レーザーマーカーの熱影響部制御方法

レーザーマーキング機とは、高エネルギー密度のレーザー光線を用いて材料表面に永久的なマーキングを行う装置です。マーキング処理中、レーザーは材料表面およびその周囲に熱を発生させ、熱影響部（HAZ）を形成します。HAZは変色、焼け、または局所的な応力を引き起こす可能性があり、マーキング品質に影響を与えることがあります。本稿では、HAZの生成メカニズム、影響要因、制御方法の3つの観点から分析を行います。

1. 熱影響部の生成メカニズム

レーザーマーキング中、レーザー光はフォーカシングシステムを通じてワーク表面に集光されます。材料はレーザーエネルギーを吸収し、急速に加熱されて局所的に蒸発または溶融します。完全に蒸発しなかった周囲の領域は熱伝導によって温度が上昇し、熱影響領域（HAZ）を形成します。HAZの主な特徴には以下のものがあります。

スポットサイズへの依存性：大きなレーザースポットはより広い範囲に熱を分散させるため、HAZが大きくなります。

材料の熱伝導率：熱伝導率の高い金属は熱を素早く拡散させるためHAZが大きくなり、熱伝導率の低い材料は熱を局所的に閉じ込めるためHAZが小さくなります。

パルスエネルギーおよび持続時間：高出力、長パルス、または連続波モードでは熱拡散が増加する傾向があります。

2. 熱影響領域のサイズに影響を与える要因

レーザー出力
高出力はより大きなエネルギー吸収をもたらし、表面温度の上昇が速くなり、熱の拡散範囲が広がるため、HAZが拡大します。

パルス幅と繰り返し周波数
短パルスレーザーはエネルギーを集中させ、熱影響部（HAZ）を最小限に抑えるために焦点位置に熱を閉じ込めます。長パルスや高繰り返し周波数では熱が蓄積され、HAZが増大する可能性があります。

スポットサイズおよび焦点位置
小さく正確にフォーカスされたスポットは熱を集中させ、明確なマーキングを実現します。大きなスポットや焦点のずれは熱を分散させ、HAZを拡大します。

スキャン速度
スキャニング速度が遅いと、レーザーが同じ領域に長時間滞在し、熱の蓄積が増加します。高速スキャニングは局所的な温度上昇を低減し、HAZを縮小します。

材料特性
材料の熱伝導率、吸収率、融点は熱拡散に直接影響します。たとえば、アルミニウムや銅は熱伝導率が高いためHAZが大きくなりますが、プラスチックやセラミックスはHAZが小さくなります。

3. 熱影響部（HAZ）を制御する方法

レーザー出力およびパルスパラメータの最適化
材料の特性に応じて出力、パルス幅、繰り返し周波数を調整し、エネルギーを焦点位置に集中させ、過度な拡散を防ぎます。短いパルスで高いピーク出力を使用することで、熱影響領域（HAZ）を効果的に低減できます。

フォーカスシステムを調整する
適切な焦点距離のレンズを選択し、焦点が材料表面に正確に合うようにして、熱の分散を防ぎます。小さなスポットサイズはHAZを小さくします。

スキャン速度を上げる
ガルバノスキャナまたはXYステージの速度を上げることでレーザーの滞在時間を短縮し、局所的な熱蓄積を最小限に抑えます。

段階的または複数回パスでのマーキング
濃色または厚手の材料の場合、複数回の低エネルギー照射を用いて徐々に熱を蓄積させることで、過度なHAZを発生させずに加工を行います。

補助冷却
マーキング中にエアブローまたは水冷を使用して表面の熱を除去し、熱拡散を制御します。

適切なレーザー波長を選択する
材料は異なる波長をそれぞれ異なった吸収特性で吸収します。適切な波長を選択することで、マーキング効率が向上し、熱拡散が抑制され、HAZの制御が可能になります。

熱影響領域（HAZ）はレーザーマーキングにおいて避けられない現象です。しかし、レーザー出力、パルスパラメータ、集光システム、走査速度の最適化および冷却措置の適用により、HAZのサイズを効果的に制御することが可能となり、マーキング品質を確保できます。HAZを制御することは、マーキングの明瞭度と精度を向上させるだけでなく、材料の変形や表面損傷も低減するため、高精度レーザーマーキングにおけるキーテクノロジーとなります。