レーザーの当て方

母材に溶加材を加えながらレーザ溶接する場合は、ビードオンプレート溶接と称しています。割れが発生しやすい材料の場合は、適正な溶加材を使用する事によって、冶金的反応で健全な溶接ができます。

また、材料表面の性質を改善するために、溶加材を供給しながら多パス溶接する事もあり、一般的に肉盛り溶接と称しています。なお、この際の溶加材はワイヤ状の場合と粉末状の場合があります。

金属製品や金属材料の一部（または全部）に、「耐熱性」や「耐食性」など別の性質をもった金属粉末または金属ワイヤを盛り付けることで、付加価値を高めた製品または材料にすることが出来ます。

レーザーは高エネルギー密度の熱源であるため、両母材板を密着させるＩ形の開先が用いられ、１パスでの溶接が可能です。細く深い溶け込みビードは溶融体積が小さいことを意味し、溶接後の歪みは他工法より大幅に少なくなり、高品質の溶接が可能です。

高エネルギー熱源であるレーザーなら、上板を突き抜けて下板まで一気に金属を溶融することが出来ます。そのため、スポット溶接のような両側からのアクセスが必要なく、片側アクセスで溶接することができ、「生産設備のスリム化」や「設計のしやすさ」など、設計面での自由度が高くなります。

切断したい材料に、その材料が吸収するレーザを照射して、さらにガスを高圧で流せば、どんな材料でも切断することが可能です。レーザを反射しやすい材料は、吸収材を表面に塗布する事で、加工出来る場合があります。あとは、切断品質が満足するかが問題になります。

レーザ切断では材料を溶かしているため、特に金属ではレーザ出射側にドロスやバリが付着します。通常はこれらを削って除去しています。

孔(穴)あけでは、レーザの照射方法が2種類あります。一つは孔(穴)形状に沿って、レーザ光か材料を動かす方法、もう一つはレーザ光も材料も動かさない方法です。多くは前者により様々なパターンの加工を行います。(トレパニング加工とかコンタリング加工などと呼びます)

しかし後者を用いると多くの孔(穴)を大量にあけたり、深い孔(穴)を開けることができます。(ピアッシングやパーカッションと呼びます)

レーザの焦点位置を材料の内部に配置することによって、焦点位置付近の材料だけに微細なクラック(割れ)が発生して変色したように見えます。施工例の中には濃淡が付いているものもありますが、レーザの照射回数を増やすと濃く変色する仕組みを利用しています。これにより、写真のようにマーキングすることもできます。

メルトランは、母材に直接レーザを照射して走行することを言い、溶融部の溶込み深さや、ビード断面形状を確認することができます。

■熱伝導型とキーホール型
レーザの溶け込み形状を確認するために、金属などの板材に対してレーザを照射しながら一定速度で走らせます。レーザ溶接は、材料の加熱形態によって熱伝導型とキーホール型に分けられます。パワー密度が低いときは、表面に吸収されたレーザエネルギーは熱伝導によって広がります。一般的に、薄板溶接では熱伝導型の溶接となります。

これに対して厚板溶接ではキーホールを形成することによって、1パスで溶接することができます。パワー密度が高いと材料の蒸発が激しくなり、金属蒸気が飛び出す反動力によって、金属表面に凹みが生じます。このような反動力を蒸発反跳力、深い凹みをキーホールと呼んでいます。キーホールを通じて材料内部は直接加熱されるので、ビードの断面は熱伝導型に比べて、幅が狭く深くなります。出力と速度の調整により、溶込み深さを制御します。

レーザックスの溶接機は10Wから10kWまで、様々なビード形状が確認出来ます。

パルス幅が非常に短く、ピークパワーが高いレーザを用いて行います。樹脂などの高分子材料の除去加工では、波長が短いエキシマレーザなどのレーザを照射することによって、原子または分子間の結合が解かれ、瞬時に蒸発する光化学的な反応があります。この場合、材料は加熱されないので、加工した部分の周囲に熱影響層を残さない特徴があります。この加工をアブレーション(英語で除去)加工といいます。

金属材料では光化学的な反応は見られませんが、蒸発除去加工は可能です。その加工を含めて、広い範囲でアブレーションと呼ぶことがあります。

■レーザックスの微細加工
ミクロンオーダーの加工でも、充実した評価設備により、しっかり観察・評価が出来ます。

板厚0.3mm以下の溶接です。

■薄板溶接のコツ
板厚が薄い材料に少しでも熱をかけすぎると、変形しやすいので注意が必要です。そのため、比較的スポット径が絞れて、パルス発振できるパルスNd:YAGレーザを用いて、1パルスずつ熱を分散させながら溶接するのが一般的です。そのときに溶接速度に制約を与えるのが、１パルス毎の溶融痕の間隔です。これが溶融痕より狭くなるように設定する必要があります。

一方、スポット径が小さくできて、連続発振するファイバーレーザなどを用いれば、溶接速度を上げられます。この場合は、加工機側で速い溶接速度に対応できるかが、制約条件になります。

■円筒物への加工の仕組み
加工の仕組みは、レーザ切断と同じです。XYZ軸に回転軸(R軸)が備わった加工機を用います。回転軸もNC制御で他の直行軸との同期制御ができるので、パイプ・リングを回転させながら、様々なパターン形状で切断することができます。

細いパイプからの切り出しでは、レーザを照射している円筒面の反対側の、円筒内面までレーザによる傷が付いたり、切り出していく途中でパイプが弱くなって形状を維持できなくなるので、中心に他の材料を入れることが多いです。

直径1mm以下のスポット溶接です。

■レーザを用いたスポット溶接の特徴
スポット溶接と聞くと、2枚以上の板を2個のガンで挟み込んで電流を流し、抵抗熱で溶接を行う抵抗スポット溶接を思い浮かべる方も多いと思います。レーザを用いたスポット溶接は、レーザをスポット(一点)に照射する溶接を言います。高いエネルギーを狭い部分に集中させる、レーザが持つ利点を活かして、周囲への熱影響が少なく、熱変形をほとんど生じない溶接が可能です。レーザとの同軸カメラにより、正確に狙いを定める事が出来ます。ワイヤーなどの細い材料にも溶接可能です。

レーザ切断ができれば、あとは切りたい形状に合わせて、レーザまたは材料を動かせばよいのですが、細かい形状で鋭い角部があったり、半径が小さいコーナー部がある場合、速度を端部で減速させたり、少し止めたりして、細かい形状の軌跡を図面通り再現できる様に調整します。

また、レーザ照射開始地点では少し大きな穴が空いてしまうので、パターン形状の外側にレーザ照射開始地点を設けてから、パターン形状に近づく方法(アプローチと呼ぶ)をとります。