デュアルビーム溶接法は、主に溶接の適応性を解決するために提案されています。レーザー溶接特に薄板溶接やアルミニウム合金溶接において、組立精度の向上、溶接プロセスの安定性の向上、溶接品質の向上を実現します。ダブルビームレーザー溶接では、光学的方法を使用して、同じレーザーを 2 つの別々の光ビームに分割して溶接できます。また、CO2 レーザー、Nd:YAG レーザー、高出力半導体レーザーの 2 種類のレーザーを組み合わせて使用することもできます。組み合わせることができます。ビームエネルギー、ビーム間隔、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、溶接温度場を便利かつ柔軟に調整でき、穴の存在パターンや溶融池内の液体金属の流れパターンを変更できます。 、溶接プロセスにより良いソリューションを提供します。シングルビームレーザー溶接では、広大なスペースを選択できます。レーザー溶接の溶け込みが大きく、高速かつ高精度であるという利点があるだけでなく、従来のレーザー溶接では溶接が困難な材料や継手への適応性も優れています。
の原理ダブルビームレーザー溶接
ダブルビーム溶接とは、溶接プロセス中に 2 つのレーザー ビーム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 つのビーム間の角度、焦点位置、および 2 つのビームのエネルギー比はすべて、ダブル ビーム レーザー溶接に関連する設定です。パラメータ。通常、溶接プロセス中にダブルビームを配置するには一般に 2 つの方法があります。図のように溶接方向に沿って1つが直列に配置されています。この配置により、溶融池の冷却速度を低下させることができます。溶接部の硬化傾向と気孔の発生を軽減します。もう一つは溶接隙間への適応性を高めるために溶接部の両側に並べたり十字に配置したりする方法です。
ダブルビームレーザー溶接の原理
ダブルビーム溶接とは、溶接プロセス中に 2 つのレーザー ビーム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 つのビーム間の角度、焦点位置、および 2 つのビームのエネルギー比はすべて、ダブル ビーム レーザー溶接に関連する設定です。パラメータ。通常、溶接プロセス中にダブルビームを配置するには一般に 2 つの方法があります。図のように溶接方向に沿って1つが直列に配置されています。この配置により、溶融池の冷却速度を低下させることができます。溶接部の硬化傾向と気孔の発生を軽減します。もう一つは溶接隙間への適応性を高めるために溶接部の両側に並べたり十字に配置したりする方法です。
タンデム配置のデュアルビームレーザー溶接システムの場合、次の図に示すように、前ビームと後ビームの間の距離に応じて 3 つの異なる溶接機構があります。
1. 第 1 のタイプの溶接メカニズムでは、2 つの光ビーム間の距離は比較的大きくなります。 1 つの光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にキーホールを生成します。もう一方の光線のエネルギー密度はより小さくなります。溶接前または溶接後の熱処理の熱源としてのみ使用されます。この溶接機構を使用すると、溶接池の冷却速度を一定の範囲内で制御でき、高炭素鋼や合金鋼などの亀裂感受性の高い一部の材料の溶接に有利であり、靭性も向上させることができます。溶接部の。
2. 2 番目のタイプの溶接機構では、2 つの光ビーム間の焦点距離は比較的小さくなります。 2 本の光線は溶接池に 2 つの独立したキーホールを生成し、液体金属の流動パターンを変化させ、焼き付きの防止に役立ちます。エッジや溶接ビードの膨らみなどの欠陥の発生を解消し、溶接の形成を改善します。
3. 3 番目のタイプの溶接メカニズムでは、2 つの光ビーム間の距離が非常に小さくなります。このとき、2 つの光線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、閉じにくいため、溶接プロセスがより安定し、ガスが排出されやすくなり、ポアやスパッタが減少し、連続的で均一な溶接が得られます。美しい溶接。
溶接プロセス中に、2 つのレーザー ビームが互いに特定の角度で照射されることもあります。溶接機構は平行ダブルビーム溶接機構と同様です。テスト結果は、互いに角度 30°、距離 1 ～ 2 mm の 2 つの高出力 OO を使用することにより、レーザー ビームが漏斗状の鍵穴を得ることができることを示しています。キーホールのサイズが大きくなり、より安定しているため、溶接の品質が効果的に向上します。実際の応用では、異なる溶接条件に応じて 2 つの光ビームの相互の組み合わせを変更して、異なる溶接プロセスを実現できます。
6. ダブルビームレーザー溶接の実施方法
ダブルビームの取得は、2 つの異なるレーザービームを組み合わせることで実現できます。また、分光分析システムを使用して 1 つのレーザービームを 2 つのレーザービームに分割して溶接することもできます。光ビームをパワーの異なる 2 つの平行なレーザー ビームに分割するには、分光器または特殊な光学システムを使用できます。この写真は、ビーム スプリッターとして集光ミラーを使用した光分割原理の 2 つの概略図を示しています。
さらに、反射鏡をビーム スプリッターとして使用することもでき、光路の最後の反射鏡をビーム スプリッターとして使用することもできます。このタイプの反射鏡は屋根型反射鏡とも呼ばれます。反射面は平面ではなく、2つの平面から構成されています。 2 つの反射面の交線は、図に示すように、屋根の尾根のように鏡面の中央に位置します。平行光線が分光器を照らし、2 つの平面で異なる角度で反射されて 2 つの光線が形成され、集光ミラーの異なる位置を照らします。焦点を合わせた後、ワークピースの表面上の一定の距離に 2 つの光ビームが得られます。 2つの反射面の角度や屋根の位置を変えることで、焦点距離や配置の異なる分割光線が得られます。
異なる2種類を使用する場合レーザー光線二重ビームを形成するには、多くの組み合わせがあります。主な溶接作業にはガウス型のエネルギー分布を持つ高品質の CO2 レーザーを使用でき、熱処理作業には方形型のエネルギー分布を持つ半導体レーザーを使用できます。一方で、この組み合わせはより経済的です。一方、2 つの光ビームのパワーは独立して調整できます。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で調整可能な温度領域が得られ、溶接に非常に適しています。プロセス制御。また、YAGレーザーとCO2レーザーを組み合わせたダブルビーム溶接、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。
7. ダブルビームレーザー溶接の原理
3.1 亜鉛メッキ板のダブルビームレーザー溶接
亜鉛メッキ鋼板は自動車産業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、溶融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ます。 、溶接部に気孔が形成されます。重ね継手の場合、亜鉛めっき層の揮発は上下面だけでなく継手面でも起こります。溶接プロセス中、一部の領域では亜鉛蒸気が溶融池表面から急速に噴出しますが、他の領域では亜鉛蒸気が溶融池から逃げるのが困難です。プール表面では溶接品質が非常に不安定です。
ダブ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。 1 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て、亜鉛蒸気の逃げを促進することにより、溶融池の存在時間と冷却速度を制御することです。もう 1 つの方法は、事前のパンチングまたは溝加工によって亜鉛蒸気を放出することです。図 6-31 に示すように、溶接には CO2 レーザーが使用されます。 YAG レーザーは CO2 レーザーの前にあり、穴を開けたり、溝を切ったりするために使用されます。前処理された穴または溝は、その後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残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ダブルビームレーザー溶接
アルミニウム合金材料の特殊な性能特性により、レーザー溶接の使用には次のような問題があります [39]。アルミニウム合金はレーザーの吸収率が低く、CO2 レーザービーム表面の初期反射率は 90% を超えます。アルミニウム合金のレーザー溶接継ぎ目は気孔や亀裂が生じやすい。単一レーザー溶接では、キーホールを確立し、安定性を維持することが困難です。ダブルビームレーザー溶接ではキーホールのサイズが大きくなり、キーホールが閉まりにくくなり、ガスの排出に有利になります。また、冷却速度を遅くし、気孔や溶接割れの発生を低減することができます。アルミニウム合金のダブルビーム溶接は、溶接プロセスが安定し、スパッタの量が減少するため、シングルビーム溶接に比べて溶接面の形状も大幅に向上します。図 6-32 に、CO2 シングルビームレーザー溶接およびダブルビームレーザー溶接を使用した厚さ 3mm のアルミニウム合金突合せ溶接の溶接シームの外観を示します。
研究によると、厚さ 2 mm の 5000 シリーズ アルミニウム合金を溶接する場合、2 本のビーム間の距離が 0.6 ～ 1.0 mm の場合、溶接プロセスは比較的安定し、形成されるキーホール開口部が大きくなり、溶接中のマグネシウムの蒸発と流出が促進されます。溶接工程。 2 本のビーム間の距離が小さすぎると、1 本のビームの溶接プロセスが安定しなくなります。距離が大きすぎると、図 6-33 に示すように、溶接の溶け込みに影響が生じます。さらに、2 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。間隔0.9mmの2つのビームを直列に配置して溶接する場合、前後の2つのビームのエネルギー比が1:1より大きくなるように、前のビームのエネルギーを適切に増加させる必要があります。溶接速度が速い場合でも、溶接線の品質を向上させ、溶融面積を増やし、滑らかで美しい溶接線を得るのに役立ちます。
3.3 不等厚板のダブルビーム溶接
工業生産では、厚さと形状が異なる 2 つ以上の金属板を溶接して、接合板を形成することが必要になることがよくあります。特に自動車生産においては、テーラー溶接ブランクの適用がますます広まっています。仕様、表面コーティング、特性の異なるプレートを溶接することで、強度を高め、消耗品を減らし、品質を下げることができます。パネル溶接では、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。大きな問題は、溶接されるプレートが高精度のエッジで予備成形され、高精度の組み立てが保証され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と、板のギャップ、突合せ接合、相対的な厚さ、板材のさまざまな変化に適応できます。より大きなエッジとギャップの公差でプレートを溶接でき、溶接速度と溶接品質が向上します。
双広東の不等厚板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 ビームの出力、溶接速度、焦点位置、溶接ヘッドの角度、ダブルビーム突合せジョイントのビーム回転角度、溶接オフセットなどが含まれます。基板パラメータには、材料サイズ、性能、トリミング条件、基板ギャップが含まれます。 2 つのレーザー ビームの出力は、溶接の目的に応じて個別に調整できます。安定した効率的な溶接プロセスを実現するために、焦点位置は通常、薄板の表面に配置されます。溶接ヘッドの角度は通常約 6 度に選択されます。2 つのプレートの厚さが比較的大きい場合は、正の溶接ヘッド角度を使用できます。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。溶接オフセットは、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。溶接オフセットを調整することにより、溶接打痕量を低減し、良好な溶接断面を得ることができます。
大きなギャップのある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直径を大きくし、良好なギャップ充填能力を得ることができます。溶接頂部の幅は、2 つのレーザー ビームの有効ビーム径、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、溶接上部の幅が広くなります。 2 つのレーザー ビームは溶接プロセスにおいて異なる役割を果たします。 1つは主に継ぎ目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。図 6-35 に示すように、正のビーム回転角 (フロント ビームは厚板に作用し、リア ビームは溶接部に作用) では、フロント ビームが厚板に入射して材料を加熱して溶融します。以下のもの レーザー光線が貫通を作成します。前面の最初のレーザー ビームは厚板を部分的にしか溶かせませんが、厚板の側面を溶かして隙間を埋めるだけでなく、接合材料を事前に接合するので、溶接プロセスに大きく貢献します。継手を介して溶接するのが容易になり、より迅速な溶接が可能になります。負の回転角度でのダブル ビーム溶接 (フロント ビームが溶接部に作用し、リア ビームが厚いプレートに作用する) では、2 つのビームはまったく逆の効果をもたらします。前者の梁は接合部を溶かし、後者の梁は厚い板を溶かして埋めます。ギャップ。この場合、フロント ビームはコールド プレートを介して溶接する必要があり、溶接速度は正のビーム回転角を使用する場合よりも遅くなります。そして、前のビームの予熱効果により、後のビームは同じ電力でより厚い板材を溶かします。この場合、後者のレーザ光のパワーを適切に下げる必要がある。比較すると、正のビーム回転角を使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使用するとより良好なギャップ充填を実現できます。図 6-36 は、溶接断面に対す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 大厚板のダブルビームレーザ溶接 レーザ出力レベルとビーム品質の向上により、大厚板のレーザ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、大きく厚い板の溶接には一般に溶加材が必要であるため、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、レーザー出力が増加するだけでなく、有効ビーム加熱直径が増加し、フィラーワイヤーの溶融能力が増加し、レーザーキーホールが安定し、溶接の安定性が向上し、溶接品質が向上します。
投稿日時: 2024 年 4 月 29 日
