導入：
深浸透レーザー溶接について聞いたことがありますか? 深浸透レーザー溶接は高度な溶接技術です。深浸透レーザー溶接 (DPLW) は、高エネルギーのレーザー ビームを使用して、さまざまな材料 (通常は金属) に深く狭い溶接継ぎ目を作成します。この記事では、その仕組みと長所と短所について詳しく説明します。
レーザー溶接の原理
レーザー溶接は連続またはパルスレーザービームで実現できます。レーザー溶接の原理は、熱伝導溶接とレーザー深溶け込み溶接に分けられます。
- 電力密度が104〜105 W / cm2未満の場合は熱伝導溶接であり、このとき溶け込み深さは浅く、溶接速度は遅くなります。
- 電力密度が105～107W/cm2を超えると、加熱により金属表面が「空洞」に陥没し、深溶け込み溶接となり、溶接速度が速く、アスペクト比が大きいという特徴があります。
熱伝導レーザー溶接の原理は、レーザー放射が加工対象の表面を加熱し、表面の熱が熱伝導によって内部に拡散することです。レーザーパルス幅、エネルギー、ピークパワー、繰り返し周波数などのレーザーパラメータを制御することで、ワークピースが溶融し、特定の溶融池が形成されます。ギアや冶金薄板溶接に使用されるレーザー溶接機は、主に深浸透レーザー溶接を採用しています。
以下では、深溶け込みレーザー溶接の原理に焦点を当てます。
深溶込みレーザー溶接の原理
レーザー深溶け込み溶接は、一般的に連続レーザービームを使用して材料の接続を完了します。その冶金物理的プロセスは、電子ビーム溶接と非常に似ています。エネルギー変換メカニズムは、「キーホール」構造によって完了します。十分に高い出力密度のレーザー照射下では、材料が蒸発して小さな気孔を形成します。この蒸気で満たされた小さな穴は黒体のようなもので、入射ビームのエネルギーをほぼすべて吸収します。キャビティ内の平衡温度は約2500℃に達します。熱は高温キャビティの外壁から伝達され、キャビティを取り囲む金属を溶かします。
小穴は、ビームの照射下で壁材が継続的に蒸発することで発生する高温蒸気で満たされます。小穴の壁は溶融金属で囲まれています。液体金属は固体材料で囲まれています（従来の溶接プロセスやレーザー伝導溶接の多くでは、エネルギーはまずワークピースの表面に蓄積され、次に透過によって内部に輸送されます）。
細孔壁の外側の液体の流れと壁層の表面張力は、細孔空洞内で継続的に発生する蒸気圧と動的なバランスを維持します。ビームは連続的に小孔に入り、材料は小孔から流れ出します。ビームが移動すると、小孔は常に安定した流動状態になります。つまり、小孔と穴を取り囲む溶融金属は、先頭のビームの前進速度に合わせて前進し、溶融金属は小孔によって残された隙間を埋めて凝縮し、溶接が形成されます。
深溶込みレーザー溶接の特徴
1) 高アスペクト比
溶融金属が高温蒸気の円筒形の空洞の周囲に形成され、ワークピースに向かって広がるにつれて、溶接は深く狭くなります。
2) 最小の熱入力
小穴内の温度が非常に高いため、溶融プロセスが非常に速く起こり、ワークピースへの入熱が非常に低く、熱変形と熱影響部が小さくなります。
3) 高密度
高温蒸気で満たされた小さな気孔は、溶接プールの攪拌とガスの放出を助長し、気孔のない溶け込み溶接を実現します。溶接後の冷却速度が速いため、溶接構造を簡単に細かくすることができます。
4) 強力な溶接
燃える熱源と非金属成分の十分な吸収により、不純物含有量が減少し、溶融池内の介在物のサイズと分布が変化します。溶接プロセスでは電極やフィラーワイヤが不要で、溶融ゾーンの汚染が少なくなるため、溶接部の強度と靭性は少なくとも母材の強度と靭性と同等かそれ以上になります。
5) 正確な制御
集光スポットが小さいため、溶接シームを高精度に位置決めできます。レーザー出力には「慣性」がないため、高速で停止および再開できます。数値制御ビーム移動技術により、複雑なワークピースを溶接できます。
6) 非接触大気溶接プロセス
エネルギーは光子ビームから発生し、ワークピースとの物理的な接触はありません。そのため、ワークピースに外力は加わりません。また、磁気や空気はレーザー光に影響を与えません。
深溶込みレーザー溶接のメリットとデメリット
利点
1) 集光レーザーは従来の方法に比べて出力密度がはるかに高いため、溶接速度が速く、熱影響部や変形が小さく、チタンなどの難溶接材料も溶接できます。
2) 光線の伝送と制御が容易で、トーチとノズルを頻繁に交換する必要がありません。電子ビーム溶接には真空は必要ありません。これにより、補助的なダウンタイムが大幅に短縮されます。そのため、負荷率と生産効率が高くなります。
3) 浄化効果と高い冷却速度により、溶接強度、靭性、総合性能が高くなります。
4) 平均入熱量が低く、加工精度が高いため、再加工コストを削減できます。また、レーザー溶接の運用コストも低いため、ワークピースの加工コストを削減できます。
5) ビーム強度と微細な位置決めを効果的に制御できるため、自動操作の実現が容易になります。
デメリット
1) 溶接深さが制限されます。
2) ワークピースの組み立て要件が高い。
3) レーザーシステムへの一度の投資は比較的高額です。