マルチレーザビーム材料加工

トビー・ストライト、アンドレアス・ガセンコ、マイケル・グルップ、トニー・ホルト

多様なスポットサイズ、パルス幅、あるいは波長を出せるファイバレーザは、ロウ付け、溶接、表面テクスチャリングなどのアプリケーション向けの単一プロセスにまとめることができる。

製造メーカーは、レーザ材料加工を、成熟した十分に理解された生産力増強と見ており、これをビジネスの新しいセグメントに拡大することを絶えず考えている。最近、そのような探求から、単一の加工品にマルチレーザビームを展開する傾向が出てきている。個々のビームがプロセス全体の一面を担うように最適化されている。このトレンドはすでに自動車製造で急速に採用されており、今後間もなく他の分野にも影響を与えると考えられる。
　ここでは、マルチレーザビーム加工の3つの例に焦点を当てる。まず、自動車材料を強力かつ優れた外観で結合するために、3焦点ロウ付け（trifocal brazing）が調整されたビームをどのように利用するかを示す。次に、高強度鋼（HSS）向けの2段階溶接工程の利点を検証する。ここではレーザ洗浄ステップによりレーザ溶接部の傑出した強度と完全性が可能になる。最後の例では、金属のレーザ表面テクスチャリングが、どのようにして高強度かつハーメティックに、ポリマと金属のボンディングを可能にするかを明らかにする。これらの例は、以前は得られなかった結果を生むために、マルチレーザビームの直径、パルス幅、さらには波長までも異なった調整を行って使用することの可能性に焦点を当てている。

3焦点ブレージング

自動車産業は、最少材料利用で高い接合強度、併せて安全性と燃料節約を実現するためにレーザ固有の能力を利用する。レーザ溶接は自動車に定着しているが、ルーフラインや車の側面に沿った目に見える接合では、より美的なプロセスが好まれる。溶接と対照的に、ブレージングは表面を溶かさないで接合する技術、さらに正確に言えば、自動車アプリケーションでは、レーザエネルギーがワイヤを溶かして2つのスチール表面、またはアルミ表面の間に粘着性がある接合を形成するものだ。自動車メーカーは、真にシームレスな接合を実現するために、塗装を施す前に軽いブラッシングで済むようなブレージングプロセスを要求している。
　ブレージングは、電気亜鉛メッキ鋼板の品質やエッジのバラつきに対する美観を学んでいる。特に、薄い亜鉛スケール防止層に存在する酸化物と汚染物が、スパッタやエッジ粗さの主因である。このような知見から、新種の3焦点ブレージングシステムが開発された。このシステムでは、2つのリードビームがスチールのエッジに沿って移動し、汚染物を除去し、亜鉛（Zn）表面層を予熱し、ウェッティングを促進する。強力なトレーリングビームがエネルギーを供給し、Cu/Siワイヤを溶かして、新しいやり方で正常化されたスチール面をシームレスに接合する（図 1）。
　3焦点ブレージングシステムは、ファイバ技術の柔軟性に依拠している（図2）。ファイバレーザが、異なる径の3本の光ファイバに結合されており、これらは一本のケーブルで供給される。加工対象付近で、デリバリオプティクスが所望の3ビームプロファイルを実現し、細いリードビームがあらかじめ洗浄し、その後でトレーリングビームがスパッタのないロウ付けシームを完成する。
　3焦点ブレージングの利点を直接評価するために、近赤外（NIR）ファイバレーザを使用して一連の0.8mm溶接メッキしたスチールサンプルを接合した。1.6mm CuSi3合金ワイヤ、3.5kW赤外ブレージングビーム、加工レート4.5m/分を使用。CuSiワイヤを溶かす前に、350Wリードビームがスチールエッジを前もって洗浄するために供給されると、エッジの均一性向上、表面仕上げ向上がすぐさま観察できる（図 3）。
　3焦点ブレージングは、1工程にクリーニングと結合を統合し、塗装前の後処理の必要性を大幅に削減する。ブレージングは、完全に高速自動化できる。直線および曲線に沿って接合強度と再現性は優れている。自動車メーカーは、生産性と美観の両方を最適化するために、化粧スチール接合にとって好ましいソリューションとして、3焦点ブレージングの採用をますます増やしている。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2016/07/LFWJ1605_P26-28_ft03.pdf