レーザー溶接の原理
レーザー溶接は、連続またはパルスレーザービームによって実現できます。 レーザー溶接の原理は、熱伝導溶接とレーザー深溶込み溶接に分けられます。 電力密度が 104～105 W/cm2 未満の場合は、熱伝導溶接です。 このとき、溶け込み深さが浅く、溶接速度が遅くなります。 電力密度が 105 ～ 107 W/cm2 を超えると、加熱によって金属表面が「空洞」に沈み、深い溶け込み溶接が形成されます。これは、溶接速度が速く、アスペクト比が大きいという特徴があります。
熱伝導レーザー溶接の原理は、レーザー放射により加工面を加熱し、表面の熱が熱伝導により内部に拡散することです。 レーザーのパルス幅、エネルギー、ピーク出力、繰り返し周波数、およびその他のレーザー パラメータを制御することにより、ワークピースが溶融され、特定の溶融プールが形成されます。 .
ギア溶接や冶金薄板溶接に使用されるレーザー溶接機は、主にレーザー深溶込み溶接です。 以下では、レーザー深溶込み溶接の原理を中心に説明します。
レーザー深溶込み溶接は、一般に連続レーザービームを使用して材料の接続を完了します。その冶金物理プロセスは電子ビーム溶接と非常に似ています。つまり、エネルギー変換メカニズムは「キーホール」構造によって完成します。 十分に高い出力密度のレーザー照射下で、材料は蒸発し、小さな気孔を形成します。 蒸気で満たされたこの小さな穴は黒体のようなもので、入射ビームのほぼすべてのエネルギーを吸収し、キャビティ内の平衡温度は約 2500 0 C に達します。 高温の空洞の外壁から熱が伝わり、空洞の周囲の金属が溶けます。 小孔はビームの照射下で壁材料が連続的に蒸発することによって発生する高温の蒸気で満たされ、小孔の壁は溶融金属に囲まれ、液体金属は固体材料に囲まれます（中、ほとんどの従来の溶接プロセスとレーザー伝導溶接では、エネルギーは最初にワークピースの表面に蓄積され、次に伝達によって内部に運ばれます)。 細孔壁の外側の液体の流れと壁層の表面張力は、細孔キャビティ内で継続的に発生する蒸気圧との動的バランスを維持します。 ビームは継続的に小さな穴に入り、小さな穴の外側の材料は継続的に流れます。 ビームが移動すると、小さな穴は常に安定した流れの状態になります。 すなわち、小孔と孔壁を取り囲む溶湯が先行ビームの前進速度で前進し、溶湯が小孔の隙間を埋めて凝結し、溶接部が形成されます。 上記のプロセスはすべて非常に迅速に行われるため、溶接速度は毎分数メートルに容易に達します。
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レーザー深溶込み溶接の主なプロセス パラメータ
1) レーザー出力。 レーザー溶接にはレーザーエネルギー密度の閾値があります。 この値を下回ると、浸透深さが非常に浅くなります。 この値に達するか超えると、浸透深度が大幅に増加します。 プラズマは、ワーク上のレーザー パワー密度がしきい値 (材料によって異なります) を超えた場合にのみ生成され、安定した深溶け込み溶接の進行を示します。 レーザー出力がこのしきい値を下回ると、ワークピースの表面溶融のみが発生します。つまり、溶接は安定した熱伝導で行われます。 レーザ出力密度が小孔形成限界付近になると、深溶け込み溶接と通電溶接が交互に行われるため、溶接プロセスが不安定になり、溶け込み深さの変動が大きくなります。 レーザー深溶け込み溶接では、レーザー出力で溶け込み深さと溶接速度を同時に制御します。 溶接溶け込みは、ビーム パワー密度に直接関係し、入射ビーム パワーとビーム焦点の関数です。 一般に、特定の直径のレーザー ビームの場合、ビーム パワーが増加するにつれて侵入深さが増加します。
2) ビーム焦点。 ビーム スポット サイズは、出力密度を決定するため、レーザー溶接で最も重要な変数の 1 つです。 しかし、高出力レーザーの場合、間接的な測定方法はたくさんありますが、その測定は難しい問題です。
ビーム焦点の回折限界スポット サイズは、光回折理論に従って計算できますが、集束レンズの収差が存在するため、実際のスポット サイズは計算値よりも大きくなります。 最も簡単な実用的な方法は等温プロファイリング法で、ポリプロピレン板を厚紙で焦がして浸透させた後、焦点と穴の直径を測定します。 この方法では、測定の練習を通じて、レーザーの出力とビームの動作時間をマスターする必要があります。
3) 物質吸収値。 材料によるレーザー光の吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、融解温度、蒸発温度など、材料のいくつかの重要な特性に依存します。その中で最も重要なのは吸収率です。
レーザービームに対する材料の吸収率に影響を与える要因には、2 つの側面があります。1 つ目は、材料の抵抗率です。 材料の研磨面の吸収率を測定した後、材料の吸収率は抵抗率の平方根に比例し、抵抗率は温度によって変化することがわかります。 第 2 に、材料の表面状態 (または滑らかさ) は、ビーム吸収率にさらに重要な影響を与え、溶接効果に大きな影響を与えます。
CO2レーザーの出力波長は通常10.6μmです。 セラミック、ガラス、ゴム、プラスチック、その他の非金属の吸収率は室温で非常に高く、金属材料の吸収率は室温では非常に低く、材料が溶けるかガスになるまで、その吸収率は劇的に増加します。 表面コーティングや表面酸化膜形成により、材料の光吸収を改善することは非常に有効です。
4) 溶接速度。 溶接速度は溶け込み深さに大きく影響します。 速度を上げると溶け込みが浅くなりますが、速度が遅すぎると材料が溶けすぎてワークが溶着してしまいます。 したがって、特定のレーザー出力と特定の厚さを持つ特定の材料に適した溶接速度範囲があり、対応する速度値で最大溶け込み深さを得ることができます。 図10-2は、1018鋼の溶接速度と溶け込み深さの関係を示しています。
5) 保護ガス。 不活性ガスは、レーザー溶接プロセスで溶融プールを保護するためによく使用されます。 表面の酸化に関係なく一部の材料が溶接される場合、保護は考慮されない場合がありますが、ほとんどのアプリケーションでは、ヘリウム、アルゴン、窒素、およびその他のガスが保護として使用されることが多く、はんだ付け中のワークピースを酸化から保護します。
ヘリウムはイオン化されにくい (イオン化エネルギーが高い) ため、レーザーはスムーズに通過し、ビーム エネルギーは障害なくワークの表面に到達します。 これは、レーザー溶接で使用される最も効果的なシールド ガスですが、より高価です。
アルゴンガスは安価で密度が高いため、保護効果が優れています。 ただし、高温の金属プラズマ イオン化の影響を受けやすく、ビームの一部がワークピースに当たらないように遮蔽し、溶接の有効レーザー出力を低下させ、溶接速度と溶け込みを損ないます。 アルゴンで保護された溶接物の表面は、ヘリウムで保護された場合よりも滑らかです。
窒素は最も安価なシールド ガスですが、一部のステンレス鋼の溶接には適していません。これは主に吸収などの冶金学的な問題が原因で、重なり合う領域に気孔が生じることがあります。
シールド ガスを使用する 2 つ目の機能は、集束レンズを金属蒸気汚染と液滴のスパッタリングから保護することです。 特に高出力レーザー溶接では、射出が非常に強力になるため、このときレンズの保護がより必要になります。
シールド ガスの 3 つ目の機能は、高出力レーザー溶接によって生成されたプラズマ シールドを消散させるのに非常に効果的であることです。 金属蒸気はレーザービームを吸収してプラズマ雲にイオン化し、金属蒸気の周囲の保護ガスも熱によりイオン化されます。 プラズマが多すぎると、レーザー ビームがプラズマによっていくらか消費されます。 プラズマは、第 2 のエネルギーとして作業面に存在し、溶込みを浅くし、溶融池の表面を広げます。 電子の再結合率は、電子とイオンおよび中性原子との三体衝突を増加させてプラズマ中の電子密度を減少させることによって増加する。 中性原子が軽いほど、衝突頻度が高くなり、再結合率が高くなります。 一方、イオン化エネルギーが高い保護ガスだけでは、ガス自体のイオン化により電子密度が増加しません。
プラズマ クラウドのサイズは、使用するシールド ガスによって異なります。ヘリウムが最小、窒素が 2 番目、アルゴンが最大です。 プラズマのサイズが大きいほど、浸透は浅くなります。 この違いの理由は、第一に、ガス分子のイオン化の程度の違いによるものであり、シールドガスの密度の違いによって生じる金属蒸気の拡散の違いによるものでもあります。
ヘリウムは最もイオン化されておらず、最も密度の低いガスであり、溶融金属槽から発生する上昇する金属蒸気をすばやく追い出します。 したがって、ヘリウムをシールドガスとして使用すると、プラズマを最大限に抑制できるため、溶込み深さが増加し、溶接速度が向上します。 軽いので抜けやすく、毛穴が目立ちにくい。 もちろん、当社の実際の溶接効果から、アルゴン保護の効果は悪くありません。
溶け込みに対するプラズマ クラウドの影響は、溶接速度が遅い領域で最も顕著です。 溶接速度が速くなるにつれて、その効果は減少します。
シールドガスはノズルから一定の圧力で噴射され、ワークの表面に到達します。 ノズルの流体力学的形状と出口の直径は非常に重要です。 噴霧されたシールドガスが溶接面を覆うように駆動するのに十分な大きさが必要ですが、レンズを効果的に保護し、金属蒸気が汚染したり、金属飛沫がレンズを損傷したりするのを防ぐために、ノズルのサイズも制限する必要があります。 流量も制御する必要があります。そうしないと、シールドガスの層流が乱れ、大気が溶融池に巻き込まれ、最終的に気孔が形成されます。
保護効果を向上させるために、追加のサイドブロー法を使用することもできます。つまり、より小さな直径のノズルを介して、保護ガスを特定の角度で深溶け込み溶接の小さな穴に直接注入します。 シールドガスは、ワーク表面のプラズマ雲を抑制するだけでなく、プラズマの形成や穴内の微小な穴にも影響を及ぼし、さらに溶け込み深さを増し、理想的な深さ幅比の溶接を実現します。 . しかし、この方法では気流の大きさや方向を精密に制御する必要があり、乱流が発生して溶融池が破壊され、溶接プロセスが安定しにくくなります。
6) レンズの焦点距離。 集光法は通常、溶接時にレーザーを集光するために使用され、焦点距離が 63 ～ 254 mm (2.5" ～ 10") のレンズが一般的に使用されます。 焦点スポットのサイズは焦点距離に比例し、焦点距離が短いほどスポットは小さくなります。 ただし、焦点距離は焦点深度にも影響します。つまり、焦点深度は焦点距離と同期して増加するため、焦点距離が短いと出力密度が増加しますが、焦点深度が小さいため、レンズとワークピースの間の距離が長くなります。正確に維持する必要があり、浸透深さは大きくありません。 溶接工程で発生するスパッタやレーザーモードの影響により、実際の溶接で使用される最短焦点深度は、焦点距離126mm(5")がほとんどです。接合部が大きい場合や、溶接シームを大きくして溶接シームを長くする必要がある場合。焦点距離が 254mm (10") のレンズを選択できます。 この場合、深浸透ピンホール効果を得るためには、より高いレーザー出力（パワー密度）が必要となります。
レーザー出力が 2kW を超える場合、特に 10.6μm CO2 レーザー ビームの場合、特殊な光学材料を使用して光学系を形成するため、集光レンズへの光学的損傷のリスクを回避するために、反射集光法がよく使用されます。反射板には一般的に研磨された銅鏡が使用されます。 効果的な冷却により、高出力レーザービームの集光に推奨されることがよくあります。
7) フォーカス位置。 溶接時には、十分な出力密度を維持するために焦点位置が重要です。 焦点とワーク表面の相対位置の変化は、溶接の幅と深さに直接影響します。 図 2-6 は、1018 鋼の溶込み深さとシーム幅に対する焦点位置の影響を示しています。
ほとんどのレーザー溶接アプリケーションでは、焦点は通常、ワークピースの表面から所望の溶け込み深さの約 1/4 の位置にあります。
8) レーザービームの位置。 異種材料をレーザー溶接する場合、レーザー ビームの位置が溶接の最終的な品質を制御します。 たとえば、硬化鋼ギアを軟鋼ドラムに溶接する場合、レーザー ビームの位置を適切に制御することで、比較的割れにくく、主に低炭素成分で溶接を行うことができます。 一部のアプリケーションでは、溶接されるワークピースの形状により、レーザー ビームをある角度だけ偏向させる必要があります。 ビーム軸と接合面の間の偏向角度が 100 度以内の場合、ワークによるレーザー エネルギーの吸収は影響を受けません。
9) 溶接の開始点と終了点でのレーザー出力の緩やかな上昇と下降制御。 レーザー深溶け込み溶接では、溶接の深さに関係なく、小さな穴が常に存在します。 溶接作業を終了して電源スイッチを切ると、溶接部にピットが発生します。 さらに、レーザー溶接層が元の溶接シームを覆うと、レーザービームの過剰な吸収が発生し、溶接物の過熱や気孔の発生につながります。
上記の現象が発生するのを防ぐために、電力の開始点と停止点をプログラムして、電力の開始時間と終了時間を調整できるようにすることができます。つまり、初期電力がゼロから設定電力値まで短時間で電子的に増加します。そして溶接は調整することができます。 時間、そして最終的に溶接が終了すると、電力は設定された電力からゼロまで徐々に減少します。
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レーザー深溶込み溶接の特徴とメリット・デメリット
レーザー深溶込み溶接の特長
1) 高アスペクト比。 溶融金属が高温蒸気の円筒形キャビティの周りに形成され、ワークピースに向かって広がるにつれて、溶接部は深く狭くなります。
2) 最小入熱。 小さな穴の温度が非常に高いため、溶融プロセスが非常に速く発生し、ワークピースへの熱入力が非常に低く、熱変形と熱影響ゾーンが小さくなります。
3) 高密度。 高温の蒸気で満たされた小さな気孔は、溶融池の攪拌とガスの放出を助長するため、気孔のない貫通溶接が得られます。 溶接後の冷却速度が速いため、溶接組織を容易に微細化できます。
4) 強い溶接。 ブレージング熱源と非金属成分の十分な吸収により、不純物含有量が減少し、介在物のサイズと溶融プール内の分布が変化します。 溶接プロセスは電極やフィラー ワイヤを必要とせず、溶融ゾーンの汚染が少ないため、溶接部の強度と靭性は母材の強度と少なくとも同等かそれ以上になります。
5) 正確な制御。 集光スポットが小さいため、溶接シームを高精度に位置決めできます。 レーザー出力には「慣性」がなく、高速で停止・再始動が可能で、数値制御ビーム移動技術により複雑なワークも溶接可能です。
6) 非接触大気溶接プロセス。 エネルギーは光子ビームから得られるため、ワークピースとの物理的な接触がないため、ワークピースに外力が加えられることはありません。 また、レーザー光は磁気や空気の影響を受けません。
レーザー深溶込み溶接のメリット
1) 集光レーザーは、従来の方法に比べて出力密度が非常に高いため、溶接速度が速く、熱影響部や変形が少なく、チタンなどの難溶接材の溶接も可能です。
2) ビームの伝達と制御が容易で、トーチとノズルを頻繁に交換する必要がなく、電子ビーム溶接に必要な真空がないため、ダウンタイムの補助時間が大幅に削減されるため、負荷率と生産効率が高い。
3) 浄化効果と高い冷却速度により、溶接強度、靭性、総合性能が高い。
4) 平均入熱量が少なく、加工精度が高いため、再加工コストを削減できます。 さらに、レーザー溶接の運用コストも低く、ワークピースの処理コストを削減できます。
5) ビーム強度と精密位置決めを効果的に制御でき、自動操作を実現するのは簡単です。
レーザー深溶込み溶接のデメリット
1) 溶接深さに制限があります。
2) ワークピースの組み立て要件が高い。
3) レーザー システムの 1 回限りの投資が比較的高い
