レーザービーム溶接

ロボットが遠隔ファイバーレーザー溶接を実行します。

レーザービーム溶接（LBW）は、レーザーを用いて金属または熱可塑性プラスチックを接合する溶接技術です。ビームは集中した熱源を提供し、狭く深い溶接部と高い溶接速度を実現します。このプロセスは、自動車産業や航空産業など、自動化が求められる大量生産と高精度が求められる用途で頻繁に使用されています。キーホール溶接または貫通溶接をベースとしています。

手術

電子ビーム溶接（EBW）と同様に、レーザービーム溶接は高い出力密度（1MW/cm ²程度）を有するため、熱影響部が小さく、加熱・冷却速度が速くなります。レーザーのスポットサイズは0.2mmから13mmの範囲で変化しますが、溶接にはより小さなスポットサイズが使用されます。溶け込みの深さは供給電力に比例しますが、焦点の位置にも依存します。焦点がワークピースの表面よりわずかに下にある場合、溶け込みは最大になります。

用途に応じて、連続レーザービームまたはパルスレーザービームを使用できます。カミソリの刃などの薄い材料の溶接にはミリ秒単位のパルスが使用され、深溶接には連続レーザーシステムが用いられます。

LBWは汎用性の高いプロセスで、炭素鋼、HSLA鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンの溶接が可能です。高炭素鋼の溶接では、冷却速度が速いため、割れが懸念されます。溶接品質は高く、電子ビーム溶接に匹敵します。溶接速度は供給電力に比例しますが、ワークピースの種類と厚さにも依存します。ガスレーザーは高出力であるため、特に大量生産に適しています。LBWは特に自動車産業で主流となっています。^{[ 1 ] [ 2 ]}

EBW と比較した LBW の利点は次のとおりです。

• レーザービームは真空を必要とせず空気中を伝送できる
• このプロセスはロボット機械で簡単に自動化できる
• X線は発生しない
• LBWはより高品質の溶接を実現する^{[ 3 ] [ 4 ]}

LBWの派生技術であるレーザーハイブリッド溶接は、LBWのレーザーとガスメタルアーク溶接（GMAW）などのアーク溶接法を組み合わせたものです。この組み合わせにより、GMAWは接合部に溶融金属を供給するため、溶接位置の柔軟性が向上します。また、レーザーを使用することで、通常のGMAWよりも溶接速度が向上します。アンダーカットの可能性が低減されるため、溶接品質も向上する傾向があります。^{[ 5 ]}

装置

自動化とCAM

レーザービーム溶接は手作業で行うこともできますが、ほとんどのシステムは自動化されており、コンピュータ支援設計に基づいたコンピュータ支援製造システムを使用しています。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}レーザー溶接はフライス加工と組み合わせて完成部品を形成することもできます。^{[ 9 ]}

2016年、これまで溶融フィラメント製造に取り組んできたRepRapプロジェクトは、オープンソースのレーザー溶接システムの開発へと拡大しました。^{[ 10 ]}このようなシステムは完全に特性評価されており、従来の製造コストを削減しながら、幅広い用途に使用できます。

レーザー

• 一般的に使用されるレーザーには、固体レーザー（特にルビー レーザーとNd:YAGレーザー）とガス レーザーの 2 種類があります。
• 最初のタイプでは、合成ルビー（酸化アルミニウム中のクロム）、ガラス中のネオジム（Nd:ガラス）、そして最も一般的なタイプであるイットリウムアルミニウムガーネット中のネオジム（Nd:YAG）など、いくつかの固体媒体のいずれかを使用します。
• ガスレーザーは、ヘリウム、窒素、二酸化炭素（CO2_レーザー）などのガスの混合物を媒体として使用します。
• ただし、種類に関係なく、媒体が励起されると光子が放出され、レーザービームが形成されます。

ソリッドステート

固体レーザーは 1 マイクロメートル程度の波長で動作します。これは溶接に使用されるガスレーザーよりもはるかに短いため、作業者は網膜損傷を防ぐために特別な眼鏡をかけたり、特別なスクリーンを使用したりする必要があります。Nd:YAG レーザーはパルス モードと連続モードの両方で動作できますが、他のタイプはパルス モードに制限されます。元々の、そして今でも人気の固体設計は、直径約 20 mm、長さ 200 mm の棒状の単結晶で、両端が平らに研磨されています。この棒はキセノンまたはクリプトンを含むフラッシュ チューブに囲まれています。フラッシュすると、約 2 ミリ秒持続する光パルスがレーザーから放射されます。ディスク形状の結晶は業界で人気が高まっており、フラッシュランプは効率が高いためダイオードに取って代わられつつあります。ルビーレーザーの一般的な出力は 10 ～ 20 W ですが、Nd:YAG レーザーの出力は 0.04 ～ 6,000 W です。レーザービームを溶接領域に届けるには、通常、光ファイバーが使用されます。

ガス

ガスレーザーは、レーザー媒体として使用されるガス混合物を励起するために必要なエネルギーを供給するために、高電圧・低電流の電源を使用します。これらのレーザーは連続モードとパルスモードの両方で動作可能で、CO2ガスレーザービームの波長_は10.6μm、つまり深赤外線（つまり「熱」）です。光ファイバーケーブルはこの波長によって吸収・破壊されるため、剛性レンズとミラーを備えた伝送システムが使用されます。ガスレーザーの出力は固体レーザーよりもはるかに高く、25kWに達することもあり ます。^{[ 11 ]}

ファイバ

ファイバーレーザーの主な媒体は光ファイバーそのものです。最大50kWの出力が可能で、ロボットによる産業溶接への利用がますます増えています。

レーザービームの照射

現代のレーザービーム溶接機は2つのタイプに分類できます。従来型では、レーザー出力がシームに沿って移動します。これは通常、ロボットによって実現されます。多くの現代の用途では、リモートレーザービーム溶接が用いられています。この方法では、レーザースキャナーを用いてレーザービームがシームに沿って移動するため、ロボットアームがシームに沿って移動する必要がなくなります。リモートレーザー溶接の利点は、溶接プロセスの高速化と高精度化です。

パルスレーザー溶接の熱モデリング

パルスレーザー溶接は、連続波（CW）レーザー溶接に比べて利点がある。これらの利点のいくつかは、より低い気孔率とより少ないスパッタである。^{[ 12 ]}パルスレーザー溶接には、アルミニウム合金で高温割れを引き起こすなどの欠点もある。^{[ 2 ]}パルスレーザー溶接プロセスの熱解析は、溶融深さ、冷却速度、残留応力などの溶接パラメータの予測を補助することができる。パルスレーザープロセスは複雑なため、開発サイクルを含む手順を採用する必要がある。このサイクルには、数学モデルの構築、有限要素法（FEM）や有限差分法（FDM）などの数値モデリング技術または単純化された仮定を伴う解析モデルを使用した熱サイクルの計算、実験測定によるモデルの検証が含まれる。

公開されているモデルのいくつかを組み合わせた方法論には以下が含まれる: ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

1. 電力吸収効率を決定します。
2. 温度とクラウジウス・クラペイロンの式に基づいて反動圧力を計算します。
3. 流体体積法(VOF)を使用して流体の流速を計算します。
4. 温度分布を計算します。
5. 時間を増やして手順 1 ～ 4 を繰り返します。
6. 結果の検証

ステップ1

放射エネルギーのすべてが吸収され、溶接のための熱に変換されるわけではありません。放射エネルギーの一部は、ガスを蒸発させ、その後イオン化させることで生成されるプラズマに吸収されます。さらに、吸収率はビームの波長、溶接対象材料の表面組成、入射角、および材料の温度によって影響を受けます。^{[ 12 ]}

ローゼンタールの点光源仮定は、無限に高い温度不連続性を残すため、代わりにガウス分布を仮定することで対処します。放射エネルギーもビーム内で均一に分布しません。デバイスによってはガウス分布のエネルギー分布を生成するものもあれば、双峰性の分布を生成するものもあります。^{[ 12 ]} ガウス分布のエネルギー分布は、電力密度に次のような関数を乗じることで適用できます。^{[ 14 ]}ここで、rはビーム中心からの半径距離、=ビーム半径またはスポットサイズです。 ${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$ ${\displaystyle a_{o}}$

点光源仮定の代わりに温度分布を用いることで、吸収率などの温度依存の材料特性の計算が容易になります。照射面においてキーホールが形成されると、フレネル反射（キーホール空洞内での多重反射によるビームエネルギーのほぼ完全な吸収）が発生し、これは でモデル化できます。ここで、εは誘電率、電気伝導率、およびレーザー周波数の関数です。θは入射角です。^{[ 13 ]} 吸収効率を理解することは、熱効果を計算する上で重要です。 ${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$

ステップ2

レーザー溶接は、伝導溶接とキーホール溶接の2つのモードのいずれかで行うことができます。どちらのモードが動作しているかは、出力密度が蒸発を引き起こすのに十分高いかどうかによって決まります。^{[ 12 ]} 伝導溶接は蒸発点より低い位置で発生し、キーホール溶接は蒸発点より高い位置で発生します。キーホールは空気の塊に似ています。空気の塊は流動状態にあります。蒸発した金属の反動圧などの力によってキーホールが開きますが^{[ 13 ]}、重力（静水力とも呼ばれる）と金属の表面張力によってキーホールが収縮する傾向があります。^{[ 15 ]}さらに高い出力密度では、蒸気がイオン化されてプラズマが形成されます。

反跳圧力はクラウジウス・クラペイロンの式を用いて決定される。^{[ 14 ]}ここで、Pは平衡蒸気圧、Tは液体表面温度、H _LVは蒸発潜熱、T _LVは液体-蒸気界面の平衡温度である。蒸気流が音速に制限されるという仮定を用いると、^{[ 8 ]}となり、Poは大気圧、Prは反跳圧力である。 ${\displaystyle {dP \over dT}={d\Delta H_{LV} \over dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \over T_{LV}V_{LV}}}$ ${\displaystyle P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})}$

ステップ3

これはキーホールプロファイルに関係する。流体の流速は^{[ 13 ]によって決定される。}

${\displaystyle \bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0}$

${\displaystyle {\partial {\overrightarrow {v}} \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \over \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T}$

${\displaystyle {\partial F \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0}$

ここで、 は速度ベクトル、P = 圧力、ρ = 質量密度、= 粘度、β = 熱膨張係数、g = 重力、F はシミュレーション グリッド セル内の流体の体積分率です。 ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$ ${\displaystyle v}$

ステップ4

レーザー照射面の境界温度を決定するには、次のような式を適用します。, ^{[ 15 ]}ここで、kn = レーザーが照射される表面の法線方向の熱伝導率、h = 空気の対流熱伝達係数、σ は放射のシュテファン・ボルツマン定数、ε は溶接される材料の放射率、q はレーザービームの熱流束です。 ${\displaystyle k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0}$

1 つの移動する熱サイクルを伴う CW (連続波) レーザー溶接とは異なり、パルスレーザーでは、同じ場所に繰り返し照射されるため、複数の重なり合う熱サイクルが作成されます。^{[ 15 ]} これに対処する方法は、ビームがオンのときに熱流束を 1 倍し、ビームがオフのときに熱流束を 0 倍にするステップ関数を追加することです。^{[ 14 ]}これを実現する1 つの方法^{[ 15 ]}は、次のように q を修正するクロネッカーのデルタを使用することです。ここで、δ = クロネッカーのデルタ、qe = 実験的に決定された熱流束。この方法の問題点は、パルス持続時間の影響を確認できないことです。これを解決する 1 つの方法^{[ 14 ]}は、次のような時間依存関数の修飾子を使用することです。 ${\displaystyle q=\delta *qe}$

${\displaystyle f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}}$

ここで、v = パルス周波数、n = 0、1、2、...、v-1)、τ = パルス持続時間です。

次に、この境界条件を適用し、 フーリエの第二法則を解いて内部温度分布を求めます。内部発熱がないと仮定すると、解は となります。ここで、k = 熱伝導率、ρ = 密度、Cp = 比熱容量、= 流体速度ベクトルです。 ${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$ ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$

ステップ5

増分は、前のステップで提示された支配方程式を離散化し、次の時間と長さのステップを適用することによって行われます。

ステップ6

結果は、特定の実験観察や一般的な実験からの傾向によって検証できます。これらの実験では、溶融深度の金属組織学的検証が行われています。^{[ 9 ]}

仮定を単純化することの結果

パルスレーザーの物理は非常に複雑であるため、計算速度を上げるため、あるいは材料特性の不足を補うために、いくつかの単純化のための仮定を置く必要があります。計算時間を最小限に抑えるため、比熱などの材料特性の温度依存性は無視されます。

液体-金属界面から蒸気が放出される際の質量損失による熱損失を考慮しないと、液体の温度を過大評価する可能性があります。^{[ 14 ]}

参照

• レーザー金属堆積

参考文献

1. キャリーとヘルツァー、210ページ
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3. 「レーザー溶接の品質確保」Element誌。2022年5月31日閲覧。
4. 「レーザービーム溶接 - 概要 | ScienceDirect Topics」 www.sciencedirect.com . 2022年5月31日閲覧。
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参考文献

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• ウェマン、クラス（2003年） 『溶接プロセスハンドブック』ニューヨーク：CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8。
• Kalpakjian, Serope、Schmid,Steven R.(2006). 『製造工学と技術』第5版. アッパーサドルリバー、ニュージャージー州: Pearson Education. ISBN 0-13-148965-8

外部リンク

• デュアルビームレーザー溶接；2002年溶接ジャーナルの研究記事。 2021年4月10日、 Wayback Machineにアーカイブ。
• デュアルビームレーザー溶接における溶接形態と熱モデリング；2002年Welding Journalの研究記事。 2021年4月10日Wayback Machineにアーカイブ。
• インダストリアルレーザーソリューションズマガジンのレーザー溶接に関する記事