Control of molten metal column at the wire tip using laser system

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K06473
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 中村 照美 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 材料創製・加工ステーション, ステーション長 (20354277)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: MIG溶接 / 溶融金属液柱 / レーザ照射位置 / 純Arシールドガス / ファイバーレーザ / 切断

Outline of Annual Research Achievements

純Arシールドガスを使用したMIGアーク中ではワイヤ先端に溶融した金属が連なり長く伸びた液柱を形成する。この溶融金属柱は純Arシールドガスを使用したMIG溶接を不安定にする主原因である。そこで、この液中を短くする手法を開発することで、純Arシールドガス中での安定なMIG溶接を実現する。
本研究ではMIGアーク中でレーザを溶融金属液柱に照射し、液柱を切断する条件を実験で求めた。市販の鋼ワイヤ、ステンレスワイヤ、アルミニウムワイヤ（ワイヤ直径はすべて1.2 mm）に対して、安定な切断を行うためのレーザ照射条件を調査した。レーザパワーとレーザのパルス条件を固定し、レーザの照射位置を溶融金属液柱部、アーク発生点、アーク発生点の上部へと変えて切断特性を調べた。鋼ワイヤ、ステンレスワイヤではワイヤ先端に長く伸びた液柱が生じる。液柱部にレーザを照射するとレーザの反兆力により液柱が曲がり安定に切断することができなかった。アークが発生している位置にレーザを照射すると、安定に切断することができた。アーク発生点より上部に照射すると、切断に失敗する頻度が多くなり、安定な切断ができなかった。アルミニウムワイヤでは長く連なった溶融金属液柱は生じないが、レーザをアーク発生位置付近に照射するとアークが安定し突き出し長さの変動が小さくなることが観察でき、同時に安定なワイヤの切断特性が良好であることがわかった。
大電流（400 A付近）ではローテーティング移行となり溶接が不安定となるが、レーザを位置が大きく変動しない液柱部に照射すると、周期的にワイヤが切断されローテーティング移行を防ぐことができた。GMA溶接では電流の最大値に制限があるが、本手法により大電流条件下でのローテーティング移行の防止についても目処を得ることができた。
本システムによりワイヤの安定な切断が可能で、溶接の安定化に効果があることが検証できた。