生産と技術

第67巻 第４号（2015）

レーザー加工の現状と展開
特大阪大学接合科学研究所 教授

集

片 山 聖 二 氏

●はじめに

ム合金なども使われています。これはアルミニウム

テーマは「レーザー加工の現状と展開」ですが、合金の例で、使用されているレーザーは、半導体レ

本日のこれまでの講演を聞くと、実際に重要なレーーザー励起の YAG レーザーです。現在は、その後ザー加工として実施している領域は、溶接・接合、に開発されたディスクレーザー、ファイバーレーザ

切断、穴あけ、表面改質としては表面変態硬化とクー、半導体レーザーなどがその代わりとして使われラッディングで、最近はやはり 3D プリンティングています。日本では主にスポット溶接が使われ、レです。本日は 3D プリンティングの話が多く、最初ーザー溶接は高級車種に使われていますが、ドイツの話題は微細加工が中心でしたので、私はマクロ加では非常に広範囲の車種に使われています。ここで工の溶接・接合を中心に紹介させていただきたいと見られますように、ファイバーレーザーですが、思います。

1 m くらい離れた所でも金属を溶かすことができます。スキャナを利用して広範囲の所を高速度に溶か●レーザーの特徴と溶接して物を作っています。この物自体は自動車の後部レーザーを考えた場合、どのような特徴があるの座席で、離れた所でも溶けて溶接されています。

かということになりますが、溶接用レーザーは高パワー密度で高エネルギー密度の熱源です。溶接用の●レーザー溶接の動向・展開

熱源としては、アークが最も広く使われています。

レーザー溶接の動向について考えると、高速・高

これに対して、プラズマは、もう少しパワー密度が生産性の溶接に向いています。また深い溶込みの溶高い。電子ビームとレーザーはパワー密度が非常に接も可能で、その場合は高パワー化が必要となりま高い。この熱源を使って大気中でできるというのがす。深溶込みの溶接部を実際に作製しようとします

レーザーです。電子ビームは真空状態を必要としまと、どうしても隙間に弱いという欠点があるので、す。レーザーも真空状態で行うと、同じように深い

アークと一緒に使うことが多くなっています。これ

溶込みが得られます。薄板の場合は、通常のアークをハイブリッド溶接と言います。深い溶込みや溶接に対して溶けて固まる溶接金属と横の熱影響部を足した溶接部（T I G、プラズマ、レーザー）がどんどん狭くなって、実際に変形の少ない、歪みが少ないものが作れます。つまり、深溶込みか低変形の溶接部を作ることができるという 2 つの特徴があります。
最近はさらにパワー密度の高いレーザーによる溶接部が作製されており、さらに深い溶込みも可能になっています。
●自動車
自動車の例を示しますと、従来はほとんどがスポット溶接で作られています。ビーム品質の良い高パ
ワーのレーザーが開発されてきて、レーザーが適用されるようになってきました。通常、亜鉛めっき鋼板が使われますが、軽量ということからアルミニウ− 18 −

講師 片山 聖二 氏

生産と技術第67巻 第４号（2015）

部を速く作製しようとすると溶接欠陥がどうしてもに、ファイバーレーザー、ディスクレーザーとか、発生します。研究としては、欠陥がどうして発生し、

ピコ秒、フェムト秒の超短パルスレーザーが出てきどうしたらそれを防止できるかが対象となります。

て、現在最も注目されています。

また、レーザービームは小さい所に絞れるために
0.1 mm 程度の薄板の溶接も可能です。レーザーは●レーザーの呼称

高価というイメージがあるので、そうしたものを使

名前もたくさんあります。加工について主に使わうことから高品質・高機能な溶接部を作るというこ

れるのはここに記載したものです。レーザーはそれとで、今は異種金属の接合、金属と樹脂の接合がでぞれの特徴から名付けられています。CO2 は、発振きるという段階まできています。溶接欠陥ができる

媒体自身が CO 2 ガスの振動エネルギー差で発振し場合があるので、良し悪しを判断するためモニタリているので名付けられています。YAG というのはングをします。さらに、次の段階として、モニタリ

Nd（ネオジウム）イオンを含んだ YAG（イットリ

ングをし、欠陥のない溶接部をつくってしまう適応

ウム・アルミニウム・ガーネット）のロッドからき

制御法の研究開発をしています。

ていて、ディスク、ファイバーというのは YAG のロッドを 1 円硬貨のように薄くした形状や細長いフ●レーザー材料加工

ァイバーであり、それぞれの形状から名付けられて与えられた課題はレーザー加工です。ここに示しいます。なお、ディスクおよびファイバーレーザー

たものは 20 年以上前につくったレーザー材料加工

は、Nd（ネオジウム）に代わってドープされて Ybのグラフです。大きく分けて、表面改質処理法、接（イッテリビウム）がレーザーを出します。

合法、物質除去加工法、材料合成法に分けることができます。表面改質は熱的プロセスと化学的プロセスに分けられます。そこでの温度は溶融までいかない状態から溶融させる場合もあります。最近では、
クラッディング、その応用として 3D プリンティン
グがあります。溶接法としては、溶接・接合、ろう付、はんだ付があります。除去加工には、穴あけ、切断などいろいろあり、最近では、マーキングが多く、クリーニングもできます。実用化された加工法
をピックアップすると、ここに記載されている方法が挙げられます。ここでは、とくに 3D プリンティ
ング、溶接、切断、マーキングが主なところです。
その他に、ろう付やはんだ付も一部使われています。
●レーザー加工技術の開発動向

最初に使われたのは焼入れ変態硬化です。

加工の開発動向をみてみます。レーザー装置で注●レーザーの種類と発振波長目されているのは、半導体、ファイバー、ディスク、

レーザーについては波長を中心に考えてみます。

超短パルスレーザーなどです。切断については、リ

考えやすく目に見える波長の範囲は 0.4 〜 0.8 ミク

モート切断が一時注目されました。そして、ファイ

ロンくらいの波長になります。最初に発振したのは

バーレーザー・ディスクレーザーと CO 2 レーザー

ルビーレーザーで 1960 年、赤色でした。それからのどちらが速い切断が可能かどうか、厚鋼板においいろんなレーザーが開発されましたが、加工用にはて固体レーザーが CO 2 レーザーほどの高品質が得

まず CO 2 レーザーが高パワー化できるということられるのかどうかについて検討させています。また、から、その後、YAG レーザーがファイバー伝送でレーザー溶接現象の解明の話があります。自動車でき柔軟性があるということから、そして、その後にはリモート溶接が使われていて、スポット溶接部に短波長のエキシマレーザーが発展しました。その後リモート溶接部を足して剛性を上げることがトヨタ− 19 −

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自動車などではされています。航空機の加工では
CFRP のレーザー切断が注目されています。船舶ではハイブリッド溶接、鉄鋼・重工業では 3D プリン
ティングなどが注目されています。電機・電子では電池関係、自動車を含めて異種金属の接合などが今後重要となると考えられます。
●溶接用レーザー装置とパワーレベル動向
レーザーについて復習すると、数年前まではCO2 レーザーと YAG レーザーだけを知っていればよかったのですが、どんどん高効率で高輝度化の開発が進みました。ただし CO2 は 45 kW まで出たが、もう市販されていません。これはプラズマとの相互

YAG レーザー加工装置の仲間としては、ファイバー、関係が大きく、高パワーではアルゴンとか窒素ガス

ディスク、半導体レーザーがあり、注目されて研究が使えません。ヘリウムなど高価なガスは使えるが、や実際に使われるのは後者の 3 つのレーザーです。

それだと溶接欠陥が出てしまいます。YAG レーザ
ーも大きなパワーまでできたのですが、ランプで励●溶接用レーザーの発振波形起した場合効率が悪いです。低効率ということからそれぞれのレーザーは連続かパルスで発振します。

今は製造されていません。そのようなことから、半

例えば、5 kW とか 10 kW とか連続で出る場合と、導体レーザーや、ファイバーレーザー、ディスクレ

YAG レーザーのように数ミリ秒という短時間のパーザーに注目が移りました。半導体レーザーは、効

ルスの場合の大まかには 2 つでありましたが、最近率が最も良いが品質が悪いのが欠点でしたが、最近は連続をパルス化して任意の波形を作って使うこと

高輝度のレーザーも開発されています。特に、ディができるようになっています。

スクレーザー、ファイバーレーザーとともに高パワ●レーザーと各種加工法の条件範囲

ー化と高輝度化が進んでいます。

レーザー加工については、この図を知ってもらい●レーザー発振器における熱的問題とその解決法たいと思います。横軸をパワー、縦軸をビーム品質

YAG レーザーでは、ロッドをフラッシュランプとしています。昔はヨーロッパで K 値、アメリカ

で励起していると冷えにくく、ロッド内に温度分布は M 2 が使われていました。M 2 はシングルモード

ができて品質が悪くなりました。これを改良するたの光では 1 で、最も良い値です。例えば同じ焦点のめに、半導体レーザーによる励起方式が日本の大型レンズで絞ったら、シングルモードに比べて何倍に

プロジェクトで行われましたが、そうこうしている

なるかというのが M2 の値であり、それが評価に使うちに、薄くすることか細長くすることで熱を取る

われました。波長という因子があるので、ファイバ方式のディスクレーザーとファイバーレーザーが開ーレーザーが開発されると、CO2 レーザーは波長が発されました。現在、世界的に最も注目されている

10.6 ミクロン（μm）
、ファイバーが 10.7μm とかデのは高パワー化・高輝度化が可能なファイバーレー

ィスクが 10.3μm とかであり、M2 だけの値が一見ザーと言えます。

10 分の 1 で、いいようにみえます。このようなことから、絞られたレーザービームの半分の集光角度●レーザー加工機と半径を掛け合わせた値を BPP と定義して、ビーレーザー自体を分けてみると、直接使うタイプとム品質として使うようになっています。そこでこれ

YAG レーザーのようにファイバーで伝送するタイを見ていただくと、ビーム品質は小さい方です。レプがあります。ファイバー伝送する方が使い勝手がーザーパワーはどういう加工をするかで選べばよいよいわけで、柔軟性があるということになります。

ことがわかります。この図から、CO2 レーザーとい− 20 −

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うのは、大きなパワーで、しかもビーム品質がよいという特徴があります。一方、YAG レーザーは小さなパワーではよいが、大きなパワーでは品質が悪くなります。そこで、半導体レーザー励起の YAG
レーザーが出てきて、次に高パワーでも高品質なディスクレーザー、そしてその次にファイバーレーザーが開発されました。後者の 2 つのレーザーは、ほぼ全部の加工をカバーできるわけで、ビーム品質の良いものは悪いものをカバーできるようになります。
効率の最も良い半導体レーザーについては、高品質化が行われ、当時の YAG レーザーと同等か、一部
ディスクレーザーと同等なものが市販されるようになってきています。

キーホールというカギ穴が開いて、溶融池ができて固まって、これがいちばん効率がよいので、実際に●各種レーザーとレーザー加工法

溶接としてはこのような条件・状況を使うのが多い

実際の加工がどんな条件でされているかをビームことになります。

品質と合わせて示したのが図中の領域です。つまり
穴あけやマーキングは比較的に小さなパワーで、ビ●実験装置と配置

ーム密度のいいものを使っています。はんだ付けや

今から、連続レーザーの深溶込みを中心に説明しプラスチック接合では、パワーは小さくてビーム密ます。まず研究用に買ったファイバーレーザーがあ

度はそんなによくなくてよいので広げています。焼

ります。これは 10 kW のファイバーレーザーで、入れには、半導体レーザーなどで大きなパワーが使ファイバーレーザーがこの中にあって、それをまたわれています。溶接になると品質がよいレーザーがファイバーで伝送する。小さい所から伝送するので必要になり、切断になるとさらに品質のよいものを広がります。いわゆるファイバーに入れた角度で広使うようになります。どんな加工をするかによって、がる。それをコリメーションレンズで平行にしてフこのようなさまざまな条件で使われています。実際ォーカシングレンズで絞って、焦点位置近傍でパワには 1 つのディスクレーザーなら、このように 3D

ー密度の高いものにしています。どう溶けるかを検的な切断やテーラード・プランクでの溶接、スキャ

討するのが溶接には重要になります。研究ではそれ

ン溶接、表面処理に使ったりしています。

らの溶接現象を観察します。

●レーザー溶接現象●ファイバーレーザーの集光特性

溶接を考えると、最初にパルス YAG レーザーと伝送したファイバーの径が 0.3 mm のプロセスフ

いうのが出てきて、CO2 レーザーで連続のパワーがァイバーと 0.1 mm のフィーディングファイバーの高くなってきました。これらは絞って使うのですが、ままを使いました。それをこのような焦点距離のもパワー密度が低いと少しだけ熱伝導で溶かすというので絞ります。そしてこれがどんどん長くなると、格好です。それからパワー密度を上げていくと、キ絞り切れなくなります。レンズが薄すぎると熱レンーホールが形成され、溶融池ができて溶接する。たズ効果が発生します。実際に使ったのはこれらの条だし、スポット溶接は、溶込み深さが 2 mm 程度ま件（焦点距離 150 mm、250 mm のレンズ）でどれでの溶接となります。実際はこれが使われているのくらい溶けるかを試してみました。

は携帯用電池の溶接などですが、最近はもっと速い
速度で連続でできています。現在はパルスレーザー●溶込み形状と深さに及ぼすパワー密度の影響
これがその例ですが、利用されるレーザーのビー

溶接と連続レーザー溶接が、しのぎを削っている状
況にあります。もう少しパワー密度が高くなると、

ム径はほとんどが 0.5 mm か 0.6 mm です。このビ− 21 −

生産と技術第67巻第４号（2015）

ーム径である程度速い速度で溶接しようとすると、ィルの表面がへこんだものになってしまいます。そスパッタが発生してアンダーフィルの溶接欠陥が形

れが溶接に使用した場合の現象です。

成します。さらにパワー密度を上げていくと、比較的にきれいな溶接ビードが形成します。さらに絞っ●溶融池の高速度カメラ観察（高速溶接時）たもので高パワー密度になると、ハンピングという2 つの X 線源と 2 つの観察装置で 3 次元に透視観コブが表面に出きます。良好な溶接は条件を選ばな察できるシステムを開発しました。まず 1 組だけをいとできにくくなります。ただし、パワー密度を上使って、つまり X 線透視法で溶融池内部とキーホげていくと、この場合は溶込み深さが深くなりましール挙動を観察し、高速度ビデオでプルーム挙動とた。10 mm くらいまでは高パワー密度の条件で深表面における溶融池とキーホール口を同時に観察しくなります。

ています。レーザーを照射して、溶融池内部にはキーホールができ、キーホール口からプルームが上が●溶込み深さに及ぼすパワー密度の影響っています。そして、2 つの X 線源で観察したら溶

溶込み深さの条件を変えてみたのがこれです。ス

融池内部の湯流れがよく分かります。湯流れが分か

テンレスの 8 mm の板厚に対して、ビーム径を通常るトレーサーとして、タングステンカーバイドを用使われているものから小さくしていくと、溶込みがいています。これがキーホールですが、トレーサー

深くなります。ただ、これを板厚 20 mm のものに

深さの位置を変えて溶融池の内部の湯流れを透視し溶接すると、深くなっていきません。6 kW というています。溶接中は、それぞれの場所によって湯流のがよく使われるパワーですが、これで深いものにれが違っています。その動きをとらえたのがこの画しようとすればパワー密度に関係なく深くなる。

像で、同じ条件でも場所によって違います。こうし

10 kW では 6 kW より低速度で顕著に深くなります。

たことを多くの試料で行っていくと、キーホール底

深いものはパワーが必要ということです。高速度で部先端から溶融池底部に沿って後方への流れとキー

深いものはパワー密度の影響が大きく、よく絞った

ホール口から上方への流れがある。溶接速度

方が深いことを表しています。ただし、溶接部をよ

1.5 m/min の場合、アークでは速い速度に相当しま

く観察すると、低速度ではポロシティという穴がですが、レーザーでは通常の可能な速度であるとき、きます。そして、高速にすると、スパッタが出てア

溶融池底部での速度が速いことが観測によって分か

ンダーフィルが形成するかハンピングが形成します。

ります。一方、高速度では、プルームが上がり、ス

良い条件はある限られた領域にある。こういうこと

パッタの吹き上がる速度が速くなります。もう少しが溶接に重要であり、同じレーザー溶接でも条件にスパッタとはどんなものかを見ていきますと、キー

よって良いものか悪いものが作製され、違ってくる

ホールの後ろ側、この辺りの融液が吹き上がっていということです。

く。表面の融液ではなく、ある程度下の融液が吹き飛ばされることが分かります。

●溶融池の高速度カメラ観察
良い条件はある所にある。そして溶込みがどうして決まってくるかは観察を通して理解されます。これはレーザー溶接時の通常の状況です。高速度カメ
ラで 1 万コマ／秒で撮っています。溶融池から溶融しているところです。キーホールという穴からプルームという明るい光が出ています。これは半導体レーザーで照明するとプルームを消すこともできて、キーホール周辺をよく観察することができます。そうすると、キーホール口からスパッタが発生していることが分かります。速度が速すぎると、溶融池に落ちてこないために、スパッタになってアンダーフ− 22 −

生産と技術●キーホールの形状とレーザー溶接現象

第67巻 第４号（2015）

されて大きなポロシティとなるものもいます。

実際にどうなっているかを詳細に観察すると、高速度溶接の場合、レーザーがあたった所から反射が●レーザー溶接時のキーホール挙動の観察

起き、キーホール先端が後方へ曲げられることが起溶接方向が前の画像と違いますが、溶接速度が遅こります。レーザーのパワー密度の高い分布に変え

いと、キーホール底部先端から気泡が出てポロシテると、このような形状になります。レーザーがあたィとなります。速度が速くなると、キーホール後壁った所、特に焦点位置近傍のところからの蒸発が激の融液が上方への流れが強くなり、大きな気泡の発しいので、その蒸発の流れによって上方への流れが生はなく、湯流れの様相が違ってきます。速度によ起こり、スパッタが発生します。これをどうしたらって湯流れの強弱が異なるために、気泡が出る出な

防げるかというと、焦点位置を下へ下げてやると、いが分かれます。スプリングエイトという超大型のスパッタを減らすことができますし、実際にはビー特殊装置でアルミニウムのシングルモードのファイ

ムを斜めにすると、融液が上に上がっていたのをそバーレーザー溶接中の溶融池を見ると、溶融池と細れほど上に飛び出さないようになって減らせる。こいキーホールの輪郭が明瞭に観察されます。特に、んなことも観察から分かります。

キーホールの先端から気泡が発生しているのが見られます。この場合、気泡をよく見ると消えるのが見●Ｘ線透視観察結果

えます。キーホールは、主に蒸発した金属蒸気から

これらをまとめますと、溶融池内には、キーホー

できています。キーホールが暴れて、シールドガス

ル後方において底部と表面で 2 つの大きな回転流がや大気などを巻き込んで気泡を発生すると、ポロシあります。すなわち、キーホール先端から後方へ溶ティとして残ってしまいますが、巻き込まないと金

融池底部に沿って流れ、その後、上方から前方への属蒸気だけですから温度が低くなると固体に変わる

湯流れとキーホール口上方へ流れ、それが表面の後ため、それは消えてしまって残らないと考えられま方へ流れ、後方で下方から前方へと変化する湯流れす。

です。溶接速度が遅い場合はキーホール底部先端からの流れが強く、ポロシティという欠陥が発生する
場合があります。溶接速度が速くなると、キーホール口から上方への湯流れが速くなり、融液がスパッタとして後方へ飛び出し、スパッタが激しいとアン
ダーフィルの溶接欠陥が発生します。アンダーフィ
ルおよびポロシティとも機械的特性に影響を及ぼします。ポロシティは大き過ぎると強度の低下に影響
しますが、小さければ問題ない時があります。アル
ミニウム合金の場合は、ポロシティは溶接ビードの上方にでき、ステンレス鋼の場合、溶接ビードの底部に生成しています。ステンレス鋼の場合はキーホールというのがあり、これは CO 2 レーザー溶接の●レーザー溶接時のプルーム挙動とキーホール挙動

例ですが、溶接は右方向に進んでいます。気泡がキこうした観察から、ポロシティの生成状況をまとーホールの先端からできて、湯流れが上方へ上がらめますと、速度が遅いとキーホールが暴れて、キーないため底部に残ってしまってポロシティになる。

ホール先端から気泡ができてしまう。溶接速度が少それに対して、アルミニウムの場合、マグネシウム

し速くなるとキーホールが少し安定してきて、ポロを多く含んでいるので、キーホールがかなり暴れ、

シティは底部近傍だけに生成し、さらに速度が速く

気泡がやはりキーホール先端部近傍から発生し、上なると、キーホールはさらに安定し、この場合、上方への湯流れに沿って上がっていっています。表面方への湯流れが顕著になって、気泡が発生しなくなにまで到達して消えるものもありますが、トラップ

ります。最近のレーザーでは、絞りすぎて、高パワ− 23 −

生産と技術第67巻第４号（2015）

ー密度の場合、絞った焦点位置の少し下からの蒸発

ーとアークの 2 つの熱源を使うハイブリッド溶接法が激しく、気泡ができることもあります。レーザーも利用されています。

溶接中の現象は、溶融池内部と気泡やポロシティの●新リモートレーザー溶接システム

発生状況を含めると、以上となります。

これは、日本で最初に使われた日産自動車でのリ●Ｘ線透視観察結果

モート溶接の例です。トヨタ自動車も同時期に適用

気泡はキーホール先端の下からできてきたと言いされたようです。日産ではいろんな車種のものに対ましたが、ポロシティはどうしたら防げるのでしょしてレーザーを適用しています。半導体レーザー励

うか。これは厚さ 10 mm のステンレス鋼板ですが、起の YAG レーザーを投入し、これはドアですがス

キーホールが十分に貫通していると、気泡の発生がポットの代わりに 2 枚重ね溶接がされています。1なく、ポロシティは発生しません。貫通溶接では良台のレーザーで 2 つのステーションに設置されたド好な溶接部を作製できます。連続レーザーで長く照アを交互に溶接するシステムが構築されています。

射されていると、キーホールが不安定となり気泡がこうすることによって、グラフに示すように、スポできてしまいますが、気泡ができる前にレーザーのット溶接でかかった時間が、レーザーの利用で大幅パワーを落とすパルス変調化することによって、気に時間短縮されています。

泡の発生を防止することもできます。
●リモートレーザー溶接現象観察のための実験的構成●レーザー溶接現象
レーザー溶接のことを復習してみます。レーザー

実際にリモートレーザー溶接でうまくいっているというのは、絞ってパワー密度を高くしてキーホー

かというと、少し工夫が必要になります。ファイバ

ルを作ります。レーザービームと蒸発物質やプルーーレーザー溶接時の現象を観察して明らかにしましム（高温領域）とのインタラクション（相互作用）は、た。これはレーザー溶接後の鋼薄板の表面と裏面を10％弱はあります。レーザーを上方から垂直に照見たものですが、溶接していくと、貫通していたも射する場合、10 kW の高パワーでは、キーホールかのが貫通しなくなっています。レンズ自身の熱レンらスパッタが発生します。その場合、斜めに照射す

ズ効果は起こらないことを確かめていますので、溶ることで融液の飛び上がりを抑え、融液が再度溶融

接中にプルームという明るい光が上がっていくのが池に戻ってくるとアンダーフィルを防ぐことができ

影響していると考えられます。温度が高いというこます。レーザーの吸収というのは、キーホールがあとは、そこの大気の密度が低いことになり、密度がるので、その内部にどの程度入るかで異なります。

低いということは、集光レーザーに対して凹レンズ

溶接速度が遅いとキーホール口が大きくなり、90と同じような作用をする。つまり、集光レーザーの％くらいレーザーのエネルギーが吸収されます。溶

焦点位置が下方へ下がることが考えられます。ある

接速度が速くなると、キーホール口の前方にレーザ
ービームの一部が照射されるようになり、吸収は60％〜 70％と少し低くなります。固体にあたると反射されます。このようにいろんなことが起こっているのがレーザー溶接です。
●レーザー溶接（アルミニウム合金の溶接）
レーザー溶接は、現在、自動車などでいろんな使われ方をしています。外国の例では、重ね溶接にディスクレーザーが使われています。自動車メーカによっては半導体レーザーやファイバーレーザーが使
われています。アルミニウム合金でしたら、レーザ− 24 −

生産と技術第67巻 第４号（2015）

いはプルームは暴れていて左右対称ではないので、レーザービームが曲げられる（屈折する）ことが考えられます。
実際にどちらがどのように影響しているかで見ると、貫通溶接をしていたのが途中から部分溶込みになってしまい、鋼板を初期の焦点位置から下にセットした場合、貫通溶接部が形成されるようになっています。このようなことから、焦点位置が下方に移動したと判断できます。溶接中のレーザーの反射光を観察すると、このようにフラフラと高速度に動いている。そして、溶融池の形状がいびつになっています。つまり卵形でなく、いびつになっていることはレーザービーム自体も動いていると判断できます。

受けず、ファイバーレーザー、ディスクレーザーでこれらの結果から、レーザー溶接の場合、プルーム

パワー密度が高い場合、アルゴンガスでも溶込みのは抑制しないといけない。高くなると、溶融池がい深いものが得られます。それはいいとしても、ガス

びつになって深い溶込みが得られなくなる。そういの吹付とかの処理を何もしないとプルームの高温領うことから、何をすればよいかといえば、ガスを吹

域が高くなってしまい、レーザービームと相互作用

き付けて、レーザービームと相互作用をする高温のをして溶接部は浅くなってしまいます。このように、領域を狭くする必要があります。今回の場合はファ

いろんな結果が起こるので、レーザー溶接を複雑にンとして扇風機を使い、常に貫通溶接部を作製できしていますが、それぞれのレーザーの特性と条件をるなどの有効性を確認しています。CO2 レーザー溶

知ると、どのような現象が起こるか予想されますの接の場合も、同様にプルームを抑えてやると溶接がで、それに気をつけないといけないということです。

できます。
●レーザー重ね溶接法を適用したステンレス車輌●プルーム除去時の観察結果

実際にどんなところに使われているかについて紹

レーザー誘起プルームの熱い所はファンで吹いて介します。電車はスポット溶接をしますが、例えばやらないといけません。実際、プルームと干渉した

JR 宝塚線のテレビがセットされた新型車両では、ものを見ると、凹レンズと屈折の作用によって深溶

抵抗スポット溶接の代わりとして、内面側からレー込みが得られなくなりますが、ファンを使うとプルザーを照射して剛性の強い筐体が作られています。

ームが上に上がってこないので、良い溶接部が得られます。観察することでそのようなことが分かって●アルミニウム合金車両へのハイブリッド溶接適用

きます。今の方法ですと、高い所まで観察できない

近畿車輌では、レーザーとミグアークによるハイ

ので、シャドウグラフ法でレーザー溶接中の上部のブリッド溶接法を車輌の製造に利用しています。ハ

状況の全体を見ると、温度の高い所がずっと上がっ

イブリッド溶接とはどんなものを使うのでしょうか。

てきます。上がってくると、ある所から深溶込みを

当初は、CO2 レーザーまたは YAG レーザーが使われ、しなくなります。こうしたことから、レーザー溶接

その後、効率のよいファイバーレーザーやディスク

では、プルームとして見られる温度の高い所を抑えレーザーに変わっています。レーザーとアークを同てやらないといけないことになります。

個所に狙うと、溶滴にレーザービームが照射され、溶込みは浅くなりますので、少し離すと、アークに●レーザー溶接時のプルーム挙動（模式図）

よる融液があるところにレーザービームが照射されこれは通常の話ですが、CO2 レーザー溶接の場合、るためよい条件となります。なお、離し過ぎるとレアルゴンガスだとプラズマができて溶け込まなくな

ーザービームが一部固体に照射され、効率が悪くなる。YAG レーザーはあまりシールドガスの影響をります。溶込みが深い溶接部は、2 つの熱源を適度− 25 −

生産と技術第67巻第４号（2015）に離すと良いことになります。これらは、動画の観察から理解されます。

ス 20％ですが、ヨーロッパでは、83％のアルゴンと 17％の CO2 で作られています。日本では CO2 ガスの方が安いので 100％ CO2 ガスとのハイブリッド●船舶に適用されるハイブリッド溶接

溶接の利用が要望されています。これは三菱重工業

ハイブリッドが最も適用されているのが船です。

が船用に実用化し、板厚 13 mm まで貫通できたハ

とくに豪華客船での適用が多く、ドイツのマイヤー

イブリッド溶接部の例です。実際に CO 2 ガスアーという造船所で最初に適用され、その後にイタリア

クとのハイブリッド溶接では、ギャップがいろいろやスウェーデンの会社でも適用されるようになりま

開いたものに対して埋もれアークといいます。アー

した。ハイブリッド溶接はどんな現象なのでしょう

クが溶融池内に埋もれると、スパッタが減少し、良か。ワイヤとレーザー、どちらが先の方がよいのか

好な溶接部が得られます。

と溶接現象を観察してみると、突合せ溶接においてギャップがあることから、ミグのワイヤが先でレー●高輝度レーザーによる深溶込み溶接

ザーが後ということで、溶接はこちらでやっていま

深溶込みの話をします。まだ実用化例はないですす。ワイヤからの溶滴移行が見られ、溶融池内にキが、日立製作所では 50 mm とか 60 mm の厚板の溶ーホールが生成しているのが見られます。

接ができる技術を開発しました。試験段階に行われ次に、アーク電圧が低いのがよいのか、高いのがたものですが、ステンレス鋼や鋼板に対してレーザよいのかという話になります。結論から言えば、アー溶接部を何層も積み上げる多層盛り溶接法で成功

ーク電圧はある程度高い方がよいです。電圧が低すしています。

ぎると、ワイヤの溶滴と溶融池が引っ付いて短絡が起こり、スパッタが出やすい。レーザーが先行でワ●低真空レーザー溶接による深溶込み

イヤが後方であると、ワイヤは狙った位置より前に

私たちのところでは、真空中で、ビーム品質の良移行するので固体表面に当たり、スパッタとして飛いレーザーを超焦点で集光して 1 パスで深溶込みのぶ場合があります。したがって、高アーク電圧で、溶接部が作製できる技術を開発しました。大気よりワイヤが先行でレーザーが後行の場合、溶滴が溶融

若干低真空にすることによって、電子ビームと同じ

池入りやすくなり、良好な深溶込みの溶接部が作製ように深い溶込みが得られました。しかも気圧はロされます。

ータリーポンプで引ける 0.1 キロパスカルです。1
点だけ、電子ビーム溶接に代われないところがレー●ハイブリッド溶接時の溶融池の観察

ザー溶接にはありました。レーザー溶接はどうして

ギャップのあるものに対しても良好な溶接部が得もスパッタが発生します。それに対して、真空度をられます。これは鉄鋼ですが、1 mm くらいのギャ

下げていくとスパッタの発生がどんどん減りました。

ップがあるものに溶接をしようとすると、レーザー

低真空中のレーザー溶接では電子ビーム溶接と同様で狙うと突き抜けるのでワイヤで溶融池をつくって、そこにレーザーを照射します。
アークはパルスがよいのか連続がよいのかの話ですが、できればいつの場合もパルスが良いです。パルスの方が溶滴は移行しやすいです。連続の方は溶滴が大きく、長くなったりしてスパッタが多くなるので、通常、パルスの方がよいです。
●造船用ハイブリッド溶接装置と溶接部
従来、ヨーロッパでは、鋼板のハイブリッド溶接用ガスとしてはマグガスを使っています。マグガスというのは、日本ではアルゴンガス 80％、CO2 ガ− 26 −

生産と技術第67巻第４号（2015）にスパッタが減るというのが大きな特徴です。溶融ていると聞いていますが、それに代わる方法として、池を見ると、通常なら溶融池から融液が吹き上がっ

レーザーは必ず溶接されるので、その溶接法の確立てスパッタになるのですが、低真空中であるとスパが期待されています。これはアルミニウムと銅です

ッタが激減します。

が、アルミニウム側からレーザーを照射しています。
こちらは銅側から照射しています。いろんなレーザ●レーザー装置ーが試されています。溶けやすいのはアルミ側からファイバーレーザーで 100 kW のものが開発されたので、それを使ってどのくらい溶け込むかを見た

照射して、少しだけ溶け込む形に持っていけば機械的特性も良い継手が得られると思われます。

のがこれになります。これは 1.2 kW のシングルモードレーザーを 90 台足して 100 kW が発振します。

● LAMP 接合継手の強度評価方法

しかも、良いのは 0.5 mm の直径のファイバーで金属と樹脂は、従来、まったく引っ付かないもの

50 m 伝送されるということです。焦点距離 1 m のという認識がありましたが、透過する樹脂をもってミラーで集光した場合、溶接速度が 2 m ／分で、非きて、レーザー直接重ね接合を行い、継手を引っ張

常にスパッタが多いですが、断面形状の比較的良好

ると、横の熱影響部が伸びるほど良好な接合部が作な溶接部が得られました。ただ期待していたほど深製できることが確認されました。これはペットです

くなかったです。

が、接合したものを引っ張るとプラスチック母材が伸び、母材の強度に相当する継手が得られました。

●低真空中レーザー溶接と欠陥の防止策

その接合部を観察すると、金属とペットが非常によ

もう少し深くしたいということから、私たちのとく引っ付いています。

ころで持っている低真空用容器で溶接してみました。
これは横向きですが、レーザーは縦向きに照射され● LAMP 接合部界面の観察ています。実際に、高パワーのレーザーにより低真レーザー直接重ね接合部を透過電子顕微鏡で見る

空中溶接を行うと、気泡・ポロシティができます。

と、金属には必ず酸化膜があり、酸化膜を通じてプ

ポロシティが出るというのは絞られた焦点値マイナ

ラスチックと接合していることがわかります。レー

ス 30 mm 下に行っているので、絞られた少し下がザーは透過する側から照射する必要はなくて、金属

膨れて気泡ができやすいことが分かりました。こう側から照射し、樹脂側表面に少し気泡をつくってやしたことから、少しだけ雰囲気を変える、あるいは

ると接合強度の強いものが作れます。この樹脂をと窒素ガスをアルゴンにすると、気泡のないものがつって観察し、金属の温度をある程度溶融する、少しくられることを確認しています。レーザーも電子ビ

高めの温度まで金属を加熱して引っ付けてやることームと同様に大きなパワーにすることによって、になります。

100mm とか 125mm という溶込みの深いものができることになります。そして、アルゴンにするとか、高真空にあまりしないほうが、ポロシティのない良好な溶接部がつくられることになります。
●電池
電池の話ですが、携帯用電池は通常 A3003 アル
ミニウム合金でつくられています。最初はパルス
YAG レーザーによるスポット溶接で作られていましたが、最近は、リモート溶接で作る試みがされています。また、自動車の電池ですが、リチウムイオン電池のある所には銅とアルミを付けないといけな
い箇所があります。実用化は超音波溶接が適用され− 27 −

生産と技術第67巻 第４号（2015）●ファイバーレーザーによるリモート切断事例

リモート切断法で高速で走るのが熱影響部の狭いも少し話は変わりますが、シングルモードというのは、最もよい特性をもったレーザーといえます。このが速く作製できるために良いというのが私たちの主張です。

れは溶込みという意味からは、深い溶込みもできています。これを切断に使うと、非常に速くて良い切●まとめ断品が得られると思います。実際のレーザー切断に

これまでの話をまとめると、レーザーについては、

ついては映像を少しだけ見ていただきます。これは現在、しのぎを削っているのが半導体レーザーとフCO 2 レーザーの例です。この CO 2 の代わりに薄板ァイバーレーザーの高輝度化、高パワー化です。た3 mm くらいまでの切断については、ファイバーレ

だし、高輝度のシングルモードレーザーの使い道とーザー、ディスクレーザーの方が速いということで、しては現在のところあまりないのが実情です。リモ

最近ではそちらの方も出るようになっています。リート切断、リモート溶接というのもあります。そしモート切断は速いと言いますが、今のような直接吹て、穴あけ、クラッディングの適用、CFRP のレー

き付ける方がもっと速い切断ができます。

ザー切断、金属と樹脂の接合。また造船業界ではハ
イブリッド溶接法が注目され、いろいろと新しい溶●レーザーリモート切断 VS. 高速度レーザー切断

接方法が各分野で検討されています。電池業界では、板の厚いもののファイバーレーザー切断はどうし

異種金属、特に銅とアルミニウムのレーザー溶接がても品質が CO 2 レーザー切断品の域に至っていま注目され、研究が進められています。

せん。これは吸収がいいから薄板ではいいのですが、厚板になると切断品質が悪くなるという話です。酸●実用化したレーザー溶接眼鏡フレーム化の影響などもあると言われていますが、例えばこ私たちは大きなものを対象とするレーザー溶接もれをパルス化することによって、いいものがつくれ行いますが、小さいもののレーザー溶接も実施してます。数 mm くらいまでならつくれると言う人もきました。その一環でチタンの溶接を試み、メガネいます。

フレームの溶接にレーザーを使う実用化に協力しま

CFRP のレーザー切断ですが、一時期はだめだとした。これは日本初の取り組みで、世界に先駆けていうことになっていました。それは広い熱影響が形実用化されました。その結果、第 4 回日本ものづく成したためです。実際にトライされたレーザー切断

り大賞特別賞や文部科学大臣技術開発賞をいただいを見ると、金属切断と同様にガスが吹き付けられ、ております。今後も、日本の産業界において、レー同時にプルームの熱が CFRP に吹きかけられ、そのザー溶接の実用化に貢献・協力していく所存ですの

結果として広い熱影響部が形成していると解釈されで、よろしくお願いいたします。

ました。私たちはガスを吹き付けない方法でレーザー切断をした結果、熱影響を狭くでき、リモート切断法で高速に切断するとさらに狭くできることがわ
かりました。実際には、速い速度の切断では、1 回の切断では切断溝深さが浅いので 3 mm 板を切断するためには、何回か繰り返す必要があります。一方、パルス幅の短い、ピコ秒レーザー、フェムト秒レー
ザーによる切断があります。熱影響のきわめて狭いものができるのですが、繰り返しをすると熱影響が出てきました。超短パルスレーザーは熱影響がほとんどないものもつくれるのですが、その時は回数を増やしても 3 mm 板の切断もできず、時間がかかりました。時間がかかってもいいのなら、薄い板に適用できるかもしれません。速い速度になりますと、− 28 −