レーザー溶接の理解：レーザー溶接機の動作原理

レーザーは、特定の波長で生成される集光された光エネルギーのビームです。自然界では、光は非常に短い波長（X線、ガンマ線）から非常に長い波長（電波）までスペクトル全体にわたって存在します。人間の目に見える可視光線（「白色光」）の波長は、約430〜690ナノメートル（nm）の範囲です。レーザービームは、特定の波長における光エネルギーの増幅された集中です。コヒーレント光（位相が揃った光）であるため、狭いスポットに焦点を合わせ、長距離でも細いビームを維持できます。「レーザー（laser）」という語は、「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（放射の誘導放出による光増幅）」の頭字語です。

レーザー溶接機の動作原理

レーザービームはルビー結晶内で生成されます。ルビー結晶は酸化アルミニウムにクロムが分散したもので、結晶の約1/2000を占め、天然ルビーより少ない含有量です。結晶の両側内部には銀メッキされた鏡が取り付けられており、一方の鏡には微小な穴が開いていて、そこからビームが出射します。

ルビー結晶の周囲には、キセノン不活性ガスを充填したフラッシュランプが配置されています。このフラッシュランプは、毎秒数千回のフラッシュレートで発光するよう特別に設計されています。

電気エネルギーはフラッシュランプによって光エネルギーに変換されます。コンデンサは電気エネルギーを蓄え、フラッシュランプに高電圧を供給して適切に機能させます。

コンデンサから放電された電気エネルギーとキセノンにより、1/1000秒のレートで高エネルギーの白色フラッシュ光に変換されます。

ルビー結晶のクロム原子が励起され、高エネルギー状態にポンピングされます。熱発生により一部のエネルギーは失われますが、一部の光エネルギーは鏡の間で反射を繰り返し、再びクロム原子を励起し、それらが同時に余分なエネルギーを失って、コヒーレントな狭い光ビームを形成します。このビームは結晶の鏡の一方の端にある微小な穴から出射します。

この狭いビームは光学集光レンズによって集光され、工作物上に小さく強力なレーザービームを生成します。

材料との相互作用によるレーザービームの変化

材料のレーザーエネルギー吸収率は、波長、材料厚、結晶構造、材料添加剤、分子構造など多くの要因によって異なります。このプロセスは、これらの材料特性とレーザーを利用して、レーザーエネルギーを透過するプラスチック材料と吸収するプラスチック材料の間に結合を作ります。

レーザービームがプラスチックなどの材料に遭遇すると、その波長と材料の組成に基づいて、透過、反射、吸収のいずれかが起こります。ほとんどの材料はこれら3つの効果を何らかの程度で示しますが、その割合は異なります。可視光スペクトルでは光学的に透明でも、赤外線レーザーには強く吸収される材料もあれば、肉眼では不透明でも赤外線レーザーには透過する材料もあります。

レーザー溶接機のメカニズム

レーザー溶接は、接合面に集光されたコヒーレント光ビームを照射して得られる熱によって、材料の融合を生じさせるプロセスです。

以下のフェーズで達成されます：

1. レーザービームと工作物材料の相互作用
2. 熱伝導と温度上昇
3. 溶融・気化・接合：溶接にレーザービームを使用すると、電磁放射が母材表面に非常に高いエネルギー密度で入射し、表面温度が溶融・気化し、母材の下部が溶融します。