JP2015523217A - 調節可能な回転式アーク溶接方法およびシステム - Google Patents

Abstract

溶接トーチ内での溶接電極の移動から生じる回転アークを利用して溶接動作が実行される。ワーク仮付溶接は、溶接部が進行すると、例えばカメラおよび画像解析によって決定される。例えばワーク間のギャップの展開によって仮付溶接が変化する場合、電極移動の形状、移動速度、ワイヤ送給速度、電極に印加される溶接電力等のような本システムの１または複数のパラメーターを変更することができる。本方法は、例えば、溶接ロボットによる溶接に対応するように自動化することができる。

Description

本発明は包括的には溶接方法に関し、より詳細には、性能を向上させ、廃棄物を削減し、かつ完成部品の廃棄を低減することができるようにワーク間の仮付溶接（fit-up）不良を検出および調整するプロセスの改善に関する。本開示は、2012年6月18日に出願の米国特許出願第13/526278号「Metal Cored Welding Method and System」の関連出願である。該米国特許出願は、本願と一体をなすものとして引用する。また、本開示は、2012年11月20日に出願の米国特許出願第13/681687号「DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method and System」の内容を含んでいる。

［関連出願の相互参照］
本出願は、2012年7月27日に出願の米国仮特許出願第61/676563号「Adaptable Rotating Arc Welding Method and System」からの正規の米国特許出願であり、該仮特許出願は、引用することにより本明細書の一部をなす。

溶接作業によってワークを接合する様々な技術が開発されてきた。これらの技術は様々なプロセスおよび材料を含んでおり、最新のプロセスは消耗電極または非消耗電極とワークとの間に発生するアークを伴う。多くの場合、それらのプロセスは、定電流法、定電圧法、パルス法等のカテゴリにグループ分けされる。然しながら、電極を消耗して溶接部に溶加金属を追加するプロセスでは特に、これらのプロセスを更に細分するのが一般的である。実質的にそうした全ての場合に、選択されるプロセスは溶加金属およびその形態に強く関連付けられ、ある特定のプロセスでは特定のタイプの電極のみが利用される。例えば、ある特定のタイプのミグ溶接法は、ガスメタルアーク（ＧＭＡ）溶接やフラックスコアアーク（ＦＣＡ）溶接とも称される更に大きなグループの一部を形成する。

ＧＭＡ溶接では、ワイヤの形態の電極が、電極ワイヤとワークとの間のアークの熱によって溶融した進行する溶融池によって消耗される。このワイヤは溶接ガンによってスプールから連続的に送給され、溶接ガンにおいて、ワイヤに電荷が与えられ、アークを発生させる。これらのプロセスで用いられる電極の構成は、多くの場合、ソリッドワイヤ、フラックスコアードまたはメタルコアと称される。それぞれのタイプは他のタイプとは異なる長所および短所を有すると考えられ、その性能を最適化するために、溶接プロセスおよび溶接設定に対する注意深い調整が必要となろう。例えば、ソリッドワイヤは、他のタイプよりも安価であるが、通常、不活性シールドガスと共に用いられ、そのガスが相対的に高価である。フラックス入りワイヤは別個にシールドガスを供給する必要がないかもしれないが、ソリッドワイヤよりも高価である。メタルコアワイヤはシールドガスを必要とするが、そのシールドガスは、ソリッドワイヤの場合に必要とされるガスよりも安価な混合物に調整することができよう。

これら３種類の電極は、全て異なる移行モードで用いられる場合がある。移行モードは、電極先端から進行中の溶接ビードへ金属が移動する機械的および電気機械的現象を指している。短絡移行、グロビュール移行、スプレー移行およびパルススプレー移行のような幾つかのそのような移行モードが存在する。実際には、移行の物理現象は、これらの移行モードの混成として現れる場合があり、プロセスおよび電極は多くの場合に或る特定の移行モードを維持するように選択されるが、実際の材料移行は溶接中にそれらの移行モード間で移り変わることがある。

トーチが進行してワイヤを消耗するにつれ、このトーチは、２つのワーク間に、溶接ビードとして知られている溶加材の溶着層を残す。概して、移行モード中に形成される溶接ビードの幅は、幾つかの動作パラメーターの関数として見なされる。ワーク間の仮付溶接に応じて、溶接ビード幅は、完成した溶接製品の保全性を確実にするのに十分である場合もあるし、十分でない場合もある。これを回避するには、溶接作業者が溶接前のワークギャップの仮付溶接を視覚的に検出して、溶接品の保全性を確実にするように手作業で補償しなければならない。然しながら、自動溶接システムはこの知的考慮を欠いており、仮付溶接不良およびギャップが存在する可能性があるにもかかわらず、単純に所定の経路に沿って溶接を完了する。これは、溶接欠陥、手作業による再加工、および完成した溶接部品の最終的な廃棄をもたらす場合がある。

製造業者は常に、自動溶接方法を改善し、溶接品の成功率を高め、かつ製造プロセスを全体的に迅速化する新たな方法を探している。然しながら、製造業者が依拠する、プロセスの速度上昇を伴う現在の自動溶接方法は、不十分な仮付溶接を伴う多くの完成ワークをもたらす可能性がある。

本開示は、溶接プロセス中にワークギャップ等の仮付溶接パラメーターをリアルタイムで自動的に検出し、かつワーク間の溶接ビードの幅を変更することによって仮付溶接パラメーターに対処するという新たな方法を要約する。これは、スピンアークまたは電極を利用することによって、また、電極の旋回動作の形態、溶接トーチの移動速度、電極のワイヤ送給速度、電極に印加される溶接電力等の溶接パラメーター、その他のパラメーターのうちの１つを自動的に調整することによって達成される。関連するプロセスはカメラ／レーザー検出装置に依存する。カメラ／レーザー検出装置は、ギャップ、より一般的には、溶接トーチ経路に沿ったワーク間の仮付溶接を検出し、その結果、次いでその仮付溶接に対応するように溶接ビード幅を変更し、適切な量の材料を適切な速度で追加することができる。仮付溶接を詳述する検出装置からの情報は撮像システム構成要素およびパラメーター決定構成要素にフィードバックされる。これによって、決定構成要素が、上述の溶接パラメーターのうちの何れか１つを調整すべきであるか否かを決定することが可能になる。動作パラメーターの変更の結果として、溶接トーチは、ギャップを充填するのに用いられる材料の量を変更することができる。

本発明のこれらの、そして他の特徴、態様および長所は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むときに、より理解が進むことになる。なお、図面全体を通して、類似の符号は類似の部品を表す。

本方法の態様を利用する例示的な溶接システムの概略を表した図である。 図１のシステムと共に用いるメタルコア電極の端部の詳細図である。 本方法の態様によるメタルコア電極の移動を表す概略図である。 メタルコア溶接ワイヤの移動のために円形パターンを利用する進行中の溶接ビードの概略を表した図である。 メタルコア溶接ワイヤのために楕円形経路を利用する進行中の溶接ビードの同様の図である。 メタルコア溶接ワイヤのために異なる向きの楕円形経路を利用する進行中の溶接ビードの更なる図である。 移動するメタルコア溶接ワイヤ電極を利用する進行中の溶接ビードに関する例示的なアーク位置および移行モードの図である。 例示的な強制移行トレースと共にメタルコア溶接電極の移動を示すタイミング図である。 初期溶接パラメーターを伴う進行中の溶接トーチノズルおよび溶接ビードの図、および、新たに調整された溶接パラメーターを伴う同じ溶接トーチノズルが溶接経路に沿ってギャップに直面するときのその溶接トーチノズルの想像図である。 溶接経路に沿って仮付溶接を検出すると共に、溶接パラメーターを調整するためにこの情報を撮像構成要素およびパラメーター計算構成要素に送達するカメラ／検出装置の図である。 溶接部のパラメーターのうちの１または複数を調整するか否かおよびその調整方法を決定するのに用いられる例示的な論理を示す方法フロー図である。

既述のように、これらの方法はソリッドワイヤまたはフラックスコアワイヤ等の多くのタイプのワイヤと共に用いることができるが、図１は、メタルコア溶接ワイヤ電極の移動を利用する例示的な溶接システム１０を示す。システム１０は、ワーク１４における溶接部１２を生成するように構成されている。溶接部は所望のように任意に向けることができ、突き合わせ溶接、重ね溶接、角度溶接、位置外溶接等を含む。該システムは電力供給装置１６を含んでおり、該電力供給装置は、通常、ガス源１８と、送電網のような電源２０とに結合される。他の電源として、発電機、エンジン駆動パワーパック等が含まれることは言うまでもない。ワイヤ送給装置２２が電源２０に結合され、溶接ガン２４にメタルコア溶接ワイヤを供給する。

例示する実施形態では、電力供給装置１６は、制御回路２８に結合される電力変換回路２６を含む。制御回路は電力変換回路の動作を調整して、溶接作業に適した電力を出力する。電力供給装置は、定電流法、定電圧法、パルス法、短絡移行法等の複数のプロセスや溶接方法等に従って出力電力を生成するように構成され、かつ、プログラムすることができる。現時点で考えられる実施形態では、制御回路２８は、電力変換回路２６を制御して、メタルコア溶接ワイヤから進行中の溶接ビードへの材料の移行を助けるDCEN（時に「ストレート」極性とも称される）溶接方法をもたらす。然しながら、当然、他の溶接方法を用いてもよい。オペレーターインターフェース３０によって、溶接作業者が、溶接プロセスおよびプロセス設定の双方を変更できるようになる。更に、オペレーターインターフェースによって、溶接ガンおよびメタルコア溶接ワイヤの移動に関連するパラメーターを選択、変更できるようにした実施形態もある。最後に、電力供給装置は、ガス源１８からのシールドガスの流れを調整するバルブ３２を含むことができる。

ワイヤ送給装置２２は参照番号３４にて指示する制御回路を含んでおり、該制御回路はスプール３６からの溶接ワイヤの送りを調整する。通常、溶接ワイヤは、制御回路３４によって制御される小型電気モーターを用いることを通じて駆動装置３８によって送られる。ワイヤ送給装置２２と溶接ガン２４との間で、溶接ケーブル４０を介して、溶接ワイヤ、ガス、制御データおよびフィードバックデータを交換するようにできる。また、ワーク１４もワークケーブル４２によって電力供給装置に結合される。こうして、電極とワークとの間でアークが生成されると電極４４を通して電気回路が形成される。更に詳細に後述するように、溶接ガンから進み出る電極４４は、参照番号４６によって示されるような回転運動するように、強制的に動かされる。

図１に示す溶接システムは、手操作用に構成することこともできるが、本技術の多くの応用例で自動化されよう。すなわち、溶接ガン２４は、ワークに対する所望の位置に溶接トーチを位置決めするようにプログラムされるロボットに固定される。この方法は、固定自動化の応用形態等の他の制御手法と共に使用することができる。その後、ロボットは、電極とワークとの間でアークを発生させ、溶接ガンを適切な方向に向けて、溶接ビードが形成されることになる所定の経路に沿って送り２つの要素を接合するように動作させるようにできよう。更に詳細に後述するように、そのような自動化の応用形態では、本方法によって移動速度を大幅に高めることができ、かつ、溶接ビード特性を改善できるようになる。

本実施形態では図２に示すタイプのメタルコアワイヤであるが、本方法はソリッドワイヤ、フラックスコアワイヤまたはメタルコア溶接ワイヤと共に用いるように構成されている。そのような溶接ワイヤは、一般的に１または複数の金属コア５０を包囲する金属製シース４６を備える。そのようなメタルコア溶接ワイヤを作製する種々の方法が知られているが、それらの技術は本発明の範囲外である。メタルコア溶接ワイヤの特性は特定の応用形態に対して選択することができ、特に、接合されることになる構成要素の冶金学的特性、用いられることになるシールドガスのタイプ、溶接ビードの予想充填体積等によって決まる。このことは、ソリッドワイヤとフラックスコアワイヤの何れかがメタルコアワイヤに替えて選択される場合、既述のように、ソリッドワイヤおよびフラックスコアワイヤの双方にも同様に当てはまる。例示する実施形態では、或る特定の形状のメタルコア溶接ワイヤが、電極移動の利点を高めるのを助けることができる。例えば、溶接ワイヤは通常、所望の直径５２を有するように選択されることになる。直径はシース壁厚５４およびコア直径５６を含む。これらのパラメーターを変更し、最適化して、溶接ワイヤの性能を高めることができ、アーク形成、アーク維持管理、材料移行、結果として生じる溶接ビードの冶金学的特性、溶接ビード溶込み等の特性が改善される。

現時点で考えられる実施形態では、DCEN極性溶接法で用いるために、特定のワイヤが選択されよう。以下に更に詳細に後述するように、例えば、「スピンアーク」動作と、DCEN極性プロセス、並びに安定剤およびマンガン等の他の要素を含むワイヤ（例えば、AWS E5.18 70C-6；より一般的には、E5.18 XXC-6、ただし、「ＸＸ」は引張強さを表す）とを組み合わせることによって、優れた結果が得られることが分かった。そのようなワイヤの１つが、オハイオ州トロイ所在のHobart Brothers社からMetalloy（商標）X-Cel（商標）の名称で市販されている。また更に、或る特定の溶接ワイヤ配合物が、他のワイヤによって得られ得る利点を超える利点を与えると考えられる。そのような配合物は、2004年4月20日にNikodym等に発行された米国特許第6,723,954号「Straight Polarity Metal Cored Wire」、2006年8月8日にNikodym等に発行された米国特許第7,087,860号「Straight Polarity Metal Cored Wire」、および2011年1月4日にBarhorst等に発行された米国特許第7,863,538号「Metal-Core Gas Metal Arc Welding of Ferrous Steels with Noble Gas Shielding」に記載されている。これらの特許文献は、本願の一部をなすものとして引用する。更に、後述するように、アークの強制動作を伴うDCEN極性プロセスにおいてワイヤの性能を高めるために、そのようなワイヤに或る特定の組成変更を加えることができる。

図３は、通常の応用形態における溶接ワイヤの移動を示す。図３に示すように、ワーク間に接合部５８が形成されることになり、溶接トーチから突出する電極４４が、意図する接合部に極めて近接させて位置決めされる。次いで、電極と、その下側に配置されている接合すべき金属との間にアークが形成される。該電極はコンタクト要素６０から進出し、該コンタクト要素は、電極および形成されたアークを強制的に運動させるように動くことができる。コンタクト要素を動かすために、溶接ガン内に運動制御装置６２が設けられている。そのような運動を強制するために数多くの方法を利用することができるが、現時点で考えられる構成では、モーター６６によってカム６４を回転させ、モーター自体はシステムの制御回路によって制御および給電される。このようにして、コンタクト要素および電極は、運動制御装置６２の構成および制御によって決定される所定のパターンおよび所定の周波数で移動する。図３に示すように、コンタクト要素６０の先端、つまり電極４４は、コンタクト要素６０の中心線から所定の距離または半径６８だけ移動することができる。後述するように、この運動のために種々のパターンを利用することができる。このプロセス中に電極４４が前進し、所望の溶接ビードが形成される。更に、参照番号７０で示すように、装置全体が所望の移動速度で移動する。

図４は、電極４４の或る特定の運動パターンと共に、進行中の溶接ビード７２の一例を示す。当業者には理解されるように、溶接ビードは、電極および包囲するワークの母材の金属の加熱から生じた溶融金属から構成される溶接池または溶接パドル７４の後方を進行する。図４に示す電極は、参照番号７６で示すように、概ね円形のパターンで動作する。電極を溶接池７４およびワークの周辺領域に接近させて、電極および包囲する金属を加熱しながら溶接池を維持するように、これらの領域間でアークを維持しながら移動できるように、該動作を溶接ガンの移動速度と協調させようにすることができる。後述するように、ワイヤ送給速度、電極の移動速度または周波数、溶接プロセスのパルス周波数またはＤＣパラメーター（例えば、アークを発生させるように印加される電流および電圧）等の他の協調要因を採用してもよい。

図５は、電極の他の動作パターンを示しており、この場合は概ね楕円形のパターン７８となっている。この場合の楕円形は、溶接およびトーチの移動方向に沿った長軸８０と、移動方向を横切る短軸８２とを有する。更に、図６は更に別の動作パターン、すなわち、横断楕円形パターン８４を示しており、このパターンでは、楕円移動の長軸８０は、溶接およびトーチの移動方向に対して横断方向となっている。然しながら、他の望ましいパターンを利用することができるが、該運動制御装置は、特にこれらのパターンを実施するように適応できることに留意されたい。特定の溶接に合わせて、例えば、ジグザグ、８の字形、横断往復運動ライン等のパターンを用いて最適化することができる。

図７は、メタルコア溶接ワイヤを用いて強制動作させたときに生じると考えられる溶着および溶込み作用を示す。すなわち、電極４４は、接合すべきワーク８６、８８の間で動作する。ワークの中に溶け込む溶接ビード９０が形成され、該溶接ビードが前進するつれて、概ね平坦な表面が形成される。図７において、参照番号９４は、溶接ワイヤのシース４８がワーク８６に向かって最大限に接近したときを示しており、一方、参照番号９４は、シース４８がワーク８８へ最小限の接近を示している。

本実施形態では、メタルコア溶接ワイヤとワークおよび／または進行中の溶接池との間に形成されるアークは、シース４８とこれらの要素との間にのみ存在すると考えられる。こうして、参照番号９８で示すように、特有の移行場所が形成される。結果として生じる溶接部は、ソリッドワイヤ電極を用いて電極運動によって形成することができる類似の溶接部よりも平坦であることが観察されている。更に、参照番号１００で示すように、母材の中への溶込みが促進されると考えられる。然しながら、これは、用いることができる任意の特定のタイプのワイヤに限定されるものとして見なされるべきではない。既述のように、本方法は、メタルコアワイヤに加えて、ソリッドワイヤおよびフラックスコアワイヤと共に用いることもできる。

該方法において変更することができるパラメーターは、電極の移動速度、通常位置または中心位置の回りの電極の移動範囲等の要因を含むことができる。詳細には、本発明は、円形パターンに全く限定はされないが、円形パターンが用いられている場合、より平坦な溶接ビード、およびより高い溶着速度を得るのに、５０Ｈｚより高く、１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚ以上までに及ぶ回転速度が望ましい場合があると考えられる。更に、回転径は現時点では１．５ｍｍ程度であると考えられるが、１．２ｍｍ程度等の、更に大きな直径が望ましい場合もある。また、ガス流と同期または協調している電極移動を与えることが望ましい場合もある。これらの種々のパラメーターは、母材の中への溶込み、電極材料の溶着、アークの維持管理、および他の溶接パラメーターの助けとなる場合がある。

電極先端において発生する溶融球または噴霧に与えられる機械的な力（例えば、遠心力）におそらく起因して、溶接池は、メタルコア電極の移動と共に良好に移動することができると考えられる。したがって、そのプロセスは、以前のプロセスよりも低温で実行できる場合がある。或る特定のタイプのワークおよびワーク冶金学的特性、特に亜鉛めっきされたワークにおいても、高められた利点が提供される場合がある。更に、そのプロセスは、そのような溶接電極と共に現在使用されているアルゴン混合物ではなく、CO₂等のより安価なシールドガスを考慮することもできる。既述のように、ソリッドワイヤおよびフラックスコアワイヤも同様に本方法と共に用いることができ、それぞれのワイヤはそれら自体の利点をそのプロセスにもたらすことができる。

図８は、メタルコア溶接電極の移動を電極先端からの材料の強制移行に関連付ける例示的なタイミング図を示す。図８では、電極先端移動はトレース１０２によって経時的に示されており、一方、強制移行はトレース１０４によって示される。円形移動パターンでは、進行中の溶接ビード若しくはパッドル内の任意の特定の点、または接合部の任意の特定の場所の視点から、概ね正弦運動が予想される。この運動における点１０６では、電極のシースがワークの母材の両側の最も近くに接近することができる。溶接プロセスは、参照番号１０８によって包括的に示すように、パルス溶接方法を制御すること等によって、これらの場所において電極からの材料の移行を強制または強化するように適応することができる。これらの時間は、時間線１１０で示すように、通常周期的に生じる。上記のように、移行モードとメタルコア溶接電極の運動とを協調させて、特に電極のシースのみによるアークの形成を利用するために、これらの制御方式および数多くの他の制御方式を想定することができる。これは、例示的であると見なされるべきである。と言うのは、既述のように、本発明は、メタルコアワイヤに加えて、ソリッドワイヤやフラックスコアワイヤと共に用いることができるためである。

これまでの例に加えて、DCEN溶接方法を既述のメタルコアワイヤと共に用い、アークを機械的に運動させることによって特に良好な結果を得ることができ、また、或る特定のタイプのワーク（またはベースプレート材料）にとって更に一層魅力的であることが見出された。例えば、既述したMetalloy（商標）X-Cel（商標）ワイヤは、溶接金属の湿潤性を高めながら（過度に「凸状構造をなす」ビードを回避しながら）、飛散を削減するのに特に適している。更に、アーク運動と共に、およびそのようなワイヤと組み合わせて、DCEN法を使用することによって過熱が抑制される。その組み合わせは、亜鉛めっき鋼板材料溶接（例えば、自動車の応用形態）、被コーティング材料または被塗装材料溶接、薄板溶接（例えば、家具製造）等に特に役に立つ場合がある。

これらの応用形態に適している溶接ワイヤ（一般的に、上記で言及されたX-Cel（商標）ワイヤに対応する）はアークを安定させる（飛散が少ない安定したアークを生成する）構成要素によって特徴付けられると現時点では考えられている。例えば、そのような安定剤はカリウム、および溶接プロセス中にカリウムを与える化合物（カリ長石、チタン酸カリウム、チタン酸カリウムマンガン、流酸カリウム、炭酸カリウム、リン酸カリウム、モリブデン酸カリウム、硝酸カリウム、フッ化ケイ素酸カリウムおよびカリウムを含有する複合酸化物化合物等）を含むことができる。更に、昇華してアークカラムに入ることによって、およびより細かい飛沫を金属転移させることによって、黒鉛状および非黒鉛状炭素源が安定化を与えることができる。既存の溶接ワイヤ（上記で言及されたワイヤ等）の可能な変更形態は、任意の他の発生源または上記で言及された更なる発生源からのカリウムと、黒鉛、または鉄および／または合金粉末を含有する炭素等の適切な炭素源とを含むことができる。

関連する特定のDCEN法に関して、これらのプロセスは通常、電極直径、電極延在範囲（例えば、コンタクトチップからプレートまで）、溶接位置、ワークまたはベースプレートタイプおよび直径、移動速度および溶着速度、ワイヤ送給速度等に少なくとも部分的に基づいて選択された電流および電圧において実行される。例えば、１５０Ａから４５０Ａに及ぶ電流と共に、２１Ｖから３０Ｖに及ぶ電圧が適している場合がある。更に、シールドガスに関して、適切なガス混合物はアルゴンおよび二酸化炭素を含み、アルゴンが最小７５％および最大９５％であると考えられる（ただし、アルゴンが９８％、酸素が２％のような、他の量および組み合わせでも条件を満たす場合がある）。更に、選択されるDCEN極性は、非パルス電流およびパルス電流を含むことができると考えられる。

現時点で考えられる実施形態では、上述したタイプの溶接システムの種々のパラメーターは、検出される種々の仮付溶接問題に対応するように溶接中に変更することができる。例えば、図９に示すように、溶接が進行するにつれて、溶接トーチノズル１１２および電極は、所定の溶接ライン１１６に沿って移動しながら、進行中の溶接ビード１１４を残す。示されるように、溶接ラインは、参照番号１１８によって包括的に示すようにギャップすなわち仮付溶接問題に直面する。溶接ラインは、初期スピンの形態１２０、移動速度１２２、およびワイヤ送給速度１２４の結果として展開される。ワークの材料、ワイヤ電極のタイプおよびサイズ等のような要因に応じて、任意の好適なパラメーターを用いることができる。概して、「スピンの形態」は、電極先端の移動の直径または半径、移動のパターン等を含む種々の要因を含むことができることにも留意されたい。ともに考慮されるこれらの初期パラメーターは、完成した溶接品における欠陥を回避するのに十分な幅および溶込みの溶接ビードをもたらす。この場合、これらの初期パラメーターは、ワーク間で直面するギャップ等の仮付溶接の問題を補償するように多くの方法で変更することができる。仮付溶接は溶接経路に沿って変化する場合があるため、溶接パラメーターは、溶接部における欠陥を回避するのに十分である新たな組合せになるように調整される必要がある場合がある。図９の想像図に示すように、これらの新たなパラメーターは、溶接トーチが仮付溶接に接近するときに調整される第２のスピンの形態１２６（例えば、電極先端の移動の異なる直径または半径）、第２の移動速度１２８、および第２のワイヤ送給速度１３０を含むことができ、これらのパラメーターは、ギャップ（仮付溶接パラメーター）１１８によって課される測定制約に直接関係する。

図１０に示すように、例示的な応用形態では、溶接ロボット１３２が溶接ラインに沿って溶接トーチ２４を動かす。仮付溶接における変化を溶接経路に沿ってモニタリングする責任を担うカメラ／検出装置１３４が機械的取付け部１３６を介してトーチに取り付けられ、検出装置がトーチと共に動くのを可能にする。この装置は、その装置がトーチのすぐ先にあるワーク８６および８８間の仮付溶接を検査することを可能にするように位置決めされる。画素化された画像の形態とすることができるこの情報によって、撮像システム／ギャップ検出構成要素１３８が溶接ラインとギャップ１１８との間のパラメーター変化に気づくことが可能になる。これは、例えば、発生するギャップ（または逆に、より密接に合わさる複数の部分）を示す間隔または画素を検出することによって行うことができる。次いで、この情報はパラメーター計算構成要素１４０に送信され、パラメーター計算構成要素１４０は、初期溶接パラメーターが存在する場合、それらの初期溶接パラメーターのうちのいずれが、十分な量の材料によってギャップを適切に充填するために調整される必要があるか否かを決定する。適切なパラメーター調整の決定は、適切な計算、ルックアップテーブル、または任意の他の所望のアルゴリズムによって行うことができる。そのようなテーブルは、例えば、種々の仮付溶接すなわちギャップのパラメーター（例えば、サイズまたは距離）を発呼し、これらを特定の仮付溶接に適したワイヤ送給速度、移動速度、電力、電極スピン等に関連付けることができる。例えば、この構成要素は、ギャップに必要とされる新たなスピンの形態はより大きい若しくはより小さいものであるかまたは異なる形状を有するべきと決定することができ、これによって、電極を動かす方法を変更することが必要となる。更に、移動速度を以前と同じに保つことができることおよび／またはワイヤ送給速度は上昇／下降すべきであることを決定することができる。同時に、電極への電荷も同様に調整すべきであることを決定することができる。この点において、これらのパラメーターは決定に従って調整され、溶接トーチはギャップに向かってその進行を続ける。仮付溶接における変化に対応するようにパラメーターを調整すべきである場合、これらのパラメーターは一概して、関与する適切なシステム構成要素によって管理されることに留意されたい。例えば、溶接電力の変更は、電源すなわち電力供給装置によって調整される。ワイヤ送給速度の変更はワイヤ送給装置によって行われる。移動速度の変更は、自動化される応用形態では、溶接トーチを動かすロボットによって調整される。スピンの形態の変更は、溶接トーチ内で溶接電極を動かす機構によって実施される。当業者は、これらの装置が、変更されたパラメーターを溶接動作中に実施するように設計することができることを容易に理解するであろう。

ギャップを検出して必要に応じて溶接パラメーターを変更する機能が図１１に要約されている。図１１は、ワーク間のギャップ等の仮付溶接の変化に対処するようにシステム構成要素によって用いられる例示的な制御論理１４２を示す方法フロー図である。溶接トーチおよび電極が、ギャップに接近する場合、ステップ１４４に示すように初期回転形状、移動速度、ワイヤ送給速度、および電極に印加される溶接電力を伴ってギャップに接近する。次いで、検出装置は、ステップ１４６に示すように撮像を介して仮付溶接を検出および測定し、このとき、関連情報が、ステップ１４８に示すようにパラメーターを変更すべきであるか否かを決定するのに用いられる。溶接ラインの経路が初期パラメーターに対する変更を許可しない場合、溶接トーチは、同じ形状、移動速度、ワイヤ送給速度、および電極に印加される溶接電力を伴って溶接ラインに沿って動作および進行し続ける。この場合、検出装置は仮付溶接を単に検出を継続しステップ１４６に戻る。制御装置が初期パラメーターを変更すべきであることを決定する場合、制御論理は、ステップ１５０に示すように、それらの変更を計算するかまたはルックアップテーブルによって数値を取得するように進む。ここで、スピンの形態、トーチ移動速度、ワイヤ送給速度、および溶接電力等のパラメーターのうちの１つまたは任意の組合せは、ギャップをこえて複数のワークをともに十分に溶接するために調整することができる。決定が行われると、ステップ１５２に示すように、計算／ルックアップテーブルに従って適切なパラメーターが調整され、ステップ１５４に示すように、溶接トーチは溶接し続ける。溶接トーチがギャップを跨ぐように溶接を行うと、またはより一般的には、新たなパラメーターが実施されると、制御論理はステップ１４４に戻る。ステップ１４４において、制御論理は、仮付溶接をモニタリングして（ステップ１４６）溶接パラメーターを変更すべきか否かを決定する（ステップ１４８）プロセスを続ける。溶接中に仮付溶接が改善する場合、例えばギャップがその後閉鎖する場合、同じ論理によって、改善された仮付溶接を反映するように溶接システムのパラメーターの同様の変更が可能になることができることに留意されたい。

本明細書において、本発明の或る特定の特徴だけが図示および説明されてきたが、当業者には多くの変更および変形が思い浮かぶであろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に入る全ての変更および変形を包含することを意図していることを理解されたい。

１０ 溶接システム
１２ 溶接部
１４ ワーク
１６ 電力供給装置
１８ ガス源
２０ 電源
２２ ワイヤ送給装置
２４ 溶接ガン
２６ 電力変換回路
２８ 制御回路
３０ オペレーターインターフェース
３２ バルブ
３４ 制御回路
３６ スプール
３８ 駆動装置
４０ 溶接ケーブル
４２ ワークケーブル
４４ 電極
４６ 金属製シース
４８ シース
５０ 金属コア
５２ 直径
５４ シース壁厚
５６ コア直径
５８ 接合部
６０ コンタクト要素
６２ 運動制御装置
６４ カム
６６ モーター
６８ 半径
７２ 溶接ビード
７４ 溶接池
７６ 円形パターン
７８ 楕円形パターン
８０ 長軸
８２ 短軸
８４ 横断楕円形パターン
８６ ワーク
８８ ワーク
９０ 溶接ビード
１１０ 時間線
１１２ 溶接トーチノズル
１１４ 溶接ビード
１１６ 溶接ライン
１１８ ギャップ
１２２ 移動速度
１２４ ワイヤ送給速度
１２８ 第２の移動速度
１３０ 第２のワイヤ送給速度
１３２ 溶接ロボット
１３４ 検出装置
１３６ 機械的取付け部
１３８ ギャップ検出構成要素
１４０ パラメーター計算構成要素
１４２ 制御論理

Claims (20)

1. 溶接方法であって、
   溶接電極とワークとの間にアークを形成することと、
   溶接トーチ内で前記電極を運動制御装置によって所望のパターンで周期的に動かしながら、前記溶接トーチから前記電極を送給することと、
   前記溶接トーチまたは前記ワークを進めることであって、それにより溶接ビードを形成することと、
   前記アークおよび前記溶接ビードを維持しながら前記所望のパターンの形状を変更することとを含む溶接方法。
2. 前記所望のパターンの前記形状を変更することは、概ね円形のパターンの直径を変更することを含む請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記電極のワイヤ送給速度を変更することも含む請求項１に記載の溶接方法。
4. 前記溶接トーチの移動速度を変更することも含む請求項１に記載の溶接方法。
5. 前記電極に印加される溶接電力のパラメーターを変更することも含む請求項１に記載の溶接方法。
6. 前記方法は、前記ワークの仮付溶接パラメーターを検出することを含み、前記所望のパターンの前記形状は、前記検出された仮付溶接パラメーターに基づいて変更される請求項１に記載の溶接方法。
7. 前記仮付溶接パラメーターは、前記溶接トーチに取り付けられる検出器によって検出される請求項６に記載の溶接方法。
8. 前記溶接トーチは溶接ロボットに取り付けられる請求項１に記載の溶接方法。
9. 溶接方法であって、
   溶接電極とワークとの間にアークを形成することと、
   溶接トーチ内で前記電極を運動制御装置によって所望のパターンで周期的に動かしながら、前記溶接トーチから前記電極を送給することと、
   前記溶接トーチまたは前記ワークを進めることであって、それにより溶接ビードを形成することと、
   前記ワークの仮付溶接パラメーターを検出することと、
   前記アークおよび前記溶接ビードを維持しながら、前記検出された仮付溶接パラメーターに基づいて前記所望のパターンの形状を変更することとを含む溶接方法。
10. 前記所望のパターンの前記形状を変更することは、概ね円形のパターンの直径を変更することを含む請求項９に記載の溶接方法。
11. 前記検出された仮付溶接パラメーターに基づいて前記電極のワイヤ送給速度を変更することも含む請求項９に記載の溶接方法。
12. 前記検出された仮付溶接パラメーターに基づいて前記溶接トーチの移動速度を変更することも含む請求項９に記載の溶接方法。
13. 前記検出された仮付溶接パラメーターに基づいて前記電極に印加される溶接電力のパラメーターを変更することも含む請求項９に記載の溶接方法。
14. 溶接方法であって、
    溶接電極とワークとの間にアークを形成することと、
    溶接トーチ内で前記電極を運動制御装置によって所望のパターンで周期的に動かしながら、前記溶接トーチから前記電極を送給することと、
    前記溶接トーチまたは前記ワークを進めることであって、それにより溶接ビードを形成することと、
    前記アークおよび前記溶接ビードを維持しながら、前記所望のパターンの形状、溶接トーチの移動速度、電極ワイヤ送給速度、前記電極に印加される溶接電力のパラメーター、および前記電極の周期的移動速度のうちの少なくとも１つを変更することとを含む溶接方法。
15. 前記方法は、前記ワークの仮付溶接パラメーターを検出することを含み、前記変更は、前記検出された仮付溶接パラメーターに基づいている請求項１４に記載の溶接方法。
16. 前記仮付溶接パラメーターは、前記溶接トーチに取り付けられる検出器によって検出される請求項１５に記載の溶接方法。
17. 溶接システムであって、
    溶接電力を生成する電力供給装置と、
    前記溶接電力を受け取るように構成される溶接トーチと、
    溶接ワイヤを前記溶接トーチに送給するワイヤ送給装置と、
    前記溶接トーチに関連付けられ、前記溶接ワイヤがワークに向かって進められかつアークが前記溶接電力によって維持されるときに前記溶接ワイヤを動かすように構成される溶接ワイヤ回転アセンブリと、
    前記ワークの仮付溶接パラメーターを検出する仮付溶接パラメーター検出構成要素と、
    前記仮付溶接パラメーターに基づいて前記溶接ワイヤの移動を変更する制御回路とを備える溶接システム。
18. 前記溶接トーチの移動は、該溶接トーチが取り付けられる溶接ロボットによって制御される請求項１７に記載の溶接システム。
19. 前記仮付溶接パラメーター検出構成要素は前記溶接トーチに取り付けられる請求項１７に記載の溶接システム。
20. 前記制御回路は、前記電力供給装置および前記ワイヤ送給装置のうちの少なくとも一方の回路を備える請求項１７に記載の溶接システム。

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