JP2015525676A - ホットワイヤで接合部を形成するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

ワークピースを接合するための方法及びシステムが提供され、高エネルギ熱源が、ワークピースに離散した穴を作るために使用され、フィラー材料が、ワークピースを互いに接合する別個の留め具を形成するように離散した穴に溶着される。

Description

この特許出願は、米国仮出願番号第６１／６６８，６０６号、及び米国特許出願番号第１３／７９０，０６１号の優先権を主張し、その全体をここに参照によって援用する。

本発明は、ホットワイヤ加工のためのシステム及び方法に関する。より具体的には、主題の発明は、離散した接合部分を作るためにホットワイヤ加工を使用して少なくとも２つのワークピースの間に特殊な接合部を形成するためのシステム及び方法に関する。

アーク溶接方法と異なり、ホットワイヤ加工は、溶加材を溶融池に移動させるために消耗ワイヤとワークピースとの間のアークを使用しない。より具体的には、ワイヤとワークピースとの間のホットワイヤ又はフィラーワイヤ加工では、レーザ（又は他の高熱源）が溶融池を形成するために被加工物を加熱するとともに溶かす。フィラーワイヤは、ワークピース及び溶融池に向かって進められる。ワイヤは、別のエネルギ源、例えば溶接機によって、ワイヤがその融点に近づく又は到達するとともに溶融池と接触するように、抵抗加熱される。加熱されたワイヤは、ホットワイヤ加工を実行するために溶融池に送り込まれる。したがって、フィラーワイヤのワークピースへの移動は、単純にフィラーワイヤが溶融池に溶け込むことによって生じる。この加工は、連続溶接／コーティングビードの製造中に知られている。

本発明の実施形態は、２以上のワークピース部材の間の接続部の形成のシステム又は方法を提供する。

１つの実施形態では、方法は、第２のワークピースと少なくとも部分的に重なり合う第１のワークピースの間に重ね溶接部を形成することを提供する。方法は、第１のワークピースにキーホールの第１の部分を形成するステップ；第２のワークピースに前記キーホールの第２の部分を形成するステップ；及びキーホールにリベットを形成するようにキーホールに配置されるフィラーワイヤでホットワイヤ加工を実行するステップ；を含む。ホットワイヤ加工は、フィラーワイヤと、第１のワークピース、第２のワークピース及びホットワイヤ加工の溶融池の少なくとも１つとの間のキーホール内にアークを発生しない。代替実施形態では、ホットワイヤ加工は、フィラーワイヤでの制御されたアークと共同してレーザビームを使用する。しかし、従来の方法と異なり、連続的なビードは作られない。

他の実施形態は、第２のワークピースと少なくとも部分的に重なり合う第１のワークピースの間に重ね接合部を提供する。接合部は、前記第１及び前記第２のワークピースを通って延びるキーホールを含む。キーホールは、第１のワークピースの第１の部分及び第２のワークピースの第２の部分を有する。１つの態様では、第１の部分は、第１のワークピースの内面によって予備成形される。リベットがワークピースに形成される。リベットは、リベットがフィラーワイヤ材料並びに第１のワークピース及び第２のワークピースのそれぞれの母材の固体の組み合わせであるように、キーホール内のホットワイヤ加工によって形成される。他の特定の実施形態では、第１及び第２のワークピースは、異種材料である。

請求項に記載された発明のこれらの及び他の特徴、並びにそれらの説明される実施形態の詳細は、以下の説明、請求項及び図面からより完全に理解されるであろう。

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であろう。
例示的な重ね溶接接合部を形成するホットワイヤ加工システムの説明図である。 図１のシステムでの重ね溶接接合部の形成の詳細図である。 主題のプロセスの実施形態のレーザビームの概略図である。 図１のシステムを使用する２つのワークピースの間の重ね溶接接合部に形成される例証のリベットの断面図である。 図１のシステムを使用するキーホールの予備成形された部分とともに部分的に形成されたリベットの断面図である。 図１のシステムを使用する異種材料の２つのワークピースの間の重ね溶接部を形成するように他の部分的に予備成形されたキーホール内に形成されたリベットの断面図である。 図１のシステムを使用する複数のリベットを有する２つのワークピースの間の重ね溶接接合部の平面の例示的な実施形態である。 線ＶＢ−ＶＢに沿った重ね溶接接合部の断面図である。

本発明の例示的な実施形態が次に、添付の図面を参照して以下に記載される。記載される例示的な実施形態は、本発明の理解を助けることが意図され、如何なる方法でも本発明の範囲を制限することは意図されない。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を示す。

図１に示されるのは、ホットワイヤ加工を使用して溶接又は接合作業を実行するための代表的なシステム１００である。図示されるシステムは、熱源としてレーザを使用しているが、実施形態は、レーザの使用に限定されず、他の高熱エネルギ源が、ここの記載と合致して、使用されることができる。システム１００のさらなる詳細は、別紙Ａとして添付されるとともにその全体が本願に参照によって援用される米国特許出願公開第２０１１／０２９７６５８号に図示されるとともに記載される。

図２に示されるのは、第１のワークピース（被加工材）２０５と第２のワークピース２１０との間に重ね接合部２００を形成するホットワイヤシステム１００の詳細図である。対象の重ね接合部２００では、第１のワークピース２０５の一部が、重なり接合面２１５を定めるように第２のワークピース２１０の一部と重なるとともに係合する。ワークピースの重なる領域及び接合面２１５０を通って延びるのはキーホール（キー孔）２２０である。キーホールは、第１のワークピース２０５を通って延びる第１の部分２２０ａ及び第２のワークピース２１０を通って延びる第２の部分２２０ｂによって定められる。ここで使用されるとき、用語「キーホール」は、ワークピースの厚さの全体を通って延びることを意味することが意図される。

１つの実施形態では、キーホール２２０は、第１及び第２のワークピース２０５、２１０のそれぞれの母材を溶かすレーザビーム１１０によって形成される。より具体的には、レーザビーム１１０は、母材を溶かすとともにキーホールの第１の部分２２０ａを定めるように第１のワークピース２０５に孔又は開口を形成するように、例えば出力／面積、例えば（ワット／平方インチ−Ｗ／ｓｑ．ｉｎ．）で測定される、エネルギの第１の密度を第１のワークピース２０５に供給する。レーザビーム１１０は、母材を溶かすとともにキーホールの第２の部分２２０ｂを定めるように第２のワークピース２１０に孔又は開口を形成するように、エネルギの第２の密度を第２のワークピース２１０に供給する。レーザビーム１１０によって供給されるエネルギの第１及び第２の密度は、１つの態様では、溶かされることになる母材に依存する。すなわち、材料が同じ場合、エネルギ密度は同じであり得る。しかし、接合されることになる材料が異なる場合、又は異なる幾何学的形状を有する場合、エネルギ密度は、それぞれのワークピースの適切な溶融を生じさせるために異なり得る。したがって、形成の１つの態様では、重ね接合部形成のプロセスのキーホール２２０は、母材を溶かすのに必要なエネルギ密度に応じて等しくなり得る又は異なり得る。図２の特定の実施形態に示されるように、レーザビーム１１０は、ファイバレーザ供給サブシステム１１２に結合される適切なコリメート／集光光学素子１１５を介してワークピースに供給されることができる。

接合部２００の形成の及びキーホール２２０の形成の第１の実施形態では、レーザビームは、キーホール２２０内に溶融池１１６を生成する。溶融池１１６の形成とともに、フィラーワイヤ１２０が、図１に見られるように、ワイヤフィーダ１５０によって送給され、例えば電源１５０のような電源に結合されるコンタクトチップ１６０を介して加熱される。加熱は、抵抗加熱であり得る。再び図２を参照すると、フィラーワイヤ１２０の遠位端部が溶かされる又はほとんど溶かされているとき、フィラーワイヤ１２０の遠位端部はフィラーワイヤ材料をキーホール２２０内の溶融池１１６に移動させるように、溶融池１１６と接触して置かれる。フィラーワイヤ１２０の溶融遠位端部は溶融池１１６と連続して接触するので、位置並びにフィラーワイヤ１２０への電流及び／又は電圧は、ワイヤ１２０とワークピース２０５、２１０との間のアークの形成を防ぐように、制御される。したがって、重ね溶接接合部形成の１つの特定の実施形態は、ワイヤ１２０とワークピース２０５、２１０との間に発生するアーク無しの接合部の形成を提供する。

本発明の例示的な実施形態では、エネルギ密度は、レーザエネルギ供給の深さを偏向するように、より具体的にはレーザが溶融池１１６を位置する深さを減少させるように、図３Ａに概略的に示されるように、変えられる。したがって、レーザ深さが減少されるとき、ワークピース２０５、２１０の母材及びキーホール２２０に溶着されるフィラー材料は、図３Ｂに示されるように連続的なリベット２３０を形成するように混ざるとともに固まる。１つの実施形態のリベット２３０は、ワークピース２０５、２１０を通るリベット軸Ｙ−Ｙを定めるように軸方向に延びる実質的に円錐台形態である。したがって、１つの態様では、リベット２３０は、第１のワークピース２０５の上面から第２のワークピース２１０の底面に向かう近位から遠位への方向に狭くテーパ形状になる。しかし、リベット２３０に対する他の形状が利用されることができる。例えば、リベット２３０は、その長さに沿って明らかなテーパが無いような円柱形状を有することができる。さらに、リベット２３０は、その断面（リベット２３０の頂部又は底部で下を見るとき）が細長い細長形状を有することができる。このような形状は、長円、楕円等を含むことができる。作られるリベットの断面は、それらが特定の用途に対する所望の機械的強度をつくるようになるべきである。

本発明の例示的な実施形態では、第１のワークピース２０５及び第２のワークピースは、同じ材料で作られる。しかし、他の実施形態では、それらは異なる材料であり得る。図示された実施形態では、レーザビーム１２０は、レーザ源及び電源１３０から発生し、ワークピースの接合部形成部位に供給される。第１のエネルギ密度（Ｗ／平方インチ）が第１のワークピースのキーホールの第１の部分を形成するように供給される。第２のエネルギ密度（Ｗ／平方インチ）が、開口内に及び第２のワークピース２１０にキーホールの第２の部分を形成するように供給される。フィラーワイヤ材料が開口内に延ばされる。フィラーワイヤは、電源１７０に結合されるとともに、パルス又はＡＣ波形によってその融解温度に又はその近くに抵抗加熱される。フィラーワイヤは、一定の又は変化するワイヤ送給速度レートのいずれかで送給されることができる。

第２の代替実施形態では、ホットワイヤ加工は実質的に、この第２の実施形態がフィラーワイヤ１２０とワークピース２０５、２１０の間に発生するアークを提供することを除いて、前述のものと同様である。より具体的には、電源１７０は、ワイヤ１２０とワークピース２０５との間にアークを形成するのに十分な信号をワイヤ１２０に供給する。したがって、ワイヤ１２０に形成されるアークは、レーザビーム１１０と併せて、キーホール２２０を形成するように並びに／又はキーホール内でキーホール２２０の深さ及び／又は幅又は直径を制御するように、使用されることができる。１つの態様では、図１を参照して、フィーダ１５０は、キーホール２２０内にアークを発生させるようにフィラーワイヤに伝えられる所望の電圧又は電流を伴って、フィラーワイヤ１２０の遠位端部をキーホール２２０内の溶融池１１６からある距離離れて配置するよう、電源１７０と協調される。

キーホール２２０ａ、２２０ｂの１又は複数が、レーザビーム１１０の照射より前に予備成形される代替実施形態が提供される。例えば、図４Ａに示されるのは、第１のキーホール部分２２０ａを予め定めるようにワークピース２０５の内面によって定められる予備成形された開口である。開口は、ドリル加工、パンチング又は材料除去の任意の他の既知の形態によって予備成形され得る。図示されるのは、第１のキーホール部分２２０ａを通って第２のワークピース２１０の上面に衝突するように延びるレーザビーム１１０である。レーザビーム単体又はフィラーワイヤと組み合わせたレーザビームは、上述のような方法でキーホールの第２の部分を定めるようにエネルギ密度を供給する。リベット２３０は、最初は、第２のワークピース２１０の母材とフィラー材料１２０の混合及び凝固によって第２のキーホール部分２２０ｂ内に形成される。リベット２３０は、溶接接合部２００ａの形成を完成させるために、溶けている又はほとんど溶けているフィラー材料を溶融池１１６に混ぜることによって連続的に作られる。溶融池１１６の高さは、レーザビーム１１０のエネルギ密度の変化によって変化する。さらに、溶融池１１６がワイヤ１２０のフィラー材料と混ざるとき、内面２２２は、リベット２３０を形成するために溶融池１１６と混合するとともに凝固するように溶け得る。

重ね溶接接合部２００ｂの１つの特定の実施形態が図４Ｂに示され、そこではワークピース２０５、２１０は異種材料で作られる。例えば、底部又は第２のワークピース２１０は、鋼で作られ得るとともに、第１のワークピース２０５は、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、セラミック又は他の材料で作られ得る。１つの例示的な実施形態では、予備成形される開口は、第１のワークピース２０５に形成され得るとともに内面２２２’によって定められる。内面２２２’は、軸Ｙ−Ｙと平行な垂直に対する第１の角度θ１を定めるために第１の部分２２２ａ’及び軸Ｙ−Ｙと平行な垂直に対する第２の角度θ２を定めるために第２の部分２２２ｂ’を含む。前述のホットワイヤ加工を使用して、リベット２３０が形成される。近位部分２３０ａは、内面２２２’の第１の部分２２２ａ’と係合するとともに融合するように、拡大されたヘッド部２３０ａを形成する。したがって、リベット２３０及びリベットヘッド部２３０ａは、リベット２３０とワークピース２０５、２１０との間の機械的な接合部を促進する。図４Ｂの実施形態に示されるように、レーザは、ワークピース２１０を完全にキーホールを形成しないが、完全に貫通する手前で停止する。しかし、他の実施形態では、レーザビーム１１０は完全にキーホールを形成することができる、したがってもう一つのヘッド部分をヘッド部２３０ａの反対側に形成させる。リベット２３０に関する様々な形状及び材料が、接合部に対する所望の強度を達成するために、用いられることができる。

ここに記載された図面は重ね接合部を描いているが、本発明の実施形態は他の接合部に用いられる得ることが留意されるべきである。本発明の利点のために、そうでなければ互いに化学的に反応する異種金属が接合されることができることも留意されるべきである。すなわち、本発明の実施形態は、ワークピース２０５と２１０との間の中性材料層又はスペーサを使用することができ、リベット２３０のための材料は、そうでなければ接合されることができない異種材料が本発明の実施形態によって接合されることができるような中性材料であることができる。

ワークピース２０５及び２１０が同じ又は同様の材料である場合、ワークピースを接合するためにリベット２３０の強度を使うことに加えて、本発明の実施形態はまた、記載されたホットワイヤ加工を使用してワークピースを一緒に溶接することができることが留意されるべきである。これは、接合部の機械的な結合を増加させる。

例示的な実施形態では、ワークピース２０５及び２１０が異種である場合、リベット２３０のための材料は、それが、所望の強度を提供するとともに、接合されることになるワークピースと化学的に及び冶金的に適合するように、選択されるべきである。本発明の幾つかの例示的な実施形態では、リベット２３０は、最低の溶融温度を有するワークピース２０５／２１０のために使用される材料の組成と同等である材料で形成されることになる。例えば、アルミニウムが鋼と接合されることになる場合、リベット２３０は、アルミニウム組成から形成されることができる。これは、リベット２３０用材料を適切に溶かすために必要な入熱が、ワークピースのいずれの好ましくない溶融を起こさないことを確実にする。例えば、高い溶融温度がリベット２３０のために使用される場合（例えば、鋼）、その溶融は、低い温度のワークピース組成（アルミニウム）の好ましくない溶融を起こし得る。リベット２３０はまた、要望通りに、ワークピースの両方と異なる組成で作られることができる。例えば、リベット２３０はアルミニウムであることができる一方、ワークピースはそれぞれ鋼及びセラミックである。

それぞれの上述の接合部形成の１つの態様では、レーザは、ホットワイヤ加工の間に渡ってフィラーワイヤに衝突しない。代替の態様では、レーザはフィラーワイヤに衝突する。フィラーワイヤ１２０がレーザに衝突される範囲において、フィラーワイヤ１２０への加熱信号及びフィラーワイヤの送給速度は、ワイヤの適切な溶融を確実にするために所望の方法で制御される。ワークピースの幅に依存して、多数のリベット２３０が、ワークピース２０５、２１０の間に完全な重ね溶接接合部２００を形成するように離間され得る。図５Ａ及び５Ｂに示されるのは、ワークピース２０５、２１０の間に重ね溶接部を形成するように、上述の実施形態のいずれか１つによって形成されることができる、多数のリベット２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃである。

本発明が幾つかの実施形態を参照して記載されているが、様々な変更が成され得るとともに均等物が本発明の範囲から離れることなしに置き換えられ得ることが当業者に理解されるであろう。加えて、多くの修正形態が、本発明の範囲から離れることなしに特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、作られ得る。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の請求項の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むことが意図される。

１００ システム
１１０ レーザビーム
１１２ サブシステム
１１５ 集光光学素子
１１６ 溶融池
１２０ フィラーワイヤ
１３０ 電源
１５０ ワイヤフィーダ
１６０ コンタクトチップ
７０ 電源
２００ 重ね接合部
２００ａ 溶接接合部
２００ｂ 重ね溶接接合部
２０５ 第１のワークピース
２１０ 第２のワークピース
２１５ 重なり接合面
２２０ キーホール
２２０ａ 第１の部分
２２０ｂ 第２の部分
２２２ 内面
２２２’ 内面
２２２ａ’ 第１の部分
２２２ｂ’ 第２の部分
２３０ リベット
２３０ａ 複数のリベット
２３０ｂ 複数のリベット
２３０ｃ 複数のリベット
θ１ 第１の角度
θ２ 第２の角度

ｙ−ｙ軸

Claims (15)

1. 少なくとも２つのワークピースの間に接合部を形成する方法であって：
   第１のワークピース及び第２のワークピースのそれぞれの間に接合部を形成するために、前記第１のワークピースを前記第２のワークピースと係合させるステップ；
   前記第１及び前記第２のワークピースのそれぞれに複数のキーホールを形成するように、前記第１及び前記第２のワークピースの両方に高エネルギ熱源を向けるステップであって、前記第１及び前記第２のワークピースのそれぞれの前記キーホールは、互いに位置合わせして、複数のキーホール対を作る、ステップ；
   フィラー材料を前記複数のキーホール対の中に向けるとともに、続いて、前記フィラー材料を、前記フィラー材料が前記複数のキーホール対の中で溶けるように、加熱するステップ；及び
   少なくとも前記フィラー材料を有する溶融池から前記複数のキーホール対のそれぞれの中に固体留め具を作るように、前記高エネルギ熱源及び加熱された前記フィラー材料のそれぞれを使用するステップ；を有し、
   前記キーホール対のそれぞれは、前記第１及び前記第２のワークピースを固定するが、前記キーホール対が互いに接触しないように、前記接合部に沿って、分散される、
   方法。
2. 前記レーザビームを供給するステップは、前記レーザビームを第１の強度で前記第１のワークピースに供給するステップ及び前記レーザビームを第２の強度で前記第２のワークピースに供給するステップを含み、前記キーホール対のそれぞれを作るとき、前記第２の強度は、第１の強度と異なる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記留め具のそれぞれを形成するステップは、溶融池が前記キーホール対のそれぞれに保持される深さを制御するステップを含み、前記深さは、前記高エネルギ熱源の強度を制御することによって制御される、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記フィラーワイヤを供給するステップは、前記フィラーワイヤを前記溶融池と連続的な接触状態に保持するステップを含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記留め具は、前記第１及び前記第２のワークピースのそれぞれを通る、テーパ形状又は円柱形状のいずれかを有することができる、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 特に請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法による、少なくとも２つのワークピースの間に接合部を形成する方法であって：
   第１のワークピース及び第２のワークピースのそれぞれの間に接合部を形成するために、前記第１のワークピースを前記第２のワークピースと係合させるステップ；
   前記第１及び前記第２のワークピースの少なくとも一方に複数のキーホールを形成するステップ；
   ホール対を形成するように、第１及び前記第２のワークピースの他方に前記キーホールのぞれぞれに対応する複数の穴を形成するステップ；
   フィラー材料を前記複数の穴対の中に向けるとともに、続いて、前記フィラー材料を、前記フィラー材料が前記複数の穴対の中で溶けるように、加熱するステップ；及び
   少なくとも前記フィラー材料を有する溶融池から前記複数の穴対のそれぞれの中に固体留め具を作るように、前記高エネルギ熱源及び加熱された前記フィラー材料のそれぞれを使用するステップ；を有し、
   前記穴対のそれぞれは、前記第１及び前記第２のワークピースを固定するが、前記穴対が互いに接触しないように、前記接合部に沿って、分散される、
   方法。
7. 前記第１のワークピースは、前記第２のワークピースと異なる材料である、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記高エネルギ熱源はレーザビームである、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記レーザビームを供給するステップは、前記レーザビームを第１の強度で前記第１のワークピースに供給するステップ及び前記レーザビームを第２の強度で前記第２のワークピースに供給するステップを含み、前記第２の強度は第１の強度と異なる、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記留め具のそれぞれを形成するステップは、溶融池が前記穴対のそれぞれに保持される深さを制御するステップを含み、前記深さは、前記高エネルギ熱源の強度を制御することによって制御される、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記フィラーワイヤを供給するステップは、前記フィラーワイヤを前記溶融池と連続的な接触状態に保持するステップを含む、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記留め具は、テーパ形状又は円柱形状のいずれかを有することができる、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記フィラー材料は、前記第１及び前記第２のワークピースのそれぞれとは異なる材料組成を有する、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記第１及び前記第２のワークピースの一方は鋼であり、前記第１及び前記第２のワークピースの他方は、アルミニウム、セラミック、マンガン及び銅である、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記留め具のそれぞれは、中心線と、前記第１及び前記第２のワークピースの一方において前記中心線に対して第１の角度を有する第１のテーパ面と、前記第１及び前記第２のワークピースの他方において前記中心線に対して第２の角度を有する第２のテーパ面と、を有し、前記第１の角度は前記第２の角度と異なる、
    請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。

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