レーザーカラーがアークを制御する場合: 金属シールドガス溶接とレーザー材料の溶着を統合する新しいシステム

2022年8月30日

フラウンホーファーレーザー技術研究所 ILT、Petra Nolis 著

最も純粋な形のハイブリッド技術の例は、DVS 研究プロジェクト KoaxHybrid のためにフラウンホーファー ILT によって開発および構築されました。 アーヘンでは、同研究所の技術者らがガラス基板とアークトーチを備えた新しい光学システムを開発し、金属シールドガス（MSG）溶接と環状ビームによるレーザー材料の堆積を統合し、まったく新しいプロセスを生み出した。 興味のある方は、DVS (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e) が主催する専門会議で、COLLAR ハイブリッド プロセスを使用して金属 3D プリンティングの溶接速度と蒸着速度を向上させる方法を知ることができます。 V. 9月19日から21日までコブレンツで。

新しいプロセスは、ワイヤ形状のフィラー材料を使用した 2 つの異なる添加プロセスという、両方の長所を組み合わせたものです。 ここでは、ワイヤー アーク積層造形 (WAAM) とワイヤー レーザー材料堆積 (WLMD) について説明します。 どちらのプロセスにもシステム関連の長所と短所があります。WAAM と比較すると、WLMD はコストが高く、堆積速度が遅いですが、入熱が低く、目的の位置に正確に層を構築できるという特徴があります。 このため、特に航空宇宙産業で需要が高まっています。 より高い塗布率が必要な場合は、WAAM の方が良い選択です。これにより、得られる表面はより波打ち、層の堆積は大幅に粗くなります。

接合においては、レーザービーム溶接とガスメタルアーク溶接を組み合わせた溶接がLB-GMAハイブリッド溶接として確立されています。 ただし、この横方向のプロセスは方向に依存しており、三次元の継ぎ目を接合する場合には限られた範囲でしか適していません。

これらのプロセスを同軸上で組み合わせると、蒸着速度を最大 150% 高めることができるため、方向に依存しない新しい 3D プリンティング プロセスを大型コンポーネントにも使用できるようになります。 「表面のうねりが減少するため、WAAM プロセスに比べて必要な後処理の量が大幅に減ります」とフラウンホーファー ILT の研究員であるマックス ファビアン シュタイナー氏は説明します。

ワイヤーアーク積層造形は、必要なシステム技術を安価に入手できるだけでなく、ほとんどの金属材料をそれで加工できるため、確立された堅牢なプロセスです。 シュタイナー氏はその欠点について、「アークはレーザービームほど正確に集束できない。レーザーほど細かく正確なトラックを生成するために使用することはできない」と説明する。

シュタイナー氏は、研究所の同僚であるヤナ・ケルバッサ氏とともに、対策として、高出力での溶接や積層造形用に、ガラス基板を備えた特別な水冷式光学システムと水冷式アークトーチを開発、構築しました。 新しい光学システムでは、両方のエネルギー源が重ね合わされ、2 つの個別のプロセスの長所が有益に組み合わされます。

ハイブリッドプロセスでは、ワイヤの端と基板の間のアークが、環状のレーザー放射によって、まるでカラーのように囲まれます。 この組み合わせの背後にある考え方は、アークがこのカラーから抜け出すことができず、強制的に誘導されるということです。 新しいプロセスの COLLAR ハイブリッドという名前は、この「強制誘導」に由来しており、頭字語 COLLAR は 2 つのプロセスに共通する同軸レーザー アークを指します。

フラウンホーファー ILT は、この新しいシステム技術を使用して、環状レーザー ビームとアーク技術による金属 3D プリンティングをさらに開発しています。一方、アーヘン工科大学溶接接合研究所 (ISF) は、このシステム技術を使用して、リング フォーカスによる方向に依存しないハイブリッド溶接を開発しています。そして同軸送電。 どちらのユースケースも、DVS 研究プロジェクト KoaxHybrid の一部です。

しかし、新しいハイブリッド プロセスを際立たせているのは、初期テストによるとアーク溶接と比較して約 100% 高速化された溶接速度だけではありません。 「溶接継ぎ目が直線だけではない場合、それは難しくなります」とシュタイナー氏は言います。 「あらゆるコーナーやカーブで、従来のセットアップでは回転する必要があり、経路をプログラミングするのに多大な労力がかかります。」 代替案は COLLAR プロセスであり、その光学系によりあらゆる方向への溶接が可能になります。 さらに、別のプラスの効果も約束されています。「ガイド付きアークのおかげで、接合相手側での新しい、それほど複雑ではない溶接準備で、厚い板に対して十分な準備ができると期待しています。」

非常に細かい構造と粗い構造が必要な場合は、プロセスの割合を変えることができます。 純粋なレーザープロセスまたは大部分のレーザープロセス（アークを完全にオフにするか、低出力でスイッチを切る）を使用すると、困難な領域や微細構造を堆積できます。 マジョリティアークプロセスを使用すると、広いリブや堆積速度の速い領域などの粗い構造を、より低いエネルギー入力で大幅に高速かつコスト効率よく堆積できます。

同様の構築戦略は、通常、青色または緑色のレーザー光を備えたはるかに高価なビーム源を必要とするアルミニウムや銅などの材料にも適しています。 「例えば、私はアークを使って、2,200℃の融解温度を持つ酸化アルミニウム層を破壊します」とシュタイナー氏は言う。 「しかし、その下のアルミニウム層の融解温度は 660°C しかないため、全体としてより低い総合電力で溶接や機械加工を行うことができます。」