新溶接技術レーザーアークハイブリッド溶接

レーザーアークハイブリッド溶接（HLAW）

1. 基本的な定義と原則

レーザー アーク ハイブリッド溶接は、高度な融着プロセスです。ここでは、レーザーとアークの 2 つの熱源が使用されます。それらは同じ溶融池領域で同時に作用します。これら2種類の熱源が相互に結合することで相乗効果を生み出します。最終的には、1 プラス 1 が 2 よりも大きいような、優れた溶接効果を実現できます。

熱源の特徴

1. レーザーは、10⁶ W/cm2 に達する非常に高いエネルギー密度で鍵穴を形成し、侵入深さが非常に大きいため、入熱が非常に小さく、速度が速いことを意味します。しかし、ギャップ耐性が非常に悪く、高反射材の溶接が難しく、溶接部が狭く、溶加材がないと肉抜けしやすいという欠点があります。

2. アーク（MIG/MAG/TIGなど）の熱が分散され、溶接ワイヤで満たされる特性があり、強いブリッジ能力を持っています。欠点は、シングルパス溶解深さが比較的浅く、熱影響部が比較的大きく、明らかな変形が発生し、効率が低いことです。

協調カップリング機構

1. レーザーは母材金属をイオン化し、アーク開始電圧を低下させ、アークの安定性を高め、アークを圧縮し、エネルギー密度を増加させます。

2. アークプラズマはレーザー反射を弱め、レーザーエネルギー吸収率を高めます。

3. アークは金属を充填する役割を果たし、アークは溶融池を広げる役割を果たし、アークはアセンブリのギャップを補償するために使用され、その結果、溶接が充填され、溶接がふっくらし、溶接が形成され、レーザーは深い溶け込みを担当します。

2. 主流プロセスの分類

1. レーザー-MIG/MAG 複合材料 (業界で最も一般的に使用されている)

ワイヤの送給および充填機能を備え、強力なギャップ適応能力を備えています。炭素鋼、高張力鋼、アルミ合金、中厚板に適しています。

・ロボット自動化、船舶の主要工程、土木機械、新エネルギーフレームに適応。

2. レーザー-TIG複合材料

– フィラーワイヤなし、安定したアーク、最小限のスパッタ、滑らかな溶接表面。

●薄板、ステンレス、精密部品、薄肉圧力容器などに適しています。

3. レーザーとプラズマアークの組み合わせ

– プラズマ アークは酸化膜を除去する強力な能力を備えており、マグネシウムやアルミニウムなどの高酸化材料に対して明らかな利点があります。

– 主にバッテリーケースや航空薄肉構造部品に使用されます。

3. 主な利点

1.ギャップ耐性が大幅に向上

純粋なレーザー溶接の場合、適切なギャップは 0.1 mm 以下です。ハイブリッド溶接は、0.5～1mmの組立誤差に対応し、治具コストの削減、打ち抜き加工精度にかかるコストの削減、大型部品への対応が可能な溶接方法です。

2. 大きな浸透力と2倍の効率

20mm以内の板は面取りなしで1パスで溶接できます。溶接速度は最大2～6m/分に達し、通常のガス溶接に比べ3～10倍の強度があります。厚板の場合、多層および多チャンネル関連のプロセスを削減できます。

3. 低入熱で変形が少ない

純粋な電気アークと比較して、熱影響部が 60% 減少し、残留応力が低くなり、高張力鋼やアルミニウム合金は硬化割れや反り変形を起こしにくくなります。

4. 適応範囲が広い材料

炭素鋼、高張力鋼、ステンレス鋼、アルミニウム・マグネシウム・銅合金および一部の異種金属を溶接できます。表面に存在する酸化スケールはアークプラズマによって洗浄できるため、溶接前の研磨の必要性が軽減されます。

5. 強力な欠陥抑制能力

大幅に減少したのはアルミニウム溶接の気孔率であり、溶接部の形成は完全な状態であり、レーザー溶接でよく見られるへこみや溶融不足などの欠陥はここでは発生しません。

4. 欠点と制限

1. 設備投資が高額である。レーザーのコストはすでに通常のガスシールド溶接のコストよりもはるかに高くなっています。複合特殊溶接ガンのコストも通常のガスシールド溶接に比べて非常に高価です。同期制御システムのコストも通常のガスシールド溶接に比べて非常に高価です。

2. この狭いプロセスウィンドウでは、レーザー出力、アーク電流、フィラメント間隔も正確に調整し、さらにデフォーカス量も正確に一致させる必要があります。ただし、これらのパラメータが適切に一致していないと、カップリング不良が発生しやすくなり、ハンプやスパッタが発生します。

3. 厚板の制限: 20mm を超える超厚板でも面取りと多層溶接が必要です。

4. 高度な保護要件のため、高出力レーザーには、レーザーの安全保護だけでなく、煙や粉塵の浄化、完全に密閉された保護室が装備されている必要があります。

5. 主要なプロセスパラメータ

1. レーザー出力: 主流の産業用光ファイバーは 2 ～ 20kW であり、出力によって浸透深さが決まります。

2. アーク電流/電圧: 溶解幅と充填量を制御します。

3. ワイヤ間隔と呼ばれるパラメータがあり、レーザスポットと溶接ワイヤ先端の間の距離が 1mm ～ 5mm の範囲内にあることを指し、この距離が安定した結合のための中心的なパラメータです。

4. デフォーカス量: -2~+2mm、マイナスのデフォーカスはより大きな貫通力を持ちます。

5. 溶接速度: 0.5 〜 6 メートル/分;

6. アルミニウム部品の場合、保護ガスは Ar と He の混合ガスです。鋼の場合、保護ガスは純粋な Ar または Ar と CO2 の混合物です。

7. 熱源配置：レーザーフロント（パイロットキーホール）はユニバーサル配置です。

6. 代表的な産業用途

1. 新エネルギー車の分野では、ボディには高張力鋼板、バッテリー用アルミトレイ、モーターハウジング、水冷板などの部品があります。

2. 船舶/海洋エンジニアリング: 船のプレート、デッキ、パイプライン、ブームの中厚鋼部品。

3. 鉄道輸送: 台車にはアルミニウム合金プロファイル、台車には高張力鋼。

4. エンジニアリング機械: 掘削機のアーム、クレーンのメインビーム、厚い鋼鉄製のボックス。

5. 航空宇宙: アルミニウム合金構造部品、薄壁コンテナ。

6. 圧力容器/パイプライン: 石油およびガス輸送パイプラインおよび貯蔵タンクの円周シーム溶接。

7. よくある溶接不良とその対策

1. 気孔率（主にアルミニウム合金）

その理由は、保護ガスが純粋な状態ではなく、ワークに油や水蒸気が含まれており、キーホールが不安定な状態にあるためです。対策としては、基材の洗浄、空気の流れの増加、光学フィラメントの間隔の最適化などが挙げられます。

2. ハンプ溶接ビード

理由: レーザーの出力が高すぎ、速度が速すぎ、熱入力のバランスが崩れています。対策：レーザー出力を下げ、アーク充填量を増やし、溶接速度を下げてください。

3. 融合していない

その理由は、光フィラメント間の距離が大きすぎて、レーザーとアークが同期していないためです。解決策は、光フィラメント間の距離を縮め、タイミングを同期的に制御することです。

4. ビッグスプラッシュ

その理由は、エネルギー結合が乱れ、ガス比にギャップがあるためです。解決策は、パルスレーザーとパルスアークに対して同じ操作を同時に実行し、混合ガスの割合を調整することです。

8. 主流の3つの溶接の比較

シート

プロセス組立ギャップ 1 パス溶け込み溶接速度 変形装置コスト

ピュアレーザー溶接＜0.1mm 大型、超高速、超小型

MIGガスシールド溶接 0~0.5mm 浅い 遅い 大きい 低い

レーザーアークコンポジット0.5~1mm、大型、高速、小型、高