レーザーによる精密溶接の原理や使用例・メリット・デメリット・コツ

【レーザーによる精密溶接】原理

レーザー溶接時には、接合したい金属の表面にレーザーの光をあてます。光を浴びた部位は局所的に溶けるため、これを凝固させれば溶接が可能となるのです。

レーザー光とは誘導放出によって増幅された光のことを指します。エネルギーが高まっている電子に電磁波を加えると、電子のエネルギーが低くなり、逆に電磁波のエネルギーは高まります。この作用によって誘導放出されるのがレーザーなのです。

多くの場合、レーザー溶接の際に用いられるのがレーザー発振器と呼ばれる専用の装置です。発振器によって発生したレーザーは、一点に集光された状態で鋼材に照射されます。

レーザー溶接には熱伝導溶接とキーホール溶接という種類があります。いずれの場合も、溶接時にはアシストガスを使って接合部のコンディションを保ちます。また、鋼材を動かす駆動系によって溶接をコントロールすることも大切なポイントです。

熱伝導溶接

熱伝導溶接では金属表面にレーザー光が照射されます。母材が溶けた状態で接合した部位はその後の凝固によって固定されます。熱伝導溶接は母材に及ぶ熱影響が広く浅いため、歪みのないきれいな溶接に仕上がります。

キーホール溶接

キーホール溶接とは母材に対してレーザーを照射し、鍵穴のようなくぼみを作る手法です。レーザー光による深いくぼみに金属を差し込んで接合すれば、溶接の強度が高まりやすくなります。

【レーザーによる精密溶接】使用例

ここからは、レーザーを用いた精密溶接の例を解説します。

1．自動車ボディの精密溶接

レーザー溶接が使用されるシーンとしてよく知られているのが自動車製造・加工の分野です。高品質なレーザーを活用すれば、自動車のボディやフレームを点で溶接するスポット溶接の他、線で溶接するシーム溶接も行えます。

レーザー溶接は抵抗スポット溶接のような手法とは違い、照射時に電極で母材を挟む工程が必要ありません。そのため、複雑な形状の部品であっても難なく溶接することが可能となるのです。

2．電子部品のスポット精密溶接

レーザー溶接の技術は細かい電子部品のワイヤーやピンを取り付けるスポット溶接にも活用できます。

精密溶接をするときにはレーザー装置にカメラを設置して、コンピュータ制御を行います。こうすることによって、細かい溶接点を正確に判断できるようになり、小さな電子部品であっても正確に溶接できます。

3．電子デバイスのセラミックパッケージ封止溶接

半導体や電子ディスプレイといった電子デバイスの製造過程における溶接には、精密さが求められます。高エネルギーが特徴的なパルスレーザーには微細な溶接に対応しにくいという問題があるため、電子デバイスのセラミックパッケージ封止時には変形量が小さいレーザー溶接がよく使われます。

微細なスパッタが発生しないようにするためには、レーザーを使った精密溶接の際にフィラーワイヤーなどのろう材を用いるのが効果的です。

【レーザー精密溶接】メリット・デメリット

レーザー溶接のメリットは以下のとおりです。

メリット1．短時間で接合できる

強力なレーザー光を使った溶接には、短い時間でクオリティの高い接合ができるという魅力があります。従来のアーク溶接やガス溶接は十分な強度が確保できることから、様々な分野の溶接に活用されています。

しかし、アーク溶接やガス溶接には溶け込みが浅く、溶接に時間がかかってしまうという難点があります。

レーザー溶接は鋼材に照射するときに散乱が起きず、平行性が保たれます。そのため、溶接時にエネルギーを一点に集約させることが可能となるのです。時間をかけずに質の高い溶接を行いたい場合に最適です。

メリット2．溶接歪が少ない

レーザー溶接は照射のパターンや強度を細かくコントロールできる溶接手法です。また、短時間で溶接できることから溶接歪もほとんど起きません。

溶接によって鋼材が変形してしまうトラブルを防ぎたいのであれば、レーザー溶接を選ぶのがおすすめです。

メリット3．微細加工ができる

レーザー光を鋼材の一点に集中させれば微細な加工をすることが可能となります。細かい加工を自在に行えるレーザー溶接は、自動車などの大型部品の溶接から精密機器の溶接にまで幅広く活用されています。

メリット4．異種材料を手軽に溶接できる

融点が異なる異素材の溶接は難易度が高いものですが、レーザー溶接であればこういった溶接も手軽に行えます。異素材を溶接するときには、出力をコンピュータで調整するなどの工夫を取り入れるとよいでしょう。

メリット5．補強用の鋼材がいらない

溶接の強度が高いレーザー溶接には、補強用の鋼材が不要という特徴があります。こうしたレーザー溶接の技法を採用すれば、製品の軽量化が実現できます。より強度を高めたい場合には、点ではなく線や面で溶接するシーム溶接を選ぶとよいでしょう。

メリット6．メンテナンスの必要がない

レーザー溶接は非接触溶接であるために、溶接に使用する装置の消耗がほとんど起こらないという良さがあります。また、接触しないため装置が汚れてしまう心配もありません。

装置のメンテナンスをせずに長期間使い続けられるのは、レーザー溶接を選ぶ大きなメリットといえます。このように、様々なメリットが挙げられます。とはいえ一方で、以下のようなデメリットも考えられます。

デメリット1．状況によっては密着精度が落ちることがある

レーザー溶接は加圧による圧接溶接ではなく、あくまで融接による溶接です。また、レーザー溶接には集光径が小さいという特徴もあります。

レーザー溶接には十分な密着精度が確保できるとされています。ただし、密着精度を板厚の10分の1以内に収めなかった場合には、割れなどのトラブルが起きることもあります。溶接の際には、密着度を高めるよう工夫しましょう。

デメリット2．安全対策が必須となる

他の溶接とは違い、レーザー精密溶接では目に見えないレーザーを使います。正しく使えば特に問題はありませんが、施工の方法を間違えると大きな事故が起きることもあるので注意しましょう。

レーザー作業のルールは日本工業規格の「レーザー製品の放射安全基準」において定められています。レーザー溶接の際にはレーザー光によるダメージを防ぐ対策を心がけましょう。専用の安全メガネの着用を徹底したり、反射作用を持つカバーで溶接部分を覆ったりといった対策をしておけば安心して作業できます。

【レーザーによる精密溶接】コツ

レーザー溶接では、作業中の位置ずれやギャップといった問題が起きることもあります。これを修正するためにはウォブリング溶接を採用するのがおすすめです。

ウォブリング溶接とは、溶接部位に円や線といったウォブリングパターンを高速で描く溶接手法です。ロボット制御のレーザー溶接であればウォブリングパターンを高速で描けるため、溶接面を正確にとらえることが可能となります。

ウォブリングパターンを描く溶接であれば溶接ビードの幅が太くなり、きれいなビードを形成できます。太く溶接することで位置ずれやギャップも起こらなくなるため、質の高い溶接に仕上がるのです。

板厚の違う2種の素材を溶接するときには、ウォブリングパターンの半分を高出力、もう半分を低出力にするとよいでしょう。こうすることで溶接のパターンが一定になり、バランスが整いやすくなります。