レーザー金属加工に不可欠なツールの理由

レーザー光線というのはすごいですね。 連続ワット数のレーザー ビームのエネルギー密度は、太陽の集束エネルギーの 4 兆倍以上であり、メーカーは、この非常に高い出力密度を利用して、板金の切断や溶接から PCB 基板の穴あけまで、あらゆる作業を行う方法を決定しました。

レーザーは、材料を切断、接合、除去することができます。 レーザー金属蒸着や 3D プリントによって材料を追加することもできます。 レーザービームがさまざまなプロセスに適切な材料反応を誘導できるように、特にビーム径の操作によってパワーレベル、パルス周波数、エネルギー密度を変更できます。 実際、産業におけるレーザーの用途は広範囲にわたり、多岐にわたります。

材料が異なれば、光のさまざまな波長との相互作用も異なるため、一部のレーザー光源は特定の材料を他のものよりも効率的に処理できます。 たとえば、波長 1 μm レーザーを使用して産業用途で金属を切断する既知の利点の 1 つは、CO2 レーザーを使用した切断と比較した場合の速度の向上です。 その多くは、その波長の光の、たとえば炭素鋼への高い吸収性に由来します（「図1 ）。 炭素鋼の溶融切断 (つまり、窒素などの非反応性ガスを使用した切断) では、小さな光線が切断対象の鋼材に効果的に吸収され、高速化に直接変換されます。

ディスクやファイバーなどの固体レーザーを使用して切断する際、集光されたビーム径とレーザー発光の高い吸収率を組み合わせることで、非常に速い切断速度が可能になります。 CO2 を超えるこのパフォーマンスの向上は、主に薄い素材から中程度の厚さの素材で見られますが、素材の厚さが増すにつれて利点は小さくなります。 ビームの直径は、光のコリメーションや集束レンズの位置を移動することによって、ある程度制御できます（「図2)、ただし、生成できるビームの大きさや小ささには制限があります。

ビーム直径の範囲は、ビーム伝達ファイバーのサイズによって決まります (「図3 ）。 金属板の切断に使用されるレーザーでは、100 μm のビーム伝達ファイバーが一般的です。 このコア直径により、高いビーム品質と高い切断速度が実現します。 材料の厚さが厚くなると、非常に小さなスポットサイズが問題となり、性能、切断品質、およびプロセスの信頼性が制限されます。

これを軽減するには、より大きなコア直径を選択することができます。 もちろん、これの欠点は、最小ビーム直径が、より小さなコアが提供できる直径よりもはるかに大きくなることです。 品質とプロセスの信頼性は大幅に向上しますが、より薄い材料では速度が低下します。

ここでデュアルコアファイバーが役に立ちます。 １つの小径コアが大径コアと同軸上に設置される。 プログラム可能なシャッターにより、どのコアがアクティブになるかが変わります。 このようなファイバーは、レーザー切断システムが薄い材料では高速に、厚い材料では高品質と信頼性を達成できるように設計されています。

溶接時にはビーム径が別の役割を果たします。 レーザー溶接は決して新しいものではありませんが、再作業が少なくなりコスト削減が見込めるため、作業現場と OEM の両方で大きな魅力を持っています。 エンジニアリングの柔軟性が向上します。 そして、研削や研磨などの高価で時間のかかる下流プロセスを排除できます。

板金では、レーザー溶接は、熱伝導溶接と深溶け込み溶接という 2 つの主な方法で行われます。 熱伝導溶接では、ワークピースの上に位置する強く焦点をずらしたビームを使用します。 ビームの焦点位置は通常、ワーク表面から 6 ～ 12 mm 上ですが、25 mm に達する場合もあります。 このプロセスでは、蒸気を発生させることなく金属を溶融温度以上に加熱します。 出力密度は 104 ～ 105 W/cm2 の範囲であり、金属の熱伝導率によって異なります。 たとえば、カーボンとステンレスは、アルミニウムよりもこの技術で溶接するのが簡単です。

熱伝導溶接では、レーザー ビームに対して垂直 (90 度) に位置する非常に美しい溶接シームが得られますが、溶け込み深さに妥協してある程度の角度の柔軟性はありますが、プロセスの効率はやや劣ります。 このプロセスで 1 μm の光を生成する固体レーザーが使用される場合、エネルギーの 68 パーセントがワークピースの照射領域で反射され、結合効率が低くなり、溶け込み深さと溶接速度が制限されます。 CO2 レーザーの場合、結合はさらに悪く、光の 88% が照射領域で反射されるため、CO2 レーザーによる熱伝導溶接は実用的ではありません。

図1ディスクとファイバー レーザーの 1 ミクロンの波長からのエネルギーは、溶断時の切断速度の向上に役立ちます。

いくつかの制限にもかかわらず、熱伝導溶接は製造業者の間で依然として非常に人気があり、特に丸みを帯びたエッジが要求される視認性の高い用途で人気があります。 キッチンにあるすべてのステンレス製の電化製品を思い出してください。またはレストランのキッチンを覗いて、すべてのステンレス製の表面を見てください。 よく見ると、従来の溶接で生じた問題に対処するための手作業による再仕上げによる研削跡や不均一な半径が見えるかもしれません。

レーザーによる熱伝導溶接で製造された同じ部品を見ると、それらの問題が解消されていることがわかります。 このことは、特に多くのやり直しが標準となっている環境において、レーザー溶接への関心がますます高まっていることを実感させます。

同じレーザー源とビーム伝達システムを使用して、2 番目の技術で溶接するためにビーム密度と焦点位置を操作することが可能です。 深溶け込み溶接、つまりキーホール溶接では、焦点位置がほぼ 0 になります。 つまり、焦点は材料表面またはその近くにあり、ワークピースに高いエネルギー密度が生成されます。 熱伝導溶接では結合効率が比較的低いですが、キーホール溶接では固体レーザーと CO2 レーザーの両方の光源で非常に高い結合効率が得られます。 結合効率はそれぞれ 10 パーセントと 15 パーセントです。

このプロセスでは、ワークピースを蒸気形成が起こる温度以上に加熱し、流出する金属蒸気のアブレーション圧力によって蒸気毛細管を形成し、プロセスの名前の由来となった「鍵穴」を形成します。 出力密度は 105 ～ 106 W/cm2 で、侵入深さは鍵穴の形成によって異なります。

この溶接技術は、高い溶接速度、狭い熱影響部、および十分な溶接溶け込み深さを実現します。 深溶け込み溶接は、エネルギー伝達が低く、溶け込み深さが大きいため、厚い材料や、溶接の準備が表面と表面または表面と端で行われる場合に非常に適しています。 理想的な継ぎ目の準備は、端と端を突き合わせて行うことですが、通常はキーホール プロセスがさまざまな接合構成に適しています。

熱伝導溶接と深溶け込み溶接のどちらを選択するかは、アプリケーションによって決まります。 熱伝導溶接の方が優れているように見えることは間違いありませんが、単純な事実として、深溶け込み溶接は、主に溶接速度が速いため、一般に 2 つのオプションのうちの方が安価であるということです。 そうは言っても、深溶け込み溶接の速度と低エネルギー伝達の恩恵を受けながら、熱伝導溶接特有の一貫した丸みを帯びた素晴らしいエッジを得ることができます。 ビームをより高い焦点位置に置いて、すでにキーホール溶接された継ぎ目を通過するだけです。

レーザーはますます多くの製造上の問題を解決し続けており、ビーム径や操作などのプロセス変数は引き続き重要な影響を及ぼし続けています。 切断や溶接から材料層の追加や除去に至るまで、レーザー技術の進歩は第 4 次産業革命の成功の重要な要素となることは間違いありません。

Brett Thompson は、TRUMPF Inc. (111 Hyde Road, Farmington, CT 06032, 860-255-6000、www.us.trumpf.com) のセールス エンジニアです。

最新のテクノロジーは、レーザーが金属製造やその他の分野においてどれほど大きな可能性を秘めているかを私たちに教えてくれます。 超短パルス持続レーザーを考えてみましょう。 スケールを説明すると、光は毎秒 186,000 マイルで伝わります。 光は1秒間に地球の周囲を7.5周することができます。 ピコ秒の間に、光はわずか 300 μm しか進みません。 加工される材料の吸収時間が電子とフォノンの相互作用時間よりも短い場合、コールド アブレーションが発生します。 金属は加熱または溶解されず、完全に解離されます。

コールドアブレーションは、金属やガラスなどの他のさまざまな材料に応用できます。 ほとんどの場合、ガラスは、スクライブ ラインで材料を力でスナップするスクライブ アンド ブレーク プロセス、または紫外線 (UV) レーザーを使用した表面アブレーションで処理されます。

図2集光レンズの位置を変えることでビーム径をある程度制御できます。

なぜ UV レーザーなのか? それは吸収と関係があります。 通常の条件下では、赤外光の光子 (約 1 μm) は透明な材料には吸収されません。 ディスクやファイバーレーザーで透明な材料やコーティングを切断しようとしたことのある人は、このことをよく知っています。 そのため、ガラス加工業者は UV レーザーを使用していますが、別のアプローチ、つまり超短パルス持続時間のレーザーによる非線形光吸収を採用することもできます。

繰り返しますが、線形吸収条件下では、透明な材料は光子を吸収しません。 しかし、非線形光吸収では、いくつかの光子が同時に吸収され、それらのエネルギーが結合され、IR (ディスクやファイバーなど) が UV レーザーの働きをできるようになります。

これは、超短パルス持続時間に達することによって達成されます。 それらは、熱プロセスではなく材料の直接解離によって実行されるアブレーションとエネルギーを組み合わせます。 このコールドアブレーションにより、材料のより正確な加工が可能になります。 このプロセスと、細長いビームプロファイルを作成する光学系を組み合わせることで、レーザーは透明な材料で極めて高い切断速度を達成できます。

図3送出ファイバーの直径によってビーム直径の範囲が決まります。