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レーザー溶接の特徴や用途について解説(ロボットへの活用がおすすめのレーザ溶接)

昨今、各社から多数のレーザー溶接システムが販売されていますが、皆さんはレーザー溶接と一言で言っても沢山の種類があるのをご存じでしょうか?
レーザー光の発生原理から接合部の溶け込み方など種類によってかなり違いがあります。
その為、ロボットと併用したレーザー溶接システムにも向き不向きがあります。
本記事ではレーザー溶接の種類や特徴を解説していきたいと思います。

レーザー溶接に使用するレーザーは、気体または固体からを取り出しすのが一般的です。
大きく分類するとCO2レーザー、YAGレーザー、ファイバーレーザーの3種類があり、それぞれの持つ特性や性能は大きく変化します。

1.CO2レーザー

CO2レーザー溶接は気体レーザー溶接の代表で、「炭酸ガスレーザー溶接」とも呼ばれます。
名の通りCO2(二酸化炭素)を媒体にレーザー光を発振します。
CO2は、固体レーザーに比べて変換効率が高く、大出力の連続発振(CW:Continuous Wave)が可能です。金属だけでなく樹脂系などの溶接にも対応しているため、幅広い分野で普及しています。

CO2レーザーの特徴とデメリット

炭酸ガスを発振媒体にした波長10.6μmの気体レーザーがCO2レーザーです。波長は共振器ミラーによる波長選択によって、9.6μmまで短くできます。
出力形態は連続発振とパルス発振が可能で、ビームの品質が優れ、高パワーでも約0.6mmのスポット径に集光できるという特徴があります。

CO2レーザーに使われるガスは、高効率な発振を実現するためにCO2のほかにアシストガスとしてN2(窒素)、He(ヘリウム)、Ar(アルゴン)、CO(一酸化炭素)を混合したものが使われます。レーザー発振の媒体はCO2ですが、これらのアシストガスを混合することで共振器(放電管)内の出力が増大します。混合比率は、共振器の種類、ビームの品質や加工効率、各ガスの価格などによって変わってきます。

数kW~数十kWの高パワー連続発振レーザーが、自動車分野、薄鋼板、鉄鋼や造船分野などで溶接に使われています。また、レーザー切断や穴開け、表面処理などにも応用されています。

ただ、高パワー溶接でArガスをアシストガスとして使った場合、Arプラズマが発生し、溶け込みが浅くなるのでHeガスを使うことが多いのですが、Heガスは高価という難点があります。ミラーや集光レンズには、10μm光の透過性に優れた、半導体であるZnSe(セレン化亜鉛)を使うのもCO2レーザーの特徴です。

レーザーが照射されるとミラーや集光レンズの内部に不均一な温度分布が生じるという熱レンズ効果とよばれる現象が起きますが、ZnSeは最も吸収率が低く、熱レンズ効果を小さくする母材とされています。ZnSeを使ってもやはり熱レンズ効果により、焦点位置がレーザー発振器側へ次第にずれてしまうため連続加工では注意が必要です。

また、CO2レーザーは波長が10μm帯のため、レーザー発振器から取り出してファイバー伝送ができません。取り回しの良いファイバー材料の石英がこの波長帯のレーザーを吸収してしまうからです。ファイバー伝送ができないということは、発振器から、加工位置まで、ミラーを用いた空間伝送を行う必要があり、発振器からの距離も制限され、自動化がしにくく産業用ロボットに使うことも難しいのです。

2.YAGレーザー

YAGとは、イットリウム(Yttrium)、アルミニウム(Aluminum)、ガーネット(Garnet)の頭文字を取ったものです。気体レーザー溶接の代表であるCO2レーザー溶接に対し、YAGレーザー溶接は固体レーザー溶接の代表です。励起にはフラッシュランプを使い、短い波長のレーザー発振が可能です。
伝送方式がミラーに限られるCO2レーザー溶接に対し、YAGレーザー溶接ではミラーによる伝送に加え光ファイバを使った伝送も可能で、必要に応じて伝送方法を使い分けることができます。また、波長がCO2レーザーに対して1/10と短く、母材へのエネルギー吸収率が高いこともYAGレーザー溶接の利点です。

YAGレーザーの特徴とデメリット

レーザー溶接で使われるものは
YAGに数%のNd(ネオジム)をドープしたNd:YAGレーザーで波長は1.064μm、医療用でEr(エルビウム)をドープしたEr:YAGレーザーも使われています。

波長の短さをいかし、伝送損失の低いファイバー伝送が可能なのがYAGレーザーの特徴です。レーザーを熱源として初めて自動化やロボット化を実現した技術とされ、ノーマルパルス、Qスイッチ(短時間照射、医療用)、連続発振が可能でその広い応用範囲が期待されてきました。

2~4kWクラスの連続発振YAGレーザーは複数の鋼板を溶接したプレス用部材であるテーラードブランク(Tailored Blanks)の突合せ継手や亜鉛メッキ鋼板の重ね継手溶接で使われ、6~10kWクラスの連続発振レーザーはステンレス鋼板などの溶接に使われてきました。

ただ、第一世代のYAGレーザーは、Ndを活性元素としたランプ励起であり、発振効率は約1~3%と低く(CO2レーザーは10%程度)、発熱も大きかったため、BPPは25~100 mm・mradであり、集光性は良くありませんでした。

また、励起用のフラッシュランプや冷却水などの消耗品を定期的に交換する必要があり、メンテナンスにコストと時間がかかるというデメリットもあり、固体レーザーの先鞭をつけた技術ですが最近ではあまり使われなくなっています。

一方、第二世代のYAGレーザーは、ファイバーレーザーと同じ、Ybを活性元素とした半導体レーザー励起であり、発振効率は約20~30%と高くなっています。媒質形状は冷却性能に優れた薄いディスク型で、熱歪みの発生を補償する構造であるため、BPPは4~24mm・mradとファイバーレーザーに迫る集光性があり、ファイバーレーザーに競合する形で、産業適用されています。

3.ファイバレーザー

「ファイバレーザー」は固体レーザーの一種で、媒質に光ファイバを使います。
増幅用ファイバには、「ダブルクラッドファイバ」という、コアに希土類元素をドープした光ファイバを使います。
また、ファイバの出力側に低反射率ミラー、入射側に高反射率ミラーを装備しています。
ファイバレーザーは、波長が短くビーム集光径を絞ることが可能です。レーザーのエネルギー密度はレーザー溶接と比べてもきわめて高く、アルミなどの高反射材に対しても、深い溶け込みを得ることができます。また、薄板や微細部品の溶接はもちろん、異種金属同士の溶接にも対応できます。さらに、ビームの焦点を自動で設定することができ、非接触で高速溶接もできるため、従来では不可能であった入り組んだ場所のロボット溶接を可能にします。

ファイバーレーザーの特徴とデメリット

扱いが難しく自動化やロボット化に不適なCO2レーザーや効率の悪いYAGレーザーに代わる新たな技術として注目されているのが、高輝度・高出力の固体レーザー、ファイバーレーザーです。

これはレーザー発振器から単に光ファイバーを使って伝送するバルク型レーザーとは異なり、高純度の石英ガラスで作られた光ファイバーに希土類元素のYb3+(イオン化したイッテルビウム)をドープし、外部から半導体レーザーを照射すること(励起)で高効率のレーザー発振を行い、高出力のレーザーを作り出すという技術です。

レーザー媒質、伝送光学系ともファイバーが用いられ、空間光学系のないモノリシックな構造で、励起用の半導体レーザーもファイバー結合型が用いられているため、メンテナンスが不要でロバストな構造となって
います。波長はYAGレーザーに近い1.07μmで、レーザー発振用光ファイバーは直径約10~20μm、伝送用光ファイバーは直径約50~300μmで長さ20~50m程度の伝送が可能です。

レーザー発振器は光ファイバー内に組み込まれた反射・共振作用を有する一対のファイバー素子によって構成されるため、取り回しが良くミラー調整やメンテナンスが不要なのもファイバーレーザーの特徴です。このため、自動化や無人化、ロボット化が容易であり、人手不足が深刻化する産業界にとっても重要な技術といえるでしょう。

日本は光ファイバーの研究開発や製造で出遅れている感もありますが、ファイバーレーザーは自動車分野、鉄道車両、鉄鋼、造船など多くの産業分野で使われ、マルチモジュールによる高パワー化、高輝度・高効率化、取り回しの良いファイバー伝送、メンテナンス不要という多くの利点を持ち、加工用レーザーの主力となっています。

記事引用元:https://minsaku.com/articles/post408/

4.おわりに

今回はレーザー溶接の種類や特徴について解説しました。
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