レーザー溶接の仕組みと制御技術 原理と特徴

現代の配送手段の開発傾向と特徴は、高速動作と軽量構造です。その結果、その主要構造の製造には、軽量、モノリシック、高信頼性、長寿命、低コストのグリーンマニュファクチャリングなど、より高い要件が求められています。このため、高強度かつ軽量のチタン合金やアルミニウム合金などの代表的な構造材料を、高エネルギー密度のビーム電流を溶接熱源として高エネルギービーム溶接で構造物全体を製造する、高度な製造技術の成果の一つです。この開発のニーズに応えます。多くの利点を備えた高エネルギービーム溶接製造は、新技術、特に溶接製造の主要な構造における新しい軽量合金の革新的な変化を伴う材料加工および高度な製造技術として知られており、企業を代表して幅広い応用の見通しを持っています。大きくて複雑なチタン合金、アルミニウム合金。
強化壁プレートまたはレーザーのキャビティ構造を高速かつ効率的に溶接製造します。レーザーは、原子の励起放射の原理に基づいた高強度のコヒーレント光であり、作動物質を励起することによって高強度の光を生成します。通常の光と同様にすべての光学法則に従うことに加えて、レーザーは、良好な指向性、高輝度、良好な単色性など、他の光源にはない多くの特性を備えています。レーザーの指向性が良く、高輝度であるため、時空間的にエネルギーが高濃度に集中し、長距離伝送が可能であり、高エネルギーまたは高強度であるため、材料加工（溶接を含む）の分野ではレーザーと見なすことができます。理想的な熱源。新しいエネルギーとしてのレーザーの応用は、材料加工の応用分野を大きく広げます。レーザー溶接はレーザー応用の重要な側面の 1 つです。
レーザー溶接は、高エネルギー密度（10^6～10^12W/cm）のレーザー光を熱源として集光し、ワークの溶融を加熱する特殊な溶融溶接法です。これは、レーザーが材料に吸収され、溶接に必要な熱エネルギーに変換されることを前提とした光熱効果に基づく溶融溶接です。通常、材料表面におけるレーザー光の強度の違いにより、表面温度の上昇、溶融、蒸発、小さな穴の形成、フォトプラズマの発生などのさまざまな物理現象が引き起こされます。これらの物理現象が溶接の状態を決定します。プロセスの熱作用メカニズムにより、レーザー溶接には熱伝導溶接と深溶融溶接の2種類の溶接モードが存在します。 2 つのモード間の遷移は、主に材料に作用するレーザー スポットのパワー密度に依存します。
特定の材料には、特定の電力密度のしきい値があります (ほとんどの鋼の場合、0.5x10^6 ～ 10^7 W/cm)。材料に適用されるレーザー出力密度がこのしきい値を下回ると、レーザーエネルギーは材料の表面に吸収され、すぐに材料の内部に伝達され、比較的大きな幅と深さの熱伝導性溶接が形成されます。材料に適用されるレーザー出力密度がしきい値より高い場合、ワークピースの表面が内部の材料に熱を伝えるのが遅すぎ、レーザーエネルギーにより材料表面が急速に加熱され、溶融、蒸発します。そして、レーザーエネルギーを供給し続けると、貫通厚さ方向に小さな穴が形成されます。穴は液体金属の溶融プールで囲まれており、穴は高温の金属蒸気とプラズマで満たされています。高温の金属蒸気やプラズマの膨張力が、穴周囲の液体金属の重力や表面張力と連動して作用し、穴の安定した存在を維持します。小さな穴が溶接方向に沿って移動し、後方溶融池が急速に冷却凝固し、深さと幅が比較的大きい深い溶融溶接部が形成されます。したがって、レーザー溶接モードは、熱作用メカニズムを決定するレーザー出力密度と溶接線エネルギーに関係します。
レーザー出力密度が 10^6 W/cm 未満の場合、レーザー加熱は金属表面に限定され、ほとんどの金属の溶融閾値に達する可能性がありますが、蒸発は起こりません。今回はレーザーの連続動作で金属が (十分な)線エネルギー）、溶接を形成するための熱伝導溶接モード、溶接形成メカニズム、および従来の溶融溶接。レーザー熱伝導溶接は、一般的に電子部品の封止溶接や極薄材料の溶接に使用されます。レーザー出力密度が 10^6W/cm より高い場合、レーザーは金属を瞬時に溶融および蒸発させます。ラインエネルギーが十分であれば、金属蒸気の力によって溶融金属に小さな穴が生成され、溶接プロセスによって溶接が形成されます。小さな穴の影響を伴うディープメルト溶接モードで。ディープメルト溶接穴は溶融金属で囲まれ、高温の金属蒸気とプラズマで満たされており、金属蒸気の力と液体金属の重力と表面張力のバランスによって溶接プロセス穴がレーザーの小さな穴と材料の熱結合を維持します。レーザーディープメルト溶接機構の熱作用モードの熱作用は、主に溶接の1mmを超える程度の構造で使用されます。
従来のアーク溶接法と比較して、レーザー溶接技術は独自の利点を備えた高度な溶接技術です。
レーザー溶接技術は過去数十年で急速に発展し、パルス波溶接から連続波高出力厚板溶接、マルチステーション溶接へと徐々に進化し、航空、航空宇宙、自動車、高速溶接などで広く使用されています。鉄道やその他の分野。軍用機の製造においては、アルミニウム合金とチタン合金のレーザー溶接の適用が大幅に増加しており、最新鋭戦闘機の構造重量のそれぞれ 60% 以上と 20% 以上を占めています。レーザー溶接技術は、従来のリベット留め方法に取って代わり、大幅な重量削減、コスト削減、材料利用率の向上を実現します。たとえば、レーザー溶接によるエアバス A380 の胴体壁プレートは、重量を 15% 削減し、コストを 15% 削減できます。
中国では、航空機や海軍の用途において、強化壁プレートの大規模な構造溶接がますます一般的になりつつあります。機械加工やリベット留めの方法と比較して、レーザー溶接は材料を節約するだけでなく、部品の軽量化と製造性の向上、加工サイクルの短縮、生産コストの削減にもつながります。しかし、レーザー溶接プロセスは複雑であり、特にアルミニウム合金やチタン合金の場合、高反射率、高熱伝導率、表面張力などの特性により、急速な加熱、冷却、材料の相変化を伴うため、溶接品質管理などの技術的課題が生じます。安定性、溶接プロセスの安定性、欠陥管理が未熟、構造形状が規格を満たしていないなどの問題が顕著です。これらの問題の根本的な原因は、チタン合金やアルミニウム合金の溶接性や機械的性質に関する基礎研究が不足しており、その結果、継手の疲労寿命、応力や変形の制御などに問題が生じます。軽量化に対する高い信頼性の要求を満たすことが困難です。合金成分が多く、国際水準との差が大きい。