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、熱伝導溶接となり、溶融深さと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、熱の作用により金属表面が「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、深さ幅比が大きいという特徴があります。
本日は、レーザー深溶融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解説します。
1. レーザー出力
レーザー深溶融溶接では、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、入射ビーム出力とビーム焦点スポットの関数となります。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とともに増加します。
2. 焦点スポット
レーザー溶接において、ビームスポットサイズは出力密度を決定する最も重要な変数の一つです。しかし、高出力レーザーの場合、その測定は困難であり、間接的な測定手法は数多く存在します。
ビーム焦点の回折限界スポットサイズは回折理論に基づいて計算できますが、焦点反射不良のため、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プロファイル法で、厚紙を焼いてポリプロピレン板を貫通させた後の焦点スポットの直径と貫通径を測定します。この方法は、測定の実践を通して、レーザー出力サイズとビーム照射時間を把握するのに役立ちます。
3. 防護ガス
レーザー溶接プロセスでは、溶融池を保護し、溶接プロセス中のワークピースの酸化を防ぐために、保護ガス（ヘリウム、アルゴン、窒素）がよく使用されます。保護ガスを使用する2つ目の理由は、集光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ためです。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、レンズの保護が不可欠です。保護ガスの3つ目の効果は、高出力レーザー溶接によって発生するプラズマシールドを効果的に分散させることです。金属蒸気はレーザービームを吸収してイオン化し、プラズマ雲を形成します。金属蒸気の周囲の保護ガスも熱によってイオン化されます。プラズマが多すぎると、レーザービームがプラズマによって消費されてしまいます。プラズマは第二のエネルギー源として作業面に存在するため、溶接深さが浅くなり、溶融池の表面積が広くなります。
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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。
材料のレーザー光吸収率には、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わかっています。2つ目は、材料の表面状態（または仕上げ）がレーザー光の吸収率に重要な影響を与え、溶接効果にも大きな影響を及ぼします。
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、速度が遅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適切な溶接速度範囲が存在し、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フォーカスレンズが取り付けられ、一般的に焦点距離は63～254mm（直径2.5インチ～10インチ）が選択されます。フォーカス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、焦点深度は焦点距離と同期して増加するため、焦点距離が短いほど出力密度は向上しますが、焦点深度が小さいため、レンズとワークピース間の距離を正確に維持する必要があり、溶け込み深さは大きくありません。溶接中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。溶接部が大きい場合や、スポットサイズを大きくして溶接部を大き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実現するには、より高いレーザー出力（出力密度）が必要です。
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投稿日時：2022年9月27日