レーザー加工機と加工技術

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レーザー加工機と加工技術の最新動向

【執筆】 最新レーザ技術研究センター 代表取締役　沓名 宗春

　レーザーが開発されて６５年が経過し、レーザー技術がさまざまな分野で利用されており、２１世紀には不可欠の重要技術になっている。６月にドイツのミュンヘンで開催されたレーザー展示会の内容も含め、レーザー加工技術の最新情報について紹介する。

レーザー加工機および周辺機器の開発動向

【１】 各種波長のレーザー加工機の開発

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　レーザー加工機はその波長により、加工特性が大きく異なる。極短波長のＥＵＶ（極端紫外線）レーザーから１０・６マイクロメートルの炭酸ガス（ＣＯ２）レーザーまで、１０種以上のレーザーが開発されている（表）。自動車産業や電機産業をはじめ、造船業、航空宇宙産業、機械産業、半導体産業、エネルギー産業、素材産業などの加工分野で適用されている。

　２０００年を境に、ＣＯ２レーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーの時代から高効率の半導体レーザーやファイバーレーザーの時代になった。レーザー加工機の性能も非常に向上し、モニタリングやスキャナー加工ヘッドなど周辺機器の発達とともに、欠陥のないレーザー加工が可能になってきた。レーザーの持つ特性を最大限引き出し、精密、高速、高品質および生産性の向上につながっている。

　レーザービームは数マイクロメートルまで集光できる微細熱源で、出力密度も１平方センチメートル当たり数十ギガワットまで高くでき、毎秒数十メートルの速さで加工できる熱源。波長も０・００２マイクロメートルから１０マイクロメートルまで多種のレーザー発振器があり、そのビームモード（出力分布）制御や発振モードの制御により、レーザー加工機の種類も多様である。

　米コヒレントや米ＩＰＧでは、ビームモードを任意に変えることができるＡＲＭ（Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　Ｒｉｎｇ　Ｍｏｄｅ）式ファイバーレーザーにおいて、ビーム中央部の出力と周辺部の出力を任意に変えることにより、スパッター（溶融金属の飛散）の少ない溶接を可能にした。

　また、中国のマックスではマルチモードのファイバーレーザーで多数のファイバーを用いて、各種ビームモードを実現できる装置も開発している。米エヌライトは回折光学素子（ＤＯＥ）を用いてコアビームとリングビームの出力比を変化した方式でビームモードを制御して、３Ｄプリンターでのレーザー積層造形に応用できる装置を開発している。

　ファイバーが１本のシングルモードのファイバーレーザーは高品質のビームが得られ、ビーム品質を表すＢＰＰ（Ｂｅａｍ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔ）が小さいのが特徴である。米ＩＰＧでは８キロワットのシングルモードファイバーレーザーを市販している。

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　ここ５年間で開発されてきた発振器に、高出力のグリーンレーザーやブルーレーザー（写真１）、ツリウムレーザーがある。自動車のバッテリーの溶接では、銅やアルミニウムの溶接が要求され、銅の吸収率が高いグリーンレーザーやブルーレーザーが利用されている。

　また、独レーザーラインや古河電工ではファイバーレーザーとブルーレーザーをハイブリッド化し、銅の吸収率を高めたレーザー装置を開発している。

　自動車分野や医療関係では、樹脂部品の溶接や切断に波長が約２マイクロメートルのツリウムレーザーが利用されている。樹脂へのビーム吸収率が高く、直接溶融が可能である。米ＩＰＧや米コヒレントから出力２５０ワット、３００ワットの装置が市販されている。今後、樹脂部品のレーザー加工に応用されると思われる。

　中国でもレイカスが４０キロワットのファイバーレーザーをコア径１００マイクロメートル、ＢＰＰ値が４・３ミリメートル・ミリラジアンの装置を開発している。レシはマルチファイバー方式でコア径１５０マイクロメートル、出力６０キロワットのファイバーレーザーを開発している。ＪＰＴはコア径５０マイクロメートル、ＢＰＰ値が１・４ミリメートル・ミリラジアンで、６キロワットの高品質ファイバーレーザーを安価で市販している。中国のレーザー装置の品質が向上すれば、安価なので今後、日本にも多く導入されると思われる。

【２】 周辺機器の開発

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　レーザー加工システムの周辺機器には加工光学系（加工ヘッド、ビーム伝送も含む）、センサー、モニタリング系などがある。スキャナー加工ヘッドにはウォブリング（レーザーの揺動）加工ヘッドもある。安川電機、レーザックス、独プレシテック、米ＩＰＧなどは各種加工ヘッドを開発している。

　スキャナーでウォブリングすると、アルミニウム溶接では空洞形成（ポロシティー）が減少し、①組織が微細化し高品質になる②ビード幅（特にルート部）を広げることなどができる③切断では穴径を均一にすることができる④段差のある板材を溶接できる—などの利点がある。

　レーザックスではハイブリッドレーザー装置に、ウォブリングヘッドを取り付けて、銅などを高品質で溶接するヘッドも開発している（写真２）。

　最近、キーホール溶接時の溶け込み深さをモニタリングして溶接するケースがある。そのためにＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を用いる。前田工業では溶接品質のモニタリングのためにＯＣＴをレーザー加工システムに組み込んで、キーホール形状をモニタリングしている。ナ・デックスではＯＣＴの代わりに、同様の機能を持つマイクロライダーを開発し、重ね溶接時のキーホール底部のモニタリングを可能にしている。

レーザー加工の最近の動向

【１】 溶接分野

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　高性能な部品の組み立て溶接にはレーザー溶接が最適である。近年はレーザーの高性能化、高出力化に加え、モニタリング装置の多様化や高品質化も進み、高品質のレーザー溶接が可能になってきた。

　最新レーザ技術研究センターでも２ミリメートル厚のハステロイＸ合金を２キロワットのシングルモードファイバーレーザーとデジタルスキャナーを用いて、突き合わせ溶接をウォブリング溶接し、欠陥のない高品質な継ぎ手を得た（写真３）。

　ここ３—４年で高出力のグリーンレーザーやブルーレーザーが開発され、銅の溶接や積層造形が可能になった。

【２】 切断・穴開け分野

　従来ＣＯ２レーザーによる切断、穴開けが主流であったものが２０年以降、ファイバーレーザーによる切断や穴開けが主流になってきた。しかし炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のレーザー切断は今でも困難な加工とされている。レーザー切断機の出力が２０キロワットくらいまで高められ、板厚３６ミリメートルくらいの鋼板が良好に切断できるようになってきた。三菱電機ではＡＩ（人工知能）を用いて制御をしている。

【３】 表面加工分野

　レーザー焼き入れやレーザー肉盛りの表面加工が多く適用されるようになってきた。電力費が高周波焼き入れの３分の１になる利点がある。最近のトピックスはバッテリー電極の乾燥に従来加熱炉が用いられてきたが、小さな面積で可能な小型のレーザー乾燥機が利用されるようになってきた。レーザーラインなどからレーザー乾燥機が市販されている。

【４】 ＡＭ加工分野

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　３Ｄプリンターと呼ばれる積層造形分野でも各種レーザー機器が利用されている。鉛筆の芯の先に城を造形するといった微細な積層造形もレーザー加工では可能である（写真４）。

今後の展望

　今後、レーザー加工は製造業を活性化するために必要となる。レーザー加工機器の開発や加工プロセスの開発を強力に進める必要がある。６月にドイツのミュンヘンで行われた展示会「レーザー・ワールド・オブ・フォトニクス２０２５」では出展企業の３３％が中国であったように、中国の発展が予測される今、わが国でもレーザー技術の開発および応用に力を入れる必要がある。

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レーザー溶接・接合セミナー／１１月２６日　日刊工業新聞社名古屋支社

　日刊工業新聞社は１１月２６日に「完全理解！レーザ溶接・接合の基礎と展開—溶接現象の理解、溶接欠陥の発生機構と防止策、モニタリングの適用法、異種材料接合法の開発—」セミナーを開催する。会場は日刊工業新聞社名古屋支社（名古屋市東区）。時間は１０時から１７時まで。講師は大阪大学名誉教授（工学博士）でナ・デックス技術統括フェロー兼ナ・デックスレーザＲ＆Ｄセンター長の片山聖二氏。

　同セミナーでは溶接用各種レーザーの特徴と動向やレーザー高速リモート溶接時、レーザー深溶込み溶接時の溶接現象などを動画を使って詳しく解説する。

　また、主要な金属材料のレーザー溶接性の評価方法、ポロシティーや高温割れの発生機構と防止法、スパッターやポロシティーの低減に及ぼすレーザビームモードの効果、モニタリングと適応制御の有効性などについて紹介する。

　受講者には講師著書「トコトンやさしいレーザ加工の本」（日刊工業新聞社刊）を進呈する。