レーザー溶接連続レーザービームまたはパルスレーザービームを使用して実現できます。レーザー溶接熱伝導溶接とレーザー深溶け込み溶接に分類できます。出力密度が 10⁴〜10⁵ W/cm² 未満の場合、熱伝導溶接です。このとき、溶け込み深さは浅く、溶接速度は遅くなります。出力密度が 10⁵〜10⁷ W/cm² を超えると、熱によって金属表面が「穴」に凹み、深溶け込み溶接が形成されます。これは、溶接速度が速く、アスペクト比が大きいという特徴があります。熱伝導の原理レーザー溶接レーザー照射によって加工対象の表面が加熱され、その表面熱が熱伝導によって内部へと拡散する。レーザーパルス幅、エネルギー、ピーク出力、繰り返し周波数などのレーザーパラメータを制御することで、加工対象物を溶融させ、特定の溶融池を形成する。
レーザー深溶け込み溶接は、一般的に連続レーザービームを用いて材料の接合を行う。その冶金学的物理プロセスは電子ビーム溶接と非常によく似ており、すなわち、エネルギー変換機構は「キーホール」構造を通して行われる。
十分な出力密度を持つレーザー照射下では、材料が蒸発して小さな穴が形成される。蒸気で満たされたこの小さな穴は黒体のように、入射ビームのエネルギーのほぼすべてを吸収する。穴内の平衡温度は約2500℃に達する。°C. 高温穴の外壁から熱が伝達され、穴の周囲の金属が溶融します。ビーム照射下で壁材が連続的に蒸発することで発生した高温蒸気が、小さな穴を満たします。小さな穴の壁は溶融金属に囲まれ、液体金属は固体材料に囲まれています（従来の溶接プロセスやレーザー伝導溶接では、エネルギーはまずワークピースの表面に堆積され、その後伝達によって内部に運ばれます）。穴壁の外側の液体の流れと壁層の表面張力は、穴空洞内で連続的に発生する蒸気圧と同位相であり、動的平衡を維持します。光ビームは小さな穴に連続的に入射し、小さな穴の外側の材料は連続的に流れます。光ビームが移動しても、小さな穴は常に安定した流れの状態にあります。
つまり、小さな穴と、その穴の壁を取り囲む溶融金属は、パイロットビームの前進速度で前進します。溶融金属は、小さな穴が取り除かれた後に残った隙間を埋め、それに応じて凝縮し、溶接部が形成されます。これらすべてが非常に速く起こるため、溶接速度は容易に毎分数メートルに達します。
電力密度、熱伝導溶接、深溶け込み溶接の基本概念を理解した後、次に異なるコア径における電力密度と金属組織相の比較分析を行います。
市販されている一般的なレーザーコア径に基づいた溶接実験の比較：
異なるコア径を持つレーザーの焦点位置におけるパワー密度
出力密度の観点から見ると、同じ出力であれば、コア径が小さいほどレーザーの輝度が高くなり、エネルギーの集中度が高まります。レーザーを鋭利なナイフに例えるなら、コア径が小さいほどレーザーの切れ味が鋭くなります。14μmコア径レーザーの出力密度は100μmコア径レーザーの50倍以上であり、加工能力も優れています。ただし、ここで計算した出力密度は単純な平均密度であり、実際のエネルギー分布は近似的にガウス分布であり、中心エネルギーは平均出力密度の数倍になります。
異なるコア径におけるレーザーエネルギー分布の概略図
エネルギー分布図の色はエネルギー分布を表しています。色が赤みが強いほどエネルギーが高く、赤い部分はエネルギーが集中している箇所です。コア径の異なるレーザービームのエネルギー分布を見ると、レーザービームの先端がシャープではなく、ビーム自体がシャープであることがわかります。ビーム径が小さいほど、エネルギーが一点に集中し、よりシャープになり、貫通力も強くなります。
コア径の異なるレーザーの溶接効果の比較
コア径の異なるレーザーの比較：
（１）実験では、速度150mm/s、焦点位置溶接を使用し、材料は厚さ2mmの１種アルミニウムです。
（２）コア径が大きいほど、溶融幅が大きくなり、熱影響部が大きくなり、単位電力密度が小さくなります。コア径が２００μmを超えると、アルミニウムや銅などの高反応合金では溶け込み深さを達成するのが難しくなり、より深い溶け込み溶接は高出力でしか達成できません。
（３）小径コアレーザーは出力密度が高く、高エネルギーで熱影響部が小さい材料表面にキーホールを素早く開けることができます。しかし同時に、溶接面が粗く、低速溶接中にキーホールが崩壊する確率が高く、溶接サイクル中にキーホールが閉じてしまいます。サイクルが長く、欠陥や気孔などの欠陥が発生しやすくなります。高速加工やスイング軌道での加工に適しています。
（４）コア径の大きいレーザーは、光スポットが大きく、エネルギーの分散度が高いため、レーザー表面再溶解、クラッディング、アニーリングなどのプロセスに適しています。
投稿日時：2023年10月6日
