レーザー溶接：シールドガスの選び方

適切なレーザー溶接補助ガスの選択は、最も重要な決定の一つですが、しばしば誤解されています。一見完璧に見えるレーザー溶接が、なぜストレス下で失敗するのか疑問に思ったことはありませんか？その答えは空気中にあるかもしれません…いや、むしろ、溶接部を保護するために使用した特定のガスにあるかもしれません。

レーザー溶接用シールドガスとも呼ばれるこのガスは、単なるオプションではなく、プロセスの根幹を成す要素です。最終製品の品質、強度、そして外観を直接決定づける、3つの不可欠な役割を果たします。

溶接を保護します:アシストガスは溶融金属の周囲に保護気泡を形成し、酸素や窒素などの大気ガスから金属を保護します。この保護気泡がないと、酸化（溶接部の強度低下や変色）や気孔（強度を低下させる微細気泡）といった致命的な欠陥が発生します。

完全なレーザーパワーを保証します:レーザーが金属に当たると、「プラズマ雲」が発生することがあります。この雲はレーザーのエネルギーを遮ったり散乱させたりするため、溶接が浅く弱くなります。適切なガスを使用することで、このプラズマを吹き飛ばし、レーザーの出力が加工物に最大限に届くようになります。

機器を保護します:また、ガス流により、金属蒸気やスパッタが舞い上がってレーザーヘッド内の高価な集束レンズが汚染されるのを防ぎ、コストのかかるダウンタイムや修理を回避できます。

レーザー溶接用シールドガスの選定：主な候補

ガスの選択肢は、主にアルゴン、窒素、ヘリウムの3つに絞られます。これらは、仕事のために雇う専門家のようなものだと考えてください。それぞれに独自の長所、短所、そして理想的な用途があります。

アルゴン（Ar）：信頼できるオールラウンダー

アルゴンは溶接業界の主力ガスです。不活性ガスであるため、溶融池と反応しません。また、空気より重いため、過度の流量を必要とせずに、優れた安定したシールド効果を発揮します。

最適な用途:アルミニウム、ステンレス鋼、そして特にチタンのような反応性の高い金属など、幅広い材料に対応しています。アルゴンレーザー溶接は、きれいで明るく滑らかな溶接仕上がりを実現するため、ファイバーレーザーに最適です。

重要な考慮事項:イオン化ポテンシャルが低いため、非常に高出力のCO₂レーザーではプラズマ形成に寄与する可能性がありますが、ほとんどの最新のファイバーレーザーアプリケーションでは最適な選択肢となります。

窒素（N₂）：費用対効果の高いもの

窒素は予算に優しい選択肢ですが、価格が安いからといって騙されてはいけません。適切な用途であれば、窒素は単なるシールドではなく、溶接品質を向上させる積極的な役割を果たします。

最適な用途:特定のグレードのステンレス鋼。ステンレス鋼のレーザー溶接に窒素を使用すると、合金剤として作用し、金属の内部構造を安定化させ、機械的強度と耐食性を向上させることができます。

重要な考慮事項:窒素は反応性の高いガスです。チタンや一部の炭素鋼など、不適切な材料に使用すると、最悪の事態を招きます。窒素は金属と反応して深刻な脆化を引き起こし、溶接部に亀裂が生じて破損につながる可能性があります。

ヘリウム（He）：高性能スペシャリスト

ヘリウムは高価なスーパースターです。非常に高い熱伝導率と信じられないほど高いイオン化ポテンシャルを持ち、プラズマ抑制の分野では文句なしのチャンピオンです。

最適な用途:アルミニウムや銅などの厚板や高導電性材料の深溶け込み溶接に最適です。また、プラズマ発生の影響を受けやすい高出力CO₂レーザーにも最適です。

重要な考慮事項:コスト。ヘリウムは高価であり、非常に軽いため、適切な遮蔽効果を得るには高い流量が必要となり、運用コストがさらに増加し​​ます。

ガス比較クイックリファレンス

レーザー溶接ガスの実用的選択：金属とガスのマッチング

理論は素晴らしいですが、それをどのように応用すればいいのでしょうか？ここでは、最も一般的な材料を使った分かりやすいガイドをご紹介します。

ステンレス鋼の溶接

ここでは2つの優れた選択肢があります。オーステナイト系ステンレス鋼および二相鋼の場合、窒素または窒素とアルゴンの混合ガスが最適な選択肢となることがよくあります。窒素はミクロ組織を強化し、溶接部の強度を高めます。化学的反応を起こさず、完璧にきれいで光沢のある仕上がりを重視する場合は、純アルゴンが最適です。

アルミニウムの溶接

アルミニウムは熱を非常に速く放散するため、扱いが難しい材料です。ほとんどの用途では、優れた遮蔽効果を持つ純アルゴンが標準的な選択肢となります。しかし、より厚い部分（3～4mm以上）を溶接する場合は、アルゴンとヘリウムの混合ガスが画期的な選択肢となります。ヘリウムは、深く均一な溶け込みを実現するために必要な、より高い熱パンチを提供します。

チタンの溶接

チタン溶接のルールはただ一つ。高純度アルゴンを使用することです。窒素や反応性ガスを含む混合ガスは絶対に使用しないでください。窒素はチタンと反応してチタン窒化物を形成し、溶接部を非常に脆くし、確実に破損させます。冷却金属を空気との接触から保護するため、トレーリングガスとバッキングガスによる包括的なシールドも必須です。

専門家のヒント:ガス流量を下げてコストを節約しようとする人はよくいますが、これはよくある間違いです。酸化による溶接不良のコストは、適切な量のシールドガスを使用するコストをはるかに上回ります。必ずアプリケーションに推奨される流量から始めて、そこから調整してください。

一般的なレーザー溶接欠陥のトラブルシューティング

溶接部に問題がある場合は、アシストガスを最初に調査する必要があります。

酸化と変色:これはシールド不良の最も明白な兆候です。ガスが溶接部を酸素から保護できていないのです。通常、ガス流量を増やすか、ノズルとガス供給システムに漏れや詰まりがないか確認することで解決します。

多孔性（ガス泡）:この欠陥は、溶接部を内部から弱めます。流量が低すぎる（十分な保護が確保されていない）場合や、流量が高すぎる（乱流が発生して溶接プールに空気が引き込まれる）場合に発生します。

一貫性のない浸透:溶接深さが一定でない場合は、プラズマがレーザーを遮っている可能性があります。これはCO2の場合によく見られます。₂ レーザー。解決策は、ヘリウムやヘリウムとアルゴンの混合ガスなど、プラズマ抑制効果の高いガスに切り替えることです。

上級トピック：ガス混合物とレーザーの種類

戦略的組み合わせの力

単一のガスだけでは不十分な場合があります。そこで、両方の長所を活かすために混合ガスが使用されます。

アルゴン-ヘリウム（Ar/He）:アルゴンの優れた遮蔽効果とヘリウムの高熱・プラズマ抑制効果を融合。アルミニウムの深溶接に最適です。

アルゴン-水素（Ar/H₂）:少量の水素（1～5%）はステンレス鋼上で「還元剤」として作用し、浮遊酸素を除去して、より明るくきれいな溶接ビードを生成します。

CO₂ 対ファイバ: 適切なレーザーの選択

CO₂レーザー:これらはプラズマ形成の影響を受けやすい。そのため、高出力CO2ガスタービンでは高価なヘリウムが一般的に使用されている。₂ アプリケーション。

ファイバーレーザー:プラズマの問題が発生する可能性が大幅に低くなります。この素晴らしい利点により、ほとんどの作業において、パフォーマンスを犠牲にすることなく、アルゴンや窒素といったよりコスト効率の高いガスを使用できます。

結論

レーザー溶接アシストガスの選択は、後付けではなく、重要なプロセスパラメータです。シールド、光学系の保護、プラズマ制御といったコア機能を理解することで、情報に基づいた選択が可能になります。ガスは、材料とアプリケーションの具体的な要求に合わせて選定してください。

レーザー溶接プロセスを最適化し、ガス関連の欠陥を排除する準備はできていますか？これらのガイドラインに照らして現在のガス選択を見直し、簡単な変更で品質と効率を大幅に向上できるかどうかを確認してください。