JP2016528045A - 回転アークプロセス溶接を使用するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

消耗電極の先端に回転運動を付与して、溶融金属が遠心力によって、溶接される金属工作物間のスロットの側壁に飛ばされるようにするアーク溶接装置。溶接装置は、電気アークの速度、方向および／または位置を、スロットに対して制御するように構成可能である。溶接装置は、他の類似装置と対になり、ごく近くでおよび／または１つの溶接溜りで協働して作動され、より広いおよび／または複雑な溶接を、迅速で繰返し可能な連続性で実現するように構成可能である。【選択図】図１８

Description

関連出願の相互参照
該当なし

連邦支援の研究または開発に関する声明
該当なし

共同研究協定に属する関係団体の名称
該当なし

コンパクトディスクで提出される配列リスト、表またはコンピュータプログラムリスト付属物の参照
該当なし

本発明は、消耗性ワイヤ電極の連続供給を使用するアーク溶接に関し、詳細には、制御され且つ連続的に調整可能な方法で、横移動が電極のアーク端部に付与されるそのような連続アーク溶接に関する。

連続アーク溶接は、選択されたガスおよびガス混合物の使用；選択されたフラックス；金属または金属の合金；接合部またはスロットの準備；ワイヤサイズおよび供給速度；スロットに沿ったトーチの移動速度および適用される電流の量、などの変数によって影響を受ける。また、その仕事に最適なのはワンパスか多数パスかに関して決定がなければならない。これらおよび他の考慮が、その両方が全体的に参照することによって本明細書に組み込まれる、本発明者および出願人らの先行特許である、「Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ」と題された１９７９年１２月４日付けの米国特許第４，１７７，３７３号明細書、および「Ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｏｒｃｈ」と題された１９８３年８月３０日付けの米国特許第４，４０１，８７８号明細書で説明されるように、連続アーク溶接を科学というよりも技にしている。

セットアップの問題は溶接中にしばしば直面する。接合される金属間のスロットの幅、接合される材料の厚さ、および材料不完全性、コーティング、汚れ、またはグリースによって生じる電気抵抗のわずかな差でさえも、全てが溶接作業の進捗に影響を及ぼし、より正確な溶接を実現するために連続的に調整されなければならない。特に自動装置で直面する問題を克服するために、多数の改善が溶接装置で開発されてきた。それにもかかわらず、さらなる改良の余地があり、いくつかの改良が以下で開示される。

そのすべてが本明細書中以下でより完全に明らかになる前述のおよび他の目的を考慮して、本発明者および出願人の発明は、部品および要素、および実施、シーケンスおよびステップの特定の組合せ、構成および配置を含み、全ては本明細書で以下に記載され、付随する請求項中で定義され、添付図面の好ましい実施形態に示される。

図１は、本発明の例示的実施形態によるトーチの改良をその中に組み込んだ手動使用用に構成された連続アーク溶接装置の概略立面図である。 図２は、本発明の例示的実施形態によるトーチの改良をその中に組み込んだ手動使用用に構成された連続アーク溶接装置の代替実施形態の概略立面図である。 図３は、拡大されたスケールのトーチ本体の断面立面図である。 図４は、本発明の例示的実施形態による改良トーチを組み込んだ機械化連続アーク溶接装置の概略立面図である。 図５は、本発明の例示的実施形態による複数の改良トーチを組み込んだ機械化連続アーク溶接装置の概略立面図である。 図５Ａは、本発明の例示的実施形態による複数の改良トーチおよび回転オフセット能力を組み込んだ機械化連続アーク溶接装置の別の概略立面図である。 図６Ａ−Ｃは、図５に示されるような多数トーチシステムの例示的な溶接経路およびその特徴の略図である。 図７は、本発明の例示的実施形態による、トーチ内の特定の作動中構成要素の立面図であり、電極ワイヤを搬送する棒状部材の移動および調整の効果およびその代替案をいくらか誇張した方法で示す。 図８は、本発明の例示的実施形態による、トーチ内の特定の作動中構成要素の立面図であり、電極ワイヤを搬送する棒状部材の移動および調整の効果およびその代替案をいくらか誇張した方法で示す。 図９Ａ−Ｂは、本発明の例示的実施形態によるトーチ内の特定の作動中構成要素の断面立面図を示す。 図１０は、本発明の例示的実施形態によるトーチ内の特定の作動中構成要素の断面立面図を示す。 図１１は、本発明の例示的実施形態によるトーチ内の特定の作動中構成要素の立面図を示す。 図１２−１２’は、本発明による溶接により接合された金属プレートの部分を示す。 図１３は、本発明の例示的実施形態によるトーチ内の特定の作動中構成要素の立面図を示す。 図１４は、本発明による溶接により接合された金属プレートの部分を示す。 図１５は、本発明の例示的実施形態によるトーチの代替実施形態の立面図を示す。 図１５Ａは、図１５の指示線Ａ−Ａから取られた横断面図を示す。 図１６は、図１５に示されたトーチの代替実施形態の断面立面図を示す。 図１６Ａは、図１６に示されたトーチ本体の基端部の拡大図を示す。 図１６Ｂは、図１６の指示線Ｂ−Ｂから取られた横断面図を示す。 図１７は、図４に示された改良トーチを組み込む機械化連続アーク溶接装置の使用方法を略図で示す。 図１７Ａは、図５に示された複数の改良トーチを組み込む機械化連続アーク溶接装置の使用方法を略図で示す。 図１８は、本発明の例示的実施形態による連続アーク溶接トーチの概略立面図である。 図１８Ａは、図１８の指示線１８Ａ−１８Ａから取られた横断面図を示す。

本発明は、本発明者および出願人の先行特許に開示されるものを超える最新技術に及ぶ。改良は、溶接プロセスの変数の制御を、特に、連続的な調整を伴い、連続的な調整は、溶接の連続的な監視およびそのような調整が引き起こす衝撃に応答して行われる。

従来の設計では、可変速度電気モータは、近似回転周波数が得られるまで電圧を変えることによってモータの速度を変える可変速度制御器と結合された。本明細書で考察される改良は、モータのシャフト、回転速度および方向を正確に位置付けるために電子制御（ＭＣ）を伴うステッピングモータ（１２８）の使用を含む。追加の改良は、電極の経路の物理的特徴をさらに調整するために、トーチの細長い棒状部材およびチップの長さを調整することを含む。

改良はさらに、機械化された装置内の複数のトーチ間でのより正確な経路決定、制御および共有のため、ガス、電極および電力の、別々の供給への分離を含む。さらに、電極経路の改良された制御は、共通の溶接溜り（ｐｕｄｄｌｅ）が複数のトーチ間で維持され得るように、複数のトーチがそのようにごく近くで動作することを可能にする。

先行特許で開示されるように、溶融金属の滴は、電極からスロットの側壁へ飛ばされ、スロット中に溶融金属の溜りを蓄積する。本発明者および出願人の先行の発明では、電極の移動は円形経路であり、溶融金属の滴は遠心力によって放出された。電極のこのアーク端部の移動は「回転」と呼ばれたが、電極ワイヤは回転せず、正しくは軸の周りを回ることを理解すべきである。改良された発明では、モータのより正確な制御が、複雑な経路を可能にし、複雑な経路は完全な円形経路を伴わないかもしれず、および／または方向または速度のいくつかの他の調整を伴うかもしれない。簡単にするため、特に記載しない限り、モータの運転、および結果として得られる電極経路は、一般的に回転と呼ばれるように連続する。

棒状部材の長さを制御することは、チップと溶接スロットの間の距離に影響を及ぼす。機械化された装置では、棒状部材の長さと結合される追加のトーチ位置決め能力は、溶接チップが溶融表面上で維持される距離を正確に制御することができる。電極が溶接スロット内にあるときの回転半径およびトーチ角度は、モータが位置を変えるときに経験し得る抵抗、またはワイヤを通る電流に影響を及ぼし得る。熟練の溶接工は、アークの明るさ、機械の音および／またはプロセスの他の物理的特徴によって、これら変化を感じ取ることができる。

本明細書に記載される改良された設計では、制御器は、電流センサ、光センサ、マイクロフォン、振動センサ等を含み得、これらは制御器にフィードバックを提供し、制御器は反応的にトーチの位置および物理的特徴を調整し、その結果より良い溶接を得る。さらに、制御器がそのような調整を達成できる速度は、より一貫性のある溶接をもたらす。

ステッピングモータがプロセスに付与するこの繊細な制御は、回転を正確に調整することを可能にする。好ましい実施形態では、サーボモータがワイヤの回転に使用される。当業者であれば、ステップモータを同じく使用できることを認識するであろう。ステッピングモータは、先行する移動と無関係に、両方向における正確な位置決めおよび移動を可能にする。これは、正確なタイミング増分に対して固有の位置に位置付けられまたは保持されることが不可能だった先行の可変速度モータを超える劇的な改良である。

可変速度モータを超えるステッピングモータで達成可能な適応性の例として、可変速度での回転が、遠心力による円形ワイヤ経路の半径を決定可能である。しかしながら、ステップパターンを変えることによって回転全体を通して一貫して回転速度を変えることは、ワイヤ経路の形状を変える可能性がある。速度が回転ごとに４回変わり、時点１および３で速度が増大し、時点２および４で速度が低減し、ここで時点１〜４は等しく間隔を空けられ回転経路に沿って同時発生する場合、結果として得られる遠心力の変化は、円形経路よりむしろ楕円形路をもたらし得る。極端に実行される場合、楕円形路は単一プランにおいて長尺状であり得、かつ、垂直面において圧縮され得、実質的に線状の動きになる。

代わりに、完全な回転を実行することなく回転の方向を連続的に反転させることは、経路を単一の前後移動に低減し得る。ステッピングの速度、および各方向におけるステップの回数を調整することによって、経路の幅を制御可能であり、アーチ形状を付与することができる。

ステップモータは、回転経路内でモータの正確な位置決めを可能にするので、正確な制御は、複数のモータがごく近くで作動されることを可能にし、その際それらの経路は互いに重なり得る。これはこれまで、適切な同一モータの内部抵抗または他の物理的特徴のわずかな変化さえ速度の相違をもたらし、また、干渉をもたらした可変速度モータでは不可能であった。

回転経路の正確な位置に沿った正確な速度制御は、１つの側壁での金属の増大した堆積を可能にする。これは、垂直プレート間の水平スロット内の溶接の例外的な改良である。上部プレートに余分な金属を提供することによって、より均一な溶接が可能になる。別の改良は、異なる厚さの溶接プレートに存在し、ここで金属の増大した堆積がより厚いプレート上にある。

この溶接プロセスで得ることができる望ましい結果は、アークの作用が連続的であるように電極の複雑な移動がアークを安定化するらしいので、溶接作業が、比較可能な従来型装置で可能な速さより明らかに速く進行可能であるという発見に存在する。電流、ワイヤ供給速度およびトーチ移動速度は、溶接作業がいったん開始されると増大可能である。さらに、機械化された装置で一緒に動作する複数の溶接トーチの調整は、マルチパス作業を単一パスに低減する。

複数トーチ作業は、それぞれの各トーチのより正確な制御から恩恵を受けることができる。その理由は、トーチ間の干渉が排除され、また、各トーチが異なる作業を実行しているときでさえ、すなわち、主トーチがルート溶接を実行し、１つまたは複数の第２トーチが充填パスを実行しているときでさえ、溶接継ぎ目に沿って共通の前進速度で最適な実行のために両方を調整できるからである。

簡単な修正で、本明細書に記載されるプロセスは、ガスタングステンアーク溶接での使用に適合させることができる。本記載の他の場所では電極ワイヤ（Ｗ）と呼ばれる消耗物は、中央軸方向通路よりむしろ棒状部材の外側から溶接および供給に適合するように、電極の外側で経路決定され得る。当業者であれば、極性は逆転される必要があることがあり、プロセスの差の責任を取るためにいくつかの他の微細な修正がなされることを認識するであろう。消耗物は、ガスタングステンアーク溶接プロセスで一般的なように、回転タングステン棒状部材と継ぎ目の間でアークに供給され得る。

図面をより詳細に参照すると、改良されたトーチ（ＴまたはＴ’）は、従来の方法で、および従来の装備とともに使用される。図１は、可撓性の多目的管状搬送導管（Ｋ）を有する手動溶接用に適合されたトーチ（Ｔ’）を示し、前記導管（Ｋ）は電極ワイヤ（Ｗ）、シールドガス、および電源を単一の導管で搬送する。図２は、シールドガス（ＧＳ）、電源（ＰＷ）、および供給リール（Ｒ）からワイヤドライブ（Ｄ）によって供給される電極ワイヤ（Ｗ）の各入力部を有するトーチ（Ｔ’）を示す。両ユニット（ＴおよびＴ’）は、一体化モータ制御部（１６７）を有するハンドル（Ｈ）を有する。ハンドル（Ｈ）は、使用中の偶発的な短絡を回避するために、好ましくは絶縁体で囲まれる。電流は発電機（Ｇ）（不図示）によって供給される。供給リール（Ｒ）上の電極ワイヤ（Ｗ）は、ワイヤドライブ（Ｄ）によってトーチ（ＴおよびＴ’）に供給される。いずれかの適切な種類のシールドガスは、源（不図示）から、供給ライン（ＧＳまたはＫ）を通り、トーチ（ＴおよびＴ’）を通って、電極ワイヤ（Ｗ）を囲むガスシールド（Ｓ）まで流れ、ガスシールド（Ｓ）で電極ワイヤ（Ｗ）はトーチを出る。

電流、トーチを通るワイヤ移動速度、シールドガスの流れ、および軌道（Ｎ、不図示）に沿った支持体（Ｃ、不図示）の移動速度を調整するために、様々な制御がこの溶接装置に関連付けられる。そのような制御は従来式であり、本発明で従来通りに使用される場合さらに記載しない。しかしながら、本明細書に記載されるいくつかの改良は、本明細書でこれ以降明らかになるプログラム可能な制御器またはコンピュータ装置であり得る制御器による制御を含む従来式制御の非従来式の使用を含むことに留意されたい。

図３は、拡大されたスケールのトーチ本体の断面立面図である。改良されたトーチ（ＴまたはＴ’、指定されない）は、円筒状の管状本体（２０）を含み、その中に、電極ワイヤを案内且つ回転し、およびガス通路を形成するいくつかの構成要素が、配置される。図の頂部に示されるトーチのヘッド部は中央通路を含み、中央通路を電極ワイヤ（Ｗ）は通過する。

円筒状のステッピングモータ１２８が、制御器（ＭＣ）と一緒に本体２０内に密に取り付けられ、制御器（ＭＣ）は１つまたは複数の回路を含んでもよく、電極ワイヤ（Ｗ）によって搬送される電圧／電流から制御器（ＭＣ）を保護するために絶縁スリーブ（ＩＳ）が回路を通過する。ワイヤ（Ｗ）は、ステッピングモータ（１２８）の軸方向に中心に配置された穴を通過してロータヘッド（３４）に至る。ロータヘッド（３４）は、トーチのヘッド部を通してガスが逃げないようにＯリングを含み得る。当業者であれば、ガス供給コネクタポート（１７０）からのガスがトーチのヘッド部に到達しないように他の選択肢を利用可能であること、およびシールドガスの種類およびそれらの特性に依存してステッピングモータ（１２８）および／またはモータ制御器（ＭＣ）を保護することが望ましい場合があることを認識するであろう。

電極ワイヤ（Ｗ）のアーク端部での円形移動（「回転」とも呼ばれる）は、電極ワイヤ（Ｗ）が通過する軸方向通路（４１）を有する棒状部材（４０）によって引き起こされる。この棒状部材（４０）は、ロータヘッド（３４）およびその上端の下で本体（２０）の下側部分に取り付けられ、管状チップ（４２）がロータヘッドの偏心半球状ベアリング（３５）に嵌合する。半球状搖動ベアリング（４５）は管状スリーブ内に取り付けられ、管状スリーブはモータ（１２８）の下で本体（２０）の円筒状の穴に密に嵌め込まれる。

ベアリング（４５）の下の棒状部材（４０）の短い部分は、前に記載されたような電気コネクタワイヤを受け入れるソケットを提供するために、円筒ヘッド（５０）を形成するべく拡大される。ヘッド（５０）の下の棒状部材（４０）は直径が低減され、細長い延伸部（５１）を形成する。本体（２０）の下に延在する棒状部材の下端部は、ワイヤ案内接触チップ（５２）と接続するようにねじを付けられる。この接触チップは、銅などの選択された金属の短い円筒部材であり、中を貫く通路を有し、通路は電極ワイヤがチップ（５２）の中を移動するとき電極ワイヤとの電気接触が生じるようにワイヤ（Ｗ）の直径より千分の数インチだけ大きい。この改良されたトーチでは、異なる寸法の電極ワイヤに必要な唯一の調整はこのチップ（５２）を変えることであることに留意されたい。溶接作業中のアーク放電は、このチップの下に短い距離だけ延在される電極ワイヤ（Ｗ）の端部で発生する。

管状本体（２０）は円筒ヘッド（５０）の下の短い距離で終了し、そこで円形端部によって閉鎖される。ガスシールド管（５６）が端部から延在し、本体（２０）の下に突出する下側棒状部材延伸部（５１）を囲む。管（５６）は遮蔽キャップ（５７）を支持し、遮蔽キャップ（５７）は接触チップ（５２）とチップ（５２）から突出する電極ワイヤ（Ｗ）の一部とを囲むように下方に延在する。この遮蔽キャップ（５７）は、突出する電極ワイヤ（Ｗ）の長さおよびチップ（５２）の長さに対して位置を調整するために管（５６）上で摺動可能である。

本体（２０）および本体（２０）の端部から絶縁されるガスシールド管（５６）、および本体（２０）端部と管（５６）の接続は、管（５６）周りの、および本体（２０）の端部の中心穴の絶縁リング（５８）によるものであることに留意されたい。これは、プレート部材（Ｍ）と触れることよってなど、遮蔽キャップが偶発的に接地される場合、電気的短絡を防止する。

図４は、本発明の例示的実施形態による改良されたトーチを組み込む機械化された連続アーク溶接装置の概略立面図である。支持体（Ｃ）は軌道（Ｎ）の上に取り付けられ、推進器（Ｐ）によって軌道（Ｎ）に沿って移動される。一緒に溶接される金属プレート（Ｍ）は軌道（Ｎ）に沿っておよびトーチ（Ｔ）の下に位置付けられる。

延伸された棒状部材／チップ／ワイヤの組合せ（本明細書でこれ以降「棒状部材」と呼ばれる）は、トーチの中心線（ＣＴＲ）の周りを回転する。棒状部材が金属の左側プレート（Ｍ_Ｌ）と接触し、制御器が棒状部材が左側位置（４１０）にあると判断する場合、支持体（Ｃ）はトーチ（Ｔ）を再び中心に置くように右側（４２０）に移動する。棒状部材が金属の右側プレート（Ｍ_Ｒ）と接触し、制御器が棒状部材が右側位置（４１０’）にあると判断する場合、支持体（Ｃ）はトーチ（Ｔ）を再び中心に置くように左側（４３０）に移動する。図１７参照のこと。

図５は、本発明の例示的実施形態による複数の改良されたトーチを組み合わせた機械化された連続アーク溶接装置の概略立面図である。支持体（Ｃ）は軌道（Ｎ）の上に取り付けられ、推進器（Ｐ）によって軌道（Ｎ）に沿って移動される。一緒に溶接される金属プレート（Ｍ）は軌道（Ｎ）に沿っておよびトーチ（Ｔ１およびＴ２）の下に位置付けられる。軌道（Ｎ）が直線セクションとして示されているが、当業者であれば、軌道は他の形状および向きを有してもよく、また、支持体（Ｃ）がその上を移動する安定した運搬経路を単に提供することを認識するであろう。

延伸された棒状部材／チップ／ワイヤの組合せ（本明細書でこれ以降「棒状部材」と呼ばれる）は、トーチの中心線の周りを回転する。（Ｔ１）の棒状部材が左側金属プレート（Ｍ）と接触し、制御器が棒状部材が左側位置（５２０）にあると判断する場合、支持体（Ｃ）はトーチ（Ｔ１およびＴ２）を再び中心に置くように右側に移動する。（Ｔ２）の棒状部材が右側金属プレート（Ｍ）と接触し、制御器が棒状部材が右側位置（５１０）にあると判断する場合、支持体（Ｃ）はトーチ（Ｔ１およびＴ２）を再び中心に置くように左側に移動する。（Ｔ１）の棒状部材が右側金属プレート（Ｍ）と接触し、制御器が棒状部材が右側位置（５２５）にあると判断する場合、トーチ（Ｔ１）は他方のトーチ（Ｔ２）により近づくように傾斜される、すなわち回転の半径が低減される。（Ｔ２）の棒状部材が左側金属プレート（Ｍ）と接触し、制御器が棒状部材が左側位置（５１５）にあると判断する場合、トーチ（Ｔ２）は他方のトーチ（Ｔ１）により近づくように傾斜される、すなわち回転の半径が低減される。図１７Ａ参照のこと。

トーチ（Ｔ１およびＴ２）の棒状部材は、後で記載されるように、軌道（Ｎ）との関係において継ぎ目経路の変化を補うために、長さを調整可能であってもよい。さらに、調整は、溶接厚さ金属（Ｍ）の連続経路を可能にするために利用されてもよい。加えて、トーチ（Ｔ１およびＴ２）は、移動表示（Ａ１およびＡ２）によって示されるように、それらの中心軸に沿って支持体（Ｃ）との関係において調整可能であってもよい。そのような調整（Ａ１およびＡ２）は、以下で考察されるような棒状部材の調整可能な長さの代わり、またはそれの追加であってもよい。

図５Ａは、本発明の例示的実施形態による、複数の改良されたトーチおよび回転オフセット能力を組み込む、機械化された連続アーク溶接装置の別の概略立面図である。回転オフセット能力を有する支持体（Ｃ’）は、トーチ（Ｔ１およびＴ２）が取り付けられた回転プラットフォーム（ＲＰ）を含む。推進器（Ｐ）が支持体（Ｃ’）を、軌道（不図示）に沿って、溶接継ぎ目に沿って移動させる。回転プラットフォーム（ＲＰ）の回転は、トーチの回転オフセット（ＲＯ）を決定する。２つのトーチ（Ｔ１およびＴ２）は継ぎ目と平行に、または継ぎ目と垂直に、または間のどこにでも配置可能である。

図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、図５に示されるような複数トーチシステムの例示的溶接経路およびその特徴の図である。複数トーチシステムは、ステッピングモータによって達成可能な正確な制御により、複数のトーチをごく近くで作動し得る。図６Ａは、２つのトーチの例示的な経路を示す。第１経路（６１０）は時計回り回転であるが、第２経路（６２０）は反時計回り回転である。一実施形態では、２つの棒状部材は同じトーチ本体に配置されてもよく、また、単一ガスシールド内に配置されてもよい。

図６Ｂに示される別の実施形態では、第１経路（６３０）は反時計回り回転であるが、第２経路（６２０）は反時計回り回転のままである。２つの経路はある量（Ｚ）だけ重なり、この量はトーチの角度を調整することによって調整され、または重なりの量は経路（６１０〜６３０）の半径を設定することによって、調整可能である。

図６Ｃは、２つの中心間の距離（Ｘ）を調整するために、または半径（Ｙ）を増大または低減するために、どのようにトーチ経路が違ったふうに配置され得るかを示す。実践では、２つの中心間の距離（Ｘ）および半径（Ｙ）の２倍は、スロットの幅未満でなければならず、または向きは、電極ワイヤ（Ｗ、不図示）が金属（Ｍ、不図示）に対して接地することを回避するために、スロットに対して傾斜されなければならない。

トーチ経路（６１０および６２０）は、溶接継ぎ目に対するそれらの位置合わせを決定するために、上に記載されるような特定の回転オフセット（ＲＯ）まで回転されることができる線形角度を定める。時計回り方向の限定された回転が図に示されているが、当業者であれば、回転は複数の方向であってもよく、潜在的にはトーチを固有の溶接状態のために固有の位置に配置するために異なる面にあってもよいことを認識するであろう。

図７および８は、トーチ内の特定の作動中の構成要素の立面図であり、本発明の例示的実施形態による、電極ワイヤを搬送する棒状部材の移動および調整の効果およびその代替策を、いくらか誇張した方法で示している。棒状部材（４０）の細長い端部およびチップ（５２’および５２’’）の長さは、経路の半径（ＹおよびＹ’’）に影響を及ぼす。より長いチップ（５２’）は、中心線からの所与の角度移動に対して、より大きな半径（Ｙ’）をもたらす。より短いチップ（５２’’）は、中心線からの同じ所与の角度移動に対して、より小さな半径（Ｙ’’）をもたらす。

図９Ａ、９Ｂおよび１０は、本発明の例示的実施形態による、トーチ内の特定の作動中の構成要素の断面立面図を示す。物理的により短いチップ（６５３）および対応してより短くされたガスシールド（６６３）を使用することによってより短いチップを実現する１つの方法が図９Ａに示されている。物理的により長いチップ（６５５）および対応してより長くされたガスシールド（６６５）を使用することによってより長いチップを実現する１つの方法が図９Ｂに示されている。

棒状部材長さの調整を達成する代替方法は、棒状部材（６４０）の細長い端部の内側に穴をあけ、ねじを切り、およびチップ（６５２）の外縁部にねじを切ることである。次に棒状部材の長さを調整するために、チップを棒状部材の細長い端部の中にねじで取り付け、およびそこから取り出すことができる。棒状部材が、チップの回転を防止しながら棒状部材の細長い端部を回転するように構成されている場合、調整は、トーチ本体を固定された高さに維持しながら非平坦材料の溶接を説明するために溶接作業の間リアルタイムで実行することができる。

絶縁保持リング（６５０）が、チップ（６５２）の端部およびガスシールド（６５７）を、互いに同じ位置に維持するために使用されてもよい。保持リング（６５０）の使用によって、ガスシールド（６５７）はチップ（６５２）と一緒に上下に移動される。さらに、一実施形態では、ガスシールド（６５７）は保持器右側（６５０）を介して、細長い棒状部材（６４０）が調整を実行するために回転されるとき、チップ（６５２）の回転を防止する手段として利用されてもよい。

図１１は、ステッピングモータによって制御されながら、自由に回転し、いかなる方向にも搖動するトーチ内の構成要素の例示的な構成を示す。調整可能な偏心結合部（７０３）は調整点（７０５）を含み、これによりモータシャフト（指定されない）に対する結合部の関係である偏心特性を調整することが可能になる。モータシャフトとベアリングの外側リングとの間の偏心関係の調整は、棒状部材の先端部で経験され図面中搖動の直径（Ｙ）として示されている移動に直接関連する。

図１２および１２’は、改良されたトーチによって可能な溶接の特徴を示す。金属プレート（Ｍ）が、三日月状である前縁部（８０６）を有する溶接溜り（８０５）によって接合される。経路（８１０および８１０’）は、攻撃端部が溜りの前縁部（８１５）をもたらし、後退端部が後縁部（８２０）をもたらすことを示している。これは、回転の方向を周期的に逆転させ、溜りの両縁部（８１５および８２０）が均等に前進することを維持することによって失くすことができる。代わりに、プロセスを使用して、前縁部（８１５）が後縁部（８２０）の前に前進する範囲を調整可能であり、これは接合された金属（Ｍ）の差の補整であり得る。

図１３は案内ワッシャ（７１０）の使用を示し、案内ワッシャ（７１０）は、ここでは楕円形開口として示される成形された開口（７１５）を提供することによってトーチの胴部内での棒状部材（４０）の移動を制限し、棒状部材とガスシールド管（５６）の間に配置され、棒状部材の回転を単一運動面に制限し、前後経路移動（８４０、図１４）をもたらす。好ましい実施形態では、制御器はステップ速度、方向、モータトルク、および棒状部材の長さを調整し、分解および案内ワッシャ（７〜１５）を交換する必要なく、チップ回転を通して同じ制御を実現する。この好ましい実施形態はまた、単一溶接継ぎ目の間、リアルタイムで技法の変化を可能にする。

図１５は、本発明の例示的実施形態によるトーチの代替実施形態の立面図を示す。この実施形態は、回転電極トーチのより少ないコストおよびより低い頑丈さのより簡単な設計を利用し、これは消費者市場に理想的である。トーチ本体の（９００）基端部は、ほとんどのユニットで見出される標準的な可撓性多目的管状搬送導管（Ｋ）を有する。トリガ制御部（９１５）および他の制御部（９０５）が、電極回転の速度および方向を調整する。

図１５Ａは、図１５の指示線Ａ−Ａから取られた横断面図を示す。本体（９００）は、内部で回転する偏心ワッシャ（９５０）を含む。スライダ（９５５）がリップ（９５１）に嵌まり、ケーブルがワイヤ（Ｗ）と一緒に回転するとき、可撓性ケーブル（９３５）用の開口が中心の周りで回転する。

図１６は、１５に示されたトーチの代替実施形態の断面立面図を示す。ワイヤ（Ｗ）は、電源（ＰＷ）および任意選択のシールドガス（ＧＳ、不図示）と一緒に可撓性多目的管状搬送導管（Ｋ）を通って、基端部で本体（９００）に入る。トリガ（９１５）によって調整される速度制御部（９１０）が、ワイヤの供給速度、ワイヤの回転速度を調整し、これは工場予設定または使用者調整可能な比率で比例的に連結され得る。代替実施形態は２つの設定に関して別々の制御器を有してもよく、およびさらに代わりの実施形態は手持ち制御器をどちらか一方に制限してもよく、その際残りの制御器は付随装置のいずれかの場所に配置される。

制御器（９０５）は、回転の方向、回転の速度を、または回転の停止さえ決定するために使用可能である。モータ（９２０）が可撓性ケーブル（９３５）と結合され、可撓性ケーブル（９３５）の中をワイヤ（Ｗ）が通過し、本体の基端部近くに配置された搖動ベアリング（９６０）及びその対応する保持器スリーブ（９６５）に到達し通過する。搖動ベアリングはまた、チップ（５２）を接続するための細長い端部を有する。偏心ワッシャ（９５０）は可撓性ケーブル（９３５）を中央位置から逸らし、従って、モータ（９２０）がワイヤ（Ｗ）を回転させるとき搖動ベアリング（９６０／９６５）に回転を付与する。これにより、チップ（５２）はガスシールド（５７）内で円錐状の軌跡を辿る。ワッシャ（９５０）を、本体（９００）の側面の外に突き出るスライダ（９５５）によって調整経路（９４０）に沿って摺動させることは、円錐状の軌跡の誇張を関係的に増大または低減する。

図１６Ａは図１６に示されるトーチ本体の基端部の拡大図を示す。図１６Ａは、搖動ベアリング（９６０）の片側に可撓性ケーブル（９３５）が移動すると、ガスシールド（５７）の中心（ＣＴＲ）の周りでチップ（５２）を移動させる保持器右側（９６５）内での移動がどのように引き起こされるかを示す。

図１６Ｂは図１６の指示線Ｂ−Ｂから取られた横断面図を示す。本体（９００）は、内部で回転する偏心ワッシャ（９５０）を含む。スライダ（９５５）が、調整器経路（９４０）に沿った移動を許容するようにリップ（９５１）を掴む。可撓性ケーブル（９３５）用の開口が、ケーブルおよび包含されたワイヤ（Ｗ）を、本体（９００）の中心から逸らす。

図１７は、図４に示されるような改良トーチを組み込む機械化された連続アーク溶接装置の使用方法を略図化する。チャート（１０００）は、これまで考察された機械化溶接装置を操作するプロセスを示す。溶接の進捗は連続的に監視される（１０１０）。溶接の進捗を監視することは、以下の１つまたは複数のこととの組み合わせを伴い得る：移動に対するモータフィードバック抵抗を監視すること；音パターンの偏差を判断するために溶接の音を「スパッタリング」または「バズ（ｂｕｚｚ）」の変化について監視すること。さらに、アーク短絡（ａｒｃ ｓｈｏｒｔｉｎｇ）、または溶接チップの電流引き込みは、溶接の進捗の変化を示す場合がある。継ぎ目縁部との接触（１０２０）が検出されない場合（１０２３）、監視を続ける。継ぎ目縁部との接触（１０２０）が検出される場合（１０２５）、モータシャフトの位置を決定すること（１０３０）が、継ぎ目内でトーチを中心に置くために支持体をどの程度移動するべきか（１０４０）を決定する。

図１７Ａは、図５に示されるような複数の改良トーチを組み込む機械化された連続アーク溶接装置の使用方法を略図化する。チャート（１１００）は、これまで考察された機械化溶接装置を操作するプロセスを示す。上述の通り、溶接の進捗は連続的に監視される（１１１０）。左側トーチの継ぎ目縁部との接触（１１２０）が検出されない場合（１１２３）、システムは、継ぎ目縁部の接触が右側トーチとされている（１１４０）かどうかを決定し、検出されない場合（１１４３）、監視は続く。

継ぎ目縁部との接触（１１２０）が左側トーチで検出される場合（１１２５）、左側トーチは常に溶接の左側にあることを分かっているので、支持体を右側に移動し（１１３０）トーチを継ぎ目の中心に置かなければならないことが分かる。継ぎ目縁部との接触（１１４０）が右側トーチで検出される場合（１１４５）、右側トーチは常に溶接の右側にあることを分かっているので、支持体を左側に移動し（１１５０）トーチを継ぎ目の中心に置かなければならないことが分かる。

図１８は、本発明の例示的実施形態による連続アーク溶接トーチの概略立面図である。図１８Ａは、図１８に示される線１８Ａ−１８Ａから取られた横断面図を示す。このトーチの実施形態は、自動化溶接作業のために、機械化された支持体またはロボットアームで使用するように構成されている。この実施形態と、本明細書に記載されたこれまでの実施形態との間の主な違いは、溶接電圧およびアーク放電が、ステッピングモータおよび取り付けられたいかなる制御器および／またはコンピュータ上の電子部品とも干渉しないように電気絶縁を備えたオフセットモータの使用である。

電極ワイヤ（Ｗ）は、上部ワイヤ案内部（１２３０）の中へと延び、上部ワイヤ案内部（１２３０）はワイヤ（Ｗ）を軸方向通路（４１）を通して棒状部材（４０）のチップ（５２）まで案内する。搖動ベアリング（４５）は、前の実施形態で記載したように、棒状部材（４０）の自由な移動を許容する。棒状部材（４０）の移動は、細長い延伸部（５１）およびチップ（５２）の移動に変換され、チップ（５２）は、ガスシールド管（５６）から延在し下部本体（１２２０）の絶縁リング（５８）によって本体から絶縁された遮蔽キャップ（５７）内でワイヤ（Ｗ）の成形された円錐状の運動を作り出す。

下部本体（１２２０）は上部本体（１２２５）に接続し、上部本体（１２２５）に、任意選択のハウジング内のステッピングモータ（１２８）が取り付けられる。ガス供給コネクタポート（１２７０）は上部本体（１２２５）内のガスチャンバ（１２７５）につながっており、上部本体は下側本体（１２２０）に開口し、シールドガスがシールドガス管（５６）に到達することを許容し、シールドガス管（５６）でシールドガスは金属（Ｍ）まで流れ、溶接を囲む。ステッピングモータ（１２８）は棒状部材プーリ（１２３７）に接続されたロータヘッドプーリ（１２３４）を有し、そのどちらかまたは両方は形状が偏心であり得る。接続は電気絶縁ベルト（１２４０）によって達成される。

本発明者および出願人は、本発明をかなり詳細に記載した。しかしながら、他の人が本発明の趣旨および範囲内にある代替かつ等価の構成および実施を作り考案できることは明白である。従って、本発明者および出願人の保護は、示され、記載された構成および実施によってではなく、付随する請求項の適切な範囲によってのみ、制限されることを本発明者および出願人は望む。

本発明の例示的実施形態による流れ図は例として提供され、本発明の範囲内の他の実施形態を制限するように解釈すべきでない。例えば、ブロックは特定の順序で進まなければならないステップとして解釈すべきでない。さらなるブロック／ステップが追加されてもよく、いくつかのブロック／ステップが除去されてもよく、またはブロック／ステップの順序は変更されてもよく、それは依然本発明の範囲内にある。さらに、異なる図面内のブロックは、他の図面の他のブロックに追加可能である、またはそれと交換可能である。さらになお、特定の数値データの値（特定の量、数、カテゴリ等など）または他の特定の情報は、例示的実施形態を考察するための例として解釈すべきである。そのような特定の情報は、本発明を制限するために提供されるのではない。

本発明の例示的実施形態による図は、本発明の範囲内の他の実施形態を制限するように解釈すべきでない。例えば、高さ、幅、および厚さは、原寸に比例して描かれなくてもよく、示された特定の比率に本発明を制限するように解釈すべきでない。加えて、単独で示されたいくつかの要素は、実際には複数で実装されてもよい。さらに、複数で示されたいくつかの要素は、実際には数が変化してもよい。さらに、１つの形態で示されたいくつかの要素は、実際には詳細に変えることができる。さらになお、特定の数値データの値（特定の量、数、カテゴリ等など）または他の特定の情報は、例示的実施形態を考察するための例として解釈すべきである。そのような特定の情報は、本発明を制限するために提供されるのではない。

上記考察は、本発明の原理および様々な実施形態の例であることが意図されている。数の変更および修正は、一度上記開示が完全に認識されると、当業者に明らかになるであろう。以下の請求項がそのような変更および修正の全てを含むように解釈されることが意図される。

Claims (20)

1. 連続アーク溶接用トーチにおいて、本体であってその中を通って電極ワイヤが、前記本体のヘッド端部の中へ、およびその基端部から移動する本体と、前記ワイヤが前記本体の前記基端部から移動するときワイヤ消耗電気アークを生成するための手段と、前記本体内にヘッド端部と前記本体の前記基端部に基端部とを有する前記本体内の細長い棒状部材と、前記ヘッド端部から前記基端部までの軸方向通路であってその中を通って前記電極ワイヤが移動する軸方向通路と、前記基端部のチップであって前記ワイヤのアーク端部がそこから延ばされるチップと；回転手段であって、前記棒状部材と前記ワイヤのアーク端部とを円形経路で移動するように適合され、および前記本体の前記ヘッド端部に隣接して前記本体内にモータを含み、および前記棒状部材と実質的に整列する管状シャフトを有する回転手段と、を含み、前記電極ワイヤが前記モータシャフトを通して、および前記棒状部材の通路の中に延ばされ、偏心取付手段を有するロータヘッドが前記モータシャフトに取り付けられ、前記棒状部材の前記ヘッド端部は、前記モータシャフトが前記ロータヘッドを回転させるとき円形経路上を移動するように、前記偏心取付手段に支持され、前記モータシャフトおよび棒状部材を通る前記通路の直径が、前記取付手段の偏心度に関して、前記モータシャフトからおよび前記棒状部材に入る前記電極ワイヤの移動を許容するのに十分である、連続アーク溶接用トーチであって、
   前記モータが、正確な位置決めおよび制御を実現するように構成されたステッピングモータであり、
   制御器が、入力制御信号を受け取り、応答的に前記モータの前記シャフトを段階的に時計回りまたは反時計回りに移動させるように構成される
   ことを特徴とする連続アーク溶接用トーチ。
2. 請求項１に記載のトーチにおいて、前記制御器がさらに、既知の位置に対する前記モータのシャフトの相対位置を報告する出力信号を提供するように構成されることを特徴とするトーチ。
3. 請求項１に記載のトーチにおいて、前記制御器がさらに、前記モータの移動に対するフィードバック抵抗を報告する出力信号を提供するように構成されることを特徴とするトーチ。
4. 請求項１に記載のトーチにおいて、
   前記本体に取り付けられたハンドルをさらに含み、
   前記ハンドルが複数の制御部を含み、
   前記制御部が前記制御器に入力を提供するように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のトーチ。
5. 請求項４に記載のトーチにおいて、前記制御部が、
   回転方向、
   回転速度、
   前記モータの移動に対する最大フィードバック抵抗、および／または
   前記ワイヤの供給速度
   のうちの少なくとも１つを決定することを特徴とするトーチ。
6. 請求項１に記載のトーチにおいて、
   前記チップがさらに可変長さを含み、
   前記細長い棒状部材の基端部が、前記軸方向通路のねじ付き内側表面を有し、
   前記チップが前記チップ長さの少なくとも２０パーセントに延在するねじ付き外側表面を有し、
   前記チップの前記ねじ付き外側表面が前記軸方向通路の前記ねじ付き内側表面と噛み合い、従って前記チップを前記棒状部材の基端部に調整可能に挿入することが可能になり、従って組み合わせた細長い棒状部材とチップの長さを調整する
   ことを特徴とするトーチ。
7. 請求項６に記載のトーチにおいて、
   前記細長い棒状部材の基端部が、前記制御器の制御による回転に適合され、
   前記チップの端部が回転しないように適合され、それにより、前記棒状部材の基端部の回転が前記組み合せた細長い棒状部材とチップの長さを調整する
   ことを特徴とするトーチ。
8. 請求項７に記載のトーチにおいて、前記組み合わせた細長い棒状部材とチップの長さが、溶接作業中、入力に応答して調整されることを特徴とするトーチ。
9. 請求項１に記載のトーチにおいて、前記トーチがさらに、前記トーチ本体上に前記トーチチップの近くにガスの入力部を含み、前記ガスが前記モータに到達することを防止することを特徴とするトーチ。
10. 請求項１に記載のトーチにおいて、前記制御器が、前記モータの速度および／または方向を制御するように構成されることを特徴とするトーチ。
11. 請求項１に記載のトーチにおいて、前記棒状部材の横移動が、実質的に単一の面で移動するように制限されることを特徴とするトーチ。
12. 請求項１に記載のトーチにおいて、
    溶接継ぎ目の面に対して実質的に垂直な面で移動できるように構成された前記トーチの本体を支持する支持体
    をさらに含むことを特徴とするトーチ。
13. 請求項１２に記載のトーチにおいて、前記制御器が、
    前記トーチの前記チップの抵抗を決定し、
    前記モータの位置を決定し、
    前記トーチの前記チップの抵抗を低減するように前記支持体を配置する
    ように構成されることを特徴とするトーチ。
14. 請求項１３に記載のトーチにおいて、前記制御器がさらに、
    前記支持体の繰り返される再配置を決定し、
    前記支持体の移動を低減するように前記トーチの前記チップの移動距離を調整する
    ように構成されることを特徴とするトーチ。
15. 請求項１２に記載のトーチにおいて、
    前記支持体に支持される第２トーチ、および
    主制御器であって、
    前記溶接継ぎ目に対する前記支持体の位置を制御し、
    前記トーチの相対位置を互いに制御し、
    前記２つのトーチのそれぞれの前記制御器と通信する
    ように構成される主制御器
    をさらに含むことを特徴とするトーチ。
16. 請求項１５に記載のトーチにおいて、前記第１トーチおよび前記第２トーチが１つの溶接溜り上で動作することを特徴とするトーチ。
17. 連続アーク溶接用トーチにおいて、
    本体であってその中を通って電極ワイヤが、前記本体のヘッド端部から、その基端部に向かって移動する本体と、
    前記ワイヤが前記本体の前記基端部から移動するときワイヤ消耗電気アークを生成するための手段と、
    前記本体内にヘッド端部を、および前記本体の前記基端部に基端部を有する前記本体内の可撓性ケーブルシールドと、
    前記ヘッド端部から前記基端部までの軸方向通路であってその中を通って前記電極ワイヤが移動する軸方向通路と、
    前記可撓性ケーブルの前記ヘッド端部を回転させるように構成されたモータと、
    前記本体の前記基端部のチップであって、
    前記ワイヤのアーク端部がそこから延ばされるチップと、
    前記チップと前記可撓性ケーブルの間の搖動ベアリングであって、
    前記チップが取外し可能に取り付けられ、
    前記搖動ベアリングの遠位側が前記可撓性ケーブルに取り付けられ、
    前記電極ワイヤが中を通過する
    搖動ベアリングと
    を含むことを特徴とする連続アーク溶接用トーチ。
18. 請求項１６に記載のトーチにおいて、
    前記可撓性ケーブルを前記本体の中心からそらし、従っておよび前記チップの基部を通過する前記ワイヤ電極の円形経路を設定するように構成された回転スペーサ
    をさらに含むことを特徴とするトーチ。
19. 請求項１８に記載のトーチにおいて、前記回転スペーサが、前記トーチの本体内を、前記可撓性ケーブルに沿ってスライデッドリーに移動可能であり、従って前記ワイヤ電極の前記円形経路を調整することを特徴とするトーチ。
20. 請求項１６に記載のトーチにおいて、
    入力および出力を有する制御器をさらに含み、
    前記制御器が、
    前記可撓性ケーブルの回転方向、
    前記可撓性ケーブルの回転速度、
    前記可撓性ケーブルの回転力、
    のうちの少なくとも１つを調整するように構成される
    ことを特徴とするトーチ。

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