従来の溶接とレーザー溶接

処理速度がはるかに速く、品質が高いため、レーザー溶接がすぐにこの分野を席巻すると思うかもしれません。 しかし、従来の溶接は存続しています。 そして、誰に尋ねるか、どのようなアプリケーションを検討するかによっては、それがなくなることはないかもしれません。 それでは、依然として混合市場をもたらす各手法の長所と短所は何でしょうか?

伝統的な溶接方法は依然として人気があります。 大まかに言って、業界で使用されている従来の溶接には、MIG (金属不活性ガス)、TIG (タングステン不活性ガス)、および抵抗スポットの 3 種類があります。 抵抗スポット溶接では、2 つの電極が部品間に接合される部品を押し付け、そのスポットに大電流が流れ、部品材料の電気抵抗によって熱が発生して部品が溶接されます。 これは迅速な方法であり、ウィスコンシン州アップルトンにある Miller Electric Mfg LLC のレーザー グループのビジネス開発マネージャー、Erik Miller 氏によると、これは自動車、特にボディで使用される主流の方法となっています。 しかし、レーザー溶接の最大の市場は抵抗スポット溶接に取って代わるものである、と同氏は付け加えた。 逆に、ミラー氏はTIGやMIGに代わるレーザーで「いかなる種類の雪崩」も見たことがない。 また、同社の自動化グループ内でも、プロジェクトの約 90% が MIG にあります。

MIG の根強い人気の理由は何ですか? 「消耗品は、連続的に供給されるワイヤーです」とミラー氏は言う。 「つまり、材料を追加して溶接を強化し、（部分が垂直になる）隅肉溶接に最適なものになります。」 自己レーザーにより 2 つの母材が融合されます。 ミラー氏によると、レーザーでもすみ肉溶接は可能だが、部品やその他すべての精度と精度は一桁厳しくなければならないという。

「フィレット上の MIG 溶接の場合、公差は少なくともワイヤ直径のプラスまたはマイナス半分、一般的にはさらに大きくなります。」と彼は言いました。 同様に、他のタイプの溶接に対する MIG のプロセス ウィンドウはレーザーよりもはるかに大きくなります。 言い換えれば、自家レーザーの場合のように、部品がそれほど正確である必要はなく、治具がほぼ完璧にフィットすることを保証する必要もありません。

MIG 溶接は自動化も容易です。 ミラー氏が言うように、制御する必要がある要素は移動速度、電圧、アンペア数、トーチ角度、作業角度だけであり、「10 項目のうち 5 つを正しく実行すれば、良好な溶接が得られるでしょう。」 レーザー溶接を自動化するには、優れたパス精度と再現性を備えたロボットが必要ですが、溶接プロセスには制御すべき要素がさらに多くなります。 この点ではTIGも同様です。

だからといって、MIG 溶接の自動化が誰でも簡単にできるというわけではありません。 プログラミングと問題の診断には依然として専門家が必要です。 テキサス州デントンの ESAB Welding & Cutting Products のグローバル製品管理、フレキシブル オートメーション担当ディレクター、エド ハンセン氏は、これも MIG にとってプラスになると述べました。

「長年にわたる経験的および科学的証拠の結果、従来の溶接はよく理解されています。私たちは、構造に必要な接合を実現する予測可能な結果を​​得るには何が必要かを知っています。また、熟練労働者の不足について話していますが、これは現実的な問題です」業界にとっては問題ですが、これらの従来のプロセスの管理に精通した経験豊富な溶接工、技術者、エンジニアが依然として多数存在します。」 ほとんどの製品では、これはシンプルで安価なソリューションであり、許容できる結果が得られます。

MIG または TIG システムの初期費用がレーザー システムよりも低い場合があります。 しかし、レーザーの価格は下がってきており、今後も下がり続けるでしょう。 「レーザーのコストはレーザー溶接システムの 3 分の 1 から半分の間です。溶接能力に応じてコストは年間 10 ～ 15% 下がっています。」とハンセン氏は述べました。

ミラー氏はまた、「レーザープロセスヘッドは従来のヘッドよりも高価であり、送達ファイバーも高価であり、レーザーセルの保護も同様に高価である」と述べた。 たとえば、レーザー セルは、10 分間の直撃に耐えて焼き切れないように、厚さ 4 インチ (101.6 mm) の壁を備えた「耐光性」でなければなりません。(レーザーは 4 インチ (101.6 mm) を超えると焦点が合いません。 TIG および MIG システムは、隙間を許容する安価な金属板でシールドできます。

一方、スループットと部品あたりのコストの違いを考慮すると、後でわかるように、多くの場合レーザーが勝つことがわかります。 これは特に TIG に当てはまります。TIG は高度なスキルを必要とする非常に時間がかかるプロセスであり、使用コストが高くなります。 そのためミラー氏は、TIGは主に工業用食品機器や電化製品の製造、さらに一部の精密部品に限定されていると述べた。 「食品機器用途に TIG が選ばれるのは、溶接部の表面に多孔質がなく、非常に滑らかだからです。」と彼は言いました。 しかし、これらの部品を大量生産する必要がある場合、レーザー システムの ROI は TIG の「ドアを吹き飛ばす」ことになるため、当然、そのような場合には TIG が引き継がれます。

イリノイ州ホフマン・エステートにあるTrumpf Inc.のレーザー溶接製品マネージャーであるMasoud Harooni氏は、食品加工や外観が重要なその他の用途ではTIGでも完全に満足のいく表面を製造することはできないと述べた。 「MIG ほどひどくはありませんが、TIG 表面には必ず後工程の研削が必要ですが、レーザーではその必要がありません」と Haroni 氏は言います。 「また、目に見える溶接部のレーザー溶接の速度は、TIG よりも 2 ～ 3 倍速いです。冷蔵庫または同様の部品に適切な半径が見られる場合、それは研削またはレーザー溶接されたものです。」

従来の溶接に最後に一票: 安全上の懸念を考慮すると、少数の特殊なケースを除いて、レーザー溶接は自動化する必要があります。 ハンセン氏が説明したように、人間の溶接工には多くの仕事が残されています。 「ロボットに足場を登らせたり、船の船底に登らせたりすることはできません。私たちはそのようなスーパーロボットを夢見ることはできますが、現実的に言えば、近い将来には存在しないでしょう。」

ミラー氏の見方では、米国の製造業は保守的な傾向があり、「解決すべき問題がなければ、最もコストが低く、最も堅牢で、最も精査されたソリューションが選択されることになる。そのため、人々はミグ溶接が機能しない場合にのみレーザーに注目し始める」あるいはTIG溶接が遅すぎる。」

大量の TIG 溶接はすでに海外に移転しているか、レーザーに引き継がれています。では、レーザーが MIG に挑戦しているのはどこでしょうか?

主な懸念事項の 1 つは、MIG の部品への比較的長時間にわたる広範な熱伝達とそれに続く長い冷却サイクルによって引き起こされる可能性のある、冶金学的または構造的な損傷です。 逆に、レーザーは非常に小さなビームで熱エネルギーを伝達し、局所的な領域のみを溶かします。 総入熱量は MIG よりもはるかに少なく、部品は非常に速く冷却されるため、歪みや冶金学的影響が最小限に抑えられます。

Harooni 氏は有益な例えを示しました。「砂浜に置かれた水のボトルを針と比べてみてください。ボトルに 5 ポンドの重りを乗せたとしても、砂を貫通することはありません。しかし、わずか数オンスの重りをボトルに乗せたとしても、砂には浸透しません。」針を使えば、そうなります。加える重量を熱、ボトルを MIG、針をレーザーと考えてください。」

ESAB のハンセン氏は、レーザーは MIG と比較して入熱を約 85% 削減し、「溶接部の残留応力は入熱に直接比例します。溶接部に熱を加えるほど、より多くの残留応力が誘発されます。これは座屈を意味します」と述べました。歪みや収縮など、部品を取り出して組み立てたり、構造物や車両に取り付けたりするときに悪夢を引き起こすものすべてです。」

部品が大きくなるほど、個々の小さな残留応力がマクロたわみとなり、非常にコストがかかり、後から修正するのが困難になると同氏は付け加えた。 そして、これは製品を「軽量化」しようとしている顧客にとって重要な考慮事項です。 さらに、「合金によっては、加熱すると偏析したり特性が変化したり、粒子構造が望ましくない方向に成長したりするものもあります。これらの材料の多くでは、溶接部を溶融してから冷却すると、粒子構造と微細構造が異なります。」と同氏は述べています。

Miller Electric の Miller 氏は、最新世代の高張力鋼は「高度な熱処理プロセスによって多くの強度が得られます。[MIG 溶接のように] 低い冷却速度で溶融して凝固すると、それらの強度はすべて失われます」と指摘しました。レーザーは材料の強度を維持するのに役立ちます。」

別の例として、ミラー氏はチタンのMIG溶接は「フローティングカソードの問題があるため難しい。アークは安定していない。そのためレーザーは完璧な選択だ」と述べた。 6000 シリーズアルミニウムでは、高温割れが問題となります。 「高温割れは、ケイ化マグネシウムが粒界に移動することによって発生します。したがって、ケイ化マグネシウムが移動する前に材料を加熱し、溶かし、冷却することができれば、亀裂のない溶接を作成できます。」と彼は言いました。 「レーザーは、ミラーを使ってビームを前後に動かす最新のスキャン技術を使用してそれを行うことができます。」

ミラー氏の観点から見ると、レーザーの用途の大部分は溶接が難しい材料に適用されます。 Harooni の観点から見ると、レーザーは非常に高速であるため、板金プロジェクトさえもレーザーに移行しつつあります。 どのくらい速いですか? トルンプ氏のハローニ氏は、MIG溶接は通常、毎分20～30インチ（508～762mm）、最大でも毎分40インチ（1,016mm）で進行すると述べた。 Harooni 氏によると、レーザーは毎分約 200 インチ (508 cm) で溶接できるため、接合プロセスだけでもすでにはるかに高速化されています。2 番目の利点は、後処理の削減です。Haroni 氏は、溶接部の外観が良好であれば、次のことを観察しました。重要なのは、MIG 溶接の後に長い研削サイクルを行う必要があることですが、レーザー溶接の後はその必要がありません。

「だからこそ、25ドルのコストでMIG溶接で作られた部品は、レーザー溶接へのより高い初期投資を考慮しても、レーザー溶接にはわずか15ドルしかかからないのが一般的です。」と彼は付け加えた。 たとえば、Haroni 氏は、Trumpf 氏が大きなドアを溶接するサイクル時間を 10 時間から 35 分に短縮した最近のプロジェクトについて詳しく話しました。 別の顧客は、アルミニウム製電気エンクロージャの MIG 溶接に苦労していました。 ブローホールは頻繁に発生する問題であり、合計サイクル時間は 4 時間でした。 ハローニ氏は、トルンフ氏がレーザー溶接でそれを18分に短縮したと語った。

ハンセン氏は、材料に深く浸透するレーザーの能力により、従来の溶接に比べて利点が倍増すると付け加えた。 レーザーは MIG よりも 3 ～ 10 倍速いだけでなく (TIG と比較するとさらに速い)、MIG や TIG では複数のパスが必要となる比較的厚い接合部を溶接できるためです。

「従来の技術では、パス間の洗浄と研削も必要となり、全体のサイクル時間がさらに長くなります」とハンセン氏は説明しました。 「レーザーでは、使用するプロセッサーによって異なりますが、約 0.5 インチまでは 1 パス溶接が可能ですが、MIG 溶接では約 5 パスで溶接できます。0.5 インチを超えると、レーザー溶接では事前にエッジまで切断するかベベルを研削する必要がありますが、これは、MIG 溶接に必要なジョイント全体のベベルよりもはるかに小さいベベルです。」

したがって、厚さ 0.5 インチの材料の場合、レーザー溶接は溶接速度だけで MIG より 15 ～ 50 倍速くなります。MIG に必要な追加の後処理も考慮すると、さらに速くなります。

もちろん、生産率がこれほど高いと、レーザー システムに電力を供給して ROI を最大化するには、多くの溶接作業が必要になります。 Hansen 氏は、「通常、レーザーはプレート溶接で 3 ～ 5 個のサブ アーク溶接システムを生成できます。5 つのサブ アーク システムに供給するには多大な労力が必要です。」と述べています。

自生レーザー溶接では、接合する部品間にしっかりと嵌合する必要があるため、多くの場合、(レーザーの貫通能力を利用するために) レーザーに対して重なり合う表面を提示するように接合位置を再設計することが最善です。 より多くのメーカーが、レーザーのより高いスループットを活用するために、より優れた上流プロセスとツールへの投資に積極的です。

しかし、そのような変化に耐えられない場合、またはギャップが避けられない状況では、レーザーとワイヤ送給技術を組み合わせたハイブリッド システムや、レーザーの適用範囲を広げるその他の新開発があります。 1 つの単純な概念 (高温亀裂の問題の解決に関して前述した) は、レーザー スポットを揺動させることです。 ミラー氏は、これは古い概念だが、最近になってはるかに経済的になったと述べた。 彼は、直径 1.2 mm のスポットを 3 mm の領域上で高速で前後に移動させ、より広い領域を効果的にキャプチャしながら良好な溶接を行う例を示しました。

ハンセン氏は、ハイブリッドシステムはMIGプロセスとレーザービームを組み合わせていると述べた。 「私たちは実際に溶け込みを実現するためにレーザーを使用しています。通常、MIG 溶接の溶け込みに影響を与えたい場合は、アンペア数を追加する必要があります。レーザーを使って溶け込みを行うことで、MIG のアンペア数を下げることができます。」 「また、エンジニアリング目的で私たちの構造が許容する最小の溶接を使用します。そのため、レーザーを使用することで MIG を最適化することができます。」 レーザービームがアークを安定させるため、プロセス間に相乗効果も生まれます。 「レーザービームがなかった場合よりもはるかに速くアークを移動させることができます。これが、ハイブリッドプロセスでこれほど高速に移動できる方法です」と彼は言いました。

Haroni 氏が「ワイヤを利用してより多くの質量を隙間に導入するプロセス レーザー」と表現したトルンプの Fusion Line は、幅 1 mm までの隙間を埋めることができます。

ESAB は、部品の状態を感知し、それに合わせてプロセス パラメータを変更する適応溶接技術を開発しました。 このシステムはカメラを使用し、「部品にレーザーストライプを描き、それを視差角から観察して、プロセスの約20～40mm先にある接合部の形状を確認する」とハンセン氏は述べた。 レーザーコヒーレントイメージングは​​、レーザーによって金属に切り込まれた鍵穴を測定するために使用されます。 「侵入の深さと鍵穴の形状を測定し、その情報を品質基準として、または閉ループでプロセスを制御するために使用できます」と彼は言いました。

このシステムは、溶接ヘッドが部品を加工する際に、レーザー透過、レーザー出力、ガスメタル アーク パラメータ、ワイヤ送給速度、電圧、ガス流量、移動速度を自動的に調整します。 この目標は、米海軍の要件によって推進されたもので、低入熱レーザー溶接の利点を「従来の方法で準備された部品」（つまり、標準的なレーザー溶接の厳しい公差で機械加工されていない部品）にもたらすことです。 Hansen 氏は、これによりハイブリッド溶接のプロセス ウィンドウが、定常状態の制御で可能であった範囲の 5 倍に広がると報告しました。

レーザー溶接は多くのユーザーにとってまだ比較的新しいものであり、Haroni 氏は、Trumpf が最初からトレーニングとサポートに取り組んでいることに加えて、一度設置されたシステムのオフライン プログラミングの利点を強調しました。

Trumpf は、溶接される継ぎ目の位置を検出する新しいカメラベースのセンシング システムである TeachLine も提供しています。 「顧客は、新しい部品をプログラムしたり、プログラミングを変更したりするために生産を中断したくないので、このオフライン プログラミングを使用して、部品をアップロードし、プログラムしてセルに取り込むことができます。TeachLine を使用すると、そのような必要はありません。 「微調整が必​​要です。TeachLine はその部品を見て、オフラインで作成したプログラムを調整します。オフライン プログラミングと TeachLine を組み合わせることで、お客様は生産上の変更を迅速に行うことができます。」

ESAB はまた、溶加材、母材、ガスを含む溶接プロセス全体をカバーする膨大な量の情報を組み合わせて、システムを使いやすくする新しい「デジタル ソリューション」スイートも展開しています。 ハンセン氏は次のように述べています。「複雑なシステムを作るのは簡単ですが、複雑なシステムをシンプルに見せるのは非常に難しいのです。そして、そこに私たちはデジタル ソリューションで取り組んでいます。私たちは、スマートなシステムを構築するためのプロセスに関する知識を活用しています。プロセス制御に関する決定を下せるため、オペレーターは以前ほどの経験や知識を必要としません。」

ESAB はまた、製造中の溶接の品質を評価できる装置を作成し、理想的には欠陥や不連続の発生を防ぐ方法にも取り組んでいます。

最後に、従来の溶接にも、高度な波形や、MIG ワイヤを前後に連続的に送給してスパッタと入熱を減らす Miller Electric の ActiveWire コンセプトなどの改善が見られました。 このアプローチにより、自動化できる MIG アプリケーションが広がり、MIG は一部の極薄材料溶接でも実行可能なソリューションになります。

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