自動車車体製造における8つのレーザー溶接プロセス

レーザー深溶融溶接、レーザーフィラー溶接、レーザーろう付け、レーザーアーク複合溶接などの溶接プロセスは、より成熟した理論と幅広い実用化実績を有しています。自動車業界における車体溶接効率への要求の高まりや、軽量化製造における異種材料溶接の需要増加に伴い、レーザースポット溶接、レーザー振動溶接、マルチレーザービーム溶接、レーザーフライト溶接などが注目を集めています。

レーザースポット溶接プロセス

レーザースポット溶接は、高速溶接と高精度溶接という優れた利点を持つ先進的なレーザー溶接技術です。レーザースポット溶接の基本原理は、溶接対象物上の一点にレーザービームを集束させ、その点の金属を瞬時に溶融させることです。レーザー密度を調整することで熱伝導溶接や深溶融溶接効果を実現し、レーザービームの照射が停止すると、溶融金属が還流・凝固して接合部を形成します。

レーザースポット溶接には、パルスレーザースポット溶接と連続レーザースポット溶接の2つの主要な形態があります。パルスレーザースポット溶接では、レーザービームのピークエネルギーは高いものの、照射時間が短いため、マグネシウム合金やアルミニウム合金などの軽金属の溶接に一般的に使用されます。一方、連続レーザースポット溶接では、レーザービームの平均出力が高く、照射時間が長いため、主に鋼材の溶接に使用されます。

自動車ボディ溶接において、抵抗スポット溶接と比較して、レーザースポット溶接は非接触かつ自己設計可能なスポット溶接軌道という利点を持ち、自動車ボディ材の様々な重ね合わせギャップ下における高品質溶接の要求を満たすことができる。

レーザー振動溶接プロセス

レーザー振動溶接は、近年提案され、広く注目を集めている新しいレーザー溶接技術です。この技術の原理は、レーザー溶接ヘッドに振動ミラーを組み込むことで、レーザービームの高速かつ規則的な小振動を実現し、レーザー溶接中に前進しながらビームを攪拌する効果を得るというものです。

レーザー振動溶接プロセスにおける主な振動軌道には、横方向振動、縦方向振動、円形振動、無限振動があります。レーザー振動溶接プロセスは、溶融池の流れ状態がレーザービームの振動によって大きく変化するため、自動車ボディ溶接において大きな利点があります。このプロセスにより、同一自動車ボディ材の溶接では未溶融欠陥の除去、結晶粒微細化、気孔率の抑制が可能となり、異種自動車ボディ材の溶接では異なる材料の混合不足や溶接部の機械的特性の悪さといった問題を改善できます。

マルチレーザービーム溶接プロセス

現在、ファイバーレーザーは、溶接ヘッドに搭載されたビームスプリッターモジュールを用いて、単一のレーザービームを複数のレーザービームに分割することが可能です。マルチレーザービーム溶接は、溶接工程において複数の熱源を用いることに相当します。ビームのエネルギー分布を調整することで、異なるビームにそれぞれ異なる機能を持たせることができます。例えば、エネルギー密度の高いビームは主ビームとして深溶融溶接を担い、エネルギー密度の低いサブビームは材料表面の洗浄や予熱を行い、材料によるレーザービームエネルギーの吸収率を高めることができます。

マルチレーザービーム溶接プロセスは、亜鉛メッキ鋼板の溶接中に亜鉛蒸気の蒸発挙動と溶融池の動的挙動を改善し、スパッタリングの問題を改善し、溶接部の引張強度を高めることができる。

レーザー飛行溶接プロセス

レーザー飛行溶接技術は、高い溶接効率と溶接軌道の自律設計を特徴とする新しいレーザー溶接技術です。レーザー飛行溶接の基本原理は、走査ミラーのX軸とY軸にレーザービームが入射した際に、ミラーの角度を自律プログラミングによって制御することで、レーザービームを任意の角度に偏向させるというものです。

従来、自動車ボディのレーザー溶接は、溶接ロボットがレーザー溶接ヘッドを同期的に駆動することで溶接効果を得ていました。しかし、溶接箇所が多く、溶接長も長いため、溶接ロボットの往復運動が繰り返し行われることで、自動車ボディ溶接の効率が著しく制限されていました。一方、レーザー飛行溶接では、反射鏡の角度を調整するだけで一定範囲内での溶接が可能です。そのため、レーザー飛行溶接技術は溶接効率を大幅に向上させることができ、幅広い応用が期待されます。