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「OCT溶接深さ検査」技術資料（初級編）

ホワイトペーパー
パナソニックプロダクションエンジニアリング株式会社
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レーザ溶接業界注目の新技術「OCT溶接深さ検査」の初級編技術資料です。アペルザTV「未来のクルマ Technology ONLINE 2022 Summer」のウェビナーをもとに作成しています。

レーザ溶接業界注目の新技術である「OCT溶接深さ検査」に関して、近年のレーザ溶接業界の動向・背景から説明する初級編の技術資料になります。

目次：
１．レーザ溶接の最新動向
２．レーザ溶接の新たなモニタリング技術（OCT溶接深さ検査）
３．「OCT溶接深さ検査」の検証事例のご紹介
４．「OCT溶接深さ検査」の想定事例のご紹介
５．弊社アプリケーションラボのご紹介
６．ポイントまとめ

また、下記の元動画（アペルザTV）もご参考に活用下さい。
https://tv.aperza.com/watch/715

このカタログについて

ドキュメント名 「OCT溶接深さ検査」技術資料（初級編）
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
ファイルサイズ 2.3Mb
取り扱い企業 パナソニックプロダクションエンジニアリング株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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初級編 ホワイトペーパー レーザ溶接業界、 注目の新技術！ 「OCT溶接深さ検査」 In-process inspection
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はじめに レーザ溶接では、難しいとされる「溶接深さ検査」。 車載の電動化で急激に拡大する需要に対応するため、レーザ溶 接工程のさらなる効率化が求められます。 このホワイトペーターでは、レーザ溶接中のリアルタイム、非 破壊、全数検査を、可能にする「OCT（光干渉断層法）」を活 用した溶接深さ検査についてご紹介いたします。 2
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目次 ※Ver1.0（2023年9月25日） 1 レーザ溶接の最新動向 1.1 レーザ溶接業界のトレンド ……………………………4 1.2 溶接検査の重要性 ………………………………………5 1.3 溶接検査の分類 …………………………………………6 1.4 OCTが注目される理由 …………………………………8 2 レーザ溶接の新たなモニタリング技術 2.1 新技術「OCT（光干渉断層法）」とは？ ……………9 2.2 新技術「OCT（光干渉断層法）」の活用方法 ………10 2.3 新技術「OCT（光干渉断層法）」の導入メリット …11 2.4『 OCT溶接深さ検査』の特長 …………………………12 2.5『OCT搭載ガルバノヘッド』の特長 …………………12 3 検証事例のご紹介 ……………………………………………13 4 想定事例のご紹介 ……………………………………………15 5 アプリケーションラボのご紹介 ……………………………16 6 ポイントまとめ ………………………………………………17 3
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1 レーザ溶接の最新動向 1.1 レーザ溶接業界のトレンド 近年の電動車の急激な増加により、バッテリー・インバータ・ モータなど、急激に需要が拡大することが見込まれます。 それにともない、レーザ溶接の生産性向上が重要になるととも に、従来からある生産性の低い他の工法からレーザ溶接への置 き換えが期待されています。 生産量の急激な増加に向けて、 レーザ溶接への期待アップ プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ様プレスリリース資料を引用 技術面では、大きく3点の新技術が注目されています。 ①新たな発振器の登場 →Greenレーザ、Blueレーザ ②新たなモニタリング技術（検査技術）の登場 →インプロセス溶接検査の進化 ③AIの活用 このホワイトペーパーでは、2つ目の新たな検査技術についてご 紹介します。 4
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1 レーザ溶接の最新動向 1.2 溶接検査の重要性 なぜ溶接検査が必要か？ レーザ溶接では、「品質の作り込み」と「検査」はセットと言 う概念が重要になります。 これは、「品質の作り込み」のみに注力して開発しても、量産 工程に導入する時に検査技術が確立していなければ、開発した 製品を量産し、世の中に出すことが出来ないためです。 したがって、品質確保のため、「品質の作り込み」だけでなく、 常に「検査」を一緒に考えることが必須となります。 「品質の作り込み」と「検査」はセット 品質確保 「品質の作り込み」 「検査」 確立 確立 溶接検査では、各溶接欠陥に応じて検査する必要がありますが、 溶接欠陥は内部欠陥と表面欠陥に分けられます。 特に内部欠陥は、「内部がどのように溶けて、接合されている か？」あるいは、「内部のどこまで、溶け込み深さが確保でき ているか？」などを外観からは確認することが出来ないため、 検査に悩むことになります。 特に、「溶接内部の検査」が難しい 内部がどこまで 溶けているか？ 5
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1 レーザ溶接の最新動向 1.3 溶接検査の分類 レーザ溶接の検査は、大きく分けると2種類に分類できます。 1つは「溶接後検査」、そしてもう1つは「インプロセス検査」 です。 Point！ 溶接後検査 インプロセス検査 抜取り検査 インライン検査 パッシブ式 アクティブ式 断面研磨 X線検査 画像検査 戻り光モニタ OCT 引張り試験 各種探傷検査 高さ検査 方式 気密試験 抵抗検査 ○ ○ 内部欠陥 ○ ‐ ‐ 破壊検査 溶接深さ検査 溶接欠陥 表面欠陥 ‐ ‐ ○ △ ‐ 非破壊・全数検査 × △ ○ ○ ○ リアルタイム × × × ○ ○ 1つ目の「溶接後検査」とは大きく「抜取り検査」と「インライ ン検査」に分けることが出来ます。 「抜取り検査」は、定期的に製品を抜取り破壊検査するものが 多いですが、欠点は、破壊検査によるロスコストの発生や全数 検査出来ない点になります。 また、「インライン検査」は、溶接後の後工程に検査工程を設 けることを指します。この検査は、非破壊・全数検査出来るの ですが、当然、後工程のため、リアルタイムに検査することは できません。 逆に、もう一方の「インプロセス検査」はリアルタイムで、非 破壊・全数検査が可能になります。 6
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1 レーザ溶接の最新動向 インプロセス検査にも、ここに示す「パッシブ式」と「アク ティブ式」の2つの方式がありますが、特に、溶接内部の様子で ある溶け込み深さが可能なもの（溶接深さ検査が可能なもの） は、OCTしかないということです。 Point！ 溶接後検査 インプロセス検査 抜取り検査 インライン検査 パッシブ式 アクティブ式 断面研磨 X線検査 画像検査 戻り光モニタ OCT 引張り試験 各種探傷検査 高さ検査 方式 気密試験 抵抗検査 OCT技術が注目 ○ ○ 内部欠陥 ○ ‐ ‐ 破壊検査 溶接深さ検査 溶接欠陥 表面欠陥 ‐ ‐ ○ △ ‐ 非破壊・全数検査 × △ ○ ○ ○ リアルタイム × × × ○ ○ 溶け込み深さを検査するというのは、具体的にどのような検査 なのか？をOCTが注目されている理由とともにご紹介します。 7
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1 レーザ溶接の最新動向 1.4 OCTが注目される理由 まずは前提として、レーザ溶接プロセスについて説明します。 レーザ溶接プロセスは、 「熱伝導溶接」と「キーホール溶接」の2種類あります。 熱伝導溶接 キーホール溶接 低パワー密度 高パワー密度 キーホール 「熱伝導溶接」は、照射するレーザが、低 「キーホール溶接」は、照射するレーザが、 パワー密度のため、表面のみがじわっと溶 高パワー密度のため、レーザ照射部分に、 ける溶接現象と理解すると分かりやすいと 小さな穴が開く、溶接プロセスです。 思います。 車載の電動化で増える製品（バッテリー・インバータ・モータな ど）で使用されるレーザ溶接の大半は、キーホール溶接であり、 一定の溶け込み深さの確保が必要になる溶接です。 溶け込み深さ検査が行える「OCT」が注目！ インバータ バッテリー モータ 8
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2 レーザ溶接の新たなモニタリング技術 2.1 新技術「OCT（光干渉断層法）」とは？ OCTとは、「Optical Coherence Tomography」の略ですが、 日本語にすると「光干渉断層計測」になります。 歴史は、眼科用の検査器として発展した技術になります。 Optical Coherence Tomography 光 干渉 断層計測 ・歴史 →1985年に原理が報告され，1991年に装置実現 →医療用途（眼科用検査器）として普及し， その後に産業用途として発展 眼科用検査の事例（TOPCON様HPより引用） OCTの原理とは、物体からの反射/散乱光を干渉計測することで、 距離測定を行うものであり、「光干渉を利用した精密な距離計 測」と理解して下さい。 「光干渉を利用した精密な計測距離」とは具体的に、計測用の 測定光を物体に照射して戻ってくる物体光と参照ミラーを通し て戻った参照光を干渉計測することで、距離計測を行っていま す。 9 = = =
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2 レーザ溶接の新たなモニタリング技術 2.2 新技術「OCT（光干渉断層法）」の活用方法 OCTをレーザ溶接の溶接深さ検査に活用するための、前提条件 とは、「キーホール溶接に適用可能ですが、熱伝導溶接には適 用不可」になります。 これは、レーザ溶接中のキーホール底の到達位置を測定するこ とで、溶け込み深さとの相関が得られ、「溶接深さ検査」に活 用しているためです。 ・前提条件 →キーホール溶接に適用可能（熱伝導溶接には適用不可） OCT計測光 溶接レーザ光 溶融 金属 キーホール底 凝固部 精密に計測 金属部材 キーホール 10
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2 レーザ溶接の新たなモニタリング技術 2.3 新技術「OCT（光干渉断層法）」の導入メリット ・検査工程・検査工数を削減できるメリット 現状の工程では、「溶接後の後工程での検査」と「抜取りによ る破壊検査」が多く行われています。 これに対して、OCT導入後は、レーザ溶接中にOCT溶接深さ検 査を同時に行うことになります。 OCTを導入することで、多くの工程を圧縮することが出来ます。 Before After 溶接 溶接 ＋ OCT溶接深さ検査 外観検査 抜取検査 ※断面検査 ※引張試験 完成品 完成品 「量産時」と「開発・試作時」のメリットは、下に示すような ものがあります。 量産時 【現状の量産工程課題】 「リアルタイムによる非破壊・全数検査」 ・過剰な検査、保全によるロス 1 →インプロセス溶接保証への展開が可能 ・突発不具合による事後調査によるロス 「検査工程・検査工数の削減」、「稼働率向上」 2 →Totalコスト削減が可能 【導入後】 「全数の溶接品質裏付けデータを集積・保管」 3 検査頻度、保全タイミングを最適化し、 →トレーサビリティ―が可能 Totalコストが削減可能 開発・試作時 「評価工数の削減」、「リードタイムの削減」 1 →開発検証サイクルを素早く回すことが可能 11
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2 レーザ溶接の新たなモニタリング技術 2.4 『OCT溶接深さ検査』の特長 ガルバノスキャン式光学系で「OCT溶接深さ検査」を実現して います。 OCT用レーザ ガルバノ 加工用レーザ 「OCT搭載ガルバノスキャン式光学系」の概略図 「OCT搭載ガルバノヘッド」の外観 2.5 『OCT搭載ガルバノヘッド』特長 「OCT搭載ガルバノヘッド」は、大きく4つの特長があります。 特に上3つは、一般のものより、性能が優れていると考えていま す。 特長 弊社 一般 Wobbling動作に追従した溶接深さ検査が可能 1 ○ × （キーホール底位置を追い続けた測定が可能） シングルモードファイバーレーザでも測定可能 2 ○ × （マイクロキーホールでも測定可能） 3 測定が難しいと言われるアルミ材も測定可能 ○ ×～△ 4 初期調整時におけるキーホール底の位置合せ容易性 ○ △ 12
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3 検証事例のご紹介 Wobbling加工時のOCT計測結果（銅材） Wobbling加工時のOCT計測事例です。 材料は銅で、溶接形態は、この絵のような「突合せ溶接」になり ます。発振器は、シングルモードファイバーレーザを使用してい ます。 繰り返し円を描くWobbling加工を行っておりますが、常にキー ホール底位置を追従して計測しています。 ⚫ 実験条件 ⚫ 実験結果 ・部材 ：C1020（2×4mm） ・溶接形態 ：突合せ溶接 ・発振器 ：シングルモードファイバー使用 ・溶接条件 上面写真 ・溶接送り速度 ：6㎜/s ・Wobbling直径 ：φ1㎜ ・Wobbling周波数 ：100Hz 断面写真 約1.4mm Cu小片 Cu小片 約1.4mm OCT検査 断面写真とOCT検査の結果が一致 13
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3 検証事例のご紹介 Wobbling加工時のOCT計測結果（アルミ材） Wobbling加工時のOCT計測事例です。 材料はアルミで、溶接形態は、この絵のような「重ね合わせ溶 接」になります。この事例も発振器は、シングルモードファイ バーレーザを使用しています。 実験結果の通り、断面写真とOCT検査の結果が一致していて、測 定が難しいと言われるアルミが測定出来ていることが分かります。 ⚫ 実験条件 ⚫ 実験結果 ・部材 ：A1050（t0.5mm、t2.0mm） ・溶接形態 ：重ね合わせ溶接 ・発振器 ：シングルモードファイバー使用 ・溶接条件 上面写真 ・溶接送り速度 ：6㎜/s ・Wobbling直径 ：φ1㎜ ・Wobbling周波数 ：100Hz 断面写真 約1.6mm Al板 約1.6mm Al板 OCT検査 断面写真とOCT検査の結果が一致 14
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4 想定事例のご紹介 具体的なアプリケーションをご紹介 車載の電動化で需要が拡大するバッテリー、モータ、インバータ で適合可能です。 ・バッテリー関係では、セル工程の各種溶接や、ここに示すモ ジュール工程のバスバー溶接で導入が進むと考えています。 ・モータ関係でも、ヘアピン溶接やその他の各種溶接に適合可能 と考えてります。 ・インバータ関係ですが、バスバー溶接やアルミダイキャストの ケーシングなど、各種用途を想定しています。 いろいろな分野に展開可能で、最近は、抵抗溶接・TIG溶接・FSW （摩擦撹拌接合）からの置換え相談も多く頂いております。 これら工法は、いずれも溶接速度が遅く、溶接検査が難しい点が 欠点ですが、レーザ溶接とOCTの組合せで課題解決ができます。 インバータ （バスバー溶接、FSW置換え） バッテリー モータ （セル工程の各種溶接、モジュール工程のバスバー溶接） （ヘアピン溶接、各種溶接） 15
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5 アプリケーションラボのご紹介 弊社アプリケーションラボでは、「OCT搭載ガルバノヘッド」を 用いた評価、および各案件に最適なレーザ溶接ソリューションを ご提供します。 ※アプリケーションラボは大阪に設けており、各種テスト加工が 対応可能です。お気軽にお問合せください。 弊社アプリケーションラボ（大阪府門真市） ■問合せ先：パナソニック プロダクションエンジニアリング株式会社 Eメール： ppe_contact@ml.jp.panasonic.com URL： https://www.panasonic.com/jp/company/ppe.html 16
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6 ポイントまとめ レーザ溶接では、「溶接深さ検査」が難しいとされておりますが、 『OCT溶接深さ検査』なら、レーザ溶接中のリアルタイムによる 非破壊・全数検査が可能になります。 レーザ溶接の新たな検査技術『OCT溶接深さ検査』をぜひご検討 下さい。 さらに詳しく知りたい方はこちら＞＞ https://tv.aperza.com/watch/715 17