レーザービーム溶接TC4チタン合金の研究の進歩

チタン合金は、比強度、耐食性、クリープ特性が高く、炭素繊維複合材料との適合性が高いため、航空、航空宇宙、海洋、自動車、化学、生物医学の分野で広く使用されています。 チタン合金は、作動温度が130°Cを超える場合、または異なる材料の使用によりボーイングの民間航空機747および757の着陸装置などの最終コンポーネントが過剰になる場合にもアルミニウム合金を置き換えることができます[1]。 市販のチタン合金の中でも、α+β二相チタン合金の代表であるTi-6Al-4Vは、物理的・機械的特性に優れ、熱処理や強化、熱機械加工が可能なため、広く使用されています。

しかしながら、チタン合金の高強度、低熱伝導率および高い化学反応性によって引き起こされる比較的高価な原材料および複雑な成形および機械加工プロセスのために、チタン合金は比較的高価である。航空宇宙用途では、軽量化を考慮して、機械的接続を溶接に置き換える必要があります。コストを削減するには、鍛造全体を溶接に置き換える必要があります。これらの理由から、溶接はコストの削減と生産歩留まりの向上という点で非常に意味のあるものになりました。また、メンデスとイーグルのレポート[2]は、航空宇宙産業の傾向は、重量とコストを削減するためにリベットではなく溶接を使用することであると指摘しています。明らかに、溶接は、製造された接合部の品質が保証されている場合にのみ、成形や機械加工などの従来の製造技術に取って代わることができます。

現在、チタン合金の溶接には多くの熱源が検討されています[3]。しかし、従来の融接法を用いてチタン合金を溶接すると、溶接速度が遅く、溶接部が変形し、溶接構造が粗くなり、溶接部に細孔や介在物などの溶接欠陥が発生し、ガス保護が起こりやすくなります。溶接プロセスで発生する溶接品質に影響を与える低品質などの多くの欠点により、溶接チタン合金の用途がある程度制限されます。

アーク溶接と比較して、ビーム処理は熱源をより集中させることができ、より高いエネルギー密度を持ち、溶融池領域でより狭くより深い溶接を形成することができます。最近、新しいタイプの高エネルギー溶接として、レーザー溶接が急速に発展しました。これは主に、刺激された放射ビームを溶接熱源として使用し、母材を加熱して溶融池を形成し、最後に冷却して固化して形成する溶接方法です。溶接。一種の高エネルギービーム溶接技術として、集中エネルギー密度、良好な溶接形成、速い溶接速度、高い溶接精度、簡単な自動化、高い生産効率、簡単な溶接装置、および真空チャンバーの必要がないという利点があります。 [4]、さまざまな産業分野で広く使用されています。たとえば、1970年代初頭、米国海軍合同兵器部とエジソン溶接研究所は、航空機製造のさまざまな材料に15 kW CO2レーザーを使用して、航空機や装甲車両などの武器や機器のレーザー溶接技術研究を実施しました。 、部品の溶接試験、評価、プロセス標準化が実施されました[5]。 Li [6] et al。はまた、レーザービームがチタン合金の高品質の溶接エネルギー源であることを証明しました。 Wang [7] et al。は、試験温度が450°Cに上昇しても、Ti-6Al-4Vシートのレーザー溶接が良好な機械的特性を達成できることを発見しました。

そこで、レーザー溶接TC4チタン合金の溶接シーム形成メカニズムの研究の進捗状況とプロセスパラメータが溶接品質に及ぼす影響をまとめ、レーザー溶接チタン合金の開発動向を展望し、レーザー開発の参考にします。チタン合金の溶接。

1レーザービーム溶接の原理と特性

溶接部に作用するレーザーの出力密度に応じて、レーザー溶接は、レーザー熱伝導溶接と深溶け込み溶接の2つの基本的な溶接方法に分けることができます。熱伝導溶接の出力密度は104〜105 W / cm2未満で、溶け込み深さが浅く、アスペクト比が小さい。深溶け込み溶接の出力密度が105〜107 W / cm2を超えると、金属表面が熱の作用で「キャビティ」に凹み、溶接速度が速く、アスペクト比が大きくなります。

①レーザー熱伝導溶接

レーザー熱伝導溶接は、低出力密度で金属表面を長時間照射して金属表面を溶かし、表面に吸収された熱を熱伝導により材料内部に伝達し、固液化するものです。インターフェースはゆっくりと最下層に進み、最終的に溶接物の溶接を実現します。レーザー熱伝導溶接で溶接される材料は、通常、再凝固後のはんだ接合または継ぎ目です。熱伝導溶接では、溶接材料が気化せずに完全に溶けるようにするために、レーザー出力と溶接速度を制御して溶接面の温度を厳密に制御し、溶融点の間にあるようにする必要があります。熱伝導率を確保するための材料の沸点溶接の溶接品質。

熱伝導性溶接で使用される低出力密度のレーザースポットは、レーザーへの金属の低い吸収率と相まって、レーザーのほとんどが金属溶接部によって反射されます。したがって、熱伝導溶接を使用した溶接部は、溶け込みが浅く、はんだ接合部が小さく、熱影響部が小さく、溶接部の変形が小さく、高精度で溶接品質は良好ですが、溶接速度は遅くなります。熱伝導溶接は、一般に精密機器やメーターで使用されており、変動の少ない精密部品と電子部品の薄板の精密機械加工が必要です。

熱伝導溶接の原理は、レーザー放射が処理される表面を加熱し（レーザーエネルギーは表面の10-100nmの薄層によって吸収されます）、表面熱は熱伝導によって内部に拡散され、レーザーパルスの幅、エネルギー、ピークパワー、繰り返し周波数レーザーパラメーターがワークピースを溶かし、2つの材料が接続されている部分に溶融池を形成するのを待ちます。レーザービームが前方に移動した後、溶融池内の溶融金属が固化して溶接部を形成します。

熱伝導溶接は一般的にパルスレーザーを使用します。材料は表面近くの融点よりも低い温度にのみ加熱され、レーザーエネルギーの大部分は金属表面で反射され、光吸収率が低いため、侵入深さは比較的浅く、通常は1mm〜2mmです。 。主に計装、薄い（約1mm）の溶接、バッテリーケーシングや電子部品の小さな部品や構造に使用されます。

②レーザー深溶け込み溶接（小穴溶接）

レーザー深溶け込み溶接の原理とレーザー照射下での表層溶融プロセスの概略図を図1.2に示します。このプロセスでは、高出力密度レーザーの連続照射下で、非常に短時間で、金属表面の温度が沸点まで上昇し、急速に溶融し、さらには気化または蒸発してプラズマを形成します。金属蒸気が一定の速度で溶融池から逃げると、液体金属に反跳圧力が発生し、溶融池の表面が沈んでピットが形成されます。金属蒸気が絶え間なく逃げると、ピットが徐々に深くなり、最終的には溶融池に細長い穴が形成されます。金属蒸気の反動圧力が液体金属の表面張力および重力と釣り合っている場合、細孔の形状およびサイズは安定する傾向があります。熱は穴の壁から外側に伝達され、材料によるレーザーの吸収を促進し、小さな穴の周りの金属の溶融を促進して溶融プールを形成します。金属が継続的に蒸発すると、小さな穴が前方に移動すると同時に、表面張力によって背面の小さな穴が消えます。小さな穴の前の母材は、高エネルギーレーザーによって溶融されます。 、圧力勾配と温度勾配の作用下で小さな穴をバイパスし、穴の裏側が再固化して溶接部を形成します[8]。溶接では、非常に狭いが深い溶接を形成することができます。この溶接モードは、ワイヤを充填せずに厚いプレート（最大50mm）を高速溶接するのに適しています[9]。

レーザー深溶け込み溶接工程では、小穴壁は常に大きく変動します。小穴前壁の溶融金属の薄層は、壁の変動に伴って流れ落ちます。小さな穴は高出力密度レーザーの影響を受けます。放射によって強く蒸発し、生成された蒸気が後方に噴霧されて後壁の溶融池の金属に衝突し、溶融池の振動を引き起こしてオーバーフローに影響を与えます。固化プロセス中の溶融池内の蒸気泡の発生。

溶接工程中、鍵穴の変動により溶接が不安定になり、ワークの全体的な品質に影響を及ぼします。鍵穴の変動の主な理由は次のとおりです。a。鍵穴からの蒸気の流量は非常に速く、音速に近いため、混沌としたノイズが聞こえます。ネックを高速蒸気が流れると低圧ゾーンが発生し、ネックが閉じます。これが鍵穴の変動の原因の1つです。 b。鍵穴内の金属は強く蒸発し、ジェットを形成します。この不規則な蒸発により、液体金属が急速に揺れ、鍵穴が変動します。ただし、溶接中の鍵穴の不安定性は、主に鍵穴の前壁の金属の蒸発によって引き起こされます。

小さな穴の形成はレーザーエネルギーの吸収に関係しているため、溶接プロセス中に形成されるプラズマは、材料によるレーザー光の吸収に影響を与えます。したがって、プラズマの形成過程とレーザー光の吸収を明らかにする必要があります。プラズマは、溶融池の上のレーザー透過チャネルに配置され、レーザーを反射、散乱、吸収し、レーザーに負のレンズ効果をもたらします。吸収された光エネルギーは、プラズマとワークピースの接触面との間の熱伝導、プラズマ放射は金属材料の短波長光波によって容易に吸収される、材料の3つのチャネルを介してワークピースに伝達されます。蒸気はプラズマ圧力下でワークピースの表面に戻り、凝縮します。プラズマによってワークピースに伝達されるエネルギーが、プラズマの吸収によってワークピースが受け取る光エネルギーの損失よりも大きい場合、ワークピースによるレーザーエネルギーの吸収が強化されます。逆に、ワークによるレーザー光の吸収が弱くなる。プラズマは周期的に振動し、レーザーエネルギー（吸収、屈折）を遮蔽し、ワークピースの表面に入射するレーザーのエネルギー密度を低下させ、ビームの集束効果に影響を与えます。

プラズマには周期性があります。入射光を吸収および散乱することにより、レーザーのエネルギー伝達効率に影響を与え、ワークピースに到達するレーザーエネルギー密度を大幅に低下させ、浸透を浅くします。入射レーザーでのプラズマの屈折により、レーザープラズマでは、波面が歪んで、ワークピース上のレーザーエネルギーのアクティブ領域が変化します。

プラズマは次の方法で抑制できます。a。レーザースイング法：レーザー加工ヘッドが溶接方向に前後にスイングし、鍵穴が現れた後、プラズマが形成される前に、スポットは即座に後縁に移動します。溶融池; b。パルスレーザー溶接法：レーザーの放射時間がプラズマ形成時間より短くなるようにレーザーのパルスと周波数を調整します; c。低圧溶接：減圧溶接を使用します。が一定レベルより低く、材料表面の金属蒸気密度が高く、鍵穴が高くなっています。小さい場合、プラズマが弱くなります。d。補助ガスをサイドブローする：1つは補助ガスを使用してプラズマをブローする方法です。もう1つは伝導性が高くイオン化エネルギーの高いガスを使用して、周囲ガスのイオン化を抑制し、金属イオン蒸気を圧縮します。

上記の分析から、熱伝導率溶接と比較して、深溶け込み溶接には次の利点があることがわかります。

a。溶接の深さと幅は比較的大きいです。溶融金属は小さな穴の周りに形成されて下向きに伸びるので、エネルギー吸収を促進します。

b。材料の入熱が低く、熱影響部と変形が小さい。穴の温度が非常に高いため、溶融プロセスは非常に高速です。

c。溶融池内のガスは逃げやすく、溶接部は密集しています。高温蒸気で満たされた小さな穴は、溶融池の攪拌とガスの逃げを助長するため、溶接後の高速冷却により、溶接構造を改善し、強度を向上させることができます。

d。溶接構造は純粋で、汚染はほとんどありません。非金属元素と介在物を完全に逃がすと、不純物含有量が減少し、そのサイズと分布が変化するためです。

e。速い溶接速度と高い生産効率。

溶接継手の品質と性能は、溶接形状、溶接中の溶融池の挙動、溶接領域と熱影響部の冶金学、および溶接欠陥に依存します。溶接中に発生する化学的および冶金学的挙動の複雑さは、使用中の溶接のその後の故障につながる可能性があり、溶接欠陥の約45％は劣悪なプロセス条件によって引き起こされます[10]。したがって、溶接品質に対するプロセスパラメータの影響メカニズムを理解することが重要です。

許容できる溶接プロファイルと満足のいく機械的特性を得るためには、溶接の機械的特性が溶接の形状に影響されるため、溶接形状の制御が必要です。溶接金属の凝固挙動に影響を与える溶接の形状は、溶接パラメータとそれに対応するワークピースへの入熱によって影響を受けます[11]。したがって、レーザー出力、溶接速度、焦点ぼけ距離[12]などの溶接パラメーターが溶接の形状に与える影響を理解し、溶接欠陥の原因を特定する必要があります。次に、必要な溶接品質と性能を確保し、溶接欠陥を最小限に抑えるために、溶接パラメータの最適な組み合わせを決定できます[13]。

レーザー溶接に影響を与える主なプロセスパラメータは、レーザー出力、溶接速度、焦点位置、レーザー出力密度などです。焦点位置はレーザー出力密度に直接影響します。侵入深さが深く、溶融池が大きい場合は、負の焦点ぼけを使用する必要があります。薄板を溶接する場合は、正の焦点ぼけを使用する必要があり、この時点で溶接シームがより適切に形成されます。

2溶接形態に対するプロセスパラメータの影響

2.1アンダーフィルとアンダーカット

Squillace A [14] et al。は、Ti-6Al-4VのLBW突合せ継手の巨視的形状に対する溶接速度とレーザー出力の影響を研究しました。比熱入力に応じて、2つの溶接スキームが観察されます。25kJ/ m未満の入熱での小穴溶接と30kJ / mを超える入熱の場合、溶接スキームは小さな周囲の熱伝導に基づいています。穴。さらに、25〜30 kJ / m2の間で、混合状態が得られます。図2.1に、溶接部（1.2kW、42mm / s）の代表的な断面概略図とマクロ図を示します。

この調査では、得られたすべての溶接にアンダーフィル、面、およびルートの補強が含まれていることがわかりました。溶接形態は、それらが製造される溶接メカニズムによって厳密に影響を受けます。特に小穴法では、溶接速度が遅くなると、底部と根元の充填物が最初に増加し、次に減少します。アンダーフィル半径はほぼ一定のままです。これは主に、鍵穴と2つのサイドストリームの長さが、さまざまな方法でアンダーフィル欠陥を引き起こす可能性があるためです。鍵穴が伸びると、溶融物が鍵穴の端に到達するまでの経路が長くなり、2つの主要な溶融物が鍵穴の端で合流するまでの冷却時間が長くなります。一方、小穴周りの熱伝導が支配的な溶接方式では、溶接面とルート面で、溶接速度が上がるとアンダーフィル半径が大幅に小さくなり、比熱入力が大きくなるとアンダーフィル半径が大きくなります。この挙動は、より高い比熱入力によって引き起こされるFZの拡大、つまり、より多くの溶融金属とそのより高い温度（より低い粘度と表面張力）に関連しています。

Nikolai Kashaev [15]らは、Ti-6Al-4V突合せ継手とT継手のNd：YAG片面レーザー溶接プロセスを研究しました。合金と互換性のあるフィラーワイヤを使用して、アンダーフィルとアンダーカットを回避しました。彼らは二次回帰を使用して、「非溶接スキン」の幅とレーザー出力、入射角、および入射高さの関係を確立しました。合理的なパラメーターの最適化により、低気孔率と適切な形状の溶接が得られました。
Ahn [16]らは、5kWファイバーレーザーを使用してTi-6Al-4V薄肉スライスの完全溶け込み溶接を実行し、微細構造、溶接プロファイル、および溶接を溶接するための溶接パラメーター（レーザー出力、溶接速度、ビーム焦点位置など）を決定しました。品質の影響。研究では、溶接の上部と下部の幅は、レーザー出力の増加と溶接速度の低下とともに増加することがわかりました。不完全な浸透または狭いルート幅は、低レーザー出力および高溶接速度での主な問題ですが、アンダーカットは高レーザー出力の主な欠陥です。不完全な溶け込みは、不十分な入熱によって引き起こされます。アンダーカット深さの増加は、主に、溶接継手の側面から溶接の中心への溶融材料の蒸発と排出を促進する過剰な入熱によるもので、溶接部の長さ。排水管の刻印。非常に速い溶接速度では、底面にスパッタが観察されました。この欠陥は、レーザー出力または溶接速度が上がるにつれて大きくなりますが、溶接品質には影響しません。溶接形状は、レーザー出力が低いV字型からレーザー出力が高い砂時計型に変化します。これは、材料に伝達される入熱が増加した結果です。

2.2熱影響部と溶融池

Akbari M [17]らは、チタン合金（Ti6Al4V）のレーザー溶接に関する数値的および実験的研究を実施し、温度分布、熱影響部（HAZ）、溶融池の深さと幅をシミュレートしました。この研究では、一定の溶接速度で、さまざまな溶接速度の温度履歴に同様の傾向があることがわかりました。溶接速度を下げると、温度グラフのピーク値が大きくなり、最大値が長く表示されます。

各溶接速度で、温度分布はレーザービームの中心近くで急激に減少し、その後、レーザービームの中心から遠い領域でわずかに減少します。

溶接速度が上がると温度が下がり、温度が低くなると溶融池の幅が狭くなることが予測されます。溶融池の幅は溶接速度の増加とともに減少し、シミュレーション結果は実験と一致しています。溶融池の深さは、溶接速度が上がるにつれて減少します。一定の出力の場合、溶接速度の増加により、加熱時間が短すぎます。これは、かなりの溶接プールの深さを生成するのに十分ではありません。高い溶接速度では、シミュレーション結果は実験データと一致しています。ビームは低速で鍵穴で複数回反射されるため、吸収率が高くなり、シミュレーションは実験とは少し異なります。溶接速度が上がると、熱影響部は減少します。

Yuewei Ai [18]らは、新しい3次元モデルを使用してTi6Al4V溶接シームの形成プロセスをシミュレートし、ファイバーレーザーキーホール溶接でのフルサイズを予測し、数値モデルを使用して溶接ビード全体の形状を定量的に計算しました。幅を含めて、強化して浸透します。この研究では、シミュレーションで溶接の形成と進展を明確に示すことができることがわかりました。シミュレーション結果は、溶接補強材が、反動圧力、温度勾配、および鍵穴の背後の浮力によって引き起こされる流体の流れによって形成されることを示しています。溶接プールの計算された幅と深さ、および予測された溶接形状は、実験のものと非常に一致しています。
Akman [19] et al。は、Ti6Al4Vの微細構造特性に対する溶接パラメータの影響を研究しました。 この研究では、熱影響部と溶接金属では、平均出力の増加に伴って結晶粒径が増加することがわかりました（図3.1）。 これは、より高い平均電力での入熱の増加によるものです。

Squillace [14、20] et al。は、Ti6Al4V構造に対するレーザー出力と溶接速度の影響を研究しました。 研究によると、冷却プロセス中に、溶融ゾーンのβデンドライトは熱流の方向に沿って成長します。 最大および最小の入熱では、一次β粒子からαは生成されませんが、すべてα 'が生成されます。 これは主に、シートが比較的薄いため、入熱条件が低くても冷却速度が速くなるためです。冷却速度は臨界冷却速度の410°C / sよりも高いため、完全なマルテンサイト。

熱影響部の微細構造は、針状マルテンサイトα 'と元のαの混合物で構成されています。 これは、Ti-6Al-4V合金がβ変態温度より低い温度から急冷され、αからβへの完全な変態が得られるという特性に対応しています（図3.3）。 最高の冷却速度は、FZに隣接する熱影響部で発生します。FZからの距離は異なり、HAZゾーンはさまざまな温度に達し、さまざまな冷却速度を経験します。 したがって、HAZの内部では、微細構造は、溶接部の近くのα 'に富む領域から、最低温度と冷却速度に近いBM領域の近くの貧弱なα'領域に進化します。 α '含有量の勾配は、この狭い領域で凝固勾配を引き起こす温度と冷却速度の勾配に依存します。

4機械的特性に対するプロセスパラメータの影響

Squillace [14] et al。は、Ti-6Al-4Vの機械的特性に対する溶接速度とレーザー出力の影響を研究しました。 研究では、レーザー出力が一定の場合、FZゾーンの平均硬度は溶接速度の増加とともに増加し、入熱の増加とともに減少することがわかりました。 硬度勾配（FZ、BM、HAZの硬度差の幅の比率）は入熱に反比例します。 HAZの微細構造が不均一であるため、データは非常に分散しています。 入熱量が少ないほど、HAZ幅データのばらつきが大きくなります。

マトリックスと比較して、溶接部は同様の引張特性を達成できますが（表4.1）、FZゾーンのより硬いマルテンサイトはその塑性に深刻な影響を及ぼします。
ファン[20]らは、Ti-6Al-4V溶接に3種類のレーザー、すなわちNd：YAG、ダイオード、ファイバーレーザーを使用しました。 研究によると、Nd：YAGレーザーで処理された溶接の品質は、ファイバーレーザーまたはダイオードレーザーで生成された溶接の品質よりも高いことが示されています。 3つの溶接タイプの硬度値は非常に似ています。 ただし、強度と塑性は異なり、主にさまざまなタイプの穴の溶接欠陥の影響を受けます。

5チタン合金のレーザー溶接における問題点

チタン合金の溶接性能と現在の研究状況を合わせると、チタン合金の溶接では気孔率が大きな問題であることがわかります。

細孔の形成は、主に次の点によって引き起こされます：（1）局所蒸発によって引き起こされるシールドガスの侵入;（2）合金元素の燃焼;（3）合金がレーザー溶接されたとき、水素中の水素による冷却プロセス中の合金溶解度の急激な低下は水素細孔を形成します。

さらに、レーザー溶接はほぼ急速な凝固プロセスであり、急速な冷却と急速な加熱により、チタン合金を溶接するときに内部残留応力が形成されます。また、チタン合金は塑性が比較的良好であるため、特に5mm以下の薄板を溶接する場合、融接時に変形しやすくなります。

5.1ストーマ

Panwisawas C [21]などは、Ti-6Al-4Vのレーザー溶接中の鍵穴と細孔の形成をシミュレートするために、熱伝達、流体の流れ、および界面の相互作用を含む鍵穴溶接の物理モデルを使用しました。この研究では、合金の水素含有量が比較的低いため、水素によって誘発される細孔は非常に小さいと考えられています。このCFDモデルは、溶融池領域の細孔欠陥の存在、位置、およびサイズを決定する、対象を絞った実験とその後の溶接分析によって検証されます。研究は、プレートの厚さが細孔に影響を与えることを発見しました、プレートが厚いほど、処理によって誘発される細孔が多くなります。これは、熱源が通過するときに、形成された、または封入された蒸気またはガスがさらに材料を通過し、ボードの表面から逃げるためである可能性があります。レーザー出力が一定の場合、溶接速度が上がると細孔の数は減少します（図5.1）。これは、出力が一定の場合、熱源の進行が遅いほど、材料内で局所的に放散される熱が多くなり、溶融ゾーンでより複雑な流体流線システムが形成され、より多くの細孔を捕捉できるためです。 。処理によって誘発される多孔性は、3つのプロセスパラメータ、プレートの厚さ、レーザー出力、およびスキャン速度に依存します。厚いプレートと高いエネルギー密度の条件下では、穴が現れる可能性が高くなります。また、細孔は主に球形で、溶接線に沿って分布し、直径は0.38〜1.16mmです。
この研究では、細孔形成の考えられるメカニズムの1つはプロセスによって引き起こされると考えています。 2つの金属の粗さや乱雑な表面、または酸素や水素の化学反応により、高温の流体が循環流を引き起こす可能性があり、急激な変動プロセス中に、表面張力は、鍵穴、こうして気孔を形成します。

Baohua Chang [22]らは、Ti-6Al-4Vの完全溶け込みレーザー溶接用の計算流体力学モデルを開発しました。また、溶融池内の鍵穴の挙動と流体の流れ特性の予測に基づいて、穴の形成メカニズムを分析します。シミュレーション結果は、厚さ3mmのチタン合金板を所定のレーザービーム集束光学系で溶接すると、深部貫通鍵穴が形成される前に鍵穴が深く振動するが、予測後の鍵穴崩壊はシミュレーションできないことを示しています。低出力および低速溶接の場合、鍵穴の背後の流体の流れは乱流で不安定であり、渦が形成されます。溶融金属は溶融プールの中心面から流れ出て、溶融プールの鍵穴の後ろに隙間または空隙を残すことが予測されます。より高い出力およびより高速の溶接の場合、流体の流れは乱流ではなく、そのような渦電流を形成しません。
この研究では、鍵穴レーザー溶接中の細孔は、鍵穴の背後の流体の乱流の結果である可能性があると考えられています。関連するレイノルズ数が大きいほど、細孔が形成される可能性が高くなります。流体の流れによって制御されるそのような細孔の場合、鍵穴の近くの流体の流れのレイノルズ数を減らすことで、細孔を効果的に減らすか回避することができます。

Jianglin L. Huang [23] et al。は、融接中のチタンとその合金の細孔の形成メカニズムを研究しました。チタン溶接部の細孔に対する水素の影響を定量化するために、水素拡散によって制御される細孔成長モデルが提案されました。研究によると、安定した小さな穴、狭い溶融フロント、およびより優れたビームアライメントにより、チタン合金溶接プロセスの細孔を最小限に抑えることができます。

5.2残留応力と変形

Ahn [16]らは、時間依存性の局所加熱によるファイバーレーザー溶接中の厚さ2.0mmのチタン合金Ti-6Al-4V薄板の残留応力と変形を研究しました。残留応力の分布を図5.4に示します。溶接部から離れた部分では、縦方向の応力は、圧縮応力場が弱い引張溶接領域内およびその近くで最大になります。横応力と法線応力はFZで最大値にあり、引張特性があり、溶接部の近くで圧縮され、溶接部から離れる方向の応力はほとんどありません。溶接の中心線は対称であるため、3つの主応力はすべて対称です。
残留応力分布：（a）溶接部近くの全幅にわたる、3つの主な方向すべて、（b）横方向（11）、縦方向（22）、および相変化がある場合とない場合の法線方向

平面の歪みは、溶接の中心線に関して対称であり、溶接の開始時と終了時にゼロに近く、サンプルの長さの中央の外縁で最大になります。 シミュレートされた角変位は、CMM測定の実験結果よりもわずかに大きくなりますが、シミュレートされた反り変位は、プレートの端の近くで小さく、中心に向かって大きくなります。

Ji Muyuan et al。[24]は、特殊な溶接固定具を使用して溶接部をクランプおよび配置し、それによってレーザー溶接の変形を制御しました。研究によると、固定具を使用してワークピース全体の剛性拘束および変形防止拘束を実行することにより、変形の割合が大幅に減少します。これは、残留塑性変形理論によって計算された値と基本的に一致しており、ワークピースは溶接要件を満たしています。例を分析することにより、単純な部品のレーザー溶接では、残留塑性変形理論を使用して変形を予測でき、変形防止法が溶接変形を制御するための効果的な方法であることが示されています。

湖南大学のLiuXixia [25]らは、液体窒素で冷却したアルゴンを使用して溶接中にレーザー熱源の後部を追跡し、溶接中の変形を積極的に制御する溶接ガスによる動的冷却方法を提案しました。 SGCW。その結果、SGCW試験片の反り変形と残留等価応力は従来のレーザー溶接試験片よりも小さく、変形制御効果が最も優れていることがわかりました。

6まとめと展望

Ti-6Al-4Vのレーザー溶接の過程で、細孔はランダムな位置に現れますが、細孔は次の方法で最小化できます。

a。溶接には高純度（99.9％）のアルゴンを使用します。b。溶接前に洗浄します。c。適切な溶接仕様（シミュレーションを使用してテストコストを削減できます）。

気孔を効果的に低減または排除するための理論的基礎を提供するために、溶接部の気孔の生成メカニズムとタイプを体系的に研究する必要があります。

融接工程では、薄板の変形は避けられませんが、条件が許せば、板厚の合理的な設計や入熱の制御により、変形を低減または排除することができます。

レーザー溶接は、エネルギー密度が高く、溶接速度が速く、正確な位置決め、溶接熱影響部が小さく、変形が小さく、アスペクト比が大きく、介在物がないため、チタン合金の溶接に広く使用されています。溶接プロセス中、レーザー出力、溶接速度、焦点位置、レーザー出力密度などのプロセスパラメーターは、熱影響部、溶融池の幅と深さに影響を与え、アンダーカットなどの欠陥を生成することがあります。溶接形態に影響を与えます。異なるプロセスパラメータは異なる溶接構造を形成し、それは機械的特性に大きく影響します。さらに、レーザー溶接はほぼ急速な凝固プロセスであり、急速な冷却と急速な加熱により、チタン合金を溶接するときに内部残留応力が形成されます。また、チタン合金は塑性が比較的良好であるため、特に5mm以下の薄板を溶接する場合、融接時に変形しやすくなります。レーザー溶接プロセスでも気孔率や変形などの欠陥が発生する可能性がありますが、シミュレーション計算と妥当なプロセスパラメータの設定により、気孔率と変形を低減または排除することができます。したがって、チタン合金のレーザー溶接は、産業界での応用の見通しが良好です。