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特集論

複雑三次元形状対応レーザ加工シス
テム−同軸レーザ加工ヘッドの開発−

文

Laser Welding System for Various 3D Welding-Development of Coaxial Laser Welding Head＊0

坪 田 秀 峰＊1

石 出孝＊2

渡 辺 眞 生＊3

赤 羽崇＊3

Shuho Tsubota＊0

Masao Watanabe

Takashi Ishide

Takashi Akaba

自動車ボディ等の複雑な三次元形状を対象とした溶接への適用を狙い，アークとレーザを組み合わせたハイブリッド溶接ヘッドを開発した．電極とレーザの同軸化により溶接方向依存性を解消し，少ない軸数での施工を可能とした．さらに同軸化技術をレーザブレージングに展開した．本報では開発ヘッドによる施工例を紹介し，ギャップ許容量増大，方向依存性解消，ろう材浸透性向上等の効果を示した．

1．はじめ

アークをレーザ光軸と同軸化する検討を行った．同軸に化の基本コンセプトを図１に示す．光ファイバより出

レーザ溶接は低歪な高能率溶接法として実用化が推射されたビームをミラーにより分割した後，レンズに進されており，特に YAG レーザはビーム伝送の容易さより集光する．この際，分割により生じた空間へのアと安定したビーム品質から，近年の高出力発振器登場

ーク溶接電極配置によりレーザ光軸とアーク電極の同(1)〜(4)に伴って自動車産業を中心に適用が進んでいる．そ軸配置が実現する．の一方で開先ギャップ許容量が小さく，高精度な開先

図２は分割された光が焦点近傍で集光される様子を加工や合わせ，狙い設定が必要であることから，施工光線追跡により解析した結果を示したものである．同裕度の緩和が求められていた．

図は，コア径 0.6 mm の光ファイバより出射した光が，これに対し，アークとレーザを組み合わせたハイブ

ジャストフォーカス位置で直径 1.2 mm に集光される

リッド溶接技術により広いギャップ裕度の施工を可能場合の解析結果である．この場合，焦点より上方８とした．開発技術はより少ない軸数で方向依存性の無mm の位置ではビームが完全に分割されており，このい溶接施工を実現するため，レーザ光軸とワイヤ送給空間に電極が配置される．この集光特性は，レーザのを同軸化した構造を特徴としている．さらに同軸化技

ビーム品質，ヘッド寸法要求，対象材料（種類，板厚，術をワイヤの同軸送給が可能なレーザブレージング開先形状），併用するアーク溶接機等々の要因を加味ヘッドに展開した．

して決定される．例えば，継手形状に関して，厚板の本報では，開発溶接ヘッドとその施工結果例について紹介し，有効性を示す．

接では深溶込みは必要なく，幅広のビード形状が必要

2．アーク／レーザハイブリッド溶接
2．1

同軸ハイブリッド化コンセプト

レーザとアークのハイブリッド溶接技術は，各社にて研究開発が進んでいる(5) (6)

突合せ溶接には小径の集光が有効であるが，すみ肉溶．これらはレーザ光軸にであることから比較的大径の集光で十分であるなど，対象に応じた使い分けが望ましい．集光径が溶込み深さに及ぼす影響を調査した結果の一例を図３に示す．
レーザ出力２ kW でステンレス鋼溶接時，集光径1.2 mm から 0.6 mm に小径化することで約 1.3 倍の溶対し，アークを側方に設置する構成であり，三次元形込み向上が認められる．

状の溶接が求められる自動車をはじめとした各種製品

2．2 商 品 機 仕 様の組立溶接では，アークトーチを溶接進行方向に対し商品化に際し，図１のプロトタイプ機に対してコンて一定の向きとなるよう制御する軸が必要である．これに対し，より少ない軸での駆動を可能とするため，
技術本部高砂研究所製造技術開発センター
技術本部高砂研究所製造技術開発センター長 工博＊3
神戸造船所機械・環境プラント部機械設計課主席＊1＊2

パクト化したヘッドを開発した．
図４に溶接ヘッド外観及び標準仕様，図５に標準装

876Z（mm）

光ファイバ

−125
溶込み深さ（mm）

反射ミラー

コリメーション
レンズ

10分割ミラー−8
Laser beam
5−4−2レンズ
アーク電極

422レンズ

出力 :２kW（PW 50 ％）材料 : SUS 304
シールドガス : Ar

X4（mm）＋24321：スポット径 0.6 mm：スポット径 1.2 mm

00.00.5

図１ アーク／レーザ同軸化コンセ
ビームをミラーによりプト２ビームに分割し，得られた空間にアーク電極を配置することで同軸化を実現した．

1.52.02.5

図３ 集光径が溶込み深さに及ぼす影
スポット径の小径化（1.2 mm
響5

図２1.0

溶接速度（m/min）＋4

ビーム集光状況→ 0.6 mm）
により溶込み深さが約 1.3倍に増大する．

焦点近傍の集光状況を示す．

加工テーブル

光ファイバ

YAG レーザ発振器

ワイヤ
ワイヤ供給装置

光ファイバ

MIG 電源MIG
ワイヤ
レーザ調整ネジ

ノズル部詳細図５集光ユニット

コントローラアーク

MIG 送給装置

MIG-YAG
ハイブリット溶接ヘッド

標準装置構成ハイブリッド溶接のための周辺機器を含めた全体構成例．

施工法

Laser

MIG

MIG-YAG

溶接条件

４kW300 A/ 24 V

４kW ＋ 300 A / 24 V

ビード断面
（AC 4 CH-T 6/A 5454 P）
寸法：400×100×100 mm
重量：５kg
倍率：１倍

図４ MIG-YAG ハイブリッド溶接ヘッド外ロボット駆動を想定し小型化を観図ったヘッド外観．

（速度３m/min）

図６ アルミ合金重ねすみ肉溶接における施工法比較

レーザ単独，MIG単独では不可能な脚長・溶込みを共に満足した施工がハイブリッド溶接により実現する．

置構成を示す．新規設備導入のみならず，既存のレー場合の突合せ溶接結果である．板厚５ mm に対してザ発振器やアーク溶接電源等との組み合せにも対応可

最大ギャップ量２ mm まで一定条件にて施工可能で能である．

あり，広いギャップ裕度を有する施工が実現すること

2．3

溶接施工結果例がわかる．

図６は，アルミ合金の重ねすみ肉溶接結果例を示し

図８はアルミ合金の突合せ溶接を行った結果例を示ている．レーザ単独では十分な脚長の確保が難しく，している．板厚４ mm を 0.7 m/min の高速で溶接施工

MIG 単独では高速域でビード形状が不安定化しやす可能である．また図９に示す通り従来の MIG 溶接とく溶込みも不足する．一方，ハイブリッド溶接では，比較して変形抑制効果が顕著である．本ヘッドはアー十分な溶込みを確保しつつ高速域でも安定したビードクを同軸供給しており，方向依存性のない施工が可能を得ることが可能である．

であるという利点も有する．図 10 の円周溶接結果が

図７は開先ギャップを有するステンレス鋼の突合せ示すとおり，ワイヤ送給方向の調整が不要であり，二溶接結果例を示している．
開先はシャーリング加工し，次元・三次元形状の施工における狙い位置設定への負表面に0.5 mm ピッチで最大２ mm のギャップを設けた荷を軽減することが可能である．
三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）

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A 5083 4 mmt
断面開先

A 6061 4 mmtGap

0 mm

0.5 mmt

材料：SUS 304 5 mm
ワイヤ：TGS 308LKφ1.2 mm
レーザ出力：3.4 kW
MIG 条件：175 A−35 V

1mm

1.5 mm2 mm

溶接速度：0.6 m/min
溶接姿勢：下向
シールドガス：100 ％ Ar
開先加工：シャーリング

図７ ハイブリッド溶接によるギャップ裕度の拡大

5 mm

開先ギャップ

図８

溶接条件
YAGレーザ ：３kW
MIG：80 A /20V
溶接速度：0.7m/min
シールドガス ：Ar
フィラーワイヤ ：A 5356

アルミ厚板溶接結果例
アルミ合金厚板（４ mm）の高速１パス溶接が実現する．

０〜２ mm まで同一条件での施工が実現する．

200 mm

500 mm

横収縮量

長手方向反り量

角変形量

試験条件
アルミ合金（A 5052）
３k W/125 A
1.0 m/min

変形量（mm）（deg），1086：横収縮量：長手方向反り量：角変形量420A 6061（MIG-YAG）

A 6N01（MIG）

母材（溶接方式）

図 10 円周溶接結果例

アークとレーザの同軸化により円周駆動時にもアークトーチの駆動軸が不要．

図９ 溶 接 変 形 量 の 比 較

ハイブリッド溶接により，MIG 溶接と比較して長手方向の反りを 1/9 程度に抑制可能．

寸法：410×120×110 mm
重量：5.2 kg
倍率：1.3 倍

3．レーザブレージング
3．1

商品機仕様

ハイブリッド溶接ヘッドと同様にワイヤを同軸送給することが可能な同軸レーザブレージングヘッドも開発している．本ヘッドは，近年特に欧州自動車メーカで適用が進んでいる自動車ボディのレーザブレージン

光ファイバ

ワイヤグを対象としており，トランクリッド等の急峻な溶接線方向変化に対応した施工を実現したいというユーザニーズに応えることが可能である．図 11 にヘッド外観及び仕様を示す．
3．2

施工結果例

図 12 に施工結果例を示す．ワイヤ同軸供給による方向依存性解消により，平面内の一筆書きも安定してワイヤ送給ノズル施工可能である．また，溶接線の急峻な方向変化にも滑らかに対応したビードが形成されている．
図 13 はフレア継手の断面を示している．ワイヤを側方から供給した場合には，ろう材が開先内部まで浸透しにくいのに対し，本ヘッドの使用により開先内部

図 11 同軸レーザブレージングヘッ
レーザとワイヤをド外観
コンパクトに同軸化し，ロボッ
ト駆動時の操作性を向上した．

89
ロウ付け条件
種類

ビードオン

材質

鋼板

板厚

3.0 mm

レーザ出力

2.0 kW

速度

0.8 m/min

ワイヤ量2.8 m/min

ビード外観

図 12 レーザブレージング結果例（1）ワイヤの同軸送給により，矩形の急峻な溶接方向変化や複雑形状の一筆描きへの対応を実現した．

図 14 車体組立への適用（三菱自動車工業 ( 株 ) 提供コン
ハイブリッド溶接により組み立セプトカー ｉ ）てられた車体の一例（2003 東京，フランクフルトモーターシ
ョー出品）．

ロウ付け条件

ビード外観

種類

フレア継手

材質

亜鉛メッキ鋼板

板厚0.75 mmのではなく，近年高出力化に伴い注目される半導体

レーザ出力

3.0 kWレーザ，ファイバレーザにも対応可能である．今後，

速度

3.5 m/min

ユーザニーズに対応した溶接ヘッドをラインナップしワイヤ量

7.0 m/min

開発技術は，YAG レーザとの組合せに限られるもていくとともに，開先センシング／品質モニタリング，断面図 13 レーザブレージング結果例（2）レーザビームによるワイヤ予熱効果により，開先内への浸透性向上を実現した．

まで十分に浸透している．これはレーザと同軸にワイヤを送給することでワイヤ予熱効果が得られ，溶融効率が増したためと考えられる．

4．アプリケーション例
アーク又はワイヤとレーザ光軸の同軸配置の優位性から，開発技術の自動車ボディの組立溶接等への適用が期待される．図 14 には車体組立に MIG-YAG ハイブリッド溶接を適用した例を示す．各種適用検討を通して，同軸送給の有効性が確認されている．

5．まと駆動システムと組み合わせた総合溶接システムとして提供していく予定である．
参 考 文 献（1）白井雅人，
三次元構造ボデー部品：トルーフのレーザ溶接，第 55 回レーザ加工学会論文集（2002）
p.1（2）森清和ら，レーザ溶接の車体組み立てへの応用，
第 55 回レーザ加工学会論文集（2002）p.7（3）樽井大志，欧州における自動車産業へのレーザ適用動向，第 61 回レーザ加工学会論文集（2004）
p.152（4）K.Loffler, Laser applications Golf V: Conceptand Implementation in production, Proc. ofEuropean Automotive Laser Application 2004，p.181（5）牧野吉延ら，CO 2 レーザ・アークハイブリッド溶接法，第 53 回レーザ加工学会論文集（2001）
p.31（6）富田直良ら，LDMIG ハイブリッド溶接ロボットシステムのアルミ合金への適用，第 56 回レーザ加工学会論文集（2002）p.69

め自動車ボディの組み立てをはじめとする複雑な三次元形状の溶接に適した溶接ヘッドを開発した．アークとレーザのハイブリッド溶接では，アーク溶接に対し，高速化・変形抑制・溶込み深さ確保等の効果が，レーザ溶接に対し，すみ肉溶接における脚長確保，ギャッ坪田秀峰

石出孝

渡辺眞生

プ裕度の拡大等の効果が確認された．また同軸配置により制御軸数低減が可能となることが確認された．
レーザブレージングでは，ワイヤ予熱効果が開先内へのろう材浸透性を向上させるとともに，方向依存性のないろう付が可能となることを示した．

赤羽崇

三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）