レーザープロセスパラメータが溶接に及ぼす影響 日本

1.1 焦点面

1.1.1 フォーカスの定義：ビーム断面のエネルギー分布は左図のようになり、ビーム縦断面のエネルギー分布も左図のようになります。レーザーからビームが出力され、コリメート集束レンズを通過した後、特定の位置に集束してビームウェストを形成します。この点はスポットが最も小さく、ビームのエネルギー密度が最も高いという特徴があり、そこが焦点となります。

レーザーエネルギーの分布は焦点面に沿って厳密に対称です。レーザーが物質と相互作用する物理現象を通じて、エネルギー境界を決定し、焦点の中心位置を決定することができます。

1.2 境界座標の判断基準：スパッタが発生している領域とスパッタが発生していない領域の境界。上限プラズマ炎（ファイアライト）の長さと明るさ、および下限プラズマ炎（ファイアライト）の対応する状態（中央値を取ったもの）。音が最も大きく、物理的な反応が最も激しい飛行機です。

1.3 焦点面の決定方法:

1.3.1.最初のステップはベンチマークを設定することです

大まかな位置決め:

焦点深度のおおよその位置がわからない場合は、まず Z 軸を同軸赤色光のスポットが最も小さい場所 (通常は焦点深度に近い場所) に移動します。最小のガイド スポットを見つけて、焦点エネルギーの上限と下限を探します。

注意事項:

同じ外部光路構成では、パワーが異なると焦点深度も異なります。したがって、焦点を決定するときは、境界を設定しやすくするために、パワーをできるだけ低く設定する必要があります。

1.3.2 ステップ 2 パルスドット法 - はんだ接合部のチェック

正および負の焦点ずれの臨界状態の座標を検索し、2 つの座標の中点が焦点座標として取得されます。

パルスドット法 - 火花を観察する

もちろん、音を聞いて判断することもできますが、どの特徴を選択して判断するかは、現場のレーザーや材質の状況によって異なりますので、判断しやすい方を選択してください。

また注意してください：

1） 同じ位置で連続発光しないように注意してください（平滑な材料表面や特性差の大きい溶接箇所に当たると重大な判断ミスの原因となります）。

2）焦点を見つけるために使用される材料は、高さの変化がなく、平らであり、表面がきれいでなければなりません。

3）焦点を複数回検出し、平均値を取ることで誤差を軽減します。

1.3.3 斜線法による焦点面の決定

スラッシュに関する注意事項:

一般鋼板：

1） 半導体の場合は500W程度以下としてください。光ファイバーの場合は 300W 程度で十分です。

2）速度は80〜200mm/sの間で設定できます。

3）鋼板のベベル角度は大きいほど良く、好ましくは約45〜60度です。中間点は、最も小さく最も明るいガイド スポットの粗い位置決め焦点に位置します。

それからラインをマークし始めます。マーキングによってどのような効果が得られるでしょうか?理論的には、この線は焦点の周りに対称的に分布し、軌道は小さいものから大きいものへ増加し、その後再び減少するか、または大きいものから小さいものへ減少し、その後再び増加するというプロセスを経ます。
半導体の場合は、最も薄い点を探します。鋼板は焦点の位置で白くなり、色特性が明白になるため、焦点を見つけるための基礎としても役立ちます。次に、光ファイバーの場合は、裏面がわずかに半透明になるように制御してください。焦点がわずかに半透明であれば、焦点が裏側のわずかな半透明の長さの中点にあることを示します。

1.3.4 スパイラルドッティング: 焦点を見つけるための検流計

シングルモードを検流計と組み合わせると、倍率が高すぎるため、物理的特徴の臨界点を見つけることが困難になる場合があります。したがって、焦点を決定するために、より高密度のエネルギー入力を使用してらせん線をマークする方法が導出されます。

1）検流計の枠内に螺旋状の線を作成し、中心に合わせます。
らせんパラメータを設定します。

・始点半径0.5mm

・終点半径1.5mm

●スパイラルピッチ0.5mm。

(※スパイラルラインの終点半径はあまり大きく設定しないでください。一般的には1mm～2mmが適当です。)

2） 溶接 通常、速度は ≥100mm/s に設定する必要があります。速度が遅すぎると、スパイラルワイヤ溶接の効果が明確になりません。推奨速度は150mm/sです。

1.4 溶接 スピード

この レーザー溶接 システムは、レーザー、伝送ファイバー、コリメート集束ヘッドまたは検流計などで構成されます。ファイバーから出た光は発散するため、コリメートレンズによって平行光にしてから、集束状態（拡大）に変換する必要があります。ガラス効果）、集束レンズを通して。レーザープロセスのデバッグ中の主要なパラメータは次のとおりです。 スピード, 電力, デフォーカス量, 保護ガス一般に、ラボでテストするときにプロセス エンジニアによって提供されるプロセス レポートには、主に上記の 4 つのパラメータと、選択されたレーザー モデルの構成が含まれています。

1.4.1 溶接品質に対する速度の影響: ラインエネルギー

一般に、ワークに対してどのパラメータを選択するかを決定する前に、まず処理速度を決定する必要があります。そのためには、生産リズムや生産量の要求などの要求を満たすために、顧客とのコミュニケーションが必要になります。これらから、必要な速度をおおよそ推定し、これに基づいてプロセスのデバッグを実行できます。

間に レーザー溶接 プロセスでは、溶接速度はレーザー ビームの線エネルギー密度に直接影響し、溶接シームのサイズに大きく影響します。一方、溶接速度が異なると、レーザー溶接プロセス中の溶融プールの流れパターンも変化します。

単一ファイバーレーザーの高速化：これにより、ラインエネルギーが減少し、溶接シームが厚いものから薄いものに変化します。深溶け込み溶接から通電溶接に移行し、溶融不足で溶接跡がなくなるまで行います。通常、速度はあまり調整しません。高反射材料の場合、セグメントの溶接が多かった場合や融着が不足している場合は、速度を下げることで問題の一部を解決できる場合があります。これには、速度を上げることによって、端にプラスチック片がある一部の構造部品や層状の溶接部の熱影響ゾーンと線エネルギーを低減することが含まれます。

パルス溶接: 速度はオーバーラップ率に影響します。

連続レーザー溶接: 速度が溶接に与える影響の中心原理は、速度がラインのエネルギー分布に影響を与え、したがってレーザーの作用時間に影響を与えるということです。これにより、金属組織の溶融深さと幅のレベルが変化します。影響力の法則を以下の図に示します。

溶接速度が増加すると溶融幅は減少します。溶接速度が増加すると、溶融深さも減少します。速度を上げると、アンダーカットやスパッタなどの欠陥をある程度減らすことができます。

1.5 溶接力

レーザー溶接のエネルギー入力は通常、エネルギー密度（レーザー出力をスポットの面積で割ったもの、単位は w/cm2）と入熱量（レーザー出力を溶接速度で割ったもの、単位は w/cm2）で表されます。前者は空間範囲におけるレーザー エネルギーの強度を表し、後者は時間の経過に伴うレーザー エネルギーの累積を表します。

パワー、融合深さ、融合幅の簡単な関係は画像の通りです。一般的に言えば、出力が大きいほど、融合の深さと幅は出力に応じて増加します。 レーザー溶接 エネルギー閾値があります。このしきい値を下回る場合は熱伝導溶接と呼ばれ、それを超える場合は深溶け込み溶接と呼ばれます。違いは、深溶け込み溶接にはキーホールがあることです。

電力不足によって引き起こされる一般的な欠陥には、誤った溶接、浅い溶融深さ、不明瞭な溶接跡が含まれます。過剰な電力による欠陥には、溶接の溶け込み、大きなスパッタ、波状のエッジ、およびアンダーカットが含まれます。

パワーと溶融深さと幅の関係: 出力が大きいほど、溶融の深さと幅は大きくなります。

1.5.1 リング状スポット:

内側リングレーザーは主に融合深さに影響を及ぼし、出力が増加すると融合深さも増加します。

外側リングレーザーは溶融深さへの影響は小さく、主に溶融幅に影響を与えます。外輪の出力が増加すると、溶接シームの外観がより滑らかになり、溶融幅が増加します。

1.6 焦点ぼけ

デフォーカスとは、レーザー焦点面と溶接されるワークピースの表面の間の距離です。焦点面がワークピースの表面の上にある場合、それは正のデフォーカスです。焦点面がワークピースの表面より下にある場合、負のデフォーカスになります。当然のことながら、焦点面がワーク表面上にあるときは、デフォーカスはゼロになります。デフォーカスはレーザー溶接における重要なパラメータです。レーザービームは焦点距離にあるレーザーヘッド内のレンズによって溶接エネルギーを集めるために焦点に焦点を合わせられるため、光学的な観点から見ると、レーザー溶接の焦点ぼけを変更すると、本質的に溶接の作用点面積が変わります。レーザービームを照射し、それによってレーザーパワー密度が変化します。

一般にプロセスウィンドウを指定する場合、主にステンレス鋼やアルミ合金などの反射率の高いワークの場合、デフォーカス範囲を設定する必要があります。これらの材質は鏡面状であるため、デフォーカスが大きすぎるとデフォーカス範囲を設定する必要があります。の場合、ユニットエネルギーが低すぎて材料表面をすぐに溶かすことができず、一定量のレーザーエネルギーが反射して溶接ヘッドのレンズやファイバーの端面に損傷を与えます。

同時に、ファイバのコア径を選択した後、ワーク間のギャップが大きすぎて、継ぎ目からレーザーが漏れる状況が発生する可能性がある場合は、スポットを大きくするための救済策としてデフォーカスを使用できます。加熱領域を増やし、溶融池が継ぎ目を確実に覆って光の漏れを防ぎます。

レーザーエネルギーは主に焦点スポットの中心に集中するため、通常、デフォーカスはプラスに選択され、焦点もマイナスも選択されません。焦点がワークの表面または内部にある場合、溶融池内のレーザー出力密度が高くなりすぎるため、溶接スパッタ、溶接面の荒れ、凹凸が発生しやすくなります。

デフォーカスと溶解の深さと幅の関係:

デフォーカスが増加するにつれて融合の深さは減少し、負のデフォーカスの場合の融合の深さは正のデフォーカスの場合よりも大きくなります。融合の幅は最初に増加し、焦点ぼけが増加するにつれて減少します。

1.7シールドガス

シールドガス: シールドガスにはさまざまな種類があります。工業生産ラインでは、コストを管理するために窒素がよく使用されます。研究室ではアルゴンが主な選択肢ですが、通常、特殊な状況ではヘリウムやその他の不活性ガスも使用されます。最も一般的に使用されるのは、窒素、アルゴン、ヘリウムの 3 つです。

なぜなら レーザー溶接 これは、金属が溶けたり蒸発したりする高温での激しい反応のプロセスであり、金属は高温では非常に活性になります。酸素と接触すると激しい反応が起こり、大量のスパッタが発生し、溶接面が荒れた状態になります。したがって、シールドガスの目的は、狭い範囲（溶融池の近く）に酸素のない環境を作り、激しい酸化反応による溶接不良や外観の荒れを防ぐことです。

1.7.1 さまざまな保護ガスの影響

金属蒸気はレーザービームを吸収し、イオン化してプラズマ雲になります。プラズマが多すぎると、レーザー光がプラズマによってある程度消費されてしまいます。シールドガスは金属蒸気プルームまたはプラズマ雲を分散させ、レーザーに対するシールド効果を低下させ、レーザーの有効利用率を高める可能性があります。
同時に、シールドガスも高エネルギーレーザーによってイオン化されます。イオン化エネルギーが異なるため、シールドガスが異なれば、レーザーに対するシールド効果も異なります。

実験研究によると、イオン化エネルギーの順位は次のとおりです。 ヘリウム > 窒素 > アルゴン。

• ヘリウムはレーザーの作用下でイオン化する可能性が最も低く、溶接プロセスへの影響が最も小さくなります。

・アルゴンは反応性が低く、不活性ガスです。物質と反応しないため、研究室で一般的に使用されます。

• 窒素は金属材料と反応する可能性があるため、反応性ガスです。一般的に、高い強度が要求されない状況、特にコストを考慮した生産ライン企業で使用されます。

1.7.2 さまざまな角度で保護ガスを吹き付ける効果

サイドブローシールドガスを適用するにはどうすればよいですか?

• シールドガスを側面から吹き付ける角度と高さは、シールドガスの適用範囲と溶融池キーホールに作用する位置に直接影響します。

• 一般に、保護効果を確保するには、溶接溶融池のサイズに応じて、さまざまなパイプ直径とシールド ガスの流量を一致させる必要があります。

• シールドガスの最適な角度は 45 ～ 60° で、キーホールの開口部を効果的に拡大し、スパッタリングを低減できます。

サイドブローシールドガス

Advantages：プラズマの分散に有利で、前から後ろへ吹き付けることでスパッタリングを効果的に抑制します。

影響 ：気孔率の増加につながる可能性があります。

シールドガス直吹き

Advantages:

• 直接吹き込みにより、溶融池上のシールドガスの適用範囲を効果的に確保できるため、良好な保護が得られます。

• 直接ブローは使用が簡単で調整の必要がありませんが、銅ノズル上の溶接スラグがシールド ガスの流れの方向を妨げたり、乱流がシールド ガスの効果に影響を与える可能性があるため注意が必要です。

影響 : 直接吹き付けてもキーホールの開口部を効果的に広げることができますが、過剰なシールド ガス流は気孔率の増加につながる可能性があります。