WO2020202342A1 - 加工機械 - Google Patents

加工機械 Download PDF

Info

Publication number
WO2020202342A1
WO2020202342A1 PCT/JP2019/014249 JP2019014249W WO2020202342A1 WO 2020202342 A1 WO2020202342 A1 WO 2020202342A1 JP 2019014249 W JP2019014249 W JP 2019014249W WO 2020202342 A1 WO2020202342 A1 WO 2020202342A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
wire
power
work
wip
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/014249
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
マティヤーシュ コタール
近藤　昌樹
ギデオン エヌ レヴィ
エドバード ゴベカー
Original Assignee
Dmg森精機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dmg森精機株式会社 filed Critical Dmg森精機株式会社
Priority to EP19922852.9A priority Critical patent/EP3950206A4/en
Priority to US17/598,065 priority patent/US20220226931A1/en
Priority to JP2021511717A priority patent/JP7098053B2/ja
Priority to PCT/JP2019/014249 priority patent/WO2020202342A1/ja
Publication of WO2020202342A1 publication Critical patent/WO2020202342A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0734—Shaping the laser spot into an annular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • This invention relates to a processing machine.
  • Patent Document 1 discloses a laser processing apparatus that performs laser welding by irradiating a laser beam while supplying a wire to a portion to be welded.
  • L-DMD Laser direct metal deposition
  • AM additive processing
  • powder or wire-like metal is generated by a nozzle and a laser beam on the metal surface. Directed into the molten pool.
  • the L-DMD process can be used in a variety of AM applications, including 3D printing, coating and repair of 3D parts.
  • the choice of material form depends on the application and introduces some specific advantages and disadvantages.
  • the main advantages of using powders are high process stability and robustness, a wide selection of materials and some to produce alloys and graded material parts.
  • the use of wire compared to powder offers advantages including low cost of wire material, high material utilization efficiency and deposition ratio, and no problems such as handling safety and environmental pollution.
  • the use of powders can be harmful to both humans and machines.
  • the wire material is easy to store and is applied to the deposition of reactive materials such as Al and Ti alloys.
  • the deposition head in order to perform Laser Direct Wire Deposition (L-DWD), the deposition head is in a molten pool generated by a laser beam in which the wire is directed orthogonally to the work surface. Used by means that are sent sideways to. In this case, the efficiency and stability of the process is affected by the lateral feed angle and can be either from the front, back or side of the generated molten pool.
  • One of the main drawbacks of lateral feed is the asymmetry of the process, the dependence of the directions involved, which can be partially resolved by the L-DWD head with different feed directions.
  • Another approach to achieving symmetry, directional independence, and high process stability of the L-DWD process is to send the wire axially to the laser beam. This can be achieved by several laser beams located around the wires delivered in the axial direction, or by annular laser beams. Despite some of the advantages and improvements achieved by axial wire feeding, the stability of the L-DWD process shows high sensitivity to process parameters, especially during the early transition phase.
  • an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a processing machine in which high process stability is realized in annular laser beam directional wire deposition (ALB-DWD: Annular laser beam direct wire deposition). Is to provide.
  • the processing machine is a processing machine that performs additional processing.
  • the processing machine controls a laser irradiation device that irradiates a work with an annular laser beam, a wire feeding device that sends a wire from the inside of the annular laser beam emitted from the laser irradiation device toward the work, and a processing machine. It is equipped with a control device.
  • the work irradiation ratio parameter (WIP: Workpiece irradiation proportion parameter) represented by the following formula is specified.
  • WIP P ww / P (P wp : Laser beam power introduced on the work surface when a wire is present in the irradiation region of the laser beam) (P: Laser beam power introduced on the work surface when there is no wire in the irradiation area of the laser beam)
  • the control device controls the wire feeding device so that the wire end abuts on the work surface at the start of the additional machining.
  • the control device determines the initial power P 0 of the laser beam based on the WIP, and controls the laser irradiation device so that the laser beam is irradiated to the work at the initial power P 0 .
  • a laser beam is applied to the work with an initial power P 0 determined based on WIP.
  • P 0 initial power
  • the work and the wire are simultaneously heated by the laser beam by bringing the wire end into contact with the surface of the work. Therefore, a melt pool on the work surface and a molten bond between the work surface and the wire end can be generated in a short time. Therefore, according to the present invention, the stability of the process can be enhanced in the initial phase at the start of the addition process.
  • the control device includes a WIP, a storage unit for storing data on the relationship between the initial power P 0 of the laser beam to be set, the WIP at the start of the addition processing to the data stored in the storage unit It has a control unit that determines the initial power P 0 of the laser beam by comparing with each other, and a communication unit that communicates the initial power P 0 of the laser beam determined by the control unit with the laser irradiation device.
  • an initial power P 0 of the laser beam can be appropriately determined.
  • the processing machine is further equipped with an infrared camera for observing the work surface.
  • the control unit identifies the WIP by estimating the laser beam power introduced on the work surface from the pixel values of the infrared image obtained by the infrared camera.
  • the WIP at the start of additional processing can be easily specified by using the pixel value of the infrared image obtained by the infrared camera.
  • control device after continued irradiation of the laser beam with an initial power P 0 a certain time, so that the power of the laser beam increases to a large power P S than the initial power P 0, the laser irradiation device To control.
  • control device controls the wire feeding device so that the power of the laser beam starts increasing from the initial power P 0 and at the same time starts feeding the wire toward the work.
  • the processing device further includes a laser irradiation device and a moving mechanism unit for moving the work to each other. Controller, while the power of the laser beam is increased from the initial power P 0 to the power P S, a laser irradiation apparatus and a workpiece so as to initiate movement of each other to control the moving mechanism.
  • the process can be stably shifted from the initial phase at the start of additional processing to the steady phase in which additional processing is continuously performed on the work.
  • FIG. 1 is a diagram showing an ALB-DWD setup.
  • the setup for ALB-DWD is schematically shown in FIG. It consists of an ALB-DWD head 20, a wire feeder 31, a workpiece moving stage 51, a process monitoring system 41, and a continuous 2.5 kW, 1080 nm wavelength fiber laser source (not shown). Has been done.
  • the parallel laser beam is transformed into ALB in the beam forming unit 22.
  • the ALB is guided coaxially with the axis of the wire guide tube 27 by the two reflection mirrors 23 and 24, and is focused on the work surface by the focusing optical component 25.
  • the metal wire is axially fed to the center of the annular laser beam using a wire feeding device 31 including a wire straightener 33, a wire feeder 34, and a wire guide tube 27.
  • the co-axis gas nozzle 26 is used to carry Ar-shielded gas in the melt pool and around the wire deposition zone on the surface of the work clamped on the work moving stage (horizontal moving stage) 51.
  • a high-speed CMOS visual camera 43 and a two-color in-axis pyrometer 28 are used to visualize the DWD process and monitor the melt pool temperature.
  • the IR camera (Infrared camera) 42 is used for characterization of the ALB profile and WIP.
  • FIG. 2 is a diagram showing an ALB profile (caustic).
  • FIG. 3 is a diagram showing initial wire end positions (without wires) for WIP measurements and initial process phase strategies.
  • FIG. 4 is a diagram showing initial wire end positions (with wires) for WIP measurement and initial process phase strategies.
  • the boundaries are estimated from the laser pulsed thermal footprint intensity on the thin graphite layer and measured by an IR camera at various WSPs where there is no wire at the focal point of the ALB, as shown in FIG.
  • h wp 4.5mm
  • the work irradiation ratio parameter WIP (Workpiece irradiation proportion parameter) is defined by the following equation (1).
  • P wp and P represent the ratio of the laser beam power introduced on the work surface when the wire is present at the ALB focal point and when it is not present.
  • FIG. 9 is a diagram showing a molten bond formed between the work surface and the wire.
  • FIG. 10 is a diagram showing a wire collision.
  • FIG. 11 is a diagram showing a pendant droplet.
  • the laser DWD process is considered stable as long as the initially established bond between the melt pool and the wire end delivered (Fig. 9) is sustained along the entire sedimentary path. This is achieved by proper energy input in space and time and requires accurate time synchronization of time depending on laser beam power, wire feed and work scan speed.
  • process instability due to improper energy input causes either non-melting wire end and workpiece surface collisions (FIG. 10) or pendant droplets (FIG. 11), both of which are already present. It results in the unsuccessful formation or destruction of established molten bonds. The latter is especially important during the initial transition phase of the DWD process and is essential for the further stability and stationarity of the process.
  • FIG. 12 is a graph showing policy A in the initial phase of ALB-DWD.
  • FIG. 13 is a graph showing policy B in the initial phase of ALB-DWD.
  • FIG. 14 is a graph showing policy C in the initial phase of ALB-DWD.
  • FIG. 15 is a table showing process parameters and characteristic times in Measure A, Measure B and Measure C.
  • the first two examples are h we > 0.0 mm and belong to two considered early measures A and B.
  • the advantage of these two measures is that the melt pool can be generated without blocking the laser beam with wires and causing power loss.
  • the reflected laser beam from the work surface and then the direct laser beam can cause rather uncontrollable wire end irradiation. Too high or, in too low initial in laser beam power P 0, which is uncontrolled formation of pendant droplets from the wire end, or may cause any collisions wire end and the workpiece surface.
  • the position of the initial wire end should be above the position of the reflected laser beam focal point, as shown in FIG.
  • policy A should use lower laser beam power P 0 at the beginning of the longer period tmb , as shown in FIG. 12, or strategy.
  • P 0 the laser beam with a higher initial power of P m should be reduced to P 0 at the time mp corresponding to the moment of melt pool formation.
  • Process parameters P 0, P m, P s , v w, v wp and characteristic time t mp, values and relationships t mb and Delta] t t are interdependent, and the wire end and the workpiece surface is sent It is complicated by the interacting laser beams.
  • the laser beam power P 0 is linearly increased to P s and the wire feed is of the fusion bond due to the formation of pendant droplets. Started to prevent interference.
  • FIG. 16 is a graph showing the dependence of the initial laser beam power P 0 on WIP.
  • FIG. 17 is a graph showing the processing time t s and the associated melt pool temperature T mp, s .
  • the value of the laser beam power P 0 depends only on the WIP, and in the stable steady phase, the laser beam power is in addition to the WIP and the feed rate v. It is experimentally observed that it depends on w and v wp .
  • the characteristic time t mb and ⁇ t t remain constant, indicating high process robustness.
  • the instability region of the two qualitatively different DWD processes can be observed.
  • P s > P s, max the process becomes unstable due to excessively high energy input to the wire end, causing fusion bond fracture and pendant droplet formation.
  • the non-linear increase in Ps, min introduces a higher portion of the laser beam energy into the workpiece with the increase in WIP, and thus of the molten bond. It may be related to the fact that higher laser beam power is required to achieve the wire end melting required for establishment.
  • the observed reduction of the stability region and associated intervals (P s, min , P s, max ) is higher with increasing v ww. This can be explained by the fact that powers Ps , min are required for the formation of the melt pool.
  • wire feed rate v w 20 mm / s
  • workpiece feed rate v pp 5 mm / s
  • laser beam power P s in order to show the geometrical properties of the sedimentary layer and the effect of WIP on dilution.
  • An example is shown.
  • the reason for process stability is improper energy input to the workpiece and wire, resulting in wire. It has been shown to cause end-work collisions or breakage of established molten bonds and formation of pendant droplets at the wire ends.
  • the work surface can simultaneously heat the work and wire with a reset ratio defined by the work-wire irradiation ratio (WIP). .. With this strategy, the fastest and most reliable transition of the process to a stable steady-state phase can be achieved.
  • FIG. 22 is a block diagram showing a configuration of a processing machine according to the embodiment.
  • the processing machine 10 in the present embodiment is a processing machine capable of additional processing (AM (Additive manufacturing) processing) of a workpiece.
  • the additional processing is a processing method for creating a three-dimensional shape on a work by adhering a material, and the mass of the work increases before and after the additional processing.
  • the machining machine 10 is an NC (Numerically Control) machining machine in which various operations for machining a workpiece are automated by numerical control by a computer.
  • NC Genetic Control
  • the processing machine 10 may be an AM / SM hybrid processing machine capable of performing work addition processing and work removal processing (SM (Subtractive manufacturing) processing), or a processing machine capable of only workpiece addition processing. It may be.
  • SM Simple manufacturing
  • the processing machine 10 uses the ALB-DWD head 20 to perform additional processing of the work WP by a process of annular laser beam directional wire deposition (ALB-DWD: Annular laser beam direct wire deposition).
  • ALB-DWD Annular laser beam direct wire deposition
  • the processing machine 10 has a laser irradiation device 21 and a wire feeding device 31.
  • the laser irradiation device 21 irradiates the work WP with the annular laser beam L.
  • the wire feeding device 31 feeds the wire W from the inside of the annular laser beam L irradiated from the laser irradiating device 21 toward the work WP.
  • the laser irradiation device 21 includes a laser beam source (not shown), a beam forming unit 22, reflection mirrors 23 and 24, and an optical component 25 for focusing.
  • the laser beam source is provided separately from the ALB-DWD head 20.
  • the laser beam source oscillates the laser beam used for additional processing.
  • the laser beam source oscillates the laser beam with a predetermined power (kW) based on a command from the control device 61 described later.
  • the laser beam oscillated by the laser beam source is guided to the ALB-DWD head 20 through an optical fiber (not shown).
  • a laser beam composed of parallel light along the central axis 101 is input to the beam forming unit 22.
  • the beam forming unit 22 forms the input laser beam in an annular shape (ring shape).
  • the beam forming unit 22 is composed of, for example, a pair of axicon lenses arranged so as to face each other in the axial direction of the central axis 101, and a convex lens arranged between the pair of axicon lenses.
  • the laser beam output from the beam forming unit 22 has an annular shape, in other words, a shape that orbits in an annular shape around the central axis 101 when cut by a plane orthogonal to the traveling direction of the laser beam.
  • the laser beam output from the beam forming unit 22 has a circular ring shape centered on the central axis 101.
  • the reflection mirror 23 and the reflection mirror 24 are provided side by side in the order listed from the upstream side to the downstream side in the traveling direction of the laser beam in the ALB-DWD head 20.
  • the reflection mirror 23 is provided on the axis of the central axis 101.
  • the reflection mirror 23 is provided at an angle of 45 ° with respect to the central axis 101.
  • the reflection mirror 24 is provided on the axis of the central axis 102 parallel to the central axis 101.
  • the reflection mirror 24 is provided at an angle of 45 ° with respect to the central axis 102.
  • the reflection mirror 23 is directed to the reflection mirror 24 by reflecting the annular laser beam output from the beam forming unit 22.
  • the reflection mirror 24 directs the annular laser beam from the reflection mirror 23 toward the optical component 25 by reflecting it.
  • the annular laser beam from the reflection mirror 23 toward the optical component 25 travels in the axial direction around the central axis 102.
  • the optical component 25 includes at least one condenser lens.
  • the optical component 25 emits the annular laser beam toward the work WP while condensing it.
  • the annular laser beam L emitted from the optical component 25 travels in the axial direction about the central axis 102 and irradiates the surface of the work WP.
  • the wire feeding unit 31 has a spool 32, a wire straightener 33, a wire feeder 34, and a wire guide tube 27.
  • the spool 32 is made of a cylindrical body.
  • a wire W which is a material for additional processing, is wound around the spool 32.
  • the wire straightener 33 is composed of a plurality of rotating rollers arranged linearly on both sides of the wire W. When the wire W drawn out from the spool 32 passes through the wire straightener 33, the winding of the wire W is eliminated.
  • the wire feeder 34 is provided between the wire straightener 33 and the wire guide tube 27 in the feeding direction of the wire W.
  • the wire feeder 34 includes drive rollers arranged on both sides of the wire W.
  • the wire feeder 34 sends the wire W toward the work WP by rotationally driving the drive roller.
  • the wire feeder 34 sends out the wire W at a predetermined feeding speed based on a command from the control device 61 described later.
  • the wire guide tube 27 has a tubular shape.
  • the wire guide tube 27 extends linearly on the axis of the central axis 102.
  • the wire guide tube 27 penetrates the reflection mirror 24 and various lenses in the optical component 25 and extends toward the surface of the work WP.
  • the wire W is guided from the wire feeder 34 toward the work WP by being inserted into the wire guide tube 27.
  • the tip of the wire guide tube 27 is arranged inside the annular laser beam L irradiated from the optical component 25 to the work WP.
  • the wire W from the wire guide tube 27 passes through the inside of the annular laser beam L irradiated from the optical component 25 to the work WP and heads toward the work WP.
  • the wire W from the wire guide tube 27 passes on the axis of the central axis 102 and heads for the work WP.
  • the feed of the wire W toward the work WP and the irradiation of the annular laser beam L toward the work WP have an axial relationship.
  • the processing machine 10 further has a gas nozzle 26.
  • the gas nozzle 26 extends from the optical component 25 toward the work WP in a tubular shape.
  • the gas nozzle 26 has a tapered cylindrical shape whose diameter decreases as it approaches the work WP.
  • the gas nozzle 26 is provided around the central axis 102 so as to surround the wire W sent toward the work WP and the annular laser beam L irradiated toward the work WP.
  • the inert gas G such as Ar gas injected from the gas nozzle 26 blocks between the processing point of the additional processing in the work WP and the external atmosphere.
  • the processing machine 10 has a work moving stage 51.
  • the work moving stage 51 is provided as a moving mechanism unit for moving the work WP with respect to the laser irradiation device 21.
  • the work moving stage 51 has a clamp 53.
  • the clamp 53 has a claw portion and is configured so that the work WP can be clamped by the claw portion.
  • the work moving stage 51 slides and moves the work WP clamped by the clamp 53 in a horizontal plane by various feed mechanisms, guide mechanisms, servomotors, and the like.
  • the work moving stage 51 slides the work WP in a plane orthogonal to the central axis 102.
  • the work moving stage 51 moves the work WP at a predetermined feed rate based on a command from the control device 61 described later.
  • the moving mechanism unit that moves the laser irradiation device 21 and the work WP to each other is not limited to the above configuration.
  • the ALB-DWD head 20 equipped with the laser irradiation device 21 may be spatially moved with respect to the work WP, or a combination of the work moving stage 51 and the spatially moving ALB-DWD head 20. It may be.
  • the direction in which the laser irradiation device 21 and the work WP move with each other (horizontal direction in the present embodiment) and the irradiation direction of the annular laser beam from the laser irradiation device 21 to the work WP (vertical direction in the present embodiment). Is an orthogonal relationship.
  • the direction in which the laser irradiation device 21 and the work WP move with each other (horizontal direction in the present embodiment) and the feeding direction of the wire W from the wire feeding device 31 to the work WP (vertical direction in the present embodiment). Is an orthogonal relationship.
  • the processing machine 10 further includes an infrared camera 42.
  • the infrared camera 42 observes the surface of the work WP.
  • the infrared camera 42 visualizes the infrared rays emitted from the work WP as an infrared image by irradiating the work WP with an annular laser beam.
  • the processing machine 10 further includes a control device 61 for controlling the processing machine 10. More specifically, the control device 61 controls the laser beam source in the laser irradiation device 21, the wire feeder 34 in the wire feeding device 31, the infrared camera 42, and the work moving stage 51.
  • control device 61 executes the ALB-DWD process according to the policy C.
  • the control device 61 controls the wire feeding device 31 so that the wire end abuts on the surface of the work WP at the start of the additional processing.
  • Control unit 61 at the start of the addition processing, based on the work irradiation ratio parameter WIP (Workpiece irradiation proportion parameter), to determine an initial power P 0 of the laser beam, the workpiece WP the laser beam in its initial power P 0
  • the laser irradiation device 21 is controlled so as to irradiate the laser.
  • the control device 61 has a storage unit 72, a control unit 71, and a communication unit 73.
  • Storage unit 72 stores data on the relationship between the WIP, the initial power P 0 of the laser beam to be set.
  • Control unit 71 by collating the WIP at the beginning of the additional processing to the data stored in the storage unit 72 determines an initial power P 0 of the laser beam.
  • the communication unit 73 communicates to the laser irradiation apparatus 21, the initial power P 0 of the laser beam determined by the control unit 71.
  • the value of the laser beam power P 0 depends only on the WIP.
  • the value of the WIP is small corresponds to a case where the value of h wp in Fig. 2 is small (when the focus position of the laser beam to the workpiece surface near).
  • the diameter (beam diameter) of the laser beam irradiation region on the work surface becomes smaller, the ratio of energy input to the wire increases and the ratio of energy input to the work decreases. In this case, irradiation of a laser beam with a smaller energy is required when forming a molten bond of an appropriate form between the work surface and the wire end at the start of additional processing.
  • Figure 23 is a flow diagram illustrating the steps for identifying an initial power P 0 of the laser beam.
  • control device 61 controls the wire feeding device 31 so that the wire end is retracted from the work surface and positioned (S101). By this step, a state in which no wire exists in the irradiation region of the laser beam can be obtained.
  • control device 61 controls the laser irradiation device 21 so that the annular laser beam is irradiated toward the work.
  • the control device 61 controls the infrared camera 42 so as to photograph the surface of the work irradiated with the annular laser beam (S102).
  • an infrared image on the work surface in the state where the wire does not exist in the irradiation area of the laser beam can be obtained.
  • the obtained infrared image data is transmitted to the communication unit 73 in the control device 61.
  • control device 61 controls the wire feeding device 31 so that the wire end abuts on the work surface (S103). By this step, a state in which the wire exists in the irradiation region of the laser beam can be obtained.
  • control device 61 controls the laser irradiation device 21 so that the annular laser beam is irradiated toward the work.
  • the control device 61 controls the infrared camera 42 so as to photograph the surface of the work irradiated with the annular laser beam (S104).
  • an infrared image on the work surface in the state where the wire exists in the irradiation area of the laser beam can be obtained.
  • the obtained infrared image data is transmitted to the communication unit 73 in the control device 61.
  • the WIP value is specified based on the pixel value of the infrared image on the work surface
  • the present invention is not limited to this, and the above-mentioned [ALB-DWD initial transition phase and stability]
  • the value of WIP may be theoretically calculated by using the equation (1) in the item of [Examination].
  • control unit 61 based on the value of the WIP identified in the previous step, determining the initial output P 0 of the laser beam (S106).
  • control unit 71 in the control device 61 by collating the data stored in the storage unit 72 the WIP identified in the previous step, determining the initial power P 0 of the laser beam.
  • control device 61 to start the additional processing in the initial output P 0 of the laser beam determined in the previous step, and controls the laser irradiation apparatus 21 (S107).
  • the annular laser beam is irradiated to the work WP with the initial power P 0 in a state where the wire end is in contact with the surface of the work WP, and the additional processing is started.
  • the present embodiment based on the WIP at the beginning of the addition processing, by determining the initial output power P 0 of the laser beam, to form a melt bond suitable form between the workpiece surface and the wire end Can be done. Further, by bringing the wire end into contact with the work surface at the start of the additional processing, the work and the wire are simultaneously heated by the laser beam. Therefore, the melt pool on the work surface and the molten bond between the work surface and the wire end can be generated in a short time. For these reasons, the stability of the ALB-DWD process can be enhanced in the initial phase at the start of the addition process.
  • control device 61 sets the laser irradiation device so that the ALB-DWD process is executed according to the conditions of the measure C (laser beam power, wire feed rate and workpiece feed rate) shown in FIG. 21. Controls the wire feeding device 31 and the work moving stage 51.
  • measure C laser beam power, wire feed rate and workpiece feed rate
  • control unit 61 after continued irradiation of the laser beam with an initial power P 0 a certain time, so that the power of the laser beam increases to a large power P S than the initial power P 0, the laser The irradiation device 21 is controlled.
  • the control device 61 controls the wire feeding device 31 so that the power of the laser beam starts to increase from the initial power P 0 and at the same time starts feeding the wire toward the work.
  • Control unit 61 while the power of the laser beam is increased from the initial power P 0 to the power P S, as the workpiece starts to move, to control the work moving stage 51.
  • the ALB-DWD process can be stably shifted from the initial phase at the start of the addition processing to the steady phase in which the addition processing is continuously performed on the work.
  • the values of the laser beam power, the wire feed rate, and the work feed rate shown in FIG. 14 are examples, and are not particularly limited in the present invention.
  • the present invention is applied to a processing machine capable of performing additional processing.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

加工機械（１０）は、環状レーザビームを照射するレーザ照射装置（２１）と、環状レーザビームの内側からワイヤーを送るワイヤー送り装置（３１）と、制御装置とを備える。ＷＩＰ＝Ｐｗｐ／Ｐ（Ｐｗｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー、Ｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）の式により表されるワーク照射比率パラメータ（ＷＩＰ）を規定した場合に、制御装置は、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、ワイヤー送り装置（３１）を制御する。制御装置は、付加加工の開始時に、ＷＩＰに基づいてレーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射するように、レーザ照射装置（２１）を制御する。

Description

加工機械
　この発明は、加工機械に関する。
　たとえば、特開２００２－５９２８６号公報（特許文献１）には、ワイヤーを被溶接部に供給しながらレーザ光を照射してレーザ溶接を行なうレーザ加工装置が開示されている。
特開２００２－５９２８６号公報
　レーザ指向性金属堆積（Ｌ－ＤＭＤ：Laser　direct　metal　deposition）は、付加加工（ＡＭ：Additive　manufacturing）のプロセスであり、粉末またはワイヤー状の金属が、ノズルによって、金属表面上にレーザビームにより生成された溶融プール内に向けられる。Ｌ－ＤＭＤプロセスは、３Ｄプリント、コーティングおよび３Ｄ部品の修復を含む種々のＡＭアプリケーションのおいて使用されうる。
　材料の形態の選択は、アプリケーションに依存し、いくつかの特定の利点および欠点を導入する。粉末を使用することの主な利点は、高いプロセスの安定性および堅固性（Robustness）であり、合金および傾斜材料部品（Graded　material　parts）を作り出すために、幅広い材料の選択、および、いくつかの材料粉末を混合する能力である。他方、粉末と比べてワイヤーの使用は、ワイヤー材料の低価格、高い材料の使用効率および堆積比率、ならびに、扱いの安全性および環境の汚染のような問題がないことを含む利点を提供する。粉末の使用においては、人および機械の双方にとって有害でありうる。加えて、酸化の問題のため、ワイヤー材料は、保管するのが容易であり、ＡｌおよびＴｉ合金のような反応性の材料の堆積に適用される。
　レーザ指向性ワイヤー堆積（Ｌ－ＤＷＤ：Laser　direct　wire　deposition）を行なうために、最も単純なケースでは、堆積ヘッドが、ワイヤーが、ワーク表面に直交して向けられるレーザビームによって生成された溶融プール内に横向きに送られる手段により使用される。この場合、プロセスの効率および安定性は、横向きの送りの角度によって影響され、生成された溶融プールの前、後ろまたは横からのいずれかであり得る。横向きの送りの主な欠点の１つは、プロセスの非対称性であり、関係する方向の依存性であり、これらは、種々の送り方向を伴うＬ－ＤＷＤヘッドによって部分的に解決されうる。
　Ｌ－ＤＷＤプロセスの対称性、方向の独立性、および、高いプロセスの安定性を達成するための別のアプローチは、レーザビームに対してワイヤーを軸方向に送ることである。これは、軸方向に送られるワイヤーの周りに位置するいくつかのレーザビーム、または、環状レーザビームによって達成されうる。軸方向におけるワイヤー送りによって達成されるいくつかの利点および改善にもかかわらず、Ｌ－ＤＷＤプロセスの安定性が、特に初期の移行フェイズにおいて、プロセスのパラメータに対して高い感度を示している。
　そこで本発明の目的は、上記の課題を解決することであり、環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ－ＤＷＤ：Annular　laser　beam　direct　wire　deposition）において、プロセスの高い安定性が実現される加工機械を提供することである。
　この発明に従った加工機械は、付加加工を行なう加工機械である。加工機械は、ワークに対して環状レーザビームを照射するレーザ照射装置と、レーザ照射装置より照射される環状レーザビームの内側からワークに向けてワイヤーを送るワイヤー送り装置と、加工機械を制御するための制御装置とを備える。下記の式により表されるワーク照射比率パラメータ（ＷＩＰ：Workpiece　irradiation　proportion　parameter）を規定する。
　ＷＩＰ＝Ｐｗｐ／Ｐ
　（Ｐｗｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
　（Ｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
　この場合に、制御装置は、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、ワイヤー送り装置を制御する。制御装置は、付加加工の開始時に、ＷＩＰに基づいてレーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射するように、レーザ照射装置を制御する。
　このように構成された加工機械によれば、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドをワーク表面に当接させた場合に、ＷＩＰに基づいて決定された初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射することによって、ワーク表面およびワイヤーエンドの間に適切な形態の溶融ボンドを形成することができる。また、付加加工の開始時、ワイヤーエンドをワーク表面に当接させることによって、ワークおよびワイヤーがレーザビームにより同時に加熱される。このため、ワーク表面上のメルトプールと、ワーク表面およびワイヤーエンド間の溶融ボンドとを短時間で発生させることができる。したがって、本発明によれば、付加加工の開始時の初期フェイズにおいて、プロセスの安定性を高めることができる。
　また好ましくは、制御装置は、ＷＩＰと、設定されるべきレーザビームの初期パワーＰ０との関係に関するデータを記憶する記憶部と、付加加工の開始時におけるＷＩＰを記憶部に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する制御部と、レーザ照射装置に対して、制御部にて決定されたレーザビームの初期パワーＰ０を通信する通信部とを有する。
　このように構成された加工機械によれば、付加加工の開始時におけるＷＩＰの値に応じて、レーザビームの初期パワーＰ０を適切に決定することができる。
　また好ましくは、加工機械は、ワーク表面を観察する赤外線カメラをさらに備える。制御部は、赤外線カメラで得られた赤外線イメージの画素値から、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワーを概算することによって、ＷＩＰを特定する。
　このように構成された加工機械によれば、赤外線カメラで得られた赤外線イメージの画素値を利用することによって、付加加工の開始時におけるＷＩＰを簡易に特定することができる。
　また好ましくは、制御装置は、初期パワーＰ０でのレーザビームの照射を一定時間続けた後、レーザビームのパワーが、初期パワーＰ０よりも大きいパワーＰＳまで増大するように、レーザ照射装置を制御する。
　また好ましくは、制御装置は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からの増大を開始すると同時に、ワークに向けたワイヤーの送りを開始するように、ワイヤー送り装置を制御する。
　また好ましくは、加工装置は、レーザ照射装置およびワークを相互に移動させる移動機構部をさらに備える。制御装置は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からパワーＰＳまで増大する間に、レーザ照射装置およびワークが相互の移動を開始するように、移動機構部を制御する。
　このように構成された加工機械によれば、プロセスを、付加加工の開始時における初期フェイズからワークに対して連続的に付加加工を行なう定常フェイズへと安定的に移行させることができる。
　以上に説明したように、本発明に従えば、ＡＬＢ－ＤＷＤにおいてプロセスの高い安定性が実現される加工機械を提供することができる。
ＡＬＢ－ＤＷＤのセットアップを示す図である。 ＡＬＢのプロファイルを示す図である。 ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーなし）を示す図である。 ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーあり）を示す図である。 ｈｗｐ＝４．５ｍｍにおけるレーザパルス熱フットプリントＩおよび関係するＩａを示す図である。 ｈｗｐ＝４．５ｍｍにおけるレーザパルス熱フットプリントＩおよび関係するＩａを示す図である。 ｈｗｐ＝４．５ｍｍおよびＷＩＰ７９％におけるレーザパルス熱フットプリントＩｗｐおよび関係するＩａ，ｗｐを示す図である。 ｈｗｐ＝４．５ｍｍおよびＷＩＰ７９％におけるレーザパルス熱フットプリントＩｗｐおよび関係するＩａ，ｗｐを示す図である。 ワーク表面およびワイヤー間に形成される溶融ボンドを示す図である。 ワイヤー衝突を示す図である。 ペンダントドロップレットを示す図である。 ＡＬＢ－ＤＷＤの初期フェイズの方策Ａを示すグラフである。 ＡＬＢ－ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｂを示すグラフである。 ＡＬＢ－ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｃを示すグラフである。 方策Ａ、方策Ｂおよび方策Ｃにおけるプロセスパラメータおよび特徴的な時間を示す表である。 ＷＩＰに対する初期のレーザビームパワーＰ０の依存を示すグラフである。 処理時間ｔｓおよび関係するメルトプール温度Ｔｍｐ,ｓを示すグラフである。 ワイヤー送り速度ｖｗ＝１０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。 ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。 Ｐｓ＝１．１ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。 Ｐｓ＝１．８ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。 実施の形態における加工機械の構成を示すブロック図である。 レーザビームの初期パワーＰ０を特定するためのステップを示すフローチャート図である。
　この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
　［環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ－ＤＷＤ）の初期移行フェイズおよび安定性に関する検討］
　（環状レーザビームワイヤー堆積のセットアップおよびＷＩＰ）
　図１は、ＡＬＢ－ＤＷＤのセットアップを示す図である。ＡＬＢ－ＤＷＤのためのセットアップが、図１に概略的に示される。それは、ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０と、ワイヤー送り装置３１と、ワーク移動ステージ５１と、プロセスモニタリングシステム４１と、連続的な、２．５ｋＷの、１０８０ｎｍの波長のファイバーレーザ源（不図示）とから構成されている。
　ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０において、平行とされたレーザビームが、ビーム形成ユニット２２においてＡＬＢに変形される。ＡＬＢは、２つの反射ミラー２３，２４によって、ワイヤーガイドチューブ２７の軸と同軸にガイドされ、フォーカスする光学部品２５によって、ワーク表面にフォーカスされる。金属製のワイヤーは、ワイヤーストレートナー３３、ワイヤーフィーダー３４およびワイヤーガイドチューブ２７からなるワイヤー送り装置３１を用いて、環状レーザビームの中心に軸方向に送られる。
　共軸のガスノズル２６は、メルトプール内、および、ワーク移動ステージ（水平移動ステージ）５１上にクランプされたワークの表面上のワイヤー堆積ゾーンの周りに、Ａｒシールドガスを運ぶために用いられる。
　ｈｗｐによって表される、ＡＬＢ焦点位置に対するワークスタンドオフ位置（ＷＳＰ：Workpiece　standoff　position）は、レーザ距離センサ４４を用いて決定される。ＤＷＤプロセスの視覚化およびメルトプール温度のモニタリングを行なうため、高速ＣＭＯＳ視覚カメラ４３および２色軸内パイロメータ２８が用いられる。ＩＲカメラ（Infrared　camera）４２は、ＡＬＢプロファイルおよびＷＩＰの特徴付けのために用いられる。
　図２は、ＡＬＢのプロファイル（caustic）を示す図である。図３は、ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーなし）を示す図である。図４は、ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーあり）を示す図である。
　図５および図６は、ｈｗｐ＝４．５ｍｍにおけるレーザパルス熱フットプリントＩおよび関係するＩａを示す図である。図７および図８は、ｈｗｐ＝４．５ｍｍおよびＷＩＰ＝７９％におけるレーザパルス熱フットプリントＩｗｐおよび関係するＩａ，ｗｐを示す図である。
　図２において、焦点位置の上方において実験的に得られるＡＬＢプロファイルの例が提示されており、これは、ＤＷＤプロセスに適用され、収束（Convergence）θ＝１５°およびくさび角（Wedge　angle）γ＝１．７°である。点線および２点鎖線は、内側１／ｅ２および外側Ｄ４σのレーザビーム強度Ｉｌｂの境界を表している。
　境界は、薄いグラファイト層上のレーザパルス熱フットプリント強度から概算され、図３に示されるように、ＡＬＢの焦点にワイヤーが存在しない種々のＷＳＰにおいて、ＩＲカメラによって測定される。ＷＳＰｈｗｐ＝４．５ｍｍで測定されたフットプリント強度Ｉ、および、３６０°に沿って平均された関連するレーザビーム強度のプロファイルＩａ（ｒ）が、図５および図６に示されている。
　図４に概略的に示されるように、ワイヤーが存在する場合、線対称で、ワイヤーおよびワーク表面の同時的な照射および加熱が達成されうる。一般的に、ワークおよびワイヤーの照射の割合は、ＡＬＢプロファイル、ＷＳＰ、および、図２においてｈｗｅにより示される初期のワイヤーエンドの位置に依存する。
　ｈｗｐ＝４．５ｍｍで、ｈｗｅ＝０．０ｍｍにグラファイトコートされたワイヤーエンドが存在するＷＳＰで測定された、レーザビーム熱フットプリントの強度Ｉｗｐの分布の例、および、３６０°に沿って平均された関連するレーザビーム強度のプロファイルＩａ,ｗｐ（ｒ）が、図７および図８に示されている。ワークおよびワイヤーエンドの同時的なレーザビーム照射によって、より低い強度Ｉｗｐ、および、ワーク表面に入力されるより小さいエネルギーが達成されている。
　ワークのレーザビーム照射のパワーおよび関連するエネルギー入力の比率を特徴付けるため、ワーク照射比率パラメータＷＩＰ（Workpiece　irradiation　proportion　parameter）が、下記の（１）式により規定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ＰｗｐおよびＰは、ＡＬＢ焦点にワイヤーが存在する場合、および、存在しない場合における、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワーの比率を表している。ＰｗｐおよびＰは、（１）式の第２タームに規定されるように、Ｉａ,ｗｐ（ｒ）およびＩａ（ｒ）の積分（Integration）によって算出されうる。本ケースにおいては、レーザパルス熱フットプリントの強度ＩｗｐおよびＩの関連するＩＲイメージの画素値を合計することによって概算される。本ケースにおいて、これは、ＷＩＰ＝７９％を与える。規定されたＷＩＰに基づき、ワイヤーエンドの加熱に用いられるレーザパワーＰの比率は、１－ＷＩＰとして規定される。
　（初期移行フェイズおよびプロセスの安定性）
　図９は、ワーク表面およびワイヤー間に形成される溶融ボンドを示す図である。図１０は、ワイヤー衝突を示す図である。図１１は、ペンダントドロップレットを示す図である。
　レーザＤＷＤプロセスは、メルトプールおよび送られるワイヤーエンド間において初期に確立されるボンド（図９）が、全堆積路に沿って持続される限り、安定的であると考えられる。これは、空間および時間における適切なエネルギー入力によって達成されうり、レーザビームパワー、ワイヤー送りおよびワークスキャン速度に依存する時間の正確な時間同期性を要求する。
　一般的に、不適切なエネルギー入力によるプロセスの不安定性は、溶融しないワイヤーエンドおよびワーク表面の衝突（図１０）、または、ペンダントドロップレット（図１１）のいずれかを引き起こし、その両方が、既に確立された溶融ボンドの不成功な形成または破壊をもたらす。後者は、特に、ＤＷＤプロセスの初期移行フェイズの間において重要であり、プロセスのさらなる安定性および定常性のために本質的である。
　図１２は、ＡＬＢ－ＤＷＤの初期フェイズの方策Ａを示すグラフである。図１３は、ＡＬＢ－ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｂを示すグラフである。図１４は、ＡＬＢ－ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｃを示すグラフである。図１５は、方策Ａ、方策Ｂおよび方策Ｃにおけるプロセスパラメータおよび特徴的な時間を示す表である。
　続く３つの異なる初期フェイズの方策では、２つの可能性ある初期のワイヤーエンドの位置を考慮している。具体的には、ワーク表面の上方、ｈｗｅ＞０．０ｍｍと、ワーク表面上、ｈｗｅ＝０．０ｍｍとが考慮され、比較されている。実験では、０．６ｍｍ直径のＳＳ３１６ワイヤーと、［ｗ×ｌ×ｈ］＝［２５×６０×１０］ｍｍの寸法のＳＳ３０４ワークとが用いられている。
　図１２から図１４では、ＷＩＰ＝９２％で行なわれた、３つの提案された初期フェイズの方策の、プリセットされたレーザビームパワーＰ（ｔ）、ワイヤー送り速度ｖｗ（ｔ）、ワーク送り速度ｖｗｐ（ｔ）、および、測定されたメルトプール温度Ｔｍｐ（ｔ）が示されている。
　最初の２つの例は、ｈｗｅ＞０．０ｍｍで、２つの考慮された初期の方策Ａおよび方策Ｂに属している。これらの２つの方策の利点は、メルトプールが、ワイヤーによるレーザビームの遮り、および、パワー低下を招くことなく、生成されうることである。
　しかしながら、ワーク表面からの反射されたレーザビームによって、そのあと、直接的なレーザビームによって、むしろワイヤーエンドの照射の制御不能が起こりうる。高すぎる、または、低すぎる初期のレーザビームパワーＰ０において、これは、ワイヤーエンドからのペンダントドロップレットの制御不能な形成、または、ワイヤーエンドおよびワーク表面の衝突のいずれかを起こしうる。
　この問題を解決するために、初期のワイヤーエンドの位置は、図３に示されるように、反射されるレーザビーム焦点の位置の上方であるべきである。また、メルトプールおよび溶融ボンドを形成するために、方策Ａによって、図１２に示されるように、より長い期間ｔｍｂの初期におけるより低いレーザビームパワーＰ０が用いられるべきであり、または、方策Ｂによって、図１３に示されるように、より高い初期におけるパワーＰｍのレーザビームが、メルトプール形成の瞬間に対応する時間ｔｍｐにおいてＰ０に減少されるべきである。
　時間ｔｍｐにおいて、プリセットされた送り速度ｖｗでのワイヤーの送りと、ワイヤーエンドの予加熱とが、ワイヤーエンドおよびワーク表面間で溶融ボンドが確立されるｔｍｂまでに起こる。溶融ボンド形成の時間ｔｍｂにおいて、また、ワークの送りが、プリセットされた送り速度ｖｗｐで開始され、同時に、レーザビームパワーＰが、Δｔｔの時間内にＰｓまでリニアに増大される。
　この点、高い十分なエネルギー入力は、確立された溶融ボンドを維持し、プロセスの定常フェイズへの円滑な移行を保証するように達成される。後者は、メルトプールのプロセスにおいて測定された温度Ｔｍｐの時間の行程から明らかであり、時間ｔｓにおいて、両方のケースでＴｍｐ,ｓ＝１５３０℃付近に落ち着かせている。
　プロセスパラメータＰ０、Ｐｍ、Ｐｓ、ｖｗ、ｖｗｐおよび特徴的な時間ｔｍｐ、ｔｍｂおよびΔｔｔの値および関係は、相互に依存しており、送られるワイヤーエンドおよびワーク表面と相互作用するレーザビームによって複雑である。
　図１２および図１３に示される考慮された例において、プリセットされたワイヤーの送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓおよびワークの送り速度ｖｗｐ＝５ｍｍ／ｓでは、Ｐ０、Ｐｍ、Ｐｓの値およびｔｍｐ、ｔｍｂ、Δｔｔが、プロセスの視覚化の記録の解析によって実験的に得られ、図１５に与えられる。方策Ｂでは、より高い初期レーザパワーＰｍ＝１．３ｋＷによって、定常フェイズへの移行の特徴的な時間ｔｍｐ、ｔｍｂおよび関連するｔｓがより短い。
　ワーク表面の上方にあるワイヤーエンドの初期位置に関連する上記欠点を克服するために、図４に概略的に示されるように、ワイヤーエンドをワーク表面上に置く初期フェイズの方策Ｃが提案されている。このケースでは、溶融ボンドの確立のために必要とされる時間インターバル（０、ｔｍｂ）の間、ワーク表面およびワイヤーエンドの双方が、ＷＩＰ＝９２％によって規定されるプリセット比率において、パワーＰ０のレーザビームによって、同時に加熱される。先の２つの方策に対して、このケースでは、ワークおよびワイヤーが同時に加熱されることによって、メルトプールおよび溶融ボンドが、レーザパワーＰ０が適用される時間ｔｍｂの間、同時に生成される。
　図１４に示されるように、初期の溶融ボンドの確立の瞬間ｔｍｂのあと、レーザビームパワーＰ０が、Ｐｓまでリニアに増大され、ワイヤーの送りが、ペンダントドロップレットの形成による溶融ボンドの妨害を防ぐように開始される。さらに、十分に形成された溶融ボンドの形成のための十分なエネルギーを確実にするため、ワークの送りが、レーザビームパワーのリニアな増大の間にわずかに遅れて、開始される。これにより、プロセスの定常フェイズへの移行を確実にする。メルトプール温度Ｔｍｐの時間行程から、定常プロセスフェイズへの著しく早期の移行が、時間ｔｓ＝０．８０ｓにおいて観察されうる。
　図１６は、ＷＩＰに対する初期のレーザビームパワーＰ０の依存を示すグラフである。図１７は、処理時間ｔｓおよび関連するメルトプール温度Ｔｍｐ,ｓを示すグラフである。
　先の２つの方策に対して、このケースでは、レーザビームパワーＰ０の値が、ＷＩＰのみに依存しており、安定的な定常フェイズでは、レーザビームパワーが、ＷＩＰに加えて、送り速度ｖｗおよびｖｗｐに依存していることが、実験的に観察される。
　種々のＰ０およびＰｓにおいて、特徴的な時間ｔｍｂおよびΔｔｔは、一定に維持されており、高いプロセスの堅固性を指し示している。図１６におけるレーザビームパワーＰ０、ならびに、図１７における処理時間ｔｓおよび関連する温度Ｔｍｐ,ｓと、ＷＩＰとの関係が、Ｐｓ＝１．８ｋＷにおいて示されている。より大きいビーム径およびワイヤーエンドへのより低いエネルギー入力によって、増大するＷＩＰとともに、時間ｔｍｂ＝０．３ｓにおいて溶融ボンドを確立するために要求される関連するレーザビームパワーＰ０が、非リニアに増大することが見てとれる。同様に、増大するＷＩＰに伴って、処理時間ｔｓが、０．７２から１．３３ｓまで非リニアに増大し、関連する定常的なメルトプール温度Ｔｍｐ,ｓが、１４９０から１５９０℃のインターバルでリニアに増大する。
　（プロセスの安定性のウィンドウ）
　図１８は、ワイヤー送り速度ｖｗ＝１０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。図１９は、ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。
　ＡＬＢ－ＤＷＤプロセスの安定性解析の続く結果において、方策Ｃ、具体的には、ワイヤーエンドをワーク表面上に置いた初期位置を用いることが提示されており、ＷＩＰおよび定常的なプロセスフェイズのレーザビームパワーＰｓの影響に重点をおいている。この目的のため、ＳＳ３０４ワーク上における、０．６ｍｍ直径のＳＳ３１６ワイヤーの単一層堆積の実験の広大なセットが、異なるワイヤーおよびワーク送り速度で、ＷＩＰ値を４０～１００％の範囲で変化させながら、行なわれている。特定のＷＩＰにおける実験において、ｔｍｂ＝０．３ｓの間の初期のレーザビームパワーＰ０が、図１６および図１７に示されるグラフに従って選択されている。
　図１８および図１９において、Ｐｓ－ＷＩＰ平面におけるＡＬＢ－ＤＷＤプロセスの安定性図は、ワイヤー送りｖｗ＝１０および２０ｍｍ／ｓにおいて示されており、１点鎖線および２点鎖線の内側は、プロセスの安定領域を表している。安定領域内の黒丸および白四角は、ワークの送り速度ｖｗｐ＝５および１０ｍｍ／ｓにおける安定的なプロセスを表している。
　ワイヤー送りｖｗ＝１０ｍｍ／ｓにおける安定性図から、安定的なプロセスのために要求される、低い側の安定性境界、および、関連する最小のレーザビームパワーＰｓ,ｍｉｎ（ＷＩＰ）、並びに、高い側の安定性境界、および、関連する最大のレーザビームパワーＰｓ,ｍａｘ（ＷＩＰ）は、ＷＩＰの増大に伴って、非リニアに増加していることが見てとれる。これに関連して、レーザビームパワーの安定性のインターバル（Ｐｓ,ｍｉｍ、Ｐｓ,ｍａｘ）は、適用されるＰｓ,ｍａｘがレーザ源の最大出力パワー２．５ｋＷに達したあとＷＩＰ＝９６％まで、増大する。
　安定的な領域に加えて、２つの質的に異なるＤＷＤプロセスの非安定性領域は、観察されうる。より低いＷＩＰおよびレーザビームパワーＰｓ＞Ｐｓ,ｍａｘにおいて、プロセスは、ワイヤーエンドへの過度に高いエネルギー入力によって、非安定的となり、溶融ボンドの破壊およびペンダントドロップレットの形成を引き起こす。
　より高いＷＩＰ値およびより低いレーザビームパワーＰｓ＜Ｐｓ,ｍｉｎにおいて、ワイヤーエンドへの低すぎるエネルギー入力によって不安定性が起こり、ワイヤーおよびワークの衝突を引き起こす。さらに、ワーク送り速度のｖｗｐ＝１０ｍｍ／ｓへの増大に伴って、白四角によって示された安定性領域が縮小する。関連する最小の要求されるレーザビームパワーＰｓ,ｍｉｎは、増大し、最大のレーザビームパワーＰｓ,ｍａｘおよび関連する安定性インターバル（Ｐｓ,ｍｉｎ、Ｐｓ,ｍａｘ）の幅は、減少する。
　図１９に示されるように、より高いワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓにおいて、安定性図の質的な特性が示される。しかしながら、量的に、プロセス安定性は、より低いＷＩＰにおいてさえ達成されうる。さらに、最小Ｐｓ,ｍｉｎおよび最大Ｐｓ,ｍａｘのレーザビームパワー、ならびに、レーザビームパワーの安定性インターバル（Ｐｓ,ｍｉｎ、Ｐｓ,ｍａｘ）の幅は、増大する。
　全て考慮され、観察されたケースにおいて、Ｐｓ,ｍｉｎ（ＷＩＰ）の非リニアな増大は、ＷＩＰの増大に伴って、レーザビームエネルギーのより高い部分が、ワークに導入され、したがって、溶融ボンドの確立のために要求されるワイヤーエンドの溶融を達成するため、より高いレーザビームパワーが要求されるという事実に関連しうる。さらに、ワーク送り速度ｖｗｐの増大に伴って、観察された安定性領域および関連するインターバル（Ｐｓ,ｍｉｎ、Ｐｓ,ｍａｘ）の縮小は、ｖｗｐの増大に伴って、より高いレーザビームパワーＰｓ,ｍｉｎがメルトプールの形成のために要求されるという事実によって説明されうる。
　他方、Ｐｓ,ｍａｘにおける観察された減少は、おそらく、生成されたメルトプールから反射されたレーザビームによってワイヤーが追加的に加熱されたことに関連しうり、その結果、より低いＰｓにおけるペンダントドロップレットの形成によるプロセスの非安定性を引き起こす。
　図２０は、Ｐｓ＝１．１ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。図２１は、Ｐｓ＝１．８ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。
　堆積層の幾何学的な特性および希釈へのＷＩＰの影響を示す目的で、図２０において、ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓ、ワーク送り速度ｖｗｐ＝５ｍｍ／ｓ、レーザビームパワーＰｓ＝１．１ｋＷ、ＷＩＰ＝６６、７４および８７％を用いた層断面部の選択された例が示されている。図２１において、ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓ、ワーク送り速度ｖｗｐ＝５ｍｍ／ｓ、レーザビームパワーＰｓ＝１．８ｋＷ、ＷＩＰ＝７４、９２および１００％を用いた層断面部の選択された例が示されている。
　（結果および議論）
　プロセスの初期の移行フェイズに注目して、環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ－ＤＷＤ）プロセスの安定性が考慮された。ワーク表面の上方か、表面上かの、初期のワイヤーエンド位置に関する３つの異なる初期フェイズの方策が、調査された。ＳＳ３０４ワーク上への０．６ｍｍ直径のＳＳ３１６ワイヤーの単一層堆積に関連する実験が、メルトプール温度およびプロセスの可視化によって特徴付けられた。
　その結果は、一般的に、ＡＬＢ－ＤＷＤプロセスの使用される初期方策にかかわらず、プロセスの安定性のための理由が、ワークおよびワイヤーに入力される不適切なエネルギーであり、その結果、ワイヤーエンドおよびワークの衝突、または、確立された溶融ボンドの破壊およびワイヤーエンドにおけるペンダントドロップレットの形成を引き起こすことを示した。初期のワイヤーエンド位置をワーク表面上とする初期の方策を用いれば、ワーク表面は、ワーク－ワイヤー照射比率（ＷＩＰ）によって規定されるリセットされる比率とともに、ワークおよびワイヤーを同時に加熱させることができる。この方策では、プロセスの安定的な定常フェイズへの最も早いかつ確実な移行が、達成されうる。
　さらに、プロセスの安定性および堆積された層の断面解析の結果は、一般的なプロセスパラメータに加えて、ＷＩＰが、プロセスの安定性およびその堅固性、並びに、幾何学的な特性、主に堆積層の希釈に顕著に影響を与えることを示した。
　［本実施の形態における加工機械の構成および作用効果の説明］
　以下においては、上記の検討の内容に基づいた本実施の形態における加工機械の構成およびその作用効果について説明する。
　図２２は、実施の形態における加工機械の構成を示すブロック図である。図１および図２２を参照して、本実施の形態における加工機械１０は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive　manufacturing）加工）が可能な加工機械である。付加加工とは、材料を付着することによってワークに３次元形状を作成する加工法であり、付加加工の前後でワークの質量が増加する。
　加工機械１０は、コンピュータによる数値制御によって、ワーク加工のための各種動作が自動化されたＮＣ（Numerically　Control）加工機械である。
　加工機械１０は、ワークの付加加工と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive　manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械であってもよいし、ワークの付加加工のみが可能な加工機械であってもよい。
　加工機械１０は、ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０を用いて、環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ－ＤＷＤ：Annular　laser　beam　direct　wire　deposition）のプロセスにより、ワークＷＰの付加加工を行なう。
　加工機械１０は、レーザ照射装置２１と、ワイヤー送り装置３１とを有する。レーザ照射装置２１は、ワークＷＰに対して環状レーザビームＬを照射する。ワイヤー送り装置３１は、レーザ照射装置２１より照射される環状レーザビームＬの内側からワークＷＰに向けてワイヤーＷを送る。
　レーザ照射装置２１は、レーザビーム源（不図示）と、ビーム形成ユニット２２と、反射ミラー２３，２４と、フォーカス用の光学部品２５とを有する。
　レーザビーム源は、ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０とは別に設けられている。レーザビーム源は、付加加工に用いられるレーザビームを発振する。レーザビーム源は、後述する制御装置６１からの命令に基づいて、所定パワー（ｋｗ）でレーザビームを発振する。レーザビーム源で発振されたレーザビームは、光ファイバー（不図示）を通って、ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０に導かれる。
　ビーム形成ユニット２２には、中心軸１０１に沿った平行光からなるレーザビームが入力される。ビーム形成ユニット２２は、入力されたレーザビームを環状（リング形状）に形成する。ビーム形成ユニット２２は、たとえば、中心軸１０１の軸方向において互いに対向して配置された一対のアキシコンレンズと、一対のアキシコンレンズ間に配置された凸レンズとから構成されている。
　ビーム形成ユニット２２から出力されるレーザビームは、環状、言い換えれば、レーザビームの進行方向に直交する平面により切断された場合に、中心軸１０１の軸周りで環状に周回する形状を有する。ビーム形成ユニット２２から出力されるレーザビームは、中心軸１０１を中心とする円形のリング形状を有する。
　反射ミラー２３および反射ミラー２４は、挙げた順に、ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０におけるレーザビームの進行方向の上流側から下流側に並んで設けられている。反射ミラー２３は、中心軸１０１の軸上に設けられている。反射ミラー２３は、中心軸１０１に対して４５°傾いて設けられている。反射ミラー２４は、中心軸１０１に平行な中心軸１０２の軸上に設けられている。反射ミラー２４は、中心軸１０２に対して４５°傾いて設けられている。
　反射ミラー２３は、ビーム形成ユニット２２から出力される環状レーザビームを反射することによって、反射ミラー２４に向かわさせる。反射ミラー２４は、反射ミラー２３からの環状レーザビームを反射することによって、光学部品２５に向かわせる。反射ミラー２３から光学部品２５に向かう環状レーザビームは、中心軸１０２を中心にしてその軸方向に進行する。
　光学部品２５は、少なくとも１つの集光レンズを含む。光学部品２５は、環状レーザビームを集光させつつ、ワークＷＰに向けて出射する。光学部品２５から出射された環状レーザビームＬは、中心軸１０２を中心にしてその軸方向に進行し、ワークＷＰの表面に照射される。
　ワイヤー送り装置（Wire　feeding　unit）３１は、スプール３２と、ワイヤーストレートナー３３と、ワイヤーフィーダー（Wire　feeder）３４と、ワイヤーガイドチューブ２７とを有する。
　スプール３２は、円筒体からなる。スプール３２には、付加加工の材料となるワイヤーＷが巻回されている。ワイヤーストレートナー３３は、ワイヤーＷを挟んだ両側において直線状に並ぶ複数の回転ローラから構成されている。スプール３２から引き出されたワイヤーＷがワイヤーストレートナー３３を通過することによって、ワイヤーＷの巻きぐせが解消される。
　ワイヤーフィーダー３４は、ワイヤーＷの送り方向において、ワイヤーストレートナー３３およびワイヤーガイドチューブ２７の間に設けられている。ワイヤーフィーダー３４は、ワイヤーＷを挟んだ両側に配置される駆動ローラからなる。ワイヤーフィーダー３４は、駆動ローラが回転駆動することにより、ワイヤーＷをワークＷＰに向けて送り出す。ワイヤーフィーダー３４は、後述する制御装置６１からの命令に基づいて、所定の送り速度でワイヤーＷを送り出す。
　ワイヤーガイドチューブ２７は、筒形状を有する。ワイヤーガイドチューブ２７は、中心軸１０２の軸上において、直線状に延びている。ワイヤーガイドチューブ２７は、反射ミラー２４と、光学部品２５における各種レンズとを貫通して、ワークＷＰの表面に向けて延びている。ワイヤーＷは、ワイヤーガイドチューブ２７の内部に挿通されることによって、ワイヤーフィーダー３４からワークＷＰに向けて案内されている。
　ワイヤーガイドチューブ２７の先端部は、光学部品２５からワークＷＰに照射される環状レーザビームＬの内側に配置されている。
　ワイヤーガイドチューブ２７からのワイヤーＷは、光学部品２５からワークＷＰに照射される環状レーザビームＬの内側を通って、ワークＷＰに向かう。ワイヤーガイドチューブ２７からのワイヤーＷは、中心軸１０２の軸上を通って、ワークＷＰに向かう。ワークＷＰに向けたワイヤーＷの送りと、ワークＷＰに向けた環状レーザビームＬの照射とは、共軸関係にある。
　加工機械１０は、ガスノズル２６をさらに有する。ガスノズル２６は、光学部品２５からワークＷＰに向けて筒状に延出している。ガスノズル２６は、ワークＷＰに近づくほど直径が小さくなる先細りの円筒形状を有する。ガスノズル２６は、中心軸１０２の軸周りにおいて、ワークＷＰに向けて送られるワイヤーＷと、ワークＷＰに向けて照射される環状レーザビームＬとを取り囲むように設けられている。ガスノズル２６から噴射されるＡｒガス等の不活性ガスＧは、ワークＷＰにおける付加加工の加工点と、外部雰囲気との間を遮断する。
　加工機械１０は、ワーク移動ステージ５１を有する。ワーク移動ステージ５１は、レーザ照射装置２１に対してワークＷＰを移動させる移動機構部として設けられている。
　ワーク移動ステージ５１は、クランプ５３を有する。クランプ５３は、爪部を有し、係る爪部によりワークＷＰをクランプ可能なように構成されている。ワーク移動ステージ５１は、各種の送り機構、案内機構およびサーボモータ等により、クランプ５３にクランプされたワークＷＰを水平面内でスライド移動させる。ワーク移動ステージ５１は、ワークＷＰを中心軸１０２に直交する平面内でスライド移動させる。
　ワーク移動ステージ５１は、後述する制御装置６１からの命令に基づいて、所定の送り速度でワークＷＰを移動させる。
　なお、レーザ照射装置２１およびワークＷＰを相互に移動させる移動機構部は、上記構成に限られない。たとえば、レーザ照射装置２１を搭載したＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０をワークＷＰに対して空間移動させる構成であってもよいし、ワーク移動ステージ５１と、ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド２０を空間移動させる構成との組み合わせであってもよい。レーザ照射装置２１およびワークＷＰが相互に移動する方向（本実施の形態では、水平方向）と、レーザ照射装置２１からワークＷＰへの環状レーザビームの照射方向（本実施の形態では、鉛直方向）とは、直交関係である。レーザ照射装置２１およびワークＷＰが相互に移動する方向（本実施の形態では、水平方向）と、ワイヤー送り装置３１からワークＷＰへのワイヤーＷの送り方向（本実施の形態では、鉛直方向）とは、直交関係である。
　加工機械１０は、赤外線カメラ４２をさらに有する。赤外線カメラ４２は、ワークＷＰの表面を観察する。赤外線カメラ４２は、ワークＷＰに向けた環状レーザビームの照射に伴いワークＷＰから放射される赤外線を、赤外線イメージとして可視化する。
　加工機械１０は、加工機械１０を制御するための制御装置６１をさらに有する。より具体的には、制御装置６１は、レーザ照射装置２１におけるレーザビーム源と、ワイヤー送り装置３１におけるワイヤーフィーダー３４と、赤外線カメラ４２と、ワーク移動ステージ５１とを制御する。
　図４、図１４および図２２を参照して、本実施の形態においては、制御装置６１が、方策Ｃに従ってＡＬＢ－ＤＷＤプロセスを実行する。
　制御装置６１は、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドがワークＷＰの表面に当接するように、ワイヤー送り装置３１を制御する。制御装置６１は、付加加工の開始時に、ワーク照射比率パラメータＷＩＰ（Workpiece　irradiation　proportion　parameter）に基づいて、レーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークＷＰに対して照射するように、レーザ照射装置２１を制御する。
　制御装置６１は、記憶部７２と、制御部７１と、通信部７３とを有する。記憶部７２は、ＷＩＰと、設定されるべきレーザビームの初期パワーＰ０との関係に関するデータを記憶する。制御部７１は、付加加工の開始時におけるＷＩＰを記憶部７２に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する。通信部７３は、レーザ照射装置２１に対して、制御部７１にて決定されたレーザビームの初期パワーＰ０を通信する。
　前述のとおり、付加加工の開始時にワイヤーエンドをワーク表面に当接させた場合、レーザビームパワーＰ０の値が、ＷＩＰのみに依存する。このような知見に基づき、図１６には、記憶部７２に記憶されるデータの一例として、ＷＩＰと、ＡＬＢ－ＤＷＤプロセスの初期フェイズが安定して実行されるレーザビームの初期パワーＰ０の範囲（縦軸方向における１点鎖線と２点鎖線との間のハッチング領域の範囲）との関係が示されている。
　図１６を参照して、レーザビームの初期パワーＰ０が１点鎖線よりも上の範囲である場合、ワークに入力されるエネルギーが大きすぎるため、図１１に示されるように、ペンダントドロップレットが形成される。レーザビームの初期パワーＰ０が２点鎖線よりも下の範囲である場合、ワークに入力されるエネルギーが小さすぎるため、図１０に示されるように、ワイヤーエンドおよびワーク表面の衝突が起こる。
　レーザビームの初期パワーＰ０が１点鎖線と２点鎖線との間の範囲に設定されることによって、図９に示されるように、ワーク表面およびワイヤーエンド間に適切な形態の溶融ボンドを形成することができる。
　ＷＩＰの値が大きい場合は、図２中のｈｗｐの値が大きい場合（レーザビームの焦点位置からワーク表面までが遠い場合）に対応する。ワーク表面におけるレーザビームの照射領域の直径（ビーム径）が大きくなることによって、ワイヤーへのエネルギー入力の割合が低くなり、ワークへのエネルギー入力の割合が高くなる。この場合、付加加工の開始時にワーク表面およびワイヤーエンド間に適切な形態の溶融ボンドを形成するのに際して、より大きいエネルギーでのレーザビームの照射が求められる。
　一方、ＷＩＰの値が小さい場合は、図２中のｈｗｐの値が小さい場合（レーザビームの焦点位置からワーク表面までが近い場合）に対応する。ワーク表面におけるレーザビームの照射領域の直径（ビーム径）が小さくなることによって、ワイヤーへのエネルギー入力の割合が高くなり、ワークへのエネルギー入力の割合が低くなる。この場合、付加加工の開始時にワーク表面およびワイヤーエンド間に適切な形態の溶融ボンドを形成するのに際して、より小さいエネルギーでのレーザビームの照射が求められる。
　図２３は、レーザビームの初期パワーＰ０を特定するためのステップを示すフローチャート図である。
　図２２および図２３を参照して、制御装置６１は、ワイヤーエンドがワーク表面から退避して位置決めされるように、ワイヤー送り装置３１を制御する（Ｓ１０１）。本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない状態が得られる。
　次に、制御装置６１は、環状レーザビームがワークに向けて照射されるように、レーザ照射装置２１を制御する。制御装置６１は、環状レーザビームが照射されたワーク表面を撮影するように、赤外線カメラ４２を制御する（Ｓ１０２）。
　本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない状態でのワーク表面における赤外線イメージが得られる。得られた赤外線イメージのデータは、制御装置６１における通信部７３に送信される。
　次に、制御装置６１は、ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、ワイヤー送り装置３１を制御する（Ｓ１０３）。本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する状態が得られる。
　次に、制御装置６１は、環状レーザビームがワークに向けて照射されるように、レーザ照射装置２１を制御する。制御装置６１は、環状レーザビームが照射されたワーク表面を撮影するように、赤外線カメラ４２を制御する（Ｓ１０４）。
　本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する状態でのワーク表面における赤外線イメージが得られる。得られた赤外線イメージのデータは、制御装置６１における通信部７３に送信される。
　次に、制御装置６１は、ＷＩＰを特定する（Ｓ１０５）。具体的には、制御装置６１は、Ｓ１０２のステップで得られた赤外線イメージの画素値から、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合にワーク表面上に導入されるレーザビームパワーＰを概算する。制御装置６１は、Ｓ１０４のステップで得られた赤外線イメージの画素値から、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合にワーク表面上に導入されるレーザビームパワーＰｗｐを概算する。制御装置６１は、概算されたレーザビームパワーＰおよびレーザビームパワーＰｗｐの値を用いて、ＷＩＰ（＝Ｐｗｐ／Ｐ）を算出する。
　なお、本実施の形態では、ワーク表面における赤外線イメージの画素値に基づいてＷＩＰの値を特定する場合を説明したが、これに限られず、前述の［ＡＬＢ－ＤＷＤの初期移行フェイズおよび安定性に関する検討］の項目における（１）式を用いて、ＷＩＰの値を理論的に算出してもよい。
　次に、制御装置６１は、前のステップで特定されたＷＩＰの値に基づいて、レーザビームの初期出力Ｐ０を決定する（Ｓ１０６）。本ステップでは、制御装置６１における制御部７１が、前のステップで特定されたＷＩＰを記憶部７２に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する。
　次に、制御装置６１は、先のステップで決定されたレーザビームの初期出力Ｐ０にて付加加工を開始するように、レーザ照射装置２１を制御する（Ｓ１０７）。これにより、ワイヤーエンドがワークＷＰの表面に当接した状態で、環状レーザビームが初期パワーＰ０でワークＷＰに対して照射され、付加加工が開始される。
　本実施の形態においては、付加加工の開始時におけるＷＩＰに基づいて、レーザビームの初期出パワーＰ０を決定することによって、ワーク表面およびワイヤーエンドと間に適切な形態の溶融ボンドを形成することができる。また、付加加工の開始時にワイヤーエンドをワーク表面に当接させることによって、ワークおよびワイヤーがレーザビームにより同時に加熱される。このため、ワーク表面上のメルトプールと、ワーク表面およびワイヤーエンド間における溶融ボンドとを短時間で発生させることができる。これらの理由により、付加加工の開始時の初期フェイズにおいて、ＡＬＢ－ＤＷＤプロセスの安定性を高めることができる。
　上記のＳ１０７のステップの後、制御装置６１は、図１４に示される方策Ｃの条件（レーザビームパワー、ワイヤー送り速度およびワーク送り速度）に従ってＡＬＢ－ＤＷＤプロセスが実行されるように、レーザ照射装置２１、ワイヤー送り装置３１およびワーク移動ステージ５１を制御する。
　具体的には、制御装置６１は、初期パワーＰ０でのレーザビームの照射を一定時間続けた後、レーザビームのパワーが、初期パワーＰ０よりも大きいパワーＰＳまで増大するように、レーザ照射装置２１を制御する。制御装置６１は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からの増大を開始すると同時に、ワークに向けたワイヤーの送りを開始するように、ワイヤー送り装置３１を制御する。制御装置６１は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からパワーＰＳまで増大する間に、ワークが移動を開始するように、ワーク移動ステージ５１を制御する。
　このような構成によれば、ＡＬＢ－ＤＷＤプロセスを、付加加工の開始時における初期フェイズからワークに対して連続的に付加加工を行なう定常フェイズへと安定的に移行させることができる。
　なお、図１４に示されるレーザビームパワー、ワイヤー送り速度およびワーク送り速度の値自体は、一例であり、本発明において特に限定されるものではない。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明は、付加加工を行なうことが可能な加工機械に適用される。
　１０　加工機械、２０　ＡＬＢ－ＤＷＤヘッド、２１　レーザ照射装置、２２　ビーム形成ユニット、２３，２４　反射ミラー、２５　光学部品、２６　ガスノズル、２７　ワイヤーガイドチューブ、２８　２色軸内パイロメータ、３１　ワイヤー送り装置、３２　スプール、３３　ワイヤーストレートナー、３４　ワイヤーフィーダー、４１　プロセスモニタリングシステム、４２　赤外線カメラ、４３　視覚カメラ、４４　レーザ距離センサ、５１　ワーク移動ステージ、５３　クランプ、６１　制御装置、７１　制御部、７２　記憶部、７３　通信部、１０１，１０２　中心軸。

Claims (6)

  1. 　付加加工を行なう加工機械であって、
    　ワークに対して環状レーザビームを照射するレーザ照射装置と、
    　前記レーザ照射装置より照射される環状レーザビームの内側からワークに向けてワイヤーを送るワイヤー送り装置と、
    　前記加工機械を制御するための制御装置とを備え、
    　下記の式により表されるワーク照射比率パラメータ（ＷＩＰ：Workpiece　irradiation　proportion　parameter）を規定した場合に、
    　ＷＩＰ＝Ｐｗｐ／Ｐ
    　（Ｐｗｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
    　（Ｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
    　前記制御装置は、付加加工の開始時に、
    　ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、前記ワイヤー送り装置を制御し、
    　前記ＷＩＰに基づいてレーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射するように、前記レーザ照射装置を制御する、加工機械。
  2. 　前記制御装置は、
    　前記ＷＩＰと、設定されるべきレーザビームの初期パワーＰ０との関係に関するデータを記憶する記憶部と、
    　付加加工の開始時における前記ＷＩＰを前記記憶部に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する制御部と、
    　前記レーザ照射装置に対して、前記制御部にて決定されたレーザビームの初期パワーＰ０を通信する通信部とを有する、請求項１に記載の加工機械。
  3. 　ワーク表面を観察する赤外線カメラをさらに備え、
    　前記制御部は、前記赤外線カメラで得られた赤外線イメージの画素値から、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワーを概算することによって、前記ＷＩＰを特定する、請求項２に記載の加工機械。
  4. 　前記制御装置は、
    　初期パワーＰ０でのレーザビームの照射を一定時間続けた後、レーザビームのパワーが、初期パワーＰ０よりも大きいパワーＰＳまで増大するように、前記レーザ照射装置を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の加工機械。
  5. 　前記制御装置は、
    　レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からの増大を開始すると同時に、ワークに向けたワイヤーの送りを開始するように、前記ワイヤー送り装置を制御する、請求項４に記載の加工機械。
  6. 　前記レーザ照射装置およびワークを相互に移動させる移動機構部をさらに備え、
    　前記制御装置は、
    　レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からパワーＰＳまで増大する間に、前記レーザ照射装置およびワークが相互の移動を開始するように、前記移動機構部を制御する、請求項４または５に記載の加工機械。
PCT/JP2019/014249 2019-03-29 2019-03-29 加工機械 WO2020202342A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19922852.9A EP3950206A4 (en) 2019-03-29 2019-03-29 PROCESSING MACHINE
US17/598,065 US20220226931A1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Processing machine
JP2021511717A JP7098053B2 (ja) 2019-03-29 2019-03-29 加工機械
PCT/JP2019/014249 WO2020202342A1 (ja) 2019-03-29 2019-03-29 加工機械

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/014249 WO2020202342A1 (ja) 2019-03-29 2019-03-29 加工機械

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020202342A1 true WO2020202342A1 (ja) 2020-10-08

Family

ID=72667320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/014249 WO2020202342A1 (ja) 2019-03-29 2019-03-29 加工機械

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220226931A1 (ja)
EP (1) EP3950206A4 (ja)
JP (1) JP7098053B2 (ja)
WO (1) WO2020202342A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112828471A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 激光熔覆缆式焊丝增材制造难熔高熵合金的方法及装置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210060861A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Edison Welding Institute, Inc. Coaxial laser-wire optical system for use in additive manufacturing
JP7420548B2 (ja) * 2019-12-24 2024-01-23 ファナック株式会社 ワーク搬送システム
US20220395929A1 (en) * 2021-06-09 2022-12-15 Rolls-Royce Corporation Melt pool monitor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002059286A (ja) 2000-08-10 2002-02-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置
WO2011082582A1 (zh) * 2010-01-09 2011-07-14 苏州大学 一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置
WO2017115406A1 (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 Dmg森精機株式会社 付加加工用ヘッド、加工機械および加工方法
US20170312856A1 (en) * 2014-03-06 2017-11-02 Yury Alexandrovich CHIVEL Laser cladding method and device for implementing same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3040720B2 (ja) * 1995-12-05 2000-05-15 三菱重工業株式会社 レーザー加工ヘッド及びレーザー加工方法
JP6583771B2 (ja) * 2015-05-07 2019-10-02 学校法人金沢工業大学 立体造形装置
WO2017170890A1 (ja) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社村谷機械製作所 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
US11203084B2 (en) * 2017-01-05 2021-12-21 Ipg Photonics Corporation Additive laser machining systems and methods
JP6972670B2 (ja) * 2017-06-02 2021-11-24 株式会社豊田中央研究所 レーザ加工装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002059286A (ja) 2000-08-10 2002-02-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置
WO2011082582A1 (zh) * 2010-01-09 2011-07-14 苏州大学 一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置
US20170312856A1 (en) * 2014-03-06 2017-11-02 Yury Alexandrovich CHIVEL Laser cladding method and device for implementing same
WO2017115406A1 (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 Dmg森精機株式会社 付加加工用ヘッド、加工機械および加工方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GOVEKAR,EDVARD ET AL.: "Annular laser beam based direct metal deposition", PROCEDIA CIRP, vol. 74, 2018, pages 222 - 227, XP055746221 *
KOTAR, MATJAZ ET AL.: "The influence of the workpiece illumination proportion in annular laser beam wire deposition", PROCEDIA CIRP, vol. 74, 2018, pages 228 - 232, XP055746224 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112828471A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 激光熔覆缆式焊丝增材制造难熔高熵合金的方法及装置
CN112828471B (zh) * 2020-12-31 2022-12-16 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 激光熔覆缆式焊丝增材制造难熔高熵合金的方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3950206A4 (en) 2022-12-14
US20220226931A1 (en) 2022-07-21
EP3950206A1 (en) 2022-02-09
JP7098053B2 (ja) 2022-07-08
JPWO2020202342A1 (ja) 2021-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7098053B2 (ja) 加工機械
US20170361405A1 (en) Irradiation system for an additive manufacturing device
JP6011598B2 (ja) レーザ溶接方法
CN109789512B (zh) 用于将第一和第二工件区段激光焊接的方法和激光加工机
TW201805100A (zh) 雷射處理設備以及方法
JP6726170B2 (ja) マルチビームファイバレーザシステム
JP7268961B2 (ja) レーザ加工のための微細スケールでの時間的制御
WO2010021094A1 (ja) 複合溶接方法および複合溶接装置
US9050674B2 (en) Method and system of edging cladding operation
CN114040827A (zh) 增材制造装置
JP6327172B2 (ja) レーザー溶接システム及びレーザー溶接方法
Kotar et al. Initial transient phase and stability of annular laser beam direct wire deposition
US20150196973A1 (en) Apparatus for laser processing of hidden surfaces
Kotar et al. The influence of the workpiece illumination proportion in annular laser beam wire deposition process
JP6277986B2 (ja) レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法
US20220274202A1 (en) Additive manufacturing machine
JP6125197B2 (ja) レーザ溶断装置および加工方法
JP2003117670A (ja) 鋼板のレーザ切断方法
JP2005199350A (ja) 傷を減らすレーザビーム溶接の方法および装置
JP2000210781A (ja) レ―ザ溶接方法および装置
US20220347750A1 (en) System and method for adding material to a determined surface of a workpiece by means of a laser beam directed by a laser scanning head and laterial powder injection
JP2014024068A (ja) レーザ溶接におけるビード検査方法およびレーザ溶接方法
JP2013193085A (ja) 溶接システム
JP2009202222A (ja) レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
JP2009045638A (ja) レーザクラッド加工装置及びレーザクラッド加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19922852

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021511717

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019922852

Country of ref document: EP

Effective date: 20211029