金属材料のレーザー吸収率

1.1 レーザーと物質の相互作用による物理的状態の変化
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、...

1.1 レーザーと物質の相互作用による物理的状態の変化

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を照射すると、異なる出力密度の下で表面積にさまざまな変化が発生します。これらの変化には次のようなものがあります。

溶融: 材料がレーザーエネルギーを吸収すると、温度が上昇し、場合によっては融点に達し、材料が固体から液体に変化します。このプロセスは、次のようなテクノロジーで広く使用されています。 レーザー溶接, レーザークラッディング、およびレーザーラピッドプロトタイピング。

蒸発と昇華: レーザーの強度が十分に高く、材料の温度が沸点以上に急速に上昇すると、材料は固体または液体の状態から気体状態に直接遷移します。このプロセスは、レーザー切断、レーザー穴あけ、レーザー蒸着などの技術で使用されます。

固化: レーザー加熱後に材料が液体状態から固体状態に戻るプロセスを固化といいます。このプロセスは、レーザー製造プロセス、特にレーザーろう付けおよび 3D プリント技術で一般的です。

アニーリング: レーザー加熱により、材料の内部応力を再配分することができ、それによって内部応力を軽減し、材料の性能を向上させるという目的を達成します。このプロセスは相変化を伴いませんが、結晶構造の再配列と材料特性の変化を引き起こします。

相変態硬化: 特定の材料 (鋼など) は冷却プロセス中に相転移を起こし、面心立方構造 (オーステナイト) から体心立方構造 (マルテンサイト) に転移します。この変化により、材料の硬度と強度が大幅に向上します。レーザー焼入れでは、レーザーの加熱および冷却プロセスを制御することでこの原理を利用し、材料表面または局所領域の硬化を実現します。

光化学反応: レーザー照射も材料内で光化学反応を引き起こす可能性があります。これらの反応には、物理的プロセス (光分解、光重合など) だけでなく、材料の特性を根本的に変える可能性のある化学的プロセスも含まれます。この原理は、フォトリソグラフィーや材料表面改質などの分野で使用されます。

フォトクロミズム: 一部の材料は、レーザー照射下でフォトクロミック反応、つまり材料の色の変化を起こします。この変化は、光エネルギーを吸収した後の材料の電子構造の変化によって引き起こされます。この技術は、データストレージやディスプレイ技術などの分野で潜在的な応用価値があります。

関連する作用機序を以下の図に示します。

レーザーパワー密度が低い場合（<10^4w/cm^2）照射時間が短く、金属に吸収されたレーザーエネルギーは材料の温度を表面から内部に上昇させるだけで、固相は変化しません。主に部品、主に切削工具、ギア、ベアリングの焼きなましと相変化硬化に使用されます。
レーザーパワー密度が高く（10^4～10^6w/cm^2）、照射時間が長くなると、材料の表層が徐々に溶けます。入力エネルギーが増加すると、液相と固相の界面は徐々に材料の深さに向かって移動します。この物理的プロセスは、主に金属の表面再溶解、合金化、被覆および熱伝導溶接に使用されます。
パワー密度をさらに高め(>10^6w/cm^2)、レーザーの動作時間を延長します。。材料の表面は溶けるだけでなく蒸発します。蒸気は材料の表面近くに集まり、弱電離されてプラズマを形成します。この薄いプラズマは、材料がレーザーを吸収するのに役立ちます。蒸発と膨張の圧力により、液体の表面が変形し、ピットが形成されます。このステージはレーザー溶接、一般に 0.5 mm 以内の微細接続の熱伝導溶接に使用できます。
出力密度をさらに高めると(>10^7w/cm^2) 照射時間を長くすると、材料表面が強く蒸発し、よりイオン化度の高いプラズマが形成されます。この高密度プラズマはレーザーを遮蔽する効果があり、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、大きな蒸気反力により、溶融金属の内部に通常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、材料によるレーザーの吸収を助長します。このステージは、レーザー深溶接、切断と穴あけ、衝撃硬化などに適しています。

異なる条件下で、異なる波長のレーザーが異なる金属材料に照射されると、各段階での出力密度の具体的な値に一定の違いが生じます。レーザーの材料吸収の観点からは、材料の蒸発が分かれ目となります。材料が蒸発しない場合、固相であろうと液相であろうと、そのレーザーの吸収は表面温度の上昇に伴ってゆっくりと変化するだけです。材料が蒸発してプラズマとキーホールが形成されると、材料のレーザーの吸収が突然変化します。

下の図は、レーザー加工時の材料表面のレーザー吸収率を示しています。 レーザー溶接 材料のレーザー吸収率は、材料が溶融していない場合、材料の表面温度が上昇するにつれてゆっくりと増加します。パワー密度が(10^6w/cm2)より大きい場合、材料は激しく蒸発してキーホールが形成され、レーザーはキーホールに入り、複数回反射されます。吸収により、材料のレーザー吸収率が劇的に増加し、浸透深さが大幅に増加します。

1.2 金属材料によるレーザーの吸収 - 波長

レーザー吸収メカニズム:
金属によるレーザーの吸収は、主に自由電子の移動によって行われます。レーザーが金属表面に照射されると、その電磁場によって金属内の自由電子が振動します。この振動エネルギーは熱の形で金属格子構造に伝達され、それによって材料が加熱されます。金属のこの吸収特性により、金属はレーザー加工に優れた材料となります。

波長の影響
短波長（紫外～可視光領域）:金属は一般に、短波長領域で短波長レーザーを吸収しやすくなります。これは、金属内の自由電子が短波長光の電磁場と効果的に相互作用し、光波から金属にエネルギーが伝達され、熱効果が生じるためです。短波長レーザーは位置精度が高く、焦点径も小さいため、微細加工に適しています。

中波長（近赤外領域）：ファイバーレーザー（波長約1064ナノメートル）などの近赤外領域のレーザーは、金属への吸収率が高く、金属加工において最も一般的に使用される波長域です。この波長のレーザーは金属の奥深くまで浸透し、吸収率が比較的高く、深部加工や高能率加工に適しています。

長波長（遠赤外線領域）：長波長レーザー用 CO2レーザー（波長は約10.6ミクロン）、通常、波長が長くなると金属によるレーザーエネルギーの吸収効率が低下するため、金属表面での長波長レーザー（遠赤外線など）の反射率が高くなります。金属への吸収率は比較的低いです。それにもかかわらず、その波長は金属の自由電子平均自由行程よりもはるかに長いため、一部の特定の金属材料における吸収効率は依然として許容可能です。長波長レーザーは主に非金属材料の加工に使用されますが、一部の特殊な金属加工用途にも使用されます。

下の図は、一般的に使用される金属の室温における反射率、吸収率と波長の関係を示しています。赤外領域では、波長が長くなるにつれて吸収率が減少し、反射率が増加します。ほとんどの金属は、波長10.6um（CO2）の赤外光を強く反射します。ただし、1.06um (1060nm) の波長の赤外線には弱い反射があります。金属材料は、b などの短波長レーザーの吸収率が高くなります。ルーライトとグリーンライト.