乾燥品！レーザー溶接の一般的なプロセスパラメータの解釈

レーザー溶接は、レーザー加工技術の応用における重要な側面の一つであり、21世紀において最も注目を集め、将来有望な溶接技術でもあります。従来の溶接方法と比較して、レーザー溶接は溶接品質の向上や効率の向上など、多くの利点があります。現在、レーザー溶接技術は、製造業、粉末冶金、自動車産業、電子産業、生物医学など、幅広い分野で活用されています。

溶融池の形成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（小穴）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。基本的に蒸発現象はなく、低速薄肉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。熱量が大きいため、溶融池の先端に穴ができます。深溶け込み溶接はワークピースを完全に溶接でき、入力エネルギーが大きく、溶接速度が速いため、最も広く使用されているレーザー溶接モードです。

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、補助送風ガスなどが挙げられる。

1. 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1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、大量の蒸発が発生します。そのため、高出力密度は、打ち抜き、切断、彫刻などの材料除去加工に非常に有利です。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、表面層が蒸発する前に下層が融点に達するため、良好な溶融溶接が容易に形成されます。したがって、熱伝導レーザー溶接では、出力密度の範囲は10⁴～10⁶W/cm²です。

2. 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、材料表面ではレーザーエネルギーの60～90%が反射され、損失します。特に金、銀、銅、アルミニウム、チタンなどの材料は反射率が高く、熱伝導も速いです。金属の反射率は、レーザーパルス信号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。

3. 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倍になります。しかし、パルス幅を増やすとピークパワーが低下するため、パルス幅を増やすこと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。

4. デフォーカスレーザー溶接では、スポットの中心にあるレーザー焦点のパワー密度が高すぎるため、穴に蒸発しやすいことから、通常、一定量のデフォーカスが必要です。パワー密度の分布は、レーザー焦点から離れた各平面で比較的均一です。デフォーカス方法には、正のデフォーカスと負のデフォーカスの2種類があります。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、正および負のデフォーカス面と溶接面との距離が等しい場合、対応する平面上のパワー密度はほぼ同じですが、実際に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係しています。

5．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てしまいます。溶接速度が速すぎると入熱量が小さくなりすぎて、ワークピースの溶接部が不透明になります。溶接速度を落とすことは、通常、溶け込み深さを改善するために用いられます。

6. 補助送風保護ガス 補助送風保護ガスは、高出力レーザー溶接において不可欠な工程です。一方では、金属材料のスパッタリングや集光ミラーの汚染を防ぐため、他方では、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の表面に到達するのを防ぐためです。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、溶接工程でワークピースが酸化されるのを防ぎます。保護ガスの種類、空気流量、送風角度などの要因は、溶接結果に大きな影響を与えます。送風方法の違いも、溶接品質に一定の影響を与えます。

ヘリウムはイオン化されにくく（イオン化エネルギーが高い）、レーザーがスムーズに通過し、ビームエネルギーが妨げられることなくワークピース表面に到達します。これはレーザー溶接で使用される最も効果的な保護ガスですが、価格は比較的高価です。アルゴンは安価で密度が高いため、保護性能が優れています。しかし、高温の金属プラズマによって容易にイオン化されるため、ビームの一部がワークピースから遮蔽され、溶接の有効レーザー出力が低下するだけでなく、溶接速度と溶け込み深さも損なわれます。アルゴンで保護された溶接部の表面は、ヘリウムで保護された溶接部の表面よりも滑らかです。窒素は保護ガスとして最も安価ですが、吸収などの冶金学的問題により、一部の種類のステンレス鋼の溶接には適していません。吸収は、重ね合わせ部に気孔を生じさせる場合があります。

レーザー溶接は、新しい溶接技術として、高エネルギー密度、高速性、高精度、深溶け込み、そして高い適応性といった特徴を備えています。その応用範囲はますます広がり、生産効率の向上だけでなく、溶接品質の向上にも貢献しています。レーザー溶接技術は、今後、材料加工分野においてますます重要な役割を果たすようになるでしょう。