レーザー溶接主要なプロセスパラメーター

1）レーザーパワー。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、それ以下では溶融の深さが浅くなり、この値に達するか、それを超えると、溶融の深さが大幅に増加します。ワークピースのレーザー出力密度がしきい値（材料に依存する）を超える場合にのみ、プラズマが生成され、深い融合溶接の安定化が得られます。レーザー出力がこのしきい値を下回っている場合、ワークピースは表面融解のみを受けます。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さな穴の形成の臨界状態に近い場合、深い融合溶接と伝導溶接が交互になり、不安定な溶接プロセスになり、溶融深さの大きな変動をもたらします。レーザーディープフュージョン溶接では、図1に示すように、レーザー電力は貫通の深さと溶接速度の両方を制御します。溶接の深さはビーム出力密度に直接関連しており、入射ビーム出力とビームフォーカルスポットの関数です。一般に、レーザービームの一定の直径の場合、ビームの出力が増加すると溶融物の深さが増加します。

2）ビームフォーカルスポット。ビームスポットサイズは、電力密度を決定するため、レーザー溶接で最も重要な変数の1つです。ただし、その測定は高出力レーザーにとって課題ですが、多くの間接測定技術はすでに利用可能です。

ビーム焦点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、実際のスポットは、レンズ異常の焦点が存在するため、計算値よりも大きくなります。最も単純な実際の測定方法は、等温プロファイル法です。これは、厚い紙でポリプロピレンプレートを燃やして浸透した後の焦点スポットと穿孔直径を測定することです。この方法は、レーザー出力のサイズとビームアクションの時間を習得することで測定する必要があります。

3）材料吸収値。材料によるレーザーの吸収は、吸収速度、反射率、熱伝導率、融解温度、蒸発温度など、材料の重要な特性に依存します。最も重要なものは吸収速度です。

レーザービームへの材料の吸収速度に影響を与える要因には、2つの側面が含まれます。まず、材料の抵抗率です。材料の磨かれた表面の吸収速度を測定した後、材料吸収速度は抵抗係数の平方根に比例することがわかります。これ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、ビームの吸収速度により重要な影響を及ぼすため、溶接効果に大きな影響を及ぼします。

CO2レーザー出力波長は通常、10.6μm、セラミック、ガラス、ゴム、プラスチック、および室温での吸収速度のその他の非金属は非常に高く、一方、その吸収の室温の金属材料は非常に低く、材料が溶けたり蒸発するまで、吸収が急激に増加します。ビームへの材料の吸収を改善するための表面コーティングまたは酸化物膜法の表面生成の使用は非常に効果的です。

4）溶接速度。溶接速度は溶融物の深さに大きな影響を与え、速度を上げると溶融の深さが浅くなりますが、速度が低すぎて、材料の過度の融解につながり、ワークピース溶接が通過します。したがって、特定のレーザー出力と特定の材料の特定の厚さには、溶接速度の適切な範囲があり、溶融の最大深度のときに対応する速度値を取得できます。図2は、溶接速度と1018鋼の溶融深さの関係を示しています。

5）保護ガス。レーザー溶接プロセスは、表面の酸化に関係なく一部の材料が溶接された場合に溶融プールを保護するために不活性ガスを使用することがよくありますが、保護を考慮しないでください。

ヘリウムは簡単にイオン化されていない（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ワークピースの表面に到達できないようにします。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。

アルゴンはより安価で密度が高いので、より良く保護します。しかし、高温金属プラズマイオン化の影響を受けやすく、ビームの一部をワークピースにシールドし、溶接に有効なレーザー出力を減らし、溶接速度と溶融深さを損なうことになります。溶接部の表面は、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、主にラップゾーンに多孔性を生成する吸収などの冶金の問題のために、いくつかのタイプのステンレス鋼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、液体溶融液滴の金属蒸気汚染とスパッタリングから焦点レンズを保護することです。これは、Ejectaが非常に強力になる高出力レーザー溶接で特に必要です。

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、イオン化してプラズマ雲になり、金属蒸気の周りのシールドガスも熱によってイオン化されます。あまりにも多くの血漿が存在する場合、レーザービームはプラズマによってある程度消費されます。作業面での2番目のエネルギーとしてのプラズマの存在により、溶融の深さが浅くなり、溶接プールの表面がより広くなります。電子錯体の速度は、プラズマの電子密度を減らすために電子イオンの数と中性原子の三体衝突の数を増やすことにより増加します。ニュートラル原子が軽いほど、衝突周波数が高いほど、化合物速度が高くなります。一方、ガス自体のイオン化により電子密度を上げないように、シールドガスの高いイオン化エネルギーのみ。

テーブルからわかるように、プラズマの雲のサイズは使用される保護ガスによって異なり、ヘリウムが最小で、窒素が続き、アルゴンが使用されるときに最大です。プラズマサイズが大きいほど、融解深さが浅くなります。この違いの理由は、まず、ガス分子のイオン化の程度が異なるためであり、保護ガスの異なる密度によって引き起こされる金属蒸気の拡散の違いによるものです。

ヘリウムは最もイオン化されておらず、密度が低く、溶融金属プールからの上昇する金属蒸気をすぐに払拭します。したがって、シールドガスとしてヘリウムを使用すると、血漿の抑制を最大化することができ、それにより溶融の深さが増加し、溶接速度が向上します。軽量と脱出能力のために、多孔性を引き起こすのは容易ではありません。もちろん、実際の溶接結果から、アルゴンガスによる保護の影響は悪くありません。

低溶接速度ゾーンの溶融深さのプラズマ雲が最も明白です。溶接速度が上がると、その影響は弱まります。

シールドガスは、ワークピース表面に到達するために、一定の圧力でノズル開口部から排出されます。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。溶接面を覆うために噴霧されたシールドガスを駆動するのに十分な大きさでなければなりませんが、レンズを効果的に保護し、金属蒸気の汚染または金属スパッタの損傷をレンズに防ぐためには、ノズルのサイズも制限されるべきです。流量も制御する必要があります。そうしないと、シールドガスの層流が乱流になり、大気が溶融プールに関与し、最終的に多孔性が形成されます。

保護効果を改善するために、さらに利用可能な横方向の吹き吹き方、つまり、より小さな直径のノズルを介して、深い溶融溶接穴に直接特定の角度に保護ガスになります。シールドガスは、ワークピースの表面のプラズマ雲を抑制するだけでなく、穴のプラズマと小さな穴の形成にも影響を及ぼし、融合の深さをさらに高め、望ましいよりも深く溶接縫い目を取得します。ただし、この方法にはガスの流れのサイズと方向を正確に制御する必要があります。そうしないと、乱流を生成して溶融プールを損傷するのは簡単で、溶接プロセスを安定させることは困難です。

6）レンズ焦点距離。溶接は通常、レーザーの収束、63〜254mm（2.5 '〜10 '）のレンズの焦点距離の一般的な選択に焦点を合わせるために使用されます。焦点を合わせたスポットサイズは、焦点距離に比例し、焦点距離が短いほど、スポットが小さくなります。しかし、焦点距離は焦点の深さにも影響します。つまり、焦点深度と焦点距離と同時に増加するため、焦点距離が短いため、焦点の深さがわずかであるため、レンズとワークピースの間の距離を正確に維持する必要があり、融解深さは大きくありません。溶接プロセスとレーザーモード中に生成されたスパッタの影響により、焦点の最短深さ126mm（5 '）を使用した最も短い焦点の深さを使用した実際の溶接により。ホール効果。

レーザー出力が2kWを超えると、特に10.6μmのCO2レーザービームの場合、光学システムを形成するための特別な光学材料を使用するため、焦点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、反射器に洗練された銅ミラーを使用して反射焦点焦点を選択します。効果的な冷却のため、高出力レーザービームの焦点を合わせてお勧めします。

7）焦点位置。溶接は、十分な電力密度を維持するために、焦点位置が重要です。ワークピース表面に対する焦点の位置の変化は、溶接幅と深さに直接影響します。図3は、1018鋼の溶融幅と継ぎ目幅の深さに対する焦点位置の効果を示しています。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、ワークピース表面の下にある溶融の目的の深さの約1/4に配置されます。

8）レーザービーム位置。レーザー溶接の異なる材料の場合、レーザービーム位置は、特にラップジョイントよりもこれに敏感なバットジョイントの場合、溶接の最終品質を制御します。たとえば、硬化したスチールギアが軟鋼ドラムに溶接されている場合、レーザービーム位置の適切な制御は、主に低い炭素成分を備えた溶接の生成を促進し、亀裂抵抗が優れています。一部のアプリケーションでは、溶接されるワークのジオメトリには、レーザービームを角度で偏向させる必要があります。ビーム軸と関節面間のたわみ角が100度以内の場合、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）溶接レーザー出力の溶接の開始とエンドポイント緩やかな上昇、緩やかな減少制御。レーザーディープフュージョン溶接は、溶接の深さに関係なく、小さな穴の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、溶接部の終わり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を覆うと、レーザービームが過度に吸収され、溶接の過熱または多孔性が生じます。

上記の現象を防ぐために、パワースタートとストップポイントをプログラムして、パワースタートとストップタイムが調整可能になるようになります。つまり、開始電力は短期間でゼロから設定された電力値に電子的に増加し、溶接時間が調整され、最終的に溶接が終了したときにゼロ値に徐々に減少します。