レーザー溶接技術の異種金属溶接への応用

多くの産業では、構造、用途、または経済的な理由から、異種金属材料を接合する必要があります。異なる金属を組み合わせることで、それぞれの金属の最良の特性をより効果的に活用できます。したがって、溶接作業を開始する前に、溶接工は金属の融点、熱膨張などの各材料の特性を判断し、材料の特性に基づいて自分に合った溶接プロセスを選択する必要があります。

異種金属溶接とは、特定のプロセス条件下で 2 つ以上の異なる材料 (化学組成、金属組織、または特性が異なる) を溶接するプロセスを指します。異種金属の溶接の中で最も一般的なのは異種鋼の溶接であり、次いで異種非鉄金属の溶接である。異種金属を溶接すると母材とは異なる性質の遷移層が生成されます。異種金属は元素特性、物理的特性、化学的特性などに大きな違いがあるため、異種材料の溶接作業技術は同一材料の溶接に比べてはるかに複雑になります。

レーザー溶接機はこれらの障害を克服し、異種金属の完璧な溶接を真に実現します。

1. 銅と鋼のレーザー溶接

銅と鋼の溶接は、異種材料の典型的な溶接です。銅と鋼の融点、熱伝導率、線膨張係数、機械的性質には大きな違いがあるため、銅と鋼の直接溶接は困難です。高い熱エネルギー密度、少ない溶融金属、狭い熱影響部、高い接合品質、高い生産効率などのレーザー溶接の利点に基づいて、銅と鋼のレーザー溶接が現在の開発トレンドとなっています。ただし、ほとんどの工業用途では、銅のレーザー吸収率は比較的低く、溶接プロセス中に酸化、細孔、亀裂などの欠陥が発生しやすいです。マルチモードレーザーに基づく銅と鋼の異種金属のレーザー溶接プロセスにはさらなる開発が必要です。

2. アルミニウムと鋼のレーザー溶接

アルミニウムと鋼の融点は大きく異なり、異種材料の金属化合物が容易に形成されます。また、アルミニウムや鋼合金は反射率が高く、熱伝導率が高いという特徴があるため、溶接時にキーホールができにくく、溶接時には高いエネルギー密度が必要となります。実験により、レーザーエネルギーと材料の作用時間を制御することにより、界面反応層の厚さを減少させ、中間相の形成を効果的に制御できることが判明した。

3. マグネシウムアルミニウムおよびマグネシウムアルミニウム合金のレーザー溶接

アルミニウムとその合金には、優れた耐食性、高い比強度、優れた電気伝導性と熱伝導性という利点があります。マグネシウムは、アルミニウムよりも軽く、比強度と比剛性が高く、耐衝撃性に優れた非鉄金属です。マグネシウム・アルミニウム溶接の最大の問題点は、母材自体が酸化しやすく、熱伝導率が大きく、割れや気孔などの溶接欠陥が生じやすいことです。また、金属間化合物も容易に生成され、はんだ接合部の機械的特性が大幅に低下します。

以上がレーザー溶接機による異種金属材料の溶接応用例です。異種金属材料のレーザー溶接は、異種鋼から非鉄金属およびその合金、特にマグネシウム - アルミニウム合金やチタン - アルミニウム合金まで拡大しました。レーザー溶接が進歩し、ある程度の溶け込み深さと強度を持った溶接継手が得られるようになりました。