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レーザー溶接とは何ですか?レーザー溶接を解説！重要な原理や主要なプロセスパラメータなど、レーザー溶接について知っておくべきすべてのこと!

多くのお客様は、適切なレーザー溶接機を選択することはおろか、レーザー溶接機の基本的な動作原理を理解していません。しかし、Mimowork Laser は、お客様が正しい決定を下せるよう支援し、レーザー溶接を理解するための追加サポートを提供します。

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あり、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、活性媒体を刺激して共振空洞振動を形成し、その後ビームが誘導放射ビームに変換する特定の方法によるものです。材料とワークが接触し、材料の融点に達するとエネルギーがワークに吸収され、溶接が可能となります。

溶接プールの主なメカニズムによると、レーザー溶接には、熱伝導溶接と深溶け込み (キーホール) 溶接という 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導によってワークに拡散するため、蒸発が起こらず溶接面が溶けます。低速で薄肉部品の溶接によく使用されます。深融着溶接では材料が蒸発し、大量のプラズマが形成されます。熱が上昇すると、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、ワークピースを完全に溶接でき、投入エネルギーが大きいため、溶接速度が速くなります。

レーザー溶接のプロセスパラメータ

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、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ます。

レーザー出力密度

出力密度は、レーザー加工における最も重要なパラメータの 1 つです。出力密度が高くなると、表面層がマイクロ秒以内に沸点まで加熱され、大量の蒸発が起こります。したがって、高出力密度は、穴あけ、切断、彫刻などの材料除去プロセスに有利です。電力密度が低い場合、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部が融点に達するため、良好な溶融溶接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の場合、出力密度の範囲は 104 ～ 106 W/cm2 になります。

レーザーパルス波形

レーザーパルス波形は、材料の除去と材料の溶解を区別するための重要なパラメータであるだけでなく、加工装置の量とコストを決定するための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、損失が考慮されます。特に、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、およびその他の材質の場合は、強い反射と速い熱伝達。金属の反射率は、レーザーパルス中の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激に低下し、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、浸透の深さと熱影響領域によって決まりました。パルス幅が長いほど、熱影響領域は大きくなり、浸透深さはパルス幅の 1/2 乗で増加します。ただし、パルス幅を大きくするとピーク電力が低下するため、パルス幅を大きくすると熱伝導溶接に一般的に使用され、溶接サイズが広く浅くなり、特に薄板と厚板の重ね溶接に適しています。ただし、ピーク電力が低いと過剰な入熱が発生し、各材料には浸透深さを最大化する最適なパルス幅があります。

デフォーカス量

レーザー溶接では、通常、ある程度の焦点のぼかしが必要です。これは、レーザー焦点のスポット中心の出力密度が高すぎるため、溶接材料が蒸発して穴が生じやすいためです。パワー密度の分布は、レーザー焦点から離れた各面で比較的均一です。

次の 2 つのデフォーカスモードがあります。
正および負のデフォーカス。焦点面がワークピースの上にある場合、それは正のデフォーカスです。それ以外の場合は、負のデフォーカスになります。幾何光学理論によれば、正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が得られますが、これは溶融池の形成プロセスに関連しています。

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当たりの入熱量に影響します。溶接速度が遅すぎると入熱が高くなりすぎ、ワークが焼き切れてしまいます。溶接速度が速すぎると入熱量が不足し、ワークが部分的に溶接されてしまい、溶接が中途半端になってしまいます。通常、溶け込みを改善するには、溶接速度を下げることが使用されます。

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では不可欠な手順です。一方で、金属材料がスパッタリングして集光ミラーを汚染するのを防ぐため。一方、溶接工程で発生するプラズマが集中しすぎて、レーザーが材料の表面に到達するのを防ぐためです。レーザー溶接のプロセスでは、溶接工学においてワークピースの酸化を防ぐために、溶融池を保護するためにヘリウム、アルゴン、窒素、その他のガスがよく使用されます。保護ガスの種類、空気流の大きさ、吹き付け角度などの要因は溶接結果に大きく影響し、吹き付け方法の違いも溶接品質に一定の影響を与えます。