レーザー溶接に関する重要な考慮事項

レーザー溶接には、多数のプロセス変数が関係します。 しかし、創造的な思考を使えば、大きなチャンスも得られます。

あらゆる業界で、より良い素材や機能を求めて製品が設計、再設計、または再評価されています。 最終製品は多くのコンポーネントから作られており、これらのコンポーネントは何らかの方法で結合する必要があります。 これらの接合方法の 1 つがレーザー溶接です。

レーザー溶接では、高強度の光ビームを使用して溶融池を作成し、材料を融合させます。 これは非接触プロセスであり、他の溶融プロセスと比較して入熱が低く、高い処理速度を提供し、単一パスで深い溶融ゾーンを生成します。

もちろん、これらすべての利点を最大限に活用し、高品質で再現可能なプロセスを保証するには、製造業者はレーザー溶接が他の溶融溶接プロセスとどのように比較されるかを考慮する必要があります。 ジョイントと固定具の設計も重要な役割を果たします。 他の金属製造技術と同様に、賢明な実装はプロセスの基本をよく理解することから始まります。

レーザー溶接では、ワークピースの小さな点に焦点を合わせた光ビームを使用します。 何らかの媒体から生成された光はレーザー源を出て発散し始めます。 次に、ビームが平行になり、成長しないようにコリメートされます。 出口から視準面までの距離を視準長といいます。 ビームは焦点面に当たるまで平行状態を保ちます。 その後、ビームは砂時計の形に狭くなり、最小点で焦点が合います。 焦点面から最小点までの距離を焦点距離といいます。 焦点スポットのサイズは次の式で決まります: ファイバー直径 × 焦点距離 / コリメーション長 = 焦点直径

焦点直径が焦点領域の 86% 以内にある距離は、焦点深度と呼ばれます。 フォーカス位置がこの領域の外に移動すると、処理結果が変化することが予想されます。 焦点距離とコリメーション長の比が大きいほど、特定のファイバーの焦点深度は大きくなります。

より大きなファイバーは、より小さなファイバー直径と比較して、より大きな焦点深度を持ちます。 比率が大きくなり、ファイバが大きくなるとスポット サイズが大きくなり、出力密度が低下し、したがって透過率が低下します。

レーザー溶接には、熱伝導溶接とキーホール溶接の 2 つの形式があります。 熱伝導溶接では、レーザー ビームが共通の接合部に沿って嵌合部品を溶かし、溶けた材料が一緒に流れて凝固して溶接部を形成します。 薄肉部品の接合に使用される熱伝導溶接では、パルス発振または連続発振の固体レーザーが使用されます。

熱伝導溶接では、エネルギーは熱伝導のみを介してワークピースに結合されます。 このため、溶接の深さはわずか10分の数ミリメートルから1mmの範囲になります。 材料の熱伝導率によって最大溶接深さが制限され、溶接の幅は常にその深さよりも大きくなります。 熱伝導レーザー溶接は、デバイスのハウジングの目に見える表面のコーナー溶接やエレクトロニクスの他の用途に使用されます。

キーホール溶接 (参照)図1 ) は、1 平方センチメートルあたり約 1 メガワットという非常に高い電力密度を必要とします。 深い溶接が必要な用途や、材料の複数の層を同時に溶接する必要がある用途に使用されます。

このプロセスでは、レーザービームは金属を溶かすだけでなく、蒸気も生成します。 消散する蒸気は溶融金属に圧力を加え、部分的に溶融金属を移動させます。 その間、材料は溶け続けます。 その結果、溶融金属に囲まれた、蒸気で満たされた深くて狭い穴、または鍵穴が形成されます。

図1キーホール溶接は非常に高い電力密度を必要とし、深い溶接が必要な用途に使用されます。

レーザービームが溶接接合部に沿って進むと、キーホールもワークピース内を移動します。 溶けた金属は鍵穴の周りを流れ、その跡で固まります。 これにより、均一な内部構造を備えた深く狭い溶接が形成されます。 溶接深さは溶接幅の 10 倍を超える場合があります。 溶融した材料はレーザー光をほぼ完全に吸収し、溶接プロセスの効率が向上します。 鍵穴内の蒸気もレーザー光を吸収し、部分的にイオン化されます。 これによりプラズマが形成され、ワー​​クピースにもエネルギーが加えられます。 その結果、深溶け込み溶接は、優れた効率と速い溶接速度によって特徴付けられます。 高速であるため、熱影響部 (HAZ) が小さく、歪みが最小限に抑えられます。