レーザー ビーム溶接と電子ビーム溶接 どちらのプロセスが何に最適ですか?

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。

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 (液体または気体など) が真空処理に適合しない場合、または溶接部に電子ビーム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。ソース。 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、または溶接を大気条件にさらしてはいけない場合、電子ビームが主な選択肢となります。例としては、チタンとその合金、タングステン、ニオブ、レニウム、タンタルなどの多くの高融点金属の航空宇宙溶接があります。

レーザー溶接エネルギー源は、光子の連続波 (CW) またはパルス出力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焦点を合わせます。 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部品に直接送信することも、レーザー エネルギーを離れた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することもできます。

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、パルス間に短い冷却サイクルを導入することで入熱が低減され、熱に弱い材料に溶接を生成する場合に有利になります。

レーザークラッディング、電子ビーム、レーザー溶接アプリケーションにおけるコネチカット州イーストグランビーのイノベーター、Joining Technologies の材料エンジニア、サライ・スタナード氏は、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 インチしか達成できないと述べています。 -0.045インチ。 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 に固体レーザー溶接システムの構成を示します。

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、レーザーの高出力密度により、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損傷を受けないことが保証されます。 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。