conference report

自動車生産において効率向上を実現する
レーザの多様な活用事例を紹介
編集部

レーザ加工技術を適材適所に使用することで生産性向上が可能となる。
1990 年 5 月に中部レーザ応用技術研

その接続部、接続部の強度、品質、さ究会が発足して以来、2020 年に 30 周らに工程の効率性、生産性などが求め年を迎えた。これを受け、2023 年 6 月られる。これらを実現するのがまさに19 日に「 30 周年記念フォーラム」が名このレーザビーム技術だ。これによっ

古屋市において開催され、自動車関連て、E モビリティ用の多くのソリュー各社から最新技術とその適用例が語らションを提供できる。
ラボベースにおけるプロトタイプでれた。

は多くの課題が生じる。我々が目指し生産性や効率性を上げる
レーザ技術
1 本目の講演に登壇したのは、独アウディ社（ Audi ）のレーザプロセス技術開発、車体構造・エレクトロモビリ

たのは、一台であらゆる要件に対応できるバッテリーモジュールをつくるとアウディ社レーザプロセス技術開発、車体構
造・エレクトロモビリティ向けレーザビームプ
ロセス専門家 Jan-Philipp Weberpals 工学博士

るのが、亜鉛めっき鋼板におけるレーザビーム溶接である。
独トルンプ社（ Trump ）のリングビ

ティ向けレーザビームプロセス専門家の Jan-Philipp Weberpals 工 学 博 士 でいうものだ。そしてこちらで示していせることが求められる。

ームを使うことで、通電がリング側にある。Weberpals 博士は「 E モビリテ

とくにバッテリーシステム向けにお行かずコアに 100％入る。これによりィのためのレーザービーム技術の柔軟いては、たとえば材料の板厚が 50μm

焦点径が小さくて済み、ビームオシレな活用」のタイトルで同社の最新技術から 5mm の幅があり、溶接の深さもーションが可能となる。さらに温度調について報告した。レーザ技術についさまざまに変わってくる。また溶接線節が可能であり、結果的に接合部の不て考えた場合、従来の自動車と比べて、が多くなったり部品あたりのコストが良を低減することができる。また今後

E モビリティにおいては新しい要件が高くなったりする。また材料についてさらにテストする中で、このようなビ出てきている。たとえば航続距離や充は、とくにアルミ、スチール、銅などームオシレーションを使い、これまで電、性能など各種の条件が組み合わさを見ていく必要がある。そして、これのカーボディの知見も加わることによることによって状況が複雑になっていらの要件に対処するためには戦略が必り、さまざまな接合部の形状を実現でる。だからこそ柔軟に技術を組み合わ要になる。要件にはたとえば接触抵抗、きる。

図1

亜鉛めっき鋼板のレーザビーム遠隔溶接

2

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は、近赤外線の侵入度は 1mm 以上となる。
図 3 は波長が 450nm の場合の断面図で、1 がキーホール溶接、2 が熱伝導溶接、そして 3 がヒートアップである。

それぞれの波長を適した場で使用
まとめると、まず可視光レーザの波
図２ 銅合金の波長が 450nm、515nm、1080nm、ハイブリッドそれぞれのレーザ溶接における、溶接スピードに対する侵入深さのグラフ

長の場合は非常に吸収率が高く、カップリング効率が高いことが利点になる。さらに、50μm から 1mm までの深さにおいては、非常に精度の高いパ頭でお伝えした、１つの設備であらゆラメータ設定ができ、また、熱伝導溶る要件に柔軟に対応することが可能に接においては非常に高い品質を確保でなり、それが結果的にサステナビリテきる。

ィにもつながる。
図 1 はソケットに肉厚の 1.5mm のインナーエンドプレートを装着した様子

一方で、たとえば溶接速度が遅いことから熱損失が高く、さらにビーム品波長に対する侵入度質が低いことから、光学センサの使用である。母材がスチールであったとし

図 2 はイーモビリティ向け銅合金にが限られる。ガスシールドを使うとプても、非常に品質の高い接合が可能でおけるレーザビーム溶接を行った際の、ラズマの吸収が高まり、キーホール溶あることがわかる。

溶接速度に対する侵入深さの関係を示

接では非常に効率が上がることが分か工場における設計、技術はすでに確したグラフである。波長 450nm におっ て い る。 講 演 の 質 疑 応 答 で、立されており、そして工程のパラメーいては、溶接速度が遅く、レーザ出力

Weberpals 工学博士は、今回のハイブタも確立されている。また、この圧着が高い時のみにキーホール溶接のしきリッドレーザの近赤外線には独レーザデバイスもできていることにより、冒い値を超えるということが分かっていーライン社（ Laserline ）のコンバーターる。またパラメータを見ると、侵入度レーザを、波長 450nm のレーザは同社はとても低いことが分かる。515nm のの 1000W から 1500W のレーザを使用

波長においては、レーザの出力が非常しているが、現在市場では、レーザーに高く、焦点径は小さい。侵入度が青ライン社から波長 450nm の 4kW も発色と比べて非常に高くなる。1080nm表されており、可視光レーザの高出力の近赤外波長とハイブリッドの場合で化により加工結果が大きく改善されてくると考えるとのことであった。

図３ 波長が 450nm の場合のレーザ溶接における断面図

近赤外線の場合では、メリットは非常にプロセス効率が高いことだ。これは溶接速度とレーザ出力が高くなるためである。またビーム品質が高いことからスキャナなどに使用でき、投資コストを低く抑えられる。最小侵入度は1mm 以上になるという制約は、見方によってはデメリットにはならない。というのは、どの溶接深度が必要なのか決まれば、それによってどの波長のOctober 2023 Industrial Laser Solutions Japan3

conference report

サンプル A
かしめより線サンプル B
突合せ角棒

サンプル B
被膜線＋端子

現在ブルーレーザの挙動が非常に安定してるため、デンソーのアプリケーション（図 4 ）においては、ブルーレーザを中心にトライしている。スパッタが特に抑制でき、端子間の接続は TIG
溶接よりも速く加工できることが分かってきていることから、幅広い使い道があるとみられる。

バッテリーの大型化による問題をレーザで解決
3 番目には日産自動車 生産技術研究
図4開発センター 接合技術 エキスパート

多種多様な継ぎ手形状でスパッタを低減

リーダーの樽井大志氏が登壇し、「自技術を使うのかが変わるため、1mmTIG 溶接、レーザー溶接など、さまざ動車産業におけるカーボンニュートラ

以上の場合はこちらの赤外線を使うこまな方法が適用されている。抵抗溶接、ルの取り組みとレーザ加工」のタイトとが可能になるからである。加工対象

TIG 溶接はコストは低いものの、電極ルで講演を行った。車体の軽量化のニ物、加工溶接深度、スパッタの影響なの消耗や放電時の失火といった課題がーズが高まっている中、バッテリーのどで使用するレーザが選定される。

ある。一方レーザ溶接は、熱影響が小サイズもどんどん大きくなっている。

さく高速加工が可能というメリットがそれにともない、側面衝突のエネルギあるが、熱伝導率が大きく溶接部周囲ーを吸収する余裕がなくなってしまへの熱影響が大きくなり、またスパッう。側突時にバッテリーケースがダメタが非常に大きな問題となる。

ージを受けると発火事故などにつなが銅におけるスパッタレスを追求
続いてデンソー 先進プロセス研究部
機能創成研究 2 室担当次長、表面性状制御課長の白井秀彰氏が登壇し、「自そこで新たなスパッタレス化の取りる。そこで短い距離でエネルギーを吸動車部品へのレーザ適用の変遷と最新組みを検討した。1 つ目のポイントが、収するために、日産ではレーザーによ技術動向」のタイトルで講演した。銅固相における吸収率の向上である。短る焼きなましをを活用した。

材料の溶接においては、抵抗溶接や波長レーザを用いることで、固相にお「アリア」で即突時に潰したい箇所ける吸収率の改善が可能だと仮定した。もう 1 つは、相変化時における吸収率差の低減である。そのためにブルーレーザを選定して、スパッタレス技術の開発に取り組んだ。
熱伝導や対流、またキーホールなどでパラメーターを振ることによって溶融プロセスを適正化することにより、吸収特性を改善して突沸を防ぎ、スパッタレス可能な溶融プロセスを創出することができた。またブルーレーザ、グリーンレーザ、IR レーザの溶融の挙動をみていくと、予想通り短波長領域
デンソー 先進プロセス研究部 機能創成研究2 室担当次長 表面性状制御課長 白井秀彰氏

4では溶融プロセスが安定することが確認できた。

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日産自動車 生産技術研究開発センター 接合技術 エキスパートリーダー 樽井大志氏

従来構造Soft-Zone 構造

図５ レーザ Soft-Zone 技術により 1 つの部品内で強度を変化させ、狙った部位でのエネルギー吸収を可能にしただけを潰すような構造設計を行った。

うまく使えるのではないかと期待して通常は潰したい箇所だけ弱くするためいる」（樽井氏）。

トヨタ自動車 素形材技術部 接合プレス室 佐
藤彰生氏

新工法をバルブシートに適用

だし海外工場に展開できないのが弱みには、潰したくないところにパッチを当てるが、アリアではホットスタンプ
材の潰したい箇所にだけレーザによる最後にトヨタ自動車 素形材技術部だった。当時は大型の CO2 レーザであ焼きなましを行うことで、1 つの部品で接合プレス室の佐藤彰生氏が登壇し、り、どうしてもシリンダヘッド側を回弱い箇所と強い箇所を作った。図 5 が「レーザによる自動車部品製造技術とさなければならず、発振器の効率もよ

従来構造と新しいレーザ Soft-Zone 技その適用例」のタイトルで講演した。

くなかった。また粉末供給、レーザ、術 と の 比 較 で あ る。 こ れ に よ り 約

トヨタの燃焼速度の向上により出力とシールドガスに分かれていたため維持2.5kg の軽量化に成功した。

熱効率を高次元で両立することを目指管理も難しかったためである。

「カーボンニュートラルの実現に向けした TNGA エンジンに適用されているヘッドを回さなければならない理由て電動化が加速しており、一時期は優レーザクラッド式バルブシートの新技

は、粉末材料を自重落下によって供給先順位が下がっていた軽量化がまた上術について語った。

するためである。そこで、ワークを固がってきている。適材適所の材料配置

レーザクラッドバルブシート自体は定して上側を回そうと取り組んだ。レのニーズは高いが、普通に取り組むと、従来からある技術で、佐藤氏が入社しーザ発振器のビーム形成技術の開発

どうしても部品の点数が増えたりす

た頃にレーシングカーに搭載され、レや、粉末を自重落下でなくアクティブる。レーザはそういったところに結構ースで初めて優勝したこともある。たにガスで圧送する方式、そしてレーザ、シールドガス、粉末の 3 つを 1 つのノズルにまとめることにより位置決めを容易にした（図 6 ）。これらを組み合わせることにより、新工法が成立した。
半導体レーザによりエネルギー消費率を下げ、二酸化炭素排出量を 80％以上低減、更に設備の専有面積率も 3 割と大幅に小型化することに成功した。
これと新材料の開発も併せ、フルTNGA となったカムリをスタートに、レーザクラッドバルブシートが搭載されたエンジンは現在 7 割程度まで増えており、海外での生産も行われている

図６

レーザクラッドバルブシートのツール回転方式成立のための要素技術状況だ。
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