レーザー溶接は手動で行われます

GTAW の制約を解放したいと考えた Food Warming Equipment Co. Inc. は、ロボットティーチペンダントではなくジョイスティックで制御されるレーザー溶接を選択しました。 Photo by Micah Beard、Food Warming Equipment Co. Inc.

自動車 OEM や上位サプライヤー (特にヨーロッパ、そして北米でも増えてきています) を訪問すると、展示用のレーザー溶接セルを備えている可能性が高く、その多くは驚くべきスピードと生産性を備えています。以前はゆっくりと多段階のスポット溶接を行っていた複雑なドア部品が、密閉セル内の 1 つのレーザー溶接セットアップで行われるようになりました。焦点距離の長いレーザーには、マイクロ秒単位で溶接ビームをあるスポットから別のスポットにジャンプさせる走査光学系が搭載されている場合があります。まるで「スタートレック」の時代が到来したかのようだ。

業界の多くは何年も、あるいは何十年もレーザー溶接に注目してきましたが、適切な用途を見つけていませんでした。なぜ？おそらく製品構成が原因だと思われます。ジョブショップであれ OEM であれ、製品が混在するメーカーは、これらのシステムが魅力的ではあるものの、あまり実用的ではないと考えています。はい、ギャップ許容度の問題はありますが、高精度の上流プロセスにより、それらの課題の多くは克服されています。

現在の問題はパーツフローの柔軟性です。まったく異なるパーツを次々と実行する必要があり、そのパーツが何になるか (繰り返しパーツ、標準構成から変更されたパーツ、または完全に新しいパーツ) がわかりません。確かに、オフラインプログラミング、シミュレーション、フィクスチャ開発は大きな進歩を遂げてきました。しかし、機械化されたレーザー溶接やロボットによるレーザー溶接では、依然として誰かがそれらのプログラムを開発し、管理する必要があります。

Food Warming Equipment Co. Inc. (FWE) は、多くの高製品混合メーカーと同じ課題に直面しています。テネシー州ポートランドにある同社の工場は、柔軟な製造の典型です。業務用食品サービス機器メーカーはオンデマンドで生産しており、顧客は製品を高度にカスタマイズできます。

同社の最終溶接エリアでは、ステンレスやアルミニウムの外観上重要なさまざまな溶接が行われており、このエリアのほとんどの従業員はガスタングステンアーク溶接 (GTAW) トーチを使用しています。しかし、1 つのワークステーションが際立っています。溶接工はタングステントーチを振り回す代わりに、実体顕微鏡を覗き、ジョイスティックを操作して溶接の移動速度を管理します。彼はファイバーレーザーからのビームを使って溶接しています。これは、レーザー溶接に関しては自動化だけが唯一の答えではないことを示す応用事例の結果です。

レーザー溶接セルを観察すると、レーザー安全カーテンとバリアによって他の GTAW セルから隔離されています。そうすれば、目を見張るような溶接速度を目の当たりにすることはありません。実際、レーザー溶接セルでのジョブのセットアップには、GTAW セルでのセットアップよりも少し時間がかかります。同社のレーザー溶接部品のほとんどは特別な固定具を必要としません。一般的な作業には、水受け皿やキャビネットの上部の最終的な継ぎ目やコーナーの溶接が含まれます。しかし、オペレータは、レーザー溶接ヘッドの下に部品を正確に配置するのに時間を費やします。

このシステムは、平均出力 400 ワット、ピーク出力 4.5 キロワットのパルスファイバーレーザーを使用します。 FWE の薄ゲージ材料を溶接するのに十分な強力ですが、レーザー電源にチラーを必要としないほど十分に低出力です。イリノイ州ワウコンダの Alliance Specialtys and Laser Sales が提供するこのシステムは、金型製造および修理業のさまざまなショップで見つけることができますが、薄ゲージの板金にも適しています。 FWE のいくつかのレーザー溶接作業には 18 ゲージが含まれます。板金ですが、ほとんどのワークピースは 20 ゲージから 23 ゲージまでです。ステンレス（磁性および非磁性）およびアルミニウム。代表的なグレードには、ステンレス 430、ステンレス 301、アルミニウム 3003 などがあります。

FWE のレーザー溶接プロセスはそれほど高速ではありません。ただし、研削と研磨の時間の節約を考慮すると、溶接速度自体は重要ではありません。これらの最終的な外観上重要な溶接では、ガスタングステンアーク溶接部品を受け取る従業員は、目に見える表面またはエッジの 1 つの溶接を研削および研磨するのに少なくとも 5 分を費やす場合があります。ほとんどのレーザー溶接部品には、仕上げ手順がほとんど、またはまったく必要ありません。最悪の場合、作業者が研磨剤を使って溶接を 1 回行う可能性がありますが、このプロセスには数秒かかります。

FWE は自動化を躊躇しません。自動化された材料の保管と取り出しを備えたそのレーザー切断システムは、切断されたネストからパネルを持ち上げ、コンベアを使用してパネルを材料ハンドラーに渡し、材料ハンドラーはブランクを A フレームカートに置きます。ブランクは、1 つの部門ではなくバリューストリームに戦略的に配置されたプレスブレーキに移動します。同社は、自動工具交換機能を備えた 2 台のロボットプレスブレーキを備えており、すべての手動ブレーキには、オペレーターが数分でパンチとダイを交換できるように戦略的に配置された専用工具が備えられています。

しかし、これらの価値の流れを下流にたどると、製造技術は変化します。 FWE には、レーザー、アークなどの溶接ロボットはありません。その製品構成とフローへのアプローチは、独自の部品を次々と使用するため、溶接の自動化には適していません。これには、ワイヤ溶接エリア (機器フレームおよびその他の構造コンポーネント用) と、最終的な外観上重要な溶接が含まれます。

FWE の溶接工ブランドンジャスティスは、非常に細いフィラーワイヤーをしっかりと持ち、コーナーを曲がる際にレーザー溶接を行っています。 Photo by Micah Beard、Food Warming Equipment Co. Inc.

2016 年に管理者が仕上げ溶接を精査し始めたとき、制約は溶接ではなく研磨であることに気づきました。もう 1 つの課題はオペレーターのスキルでした。熟練した溶接工を見つけるのは非常に困難です。 GTAW トーチのスキルと技巧を備えた人を見つけるのはさらに困難です。溶接工は、ドアやその他のキャビネットコンポーネントの磁石の近くで GTAW を使用することもできませんでした。

「磁場の近くにいると、TIG溶接機はアークを接触させません」とFWEの溶接監督者マイク・アダムス氏は言う。「レーザー溶接ではアークは発生しません。両方の材料を同時に溶かすビームが存在するだけです。」

そこで彼らは、研削と研磨の必要性を軽減または排除できる代替の接合方法に焦点を当てました。これが彼らをレーザーに導きました。問題は、レーザー溶接の世界、特に米国の板金製造の世界が自動化されていることです。確かに世界的に知られていないわけではありませんが、アメリカ国内では手作業によるレーザー溶接は珍しいものです。しかし、手動レーザー溶接システムは存在しており、一部はアジアやヨーロッパで広く使用されています。

実際、Alliance Specialtys and Laser Sales は手動レーザー溶接システムを輸入して統合しており、Alliance チームは厚さ 0.200 インチまでの材料でそれをテストしました。実際、FWE の数名の溶接工が手作業のレーザー溶接を試してみました。ガンの先端は母材に触れないとレーザーが起動しないような形状になっています。オペレータは、機械に接続されたレーザー安全メガネを着用します。メガネが滑ると機械が停止します。

しかし、手動システムはまだ FWE のニーズを満たすほど柔軟性がありませんでした。トーチチップの設計により、従来の GTAW トーチチップよりも少しかさばるため、一部のジョイントにアクセスするのが困難になる可能性があります。

アライアンスの販売およびマーケティング担当ディレクターのトニー・デマキス氏は、「（ハンドレーザー溶接システムで）溶加材を使って溶接するのも難しい場合があります」と述べた。「過剰な隙間があると、金属が融合する場所がなくなります。そのためには、[FWE] が現在のプロセスとシステムを調整してそれを達成する必要があったでしょう。」 (もちろん、ハンドレーザー溶接は今でもさまざまな用途に応用可能であり、それが日本とヨーロッパの両方で成功している理由の1つであると彼は付け加えました。)

最終的に、FWE チームは、主に金型ビジネス向けに販売されているジョイスティック操作のシステムである、Alliance の ID-1 ファイバーレーザーを採用することを決定しました。Alliance が金型のメンテナンスおよび修理工場として立ち上げられた (そして現在も) ことを考えれば、当然のことです。アライアンスは、金型修理用の独自システムを構築することでレーザービジネスに参入し、最終的にはそれらのシステムを他社に販売し始めました。

レーザーヘッドは、単一の台座に取り付けられた小型のガントリーに取り付けられており、ヘッドに 6 フィートの垂直移動を与えます。「ヘッドは斜めに横に移動できるので、コーナーやカーブを乗り越えることができ、安定したペースでヘッドを動かし続けることができます」とFWEの継続的改善マネージャー、デレク・コディントン氏は語った。

「共同アクセスに関して言えば、システムに必要なのは良好な見通し線だけです」とデマキス氏は述べた。「一般的に言えば、手動溶接ではアクセスできないキャビティ内の内部接合部がある可能性があります。しかし、見通しが良ければ、レーザー溶接できる可能性が十分にあります。」重要なのは、焦点レンズによって決まる正しいスタンドオフ距離を選択し、溶接に必要な場所に焦点スポットを配置することです。

テスト中、FWE のシステムは、最近剥がした保護フィルムの残留物によってもきれいな溶接を行っているように見えましたが、残留物からは若干の煙が発生しました (現在は局所真空システムで除去されています)。

コーナー接合部の完全な自己レーザー溶接には、研削や研磨は必要ありません。 Photo by Micah Beard、Food Warming Equipment Co. Inc.

アライアンスの副社長であるダグ・ニゲマン氏は、粘着性の残留物は問題を引き起こすことはないが、コーティングは問題を引き起こす可能性があると付け加えた。亜鉛メッキ金属、陽極酸化処理された材料、またはその他のコーティングが施されたものをレーザー溶接すると、ガスの発生と気孔が発生します。 FWE はそのような素材を使用していないため、それは要因ではありません。

「しかし、過去に[アライアンス]は、コーティングされた材料が溶接できない用途に取り組んできました。たとえば、ある用途では、非常に厚いコーティングが施されたアルミニウムが使用されていました。2つの部品を一緒に溶接すると、割れてしまいます。」」

彫刻システムはレーザー洗浄システムのように機能し、溶接が必要な領域のコーティングを除去しました。これにより、同社は部品を溶接することができました。

FWE でレーザーシステムを操作するために、溶接機はレーザーヘッドとオペレーターのレーザー安全保護メガネとして機能する 10 倍実体顕微鏡の下にワークピースを配置します。 (セル内の近くの観察者は、クラス 4 レーザーに適した安全メガネを着用する必要があります。) 次に、ノズルをアルゴンシールドの位置に配置します。

アダムス氏は、「我々はアルゴンを直接流しているが、実際にはシールドなしで溶接できることがわかった。唯一の違いは、溶接がそれほどきれいではないことだ。少し研磨が必要だ。しかし、部品を溶接してシールドを使用すると、」そしてその利点こそが、FWEがそもそもレーザー溶接に投資した大きな理由である、とアダムス氏は語った。

同社は、数あるパラメーターの中でも特にパルス周波数 (1 秒あたり 0 ～ 50 パルスの範囲) を定義するプログラムを保存しています。「1秒あたり10パルスという基本的な設定がある」とアダムス氏は述べ、これは標準の温度設定と合わせて、特定の透過レベルとともにベースラインとして機能すると付け加えた。オペレーターは、溶接の形状と溶接の移動速度に応じてこれらを調整できます。より速い移動にはより多くのパルスが必要であり、より遅い移動にはより少ないパルスが必要です。

コディントン氏は、これによってトレーニングが大幅に短縮されたこともあり、ほとんどの場合、トレーニングには数時間しかかからないと付け加えた。一般に、溶接工はタングステントーチよりもはるかに早くレーザービームの扱いに習熟できると同氏は述べた。「同時に、十分な柔軟性も備えているため、さまざまな部品をその上で実行できます。また、ロボットシステムを使用する場合のようにプログラミングに依存する必要もありません。」

Alliance の Demakis 氏は、1 つの警告を追加しました。「もちろん、複雑な形状を溶接する場合は、他の溶接プロセスと同様に芸術作品になります。しかし、単純な形状を溶接するだけであれば、1 ～ 2 日で溶接できるようになります。」

FWE でのほとんどのレーザー溶接は、突合せまたはすみ肉コーナー接合部で行われます。また、作業の約 90% で、オペレータはフィラーメタルを使用せずにレーザー溶接を行っています。これは、上流プロセス、特に同社の最新のプレスブレーキと工具によって作成される一貫したギャップのおかげで達成されました。この機械では、溶接工が「パルス幅」を調整することもできます。パルスの幅が広いと、基本的にレーザー焦点にぐらつきが生じます。これは、ギャップの変動やその他のジョイント形状の課題や不一致を補償するのに役立ちます。

溶接監督者のマイク・アダムスは、コーナー接合部の自己レーザー溶接を実行します。 Photo by Micah Beard、Food Warming Equipment Co. Inc.

「レーザー溶接機を使用して、接合部の隙間を完全になくす必要がありました」とアダムス氏は言います。「目の細かい櫛を使って溶接しています。顕微鏡を覗いてみると、髪の毛ほどの大きさに見えないものが非常に重要です。」

自生レーザー溶接の一般的なギャップ許容差は、±1/32 インチです。とはいえ、場合によっては、相手部品間のギャップがより大きくなったり、接合部の形状自体の性質が自生溶接に適さない場合もあります。

「時には、描画するのに十分なベース材料がないこともあります」とアダムズ氏は述べ、そのような場合には、ベース材料が単に本来のとおりに一緒に流れないだけであると説明した。

このような場合、オペレータは非常に細い、ほとんど髪の毛のようなフィラーロッドを使用します。 GTAW とは異なり、レーザー溶接機はロッドを溶接池に浸しません。実際、レーザーでは溶融池の生成が根本的に異なります。そのため、レーザー加工の熱影響部は非常に狭いのです。代わりに、溶接工はフィラーメタルを安定して保持し、接合部全体に送り込みます。レーザービームからの極度に集中したエネルギーがプールを維持します。フィラーは溶接ギャップ全体の完全な融合を保証するだけです。

GTAW を使用すると、溶接工は一貫した溶接池を維持するように作業します。 GTAW とフィラーロッドを使用する場合は、ロッドを水たまりに浸して安定性を保ち、溶けたベースメタルが均一に流れるようにして、特徴的なダイムの積み重ねの外観を作成します。

「TIGでは、重力によって溶融金属が水たまりに流れ込むのを助けます」とアダムス氏は言う。「しかし、レーザーを使用すると、[関節]を横切って金属を押し出すことになり、重力に逆らうことになります。」

FWE は、一部の頑丈な食品向けに、10 または 12 ゲージなどのより厚い板金を処理できる、より高出力 (平均電流 600 W など) の別のレーザー溶接システムを社内に導入する可能性を検討しています。刑務所で使用するために設計されたウォーミングカート製品。

「600ワット（ジョイスティック制御の）システムに移行する場合は、冷却装置が必要になります」とニゲマン氏は言う。「ただし、少なくとも 1/8 インチの材料であればシーム溶接できます。」

FWE は、オフラインプログラミング、シミュレーション、その他溶接部門の柔軟性を維持または向上できるものを含む、あらゆる形式の溶接自動化を検討し続けています。

とはいえ、自動化によって柔軟性が犠牲になることはありません。食品保温カート全体を瞬時に溶接できるシステムは、観察するのは楽しいかもしれませんが、注文に応じてすべてを生産する本質的にジョブショップのように機能する OEM である FWE にとってはほとんど役に立ちません。

溶接工が 10 倍の実体顕微鏡を覗くと、小さなスケールで、きれいな「硬貨の積み重ね」の外観を含む、レーザー溶接の鮮明なビューが表示されます。 Photo by Micah Beard、Food Warming Equipment Co. Inc.

管理者は、会社の現在の体制を、手作業による操作と本格的な自動化の間の適切な媒体であると考えています。溶接速度は驚くべきものではありませんが、FWE が全体像と、溶接、研削、研磨の合計サイクル時間を考慮した場合、レーザー溶接プロセスを採用することは理にかなっています。

写真提供：Micah Beard、Food Warming Equipment Co. Inc.

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