キーホールの形成と発達：
キーホールの定義：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融し蒸発します。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押し出され、励起領域の溶融池が沈み、小さな穴が形成されます。光線は小さな穴の底に直接作用し、金属をさらに溶融・気化させます。高圧蒸気は、穴の底の液体金属を溶融池の周辺に向かって押し続け、小さな穴をさらに深くします。このプロセスが継続し、最終的に液体金属にキーホールのような穴が形成されます。小さな穴の中でレーザー光線によって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、小さな穴はそれ以上深くならず、深さが安定した小さな穴が形成されます。これを「小さな穴効果」と呼びます。
レーザービームがワークピースに対して移動すると、小さな穴は前面がわずかに後方に湾曲し、背面が明らかに傾斜した逆三角形になります。小さな穴の前面はレーザーの作用領域であり、高温かつ高蒸気圧ですが、背面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、溶融液は小さな穴の周囲を前面から背面に向かって流れ、小さな穴の背面で渦を形成し、最終的に背面で凝固します。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状態は、上の図に示されています。これは、異なる速度での移動中の小さな穴の形状と周囲の溶融液の流れを示しています。
微細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内部に浸透し、深く狭い溶接シームが形成されます。レーザー深層溶接シームの典型的な断面形状を上の図に示します。溶接シームの浸透深さはキーホールの深さに近く（正確には、金属組織層はキーホールより60～100μm深く、液相層が1層少ない）、レーザーエネルギー密度が高いほど微細な穴が深くなり、溶接シームの浸透深さも大きくなります。高出力レーザー溶接では、溶接シームの最大深さ対幅比は12:1に達することがあります。
吸収の分析レーザーエネルギー鍵穴によって
微細な穴とプラズマが形成される前は、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内部に伝達されます。この溶接プロセスは伝導溶接（浸透深さ0.5mm未満）に分類され、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内部に吸収され、溶接プロセスは深浸透溶接（浸透深さ0.5mm以上）となり、吸収率は60～90%以上になります。
キーホール効果は、レーザー溶接、切断、穴あけなどの加工において、レーザー光の吸収率を高める上で極めて重要な役割を果たします。キーホールに入射したレーザー光は、穴の壁面からの多重反射によってほぼ完全に吸収されます。
キーホール内部におけるレーザーのエネルギー吸収メカニズムは、一般的に逆吸収とフレネル吸収という2つのプロセスから成ると考えられている。
鍵穴内部の圧力バランス
レーザー深溶け込み溶接では、材料が激しく蒸発し、高温蒸気によって発生する膨張圧力によって溶融金属が押し出され、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る）に加えて、表面張力、重力による液体の静圧、および小さな穴の内部を流れる溶融材料によって発生する流体動圧も存在します。これらの圧力のうち、蒸気圧のみが小さな穴の開口部を維持し、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状態に達し、キーホールの長期的な安定性を維持するのに十分なものでなければなりません。簡略化のため、キーホールの壁に作用する力は主にアブレーション圧力（金属蒸気反動圧力）と表面張力であると一般的に考えられています。
キーホールの不安定性
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。反動圧力が溶融池に押し付けられ、キーホールとプラズマが形成され、溶融深さが増加します。移動の過程で、レーザーはキーホールの前面壁に当たり、レーザーが材料に接触した位置で材料が激しく蒸発します。同時に、キーホールの壁は質量を失い、蒸発によって反動圧力が生じ、液体金属を押し下げ、キーホールの内壁が下方に変動し、キーホールの底部を回り込んで溶融池の奥へと移動します。溶融池が前面壁から背面壁へと変動するため、キーホール内部の体積が常に変化し、それに伴ってキーホール内部の圧力も変化し、噴出されるプラズマの体積が変化します。プラズマ体積の変化は、レーザーエネルギーの遮蔽、屈折、吸収の変化につながり、材料表面に到達するレーザーエネルギーの変化をもたらします。プロセス全体は動的かつ周期的であり、最終的には鋸歯状で波状の金属浸透が生じ、滑らかで均一な浸透溶接は得られません。上の図は、溶接中心に平行な縦方向の切断によって得られた溶接中心の断面図であり、キーホール深さの変化のリアルタイム測定も示しています。IPG- LDDを証拠として用いる。
キーホールの安定性を向上させる
レーザー深溶け込み溶接では、小孔の安定性は、穴内部のさまざまな圧力の動的バランスによってのみ確保されます。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、小孔外への金属蒸気の噴出、小孔と溶融池の前進はすべて非常に激しく高速なプロセスです。特定のプロセス条件下では、溶接プロセスの特定の時点で、局所的に小孔の安定性が損なわれ、溶接欠陥が発生する可能性があります。最も典型的で一般的な欠陥は、キーホール崩壊による小孔型の気孔欠陥とスパッタです。
では、鍵穴を安定させるにはどうすればよいのでしょうか？
キーホール流体の変動は比較的複雑で、多くの要因（温度場、流れ場、力場、光電子物理学）が関係しており、簡単に2つのカテゴリにまとめることができます。表面張力と金属蒸気反動圧力の関係。金属蒸気の反動圧力はキーホールの生成に直接作用し、キーホールの深さと体積に密接に関係しています。同時に、溶接プロセスで唯一上向きに移動する金属蒸気として、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。
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過度の変動なく維持することに依存します。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を実現するための有望な技術的方向性です。
金属蒸気とキーホールの体積については、プラズマ効果とキーホール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、溶融プールの底部の変動は無視できるほど小さいため、キーホール全体の体積と内部圧力の変化への影響は比較的小さくなります。したがって、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、周波数変調などは、いずれも拡張可能な方向です。
投稿日時：2023年12月1日
