01 はじめに
高速鉄道、造船、エネルギー機器などの大型部品の製造において、厚板溶接は重要なプロセスの 1 つです。{0}ただし、加工精度の制限、組み立て誤差、溶接プロセス中の熱変形により、溶接ギャップが変化することがよくあります。プレート間の隙間が小さいと溶け込み不良やルートリップルが発生しやすく、隙間が大きいと溶接崩壊が発生しやすくなります。現在の研究は主に一定ギャップ条件に基づいており、可変ギャップを使用した溶接に関する研究は比較的不足しています。特に、レーザーとアークのハイブリッド溶接では、小さなギャップ下でのリップル抑制と大きなギャップ下での優れたブリッジ能力の両方を達成することが、エンジニアリング用途において依然として課題となっています。この研究は、厚さ12 mm-の耐候性鋼に焦点を当てており、可変ギャップ条件下での発振レーザー・アークハイブリッド溶接中の溶接形成と欠陥抑制メカニズムを解明し、可変ギャップによる厚板溶接の理論的およびプロセスのサポートを提供し、発振レーザー・アークハイブリッド溶接技術のさらなる産業応用と導入を促進することを目的としています。
02 全文概要
この研究は、厚鋼板の可変{0}ギャップ レーザー- アーク ハイブリッド溶接におけるルート ハンプと不十分なブリッジ機能の課題に対処し、発振レーザーが溶接プロセスに影響を与えるメカニズムを体系的に調査します。実験用母材は厚さ 12 mm の S355J2W 耐候性鋼でした。ハイブリッド溶接システムは、TruDisk-10002 ファイバー レーザー（最大出力 10 kW、波長 1070 nm）をアーク溶接装置と組み合わせて使用し、実際の生産で一般的に発生する可変ギャップ条件をシミュレートするために溶接シーム全体に沿って連続的に変化するアセンブリ ギャップ（0 - 3 mm）を設定して構築されました。-。研究中、レーザー出力（6.5 kW）、溶接速度（16 mm/s）、およびワイヤ送給速度（10 m/min）は一定に保たれ、実験ではレーザー発振パラメータ（振幅、周波数）がコア制御変数として使用されました。高速写真撮影を使用して、溶接部の表側と裏側の溶融池の挙動とアーク形態を同期して記録しました。さらに、MATLAB の PIVlab ツールボックスを使用して、溶融池の高速画像に対して相互相関解析を実行し、こぶの形成中の液体金属の速度場と渦度場を定量的に抽出しました。この方法は、流れの可視化データを定量化可能な物理パラメータ (速度、渦度) に変換し、こぶ形成のメカニズムを明らかにするための確かなデータ サポートを提供します。アーク形態の解析に関して、研究者らはアーク偏向角の標準偏差を計算することにより、発振レーザーがアークの挙動に及ぼす影響を正確に評価しました。最終的に、振幅 1.5 mm、周波数 200 Hz の振動パラメータの下で、0 ～ 2.5 mm の可変ギャップ範囲にわたって、こぶや崩壊のない良好な溶接形成が達成されました。包括的な分析の結果、鍵穴の閉鎖は根のこぶの形成につながる一方、発振レーザーは鍵穴を安定させ、溶融池の流動性を改善し、溶融池の尾部での表面張力を増加させることにより、こぶの形成を効果的に抑制することが示されました。
図 03 は、可変ギャップ溶接の形成に対するさまざまな振動パラメータの決定的な影響を直接比較したものです。-レーザー発振をしない場合、ギャップが小さい（1mm）と根のこぶが発生し、ギャップが大きくなると表面の崩れが現れ、ギャップ適応性が悪くなります。レーザー発振パラメータを変更すると、表面の形成は改善されますが、裏面にはまだこぶが残っているか、溶接が狭くなります。-最終パラメータは、振幅 1.5 mm、周波数 200 Hz です。可変ギャップ範囲全体で、こぶや崩壊のない優れた溶接が両側で達成され、振動パラメータの最適化が重要な役割を果たしていることがわかります。
図 1. さまざまな溶接パラメータでの溶接の形成。溶接幅は溶接方向に沿って 0 mm から 3 mm まで変化します。 (a) 振動がないこと。 (b) 振動振幅 1 mm、周波数 100 Hz。 (c) 振動振幅 1.5 mm、周波数 100 Hz。 (d) 振動振幅 1.5 mm、周波数 200 Hz。
図 2 は、発振がなければ 1 サイクル内でアークが左右に不規則に偏向するのに対し、発振レーザーではアークが安定した中心に留まり、完全で安定した形状を保ち、大きな横方向の偏向を示さないことを示しています。これは、発振レーザーのない条件下では、大きなギャップ自体がアーク形状の不安定性の根本的な原因であることを示しています。アークは最も近い導電経路 (つまり、溝の側壁) を探す傾向があり、その結果、加熱が不均一になります。発振レーザーを導入すると、パラメーターが最適かどうかに関係なく、アークの横方向の偏向を大幅に抑制し、溶接の中心でアークを安定に保つことができます。
図 2. さまざまな溶接速度での溶接形態: (a) 1.5 m/min (b) 1.8 m/min (c) 2.1 m/min。
図 3 は、円弧のたわみの程度を数値化したものです。レーザー発振がなければ、偏向角の標準偏差は 23.6 度であり、アークの変動が激しいことを示しています。発振レーザーを使用した後、標準偏差は 3.5 度に低下し、安定性は 85.2% 向上しました。これは、「レーザーを発振することでアークを大幅に安定化できる」というデータ証拠を提供します。
図 3. 2.5 mm ギャップの下で 6 回のアーク偏向角の測定: (a) アーク偏向角の概略図。 (b) さまざまなパラメータでの円弧のたわみの程度。 1 と 2 の差が円弧のたわみの度合いを表します。
図 4 は、溶接プロセス中に溶融金属が波の形で鍵穴に向かって流れ、鍵穴が激しく変動して崩壊することを示しています。レーザー発振により溶融池内の熱対流が促進され、鍵穴付近に渦が形成されます。溶けた金属が鍵穴の周囲から尻尾まで流れ、水滴の衝撃を和らげ、鍵穴を安定して開いた状態に保ちます。これは、発振レーザーが溶融池の流れ場を変化させることで溶接プロセスを安定化できることを示しています。
図 4. ゼロギャップ条件下での時間 T0 から T0 + 2.7 ms までの溶融池の流れ: (a) レーザー発振なし。 (b) 振幅 1 mm、周波数 100 Hz。 (c) 振幅 1.5 mm、周波数 200 Hz。黄色と緑色の矢印は、それぞれ発振レーザーによって生成される渦と溶融金属の流れの方向を示します。白とオレンジの線はそれぞれ鍵穴と溶融液滴を示します。
図 5 は、ルートハンプが形成される際の、最適化されていない振動パラメータ (振幅 1 mm、周波数 100 Hz) の下での溶接池内の溶融金属の動的挙動を示しています。これにより、溶接欠陥の研究が巨視的な形態観察から新たなレベルの定量的流体力学解析へと前進します。速度ベクトル分布は溶接池内の溶融金属の流れの方向と大きさを示し、速度フィールドは流速の空間分布をより直観的に示します。同時に、こぶ形成領域には高い渦度値が存在し、そこでの液体の強い回転またはせん断流を示します。この回転流パターンは、ハンプ形成の典型的な流れ場の特徴である溶融金属の蓄積と不安定な成長を促進します。
図 5. 根のこぶ形成中のさまざまな瞬間における粒子画像流速測定の結果：（a）速度ベクトル分布。 (b) 速度場の分布。 (c) 渦度場の分布。黄色と白の破線はこぶの輪郭を示します。
04 概要: この研究は、厚板可変-ギャップ レーザー- アーク ハイブリッド溶接におけるルート ハンプと不十分なギャップ{1}}ブリッジ能力という業界の課題に対処します。高速イメージングや粒子画像流速測定などの高度な診断技術と組み合わせた体系的な実験を通じて、発振レーザーの欠陥抑制メカニズムが明らかになりました。結果は、最適化された発振パラメータの下で、レーザーがキーホールを拡大して安定化することによってアーク伝導チャネルを大幅に強化し、アーク偏向の度合いを 85.2% 減少させ、それによってアーク挙動を安定化することを示しています。同時に、発振レーザーは溶融プールの流れ場を変化させ、安定した渦を形成し、キーホールの開口性を維持し、最終的に 0-2.5 mm の可変ギャップ範囲でこぶや崩壊のない高品質の溶接を実現します。-この研究は、流体力学の観点から溶接欠陥の形成と抑制メカニズムの理論的理解を深めただけでなく、大型部品製造における可変ギャップ溶接の課題を解決するための信頼できるプロセススキームと理論的基礎も提供します。これは、主要なエンジニアリングプロジェクトでのレーザーアークハイブリッド溶接技術の適用を促進する上で重要な価値があります。-
