レーザー溶接

しくみ

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   ビームをつくって届ける。 レーザー光源は、現在ではたいてい約 1〜10 kW のファイバーレーザーで、強力な赤外線のビームをつくります。光ファイバーがそれを溶接ヘッドへ運びます。

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   焦点を合わせる。 レンズがビームを、幅数分の 1 ミリのスポットに絞り込みます。これで、1 平方センチメートルあたり 100 万ワットを超える出力がかかります。

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   キーホールをあける。 スポットの下の金属が溶け、一部は沸騰します。蒸気の圧力が細い通路、つまりキーホールを開いたままにし、ビームが接合部の深くまで届きます。

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   溶けた金属を回り込ませる。 ヘッドが動くにつれ、溶けた金属はキーホールの周りを流れ、後ろで閉じていきます。

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   溶融池を保護する。 アルゴン、ヘリウム、窒素などのガスが、高温の金属を空気から守り、プルーム(スポットの上に立ちのぼる金属蒸気の雲)を吹き払います。

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   すばやく凝固させる。 小さな溶融池はほぼ瞬時に固まり、狭くて深い継目になります。熱影響部(熱で変質したが溶けていない金属)は薄いままです。

主なポイント

材料

炭素鋼とステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金。銅はグリーンやブルーのレーザー、または特別な設定で。一部のプラスチックも

代表的な部品

自動車のルーフとドア、テーラードブランク(プレス前に厚みの異なる板を接合したもの)、電池のタブ、歯車、ペースメーカーのケース

部品サイズ

0.1 mm 未満の箔から、高出力なら 1 パスで約 20 mm の板まで。ロボットを使えば自動車のボディ大の部品も

精度

ビームの位置は約 ±0.1 mm 以内。歪みは非常に小さいが、部品は約 0.1 mm 以下の隙間で突き合わせる必要がある

表面仕上げ

狭くてなめらかな継目で、ほぼ面一になることが多い。スパッタが少ない

向いているロット数

自動化による大量生産。最近はハンドヘルド機も、受託加工業で使われている

金型・設備コスト

ハンドヘルドのファイバーレーザー溶接機は約 1 万ドルから。ロボットセルは数十万ドル以上

速度

薄板で通常は毎分 1〜10 m の継目。スキャナーヘッドは溶接箇所の間を数ミリ秒で移動する

強みと限界

使われる場所

• 自動車ルーフ、ドア、テーラードブランク、歯車やトランスミッション部品
• 電池と電動モビリティセルタブ、バスバー(太い接続用の帯板)、電池ハウジング
• 医療ペースメーカーやインプラントのケース、手術器具
• エレクトロニクスセンサーのハウジング、コネクタ、密閉パッケージ
• 厨房機器ステンレスのシンク、家電のパネル、管

見分け方

• 非常に細く均一な継目で、幅はわずか 1〜2 mm のことが多く、細かく規則的な波紋が見える。
• 継目の脇に、熱による変色や反りがほとんど、あるいはまったくない。
• パルスレーザーでつくる、小さな部品の上に並ぶ重なり合った小さな点の列(たとえば医療機器や修理したジュエリー)。

比較

動画を見る

Laser Beam Welding [Working Principle With Animation]

Mech Vidya · キーホールの原理をアニメーションで

What is inside a laser welding machine?

Ricky Explains Lasers · レーザー光源、ファイバー、溶接ヘッドを開いて見る

TRUMPF Scanner Laser Welding

TRUMPF Inc. · 溶接箇所の間を高速で移動するスキャナーヘッド

TRUMPF laser systems: TruLaser Cell 3000 - Laser welding at LICOS Trucktec GmbH

TRUMPFtube · 実際の工場にあるレーザー溶接セル

実写真を見る

• Wikipedia:Laser beam welding — 原理、キーホールモードと熱伝導モード。写真へのリンク付き
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