ファイバーレーザー溶接とCO₂レーザー溶接の比較：どの情報源があなたのプロセスに最適ですか？

新しい金属溶接セルでは、柔軟なビーム伝送、コンパクトな統合、ロボット化、またはスキャンが重要な場合、通常はファイバーが最初の試用対象となります。検証済みの10.6μmプロセスまたは設置済みのセルが既に部品の要件を満たしている場合でも、CO₂排出量を考慮に入れて決定してください。最終的な選択は、波長、出力、またはカタログ上の速度だけではなく、生産を代表する部品での再現性のある溶接に基づいて行う必要があります。

情報源を比較する公平なテスト計画を作成する

保護されたプロセスセル内での厚板の工業用レーザー溶接 — 工業用厚板レーザー溶接。写真：TRUMPF GmbH + Co. KG、 CC BY-SA 3.0 DEフルフレーム表示。

製造上の決定から始めるべきであり、供給元ラベルから始めるべきではない。

レーザー光源はビームを生成しますが、溶接セルが溶接を行います。出力、スポットサイズ、ビームプロファイル、焦点位置、移動速度、接合ギャップ、遮蔽、プルーム制御、治具、部品のばらつきなど、すべてが結果に影響を与えます。サプライヤー間の比較は、これらの条件と合格基準が明確に示されている場合にのみ有効です。

イッテルビウムファイバー溶接光源は一般的に1.06～1.085μm付近で動作する。工業用CO₂光源は10.6μmで動作する。波長によって光伝送、初期材料結合、反射特性、レーザーハザードメカニズムが変化する。波長は普遍的な浸透深さ、速度、欠陥率を提供するものではない^。1

新しい金属電池

セル内でロボット、スキャナー、ハンドヘルドヘッドが必要な場合、または頻繁な配線変更が必要な場合は、まず光ファイバーの試用を行ってください。納品されたビームと完全な光学パッケージを請求してください。

認定されたCO₂セル

既存の送電線を交換する前に、その性能を測定してください。安定した収益、償却済みの資産、そして実績のある信頼性は、新しい電源アーキテクチャよりも優先される場合があります。

銅または接続が困難な場合

光ファイバーとCO₂のどちらか一方を強制的に選択させないでください。同じ部品の試験に、515nmの緑色など、現在利用可能な可視光波長オプションを追加してください。

光ファイバーとCO₂は、光伝送と細胞統合において最も異なる点がある。

この表は、提案書で確認できる技術的な影響について説明しています。速度、効率、メンテナンス性に関する一般的な約束は避けています。なぜなら、それらは電源の種類、電力クラス、冷却パッケージ、光学系、デューティサイクルなどによって異なるからです。

決定要因	Ybファイバーレーザー	CO₂レーザー	確認すべきこと
典型的な波長	一般的なYbファイバー光源の場合、約1.06～1.085μmです。	ここで議論されている工業用CO₂発生源の場合、10.6μmである。	正確な光源波長、動作モード、および光学系の互換性。
ビームルート	レーザー光ケーブルは、光源から処理ヘッドまでの柔軟な配線を可能にする。	光線は、密閉された鏡を用いた光路を通って導かれる。	リーチ、屈曲、可動軸、ビームスイッチ、汚染制御、およびサービスアクセス。
金属加工の出発点	新しい板金溶接、ロボット溶接、スキャナー溶接セルにおける、一般的な最初の候補材料。	金属溶接における実績のある工業用材料であり、現行製品ラインナップでも引き続き入手可能です。	実際の合金、厚さ、接合部において、再現性のある溶接範囲。
鍵穴の上の蒸気	粒子プルームは近赤外線を散乱させる可能性があり、制御されたガス供給が必要となる。	イオン化された蒸気は10.6μmのエネルギーを吸収して再放射することができ、プラズマ制御はそのプロセスの一部となり得る。	ガス種、ノズル位置、流量、焦点安定性、生産速度における貫通度。²
細胞の柔軟性	光ファイバーによる配線は、ロボット、スキャナー、および複数ステーションのレイアウトを簡素化できる。	ミラールーティングは固定された設計済みのセルには適しているが、光路に制約が生じる。	実際の動作範囲、プロセスヘッド、ケーブルまたはミラーの保護、および切り替え方法。
メンテナンスへの曝露	長い外部ミラー列はないが、保護窓、プロセスヘッド、コネクタ、冷却装置、排気装置は引き続き整備が必要である。	共振器、ビーム誘導、偏向ミラー、冷却、汚染監視などは、システム設計によって決まる。	定期交換部品、サービス間隔、復旧時間、現地スペアパーツ、および対応保証。
安全機構	近赤外線は網膜に到達する可能性がある。	10.6μmは赤外線C領域に属し、主に眼球前面の組織と皮膚に吸収される。	ガード材、観察窓、インターロック、ビームダンプ、眼鏡の波長/OD、およびLSOレビュー。

スマートフォンでは、表を水平方向にスワイプするか、表にフォーカスを合わせて矢印キーを使用してください。

ソースアーキテクチャは、ワークピースへの経路を変更します。

光ファイバー光源とCO₂光源はどちらも生産溶接に使用できます。しかし、それぞれのビーム経路によって統合上の課題が異なるため、見積書にはレーザー名だけでなく、より詳細な情報を示す必要があります。

典型的な光ファイバー伝送ルート

Yb源→レーザー光ケーブル→プロセス光学→ジョイント

現在の産業用光ファイバー製品は、光源、レーザー光ケーブル、光学系、制御装置、センサーを一体化できる。許容されるケーブル長、コア径、ビームパラメータ積、曲げ経路はモデル固有のものである^。3

典型的なCO₂経路

CO₂共鳴器→ビームフォーミング光学系→偏向ミラー→ジョイント

現在のCO₂システムでは、一体型でカプセル化されたビーム誘導および監視光学系を使用できる。外部経路には、ビームスイッチ、望遠鏡、偏光光学系、ミラーユニットが含まれる場合がある^。4

光源出力だけを比較しないでください。ワークピースにおける出力、両軸方向のスポット寸法、ビームプロファイルまたは関連するビーム品質データ、焦点許容誤差、およびサンプルに使用された光学構成を要求してください。2つの「6kW」セルは、非常に異なる溶接条件をもたらす可能性があります。

公正な裁判は、部品と受入基準を一定に保つ。

供給源、スポット、速度、接合部の隙間、検査基準を同時に変更すると、比較ではなくデモンストレーションになってしまいます。試作は、生産上のばらつきと顧客にとって重要な不具合を中心に構築してください。

入力を固定する。 同一の合金／熱処理、厚さ、コーティング、材料ロット、エッジ処理、接合図面、および清浄度基準を使用してください。
光学状態を宣言してください。 出力、スポット、フォーカス、ビームプロファイル、入射角、光学系、および後方反射防止に関するデータを記録する。
プロセスを制御する。 記録速度、波形または変調、シールドガス／プルームガス、ノズル形状、充填ワイヤ、および固定具の拘束。
真の多様性を導入する。 繰り返し使用する部品について、公称値および最悪値のギャップ、部品の高さ、表面状態、熱状態をテストする。
1つの承認プランを適用する。 同じ検査方法、サンプリング頻度、欠陥許容値、およびタクトタイム要件を用いて、両方のルートを比較する。

ロボットレーザー加工においてワークピースを位置決めするために使用されるローラーと柔軟な治具の図 — ロボットレーザー加工用のコンプライアント治具とローラーのコンセプト。画像：www-AluStir-com、 CC BY-SA 4.0フルフレーム表示。

セルは、良好な溶接が良好な状態を維持できるかどうかを決定づけることが多い。

光ファイバーによる搬送はロボットの経路設定を容易にするが、関節の提示不良を修正することはできない。CO₂ミラーによる搬送は位置合わせと筐体の制約を増やすが、適切に制御された固定セルは安定性を維持できる。ビームに対して関節を提示する機構を比較する。

接合部の位置を特定し、焦点面を部品の公差全体にわたって保持します。
ギャップ、エッジの不整合、クランプ力、熱による歪みを制御します。
光学部品を飛沫、蒸気、汚染物質から保護してください。
ロボットの全経路を通して、ガス供給を常に正確に維持する。
オペレーターがヘッド、ケーブル、またはミラーパスの障害から復旧する方法を定義する。

万能な勝者を探すのではなく、3つのルートを使う。

ソース候補リストは、部品、セル、およびインストールベースに従って作成する必要があります。これらのルートは、何をテストすべきか、そしてどこで憶測を止めるべきかを示します。

まずはファイバーをお試しください

コンパクトな統合、柔軟な配線、ロボットによるアクセス、またはスキャナの動作を必要とする多くの新しい金属セルにとって、最適な出発点となるでしょう。

証拠が必要

タクトタイムでの繰り返し断面
ギャップとフォーカスを横断するプロセスウィンドウ
光学保護およびサービスプラン

交換前にCO₂を監査する

設置済みのセルが、品質基準を満たし、ミラーパスが確立されており、保守担当者が訓練を受けており、かつ経済的な耐用年数が残っている場合に適しています。

停止境界

スペア部品またはサービスリスクは容認できない
計測されたユーティリティとダウンタイムは、資産の優位性を消し去る。
細胞は新しいジョイントやタクトを満たすことができません

銅の候補リストを拡大する

近赤外線ファイバーは実用的かもしれないが、冷間銅結合では2つの光源の比較が不完全になる可能性がある。現在販売されている515nmの緑色光源は、銅溶接専用である^。5

証拠が必要

コールドスタートと定常状態の安定性
スパッタ、浸透性、電気的性能
後方反射防止および表面状態耐性

材料名は、関節に特化した研究に代わるものではありません。

材料または接合部	妥当な最初の研究	結果を逆転させる可能性のある変数	最小限の有用な証拠
炭素鋼または低合金鋼	新規セル用の光ファイバー、既存のCO₂プロセスの測定監査。	厚さ、コーティング、炭素当量、ギャップ、浸透モード、ガス供給。	必要に応じて断面検査、硬度試験または機械的試験、タクトタイムにおける不良率。
ステンレス鋼	光ファイバーは、実用的で現代的な出発点である。	表面仕上げ、遮蔽性、熱による変色限界、適合性、貫通性、歪み目標。	指定されている場合は、貫通部／溶融部、表面受入検査、腐食関連検査を実施する。
アルミニウム合金	合金固有の調製方法と安定性管理を用いた繊維試験。	合金/熱処理、酸化物および汚染、水素源、接合部の拘束および亀裂感受性。	繰り返しセクション、多孔性許容値、強度または漏洩試験は用途に応じて適用されます。
銅または銅スタック	近赤外線ファイバーを関連するグリーン光源と比較し、供給業者がテストできる場合にのみ他の波長を追加してください。	合金、コーティング、表面状態、箔／積層体の形状、熱容量、および電気的要件。	必要に応じて、安定性、スパッタ、溶融領域、抵抗、および熱サイクル試験の証拠を提示してください。
コーティングされた接合部または異種接合部	デスクワークのみの受賞者はなし。	蒸気経路、金属間化合物の形成、コーティングの厚さ、ギャップ、および充填材戦略。	金属組織検査に加え、実使用状態を示す機械的試験、漏洩試験、腐食試験を実施する。

試験要件は、図面、使用荷重、および該当する溶接資格に基づいて定められるべきであり、一般的な材料表に基づいて定められるべきではない。

同一生産期間における全セルコストを比較する。

仕入先価格の比較では、生産ラインの停止につながる要因を見落としてしまう。各仕入先に同じ範囲の価格を提示してもらい、実測値と見積値を分けて提示してもらうように依頼する。

コストブロック	両方の引用に含める	要求する証拠
生産用ハードウェア	熱源、冷却装置、光学系、ヘッド、モーションセンサー、固定具、配線／ガスシステム、排気装置、安全ガード、制御装置。	項目ごとの範囲、インターフェース、除外事項、および受け入れテストの責任。
ユーティリティ	記載されたデューティサイクルにおける入力電力、冷却、圧縮空気、遮蔽/煙発生ガス、および排気負荷。	提案された運転点における、計測値または計算値に基づく消費量。
メンテナンス	保護窓、光学部品、プロセスケーブルまたはミラー経路、フィルター、冷却装置、および計画された作業。	サービススケジュール、現地のスペアパーツ、技術者の対応状況、および想定される復旧手順。
品質の低下	初期不良品処理、パラメータ開発、再加工、検査、破壊試験、再認定。	繰り返し試験による歩留まりと、それを算出するために使用された検査計画。
ダウンタイムと切り替え	定期点検、故障復旧、ヘッドまたは光学系の交換、新規部品のセットアップ、およびオペレーター研修。	切り替え手順、障害リスト、および契約上のサポートレベルを実証しました。

危険性はそれぞれ異なるが、いずれも工学的対策が必要である。

OSHAのガイドラインでは、400～1400 nmの放射線を網膜危険領域に分類している。これには一般的なYbファイバーの波長が含まれる。10.6 μmのCO₂放射線は赤外線C領域に属し、水分を多く含む眼球前面組織がエネルギーを吸収するため、角膜や皮膚に強い危険をもたらす。これは傷害発生メカニズムの違いであり、安全性の順位付けではない^。6

高出力溶接は、火災、高温金属、電気、圧縮ガス、および空気中の汚染物質による危険も伴います。母材、コーティング、油、および洗浄剤の種類によって、必要な抽出処理と産業衛生評価の内容が決まります。

プロセスを制限する

波長定格の保護セル、インターロック式アクセス、保護された視界、および制御されたビーム終端を使用してください。OSHAは、可能な限り高出力レーザーをクラス1システム構成に組み込むことを推奨しています。

すべての動作状態を確認する

通常の製造、セットアップ、教育、保守、調整、および障害復旧の過程で、さまざまなビーム経路が発生する可能性があります。各状態におけるアクセスおよびロックアウト方法を定義してください。

波長と露出による保護を指定してください。

レーザー保護メガネは、波長と必要な光学濃度に適合している必要があります。これはリスク管理を補完するものであり、囲い、インターロック、およびアクセス制御に取って代わるものではありません。

適格所有権を活用する

レーザー安全責任者および関連する溶接、電気、機械安全、産業衛生の専門家に、最終的なセルと手順を承認してもらう。

すべてのサプライヤーに同じ証拠書類一式を送付してください。

同等の見積もり依頼を行うことで、ある業者が、より簡単な部品を使用したり、より狭い受入基準を用いたりしたために落札する可能性を低減できる。

部品定義

図面、溶接記号、継手長さ
合金、焼き戻し、コーティング、および証明書
名目上のギャップ／不一致と最悪の場合のギャップ／不一致
代表的な生産部品

受け入れゲート

貫通および融合要件
多孔性、亀裂、飛散の限界
強度、漏れ、または耐性テスト
必要なタクトタイムと初回合格歩留まり

プロセス記録

加工物へのパワー、スポット、フォーカス
速度、波形、ガス供給
治具、ロボット、およびセンシング方法
複数の部分からの繰り返しセクション

セルおよびサービス範囲

ユーティリティ、警備、および抽出
消耗品および定期点検
障害復旧と現地予備部品
研修、資格取得、およびサポート

発送が必要なジョイントについて、複数の情報源を比較検討してください。

オーシャンプレイヤーレーザーは、材料、接合部、タクトタイム、および受入要件を検討した上で、生産を代表するサンプル計画を策定します。有用な成果物は、単なる見本となるビードではなく、文書化された溶接範囲とセル範囲です。

溶接プロジェクトについてご相談ください

技術情報源

TWI ― 光源の戦い：高出力Ybファイバーレーザーを用いた鋼材とアルミニウムの溶接Yb波長、光ファイバー光源構造、および制御溶接の比較に関する歴史的な情報源。2005年のコストと効率の数値は、現在の市場価値としては使用されていません。
TWI — レーザー溶接におけるガスシールド、プラズマおよびプルームの制御溶接シールドとCO₂プラズマ制御および近赤外線プルーム制御を区別する。
トランプ — TruFiber S現在のサプライヤー例としては、産業用光ファイバー光源、レーザー光ケーブル、プロセス光学機器、制御装置、センサーなどが挙げられます。
トランプ — トゥルーフロー現在のベンダーの例として、10.6μm CO₂光源、カプセル化されたビームガイド、偏向ミラー、および金属溶接アプリケーションが挙げられます。
トランプ氏 ― 緑色の波長のトゥルーディスク銅溶接用515nm製品の現状の例。ベンダーの性能に関する主張は、購入者側で検証する必要があります。
OSHA（米国労働安全衛生局）— レーザーの安全性と危険性評価に関するガイドライン波長依存性の眼への影響、クラス4規制、筐体および波長に応じた眼鏡に関するガイダンス。

本稿は、初期段階の設備および工程計画を支援するものです。溶接手順仕様書、資格認定記録、レーザー安全評価、または性能保証ではありません。最終的な設計および運用には、実際の設備、部品、および適用される要件に基づいた、資格を有する溶接およびレーザー安全に関するレビューが必要です。