レーザー溶接厚みチャートと出力設定

レーザー溶接の板厚は、溶接の品質と強度を決定する溶接プロセスの重要な側面です。レーザー溶接で達成可能な板厚に影響する要因を理解することは、さまざまな材料や用途に合わせてプロセスを最適化するのに役立ちます。

レーザー溶接の紹介とその重要性

レーザー溶接は、歪みを最小限に抑えて強くきれいな溶接部を形成する能力により、さまざまな産業で広く使用されている高精度プロセスです。レーザー溶接は、溶接パラメーターの精度と制御が不可欠な用途で特に重宝されています。溶接部の厚さは、溶接継手の機械的特性と全体的な完全性に影響する重要なパラメーターです。

レーザー溶接の板厚に影響を与える主な要因

レーザー出力

レーザーの出力は、材料への溶け込み深さに直接影響します。レーザー出力が高いほど、より深い層を溶融および融解するのに必要なエネルギーを提供することで、厚い材料を溶接することができます。例えば、厚さ 10 mm のステンレス鋼を溶接する場合は、約 5 kW のレーザー出力が必要ですが、2 mm のステンレス鋼のような薄い材料では 1 kW で済む場合があります。逆に、バーンスルーや過度の溶融を避けるため、薄い材料には低いレーザー出力が適しています。

素材タイプ

材料によって、熱伝導率、吸収係数、融点などの特性が異なり、これらはレーザー溶接への反応に影響する。例えば、熱伝導率の高いアルミニウムは、同じ板厚を得るためにステンレス鋼よりも高いレーザー出力と遅い溶接速度が必要です。反射率の高い銅は、効率的なエネルギー吸収を確保するために特殊なレーザー光源または表面処理が必要です。

溶接速度

レーザーが材料を横切って移動する速度は、入熱に影響し、その結果、溶接部の厚さに影響する。溶接速度を遅くすると、より多くのエネルギーが材料に浸透し、溶接部が深くなる。例えば、溶接速度を3 m/分から1 m/分に下げると、アルミニウムやステンレス鋼のような材料の溶け込み深さが大幅に増加します。より速い速度は、過熱や歪みを防止するため に、より薄い素材に使用される。

フォーカスポジション

材料表面に対するレーザー焦点の位置が重要である。厚い材料の場合、焦点は通常、より良い浸透を達成するために溶接部の上に設定されます。より薄い材料の場合は、熱影響部を最小限に抑え、反りを防止するため、焦点位置を溶接部の下に設定します。わずか数ミリメートルの焦点位置の調整で、溶接の質 と深さに著しい影響を与えることがある。

ビーム径

レーザービームの直径はエネルギー密度に影響します。ビーム径が小さいほどエネルギー密度が高くなり、薄い材料の溶接に適している。例えば、0.2 mm のビーム径は薄い板金に使用され、0.6 mm の大きなビーム径は厚い材料の溶接に適しています。ビーム径が大きいとエネルギーが広い範囲に分散されるため、厚い材料の溶接に有利です。

実践的な考察

レーザー溶接プロセスを設定する際には、これらの要因の相互作用を考慮することが不可欠である。例えば、溶接速度や焦点位置を調整せずにレーザー出力を上げると、過度の溶融や不完全な融合などの欠陥につながる可能性があります。同様に、材料の種類と厚さに基づいてビーム径と焦点位置を最適化することで、高品質の溶接が保証されます。

製造業者はしばしば、レーザー出力、材料厚さ、および溶接速度を関連付けた包括的なチャートを使用して、セットアップをガイドします。これらのチャートは、異なる材料および板厚に対する特定のパラメーターを提供し、一貫した信頼性の高い溶接を保証します。

これらのパラメーターを理解し調整することで、メーカーは溶接厚さを正確に制御できるようになり、溶接品質と性能の向上につながる。

レーザー溶接プロセスのパラメータ設定

レーザー溶接装置で重要なのは、加工パラメーターの設定と調整である。材料の厚さや種類に応じて、異なる走査速度、幅、出力などを選択する（デューティ・サイクルとパルス周波数は通常、調整する必要はない）。一般的な加工パラメータを下表に示す。

レーザー溶接リニアプロセスパラメーター

溶接されるワークの幅に正確に一致するよう、ガルバノ メーターの振動振幅を最適化する。これにより、溶接シーム全体に均一なエネルギー分布が確保される。

レーザー出力要件は、材料の厚さに直接相関します。厚い板は、完全な貫通を達成するためにより高いレーザー出力を必要とし、薄い材料は、バーンスルーや歪みを防ぐためにより低い出力を必要とします。

1.0mm以下の薄い板では、レーザーパラメーターの微調整が重要です。入熱および溶け込み深さを制御するために、材料の厚さに基づいてデューティサイクルを調整します。これらのパラメーターは、主に溶接溶け込み特性に影響し、熱影響部（HAZ）を最小限に抑えます。

リニア溶接技術は汎用性があり、斜め溶接や突合せ 溶接を含む様々な接合形状に適している。適切に最適化すれば、さまざまな形状で安定した 溶接品質が得られる。

溶接ヘッド発振の最適周波数範囲は4～20Hzです。この範囲内で、材料特性、板厚、希望する溶接特性 に応じて出力密度を調整してください。一般的に周波数が高いほど、溶接速度は速くなるが、 出力が増加する可能性がある。

内角溶接では、ガルバノ振動幅を狭くする。振動振幅を小さくするとエネルギーが集中し、溶け 込みが深くなり、接合界面での融着が強くなる。しかし、アンダーカットや過度な溶け込みの リスクとのバランスを取る必要がある。

特記事項

前述のパラメーターは一般的なガイドラインであり、レーザー出力、材料の組成と特性、特定の溶接技術、接合幅など、いくつかの重要な要因に基づいて微調整する必要がある。経験則として、薄い板はより低いレーザー出力を必要とし、厚い板はより高い出力設定を必要とする。ただし、この関係は厳密には線形ではなく、材料の熱伝導率および反射率によって異なる場合があります。

レーザーヘッド制御パラメーターも、最適な溶接品質を達成する上で重要な役割を果たします。ラインタイプ・パラメーターは、溶接経路に沿った正確なエネルギー分布を可能にするため、斜め溶接および雄隅肉継手に特に効果的です。対照的に、O タイプ・パラメーターは汎用性があり、突合せ継手、重ね継手、複雑な形状など、幅広い溶接用途に適しています。

これらのパラメーターは、実用的な試験を通じて検証される必要があり、溶け込み深さ、ビード幅、最小熱影響部など、望ましい溶接特性を達成するために反復調整が必要になる場合があることに注意することが重要である。さらに、シールド・ガスの組成、流量、およびノズルの設計のような要因は、溶接プロセスに大きな影響を与える可能性があり、レーザー・パラメーターと併せて考慮する必要がある。

最適な結果を得るためには、すべての関連変数を 考慮し、溶接される特定の素材および継手構成に合 わせた、包括的な溶接手順仕様書（WPS）を作成す ることを推奨する。

レーザー溶接O型プロセスパラメータ

検流計の振動振幅を調整し、溶接されるワークの幅に 正確に合わせます。これにより、溶接シーム全体に最適なエネルギー分布が確保されます。

必要なレーザー出力は板厚に直接相関します。板厚が厚い場合、完全な貫通を得るために高いレーザー出力が要求され、板厚が薄い場合、過熱やバーンスルーを防ぐために低い出力が要求されます。

1.0mm以下の薄い板では、パラメーターの微調整が重要です。溶け込み深さを制御し、熱影響部 (HAZ)を最小化するために、焦点位置、パル ス持続時間、エネルギー密度を調整する。これらのパラメーターは、主に薄板継手の 溶接溶け込みおよび機械的特性に影響する。

直線溶接パターンは汎用性があり、斜め溶接や突合せ 溶接を含む様々な接合形状に適している。ただし、特定の継手形状におけるエネルギー配 分を最適化するために、ビーム成形技術を考慮 すること。

溶接ガンの周波数範囲4～20Hzは、プロセスの最適 化を可能にする。一般的に、低い周波数は厚い材料に適し、高い周波 数は薄い板に有効である。周波数と連動して出力密度を調整することで、 望みの溶接特性を得ることができる。

ダブル・モーター振動を利用したO型溶接モードは、多様な溶接用途に適応します。この技術は、材料の完全な溶融を保証し、溶接プールの均一な混合を促進するため、リニア溶接に比べて溶接の安定性に優れています。エネルギー入力の強化により、より高いレーザー出力が必要となるが、ギャップ・ブリッジ能力の向上や溶接シームのポロシティ減少などの利点が得られる。

特記事項

パラメータは一般的なガイドラインであり、レーザー出力、材料特性、溶接技術、接合幅などの特定の要因に基づいて微調整する必要がある。経験則として、板厚が薄いほど低いレーザー出力が必要となり、板厚が厚いほど高い出力設定が必要となる。レーザー・ヘッド制御に関しては、ライン・タイプ・パラメーターが斜め溶接およびオス隅肉溶接に特に効果的であるのに対し、Oタイプ・パラメーターは汎用性が高く、幅広い溶接用途に適している。

最適化する際には、以下を考慮することが重要である。 レーザー溶接 パラメータがある：

1. 材料の特性：ワークピースの熱伝導率、反射率、融点は、パラメータ選択に大きく影響します。
2. 接合部の形状：最適な結果を得るためには、異なる接合構成（突き合わせ、重ね合わせ、フィレット）の場合、個別のパラメータ調整が必要になることがあります。
3. 溶接速度: このパラメーターは、入熱と溶接溶け込みに直接影響するため、レーザー出力とのバランスに注意が必要です。
4. 焦点位置：ワークピース表面に対する焦点位置を調整することで、エネルギー分布と溶接プロファイルを最適化できます。
5. シールド・ガス：シールド・ガスの種類と流量は溶接品質に影響 するため、特定の用途に合わせる必要がある。
6. パルス整形：パルス・レーザー溶接では、パルス持続時間と周波数を操作することで、溶接特性を向上させ、欠陥を最小限に抑えることができる。

本番の溶接を開始する前に、必ず代表的なサンプルで試 験溶接を行い、パラメータ設定を検証し、改良する。この手法により、一貫した溶接品質が確保され、 欠陥が最小限に抑えられ、産業用途における工程 効率が最適化される。

よくある質問

以下は、よくある質問に対する回答である：

2000Wのレーザーで溶接できる最大厚さは？

2000Wレーザーで溶接できる最大厚さは、溶接する材料の種類によって異なる。ステンレス鋼の場合、2000Wレーザーは6～8 mmの厚さまで溶接できる。軟鋼は、厚さ 6 mm まで溶接できます。アルミニウムを溶接する場合、達成可能な最大厚さは4～6 mmです。銅と真鍮の場合、最大厚さは通常2 mmまでです。これらの値は、材料特性が 2000W レーザーで達成可能な溶接厚さに大きく影響することを示しています。

レーザーの出力は溶接の厚みにどのように影響しますか？

レーザー出力は、レーザー溶接の溶接厚さに大きく影響する。一般に、レーザー出力が高いほど溶け込みが深くなり、厚い材料の溶接に適している。例えば、薄い板（1.0 mm 未満）では、過熱を防ぎ溶接を正確に制御するために、通常 500 ～ 1500W の低いレーザー出力が必要です。中程度の厚さの材料（1.0 mm～5.0 mm）では、欠陥を発生させずに十分な溶け込みを確保するため、通常1500～3000W程度の中程度のレーザー出力が必要です。厚板（5.0 mm以上）の場合、完全な溶け込みと十分な接合強度を達成するには、多くの場合3000～6000W以上の高いレーザー出力が不可欠です。

レーザー出力と溶接板厚の関係は、溶接速度にも関係する。厚い材料の場合、レーザー・エネルギーが材料厚さ全体を貫通するのに十分な時間を確保するために、高いレーザー出力と遅い溶接速度の組み合わせが必要である。逆に、薄い材料では、過剰な入熱やバーンスルーなどの欠陥を避けるために、レーザー出力を低く、溶接速度を速くすることが有効である。

要約すると、最適な溶接結果を得るためには、材料の厚さに基づいて適切なレーザー出力を選択する必要があり、出力の過不足に伴う不具合を回避しながら、十分な溶け込みを確保する必要がある。

アルミニウムの推奨溶接パラメーターは何ですか？

アルミニウムをレーザー溶接する場合、高品質の溶接を保証するために、いくつかの重要なパラメータを慎重に調整する必要があります。アルミニウムの推奨溶接パラメータは、材料の厚さによって異なります。

薄いアルミニウム板（1.0 mm未満）には、通常500～1500 Wの低いレーザー出力が使用される。このような薄い材料の溶接速度は、安定した融合を確保し、熱影響部を最小限に抑えるために、毎分5～10メートル程度と比較的高速にする必要がある。

中厚のアルミニウム板（1.0～3.0 mm）では、1000～3000 Wの中～高レーザー出力が必要である。これらのシートの溶接速度は通常、毎分3～4メートルの間に設定され、高品質の溶接を達成するために出力と速度のバランスをとる。

厚いアルミニウム板（3.0 mm以上）には、3000～6000 W以上の高いレーザー出力が必要である。溶接速度は、より深い溶け込みと適切な融合を可能にするため、通常1～5メートル/分と低速にする必要がある。

焦点位置は溶接品質に大きく影響するため、最大の溶け込み深さが得られる位置に設定する必要があります。精度を高めるには、0.2～2 mmのレーザー・ビーム・サイズを推奨し、ビーム・サイズを調整することで出力密度を管理できます。

気孔や熱亀裂を減らすため、薄いアルミニウム板の溶接にはパルスレーザーが好まれることが多いが、連続レーザーはより滑らかな溶接面を提供するため、厚い板により適している。

欠陥を避けるには、効果的な表面処理が重要である。溶接前に、アルミニウム表面を洗浄し、不純 物を取り除くことが必要である。ヘリウムやアルゴンなどのシールド・ガスは、安定したキーホール形成を確保し、欠陥を最小限に抑えるために最適化されるべきである。

さらに、アルミニウム合金はレーザーエネルギーの反射率が高く、吸収率が低いため、熱が反射または伝導されるのを防ぐには、レーザー出力密度を素早く高めることが不可欠です。ダブルポイント溶接または追加のレーザーパスは、溶接品質を向上させ、欠陥を減らすことができます。

特定の板厚とアルミニウムの種類に基 づいてこれらのパラメーターを慎重に調整すること で、作業者は欠陥を最小限に抑え、機械的特性を最 適化した高品質の溶接を実現できる。

レーザー溶接は銅に使えますか？

はい、レーザー溶接は銅にも使えますが、銅の物理的特性によりいくつかの課題があります。銅は赤外線レーザー放射の吸収率が低いため、必要なエネルギー密度を得るためには、より高いレーザー出力が必要になります。さらに銅は熱伝導率が高いため、熱の放散が早く、深い溶け込みに必要な熱を溶接部分に維持することが難しくなります。溶けた銅の粘度が低いため、シーム形状が不規則になり、スパッタリングやポロシティなどの欠陥が生じます。

このような課題にもかかわらず、現代のレーザー技術は銅を効果的に溶接することを可能にしました。純銅の場合、シングルパス・ハイブリッド・レーザー・MIG 溶接のような高出力レーザーを使えば、深さ約 4 mm までの溶接が可能です。グリーン・レーザーと赤外レーザーを組み合わせれば、グリーン・レーザーが表面を加熱し、赤 外レーザーが必要な深さを提供するため、数ミリの溶接深さを達成することもできます。具体的な実験セットアップにより、5 kWのレーザー出力と適切な溶接速度で、例えば20 m/分の溶接速度で深い溶け込みの溶接が達成できることが示されている。

まとめると、銅のレーザー溶接は実現可能であり、加工パラメーターを注意深く管理し、銅の物理的性質が もたらす固有の難題を軽減する高度な技術を使えば、かなりの厚みを実現することができます。

溶接速度は溶接品質にどのように影響しますか？

溶接速度は、レーザー溶接工程における溶接の品質に大きく影響する。溶接速度は、溶接の入熱、溶け込み、および全体的な完全性を決定する上で重要な役割を果たす。溶接速度が遅すぎる場合、材料への入熱が過大になり、溶接プールが大きくなり、溶け込みが過大になり、特に薄い材料では、たるみ、ポロシティ、バーンスルーなどの潜在的欠陥が発生する可能性がある。一方、溶接速度が速すぎると、レーザーが母材を十分に溶かすのに十分な時間が得られず、融合と溶け込みが悪くなり、弱く狭い溶接部になる可能性がある。

最適な溶接速度は、これらの要因のバランスを取り、高品質の溶接を達成するために不可欠である。溶接速度は、材料の種類、厚さ、およびレーザー出力や焦点位置などの特定の溶接パラメーターに基づいて慎重に調整する必要がある。例えば、アルミニウムのような導電性の高い材料は、過熱やバーンスルーを防ぐために、しばしば速い溶接速度が必要になります。逆に、厚い材料では、適切な溶け込みと融合を確保するために、より遅い速度が必要になる場合があります。

要約すると、入熱を最適化し、十分な溶け込みと融 着を確保し、溶接部の機械的特性を維持するためには、 溶接速度の制御が極めて重要である。高品質で欠陥のない溶接を実現するには、特定の材料およびレーザー溶接パラメーターに応じて溶接速度を適切に調整する必要があります。

レーザー溶接を最適化するためには、他にどのような要素を考慮すべきでしょうか？

レーザー溶接を最適化するには、レーザー出力と溶接速度だけでなく、望ましい溶接厚さと溶接品質を達成するためのいくつかの要因を考慮する必要がある。これらには以下が含まれる：

1. ビームスポットのサイズと焦点:レーザー・ビーム・スポットのサイズと焦点は、出力密度と溶け込み深さを決定する。より小さく、より焦点の合ったビームは、より深い溶け込みを達成することができ、より大きなビームは、より広い溶接に適しています。
2. パルス周波数とオーバーラップ率:パルス周波数とオーバーラップ率を調整することは、 溶接品質にとって極めて重要である。オーバーラップ率を高くすると、溶接がより スムーズになるが、溶接速度が低下する可能性があ る。過度のオーバーラップは、バーンスルーやスパッタ ーなどの欠陥の原因となる。
3. デフォーカス量と焦点距離:デフォーカス量と焦点距離を適切に調整することは、ビームと材料との相互作用を制御し、所望の溶接プロファイルを達成するために必要です。
4. 材料特性:材料の吸収率、熱伝導率、融点/沸点は、レーザー・エネルギーの吸収と散逸の仕方に影響し、溶接プールの力学に影響を与える。
5. 表面状態:きれいで滑らかな表面は、レーザービームと材料間の一貫した相互作用を保証し、より良い溶接品質につながります。
6. シールドガス:アルゴン、ヘリウム、窒素などの適切なシールド・ガスを使用することで、溶接部を酸化から守り、キーホールを安定させ、きれいな溶接部を維持することができる。
7. ジョイントの設計と準備:不完全な融合や気孔のような欠陥を避けるためには、適切なはめあい、隙間の許容範囲、面取りや面取りなどの端部処理が不可欠です。
8. 固定とクランプ:確実な固定とクランプは、望ましい継手のはめ合いを維持し、溶接中の歪みを防止する。
9. ビーム振動:この技法は、レーザーの焦点を合わせることなくシームを広げ、エネルギー入力と熱歪みを低減し、より滑らかな溶接シーム面を得ることができる。
10. 熱管理と残留応力:溶接順序の制御、局部冷却、溶接後の熱処理など、熱膨張と不均一な冷却を管理する技術は、歪みと残留応力の防止に役立つ。

これらの要素を慎重に最適化することで、希望する厚さの高品質レーザー溶接を実現し、欠陥のリスクを最小限に抑え、溶接接合部の完全性を確保することができる。