レーザー溶接の開発史

マイクロおよび小型部品の溶接方法 レーザー溶接は、高エネルギー密度のレーザービームを熱源として使用する、効率的で精密な溶接方法です。レーザー材料加工技術の重要な応用例の1つです。1970年代には、主に薄肉材料の溶接や低速溶接に使用され、溶接プロセスは熱伝導型でした。具体的には、レーザー光がワークピースの表面を加熱し、表面の熱が熱伝導によって内部に拡散します。レーザーパルスの幅、エネルギー、ピークパワー、繰り返し周波数などのパラメータを制御することで、ワークピースが溶融して特定の溶融池が形成されます。その独自の利点により、マイクロおよび小型部品の溶接に成功裏に適用されています。微細部品および小型部品の精密溶接。中国のレーザー溶接技術は、世界でも有​​数の先進レベルに位置づけられています。レーザーを用いて12平方メートルを超える複雑なチタン合金部品を成形する技術と能力を有し、国内の複数の航空研究プロジェクトにおける試作品および製品製造に活用されています。2013年10月には、中国の溶接専門家が溶接分野における最高学術賞であるブルック賞を受賞し、中国のレーザー溶接技術が世界トップレベルであることを改めて証明しました。

## 開発の歴史 世界初のレーザービームは、1960年にフラッシュランプでルビー結晶を励起することによって生成されました。結晶の熱容量に制限されていたため、低周波数の非常に短いパルスビームしか生成できませんでした。瞬間パルスピークエネルギーは最大10^6ワットに達しましたが、それでも低エネルギー出力に分類されました。ネオジム（Nd）を励起素子とするネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Nd:YAG）結晶棒は、1～8KWの出力を持つ連続単一波長レーザービームを生成できます。波長1.06μmのYAGレーザーは、柔軟な光ファイバーを介してレーザー加工ヘッドに接続でき、柔軟な装置レイアウトと厚さ0.5～6mmのワークピースの溶接に適しています。二酸化炭素を励起剤として用いるCO₂レーザー（波長10.6μm）は、最大25KWの出力エネルギーを実現し、厚さ2mmの板材を1パスで完全溶け込み溶接することが可能です。産業分野の金属加工に広く用いられています。1980年代半ば、レーザー溶接は新技術として、欧米および日本で広く注目を集めました。1985年、ティッセンクルップ・スチールAG（ドイツ）とフォルクスワーゲンAG（ドイツ）は協力し、アウディ100のボディに世界初のレーザー溶接ブランクを採用することに成功しました。1990年代には、欧米および日本の主要自動車メーカーが自動車ボディ製造にレーザー溶接ブランク技術を広く採用し始めました。研究所と自動車メーカー双方の実践経験から、レーザー溶接ブランクは自動車ボディの製造にうまく適用できることが証明されています。レーザーテーラー溶接は、レーザーエネルギーを使用して、異なる材質、厚さ、コーティングを持つ複数の鋼材、ステンレス鋼、アルミニウム合金などを自動的に接合および溶接して、一体型のプレート、プロファイル、またはサンドイッチパネルにします。これにより、部品のさまざまな材料性能要件を満たし、最も軽量で最適な構造と最高の性能を備えた機器の軽量化を実現します。ヨーロッパや米国などの先進国では、レーザーテーラー溶接輸送機器製造業界だけでなく、建設、橋梁、家電製品の板溶接製造、圧延ラインでの鋼板溶接（連続圧延での板接合）などの分野でも幅広く応用されています。世界的に有名なレーザー溶接企業には、Soudonic（スイス）、ArcelorMittal Group（フランス）、ThyssenKrupp TWB（ドイツ）、Servo-Robot（カナダ）、Precitec（ドイツ）などがあります。中国におけるレーザー溶接ブランク技術の応用は始まったばかりです。2002年10月25日、中国初のレーザー溶接ブランクの業務用生産ラインが正式に稼働を開始しました。これは、ThyssenKrupp TWB（ドイツ）から武漢ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Weldingによって導入されました。その後、上海宝鋼アルセロールレーザーテーラー溶接有限公司、第一汽車宝友レーザーテーラー溶接有限公司などの企業が相次いで生産を開始した。2003年には、海外で二重ビームCO₂レーザーフィラーワイヤ溶接とYAGレーザーフィラーワイヤ溶接A318 アルミニウム合金下部壁パネル構造の場合、この技術は従来の鋲接合構造に取って代わり、航空機胴体の重量を 20% 削減し、コストを 20% 節約しました。龔水利氏は、レーザー溶接技術が中国の伝統的な航空機製造業の変革と高度化において重要な役割を果たすと確信していました。彼はすぐに関連する予備研究プロジェクトに多数応募し、研究チームを組織し、中国の研究プロジェクトに「ダブルビームレーザー溶接」技術を導入する先頭に立ちました。彼は最初からこの技術を航空機製造に適用することを計画していました。中国の専門家チームは予備技術を航空機設計研究所に報告し、ダブルビームレーザー溶接の利点と実現可能性を推進しました。複数の検証と評価の後、設計研究所は特定の航空機のリブ付き壁パネルの製造にこの技術を適用することを決定し、「ダブルビームレーザー溶接」技術を航空機製造に適用するという当初の目標を達成しました。軽量合金用レーザー溶接フィラーワイヤの精密制御などの主要技術を突破し、統合された革新的なダブルビームレーザーフィラーワイヤハイブリッド溶接装置を開発し、中国初の高出力ダブルビームレーザーフィラーワイヤ溶接プラットフォームを確立し、大型薄肉構造のT継手のダブルビーム両面同期溶接を実現し、航空機リブ付き壁パネルの主要構造部品の溶接製造に初めて適用し、中国の新型航空機の開発に重要な役割を果たしました。2003年には、HG Laserが提供する国内初の大型オンラインストリップ溶接一式装置がオフライン受入試験に合格しました。この装置はレーザー切断、溶接、熱処理を統合しており、HG Laserはこのような装置を製造できる世界で4番目の企業の1つとなりました。 2004年、HG Laser Farley Laserlabによるプロジェクト「高出力レーザー切断、溶接および複合切断溶接加工技術と装置」が国家科学技術進歩賞の2等賞を受賞し、中国でこの技術と装置の研究開発能力を持つ唯一のレーザー企業となりました。産業用レーザー産業の急速な発展に伴い、市場はレーザー加工技術に対してより高い要求を突きつけています。レーザー技術は徐々に単一の用途から多様な用途へと移行してきました。レーザー加工に関しては、もはや単一の切断や溶接に限定されません。切断と溶接を組み合わせた統合レーザー加工装置に対する市場の需要が高まっており、その結果、統合レーザー切断溶接装置が登場しました。HG Laser Farley Laserlabは、9×3メートルの超大型フォーマットを持つ統合切断溶接機Walc9030を開発しました。これは現在、世界最大のフォーマットの統合レーザー切断溶接装置です。Walc9030は、レーザー切断およびレーザー溶接機能プロ仕様の切断ヘッドと溶接ヘッドを搭載し、2つの加工ヘッドは1本のビームを共有します。数値制御技術により、両者が干渉しないことが保証されます。この装置は、切断と溶接を同時に行う2つの工程を完了できます。切断を先にしてから溶接するか、溶接を先にしてから切断するかを自由に切り替えることができ、追加の装置を必要とせずに1台の装置でレーザー切断と溶接の両方の機能を実現します。これにより、アプリケーションメーカーの装置コストが削減され、加工効率と加工範囲が向上します。さらに、切断と溶接が統合されているため、加工精度が完全に保証され、装置の性能は効率的かつ安定しています。加えて、超大型板のテーラー溶接時の板の熱変形や、超長距離飛行光路の安定実現といった課題を克服しました。長さ6メートル、幅1.5メートルの平板2枚を一度に溶接でき、溶接面は追加の後処理なしで滑らかで平坦です。同時に、二次位置決めなしで、幅3メートル、長さ6メートル以上、厚さ20mm未満の板を1回の成形プロセスで切断できます。中国科学院瀋陽自動化研究所は、IHI株式会社（日本）と国際協力を行いました。「導入、消化、吸収、再革新」という国家科学技術開発戦略に従い、いくつかの重要な技術を克服しました。レーザーテーラー溶接2006年9月、中国初の完全レーザーテーラー溶接生産ラインを開発し、平面および空間曲線のレーザー溶接を実現するロボットレーザー溶接システムの開発に成功しました。2013年10月、中国の溶接専門家が溶接分野で最高の学術賞であるブルック賞を受賞しました。溶接協会（TWI、英国）は、120か国以上、4,000を超える会員組織から毎年候補者を推薦し、最終的に溶接または接合の科学技術とその産業応用への卓越した貢献を認めた専門家1名にこの賞を授与します。この賞は、龔水利氏とそのチームへの評価であるだけでなく、材料接合技術の進歩を促進するAVICの役割を改めて示すものです。

## 構造パラメータ

### 動作装置 レーザーは、光発振器と、発振器キャビティの両端にあるミラーの間に配置された媒質で構成されています。媒質が高エネルギー状態に励起されると、同位相の光波が発生し、それが両端のミラー間で反射を繰り返すことで光電効果が生じます。これにより光波が増幅され、十分なエネルギーが得られるとレーザー光が放出されます。レーザーは、電気エネルギー、化学エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、または核エネルギーなどの一次エネルギー源を、特定の光周波数（紫外線、可視光、または赤外線）の電磁放射ビームに変換する装置としても定義できます。この変換は、特定の固体、液体、または気体媒質で容易に行うことができます。これらの媒質が原子または分子の形で励起されると、ほぼ同じ位相でほぼ単一の波長を持つ光ビーム、すなわちレーザー光が生成されます。同位相性と単一波長という特性により、発散角が非常に小さく、溶接、切断、熱処理などの機能を提供するために、高集束される前に長距離伝送することができます。 ### レーザーの分類 溶接に使用されるレーザーは主に CO₂ レーザーと Nd:YAG レーザーの 2 種類です。CO₂ レーザーと Nd:YAG レーザーはどちらも肉眼では見えない赤外線です。Nd:YAG レーザーによって生成されるビームは主に波長 1.06μm の近赤外線です。熱伝導体はこの波長の光に対して比較的高い吸収率を持ち、ほとんどの金属の反射率は 20%〜30% です。近赤外線ビームは、標準的な光学レンズを使用して直径 0.25mm に集束できます。CO₂ レーザーのビームは波長 10.6μm の遠赤外線です。ほとんどの金属はこのタイプの光に対して 80%〜90% の反射率を持つため、ビームを直径 0.75〜1.0mm に集束するには特殊な光学レンズが必要です。 Nd:YAGレーザーの出力は一般的に4,000～6,000W程度ですが、現在では最大出力が10,000Wに達しています。一方、CO₂レーザーの出力は容易に20,000W以上に達することができます。高出力CO₂レーザーは、キーホール効果によって高い反射率の問題を解決します。光スポットが照射された材料表面が溶融すると、キーホールが形成されます。この蒸気で満たされたキーホールは黒体のようなもので、入射光のエネルギーをほぼすべて吸収します。キーホール内部の平衡温度は約25,000℃に達し、反射率は数マイクロ秒以内に急速に低下します。CO₂レーザーの開発は依然として装置の開発と研究に重点を置いていますが、もはや最大出力の増加ではなく、ビーム品質と集束性能の向上に重点が置かれています。さらに、10kWを超える出力のCO₂レーザー溶接でシールドガスとしてアルゴンを使用すると、強いプラズマが発生し、溶け込み深さが減少することがよくあります。そのため、プラズマを発生させないヘリウムが、高出力CO₂レーザー溶接のシールドガスとしてよく使用されます。高出力Nd:YAG結晶を励起するためのダイオードレーザーの組み合わせの適用は、レーザービームの品質を大幅に向上させ、より効率的なレーザー加工を形成する重要な研究開発テーマです。近赤外領域でレーザーを励起および出力するために直接ダイオードアレイを使用することで、平均出力1kW、光電変換効率がほぼ50%に達しています。ダイオードは寿命も長く（10,000時間）、レーザー装置のメンテナンスコストの削減に役立ちます。ダイオード励起固体レーザー（DPSSL）装置の開発も進んでいます。