溶接アセンブリ
1.組み立て時の隙間と位置ずれ
溶接品質を確保するには、組み立ての品質が非常に重要です。組み立て時の隙間や位置ずれが大きすぎると、溶け落ち、溶接不良、不完全溶け込みなどの欠陥が生じやすくなります。すみ肉継手と突合せ継手の組み立て時の隙間は、できるだけ小さくする必要があります。表8-2に、ハンドヘルドレーザー自溶溶接における隙間と位置ずれの要件を示します。
2.仮付け溶接
ワークピースの寸法精度を確保し、変形を低減し、溶接中のねじり変形による溶接部の位置ずれを防ぐため、通常、溶接前に仮付け溶接が必要です。組立仮付け溶接には、正式溶接と同じ工程方法を用います。仮付け溶接の長さは20～30mmで、品質要件（溶け込み深さや幅など）は正式溶接よりも緩やかです。仮付け溶接では、一般的に正式溶接よりも速い溶接速度を用います。仮付け溶接の確実な接合を確保することを前提として、仮付け溶接は平坦で長く、薄く、過度に大きく、幅広く、高くならないようにする必要があります。また、酸化を防ぐため、仮付け溶接には適切な保護が必要です。
3. 固定具とクランプ
レーザー溶接は主に薄板溶接薄板溶接では、通常、ワークピースの前面で溶接を行い、背面で十分な溶融を行うことで、良好な形状の裏面溶接を実現します。パラメータの選択においては、入熱量が少ないと背面での溶融が不完全になる可能性があり、入熱量が多いと背面での完全な溶け込みは確保されるものの、溶融金属の重力やワークピースの厚さに対する溶融幅の不均衡により、焼き抜けが発生する可能性があります。焼き抜けを防ぐため、ワークピースがクランプ可能な場合は、薄板溶接中にワークピースをクランプするための治具を使用する必要があります。つまり、前面をプレスし、背面に銅またはステンレス鋼の裏板を配置します。これにより、溶接変形による組立ギャップや位置ずれの変化を防ぎ、熱崩壊を回避できます。ワークピースの構造上の理由により、熱放散が不均一な領域がある場合は、治具を使用して熱放散を均衡させることも効果的であり、前面と背面の両方で均一な寸法の溶接部を形成することを目指します。
溶接パラメータの選択
一般的に、レーザー溶接のパラメータには、レーザー出力、レーザーパルス幅、デフォーカス量、溶接速度、シールドガスなどが含まれます。
1.レーザー出力
レーザー溶接には、レーザー出力密度の閾値が存在します。この閾値以下では、溶け込み深さは浅く、閾値に達するかそれを超えると、溶け込み深さは著しく増加します。プラズマは、ワークピース上のレーザー出力密度が閾値を超えた場合にのみ発生し、安定した深溶け込み溶接を示します。閾値以下では、表面溶融のみが発生します（安定した熱伝導溶接）。キーホール形成の臨界条件付近では、深溶け込み溶接と熱伝導溶接が交互に発生し、溶け込み深さが大きく変動する不安定なプロセスとなります。レーザー出力は、レーザー加工において最も重要なパラメータの1つであり、溶接溶け込み深さの重要な決定要因です。焦点スポット径が一定の場合、レーザー出力密度はレーザー出力に比例します。出力が高いほど、溶け込み深さと溶接速度が増加します。しかし、出力が過剰になると、溶融池が著しく過熱し、溶接幅と熱影響部（HAZ）が拡大し、スパッタが増加して溶接レンズが汚染される可能性があります。高出力では、表面層が沸点まで加熱され、数マイクロ秒以内に大幅に蒸発するため、穴あけ、切断、彫刻などの材料除去プロセスに最適です。出力が低い場合、表面が沸点に達するのに数ミリ秒しかかからず、表面が蒸発する前に下層が溶融するため、良好な溶融溶接が可能になる。
2.レーザーパルス幅
レーザーパルス幅、すなわち「パルス幅」は、パルスレーザー溶接における重要なパラメータです。これは、溶け込み深さと熱影響部（HAZ）によって決まります。パルス幅が長いほどHAZは大きくなり、溶け込み深さはパルス幅の平方根に比例して大きくなります。しかし、パルス幅が長いほどピークパワーは低下するため、一般的には熱伝導溶接に用いられ、幅広く浅い溶接部を形成します。これは、薄板や厚板の重ね継手などに適しています。ただし、ピークパワーが低いと熱入力が過剰になるため、各材料には最大の溶け込み深さを得るための最適なパルス幅が存在します。
3. デフォーカス量の選択
焦点の位置は、レーザー溶融溶接焦点がワークピース表面より上にある場合、溶け込み深さが小さくなり、深溶け込み溶接が難しくなります。焦点が表面より下にある場合、ワークピース内部の電力密度が表面よりも高くなり、溶融と蒸発が促進され、エネルギーがワークピース内部により深く伝達され、溶け込み深さが増加します。デフォーカスモードには、正のデフォーカス（焦点面がワークピースより上にある）と負のデフォーカス（焦点面がワークピースより下にある）の2種類があります。実際には、大きな溶け込み深さが必要な厚板には負のデフォーカスが使用され、レーザー焦点は通常、ワークピース表面より1～2mm下になります。薄板には正のデフォーカスが好まれ、焦点は表面より1～1.5mm上になります。
4.溶接速度
他のパラメータを固定した場合、溶接速度が上がると溶け込み深さは減少し、効率は向上する。速度が高すぎると溶け込み深さの要件を満たせず、速度が低すぎると溶融過多、溶接幅の拡大、熱影響部の過熱、高温割れ傾向の増加を引き起こす。パルスレーザー溶接速度は、最大パルス周波数と必要なスポット重なりによっても決定されます。つまり、連続する各パルススポットは、ある程度重なり合う必要があります。したがって、所定のレーザー出力と材料の厚さに対して、最適な速度範囲が存在し、その範囲内で特定の速度で最大の浸透深さが得られます。
5.シールドガス
レーザー溶接では、溶融池を保護するために不活性ガスがよく使用されます。表面酸化に対する保護を必要としない材料もありますが、ほとんどの用途では保護が必要です。従来、アルミニウム合金のレーザー溶接では、酸化を防ぐためにAr、N₂、Heが使用されてきました。理論的には、Heが最も軽く、イオン化エネルギーが最も高いですが、低出力かつ高速ではプラズマが弱いため、ガス間の違いは最小限になります。研究によると、同じ条件下では、N₂はAlとの発熱反応によりキーホール形成をより容易に誘発し、結果として生じるAl-NO三元化合物はレーザー吸収率が高くなることが示されています。しかし、純粋なN₂は溶接部に脆いAl-N相と気孔を形成します。不活性ガスは軽量であるため、気孔を生じさせることなく放出され、混合ガスの方が効果的です。近年、Ar-O₂およびN₂-O₂混合ガスを用いたAlレーザー溶接の研究が増加しています。
6. 材料吸収
レーザーエネルギーの物質吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、融点、蒸発温度などの特性に依存し、中でも吸収率が最も重要です。吸収率に影響を与える要因には、以下のようなものがあります。
電気抵抗率：研磨面の場合、吸収率は抵抗率の平方根に比例し、抵抗率は温度によって変化します。
表面状態：吸収率、ひいては溶接結果に大きく影響する。
携帯型ファイバーレーザー溶接の操作上のヒントと注意点
1.アーク放射を避ける
携帯型ファイバーレーザー溶接機出力が1000Wを超える（機種による）(1080±3)nmの放射線を発するクラス4ファイバーレーザーを使用してください。直接または間接的に照射されると、目や皮膚に損傷を与える可能性があります。ビームは目に見えませんが、網膜や角膜に不可逆的な損傷を与える可能性があります。レーザーの動作中は、必ず認定されたレーザー安全ゴーグルを着用してください。ゴーグルを着用していても、レーザーの電源が入っている間は出力ヘッドを直接見ないでください。
2.溶接パラメータの設定
タッチスクリーンでレーザー出力を低く設定します（図8-2参照）。溶接ヘッドの銅製ノズルをワークピースに当て、トーチスイッチを押してレーザーを照射し、溶接します。標準的なパラメータは、レーザー周波数5000Hz、ガルバノメーター速度300～600、ガス遅延時間100ms超、連続照射時のデューティサイクル100%です。溶接幅は、組み立てギャップに合わせて調整します。出力は0～1000W（最大値の0～100%）で調整可能です。パラメータを入力したら、「OK」をクリックして設定を保存し、有効にします。
4.溶接速度を過度に上げないでください
溶接はレーザー光源を移動させることによって形成されます（図8-3参照）。深さと幅は速度と出力に依存し、一般的な速度は1～3m/分で、アスペクト比が1未満の滑らかでスケールのない表面が得られます。電流と電圧が一定の場合、速度を変更すると熱入力に直接影響し、溶け込み深さと幅が変化します。速度が速すぎると加熱が不十分になり、溶け込み深さの低下、幅の狭小化、アンダーカット、気孔、および不完全な溶け込みにつながります。
機械的洗浄：ステンレス鋼ブラシまたは空気入りホイールを使用して、明るい白色の表面になるまで酸化物を除去します。研磨後すぐに溶接してください。溶接が36時間以上遅れる場合は、再度研磨してください。
化学洗浄：化学反応を利用して酸化物を除去します（方法は材質によって異なります）。表8-3にアルミニウム合金の化学洗浄方法を示します。油や埃は、有機溶剤（ガソリン、イソプロピルアルコールなど）に浸し、拭き取り、乾燥させることで除去します。
5.多孔性を最小限に抑える
アルミニウム合金のレーザー溶接では、水素気孔がよく発生します。表面の水分、油分、酸化物を除去することで、水素気孔を減らすことができます。溶融池の冷却時間を長くする（パルス幅を長くする）ことで、ガスの放出を促進できます。レーザー溶接では熱サイクルが速いため、ガスの放出が制限されるからです。溶融池の激しい反応や合金の蒸発によって気孔が増加するため、焦点位置や負のデフォーカス位置は避けてください。デフォーカスを調整してエネルギーを弱めることで、蒸発を抑えることができます。
6. 懐中電灯の持ち方に注意してください
ハンドヘルドレーザー溶接トーチ（図8-4参照）はTIG溶接トーチよりも重く、ケーブルも太いため、作業者の疲労につながります。長時間の溶接作業では、トーチを両手で持ち、ノズルをワークピースに接触させたまま、溶接位置を目視で確認しながら、トーチをゆっくりと手前に引き寄せてください。疲労を最小限に抑え、溶接回数を減らすために、溶接姿勢に合わせて姿勢を調整してください。
7.レーザーによる怪我を防ぐ
不適切な操作は事故の原因となります。以下の規則を守ってください。
レーザー照射中は、絶対にレーザー出力ヘッドを直視しないでください。
使用しないでくださいファイバーレーザー薄暗い環境や暗い環境で。
デバイスが作動中は、絶対に懐中電灯を人に向けてはいけません。
溶接箇所から3メートル以内には金属製の柵を設置してください。
溶接区域への立ち入りは作業員のみに制限してください。
保護具（認定ゴーグル、マスク、手袋）を着用してください。ゴーグルを着用していても、レーザーの電源が入っている間は出力ヘッドを直視しないでください。
懐中電灯とケーブルは慎重に取り扱ってください（最小曲げ半径は200mm以上）。
使用しないときは、レーザー照射キーを無効にしてください。
効果的なガス防護のために、ノズルの品質を確保してください。
レーザーと同心円状の、滑らかな内壁。
トーチの安定した動作を維持するため、変形したノズルは速やかに交換してください。
ノズル開口部のサイズ（図8-6参照）は溶接品質に影響します。開口部が大きいほどガス流量が増加し、凝固が促進され、気孔や亀裂のリスクが高まります。
8. 亀裂発生しやすい合金は高速回転を避ける
ハンドヘルドレーザー溶接自己溶融式、ワイヤレス、振動式ガルバノメータートーチを使用します。高速溶接は溶け込み深さを減少させ、溶接幅を狭め、アンダーカットを引き起こし、シールドガスの被覆を乱して保護性能を低下させます。割れやすい合金には低速溶接を使用してください。
9. 接合部の品質を確保する
温度差やワイヤレス溶接では、溶け落ち、クレーター、またはクレーターの亀裂が発生する可能性があります。溶接は連続して行い、停止を最小限に抑えてください。停止が避けられない場合（例：位置変更、分割溶接）は、クレーターの発生を防ぐため、停止前にわずかに（10mm）速度を落としてください。溶接の重なりと品質を確保するため、前のクレーターから20mm後方の位置から溶接を再開してください。
10. 正しい懐中電灯の動きに従う
トーチを横方向に揺らさずに、手前（遠くから近くへ）に引き寄せます。一定の速度を維持しながら、溶接部の形状が均一になるように監視してください。垂直溶接の場合は、急速な凝固を促進し、安定した動きを確保するために、上方向ではなく下方向に移動します。
11.重ね溶接におけるアンダーカット、小さなすみ肉、および崩壊を避ける
重ね溶接の場合、ガルバノメーターが垂直板の2/3を覆うようにレーザー入射角を調整します（図8-7参照）。これにより、熱伝導によって垂直板（溶加材として）とベース板の1/3が溶融し、冷却後に十分な大きさの溶接部が形成されます。重ね溶接が不十分だと、接合部の強度が低下したり、耐亀裂性が低下したり、構造的な破損を引き起こしたりするため、アンダーカットは避けてください。
12. アルミニウム合金溶接における反射率の低減
アルミニウムはレーザーエネルギーの60～98%を反射します。反射率は融点で急激に低下し、溶融状態では安定します。吸収率は入射角の増加とともに低下し、垂直入射時に最大吸収率となります（レンズ保護のために調整してください）。機械的または化学的な洗浄によって酸化物を除去することで、反射率を低減できます。
13.適切なシールドガスの使用
シールドガスは溶接部の形成、溶け込み深さ、および溶接幅に影響を与えます。ほとんどのガスは品質を向上させますが、欠点もあります。
Ar: イオン化エネルギーが低く、プラズマ生成量が多い（レーザー効率が低下する）が、不活性で低コストかつ高密度であるため、溶融池を効果的に覆うことができる（汎用用途に最適）。
N₂：中程度のイオン化エネルギー（Arよりもプラズマ抑制効果が高い）を持つが、アルミニウムや炭素鋼と反応して脆い窒化物を形成し、靭性を低下させる（これらの材料には推奨されない）。窒化物が強度を高めるステンレス鋼には適している。
14.シールドガス流量
ガスはノズルから特定の圧力で噴射されます。ノズルの流体力学的設計と出口径は非常に重要です。溶接部を覆うのに十分な大きさでありながら、乱流（空気を吸い込み、気孔の原因となる）を防ぐために制限されている必要があります。ハンドヘルドレーザー溶接の場合、一般的な流量は7L/分です。流量が多すぎると、溶融池に不純物が混入し、ガスの純度が低下します。適切な流量を選択してください。
15.レーザー焦点位置
焦点位置: 最小スポット、最大エネルギー—使用例:スポット溶接または低エネルギー、最小限のスポットサイズ要件（図8-8参照）。
負のデフォーカス：スポットが大きくなる（焦点からの距離が大きくなるにつれてスポットも大きくなる）—深溶け込み連続溶接および深スポット溶接に適しています。
正のデフォーカス：スポット径が大きい（焦点からの距離が大きくなる）—表面封止や低浸透連続溶接に適しています。
完全溶け込み溶接の確認：裏面にわずかな色の変化が見られる場合は良好な品質を示します。明らかな痕跡や溶け込みがあると、連続溶接時にスパッタや深い溝が発生します。サンプルに基づいて、焦点、エネルギー、波形を調整してください。薄い材料には、溶け込みを防ぐために小さなスポットを使用してください。
投稿日時：2025年8月21日
