1. レーザー溶接の原理：材料間の相互作用
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。 レーザーが材料の表面を照射すると、異なるパワー密度の下で材料の表面積にさまざまな変化が発生します。 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、および光誘起プラズマの生成が含まれます。 さらに、材料の表面積の物理的状態の変化は、材料によるレーザーの吸収に大きく影響します。 一般に、温度が高くなると、レーザーに対する材料の吸収率が高くなります。 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物理的状態の変化を起こします。
レーザー溶接の核心は、熱伝達と熱伝導の 2 つです。 熱伝達は、熱源、電力密度、ラインエネルギーに関連します。 熱伝導は主に材料の放散と熱伝達速度に関係しており、これは材料固有の特性に属し、一般に水冷設備と保護ガス流によって微調整できます。 溶接プロセスでは、主に熱源、電力密度、ラインエネルギーが調整されます。 関係するプロセスパラメータは、レーザーコアの直径、出力、速度、焦点ぼけなどです。
レーザー溶接には、溶接プロセスの吸収率に応じて 2 つの主なタイプがあります。 1 つは熱伝導溶接です (深さ対幅の比 < 1、赤色光のレーザー吸収率 20% 以内、波長が異なると差異があります)。 もう 1 つは深溶け込み溶接です (深さ対幅の比 > 1、吸収率は材料溶融池の吸収率より大きく、60% 以上、主にキーホールでのレーザー多重反射吸収)。
レーザー熱伝導溶接:
レーザー放射照度が異なると、材料の状態に異なる変化が生じます。これは、レーザー熱伝導溶接とレーザー深溶け込み溶接という 2 つの典型的な溶接モードとして溶接プロセスに反映されます。 両者の熱伝達プロセス、溶接形成メカニズム、技術的特徴、適用範囲は大きく異なります。
レーザー熱伝導溶接モード:
熱伝導溶接では、ワーク表面へのレーザー照射量は10E4～10E6W/cmの範囲になります。 レーザーエネルギーは10～100μmの表層の薄層に吸収され、熱伝導により表面層のレーザーエネルギーが材料内部に伝わり、レーザーに直接触れることはできません。 一定時間のレーザー照射の後、表面は溶融に達し、この溶融等温線が材料の深部まで伝播し、表面温度が上昇し続けます。 ただし、最高温度は材料の沸点までしか到達できず、温度が高くなると材料は蒸発してピットが形成されます。 安定した熱伝導溶接プロセスが損なわれ、溶融池が振動し、材料が焼けてしまいます。 一般に熱伝導溶接は薄板に使用されることが多く、このような状況を解消する必要があります。 レーザービームとワークピースの相対移動により、下図に示すように浅くて広い溶接が形成されます。 溶接の深さと幅の比は小さく、通常、溶接の幅は溶け込み深さの 2 倍を超えます。 次の図は、一般的なレーザー熱伝導溶接の溶接部のプロファイルを示しており、溶接部の形状はほぼ半球状です。
レーザー深溶け溶接:
放射照度が 10E7W/cm を超えると、レーザーの作用により材料の表面が溶けて蒸発し、発生した蒸気の反動圧力が溶融池に下向きの衝撃を与えてキーホールを形成します。 光線は鍵穴の底に直接作用し、金属をさらに溶かして蒸発させます。 鍵穴の内側からは高圧のガスが発生し続け、外側へ連続的に噴出し、さらに穴を深くしていきます。 ビームはさらに深くなり、レーザー熱源も材料の内部で作用し、鍵穴の内側から材料に熱を伝達して、より深い熱影響部を形成します。 同時に、キーホールは高温蒸気によって部分的に電離されたプラズマで満たされ、キーホールの出口上に一定範囲のプラズマ雲が形成されます。
キーホール効果は、レーザー溶接プロセスにおけるレーザーの吸収において重要な役割を果たします。 鍵穴に入射したレーザー光線は、穴壁の複数回の反射によってほぼ完全に吸収されます。 図に示すように、鍵穴が円錐面（角度∅）の場合、円錐の軸に沿って入射した光線は、円錐を通って鍵穴の底に向かって真っ直ぐ反射し、全反射します。 180度/∅。 スチールの吸収率は 1 回の反射につき約 13% です。 P=10次数に設定すると、18回の反射で合計吸収率が92%に達し、熱伝導率13%に比べて大幅に向上します。 熱伝導率と深溶融の区別は一般に冶金学的溶融深さによって決まります。溶融幅が 1 より大きい場合、キーホールの出現により吸収率が向上するため、深溶融と見なされます。 この簡単な方法は、単一レーザー溶接に適しています。 コンポジットはこの判断には適していません。通常は深溶け込み溶接であり、センタービームにはキーホール効果があります。
2. コア径の異なるレーザーの溶接金属組織比較
基本的な出力密度、熱伝導溶接、深溶け込み溶接の概念を理解した後、さまざまなコア直径の出力密度と金属組織学的比較分析を行います。 この溶接実験は、市場で一般的なレーザーコア径に対して行われています。
パワー密度の観点から見ると、同じパワーの下では、コアの直径が細くなり、レーザーの輝度が高くなり、エネルギーがより集中します。 レーザーを鋭利なナイフに例えると、レーザーのコア直径が小さいほど鋭利になります。 14umコア径のレーザーの出力密度は100umコア径レーザーの50倍以上であり、処理能力がより強力です。 同時に、ここで計算される電力密度は単なる平均密度です。 実際のエネルギー分布はほぼガウス分布であり、中心エネルギーは平均電力密度の数倍になります。
異なるコア径のレーザーの比較:
(1) 実験速度は 150mm/s、焦点位置は溶接、材質は 1 シリーズ アルミニウム、厚さ 2mm です。
(2) コア径が大きくなると、溶融幅が大きくなり、熱影響部が大きくなり、単位出力密度が小さくなります。 コア径が200umを超えると、アルミニウムや銅などの高逆合金の深溶け込みが難しくなり、深溶け込み溶接を実現するにはより高い電力が必要になります。
(3) 小さなコアのレーザーは出力密度が高く、高エネルギーで材料の表面にキーホールを素早く開けることができ、熱影響部は小さいですが、同時に溶接面が粗く、溶接の可能性が高くなります。低速溶接ではキーホール崩壊が多くなります。 溶接サイクルキーホールの閉塞サイクルが長く、欠損やポロシティ等の欠陥が発生しやすいため、高速加工や揺動軌道を伴う加工に適しています。
(4) スポットが大きいためコアが大きく、エネルギーがより分散されるため、レーザー表面の再溶解、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。
3. 簡単なアプリケーション分析
スモールコアレーザーの利点と応用 (< 100um)
(1) 高逆材：アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、モリブデンなど。
高逆数の材料では、小さなコア直径のレーザーを選択する必要があります。 高出力密度のレーザー光により材料を急速に加熱して液化または気化させ、材料のレーザー吸収率を高め、効率的かつ迅速な加工を実現します。 大きなコア直径を持つレーザーを選択してください。これにより、反応が大きくなり、仮想溶接が発生したり、レーザーが燃えてしまったりする可能性があります。
(2) クラックに弱い材質：ニッケル、ニッケルメッキ銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン合金など。
この材料は通常、熱の影響を受けるゾーンを厳密に制御する必要があり、小さな溶融池が必要であり、小さなコア直径のレーザーを選択することがより適切です。
(3) 高速レーザー加工：
深溶け込み溶接には高速レーザー加工が必要です。 特に重ね溶接、貫通溶接、およびより高い貫通要件が必要なその他の小型コア レーザーの場合は、ライン エネルギーが材料を高速で溶解するのに十分であることを確認するために、高エネルギー密度のレーザーを選択する必要があります。
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100μm)
大きなコア径、大きな光点、大きな熱被覆面積、広い適用面、そして材料表面の微細溶解のみを実現します。 レーザークラッディング、レーザー再溶解、レーザーアニーリング、レーザー硬化などの用途に非常に適しています。 このような領域では、スポットが大きいほど生産効率が高く、欠陥が少ないことを意味します（熱伝導溶接では欠陥がほとんどありません）。
溶接では、大きなスポットは主に複合溶接に使用され、コア径の小さな複合レーザーに使用されます。 大きな光点により、材料の表面が固体から液体にわずかに溶け、レーザーに対する材料の吸収率が大幅に向上します。 次に、小さなコア直径を使用してキーホールをパンチし、貫通深さをパンチします。 このプロセスでは、大きな光点の予熱と後処理、および溶融池の大きな温度勾配により、材料は急速加熱と急速冷却によって引き起こされる亀裂が発生しにくく、溶接の外観がより滑らかになります。 。 飛沫は単一レーザー ソリューションよりも低くなります。
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