レーザー溶接の基礎
レーザー溶接は非接触プロセスであり、溶接される部品の片側から溶接領域にアクセスする必要があります。
• 強力なレーザー光が材料を急速に加熱することで溶接が形成されます（通常は数ミリ秒で計算されます）。
• 溶接には通常 3 つの種類があります。
– 伝導モード。
– 伝導/浸透モード。
– 貫通モードまたはキーホールモード。
• 伝導モード溶接は低エネルギー密度で実行され、浅く広い溶接ナゲットを形成します。
• 伝導/浸透モードは中程度のエネルギー密度で発生し、伝導モードよりも浸透が大きくなります。
• 貫通溶接またはキーホールモード溶接は、深く狭い溶接が特徴です。
– このモードでは、レーザー光は「キーホール」と呼ばれる蒸発した材料のフィラメントを形成し、これが材料内に伸びて、レーザー光が材料内に効率的に届けられる導管となります。
– 材料へのエネルギーの直接伝達は、伝導に頼らずに浸透するため、材料への熱が最小限に抑えられ、熱影響部が縮小されます。
伝導溶接
• 伝導接合は、レーザービームを集中させる一連のプロセスを指します。
– 10³ Wmm⁻²のオーダーの電力密度を与える
– 材料を融合して、大幅な蒸発なしに接合部を形成します。
• 伝導溶接には 2 つのモードがあります。
– 直接加熱
– エネルギー伝達。
直接熱
• 直接加熱中は、
– 熱の流れは表面熱源からの古典的な熱伝導によって制御され、溶接は母材の一部を溶かすことによって行われます。
• 最初の伝導溶接は1年代初頭に行われ、低電力パルスルビーと CO2 ワイヤコネクタ用のレーザー。
• 伝導溶接は、さまざまな構成のワイヤや薄板の形で、さまざまな金属や合金に行うことができます。
– CO2 、Nd:YAG およびダイオード レーザーがあり、出力レベルは数十ワット程度です。
– 直接加熱 CO2 レーザービームは、ポリマーシートの重ね溶接や突合せ溶接にも使用できます。
トランスミッション溶接
• 透過溶接は、Nd:YAG およびダイオードレーザーの近赤外線を透過するポリマーを接合する効率的な手段です。
• エネルギーは新しい界面吸収方法によって吸収されます。
• マトリックスと強化材の熱特性が類似していれば、複合材料を接合できます。
• 伝導溶接のエネルギー伝達モードは、近赤外線を伝達する材料、特にポリマーに使用されます。
• 吸収インクを重ね継ぎ目の界面に塗布します。インクがレーザー光線のエネルギーを吸収し、それが限られた厚さの周囲の材料に伝導されて溶融界面膜を形成し、それが溶接接合部として固まります。
• 接合部の外側の表面を溶かすことなく、厚肉重ね接合部を製作できます。
• 突合せ溶接は、接合部の片側から材料を通して接合線に向かって斜めにエネルギーを向けることによって、または材料の透過率が高い場合は片側からエネルギーを向けることによって行うことができます。
レーザーはんだ付けとろう付け
• レーザーはんだ付けおよびろう付けプロセスでは、ビームを使用してフィラー添加物を溶かし、ベース材料を溶かすことなく接合部の端を濡らします。
• レーザーはんだ付けは、プリント基板の穴を通して電子部品のリード線を接合するために、1980 年代初頭から普及し始めました。プロセス パラメータは、材料の特性によって決まります。
浸透レーザー溶接
• 電力密度が高い場合、エネルギーが吸収されればすべての材料が蒸発します。したがって、この方法で溶接すると、蒸発によって穴が開くのが普通です。
• この「穴」は材料を貫通し、その後ろの溶融壁が密閉されます。
• その結果、「キーホール溶接」と呼ばれる溶接が完成します。これは、平行な側面の溶融領域と狭い幅が特徴です。
レーザー溶接効率
• この効率の概念を定義する用語は、「結合効率」として知られています。
• 接合効率は、単位が（接合mm2 /供給kJ）であるため、実際の効率ではありません。
– 効率 = Vt/P (切断時の比エネルギーの逆数)、ここで V = トラバース速度、mm/s、t = 溶接厚さ、mm、P = 入射電力、KW。
参加効率
• 接合効率の値が高いほど、不必要な加熱に費やされるエネルギーが少なくなります。
– 熱影響部（HAZ）の低減。
– 歪みが少ない。
• 抵抗溶接は、溶融と HAZ エネルギーが溶接される高抵抗界面でのみ生成されるため、この点で最も効率的です。
• レーザーと電子ビームも効率が良く、出力密度も高いです。
プロセスのバリエーション
• アーク増強レーザー溶接。
– レーザービームの相互作用点の近くに取り付けられた TIG トーチからのアークは、レーザーによって生成されたホットスポットに自動的にロックされます。
– この現象に必要な温度は、周囲の温度より約 300°C 高い温度です。
– その効果は、トラバース速度が原因で不安定なアークを安定させるか、安定したアークの抵抗を減らすことです。
– ロックは、電流が低く、陰極ジェットが遅いアーク、つまり 80A 未満の電流の場合にのみ発生します。
– アークはレーザーと同じ側にあるため、資本コストをわずかに増加させるだけで溶接速度を 2 倍にすることができます。
• ツインビームレーザー溶接
– 2 つのレーザー ビームを同時に使用すると、溶接プールの形状と溶接ビードの形状を制御できるようになります。
– 2 つの電子ビームを使用することで、キーホールを安定させることができ、溶接プールの波が少なくなり、溶け込みとビード形状が向上します。
– エキシマーと CO2 レーザービームの組み合わせにより、アルミニウムや銅などの高反射率材料の溶接における結合が改善されることが示されました。
– 強化された結合は主に以下の理由によるものと考えられています。
• エキシマによって引き起こされる表面の波紋によって反射率が変化する。
• エキシマ生成プラズマを介した結合から生じる二次効果。
