JP2018024019A - 熱に敏感な材料を含むワークピースを溶接する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱に敏感な材料を含むワークピースを溶接するための方法および装置を提案する。【解決手段】熱に敏感な材料は、ハドフィールドマンガン鋼とも称されるオーステナイトマンガン鋼を含む。この方法では、溶融池の内外へ溶加材が往復される。溶加材の運動は電源の波形に同期可能である。溶接パラメータは、熱に敏感な材料の割れなしにワークピース上に溶接部が形成可能となるように調整される。この方法により、発電用途における発電機部品に対するハドフィールドマンガン鋼の溶接が可能となる。この方法により、信頼性が高くかつ再現性のある溶接品質が得られる。【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、熱に敏感な材料、特にオーステナイトマンガン鋼を含むワークピースを溶接する方法及び装置に関する。

融接は、熱エネルギを用いて接合すべき複数の材料を溶融させ、固化の時点で固体接合を形成するプロセスである。アーク溶接は、融接技術のうち最もよく行われているものの１つであり、連続的に供給される溶加材（filler metal）と母材（base metal）の溶接表面との間でのアークの熱を用いて金属の癒合を生じさせるものである。融接プロセスは広汎に用いられている溶接技術である。しかし、このプロセスは、望ましくない材料変化、例えば硬化および反りを起こす温度、極端な場合には材料の割れを起こす温度まで、溶接表面を加熱してしまうことがある。

オーステナイトマンガン鋼のうち頻繁に利用されるサブセットは、ハドフィールドマンガン鋼であり、これは高強度でありかつきわめて強靱な非磁性合金である。これは発電用途の発電機部品にとってきわめて興味を引くものである。しかし、ハドフィールドマンガン鋼は熱に敏感である。過熱しすぎると割れることがある。ハドフィールドマンガン鋼での融接は、溶接中に過熱しすぎた場合にこの材料が割れやすいため、きわめて困難である。

簡単に述べると、本発明の態様は、熱に敏感な（heat sensitive）材料、特にオーステナイトマンガン鋼を含むワークピースを溶接する方法及び装置に関する。

本発明の一態様によると、ワークピースを溶接するための溶接方法が提供される。この溶接方法は、溶接トーチのコンタクトチップに電源からの電力を供給するステップを含む。この方法は、溶加材供給部から溶加材を供給し、この溶加材を、コンタクトチップを通してワークピースへ向かって延伸させるステップを含む。ワークピースは熱に敏感な材料を含む。この方法は、溶加材のチップとワークピースの表面との間に発生されるアークによって、ワークピースの一部を溶融させてワークピース上に溶融池を形成するステップを含む。この方法は、溶加材を溶融池の内外へ往復させるステップを含む。この方法は、溶加材の運動を電力の波形に同期させるステップを含む。この方法は、熱に敏感な材料の割れなしにワークピース上に溶接部を形成できるよう、溶接パラメータを調整するステップを含む。

本発明の別の態様により、ワークピースを溶接するための溶接装置が提供される。この溶接装置は、コンタクトチップを含む溶接トーチを備える。この溶接装置は、溶接トーチのコンタクトチップに電力を供給するように構成された電源を備える。この溶接装置は、コンタクトチップを通して延びる溶加材を、ワークピースへ向かって延伸供給する溶加材供給部を備える。ワークピースは熱に敏感な材料を含む。アークが溶加材のチップとワークピースの表面との間に発生され、これによりワークピース上に溶融池が形成される。この溶接装置は、溶加材を溶融池の内外へ往復させるように構成された駆動部を備える。電源はディジタルシグナルプロセッサを有する。ディジタルシグナルプロセッサは、溶加材の運動を電力の波形に同期させるべく駆動部に信号を送るように構成されている。溶接パラメータは、熱に敏感な材料の割れなしにワークピース上に溶接部を形成できるように調整される。

上述および下述の種々の態様および実施形態は、明示した組み合わせにおいてだけでなく、他の組み合わせにおいても使用可能である。なお、本明細書を読んで理解した当業者であれば、種々の修正が可能なはずである。

本願の例示的な実施形態を、添付図を参照しながら以下に詳細に説明する。

一実施形態による、レシプロワイヤフィードガス金属アーク溶接を使用した、熱に敏感な材料を含むワークピースを溶接するための溶接装置を示す概略図である。 ガス金属アーク溶接方法を示す概略図である。 ガス金属アーク溶接の短絡金属移行モードにおける電力の電圧波形および電流波形を示す概略図である。 レシプロワイヤフィードガス金属アーク溶接方法の制御装置を示す概略図である。 レシプロワイヤフィードガス金属アーク溶接方法の溶加材の運動ステップを示す図である。 一実施形態による、熱に敏感な材料を含むワークピースの接合部ジオメトリを示す概略断面図である。 一実施形態による、熱に敏感な材料を含むワークピースの作業角度を示す概略図である。 一実施形態による、熱に敏感な材料を含むワークピースの移動角度を示す概略図である。 一実施形態による、熱に敏感な材料を含むワークピースのストリンガービードパターンを示す斜視図である。 一実施形態による、熱に敏感な材料を含むワークピースのウィービングビードパターンを示す斜視図である。

理解しやすくするために、各図に共通する同様の要素には、可能なかぎり、同じ参照番号を用いている。

本発明の態様に関する詳細な説明を、添付図に即して以下に述べる。

図１には、一実施形態による溶接装置１００の概略図が示されている。溶接装置１００は、供給部ハウジング１１０を備えてもよい。供給部ハウジング１１０は、電源１１１と溶加材供給部１１６とシールドガス供給部１１７とを備えることができる。電源１１１は溶加材供給部１１６に電気的に接続可能である。電源１１１はシールドガス供給部１１７に電気的に接続可能である。溶接装置１００は溶接トーチ１３０を備えることができる。溶接トーチ１３０は、絶縁された導管１３１を介して供給部ハウジング１１０に動作接続可能である。溶接トーチ１３０は、ワークピース１５０上で溶接プロセスを実行することができる。溶接装置１００は制御ユニット１２０を有することができる。制御ユニット１２０は、供給部ハウジング１１０に動作接続可能である。

融接プロセスは、産業用途において広汎に用いられている。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスは、融接プロセスのうち最もよく用いられているものの１つである。図２には、ＧＭＡＷプロセスの概略図が示されている。溶接トーチ１３０は絶縁された導管１３１を備えてもよい。絶縁された導管１３１は電力ケーブル１３２を包囲してよい。電力ケーブル１３２は電源１１１に接続可能である。溶接トーチ１３０は、コンタクトチップ１３６を備えてもよい。電源ケーブル１３２は、電源１１１からコンタクトチップ１３６へ電力を供給することができる。コンタクトチップ‐ワーク間距離（ＣＴＷＤ）１３７は、コンタクトチップ１３６からワークピース１５０の表面までの距離をいうものとする。絶縁された導管１３１は溶加材１３８を包囲することができる。溶加材１３８は、溶加材供給部１１６から供給可能である。溶加材１３８は、コンタクトチップ１３６を通してワークピース１５０へ向かって延伸可能である。コンタクトチップ１３６の電力は、コンタクトチップ１３６の箇所で溶加材１３８へ伝達可能である。コンタクトチップ１３６を通した溶加材１３８の延伸部は、電極を形成しうる。絶縁された導管１３１はシールドガス管１３３を包囲することができる。シールドガス管１３３は、シールドガス供給部１１７に接続可能である。シールドガス１１８は、シールドガス管１３３を介して溶接トーチ１３０に供給可能である。溶接トーチ１３０はガスノズル１３４を備えてもよい。シールドガス１１８は、ガスノズル１３４を通過する際に、ガスシールド１３５を形成できる。

溶接プロセス中、溶加材１３８がワークピース１５０の表面に接触したときに、アーク１３９を発生可能である。アーク１３９は入熱を形成可能である。アーク１３９からの入熱により、ワークピース１５０の一部を溶融させ、溶融池１４０を形成することができる。アーク１３９からの入熱は、溶加材１３８のチップを溶融させることができる。溶加材１３８の溶融チップは溶融池１４０に移動可能である。固化の後、ワークピース１５０上で溶融金属１４１が形成可能である。ガスシールド１３５は、溶接プロセス中、溶加材１３８およびアーク１３９および溶融池１４０の雰囲気汚染を防止できる。

ＧＭＡＷプロセスでは、短絡金属移行によって、他の金属移行メカニズム、例えばグロビュール金属移行、スプレー金属移行、パルススプレー金属移行に比べて相対的に低い入熱を形成できる。図３には、短絡金属移行における電力の電圧波形および電流波形の概略図が示されている。短絡は、溶加材１３８の溶融チップが溶融池１４０に接触する時点Ａで生じうる。アーク１３９は時点Ａで消弧しうる。電力の電圧は時点Ａで低下しうる。電力の電流は時点Ａで増大しうる。増大する電流は磁気ピンチ力を形成しうる。この磁気ピンチ力は、溶加材１３８の溶融チップを時点Ｂで溶融池１４０へ移動させることができる。アーク１３９は、溶加材１３８のチップと溶融池１４０との接触が時点Ｃで遮断されたときに再点弧可能である。金属移行のサイクルは、アーク期間Ｄおよび時点Ｅでの短絡をともなって反復可能である。溶加材１３８は、このサイクル中、溶加材供給部１１６からワークピース１５０へ向かって溶融池１４０内へ連続的に供給可能である。

従来の短絡金属移行ＧＭＡＷによる問題は、種々の強度を有する不規則なインターバルで発生しうるランダムな短絡に関連するものである。溶融池の合成攪拌によって、溶融物のはね、側壁の固化、冷間ラップおよび融合欠如などが生じる。高レベルのスパッタも生じうる。従来の短絡金属移行ＧＭＡＷで形成される入熱は相対的に見て過度に高く、これにより熱に敏感な材料を含むワークピース１５０が割れることがある。

レシプロワイヤフィード（ＲＷＦ）ＧＭＡＷプロセスは、複数の溶接装置メーカによって、従来のＧＭＡＷの短絡金属移行での問題に対処すべく開発されてきた。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスでは、従来のＧＭＡＷプロセスで連続的に前進されるのと異なり、溶加材１３８、例えばワイヤを、溶融池１４０の内外へ往復運動させることができる。溶加材１３８の運動は、電源１１１内の電子制御部によって制御可能である。溶加材１３８の運動は、電源１１１の波形に同期可能である。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスの例として、Fronius冷間金属移行法、Jetline制御短絡法、SKS溶接システムマイクロミグ法、Panasonicアクティブワイヤプロセス法などを挙げることができる。

図４には、ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスの制御装置の概略図が示されている。この装置は電源１１１を有することができる。電源１１１は、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１２を有することができる。Ａ／Ｄコンバータ１１２は、アナログからディジタルへ電力信号を変換することができる。ディジタル化された電力信号はディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１１３によって処理可能である。ＤＳＰ１１３が短絡を検出すると、駆動部１１５に対し、溶融池１４０から溶加材１３８を引き上げるべきとの信号を送出できるようになる。溶加材１３８の溶融チップは、駆動部１１５の機械的な引き上げ力と短絡で増大した電流のピンチ力との結合によって、溶融池１４０に移動可能である。ＤＳＰ１１３は、駆動部１１５に対し、アーク１３９の再点弧の際に、溶加材１３８を溶融池１４０へ前進させて供給するよう信号を送出可能である。このサイクルは短絡が再び発生したときに反復可能である。電源１１１は、インバータ１１４を有することができる。インバータ１１４は、電源１１１の電流および電圧のディジタル化された高速の閉帰還制御を行うことができる。ＤＳＰ１１３は、インタフェース、例えばデータバス１１９を介して、制御ユニット１２０および溶加材供給部１１６およびシールドガス供給部１１７に接続可能である。種々のワークピース１５０および溶加材１３８およびシールドガス１１８の組み合わせについての溶接パラメータは、ＤＳＰ１１３に格納可能である。制御ユニット１２０は、最適な溶接方法を保証するために、溶接パラメータを監視もしくは表示もしくはドキュメント化することができる。

図５には、ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスにおける溶加材１３８の運動ステップが示されている。ステップ２１０でのアーク期間中、アーク１３９が溶加材１３８のチップとワークピース１５０の表面との間に発生可能となる。アーク１３９からの入熱によって、ワークピース１５０の表面に溶融池１４０を形成可能である。溶加材１３８は、ステップ２１０で、アーク期間中、溶融池１４０に向かって運動できる。短絡は、溶加材１３８のチップがステップ２２０で溶融池１４０に接触する際に形成可能である。アーク１３９は、短絡期間で消弧することがある。溶加材１３８は、ステップ２３０で、短絡期間中の金属移行を支援するために、溶融池１４０から機械的に引き上げ可能である。アーク１３９は、溶加材１３８のチップと溶融池１４０との間の接触がステップ２１０で遮断されたときに、再点弧可能となる。溶加材１３８の運動は、ステップ２１０で図示されているアーク期間中、溶融池１４０へ戻る向きに逆転させることができる。このサイクルは反復可能である。

ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、溶加材１３８の運動と電力波形とを同期させることによって、溶加材１３８の運動制御を溶接プロセス制御に統合することができる。溶加材１３８の機械的引き上げにより、短絡中のきわめて低いレベルに電流を維持できるよう、金属移行を支援することができる。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスの入熱は、仮想的な電流フリー金属移行のために大幅に低下することがある。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、従来のＧＭＡＷプロセスに比べて、入熱の一部しか形成できない。例えば、ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、１ｋＪ／ｉｎｃｈ未満の入熱を形成可能である。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスのスパッタレベルも大幅に低減できる。

ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、低い入熱を要する溶接用途に適用可能である。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、母材の希釈を少なくすることができる。ただし、ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、従来のＧＭＡＷプロセスより格段に複雑でありうる。最適化された溶接を保証するためには、調整可能な６０個超の溶接パラメータが存在しうる。メーカのなかには、電源１１１のＤＳＰ１１３にプレプログラミングの溶接パラメータを記憶させているところもある。しかし、オーステナイトマンガン鋼、特にハドフィールドマンガン鋼に対して直ちに利用可能なプレプログラミングのプロセスパラメータは存在しない。溶接パラメータは、溶接用途、例えばハドフィールドマンガン鋼の溶接用途での適用が困難なため、特別の開発が必要となりうる。溶接パラメータは、例えば、入熱、電流、電圧、コンタクトチップ‐ワーク間距離、シールドガスの流速、ワイヤ供給速度、溶接移動速度、移動角度、作業角度などを含んでよい。

図６には、一実施形態による、ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスを用いて溶接される、熱に敏感な材料を含むワークピース１５０の接合部ジオメトリが示されている。ワークピース１５０は、第２の金属材１５２に溶接される第１の金属材１５１を含むことができる。第１の金属材１５１は熱に敏感な材料から形成可能である。一実施形態によれば、熱に敏感な材料は、ハドフィールドマンガン鋼を含むことができる。ハドフィールドマンガン鋼は、重量比で、例えば、１．００％〜１．４０％の範囲の炭素、１１％〜１４％の範囲のマンガン、最大１．００％のケイ素、最大０．１０％のリン、最大０．０５％の硫黄、および、最大１．５０％のクロムの化合物を含むことができる。ハドフィールドマンガン鋼は、鍛造状態にあってもまたは鋳造状態にあってもよい。第２の金属材１５２は、第１の金属材１５１中のハドフィールドマンガン鋼と類似の金属材料を含むことができる。第２の金属材１５２は、第１の金属材１５１中のハドフィールドマンガン鋼とは異なる金属材料、例えば、オーステナイトステンレス鋼もしくは炭素鋼などを含むことができる。オーステナイトステンレス鋼もしくは炭素鋼は、板金状態にあってよい。オーステナイトステンレス鋼はグレード３０４，３０４Ｌ，３１６，３１６Ｌなどを含んでいてよい。炭素鋼はグレードＳＡ５１６を含んでいてよい。

熱に敏感な材料を含む第１の金属材１５１は、水平方向に配置可能である。第２の金属材１５２は、Ｔ接合部ジオメトリが形成されるように垂直方向に配置可能である。第２の金属材１５２は、溶接前に準備位置にクランプ止め可能である。例えば第１の金属材１５１に第２の金属材１５２をタック溶接するなど、他のタイプの保持機構も使用可能である。第１の金属材１５１は厚さＴ_１を有することができる。厚さＴ_１は約１ｉｎｃｈ（２．５４ｃｍ）であってよい。第２の金属材１５２は厚さＴ_２を有することができる。厚さＴ_２は、ステンレス鋼に対して約１／８ｉｎｃｈ（０．３２ｃｍ）、または、炭素鋼に対して約１／２ｉｎｃｈ（１．２７ｃｍ）であってよい。

溶接部１５３はＴ接合部の両側に形成可能である。溶接部１５３の寸法は約０．１７ｉｎｃｈ（０．４３ｃｍ）であってよい。溶接部１５３はすみ肉溶接であってよい。他のタイプの溶接、例えば開先溶接も使用可能である。ただし、裏当て材を接合部の根元で使用してはならない。溶接は室温のもとでワークピース１５０に対して実行可能である。溶接位置は、水平、例えばＡＳＭＥセクションＩＸ２０１３年版準拠の２Ｆ位置であってよい。ＡＳＭＥ２０１３年版セクションＩＸ準拠の他のタイプの溶接位置、例えば、１Ｆなどの平坦位置または３Ｆなどの垂直位置も使用可能である。なお、溶接後の溶接後熱処理は実行してはならない。

溶加材１３８はグレードＥＲ３０９のステンレス鋼であってよく、これはＳＦＡ分類５．９／５．９Ｍに属するものであってよい。他のタイプの溶加材１３８、例えば１８．８Ｍｎも利用可能である。溶加材１３８はソリッドワイヤ形状であってもよい。溶加材１３８の直径は、０．０４５ｉｎｃｈ〜０．０６２ｉｎｃｈ（１．１４３ｍｍ〜１．５７５ｍｍ）の範囲にあってよい。例えば、溶加材１３８の直径は、０．０３５ｉｎｃｈ（０．９ｍｍ）であってよい。

シールドガス１１８は不活性ガスまたは準不活性ガスであってもよい。シールドガス１１８はアルゴンベースであってもよく、または、アルゴンおよびＣＯ_２の混合物であってもよい。例えば、シールドガス１１８は、９８％のアルゴンと２％のＣＯ_２との混合物であってよい。シールドガス１１８の流速は、１５ｆｔ^３／ｈ〜６０ｆｔ^３／ｈ（０．４２ｍ^３／ｈ〜１．７ｍ^３／ｈ）の範囲、または２５ｆｔ^３／ｈ〜５０ｆｔ^３／ｈ（０．７１ｍ^３／ｈ〜１．４２ｍ^３／ｈ）の範囲、または３５ｆｔ^３／ｈ〜４５ｆｔ^３／ｈ（０．９９ｍ^３／ｈ〜１．２７ｍ^３／ｈ）の範囲にあってよい。

電源１１１の電気的特性は直流電極プラスであってよい。電源１１１のパルス周波数は１０Ｈｚであってよい。

一実施形態によれば、ハドフィールドマンガン鋼をオーステナイトステンレス鋼に溶接するために、電流は、５０Ａ〜１００Ａの範囲、または６０Ａ〜９０Ａの範囲、または７０Ａ〜８５Ａの範囲に設定されてもよい。電圧は、５Ｖ〜３５Ｖの範囲、または１０Ｖ〜２５Ｖの範囲、または１５Ｖ〜２０Ｖの範囲に設定されてもよい。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスの入熱は、３ｋＪ／ｉｎｃｈ〜３０ｋＪ／ｉｎｃｈ（０．１１８ｋＪ／ｍｍ〜１．１８２ｋＪ／ｍｍ）、または１０ｋＪ／ｉｎｃｈ〜２０ｋＪ／ｉｎｃｈ（０．３９４ｋＪ／ｍｍ〜０．７８８ｋＪ／ｍｍ）、または１４ｋＪ／ｉｎｃｈ〜１６ｋＪ／ｉｎｃｈ（０．５５２ｋＪ／ｍｍ〜０．６３ｋＪ／ｍｍ）に設定されてもよい。

一実施形態によれば、ハドフィールドマンガン鋼を炭素鋼に溶接するために、電流は、５０Ａ〜２００Ａの範囲、または１２５Ａ〜１７５Ａの範囲、または１３０Ａ〜１５０Ａの範囲に設定されてもよい。電圧は５Ｖ〜３５Ｖの範囲、または１５Ｖ〜２５Ｖの範囲、または１８Ｖ〜２３Ｖの範囲に設定されてもよい。ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスの入熱は、３ｋＪ／ｉｎｃｈ〜２５ｋＪ／ｉｎｃｈ（０．１１８ｋＪ／ｍｍ〜０．９８５ｋＪ／ｍｍ）、または１０ｋＪ／ｉｎｃｈ〜２０ｋＪ／ｉｎｃｈ（０．３９４ｋＪ／ｍｍ〜０．７８８ｋＪ／ｍｍ）、または１１ｋＪ／ｉｎｃｈ〜１５ｋＪ／ｉｎｃｈ（０．４３３ｋＪ／ｍｍ〜０．５９１ｋＪ／ｍｍ）に設定されてもよい。

溶接部１５３はシングルパスを用いて形成可能である。また、溶接部１５３はマルチパスを用いて形成することもできる。

一実施形態によれば、ハドフィールドマンガン鋼をオーステナイトステンレス鋼に溶接するために、溶接部１５３を形成する際の溶接トーチ１３０の溶接移動速度は、４ｉｎｃｈ／ｍｉｎ〜１０ｉｎｃｈ／ｍｉｎ（１０．１６ｃｍ／ｍｉｎ〜２５．４ｃｍ／ｍｉｎ）の範囲、または５．８ｉｎｃｈ／ｍｉｎ〜６．２ｉｎｃｈ／ｍｉｎ（１４．７３ｃｍ／ｍｉｎ〜１５．７５ｃｍ／ｍｉｎ）の範囲に設定されてもよい。

一実施形態によれば、ハドフィールドマンガン鋼を炭素鋼に溶接するためには、溶接部１５３を形成する際の溶接トーチ１３０の溶接移動速度は、５ｉｎｃｈ／ｍｉｎ〜３０ｉｎｃｈ／ｍｉｎ（１２．７ｃｍ／ｍｉｎ〜７６．２ｃｍ／ｍｉｎ）の範囲、または１０ｉｎｃｈ／ｍｉｎ〜２０ｉｎｃｈ／ｍｉｎ（２５．４ｃｍ／ｍｉｎ〜５０．８ｃｍ／ｍｉｎ）の範囲、または１４ｉｎｃｈ／ｍｉｎ〜１８ｉｎｃｈ／ｍｉｎ（３５．５６ｃｍ／ｍｉｎ〜４５．７２ｃｍ／ｍｉｎ）の範囲に設定されてもよい。コンタクトチップ‐ワーク間距離１３７は約７／１６ｉｎｃｈ（１．１１ｃｍ）に設定されてもよい。

図７には、溶接部１５３がワークピース１５０に形成される際の溶接トーチ１３０の作業角度１５５の概略図が示されている。一実施形態によれば、作業角度１５５は、溶接トーチ１３０の長手軸線１５４に対して水平線から４５°〜６５°の範囲にあってよい。例えば、作業角度１５５は、溶接トーチ１３０の長手軸線１５４に対して水平線から約５５°であってよい。

図８には、溶接部１５３がワークピース１５０上に形成される際の溶接トーチ１３０の移動角度１５６の概略図が示されている。一実施形態によれば、移動角度１５６は、０°〜２０°のプッシュ範囲に設定されてもよい。これは、溶接トーチ１３０が移動方向１５７へ配向され、かつ溶接トーチ１３０の長手軸線１５４に対して垂直線からの角度が０°〜２０°の範囲にあることを意味する。例えば、移動角度は約１０°のプッシュであってよい。

図９には、ワークピース１５０上の溶接部１５３のストリンガービードパターン１５８の斜視図が示されている。ストリンガービードパターン１５８は、矢印によって示されている溶接トーチの直線運動によって形成可能な溶接部１５３の１タイプである。図１０には、ワークピース１５０上の溶接部１５３のウィービングビードパターン１５９の斜視図が示されている。ウィービングビードパターン１５９は、矢印によって示されている溶接トーチの横断方向の振動運動によって形成可能な溶接部１５３の１タイプである。一実施形態によれば、ウィービングビードパターン１５９を溶接部１５３に用いることができる。また、ストリンガービードパターン１５８を溶接部１５３に用いてもよい。

一態様によれば、ここで提案された方法により、熱に敏感な材料の溶接、例えばハドフィールドマンガン鋼の溶接に対してＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスを調整できる。本明細書で提案されたＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスは、従来のＧＭＡＷプロセスに比べて著しく低い入熱を提供可能である。低い入熱により、母材の希釈が低くなり、溶接中の割れが防止されて、溶接品質を改善できる。

一態様によれば、ここで提案された方法は、ＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスを用いた熱に敏感な材料の溶接のために最適化された溶接パラメータを提供する。溶接パラメータは、ディジタル化マイクロプロセッサ制御のインバータ電源１１１によって閉ループ制御することができる。ここで提案された方法により、いつでも、再現性がありかつ信頼性の高い良好な溶接品質を提供することができる。

一態様によれば、ここで提案された方法は、Fronius冷間金属移行法、Jetline制御短絡法、SKS溶接システムマイクロミグ法、Panasonicアクティブワイヤプロセスなどを含むＲＷＦ‐ＧＭＡＷプロセスに適用可能である。溶接はロボットによる自動操作であってよい。溶接は、小さい局所的溶接の場合、手動操作であってもよい。

ハドフィールドマンガン鋼は、発電用途の発電機部品で関心の高い高強度の非磁性合金である。ただし、ハドフィールドマンガン鋼は、その熱に敏感な特性のために、発電機部品での適用がきわめて困難である。反対極性を利用するガスタングステンアーク溶接も、ハドフィールドマンガン鋼の溶接に用いられてきた。しかしこのプロセスは手動プロセスであり、オペレータの能力に多くを負っている。溶接の品質についての信頼性が高くない。ここで提案された方法によれば、この材料を良好な品質で発電機の複数の部品に溶接可能である。ここで提案された方法により、プラントの現場での溶接が実行可能となる。

本発明の教示を具体化する種々の実施形態を図示して詳細に説明してきたが、当業者には、これらの教示を具体化する他の多くの変化形態を容易に考案することができる。本発明は、その適用において、説明または図示した構造および部品配置の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、他の形態でまたは種々の方式で実施もしくは実行可能である。また、本明細書で使用している表現および用語は説明のためのものであって、限定の意に理解されるべきでない。「備える」「含む」または「有する」およびその変形の本明細書での使用は、列挙されている事項およびその等価物ならびに付加的な事項を包含するものとする。格別のことわりがないかぎり、「実装された」「接続された」「支持された」「結合された」なる語およびその変形は広義で使用されており、直接的なおよび間接的な実装・接続・支持・結合の双方を包含する。さらに、「接続された」「結合された」は、物理的または機械的な接続もしくは結合に限定されない。

１００ 溶接装置、 １１０ 供給部ハウジング、 １１１ 電源、 １１２ アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、 １１３ ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、 １１４ インバータ、 １１５ 駆動部、 １１６ 溶加材供給部、 １１７ シールドガス供給部、 １１８ シールドガス、 １１９ データバス、 １２０ 制御ユニット、 １３０ 溶接トーチ、 １３１ 導管、 １３２ 電力ケーブル、 １３３ シールドガス管、 １３４ ガスノズル、 １３５ ガスシールド、 １３６ コンタクトチップ、 １３７ コンタクトチップ‐ワーク間距離（ＣＴＷＤ）、 １３８ 溶加材、 １３９ アーク、 １４０ 溶融池、 １４１ 溶融金属、 １５０ ワークピース、 １５１ 第１の金属材、 １５２ 第２の金属材、 １５３ 溶接部、 １５４ 溶接トーチの長手軸線、 １５５ 作業角度、 １５６ 移動角度、 １５７ 移動方向、 １５８ ストリンガービードパターン、 １５９ ウィービングビードパターン

Claims (11)

1. 熱に敏感な材料を含むワークピースを溶接するための溶接方法であって、
   該溶接方法は、
   溶接トーチのコンタクトチップに電源からの電力を供給するステップと、
   溶加材供給部から溶加材を供給し、該溶加材を、前記コンタクトチップを通して、前記熱に敏感な材料を含む前記ワークピースへ向かって延伸させるステップと、
   前記溶加材のチップと前記ワークピースの表面との間に発生するアークによって、前記ワークピースの一部を溶融させて該ワークピース上に溶融池を形成するステップと、
   前記溶加材を前記溶融池の内外へ往復させるステップと、
   前記溶加材の運動を前記電力の波形に同期させるステップと、
   前記熱に敏感な材料の割れなしに前記ワークピース上に溶接部を形成できるよう、溶接パラメータを調整するステップと、
   を含む、溶接方法。
2. 前記熱に敏感な材料は、ハドフィールドマンガン鋼を含む、請求項１記載の溶接方法。
3. 前記溶加材は、ソリッドワイヤ形状を有する、請求項１記載の溶接方法。
4. 前記溶接パラメータは入熱を含み、該入熱を０．１１８ｋＪ／ｍｍ〜１．１８２ｋＪ／ｍｍの範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
5. 前記溶接パラメータは電流を含み、該電流を５０Ａ〜２００Ａの範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
6. 前記溶接パラメータは電圧を含み、該電圧を５Ｖ〜３５Ｖの範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
7. 前記溶接パラメータは溶接移動速度を含み、該溶接移動速度を１２．７ｃｍ／ｍｉｎ〜７６．２ｃｍ／ｍｉｎの範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
8. 前記溶接パラメータは作業角度を含み、該作業角度を水平レベルから４５°〜６５°の範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
9. 前記溶接パラメータは移動角度を含み、該移動角度を０°〜２０°のプッシュ範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
10. 前記溶接パラメータはシールドガスの流速を含み、該シールドガスの流速を０．４２ｍ^３／ｈ〜１．７ｍ^３／ｈの範囲に調整する、請求項１記載の溶接方法。
11. 熱に敏感な材料を含むワークピースを溶接するための溶接装置であって、
    該溶接装置は、
    コンタクトチップを含む溶接トーチと、
    前記溶接トーチの前記コンタクトチップに電力を供給するように構成された電源と、
    前記コンタクトチップを通して延びる溶加材を、前記熱に敏感な材料を含む前記ワークピースへ向かって供給し、前記溶加材のチップと前記ワークピースの表面との間にアークを発生させて、前記ワークピース上に溶融池を形成するように構成された溶加材供給部と、
    前記溶加材を前記溶融池の内外へ往復させるように構成された駆動部と
    を備え、
    前記電源はディジタルシグナルプロセッサを備え、
    前記ディジタルシグナルプロセッサは、前記溶加材の運動を前記電力の波形に同期させるべく前記駆動部に信号を送るように構成されており、
    前記熱に敏感な材料の割れなしに前記ワークピース上に溶接部を形成できるよう、溶接パラメータが調整される、
    溶接装置。

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