導入：
レーザー溶接は、レーザーと呼ばれる高度に集中した光エネルギーのビームを利用して材料を接合するプロセスです。では、レーザー溶接はどのように機能するのでしょうか? この記事ではその答えを紹介します。
どのように レーザー溶接 仕事？
1. レーザービームの発生
このプロセスは、通常はレーザー共振器から高濃度のコヒーレント光線を生成することから始まります。レーザー光線は、固体レーザー、ガスレーザー、ファイバーレーザーなど、さまざまなレーザーを使用して生成できます。
2. レーザービームの焦点を合わせる
生成されたレーザー ビームは、一連のミラーとレンズを通して、小さく強力なスポットに焦点を合わせます。この焦点は非常に重要です。これにより、レーザー ビームのエネルギー密度が高まり、相互作用する材料を溶かしたり蒸発させたりできるようになります。
3. 材料の準備
溶接の前に、接合する材料を洗浄し、適切に配置して準備します。表面処理は、適切な接合と溶接の品質を確保するために不可欠です。
4. 溶接工程
焦点を絞ったレーザー ビームは、溶接する材料の接合部に向けられます。強力なビームが表面に当たると、材料は急速に加熱、溶解、または蒸発します。発生した熱は局所的であるため、周囲の材料の熱影響部 (HAZ) が最小限に抑えられます。
5. 材料の接合
材料が溶けたり気化したりすると、接合部に溶融池が形成されます。溶融した材料は冷却されて固化し、材料間に融着結合が形成されます。レーザー ビームは接合部に沿って移動し、全長を溶接します。
6. 制御と監視
レーザー溶接プロセスでは、多くの場合、出力、ビームの焦点、速度パラメータを制御するためのセンサーと監視システムが組み込まれています。これにより、溶接プロセスを正確に制御し、一貫した品質を維持することができます。
レーザー溶接の重要なパラメータ
1. 電力密度
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。出力密度を高くすると、表面層は 1 マイクロ秒以内に沸点まで加熱され、広範囲に蒸発します。そのため、出力密度が高いと、穴あけ、切断、彫刻などの材料除去加工に有利です。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ます。表面層が蒸発する前に、下層が融点に達し、良好な溶融溶接部が簡単に形成されます。
2. レーザーパルス波形
高強度レーザービームが材料の表面に当たると、レーザーエネルギーの60〜98%が金属表面で反射され、失われます。これには、金、銀、銅、アルミニウム、チタンなど、反射が強く熱伝達が速い材料が含まれます。レーザーパルス信号中、金属の反射率は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ます。表面が溶融すると、反射は特定の値で安定します。
3. レーザーパルス幅
パルス幅は、パルスレーザー溶接にとって重要なパラメータです。溶け込み深さと熱影響部によってパルス幅が決まります。パルス幅が長いほど、熱影響部は大きくなります。溶け込み深さはパルス幅の1/2乗で増加します。ただし、パルス幅を広げるとピーク電力が低下します。したがって、熱伝導溶接ではパルス幅を広げることが一般的に使用されます。形成される溶接サイズは広く浅く、薄板と厚板の重ね溶接に特に適しています。
ただし、ピーク電力が低いと熱入力が過剰になります。各材料には、浸透を最大化する最適なパルス幅があります。
4. デフォーカス量
レーザー溶接では通常、ある程度の焦点ずれが必要です。これは、レーザー焦点のスポットの中心の電力密度が高すぎるため、穴の中に簡単に蒸発してしまうためです。レーザー焦点から離れた各平面では、電力密度の分布は比較的均一です。
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は浅くなります。しかし、速度が低すぎると、材料が過度に溶けてワークピースを貫通して溶接されます。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の溶け込みが得られます。
6. 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。ヘリウム、アルゴン、窒素などのガスは、ほとんどのアプリケーションで保護によく使用されます。保護ガスの 2 番目の機能は、集束レンズを金属蒸気汚染や液滴スパッタリングから保護することです。高出力レーザー溶接中、スプレーは非常に強力であり、レンズを保護するために必要です。シールドガスの 3 番目の機能は、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効果的に除去することです。金属蒸気はレーザービームを吸収し、それをプラズマにイオン化します。プラズマが多すぎると、プラズマはレーザービームをある程度消費します。
7. 冷却と後処理
溶接後、溶接部を完全に固めるために溶接接合部を冷却する場合があります。用途によっては、希望の表面仕上げと溶接の完全性を実現するために、研削や研磨などの追加の後処理手順が必要になる場合があります。
レーザー溶接の利点
レーザー溶接は、従来の溶接方法に比べて、高精度、高速処理、最小限の歪み、さまざまな材料を溶接できるなど、いくつかの利点があります。これらの特徴により、自動車、航空宇宙、電子機器、医療機器製造など、さまざまな業界で好まれています。
レーザー溶接は、高品質の接合強度と大きなアスペクト比が得られ、溶接速度も比較的速いです。
レーザー溶接は真空環境を必要としないため、レンズや光ファイバーを使用して遠隔制御や自動生産を行うことができます。
レーザー溶接は出力密度が大きく、チタン、石英などの溶接が難しい材料に対しても優れた溶接効果を発揮します。さまざまな特性を持つ材料を溶接できます。
マイクロ溶接が可能。レーザービームを正確に焦点合わせ、位置決めすることで、非常に小さなスポットを得ることができます。自動化生産のために大量生産されるマイクロおよび小型ワークピースの組み立て溶接に使用できます。