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レーザ溶接

レーザ溶接の原理や特徴について

金属同士を接合する「溶接」には、「スタッド溶接」「MIG溶接」「CO2溶接」「TIG溶接」などのアーク溶接、「スポット溶接」「シーム溶接」などの電気抵抗溶接、電子ビーム溶接などがあります。その中でもYAGレーザやCO2レーザ、ファイバレーザを熱源に利用した溶接を「レーザ溶接」と呼んでいます。こちらでは、レーザ溶接の基本的な原理と特徴、レーザ溶接が対応している加工などについてご説明します。

レーザ溶接の原理

レーザ溶接は対象物にレーザ光を照射し、金属を局部的に融解・凝固させて接合する方法です。大きく「熱伝導型」と「深溶込み型」の2種類にわけることができますが、それぞれに特性の違いや得意・不得意がありますので、目的に合わせて選択することが大切です。

熱伝導型

熱伝導型は、レーザ光を材料表面で吸収させて熱に変換し、融解させて冷やし固める溶接方法です。その特徴は熱が広く浅く伝わることです。そのため、幅の広いビードが求められる溶接や薄板のスポット溶接などに適しており、金型の肉盛り(クラッディング)などにも利用されています。ただし、反射損失が大きく、あまり加工効率が高くないので、材料同士の溶着や接合などには適しません。

深溶込み型

レーザ光のエネルギー密度が高い場合は、融解した金属の蒸発がはじまり、対象の金属表面にくぼみが形成されます。このくぼみが深くなってできる空洞を「キーホール」と呼びますが、キーホールができるとレーザ光が内部まで届くため、より溶込みの深い溶接が可能です。ちなみに、キーホールが素材を貫通すれば穴あけ加工になります。

パワー密度とレーザ加工の関係性

パワー密度とレーザ加工の関係性

従来の溶接との違い、レーザ溶接のメリット

ガス溶接やアーク溶接とレーザ溶接に違いについてご説明します。

異種材料の溶接が可能

レーザ光はエネルギー密度やパワー密度が高いので、融点が異なる素材を同時に融解させることができます。その特徴を活かし、通常であれば難しい融点の違う材料同士の溶接も実現できます。

スピーディな溶接加工に対応

レーザ光によって材料を瞬間的に融解させるので、従来の溶接加工に比べて作業を高速化できます。そのため加工時間の短縮が実現します。

材料の変形を最小限に抑える

高密度なエネルギーをピンポイントに照射でき、高速で加工を終えられるので、熱による材料の歪みを最小限に抑えることが可能です。従来であれば変形が発生しやすかった、薄い材料などの溶接加工も容易に行えます。

溶接加工の自由度が高い

レーザ光は焦点や出力などを変えることで、溶込みの深さやビードの幅などを自由に変化させられ、様々な継手加工が行えます。

溶接継手から考えた分類

レーザ溶接の大きなメリットに自由度の高さが挙げられます。一般的な「突合せ継手」のほかにも様々な溶接加工が可能です。また、材料や板厚を問わず金属の接合ができます。

代表的なレーザ加工による継手

突合せ継手 へり継手 T型貫通継手
突合せ継手 へり継手 T型貫通継手
T型すみ肉継手 重ね継手 重ねすみ肉継手
T型すみ肉継手 重ね継手 重ねすみ肉継手
L字継手 L字すみ肉継手
L字継手 L字すみ肉継手
突合せ継手
突合せ継手
へり継手
へり継手
T型貫通継手
T型貫通継手
T型すみ肉継手
T型すみ肉継手
重ね継手
重ね継手
重ねすみ肉継手
重ねすみ肉継手
L字継手
L字継手
L字すみ肉継手
L字すみ肉継手

このほかにもラップ継手、スポット継手、フランジ継手、スパイク溶接(スポット溶接)、コーナー溶接などの溶接加工が可能です。

レーザ溶接のパラメータについて

レーザ溶接では、レーザ出力と発振方式などのパラメータが非常に重要です。そのほか、照射角度や焦点距離、溶接速度、対象物の材質やレーザ吸収率、シールドガスの種類や流量などが溶接品質に影響します。

また、レーザの出力や溶込み深さによって溶接速度も変化します。溶込みが浅くなれば溶接速度も早くなり、逆に深くなれば溶接速度は落ちます。レーザ出力が上がれば、溶込み深さと溶接速度は高くなります。

溶接速度と溶込み深さの関係性

溶接速度と溶込み深さの関係性

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