レーザー溶接歪みは、金属を溶かすために非常に高い熱が使用される場合によく発生する問題です。溶接歪みを最小限に抑える方法と、溶接歪みが発生した場合の修正方法のヒントを学びます。
レーザー溶接は、レーザー技術によって発生した熱を使用して 2 つの材料 (鋼板など) を融合する強力な技術です。溶接は、極度の熱に対する金属の自然な反応による溶接歪みという課題に直面しています。これは、溶融金属の完全性を損なう変形です。幸いなことに、溶接プロセスパラメータを実装することで歪みを最小限に抑える方法があります。
この記事では、溶接歪みとは何か、その原因、およびその影響を最小限に抑える方法に焦点を当てます。溶接歪みの影響に対処するための効果的なヒントも見つかります。
とは何ですかレーザー溶接変形？
溶接変形または変形には、金属構造の形状とサイズの変化が伴います。これは溶接の自然な効果です。金属が存在する場合、レーザー溶接、非常に高い熱にさらされると溶けてしまいます。これにより材料が膨張します。
溶けた金属が室温まで冷えると、凝固して収縮し始めます。これが残留応力です。加熱が局所的に行われ、金属表面の残りの部分が加熱されない場合、金属表面は同じように膨張または収縮しません。歪みの原因となります。
溶接後に変形しやすい材質
材料が溶接歪みの影響を受けやすい理由を判断するには、歪みに影響を与える特性を理解する必要があります。一部の材料は、物理的特性と機械的特性の両方により、変形しやすくなります。
1. 物理的特性は、熱膨張と熱伝導率の尺度です。
熱膨張とは、加熱すると膨張し、冷却すると収縮する金属の動きです。係数が高い場合、材料はより容易に膨張および収縮するため、より多くねじれます。
一方、熱伝導率は、材料に沿った熱の流れを測定します。熱伝導率が高いため、熱がより速く放散されます。熱の存在により材料が変形しやすくなるため、導電率が低いと溶接中に変形する可能性が高くなります。
2. 機械的特性に関しては、降伏強度と弾性率という 2 つの要素を考慮する必要があります。
降伏強度とは、材料が外力に対してどれだけの圧力に耐えられるかを指します。したがって、降伏強度が高い材料は残留応力が高く、より容易に変形します。
弾性率は、材料の拡張および収縮能力を指します。弾性率が高いということは、材料が変形に耐える能力が高いことを意味します。
これらの特性を考慮すると、材料の熱膨張係数が高く、熱伝導率が低く、降伏強度が高く、弾性率が低いと仮定できます。
溶接後に変形しやすい材質
ステンレス鋼と炭素鋼を比較すると、前者の方が降伏強度と熱膨張係数が高く、熱伝導率が低いため、変形しやすいと考えられます。
アルミニウムと銅では、前者の方が降伏強度熱膨張係数が高く、熱伝導率が低いため、変形しやすくなります。
種類と原因レーザー溶接変形
レーザー溶接プロセス後の変形の本当の原因を特定するために、いくつかの研究が行われてきました。研究によると、材料、プロセス、形状という 3 つの要素がレーザー溶接の歩留まりに大きく影響します。
例えば、レーザー溶接溶接パラメータがさまざまな方法で金属表面に適用されるため、変形します。溶接速度、電流、角度などが溶接される部分に集中します。溶接領域から離れると熱は徐々に低下し、金属の膨張などの熱影響も減少します。
したがって、金属が受ける熱の強さに応じて膨張が変化すると考えて間違いありません。与えられた例では、溶接部分がレーザー源から最も多くの熱を受けるため、最も膨張します。
溶接プロセスが終了すると、金属は冷えて収縮し始めます。金属は膨張するのと同じ量だけ収縮し続けます。これを残留応力といいます。
応力が母材の降伏強度より大きい場合、2 種類の応力が発生する可能性があります。
圧縮応力は母材金属のエッジ付近の領域に発生します。
引張応力 これは、加熱された金属の収縮が金属表面の残りの部分 (加熱されていない表面) によって抵抗されるときに発生します。
これをさらに理解するには、溶接完了時に変形がどのように発生するかを考慮するのが最善です。
1. 縦方向の変形
名前が示すように、この変形は溶接される材料の長さに沿って発生します。冷却すると、溶接部とその周囲の領域が収縮します。その結果、ワークの長さが短くなります。これにより、外側のエッジが長く見え、中央部分が弓状に見えます。
特にワークピースが正しく固定されていない場合、変形は最大になります。
2. 横方向の歪み
このタイプの歪みは、金属の端が互いに引き寄せられるときに発生します。この変形は、レーザー溶接中に最初に発生した膨張を超える収縮によって引き起こされます。
3. 角度の歪み
角度歪みは、溶接後の金属板の収縮により角度が変化することで発生します。シートメタルのエッジは片側で互いに引き寄せられ、材料が湾曲しているように見えます。
溶接が垂直な角度で金属を接合する場合、垂直な金属は真っ直ぐではなく、むしろ湾曲して見えます。
4. 複雑な歪み
このタイプは、前述したツイストを組み合わせたものです。座屈、曲がり、または反りがあるように見えます。これらは、溶接材料の完全性を損なう可能性があるさまざまなタイプの曲げや変形です。いくら金属が強くても、レーザー溶接で変形してしまうと溶接は失敗してしまいます。
溶接歪みを最小限に抑える10の方法
歪みは避けられませんが、それを最小限に抑えるために何もできないというわけではありません。変形にもさまざまな種類があるように、ステンレスやその他の金属の変形を防ぐ方法もさまざまです。これは、選択された鋼の強度とは何の関係もありません。さらに重要なのは、溶接作業の前、最中、後に何をするかです。
ここでは、使用できる 10 の異なる溶接アイデアを紹介します。
1. 過度の溶接は避けてください。
広い面積を溶接すると、収縮が大きくなります。これが、特に巨大な表面で作業する必要がある場合に、レーザー溶接プロセスを計画する必要がある理由です。表面寸法を調整することで溶接歪みと残留応力を最小限に抑え、金属と時間の無駄を回避します。
2. 断続溶接を使用する
これは溶接の間にスペースを残す技術です。連続溶接の代わりに、1 インチ溶接し、未溶接の金属のためのスペースを残してから次の溶接を行います。これにより、溶接完了後の変形を効果的に軽減できます。
3. 転送回数を減らす
歪みを避けるもう 1 つの方法は、溶接プロセスのパス数を制限することです。変形を防ぐため、1回で十分であることを確認してください。複数の小さな溶接パスの代わりに、1 つの大きな溶接パスを実行してみてください。 TWI によると、より大きな単一の溶接は、複数の小さなパスで形成された溶接よりも角度変形が少なくなります。
4. 溶接位置を考慮する
溶接の位置も重要です。理想的には、溶接を材料の中心または中立軸の近くに配置する必要があります。これにより、収縮力の位置がずれようとする影響が少なくなるため、レーザー溶接が収縮し始めるときの歪みが最小限に抑えられます。
5. バックステップ溶接を試してみる
バックステップ溶接は、溶接方向は左から右ですが、溶接ビード セグメントは右から左に堆積する技術です。これを行うと、ビード セグメントが配置されているエッジが拡張され、シート メタルが一時的に分離されます。
左から右への移動が完了すると、ビーズの継続により、プロセスが完了するにつれて膨張が減少します。これは歪みを最小限に抑える効果的な方法です。
6. プリセット溶接部品
これには、溶接完了後の歪みを最小限に抑えるためのいくつかのテストが含まれます。前回の溶接に必要なプリセットを決定して、発生する収縮を推定できるようにします。これにより、収縮や歪みを最小限に抑えるように調整できます。
7. 溶接シーケンスを作成する
部品の溶接に直線だけを使用しないでください。組み立てられる材料の別の部分の収縮に対抗できる計画的な溶接シーケンスを作成します。金属がどのように収縮するかについての知識に基づいて、変形を防ぐために反応のバランスをとるシーケンスを作成できます。
8. パーツをクランプして所定の位置にロックします
部品を溶接するときに治具を使用することもできます。これにより、それらが固定され、膨張や収縮による歪みが防止されます。プロセスが完了するまで、部品を所定の位置に保管してください。動きがなくなることで歪みが軽減されます。
9. 熱応力の緩和を考慮する
溶接により接合された部品の加熱・冷却を制御する技術です。それは、製品を溶接するときに着用することで温度を上げ、冷却管理ストレスを制御するときです。
10. 溶接時間の短縮
溶接時間を短縮して歪みのリスクを軽減することもできます。これを手動で行う場合、これは困難になります。最初に溶接した部品は完成する前に冷えます。ただし、溶接用の機械化された設備があれば、処理時間を短縮し、歪みを最小限に抑えることができます。