鍵穴効果

1.鍵穴の定義

キーホールの定義: 放射線強度が 10^6W/cm^2 より大きいとき、レーザーの作用で材料の表面が溶けて蒸発するとき、蒸発速度が十分に大きいとき、蒸気によって発生する反動圧力液体金属の表面張力と液体の重力に打ち勝つには十分であり、液体金属の一部を押しのけます。これにより、レーザーの作用領域の溶融池が凹み、小さなピットが形成されます。ビームは小さなピットの底に直接作用し、金属がさらに溶解して蒸発します。高圧蒸気は、ピットの底にある液体金属を溶融プールの周囲に向かって押し続け、その結果、小さな穴がさらに深くなります。このプロセスを続けると、最終的に液体金属に鍵穴のような穴が形成されます。

鍵穴効果 レーザー溶接 レーザー溶接プロセス中の材料の熱膨張と内部ガスの蒸発により、小さな気泡や穴が形成されることを指します。これらの穴は、溶接の品質と溶接シームの強度に影響を与える可能性があります。キーホール効果は主に次の理由で発生します。

1）材料の熱膨張：レーザー光のエネルギー密度が高いため、溶接部の温度が急速に上昇し、材料が熱膨張します。これにより、溶接部に応力が発生し、変形が生じます。溶接材料の熱膨張が均一でない場合、穴が発生しやすくなります。

2）内部ガスの蒸発：溶接材料中には微量のガスや不純物が存在します。溶接箇所にレーザー光を照射すると、高温によりこれらのガスが急速に蒸発し、気泡や穴が形成されます。この気泡により溶融池の形成や溶融金属の充填が妨げられ、溶接の品質に影響を与えることがあります。

3）材料の化学反応：高温下で、溶接材料は周囲環境に存在する酸素、水蒸気、その他の元素と化学反応を起こし、酸化物やその他の化合物を生成します。これらの化合物は溶接部の融点を低下させ、融点を上昇させます。溶接プロセス中にガスが放出され、キーホール効果がさらに引き起こされます。

レーザービームによって微細孔内に生成された金属蒸気の圧力が液体金属の表面張力と重力と平衡に達すると、微細孔はそれ以上深くなり続けなくなり、深さが安定した微細孔が形成されます。これが「キーホール効果」と呼ばれるものです。

2.鍵穴の形成と発達

溶接プロセス中、キーホール壁は常に大きな変動状態にあります。鍵穴の前壁にある溶融金属の薄い層は、壁の変動に伴って下方に流れます。鍵穴の前壁にある突起は、高出力密度レーザーの照射により強力に蒸発します。発生した蒸気は後方に噴出し、後壁の溶融池金属に衝突して溶融池を振動させ、凝固過程における溶融池内の気泡のオーバーフローに影響を与えます。

微細孔の存在により、レーザー ビームのエネルギーが材料に浸透し、この深くて狭い溶接シームが形成されます。上の写真は、レーザー深溶け込み溶接の典型的な断面形態を示しています。溶接の深さとキーホールの深さは近いです (正確に言うと、金属組織学的比較はキーホールより 60 ～ 100 μm 深く、わずか 12 ミリの差があります)液相層）。レーザーのエネルギー密度が高くなるほど、キーホールは深くなり、溶接の深さも深くなります。高出力レーザー溶接では、溶接の深さと幅の比が最大で 1:XNUMX に達することがあります。

溶接プロセス中のキーホールの不安定性は、主にキーホール前壁の局部金属の蒸発によって引き起こされます。気孔率を形成する要因は次のとおりです。

1) 局所的な蒸発により、保護ガスが浸透します。

2) 合金元素の燃焼。

3) アルミニウムおよびその合金のレーザー溶接では、冷却プロセス中にアルミニウム中の水素の溶解度が大幅に減少します。

3.鍵穴におけるレーザーエネルギー吸収の解析

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。溶接プロセスは伝導溶接（溶融深さ0.5 mm以内）に属し、レーザーに対する材料の吸収率は25〜45％であり、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依存します。ワーク内部に直接吸収されます。 溶接工程は深溶け込み溶接（溶け込み深さ0.5mm以上）となります。、吸収率は60〜90％以上に達することができます。鍵穴効果は非常に重要な役割を果たします などの加工プロセスにおけるレーザーの吸収を強化する場合 レーザー溶接、切断、パンチング。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、キーホールにおけるレーザーのエネルギー吸収メカニズムには、逆制動放射吸収とフレネル吸収という 2 つのプロセスが含まれると考えられています。

3.1 フレネルの吸収

フレネル吸収は、レーザーのキーホール壁の吸収メカニズムであり、キーホール内での多重反射下でのレーザーの吸収挙動を説明します。レーザーが鍵穴に入ると、鍵穴の内壁で複数の反射が発生し、各反射プロセス中にレーザー エネルギーの一部が鍵穴の壁に吸収されます。

左のグラフから、赤外線レーザーに対する鋼の吸収率は、マグネシウムの約2.5倍、アルミニウムの約3.1倍、金、銀、銅の約36倍であることがわかります。 高反射率の材料の場合、深溶融レーザー溶接プロセスにおけるエネルギー吸収の主なメカニズムは、小さな穴でのレーザー ビームの多重反射です。

吸収率が低いと、高反射材料のレーザー溶接中のエネルギー結合効率が低くなり (71% VS 97%)、小さな穴の底でのエネルギー吸収の集中が高くなります。高反射材料のレーザー溶接プロセス中、 細孔の深さ方向のエネルギー分布がアンバランスとなり、細孔の不安定性が促進され、気孔が発生したり、融合が不完全になり、外観不良が発生します。

3.2 逆靭性吸収

小さな穴を吸収するもう一つのメカニズムは、 プラズモン逆靱性放射線吸収光誘起プラズマは小さな穴の出口の上に存在するだけでなく、小さな穴を満たします。レーザーは穴壁からの 2 回の反射の間にプラズマ中を進み、そのエネルギーの一部はプラズマによって吸収され、プラズマによって吸収されたエネルギーは対流と放射によって穴壁に伝わります。

2 つのエネルギー吸収メカニズムの役割と割合: 小さな穴内でレーザー エネルギーを吸収する 2 つのメカニズムは、溶接シームの形成に異なる影響を与えます。

•プラズマによって吸収されたエネルギーの大部分は小さな穴の上部で放出され、底部ではほとんど放出されないため、「ワイングラス」形状の穴が得られやすくなりますが、深さを広げることにはつながりません。穴の。

• 穴壁のフレネル吸収によって放出されるエネルギーは穴の深さ方向に比較的均一であるため、穴の深さを深くし、最終的に比較的深く狭い溶接シームを得るのに有利です。

溶接の品質と効率を向上させるという観点から、小さな穴内のプラズマを制御して溶接の安定性を高めることができれば、レーザー変調、調整可能な環状モード、および複合熱源はすべて、潜在的に効果的な技術ソリューションとなる可能性があります。

4.鍵穴内の圧力バランス

レーザー深融着溶接中、材料は劇的に蒸発し、高温蒸気の膨張圧力によって液体金属が押しのけられ、小さな穴が形成されます。小さな穴の内部には、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、重力によって引き起こされる液体の静圧、および流体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、蒸気圧だけが小さな穴を開いたままに保つのに役立ち、他の 3 つの力はすべて小さな穴を閉じようとします。溶接プロセス中に小さな穴の安定性を維持するには、安定状態に達し、鍵穴の長期安定性を維持するには、蒸気圧が他の抵抗力に打ち勝つのに十分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。

5. 鍵穴の不安定性

レーザーが材料表面に作用すると、大量の金属が蒸発し、その反動圧力によって溶融池が下に押し下げられ、キーホールとプラズマが形成され、溶解の深さが増加します。移動プロセス中に、レーザーが照射されると、レーザーが鍵穴の前壁に当たると、レーザーが材料に接触するすべての位置で材料が激しく蒸発します。同時に、鍵穴の壁に質量損失が発生し、蒸発によって形成された反動圧力も液体金属を下向きに押し、鍵穴の内壁を下向きに変動させ、鍵穴の底を迂回して鍵穴に向かって移動します。鍵穴の奥にある溶融池。液体の溶融池が前壁から後壁に変動する動きにより、鍵穴の内容積は常に変化しており、それに応じて鍵穴の内圧も変化します。圧力の変化により、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、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。プロセス全体は動的かつ周期的であり、最終的には鋸歯状の波状の金属溶解深さが生じ、滑らかに等しい深さの溶接シームは存在しません。

これは、溶接シーム中心を溶接シームに平行に縦断した断面図と、IPG-LDDによってリアルタイムに測定されたキーホール深さ変化図によって裏付けられています。

6.鍵穴の周期変動

1. レーザーは鍵穴の前壁に作用し、前壁を激しく蒸発させます。反動圧力が前壁を押し下げ、液体金属を絞って下方への移動を加速します。液体金属の下方への動きにより金属蒸気が絞り出され、鍵穴の開口部から噴き出します。急激に増加した金属蒸気は、レーザーエネルギーを吸収してイオン化するとともに、レーザーエネルギーを屈折・吸収し、鍵穴に到達するレーザーエネルギーが激減します。

2. 鍵穴に到達するレーザーエネルギーの急激な減少により、鍵穴内の金属蒸発量が減少します。これにより、キーホールの圧力が低下し、キーホールの上部開口部から漏れる金属蒸気の量が減少し、溶解深さが減少します。

3. 金属蒸気の量が減少すると、レーザーエネルギーの遮蔽、屈折、吸収が減少し、キーホールの内部に到達するレーザーエネルギーが増加し、溶解深さが増加します。

7.鍵穴が波の方向を抑制

1） 表面張力

影響: 表面張力は溶融池の流れに影響を与えます。

抑制: レーザー溶接プロセスを安定させるには、溶融池内の表面張力の勾配分布を過度の変動なく維持する必要があります。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、複合熱源と振動溶接は、溶接プロセスを安定化するための潜在的な技術的アプローチとなります。

2）金属蒸気の反動圧力

影響:金属蒸気の反動圧力は鍵穴の形成に直接影響し、鍵穴の深さと体積に密接に関係しています。また、金属蒸気は溶接工程中に上昇する唯一の物質であるため、スパッタリングの発生と密接に関係します。

阻害:金属蒸気と鍵穴の体積の関係では、プラズマ効果と鍵穴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鍵穴も大きくなり、底部の小さな溶融池の変動は無視できるように見えます。これにより、鍵穴全体の容積と内部圧力の変化への影響が小さくなります。したがって、調整可能なリング モード レーザー (リング状のスポット)、レーザーとアークの組み合わせ、周波数変調などはすべて、拡張の可能性があります。