異種材料を接合するためのレーザーパルス整形

異種材料のレーザー溶接はダイナミックなプロセスであり、その時代が到来しました。

電子機器、医療機器、消費財、自動車、航空宇宙用途など、このような溶接が必要な場合、ファイバーレーザー溶接が優れたプロセスとして際立っています。 製造コストを削減しながら、設計の柔軟性を提供します。

理論的には、レーザーは従来のプロセスで接合できるあらゆる材料を溶接できます。 ただし、融点と沸点、熱伝導率、密度、膨張係数などの物理的および化学的特性が異なるため、異種材料を溶接するときに問題が発生し、結果として得られる接合が許容できないものになる可能性があります。

表 1 に、金属ペアの溶接性を示します。 異種金属を溶接する場合、健全な溶接特性には良好な固溶性が不可欠です。 これは、互換性のある溶融温度範囲を持つ金属でのみ達成されます。 一方の材料の溶融温度が他方の材料の蒸発温度に近い場合、溶接性が低下し、多くの場合、脆い金属間構造が形成されます。

過去には、ほとんどの異種溶接プロジェクトはパルスランプ Nd:YAG レーザーを使用して実行されていました。 ランプ励起レーザーは、デューティ サイクルが十分に低い場合、レーザーの定格平均パワーの何倍も高いピーク パワーを持つ長い数ミリ秒のパルスを生成できます。 高ピーク出力パルス、ランプ励起 Nd:YAG レーザーは、パルス整形機能と組み合わせることで、異種材料の溶接に最適です。 溶接深さが深すぎると、接合部の欠陥が発生したり、溶接深さが不足したりする可能性がありますが、接合部の形状と材料特性に応じて開始電力と適切な終了電力を調整することで回避できます (図 1)。

Prima Power Laserdyne では、溶接の専門家が、溶接の亀裂や気孔率を低減して溶接品質を向上させるために、さまざまなパルス形状を開発しました。 彼らは、亀裂、気孔、またはその両方の組み合わせなどの溶接欠陥が発生しやすい製品用途において、異種材料の溶接ソリューションを提供することに重点を置いています。 最も一般的に影響を受ける業界には、自動車、医療、エレクトロニクス、航空宇宙などがあります。 さまざまなパルス形状は、パルス整形用に設計されたハードウェア機能とソフトウェア機能を補完する S94P コントローラーを備えた新しい LASERDYNE 811 システムを使用して生成されました。 これらのプロジェクトは、連続波 (CW) ファイバー レーザーと準連続波 (QCW) ファイバー レーザーの両方を使用して達成されました。

以下に、異種材料のレーザー溶接中に溶接品質を向上させるためにパルス整形を使用した 2 つの例を示します。

ねずみ鋳鉄は自動車産業で広く使用されています。 主な制限は、黒鉛および鋳造プロセスによる延性の欠如による熱割れや気孔の形成による、異種材料の鋳鉄への溶接性です。 最初の例では、自動車部品の一部で、部分重ね溶接構成で 304 ステンレス鋼をねずみ鋳鉄に接合する必要がありました。 前のプロセスでは、部品は電子ビーム溶接 (EBW) で溶接され、過剰な気孔の形成を減らし、界面の亀裂を排除しました。 エンド ユーザーは、溶接あたりのコストと溶接準備のコストを削減するために、EBW をレーザー ビーム溶接 (LBW) に置き換えることに熱心でした。 最大の違いは、EBW が真空中で実行されるのに対し、レーザー溶接は大気圧環境で実行され、プロセスから X 線の危険が排除されることです。 開発作業は、EBW と比較して同等以上の品質の溶接、つまり気孔や界面亀裂のない溶接を生成できるレーザー パラメーターを設計するために実行されました。 パルス形状を含むレーザーパラメータの開発作業は、CWファイバーレーザーを使用して実行されました。

標準的なCWレーザー出力で作成した溶接金属の顕微鏡検査では、溶接部の鋳鉄部分にひどい気孔が見られました(図2)。 接合界面には微小亀裂の兆候はありませんでした。 LASERDYNE S94P コントローラーとパルス整形を使用して行われた溶接では、気孔のない溶接が生成されました (図 3)。

2 番目の例は、航空宇宙産業に焦点を当てています。 溶接および接合技術は、新しい部品の製造と航空宇宙構造およびコンポーネントの修理の両方において、航空宇宙において重要な役割を果たしています。 航空エンジン部品の大部分はニッケルベースの超合金で作られています。 これらの航空エンジン材料の大部分は、レーザー溶接中に気孔、亀裂、またはその両方が発生しやすいです。 溶接割れや気孔の形成のリスクは溶接条件によって異なります。 これらの溶接欠陥は、溶接プロセスを変更すること、つまりレーザーと加工パラメータを最適化することによって、かなりの程度まで回避できます。

ある航空宇宙部品では、ヘインズ 230 (溶体化処理されたニッケル - クロム - タングステン - モリブデン合金) とワスパロイ (時効硬化可能なニッケル - クロム - コバルト超合金) を重ね溶接構成でレーザー溶接する必要がありました。 これらの合金は両方とも個別に溶接すると亀裂が発生しやすいことを考慮して、溶接品質の要件は、溶融部に亀裂や気孔がないことです。

図 4 は、CW 出力で溶接された 2 つのニッケル基合金間の異種溶接継手を示しています。 溶接は 2 つの異なるシールド ガス、つまりそれぞれ窒素とアルゴンを使用して行われました。 窒素シールドガスを使用したレーザー溶接では、界面に微小亀裂が発生しましたが、気孔は発生しませんでしたが、アルゴンシールドガスを使用して行われた溶接では、亀裂は発生しませんでしたが、過剰な気孔が発生しました。 窒素シールドガスによる気孔率の減少は、溶融池の表面張力の低下によるもので、気泡が溶融池からより容易に逃げられるようになりました。

溶接品質を向上させるために、パルス整形を使用してさらなるテストが実行されました。 これらの操作は窒素シールドガスのみを使用して実行されました。 図 5a と図 5b に示す結果は、接合界面に微小亀裂の兆候がないことを示しています。 溶接の溶け込みと界面の幅は、CW 出力で行われた溶接と比較してわずかに異なります。 ただし、パルス形状の構成を変更せずに、平均電力と溶接速度を調整することで溶接形状を制御できます。

Prima Power Laserdyne のレーザーパルス整形の開発作業により、異種材料の高品質溶接が実現されました。 これらの新しいプロセスと LASERDYNE SP94 コントローラーの機能は、微小亀裂やミクロおよびマクロ気孔の形成を解決することで溶接品質を向上させます。 同社は、ファイバーレーザー溶接の他の多くのアプリケーションを評価および改善するために、追加のパルス整形プロセスを開発しました。

詳細については、763-433-3700 までお電話いただくか、www.primapowerlaserdyne.com をご覧ください。

私達と接続