鍵穴の形成と発達:
キーホールの定義: 放射線放射照度が 10^6W/cm^2 を超えると、レーザーの作用により材料の表面が溶けて蒸発します。蒸発速度が十分に大きい場合、発生した蒸気反動圧力は液体金属の表面張力と液体重力に打ち勝つのに十分であり、それによって液体金属の一部が移動し、励起ゾーンの溶融池が沈んで小さなピットが形成されます。 ;光線が小さな穴の底に直接作用し、金属がさらに溶けてガス化します。高圧蒸気はピットの底にある液体金属を溶融池の周囲に向かって強制的に流し続け、小さな穴をさらに深くします。このプロセスは継続し、最終的には液体金属に鍵穴のような穴が形成されます。レーザー光により細孔内に発生した金属蒸気圧が液体金属の表面張力と重力と平衡に達すると、細孔は深くならず、深さが安定した細孔が形成されます。これを「細孔効果」といいます。 。
レーザービームがワークピースに対して移動すると、小さな穴の前面はわずかに後方に湾曲し、背面は明らかに傾斜した逆三角形を示します。小さな穴の前縁はレーザーの作用領域であり、高温と蒸気圧が高くなりますが、後縁に沿った温度は比較的低く、蒸気圧は小さくなります。この圧力と温度の差により、溶融液体は小孔の周囲を先端から後端に向かって流れ、小孔の後端で渦を形成し、最後に後端で凝固します。レーザーシミュレーションと実際の溶接によって得られたキーホールの動的な状態は、上の図に示されています。異なる速度で移動するときの小さな穴の形態と周囲の溶融液体の流れ。
小さな穴が存在するため、レーザー ビームのエネルギーが材料の内部に浸透し、この深くて狭い溶接シームが形成されます。レーザー深溶け込み溶接シームの典型的な断面形態を上の図に示します。溶接シームの溶け込み深さはキーホールの深さに近いです (正確に言うと、金属組織層はキーホールより 60 ～ 100um 深く、液体層は 1 つ少ないです)。レーザーのエネルギー密度が高いほど、小さな穴は深くなり、溶接シームの溶け込み深さが大きくなります。高出力レーザー溶接では、溶接シームの深さ対幅の最大比は 12:1 に達することがあります。
の吸収の分析レーザーエネルギー鍵穴によって
小さな穴やプラズマが形成される前に、レーザーのエネルギーは主に熱伝導によってワークピースの内部に伝達されます。溶接プロセスは導電性溶接（溶け込み深さ0.5mm未満）に属し、材料のレーザー吸収率は25〜45％です。キーホールが形成されると、レーザーのエネルギーは主にキーホール効果によってワークピースの内部に吸収され、溶接プロセスは深溶け込み溶接（溶け込み深さ0.5mm以上）となり、吸収率は以下に達します。 60〜90％以上。
キーホール効果は、レーザー溶接、切断、穴あけなどの加工時にレーザーの吸収を高める上で非常に重要な役割を果たします。鍵穴に入るレーザー光線は、穴の壁からの複数回の反射によってほぼ完全に吸収されます。
一般に、キーホール内部でのレーザーのエネルギー吸収メカニズムには、逆吸収とフレネル吸収の 2 つのプロセスが含まれると考えられています。
鍵穴内の圧力バランス
レーザー深溶け溶接中、材料は激しい蒸発を起こし、高温蒸気によって発生する膨張圧力によって液体金属が押し出され、小さな穴が形成されます。材料の蒸気圧とアブレーション圧力（蒸発反力または反動圧力とも呼ばれます）に加えて、表面張力、重力によって生じる液体の静圧、および内部の溶融材料の流れによって生じる流体動圧もあります。小さな穴。これらの圧力のうち、小さな穴の開口を維持するのは蒸気の圧力だけであり、他の 3 つの力は小さな穴を閉じようとします。溶接プロセス中にキーホールの安定性を維持するには、蒸気圧が他の抵抗を克服して平衡に達し、キーホールの長期安定性を維持するのに十分な圧力でなければなりません。簡単にするために、鍵穴の壁に作用する力は主にアブレーション圧力 (金属蒸気の反動圧力) と表面張力であると一般に考えられています。
鍵穴の不安定性
背景: レーザーは材料の表面に作用し、大量の金属を蒸発させます。反動圧力が溶融池を押し下げて鍵穴とプラズマを形成し、その結果溶融深さが増加します。移動の過程で、レーザーは鍵穴の前壁に当たり、レーザーが材料に接触する位置により材料の深刻な蒸発が発生します。同時に、鍵穴の壁は質量損失を経験し、蒸発によって液体金属を押す反動圧力が形成され、鍵穴の内壁が下方に変動し、鍵穴の底の周りを鍵穴の方向に移動します。溶融池の裏側。前壁から後壁への液体溶融池の変動により、キーホール内の体積は常に変化しており、それに伴ってキーホールの内圧も変化し、噴出するプラズマの体積が変化します。 。プラズマの体積の変化により、レーザーエネルギーの遮蔽、屈折、吸収が変化し、その結果、材料表面に到達するレーザーのエネルギーが変化します。全体のプロセスは動的かつ周期的であり、最終的には鋸歯状の波状の金属溶け込みが生じ、滑らかな等溶け込み溶接は存在しません。 上の図は、溶接部の中央を縦方向に平行に切断して得られた断面図です。溶接の中心、およびキーホールの深さの変化のリアルタイム測定IPG-証拠としてLDD。
鍵穴の安定方向を改善
レーザー深溶け込み溶接中、小さな穴の安定性は、穴内のさまざまな圧力の動的バランスによってのみ確保できます。しかし、穴壁によるレーザーエネルギーの吸収と材料の蒸発、小さな穴の外側への金属蒸気の放出、および小さな穴と溶融池の前進運動はすべて非常に激しく急速なプロセスです。特定のプロセス条件下では、溶接プロセス中の特定の瞬間に、小さな穴の安定性が局部的に破壊され、溶接欠陥が生じる可能性があります。最も典型的で一般的なものは、小さな細孔タイプの気孔欠陥とキーホールの崩壊によって引き起こされるスパッタです。
では、どうすれば鍵穴を安定させることができるのでしょうか？
キーホール流体の変動は比較的複雑で、非常に多くの要素 (温度場、流れ場、力場、光電子物理学) が関係します。これらの要因は 2 つのカテゴリーに簡単に要約できます。金属蒸気の反動圧力は鍵穴の生成に直接作用し、鍵穴の深さや体積と密接な関係があります。同時に、溶接工程において金属蒸気の中で唯一上昇する物質であるため、スパッタの発生にも密接に関係しています。表面張力は溶融池の流れに影響を与えます。
したがって、安定したレーザー溶接プロセスは、溶融池内の表面張力の分布勾配をあまり変動せずに維持することにかかっています。表面張力は温度分布に関係し、温度分布は熱源に関係します。したがって、複合熱源とスイング溶接は、安定した溶接プロセスの潜在的な技術的方向性です。
金属蒸気とキーホールの体積は、プラズマ効果とキーホールの開口部のサイズに注意する必要があります。開口部が大きいほど、キーホールも大きくなり、溶融プールの底点の変動は無視できるほど小さくなり、キーホール全体の体積と内部圧力の変化に与える影響は比較的小さくなります。そのため、調整可能なリングモードレーザー（環状スポット）、レーザーアーク再結合、周波数変調などをあらゆる方向に拡張できます。
投稿日時: 2023 年 12 月 1 日
