レーザー溶接 — 溶接プロセス

は他のどのアーク溶接とも全く違う仕組みだ。ここではではなく、集束されたレーザービームが金属を溶かす。ビームはエネルギーを何分の一ミリという一点に集中させる——エネルギー密度が高すぎて金属は瞬時に蒸発し、「蒸気孔」(キーホール)ができる。レーザーは材料を「突き刺し」、焦点の後ろで溶融池が閉じてビードになる。

結果は被覆アーク溶接の正反対だ:

• 極めて細く深いビード: 深さと幅の比は10:1以上にもなる。

• 最小限の: 熱は一点に集中し、部材の残りは冷たいまま——歪みも組織変化もほとんどない。

• 最高速度: 薄板は一瞬で溶接できる。

さらに: 非接触。 レーザーには電極も、ワイヤ接触も、トーチをワークに当てる必要もない。これによりアクセスしにくい箇所でのや、ロボットによる完全自動化が可能になる。

どんなレーザーがある?

光を発生させる媒質で区別する:

• CO₂レーザー (10,6 µm): 厚い鋼板の定番。長らく標準だったが、現在の溶接技術ではほぼ置き換わった。

• ファイバーレーザー (約1,06 µm): 現代の標準。コンパクトで最高効率、光はガラスファイバーで導ける。ロボットや細かいビードに最適。

• ディスクレーザー (約1,03 µm): 非常に高い出力と優れたビーム品質——厚板と高速溶接向け。

• ダイオードレーザー: 半導体から直接、より柔らかいビーム——どちらかといえばろう付けや肉盛り溶接向け。

以前はNd:YAG固体レーザー (1,06 µm)がつなぎの選択肢だったが、今はファイバーとディスクレーザーが主流だ。

なぜアンペアではなくワット?

それは全く別の物理量だからだ。では出力は電流×電圧——アーク電圧はほぼ一定(20–40 V)なので、アンペア単位の電流が直接熱を制御する。レーザーではビームが光(光子)を供給し、電流ではない——関連する直接測定可能な量は光学出力 = エネルギー毎秒 = ワットだ。ビームに「電流」などそもそも存在しない。装置はコンセントから電力(これもワット)を引き込むが、30–50 %の効率でレーザー光に変換する。だからレーザーは光学出力のワットで分類され、板厚に応じて典型的には0,5–20 kWだ。

どのガスを使う?

プロセス/はレーザーで二つの役割がある: 溶融池を酸化から守り、かつビームを弱めるビード上のプラズマ雲を制御する:

• ヘリウム: プラズマを最もよく抑制——深い溶接、特にCO₂レーザー向け。

• アルゴン: 鋼とステンレスに対するファイバーおよびディスクレーザーの標準。

• 窒素: ステンレス向け(組織を安定化)、ただしブローホールの危険あり。

• 亜鉛メッキ板: 蒸発する亜鉛がビードを割る可能性があるため、特殊な混合ガス。

二つの基本プロセス:

• 熱伝導溶接: 低出力ではビームは表面だけを溶かす——ろう付けに似た、広く平らで滑らかなビード。

• 深溶込み溶接 (キーホール): 高出力ではビームが材料を貫通——構造接合向けの深く細いビード。

用途は精密と量産の領域だ: 自動車(ボディ部品、トランスミッション)、電池セル、電子機器筐体、医療技術部品、そして歪みが問題になるあらゆるもの。

代償: 装置は高価で、開先準備は正確でなければならず(ギャップはほぼゼロ)、安全面ではクラス4のレーザーと密閉キャビンが要求される。工場の単品製作ではレーザーはまれにしか第一選択にならない——そこではMAGかTIGが支配する。