テクニカルレポート 2023 No.1
高反射材料の溶接に最適な新世代レーザー対応3Dガルバノヘッドユニットの開発
～Photonix 2022 光・レーザー技術展の振返り～

Blue (465nm)とIR(1070nm)をそれぞれ別の導光ファイバーから出射するものです。光学ヘッド側で光路を合成して、加工面上の1点に照射します。BlueとIRを重畳した加工面上の集光スポットは、高エネルギーのIRのビームの周りを、比較的広範囲に広がったBlueが取り囲むような同心状となります。
アルミ・銅などの高反射材料に対して吸収率の高いBlueを照射して加工面の温度を上げることにより、IRの吸収率を高め、かつ溶融金属の挙動を安定化させることが可能で、IR単独では難しいとされていた、安定した深い溶け込みを得ることができます。

波長1070nmのマルチコアのファイバーレーザーの一種です。導光ファイバーは、コアの周りに薄いクラッド層をはさんでリング状の第２のコアが配置されており、それぞれ、コアとクラッドの境界面で反射を繰り返し、それぞれ独立してコア内を進んでいきます。これと組み合わせる光学ヘッドにより、ファイバー端の同心円状の輝度分布が、共役である加工面上に結像投影されるので、加工面上に同心円状の輝度分布をもつレーザービームを照射することができます。溶接現象の安定化の原理は上記のハイブリッドレーザーと同様で、センタービームの周りのリングのエネルギーが溶融金属の挙動を安定化させる効果があります。
波長がIRなので、アルミ・銅に対する吸収率は従来のファイバーレーザーと変わりませんが、加工面上の径とエネルギーを最適化することで、銅のバスバー溶接で良好な結果を得た事例が報告されています。

これらの新世代レーザーは、以前より主に使用されているシングルコアのファイバーレーザーと比べて、溶け込みの安定やスパッタ低減など、様々な好ましい特長があり、今後の用途の広がりが期待できるものです。いずれも２系統のレーザー発振器を備え、それぞれ独立してパワー制御が可能です。

高反射材料への吸収率が高いBlueレーザーと、ハイパワーで集光特性に優れたIRレーザーとを重畳することで、IR単独では達成できない深い溶け込みを得ることができます。またIRレーザーより広範囲を照査するBlueレーザーが溶融金属の振る舞いを安定化させることで、スパッタの発生を抑制する効果があり、生産性の向上に寄与します。
当社の3D方式は、カバーエリア周辺部にスキャンしても、BlueレーザーとIRレーザーにずれが生じない(倍率色収差の発生がない)構成となっており、2D方式によるハイブリッドスキャナと比較して優位性があります。

リングモードレーザー対応機では、ガルバノコントローラに追加した2系統レーザーパワー制御機能により、プロセスごとに最適なパワー比を設定可能で、低スパッタで生産性の高い溶接を行うことができます。センタービームとリングビームはともにIRであり、本来銅などの高反射材料への吸収率は高くないのですが、銅のバスバー溶接の用途で、パワー比率と集光径の最適化により、良好な結果を得た事例も報告されており、鉄材(車体溶接)や銅(モータ巻線やバスバー)など、対象金属を問わず、多くの用途での採用が見込まれています。本製品は2023年中に発売を予定しています。

ガルバノコントローラ3000CDでは、レーザーを照射するコマンドに、独立した２つのパワー引数を設定可能とすることで、ハイブリッドレーザーやリングモードレーザーなど、２系統の発振器をもつ新世代レーザーに対して、それぞれを自在にパワー制御することが可能です。これにより、プロセスごとに条件の設定が可能となり、常に最適な溶接を実現します。

ハイブリッドレーザー対応機、リングモードレーザー対応機ともに、今後想定されるレーザーのハイパワー化に対応していきます。現在は主として銅の溶接での引合いが多いですが、今後は、割れやすいアルミ溶接への応用や、従来のシングルコアでは生産性の限界に達しつつある車体などの薄板溶接への応用といった市場ニーズに応えていきます。そして、これらの製品により、ますます競争激化するEV関連コンポーネントの生産性向上を通じて、社会に貢献していきます。