レーザークラッディング

このページでは、レーザー加工によって「肉盛り加工」を行う「レーザークラッディング」について特徴やメリット、またレーザークラッディングの他に肉盛り加工を行う方法などをまとめて解説しています。

レーザークラッディングとは

レーザークラッディング（Laser Cladding：LC）とは、レーザー加工機によって対象物となる基材の表面に「肉盛り加工・被膜加工」を施す技術です。レーザークラッディングを行うことで対象表面に肉盛り素材を上乗せできるようになり、例えば摩耗しやすい環境で使用される素材や、腐食しやすい環境で設置される部品などに、耐摩耗性や耐腐食性を付与できることが特徴です。

以下に具体的なレーザークラッディングの加工法や仕組みを解説していきます。

レーザークラッディングの仕組み・原理

レーザークラッディングでは、レーザーを熱源として肉盛り素材となる金属粉末やワイヤーを溶融し、基材表面に溶融した肉盛り素材を重ねることで任意の部位の厚みや素材特性を変更します。

また、長年の使用によって肉盛り部分が摩耗してしまった部品に対して、改めてレーザークラッディングを行うことで肉盛り部分の厚みを復活させるなどメンテナンスや補修を目的として利用されることもあるでしょう。

レーザークラッディングは溶接よりも基材への熱影響を押さえやすく、異素材の金属めっきよりも厚みを確保することができるなど、素材表面の性能や機能を向上させる目的として利便性を追求できる加工法です。

レーザークラッディングのメリット

熱歪みを抑えられる

レーザークラッディングによって熱が照射されるのは基材表面だけです。そのため、対象となるワーク全体への熱影響を押さえやすくなり、熱による歪みや変形、劣化といったデメリットを回避しやすいことが重要です。

また、レーザーの出力や肉盛り素材を選択することで微調整も行えます。

希釈率が低い

レーザークラッディングではレーザー光が当たった基材の表面と肉盛り素材だけが溶融し、その他の部位についてはそのままの状態を維持することが可能です。つまり、基材と肉盛り素材との境界面に生じる希釈層を最小限に抑えて、肉盛り素材の特性を活かした加工を行うことができます。

経済的にも優れている

必要な部分に必要な量の肉盛り素材だけを使用し、レーザーによって効率的に肉盛り加工を行えるため、全体的なコストを抑えやすいこともメリットです。また、ワイヤーでなく金属粉末を使用することで、一層に材料コストや調達コストを抑えられる可能性もあるでしょう。条件や使用頻度によっては電気代やメンテナンス代といったランニングコストも低減できます。

レーザークラッディング以外の肉盛り工法

溶射

溶射とは、バーナーやプラズマなどを熱源として溶射材と呼ばれる金属素材を溶融させ、それを基材へ吹き付けることで表面に溶射材の被膜を形成させる肉盛り加工方法です。

熱源によって溶融された溶射材は液化された上で、高速ガスなどによって基材の表面へ突きつけられます。レーザークラッディングと比較した場合、レーザークラッディングよりも熱影響をさらに押さえやすい反面、溶射材が基材表面の上で固まっているだけなので密着強度の面で弱いことがポイントです。

肉盛り溶接（TIG溶接）

肉盛り加工として一般的な加工法が溶接（肉盛り溶接）です。あるいは「TIG溶接」とも呼ばれます。

溶接棒（肉盛り材）を、電気やガスを熱源として溶かし、基材表面の目的部位に溶けた溶接棒を接触・金属結合させて肉盛り加工を行います。

レーザークラッディングと同様に、肉盛り溶接では溶接棒の肉盛り材と基材表面の金属が化学的に結合しているため、溶射による加工よりも密着強度で優れている点が特徴です。

PTA肉盛

PTA溶接は「プラズマ粉体肉盛り」とも呼ばれる肉盛り加工です。PTA溶接では、肉盛り溶接棒と基材を熱によって溶融させながら肉盛り加工を進めるため、基材表面で基材と肉盛り素材が金属結合しています。これにより、密着強度を高められるので肉盛り部分が剥離するといったこともありません。

PTA肉盛りでは肉盛り材として金属粉末が使われており、多軸ロボットなどを活用することで再現性や肉盛り品質を確保しやすいといったメリットもあります。

パルスレーザーとワイヤーを使用するレーザー肉盛り

金属粉末とレーザー加工機を活用して、肉盛り加工を自動化できるレーザークラッディングに対して、金属ワイヤーとファイバーレーザーやYAGレーザーなどを使って作業員が手作業で肉盛り加工を行うこともあります。

レーザークラッディングのレーザーは連続発振されているのに対して、同加工ではパルスレーザーが用いられる上、肉盛り材となるワイヤーの供給も作業員が手動で行うことが特徴です。

レーザークラッディングで起きやすいトラブル

クラックの発生

レーザークラッディングで起きやすいトラブルとして、肉盛り部分に生じるクラック（ひび割れ・亀裂）があります。

クラックが発生する理由としては、肉盛り部分と基材部分に温度差が生じることで、肉盛り部分の上部と、基材部分にそれぞれ別ベクトルの応力が発生することが挙げられます。あるいは、応力の強度と方向によっては肉盛り部分にクラックが発生する代わりに、基材そのものに力が加わって歪みが生じてしまう可能性もあるでしょう。

クラックや歪みを回避するためには、肉盛りの厚みやレーザーの照射強度、範囲などのパラメーターを適正に設定することが必要です。

ブローホールの発生

ブローホールとは、溶接作業において金属や固体同士を溶融・接着させる際に、それぞれの物体の間にあった汚れや油、水分といったものによって十分な熱が溶剤や基材に伝わらず、その部分だけ空洞のようになってしまった状態です。

レーザークラッディングの場合、作業台に対して平行な状態の基材表面に対して肉盛り加工を行うだけでなく、角度のついた部分へレーザーを照射して肉盛り加工を行うこともあるでしょう。しかしその際、特に垂直部分などレーザーが当たりにくい部位については熱エネルギーが十分に伝わらず、ブローホールとなって残ってしまう恐れがあります。

スパッタの発生に伴うノズルの詰まり、保護レンズの汚れなど

スパッタとは、溶接加工やレーザークラッディングの加工後に周辺へ飛散する金属粒子などのことを指します。

レーザークラッディングや溶接を行った際に発生する火花には、基材や肉盛り材の原子が混在しており、それが瞬間的に冷やされることで金属粉となって周囲へ飛散します。

スパッタが生じてノズルに付着すると詰まりの原因になったり、保護レンズの表面に付着してレンズを汚したりすることが問題です。特に、ノズルの詰まりだけであれば清掃によってメンテナンスできますが、ノズル部分まで溶融してしまうと再利用ができず部品交換が必要となります。

レーザークラッディングの市場規模について

REPORTOCEANがレーザークラッディングの世界市場について2021年11月24日に発行したレポートによれば、国際的なレーザークラッディング市場は2021年から2027年までの予測期間でおよそ9.8％以上の安定成長が見込まれていると報告されました。

レーザー加工機の発展や普及によって、従来の肉盛り加工の方法からレーザークラッディングへの移行が進み、さらに新しい技術開発や需要拡大が見込まれる自動車業界や航空業界といった業界でレーザークラッディングが採用されることで、今後ますますのレーザークラッディング市場の拡大が期待されています。

※参考元：PRTIMES｜世界のレーザークラッディング市場は2027年まで年平均成長率9.8%で成長する見込み
（https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000003884.000067400.html）