レーザー溶接技術の進化

レーザー溶接技術は、驚くほど多様な用途があるため、金属加工業者や製造業者にとって最適なプロセスにまで進歩しました。

編集者注: 以下は、2021 年 9 月 13 ～ 16 日にシカゴの FABTECH で Laser Mechanisms Inc. のファイバーシステムマネージャーである Tom Kugler が発表した「産業用レーザー溶接入門」に基づいています。

レーザー溶接は、ハイエンドの精密金属製造に浸透しています。この技術は、自動車、医療機器の製造、航空宇宙部品や精密電子機器の部品において重要な役割を果たしています。現在では、最大手の OEM から精密板金加工工場まで、これまで以上に多くの場所で使用されるようになりました。

レーザー溶接は進化するにつれて、非常に柔軟になりました。レーザーで実行できる溶接の種類の多さは、本当に驚くべきものです。レーザーがこれらすべてをどのように達成するかを理解するには、基本を知ることから始まります。つまり、光のビームがどのようにして 2 つの金属を融合させるのかということです。

一般に、金属は光を非常に反射します。レーザーはその光を集中させて焦点を合わせ、反射率を克服します。ビームからの十分なエネルギーが吸収されると、金属は液化し始めます。

これらすべては、光学系 (曲面ミラーまたは曲面レンズ) が直径数十から数百ミクロンの範囲のスポットサイズに光を集束させるときに始まります。このような集束により、極度の電力密度が生成されます。

どの透明光学系を使用するかは、レーザーとその波長によって異なります。 CO2 レーザーは 10.6 ミクロンの波長を放射します。標準的なガラスはこれに対して透明ではないため、このようなレーザーではセレン化亜鉛 (ZnSe) などの代替レンズ材料が使用されます。 1 ミクロンのレーザー (ファイバー、ディスク、YAG など) では、石英ガラスまたはガラスが使用されます。

CO2 レーザーの 10.6 ミクロンのビームを集束する ZnSe レンズは優れた熱伝導率を備えているため、光学系が破片に対して多少耐性があります。残念ながら、1 ミクロンのレーザーと同様の熱伝導率を示すコスト効率の高い材料は存在しません。つまり、集束環境をクリーンな状態に保ち、高品質のガラスまたは溶融シリカ光学系を使用する必要があります。

高いレーザー出力を必要とする溶接用途では、避けられない破片が発生する可能性があります。このような場合、透明な光学部品の代わりにミラーがビームの焦点を合わせるために使用されます。集光ミラーは、5 kW 以上のレーザー出力を使用する CO2 レーザー溶接用途で一般的です。ファイバーやディスクを含む 1 ミクロンのレーザーでも、より高いレーザー出力を得るためにミラーが使用されます。一般的なセットアップでは、ビーム (作業面に対して水平) が放物面鏡に当たり、ビームが下方に反射されます。

レーザー光学系は、生のビーム径を集束させて焦点深度を作成します。この焦点深度では、ビームが材料を処理するのに十分な強度を持っています。ビームウエスト上の最も狭い点がスポットサイズです。焦点距離はレンズと焦点の間の距離です (図 1 を参照)。

これらすべての変数は相互に関連しています。焦点距離が短いほどスポットサイズは小さくなり、焦点深度は浅くなります。これらの各パラメータは、溶接プロセスを最適化するために調整できます。たとえば、焦点距離を延長すると焦点位置が変化し、焦点深度が増加するため、溶接の溶け込みが増加する可能性があります。

図 1. ビーム直径、焦点深度、スポットサイズ、焦点距離などの変数はすべて相互に関連しています。

もう 1 つの要因は、ビームの品質、つまりレーザービームの固有の集束性です。これは調整できません。レーザーの種類や設計によって異なりますが、パラメーターはプロセス全体の調整方法に影響します。最高のビーム品質を備えたレーザーはシングルモードレーザーと呼ばれ、純粋なガウスビームまたは TEM00 ビームを持ち、その出力密度プロファイルは中心部の強度が高く、端付近の強度が低くなります。高いビーム品質により、より深い焦点深度の実現が可能となり、多くの処理の可能性が広がります。

すべての一般的なレーザータイプには、高いビーム品質を備えたシングルモードバージョンがありますが、その高いビーム品質の影響はレーザーの波長によって異なります。 10.6 ミクロンの CO2 シングルモードレーザーのスポットサイズは、波長 1 ミクロンのファイバーレーザーの 10 倍です。一般に、波長が短いほど、焦点スポットサイズも小さくなります。

繰り返しますが、焦点を合わせる最大のポイントは、金属の自然な反射率を克服することです。液体金属は固体金属よりも多くの光エネルギーを吸収するため、金属が液相に入るとエネルギー吸収が大幅に増加し、液体の溶融池が凹型になり始めます。この凹面の形状は、エネルギーを溶融池の中心に向ける傾向があります。溶接池が深く凹面になると、レーザーエネルギーの大部分が吸収され始め、反射するのはわずか約 5% になります。金属の初期反射率が 5% 以下に低下する時点は、プロセスが材料に結合しているときです。

ある意味、レーザー溶接は悪いレーザー切断のようなものです。金属を除去するのではなく、制御された方法で液体化します。切断と同様に、レーザーはより多くの電力を使用して、より速く、より厚く溶接できます。しかし、このプロセスは溶融金属を排出するアシストガス流の空気力学的利点に依存しておらず、鉄と酸素の燃焼反応を利用することもできません。代わりに、優れたレーザー溶接では、制御された溶融を実現する必要があり、多くの場合、広範囲の酸化を防ぐためにガスが使用されます。

素材の硬さは関係ありません。チタンや超合金はアルミニウムよりもレーザー溶接が簡単です。逆に、反射率と熱伝導率は、特定の金属がビームからエネルギーを吸収する方法にすべて影響するため、非常に重要です。金や銀などの熱伝導率が非常に高い材料は、レーザー溶接において課題が生じる可能性があります。熱拡散率（材料が熱をどれだけうまく分散させるか）が高い銅などのヒートシンク材料も課題となる可能性があります。とはいえ、最新のファイバーレーザーやディスクレーザーは、これらの問題を克服するのに十分なビームの出力密度を持っています。

レーザー切断とは異なり、レーザー溶接ではさらに冶金学的考慮事項も必要になります。レーザー切断により、1 つのピースが 2 つに変わります。レーザー溶接には、強度、気孔率、脆性、微小亀裂などの冶金学的要素が関係します。

レーザー溶接では、一般的に 3 種類の溶融池が生成されます。1 つは伝導モード溶接によって生成される浅い溶融池です。キーホールモード溶接によって作られた深くて狭い窪み。もう 1 つは、通常はパルスレーザーを使用する浸透モード溶接によって作成される一時的な窪み (通常はキーホールモードと伝導モードの間のどこか) です (図 2 を参照)。

伝導モードと鍵穴モード。ガスメタルアーク溶接 (GMAW、または MIG) を知っている人は、伝導モードの溶融プールとその半円断面についてよく知っています。レーザースポットサイズが小さいと、部品が溶融するのに十分なだけ加熱されます。熱はプールの中心から外側に伝導するため、プールの中心はより熱く、端はより冷たくなります。

キーホールモード溶接はその逆です。ここでのレーザーは、液体金属を沸点まで引き上げ、蒸発した金属を表面から高速で放出するのに十分な強度を備えています。蒸発する金属は液体金属を下に押し込み、狭い鍵穴を作成します (図 3 を参照)。

この鍵穴は、レーザー光線の一種のチャネルを効果的に作成し、レーザー光線が周囲の金属を加熱して溶かす方法を変化させます。溶接のキーホールの深さは 10 mm ですが、幅はわずか 1.5 mm であるため、溶接を行うには、その 1.5 mm のキーホールの周囲の金属を溶かして再凝固させるだけで済みます。

図 2. 伝導モード溶接 (左) では、熱がプールの中心から外側に伝導されるため、広く浅い溶融が生成されます。溶け込みモード溶接では、伝導モード溶接よりも深い溶接池が作成されますが、キーホールモード溶接ほど狭くて深いわけではありません。

これを伝導モード溶接と比較してください。レーザーは深さ 10 mm の溶融池を生成しますが、ビームからの熱は外側に伝導して幅 20 mm の溶融池を作成し、そこですべての金属を液化して再凝固する必要があります。もちろん、これは伝導モード溶接が本質的に悪いというわけではありません。見た目に完璧なコーナー接合や薄い材料の溶接など、さまざまな目的を達成するために使用されます。溶接以外にも、伝導モードはレーザーのクラッディングにも使用され、クラッドと母材の間の非常に低い希釈を効果的に実現し、また添加剤の用途にも使用されます。

浸透モード。浸透モード溶接では、ピーク出力は高いものの平均出力が低いパルスレーザーが使用されます。たとえば、平均出力が 150 W のパルスレーザーのピーク出力は 1,500 W になる可能性があります。ハンマーで釘を打つことを考えてください。ハンマーを釘の頭に置くだけでは何も起こりません。それは、わずか 150 W の電力で溶接しようとするようなものです。ハンマーを振って正しい方法で釘を打てば、たった一撃で釘が奥まで入ります。それは高ピーク電力のパルス溶接です。

溶け込みモード溶接では、キーホールモード溶接のような狭い窪みは作成されませんが、幅よりも深い溶融池が作成される可能性があります。また、鍵穴よりもはるかに広い溶接池を作成しながら、入熱を制御するのにも役立ちます。

パルスは用途に合わせて調整および形成できます。たとえば、整形パルスは、レーザーのピークパワーが時間の経過とともに調整される時間的な形状です。これは、冷却速度を遅くし、炭素含有量の高い材料の亀裂を最小限に抑えるためによく使用されます。他の形状のパルスは初期スパイクを強化し、アルミニウムやその他の高反射材料での吸収を増加させます。場合によっては、後続のパルスが溶融プールを作成して溶接を開始する前に、最初のパルスを使用して材料表面の破片、酸化物、または油を除去します。

キーホールの安定性は、特に部分溶け込み溶接の場合に重要です。実際、多くのアプリケーションでは、キーホールの安定性の問題を軽減するために完全な侵入を指定しています。

場合によっては、ジョイントの設計や他の部品の特性により、完全貫通キーホールが選択できない場合があります。ただし、部分溶け込みのキーホールでは、溶接が進むにつれて上下に移動する可能性が高くなります。この動きにより空隙ができ、その空隙が液体で密閉され、細孔が形成されます。

1ミクロンレーザーで最も懸念されるのは、溶接中に舞い上がるすすによるビーム散乱です。これにより焦点スポットが変化し、レーザー出力が低下します。すすが集中している場所に応じて、鍵穴自体が左または右に移動する可能性があります。このような動きは金属の一貫した蒸発を妨げ、最終的には鍵穴の崩壊を引き起こす可能性があります。

ここでは適切なガス流が役立ち、溶接部から不純物やその他の不要な要素を排出します。ファイバーレーザーまたはディスクレーザーを使用する場合、アシストガスのジェットによりすすが溶接ゾーンから遠ざけられ、多くの場合ヒューム収集エリアに移動します。

CO2 レーザービームはすすとは相互作用しませんが、溶接部の上部のプルームとは相互作用します。問題は、10 ミクロンのビームがプルームの自由電子と相互作用する方法から始まります。プルームが十分な光子を吸収すると、プラズマの白い球となり、レーザー溶接を効果的に停止します。これを回避するために、レーザー溶接システムには、溶接ゾーンの後にある凝固した金属に向かってプルームを押すガスジェットが組み込まれています。

液相の寿命は非常に短いため、レーザー溶接では酸化がほとんど起こらず、多くの場合シールドガスが必要ありません。それでも、一部の用途、特に医療業界では、酸化をほぼゼロにする必要があるため、これらのレーザー溶接セットアップでは、ある種のシールドガスが使用されることがよくあります。

図 3. キーホールモード溶接では、ビームが金属を蒸発させて、接合部に部分的または完全に狭い窪みを作成します。乱気流を最小限に抑えることが重要です。鍵穴内の乱流は不安定性を引き起こし、液体金属が空隙を密閉して細孔を形成します。

多くの場合、レーザー溶接アプリケーションにはシールドガスは必要ありませんが、ファイバーレーザー溶接からのすすや CO2 レーザー溶接からのプラズマプルームなどの不純物や不要な要素を排出するのに役立つ溶接補助ガスが必要です。一部のアプリケーションでは、プラズマプルームの形成を抑制する一種のシールドとしてガスを使用します。他の人は、敏感な溶接光学系から火花やその他の破片を吹き飛ばすエアナイフを使用します。

レーザー溶接の多くは溶加材なしで行われますが、一部の用途では溶加材が必要です。溶加材は通常、特定のギャップを克服するため、または亀裂の問題を回避するなどの冶金学的理由から追加されます。

ニッケルフィラーは、特定の鉄ベースの合金やステンレス鋼の亀裂の問題を解決できます。アルミニウムの場合、4047 などの高シリコン 4000 シリーズフィラーを使用して、2 つの 6000 シリーズアルミニウムを溶接することがあります。

母材間の許容可能な隙間については、従来の経験則では、最も薄い母材の厚さの 10% を超える隙間はあってはならないとされています。これはあくまで一般的なルールであり、材料の厚さや用途によって異なります。しかし、新しいレーザー技術ではより大きなギャップが可能になり、そこでビーム操作が重要になります。

テーラー溶接ブランクを製造している企業は、突合せ溶接を行うたびに課題に直面しています。厚さの異なる 2 つの母材を溶接しているのです。プロセスを最適化するために、プリズムがレーザービームを 2 つの焦点スポットに分割する二重光学系を備えたレーザー溶接を採用する人もいます。最適な結果を得るために、あるスポットから別のスポットへのパワーを調整することができ、過剰なギャップや、2 つの異なる厚さの材料の溶接に伴う課題を克服します。

同様のセットアップでは、連続溶接またはパルスレーザーを使用したスポット溶接セットアップでプリズムまたはファセットミラーを使用して、複数の焦点スポットを生成できます。一部の溶接ヘッドには、3 つまたは 4 つのスポットを同時に生成できるプリズムが付いています。

回折光学系または彫刻光学系を備えた特別なヘッドがレーザー出力を受け取り、均一なパワー密度で長方形の焦点を作成します。これは一部の溶接用途ではうまく機能しますが、熱処理やクラッディング、特にクラッドと母材間の正確なレベルの希釈と高速の堆積が必要なワイヤ給電レーザーのクラッディング用途ではより一般的です。 1 時間あたり最大 20 kg の速度で材料を堆積できるものもあります。

他のアプリケーションでは、検流計駆動のミラーを使用して焦点スポットをより速く移動します。これは、ガルバノがビームスポットをある領域から次の領域にほぼ瞬時に移動させるリモートレーザー溶接セットアップ (焦点距離が 1 メートル以上になる場合がある) では一般的です。回転ウェッジプリズムが高速で移動する円形経路を作成するセットアップなど、光機械装置を使用してスポットを移動するものもあります (図 4 を参照)。

特定の高度なアプリケーションでは、スポットを小さく正確な円形のパスで移動してより大きなスポットを作成したり、ビームをスキャンして溶接と母材の間により大きな界面を作成したりするアプリケーションもあります。この動作は、多くの場合、銅をアルミニウムに溶接する場合など、反射率を下げるのに役立つ高いピーク出力のパルスレーザーと組み合わせて機能します。

さらにもう 1 つの最近の進歩は、レーザー撹拌溶接 (LSW) またはウォブル溶接です。これは、連続した円形またはその他の経路でビームを操作するプロセスで、溶接表面を滑らかにし、幅を広げ、気孔を除去するように設計されています。高いレーザー出力と遅い回転速度で、LSW は大きな溶融ゾーンを持つ連続溶融池を作成し、ガスを排出し、液体で空隙を「修復」します (図 5 を参照)。

図 4. 2 つのウェッジプリズムが回転して、レーザービームを円形の経路に送ります。

一部の LSW アプリケーションでは、ビームが非常に速く回転するため、溶接金属が文字通りビームのすぐ後ろで凝固します。このような場合、目的は溶接強度を高めたり、大きな溶融池を作成して気孔を除去したりすることではなく、母材間の抵抗特性を調整することです。この方法で溶接すると、入熱が最小限に抑えられ、同時に溶接断面積が増加するため、抵抗が低くなります。

今日、レーザー溶接は品質の代名詞です。ほんの一例として、最も先進的なシングルモードシステムの一部では、微細構造を検査すると溶接のようには見えない正確なキーホール溶接が作成されています。母材と溶融プールの間には、最もかすかな線のみが存在します。このような品質は、非常に小さなスポットサイズと非常に高い焦点深度を組み合わせたシングルモードファイバーレーザーによって実現されました。このような溶接は最近まで不可能でした。

長年にわたり、レーザーは以前は溶接できなかったものを溶接可能にし、以前は時間と困難を要したプロセスをよりシンプルかつ迅速に行えるようにしました。伝導モード溶接コーナー接合部が思い浮かびます。レーザーはワンパスで溶接し、ワークピースは研削や研磨を行わずに最終アセンブリに直接流れます。そのままでも完璧に見えます。溶接自体は少し速いかもしれませんが、レーザーを本当に輝かせるのは品質です。

図 5. レーザー撹拌溶接では、ビームを円形の経路で移動させて、より広い溶接部を作成します。

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