レーザー溶接機

レーザー出力密度:レーザー出力密度とは、単位面積あたりのレーザー出力を指します。
出力密度(W/c㎡)=4*レーザーパルスエネルギー(J)/πスポット径(cm)²*パルス幅(s)スポット径(mm)=[集光焦点距離(mm)/レーザーヘッドコリメーション焦点距離(mm)]*光ファイバーコア径(mm) 1cm=10mm=10000um

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閾値 104-106W/cm² があり、この値以下では、レーザーエネルギーの金属吸収によって材料表面温度が上昇するだけで、固相は変化しません。この値に達するか超えると、溶融深度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、溶融溶接深度の安定化を示します。レーザー出力が閾値に達すると、ワークピース上で表面溶融のみが発生し、つまり、溶接は安定した熱伝導型で行われます。レーザー出力密度が 106 W/cm² 付近 (小さな穴の形成に重要な条件) になると、深溶融と熱伝導溶接が交互に発生し、溶接プロセスが不安定になり、溶け込み深度が大きく変動します。レーザー深溶融溶接では、レーザー出力によって溶け込み深度と溶接速度の両方が制御されます。溶接深度はビーム出力密度に直接関係し、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 ビームの直径が一定であれば、ビーム出力が増加すると浸透深度も増加します。

レーザーパルス幅波形:一般的に言えば、レーザーが加工材料の表面に作用し始めると、反射率が高く、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。材料の表面温度が溶融状態にあるとき、反射率は一定の値で安定します。そのため、高反射材料を溶接する場合、矩形波が持続する場合（必要なエネルギーはステンレス鋼よりもはるかに高い）、銅の反射率が高い段階の初期には、ほとんどの光が反射されます。銅の温度が上昇する第2段階は、反射率が低下し、銅がエネルギーを吸収し始めます。このときもまだエネルギーが非常に高いと、銅の温度が沸点まで加熱され、溶接不安定性が発生する可能性があるため、波形の低下が緩やかなプレスパイクを使用する必要があります。

焦点ずれ量:デフォーカスとは、溶接中に溶接部の表面から焦点を合わせたレーザービームの最小スポットまでの距離です。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種類があります。図に示すように、ワークピースの上方にある焦点面は正のデフォーカスであり、その逆は負のデフォーカスです。デフォーカス量を変えると、レーザー加熱スポットのサイズとビームの入射条件を変えることができます。単一のデフォーカス量が大きすぎると、スポット径が大きくなって、スポット上の電力密度が低下し、溶融深度が減少します。デフォーカス量は、ワークピースの表面上のスポット径の大きさに影響を与えるだけでなく、ビームの入射方向、溶接モードなどにも影響を与えるため、溶接形状、溶融池、断面積に大きな影響を与えます。

溶接速度:溶接速度は、単位時間あたりの入熱量に影響します。溶接速度が遅すぎると、入熱量が大きくなりすぎてワークピースが溶け落ちてしまいます。溶接速度が速すぎると、入熱量が小さくなりすぎてワークピースが溶け落ちてしまいます。一定のレーザー出力では、溶接速度を上げると入熱量が減り、溶接深さも浅くなります。溶接速度を適切に下げると、溶融深さを深くすることができますが、溶接速度が低すぎると、溶融深さは深くならず、むしろ溶融幅が広くなります。

保護ガス:レーザー溶接プロセスでは、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。一部の材料の溶接では表面の酸化を気にしないので、保護を考慮する必要はありませんが、ほとんどのアプリケーションでは、溶接プロセス中のワークピースが酸化しないように、ヘリウム、アルゴン、窒素などのガスが保護によく使用されます。保護ガスを使用する2番目の役割は、金属蒸気汚染や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。特に高出力レーザー溶接では、その噴出物が非常に強くなるため、このときレンズを保護することが非常に重要です。保護ガスの3番目の役割は、高出力レーザー溶接によって生成されたプラズマを消散させることです。シールドは非常に効果的です。金属蒸気はレーザービームを吸収してプラズマクラウドにイオン化し、金属蒸気の周りの保護ガスも熱によってイオン化します。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。プラズマは2番目のエネルギー源としてワーク表面に存在し、溶融深度を浅くし、溶接プールの表面を広くします。プラズマ クラウドが溶融深さに与える影響は、溶接速度が低い領域で最も顕著になります。溶接速度が上がると、その影響は減少します。

溶接材料:材料によるレーザービームの吸収は、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が、その中で最も重要なのは吸収率です。材料によるレーザービームの吸収に影響を与える要因には、2 つの側面があります。1 つ目は、材料の電気抵抗係数です。材料の研磨面の吸収率を測定すると、材料の吸収率は電気抵抗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。2 つ目は、材料の表面状態 (または仕上げの程度) がビームの吸収率にさらに重要な影響を及ぼし、溶接効果に大きな影響を与えます。