ファイバーレーザー波長における金属の反射率： 銅、アルミニウム、金
これら3種類の金属はいずれも、一般的な近赤外線加工波長において光の大部分を反射します。低温表面の反射率の値は、加工開始時の不具合を説明するのに役立ちますが、変化する溶融池、凹凸のある表面、または薄いめっき層によって吸収されるエネルギーを予測することはできません。
以下の1064 nmの比較表を使用して光学バランスを理解し、プロセス設定を選択する前に、実際の材料、表面、およびレーザーシステムを検証してください。
代表的な素材であり、写真は反射率を示すものではありません。画像のクレジットとライセンスについては、別途記載。
反射率から、吸収されたレーザーエネルギーについて何がわかるのでしょうか？
反射率とは、入射光パワーのうち、試料から反射光として出る割合のことです。吸収率は吸収される割合、透過率は透過する割合です。不透明な金属片の場合、試料全体を透過する光は通常無視できるほど小さいため、吸収率は反射率を約1から引いた値になります。
ここでいう「ファイバーレーザー波長」とは、金属加工に一般的に用いられる近1μm赤外線波長（1064nmおよび1070nmを含む）を指します。ファイバー伝送のみでは波長は特定されません。反射率の値には、必ず波長、表面状態、および測定ジオメトリを明記する必要があります。
エネルギー収支には全反射率を用いる。鏡面反射光のみを収集する検出器では、他の方向に散乱された光を見落とす可能性がある。その見落とした光を吸収された光として数えると、加熱量を過大評価してしまうことになる。
1064 nmにおける銅、アルミニウム、金の反射率
これらの値は、一貫性のあるモデルの基準値を提供するものです。これらは、酸化物やコーティング層のない、理想的な滑らかで不透明な元素と金属の界面に対して、空気から垂直に入射する場合を想定して計算されています。
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| 金属 | モデル化された反射率、R | 暗示吸収率、A | 値の使い方 |
|---|---|---|---|
| 銅 | 97.8% | 2.2% | 初期吸収率は小さいが、表面の変化は相対的に大きな影響を与える可能性がある。 |
| アルミ | 94.9% | 5.1% | 純金属の基準値であり、合金や陽極酸化処理された表面の測定値ではありません。 |
| ゴールド | 97.4% | 2.6% | これはバルク金属の基準値であり、薄い金コーティング内部の吸収を分離するものではありません。 |
計算方法： Oceanplayer Laser社は、Rakićら（1998）の表1～2のローレンツ・ドルーデパラメータからこれらの値を算出しました。このモデルでは、複素屈折率n + ikが得られ、垂直入射反射率はR = [(n − 1)² + k²] / [(n + 1)² + k²]となります。結果は小数点以下1桁に丸められています。これらはモデルの出力値であり、購入材料の反射率範囲を保証するものではありません。
この表を工程ランキングとして使用しないでください。吸収率が高いからといって、材料の溶接、マーキング、切断が容易になるわけではありません。熱流、接合部の形状、酸化物、合金の化学組成、そして求められる結果も依然として重要です。
光学バランスを推定する
全反射率とワークピースに入射する光パワーを入力してください。プリセットでは、上記の1064 nmモデル値が丸められています。サンプルに適した測定データがある場合は、カスタム値を選択してください。
0～100の値を入力してください。このフィールドを編集すると「カスタム」が選択されます。
試料における電力（伝送損失後）。0または正の値を入力してください。
吸収された光パワー
- 吸収率
- 2.2%
- 反射光パワー
- 978 W
反射率97.8%、入射電力1,000Wの場合、不透明なサンプルは22Wを吸収し、978Wを反射する。
この推定では反射率は一定とみなされます。パルスビームの場合、平均出力を用いると、その反射率が適用可能な場合にのみ平均的なバランスが得られますが、パルスピークは記述されません。
透過性サンプルについては、A = 1 − R − T を使用してください。不透明なコーティングされた積層体では、全体の透過率は無視できるほど小さいかもしれませんが、この計算機ではコーティングと基板で吸収されるエネルギー量を正確に算出することはできません。
処理中に実際の吸光度が変化する理由
冷たい表面との最初の相互作用は、あくまでも一つの段階に過ぎません。酸化物、残留物、表面の質感、入射角などによって、初期の光学的応答は変化する可能性があります。加熱が進むにつれて、表面の状態、温度、形状も再び変化する可能性があります。吸収率が温度とともに滑らかに上昇するという普遍的な法則は存在しません。
測定例：表面履歴の異なる銅
マターンらは、積分球と12°の入射角を用いて、室温から融点までの温度範囲で、1064 nmにおけるCu-ETPを測定した。試料群には、未処理の圧延面、機械研磨面、酸化物還元面、再凝固面が含まれていた。
曲線は表面グループ間およびサンプル間で異なっていた。溶融前に単調変化を示さないものもあった。実践的な教訓は、グレードだけでなく、洗浄、仕上げ、保管履歴も記録することである。研磨金属の値だけでは、入荷するすべてのシートやバスバーを代表することはできない。
測定には窒素ガスを用い、比較的ゆっくりとした加熱を行った。著者らは、レーザー溶接のようなはるかに速い加熱条件下では表面反応が異なる可能性があるため、測定された曲線は直接的な製造手順ではないと注意を促している。
溶融池やキーホールは光学ジオメトリを変化させる
表面が変形すると、ビームはもはや平坦な界面に当たらなくなります。キーホールから入射した光は金属に繰り返し遭遇し、実効的な結合が増加します。NISTによる316Lステンレス鋼の10ms、1070nmスポット溶接の測定結果は、この動的な挙動を示しています。これらの測定結果はメカニズムを説明するものであり、銅特有の吸収曲線や部品の出力閾値を示すものではありません。
したがって、低温表面の吸収率だけでは溶接電力を規定する根拠としては不十分である。吸収された光エネルギーは伝導によって拡散したり、他の損失機構によって放出されたりするので、有効な溶融エネルギーとは等価ではない。
銅、アルミニウム、金にはどのような変化が起こりますか？
調査を開始するには、金属名を使用してください。購入時の仕様と実際の表面状態から、レーザーがどのような対象物に接触するかが分かります。
銅：始動と熱経路を制御する
初期の近赤外線吸収率が低く、熱拡散が速いため、プロセスの開始は表面状態と照射強度に左右される可能性がある。公称出力を増加させても、その相互作用の一部分しか変化しない。
バスバー継手については、材質、厚さ、表面仕上げ、接触ギャップ、クランプ状態を記録してください。溶接開始部と既存の溶接部を比較してください。安定した中間部は、溶接開始部の不均一さを隠してしまう可能性があります。電気的および機械的要件に照らし合わせて継手を評価してください。
銅製バスバー溶接ガイドでは、反射率の値では得られない接合部の設計と品質チェックについて解説しています。
アルミニウム：合金と表面層を指定してください
純アルミニウムの光学モデルは、すべてのアルミニウム製品に適用できるわけではありません。素地、ブラッシュ仕上げ、酸化処理、陽極酸化処理、コーティング処理された表面は、それぞれ異なる光学システムです。陽極酸化処理されたマーキングサンプルは、素地金属のプリセット値を測定値として引き継ぐべきではありません。
溶接においては、接合部の接合性という問題と、酸化物、汚染、多孔性、凝固といった問題を切り離して考える必要がある。吸水性が向上しただけでは、健全な接合部であることは証明されない。
試験材料は、想定される供給経路から入手し、想定される洗浄工程後に試験してください。仕上げや保管状況によって結果が変動する場合は、文書化されていない出力変更で補正するのではなく、それらの条件を工程仕様書に明記してください。
金：バルク金属とメッキを区別する
塊状の金、金合金、そして他の金属の上に形成された薄い金層では、それぞれ異なる前提条件が必要となる。金色の表面に見えるだけでは、その組成や厚さを特定することはできない。
めっきを行うには、金の厚み、下地層、および基板の厚さを把握する必要があります。積層全体が不透明であっても、吸収されるエネルギーの総量は層間で分散される可能性があります。バルク金の反射率の値だけでは、その分散や安全な彫刻深さを判断することはできません。
作業内容が表面マーキング、塗膜除去、基材露出のいずれであるかを明確に定義する。マーキングの視認性だけでなく、完成した層と必要な機能を検査する。許容される塗膜損失量または基材損傷量を超えた場合は、作業を中止する。
波長を短くすれば問題は解決するだろうか？
波長を短くすることで初期結合を改善できる可能性があるが、その効果は金属の種類や処理方法によって異なる。具体的な例として、フラウンホーファーIWSは、銅、アルミニウム、金に対して515nmの波長を用いた試験を実施し、近赤外線処理と比較して吸収率が向上したと報告している。これは別の波長を試験する根拠となるものであり、普遍的な装置選択の根拠となるものではない。
赤外線処理は依然として有効な選択肢です。TRUMPFは、銅溶接における環境に優しいアプローチと赤外線アプローチの両方について解説しており、エネルギー入力を制御するための赤外線ビーム戦略も含まれています。適合する要件の下で、合格部品の品質と再現性を比較してください。
波長とパルス幅は別々に保管してください。
波長は光のスペクトル上の位置を表します。連続波動作、ナノ秒パルス、超短パルスは、エネルギーが時間とともにどのように伝達されるかを表します。したがって、「UV」と「超短パルス」は異なる問いに答えるものです。平均出力、パルスエネルギー、ピーク出力、スポットサイズ、および動きも相互作用に影響を与えます。IPGのファイバーレーザー概要では、これらの違いについて説明しています。
より広範な光源比較については、金属加工波長ガイドを参照してください。この記事の光学バランスについては、必ず試料に実際に照射された波長における反射率データを使用してください。
反射光をシステムの問題として管理する
入射光の98%を反射する表面は、98%がレーザー光源に戻ることを意味するものではありません。戻り光の経路は、反射方向、表面形状、入射角、および処理光学系による光の集光方法によって異なります。光学バランス計算ツールは、光源に再結合される光量ではなく、反射された光量の合計を推定します。
光源、伝送ファイバー、処理ヘッド、および動作条件が適切であることを確認してください。保護機能は機種によって異なります。例えば、TRUMPFのシステム構築レポートでは、TruFiber Pに統合された後方反射保護機能について説明しています。この機能は、仕様が明記されていないファイバーレーザーには適用されない可能性があります。
- サポートされる動作範囲を問い合わせてください。 材料、プロセスモード、光学構成、およびメーカーの反射光制限または保護応答。
- 一時的な状態を含める： スタート、ストップ、ギャップ、路面形状の変化などは、確立されたトラックとは異なる挙動を示す可能性がある。
- 承認された梁の形状を使用してください。 一般的な傾斜角度をそのままコピーしないでください。形状を変更すると、照射範囲、焦点、反射光の方向も変わります。
- アラームを停止条件として扱う： 再運転を行う前に、機器供給業者の手順書に基づいて原因を調査してください。
光源保護は、機械周辺の作業者に対する囲いや反射光制御に取って代わるものではありません。高反射性材料の溶接ガイドは、より広範なプロセスおよびシステム認定作業を網羅しています。
設定を選択する前に、実際の表面の状態を確認してください。
反射率を用いて試行の枠組みを作り、要求される部品結果に基づいてプロセスを承認する。有用な比較を行うことで、複数の未知の要素を一度に変更するのではなく、材料と検査の要件を明確に把握できる。
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| 手順 | 記録または確認する | 支持する決定 |
|---|---|---|
| サンプルを特定する | グレード、厚み、表面仕上げ、洗浄状態、酸化物またはコーティング層の状態。代表的な入荷ロット。 | 光学的な仮定とサンプルが実際に生産結果と一致するかどうか。 |
| レーザー入力を定義する | 波長、ワークピースにおける出力、スポットサイズと焦点、ビームプロファイル、モーション、および該当する場合はパルス条件。 | その違いが、発生源、配送方法、または材料に起因するものか。 |
| 変化を観察する | プロセスの開始と確立された軌道、目に見える不安定性、飛沫、保護イベント、および利用可能な監視信号。 | 1つの成功例以外にも、使用可能な手術範囲が存在するかどうか。 |
| 結果を確認する | 溶接部および指定された接合部の試験、または耐久性、除去深さ、塗膜保持性、基材の状態をマークする。 | その部品が実際の機能限界を満たしているかどうか。 |
明確な動作範囲を設定してください。試験前に許容限界を合意し、代表的な表面で検査を繰り返し、設定と結果の記録を保管してください。保護イベント、許容できないコーティングの損失、または部品要件の不合格が発生した場合は、試験を停止してください。計算された吸収電力値は、プロセスが安全または有能であることの証拠にはなりません。
出典および画像クレジット
光学比較の背景にある研究
- Rakić ら、「垂直共振器型光電子デバイス用金属薄膜の光学的特性」、Applied Optics 37、5271–5283 (1998)。計算された1064 nmベースラインのモデルパラメータ。
- Mattern et al.、「1064 nmで測定した、表面状態の異なる銅の温度依存性反射率」表面依存性および温度依存性のCu-ETP反射率の証拠。
- Simondsら、「高出力レーザースポット溶接中の動的吸収率の光学測定」NIST。引用されている実験は316Lステンレス鋼に関するものです。
機器および波長の例は、関連する記述の横にリンクされています。メーカーの例は特定の技術を説明するものであり、指定されていない機械や加工品を保証するものではありません。
写真
銅製バスバー：Motimachine、CC BY-SA 4.0。つや消しアルミニウム：Andrezadnik、CC BY-SA 3.0。どちらのメイン写真も画面に合わせてトリミングされています。トリミング後もそれぞれのライセンスは保持されています。
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金地金：Stevebidmead、CC0 1.0；サイズに合わせてトリミング済み。銅の顕微鏡写真：Leiem、CC BY-SA 4.0；フルフレーム。
これらの写真は、材料と表面の外観を示すものであり、Oceanplayer Laser社の加工試験や、引用されている実験の画像ではありません。
レーザーに関する議論に、材料仕様を持ち込んでください。
金属の種類、表面状態、寸法、コーティングの種類、および必要な仕上がりをOceanplayer Laserにお伝えください。そうすることで、お客様が製作する必要のある部品について、まずはご相談から始めることができます。