JP6910092B2

JP6910092B2 - キーホール効果に基づくレーザ付加製造方法およびシステム

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Publication number: JP6910092B2
Application number: JP2020537536A
Authority: JP
Inventors: 栄詩肖; ▲てぃん▼ 黄; 強武; 江林鄒; 潔潔徐
Original assignee: 北京工業大学
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2039-01-08
Also published as: EP3741495A1; CN108188581B; WO2019141115A1; JP2021510122A; EP3741495A4; EP3741495B1; CN108188581A; US20200346303A1

Description

本発明は、キーホール効果に基づくワイヤ送給式付加製造方法に関し、先進製造技術分野に属する。

レーザ付加製造は低エネルギー、短プロセス、成形と組織性能制御の一体化の先進製造技術として、前世紀の８０年代以来、レーザラピッドプロトタイピング製造とレーザ直接付加製造を徐々に実現した。レーザ付加製造は、伝統的な金属部品、特に高性能、複雑な構造部品の成形加工モードを変えた。一次成形材料の利用率が高く、製造周期が短く、成形品の性能が優れているなどの特徴から、航空宇宙、船舶などの分野に広く応用されている。

レーザ付加製造は金属材料の成形時の異なる状態によって、２種類に分けられ、１つは選択的レーザ溶融を代表として、金属粉末の積層前に予め粉末を敷いておき、１つは金属直接積層を代表として、金属材料の積層過程で材料をリアルタイムに溶融池に送る。

選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）は、高エネルギーのレーザビームを利用して、予め敷いた金属粉末を所定の走査経路で走査し、完全に溶融してから冷却凝固して成形する技術である。ＳＬＭ技術は従来の加工に比べて、複雑な形状の部品を成形できることが最大の利点で、次は快速かつ小バッチで一定の体積範囲内の部品を製造するが、その製造コストは加工時間に比例しているため、大きな部品を成形する時、加工時間の増加により、その加工コストは大幅に増加する。同時に、選択的レーザ溶融技術は加工条件に対して厳しい要求があり、その加工過程において真空室で完成する必要があり、実際の生産応用におけるその発展を制限している。

選択的レーザ溶融に比べて，レーザ溶融積層の方法は主に２つあり、１つは同期粉末送給式であり、もう１つはワイヤ送給式である。粉末送給式レーザ付加製造過程において、金属粉末を原材料として、高エネルギーのレーザをエネルギー源として、所定の加工経路に従って、同期に送給した金属粉末を層ごとに溶融し、急速に凝固し、層ごとに積層することにより、金属部品の直接製造を実現する。この方法は成形品の緻密性が良いが，レーザと粉末の相互作用によりレーザエネルギーの減衰が生じるため、成形中のエネルギー有効利用率が低い。同時に送り出した粉末は完全に溶融池に入って成形することができず、粉末送給式レーザ付加製造の積層効率が低い。例えば、Ｗ．Ｓｙｅｄらは３１６Ｌのステンレス鋼粉末の積層効率に対する異なるプロセスパラメータの影響を調べ、粉末積層効率はパワーの増加とともに増大し、平均積層効率は約０．２１ｋｇ／（ｈ・ｋｗ）であった。（Ｗ．Ｓｙｅｄ，ＰｉｎｋｅｒｔｏｎＡＪ，ＬｉＬ．Ａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆｗｉｒｅｆｅｅｄｉｎｇａｎｄｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｉｎｄｉｒｅｃｔｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｃｉｅｎｃｅ，２００５，２４７（１）：２６８−２７６．）。ワイヤ送給式付加製造については、適切なプロセス条件の下で、ワイヤ送給式付加製造の溶着効率はほぼ１００％に達し、材料の利用率を大幅に高めることができるが、金属ワイヤ材はレーザの吸収率に様々な要因の影響を受け、影響要因は複雑である。さらに、ワイヤ材の反射作用により、ワイヤ材にレーザを作用させ、その溶融エネルギーを大幅に減少させ、積層効率の低下をもたらした。申発明らは、３１６Ｌのステンレス溶接ワイヤを用いてステンレス鋼のワーク上に成形することにより、異なるプロセスパラメータがレーザ付加製造成形に及ぼす影響を調べ、積層効率は約０．２７ｋｇ／（ｈ・ｋｗ）であった。（申発明、ステンレスワイヤ基レーザ付加製造成形技術研究［Ｄ］．ハルビン：ハルビン工業大学、２０１５．）

効率的なレーザ付加製造を如何に実現し、エネルギー利用率と成形効率を向上させられるかが当面の課題である。従って、本技術分野では、レーザの深溶込み溶接原理を利用する、成形効率を向上させる新規なレーザ付加製造方法を検討する必要がある。

本発明は、ワイヤ送給過程でレーザのエネルギー反射率が高く、成形効率が低いなどの問題を解決するために、ワイヤ送給式レーザ付加製造の成形効率を向上させる方法を提供することを目的とする。

本発明は以下の通りである。

一方、本発明はキーホール効果に基づくレーザ付加製造方法であって、
溶接ワイヤおよびレーザビームを基板の法線の両側に一定の角度で配置することと、
レーザビームのスポットを溶接ワイヤ上の基板から一定距離が離れている位置に作用し、深溶込みホールを発生し、溶接ワイヤは深溶込みモードでレーザエネルギーの大半を吸収して加熱溶融し、基板表面に移行して第１の位置に溶融池および溶着層を形成することと、
溶接ワイヤを通過したレーザビームは基板表面の第２の位置を照射し、熱伝導モードで基板の第２の位置を予熱することとを含む。

好ましくは、前記方法は、前ワイヤ送給方式を用いて、溶接ワイヤ、レーザビームと基板の法線は同一平面上にあり、前記溶接ワイヤと前記法線との間に第１の角度があり、前記レーザビームと前記法線との間に第２の角度がある。

好ましくは、前記溶接ワイヤと前記法線との間の第１の角度が５°〜３０°である。

好ましくは、前記レーザビームと前記法線との間の第２の角度が１５°〜４５°である。

好ましくは、前記スポットは溶接ワイヤに作用する位置がワーク表面から１〜５ｍｍ離れている。

他方、本発明はキーホール効果に基づくレーザ付加製造システムであって、
付加製造に適した表面を有している基板と、
基板の法線の両側に一定の角度で配置されている溶接ワイヤおよびレーザビームと、を備え、
前記レーザビームを前記溶接ワイヤに作用し、深溶込みホールを発生することができ、溶接ワイヤは深溶込みモードでレーザビームのエネルギーを吸収し、前記基板に移行して第１の位置に溶融池および溶着層（２）を形成し、
溶接ワイヤを通過したレーザビームは基板表面の第２の位置を照射し、熱伝導モードで基板の第２の位置を予熱する。

好ましくは、前記システムは、前ワイヤ送給方式を用いて、溶接ワイヤ、レーザビームと基板の法線は同一平面上にあり、前記溶接ワイヤと前記法線との間に第１の角度があり、前記レーザビームと前記法線との間に第２の角度がある。

以上の発明により、本発明は以下の有益な効果を得ることができる。
一方、本発明は、深溶込みモードで溶接ワイヤを加熱溶融することで、溶接ワイヤ溶融速度を大幅に向上させ、成形効率を大幅に向上させる。
他方、本発明は、熱伝導モードでワークを加熱溶融することで、キーホール型ポロシティなどの欠陥の発生を効果的に回避することができる。

キーホール効果に基づくレーザ付加製造方法を模式的に示す図である。実施例１の成形ワークの断面ＯＭ図である。実施例２の成形ワークの断面ＯＭ図である。実施例３の成形ワークの外観図である。

以下、具体的な実施形態に関連して本発明をより詳細に説明し、２つの実施形態を提供するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本発明によるキーホール効果に基づくワイヤ送給式付加製造方法のシステムを示している。このシステムは、基板１と、一定の角度で法線の両側に配置されている溶接ワイヤ７およびレーザビーム５とを備える。レーザビーム５は、溶接ワイヤ７に作用し、深溶込みホール４を発生し、これにより溶接ワイヤ７が深溶込みモードでレーザビーム５のエネルギーを吸収して、該基板１に移行して溶融池３および溶着層２を形成する。溶接ワイヤ７を通過したレーザビーム５は基板１の表面を照射して、熱伝導モードでワークを予熱する。

システムにおける基板１は、付加製造を行うワーク表面であり、任意の適切な金属材料を選択することができる。

システムにおける溶接ワイヤ７は、ワイヤガイドノズル６から送出され、ワイヤガイドノズル６の動作プロセスおよび溶接ワイヤ７の送給速度を任意の適切な方式で制御することができ、例えば、専用または汎用の制御システムを使用する（図示せず）。

システムにおける溶接ワイヤ７は、基板１の材料に適した材料を選択することができる。一実施形態では、溶接ワイヤ７は、基板１と同じ材料の溶着層２を形成するように、基板１と同じ材料を選択することができる。

システムにおけるレーザビーム５は、任意の適切なレーザによって生成され、光ファイバなどの導光システムを介して基板１の上方に伝達され、光学集束システムによって所定の位置にスポットを発生させる。レーザビーム５のパワー、フォーカス位置などのパラメータは、関連する制御装置（図示せず）を用いて、レーザ、導光システム、光学集束システムを制御して設定することができる。そのパラメータの設定は、溶接ワイヤ７の必要な位置に必要な加熱効果を発生させるべきである。

システムにおける溶接ワイヤ７およびレーザビーム５は、前ワイヤ送給方式で配置され、即ち、溶接ワイヤ７は法線のスキャン方向に沿う前方に配置され、レーザビーム５は法線の反対側に配置されている。溶接ワイヤ７と法線との間に第１の角度があり、レーザビーム５と法線との間に第２の角度がある。溶接ワイヤ７およびレーザビーム５は、同じ３次元移動部品セットを共有してもよく、またはそれぞれ３次元移動部品セットを配置してもよく、溶接ワイヤ７およびレーザビーム５が所定の軌跡に沿って移動して、基板１の表面に所定の形状の溶着層２を形成する。

好ましい実施形態では、溶接ワイヤ７と法線との間の第１の角度は５°〜３０°である。好ましい実施形態では、レーザビーム５と法線との間の第２の角度は１５°〜４５°である。レーザビーム５で集束されたスポットは溶接ワイヤに作用するスポット位置が基板から１〜５ｍｍ離れている。

ここで述べた「キーホール効果」とは、レーザがより高いパワー密度で溶接ワイヤに作用し、溶接ワイヤを沸点以上の温度に加熱溶融させ、材料の急激な蒸発を引き起こし、蒸気圧の作用で溶接ワイヤに深溶込みホールを形成し、レーザビームがこの深溶込みホールを介して溶接ワイヤを通すことができることを意味する。

ここで述べた「深溶込みモード」とは、レーザがより大きなパワーで溶接ワイヤを加熱し、溶接ワイヤがレーザの熱を吸収して深く溶け、溶接ワイヤに深溶込みホールを形成し、さらにレーザのビームがこの深溶込みホールを介して溶接ワイヤを通すことができることを意味する。

ここで述べた「熱伝導モード」とは、レーザがより小さなパワーで基板表面を加熱し、基板表面がレーザの熱を吸収した後に限られた深さだけで溶融し、熱伝導の形でレーザ照射位置の周囲及び基板内部に熱を伝達することを意味する。

以下、２つの具体的な実施形態に関連して、本発明のキーホール効果に基づくワイヤ送給式レーザ付加製造方法及びシステムについてさらに説明する。

実施例１：本実施例の実施形態の基本原理は図１を参照し、ここでは説明を省略する。本実施例ではＩＰＧ社ＹＬＳ−６０００光ファイバレーザを採用する。溶接ワイヤは３１６Ｌのステンレス材料で、溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍで、２００ｍｍの集束レンズを使って、前ワイヤ送給を採用し、レーザビーム、ワークの法線が同じ平面にある。溶接ワイヤとワークの法線との角度を１５°に調整し、レーザビームとワークの法線との角度を３０°に調整し、スポットが溶接ワイヤに作用する位置がワークの表面から２ｍｍ離れて、保護ガスはＡＲガスで、気体流量は２０Ｌ／ｍｉｎである。プロセスパラメータは、レーザパワー３ｋｗ、送給速度３ｍ／ｍｉｎ、スキャン速度１．５ｍ／ｍｉｎである。実施例１の成形ワークの断面ＯＭ図は、図２に示すように、本発明の実施例の成形状態は良好であり、金属積層効率は０．４９ｋｇ／（ｈ・ｋｗ）であり、従来のレーザ付加製造の約２倍である。

実施例２：本実施例の実施形態の基本原理は、図１を参照して、ここでは説明を省略する。本実施例ではＩＰＧ社ＹＬＳ−６０００光ファイバレーザを採用する。溶接ワイヤは３１６Ｌのステンレス材料で、溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍで、２００ｍｍの集束レンズを使って、前ワイヤ送給を採用し、レーザビーム、ワークの法線が同じ平面にある。溶接ワイヤとワークの法線との角度を３０°に調整し、レーザビームとワークの法線との角度を３０°に調整し、スポットが溶接ワイヤに作用する位置がワークの表面から２ｍｍ離れて、保護ガスはＡＲガスで、気体流量は２０Ｌ／ｍｉｎである。プロセスパラメータは、レーザパワー３ｋｗ、送給速度４ｍ／ｍｉｎ、スキャン速度１．５ｍ／ｍｉｎである。実施例２の成形ワークの断面ＯＭ図は図３に示す。本発明の実施例の成形状態は良好であり、金属積層効率は０．７２ｋｇ／（ｈ・ｋｗ）であり、従来のレーザ付加製造の約３倍である。

実施例３：本実施例の実施形態の基本原理は、図１を参照して、ここでは説明を省略する。本例ではＩＰＧ社ＹＬＳ−６０００光ファイバレーザを採用する。溶接ワイヤは３１６Ｌのステンレス材料で、溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍで、２００ｍｍの集束レンズを使って、前ワイヤ送給を採用し、レーザビーム、ワークの法線が同じ平面にある。溶接ワイヤとワークの法線との角度を１５°に調整し、レーザビームとワークの法線との角度を３０°に調整し、スポットが溶接ワイヤに作用する位置がワークの表面から２．５ｍｍ離れて、保護ガスはＡＲガスで、気体流量は２０Ｌ／ｍｉｎである。プロセスパラメータは：レーザパワー３ｋｗ、送給速度４．５ｍ／ｍｉｎ、スキャン速度１．５ｍ／ｍｉｎである。実施例３の成形ワークの外観は図４に示す。

上記は本発明の好ましい実施形態にすぎず、当業者であれば、本発明はこれに限定されないことを理解できる。本発明の原理を逸脱することなく、本発明はいくつかの改善および変形を行うことができ、これらの改善および変形も本発明の保護範囲内と見なすべきである。

1.基板、2.溶着層、3.溶融池、4.深溶込みホール、5.レーザービーム、6.ワイヤガイドノズル、7.溶接ワイヤ、8.予熱領域。

Claims

キーホール効果に基づくレーザ付加製造方法であって、
溶接ワイヤ（７）およびレーザビーム（５）を基板（１）の法線の両側に一定の角度で配置することと、
レーザビーム（５）のスポットを溶接ワイヤ（７）上の基板（１）から一定距離が離れている位置に作用させ、深溶込みホール（４）を発生し、溶接ワイヤは深溶込みモードでレーザエネルギーの大半を吸収して加熱溶融し、基板表面に移行して第１の位置に溶融池（３）および溶着層（２）を形成することと、
溶接ワイヤ（７）を通過したレーザビーム（５）は基板（１）表面の第２の位置を照射し、熱伝導モードで基板の第２の位置を予熱することとを含むことを特徴とするキーホール効果に基づくレーザ付加製造方法。
前記方法は、前ワイヤ送給方式を用いて、溶接ワイヤ（７）、レーザビーム（５）、及び基板（１）の法線は同一平面上にあり、前記溶接ワイヤ（７）と前記法線との間に第１の角度があり、前記レーザビーム（５）と前記法線との間に第２の角度があることを特徴とする請求項１に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造方法。
前記溶接ワイヤ（７）と前記法線との間の第１の角度が５°〜３０°であることを特徴とする請求項２に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造方法。
前記レーザビーム（５）と前記法線との間の第２の角度が１５°〜４５°であることを特徴とする請求項２に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造方法。
前記スポットは溶接ワイヤ（７）に作用する位置がワーク表面から１〜５ｍｍ離れていることを特徴とする請求項１に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造方法。
キーホール効果に基づくレーザ付加製造システムであって、
付加製造に適した表面を有している基板（１）と、
基板（１）の法線の両側に一定の角度で配置されている溶接ワイヤ（７）およびレーザビーム（５）と、を備え、
前記レーザビーム（５）を前記溶接ワイヤ（７）に作用させ、深溶込みホール（４）を発生することができ、溶接ワイヤ（７）は深溶込みモードでレーザビーム（５）のエネルギーを吸収し、前記基板（１）に移行して第１の位置に溶融池（３）および溶着層（２）を形成し、
溶接ワイヤ（７）を通過したレーザビーム（５）は基板（１）表面の第２の位置を照射し，熱伝導モードで基板（１）の第２の位置を予熱することを特徴とするキーホール効果に基づくレーザ付加製造システム。
前記システムは、前ワイヤ送給方式を用いて、溶接ワイヤ（７）、レーザビーム（５）、及び基板（１）の法線は同一平面上にあり、前記溶接ワイヤ（７）と前記法線との間に第１の角度があり、前記レーザビーム（５）と前記法線との間に第２の角度があることを特徴とする請求項６に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造システム。
前記溶接ワイヤ（７）と前記法線との間の第１の角度が５°〜３０°であることを特徴とする請求項７に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造システム。
前記レーザビーム（５）と前記法線との間の第２の角度が１５°〜４５°であることを特徴とする請求項７に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造システム。
スポットは溶接ワイヤ（７）に作用する位置がワーク表面から１〜５ｍｍ離れていることを特徴とする請求項６に記載のキーホール効果に基づくレーザ付加製造システム。