従来の溶接方法と比較して、レーザー溶接大きな利点があります – 熱入力が低い、溶接速度が速い、熱影響部が小さい、
近年、レーザー溶接は自動車産業、造船産業、原子力産業、航空宇宙産業などで広く利用されている。
航空業界やその他のハイテク産業では、機器一式の価格が下がるにつれて、日常のハードウェア供給において、ますます広く利用されるようになっている。
そして、その他の生活関連のアプリケーションも急速に成長し始めました。しかし同時に、単一レーザー溶接には一定の欠点もあります。
ますます多様化するニーズに対応できません。まず、単一レーザー溶接では溶接アセンブリギャップの要件が非常に厳しく、
通常は0.2mm未満の隙間が必要であり、そうでないと良好な接続を得ることが困難です。第二に、単一レーザー溶接溶接亀裂に非常に敏感である
溶接割れが発生しやすく、溶接部の組成を調整して割れの発生を制御することはできません。第三に、単一
レーザー溶接では、厚板を溶接する際に超高出力レーザーが必要であり、その浸透能力はレーザーの出力に完全に依存します。
また、溶接品質を完全に保証することはできません。
様々な産業の発展ニーズを満たすために、レーザー溶接の方法も改良され、それに伴う発展が見られました。この記事もその一例です。
レーザーワイヤ充填溶接およびその他の溶接方法について説明する。レーザーワイヤ充填溶接は、単一レーザー溶接をベースに開発されたものであり、
単一レーザー溶接と比較して、明らかな利点があります。
①溶接工程に溶接ワイヤが追加されるため、溶融池の金属量が大幅に増加し、ブリッジングが可能になるため、ワークピースの組み立て要件が大幅に削減されます。
溶接ギャップを大きくして接続し、溶接部をより完全にする。
溶接ワイヤの組成が溶接継手の母材の組成と異なるため、溶接部の微細構造特性を制御することができる。
ワイヤが溶融池に溶け込んだ後、溶融池の品質、組成、比率を調整することで、凝固プロセスと微細構造の形成を制御することができる。
（３）線エネルギー入力が小さく、熱影響部と熱変形が小さいため、変形要求が厳しいワークピースの溶接に非常に適しています。
④より低いレーザー出力でより厚い材料を溶接することができ、溶接プロセスに溶接ワイヤが追加されるため、複数回の溶接が可能になり、
溶融池の金属が大幅に拡大されるため、溶接継手を開いて実際の溶接部のサイズを小さくすることができる。
レーザー溶接の厚みを制御し、多チャンネルレーザーワイヤ溶接による厚板材料の溶接を実現します。
レーザーワイヤ溶接とレーザーワイヤ溶接の違い
レーザーワイヤフィラー溶接の形態を図1に示す。これは図2に示すレーザーワイヤフィラーろう付けとは異なる。両溶接方法の基本要素は以下のとおりである。
一貫性があり、レーザービーム、溶接ワイヤ、溶接部品、保護ガスで構成され、実際のニーズに応じて追加するかどうかを決定します。
主な設備は、ワイヤ送給機、溶接機、ワイヤフィラー溶接ソフトガンヘッド、溶接ヘッド、高出力レーザーです。
図1 レーザーワイヤ融着溶接
図2 レーザーワイヤろう付け
2つの溶接方法の外形は基本的に違いがないが、本質には大きな違いがある。レーザーワイヤ溶接では、
レーザーは一般的に高出力ファイバーレーザーを使用し、図3に示すように、レーザーは溶接ワイヤだけでなく、母材金属を溶融させる必要もあります。
レーザー深溶け込み溶接の特殊な穴効果により母材に深い溶融池が形成され、溶接ワイヤの組成が母材の金属組成と完全に混合される。
新たなハイブリッド溶融池が形成され、そのハイブリッド溶融池の元素組成、比率、品質は溶接ワイヤおよび母材のそれよりも大きい。
したがって、母材自体の性能上の欠陥に応じて適切な溶接ワイヤを溶接工程に加えることで、溶接効率を向上させることができる。
外観レベルでは、溶接部の耐亀裂性、耐疲労性、耐食性、耐摩耗性などの特性が意図的に向上されている。
さらに、レーザーワイヤ溶接は、小さな穴効果で深い溶け込み溶接を実現できるため、マルチチャンネル積層溶接が可能であり、
溶接ビードの下部2層が完全に融合することで、重大な非融合欠陥を回避できるため、厚肉接合部の溶接が可能となる。
いつレーザーワイヤーろう付けでは、一般的に図4に示すように高出力半導体レーザーが使用される。
溶接ワイヤ上では、ごく少量のレーザーのみが溶接部に作用し、溶接部の表面の少量の金属を溶融させ、溶融池は溶融によってほぼ完全に溶融する。
溶接ワイヤが形成されるため、溶接性能は主に溶接ワイヤの元素組成と比率、および溶接部での溶融溶接ワイヤに依存する。
レーザーワイヤろう付けの主な目的は、溶接接合部の一定の接合強度を実現することである。
また、シーリングやレーザーワイヤろう付けはマルチチャンネル積層溶接には適しておらず、溶接部の上下2層は基本的にソリッドにはならない。
完全に融合した今、その接合部の機械的特性は非常に劣悪である。
レーザーワイヤ溶接の応用分野
レーザーワイヤフィラー溶接技術の発展とレーザー出力限界の上昇に伴い、レーザーワイヤフィラー溶接
ますます広範囲に及んでおり、主に以下の点において顕著である。
アルミニウム合金のレーザーワイヤ溶接
一般的に、アルミニウム合金自体はレーザーに対する反射率が高く、熱伝導率も高いため、アルミニウム合金はレーザー溶接される。
必要なレーザー出力が大きい場合、アルミニウム合金中の低沸点元素（Mg、Znなど）の深刻な蒸発と燃焼損失につながります。
同時に、溶融プール金属の低い表面張力は溶接部の凝固特性に影響を与え、これらの理由からアルミニウム合金のレーザー溶接が存在することになる。
溶接継手の機械的特性の悪さ、溶接成形の不良、気孔や亀裂の深刻さなど、多くの問題があります。代わりに、レーザーを使用してワイヤを充填します。
アルミニウム合金を溶接することで、これらの問題は大幅に改善されます。
①レーザーワイヤ溶接は溶接面の凹みを改善し、溶接を効果的に改善することができます溶接工程における飛沫が少ないタイプ。
②溶接ワイヤの添加は、溶接部における円筒状結晶の結晶方位に影響を与えるだけでなく、溶接部の希釈にもつながる。コアとなる柱状結晶の相対的な成長によって生成される結晶界面は、溶接成形性を向上させるとともに、材料のレーザー吸収率も向上させる。
溶融幅の増加に伴い、微小硬度はわずかに低下し、最適化されたプロセスパラメータの下では接合部の引張強度と伸びが顕著になる。
改善; (3) 適切なプロセスパラメータで溶接すると、明らかな内部欠陥がなく、HV60以上の微小硬度が得られ、接合部の熱影響部が
溶接部には明らかな軟化は見られず、引張試験中に破断したのは母材部分であった。
異種金属のレーザーワイヤ溶接
厳しい作業環境やコスト面を考慮すると、ワークピースの複数の側面を同時に処理する必要がある場合がよくあります。
耐食性、高比強度、耐熱性、耐摩耗性、高導電性、良好な放熱性などの特殊特性を持つが、大多数は
金属材料は、同時に多数のより顕著な特殊特性を持つことはできません。また、特殊特性を持つ金属材料は、
希少で高価であり、大量に使用できないため、効果的な接続を実現するために特殊な特性を持つさまざまな材料を作ることができれば、
使用要件を満たす可能性があります。異種金属材料の物理的および化学的性質の差は一般的に大きく、これは溶接プロセスにおいて避けられないものです。
金属間化合物の形成は溶接継手の性能に大きな影響を与え、脆い金属間化合物は溶接を非常に容易にする。
単一レーザーを用いて異種金属接合部を直接溶接することは非常に困難であり、そのプロセス安定性を制御することも難しい。
再現性の難しさ。多くの学者や専門家は、レーザーワイヤ溶接は異種金属の溶接に比較的適しており、適切な選択であると結論付けている。
溶加材は金属間化合物の形成をある程度抑制することができ、溶接継手の機械的特性を大幅に向上させることができる。
パフォーマンス：
①適切なプロセスパラメータの下では、レーザーワイヤ充填溶接によるMg/Cu重ね継手を良好に形成することができる。一定の強度を持つ異種金属接合部の最大せん断強度は164.2MPaに達し、これはマグネシウム合金母材の64%に相当する。
② Al/Ti重ね継手および突合せ継手の溶接について研究した結果、矩形光スポットを使用した場合、溶接プロセスが安定し、良好な溶接形状が得られることがわかった。美しい仕上がり、幅広い加工パラメータ、高い溶接品質、最大引張強度はアルミニウム合金母材の94%に達する。溶接成形性を向上させる。ベアリング用途のワークピースの場合、溶接部が崩壊すると有効厚さが減少し、溶接が食い込むと機械的特性が低下します。
溶接部の端部に応力集中が生じ、機械的特性が低下します。外観要件のあるワークピースの場合、溶接部が崩壊すると
端が引っかかったり、噛み合ったりすると、見た目に深刻な影響を及ぼし、許容できません。溶接を完全にするために、レーザーワイヤ溶接を使用します。
これは非常に優れた方法です。溶接ワイヤが溶融池に溶け込むことで、溶融池の体積を効果的に増加させ、溶接部が完全に溶融することを保証します。
咬合縁の欠陥。
接合部の隙間が大きいワークピースの場合（一般的に≥0.3mm）では、単一レーザー溶接では効果的な接続を実現することが難しく、充填するしかない。
追加の材料で溶接部の隙間を埋めることができるため、レーザーワイヤ溶接は非常に効果的な解決策です。
狭隙間すみ肉溶接
狭ギャップレーザーワイヤ充填溶接は、小型および中型出力レーザーを使用することで、中厚板の効果的な溶接を実現できます。
ワイヤは溶接金属の組成と構造を変化させ、溶接継手の全体的な性能を向上させるだけでなく、単一レーザー溶接の傾斜も改善します。
開口部クリアランスの適応性と耐故障性が高く、溶接部の熱影響部が狭く、溶接継手の応力も小さいため、優れた性能を発揮します。
そのため、近年、多くの専門家や研究者がこれに関する関連研究を行ってきた。
①狭ギャップレーザーワイヤ充填マルチチャンネル溶接方法により厚さ40mmのQ345D海洋鋼板を溶接した結果、適切な溶接プロセスパラメータにより良好な形状が得られることが示された。
溶接継手には気孔がなく、溶融不良などの欠陥もなく、溶接中心部の衝撃靭性は良好で、溶接部の引張強度は母材よりも高い。
②厚さ50mmのローター鋼を狭開先レーザーワイヤ充填多層溶接で溶接した結果、溶接プロセスパラメータが適切であることが示された。
良好な成形性が得られ、側壁の非融合などの欠陥はなく、接合部の衝撃靭性は低下するものの、引張強度は母材よりも高い。
木材;③厚さ20mmの5083アルミニウム合金の狭開先レーザーワイヤ充填溶接について研究し、その結果、適切な溶接プロセスパラメータが明らかになった。
気孔が少なく、溶融不良などの欠陥のない溶接継手が得られる。
応用事例、装置およびプロセスパラメータに関する推奨事項
1. 応用事例
溶接成形を改善する
要件：1mmおよび3mmのステンレス鋼の溶接。溶接部には気孔がなく、成形性が良好であること。
機器：RFL-C4000（ファイバーコア径200）μm)、ワイヤフィーダー、溶接ヘッド。
表5 溝の形状とサイズの推奨事項
結果：図5に示すように、成形は良好で、溶接部には気孔は見られなかった。
図5 溶接成形と断面形態
狭隙間レーザーワイヤ充填多層溶接
要件: 18mm厚のQ345海洋鋼板を溶接し、溶接穴を少なくし、非溶融部をなくし、接合部の引張強度
強度は母材よりも高く、溶接成形性も優れている。
機器：RFL-C6000（ファイバーコア径400）μm)、ワイヤフィーダー、溶接ヘッド。
プロセスパラメータ：溶接パスは開先加工する必要があり、開先のサイズは図6に示されており、その他の溶接プロセスパラメータは表2に示されています。
図6 溝のサイズ
結果：成形は良好で、溶融不良はなく、溶接部には基本的に気孔がなく、図7に示すように、引張試験を実施した。
溶接部が母材内で破断することが証明されており、これは接合部の引張強度が母材の引張強度よりも高いことを示している。
図7 溶接断面の金属組織図
2．装置およびプロセスパラメータの提案
溶接成形と品質の向上
一般的な材料の突合せ継手レーザーワイヤ溶接では、溶接形状を改善するために、一般的にレーザーとファイバーコアの直径、
溶接ヘッドは、集束スポット径が0.4mm～0.6mmとなるように構成し、溶接ワイヤは適切なグレードのものを選択する必要がある。
その他の溶接パラメータは表2および表3に示す。
狭隙間レーザーワイヤ充填多層溶接
中厚板の狭隙間レーザーワイヤ充填多層溶接の場合、一般的に焦点スポット径は0.6mm～1.0mmが推奨され、
また、溶接ワイヤは適切なグレードを選択する必要があり、さらに、接合溝のサイズは合理的に設計する必要があり、溝のサイズは大きすぎてはいけません。
そうしないと、溶接部内部で溶融不良が発生しやすくなります。一般的に推奨される溝のサイズは表5に示されています。ビードの数は、接合部の最大寸法に基づいて決定する必要があります。
厚みが大きい場合は、最初の底面溶接で装置の最大溶接能力を使用して決定し、各深さごとに1つずつ溶接することをお勧めします。
一般的には3mm～5mm。各ビードに使用される溶接プロセスパラメータについては、必要な溶接深さとタイミングに応じて決定する必要があります。
前面溶接パスの幅が決定される。溶接パスの幅が大きい場合は、側壁の溶融不良を防ぐため、デフォーカス量を適度に増加させる必要がある。
投稿日時：2025年4月3日
