アルミニウム合金レーザー溶接: プロセスの課題、パラメータ、および欠陥管理

アルミニウム合金は、電気自動車のバッテリー トレイ、航空宇宙構造物、電子機器の筐体、熱交換器など、現代の製造現場のいたるところに使用されています。{0}強度対重量比は優れていますが、同じ軽さにより、レーザーで接合するのが難しい材料の 1 つとなります。

鋼とは異なり、アルミニウムは室温で入射レーザー光の大部分を反射し、熱を急速に伝導し、水素を捕捉してメルトプールの化学的性質を変える強固な酸化アルミニウムの皮膜を保持しています。{0}{1}これらの特性により、アルミニウムがレーザーで「溶接不可能」になるわけではありません。-技術者に、波長、ビーム品質、合金の選択、表面状態、シールドガスを単一の結合システムとして扱うよう強制するだけです。このプロセスを初めて使用する場合は、レーザー溶接機の動作原理では、そもそもビームと材料の相互作用によってどのようにして溶融池が形成されるのかについて説明します。どの金属が同様に動作するかについてのより広い視野については、次のリンクを参照してください。レーザー溶接用の材料互換性ガイド.

このガイドでは、繰り返し可能なアルミニウム レーザー溶接を、気孔や亀裂に満ちた表面ビードから分離するための実際的な決定に焦点を当てます。

レーザー光源の選択は、アルミニウム溶接用途における最初のフィルターです。すべての産業用レーザーがアルミニウムとうまく結合するわけではありません。

CO₂ レーザー (10.6 μm)この波長では溶融池の反射率が高くなり、プラズマシールドがエネルギー供給を妨げる可能性があるため、裸のアルミニウムでは歴史的に苦労してきました。現在では、アルミニウムの深溶け込み溶接の最初の選択肢となることはほとんどありませんが、特殊なろう付けやクラッド シートの用途では依然としてニッチな用途が見られます。-

Nd:YAG、ファイバー、ディスク、ダイレクト ダイオード レーザー（約 1 µm）-アルミニウムの製造現場を支配しています。 1 μm では、初期の反射率は多くの人が想定しているよりも低く、キーホールが形成されると吸収率が急激に上昇します。ファイバー レーザーとディスク レーザーは、高輝度、優れた電気効率、柔軟なファイバー供給を実現します。そのため、自動車や電池の製造における高速アルミニウム接合のデフォルトとなっています。-

半導体（ダイオード）レーザー多くの場合、ろう付けなどの熱伝導モード プロセスに選択されます。{0}自動車の熱交換器やバッテリーパックの用途では、ダイオード レーザーを使用してフィラー ワイヤやろう付け合金を溶かし、気孔率の原因となる深いキーホール ダイナミクスを発生させることなく、低気孔率の接合部を形成できます。-

生産ラインが 24 時間年中無休で稼働し、5xxx または 6xxx 部品の速度を優先する場合、生産ライン用ファイバーレーザー溶接システム出力範囲、ビーム照射オプション、自動化インターフェースなどを取り上げます。{0}マイクロ-または熱に敏感なアセンブリ-の場合、QCW 準-連続波溶接プラットフォーム低い平均熱入力でミリ秒のピークパルスを提供します。QCW レーザー技術とピークパワー ダイナミクス ガイド-ピーク電力とデューティ サイクルがどのように相互作用するかを説明します。

合金の選択はレーザーの選択と同じくらい重要です。 5xxx 合金と 7xxx 合金は、同じビームの下ではまったく異なる材料のように動作する可能性があります。

表の値は、レーザー溶接に関する一般的な業界ガイドラインです。正確な動作は、質、厚さ、接合部の設計、および充填剤の戦略によって異なります。

バッテリー-モジュールとバスバーの作業では、6xxx の押し出し材と 5xxx のシートが日常的な材料です。アルミニウムを銅またはニッケルの端子に接合する設計の場合、アルミニウム-対-バッテリーレーザー溶接機この製品は、亀裂耐性のある溶接スケジュールが重要となる、-異種の金属タブやバスバーの用途向けに構築されています。-

気孔はアルミニウムのレーザー溶接で最も一般的な欠陥です。細孔は、水素と鍵穴の不安定性という 2 つの主な原因から生じます。

水素気孔率酸化皮膜から始まります。表面の Al₂O₃ は、大気中の水分、切削油、溶剤残留物を吸着します。酸化物が溶融プール内で分解すると、放出される水素は液体アルミニウムへの溶解度は高くなりますが、固体アルミニウムへの溶解度は非常に低くなります。急速な凝固中に、泡として放出され、ビーズ内で凍結します。

鍵穴-による多孔性鍵穴が変動したり、崩壊したりするときに起こります。崩壊により、シールドガスや金属蒸気がプール内に閉じ込められる可能性があります。気泡が表面に到達する前にプールが固まると、細孔は残ります。

アルミニウム溶接用にカスタマイズされたレーザーパルス波形

したがって、制御戦略には 3 つの側面があります。-

1. 清潔で乾燥した表面。脱脂と機械的または化学的酸化物の除去は、溶接後の修正よりも水素源を減らします。{0}}
2. 安定感のある鍵穴。ビームのぐらつき、出力変調、溶接速度の最適化により、コラプス頻度が減少します。
3. 適切なシールド。アルゴンが標準です。ヘリウム混合物はプラズマを抑制し、安定したプロセス ウィンドウを拡張できます。{0}}

欠陥の比較: 不安定な鍵穴と多孔質アルミニウムの溶接部

スパッタ、アンダーカット、不完全な貫通を含むより広範な欠陥カタログについては、ガイドを参照してください。一般的なレーザー溶接の欠陥と現場での修正.

凝固亀裂とも呼ばれる高温亀裂は、樹枝状結晶間に低融点の膜が残る凝固の最後に発生します。{0}{0}{1}}アルミニウムでは、銅や亜鉛などの合金元素により凝固範囲が広がり、液膜の持続時間が長くなります。収縮応力によって部分的に凝固した接合部が引き離されると、溶接中心線または結晶粒界に沿って亀裂が開きます。

古典的な緩和手順は次のとおりです。

• 化学を変える。4043 または 4047 フィラー ワイヤを介してシリコンを追加すると、ほとんどの 6xxx 合金の凝固範囲が狭くなり、凝固亀裂耐性が向上します。
• 入熱を減らします。ラインエネルギーが低いと、どろどろのゾーンと亀裂を引き起こす熱ひずみが縮小します。
• 拘束を減らします。適切な固定、接合ギャップ、溶接順序により、凝固ビードの収縮応力が低下します。
• 適合する基材を使用してください。可能であれば、融接には 2xxx および 7xxx の母材を避け、代わりに 5xxx または 6xxx を選択してください。

に関する特集記事代表的なレーザー溶接の5つの欠陥とその防止亀裂の議論を低温亀裂、アンダーフィル、その他の一般的な問題に拡張します。

室温では、裸のアルミニウムは 1 µm のレーザー光をおよそ 90% 以上反射します。表面が溶けた瞬間に状況は変わります。吸収率が急上昇し、蒸気の毛細管が形成され、複数の内部反射によって鍵穴の内側にエネルギーが閉じ込められます。反射-主体の加熱からキーホール主体の加熱-への移行は、アルミニウム レーザー溶接の特徴的な出来事です。

開始時の吸収が低いため、キーホールを開始するには、プロセスに短時間の高出力密度の「パンチ」が必要です。{0}}-溶接が確立されると、より低い出力密度で溶接を実行できますが、動作ウィンドウは狭いままです。遅すぎると鍵穴が不安定になります。速すぎると、完全に貫通する前に鍵穴が崩壊します。

実用的な手段には次のものがあります。

• 表面のテクスチャリングまたは研磨初期吸収率を高めるため。
• パワーランピングまたは調整されたパルス波形始動時の爆発的な蒸発を避けるため。-
• ビーム振動（ウォブル）キーホールを広げてギャップブリッジを改善します。
• デフォーカス管理関節全体のエネルギー分布を調整します。

アルミニウムのレーザー溶接とアークプロセスを比較する場合は、次の記事を参照してください。アルミニウム合金のTIGに代わるハンドヘルドレーザー溶接は、1 µm ビームが実際の 6xxx 突合せジョイントの移動速度、入熱、歪みにどのような影響を与えるかを示しています。ストレート バット-ジョイント パラメータの推奨事項については、アルミニウムの突合せ-継手溶接パラメータこのページには、一般的な電力、速度、シールド設定がリストされています。

高品質のアルミニウム レーザー溶接はシステムの成果です。-たった 1 つの弱いステップが他の 5 つのステップを弱体化させます。プロセスを運用環境にリリースする前に、このチェックリストを使用してください。

1. シールドガスとハードウェア。アルゴンまたはアルゴンとヘリウムの混合ガスを使用します。ノズルの角度、スタンドオフ、層流範囲の流量を確認します。-乱流により空気がプールに引き込まれます。
2. 表面の準備。油分や酸化物を除去します。洗浄した部品は湿度を管理して保管してください。再酸化は数時間以内に始まります。-
3. パラメータセット。合金と厚さのパワー、焦点位置、移動速度のバランスをとります。フラット クーポンだけでなく、実際の部品に対して実験計画を実行します。--
4. フィラー戦略。耐クラック性またはギャップブリッジが必要な場合は、4047/5356 ワイヤを追加します。フィラーをベース合金および使用環境に合わせてください。
5. 高度なテクニック。貫通の一貫性やギャップ耐性が重要な場合は、ツインスポット、ビームウォブル、または熱線送りを検討してください。{0}{1}{1}
6. ポストプロセスの検証-。安全性が重要な接合部には、目視検査と X{0}} 線または超音波検査を使用します。-受け入れられたパラメータ ウィンドウを文書化し、ドリフト検出用のプロセス フォトダイオードまたはプラズマ モニタリングで使用します。-
7. 熱の影響を受けるゾーンの確認-。6061 などの時効硬化合金は、HAZ で強度が低下する可能性があります。{0}機械的特性が限界に達している場合は、接合部を再設計するか、溶接後のエージング ステップを追加します。-

応用事例については、当社のページをご覧ください。アルミニウムカメラハウジングのレーザー溶接同じ手順で薄肉の自動車部品の歪みや外観を制御する方法を示します。{0}}より大量の回線については、-自動連続ファイバーレーザー溶接ワークステーションこれらのコントロールを本番環境に対応したセルに統合します。{0}

アルミニウム合金のレーザー溶接は、体系的なエンジニアリングに貢献します。 1 µm のファイバーまたはディスク レーザーから始めて、可能であれば 5xxx または 6xxx の卑金属を選択し、積極的に表面を洗浄し、パワー変調またはビーム発振によってキーホールを安定させます。気孔率は水素の-管理とキーホール-の安定性の問題として扱い、高温亀裂は化学-と-拘束の問題として扱います。両方を行うことで、結果として得られる接合部は、信頼性の高い機械的性能を備えたアルミニウムの軽量性を実現します。

現場での修理、プロトタイプ、または機動性が重要な少量作業の場合は、{0}1000Wハンドヘルドファイバーレーザー溶接機ポータブルパッケージで同じビーム品質を提供できます。当社のシステムの全範囲を確認するには、以下を参照してください。産業用レーザー溶接装置または、プロセス評価のために合金、厚さ、および接合要件を当社のアプリケーション チームに送信してください。