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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-26
(45)【発行日】2023-07-04
(54)【発明の名称】不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステム
(51)【国際特許分類】
B23K 26/21 20140101AFI20230627BHJP
B23K 26/082 20140101ALI20230627BHJP
B23K 26/12 20140101ALI20230627BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230627BHJP
【ＦＩ】
B23K26/21 F
B23K26/082
B23K26/12
B23K26/00 N
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2022199252
(22)【出願日】2022-12-14
【審査請求日】2022-12-14
(31)【優先権主張番号】202210305394.6
(32)【優先日】2022-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】510120045
【氏名又は名称】哈爾濱工業大学
【氏名又は名称原語表記】ＨＡＥＲＢＩＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
(73)【特許権者】
【識別番号】522486302
【氏名又は名称】哈爾濱工大溶接科技有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】姜 夢
(72)【発明者】
【氏名】陳 曦
(72)【発明者】
【氏名】陳 彦賓
(72)【発明者】
【氏名】林 泳
(72)【発明者】
【氏名】李 縦躍
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】中国実用新案第２１０２８１０８７（ＣＮ，Ｕ）
【文献】特開平０６－０３１４５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－２５７７７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／２１
Ｂ２３Ｋ ２６／０８２
Ｂ２３Ｋ ２６／１２
Ｂ２３Ｋ ２６／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接される不等厚板材ワークの両側表面を研磨及び洗浄して溶接される不等厚板ワークの板厚差を決定するステップＳ１と、溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内の作業台に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成すべき箇所を設定するステップＳ２と、
真空引き機構によって、真空作業チャンバを、作業に必要な真空度に達するように真空引き作業を行うステップＳ３と、
溶接プロセスパラメータを設置し、揺動幅を０．８～１．２倍の板厚差にし、初期レーザーパワーを４～６ＫＷ、初期溶接速度を３～５ｍ／ｍｉｎに設定し、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより溶接レーザーを発生し、前記溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御するステップＳ４とを含む、ことを特徴とする不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法。
【請求項2】
ステップＳ４における前記溶接プロセスパラメータは、レーザーのデフォーカス量が－５～５ｍｍ、レーザーパワーが１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度が０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅が０～４ｍｍ、揺動周波数が５０～２００Ｈｚであることを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法。
【請求項3】
ステップＳ４は、前記溶接される不等厚板材の溶接ビードに溶接偏差が存在すると、制御プログラムによって前記溶接レーザーを前記溶接される不等厚板材の溶接ビード軌跡に沿って移動するように制御することにより、前記溶接偏差に対して正負方向の補償を行うことをさらに含む、ことを特徴とする請求項２に記載の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法。
【請求項4】
前記ステップＳ３における真空度は１０-2～１ｋＰａである、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法。
【請求項5】
前記所定の経路の中心は、前記溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成すべき箇所の中心線に位置する、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法。
【請求項6】
ステップＳ１は、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、溶接される不等厚板材ワークの表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面の油汚れを除去することをさらに含む、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか一項に記載の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法を実現するための不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システムであって、レーザー装置（１）と、前記レーザー装置（１）の出力端に連結されたレーザーヘッド（２）と、前記レーザーヘッド（２）の出力端に設けられた真空作業チャンバ（３）と、前記真空作業チャンバ（３）内に設けられた作業台（８）と、前記真空作業チャンバ（３）に連結された真空引き機（４）と、前記真空引き機（４）に連結された真空引き制御ユニット（７）と、前記作業台（８）に連結された作業台制御ユニット（６）とを含み、
前記真空引き制御ユニット（７）により、前記真空引き機構（４）を前記真空作業チャンバ（３）に対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザーのデフォーカス量を－５～５ｍｍ、レーザーパワーを１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度を０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を０～４ｍｍ、揺動周波数を５０～２００Ｈｚにし、さらに、前記レーザー装置（１）とそれに連結された前記レーザーヘッド（２）により発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させるとともに、前記作業台制御ユニット（６）により、前記作業台（８）を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動するように制御し、さらに、溶接される不等厚板材ワーク（９）に対して真空揺動レーザー溶接を行う、不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はレーザー溶接の技術分野に属し、より具体的には、不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
不等厚テーラードブランク板は部品の生産フローを減少し、部品の減量を実現し、材料性能の最適化配置を実現するなどの特徴を有するため、航空工業で一定の応用を得て、航空材料の軽量化も不等厚板材のテーラードブランク溶接を重要な発展方向にしている。航空用部品の材料性能に対する要求に応じて、異なる厚みの板材を溶接によって不等厚テーラードブランク板に構成してから、プレスなどの工程でそれを対応する航空用部品に製造する。
【0003】
現在、不等厚テーラードブランク溶接は従来のレーザー溶接の方式で製造されることが多いが、不等厚テーラードブランク溶接は溶接時に多くの問題がある。（１）従来のレーザーは低パワー、標準大気圧下で形成された溶接ビードの溶け込み深さが浅く、遷移が滑らかではなく、溶接品質が悪く、（２）アルミニウム合金のような材料は凝固収縮率が大きく、熱間割れが発生しやすく、液体状態で強い水素吸収能力を有し、凝固過程でおいて、アルミニウムにおける水素の溶解度が急激に低下し、大量の水素元素が析出し、脱出が間に合わないと溶接ビードに残留して大量の気孔を形成し、（３）一部の非鉄金属は従来のレーザー溶接の過程では元素の焼損が発生し、溶接ビードの強度を低下させ、溶接ビードの遷移が滑らかではなく、熱間割れ、気孔及び元素焼損などの問題は溶接ビードの弱化を招き、溶接継手の品質に深刻な影響を及ぼす。
【発明の概要】
【0004】
従来の技術の以上の欠陥又は改善要求について、本発明は不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムを提供し、真空引き制御ユニットにより、真空引き機構を真空作業チャンバに対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御し、この方法は効率的で迅速であり、良好な溶接ビード成形を有して品質が合格した溶接継手を得ることができ、真空環境下で溶接することにより、溶接ビードの溶け込み深さを効果的に増加することができ、真空環境下でのレーザー溶接は大気雰囲気下でよく見られるキーホールの周期的な膨張と収縮現象を効果的に回避することができ、低真空条件下でキーホールの後壁の変動幅が小さく、安定性が向上し、キーホールの崩壊の発生が少なく、低真空条件下で、溶融池に表面張力で駆動する流れとキーホールの後壁に沿って上向きの流れが存在し、このような流動パターンは溶融池内の気泡の逸出に有利であり、溶接継手に気孔が形成されにくく、揺動レーザーは、滑らかに遷移する溶接を形成でき、且つ溶融池に一定の攪拌作用があり、気孔の脱出に有利であるだけでなく、さらに溶融池の流動を強化し、溶融池の温度を低下させ、合金元素の焼損を低減するのにも有利である。また、本発明によれば、従来のレーザーは低パワーで、標準大気圧下で形成された溶接ビードの溶け込み深さが浅く、遷移が滑らかではなく、熱間割れが発生しやすく、溶接ビードに大量の気孔が形成されやすく、金属元素が焼損しやすく、溶接ビードの強度の低下を引き起こしやすく、溶接継手の品質に深刻な影響を及ぼすという問題を解決することができる。
【0005】
上記の目的を実現するために、本発明の一態様は、不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法を提供し、該方法は、
溶接される不等厚板材ワークの両側表面を研磨及び洗浄して溶接される不等厚板ワークの板厚差を決定するステップＳ１と、
溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内の作業台に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成するステップＳ２と、
真空引き機構によって、真空作業チャンバに対して、作業に必要な真空度に達するように真空引き作業を行うステップＳ３と、
溶接プロセスパラメータを設置し、揺動幅を０．８～１．２倍の板厚差にし、初期レーザーパワーを４～６ＫＷ、初期溶接速度を３～５ｍ／ｍｉｎに設定し、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより溶接レーザーを発生し、前記溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御するステップＳ４とを含む。
溶接される不等厚板材ワークの両側表面を研磨及び洗浄して溶接される不等厚板ワークの板厚差を決定するステップＳ１と、
溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内の作業台に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成するステップＳ２と、
真空引き機構によって、真空作業チャンバに対して、作業に必要な真空度に達するように真空引き作業を行うステップＳ３と、
溶接プロセスパラメータを設置し、揺動幅を０．８～１．２倍の板厚差にし、初期レーザーパワーを４～６ＫＷ、初期溶接速度を３～５ｍ／ｍｉｎに設定し、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより溶接レーザーを発生し、前記溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御するステップＳ４とを含む。
【0006】
さらに、ステップＳ４における前記溶接プロセスパラメータは、レーザーのデフォーカス量が－５～５ｍｍ、レーザーパワーが１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度が０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅が０～４ｍｍ、揺動周波数が５０～２００Ｈｚであることを含む。
【0007】
さらに、ステップＳ４は、前記溶接される不等厚板材の溶接ビードに溶接偏差が存在すると、制御プログラムによって前記溶接レーザーを前記溶接される不等厚板材の溶接ビード軌跡に沿って移動するように制御することにより、前記溶接ビードの偏差に対して正負方向の補償を行うことをさらに含む。
【0008】
さらに、ステップＳ３における真空度は１０-2～１ｋＰａである。
【0009】
さらに、前記所定の経路の中心は、前記溶接される不等厚板材の溶接ビードの中心線に位置する。
【0010】
さらに、ステップＳ１は、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、溶接される不等厚板材ワークの表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面の油汚れを除去することをさらに含む。
【0011】
本発明の他の態様は不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システムを提供し、該システムは、レーザー装置と、前記レーザー装置の出力端に連結されたレーザーヘッドと、前記レーザーヘッドの出力端に設けられた真空作業チャンバと、前記真空作業チャンバ内に設けられた作業台と、前記真空作業チャンバに連結された真空引き機と、前記真空引き機に連結された真空引き制御ユニットと、前記作業台に連結された作業台制御ユニットとを含み、
前記真空引き制御ユニットにより、前記真空引き機構を前記真空作業チャンバに対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザーのデフォーカス量を－５～５ｍｍｍ、レーザーパワーを１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度を０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を０～４ｍｍ、揺動周波数を５０～２００Ｈｚにし、さらに、前記レーザー装置とそれに連結された前記レーザーヘッドにより発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従ってリアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御する。
前記真空引き制御ユニットにより、前記真空引き機構を前記真空作業チャンバに対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザーのデフォーカス量を－５～５ｍｍｍ、レーザーパワーを１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度を０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を０～４ｍｍ、揺動周波数を５０～２００Ｈｚにし、さらに、前記レーザー装置とそれに連結された前記レーザーヘッドにより発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従ってリアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御する。
【0012】
概して、本発明により構想された以上の技術案は、従来の技術と比較して、下記のような有益な効果を得ることができる。
（１）本発明の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムは、真空引き制御ユニットにより、真空引き機構を真空作業チャンバに対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御する。この方法は効率的で迅速であり、良好な溶接ビード成形を有して品質が合格した溶接継手を得ることができ、従来のレーザーは低パワーで、標準大気圧下で形成された溶接ビードの溶け込み深さが浅く、遷移が滑らかではなく、熱間割れが発生しやすく、溶接ビードに大量の気孔が形成されやすく、金属元素が焼損しやすく、溶接ビードの強度の低下を引き起こしやすく、溶接継手の品質に深刻な影響を及ぼすという問題を解決することができる。
（１）本発明の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムは、真空引き制御ユニットにより、真空引き機構を真空作業チャンバに対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御する。この方法は効率的で迅速であり、良好な溶接ビード成形を有して品質が合格した溶接継手を得ることができ、従来のレーザーは低パワーで、標準大気圧下で形成された溶接ビードの溶け込み深さが浅く、遷移が滑らかではなく、熱間割れが発生しやすく、溶接ビードに大量の気孔が形成されやすく、金属元素が焼損しやすく、溶接ビードの強度の低下を引き起こしやすく、溶接継手の品質に深刻な影響を及ぼすという問題を解決することができる。
【0013】
（２）本発明の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムは、真空環境下で溶接することにより、溶接ビードの溶け込み深さを効果的に増加することができ、真空環境下でのレーザー溶接は大気雰囲気下でよく見られるキーホールの周期的な膨張と収縮現象を効果的に回避することができ、低真空条件下でキーホールの後壁の変動幅が小さく、安定性が向上し、キーホールの崩壊の発生が少なく、低真空条件下で、溶融池に表面張力で駆動する流れとキーホールの後壁に沿って上向きの流れが存在し、このような流動パターンは溶融池内の気泡の逸出に有利であり、溶接継手に気孔が形成されにくい。
【0014】
（３）本発明の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムは、揺動レーザーは滑らかに遷移する溶接を形成でき、且つ溶融池に一定の攪拌作用があり、気孔の脱出に有利であるだけでなく、同時に溶融池の流動を強化し、溶融池の温度を低下させ、合金元素の焼損を低減するのにも有利である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の実施例の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システムの全体構造模式図である。
【図2】本発明の実施例の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システムのレーザー溶接した不等厚板材の模式図である。
【図3】本発明の実施例の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システムの揺動レーザー溶接の軌跡の模式図である。
【図4】不等厚板材の大気雰囲気下で揺動レーザーを利用して溶接した溶接ビードの模式図である。
【図5】不等厚板材の真空環境下で揺動しないレーザー溶接した溶接ビードの模式図である。
【図6】不等厚板材の真空揺動レーザー溶接条件下で溶接した溶接ビードの模式図である。
【図7】不等厚板材の真空揺動レーザー溶接条件下で溶接したレーザー揺動パワーの変化関係の模式図である。
【図8】本発明の実施例の不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法のフロー模式図である。
【0016】
符号の説明
すべての図面において、同じ符号は同じ技術の特徴を示し、具体には次のとおりである。１－レーザー装置、２－レーザーヘッド、３－真空作業チャンバ、４－真空引き機、５－水冷循環機構、６－作業台制御ユニット、７－真空引き制御ユニット、８－作業台、９－不等厚板材ワーク、９１－第１の溶接件、９２－第２の溶接件、１０－気孔欠陥、１１－アンダーカット欠陥。
すべての図面において、同じ符号は同じ技術の特徴を示し、具体には次のとおりである。１－レーザー装置、２－レーザーヘッド、３－真空作業チャンバ、４－真空引き機、５－水冷循環機構、６－作業台制御ユニット、７－真空引き制御ユニット、８－作業台、９－不等厚板材ワーク、９１－第１の溶接件、９２－第２の溶接件、１０－気孔欠陥、１１－アンダーカット欠陥。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明の実施例の目的、技術案及び利点をより明らかで明確にするために、以下、図面及び実施例を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。ここで説明される具体の実施例は本発明を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するためのものではないことを理解すべきである。また、以下に説明する本発明の各実施形態に係る技術の特徴は、互いに衝突しない限り、互いに組み合わせることができる。
【0018】
本発明の説明では、なお、特に明示的な規定及び限定がない限り、素子が他の素子に「固定される」又は「設けられる」と称される場合、当該素子は他の素子に直接的にあってもよいか、又は当該他の素子に間接的にあってもよい。素子が他の素子に「連結される」と称される場合、当該素子は他の素子に直接的に連結されてもよいか、又は当該他の素子に間接的に連結されてもよく、「取り付ける」、「繋がる」、「連結される」、「設けられる」という用語は、広義に理解されるべきであり、例えば、固定に連結されてもよく、取り外し可能に連結されてもよく、もしくは一体的に連結されてもよく、機械的に連結されてもよく、電気的に接続されてもよく、直接的に繋がってもよく、中間媒体を介して間接的に繋がってもよく、２つの素子の内部の連通又は２つの素子の相互作用の関係であってもよい。当業者であれば、本発明における上記用語の具体的な意味は、具体的な状況に応じて理解できる。
【0019】
図１～図３に示すように、本発明の一態様は、不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システムを提供し、該システムは、レーザー装置１と、前記レーザー装置１の出力端に連結されたレーザーヘッド２と、前記レーザーヘッド２の出力端に設けられた真空作業チャンバ３と、前記真空作業チャンバ３内に設けられた作業台８と、前記真空作業チャンバ３に連結された真空引き機４と、前記真空引き機４に連結された真空引き制御ユニット７と、前記作業台８に連結された作業台制御ユニット６とを含み、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワーク９の両側表面を研磨及び洗浄し、真空作業チャンバ３内で溶接される不等厚板材ワーク９を配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、溶接される不等厚板材ワーク９は不等厚の第１の溶接件９１と第２の溶接件９２とを含み、真空引き制御ユニット７と真空引き機構４によって、真空チャンバに対して、必要な真空度に達するように真空引き作業を行い、一定の真空度を持つ溶接環境雰囲気を作り出す。水冷循環機構５をオンにし、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を－５～５ｍｍ、レーザーパワーを１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度を０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を０～４ｍｍ、揺動周波数を５０～２００Ｈｚにし、レーザー装置１とそれに連結されたレーザーヘッド２により溶接レーザーを発生し、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、且つ厚板側が高エネルギー密度出力、薄板側が低エネルギー密度出力であるとともに、ステージ制御ユニット６により、前記作業台８を溶接ビードの軌跡の主方向に沿って移動するように制御する。さらに、溶接される不等厚板材ワークに対して真空揺動レーザー溶接を行い、本発明によれば、従来のレーザーは低パワーで、標準大気圧下で形成された溶接ビードの溶け込み深さが浅く、遷移が滑らかではなく、熱間割れが発生しやすく、溶接ビードに大量の気孔が形成されやすく、金属元素が焼損しやすく、溶接ビードの強度の低下を引き起こしやすく、溶接継手の品質に深刻な影響を及ぼすという問題を解決することができる。
【0020】
図４～図８に示すように、本発明の他の態様に係る不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法は、次のステップを含む。
Ｓ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークの両側表面を研磨及び洗浄して溶接される不等厚板ワークの板厚差を決定し、本発明の実施例において、溶接される不等厚板材ワークは６０６１アルミニウム合金板材であり、厚みはそれぞれ４ｍｍと６ｍｍであり、具体的には、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、アルミニウム合金表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面油汚れを除去し、
Ｓ２では、溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内の作業台に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
Ｓ３では、真空引き制御ユニットの真空引き機構によって、真空作業チャンバに対して、必要な真空度に達するように真空引き作業を行い、前記真空度は１０-2～１ｋＰａであり、
Ｓ４では、水冷循環機構５をオンにし、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を－５～５ｍｍ、レーザーパワーを１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度を０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を０～４ｍｍ、揺動周波数を５０～２００Ｈｚにし、具体的には、揺動幅を０．８～１．２倍の板厚差、基礎レーザーパワーを４～６ＫＷ、初期溶接速度を３～５ｍ／ｍｉｎにし、レーザー装置１とそれに連結されたレーザーヘッド２により溶接レーザーを発生し、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、揺動過程で正弦規則の変化に従ってリアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、ステージ制御ユニット６により、前記作業台８を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御した。
Ｓ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークの両側表面を研磨及び洗浄して溶接される不等厚板ワークの板厚差を決定し、本発明の実施例において、溶接される不等厚板材ワークは６０６１アルミニウム合金板材であり、厚みはそれぞれ４ｍｍと６ｍｍであり、具体的には、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、アルミニウム合金表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面油汚れを除去し、
Ｓ２では、溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内の作業台に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
Ｓ３では、真空引き制御ユニットの真空引き機構によって、真空作業チャンバに対して、必要な真空度に達するように真空引き作業を行い、前記真空度は１０-2～１ｋＰａであり、
Ｓ４では、水冷循環機構５をオンにし、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を－５～５ｍｍ、レーザーパワーを１ｋＷ～１０ｋＷ、溶接速度を０．２～８．０ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を０～４ｍｍ、揺動周波数を５０～２００Ｈｚにし、具体的には、揺動幅を０．８～１．２倍の板厚差、基礎レーザーパワーを４～６ＫＷ、初期溶接速度を３～５ｍ／ｍｉｎにし、レーザー装置１とそれに連結されたレーザーヘッド２により溶接レーザーを発生し、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、揺動過程で正弦規則の変化に従ってリアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、ステージ制御ユニット６により、前記作業台８を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御した。
【0021】
さらに、ステップＳ４に記載の所定の経路の中心は、前記溶接される不等厚板材の溶接ビードの中心線に位置し、前記溶接される不等厚板材の溶接ビードに溶接偏差が存在すると、制御プログラムによって前記溶接レーザーを前記溶接される不等厚板材の溶接ビード軌跡に沿って移動するように制御することにより、前記溶接ビード偏差に対して正負方向の補償を行った。
【0022】
本発明の方法は他の金属及び非金属材料の溶接にも適用され、本発明の有益な効果を検証するために、具体的には以下の１つの実施例と２つの比較例により説明する。
【0023】
実施例１：
板厚がそれぞれ４ｍｍと６ｍｍのアルミニウム合金を例にとって、具体的なステップは次のとおりである。
ステップ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、アルミニウム合金の表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面の油汚れを除去し、
ステップ２では、真空作業チャンバ内で溶接される不等厚アルミニウム合金ワークを配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
ステップ３では、真空チャンバに対して、環境圧力が１Ｋｐａに達するように真空引き作業を行い、
ステップ４では、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を５ｍｍ、レーザーパワーを３ｋＷ、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を３ｍｍ、揺動周波数を６０Ｈｚにし、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、前記作業台は溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動し、溶接される材料を溶接した。
板厚がそれぞれ４ｍｍと６ｍｍのアルミニウム合金を例にとって、具体的なステップは次のとおりである。
ステップ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、アルミニウム合金の表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面の油汚れを除去し、
ステップ２では、真空作業チャンバ内で溶接される不等厚アルミニウム合金ワークを配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
ステップ３では、真空チャンバに対して、環境圧力が１Ｋｐａに達するように真空引き作業を行い、
ステップ４では、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を５ｍｍ、レーザーパワーを３ｋＷ、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を３ｍｍ、揺動周波数を６０Ｈｚにし、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、前記作業台は溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動し、溶接される材料を溶接した。
【0024】
比較例１：板厚がそれぞれ４ｍｍと６ｍｍのアルミニウム合金を例にとって、具体的なステップは次のとおりである。
ステップ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、工業用シルクでアセトンに浸漬し、アルミニウム合金の表面を拭き、表面の油汚れを除去し、
ステップ２では、大気雰囲気下で、作業台で溶接される不等厚アルミニウム合金溶接ワークを配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
ステップ３では、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を５ｍｍ、レーザーパワーを３ｋＷ、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を３ｍｍ、揺動周波数を６０Ｈｚにし、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、厚板側が高エネルギー密度出力、薄板側が低高エネルギー密度出力であるとともに、前記作業台は溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動し、溶接される材料を溶接した。図４に示すように、大気雰囲気下で、揺動レーザーを利用して溶接すると、気孔欠陥１０が発生し、これは主に空気中の水分による水素孔であった。
ステップ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、工業用シルクでアセトンに浸漬し、アルミニウム合金の表面を拭き、表面の油汚れを除去し、
ステップ２では、大気雰囲気下で、作業台で溶接される不等厚アルミニウム合金溶接ワークを配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
ステップ３では、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を５ｍｍ、レーザーパワーを３ｋＷ、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎ、揺動幅を３ｍｍ、揺動周波数を６０Ｈｚにし、前記溶接レーザーは所定の経路、周波数で揺動し、厚板側が高エネルギー密度出力、薄板側が低高エネルギー密度出力であるとともに、前記作業台は溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動し、溶接される材料を溶接した。図４に示すように、大気雰囲気下で、揺動レーザーを利用して溶接すると、気孔欠陥１０が発生し、これは主に空気中の水分による水素孔であった。
【0025】
比較例２：板厚がそれぞれ４ｍｍと６ｍｍのアルミニウム合金を例にとって、具体的なステップは次のとおりである。
ステップ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、アルミニウム合金の表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面の油汚れを除去し、
ステップ２では、真空作業チャンバ内で溶接される不等厚アルミニウム合金ワークを配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
ステップ３では、真空チャンバに対して、環境圧力が１Ｋｐａに達するように真空引き作業を行い、
ステップ４では、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を５ｍｍ、レーザーパワーを３ｋＷ、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎにし、前記溶接レーザーは直線経路に従って溶接される材料を溶接した。図５に示すように、真空環境下でレーザー溶接を行うと、レーザーは揺動せず、少量のプロセス気孔があり、且つアンダーカット欠陥１１が発生する可能性があった。
ステップ１では、溶接する前に、溶接される不等厚板材ワークをサンダで研磨し、表面の酸化スケールを除去し、アルミニウム合金の表面を工業用シルクでアセトンにつけて拭き、表面の油汚れを除去し、
ステップ２では、真空作業チャンバ内で溶接される不等厚アルミニウム合金ワークを配置し、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、
ステップ３では、真空チャンバに対して、環境圧力が１Ｋｐａに達するように真空引き作業を行い、
ステップ４では、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザーのデフォーカス量を５ｍｍ、レーザーパワーを３ｋＷ、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎにし、前記溶接レーザーは直線経路に従って溶接される材料を溶接した。図５に示すように、真空環境下でレーザー溶接を行うと、レーザーは揺動せず、少量のプロセス気孔があり、且つアンダーカット欠陥１１が発生する可能性があった。
【0026】
図７に示すように、溶接レーザー揺動周波数をｆＨｚに設定すると、揺動周期Ｔ＝１／ｆｓとなり、厚板でのピークパワーをＰ１、薄板でのピークパワーをＰ２に設定すると、ピークパワーに達する時間節点はｎＴ／４（ｎは奇数）となり、パワーは正弦規則に従って変化させた。これにより、厚板での高パワー出力と薄板での低パワー出力の効果を実現し、成形が良好な溶接ビードを得ることができる。同時に、図６に示すように、真空揺動レーザー溶接条件下で、溶接ビードに気孔及びアンダーカットなどの溶接欠陥は発生しなかった。揺動レーザーは溶融池の流動性を強化し、気孔の脱出に有利であると同時に、入熱を均一化し、性能に優れた溶接継手を得ることができることがわかった。真空条件は溶接過程の安定性を向上させるのに有利であり、且つ大気雰囲気下での水分がなく、同様に気孔の発生を低減することができる。
【0027】
以上の比較から、揺動レーザー溶接は、大気雰囲気下でよりも真空環境下で溶接過程が安定し、気孔の発生をより低減でき、同様に真空環境下で、揺動レーザー溶接は揺動しないレーザー溶接よりも溶融池を攪拌することができ、溶融池の温度を低下させ、金属元素の焼損を低減するのに有利であり、同時に気孔の脱出にも有利であり、溶接欠陥をより低減することができる。
【0028】
本発明に係る不等厚板材の真空揺動レーザー溶接システム及び方法の作業原理は次のとおりである。真空引き制御ユニットにより、真空引き機構を真空作業チャンバに対して真空引き作業を行うように制御し、溶接プロセスパラメータを設置することにより、レーザー装置とそれに連結されたレーザーヘッドにより発生した溶接レーザーを所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従って、リアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御し、この方法は効率的で迅速であり、良好な溶接ビード成形を有して品質が合格した溶接継手を得ることができ、真空環境下で溶接することにより、溶接ビードの溶け込み深さを効果的に増加することができ、真空環境下でのレーザー溶接は大気雰囲気下でよく見られるキーホールの周期的な膨張と収縮現象を効果的に回避することができ、低真空条件下でキーホール後壁の変動幅が小さく、安定性が向上し、キーホールの崩壊の発生が少なく、低真空条件下で、溶融池に表面張力で駆動する流れとキーホール後壁に沿って上向きの流れが存在し、このような流動パターンは溶融池内の気泡の逸出に有利であり、溶接継手に気孔が形成されにくく、揺動レーザーは滑らかに遷移する溶接を形成でき、且つ溶融池に一定の攪拌作用があり、気孔の脱出に有利であるだけでなく、同時に溶融池の流動を強化し、溶融池の温度を低下させ、合金元素の焼損を低減するのにも有利であり、従来のレーザーが低パワー、標準大気圧下で形成された溶接ビードの溶け込み深さが浅く、遷移が滑らかではなく、熱間割れが発生しやすく、溶接ビードに大量の気孔が形成されやすく、金属元素が焼損しやすく、溶接ビードの強度の低下を引き起こしやすく、溶接継手の品質に深刻な影響を及ぼすという問題を解決することができる。
【0029】
当業者は、上記は本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定するためのものではなく、本発明の精神と原則の範囲内で行われたいかなる修正、同等の置換及び改良などは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきであることを容易に理解する。
【要約】
【課題】溶接ビードの成形および溶接継手の品質に関する問題を解決するための不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムの提供。
【解決手段】本発明は、不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムを開示し、該方法は、溶接される不等厚板材の両側表面を研磨及び洗浄して板厚差を決定し、溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、真空引き機構によって、真空作業チャンバに対して、作業に必要な真空度に達するように真空引きし、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザー装置及びレーザーヘッドによって溶接レーザーを発生し、所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従ってリアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御する。
【選択図】図８
【解決手段】本発明は、不等厚板材の真空揺動レーザー溶接方法及びシステムを開示し、該方法は、溶接される不等厚板材の両側表面を研磨及び洗浄して板厚差を決定し、溶接される不等厚板材ワークを真空作業チャンバ内に置いて、溶接される不等厚板材の溶接ビードを形成し、真空引き機構によって、真空作業チャンバに対して、作業に必要な真空度に達するように真空引きし、溶接プロセスパラメータを設置し、レーザー装置及びレーザーヘッドによって溶接レーザーを発生し、所定の経路、周波数で揺動させ、揺動過程で正弦規則の変化に従ってリアルタイムでレーザーパワーを変化させ、厚板側が高パワー、薄板側が低パワーの可変パワー真空揺動レーザーを実現するとともに、作業台を溶接ビード軌跡の主方向に沿って移動して溶接作業を行うように制御する。
【選択図】図８
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】