レーザー溶接は、レーザー加工技術の応用における重要な側面の一つであるだけでなく、21世紀において最も注目を集め、将来性の高い溶接技術でもあります。従来の溶接方法と比較して、レーザー溶接は多くの利点を有し、溶接品質が高く、効率も向上します。現在、レーザー溶接技術は、製造業、粉末冶金、自動車産業、電子産業、バイオメディカルなどの分野で広く利用されています。
レーザー溶接は、溶接プールの形成メカニズムに基づいて、熱伝導溶接と深溶け込み（小孔）溶接という2つの基本的な溶接メカニズムに分けられます。熱伝導溶接で発生した熱は伝熱によってワークに拡散し、溶接部表面が溶融します。基本的に蒸発現象は発生しないため、低速薄肉部品の溶接によく用いられます。深溶け込み溶接は、材料を蒸発させ、大量のプラズマを生成します。発生する熱量が大きいため、溶融プールの先端に穴が開きます。深溶け込み溶接は、ワークを徹底的に溶接することができ、入力エネルギーが大きく、溶接速度が速いため、最も広く使用されているレーザー溶接モードです。
レーザー溶接の品質に影響を与えるプロセスパラメータは、電力密度、レーザーパルス波形、焦点ずれ、溶接速度、補助吹き付けガスなど、多数あります。
1. レーザー出力密度 出力密度はレーザー加工において最も重要なパラメータの一つです。出力密度が高いほど、表面層はマイクロ秒単位の時間範囲で沸点まで加熱され、大量の蒸発が発生します。そのため、高出力密度は、打ち抜き、切断、彫刻などの材料除去加工に非常に有利です。出力密度が低い場合、表面温度が沸点に達するまでに数ミリ秒かかり、表面層が蒸発する前に下層が融点に達するため、良好な溶融溶接が形成されやすくなります。したがって、熱伝導レーザー溶接における出力密度の範囲は104～106W/cm2です。
2. レーザーパルス波形
レーザーパルス波形は、材料の除去と溶融を区別する重要なパラメータであるだけでなく、加工設備の規模とコストを決定する重要なパラメータでもあります。高強度レーザービームが材料表面に照射されると、材料表面ではレーザーエネルギーの60～90%が反射・損失します。特に金、銀、銅、アルミニウム、チタンなどの材料は反射が強く、熱伝達が速いです。金属の反射率は、レーザーパルス信号中の時間とともに変化します。材料の表面温度が融点まで上昇すると、反射率は急激に低下し、表面が溶融状態になると、反射率は一定の値で安定します。
3. パルス幅 パルス幅はパルスレーザー溶接の重要なパラメータです。パルス幅は、溶け込み深さと熱影響部によって決まります。パルス幅が長いほど熱影響部は大きくなり、溶け込み深さはパルス幅の1/2乗で増加します。しかし、パルス幅の増加はピーク電力を低下させるため、熱伝導溶接では一般的にパルス幅の増加が使用され、その結果、溶接サイズは広く浅くなり、特に薄板と厚板の重ね溶接に適しています。ただし、ピーク電力が低いと入熱が過剰になるため、材料ごとに溶け込みを最大化する最適なパルス幅があります。
4、デフォーカスレーザー溶接では、通常、ある程度のデフォーカスが必要です。これは、レーザー焦点の中心ではスポット電力密度が高すぎるため、穴に蒸発しやすいためです。レーザー焦点から離れた各平面では、電力密度の分布は比較的均一です。デフォーカスの方法には、正デフォーカスと負デフォーカスの2種類があります。焦点面がワークピースの上に位置する場合は正デフォーカス、そうでない場合は負デフォーカスです。幾何光学理論によれば、正デフォーカス面と負デフォーカス面と溶接面との距離が等しい場合、対応する平面上の電力密度はほぼ同じですが、実際に得られる溶融池の形状は異なります。負デフォーカスの場合、より大きな溶け込みが得られ、これは溶融池の形成プロセスに関連しています。
5、溶接速度 溶接速度は、溶接面の品質、溶け込み、熱影響部などを決定します。溶接速度は単位時間あたりの入熱量に影響を与えます。溶接速度が遅すぎると入熱量が大きくなり、ワークピースが焼け落ちてしまいます。一方、溶接速度が速すぎると入熱量が小さくなり、ワークピースの溶接が不透明になります。通常、溶接速度を下げることで、溶け込みを改善します。
6、補助吹き付け保護ガス補助吹き付け保護ガスは、高出力レーザー溶接において不可欠なプロセスです。金属材料のスパッタリングによる集光鏡の汚染を防ぐだけでなく、溶接中に発生するプラズマが過度に集光し、レーザーが材料表面に到達するのを防ぐ役割も担っています。レーザー溶接のプロセスでは、溶融池を保護するためにヘリウム、アルゴン、窒素などのガスがよく使用され、溶接工程においてワークピースの酸化を防ぎます。保護ガスの種類、気流の大きさ、吹き付け角度などの要因は溶接結果に大きな影響を与えます。また、吹き付け方法の違いも溶接品質に一定の影響を与えます。
ヘリウムはイオン化しにくい（イオン化エネルギーが高い）ため、レーザーがスムーズに通過し、ビームエネルギーが妨げられることなくワークピースの表面に到達します。これはレーザー溶接に使用される最も効果的な保護ガスですが、価格が比較的高価です。アルゴンは安価で密度が高いため、保護性能に優れています。ただし、高温の金属プラズマによってイオン化されやすいため、ビームの一部がワークピースから遮蔽され、溶接の有効レーザー出力が低下するだけでなく、溶接速度と溶け込みも損なわれます。アルゴンで保護された溶接部の表面は、ヘリウムで保護された溶接部の表面よりも滑らかです。窒素は保護ガスとして最も安価ですが、主に吸収などの冶金上の問題によりラップゾーンに気孔が発生することがあるため、一部のタイプのステンレス鋼溶接には適していません。
新しい溶接技術であるレーザー溶接は、高エネルギー密度、高速、高精度、深い溶け込み、そして優れた適応性といった特徴を備えています。その応用範囲はますます広がり、生産効率の向上だけでなく、溶接品質の向上にも寄与します。レーザー溶接技術は、材料加工分野において今後ますます重要な役割を果たすようになるでしょう。
投稿日時: 2023年3月28日
