ステンレス鋼7へのレーザー溶接の応用

欠陥：原因と対策

レーザー溶接はステンレス鋼に対して比類ない精度を提供しますが、材料の前処理、工程パラメータ、またはシールドガス供給が最適化されていない場合、依然として欠陥が発生する可能性があります。アーク溶接とは異なり、レーザー溶接では溶融池が非常に小さく急速に凝固するため、エネルギー供給やシールド環境におけるわずかな乱れでも、目に見えるあるいは隠れた不具合を引き起こすことがあります。以下に、よく見られる欠陥の種類、その根本原因、および実証済みの是正措置について詳しく説明します。

毛孔性

· 冶金学的原因：凝固中に溶融池に閉じ込められた気泡（水素、酸素、窒素）。特に水素が最も一般的な原因であり、継手表面の水分や炭化水素から発生することが多いです。

· レーザー特有の要因：

1. 脱脂が不十分（切断油剤、油分、接着剤の残留物など）。

2. 湿気の多い環境からの水分吸収。

3. シールドガスの乱流により周囲の空気が混入する。

· 対策：

1. 清浄度：溶接直前に部品を溶剤で清掃し、乾燥させてください。

2. シールド：層流ガス流を維持する。乱流を防ぐために、より大きなノズルまたはディフューザを使用してください。

3. パラメータ調整：凝固前にガスが逃げる時間を確保するため、移動速度を若干低下させる。ガスを閉じ込めてしまう過度なキーホール深さを避けてください。

ホットクラック（凝固割れ）

· 冶金的原因：完全オーステナイト系溶接部におけるフェライト含有量が低いと、凝固時に不純物が結晶粒界に集中します。収縮による引張応力が完全凝固前の段階で亀裂を引き起こします。

· レーザー特有の要因：

1. 非常に高い移動速度は、狭く完全オーステナイトの凝固構造を生じます。

2. 収縮を拘束する剛性の高い治具。

· 対策：

1. 冶金的対策：フェライト化能の高い溶加材（例：ER308L、ER316L）を使用し、フェライト量を3～8％程度に調整してください。

2. 応力管理：治具による拘束を緩和し、収縮応力を分散させるために溶接を交互に配置してください。

3. パラメータ調整：感度の高い鋼種では極端に高速な溶接を避け、ビーム焦点を調整してやや広いビード形状を得るようにしてください。

溶け込み不足／完全貫通不良

· 冶金的原因：エネルギー密度が不十分またはビーム位置が不正確なために、継手面または根元が完全に溶融していない。

· レーザー特有の要因：

1. 焦点位置の誤りによるビームのデフォーカス。

2. ビームと継手中心線の位置ずれ。

3. 走行速度が高すぎる。

· 対策：

1. 光学系：焦点距離および位置を確認し、レンズの汚染をチェックする。

2. パラメータ：出力を増加または走行速度を低下させる；ワブル振幅が大きすぎる場合は減少させる。

3. 取付精度：継手の前処理を改善し、自己溶接の場合の隙間を0.1 mm未満に保つ。

アンダーカット／アンダーフィル

· 冶金的原因：溶融金属による補填が不十分なまま、溶接端部の母材が溶けて流れ出ている。

· レーザー特有の要因：

1. 高エネルギー密度と高速移動が組み合わさり、トーメタルを洗い流しています。

2. ビームのオフセンター配置。

· 対策：

1. 溶け込みの改善のために、移動速度またはビームオフセットを低減してください。

2. ギャップブリッジまたはビード成形のためにフィラーワイヤを追加してください。

3. シールドガスを調整して、溶融プールを不安定にする過剰なプラズマプラumeを回避してください。

キーホール不安定性／飛散

· 冶金的原因：蒸気空洞（キーホール）の変動により、溶融金属の崩壊または噴出が生じます。

· レーザー特有の要因：

1. 過剰な電力密度が激しい蒸発を引き起こします。

2. 汚染によって不均一な吸収が生じます。

3. 不適切なシールドガスの選択または流量が、不安定なプラズマプラumeを引き起こしています。

· 対策：

1. 峰電力の密度をわずかに低下させ,安定性のために焦点位置を調整する.

2. 表面が酸化物のない乾燥状態に

3. ヘリウム混合物を使って 鍵穴を安定させ 深く侵入する

変色 と 酸化

· 金属学的な原因:不鋼のクロムは,熱い金属が酸素にさらされると酸化し,腐食耐性を低下させる熱色を形成します.

· レーザー特有の要因：

1. 溶接中に,溶接後に遮断ガスカバーが不十分である.

2. 防護がない間隔や冷却温度が高すぎる

· 対策：

1. 初期遮蔽を増加させ,後盾を追加して冷却粒を25秒間覆う.

2. 高純度ガス (>99.99%) を使用する.

3. 熱を最小限に抑え 浸透を保ちます

過度の歪み

· 冶金的原因：ステンレス鋼は熱膨張係数が高いため、わずかな温度変化でも収縮応力が大きくなります。

· レーザー特有の要因：

1. 継手の板厚に対して出力が高すぎるビーム。

2. 応力を均衡させる配慮のない長尺で連続した溶接。

· 対策：

1. 速度または出力の調整により熱入热量を低減する。

2. 応力をバランスさせるために溶接順序を工夫する。

3. 整列を保ちながらも限られた範囲での膨張を許容する、制御されたクランプ力を有する治具を使用する。

ステンレス鋼のレーザー溶接では、ほとんどの欠陥は次の4つの根本原因のいずれかに起因しています：汚染、ビーム制御の不備、熱入力の誤り、またはシールドが不十分なこと。気孔は汚染またはガスの巻き込みによって生じ、ホットクラックはフェライト制御の不備と高い拘束によるもので、溶け込み不足は浸透が不十分なことが原因です。アンダーカットはビームの位置ずれにより、キーホールの不安定性は蒸気空洞の不安定さから生じ、変色は酸素への露出によるもの、歪みは熱的不平衡に起因します。対策は常に根本原因に的を絞ったものであるべきです。つまり、症状だけを処置するのではなく、前処理、パラメータ設定、シールドガス供給の改善を通じて根本原因を除去することが必要です。