JP2014531324A

JP2014531324A - 溶接前に塗膜付き材料をレーザクリーニングする装置及び方法

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Publication number: JP2014531324A
Application number: JP2014534005A
Authority: JP
Inventors: デニー，ポール，イー
Original assignee: リンカーングローバル，インコーポレイテッド
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-11-27
Also published as: CN103974796B; DE112012004184T5; WO2013050855A2; US9457432B2; DE112012004184T8; CN103974796A; US20130087534A1; BR112014008071A2; US8766140B2; DE212012000189U1; WO2013050855A3; US20140263200A1

Abstract

塗膜付きワークピース（Ｗ）が最小の孔隙率及びスパッタを伴って高速で溶接されるシステム（２００；３００；５００）及び方法が提供される。高い溶接速度が得られるように、ワークピース上の塗膜（Ｃ）は、溶接作業において溶接される前に高エネルギ熱源（１０９）によって除去され或いは削摩される。ワークピース（Ｗ）上の表面塗膜の一部を気化させ或いは除去するために、高エネルギ熱源（１０）は、溶接作業の上流に位置付けられる。

Description

本発明のシステム及び方法は溶接及び接合に関し、より具体的には、塗膜付き材料の溶接及び接合に関する。

腐食を防止する表面塗膜を必要とする環境では多くの溶接構造が使用される。例えば、鋼が環境に晒されるときに鋼を腐食から保護するために、（亜鉛めっき又はガルバニール処理を通じた）鋼上の亜鉛の堆積が一般的に使用されている。材料が所定の場所に溶接された後に材料を亜鉛メッキすることは極めて困難であり、よって、殆どの鋼製の構成部品は溶接前に亜鉛メッキされる。しかしながら、塗膜は溶接プロセスと干渉し、溶接の品質を劣化させるので、塗膜付き材料を溶接することは困難であり得る。例えば、亜鉛メッキにおける亜鉛は、溶接アークの熱の故に気化させられ、この気化は有意なスパッタを引き起こし得るし、或いは溶接パッドル内に捕捉されて溶接内に多孔性を招き得る。この故に、塗膜付き材料の溶接は、塗膜無し材料の溶接よりも相当に遅い。

従来技術の上記問題点を解決することが本発明の目的である。

本発明の実施態様は、溶接の機器及び方法を含み、そこでは、高エネルギビームが溶接されるべきワークピースの塗膜付き表面に向けられ、塗膜付き表面はワークピースと異なる塗膜を有する。塗膜の少なくとも一部を除去するために、塗膜の少なくとも一部が高エネルギビームで削摩され、削摩はワークピースを実質的に溶解しない。次に、ワークピースは、０〜３０％の範囲内の断面孔隙率、０〜３０％の範囲内の長さ孔隙率、及び１〜３の範囲内のスパッタ因子を有する溶接継手が作り出されるように、アーク溶接プロセスで溶接され、スパッタ因子は、溶接継手の長さに亘る消費される充填金属のＫｇ重量に対する溶接スパッタのｍｇ重量の比率である。

添付の図面を参照して本発明の例示的な実施態様を詳細に記載することによって、本発明の上記の及び／又は他の特徴がより明らかになるであろう。

溶接プロセスから作製される溶接継手を示す概略図である。本発明の例示的な実施態様に従ったクリーニング作業を示す概略図である。本発明の例示的な実施態様に従ったクリーニング作業を示す概略図である。本発明の例示的な実施態様に従ったクリーニング作業を示す概略図である。本発明の例示的な実施態様に従って作製される溶接継手を示す概略図である。本発明の例示的な実施態様に従って作製される溶接継手を示す概略図である。本発明の実施態様に従って作製される溶接継手の更なる例示的な実施態様を示す概略図である。本発明に従った溶接システムの例示的な実施態様を示す概略図である。溶接システムの一部の例示的な実施態様を示す概略図である。本発明の溶接システムの他の例示的な実施態様を示す概略図である。本発明の溶接システムの更なる例示的な実施態様を示す概略図である。本発明の例示的な実施態様に従った統合溶接ヘッドユニットを示す概略図である。

次に、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施態様を以下に記載する。記載する例示的な実施態様は、本発明の理解を助けることを意図しており、本発明の範囲を如何様にも限定することを意図していない。例示的な実施態様を通じて、同等の参照番号は、同等の素子を示している。

図１は、第１のワークピースＷ１が第２のワークピースＷ２の上に部分的に配置され、２つのワークピースが溶接ビードＷＢで溶接される、典型的な溶接ラップジョイント（重ね継ぎ）を描写している。溶接産業において、この種類の接続は、一般的にはラップジョイントと呼ばれる。ラップジョイントは、自動車産業において一般的である。ラップジョイントに加えて、本発明の実施態様は、隅肉ジョイント、凹凸ジョイント、継ぎ合わせジョイント等を含む、多数の異なる種類の継手（ジョイント）も溶接し得る。図１に示すように、ワークピースのうちの少なくとも一方は、溶接されるべき表面の上に塗膜Ｃ１／Ｃ２を有し、塗膜はワークピースとは異なる材料組成を有する。一例として、この塗膜は、亜鉛メッキのような耐食塗膜であり得る。ワークピースは塗工されるので、互いに接触し合うワークピースの表面Ｓ１及びＳ２も、それらの上に塗膜を有する。溶接中、溶接アークプラズマの熱は、塗膜Ｃ１／Ｃ２を気化させる。ワークピースの重なり合いによって覆われていない気化させられた塗膜Ｃ１／Ｃ２は、典型的には、ヒューム抽出によって溶接ゾーンから取り除かれるか、或いは蒸気が溶接と干渉しないように単に消散する。しかしながら、溶接ビードＷＢによる浸透の典型的な深さの故に、接触表面Ｓ１／Ｓ２上にある塗膜Ｃ１／Ｃ２も気化させられる。しかしながら、接触表面Ｓ１／Ｓ２から気化させられる塗膜は、溶接中に溶接パッドルの表面から離れており、よって、ビードが凝固する前に溶接パッドルから漏れ出すことを試みるよう溶融パッドルを通じて進まなければならない。しかしながら、溶接速度が速すぎるならば、気化した塗膜が漏れ出し得る前にパッドルは凝固する。これは溶接ビード内に多孔性(porosity)を引き起こす。泡が泡の背後で閉じない溶接パッドル内の尾(trail)を離れるとき、この多孔性は極めて悪くあり得る。漏れ出す気化塗膜によって作り出される空洞は、溶接の品質を有意に劣化させ得る。

多孔性に伴うこれらの問題の故に、塗膜付きワークピースの溶接は、塗膜無しワークピースの溶接に比べて有意に遅くされなければならない。遅いペースは、気化させられる塗膜が溶融させられる溶接パッドルから漏れ出すのに十分な時間を提供し得る。しかしながら、これらの遅いペースは、溶接内への熱入力を増大させる傾向を有し、全体的な速度及び溶接作業の効率を減少させる。例えば、亜鉛メッキした鋼を溶接するとき、典型的な走行速度は、約１／１６インチ（１６ゲージ）の厚さを有するワークピースのために、毎分１５〜２５インチである。代替的に、溶接工は頻繁にワークピースを研削し或いは研磨して、ワークピースから塗膜を取り除かなければならず、それも時間がかかり且つ骨の折れる作業である。

前述のように、一般的な塗膜は、耐食用の亜鉛メッキである。しかしながら、類似の問題を引き起こし得る他の塗膜は、塗装、スタンピング潤滑剤、ガラス裏打ち、アルミニウム処理塗膜、表面熱処理、窒化又は炭化処理、クラッド処理、又は他の蒸発塗膜又は材料を含むが、それらに限定されない。

図２Ａ乃至２Ｃは、削摩ゾーン１０２から塗膜Ｃを除去するようワークピースＷの表面にビーム１１１を向けるために電源１０８及び高エネルギ熱源１０９を使用する、クリーニングシステム１００（洗浄システム）の例示的な実施態様を描写している。削摩ゾーン１０２は、後続の溶接が配置される領域であり、ワークピースＷの表面上のビーム１１１の進行長及び幅を含む長方形領域によって概ね定められる。本発明の例示的な実施態様において、熱源は（図示のような）レーザ１０９である。しかしながら、他の実施態様はレーザの使用に限定されず、他の種類の熱源を用い得る。更に、多くの異なる種類のレーザを用い得る。そして、塗膜を削摩し或いは除去するための比較的低い温度要件の故に、極めて高いエネルギのレーザ又は熱源を使用することは不要である。（熱源１０９及び電源１０８を含む）そのようなレーザ／熱源システムは既知であり、ここに詳細に記載する必要はない。

例示的な実施態様において、ビーム１１１のエネルギ密度及び焦点は、下に横たわるワークピースＷを実質的に溶解させるよう高すぎてはならない。何故ならば、そのような溶解はアーク溶接プロセスと干渉し得るからである。本発明の例示的な実施態様では、１０Ｗ〜１０ｋＷの出力レベルを有するレーザ１０９を用い得る。他の例示的な実施態様において、レーザビーム１１１は、少なくとも１０^５Ｗ／ｃｍ^２の出力密度、及び５ｍｓ以下の相互作用時間を有さなければならない。一部の実施態様において、相互作用時間は、１〜５ｍｓの範囲内になければならない。レーザ（又は熱源）の強さ及び相互作用時間は、基材の適切な溶解が回避されなければならないような強さ及び相互作用時間でなければならない。塗膜を削摩し或いは除去するのに必要とされる熱は典型的には高くないので、このクリーニングプロセスは、溶接プロセス自体以上には、溶接継手（溶接ジョイント）の熱の影響を受けるゾーンに影響を与えない。レーザは、二酸化炭素レーザシステム、Ｎｄ：ＹＡＧレーザシステム、Ｙｂディスクレーザシステム、ＹＢファイバレーザシステム、ファイバ供給される又は直接ダイオードレーザシステムを含む、任意の既知の種類のレーザであり得るが、それらに限定されない。更に、白色光又は石英レーザ型システムが十分なエネルギを有するならば、白色光又は石英レーザ型システムさえも用い得る。システムの他の実施態様は、ワークピースの表面上の塗膜を気化し得、且つ高強度エネルギ源として働く電子ビーム、プラズマアーク溶接サブシステム、ガスタングステンアーク溶接サブシステム、ガス金属アーク溶接サブシステム、有芯アーク溶接サブシステム、及びサブマージドアーク溶接サブシステムのうちの少なくとも１つを含み得る、他の種類の高エネルギ源を用い得る。しかしながら、より高いエネルギ源が用いられるならば、それらのエネルギ密度及び熱は、下に横たわるワークピースを実質的に溶解させたり或いは損なわせるのではなく、塗膜の少なくとも一部を気化させるように制御されなければならない。

本発明の実施態様において利用されるレーザは、連続波レーザ、パルスレーザ、Ｑスイッチレーザ、又は所望のクリーニング作業を行うのに十分なピーク出力及びエネルギ密度を有する他の種類のレーザであり得る。円、長方形、正方形、楕円形、又は他の所望の形状であり得るビーム断面をもたらすよう、光学素子又は電源１０８によってレーザ１０９からのビーム１１１を制御し得る。更に、表面上に多数のビーム又は衝撃スポットをもたらすよう、ビームスプリッタを利用し得る。所望のクリーニングを達成する所要の相互作用時間のために表面上に所望の出力分布をもたらすよう、ビームを走査し或いはその他の方法で操作してもよい。

削摩中、熱源１０９は、電源１０８によって電力供給され、表面でビーム１１１を放射する。この出願を通じて熱源１０９を「レーザ」とも呼ぶが、本発明の上述の実施態様はレーザだけの使用に限定されず、「レーザ」は例示的な実施態様のみの議論として用いられる。除去中、レーザ１０９はビーム１１１を放射し、ビーム１１１はワークピースの表面に衝突し、塗膜Ｃを削摩し或いは除去する。図２Ａに示すように、ビーム１１１は、削摩ゾーン１０２内のワークピースの表面から塗膜Ｃ全体を除去するが、ワークピースを実質的に溶解しない−それはワークピース材料の溶解パッドルがワークピースの表面上に作り出されないことを意味する。削摩ゾーン１０２の幅及び長さは、遂行されるべき溶接の関数であり、塗膜の除去は溶接前の如何なるときにも起こり得る。

図２Ａに示すように、ワークピースがモータによって進行方向において移動させられている間に、ビーム１１１は除去プロセス中に削摩ゾーン１０２を横断して前後に往復動させられる。しかしながら、本発明の実施態様は、この点に関して限定されない。何故ならば、ワークピースが静止的なままである間に、レーザを進行方向において移動させ得るからである。更に、他の実施態様において、ビーム１１１は平行移動（並進）させられる必要はない。例えば、往復動することを必要とせずにビーム１１１が削摩ゾーンの全幅を削摩するよう、ビーム１１１は表面で幅を有し得る。

本発明の更なる実施態様では、ビーム１１１が塗膜Ｃの厚さ全体を除去することは必要とされない。一部の溶接操作では、許容可能な溶接を達成するために塗膜の部分的な量を除去することが必要なだけであり得る。例えば、一部の溶接操作では、最小レベルの孔隙率(porosity)が許容可能である。よって、プロセスを早めるために、ワークピースＷ上の塗膜の厚さの５０％までを削摩することが必要なだけであり得る。他の例示的な実施態様では、塗膜の厚さの７５％までが削摩されることが必要であり得る。

図２Ｂ及び２Ｃに示すように、一部の例示的な実施態様では、削摩ゾーン１０２の全領域をビームで削摩することは不要である。上述のように、一部の溶接作業は、最小レベルの孔隙率を伴う許容可能な溶接ビードをもたらす。この故に、領域１０２内の塗膜Ｃの全てを除去することは必要でないかもしれない。よって、本発明の一部の例示的な実施態様では、レーザ１０９及びビーム１１１は、削摩領域１０２全体よりも少ない塗膜Ｃの領域を除去し得る。図２Ｂに示すように、（溝の形状における）空洞１０４が厚み内に作り出され、それによって、異なる塗膜厚さの第１の領域（１０２Ａ）及び第２の領域（１０２Ｂ）をもたらすように、ビーム１１１は塗膜を除去する。この実施態様において、クリーニング作業全体は、塗膜Ｃの全てを除去することよりも速い。更に、塗膜内の溝１０４の創成は、溶接中に溶接ゾーンからの気化塗膜の除去を促進させるのを助け得る。具体的には、図２Ｂに示すように、溶接のために他のワークピースがワークピースＷの上に配置されるときに、溝が２つのワークピースの間に空洞を形成するように、溝はワークピースＷの端まで延び得る。これらの空洞は、最小量の気化塗膜が溶接パッドルに入り或いは溶接パッドルを通過しようとするよう、気化塗膜のための出口路をもたらす。よって、塗膜Ｃ上に溝又は空洞を作り出すことによって、削摩プロセス全体は（より少ない材料が除去されるので）より迅速であり得ると同時に、高速及び低孔隙率の溶接を依然として許容する。本発明の例示的な実施態様において、ビーム１１１は、削摩ゾーン１０２の領域の少なくとも４０％から塗膜Ｃを除去する。他の例示的な実施態様において、ビーム１１１は、削摩ゾーン１０２の領域の少なくとも６５％から塗膜Ｃを除去する。

図２Ｃは、他の実施態様を描写しており、そこでは、ビーム１１１は、ワークピースＷの溶接表面上の塗膜Ｃ内の空洞１０６を作り出す。空洞１０６は、溶接パッドルに入り或いは溶接パッドルを通過しようとする気化させられる塗膜が漏れ出す量を減少させるのを助ける任意の形状又は大きさであり得る。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施態様に従って塗膜が除去された後のワークピースＷ１及びＷ２を描写している。それらの図面から分かるように、表面Ｓ１及びＳ２は、溶接ゾーン内に完全な／元の量の塗膜をもはや有していない。これらの図面において、塗膜Ｃ１／Ｃ２の全量が除去されているが、上述のように、一部の実施態様では、完全な除去は不要かもしれない。これらのワークピースが今や溶接されるときに（図３Ｂ）、溶接ビードの浸透は気化させられる塗膜材料を作り出さず、よって、スパッタ又は孔隙率を増大させずに、溶接作業の速度が増大させられることを可能にする。例えば、本発明の実施態様は、１／１６インチ〜３／１６インチの範囲内の厚さを有する塗膜付き鋼材料の上で、上述の孔隙率及びスパッタレベルを伴う少なくとも５０インチ／分の溶接速度を達成し得る。一部の実施態様において、速度は５０〜１００インチ／分の範囲内にあり、他の実施態様において、速度は７０〜１００インチ／分の範囲内にある。一部の実施態様では、同時に塗膜を除去し且つ溶接しながら、これらの速度を達成し得る。

上で議論した実施態様において、ワークピースは、溶接作業前のある時点にレーザ１０９によってクリーニング（洗浄）される。このクリーニング作業は溶接作業とは別個の作業ステーションで起こり得るが、作業効率を増大させるために溶接ステーションと調和しても起こり得る。更に、クリーニングは溶接作業と同時に起こり得る。

上記実施態様は、ワークピースＷ上の表面塗膜の除去及び／又は削摩を議論した。しかしながら、本発明の他の実施態様は、溶接前に塗膜の特性又は化学組成を変更するためにレーザ１０９及びビーム１１１を用い得る。一部の実施態様では、塗膜を除去し或いは削摩することは不要であり得るが、その組成を変更し或いはその特性を変更することは必要であり得る。例えば、例えば、塗料中の炭化水素はアーク溶接プロセスと干渉し得るのに対し、塗料の他の成分はそれほど問題でないことが知られている。そのような訳で、塗料から炭化水素を焼き取り、それによって、その組成を変更するために、レーザ１０９及びビーム１１１を用い得るが、塗料の全体的な厚さは削摩前と実質的に同じままであり得る。よって、塗膜を除去するよりもむしろ、塗膜の特性又は組成を変更するために、他の実施態様を用い得る。もちろん、塗膜の除去のためにここに記載したのと類似する特徴、特性、手順、及び機器を用いて、このプロセスを利用し得る。

図４は、塗膜が継手の溶接の直前に照射される溶接作業を描写している。具体的には、上方の図面では、ワークピースＷ１／Ｗ２上の塗膜の少なくとも一部を気化させ／除去するためにビーム１１１が継手内に浸透するよう、ビーム１１１が継手に向けられている。一部の実施態様では、このプロセスの間、ワークピースＷ１及びＷ２の各々の部分の溶解によって作り出し得るレーザ溶接ビード４０１を作り出し得る。もちろん、ワークピースが構造的に妥協されないように、ビーム１１１の浸透の深さが制御されなければならない。この領域内の塗膜は照射中に気化させられるので、ビード４０１内に少なくとも何らかの孔隙率が存在し得る。しかしながら、この実施態様において、ビーム照射の直後、アーク溶接作業が継手で行われる（下方の図面）。アーク溶接のプロセスは、アーク溶接ビード４０３を作り出し、アーク溶接ビード４０３は、レーザ溶接ビード４０１の少なくとも一部を焼失させ、この後続のアーク溶接作業の故に、何らかの孔隙率がビーム溶接ビード４０１に存在する限り、その孔隙率はアーク溶接ビード４０３を通じて漏れ出すであろう。よって、一部の例示的な実施態様において、レーザクリーニング及びアーク溶接は同時に起こり得る。そのような実施態様は、溶接作業の効率を有意に向上させ得る。

上で議論した実施態様のいずれかにおいて、レーザ１０９は表面から塗膜の殆ど全て又は全てを取り除くので、本発明の実施態様は、塗膜付き材料を溶接するときに以前には達成し得なかった溶接速度を達成し得る。例えば、本発明の実施態様は、塗膜無し材料の溶接速度に達する速度での塗膜付き材料の溶接速度を達成し得る。アーク溶接システムは概ね知られているので、そのような独立型（スタンドアローン）システムをここで描写し或いは説明する必要はない。

更に、より高い溶接速度が達成されるのみならず、最小レベルの孔隙率及びスパッタでより高い溶接速度を達成し得る。多孔性率(porosity ratio)を特定するために溶接ビードの断面及び／又は長さを検査することによって溶接の孔隙率を決定し得る。断面孔隙率は、その地点での溶接継手の全断面積に亘る所与の断面における孔隙率の全面積である。長さ孔隙率率は、溶接継手の所与の単位長における孔の全蓄積長である。本発明の実施態様は、０〜３０％の間の断面孔隙率を備える上述の進行速度を達成し得る。よって、泡又は空洞のない溶接ビードは０％の孔隙率を有する。他の例示的な実施態様において、断面孔隙率は５〜２０％の範囲内にあり得る。他の例示的な実施態様において、断面孔隙率は０〜１０％の範囲内にあり得る。一部の溶接用途では、あるレベルの孔隙率が許容可能であることが理解されている。更に、本発明の例示的な実施態様において、溶接の長さ多孔性率は０〜３０％の範囲内にあり、そして、５〜２０％の範囲内にあり得る。更なる例示的な実施態様において、長さ多孔性率は０〜１０％の範囲内にある。よって、例えば、０〜１０％の範囲内の断面孔隙率及び０〜１０％の長さ多孔性率を有する塗膜付き材料において溶接を生成し得る。

更に、本発明の実施態様は、（溶接中に塗膜が所定の場所にある）塗膜付き材料の以前の方法に対してスパッタが殆どない或いは全くない状態で上記進行速度で溶接し得る。スパッタは溶接パッドルの滴が溶接ゾーンの外側に撒き散らされるときに起こる。溶接スパッタが起こるとき、溶接スパッタは溶接の品質を妥協させ得るし、製造遅延を引き起こし得る。何故ならば、溶接スパッタは、溶接プロセス後にワークピースから落とされなければならないからである。よって、スパッタを伴わずに高速で溶接することの大きな利益がある。本発明の実施態様は、０〜３の範囲内のスパッタ因子で上記の高い進行速度で溶接し得る。ここで、スパッタ因子は、同じ距離Ｘに亘り消費される充填ワイヤ１４０の（Ｋｇにおける）重量に対する所与の進行距離Ｘに亘るスパッタの（ｍｇにおける）重量である。即ち、以下の通りである。

スパッタ因子＝（スパッタ重量（ｍｇ）／消費充填ワイヤ重量（Ｋｇ））

距離Ｘは、溶接継手の代表的なサンプリングを可能にする距離でなければならない。即ち、距離Ｘが短すぎるならば、例えば、０．５インチであるならば、それは溶接を代表するものでないかもしれない。よって、０のスパッタ因子を伴う溶接継手は、距離Ｘに亘る消費充填ワイヤ（溶接ワイヤ）に関してスパッタがなく、２．５の因子のスパッタを伴う溶接は、２Ｋｇの消費充填ワイヤに関して５ｍｇのスパッタを有した。本発明の例示的な実施態様において、スパッタ因子は０〜３の範囲内にある。更なる例示的な実施態様において、スパッタ因子は０〜１の範囲内にある。本発明の他の例示的な実施態様において、スパッタ因子は０〜０．５の範囲内にある。塗膜が溶接作業中にワークピース上に留まる塗膜付き材料を溶接するとき、本発明の実施態様は上述のスパッタ因子範囲を達成し得ると同時に、普通は塗膜無しワークピース上でのみ達成可能な高速を達成することが記されなければならない。

溶接継手のためのスパッタを測定する数多くの方法がある。１つの方法は「スパッタボート」(“spatter boat”)の使用を含み得る。そのような方法のために、代表的な溶接サンプルが、溶接ビードによって生成されるスパッタの全て又は殆ど全てを捕捉する十分な大きさを備える容器内に配置される。容器又は−頂部のような−容器の部分は、スパッタが捕捉されることを保証するために、溶接プロセスと共に移動し得る。典型的には、スパッタが表面に粘着しないよう、ボートは銅製である。溶接中に如何なるスパッタも容器内に落ちないように、代表的な溶接は容器の底よりも上で行われる。溶接中、消費される充填ワイヤの量は監視される。溶接の完了後、溶接前及び溶接後の容器の重量の間に差があるならば、スパッタボートはその差を決定するのに十分な精度を有する装置によって計量されなければならない。この差はスパッタの重量を示し、次に、この差は消費充填ワイヤのＫｇにおける量によって除算される。代替的に、スパッタがボートに粘着しないならば、スパッタを除去してそれ自体を計量し得る。

図５は、クリーニング及び溶接作業は同時に起こる本発明の例示的な実施態様に従った溶接システム５００を描写している。具体的には、システム５００は、アーク溶接波形を電極１０３に供給する溶接電源１０１を含む。電極１０３は、ワイヤ送りシステム１０７を介して接触先端１０５を通じてワークピースＷに向けられる。このアーク溶接システムは、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）を含む任意の既知の種類のアーク溶接システムであり得るが、それに限定されない。図示されていないのは、アーク溶接において頻繁に使用される不活性ガス又はフューム抽出システムである。電極１０３が溶接ビード内に堆積されるように、電源１０１は電極１０３とワークピースＷとの間に溶接アークを作り出す。上述のように、レーザ１０９は、溶接前に塗膜を除去し或いは削摩するよう、ビームでワークピースＷの塗膜を照射する。ビーム１１１のエネルギレベルは、ワークピースＷの感知し得る程の溶解がないようなレベルである。ビーム１１１の形状／断面は、溶接前に必要に応じて塗膜の十分な削摩／除去をもたらすようでなければならない。

図６は、本発明の実施態様に従った溶接システムの特徴を描写している。図示のように、アーク溶接は削摩作業の後ろの距離Ｚで起こる。本発明の例示的な実施態様において、距離Ｚは０．５〜６インチの範囲内にある。他の例示的な実施態様において、距離Ｚは０．５〜３．５インチの範囲内にある。もちろん、他の実施態様では、溶接が削摩作業の直後に起こることは必要とされない。実際には、レーザ削摩は他のワークステーションで起こり得る。

図７は、本発明に従った溶接システム２００の他の例示的な実施態様を描写している。このシステム２００では、蒸気抽出システム２０１及びノズル２０３が組み込まれている。ノズル２０３は溶接ゾーンから如何なる気化塗膜材料をも除去し得るように位置付けられる。これは蒸気が溶接を汚染するのを防止し或いは溶接作業に必要とされ得るいずれかの遮蔽材と他の方法において干渉するのを防止する。図示の実施態様において、ノズル１０３は、ノズル１０３がレーザビーム１１１を囲うようにレーザ１０９に結合される。例示的な実施態様において、ノズル２０３の端は、０．１２５〜０．５インチの範囲内のワークピースの表面より上の距離Ｘである。距離Ｘは溶接作業と干渉してはならないが、削摩中に気化塗膜の少なくとも一部を除去するのに十分でなければならない。図４に同様に示されているのは、遮蔽ガス源２０５及び遮蔽ガスを溶接部に送るノズル２０７である。そのようなシステムは概ね知られており、ここでは詳細に記載されない。

図８は、本発明の他の例示的な実施態様を描写している。溶接システム３００が、３つの構成部品の動作を同期し得るよう少なくとも溶接電源１０１をレーザ電源１０８と結合させるシステムコントローラ３０１を利用する。そのような実施態様は、始動、溶接、及び停止中に、これらの構成部品の容易な同期を可能にし得る。更に、コントローラ３０１は、溶接作業中にレーザ電源１０８及び溶接電源１０１の一方又は両方の調節を可能にし得る。即ち、システムコントローラ３０１は、溶接の第１の領域のためのレーザビームのための第１の出力密度をもたらし、次に、溶接の第２の領域のための（異なる）第２の出力密度をもたらすよう、レーザ電源１０８を向け得る。もちろん、出力密度は同じままであり得るが、削摩領域又はゾーンの大きさを必要に応じて変更し得る。同様に、必要に応じて、削摩パターンも溶接継手の第１の領域から第２の領域に変わり得る。例えば、溶接されるべき溶接継手は、単一の溶接作業中に異なるパラメータを有し得る。よって、コントローラ３０１は、レーザ及び溶接作業を適切に制御し得る。例えば、溶接中に、レーザを停止し或いはレーザのエネルギレベル又はビーム形状を変更することが望ましくあり得る。コントローラ３０１は、これらの変更が溶接中に起こることを可能にする。更に、一部の例示的な実施態様において、溶接中にモータ３０３によってレーザ１０９を所望に移動させ或いは往復動させ得る。同様に、溶接中に光学コントローラ３０５によってレーザ１０９の光学を変更し得る。これはシステム３００の柔軟性を増大させ、複雑な溶接継手が単一の溶接作業において溶接されることを可能にする。例えば、少なくとも２つの溶接表面を削摩するために２つのビームを使用するのではなくむしろ、単一のビーム１１１が多数の表面を十分に削摩し得るように、レーザを十分な速度で前後に往復動させ得る。同様に、溶接中にビーム１１１の形状又はビーム密度を変更するために、レーザの光学を制御し得る。

コントローラ３０１は別個の構成部材として図８中に描写されているが、コントローラ３０１は溶接電源１０１又はレーザ電源１０８のいずれかと一体的に作製されてよい（し、別個の構成部品構成部品であってもよい）。

他の例示的な実施態様では、ビーム衝突領域とアーク溶接作業との間の地点でワークピースＷの表面の温度を感知するために、温度センサ３０７が位置付けられる。ワークピースが削摩プロセス中に過熱されないことを保証するためにコントローラ３０１がワークピースＷの表面の温度を監視し得るよう、センサ３０７はコントローラ３０１に結合される。よって、表面温度が高すぎるならば、コントローラ３０１は、ビーム１１１のエネルギ／出力密度を減少させるよう、レーザ電源１０８を調節する。これはワークピースの過熱又は時期尚早の溶解を防止する。

他の例示的な実施態様において、図８に示すセンサ３０７は、（亜鉛、塗料等のような）塗膜が除去されたか否かを決定し得る分光センサであり得る。そのような分光センサは、レーザ誘導プラズマ分光センサ又はレーザ誘導破壊分光センサを含み得る。例えば、センサ３０７は、材料の存在を検出するのに光又はレーザビームを用いる分光センサであり得る。本発明の実施態様では、塗膜が十分に削摩されているのを保証するために、下に横たわる鋼のような基材を感知するようセンサ３０７を較正し得る。十分な塗膜削摩が起こっていることが検出される限り、システムは、コントローラ３０１を介して、削摩を適切に調節し得る。更に、センサ３０７は、（塗膜の除去からの）削摩プルームが適切であることを決定するために、削摩プルームからのスペクトル線も検出し得る。

図８はクリーニング及び溶接作業がワークピースＷの上で同時に起こっていることを描写しているが、実施態様はこれに限定されないことも記されなければならない。具体的には、本発明の他の例示的な実施態様では、システム２００，３００，５００を実施可能であり、そこでは、クリーニング作業は、溶接作業と別個であるが、描写されているように依然として制御される。即ち、クリーニング作業は作業セルの第１のステーションで起こり、そして、ワークピースは（無人操作又は手作業で）作業セルの第２のステーションに移転され、溶接作業は第２のステーションで起こることが想定される。実際には、システム３００では、システムコントローラ３０１は、第１のステーションから第２のステーションへの洗浄済みワークピースの移転を調整し得る。

図９は、本発明の例示的な実施態様と共に使用し得る統合溶接ヘッドを描写している。この実施態様において、溶接ヘッド６００は、ビーム１１１をワークピースＷに向けるよう、溶接接触先端１０５及びレーザ１０９の少なくとも一部を結合させ且つ収容するハウジング構造６０１を含む。そのようなハウジング６０１は、ビームと溶接アークとの間の距離Ｚを固定する。溶接作業を単純化させるためにそのようなハウジング６０１を使用し得る。一部の実施態様において、ハウジング６０１は、如何なる気化塗膜の除去をも促進させるために、蒸気抽出ノズル２０３も含む。図示されていないのは、同様にハウジング６０１に結合し得る遮蔽ガスノズル又は溶接フューム抽出ノズルである。他の実施態様では、温度センサ３０７がビーム１１１とアーク溶接との間のワークピースＷの表面を感知するように、温度センサ３０７もハウジング６０１に結合させ且つ位置付け得る。ハウジング６０１は、特定の溶接作業のために必要とされるような構成又は構造を有し得る。例えば、ハウジング６０１は、ビーム１１１及び溶接アークを外部的な影響及び汚染から保護する遮蔽材（図示せず）を有し得る。その場合、遮蔽材はワークピースの表面の極めて近くまで延び得る。更に、ハウジング６０１は、如何なる汚染をも防止し且つ如何なる蒸気抽出もアーク溶接作業から遮蔽ガスを不注意に除去するのを防止するために、アークとビーム１１１との間に物理的分割器６０３を有し得る。分割器６０３は、ワークピースの表面の極めて近くまで延び得る。

多くの異なる種類の溶接継手に本発明の実施態様を用い得るので、本出願中に描写されるラップジョイントは例示的であることが意図されていることが記されなければならない。溶接ビード内での気化塗膜の捕捉を引き起こし得る多くの異なる種類の溶接継手があり、それらの種類の溶接継手のためにも本発明の実施態様を適合させ且つ利用し得る。

本発明の例示的な実施態様を参照して本発明を具体的に図示し且つ記載したが、本発明はこれらの実施態様に限定されない。当業者は、以下の請求項によって定められるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々の変更を本発明において行い得ることを理解するであろう。

１００クリーニングシステム
１０１溶接又はアーク電源
１０２削摩ゾーン又は削摩領域
１０２Ａ第１の領域
１０２Ｂ第２の領域
１０３電極
１０４溝
１０５接触先端
１０６空洞
１０７送りシステム
１０８電源
１０９熱源又はレーザ又は高エネルギビーム源
１１０トーチ
１１１ビーム
２００溶接システム
２０１蒸気抽出システム
２０３ノズル
２０５遮蔽ガス源
２０７ノズル
３００システム
３０１システムコントローラ
３０３モータ
３０５光学コントローラ
３０７温度センサ
４０１溶接ビード
４０３溶接ビード
５００溶接システム
６００溶接ヘッド
６０１ハウジング構造
６０３物理的分割器
Ｃ塗膜又は塗膜付き表面
Ｃ１塗膜
Ｃ２塗膜
Ｓ表面
Ｓ１接触表面
Ｓ２接触表面
Ｗワークピース
Ｗ１第１のワークピース
Ｗ２第２のワークピース
ＷＢ溶接ビード
Ｘ距離
Ｚ距離

Claims

溶接されるべきワークピースの塗膜付き表面に高エネルギビームを向けるステップを含み、前記塗膜付き表面は、前記ワークピースと異なる組成を備え、
前記塗膜の少なくとも一部を除去するよう前記塗膜の少なくとも一部を前記高エネルギビームで削摩するステップを含み、前記削摩は、前記パークピースを実質的に溶解せず、
アーク溶接プロセスによって作り出される溶接継手が、０〜３０％の範囲内の断面孔隙率、０〜３０％の範囲内の長さ孔隙率、及び、好ましくは、１〜３の範囲内のスパッタ因子を有するよう、前記アーク溶接プロセスで前記ワークピースを溶接するステップを含み、スパッタ因子は、前記溶接継手の長さに亘る消費される充填金属のＫｇにおける重量に対する溶接スパッタのｍｇにおける重量の比率であり、より好ましくは、前記断面及び長さ孔隙率の各々は、０〜１０％の範囲内にあり、前記スパッタ因子は、０〜１の範囲内にある、
溶接方法。
前記高エネルギビームは、具体的には、前記薩摩ステップ中に少なくとも１０^５Ｗ／ｃｍ^２の出力密度を有し、且つ５ｍｓ以下の相互作用時間を有する、レーザビームである、請求項１に記載の溶接方法。
前記塗膜は、亜鉛である、請求項１又は２に記載の溶接方法。
前記削摩ステップは、前記塗膜の厚さの一部、好ましくは、７５％までを除去する、請求項１に記載の溶接方法。
前記削摩ステップの後に、前記削摩領域の第１の領域又は地域が、前記削摩領域の第２の領域又は地域の第２の塗膜厚さよりも大きい、第１の塗膜厚さを有するよう、前記削摩は、前記塗膜付き表面の削摩領域内で起こり、具体的には、前記第２の領域において、前記塗膜の全部が前記削摩ステップ中に除去される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
前記第２の領域又は地域は、前記削摩領域の少なくとも４０％であり、或いは領域は前記削摩領域の少なくとも６５％である、請求項５に記載の溶接方法。
前記削摩は、削摩パターンが前記塗膜内に作り出されるように、前記塗膜付き表面上の削摩領域内で起こり、前記パターンは、山が谷よりも大きい塗膜厚さを有するように山及び谷を有し、具体的には、前記削摩領域の前記谷の全ては、前記溶接ステップ中に前記削摩ステップからの気化塗膜が前記溶接継手から離れる方向に向けられることを可能にするよう、前記ワークピースの縁と交差するように向けられる、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
前記高エネルギビームは、０．５〜６インチの範囲内の距離だけ溶接プロセスにおける前記溶接ステップの上流で前記塗膜付き表面に向けられる、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
前記高エネルギビームの出力密度、前記高エネルギビームの大きさ、及び前記高エネルギビームによって作り出される削摩パターンのうちの少なくとも１つが、前記ワークピースの前記溶接中に前記削摩ステップのパラメータを変更するよう第１の特性から第２の特性に変化する、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
前記削摩ステップの後に前記表面を監視するステップと、前記高エネルギビームの出力密度及び大きさのうちの少なくとも一方を前記監視に基づき調節するステップとを更に含み、具体的には、前記表面の温度が前記監視ステップ中に監視される、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
第２のワークピースの第２の塗膜付き表面も、前記削摩ステップ中に前記高エネルギビームによって削摩される、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
溶接されるべきワークピースの塗膜付き表面に高エネルギビームを向けるステップを含み、前記塗膜付き表面は、前記ワークピースと異なる組成を備える塗膜を有し、
前記高エネルギビームで前記塗膜の少なくとも一部の化学組成を変更するステップを含み、前記高エネルギビームは、前記ワークピースを実質的に溶解せず、
前記アーク溶接プロセスによって作り出される溶接継手が、０〜３０％の範囲内の断面孔隙率、０〜３０％の範囲内の長さ孔隙率、及び０〜３の範囲内のスパッタ因子を有するよう、アーク溶接プロセスで前記ワークピースを溶接するステップを含み、前記スパッタ因子は、前記溶接継手の長さに亘る消費充填金属のｋｇにおける重量に対する溶接スパッタのｍｇにおける重量の比率である、
溶接方法。
前記塗膜は、塗料であり、該塗料の炭化水素は、前記塗料の前記化学組成を変更するために、前記変更するステップの間に前記塗料から除去される、請求項１３に記載の方法。
溶接継手を作り出すよう塗膜付きワークピースの上にアーク溶接作業を行うためにアーク溶接トーチに結合されるアーク溶接電源と、
高エネルギビームを前記ワークピースの塗膜付き表面又は塗膜に向ける熱源又は高エネルギビーム源に結合される高エネルギビーム電源とを含み、前記高エネルギビームは、前記アーク溶接トーチの上流で前記塗膜付き表面に向けられ、
前記高エネルギビームは、前記ワークピースから前記塗膜の少なくとも一部を除去するのに十分なエネルギ密度を有するが、前記ワークピースを実質的に溶解せず、
前記アーク溶接電源は、０〜３０％の範囲内の断面孔隙率、０〜３０％の範囲内の長さ孔隙率、及び０〜３の範囲内のスパッタ因子を有し、該スパッタ因子は、前記溶接継手の長さに亘る消費充填金属のｋｇにおける重量に対する溶接スパッタのｍｇにおける重量の比率である
溶接システム。
システムコントローラを更に含み、該システムコントローラは、前記高エネルギビームが前記削摩領域内に第１の領域及び第２の領域を作り出すように、前記高エネルギビーム電源の動作を制御し、前記第１の領域における前記塗膜の厚さは、前記第２の領域における前記塗膜の厚さよりも大きい、請求項１４に記載の溶接システム。