レーザー溶着での問題

Question

レーザーにて、樹脂溶着を行っているのですが、どうも、レーザーヘッドに
戻り光（反射光）があるようで、レーザー出力が日々低下していきます。
メーカーと対策など実施しているのですが、3ヵ月経った現在も完全な対策が取れていない状況です。

原因は、ヘッド内部のQSWが焼付いているという事です。

なお、ワークを回転させながら、レーザーを照射し円周上を溶着しています。樹脂の組み合わせは、内側黒、外側乳白色（光透過性樹脂）で、内側の黒い樹脂を溶かして溶着しています。

このような体験、対策案などありましたら、お教え下さい。

Accepted Answer

追記です．
ｲﾝﾀｰﾈｯﾄを見ていて，他者の解答を見ずに時間が無かったので，走り書きのように解答してしまいました．
レーザは，パルスＹＡＧレーザ（ＳＨＧ，ＴＨＧ付でしょうか？）ですね．
最大出力10WだとたぶんLD励起のUV-YAGですか？
私は，溶接は素人で，レーザ発振器，レーザ加工機を開発しています．
１）ワークへの照射角度を変えて戻り光からの損傷を抑える手法は，ファイバー導波後に集光ユニットで照射するタイプで，高反射材料のスポット溶接等の加工時にワークからの戻り光の影響でファイバー端面を損傷する場合に使用された方法ですね．関東さんが云うように苦肉の策で，加工状態との兼ね合いが難しいですね．
２）本題に話を戻すと，Ｑ-Swの損傷は考えにくいですね．出力的にも２Wだし，出力が徐々に低下するのは，戻り光が共振器内部のYAG結晶，LBO結晶の温度を変化させて熱レンズ効果が変化したか，LBOの位相整合角が戻り光の熱によって変化したかだと思われます．
３）もしも，Q-Sw素子が損傷したのが原因だったら，出力は急激に落ちると思われます．Q-Swの損傷は，戻り光以外が原因では無いでしょうか？
４）もしレーザがUV-YAGであれば，最も怪しいのは加工機を構成する外部光学系の汚れ等によって出力が低下したと思われます．（LDやLBOも徐々に劣化し出力が低下していくのですが，10W機を2Wで使用しているのであれば，24時間動作させても，１年で10%出力が低下したとしても低下しすぎと思われます．）UVレーザは，使用環境の影響を受けやすいので，定期的なレンズ，ミラーのクリーニングが欠かせないのが現状です．

Answer

レーザの種類にもよるのですが，例えばスラブタイプの炭酸ガスレーザなどにワークからの戻り光が光共振器に入射すると，本来の発振光以外の光（導波モードによる発振）が起こり，加工上不都合が発生するため，反射光が帰還しない用に工夫します．構成によってやり方は様々なのですが，確実な方法としては，使用されているレーザ光が直線偏光のものであれば（たぶんAOM等のQーSwを使用している様なので，偏光光と思われますが，）WaveplateとPolarizerを利用して，レーザ発振器からの出力光の偏光方向と戻り光の偏光方向を90°ずらしてやり（ｓ偏光とｐ偏光）戻り光がレーザ発振器に帰還しないようにPolarizerで戻り光を光軸経路から分離して，ダンプしてやれば良いと思います．
疑問点は，Q-Sw素子が戻り光で損傷するだろうか？
通常Q-Sw素子は，光共振器内部のリアーミラー（全反射鏡）とレーザ媒質間に配置する場合が多く，戻り光が集光されてQ-Sw素子を破損するだろうか？

Answer

追記させていただきます。レーザー溶着に使えると称して市場に出ている照射機もレーザーマーカーがほんとの用途であったりして　レーザー機メーカーにもレーザー溶着の技術的蓄積がそれほど多くないと感じています。少なくてもユーザーの直面した問題にスパッと答えを出してくれると期待することは出来ないでしょう。これは材料によって接合方法を調整しなくてはならず、レーザーメーカーだけでは材料との相性がわからないことも原因でしょう。逆に材料メーカーにしてみればレーザーとの相性がわからないという問題があります。レーザー溶着が非常に精密で均質な接合に適しているのに一向に一般化しないのはこの点にも原因がありそうです。レーザー溶着を手がける生産技術屋は両方を組み合わせた立場で自分で実験し解決していくことが必要です。メーカーの言葉は接着剤などと違って、「あくまで参考程度」と考えたほうが良いです。　それと蛇足ですが、防爆を狙ってレーザー機とワークの間に高透明なアクリルを入れたことがありましたが、短期間のうちに微細な「こげ」が出て照射を阻害するようになりました。（初めのうちは顕微鏡で見ないと発見できない微小な焦げ）一旦焦げがでると、それがさらにレーザー光を阻害して焦げを成長させていきます。レーザー光の光路はできるだけシンプルにするよう心がけるべきです。私がこれらの問題で感じたのは、レーザー溶着は単なる熱溶着とは全く違う。ワーク、治具を含めて全て光学機器を扱っている感覚で設備を組立て、見ていくべきだということです。これらの山を乗り越えられたなら、精密機器に対する最高の接合方法を手に入れることになります。
逆に言えば、一旦足を踏み入れたものの山を乗り越えられず、他の接合方法に走ったなら、生産技術屋として美味しい実を取り損ねたことになるのではないでしょうか。是非成功してください。

Answer

精密センサー機器のメーカーに在籍して居る者です。レーザーの出力、波長、透過、吸収各樹脂の種類、表面光沢の有無はいかがですか？一般に、表面で5％接合面で5％反射されると言われております。あまり角度を付けすぎると、接合面に届く光量が低下すると思います。Ｑスイッチがやられると判断している理由はなんでしょうか？　戻り光でやられたと判断された根拠はなんでしょう？ＹＡＧレーザーなどは経年変化で出力が低下しましが、数年は持つはずです。過大な出力を出していることはありませんか？治具が何か関係していませんか？　レーザー溶着は条件さえ整えれば、精密、高速、低コストの接合方法と判断しています。レーザー溶着はまだ一般化していない接合方法だと思います。教科書が無いので、レーザー溶着のプロフェッショナルになるべく、がんばってください。微力ながら応援致します。

反射光が悪さしていると仮定して・・・・もしも、ワークの表面が曲面状でしたら反射光はかなり複雑になると思います。思いも寄らぬ反射光が入ってきているかもしれませんね。レーザー発射機を入射光の光路から鏡やプリズムを使って逃げたり、ワーキングディスタンスをずらしたり、ワークの入光部の形状をかえるなど、考慮できないですか？

反射光が悪さしていると仮定して・・・・もしも、ワークの表面が曲面状でしたら反射光はかなり複雑になると思います。思いも寄らぬ反射光が入ってきているかもしれませんね。レーザー発射機を入射光の光路から鏡やプリズムを使って逃げたり、ワーキングディスタンスをずらしたり、ワークの入光部の形状をかえるなど、考慮できないですか？

Answer

樹脂は経験がないので良くわかりませんが、金属　特に反射の強いアルミの溶接では、一般に反射光が入らないようにレーザビームを溶接面に対して垂直ではなく、20～30°程度傾斜して照射しています。

レーザー溶着での問題とは？