溶接におけるCWレーザーとQCWレーザー

エネルギー分布特性

CWレーザーの注目すべき特性の一つは、ガウス分布です。レーザービームの断面におけるエネルギー分布は、中心から外側に向かってガウス分布（正規分布）状に減少します。この分布特性により、CWレーザーは、特に集中的なエネルギー配分が求められる用途において、極めて高い集光精度と処理効率を実現します。

CWレーザーエネルギー分布図

連続波（CW）レーザー溶接の利点

微細構造の観点

金属の微細構造を観察すると、連続波（CW）レーザー溶接が準連続波（QCW）パルス溶接よりも明確な利点を持つことが明らかになります。QCWパルス溶接は、通常約500Hzという周波数制限により、オーバーラップ率と溶け込み深さの間でトレードオフが生じます。オーバーラップ率が低いと溶け込み深さが不十分になり、オーバーラップ率が高いと溶接速度が制限され、効率が低下します。一方、CWレーザー溶接では、適切なレーザーコア径と溶接ヘッドを選択することにより、効率的で連続的な溶接を実現します。この方法は、高いシール性を必要とする用途において特に信頼性が高いことが実証されています。

熱影響の考慮

熱影響の観点から見ると、QCWパルスレーザー溶接はオーバーラップの問題を抱えており、溶接シームが繰り返し加熱されます。これにより、金属の微細構造と母材の間に不整合が生じ、転位サイズや冷却速度のばらつきなどが生じ、割れのリスクが高まります。一方、CWレーザー溶接は、より均一で連続的な加熱プロセスを提供することで、この問題を回避します。

調整のしやすさ

QCWレーザー溶接では、操作と調整の面から、パルス繰り返し周波数、ピーク電力、パルス幅、デューティサイクルなど、複数のパラメータを綿密に調整する必要があります。CWレーザー溶接では、波形、速度、電力、デフォーカス量に重点を置くことで調整プロセスが簡素化され、操作の難易度が大幅に軽減されます。

CWレーザー溶接の技術進歩

QCWレーザー溶接は、高いピーク出力と低い熱入力で知られており、熱に敏感な部品や極薄肉材料の溶接に有利です。しかし、CWレーザー溶接技術の進歩、特に高出力アプリケーション（通常500ワット以上）やキーホール効果に基づく深溶け込み溶接の進歩により、その適用範囲と効率は大幅に拡大しました。このタイプのレーザーは、1mmを超える厚さの材料に特に適しており、比較的高い熱入力にもかかわらず、8:1を超える高いアスペクト比を実現します。

準連続波（QCW）レーザー溶接

集中的なエネルギー分配

QCW（Quasi-Continuous Wave）は、「準連続波」の略で、図aに示すように、レーザーが不連続的に光を放射するレーザー技術です。単一モード連続レーザーの均一なエネルギー分布とは異なり、QCWレーザーはエネルギーをより高密度に集中させます。この特性により、QCWレーザーは優れたエネルギー密度を実現し、より強い貫通力をもたらします。その結果得られる冶金効果は、深さと幅の比が大きな「釘」形状に似ており、QCWレーザーは高反射率合金、熱に弱い材料、精密マイクロ溶接などの用途において優れた性能を発揮します。

安定性の向上とプルーム干渉の低減

QCWレーザー溶接の顕著な利点の一つは、金属プルームが材料の吸収率に与える影響を軽減し、より安定したプロセスを実現することです。レーザーと材料の相互作用により、激しい蒸発によって溶融池の上に金属蒸気とプラズマの混合物が生成され、一般的に金属プルームと呼ばれます。このプルームは材料表面をレーザーから遮蔽し、不安定な出力供給やスパッタ、爆発点、ピットなどの欠陥を引き起こす可能性があります。しかし、QCWレーザーは断続的に放射されるため（例：5msのバーストと10msの休止）、各レーザーパルスは金属プルームの影響を受けずに材料表面に到達し、非常に安定した溶接プロセスを実現します。特に薄板溶接に有利です。

安定溶融プールダイナミクス

溶融プールのダイナミクス、特にキーホールに作用する力は、溶接品質を決定づける上で極めて重要です。連続レーザーは、照射時間が長く熱影響部が大きいため、液体金属で満たされた溶融プールが大きくなりがちです。これは、キーホールの崩壊など、溶融プールの拡大に伴う欠陥につながる可能性があります。一方、QCWレーザー溶接では、エネルギーが集中し、相互作用時間が短いため、溶融プールがキーホール周辺に集中するため、より均一な力の分布が得られ、ポロシティ、割れ、スパッタの発生率が低下します。