レーザー溶接の欠陥: クラック、スパッタ、アンダーカット — 原因と解決策

レーザー溶接は、従来のアークプロセスでは実現できない速度で、深く、狭く、歪みの少ない接合を実現します。ただし、MIG や TIG ほど寛容ではありません。高エネルギービームは熱を微視的なスポットに集中させ、溶融池は急速に冷却するため、パラメータ、シールドガス、または接合準備の小さなエラーがすぐに欠陥として現れます。

現代の製造現場で不合格となるレーザー溶接の大部分は、次の 3 つの主な欠陥によって引き起こされます。クラック、スパッタ、アンダーカット。(注: 4 番目の主要な欠陥である気孔率については、レーザー溶接の継ぎ目のガス気孔に関する専用ガイドで個別に説明しています)。

このトラブルシューティング ガイドは、生産管理者、溶接監督者、およびハンドヘルドおよび自動レーザー溶接システムのオペレーターが作業現場の欠陥を迅速に特定し、根本原因を修正し、生産を継続するのに役立ちます。

これら 3 つの欠陥が製造工場にコストをもたらす理由

• やり直しとスクラップ:最終的な QC で欠陥が見つかった場合は、費用のかかる再切断、手作業での研磨、再溶接が必要になります。

• 不合格の構造テストと漏れテスト:亀裂や深いアンダーカットは有効断面積を減少させ、重大な応力上昇を引き起こし、現場での故障につながります。

• 美的ペナルティ:大量のスパッタやアンダーカットは、後処理を回避するであろう表面の継ぎ目を台無しにします。

最終検査ではなく、機械で欠陥を見つけて安定させることが、製造現場の真の収益性の鍵となります。

1.ひび割れ

あなたが見るもの

亀裂は、溶接ビードの直接またはそのすぐ隣に、中心線に沿って、溶接止端、または熱影響部 (HAZ) 内に走る鋭い不連続部として現れます。それは凝固直後に形成されることもあれば、数時間または数日後に形成されることもあります (硬化性炭素鋼では遅延冷間亀裂が一般的です)。

なぜそれが起こるのか、そしてそれを修正する方法

主な原因は、レーザー溶接特有の極端な冷却速度です。急速凝固により中心線に沿って低融点不純物が捕捉され（高温割れ）、高い拘束、急速冷却、および水素により影響を受けやすい鋼に低温割れが発生します。

ショップフロアのヒント:亀裂が連続的ではなく断続的に発生する場合は、材料のバッチ番号または入荷したシート コーティングを確認してください。周波数は、多くの場合、機械のドリフトではなく、材料化学の変化を追跡します。

2. スパッタ

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スパッタは、溶接池から激しく放出された溶融金属の液滴で構成され、部品の表面に着地したり、保護カバーのレンズに焼き付けられたりします。光の飛沫は対処できる場合もあります。重く継続的なスパッタは、キーホールプロセスが非常に不安定であることを示します。

なぜそれが起こるのか、そしてそれを修正する方法

スパッタとは、鍵穴の開閉があまりにも急速であるか、金属の蒸気圧がプールの上部から噴出していることを意味します。

ショップフロアのヒント:セットアップ中に最小限の一時的なスパッタが発生するのは正常です。生産中に着実に増加するスパッタは、通常、光学系の劣化 (保護ガラスの汚れ) または熱によるレンズのシフトを示しています。

3. アンダーカット

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アンダーカットは、溶接止端のすぐ母材に溶け込んだ独特の溝またはガウジで、中央の溶接ビードが凹んだエッジの「誇らしげな」ように見えます。有効耐荷重断面積が大幅に減少し、疲労破壊に対する典型的な応力集中部として機能します。

なぜそれが起こるのか、そしてそれを修正する方法

アンダーカットは、接合エッジで入力されたエネルギーが利用可能な充填材料を圧倒したときに発生します。つまり、周囲の溶融池が再充填するために逆流するよりも早く、レーザーが母材を蒸発または置換します。

ショップフロアのヒント:アンダーカットは標準の溶接ゲージを使用して簡単に測定できます。継ぎ目全体の深さを測定します。通常、局所的なアンダーカットはビームの位置ずれを示しますが、ラン全体にわたる均一なアンダーカットは過剰な熱入力を示します。

レーザー欠陥を修正するための体系的なフレームワーク

ラインに欠陥が突然現れた場合は、複数の変数を一度に変更したいという衝動を抑えてください。次の規律あるトラブルシューティング フローに従ってください。

1. 入力を安定させます。正確な材料グレード、厚さ、表面状態、接合タイプ、ギャップの一貫性を文書化します。

2. 一度に 1 つのパラメータを変更します。パワー、移動速度、フォーカス、ガス流、またはぐらつきを変更します —1 つの変更、1 つのテスト溶接。

3. まずスクラップでテストします:充電部に触れる前に、必ず完全に一致する製造材料を使用して検証クーポンを実行してください。

4. 作業ウィンドウをログに記録します。記録を保管してください。保護レンズの経年劣化、ノズルの摩耗、周囲条件の変化に応じて、パラメータは自然に変動します。

よくある質問

Q: 同じレーザー溶接パラメータでスパッタとアンダーカットの両方を同時に生成できますか?

A: はい。どちらも基本的には入熱の問題です。移動速度に対してパワーが過剰になると、1 回のパスで接合部のエッジ (アンダーカット) をえぐりながら、液滴 (スパッタ) が激しく飛び散る可能性があります。まずパワーとスピードのバランスを修正し、次に残りの欠陥を評価します。

Q: レーザークラックを防ぐためにフィラーワイヤーは常に必要ですか?

A: いいえ。冶金学的に適合する材料を使用した緊密で非常にきれいな接合部では、自己生成 (ワイヤフリー) レーザー溶接により、完璧な構造溶接が生成されます。フィラーワイヤーは、隙間のある接合部、亀裂に敏感な合金 (特定のステンレス鋼や高炭素鋼など)、および化学調整剤として機能する異種金属の組み合わせを扱うときに必須になります。

Q: 欠陥の原因が機械/パラメータにあるのか、それともオペレータにあるのかをどうやって知ることができますか?

A: 制御された隔離テストを実行します。事前に洗浄したテスト クーポンで、同じオペレータ、まったく同じパラメータを使用します。清潔で準備されたクーポンで繰り返し発生する欠陥は、機械、光学部品、またはパラメータの問題を示しています。特定のオペレータに伴う欠陥 (手持ちガンの角度のドリフトなど) はテクニックを示しています。

製造部品で欠陥のないレーザー溶接を実現

ほとんどのレーザー溶接欠陥は、最適化されたパラメータ、適切な接合準備、および正しい技術によって完全に防止可能ですが、「適切な」設定は特定の合金、接合構成、および生産量に完全に依存します。

当社の社内アプリケーション エンジニアリング チームは、お客様のコンポーネントに対してサンプル溶接試験を定期的に実行し、堅牢で生産準備が整ったパラメータ ウィンドウを確立します。(ガス気孔に関するヘルプをお探しですか?レーザー溶接における気孔の解決に関するガイドをお読みください)。

【無料溶接テストを申し込む】— 材料の仕様、厚さ、接合部の詳細をお送りください。私たちのチームは、あなたのショップ向けに最適化されたパラメータの推奨事項とサンプル評価結果を返します。