アルミニウムの溶接は厄介である。アルミニウムは熱伝導率が高く、融点が低く、酸化被膜があるため融合が難しい。これらの要因は、溶接が不適切な場合、歪み、気孔、弱い接合部の原因となる。レーザー溶接は解決策を提供する。レーザー溶接は、アルミニウムの難しい特性にもかかわらず、正確で歪みの少ない溶接を実現し、欠陥を最小限に抑えます。レーザー溶接の仕組みを知ることで、より良い結果をより早く得ることができます。
レーザー溶接は、部品の強度を向上させ、手戻りを減らし、生産をスピードアップすることができます。順を追って検証してみよう。
アルミニウムのレーザー溶接とは？
アルミニウムのレーザー溶接は、集光したレーザービームでアルミニウム片を溶かして接合します。熱は小さな領域に集中し、狭く深い溶接部が形成されます。アルゴンやヘリウムなどのシールド・ガスが、溶融金属を空気汚染から保護します。このプロセスは、薄いシートでも厚い部分でもうまく機能し、一貫した再現性のある結果をもたらします。
アルミニウムの溶接に特別な注意が必要な理由
アルミニウムは熱伝導が速いため、溶接中の制御 が難しくなる。適切な制御を行わないと、 溶接部が完全に溶け込まなかったり、熱影響部 が広くなりすぎたりすることがある。アルミニウムの酸化被膜は母材よりも融点が 高いため、溶接前の表面清浄が不可欠であ る。
また、アルミニウムは熱を加えると鋼よりも膨張し、歪みの危険性が高まる。これらの特性により、溶接工程では、欠陥のない強固な接合部を確保するために、正確な熱制御と十分な準備が必要となります。
レーザー溶接に影響するアルミニウムの特性
アルミニウムの物理的特性は、レーザー溶接への反応に直接影響します。これらの要因を知ることは、クリーンで強力な溶接のための正しいパラメーターを設定するのに役立ちます。
高い熱伝導性
アルミニウムは母材を通して素早く熱を伝え、 溶接池から熱を引き離す。プールの収縮が早 すぎると溶け込みが失われ、多くの場合、融合が不十 分になったり、熱影響部が広くなったりする。
これに対抗するには、タイトなフィットアップを使用し、移動速度を一定に保つ。パワー密度を高くすることで、貫通力を維持することができる。相互作用時間を短くすることで、熱の拡散を抑えることができる。バッキングバーと 固体固定 溶接中、部品を安定して平らに保つ。
酸化物層の形成
アルミニウムは空気に触れると数秒で酸化皮膜を形成する。この皮膜は母材よりもはるかに高い温度で溶融する。酸化皮膜が残ると融解を妨げたり、ガス を閉じ込めたりする可能性があり、気孔の発生や 溶接部の強度の低下につながる。
溶接前に、溶剤による拭き取り、ステンレス・ス チール製ワイヤー・ブラッシング、軽い擦り傷などで酸化物 を除去する。洗浄後は表面を乾燥させておく。新たな酸化物が形成される可能性を減らすため、 溶接はすぐに開始すること。
反射率とレーザー吸収への影響
冷たいアルミニウムは、入射したレーザーエネルギーの多くを反射する。最初のうちは熱結合が悪く、スパッタリングや不均一な溶け込みの原因となります。表面が加熱されると、吸収が改善され、溶接がより安定します。
表面を清潔に保ち、わずかにつや消しにすることで、吸収率を向上させることができる。レーザーの焦点を絞ると、エネルギー密度が向上する。緑色または青色のレーザー光源は、一部のグレードでより良く機能し、より大きく信頼性の高い加工ウィンドウを提供できます。
アルミニウムのレーザー溶接：プロセスの内訳
アルミニウムのレーザー溶接は、クリーンで強力な接合部を作り出すために、決まった順序に従って行われます。各ステップでは、適切な準備、正しいパラメーター設定、溶融プールの完全な保護に重点を置いています。
まず、作業場所を準備し、アルミニウムの表面をきれいにします。酸化皮膜、汚れ、油分を取り除きます。この工程は、気孔の発生や融 着不良を防ぐのに役立つ。溶接中に部品がずれないよう、安定した固定具 で部品を固定する。
次に、レーザーのパラメーターを設定する。パワー、フォーカス位置、移動速度、シールドガスの流量を、材料の厚さとグレードに合わせて調整する。シールドには高純度のアルゴンまたはヘリウムを使用する。ガスの適用範囲は、最初から最後まで一定に保つ。
その後、溶接を開始する。レーザー・ビームが接合部のエッジを溶かし、溶融プールを形成する。凝固するまで、シールド・ガスがプールを空気から保護します。均一な溶け込みのために、安定した移動速度と正確な位置合わせを維持してください。
最後に、シールド・ガスを流し続けながら、接合部 を冷却する。これによ り、溶接部が完全に固まる前の酸化を防ぐことが できる。冷却後、溶接部を目視検査する。必要であれば、強度をチェックし、 欠陥を検出するための試験を行なう。
アルミニウムのレーザー溶接の利点
レーザー溶接にはいくつかの利点があり、多くのアルミニウム用途で有力な選択肢となっています。これらの利点により、品質が向上し、手戻りが減り、納期が短縮されます。
高精度と最小限の熱歪み
レーザービームは非常に小さなスポットに熱を与え、熱影響部を小さく保ち、歪みを抑える。部品は、薄い部分や公差が近い部分でも、その形状を保ちます。
強く安定した溶接
設定が適切であれば、このプロセスは深い溶け込みと完全な融合を実現します。長時間の生産でも、溶接品質は最初から最後まで安定しています。これにより、弱点が減少し、性能がより予測しやすくなります。
薄くて複雑な部品の溶接能力
厳密なヒート・コントロールにより、脆いアルミニウムをバーンスルーなしで溶接できます。狭いビームは、他の溶接方法では困難な複雑な接合形状や狭いコーナーにも届きます。
大量生産プロジェクトのためのより速い生産速度
レーザー溶接は、特に自動化されたシステムで素早く作業できる。このため、スピードと再現性が重要な大量生産作業に適している。溶接後の後片付けが少なくて済むため、総生産時間の短縮にも役立つ。
アルミニウム用レーザー光源の正しい選択
クリーンで強力なアルミニウム溶接を行うには、適切なレーザー光源が不可欠です。それぞれのタイプには長所があり、最適な用途があります。
ファイバーレーザー
ファイバーレーザーは、高いビーム品質と優れたエネルギー効率を持っています。薄いアルミニウムから中程度の厚さのアルミニウムに適しています。その短い波長は、CO₂レーザと比較して吸収を改善します。ファイバーレーザは自動化システムにも適合しやすく、大量生産には一般的な選択肢です。
CO₂レーザー
CO₂レーザーは波長が長く、冷たいアルミニウムはこの光をより多く反射する。このため、溶接の開始が難しくなる。予熱または表面処理が使用される場合、厚い部分にはまだ効果的である。CO₂レーザーは、溶接部へのアクセスが良好な大型部品によく選択されます。
ディスクレーザー
ディスクレーザーは安定した出力で高いビーム品質を提供します。アルミニウムによく吸収し、薄い材料にも厚い材料にも対応します。長時間の生産で安定した性能を発揮するため、安定した品質を必要とする作業に適しています。
最適な結果を得るためのプロセスパラメータ
強力で欠陥のないアルミニウム溶接は、プロセ ス設定が適切であるかどうかにかかっています。これらの設定を少し変えるだけで、溶接の品質と一貫性に顕著な影響を与える可能性があります。
レーザー出力とスポットサイズ
レーザー出力は材料の厚さに合わせる必要がある。例えば、2 mmのアルミニウム板を溶接する場合、3 kW程度の出力でうまくいくことが多い。5 mmのような厚い部分は、5～6 kWに近い出力が必要な場合があります。出力が低すぎると部品が溶けずに残る可能性があり、高すぎるとスパッタや歪みの原因となる。
スポットサイズは0.3～0.6 mmが標準。スポットを小さくすると、エネルギー密度と浸透性が高まりますが、厚さ1mm以下のシートではバーンスルーのリスクも高まります。
移動速度とフォーカス位置
移動速度は、溶接の溶け込み深さとビードの形状に影響する。1～2mm程度の薄い板は、多くの場合3～5 m/分できれいに溶接できる。厚い板は、完全な溶融のために1-2 m/分程度の低速が必要な場合がある。
ほとんどのアルミニウム溶接では、 焦点は表面から約0.1～0.2 mmの位置か、わずかに下 に設定される。これにより、溶融池を安定させ、強固な接合部の形成をサポートします。
シールドガスの種類と流量
高純度アルゴン（99.999%）が最も一般的なシールドガスである。ヘリウムは、より深く浸透させることができるため、厚いアルミニウムに使用されることもありますが、アルゴンの数倍のコストがかかります。
ガス流量は通常、アルゴンでは15～25 L/分、ヘリウムでは20～30 L/分である。重要なのは、溶接部に空気を引き込む乱流を発生 させることなく、溶接プールが冷えるまで安定した流 量を維持することである。
レーザー溶接アルミニウムの用途
レーザー溶接アルミニウムは、強度、軽量、端正な溶接部を必要とする多くの産業で使用されています。迅速で正確なプロセスにより、多くの部品に適しています。
自動車部品とEVバッテリー・エンクロージャー
自動車や電気自動車では、アルミニウムは軽量化とエネルギー利用の改善に役立っている。レーザー溶接 バッテリーエンクロージャーボディパネル、サスペンション部品、フレームサポートなど。溶接部は強度を保ち、歪みが少ない。
航空宇宙構造とパネル
航空宇宙部品は軽くて丈夫でなければならない。レーザー溶接は、機体パネル、内装フレーム、燃料システム部品に使用される。このプロセスは寸法を正確に保ち、溶接後の余分な作業を減らす。
エレクトロニクスと消費者製品
電子機器では、アルミニウムの筐体と ヒートシンク は、クリーンで正確な溶接が必要です。レーザー溶接は熱を制限するため、近くの部品は安全です。家電製品、スポーツ用品、工具などにも使用されている。
海洋・海洋構造物
海洋用途では、アルミニウムは海水による錆に強く、重量を低く抑えることができます。レーザー溶接は、船体、甲板金具、水中ハウジングに使用されます。溶接部は、荒海の条件下でも強度を保ちます。
結論
アルミニウムのレーザー溶接は、歪みを最小限に抑えながら、正確できれいで強い接合部を実現します。薄板、厚板、複雑な形状など、さまざまな産業で使用できます。熱、シールド、ビーム焦点を制御することで、メーカーは一貫した高品質の結果を得ることができ、手戻りを減らして生産をスピードアップすることができます。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
