解 説 レーザ溶接技術の最近の発展 片山聖二 1 Recent Progress in Laser Welding Technology Seiji KATAYAMA 1 1 Joining and Welding Research Institute (JWRI), Osaka Universit

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1 解 説 レーザ溶接技術の最近の発展 片山聖二 1 Recent Progress in Laser Welding Technology Seiji KATAYAMA 1 1 Joining and Welding Research Institute (JWRI), Osaka University, 11 1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka , Japan (Received April 4, 2012, Accepted August 9, 2012) Laser welding processes are more and more used in various industrial ˆelds because high-e ciency, high quality and high-power lasers such as ˆber lasers, disk lasers and diode lasers are developed. Remote welding can be used in the car industry due to the development of high brightness ˆber or disk lasers. Deep penetration welds are produced by welding with a high power single laser or tandem lasers at 1 atm or under low vacuum conditions, or by hybrid welding with a high power laser and a MAG or MIG arc for the heavy industry. Deep welds are also made by the multi-layers method. Focused laser beams of small diameters are also utilized in industrial applications of small parts such as battery cells and glass frames. Laser joining of metal and plastic or CFRP dissimilar materials has been newly developed. In-process monitoring and adaptive control are also intensively studied for industrial applications. ( はじめに レーザ溶接法は, 亜鉛めっき鋼, 高張力鋼, ステンレス鋼, アルミニウム合金, プラスチックなど, 種々の材料の接合継手の作製が可能であり, また, システム化, ロボット化, 自動化, 省力化などが容易であることから, 自動車や鉄道車両, 鉄鋼, 電子 電機, 産業機器や重工業など, 各種産業分野において利用が拡大している 1 3). 特に最近, レーザ装置の高出力化, 高品質化, 高効率化および高輝度化が図られ, レーザ溶接は, 約 0.02 mm の極薄板から 50 mm 程度の厚板までの継手が作製でき, 各種製品や構造物の高品質, 低変形, 高速, 深溶込みの接合法として認められている 1 3). そして, レーザ溶接は, ロボットやスキャナ, 治具やモニタリング装置などの周辺装置と技術の開発により実用化がますます進展している. そこで本稿では, レーザ溶接 接合に関連する最近のレーザ装置や周辺機器の発展 展開, レーザ溶接現象の解明 理解と実用化の状況, および最新のレーザ溶接技術とその開発動向について解説する.. レーザの発展と溶接への適用 溶接 接合 ( はんだ付 ( ソルダリング ), ろう付 ( ブレージング ) を含む ) には, 炭酸ガス (CO 2 ) レーザ, パルスまたは連続発振のNd:YAG レーザ, 半導体レーザ (Laser Diode からLD と略称されることがある ), 半導体レーザ (LD) 励起固体 (YAG,YVO4,YLF など ) レーザ, ディスクレーザおよびファイバレーザが利用されている. その溶接用レーザの特徴をまとめて Table 1 1) に示す. 溶接用レーザとしては, まず, 高出力化が容易で高速 深溶込み溶接が可能な CO 2 レーザおよびファイバ伝送が可能で柔軟なランプ励起 ( パルスまたは連続発振 )YAG レーザが開発され, 1 大阪大学接合科学研究所 ( 大阪府茨木市美穂ヶ丘 11 1) Table 1 Characteristics of lasers used in welding or joining. (April 1, 2012) >CO 2 laser (Wavelength: 10.6 mm; Far infrared ray) Laser media: CO 2 N 2 He mixed gas (Gas) Average power [CW]:50kW(Maximum) (Normal):1kW 15 kw Merit: Easier high power (E ciency: ) >Lamp pumped YAG laser (Wavelength: 1.06 mm; Near infrared ray) Laser media: Nd 3+ :Y 3 Al 5 O 12 garnet (Solid) Average power [CW]:10kW(Cascade type Max & Fiber coupling Max) (Normal):50W 7kW(E ciency: 1 4 ) Merits: Fiber delivery, and easier handling (good exibility) >Laser Diode(LD)(Wavelength: mm; Near infrared ray) Laser media: InGaAsP, etc. (Solid) Average power [CW]:10kW(Stack type Max.), 6kW(Fiber delivery Max.) Merits: Compact, and high e ciency (20 60 ) >LD pumped solid state laser (Wavelength: About 1 mm; Near infrared ray) Laser media: Nd 3+ :Y 3 Al 5 O 12 garnet (Solid),etc. Average power [CW]: 13.5 kw (Fiber coupling Max.) [PW]:6kW(Slab type max.) Merits: Fiber delivery, high brightness, and high e ciency (10 20 ) >Disk laser (Wavelength: 1.03 mm; Near infrared ray) Laser media: Yb 3+ : YAG or YVO 4 (Solid),etc. Average power [CW]:16kW(Cascade type Max.) Merits: Fiber delivery, High brightness, High e ciency (15 25 ) >Fiber laser (Wavelength: 1.07 mm; Near infrared ray) Laser media: Yb 3+ :SiO 2 (Solid),etc. Average power [CW]:50kW(Fiber coupling Max.) Merits: Fiber delivery, high brightness, high e ciency (20 30 ) Vol. 55, No. 11, 2012 ( 1 ) 471

2 中 厚鋼板のコイルやパイプ, テーラードブランク材, 自動車ルーフ, 電装部品などの溶接に適用されてきた 2,3). 続いて, それぞれの高出力レーザの高品質化が図られ, スラブ型の高出力 CO 2 レーザおよび LD 励起の高出力 連続発振の YAG レーザが開発された. そして, それらは, 従来のものの代用として用いられるだけでなく, リモート溶接用に注目され, 一部利用された. 特に, 前者は, 航空機のパネルストリンガーの接合において, 従来のリベット接合に代わって適用された溶接に初めて利用されたレーザである. しかし, 最近は, 高出力 連続発振の CO 2 レーザおよび YAG レーザの装置開発と溶接技術開発はほとんど行われなくなっている. 固体レーザの発振の特徴を表現した摸式図を Fig. 1 4) に比較して示す. ランプ励起の YAG レーザでは,YAG ロッドの熱レンズ効果のために品質が悪くなり, それを改善するため, 半導体レーザ励起の固体 (YAG または YLF) レーザが開発された. その後, 半導体レーザ励起のディスクレーザまたはファイバレーザが,YAG ロッドに対して薄板化と細線化を行うことによって冷却能が改善され, さらに Nd 3+ の代わりに高含有量の達成が可能な Yb 3+ がドープされることによって高品質化 高効率化 高出力化が図られている. 一方, 電気 光変換効率が最も高い半導体レーザは溶接用熱源として直接またはファイバ伝送で用いられるか, ファイバレーザやディスクレーザの励起用光源として用いられており, 半導体レーザの開発が重要であることがわかる. 以上の経緯から, 今日では, 高輝度 高品質 高出力のファイバレーザおよびディスクレーザならびに高効率 高出力の半導体レーザの開発が活発である 1 8).Fig. 2 はあるレーザメーカでの高出力ファイバレーザの開発動向を示してい る 5). ファイバレーザでの高出力化は近年急速に展開されてきたことがわかる. ファイバレーザは, シングルモードレーザによる理想的な発振が 10 kw の高出力でも可能であると言われ, 最大 50もしくは 100 kw の大出力の装置 5) も販売が可能とされており, 装置サイズも小さいという特長がある. また, ディスクレーザでは,1kWで50 mm のファイバ径が利用されるものや 0.2 mm 直径のファイバが利用できる 16 kw(bpp 8mm mrad) が市販されている 4). なお,BPP は, ビーム品質を表す指標であり, レーザビームの集光時の角度の半角 (a) と集光ビームの半径 (v) の積で表記され, この値が小さいほどビーム品質がよいこと意味している. これらの固体レーザは,Fig. 3 8) に示すように, ビーム品質がよいほど, 広範囲な領域でも接合が可能になり, 高速かつ柔軟な溶接ができることを示している. すなわち, 高品質レーザは, 焦点深度 ( レイリー長 ) が深く ( 長く ), 集光系レンズから空間的に離れた位置でも溶融が可能であるため, リモート溶接用熱源として実用化されている. また, 高パワー密度になると, 溶接ビード幅が狭くなり, 溶込み深さが非常に深くなる. ただし, 高出力 高品質のレーザをレンズで集光すると, 熱レンズ効果と言われる焦点位置が時間と共に上方 ( レンズ ) 側に移動することがある 9). 伝送ファイバ出口からコリメーションレンズまでの距離が短い場合, 焦点距離が長い集光系 ( 薄いレンズ ) を用いた場合, 組合せレンズを用いた場合, レンズの冷却が不十分で中央部と周辺部の温度差が大きい場合, 保護ガラスが汚れている場合, 集光レンズに対するコーティングが不十分な場合などに起こりやすい. 特に, レンズやガラス内に温度分布が生じたときに起こるため, 集光系のレンズや保護ガラスを冷却し, 綺麗に保つ必要がある. 高効率の半導体レーザは,2011 年には,4kW,6kW, 15 kw の半導体レーザが, それぞれ 0.6 mm 径 (NA 0.1), 0.4 mm 径 (NA 0.2),1mm 径 (NA 0.2) のファイバで伝送できるようになり, 市販品も入手可能となった. その品質は従来の高出力 YAG レーザと同等レベルに達している 6). レーザ溶接においては, 薄板の場合, 特に熱影響が問題となるときは, パルス YAG レーザが利用される. 最近は, 半 Fig. 1 Typical solid-state lasers. Their pumping, heat transfer and laser irradiation are shown 4). Fig. 2 History of development of higher power ˆber lasers 5). Fig. 3 Comparison of processing areas for typical solid-state lasers with respective beam qualities 8). 472 ( 2 ) J. Vac. Soc. Jpn.

3 導体レーザを直接またはファイバ伝送で利用したり, さらに, 低出力 微細スポット径のディスクレーザやファイバレーザを連続またはパルス化の条件で利用したりすることが検討されている. また, パルス YAG レーザの場合,LD 励起の YAG レーザ装置が開発され, さらに, 半導体レーザと重畳して利用する 2 波長重畳のハイブリッド溶接装置も開発され, アルミニウム合金の溶接に利用されている 10). 一方, 厚板の場合, 大出力の CO 2 レーザによる単独溶接または MAG アークとのハイブリッド溶接が先行して研究開発され, 幾つか実用化されたが, 最近は, 高出力で柔軟なファイバレーザもしくはディスクレーザが単独で適用されるか, または鉄鋼材料もしくはアルミニウム合金に対してはそれぞれ MAG か CO 2 アークもしくは MIG アークとのハイブリッドで利用されている. 最近, ドイツでは, レーザビームの集光状況とシールドガス圧を変えることによって,1 つの加工ヘッド (Combi- Head と命名 ) で切断と溶接ができる装置が開発されている 11). また, 太いファイバ内に細いファイバが内蔵された形状で,1 本のファイバで伝送し, 切断と溶接を切り替えて使える特殊ファイバも開発されている 12). いずれも切断と溶接が簡単に行える溶接システム開発を目指している. ファイバレーザやディスクレーザは, 高出力でも高品質であり, またパルス化も可能であることから, さらにロボットと組み合わせてほとんどすべての溶接 接合に対応できるため, 更なる利用の拡大が予想されている. なお, レーザ溶接の実用化に際しては, 下記のように, 安全と健康衛生面に注意を払う必要がある. 直接のレーザ光はもちろん, 反射 散乱光に対しても安全対策を取ること, レーザ溶接時のレーザ誘起プラズマ / プルームと呼ばれる高輝度発光体を直接には見ないようにすること, 火災原因となるため, 溶融スパッタの飛散に対して周辺に可燃物を置かない対策をとること, 蒸発物 ( ヒューム, 超微粒子など ) は人体への悪影響が考えられるため, 集塵装置により吸引処理し, 人のいる所に排出されないようにすることなどである. 特に, に関しては, レーザ使用者に障害が発生することを防止する目的で, 国際電気標準 (IEC) を基に日本工業規格 レーザ製品の放射安全基準 JIS C 6802 が規定されている. また, 溶接用レーザは, 危険度が最も高いクラス 4 に分類され, レーザ光を直接見ることは失明に直結することを知っておくこと, レーザの反射光や散乱光も危険であるため, 皮膚防護用作業服を着用し, レーザ照射時には保護メガネを装着すること, レーザ溶接装置を加工室内に設置して遮光対策を講じること, などの対策が必要である. に利用されている. 前者の重ね溶接法は, 従来の抵抗スポット溶接に代わる技術である. 最近のレーザ溶接法としては, 従来の溶接技術を超える高速溶接法, 深溶込み溶接法および微細溶接法が注目され, それらの研究開発が活発である. 現在, 高速 高生産性の接合法として最も注目されるのがリモート溶接 スキャナ溶接と呼ばれる技術である. リモート溶接には, スキャナ ( ミラー ) を用いるタイプと用いないタイプがある. 特に, ミラーを動かすスキャナタイプでは, レーザの加工点を瞬時に移動させることができ, 機械動作 ( ロボット等 ) による移動のロスタイムを画期的に削減することが可能である 16). まず, スラブ型の高輝度 CO 2 レーザを用いて, 米国でジープのスィングドアの溶接に最初に適用され,56 箇所の溶接を32 秒で完了する高生産性が実証された 16). 続いて, 欧州および日本でも自動車ボデー部品および薄鋼板のインパネにリモートレーザ溶接が適用され,1 日 24 時間稼動するラインが構築された. これまでは, ビーム品質の高いCO 2 レーザによるリモート溶接法が実用化されていたが, 最近は, ファイバレーザやディスクレーザのビーム品質が向上したことから, リモート溶接用熱源の主流はCO 2 レーザから, ファイバレーザまたはディスクレーザに変わっている 4,5,16,17). 固体レーザの場合, レーザビームをファイバ伝送で多関節ロボットに装着した溶接ヘッドに導くシステムを構成し, さらにスキャナと組み合わせて 3 次元のリモート溶接が可能である. 日本でも, 2007 年から, リモート溶接システムの自動車部品量産への適用が始まっており, 最近の例を Fig. 4 に示すが,LD 励起 YAG レーザやファイバレーザが適用され, 加工時間の短縮が図られている 17). 6.9 kw ファイバレーザによるリモート溶接では, 約 1m 離れた位置にある鉄鋼やアルミニウム合金薄板の高速溶融が可能であること 5) が示されている. マイケルソン干渉計の構成ならびにリモートレーザ溶接時のプルームと干渉計による干渉縞の同期観察結果とそのとき得られた溶接ビードの表面と裏面を Fig. 5 および Fig. 6 18) に示す. 大気中において, シールドガスの吹き付けがなく, さらにエアーカーテン ( ガスジェット ) やファンによるプルームの抑制がない場合, 溶接中には高輝度のレーザ誘起プルームが高く成長し, それに伴って温度の高い領域が板上方に形成していき, 低屈折率の. レーザ溶接技術の研究開発と実用化動向 レーザ溶接は, 電池ケースや電装品から自動車用のテーラードブランク材やドア, ルーフの溶接まで広範囲に利用されている. 最近は, 固体レーザ発振器からファイバ伝送されたレーザとロボットを組み合わせた溶接システムが開発され, 自動車用亜鉛めっき鋼のルーフ 13) やステンレス鋼製車両構体 14), 自動車用 Li イオン電池のボックス 15) などの製造 Fig. 4 Remote laser welding system for several cars 17). Vol. 55, No. 11, 2012 ( 3 ) 473

4 Fig. 5 Michelson interference observation system for visualizing refraction coe cient. Fig. 6 High speed video observation results of laser-inducedplumeandfringesbasedupondišerentrefractioncoe cientsduringremote laser welding without and with fan (upper photos), and weld beads made under the same conditions, showing incomplete and full penetration without and with fan, respectively (lower photos). 領域が広く形成した結果, 貫通溶接されなくなる様子が観察されることがある. 一方, ファンを利用した場合, プルームの成長が抑制され, 低屈折率の領域を低く保たれていることがわかる. つまり, リモート溶接では, レーザ誘起プルームが大きく成長すると, 試料上方の屈折率が小さくなり, レーザビームの集光位置 ( 焦点 ) が下方へ移動したり, 屈折させられたりして, 溶融池形状が変化して溶込み深さが浅くなることがある 18,19). このため, ファンやブロアーを用いてレーザ誘起プルームを抑制する対策を取る必要がある 19). 一方, 深溶込み溶接部の作製に関連して, まず, 大出力化が容易な CO 2 レーザ溶接法が検討された結果,Ar ガス中において 10 kw 以上の高パワーになると, 溶接部の溶込みは, Ar ガスプラズマが生成することによってきわめて浅くなり, He ガス中では He ガスプラズマが生成しないため深い溶込みが得られるがポロシティが発生しやすいことが明らかになった. このため, 大出力 CO 2 レーザによる溶接では, シールドガスとして Ar ガスが利用できず, また高価な He ガス中ではポロシティが防止できないため, その後の実用化はあ 474 ( 4 ) J. Vac. Soc. Jpn.

5 Fig. 7 EŠects of laser power, beam diameter (power density) and welding speed on penetrations of ˆber laser welds in Type 304 stainless steel plates of 8 or 20 mm in thickness. まり伸展しなかった. そこで最近,Ar シールドガス中において,10 kw ファイバレーザ ( 波長 1.07 mm) や 16 kw ディスクレーザ ( 波長 1.03 mm) によりオーステナイト系ステンレス鋼 SUS 304 やアルミニウム合金 A5083 の深溶込み溶接が行われている. その結果, いずれも溶接部の溶込みはAr ガス中でもレーザ出力の増加に比例して深くなることが明示されている. 次に,Ar ガス中で, ファイバレーザ出力 6kWおよび 10 kw において種々の集光状況で得られたステンレス鋼溶接部の溶込み深さに及ぼす溶接速度の影響をFig. 7 に示す 20,21). 溶込みは溶接速度の増加に伴って浅くなるが, 高速度ではレーザのビーム径が小さくパワー密度が高いほど深くなることがわかる. 一方, 低速度溶接では, 溶込み深さに及ぼすレーザ出力の影響が大きくなり, 長焦点の集光光学系の方が深くなる. なお, ビーム径が ( 例えば,1mm 以上に ) 大きくなりすぎ, パワー密度が大幅に低下すると深溶込み溶接部の形成はできなくなる. 以上の結果から, 高出力 高パワー密度の波長約 1 mm のレーザの場合,Ar ガス中でも, 溶込み深さは浅くならないことが確認される. これは, レーザ溶接中の高輝度なプルーム ( 発光体 ) の分光分析の結果, Ar ガスプラズマが生成されていないことからも裏付けられている 20,21). 次に, 溶接欠陥としては, 低速度の場合,Fig. 7 に示したように, 部分溶込み溶接においてポロシティ ( ブローホール, ポア, 気孔 ) の生成が問題となる. キーホール ( 高パワー密度のレーザが照射されることによって溶融と蒸発が起こり, その蒸発の反跳力で溶融池に深く凹むように形成されたカギ状の穴 ) の形成による深溶込みのレーザ溶接時には, キーホール先端から気泡が発生し, それが凝固壁にトラップされてポロシティとなる. 低速度溶接時にはキーホールが崩れてその先端部が気泡となる場合とキーホール前壁からの蒸発物が溶融池内に入り混んで気泡となる場合がある. 通常のパワー密度では気泡はキーホール底部から発生することが多く, パワー密度のきわめて高いときにのみビーム集光部下方のキーホール中間部から発生する場合がある. 一方, 高速溶接の場合, ポロシティのない溶接部の形成が可能となるが, レーザのビーム径が 0.3~0.6 mm 程度であると, 融液がスパッタとして飛散して消失するためアンダフィルビード ( 表面が全体的に窪んだ状態の溶接ビード ) となり, さらに超高速度では, アンダカット ( 溶接ビードの表面で溶融境界近傍のみが窪んだ状態 ) の溶接部が形成する. これに対して, ビーム径が 0.13~0.2 mm とさらに小さい場合の高速度溶接時には, 集光位置でのパワー密度は高くなるが, スパッタの発生はきわめて少なくなり, ハンピング ( 高速溶接のために細長い溶融池が形成し, その表面に噴出されてくる融液が多く, 溶融池後端では, 低温側の表面張力が高いことによる作用によって融液量が半球状に膨れて, その結果前方の融液が少なくなったところが速く凝固するため溶接後のビード表面にこぶ状の凸部が周期的に形成された状況 ) が起こるようになる 22). 従来, パワー密度が高くなると, スパッタは起こりやすくなると解釈されてきたが, スパッタはキーホール径とその周辺の融液量との関係およびプルーム ( 蒸発物 ) の噴出気流に伴うせん断力の大小によって決定されると考えられる. すなわち, ビーム径が小さくなると, 溶融池表面のキーホール口から噴出される蒸発量が少なくなり, それに伴うせん断力が小さくなる. また, キーホール口径が小さくなり, キーホール口周辺の融液量は相対的に増加する結果, プルーム ( 蒸発物 ) の噴出によるキーホールの膨張に対して裕度があるようになり, スパッタとなりにくくなったことが推察される. 以下に, レーザ溶接現象の理解に基づいてレーザ溶接欠陥の抑制 防止法に関する成果をまとめる. ポロシティの抑制 防止法として, 適切なパワー密度での貫通溶接を行う. ただし, この場合, キーホールが裏面に完全に抜けている必要がある. 適切な条件でパルス変調の溶接を行う. この場合, キーホール先端部から気泡が発生する前にキーホールをゆっくりと閉じ, その後直ちに再度キーホールを形成することを繰り返す必要がある. 真空中で溶接を行う. この場合, 湯流れは通常のシールドガス中とは異なるようになり, 気泡の発生がなくなる. レーザビームを前方に傾けた溶接を行う. この場合, 気泡の発生が抑制されるときがある. 高速度溶接を行う. この場合, 気泡の発生が減少したり, 防止されたりすることによってポロシティが減少または防止される. 適切なシールドガスを採用する. たとえば, オーステナイト系ステンレス鋼および炭素鋼においてはそれぞれ窒素ガスおよび炭酸ガスを使うことによって, 気泡の発生が防止され, ポロシティが防止される. アンダフィルの防止法としては, レーザビームの照射角度を+20 度などの前進角にしてスパッタを低減させることによって, 融液の飛散損失を防止する必要がある. ワイヤを使って, 補充する. 貫通溶接では, 底部に融液が落ち込まない条件や裏面ビードにハンピングが起こらない条件を採用する必要がある. また, ハンピングビードの防止法 22) としては, 太いビーム径を採用する, 溶接速度を低速化する, 焦点位置を板内部に設定し, 表面のビード幅を少し広げるようにする, 貫通溶接ビードを採用して上部表面への融液の噴出を抑制する, などが考えられている. 深溶込みの溶接部を得るための開発は, 鉄鋼や重電 重工 Vol. 55, No. 11, 2012 ( 5 ) 475

6 Fig. 9 Glass ames of titanium alloy wires produced by pulsed YAG laser spot welding 32). Fig. 8 Effect of laser power on penetration depth of Type 304 welds made in nitrogen shielding gas at 1 atm or 0.1 kpa (low vacuum) under focused or defocused conditions at constant welding speed of 0.3 m/min, and example of deeply penetrated weld bead of about 70 mm in depth produced at 26 kw, -40 mm (at f=1m) and 0.1 kpa. 業の分野で特に期待されている. 変形の低減 防止の観点からレーザ溶接法が望まれる場合と, ギャップ裕度拡大の観点からレーザ アークハイブリッド溶接法が望まれる場合がある. ステンレス鋼のファイバレーザ溶接において, 高集光光学系でもプルーム制御ガスのノズル径と流量および吹付け位置と角度ならびにレンズの焦点位置を試料内部に調節することによって深溶込みが可能であることが明らかにされている 9). さらに, 低真空中で焦点距離約 1mの長焦点の集光光学系を用いたファイバレーザ溶接またはディスクレーザ溶接では,Fig. 8 に示すステンレス鋼での溶接部の溶込み深さの結果から明らかなように, 低速度において高パワーで焦点位置を板表面の下方に設定することによって大気中では得ることができないほどの深い溶込みが得られている 23,24). ステンレス鋼およびアルミニウム合金の低真空中でのレーザ溶接部の溶込み深さは大気圧 ( 約 100 kpa) から約 1kPaまで真空度の増加 ( 雰囲気圧力の低下 ) に従って深くなる ( その後の高真空では深くならない ) ことが示されており 23,24), 真空中のレーザ溶接は電子ビーム溶接ほどの高真空 (0.1 Pa 以下 ) を必要としない点が利点である. なお, 真空中の溶接では, 溶込み深さの増加の程度は溶接速度が遅いほど顕著である. 鉄鋼材料の場合, 集光光学系が異なると, キーホール挙動や溶込み深さが変わり, 気泡の発生の有無が変わり, ポロシティの生成傾向が異なることがある 25). したがって, 高出力レーザ溶接では, 集光光学系の選択も重要である. 特に, 集光レンズの冷却が十分でないと, 熱レンズ効果が起こり, 焦点位置が上方へ移動し, 溶接部の溶融状況と溶込み深さが異なるようになるため注意が必要である 8,9,26). また, 鉄鋼材料厚板の貫通溶接の場合, 板表面にアンダフィルが起こり, 裏面にハンピングが生じるなど, 溶落ちが起こりやすいので対策が必要である 25,27). 欧州では, 客船の製造にハイブリッド溶接法が使われている 28) が, 日本でも適用が始まりつつある 29). ハイブリッド溶接では, 通常, 溶着量を得るためにアーク電流の高い条件を使う. しかし, アーク力が強くなって, 溶融池表面が凹んで広くなり, 表面ビード幅が広くなってアンダフィルが形成 しやすくなる 30). このため, 最近, ハイブリッド溶接法においては, さらにワイヤを添加溶融させる FLA 溶接法 31) が開発されている. 一方, マイクロ溶接 接合の分野では抵抗スポット溶接やはんだ付に替って低入熱レーザ溶接法の利用が拡大している. パルス YAG レーザ溶接で作製された眼鏡フレームの例を Fig. 9 32) に示す. レーザ溶接では, チタン合金において高強度でばね性能と意匠性とも良好なものの作製が可能であることが明らかにされ, 今後も更なる展開が期待されている. 極細径のファイバレーザやディスクレーザでは, 約 50 ~100 mm 径の微小溶接部の作製が可能であり, 今後, 電子 電気機器分野などでの超精密微細溶接法として, パルス YAG レーザと競合しながら発展することが予想される. さて, レーザ溶接 接合の研究開発や実用化研究に際し, レーザ装置の選定やレーザ溶接法の検討および研究推進のためには, レーザ装置メーカかジョブショップ, 大学や国県地方の公的研究機関に相談する場合が多い. 特に, 日本のジョブショップでは, パルスまたは連続の YAG レーザ, 半導体レーザ, ディスクレーザ, ファイバレーザなどの各種設備を保有して賃貸しをし, レーザの特性を把握した技術者が実験補助を行い, 各種企業の研究開発をサポートしている.. 高品質溶接部作製のためのレーザシステムの知能化 高品質なレーザ溶接部を作製するためには, 信頼性のあるモニタリングシステムを用い, 溶接プロセスを制御することが望ましい. モニタリング法としては, プリ ( 前 ) プロセス, イン ( 中 ) プロセスおよびポスト ( 後 ) プロセスモニタリングがある. プリプロセスモニタリングとしては, 溶融池前方のギャップを溶接中に観察するビデオ画像から計測し, ギャップ幅と溶接後のアンダフィルとの関連性を前もって求めておき, 良否判定を行う手法が開発されている. 一方, プリプロセスモニタリングとして, レーザ溶接終了後のビード表面形状を半導体レーザの反射光を観察して行う方法がある. いずれもテーラードブランク溶接において実用化されている. また, 溶接時の溶融池前方のギャップおよび溶接される位置をビデオ観察するか, 半導体レーザのラインビームの反射光を観察し, さらに溶接中のキーホール位置を観察して, それらの結果から溶接位置のずれを計測する手法がある. この方法は, Fig. 10 に示すように, レーザ溶接をしたい箇所を半導体レーザラインの反射光から検知して, 溶接ヘッドをそこに追従して溶接ができるセンシング装置が開発され,10 m/min 476 ( 6 ) J. Vac. Soc. Jpn.

7 Fig. 10 Sensing and feedback control system with diode laser lines and detection devices for pre-process and post-process, showing good work of seam tracking during laser welding. 程度の高速度に対応できる装置が市販されている. 特に, レーザ溶接では, ビード幅が狭いため, 突合せ継手やすみ肉継手では, センシング装置の適用が必要と考えられている. インプロセスモニタリングについては, レーザ溶接中には物理現象に基づく情報が多数存在するため, 種々検討されている. たとえば, プラズマ / プルームから放出される光 33 40), 蒸気 / プラズマあるいは溶融池の圧力変化による音響 37 41), 溶接材料中発生する機械的応力による超音波 41), 金属蒸気もしくはプラズマの誘電率またはプラズマ電位 37 41), レーザの反射光 ( 出力 ) 35,41,42), 溶融池からの熱放射光などの計測, ならびに突合せ継手の開先や溶融池およびキーホールの直接観察法 35,40 48) などが検討されている. CO 2 レーザ溶接の場合, レーザ誘起プルームの発光強度からアンダフィル状の溶接欠陥の検出が可能とされている 33,34). また, レーザ誘起プラズマの挙動の検討結果 34 39) から, 溶込み深さは, 発光およびプラズマ電位の計測信号 ( 最大と最小の差である平均振幅 ) と相関し, モニタリング指標としての有効性が示唆されている. 反射光を利用する方法に関して,YAG レーザの場合, 反射光のみが透過する干渉フィルター (l=1064±5nm) と Si のフォトダイオードが装備される. 一方,CO 2 レーザ溶接の場合は, 長波長のため, 小さい隙間または穴あきの集光ミラーが利用される. 亜鉛めっき鋼板の YAG レーザ重ね溶接では, 溶接中の反射光を測定し, その周波数解析結果から, 良好な接合部, スパッタの発生によるアンダフィルビードの生成やポロシティの生成および未接合の 3 つの接合状態を推測できる手法が提示され 42), 実用化されている. 溶込み深さやポロシティとの関連性について示唆された報告もある 35,49) が, 今後, さらに検討する必要がある. 連続レーザ溶接時には, 熱放射光をモニタリングし, 信号強度とビード幅の相関から, 薄板での溶接ビード幅を一定にできる適応制御法が開発されている 51,52). 精密 微細溶接に多用されるパルス YAG レーザ溶接では, 材料の表面状態や治具とその押さえの程度などのわずかな差異により不良品が発生する場合がある. そこで, 適応制御型 YAG レーザ装置の模式図と通常の溶接部と適応制御後の溶接部の例を Fig. 11 に示すように, 良品と不良品を判断するインプロセスモニタリング法が開発され, さらに, 数ミリ秒の短時間の溶接プロセスをマイクロ秒で診断して, 常 Fig. 11 Schematic arrangement of newly-developed pulsed YAG laser apparatus for in-process monitoring and adaptive control or in-process repairing (upper illustration), andexamples of spot weld with hole defect exposed to normal pulsed laser (lower left photo) and sound spot weld subjected to in-process repairing (lower right photo). 時, 良好な溶接部を得るためのレーザ適応制御法 インプロセスリペアリング法が開発されている 53 55). この手法は, 穴あき欠陥の生じない良好な溶接部が常時得られる理想的な接合法である. 今後, レーザ溶接時には, インプロセスモニタリングや適応制御法の更なる高度化と接合部の高速検査システムの開発が必要とされている.. 高品質 高機能なレーザ接合部の作製 レーザ溶接法は, まず, 鉄鋼材料やステンレス鋼の溶接に利用され, 続いて, アルミニウム合金, 亜鉛めっき鋼, 高張力鋼, 耐熱鋼および耐熱合金の溶接に使われ, さらに, プラスチックや高炭素鋼, チタンの接合に使われるようになり, 最近は, マグネシウム合金, 銅, アモルファス合金 ( 金属ガラス ), ガラスなどの溶接 接合について検討され, 種々の材料の溶接 接合が可能であることが明らかになっている. 特に, ガラスの溶接には, 重ね継手に対して極短パルスのフ Vol. 55, No. 11, 2012 ( 7 ) 477

8 ェムト秒レーザを集光させて適用されている. ナノ秒レーザやピコ秒レーザでは, 溶融部に割れが発生するが, フェムト秒レーザ溶接では, レーザが非線形に吸収され, 低パワー 高繰返しの条件で割れのない継手が作製できることが明らかにされており, 今後の展開が注目される 56). 近年, 構造物や部品の軽量化が要望されることが多い. これに対応して, 多量に使用される鉄鋼材料と軽量のアルミニウム合金やマグネシウム合金などとのレーザ異材接合が種々検討されてきている. 鉄鋼とアルミニウム合金のレーザ異材接合結果については, すでに紹介している 2,56) ので, マグネシウム合金と鉄鋼材料の接合性について紹介する. 鉄 (Fe) とマグネシウム (Mg) は,Fe と Cu と同様に, 金属間化合物を生成しない組合せである. 鉄鋼材料とマグネシウム合金のレーザ突合せ溶接では, レーザビーム照射部を突合せ継手界面の位置から鉄鋼材料側に少しずらせる手法により, 鉄鋼材料を溶融させて, その熱によって継手接合界面においてマグネシウム合金のみを溶融させることによって界面拡散接合をし, 高強度な継手が得られている 57).AZ31 合金では,Fe ( 鉄鋼やステンレス鋼 ) 中への Al の拡散が Mg より広範囲に起こっている. 一方, 重ね溶接では, めっきのない裸鋼板とマグネシウム合金の場合, レーザをどちらから照射しても, Mg がスパッタとして飛散したり, 接合部の面積が狭くなったりして, 良好なビード外観や高強度の接合部を得るのが困難である. 一方, 亜鉛めっき鋼板においては, 亜鉛を溶融さ せると接合が可能となる結果が得られている. 特に, 鋼板側からレーザを照射して部分溶込みの溶接部を作製し, その入熱で亜鉛めっきとマグネシウム合金を溶融させ,Mg と Zn の混合相を比較的広範囲に生成し, 一部 Mg と Fe が直接拡散接合して, 比較的高強度の接合継手が得られている 58). 最近,Li イオン電池の製造に際し, 電気伝導性の良い銅とアルミニウムのレーザ異材接合法の開発が要望されている. Fig. 12 に電池電極のレーザ溶接例 59) を示すが, 重ね溶接性が種々検討されている. レーザは, 一般には, 反射率の低い Al 側から照射されている. 薄板の溶接であることとレーザ反射率 熱伝導率の高い銅を用いているため, どのようなレーザを, どのような条件で, どちら側から照射したらよいかなどに対する結論は出ていない. 数年前に銅に対する吸収率が高い第 2 高調波のパルス YAG レーザが開発されたが, その溶接性も含めて検討する必要があると思われる. 最近, 超軽量であるプラスチックの利用が増加し, 金属とプラスチックの接合も要望されている. それらの接合は, 通常, 接着剤やボルトなどの機械的な結合で行われるが, 接着剤では, 接着に長時間を要する, 剥離強度が弱い, 有害物質が排出されるなど, また, 機械的な結合では, 別の機械加工工程が必要である, 接合用部品が必要である, 設計の自由度が制限されるなど, 種々の問題がある. そこで, 金属とプラスチックをレーザで直接接合する簡便な方法が開発されている 60 66). その方法で得られたステンレス鋼 SUS 304 と非結 Fig. 12 Examples of laser welds of Al and Cu sheets in Li ion battery 59). Fig. 13 Laser joints of Type 304 and PET plastic before and after tensile shear testing, showing elongation of PET base plastic (Left photos), and TEM photo, electron dišraction patterns and analytical results of cross section of joint at high magniˆcation (Right photos). 478 ( 8 ) J. Vac. Soc. Jpn.

9 晶 PET とのレーザ接合サンプルと接合部の拡大 TEM 写真を Fig ) に示す. 引張せん断試験前後のサンプルである. 試験では, プラスチック母材が伸びて破断し, その荷重は, 幅 30 mm, 板厚 2mmのサンプルで,1500から 4000 N を呈するほど高かった. 鉄鋼材料, チタン, アルミニウムなどの金属とポリアミド ( ナイロン ), ポリエチレンテレフタレート (PET), ポリカーボネートなどのプラスチックの接合では, 継手強度が十分に高く, プラスチック母材で破断する継手が得られている 60 66). レーザは金属の接合界面を溶融しない程度に加熱させ, プラスチックのみを溶融させる. さらに, 高温部では一部のプラスチックが分解して気泡が発生し, その気泡の発生と急膨張に伴う高圧の発生により, 溶融プラスチックが流動して金属表面に密着し, 穴や隙間にプラスチックが侵入したアンカー効果, 酸化膜を通じてファンデルワールス力や化学結合などの関与する高密着機構の発現が考えられている. また, 異種金属の接合では, 局所電池作用による腐食が問題となる場合がある. これを防止するため, 異種金属間にプラスチックを挟んでレーザ異材接合を行い, 高強度接合継手の作製が可能であることが確認されている 67). さらに, 金属と炭素繊維強化プラスチック (carbon ˆber reinforced plastics: CFRP) とのレーザ接合も可能である. その例をFig ) に示すが, 条件によっては,PA 基の CFRP の場合, 極めて高い引張せん断強度を有する継手が得られている. また, プラスチックとセラミックス 69) または金属ガラス 70) とのレーザ接合も可能であることが報告されている. 以上のように, レーザ溶接 接合法は従来の溶接法では見られないような広範囲な展開を見せている.. 終わりにレーザ溶接の適用は順調に増加している. 半導体レーザ, ディスクレーザおよびファイバレーザの高パワー化が急速に進展し, 今後の更なる利用拡大が予想される. 高速度溶接としてはファイバレーザかディスクレーザによるリモート溶接法が注目されている. 鉄鋼材料やステンレス鋼の深溶込み溶 接としては, 高パワーレーザ単独溶接法とハイブリッド溶接法が検討されている. 通常の熱源では溶接できないような微細部の溶接については, パルス YAG レーザが利用されている. 薄板溶接に対しては, パルスレーザ, 半導体レーザ, ディスクレーザおよびファイバレーザによる競合が始まっている. 今後の実用化に際しては, モニタリングや適応制御技術の開発が重要である. また, 高機能化のレーザ異材溶接としては, 今後の実用化展開が待たれる. 本稿がレーザ溶接 接合法の今後の発展に貢献できれば幸いである. 文献 1) S.Katayama:J.ofJapanWeldingSociety,78 (2009) 40 [in Japanese]. 2) S. Katayama: J. of Japan Welding Society, 78 (2009) 682 [in Japanese]. 3) S. Katayama: J. of Japan Welding Society, 80 (2011) 593 [in Japanese]. 4) K. Nakamura: Proc. of the 76 th Laser Materials Processing Conf., Tokyo, Japan, 76 (2011) 107 [in Japanese]. 5) M. Tsuji: J. of High Temperature Society, 35 (2009) 171 [in Japanese]. 6) Laserline Web (Web: 7) Fraunhofer IWS Web; 2009 Annual report (Web; iws.fraunhofer.de/e_welcome.html) 8) C. Emmelman and S. Lunding: Cong. Proc. of ICALEO 2002, Arizona, USA, 94 (2002). (CD) 9) X. Zhang, E. Ashida, S. Katayama and M. Mizutani: Quarterly J. of Japan Welding Society, 27 (2009) 64s. 10) T.Sakagawa,S.NakashibaandH.Hiejima:PhysicsProcedia, 12 (2011) 6. 11) D. Petring: Proc. of the 70 th Laser Materials Processing Conf., Osaka, Japan, 70 (2008) 7. 12) R. Brockmann: EALA European Automotive Laser Applications 2011, Frankfurt, Germany, (2011) ) H. Alder: Proc. of the 59 th Laser Materials Processing Conf., 59 (2003) ) H. Hirashima, T. Umebayashi, M. Taguchi, N. Shimoyama, M. Kamioka, T. Marutani, T. Murata and H. Hiramatsu: Kawasaki Technical Review, No. 160, (2006) 50 [in Japanese]. 15) M. Brandner and C. Elsner: EALA European Automotive Laser Applications 2011, Frankfurt, Germany, (2011) ) K. Mikame: J. of Japan Laser Processing Society, 16 (2009) 8 Fig. 14 Examples of laser joint of Type 304 and PA-base CFRP sheets, and tensile shear test results of various joints produced under dišerent welding conditions, showing high tensile shear load (strength) of joint. Vol. 55, No. 11, 2012 ( 9 ) 479

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