銅ブスバーのレーザー溶接は「くっついているか」だけでは合否を判断できません。通電部品である以上、断面(溶け込み)・気孔・電気抵抗・機械的強度の4つをそろえて見て初めて品質が決まります。この記事では、銅が溶接しにくい理由から、断面観察で見るべき寸法、気孔が出る原因と減らし方、抵抗値の測り方、そして参照できる規格(ISO 13919-2:2021に純銅が追加された点)までを、発注側が図面と受入検査で使える形で整理します。

銅ブスバー
レーザー溶接
品質評価
溶け込み深さ
気孔
接触抵抗
ISO 13919-2
無酸素銅

銅のレーザー溶接はなぜ難しいのか

銅がレーザー溶接で扱いにくいのは、近赤外の光をほとんど反射してしまうことと、熱を逃がす速さが際立って大きいことの2点が重なるためです。この2つが、そのまま気孔・スパッタ・溶け込み不足という不良の形で現れます。

理由1:常温での光の吸収率が低い

一般的なファイバーレーザーの波長(1μm帯)に対して、銅の常温での吸収率は数%程度しかありません。残りは反射されるため、溶かすには過大なエネルギー密度が必要になり、いったん溶け始めると急激に温度が上がって溶融池が暴れ、スパッタやブローホールにつながります。一方、青色や緑色の可視光域では銅の吸収率が大きく上がり、穏やかな入熱で溶かせるようになります。

棒の長さは相対的な傾向で、実際の値は表面状態(酸化・めっき・粗さ)と温度で変わります。溶融後は吸収率が上がるため、溶け始めの一瞬だけが極端に難しいのがこの工程の性格です。

理由2:熱伝導率が高く、熱が逃げる

銅の熱伝導率は約400 W/(m・K)で、鉄のおよそ5倍にあたります。投入した熱が周囲へ即座に逃げるため、溶融池を保つには高い出力密度が要り、その分だけ蒸発とスパッタが起きやすくなります。板厚が増えるほどこの傾向は強まります。

要点:銅は「反射する・熱が逃げる」ため、溶け始めが不安定。材質と波長の選択が品質の前提条件になる。

溶接品質は何で判断するのか(4つの軸)

銅ブスバーの溶接品質は、断面(溶け込み)・内部欠陥(気孔)・電気抵抗・機械的強度の4つで評価します。どれか1つが良くても、他が悪ければ通電部品としては不合格です。特に外観だけの判定は危険で、表面がきれいでも内部が空洞ということが起こります。

要点:外観だけで合否を決めない。非破壊(抵抗)と破壊(断面・強度)を役割分担させる。

断面観察で見るべき寸法

断面観察で確認するのは、溶け込み深さ・溶接幅(接合面での有効幅)・割れの有無・アンダーカットや余盛の形です。特に重ね継手では、「上板を貫通して下板にどれだけ入っているか」が通電と強度の両方を左右します。

        溶接ビード
           ▼
  ┌────────────────┐  ← 上板(ブスバー A)
  │      ╲    ╱    │
  ├───────╲──╱─────┤  ← 合わせ面(ここが「接合幅」)
  │        ╲╱      │
  │         │      │  ← 下板への溶け込み深さ
  └─────────┴──────┘  ← 下板(ブスバー B)

  見るところ:① 合わせ面での接合幅
             ② 下板への溶け込み深さ
             ③ 未溶着(すき間が残っていないか)
             ④ 割れ・気孔の位置と大きさ
  

溶接部の実効的な通電断面は、ビードの見た目の幅ではなく合わせ面で金属的につながっている幅×溶接長で決まります。ビードが太くても、合わせ面で溶けていなければ電気は流れません。

要点:見るのはビードの太さではなく、合わせ面でつながっている幅と下板への溶け込み。

気孔・ブローホールの原因と減らし方

銅の溶接で気孔が出る主な原因は、母材に含まれる酸素・水分・油分などのガス源と、入熱が過大で溶融池が激しく動くことの2つです。どちらも、条件出しの前に材料と前処理で潰しておけるものが多くあります。

要点:気孔は条件出しより前に、材質・脱脂・すき間・めっき順序で大半が決まる。

抵抗値で通電性能を確かめる

溶接部の通電性能は、4端子法(ケルビン接続)のミリオーム計で接合部を挟んだ区間の抵抗を測り、母材だけの同区間と比べることで確認します。壊さずに全数測れるため、量産の全数検査に向いた指標です。

なぜ4端子法なのか

銅ブスバーの溶接部抵抗はマイクロオーム〜ミリオームの領域です。2端子で測ると、測定リード自体の抵抗と接触抵抗が測定値に乗ってしまい、目的の値が埋もれます。4端子法は電流を流す線と電圧を測る線を分けるため、リードの影響を受けずに微小抵抗を測れます。

母材だけの抵抗は、導体の抵抗の式から求められます。

このように、健全な溶接部の抵抗増加分はマイクロオームの単位です。測定区間を毎回同じにすることと、温度を記録すること(銅は1℃あたり約0.4%抵抗が変わります)が、値を比較可能にする条件になります。判定値は「母材計算値の何%増しまで」という形で決めると、寸法違いの品番にも展開しやすくなります。

要点:4端子法で母材計算値と比較する。判定は絶対値でなく「母材比の増加分」で決める。

強度と振動をどう確認するか

機械的強度は、継手形状に合わせた引張試験またはせん断試験で破断荷重と破断位置を確認するのが基本です。溶接部で破断せず母材側で伸びて切れるなら、継手としては十分な強度が出ていると判断できます。

見落とされやすいのが溶接ひずみによる寸法変化です。銅は熱を通しやすく、局所加熱でも部材全体が動きます。曲げと溶接の両方が入る部品では加工順序で最終寸法が変わるため、図面の寸法基準をどこに置くかを先に決めます。

要点:破断位置が母材側なら合格の目安。加えて熱サイクル後の再測定で初期不良を拾う。

参照できる規格はどれか

ビーム溶接継手の不完全部(欠陥)を評価する国際規格としてISO 13919 シリーズがあり、2021年改訂の Part 2 は適用範囲にアルミニウム・マグネシウムとその合金に加えて純銅(pure copper)を明記しています。銅ブスバーの溶接品質を第三者に説明するときの、現時点で最も直接的な参照先です。

ISO 13919-2 は不完全部の許容度を段階(品質水準)で示す構成で、製造上の品質レベルを示すものであって、製品としての使用適合性(fitness for purpose)を保証するものではないと明記されています。つまり「この水準を満たせば自社の設備で使える」までは規格が決めてくれません。用途ごとの合否基準は、この規格を土台にして発注者と加工先が取り決める必要があります。

要点:ISO 13919-2:2021が純銅を含む。ただし合否ラインは発注者と加工先で取り決める前提。

図面と発注で先に決めておくこと

溶接を含む銅ブスバーを発注するときに、材質・継手形状・溶接長・要求する溶け込み・検査方法と頻度・めっきとの順序の6点を先に決めておくと、見積りのばらつきと後工程の手戻りが大きく減ります。逆に、これらが空欄のまま図面が回ると、加工先ごとに前提が変わり、価格も品質も比較できなくなります。

要点:6項目を図面で埋める。溶接かボルトかは性能ではなく、分解性・数量・保守で決める。

よくあるご質問