レーザー溶接はどのように行われるのですか? 費用、メリット、デメリット

レーザー溶接は金属の接合プロセスです。すべての溶接および接合プロセスと同様、レーザー溶接でも特定の点に熱が発生します。

レーザー溶接では、2 つのコンポーネントが結合されます。この目的のために、隣接する材料の両面が溶解されます。溶融物が合体して接合部を形成します。レーザービーム溶接は約 30 年前から使用されています。これまで、この溶接は選択的に使用されており、常に伝統的な溶接方法と熾烈な競争を繰り広げてきました。金属物体の 3D プリンティングなどの最新の積層造形手法により、レーザー溶接の重要性が現在急速に高まっています。

レーザーの精神的な父は、ほかならぬアルバート・アインシュタインです。約 100 年前、彼は光のバンドルというテーマに関する最初の考えを発表しました。アインシュタインの理論が最初の実験で証明されるまでには 1928 年かかりました。しかし、そこから 1960 年にルビーで最初のレーザービームが実際に生成されるまでさらに 32 年かかりました。高価なルビーはすぐ後にガスに置き換えられ、レーザーデバイスの製造がはるかに安くなりました。

この新しく魅力的な光の形が利用されるようになるまで、時間はかかりませんでした。当初、レーザーは測定技術に大きな進歩をもたらしました。初めて、長距離にわたって正確な測定を実行することが可能になりました。たとえば、NASA の宇宙飛行士は月に鏡を設置しました。この鏡と地球上に設置されたレーザーを使えば、2 つの天体間の距離をセンチメートル単位で測定できます。レーザービーム溶接の最初の試みも 1960 年代に行われました。しかし当初、最も高く評価されたのはレーザー切断プロセスでした。

DVS - ドイツ溶接および関連プロセス協会は、接合技術のあらゆる分野で活動する技術科学の専門家団体です。

レーザーカットは、材料を切断する最も正確な方法です。エネルギー密度が非常に高いため、レーザーカットプロセスは非常に高速です。切断ギャップ自体が非常に狭いだけではありません。この分離プロセスにおける横方向の熱影響ゾーンも非常に小さいため、通常は無視できます。これにより、たとえばレーザー切断と火炎切断が区別されます。切断トーチによって分離されたプレートは通常、バリを取り除いてから使用可能にするためにフライス加工する必要があります。レーザー切断とレーザー溶接は、精度、速度、材料保護の面で非常に優れているにもかかわらず、長い間ニッチな分野でしかありませんでした。レーザー切断およびレーザービーム溶接のためのシステムが顕著に普及したのは、1980 年代半ばまででした。それまで、これらのシステムは研究機関や専門企業でのみ使用されていました。

何よりも、この革新的な分離と接合のプロセスで大きな進歩を遂げることができたのは航空機メーカーでした。ただし、航空電子工学で標準として使用される材料も、この点で決定的な役割を果たします。アルミニウムベースの Dural は、溶解温度がわずか 600 °C で、従来の機械工学で使用される鋼よりも加工がはるかに簡単です。融解温度が 1400 °C であるため、融解には 2 倍以上のエネルギーが必要になります。しかし、鉄骨構造でもレーザー溶接システムを効率的に使用できるようにするには、アルミニウム溶接による迂回が理想的であることが判明しました。

基本知識

正しいはんだ付け - はんだ付け方法と溶接との違い

現在、レーザー溶接はまだ標準的な溶接プロセスではありません。しかし、それは実験的な地位を離れて久しい。契約サービスプロバイダーや板金加工業者は、このハイテクプロセスへの依存度を高めており、その効率性、品質、精度は引き続き優れています。

約 10 年前に普及し始めた積層造形プロセスは、現在レーザー溶接によってその頂点に達しています。長い間、3D プリントはセラミックとプラスチックでのみ利用可能でした。 3D プリンティング技術で金属物体を製造するには、数年前まではこれらの材料を鋳造コアの製造に使用するしか選択肢がありませんでした。しかし、金属粉末レーザー溶接により、3D プリンティングによってあらゆる形状の製品を製造できるようになりました。この発見により、現在、レーザー溶接がさらに強化されています。

シュトゥットガルトで開催されるシュヴァイステック見本市とエッセンで開催される溶接および切断見本市では、溶接が焦点となります。

レーザービーム溶接は、大部分が自動化されたプロセスです。従来の手動ガイド溶接方法と比較することはできません。したがって、この接合プロセスは非常に安全な製造ステップです。レーザービーム溶接中、ワークピースは治具にしっかりとクランプされます。オペレーターは通常距離を保ちます。この手順中に存在する人にとって唯一の危険は、誤ってレーザー光線を覗き込むことです。この目的のために、入ってくるレーザー光を吸収、減衰、分散する特別な保護ゴーグルが開発されました。出席者全員が個人用保護具に注意を払っていれば、レーザービーム溶接は特に安全なプロセスです。

レーザービーム溶接は非接触接合プロセスです。それは常に自動的に実行されます。最新のレーザービーム溶接システムには、製造されたコンポーネントの寸法を個別にチェックする統合測定システムが装備されています。これにより、これらのシステムは特に正確になり、これが一定の品質を保証する基礎となります。

これらの革新的なプロセスの最大の欠点は依然としてコストです。それは、レーザー溶接システムでどのような材料を加工するかによって大きく異なります。たとえば、結婚指輪の彫刻に使用される単純なマイクロシステムでも、数千ユーロの費用がかかる場合があります。新品の高性能プラントの価格が 100,000 ユーロを下回ることはほとんどなく、むしろそれ以上です。これらの費用は、優れた製造品質と高い生産性によって相殺されます。実際、レーザー溶接は通常、従来の電気または不活性ガス溶接プロセスよりもはるかに高速で実行されます。

レーザービームによる溶接は基本的に非常に簡単です。正確にカットされた 2 枚のシートを貼り合わせます。レーザーは板金の端を溶かします。溶融物は互いに流れ込み、接合が完了します。

VdLB Verband deutscher Laseranwender – Blechbearbeitung eV (ドイツレーザーユーザー協会 - 板金加工) は、広範な材料加工市場、この場合は板金市場におけるオーナー、マネージングディレクター、および会社幹部の利益を代表しています。彼らの目的は、関係者全員の利益のために協力を促進することです。協力、集中的な対話による経験の交換、技術情報、さらなるトレーニングに重点が置かれています。

アルミ板を連続溶接していきます。鋼板、特に断面が厚い場合は、シーム溶接の前に仮付け溶接を行います。ステープルは板金部品を安定させ、接合時の一定の精度を保証します。

レーザー溶接システムは、レーザー光学系、電動ガイド、および必要に応じて作業台で構成されます。いずれの場合も、正確な接合を可能にするためには、溶接される半製品をしっかりとクランプする必要があります。したがって、移動式レーザー溶接システムと固定式レーザー溶接システムは区別されます。移動式レーザー溶接システムの場合、装置を製品に近づけます。固定式レーザー溶接機には、クランプ装置を備えた作業台が付いています。固定レーザー溶接システムの挿入とクランプは、電動または自動で行われます。ただし、作業台の大きさにより、加工する製品の寸法が制限されます。溶接光学系とロボットアームの正確に動作するサーボに加えて、制御システムはレーザービーム溶接システムの最も重要なコンポーネントです。アームを目的のポイントに誘導し、レーザー光線の持続時間と強度を調整します。

レーザー溶接システムを補完する理想的な製品は、レーザー切断システムです。正確なレーザーカット形状は、レーザービーム溶接機が可能な限り最高の結果を生み出すために使用できる正確な形状を提供します。

シュトゥットガルトの Lasys 見本市とミュンヘンの Laser World of Photonics 見本市は、ツールとしてのレーザーに特化しています。

精度と低入熱に加えて、作業速度もレーザー溶接の優れた特性の 1 つです。理想的な条件下では、長く真っ直ぐなエンドレスシームを最大 60 m/分の速度で溶接できます。レーザービームの強度は変更できるため、使用される材料の影響がレーザー溶接システムの作業速度に与える影響はそれほど大きくありません。厚いシートでも数秒で正確に接合できます。

材料を溶接できるようにするには、その融点のすぐ上の温度に達する必要があります。したがって、従来の溶接プロセスでは、材料の溶融温度が制限要因となります。すべての材料をすべての溶接プロセスで処理できるわけではありません。電気溶接のみが、電極で放出できるスポット熱の強度に関して一定の範囲を持っています。レーザービーム溶接は異なります。すべての溶接プロセスの中で、溶接温度の点で最も柔軟性が高くなります。この一般的に使用される材料とその融点の概要は、レーザービーム溶接で加工できる材料の範囲を示しています。

実際には、レーザービーム溶接中にはさらに高い温度が達成されます。それにもかかわらず、このスペクトルは、この結合プロセスがいかに変化しやすいかを明確に示しています。

レーザー溶接のメリット

レーザー溶接の安定した高精度が特長です。特に細かい縫い目に加えて、低温入力が最も重要な利点です。作業に時間がかかり、大量の熱がかかるガスシールド溶接とは対照的に、レーザー溶接は非常に速く、侵襲性が最小限に抑えられます。これにより、基材の完全な加熱が回避されます。したがって、選択的な熱膨張は起こらず、冷却後のワークピースの歪みも回避されます。したがって、レーザービーム溶接後に矯正ベンチで溶接構造を仕上げる必要はありません。

レーザー溶接の均一なパルスビームにより、特にきれいな継ぎ目が保証されます。この接合プロセスでは、ガスシールド溶接や電気溶接では避けられない溶接ビードやバリが発生しません。最後に、溶接可能な材料であればレーザー溶接機で加工できます。すべての接合プロセスの中で、レーザー溶接は加工可能な材料の範囲が最も広いです。たとえば、ガラスやプラスチックは他のプロセスではまったく接合できません。

基本知識

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レーザー溶接のデメリット

レーザービーム溶接の主な欠点は、装置のコストが高いことです。この投資は十分に検討する必要があります。 ROI は購入前にすでに合理的に確保されている必要があります。そうでないと、レーザー溶接システムはすぐに赤字のビジネスになる可能性があります。したがって、契約サービスプロバイダーが自社のマシンパークにレーザー溶接システムを組み込むことを検討する場合は、適切なマーケティングキャンペーンに相応の多額の投資を行うことをお勧めします。レーザー溶接は、生産における公差に対する顧客の要求が絶えず増加しているという事実によって支えられています。従来の溶接プロセスは、多くの用途にはもはや適さないことが予想されます。したがって、レーザー溶接への投資は、管理可能になってきているとはいえ、依然としてリスクを伴います。

レーザー溶接の制限要因は用途の種類です。レーザー溶接システムの動作は CNC フライス盤の動作と同等です。確かに、誤った操作が、誤ってプログラムされた切断機のような甚大な損害を引き起こす可能性はありません。それにもかかわらず、レーザー溶接機を効率的に操作できるようにするには、十分に根拠のある教育、数学的技術的な基礎知識、および完全な習熟が必要です。

一方で、レーザービーム溶接に伴う健康リスクは軽微です。言うまでもなく、アルミニウムのレーザー溶接には強力な抽出システムが必要です。モーター駆動の運動学から距離を置くことにも注意する必要があります。オペレーターは、稼働中のロボットアームの作業領域に近づかないようにしてください。これは、現代の自動化された製造プロセスを扱う際の基本的な事実です。結局のところ、レーザー溶接では基本的にレーザー保護メガネの着用が必要です。レーザー光の覗き込みによる事故を防ぎます。これらの安全規則が守られていれば、レーザー溶接に特に危険はありません。

金属板のレーザー溶接

溶接とは、熱による材料の接合を指します。一般に、薄いシートは厚いシートよりも全面シーム溶接に適しています。今日、レーザー溶接は驚くべき厚さの材料を加工できるようになりました。溶接温度が可変であるため、個々の金属の種類の影響を比較的受けません。ステンレス鋼、構造用鋼、銅、またはその他の種類の板金を溶接するかどうかに関係なく、レーザービーム溶接はこの作業を一貫した精度で実現します。唯一の前提条件は、十分に狭い溶接ギャップと正確に設定された溶接温度と周波数です。接合ギャップが大きすぎる場合は、レーザー溶接プロセスを使用した場合でも、蒸着または充填溶接によって満足のいく結果を達成できます。

アルミニウムのレーザー溶接

アルミニウムをレーザー溶接する場合、溶加材を使用せずに溶接できるのはアルミニウム - マンガン合金のみです。他のすべての合金は、添加剤の助けを借りてのみレーザー溶接できます。これは特にアルミニウムとシリコンの化合物に当てはまります。マンガンを含むアルミニウム合金は、レーザー溶接では限られた範囲でしか加工できません。

レーザー溶接はますます広く使用されるようになってきています。典型的な領域は次のとおりです。

レーザー溶接は、その精度の高さから工具製造において人気があります。したがって、侵食プロセスと直接競合します。アディティブまたはサブトラクティブレーザー溶接による精密なパンチング、プレス、および鋳造ツールの製造は、インダストリー 4.0 の課題に対する答えです。

自動車産業では、工具不要の操作モードであるレーザー溶接が使用されています。電気溶接とは異なり、レーザー溶接ではヘッドを定期的に清掃したり交換したりする必要がありません。鉄骨構造は、レーザー溶接によって精度と生産性の点でまったく新しい次元を経験しています。レーザービーム溶接により、高い公差内での厚板の高速加工はもはやフィクションではありません。これは造船にも当てはまります。そこでは、特に舵、制御ねじ、駆動ねじなどの精密製造部品がレーザー溶接によって望ましい公差を達成します。その結果、船舶の速度が向上し、燃料消費量が削減されます。

基本

板金の成形はどのように行われるのでしょうか?

工具不要のレーザー溶接プロセスのおかげで、システムの摩耗は比較的低くなります。レーザー溶接では、ツールヘッドは実質的に非接触で目的の経路に沿って移動します。ワークへの転写は空気を介して行われます。したがって、ロボットアームのガイドとベアリングは、重大な磨耗にほとんどさらされません。ただし、レーザー光学系は多大なストレスにさらされます。ここで適用される高温は、光を束ねることによって生成されます。特に安価なレーザー溶接システムが提供されている場合、これは通常、光学部品の欠落または欠陥が原因です。その後、計算の問題が残ります。外観が新しくなり、レーザー発生器がオーバーホールされているため、中古のレーザー溶接システムは新品とほぼ同じになります。

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この記事は最初に belcnet によって公開されました。

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