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レーザー溶接とは

レーザー溶接とは

レーザー溶接とは

レーザー溶接は、高精度のレーザー ビームを使用して金属または熱可塑性樹脂を接合し、溶接を形成するプロセスです。このような集中熱源として、レーザー溶接は薄い材料を高い溶接速度で溶接することができます。ただし、より厚い材料では、四角いエッジの部品間に狭くて深い溶接が生成される可能性があります。
目次
レーザー溶接機

レーザー溶接とは

レーザー溶接またはレーザービーム溶接 (LBW) は、レーザーの形の集中熱源を使用して材料を溶かし、冷却時に融合させるプロセスです。レーザー溶接は、薄い材料を素早く溶接し、厚い材料に狭く深い溶接を形成できるため、多目的なプロセスです。
レーザー溶接では、高精度のレーザー ビームを使用して金属や熱可塑性樹脂を溶かします。プロセスの精度と精度によって熱歪みが少なくなり、繊細な材料の溶接に最適です。通常、このプロセスは自動化されているため、はんだ付け率が高くなります。
レーザー溶接機は従来の溶接プロセスよりもコストがかかりますが、レーザー溶接は必ずしも追加の溶加材や後処理を必要としないため、運用コストは低くなります。さらに、溶接速度が速いため、1 時間あたりにより多くの部品を生産できます。レーザー溶接技術は、TIG、MIG、SMAW などの従来のアーク溶接プロセスとは大きく異なります。最新の溶接アプリケーションでは、高度な光学系を備えたプログラム可能なロボットを使用して、ワークピースの領域を特定します。
レーザー溶接機

レーザー溶接の種類

レーザー溶接には、熱伝導溶接と深穴溶接の 2 つのモードがあります。それらはすべて、特定のアプリケーションに適した独自の動作原理を備えており、レーザービームが溶接中の材料と相互作用するモードは、ビームがワークピースに当たる出力密度に依存します。

熱伝導溶接

この方法では、集束レーザービームを使用して基板の表面を溶融します。このプロセスは一般に 500W 未満の低出力レーザーで行われ、主に高い溶接強度を必要としない溶接を生成するために使用されます。接合部が冷えて固まると、正確で滑らかな溶接ができます。熱伝達方法を使用して作成された溶接は、通常、追加の仕上げを必要とせず、すぐに使用できます。
熱伝導溶接法は、熱伝導のみで溶接部にエネルギーが入るため、溶接深さが制限されるため、薄肉の接合に適しています。このタイプの溶接は、美観が求められる目に見える溶接によく使用されます。
熱伝導溶接には 2 つのサブカテゴリがあります。
  • 直接加熱 – レーザービームを金属表面に直接当てる機能。
  • エネルギー伝達 – 吸収インクが縫い目に塗布され、レーザービームによって加えられたエネルギーを吸収します。

深穴溶接

深穴溶接モードでプロセスを実行すると、均一な構造の深く狭い溶接が生成されます。このプロセスでは、レーザー ビームが金属を加熱して、金属が接触面から蒸発し、金属の奥深くまで浸透します。これは、金属を溶かすだけでなく、気化させ、キーホール キャビティまたは蒸気キャピラリーと呼ばれる、蒸気で満たされた狭いキャビティを作成します。レーザービームがワークピースを通過すると、ワークピースは溶融金属で満たされます。キーホール溶接は高速プロセスであるため、熱影響部の変形と形成は最小限に抑えられます。
レーザー溶接機

レーザー溶接プロセス

レーザー溶接は、高出力密度レーザーを使用して 2 つの金属表面間の接合部に熱を加えることによって機能します。材料は継ぎ目で溶け、凝固するにつれて金属間の融合を可能にします。
レーザー溶接は通常、大量のエネルギーを高速かつ正確に適用できる溶接ロボットによって実行され、柔軟な光ファイバーによって誘導されます。これにより、ジョイント内の十分な量の金属が溶融し、歪みが最小限に抑えられた狭い溶接が生成されます。ハンドヘルド レーザー溶接機は、かさばる産業用機械の優れた代替手段ですが、レーザー溶接機の安全性は問題になる可能性があり、特殊な保護具の着用が必要になります。
溶接プロセスは大気条件下で実行できますが、より反応性の高い材料の場合、汚染のリスクを排除するために不活性ガス シールドを使用することをお勧めします。電子ビーム溶接と同様に、レーザー溶接は真空中で行うことができますが、経済的に実行可能とは考えられていませんでした。そのため、レーザー溶接機には、溶接領域に不活性ガスを供給するガスノズルが装備されています。
多くのレーザー溶接アプリケーションでは、追加の充填材は必要ありません。ただし、扱いが難しい材料やアプリケーションでは、満足のいく溶接を行うために充填材が必要です。充填材を追加すると、溶接プロファイルが改善され、凝固割れが減少し、溶接部の機械的特性が向上し、より正確な接合部フィットが可能になります。充填材は、粉末または充填ワイヤの形態にすることができます。ただし、粉末は一般にほとんどの材料に対して高価であるため、ワイヤストックを使用する方が一般的です。レーザー溶接で使用される最も一般的な 4 つの接合タイプは、突合せ溶接、エッジフランジ溶接、充填材重ね溶接、重ね溶接です。
レーザー溶接は、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなど、さまざまな金属材料に対して実行できます。高炭素鋼のレーザー溶接は、冷却速度が速く、割れやすいため、一般的にはお勧めできません。
レーザー溶接機

レーザーの種類

レーザー溶接機 溶接用レーザーは、主にガスレーザー(CO2)、固体レーザー、ファイバーレーザーの3種類に分けられます。

ガスレーザー(CO2)

CO2レーザー光源は、CO2を主成分とし、窒素とヘリウムを加えた混合ガスです。これらのレーザーは、ガス分子を励起するために、低電流および高電圧で連続モードまたはパルス モードで動作させることができます。 CO2 レーザーは、2 つのビームが生成され、直列または並列に配置されるデュアルビーム レーザー溶接などの特殊な場合にも使用されます。

固体レーザー

固体レーザーは、ダイオード励起固体 (DPSS) 技術を使用して、ルビー、ガラスまたはイットリウム、アルミニウムおよびガーネット (YAG)、またはバナジン酸イットリウム結晶 (YVO4) などの鉱物をレーザー ダイオードを介して励起し、レーザー光を生成します。これらのレーザーは、連続波またはパルスビームモードで動作します。パルス モードでは、スポット溶接に似ていますが、完全溶け込みのジョイントが生成されます。現代のファイバーレーザーと比較すると、このタイプのレーザーには多くの欠点がありますが、固体レーザーが依然として優れたビーム安定性と品質、および高効率を備えていることは否定できません。
半導体ベースのレーザーも固体ですが、一般的には固体レーザーとは異なるクラスと見なされています。これらのレーザーは、より安価で小規模なプロジェクトにのみ適しています。ただし、機器がよりコンパクトなため、手の届きにくい場所での溶接に使用されることもあります。ビーム品質は他の種類のレーザーよりもはるかに劣るため、産業環境では一般的ではありません。

ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、より高いレーザー出力、より優れた品質、より安全な操作を提供する新しいクラスの固体レーザーです。ファイバーレーザーでは、ファイバーがポンプレーザーダイオードからの生の光を吸収するときにレーザービームが生成されます。この遷移を実現するために、ファイバには希土類元素がドープされています。さまざまなドーピング元素を使用することにより、幅広い波長のレーザービームを生成することが可能であり、ファイバーレーザーは、レーザー溶接やレーザー切断を含むさまざまな用途に最適です。ただし、標準のレーザー切断ヘッドは溶接に使用できず、レーザー溶接ヘッドはほとんどの産業用途の切断速度と品質要件を満たすことができないことに注意してください。
レーザー溶接機

レーザー溶接を使用するための安全ガイドラインは何ですか?

ハンドヘルド レーザー溶接機は使いやすく、安全機能が組み込まれていますが、強力な産業機器であることを覚えておくことが重要です。レーザー溶接機で作業するときは、レーザー光線が体や目に危険を及ぼす可能性があることに注意してください。レーザー溶接ビームは目に見えない光であるため、安全のために視覚的な合図に頼ることはできません。
レーザー溶接機はクラス IV レーザーであり、安全機能がシステムに統合されていますが、レーザー安全プログラムを確立する際には、従来の溶接安全要件も実装する必要があります。従うべきいくつかの一般的なルールは次のとおりです。
  • 不燃性の衣服、長袖、または溶接服を着用してください。レーザー管理区域にいる人は、レーザーの種類に適したレーザー保護メガネや従来の溶接用ヘルメットなど、個人用保護具を使用する必要があります。
  • レーザー光が反射する可能性があることを考慮して、操作上の安全手順に従ってください。
  • 製造元が提供する機器マニュアルに記載されている安全要件と手順を完全に理解するまで、ハンドヘルド レーザー溶接機を操作しないでください。
自動ワイヤ送給装置

レーザー溶接の利点

  • 低入熱と正確なレーザー出力制御による優れた溶接品質。
  • 溶接速度が速く、単価が安い。
  • 溶接深さが大きいほど、強度の高い溶接部が形成されます。
  • 他の方法では接合できない材料の組み合わせを溶接できます。
  • シンプルな溶接設備により、特殊な条件下での溶接が可能です。
レーザー溶接機 自動ワイヤー送給装置

レーザー溶接のデメリット

  • 初期投資が高い。
  • 厳しい公差には、完璧なワークピースの適合とレーザーの位置合わせが必要です。
  • 反射率と導電率の高い材料 (アルミニウムと銅) は、複雑な溶接結果を生成する可能性があります (CO2 レーザーの場合)。
  • 急速な固化は、多孔性と脆性をもたらす可能性があります。
  • レーザー光学系は非常に壊れやすく、簡単に損傷する可能性があります。
レーザー溶接サンプル

レーザーハイブリッド溶接

レーザーハイブリッド溶接は、電気アークとレーザービームの溶接方法を組み合わせたものです。 2 つの溶接方法が同じ溶接領域に同時に作用するため、溶接効果にはアーク溶接とレーザー ビーム溶接の利点があり、独自の溶接プロセスが作成されます。レーザー溶接は、ほぼすべてのアーク溶接プロセスと組み合わせて使用できますが、際立って一般的に使用されているプロセスがいくつかあります。
レーザー ハイブリッド溶接には、主に 3 つのタイプがあります。
  • MIG 付加溶接 (多くの場合、レーザー ハイブリッド溶接と同義)
  • TIG 付加溶接
  • プラズマアーク溶接
ハイブリッド溶接プロセスは、レーザー溶接の深い溶け込みと、アーク溶接プロセスに匹敵する溶接キャップ プロファイルを提供します。シールドガスやその他のアーク溶接消耗品を使用すると、レーザー溶接自体よりも溶接特性をより適切に制御できます。レーザー ハイブリッド溶接は間違いなく、造船、鉄道、自動車産業、および将来の大規模なパイプライン溶接プロジェクトでますます使用される新しいプロセスです。

よくある質問

レーザー溶接にはガスが必要ですか?
レーザーは、アプリケーションと溶接される材料に応じて、ガスの有無にかかわらず実行できます。場合によっては、アルゴン、ヘリウム、または窒素などのシールド ガスを使用して、溶接領域の周囲にシールド雰囲気を作り出すことができます。これは、チタンやアルミニウムなどの酸化に敏感な材料を溶接する場合に特に重要です。使用するガスの種類は、溶接する材料、溶接プロセス、および使用する機器によって異なります。
場合によっては、ガス混合物を使用して特定の溶接効果を得ることができます。たとえば、ヘリウムとアルゴンの混合物はステンレス鋼の溶接に使用できますが、窒素はアルミニウムの溶接によく使用されます。ガスの使用はレーザー溶接の重要な側面であり、溶接の品質と信頼性に貢献します。
はい、レーザー溶接は堅牢で信頼性の高い溶接方法です。レーザー溶接では、高度に焦点を絞ったレーザー ビームを使用して金属表面を溶かして融合し、強力で高品質な接合を形成します。高出力レーザー ビームによって生成される熱は高度に集中しているため、変形は最小限に抑えられ、熱影響部は非常に狭くなります。
レーザー溶接の強度は、溶接する金属の種類や使用する特定の溶接プロセスなど、さまざまな要因によって異なります。強力で信頼性の高い溶接を行うには、レーザー出力、速度、パルス持続時間などの適切な準備と溶接パラメーターを慎重に制御する必要があります。一般に、レーザー溶接は、溶接プロセス中に発生する熱と歪みを最小限に抑えるため、薄い材料の溶接に特に効果的です。
レーザー溶接は、航空宇宙、自動車、医療機器の製造など、強度と精度が重要な用途で一般的に使用されています。ただし、溶接強度は適切な溶接設計と実行にも依存するため、経験豊富な溶接工とエンジニアをプロセスに参加させることが重要です。

レーザー溶接は、次のようなさまざまな種類の金属の接合に使用できる高精度の溶接方法です。

  • スチール: レーザー溶接は、低入熱で高品質の溶接を提供できるため、軟鋼、ステンレス鋼、高強度鋼など、さまざまなグレードの鋼の溶接に一般的に使用されます。
  • アルミニウム: レーザー溶接は、反射率と熱伝導率が高いため、アルミニウムの溶接に効果的な方法です。
  • 銅: レーザー溶接は銅と真鍮の溶接にも有効ですが、従来の溶接技術では銅の溶接が難しく、電子機器や配管用途でよく使用されます。
  • チタン: チタンの溶接には、融点と反応性が高いため、レーザー溶接がよく使用されます。
  • 金と銀: レーザー溶接は、金や銀などの貴金属の溶接にも使用できます。金や銀は、ジュエリー製作やその他のハイエンド アプリケーションでよく使用されます。
  • ニッケルとその合金: レーザー溶接は、航空宇宙やその他の高性能アプリケーションでよく使用されるインコネルなどのニッケルとその合金の溶接に使用できます。
  • マグネシウム: マグネシウムは、特に自動車産業や航空宇宙産業でレーザーを使用して溶接できる軽金属です。

レーザー溶接は、鉄と非鉄を問わず、さまざまな金属の接合に使用できる汎用性の高い溶接方法です。ただし、特定の金属に対するレーザー溶接の正確な適合性は、金属の特定の特性と溶接アプリケーションの要件によって異なります。

通常、レーザー溶接では溶接ワイヤーを使用しません。 MIG (金属不活性ガス) や TIG (タングステン不活性ガス) 溶接などの他のタイプの溶接プロセスとは異なり、レーザー溶接では、2 つの金属片を接合するために溶接ワイヤのような溶加材を必要としません。レーザー溶接では、集束された高強度のレーザー ビームを使用して、2 つの金属片を溶かして接合します。通常、レーザービームによって生成される熱は、追加の溶接材料なしで金属を溶かすのに十分です。
ただし、場合によっては、接合部の強度を高めたり、接合する 2 つの部品間の隙間を埋めるために、接合部に少量の充填材を追加することがあります。このフィラー材料は通常、ワイヤーまたは粉末の形で、手動または自動プロセスによってジョイントに追加されます。さらに、ハイブリッド レーザー溶接などの一部のレーザー溶接技術では、溶接ワイヤを使用して、より安定したアークを生成し、スパッタを減らすことができます。

レーザー溶接は、自動車、航空宇宙、医療など、さまざまな業界で広く使用されているプロセスです。レーザー溶接には、高精度、高速、変形の少なさなど多くの利点がありますが、溶接プロセスにはいくつかの潜在的な欠陥もあります。レーザー溶接の落とし穴には次のようなものがあります。

  • 気孔率:溶接プロセス中に閉じ込められたガスによって引き起こされる、溶接材料内の小さな空隙または気孔の形成。これにより、溶接継手が弱くなり、強度が低下する可能性があります。
  • 亀裂: レーザー溶接は、特に材料の熱膨張係数が高い場合や溶接速度が遅すぎる場合に、非常に集中した熱影響部を作成する可能性があり、溶接材料の亀裂につながる可能性があります。
  • 不完全な融合: 母材金属または溶加材を完全に溶融するのに十分なレーザー出力がないと、溶接部の融合が不完全になり、接合部が弱くまたは不完全になります。
  • アンダーカット: 母材が過度に溶融すると、溶接部の端に溝や切れ目が生じ、接合部の強度が低下する可能性があります。
  • 反り: レーザー溶接では大量の熱が発生し、溶接材料が膨張および収縮します。これにより、溶接された材料の変形や反りが発生する可能性があり、特に薄い材料や壊れやすい材料の場合、製品の寸法精度と品質に影響を与える可能性があります。
  • 酸化: レーザー溶接中に酸素にさらされると、母材が酸化し、接合部が弱くなり、耐食性が低下する可能性があります。
  • ジョイント アセンブリに対する感度: レーザー溶接では、溶接する 2 つのパーツを正確に位置合わせする必要があります。ギャップ寸法のずれやばらつきは、溶接品質に影響します。

これらの欠陥を最小限に抑えるには、レーザー出力、溶接速度、ビーム焦点などのレーザー溶接プロセス パラメータを最適化し、適切な溶加材とシールド ガスを使用する必要があります。また、適切な表面処理、継手設計、および溶接後の熱処理も、レーザー溶接欠陥の発生を減らすのに役立ちます。

要約する

レーザー溶接は高精度な溶接で、電極を使用しないため、軽いのに強い溶接ができます。初期投資は高くつきますが、レーザー溶接の品質と特性は簡単には真似できません。レーザーがより強力になり、エネルギー効率が向上するにつれて、レーザー溶接の未来は明るく見えます!
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