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熱加工で代表されるアプリケーション、切断、溶接、溶着、クラッディング(肉盛り)、焼入れでは、従来技術に代わって、多くの場面でレーザが使用されるようになってきています。本稿では、なぜレーザがその役割をとって代わるようになってきたか、レーザを使うメリットは?等の観点から簡単なFAQをご用意致しました。レーザを使って加工した実際のサンプル写真や弊社が推奨する製品と併せてご紹介いたします。

熱加工におてい、従来技術に代わってレーザが使われるようになってきた理由は?レーザによる熱加工の特長(メリット)は?

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TIG、MIG溶接のような従来技術による溶接等の熱加工では、対象物全体が加熱され、熱影響等による形状変化や材料の特性劣化が引き起こされることが多く見受けられます。これらの技術をレーザに置き換えることでさまざまなメリットがあります。

  • ・加工物に非接触であるため加工品質の安定化、自動化が容易
     なおかつ、局所加熱が可能な為、ワークの変色・変形・劣化が少ない
  • ・高効率で処理が可能な為、短時間に加工ができ、熱によるワークの歪みが発生しづらい
  • 異種金属や非導電性材料の加工が容易
  • 非常に精密な加工が可能。
  • ・抵抗溶接で必要になる電極のメンテナンスが不要(レーザ加工では電極を用いない為)。

レーザによる加工には、上記のような特長がある為、金属や樹脂の接合にも適しています。

コンタクト

熱加工におてい、従来技術に代わってレーザが使われるようになってきた理由は?レーザによる熱加工の特長(メリット)は?

A1

レーザ溶接は局所加熱が可能であり、材料へのエネルギー吸収特性も良いため、熱に対する歪が大きい材質(例:SUS)にも使用可能で、非常に深い溶け込みが得られ、また高融点材料の溶接にも適しています。

レーザ光は集光性が良く、アーク溶接や抵抗スポット溶接等の従来技術と比較して、エネルギー密度が高く溶接速度を上げることができ、高精度、高効率な溶接が可能となります。また、局所加熱により、材料の変形をミニマムに抑えることができます。

レーザ光(ビーム)は電気的に入熱量の制御が容易なため、必要な部分に対してより精密な溶接が出来、また、プラスチックの溶接(溶着)にも大変適しています。(応用例:自動車部品、電子部品)

コンタクト

「クラッディング(肉盛り)」でレーザを使うメリットは?

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レーザクラッディング(肉盛り)とは、異種金属材料を粉末・線材等で供給し、それにレーザ光を照射し母材の表面に溶融接合させる加工です。母材に対して安価に腐食、酸化、摩耗や熱疲労に対してより高い耐性を与えることが可能です。 レーザ光を用いてのクラッディング(肉盛り)加工のメリットは以下が挙げられます。

  • ・より少ない材料での肉盛りが可能 。
  • ・局所加熱により、母材への熱影響を最小化できます。(変形量が少ない)
  • 高効率での処理が可能。
  • ポロシティが発生しにくい
  • 様々な材料の使用が可能。

コンタクト

なぜ、ファイバーレーザが注目されているのか?

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ファイバーレーザが注目を集めている理由(優位性)には以下が挙げられます。

  • ・ ビーム品質がよく、拡がり角が小さいため、集光性に優れスポット径を小さくできる。
  • ・ 変換効率が高く省エネで、コンパクトな筐体が実現、省スペースが可能。
  • ・ ファイバー伝送のため、光の取り回しが容易
  • ・ モジュールデザインにより、高出力化が容易で、拡張性に優れている。
  • などの特長から、溶接、切断、マーキングなどの多くの分野でレーザ加工の普及が進んでいます。
  • ・極小スポット溶接
  • ・銅や真ちゅう等の高反射材料の切断
  • ・三次元対象物の溶接、切断
  • など

コンタクト

レーザによる熱加工応用例

高出力レーザによる加工には、金属の切断のほか、溶接、クラッディング、表面処理など、多くの応用例があります。特に、溶接のアプリケーションは、切断と比べカスタマイズを必要とする部分が多く、要求が多岐にわたる自動車産業を中心に、レーザの役割がますます高くなっています。

レーザ溶接

レーザ溶接は大きく分けて、2つの溶け込み方に分けられます。

1)熱伝導型の溶け込み:
一般的に浅く広い面積の溶け込みを形成します。
材料表面に照射された光が熱エネルギーとなり、材料内部に熱として伝わり材料を溶融させます。
比較的大きな集光径を使用することが多く、エネルギー密度が小さい状態で半導体レーザやファイバーレーザなどが使われています。
非貫通溶接や継手精度が低いワークなどに多く使われています。入熱量が多いとワークの熱歪の原因になったり、非貫通による反射光が課題となったりするケースもあります。
2)キーホール型の溶け込み:
一般的にビード幅に対して深い溶け込みを形成します。
高エネルギー密度やハイパワーのレーザを使用し、材料を溶融・蒸発させ、レーザ光を材料の奥深くに導きます。
ファイバーレーザやCO2レーザなどが使われ、厚板の溶接に多く適用されています。薄板では高速溶接が可能となり、熱伝導型よりキーホール型のほうが多く採用されています。材料の溶融・蒸発によるスパッタが加工の課題となることがあります。
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■スポット溶接とシーム溶接

レーザ溶接には0.1mmに満たない極小スポット溶接から数mのシートメタルの連続シーム溶接まで様々な方法があります。

スポット溶接:
2枚の母材(被溶接材料)の片側からレーザを照射し、母材内部で金属が溶解凝固を起して溶接する加工を点状(スポット)に接合することが可能です。高出力の割に加熱時間が非常に短いため、材料への熱の入りが少なく、変形や残留応力が少ないことが特長です。また溶接部が適当な間隔で、溶接できるので、同じ状態の接合が簡単かつ、きれいに行えます。自動車部品の生産などに多用されています。
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シーム溶接:
連続的に線状にレーザ溶接を実施する方法です。気密が必要とされる部分の封止溶接等に用いられます。また、自動車車体に多く適用され、溶接点数や加工点へのアクセスが限定的であった抵抗スポット溶接に比べ、車体の剛性やデザイン性を飛躍的に向上させます。
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■レーザ肉盛溶接

レーザをワークに照射し、その照射領域に金属粉末を噴射することにより、金属粉末が溶融して母材と金属結合し肉盛り層を形成します。耐摩耗性、耐食性の向上や硬化層形成のために用いられています。
金型の修復やシリンダヘッドやドリル刃の加工などに適用されています。

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■スキャナー溶接/リモート溶接

スキャナー溶接は、リモート溶接の一種で、レーザスポットをガルバノスキャナーを使って高速でスキャニングする溶接方法のことです。ある溶接個所から別の溶接個所ヘレーザスポットを高速移動させ、加工のダウンタイムを最小化させることが出来ます。また、多関節ロボットを使用することで、3次元での加工など高効率な加工が可能です。スキャナー光学系による溶接は、複雑な形状のパーツを重ね合わせた個所を精度良く溶接することができ、自動車車体などの大型構造物において、溶接個所が多数に及ぶ加工などに有効です。

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■シームトラッキング溶接(高速自動追従加工)

溶接ヘッドに高速自動追従システムを装備しシームトラッキング溶接をする事例では、ファイバーレーザの利点である小スポット径、高エネルギー密度ビームにより、熱影響部が極めて少ない溶接が高速かつ高精度で可能です。造管機のフォーミング精度向上との相乗効果により、送り速度30 m/min程度での安定的なシーム溶接が可能です。

■レーザ切断

金属のレーザ切断は、基本的に、集光したレーザビームの焦点で材料を局所的に融点以上に熱することによって実現されます。結果として生じる溶けた材料は同軸ガスジェットまたは蒸気圧によって除去され、切り口を形成します。
そのほか、レーザはセラミック、グラファイト、チタンや真鍮などの非鉄金属、革、研磨材など多様な材料の切断に使用されます。プラスチック、材木、紙などは、光を透過しやすい固定レーザでは無く、CO2レーザでのみ切断可能です。

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コンタクト

自動車業界での主なレーザアプリケーション

自動車業界での主なレーザアプリケーション
推奨レーザ
DC
- DCシリーズ(高出力CO2レーザ)
J
- Jシリーズ(中出力CO2レーザ)
FL
- FLシリーズ(高出力ファイバーレーザ)
FP
- FPシリーズ(パルスファイバーレーザ)
LFS
- LFSシリーズ
   (ロングパルスファイバーレーザシステム)
KLS
- KLSシリーズ
   (精密加工用固体レーザシステム)
DF
- DFシリーズ(高出力半導体レーザ)
PL
- PowerLineシリーズ
   (マーキング用固体レーザ)
MC
- Monacoシリーズ(フェムト秒レーザ)
HR
- HyperRapidシリーズ(ピコ秒レーザ)
SX
- LAMBDA SXシリーズ(エキシマレーザ)

コンタクト

コヒレント社の熱加工向け最新製品ラインアップは?

ファイバーレーザ

高出力、高輝度ファイバーレーザ(FLシリーズ)

(スタンダードタイプ)

  • ・出力:500W〜10 kW
  • ・ファイバー径:50 um〜1000 um(マルチモード)

(コンパクトタイプ)

  • ・出力:500W〜6.0 kW
  • ・ファイバー径:
    • 20 um(シングルモード)
    • 50/100 um(マルチモード)
  • ・ビーム品質値:BPP≧0.4mm x mrad(シングルモード)
  • ・反射光に強く、銅など高反射材に面直加工可能
  • ・波形制御、アナログ入力
  • ・スキャナーや様々な光学系を発振器とともに提案可能
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ダイオード(半導体)レーザ

高出力半導体レーザ ファイバー出力タイプ
(DFシリーズ)
  • ・出力:2〜8 kW @ 900〜1,060 nm
  • ・ファイバー径:
    • 1,000 μm(HPバージョン)
    • 400 μm(HQバージョン2kW)
    • 600 μm(HQバージョン4kW)
  • ・メンテナンス性に優れたモジュラー構造
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小型ファイバーカップリングダイオードシステム
(Compactシリーズ)
  • ・中心波長:450 nm
  • ・出力:10/25W
  • ・中心波長:808/980 nm
  • ・出力:30〜110W
  • ・ファイバーコア形状:200/400 μm
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CO2レーザ

CO2レーザ(DIAMOND Jシリーズ)
  • ・定格出力:160W/250W/400W
  • ・ピーク出力:450W/750W/〜1700W
  • ・優れたビーム質による加工
  • ・RF電源一体型でメンテナンス性向上
  • ・波長:9.4 μm、10.2 μm、10.6 μm
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高出力スラブCO2レーザ(DCシリーズ)
  • ・出力:1〜8 kW
  • ・kWクラスでは秀逸のビーム品質:M2=1.05
  • ・パルス周波数:
    • CW or 2〜5 kHz(1〜4.5 kW)
    • 〜100 Hz(5〜8 kW)
  • ・少ない消耗品、レーザーガスセミシールド
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コンタクト

高出力・高輝度ファイバーレーザ 「HighLight FLシリーズ」

 HighLight FLシリーズは、ここが違う!

1、多彩なラインアップ
500W~10 kWの出力モデル、各種のファイバー径、ビームスイッチ内蔵のスタンダードモデルと、シングル・マルチモードを選べるコンパクトモデル
2、常時5 段階で監視する反射光減衰・モニター機能で、面直加工が可能。

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① のファイバーコネクターで戻り光を吸収するフィルタ機能を持ち、多くの戻り光を熱に変換する。
② コンバイナにも①同様のフィルタがあり、さらに減衰。
③ コンバイナ内蔵の戻り光モニタにより、常時監視し規定値を超えるとただちに発振停止する。
④、⑤ 2.5 kW出力モジュール各々の内部に減衰フィルタと戻り光モニタを備え、独立監視している。
このようにFLシリーズは、常時5段階で減衰と監視を行い戻り光によるダメージ防止対策をしています。

3、レーザ出力冗長設計
全LDを個別にID 管理し、リアルタイムでLD診断できる。障害発生時、ダウンタイムを最小にするため、仮にLD 1 が故障した場合それだけを使わないようにするスイッチがあり、発振器の出力は常にフィードバックされているため、ほかのLD が補完し、常に必要な出力が得られるようになっている。
4、特有のニーズに応じたビームの最適化(可変ビームモード)、ゼロギャップ溶接を実現
板厚、材質の異なる加工に幅広く対応
CenterとRingの2つのビームを独立して出力・変調制御が可能
加工条件の最適化が可能になり、溶融池を安定させスパッタを低減させたり、継手のギャップ管理を容易にさせたりできます。 sampe13
5、長年の経験・技術にもとづく、柔軟なカスタマイゼーションと豊富なオプション
多種多様なユーザニーズに対し、スキャナー・フォーカスフォーミング(矩形・線形・ツインスポット・リング等)やスクエアファイバーによる柔軟な組み合わせと、豊富な経験を活かした加工テスト、顧客視点の提案が可能です。

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可変ビームモード ARMテクノロジー

 「リング」と「センター」2つのビームを独立して出力制御可能なARMテクノロジー

ARM(Adjustable Ring Mode)テクノロジーは、アプリケーションごとの加工要件に応じて、リングビームとセンタービームを連続的にリアルタイムに制御し最適なプロセスをつくることができる特許技術です。

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なぜARM?切断例:

  • ・通常のシングルビームでは、切断の貫通力は高いが切り幅が狭く、5t以上の厚板の場合、「切れてるが取れない」という状態になる。
     ARMテクノロジーであれば、切り幅を太くすることができ、加工後取れやすく加工が可能。
  • ・通常、厚板はピアッシングに時間がかかる。
     しかし、ARMテクノロジーでは、ピアッシングをコアビームのみで貫通させ、貫通後、リングビームを出力してピアッシング時間を短縮させることが可能。
  • ・通常のシングルビームは、断面が荒く、バリが出やすい。
     ARMテクノロジーにより、2つのビームの出力・変調を制御し、加工要件に応じた最適なプロセスをつくることにより、切断品質の向上が実現。

可変ビームモードのメリット:

  • ・板厚、材質の異なる加工に幅広く対応
  • ・特に板厚の切断面の品位を向上
  • ・溶接スパッタの発生を抑制
  • ・加工スピードの向上、一定の加工品質
  • ・高品位な切断面
  • ・ピアシングの最適化
  • ・熱影響をより最小限に
  • ・突合せ継手における公差裕度
  • ・“Ring”ビームでフィラーワイヤーを溶融し、中央の“Center”ビームでキーホール溶接。“Ring”ビームによる酸化被膜の除去。加工効率を大幅に向上

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