JP2022550386A - 高シール性アルミニウム合金製矩形チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、高シール性アルミニウム合金製厚板矩形のチャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法を開示する。高シール性アルミニウム合金製厚板矩形のチャンバの長さ、高さ及び幅の寸法は、いずれも≧３５０ｍｍであり、チャンバ用アルミニウム合金製引張板の材料はＡＬ６０６１－Ｔ６であり、板厚は２０ｍｍ－２５ｍｍ、隣接する各板は、Ｔ型またはＬ型の板間の位置決め方式に従ってスプライスされ、溶接ワイヤーの材料は４０４３、溶接ワイヤーの直径はφ１．２ｍｍであり、溶接シームの高さ及び幅がいずれも５ｍｍより大きく、溶接シームの品質がＧＢ＼１２４６９－１９９０を満たし、チャンバの極限真空度が１Ｐａに達することが要求される。材料利用率及び加工効率を大幅に向上させ、材料及びサイクルのコストを低減させる。ハイブリッド溶接技術を利用することにより、単一レーザ溶接及びプラズマ溶接などの方式に比べて、溶接品質を効果的に向上させる。【選択図】図１
Description
本発明は、先進的な製造技術分野の先進的な成形及びプロセス技術に属し、高シール性アルミニウム合金製矩形チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法に関する。
アルミニウム合金は、軽量、耐食性、高強度、成形が容易で、低温脆性がないという利点があり、航空宇宙、高速鉄道、自動車、電子情報などの分野で広く使用されている。これらの応用分野では、高シール性のアルミニウム合金製矩形チャンバ、例えば、ＩＣ機器におけるＣＭ溶接のロードチャンバ、医療用アルミニウム合金チャンバ、表面分析用超高真空システムチャンバ及び真空コーティング用チャンバなどは、重要かつ典型的なエンジニアリング構造である。これらの構造は、一般的に高いシール性、強度及び加工精度が要求され、現在選択可能な加工方法としては、一体加工法及び溶接成形法を含む。一体加工法とは、機械的切削法を利用してアルミニウム合金鋳物と鍛造品全体を切削してくりぬくことで、チャンバの製造を実現することを指し、この方法は、プロセスが複雑で、最初に製品寸法に適した鋳物や鍛造品を提供する必要があり、かつ機械加工サイクルが長く、材料利用率が極めて低く、チャンバ構造の大規模で低コストの製造には適さない。溶接成形法とは、標準的なアルミニウム合金板材を必要な寸法に機械加工してから、各板材を溶接の方法により溶接してチャンバを形成することを指す。従来のアルミニウム合金の溶接方法には、アーク溶接、レーザ溶接、ガス溶接、火炎溶接、プラズマ溶接またはハイブリッド溶接などがある。本発明のような厚さ２０ｍｍ以上のアルミニウム合金板材にとっては、ガス溶接、火炎溶接などのエネルギー密度が小さすぎるため、厚板の溶接には適さない。
本発明は、溶接順序を合理的に設計し、溶接プロセスパラメータを設定することにより、高精度、低変形、良好なシール性を有するアルミニウム合金厚板の矩形チャンバの溶接を実現する、高シール性アルミニウム合金製矩形チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法を提供する。
本発明の具体的な技術手段は以下のとおりである。
以下のステップを含むことを特徴とする、高シール性アルミニウム合金製矩形チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法である。
ステップ１：まず、１番プレート、３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートを矩形チャンバにクランプして組み立て、２番プレートを組み立てないままにしておいて、チャンバの２番プレートが取り付けられていない面の欠け口を上向きに水平に置き、１番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内側溶接シームを水平状態にし、チャンバの２番プレートの欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、１番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内部溶接シームを溶接する。
ステップ２：チャンバの姿勢を変えずに保持し、２番プレートで覆い、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、２番プレートが５番プレート、６番プレートと溶接される２本の外側溶接シームを溶接する。
ステップ３：チャンバを逆さまにして、２番プレートを底部に置き、１番プレートにおける矩形環状の欠け口側を上向きにし、２番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内側溶接シームをすべて水平状態にし、１番プレートの矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、２番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内側溶接シームを溶接する。
ステップ４：チャンバを６番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、１番プレートの矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、６番プレートが３番プレート、４番プレートと溶接される２本のチャンバ内部の溶接シームを溶接する。
ステップ５：チャンバを５番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、１番プレートにおける矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、５番プレートが３番プレート、４番プレートと溶接される２本のチャンバ内部の溶接シーム、及び１番プレートが６番プレートと溶接される１本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
ステップ６：チャンバを６番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、１番プレートが５番プレートと溶接される１本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
ステップ７：チャンバを３番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、４番プレートが１番プレート、２番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
ステップ８：チャンバを４番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、３番プレートが１番プレート、２番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
本発明は、アルミニウム合金鋳物または鍛造品を機械加工することの代わりに、アルミニウム合金製引張板を溶接してチャンバを成形することで、材料利用率及び加工効率を大幅に向上させ、材料及びサイクルのコストを低減させるという利点がある。ハイブリッド溶接技術を利用することにより、単一レーザ溶接及びプラズマ溶接などの方式に比べて、溶接品質を効果的に向上させる。なお、ハイブリッド溶接プロセスは、溶接品質の一貫性を確保するのにより有利であり、高品質のアルミニウム合金製厚板矩形のチャンバ構造の溶接成形に信頼できる選択肢を提供する。
以下、図１と実施例を参照しながら、本発明についてさらに説明する。
アルミニウム合金製厚板矩形のチャンバの構造としては、高シール性アルミニウム合金製厚板矩形のチャンバの長さ、高さ及び幅は、すべて≧３５０ｍｍであり、チャンバ用アルミニウム合金製引張板の材料はＡＬ６０６１－Ｔ６であり、板厚は２０ｍｍ－２５ｍｍ、好ましくは２０ｍｍであり、隣接する各板は、Ｔ型またはＬ型の板間の位置決め方式に従ってスプライスされ、溶接ワイヤーの材料は４０４３、溶接ワイヤーの直径はφ１．２ｍｍであり、溶接シームの高さ及び幅がいずれも５ｍｍより大きく、溶接シームの品質がＧＢ＼１２４６９－１９９０欠陥（imperfection）１級標準を満たし、チャンバの極限真空度が１Ｐａに達することが要求される。
溶接に用いられる装置は、ロボット自動溶接装置であり、主に多関節ロボット、プラズマアーク溶接機、レーザ及び二軸変位機を含み、９９．９９％の高純度アルゴンガスを保護ガスとして使用し、保護ガス流量は２０Ｌ／ｍｉｎに設定される。
溶接プロセスにおいて、純度９９．９９％以上の高純度アルゴンガスを使用して溶接トーチを同軸で保護し、保護ガス流量が２０－２５Ｌ／ｍｉｎであることを特徴とする、前記高シール性アルミニウム合金製厚板チャンバのロボット自動ＭＩＧ溶接方法。
チャンバ内部の溶接シームを溶接する時、溶接トーチと現在溶接されている溶接シーム両側のアルミニウム合金板との間の角度が４５°であることを特徴とする、前記高シール性アルミニウム合金製厚板チャンバのロボット自動ＭＩＧ溶接方法。
以下のステップを含む高シール性アルミニウム合金製矩形チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法である。
ステップ１：まず、１番プレート１、３番プレート３、４番プレート４、５番プレート５、６番プレート６を矩形チャンバにクランプして組み立て、２番プレート２を組み立てないままにしておいて、チャンバの２番プレート２が取り付けられていない面の欠け口を上向きに水平に置き、１番プレート１が３番プレート３、４番プレート４、５番プレート５、６番プレート６と溶接される４本の内側溶接シームを水平状態にし、チャンバの２番プレート２の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、１番プレート１が３番プレート３、４番プレート４、５番プレート５、６番プレート６と溶接される４本の内部溶接シームを溶接する。
ステップ２：チャンバの姿勢を変えずに保持し、２番プレート２で覆い、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、２番プレート２が５番プレート５、６番プレート６と溶接される２本の外側溶接シームを溶接する。
ステップ３：チャンバを逆さまにして、２番プレート２を底部に置き、１番プレート１における矩形環状の欠け口側を上向きにし、２番プレート２が３番プレート３、４番プレート４、５番プレート５、６番プレート６と溶接される４本の内側溶接シームをすべて水平状態にし、１番プレート１の矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、２番プレート２が３番プレート３、４番プレート４、５番プレート５、６番プレート６と溶接される４本の内側溶接シームを溶接する。
ステップ４：チャンバを６番プレート６が底部に置かれる姿勢に調整し、１番プレート１の矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、６番プレート６が３番プレート３、４番プレート４と溶接される２本のチャンバ内部の溶接シームを溶接する。
ステップ５：チャンバを５番プレート５が底部に置かれる姿勢に調整し、１番プレート１における矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、５番プレート５が３番プレート３、４番プレート４と溶接される２本のチャンバ内部の溶接シーム、及び１番プレート１が６番プレート６と溶接される１本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
ステップ６：チャンバを６番プレート６が底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、１番プレート１が５番プレート５と溶接される１本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
ステップ７：チャンバを３番プレート３が底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、４番プレート４が１番プレート１、２番プレート２、５番プレート５、６番プレート６と溶接される４本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
ステップ８：チャンバを４番プレート４が底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、３番プレート３が１番プレート１、２番プレート２、５番プレート５、６番プレート６と溶接される４本のチャンバ外側の溶接シームを溶接する。
最適化溶接プロセスパラメータは次のとおりである。
（１）アーク始動電流：２７０－３００Ａ；
（２）溶接電流Ａ：２１０－２４０Ａ；
（３）アーク終了電流：１９０－２００Ａ；
（４）溶接電圧：１８－２０Ｖ；
（５）溶接速度：４０－４５ｃｍ／ｍｉｎ；
（６）溶接トーチから延びた溶接ワイヤーの長さ：１３－１５ｍｍ；
（７）アーク終了遅延時間：０．４－０．６秒；
（８）レーザパワーＰ：Ｐ＋Ａ＝３５０を満たす；
（９）レーザビームの位置：プラズマアークの前方２ｍｍ～５ｍｍ；
（１０）レーザビームと溶接トーチとの間の角度：５５°～４５°。
（１）アーク始動電流：２７０－３００Ａ；
（２）溶接電流Ａ：２１０－２４０Ａ；
（３）アーク終了電流：１９０－２００Ａ；
（４）溶接電圧：１８－２０Ｖ；
（５）溶接速度：４０－４５ｃｍ／ｍｉｎ；
（６）溶接トーチから延びた溶接ワイヤーの長さ：１３－１５ｍｍ；
（７）アーク終了遅延時間：０．４－０．６秒；
（８）レーザパワーＰ：Ｐ＋Ａ＝３５０を満たす；
（９）レーザビームの位置：プラズマアークの前方２ｍｍ～５ｍｍ；
（１０）レーザビームと溶接トーチとの間の角度：５５°～４５°。
すべての溶接シームは水平位置で溶接され、かつ左側溶接法が採用され、溶接トーチと現在溶接されている溶接シームの溶接された部分との間の角度は１４°－２５°である。
使用される最適化溶接プロセスパラメータが次のとおりである、前記高シール性アルミニウム合金製厚板チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法。
（１）アーク始動電流：２７０Ａ；
（２）溶接電流Ａ：２１０Ａ；
（３）アーク終了電流：１９０Ａ；
（４）アーク終了遅延時間：０．４秒；
（５）溶接電圧：１８Ｖ；
（６）溶接速度：４０ｃｍ／ｍｉｎ；
（７）溶接トーチから延びた溶接ワイヤーの長さ：１３ｍｍ；
（８）レーザパワーＰ：１４０Ｗ；
（９）レーザビームの位置：プラズマアークの前方２ｍｍ；
（１０）レーザビームと溶接トーチとの間の角度：５５°
（１）アーク始動電流：２７０Ａ；
（２）溶接電流Ａ：２１０Ａ；
（３）アーク終了電流：１９０Ａ；
（４）アーク終了遅延時間：０．４秒；
（５）溶接電圧：１８Ｖ；
（６）溶接速度：４０ｃｍ／ｍｉｎ；
（７）溶接トーチから延びた溶接ワイヤーの長さ：１３ｍｍ；
（８）レーザパワーＰ：１４０Ｗ；
（９）レーザビームの位置：プラズマアークの前方２ｍｍ；
（１０）レーザビームと溶接トーチとの間の角度：５５°
前記高シール性アルミニウム合金製厚板チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法では、すべての溶接シームは水平位置で溶接され、かつ左側溶接法が採用され、溶接トーチと現在溶接されている溶接シームの溶接された部分との間の角度は１５°である。
溶接シームのサンプルについて分析を行い、溶接シームの成形が良好で、細孔がなく、溶接シームの品質はＧＢ＼１２４６９－１９９０欠陥１級標準を満たす。チャンバを溶接した後、全体として明らかな変形がなく、限界真空度テストではチャンバの真空度が１Ｐａに達することができ、設計要件を満たす。
Claims (3)
- まず、１番プレート、３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートを矩形チャンバにクランプして組み立て、２番プレートを組み立てないままにしておいて、チャンバの２番プレートが取り付けられていない面の欠け口を上向きに水平に置き、１番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内側溶接シームを水平状態にし、チャンバの２番プレートの欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、１番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内部溶接シームを溶接するステップ１と、
チャンバの姿勢を変えずに保持し、２番プレートで覆い、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、２番プレートが５番プレート、６番プレートと溶接される２本の外側溶接シームを溶接するステップ２と、
チャンバを逆さまにして、２番プレートを底部に置き、１番プレートにおける矩形環状の欠け口側を上向きにし、２番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内側溶接シームをすべて水平状態にし、１番プレートの矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、２番プレートが３番プレート、４番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本の内側溶接シームを溶接するステップ３と、
チャンバを６番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、１番プレートの矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、６番プレートが３番プレート、４番プレートと溶接される２本のチャンバ内部の溶接シームを溶接するステップ４と、
チャンバを５番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、１番プレートにおける矩形環状の欠け口から溶接トーチを挿入し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、５番プレートが３番プレート、４番プレートと溶接される２本のチャンバ内部の溶接シーム、及び１番プレートが６番プレートと溶接される１本のチャンバ外側の溶接シームを溶接するステップ５と、
チャンバを６番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、１番プレートが５番プレートと溶接される１本のチャンバ外側の溶接シームを溶接するステップ６と、
チャンバを３番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、４番プレートが１番プレート、２番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本のチャンバ外側の溶接シームを溶接するステップ７と、
チャンバを４番プレートが底部に置かれる姿勢に調整し、最適化溶接プロセスパラメータを使用して、３番プレートが１番プレート、２番プレート、５番プレート、６番プレートと溶接される４本のチャンバ外側の溶接シームを溶接するステップ８と、
を含むことを特徴とする、高シール性アルミニウム合金製矩形チャンバのプラズマアーク・レーザハイブリッド溶接方法。 - 前記最適化溶接プロセスパラメータが以下のとおりであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
（１）アーク始動電流：２７０－３００Ａ；
（２）溶接電流Ａ：２１０－２４０Ａ；
（３）アーク終了電流：１９０－２００Ａ；
（４）溶接電圧：１８－２０Ｖ；
（５）溶接速度：４０－４５ｃｍ／ｍｉｎ；
（６）溶接トーチから延びた溶接ワイヤーの長さ：１３－１５ｍｍ；
（７）アーク終了遅延時間：０．４－０．６秒；
（８）レーザパワーＰ：Ｐ＋Ａ＝３５０を満たす；
（９）レーザビームの位置：プラズマアークの前方２ｍｍ～５ｍｍ；
（１０）レーザビームと溶接トーチとの間の角度：５５°～４５°。 - すべての溶接シームが水平位置で溶接され、かつ左側溶接法が採用され、溶接トーチと現在溶接されている溶接シームの溶接された部分との間の角度が１４°－２５°であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
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