レーザ加工の種類

レーザ溶接加工

レーザ溶接の市場においてはYAGレーザが主に利用されてきた。
YAGレーザのビーム品質はあまりよいとはいえないが、パルスレーザでピークパワーを
高めることで溶け込み量を確保してきた。
しかし、繰返し周波数が低いため溶接速度に限界があった。

そこに登場したのが高いビーム品質を誇るファイバーレーザである。
ファイバーレーザにより、レーザ溶接の性能(溶け込み量や溶接速度)が劇的に向上し、
消費電力や励起光源の寿命の違いによりランニングコストも大幅に低減することが可能になった。

このため、現在、レーザ溶接市場においてYAGレーザからファイバーレーザへの置換えが
急速に進んでいる。

レーザ溶接加工の特徴

レーザ溶接の方法には、『スポット溶接』と『シーム溶接』があり、溶接継手には大きく分けて
突き合わせ溶接』と『重ね溶接』がある。

一方で使用するレーザ発振器では、溶け込み深さよりも溶接幅が広い『熱伝導型』と材料に対し
溶け込みが深い『深溶込み型』に分類できる。

溶け込み深さよりも溶接幅が広い『熱伝導型』と材料に対し溶け込みが深い『深溶込み型』である。

この『熱伝導型』と『深溶込み型』の違いは材料に対するパワー密度にあり、
これはレーザ発振器のビーム品質に依存する。

ビーム品質は、BPP(Beam Parameter Product:レーザ光を出射するファイバーコア半径
×ビームの拡がり角(半角)
)で表され、その数値が小さければ小さいほどビーム品質が
よいといえる。

ビーム品質がよいと、加工スポット径を小さくすることができる。
そのため、同じパワーのレーザ発振器でもビーム品質が異なれば、材料への照射パワー密度が
異なるため溶込みの状態が異なることになるのである。


溶接加工のアプリケーション


溶接加工におけるファイバーレーザ

ファイバーレーザの概要は、レーザ発振器の種類の項目で詳しく述べた。
(参考:ファイバーレーザ

ここでは、溶接加工におけるファイバーレーザをみていく。

ファイバーレーザによる溶接加工の特長

  1. 優れたビーム品質により溶け込み深さが深く、高速に溶接加工を行うことができる。
  2. 高反射材料である銅、アルミニウムに対しても高いパワー密度により、
    安定した溶接を行うことができる。
  3. 長焦点で加工することができるため、大型部品に対し広範囲を高速に溶接することができる。
    (ロボットとスキャナーを同期して加工を行うリモート溶接に適している。)

ファイバーレーザとその他のレーザのビーム品質比較

レーザ溶接に用いられるレーザには、YAGなどのLD励起固体レーザ、CO2レーザ、ディスクレーザ、
そしてファイバーレーザがある。

下図は、ビームウェストを共通の0.2mm径にしたときの拡がり角を比較した図である。
拡がり角が最も小さいファイバーレーザはBPPも小さく、最もビーム品質のよいレーザ発振器
であるといえる。


各種レーザのBBP(Beam Parameter Product)比較

ファイバーレーザの光学系の特長

■ スポット径を小さくできる

同じレーザ出力のレーザ発振器でも
ビーム品質がよいほうが溶け込み深さが深く、
加工速度が速い。

すなわち、ビーム品質の悪いレーザ発振器を
用いて行っている溶接をビーム品質のよい
レーザ発振器で行うとレーザ出力を低く抑える
ことができるため、イニシャルコストの低減に
つなげることができる。


ビーム品質とパワー密度



ビーム品質と焦点距離

■ 焦点距離を長くできる

ビーム品質がよいと焦点距離が伸び、
焦点深度が深くなる。

その結果、材料との距離を離して
溶接を安定して行うことができるため
加工ヘッド先端の保護ガラスの汚れを
低減することができるばかりか、
焦点位置の調整に余裕ができるように
なる。


■ 集光角度を小さくできる

ワーク材料近くまでのアプローチが困難な場合
でもビーム品質がよければ離れたところから
レーザ光を照射することが可能となり、
ワーク材料の形状に適応できる範囲を
拡げることができる。


ビーム品質と集光角度


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