溶接におけるCWレーザーとQCWレーザー

エネルギー分配特性

CW レーザーの注目すべき特性は、ガウス エネルギー分布です。レーザー ビームの断面のエネルギー分布は、ガウス (正規分布) パターンで中心から外側に向かって減少します。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の導入が必要な用途において、非常に高い集束精度と処理効率を実現できます。

CW レーザーのエネルギー分布図

連続波 (CW) レーザー溶接の利点

微細構造の視点

金属の微細構造を調べると、準連続波 (QCW) パルス溶接に比べて連続波 (CW) レーザー溶接の明確な利点が明らかになります。 QCW パルス溶接は、周波数制限 (通常は約 500Hz) によって制約されるため、オーバーラップ率と溶け込み深さの間のトレードオフに直面します。オーバーラップ率が低いと深さが不足し、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。これに対し、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で、効率的かつ連続的な溶接を実現します。この方法は、高いシール完全性が要求される用途において特に信頼性が高いことが証明されています。

熱影響の考慮

熱影響の観点から見ると、QCW パルス レーザー溶接にはオーバーラップの問題があり、溶接シームが繰り返し加熱されます。これにより、転位サイズや冷却速度の変動など、金属の微細構造と母材との間に不一致が生じ、亀裂のリスクが増大する可能性があります。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。

調整の容易さ

操作と調整の点で、QCW レーザー溶接では、パルス繰り返し周波数、ピーク出力、パルス幅、デューティ サイクルなどのいくつかのパラメーターを細心の注意を払って調整する必要があります。 CWレーザー溶接では、波形、速度、パワー、デフォーカス量を中心とした調整工程が簡略化され、作業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、熱に敏感なコンポーネントや極薄肉材料の溶接に有利ですが、特に高出力用途 (通常 500 ワット以上) や、キーホール効果に基づいた深溶け込み溶接は、その適用範囲と効率を大幅に拡大しました。このタイプのレーザーは、1 mm より厚い材料に特に適しており、比較的高い入熱にもかかわらず、高いアスペクト比 (8:1 以上) 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 は「​​Quasi-Continuous Wave」の略で、図 a に示すように、レーザーが不連続に光を放射するレーザー技術を表します。シングル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獲得し、より強力な透過能力が得られます。結果として得られる冶金効果は、深さと幅の比が大きい「釘」の形状に似ており、QCW レーザーが高反射合金、熱に弱い材料、精密微細溶接を含むアプリケーションで優れた性能を発揮できるようになります。

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 1 つは、材料の吸収率に対する金属プルームの影響を軽減し、より安定したプロセスを実現できることです。レーザーと材料の相互作用中に、激しい蒸発により、一般に金属プルームと呼ばれる金属蒸気とプラズマの混合物が溶融プール上に生成されることがあります。このプルームは材料の表面をレーザーから遮蔽し、電力供給が不安定になり、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 レーザーの断続的な放射 (例: 5ms のバーストとそれに続く 10ms の休止) により、各レーザー パルスが金属プルームの影響を受けずに材料の表面に到達することが保証され、その結果、特に薄板溶接に有利な、著しく安定した溶接プロセスが実現します。

安定したメルトプールのダイナミクス

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の観点から見ると、溶接の品質を決定する上で非常に重要です。連続レーザーは、長時間露光され熱影響を受けるゾーンが大きいため、液体金属で満たされたより大きな溶融プールが生成される傾向があります。これにより、キーホールの崩壊など、大きな溶融プールに関連した欠陥が発生する可能性があります。対照的に、QCW レーザー溶接の集中エネルギーと短い相互作用時間により、キーホールの周囲に溶融プールが集中し、その結果、力の分布がより均一になり、気孔、亀裂、スパッタの発生率が低くなります。