1。はじめに
レーザー溶接は、高精度と高効率で工業製造において重要な地位を占めています。ただし、より高い溶接効率と厚い材料接続を追求する際に、従来の高-パワーレーザー溶接にはボトルネックに遭遇しました。強力なプラズマプルーム、激しく溶けたプールを駆け巡り、スパッタはその用途のさらなる拡張を制限します。これに関連して、研究者は特別なプロセス環境-真空に注意を向けています。真空レーザー溶接テクノロジーは、高い-電力レーザーを組み合わせて、-圧力環境が低いため、より大きな浸透深度を実現します。近年、高-パワーレーザーの急速な発展に伴い、この技術は新しい生活を拡大し、優れた研究価値と応用の可能性を示しています。
2。真空レーザー溶接とレーザー溶接の比較
大気環境での従来のレーザー溶接と比較して、真空または低{-圧力環境でのレーザー溶接は、その物理プロセスと溶接効果の根本的な変化を受けます。最も重要な利点は、溶接の深さの急激な増加です。大量の実験データは、周囲圧力が低下すると溶接貫通の深さが大幅に増加することを示しており、特定の条件下では、大気環境の2倍またはそれ以上に達する可能性があります。この改善には、通常0.1 kPaから10 kPaの「臨界圧力」間隔があります。周囲圧力がこのしきい値よりも低い場合、浸透深度の増加傾向は飽和したり、わずかに減少したりします。したがって、真空レーザー溶接は、16 kWのレーザー出力で約50 mmの浸透深度を達成できます。これは、大気環境での溶接をはるかに超えており、電子ビーム溶接と同様のレベルに達しますが、必要な真空度は電子ビーム溶接よりも2桁低いです。同時に、溶接のジオメトリも大幅に最適化され、より深く狭くなり、電子ビーム溶接と同様の深い平行溶接形態を形成します。この深化効果は、低速度から中速（約3.0 m/min以下）で溶接する場合に特に明白であり、溶接速度が4 m/minを超えると、周囲圧力の影響は無視できます。
真空環境は、従来の高-パワーレーザー溶接のプラズマプルーム問題を基本的に解決します。従来の溶接では、レーザーと材料の作用によって生成された金属蒸気は、高-輝度プラームを形成し、入射レーザーを散乱、屈折、吸収し、「シールド効果」を形成し、それによりワークピースに到達し、融解深度とプロセスの安定性に影響を与えます。真空環境では、周囲の圧力が101 kPa（大気圧）から低下すると、プラズマプルームのサイズと輝度は急激に減少します。圧力が10 kPaに低下すると、基本的に強い発光とスパッタの現象が消えます。圧力が0.1 kPaにさらに低下すると、プラズマプルームはほぼ完全に抑制され、肉眼では見えません。プラズマの消失は、レーザーエネルギーをワークピースの深さまでより安定かつ効率的に伝達し、溶接プロセス全体をより安定させることを意味します。
プロセスの安定性のこの改善は、溶融プールと鍵穴の動的挙動の最適化に直接反映されており、最終的には溶接品質の飛躍につながります。高-速度カメラの観測により、真空条件下では、鍵穴の入り口の平均直径が減少し、表面溶融プールがより狭くなり、より安定したことがわかりました。 x - ray real -時間の観測により、真空の鍵穴の深さが大幅に増加し、キーホール前壁の傾斜角が増加することがさらに明らかになりました。より安定した鍵穴と溶融プールの流れは、溶融プールの鍵穴の崩壊や激しい変動によって引き起こされる毛穴やスパッタなどの溶接欠陥を大幅に軽減し、それによって高品質、密度、非-多孔質溶接を得ます。
3。真空レーザー溶接の適用
安定したプロセスの重要な利点に基づいて、スパッタと溶接の品質はありませんが、真空レーザー溶接技術はまだアプリケーションの初期段階にありますが、自動車業界などの高い-需要精度の製造分野で大きな可能性を示しています。自動車のパワートレインコンポーネントの製造に非常に適しています。 Some research institutions and companies in Germany have successfully applied it to the mass production of transmission components such as planetary gear racks, as shown in Figure 4. Through vacuum laser welding, the precision connection of gear components with a maximum penetration depth of 25 mm can be completed at one time without worrying about oxidation and spatter contamination, and defect-free high-quality joints can be取得。
さらに、この技術は、厚いプレート溶接の分野で大きなブレークスルーを達成し、伝統的に薄いプレート構造に使用されていたレーザー溶接の効率的なシングル-パスの厚いプレート溶接のための新しい方法を開きました。真空レーザー溶接は、構造鋼、ステンレス鋼、ニッケル-ベースの合金、チタン合金、さらには銅合金などのさまざまな材料の厚いプレート溶接が可能です。調査によると、16 kWのレーザー出力では、厚さ50 mmのS690QLスチールプレートと38 mmのニッケル-ベースの合金を、溶接形成を良好にして、一度に低速で溶接できることが示されています。この強力な機能により、厚いプレート溶接の分野での電子ビーム溶接の位置に直接挑戦することができ、x -光線放射保護の問題が低いなどの追加の利点もあります。
真空レーザー溶接技術は、低-圧力環境にレーザー溶接を配置することにより、従来の高-電源溶接でのプラズマ干渉や不安定な溶融プールなどのボトルネックを効果的に克服します。この技術の最も重要な利点は、通常、大気環境の2倍以上に達し、電子ビーム溶接と同様の深い並列溶接を形成することができるのに対し、溶接貫通を大幅に増加させることができることですが、必要な真空度は電子ビーム溶接よりもはるかに低いことです。このパフォーマンスの飛躍は、真空環境によるプラズマプルームの効果的な抑制によるものであり、それによりエネルギーの利用とプロセスの安定性が改善されます。同時に、より安定したキーホールと溶融プールの動的な動作は、毛穴やスパッタなどの欠陥を大幅に軽減し、高品質の溶接を得ます。これらの利点により、真空レーザー溶接は、さまざまな材料の厚いプレートの自動車パワートレインコンポーネントと単一の-パス溶接の精密な製造に成功裏に適用され、電子ビーム溶接に挑戦する可能性を示しています。
