ナノ秒（ns）パルス赤外線ファイバーレーザーの汎用性はよく知られており、ほとんどの産業用マーキングおよび彫刻アプリケーションに最適です。通常、パルスエネルギーが数ミリジュール未満で、平均電力が100Wを超えない場合、高パルス繰り返し周波数、連続波（CW）、および準連続波変調（QCW）モードで効果的です。最近では、さまざまなマイクロマシニングやレーザー表面テクスチャリング、さらにはリモートマイクロカッティングアプリケーションにも使用され始めています。これらのアプリケーションのほとんどは、材料の除去を伴います。
ユーザーにとって、マルチタスクレーザー光源や、シームレスな統合を実現するために空冷されることが多いコンパクトな統合型など、レーザーの利点は明白です。世界的に、家庭用電化製品、エネルギー貯蔵、医療機器などの業界では、ますます小さなボリュームと高密度のパッケージに機能を追加する必要があります。したがって、これらの製品を実現するためには、より効率的な製造技術が必要です。この記事では、レーザー溶接技術に焦点を当てます。したがって、産業用（ナノ秒赤外線ファイバー）レーザーによって実現されるこの生産技術は、必要な高い再現性、精度、生産能力、および低コストを提供できるため、市場のニーズを満たすことができます。
さまざまなアプリケーション領域に応じて、さまざまなタイプのレーザーには、パルスYAGレーザー、ディスクレーザー、ファイバー（CWおよびQCW）レーザー、さらにはダイオードレーザーなど、さまざまな利点があります。これまでのところ、ナノ秒パルスレーザーはいくつかの最先端のアプリケーションでのみ使用されていますが、状況は変化しており、ナノ秒ファイバーレーザーは最近、材料接続に適用され始めています。
SPIは、マスターコントロールオシレーターパワーアンプ（MOPA）をナノ秒ファイバーレーザーに導入した先駆者であり、アプリケーションの要件に応じてパルスを制御および調整できるため、非常に用途の広いツールであることが証明されています。パラメータ。これは主に、パルス幅とパルス周波数を変更することで実現されます。また、パルス波モードと連続波モードを切り替えることもできます。これは、さまざまなビーム品質のさまざまな光源で利用できるため、非常に重要な機能であり、現在のタスクに応じてさまざまなツールを提供できます。平均パワーとピークパワーの範囲で、このレーザーはミリ秒の範囲で変調できるため、平均パワーの低いミリ秒パルスを必要とするアプリケーションに適しています。
プラスチック溶接
例としてプラスチック溶接を取り上げます。マイクロ流体デバイスなどの高精度を必要とする一部のアプリケーションでは、ファイバーレーザーを使用すると、他のレーザー光源よりも多くの利点が得られます。スポットのエネルギー分布が影響を与えることがあります。たとえば、複雑な医療機器では、透明なポリマーが黒いポリマーに溶接され、40WのレーザービームがCWモードに設定されます（図1）。"必要に応じて、スポットサイズ、エネルギー分布、および被写界深度を制御できます。" Okay Industries（ニューブリテン、コネチカット州）のレーザーテクノロジーディレクターであるJoe Lovottiはコメントしました。
図1：40W HS-Hレーザーによるインスリン注射器のプラスチック溶接。
ワイヤー溶接
金属溶接に関しては、医療機器業界のマイクロ接続アプリケーションがますます一般的になり、これは最高のアプリケーションエンジニアにとっても課題となっています。金属細線の接続はその一例であり、CWファイバーレーザーはこの分野で広く使用されています。しかしながら、金属線が細くなるにつれて、入熱に関連する問題はより困難になります。溶接時50μ20W、M2< 1.6レーザーを使用したm径のコイル状ワイヤーは、集中した焦点を達成するために良好な結果をもたらします。課題は、より高い繰り返し率でレーザーを操作してパルスのピークパワーを抑制し、gg="" lt;="">
一部のアプリケーションでは、外部被覆または編組をワイヤに接続する必要があります（図2）。この場合、エネルギー分布が広いパルスほど、2つのコンポーネント間の濡れ性が向上することがわかりました。この例では、40W、M2=3のレーザーを使用すると、スポットが大きくなり、パルスエネルギーがわずかに高く（1.25mJを超える）、ギャップを埋めることができます。
図2：250 kHzの使用、2直径50μmの金属ワイヤを溶接する0W EP-Zレーザー（aおよびb）、
20W EP-Zレーザーを使用して熱電対（c）を溶接し、40WHS-Hレーザーを使用して編組を溶接し、dワイヤー（d）。
一方、20WのシングルモードレーザーとM2<>μmおよびそれらをうまく溶接して熱電対を形成します。このアプリケーションで望ましい効果を得るには、治具の選択とビジョンシステムがレーザーと同じくらい重要です。
スズはんだ付けアプリケーション
錫はんだ付けには、通常、CWまたは直接ダイオードレーザーが使用されますが、入熱が重要なアプリケーションでは、パルスレーザーを検討できます。高い繰り返し率で長いパルスを使用することにより、エネルギー利用効率を向上させ、熱損傷のリスクを低減できます。ビームスキャン伝送システムを使用することにより、レーザーエネルギーをより大きなターゲット領域に照射できるため、この例の金/錫はんだペーストは接触位置でのみ溶融します（図3）。
図3：500 kHz、40 W HS-Hレーザーによるはんだ付け。
金属の溶接と接合
ナノ秒パルスレーザーを使用して金属を溶接するには、真に良好な接続を実現するために、パルスパラメーターとプロセス設定を慎重に調整する必要があります。結局のところ、これらのタイプのパルスは主に材料を除去するために使用され、溶融して再固化するためではありません。パルスを最適化すると、最大ピークパワーとパルスエネルギーを得ることができますが、これらの特性は、より高い周波数で使用することによって変更できます。これにより、ピーク電力が減少し、平均電力を維持しながら、出力がQCWストローブパルスに近づきます。
この高い周波数では、材料に対するパルスの影響は、アブレーションから溶融に近づきます。その効果は顕著です。次の例では、70Wレーザーを使用して、直径6mmのリングを薄いステンレス鋼板に浮上させています。 70kHzで250ns、1mJのパルスを使用すると、結果は非常に粗く、高度に酸化されます。すべてのパラメータを変更せずに維持し、パルス周波数を上げるだけで、大幅な改善が見られます。周波数を2倍にして140 kHzにし、パルスエネルギーを0.5 mJに半分にすると、粗さと酸化が大幅に改善されることがわかります。周波数を500kHzに上げ、パルスエネルギーを0.15mJ未満に下げることにより、より明るい溶接シームはシールドガスを必要としません。この手法を使用すると、250を達成することが可能です。μm重ね溶接（図4）。
図4：異なる周波数の250nsパルスによって実現された基板の肉盛り溶接。
ウォブリング技術を使用して溶接を拡大し、溶接の溶け込みを改善する（溶接速度に影響を与える）ことにより、溶接形状をさらに改善できます。
テストは、ステンレス鋼とステンレス鋼の間の溶接で行われ、完全な0.5mm重ね溶接における2つの1mm溶接のせん断強度は224ポンドを超えました。長さ5 mm、幅1 mmの線形溶接で180度の剥離試験を行ったところ、コンポーネントは241ポンドで降伏しました（図5）。
図5：70W EP-Zレーザーによって生成されたステンレス鋼溶接（a）とその剥離テスト（b）の顕微鏡画像。
実際、この技術は、鋼、アルミニウム、さらには銅など、他のさまざまな金属にも適用できます。このテクノロジーを使用して反射率の高い材料を接続する場合、材料に結合するのに十分なパルスエネルギーを提供するようにパルスを調整する必要があります。スパイラル技術を使用することにより、あらゆるサイズのスポット溶接を実現できます。たとえば、70W EP-Zレーザーを使用して、2つの150を接続する3つの1mm溶接ポイントを作成できます。μm厚の銅箔。次に、次の課題は、異なる金属を接続することです。
異種金属溶接
電子およびバッテリーアプリケーションで最も一般的なのは、薄い銅箔をアルミニウムに接続することです。この課題に対処するために、SPI GG＃39;のアプリケーションチームは熱心な研究に投資してきました。彼らはすぐに進捗状況を発表し、溶接の強さを尋ねられると、12ポンドの静的荷重下での溶接の写真を示しました（図6）。
図6：銅アルミニウムスポット溶接（a）とその引張り試験結果（b）、および写真（c）は12ポンドの静荷重下。
実際、最近の引張試験では、90度の剥離試験で、銅とアルミニウムの接続が26ポンドのせん断力で破損し、6ポンドで降伏したことが示されました。溶接は無傷です。
異種材料のより困難な溶接は、実際の商用アプリケーションで使用できます（図7）。 GGの引用; 20Wのシングルモードナノ秒パルスレーザーを使用するだけで、特に0.1mmステンレス鋼箔や0.25mmチタン箔接続などの非常に難しいマイクロ溶接アプリケーションで、入熱および溶接形状を適切に制御できます。” アマダ・ミヤチ（カリフォルニア州モンロビア）のジェフ・シャノン博士は言った。
図7：20W HS-Sレーザーによるステンレス鋼とチタン箔の溶接。
このような多目的ツールの導入により、生産ラインを簡素化できるため、医療機器製造などの産業で急速に発展してきました。 GGの引用;これらのファイバーレーザーは、ナノ秒パルスを使用して切断、エッチング、および研磨でき、マルチミリ秒パルスを使用して溶接できる革新的なツールです。これらすべてのプロセスは、同じレーザーで同じ生産活動で完了することができます。" Laser Mark GG＃39; s（カリフォルニア州サンノゼ）のMark Brodskyにコメントしました。
概要
この記事では、プラスチックの接合やはんだ付けから金属板溶接やワイヤー溶接まで、さまざまなアプリケーションを紹介します。これらのアプリケーションでは、ナノ秒パルスファイバーレーザーの使用は、従来のミリ秒パルスYAGおよび変調CWレーザーソースの優れた代替手段です。解決。マルチプロセス製造におけるこれらのレーザーの優れた性能は、その多様性をさらに証明します。