実用レーザ溶接のプロセスパラメータ

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• 一般に、レーザ溶接のプロセスパラメータには、出力密度、レーザパルス波形、レーザパルス幅、デフォーカス量、溶接速度、シールドガスなどが含まれる。

  
  

  電力密度

  電力密度は、レーザ加工における最も重要なパラメータの1つである。 より高い出力密度では、表面層は、マイクロ秒の時間範囲で沸点まで加熱され得、その結果、多量の気化が生じる。 したがって、高いパワー密度は、打ち抜き、切断、彫刻などの材料除去処理に非常に有利である。 低出力密度の場合、表面温度は沸点に達し、数ミリ秒かかる。表面層が気化する前に、底層が融点に達し、良好な融着を形成しやすい。

  
  

  レーザーパルス波形

  
  

  高強度のレーザービームが材料の表面に入射すると、金属表面はレーザーエネルギーの60〜98％で反射され、金、銀、銅、アルミニウム、チタンなどの材料は強い反射と速い熱伝達を有する。 レーザパルス信号の間、金属の反射率は経時的に変化する。 材料の表面温度が融点まで上昇すると、反射率が急激に低下し、表面が溶融状態にあるとき、反射がある値で安定する。

  
  

  レーザーパルス幅

  パルス幅は、パルスレーザ溶接にとって重要なパラメータである。 パルス幅は侵入深さと熱影響部で決まり、パルス幅が長いほど熱影響部が大きくなり、パルス幅の1/2のパワーで浸透深さが増加する。 しかし、パルス幅の増加はピーク電力を減少させるので、熱伝導溶接法ではパルス幅の増加が一般的であり、形成される溶接ビードは広く浅く、特に薄板と厚板の重ね溶接に適している。 しかし、ピーク出力が低いと過熱入力が発生し、各材料は貫通を最大にする最適パルス幅を有する。

  
  

  高焦点量

  
  

  レーザ溶接は、通常、ある一定量の焦点外れを必要とする。なぜなら、レーザ焦点におけるスポットの中心における出力密度が高すぎ、穴に蒸発することが容易であるからである。 パワー密度分布は、レーザ焦点を出る面全体にわたって比較的均一である。 デフォーカスには、正のデフォーカスと負のデフォーカスの2つの方法があります。 焦点面は、正のデフォーカスのためにワークピースの上に配置され、負のデフォーカスの場合はその逆に配置される。 幾何光学の理論によれば、正および負のデフォーカス面と溶接面との間の距離が等しい場合、対応する面の出力密度はほぼ同じであるが、得られる溶融プールの形状は実際には異なる。 負のデフォーカスの場合には、溶融プールの形成に関連してより大きな浸透が得られる。

  
  

  溶接速度

  
  

  溶接速度は浸透深さに大きな影響を与えますが、速度を上げると浸透深さは浅くなりますが、速度が低すぎると材料が過度に溶けて被溶接物が溶けてしまいます。 したがって、あるレーザパワーのある材料に対して一定の厚さの溶接速度の適切な範囲があり、対応する速度値で最大の透過率を得ることができる。

  
  

  保護ガス

  
  

  レーザ溶接プロセスでは、不活性ガスが溶融池を保護するためにしばしば使用されます。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のために使用されることがよくあります。 遮蔽ガスの第2の機能は、金属蒸気汚染および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ある。高出力レーザ溶接では、射出は非常に強力であり、レンズを保護することがより必要である。 シールドガスの第3の機能は、高出力レーザ溶接によって生成されたプラズマシールドを効果的に散逸させることである。 金属蒸気吸収レーザビームはイオン化されて同じプラズマになり、プラズマが過剰であれば、プラズマによってある程度レーザビームが消費される。

  
  

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