レーザ加工技術の進展とアルミニウム合金のレーザ溶接
Progress of Laser Material Processing and Laser Welding of Aluminum Alloys沓名

宗春

Muneharu Kutsuna

1. レーザ加工技術が注目される背景

る横モード技術が進んでいる。その一例を示す。Fig.1 に示すようにビーム横モードをガウシアンモードからリン

１９６０年にレーザが開発されて、約６０年になる今日、グモードに変えることにより、薄板から厚板まで、高品質レーザ技術は「文明の利器」として広い分野で利用されてで切断できる技術を三菱電機は開発した１）。また、三菱電いる、工業分野、通信分野、情報分野、医療分野、バイオ機や古河電工ではシングルモードとリングモードの共存分野、軍事分野、生活分野にまでレーザが利用され、２１モードで、スパッタの発生を低減することに成功している。

世紀の文明にはなくてはならないのものとなっている。

Fig.2 はモードを変えた結果で、スパッタの発生状況を示

レーザ加工技術についても２０世紀から２１世紀になり、CO2 レーザーYAG レーザの時代から高効率の半導体レーす。ビームの横モード制御によりスパッタの発生が抑制されている２）。

ザやファイバーレーやファイバレーザの時代になり、それぞれのレーザの特性を生かザーの特性を生かした各種レーザ機器が開発され、工場や店舗に安価工場や店舗に安価に配置されるようになってきた。その理由はレーザのもつ特性に他ならない。数ミクロンまで集光できる微細熱源で、出力密度も数１０ＧＷ/cm2 まで高くでき、毎秒数１０ｍの速さで走行できる熱源である。波長も０．２μｍから１０μｍまで多種のレーザがあり、各種材料に利用できる。

Fig.1 ビーム横モードの変換による厚板切断（右）レーザ切断穴あけではダイヤモンド、ガラス、宝石、金（左：ガウシアンモード、右：リングモード）１）属、樹脂、紙、布、栗の皮など材料を選ばない。このような熱源は他にはない。

ＩＰＧ社は３つのビームの出力をそれぞれ制御するマウスモードにより、鋼材のレーザろう付の改善をしている。
主ビームでろう材を主に溶融し、２つの補助ビームで母材２．レーザ加工機の進展を加熱し、濡れ性を高めている。

１９９０年代に、高効率、高性能、低価額の半導体レーこれらのＣＷファイバレーザの出力は最大１２０ｋＷまザが開発されて、これを励起源とした各種高出力レーザがで高まっており、２０ｋＷ以上のＣＷファイバレーザが造２０００年以降開発されてきた。

船業、エネルギー産業、鉄鋼業などで利用されている。例

代表的なファイバーレーザをはじめ、ディスク

えば、ＪＦＥスチール社では３０ｋＷのファイバレーザでレーザ、高出力半導体レーザ、超短パルスレーザ（フェムクラッド鋼のスラブ（板厚：約５０ｍｍ）の製造ラインにト秒レーザ、ピコ秒レーザ、ナノ秒レーザ）、短波長レー真空レーザー溶接を導入している３）。

ザ（グリーンレーザ、ブルーレーザ、ＵＶレーザ）、樹脂加工用のツリウムレーザなどである。ファイバーレーザは変換効率が４０％～５０％と高く、最大出力はマルチモードで１２０ｋＷであり、シングルモードで１０ｋＷと高く、ビーム品質のＢＰＰも小さく、材料加工に最適なレーザである。
半導体レーザも表面加工用に６０ｋＷの装置が開発されている。銅の溶接や肉盛加工に適するブルーレーザは出力が１ｋＷまで上がってきた。これらのレーザ発振器のビームの横モードを変換する技術がここ２，３年で進み、現在では、ガウシアンモード、リングモード、トップハット

Fig.2

モード制御によるスパッタの低減２）モード、これらのモードを組み合わせたモードなど、任意のビームモードを作ることができるなど、加工品質を高め

ＣＷファイバレーザ以外にも、ミクロンオーダーの微細著者連絡先 altrec-kutsuna@nifty.com
A 所属先 (株)最新レーザ技術研究センター Advanced Laser Technology Research Center Co., Ltd.

レ ー ザ 加 工 に 、 Ｍ Ｏ Ｐ Ａ （ Master Oscillator PowerAmplifier）ファイバレーザが多く利用されるようになってきた。図３はその発振方式を示す４）。このファイバレー
ザ出力は２０Ｗ～１５０Ｗが主で、レーザマーカや微細穴あけなどに利用されている。

Fig.5
Fig.3４）

スキャナーを用いたレーザ曲げ加工例（材料：マグネシウム合金）

ＭＯＰＡファイバレーザの発振機構

また、数１０ＷのＱスイッチファイバーレーザも開発さ

さらに、レーザ溶接時のモニタリング、センシング技術

れ、マーキングやマイクロ溶接や穴あけなどに利用されての開発により、溶接前のシームトラッキング、溶接中の溶いる５）。また、ＱＣＷファイバレーザはＣＷ出力１０倍の込み深さの検出、仮付けのあるシームの適応制御、溶接後ピーク出力が得られるパルスファイバーレーザで燃料フの外観検査などが可能となってきた。Fig.6 はＯＣＴ（光ィルターなど金属の穴あけなどに広く利用されている。

学干渉計）などを用いて、キーホール深さなどを計測できこれら発振器の発展以外にも、レーザ加工光学系として、る対象を示す６）。

焦点シフト量の少ないレンズ系、高出力密度のビームを伝送できる光ファイバ、レーザービームを高速に操ることができる３Ｄデジタルスキャナーも開発されており、Fig.4に示すように３ｋＷのシングルモードファイバレーザの６０ミクロン径のビームを毎秒４ｍでスキャンでき、金属、ガラス、樹脂などの表面を高速のスキャン加工ができる。
Fig.5 に示すような板曲げ加工も高速スキャナーで効率よく加工できる。１ｋＷのレーザビームならば、毎秒約１０ｍでスキャンできるので、歪の少ない微細な表面加工が高速で可能である。
Fig.6

インプロセスで計測できるパラメータ６）

３．最近の注目される研究・開発
軽量化を進めるため、樹脂部品と軽金属部品の接合にレーザ技術が応用される。ダイセルポリマーは Fig.7 に示す
ＤＬＡＭＰ法によりまず金属表面をシングルモードファイバレーザと高速スキャナー（速度：４ｍ/s 以上）で深溝を形成し、その後の射出成形で金属と樹脂などを接合できる方法を開発した７）。金属表面に Fig.7 に示すような溝を高速で構築し、ここに樹脂を射出成形して接合を行う。
この継手の引張せん断強さは約５０～６０ＭＰa と高い。
Fig.8 はこの方法で金属シャフトと樹脂歯車の部品を製造した例を示す７）。軽量の歯車を作製できる。
金属としては炭素鋼以外に、ステンレス鋼、アルミニ
Fig.4

高速の３Ｄデジタルスキャナー装置

ウム合金、銅合金、チタン合金、亜鉛、マグネシウム合金（ＡＬＴＲＥＣ提供）に適用でき、樹脂もＰＡ６６系にガラス繊維強化したものが適用できる７）。

[ここに入力]原子力発電プラントの解体では汚染されたコンクリー
ト壁や金属を除染する必要があるが、これにもファイバレーザが適用される。Fig.10 は若狭湾エネルギー研究センターが開発した自走式のレーザ除染装置を示す８）。今後、解体作業が進む場合、このような遠隔制御できる自走式の除染装置が重要になると思われる。
近年、３次元造形をレーザ溶接や電子ビーム溶接を用いて実施する３Ｄプリンターの研究・開発が進んでいる。Fig.11 は三菱重工業が開発した３Ｄプリン
タ ー に 採 用 し て い る Ｄ Ｅ Ｄ (Directed EnergyDeposition )方式のノズルを示している９）。この技術にも
Fig.7

ＤＬＡＭＰ法と形成された金属表面７）ファイバレーザが採用されている。このＡＭ技術により人工関節、ジェットエンジン部品など重要な部品がレーザ直接成形により製造されている、

Fig.8

ＤＬＡＭＰ法により作製した歯車７）

最新レーザ技術研究センターでは中島精工と共同開発
で、金属や樹脂部品のバリ取り用のレーザコーナー成形装置を開発し、部品コーナーを任意の形状に成形する技術を

Fig.10

自走式レーザ除染装置開発した。FFig.9 はバリ取り後の金属部品のコーナーの外観を示す。バリの除去以外にコーナー部を任意の形状に成形できる特性を持つ。

Fig.11

ＤＥＤ方式の３Ｄプリンター用ノズル９）

４．アルミニウム合金のレーザ溶接に関する研究
Fig.9

レーザバリ取り後の部品コーナー部外観

アルミニウム合金のレーザ溶接の研究はＣＯ ２ レーザの出力が２ｋＷを超えた１９８０年代から本格的に行わ対象材料は金属のみならず、樹脂、ガラス、石材などにも適用できる。今後の発展が期待できる。

[ここに入力]れてきた。著者も１９９０年代に研究し、ＩＩＷや軽金属溶接協会に発表した９）～１３）。特に、アルミニウム合金のレーザ溶接ではポロシティの発生が問題であったので、こ上して減少している。アルミニウム合金のダイキャスト材の発生機構を研究し、文献１２および１３として発表し、のレーザ溶接を低真空で行う Fig.14 に示すようにポロシ軽金属溶接協会より論文賞を受賞した。１９９８年ごろにティが減少することも報告されている１８）。

は片山らの本誌にアルミニウム合金の溶融特性や溶接欠陥について報告している１４）１５）。凝固割れについても報告がなされた１６）。これらの研究はＣＯ２レーザやＹＡＧレーザによる溶接であったが、２０００年以降はファイバーレーザやディスクレーザを用いたレーザ溶接の研究が多くなった。最新はレーザ発振器や周辺機器の高性能化が進み、ビームの横モードをいろいろと制御できるようになり、スパッタの低減が可能になってきた。ここではアルミニウム合金のレーザ溶接の研究についてその一部を紹介する。

Fig.14 雰囲気圧力を変えたときのポロシティ発生量１８）溶接速度を１ｍ/min から６ｍ/min に高めると Fig.15に示すようにポロシティが減少した１８）。

４．１

溶接性の研究通常、溶接欠陥（ポロシティ、割れなど）や継手性能などを溶接性として、古くからアルミニウム合金のレーザ溶接についても多数研究されている。
（１）ポロシティ
溶融池に発生したガスの気泡が凝固時に溶接金属に残留してポロシティ（気孔）となるが、磁気を与えて、ポロシティを減少した例がある１７）。Fig.12 にその状況を模式的に示す。Fig.13 は磁気によるポロシティの減少結果を示す１７）。

Fig.15 溶接速度とポロシティ発生量の比較１８）
ドイツのＢＩＡＳ（ブレーメンビーム応用研究所）でも超音波振動によりポロシティの減少を確認している
１９）。またＩＦＳＷ（シュツットガルト大学レーザ研）

でも、１６ｋＷのディスクレーザで３０ｍ/min の高速で溶接するとポロシティがなくなることを確認していFig.12

１７）

ポロシティ発生に対する磁場の与え方る。
（２）溶接割れアルミニウム合金のレーザ溶接における凝固割れの傾向は合金系により依存し、アーク溶接時とほぼ同様である１５）１６）。ただ、割れ試験法としては円周溝割れ試験やフィッシュボーン試験以外に、Fig.16 に示すように、矩形の試験片を側面から３～６ｍｍの場所を溶接することにより、Ｙ方向の歪を Fig.17 に示すように高めて、割れを発生させる方法もある２０）。前述のＩＦＳＷでは継手形状が耐割れ性にどのように影響するか調査している２１）。

a)Fig.13

磁場なしb) 磁場あり１７

磁気によるポロシティの減少結果

磁場を与え、溶融池を振動することで、ポロシティが浮[ここに入力]

このようなレーザ溶接の高温割れの数値解析も積極的になされている。

らいろいろ研究がなされてきた。銅とアルミニウムの継手のＣＯ ２ レーザ溶接が東芝から発表されたのは１９９２
年である。アルミニウムは反射率が高く、ポロシティが発生しやすいので、５ｋＷで２ｍｍ厚の板材を４ｍ/min で溶接している２５）。鋼とアルミニウムの異種金属継手のレーザ溶接の研究は前述のＢＩＡＳで１９９９年に報告されている２６）。継手強度は１９８ＭＰa まで達している。
その後、自動車のボディパネルのルーフ（アルミ合金）とドア（ＳＰＣＣ鋼）をレーザ溶接研究が報告された２７）～２８）。Ａｌ－Ｍｇ，Fig.16

２０）Ａｌ－Ｔｉ，Ｍｇ－Ｔｉ異種金属継手のレーザ溶接についても研究されている２９）。アル

Ｙ方向歪誘起割れ試験

ミニウム合金と樹脂のレーザ溶接も広く研究されている
３０）。その状況を Fig.19 に示す。

Fig.17 方向歪誘起割れ試験における側面からの距離と収縮応力との関係２０）（３）アルミ合金のレーザ溶接継手の継手性能

Fig.19アルミニウム合金と樹脂のレーザ溶接３０）

アルミニウム合金の溶接では継手性能の低下が問題となる。著者らは継手性能の改善について検討した。溶接金属に合金添加すると同時に、溶接継手の時効処理をすることにより、１００％以上の継手効率を得た

２３）

４．２

溶接プロセスの研究

アルミニウム合金のレーザ溶接におけるプロセスの研。また、Ａ究も盛んである。レーザによるすみ肉溶接にＹＡＧレーザ

６０６１―Ｔ６合金をレーザ溶接、ＣＭＴ溶接、Laser-CMTと半導体レーザを重ねて溶接する方法もある３１）。スパッハイブリッド溶接、Laser MIG ハイブリッド溶接を行った

ターの発生も研究されている３２）。アルミニウム合金中の時の継手強度を比較した結果を Fig. 18 に示す２４）。レー

Ｍｇ量が増加すると増加している。最近はレーザビームのザ溶接の継手が最も高く２２０ＭＰa であった。

横モードをガウシアンモードを中心に、リングモードを周辺に配置し、スパッターを減少する技術が Fig.2 のように開発されている。溶接中のキーホールの深さもＯＣＴ法でモニタリングできる時代になった。
アルミニウム合金を２つのＴＩＧ溶接ヘッドにレーザビームをハイブリッドする新溶接法が Fig.20 のように開発された３３）。レーザによりアークが安定化され、２ｍｍ厚の板が安定して溶接されている。
圧延されたアルミ合金とダイキャスト材を突合せ溶接するのにビームを Fig.21 に示すようにオシレーションしてポロシティやスパッターの低減を図っている３４）。その結果、アルミダイキャスト材と圧延材の突合せ溶接がFig.18 Ａ６０６１合金の継手強度

２４）（４）アルミ合金の異種金属継手
アルミニウム合金の異種金属継手については古くか[ここに入力]Fig.22 に示すように、ポロシティも少なく、比較的良好に溶接継手ができている。

を Fig.26 および Fig.27 に示すように研究している３９）。

Fig.20ＴＩＧ・レーザハイブリッド溶接法の模式図３３）

Fig.21

高速オシレーションのレーザ溶接３４）Fig.22高速オシレーションを用いたアルミダイキャス

Fig.23

リチュウム電池の銅電極とアルミ電極３６）Fig24

アルミニウム板と銅チューブをレーザ溶接して製造される太陽光吸収器３７）

ト材と圧延材のレーザ溶接結果３４）５．

レーザ溶接のアルミニウム部材への応用

Fig.25 航空機のスキンプレートとスティフナーのレーザ溶接状況３８）

アルミニウム合金は比重が約２．７で軽合金の代表であり、輸送機器の軽量化には不可欠の合金である。その応用分野も広い３５）。自動車、航空機、車両、船舶、宇宙機器、産業機器、電池などに広く利用されている。燃料電池の電極として Fig.23 に示すような銅とアルミニウム合金がレーザ溶接される３６）。スパッタの出ないレーザ溶接が要求される．太陽光吸収器は Fig24 のような構造でアルミニウム板と銅チューブが利用されており、レーザ溶接される３７）。

Fig.26

スキンプレートとスティフナーのレーザ溶接の概要（両側より同時溶接）３９）

２００７年ころ、エアバス社は旅客機のＡ３８０などの船舶分野においても軽量化を図り、高速性を増し、燃費スキンパネルとスティフナーをレーザ溶接することに成を下げるため、アルミニウム合金が利用される場合がある。

功した。Ｓｉ含有量の高いフィラーワイヤを用いたレーザ

Fig.28 は船舶のアルミニウム部材のウエブとフランジの溶接を Fig.25 に示すように適用してすみ肉溶接を行ってすみ肉溶接をレーザ溶接で行っている例を示す４０）。

いる３８）。中国でもこのようなスティフナーのレーザ溶接[ここに入力]５） 川内隆、名古屋レーザ・ニュース,
第 31 号、pp.50-66, (2019)６）菊池淳史、レーザ加工学会誌、Vol.26,No.3.
pp.129-135 (2019)７）板倉雅彦、名古屋レーザ・ニュース,第 32 号、pp.62-75, (2019)８）坪井昭彦、名古屋レーザ・ニュース,
Fig.27 スキンプレートとスティフナーのレーザ溶接部の組織３９）第 31 号、pp.67-75, (2019)９ ） I. Masumoto, M. Kutsuna, J. Suzuki,IIW Doc.
IV-566-91
10)

M. Kutsuna, J. Suzuki, S. Kimura, S. Sugiyama,
M. Yuhki, and H. Yamaoka, Welding in the World,
31-2, pp126-135, 199311) 沓名宗春、軽金属溶接、34-4, pp183-190
12) 沓名宗春、顔句、軽金属溶接、36-2, pp51-6413) 沓名宗春、顔句、軽金属溶接、36-11, pp517-533

14) 片山聖二、軽金属溶接、34-4, pp191-198
15) 片山聖二、軽金属溶接、34-4, pp191-198
16) 山岡弘人、溶接学会誌、68-7, pp 512-515
17) V. Avilov, A. Schneider, M. Lammers, A. Gumenyuk,
M. Rethmeier, Proc. of ICALEO’2012, Oct.2012,
Orlando,FL, Paper # 701
Fig.28 ウエブとフランジ部材のレーザ溶接例４０）18) C. Bormer, C. Garthoff, H. Pries, K. Dilger, Proc. ofICALEO’2014, Oct.2014, San Diego, CA, Paper #６．レーザ加工技術の今後の動向

404

レーザ加工技術は２０００年以降、格段と進歩し、装19) T. Radel, IIW Doc. XII-2426-19,置の低価額化、高出力化、メインテナンスフリー化、多様

20) P. Stritt, R. Weber, T. Graf, S. Mueller, J-P.

化が進み、ますます各種材料の加工工具として最適化が進

Weberpals, Proc. of ICALEO’2012, Oct. 2012,

んできた。今やレーザなくして部品の加工ができない分野

Orlando,FL, Paper # 1003

も多くなってきた。微細な部品のみならず、鉄骨、造船の

21) D.Weller, P. Stritt, R. Weber, T. Graf, Proc. of

分野においても、高出力のレーザ加工機で、切断、穴あけ、ICALEO’2014, Oct.2014, San Diego, CA, Paper #溶接がなされるようになってきた。発振器のビームモード

408

可変技術や励起用ＬＤの長寿命化、装置の安定化が進み、

22) H.Wei, J.S. Chen, H-P. Wang, E.E. Carlson, Proc. of周辺技術のモニタリング、センシング、ＩｏＴ技術などもICALEO’2015, Oct.2015, Miami, FL , Paper # 602

今後は発展するので、多くの産業分野で、レーザ加工の利23) 沓名宗春、北村修平、柴田公博、坂元宏規、津島健用が進むと思われる。

次、溶接学会溶接法委員会資料

まさに著者が２００２年に表した「第４の波」が大きSW-2891-03

24) C.Zhang, M. Gao, G. Li, X. Zeng, Proc. ofな波紋となって広がっていくと思われる。

ICALEO’2012, Oct. 2012, Orlando,FL, Paper #参考文献

1304
25)

１）山森浩人,中部レーザ応用技術研究会、第107 回研究会資料、2019.8.29,

名古屋２）大竹裕吉、名古屋レーザ・ニュース,
第 31 号、pp.28-37, (2019)11, pp.38-41,(2019)26)

G. Sepold, E. Schubert, I. Zerner, IIW Doc.
IV-734-99
彦、溶接学会論文集、21-1, (2003), pp.101-108

28) M.J.Rathod, M. Kutsuna, Welding Journal, 73-1,

４）茅原崇, 中部レーザ応用技術研究会、第[ここに入力]

Sugiyama, IIW Doc. IV-565-92

27) 沓名宗春、ラソッド・マノジュ、菰田頼忠、籠原幸３）木谷靖、沖田泰明、溶接技術、Vol.67、

107 回研究会資料、2019.8.29,

S.Kimura, T. Kubo, Y. Makino, K. Honda, S.

名古屋

pp.16s-26s29) Y.M. Baqer, S. Ramesh, F. Yusof, S. M. Manladan,Intern. Jour. of Advanced Manufacturing Tech. Jan.2018, Springer,30) A. Gisario, M. Mehrpouya, E. Pizzi, Proc. of
ICALEO’2016, Oct. 2016, San Diego, CA, Paper #210631) M. R. Kronthaler, S. Spengler, M. F. Zaeh, Proc. of
ICALEO’2011 Oct. 2011, Orlando, FL, Paper #150532) A. Felsing, P. Woizeschke, IIW Doc. IV-1436-1933) A. Barroi, R. Knill, et al: Proc. of ICALEO’2012, Oct.
2012, Orlando,FL, Paper # 130134) D. Dittrich, A. Jahn, J. Standfuss, E. Beyer, Proc. of
ICALEO’2016, Oct. 2016, San Diego, CA, Paper #120435) 熊谷正樹、溶接学会東海支部

第７７回溶接研究会

資料、 (2012-8-30), 名古屋36) H. J. Herfuth, R. Patwa, H. Pantsar, S. Heinemann,G. Newaz, Proc. of ICALEO’2008, Oct. 2008, SanDiego, CA, Paper#701
37) A. Springer, P. Kallage, M. Hustedt, et al., Proc. ofICALEO’2011, Oct. 2011, Orlando, FL, Paper # 803
38) B. Brenner, J. Standfuss, D. Dittrich, et al, Proc.
of ICALEO’2008, Oct. 2008, San Diego, CA,Paper#1801
39) Y. Zhang, W. Tao, Y. Chen, Proc. of ICALEO’2015
Oct. 2015,Orlando, FL, Paper # 604
40) A. Salminen, T. Purtonen, J. Tolvanen, J. Isotalus,
Proc. of ICALEO’2009, Nov. 2009, Orlando, FL,
Paper # 1608

[ここに入力]