レーザービーム溶接と電子ビーム溶接:用途に最適なプロセスの選択

レーザー ビーム溶接 (LBW) と電子ビーム (EBW) 溶接の支持者はそれぞれ、自分のお気に入りの技術をただ褒めていますが、多くの場合、顧客にとっての最善の解決策は両方の技術を併用することです。どちらのプロセスも、複雑な形状のコンポーネントを接合するのに適しており、最終アセンブリの冶金学的特性に対する最も厳しい要求を満たすことができます。

図1. 固体レーザー溶接システム（写真提供：TRUMPF Inc.）

コンポーネントの設計に、一方のプロセスまたは他方のプロセスに個別に調整された複数の溶接接合部が組み込まれている場合、単一の施設でレーザーと電子ビーム技術の両方を使用することで、製造プロセスを合理化できます。例としては、完成部品内に不活性ガスや真空を封入する必要があるセンサー、医療機器、製品などがあります。

最終アセンブリのサイズが EB 溶接チャンバーに対して大きすぎる場合、アセンブリ内の一部のコンポーネントが真空処理に適合しない場合 (液体または気体など)、または溶接部に電子ビーム源がアクセスできない場合、レーザー処理が必要になります。完成したアセンブリを真空下で内部コンポーネントと密封する必要がある場合、溶接の溶け込みが 1/2 インチを超える場合、材料がレーザー結合を開始するのが難しい場合、または溶接が許容温度に冷却されるまで大気条件にさらされてはならない場合、電子ビームは主な選択肢となります。例としては、チタンとその合金、およびタングステン、ニオブ、レニウム、およびその他の多くの高融点金属の航空宇宙溶接が挙げられます。タンタル。

LBW – シンプルなツーリングと短いサイクルタイム

レーザー溶接エネルギー源は、連続波 (CW) またはパルス出力の光子のいずれかを利用します。 CW システムでは、溶接プロセス中、レーザー ビームが常にオンになります。パルスシステムは、パルス間にオフタイムを設けた一連のパルスを出力するように変調されます。どちらの方法でも、レーザー ビームは溶接されるワークピースの表面に光学的に集束されます。これらのレーザー ビームは、従来のハードオプティクスを介してパーツに直接送信されることも、レーザー エネルギーを遠くのワークステーションに送信できる柔軟性の高い光ファイバー ケーブルを介して送信されることもあります。

レーザーの高エネルギー密度により、材料の表面を急速に液相線温度にすることができ、GTAW (TIG 溶接) や同様のプロセスなどの従来の溶接方法と比較して、ビームの相互作用時間を短くすることができます。したがって、エネルギーがワークピースの内部に散逸する時間が短縮されます。これにより、熱の影響を受けるゾーンが狭くなり、コンポーネントへの疲労負担が軽減されます。

ビームエネルギー出力を高度に制御および変調して、任意のパルスプロファイルを生成できます。溶接シームは個々のパルスをオーバーラップさせることで生成される場合があり、パルス間に短い冷却サイクルを導入することで入熱が減少します。これは、熱に弱い材料に溶接を生成する場合に利点となります。

コネチカット州イーストグランビーに本拠を置き、レーザークラッディング、電子ビーム、およびレーザー溶接アプリケーションのイノベーターであるJoining Technologiesの材料エンジニアであるSalay Stannard氏は、CWレーザーは最大0.5インチ以上の貫通力を達成できるのに対し、パルスレーザーは通常0.030～0.045インチしか達成できないと述べています。彼女は、「これらの結果はレーザー システム間で異なる可能性があり、加工パラメーターの選択とジョイントの設計に大きく依存します。」と述べています。図 1 は、ソリッドステート レーザー溶接システムの構造を示しています。

スタナード氏はさらに、「この種の溶接プロセスにおける熱源は光のエネルギーであるため、溶接材料の反射率を考慮する必要があります。たとえば、金、銀、銅、アルミニウムは、より強力なエネルギー入力を必要とします。一旦溶解すると、反射率が低下し、プロセスの熱伝導性が進行して浸透が達成されます。」

前述したように、レーザーの出力密度が高いため、熱の影響を受けるゾーンが小さくなり、重要なコンポーネントが無傷になります。これは、手術器具、電子部品、センサーアセンブリ、その他多くの精密機器にとって特に有利です。 EBW とは異なり、LBW は X 線を生成せず、自動化とロボット工学によって簡単に操作できます。一般に、LBW には必要な工具も簡単で、真空チャンバーの物理的な制約もありません。サイクルタイムが短縮されると、品質を犠牲にすることなくコスト上のメリットが得られます。表 1 に、連続波とパルス LBW の利点を示します。

EBW – より深い溶接溶け込みと汚染の防止

EBW は多くの業界で広く受け入れられており、通常は他の方法には適さない耐火金属や異種金属の溶接を可能にします。図 2 に示すように、ワークピースには、非常に高速で移動する集中した電子の流れが衝突します。電子の運動エネルギーは熱エネルギーに変換され、それが核融合の原動力となります。通常、追加のフィラー材料は必要または使用されず、溶接後の歪みは最小限に抑えられます。超高エネルギー密度により深い溶け込みと高いアスペクト比が可能になる一方、真空環境により、チタン、ニオブ、高融点金属、ニッケル基超合金などの金属にとって重要な大気ガス汚染のない溶接が保証されます。

図 2. 電子ビーム溶接

ただし、真空下で動作するために最も必要なのは、電子ビームを正確に制御することです。散乱は、電子が空気分子と相互作用するときに発生します。周囲圧力を下げることで、電子をより厳密に制御できます。

最新の真空チャンバーには、最先端のシール、真空センサー、および迅速な排気を可能にする高性能ポンプ システムが装備されています。これらの機能により、電子ビームを直径 0.3 ～ 0.8 ミリメートルに集中させることが可能になります。

最新のマイクロプロセッサ コンピュータ数値制御 (CNC) と優れた部品操作を監視するシステムを組み込むことにより、小さな部品を過度に溶かすことなく、さまざまなサイズと質量の部品を接合できます。電子ビームの直径と移動速度の両方を正確に制御することで、0.001 インチから数インチの厚さの材料を融合することができます。これらの特性により、EBW は非常に価値のあるテクノロジーになります。

このプロセスでは、ワークピースに最小限の熱が加えられるため、歪みが最小限に抑えられ、仕上げ加工されたコンポーネントを追加の処理なしで結合することができます。表 2 に、EB 溶接の主な利点を示します。

Enfield CT に本拠を置く PTR-Precision Technologies, Inc. のマーケティングおよびゼネラルセールスマネージャーである John Rugh 氏によると、EBW は長期間使用されるプロセスであるとのことです。 「ほとんどの EB 溶接は真空チャンバー内で行われるため、屋外環境の酸素や窒素から保護するために真空環境で製造する必要がある、航空宇宙、発電、医療、原子力などの産業で使用される先端材料の接合に最適です。」

彼はさらに、「溶接環境の清浄度は、心配する必要のない変数の 1 つです。理想的な溶接環境を提供することに加えて、新しい EB 溶接制御によりビームの高速電磁偏向が可能になり、これにより溶接部と周囲の領域への入熱をカスタマイズして最適な材料特性を得ることができます。」

連続同軸粉末供給ノズルにより、高い粉末効率が必要とされる多方向レーザークラッディングが可能になります。また、チタンなど極度の酸化を受けやすい素材に対しても優れた大気シールド機能を発揮します。

たとえば、この急速な偏向により、ビームの位置、焦点、出力レベルを急速に移動するだけで、予熱、溶接、後加熱を同時に行うことができます。これにより、溶接が難しい合金、または「溶接が不可能」な合金を溶接できるようになります。

マサチューセッツ州に本拠を置くケンブリッジ真空エンジニアリング社のゼネラルマネージャー、ジェフリー・ヤング氏は、「EBW 部品には最小限の溶接後の機械加工と熱処理が必要であり、他の溶融溶接プロセスとは異なり、EBW にはシールドガスが必要ありません。」と述べています。彼はさらに、「溶接の品質は非常に優れており、プロセスは非常に効率的 (通常 95%) で、すべてのプロセス パラメータは慎重に制御され、プロセスは完全に自動化されています。」

両方の長所

John Rugh 氏によると、LBW は一般的に、厚さ 1/3 ～ 1/2 インチ未満の鋼板金属部品や機械加工部品の溶接に使用されます。レーザー溶接は、真空チャンバー内での処理に適さない部品の接合にも役立ちます。

「一部の部品とそれに関連する溶接治具は大きすぎて、利用可能な EB 溶接チャンバーに収まらない場合があります」と Rugh 氏は言います。 「サイズは別として、溶接するコンポーネントに真空ポンプを妨げる液体が含まれている場合は、レーザー溶接が良い選択となるでしょう。」 EB 溶接チャンバーを真空にするのに数分かかりますが、溶接の感度が低い場合は、その時間を費やす価値がない可能性があります。

コンポーネントが価値の高いもので、チタンやニッケル合金などの真空環境の恩恵を受ける材料で作られている場合、溶接が 1/3 ～ 1/2 インチより深い場合、またはアルミニウム合金など、レーザー ビームが溶接される材料と結合するのが難しい場合は、多くの場合、レーザー溶接よりも EB 溶接が選択されるプロセスです。

各テクノロジーにはそれぞれ利点がありますが、実際には、多くのコンポーネント設計に EB 溶接とレーザー溶接の両方が組み込まれています。このような場合、同じ施設で両方のタイプの溶接を実行すると、製造プロセスが確実に合理化されます。

この記事は、Joining Technologies (コネチカット州イースト グランビー) のプロセス開発技術者である John Lucas によって書かれました。詳細については、John までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。または http://info.hotims.com/34454-200 にアクセスしてください。