レーザー溶接は、連続またはパルスレーザー発生器によって実現されます。レーザー溶接の原理は、熱伝導溶接とレーザー深溶融溶接に分けられます。出力密度が104～105 W/cm2未満の場合は熱伝導溶接であり、この場合は溶融深度が深く、溶接速度は遅くなります。出力密度が105～107 W/cm2を超えると、金属表面が熱作用で「鍵穴」状に凹み、深溶融溶接が形成されます。深溶融溶接は、溶接速度が速く、深さと幅の比が大きいという特徴があります。
今日は、レーザーディープフュージョン溶接の品質に影響を与える主要な要因に関する知識を中心に説明します。
1. レーザー出力
レーザー深溶着では、レーザー出力が溶け込み深さと溶接速度の両方を制御します。溶接深さはビーム出力密度と直接関係しており、入射ビーム出力とビーム焦点位置の関数です。一般的に、一定の直径のレーザービームの場合、溶け込み深さはビーム出力の増加に伴って増加します。
2. 焦点
ビームスポットサイズは、レーザー溶接において最も重要な変数の一つです。なぜなら、ビームスポットサイズは出力密度を決定するからです。しかし、間接的な測定手法は数多くありますが、高出力レーザーの場合、ビームスポットサイズを測定するのは困難です。
ビーム焦点の回折限界スポットサイズは回折理論に従って計算できますが、実際のスポットサイズは焦点反射不良の影響で計算値よりも大きくなります。最も簡単な測定方法は等温度プロファイル法で、厚紙を燃焼させてポリプロピレン板を貫通させた後、焦点スポットの直径と穿孔径を測定します。この方法は、測定の実践を通じて、レーザー出力の大きさとビーム作用時間を習得します。
3. 保護ガス
レーザー溶接プロセスでは、溶融池を保護するために保護ガス（ヘリウム、アルゴン、窒素）がよく使用され、溶接プロセス中のワークピースの酸化を防止します。保護ガスを使用する2番目の理由は、集束レンズを金属蒸気による汚染や液滴によるスパッタリングから保護することです。特に高出力レーザー溶接では、噴出物が非常に強力になるため、レンズを保護する必要があります。保護ガスの3番目の効果は、高出力レーザー溶接によって生成されるプラズマシールドを分散させるのに非常に効果的です。金属蒸気はレーザービームを吸収し、プラズマクラウドにイオン化します。金属蒸気の周りの保護ガスも熱によってイオン化します。プラズマが多すぎると、レーザービームは何らかの形でプラズマに消費されます。2番目のエネルギーとして、プラズマは作業面に存在するため、溶接深さが浅くなり、溶接プールの表面が広くなります。
適切なシールドガスを選択するには？
4. 吸収率
材料のレーザー吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、融点、蒸発温度など、材料の重要な特性に依存します。これらの要因の中で最も重要なのは吸収率です。
材料のレーザービーム吸収率には2つの要因が影響します。1つ目は材料の抵抗係数です。材料の吸収率は抵抗係数の平方根に比例し、抵抗係数は温度によって変化することが分かっています。2つ目は、材料の表面状態（または仕上げ）がビームの吸収率に重要な影響を与え、溶接効果に大きな影響を与えることです。
5. 溶接速度
溶接速度は溶け込み深さに大きな影響を与えます。速度を上げると溶け込み深さは浅くなりますが、速度が低すぎると材料が過度に溶融し、ワークピースが貫通してしまいます。したがって、特定の材料、特定のレーザー出力、および特定の厚さに対しては適切な溶接速度範囲があり、対応する速度値で最大の溶け込み深さが得られます。
6. フォーカスレンズの焦点距離
溶接ガンのヘッドには、通常、焦点距離63～254mm（直径2.5インチ～10インチ）の焦点距離が選択されます。集光スポットサイズは焦点距離に比例し、焦点距離が短いほどスポットサイズは小さくなります。しかし、焦点距離の長さは焦点深度にも影響を及ぼします。つまり、焦点深度は焦点距離に同期して増加するため、焦点距離が短いほどパワー密度は向上しますが、焦点深度が小さいため、レンズとワークとの距離を正確に維持する必要があり、溶け込み深さは深くなりません。溶接時の飛沫やレーザーモードの影響により、実際の溶接で使用される最短焦点深度は、ほとんどの場合126mm（直径5インチ）です。シームが大きい場合や、スポットサイズを大きくして溶接部を広くする必要がある場合は、焦点距離254mm（直径10インチ）のレンズを選択できます。この場合、深い溶け込み穴効果を得るには、より高いレーザー出力（パワー密度）が必要です。
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投稿日時: 2022年9月27日