レーザー溶接の焦点合わせ方法

レーザー溶接焦点合わせ方法

レーザーを新しい装置に照射したり、新しい実験を行う際には、まず焦点合わせを行う必要があります。焦点面を見つけることによってのみ、デフォーカス量、出力、速度などの他のプロセスパラメータを正確に決定し、明確な理解を得ることができるのです。

焦点を合わせる原理は以下のとおりです。

まず、レーザービームのエネルギーは均一に分布していません。集光ミラーの左右が砂時計型になっているため、エネルギーはビームウエストの位置で最も集中し、強くなります。加工効率と品質を確保するためには、一般的に焦点面を特定し、それに基づいてデフォーカス距離を調整して製品を加工する必要があります。焦点面が特定できない場合は、以降のパラメータについては説明できません。また、新しい装置のデバッグを行う際も、まず焦点面が正確かどうかを確認する必要があります。したがって、焦点面の特定はレーザー技術における最初の学習内容となります。

図1および図2に示すように、エネルギーの異なるレーザービームの焦点深度特性は異なり、ガルバノメータやシングルモードレーザー、マルチモードレーザーも異なり、主に能力の空間分布に反映されます。比較的コンパクトなものもあれば、比較的細いものもあります。したがって、異なるレーザービームには異なる集束方法があり、一般的に3つのステップに分けられます。

図1 異なる光スポットの焦点深度の概略図

図2　異なる倍率における焦点深度の概略図

異なる距離におけるガイドスポットサイズ

斜め法：

1. まず、光スポットを誘導して焦点面の概算範囲を決定し、誘導光スポットの最も明るく最小の点を初期実験焦点として決定します。

2. プラットフォームの構造（図4参照）

図4 斜め線集束装置の概略図

2. 斜めのストロークに関する注意事項

（１）一般的に鋼板が使用され、半導体は500W以下、光ファイバーは300W前後です。速度は80～200mmに設定できます。

（２）鋼板の傾斜角は大きいほど良く、45～60度程度にし、最も小さく明るい誘導光スポットを持つ粗位置決め焦点の中心点を設定します。

（３）次に、ストリングを開始します。ストリングによってどのような効果が得られますか？理論的には、この線は焦点の周りに対称的に分布し、軌跡は大きいものから小さいものへと増加するプロセス、または小さいものから大きいものへと増加してから減少するプロセスを経ます。

（４）半導体は最も薄い点を見つけ、鋼板も焦点部分で白くなり、明らかな色の特徴を示すため、焦点位置を特定するための基準としても利用できます。

（５）次に、光ファイバーは、焦点での微小浸透を可能な限り制御するように努め、焦点が後方微小浸透長さの中間点にあることを示します。この時点で焦点の粗位置決めが完了し、次のステップではラインレーザーアシスト位置決めが使用されます。

図5 斜線の例

図5　異なる作動距離における斜線の例

3. 次のステップは、ワークピースを水平にし、ラインレーザーをライトガイドスポットによる焦点（位置決め焦点）と一致するように調整し、最終的な焦点面検証を行うことです。

（１）パルスポイントを用いて検証を行う。原理は、焦点で火花が飛散し、音の特徴が顕著になるというものである。焦点の上限と下限の間に境界点があり、そこでは飛散音と火花音とは著しく異なる音がする。焦点の上限と下限を記録し、その中間点を焦点とする。

（２）ラインレーザーの重なりを再度調整すると、焦点はすでに約１mmの誤差で位置決めされています。精度を向上させるために、実験的な位置決めを繰り返すことができます。

図6 異なる作動距離（デフォーカス量）における火花飛沫のデモンストレーション

図7 パルスドット形成と集束の概略図

ドット法という方法もあります。これは、焦点深度が大きく、Z軸方向のスポットサイズが大きく変化するファイバーレーザーに適しています。鋼板表面の点の変化傾向を観察するために、一連のドットを軽く叩いていきます。Z軸が1mm変化するごとに、鋼板上の痕跡は大きい点から小さい点へ、そしてまた小さい点から大きい点へと変化します。最も小さい点が焦点です。