ロボットによるファイバーレーザ溶接の課題やメリット・デメリット

ファイバーレーザ溶接を行う上で、必要となる「ファイバーレーザ溶接システム」の特徴とレーザ溶接に於けるメリット・デメリットと、デメリットを解決する為の手段についてご紹介します。

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用語解説：ファイバーレーザ溶接とは？

ファイバーレーザ溶接の特徴

ファイバーレーザ溶接を可能とする為には、「ファイバーレーザ溶接システム」の構築が必要となります。以前に比べるとファイバーレーザ溶接システムの導入に掛かるイニシャルコストは低減されてきましたが、それでも、高価な設備には変わりなく、導入に対して躊躇される事で、中々、普及しない要因の１つです。また、全く新しい溶接工法であり、品質規格、評価基準などの整備も不足している事も要因となっています。

しかし、ファイバーレーザ溶接では従来のアーク溶接工法や抵抗溶接では出来なかった接合が可能となる画期的な接合工法であります。

ファイバーレーザ溶接システムの特徴

①高品質・高パワー密度なレーザ光の発振が可能である。
②極小部の加熱・接合が可能なため低歪な接合が可能である。
③非接触での接合であり、抵抗溶接の様に溶接間距離の裕度が高い。
④ランニングコストが低い。（エネルギー変換効率が30％以上）
⑤極小部に吸熱急冷の接合が可能となる為接合部の強度が高い。
⑥レーザ専用ロボットの活用により高い位置決め精度が得られ溶接の繰り返し性能が高い。

当社のファイバーレーザ溶接については、動画でご確認頂けます。

ファイバーレーザ溶接のメリット

ファイバーレーザ溶接のメリットは、先ほどの特徴でも述べましたが、高品質で高パワー密度のレーザ光が安定して発振できるため、安定した溶接が可能です。

ファイバーレーザ溶接は、極小部にレーザ光を照射し接合する為、熱影響部が小さく低歪での接合が可能となります。また、接合範囲が小さい事から吸熱急冷での接合が可能となり、接合部の硬度が高く高強度な接合が可能となります。

一般的なアーク溶接の溶接速度は0.3～0.7ｍ/minですが、ファイバーレーザ溶接での溶接速度は2～5ｍ/minであり約6～16倍の溶接速度で接合が可能となります。

ファイバーレーザ溶接システムは、高軌跡タイプのレーザ溶接専用ロボットを組込んでおり、溶接位置決めは±0.07㎜の繰返し精度で行う事ができ、非常に安定した溶接を可能としています。また、ロボットによる溶接により作業者による作業ミスが無く人の要因での不具合の発生が極めて低いと言えます。（欧米、中国等の導入理由です。）

ファイバーレーザ溶接のデメリット

ファイバーレーザ溶接で使用するレーザ光の照射径は接合の用途に合わせΦ0.1～Φ1.0㎜（マルチモードファイバーレーザの場合）に設定します。一般的な照射径の設定はΦ0.6㎜にされるケースが多い状況です。

ファイバーレーザ溶接システムを用いた「共付け溶接」施工上の課題は、この照射径で正確に溶接線を狙い溶接する事にあり、被加工材の製作上の精度に大きく影響されます。例えば、接合部のスキマで有れば、0.2㎜以上となっているとレーザ光による溶融ができず接合ができなくなります。また、溶接位置に対する部品精度や位置決め精度が厳しく、接合位置が0.2㎜以上ズレると溶接強度が不足し、溶接部に穴あきが発生し気密性が落ちるような不具合が発生します。

以上の課題に対し、部品間の接合隙間は、部品加工精度を高める必要があります。また、ファイバーレーザ溶接前の仮組み段階では、歪なく組み立てる必要がありますが、逆に部品精度や仮組み時の精度を向上させることで全体のコストアップにつながるといった問題も浮上してきます。

本来ファイバーレーザ溶接工法は、従来のアーク溶接や、抵抗溶接に比較して高速度での加工ができるのが特徴ですが、更に高速度で溶接を行いラインタクトの高効率化を図る場合には、ガルバノスキャナヘッドを用いたリモート溶接工法を取り入れる場合があります。この場合においても、スキャナ範囲が限定される為、移動・停止・レーザ溶接を繰り返すステップ＆リピート方式では十分な効果が得られない事もあります。

ファイバーレーザ溶接の課題を解決する工法

これらの問題を解決できるのが、当ガイドブックでご紹介する「オンザフライ溶接工法」と「シームトラッキング溶接工法」です。国内でも徐々に浸透している技術ではありますが、ドイツをはじめとした欧州や北米では、国内よりも活用されている溶接技術です。

当社のコア技術：オンザフライ溶接工法

従来のファイバーレーザ溶接においては、広範囲に多くの溶接ポイントがある場合、溶接位置でロボット動作を停止しレーザ溶接するステップ＆リピート工法が用いられていました。この工法ではロボットの動作が停止するため、溶接時間が長時間化していましたが、オンザフライ溶接工法により短時間での溶接が可能となります。また、当社の高度コア技術であるシームトラッキング溶接技術と共に用いることで、高速・高精度の接合を可能にします。

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当社の高度コア技術"オンザフライ溶接工法"について詳しくはこちら！

当社のコア技術：シームトラッキング溶接工法

シームトラッキング溶接工法とは、溶接位置を事前にモニタリングし溶接位置を追従補正することで、安定した溶接が可能となる技術です。ファイバーレーザ溶接では、極小範囲に高出力のレーザ光を照射する事により複数部材を接合しますが、突合せ溶接・隅肉溶接の場合においては、被加工材の寸法のバラツキや治具セット時のセット位置のズレにより接合不良が発生する可能性があります。

接合部の寸法精度の向上のため、部品加工精度の向上と、位置決め治具により部品位置決め精度を向上させることが重要です。また、より安定的に接合するためには、ワークセットごとに溶接位置を確認する必要があります。シームトラッキング技術を活用することにより、調整作業がなくなり段取り時間の削減や安定した突合せ・隅肉溶接が可能になります。

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溶接に関する技術資料

金属塑性加工.comでは、高品質・低コストを実現できる溶接に関する無料冊子を発行しております。是非ご確認ください。

オンザフライ溶接・シームトラッキング溶接ガイドブック

ロボットによるファイバーレーザ溶接において、位置決め精度が不十分なことによる接合不良発生や位置決め作業の長時間化などのデメリットを解消することができる、オンザフライ溶接工法とシームトラッキング溶接工法のガイドブックです。当技術により、溶接スピードの上昇と位置決め作業の削減で、製造リードタイムの大幅短縮が可能となります。

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表面処理鋼板材接合ガイドブック

表面処理鋼板材の接合不良をなくし、さらにコストダウン・製造リードタイム短縮を実現する、表面処理鋼板材接合技術に関するガイドブックです。表面処理鋼板材接合技術を用いることで、ZAM 材を始めとした目付け量の多い溶融メッキ鋼板の安定的な溶接が可能となります。当技術により、防錆・耐食性が必要な場合に ZAM 材を選定できるため、材料コストを 1/3 に抑えることが可能となります。