レーザーと材料の相互作用には、多くの物理現象と特性が関係しています。次の 3 つの記事では、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、同僚にレーザー溶接プロセスについてより明確な理解を提供します。レーザー溶接プロセスレーザー吸収率と状態変化、プラズマとキーホール効果に分類されます。今回は、レーザーと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変化
金属材料のレーザー加工は、主に光熱効果による熱処理に基づいています。材料表面にレーザー照射を行うと、出力密度によって材料表面に様々な変化が生じます。これらの変化には、表面温度の上昇、融解、蒸発、キーホール形成、プラズマ発生などが含まれます。さらに、材料表面の物理状態の変化は、材料のレーザー吸収に大きく影響します。出力密度と照射時間の増加に伴い、金属材料は以下のような状態変化を起こします。
その時レーザー出力密度が低く（<10^4w/cm^2）、照射時間が短いため、金属に吸収されるレーザーエネルギーは材料の表面から内部まで温度を上昇させるだけで、固体相は変化しません。主に部品の焼きなまし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（10⁴～10⁶W/cm²）の増加と照射時間の延長に伴い、材料表面は徐々に溶融する。入力エネルギーが増加するにつれて、液相と固相の界面は材料の深部へと徐々に移動する。この物理プロセスは、主に金属の表面再溶融、合金化、クラッディング、および熱伝導溶接に用いられる。
出力密度をさらに高め（>10^6w/cm^2）、レーザー照射時間を長くすることで、材料表面は溶融するだけでなく蒸発し、蒸発した物質が材料表面付近に集まり、弱くイオン化してプラズマを形成します。この薄いプラズマは材料のレーザー吸収を助け、蒸発と膨張の圧力によって液面が変形してピットが形成されます。この段階はレーザー溶接に利用でき、通常は0.5mm以内の微小接続の熱伝導溶接に用いられます。
出力密度をさらに高め（>10^7w/cm^2）、照射時間を長くすることで、材料表面は強く蒸発し、高電離度のプラズマを形成します。この高密度プラズマはレーザーを遮蔽し、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、大きな蒸気反応力によって、溶融金属内部にキーホールと呼ばれる小さな穴が形成されます。キーホールの存在は材料のレーザー吸収に有利であり、この段階はレーザー深溶融溶接、切断、穴あけ、衝撃硬化などに利用できます。
異なる条件下では、異なる波長のレーザー光を異なる金属材料に照射すると、各段階における出力密度はそれぞれ異なる値となる。
物質によるレーザー吸収に関して言えば、物質の蒸発は境界となる。物質が固体または液体の状態にある間は、蒸発しない限り、表面温度の上昇に伴ってレーザー吸収はゆっくりと変化する。しかし、物質が蒸発してプラズマやキーホールが形成されると、レーザー吸収は急激に変化する。
図2に示すように、レーザー溶接中の材料表面における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、材料のレーザー吸収率は材料表面温度の上昇とともに徐々に増加します。出力密度が(10^6w/cm^2)を超えると、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、多重反射と吸収を繰り返し、その結果、材料のレーザー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光の吸収 – 波長
上の図は、室温における一般的な金属の反射率、吸光度、波長の関係曲線を示しています。赤外線領域では、波長が長くなるにつれて吸収率は低下し、反射率は上昇します。ほとんどの金属は、10.6μm（CO2）波長の赤外線を強く反射する一方、1.06μm（1060nm）波長の赤外線は弱く反射します。金属材料は、青色や緑色などの短波長レーザーに対して高い吸収率を示します。
金属材料によるレーザー光の吸収 – 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、固体状態ではレーザー吸収率は約5～7％、液体状態では25～35％に達し、キーホール状態では90％以上に達する。
レーザー光に対する材料の吸収率は、温度の上昇とともに増加する。金属材料の室温における吸収率は非常に低い。温度が融点近くまで上昇すると、吸収率は40%～60%に達する。沸点近くまで上昇すると、吸収率は90%にも達する。
金属材料によるレーザー光の吸収 – 表面状態
従来の吸収率は滑らかな金属表面を用いて測定されるが、レーザー加熱の実用上は、高い反射率による誤った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る場合が多い。
以下の方法が利用できます。
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する：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吸収率を向上させることができます。
その核心は、材料表面の粗さ（レーザーの多重反射と吸収を促進する）を高めること、そして吸収率の高いコーティング材料を増やすことにある。吸収率の高い材料を通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、レーザー熱が基材に伝達され、材料の吸収率が向上し、高反射現象による仮想溶接が低減される。
投稿日時：2023年11月23日
