コア径の異なるレーザーの溶接効果の比較
金属材料のレーザー加工は主に光熱効果を利用した熱加工です。 レーザーが材料の表面に照射されると、材料の表面積は異なる出力密度の下でさまざまな変化を受けます。 これらの変化には、表面温度の上昇、融解、蒸発、鍵穴の形成、およびフォトプラズマの生成が含まれます。 さらに、材料表面領域の物理的状態の変化は、材料のレーザー光の吸収に大きな影響を与えます。 一般に、温度が高くなるほど、材料のレーザー光の吸収率は高くなります。 電力密度と動作時間が増加すると、図 1 に示すように、金属材料は次のような物理的状態の変化を経験します [1]。
レーザー溶接には、熱伝達と熱伝導という 2 つの核があります。 熱伝達は熱源、電力密度、ラインエネルギーに関係します。 エアフローを微調整します。 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。 関連するプロセスパラメータには、レーザーコアの直径、パワー、速度、デフォーカス量の選択が含まれます。 この記事では主にコア径の異なるレーザーに焦点を当てており、主に異なるパワー密度が関係していることを考慮して、図 2 にパワー密度の簡単な計算式を示します。
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（深さと幅の比）です。<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
レーザー熱伝導溶接：
レーザーの照射量が異なると、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 つの代表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、プロセス特性、および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、ワーク表面に照射されるレーザー照射量は10E4～10E6W/cmの範囲であり、レーザーエネルギーは表面の10～100μmの薄層で吸収されます。 表面のレーザーエネルギーは熱伝導によって材料の内部に伝わり、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。 しかし、最高温度は材料の沸点までしか到達できません。どんなに温度が高くても、材料は蒸発してピットが形成され、安定した熱伝導溶接プロセスが破壊され、溶融池が振動し、材料が壊れてしまいます。やけど。 一般に熱伝導溶接は薄板に多く使用されます。 この場合は、終わらせる必要があります。 レーザービームとワークピースの相対移動により、図 3 に示すように、浅くて幅の広い溶接線が形成されます。溶接線の深さと幅の比率は小さく、溶接線の幅は一般に広くなります。侵入深さの2倍以上。 下図は一般的なレーザー熱伝導溶接の断面の様子を示しており、溶接部の形状はほぼ半球状になっています。
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、厚さは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反応性の高い合金で溶け込み深さを達成するのが難しくなり、深溶け込み溶接を達成するにはより高い電力が必要になります。
(3) コア径が小さい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、熱影響部が小さいですが、同時に溶接部の表面が粗いため、低速溶接時はキーホール崩壊の確率が高く、溶接サイクル中にキーホールが閉じてしまいます。 サイクルが長く、欠陥、ポアなどの欠陥が発生しやすく、高速加工やスイングトラックのある加工に適しています。
(4) 大口径レーザーは、スポットが大きく、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、クラッド、アニーリングおよびその他のプロセスに適しています。
高反射材料: アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、モリブデンなど。
(1) 高反射材料の場合は小口径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線を使用して材料を急速に加熱して液化または気化状態にし、材料のレーザー吸収率を向上させ、効率的かつ高速な加工を実現します。 コア径の大きなレーザーを選択するのは簡単です。 高反射、仮想溶接、さらにはレーザーの焼き切れにつながります。
亀裂に弱い材質: 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。
(2) この種の材料は一般に、熱影響部を厳密に制御する必要があり、小さな溶融池が必要です。 小口径レーザーを選択する方が適切です。
高速レーザー加工：
(3) 深溶け込み溶接には高速レーザー加工が必要であり、特に重ね溶接、溶け込み溶接、溶接などの場合には、材料を高速で溶かすのに十分なラインエネルギーを確保するために、エネルギー密度の高いレーザーを選択する必要があります。高い侵入深さを必要とするその他の小さなコア。 ラジアルレーザーの方が適しています。
Advantages and applications of large core lasers (>100μm):
大きなコア直径と大きなスポット、大きな熱カバレージエリア、広い作用面、材料表面のみのマイクロ溶解を実現し、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。スポットが大きいほど生産性が高く、欠陥が少ないことを意味します (熱伝導はんだ付けでは欠陥がほとんどありません)。
溶接に関しては、大きなスポットは主に複合溶接に使用され、小さなコア直径のレーザーとの複合に使用されます。大きなスポットは材料の表面をわずかに溶かし、固体から液体に変化させ、吸収率を大幅に向上させます。このプロセスでは、大きなスポットの予熱、後処理、および溶融池に与えられる大きな温度勾配により、材料にクラック欠陥が発生しにくくなります。急速加熱と急速冷却によって。 溶接の外観をより滑らかにすると同時に、単一レーザー ソリューションよりも低いスパッタを実現できます。
