(57)【要約】  加工機械（１０）は、環状レーザビームを照射するレーザ照射装置（２１）と、環状レーザビームの内側からワイヤーを送るワイヤー送り装置（３１）と、制御装置とを備える。ＷＩＰ＝Ｐｗｐ／Ｐ（Ｐｗｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー、Ｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）の式により表されるワーク照射比率パラメータ（ＷＩＰ）を規定した場合に、制御装置は、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、ワイヤー送り装置（３１）を制御する。制御装置は、付加加工の開始時に、ＷＩＰに基づいてレーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射するように、レーザ照射装置（２１）を制御する。
2020202342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加加工を行なう加工機械であって、
ワークに対して環状レーザビームを照射するレーザ照射装置と、
前記レーザ照射装置より照射される環状レーザビームの内側からワークに向けてワイヤーを送るワイヤー送り装置と、
前記加工機械を制御するための制御装置とを備え、
下記の式により表されるワーク照射比率パラメータ（ＷＩＰ：Workpiece  irradiation  proportion  parameter）を規定した場合に、
ＷＩＰ＝Ｐｗｐ／Ｐ
（Ｐｗｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
（Ｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
前記制御装置は、付加加工の開始時に、
ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、前記ワイヤー送り装置を制御し、
前記ＷＩＰに基づいてレーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射するように、前記レーザ照射装置を制御する、加工機械。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記ＷＩＰと、設定されるべきレーザビームの初期パワーＰ０との関係に関するデータを記憶する記憶部と、
付加加工の開始時における前記ＷＩＰを前記記憶部に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する制御部と、
前記レーザ照射装置に対して、前記制御部にて決定されたレーザビームの初期パワーＰ０を通信する通信部とを有する、請求項１に記載の加工機械。
【請求項３】
ワーク表面を観察する赤外線カメラをさらに備え、
前記制御部は、前記赤外線カメラで得られた赤外線イメージの画素値から、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワーを概算することによって、前記ＷＩＰを特定する、請求項２に記載の加工機械。
【請求項４】
前記制御装置は、
初期パワーＰ０でのレーザビームの照射を一定時間続けた後、レーザビームのパワーが、初期パワーＰ０よりも大きいパワーＰＳまで増大するように、前記レーザ照射装置を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の加工機械。
【請求項５】
前記制御装置は、
レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からの増大を開始すると同時に、ワークに向けたワイヤーの送りを開始するように、前記ワイヤー送り装置を制御する、請求項４に記載の加工機械。
【請求項６】
前記レーザ照射装置およびワークを相互に移動させる移動機構部をさらに備え、
前記制御装置は、
レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からパワーＰＳまで増大する間に、前記レーザ照射装置およびワークが相互の移動を開始するように、前記移動機構部を制御する、請求項４または５に記載の加工機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加工機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特開２００２−５９２８６号公報（特許文献１）には、ワイヤーを被溶接部に供給しながらレーザ光を照射してレーザ溶接を行なうレーザ加工装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５９２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ指向性金属堆積（Ｌ−ＤＭＤ：Laser  direct  metal  deposition）は、付加加工（ＡＭ：Additive  manufacturing）のプロセスであり、粉末またはワイヤー状の金属が、ノズルによって、金属表面上にレーザビームにより生成された溶融プール内に向けられる。Ｌ−ＤＭＤプロセスは、３Ｄプリント、コーティングおよび３Ｄ部品の修復を含む種々のＡＭアプリケーションのおいて使用されうる。【０００５】
材料の形態の選択は、アプリケーションに依存し、いくつかの特定の利点および欠点を導入する。粉末を使用することの主な利点は、高いプロセスの安定性および堅固性（Robustness）であり、合金および傾斜材料部品（Graded  material  parts）を作り出すために、幅広い材料の選択、および、いくつかの材料粉末を混合する能力である。他方、粉末と比べてワイヤーの使用は、ワイヤー材料の低価格、高い材料の使用効率および堆積比率、ならびに、扱いの安全性および環境の汚染のような問題がないことを含む利点を提供する。粉末の使用においては、人および機械の双方にとって有害でありうる。加えて、酸化の問題のため、ワイヤー材料は、保管するのが容易であり、ＡｌおよびＴｉ合金のような反応性の材料の堆積に適用される。【０００６】
レーザ指向性ワイヤー堆積（Ｌ−ＤＷＤ：Laser  direct  wire  deposition）を行なうために、最も単純なケースでは、堆積ヘッドが、ワイヤーが、ワーク表面に直交して向けられるレーザビームによって生成された溶融プール内に横向きに送られる手段により使用される。この場合、プロセスの効率および安定性は、横向きの送りの角度によって影響され、生成された溶融プールの前、後ろまたは横からのいずれかであり得る。横向きの送りの主な欠点の１つは、プロセスの非対称性であり、関係する方向の依存性であり、これらは、種々の送り方向を伴うＬ−ＤＷＤヘッドによって部分的に解決されうる。【０００７】
Ｌ−ＤＷＤプロセスの対称性、方向の独立性、および、高いプロセスの安定性を達成するための別のアプローチは、レーザビームに対してワイヤーを軸方向に送ることである。これは、軸方向に送られるワイヤーの周りに位置するいくつかのレーザビーム、または、環状レーザビームによって達成されうる。軸方向におけるワイヤー送りによって達成されるいくつかの利点および改善にもかかわらず、Ｌ−ＤＷＤプロセスの安定性が、特に初期の移行フェイズにおいて、プロセスのパラメータに対して高い感度を示している。【０００８】
そこで本発明の目的は、上記の課題を解決することであり、環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ−ＤＷＤ：Annular  laser  beam  direct  wire  deposition）において、プロセスの高い安定性が実現される加工機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に従った加工機械は、付加加工を行なう加工機械である。加工機械は、ワークに対して環状レーザビームを照射するレーザ照射装置と、レーザ照射装置より照射される環状レーザビームの内側からワークに向けてワイヤーを送るワイヤー送り装置と、加工機械を制御するための制御装置とを備える。下記の式により表されるワーク照射比率パラメータ（ＷＩＰ：Workpiece  irradiation  proportion  parameter）を規定する。【００１０】
ＷＩＰ＝Ｐｗｐ／Ｐ
（Ｐｗｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
（Ｐ：レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合に、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワー）
この場合に、制御装置は、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、ワイヤー送り装置を制御する。制御装置は、付加加工の開始時に、ＷＩＰに基づいてレーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射するように、レーザ照射装置を制御する。【００１１】
このように構成された加工機械によれば、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドをワーク表面に当接させた場合に、ＷＩＰに基づいて決定された初期パワーＰ０でレーザビームをワークに対して照射することによって、ワーク表面およびワイヤーエンドの間に適切な形態の溶融ボンドを形成することができる。また、付加加工の開始時、ワイヤーエンドをワーク表面に当接させることによって、ワークおよびワイヤーがレーザビームにより同時に加熱される。このため、ワーク表面上のメルトプールと、ワーク表面およびワイヤーエンド間の溶融ボンドとを短時間で発生させることができる。したがって、本発明によれば、付加加工の開始時の初期フェイズにおいて、プロセスの安定性を高めることができる。【００１２】
また好ましくは、制御装置は、ＷＩＰと、設定されるべきレーザビームの初期パワーＰ０との関係に関するデータを記憶する記憶部と、付加加工の開始時におけるＷＩＰを記憶部に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する制御部と、レーザ照射装置に対して、制御部にて決定されたレーザビームの初期パワーＰ０を通信する通信部とを有する。【００１３】
このように構成された加工機械によれば、付加加工の開始時におけるＷＩＰの値に応じて、レーザビームの初期パワーＰ０を適切に決定することができる。【００１４】
また好ましくは、加工機械は、ワーク表面を観察する赤外線カメラをさらに備える。制御部は、赤外線カメラで得られた赤外線イメージの画素値から、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワーを概算することによって、ＷＩＰを特定する。【００１５】
このように構成された加工機械によれば、赤外線カメラで得られた赤外線イメージの画素値を利用することによって、付加加工の開始時におけるＷＩＰを簡易に特定することができる。【００１６】
また好ましくは、制御装置は、初期パワーＰ０でのレーザビームの照射を一定時間続けた後、レーザビームのパワーが、初期パワーＰ０よりも大きいパワーＰＳまで増大するように、レーザ照射装置を制御する。【００１７】
また好ましくは、制御装置は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からの増大を開始すると同時に、ワークに向けたワイヤーの送りを開始するように、ワイヤー送り装置を制御する。【００１８】
また好ましくは、加工装置は、レーザ照射装置およびワークを相互に移動させる移動機構部をさらに備える。制御装置は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からパワーＰＳまで増大する間に、レーザ照射装置およびワークが相互の移動を開始するように、移動機構部を制御する。【００１９】
このように構成された加工機械によれば、プロセスを、付加加工の開始時における初期フェイズからワークに対して連続的に付加加工を行なう定常フェイズへと安定的に移行させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上に説明したように、本発明に従えば、ＡＬＢ−ＤＷＤにおいてプロセスの高い安定性が実現される加工機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＡＬＢ−ＤＷＤのセットアップを示す図である。
【図２】ＡＬＢのプロファイルを示す図である。
【図３】ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーなし）を示す図である。
【図４】ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーあり）を示す図である。
【図５】ｈｗｐ＝４．５ｍｍにおけるレーザパルス熱フットプリントＩおよび関係するＩａを示す図である。
【図６】ｈｗｐ＝４．５ｍｍにおけるレーザパルス熱フットプリントＩおよび関係するＩａを示す図である。
【図７】ｈｗｐ＝４．５ｍｍおよびＷＩＰ７９％におけるレーザパルス熱フットプリントＩｗｐおよび関係するＩａ，ｗｐを示す図である。
【図８】ｈｗｐ＝４．５ｍｍおよびＷＩＰ７９％におけるレーザパルス熱フットプリントＩｗｐおよび関係するＩａ，ｗｐを示す図である。
【図９】ワーク表面およびワイヤー間に形成される溶融ボンドを示す図である。
【図１０】ワイヤー衝突を示す図である。
【図１１】ペンダントドロップレットを示す図である。
【図１２】ＡＬＢ−ＤＷＤの初期フェイズの方策Ａを示すグラフである。
【図１３】ＡＬＢ−ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｂを示すグラフである。
【図１４】ＡＬＢ−ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｃを示すグラフである。
【図１５】方策Ａ、方策Ｂおよび方策Ｃにおけるプロセスパラメータおよび特徴的な時間を示す表である。
【図１６】ＷＩＰに対する初期のレーザビームパワーＰ０の依存を示すグラフである。
【図１７】処理時間ｔｓおよび関係するメルトプール温度Ｔｍｐ,ｓを示すグラフである。
【図１８】ワイヤー送り速度ｖｗ＝１０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。
【図１９】ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。
【図２０】Ｐｓ＝１．１ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。
【図２１】Ｐｓ＝１．８ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。
【図２２】実施の形態における加工機械の構成を示すブロック図である。
【図２３】レーザビームの初期パワーＰ０を特定するためのステップを示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２３】
［環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ−ＤＷＤ）の初期移行フェイズおよび安定性に関する検討］
（環状レーザビームワイヤー堆積のセットアップおよびＷＩＰ）
図１は、ＡＬＢ−ＤＷＤのセットアップを示す図である。ＡＬＢ−ＤＷＤのためのセットアップが、図１に概略的に示される。それは、ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０と、ワイヤー送り装置３１と、ワーク移動ステージ５１と、プロセスモニタリングシステム４１と、連続的な、２．５ｋＷの、１０８０ｎｍの波長のファイバーレーザ源（不図示）とから構成されている。
【００２４】
ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０において、平行とされたレーザビームが、ビーム形成ユニット２２においてＡＬＢに変形される。ＡＬＢは、２つの反射ミラー２３，２４によって、ワイヤーガイドチューブ２７の軸と同軸にガイドされ、フォーカスする光学部品２５によって、ワーク表面にフォーカスされる。金属製のワイヤーは、ワイヤーストレートナー３３、ワイヤーフィーダー３４およびワイヤーガイドチューブ２７からなるワイヤー送り装置３１を用いて、環状レーザビームの中心に軸方向に送られる。
【００２５】
共軸のガスノズル２６は、メルトプール内、および、ワーク移動ステージ（水平移動ステージ）５１上にクランプされたワークの表面上のワイヤー堆積ゾーンの周りに、Ａｒシールドガスを運ぶために用いられる。
【００２６】
ｈｗｐによって表される、ＡＬＢ焦点位置に対するワークスタンドオフ位置（ＷＳＰ：Workpiece  standoff  position）は、レーザ距離センサ４４を用いて決定される。ＤＷＤプロセスの視覚化およびメルトプール温度のモニタリングを行なうため、高速ＣＭＯＳ視覚カメラ４３および２色軸内パイロメータ２８が用いられる。ＩＲカメラ（Infrared  camera）４２は、ＡＬＢプロファイルおよびＷＩＰの特徴付けのために用いられる。
【００２７】
図２は、ＡＬＢのプロファイル（caustic）を示す図である。図３は、ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーなし）を示す図である。図４は、ＷＩＰ測定および初期プロセスフェイズの方策のための初期のワイヤーエンド位置（ワイヤーあり）を示す図である。
【００２８】
図５および図６は、ｈｗｐ＝４．５ｍｍにおけるレーザパルス熱フットプリントＩおよび関係するＩａを示す図である。図７および図８は、ｈｗｐ＝４．５ｍｍおよびＷＩＰ＝７９％におけるレーザパルス熱フットプリントＩｗｐおよび関係するＩａ，ｗｐを示す図である。
【００２９】
図２において、焦点位置の上方において実験的に得られるＡＬＢプロファイルの例が提示されており、これは、ＤＷＤプロセスに適用され、収束（Convergence）θ＝１５°およびくさび角（Wedge  angle）γ＝１．７°である。点線および２点鎖線は、内側１／ｅ２および外側Ｄ４σのレーザビーム強度Ｉｌｂの境界を表している。
【００３０】
境界は、薄いグラファイト層上のレーザパルス熱フットプリント強度から概算され、図３に示されるように、ＡＬＢの焦点にワイヤーが存在しない種々のＷＳＰにおいて、ＩＲカメラによって測定される。ＷＳＰｈｗｐ＝４．５ｍｍで測定されたフットプリント強度Ｉ、および、３６０°に沿って平均された関連するレーザビーム強度のプロファイルＩａ（ｒ）が、図５および図６に示されている。
【００３１】
図４に概略的に示されるように、ワイヤーが存在する場合、線対称で、ワイヤーおよびワーク表面の同時的な照射および加熱が達成されうる。一般的に、ワークおよびワイヤーの照射の割合は、ＡＬＢプロファイル、ＷＳＰ、および、図２においてｈｗｅにより示される初期のワイヤーエンドの位置に依存する。
【００３２】
ｈｗｐ＝４．５ｍｍで、ｈｗｅ＝０．０ｍｍにグラファイトコートされたワイヤーエンドが存在するＷＳＰで測定された、レーザビーム熱フットプリントの強度Ｉｗｐの分布の例、および、３６０°に沿って平均された関連するレーザビーム強度のプロファイルＩａ,ｗｐ（ｒ）が、図７および図８に示されている。ワークおよびワイヤーエンドの同時的なレーザビーム照射によって、より低い強度Ｉｗｐ、および、ワーク表面に入力されるより小さいエネルギーが達成されている。
【００３３】
ワークのレーザビーム照射のパワーおよび関連するエネルギー入力の比率を特徴付けるため、ワーク照射比率パラメータＷＩＰ（Workpiece  irradiation  proportion  parameter）が、下記の（１）式により規定される。
【００３４】
【数１】
2020202342.tif 000003
【００３５】
ここで、ＰｗｐおよびＰは、ＡＬＢ焦点にワイヤーが存在する場合、および、存在しない場合における、ワーク表面上に導入されるレーザビームパワーの比率を表している。ＰｗｐおよびＰは、（１）式の第２タームに規定されるように、Ｉａ,ｗｐ（ｒ）およびＩａ（ｒ）の積分（Integration）によって算出されうる。本ケースにおいては、レーザパルス熱フットプリントの強度ＩｗｐおよびＩの関連するＩＲイメージの画素値を合計することによって概算される。本ケースにおいて、これは、ＷＩＰ＝７９％を与える。規定されたＷＩＰに基づき、ワイヤーエンドの加熱に用いられるレーザパワーＰの比率は、１−ＷＩＰとして規定される。
【００３６】
（初期移行フェイズおよびプロセスの安定性）
図９は、ワーク表面およびワイヤー間に形成される溶融ボンドを示す図である。図１０は、ワイヤー衝突を示す図である。図１１は、ペンダントドロップレットを示す図である。
【００３７】
レーザＤＷＤプロセスは、メルトプールおよび送られるワイヤーエンド間において初期に確立されるボンド（図９）が、全堆積路に沿って持続される限り、安定的であると考えられる。これは、空間および時間における適切なエネルギー入力によって達成されうり、レーザビームパワー、ワイヤー送りおよびワークスキャン速度に依存する時間の正確な時間同期性を要求する。
【００３８】
一般的に、不適切なエネルギー入力によるプロセスの不安定性は、溶融しないワイヤーエンドおよびワーク表面の衝突（図１０）、または、ペンダントドロップレット（図１１）のいずれかを引き起こし、その両方が、既に確立された溶融ボンドの不成功な形成または破壊をもたらす。後者は、特に、ＤＷＤプロセスの初期移行フェイズの間において重要であり、プロセスのさらなる安定性および定常性のために本質的である。
【００３９】
図１２は、ＡＬＢ−ＤＷＤの初期フェイズの方策Ａを示すグラフである。図１３は、ＡＬＢ−ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｂを示すグラフである。図１４は、ＡＬＢ−ＤＷＤの初期フェイズの方策Ｃを示すグラフである。図１５は、方策Ａ、方策Ｂおよび方策Ｃにおけるプロセスパラメータおよび特徴的な時間を示す表である。
【００４０】
続く３つの異なる初期フェイズの方策では、２つの可能性ある初期のワイヤーエンドの位置を考慮している。具体的には、ワーク表面の上方、ｈｗｅ＞０．０ｍｍと、ワーク表面上、ｈｗｅ＝０．０ｍｍとが考慮され、比較されている。実験では、０．６ｍｍ直径のＳＳ３１６ワイヤーと、［ｗ×ｌ×ｈ］＝［２５×６０×１０］ｍｍの寸法のＳＳ３０４ワークとが用いられている。
【００４１】
図１２から図１４では、ＷＩＰ＝９２％で行なわれた、３つの提案された初期フェイズの方策の、プリセットされたレーザビームパワーＰ（ｔ）、ワイヤー送り速度ｖｗ（ｔ）、ワーク送り速度ｖｗｐ（ｔ）、および、測定されたメルトプール温度Ｔｍｐ（ｔ）が示されている。
【００４２】
最初の２つの例は、ｈｗｅ＞０．０ｍｍで、２つの考慮された初期の方策Ａおよび方策Ｂに属している。これらの２つの方策の利点は、メルトプールが、ワイヤーによるレーザビームの遮り、および、パワー低下を招くことなく、生成されうることである。
【００４３】
しかしながら、ワーク表面からの反射されたレーザビームによって、そのあと、直接的なレーザビームによって、むしろワイヤーエンドの照射の制御不能が起こりうる。高すぎる、または、低すぎる初期のレーザビームパワーＰ０において、これは、ワイヤーエンドからのペンダントドロップレットの制御不能な形成、または、ワイヤーエンドおよびワーク表面の衝突のいずれかを起こしうる。
【００４４】
この問題を解決するために、初期のワイヤーエンドの位置は、図３に示されるように、反射されるレーザビーム焦点の位置の上方であるべきである。また、メルトプールおよび溶融ボンドを形成するために、方策Ａによって、図１２に示されるように、より長い期間ｔｍｂの初期におけるより低いレーザビームパワーＰ０が用いられるべきであり、または、方策Ｂによって、図１３に示されるように、より高い初期におけるパワーＰｍのレーザビームが、メルトプール形成の瞬間に対応する時間ｔｍｐにおいてＰ０に減少されるべきである。
【００４５】
時間ｔｍｐにおいて、プリセットされた送り速度ｖｗでのワイヤーの送りと、ワイヤーエンドの予加熱とが、ワイヤーエンドおよびワーク表面間で溶融ボンドが確立されるｔｍｂまでに起こる。溶融ボンド形成の時間ｔｍｂにおいて、また、ワークの送りが、プリセットされた送り速度ｖｗｐで開始され、同時に、レーザビームパワーＰが、Δｔｔの時間内にＰｓまでリニアに増大される。
【００４６】
この点、高い十分なエネルギー入力は、確立された溶融ボンドを維持し、プロセスの定常フェイズへの円滑な移行を保証するように達成される。後者は、メルトプールのプロセスにおいて測定された温度Ｔｍｐの時間の行程から明らかであり、時間ｔｓにおいて、両方のケースでＴｍｐ,ｓ＝１５３０℃付近に落ち着かせている。
【００４７】
プロセスパラメータＰ０、Ｐｍ、Ｐｓ、ｖｗ、ｖｗｐおよび特徴的な時間ｔｍｐ、ｔｍｂおよびΔｔｔの値および関係は、相互に依存しており、送られるワイヤーエンドおよびワーク表面と相互作用するレーザビームによって複雑である。
【００４８】
図１２および図１３に示される考慮された例において、プリセットされたワイヤーの送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓおよびワークの送り速度ｖｗｐ＝５ｍｍ／ｓでは、Ｐ０、Ｐｍ、Ｐｓの値およびｔｍｐ、ｔｍｂ、Δｔｔが、プロセスの視覚化の記録の解析によって実験的に得られ、図１５に与えられる。方策Ｂでは、より高い初期レーザパワーＰｍ＝１．３ｋＷによって、定常フェイズへの移行の特徴的な時間ｔｍｐ、ｔｍｂおよび関連するｔｓがより短い。
【００４９】
ワーク表面の上方にあるワイヤーエンドの初期位置に関連する上記欠点を克服するために、図４に概略的に示されるように、ワイヤーエンドをワーク表面上に置く初期フェイズの方策Ｃが提案されている。このケースでは、溶融ボンドの確立のために必要とされる時間インターバル（０、ｔｍｂ）の間、ワーク表面およびワイヤーエンドの双方が、ＷＩＰ＝９２％によって規定されるプリセット比率において、パワーＰ０のレーザビームによって、同時に加熱される。先の２つの方策に対して、このケースでは、ワークおよびワイヤーが同時に加熱されることによって、メルトプールおよび溶融ボンドが、レーザパワーＰ０が適用される時間ｔｍｂの間、同時に生成される。
【００５０】
図１４に示されるように、初期の溶融ボンドの確立の瞬間ｔｍｂのあと、レーザビームパワーＰ０が、Ｐｓまでリニアに増大され、ワイヤーの送りが、ペンダントドロップレットの形成による溶融ボンドの妨害を防ぐように開始される。さらに、十分に形成された溶融ボンドの形成のための十分なエネルギーを確実にするため、ワークの送りが、レーザビームパワーのリニアな増大の間にわずかに遅れて、開始される。これにより、プロセスの定常フェイズへの移行を確実にする。メルトプール温度Ｔｍｐの時間行程から、定常プロセスフェイズへの著しく早期の移行が、時間ｔｓ＝０．８０ｓにおいて観察されうる。
【００５１】
図１６は、ＷＩＰに対する初期のレーザビームパワーＰ０の依存を示すグラフである。図１７は、処理時間ｔｓおよび関連するメルトプール温度Ｔｍｐ,ｓを示すグラフである。
【００５２】
先の２つの方策に対して、このケースでは、レーザビームパワーＰ０の値が、ＷＩＰのみに依存しており、安定的な定常フェイズでは、レーザビームパワーが、ＷＩＰに加えて、送り速度ｖｗおよびｖｗｐに依存していることが、実験的に観察される。
【００５３】
種々のＰ０およびＰｓにおいて、特徴的な時間ｔｍｂおよびΔｔｔは、一定に維持されており、高いプロセスの堅固性を指し示している。図１６におけるレーザビームパワーＰ０、ならびに、図１７における処理時間ｔｓおよび関連する温度Ｔｍｐ,ｓと、ＷＩＰとの関係が、Ｐｓ＝１．８ｋＷにおいて示されている。より大きいビーム径およびワイヤーエンドへのより低いエネルギー入力によって、増大するＷＩＰとともに、時間ｔｍｂ＝０．３ｓにおいて溶融ボンドを確立するために要求される関連するレーザビームパワーＰ０が、非リニアに増大することが見てとれる。同様に、増大するＷＩＰに伴って、処理時間ｔｓが、０．７２から１．３３ｓまで非リニアに増大し、関連する定常的なメルトプール温度Ｔｍｐ,ｓが、１４９０から１５９０℃のインターバルでリニアに増大する。
【００５４】
（プロセスの安定性のウィンドウ）
図１８は、ワイヤー送り速度ｖｗ＝１０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。図１９は、ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓにおけるプロセスの安定性を示す図である。
【００５５】
ＡＬＢ−ＤＷＤプロセスの安定性解析の続く結果において、方策Ｃ、具体的には、ワイヤーエンドをワーク表面上に置いた初期位置を用いることが提示されており、ＷＩＰおよび定常的なプロセスフェイズのレーザビームパワーＰｓの影響に重点をおいている。この目的のため、ＳＳ３０４ワーク上における、０．６ｍｍ直径のＳＳ３１６ワイヤーの単一層堆積の実験の広大なセットが、異なるワイヤーおよびワーク送り速度で、ＷＩＰ値を４０〜１００％の範囲で変化させながら、行なわれている。特定のＷＩＰにおける実験において、ｔｍｂ＝０．３ｓの間の初期のレーザビームパワーＰ０が、図１６および図１７に示されるグラフに従って選択されている。
【００５６】
図１８および図１９において、Ｐｓ−ＷＩＰ平面におけるＡＬＢ−ＤＷＤプロセスの安定性図は、ワイヤー送りｖｗ＝１０および２０ｍｍ／ｓにおいて示されており、１点鎖線および２点鎖線の内側は、プロセスの安定領域を表している。安定領域内の黒丸および白四角は、ワークの送り速度ｖｗｐ＝５および１０ｍｍ／ｓにおける安定的なプロセスを表している。
【００５７】
ワイヤー送りｖｗ＝１０ｍｍ／ｓにおける安定性図から、安定的なプロセスのために要求される、低い側の安定性境界、および、関連する最小のレーザビームパワーＰｓ,ｍｉｎ（ＷＩＰ）、並びに、高い側の安定性境界、および、関連する最大のレーザビームパワーＰｓ,ｍａｘ（ＷＩＰ）は、ＷＩＰの増大に伴って、非リニアに増加していることが見てとれる。これに関連して、レーザビームパワーの安定性のインターバル（Ｐｓ,ｍｉｍ、Ｐｓ,ｍａｘ）は、適用されるＰｓ,ｍａｘがレーザ源の最大出力パワー２．５ｋＷに達したあとＷＩＰ＝９６％まで、増大する。
【００５８】
安定的な領域に加えて、２つの質的に異なるＤＷＤプロセスの非安定性領域は、観察されうる。より低いＷＩＰおよびレーザビームパワーＰｓ＞Ｐｓ,ｍａｘにおいて、プロセスは、ワイヤーエンドへの過度に高いエネルギー入力によって、非安定的となり、溶融ボンドの破壊およびペンダントドロップレットの形成を引き起こす。
【００５９】
より高いＷＩＰ値およびより低いレーザビームパワーＰｓ＜Ｐｓ,ｍｉｎにおいて、ワイヤーエンドへの低すぎるエネルギー入力によって不安定性が起こり、ワイヤーおよびワークの衝突を引き起こす。さらに、ワーク送り速度のｖｗｐ＝１０ｍｍ／ｓへの増大に伴って、白四角によって示された安定性領域が縮小する。関連する最小の要求されるレーザビームパワーＰｓ,ｍｉｎは、増大し、最大のレーザビームパワーＰｓ,ｍａｘおよび関連する安定性インターバル（Ｐｓ,ｍｉｎ、Ｐｓ,ｍａｘ）の幅は、減少する。
【００６０】
図１９に示されるように、より高いワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓにおいて、安定性図の質的な特性が示される。しかしながら、量的に、プロセス安定性は、より低いＷＩＰにおいてさえ達成されうる。さらに、最小Ｐｓ,ｍｉｎおよび最大Ｐｓ,ｍａｘのレーザビームパワー、ならびに、レーザビームパワーの安定性インターバル（Ｐｓ,ｍｉｎ、Ｐｓ,ｍａｘ）の幅は、増大する。
【００６１】
全て考慮され、観察されたケースにおいて、Ｐｓ,ｍｉｎ（ＷＩＰ）の非リニアな増大は、ＷＩＰの増大に伴って、レーザビームエネルギーのより高い部分が、ワークに導入され、したがって、溶融ボンドの確立のために要求されるワイヤーエンドの溶融を達成するため、より高いレーザビームパワーが要求されるという事実に関連しうる。さらに、ワーク送り速度ｖｗｐの増大に伴って、観察された安定性領域および関連するインターバル（Ｐｓ,ｍｉｎ、Ｐｓ,ｍａｘ）の縮小は、ｖｗｐの増大に伴って、より高いレーザビームパワーＰｓ,ｍｉｎがメルトプールの形成のために要求されるという事実によって説明されうる。
【００６２】
他方、Ｐｓ,ｍａｘにおける観察された減少は、おそらく、生成されたメルトプールから反射されたレーザビームによってワイヤーが追加的に加熱されたことに関連しうり、その結果、より低いＰｓにおけるペンダントドロップレットの形成によるプロセスの非安定性を引き起こす。
【００６３】
図２０は、Ｐｓ＝１．１ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。図２１は、Ｐｓ＝１．８ｋＷにおける、堆積層の断面形状に対するＷＩＰの影響を示す図である。
【００６４】
堆積層の幾何学的な特性および希釈へのＷＩＰの影響を示す目的で、図２０において、ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓ、ワーク送り速度ｖｗｐ＝５ｍｍ／ｓ、レーザビームパワーＰｓ＝１．１ｋＷ、ＷＩＰ＝６６、７４および８７％を用いた層断面部の選択された例が示されている。図２１において、ワイヤー送り速度ｖｗ＝２０ｍｍ／ｓ、ワーク送り速度ｖｗｐ＝５ｍｍ／ｓ、レーザビームパワーＰｓ＝１．８ｋＷ、ＷＩＰ＝７４、９２および１００％を用いた層断面部の選択された例が示されている。
【００６５】
（結果および議論）
プロセスの初期の移行フェイズに注目して、環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ−ＤＷＤ）プロセスの安定性が考慮された。ワーク表面の上方か、表面上かの、初期のワイヤーエンド位置に関する３つの異なる初期フェイズの方策が、調査された。ＳＳ３０４ワーク上への０．６ｍｍ直径のＳＳ３１６ワイヤーの単一層堆積に関連する実験が、メルトプール温度およびプロセスの可視化によって特徴付けられた。
【００６６】
その結果は、一般的に、ＡＬＢ−ＤＷＤプロセスの使用される初期方策にかかわらず、プロセスの安定性のための理由が、ワークおよびワイヤーに入力される不適切なエネルギーであり、その結果、ワイヤーエンドおよびワークの衝突、または、確立された溶融ボンドの破壊およびワイヤーエンドにおけるペンダントドロップレットの形成を引き起こすことを示した。初期のワイヤーエンド位置をワーク表面上とする初期の方策を用いれば、ワーク表面は、ワーク−ワイヤー照射比率（ＷＩＰ）によって規定されるリセットされる比率とともに、ワークおよびワイヤーを同時に加熱させることができる。この方策では、プロセスの安定的な定常フェイズへの最も早いかつ確実な移行が、達成されうる。
【００６７】
さらに、プロセスの安定性および堆積された層の断面解析の結果は、一般的なプロセスパラメータに加えて、ＷＩＰが、プロセスの安定性およびその堅固性、並びに、幾何学的な特性、主に堆積層の希釈に顕著に影響を与えることを示した。
【００６８】
［本実施の形態における加工機械の構成および作用効果の説明］
以下においては、上記の検討の内容に基づいた本実施の形態における加工機械の構成およびその作用効果について説明する。
【００６９】
図２２は、実施の形態における加工機械の構成を示すブロック図である。図１および図２２を参照して、本実施の形態における加工機械１０は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive  manufacturing）加工）が可能な加工機械である。付加加工とは、材料を付着することによってワークに３次元形状を作成する加工法であり、付加加工の前後でワークの質量が増加する。
【００７０】
加工機械１０は、コンピュータによる数値制御によって、ワーク加工のための各種動作が自動化されたＮＣ（Numerically  Control）加工機械である。
【００７１】
加工機械１０は、ワークの付加加工と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive  manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機械であってもよいし、ワークの付加加工のみが可能な加工機械であってもよい。
【００７２】
加工機械１０は、ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０を用いて、環状レーザビーム指向性ワイヤー堆積（ＡＬＢ−ＤＷＤ：Annular  laser  beam  direct  wire  deposition）のプロセスにより、ワークＷＰの付加加工を行なう。
【００７３】
加工機械１０は、レーザ照射装置２１と、ワイヤー送り装置３１とを有する。レーザ照射装置２１は、ワークＷＰに対して環状レーザビームＬを照射する。ワイヤー送り装置３１は、レーザ照射装置２１より照射される環状レーザビームＬの内側からワークＷＰに向けてワイヤーＷを送る。
【００７４】
レーザ照射装置２１は、レーザビーム源（不図示）と、ビーム形成ユニット２２と、反射ミラー２３，２４と、フォーカス用の光学部品２５とを有する。
【００７５】
レーザビーム源は、ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０とは別に設けられている。レーザビーム源は、付加加工に用いられるレーザビームを発振する。レーザビーム源は、後述する制御装置６１からの命令に基づいて、所定パワー（ｋｗ）でレーザビームを発振する。レーザビーム源で発振されたレーザビームは、光ファイバー（不図示）を通って、ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０に導かれる。
【００７６】
ビーム形成ユニット２２には、中心軸１０１に沿った平行光からなるレーザビームが入力される。ビーム形成ユニット２２は、入力されたレーザビームを環状（リング形状）に形成する。ビーム形成ユニット２２は、たとえば、中心軸１０１の軸方向において互いに対向して配置された一対のアキシコンレンズと、一対のアキシコンレンズ間に配置された凸レンズとから構成されている。
【００７７】
ビーム形成ユニット２２から出力されるレーザビームは、環状、言い換えれば、レーザビームの進行方向に直交する平面により切断された場合に、中心軸１０１の軸周りで環状に周回する形状を有する。ビーム形成ユニット２２から出力されるレーザビームは、中心軸１０１を中心とする円形のリング形状を有する。
【００７８】
反射ミラー２３および反射ミラー２４は、挙げた順に、ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０におけるレーザビームの進行方向の上流側から下流側に並んで設けられている。反射ミラー２３は、中心軸１０１の軸上に設けられている。反射ミラー２３は、中心軸１０１に対して４５°傾いて設けられている。反射ミラー２４は、中心軸１０１に平行な中心軸１０２の軸上に設けられている。反射ミラー２４は、中心軸１０２に対して４５°傾いて設けられている。
【００７９】
反射ミラー２３は、ビーム形成ユニット２２から出力される環状レーザビームを反射することによって、反射ミラー２４に向かわさせる。反射ミラー２４は、反射ミラー２３からの環状レーザビームを反射することによって、光学部品２５に向かわせる。反射ミラー２３から光学部品２５に向かう環状レーザビームは、中心軸１０２を中心にしてその軸方向に進行する。
【００８０】
光学部品２５は、少なくとも１つの集光レンズを含む。光学部品２５は、環状レーザビームを集光させつつ、ワークＷＰに向けて出射する。光学部品２５から出射された環状レーザビームＬは、中心軸１０２を中心にしてその軸方向に進行し、ワークＷＰの表面に照射される。
【００８１】
ワイヤー送り装置（Wire  feeding  unit）３１は、スプール３２と、ワイヤーストレートナー３３と、ワイヤーフィーダー（Wire  feeder）３４と、ワイヤーガイドチューブ２７とを有する。
【００８２】
スプール３２は、円筒体からなる。スプール３２には、付加加工の材料となるワイヤーＷが巻回されている。ワイヤーストレートナー３３は、ワイヤーＷを挟んだ両側において直線状に並ぶ複数の回転ローラから構成されている。スプール３２から引き出されたワイヤーＷがワイヤーストレートナー３３を通過することによって、ワイヤーＷの巻きぐせが解消される。
【００８３】
ワイヤーフィーダー３４は、ワイヤーＷの送り方向において、ワイヤーストレートナー３３およびワイヤーガイドチューブ２７の間に設けられている。ワイヤーフィーダー３４は、ワイヤーＷを挟んだ両側に配置される駆動ローラからなる。ワイヤーフィーダー３４は、駆動ローラが回転駆動することにより、ワイヤーＷをワークＷＰに向けて送り出す。ワイヤーフィーダー３４は、後述する制御装置６１からの命令に基づいて、所定の送り速度でワイヤーＷを送り出す。
【００８４】
ワイヤーガイドチューブ２７は、筒形状を有する。ワイヤーガイドチューブ２７は、中心軸１０２の軸上において、直線状に延びている。ワイヤーガイドチューブ２７は、反射ミラー２４と、光学部品２５における各種レンズとを貫通して、ワークＷＰの表面に向けて延びている。ワイヤーＷは、ワイヤーガイドチューブ２７の内部に挿通されることによって、ワイヤーフィーダー３４からワークＷＰに向けて案内されている。
【００８５】
ワイヤーガイドチューブ２７の先端部は、光学部品２５からワークＷＰに照射される環状レーザビームＬの内側に配置されている。
【００８６】
ワイヤーガイドチューブ２７からのワイヤーＷは、光学部品２５からワークＷＰに照射される環状レーザビームＬの内側を通って、ワークＷＰに向かう。ワイヤーガイドチューブ２７からのワイヤーＷは、中心軸１０２の軸上を通って、ワークＷＰに向かう。ワークＷＰに向けたワイヤーＷの送りと、ワークＷＰに向けた環状レーザビームＬの照射とは、共軸関係にある。
【００８７】
加工機械１０は、ガスノズル２６をさらに有する。ガスノズル２６は、光学部品２５からワークＷＰに向けて筒状に延出している。ガスノズル２６は、ワークＷＰに近づくほど直径が小さくなる先細りの円筒形状を有する。ガスノズル２６は、中心軸１０２の軸周りにおいて、ワークＷＰに向けて送られるワイヤーＷと、ワークＷＰに向けて照射される環状レーザビームＬとを取り囲むように設けられている。ガスノズル２６から噴射されるＡｒガス等の不活性ガスＧは、ワークＷＰにおける付加加工の加工点と、外部雰囲気との間を遮断する。
【００８８】
加工機械１０は、ワーク移動ステージ５１を有する。ワーク移動ステージ５１は、レーザ照射装置２１に対してワークＷＰを移動させる移動機構部として設けられている。
【００８９】
ワーク移動ステージ５１は、クランプ５３を有する。クランプ５３は、爪部を有し、係る爪部によりワークＷＰをクランプ可能なように構成されている。ワーク移動ステージ５１は、各種の送り機構、案内機構およびサーボモータ等により、クランプ５３にクランプされたワークＷＰを水平面内でスライド移動させる。ワーク移動ステージ５１は、ワークＷＰを中心軸１０２に直交する平面内でスライド移動させる。
【００９０】
ワーク移動ステージ５１は、後述する制御装置６１からの命令に基づいて、所定の送り速度でワークＷＰを移動させる。
【００９１】
なお、レーザ照射装置２１およびワークＷＰを相互に移動させる移動機構部は、上記構成に限られない。たとえば、レーザ照射装置２１を搭載したＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０をワークＷＰに対して空間移動させる構成であってもよいし、ワーク移動ステージ５１と、ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド２０を空間移動させる構成との組み合わせであってもよい。レーザ照射装置２１およびワークＷＰが相互に移動する方向（本実施の形態では、水平方向）と、レーザ照射装置２１からワークＷＰへの環状レーザビームの照射方向（本実施の形態では、鉛直方向）とは、直交関係である。レーザ照射装置２１およびワークＷＰが相互に移動する方向（本実施の形態では、水平方向）と、ワイヤー送り装置３１からワークＷＰへのワイヤーＷの送り方向（本実施の形態では、鉛直方向）とは、直交関係である。
【００９２】
加工機械１０は、赤外線カメラ４２をさらに有する。赤外線カメラ４２は、ワークＷＰの表面を観察する。赤外線カメラ４２は、ワークＷＰに向けた環状レーザビームの照射に伴いワークＷＰから放射される赤外線を、赤外線イメージとして可視化する。
【００９３】
加工機械１０は、加工機械１０を制御するための制御装置６１をさらに有する。より具体的には、制御装置６１は、レーザ照射装置２１におけるレーザビーム源と、ワイヤー送り装置３１におけるワイヤーフィーダー３４と、赤外線カメラ４２と、ワーク移動ステージ５１とを制御する。
【００９４】
図４、図１４および図２２を参照して、本実施の形態においては、制御装置６１が、方策Ｃに従ってＡＬＢ−ＤＷＤプロセスを実行する。
【００９５】
制御装置６１は、付加加工の開始時に、ワイヤーエンドがワークＷＰの表面に当接するように、ワイヤー送り装置３１を制御する。制御装置６１は、付加加工の開始時に、ワーク照射比率パラメータＷＩＰ（Workpiece  irradiation  proportion  parameter）に基づいて、レーザビームの初期パワーＰ０を決定し、その初期パワーＰ０でレーザビームをワークＷＰに対して照射するように、レーザ照射装置２１を制御する。
【００９６】
制御装置６１は、記憶部７２と、制御部７１と、通信部７３とを有する。記憶部７２は、ＷＩＰと、設定されるべきレーザビームの初期パワーＰ０との関係に関するデータを記憶する。制御部７１は、付加加工の開始時におけるＷＩＰを記憶部７２に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する。通信部７３は、レーザ照射装置２１に対して、制御部７１にて決定されたレーザビームの初期パワーＰ０を通信する。
【００９７】
前述のとおり、付加加工の開始時にワイヤーエンドをワーク表面に当接させた場合、レーザビームパワーＰ０の値が、ＷＩＰのみに依存する。このような知見に基づき、図１６には、記憶部７２に記憶されるデータの一例として、ＷＩＰと、ＡＬＢ−ＤＷＤプロセスの初期フェイズが安定して実行されるレーザビームの初期パワーＰ０の範囲（縦軸方向における１点鎖線と２点鎖線との間のハッチング領域の範囲）との関係が示されている。
【００９８】
図１６を参照して、レーザビームの初期パワーＰ０が１点鎖線よりも上の範囲である場合、ワークに入力されるエネルギーが大きすぎるため、図１１に示されるように、ペンダントドロップレットが形成される。レーザビームの初期パワーＰ０が２点鎖線よりも下の範囲である場合、ワークに入力されるエネルギーが小さすぎるため、図１０に示されるように、ワイヤーエンドおよびワーク表面の衝突が起こる。
【００９９】
レーザビームの初期パワーＰ０が１点鎖線と２点鎖線との間の範囲に設定されることによって、図９に示されるように、ワーク表面およびワイヤーエンド間に適切な形態の溶融ボンドを形成することができる。
【０１００】
ＷＩＰの値が大きい場合は、図２中のｈｗｐの値が大きい場合（レーザビームの焦点位置からワーク表面までが遠い場合）に対応する。ワーク表面におけるレーザビームの照射領域の直径（ビーム径）が大きくなることによって、ワイヤーへのエネルギー入力の割合が低くなり、ワークへのエネルギー入力の割合が高くなる。この場合、付加加工の開始時にワーク表面およびワイヤーエンド間に適切な形態の溶融ボンドを形成するのに際して、より大きいエネルギーでのレーザビームの照射が求められる。
【０１０１】
一方、ＷＩＰの値が小さい場合は、図２中のｈｗｐの値が小さい場合（レーザビームの焦点位置からワーク表面までが近い場合）に対応する。ワーク表面におけるレーザビームの照射領域の直径（ビーム径）が小さくなることによって、ワイヤーへのエネルギー入力の割合が高くなり、ワークへのエネルギー入力の割合が低くなる。この場合、付加加工の開始時にワーク表面およびワイヤーエンド間に適切な形態の溶融ボンドを形成するのに際して、より小さいエネルギーでのレーザビームの照射が求められる。
【０１０２】
図２３は、レーザビームの初期パワーＰ０を特定するためのステップを示すフローチャート図である。
【０１０３】
図２２および図２３を参照して、制御装置６１は、ワイヤーエンドがワーク表面から退避して位置決めされるように、ワイヤー送り装置３１を制御する（Ｓ１０１）。本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない状態が得られる。
【０１０４】
次に、制御装置６１は、環状レーザビームがワークに向けて照射されるように、レーザ照射装置２１を制御する。制御装置６１は、環状レーザビームが照射されたワーク表面を撮影するように、赤外線カメラ４２を制御する（Ｓ１０２）。
【０１０５】
本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない状態でのワーク表面における赤外線イメージが得られる。得られた赤外線イメージのデータは、制御装置６１における通信部７３に送信される。
【０１０６】
次に、制御装置６１は、ワイヤーエンドがワーク表面に当接するように、ワイヤー送り装置３１を制御する（Ｓ１０３）。本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する状態が得られる。
【０１０７】
次に、制御装置６１は、環状レーザビームがワークに向けて照射されるように、レーザ照射装置２１を制御する。制御装置６１は、環状レーザビームが照射されたワーク表面を撮影するように、赤外線カメラ４２を制御する（Ｓ１０４）。
【０１０８】
本ステップにより、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する状態でのワーク表面における赤外線イメージが得られる。得られた赤外線イメージのデータは、制御装置６１における通信部７３に送信される。
【０１０９】
次に、制御装置６１は、ＷＩＰを特定する（Ｓ１０５）。具体的には、制御装置６１は、Ｓ１０２のステップで得られた赤外線イメージの画素値から、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在しない場合にワーク表面上に導入されるレーザビームパワーＰを概算する。制御装置６１は、Ｓ１０４のステップで得られた赤外線イメージの画素値から、レーザビームの照射領域にワイヤーが存在する場合にワーク表面上に導入されるレーザビームパワーＰｗｐを概算する。制御装置６１は、概算されたレーザビームパワーＰおよびレーザビームパワーＰｗｐの値を用いて、ＷＩＰ（＝Ｐｗｐ／Ｐ）を算出する。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、ワーク表面における赤外線イメージの画素値に基づいてＷＩＰの値を特定する場合を説明したが、これに限られず、前述の［ＡＬＢ−ＤＷＤの初期移行フェイズおよび安定性に関する検討］の項目における（１）式を用いて、ＷＩＰの値を理論的に算出してもよい。
【０１１１】
次に、制御装置６１は、前のステップで特定されたＷＩＰの値に基づいて、レーザビームの初期出力Ｐ０を決定する（Ｓ１０６）。本ステップでは、制御装置６１における制御部７１が、前のステップで特定されたＷＩＰを記憶部７２に記憶されたデータに照らし合わせることにより、レーザビームの初期パワーＰ０を決定する。
【０１１２】
次に、制御装置６１は、先のステップで決定されたレーザビームの初期出力Ｐ０にて付加加工を開始するように、レーザ照射装置２１を制御する（Ｓ１０７）。これにより、ワイヤーエンドがワークＷＰの表面に当接した状態で、環状レーザビームが初期パワーＰ０でワークＷＰに対して照射され、付加加工が開始される。
【０１１３】
本実施の形態においては、付加加工の開始時におけるＷＩＰに基づいて、レーザビームの初期出パワーＰ０を決定することによって、ワーク表面およびワイヤーエンドと間に適切な形態の溶融ボンドを形成することができる。また、付加加工の開始時にワイヤーエンドをワーク表面に当接させることによって、ワークおよびワイヤーがレーザビームにより同時に加熱される。このため、ワーク表面上のメルトプールと、ワーク表面およびワイヤーエンド間における溶融ボンドとを短時間で発生させることができる。これらの理由により、付加加工の開始時の初期フェイズにおいて、ＡＬＢ−ＤＷＤプロセスの安定性を高めることができる。
【０１１４】
上記のＳ１０７のステップの後、制御装置６１は、図１４に示される方策Ｃの条件（レーザビームパワー、ワイヤー送り速度およびワーク送り速度）に従ってＡＬＢ−ＤＷＤプロセスが実行されるように、レーザ照射装置２１、ワイヤー送り装置３１およびワーク移動ステージ５１を制御する。
【０１１５】
具体的には、制御装置６１は、初期パワーＰ０でのレーザビームの照射を一定時間続けた後、レーザビームのパワーが、初期パワーＰ０よりも大きいパワーＰＳまで増大するように、レーザ照射装置２１を制御する。制御装置６１は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からの増大を開始すると同時に、ワークに向けたワイヤーの送りを開始するように、ワイヤー送り装置３１を制御する。制御装置６１は、レーザビームのパワーが初期パワーＰ０からパワーＰＳまで増大する間に、ワークが移動を開始するように、ワーク移動ステージ５１を制御する。
【０１１６】
このような構成によれば、ＡＬＢ−ＤＷＤプロセスを、付加加工の開始時における初期フェイズからワークに対して連続的に付加加工を行なう定常フェイズへと安定的に移行させることができる。
【０１１７】
なお、図１４に示されるレーザビームパワー、ワイヤー送り速度およびワーク送り速度の値自体は、一例であり、本発明において特に限定されるものではない。
【０１１８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、付加加工を行なうことが可能な加工機械に適用される。
【符号の説明】
【０１２０】
１０  加工機械、２０  ＡＬＢ−ＤＷＤヘッド、２１  レーザ照射装置、２２  ビーム形成ユニット、２３，２４  反射ミラー、２５  光学部品、２６  ガスノズル、２７  ワイヤーガイドチューブ、２８  ２色軸内パイロメータ、３１  ワイヤー送り装置、３２  スプール、３３  ワイヤーストレートナー、３４  ワイヤーフィーダー、４１  プロセスモニタリングシステム、４２  赤外線カメラ、４３  視覚カメラ、４４  レーザ距離センサ、５１  ワーク移動ステージ、５３  クランプ、６１  制御装置、７１  制御部、７２  記憶部、７３  通信部、１０１，１０２  中心軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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2020202342.tif 000028
2020202342.tif 000029
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