Laser Cladding/ja

位置データ

地図	地図を読み込んでいます... +− リーフレット| © OpenStreetMap寄稿者
位置	キングストン、カナダ
座標	北緯44° 13' 50.47"、西経76° 28' 52.76"

1960年代に初めて実用的なレーザーが製造されて以来、材料技術者は様々な問題を克服するためにレーザーを加工にどのように活用するかに多大な関心を寄せてきました。レーザーは1970年代後半に表面コーティング業界に導入されましたが、レーザークラッディングは高価であったため、従来の方法が好まれました。 ^{[ 1 ]}しかし、より安価なレーザー光源の導入とレーザーの新たな用途の発見により、レーザークラッディングは再び注目を集め始めています。

レーザークラッディングとは？

レーザークラッディングは、レーザーと供給機構を用いて基板に所望の金属またはセラミック材料の層をコーティングする表面コーティングの一種です。レーザーは金属を溶融し、移動する基板に薄い層をコーティングします。供給された金属は完全に溶融すると同時に、レーザーエネルギーの一部が基板に伝達されます。これにより、基板とコーティングの間に強固な冶金結合が形成されます。クラッディングの厚さは1トラックあたり0.05mmから2mmまでの範囲で調整できるため、部品の精度を高精度に制御できます。^{[ 1 ]}

給餌機構

基板への金属供給には 3 つの一般的な方法があります。

1. あらかじめ粉末を塗布
2. ワイヤフィード
3. 粉末注入

粉末の配置

金属供給の最初の方法は、非常に単純で明白な技術です。これは2段階レーザークラッディング法と考えられています。^{[ 1 ]}第一段階は、事前に配置した粉末で基板を覆うことです。レーザービームは粉末金属にエネルギーを伝達し、粉末を液化します。第二段階は、液体コーティングの熱を基板に伝達することです。この時点で、コーティングは固化し始めます。部分的に固化したコーティングとレーザーからのエネルギーは、基板を部分的に溶融し続け、コーティングと表面の間に冶金結合を形成します。

この方法は、いくつかの問題のため、レーザークラッディングにおける粉末堆積方法としてはもはや好まれません。複雑な形状に粉末を配置することが難しく、他の2つの粉末堆積方法よりも時間がかかります。^{[ 2 ]}粉末を事前に配置する方法のもう一つの欠点は、複数の段階を踏むことです。

ワイヤフィード

クラッド供給の2つ目の方法は、ワイヤ供給です。ワイヤはドラムからレーザーに供給されます。これは、クラッド加工中にワイヤ供給が直面するいくつかの問題のうちの最初のものです。ワイヤドラムは、塑性変形の問題を防ぐのに十分な大きさであると同時に、スムーズな供給を可能にするために基板の動きと一直線上になければなりません。^{[ 3 ]}ワイヤ供給に関する最大の問題は、溶融ワイヤがワイヤ先端でどのように作用するかです。溶融金属は基板上でうまく流れず、その結果、クラッドが基板に大きく溶け込みます。

粉末注入

コーティング材料の3番目の方法は、粉末金属の原理に戻りますが、粉末はビーム経路に注入されます。粉末は不活性ガスを用いてチューブ内を運ばれ、コーティング材料がビーム経路に吹き込まれます。吹き込まれた粉末金属粒子はビームによって部分的に溶融します。レーザーは基材表面に小さな溶融池を形成し、そこで粉末金属が完全に溶融します。^{[ 4 ]}形成された溶融池は、クラッドの単一層に対応します。これにより、基材とコーティングの間に最小限の希釈率で強力な冶金結合が形成されます。^{[ 3 ]}

クラッド供給システムには2つの異なる方式があります。1つ目はオンライン方式で、粉末金属は同軸システムを用いて基板に供給されます。レーザーには粉末供給ラインが直接接続されており、レーザーと同じ経路を移動します。つまり、基板の動きは、いかなる状況においても基板の方向経路と垂直になります。これにより、同軸供給システムは基板の動きに依存せず、あらゆる方向に均一な表面コーティングを生成することができます。^{[ 4 ]}

オンライン方式の代替として、オフライン方式、すなわち横方向注入方式がある。横方向注入方式では、供給ノズルの位置はレーザーの横方向となる。しかし、横方向供給ノズルの位置はクラッドの濃度に影響を与える。横方向供給ノズルを基板の移動方向に配置すると、粉末が溶融池と基板の間に閉じ込められるため、クラッドの効率が向上する。しかし、供給ノズルの形状により位置を変更する必要がある場合、表面コーティングの特性に影響を与える。^{[ 1 ]}

最適化

複合給餌システム

レーザークラッディングの開発以来、コーティング材料は前節で述べた3つの方法のいずれかで供給されてきました。レーザークラッディングでは、表面コーティングにおいて、表面仕上げの劣化と堆積効率という2つの問題が発生することが判明しました。堆積効率とは、被覆材の重量と溶射された被覆材の重量の比です。

粉末注入法は現在最も広く使用されている供給システムですが、ワイヤ供給法にもいくつかの利点があるため、依然として関心が寄せられています。横方向からの粉末注入でクラッドされたサンプルの表面粗さ（Ra）は70～90μmですが、ワイヤ供給されたサンプルではRaが30%低くなります。^{[ 5 ]}ワイヤ供給システムは、溶融池に粒子が閉じ込められないため、堆積効率の問題も克服します。

ワイヤ供給法の問題点は、適切な供給角度の範囲で固体表面コーティングを形成できないことです。供給ワイヤの供給角度が20～60°という理想的な範囲から外れると、クラッドは不連続となり、隙間が生じるため表面コーティングには適しません。^{[ 5 ]}独立した同軸ノズルと前述の複合供給システムの効率を比較する研究が行われました。供給システムの唯一のメカニズムが同軸粉末注入である場合、堆積率は1100kWレーザーで27%、1500kWレーザーで33%でした。^{[ 6 ]}

同軸粉末注入と横方向供給ワイヤシステムを組み合わせて使用​​することで、レーザークラッディングプロセスが改善されました。これら2つの方法は、同じ溶融プールに貢献し、システムの効率を向上させます。ワイヤ供給により溶融プールが大きく連続的になるため、粉末スプレーの堆積効率が向上します。粉末スプレーの堆積効率は47％に増加しました。^{[ 6 ]} この研究でレーザーの効率が向上したのは、ワイヤを単独で使用した場合、レーザーのエネルギーの大部分が反射されて無駄になることが指摘されたためです。粉末スプレーはバリアとして機能し、ビームが供給ワイヤに到達する前にビームの一部を吸収するため、ワイヤが無駄にするエネルギーが少なくなりました。^{[ 6 ]}

クラッドの全体的な品質は、この組み合わせ法によって向上させることができます。粉末とワイヤを共存させることで、サンプルの多孔度は約25%向上します。クラッドのもう一つの改善点は、表面仕上げ粗さの低減です。表面仕上げはRa値47まで低下し、部品の表面仕上げと寸法精度が向上します。多孔度と表面仕上げをレーザープロセスの効率に関連付ける最新の理論は、レーザーからのエネルギーが溶融プールに吸収され、より滑らかで穏やかな溶融プールの流れが形成されるというものです。^{[ 6 ]}

統合センサー付きクラッディングヘッド

同軸ノズルを用いたレーザークラッディングにおいて深刻な問題となるのは、様々なレーザー部品の汚れです。保護ガラス、二色レンズ、集光レンズなどは、スプレーバックによって汚れることがあります。これにより、ビームエネルギーが粉末スプレーに伝達されるのではなく、レーザー部品に吸収されてしまうため、レーザーの有効性が低下します。エネルギーは粉末に到達する前に吸収されるため、レーザークラッディングシステムは不均質で低品質のクラッド材を生成し始めます。このような結果が見られる場合、レーザークラッディングは高品質で均質なクラッド材を生成できないため、熱溶射やプラズマ溶射などの他のクラッディング技術よりもレーザークラッディングを使用する意味はありません。^{[ 1 ]}

レーザークラッディングに新たなアプローチが実現しました。クラッディングヘッドに各種センサーを取り付けることで、クラッディングヘッドの各部品の状態をリアルタイムで監視できるため、システムの効率を向上させることができます。また、各種熱センサー、フォトダイオード、カメラを活用することで、部品の表面仕上げと全体的なネット精度の向上に貢献します。^{[ 7 ]}

熱センサーを用いて保護レンズと二色レンズの温度上昇を監視することで、レンズの汚れやシミの有無を判定できます。レンズが汚れると、レーザーエネルギーが粉末スプレーに到達する量が減少し、代わりに粉末スプレーに吸収されます。保護レンズが汚れる原因は、粉末スプレー内の保護用不活性ガスが製造中にレンズから粒子を吹き飛ばすことができないためです。^{[ 7 ]}

電荷結合素子 (CCD) をクラッディング ヘッドに対して垂直に取り付けることでクラッディング プロセスに組み込むことができ、レーザーと基板の接触点をリアルタイムで確認できます。

ビームサイズは焦点から大きく変化するため、溶融池はクラッドヘッドの高さに大きく影響されることが判明しています。レーザービームのエネルギー分布は、式(1)で示されるガウス分布としてモデル化することができ、ビームエネルギーの集中度を決定できます。

• gはガウス分布のピーク値である
• hはノズルから基板までの高さである。
• øは粉体噴霧の半角である

ノズルの高さが焦点を超えて下がると、ビームサイズが小さくなり、溶融池が形成され、システムの堆積効率が低下します。基板の高さがレーザーの焦点を超えて高くなると、レーザービームの幅が広がることでエネルギーが無駄になり始めます。ビームのガウス分布の性質により、ビームの集中度は増加しすぎると低下します。ノズルと基板の高さの差を監視するCCDを組み込むことで、溶融池のサイズを監視・制御し、粉末スプレーが吸収される理想的な環境を作り出すことができます。^{[ 7 ]}

基板が斜めになっている場合、ノズルの配置に関して異なる問題が発生します。式(2)および(3)からわかるように、クラッドの分布は角度によって異なります。均一なクラッド分布を得るには、ノズルの基板に対する角度は基板に対して垂直に保つ必要があります。

• øは基板と地平線の間の角度である

CCDを用いることで、基板の水平に対する角度と、傾斜基板に対するノズルの角度の両方を監視できるようになりました。これにより、クラッドの濃度を傾斜面に沿って均一に分散させると同時に、基板に対するノズルの高さを監視し、レーザービームの幅が適切な溶融池を形成するのに理想的であることを確認できます。^{[ 7 ]}

リアルタイムモニタリングと統合センサーがなければ、部品の表面仕上げは粗く、品質が低下し、寸法精度も低下する可能性があります。センサーを統合することで、製造中にクラッディングプロセスを調整し、完成品に欠陥が発生するのを防ぐことができます。

参考文献