レーザー溶接継手における気孔の原因と制御方法

I. はじめに

レーザー 溶接 は,高エネルギー密度,熱の影響を受ける 地域 が 小さく,溶接 形状 が 良好 で,歪み が 少なく なかっ た の など の 利点 を 提供 し て い ます. 製金・電子機器・電池・医療機器・自動車産業などに広く使用されています. しかし,実用的な溶接アプリケーションでは,材料,設備,およびプロセス要因の組み合わせによる溶接の内部または表面に孔隙性欠陥が頻繁に発生します. これらの欠陥は,溶接強度,密度,外観の質に悪影響を及ぼします. したがって,孔隙形成のメカニズムを分析し,溶接安定性と製品品質を改善するための効果的な制御措置を提案する必要があります.

について 溶接 器 の 毛孔 性 の 主要 な 原因

溶接における孔隙は,通常,閉じ込められたガス,溶けたガス降水,または材料の蒸発によって引き起こされる. 主な原因は以下の通りです

1. 労働力 表面汚染

溶接面に油、水分、錆、またはコーティングが存在する場合、高温でそれらが分解され、溶融池にガスを発生させます。例：

油汚れ → 炭化水素ガスを生成

水分 → H₂およびO₂を生成

コーティング → 有機または無機ガスに分解

溶融池が急速に凝固する場合、これらのガスは kịp時に逃げることができず、気孔を形成します。

2. 材料中の高いガス含有量

特定の材料は、より高いレベルの水素、酸素、窒素、または介在物を含んでおり、溶融中に析出して気泡を形成することがあります。例：

アルミニウム合金は水素に対して敏感

鋼材は酸素に対して敏感

銅合金は窒素に対して敏感

溶融池の保持時間が不十分であるか、冷却が速すぎると、気体が閉じ込められ、孔が形成される。

3. 不十分または不安定なレーザーエネルギー入力

エネルギー密度が不十分であると、溶融池が浅くなり流動性が低下するため、気体の逃げにくくなる。エネルギーの変動は、溶融池の封止状態にバラつきを生じさせ、気泡の巻き込みを引き起こす可能性がある。

一般的な現象には以下のようなものがある：

レーザー出力の変動

焦点位置のずれによる出力密度の低下

溶接速度が高すぎて完全な溶け込みが得られないこと

4. シールドガスのカバー不備

シールドが不十分であるか、シールド方向が誤っていると空気が溶融池に侵入し、ガス反応を生じる。ガス流量が過剰だと乱流や空気の巻き込みを引き起こす可能性がある。

よくある問題には以下のようなものがあります：

アルゴンガスの流量過多による渦の発生

ガスのずれにより不完全なシールドが生じる

ノズルの汚染による流動場の乱れ

5. 溶接材料と母材の不一致

溶接ワイヤーを用いる場合、フィラーワイヤーの成分、ガス含有量、または清浄度が不良であると、余分なガスや介在物が導入される可能性がある。

例は以下の通りです：

湿気を含んだり吸湿性のある溶接ワイヤー

不適切な保管条件

ワイヤーの清掃が不十分

III. 溶接気孔の主な危険性

気孔欠陥は主に以下の点で製品品質に影響を与える：

溶接強度および疲労寿命の低下

気密性および遮断性能の劣化

外観品質の劣化

重要な用途における信頼性の低下

バッテリー外装、医療機器、気密構造などの業界では、気孔欠陥により製品が完全に拒絶される可能性がある。

IV. 溶接気孔欠陥の制御方法

レーザー溶接の品質を向上させるためには、材料、装置、工程、環境の各側面で最適化を行う必要がある。

1. 適切な表面前処理を実施する

溶接面の清掃は、気孔のリスクを著しく低減する。一般的な方法には以下が含まれる：

機械的清掃（研削、ブラッシング）

溶剤清掃（アルコール、アセトン）

レーザー清掃（量産向けに適している）

乾燥および除湿（特にアルミニウム合金用）

主な対象部位は溶接部周辺および重ね継手の内部接触面です。

2. 材料品質および保管条件の管理

材料のガス吸収特性に基づいて：

アルミニウム合金は水分吸収を防ぐため、乾燥状態で保管する必要があります

銅部品は酸化を防ぐためにガスまたはコーティングで保護する必要があります

鋼材は重度の錆びや汚染物から避ける必要があります

フィラーワイヤー溶接では、ワイヤーは常に乾燥かつ清潔に保たなければなりません。

3. レーザーエネルギーのパラメータ最適化

ガスの逃げを確保するためには、適切な工程マッチングが極めて重要です。最適化の方向性には以下が含まれます：

電力密度を高めることで、溶け込みと流動性が向上します

溶接速度を低下させることで、溶融池の開放時間が延長されます

焦点位置を調整することで、溶融池の安定性が向上します

レーザー出力を安定させることで、エネルギーの変動を回避します

深溶け込み溶接では、負のデフォーカスが溶け込みおよび流動挙動を改善する場合があります

4. シールドガスシステムの改善

シールドガスの最適化には以下が含まれます：

適切なガスの選定（例：アルミニウム溶接におけるアルゴン）

適切な流量の制御（乱流を避ける）

ノズル角度およびスタンドオフ距離の最適化

空気の巻き込みを防ぐために保護範囲を拡大する

アルミニウム溶接では、気孔を低減するために二重ガスまたは囲いシールドがよく使用される。

5. 継手設計および溶接構成の最適化

継手設計はガス逃げ挙動に影響を与える：

可能であれば、重ね継手よりも突合せ継手を好む

やむを得ず重ね継手を使用する場合は、ガス抜き経路を設ける

急速冷却中にガスを閉じ込めるような密閉構造を避ける

適切な構造設計により応力を低減し、ガス逃げ効率を向上させる。

V. 結論

レーザー溶接の気孔は、材料、プロセス、環境条件の複合的影響によって生じる典型的な欠陥である。その発生メカニズムは多数の要因と強く連動している。材料の清浄度を向上させ、レーザーおよびシールドガスのパラメーターを最適化し、適切な継手設計を採用することにより、溶接部の成形品質と性能を大幅に向上させることができる。製造現場では、オンラインモニタリングとクローズドループ型の品質管理システムを統合することで、溶接品質をさらに安定化させ、レーザー溶接技術のより広範な産業への適用を支援することができる。