レーザー深溶け込み溶接：知っておくべきこと

主に板金溶接用のレーザー溶接プロセスは、ファイバー連続レーザー溶接とYAGパルスレーザー溶接の2つに分けられる。

レーザー溶接原理に基づき、熱伝導溶接とレーザー深溶け込み溶接にさらに分けられる。出力密度が104～105W/cm²未満の場合は、熱伝導溶接とみなされる。その結果、溶け込みが浅くなり、溶接速度も遅くなる。

一方、出力密度が105～107W/cm²を超えると、金属表面は加熱により「穴」を形成し、レーザー深溶け込み溶接となる。この方法の特徴は、溶接速度が速く、深さ対幅比が大きいことである。

熱伝導の原理 レーザー溶接 は、パルス幅、エネルギー、ピークパワー、繰り返し周波数などのレーザーパラメーターを制御することによって、レーザー放射によって加工する表面を加熱し、伝達と内部拡散によって表面の熱を導き、被加工物を溶かして特定の溶融池を形成する。この方法は薄い プレート溶接.

レーザー深溶け込み溶接は、主に歯車溶接と冶金に使用されます。 シート溶接この記事の焦点は、レーザー深溶け込み溶接の原理である。

アルミシェルリチウム電池トップカバー溶接 - ファイバー連続レーザー（新エネルギー自動車セル、主に3シリーズ・アルミニウム)

1.レーザー深溶け込み溶接の原理

レーザー深溶け込み溶接は、一般的に光ファイバーを通して照射される高出力密度の連続レーザー・ビームを利用して材料を接合する。この高度な溶接技術は電子ビーム溶接と共通点があり、どちらも材料の融合に「キーホール」メカニズムを採用している。

集光されたレーザービームが被加工物の表面に入射すると、気化点を超えて材料が急速に加熱され、キーホールと呼ばれる狭い蒸気で満たされた空洞が形成されます。このキーホールはほぼ完全な黒体として機能し、後続のレーザーエネルギーを効率的に吸収し、材料への深い浸透を促進する。

鍵穴内の温度は2500℃を超えることもあり、ほとんどの金属の融点を大幅に上回る。鍵穴の壁から周囲の材料への熱伝達が起こり、鍵穴を包む溶融プールが形成される。このメルトプールは、固体材料に囲まれた液体金属の薄い層からなる。

鍵穴はいくつかの力の動的平衡によって支えられている：

1. 材料の連続気化による蒸気圧
2. 溶融金属の表面張力
3. 周囲の液体金属からの静水圧

レーザービームが被加工物を横切ると、キーホールと関連する溶融プールが連動して動きます。キーホールの前縁は材料を蒸発させ続け、後縁は溶融金属を逆流させて空隙を満たします。この溶融金属はその後急速に凝固し、溶接継ぎ目を形成する。

従来の溶接法やレーザー伝導溶接では、エネルギーは表面に蒸着され、熱伝導によって内側に伝達されるが、レーザー深溶け込み溶接では、材料の奥深くで直接エネルギーを結合することができる。その結果

1. より高いエネルギー効率
2. より深い溶接溶け込み
3. 熱影響ゾーンが狭い
4. 熱歪みの低減

高いエネルギー密度と効率的なカップリング・メカニズムにより、従来の溶接技術を大幅に上回る毎分数メートルの溶接速度が可能になる。さらに、このプロセスの急速な加熱と冷却のサイクルは、溶接部に独特の微細構造をもたらし、多くの場合、優れた機械的特性をもたらす。

レーザー深溶け込み溶接は、最小限の入熱で深く狭い溶接部を形成できるため、自動車、航空宇宙、先端製造などの産業で、厚い部分、異種材料、熱に敏感な部品の接合に特に適している。

6系アルミファイバーCWレーザー溶接（これは高速鉄道の床です）

2.レーザー深溶け込み溶接の主なプロセスパラメータ

(1) レーザー出力

レーザー溶接におけるレーザーエネルギー密度には閾値がある。レーザーエネルギー密度がこの値を下回ると溶け込みは浅くなる。しかし、この値以上になると溶け込みが大幅に改善されます。

安定した深溶け込み溶接の進行を意味するプラズマの発生は、以下の場合にのみ起こる。 レーザー出力密度 この閾値は材料によって異なる。

レーザーの出力密度が閾値を下回ると、被加工物の表面溶融のみが起こり、安定した熱伝導溶接が行われる。

レーザーの出力密度がキーホール形成の臨界条件に近い場合 溶接工程 が不安定になり、深溶け込み溶接と伝導溶接が交互に繰り返されるため、溶け込み深さが大きく変動する。

レーザー深溶け込み溶接では、レーザー出力が溶け込み深さと溶接速度を同時に制御する。溶け込み深さはビーム出力密度に直接関係し、入射ビーム出力とビーム焦点スポットの関数である。

一般に、ある直径のレーザービームでは、ビームパワーが大きくなるにつれてペネトレーションが大きくなる。

ケトルホース - YAGパルスレーザー溶接（直接外観表面を作ることができる）

(2) ビーム焦点位置

ビームスポットサイズは、出力密度を決定するため、レーザー溶接において重要な変数である。しかし、様々な間接測定技術があるにもかかわらず、高出力レーザーのスポット径の測定は困難な課題です。

ビーム集光回折スポットの限界サイズは光の回折理論で計算できるが、集光レンズの収差があるため、実際のスポットサイズは大きくなる。

最も簡単な測定方法は等温プロファイル法で、厚紙を燃焼させ、ポリプロピレン板を貫通させた後、焦点スポットと穿孔径を測定する。

この方法は、レーザーのパワーとビームの作用時間をマスターする必要があるが、これは練習と測定によって達成することができる。

(3) 材料吸収値

材料のレーザー吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、溶融温度、蒸発温度など、材料のいくつかの重要な特性に依存する。

レーザービームに対する物質の吸収率に影響を与える要因は2つある：

まず、材料の抵抗係数である。材料の研磨面の吸収率を測定した結果、材料の吸収率は抵抗係数の平方根に正比例し、温度によって変化することがわかった。

第二に、材料の表面状態または仕上げで、これはビーム吸収率、ひいては溶接効果に大きな影響を与える。

ステンレス鋼やニッケルなど、高純度で一般的な導電性を持つ材料が溶接に最適である。

その一方で、次のような高導電性材料もある。 銅とアルミニウム は溶接が難しい。6シリーズ以上のアルミニウムの溶接は、亀裂や気孔が生じやすい。

について 銅の溶接 YAGパルスレーザーとファイバー連続レーザーを使用することができます。

宝飾業界では、金と銀は一般的にスポット溶接される。しかし、これらの素材を溶接する工業的用途はほとんどありません。ここでは、工業用途に焦点を当てる。

の出力波長である。₂ μmである。室温での非金属材料セラミックス、ガラス、ゴム、プラスチックなどの吸収率は非常に高いが、金属材料の吸収率は低い。

しかし、いったん素材が溶けたり、あるいは気化したりすると、その吸収率は劇的に高まる。

表面に酸化膜をコーティングまたは形成する方法は、光線の吸収を改善する効果が高い。

(4) 溶接速度

溶接速度は溶け込み深さに大きな影響を与える。速度を上げると溶け込みは浅くなるが、低す ぎると材料が過度に溶融し、ワークへの溶け込みが過 大になる。

したがって、あるレーザー出力と板厚を持つ特定の材料には、適切な溶接速度の範囲があり、対応する速度値で最大溶け込みを達成できる。

ステンレス鋼YGAパルスレーザーワイヤー充填溶接（それは大きな突合せ継手と外観の問題を克服することができます 表面処理 後期)

(5) シールドガス

レーザー溶接では、溶融池を保護するために不活性ガスがよく使用される。材料が表面酸化を起こさずに溶接できる場 合、保護が不要な場合もある。

しかし、ほとんどの用途では、ヘリウム、アルゴン、 窒素、またはその他のガスを利用して、溶接中の 被加工物の酸化を防いでいる。

ヘリウムはイオン化エネルギーが高いため効果的なシールドガスであり、レーザービームをスムーズに通過させ、何の障害もなく被加工物の表面に到達させることができる。しかし、比較的高価である。

アルゴンは比較的安価で、密度が高いため保護効果が高い。しかし、高温の金属プラズマによってイオン化しやすく、レーザーの有効出力や溶接速度、溶け込みが低下する。

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表面に比べて滑らかである。

窒素は最も安価なシールドガスであるが、ある種のガスには適さない。 ステンレス鋼溶接 吸収などの冶金的な問題により、ラップ部分に気孔が生じることがある。

シールドガスを使用する2つ目の目的は、集光レンズを金属蒸気汚染や液滴スパッタリングから保護することであり、噴出物が強力になる高出力レーザー溶接では特に重要である。

シールドガスの3つ目の機能は、高出力レーザー溶接で発生するプラズマシールドを分散させることである。金属蒸気はレーザービームを吸収して電離し、プラズマ雲となり、金属蒸気周囲のシールドガスも加熱により電離する。

プラズマが多すぎると、レーザー・ビームをある程度消費してしまう。加工面のプラズマは第二のエネルギー源として働き、溶け込みを浅くし、溶接プールの表面を広くする。

電子の再結合率は、電子とイオンや中性原子との衝突を増やし、プラズマ中の電子密度を下げることで高めることができる。

中性原子が軽いほど衝突頻度は高くなり、再結合率は高くなる。

一方、電離エネルギーの高い遮蔽ガスだけでは、それ自身の電離によって電子密度が増加することはない。

一般的な気体と金属の原子（分子）量とイオン化エネルギー

表に示すように、プラズマ雲の大きさは使用するシールドガスの種類によって異なる。ヘリウムが最も小さく、窒素が2番目に小さく、アルゴンが最も大きい。プラズマの大きさが大きいほど、透過深度は浅くなる。

この違いは、ガス分子のイオン化レベルの違いだけでなく、シールドガスの密度の違いによる金属蒸気の拡散の違いによるものである。

ヘリウムはイオン化と密度が最も低く、金属溶融プールから上昇する金属蒸気を素早く除去することができる。

その結果、ヘリウムをシールド・ガスとして使用することで、プラズマを効果的に抑制し、溶け込みと溶接速度を向上させることができる。さらに、軽くて気孔が生じにくい。

しかし、実際の溶接では、アルゴンをシールドとして使用すると良好な結果が得られる。プラズマ・クラウドが溶け込みに及ぼす影響は、 溶接速度が低い場合に最も顕著で、溶接速度が上 昇するにつれて、その影響は減少する。

シールドガスは一定の圧力でノズルからワーク表面に放出される。ノズルの形状と出口直径は非常に重要である。 溶接面 しかし、レンズを効果的に保護し、金属蒸気汚染や金属飛散によるレンズの損傷を防ぐためには、シールドガスの大きさも制限されなければならない。

さもなければ、保護ガスの層流が乱流となり、空気が溶融池に引き込まれ、気孔が形成される。

保護効果を向上させるために、ラテラル・ブローを使用することもできる。ラテラル・ブローでは、シールド・ガスを小径のノズルから深溶け込み溶接の小孔に一定の角度で噴射する。

これにより、被加工物表面のプラズマ雲が減少するだけでなく、穴内のプラズマや小穴の形成にも影響し、溶け込み深さが増し、深さ幅比の高い理想的な溶接が実現する。

しかし、この方法ではガス流の大きさと方向を正確に制御する必要があり、乱流や溶融池の損傷が発生しやすく、溶接プロセスの安定化が難しい。

(6) レンズ焦点距離

レーザービームは通常、溶接中に集光され、焦点距離63mm～254mm（2.5″～10″）のレンズが一般的に選択される。焦点のスポットサイズは焦点距離に正比例し、焦点距離が短いほどスポットは小さくなります。

しかし、焦点距離は焦点深度にも影響し、焦点距離が長くなるほど深度は深くなる。つまり、焦点距離が短いとパワー密度は向上するが、適切な貫通のためにはレンズとワークの距離を正確に維持する必要がある。

実際の溶接では、最も短い焦点深度は通常126mm（5″）です。より大きな接合部や、より大きな溶接が必要な場合は、焦点距離254mm（10″）のレンズを選択することができますが、この場合、所望の深い溶け込みのキーホール効果を得るために、より高いレーザー出力が必要となります。

レーザーの出力が2kWを超える場合、特に10.6μmの炭酸ガスレーザーでは、集光レンズの光学的損傷のリスクを避けるため、ミラーに研磨銅ミラーを用いた反射集光方式がよく使われる。

銅製ミラーは高出力用として推奨されることが多い。 レーザー集光 効果的な冷却によるものである。

(7) フォーカス位置

レーザー溶接では、適切な出力密度を確保するために焦点の位置が極めて重要である。焦点とワーク表面の相対位置の変動は、溶接の深さと幅に大きく影響します。

ほとんどの場合 レーザー溶接アプリケーション焦点は通常、被削材の表面から必要な貫入量の約4分の1に設定される。

(8) レーザービーム位置

異なる材料をレーザー溶接する際の溶接の最終的な品質は、レーザービームの位置によって大きく左右され、突合せ継手は重ね継手よりも敏感である。

例えば、焼き入れしたものを溶接する場合 スチールギア を低炭素鋼のドラムに溶接する場合、レーザーの照射位置を適切に制御することで、耐割れ性に優れた低炭素成分を主成分とする溶接部が得られる。

特定の状況では、溶接されるワークピースの形状によって、レーザービームの偏向角度が必要になる。ビーム軸と接合面の間の偏向角度が100度未満の場合 レーザーの吸収 ワークピースによるエネルギーは影響を受けない。

(9) 溶接開始点および終了点におけるレーザー出力の漸増および漸減の制御

レーザー深溶け込み溶接では、溶接の深さに関係なく小さな穴が存在する。溶接が終了し、電源スイッチを切ると、溶接部の端にピットが現れます。

さらに、新しいレーザー溶接層が前の溶接部を覆っている場合、レーザー・ビームの過剰な吸収が起こり、溶接部の過熱や気孔の発生につながる可能性がある。

このような問題を防ぐため、始点と終点をプログラムして、始点と終点の時間を調整できるようにすることができます。これは、開始パワーをゼロから設定パワー値まで電子的に素早く増加させ、溶接時間を調整することで実現される。

最後に、電力は設定値から徐々に減少し、溶接終了時にはゼロになる。

ステンレス鋼光ファイバー連続レーザー溶接(に適しています) 突合せ溶接 厚さ0.2～3mmの小板)

3.レーザー深溶け込み溶接の特徴、利点と欠点

(1) レーザー深溶け込み溶接の特徴

1.高アスペクト比溶接

レーザー深溶け込み溶接は、高アスペクト比の深くて狭い溶接部を作り出す能力によって区別される。このプロセスでは、集束したレーザー・ビームを利用して、被加工物の奥深くまで浸透する気化金属の円筒形キーホールを形成する。キーホールが進むと、溶融金属がその周囲を流れ、凝固して、しばしば10:1を超える非常に優れた深さ対幅比の溶接部を形成する。

2.入熱量の最小化

このプロセスは、キーホール内にエネルギーが集中するため、極めて低い入熱量で融合を実現する。この局所的な加熱により、急速な溶融と凝固が起こり、ワークへの全体的な熱伝達が最小限に抑えられます。その結果、熱変形が大幅に減少し、熱影響部（HAZ）は従来の溶接方法と比べて著しく小さくなり、母材の機械的特性が維持される。

3.高密度溶接

キーホール内の高温蒸気が溶融プールを激しく攪拌し、閉じ込められたガスや不純物の排出を促進する。このメカニズムは、急速な凝固速度と相まって、気孔の少ない極めて緻密な溶接部を生成する。急速冷却の結果生じる微細構造は、溶接部の 機械的特性と耐欠損性をさらに向上させる。

4.優れた溶接強度

レーザー深溶け込み溶接では、溶加材や電極が不要なため、溶接プールへの不純物の混入が減少する。強力で局所的な加熱により、介在物のサイズと分布が変化し、微細化または除去されることが多い。その結果、溶接金属は母材と同等かそれ以上の強度と靭性を示し、耐疲労性と延性が改善されることが多い。

5.正確なコントロールと柔軟性

通常スポット径0.2～0.6 mmの高集光レーザービームは、溶接位置決めと形状制御において卓越した精度を実現します。レーザー光源の瞬時オン/オフ機能と高度なビーム操作技術を組み合わせることで、複雑な溶接パターンと CNC システムとのシームレスな統合が可能になります。この精度により、レーザー溶接は複雑な形状や自動化された生産環境に最適です。

6.非接触大気処理

非接触プロセスであるレーザー溶接は、機械的接触に伴う工具の摩耗やワークの歪みを排除します。光子を介したエネルギー伝達は磁場や大気の影響を受けないため、真空や制御された大気を含むさまざまな環境での溶接が可能です。この特性により、繊細な材料の溶接が容易になり、従来の方法では困難だったユニークな接合構成が可能になる。

(2) レーザー深溶け込み溶接の利点

1.高い溶接速度と最小の歪み

レーザー深溶け込み溶接は、106W/cm2 を超える出力密度で高度に集束されたビームを利用するため、薄い材料では最高10m/分までの溶接速度が可能です。この集中されたエネルギー入力により、熱影響部 (HAZ) が狭くなり、従来のアーク溶接法よりも通常10-30%小さくなる。その結果、熱変形が50-70%と大幅に減少するため、チタン合金や先進高強度鋼（AHSS）のような熱に敏感な材料の精密溶接に最適である。

2.効率的で低メンテナンス

精密に制御されたレーザービームは、光ファイバーで長距離伝送され、高速ガルバノスキャナーで操作できるため、複雑な機械システムは不要です。電子ビーム溶接とは異なり、レーザー溶接は真空チャンバーを必要としないため、セットアップ時間が最大80%短縮されます。このプロセスの非接触性により、機器の摩耗が最小限に抑えられ、一般的なメンテナンス間隔は従来の溶接システムより3～5倍長くなり、生産稼働時間と総合設備効率（OEE）が大幅に向上します。

3.優れた溶接品質と機械的特性

レーザー溶接特有の急速な加熱および冷却速度 (103-105 °C/s)は、微細粒組織を促進し、元素偏析を低減する。その結果、溶接部の引張強さは、母材よりも 5-15%高くなることが多く、耐疲労性も向上する。入熱を正確に制御するこのプロセスの能力により、異種材料の溶接も可能になり、航空宇宙や自動車などの産業における設計の可能性が広がります。

4.費用対効果

レーザー溶接の高精度（通常±0.1 mm）と最小限の歪みにより、多くの用途で溶接後の機械加工を削減または排除でき、仕上げコストを30-50%削減できる可能性がある。このプロセスのエネルギー効率は、従来のアーク 溶接の2～3倍であることが多く、溶接継ぎ目 が狭いため材料の無駄が少ないことも相まって、 運用コストの削減に貢献する。大量生産シナリオでは、これらの要因が、従来の溶接方法と比較して15～25%の全体的なコスト削減につながる可能性がある。

5.自動化と統合の強化

レーザー溶接の非接触性は、リアルタイム・プロセス・モニタリング・システム（分光分析、高速イメージングなど）との互換性と相まって、インダストリー4.0環境へのシームレスな統合を促進する。先進的なロボットシステムは、レーザービームを6自由度で操作できるため、複雑な3D溶接経路が可能になります。この柔軟性は、溶接パラメーターを迅速に切り替える能力と相まって、1回のセットアップで効率的な多材質・多板厚溶接を可能にし、自動化された製造ラインの生産サイクルタイムを大幅に短縮します。

(3) レーザー深溶け込み溶接の欠点

1.溶接深さの制限

レーザー深溶け込み溶接は多くの用途で大きな利点を提供するが、達成可能な溶接深さには限界がある。通常、高出力 (>10 kW) 連続波レーザーによる鋼材の最大溶け込み深さは、約 25 ～ 30 mm です。この深さの制約は、主にキーホール形成の物理学的特性と、それ以上の深さでのプラズマ・シールド効果によるものです。厚い材料では、電子ビーム溶接またはハイブリッド・レーザー・アーク溶接などの代替溶接技術がより適している場合があります。

2.ワークピース組立への厳しい要求

レーザー深溶け込み溶接では、ワークの正確なはめ込みと位置決めが要求されます。ビーム焦点が狭いため、通常は材料厚の10%未満、または最大0.2～0.3 mmの狭いギャップ公差が必要となります。この精度要件は、特に大型または複雑なアセンブリの場合、準備時間とコストを増加させる可能性があります。高度な固定システム、リアルタイムのシームトラッキング、および適応制御技術は、これらの課題を軽減するのに役立ちますが、システム全体の複雑さを増加させます。

3.レーザーシステムへの多額の初期投資

レーザー深溶け込み溶接システムの購入とセットアップは、相当な資本投資となる。高出力レーザー、高精度ビーム伝送光学系、堅牢なモーション・システム、および特殊なシールド・エンクロージャーが、高額な初期費用の一因となっている。さらに、熟練したオペレーターとメンテナンス要員が必要なため、運用費用がかさむ。しかし、投資収益率を評価する際には、生産性の向上、溶接後処理の削減、溶接品質の向上などの長期的なメリットを考慮することが重要です。