異種金属材料のレーザーパルス成形

このタイプの溶接が必要な場合（電子機器、医療機器、消費者製品、自動車、航空宇宙用途）、ファイバーレーザー溶接は優れたプロセスです。 設計の柔軟性を提供しながら、製造コストを削減します。

理論的には、レーザーは従来のプロセスで接合できるあらゆる材料を溶接できます。ただし、融点や沸点、熱伝導率、密度、膨張係数などの物理的および化学的特性の違いにより、異種材料を溶接するときに問題が発生し、接合部が不適格になる可能性があります。
表1に、金属の溶接性を示します。異種金属を溶接する場合、溶接性能には良好な固溶性が不可欠です。これは、互換性のある溶融温度範囲を持つ金属でのみ達成できます。ある材料の溶融温度が別の材料の気化温度に近い場合、溶接性が低下します。これは、多くの場合、脆い金属間化合物構造の形成を意味します。



これまで、ほとんどの異なる溶接プロジェクトは、パルスランプNd：YAGレーザーを使用して実行されていました。デューティサイクルが十分に低い場合、ランプ励起レーザーは長い数ミリ秒のパルスを生成する可能性があり、ピークパワーはレーザーの定格平均パワーの何倍にもなります。高ピークパワーパルスランプ励起Nd：YAGレーザーは、パルス整形機能と相まって、これらのレーザーをさまざまな材料の溶接に理想的なものにします。溶接が深すぎる場合は、接合部の形状と材料特性に応じて開始力と終了力を調整することで回避できます。




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Prima Power Laserdyneでは、溶接の専門家が一連のパルス形状を開発して、溶接の亀裂や多孔性を低減することで溶接品質を向上させています。彼らの焦点は、溶接欠陥（亀裂、多孔性、またはその両方など）が発生しやすい製品アプリケーションで異種材料の溶接ソリューションを提供することです。最も一般的に影響を受ける業界には、自動車、医療、電子機器、航空宇宙などがあります。新しいLASERDYNE811システムとS94Pコントローラーを使用して、さまざまなパルス形状を生成します。このシステムには、パルス整形用に特別に設計された一連のハードウェアおよびソフトウェア機能が含まれています。ハードウェアに関しては、LASERDYNEは連続波（CW）および準連続波（QCW）ファイバーレーザーを備えています。






以下は、異種材料のレーザー溶接中の溶接品質を改善するためにパルス成形を使用する2つの例です。



ねずみ鋳鉄は自動車産業で広く使用されています。この材料の主な欠点は、鋳鉄上の異種材料の溶接性が、グラファイトによって引き起こされる亀裂と多孔性、および鋳造プロセスにおける延性の欠如によって影響を受けることです。最初の例では、自動車部品の一部で、304ステンレス鋼を部分的にオーバーラップする溶接構成でねずみ鋳鉄に溶接する必要があります。前のプロセスでは、この部分は電子ビーム溶接（EBW）プロセスを使用して、細孔の形成を減らし、表面の亀裂を排除します。ユーザーは、溶接と溶接準備のコストを削減するために、EBWをレーザービーム溶接（LBW）に置き換えたいと考えています。 EBWは真空中で行われ、レーザー溶接は大気圧の雰囲気で行われるため、レーザー溶接はX線の危険性を排除します。同時に、LASERDYNEは、同じまたはEBWとしてのより良い品質パルス形状を含むレーザーパラメータの開発は、CWファイバーレーザーを使用して実行されます。


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標準の連続レーザー出力で作成された溶接金属の顕微鏡検査では、接合面に亀裂の兆候は見られませんでしたが、溶接部の鋳鉄部分には多孔性がありました。 LASERDYNE S94Pコントローラーとパルスフォーミングを使用すると、多孔性は発生しません。



2番目の例は航空宇宙産業です。溶接および接合技術は、新しい部品の製造であろうと、航空宇宙構造およびコンポーネントの修理であろうと、航空宇宙産業において重要な役割を果たします。ほとんどの航空エンジンコンポーネントはニッケルベースの超合金でできており、航空エンジン材料はレーザー溶接プロセス中に細孔、亀裂、またはその両方が発生しやすい傾向があります。溶接割れや細孔形成のリスクは、溶接条件によって異なります。これらの溶接欠陥は、溶接プロセスを変更することによって、つまり、レーザーと処理パラメーターを最適化することによって、大幅に回避できます。



航空宇宙部品は、オーバーラップ溶接構成で、ヘインズ230（溶体化処理されたニッケル-クロム-タングステン-モリブデン合金）をワスパロイ（加齢硬化ニッケル-クロム-コバルト超合金）にレーザー溶接する必要があります。これら2つの合金は別々に溶接すると割れやすいことを考えると、溶接品質の要件は、溶融ゾーンに亀裂や細孔がないことです。




図4は、CW出力で溶接された2つのニッケル基合金間の異なる溶接継手を示しています。溶接には、窒素とアルゴンの2つの異なるシールドガスが使用されます。窒素シールドガスを使用したレーザー溶接では、表面に亀裂が発生しますが、気孔率は発生しません。一方、アルゴンシールドガスを使用した溶接では、亀裂は発生しませんが、気孔率が高すぎます。窒素シールドガスの使用による細孔の減少は、溶融池の表面張力の低下によるものであり、気泡が溶融池から逃げやすくなります。
溶接品質を改善するためのさらなるテストには、パルス成形を使用してください。この操作は、窒素保護ガスのみを使用して実行されます。図5aおよび図5bに示す結果は、接合部の境界面に亀裂の兆候がないことを示しています。 CW出力を使用した溶接と比較すると、溶接溶け込みと表面幅はわずかに異なりますが、パルス形状の構成を変更せずに、平均出力と溶接速度を調整することで溶接形状を制御できます。



Prima Power Laserdyneのレーザーパルス成形技術は、異種材料の高品質な溶接を実現しました。これらの新しいプロセスとLASERDYNESP94コントローラーは、亀裂やミクロおよびマクロの細孔の形成を解決することにより、溶接品質を向上させます。同社は、ファイバーレーザー溶接の他の多くのアプリケーションを評価および改善するために、追加のパルス整形プロセスを開発しました。