レーザービーム溶接

レーザービーム溶接( LBW ) は、レーザーを使用して金属片または熱可塑性プラスチックを接合する溶接技術です。ビームは集中した熱源を提供し、狭く深い溶接と高い溶接速度を可能にします。このプロセスは、自動車業界や航空業界など、自動化を使用して大量かつ高精度が求められるアプリケーションで頻繁に使用されます。これは、キーホールまたは貫通モード溶接に基づいています。

電子ビーム溶接(EBW)と同様に、レーザービーム溶接は電力密度が高く (1 MW/cm ²程度)、熱影響部が小さく、加熱および冷却速度が速くなります。レーザーのスポットサイズは 0.2 mm から 13 mm まで変化しますが、溶接にはより小さいサイズのみが使用されます。浸透の深さは供給される電力の量に比例しますが、焦点の位置にも依存します。焦点がワークピースの表面よりわずかに下にあるときに浸透が最大になります。

用途に応じて、連続レーザー ビームまたはパルス レーザー ビームを使用できます。カミソリの刃などの薄い材料を溶接するにはミリ秒単位のパルスを使用し、深い溶接には連続レーザー システムを使用します。

LBW は、炭素鋼、HSLA 鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンを溶接できる多目的プロセスです。冷却速度が速いため、高炭素鋼を溶接する場合、割れが懸念されます。溶接品質は高く、電子ビーム溶接に似ています。溶接速度は供給される電力量に比例しますが、ワークピースの種類と厚さにも依存します。ガスレーザーは高出力であるため、大量生産に特に適しています。LBW は特に自動車業界で主流です。^{[1] [2]}

EBW と比較した LBW の利点は次のとおりです。

• レーザービームは真空を必要とせず空気中を透過することができる
• このプロセスはロボット機械で簡単に自動化できる
• X線は発生しない
• LBWはより高品質の溶接をもたらす^{[3] [4]}

LBWの派生であるレーザーハイブリッド溶接は、LBWのレーザーとガスメタルアーク溶接（GMAW）などのアーク溶接法を組み合わせたものです。この組み合わせにより、GMAWが溶融金属を供給して接合部を埋めるため、位置決めの柔軟性が向上し、レーザーを使用することで、通常のGMAWよりも溶接速度が速くなります。アンダーカットの可能性が減るため、溶接品質も高くなる傾向があります。^[5]

レーザービーム溶接は手作業で行うこともできますが、ほとんどのシステムは自動化されており、コンピュータ支援設計に基づいたコンピュータ支援製造システムを使用しています。^{[6] [7] [8]}レーザー溶接はフライス加工と組み合わせて完成部品を形成することもできます。^[9]

2016年、これまでフィラメント溶融接合法に取り組んできたRepRapプロジェクトは、オープンソースのレーザー溶接システムの開発へと拡大しました。^[10]このようなシステムは完全に特性評価されており、従来の製造コストを削減しながら幅広い用途に使用できます。

• 一般的に使用されるレーザーには、固体レーザー（特にルビーレーザーとNd:YAGレーザー）とガスレーザーの 2 種類があります。
• 最初のタイプでは、合成ルビー (酸化アルミニウム中のクロム)、ガラス中のネオジム(Nd:ガラス)、そして最も一般的なタイプであるイットリウムアルミニウムガーネット中のネオジム(Nd:YAG) など、いくつかの固体媒体のいずれかを使用します。
• ガスレーザーは、ヘリウム、窒素、二酸化炭素（CO ₂レーザー）などのガスの混合物を媒体として使用します。
• ただし、種類に関係なく、媒体が励起されると光子が放出され、レーザービームが形成されます。

固体レーザーは、溶接に使用されるガスレーザーよりもはるかに短い約 1 マイクロメートルの波長で動作するため、作業者は網膜損傷を防ぐために特殊な眼鏡をかけたり、特殊なスクリーンを使用したりする必要があります。Nd:YAG レーザーはパルス モードと連続モードの両方で動作できますが、他のタイプはパルス モードに限定されています。元々の、そして今でも人気のある固体設計は、直径約 20 mm、長さ 200 mm の棒状の単一結晶で、両端は平らに研磨されています。この棒は、キセノンまたはクリプトンを含むフラッシュ チューブに囲まれています。フラッシュすると、約 2 ミリ秒持続する光のパルスがレーザーから放射されます。ディスク形状の結晶は業界で人気が高まっており、フラッシュランプは効率が高いためダイオードに取って代わられつつあります。ルビーレーザーの一般的な出力は 10～20 W ですが、Nd:YAG レーザーの出力は 0.04～6,000 W です。レーザービームを溶接領域に届けるには、通常、光ファイバーが使用されます。

ガスレーザーは、高電圧、低電流の電源を使用して、レーザー媒体として使用されるガス混合物を励起するために必要なエネルギーを供給します。これらのレーザーは連続モードとパルスモードの両方で動作でき、CO ₂ガスレーザービームの波長は 10.6 μm、つまり深赤外線、つまり「熱」です。光ファイバーケーブルはこの波長を吸収して破壊されるため、剛性レンズとミラーの伝送システムが使用されます。ガスレーザーの出力は固体レーザーよりもはるかに高く、25  kWに達します。^[11]

ファイバーレーザーでは、主な媒体は光ファイバーそのものです。最大 50 kW の電力を供給でき、ロボットによる産業溶接での使用が増えています。

現代のレーザービーム溶接機は、2 つのタイプに分類できます。従来のタイプでは、レーザー出力が継ぎ目に沿って移動します。これは通常、ロボットによって実現されます。多くの現代のアプリケーションでは、リモート レーザービーム溶接が使用されます。この方法では、レーザースキャナーの助けを借りてレーザービームが継ぎ目に沿って移動するため、ロボット アームが継ぎ目をたどる必要がなくなります。リモート レーザー溶接の利点は、溶接プロセスの速度が速く、精度が高いことです。

パルスレーザー溶接は、連続波（CW）レーザー溶接に比べて利点があります。これらの利点のいくつかは、気孔率の低さとスパッタの少なさです。^[12]パルスレーザー溶接には、アルミニウム合金に高温割れを引き起こすなどの欠点もあります。^[2]パルスレーザー溶接プロセスの熱分析は、溶融深さ、冷却速度、残留応力などの溶接パラメータの予測に役立ちます。 パルスレーザープロセスは複雑なため、開発サイクルを含む手順を採用する必要があります。 このサイクルには、数学モデルの構築、有限要素法（FEM）や有限差分法（FDM）などの数値モデリング手法、または単純化された仮定を使用した解析モデルを使用した熱サイクルの計算、実験測定によるモデルの検証が含まれます。

公開されているモデルのいくつかを組み合わせた方法論には以下が含まれる: ^{[13] [14] [15]}

1. 電力吸収効率を決定します。
2. 温度とクラウジウス-クラペイロンの式に基づいて反動圧力を計算します。
3. 流体体積法(VOF)を使用して流体の流速を計算します。
4. 温度分布を計算します。
5. 時間を増やして手順 1 ～ 4 を繰り返します。
6. 結果の検証

放射エネルギーのすべてが吸収され、溶接のための熱に変換されるわけではありません。放射エネルギーの一部は、ガスを蒸発させてイオン化することで生成されるプラズマに吸収されます。さらに、吸収率はビームの波長、溶接される材料の表面組成、入射角、材料の温度によって影響を受けます。^[12]

ローゼンタールの点光源仮定では、温度の不連続性が無限に高くなるため、代わりにガウス分布を仮定することで対処します。放射エネルギーもビーム内で均一に分布しているわけではありません。デバイスによってはガウス分布のエネルギーを生成するものもあれば、双峰性のものもあります。^[12] ガウス分布は、次のような関数を電力密度に掛けることで適用できます。^[14]ここで、rはビームの中心からの半径距離、=ビーム半径またはスポットサイズです。 ${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$${\displaystyle a_{o}}$

点光源仮定の代わりに温度分布を使用すると、吸収率などの温度に依存する材料特性の計算が容易になります。照射された表面では、キーホールが形成されるとフレネル反射（キーホールキャビティ内での多重反射によるビームエネルギーのほぼ完全な吸収）が発生し、次のようにモデル化できます。ここで、εは誘電率、電気伝導率、およびレーザー周波数の関数です。θは入射角です。^[13] 吸収効率を理解することは、熱効果を計算する鍵となります。 ${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$

レーザーは、伝導モードとキーホールモードの2つのモードのいずれかで溶接できます。どちらのモードが動作しているかは、電力密度が蒸発を引き起こすのに十分高いかどうかによって決まります。^[12] 伝導モードは蒸発点より下で発生し、キーホールモードは蒸発点より上で発生します。キーホールはエアポケットに似ています。エアポケットは流動状態にあります。蒸発した金属の反動圧などの力によってキーホールが開きます^[13]一方、重力（別名静水力）と金属の表面張力によってキーホールが収縮する傾向があります。^[15]さらに高い電力密度では、蒸気がイオン化されてプラズマが形成されます。

反跳圧力はクラウジウス-クラペイロンの式を用いて決定される。^[14]ここで、P は平衡蒸気圧、T は液体表面温度、H _LVは蒸発潜熱、T _LVは液体-蒸気界面の平衡温度である。蒸気の流れが音速に制限されるという仮定を用いると、^[8]となり、ここで Po は大気圧、Pr は反跳圧力である。 ${\displaystyle {dP \over dT}={d\Delta H_{LV} \over dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \over T_{LV}V_{LV}}}$${\displaystyle P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})}$

これはキーホールプロファイルに関係する。流体の流速は^{[13]によって決定される。}

${\displaystyle \bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0}$

${\displaystyle {\partial {\overrightarrow {v}} \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \over \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T}$

${\displaystyle {\partial F \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0}$

ここで、は速度ベクトル、P = 圧力、ρ = 質量密度、= 粘度、β = 熱膨張係数、g = 重力、F はシミュレーション グリッド セル内の流体の体積分率です。 ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$${\displaystyle v}$

レーザー照射面の境界温度を決定するには、次のような式を適用します。, ^[15]ここで、kn = レーザーが照射される表面の法線方向の熱伝導率、h = 空気の対流熱伝達係数、σ は放射のシュテファン・ボルツマン定数、ε は溶接される材料の放射率、q はレーザービームの熱流束です。 ${\displaystyle k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0}$

1 つの移動する熱サイクルを伴う CW (連続波) レーザー溶接とは異なり、パルスレーザーでは同じ場所に繰り返し照射されるため、複数の重なり合う熱サイクルが作成されます。^[15] これに対処する方法は、ビームがオンのときに熱流束を 1 倍し、ビームがオフのときに熱流束を 0 倍にするステップ関数を追加することです。^[14]これを実現する1 つの方法^[15]は、次のように q を修正するクロネッカー デルタを使用することです。ここで、δ = クロネッカー デルタ、qe = 実験的に決定された熱流束。この方法の問題点は、パルス持続時間の影響を確認できないことです。これを解決する 1 つの方法^[14]は、次のような時間依存関数の修飾子を使用することです。 ${\displaystyle q=\delta *qe}$

${\displaystyle f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}}$

ここで、v = パルス周波数、n = 0、1、2、...、v-1)、τ = パルス持続時間です。

次に、この境界条件を適用し、 フーリエの第 2 法則を解いて内部温度分布を取得します。内部で熱が発生しないと仮定すると、解は となり、ここで k = 熱伝導率、ρ = 密度、Cp = 比熱容量、= 流体速度ベクトルです。 ${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$

増分は、前の手順で提示された支配方程式を離散化し、次の時間と長さの手順を適用することによって行われます。

結果は、特定の実験観察または一般的な実験からの傾向によって検証できます。これらの実験では、溶融深さの金属組織学的検証が行われています。^[9]

パルスレーザーの物理は非常に複雑なため、計算を高速化したり、材料特性の不足を補うために、いくつかの単純化された仮定を行う必要があります。計算時間を最小限に抑えるため、比熱などの材料特性の温度依存性は無視されます。

液体と金属の界面から蒸気が放出される際の質量損失による熱損失量を考慮しないと、液体の温度を過大評価する可能性があります。^[14]

• レーザー金属堆積

• Cary, Howard B. および Scott C. Helzer (2005)。 『現代の溶接技術』。ニュージャージー州アッパーサドルリバー: Pearson Education。ISBN 0-13-113029-3。 
• Weman, Klas (2003). 溶接プロセスハンドブック. ニューヨーク: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 . 
• Kalpakjian, Serope および Schmid,Steven R. ( 2006)。製造エンジニアリングおよびテクノロジー第 5 版。アッパー サドル リバー、ニュージャージー: Pearson Education。ISBN 0-13-148965-8 

• デュアルビームレーザー溶接; 2002年溶接ジャーナルの研究記事
• デュアルビームレーザー溶接における溶接形態と熱モデリング、2002 年 Welding Journal の研究記事
• インダストリアルレーザーソリューションマガジンのレーザー溶接に関する記事