2023年6月

はじめに

溶接は、2つ以上の材料を結合するための手法であり、多くの産業で広く利用されています。しかし、その溶接にはサイズ的に大小さまざまなスケールが存在しています。その中でも微細レーザ溶接と（電気的なマクロな）スポット溶接は特に興味深い比較対象となります。

スポット溶接

形態と方法

溶接形態には様々ありますが、その中でもスポット溶接とは、金属を溶接するための一般的な方法で、2つの金属片の接触部分をスポット（点）で加熱し、金属を溶かし、一体化させる方法です。通常は電気で加熱することが行われます。

溶接手法の点では、微細レーザ溶接があります。これは、名前の通り、レーザ光を用いて微細な溶接を行う方法です。この技術は、繊細な部品や高精度を必要とするアプリケーションにとって最適であり、微細で精密な加工ができるレーザの特長をいかした溶接手法と言えます。

電気を用いたスポット溶接と微細レーザスポット溶接の違いは、使用するエネルギー源とその精度にあります。電気的なスポット溶接は電気を使用し、微細レーザ溶接はレーザ光を使用します。

電気的なマクロなスポット溶接は、溶接棒を接触させて加工します。スポットサイズがmmレベル以上と大きく、その形状の精度も高くありません。

一方で微細レーザスポット溶接は、非接触レーザを使用して金属を溶接する非接触プロセスです。レーザは、正確で再現性のあるエネルギーと持続時間を制御できます。このレーザ光が部品上の一点（１ｍｍ以下でも制御可能）に集中すると、エネルギー密度は非常に大きくなります。この光エネルギーは材料に吸収され、焦点を当てたビームが金属の一部を穿孔し、蒸発させ、溶融させる「キーホール効果」を引き起こします。レーザ照射が終わると、キーホール周辺の溶融金属が戻り、固化して小さなスポット溶接を作り出します。この全過程は数ミリ秒しかかかりません​¹​。

レーザは毎秒多くのパルスを放つことができ、作業物や光学部品を移動させることで、別々の「スポット」溶接または一連の重なるスポット溶接を作り出すことができます。これを連続的に実施することで密閉されたレーザシーム溶接を作成することが可能です​¹​。

このように、微細スポット溶接では、幅が0.1nm以下と微小な範囲の溶接に威力を発揮します。また、深さの調整も可能で、nm～mmオーダーまで幅広い特長があります。加工速度も速く、溶接速度は数メートル/秒と高速です​¹​。

この技術は幅広い範囲の材料に適用できることも特長です。例えば、鉄鋼、ニッケル合金、チタン、アルミニウム、銅などの金属、PET、PEN、アクリルなどの樹脂も溶接できます。

応用例

微細レーザスポット溶接の典型的な応用例としては、100マイクロスポット溶接以下のコイル溶接、銅タブをスチールバッテリー缶への高速溶接、ワイヤーのリングスポット溶接、医療器具の溶接などがあります​¹​。

レーザスポット溶接は一般的なレーザ溶接と比べて、更に精密な操作が可能であり、その結果としてより微細な部品の結合が可能になります。電子部品や医療機器など、微細な部品を使用する産業にとって非常に価値があります。これが、微細レーザ溶接が高付加価値を生み出すと言われる理由です。

さいごに

微細レーザスポット溶接は、通常の電気的なスポット溶接より、微細な範囲を正確に溶接できる特徴があります。そのサイズ、高速性から付加価値の高い溶接方法であると言えます。

マイクロエッヂプロセス株式会社では、レーザ微細溶接を得意としております。ご要望がありましたら、お気軽にお問合せください。

はじめに

レーザ溶接は、現代の製造業で広く使用されている技術の一つです。

しかし、その中でも特に注目すべきは「微細レーザ溶接」です。これは、極めて小さな部品に対する精密な溶接を可能にする進歩した技術で、その精度と適用性は医療、自動車、航空宇宙など、様々な産業で評価されています​¹​。

レーザ溶接と微細レーザ溶接の違い

レーザ溶接と微細レーザ溶接は、両者ともレーザ光を用いて金属などの素材を溶かし、固めて接合するという基本的な原理は同じです。しかし、その適用範囲と精度には大きな違いがあります。

一般的なレーザ溶接は、サイズの大きな部品や構造体の接合に使用されます。そのため、比較的大きなエネルギーと熱を利用します。

これに対して、微細レーザ溶接は、小さな部品や微細な構造の接合に使用されます。寸法としては、厳密な定義はありませんが、おおよそ1mm以下程度の溶接範囲を指しています。そのため、使用するレーザも低出力で良い場合が多く、仕様エネルギーの点でもメリットがあります。また、連続発振のレーザだけではなく、パルス発振のレーザも用いられます。

微細レーザ溶接の原理

微細レーザ溶接の技術は、レーザ光の特性を利用しています。レーザ光は一定の方向に集中する性質を持っており、そのエネルギーを狭い範囲に集中させることで、特定の部分だけを高速に溶かして接合します。その結果、非常に小さな部品でも、その精度を損なうことなく溶接することが可能になります。

微細レーザ溶接には、溶接の種類によってさまざまな方法があります。例えば、伝導モード溶接は、低エネルギーレベルで幅が広くて浅い溶接を行います。一方、キーホールモード溶接はその幅に比べて深い溶接を行います。さらに、スキャナ溶接やシーム溶接といった他の方法もあります。部品の種類や接合強度等で、必要な溶接方式が適用されます。

微細レーザ溶接は、金属だけでなく、ガラスなどの他の素材にも適用できます。超短パルスレーザを使用したガラス溶接は、特に注目すべき技術で、非常に高い温度でガラスを溶かしつつ、熱影響領域（HAZ）を極めて小さい範囲に制限することが可能です。その結果、割れを発生させず、非常に高い精度でガラス部品を接合することができます。

微細レーザ溶接の利点

微細レーザ溶接は、その精度と効率性から多くの利点があります。特に、溶接部分の熱影響を小さく制限できるため、溶接後の変形や損傷を防ぐことができます。さらに、溶接の位置精度が高いため、微細な部品でもその形状や機能を維持することが可能です。さらに、レーザの種類や方式を選択することで、さまざまな溶接方法が利用可能であるため、部品の種類や溶接部位によって最適な溶接方法を選択することができます。

これらの利点から、微細レーザ溶接は、医療機器、自動車部品、航空宇宙部品など、多くの産業で利用されています。その精度と適応性は、これらの産業で高く評価され、広く利用されています。

まとめ

レーザ溶接は、その精度と効率性から広く利用されていますが、その中でも微細レーザ溶接は特に注目すべき技術です。小さな部品や複雑な形状の接合に対するその能力は、多くの産業で評価され、さまざまな応用が可能です。微細レーザ溶接の理解は、現代の製造技術の理解を深め、より良い製品作りに役立つことでしょう。

参考文献：

1. Micro Laser Beam Welding – Microscopic Laser Welding Services | Superior Joining Technologies, Inc.
2. A review on glass welding by ultra-short laser pulses – IOPscience