レーザー溶接 ― 振動パラメータがアルミニウム合金の調整可能リングモード（ARM）レーザー溶接に及ぼす影響

レーザー溶接 ― 振動パラメータがアルミニウム合金の調整可能リングモード（ARM）レーザー溶接に及ぼす影響

1.概要

本研究では、振動振幅と周波数が、調整可能なリングモード（ARM）の表面品質、マクロ構造、ミクロ構造、および多孔性に及ぼす影響を調査する。レーザー振動溶接A5083アルミニウム合金板。結果によると、振動振幅と周波数の増加に伴い、溶接面の品質が向上することがわかった。振幅が増加すると、溶接断面は「ゴブレット」形状から「三日月」形状に変化する。微細構造解析によると、攪拌効果と冷却速度の低下との競合により、振動振幅と周波数の増加に伴って溶接部の結晶粒径は減少しない。振動パラメータの増加に伴い溶接部の気孔率は減少し、振幅が2 mmのときに最終的な気孔率は0.22%に達する。3次元X線トモグラフィーにより、振動が気孔分布に及ぼす影響がさらに確認された。大きな気孔は溶融池の後ろに集積する傾向がある一方、小さな気孔は対称性が高い。この研究は、A5083アルミニウム合金用途で高品質のレーザー溶接を実現するために振動パラメータを最適化するための貴重な知見を提供する。

2. 業界背景

アルミニウム合金は軽量、高比強度、優れた耐食性といった利点があり、自動車、高速鉄道、航空宇宙などの産業で広く使用されています。レーザー溶接は高効率、熱影響部が小さい、溶接変形が小さいといった利点があります。したがって、レーザー溶接は、厚板に適した経済的な溶接方法です。これにより、溶接パス数を大幅に削減できます。気孔はアルミニウム合金のレーザー溶接における重大な欠陥であり、溶接継手の機械的特性に深刻な影響を与えます。そのため、シールドガスの最適化、デュアルビーム技術の適用、変調レーザー出力システムの使用、振動ビーム方式の採用など、気孔形成の低減と除去に関する広範な研究が行われてきました。レーザー振動溶接技術は、レーザー溶接の利点と独自の特性を組み合わせる能力で際立っています。レーザー振動溶接を使用すると、気孔を低減するだけでなく、溶接部の微細構造を改善し、溶接品質を向上させることができます。多くの研究は、気孔低減、エネルギー分布の最適化、結晶粒構造の微細化、溶融池内の溶融流の特性評価など、レーザー振動溶接のさまざまな側面に主に焦点を当てています。レーザーエネルギーの分布は、レーザー溶接の温度分布と溶け込み深さに重要な役割を果たします。ある一定の振動振幅において、走査周波数の増加に伴い、溶接プロセスは深溶け込み溶接から不安定溶接、そして最終的には熱伝導溶接へと移行する。結果から、走査振幅と周波数の増加は気孔率を低減できるが、溶接部の溶け込み深さも大幅に減少し、その結果、溶接部の機械的特性が低下することがわかった。近年、キーホールの安定化と溶接品質の向上を目的として、レーザーエネルギーを高エネルギー密度のコアと低エネルギー密度のリングに分割する調整可能なリングモード（ARM）レーザーが開発された。研究者らは、異なるコア/リング出力比と振動幅で6xxx系高強度アルミニウム合金をARMレーザー振動溶接で溶接した。実験結果から、溶接形状に影響を与える主な要因はコア/リング出力比ではなく振動幅であることがわかった。しかし、振動とARMレーザーの重ね合わせによる気孔分布とその抑制メカニズムは研究されていない。本論文では、溶接部の気孔率を低減し、より深い溶け込み深さと優れた溶接品質を実現するために、新しいARMレーザー振動溶接技術を採用した。異なる振動周波数と振幅におけるレーザーエネルギー分布、溶融池の動的挙動、および微細構造に関する包括的な研究を行った。

3．実験の目的と手順

円形レーザー振動溶接技術を用いてアルミニウム合金を溶接した。母材（BM）は5083-Oアルミニウム合金で、寸法は300mm×100mm×5mm（長さ×幅×厚さ）であり、その化学組成は表に示すとおりである。溶接前に、サンプルを研磨して表面酸化膜を除去し、その後、超音波浴中でアセトンを用いて15分間洗浄して表面の油分を除去した。レーザー溶接システム主にKukaロボット、TruDisk 8001ディスクレーザー、および3D PFOガルバノメータスキャナで構成されています。TruDisk 8001ディスクレーザーは、調整可能なリングモードレーザー光源として使用され、コア/リングファイバー比は100/400 μm、最大出力は8 kW（波長1030 nm、ビーム品質パラメータ4.0 mm·rad）です。レーザービームはコア部分とリング部分で構成され、中央のコア部分のレーザーはキーホール（レーザーエネルギーの60%）を生成し、リング部分のレーザーは良好な温度分布（レーザーエネルギーの40%）を確保します（図(b)参照）。コリメータと集光レンズの焦点距離はそれぞれ138 mmと450 mmです。溶接工程中、Phantom V1840高速カメラとCavilux高周波光源を用いて、5000 fpsの撮影速度と1 μsの露光時間で溶接工程をリアルタイムで監視した。本研究では、円形ビームの振動軌跡、レーザーの移動経路、および瞬間速度を図に示すように定義した。

4．結果と考察

4.1 溶接形態特性 異なるレーザー振動モードにおける溶接表面形態を図に示す。結果から、従来の直線溶接の溶接表面は粗く（粗さ78.01μm）、溶接リップルの連続性が悪く、溶接広がりが不十分であることがわかる。また、溶接形成が不十分で、スパッタが多く、アンダーカットも観察された。振動振幅と周波数の増加に伴い、溶接表面には密で均一な魚鱗状の模様が現れた。振動振幅が0.5mm、1mm、2mmの溶接表面の粗さは、それぞれ80.71μm、49.63μm、31.12μmであった。スパッタによる不規則性や突起は見られなかった。これらの結果は、振動周波数が高いほど溶融池の流れがより規則的になり、レーザービームの攪拌効果が強くなり、より理想的な溶接表面が得られることを示している。基本的に、レーザー溶接の形状はレーザービームの動きと因果関係があります。溶接中、振動振幅と周波数の変化によって溶接速度が変化し、それによってレーザーの線エネルギー密度と総熱入力に影響します。溶接部の断面形状は「ゴブレット」型で、下部が「ステム」、上部が「ボウル」の2つの部分から構成されます。溶け込み深さと「ステム」はそれぞれH1とH2、溶接部（「ボウル」）と「ステム」の幅はそれぞれW1とW2と定義されます。溶接幅W1とW2は振動振幅の増加とともに同期して増加し、溶接形状は徐々に「ゴブレット」型から「三日月」型へと変化します。レーザーエネルギー密度の最大値は、軌道が重なる部分で発生します。図（b、d）と（c、e）を比較すると、走査周波数の増加により走査経路に沿った軌跡の重なり領域が増加し、レーザーエネルギー分布がより均一になることがわかる。しかし、最大エネルギー密度の低下は溶接深さの減少につながる。

4.2 溶融池の挙動 走査経路が溶融池の挙動に及ぼす影響を明らかにするため、高速カメラシステムを用いて溶融池とキーホールの進化過程を観察した。図(a)は直線経路における溶融池の進化過程を示す。図(bf)は異なる振動パラメータにおける溶融池の進化図である。振動周波数と振幅が増加すると、溶融池の幅が拡大するため、溶融池の後部がより丸みを帯びる。溶融池の長さが増加すると、後方伝播中にキーホール噴出によって生じる表面の変動が減少する。そのため、溶融金属は溶融池の後端で滑らかに規則的に凝固し、均一で密度の高い溶接魚鱗を形成する。図は、溶融池の高速撮影画像から得られた、レーザー溶接中のキーホール開口面積の変化を示す。図（a）に示すように、直線溶接中、キーホールの開口部のサイズは明らかに変動します。キーホールが完全に閉じる（0 mm²）事例がいくつか観察され、平均キーホール開口面積は0.47 mm²でした。振動振幅の増加は、変動を低減し、安定性を向上させることもできます。これは、振動溶接では、エネルギーの大部分が両側に分配されるためです。したがって、キーホールの出口が拡大し、振動振幅が増加するため、開口面積が増加します。振幅の増加はレーザービームの攪拌範囲を拡大し、キーホールの周期的な動きの半径の拡大につながります。溶融金属の粘性とキーホール壁付近に作用する流体力学的圧力により、キーホール開口部付近の溶接溶融池で渦電流運動が発生します。キーホール開口面積の拡大は安定性を高め、気泡の形成を回避し、したがって気孔を大幅に抑制します。

4.3 微細構造 図は、異なる振動周波数と振幅での溶接断面のEBSD形態を示しています。レーザー溶接の溶融線付近では、柱状デンドライト粒が溶接中心に向かって成長しています。図(a)に示すように、「ボウル」領域と「ステム」領域の間で、柱状粒の分布に明らかな違いが見られます。「ボウル」壁に沿って柱状粒がU字型に分布しているのに対し、「ステム」領域では、柱状粒が溶融線に沿ってU字型に分布しています。溶接の凝固中、溶融ゾーンの部分的に凝固した粒は凝固界面の核生成サイトとして機能し、最大温度勾配の方向に沿って溶融プール境界に垂直に優先的に成長します。この現象は、レーザーの高い出力密度により溶接プール内部が過熱するため発生します。高い熱勾配Gと適度な成長速度Rにより、G/Rが微細構造変化の閾値を超え、柱状粒が形成されます。溶接中心の温度勾配 G が減少すると、G/R 比が徐々に微細構造変化閾値を下回り、等軸粒に変化する。等軸粒は「ボウル」と「ステム」の両方の中心部分に位置する。溶接部の「ステム」は狭く母材に近いため、冷却中に「ボウル」領域よりも先に完全に凝固する。凝固した「ステム」部分は「ボウル」底部の核生成サイトとして機能し、柱状粒の上方への成長を促進する。図は直線溶接と振動溶接のプロセスを示している。レーザー振動溶接では、レーザービーム位置が連続的に変化するため、中間溶融プールの長さが増加し、既に凝固した金属が再溶融し、粒成長速度 r が低下することが示されている。これにより、下部の等軸粒領域で G/R が低下する可能性がある。

4.4 気孔分布 溶接部の総合検査には三次元X線トモグラフィーを用い、図に示すように溶接部内の気孔の三次元分布を取得した。気孔率は、気孔の総体積を溶接部の総体積で割った値として算出される。直線レーザー振動溶接と円形レーザー振動溶接の気孔形態と分布を比較した結果、直線レーザー振動溶接の方が体積の大きい気孔が多く、気孔率は2.49%と、円形レーザー振動溶接よりも有意に高いことがわかった。レーザー振動溶接図（b、c）と（d、e）を比較すると、振動周波数を上げると気孔の形成が抑制されることがわかります。図（b、d）と（c、e）を比較すると、振動振幅の増加も気孔形成の抑制に重要な役割を果たしていることがわかります。振動振幅をさらに2 mmまで増加させると（図（f））、気孔率はさらに0.22%まで減少し、小容量で小さな気孔のみが残ります。この図は、溶接中心線からの異なる距離での気孔面積分布を示しており、気孔面積サイズに基づく気孔率を表しています。直線溶接の場合、気孔面積は溶接中心線に沿って対称的に分布しており、溶接中心線からの距離が増加するにつれて徐々に減少します。結果は、キーホールによって誘発された気孔は主に溶接中心線の溶融池の後壁の後ろに集中していることを示しています。レーザー振動溶接の場合、気孔分布の対称性は弱くなります。図は、溶接面からの異なる距離における気孔面積を示しており、赤い線は「ボウル」領域と「ステム」領域の境界を表しています。大きな気孔が支配的な場合（図（ac））、境界より上の気孔面積は85%以上を占めています。これは、縦方向の境界における輪郭の変化により溶融池に気泡が閉じ込められやすく、閉じ込められた気泡が浮力の影響で上方に移動する傾向があるためです。小さな気孔が支配的な場合（図（df））、気孔は境界線から0.5 mm以内の領域に集中しています。この現象の原因は、冷却時間が短いことと上方への移動が小さいことにあると考えられます。

5. 結論

（１）レーザーの振動モードの違いは溶接面に明らかな影響を与える。振幅と周波数が高いほど表面品質が向上するが、振動パラメータが大きすぎると粗さが増し、凹状の欠陥が生じる可能性がある。

（２）溶接形状は主にレーザー振動パラメータによって決定され、これは溶接速度、エネルギー分布、総熱入力に影響します。振動振幅が増加すると、溶接形態は「ゴブレット」から「三日月」に変化し、アスペクト比が減少します。

（３）振動振幅と周波数の増加に伴い、溶融池は広くなり、後部は丸みを帯びる。振動効果により溶融池の長さが長くなり、気泡の排出と均一な凝固に有利となる。直線溶接中、キーホールの開口面積は変動するが、この変動を比較的低減することで、溶接の安定性を向上させることができる。

（４）振動振幅と振動周波数の増加は、熱勾配と成長速度の両方を低下させ、大きな結晶粒の形成に有利である。しかし、レーザー攪拌効果は結晶粒の微細化と組織強度の向上に寄与する。異なるレーザーパラメータの下では、溶接部の硬度は比較的安定しており、母材の硬度よりわずかに低いが、これはマグネシウムの蒸発損失によるものと考えられる。

（５）三次元X線トモグラフィーでは、直線溶接は振動溶接よりも気孔率（2.49%）が高く、気孔容積も大きいことが示されています。振動パラメータを増加させると気孔率を大幅に低減でき、振幅が2mmの場合には0.22%にまで低減できます。振動によって気孔面積分布が変化し、大きな気孔は溶融池の後ろに集まり、小さな気孔は対称性が向上します。大きな気孔は主に「ボウル」領域と「ステム」領域の境界より上に分布し、小さな気孔は境界より下に集中しています。