現代の製造業では精密加工と効率的な生産がますます求められるようになり、レーザー溶接技術はさまざまな分野で急速に普及している。自動車、航空宇宙から医療機器、電子機器まで、 レーザー溶接機 は、従来の溶接方法に変革をもたらしつつある。レーザー溶接は、高精度、高効率、最小限の熱影響部といった独自の利点を備えており、多くの産業で好まれている。
この記事では、レーザー溶接機のコア・コンポーネントを掘り下げてその動作原理を説明し、この高度な機器について理解を深めていただく。
1.レーザー溶接機の概要
レーザー溶接機は、レーザー・ビームを熱源として使用し、2つの金属部品を溶かして融合させる。従来のアーク溶接に比べ、レーザー溶接には、溶接速度が速い、熱影響部が小さい、溶接品質が高いなどの利点がある。さらに、レーザー溶接は自動化が可能で、複雑な形状や体積の小さい部品の溶接に適しています。これにより、生産効率と溶接精度が大幅に向上します。
レーザー溶接プロセスの動作原理は、レーザー発生器を使用してレーザービームを発生させ、光学システムを通してワークピースの表面に焦点を合わせることである。レーザーは金属を融点まで加熱し、局所的な溶融プールを形成する。レーザーが溶融池を照射し続けると、溶融池が膨張し、金属が冷却・凝固して溶接が完了する。
2.レーザー溶接機のコアコンポーネント
2.1 レーザー発振器
レーザー発振器は、レーザー溶接機の「心臓部」である。その主な機能は、レーザービームを発生させることである。レーザー発振器は、電流や電圧などのメカニズムによってレーザー媒質を励起してレーザーを放出させ、レーザービームは光学系を介して被加工物の表面に伝送される。
現在、レーザー発振器には主に固体レーザー、ガスレーザー、ファイバーレーザーの3種類がある。それぞれ動作原理は異なるが、高強度、高輝度のレーザーを発生させることができる。
ファイバーレーザーファイバーレーザーは最も広く使用されているレーザー発振器です。ファイバーレーザーは、電気光学変換効率が高く、長寿命で、強い適応性を持っています。ファイバーレーザは、光ファイバーを通してレーザビームを伝送することができ、焦点も小さく、精密溶接に最適です。
CO2レーザー：CO2レーザは、レーザ媒質としてCO2ガスを使用し、長波長のレーザを発振するため、特定の材料の溶接に適しているが、ファイバーレーザに比べ精度が低い。
YAGレーザー： YAGレーザーは、レーザー媒質としてイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）を使用します。高いレーザー出力と安定性で知られ、金属の溶接に最適です。
2.2 光学システム
光学系は、レーザー溶接機においてレーザービームの伝送と集束を担う重要なコンポーネントである。レーザーレンズ、ミラー、集光レンズなどのコンポーネントで構成される。レーザー発振器から発振されたレーザービームは、一連のミラーによって集光レンズに導かれ、加工物に集光される。
レーザーレンズ： これらは、レーザーを非常に小さなスポットに集光するために使用されます。レンズの焦点距離を調節してレーザービームの直径を制御し、溶接品質に影響を与える。
鏡： ミラーは、レーザービームをさまざまな経路に沿って方向転換させ、溶接に必要な領域に確実に到達させる。
2.3 フォーカシングとフォーカス・システム
レーザービームの焦点サイズは、溶接品質に大きく影響します。集光システムはレーザービームの焦点位置を制御し、溶接の深さと幅に影響を与えます。一般的に、焦点径が小さいほど精密な溶接に適しており、焦点径が大きいほど広範囲の溶接に適しています。
フォーカス・コントロールは通常、フォーカス・レンズの位置を調整することで行います。正確な焦点制御は、溶接の深さと品質を一定に保つために非常に重要です。
2.4 レーザー・スキャニング・ガルボ
レーザースキャニング・ガルボシステムは、レーザ溶接機のレーザビームの経路制御を担当します。高速回転する2つのミラーを使用することで、レーザービームはワークピースを高速で移動し、さまざまな領域を正確に溶接することができます。ガルボシステムの速度と精度は、溶接の効率と品質に直接影響します。
このスキャニング・システムは、溶接経路を急速に変更する必要がある場合や、複雑な溶接軌道が必要な場合によく使用されます。ガルボシステムの高速応答時間は、高速溶接アプリケーションに最適です。
2.5 溶接ヘッド
溶接ヘッドは、レーザー溶接機でワークと接触する部品である。通常、集光レンズ、保護レンズ、ガス保護システムが含まれる。溶接ヘッドの主な機能は、加工物の表面にレーザーを集光することと、酸化や汚染を防ぐためにシールド・ガスを使用して溶接領域を保護することである。
保護ガス： シールド・ガス（窒素またはアルゴンなど）は、レーザー溶接プロセス中に溶接部を保護するために使用される。空気にさらされるのを防ぎ、気孔や酸化などの欠陥のリスクを低減します。高品質の溶接を実現するには、シールド・ガスの流量と純度が不可欠です。
ガスノズル： ガス・ノズルを通じ、シールド・ガスが溶接領域に均等に行き渡るため、溶接の品質がさらに保証される。
2.6 制御システム
制御システムはレーザー溶接機の「頭脳」であり、溶接プロセスの管理を担当する。CNC（コンピューター数値制御）システム、レーザー出力制御、溶接パラメーター調整などの機能が含まれる。制御システムの精度と柔軟性が、溶接プロセスの安定性と最終的な溶接品質を決定します。
最新のレーザー溶接機には、レーザー出力、速度、経路を正確に制御する高度なCNCシステムが搭載されている。これらのパラメーターを調整することで、さまざまな材料や板厚を高精度で溶接することができる。
2.7 水冷システム
レーザーのエネルギー出力が高いため、溶接プロセス中に大量の熱が発生します。正常な動作を維持し、オーバーヒートを防ぐには、効率的な冷却システムが不可欠です。水冷システムは、冷却水を循環させて装置から発生する熱を吸収し、レーザー発振器などの主要部品が動作温度範囲内に収まるようにします。
3.レーザー溶接機の動作原理
レーザー溶接工程は、いくつかの重要なステップに分けることができる：
3.1 レーザー発振器がレーザービームを生成する： レーザー発振器がレーザー媒質を励起し、高強度のレーザービームを放出する。
3.2 レーザービームは光学系によって伝送される： レーザービームはミラーと集光レンズを通過し、最終的に小さな点に集光される。
3.3 レーザーが金属を加熱し、溶融池を形成する： レーザービームが金属表面に当たると、金属は急速に融点まで加熱され、溶融プールが形成される。
3.4 溶融池が冷えて溶接部を形成する： レーザー・ビームが移動すると、溶融池が徐々に凝固し、耐久性のある溶接継手が形成される。
3.5 シールドガスを使用： 溶接プロセス中、シールド・ガスは溶接部に導かれ、酸化と汚染を防止し、高品質の結果を保証します。
結論
レーザー溶接機は、現代の製造業において重要なツールであり、さまざまな業界で優れた性能と汎用性を発揮します。装置の中核部品と動作原理を理解することで、その利点と生産を最適化する方法をよりよく理解することができます。レーザー溶接機への投資を検討している場合、1000Wモデルの販売であれ、評判の高いメーカーの製品であれ、この先進技術は価値ある投資です。
この記事がレーザー溶接機の仕組みをご理解いただく一助となれば幸いです。ご不明な点や製品に関する詳細な情報をご希望の方は、お気軽にお問い合わせください。