スポット溶接は、高速かつコスト効率の良い接合方法です。気密性を必要としない重ね継手で薄板部品を接合するのに適しています。スポット溶接には、抵抗スポット溶接、アークスポット溶接、接着スポット溶接など、多くの種類があります。複合スポット溶接レーザースポット溶接。現在、抵抗スポット溶接は生産で広く使用されています。自動車産業を例にとると、車体パネル部品の組み立て中に3,000～4,000箇所の溶接が必要となり、250～300台のロボットと、それをサポートする制御システムやその他の補助機器が必要となります。しかし、抵抗スポット溶接は柔軟性に欠けます。急速な経済発展に伴い、自動車部品の幾何学的形状や構造の更新サイクルは非常に短くなっています。新製品や新モデルのアップグレードには、効率的で柔軟性のある新しいタイプのスポット溶接技術が必要です。そのため、レーザースポット溶接技術は徐々に注目を集めるようになり、自動車産業の生産で広く応用されることが期待されています。航空宇宙分野でも、レーザースポット溶接は代替技術として試験されています。航空宇宙製品の重ね継手は、長い間、一般的にリベット接合を使用してきましたが、これは多くの生産工程と重労働を伴います。アルミニウム合金、チタン合金、複合材料などの新素材の使用が増加するにつれて、従来の接合方法に代わる新しい溶接技術を採用することが主流の傾向となっています。これは生産効率の向上だけでなく、構造重量の軽減や新たな構造設計要件への対応にもつながり、航空宇宙製品にとって非常に重要な意義を持ちます。レーザースポット溶接の高い精度と柔軟性は、実用生産において大きな利点をもたらし、特に航空業界では、抵抗スポット溶接やリベット接合といった従来の方法に取って代わることができます。
I. レーザースポット溶接の定義と特徴
意味
レーザースポット溶接とは、単一のレーザーパルス（t > 1ms）または一連のレーザーパルスを同じ位置に照射して、ワークピースを溶融接合するプロセスを指します。
レーザースポット溶接は基本的に他のレーザー溶接プロセスと同様ですが、唯一の違いはスポット溶接中にレーザービームとワークピースの間に相対的なずれがないことです。レーザースポット溶接は、熱伝導溶接とキーホール溶接の2種類に分けられます。熱伝導スポット溶接では、レーザーは金属を溶融するだけで蒸発させることはできません。この方法は、電子部品のNd:YAGレーザースポット溶接のように、厚さが0.5mm未満の金属の溶接に適しています。キーホールレーザースポット溶接では、レーザーはキーホールを通して材料の内部に直接入り込むことができ、レーザーエネルギーの利用率を高め、より大きな浸透深さを実現できます。従来の抵抗スポット溶接は、電流によって発生する抵抗熱を使用してワークピースを溶融し、溶接スポットを形成しますが、レーザースポット溶接の熱源はレーザー放射であるため、溶接スポットの形状が大きく異なります。
レーザースポット溶接の調整可能なパラメータには、一般的にレーザー出力、スポット溶接時間、およびデフォーカス量が含まれます。パルスモードを使用するスポット溶接の場合、パラメータにはパルス波形、周波数、およびデューティサイクルも含まれます。これらのうち、レーザー出力は主に溶接スポットの溶け込み深さに影響を与え、スポット溶接時間は溶接スポットの横方向のサイズに大きな影響を与えます。一般的に、レーザー照射時間が長いほど、溶接スポットの上面と下面のサイズ、および溶融面のサイズが大きくなります。デフォーカス量の変化は主にスポット径とワークピース表面に作用するエネルギー密度に影響を与え、溶接スポットの全体的な形状に大きな影響を与えます。
特徴
- レーザーを熱源とするスポット溶接は、高速性、高精度、低熱入力、そしてワークピースの変形を最小限に抑えるという利点があります。
- スポット溶接位置の自由度が大幅に向上し、全姿勢スポット溶接が可能になり、容易に実現できます。片面スポット溶接これにより、製品設計の自由度が大幅に向上する。
- レーザースポット溶接は、重ね継手のサイズに対する要求が低い。重ね継手の数や溶接点間の距離といったパラメータに対する制約は最小限であり、電流分流の影響を考慮する必要もない。
- 厚みが異なる板材、異種材料、特殊材料（アルミニウム合金、亜鉛メッキ鋼板など）の溶接においては、レーザースポット溶接は従来のスポット溶接方法よりも優れた性能を発揮します。
- 多数の補助設備を必要とせず、製品変更に迅速に対応でき、市場のニーズを満たすことができる。
II. レーザースポット溶接の欠陥解析
レーザースポット溶接で最もよく見られる欠陥は、亀裂、気孔、垂れ下がりであり、以下でそれぞれについて詳しく分析する。
1. ひび割れ
亀裂は、表面亀裂と縦方向亀裂に分類されます。レーザースポット溶接では加熱・冷却速度が非常に速いため、加熱領域と周囲の金属との間に大きな温度勾配が生じ、亀裂が発生しやすくなります。亀裂の発生は材料と密接に関係しており、例えば、アルミニウム合金はステンレス鋼よりもレーザースポット溶接中に亀裂が発生しやすい傾向があります。亀裂の発生を抑制する効果的な方法は、パルス波形を最適化して金属凝固プロセスの冷却速度を制御し、内部応力を低減することです。
2. 毛穴
レーザースポット溶接における多孔質欠陥（気孔）は、小気孔と大気孔に分類できます。小気孔は主に、金属凝固中の溶融金属中の水素溶解度の低下、キーホール内の金属の急速な蒸発、および溶融プールの乱れによって発生します。大気孔は主に、レーザースポット溶接中の冷却速度が速すぎるために、キーホール周辺の金属が十分に充填されないことが原因です。一般的に、小気孔は長パルススポット溶接で発生しやすく、大気孔は短パルススポット溶接で発生しやすい傾向があります。
レーザースポット溶接において、気孔が発生しやすい箇所は2つあります。1つは溶接スポットの中央にある溶融ゾーン付近、もう1つは溶接部のルート部です。X線で撮影した溶融画像によると、溶融ゾーン付近の気孔は主にキーホールが閉じる際のくびれによって発生し、溶接部のルート部の気孔は主にキーホール形成後のレーザーの急速な消失によるキーホールの崩壊によって形成されます。
3. たるみ
レーザースポット溶接において、垂れ下がりはよく見られる現象です。溶接スポット表面の中央部の垂れ下がりと、その周囲への金属の蓄積は、金属の蒸発によって生じる反動力が溶融金属を溶接スポット表面に押し出すことによって引き起こされます。冷却過程において、表面に蓄積した金属は急速に凝固し、完全に埋め戻すことができません。さらに、金属の急速な蒸発と飛散による材料損失も、中央部の垂れ下がりの一因となります。パルス時間は、溶接スポット表面の垂れ下がりと気孔の形成の両方に大きな影響を与えます。パルス波形とパルス時間を最適化することで、良好な溶接スポットを得ることができます。
4. デフォーカス量が溶接箇所に与える影響
デフォーカス量の変化は、スポット径とエネルギー密度に直接影響を与えます。デフォーカス量が正負両方向に増加すると、スポット径は増加し、エネルギー密度は減少します。レーザースポット溶接では、スポット径と、試験片に照射されるレーザーによって形成される初期キーホールのサイズとの間に一定の対応関係があり、エネルギー密度は溶融池の膨張速度を決定します。デフォーカス量の絶対値が小さい場合、レーザースポット径は小さく、レーザー出力密度は高く、溶接スポット溶融池の膨張速度は速いですが、初期キーホールの直径は小さくなります。逆に、デフォーカス量が大きい場合、初期キーホールの直径は大きくなりますが、溶融池の膨張速度は遅くなり、結果として得られる溶接スポットのサイズは大きくならない可能性があります。したがって、デフォーカス量の変化に伴い、スポット径と溶接スポットの表面出力密度の総合的な影響によって溶接スポットのサイズが決まります。
III．レーザースポット溶接技術の応用
レーザースポット溶接は、高速、大きな溶け込み深さ、最小限の変形を特徴とし、簡単な溶接装置で室温または特殊な条件下で実行できます。さらに、高周波パルスレーザー（毎秒40パルス以上の周波数）の登場により、大量生産におけるマイクロおよび小型部品の組み立ておよび溶接にレーザースポット溶接が広く応用されるようになりました。ガラスと金属の接合、熱に弱い半導体回路の接合、ワイヤ内の異なる金属の接合など、熱影響部が小さい小型電子部品の溶接では、レーザースポット溶接は、汚染のない溶接スポットと高い溶接品質により、従来のスポット溶接プロセス（抵抗スポット溶接など）よりも有利です。図6-60は、自動車用ヘッドライトの製造におけるレーザースポット溶接の応用例を示しています。500Wの固体パルスレーザーが、非常に高いパルス周波数で4つの同様の溶接スポットを生成します。
高パルスエネルギーを用いて微細構造に高精度スポット溶接を行う場合、パルスNd:YAGレーザーは技術的にも経済的にも優位性があります。ほとんどの工業用スポット溶接用途では、平均出力50W、パルス出力2kW以上のパルス固体レーザーが一般的に使用されています。レーザーは光ファイバーまたは複合集光レンズを通してワークピースに直接照射することができます。
レーザースポット溶接は、幅広い材料に適用可能です。例えば、リチウム電池のスポット溶接では、Ndレーザーを使用します。YAGレーザースポット溶接技術異なる金属を接合する場合、TIG溶接や抵抗スポット溶接よりも効率的です。特に、製造工程で光ファイバーを用いてレーザーを伝送するため、様々な作業台間を迅速かつ柔軟に移動できるという利点があります。
要約すると、レーザースポット溶接には以下の特徴があります。
- レーザー出力の増加に伴い、溶接スポットの表面直径は上下に変動する一方、溶融面と下面の直径はゆっくりと増加する。溶接スポットの断面形状の変化は顕著ではない。照射時間が長くなるにつれて、溶接スポットのサイズは急速に増加し、溶融面直径の変化率は上下面直径の変化率よりも大きくなる。デフォーカス量の変化は溶接スポットのサイズに大きな影響を与える。デフォーカス量の変化はスポット直径とレーザー出力密度を直接変化させ、これら2つの要因の総合的な効果によって溶接スポットのサイズが決定される。
- 完全溶け込みの場合、レーザースポット溶接部の表面に明らかな垂れ下がりが見られる。レーザー出力と照射時間が増加するにつれて、溶接スポット表面の垂れ下がり深さも増加する。照射時間またはギャップサイズが大きい場合、下面にも凹みが生じる可能性がある。
- ギャップが大きくなるにつれて、溶接箇所の全体的な変形、中央部の垂れ下がり、および凹みが顕著になります。溶融面が縮小し、強度が急速に低下します。現在、抵抗器、バッテリー、および電子機器分野の溶接では、2つのスポットを同時に溶接するプロセスが一般的に使用されており、通常は2つのレーザー光源を備えた設計が採用されています。
投稿日時：2025年10月27日
