2.4.1

レーザ溶接(1) レーザ溶接の基本と特性
高エネルギー密度のレーザビームを金属に照射すると、エネルギー密度が非常に高いため、金属蒸気の孔（キーホールと呼ぶ）が図 2.4.1 のように形成され、これを高速で移動してレーザ溶接を行うことが可能である。
すなわち、金属材料などを加熱、溶融、気化させるという特性を利用して、低入熱（アーク溶接の約１０分

図 2.4.1 レーザ溶接の模式図の１）で溶接が可能である。よって、生じる溶接変形も少ない。アーク溶接と同様に、突合せ継手、重ね継手、すみ溶接継手、ヘリ継手、角継手の他、ステイク継手もある。特にエネルギー密度が高いので、図 2.4.2 に示すように、溶込み深さがビード幅に対して大きいビードが得られるのが特徴である１)。2013
年には１００ｋＷが開発され、１パスで溶込み深さ５０ｍｍの溶接が可能になった。各種溶接法の接合速度（＝溶接速度Ｘ溶込み深さの積）を比較すると、
図 2.4.3 に示すように、電子ビーム溶接に匹敵する接合速度をもつ。
１００ｋＷのファイバーレーザの接合速度は

図 2.4.2 各種溶接法のエネルギー密度分布と２１０万ｍｍ となり、１００ｋＷの電子ビー

溶込み深さ１)ム溶接の接合速度に匹敵する。被覆アーク溶接法の１００倍の速度が得られる。また、薄板の溶接では、高速溶接が可能であり、板厚が０．３ｍｍの鋼板を３００ｍ/分で溶接できる。
溶接入熱量は従来のアーク溶接の約１００分の１に制御できる。その結果、図 2.4.4 に示すように、溶接後の歪み（溶接変形）を極めて小さくできる。この特性は、精密な部品や６ｍｍ以下の厚さの薄板を溶接する場合、非常に重要な性質である。現在、世界各国で図 2.4.5 に示すような自動車パネル（0.5mm～2.0mm 厚さのテーラードブランク材）が年間約４億枚レーザ溶接されているが、高速溶接特性と溶接変形を最小にできる特性を利用している。また、世界代最大の豪華客船一隻の溶接長さ９８０ｋｍのうち、４５０ｋｍが図 2.4.6 に示すように６ｋＷのファイバーレーザで溶接されている。ただ、レーザ加工装置が

図 2.4.3 各種溶接法の接合速度の比較１）高価であることから、中小企業への導入には慎重な面もある。レーザ・アークハイブリッド溶接による厚板構造物への適用が造船業、パイプライン、建築、橋梁分野で適用が始まっている。今後は益々 厚板分野でもレーザ溶接が適用されると考えられる。

図,2.4.4 各種溶接法の溶接変形量２）

図 2.4.5 自動車パネルのレーザ溶接例３)

レーザ溶接は非接触の溶接法である。遠隔の被溶接物を非接触で溶接できる。狭あいな部分でもレーザビームを送って溶接が可能である。２０００年より、リモートレーザ溶接法が開発され、超高速（約３００ｍ/分）の溶接も実用化されている。材質および表面状態によりレーザ溶接の吸収率が左右されるので、品質に影響する。金、銀、銅、アルミニウムなど電気伝導度の高い金属
はビーム吸収率が低く、溶接しにくい材料である。表面粗さや表面の酸化皮膜によっても吸収率が変化するので、考慮する必要がある。最近は２倍波（波長が５３２ｎｍ）のレーザを用いることにより銅や銀の溶接を溶接している。また電子ビーム溶接に比べても、つぎの長所を有する。
・加工時にＸ線の発生がない。
・磁場によりビームが偏向しない。
・大気中で利用できる。
（ワークの寸法が制限されない。
）
これらの特性は最近太陽電池の製造などで要求される微細で高性能な溶接技術に最適である。
次節で説明するようにレーザ溶接機器の発達で、大出力、小型、長寿命、メインテナンスフリーで、低価額の装置の開発で、広くレーザ溶接が適用される時代がやってきた。

図２.4.6

造船 におけるレーザ溶接およびレーザ・アークハイブリッド溶接の適用４）(2)溶接に用いるレーザ加工機器
金属材料のレーザ溶接を高能率に行うには２～５ｋＷが必要であり、厚板では１０ｋＷ～３０ｋＷも必要となる。従来はＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ装置が用いられてきたが、２０００年以降

は高出力の半導体レーザ、ディスクレーザおよびファイバーレーザがレーザ溶接に利用される傾向にある。高出力の半導体レーザ、ファイバーレーザ、およびディスクレーザが比較的安価で、高変換効率、低ランニングコスト、メインテナンスフリー、高ビーム品質であることから、長時間の連続運転に十分耐え得る工業的加工機器として適用されている。周辺のメカトロニクス、半導体エレクトロニクスなどの支援により、センサーを用いたインプロセス制御の利用とともに、高度なレーザ加工生産システムとして、５軸三次元レーザ加工機、レーザーアークハイブリッド溶接機、リモートレーザ溶接装置、リモートレーザロボットなどが生まれてきた。
１）半導体レーザ
半導体レーザの発展はめざましい。ｎ型半導体とｐ型半導体を組合せて、それに電流を流すことにより発振させる半導体レーザをマイクロレンズで集光し、これを積層して１０Ｗから１５０Ｗの高出力レーザバーが開発されている。これらから４～６ｋＷ級の半導体レーザ装置が設計・市販されるようになった。ここ２０年間の半導体レーザおよびＬＤ励起固体レーザ、ＬＤ励起ファイバーレーザ、ＬＤ励起ディスクレーザの発展が目覚ましい。２～６ｋＷの半導体レーザおよびＬＤ励起の固体レーザが開発され、メインテナンスフリーで市販されるまでになった。問題となっているビーム品質(Beam Product Parameter=BPP)の向上も高出力化とともに改善が計られている。
図 2.4.7 はドイツで開発された高輝度の１０ｋＷ半導体レーザ装置を示す５）。半導体レーザアレイを組合わせたレーザスタックを光学系でうまく集光させ、高輝の集光性の高いビームに改良しいる。アルミニウム合金部材を図 2.4.8 に示すように溶接できる６）。

図 2.4.7 ４ｋＷ高輝度半導体レーザ５）
これらの半導体レーザ（ＬＤ=Laser Diode）の寿命はランプの 2000 時間に比べて１０倍の 20,000 時間であり、光への転換熱効率は約 5０％から 60％とランプ励起の１０倍
図 2.4.8 ４ｋＷ半導体レーザによるアルミニウム 以上である。
合金（１．２ｍｍ厚）の溶接６）
金属材料へのビーム吸収率が高い。特にアルミニウムに対しては 800nm – 900nm の半導体レーザは約１５％とＹＡＧの約７％に比べ、２倍の吸収率がある。
２）高出力ファイバーレーザ
２００1 年以降、急速にファイバーレーザの高出力化が可能になった。このレーザは図 2.4.9 に示すように従来のＮｄの代わりにＹｂをドーピングした固体レーザで、中心の励起ファイバー(径は約５～１５μｍ）の外側に石英ファイバーを形成し、二重にクラッドしており、この石英ファイバーに伝送した半導体レーザでコアファイバー中のＹb を励起してレーザを発振させるシステ
ムである。これによりビーム品質を高出力領域で改善したものである。高出力領域でＣＯ２レーザ以上に高品質なビーム特性を示す。

１０ｋＷのファイバーレーザ装置で各種金属を溶接した時の溶接特性を図2.6.10 に示す７）。３～４ｍｍ厚の鋼材やアルミニウム合金が約１５ｍ/minの超高速で溶接できる。中厚の場合のビード形状は図 2.6.10 に示すように非常に電子ビームに似た“くさび形”である。その接合速度
図 2.4.9 高出力ファイバーレーザの機構７）
材質 ： Ｘ７０鋼管
板厚：11.2 mm

レーザ出力：10 ｋＷ溶接速度 ：2.2 m/min

図 2.4.10 Ｘ７０鋼管のファイバーレーザ溶接７）
図 2.4.11 １００ｋＷファイバーレーザ装置８）高い理由はそのビーム品質がよく、焦点でのビーム径が電子ビーム溶接のビーム径より小さく、出力密度が非常に高いことによる。アーク溶接の出力密度は０．２ｋＷ/mm2 に対して、ファイバー径１００μm のプロセスファイバーを用いた２ｋＷファイバーレーザのそれは約２２０kＷ/mm2と約１０００倍である。因みに、従来型 YAG レーザは約１４ｋＷ/mm2 である。高出力であり、すでに２０ｋＷの装置が市販されており、将来は造船や橋梁などの厚板のレーザ溶接分野へ適用がレーザ・アークハイブリッド溶接として拡大するとみられる。
３）高出力 LD 励起ディスクレーザ
ＬＤ励起の高出力レーザとして、ドイツのシュツットガルト大学レーザ研究所のギーセン助教授が開発したディスクレーザもビーム品質の良いレーザとして注目されている。この装置の概要を図 2.6.12 に示す９）。厚さ２００μm の直径約３０ｍｍのＹｂをドーピングしたディスクに幾度も半導体レーザを入射して最終的に良質のビーム品質を得る装置として興味深い。2007 年にTrumpf 社は８ｋＷを用いたリモートレーザ溶接装置を発表している。ビーム品質もファイバーレーザ並に良好である。よって、すでに、ベンツ社で自動車のリモートレーザ溶接に利用されている。２００９年には１６ｋＷの装置を市販している。
２１世紀になり、ますます、レーザの適用技術の研究開発が進み、レーザ加工機が各種企業で”工具”として日常使われてきた。
図 2.4.11 高出力 LD 励起ディスクレーザの概念図９）
引用文献

１）沓名宗春：この３０年間のレーザ加工機器及びレーザ加工技術の発展、LMP レーザシンポジ
ウムテキスト、大阪、(2008、Jan.22-23)、p.1-15
２ ） 沓 名 宗 春 ： レ ー ザ ー 溶 接 の パ ラ メ ー タ （ そ の １ ）； SHEET METAL, 東 京 、
39-2(1995,Feb),p64-69
３）TWB 社：カタログ、(1998)
４）Schuler AG,2001,Schuler AG’s metal forming Magazine, Vol.2002/1, Germany５）Laser Line 社：技術カタログ、（2006）６）Laser Line 社：技術カタログ、（2012）
７）IPG 社技術カタログ（2004）技 術 資 料 , F u g e n v o n K u n s t s t o f f e n
Mit Laserstrahlung,(2000)
８ ) ナ ・ デ ッ ク ス 社 ：技術カタログ、（2013）
９) R i f i n S i n a r 社 技 術 カ タ ロ グ ( 2 0 0 6 )