レーザー溶接は、熱入力が集中し、溶接ビードが狭く、変形が少ないという特徴を持つ高エネルギー密度溶接法であり、金属加工業界で広く使用されています。溶接中に、溶接部に酸素または酸化性ガスがさらされると、酸化が発生し、黒、黄色、青、または酸化色の溶接表面が生じ、機械的性能と外観品質に悪影響を及ぼします。この記事では、材料特性、環境要因、ガスシールド、およびプロセスパラメータの観点から、溶接酸化の主な原因を分析します。
1. 溶接酸化の基本メカニズム
溶接酸化は、高温の金属が酸素または酸化性ガスと反応して発生します。レーザー溶接ゾーンの温度は1000℃～3000℃に達することがあり、溶融プールと熱影響部は熱的に活性化された状態を維持し、酸素が浸透して酸化層を形成する傾向を増加させます。一般的な酸化反応には以下が含まれます:
金属 + O₂ → 金属酸化物
合金元素の優先酸化（例：Cr、Mn、Ti、Al）
したがって、酸化の程度は、温度、材料組成、および酸素濃度と密接に関連しています。
2. 溶接酸化の主な原因
(1) ガスシールドの不十分さ
これは、レーザー溶接中の酸化の最も一般的な原因であり、通常、以下が含まれます:
酸素の隔離が不完全になるガス流量の不足
不完全なカバレッジを引き起こす不適切なノズル角度
不適切なガスタイプ（例：アルゴンよりも不活性性の低い窒素）
ガスディフューザーまたはシールド構造の不備
シールドガスの一般的な酸化防止効果は次のとおりです:
アルゴン ＞ ヘリウム ＞ 窒素 ＞ シールドなし
シールドが不十分な場合、冷却中に溶融プールが空気にさらされ、酸化が増加します。
(2) 溶接環境中の高酸素濃度
換気不良やガス純度の低さにより、溶接環境に過剰な酸素が含まれている場合、シールド効果が低下します。一般的な条件には以下が含まれます:
過剰な酸素を含む低純度のシールドガス
溶接部に酸素を導入する周囲の気流
空気を導入するガスラインの漏れ
たとえば、工業用アルゴンの純度が99.99％を下回ると、溶接酸化が大幅に増加する可能性があります。
(3) 高い酸化傾向を持つ材料
異なる材料は異なる化学反応性を示します。以下の元素を含む金属は、酸化しやすくなります:
Cr、Mn、Si、Al、Ti およびその他の活性元素
高マンガン鋼、ステンレス鋼、チタン合金、マグネシウム合金
例:
ステンレス鋼にはクロムが含まれており、600℃以上で酸化クロムを形成し、変色を引き起こします。
チタン合金は400℃以上で酸素と反応し、溶接部の変色と脆化を引き起こします。
したがって、材料特性は酸化挙動において重要な役割を果たします。
(4) 過剰なレーザー熱入力
熱入力は、溶融プールの温度と持続時間を決定します。過剰な熱入力は以下を引き起こします:
より高い溶融プール温度と酸化の激化
より長い冷却時間、酸化曝露期間の増加
結果として生じる溶接部の変色は、多くの場合、次のような順序に従います:
金 → 青 → 紫 → 灰色/黒
より暗い色は、一般的により高い酸化レベルを示します。
(5) 低い溶接速度
溶接速度は、溶融プールの曝露時間と反比例します:
低速 → より長い曝露 → 酸化の増加
高速 → より短い曝露 → 酸化の減少
酸化による変色は、低速での薄板溶接で特に一般的です。
(6) 溶接後のシールドの欠如
一部の材料は、冷却中に溶接後のシールドを必要とします。そうしないと、材料が熱いまま酸化が発生する可能性があります。典型的なケースには以下が含まれます:
トレーリングガスシールドを必要とするチタン合金
内部シールド（アルゴンバックパージ）を必要とするステンレス鋼管
不十分なポストシールドは、目に見える熱変色と酸化層をもたらします。
3. 溶接酸化の影響
溶接酸化は外観に影響を与えるだけでなく、以下を引き起こす可能性があります:
耐食性の低下（クロム酸化はステンレス鋼の不動態化を減少させます）
延性と靭性の低下（例：チタンの脆化）
亀裂感受性の増加
疲労性能の低下
後処理要件の増加（酸洗または機械的除去）
したがって、高い溶接品質要件を持つ業界は、酸化レベルを制御する必要があります。
レーザー溶接中の溶接酸化は、主にシールドの不十分さ、材料の酸化傾向、高い環境酸素レベル、高い熱入力、および不適切な溶接速度によって引き起こされます。酸化を減らすには、ガスシールド戦略、プロセスパラメータ、機器設計、および環境条件を組み合わせて最適化する必要があります。