レーザー溶接プロセスに対するシールドガスパラメータの影響

レーザー溶接プロセスに対するシールドガスパラメータの影響

01 はじめに

レーザー溶接技術は、その高エネルギー密度、低入熱、非接触特性により、現代の精密製造の中核プロセスの 1 つとなっています。{0}}しかし、溶接中の溶融池と大気との接触によって引き起こされる酸化、気孔率、および元素の損失により、溶接部の機械的特性と耐用年数が大きく制限されます。溶接環境を制御するための中心媒体であるシールドガスは、材料の特性（化学反応性や熱伝導率など）や板厚と組み合わせて、その種類、流量、吹き込み方法などを考慮して選択する必要があります。

レーザーおよび電子ビーム加工

02 シールドガスの種類

シールドガスの主な役割は、酸素を隔離し、溶融池の挙動を調整し、エネルギー結合効率を向上させることです。シールドガスは化学的性質に基づいて、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム）と活性ガス（窒素、二酸化炭素）に分類されます。不活性ガスは化学的安定性が高く、溶融池の酸化を効果的に防止しますが、その熱物理的な違いは溶接結果に大きな影響を与えます。

たとえば、アルゴン (Ar) は高密度 (1.784 kg/m3) で安定した被覆層を形成しますが、熱伝導率が低い (0.0177 W/m・K) ため冷却が遅くなり、浸透が浅くなります。対照的に、ヘリウム (He) は熱伝導率が 8 倍高く (0.1513 W/m・K)、冷却が促進され浸透深さが増加しますが、密度が低い (0.1785 kg/m3) ため逃げやすく、保護を維持するにはより高い流量が必要です。

窒素（N₂）などの活性ガスは、場合によっては固溶強化を通じて溶接強度を向上させることができますが、過剰に使用すると気孔や脆性相の析出が発生する可能性があります。{0}たとえば、二相ステンレス鋼の溶接中に溶融池に窒素が浸透すると、フェライト/オーステナイト相のバランスが崩れ、耐食性が低下する可能性があります。

[画像: 図 1. 304L ステンレス鋼のレーザー溶接、(上) Ar 保護。 (下)N₂保護]

プロセスメカニズムの観点から見ると、ヘリウムの高いイオン化エネルギー (24.6 eV) がプラズマシールドを抑制し、レーザーエネルギーの吸収と透過を強化します。アルゴンはイオン化エネルギーが低く (15.8 eV)、プラズマ雲を生成しやすいため、干渉を減らすためにデフォーカスまたはパルス変調が必要になります。さらに、活性ガスは溶融池と化学反応する可能性があり（例、N2 が鋼中の Cr と窒化物を形成する）、溶接部の組成を変化させ、慎重な選択が必要になります。

材料の応用例：
- 鋼: 薄板用 (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 mm)、ヘリウムを添加すると貫通力が向上します。
- ステンレス鋼: アルゴン保護により Cr の損失を防ぎます。厚さ 3 mm の 304 ステンレス鋼では、溶接部の Cr 含有量は 18.2% に達します (母材では 18.5% 近く)。二相ステンレス鋼には、相バランスのために Ar-N₂ 混合物 (N₂ 5% 以下) が必要です。研究によると、厚さ 8 mm の 2205 二相ステンレス鋼では、Ar-2%N₂ が 48:52 のフェライト/オーステナイト比と、純粋な Ar (720 MPa) より優れた 780 MPa の引張強さを維持します。
- アルミニウム合金: 薄板用 (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 mm)、He-Ar 混合物 (3:1) は浸透力とコストのバランスをとります。たとえば、厚さ 8 mm の 5083 プレートを混合ガスで溶接すると、コストを 20% 削減しながら、純粋な Ar よりも 35% 深い溶け込み 6.2 mm を達成できました。

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03 シールドガス流量の影響

シールドガス流量は、被覆能力と溶融池の流体力学に直接影響します。流量が不十分だと空気を完全に隔離できず、酸化や多孔質が発生します。過剰な流れは乱流を引き起こし、溶融池を洗ってくぼみやスパッタを引き起こす可能性があります。レイノルズ数 (Re=ρvD/μ) によれば、流量が増加すると速度が増加し、Re > 2300 になると層流が乱流に移行し、溶融池が不安定になります。したがって、臨界流量は実験または CFD シミュレーションによって決定する必要があります。

[画像: 図 2. さまざまなシールドガス流量が溶接部に及ぼす影響]

流れを最適化するには、熱伝導率とプレートの厚さを考慮する必要があります。
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6mm）、酸化を抑えるには18～22L/minが必要です。たとえば、厚さ 6 mm の 316L ステンレス鋼では、20 L/min で HAZ 硬度の均一性が 30% 向上しました。
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 mm、乱流を避けるために複合ブローが必要です。

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04 シールドガス吹き込み方法の影響

ブロー法は、気流の方向と分布を制御することにより、溶融池の流れと欠陥の抑制に直接影響を与えます。それは表面張力勾配とマランゴニの流れを変化させ、それによって溶融池のダイナミクスを調整します。サイドブロー-は方向性のある流れを誘発し、気孔率や介在物を低減します。一方、複合ブ​​ローはエネルギー分布のバランスを取り、溶接の均一性を向上させます。

[画像: 図 3. 溶接部に対するさまざまな吹き付け方法の影響]

主な吹き方：
- 同軸ブロー: 気流はレーザー ビームと同軸で、溶融池を対称的に覆い、高速溶接に適しています。-これによりプロセスの高い安定性が保証されますが、レーザーの焦点合わせが妨げられる可能性があります。たとえば、1.2 mm の自動車用亜鉛メッキ鋼板では、同軸ブローにより溶接速度が 40 mm/s に増加し、スパッタが発生しました。<0.1.
- サイドブロー:-: 気流が側面から入り、プラズマと不純物を効果的に除去し、深溶け込み溶接に適しています。厚さ 12 mm の Q345 鋼の場合、30 度の横吹き-では、針入度は 18% 増加し、気孔率は 4% から 0.8% に低下しました。
- 複合ブロー: 同軸ブローとサイドブローを組み合わせて、酸化とプラズマ干渉を同時に抑制します。-デュアル-ノズル設計を備えた厚さ 3 mm の 6061 アルミニウム合金の場合、気孔率は 2.5% から 0.4% に減少し、引張強度は基材の 95% に達しました。

05 結論

シールドガスが溶接品質に及ぼす影響は、基本的にエネルギー伝達、溶融池の熱力学、および化学反応の制御に起因します。
1. エネルギー伝達: ヘリウムの高い熱伝導率により冷却が促進され、HAZ 幅が減少します。アルゴンの低い導電率は溶融池の寿命を延ばし、薄いシートの成形に有利になります。
2. 溶融池の安定性: 気流せん断は溶融池の流れに影響を与えます。適切な流量はスパッタを抑制しますが、過剰な流量は渦や欠陥の原因となります。
3. 化学的保護: 不活性ガスが酸素を隔離し、合金元素 (Cr、Al など) の酸化を防ぎます。活性ガス（N₂ など）は固溶強化や化合物の形成を通じて溶接特性を変化させますが、正確な制御が必要です。

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出典: WeChat 公開アカウント「高エネルギー ビーム処理技術と応用」の編集チームが収集。-