導入：
前回の記事では、深浸透レーザー溶接の原理と特徴について説明しました。ここでは、主なプロセスパラメータに焦点を当てます。これは、この溶接技術についてさらに詳しく知るのに役立ちます。
深浸透レーザー溶接の主なプロセスパラメータ
1. レーザー出力
レーザー溶接にはレーザーエネルギー密度の閾値があります。この値を下回ると、溶け込み深さは非常に浅くなります。この値に達するか超えると、溶け込み深さは大幅に増加します。ワークピース上のレーザーパワー密度が閾値（材料によって異なります）を超えた場合にのみ、プラズマが生成されます。これは、安定した深い溶け込み溶接の進行を示します。
レーザー出力がこの閾値を下回ると、ワークピースの表面溶融のみが起こり、安定した熱伝導溶接となります。しかし、レーザー出力密度が小穴形成の臨界条件に近づくと、深溶け込み溶接と伝導溶接が交互に行われ、溶け込み深さが大きく変動する不安定な溶接プロセスとなります。
レーザー深溶け込み溶接では、レーザー出力によって溶け込み深さと溶接速度が同時に制御されます。溶接溶け込み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、ビーム出力が増加すると溶け込み深さも増加します。
2. ビーム焦点
ビームスポットサイズは、レーザー溶接において最も重要な変数の 1 つです。ビームスポットサイズによって出力密度が決まるからです。しかし、高出力レーザーの場合、その測定は困難です。間接的な測定技術は数多くありますが。
ビーム焦点の回折限界スポットサイズは、光回折理論に従って計算できます。ただし、集束レンズの収差が存在するため、実際のスポットサイズは計算値よりも大きくなります。最も簡単な実用的な方法は、等温プロファイリング法です。これは、厚紙でポリプロピレン板を焦がして貫通させた後、焦点スポットと穿孔直径を測定する方法です。この方法では、測定の実践を通じてレーザー出力とビーム動作時間を習得する必要があります。
3. 材料吸収値
材料によるレーザー光の吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、融点、蒸発温度など、材料のいくつかの重要な特性に依存します。
一番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影響を与える要因には、次の 2 つの側面があります。
- まず、材料の研磨面の吸光度を測定します。材料の抵抗率は抵抗係数の平方根に比例することがわかりました。抵抗係数は温度によって変化します。
- 第二に、材料の表面状態（または仕上げ）はビーム吸収率にさらに重要な影響を及ぼし、したがって溶接効果に大きな影響を与えます。
セラミック、ガラス、ゴム、プラスチックなどの非金属は、室温での吸収率が高いです。しかし、金属材料は室温での吸収率が低く、材料が溶けたり蒸発したりすると、吸収率は急激に増加します。表面コーティングまたは表面酸化膜を使用すると、材料の光線吸収が効果的に向上します。
4.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は浅くなります。しかし、速度が低すぎると、材料が過剰に溶解し、ワークピース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厚さを持つ特定の材料に適した溶接速度範囲が存在します。対応する速度値で最大の溶け込み深さが得られます。
5. 保護ガス
レーザー溶接中に溶融池を保護するために、不活性ガスがよく使用されます。一部の材料は表面の酸化に関係なく溶接されるため、保護は考慮されない場合があります。ただし、ほとんどの用途では、ヘリウム、アルゴン、窒素などのガスが保護としてよく使用されます。
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ヘリウム
ヘリウムはイオン化されにくい（イオン化エネルギーが高い）ため、レーザーがスムーズに通過し、ビームエネルギーが支障なくワークピースの表面に到達します。これはレーザー溶接に使用される最も効果的なシールドガスです。ただし、高価です。
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アルゴンガス
アルゴンガスは安価で密度が高いため、保護効果は優れています。ただし、高温金属プラズマのイオン化の影響を受けやすく、ビームの一部がワークピースに当たるのを防ぎ、溶接の有効レーザー出力を低下させ、溶接速度と浸透に損傷を与える可能性があります。アルゴンで保護された溶接部表面は、ヘリウムで保護された溶接部表面よりも滑らかです。
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窒素
窒素は最も安価なシールドガスです。しかし、吸収などの冶金上の問題が主な理由で、一部のステンレス鋼の溶接には適していません。場合によっては、重なり合う部分に多孔性が生じます。
保護ガスの使用は、主に次の 3 つの点で有益です。
- はんだ付け中にワークピースを酸化から保護します。
- 特に高出力レーザー溶接では、金属蒸気汚染や液滴のスパッタリングから集光レンズを保護します。噴出が強力になるため、レンズを保護する必要があります。
- 高出力レーザー溶接によって生成されたプラズマシールドを消散させます。金属蒸気はレーザービームを吸収し、プラズマ雲にイオン化します。金属蒸気の周りの保護ガスも熱によりイオン化されます。プラズマが多すぎると、レーザービームはプラズマによっていくらか消費されます。プラズマは第2のエネルギーとして作業面に存在するため、溶け込みが浅くなり、溶接プールの表面が広がります。電子とイオンおよび中性原子との3体衝突を増加させてプラズマ内の電子密度を低下させることにより、電子の再結合率が増加します。中性原子が軽いほど、衝突頻度と再結合率が高くなります。一方、イオン化エネルギーの高い保護ガスだけでは、ガス自体のイオン化により電子密度は増加しません。
6. レンズの焦点距離
溶接中にレーザーを集光するには、通常、焦点距離63〜254mmのレンズが使用されます。焦点スポットサイズは焦点距離に比例します。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します。そのため、焦点距離が短いと、パワー密度を高めることができます。焦点深度が小さいため、レンズとワークピースの距離を正確に維持する必要があり、浸透深度は大きくありません。
溶接工程で発生するスパッタ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、焦点距離126mm（5インチ）がほとんどです。ジョイントが大きい場合や、スポットサイズを大きくして溶接シームを増やす必要がある場合は、焦点距離254mmのレンズを選択できます。この場合、深い浸透ピンホール効果を実現するには、より高いレーザー出力（電力密度）が必要です。
レーザー出力が2kWを超える場合（特に10.6μm CO2レーザービームの場合）、光学系を形成するために特殊な光学材料が使用されるため、集光レンズへの光学的損傷のリスクを回避するために、反射集光方式がよく使用されます。反射鏡としては通常、研磨された銅ミラーが使用されます。効果的な冷却のため、高出力レーザービームの集光に推奨されることが多いです。
7. フォーカス位置
焦点の位置は、溶接時に適切な電力密度を維持するために重要です。ワークピースの表面に対する焦点の位置の変化は、溶接の幅と深さに直接影響します。
ほとんどのレーザー溶接アプリケーションでは、焦点は通常、ワークピースの表面から目的の溶融深さの約 1/4 の位置にあります。
8. レーザービームの位置
異なる材料をレーザー溶接する場合、特に重ね継ぎよりも突合せ継ぎの場合、レーザー ビームの位置が溶接の最終的な品質を決定します。たとえば、硬化鋼のギアを軟鋼のドラムに溶接する場合、レーザー ビームの位置を適切に制御すると、比較的割れにくく、主に低炭素成分の溶接を実現できます。一部の用途では、溶接するワークピースの形状によっては、レーザー ビームを角度で偏向させる必要があります。ビーム軸と接合面の間の偏向角度が 100 度以内であれば、ワークピースによるレーザー エネルギーの吸収は影響を受けません。
9. 溶接開始点と終了点におけるレーザー出力の段階的な上昇と下降の制御
レーザー深溶け込み溶接では、溶接の深さに関係なく、常に小さな穴が存在します。溶接プロセスが終了し、電源スイッチをオフにすると、溶接の端にピットが現れます。また、レーザー溶接層が元の溶接シームを覆うと、レーザービームの過剰な吸収が発生します。その結果、溶接部が過熱したり、気孔が発生したりします。
上記の現象を防ぐために、電力の開始と停止ポイントをプログラムして、電力の開始と終了の時間を調整することができます。初期電力は、短時間でゼロから設定電力値まで電子的に増加します。そして、溶接時間を調整することができます。最後に、溶接が終了すると、電力は設定電力からゼロまで徐々に減少します。