新技術・新商品へのチャレンジ特集

高ビーム品質ファイバレーザ溶接とビームモード制御技術による加工欠陥抑制
Welding With High Beam Quality Fiber Laser andSuppression of Welding Defects by Beam Mode Control Technology
安岡知道 *Tomomichi Yasuoka

茅原 崇 *

Takashi Kayahara

西井諒介 *

松永啓伍 *

Ryosuke Nishii

Keigo Matsunaga

繁松 孝 *

Takashi Shigematsu〈 概 要〉
古河電工のシングルモードファイバレーザは，小さいコア径と高いビーム品質により，高いパワー密度を利用して低出力ながら熱影響の少ない高アスペクト比の加工をすることができる。またマルチモードファイバレーザは，その高出力を利用することで鉄材に対して 10 mm 以上の溶け込み深さを得ることができる。
また，一般的なファイバレーザでは溶接加工欠陥や加工部周辺の汚損の原因となるスパッタが多量に発生してしまう。これに対して，我々はビームモード制御技術の開発を進めることで，スパッタの抑制と加工欠陥の発生減少に成功した。

1.

（Fiber Bragg Grating）などの部品で構成されており，発振さはじめにれたレーザ光は光ファイバを通じて出力端まで伝送されてい近年，ファイバレーザは非常に注目されており，これまで使る。また，このシングルモードファイバレーザを複数台結合さ用されてきた他の溶接技術からの置き換え検討が進んでいる。

せて発振させているのが，図 2 のマルチモードファイバレーザ

これは，従来使用されてきた YAG や CO2 などの他のレーザとである。

比較して高いビーム品質を持つためだけでなく，装置としての信頼性が高いうえにエネルギー効率が良く使いやすいためである。
本稿ではその中でも古河電工製のファイバレーザのビーム品質，およびそれを活かした加工基本特性を報告する。そして，近年注目されているビームモード制御技術の開発を進めた結果見えてきた，新しいレーザ加工について報告する。

2.

 河電工製ファイバレーザのビーム品質と古その加工特性

ファイバレーザはビーム品質が高く非常に集光性が良いた
め，溶接時には溶け込みが深いうえに熱影響を抑えることが可能である。本章ではまず古河電工製ファイバレーザの基本的な光学特性を明示し，その中でもマルチモード 6 kW ファイバ

図1

シングルモードファイバレーザの外観図
External view of single mode fiber laser.

レーザの基本的な加工特性を明らかにする。
2.1 古河電工製ファイバレーザのビーム品質
古河電工製シングルモードファイバレーザの外観を図１に示す。発振器内部は励起用半導体レーザ，利得ファイバ，FBG*

ものづくり改革本部

次世代生産技術開発センター

古河電工時報第 138 号（平成 31 年 2 月） 25

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これらの発振器の光学特性を表 1 に示す。マルチモードファイバレーザのコア径と比較して，シングルモードファイバレー
ザのコア径は非常に小さい。そのため，図 3 のように非常に高アスペクト比の溶け込みを得ることができる。また，同じ倍率の光学系を用いた場合は，単位面積当たりのパワーはシングルモードファイバレーザの方がマルチモードファイバレーザよりも高く，溶け込み具合は図 4 のように 20 m/min より早い領域
では，シングルモード 1 kW で加工した場合でもマルチモード2 kW で加工した場合と同等の溶け込み深さを得ることができる。その一方で，より深い溶け込み深さが必要な場合に採用される低速領域では，大出力を得ることができるマルチモードファイバレーザが使用される。
表1

ファイバレーザの光学特性
Optical specifications of fiber lasers.
シングルモード
ファイバレーザ

図2

マルチモードファイバレーザの外観図
External view of multi-mode fiber laser.

（a）

マルチモードファイバレーザ

波長1070 nm1070 nm1070 nm

定格出力1500 W

4000 W

6000 W

ファイバコア径

14 µm

50 µm

80 µm

ビーム品質 M2
（Typical）

1.06

－－

ビーム品質 BPP
（Typical）－

2.2 mm mrad

3.0 mm mrad（b）2.0 mm

図31.0 mm

1 kW シングルモードファイバレーザを用いた際の SUS304 の断面図
Cross-sectional view of SUS304 with 1 kW single mode fiber laser.
（a）1 m/min （b）10 m/min（b）6000
SUS304

5000

A5052
C1100

4000

Penetration depth [µm]Penetration depth [µm]（a） 6000

3000
2000
1000
0020406080

100120

SUS304

5000

A5052
C1100

4000
3000
2000
1000
00

Process speed [m/min]

図4

各種レーザによる溶け込み深さ比較（a）1 kW シングルモードファイバレーザ（b）2 kW マルチモードファイバレーザ

20406080
Process speed [m/min]

100120Comparison of penetration depth.
1 kW single mode fiber laser
2 kW multi-mode fiber laser
古河電工時報第 138 号（平成 31 年 2 月） 26

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2.2 マルチモードファイバレーザ
マルチモードファイバレーザを使用して SUS304，A5052，

（a）

（b）

C1100 に 対 し て ビ ー ド オ ン プ レ ー ト テ ス ト を 実 施 し た。
図 5，6 は SUS304 および A5052 の溶け込み断面である。図 3 と図 5 を比較すると，溶け幅は太くなっているが，高アスペクト比の形状は維持したままで深い溶け込み深さを得ていることが分かる。また，加工速度を変化させた際の溶け込み深さは図 7のようになり，ステンレス，鉄，アルミニウムでは低速領域で10 mm 以上の深い溶け込み深さを得ることができる。
1.5 mm（a）（b）

1.5 mm

図66 kW マルチモードファイバレーザを用いた際のA5052 の断面図
Cross-sectional view of A5052 with 6 kW multi-mode
fiber laser（a）1 m/min （b）10 m/min

1.5 mm
14000
SUS304

Penetration depth [µm]12000

1.5 mm

図56 kW マルチモードファイバレーザを用いた際のSUS304 の断面図
Cross-sectional view of SUS304 with 6 kW multi-mode
fiber laser.
（a）1 m/min （b）10 m/min

A5052

10000

6000
4000
20000

図73.

C1100

8000

05101520
Process speed [m/min]

2530

6 kW マルチモードファイバレーザを用いた際の各種材料に対する溶け込み深さ
Penetration depth of some materials with 6 kW multimode fiber laser.

ビームモード制御技術

これまで述べたように，ファイバレーザはその高いビーム品
質や高出力により，局所的かつ深い溶け込み深さを得ることができる。これにより，生産時のサイクルタイム改善やレーザ光が吸収されにくい材料の加工を可能にしてきた。
その一方，ファイバレーザを用いた溶接時には多量の溶融金属の飛散，つまりスパッタが発生する。このスパッタは様々な溶接欠陥を引き起こし，接合強度の低下や次工程の増加を引き起こす。また，それらを使用してデバイスを製造した際に，デバイスの特性低下による歩留まりの悪化を引き起こす可能性もある。ファイバ古河電工時報第 138 号（平成 31 年 2 月） 27

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レーザを用いたより効率的な生産工程を提供するには，この問

3.2 非鉄金属におけるスパッタ・溶接欠陥抑制

題を解決する必要がある。

銅やアルミニウムは 1070 nm のレーザ光を吸収しづらい材

そこで我々は，この問題に対応するために古河電子株式会社

料であり，ファイバレーザが現れるまではレーザで加工すること共同でビームモード制御技術の開発を行いスパッタや溶接欠とすら難しかった。しかし近年，これらの材料はファイバレー陥の抑制に成功した。本章ではそれらの中でも，亜鉛めっき鋼ザの高いパワー密度により加工可能になりつつある。近年では板および銅とアルミニウムのスパッタ・欠陥抑制に関して報告

自動車の電動化の流れもあり，自動車の軽量化に貢献できるアする。

ルミニウムや電気デバイスに多量に含まれている銅がファイバ

3.1 鉄材料におけるスパッタ抑制

レーザで溶接加工できれば，生産効率が向上できることから非亜鉛めっき鋼板は防錆・耐食機能を付与するために自動車の常に魅力的である。

車体や建材などに幅広く使用されている。しかし，この部材は，その一方で，銅にレーザ光を当てて溶融させた場合は，スパッ密着させて溶接すると，発生した亜鉛蒸気により図 8（a）のよタ以外にも図 10（a）のようにブローホールと呼ばれる表面に抉うに大量の溶接不良が発生してしまう。これは，鋼板の表面にれた穴のような欠陥ができてしまう。この欠陥ができてしまう

ある亜鉛めっきが鋼板の融点付近で蒸発してしまい，溶接時にと，外観を損ねるだけでなく，部品として使用した際に電気抵蒸気として噴出してしまうためである。そのため現在は，鋼板抗値の増加や熱伝導率の低下を引き起こしてしまい，最悪の場間に 0.1 ～ 0.3 mm 程度の隙間を開け，その隙間から溶接時に合デバイスとして機能しなくなってしまう。

発生した亜鉛蒸気を取り除きながら溶接する方法が主流であ

この純銅に対しても最適なビームモード制御技術を開発するる。この方法では，治具の複雑化や溶接個所の四方に蒸気を逃ことで図 10（b）のようにブローホールの一切存在しない銅のす必要があるために溶接形状の選択肢がないなどの制約があ溶接に成功した。また，この技術を応用し 8 µm の銅箔を 50 枚り，ファイバレーザ導入による工法の簡便化や，そもそも形状重ねて溶接した結果が図 11 である。通常のファイバレーザで設計時の自由度がないということが問題となっている。

溶接した場合は図 11（a）のように銅箔が破れてしまうが，ビービームモード制御技術の開発を進めたところ，図 8（b）のよムモード制御技術により図 11（b）（c）のように破れることなくうに亜鉛めっき鋼板を隙間なく重ねて溶接することに成功し内部まできれいに溶接できていることが確認できる。またアル

た。また，内部に関しても図 9 のように内部欠陥が抑制されてミニウムに関しても図 12 のようにスパッタの抑制が確認されいることが確認できる。

た。
（a）

（a）
（b）
（b）

図8

亜鉛めっき鋼板の溶接ビードの様子
Optical images of welding beads on galvanized steel.
（a）ビームモード制御技術無し		 Conventional focused beam（b）ビームモード制御技術有り		 With beam mode control technology

図 10 純銅板の溶接ビードの様子
Optical images of beads on plates with copper plate test.
（a）ビームモード制御技術無し		 Conventional focused beam（b）ビームモード制御技術有り		 With beam mode control technology

1 mm図9ビームモード制御技術を用いた際の亜鉛めっき鋼板溶接の断面
Cross-sectional view of galvanized steel with beammode control technology.
古河電工時報第 138 号（平成 31 年 2 月） 28

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（a）

（a）

（b）
1 mm（b）

図 12 アルミニウム板溶接時の様子
Welding aluminum plates.
（a）ビームモード制御技術無し		 Conventional focused beam（b）ビームモード制御技術有り		 With beam mode control technology
1 mm

4.

（c）

おわりに

本稿では，古河電工製ファイバレーザによる基礎的な加工特性と，ビームモード制御技術により種々の材料に対してスパッタや加工欠陥が抑制できることを報告した。
これらの技術を活用することで，我々は来る EV 化と高効率な生産技術を必要とする社会に対して貢献することが可能であると考えおり，これらの生産技術を広く提案していきたい。
また，さらに開発を進め，より一層魅力的なレーザ加工ソリューションを提案していきたい。

200 µm

図 11 純銅箔の溶接ビードの様子
Optical images of welding beads on copper foils.
（a）ビームモード制御技術無し		 Conventional focused beam（b）ビームモード制御技術有り		 With beam mode control technology（c）（b）の断面		 Cross section of（b）

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