ビーム振動によるアルミニウム合金レーザーアークハイブリッド積層造形における堆積安定性と成形特性！

出典: 溶接科学

西南交通大学の研究チームは2024年8月15日、「国際精密工学製造グリーンテクノロジー誌」に「ビーム振動によるアルミニウム合金のレーザーアークハイブリッド積層造形における堆積安定性と成形特性」と題する最新の研究論文を発表した。この研究では、ビーム振動によるアルミニウム合金のレーザーアークハイブリッド積層造形（LAHAM）の堆積安定性と成形特性を研究した。

この研究は、アルミニウム合金ワイヤアーク積層造形（WAAM）における堆積安定性の悪さと成形精度の低さの問題を解決することを目的としています。異なるビーム振動周波数（0～500 Hz）を備えたレーザーアークハイブリッド積層造形技術を採用することで、周波数300 HzのLAHAMがWAAMの液滴転送モードを最適化し、液滴を反発モードから注入モードに変換し、転送時間を5.2ミリ秒から3.9ミリ秒に短縮できることがわかりました。さらに、この技術により、堆積した薄壁の多孔度が 0.36% から 0.01% 未満に低減されただけでなく、平均粒径も 20% 減少しました。これらの改良により、成形精度は 37% 向上し、微小硬度の変動は 61% 減少し、伸びは 54% 増加しました。

実験方法<br /> 実験に使用したフィラー材料は、直径1.6mmのER4047アルミニウム合金溶接ワイヤです。主な成分はアルミニウムとシリコンです。この合金は、流動性が良く、熱膨張係数が低く、耐腐食性と耐熱割れ性が高いため、広く使用されています。基板は厚さ 10 mm、サイズ 450×150 mm² の 6082 アルミニウム合金板です。この基板は、充填材と組成が似ているため選択されました。

堆積前に、基板表面を研磨して洗浄し、酸化膜と不純物を除去し、続いてアルコールで二次洗浄しました。保護ガスは純粋なアルゴンであり、流量は 30 ～ 40 L/分に制御されます。実験装置には、最大出力 10 kW の Trumpf Laser TruDisk 10002 レーザー、Fronius Transpuls Synergic 4000 アーク溶接機、ABB IRB2600 6 軸ロボット、IPG D50 振動スキャンヘッドが含まれています。ビームの振動は振動ヘッドによって制御され、ロボットはスキャナーを直線運動で駆動します。レーザー波長は1030nm、焦点径は約533μmです。

レーザーアークハイブリッド積層造形においては、アーク溶接機はパルスモードで動作し、アーク電流は 121 A、アーク電圧は 17 V、堆積速度は 0.6 m/分でした。フィラーワイヤのワイヤ送り速度は4.0 m/分、振動モードは反時計回りの円振動で、振動周波数は0～500 Hzでした。局所的な熱蓄積が成形品質に及ぼす影響を回避するために、各層を堆積した後、前の層が室温まで冷却されるまで待ってから堆積を続行します。高周波レーザー振動の導入により、堆積プロセス中の液滴移動挙動が最適化され、溶融池への液滴の影響が効果的に低減され、液滴を捕捉する高速回転渦が形成されます。

高精度カメラを使用して、堆積プロセス中の液滴移動と溶融プールのダイナミクスを、カメラ速度 3600 fps、解像度 1024 × 1024 ピクセルで記録しました。堆積後、堆積した薄壁のマクロ形態をデジタルカメラで記録し、ワイヤー切断機で微細構造のサンプルを準備しました。その後、サンプルはハイドログラインドされ、機械的に研磨され、ケラー試薬を使用して顕微鏡で検査されました。材料の微細構造と組成分布は、光学顕微鏡 (OM)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、エネルギー分散型分光法 (EDS) によって分析されました。

図1. WAAMとOLAHAMの実験装置の概略図。
図2. 高速度カメラ観察中に撮影された画像と模式図。
図3. 異なるプロセス条件下で堆積された薄壁の機械的特性試験の概略図。
図 4. WAAM、LAHAM、OLAHAM によって異なる周波数で堆積された薄壁のマクロ形態。
図5. X線非破壊検査の結果。
図 6. 異なるプロセス条件下で堆積された薄壁の断面形態。
図 7. WAAM 堆積プロセスの高周波ビデオフレーム画像。
図 8. LAHAM 堆積プロセスの高周波ビデオフレーム画像。
図9. 300 Hz OLAHAM堆積プロセスの高周波ビデオフレーム画像。
図10. OLAHAMの典型的な堆積微細構造の光学顕微鏡（OM）画像。
図11. 異なるプロセス条件下での光学微細構造画像の比較。
図12. 異なるプロセス条件下でのSEMおよびEDS分析結果。
論文概要<br /> 研究結果によると、ビーム振動を導入したOLAHAMプロセスは、アルミニウム合金積層造形の堆積安定性と成形精度を効果的に向上させることがわかりました。特に、振動周波数 300 Hz では、液滴転送時間が 25% 短縮され、材料の微細構造と機械的特性が大幅に改善されました。実験では、ビーム振動により、液滴の反発モードから注入モードへの移行が最適化され、高速回転渦が形成され、溶融池への液滴の衝突の干渉が減少し、堆積安定性がさらに向上することが示されています。さらに、このプロセスにより堆積した材料の多孔性が低減し、粒子構造の均一性が向上し、平均粒子サイズが 20 パーセント減少します。これにより、堆積薄壁の微小硬度変動が61％減少し、伸びが54％増加します。同時に、加工公差が大幅に減少し、成形精度が37％向上します。

この研究の今後の取り組みでは、特に同期ワイヤ供給と粉末供給技術を通じて材料組成をさらに最適化し、積層製造された部品の総合的な性能を向上させることに重点が置かれます。研究チームは、この技術の応用により、大型アルミニウム合金部品の効率的で高品質な積層造形に技術的サポートが提供され、特に航空宇宙、自動車などの分野で幅広い応用の見通しがあると予測しています。

紙の住所
https://doi.org/10.1007/s40684-024-00659-z

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