従来の溶接技術と比較して、レーザー溶接溶接精度、効率、信頼性、自動化などにおいて比類のない優位性を有しています。近年、自動車、エネルギー、エレクトロニクスなどの分野で急速に発展しており、21世紀において最も有望な製造技術の一つとみなされています。
1. ダブルビームの概要レーザー溶接
ダブルビームレーザー溶接同じレーザー光を2つの別々のビームに分離して溶接する方法、またはCO2レーザー、Nd:YAGレーザー、高出力半導体レーザーなど、2種類の異なるレーザーを組み合わせる方法があります。これらはすべて組み合わせることができます。この方法は主に、レーザー溶接の組み立て精度への適応性を改善し、溶接プロセスの安定性を向上させ、溶接品質を向上させるために提案されました。レーザー溶接ビームエネルギー比、ビーム間隔、さらには2つのレーザービームのエネルギー分布パターンを変更することで、溶接温度場を便利かつ柔軟に調整でき、キーホールの存在パターンや溶融池内の溶融金属の流れパターンも変化させることができます。溶接プロセスの選択肢が広がります。大きな利点があるだけでなく、レーザー溶接浸透性、高速性、高精度に優れているだけでなく、従来の溶接方法では溶接が難しい材料や接合部にも適しています。レーザー溶接.
ダブルビーム用レーザー溶接まず、ダブルビームレーザーの実装方法について説明します。包括的な文献によると、ダブルビーム溶接を実現する主な方法は、透過集束と反射集束の2つです。具体的には、1つは集束ミラーとコリメートミラーを介して2つのレーザーの角度と間隔を調整することによって実現されます。もう1つは、レーザー光源を使用し、反射ミラー、透過ミラー、およびウェッジ型ミラーを介して集束してデュアルビームを実現することです。最初の方法には、主に3つの形式があります。1つ目は、2つのレーザーを光ファイバーで結合し、同じコリメートミラーと集束ミラーの下で2つの異なるビームに分割する方法です。2つ目は、2つのレーザーがそれぞれの溶接ヘッドを通してレーザービームを出力し、溶接ヘッドの空間位置を調整することによってダブルビームを形成する方法です。3つ目は、レーザービームをまず2つのミラー1と2で分割し、次に2つの集束ミラー3と4でそれぞれ集束する方法です。 2つの焦点の位置と距離は、2つの集光ミラー3と4の角度を調整することで調整できます。2つ目の方法は、固体レーザーを使用して光を分割し、2つのビームを実現し、透視ミラーと集光ミラーを通して角度と間隔を調整することです。下の最初の行の最後の2つの図は、CO2レーザーの分光システムを示しています。平面ミラーをくさび形ミラーに置き換え、集光ミラーの前に配置して光を分割し、2つの平行ビーム光を実現しています。
二重梁の実装を理解したところで、溶接の原理と方法を簡単に紹介しましょう。二重梁ではレーザー溶接プロセスには、直列配置、並列配置、ハイブリッド配置の 3 つの一般的なビーム配置があります。布地、つまり溶接方向と溶接垂直方向の両方に距離があります。図の最後の行に示すように、直列溶接プロセス中に異なるスポット間隔で現れる小さな穴と溶融プールの形状の違いに応じて、さらに単一溶融プールに分類できます。プール、共通溶融プール、分離溶融プールの 3 つの状態があります。単一溶融プールと分離溶融プールの特性は、単一溶融プールの特性と似ています。レーザー溶接数値シミュレーション図に示すように、種類によってプロセス効果は異なります。
タイプ1：一定のスポット間隔で、2つのビームキーホールが同じ溶融池内に共通の大きなキーホールを形成します。タイプ1では、一方のビームで小さな穴を作成し、もう一方のビームで溶接熱処理を行うことで、高炭素鋼や合金鋼の構造特性を効果的に向上させることができると報告されています。
タイプ2：同じ溶融池内のスポット間隔を広げ、2つのビームを2つの独立したキーホールに分離し、溶融池の流れパターンを変更します。タイプ2の場合、その機能は2つの電子ビーム溶接に相当し、適切な焦点距離で溶接スパッタと不規則な溶接を低減します。
タイプ3：スポット間隔をさらに広げ、2つのビームのエネルギー比を変更することで、2つのビームのうち1つを溶接工程中の溶接前処理または溶接後処理を行うための熱源として使用し、もう1つのビームを小さな穴を生成するために使用します。タイプ3の場合、2つのビームがキーホールを形成し、小さな穴が崩壊しにくく、溶接部に気孔が発生しにくいことが研究で明らかになりました。
2. 溶接プロセスが溶接品質に及ぼす影響
連続ビームエネルギー比が溶接シーム形成に及ぼす影響
レーザー出力が 2kW、溶接速度が 45 mm/s、デフォーカス量が 0mm、ビーム間隔が 3 mm の場合、RS を変更したとき (RS = 0.50、0.67、1.50、2.00)、溶接面の形状を図に示します。RS = 0.50 および 2.00 の場合、溶接部の凹みが大きく、溶接部の端にスパッタが多く発生し、規則的な魚の鱗模様が形成されません。これは、ビームエネルギー比が小さすぎるか大きすぎると、レーザーエネルギーが集中しすぎて、溶接プロセス中にレーザーピンホールがより激しく振動し、蒸気の反動圧力によって溶融池内の溶融金属が噴出および飛散するためです。また、過剰な熱入力により、アルミニウム合金側の溶融池の浸透深さが大きくなりすぎて、重力の作用で凹みが発生します。 RS=0.67および1.50の場合、溶接面の魚鱗模様は均一で、溶接形状はより美しく、溶接面には目に見える溶接熱割れ、気孔、その他の溶接欠陥はありません。異なるビームエネルギー比RSでの溶接の断面形状を図に示します。溶接の断面は典型的な「ワイングラス形状」であり、溶接プロセスがレーザー深浸透溶接モードで実行されていることを示しています。RSは、アルミニウム合金側の溶接の浸透深さP2に重要な影響を与えます。ビームエネルギー比RS=0.5の場合、P2は1203.2ミクロンです。ビームエネルギー比がRS=0.67および1.5の場合、P2は大幅に減少し、それぞれ403.3ミクロンおよび93.6ミクロンです。ビームエネルギー比がRS=2の場合、接合部断面の溶接浸透深さは1151.6ミクロンです。
平行ビームエネルギー比が溶接シーム形成に及ぼす影響
レーザー出力が2.8kW、溶接速度が33mm/s、デフォーカス量が0mm、ビーム間隔が1mmの場合、ビームエネルギー比（RS=0.25、0.5、0.67、1.5、2、4）を変化させて得られた溶接面の外観を図に示す。RS=2の場合、溶接面の魚鱗模様は比較的不規則である。他の5つの異なるビームエネルギー比で得られた溶接面は良好に形成されており、気孔やスパッタなどの目に見える欠陥はない。したがって、直列デュアルビームと比較すると、レーザー溶接平行二連ビームを使用した溶接面は、より均一で美しい。RS=0.25 の場合、溶接部にわずかな凹みがある。ビームエネルギー比が徐々に増加すると (RS=0.5、0.67、1.5)、溶接面は均一になり、凹みは形成されない。しかし、ビームエネルギー比がさらに増加すると (RS=1.50、2.00)、溶接面に凹みが生じる。ビームエネルギー比 RS=0.25、1.5、2 の場合、溶接部の断面形状は「ワイングラス型」である。RS=0.50、0.67、1 の場合、溶接部の断面形状は「漏斗型」である。RS=4 の場合、溶接部の底部に亀裂が発生するだけでなく、溶接部の中央部と下部にも気孔が発生する。 RS=2の場合、溶接部内部に大きなプロセスポアが発生するが、亀裂は発生しない。RS=0.5、0.67、1.5の場合、アルミニウム合金側の溶接部の溶け込み深さP2は小さく、溶接部の断面形状は良好で、明らかな溶接欠陥は発生しない。これらの結果から、平行二連ビームレーザー溶接におけるビームエネルギー比も、溶接部の溶け込み深さや溶接欠陥に重要な影響を与えることがわかる。
平行ビーム – ビーム間隔が溶接シーム形成に及ぼす影響
レーザー出力が 2.8kW、溶接速度が 33mm/s、デフォーカス量が 0mm、ビームエネルギー比 RS=0.67 の場合、ビーム間隔 (d=0.5mm、1mm、1.5mm、2mm) を変更して、図に示すような溶接面形状を得ます。d=0.5mm、1mm、1.5mm、2mm の場合、溶接面は滑らかで平坦で、形状が美しく、溶接部の魚鱗模様は規則的で美しく、目に見える気孔、亀裂、その他の欠陥はありません。したがって、4 つのビーム間隔条件では、溶接面は良好に形成されます。さらに、d=2 mm の場合、2 つの異なる溶接が形成され、これは 2 つの平行なレーザービームが溶融池に作用しなくなり、効果的なデュアルビームレーザーハイブリッド溶接を形成できないことを示しています。ビーム間隔が0.5mmの場合、溶接部は「漏斗状」になり、アルミニウム合金側の溶接部の溶け込み深さP2は712.9ミクロンで、溶接部内部に亀裂、気孔などの欠陥はありません。ビーム間隔がさらに大きくなると、アルミニウム合金側の溶接部の溶け込み深さP2は著しく減少します。ビーム間隔が1mmの場合、アルミニウム合金側の溶接部の溶け込み深さはわずか94.2ミクロンです。ビーム間隔がさらに大きくなると、アルミニウム合金側に有効な溶け込みが形成されません。したがって、ビーム間隔が0.5mmの場合、2ビーム再結合効果が最適となります。ビーム間隔が大きくなると、溶接熱入力が急激に減少し、2ビームレーザー再結合効果が徐々に悪化します。
溶接形態の違いは、溶接プロセス中の溶融プールの流れと冷却凝固の違いによって生じます。数値シミュレーション法は、溶融プールの応力解析をより直感的にするだけでなく、実験コストを削減することもできます。下の図は、単一ビーム、異なる配置、およびスポット間隔によるサイド溶融プールの変化を示しています。主な結論は次のとおりです。（1）単一ビームの場合レーザー溶接プロセス中、溶融池の穴の深さが最も深く、穴の崩壊現象が発生し、穴壁は不規則で、穴壁付近の流動場分布は不均一です。溶融池の後面付近ではリフローが強く、溶融池底部では上向きのリフローが発生します。溶融池表面の流動場分布は比較的均一で緩やかであり、溶融池の幅は深さ方向に不均一です。二重ビームの小孔間の溶融池では、壁面反動圧力による擾乱が発生します。レーザー溶接、そしてそれは常に小さな穴の深さ方向に沿って存在します。2つのビーム間の距離が増加するにつれて、ビームのエネルギー密度は徐々に単一ピークから二重ピークの状態に移行します。2つのピークの間には最小値があり、エネルギー密度は徐々に減少します。（2）二重ビームの場合レーザー溶接スポット間隔が0～0.5mmの場合、溶融池の微細孔の深さはわずかに減少し、溶融池全体の流れ挙動はシングルビームの場合と同様になる。レーザー溶接スポット間隔が 1mm を超えると、小さな穴は完全に分離され、溶接プロセス中に 2 つのレーザー間の相互作用はほとんどなくなり、出力 1750W の 2 つの連続 / 2 つの平行な単一ビーム レーザー溶接に相当します。予熱効果はほとんどなく、溶融池の流れ挙動は単一ビーム レーザー溶接のそれと似ています。(3) スポット間隔が 0.5～1mm の場合、2 つの配置で小さな穴の壁面がより平坦になり、小さな穴の深さが徐々に減少し、底部が徐々に分離します。小さな穴と表面溶融池の流れの間の擾乱は 0.8mm で最も強くなります。連続溶接の場合、溶融池の長さは徐々に増加し、スポット間隔が 0.8mm のときに幅が最大になり、スポット間隔が 0.8mm のときに予熱効果が最も顕著になります。マランゴニ力の影響は徐々に弱まり、より多くの金属液体が溶融池の両側に流れます。溶融幅の分布をより均一にします。平行溶接の場合、溶融プールの幅は徐々に増加し、長さは最大で 0.8mm になりますが、予熱効果はありません。表面付近のマランゴニ力による再流動は常に存在し、小孔底部の下方再流動は徐々に消滅します。断面流場は直列溶接ほど良好ではなく、乱れは溶融プールの両側の流れにほとんど影響を与えず、溶融幅は不均一に分布します。
投稿日時：2023年10月12日
