レーザービーム溶接とアーク溶接は、いずれも長年にわたり工業生産に用いられており、材料接合技術分野において幅広い用途を可能にしています。これらのプロセスはそれぞれ、ワークピースへのエネルギー伝達の物理的プロセスと得られるエネルギーの流れによって説明されるように、特定の適用分野を持っています。エネルギーは、光ファイバーケーブルを用いて、高エネルギー赤外線コヒーレント放射によってレーザービーム源から加工対象材料に伝達されます。アークは、アーク柱を介してワークピースに流れる高電流によって、溶接に必要な熱を伝達します。レーザー放射は、溶接深さと溶接幅の比率が大きい（深溶接効果）非常に狭い熱影響部をもたらします。レーザー溶接プロセスのギャップブリッジング能力は、焦点径が小さいため非常に低いですが、一方で非常に高い溶接速度を実現できます。アーク溶接プロセスはエネルギー密度がはるかに低いですが、ワークピース表面に大きな焦点スポットを形成し、処理速度が遅いという特徴があります。これら二つのプロセスを融合させることで、有益な相乗効果が得られます。最終的には、品質面と生産技術面の両方でメリットが得られるだけでなく、コスト効率の向上も実現できます。このプロセスは、自動車産業をはじめとする様々な分野で、興味深く経済的に魅力的な用途を提供します。特に、溶接部の許容誤差が大きくなり、接合率が向上し、非常に優れた機械的・技術的特性が得られる点が大きな利点です。
1. はじめに：
レーザー光とアークを組み合わせた複合溶接プロセスは1970年代から知られていましたが、その後長らく開発は行われませんでした。近年、研究者たちは再びこのテーマに注目し、ハイブリッド溶接プロセスにおいてアークの利点とレーザーの利点を融合させようと試みています。初期の頃はレーザー光源が産業用途に適していることを証明する必要がありましたが、現在では多くの製造企業において標準的な技術設備となっています。
レーザー溶接と他の溶接プロセスを組み合わせたものを「ハイブリッド溶接プロセス」と呼びます。これは、レーザービームとアークが同一の溶接領域で同時に作用し、互いに影響し合い、補完し合うことを意味します。
2. レーザー：
レーザー溶接では、望ましい「深溶接効果」を得るために、高出力のレーザーだけでなく、高品質のビームも必要となる。結果として得られる高品質のビームは、焦点径を小さくするか、焦点距離を大きくするために利用できる。
現在進行中の開発プロジェクトでは、出力4kWのランプ励起固体レーザーが使用されている。レーザー光は600μmのガラスファイバーを通して伝送される。
レーザー光は光ファイバーを通して伝送され、その始点と終点は水冷されている。レーザービームは焦点距離200mmの集束モジュールによって加工対象物に照射される。
3. レーザーハイブリッドプロセス：
金属ワークピースの溶接では、Nd:YAGレーザービームは10⁶W/cm²以上の強度で集束されます。レーザービームが材料の表面に当たると、その部分が蒸発温度まで加熱され、金属蒸気が放出されることで溶接金属内に蒸気空洞が形成されます。溶接シームの特徴は、深さ対幅比が高いことです。自由燃焼アークのエネルギー流密度は10⁴W/cm²をわずかに上回ります。図1はハイブリッド溶接の基本原理を示しています。レーザービーム
ここに示されているように、アークからの熱に加えて、溶接部の上部の溶接金属に熱が供給されます。2 つの別々の溶接プロセスが連続して動作する逐次構成とは異なり、ハイブリッド溶接は、1 つの同じプロセスゾーンで両方の溶接プロセスが同時に動作する組み合わせと見なすことができます。どのアークまたはレーザープロセスが使用されるか、およびプロセスパラメータに応じて、プロセスは異なる程度で異なる方法で互いに影響し合います [1、2]。
レーザープロセスとアークプロセスの組み合わせにより、溶接の溶け込み深さと溶接速度の両方が向上します（どちらかのプロセスを単独で使用した場合と比較して）。蒸気キャビティから放出された金属蒸気は、アークプラズマに逆作用します。処理プラズマにおけるNd:YAGレーザー放射の吸収は無視できる程度です。2つの電力入力の比率の選択に応じて、プロセス全体の特性は、レーザーまたはアークのいずれかによって、より大きく、またはより小さく決定されます[3,4]。
図1：レーザーハイブリッド溶接の概略図
レーザー光の吸収は、ワークピース表面の温度に大きく影響されます。レーザー溶接プロセスを開始する前に、特にアルミニウム表面では、まず初期反射率を克服する必要があります。これは、特別な開始プログラムで溶接を開始することで実現できます。蒸発温度に達すると、蒸気空洞が形成され、その結果、ほぼすべての放射エネルギーをワークピースに投入できるようになります。したがって、このために必要なエネルギーは、温度に依存する吸収率とエネルギー損失量によって決まります。
伝導によってワークピースの残りの部分に熱が伝わります。レーザーハイブリッド溶接では、蒸発はワークピースの表面だけでなく、溶加材ワイヤからも起こるため、利用可能な金属蒸気の量が増え、結果としてレーザー光の入射が容易になります。これにより、プロセスの中断も防止されます[5, 6, 7, 8, 9]。
4. 自動車用途：
スペースフレーム技術を用いることで、鋼鉄製の車体と比較して43％の軽量化が可能となる。
図2：アウディ スペースフレーム A2 コンセプト
アウディA2スペースフレームは、30mのレーザー溶接（図2の黄色の部分）と20mのMIG溶接で構成されています。さらに、1700個のリベットも使用されています。
図3：アウディA2におけるプロファイルと接合技術の比較
図4は、ALMg3鋳造材とAlMgSi板材をレーザーハイブリッド溶接した接合部を示しています。溶加材はAlSi5、シールドガスはアルゴンです。レーザー出力を上げると、溶け込み深さが深くなります。このようにレーザービームとアークを組み合わせることで、レーザービーム溶接単独の場合よりも大きな溶融池が得られます。これにより、より広い隙間を持つ部品の溶接が可能になります。
図4：0.5mmの隙間がある重ね継ぎ目
自動車産業では、接合部の準備なしに重ね溶接を行う用途が数多くあります。AA 6xxx合金は高温割れを起こしやすいため、現在、この溶接作業における最先端のプロセスは、コールドフィラーワイヤを用いたレーザー溶接プロセスです。フィラーワイヤを用いて接合部を溶接する場合、レーザーエネルギーの大部分はフィラーワイヤを溶融するために消費されます。
次の図は、溶接速度2.4m/minの重ね継手におけるLaserHybrid溶接とレーザー溶接の違いを示しています。レーザー溶接の場合、溶接ビードを埋めることはできず、アンダーカットが発生します。また、母材への溶け込みも非常に小さいです。溶接ビードの幅が非常に小さいため、引張強度は低くなります。LaserHybrid溶接の場合、
追加の材料が溶融池に搬送されます。アンダーカットはMIG溶接で使用されたワイヤで埋められ、レーザーエネルギーの一部が節約されます。この節約されたレーザーエネルギーは、母材への溶け込み深さを増すために使用でき、溶接ビードの幅は数値シミュレーションで要求される材料の厚さよりも大きくなります。
図5 レーザーハイブリッド溶接と溶加材なしレーザー溶接の比較
LaserHybrid溶接法では、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼などの材料を最大4mmの厚さまで溶接できます。厚さが厚すぎると、完全な溶け込みは不可能です。亜鉛めっきされた材料の接合には、レーザーろう付け法を用いるのが望ましいです。
自動車分野におけるその他の応用例としては、パワートレイン、車軸、車体などがあり、これらの分野ではレーザーハイブリッド溶接プロセスが適している。
溶接ヘッド：
溶接ヘッドは、特に自動車ボディ分野において、溶接対象部品へのアクセス性を確保するために、幾何学的寸法が小さい必要がある。さらに、ロボットヘッドへの適切な着脱接続と、焦点距離やトーチのスタンドオフ距離などのプロセス変数をすべての直交座標で調整できる設計にする必要がある。図5は、溶接プロセスが動作しているときの溶接ヘッドを示す。溶接プロセス中に発生するスパッタリングにより、保護ガラスの汚れが増加する。石英ガラスは両面に反射防止コーティングが施されており、レーザー光学系を損傷から保護することを目的としている。
汚れの程度によっては、ガラス上に蓄積したスパッタによって、ワークピースに実際に当たるレーザー出力が最大 90% 低下する可能性があります。汚れがひどい場合は、放射エネルギーの大部分がガラス自体に吸収され、ガラスに熱応力が発生するため、保護ガラスが破壊されるのが一般的です。この溶接ヘッドと溶接装置を使用すると、レーザーハイブリッド溶接、レーザー溶接、MSG 溶接、レーザーホットワイヤーろう付け。
図6：溶接ヘッドと溶接プロセス
5．レーザーハイブリッド溶接の利点：
アークとレーザービームの融合により、以下の利点が得られます。レーザーハイブリッド溶接のレーザー溶接に対する利点：
・プロセス安定性の向上
・より高い橋渡し能力
・より深い浸透
・設備投資コストの削減
・より高い延性
レーザーハイブリッド溶接がMIG溶接に比べて優れている点：
・溶接速度の向上
・溶接速度が速いほど溶け込みが深くなる
・熱入力が低い
・より高い引張強度
・溶接継ぎ目が狭い
図7：2つのプロセスを組み合わせる利点
アーク溶接プロセスは、低コストのエネルギー源、優れたブリッジ能力、および溶加材の添加による構造への影響の容易さを特徴としています。一方、レーザービームプロセスの際立った特徴は、大きな溶接深さ、高い溶接速度、低い熱負荷、および狭い溶接シームを実現することです。一定のビーム密度を超えると、レーザービームは金属材料に「深溶接効果」を生み出し、レーザー出力が十分に高ければ、より厚い肉厚の部品を溶接することが可能になります。したがって、レーザーハイブリッド溶接は、アークとレーザービームの相互作用による溶接速度の向上、プロセスの安定化、熱効率の向上、およびワークピース公差の拡大を実現します。溶融池はMIGプロセスよりも小さいため、熱入力が少なくなり、熱影響部も小さくなります。これは、溶接部が少なくなることを意味します。
歪みを軽減することで、溶接後の矯正作業の量を減らすことができる。
2つの独立した溶融池がある場合、アークからの熱入力により、レーザービーム（溶接部）は、特に鋼材の場合、溶接後の焼き戻し処理を受け、溶接部全体に硬度がより均一に分布します。図6は、この複合（ハイブリッド）プロセスの利点をまとめたものです。
次に、ハイブリッド溶接がレーザー溶接に比べて経済的に優れている点について述べます。溶接部は、レーザー溶接とMIG溶接が組み合わさって形成されます。ハイブリッド溶接ではレーザービームの出力を低減できるため、レーザー光源のエネルギー消費量を大幅に削減できます。レーザービーム装置の効率はわずか3%です。つまり、ワークピースに照射されるレーザービームの出力を1kW低減すると、電力会社からの消費電力を約35kVA削減できるということです。
レーザービーム装置のコストは、1kWあたり約0.1mユーロです。レーザービーム出力例えば、ハイブリッドプロセスを採用することで、4kWのビーム出力を持つレーザー装置の代わりに2kWのレーザー装置を使用できるようになる場合、投資額を20万ユーロ削減できます。ただし、ハイブリッドプロセスには約2万ユーロのMIG溶接機が必要となることを忘れてはなりません。
溶接速度の向上により、製造時間と溶接コストの両方を削減できる。
6. レーザーホットワイヤーろう付け：
レーザービームとフィラーワイヤを組み合わせるもう1つの方法は、LaserHotwireプロセス[10]です。この手順では、フィラーワイヤは同じ電源で予熱され、レーザーハイブリッド溶接プロセス溶加ワイヤの電流負荷は100Aから220Aです。ワイヤ送給速度は、ろう付けビードの断面積とろう付け速度によって決まります。ろう付けは、溶加材の量によって、同等の溶接継ぎ目よりも容易に仕上げられる成形材料を提供します。板材をろう付けすることで、溶接継手の場合よりも簡単に修理作業を行うことができます。レーザーホットワイヤろう付けの利点の1つは、ろう付け部の耐食性が高いことです。
充填金属としては、SG-CuSi3などの安価な銅系合金が使用され、アルゴンがシールドガスとして用いられる。
図8：模式図レーザーホットワイヤーろう付け:
次の図は、レーザーホットワイヤろう付けされた材料の断面図を示しています。亜鉛めっきされた材料は、3 m/分の速度でろう付けされ、溶加ワイヤの電流負荷は205 Aです。熱入力が非常に低いため、ろう付けプロセスによる歪みは小さくなります。
7．要約：
レーザーハイブリッド溶接は、金属加工業界の幅広い分野で相乗効果をもたらす全く新しい技術であり、特に、必要な部品公差を達成することが不可能または経済的に実現不可能な場合に有効です。レーザービーム溶接複合プロセスの適用範囲の拡大と高い能力により、投資支出の削減、製造時間の短縮、製造コストの低減、生産性の向上といった点で競争力が強化される。
レーザーハイブリッドプロセスは、アルミニウム溶接に新たなアプローチを提供します。しかし、固体レーザーの出力パワーが向上したおかげで、実用的に安定したプロセスが実現したのは比較的最近のことです。レーザーアークハイブリッド溶接プロセスの基礎については、数多くの研究が行われてきました。「ハイブリッド溶接プロセス」とは、レーザービーム溶接とアーク溶接プロセスを組み合わせ、単一のプロセスゾーン（プラズマと溶融金属）のみを使用することを意味します。基礎研究では、2つのプロセスを組み合わせることで相乗効果が得られ、それぞれのプロセスの欠点を補うことができ、さまざまな材料や構造物に対して溶接の可能性、溶接性、溶接信頼性が向上するプロセスが実現可能であることが示されています。特に、アルミニウム合金においてこれが実証されています。適切なプロセスパラメータを選択することで、形状や構造構成などの溶接特性を選択的に制御することが可能です。アーク溶接プロセスは、溶加材を添加することでブリッジング性を向上させ、溶接シームの幅を決定するため、必要なワークピースの準備量を削減できます。さらに、各工程間の相互作用により、プロセスの効率が大幅に向上する。また、この複合プロセスは、レーザー溶接プロセスに比べて、投資コストがかなり少なくて済む。
レーザーホットワイヤーろう付けプロセスは、特に亜鉛めっき材に対して優れた耐食性を得るために使用できる。
投稿日時：2025年4月18日
