レーザー溶接における保護ガスの影響
適切な保護ガスはあなたに何をもたらすのでしょうか?
Iレーザー溶接では、保護ガスの選択が溶接継ぎ目の形成、品質、深さ、幅に大きな影響を与える可能性があります。
ほとんどの場合、保護ガスを導入すると溶接継ぎ目に良い影響がありますが、保護ガスを不適切に使用すると溶接に悪影響を与える可能性があります。
防護ガスの使用による適切な効果と不適切な効果は次のとおりです。
適切な使用
不適切な使用
1. 溶接プールの効果的な保護
保護ガスを適切に導入すると、溶接プールを酸化から効果的に保護したり、酸化を完全に防止したりすることができます。
1. 溶接部の劣化
保護ガスの導入が不適切だと、溶接継ぎ目の品質が低下する可能性があります。
2. 飛散の低減
保護ガスを適切に導入することで、溶接プロセス中の飛散を効果的に低減できます。
2. ひび割れと機械的性質の低下
間違ったガスの種類を選択すると、溶接継ぎ目に亀裂が生じ、機械性能が低下する可能性があります。
3. 溶接継ぎ目の均一な形成
保護ガスを適切に導入すると、凝固中に溶接プールが均一に広がり、均一で美観に優れた溶接継ぎ目が得られます。
3. 酸化または干渉の増加
ガス流量を誤って選択すると（高すぎても低すぎても）、溶接シーム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、溶接シームの崩壊や不均一な形成につながる可能性があります。
4. レーザー利用率の向上
保護ガスを正しく導入すると、金属蒸気プルームやプラズマ雲によるレーザーの遮蔽効果を効果的に低減でき、レーザーの効率が向上します。
4. 不十分な保護または悪影響
間違ったガス導入方法を選択すると、溶接シームの保護が不十分になったり、溶接シームの形成に悪影響を与えたりする可能性があります。
5. 溶接ポロシティの低減
保護ガスを適切に導入することで、溶接継手におけるガス孔の形成を効果的に最小限に抑えることができます。適切なガスの種類、流量、導入方法を選択することにより、理想的な結果が得られます。
5. 溶接深さへの影響
保護ガスの導入は溶接の深さに一定の影響を及ぼす可能性があり、特に薄板溶接では溶接深さが減少する傾向があります。
さまざまな種類の保護ガス
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・化学的特性を持ち、溶接継ぎ目に様々な影響を与えます。
1. 窒素（N2）
N₂のイオン化エネルギーは中程度で、Arよりも高くHeよりも低い。レーザーの作用下では適度にイオン化し、プラズマ雲の形成を効果的に抑制し、レーザーの利用率を高める。しかし、窒素は特定の温度下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。これにより溶接部の脆性が増加し、靭性が低下し、機械的特性に悪影響を与える可能性がある。したがって、アルミニウム合金や炭素鋼の溶接部の保護ガスとして窒素を使用することは推奨されない。一方、窒素はステンレス鋼と反応し、溶接継手の強度を高める窒化物を形成する。したがって、窒素はステンレス鋼の溶接用の保護ガスとして使用することができる。
2. アルゴンガス（Ar）
アルゴンガスはイオン化エネルギーが比較的低いため、レーザー照射下では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。さらに、密度が高いため、溶接プールの上部に沈み込み、溶接プールをよりよく保護します。そのため、従来のシールドガスとして使用することができます。
3. ヘリウムガス（He）
ヘリウムガスは最も高い電離エネルギーを有し、レーザー照射下でも電離度が非常に低くなります。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を効果的に促進します。さらに、ヘリウムは反応性が非常に低く、金属と化学反応を起こしにくいため、溶接シールドに最適なガスです。しかし、ヘリウムはコストが高いため、一般的に製品の大量生産には使用されません。科学研究や高付加価値製品に多く使用されています。
保護ガスを使用する2つの方法
現在、シールドガスを導入する方法には、図 1 と図 2 に示すように、オフ アクシス サイド ブロー方式と同軸シールド ガス方式の 2 つが主に存在します。
図1：オフ軸サイドブローシールドガス
図2：同軸シールドガス
2 つの吹き付け方法のどちらを選択するかは、さまざまな考慮事項によって異なります。
一般的に、シールドガスにはオフアクシスサイドブロー方式の使用が推奨されます。
適切な保護ガスを選択するにはどうすればいいですか?
まず、溶接における「酸化」という用語は口語的な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品質が劣化することを指します。
溶接酸化を防止するには、これらの有害成分と高温の溶接金属との接触を減らす、あるいは回避する必要があります。この高温状態には、溶融した溶接金属プールだけでなく、溶接金属が溶融してから溶融プールが凝固し、その温度が一定の閾値を下回るまでの全期間が含まれます。
溶接プロセス
例えば、チタン合金の溶接では、温度が 300°C を超えると急速な水素吸収が起こり、450°C を超えると急速な酸素吸収が起こり、600°C を超えると急速な窒素吸収が起こります。
したがって、チタン合金溶接部は凝固し、その温度が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です。上記の説明に基づき、シールドガスは、適切なタイミングで溶接プール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ことは明らかです。したがって、図1に示すオフアクシスサイドブロー方式は、図2に示す同軸シールド方式と比較して、特に溶接部の凝固直後の領域において、より広い範囲の保護を提供できるため、一般的に好まれます。
ただし、特定の製品については、製品の構造とジョイント構成に基づいて方法を選択する必要があります。
保護ガス導入方法の具体的な選択
1. 直線溶接
製品の溶接形状が図 3 に示すように直線で、接合構成に突合せ接合、重ね接合、隅肉溶接、またはスタック溶接が含まれる場合、このタイプの製品に推奨される方法は、図 1 に示すオフ アクシス サイド ブロー法です。
図3: 直線溶接
2. 平面密閉形状溶接
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の閉じた平面形状をしています。接合部の形状としては、突合せ接合、重ね接合、またはスタック溶接が挙げられます。このタイプの製品では、図2に示す同軸シールドガスを使用するのが推奨されます。
図4: 平面密閉形状溶接
平面密閉形状溶接におけるシールドガスの選択は、溶接品質、効率、コストに直接影響します。しかしながら、溶接材料の多様性により、実際の溶接工程では溶接ガスの選定は複雑です。溶接材料、溶接方法、溶接姿勢、そして望ましい溶接結果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には、溶接試験を実施することで最適な溶接ガスを選定することができます。
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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の重要な要素です。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、大量の熱を発生し、金属の溶融池を形成します。
レーザー溶接機の溶接プロセスでは、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。材料によっては、表面酸化が考慮されない場合もありますが、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。
レーザー溶接では、シールドガスは溶接形状、溶接品質、溶接溶け込み、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付けると溶接に良い影響があります。
- アルゴン-ヘリウム混合物アルゴン・ヘリウム混合ガス：レーザー出力レベルに応じて、ほとんどのアルミニウムレーザー溶接用途に推奨されます。アルゴン・酸素混合ガス：高い効率と許容できる溶接品質を実現します。
- ガスレーザーの設計と応用に使用されるガスは、二酸化炭素 (CO2)、ヘリウムネオン (H および Ne)、窒素 (N) です。
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投稿日時: 2023年5月19日