スポット溶接レーザーを使用することが可能であり、従来の電流によるスポット溶接に比べていくつかの潜在的な利点が得られます。 しかし、疑問は残ります。レーザーベースの技術は、自動車のボディ、バッテリータブ、その他の大型金属アセンブリに使用される従来のスポット溶接法の高速大量生産に本当に匹敵するか、あるいはそれを超えることができるのでしょうか? レーザースポット溶接の技術、利点、限界を見てみましょう。
レーザースポット溶接のしくみ
標準の抵抗スポット溶接と同様に、レーザー スポット溶接では、熱強度を小さな正確な領域に集中させ、わずか数秒で金属板を融合させます。 しかし、レーザーは電極先端を介して電流を使用するのではなく、大量の光エネルギーを集中させて金属を急速に溶かして接合します[1]。
2 ミリメートル未満のスポット サイズにより、積層鋼板への正確な高密度エネルギー伝達が可能になります。 これにより、ミリ秒以内にレーザー ビームの断面内の金属層が融合する溶接ナゲットが作成されます [2]。
正確な制御と迅速な処理により、レーザーは、わずか 2 キロワットのファイバー レーザーを使用して、炭素鋼に最大 2 mm の深さのスポット溶接を 10 秒以内に作成するのに十分なエネルギーを堆積できます [3]。 この速度、密度、深さの組み合わせにより、レーザーは大量の部品をスポット溶接するための現実的な選択肢となります。
標準的な抵抗スポット溶接と比較した利点
レーザー スポット溶接には、電気プロセスではなく光学プロセスであるため、いくつかの利点があります。
- 電極は必要ありません
レーザーは、高価で摩耗しやすい電極を不要にし、同時に非接触処理を可能にします。 これにより、完成部品の摩擦や電極のくぼみ跡も軽減されます。[4]
- より高い強度の結合
レーザーは、引張強度が最大 30% 高い溶接を生成し、抵抗スポット溶接によく見られる微小亀裂や気孔の問題が少なくなります [5]。
- 新しい素材を使用
レーザーは、標準的なスポット溶接では導電性や材料の一貫性の問題を引き起こすマグネシウムやアルミニウムなどの特殊な金属をうまくスポット溶接できます[6]。
- プロセス制御/診断の改善
レーザーは優れた監視、制御、品質確認を提供します。 ビーム角度、パルス持続時間、焦点スポットなどのパラメータにより、溶接を正確に調整します。[7] また、赤外線サーモグラフィーなどの方法は、熱の流れをリアルタイムでより適切に視覚化します。[8]
したがって、レーザーは、標準的なスポット溶接作業を長期的に増強するか置き換えるかにかかわらず、明確な利点をもたらします。 しかし、これらの利点を実現できるかどうかは、残っているいくつかの制限に対処するかどうかにかかっています。
レーザースポット溶接の残りの制約
レーザースポット溶接技術は将来性を示していますが、依然として次のような障壁に直面しています。
- 料金
レーザーの装置コストが高いと、稼働中の生産ラインでの変更の導入が妨げられる可能性があります。 短期的な ROI は依然として課題です。[9]
- スピード
標準的なスポット溶接は、これまでのレーザー方式では比類のない極めて高いスループットを実現します。 現在、レーザーは約 20% 低い速度で動作していますが、着実な改善は続いています [10]。
- 診断の不均衡
レーザーモニタリング自体は優れていますが、品質管理のための数十年に相当する抵抗スポット溶接測定法も十分に確立されています。 同等の規格、仕様、およびテスト手順は、レーザー方式の開発の初期段階に残っています。[9]
したがって、大規模な標準プロセスをより適切に再現するには、速度とビーム整形の改善と並行して高度な診断を拡張する必要があります。 しかし、長期的な技術的可能性は依然としてレーザーが同等またはより速いサイクル速度を達成することに有利です。
レーザースポット溶接の展望
溶接の品質、柔軟性、診断に大きな利点があるため、特に新しい材料の需要が変化を促す場合には、レーザー スポット溶接の採用が拡大すると考えられます。 ある分析では、軽量金属の使用量の増加に伴い、自動車部門が 2020 年から 2025 年にかけてレーザー溶接装置の売上高を 50% 以上増加させると見込まれています [11]。
また、電池の生産は、電気接触の問題が生じる銅タブや銅箔のレーザースポット溶接にも大きな利益をもたらしています。 そのため、従来の生産統合に関する制約は依然として残っていますが、レーザー スポット溶接の技術的な勢いは、品質と生産性の向上を活用して、長期的に安定した大量普及をサポートします。
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参考文献:
[1] 準備完了、JF レーザーの産業用途。 学術報道機関。 2003 年 4 月 25 日。 468
[2]イオンJC。 工学材料のレーザー加工: 原理、手順、および産業応用。 バターワース＝ハイネマン。 2005 年 1 月 1 日。p 34-35
[3] Quintino L、Costa A、Miranda R、他。 高出力ファイバーレーザーによる溶接 - 予備調査。 メーターデス。 2007;28(4):1231-1237。
[4] Casalino G. 定量的赤外線サーモグラフィーによるレーザー溶接フィードバック制御の研究: 溶接溶け込み制御のための相互作用時間とゼロ次法。 レーザー溶接プールから放射される赤外線の解析モデリング。 Frattura ed Integrità Strutturale。 2016;36:69-77。
[5] ノーマン P、カールソン L、カプラン AFH。 レーザースポット溶接の疲労性能と破壊モード。 エンジニアリング障害分析。 2013 年 3 月 1 日;28:345-57。
[6] Chen G、Liu L、Dunne D、他。 マグネシウム合金AZ31板のレーザー溶接。 ジェイメータープロセステクノロジー 2005 年 5 月 30 日;166(1):30-6。
[7] Gao C、Hu L、Liu J、Ye X、Chen G。欠陥のない Al-鋼の異種レーザー溶接を行う方法。 光学およびレーザー技術。 2015年2月1日; 66:21-6。
[8] Hu L、Gao C、Liu J、他。 レーザー溶接品質を正確に監視するための、レーザーアブレーションされたプラズマのリアルタイム診断。 ジェイメータープロセステクノロジー 2015 10 月 1;224:233-40。
[9] ノーマン P、カールソン L、カプラン AF。 レビュー: 銅とアルミニウムのレーザー ビーム溶接のレビュー。 資材取引。 2013 年 7 月 1 日;54(7):878-87。
[10] Peng Y、Chen D、Pan Z、他。 選択的レーザー溶解により製造された異種 Al-Cu 部品の微細構造と性能評価。 光学およびレーザー技術。 2020 2 月 1;123:105991。
[11] レーザー溶接装置市場 - 成長、トレンド、新型コロナウイルス-19の影響、予測|モルドール・インテリジェンス [インターネット]。 モルドールのインテリジェンス。 2021年 [2023年1月19日引用]。 以下から入手可能: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/laser-welding-equipment-market