キーホール

レーザー加工には切断、穴あけ、マーキングなどさまざまな種類がありますが、金属同士を強固に接合する「レーザー溶接」もその重要な一つです。レーザー溶接では、レーザー光を局所的に集中照射して金属を溶かし、凝固することで接合を行います。その際に特徴的に現れる現象が「キーホール」です。本記事では、キーホールの仕組みや役割、深溶込み溶接における利点について詳しく解説します。

キーホールとは

深溶込み型レーザー溶接で形成されるくぼみ

レーザー溶接には「熱伝導型（Conduction Mode）」と「深溶込み型（Keyhole Mode）」の2種類があります。熱伝導型はレーザー光を広範囲に浅く伝達して表面を溶かす方式で、薄板や微細加工に適しています。一方、深溶込み型はレーザーのエネルギー密度が非常に高く、照射点に強い熱が集中します。

深溶込み型では金属が急速に溶融・蒸発し、表面に細長いくぼみが形成されます。このくぼみがさらに深く延び、内部が蒸気で満たされた縦長の空洞となった状態が「キーホール（Keyhole）」と呼ばれます。形状が鍵穴（Keyhole）に似ていることからこの名がついています。

キーホールが形成されることでレーザー光は材料内部に到達しやすくなり、表面だけでなく深部まで溶融させることが可能になります。これが深溶込み溶接の大きな特徴であり、薄板から厚板まで広範囲の金属接合に利用されます。

より深い溶接を可能にする仕組み

レーザーを照射し続けると、キーホール内部は金属蒸気と高温の溶融金属に満たされます。このとき、

• 金属蒸気圧による押し広げる力
• 溶融金属の表面張力による収縮力

のバランスによって、キーホールは一定の形状を保ちます。レーザー光はキーホールの壁面で反射を繰り返しながら吸収され、さらに奥深くへとエネルギーが伝わります。この多重反射効果により、表面からでは到達できない深さまで金属を溶かすことができます。

キーホールが安定している状態では、以下のようなメリットが得られます：

• 厚板の深溶込み接合が可能
• 高速溶接が可能で生産性が向上
• 狭く深いビード（溶接部）が形成されるため、歪みが少ない
• 溶接入熱が少なく、熱影響部（HAZ）の拡大を抑えられる

また、キーホールが貫通するとレーザー光が裏面まで達し、金属を完全に貫通させることができます。この現象を利用すると、深い穴あけ加工や微細な貫通孔の形成が可能になります。加工と溶接の両方に応用される非常に重要な技術要素です。

キーホール溶接で注意すべき点

キーホール溶接は優れたプロセスですが、適切な条件設定が重要です。キーホールが不安定になると、溶接欠陥が発生する可能性があります。

• キーホールの崩壊によるブローホール（空孔）発生
• 溶け落ち（Burn-through）による過剰貫通
• 金属蒸気の乱れによるビード形状の不均一化
• アシストガス不足による酸化やスパッタ増加

これらを防ぐためには、レーザー出力、走行速度、焦点位置、アシストガスの流量・種類などを適切に調整し、キーホールが安定して持続する条件を確保する必要があります。

レーザー溶接は高度な制御が求められる加工方法ですが、キーホールの原理を理解することで、より高品質な溶接や加工が可能になります。

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