技術紹介

レーザ加工技術の現状と今後の課題
大脇桂*

Katsura Owaki

レーザ加工技術（溶接や切断等）の発展は目覚しく、高精度で高速加工が可能になり自動車など薄板加工分野では多くの適用事例がある。一方、これまで課題となっていた厚板への適用にはレーザ発振器の高出力化やアーク溶接と組み合わせたハイブリッド溶接の研究・開発などにより実用化段階に来ている。これらレーザ加工分野への取り組みについて、技術動向や最新技術とその適用事例などについて紹介する。

キーワード：レーザ加工、レーザ溶接、水中溶接、レーザクラッド、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、ハイブリッド溶接

1.

発振・励起方式の異なるいくつかのレーザ発振器

はじめにが高出力レベルでの実用化を迎えていること、まレーザ光を熱源として溶接・切断・表面改質等たモニタリングやビーム制御技術等の周辺技術がの熱加工に用いるレーザ加工は、低入熱・高精進歩してきたことから、新たな段階を迎えつつあ度・高速加工が可能であることから、幅広い産業る。

分野での適用が期待されている。実際に電機・電

ここでは IIC におけるこれまでのレーザ加工技

子産業における微細加工分野や、自動車の薄板加術への取り組みと今後の展開および産業界の最近工分野ではすでに多くの実用化例を見ることがでの技術動向について紹介する。

きる。しかしながら対象物の板厚が厚くなり、サ2.

イズが大きくなると、レーザ発振器の出力と発振レーザ加工技術の現状

効率、対象物の精度管理とハンドリング、加工そ

レーザ加工は通常のアーク熱源を用いた加工とのものの安定性等において解決すべき課題が増え比較してイニシャルコスト（設備投資額）が格段ることから、重工業分野における普及はそれほどに高いため、レーザでなければ不可能あるいは信多いとはいえない。

頼性が確保できないという対象物から適用してき

しかしながら、近年、レーザ発振器のビーム品た。図１はレーザ加工技術の適用範囲拡大のため質・出力・信頼性が急速に進歩してきたことや、の検討項目を示したものである。以下にこれらの＊研究開発事業部 生産技術部 溶接加工グループ 課長

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08.4.16 3:13:20 PM特殊環境への対応
高精度継手の開発
・大型構造物への適用
・厚板溶接施工技術開発
ハイブリッド溶接
・薄板高速溶接・水中レーザ溶接・高放射線環境化溶接
・特殊加工ヘッド開発

レーザ溶接
適用範囲の拡大

低コスト・高品質化への対応

・クラッディング技術
耐食・耐磨耗・耐SCC
・肉盛補修技術・レーザ直接成形

周辺技術の開発・溶接部可視化装置
・シームトラッキング技術
・ツインスポット・ビームオシレーティング・ファイバーレーザ
・ ディスクレーザ
・CO2レーザ

図1

素材機能化への対応

レーザ加工技術の適用範囲拡大のための検討項目

検討項目ごとにこれまで取り組んできた内容について述べる 1）。
2.1

狭隘部・特殊環境

狭隘部や水中・人の近づけない放射線環境下における溶接では遠隔・自動溶接が不可欠な技術であり、光ファイバー伝送が可能な YAG レーザ溶
接は、アーク溶接で問題となる電圧降下や高電圧伝送を考慮する必要がなく非常に有効な手段となる。

図2

水中 YAG レーザ溶接・水中レーザ溶接技術近年、原子力分野において高品質の水中溶接技

ビードの形成はシールドガス流量、溶接速度、ノ術の要求が高まっており、ファイバー伝送の可ズル高さおよびノズル穴径などによって影響され能な大出力 YAG レーザが従来の溶接法に代わる。これらを適切に選択することで安定した溶接る新たな溶接方法として注目されている。筆者が可能である。

らは、タンク内面の肉盛補修溶接や原子炉内構

図３は水中溶接ロボットの外観模式図である。

造物の表面改質へ水中 YAG レーザ溶接を適用

本ロボットを用いた母材部およびすみ肉継手へのする技術開発を行っている。

補修溶接施工法は、経済産業省より特殊方法溶接

図２に水中 YAG レーザ溶接の原理を示す。溶として認可されており、実機工事に即時投入が可接ヘッド内には、レーザビームとシールドガスが能である。

同軸で供給されており、被溶接部はこのシールド2.2

素材機能化ガスによって部分的に気中雰囲気になっている。

素材に新たな機能を付加する表面改質において遮水の構造は極めてシンプルであるが、この方法もレーザ加工技術は素材への熱影響が小さいといで十分なシールド性を確保できる。水中におけるう点で非常に有効な手段である。ここでは高い信̶ 50 ̶

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図3

水中ロボット

図4

ICM 配管へのレーザクラッディング

頼性と安全性を要求される原子力プラントでの実用化例について述べる 1）。
・原子炉 ICM 配管へのレーザクラッディングの適用
原子力プラントでは年一回の定期検査が義務付けられており、ここで補修あるいは予防保全対策が必要とされたものについては、現地にて信頼性の高い技術を用いて効率的に作業を進めることが要求される。
過去に BWR（沸騰水型原子炉）において、予防保全の観点から、既設ステンレス小口径配管（イ図5

クラッディング部外観

ンコアモニタハウジング）の溶接部内面における応力腐食割れ性を改善したいというニーズがあった。この狭隘部に対する工法として、YAG レーケット面に孔食が発生し易く、この部分に対すザを用いて高耐食性合金を配管内面にクラッディる恒久対策としてステンレス鋼のレーザクラッングする技術を開発、実用化した。図 4 に本工法ディングを実施した。対象部材は図 6 に示すの概要、図 5 にクラッディング部の外観を示す。

ような外径約 1800mm のフランジで、肉盛幅屋外から光ファイバーにて伝送されたレーザ光に60mm の大面積をクラッディングする必要があ

より、既設配管内面に予め塗布された高耐食性合り、その上シール面であることから変形を極力金粉末層を溶融し、高耐食性合金層を形成させる。

抑える必要があるため、レーザクラッディング予防保全対策としての本技術は、既設プラントのを採用することとした。本工法では母材による寿命延長を可能とした。

希釈を極力抑え、かつ初層の炭素鋼成分による・熱交換器フランジシール面へのレーザクラッ硬化を 2 層目クラッディングにより再熱するこ

ディングの適用とで、施工後の熱処理を省略することも可能と炭素鋼製熱交換器フランジシール面ではガスしている。

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図62.3

炭素鋼製熱交換器フランジシール面とクラッディング外観ジ

高精度・低入熱溶接

イバーレーザを用いたレーザ溶接やアーク溶接

・欧州におけるレーザ発振器の開発状況を併用したハイブリッド溶接の研究開発を進め

自動車、電気産業、重工業分野などで金属材料の溶接や切断加工において、高出力のディスている。
2.4

周辺技術・システム化

クレーザやファイバーレーザの適用が拡大しレーザ加工は実用化に際して自動化が不可欠なている。大出力レーザの代表例である LD 励起技術であり、そのためには施工技術を確立するとYAG レーザや CO2 レーザが主に用いられてき同時にシステムとしての周辺技術開発が非常に重たが、コストや性能面で劣っているのが現状で要となる。ここではこれまでに開発した周辺技術ある。現在盛んに使用されつつあるファイバーと共に、これらを駆使したシステムの実用化例にレーザは、これまで高出力化が困難であると考ついて述べる。

えられてきたが、現在では 100W 〜 17kW の出・溶接部可視化技術力を持った発振器がラインナップされている。

周辺技術としては、溶融プールおよびその周辺

産業界では、自動車分野や橋梁、造船などの構をより鮮明に観察するため溶接部可視化装置を造部材に適用されつつある。各メーカから販売

改良中であり、今回ガルバノスキャナに高速度されている発振器を図 7 に示す。IHI、IIC におカメラを設置し同軸で溶融プールを観察するこ

いては、構造部材への適用を目標として、ファとに成功した。図 8 にリモート溶接による観察

図7

レーザ発信器̶ 52 ̶

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図8

リモート溶接のモニタリング例

画像の一例を示す。現在、本システムを用いたハイブリッド化により生じるさまざまな特徴を生インプロセスモニタリング制御技術を研究開発

かした新しい溶接方法としての研究・開発が行わ中である。

れ、現在では実用化を含めて、各方面で利用され

3．産業界における最近のレーザ・アークハイブリッド溶接現象とその適用ている。
ここでは、ハイブリッド溶接の装置構成や特徴および溶接現象を観察した一例について述べると

レーザ・アークハイブリッド溶接（以下、ハイともに、現在、実用化またはそれに向けて適用がブリッド溶接）は、図 9 に示すように、レーザと検討されている例について紹介する。

アークの熱源で一つの溶融池を形成させる、レー3.1

レーザ・アークハイブリッド溶接の構成

ザ溶接とアーク溶接の両方を組み合せた溶接方法

レーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーである。レーザとアークの特長を活かし、さらにザ溶接に使用するレーザ発振器と、市販されてい図9

レーザ・アークハイブリッド溶接の概略

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るアーク溶接用の電源を組合せ、市販されているレーザヘッドや、独自に開発したハイブリッド用のレーザヘッドにアーク溶接用のトーチを装着させて行うことが、一般的である。
ハイブリッド溶接に使用するレーザ発振器は、通常のレーザ溶接と同様の発振器から選択される。この中でも、光ファイバーでレーザが伝送できる YAG レーザが操作性の面から有利であり、採用されることが多い。近年では、より高品質なビーム品質が得られるディスクレーザやファイ(ａ) レーザ単独溶接(溶接速度45cm/min)(ｂ) ハイブリッド溶接(溶接速度60cm/min)

図11

レーザ溶接とハイブリッド溶接の断面マクロ

3.2

レーザ・アークハイブリッド溶接の最近のバーレーザの使用例が増加している。特にファイバーレーザは従来の他のレーザと比較して、発振器の大きさが小さく、また、高効率であること、高ビーム品質が得られることから、従来のレーザ適用・薄板への適用例以上に高速溶接や、深溶込み溶接が可能となった。

薄板は、寸法精度の向上とともに高速溶接がこの性能が期待され、各分野で適用のための研究行える点と、継手特性の面で溶け込み深さや溶開発が活発に展開され、一部では実用化が始まっ着量を増やすことができる点などから、これらている。ハイブリッド溶接でも、このファイバー施工性が必要である箇所に適用が進められていレーザのこの効果を期待し、多くの研究開発が実る。

2）

施されている 。

その一つとして自動車分野ではドア部分への図 10 及び図 11 にハイブリッド溶接におけるレーザ・アークハイブリッド溶接の適用が行われており 3）、そのほか、テーラードブランク材

ビード外観と断面マクロ写真を示す。

やアルミ溶接へのハイブリッド溶接の検討もさ̶ 54 ̶

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れている 4）。

4. 今後の展望・厚板への適用例
厚板には、変形が少なく後工程の仕上げ調整や・熱源の選択組み立て工数の削減がメリットとなる適用箇所

現在、事業展開している「溶接関連機器の開が考えられる。ヨーロッパでは、造船用部材の発」において、熱源の選択は熱源ありきではな

隅肉溶接や、突合せ溶接にハイブリッド溶接がく、材質や板厚、ユーザの必要とする生産タク実用化されている。また、ギャップ裕度拡大とトに合わせた最適な熱源を選択している。その継手特性の改善を目的に、パイプの全姿勢溶接

中でも次世代レーザとして開発されているファ5）などへの適用も検討されている 。
3.3

イバーレーザやディスクレーザを活用した事業自動化への動向

展開を行っており、今後もユーザに対して最適な熱源を選択し、提案していく所存である。

ハイブリッド溶接は、アーク溶接条件、レーザ溶接条件などパラメータが多く、また、レー参考文献

ザ溶接を用いる特性上、自動化は不可欠である。
基本的には、複雑な溶接線や比較的小型な部材

1）大脇ら： 最近のレーザ・アークハイブリッドには、多関節ロボットが多く用いられ、直線の溶接現象とその適用 ，平成 19 年度溶接技術

溶接には、精度に優れた、カンチレバータイプや、講習会（( 社 ) 日本溶接協会中国支部）ガントリータイプのロボットが多く用いられる。

2）大脇ら： 重工業分野におけるレーザ加工技術

また、大型構造物になるにしたがって大型装置の現状と今後が必要になるが、コスト面からの制約も大きく（2004），溶接学会レーザフォーラムなる。このような観点から、走行台車を用いた

3）安部、林： レーザ・アーク複合溶接法とそのハイブリッド溶接装置の開発がヨーロッパで行将来 ，溶接技術 Vol.51（2003）, No.7, pp.62-67

われ、著者らも、溶接装置を開発し、良好な溶

4）河合、岩見、馬場、小川： レーザ・アーク接継手を得ている。また、このような大型部材

ハイブリッド溶接現象の観察 ，第 153 回溶接を溶接する場合には、狙い位置精度、溶接変形

アーク物理研究委員会資料などの観点から、開先倣い機構を用いた溶接装5）村山、外館： パイプのレーザハイブリッド
全姿勢溶接 ，溶接技術 Vol.54（2006）, No.4,

置の開発が重要となる。

pp.52-59

研究開発部

生産技術部

溶接加工グループ課長

大脇 桂
TEL. 045-759-2120
FAX. 045-759-2155
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