JP2016521208A - レーザ溶接システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2013年3月29日に出願された米国特許出願第13/853,612号の一部継続出願である。
・溶接の幅−プル・ダウン・リストおよび入力ボックス。
・溶接の重複−データ・フィールド(百分率)
・溶接の外形−プル・ダウン・リスト:突き合わせ、重ね、面取重ね
・溶接型−プル・ダウン・リスト(鍵穴、伝導、混成)
・パルス形状−基本的なパルス形状を示すプル・ダウン・グラフィック・リスト
ユーザが、材料種、厚さ、および溶接の外形というような、数個の主要なパラメータを入力すると、本システムはしかるべき波形を検索し、次いで自動的にロードする。波形は、同様の材料の組み合わせおよび入力パラメータで有効である(work)と判定されている波形のデータベースから選択することができる。次いで、ユーザは、特定の処理に基づいて、自動的にロードされた波形の値を修正することができる。例えば、ユーザが接合する2つの材料に軟鉄およびニッケルを選択し、0.020”の厚さを選択する場合、プログラムは自動的に表面仕上げ(その材料に対する基準線平均仕上げを想定する)、溶接の幅、溶接時間、溶接の重複、およびパルス形状に対して自動的に予備選択する。例えば、軟鉄が軽い腐食層を有する場合、ユーザは表面仕上げに対して予め選択された値を変更することができ、溶接の前に清浄工程(cleaning pass)を提案するように促す。または、ユーザが、提案されたものよりも広い幅の溶接を望む場合、その値を変更することもできる。
メニュー記述:
以下の記述は、ユーザが主プログラムにおいてアクセスすることができるメニュー構造およびパラメータを特徴付ける。
PSTツールボックス・メニュー:
PSTツールボックスの構成するための好みおよびツールが、アプリケーションについての情報と共に、このメニューの下で見られる(図13参照)。
ファイル・メニュー:
最も一般的なソフトウェアと同様、このメニューの下で基本的なファイル管理機能が利用できる(図14参照)。
編集メニュー:
最も一般的なソフトウェアと同様、このメニューの下で基本的な編集機能が利用できる(図15参照)。
材料メニュー:
このメニューは、一緒に溶接される各材料のプロパティを選択し定めるためのツールを含む。このメニューは、ユーザが、以前に定められた材料、またはユーザによって構成および保存された材料のリストから選択することを可能にする。選択肢には、材料、厚さ、および仕上げが含まれる。ユーザは、新たな材料および厚さを定めることができ、今後の使用のためにその材料についての値を保存する機会を有する(図16および図17参照)。
溶接メニュー:
溶接の物理的寸法を含む溶接輪郭(profile)、継ぎ目に沿った位置に基づくレーザ・パワー、およびパルス毎の重複量を、このメニュー内において定めることができる。
清浄メニュー:
溶接輪郭を定めるために使用されるグラフィック・インターフェースと同様、清浄プロファイル・エディタを使用して、清浄プロファイルも目視し、編集し、保存することができる。
このメニューでは、システムに使用されているレーザの特定のブランドに関する設定が利用可能である。PSTツールボックス・メニュー内における好みは、ユーザがレーザ・ブランドおよびモデルを予め選択することを可能にし、このメニューにおいて変数を予めロードすることができる。
SeamFinderメニュー:
PSTツールボックス・ソフトウェアのSeamFinder機能(feature)は、ユーザが、軸上カメラを通して見た溶接継ぎ目の位置を定めることと可能にする。SeamFinderは、グラフィカル・インターフェースであり、レーザの継ぎ目跡(seam path)をカメラ画像の上に重ね合わせ、ユーザが溶接跡の位置および形状を操作することを可能にする。
映像メニュー:
主インターフェース画面上で見られる映像を変更するための選択肢が、このメニューにおいて利用可能である(図15参照)。
ヘルプ・メニュー:
PSTツールボックスのいずれの機能についても、このメニュー内においてオンライン・ヘルプが利用可能である。
調整の例
以前に定められ検認された溶接パルスは、溶接しようとするその材料の組み合わせの厚いバージョンまたは薄いバージョンを可能にするために、調整することもできる。こうして導かれる倍率を、失ったパラメータに適用することによって、ユーザには彼の処理のために不変の始点を提供する。
厚さの変化、即ち、「厚さ係数」も、増大百分率として表される。
この式には、一緒に溶接される材料の熱力学を考慮するために、定数が含まれる。
PNEW=Wc(F2+F)
2つの異なる厚さでサンプルの溶接検査を行うことによって、双方のサンプルについて、レーザ・パルス曲線に沿った点において使用されたレーザ・パワーの量を比較し、Wcに対して値を導くことができる。この値は、更に厚い材料に対して推定レーザ溶接パルスを計算するために使用することができる。
サンプル計算:
異なる既知の厚さの2つのレーザ溶接サンプルを検査し、レーザ・パルス波形をデータベースに格納した。パルスに沿った所与の点について、双方のサンプルのために効果的に溶接するのに必要とされるレーザ・パワーを見ることができる。この結果、PNEW即ちパワー増大百分率の値が得られる。また、厚さ増大百分率Fが得られる、厚さの関係も見ることができる。この式を解いて、その材料の組み合わせに対する溶接定数Wcを決定することができる。
既知のサンプル
厚さ0.020”の鉄に溶接された厚さ0.020”のニッケル、
所与のサンプル点におけるレーザ・パワー=100ワット(図24参照)、および
厚さ0.030”の鉄に溶接された厚さ0.030”のニッケル、
同じサンプル点におけるレーザ・パワー=200ワット(図25参照)
したがって、厚さ増大百分率F=50%、即ち0.5、そしてパワー増大PNEW=100%、即ち、1となる。溶接定数について解くと、
Wc=(PNEW)/(F2+F)
Wc=1/(0.52+0.5)=1.33
ここで、この式に、その材料の組み合わせに対して導いた溶接定数Wcを適用することによって、未検査材料の厚さを溶接するための新たなレーザ・パルス波形を推定することができる。
PNEW =2.67、即ち、m267%のパワー増大となる。
システム例
図8によるレーザ溶接システムが、以下のコンポーネントを使用して作成された。
ガルボ制御:5mのケーブルを有するCambridge Tech SM1000S-15-5ガルボ制御
ガルボ・ヘッド: Cambridge Tech 61725PSXY2-YPガルボ・スキャン・ヘッド、 Cambridge Tech P0075-0010(Linos 4401-288-000-20)、254mmレンズ、 Cambridge Tech 720-80437-05-5スキャン・ヘッド・スペーサ・プレート。
Claims (22)
- レーザ溶接方法であって、
第1および第2材料の間における接合部を横切る一連のパスにおいてレーザ・ビームを方向制御するステップであって、前記パスの各々の間、前記接合部を跨ぐ連続高アスペクト比エリアにわたってレーザ・パワーを印加し、パス毎の前記高アスペクト比エリアが、前記第1材料上の第1細長エリアと、前記第2材料上の第2細長エリアとを含む、ステップと、
前記第1細長エリアの各々に印加される平均パワー密度が、前記材料の異なる熱特性を補償するように、前記第2細長エリアの各々に印加される平均パワー密度とは異なるように、所定のやり方で各パスにおいて印加される前記パワー密度を変化させるステップと、
を含む、レーザ溶接方法。 - 請求項1記載の方法において、各パスの間、前記第1細長エリアに印加される前記平均パワー密度が、前記第2細長エリアに印加される前記平均パワー密度よりも少なくとも25%高い、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記パワー密度を変化させるステップが、前記高アスペクト比エリアを横切ってビームが移動する速度を変化させるステップを含む、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記パワー密度を変化させるステップが、前記ビームが前記高アスペクト比エリアを横切って移動するに連れて、前記レーザ・ビームの強度を変化させるステップを含む、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記第1細長エリアが、前記第2細長エリアの対応する長手方向長(elongated length)の約25%以内の長手方向長を有する、方法。
- 請求項5記載の方法において、前記第1細長エリアが、前記第2細長エリアの対応する長手方向長の約10%以内の長手方向長を有する、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記第1細長エリアのサイズが、前記第2細長エリアのサイズの約25%以内である、方法。
- 請求項1記載の方法において、前記第1細長エリアの内前記接合部から遠い方の半分に印加される前記平均パワー密度が、前記第1細長エリアの内前記接合部に近い方の他方の半分に印加される前記平均パワー密度の70%未満である、方法。
- 請求項8記載の方法において、前記第2細長エリアの内前記接合部から遠い方の半分に印加される前記平均パワー密度が、前記第2細長エリアの内前記接合部に近い方の半分に印加される前記平均パワー密度の50%未満である、方法。
- 作業片にレーザ・エネルギを印加するシステムであって、
パルス開始信号の受信時に、ユーザ指定強度プロファイルにしたがって、ファイバ・レーザ・パルスを生成するように動作するファイバ・レーザ・パルス生成器と、
前記作業片の高アスペクト比エリアを横切って前記レーザ・パルスを拡散させるように動作するビーム方向制御光学素子と、
前記ビーム方向制御光学素子と前記パルス生成器とに結合されたコントローラであって、前記作業片の一連の所定の高アスペクト比エリアに沿って前記レーザ・パルスを拡散させるように、前記ビーム方向制御光学素子に送られる一連のビーム方向制御信号と同期が取られた一連のパルス開始信号を、前記ファイバ・レーザ・パルス生成器に送るように動作する、コントローラと、
を含む、システム。 - 請求項10記載のシステムにおいて、前記ファイバ・レーザ・パルス生成器が、異なるパルス開始信号の受信時に、異なるユーザ指定強度プロファイルにしたがって、異なるファイバ・レーザ・パルスを生成するように動作する、システム。
- 請求項10記載のシステムであって、更に、前記ビーム方向制御光学素子に対する一連のユーザ指定移動と、前記一連の移動において指定された移動の間に印加されるユーザ指定強度プロファイルとを受ける入力デバイスを含む、システム。
- 請求項12記載のシステムにおいて、前記ファイバ・レーザ・パルス生成器が、ファイバ・レーザとアナログ通信可能なフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイを含む、システム。
- 請求項12記載のシステムにおいて、前記入力デバイスが、前記フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイおよび前記コントローラとディジタル通信可能な制御コンピュータを含む、システム。
- 請求項10記載のシステムであって、更に、インデクシング・ステージ上に載せられた作業片を含み、前記作業片が、溶接される2つの材料を含み、前記高アスペクト比エリアが、前記溶接される材料間の接合部を横切る、システム。
- 材料接合部の異なるエリアに印加されるレーザ・パワー密度を動的に変化させるレーザ溶接システムであって、
材料接合部を横切るファイバ・レーザ・ビームに対する一連のユーザ指定移動と、前記一連の移動において指定された移動の間印加される前記レーザ・ビームに対する1つ以上の可変強度プロファイルとを受ける入力デバイスと、
対応するレーザ開始信号の受信時に、前記1つ以上の可変強度プロファイルにしたがってレーザ・ビームを生成するように構成されたファイバ・レーザと、
前記生成されたレーザ・ビームを動かすビーム方向制御光学素子と、
前記ファイバ・レーザに前記レーザ開始信号を送り、前記ビーム方向制御光学素子を動作させて、前記指定された一連の移動にしたがって前記レーザ・ビームを前記接合部を横切って移動させるように構成されたコントローラであって、前記材料接合部の一方側に印加される前記レーザ・パワー密度が、前記材料接合部の他方側に印加される前記レーザ・パワー密度よりも大きくなるように、前記レーザ開始信号が、前記ビーム方向制御光学素子の動作と同期される、コントローラと、
を含む、レーザ溶接システム。 - 請求項16記載のレーザ溶接システムにおいて、前記コントローラが、前記レーザが印加されている間、前記レーザが前記接合部に向かって移動するに連れて前記レーザの速度が低下し、前記接合部から離れて移動するに連れて上昇するように構成される、レーザ溶接システム。
- 請求項16記載のレーザ溶接システムにおいて、 前記コントローラが、 前記レーザが印加されている間、前記ビームが前記接合部に近づくに連れて、前記レーザの強度が上昇し、前記接合部から離れて移動するに連れて減少するように構成される、レーザ溶接システム。
- レーザ溶接方法であって、
一連の可変強度ビームをファイバ・レーザから生成するステップであって、前記ビームが、強度増大領域と、高強度の中央領域と、強度減少領域とを含む非対称強度プロファイルを有する、ステップと、
各ビームの前記強度増大領域の大部分が、前記接合部の一方側に入射し、各ビームの前記強度減少領域の大部分が前記接合部の他方側に入射するように、前記一連のビームを材料接合部を横切って拡散させるステップと、
を含む、方法。 - 請求項19記載の方法において、各ビームの前記中央領域が、概略的に前記接合部と整列される、方法。
- 請求項19記載の方法において、前記ビームが、前記接合部の一方側にある第1細長エリアと前記接合部の他方側にある第2細長エリアとを含む高アスペクト比エリアにわたって拡散され、前記第1および第2細長エリアのサイズが、互いの25%以内であり、前記第1細長エリアにおいて、前記第2細長エリアにおけるよりも少なくとも25%多いパワーが印加される、方法。
- 請求項21記載の方法において、前記第1細長エリアにおいて、前記第2細長エリアにおけるよりも少なくとも40%多いパワーが印加される、方法。
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