最新のレーザー溶接技術の特集—デュアルビームレーザー溶接 日本

デュアルビーム溶接法が提案されており、主に溶接の適応性を向上させるために使用されます。 レーザー溶接 組立精度の向上、溶接プロセスの安定性の向上、溶接品質の向上、 特に薄板やアルミニウム合金の溶接に最適です。デュアルビームレーザー溶接では、同じ種類のレーザーを 2 つの別々のビームに分離して光学的方法を使用して溶接したり、XNUMX つの異なる種類のレーザーを組み合わせて使用​​したりできます。 COXNUMX レーザー、Nd:YAG レーザー、高出力半導体レーザーはすべて相互に組み合わせることができます。ビームのエネルギー、ビーム間の距離、さらには 2 つのビームのエネルギー分布パターンを変更することで、溶接温度フィールドを簡単かつ柔軟に調整できます。これにより、穴の存在モードと溶融池内の液体金属の流れモードが変化し、シングルビームレーザー溶接にはない、溶接プロセスのためのスペースの幅広い選択肢が提供されます。深融合の利点があるだけでなく、 、高速かつ高精度のレーザー溶接、 従来のレーザー溶接では溶接が困難な材質や接合部への適応性も優れています。.

1.デュアルビームレーザー溶接原理

デュアルビーム溶接とは、溶接プロセス中に 2 つのレーザーを同時に使用することを意味します。ビーム配置、ビーム間隔、2 つのビームが形成する角度、焦点位置、および 2 つのビームのエネルギー比はすべて、デュアル ビーム レーザー溶接に関連する設定パラメータです。通常、溶接プロセス中に配置するには 2 つの方法があります。デュアルビーム。図のように、溶接方向に沿って直列に並べる方法があります。このレイアウトにより、溶接池の冷却速度が低下し、溶接の硬化傾向と気孔の生成が減少します。もう 1 つは、溶接線の隙間への適応性を高めるために、溶接線の両側に梁を並べて配置または交差させる方法です。

シリアル配置のデュアルビームレーザー溶接システムの場合、 2 本のビーム間の間隔に応じて 3 つの異なる溶接機構があります。

1）最初のタイプの溶接機構では、XNUMX 本のビーム間の間隔が比較的大きくなります。 1 つのビームはより高いエネルギー密度を持ち、ワークピースの表面に焦点を合わせて溶接でキーホールを生成します。; 一方、もう一方のビームはエネルギー密度が低く、溶接前または溶接後の熱処理のための熱源としてのみ機能します。この溶接機構により、溶接池の冷却速度を一定の範囲内に制御できるため、高炭素鋼や合金鋼などの割れ感受性の高い材料の溶接に役立ち、また、溶接池の靱性も向上します。溶接継ぎ目。

2）XNUMX 番目のタイプの溶接機構では、XNUMX つのビームの焦点間の距離が比較的小さくなります。 2 本のビームにより、1 つの溶接プールに 2 つの別々のキーホールが生成されます。、溶融金属の流れパターンに変化を引き起こします。 不良品の防止に役立ちます アンダーカットや溶接ビードの突出など、溶接シームの形成を改善します。

3）XNUMX 番目のタイプの溶接機構では、XNUMX 本のビーム間の距離が非常に小さく、このとき、 2 本のビームは溶接池に同じ鍵穴を生成します. シングルビームレーザー溶接と比較して、キーホールのサイズが大きくなり、閉じにくくなります。、溶接プロセスがより安定し、ガスが排出されやすくなります。これは、気孔率やスパッタを軽減し、連続的で均一な魅力的な溶接シームを実現するのに役立ちます。

溶接プロセス中、30 つのレーザー ビームを互いに特定の角度に設定することもでき、その溶接メカニズムは平行デュアル ビーム溶接メカニズムと似ています。実験結果は、1つの高出力OOレーザービームを互いに2°の角度でXNUMX〜XNUMXmmの間隔で使用することによって、漏斗状の鍵穴を達成できることを示しました。キーホールはより大きく、より安定しており、溶接の品質を効果的に向上させることができます。実際の用途では、異なる溶接条件に応じて XNUMX つのビームの異なる組み合わせを調整して、異なる溶接プロセスを実現できます。

2.デュアルビームレーザー溶接の実施方法

デュアル ビームを得るには、2 つの異なるレーザー ビームを組み合わせるか、光ビーム分割システムを使用して 1 つのレーザー ビームを溶接用に 2 つに分割します。ビームを 2 つの異なるパワーに分割するには、平行レーザー、ビーム分割ミラー、またはいくつかの特殊な光学システムを使用することもできます。この図は、ビーム スプリッターとして集束レンズを使用した 2 種類のビーム分割原理を示しています。

さらに、反射鏡をビーム分割ミラーとして使用することができ、光路内の最後の反射鏡がビームスプリッターとして機能します。このタイプの反射鏡はリッジ反射鏡とも呼ばれ、その反射面は単一の平面ではなく 2 つの平面で構成されています。図に示すように、2 つの反射面の交差線はミラーの中央に位置し、尾根に似ています。平行な光ビームがビーム スプリッターに投影され、異なる 2 つの面で 2 つのビームに反射されます。角度。これらのビームは集光レンズ上の異なる位置を照明し、集光後、ワーク表面上で一定の間隔を持った 2 つのビームが得られます。 2つの反射面のなす角度とリッジの位置を変えることで、焦点間隔や配置方法が異なる分光光束が得られます。

2種類のレーザー光を用いてデュアルビームを形成する場合、さまざまな組み合わせ方法があります。ガウス型のエネルギー分布を持つ高品質の CO2 レーザーを一次溶接作業に使用し、熱処理作業には長方形のエネルギー分布を持つ半導体レーザーを補助的に使用できます。この組み合わせ方法は、一方では経済的ですが、他方では、 XNUMX つのビームのパワーは個別に調整できます。異なる接合形状に対して、レーザーと半導体レーザーの重なり位置を調整することにより、調整可能な温度場を得ることができ、溶接プロセスの制御に非常に適しています。さらに、YAGレーザーとCOXNUMXレーザーを組み合わせたデュアルビーム溶接、連続レーザーとパルスレーザーを組み合わせた溶接、集光ビームとデフォーカスビームを組み合わせた溶接も可能です。

3.デュアルビームレーザー溶接原理

3.1 亜鉛メッキ板のデュアルビームレーザー溶接

亜鉛メッキ鋼板は自動車業界で最も一般的に使用される材料です。鋼の融点は約 1500°C ですが、亜鉛の沸点はわずか 906°C です。したがって、溶接法を使用する場合、通常、多量の亜鉛蒸気が発生し、溶接プロセスが不安定になり、溶接シームに空気穴が形成されます。重ね継手の場合、亜鉛めっき層の揮発は、上部と上部の両方で発生するだけでなく、下面だけでなく、接合界面でも同様です。溶接中、溶融池表面から亜鉛蒸気が急激に噴き出す部分もあれば、溶融池表面から亜鉛蒸気が逃げにくい部分もあり、溶接品質が非常に不安定になります。

デュアルビームレーザー溶接は、亜鉛蒸気によって引き起こされる溶接品質の問題を解決できます。 2 つの方法は、2 つのビームのエネルギーを合理的に一致させることによって溶融池の存在時間と冷却速度を制御することであり、これは亜鉛蒸気の逃散に有益です。下図に示すように、溶接には COXNUMX レーザーが使用され、その前面に YAG レーザーがあり、穴あけや溝切りに使用されます。前処理された穴またはスロットは、後続の溶接中に発生する亜鉛蒸気の逃げ道を提供し、亜鉛蒸気が溶融池に滞留して欠陥が形成されるのを防ぎます。

3.2 アルミニウム合金のデュアルビームレーザー溶接

アルミニウム合金材料の特殊な特性により、レーザー溶接には次のような困難があります。アルミニウム合金によるレーザーの吸収率は低く、CO2 レーザー光の表面での初期反射率は 90% を超えます。溶接中、アルミニウム合金のレーザー溶接の継ぎ目は気孔や亀裂が発生しやすくなります。溶接プロセス中に合金要素が失われます。シングルビームレーザー溶接を使用する場合、キーホールを確立するのが難しく、安定性を維持するのが簡単ではありません。デュアルビームレーザー溶接を使用する場合、キーホールのサイズが大きくなり、キーホールが閉じにくくなり、ガスが発生しやすくなります。排気。同時に冷却速度を遅くすることができ、気孔や溶接割れの発生を低減します。溶接プロセスがより安定し、スパッタの量が減少するため、アルミニウム合金のデュアルビーム溶接によって得られる溶接の表面形成も、シングルビームの溶接よりも大幅に優れています。下図は、厚さ3mmのアルミニウム合金をCO2レーザーXNUMX本とXNUMX本で突合せ溶接した様子を示しています。

研究によると、厚さ 2mm の 5000 シリーズ アルミニウム合金を溶接する場合、0.6 本のビーム間の距離が 1.0 ～ 0.9mm の場合、プロセスは比較的安定します。結果として生じるキーホールの開口部は大きくなり、溶接プロセス中にマグネシウム元素の蒸発と流出が促進されます。1 つのビーム間の距離が小さすぎると、プロセスは単一ビーム溶接と同様になり、安定しにくくなります。距離が大きすぎると、下図に示すように溶接溶け込み深さに影響します。また、1 つのビームのエネルギー比も溶接品質に大きな影響を与えます。溶接のために XNUMX つのビームを XNUMX mm の距離で直列に配置する場合、前のビームのエネルギーを適切に増加させ、XNUMX つのビームのエネルギー比を XNUMX:XNUMX より大きくすると有益です。これにより、溶接の品質が向上し、溶融領域が拡大し、より高い溶接速度でも滑らかで見た目に美しい溶接を実現できます。

3.3 不等厚板のデュアルビーム溶接

工業生産では、厚さと形状が異なる 2 枚以上の金属シートを溶接して、スプライスされたシートを作成することが必要になることがよくあります。特に自動車製造において、スプライスシートの適用はますます普及しています。
仕様、表面コーティング、性能の異なるシートを溶接することで、強度を高め、消耗を抑え、軽量化することができます。スプライスプレートの溶接では、通常、異なる厚さのプレートのレーザー溶接が使用されます。大きな課題は、溶接するワークピースを高精度のエッジで事前に製作し、高精度の組み立てを保証する必要があることです。不等厚板のダブルビーム溶接を使用することで、さまざまなギャップ、ドッキング部品、相対的な厚さ、材料に適応できます。シートの違い。より大きなエッジとギャップの公差でシートを溶接できるため、溶接速度と溶接品質が向上します。

不等厚板のダブルビーム溶接の主なプロセスパラメータは、図に示すように、溶接パラメータと板パラメータに分けることができます。溶接パラメータには、2 つのレーザーの出力、溶接速度、焦点位置、溶接ヘッドの角度、突合せジョイント上のダブル ビームのビーム回転角度、および溶接偏差が含まれます。プレートパラメータには、材料の寸法、性能、エッジトリミング、プレートギャップが含まれます。 2 つのレーザーの出力は、異なる溶接目的に応じて個別に調整できます。
一般に、焦点が薄板の表面にある場合、安定した効率的な溶接プロセスを達成できます。溶接ヘッドの角度は通常約 6 度に選択されます。 XNUMX つのプレートの厚さが非常に厚い場合は、正の溶接ヘッド角度を採用できます。つまり、図に示すようにレーザーを薄いプレートに向かって傾けます。板厚が比較的薄い場合は、負の溶接ヘッド角度を使用できます。溶接偏差は、レーザー焦点と厚板の端の間の距離として定義されます。溶接偏差を調整することで溶接凹みを低減し、良好な溶接断面を実現します。

ギャップの大きいプレートを溶接する場合、ダブルビーム角度を回転させることで有効ビーム加熱径を大きくし、良好なギャップ充填能力を実現できます。溶接シームの上部の幅は、2 つのレーザーの有効ビーム直径によって決まります。つまり、ビームの回転角度によって決まります。回転角度が大きいほど、ダブルビームの加熱範囲が広くなり、溶接シームの上部幅も広くなります。2 つのレーザーは溶接プロセス中に異なる役割を果たします。 1 つは主に接合部を貫通するために使用され、もう 1 つは主に厚板材料を溶かして隙間を埋めるために使用されます。下図に示すように、ビーム回転角が正の場合（フロントビームは厚板に作用し、リアビームは継ぎ目に作用）、フロントビームが厚板に衝突し、材料が加熱および溶解され、次のようになります。レーザー ビームは貫通を生成します。前面の最初のレーザー ビームは厚いプレートを部分的にしか溶かせませんが、厚いプレートの側面を溶かしてギャップをより良く埋めるだけでなく、事前に溶接することもできるため、溶接プロセスに大きく貢献します。継手材を接続することで、後続のビームが継手を貫通しやすくなり、溶接速度が向上します。負の回転角でのデュアルビーム溶接では（前ビームが溶接シームに作用し、後ビームが厚い溶接シームに作用します）プレート）、2つの梁の役割はちょうど反対です。フロントビームは接合部を貫通し、リアビームは厚板を溶かして隙間を埋めます。

この場合、フロントビームはコールドプレートを貫通する必要があるため、溶接速度はビーム回転角が正の場合よりも遅くなります。また、前方のビームの予熱効果により、後続のビームは同じ出力でより厚い板材を溶解します。この場合、2 番目のレーザー ビームの出力を適切に下げる必要があります。比較すると、正のビーム回転角を採用すると溶接速度を適切に高めることができ、負のビーム回転角を採用するとより良好なギャップ充填を実現できます。次の図は、溶接シームの断面におけるさまざまなビーム回転角度の影響を示しています。

3.4 厚板のデュアルビームレーザー溶接

レーザー出力レベルとビーム品質の向上により、厚板のレーザー溶接が現実になりました。ただし、高出力レーザーは高価であり、厚板溶接では一般に金属充填が必要であるため、実際の生産には一定の制限があります。デュアルビームレーザー溶接技術の使用により、レーザー出力が向上するだけでなく、出力も向上します。有効ビーム加熱直径が向上し、フィラーワイヤの溶解能力が向上し、レーザーキーホールが安定して溶接の安定性が向上し、それによって溶接品質が向上します。