レーザー肉盛り溶接における多孔性の原因は何ですか？

レーザー肉盛り溶接ではどのような種類の多孔性が発生しますか？

多孔性調査では、ガス孔、キーホール関連孔、および空隙状の溶融不足欠陥を区別する必要があります。ガス孔とキーホール関連孔は、凝固中の材料中に閉じ込められたガスが原因です。溶融不足はこれとは異なり、堆積されたトラック、層、または基板間の溶融または結合が不完全な状態であり、断面では不規則な形状または平面状の空隙として現れることがあります。これらのパターンは有用な診断の手がかりとなりますが、欠陥発生メカニズムを証明するものではありません。

ガス孔

ガス孔は一般的に丸みを帯びた形状または楕円形をしており、トラック境界に沿わずに堆積層内に発生することがあります。これらは、金属が凝固するまで気泡が溶融プール内に留まることで形成されます。考えられる発生源としては、原料粒子内に閉じ込められたガス、粉末供給に伴うガス、材料固有の反応によって放出されるガス、または以前に堆積された層が再溶解された際に開いた空隙などが挙げられます。溶融プールの流れと凝固界面の進行によって、気泡が移動するか、合体するか、脱出するか、または閉じ込められるかが決まります。張氏らは、2024年に実施したDEDのその場X線研究において、これらの挙動のいくつかを直接観察しました。

融合不全

溶融不良欠陥は通常、不規則な形状、細長い形状、または局所的に平面状を呈します。これらは、隣接するトラック間や層間、あるいはクラッドと基板の界面によく見られます。これは、材料が境界を越えて十分に溶融・接合されなかったことを示しており、研磨断面に空隙のような兆候が見られる場合でも、ガス孔ではありません。有効熱入力の不足、過剰な移動速度、不適切な粉末供給速度、トラックの重なり不足、または焦点位置の誤りなどが原因となる可能性があります。材料系によっては、表面酸化物や汚染物質が濡れ性や接合を妨げる場合もあります。

316Lクラッドの補修に関連する研究では、堆積材料内部に小さく丸みを帯びたガス閉じ込め孔が、クラッドと母材の界面に大きく不規則な溶融不良欠陥が報告されている。この例は、形態と位置の両方が重要である理由を示している。この知見は、研究対象となった特定の316L材料と堆積システムに適用されるものであり、普遍的な規則として扱うべきではない（Revilla & De Graeve、2022）。

鍵穴関連の毛穴

溶融池内に局所的なエネルギー密度が高く、深い蒸気圧下が生じると、キーホールに関連する気孔が形成されることがあります。圧下が不安定になり、凝固前に崩壊すると、空隙が閉じ込められる可能性があります。このメカニズムは、プロセス条件が蒸気圧下の形成を支持する場合にのみ考慮してください。丸い気孔だけでは、キーホール起源の証明にはなりません。粉末供給式DEDは、粉末供給、レーザー減衰、ノズル形状が溶融池の状態に影響を与えるため、レーザー粉末床溶融法とは異なります。

2024年の同軸粉末供給L-DEDに関するレビューでは、ガス孔と溶融不良欠陥を別々の欠陥カテゴリとして論じている。粉末中のガスや金属蒸気などの潜在的なガス源を特定し、トラックの重なり、層界面、コーティングと基板の接合領域における溶融不良の兆候について説明している（Moら、2024）。

レーザー肉盛り溶接におけるガス孔の発生原因は何ですか？

金属粉末内部に閉じ込められたガス

粉末原料の中には、製造工程でガスが充填された内部気孔を持つものがある。ガスアトマイズ粉末の場合、粒子内部に外面からは見えない小さな気孔が存在することがある。粒子が溶融する際、ガスが溶融池に入り込む可能性がある。気泡が周囲の金属が凝固する前に排出されない場合、堆積層内に残存する可能性がある。したがって、粉末表面が視覚的に健全に見えても、内部に気孔が存在する可能性は否定できない。

Zhangら（2024）は、DED中の気泡を追跡するために、その場X線イメージングとモデリングを使用しました。彼らの観察によると、気泡はガスアトマイズされた粉末から溶融プールに移動し、一部は逃げ出し、一部は合体し、その他は凝固界面に捕捉されました。粉末バッチの変更後に欠陥が発生した場合は、レーザー設定の変更で解決できると想定するのではなく、粉末履歴と原料特性を調査に含める必要があります。

ガスは粉末の流れとともに溶融池に運ばれる。

同軸粉末供給システムでは、キャリアガスが供給ラインとノズルを通して粒子を輸送します。ガスは粉末供給プロセスの一部であるため、ガスの存在のみを多孔性の原因とみなすべきではありません。流量の安定性、粒子速度、粉末流の収束、ノズルの位置合わせと距離は、粒子が溶融プールに入り込み、溶融プールと相互作用する方法に影響を与える可能性があります。ガス供給ラインに沿って、異常な流れ、漏れ、詰まり、または流れのずれがないか確認してください。

これは、シールドガスがすべての気孔の原因であるという意味ではありません。キャリアガスとシールドガスは異なる機能を持ち、装置によっては別々の流路を持つ場合があります。より詳しい説明については、ガイドを参照してください。レーザー肉盛り溶接にはどのようなガスが使用されますか？

材料から放出されたガス、または以前の堆積物

基板や以前に堆積されたトラックには、すでに小さな気孔やその他の不連続部が含まれている可能性があります。後続のパスでその材料が再溶融されると、既存の空隙の一部が新しい溶融プールに開き、移動または再分配されることがあります。材料固有の反応によってガスが発生することもあります。水分は、特定の粉末および合金システムにおいて原因の一つとなる可能性があります。レーザー金属堆積に関するレビューでは、関連する箇所で粉末の乾燥について議論されています（Cheng et al., 2022）。ただし、水分がすべての合金やすべての気孔の原因であると決めつけないでください。

溶融プールが固まる前に閉じ込められた気泡

気泡は溶融した流れから自動的に上昇するわけではありません。その動きは、大きさ、浮力、溶融池の対流、粘度、凝固までの時間などによって左右されます。2024年のX線研究では、気泡が溶融流とともに移動し、合体したり、流れ出たり、凝固界面に捕捉されたりする様子が観察されました。これが、「冷却速度を遅くする」ことが万能薬ではない理由です。流動場、気泡の大きさ、溶融池の形状も重要な要素となります。