1) レーザー出力。レーザー溶接にはレーザー エネルギー密度のしきい値があり、このしきい値を下回ると溶ける深さが浅くなり、この値に達するか超えると、溶ける深さが大幅に増加します。ワークピース上のレーザー出力密度がしきい値 (材質に依存) を超えた場合にのみ、プラズマが生成され、深融着溶接が安定したことを示します。レーザー出力がこのしきい値を下回る場合、ワークピースは表面溶融のみが発生します。つまり、溶接は安定した熱伝達タイプで進行します。レーザー出力密度が小穴形成の臨界条件に近い場合、深溶融溶接と伝導溶接が交互に繰り返される不安定な溶接プロセスとなり、溶融深さの変動が大きくなります。レーザー深融着溶接では、図 1 に示すように、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。溶融物の溶接深さ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、レーザービームの特定の直径では、ビーム出力が増加するにつれて溶融の深さは増加します。
2) ビーム焦点。ビームスポットサイズは出力密度を決定するため、レーザー溶接における最も重要な変数の 1 つです。ただし、多くの間接的な測定技術がすでに利用可能であるにもかかわらず、その測定は高出力レーザーにとっては課題です。
ビーム焦点の回折限界スポット サイズは光回折理論から計算できますが、集束レンズの収差が存在するため、実際のスポットは計算値よりも大きくなります。最も簡単な実際の測定方法は等温プロファイル法であり、厚紙を敷いたポリプロピレン板を焼き、貫通させた後、焦点と穴の直径を測定します。この方法は、レーザー出力の大きさとビームの作用時間を把握しながら、実際に測定する必要があります。
3) 物質吸収値。材料によるレーザーの吸収は、吸収率、反射率、熱伝導率、融解温度、蒸発温度などの材料のいくつかの重要な特性に依存します。最も重要なものは吸収率です。
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 2 つの側面が含まれます。1 つは材料の抵抗率です。材料の研磨表面の吸収率を測定した後、材料の吸収率は抵抗率係数の平方根に比例し、温度によって変化することがわかります。次に、材料の表面状態 (または仕上げ) はビームの吸収率にさらに重要な影響を与えるため、溶接効果に大きな影響を与えます。
CO2レーザーの出力波長は通常10.6μmで、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非常に高く、金属材料は室温での吸収が非常に悪く、一度溶けたり気化すると吸収が急激に増加します。材料のビームへの吸収を改善するには、表面コーティングや表面酸化膜生成法を使用することが非常に効果的です。
4）溶接速度。溶接速度は溶融の深さに大きな影響を与えます。速度を上げると溶融の深さは浅くなりますが、速度が低すぎると材料が過剰に溶融し、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特定の材料の厚さには適切な溶接速度の範囲があり、溶融深さが最大のときに対応する速度値が得られます。図2に1018鋼の溶接速度と溶け込み深さの関係を示します。
5) 保護ガス。レーザー溶接プロセスでは、表面の酸化に関係なく一部の材料が溶接される場合、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が、保護は考慮されていませんが、ほとんどの用途では、溶接プロセス中にワークピースが酸化しないように、保護のためにヘリウム、アルゴン、窒素、その他のガスがよく使用されます。
ヘリウムはイオン化しにくい（イオン化エネルギーが高い）ため、レーザーが通過し、ビームエネルギーが妨げられることなくワークピースの表面に到達します。レーザー溶接で使用される最も効果的なシールド ガスですが、より高価です。
アルゴンは安価で密度が高いため、保護効果が高くなります。ただし、高温の金属プラズマイオン化の影響を受けやすく、その結果、ビームの一部がワークピースに遮蔽され、溶接に有効なレーザー出力が低下し、溶接速度と溶融深さも損なわれます。溶接部分の表面は、ヘリウム保護よりもアルゴン保護の方が滑らかです。
窒素は最も安価なシールドガスですが、ラップゾーンに気孔が発生する場合がある吸収などの冶金学的問題が主な理由で、一部のタイプのステンレス鋼の溶接には適していません。
シールドガスを使用する 2 番目の役割は、金属蒸気による汚染や溶融液滴のスパッタリングから集束レンズを保護することです。これは、イジェクタが非常に強力になる高出力レーザー溶接では特に必要です。
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るプラズマ シールドを分散させるのに効果的であることです。金属蒸気はレーザービームを吸収してイオン化してプラズマ雲になり、金属蒸気の周囲のシールド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、レーザービームはある程度プラズマによって消費されます。作業面上の第 2 のエネルギーとしてプラズマが存在すると、溶融の深さが浅くなり、溶融池の表面が広くなります。電子錯体形成の速度は、電子イオンおよび中性原子の三体衝突の数を増やしてプラズマ内の電子密度を下げることによって増加します。中性原子が軽いほど、衝突頻度が高くなり、化合物の割合が高くなります。一方、シールドガスの高いイオン化エネルギーのみを利用して、ガス自体のイオン化による電子密度の増加を防ぎます。
表からわかるように、プラズマ雲のサイズは使用する保護ガスによって異なり、ヘリウムが最も小さく、次に窒素が続き、アルゴンを使用した場合に最大になります。プラズマサイズが大きくなるほど、溶融深さは浅くなります。この違いの理由は、まずガス分子のイオン化度の違いと、保護ガスの密度の違いによる金属蒸気の拡散の違いによるものです。
ヘリウムはイオン化も密度も最も低く、溶融金属プールから上昇する金属蒸気を素早く追い出します。したがって、シールドガスとしてヘリウムを使用すると、プラズマの抑制を最大限に高めることができ、それによって溶融深さが増加し、溶接速度が向上します。軽量で抜けやすいため、気孔が発生しにくいです。もちろん、実際の溶接結果からもアルゴンガスによる保護効果は悪くありません。
溶接速度が遅い領域の溶融深さのプラズマ雲が最も顕著です。溶接速度が速くなるとその影響は弱まります。
シールドガスはノズル開口部から一定の圧力で噴射され、ワーク表面に到達します。ノズルの流体力学的形状と出口の直径のサイズは非常に重要です。スプレーされたシールドガスが溶接面を覆うのに十分な大きさが必要ですが、レンズを効果的に保護し、金属蒸気による汚染やレンズへの金属スパッタによる損傷を防ぐために、ノズルのサイズも制限する必要があります。流量も制御する必要があります。制御しないと、シールド ガスの層流が乱流になり、大気が溶融池に巻き込まれ、最終的に気孔が形成されます。
保護効果を向上させるために、追加の横方向の吹き込み方法、つまり、より小さな直径のノズルを通して、保護ガスを一定の角度で深い溶融溶接穴に直接吹き込む方法も利用できます。シールドガスは、ワークピースの表面上のプラズマ雲を抑制するだけでなく、穴内のプラズマと小さな穴の形成にも影響を及ぼし、溶融深さをさらに増大させ、望ましいよりも深くて広い溶接シームを実現します。しかし、この方法ではガスの流れの大きさと方向を正確に制御する必要があり、そうでないと乱流が発生しやすく、溶融池が損傷しやすく、溶接プロセスの安定化が困難になります。
6) レンズの焦点距離。溶接は通常、レーザーの収束方法に焦点を合わせるために使用され、レンズの焦点距離は 63 ~ 254 mm (2.5 '~ 10') が一般的に選択されます。集束スポットのサイズは焦点距離に比例し、焦点距離が短くなる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、焦点距離と同時に焦点深度も増加するため、焦点距離が短いとパワー密度が向上しますが、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、溶解深さは大きくありません。溶接プロセス中に発生するスパッタとレーザー モードの影響により、実際の溶接では、最短の焦点深度よりも焦点距離 126 mm (5') が使用されます。シームが大きい場合、またはスポット サイズを大きくして溶接シームを大きくする必要がある場合は、焦点距離 254 mm (10') のレンズを選択できます。この場合、ディープメルト小穴効果を達成するには、より高いレーザー出力パワー (パワー密度) 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、多くの場合、反射集光方式が選択され、一般に反射鏡には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束に推奨されることがよくあります。
7) 焦点位置。溶接では、十分な電力密度を維持するために、焦点の位置が重要です。ワーク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。図 3 は、1018 鋼の溶融深さとシーム幅に対する焦点位置の影響を示しています。ほとんどのレーザー溶接用途では、焦点は通常、ワークピース表面の下の望ましい溶融深さの約 1/4 に位置します。
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、特に重ね継手よりもこの点に敏感な突合せ継手の場合、レーザービームの位置が溶接の最終的な品質を制御します。たとえば、硬化鋼の歯車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、主に低炭素成分による溶接の生成が容易になり、亀裂耐性が向上します。一部の用途では、溶接されるワークピースの形状により、レーザー ビームをある角度で偏向する必要があります。ビーム軸と接合面との間の偏向角が 100 度以内であれば、ワーク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) 溶接開始点と溶接終了点のレーザーパワー漸増、漸減制御。レーザー深融着溶接では、溶接の深さに関係なく、小さな穴が発生する現象が常に存在します。溶接プロセスが終了し、電源スイッチがオフになると、溶接の端にクレーターが表示されます。さらに、レーザー溶接層が元の溶接部を覆うと、レーザービームが過剰に吸収され、溶接部の過熱や多孔性が生じます。
上記の現象を防ぐために、電力の開始点と停止点をプログラムして、電力の開始時間と停止時間を調整できるようにすることができます。つまり、開始電力を短時間で電子的にゼロから設定電力値まで増加させ、溶接時間を調整し、最後に溶接終了時に電力を設定電力からゼロ値まで徐々に減少させます。
