レーザーと材料の間の相互作用には、多くの物理現象と特性が関係します。次の 3 つの記事では、同僚にレーザー溶接プロセスをより明確に理解してもらうために、レーザー溶接プロセスに関連する 3 つの主要な物理現象を紹介します。レーザー溶接プロセス：レーザー吸収率と状態変化、プラズマ効果、キーホール効果に分けられます。今回は、レーザーや材料の状態変化と吸収率の関係について更新します。
レーザーと物質の相互作用によって引き起こされる物質の状態の変化
金属材料のレーザー加工は主に光熱効果による熱加工に基づいています。材料表面にレーザーを照射すると、パワー密度の違いにより材料の表面積にさまざまな変化が生じます。これらの変化には、表面温度の上昇、融解、蒸発、キーホールの形成、プラズマの生成が含まれます。さらに、材料表面積の物理的状態の変化は、材料のレーザー吸収に大きく影響します。電力密度と動作時間が増加すると、金属材料は次のような状態変化を起こします。
ときレーザー出力密度が低く（<10 ^ 4w/cm ^ 2）、照射時間が短い場合、金属に吸収されたレーザーエネルギーは材料の温度を表面から内部に上昇させるだけであり、固相は変化しません。 。主に部品の焼鈍や相変態硬化処理に使用され、工具、歯車、ベアリングが大部分を占めます。
レーザー出力密度（10^4～10^6w/cm^2）の増加や照射時間の延長により、材料の表面は徐々に溶けていきます。入力エネルギーが増加すると、液体と固体の界面は徐々に材料の深部に向かって移動します。この物理的プロセスは、主に金属の表面再溶解、合金化、被覆、熱伝導溶接に使用されます。
さらにパワー密度を上げ（>10^6w/cm^2）、レーザーの作用時間を長くすると、材料表面は溶融するだけでなく蒸発し、蒸発した物質は材料表面付近に集まり弱電離してプラズマを形成します。この薄いプラズマは、材料がレーザーを吸収するのに役立ちます。蒸発と膨張の圧力により、液面が変形し、穴が形成されます。このステージはレーザー溶接に使用でき、通常は 0.5 mm 以内の微細接続のスプライス熱伝導溶接に使用できます。
さらにパワー密度を上げ(>10^7w/cm^2)、照射時間を長くすると、材料表面は強い蒸発を起こし、電離度の高いプラズマが形成されます。この高密度プラズマはレーザーを遮蔽する効果があり、材料に入射するレーザーのエネルギー密度を大幅に低減します。同時に、大きな蒸気反力の下で、一般にキーホールとして知られる小さな穴が溶融金属の内部に形成されます。キーホールの存在は、材料がレーザーを吸収するのに有利であり、この段階はレーザー深融合に使用できます。溶接、切断と穴あけ、衝撃焼入れなど。
異なる条件下で、異なる金属材料に異なる波長のレーザー照射を行うと、各段階での出力密度の特定の値が得られます。
材料によるレーザーの吸収に関しては、材料の蒸発が境界となります。材料が蒸発しない場合、固相であろうと液相であろうと、そのレーザーの吸収は表面温度の上昇に伴ってゆっくりと変化するだけです。材料が蒸発してプラズマとキーホールが形成されると、材料のレーザー吸収が突然変化します。
図2に示すように、レーザー溶接中の材料表面でのレーザーの吸収率は、レーザー出力密度と材料表面温度によって変化します。材料が溶融していない場合、材料の表面温度の上昇に伴って、レーザに対する材料の吸収率がゆっくりと増加します。電力密度が(10^6w/cm^2)より大きい場合、材料は激しく蒸発し、キーホールが形成されます。レーザーはキーホールに入り、複数回の反射と吸収を行い、その結果、レーザーに対する材料の吸収率が大幅に増加し、溶融深さが大幅に増加します。
金属材料によるレーザーの吸収 – 波長
上図は、一般的に使用される金属の室温における反射率、吸光度、波長の関係曲線を示しています。赤外領域では、波長が長くなるにつれて吸収率が低下し、反射率が増加します。ほとんどの金属は、10.6um (CO2) 波長の赤外線を強く反射しますが、1.06um (1060nm) 波長の赤外線は弱く反射します。金属材料は、青色や緑色の光などの短波長レーザーの吸収率が高くなります。
金属材料によるレーザーの吸収 – 材料温度とレーザーエネルギー密度
アルミニウム合金を例にとると、材料が固体の場合、レーザー吸収率は約5〜7％、液体吸収率は最大25〜35％、キーホール状態では90％以上に達することがあります。
温度が上昇すると、レーザーに対する材料の吸収率が増加します。金属材料の室温における吸収率は非常に低いです。温度が融点近くまで上昇すると、その吸収率は40%〜60%に達することがあります。温度が沸点に近い場合、その吸収率は90%にも達します。
金属材料によるレーザーの吸収 – 表面状態
従来の吸収率は滑らかな金属表面を使用して測定されますが、レーザー加熱の実際の用途では、通常、高反射による誤はんだ付けを避けるために、特定の高反射材料（アルミニウム、銅）の吸収率を高める必要があります。
次の方法が使用できます。
1. レーザーの反射率を向上させるために適切な表面前処理プロセスを採用します。プロトタイプの酸化、サンドブラスト、レーザー洗浄、ニッケルメッキ、錫メッキ、グラファイトコーティングなどはすべて、材料のレーザーの吸収率を向上させることができます。
中心となるのは、材料表面の粗さを大きくすること（レーザーの複数回の反射と吸収を促進する）と、吸収率の高いコーティング材料を増やすことです。高吸収率材料を介してレーザーエネルギーを吸収し、溶融・揮発させることで、レーザー熱が母材に伝わり、材料の吸収率が向上し、高反射現象による仮想溶着を軽減します。
投稿日時: 2023 年 11 月 23 日
