加工

ジュエリー溶接の概要

ネックレスやリング、ブローチなどの金属部分が折れたり切れてしまった場合には「溶接」という方法を用いて修理する事が可能です。本記事ではこれらの溶接方法としてよく用いられる、「微細レーザー溶接」と「ロウ付け」についてその解説と比較を紹介します。

微細レーザー溶接概要

微細レーザー溶接とは指向性や集中性の良い波長の光をレンズで集め、きわめて高いエネルギー密度のレーザー光を利用して行う微細な溶接のことを指します。

ロウ付けの概要

レーザー溶接と対照的にネックレスなどの溶接によく用いられる方法に「ロウ付け」があります。ここでいう「ロウ」とはロウソクのことではなく、金属の接合時に用いる合金のことを指します。ロウ付けではこのロウを溶融させることで、接着剤として金属の接合を可能とします。そのためここで使用するロウ（合金）は素材となる金属よりも融点の低いものを使用する必要があります。

宝石溶接におけるレーザー溶接の利点

• 熱に弱い宝石を使用したジュエリーにも使用可能であること。宝石には熱に弱い特徴があるため、これを使用したジュエリーの溶接は宝石部に熱を与えないように行う必要があります。微細レーザー溶接は短時間に局所的に熱を加えるため熱影響が少ない溶接が可能出る事が特徴です。そのため、熱に弱い素材（宝石）を含むジュエリーの溶接も可能です。
• 溶接材料として素材と同じ材料が使用可能なため、溶接部分が目立ちにくいこと
• 溶接後の再研磨の必要がないこと。例えばシルバーの溶接にロウ付けを使用した場合、高温によりシルバーが白くなるため、再研磨の必要性が出てきます。
• 極めて細かい箇所の溶接が可能であること微細溶接の名前の通り、ルーペを用いなければ見えないような細かい箇所の溶接も可能です。

デメリット

欠点がないかのように思われるレーザー溶接ですが、ロウ付けに比べて劣る点も存在します。

• 見える範囲しか溶接する事ができないこと。ロウ付けの場合、例えばリング等の切断面にロウを流すことで、中心部などの見えない部分もしっかり接合することができます。一方で、レーザー溶接ではレーザーの照射ポイントしか溶接できず、中心部などの溶接は難しいため、強度面で劣ってしまう場合があります。
• 技術者が少なく、技術の習得にも時間がかかること。レーザー溶接は高度な技術を要するため、技術の習得にはかなりの時間を要します。
• 溶接機械が高価であること。
• 加工コストが高いこと。

参考文献

1. レーザー溶接って何？【クロムハーツの修理＆カスタム情報】
2. ロウ付けって何？【クロムハーツの修理＆カスタム情報】

ガラス加工のニーズ

ガラスは透明かつ化学的・物理的に安定であるため、多岐にわたる分野で使用される材料の1つです。ガラス部品の製造では多くの場合接合を必要とし、その精密さが製品の性能を大きく左右することも少なくありません。今回紹介する超短パルスレーザーを用いたガラス溶接以外にも、今まで様々な溶接方法が用いられてきましたが、その接合技術の向上は大きな課題となっています。

ガラス加工の難しさ

溶接で一般的に用いられる金属材料とは異なり、ガラス材料は多くの種類のレーザー光を透過する性質を有するため、レーザーを用いた加工は今まで難しいとされてきました。しかし後述する超短パルスレーザーの産業レベルでの実用化が成功し、ガラスを透過しないような極めて高いピークパワーを有するレーザー（超短パルスレーザー）での加工が可能となりました。実際にスマートフォンに使用される平面ガラスの切断では、超短パルスレーザー発信器が活用されています。

超短パルスレーザーの原理

超短パルスレーザーをガラス内部に強く照射すると、非線型プロセスによりレーザー強度の高い焦点付近でのみ吸収が発生し、ガラス表面付近では全く吸収されません。結果として、内部溶融が可能となります。部品の外表面に影響を与えることなく、接合すべき部分のみを洗濯して接合可能なこの方法は部品の構造設計の自由度を大幅に拡大します。

超短パルスレーザーによるガラス溶接のメリット

超短パルスレーザーによるガラス溶接の特徴はなんと言ってもガラスの平面度を阻害せずかつ、高強度での加工が可能な点にあります。これは接着の強さや耐久性、高い劣化耐性が要求される製品にとっては、不可欠な要素となります。

超短パルスレーザーによるガラス溶接のデメリット

欠点がないかのように思われる超短パルスレーザーですが、産業分野で実際に活用するためには大きな課題があります。それは加工スピードの問題です。超短パルスレーザーの加工スピードは10mm/秒程度であり、高速化のためにはさらなる高出力化や高繰り返し周波数化が必要となります。

レーザー以外のガラス接合

加工の難しいガラスの接合ですが、レーザーを用いた接合以外にもいくつかの接合方法が存在します。

接着剤による接合は、大掛かりな設備を必要としないメリットがある反面、長い硬化時間が必要、経年劣化、アウトガスの発生（周辺部材の劣化につながる）、などのデメリットがあります。

ロウ接では、ガラス基板より融点の低いガラス材を差込み、炉内で加熱することにより接着を可能とします。これには、接合強度・耐熱性の低さといったデメリットがあります。さらに、接着材とガラス基板の屈折率の違いにより、光学的応用に悪影響を与えてしまうのも特徴です。

オプティカル・コンタクトはガラス分子間に働くファンデルワールス力を利用した接合方法です。しかしながらその接合強度はガラス基板本来の材料強度よりも2桁劣ってしまいます。

拡散接合法は機械強度を保持したままの接合が可能ですが、高精度の接合面加工と高温下での長時間加熱を必要とし、実用性は極めて低いのが現状です。

CO2レーザーによるガラス溶接との比較

超短パルスレーザーの登場以前、レーザーを用いたガラスの溶接にはCO2レーザーが用いられていました。CO2 レーザーの波長は10.6μm であり、極めて高い吸収率でガラスに吸収されることで金属材料と同様の溶接が可能となります。しかし、CO2レーザーによるガラス溶接はレーザー照射時にガラス表面に発生する熱を利用した技術であるため、レーザー照射部及びその周辺が熱により変形し、ガラス材料の大きな特徴である平面度を維持する事が困難となってしまいます。IoT技術の発展に伴って部品の小型化・高密度化が進み、ガラスの高い平面度を活用した電子機器の必要性は年々高まっています。そのため、ガラス材料の平面度を阻害しない、超短パルスレーザーを用いたガラス溶接技術には大きな期待が高まっています。

参照

• 超短パルスレーザーによるガラス溶接
• 超短パルスレーザによるガラスの微細溶接

はじめに

レーザー加工をしているとレーザーを集光するレンズが汚れることが多くあります。加工対象からのフュームだったり、そもそもの空気中の塵やほこりだったり、原因もさまざま。

このようにレンズが汚れるとレンズをクリーニングする必要があります。その方法等を説明します。

レンズクリーニングの必要性

レンズのクリーニングは必要でしょうか？汚れの程度にもよりますが、通常は必要です。できれば、クリーニングはしないことに越したことはありません。なぜなら、クリーニングしたと思っても逆に汚れを付着させたり、レンズを傷つける可能性があるためです。

レンズのクリーニングの必要性としては、以下があげられます。

• レーザーの仕様効率を上げるため：レンズが汚れていると当然効率は落ちます。落ちても問題ない場合もありますが、通常は、エネルギーを多く消費するため、困ります。
• レンズへの焼けの防止：レンズについた埃等の影響で、レンズが焼けたり、ゴミが付着して取れなくなることがあります。この場合には、レンズそのものの交換が必要になってしまいます。これを防ぐためにもレンズのクリーニングが必要です。
• 加工条件の変化による加工品質の低下：加工対象物から見ると、照射されるレーザエネルギー等が変化してしまします。この場合、おなじように加工したつもりでも加工結果が変化してしまいます。このような加工品質の低下は大きな問題となります。

レンズクリーニング方法

レンズのクリーニングには、レンズクリーニング専用紙（レンズペーパー）とIPA（イソプロピルアルコール、イソプロパノール）を用います。

正方形のレンズペーパーの四隅をひとつにまとめて、指でつまんで軽く持ちます。レンズペーパーの中央部が膨らんだような状態となります。

このふくらみ部にIPAをつけます。

レンズペーパーの中心のふくらみを使って、レンズを拭いていきます。このふくらみ部をレンズ中心に軽く触れさせ、らせんを描くようにレンズ外周に向かってレンズのゴミをとっていきます。

レンズに強い力を加えないように注意します。

また、レンズペーパーが乾いた状態でレンズに接触させないようにします。レンズに傷がついてしまいます。

レンズ中心から、ゆっくりと螺旋を描きながらレンズ外側に向かってレンズ表面をなぞっていきます。最後は、レンズの端でレンズペーパーを止めることなく流れるようにレンズから離します。何度も往復せずに必ず一方向にだけ拭き進めます。

重要な点としては、必ず螺旋状に拭いていくことです。絶対に放射状に拭いてはいけません。筋ができてしまいます。

さいごに

繰り返しになりますが、レンズは、クリーニングしないのがベストです。どうしても必要な時だけクリーニングをします。可能であれば、レンズごと交換する方が良いです。クリーニングは上記の通り丁寧に行います。