ゆがみのない溶接

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ゆがみのない溶接

特に、ステンレス鋼のような高価値の材 料を厚肉で溶接する場合、歪みは歓迎され ないものでした。特にステンレス鋼のような高価値の厚い材料を溶接する場合はそうです。製作者、溶接工、およびエンジニアは同様に、プロセスの一部として歪みを受け入れなければならず、その管理に多大な時間とリソースを費やしてきました。しかし、ダイナミック・ビーム・レーザー（DBL）により、ルールが変わりつつある。現在では、厚い材料でも実質的に歪みのないシングルパス溶接を、従来必要であった重い固定具なしで実現することが可能です。

 

 

歪みの本当のコスト
溶接の歪みは溶接シームだけに影響するわけではありません。部品の位置ズレ、構造物のゆがみ、内部応力の蓄積は、アセンブリの不適合、再加工または廃棄が必要な部品、生産スケジュールの大幅な遅延など、問題の連鎖につながる可能性があります。造船、エネルギー・インフラ、航空宇宙、防衛など、精度が重要で公差が厳しい分野では、歪みがショーストッパーになりかねません。
そのため、この問題を回避するための技術開発が行われてきました。溶接工やエンジニアは、歪みを抑制するために数多くの技術やベストプラクティスを適用しているが、歪みを完全に除去するものはない。その代わり、これらの方法はしばしば、すべてのプロジェクトにコストと複雑さを加えることになる。

 

今日、どのように歪みを管理しているか
歪みを管理するために、溶接工は経験、技術、工具 を組み合わせている。溶接部のサイズと量を最小限に抑え、連続 溶接の代わりに断続溶接または飛ばし溶接を使用 し、熱を均等に分散させる順序を計画する。より困難なケースでは、バックステップ溶接、 部品の前曲げ（プリセッティング）、治具やストロングバッ クによる部品の強固なクランプなどを採用する。残留応力を低減するために、溶接後にピーニングや熱応力除去を行うこともある。
これらのアプローチは有効ですが、コストがかかります。固定にはセットアップ時間がかかる。シーケンスには専門知識が必要である。また、溶接後の修正は労力とリードタイムを増加させます。複雑な構造物や大型の構造物の場合、歪み管理 プロセスは、溶接そのものよりも多くのリソースを 消費する可能性がある。

 

 

歪みの原因は？
歪みの核心は、制御不能な熱膨張と熱収縮の結果です。溶接は局所的な領域に集中的な熱を導入し、その領域を膨張させます。冷えると金属は収縮しますが、必ずしも均等ではありません。この不均一な熱サイクルによって内部応力が発生し、材料がずれたり反ったりすることで解消される。
歪みの程度には、いくつかの要因が影響する：

  • 局所加熱： 局所的な加熱：小さな領域だけが加熱されると、周囲の冷たい金属の拘束に反して膨張し、応力が蓄積される。
  • 不均一な冷却： 部品全体の冷却速度にばらつきがあると、一部の領域が他の領域よりも収縮し、構造体の形状が崩れる。
  • 残留応力： 溶接中の圧縮応力と引張応力の組み合わせにより、永久変形が生じることが多い。
  • 材料の特性： ステンレス鋼のような熱膨張係数の大きい 金属は、他の金属よりも変形しやすい。
  • 不均衡な溶接設計： 継手の片側だけを溶接したり、不十分な順序 で溶接したりすると、応力が片側に集中するこ とがある。
  • 高入熱： 被加工物に加わるエネルギーが大きいほど、 特にマルチパス溶接では歪みが大きくなる。

 

従来の解決策は、こうした問題を回避することで あった。しかし、このような問題を根本から解決でき るとしたらどうだろう？

 

 

純粋なレーザー溶接： 異なるアプローチ
ダイナミック・ビーム・レーザー (DBL) は、厚い部分を溶接する根本的に異なる方法を提供します。従来のレーザーやアーク溶接プロセスとは異なり、DBL ではビームの形状と分布をリアルタイムで制御できます。これにより、純粋なレーザー溶接、すなわち超低入熱で行われる単一で安定した完全貫通溶接が可能になります。
DBLでは、レーザーは必要な場所-接合部の奥深く-に正確にエネルギーを供給し、周囲の材料を過熱しません。その結果、熱影響領域が非常に小さく、狭く深い融合領域が得られます。全入熱量を減らすことで、熱膨張と熱収縮が劇的に減少する。つまり、歪みの根本原因が効果的に取り除かれるのです。

 

 

ケーススタディ 25mmのステンレス鋼を治具なしで溶接
DBLの能力を最近実証したのは、厚さ25mmのステンレス鋼（SS316）プレートの溶接です。従来の溶接では、このような作業には、歪みを管理するために、複数回のパス、大きなクランプ、慎重な順序付けが必要でした。

 

このケースでは、外部クランプや治具、固定具を使用せず、単純な鋲溶接のみでプレートを固定した。
結果は驚くべきものでした：

 

  • シングルパス
  • 最終部品に測定可能な歪みがない
  • 溶接後の矯正が不要
  • 最初から最後まで完璧に整列した構造

これは技術的な成果以上のものです。これは、DBLを使用した純粋なレーザー溶接が、最も困難な用途であっても、いかに組み立てを簡素化し、セットアップ時間を短縮し、より高い品質を確保できるかを示す実践的なデモンストレーションです。

 

 

 

何が可能かを再考する
何十年もの間、歪みは管理すべき問題として扱われてきました。しかし、ダイナミック・ビーム・レーザーによる純粋なレーザー溶接では、歪みをなくすことができます。製作者は、重い固定具、精巧な溶接計画、または費用のかかる再加工を必要とせずに、大規模で複雑な構造を構築できます。精度は、補正ではなく制御によって達成されます。
1ミリ単位が重要で、1時間単位が重要な業界では、これは革新以上のものであり、革命です。