レーザー溶接に関する重要な考慮事項

レーザー溶接には、多数のプロセス変数が関係します。 しかし、創造的な思考を使えば、大きなチャンスも得られます。

あらゆる業界で、より良い素材や機能を求めて製品が設計、再設計、または再評価されています。 最終製品は多くのコンポーネントから作られており、これらのコンポーネントは何らかの方法で結合する必要があります。 これらの接合方法の 1 つがレーザー溶接です。

レーザー溶接では、高強度の光ビームを使用して溶融池を作成し、材料を融合させます。 これは非接触プロセスであり、他の溶融プロセスに比べて入熱が低く、高い処理速度を提供し、単一パスで深い溶融ゾーンを生成します。

もちろん、これらすべての利点を最大限に活用し、高品質で再現可能なプロセスを保証するには、製造業者はレーザー溶接が他の溶融溶接プロセスとどのように比較されるかを考慮する必要があります。 ジョイントと固定具の設計も重要な役割を果たします。 他の金属製造技術と同様に、賢明な実装はプロセスの基本をよく理解することから始まります。

レーザー溶接では、ワークピースの小さな点に焦点を合わせた光ビームを使用します。 何らかの媒体から生成された光はレーザー源を出て発散し始めます。 次に、ビームが平行になり、成長しないようにコリメートされます。 出口から視準面までの距離を視準長といいます。 ビームは焦点面に当たるまで平行状態を保ちます。 その後、ビームは砂時計の形に狭くなり、最小点で焦点が合います。 焦点面から最小点までの距離を焦点距離といいます。 焦点スポットのサイズは次の式で決まります: ファイバー直径 × 焦点距離 / コリメーション長 = 焦点直径

焦点直径が焦点領域の 86% 以内にある距離は、焦点深度と呼ばれます。 フォーカス位置がこの領域の外に移動すると、処理結果が変化することが予想されます。 焦点距離とコリメーション長の比が大きいほど、特定のファイバーの焦点深度は大きくなります。

より大きなファイバーは、より小さなファイバー直径と比較して、より大きな焦点深度を持ちます。 比率が大きくなり、ファイバが大きくなるとスポット サイズが大きくなり、出力密度が低下し、したがって透過率が低下します。

レーザー溶接には、熱伝導溶接とキーホール溶接の 2 つの形式があります。 熱伝導溶接では、レーザー ビームが共通の接合部に沿って嵌合部品を溶かし、溶けた材料が一緒に流れて凝固して溶接部を形成します。 薄肉部品の接合に使用される熱伝導溶接では、パルス発振または連続発振の固体レーザーが使用されます。

熱伝導溶接では、エネルギーは熱伝導のみを介してワークピースに結合されます。 このため、溶接の深さはわずか10分の数ミリメートルから1mmの範囲になります。 材料の熱伝導率によって最大溶接深さが制限され、溶接の幅は常にその深さよりも大きくなります。 熱伝導レーザー溶接は、デバイスのハウジングの目に見える表面のコーナー溶接やエレクトロニクスの他の用途に使用されます。

キーホール溶接 (参照)図1 ) は、1 平方センチメートルあたり約 1 メガワットという非常に高い電力密度を必要とします。 深い溶接が必要な用途や、材料の複数の層を同時に溶接する必要がある用途に使用されます。

このプロセスでは、レーザービームは金属を溶かすだけでなく、蒸気も生成します。 消散する蒸気は溶融金属に圧力を加え、部分的に溶融金属を移動させます。 その間、材料は溶け続けます。 その結果、溶融金属に囲まれた、蒸気で満たされた深くて狭い穴、または鍵穴が形成されます。

図1キーホール溶接は非常に高い電力密度を必要とし、深い溶接が必要な用途に使用されます。

レーザービームが溶接接合部に沿って進むと、キーホールもワークピース内を移動します。 溶けた金属は鍵穴の周りを流れ、その跡で固まります。 これにより、均一な内部構造を備えた深く狭い溶接が形成されます。 溶接深さは溶接幅の 10 倍を超える場合があります。 溶融した材料はレーザー光をほぼ完全に吸収し、溶接プロセスの効率が向上します。 鍵穴内の蒸気もレーザー光を吸収し、部分的にイオン化されます。 これによりプラズマが形成され、ワー​​クピースにもエネルギーが加えられます。 その結果、深溶け込み溶接は、優れた効率と速い溶接速度によって特徴付けられます。 高速であるため、熱影響部 (HAZ) が小さく、歪みが最小限に抑えられます。

他のプロセスと比較して、レーザー溶接は、シングルパスで最高の溶接品質、最低の入熱、最高の溶け込みを実現します。 これは、材料の組み合わせと部品形状の範囲が最も広いものの 1 つであり、非常に制御性と再現性が高く、自動化が最も簡単な製品の 1 つです (「図2 ）。 これらすべてにより、新しい接合設計が可能になり、溶接後の処理を減らして部品をより高い速度で製造できるようになります。

また、レーザー溶接は、初期投資、工具コスト、および溶接継手の取り付け要件が最も高いものの 1 つです。生産プロセスの接合方法としてレーザー溶接を選択する場合は、これらを考慮する必要があります。

深溶け込み溶接により、異なる継手設計の複数の溶接を 1 つの溶接で置き換えることができます。図3に、いくつかの一般的なレーザー溶接ジョイントの構成を示します。 突合せ溶接では厚い部分の面取りが不要で、T ジョイントは片面から最大限の強度で溶接でき、重ね溶接はトップ シートを通してまたは継ぎ目に沿って溶接できます。 これにより、部品や溶接位置を設計する際に柔軟性が得られます。

突合せ溶接では高い位置精度が要求されます。 一般的な溶接スポット サイズは直径 50 ～ 900 µm です。 レーザービームが接合部の両側と確実に相互作用するように、許容される位置公差はビーム直径の半分未満である必要があります。 許容ギャップは通常、最も薄い材料の 10%、または溶接ビーム直径の 50% 未満です。 したがって、これらのジョイント構成では、高い位置再現性と最小限のギャップを確保するために固定が重要です。

これを解決する一般的な方法は、圧入される部品を設計するか、堅牢な固定具を設計することです。 部品の位置決めを確実にするためにビジョン システムを使用する場合もありますが、これにより、生産のためのプログラミングにサイクル タイムと複雑さが追加されます。 パーツで正しいスポット サイズを選択することも重要です。 スポット サイズが大きくなると、より大きなばらつきに対応できますが、同じ溶接溶け込み深さを達成するには、より多くのエネルギー入力が必要になります。

突合せ溶接には多くの利点があります。 溶接強度はシームに沿った溶接量によって決まるため、溶け込み量によって溶接強度が決まります。 狭く深い溶接では入熱が少なくなり、HAZ が小さくなり、歪みが制限されます。 また、オーバーラップする必要がないため、材料の削減も可能になります。

重ね溶接にはさまざまな考慮事項があります。 許容ギャップは通常、上部材料の厚さの 10% です。 溶接の幅と 2 つの材料間の界面の融着によって溶接の強度が決まります。 このようなラップ構成は、突合せジョイントと比較して、より高いエネルギー入力、より大きな HAZ、より多くの歪みをもたらします。

トップ シート (図 2 の 3) を介して溶接する場合、レーザー ビームはトップ シートを貫通してボトム シートに到達する必要があり、トップ シートを貫通するのに費やされるすべてのエネルギーは溶接強度を追加しません。 重ね溶接の強度を高めるには、幅を広くする必要があります。 これには、より大きなスポット サイズを使用するか、より小さなスポット サイズの発振によって達成される、より多くのエネルギー入力が必要です。 歪みを最小限に抑えることが重要な場合、溶接は底部シートに部分的にのみ貫通する必要があります。 アプリケーションで低入熱、低電力または高速処理が必要な場合は、部分貫通ジョイントが理想的です。 溶接の裏側に熱入力の影響を受けない表面、つまりクラス A の表面が作成されます。

部分溶け込み溶接の場合、生産のばらつきを考慮して再現性のある溶着を確保するには、底部シートへの最小溶け込みは、薄い材料の場合は 20% ～ 50%、厚い材料の場合は 0.5 mm にする必要があります。 溶接の最も簡単な設計は、最も薄い材料を上部に、より厚い材料を下部に配置することです。 トップシートが厚くなると、ボトムシートへの部分的な浸透の制御がより難しくなり、溶接部の裏側でクラスAの表面を維持することも難しくなります。

図2レーザー溶接は、優れた品質、高速性、高浸透性を実現します。 フィッティング要件も高いです。

それにもかかわらず、重ね溶接には多くの利点があります。 高い位置精度は必要ないため、厳しい位置決め要件なしで固定できます。 突合せ溶接と比較して、ラップ溶接は溶け込み深さがより柔軟であるため、プロセスウィンドウが大きくなります。

レーザー溶接では、これまで実現できなかった接合部へのアクセスも可能になります。 非接触加工のため、焦点に入るビーム幅を考慮すれば穴や狭い箇所の溶接も可能です。 これにより、接合部の設計が柔軟になり、より少ない材料で部品を設計できるようになります。

レーザー溶接は HAZ が小さく、全体の入熱が低いため、多くの場合、溶接後の熱処理は必要ありません。 また、溶接部の上面または背面には溶接の突起がほとんどなく、溶接後に機械加工が必要です。 このプロセスでは、特にシールドガスを追加すると、スパッタを最小限に抑えて見た目にきれいな溶接を作成できます。 これにより、溶接後の多くの機械加工やクリーンアップを行う必要がなくなります。

図4は、コーナー溶接用の固定治具を示しています。 このスタイルの固定具は、管状または長方形の部品の突合せ溶接およびエッジ溶接に一般的です。 クランプは縫い目に非常に近く、圧力をかけて隙間を最小限に抑えます。 接合部の上には、焦点が合うときに溶接ビームと相互作用する可能性のあるツールはありません。

この構成は、美観上の目的またはチタンなどの特定の金属の冶金学的理由でシールド ガスが必要な場合に、シールド ガス ノズル用のクリアランスも提供します。 固定具は、レーザー ビームが同じ焦点位置にあるように、ビームに対して同じ Z 位置にジョイントを繰り返し保持する必要があります。 これは、同じ電力密度を取得して再現性のある結果を保証するために重要です。

重ね溶接では、それほど堅牢ではない治具が必要です。図4に、典型的な治具の設計を示します。 縫い目全体を所定の位置に保持するための長くて硬いクランプの代わりに、複数のクランプにより、広い領域にわたって 2 枚のシート間の適切な接触が保証されます。 このような固定は、空気圧クランプを使用して自動化できます。 この例では、走査光学機器が必要なすべての接合部を素早く溶接します。 ガルボミラー (溶接光学系内の高速ミラー) は、溶接用のビームの位置を決め、溶接経路のすべての動きを提供します。 これにより、単純なロボットのパスが可能になります。

特に重要な溶接の場合、溶接パスを機械加工して設計された単一の大型治具で、理想的な部品の取り付けを保証できます。 固定方法は工具コストが高くなりますが、非常に堅牢で再現性もあります。 部品表面全体に均一に大きな荷重を加えるこのような固定具は、表面の平坦度のばらつきが大きいプレス部品に最適です。

レーザー溶接では、すべての重要な変数が考慮されている限り、部品設計に創造性とある程度の自由が与えられます。 たとえば、特定のプロセスにはどのくらいのスポット サイズが必要ですか? スポット サイズが大きくなると、溶融面積が広がり、焦点深度も大きくなりますが、同じ溶接深さを達成するにはより多くのエネルギーが必要になります。

同様に、どのようなジョイント構成が最適ですか? 突合せ溶接には精度とプロセスの再現性が必要ですが、最小限の入熱で強力な溶接を実現できます。 逆に、重ね溶接では固定具の精度が低くなり、プロセスウィンドウが大きくなりますが、より強力な溶接を実現するにはより多くの入熱が必要になります。

レーザー溶接のプロセスを考慮すると、無数の機会も生まれます。 これは、品質を向上させるだけでなく、二次加工の削減を含む製造ステップの削減により、コストを大幅に削減できる可能性を秘めた、新しく創造的な部品設計で製造を前進させるための優れたツールです。