ダイナミックビーム整形技術による厚いレーザー溶接

この概念図は、厚さ 70 mm のプレートをシングルパスでダイナミックビームレーザー溶接する様子を示しています。

アトランタで開催される FABTECH 2022 では、参加者は Civan Lasers のブース内のワークステーションに座り、画面上のいくつかの点をクリックして、Civan がダイナミックビームレーザーと呼ぶものによって可能になるレーザー溶接ビームのエネルギープロファイルと焦点深度をカスタマイズできました。または DBL、テクノロジー。

DBLはいくつかの眉をひそめる成果をもたらしており、2月9日に発表された最新の成果では、真空を必要としない大気圧で深さ70mmのシングルパス溶接を完了したと同社が発表した。

イスラエルの企業はレーザーを機械的に操作せず、ビームスポットを揺動させるガルバノミラーに依存しています。代わりに、操作はレーザー自体の内部で行われます。

「当社には 30 本以上のファイバーがあり、目的は回折パターンを制御することです。これを使用すると、ワークピース上で必要なパワー分布を設計できます。」

それは、DBL の背後にある 2 つの構成要素である、同社のコヒーレントビーム結合 (CBC) および光フェーズドアレイ (OPA) テクノロジーの背後にある基本について説明した、Civan のマーケティングマネージャーであるアミスピラでした。「これにより、ユーザーはこれまでレーザーでは不可能だった多くのアプリケーションを実行できるようになります。」

ブースでは、参加者がグリッドパターンをクリックして、自由形式のスタイルでビームプロファイルを定義できました。「これが形状ですが、密度も制御できます」とスピラ氏は説明した。「たとえば、この地域でもっとエネルギーを生み出したいとします。」彼はビームプロファイル内の中心からわずかに外れた領域を指摘しました。「ここをクリックするだけで、その領域でより多くのエネルギーを得ることができます。」

制御のもう 1 つのパラメータには回折パターンが含まれます。「それはレーザーの生成方法に関係しています」と彼は言う。「私たちの光学ヘッドには光を発する複数のビームがあり、それらが重なって回折パターンが生成されます。そして、各レーザーの位相を制御することで、X、Y、Z 方向に[ビームの特性を変更する]ことができます。」

Z 軸は、ビームの焦点深度に新たなレベルの制御を与えるため、特に重要です。「たとえば、焦点距離 1.5 m を使用すると、焦点深度はほぼ 30 mm になります。また、[焦点距離] が 3 m であれば、焦点深度は 2 倍以上になります。」

このような焦点深度は、他のビームパラメータの改良と組み合わされて、Civan を新しい用途に押し上げました。最新のものの 1 つは、突合せ継手構成での非常に厚い材料の 1 パス溶接を含みます。これを可能にするのは、Civan と、非常に厚い溶接継手を含む自動溶接システムを専門とするアイダホ州レックスバーグの会社 AMET とのパートナーシップです。

「（Civanは）統合システムを提供するパートナーを米国で探していた」とAMET社長のドン・シュウェマー氏はFABTECHでのインタビューで語った。「私たちはレーザープロバイダーと開発者と協力したいと考えていました。そして制御面が私たちの強みです。レーザーのビーム形状と焦点距離を操作できるため、それを[制御]パッケージに追加できます」数本のレンチではなく、巨大なツールボックスを使用できるようになりました。本当にぴったりです。」

ダイナミックビームレーザーは、コヒーレントビーム結合と光フェーズアレイテクノロジー (図を参照) を使用して、アプリケーションに合わせて調整されたビームを作成します。

FABTECH で Civan は、亀裂に敏感な材料に強力な溶接を生成する DBL の能力、キーホールを安定させるビーム形状による気孔とスパッタの削減、および異種材料の特性を制御する能力を示す作業サンプルを展示しました。

Civan のホワイトペーパーによると、DBL テクノロジーは 4 つの方法でビーム特性を変更します。 1 つ目は、ユーザーが特定の用途に合わせて特定の形状を設計するビーム整形です。これにより、エンジニアは「複数の形状をテストして、特定の溶接に最適な形状を最適化する」ことが可能になります。たとえば、異なる金属を溶接する場合、DBL を使用すると、同時に移動する 2 つのレーザースポットを使用できます (キッチンの動きを想像してください)。ミキサー) を使用して均一な溶接を行います。」

もう 1 つの変数は、形状の頻度、つまりさまざまな間隔で形状を作成する能力です。周波数が高くなるほど、ビームの動作は「静的」に近づきます。「例えば50MHzのような高速周波数は非常に速いため、ビームは準静的な形状で動作する」と白書は述べ、そのような高速周波数はヘルツやキロヘルツ範囲の周波数とは全く異なる結果を生み出すと付け加えた。

3 番目のパラメータはビームシーケンスです。これにより、レーザーはマイクロ秒の速さでビーム形状を切り替えることができます。「これは、一連の異なる形状を作成し、それらを順番に、異なる速度で、選択した間隔で通過するようにレーザーをプログラムできることを意味します。」

4 番目のパラメータはフォーカスステアリングです。繰り返しますが、ホワイトペーパーによると、「これは、プロセス中いつでも、任意の速度で材料内の Z 軸上の焦点位置を変更できることを意味します。フォーカスステアリングは、厚い材料を溶接する場合に特に有益であり、よりスムーズでスムーズな溶接が可能になります。」より安定した溶接が可能になります。」

このようなフォーカスステアリングは、AMET などによってシングルパスの厚板溶接に利用されています。これは、Civan が今年初めに発表したアプリケーションで 70 mm 厚の材料のシングルパス溶接を実現した方法でもあります。

厚板溶接は、同社が近年取り組んでいる応用分野の 1 つにすぎません。厚さのスペクトルの対極にある同社は、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所のエウレカプロジェクトに参加し、燃料電池のバイポーラプレートの超高送り速度溶接に取り組んでいます。このプロジェクトは厚さわずか0.1mmのシートを使用します。溶接速度は1,500mm/秒です。

このプロジェクトでは、研究者らは高強度の点と低エネルギー強度の追加領域を組み合わせるような方法でビームを成形し、これにより材料の予熱と後加熱を非常に短時間で行うことが可能になりました。これは、溶融プールがどのように形成され、凝固するかを制御するのに役立ちました。また、キーホールの後ろの溶融プールの流速を下げるために、ビームの形状 (プロセスの途中で発生する可能性があります) を楕円形に変更しました。これにより、研究者は欠陥を生じさせることなく溶接速度を向上させることができました。

Civan はレーザー溶接に重点を置いていますが、他の産業用レーザープロセスにも取り組んでいます。たとえば、同社はドイツの Smart Move GmbH と提携して、積層造形用の新しいレーザー溶接およびレーザー粉末床融合技術を開発しました。

同社はまた、フォーカスステアリングの利点を実証するレーザー切断アプリケーションのテスト結果を詳述した論文をいくつか出版しています。具体的には、同社は 8 kW、シングルモード、高深度焦点レーザーを使用して、厚さ 15 mm の 304L ステンレス鋼を切断しました。ビームは、2 つの点が垂直方向にある螺旋状に成形されました。論文によると、フォーカスステアリングは「素材の中央に位置し、Z軸を中心に±8mm上下にステアリングされた点で発生しました。フォーカスステアリング周波数は、送り速度5.4～16Hzに設定されました」 15 ～ 18 mm/秒…フォーカスステアリングにより、溶融材料の制御が向上し、ドロスの少ない滑らかな粗さが可能になります。」

FABTECH のインターフェイスにより、出席者はビームプロファイルをクリックしてカスタマイズできます。

さらに、Civan はインドの企業 SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited) と提携して、3D レーザー溶接と切断の両方を実行する機械を開発しました。 Civan のプレスリリースによると、「このプロジェクトは、動的ビーム整形レーザーを備えた完全なエンドツーエンドシステムを作成します。」

シバンのテクノロジーはその前兆かもしれない。産業用レーザービームはもはや静的ではありません。これは、金属製造における真のスイスアーミーナイフに進化し、さまざまな方法と頻度で形状を整え、順番に並べ、焦点を合わせることができ、すべてが目前の用途に合わせて最適化されています。

Civan のダイナミックビームレーザーは、特定の用途に合わせてプロファイルをカスタマイズできます。