レーザー溶接における保護ガスの影響
適切な防護ガスを使用することで、どのようなメリットが得られるのでしょうか？
Iレーザー溶接において、保護ガスの選択は、溶接部の形成、品質、深さ、および幅に大きな影響を与える可能性がある。
ほとんどの場合、保護ガスの導入は溶接部に良い影響を与えるが、保護ガスの不適切な使用は溶接に悪影響を及ぼす可能性がある。
防護ガスの使用における適切な影響と不適切な影響は以下のとおりです。
適切な使用
不適切な使用
1. 溶融池の効果的な保護
適切な保護ガスを導入することで、溶融池を酸化から効果的に保護したり、酸化を完全に防ぐことも可能です。
1. 溶接部の劣化
保護ガスの導入が不適切だと、溶接部の品質が低下する可能性があります。
2. スパッタリングの低減
保護ガスを適切に導入することで、溶接工程中のスパッタを効果的に低減できる。
2. 亀裂および機械的特性の低下
ガスの種類を誤ると、溶接部の亀裂や機械的性能の低下につながる可能性があります。
3. 溶接部の均一な形成
適切な保護ガスの導入は、凝固中の溶融池の均一な広がりを促進し、均一で見た目にも美しい溶接継ぎ目をもたらします。
3. 酸化の増加または干渉
ガス流量の選択が適切でない場合、つまり流量が高すぎても低すぎても、溶接部の酸化が促進される可能性があります。また、溶融金属に深刻な乱れが生じ、溶接部の崩壊や不均一な形成につながることもあります。
4. レーザー利用の増加
保護ガスを適切に導入することで、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を効果的に低減でき、それによってレーザーの効率を高めることができる。
4. 不十分な保護または悪影響
ガス導入方法を誤ると、溶接部の保護が不十分になったり、溶接部の形成に悪影響を及ぼしたりする可能性がある。
5. 溶接部の気孔率の低減
保護ガスを適切に導入することで、溶接部におけるガス孔の発生を効果的に最小限に抑えることができます。適切なガス種、流量、導入方法を選択することで、理想的な結果が得られます。
5. 溶接深さへの影響
保護ガスを導入すると、溶接深さに一定の影響を与える可能性があり、特に薄板溶接では、溶接深さを減少させる傾向がある。
各種防護ガス
レーザー溶接で一般的に使用される保護ガスは、窒素（N2）、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）です。これらのガスはそれぞれ異なる物理的・化学的性質を持ち、溶接部に様々な影響を与えます。
1. 窒素（N2）
窒素（N2）は、アルゴン（Ar）より高くヘリウム（He）より低い、中程度のイオン化エネルギーを有しています。レーザー照射下では、適度にイオン化するため、プラズマ雲の発生を効果的に抑制し、レーザーの利用効率を高めます。しかしながら、窒素は特定の温度でアルミニウム合金や炭素鋼と化学反応を起こし、窒化物を形成することがあります。これにより、溶接部の脆性が増し、靭性が低下するため、機械的特性に悪影響を及ぼします。したがって、アルミニウム合金や炭素鋼の溶接において、窒素を保護ガスとして使用することは推奨されません。一方、窒素はステンレス鋼と反応して窒化物を形成し、溶接部の強度を高める効果があります。そのため、ステンレス鋼の溶接においては、窒素を保護ガスとして使用することができます。
2. アルゴンガス（Ar）
アルゴンガスは比較的イオン化エネルギーが低いため、レーザー照射下でイオン化度が高くなります。これはプラズマ雲の形成を制御する上で不利であり、レーザーの有効利用に一定の影響を与える可能性があります。しかしながら、アルゴンは反応性が非常に低く、一般的な金属と化学反応を起こす可能性は低いです。さらに、アルゴンはコスト効率に優れています。また、密度が高いため、溶融池の上部に沈み込み、溶融池をより効果的に保護します。したがって、アルゴンは従来のシールドガスとして使用できます。
3. ヘリウムガス（He）
ヘリウムガスはイオン化エネルギーが最も高く、レーザー照射下でのイオン化度が非常に低いという特徴があります。そのため、プラズマ雲の形成をより適切に制御でき、レーザーと金属との相互作用も容易です。さらに、ヘリウムは反応性が非常に低く、金属との化学反応を起こしにくいため、溶接シールドガスとして優れた特性を持っています。しかし、ヘリウムは高価であるため、一般的に大量生産には使用されません。主に科学研究や高付加価値製品の製造に用いられています。
防護ガスを使用する2つの方法
現在、シールドガスを導入する方法としては、主にオフアクシスサイドブローイングとコアクシスシールドガスの2種類があり、それぞれ図1と図2に示されています。
図1：オフアクシス側方吹き込みシールドガス
図2：同軸シールドガス
2つの送風方法のどちらを選択するかは、様々な考慮事項によって決まります。
一般的に、シールドガスにはオフアクシスサイドブローイング方式を用いることが推奨される。
適切な防護ガスの選び方
まず、溶接部の「酸化」という用語は口語表現であることを明確にしておくことが重要です。理論的には、溶接金属と空気中の酸素、窒素、水素などの有害成分との化学反応によって溶接部の品質が劣化することを指します。
溶接部の酸化を防ぐには、これらの有害物質と高温の溶接金属との接触を減らすか、あるいは避けることが重要です。この高温状態とは、溶融した溶接プール金属だけでなく、溶接金属が溶融してからプールが凝固し、温度が一定の閾値以下に低下するまでの全期間を指します。
溶接プロセス
例えば、チタン合金の溶接では、温度が300℃を超えると水素の急速な吸収が起こり、450℃を超えると酸素の急速な吸収が起こり、600℃を超えると窒素の急速な吸収が起こる。
したがって、チタン合金溶接部が凝固し、温度が300℃以下に低下する段階では、酸化を防ぐために効果的な保護が必要となる。以上の説明から明らかなように、吹き込まれるシールドガスは、適切なタイミングで溶融池を保護するだけでなく、溶接部の凝固直後の領域も保護する必要がある。そのため、図1に示すようなオフアクシスサイドブローイング法は、図2に示すような同軸シールド法に比べて、特に溶接部の凝固直後の領域において、より広い範囲を保護できるため、一般的に好まれる。
しかし、特定の製品については、製品の構造や接合部の構成に基づいて方法を選択する必要があります。
防護ガス導入方法の具体的な選択
1. 直線溶接
図3に示すように製品の溶接形状が直線であり、接合部の構成に突合せ継手、重ね継手、すみ肉溶接、または積層溶接が含まれる場合、この種の製品には図1に示すオフアクシスサイドブローイング法が好ましい方法です。
図3：直線溶接
2. 平面閉形状溶接
図4に示すように、このタイプの製品の溶接部は、円形、多角形、または複数のセグメントからなる線状など、閉じた平面形状をしています。接合部の形状としては、突合せ継手、重ね継手、または積層溶接が考えられます。このタイプの製品には、図2に示す同軸シールドガスを使用する方法が好ましいです。
図4：平面閉形状溶接
平面閉形状溶接におけるシールドガスの選択は、溶接の品質、効率、およびコストに直接影響します。しかし、溶接材料の多様性から、実際の溶接工程における溶接ガスの選択は複雑です。溶接材料、溶接方法、溶接姿勢、および望ましい溶接結果など、あらゆる要素を総合的に考慮する必要があります。最適な溶接結果を得るためには、溶接試験を通して最適な溶接ガスを選択することが重要です。
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よくある質問
- レーザー溶接において、シールドガスは溶接部を大気汚染から保護するために不可欠な要素です。このタイプの溶接で使用される高強度レーザービームは大量の熱を発生させ、溶融金属のプールを形成します。
レーザー溶接機の溶接工程では、溶融池を保護するために不活性ガスがよく使用されます。溶接する材料によっては、表面酸化を考慮しない場合もあります。しかし、ほとんどの用途では、ヘリウム、アルゴン、窒素などのガスが保護ガスとしてよく使用されます。以下では、レーザー溶接機が溶接時にシールドガスを必要とする理由を見ていきましょう。
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、および溶融幅に影響を与えます。ほとんどの場合、シールドガスを吹き込むことは溶接に良い影響を与えます。
- アルゴン・ヘリウム混合ガスアルゴン・ヘリウム混合ガス：レーザー出力レベルにもよりますが、ほとんどのアルミニウムレーザー溶接用途に一般的に推奨されます。アルゴン・酸素混合ガス：高い効率と許容範囲内の溶接品質を提供できます。
- ガスレーザーの設計および応用において使用されるガスは、二酸化炭素（CO2）、ヘリウムネオン（HおよびNe）、窒素（N）である。
携帯型レーザー溶接についてご質問はありますか？
投稿日時：2023年5月19日