レーザー溶接プロセスにおけるプラズマ効果

レーザー溶接プロセスにおけるプラズマ効果

レーザー溶接 プロセスでは、プラズマは一般的な現象であり、溶接プロセスの効果と品質に重要な影響を与えます。プラズマは、ガス内の原子または分子が電子を失ったり獲得したりするイオン化ガスで構成され、正イオンと自由電子を形成します。この物質の状態は、固体、液体、気体とは異なる第 4 の物質の状態と考えられています。

1.1 プラズマ効果 - プラズマの定義

プラズマの生成

In レーザー溶接、プラズマの生成は通常、次の手順に従います。

レーザー放射: 高エネルギーのレーザービームがワークピースの表面に当たると、最初に表面が加熱され、材料が急速に蒸発します。

レーザー溶接 通常、炎の噴流、黄色の光、青色の光、紫色の光を含む炎の渦が伴います。この炎はプラズマと呼ばれることがよくあります。

プラズマの定義: レーザー溶接プロセス中のレーザー照射による金属材料の気化によって生成されるプラズマは、光誘起プラズマと呼ばれます。光誘起プラズマの主成分は、金属蒸気、自由電子、イオン、電気的に中性の粒子です。

イオン化ガスとしても知られるプラズマは、一部の電子が剥ぎ取られた原子または原子団がイオン化された後に生成されるイオンで構成されています。これは、デバイ長よりも大きなスケールで、巨視的に電気的に中性のイオン化ガスです。その動きは主に電磁力によって支配されており、顕著な集団行動を示します。

1.2 プラズマ効果 - プラズマの形成

材料の蒸発とイオン化: レーザーの高エネルギーにより、蒸発した材料 (通常は金属蒸気) はレーザー エネルギーをさらに吸収します。エネルギーが十分に高いと、蒸気中の原子や分子がイオン化されてプラズマが形成されます。このプロセス中に、原子や分子から電子が絞り出され、多数の自由電子と陽イオンが生成されます。

プラズマ雲の形成: 形成されたプラズマは雲のような構造を形成し、レーザービームとワークピースの表面の間に位置します。プラズマ雲はその高温と高密度の特性により、より多くのレーザー エネルギーを吸収および散乱する可能性があり、レーザー ビームの透過に影響を与えます。

レーザー深溶け込み溶接プロセス中、入射レーザーのエネルギー密度が十分に大きい場合、金属が蒸発し、溶融池にキーホールが形成される可能性があります。同時に、金属蒸気中の自由電子が金属表面から噴霧され、キーホール、および保護ガスの一部のキーホールは、レーザー エネルギーを吸収することによって加速されます。これにより、それらの運動エネルギーが増加し、蒸気粒子や保護ガスと衝突し、連鎖反応が引き起こされます。このプロセスにより、実質的なイオン化が生じ、キーホールの上に高密度のプラズマ層が形成されます。この高密度プラズマの層は、レーザー溶接プロセスに大きな影響を与える可能性があります。

1.3 プラズマ効果 - プラズマの周期性

1.4 エネルギー伝達におけるプラズマの役割

高出力レーザー溶接では、エネルギー密度の高いレーザー光が連続的に出力されるため、ワーク表面にエネルギーが伝わり、金属材料が常に溶融・蒸発します。蒸気雲は鍵穴から急速に上向きに噴き出し、イオン化条件を満たすとすぐにイオン化してプラズマを形成します。生成されるプラズマは主に金属蒸気プラズマで構成されます。

プラズマが形成された後、プラズマは入射光線を屈折および吸収し、反射、散乱、吸収を引き起こし、レーザー光線を遮蔽する可能性があります。その結果、これはレーザーエネルギーとワークピースの結合に影響を及ぼし、溶融深さ、細孔の生成、溶接シームの組成などの要因に影響を与えます。最終的に、これはレーザー溶接の品質とプロセスの信頼性に直接影響します。

1.5 プラズマによるレーザーの屈折

プラズマが蓄積するほど、レーザー溶接への影響が大きくなります。レーザーが発散するほどエネルギー密度が低下し、溶融深さが急激に減少します。したがって、シールドガスが存在しないために、溶接が不完全になるなどの一般的な問題が発生することがよくあります。

プラズマ負のレンズ効果

空気は光学的に高密度の媒体であるのに対し、プラズマは光学的に疎な媒体です。レーザーの屈折によりレーザービームが発散し、レーザーの集束性能が低下し、レーザーが発散してエネルギー密度が低下します。入射レーザービームがプラズマを通過する際、プラズマの方向も変化します。レーザー光の伝播。偏向角は電子密度勾配とプラズマの長さに関係します。これにより、物質表面に到達するエネルギー密度が不均一となり、プラズマの変動に伴ってエネルギーの変動も変化します。

上の図に示すように、プラズマはレンズのようなもので、材料とレーザーの間にあります。ブロー方法が異なれば、溶接効果も異なります。サイドブローではプラズマが吹き飛ばされない可能性があり、直接ブローの方が優れています。

1.6 プラズマによるレーザー光の吸収

プラズマによるレーザーエネルギーの吸収により、プラズマの温度とイオン化度が上昇し続けます。吸収過程は正常吸収と異常吸収に分けられます。

逆制動放射吸収としても知られる通常吸収は、電子がレーザー電場によって励起され、高周波振動を受ける状況を指します。これらは周囲の粒子 (主にイオン) と衝突し、エネルギーを互いに伝達し、それによってプラズマの温度とイオン化が上昇します。

異常吸収とは、レーザー エネルギーが一連の非衝突メカニズムを通じてプラズマ波エネルギーに変換され、その後、さまざまな散逸メカニズムを通じてプラズマ熱エネルギーに変換され、空気中に伝導されて散逸されるプロセスを指します。

レーザーに対するプラズマの吸収効果により、入射レーザーエネルギーの一部のみがプラズマを透過してワークピースの表面に到達します。これにより、外部光路 (レーザー QBH から材料表面まで) でのエネルギー伝達損失が増加し、レーザーのエネルギー密度が減少し、全体の吸収率が減少します。ウィンドウが上部境界にある場合、特に高反射材料 (アルミニウムや銅など) では誤溶接が発生しやすくなります。

1.7 プラズマ効果の抑制

プラズマの屈折率と負のレンズ効果に影響を与える主な要因は次のとおりです。

レーザー出力密度:

電力密度が高くなるほど、プラズマの温度も高くなります。これは、プラズマ内の電子密度が高くなることを意味します。電子密度が高くなると屈折率が小さくなり、負のレンズ効果が強くなります。

レーザー波長: 波長と角周波数の関係は ω = 2πc/λ (c は光速、λ は波長) です。レーザーの波長が長くなると、角周波数と屈折率が小さくなるため、負のレンズ効果がより顕著になります。短波 (青色光、緑色光) 溶接には利点があり、比較的安定しています。

保護ガスタイプ:同じ温度下では、アルゴンのイオン化度が大きく、電子密度が大きくなり、屈折率が小さくなり、負のレンズ効果がより顕著になります。それに比べて、ヘリウムガスの保護効果は優れています。

保護ガス流量: ガス流量を特定の範囲内で増加させると、溶融池上のプラズマ雲を吹き飛ばすことができ、それによってプラズマの負のレンズ効果が減少します。

溶接対象材料：通常は選択の余地はありません。溶接する材料の融点が低くイオン化しやすい場合、プラズマ中の電子数密度が増加し、負のレンズ効果が大幅に増加します。この可能性として、レーザーの影響が大きい場合には、電子ビームなどの他の高エネルギービーム加工を検討する必要があります。

溶接プロセス中にプラズマに影響を与える要因は数多くありますが、それらは次のように要約できます。

レーザー波長: プラズマの点火値と維持閾値は波長の 2 乗に比例します。短波レーザー (青色光、緑色光) はプラズマ維持時間が短く、プロセスがより安定します。

レーザーパワー密度：レーザーパワー密度の増加に伴い、プラズマの電子温度と密度が増加します。過剰なパワー密度はプラズマ不安定性の主な原因です（複合熱源（環状スポット、ファイバー半導体複合材、レーザーアーク複合材）が達成できます）熱源のエネルギー分布制御は、シングルファイバーレーザー溶接と比較して、溶接プロセスへの影響が少なく、より安定しています。

スポットサイズ：スポット径が小さいほど、プラズマ点火値と維持値が高くなります（ぐらつき溶接を回避できます）。

材料特性: 材料の密度とイオン化エネルギーはプラズマに大きな影響を与えます。金属のイオン化エネルギーが低く、反射率が高いほど、深溶け込み溶接の安定性に影響を与えるプラズマ効果の影響を受けやすくなります。

周囲ガスと圧力: 一般に、良好な熱伝導率と高いイオン化エネルギーを備えたガスは、高いプラズマ点火値と維持閾値を有すると考えられています。周囲の気圧が低いほど、電子温度、電子密度、プラズマ中心の高さは低くなります。真空および負圧条件下では、レーザー深溶け込み溶接は常圧よりも安定しています。

ガス流量:周囲ガスの流量が増加すると、プラズマの体積が減少し、それによってレーザーの吸収率が減少し、深溶け込み溶接プロセスに対するプラズマの影響を効果的に減らすことができますが、過剰な空気は流動により溶接池の表面変動や溶融金属の飛散が発生したり、過剰な放熱による亀裂や表面粗さの欠陥が発生したりすることがあります。

溶接速度: 溶接速度が低下すると、プラズマの中心温度が上昇します。溶接速度が遅いほどプラズマが発生しやすくなり、不安定になります。速度を上げると、溶接プロセスの安定性もある程度向上します。

上記の要因のいくつかを変更してプラズマを制御し、レーザーとの干渉を軽減または排除します。

制御方法には次のようなものがあります。

スイング溶接：レーザー加工ヘッドが溶接方向に沿って前後にスイングします。キーホールが現れた後、プラズマが形成される前に、光スポットは瞬時に溶接池の後端または別の場所に移動され、プラズマが光伝送経路に影響を与えるのを防ぎます。

パルスレーザー溶接：レーザーのパルスと周波数を調整し、レーザーの照射時間をプラズマの形成時間より短くします。これにより、プラズマの形成と消散サイクルの分散段階中に常にレーザーが照射され、光の透過に対するプラズマの干渉が回避されます。

低圧溶接：減圧溶接では、一定の圧力以下になると材料表面やキーホール内部の金属蒸気密度が低くなり、プラズマが消滅します。

保護ガスを吹き付ける:

1 つは補助ガスを使用してプラズマを吹き飛ばす方法です。

また、熱伝導率が良くイオン化エネルギーの高いガスを用いて環境ガスのイオン化を抑え、金属イオン蒸気を圧縮する方法もあります。メインブローと同軸の二層ノズルが使用可能です。外側ノズルは水平方向に対して一定の角度をなしています。外層からの気流の半径方向成分を利用してプラズマを周囲に吹き付けます。また、直管ノズルを使用してプラズマに向けて溶接方向に横方向に空気を吹き付けることもできます。サイドブローノズルの位置精度や気流制御には厳しい要件があります。数ある制御方法の中でも、気流によるプラズマ制御は比較的柔軟で簡単です。したがって、サイドブローシールドガスはレーザー深溶け溶接で広く使用されている方法です。

レーザーが出力され、材料の表面に照射され、プラズマが発生します。光誘起プラズマの密度が高すぎると、レーザーエネルギーの損失が大幅に増加し、ワークピース表面に入射するエネルギー密度が弱まります。発生する金属蒸気の量が減少し、プラズマが徐々に消滅します。このとき、レーザーをワーク表面に直接照射することで多量の金属蒸気が再生され、プラズマ強度が徐々に増加して入射レーザーを遮蔽します。プラズマの強度は周期的に変化し続けます。スペクトル分析と高速ビデオ記録を通じて、プラズマ強度振動の周波数が約数百ヘルツであることが観察されました。これは、レーザー溶接、特に薄板溶接において周期的な鋸歯状の変動を引き起こす可能性もあります (レーザー変調 CW 変調は、これらの問題に対処する方向です)。