レーザー溶接の可視化

レーザー溶接とは熱源にレーザーを用いた溶接工法になります。広いビード幅で加工する従来のアーク溶接と異なり、細く深くスポット加工を行えます。
電流値やシールドガスなど、環境や製品ごとに複雑に変化する因子が無いこともあり、光の制御を軸に最適化が行いやすいとされます。
そのため、加工速度や仕上がり品質を高めやすい次世代の工法と言われています。

レーザー溶接は、元々CO2レーザーを熱源とする方式から始まり、ファイバー伝送可能なYAGレーザーを用いた方式に置き換わりました。
近年ではビーム品質が良く拡がりが小さいファイバーレーザーが普及してきました。
低価格なYAGレーザー溶接機に対し、導入コストはかかるもののメンテナンスフリーで微細加工が得意なファイバー溶接機が、レーザー溶接機市場の主流になっている状況です。

レーザー溶接のメリットは、アーク溶接と異なり板厚が薄くても熱ひずみが少ないことが挙げられます。

レーザー溶接はスポット径に依存した狭い範囲の溶融のため一見、強度が不足しそうですが、溶込みが深いため溶接部に十分な強度を確保できることが特徴です。
実際に耐久試験してみると大半の溶接条件では、アーク溶接よりも溶接強度が確保できています。
何よりもアーク溶接よりも溶接焼けなど表面の品質低下が抑えられ、溶接棒を入れずに溶接しているので肉盛り部分を研磨しないで済みます。
仕上げ工数を削減できるため、生産性の向上と製造原価を抑えることが可能になります。

デメリットは、溶融箇所が狭いことに起因することが多いです。
例えば突合せ溶接時は隙間に弱くギャップがあると、溶融面積が乏しいレーザー溶接では、スポット径を超える隙間がワーク間で発生してしまうと、接合不良となります。

またレーザー溶接は光の集束による加工のため、スパッタやヒュームの影響で屈折率が変わると焦点がずれて出力低下が起きます。
入熱が不安定な溶融状況となると、キーホールの崩壊によりブローホールの発生などが起きます。

これらの溶接欠陥に対しては、レーザービームを細かく振るウォブリングにより、スポット径よりもビード幅を広くとる工法や、スパッタレスの溶接機やアシストガス流の最適化など、様々な創意工夫により改善が図られております。
レーザー溶接とアーク溶接をミックスし「深く・広く」を実現するハイブリッドな工法を用いた溶接機なども始まりました。

アーク溶接よりも溶接条件が制御しやすいため、レーザー溶接は革新的な技術開発の最前線にあります。
「より早く、より強く、より綺麗に」を実現するため、その解析評価も様々な手法が開発されました。

カトウ光研では溶接品質を高めるために、溶接中のプロセスを撮影することで品質改善のお手伝いをいたします。
溶け込みの瞬間を撮影するだけでなく、スパッタ・ヒューム、アシストガス流を可視化撮影するなどご案内させて頂きます。

レーザー溶接を可視化することは、一般的にはプラズマの発光を抑えて溶接中の状況を撮影することを指します。
レーザー溶接自体、レーザークラス４の危険な作業エリアに区分され立ち入ることができないため、溶接中のプロセスを目視で検証することはできません。

「レーザー溶接の可視化」では、区切られたブース内にカメラを設置し溶接を行い、撮影されたデータを後から確認することでどのような現象が起きているか評価できます。

レーザーが照射され溶融するところから流れて凝固するまでの流動、キーホールが形成される瞬間などを撮影することができます。
レーザー溶接自体、非常に高速の現象のため、人が認識できる時間分解能（30fps程度）の撮影速度では何が起きたか分かりません。
おおよそ10,000fps以上のハイスピードカメラ撮影が必須となります。

レーザー溶接中を可視化することで...

• 溶接中にどのような金属が溶けて凝固するのか？ プロセスを映像化できる
• 溶接不良が発生している場合 欠陥がどこに起因するか？ 瞬間を映像で確認できる
• 対策を講じた際に改善に結びついているか？ 成果を目の当たりにしながら評価していくことができる
• モデリングによる妥当性の検証で説得力のある映像が撮れる
• 「レーザー溶接の可視化」は最短距離で有効な改善策が打て 業務全体のコストを軽減できる
• 実測による確かなエビデンスを取得できる