レーザーによる溶接

より多くの相手先ブランド製造業者 (OEM) やジョブ ショップがレーザー溶接のアイデアに「ウォーミングアップ」するにつれ、多くの企業が次の 4 つの特定のテクノロジーに注目するようになりました。

適切なアプリケーションが登場したとき、または MIG 溶接や TIG 溶接の代替を検討しているときに、思い切ってレーザー溶接システムを購入する作業店が増えています。

「最近では、人々が真っ先にレーザーヘッドに飛びつくようになっています」とペンシルバニア州ミードビルのアルファレーザー社セールスマネージャー、ウェス・ウィーラー氏は語った。「レーザー溶接は伝統的に、工具の修理や高額修理などの修理プロセスによって推進されてきた。より効率的になり、人々は生産溶接にそれらを使用し始めています。」

しかし、市場にはあらゆる選択肢があるため、「3年前よりも今の方が混乱している可能性がある」とコネチカット州ファーミントンのTrumpf Inc.の高出力OEMレーザーのシニアプロダクトマネージャーであるTracey Ryba氏は述べています。同氏は、多数の OEM プロジェクトが開発中であり、発売の準備が整っていることを指摘しました。これは、レーザー溶接技術が進歩している証拠です。 「私たちは可能性の表面をなぞり始めたばかりだと思います。」

レーザー溶接の主な利点は、研削や仕上げなどの後処理ステップを省略できることです。

カリフォルニア州ブエナパークにあるアマダ アメリカ社の FLW プロダクト マネージャー、ダン ベルツ氏によると、最終的には、オプションを忍耐強く研究し、そのオプションで何ができるかを学ぶことが大きな成果をもたらします。 「それは可能です。それは驚異的です。見ただけでは、成形されたのか溶接されたのかわからない部品もいくつかあります。」

Amada America は、ENSIS レーザー切断システムの事前にプログラムされたルーチンのライブラリを採用し、その技術を溶接に採用しています。

過去 6 年間、Belz を含む 3 人の技術者チームは、最大 1/4 インチ (6.35 mm) の厚さの接合に最適な同社の板金溶接システムを完成させてきました。プラットフォームは 2 つの 3 kW オプションで利用可能です: M3、 15 フィート (4.57 m) のテーブルと、2 つの 18 フィート (5.49 m) のシャトル テーブルを備えた M5 です。

これらのシステムでは、アマダの ENSIS テクノロジーにより、鋼材を厚くして深い溶け込みを実現する極薄形状から、より広いギャップを埋めるためのより平らなドーナツ形状までビームを調整する 5 つの基本的な溶接条件がユーザーに提供されます。 平坦な形状を採用することでウォブル溶接も容易になります。

「当社には、最大 1/4 インチの鋼を溶接する顧客がかなりいます。それはまさにユニットの操舵室にあり、当社の技術を使えば 3,000 W の電力で十分です」とベルツ氏は述べました。 当社は 0.51 mm [0.020 インチ] の薄さの板金にも対応しており、必要に応じてフィラー ワイヤーを適用することもできます。」

アマダのプラットフォームは、銅とステンレス、銅と軟鋼、銅とインコネル、インコネルとステンレスといった異種材料の接合にも優れています。 ベルツ氏と彼のチームは、特殊なプロジェクト向けにチタン ワイヤの供給による接合も完成させました。

「私たちはまだ実験を続けていますが、顧客が私たちに部品を送ってくれたり、溶接したり、その方法を教えてほしいと頼んだりするプロジェクトがたくさんあるため、以前ほど実験する機会は必ずしも多くありませんが、レーザー溶接です。」 非常に忙しいため、アマダはアルミニウムとステンレスを溶接する試みを一時的に棚上げしなければならなかった、と同氏は付け加えた。

アマダでは、空隙を防ぐために、一次流と二次流の両方を備えた 2 種類のノズルを提供しているため、シールドガスは常にレーザービームの近くにあります。 「材料が冷えても、まだガスで覆われているため、気孔が除去されます」とベルツ氏は説明した。

さらに、「私たちが使用している波長と速度のおかげで、熱の影響を受けるゾーンはほとんど存在しません」と彼は付け加えた。 「当社の部品のほとんどは、溶接直後であれば手袋なしで扱うことができます。」

一方、Trumpf は、BrightLine Professional ソフトウェアを通じて、OEM 顧客にビームインビーム技術の約 40 のレシピを提供しています。 「これにより、最も一般的な材料の出発点が得られます」とライバ氏は述べました。 「そこから、顧客はライブラリを構築し、どのバリエーションがより効果的に機能するかを実験できるようになります。」 このソフトウェアには、複数の材料、厚さ、溶接スタイルの設定が含まれています。

比較的新しいコンセプトが引き続き注目を集めているのは、ビームインビームレーザー加工システムの範囲です。 この技術のパイオニアであるTrumpf は、そのようなソリューションを 2 つ提供しています。1 つはレーザー技術部門の BrightLine Weld、もう 1 つは工作機械事業の FusionLine です。 このリング技術と単一ファイバーは、約 3 年前に導入された TruLaser Weld 5000 で使用できます。

Ryba 氏は、内側のコアと外側のリング ビームを同時に使用することにより、スパッタが大幅に減少することに注目しました。 これにより、工具や治具の寿命が延び、保護カバー スライドの清掃の必要性が減り、稼働時間が長くなります。 さらに重要なのは、特にアルミニウムと銅の溶接速度と品質が向上することです。

銅では、外側のリングが予熱効果のように作用し、コアビームの結合が向上します。 これにより、特に低速での安定した溶接プロセスが提供され、深い溶け込み溶接が可能になり、スパッタが 70 ～ 85% 削減されます。 溶接前に銅を予熱することにより、BrightLine は単一スポット ビームよりも約 10 倍高速になると同氏は述べています。 アルミニウムを使用すると、スパッタが大幅に減少し、速度が向上します。 アルミニウムのグレードに応じて、「出力を 5 kW まで上げ、溶接作業をほぼ 7 倍の毎分約 35 メートルまで増やすことができます」と Ryba 氏は述べています。 「圧入と突合せ溶接は良好に機能し、鋼では同じ電力で 3 倍の速度で溶接できます。アルミニウムと銅では、はるかに優れた品質の溶接が得られます。」

BrightLine のコアは 1% 単位で出力を調整でき、一方のビームでは最大 90%、もう一方のビームでは最大 10% まで調整可能であると Ryba 氏は説明しました。 オペレーターは、100% の力でコアからコアに切り替えることもできます。 すべての電力配分調整は、TruControl ソフトウェアのウィンドウで行われます。

トルンプのファイバー レーザーでは、利用可能な内部コア直径と外部コア直径は 50 ～ 200 μm、100 ～ 400 μm、および 200 ～ 700 μm です。

Brightline の TruDisk バージョンでは、光ウェッジがステッピング モーターを使用して 2 つのコア間の電力配分を調整します。 「30-70 または 60-40 が最適なパワー配分になる傾向があることがわかりました」と Ryba 氏は言います。

シングルビームとデュアルビームの品質の違いは明らかだと同氏は付け加えた。

「従来のシングルコアレーザー溶接では、より大きなスポットでオーバーラップ溶接を行う場合に一般的な、平らな上部または丸い弾丸形状のビームを使用します」とライバ氏は説明しました。 「より速く溶接しようとすると、キーホールが不安定になり、逃げる金属蒸気が妨げられ、溶融プールを押し通さなければならず、その溶融物の一部がスパッタの形で排出されます。BrightLine は、セミガウス中心と外縁の周りにリングがあり、そのリングによりキーホールが開いて安定します。デュアルコアビームのプロファイルと溶接断面は木ネジの形状に似ており、外リングの前面が予熱またはプリメルトとして機能し、結合効率が向上します。コアと裏面がキーホールを安定させて開いた状態に保ちます。キーホールの安定化により、金属蒸気が詰まることなく逃げることができ、スパッタが 70 ～ 97 パーセント減少します。このプロセスは、冷却プロセスを遅くすることで高温割れを防止することにも役立ち、また、キーホールの平滑化にも役立ちます。少し溶接してください。」

この技術がTrumpfのFusionLineパッケージで使用されると、ショップはこのドーナツ型のパターンを使用して元の部品設計を維持できると、レーザー溶接製品マネージャーのMasoud Harooni氏は付け加えました。 このような場合、ユーザーは溶接ギャップではなく外側のコアにより多くの力を集中させます。

トルンプはターンキーの TruLaser Weld 5000 で店舗をさらに支援していると Haroni 氏は続けました。 これらの顧客は、「私たちが顧客を支援し、生産を拡大するためのプロセスパラメータを提供することを期待しています」。

このシステムは、主に板金用途向けに、部品のサイズと数量に基づいて複数の構成で提供されます。 回転チェンジャーテーブルを使用すると、オペレーターは別のワークピースを溶接している間に材料をロードおよびアンロードできます。

「特に食品業界では、部品を表示するために必要な後処理の量が膨大になるため、多くのメリットがあります」と Haroni 氏は言います。 「当社の潜在顧客または現在の顧客のほとんどは MIG 溶接を使用しており、レーザーへの変更を望んでいます。彼らは MIG で 20 分間溶接し、その後 35 ～ 40 分間研削に費やします。レーザー溶接を使用すると、当社のセルから取り出したものはすべて、コーティングまたは別のプロセスに送ることができます」触らずに。」

同氏は、電力とアプリケーションに基づいて、システムは 250 ～ 300 ipm の速度を達成できると付け加えました。 構造部品が厚い場合は、前処理でメリットが得られます。たとえば、厚板からエッジを除去して部品を MIG 溶接用に準備することができます。

修理や生産作業を行う工場にとって、入熱を制限できるパルス溶接の柔軟性は魅力的でした。 パルス溶接は「寛容なプロセスです」と、Alpha Laser の Wheeler 氏は説明しました。 「伝統的に、連続波レーザーは貫通力を必要としますが、パルスレーザーでも貫通力は得られますが、ほとんど貫通力を持たないように使用することもできます。」 ALFlak シリーズを含む Alpha Laser システムのパルス時間の範囲は 1 ～ 20 ms で、通常の範囲は 5 ～ 7 ms です。

Alpha Lasers によれば、同社のパルスファイバーレーザーと YAG レーザーは、低い浸透レベルと低い希釈率、つまりベース材料と追加のフィラーの混合を実現することに優れています。 パルスレーザーと TIG プロセスを比較した一例では、レーザーは 0.055 インチ (1.40 mm) の溶接デポジットを実行し、熱影響ゾーンは溶接の下にわずか 0.008 インチ (0.20 mm) で、溶接希釈ゾーンは「これは、レーザーの方が入熱が低いと説明しても理解できない顧客のためのテストでした。」と彼は思い出します。「彼らは、TIG 溶接の何が問題なのかと尋ねました。そして、私はこう言いました。」あなたが卑金属に何をしているのか説明させてください。 」

パルス溶接の利点に対する製造業者の認識を拡大するという観点から、Wheeler 氏は材料の柔軟性を強調しています。 「私たちは銅からステンレスの接合まであらゆることを行ってきました」と彼は説明しました。 ベリリウム銅をベースに、「私たちは常にステンレス鋼をその上に置きます。私たちはすべての高級金属、インコネルやステライトなどの超合金、鋳鉄を扱ってきました。私たちにとって通常の世界は伝統的に工具鋼です。私たちが目にする大きな用途の中で、あらゆる種類のステンレス、特に反りやすくレーザーとの相性が非常に良い 300 シリーズ ステンレスの加工が挙げられます。」

TIG溶接装置の置き換えに関しては、大手企業のスイッチおよび制御部門に販売された最近のAlpha Laserシステムにより、スクラップ率が15％から3％に劇的に減少したとWheeler氏は付け加えた。 「完璧に仕上げることができれば、その割合はさらに低くなるはずです。予熱や後処理なしで前後の作業が減り、大量の価値が得られ、全体のサイクルタイムが大幅に短縮されるはずです。」 製紙業界における別の用途は、内部に 6,000 本のチューブを備えた長さ 30 フィート (9.14 m) のコンポーネントの溶接です。 単一のパルスレーザーシステムで一対のろう付け線を置き換えることができるという話さえあります。

ゴムが道路に当たるとき、より正確にはビームが金属に当たるとき、一部のショップは素晴らしいレーザー溶接のレパートリーを構築しています。

約 10 年前、ペンシルベニア州ミードビルのフェニックス レーザーは、ドイツのアルファ レーザーを使用することに決め、同社の北米ディーラーとして機能するアルファ レーザー US を設立しました。 そこから、Phoenix はツールとダイのルーツからレーザー クラッディングと硬化を実行するまで拡大しました。 ウィーラー氏によると、ミードビルはかつては世界の道具と金の首都であり、フェニックス本社から半径80マイル以内に約300の店舗があったという。 現在、フェニックスにはカンザスシティ、オハイオ州カヤホガフォールズ、インディアナ州ブルックビルを含む 4 つの拠点があり、それらの拠点に 20 以上のレーザー溶接システムが設置されています。

レーザーによる工具と金型の修復は、「予熱や後加熱が不要なため、非常に低い入熱で非常に正確です」とWheeler氏は述べています。 「その部分は 10 分で終わらせることができます。」

フェニックスは最近、継ぎ目にパルス溶接を使用していくつかの大型コンテナの試運転を実施しました。 壁が特に薄いため、TIG または CW レーザー接合による過度の熱入力が懸念されました。 Alpha Laser の最も熱心なユーザーの 1 つは Chicago Welding and Fabrication で、最近 300 W ユニットを購入しました。 Chicago Welding は約 15 年前にレーザー溶接への進出を開始しましたが、当時の機械はやや信頼性が低い傾向にあったと COO の Gary Wealther 氏は思い出します。 金型と金型の修理から始まり、この事業は医療溶接と生産溶接をそのレパートリーに加えました。

レーザー溶接の最初の魅力は、熱の影響を受けるゾーンが限定されていることと「付随的損傷」がないことであり、最終的には「他の方法ではできないことができること」だと同氏は述べた。 そうは言っても、プロジェクトによっては、最初は TIG を使用し、デリケートな領域にはレーザー溶接を組み合わせる必要があると同氏は述べました。

Wealther 氏は、最初は古いシステムで急な学習曲線を経験した後、「あらゆる作業を支援してくれる」Alpha Laser のような企業を好むようになったと回想しています。 Chicago Welding は精密部品を加工するため、「顕微鏡下で溶接を行っており」、マイクロ加工室も備えています。 パルス YAG レーザーの多用途性と精度のおかげで、彼の会社は、TIG 溶接では歪んでしまう特殊なステンレス鋼を特徴とする要求の厳しい医療部品などを加工することができます。

また、レーザー溶接は時間がかかりますが、「歪みや熱は発生しません」と彼は付け加えました。 したがって、仕事が入ってくると、顧客に最速、最も経済的、そして最適なソリューションを提供するには、レーザーの能力に最適なものを見つけることが重要です。 そして、適切な仕事があれば、彼の 300 W Alpha Laser がその仕事を行います。 「私たちはあのマシンが本当に大好きです」と彼は言いました。

集中的な期間を費やしてアマダのシート溶接システムを改良し、限界を押し広げてきたベルツ氏は、小規模工場に適切なプロセスを実現する方法をアドバイスすることに熱心です。 「私たちは当初から、顧客の 99% が OEM になるだろうと考えていました」と彼は思い出します。 しかし、彼のリストにある次のいくつかの設置は OEM 向けでしたが、「当社の顧客のほとんどは溶接を頻繁に行う作業所である」ことが判明しました。 「OEM はそれに適応するのに少し時間がかかりましたが、[今では] メリットを実感しています。」

彼は、製造業者の階級の中には、溶接工場と溶接を行う工場の 2 つのタイプがあることに注目しています。

前者は、「おそらく製品ラインの 90% を溶接しています。彼らは溶接工を抱えており、溶接を理解しています。彼らは私たちがやっていることを見て理解してくれるので、一緒に作業しやすい人たちです。」私たちが来て、設置し、いくつかのトレーニングを与えますが、その後彼らは私たちを追い出して、『必要なときに電話します』と言うのです。」

しかし、溶接を行う工場にとっては、「溶接工を確保できなかったり、後処理に時間がかかりすぎたりするため、これは悩みの種だ」という。 これらの顧客に溶接に慣れてもらうために、「私たちは部品と CAD を確認し、よりしっかりとより良くフィットするようにいくつかの修正を加えます。」

この再設計のステップが成功には不可欠であるとベルツ氏は続けた。 「レーザー溶接を最適化するための設計方法を学びたいと考えている顧客がたくさんいます。既存の製品ラインを持っている顧客もいますが、私たちはどの部品が最も大きな問題を引き起こしているのかを調べています。彼らは通常、かなりの数の痛みを抱えています。」

溶接プロセスの立案、テスト、実証、設置が完了すると、事実上すべての後処理が不要になります。 部品は「塗装ブースに直接」移動できます。溶接部を研磨する必要はもうありません。 結局のところ、「特定の部分にのみ使用したい顧客もいれば、すべてに使用したい顧客もいます。優先順位を付ける必要があります。」

昨年、国立標準技術研究所がレーザー溶接の最も基本的な側面に関するデータを収集するための 3 年間のプロジェクトを発表したことは注目に値します。 そのデータは、メーカーがプロセスをより詳細に制御できるようにすることを目的としたレーザー溶接シミュレーションを作成するためにコンピューター モデラーによって使用されています。

このプロジェクトは重要なポイントを示しています。レーザー溶接、特にスループットを最大化しつつスパッタ、亀裂、気孔率を制御するという点では、多くの業界で大きな進歩を遂げているにもかかわらず、研究は進行中です。

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