レーザークラッディング技術は、様々な充填方法を用いて、基材表面に選択されたクラッディング材を配置する技術です。レーザー照射により、基材表面の薄い層が溶融し、急速に固化することで、希釈率が非常に低い冶金的に結合した表面コーティングが形成されます。これにより、耐摩耗性、耐食性、耐熱性、耐酸化性、電気特性など、基材表面の特性が大幅に向上します。

レーザークラッディングの分類

使用される材料の種類とレーザービームとの結合方法に基づいて、一般的なレーザークラッディング技術は、同軸粉末レーザークラッディング、オフアクシス粉末レーザークラッディング（横方向粉末レーザークラッディングとも呼ばれる）、高速レーザークラッディング（超高速レーザークラッディングとも呼ばれる）、および高速ワイヤレーザークラッディングに分類できます。

同軸粉末レーザークラッディング

同軸粉末レーザー肉盛溶接では、一般的に半導体ファイバーレーザーとディスク型ガス供給式粉末フィーダーが使用されます。肉盛ヘッドは、中心に光ビームを照射し、その周囲に粉末を供給する円形スポット方式、または複数の粉末流を用いる方式を採用しています。特殊な保護ガス流路により、粉末、光ビーム、および保護ガスが一点に集束し、溶融池が形成されます。肉盛ヘッドがワークピースに対して移動するにつれて、表面に肉盛層が形成されます。

同軸粉末レーザー肉盛溶接の利点：

高い自由度と容易な自動化：クラッド層の品質は移動方向に関係なく一定に保たれるため、産業用ロボットや多軸加工機による自動化に非常に適しています。

優れた不活性ガス保護：溶融池は不活性ガスによって保護されており、プロセスの安定性が向上します。

溶融池が小さく、加熱が均一で、耐亀裂性に優れている：粉末と光の均一な相互作用により、被覆面の品質と耐久性が向上します。

オフアクシス粉末レーザークラッディング

横方向粉末レーザー肉盛とも呼ばれるこの方法は、半導体レーザーまたはファイバーレーザーと重力式粉末供給装置を使用します。肉盛ヘッドは、横方向の粉末供給と組み合わせた長方形の光スポットを採用しています。合金粉末はワークピース表面に供給され、レーザービームによって溶融し、溶融池を形成します。

オフアクシス粉末レーザー肉盛溶接の利点：

高い材料利用率：粉末はレーザーで溶融される前に表面に予め堆積され、95%以上の材料利用率を実現します。

高いクラッディング効率：矩形ビームにより、レーザー出力の向上とスポットサイズの拡大が可能になり、クラッディング速度が向上します。

不活性ガスを消費しない：この方法は不活性ガスを消費しないが、粉末の酸化耐性について慎重に検討する必要がある。

超高速レーザー肉盛り

このプロセスでは、高品質のファイバーレーザーと高速クラッディングヘッドを使用することで、極めて高速なクラッディング速度（最大200m/分）を実現しています。粉末は溶融池に入る前に予熱または完全に溶融されるため、粉末の溶融に必要な時間を大幅に短縮できます。

超高速レーザー肉盛り溶接の利点：

高いレーザーエネルギー利用率：レーザービームが粉末とワークピースを効率的に加熱し、エネルギー損失を最小限に抑え、クラッディング効率を最大化します。

低希釈率：高い被覆速度と短い溶融プール曝露時間により、被覆層の希釈率は低く抑えられます。

低い表面粗さと耐亀裂性：このプロセスは被覆層の欠陥を最小限に抑え、高品質な結果を保証します。

高速ワイヤレーザークラッディング

高速ワイヤレーザークラッディングでは、金属ワイヤをクラッディング材として使用し、レーザービームに供給します。金属ワイヤは溶融して溶融池を形成し、それが凝固してクラッディング層が形成されます。

高速ワイヤレーザー肉盛り溶接の利点：

環境面での利点：粉末の代わりにワイヤーを使用することで、飛沫や金属粉塵の発生がなくなり、環境性能が向上します。

高い材料利用率：ワイヤーは完全に溶融され、ほぼ99％の材料利用率を実現します。

高い被覆効率：制御されたエネルギー入力と高速な被覆速度により、高い材料効率を実現します。

プロセスパラメータがクラッド効果に及ぼす影響

レーザークラッディングのパラメータ（レーザー出力、スポット径、クラッディング速度、焦点オフセット、粉末供給速度、走査速度、予熱温度など）は、クラッディング層の希釈率、亀裂の発生、表面粗さ、およびクラッディング部品の全体的な密度に大きな影響を与えます。パラメータ設定が不適切だと、クラッディング層と基板間の冶金的な接合が不十分になり、多層チャネルの形成が阻害される可能性があります。

主要なプロセスパラメータは次のとおりです。

レーザー出力：これは基板の溶融量を決定します。出力を上げるとクラッド層が深くなりますが、同時に気孔が発生する可能性も高まります。しかし、出力を上げることで冷却段階における動的凝固が促進され、亀裂や気孔を低減できる場合もあります。

スポット径：レーザーのスポット径は、クラッド層の幅に影響します。スポット径が小さいほど品質は向上しますが、スポット径が大きいほど広い面積をカバーできます。

クラッディング速度：クラッディング速度は、合金粉末の溶融状態に影響を与えます。速度が速すぎると粉末が完全に溶融せず、遅すぎると溶融池が過熱し、材料の損失につながります。

レーザー肉盛表面形成技術の特徴

冷却速度が速く、凝固も迅速です。

熱変形が少なく、希釈率が低く、コーティングと基材間の冶金学的結合が優れている。

幅広い材質の選択肢：鉄系、ニッケル系、銅系、チタン系など。

精密な厚み制御：クラッド材の厚みは0.2mmから2mmまで調整可能で、摩耗部品の修復に最適です。

高い加工精度を備え、小型または加工が困難な領域に適しています。

自動化システムとの連携が容易です。

レーザークラッディング材料システム

被覆材の選択は、望ましい表面品質と特性を実現する上で非常に重要です。一般的に、適切な材料の選択は下地の物理的および化学的特性に依存し、被覆材はそれに応じて選択する必要があります。

材料システム：

自己融着合金粉末：鉄系、ニッケル系、コバルト系の粉末が含まれ、レーザー肉盛溶接で最も一般的に使用されています。優れた耐食性と耐酸化性を備えています。

複合粉末：これらは、炭化物、窒化物、ホウ化物などの高融点セラミックスと金属を組み合わせたもので、耐摩耗性コーティングの製造に最適な粉末です。

セラミック粉末：酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックを含み、これらは耐熱コーティングの製造に一般的に使用されます。

その他の合金粉末：用途の要件に応じて、銅系、チタン系、アルミニウム系、その他の特殊合金粉末も使用されます。

結論

レーザークラッディング技術は、航空宇宙、自動車、石油化学、冶金、鉄道輸送などの産業において、重要部品の補修や性能向上に広く利用されています。レーザークラッディングは、損傷した部品を費用対効果の高い方法で補修できるため、コスト削減、効率向上、性能向上に貢献します。高出力レーザーの技術進歩と製造コストの低減に伴い、レーザークラッディングは学術研究と産業研究の両方で注目を集める分野となっています。