レーザー溶接は、連続レーザー発生器またはパルスレーザー発生器によって実現できます。レーザー溶接の原理は、熱伝導溶接とレーザー深融着溶接に分けられます。電力密度が104~105W/cm2未満の場合は熱伝導溶接となり、このとき溶ける深さが浅くなり、溶接速度が遅くなります。電力密度が 105 ～ 107 W/cm2 を超えると、熱の作用により金属表面が「キーホール」に凹み、深い溶融溶接が形成されます。これは、溶接速度が速く、深さ幅の比が大きいという特徴があります。
今日は主に、レーザー深融着溶接の品質に影響を与える主な要因の知識について説明します。
1. レーザー出力
レーザー深融着溶接では、レーザー出力によって溶け込み深さと溶接速度の両方が制御されます。溶接深さはビーム出力密度に直接関係しており、入射ビーム出力とビーム焦点の関数です。一般に、特定の直径のレーザービームの場合、ビームパワーの増加に伴って浸透深さが増加します。
2. フォーカルスポット
ビームスポットサイズは出力密度を決定するため、レーザー溶接において最も重要な変数の 1 つです。しかし、利用可能な間接的な測定技術は数多くありますが、高出力レーザーでは測定が困難です。
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、不十分な焦点反射が存在するため、実際のスポット サイズは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、厚紙を燃やしてポリプロピレン板に浸透させた後、焦点と穴の直径を測定します。この方法は、測定の実践を通じて、レーザーの出力サイズとビームの動作時間を習得します。
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) が使用されることが多く、溶接プロセス中のワークピースの酸化を防ぎます。保護ガスを使用する 2 番目の理由は、金属蒸気による汚染や液滴によるスパッタリングから集束レンズを保護するためです。特に高出力レーザー溶接ではイジェクタ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あることです。金属蒸気はレーザービームを吸収し、イオン化してプラズマ雲になります。金属蒸気の周囲の保護ガスも熱によりイオン化します。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よって消費されます。 2つ目のエネルギーとして、加工面にプラズマが存在し、溶接深さが浅くなり、溶融池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どうすればよいですか?
4. 吸収率
材料のレーザー吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、融解温度、蒸発温度などの材料のいくつかの重要な特性に依存します。すべての要素の中で最も重要なのは吸収率です。
レーザービームに対する材料の吸収率には 2 つの要素が影響します。 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わかります。第二に、材料の表面状態 (または仕上げ) はビームの吸収率に重要な影響を及ぼし、溶接効果に大きな影響を与えます。
5. 溶接速度
溶接速度は溶け込み深さに大きく影響します。速度を上げると溶け込み深さが浅くなりますが、速度が低すぎると材料が過剰に溶けてワークが溶接されてしまいます。したがって、特定のレーザー出力と特定の厚さを持つ特定の材料には適切な溶接速度範囲があり、対応する速度値で最大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
通常、焦点レンズは溶接ガンのヘッドに取り付けられており、一般に 63 ～ 254 mm (直径 2.5 "～10") の焦点距離が選択されます。集束スポットの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は小さくなります。ただし、焦点距離の長さは焦点深度にも影響します。つまり、焦点深度は焦点距離と同期して増加するため、焦点距離が短いとパワー密度は向上しますが、焦点深度が小さいため、距離が長くなります。レンズとワーク間の距離を正確に維持する必要があり、侵入深さは大きくありません。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126mm（直径5"）がほとんどです。継ぎ目が大きい場合は焦点距離254mm（直径10"）のレンズも選択可能です。または、スポット サイズを大きくして溶接部を増やす必要があります。この場合、深い貫通孔効果を得るには、より高いレーザー出力パワー（パワー密度）が必要となります。
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投稿日時: 2022 年 9 月 27 日