ステンレス鋼へのレーザー溶接の適用 1

なぜステンレス鋼をレーザー溶接するのか？

レーザー溶接は、ステンレス鋼の接合において最も効果的な方法の一つであり、その高速性、高精度、熱影響が非常に小さいという特徴があります。これらの利点により、従来の溶接方法では達成が難しい高品質な結果を得ることが可能です。

変形が少なく、熱変色も最小限：ステンレス鋼は熱に敏感で、過剰な熱入力により反りや残留応力、あるいは見た目が悪くなる変色が生じることがあります。レーザー溶接では熱源が集中しているため、熱影響部（HAZ）が狭くなり、変形が大幅に軽減されます。また、熱プロファイルを制御することで熱変色も抑えられ、金属の耐食性が維持され、溶接後の清掃作業が不要になるか、大幅に削減されます。

高速性と自動化適性：レーザー溶接は高速で行うことができ、大量生産に最適です。このプロセスは自動生産ラインに容易に統合可能であり、ロボットシステムによりオペレーターの疲労を伴わず一貫した溶接が実現します。これにより品質を維持しながら生産性を向上させます。

優れた精度：レーザー光線は非常に小さなスポット径に集束できるため、正確な溶接位置決めが可能です。これは、薄いステンレス鋼板や複雑なデザイン、あるいは誤差許容範囲が非常に狭い部品を扱う場合に特に重要です。

片側からの溶接とアクセス性：従来の溶接方法とは異なり、レーザー溶接は継手の片側からのアクセスだけで済むことが多いです。これは複雑なアセンブリやアクセスが制限されたエリアにおいて特に有効です。

清浄なプロセス：レーザー溶接は非接触プロセスであり、スパッタ、煙、汚染が非常に少なくなります。これにより作業現場の安全性と清潔さが向上するだけでなく、溶接後の仕上げ作業の手間も軽減します。

ステンレス鋼のレーザー溶接は、高速性、高精度性、そして最小限の熱入力の特徴を持ち、強度が高く外観品質の良い溶接継手を実現します。また、再作業が少なくなり、自動化との親和性や片側からのアクセス性に優れているため、大量生産から特殊用途まで幅広く最適な選択肢であり、長期的な品質と効率の両面で利点を提供します。

ステンレス鋼の種類と溶接における意味合い

ステンレス鋼は、その結晶構造や合金組成に基づいていくつかのグループに分類されます。これらの違いは、溶接性や熱への反応、そして最終的な機械的性質に直接影響を与えます。レーザー溶接においては、クラックや歪み、耐食性の低下、あるいは組織の相バランスの崩れなどの欠陥を防ぐために、これらの特性を理解することが極めて重要です。

奥式体

構造と組成：面心立方（FCC）構造を持ち、通常16～26％のクロムと6～12％のニッケルを含みます。グレードには304、316、310が含まれます。

溶接性：優れた溶接性と延性を持ちますが、熱膨張が大きいため歪みが発生しやすくなります。また、熱伝導性が低いため、溶接条件が適切でないと局部的な過熱を引き起こすことがあります。

レーザー溶接時の考慮点：反りを最小限に抑えるため、熱入力を低く保ちます。遮蔽ガス混合（例：アルゴン・ヘリウム）を使用して溶け込みを改善し、酸化を軽減します。層間温度と冷却速度を管理して、粒界腐食を防ぎます。

用途：食品加工機械、化学タンク、建築用外装材などに使用されます。

フェライト

構造と組成：10.5～30％のクロムを含み、ニッケルをほとんどまたはまったく含まない体心立方（BCC）構造を持ちます。一般的なグレード：409、430。

溶接性：中程度の溶接性—熱影響部（HAZ）での結晶粒の粗大化や脆化が発生しやすくなります。熱膨張が小さいため、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて歪みは少ないです。

レーザー溶接時の考慮事項：粗大な結晶粒を避けるため、低熱入力と急速冷却を維持してください。厚肉部の靭性を向上させるために、溶接材が必要ない場合もありますが、使用する場合もあります。

用途：自動車の排気システム、産業用機器、装飾用トリム。

マルテンサイト

組織と組成：体心立方（BCC）／テトラゴナル構造で、クロム含有量11.5～18％、炭素含有量が高い。一般的なグレード：410、420、440C。

溶接性：硬度と脆さのため溶接が難しい。HAZ（溶接熱影響部）での冷間割れのリスクが高い。

レーザー溶接時の考慮事項：予熱を150 –300℃ 硬度勾配を低減するために行う。溶接後の焼戻し処理により靭性を回復できます。炭素含有量が少ない溶接材料を使用することで、割れ感受性を最小限に抑えることができます。

用途：タービンブレード、ナイフ、手術器具。

析出硬化型（PH）

組織と組成：マーテンサイト系または半オーステナイト系組織を持ち、時効硬化が可能な追加合金元素（例：銅、アルミニウム、ニオブ、チタン）を含む。例：17-4PH。

溶接性：良好な溶接性を示すが、機械的特性は熱処理に大きく依存する。

レーザー溶接の考慮事項：固溶処理状態で溶接を行い、その後、溶接後の時効処理により強度を回復させる。過剰な熱入力は避けて、過時効や変形を防ぐ必要がある。

用途：航空宇宙部品、高強度シャフト、石油化学機器。

二相性（ダブルックス）および超二相性（スーパー・ダブルックス）

構造および組成：オーステナイトとフェライトの相が約50／50の比率で構成され、クロム（19～32％）、モリブデンおよび窒素を多く含み、耐食性が向上している。一般的なグレード：2205、2507。

溶接性：良好な溶接性を持つが、フェーズのアンバランスに敏感である。過剰な熱によりフェライトやシグマ相が優位になり、耐食性や靭性が低下する可能性がある。

レーザー溶接の考慮事項：使用する際は 制御された中程度の熱入力を利用し、パス間温度を約150℃以下に維持する。 ℃シールドガスの純度が重要であり、窒素の損失を避ける必要がある。

用途：海上プラットフォーム、淡水化プラント、化学プロセス設備。

各オーステナイト系ステンレス鋼は、レーザー溶接の集中した熱に対して異なる反応を示します。オーステナイト系は溶接は容易ですが歪みやすく、フェライト系は安定していますが結晶粒粗大化のリスクがあります。マルテンサイト系は予熱と焼戻しを必要とし、析出硬化系（PH）は溶接後の時効処理を必要とします。また、二相系はフェーズの管理を厳密に行う必要があります。特定の鋼種に応じて適切なレーザー条件、溶接材料および溶接後の処理を選定することにより、強度と耐食性の両方を維持する溶接部を得ることができます。