レーザー溶接のスパッタ発生のメカニズムと抑制方法

スプラッシュ欠陥の定義: 溶接におけるスプラッシュとは、溶接プロセス中に溶融池から噴出する溶融金属の液滴を指します。これらの液滴は周囲の作業面に落下し、表面の粗さや凹凸を引き起こす可能性があり、また、溶融池の品質の低下を引き起こす可能性があり、その結果、溶接面にへこみ、爆発点、その他の欠陥が発生し、溶接部の機械的特性に影響を与える可能性があります。 。

溶接におけるスプラッシュとは、溶接プロセス中に溶融池から噴出する溶融金属の液滴を指します。これらの液滴は周囲の作業面に落下し、表面の粗さや凹凸を引き起こす可能性があり、また、溶融池の品質の低下を引き起こす可能性があり、その結果、溶接面にへこみ、爆発点、その他の欠陥が発生し、溶接部の機械的特性に影響を与える可能性があります。 。

飛沫の分類:

小さな飛沫: 溶接シームの端および材料の表面に存在する凝固液滴。主に外観に影響を与えますが、性能には影響しません。一般に、溶滴が溶接シームの溶融幅の 20% 未満であることが区別の境界となります。

大きなスパッタ: 溶接シームの表面にへこみ、爆発点、アンダーカットなどとして現れる品質の低下があり、不均一な応力と歪みが発生し、溶接シームの性能に影響を与える可能性があります。主にこの種の欠陥に焦点を当てます。

スプラッシュ発生プロセス：

スプラッシュは、高加速により溶融池内の溶融金属が溶接液面に対してほぼ垂直な方向に噴射されることとして現れます。これは下の図ではっきりとわかります。溶接溶融物から液柱が上昇し、液滴に分解してスプラッシュを形成します。

飛沫発生シーン

レーザー溶接は熱伝導溶接と深溶け込み溶接に分けられます。

熱伝導溶接はスパッタの発生がほとんどありません：熱伝導溶接は材料の表面から内部への熱の伝達が主であり、加工中にスパッタがほとんど発生しません。このプロセスには、激しい金属蒸発や物理的冶金反応は含まれません。

深溶け込み溶接は、スプラッシュが発生する主なシナリオです。深溶け込み溶接では、レーザーが材料に直接到達し、キーホールを通じて材料に熱が伝達され、プロセス反応が激しいため、スプラッシュが発生する主なシナリオになります。

上図に示すように、一部の学者は、レーザー溶接中のキーホールの移動状況を観察するために、高温透明ガラスと組み合わせた高速度写真を使用しています。レーザーは基本的に鍵穴の前壁に当たり、液体を押し下げて流れ、鍵穴を迂回して溶融池の尾部に到達することがわかります。鍵穴内でレーザーが受光される位置は固定されておらず、鍵穴内ではレーザーはフレネル吸収状態にあります。実際には、多重屈折と吸収が存在し、溶融池液体の存在が維持されている状態です。各プロセスにおけるレーザーの屈折位置は鍵穴壁の角度に応じて変化し、鍵穴はねじれ運動状態になります。レーザー照射位置が溶けたり、蒸発したり、力が加わって変形することで蠕動振動が進みます。

上記の比較では高温透明ガラスを使用していますが、実際には溶融池の断面図に相当します。結局のところ、溶融池の流れの状態は実際の状況とは異なります。したがって、一部の学者は急速冷凍技術を使用しました。溶接プロセス中、溶融池は急速に凍結され、キーホール内の瞬間的な状態が得られます。レーザーが鍵穴の前壁に当たり、段差を形成していることがはっきりとわかります。レーザーはこの段差溝に作用し、溶融池を下方に押し流してレーザーの前進中にキーホールの隙間を埋め、実際の溶融池のキーホール内の流れのおおよその流れ方向図を取得します。右の図に示すように、液体金属のレーザーアブレーションによって発生する金属の反動圧力により、液体溶融プールが前壁を迂回するように駆動されます。鍵穴は溶融池の尾部に向かって移動し、後方から噴水のように上向きに押し上げ、尾部溶融池の表面に衝突します。同時に、表面張力（表面張力温度が低いほど衝撃が大きくなります）により、尾部溶融池内の液体金属は表面張力に引っ張られて溶融池の端に向かって移動し、継続的に凝固します。 。将来固化する可能性のある液体金属は、再び鍵穴の尾部まで循環していきます。

レーザーキーホール深溶け込み溶接の模式図: A: 溶接方向。B: レーザー光線。C：鍵穴。D: 金属蒸気、プラズマ。E: 保護ガス。F: キーホール前壁 (溶融前研削)。G: 鍵穴経路を通る溶融材料の水平方向の流れ。H: 溶融プール凝固界面。I: 溶融池の下降流路。

レーザーと材料の間の相互作用プロセス: レーザーは材料の表面に作用し、強力なアブレーションを生成します。材料はまず加熱、溶解、蒸発します。激しい蒸発プロセス中に、金属蒸気は上向きに移動して溶融池に下向きの反動圧力を与え、その結果キーホールが形成されます。レーザーは鍵穴に入り、複数の放射と吸収のプロセスを経て、金属蒸気が継続的に供給されて鍵穴が維持されます。レーザーは主に鍵穴の前壁に作用し、主に鍵穴の前壁で蒸発が起こります。反動圧力によって液体金属が鍵穴の前壁から押され、鍵穴の周りを溶融池の尾部に向かって移動します。鍵穴の周りを高速で移動する液体は溶融池に上向きに衝撃を与え、隆起した波を形成します。そして、表面張力によって端に向かって移動し、固化するというサイクルを繰り返します。スプラッシュは主に鍵穴開口部の縁で発生し、前壁の液体金属が鍵穴を高速で迂回して後壁の溶融池の位置に影響を与えます。