レーザー溶接の厚さに影響を与える要因は何ですか

レーザー溶接の厚みに影響を与える要因は何ですか?

レーザー溶接は、製造業や建設業で広く使用されている一般的な金属接合技術です。その中でも、溶接厚さは重要なパラメータであり、溶接厚さとは溶接継手の厚さを指し、溶接継手の強度と安定性に直接影響します。溶接厚さに影響を与える要因を理解することは、溶接形状と品質を確保するために重要です。この記事では、溶接方法、金属材料、溶接プロセス、設計要件など、レーザー溶接の厚さに影響を与える主な要因について説明します。

レーザー溶接方法が溶接厚さに及ぼす影響

さまざまなレーザー溶接方法がさまざまな用途シナリオに適しており、溶接厚さの要件も異なります。これらの方法では、溶接プロセス中の出力、加熱速度、焦点モード、溶接エネルギーが異なるため、溶接厚さによって制限も異なります。

レーザー出力とビーム品質

レーザー出力とビーム品質は 2 つの重要なパラメーターであり、レーザー溶接の厚さに一定の影響を与えます。

レーザー出力: レーザー出力とは、レーザー光線によって伝達されるエネルギーを指します。同じ材料と溶接条件の場合、通常、レーザー出力が高いほど溶接溶け込み深さが大きくなり、より厚い材料の溶接に適しています。ただし、レーザー出力が過剰になると、溶接部が過度に溶けたり、熱影響部が拡大したりして、変形や品質上の問題が発生する可能性があります。したがって、レーザー出力を選択する際には、溶接品質と溶接速度の要件のバランスを取る必要があります。
ビーム品質: ビーム品質は、溶接中のエネルギー分布と集束性能に大きな影響を与えます。ビーム品質が向上すると、焦点スポットサイズが小さくなり、ビーム集束能力が高まるため、溶接エネルギーがより集中し、溶接精度と制御性能が向上します。

ビーム集光方式と集光位置

ビームの集束方法と集束位置も、レーザー溶接プロセス中の溶接厚さに一定の影響を与えます。

ビーム集束方法: 一般的なビーム集束方法には、平面焦点集束、凸レンズ集束、凹レンズ集束などがあります。集束方法が異なれば、溶接厚さへの適応性も異なります。
焦点位置: 焦点位置が溶接部の表面より上にある場合、より深い溶接深さとより大きな熱影響部を実現できます。この焦点位置は、より厚い材料の溶接に適しており、溶接の溶け込み深さを増やすことができます。焦点位置が溶接物の表面より下にある場合、より小さな溶接溶け込み深さとより小さな熱影響部を実現できます。この焦点位置は、歪みや熱損傷を軽減できる、より薄い材料の溶接に適しています。

スキャン速度とレーザービーム径

スキャン速度: レーザー溶接中にレーザー光が溶接領域内を移動する速度をスキャン速度といいます。スキャン速度が低いと溶接時間が長くなり、熱が溶接領域により完全に伝達されるため、厚い材料の切断に適しています。スキャン速度が高いほど、レーザービームが溶接領域に留まる時間が短くなり、より薄い材料の切断に適しています。
レーザービーム直径: レーザービーム直径が小さいほど、より高いエネルギー密度が得られ、溶接領域の熱がより集中します。これにより、より低い溶接溶け込み深さが達成され、より薄い材料の溶接に適しています。レーザービームの直径が大きいと、より厚い材料を溶接したり、より広い領域を埋める必要がある溶接作業に有利です。

溶接部の厚さに対する材料特性の影響

材料が異なれば熱伝導率、融点、溶融挙動も異なるため、異なる材料がレーザー溶接の厚さに与える影響は多面的です。考慮すべき重要な要素は次のとおりです。

吸収係数

材料の吸収係数は、材料がレーザーエネルギーをどの程度効率的に吸収するかを決定します。溶接プロセスで使用されるレーザー波長の吸収係数が高い材料は、より多くのエネルギーを吸収し、より速く加熱する傾向があり、その結果、溶け込みが深くなり、溶接部が厚くなります。たとえば、鋼などの金属は特定のレーザー波長に対して高い吸収係数を持っているため、アルミニウムなどの吸収係数が低い材料よりも深く浸透し、溶接部を厚くすることができます。

熱伝導率

材料の熱伝導率は、レーザー溶接中の熱分布に影響を与えます。ステンレス鋼などの熱伝導率が低い材料はより多くの熱を保持する傾向があり、その結果、溶け込みが深くなり、溶接部が厚くなります。銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料は、溶接領域からより効率的に熱を伝導する傾向があり、その結果、溶接の溶け込みが浅くなり、溶接の厚さが薄くなります。したがって、深い溶け込みとより厚い溶接を実現するには、より高いレーザー出力またはより長い露光時間が必要になります。

融点

材料の融点は、溶解および溶接に必要な温度に影響します。レーザー溶接では、材料が融点に達して溶融池を形成する必要があります。融点が低い材料は、融解温度に達するまでに必要なレーザーエネルギーが少なくて済むため、溶け込みと溶接の厚さが増加します。逆に、融点が高い材料ではより高いレーザーエネルギーが必要となり、その結果、溶接の溶け込みが浅くなり、溶接の厚さが薄くなります。

反射性

材料の反射率は、吸収または反射されるレーザーエネルギーの量に影響します。高反射材料 (アルミニウムや銅など) はほとんどのレーザーエネルギーを反射するため、吸収が減少し、溶接深さが制限されます。対照的に、反射率の低い材料 (炭素鋼など) はより多くのレーザーエネルギーを吸収するため、より深い溶接とより厚い溶接が実現されます。

厚さ

溶接材料の厚さも溶接の厚さに影響します。レーザー溶接は、レーザーエネルギーがより正確で効果的であるため、通常、より薄い材料に適しています。材料が厚い場合は、完全な溶融を達成するために複数の溶接トラックまたはより高いレーザー出力が必要になる場合があり、これが最終的な溶接の厚さに影響を与える可能性があります。

熱膨張係数

熱膨張係数は、温度変化に伴う材料の膨張または収縮の度合いです。溶接中にレーザーエネルギーが適用されると、材料は急速に加熱され、その後冷却されます。熱膨張係数の高い材料 (特定のプラスチックなど) は溶接中に大幅に発生し、溶接部の厚さが変化する場合があります。

冶金的性能

材料の成分、粒子構造、合金元素などの冶金学的性能も溶接厚さに影響を与える可能性があります。たとえば、特定の合金元素は材料の吸収係数や熱伝導率を変化させ、それによって熱入力や溶接深さに影響を与える可能性があります。

蒸発と沸騰の挙動

一部の材料は、高温にさらされると気化または沸騰する可能性が高くなります。レーザー溶接プロセス中、この気化または沸騰により溶融材料が噴霧され、溶接溶融深度が減少し、溶接厚さが減少する可能性があります。成形挙動は、材料の蒸気圧、沸点、気化潜在熱などの要因によって影響を受けます。

追従・固化挙動

材料が異なれば、溶融および凝固特性も異なり、溶融プールの形成および凝固に影響を与えます。材料が狭い、または溶融範囲内で固化している、または明らかな凝固や収縮がある場合は、達成可能な溶接厚さに影響します。

これらの要因が互いに相互作用し、レーザー溶接プロセスのパラメーター (レーザー出力、ビーム直径、溶接速度など) と相互作用することは注目に値します。したがって、特定の材料に合わせてレーザー溶接プロセスを最適化することを検討し、必要な溶接の厚さと品質を達成するためにこれらの材料のバランスを取る必要があります。さらに、特定のレーザー溶接プロセス (小穴溶接や伝導溶接など) も、材料特性と溶接厚さの関係に影響を与える可能性があります。

レーザー溶接プロセス制御が溶接部の厚さに及ぼす影響

レーザー溶接工程におけるパラメータの設定や操作方法も溶接厚さに影響します。たとえば、溶接電流、溶接速度、溶接時間などのパラメータの選択は、溶接継手のサイズと形状に直接影響します。また、溶接時の予熱や後熱処理などの工程も溶接厚さを制御する重要な要素です。

予熱および後熱処理

予熱と後熱処理は、一般的に使用される 2 つの溶接プロセス制御方法です。以下は、予熱および後熱処理が溶接部の厚さに及ぼす影響の一般的な状況です。

予熱: 予熱の目的は、溶接プロセス中の熱応力と冷却速度を改善することです。予熱によって材料の温度が上昇し、溶接プロセス中の温度勾配が軽減され、熱応力が軽減されるため、変形や亀裂のリスクが軽減されます。薄い材料の予熱は、ケースバイケースで評価および調整する必要があります。
後熱処理：後熱処理は、溶接後に溶接部を加熱または冷却することです。後熱処理の目的は、溶接部の構造と性能を改善し、残留応力を減らし、溶接品質を向上させることです。

溶接形状と充填材の選択

溶接形状: 溶接形状には、直線溶接、V 字溶接、U 字溶接、J 字溶接などが含まれます。溶接形状が異なると、溶接厚さに異なる影響を与えます。たとえば、直線溶接は、より薄い材料の溶接に適しており、より優れた溶接強度とシールを実現できます。 V字溶接は溶接深さが深く、厚い材料などの溶接に適しています。
フィラー: フィラーは、溶接プロセス中に溶接領域を充填して強化するために溶接部に追加される材料です。より薄い材料の場合、フィラーのオプションはさらに制限される可能性があります。より厚い材料の場合、フィラーを使用してより広い幅と深さの溶接を埋めることができます。

設計および用途の要件が溶接部の厚さに及ぼす影響

設計要件とは、強度、シール性、外観など、レーザー溶接用の製品または構造の要件を指します。設計要件がレーザー溶接の厚さに与える影響は次のとおりです。

より高い強度要件

より高い強度が必要な製品や構造の場合、溶接の厚さを厚くして溶接接続の強度を高める必要がある場合があります。

より高い気密性要件

製品や構造物に高いシール性が求められる場合には、溶接肉厚を厚くして溶接部のシール性を高めることも必要となる場合があります。

外見要件

外観に対する要求が高い製品や構造物の場合、溶接部の凹凸や表面品質に注意する必要があります。溶接の深さやビードのサイズを大きくすると、外観が損なわれる可能性があるため、設計でバランスをとる必要があります。

申請要件

アプリケーション要件は、レーザー溶接の特定のアプリケーションシナリオと要件を指します。レーザー溶接の厚さに及ぼす作業環境の影響は、主に温度、振動、周囲雰囲気に反映されます。たとえば、高温環境では溶接領域の熱影響部が拡大する可能性があるため、溶接厚さを制御するために対応する措置を講じる必要があります。

要約する

つまり、多くの要因がレーザー溶接の厚さに影響を与えます。溶接方法、材料特性、溶接プロセス、設計要件に加えて、多くの側面も関係します。溶接を行う際には、これらの要素を総合的に考慮し、状況に応じて適切な溶接厚さを選択する必要があります。
溶接厚さが要件を満たしている場合にのみ、溶接継手の品質と信頼性が保証され、エンジニアリングと製品のニーズを満たすことができます。レーザー溶接、お問い合わせください AccTek レーザーお客様のニーズに合わせた最適なソリューションをご提案いたします。

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