３ｋＷシングルモードファイバーレーザによるレーザ加工特性

沓名宗春 A

Laser Welding Characteristics of Mild Steel using a 3kW Single Mode Fiber Laser
Muneharu KutsunaA
Advanced Laser Technology Research Center Co., LtdWelding characteristics of laser welding of mild steel using a 3kW single mode fiber laser has
been investigated in the present work. The diameter of the core fiber is 13μm is collimatedand focused in a laser head for welding and cutting. The focal position was measured using a
aluminum foil on copper plate. The penetration depth in welding of mild steel was measured
at the different defocusing distances under the 2kW laser power.
The penetration depths was measured under the same defocusing distance of -3.0mm at thedifferent laser powers 0f 1kW, 2kW and 3kW. The deep penetration of 10mm was obtained at laser
power of 3kW and welding speed of 0.5 or 1.0 m/min
Key Words: Single Mode Laser, Laser welding, Focal position, Deep penetration, Mild steel,

１．はじめにシングルモードのファイバーレーザが各国で開発され、その材料加工への応用が広まってきた。
ここでは 世界最大級の３ｋＷのシングルモードのファイバーレーザ装置（ＩＰＧ Ｐｈｔｏｎｉｃｓ社製）を用いて、軟鋼を溶接したときの溶接特性を調査した結果について報告する。
波長はほぼＹＡＧレーザに近い１０７０ｎｍであり、コアファイバーの径は１３μｍと極細で溶接加工ヘッドまでのファイバー長さは４ｍのものを用いた。また、溶接・切断用に設計されたレーザ加工ヘッドをこのレーザ装置用に試作した図２に示すヘッド（（株）レーザックス社製）を用いて、約２０～３０μｍ径に集光した。
まず、焦点の位置を簡便な方法で正確に計測する方法を検討し、非常に微細な径のビームの形状を把握した上で、レーザ溶接を行った。
これらの実験結果について報告する。
２． ３ＫＷＳＭファイバーレーザ装置特性用いたレーザ装置の特性を次に示す。
最大レーザ出力：３ｋＷ
レーザ波長：１０７０ｎｍ
出力安定度：± 1%
コアファイバー径：１３μｍ
Ｍ２： １．１６

ビームの形状をビームプロファイラーで計測した結果を図１に示す。３ｋＷで焦点でのビーム半径は２６．８μｍと微小である。
図１ シングルモードファイバーレーザのビームプロファイル測定結果ビームプロファイルを見ると、マルチモード形に見られるトップハット形ではなく、むしろガウシアン形の分布をしている。ビーム径が約３０μｍとすると、３ｋＷの時に出力密度は４２４６ｋＷ／ｍｍ２となる。これはアーク溶接のそれ（０．
２ｋＷ／ｍｍ２の約２万倍である。
発振器からコア径１３μｍのプロセスファイバー（長さ４ｍ）で加工光学系に導光した用いた加工光学系は図２仁示すように、コリメートレンズ（ｆ＝１５０ｍｍ）と集光レンズ（ｆ＝１５０ｍｍ）を内蔵したレーザ加工トーチを用いた。集光点でのビーム径は約約２０～３０μｍと思われる。

図２ ３ｋＷシングルモードファイバーレーザに用いたレーザ加工ヘッドの形状
３．レーザビームの焦点位置の測定
固体レーザの焦点の測定方法はなかない。そこで、従来、ＣＯ２レーザの時に用いたアクリルブロックを図３および４のように配置し、その上に各種の材料（感光紙、エメリー紙、アルミ箔、銅板の上にアルミ箔など）を傾斜角度１５度で配置し、５００Ｗのレーザ出力で、高速照射実験を行い、試験材料の切断溝幅（バーニング幅）を５０倍のプロジェクターで測定した。図５は照射後の各材料のバーニング状況を示す。焦点がはっきり現れる材料と熱影響が大きく、ビーム径が明確で内もとがあった。比較的 焦点が明確に現れたのが、銅薄板に貼り付けたアルミ箔であった。そのバーニング幅を計測した結果を図６に示す。

図４ レーザビームの焦点位置測定用治具（アクリル製）

図３ ビーム焦点測定の状況。
図５ 各種材料のバーニング状況（上から、感光紙、エメリー紙、エメリー上にアルミ箔、銅薄板上にアルミ箔）

図６ ビーム焦点位置測定結果（材料：銅薄板上のアルミ箔のバーニング幅の測定）
バーニング幅を銅板上に現れた溝幅で測定すると 溝幅が広く現れる傾向にある。それに対して、バーニングにより除去されたアルミ箔の切断幅として溝幅を測定するとより狭い値となった。いずれも測定の原点（０点）近くに焦点位置が現れた。感光紙ではこのような焦点を明確に見つけることが困難であったが、この方法ではＣＯ２レーザのように非常に明確に焦点位置を測定できた。
４． 軟鋼のレーザ溶接実験
次に、この測定方法で測定された焦点位置かからの距離を変え、レーザ出力２ｋＷで、溶接速度２m/min 一定として、溶接実験をおこない。焦点はずし距離と溶込み深さの関係を求めた。その結果を図７に示す。

図７ 焦点はずし距離と溶込み深さの関係（出力 ２ＫＷ、 溶接速度 ２m/min）焦点はずし距離が約―３ｍｍのとき、最も深い溶込み深さが得られることが確認された。
その時の表面ビード幅が最も小さくなるこ

図８ ３ｋＷとも確認された。 焦点深度が深いためか―６ｍｍからほぼ ＋１ｍｍまで、深い溶込みが得られた。

シンブルモードファイバーレーザの溶込み深さとビード幅

図９ レーザ出力による溶込み深さの違い
焦点はずし距離をー３ｍｍとして、溶接速度を０．５m/min ～２０m/min の範囲で変化させた時の溶込み深さとビード幅を図８に示す。３ｋＷでは溶接速度２０m/min でも２．
０ｍｍのと溶込みが確保されることが分かる。また、溶接速度が０．５～２．０m/minの範囲で ほぼ９ｍｍ～１０ｍｍの溶込み深さが得られる。今回の溶接実験ではプラズマ除去ガスを用いていないので、低速度ではビード幅の急増が起こり、溶込み深さの増大がなかった。
レーザ出力が１ｋＷ、２ｋＷおよび３ｋＷの時の溶込み深さを図９に示す。溶接速度が２～１０m/min の範囲で、２ＫＷに比べて、３ｋＷではより深い溶込み深さが確認された。
ビード幅も図１０に示すように１．０ｍｍ以下で、ビードのアスペクト比（ﾋﾞｰﾄﾞ幅に対する溶込み深さの比）が１０から２０にも達するビードも見られた。

図１０ ３ｋＷＳＭファイバーレーザによる軟鋼（ｔ＝１１．５ｍｍ）の溶接
断面マクロ写真

５．まとめ

図１１はＳＵＳ３０４型ステンレス鋼（板厚：６ｍｍ）を２ＫＷで溶接したときの溶接ビードの顕微鏡組織写真を示す。溶込み深さイバーレーザ装置の溶接特性を明らかにすの２分でのビード幅は２５０μｍで 溶込み深さは５．２ｍｍである。アスペクト比がほぼ２０である。

本研究は昨年暮れに日本に第１号機として導入された３ｋＷのシングルモードのファるために行ったものである。その結果、次のことが明らかになった。
１）３ｋＷＳＭファイバーレーザの集光特性にを確認する方法として、銅薄板上にアルミ箔を貼り付けし、１５度の傾斜角度を持たせて行う方法は有効である。
２）３ｋＷＳＭファイバーレーザにより板厚１０までの軟鋼中厚板のレーザ溶接が可能であることを確認した。
３）３ｋＷＳＭファイバーレーザにより軟鋼のレーザ溶接により得られる溶接ビードは溶接速度２m/min 以上では、アスペクト比が１０から２０と高いものになった。
以上

図１１ シングルモードレーザによるステンレス鋼の溶接ビード例