にセットアップ。その後、高電圧電源をレーザー機械に印加して動作させます。

レンズを用いてレーザーを溶接が必要な領域に集束。CAMで溶接中のレーザー速度とワークテーブルを制御。

機械のフラッシュランプが始動し、光子を放出。光子エネルギーがルビークリスタル原子に吸収され、電子が高エネルギー準位に励起。基底状態に戻る際に光子を放出。

この光子が再び原子電子を刺激し2光子を生成。このプロセスが継続し、複数部品を接合するための所望位置で使用される集束レーザービームが得られます。

使用されるレーザーの種類

1. ガスレーザー： レーザー媒質としてガス混合物を使用。窒素、ヘリウム、CO₂などのガス混合物を媒質とする。
2. 固体レーザー： 合成ルビークリスタル（酸化アルミニウム中のクロム）、ガラス中のネオジウム（Nd:ガラス）、イットリウムアルミニウムガーネット中のネオジウム（Nd-YAG、最も一般的）などの固体媒質を使用。
3. ファイバーレーザー： このタイプのレーザーでは、光ファイバー自体が発光媒質となります。

レーザービーム機械の利点

レーザービームの精密制御により、ユーザーはTIG、MIG、スポット溶接に対して以下の利点を得られます：

• 溶接強度： レーザー溶接は狭く、優れた深さ/幅比と高強度。
• 熱影響部： 熱影響部が限定的で、急速冷却により周囲材料が焼鈍されない。
• 金属： 炭素鋼、高張力鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、貴金属、異種材料も溶接可能。
• 精密作業： 小さな厳密制御ビームで微小部品の精密マイクロ溶接が可能。
• 変形： 部品の変形や収縮が最小限。
• 非接触： 材料とレーザーヘッドの間に物理的接触なし。
• 片側溶接： 片側からのみアクセスが必要なスポット溶接を置換可能。
• スクラップ： レーザー溶接は制御可能で、スクラップ発生量が少ない。

レーザービーム機械の欠点

• 溶接装置が高価でプロセスコストが高い。
• 充填材が必要な場合でも、このプロセスでは充填材使用量が限られるため相対的に高コスト。
• 溶接後処理がいくつか必要。
• 継手をビーム下で横方向に精密に位置決めする必要がある。
• 継手最終位置をビーム照射点と精密に合わせる必要がある。
• レーザービームで溶接可能な最大継手厚はある程度限定される。
• AlやCu合金のように熱伝導率と反射率が高い材料は、レーザー溶接性に影響を与える。
• 中〜高出力レーザー溶接では、溶接再現性確保のため適切なプラズマ制御装置が必要。
• レーザーのエネルギー変換効率は10%未満と低い傾向。
• LBMの急速凝固特性の結果として、一部溶接気孔と脆性が予想される。

レーザービーム機械の応用

• 自動車産業で顕著。大量生産が必要な分野で使用。
• 高精度溶接に採用。電極を使用しないため最終溶接は軽量だが強固。
• 宝飾品製造にも頻繁に使用。
• 医療産業で小規模金属接合に使用。