JP2014501177A - カーテン電極及び帯状電極を用いる溶接のための方法及び方法 - Google Patents

Abstract

システム及び溶接方法が提供され、第１の溶接電源が第１の溶接波形をワーク（Ｗ）の溶接のために帯状電極（１０１）に提供し、第２の溶接電源が第２の溶接波形をワーク（Ｗ）の溶接のために少なくとも１つのカーテン電極（１０７、１１３）に提供する。少なくとも１つのカーテン電極（１０７、１１３）は、溶接中、帯状電極（１０１）の側部に隣接して配置される。

Description

本発明に一致する装置、システム、及び方法は、クラッディングを伴う溶接及びカーテン電極に関する。

帯状電極を用いるクラッディングは業界で知られている。一般的に、帯状電極は、それらの大きい幅及び低い溶け込みのために、クラッディングに使用され、大きいクラッディング面積をもたらすが母材との低い混合をもたらす。これは特にエレクトロスラグクラッディングに当てはまる。しかし、溶け込みが最小化されるので、溶け込み又はさらに特に付着物が前の隣接する付着物と混じるクラッド付着物の端部における介在物の不足のリスクがある。これらの介在物が補修を必要とすることが発見され、チェックされないままである場合、これらの介在物は、クラッディング層の早期破壊をもたらし得る。さらに、帯状電極を用いてクラッディングする場合、より大きい面積をより速くクラッディングするために帯状電極の幅を増加させることが望ましい。しかし、より広い帯状電極は、かなり多くの電流を印加することを必要とする。これらの高い電流は、電極の端部に集中するようになる磁界を発生させる。これらの極めて集中した磁界は、溶融池を乱すとともに液体の金属を溶着物の端部から中心に向かって押し付け得る。極端な場合、電磁操向装置が、帯状電極の端部での集中した高い磁界のいくらかの悪影響をキャンセルするように逆回転磁界を導入するために使用される。

本発明の例示的な実施形態は、溶接のための溶接システム及び方法であり、第１の溶接波形をワークの溶接のための帯状電極に提供する第１の溶接電源、及び第２の溶接波形をワークの溶接のための少なくとも１つのカーテン電極に提供する第２の溶接電源を有する。少なくとも１つのカーテン電極は、溶接中、帯状電極の側部に隣接して配置される。本発明のさらなる実施形態、特徴及び特性は、以下の詳細な記載、図面及び特許請求の範囲に与えられる。

本発明の上述の及び／又は他の態様は、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を詳細に記載することによって、より明らかになる。

図１は、本発明の例示的な実施形態での溶接の図式的な表示を示す。 図２Ａは、本発明の例示的な実施形態での溶接の他の図式的な表示を示す。 図２Ｂは、本発明の例示的な実施形態での溶接の他の図式的な表示を示す。 図２Ｃは、本発明の例示的な実施形態での溶接の他の図式的な表示を示す。 図３は、本発明の例示的な実施形態による溶接システムの図式的な表示を示す。

本発明の例示的な実施形態が今、添付の図面を参照して以下に記載される。記載された例示的な実施形態は、発明の理解を助けることを意図し、本発明の範囲を如何なる方法でも限定することを意図するものではない。同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を示す。

図１及び２Ａ−２Ｃは、本発明の例示的な実施形態での溶接の図式的な表示である。本発明の実施形態では、帯状電極１０１が例えば溶接システム１００でのクラッディング作業で用いられる。本発明の例示的な実施形態では、帯状電極は３０から１２０ｍｍ幅の範囲にある。しかし、帯状電極１０１は使用に応じてより広く又はより狭くなり得る。本発明のさらなる例示的な実施形態では、用いられる溶接プロセスは、サブマージドアーク溶接プロセス又はエレクトロスラグ溶接プロセスである。帯状電極１０１は、ストリップフィーダ（図示せず）及び帯状電極１０１を挟むとともに溶接電流を電源から電極１０１に供給する電流供給顎部１０２を介して溶接作業に提供される。図１に示されていないのは、溶接フラックス又は帯状電極を用いて溶接する場合、例えばサブマージドアーク溶接作業でしばしば使用される溶接フラックス供給システムである。これらの溶接プロセス及びフラックス供給システムは当業者に良く知られているので、それらはここでは詳細に議論されない。

図１及び２Ａ−２Ｃのそれぞれに示されるように、帯状電極１０１の両方の狭い側部にはカーテン電極１０７／１１３がある。カーテン電極１０７／１１３は、それぞれの溶接トーチ１０５／１１１に置かれるとともに帯状電極１０１と同時に溶着される。すなわち、溶接中、帯状電極１０１及びカーテン電極１０７／１１３のそれぞれは、同時に溶接されるとともに溶着される。それぞれのカーテン電極１０７／１１３は、（円形断面を有する）典型的なワイヤ型電極であるとともに、溶接中、カーテン電極１０７／１１３からの溶融池が帯状電極１０１の溶融池と接触し、１つの溶融池を作るように、帯状電極１０１の端部からある距離に配置される。すなわち、本発明の実施形態では、溶接／クラッディング作業中、カーテン電極１０７／１１３は、帯状電極１０１と接触しない。この配置は、カーテン電極１０７／１１３によって作り出された溶接ビード１０５／１１５が、帯状電極１０１からの溶接ビード１０３と一体にされ、１つの連続溶接ビードを作り出すことを確実にする。カーテン電極１０７／１１３が帯状電極１０１からあまりに離れて配置される場合、結果として得られる溶融池は分離し、２つの異なる溶接ビードを作り出す。カーテン電極１０７／１１３は帯状電極１０１から電気的に絶縁され、以下にさらに記載される。

本発明の例示的な実施形態では、カーテン電極１０７／１１３は、帯状電極１０１と同じ材料組成を有する。しかし、他の例示的な実施形態では、カーテン電極１０７／１１３の材料組成は帯状電極の組成と異なり得る。例えば、カーテン電極１０７／１１３は、金属粉末及び表面張力を低下させ溶着物がより容易に流れるとともに良好に平らになることを可能にするように設計された湿潤剤から成る組成を有する有心電極であり得る。さらに、フラックスコアード電極が、電極から溶融池への金属の移行の方法を制御する融剤とともに用いられ得る。例えば、フラックスコアードカーテン電極が利用されることができ、そのコア材料は、アークを介して金属移行を促進する一方、帯状電極１０１はエレクトロスラグプロセスの抵抗を介して移行する。さらに、そのコアが発熱反応を引き起こす化学物質を含む有心電極は、カーテンワイヤの下で局所的に熱を増加させることができる。例えば、帯状電極１０１は、従来のエレクトロスラグプロセスを介して溶着され得る一方、カーテン電極のフラックスが反応し、溶着の端部において熱を制御するとともに増加させるさらなる熱を発生させ、したがって、前の隣接するクラッド経路への良好な溶け込み及び溶着を確実にする。したがって、帯状電極１０１のものと異なる性質の特定の化学物質を持つカーテン電極を用いることによって、熱及び溶け込みパターンが、前の隣接するビードへの良好な溶け込みを伴うより幅の広い溶着の所望の結果を生み出すように操作され得る。もちろん、本発明は、上述の例の使用に限定されるものではなく、他の電極及び移行方法が所望の溶接特性を達成するために用いられ得る。

本発明のさらなる実施形態で溶接する場合、帯状電極によって用いられる同じ溶接プロセスはまたカーテン電極によっても用いられる。例えば、サブマージドアーク溶接が帯状電極１０１によって用いられる場合、カーテン電極は同じプロセスを用いる。エレクトロスラグ溶接が用いられる場合も同様である。

図１及び２Ａ−２Ｃに示された実施形態では、少なくとも２つのカーテン電極１０７／１１３が示されている。しかし、他の例示的な実施形態では、１つだけの電極１０７又は１１３が帯状電極１０１の一方の側部のみに用いられ得る。さらに、溶接中、カーテン電極１０７及び１１３の両方又はどちらかが溶接中に必要に応じて止められるとともに再び電源を入れられ得る。

さらに、本発明の他の例示的な実施形態では、帯状電極１０１の両側に１つより多いカーテン電極がある。特に、図２Ｂに示されるように、帯状電極１０１の両側に１つより多いカーテン電極があり得る。この図に示されるように、帯状電極の両側に２つのカーテン電極１０７／１０７Ａ及び１１３／１１３Ａがある。これは、溶融池をさらに広げるのに役立つ。さらに、このような実施形態は、帯状電極１０１によって発生する磁力の一部をさらに打ち消すように、カーテン電極によって発生する磁界をさらに増加させる。このような実施形態は、ワークに過度に浸透することなしにカーテン電極において磁界を増加させる。このワークに過度に浸透することは、１つの過度に大きいカーテン電極を使用することによってもたらされ得る。本発明の実施形態が帯状電極１０１の両側の２つのカーテン電極に限定されるものではないことがさらに留意される。側部毎の２つより多い電極も使用され得る。

カーテン電極１０７／１１３の使用は、溶接プロセス中に作り出される全体の溶接ビードの幅を増加させる。したがって、与えられた帯状電極の幅に対する全体の溶着速度は増加する。さらに、カーテン電極の使用はまた、上述の溶け込みの問題に対処するのに役立つ。特に、カーテン電極１０７／１１３の使用は、帯状電極１０１の端部が適切な溶接を実現するように、ワークに十分溶け込むことを確実にするのに役立つ。さらに、カーテン電極１０７／１１３の使用によって提供される増加した溶け込みは、隣接する溶接ビードへの適切な溶け込みを確実にするのに役立つ。再び、上述のように、既存の帯状電極溶接技術では、（後続のパスにおける）隣接する帯状電極溶接ビードの間に不十分な溶け込みがあり得る。しかし、カーテン電極１０７／１１３を使用することによって、本発明の実施形態は、後続の隣接するパスが、均一な溶接ビードを作るように、十分な端部の溶け込みを有することを確実にする。したがって、例えば、クラッディングする場合、クラッディング面は連続的であるとともに所望の表面の完全性を有する。加えて、帯状電極１０１の端部でのカーテン電極のワイヤ送給速度を制御することによって、帯状電極１０１の端部での（例えば）追加的なクラッディング金属の量が制御され得る。例示的な実施形態では、カーテン電極１０７／１１３のワイヤ送給速度は、帯状電極１０１と独立して制御され、幾つかの例示的な実施形態では、カーテン電極１０７／１１３のワイヤ送給速度は、帯状電極１０１のワイヤ送給速度と異なる。

帯状電極１０１の端部での溶接ビードの十分な溶け込みを確実にするとともに溶接ビードの幅を増加させることに加えて、本発明の実施形態は、帯状電極１０１の溶融池を制御するために利用され得る。上述のように、従来の方式で帯状電極を用いて溶接する場合、溶接中の磁力は、溶融池をストリップの中心に溜めさせる又は集めさせ得るので、帯状電極溶接ビード１０３の端部に不十分な溶接ビードの形成をもたらす。本発明の実施形態は、溶融池を平らにするために使用されることができ、したがって、より均一な溶接ビードを作る。これは、カーテン電極１０７／１１３の溶接波形を帯状電極１０１の溶接波形に関連付ける位相によって実現される。特に、図２Ａ／２Ｂに示されるように、エレクトロスラグ溶接プロセスで溶接する場合、カーテンワイヤ１０７／１１３は、帯状電極１０１とは違う反対の極性を有することになる。図２Ａに示されるように、帯状電極１０１は、負の極性を持って溶接される一方、カーテン電極のそれぞれは対応する正の極性を有する。同様に、サブマージドアーク溶接プロセスで溶接する場合、カーテン電極１０７／１１３の溶接波形は、帯状電極１０１のために使用される波形の位相外れに調整される。この例示的な実施形態は図２Ｃに示される。この実施形態では、２つのＡＣ電源１５０及び１５２が示され、第１のＡＣ電源１５０は第１のＡＣ溶接波形を帯状電極１０１に供給し、第２のＡＣ電源は第２のＡＣ溶接波形をカーテン電極１０７／１１３に供給する。図示された例示的な実施形態では、位相シフト同期線１５１が、第２のＡＣ電源１５２によって提供されるＡＣ波形が第１の電源１５０によって提供されるＡＣ波形と位相外れである（これは図の下方部分に描かれる）ことを確実にする２つの電源１５０／１５２の間に設けられる。図２Ｃに示された例示的な実施形態では、位相シフトは９０度である。しかし、本発明の他の実施形態は異なる位相シフトを用い得る。例えば、位相シフトは９０度より大きくなり得る。いずれにしても、位相シフトは、帯状電極１０１に関連してカーテン電極１０７／１１３から所望の性能を得るように選択されるべきである。図示された例示的な実施形態では、位相シフト同期線１５１は、適切な位相シフトが実現されることを確実にするように用いられる。位相シフト同期線１５１は、第１の電源１５０と第２の電源１５２との間の実時間同期専用の同期線であり得る、又は三相電力の入力電力位相シフトであり得る。さらに、他の例示的な実施形態では、位相シフトは、電源１５０／１５２の一方又は両方とから分離され得る又は一体に形成され得る、専用溶接コントローラ等、様々な他の既知の方法によって実現され得るとともに制御され得る。

上述の溶接プロセスのそれぞれに関して、カーテン電極１０７／１１３と一体の帯状電極１０１の位相調整は、カーテン電極１０７／１１３が、帯状電極１０１の端部で発生する磁力を含む、帯状電極１０１によって発生する磁力の一部を相殺するそれら自信のそれぞれの磁界を発生することを可能にする。この引張力は、溶融池がストリップ１０１の中心に溜まることを防ぎ、したがって、帯状電極１０１の溶接ビード１０３をより均一にさせる。この利点に加わるものは、もちろん、上述のさらなる利点の集合した溶接ビードの全体の幅を増加させること及び向上した帯状電極１０１の端部での溶接溶け込みである。

したがって、帯状電極の端部に隣接する少なくとも１つのカーテン電極を用いて溶接することによって、上述のように幾つかの利点が達成され得ることが発見されている。

図１及び２Ａは、２つのカーテン電極１０７／１１３とともに用いられている１つの帯状電極１０１を示しているが、本発明は、この構成に限定されるものではない。特に、追加的な帯状電極及びカーテン電極が、例えば図２Ｂに示されるように、作られる溶接ビードをさらに広げるために用いられ得ることが考えられる。例えば、追加的な帯状電極１０１及びカーテン電極は、カーテン電極１０７／１１３の一方に隣接して配置されることができ、作られる溶接ビードの幅をさらに増加させる。

本発明の例示的な実施形態では、カーテン電極１０７／１１３は同じ直径である。しかし、カーテン電極１０７／１１３の相対直径は互いに異なり得るように、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、カーテン電極１０７／１１３の直径は、帯状電極１０１の端部における溶け込み深さを決定するために使用され得る。すなわち、電極１０７／１１３の直径が大きくなるほど、溶接の溶け込みが深くなる。さらに、帯状電極１０１の端部における溶け込み深さは、カーテン電極１０７／１１３の帯状電極１０１への近さによって制御され得る。したがって、本発明の例示的な実施形態では、カーテン電極１０７／１１３と帯状電極１０１との間の距離は、溶接プロセス中変更され得る。これは、カーテン電極１０７／１１３の帯状電極１０１に対する相対位置を変更することができる任意の機械的システムを用いることによって実現され得る。例えば、ギヤとトラックのシステムが利用され得る。電極の相対位置は、溶接作業に先立って、又は溶接作業中に変更され得る。

他の例示的な実施形態では、磁気アーク制御が、帯状電極溶融池を制御することを助けるために用いられ得る。しかし、当業者はこのような方法に精通しているので、この技術はここでは詳細に記載される必要はない。

次に図３を見ると、本発明の例示的な実施形態による溶接システム２００が示される。溶接システムは、第１の溶接電源２０１及び第２の溶接電源２０３を含む。第１の溶接電源２０１は、第１の溶接波形を、帯状電極１０１を溶接部に送給する帯状電極フィーダ２０３に提供する。第２の溶接電源２０５は、第２の溶接波形をカーテン電極１０７／１１３に、ワイヤフィーダ２０７を介して提供する。１つのワイヤフィーダ２０７が示されているが、１つより多いワイヤフィーダが用いられ得る。また、ワイヤフィーダ２０７は、少なくとも２つの電極を同時に送給できる二重タイプワイヤフィーダであり得る。さらに、１つの電源２０５が両方の電極１０７／１１３に対して示されているが、１つの電源が各電極１０７／１１３それぞれに利用され得ることも考えられる。

さらに、図３に示された例示的な実施形態では、溶接コントローラ２０９が示される。コントローラ２０９は、電源２０１／２０５が要望通り動作することを確実にするように、電源２０１及び２０５の動作を制御する。例えば、サブマージドアーク溶接作業では、コントローラ２０９は、カーテン電極１０７／１１３のための溶接波形が帯状電極１０１のための溶接波形と位相ずれするように電源２０１／２０５が動作することを確実にする。１つより多い電源の動作を制御するために使用されるタイプの溶接コントローラは当業者に知られているので、コントローラ２０９の構造及び動作はここでは詳細に記載されない。さらに、他の例示的な実施形態では、コントローラ２０９は溶接電源２０１／２０５の一方と一体にされ得る。特に、電源２０１／２０５の一方の制御電子装置は、適切な溶接作業が実現されることを確実にするために、電源２０１／２０５の他方の動作を制御し得るとともに監視し得る。独立したコントローラ２０９が利用されることは必要とされない。動作中、コントローラ２０９は、必要に応じてカーテン電極１０７／１１３での溶接を停止及び開始させ得る。さらに、上述のように、電極１０７／１１３は、帯状電極の側部に対して位置決め可能である。特に、カーテン電極１０７／１１３の位置は、溶接に先立って又は溶接中に、帯状電極の側部に対して変更され得る。

本発明の様々な実施形態で溶接する又はクラッディングするとき、所望の溶接を提供するために制御され得るとともに最適化され得る幾つかの変数がある。例えば、このような変数は：カーテン電極の直径及び組成、帯状電極のサイズ及び組成、帯状及びカーテン電極のために用いられる移行プロセス、それぞれの電極の送給速度、用いられる溶接波形の極性及び／又はデューディサイクルを含む。

本発明は利用されることになるカーテン電極又は帯状電極の種類又は実行され得る溶接作業の種類によって限定されるものではなく、多くの異なる種類の溶接電極及び電極の組合せを用いる多くの異なる種類の溶接作業に使用され得ることが留意される。

本発明は、特に例示的な実施形態を参照して図示されるとともに記載されているが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。形態及び詳細の様々な変更が以下の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲から離れることなしに成され得ることは当業者によって理解される。

１００ 溶接システム
１０１ 帯状電極
１０２ 電流供給顎部
１０３ 溶接ビード
１０５ 溶接トーチ
１０７ カーテン電極
１０７Ａ カーテン電極
１０９ 溶接ビード
１１１ 溶接トーチ
１１３ カーテン電極
１１３Ａ カーテン電極
１１５ 溶接ビード
１５０ ＡＣ電源
１５１ 位相シフト同期線
１５２ ＡＣ電源
２００ 溶接システム
２０１ 第１の溶接電源
２０３ 第２の溶接電源
２０５ 第２の電源
２０７ ワイヤフィーダ
２０９ コントローラ
ｗ ワーク

Claims (15)

1. ワークを溶接するために第１の溶接波形を帯状電極に提供する第１の溶接電源と；
   前記ワークの溶接するために第２の溶接波形を少なくとも１つのカーテン電極に提供する第２の溶接電源と；を有し、
   前記少なくとも１つのカーテン電極は、溶接中、前記帯状電極の側部に隣接して配置される、
   溶接システム。
2. 第２のカーテン電極が、溶接中、前記帯状電極のもう１つの側部に隣接して配置される、
   請求項１に記載の溶接システム。
3. 前記少なくとも１つのカーテン電極は、前記第２のカーテン電極とは異なる直径及び材料組成の少なくとも一方を有する、
   請求項２に記載の溶接システム。
4. 前記少なくとも１つのカーテン電極は、前記少なくとも１つのカーテン電極による溶接ビードが前記帯状電極の溶接ビードと一体にされるような距離で前記側部に隣接して配置される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶接システム。
5. 前記少なくとも１つのカーテン電極は、前記帯状電極とは異なる組成を有する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶接システム。
6. 前記第１の溶接波形は、エレクトロスラグ溶接波形及びサブマージドアーク溶接波形の一方であり、前記第２の溶接波形は前記第１の溶接波形と異なる、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の溶接システム。
7. 前記カーテン電極の少なくとも２つは、溶接中、前記側部に隣接して配置される、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の溶接システム。
8. 前記第１の溶接波形はエレクトロスラグ溶接波形であり、前記第２の溶接波形は前記第１の溶接波形とは反対の極性を有する、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の溶接システム。
9. 前記第１の溶接波形はＡＣ溶接波形であり、前記第２の溶接波形は、前記第１の溶接波形と位相ずれするように位相シフトされる、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の溶接システム。
10. 帯状電極をワークに提供し、第１の溶接波形を使用して前記帯状電極で溶接するステップと；
    少なくとも１つのカーテン電極を前記ワークに提供し、第２の溶接波形を使用して前記少なくとも１つのカーテン電極で溶接するステップと；を有し、
    前記少なくとも１つのカーテン電極は、溶接中、前記帯状電極の側部に隣接して配置される、
    溶接方法。
11. 第２のカーテン電極が、溶接中、前記帯状電極のもう１つの側部に隣接して設けられ、
    前記少なくとも１つのカーテン電極は好ましくは前記第２のカーテン電極とは異なる直径及び材料組成の少なくとも一方を有する、
    請求項１０に記載の溶接方法。
12. 前記少なくとも１つのカーテン電極は、前記少なくとも１つのカーテン電極による溶接ビードが前記帯状電極の溶接ビードと一体にされるような距離で前記側部に隣接して配置される、
    請求項１０又は１１に記載の溶接方法。
13. 前記少なくとも１つのカーテン電極は前記帯状電極とは異なる組成を有する；及び／又は前記第１の溶接波形は、エレクトロスラグ溶接波形及びサブマージドアーク溶接波形の一方であり、前記第２の溶接波形は、前記第１の溶接波形と異なる；及び／又は前記カーテン電極の少なくとも２つは、溶接中、前記側部に隣接して配置される；及び／又は前記第１の溶接波形はエレクトロスラグ溶接波形であり、前記第２の溶接波形は前記第１の溶接波形とは反対の極性を有する；及び／又は前記第１の溶接波形はＡＣ溶接波形であり、前記第２の溶接波形は、前記第１の溶接波形と位相ずれするように位相シフトされる、
    請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の溶接方法。
14. ワークを溶接するために第１の溶接波形を帯状電極に提供する第１の溶接電源と；
    前記ワークの溶接するために第２の溶接波形を少なくとも２つのカーテン電極に提供する第２の溶接電源と；を有し、
    前記少なくとも２つのカーテン電極の一方は、溶接中、前記帯状電極の第１の側部に隣接して配置され、前記少なくとも２つのカーテン電極の他方は、溶接中、前記帯状電極の第２の側部に隣接して配置され、
    前記第１及び前記第２の溶接波形のそれぞれは、エレクトロスラグ溶接波形又はサブマージドアーク溶接波形である、
    溶接システム。
15. 前記少なくとも２つのカーテン電極の前記一方は、前記少なくとも２つのカーテン電極の前記他方と異なる組成を有する、
    請求項１４に記載の溶接システム。

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