レーザー溶接: 種類、利点、および用途

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レーザー（放射線の誘導放出による光増幅）溶接は、最も技術的に進歩した溶接形式の 1 つです。 その用途は、航空宇宙から高級宝飾品製造まで、さまざまな業界に及びます。

しかし、レーザー溶接よりずっと前から使用されていた溶接方法がいくつかあるため、他の代替手段があるのになぜレーザー技術が必要なのかという疑問が生じます。

このテクノロジーの始まりを簡単に説明した後、それについて詳しく説明します。 レーザーの基本原理である誘導放出を予測したのはアインシュタインでした。

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ただし、溶接および切断機能のためにレーザーを初めて使用したのは 1967 年のことです。 1967 年の実験で使用されたレーザーは、濃縮された CO2 レーザー ビームを備えた酸素補助ガスを使用しました。

このプロジェクトはピーター・ホールドクロフト博士が主導しました。 この実験とその詳細は、ABJ Sullivan と PT Houldcroft による「ガスジェット レーザー切断」というタイトルの論文で説明されています。

レーザー切断は、金属を打ち抜くことなく溶解するため、レーザー溶接の基礎となりました。

レーザー溶接では、非常に小さなスポットに非常に集中した光ビームが使用されるため、レーザー ビームの下の領域は光を吸収して高エネルギーになります。 強力なレーザービームが使用されると、その領域の電子が励起されて、原子同士の結合が切れて材料が溶けます。

レーザー溶接はプラスチックの接合にも使用できます。

この 2 つの材料の継ぎ目での溶融により、接合部が形成されます。 光が数ミリ秒以内に金属を金属化するほど強力になるのは驚くべきことです。 このような強力なレーザー ビームを実現するために、レーザー溶接機はレーザーを誘導および増幅するいくつかの部品を使用します。

ガスレーザー、固体レーザー、ファイバーレーザーは、レーザー溶接機で使用される 3 つの最も一般的なレーザーです。

通常、レーザー溶接機へのレーザー光の供給には光ファイバーが使用されます。 単繊維溶接機と複数繊維溶接機があります。 複数のファイバー溶接機には各ファイバーにレーザーが接続されており、ファイバーごとにレーザーの強度が増加します。

ビームが機械から出る前に一点に集中させるために、集束レンズと組み合わせたコリメータ レンズがよく使用されます。

4 つの主要な溶接ジョイントでレーザー溶接が可能です。

レーザー溶接について調べている方は、プロセス ガスまたは切断ガスと呼ばれるガスを供給する別のノズルであるレーザー ノズルが常に付属していることに気づいたかもしれません。

基本的に、溶接面が大気と接触するのを防ぐ目的で、溶接位置に向けて送られるガス (最も一般的には CO2) の流れです。

切断ガスを使用しない場合、溶接雰囲気の選択肢は大気か真空の 2 つだけです。 真空中でのレーザー溶接は確かに可能ですが、コストが高く、特殊なセットアップが必要なため、現実的ではありません。

通常の大気中では、プロセスガスを使用せずにレーザー溶接を行うと悪影響が生じる可能性があります。 空気中の窒素は非常に高濃度であるため、溶融金属と混合し、溶接部内にボイドや穴が形成される可能性があります。 このような事態が発生すると、溶接不良が発生する可能性があります。

空気中の湿度などの要因により、溶接時に水素が発生する可能性があります。 金属内への水素の拡散も溶接接合部の脆弱化につ​​ながります。 したがって、シールドなしで通常の大気中でレーザー溶接を行うことはまったくできません。

溶接機には、溶接面にガスを噴射して溶接部に不純物が混入しないようにする切断ガスアタッチメントが付属しています。

レーザー溶接には、熱伝導溶接とキーホール溶接の 2 つの方法があります。

熱伝導溶接：このプロセスでは、金属表面は金属の融点以上に加熱されますが、蒸発するほどではありません。 このプロセスは、高い溶接強度を必要としない溶接に使用されます。

熱伝導溶接の利点は、最終的な溶接が非常に滑らかで美しいことです。 熱伝導溶接には、500W 未満の範囲の低出力レーザーが使用されます。

キーホール溶接:このプロセスでは、レーザー ビームが金属を加熱し、接触面が蒸発して金属に深く食い込みます。 これによりキーホールが形成され、温度が 10,000K をはるかに超えるプラズマのような状態が生成されます。

このプロセスには、105W/mm2 を超える高出力レーザーが必要でした。

レーザー溶接は、ハイブリッド レーザー アーク溶接と呼ばれるものを作成するためにアーク溶接と組み合わせて使用​​されることがよくあります。 ハイブリッド レーザー アーク溶接では、MIG、TIG、SAW などのアーク溶接プロセスのいずれかが深溶け込みレーザー溶接とともに使用されます。

その結果、レーザー溶接とアーク溶接の両方の利点を備えた溶接が実現します。

レーザー溶接のおかげで、結果として得られる溶接には深い貫通ジョイントがあり、ジョイントの取り付けに対する耐性も向上します。 亀裂や内部多孔性などの他の望ましくない影響も軽減されます。

レーザー溶接には、他の溶接方法では見られないいくつかの利点があります。 レーザー溶接の特徴としては次のようなものがあります。

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レーザービーム溶接は高精度の溶接に使用されます。 電極を使用しないため、最終的な溶接は軽くて丈夫です。 初期投資は確かに高価ですが、レーザー溶接の品質と特性は簡単に再現できません。

レーザーがより強力になり、エネルギー効率が高くなるにつれて、レーザー溶接の未来は確かに明るいです。