レーザー溶接用シールドガス |

レーザー溶接は、主に薄肉材料や精密部品の溶接効率と品質の向上を目的としています。今回はレーザー溶接の利点については触れず、レーザー溶接におけるシールドガスの適切な使用方法に焦点を当てて解説します。

レーザー溶接にシールドガスを使用する理由とは？

レーザー溶接において、シールドガスは溶接形状、溶接品質、溶接深さ、および溶接幅に影響を与えます。ほとんどの場合、補助ガスを吹き込むことは溶接に良い影響を与えますが、悪影響を及ぼす場合もあります。

シールドガスを正しく吹き込むと、次のような効果が得られます。

✦溶融池を効果的に保護し、酸化を軽減または防止する

✦溶接工程で発生する飛沫を効果的に低減する

✦溶接部の気孔を効果的に低減する

✦溶融池が凝固時に均一に広がるようにすることで、溶接部の縁がきれいで滑らかになるようにします。

✦金属蒸気プルームやプラズマ雲によるレーザーへの遮蔽効果が効果的に低減され、レーザーの有効利用率が向上する。

限りシールドガスの種類、ガス流量、および吹き込みモードの選択適切な保護ガスを使用すれば、理想的な溶接効果が得られます。しかし、保護ガスを誤って使用すると、溶接に悪影響を及ぼす可能性があります。不適切な種類のシールドガスを使用すると、溶接部に亀裂が生じたり、溶接部の機械的特性が低下したりすることがあります。ガス流量が高すぎたり低すぎたりすると、溶接部の酸化が深刻化し、溶融池内の金属材料に外部からの干渉が深刻化して、溶接部の崩壊や形状の不均一につながる可能性があります。

シールドガスの種類

レーザー溶接で一般的に使用される保護ガスは、主に窒素（N2）、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）である。これらのガスは物理的・化学的性質が異なるため、溶接への影響も異なる。

窒素（N2）

N2のイオン化エネルギーは中程度で、Arより高く、Heより低い。レーザー照射下では、N2のイオン化度は安定しており、プラズマ雲の発生を抑制し、レーザーの有効利用率を高めることができる。窒素は、ある温度でアルミニウム合金や炭素鋼と反応して窒化物を生成する。これにより、溶接部の脆性が増加し、靭性が低下するため、溶接部の機械的特性に大きな悪影響を及ぼす。したがって、アルミニウム合金と炭素鋼の溶接には窒素の使用は推奨されない。

しかし、窒素によって生成される窒素とステンレス鋼との化学反応は溶接部の強度を向上させることができ、これは溶接部の機械的特性の向上に役立つため、ステンレス鋼の溶接では窒素をシールドガスとして使用することができます。

アルゴン（Ar）

アルゴンのイオン化エネルギーは比較的低く、レーザー照射下ではイオン化度が高くなります。そのため、シールドガスとしてアルゴンを使用すると、プラズマ雲の形成を効果的に制御できず、レーザー溶接の有効利用率が低下します。そこで疑問が生じます。アルゴンは溶接用シールドガスとして不向きなのでしょうか？答えはノーです。アルゴンは不活性ガスであるため、ほとんどの金属と反応しにくく、使用コストも安価です。さらに、アルゴンの密度が高いため、溶融池の表面に沈みやすく、溶融池をより効果的に保護できるため、アルゴンは従来の保護ガスとして使用できます。

ヘリウム（He）

アルゴンとは異なり、ヘリウムは比較的高いイオン化エネルギーを持ち、プラズマ雲の形成を容易に制御できます。同時に、ヘリウムはどの金属とも反応しません。レーザー溶接にはまさに最適な選択肢と言えるでしょう。唯一の問題は、ヘリウムが比較的高価であることです。金属製品を大量生産する製造業者にとって、ヘリウムは生産コストを大幅に増加させる要因となります。そのため、ヘリウムは一般的に科学研究や、非常に高い付加価値を持つ製品に使用されます。

シールドガスを吹き付ける方法は？

まず、溶接部のいわゆる「酸化」は、あくまで一般的な名称であり、理論的には溶接部と空気中の有害物質との化学反応によって溶接部が劣化する現象を指すことを明確にしておく必要がある。一般的に、溶接金属は一定の温度下で空気中の酸素、窒素、水素と反応する。

溶接部の「酸化」を防ぐには、高温下で有害な成分と溶接金属との接触を減らすか、あるいは避ける必要がある。これは溶融金属中だけでなく、溶接金属が溶融してから溶融金属が凝固し、温度が一定の温度まで冷却されるまでの全期間に当てはまる。

シールドガスを吹き込む主な方法は2つあります。

▶1つは、図1に示すように、側面軸にシールドガスを吹き付ける方法です。

▶もう一つは、図2に示すような同軸送風方式である。

図1。

図2。

2つの吹き込み方式の具体的な選択は、多くの側面を総合的に考慮した上で決定されます。一般的には、側面吹き込み式の保護ガス方式を採用することが推奨されます。

レーザー溶接の例

1. 直線ビード／ライン溶接

図3に示すように、製品の溶接形状は直線状であり、接合形態は突合せ継手、重ね継手、負角継手、または重ね溶接継手とすることができる。このタイプの製品には、図1に示すような側方吹き込み保護ガスを採用するのが望ましい。

2. 近接した図形または領域の溶接

図4に示すように、製品の溶接形状は、平面円周、平面多角形、平面多分割線形などの閉じた形状です。接合形態は、突合せ継手、重ね継手、重ね溶接などが可能です。このタイプの製品には、図2に示すような同軸保護ガス法を採用するのが最適です。

保護ガスの選択は溶接品質、効率、生産コストに直接影響しますが、溶接材料の多様性から、実際の溶接工程では溶接ガスの選択はより複雑になり、溶接材料、溶接方法、溶接位置、そして溶接効果の要求事項を総合的に考慮する必要があります。溶接試験を通して、より適切な溶接ガスを選択することで、より良い結果を得ることができます。