板金のレーザー溶接：初心者ガイド

はじめに

溶接は、その主要な工程である。 板金加工労働強度が高く、過酷な労働条件を特徴とする。そのため、高い熟練度が不可欠である。

溶接の自動化と革新的な接合方法の開発は、溶接の専門家にとって常に焦点となってきた。 溶接技術.

溶接自動化の極めて重要な側面は、以下の制御である。 溶接品質 と効率を向上させる。この工程では、アークと溶接シームのアライメント、部品間隙の均一性、溶接溶け込み、溶接部の制御などの課題が発生する。 溶接歪み に対処しなければならない。

の急速な進歩に伴い レーザー溶接技術しかし、家電製品、ハイテク電子機器、自動車製造、高速列車製造、精密機械加工など、さまざまな分野で応用されるようになり、飛躍的な進歩を遂げ、成熟してきた。

レーザー溶接の利点は、従来のアーク溶接と比較することで理解できる。この記事では レーザー加工 を溶接し、より良い結果を出す方法を探る。

レーザー溶接の品質を評価するには、深さ対幅比と表面形状が考慮される。この記事では、これらの指標に影響を与えるプロセス・パラメーターを検証します。

の実験 レーザー溶接 は、ステンレス鋼、アルミニウム、および炭素鋼板に対して実施された。その結果、溶接製造に活用できる実用的な知見が得られた。

レーザー溶接は、エネルギー密度の高いレーザーを熱源として溶接を行う最先端の生産技術である。以下のような分野で広く使われている。 板金加工 エネルギー密度が高く、溶接速度が速く、環境にやさしく、板材の変形が少ないなどの利点がある。

レーザー溶接は、溶接シーム形成の特徴に基づき、伝導溶接とレーザー溶接に分けられる。 深溶け込み溶接.伝導溶接は、低いレーザー出力を利用するため、溶融プールの形成時間が長くなり、溶融深さが浅くなる。

主に小さな部品の溶接に使われる。

一方、深溶け込み溶接は出力密度が高く、レーザー照射領域の金属が素早く溶ける。

この溶融は激しい気化を伴い、深さが大きく、幅と深さの比が最大10:1の溶接継ぎ目を実現する。

薄板部品は、レーザー溶接、ろう付け、原子状水素溶接、抵抗溶接など、さまざまな溶接方法で接合できる、 プラズマアーク溶接そして電子ビーム溶接である。

レーザー溶接を他の一般的な溶接と比較する場合 溶接技術熱影響部、熱変形、溶接継ぎ目の品質、溶加材 の必要性、溶接環境の面で大きな利点がある。

レーザー溶接と他の溶接方法の比較は表1にある。

表1 レーザー溶接と他の溶接方法の比較

レーザー溶接の特徴

レーザー溶接は、高エネルギーのレーザー・ビームを光ファイバーに伝送するレーザーを利用する。伝送後、コリメート・レンズを使って平行光にし、被加工物に焦点を合わせます。

その結果、極めて高エ ネルギーの熱源が接合部の材料を溶かす。溶融金属はその後急速に冷却され、高品質の溶接部を形成します。レーザー溶接された板金部品の外観を下図に示します。

簡単な操作：

レーザー溶接機 使い方は簡単だ。操作はシンプルで覚えやすく、使いやすい。オペレーターに必要な専門知識レベルは比較的低く、人件費の節約につながる。

高い柔軟性：

レーザー溶接機は、あらゆる角度からの溶接が可能で、手の届きにくい場所へのアクセスも得意です。複雑な溶接部品や不規則な形状の大型部品にも対応し、あらゆる方向からの溶接に比類のない柔軟性を提供します。

安全性の向上：

安全性の高い溶接ノズルは、金属に接触したときのみ作動し、体温感知機能付きのタッチスイッチを備えている。特殊なレーザー・ジェネレーターを操作する際には、目の損傷の可能性を最小限に抑えるための保護メガネの着用など、特定の安全基準を遵守する必要があります。

スーペリア レーザービームの品質:

レーザーが集光されると、高い出力密度を達成する。高出力かつ低モードのレーザー集光により、得られるスポット径は微小となり、薄板レーザーの自動化を大幅に促進する。 シート溶接.

深い溶け込みと最小の歪みで速い溶接速度：

レーザー溶接の出力密度が高いため、プロセス中に金属に小さな孔が形成される。レーザー・エネルギーは、横方向への広がりを最小限に抑えながら、これらの気孔を通って材料の奥深くまで伝わります。材料融解の深さはかなり深く、溶接速度は速く、短時間で広い範囲をカバーする。

人件費の削減：

レーザー溶接中の入熱が最小限であるため、溶接後の歪みはわずかです。その結果、溶接の仕上がりが見栄えよくなり、溶接後の加工が削減され、平滑化やレベリングに関連する人件費が大幅に削減、または不要になります。

難しい材料を溶接する能力：

レーザー溶接は、さまざまな異種金属の接合に適しているだけでなく、次のような用途にも適している。 溶接金属 およびチタン、ニッケル、亜鉛、銅、アルミニウム、クロム、金、銀、鋼鉄、切削合金などの合金。また、以下のような発展的なニーズにも対応している。 新素材 家電製品の

特に薄いシートや非コーティングの美観部品の溶接に適している：

溶接における高いアスペクト比、低入熱、最小限の熱影響部、歪みの低減を考慮すると、レーザー溶接は、薄板、非コーティング美的部品、精密部品、熱に敏感な部品の溶接に特に適している。これにより、溶接後の修正や二次加工をさらに最小限に抑えることができる。

レーザー溶接と従来のアーク溶接の比較

アーク溶接入門

トラディショナル アーク溶接 は、電極アーク溶接、タングステンイナートガス（TIG）溶接、金属イナートガス（MIG）溶接、サブマージアーク溶接など、いくつかの種類に大別できる。

電極アーク溶接では、電極と被加工物の間にアークを発生させ、電極と被加工物の接触点で金属を溶かす熱を発生させる。これにより溶融金属のプールが形成される。その後、電極を特定の方向に動かし、溶融金属の新しいプールを作り、前のプールを凝固させることで、溶接部が形成される。

の図 溶接工程 は図1に描かれている。

図1 電極アーク溶接の模式図

タングステン・イナート・ガス（TIG）溶接は、放電 電極としてタングステン電極を使用する。溶接部は不活性ガス（通常はアルゴン） で保護され、アークから発生する熱で母材と溶接部 を溶かす。 溶接材料.その結果、滑らかな 溶接面 飛び散りはほとんどない。

ガス メタル・アーク 溶接（GMAW）は、溶接ワイヤと母材との間にアークを 発生させ、ワイヤと母材を溶融させるプロセスである。溶融した材料は凝固し、溶接部を形成する。

アーク溶接は依然として溶接業界で支配的な地位を占め ているが、高品質で効率的な溶接に対する要求の高まりに より、一部のハイエンド製品ではアーク溶接の適用が制限され ている。 板金 製造分野。従来のアーク溶接の欠点には、以下のようなものがある：

• 高純度アルゴンの必要性 シールドガスこれは高くつく。
• 適切な操作には高度な技術と資格が必要であり、多くの人がアクセスできない。
• 高密度電流と発熱 溶接工程 は、融点の低い金属板の溶接に悪影 響を与える可能性がある。
• 溶接効率が低く、速度が遅い。
• について 溶接面 が粗いため、表面を滑らかにするためにさらに研磨する必要がある。
• 限定 溶接強度.

レーザー溶接の利点

レーザー溶接の主流技術には、自己融着溶接、スイング溶接、ワイヤーフィリング溶接、ガルバノ溶接、さまざまな溶接法を組み合わせた複合溶接などがある。

表1 レーザー溶接の利点 従来のアーク溶接と比較すると、この技術は優れている。

安定した品質、小さな溶接ギャップ、高い効率を備えた高付加価値製品を必要とするハイエンドの板金製造業にとって、レーザー溶接は最良の選択である。

表1 レーザー溶接とアーク溶接の特性比較

レーザー溶接プロセス・パラメーター

レーザー溶接シームインデックス

板金部品の溶接効果に対する要求は、顧客のニーズによって異なる。これらの要件は、主に以下の指標に反映されます：

• 表面形状（凹面、平面、凸面など）
• 溶接プールの深さと幅の比
• 気孔、亀裂、不純物、アンダーカットなどの欠陥がないこと。

溶接の表面形状は、溶接出力などの要因を調整することで変えることができる、 デフォーカスおよびスプライシング・モード。溶接プールの深さと幅の比は、溶接の強度を決定 する重要な要素である。

溶接製品に強度が要求されるお客様には、ワイヤー切断、はめ込み、研削・研磨、腐食試験、顕微鏡による金属組織分析など、一連の工程を踏む必要があります。この工程は、深さ対幅比に密接に関係する溶接部の硬さを反映する。溶接部の引張強さ指数も、引張強さ試験で求めることができる。図2に溶け込み率の金属組織分析を示す。

図2 貫入率の金属組織分析

作業環境によっては、溶接部に気孔、亀裂、不純物、アンダーカットなどの欠陥が生じ、重大な安全上のリスクが生じることがある。例えば、製品によっては、気密性や水密性に関する厳しい基準が要求されます。

図3は、正常な溶接部と欠陥のある溶接部を比較したものである。

図3 溶接継ぎ目 ダイアグラム

レーザー溶接の影響要因

レーザー溶接には、以下のようないくつかの要因が直接影響する。 溶接温度溶接材料の融点、溶接材料のレーザー吸収率、熱影響。

溶接プロセスに関しては、材料特性などの要因がある、 レーザー出力溶接速度、フォーカス位置、シールド・ガス、溶接ギャップを考慮しなければならない。

溶接材料のレーザー吸収率は、溶接の品質に影響する。アルミニウムや銅などの素材はレーザー吸収率が高く、炭素鋼やステンレス鋼はレーザー吸収率が低い。吸収率の高い溶接材料は通常、溶融して安定した溶接プールを形成するためにより多くのエネルギーを必要とします。

レーザー出力はレーザー溶接のエネルギー源であり、溶接効果を決定する重要な役割を果たす。レーザー出力が大きいほど、溶接効果は高くなる。しかし、レーザー出力が高すぎると、溶接プールが不安定になり、深さが浅くなります。したがって、適切なレーザー出力値を選択することが非常に重要です。

溶接速度と溶け込みには逆の関係がある。溶接速度が速いと入熱量が少なくなるが、遅いと、 特にアルミニウムのような熱に敏感な素材では、 オーバーヒートを引き起こす可能性がある。

焦点の位置は、溶接の溶け込みと幅に直接影響する。焦点が溶接材料の表面にある場合は、ゼロ焦点と呼ばれる。焦点が溶接材料の上または下にある場合は、偏心焦点と呼ばれる。ゼロ・フォーカス・スポットは最も小さく、エネルギー密度が最も高いが、オフ・フォーカス溶接は出力密度は低いが光スポットが大きいため、範囲の広いワークの溶接に適している。

シールド・ガスの種類と方法も溶接プロセスに影響する。シールド・ガスの機能は、溶接中の酸化を防ぐだけでなく、レーザー溶接中に発生するプラズマ雲を抑制することでもある。シールド・ガスの選択は、溶接表面の外観や色に影響を与える。

溶接されるワークピースの溶接ギャップは、溶接の溶け込み、幅、および形態に関係する。溶接ギャップが大きすぎると、溶融と結合が困難になるほか、レーザーが露出して工具や被加工物を損傷する可能性がある。光スポットまたはスイングを大きくすると溶接を改善できるが、改善には限界がある。

溶接試験分析

溶接テストは、安川電機GP25ロボット、Primaレーザー、オスプリ溶接機を使用して行われた。 溶接継手 (コア径100μm、焦点距離300mm）およびWSXワイヤ送給装置を使用した。溶接効果は、1.5mm Q235炭素鋼板、SS304ステンレス鋼、および3シリーズアルミニウムでテストされた。 合金板.

経験に基づき、試験プロセスについて以下のような参考資料がある：

1mmの薄板の試験溶接では、開始電力1kW、溶接速度 30mm/sを使用できる。基準出力はP=A-Xで計算でき、ここでAは定数係数 (A≥0)、Xは板厚である。板厚が増加するにつれて、定数係数Aは徐々に減少し、溶接方法にも影響される。

炭素鋼板の溶接プロセスの解析

のスイング溶接プロセス・パラメーターについては、表2を参照のこと。 Q235 厚さ1.5mmの炭素鋼板。

表2 Q235カーボンのスイング溶接プロセスパラメータ 鋼板

テストデータによると、スイング 炭素鋼溶接 プレートでは、スイング・レンジが変わらないようにしながら、溶接速度を上げるにつれてレーザー出力を上げる必要がある。スイング速度が遅すぎると、溶接が不均一になる。

一般に、炭素鋼自己融解スイング溶接に比べ て、炭素鋼自己融解スイング溶接の方が必要な エネルギーは少なく、炭素鋼スイング・ワイヤー・ フィラー溶接に比べ、炭素鋼自己融解スイング 溶接の方が必要なエネルギーは少ない。必要なエネルギーは主に出力と速度によって制御され、出力が高く速度が速いほど、より多くのエネルギーが必要となる。

品質と効率を両立させるためには、溶接速度をできるだけ上げるのが理想的である。しかし、溶接速度が速すぎると不安定になる可能性があり、レーザー・パワーと溶接速度によって制限される。 材料特性.そのため、一般的にはパワーとスピードのバランスが求められる。

アルミニウム板溶接プロセスの解析

試験では、光ファイバのコア径は100μmを選択した。アルミニウムや銅のような高反射・高熱吸収材を溶接する場合、溶融にはより高い出力密度が必要となる。この場合、ゼロフォーカス溶接が必要となる。

ゼロ・フォーカス溶接は、最小限の電力で最大限の出力密度を得ることができるため、小型部品の溶接や、金属を溶かして溶融池を形成する溶接に最適である。表3に、さまざまな材料の溶接プロセス・パラメーターを示す。

表3 異なる材料の溶接プロセスパラメータの比較

試験データから、他のパラメータを一定に保った場合、3シリーズ・アルミニウム合金の理想的な溶接効果は、より多くの熱を必要とするため、Q235炭素鋼に比べて遅い溶接速度を必要とすることが示された。

ステンレス鋼白色ブロープロセスの分析

表4は、以下の白色化プロセスパラメーターの比較である。 ステンレス鋼溶接 厚さ1.5mmの継ぎ目。溶接効果の比較を図4に示す。

図4（左から右）の3つの溶接部の溶接パラメーターは、それぞれ表4の通し番号1、2、3に対応している。

図4 溶接効果の比較

表4 ステンレス鋼溶接シーム白化のプロセスパラメーターの比較

ステンレス鋼の表面を白化させるためには、レーザー溶融後、シールドガス雰囲気中で金属を急速に冷却・結晶化させる必要がある。出力が高すぎると、多くの熱が金属板に保持され、冷却が遅くなり、酸化や変色のリスクが高まる。出力が低すぎると、金属が完全に溶融しない可能性がある。

速度が速すぎると、ブローイングツールが十分でなくなり、ブローイング効果に影響する。スピードが遅すぎると、熱がたまりすぎる。表面を白く仕上げるには、パワー、スピード、ブローのバランスが重要である。

一度の試行で表面を白くすることが不可能な場合は、1層を少し高い出力で溶着し、2層目は出力を下げることで可能な場合がある。

結論

レーザー溶接のプロセスでは、高電圧を確保するために品質溶接 の結果を得るには、材料特性、レーザー出力、溶接速度、焦点位置、シールド・ガス、溶接ギャップを含むさまざまな要因を考慮することが重要である。

炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム板など、一般的に使用される材料については、前述の初期試験パラメータを基準として使用し、材料の特性や顧客の要求に応じて調整することで、所望の溶接効果を得ることができる。