平成13年度〔2001〕№46
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告

YAGレーザによる精密切断加工技術及び接合技術＊
荒武

崇幸＊１

Technology of Precise Cutting and Welding by YAG Laser Beam
Takayuki ARATAKE
レーザビームはエネルギー密度が非常に高く、狭い範囲の集中的な加熱が可能なため、板金の接合が可能と言われている。県内に普及している炭酸ガスレーザはステンレスに対しては吸収されやすいが、アルミや銅には反射されやすく接合が困難なため、これらに対する吸収率の高いYAGレーザを用いて薄板の接合実験を行った。その結果、ステンレスは幅広い条件で接合が可能で、条件によっては母材よりも強い接合強度が得られた。アルミニウムは、ステンレスの約10倍のピーク出力により接合が可能で、母材強度の約80％の接合強度が得られた。銅は更にアルミニウムの約２倍のピーク出力により接合が可能で、母材強度の約70％の接合強度が得られた。
キーワード：YAGレーザ、アルミ、銅、ステンレス、接合
１ はじめに
レーザビームは、エネルギー密度が非常に高く、比較的狭い範囲の集中的な加熱が可能なため、板金等の高速切断や接合が可能である。ステンレス
鋼板や鉄板の加工には炭酸ガスレーザが広く使われているが、アルミニウムや銅は炭酸ガスレーザを反射し易く加工が極めて困難である。そこで、これらの材料に対してビームエネルギーの吸収率

図１

実験装置外観が比較的高いと言われるYAGレーザを導入し、薄板（厚さ0.3、0.5、1.0 mm）の接合条件を確立するために基礎的な実験を行ったので、その結果を報告する。
２

実験方法

２−１

実験装置

加工実験は、当工業技術センターに設置されている YAG レー ザ加 工機 （住 友重 機械 工業 製、

図２

レーザ加工ヘッド及び接合治具

JK701H型）を用いて行った。実験装置外観、レーザ加工ヘッド及び接合治具を図１及び図２に、実験装置の主な仕様を表１に示す。
YAGレーザを用いる機械加工技術の高度化（第２報）＊１ 機械電子・デザイン部

＊２−２

試験片

実験材料には、アルミニウム及び銅の板で、厚さ0.3、0.5、１mmの３種類、比較用の材料として製缶等で多く使われているSUS304の厚さ0.3、0.5、１mmの３種類を用いた。
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YAGレーザによる精密切断加工技術及び接合技術

表１ 実験装置の主な仕様

表２

レーザ出力確認時の設定パラメータ

レーザ発振方式

パルス発振

最大平均出力550W

最大ピーク出力

7kW

最大パルスエネルギー70J

ビームモードマルチモードシールドガス窒素

発振波長1.06 m

周波数
（Hz）

5〜150

周波数

0.1〜500Hz

パルス幅（ms） 1〜15

パルス幅

0.5〜20ms

アシストガス

酸素 、 窒素 、 アル ゴ
ン、エア

周波数
（Hz）

X：500mm
Y：500mm
Z：450mm

アルミ：10〜60
銅：5〜15
SUS304：10〜150

パルス幅（ms）

アルミ：2〜15
銅：2〜12
SUS304：1〜15

ストローク

光学系

２−３

周波数
（Hz）

5〜200（５Hzピッチ）
0.5、1、2、3、5、10、15、20
パルス幅（ms）
表３ビードオンプレート実験条件

表４固定光学系：Welder
LD1
LD2
ファイバー光学系

接合実験条件

ビーム照射ピッチ（mm） アルミ：0.3〜0.7
銅：0.05〜0.7
SUS304：0.3〜0.5
シールドガス

実験条件

当所のYAGレーザ発振器は、発振媒体を励起するフラッシュランプのエネルギーがある値をと窒素ガス
流量：20リットル 分
ノズル径：９mmる時に出力が最大となる「共振器」と呼ばれる方式である。周波数と波長によって出力が異なるた

各材料とも、ビードオンプレートによる溶け込め、３種類装備している共振器の中から今回は接みが良好な条件について、突き合わせ接合実験を合用のWELDER共振器を選び周波数と波長を変行った。

化させて出力の変化を調べた。

接合が終了したテストピースはビードを顕微鏡次に、出力試験のデータを参考にして、各材料で観察しながら撮影し、更に引っ張り試験用テスのそれぞれの厚みの物に対してビードオンプレートピースを切り出して引っ張り試験による接合強ト（接合を想定した条件で素材にビームを照射し度の評価を行った。て溶かす）により溶け込みが貫通するか否かを調べた。

３

結果及び考察更に、１辺100mmの四角板を突き合わせ、ビー

まず出力テストでは、周波数10〜30Hzの場合ドオンプレートでの溶け込み状況を参考にしながに、あるパルス幅の時に最大平均出力550Wが得ら突き合わせ部にビームを照射し接合を試みた。

られた。周波数が高くなるにつれて最大平均出力

実験条件は、表２〜４のとおりとした。

は小さくなり、平均出力が最大となるパルス幅は２−４小さくなった。周波数が160Hz以上では、パルス評価方法

ビードオンプレートによる溶け込み実験では、周波数の低い、パルス幅の小さい条件から実験を幅が最小値の0.5msの時に平均出力が最大となった。

開始し、溶け込み状況を観察しながら周波数、パピーク出力は、周波数10Hz以下の場合パルス幅ルス幅を徐々に増加させた。溶け込みが貫通し、が５ms以下では一定値 （9〜10kW）となり、パスパッタの飛散量が少ない状態を良好な状態と判ルス幅が大きくなるにつれて小さくなった。10Hz定した。

を超えるとピーク出力はほぼ同じでも一定値を取74

YAGレーザによる精密切断加工技術及び接合技術

るパルス幅は小さくなり、40Hzを超えるとピーク出力は徐々に小さくなった。平均出力の変化を図３、ピーク出力の変化を図４に示す。

図３

図４

図５

銅の接合状況（厚さ＝0.5mm、15Hz、パルス幅３ms）

図６

SUSのビード（厚さ＝１mm、10Hz、15ms、ピッチ＝0.5mm）

図７SUSのビード（厚さ＝0.3mm、90Hz、３ms、ピッチ＝0.5mm）

図８アルミのビード（厚さ＝0.3mm、40Hz、３ms、ピッチ＝0.3mm）

WELDERによる平均出力の変化

WELDERによるピーク出力の変化

ビードオンプレートによる溶け込み実験では、アルミと銅はパルス照射のピッチが小さすぎると溶融部にビームを照射する状態になるためか、ビームの反射率が高くなって溶け込み不足や出力計の誤動作が発生した。したがって、銅は0.4mm以上、アルミは0.3mm以上の照射ピッチが必要であることがわかった。銅の接合状況の例を図５に示す。
接合実験の結果を材料別に見ると、SUSは幅広い条件で接合が可能で、ビード形状も良好である。接合条件によっては母材よりも強い接合強度が得られた。小さいピーク出力でも接合できるため、ある程度高い周波数での接合が可能だが、ビームを照射し始めてから加工テーブルが動き始めるまでのタイムラグにより接合開始点に余分なエネルギーが集中するため、溶け落ちてしまうことが75

YAGレーザによる精密切断加工技術及び接合技術あった。また、ピーク出力が大きすぎると、適正な条件と比べてビードの形状は流れたような状態になった。適正な条件による接合ビードの例を図６に、強い条件による接合ビードの例を図７に示す。
アルミは、SUSの約10倍のピーク出力により接合が可能だが、ビード形状も比較的良好で、幅広い条件で接合することができた。しかし、ピッチが大きすぎると接合部に欠陥が発生しやすいことがわかった。引張試験ではすべて接合部で破断

図９したが、最高で母材の約80％の強度が得られた。

銅のビード（厚さ＝0.3mm、15Hz、４ms、ピッチ＝0.6mm）

ビードの例を図８に示す。
銅は更にアルミの約２倍のピーク出力が必要で、大きなピーク出力を得るために低い周波数でしか接合できなかった。溶け込みが貫通した条件では表面でスパッタが飛散し、ビード形状はあまり良好ではなく、適切な接合条件幅は狭かった。引張試験ではアルミと同様にすべて接合部で破断したが、最高で母材の約70％の強度が得られた。ビードの例を図９に、引張試験テストピースを図10に示す。

図10 引張試験片（銅：NO.17、アルミ：NO.7、SUS：NO.26、30、32）

接合条件別に見ると、パルス幅は大きい方が接合しやすかった。同じピーク出力でもパルス幅が小さい場合は１パルス当たりのエネルギーが小さくなり、深い溶け込みが得られなくなるため接合が困難になった。そこで深い溶け込みを得るためにパルスエネルギーを大きくすると、ピーク出力が高くなり溶けすぎたり多量のスパッタが発生するため、やはり接合が困難になった。３ms未満の小さいパルス幅では、溶け込みが貫通しない条件でも溶融金属がスパッタとなって飛散し、溶け

図11

アルミの接合状況（厚さ＝0.5mm、10Hz、ピッチ＝0.3mm）

図12SUSの接合状況 （厚さ＝0.5mm、パルス幅＝10ms、ピッチ＝0.5mm）

込みを貫通させるためにピーク出力を高くすると穴が明き、ほとんど接合できなかった。アルミの例を、図11に示す。
周波数は、低い方が接合が容易であることがわかった。同じパルスピッチで接合する場合、周波数が高くなるほどビームの移動速度は速くなり、各々のパルスビーム照射位置への直前のパルスによる熱影響が小さくなり、十分な溶け込みを得るためにピーク出力を大きくしなければならなかった。しかしピーク出力が大きすぎると溶けすぎたり多量のスパッタが発生するるため、やはり接合76

YAGレーザによる精密切断加工技術及び接合技術が困難になった。SUSの例を、図12に示す。
ビーム照射ピッチについては、ピーク出力やパするため、あまり速くない方がよいことがわかった。

ルス幅などの条件に対してピッチが適正な場合は隣り合うパルスビームの溶け込みが図６〜９に示４まとめすように適度にオーバーラップした。大きすぎる今回の実験では、接合用共振器であるWELDERと各パルスビームによる溶け込みが独立してしまを用いて、厚さ0.3〜1.0mmのアルミと銅の薄板い、隙間ができた。しかし、ピッチが小さすぎるの接合を試み、十分接合可能であることがわかっと銅やアルミなどの場合は前記のように反射が大た。また、それぞれの材料の接合特性や接合条件きくなって接合不能となった。

（周波数、パルス幅、ピーク出力、ビーム照射ピッ

ピーク出力については、前記のように大きすぎチ）も把握することができた。更に、比較用材料

るとスパッタの発生や溶け落ちなどが生じ、小さとして用いたSUS304についても接合特性についすぎると溶け込み不足になった。ピーク出力が大て調べることができ、接合条件を把握することがきすぎた場合のビードの例を図13に示す。

できた。総体的には、低い周波数でパルス幅を大接合速度は周波数とパルスピッチで決まるが、高い周波数で速く接合しようとすると前記のようにスタート時のタイムラグにより溶け過ぎが発生

きくし、ピーク出力を小さくすると良好な接合を行えることがわかった。
今 回 の 結 果 に よ る と 、 SUS と ア ル ミ は 厚 さ１mmを超える場合でも接合が可能ではないかと思われるが、スパッタは増加する恐れがある。しかし、銅は１mm以上の厚さについては溶け込みが不十分となり接合が困難である。
これらの材料は、化学関係や電子関係の企業で多く利用されている。今後は、T形隅肉接合、重ね接合、厚みの異なる材料や異種金属の接合など、より実用的な接合方法について試みてみたい。また、更に薄い材料やこれら以外の材料についても

図13

SUSのビード（厚さ＝1.0mm、10Hz、10ms、ピッチ＝0.5mm）接合を試みてみたい。

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