溶接ビードのほぼリアルタイムの計測を取得し、有限要素解析用に結果の形状を自動的に準備するプロセスについて説明します。
方法論記事
溶接ビードのほぼリアルタイムの計測を取得し、有限要素解析用に結果の形状を自動的に準備するプロセスについて説明します。
高価値製造のための溶融溶接では、コンポーネントの歪みに対する厳格なプロセス制御と、完成したコンポーネントに付与される残留応力のレベルを確認する必要があります。このプロセスは無数のパラメータの制御に依存しており、主に母材と消耗品の適切な融合を確保することに重点が置かれています。プロセス中に与えられる高い熱勾配は、チェックしないままにしておくと重大な歪みを引き起こし、コンポーネントが完全に拘束されている場合は高レベルの残留応力を引き起こす可能性があります。有限要素解析は、歪みを予測するために溶融溶接プロセスで一般的に適用されます。ただし、これらのモデルは、プロセスの開始前に定義された理想化された形状または単純化された形状をほぼ独占的に使用しており、最終的なコンポーネントを代表していない可能性があります。レーザースキャンシステムを使用して、固有の座標系内の単一の溶接ビード堆積の真の形状をキャプチャし、このキャプチャされた形状を有限要素解析にすぐに組み込むことができる形式に変換するためのプロトコルが説明されています。これにより、有限要素モデルに、限られたユーザー入力で真の堆積を表すジオメトリを迅速に入力できます。
溶融溶接は、母材と溶加材の局所的な溶融による金属部品の永久接合に使用されます。これらのフィラー材料は、ワイヤーまたはロッドの形をしています。この融解に影響を与える熱源は1異なりますが、いずれの場合も、親体とフィラーの両方が高温と勾配にさらされます。これらの熱変動により、溶接プロセス中と冷却中の両方で、重大な歪み、材料特性の変化が生じ、コンポーネント内に残留応力が発生する可能性があります。これらの副作用は、高価値コンポーネントの寿命や実行可能性に非常に悪影響を与える可能性があるため、溶接プロセスは、熱履歴、歪み、残留応力を決定するために有限要素 (FE) 法によってモデル化されることがよくあります2。このようなモデルでは、通常、溶接の開始位置と停止位置を含む完全な 3D 堆積に基づく形状を使用するのではなく、溶接と母材の単純化または理想化された形状が使用されます。再現性のあるマルチパス溶接は、溶接トーチがロボットアームによって操作される自動化システムを使用して実現できます。自動アーク溶接に使用される一部の装置は、指向性エネルギー蒸着アーク (DED-Arc) またはワイヤ アーク積層造形3 (WAAM) として知られる直接エネルギー蒸着積層造形にも使用できることに注意してください。通常、4 の結合と同じ予測モデリング アプローチが WAAM にも採用されます。
WAAMは、堆積した材料を何層も選択的に組み合わせることで、ニアネット形状の3Dコンポーネントを製造できます。WAAMは、壁やその他の幾何学的形状5、パイプ6、ならびにタービンブレード7などのより複雑なトポロジーを持つコンポーネントを作成するために過去に使用されてきました。接合に比べて熱サイクル数が増え、堆積材料が増加するため、このようなWAAMコンポーネントの歪みが大きくなる可能性があります。そのため、このプロセスを反映して実装されたFEモデルは、理想化された、または推定されるプリント形状によって精度が損なわれる可能性があります。基板の歪みは、機械的拘束を強化することにより、蒸着中に制限することができます。ただし、これにより最終コンポーネントの残留応力のレベルも増加し、これも望ましくありません。
従来、溶接後の形状検査は、検査ツール8を使用して手動で行うか、堆積物と基板を断面化して、堆積材料、母材の溶融領域、および熱影響部9を含む溶接部のプロファイルを明らかにすることによって行うことができます。手動の幾何学的検査ツールは、堆積の範囲に関する情報を提供するのに適していますが、オペレーターは自動ルーチンを中断して測定を実行し、得られたデータを転写する必要があります。同様に、断面は溶接を非常に正確に表現しますが、破壊的であり、製造場所の外部で実行する必要がある複数の準備ステップが必要です。どちらのアプローチも、測定された特定の位置のビードプロファイルに関する情報のみを提供し、断面では単一のプロファイルである可能性があります。対照的に、レーザー スキャナーには、溶接セルからサンプルを取り出すことなく溶接プロファイルを迅速に評価できるという利点があり、堆積物全体を高解像度でキャプチャできる可能性があります。レーザーシステムによる溶接中の実際のビード形状のモニタリングは、金属成形12で一般的に採用されているのとほぼ同じ方法で採用されています10,11。レーザーシステムは、WAAM形状10をキャプチャするためにも使用されています。ただし、このデータを処理して FE 解析を含めたり、FE 解析と比較したりするために実行された具体的な手順は十分に説明されていません。本研究では、自動レーザースキャナーを使用して、蒸着パス間の溶接形状の変化を監視し、記録された形状を統合して有限要素解析(FEA)を更新するための新しいプロトコルを提示します。溶接ビードをその場で自動的にキャプチャし、ユーザー入力を制限して溶接ビードをFE入力形状に変換する機能は、インテリジェント製造への一歩です。
本研究で採用されている形状キャプチャは、溶接部のフルスキャンであり、スキャナーが堆積を制御するロボットアームとは区別され、分離された6自由度のロボットアームと統合されることによって促進されます。これは、ハンドヘルド手段13によって、固定されているがサンプルステージ10,11の範囲によって制限される、またはレーザースキャナが溶接トーチ8と同じロボットアームに取り付けられている場合のいずれかによって、特定の位置で形状をプローブするように設計されたレーザースキャンシステムの以前の実装からの逸脱である.現在のアプローチでは、セル内の堆積位置に関係なく、溶接セルの座標系で、カスタマイズされた治具や複雑なアルゴリズムを必要とせずに、ビードの完全な形状をキャプチャできます。
キャプチャされた形状を使用して、蒸着中の温度履歴などの重要な要因を予測できます。適切な熱電対データと組み合わせることで、歪みや残留応力もシミュレーションでき、これは本研究に隣接しています。これにより、実際の溶接の迅速なプロセスモデリングが可能になり、製造が改善される可能性があります。ジオメトリキャプチャの自動化された性質により、溶接パラメータを結果のジオメトリにリンクする手段が提供されます。これは、改善されたプロセス制御と経路計画の開発に使用できます。現在の手動溶接は、出力を制御するオペレーターのスキルに依存しています。ロボット溶接により一貫性は高まりますが、その場で意思決定を行う機会は制限されます。パス間のビードプロファイルをキャプチャすることで、必要に応じて次のビードパスのプログラミングを変更でき、プロセスモデリングと組み合わせることで、生産速度、材料特性、部品寿命が向上する可能性があります。本プロトコルは、開発されたワークフローを実証するために、単一のビーズオンプレートの例例によって例示される。
溶接セルと使用する装置のセットアップ
対象の溶接セルは、溶接 (溶接ロボットと呼ばれる) とレーザー スキャン (スキャン ロボットと呼ばれる) を実行するために必要なアタッチメントを備えたロボット アームで構成されます。サブジェクト・セルを図1に示します。 これらのロボットは、ロボットに必要な命令を与える関数型プログラミング言語であるKUKA Robot Language(KRL)14を理解するプログラミングインターフェースを介して制御でき、ロボットはそれを関節やモーターの動きとして解釈します。溶接システムはコールドメタルトランスファー(CMT)モードで動作し、電子ポイントファインディングの一種であるTouchSenseが装備されています。使用された消耗品は、アルゴン/二酸化炭素ガス混合物(80/20%)の存在下で、直径1.2mmのG3Si-120n鋼線でした。採用された基板は、クランプで固定されたG43軟鋼板でした。課せられた堆積は、表1に示すパラメータを持つビーズオンプレートでした。この溶接パラメータの組み合わせは、産業的に代表的な堆積を作成することが知られているため、選択されました。採用されたレーザースキャナは、2048点のラインを同時にスキャンすることができ、100Hzの周波数でデータを取得するために使用されました。さらに、座標測定機(CMM)を使用して、校正コンポーネントの寸法を提供しました。
レーザースキャナーから得られた計測データには校正が必要です。このキャリブレーションの必要性は、スキャンが重複する広い領域をキャプチャするためにスキャナーを移動する必要がある場合にさらに重要です。レーザースキャナーが基板に対して歪んでいたり、動きが滑らかでなかったりすると、 図2に示すように、結果として得られる形状に歪みが生じます。さらに、スキャナーはセンサーに戻る光の情報のみを記録します。したがって、溶融池が凝固するにつれて反射率が高く、不均一な曲面を生成する溶接では、空間情報の多くが失われる可能性があるのが一般的です。したがって、記録される形状が真のビード形状を表す可能性を高めるには、ある程度の曲線フィッティングが必要です。最も単純なケースでは、単一の溶接ビード形状は、放物線15によって十分に近似できます。このアプローチは、Huらによってレーザースキャンタイプのシステムを使用して、ビードのオーバーラップを計算しています13。次のプロトコルでは、このフィッティング手法を単一のビーズ例ケースに採用して、選択したFEパッケージ内にデジタル表現を作成します。
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両方のロボットが起動し、ブレーキテストなどの位置コンプライアンスを確認するためのセットアップ診断を受け、ホームに収められていると想定されます。
1. キャリブレーションを実行する
注意: レーザースキャナーを使用する前に、レーザースキャナーが認識する距離が実際の距離を表していることを確認するために調整する必要があります。これはデフォルトでは当てはまらない可能性があり、スキャナーがプレートに対して斜めになっている場合、これにより距離に三角関数的な変化が生じます(図2)。
2. ビルドプレートの位置を見つけます
3. 証言録取を行う
4. ビードをスキャンし、FE形状を生成
注:ビード形状をスキャンし、スキャンデータを使用してFEA用に固化およびメッシュ化できる3D点群を作成するワークフローの概要については、 図10 を参照してください。次の手順では、ワークフローの各部分がどのように実行されるかについて説明します。
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各座標系におけるキャリブレーション成分の計算された半径と基準球間の距離を 表 2 に示します。各基準球位置のCMMと電子ポイント検出の間の誤差は小さく、0.1mm未満です。これらの技術はどちらも、基準球とスタイラスの間の物理的接触に依存しています。球体を特定するときにレーザースキャナーによって誘発される誤差は、それに比べてやや大きく、1〜2 mmで支配的です。基準球の位置に対する変換行列の適用を 図14に示します。 図15 は、キャプチャ方法の終点であるFEAパッケージにインポートされたメッシュ化されたフルビーズを示しています。

図1
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キャプチャ品質
レーザースキャンシステムの寸法精度と精度は、 表2の基準球の位置と半径によって調査されました。各システムの精度は、溶接ロボットの座標系に変換されたときのCMMデータと比較して、ロボットシステム(レーザースキャナーと電気エッジファインディング)によって測定された基準球の位置差によって決定されます。CMM は高精度と精度の両方を備えていることが知られており、基礎となる機械の精度に起因する不確かさは ±6 μm です。
レーザースキャナーの場合、この平均差は1.6mm±0.3mmです。5つの基準球が存在しますが、キャリブレーションを実行するための理論上の最小値は3つです。5つの基準球のうち、最も信頼性の高い3つの球は、キャリブレーションコンポーネントの合計サイズと比較した場合、実質的に誤差が1%未満です。レーザースキャナを使用して、蒸着と基板または母材の両方を識別できるため、このオフセットは両方に適用されるため、有限要素パッケージの...
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著者には宣言すべき利益相反はありません。
この作業は、核融合産業プログラムを通じて英国原子力庁からも支援されました。核融合産業プログラムは、英国の核融合エコシステムの成長を刺激し、将来の世界の核融合発電所市場に備えています。フュージョン産業プログラムの詳細については、オンラインでご覧いただけます:https://ccfe.ukaea.uk/programmes/fusion-industry-programme/。さらに、すべての著者は、EPSRC助成金EP/R00661X/1、EP/S019367/1、EP/P025021/1、EP/P025498/1によって資金提供されたヘンリー・ロイス先端材料研究所が主催する施設へのアクセスに感謝します。MJRは、ここに含まれるソフトウェア要素の機能を確認するための努力をしてくれたStephen Pryce氏に感謝したいと思います。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 直径3mmのルビーCMMスタイラス | レニショー | 三次元測定機で使用するスタイラス(A-5004-0422) | |
| 80%アルゴン20%CO2ガス | BOCの | シールドガス用混合ガス(アルゴシールド) | |
| クリスタアペックス 776 | ミツトヨ | 座標測定機、引用精度 10 & マイクロ;m | |
| FK 1000 MIG 1.2 mm 溶接ワイヤ | イアブコ | 溶接ワイヤ消耗品 | |
| フリーCAD 1.0 | フリーCAD | 点群からジオメトリを調査し、stl、step、およびFEファイルを作成するためのソフトウェア。使用バージョン1.0 | |
| Fronius CMT 4000 GMAW溶接機 | フロニウス | 溶接トーチ | |
| G43軟鋼板 50cm×50cm×2.5cm | スミスメタル | ビルドプレートとして使用される基板金属 | |
| ジオパック/MCOSMOS | ミツトヨ | CMMを制御するためのソフトウェア。使用バージョン 4.0 | |
| クカ KR20 | クカ | 走査ロボットとして使用されるロボットアーム | |
| クカ KR70 | クカ | 溶接ロボットとして使用されるロボットアーム | |
| LAZ3RUS | マンチェスター大学 | ユニバーサルシーンでのLAZerベースの3Dレンダリング:レーザースキャン用のFEジオメトリを作成します。使用バージョン1.0 | |
| マイクロイプシロンLLT3010-100 | マイクロイプシロン | レーザースキャナー、引用精度9µm | |
| ミツトヨ 30 mm 寸法校正球 | ミツトヨ | 溶融シリカCMM校正球 | |
| ScanCONTROL3000_100 | マイクロイプシロン | レーザースキャナーからの情報をキャプチャして処理するためのソフトウェア | |
| タッチセンス | フロニウス | ロボット化溶接実施における電子エッジ/フィーチャー検出システム |
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