JP2014233760A - 溶接プロセス、溶接システム及び溶接物品 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー溶接単独による凹状溶接根部余盛及び溶接による凸状溶接根部余盛はいずれも流体流を妨害し、乱流を起こし、物品内の流体力学に影響を及ぼす。また、凹状及び凸状の根部余盛は物品の接合部の疲れ寿命を低下させる応力を導入する。【解決手段】溶接プロセスは、静止融接装置４０から第１のビーム４４を発生させ、回転可能な融接装置３０から第２のビーム３２を発生させることを含む。第１のビーム及び第２のビームは物品４１内に溶接部４０１を形成する。溶接システム１０は溶接される物品に向けられた静止融接装置４０及び回転可能な融接装置３０を含み、静止融接装置及び回転可能な融接装置は物品内に単一の溶接部を形成するように配列され配置される。溶接物品は第２の構成要素に溶接された第１の構成要素を含み、この溶接物品はアクセスし難い領域においてハイブリッド静止融接装置のものより根部余盛が低減している。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接プロセス、溶接システム及び溶接物品に関する。より具体的には、本発明はハイブリッド溶接に関する。

溶接は、様々な使用目的で構成要素を一緒に接合するために用いられる絶えず発展している技術である。多くの場合、溶接物品は、溶接部が溶接物品内の流体力学及び疲れ寿命に対してかなりの影響をもつ流体輸送に使用される。物品の内面まで延びる溶接部の大きさと形状によって流体力学に対する溶接部の効果が決まることがある。

ある公知の溶接プロセスはレーザー溶接を使用する。レーザー溶接は、その高いエネルギー密度のためにアーク溶接より深い溶込み溶接部を作ることができる。しかし、レーザービームの小さいスポットサイズは接合部のフィットアップを制限し、接合部のギャップの変動のために望ましくない融解不足が生じ得る。加えて、レーザー溶接は溶接物品の接合部ギャップに根部凹みを形成し得る。根部凹みは追加の入熱を用いて充填材料で充填することができるが、根部凹みは小さいパイプのような様々な物品の場合アクセスが困難なこともある。さらにまた、充填材料は、物品内の流体流を妨害し得る溶接面余盛（weld face reinforcement）を形成する。

アーク溶接及びレーザー溶接の両方を使用する溶接プロセスは物品の内面から突出する凸状溶接部、又は根部余盛を形成し得る。レーザー溶接単独による凹状溶接根部余盛及び溶接による凸状溶接根部余盛はいずれも流体流を妨害し、乱流を起こし、物品内の流体力学に影響を及ぼす。また、凹状及び凸状の根部余盛は物品の接合部の疲れ寿命を低下させる応力を導入する。

上記欠点のない溶接プロセス、溶接システム及び溶接物品が当技術分野で望ましいであろう。

米国特許第５７００９８９号

代表的な実施形態では、溶接プロセスは、静止融接装置から第１の指向性溶接エネルギーを発生させ、回転可能な融接装置から第２の指向性溶接エネルギーを発生させることを含む。第１の指向性溶接エネルギーと第２の指向性溶接エネルギーは物品内に溶接部を形成する。

別の代表的な実施形態では、溶接システムは、静止融接装置及び回転可能な融接装置を含む。静止融接装置と回転可能な融接装置は、溶接される物品内に単一の溶接部を形成するように配列され配置される。

さらに別の代表的な実施形態では、溶接物品は第２の構成要素に溶接された第１の構成要素を含む。回転可能な融接装置の回転により、静止融接装置単独の場合のアクセスし難い根部余盛が低減される。

本発明のその他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を示す添付の図面を参照した好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなる。

図１は、本開示に従う溶接システムの透視図である。 図２は、本開示に従う回転融接装置の分解立体図である。 図３は、本開示に従う方法により溶接される物品の正面図である。 図４は、本開示に従う溶接システムの上面図である。 図５は、本開示に従う溶接プロセスによる溶接部の拡大図である。 図６は、本開示に従う溶接物品の横断面図である。

可能な限り、同じ参照番号は図面を通じて同じ部分を表すのに使用される。

典型的な溶接プロセス、溶接システム及び溶接物品が提供される。本開示の実施形態は、本明細書に開示されている１以上の特徴を利用しない方法及び生成物と比較して、粘稠度を上昇させ、根部余盛要件を低減し、必要とされる再加工を減少させ、又はこれらの組合せを提供する。

図１を参照して、一実施形態では、溶接システム１０及び溶接プロセス１０１は静止アーク溶接装置のような静止融接装置４０及び回転可能なレーザービーム装置のような回転可能な融接装置３０を含む。静止融接装置４０は第１の指向性溶接エネルギー４４を放出し、回転可能な融接装置３０は第２の指向性溶接エネルギー３２を放出して溶接部４０１を形成する。回転可能な融接装置３０のレーザーヘッドと静止融接装置４０のトーチは一緒になって溶接システム１０の溶接ヘッドを形成する。溶接システム１０の溶接ヘッドは溶接方向６６に進んで接可能な材料を接合する。溶接可能な材料には、限定されることはないが、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、銅、銅合金、チタン及び異種金属、ニッケル基合金、又はこれらの組合せがある。

溶接システム１０は静止融接装置４０と回転可能な融接装置３０の適切な組合せである。一実施形態では、回転可能な融接装置３０はレーザー溶接デバイスである。別の実施形態では静止融接装置４０はレーザー溶接デバイス、プラズマビーム溶接デバイス、電気アーク溶接デバイス、ガスタングステンアーク溶接（ＴＩＧ）デバイス、ガスメタルアーク溶接（ＭＩＧ）デバイス、又はこれらの組合せである。

一実施形態では、静止融接装置４０と回転可能な融接装置３０は、物品４１に向かう第１の指向性溶接エネルギー４４及び第２の指向性溶接エネルギー３２を発生させるように配列され配置されている。一実施形態では、物品４１は第１の工作物６２と第２の工作物６４のような少なくとも２つの隣接する工作物を含む。第１の工作物６２及び第２の工作物６４は構成部品、サブコンポーネント、単一の構成部品の一部分、別々の構成部品の一部分及び／又はその他の溶接可能な構成要素である。第１の工作物６２と第２の工作物６４はその間にギャップ５０を有するように配置される。或いは、一実施形態では、ギャップ５０は、例えば亀裂、開口及び／又はその他の限定された特徴として物品４１内にある。一実施形態では、ギャップ５０は部品の組立、細工、取り付け及び／又はその他の物理的プロセスの結果である。

静止融接装置４０は溶接方向６６に沿って回転可能な融接装置３０の跡を追うか又は先導する。回転可能な融接装置３０の回転経路２０２は溶接方向６６に延びる。静止融接装置４０が回転可能な融接装置３０の跡を追う実施形態では、第１の指向性溶接エネルギー４４は、溶接方向６６にかかる力が得られる方向で第１の工作物６２及び／又は第２の工作物６４を貫通する。静止融接装置４０が回転可能な融接装置３０を先導する実施形態では、第１の指向性溶接エネルギー４４は、溶接方向６６と反対にかかる力が得られる方向で第１の工作物６２及び／又は第２の工作物６４を貫通する。

回転可能な融接装置３０、静止融接装置４０及びワイヤ電極７２は、第１の指向性溶接エネルギー４４及び第２の指向性溶接エネルギー３２の相互作用が得られて安定な共通の融解池３０３を作り出し、跳ねかし（splatter）を低減又は排除し及び／又は安定な溶接アーク４２を生成するように適切な配列で配置される。一実施形態では、消耗性ワイヤ電極７２は、ギャップ面８０に隣接して配置され、第１の指向性溶接エネルギー４４と第２の指向性溶接エネルギー３２の相互作用によって充填材料中に形成することにより、例えば第１の工作物６２及び／又は第２の工作物６４内の凹みを充填し、結果として凸状の幾何学的形状又は実質的に平面状の幾何学的形状が得られる。別の実施形態では、消耗性ワイヤ電極７２は溶接プロセス１０１の間溶接池３０３中に供給される。

回転可能な融接装置３０は、第２の指向性溶接エネルギー３２の回転を可能にする回転可能な特徴を含んでいる。例えば、図２を参照して、一実施形態では、回転可能な融接装置３０は、第２の指向性溶接エネルギー３２を発生させて少なくとも２つの部材２０１及びレンズ２０４を通過するように構成されている。レンズ２０４は、焦点距離２０３で、２つの部材２０１及び物品４１間に配置されている。少なくとも２つの部材２０１の回転が、物品４１上の第２の指向性溶接エネルギー３２を回転経路２０２に沿って回転する。本明細書で使用する場合、用語「回転」、「回転する」及びその文法上の変化形は、経路の単一の横断を示す。

一実施形態では、回転可能な融接装置３０はレーザー走査ミラーを含んでいる。レーザー走査ミラーの動きが第２の指向性溶接エネルギー３２を回転させる。レーザー走査ミラーは２つの部材２０１及びレンズ２０４と比べてより速い速さで第２の指向性溶接エネルギー３２を回転させる。第２の指向性溶接エネルギー３２の回転は第２の指向性溶接エネルギー３２によりカバーされる溶接領域を拡大する。溶接領域は、物品４１の第１の指向性溶接エネルギー４４及び第２の指向性溶接エネルギー３２と接触する部分を含む。

回転経路２０２は、共通の融解池３０３内に遠心力を生じさせる任意の適切なパターン又は形状である。回転経路２０２の適切なパターン又は形状は、限定されることはないが、円、三角、卵形、正方形、長方形、台形、複雑な幾何学的形状、又はこれらの任意の組合せであるか又はこれらに類似している。一実施形態では、回転経路２０２は、例えば、溶接プロセス１０１の際に実質的に不変又は一定の回転速度、実質的に不変又は一定の回転幅及び／又は実質的に不変又は一定の回転経路２０２を維持することができる完全に自動化又は少なくとも一部自動化された様式で制御される。一実施形態では、回転速度及び／又は回転幅を含む回転経路２０２は溶接プロセス１０１の際に変化する。別の実施形態では、回転経路２０２は溶接プロセスの間接合部ギャップを変えるように調節される。回転経路２０２は、限定されることはないが溶接プロセス１０１前のプログラミング、溶接プロセス１０１中のプログラミング、適応調整、又はこれらの組合せのような任意の適切な手段によって調節される。

一実施形態では、第２の指向性溶接エネルギー３２は、所定の速度で、例えば、約１０ｒｐｍ〜約６００００ｒｐｍ、約１０ｒｐｍ〜約１００００ｒｐｍ、約１０ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍ、約１０ｒｐｍ〜約１５０ｒｐｍ、約１５ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍ、約５０ｒｐｍ〜約１５０ｒｐｍ、約１００ｒｐｍ〜約２００ｒｐｍ、約５０ｒｐｍ、約１００ｒｐｍ、約２００ｒｐｍ、又はこの中の任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲、若しくは部分範囲の所定の速度で回転する。

一実施形態では、回転経路２０２は、例えば、約０．４ｍｍ〜約３ｍｍ、約０．４ｍｍ〜約２ｍｍ、約０．４〜約０．６ｍｍ、約０．４ｍｍ〜約０．５ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約０．６ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．６ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、又はこの中の任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲、若しくは部分範囲の所定の幅（例えば、直径）を有する。

図３を参照して、一実施形態では、第２の指向性溶接エネルギー３２は物品４１を完全に貫通して、その中にキーホール３０１を形成する。キーホール３０１は、共通の融解池３０３により包囲され、物品４１を貫通して遠い方の表面３０５まで延びる開口である。第２の指向性溶接エネルギー３２は熱を発生させ、材料を融解して、融解池液５０７から共通の融解池３０３を形成する。キーホール３０１は所定の領域に維持されて、共通の融解池３０３がキーホール３０１から流れ出すのを防ぐ。第２の指向性溶接エネルギー３２は適切な量の出力を用いてキーホール３０１を形成する。適切な量の出力とは、限定されることはないが、約１ｋＷ〜２０ｋＷ、約１ｋＷ〜約１５ｋＷ、約５ｋＷ〜約１５ｋＷ、又は任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、若しくは部分範囲などである。

図４を参照して、一実施形態では、第１の指向性溶接エネルギー４４、溶接アーク４２及び第２の指向性溶接エネルギー３２の回転は、溶接プロセス１０１が溶接方向６６に進行するにつれて物品４１内に溶接部４０１を形成する。この溶接部４０１は、溶接プロセス１０１が溶接方向６６に進行するにつれてギャップ５０を満たす。一実施形態では、第１の工作物６２及び／又は第２の工作物６４のギャップ面８０が融解して融解池液５０７（図３）を提供し、これが共通の融解池３０３を形成する。さらに別の実施形態では、消耗性ワイヤ電極７２が融解して、融解池液５０７内の材料の量が増大する。共通の融解池３０３の融解池液５０７内の材料の増大によって、溶接システム１０との関係において、遠い方の表面３０５（図３）上の融解池液５０７の突出部５０５（図５）が上昇する。

再び図３を参照して、一実施形態では、回転経路２０２に沿った第２の指向性溶接エネルギー３２の回転はキーホール３０１を回転させる。キーホール３０１が回転すると、共通の融解池３０３の撹拌が生じ、これが融解池液５０７にかかる遠心力を生成させる。図５を参照して、この遠心力は、物品４１と融解池液５０７との間の接触角５０３を増大させる。回転可能な融接装置３０により生成した遠心力の結果としての接触角５０３の増大は、遠い方の表面３０５からの融解池液５０７の突出部５０５の減少と関係付けられる。融解池液５０７が冷却すると根部余盛５０１の幾何学的形状が形成される。一実施形態では、遠い方の表面３０５上の融解池液５０７が冷却されると、根部余盛５０１の所定の幾何学的形状、例えば、実質的に平面状、平面状、識別できない程の凹状若しくは凸状面、又はこれらの組合せが形成される。加えて、第２の指向性溶接エネルギー３２の回転は溶接部の凹角を増大させて、共通の融解池３０３からのガスの漏出を可能にする。

一実施形態では、図５に示されているような遠い方の表面３０５は、例えば、パイプの内部部分のようにアクセスし難い。アクセスできないことは、パイプの内部部分に形成された根部余盛５０１に対して再加工するのを妨げる。

図６を参照して、一実施形態では、溶接システム１０は、流体の層流のような流れを遮断する乱流の特徴を実質的に欠く又は全くない溶接物品６０１を、第１の工作物６２及び第２の工作物６４から製造することができる。さらに別の実施形態では、溶接物品６０１は、溶接物品６０１上の根部余盛５０１の再加工、機械加工、ピーニング、又は変更することなく形成される。例えば、一実施形態では、根部余盛５０１は、例えば、約０．０７５インチ以下、約０．０７０インチ以下、約０．０６５インチ以下、約０．０００５インチ〜約０．０７５インチ、約０．００５インチ〜約０．０７５インチ、約０．０１インチ〜約０．０７５インチ、又はこれらの中の任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲、若しくは部分範囲の距離５０５内に、遠い方の表面３０５との同一平面を越えて延びる特徴をもたない。加えて、根部余盛５０２の幅は約０．０５０インチ〜約０．２５０インチ、約０．０６０インチ〜約０．２００インチ、約０．０６５インチ〜約０．１８０インチ、又はこれらの任意の組合せ、部分的組合せ、範囲、若しくは部分範囲である。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、またその構成要素に代えて均等物を使用することができる。加えて、個々の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、多くの修正を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施する上で考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、後続の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を包含する。

Claims (20)

1. 第１の指向性溶接エネルギーを静止融接装置から発生させ、
   第２の指向性溶接エネルギーを回転可能な融接装置から発生させる
   ことを含んでおり、第１の指向性溶接エネルギー及び第２の指向性溶接エネルギーが物品内に溶接部を形成する、溶接プロセス。
2. 回転可能な融接装置がレーザーを含む、請求項１記載の溶接プロセス。
3. レーザーの出力が約１ｋＷ〜約２０ｋＷである、請求項２記載の溶接プロセス。
4. 静止融接装置がアーク溶接機を含む、請求項１記載の溶接プロセス。
5. 物品上に消耗性材料を含ませて溶接部を形成することを含む、請求項１記載の溶接プロセス。
6. 回転可能な融接装置を、回転ウェッジ、回転レンズ及び走査ミラーからなる群から選択される方法によって回転させる、請求項１記載の溶接プロセス。
7. 回転可能な融接装置の回転速度が溶接プロセスの際に実質的に一定である、請求項１記載の溶接プロセス。
8. 回転速度が約１０ｒｐｍ〜約６００００ｒｐｍである、請求項７記載の溶接プロセス。
9. 回転可能な融接装置の回転直径が溶接プロセスの際に実質的に一定である、請求項１記載の溶接プロセス。
10. 回転可能な融接装置の回転直径が溶接プロセスの際に接合部ギャップを変化させるために調節される、請求項１記載の溶接プロセス。
11. 回転直径が約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍである、請求項１０記載の溶接プロセス。
12. 回転可能な融接装置の回転が溶接池を形成する、請求項１記載の溶接プロセス。
13. 回転可能な融接装置の回転が溶接池からのガスの漏出を可能にする、請求項１２記載の溶接プロセス。
14. 回転が、溶接池にかかる遠心力を生成する、請求項１２記載の溶接プロセス。
15. 回転可能な融接装置の回転が、溶接根部余盛の形成を低減又は排除する、請求項１記載の溶接プロセス。
16. 請求項１記載のプロセスで形成される物品。
17. 物品が、流れを遮断する乱流の特徴を実質的にもたない、請求項１６記載の物品。
18. 静止融接装置及び
    回転可能な融接装置
    を含み、静止融接装置及び回転可能な融接装置が、溶接される物品内に単一の溶接部を形成するように配列され配置されている、溶接システム。
19. 第２の構成要素に溶接された第１の構成要素
    を含み、回転可能な融接装置の回転が静止融接装置単独の場合よりアクセスし難い根部余盛を低減する、溶接物品。
20. 第１の構成要素の材料及び第２の構成要素の材料が鋼、ステンレス鋼及びニッケル基合金からなる群から選択される、請求項１９記載の溶接物品。