特 集 レーザ加工の基礎と次世代技術開発

特集

xEV に適用可能なビームモード制御を用いたレーザ溶接技術
村山太郎・茅原崇・繁松孝

古河電気工業㈱てきた。

1 はじめに本稿では，xEV の部品をボディ・リチウムイオン電

2030 年 の 持 続 可 能 な 開 発 目 標（SDGs），さらには池・モータの３つに分けて，それぞれの製造過程におい2050 年カーボンニュートラルの達成に向けて，日本のて適用可能なレーザ溶接技術について加工アプリケー

みならず世界各国で CO2 排出量の少ない電動車（xEV）ション事例とともに説明する。の開発と普及が広まっている。xEV 製造の際には，電2 当社のレーザ技術の特徴

池やモータなどガソリン車と比べ溶接箇所が多く，溶接時間の短縮やその接合形状の自由度向上の観点からレーザ溶接が有効だと考えられる。
当社は，長年光通信分野で培ってきた半導体レーザ，2.1

高ビーム品質を有するファイバーレーザ

光ファイバー等の技術を基盤とし，高ビーム品質を有す

当社は，光通信分野で長年培ってきた励起用半導体る産業用ファイバーレーザを製造してきた。ファイバーレーザや特殊光ファイバー，融着技術等を基盤として，レーザは高いビーム品質や大出力といった特徴から，加高ビーム品質および高出力産業用ファイバーレーザの開工物に対して局所的に深い溶込みを得ることができる一発，販売を 10 年以上にわたり行ってきた。中でもビー方で，ブローホールやスパッタなど欠陥が発生しやすくム品質においては独自のコンバイナ構造により，各出力高品質・精密な溶接に課題があった。当社が開発したにおいて従来のファイバーレーザよりも小さい伝送ファ

ビームモード制御技術は，それらの欠陥の発生を大幅にイバーコア径を実現し，高ビーム品質を有するファイ抑制することが可能であり，鉄・銅・アルミニウム等のバーレーザを提供している。

種々な金属材料に対して，高品質・精密な溶接が可能である。

図１に，シングルモードファイバーレーザの光学構成概略図を示す。励起用レーザダイオードから発振した光当社では xEV の製造工程に着目し，ビームモード制は， テ ー パ ー フ ァ イ バ ー バ ン ド ル（TFB：Taperd

御技術を用いて，革新的なレーザ溶接技術の開発を進めFiber Bundle）により Yb ドープ光ファイバー（YDF：Ytterbium Doped Fiber）へと導波され励起を引き起こ

YDF
TFB
HR-FBG

す。YDF の前後に配置した反射率の異なるファイバー
TFB

シングルモード光OC-FBG

ブラッググレーティング（FBG：Fiber Bragg Grating）で共振させ光増幅させることで，波長 1,070 nm のシングルモードレーザ光が出射される。この YDF のファイバーコア径は 14 μm であり，写真１に示す当社のシングルモードファイバーレーザの光出力端における典型的なビーム品質 M2 因子は 1.06，ビームパラメータ積 BPP

励起用レーザダイオード

図１

2

シングルモードファイバーレーザの光学構成概略図（Beam Parameter Products）は 0.36 mm·mrad である。
レーザビームの集光特性は，ω＝（4λ/π）（f/D）M2 と表溶

接技術

25溶込み深さ（mm）

A5052
C1100

151050

写真１SUS30420

シングルモードファイバーレーザの外観

05101520

加工速度（m/min）

図２12 kW マルチモードファイバーレーザの溶込み深さを有するため，レーザ集光点において高いパワー密度を有する。出力 1.3 kW のシングルモードファイバーレー
ザの場合，集光スポット径 30 μm におけるパワー密度は 1.8×108 W/cm2 に達する。また，出力 12 kW のマル
チモードファイバ―レーザの場合，集光スポット径 270μm におけるパワー密度は 2.1×107 W/cm2 となる。この時のステンレス鋼（SUS304）および銅（C1100），アルミニウム合金（A5052）に対するビードオンプレートの溶込み深さを図２に示す。加工速度 0.5 m/min の低速領域では，それぞれ 15.8 mm および 13.9 mm，18.3 mmの溶込み深さであった。加工速度 10 m/min の高速領域
写真２12kW マルチモードファイバーレーザの外観においては，それぞれ 9.6 mm および 3.7 mm，10.7 mmの溶込み深さであった。

され，ここでω：集光スポット径［μm］, λ：レーザの波長［nm］, f ：集光レンズ焦点距離［mm］, D：集光レン

2.2

ビームモード制御技術

ズ入射前のコリメートビーム径［mm］, M2：ビーム品質

高ビーム品質なファイバーレーザから得られる高いパ因子である。M2 は理想的なガウシアンビームからのずワー密度は，局所的に深い溶込み深さを得ることができれを示しており，１に近いほど高ビーム品質である1）。

る一方で，集光点にキーホールを形成し，図３（a）の当社では，高効率でシングルモードファイバーレーザように溶融池内部に急激な温度変化と激しい対流を引きを結合できるビームコンバイナ技術により，最大 12 kW起こすことが知られている2）。このように不安定な溶融の高出力マルチモードファイバーレーザを提供してい池はブローホールやスパッタなどの溶接欠陥を引き起こる。写真２に当社 12 kW マルチモードファイバーレーし，溶接強度の低下や電気的短絡の原因となる。中でもザの外観を示す。マルチモードファイバーレーザのコア

銅は，固体の状態ではファイバーレーザの波長 1,070

径は 50μm，80μm，100μm であり，それぞれの典型

nm の光吸収率が約５% 程度と非常に低く，溶融のため的 な BPP は 1.7 mm・mrad（M ＝5.0），3.0 mm・mradに高いパワーが必要である一方で，一度溶融が始まり液（M ＝8.9），3.5 mm・mrad（M ＝10.3）で あ る。 ま た，体になると吸収率が増加することから溶融池が安定しに

222

すでに 18kW のマルチモードファイバーレーザの開発にくく，よりブローホールやスパッタが発生しやすい。

成功しており，その BPP は 3.0 mm・mrad と，一般的ファイバーレーザを用いて高品質な溶接を実現するためな 10 kW 超ファイバーレーザのビーム品質の 4.0 mm・には，これらの課題の解決が求められていた。

mrad と比較して 25 % 良好な値である。このように高い

そこで当社は古河電子と共同でファイバーレーザ用シングルモードビーム集光特性とコンバイナ技術によビームモード制御技術を開発した。ビームモード制御技

り，マルチモードとなっても高いビーム品質が実現可能

術とは，加工光学系中にビームモード制御素子を挿入すとなっている。

ることでレーザ光を分岐させ，レーザ集光点の強度分布

上記のように当社のファイバーレーザは高ビーム品質
2021年11月号を任意に制御することが可能である技術である。図４に

3

特集
通常のビームスパッタ多発ビームモード制御

溶融池幅が狭いため
急流

溶融幅狭→波の動き大

キーホール
（不安定）

溶融金属
溶接方向

整流

溶融幅拡大
→波の動きを吸収

スパッタレス
キーホール
（不安定）

湯流れ
整流化

溶接方向

ブローホール発生

ブローホールレス

ガスの圧力方向（a）（b）

図３ （a）レーザ溶接時の欠陥の発生機構，（b）ビームモード制御技術による溶接欠陥の抑制機構
（a）

（b）

（c）

（a）

2 mm

図４ ビームモード制御例：（a）従来の集光スポット，（b）中心＋リング形状，（c）自由形状（b）

ビームモード制御例を示す。図４（a）はビームモード制御前の通常のスポットの光強度分布，図４（b）および
図４（c）はビームモード制御後の光強度分布である。このようにスポットの配置や各スポットへのエネルギー分岐比率を自由に設定できるため，加工物の大きさ・材質に合わせた最適なビームモードを形成することで，溶1 mm

図５ 亜鉛めっき鋼板の０ギャップ重ね溶接（LC3W Ⓡ）の結果：（a）ビード外観 ,（b）溶接部の断面接・切断・焼入れ等の様々な加工に適用可能となる。中用されている亜鉛めっき鋼板は，通常すき間なく重ねてでも溶接に対するビームモード制御の効果として，加工溶接した場合，重ね境界部で発生する亜鉛蒸気圧により用の主ビームの周辺に予熱効果と湯流れ整流化のためのスパッタや欠肉が発生しやすい。当社は，ビームモード副ビームを複数配置することで，図３（b）に示すよう制御技術とガルバノスキャナによるビームオシレーショに溶融池を安定化することができる。当社のビームモーンを利用することで，図５のように亜鉛めっき鋼板のゼド制御技術は，高いビーム変換効率とレーザパワー耐性

ロギャップ溶接が可能となる「LC3W Ⓡ」（Laser［Contin-を備えており，当社の 10 kW 超のマルチモードレーザ

uous, Close Contact］Welding）を開発した。

においても適用可能である。

3 ボディ材への適用

板厚や材質の異なる複数の鋼板をプレス成形前に溶接
す る テ ー ラ ー ド ブ ラ ン ク（TWB：Tailor WeldedBlank）は，板材を最適配置することで，車体の高強度レーザ溶接は，遠隔加工による操縦安定性や，ステッ化と軽量化を両立できるため，自動車用ボディ材としてチ溶接による衝突負荷耐性，高速溶接による生産性の向用いられてきた。テーラードブランク溶接は，厚さが異上といった観点から，自動車のボディ材の溶接に適してなる材料を溶接するため，突合せ時にギャップや位置ずいる。高品質・高信頼性が求められるボディ溶接に対れが大きいと安定した溶接が難しいが，当社のビームし，当社はビームモード制御技術による溶接ソリューモード制御技術を利用し安定した溶融池を形成することションの提案を行っている。

で図６に示すように溶接欠陥の抑制と，突合せ時の耐食性・防錆に優れ，自動車のボディ材として広く使4

ギャップ裕度と位置ずれの裕度を高くすることが可能で
溶接技術

ネル部材に採用されている 6000 系アルミニウム合金の板厚２mm 同士の非貫通重ね溶接のビード外観と断面観察結果を図７に示す。いずれの条件もビームモード制御を用いているが，ビームモードやその他の条件が不適合である場合は図７（a）のようにブローホールが発生しやすく，レーザ出力，溶接速度に応じてビームモードを最適化することで図７（b）のように，良好な溶接が可能となる。

1 mm

図６

また，これらの溶接は，溶接中の熱放射光および反射

ハイテン−ハイテン突合せ溶接部断面光をリアルタイムで計測し，溶接欠陥を検出する溶接モ
ニタ計測技術や，溶接中のキーホール深さをリアルタイ（a）ムで計測する OCT（Optical Coherence Tomography）
モニタ計測等の品質管理技術と組合せることで，検査工程の削減および溶接品質の管理が可能となる。

4 リチウムイオン電池製造への適用
2 mm

2 mm

xEV の普及にともない，xEV の主要部品であるリチウムイオン電池の需要も増加しており，高い生産性と高（b）性能化が求められている。リチウムイオン電池製造工程のうち，電極箔の積層・集電溶接，モジュール化・バスバーの溶接，パッケージの封止溶接において，レーザ溶接の適用が可能である。
すでに述べたようにリチウムイオン電池を構成する主2 mm

2 mm

図７ t ２mm 6000 系アルミニウム合金の重ね溶接結果：（a）ブローホール形成条件：出力５kW，溶接速度３m/min，（b）ブ
ローホール非形成条件：出力９kW，溶接速度７m/min

要部材である純銅は近赤外域の光吸収率が低いため，近赤外レーザで安定した溶接が難しいとされてきた。当社のファイバーレーザは，スポット径を 20〜30 μm まで小さく集光して照射することが可能であり 108 W/cm2ある。

以上の高パワー密度が容易に得られるため，銅の溶接にアルミニウム合金は軽量かつ高強度であるため，燃費有効である。一方で，とくに高速領域での溶接において向上や CO2 排出量削減を目的として車体軽量化が要求さは溶融池が細くなり，溶接強度の低下につながるピットれている自動車・xEV 用部材としてドア，フェンダー，（穴）・ブローホールや電気的短絡の原因となるスパッタボンネットなどに各種アルミニウム合金の採用がされてが発生してしまう。そこで，ビームモード制御技術を適いる用することで，溶融池を安定化させた銅の溶接を行っ。一般的にアルミニウム合金の溶接は，酸化膜3）〜5）の存在や高い熱伝導率，線膨張係数により，変形や割れ，ブローホール等の欠陥が生じやすい課題があった6）。

た。
図８はリチウムイオン電池電極に使用されている厚さ

ファイバーレーザでの溶接は，エネルギー密度が高いた
め高速・低入熱での溶接が可能であり，溶接部の変形や熱影響の低減に効果が期待できる一方で，アルミニウム合金は鉄系材料と比較してファイバーレーザ波長の反射率が高いことや，溶融したアルミニウム合金の粘性が低いことから安定した溶接が難しいとされてきた7）〜8）。これらの課題に対し，当社は，12 kW マルチモードレーザとビームモード制御技術を用いて，アルミニウム合金に対する溶接条件を最適化し，溶接欠陥の大幅な抑制に成功し，高速かつ高品質な溶接を実現した。自動車用パ2021年11月号

400μm

図８

銅箔 50 枚の重ね溶接部断面5特集８μm 銅箔（当社製品：NC-WS）の 50 枚重ね溶接結果気密性のとれたパッケージ封止が可能である。さらにマである。通常スポットでは，欠肉や破れが生じるため安ルチモードファイバーレーザを用いることで，高速での定した溶接は困難であったが，ビームモード制御を用い加工が可能であり，生産性の向上につながる。

ることで溶接欠陥のない良好な接合状態を得ることがで5 モータ製造への適用きる。
図９に銅製のバスバを模擬した厚み 0.5 mm と 1.0 mm

電動化が進むにつれてモータの需要は高まり，小型の純銅板を二枚重ねレーザ溶接した際のビード外観を示化・多種化や生産性の向上が進むと考えられる。モータす。図９（a）はビームモード制御をしていない従来の１に使用される巻線は高効率化・小型化のため各社多様化

スポット照射，図９（b）はビームモード制御技術を適が進んでおり，また溶接個所が多いため，多様な巻線に用した結果である。従来の 1 スポット照射ではビードの適用でき，かつ高速で溶接できる溶接技術が求められ幅が安定せず，スパッタやピットが発生していることがる。非接触溶接であるレーザ溶接は，従来の巻線溶接に分かる。

用いられているティグ溶接に比べて，接地をとる必要が一方でビームモード制御技術を適用した場合，ビードないため被覆除去は最低限で良く，またレーザ光を任意が安定し溶接欠陥が発生していないことが確認できる。の位置に照射することができるため，巻線の形状が複雑

本溶接で使用したビームモードは，集光スポット径 21化したとしても溶接することが可能である。さらに，高μm のビームを 100 μm の微小範囲内に配置し，各ス出力レーザを用いれば溶接時間の大幅な短縮が可能であポットへのエネルギー分配比率を精密に制御することでる。しかし，巻線には主に電気伝導度が高い銅が用いら溶融池の安定化を図り，高品質な加工を達成した。

れるため，レーザ溶接は強度や電気抵抗に影響を及ぼす

角型リチウムイオン電池は，集電部を一体化した後，溶接内部のブローホールの発生や，電気的短絡の原因とアルミニウム合金のパッケージに挿入し，電解液を注入なる溶接時のスパッタの発生といった課題から高品質化し封止することでバッテリセルを構成する。封止の際，が難しいとされていた。

気密がとれていない場合，電解液の漏洩や湿度の侵入に当社では６kW のマルチモードファイバーレーザによる性能低下につながるため，欠陥のない溶接が求めら

ビームモード制御を適用することで，巻線に使用されるれる。ビームモード制御を用いることで，アルミニウム平角銅線の高品質溶接に成功した。実際にモータに使用合金の溶接欠陥を抑制することができ，写真３のようにされている断面が 1.5 mm×3.1 mm の平角銅線２本のヘアピン溶接を行った際の透過 X 線写真を図 10 に示す。

（a）

ビームモード制御技術を適用していない従来のレーザ溶（b）

接では図 10（a）のように内部に多くのブローホールが存在していることが確認できるが，ビームモード制御を適用した溶接では図 10（b）のように，ブローホールが大幅に抑制できていることが確認できる。

500μm

図9500μm

レーザ溶接した純銅板表面：（a）ビームモード制御技術なし，（b）ビームモード制御技術有り

また，図 11 に溶接時の様子を比較した写真を示す。
図 11 から，ビームモード制御技術を適用することでスパッタのない良好な溶接ができていることが分かる。上
（a）

（b）

1 mm

写真３6

アルミ二ウム合金のパッケージ封止溶接1 mm

図 10 平角銅線溶接部の透過 X 線画像：（a）ビームモード制御技術なし，（b）ビームモード制御技術あり

溶

接技

術

（a）

（b）

500μm
図 12

レーザ溶接した分割電磁鋼板表面

ミニウム - 鉄等の異材溶接や，微小箇所への溶接の検討も行っており，自由度の高さを活かしそれぞれに最適な
図 11 平角銅線ヘアピン溶接時の様子：（a）ビームモード制御技
術なし，（b）ビームモード制御技術あり

記溶接はレーザ照射時間 0.1 秒以下で可能であり，ティビームモードの開発を進めている。
当社は，生産工程導入に当たって，材質，形状，サイクルタイムに合わせたビームモードの最適化が可能であり，高ビーム品質を有するファイバーレーザの提供ととグ溶接では実現できない溶接時間の大幅な短縮が可能でもに，ユーザーの課題解決に向けた溶接技術の提案をある。また，平角線の溶接は端部を溶接するため熱が伝行っていく。

導する方向が一方向しかなく溶接時間が長いと被覆焼けが生じてしまうため，溶接時間の短縮は被覆除去を最小参考文献

限にすることにつながり，コスト削減とモータの小型化

1）次世代レーザプロセシングとその産業応用調査専門委員会：最新レーザプロセシングの基礎と産業応用，電気学会（2007）6467
2）片山 聖二：1-4 レーザ溶接，溶接学会誌 Vol.78, No.2（2009）124-138
3）A. Das, I. Butterworth, I. Masters and D. Williams：
Evaluation of Key Geometrical and Mechanical Properties for
Remote Laser Welded AC-170PX Aluminium Joints, Journal ofLaser Micro/Nano engineering, Vol.14, No.1（2019）2-134）渋江 和久：㈱ UACJ の高機能アルミニウム材料開発と将来展
望，UACJ Technical Reports, Vol.5（2018）2-135）小西 徳次郎：自動車車体の溶接・接合，溶接学会誌，Vol.74,No.8（2005）6-96）圓城 敏男：アルミニウムおよびその合金の溶接，軽金属，Vol.33, No.8（1983）482-490
7）山岡 弘人，結城 正弘，土屋 和之：Al-Mg-Si 系合金レーザ溶接部における凝固割れ防止に関する検討，溶接学会論文集 , Vol.18,Bo.3（2000）422-430
8）片山 聖二：アルミニウム合金のレーザ溶接，軽金属，Vol.62,No.2（2012）75-83を実現することが可能となる。
これまでモータコアを形成する電磁鋼板の積層には１枚１枚ノッチ同士をはめ込む構造であったが，生産性を上げるために，積層後に一気にレーザで接合する方法が検討されている。分割電磁鋼板の溶接において，ビームモード制御技術を使用することで，図 12 のように溶接欠陥や熱影響を抑制し鋼板の電磁特性の劣化を最小限にした溶接が可能である。

6 おわりに当社の高いビーム品質を有するファイバーレーザと自由度の高いビームモード制御技術を用いることで，xEV製造における多くの工程において，溶接欠陥・スパッタ抑制等の高品質な溶接を実現可能である。現在は，アル2021年11月号

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