JPWO2021114456A5 - - Google Patents
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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、かつ前進溶接(forehand welding)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、かつ前進溶接法が採用され、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 (2)
- 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、
を含み、
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、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。
(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、かつ前進溶接法が採用され、溶接トーチと溶接トーチが溶接し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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