レーザー溶接による銅およびアルミニウムの接合：技術的課題と解決策

銅とアルミニウムは、現代製造業において最も重要な材料の2つであり、同時に 最も困難 レーザー溶接が極めて困難な材料でもあります。これらの材料は熱的・光学的特性が特異であり、鋼やステンレス鋼では通用する標準的なレーザー溶接の前提条件とは大きく異なります。

加工業者が銅やアルミニウムの継手で溶融不良、亀裂、気孔、あるいは貫通深さのばらつきといった問題に直面した場合、その原因はほぼ常に、使用中のレーザー装置の性能と、これらの材料が実際に要求する物理的条件との不一致に起因します。

本稿では、それぞれの金属がもたらす特有の課題、さらにそれらを相互に溶接する際の異種金属溶接という追加的な難易度、そして量産現場で信頼性の高い結果を実現するための実践的な対応策について解説します。

主なポイント：

• 銅: 1064nm帯域における非常に高い反射率（95～98％）と極めて優れた熱伝導性のため、高エネルギー密度、グリーンレーザー（515nm）、または精密なパルス波形制御が必要です。

• アルミニウム： 水素気孔および熱割れ（特に6000系）が発生しやすいため、表面処理と溶接材の選定は厳格に実施する必要がある。

• 銅－アルミニウム接合： 主な課題は、もろい金属間化合物（IMC）の生成である。熱入力の最小化とビームのオフセット制御が不可欠である。

標準的なイッテルビウムファイバーレーザーによる銅の溶接における根本的な問題は光学的である。銅は 1064nm —標準イッテルビウムファイバーレーザーの波長—において極めて高い反射率を示す。室温では、入射したレーザーエネルギーの約 95–98%が反射される。

• 後方反射のリスク： 反射されたビームはレーザー光源側へ戻る。十分な後方反射対策が講じられていない場合、このエネルギーによってファイバーコネクタ、コリメータ、さらにはレーザーモジュール自体が損傷を受ける可能性がある。鋼材向けに設計された標準的なファイバーレーザーは、十分な保護機能を備えていない場合がある。

• 結合の不均一性： しきい値エネルギー密度を下回ると、ほぼすべてのエネルギーが反射されます。キーホールが形成されると、吸収率は急激に80～90％まで上昇します。この急峻な遷移により、溶接開始時の不安定性、スパッタ発生、および不規則な貫通が引き起こされることがあります。

銅の熱伝導率は、鋼の約 8倍 です。溶接部に投入されたエネルギーは、融点に達するまで蓄積されるよりも、周囲の材料へ急速に拡散してしまいます。レーザーは、高パワー密度を迅速に供給することで、熱拡散との競争に勝たなければなりません。

• グリーンレーザー溶接（515nm／532nm）： 銅のグリーン波長帯における吸収率は 40–60%（1064nmでは2～5％）です。グリーンレーザーは背面反射のリスクを解消し、安定したキーホール溶接を実現します。

• 高出力パルスまたは変調1064nm： 高ピーク出力のパルスによりキーホールが形成・維持されますが、この手法は表面状態や継手の適合精度に敏感です。

• 表面準備： 酸化物のない清浄な表面は、光吸収の再現性を向上させます。

• 試験溶接は必須です： 実際の生産条件で試験溶接を必ず実施し、対象となる合金種および板厚の適合性を確認してください。

アルミニウムの熱伝導率は鋼の約4倍です。これに加え、比較的低い融点（約660℃）と沸点との間の温度幅が狭いという特徴があるため、固体→液体→気体への相変化が極めて急速に進行します。その結果、安定した溶融池が存在できる時間的・条件的ウィンドウが非常に狭くなり、キーホールの安定性が溶接条件のわずかな変動にも大きく影響を受けやすくなります。

水素気孔はアルミニウムのレーザー溶接において最も顕著な欠陥です。アルミニウムは水分、潤滑油、表面酸化膜などから容易に水素を吸収します。急速凝固時に閉じ込められた水素が内部に気孔を形成します。気孔の発生を最小限に抑えるには、以下の対策が必要です：

• 適切な溶剤を用いた徹底的な表面清掃。

• 保管・取扱い・シールドガスの純度に対する厳格な管理。

特定の合金——特に 6000系（6061、6063） ——は、凝固範囲が広いため、熱割れを起こしやすくなります。

• 対処方法： 溶接部の凝固挙動を制御するため、母材と同質またはそれに近い溶接ワイヤ（例：6061に対しては 4043溶接ワイヤ ）を用い、移動速度を最適化し、継手の拘束を最小限に抑える必要があります。熱割れ感受性の高い合金を溶接ワイヤを用いずに（自己溶接で）溶接することは、実用上ほとんど不可能です。

銅とアルミニウムの接合——電気自動車（EV）のバッテリー接続部、バスバー、電気接点などにおいて、ますます重要になっています—— 電気自動車（EV）のバッテリー接続部、バスバー、電気接点などにおいて、ますます重要になっています は、複雑な冶金学的課題を引き起こします。

溶融池内で銅とアルミニウムが混ざると、CuAl₂やCu₉Al₄などのもろい金属間化合物が生成されます。 CuAl₂およびCu₉Al₄ これらの化合物は次の特徴を持ちます：

• もろい： 機械的応力により容易に破断します。

• 電気抵抗が高い： 接触抵抗が増加し、電気的性能が低下します。

• 熱に敏感： より高い熱入力により、より厚く、より破壊的な金属間化合物（IMC）層が形成されます。

• ビーム位置のオフセット： レーザーを主に融点が低く、あるいは光吸収効率が高い方の材料（通常はアルミニウム）に照射し、熱伝導に頼って直接的な混合を抑制します。

• 短パルス幅および高ピーク出力： MOPAレーザーを用いてエネルギーを迅速に供給し、溶融プールを小さくして反応時間を短縮します。

• 熱入力の最小化： IMC層の厚さを制限しつつ十分な溶融を確保するため、総熱入力を低く保ちます。

• 銅の応用分野： EVバッテリーのバスバー、熱交換器、電気接点、電源コネクタ。

• アルミニウムの応用分野： 自動車の構造部品（ホワイトボディ、バッテリーエンクロージャー）、航空宇宙用シートメタル、HVAC用熱交換器。

• 銅とアルミニウムの異種材応用分野： EVバッテリーセルのタブ、モーター巻線の接続部、パワーインバーターのバスバー。

At Jiangpin tech 当社は、銅およびアルミニウムのレーザー溶接に『万能なソリューション』など存在しないと考えています。まず、お客様の具体的な材料、継手形状、性能要件を詳細に分析いたします。

• 銅の場合： 1064nmによるバックリフレクション問題を解消するため、先進的なグリーンレーザー装置を含むレーザー光源の選定について、当社がご支援いたします。

• アルミニウムの場合： 気孔や亀裂を完全に排除するため、堅牢な材料前処理手順およびシールドガス仕様を提供します。

• 異種材接合の場合： 機械的・電気的性能の厳格な適合を確保するため、サンプル試験マトリクス（ビームオフセット、パルス波形制御、走行速度）をアプリケーションに応じてカスタマイズして設計します。

江品テクノロジーのすべてのシステムは、完全な技術文書、CEマーク、およびグローバルな製造メーカー向けに最適化された信頼性の高い遠隔据付サポートとともに出荷されます。

銅またはアルミニウムの溶接プロセスを最適化したいですか？ ご要件やサンプル溶接試験の予約について、ぜひ本日のうちに当社エンジニアリングチームまでお問い合わせください。