レーザー溶接｜原理の解説から独自の可視化技術を紹介

レーザー溶接とは、レーザー光の高エネルギー密度を利用して材料を局所的に加熱・溶融し、接合する技術です。

従来の溶接方法と比較して、高い精度、速度、深い溶け込み、少ない熱影響、さまざまな材料への対応力、非接触加工といった特徴を持ち、自動車、電子機器、医療機器、建設、金型など幅広い分野で活用されています。

レーザー溶接は、レーザー光が金属材料に照射されると、以下のメカニズムで溶融が起こります。

1. レーザー光が金属材料に照射されると、光エネルギーを吸収
2. 吸収された光エネルギーが熱に変換され、金属材料が加熱される
3. 金属材料の温度が融点を超えると、局所的に溶融
4. 溶融した金属材料が冷却・凝固することで、接合が完了

レーザー溶接は、精密な加工と高い強度を実現する溶接技術として、自動車、医療機器、電子部品など多岐にわたる産業で利用されています。

そのメリットには、高いエネルギー密度による微細で精密な溶接、溶接部の強度向上、入熱量の少なさによる歪みの抑制、仕上げ工数の削減、溶接条件の管理と再現性の向上などがあります。また、非接触で長距離からの溶接も可能であり、多様な材料に対応し、生産性向上に貢献します。

一方で、デメリットとしては、高額な初期設備投資が必要であり、溶接部の組み立て精度が要求されるため、位置ずれやギャップへの許容度が低く、隙間があると溶接が困難になること、肉盛溶接には適していないこと、そして十分な安全対策が必要となります。

レーザー溶接は、精密さと効率性の面で高いポテンシャルを持つ一方で、導入するにあたっては技術的な要件だけでなく、経済的な側面も考慮する必要があります。適切な溶接技術の選択は、製品の品質、生産性、そして最終コストに大きく影響を及ぼします。

レーザー溶接とアーク溶接はそれぞれ異なる特性と用途を持つ溶接技術です。
以下に、それぞれの特徴を整理します。

CO₂レーザーは、炭酸ガスを媒質とするガスレーザーです。高出力化しやすく、厚板加工や切断用途で利用されてきました。一方で、装置構成が大きくなりやすく、近年では、用途によってファイバーレーザーなどへの置き換えも進んでいます。

YAGレーザーは、固体結晶を媒質とする固体レーザーです。精密部品や微細溶接に使われることがあり、自動車部品や電子部品などの加工にも利用されてきました。パルス発振による局所的な加工にも対応しやすい点が特徴です。

ファイバーレーザーは、光ファイバーを媒質としてレーザー光を発生させる方式です。高いビーム品質、省スペース性、エネルギー効率の高さから、現在のレーザー溶接で広く利用されています。自動車、電池、電子部品、精密部品など、量産ラインでの活用が進んでいます。

レーザー溶接は、自動車、電子部品、電池、医療機器、精密機器など、精密で高速な接合が求められる製造現場で活用されています。非接触で局所的にエネルギーを集中できるため、薄板や微細部品、異材接合、自動化ラインでの加工に適しています。

一方で、加工点では溶融池、キーホール、スパッタ、ヒュームなどが短時間で変化します。レーザー溶接の品質を安定させるには、加工中に何が起きているのかを把握し、条件との関係を確認することが重要です。

レーザー溶接では、焦点の大きさ、位置、ビーム形状、出力などが変動すると、溶け込み深さやビード形状が変化します。その結果、溶接強度や品質のばらつきにつながることがあります。
ワークの位置ずれやギャップも品質に影響するため、条件管理と現象確認が重要です。

複雑な形状の部品では、レーザー光を狙った位置に照射しにくい場合があります。特定の領域にアクセスできない、照射角度が制限される、治具や周辺部品が干渉するなど、形状による制約が品質に影響します。

異なる材料を接合する場合、材料ごとの吸収率、熱伝導率、融点の違いによって、入熱量や溶融状態が変化します。異材接合では、片側だけが過剰に溶ける、溶け込みが不足する、割れや欠陥が発生するといった課題が起こることがあります。

レーザー溶接では、金属蒸気、ヒューム、スパッタが発生することがあります。これらは保護ガラスの汚れ、加工品質の低下、安全対策、集塵条件の検討に関わります。
ただし、発生の瞬間や流れ方は目視では分かりにくいため、ハイスピード撮影や画像解析による可視化が有効です。

レーザー溶接中に確認すべき現象を示したイメージ図です。実際の撮影画像ではありません。

レーザー溶接では、溶融池、キーホール、スパッタ、ヒューム、アシストガスの流れなどが短時間で変化します。これらの現象は、溶接品質や欠陥の発生に関係しますが、通常の目視では確認しにくい場合があります。

レーザー溶接を可視化することで、溶融の開始、キーホール形成、スパッタの飛散、ヒュームの流れ、アシストガスの影響などを映像で確認できます。条件変更前後の違いを比較することで、欠陥原因の推定や溶接条件の検証に役立ちます。

レーザー溶接の可視化とは、溶接中に発生する現象を映像として観察し、加工状態や条件差を確認するための手法です。
レーザー溶接では、スパッタ、ヒューム、シールドガス・アシストガスの流れのような溶接点周辺の現象と、溶融池やキーホールのような加工点そのものの現象とで、確認したい対象が異なります。
そのため、見たい現象に応じて、適した可視化方法や機材構成を選ぶことが重要です。

Shield Viewとハイスピードカメラを組み合わせることで、レーザー溶接中に発生するスパッタ、ヒューム、シールドガス・アシストガスの挙動を可視化できます。

これらの現象は、加工品質だけでなく、保護ガラスの汚れ、集塵条件、安全対策にも関係します。しかし、通常は目に見えず、発生の仕方や流れ方を把握しにくい対象です。

可視化することで、スパッタの飛散方向、ヒュームの流れ、ガスの乱れや巻き込みを確認でき、条件変更による違いの比較や原因調査に活用できます。

ハイスピードカメラと高輝度照明を組み合わせることで、レーザー溶接中の溶融池やキーホールが形成される様子を観察できます。

レーザー溶接では、加工点が非常に明るく、通常の撮影では白飛びしやすくなります。そこで、高輝度照明を用いて適切な撮影条件をつくることで、溶融池の広がり、湯面の乱れ、キーホールの形成や安定性を確認しやすくなります。

これにより、溶け込み状態、湯面挙動、キーホール不安定、欠陥発生の要因を検討できます。

レーザー溶接の可視化では、見たい現象が何かによって、選ぶべき方法が変わります。

スパッタ・ヒューム・ガス流れのような溶接点周辺の挙動を確認したい場合は、Shield Viewとハイスピードカメラの組み合わせが適しています。
一方で、溶融池・キーホールのような加工点そのものの状態を観察したい場合は、ハイスピードカメラと高輝度照明を組み合わせた構成が有効です。

観察対象に応じて可視化方法を使い分けることで、現象の把握、条件比較、不良原因の検証をより適切に行えます。

レーザー溶接を可視化することで、加工中に発生している現象を映像として確認できます。条件変更による違いや、欠陥が発生する瞬間を把握しやすくなるため、原因調査や条件出しに活用できます。

ここでは、レーザー溶接中に発生する現象を可視化した事例を紹介します。
レーザー溶接では、溶融池、キーホール、スパッタ、ヒューム、アシストガスの流れなどが短時間で変化します。これらを可視化することで、条件変更による違い、不良発生のタイミング、溶接品質に影響する現象を確認できます。

撮影協力：大阪大学 接合科学研究所  佐藤 雄二 先生 竹中 啓輔 先生
レーザー溶接中には、プルーム、ヒューム、スパッタ、アシストガスなど、さまざまな現象が同時に発生しています。本動画では、大阪大学 接合科学研究所の協力のもと、IRレーザー溶接中の現象を可視化し、アシストガス流量やレーザー出力などの条件による違いを比較しました。

【実験条件】
・レーザー：IRファイバーレーザー（1070nm）
・最大出力：6kW
・母材：炭素鋼（S50C）、銅
・板厚：5mm
・撮影速度：15,000fps

レーザー溶接中に発生するヒュームの挙動を、条件ごとに比較した事例です。
ヒュームは保護ガラスの汚れやレーザー光の透過、集塵条件に影響するため、発生位置や流れる方向を把握することが重要です。
可視化することで、アシストガスやエアーナイフの条件によってヒュームの流れがどのように変化するかを確認できます。

ハイスピードカメラを使用し、レーザー溶接中に発生する現象を10,000fpsの高速度撮影で可視化した事例です。
ガルバノスキャナ溶接、ファイバーレーザー溶接、アルミ突合せ溶接など、さまざまな条件のレーザー溶接現象をスーパースロー映像で確認できます。さらに、可視化した映像に画像解析を組み合わせることで、温度解析や速度ベクトルの算出も行えます。
溶接欠陥の原因究明では、目視確認だけでなく、可視化・ハイスピード撮影・画像解析による定量的な評価が有効です。