ステンレス鋼へのレーザー溶接の適用 2

ステンレス鋼へのレーザー溶接の応用

レーザー溶接の基礎

ステンレス鋼で強度が高く均一な溶接を行うためには、レーザー溶接の基礎を理解することが不可欠です。このプロセスでは、溶接深さ、溶接幅、熱影響部の大きさを決定する精密に管理されたパラメーターが用いられます。以下に、レーザーがステンレス鋼とどのように相互作用するか、および異なる設定が結果に与える影響について説明します。

伝導モードVS.キーホールモード

伝導モード：レーザーのエネルギーによって金属表面が溶融し、主に熱伝導によって材料内部へと熱が伝わる溶接方法です。蒸発は最小限に抑えられ、浅く広い溶接が得られるため、薄板や低熱入力、外観品質が求められる溶接に最適です。

キーホールモード：高出力密度により、レーザービームの焦点点で金属が蒸発し、小さな空洞（キーホール）が形成されます。レーザーが深くまで到達できるため、狭く深く、厚板の溶接に適しています。このモードは最大の溶接深さを実現しますが、気孔や不安定さを防ぐために精密な制御が必要です。

連続波 (CW) 対 パルス波

連続波 (CW)：安定した途切れることのない出力を提供します。速度と十分な溶け込みを必要とする長く連続した溶接に最適で、自動生産ラインで一般的に使用されます。

パルス波：制御された間欠的なエネルギーを供給します。熱に敏感な部品や微細な作業、スポット溶接に適しています。パルス溶接は歪みや熱変色を抑えるため、精密なアセンブリや薄いステンレス鋼部品に適しています。

ビーム品質、スポット径、単位長さあたりのエネルギー

ビーム品質：ビーム品質（M²値で測定）が高いほど、ビームはより小さく絞られ、低出力でも微細な溶接や深く十分な溶け込みが可能になります。

スポット径：小さなスポット径はエネルギー密度を高め、溶け込み性を向上させます。一方で、大きなスポット径は熱を広く分散させるため、薄い素材における焼穿（やけぬけ）のリスクを軽減します。

単位長さあたりのエネルギー：レーザ出力と走査速度のバランスが投入される総エネルギーを決定します。エネルギーが多すぎると歪みや過剰な熱影響部（HAZ）が生じ、少なすぎると溶融が不十分になったり融合が弱くなってしまいます。

ワブルおよびスキャニング光学系

ワブル溶接：継手に沿って移動する際にレーザビームを微小なパターンで振動させます。隙間の補償性が向上し、アラインメントの誤差に対する感度が低下し、より広く、許容範囲の大きい溶接ビードを形成できます。

スキャニング光学系：ミラーやガルバノメーターを使用してワーク上を高速でレーザビームを移動させます。パターンの迅速な変更、複数のスポット溶接、自動化設備との統合が可能です。大量生産や複雑な形状の用途において特に有効です。

レーザー溶接の性能は、ビームと材料との相互作用の制御方法に依存します。伝導モードは微細で浅い溶接に適しており、一方でキーホールモードは深溶け込みを可能にします。連続波（CW）は速度と一貫性を提供するのに対し、パルスモードは繊細な部品における熱を制御します。ビーム品質とスポット径はエネルギー密度を決定し、継手に与える単位長さあたりのエネルギーを適切に設定することは、歪みを生じさせることなく十分な強度を得るために不可欠です。ワブル溶接やスキャニング光学系などの高度な技術により、柔軟性が拡大され、レーザー溶接はステンレス鋼の製品加工において、さまざまな業界で多用途に活用できるツールとなっています。

継手形状および組立精度のルール

レーザー溶接において、継手の設計および取付精度は、溶接品質、溶け込み、外観に直接影響を与えます。狭いビームと小さな溶融池を持つため、アーク溶接の一部の工程とは異なり、大きな隙間やずれに対して許容範囲が小さいです。適切な継手形式の選定、エッジの正確な加工、取付精度を確保することが、強度が高く欠陥のないステンレス鋼溶接を行う上で不可欠です。

バットジョイント

説明：同一平面上に2つの部材を揃え、エッジに沿って接合します。

レーザー溶接における考慮点：薄板の場合、隙間が最小またはゼロ（<0.1mm）のときに最適に動作します。未溶着を防ぐため、エッジの準備を正確に行う必要があります。厚板には一般的にキーホールド方式が用いられます。

応用分野：シート金属パネル、圧力容器、管材。

重ね継手

説明：一方の部材が他方の上に重なっており、レーザーが上層から下層に貫通します。

レーザー溶接の考慮事項：異種板厚の接合に有効です。オーバーラップは一貫性を持たせ、不純物が挟まり防止するため表面は清浄である必要があります。わずかなデフォーカスにより溶け込みの一貫性を向上させることができます。

応用分野：自動車のボディパネル、ハウジング、薄肉構造物のアセンブリ。

フィレット継手

説明：通常90°で角度をなす部品同士を接合し、コーナー部分に溶接金属を供給して形成されます。

レーザー溶接の考慮事項：自動化に最適ですが、継手の正確なアラインメントが必要です。エッジの丸み加工により狭いコーナー部へのビームアクセスを改善できます。ワブル溶接は継手を均一に充填するのに役立ちます。

応用分野：フレーム、ブラケット、ボックス構造。

エッジとコーナー

説明：コーナー継手およびエッジ溶接を含み、ビームが境界部分で材料を融合させます。

レーザー溶接の考慮事項：アラインメント誤差に特に敏感です。熱入力が少ないため歪みを最小限に抑えられますが、形状を維持するためには慎重なクランプが必要です。目立たない溶接継手が得られるため、装飾用ステンレス鋼部品に頻繁に使用されます。

面取りと開先加工

説明：溶接深さを深めたり、フィラー材を収容するために、エッジを傾斜または加工したものです。

レーザー溶接の考慮事項：1パスで十分な溶接深さが必要な厚肉のステンレス鋼に一般的です。面取り角度およびルートフェースは一貫性を持たせる必要があります。過度なビベルは継手効率を低下させる可能性があります。

タック溶接

説明：最終的な溶接の前に部品の位置を固定するための一時的な小さな溶接です。

レーザー溶接の考慮事項：溶接中の部品の移動を防止し、隙間の変動を最小限に抑えます。レーザータック溶接は高速で歪みが少なく、自動化が容易です。タック間隔は材料の板厚および継手の剛性に合わせる必要があります。

レーザー溶接は、小さな溶融池を形成するため、継手のずれや隙間に許容範囲がほとんどなく、高精度な部品の適合と継手の準備が求められます。対接継手ではほぼ完璧なエッジ同士の接触が必要であり、重ね継手では清浄な重なり面が必要です。また、すみ肉継手では正確なコーナー部へのアクセスが重要です。エッジ、コーナー、および面取りは完全な溶け込みのために一貫性が求められ、仮溶接により高速溶接中でも部品がずれないようにします。このような継手指針と適合ルールに従うことで、ステンレス鋼の溶接は強度、精度、外観において高品質なものになります。