主に適応性の問題解決のために、二重ビーム溶接法が提案されている。レーザー溶接組み立て精度を向上させ、溶接プロセスの安定性を向上させ、溶接の品質を向上させます。特に薄板溶接やアルミニウム合金溶接に適しています。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離して溶接できます。また、CO2レーザー、Nd:YAGレーザー、高出力半導体レーザーなど、2種類の異なるレーザーを組み合わせることもできます。2つのビームのビームエネルギー、ビーム間隔、さらにはエネルギー分布パターンを変更することで、溶接温度場を簡単かつ柔軟に調整でき、穴の存在パターンや溶融池内の溶融金属の流れパターンを変更して、溶接プロセスに優れたソリューションを提供します。選択できる空間の広さは、シングルビームレーザー溶接にはないものです。大きなレーザー溶接浸透、高速、高精度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難しい材料や接合部にも優れた適応性があります。
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。ビームの配置、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の関連設定パラメータです。通常、溶接プロセス中にダブルビームを配置する方法は、一般的に2つあります。図に示すように、1つは溶接方向に沿って直列に配置する方法です。この配置により、溶融プール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抑制します。もう1つは、溶接ギャップへの適応性を向上させるために、溶接部の両側に横並びまたは交差して配置する方法です。
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。ビームの配置、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の関連設定パラメータです。通常、溶接プロセス中にダブルビームを配置する方法は、一般的に2つあります。図に示すように、1つは溶接方向に沿って直列に配置する方法です。この配置により、溶融プール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抑制します。もう1つは、溶接ギャップへの適応性を向上させるために、溶接部の両側に横並びまたは交差して配置する方法です。
タンデム配置のデュアルビームレーザー溶接システムでは、下図に示すように、前方ビームと後方ビーム間の距離に応じて3つの異なる溶接メカニズムが存在する。
1. 第1の溶接機構では、2つの光線間の距離が比較的大きい。一方の光線はエネルギー密度が高く、ワークピースの表面に集束されて溶接部にキーホールを形成する。もう一方の光線はエネルギー密度が小さく、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る。この溶接機構を用いることで、溶融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、割れ感受性の高い材料の溶接に有利であり、溶接部の靭性も向上させることができる。
2. 第2の溶接方式では、2つの光線間の焦点距離が比較的小さい。2つの光線は溶融池内に2つの独立したキーホールを生成し、溶融金属の流れパターンを変化させることで焼き付きを防止する。これにより、エッジや溶接ビードの膨らみなどの欠陥の発生をなくし、溶接形状を改善することができる。
3. 第3の溶接方式では、2つの光線間の距離が非常に小さくなります。このとき、2つの光線は溶融池内に同じキーホールを形成します。単一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、閉じにくくなるため、溶接プロセスがより安定し、ガスの排出が容易になります。これにより、気孔やスパッタが低減され、連続的で均一かつ美しい溶接部が得られます。
溶接工程において、2本のレーザービームを互いに一定の角度で照射することも可能です。溶接機構は、平行二重ビーム溶接機構と同様です。試験結果によると、互いに30°の角度で1～2mmの距離を置いた2本の高出力OOを使用することで、漏斗状のキーホールが得られます。キーホールのサイズが大きく安定しているため、溶接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、溶接条件に応じて2本のビームの相互組み合わせを変更することで、さまざまな溶接プロセスを実現できます。
6. 二重ビームレーザー溶接の実施方法
2つの異なるレーザービームを組み合わせることで二重ビームを得るか、光学分光システムを用いて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に用いることができます。光ビームを異なる出力の2つの平行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系を使用できます。図は、集光ミラーをビームスプリッターとして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、反射鏡はビームスプリッターとしても使用でき、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。その反射面は平面ではなく、2つの平面で構成されています。2つの反射面の交線は、図に示すように、屋根の棟のように鏡面の中央に位置しています。平行光線が分光器に照射され、異なる角度で2つの平面によって反射されて2つの光線が形成され、集光ミラーの異なる位置に照射されます。集光後、2つの光線はワークピースの表面上の一定の距離で得られます。2つの反射面間の角度と屋根の位置を変更することで、焦点距離と配置が異なる分割光線を得ることができます。
2種類の異なるタイプを使用する場合レーザービーム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。ガウス分布のエネルギー分布を持つ高品質のCO2レーザーを主溶接作業に使用し、矩形分布のエネルギー分布を持つ半導体レーザーを熱処理作業の補助に使用できます。この組み合わせは、一方ではより経済的です。他方では、2つの光ビームの出力を個別に調整できます。さまざまな接合形状に対して、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場が得られ、溶接プロセス制御に非常に適しています。さらに、YAGレーザーとCO2レーザーを組み合わせて二重ビーム溶接に使用したり、連続レーザーとパルスレーザーを組み合わせて溶接に使用したり、集束ビームと非集束ビームを組み合わせて溶接に使用したりすることもできます。
7．二重ビームレーザー溶接の原理
3.1 亜鉛メッキ鋼板の二重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ている材料です。鋼の融点は約1500℃ですが、亜鉛の沸点はわずか906℃です。そのため、溶融溶接法を用いると、通常大量の亜鉛蒸気が発生し、溶接工程が不安定になり、溶接部に気孔が生じます。重ね継手の場合、亜鉛メッキ層の揮発は上面と下面だけでなく、継手面でも発生します。溶接工程中、溶融池表面から亜鉛蒸気が急速に噴出する箇所もあれば、亜鉛蒸気が溶融池から逃げにくい箇所もあります。溶融池表面では、溶接品質が非常に不安定になります。
二重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適切にマッチングさせることで溶融池の存続時間と冷却速度を制御し、亜鉛蒸気の放出を促進することです。もう1つの方法は、事前に穴あけや溝加工を行うことで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レーザーの前に配置され、穴あけや溝加工に使用されます。事前に加工された穴や溝は、その後の溶接中に発生する亜鉛蒸気の逃避経路となり、溶融池内に亜鉛蒸気が留まって欠陥を形成するのを防ぎます。
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困難があります[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が90%を超えます。アルミニウム合金のレーザー溶接シームは、気孔や亀裂が発生しやすく、溶接中に合金元素が燃焼するなどします。単一レーザー溶接を使用する場合、キーホールを確立して安定性を維持することは困難です。ダブルビームレーザー溶接では、キーホールのサイズを大きくすることができ、キーホールが閉じにくくなるため、ガスの排出に有利です。また、冷却速度を下げ、気孔や溶接亀裂の発生を減らすことができます。溶接プロセスがより安定し、スパッタの量が少なくなるため、アルミニウム合金のダブルビーム溶接で得られる溶接面の形状は、シングルビーム溶接のものよりも大幅に優れています。図6-32は、CO2シングルビームレーザーと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ています。
研究によると、厚さ2mmの5000系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0.6～1.0mmのとき、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るため、溶接プロセス中のマグネシウムの蒸発と排出に有利になります。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不安定になります。距離が大きすぎると、図6-33に示すように、溶接の浸透に影響が出ます。さらに、2本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本のビームを直列に配置して溶接する場合、前後の2本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。これにより、溶接シームの品質が向上し、溶融領域が増加し、溶接速度が速い場合でも滑らかで美しい溶接シームが得られます。
3.3 板厚の異なる板材の二重ビーム溶接
工業生産では、厚さや形状の異なる2枚以上の金属板を溶接して接合板を形成することがしばしば必要となる。特に自動車生産においては、テーラード溶接ブランクの適用がますます広まっている。仕様、表面コーティング、特性の異なる板を溶接することで、強度を高め、消耗品を削減し、品質を低下させることができる。板厚の異なる板のレーザー溶接は、通常、パネル溶接に用いられる。大きな問題は、溶接する板が高精度のエッジで事前に成形され、高精度の組み立てを保証する必要があることである。厚さの異なる板のダブルビーム溶接を使用することで、板の隙間、突合せ継手、相対的な厚さ、板材のさまざまな変化に対応できる。より大きなエッジおよび隙間公差の板を溶接でき、溶接速度と溶接品質を向上させることができる。
双光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られます。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、溶接ヘッド角度、二重ビーム突合せ継手のビーム回転角度、溶接オフセットなどが含まれます。板パラメータには、材料サイズ、性能、トリミング条件、板ギャップなどが含まれます。2つのレーザービームの出力は、異なる溶接目的に応じて個別に調整できます。焦点位置は、一般的に薄板の表面に配置され、安定した効率的な溶接プロセスを実現します。溶接ヘッド角度は通常、約6に設定されます。2枚の板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、レーザーを薄板に向かって傾けます。板の厚さが比較的小さい場合は、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と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で、溶接部の凹みを減らし、良好な溶接断面を得ることができる。
大きな隙間のある板を溶接する場合、ダブルビームの角度を回転させることで有効ビーム加熱径を大きくし、良好な隙間充填能力を得ることができます。溶接部の上部の幅は、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、溶接部の上部の幅が大きくなります。2 つのレーザービームは、溶接プロセスで異なる役割を果たします。1 つは主にシームを貫通するために使用され、もう 1 つは主に厚い板材を溶融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、正のビーム回転角度 (前方のビームが厚い板に作用し、後方のビームが溶接部に作用する) の下では、前方のビームが厚い板に入射して材料を加熱および溶融し、後続のレーザービームが貫通します。前面の最初のレーザービームは厚板を部分的にしか溶融できませんが、溶接プロセスに大きく貢献します。これは、厚板の側面を溶融して隙間をより良く埋めるだけでなく、接合材料を事前に接合して、後続のビームが接合部を溶接しやすくし、より高速な溶接を可能にするためです。負の回転角のダブルビーム溶接（前面ビームが溶接部に作用し、後面ビームが厚板に作用する）では、2つのビームは正反対の効果を持ちます。前者のビームは接合部を溶融し、後面ビームは厚板を溶融して隙間を埋めます。この場合、前面ビームは冷えた板を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。また、前のビームの予熱効果により、後面ビームは同じ出力でより多くの厚板材料を溶融します。この場合、後面レーザービームの出力を適切に下げる必要があります。これに対し、正のビーム回転角を使用すると溶接速度を適切に上げることができ、負のビーム回転角を使用するとより良好な隙間充填を実現できます。図6-36は、異なるビーム回転角度が溶接部の断面に及ぼす影響を示している。
3.4 大型厚板の二重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、大型厚板のレーザー溶接が現実のものとなりました。しかし、高出力レーザーは高価であり、大型厚板の溶接には一般的に溶加材が必要となるため、実際の生産には一定の制約があります。二重ビームレーザー溶接技術を使用することで、レーザー出力の向上だけでなく、有効ビーム加熱径の拡大、溶加材の溶融能力の向上、レーザーキーホールの安定化、溶接安定性の向上、溶接品質の向上も実現できます。
投稿日時：2024年4月29日
