レーザー溶接技術の進化

レーザー溶接技術は、驚くほど多様な用途があるため、金属加工業者や製造業者にとって最適なプロセスにまで進歩しました。

編集者注: 以下は、2021 年 9 月 13 ～ 16 日、シカゴの FABTECH で Laser Mechanisms Inc. のファイバー システム マネージャーである Tom Kugler が発表した「産業用レーザー溶接入門」に基づいています。

レーザー溶接は、ハイエンドの精密金属製造に浸透しています。 この技術は、自動車、医療機器の製造、航空宇宙部品や精密電子機器の部品において重要な役割を果たしています。 現在では、最大手の OEM から精密板金加工工場まで、これまで以上に多くの場所で使用されるようになりました。

レーザー溶接は進化するにつれて、非常に柔軟になりました。 レーザーで実行できる溶接の種類の多さは、本当に驚くべきものです。 レーザーがこれらすべてをどのように達成するかを理解するには、基本を知ることから始まります。つまり、光のビームがどのようにして 2 つの金属を融合させるのかということです。

一般に、金属は光を非常に反射します。 レーザーはその光を集中させて焦点を合わせ、反射率を克服します。 ビームからの十分なエネルギーが吸収されると、金属は液化し始めます。

これらすべては、光学系 (曲面ミラーまたは曲面レンズ) が直径数十から数百ミクロンの範囲のスポット サイズに光を集束させるときに始まります。 このような集束により、極度の電力密度が生成されます。

どの透明光学系を使用するかは、レーザーとその波長によって異なります。 CO2 レーザーは 10.6 ミクロンの波長を放射します。 標準的なガラスはこれに対して透明ではないため、このようなレーザーではセレン化亜鉛 (ZnSe) などの代替レンズ材料が使用されます。 1 ミクロンのレーザー (ファイバー、ディスク、YAG など) では、石英ガラスまたはガラスが使用されます。

CO2 レーザーの 10.6 ミクロンのビームを集束する ZnSe レンズは優れた熱伝導率を備えているため、光学系が破片に対して多少耐性があります。 残念ながら、1 ミクロンのレーザーと同様の熱伝導率を示すコスト効率の高い材料は存在しません。つまり、集束環境をクリーンな状態に保ち、高品質のガラスまたは溶融シリカ光学系を使用する必要があります。

高いレーザー出力を必要とする溶接用途では、避けられない破片が発生する可能性があります。 このような場合、透明な光学部品の代わりにミラーがビームの焦点を合わせるために使用されます。 集光ミラーは、5 kW 以上のレーザー出力を使用する CO2 レーザー溶接用途で一般的です。 ファイバーやディスクを含む 1 ミクロンのレーザーでも、より高いレーザー出力を得るためにミラーが使用されます。 一般的なセットアップでは、ビーム (作業面に対して水平) が放物面鏡に当たり、ビームが下方に反射されます。

レーザー光学系は、生のビーム径を集束させて焦点深度を作成します。この焦点深度では、ビームが材料を処理するのに十分な強度を持っています。 ビームウエスト上の最も狭い点がスポットサイズです。 焦点距離はレンズと焦点の間の距離です (図 1 を参照)。

これらすべての変数は相互に関連しています。 焦点距離が短いほどスポットサイズは小さくなり、焦点深度は浅くなります。 これらの各パラメータは、溶接プロセスを最適化するために調整できます。 たとえば、焦点距離を延長すると焦点位置が変化し、焦点深度が増加するため、溶接の溶け込みが増加する可能性があります。

図 1. ビーム直径、焦点深度、スポット サイズ、焦点距離などの変数はすべて相互に関連しています。

もう 1 つの要因は、ビームの品質、つまりレーザー ビームの固有の集束性です。 これは調整できません。レーザーの種類や設計によって異なりますが、パラメーターはプロセス全体の調整方法に影響します。 最高のビーム品質を備えたレーザーはシングルモード レーザーと呼ばれ、純粋なガウス ビームまたは TEM00 ビームを持ち、その出力密度プロファイルは中心部の強度が高く、端付近の強度が低くなります。 高いビーム品質により、より深い焦点深度の実現が可能となり、多くの処理の可能性が広がります。

すべての一般的なレーザー タイプには、高いビーム品質を備えたシングルモード バージョンがありますが、その高いビーム品質の影響はレーザーの波長によって異なります。 10.6 ミクロンの CO2 シングルモード レーザーのスポット サイズは、波長 1 ミクロンのファイバー レーザーの 10 倍です。 一般に、波長が短いほど、焦点スポット サイズも小さくなります。