レーザー溶接とは？レーザー溶接を徹底解説！レーザー溶接の基本原理や主要プロセスパラメータなど、知っておくべきことをすべて網羅！
多くのお客様はレーザー溶接機の基本的な動作原理を理解しておらず、ましてや適切なレーザー溶接機を選ぶことなどできません。しかし、Mimowork Laserは、お客様が正しい決断を下せるようサポートし、レーザー溶接を理解するための追加的な支援を提供いたします。
レーザー溶接とは何ですか？
レーザー溶接は溶融溶接の一種で、レーザービームを溶接熱源として使用します。溶接原理は、特定の方法で活性媒体を刺激し、共振空洞の振動を形成し、それを誘導放射ビームに変換するというものです。ビームとワークピースが接触すると、ワークピースがエネルギーを吸収し、温度が材料の融点に達すると溶接が可能になります。
溶融池の基本的なメカニズムに基づくと、レーザー溶接には熱伝導溶接と深溶け込み（キーホール）溶接の2つの基本的な溶接メカニズムがあります。熱伝導溶接で発生した熱は熱伝達によってワークピースに拡散し、溶接面が溶融します。蒸発は起こらないため、低速で比較的薄い部品の溶接によく使用されます。深溶け込み溶接では、材料が蒸発して大量のプラズマが形成されます。高温のため、溶融池の前面に穴が開きます。深溶け込み溶接は最も広く使用されているレーザー溶接モードであり、ワークピースを完全に溶接でき、入力エネルギーが大きいため、溶接速度が速くなります。
レーザー溶接におけるプロセスパラメータ
レーザー溶接の品質に影響を与えるプロセスパラメータは数多くあり、例えば、出力密度、レーザーパルス波形、デフォーカス、溶接速度、補助シールドガスの選択などが挙げられる。
レーザー出力密度
出力密度は、レーザー加工において最も重要なパラメータの一つです。出力密度が高いほど、表面層はマイクロ秒以内に沸点まで加熱され、大量の蒸発が生じます。そのため、高出力密度は、穴あけ、切断、彫刻などの材料除去加工に有利です。出力密度が低い場合、表面温度が沸点に達するまでに数ミリ秒かかり、表面が蒸発する前に底面が融点に達するため、良好な溶融溶接部が形成されやすくなります。したがって、熱伝導レーザー溶接においては、出力密度の範囲は10⁴～10⁶W/cm²となります。
レーザーパルス波形
レーザーパルス波形は、材料除去と材料溶融を区別する重要なパラメータであるだけでなく、加工装置の容量とコストを決定する重要なパラメータでもあります。高強度のレーザービームが材料の表面に照射されると、材料の表面ではレーザーエネルギーの60～90%が反射され、損失とみなされます。特に、金、銀、銅、アルミニウム、チタンなどの反射率が高く、熱伝導が速い材料ではこの傾向が顕著です。金属の反射率は、レーザーパルス中に時間とともに変化します。材料の表面温度が融点まで上昇すると、反射率は急速に低下し、表面が溶融状態になると、反射率は一定の値で安定します。
レーザーパルス幅
パルス幅は、パルスレーザー溶接の重要なパラメータです。パルス幅は、溶け込み深さと熱影響部によって決まります。パルス幅が長いほど熱影響部は大きくなり、溶け込み深さはパルス幅の1/2倍に増加します。しかし、パルス幅の増加はピークパワーを低下させるため、パルス幅の増加は一般的に熱伝導溶接に用いられ、その結果、溶接幅が広く浅くなり、特に薄板や厚板の重ね溶接に適しています。ただし、ピークパワーが低いと過剰な熱入力が発生するため、各材料には溶け込み深さを最大化する最適なパルス幅が存在します。
デフォーカス量
レーザー溶接では、通常、ある程度のデフォーカスが必要となります。これは、レーザー焦点の中心における出力密度が高すぎるため、溶接材料が蒸発して穴が開いてしまう可能性があるためです。出力密度の分布は、レーザー焦点から離れた各平面において比較的均一です。
ぼかしモードは2種類あります。
正のデフォーカスと負のデフォーカス。焦点面がワークピースの上にある場合は正のデフォーカス、そうでない場合は負のデフォーカスです。幾何光学理論によれば、正のデフォーカス面と負のデフォーカス面と溶接面との距離が等しい場合、対応する面上のパワー密度はほぼ同じになりますが、実際には得られる溶融池の形状は異なります。負のデフォーカスの場合、より大きな溶け込み深さが得られますが、これは溶融池の形成過程に関係しています。
溶接速度
溶接速度は、溶接面の品質、溶け込み深さ、熱影響部などを決定します。溶接速度は単位時間あたりの入熱量に影響します。溶接速度が遅すぎると入熱量が大きくなりすぎて、ワークピースが溶け落ちてしまいます。逆に、溶接速度が速すぎると入熱量が小さくなりすぎて、ワークピースが部分的にしか溶接されず、未完成の状態になります。溶け込み深さを改善するには、通常、溶接速度を落とすことが用いられます。
補助ブロー保護ガス
補助ブロー保護ガスは、高出力レーザー溶接において不可欠な手順です。その目的は、金属材料のスパッタリングや集光ミラーの汚染を防ぐことと、溶接工程で発生するプラズマが過度に集束してレーザーが材料表面に到達するのを防ぐことです。レーザー溶接工程では、溶融池を保護するためにヘリウム、アルゴン、窒素などのガスがよく使用され、溶接工程におけるワークピースの酸化を防ぎます。保護ガスの種類、空気流量、ブロー角度などの要因は溶接結果に大きな影響を与え、ブロー方法の違いも溶接品質に一定の影響を与えます。
弊社おすすめのハンディレーザー溶接機：
レーザー溶接機 - 作業環境
◾動作環境の温度範囲：15～35℃
◾作業環境の湿度範囲：70％未満（結露なし）
◾ 冷却: レーザーの放熱部品の熱を除去する機能のため、水冷装置が必要であり、レーザー溶接機が正常に動作することを保証します。
（水冷チラーの詳細な使用方法とガイドについては、以下をご覧ください。）CO2レーザーシステムの凍結防止対策)
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投稿日時：2022年12月22日