レーザー溶接とはどのように機能するのでしょうか？

コア物理：レーザーエネルギーが溶接を生成する仕組み

エネルギー吸収、溶融閾値、および材料の熱応答

レーザー溶接が開始されると、その強力な光子が金属表面に衝突し、内部の電子にエネルギーを伝達します。最初の段階では、金属はこの近赤外線をあまり吸収せず、実際には50～90％を反射しています。しかし、鋼材の場合約1500度で溶融が始まる段階になると状況が劇的に変化します。相転移の過程でエネルギー吸収能力は約10倍に跳ね上がります。このような現象が起きるかどうかは、主に電力密度によって決まります。多くの工学用合金は、1平方センチメートルあたり100万ワットを超える照射を受けたときに確実に溶け始めます。必要なエネルギー量を決定するうえでは熱伝導率も大きな役割を果たします。たとえば銅の熱伝導率は401ワット毎メートルケルビンであるのに対し、チタンはわずか22ワット毎メートルケルビンです。つまり、同程度の溶融深さを得るには銅の方が約3倍のエネルギーを必要とするのです。溶接品質を維持するには、慎重な温度管理が不可欠です。ピーク温度が材料の蒸発に必要な温度の80％を超えると、過剰な蒸気膨張により最終製品に不要な気孔が生じる問題が発生します。

伝導モード対キーホールモード：発生する状況とその理由

溶接モードの選択は、制御性と溶け込み深さの間における根本的なトレードオフを反映しています：

伝導溶接モードでは、熱が材料内で横方向に広がるため、熱入力を低く抑えたいバッテリーケースの密閉に最適です。レーザー強度が高くなると、キーホールモードに移行します。このとき、金属蒸気の圧力によって一時的な穴が金属内に形成され、レーザー光がワークに深く浸透できるようになります。この方法は15 mm程度の厚板造船用鋼材でも一パスでの溶接が可能ですが、オペレーターはパラメータを慎重に管理する必要があります。ビーム位置や出力レベル、トーチの移動速度が非常に重要です。工場環境では意外に頻繁に発生するキーホールの崩壊は、製品強度を低下させる厄介な気孔を生じさせ、再作業を要することがあります。

レーザー溶接機の主な構成部品

ファイバーレーザー光源：ポンピング、増幅媒体、およびビーム生成

ファイバーレーザーは、半導体ダイオードを用いて希土類元素を含む特殊な光ファイバーを励起することにより、明るく集光された光を生成する。このプロセスでは、これらの増幅媒体内部で誘導放出が発生し、波長約1,060〜1,080ナノメートルの安定したレーザー光束が得られる。この波長帯域は、ほとんどの金属がエネルギーを最も効率よく吸収する範囲に一致しており、産業用途に最適である。ビーム品質の良さも非常に重要である。M二乗値が1.1未満という形で測定される高いビーム品質により、レーザーをより小さなスポットに集光でき、切断や溶接時の材料貫通深度を深めることができる。熱管理についても製造業者が無視できるものではない。過度の温度上昇があると出力が著しく低下する。昨年『Material Processing Journal』に掲載された研究によると、設計想定を超える毎に10℃上昇するごとに、出力は約15%低下する。

ビーム供給、集光光学系、および出力密度制御

レーザー光は柔軟な光学ファイバーを通ってさまざまな照射部品に届けられ、保護ウィンドウ、コリメータ、ガルバノスキャナー、そしてビームを20マイクロメートルの範囲にまで絞り、形状を整えて焦点を合わせる特殊なF-シータレンズなどに至ります。鍵穴モード（キーホールモード）で作業する場合、これらのレーザーは毎平方センチメートルあたり100万ワットを超える高出力密度を発生させ、実質的に素材がほぼ瞬時に気化することを意味します。レーザーの焦点距離を変更したり、円形振動などの技法を用いたりすることで、溶接中の溶融プールの安定性を保ち、不要な飛散物を低減できます。たとえば焦点距離の調整では、より短い焦点距離に設定することで出力密度が約40％向上しますが、焦点深度の許容範囲が狭くなるため、さまざまな部品に対して一貫した高品質な溶接を行うには非常に高い精度のモーションコントロールシステムが必要になります。

溶接形成プロセス：照射から完全な接合まで

溶融プールの動態、キーホールの安定性、および凝固組織

レーザー光線が材料に当たると、その部分は融点を超えて急速に加熱され、溶接モードに応じて異なる挙動を示す溶融池が形成されます。キーホール溶接では、蒸気圧によって深く狭い穴（キーホール）が生じ、深さが25 mmに達することもあります。この空洞の安定性は欠陥にとって非常に重要であり、昨年の『Journal of Materials Processing』の研究によると、キーホールが崩壊すると乱流が発生し、約12％の製品溶接部に気孔が生じる可能性があります。伝導モード溶接では、はるかに浅い溶融池が形成され、流体の動きが少なく比較的静かな状態が保たれます。レーザーが移動するにつれて、冷却速度が毎秒100万度以上と極めて高いため、金属はほぼ瞬時に凝固します。この非常に速い冷却により、結晶粒組織が改善され、継手の強度を低下させるもろい金属間化合物が低減されます。試験結果では、従来のアーク溶接で作られた類似部品と比較して、レーザー溶接された部品は約30％延性が高くなることが示されています。良好な結果を得るには、キーホールの形状と冷却速度の両方を正確に制御することが極めて重要です。そのため、レーザー溶接装置が適切に設定されているかどうかが、均一な粒状組織が得られるか、あるいは応力を集中させる問題のある枝晶構造になるかの違いを生み出します。

なぜレーザー溶接が精密性と高性能を実現するのか

レーザー溶接は、コヒーレントな光を0.1mm以下の非常に小さなスポットに集束させ、ビームの広がりを0.1度以下に抑えることで極めて高精度になります。これにより1平方センチメートルあたり1MWを超える高出力密度が実現され、材料は必要な箇所だけを瞬時に溶かすことができ、熱影響部を約0.5mmと非常に小さく抑えられます。これは従来のアーク溶接の5〜15mmと比較して大きな利点です。その結果、部品の変形がほとんどなく、母材の金属的性質が維持され、アルミニウムリチウムやニチノールといった難しい合金も問題なく加工できます。現代のシステムには、ビーム振動やパルス成形といった機能があり、溶融金属の流れや凝固過程を制御することが可能です。ロボットアームと組み合わせることで、レーザー溶接機は毎秒100mmを超える驚異的な速度で、一貫性があり強度の高い継手を形成でき、TIG溶接やMIG溶接に比べて2〜10倍の速さを実現します。これらのシステムは、銅とアルミニウムを接合する際に発生する厄介な金属間化合物層を慎重に管理しながら、さまざまな困難な姿勢や異種材料の組み合わせにも対応できます。航空宇宙部品から医療機器、電気自動車に至るまで、多くの業界の製造業者は、不良品の削減、仕上げ工程の必要性の低減、そして全体的な生産性指標の向上を実感しています。