溶接

銅の微細溶接のニーズ

近年、電気電子制御技術の発展に伴って、自動車や電気デバイス、医療デバイスをはじめとする様々な分野において電気的接触を目的とした導電部品の接合の需要が高まっています。このような用途に用いられる接合には加工コスト、接合性能、量産性が極めて重要なポイントとなります。

そこで期待が高まるのが、優れた導電性能を有する銅の微細溶接です。

銅溶接の難しさ

銅はその導電性能と同時に非常に高い熱伝導性能(16W/m･K)を有しています。この数値は鉄の約6倍、ステンレスの約24倍にも及びます。そのため、多くの溶接方法では溶接のために局所的に加えられた熱が母材全体に拡散し、溶接材料が十分に溶解しないため、接合不良の原因となってしまいます。

そのまま熱を与え続けると、銅の熱膨張特性及び収縮特性から変形が生じる可能性があります。その結果、冷却時には収縮歪みが溶接部に集中し、割れや変形へと繋がってしまう危険性があります。

一般的にレーザ溶接は、そのスポットの小ささから非常に小さな部分にもアプローチ可能で、優れた溶接方法の一つです。

しかし、銅の反射特性を考慮すると問題が生じます。例えば、1064nmの波長における反射率は90%にも及び、非常に反射しやすい材料であると言えます。反射しやすいということは、それだけ熱が材料に吸収されないということですので、加工効率が悪くなります。

532nm波長(緑色)レーザ溶接機

上記で述べた反射率の問題を克服するためには、532nm波長(緑色)レーザを用いることが効果的です。532nm波長レーザの銅への反射率は45%と、1064nmレーザに比べて十分に低く抑えることが可能となります。

532nm波長レーザで溶接を実現するには大きく2つの方法があります。

1つはQスイッチを用いた方法です。短時間で大きなパルス発振をさせて高いエネルギーを与えます。それでも、溶接をするには、十分なパルスエネルギーが得られないことが問題となります。

もう一つは比較的長いパルス幅のYAGレーザを用いる方法です。この方法ではピークパワー1.5kWの532nmレーザを最大5msのパルス幅で出力します。この条件では、350μm厚の銅の溶接を実現できた例もあります。この方法のもう一つの利点はYAGレーザの特性から、光ファイバを通しての輝度の低いレーザパルスの伝送が可能となることです。これにより、レーザの取り回しが容易となり、不安定性の原因となる溶接中心におけるホットスポットの発生を阻止することが可能となります。

応用例

銅の微細溶接には様々な応用例があります。

1. 半導体の相互接続
2. 平面と円柱の終端接続

レーザビームの低い輝度が利点となり、部品の突き合わせ許容範囲が広がります。そのため、ワイヤの円形の表面と平坦な端子との結合において、信頼性のある溶接を実現できます。

1. ワイヤと平面端子との接合
2. リードフレームの接続

非接触方式のレーザー溶接は量産に最適であるため、品質及び速度が重要視されるリードフレームの生産においては非常に有効な手段となります。

参考文献

1. レーザーによる銅の微細溶接
2. 銅の微細レーザ溶接における光吸収特性と溶け込み深さの安定化に関する検討
3. 銅の溶接が難しい理由と銅の溶接事例

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