アルミニウム合金のレーザー溶接

 

レーザー技術は、溶接入熱が小さく、溶接加熱領域への影響が小さく、変形しにくいという特徴があるため、アルミニウム合金溶接の分野で特に注目されています。 ただし、アルミニウム合金の加工特性により、アルミニウム合金のレーザー溶接には溶接上の困難が伴います。 これらの問題を解決するにはどうすればよいでしょうか?

 

質問1: アルミニウム合金はレーザーの吸収率が低いです。
この問題は主にアルミニウム合金材料の問題によるものです。 アルミニウム合金は、レーザー光線に対する初期反射率が高く、熱伝導率が高いため、溶融する前のレーザー光線の吸収率が低い。 アルミニウム合金はレーザー光に対して強い反射効果を持っています。 これは、固体状態のアルミニウム合金内部の自由電子が高密度であるためで、自由電子はビーム内の光子と容易に相互作用し、エネルギーを反射して除去します。 研究によると、ガス CO2 レーザーに対するアルミニウム合金の反射率は 90% と高く、固体レーザーに対する反射率も 80% に近いことがわかっています。 同時に、アルミニウム合金は熱伝導率が高いため、レーザー光に対するアルミニウム合金の吸収率は非常に低くなります。 したがって、アルミニウム合金のレーザー吸収率を向上させるには、適切な措置を講じる必要があります。

 

この問題に対処するための解決策には主に次の側面が含まれます。
1. アルミニウム合金材料の表面前処理。 アルミニウム合金は高いレーザー応答性を持っています。 アルミニウム合金の表面に、陽極酸化、電解研磨、サンドブラスト、サンドブラストなどの適切な前処理を実行します。これにより、表面の放射エネルギーの吸収が大幅に向上します。 研究によると、酸化皮膜を除去した後のアルミニウム合金の結晶化傾向は、元のアルミニウム合金の結晶化傾向よりも高いことが示されています。 アルミニウム合金の表面仕上げに損傷を与えず、レーザー溶接プロセスを簡素化するために、溶接プロセスを使用してワークピースの表面温度を上げ、材料のレーザー吸収率を高めることができます。

2. スポット サイズを小さくし、レーザー出力密度を高めます。 アルミニウム合金のレーザー吸収は、レーザー出力密度を高めることによって改善されます。 レーザー出力密度が増加すると、溶接溶融池にピンホール効果が生じ、材料のレーザー吸収率が大幅に増加する可能性があります。

3. 溶接構造を変更し、ギャップ内でレーザー光を複数回反射させることで、アルミニウム合金のレーザー溶接を容易にします。 接合部の形状はレーザー光の吸収に影響します。 V 字型の溝と四角い溝は、溝のない接合部よりもキーホールの形成に役立ち、レーザー出力密度が増加し、アルミニウム合金のレーザー吸収率が増加します。

 

 

問題 2:毛穴やひび割れが生じやすくなります。 アルミニウム合金のレーザー溶接プロセスでは、気孔や高温亀裂が発生しやすくなります。

気孔率は、アルミニウム合金のレーザー溶接における最も一般的かつ最も重要なタイプの欠陥です。 気孔のタイプは 2 つのカテゴリーに分類できます。

1 つは、アルミニウム合金のレーザー溶接の冷却プロセス中に水素の溶解度が急激に減少するためです。 溶融アルミニウム合金の水素含有量は、{{0}}.69mL/100g に達することがあります。 冷却固化後のアルミニウム合金の水素含有量は0.036mL/100gであり、過飽和状態となっている。 水素は沈殿して水素細孔を形成します。 また、アルミニウム合金の表面には酸化皮膜が存在します。 溶接中、アルミニウム合金表面の結晶水、空気中の水分、保護ガスが直接分解されて水素になります。 これらの水素細孔は、アルミニウム合金レーザー溶接の急速冷却プロセス中に逃げる時間がなく、溶接部に残り、水素細孔を形成します。

 

もう 1 つは、レーザー溶接プロセス中に発生するキーホールが不安定で崩壊し、液体金属がそれを埋める時間がないために形成される穴です。 過剰な気孔は溶接の密度を低下させ、接合部の耐荷重能力を低下させ、接合部の強度と可塑性をさまざまな程度に低下させます。

 

アルミニウム合金レーザー溶接における気孔欠陥を減らすには、レーザービームの軌道を変更する、ビーム発振を使用して溶融池を撹拌する、表面から気孔が逃げる可能性を高める、ワイヤー充填または合金粉末を使用するなど、多くの対策があります。デュアルスポット技術やレーザーハイブリッド溶接などの対策により、気孔を減らす効果は得られますが、根本的になくすことは困難です。 アルミニウムは比較的熱伝導率が良いため、アルミニウム合金の材質、厚さ、表面状態に応じて溶接時のレーザー出力波形を調整することができます。 図に示すように、先端波型で溶接することもできますし、波型で前方予熱してから保温して溶接することもでき、爆発点や気孔の低減に一定の役割を果たします。 気孔の不安定な崩れを軽減したり、レーザー光の照射角度を変更したり、溶接時に磁場を印加したりすることができます。 また、溶接プロセス中に発生する気孔を効果的に制御することもできます。

 

アルミニウム合金のレーザー溶接におけるホットクラックの原因は、主にそれ自体の特性と溶接プロセスに関連しています。 アルミニウム合金が凝固すると、収縮率が大きく（最大 5%）、溶接応力と変形が大きく、溶接金属は結晶化中に粒界に沿って低融点の共晶組織を生成し、粒界を弱めます。結合力と引張応力に影響を与えます。 熱亀裂が下に形成されます。

ワイヤーや合金粉末を充填することで高温割れの発生を軽減できます。 高温亀裂の傾向は、溶接プロセスのパラメータを調整して加熱速度と冷却速度を制御することによっても軽減できます。 YAGレーザーを使用する場合、パルス波形を調整することで入熱を制御し、結晶のクラックを低減することができます。

 

 

問題 3:溶接されたリンクの機械的特性は低下し、軟化します。

 

溶接プロセス中の合金元素の燃焼損失により、アルミニウム合金溶接接続の機械的特性が低下します。

 

「軟化」とは、溶接継手の強度と硬度が低下することです。 レーザー溶接アルミニウム合金継手を使用する場合、溶接構造および溶接継手の熱影響部にも軟化の問題が生じます。 アルミニウム合金溶接の軟化現象を根本的になくすのは難しいことが多くの研究でわかっています。 ただし、レーザー溶接はガスシールド溶接に比べて入熱量が少なくなり、溶接部の軟化域が狭くなります。 アルミニウム合金レーザー溶接のガスメタルアーク溶接と比較して、レーザー溶接継手の「軟化」度は低く、溶接速度の増加に伴って引張強度が増加します。 溶接プロセスにおけるプラズマの影響 アルミニウム元素のイオン化エネルギーは低いです。 レーザー溶接時に金属プラズマを形成しやすくなります。 プラズマはレーザーの屈折と偏向を引き起こし、それによってレーザービームの焦点位置が変化し、溶接溶け込み率が低下し、溶接継手の品質に影響を与えます。 ワークピースの表面に粉末を事前に配置する方法は、高さ方向のプラズマの膨張ジャンプを弱めるために使用され、プラズマがワークピースの表面上で比較的安定したジャンプ振幅を維持できます。

 

アルミニウム合金の溶接プロセス中の不安定な気孔は、溶接継手の機械的特性の低下につながります。 アルミニウム合金には主にZn、Mg、Alが含まれます。 溶接中、アルミニウムは他の 2 つの要素よりも沸点が高くなります。 したがって、アルミニウム合金部品を溶接するときにいくつかの低沸点合金元素を添加することができ、これは小さな穴の形成と溶接の堅固さに有益です。

 

1. アルミニウム合金レーザー自己融着溶接
レーザー自生溶接とは、高エネルギー密度のレーザー光線を熱源として使用し、母材の表面に衝撃を与え、母材自体を溶融させて溶接継手を形成する溶接方法を指します。 アルミニウム合金のレーザー溶接の場合、アルミニウム合金の表面はレーザーの反射率が高いため、溶接中に大きなレーザー出力が必要になります。 レーザースポットの直径は小さく、溶接ツールの精度要件は高く、部品ギャップの公差が低く、通常は部品が必要です。ギャップ値は 0.2mm 未満です。 溶接プロセス中の加熱と冷却の速度が速く、溶接気孔欠陥が多く、レーザーエネルギー密度が集中し、キーホール効果により凹型溶接やアンダーカット溶接が発生しやすくなります。 したがって、溶接プロセスのパラメータにはより高い要件が求められます。 レーザー自生溶接は、アルミニウム合金溶接において良好な溶接品質、速い溶接速度、自動化が容易であるという利点があり、自動車業界で広く使用されています。 電気自動車業界では、アルミニウム合金レーザー自己融着溶接が主にパワーバッテリーケースのシールに使用されています。 国内の新エネルギー車会社のアルミニウムボディでは、ドアアセンブリとサイドパネルの溶接にもアルミニウム合金レーザー自己融着溶接が使用されています。

 

2. アルミニウム合金レーザーフィラーワイヤ溶接
レーザーフィラーワイヤ溶接では、レーザーが溶接対象の金属を溶かすための主な熱源として機能しますが、自動ワイヤ供給装置を使用して溶融池にフィラー金属を連続的に供給し、冶金的接続プロセスを実現します。 レーザー自己溶接と比較して、レーザーワイヤ充填溶接は、溶接プロセスにおけるギャップ精度の要件を緩和します。 溶接ワイヤにさまざまな成分を充填することにより、溶接の冶金的特性が向上し、溶接の高温割れや気孔が防止され、溶接プロセスの安定性が向上します。 特性とジョイントの機械的特性。

 

アルミニウム合金レーザーワイヤフィラー溶接は、レーザー自生溶接に比べて外観品質が良く、プロセスギャップ精度が緩いという特徴があります。 通常、トップカバーとサイドパネルの間、トランクリッドの上下外板の間など、車体の外面に使用されます。 より高い溶接品質を得るために、アルミニウム合金ドアの溶接にレーザーワイヤフィラー溶接を使用したモデルもあります。

 

3. アルミニウム合金レーザー・アークハイブリッド溶接
レーザーとアークのハイブリッド溶接は、レーザーとアークというまったく異なる物理的特性とエネルギー伝達メカニズムを備えた 2 つの熱源を組み合わせ、溶接対象のワークピースに作用します。 2つの熱源それぞれの利点を最大限に発揮するだけでなく、相互に補完し合います。 欠点。 アルミニウム合金のレーザーアークハイブリッド溶接では、アークがレーザー熱源をガイドし、アルミニウム合金のレーザー吸収能力と溶接プロセス中のエネルギー利用率を向上させ、溶接の表面形成性がレーザー溶接よりも優れています。自生溶接。 さらに、アークの発生により、溶接ワークのクランプ精度が大幅に低下する可能性があります。 同時に、アークはレーザー溶接のプラズマを希釈する効果があり、レーザーに対するプラズマのシールド効果が低下する可能性があります。 レーザーはアークの安定性に重要な役割を果たしており、高速溶接中にアークが安定して接合部に作用することができ、接合部の溶接品質を向上させ、溶接速度を高めることができます。

 

 

 

結論
アルミニウム合金レーザー溶接ビームのエネルギー密度は109W/cm2に達します。 また、集中加熱、熱損傷が小さい、溶接深さと幅の比率が大きい、溶接変形が小さいという利点もあります。 溶接プロセスは統合、自動化、柔軟性が容易で、高速化と高速化を実現できます。 精密溶接であり、溶接工程に真空環境を必要とせず、X線も発生しません。 特に複雑な構造物の高精度溶接に適しています。 アルミニウム合金レーザー溶接の最大の魅力は、その高効率です。 この高能率を最大限に発揮するには、厚肉深溶接に適用する必要があります。 したがって、厚肉深溶け込み溶接のための高出力レーザーの研究と応用は、今後の開発において避けられない傾向となるでしょう。 厚肉の深溶け込み溶接では、ピンホール現象と溶接気孔率への影響が強調されます。 したがって、ピンホールの形成メカニズムと制御はますます一般的になってきており、業界で広く関心と研究が行われるホットな問題となるでしょう。

 

レーザー溶接プロセスの安定性、溶接シームの形成、溶接品質を向上させることは、人々が追求する目標です。 そのため、レーザーアーク複合技術、フィラーワイヤーレーザー溶接、プリセットフリーパウダーレーザー溶接、デュアルフォーカス技術、ビーム整形などの新技術がさらに改良・開発されることになります。