JP2021115629A - デュアルワイヤ溶接又は加法製造システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアルワイヤ溶接又は加法製造システム及び方法を提供する。【解決手段】溶接又は加法製造システムは、電源の動作を制御するコントローラを有する電源を含む。電源は、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供する。第１の出口オリフィスは第１のワイヤ電極Ｅ１を配送するように構成され、前記第２の出口オリフィスは第２のワイヤ電極Ｅ２を配送するように構成される。出口オリフィスは、電流波形がコンタクトチップアセンブリを介しワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極Ｅ１の固体部分が第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極Ｅ２の固体部分と接触するのを防止する一方でワイヤ電極間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される。【選択図】図３Ａ−３Ｄ

Description

本発明に合致する装置、システム及び方法はデュアルワイヤ構成による材料堆積に関する。

溶接する際、溶接ビードの幅を増加する又は溶接パドルの長さを増加することがしばしば望ましい。この願望には多くの異なる理由があり得、これは溶接産業界においてよく知られている。例えば、気孔を低減するように溶接及びフィラー金属を長期間溶融状態に保つために溶接パドルを伸ばすことが望ましいかもしれない。すなわち、溶接パドルが長期間溶融状態であれば、ビードが凝固する前に有害ガスが溶接ビードから逃げ出すためのより多くの時間がある。さらに、より広い溶接ギャップを覆うように又はワイヤ堆積速度を増加するように溶接ビードの幅を増加することが望ましいかもしれない。いずれの場合も、増加された電極径を使用することが一般的である。増加された径は、溶接パドルの幅又は長さだけ（両方でない）を増加することが望ましいかもしれなくても長く且つ拡大された溶接パドルを生じることになる。しかし、これはこの欠点無しでは済まない。具体的には、より大きな電極が採用されるので、適切な溶接を促進するためにより多くのエネルギーが溶接アーク内に必要とされる。エネルギーのこの増加は、溶接内への入熱の増加を引き起こし、そして使用される電極のより大きな径のために溶接作業におけるより多くのエネルギーの使用をもたらすことになる。さらに、いくつかの機械的アプリケーションにとって理想的でない溶接ビードプロファイル又は断面を生成し得る。電極の径を増加するのではなく、少なくとも２つのより小さな電極を同時に使用することが望ましいかもしれない。

米国特許出願公開２０１３／０２６４３２３号明細書

以下の概要は、本明細書で論述される装置、システム及び／又は方法のいくつかの態様の基本的理解を与えるために単純化した概要を提示する。この概要は本明細書で論述される装置、システム及び／又は方法の広範な概要ではない。この概要は、このような装置、システム及び／又は方法の最重要要素を識別する又はその範囲を記述することを意図していない。その完全な目的は、後で提示されるさらに詳細な説明の前置きとしていくつかの概念を単純化した形式で提示することである。

本発明の１つの態様によると、溶接又は加法製造システムが提供される。本システムは、電源の動作を制御するコントローラを含む電源を含む。電源は、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供する。第１の出口オリフィスは第１のワイヤ電極を配送するように構成され、前記第２の出口オリフィスは第２のワイヤ電極を配送するように構成される。第１及び第２の出口オリフィスは、電流波形がコンタクトチップアセンブリを介し第１のワイヤ電極及び第２のワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極の固体部分が第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極の固体部分と接触するのを防止する一方で、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極と第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極との間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される。

本発明の別の態様によると、溶接又は加法製造システムが提供される。本システムは、電源の動作を制御するコントローラを含む電源を含む。電源は、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供する。第１のワイヤフィーダは第１の出口オリフィスを介し第１のワイヤ電極を配送し、第２のワイヤフィーダは第２の出口オリフィスを介し第２のワイヤ電極を配送する。第１及び第２の出口オリフィスは、電流波形がコンタクトチップアセンブリを介し第１のワイヤ電極及び第２のワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極の固体部分が第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極の固体部分と接触するのを防止する一方で、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極と第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極との間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される。

本発明の別の態様によると、溶接又は加法製造システムが提供される。本システムは、電源の動作を制御するコントローラを含む電源を含む。電源は、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供する。第１の出口オリフィスは第１のワイヤ電極を配送するように構成され、第２の出口オリフィスは第２のワイヤ電極を配送するように構成される。本システムは少なくとも１つのワイヤフィーダをさらに含み、少なくとも１つのワイヤフィーダは、第１の孔を介し第１のワイヤ電極及び第２の孔を介し第２のワイヤ電極を駆動する。第１及び第２の出口オリフィスは、電流波形がコンタクトチップアセンブリを介し第１のワイヤ電極及び第２のワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極の固体部分が第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極の固体部分と接触するのを防止する一方で、第１の孔を介し配送される第１のワイヤ電極と第２の孔を介し配送される第２のワイヤ電極との間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される。

本発明の上記及び／又は他の態様は、添付図面を参照して本発明の例示的実施形態について詳細に述べることにより明らかになる。

本発明の溶接システムの一例示的実施形態のダイアグラム表示を示す。 本発明の一実施形態における例示的コンタクトチップアセンブリのダイアグラム表示を示す。 本発明の一例示的実施形態における溶接作業のダイアグラム表示を示す。 本発明のいくつかの例示的実施形態における電流及び磁界相互作用のダイアグラム表示を示す。 本発明の一実施形態による単一ワイヤによる例示的溶接ビードのダイアグラム表示を示す。 本発明の一実施形態による例示的溶接ビードのダイアグラム表示を示す。 本発明の一実施形態の例示的溶接プロセス流れ図のダイアグラム表示を示す。 本発明のいくつかの実施形態と共に使用するコンタクトチップアセンブリの代替実施形態のダイアグラム表示を示す。 本発明のいくつかの実施形態の例示的溶接電流波形のダイアグラム表示を示す。 本発明のいくつかの実施形態の別の例示的溶接電流波形のダイアグラム表示を示す。 本発明のいくつかの実施形態の追加例示的溶接電流波形のダイアグラム表示を示す。 溶接トーチの一部を示す。 コンタクトチップ及び拡散器の斜視図である。 コンタクトチップの斜視図である。 コンタクトチップの斜視図である。 拡散器の斜視図である。 拡散器の斜視図である。 別の例示的コンタクトチップの斜視図である。 例示的駆動ロールの斜視図である。 デュアルワイヤを供給する駆動ロールの断面を示す。 本発明の溶接システムの一例示的実施形態のダイアグラム表示を示す。 本発明の溶接システムの一例示的実施形態のダイアグラム表示を示す。 加法製造堆積作業を示す。 加法製造堆積作業を示す。 加法製造されたパーツを示す。 例示的堆積作業を示す。

次に、本発明の例示的実施形態について添付図面を参照することにより以下に説明する。記載される例示的実施形態は本発明の理解を助けるように意図されており、本発明の範囲をいかなるやり方でも制限するように意図されていない。同様な参照符号は本明細書を通して同様な要素を指す。

本明細書で使用されるように、「少なくとも１つ」、「１つ又は複数」、及び「及び／又は」は、動作における接続語且つ離接語である非限定的（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）表現である。例えば、「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ又はＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの１つ又は複数」、「Ａ、Ｂ又はＣのうちの１つ又は複数」及び「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」の表現の各々は、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡとＢ共に、ＡとＣ共に、ＢとＣ共に、又は、ＡとＢとＣ共に、を意味する。２つ以上の代替用語を提示する任意の離接語又は離接句は、実施形態、特許請求の範囲又は添付図面においてかにかかわらず、用語の１つ、用語のいずれか、又は両方の用語を含む可能性を考慮するように理解されるべきである。例えば語句「Ａ又はＢ」は、「Ａ」又は「Ｂ」又は「Ａ及びＢ」の可能性を含むように理解されるべきである。

本明細書で論述される本発明のいくつかの実施形態はＧＭＡＷタイプ溶接の文脈で論述されるが、本発明の他の実施形態はこれに限定されない。例えば、いくつかの実施形態はＳＡＷ及びＦＣＡＷタイプ溶接作業並びに他の同様なタイプの溶接作業において利用され得る。さらに、本明細書において説明される電極は固体電極であるが、再び、本発明のいくつかの実施形態は、コア電極（フラックスコア又は金属コアのいずれか）もまた本発明の精神又は範囲から逸脱することなく使用され得るので固体電極の使用に限定されない。さらに、本発明のいくつかの実施形態はまた手動、半自動、及びロボット溶接作業において使用され得る。このようなシステムはよく知られているので本明細書では詳細に説明されない。

さて添付図面に移ると、図１は本発明の一例示的実施形態による溶接システム１００の一例示的実施形態を描写する。溶接システム１００は、ワイヤフィーダ１０５を介し溶接トーチ１１１（コンタクトチップアセンブリ（図示せず）を有する）へ結合される溶接電源１０９などのアーク生成電源を含む。電源１０９は、パルス噴霧、ＳＴＴ及び／又はショートアークタイプ溶接波形などの電流及び溶接波形をトーチ１１１へ配送することができる知られたタイプの溶接電源であり得る。このような電源の構築、設計及び作業はよく知られているので、明細書で詳細に説明される必要はない。電源１０９は、溶接トーチ１１１内のコンタクトチップアセンブリを介しデュアルワイヤ溶接作業中に溶接波形をワイヤ電極Ｅ１、Ｅ２へ同時に出力する。電源１０９は、ユーザが溶接作業の制御又は溶接パラメータを入力することを可能にするためにユーザインターフェースへ結合されるコントローラ１２０を含み得る。コントローラ１２０は、本明細書に説明されるように溶接プロセスの作業を制御するために使用されるプロセッサ、ＣＰＵ、メモリなどを有し得る、公知の手動、半自動又はロボット溶接トーチと同様に構築され得るトーチ１１１は、任意の知られた又は使用される溶接ガンへ結合され得、直線又は雁首タイプのものであり得る。ワイヤフィーダ１０５は、リール、スプール、コンテナなどの任意の知られたタイプのものであり得る電極源１０１、１０３から電極Ｅ１、Ｅ２をそれぞれ引き出す。ワイヤフィーダ１０５は、知られた構造のものであり、電極Ｅ１、Ｅ２を引き出しこれらの電極をトーチ１１１へ押し出すために駆動ロール１０７を採用する。本発明の一例示的実施形態では、駆動ロール１０７及びワイヤフィーダ１０５は単一電極作業用に構成される。デュアルワイヤ構成を使用する本発明のいくつかの実施形態は、単一ワイヤ供給作業のためだけに設計されるワイヤフィーダ１０５及び駆動ロール１０７と共に利用され得る。例えば、駆動ロール１０７は、単一０．０４５インチ（１．１４ｍｍ）径電極用に構成され得、ワイヤフィーダ１０５又は駆動ロール１０７に対する修正無しに０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）径の２つの電極を好適に駆動することになる。代替的に、ワイヤフィーダ１０５は、電極Ｅ１／Ｅ２それぞれを供給するための別個の組のローラを提供するように設計されてもよいし、２つ以上の電極を同時に供給するように特に構成された駆動ロールを有してもよい（例えば２つの電極を収容し得るローラの周囲の台形状ワイヤ収容溝を介して）。他の実施形態では、２つの別個のワイヤフィーダもまた使用され得る。示されるように、ワイヤフィーダ１０５は、溶接作業の既知の構成に合致する電源１０９と通信状態にある。

駆動ロール１０７により駆動されると、電極Ｅ１、Ｅ２は電極Ｅ１、Ｅ２をトーチ１１１へ配送するためにライナ１１３を通される。ライナ１１３はトーチ１１１への電極Ｅ１、Ｅ２の通過を可能にするために適切に寸法決めされる。例えば、２つの０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）径電極に関しては、標準的０．０６２５インチ（１．５９ｍｍ）径ライナ１１３（単一０．０６２５インチ（１．５９ｍｍ）径電極に通常使用される）が修正無しに使用され得る。

上に参照された例は同じ径を有する２つの電極の使用を論述するが、本発明は、いくつかの実施形態が異なる径の電極を使用し得るのでこの点に限定されない。すなわち、本発明のいくつかの実施形態は第１のより大きな径の電極及び第２より小さな径の電極を使用し得る。このような実施形態では、異なる厚さの２つの工作物をより好都合に溶接することが可能である。例えば、より大きな電極はより大きな工作物に向けられ得る一方で、より小さな電極はより小さな工作物に向けられ得る。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、限定しないが金属不活性ガス、サブマージアーク、及びフラックスコア溶接を含む多くの異なるタイプの溶接作業に使用され得る。さらに、本発明のいくつかの実施形態は自動、ロボット、半自動溶接作業に使用され得る。加えて、本発明のいくつかの実施形態は様々な電極タイプと共に利用され得る。例えば、コア電極が非コア電極と結合され得るということが考えられる。さらに、様々な組成物の電極が、最終溶接ビードの望ましい溶接特性及び組成を実現するために使用され得る。したがって、本発明のいくつかの実施形態は広範囲の溶接作業において利用され得る。

図２は本発明の例示的コンタクトチップアセンブリ２００を描写する。コンタクトチップアセンブリ２００は、既知のコンタクトチップ材料から作製され得、任意の既知のタイプの溶接ガン内で使用され得る。この例示的実施形態に示すように、コンタクトチップアセンブリは、コンタクトチップアセンブリ２００の長さ方向に走る２つの別個のチャネル２０１、２０３を有する。溶接中、第１の電極Ｅ１は第１のチャネル２０１を通され第２の電極Ｅ２は第２のチャネル２０３を通される。チャネル２０１／２０３は通常、通されるワイヤの径用に適切に寸法決めされる。例えば、電極が同じ径を有すれば、チャネルは同じ径を有することになる。しかし、異なる径が使用されれば、チャネルは電極へ電流を正しく転送するように適切に寸法決めされるべきである。加えて、示された実施形態では、チャネル２０１／２０３は電極Ｅ１／Ｅ２がコンタクトチップ２００の遠端面から並列に出るように構成される。しかし、他の例示的実施形態では、チャネルは、＋／−１５°の範囲内の角度がそれぞれの電極の中心線間に存在するように電極Ｅ１／Ｅ２がコンタクトチップの遠端面から出るように構成され得る。この角度は溶接作業の所望性能特性に基づき判断され得る。いくつかの例示的実施形態ではコンタクトチップアセンブリは図示のようにチャネルとの単一一体化コンタクトチップであり得るが、他の実施形態ではコンタクトチップアセンブリは互いに近接されて配置された２つのコンタクトチップサブアセンブリで構成され得、電流はコンタクトチップサブアセンブリのそれぞれへ向けられるということにさらに注意すべきである。

図２に示すように、それぞれの電極Ｅ１／Ｅ２は電極の最近接端間の距離である距離Ｓだけ離間される。本発明のいくつかの例示的実施形態では、この距離は２つの電極Ｅ１／Ｅ２のうちの大きい電極の径の０．２５〜４倍の範囲内であるが、他の例示的実施形態では、距離Ｓは最大径の２〜３倍の範囲内である。例えば、電極のそれぞれが１ｍｍの径を有すれば、距離Ｓは２〜３ｍｍの範囲内であり得る。他の例示的実施形態では、距離Ｓは、ワイヤ電極のうちの一方の電極（２つの電極のうちの大きい電極など）の径の０．２５〜２．２５倍の範囲内である。手動又は半自動溶接作業では、距離Ｓは最大電極径の０．２５〜２．２５倍の範囲内であるが、ロボット溶接作業では、距離Ｓは同じ範囲又は別の範囲（最大電極径の２．５〜３．５倍など）内である。例示的実施形態では、距離Ｓは０．２〜３．５ｍｍの範囲内である。

ワイヤ電極Ｅ１／Ｅ２はコンタクトチップ２００の端面上の出口オリフィスから突出する。出口オリフィスの径はワイヤ電極Ｅ１／Ｅ２の径よりわずかに大きい。例えば、０．０３５インチ（０．８５ｍｍ）のワイヤに関して、出口オリフィスの径は０．０４３インチ（１．０９ｍｍ）であり得、０．０４０インチ（１．０２ｍｍ）のワイヤに関して、出口オリフィスの径は０．０４６インチ（１．１７ｍｍ）であり得、０．０４５インチ（１．１４ｍｍ）のワイヤに関して、出口オリフィスの径は０．０５２インチ（１．３２ｍｍ）であり得る。チャネル２０１、２０３及び出口オリフィスは堆積作業中のワイヤ電極Ｅ１／Ｅ２間の単一ブリッジ液滴の形成を促進するために適切に離間される。０．０４５インチ（１．１４ｍｍ）以下の径を有する電極用に寸法決めされた出口オリフィスに関して、出口オリフィス間の（距離Ｓと同様に内周から内周までの）距離はブリッジ液滴の形成を促進するために３ｍｍ未満であり得る。しかし、ワイヤサイズ、磁力、チャネル２０１、２０３の配向（例えば、角度）などに依存して出口オリフィス間の３ｍｍ以上の間隔が可能であり得る。いくつかの実施形態では、出口オリフィス間の距離は出口オリフィスの一方又は両方の出口オリフィスの径の２０％〜２００％の範囲内であり、これはまた、ワイヤ電極間の距離Ｓが電極の径の０．２５〜２．２５倍の範囲内であることに対応し得る。

以下にさらに説明するように、距離Ｓは、チャネル及び出口オリフィスを通り配送される電極Ｅ１／Ｅ２の固体部分がブリッジ液滴以外を介し互いに接触するのを防止する一方で液滴が堆積作業中に溶融パドルへ転送される前に単一ブリッジ液滴が電極Ｅ１／Ｅ２間に形成されるということを保証するように選択されるべきである。

図３Ａは、それぞれの電極Ｅ１、Ｅ２からの磁力の相互作用を示す一方で本発明の例示的実施形態を描写する。示されるように、電流の流れのために、ワイヤを互いの方向に引っ張るピンチ力を生成する傾向がある磁場が電極の周囲に生成される。この磁力は２つの電極間に液滴ブリッジを生成する傾向があり、このことは以下にさらに詳細に論述される。

図３Ｂは２つの電極Ｅ１／Ｅ２間に生成される液滴ブリッジを示す。すなわち、電極のそれぞれを通る電流が電極の端を溶融すると、磁力は溶融液滴が互いに接続するまで溶融液滴を互いの方向に引っ張る傾向がある。距離Ｓは、堆積作業中に電極の固体部分が互いに接触するように引っ張られないようにするには十分に遠いが、溶融液滴が溶接アークにより生成された溶接パドルへ転送される前に液滴ブリッジが生成されるには十分に近い。大きなブリッジ液滴が電極Ｅ１／Ｅ２間に形成され得るが液滴と電極との間には比較的小さな断面積が存在するということが図３Ｂにおいて分かる。すなわち、電極は液滴の小断面積に沿ってブリッジ液滴に接触する。液滴は図３Ｃにさらに描写され、ここでは、液滴ブリッジは溶接中にパドルへ転送される単一の大きな液滴を生成する。示されるように、液滴ブリッジに働く磁気的ピンチ力は、単一電極溶接作業におけるピンチ力の使用と同様に液滴をピンチオフするように働く。

いくつかの実施形態では、ブリッジ液滴は、溶融パドルとワイヤ電極Ｅ１／Ｅ２との間のショート事象中に溶融パドルへ転送される。この過程はショートアーク溶接として知られる。ショート事象は図３Ｄに描写される。電極Ｅ１／Ｅ２は、液滴及び電極が工作物Ｗ上の溶融パドルへショートする前にブリッジ液滴が離れない（例えば、電極からピンチオフしない）ということを保証するのに十分なワイヤ供給速度（ＷＦＳ）で工作物Ｗに向かってワイヤフィーダにより駆動される。電極Ｅ１／Ｅ２を供給する力がアークの加熱を克服し、ブリッジ液滴が図示のように溶融パドルに接触すると、大きなブリッジ液滴が溶融池内へ引っ張られ、ピンチ力と共に表面張力が液滴を電極から溶融池へ転送する。ブリッジ液滴のサイズは、従来の単一電極ショートアーク溶接において形成される液滴より著しく大きい。これは、従来のショートアーク溶接を越えるショートアークサイクル当たり堆積速度を生じるが、電極と液滴との間の断面積は比較的小さく、当該液滴を転送するためにより少ないピンチ力を必要とする。ブリッジ液滴が溶融パドルへショートした後、電極Ｅ１／Ｅ２は、溶接電流により抵抗加熱される一方で僅かな時間の間溶融パドル内へ駆動され続け得る。十分な熱が、電極Ｅ１／Ｅ２を溶融するとともに電極Ｅ１／Ｅ２が追加フィラー金属として溶融池内へ消費されることを可能にするために抵抗加熱と組み合わせて溶融パドル内に存在することになる。

図４Ａは一実施形態における本発明の電流流れの例示的表現を描写する。示されるように、溶接電流は、それぞれの電極のそれぞれを貫流するように分割され、ブリッジ液滴が形成されるにつれてそれへ通過しそれを貫流する。次に、電流はブリッジ液滴からパドル及び工作物へ通過する。電極が同じ径及びタイプのものである例示的実施形態では、電流は本質的に電極を介し一様に分割されることになる。電極が異なる抵抗値を有するいくつかの実施形態では、例えば、異なる径及び／又は組成／構造のために、それぞれの電流はＶ＝Ｉ＊Ｒの関係式により配分されることになる。溶接電流が既知の方法論と同様にコンタクトチップへ印加されると、コンタクトチップは、電極とコンタクトチップのチャネルとの間の接触を介しそれぞれの電極へ溶接電流を供給する。図４Ｂはブリッジ液滴を生成することを支援する磁力を描写する。示されるように、磁力は、互いに接触するまで電極のそれぞれの溶融部分を互いの方向に引っ張る傾向がある。

図５Ａは単一電極溶接作業によりなされる溶接の例示的断面を描写する。示されるように、溶接ビードＷＢは適切な幅であるが、溶接ビードＷＢのフィンガＦ（図示のように工作物Ｗ内に侵入する）は比較的狭い幅を有する。これは、より高い堆積速度が使用される場合に単一ワイヤ溶接作業において発生し得る。すなわち、このような溶接作業では、フィンガＦは非常に狭くなり得るので、所望方向に侵入されるフィンガを仮定することは信頼できなく、したがって、適切な溶け込みの信頼できる指示子であり得ない。さらに、この狭いフィンガがより深く潜るとこれはフィンガの近くに捕捉される気孔などの欠陥に至り得る。加えて、このような溶接作業では、溶接ビードの有用側は望むほどに深く侵入されない。したがって、いくつかのアプリケーションでは、この機械的結合は望まれるほどには強くない。加えて、水平方向隅肉溶接などのいくつかの溶接アプリケーションでは、単一電極の使用は、溶接作業に対する余りに大きな熱の追加無しに等しいサイズの溶接脚を高堆積速度で実現することを困難にした。これらの課題は、フィンガの侵入を低減し得るとともにフィンガを広げて溶接の側面侵入をより広くし得る本発明のいくつかの実施形態により軽減される。この例は本発明の一実施形態の溶接ビードを示す図５Ｂに示される。本実施形態に示すように、同様な又は改善された溶接ビード脚対称性及び／又は長さ並びに溶接継手内の溶接深さにおけるより広い溶接ビードが実現され得る。この改善された溶接ビード幾何学形状は、溶接部内へのより少ない全入熱を使用しながら実現される。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、より少ない量の入熱を有するとともに改善された堆積速度で、改善された機械的溶接性能を提供し得る。

図６は本発明の例示的溶接作業の流れ図６００を描写する。この流れ図は例示的であるように意図されており、限定するように意図されていない。示されるように、電流が既知システム構築に合致するコンタクトチップ及び電極へ向けられるように溶接電流／出力が溶接電源により提供される（６１０）。例示的波形は以下にさらに論述される。溶接中、ブリッジ液滴が電極間に形成されるようにされ（６２０）、各電極からのそれぞれの液滴が互いに接触してブリッジ液滴を生成する。ブリッジ液滴は溶接パドルに接触する前に形成される。ブリッジ液滴の形成中、継続時間又は溶滴サイズの少なくとも一方は、液滴が転送されるべきサイズに到達し次にパドルへ転送される（６４０）時間までに検出される（６３０）。この過程は溶接作業中繰り返される。溶接プロセスを制御するために、電源コントローラ／制御システムは、ブリッジ液滴が転送されるべきサイズのものかどうかを判断するためにブリッジ液滴電流継続時間及び／又はブリッジ溶滴サイズ検出のいずれかの１つを使用し得る。例えば、一実施形態では、所与の溶接作業の所定ブリッジ電流継続時間は、ブリッジ電流が当該継続時間の間維持されその後溶滴転送が開始されるように使用される。別の例示的実施形態では、電源のコントローラは、溶接電流及び／又は電圧を監視し、所与の溶接作業の所定閾値（例えば電圧閾値）を利用し得る。例えば、このような実施形態では、検出アーク電圧（既知のタイプのアーク電圧検出回路を介し検出される）が、アーク電圧がブリッジ液滴閾値レベルに到達したということを検出すると、電源は溶接波形の液滴分離部を開始する。これは、本発明のいくつかの実施形態と共に使用され得る溶接波形のいくつかの例示的実施形態において以下にさらに論述される。

図７は、本発明のいくつかの実施形態と共に使用され得るコンタクトチップ７００の代替例示的実施形態を描写する。先に説明したように、いくつかの実施形態では、電極は単一ワイヤガイド／ライナを介しトーチへ向けられ得る。当然、他の実施形態では、別個のワイヤガイド／ライナが使用され得る。しかし、単一ワイヤガイド／ライナが使用されるこれらの実施形態では、コンタクトチップは電極がコンタクトチップ内で互いに分離されるように設計され得る。図７に示すように、この例示的コンタクトチップ７００は、コンタクトチップ７００の上流端に単一オリフィスを有する単一入口チャネル７１０を有する。電極のそれぞれは、このオリフィスを介しコンタクトチップに入り、そしてコンタクトチップの分離部７２０に到達するまでチャネル７１０に沿って進む。分離部は、電極がそれらの個別出口オリフィス７０１、７０２へそれぞれ向けられるように第１の電極を第１の出口チャネル７１１内へ第２の電極を第２の出口チャネル７１２内へ向ける。当然、チャネル７１０、７１１、７１２は使用される電極のサイズ用に適切に寸法決めされるべきであり、分離部７２０は電極を傷つけないように又は引っ掻かないように整形されるべきである。図７に示すように、出口チャネル７１１、７１２は、互いに対し角度付けされるが、図２に示すように、これらのチャネルはまた互いに並列に配向され得る。

次に図８〜図１０へ移ると、本発明の例示的実施形態と共に使用され得る様々な例示的波形が描写される。一般的に、本発明のいくつかの例示的実施形態では、電流は、ブリッジ液滴を生成しそれを転送用に構築するために増加される。例示的実施形態では、転送時、ブリッジ液滴は電極間の距離Ｓと同様な平均径（電極のいずれかの径より大きい可能性がある）を有する。形成されると、液滴は高ピーク電流を介し転送され、その後、電流は、ワイヤに働くアーク圧力を除去するためにより低い（例えばバックグラウンド）レベルまで低下する。次に、ブリッジ電流は、余りに大きなピンチ力を行使して成長中液滴をピンチオフすることなくブリッジ液滴を構築する。例示的実施形態では、このブリッジ電流は、バックグラウンド電流とピーク電流との間の３０〜７０％の範囲内のレベルにある。他の例示的実施形態では、ブリッジ電流は、バックグラウンド電流とピーク電流との間の４０〜６０％の範囲内である。例えば、バックグラウンド電流が１００アンペアでピーク電流が４００アンペアであれば、ブリッジ電流は２２０〜２８０アンペア（すなわち３００アンペア差の４０〜６０％）の範囲内である。いくつかの実施形態ではブリッジ電流は１．５〜８ｍｓの範囲内の継続期間の間維持され得る一方で、他の例示的実施形態ではブリッジ電流は２〜６ｍｓの範囲内の継続期間の間維持される。例示的実施形態では、ブリッジ電流継続時間は、バックグラウンド電流状態の終わりに始まり、ブリッジング電流ランプアップを含み、ランプアップは、ブリッジ電流レベル及びランプレートに依存して０．３３〜０．６７ｍｓの範囲内であり得る。本発明の例示的実施形態により、波形のパルス周波数は液滴成長を可能にするために単一ワイヤプロセスと比較して減速され得、単一ワイヤ作業と比較して制御を改善し、より高い堆積速度を可能にし得る。

図８はパルス化噴霧溶接タイプ作業の例示的電流波形８００を描写する。示されるように、波形８００はバックグラウンド電流レベル８１０を有し、バックグラウンド電流レベル８１０は次にブリッジ電流レベル８２０へ移行し、その間に、ブリッジ液滴は転送されるべきサイズまで成長させられる。ブリッジ電流レベルは、液滴がパドルへのその転送を開始する噴霧転送電流レベル８４０未満である。ブリッジ電流８２０の終わりに、電流は、噴霧転送電流レベル８４０を越えピーク電流レベル８３０まで上昇される。次に、ピーク電流レベルは、液滴の転送が完了されることを可能にするためにピーク継続時間の間維持される。転送後、電流は、プロセスが繰り返されるので再びバックグラウンドレベルまで低下される。したがって、これらの実施形態では、単一液滴の転送は波形のブリッジ電流部分中に発生しない。このような例示的実施形態では、ブリッジ電流のより低い電流レベル８２０、液滴をパドルへ向けるための過剰ピンチ力無しに液滴が形成することを可能にする。ブリッジ液滴の使用の理由で、ピーク電流８３０が単一ワイヤを使用するより高いレベルにおいてより長い継続時間の間維持され得る溶接作業が達成され得る。例えば、いくつかの実施形態は、少なくとも４ｍｓ、そして５５０〜７００アンペアの範囲内のピーク電流レベルと１５０〜４００アンペアの範囲内のバックグラウンド電流とにおいて４〜７ｍｓの範囲内のピーク継続時間を維持し得る。このような実施形態では、著しく改善された堆積速度が実現され得る。例えば、いくつかの実施形態は１９〜２６ｌｂｓ（８．６〜１１．８ｋｇ）／時間の範囲内の堆積速度を実現した一方、同様な単一ワイヤプロセスは１０〜１６ｌｂｓ（４．５〜７．３ｋｇ）／時間の範囲内の堆積速度を実現し得るに過ぎない。例えば、１つの非限定的実施形態では、７００アンペアのピーク電流、１８０アンペアのバックグラウンド電流及び３４０アンペアの液滴ブリッジ電流を使用する０．０４０’’（１．０２ｍｍ）の径を有する一対のツインワイヤは、１２０Ｈｚの周波数において１９ｌｂｓ（８．６ｋｇ）／時間の速度で堆積され得る。このような堆積は、従来の溶接プロセスよりはるかに低い周波数においてであり、したがってより安定する。

図９はショートアークタイプ溶接作業において使用され得る別の例示的波形９００を描写する。再び、波形９００は、液滴とパドルとの間のショートを解除するように構成されたショート応答部９２０に先立つバックグラウンド部９１０を有する。ショート応答９２０中に、電流はショートを解除するために上昇され、そしてショートが解除されると、電流はブリッジ電流レベル９３０まで低下され、その間にブリッジ液滴が形成される。再び、ブリッジ電流レベル９３０はショート応答９２０のピーク電流レベル未満である。ブリッジ電流レベル９３０は、ブリッジ液滴が形成されパドルへ向けられることを可能にするブリッジ電流継続時間の間維持される。液滴の転送中、電流はバックグラウンドレベルへ低下され、これはショートが発生するまで液滴が進むことを可能にする。ショートが発生すると、ショート応答／ブリッジ電流波形が繰り返される。本発明のいくつかの実施形態では溶接プロセスをより安定にするのはブリッジ液滴の存在であるということに留意すべきである。すなわち、複数のワイヤを使用する伝統的溶接プロセスでは、ブリッジ液滴は存在しない。これらのプロセスでは、１つのワイヤがショートする又はパドルと接触すると、他の電極のアーク電圧は低下しアークは消えることになる。これは、ブリッジ液滴がワイヤのそれぞれに共通である本発明のいくつかの実施形態では発生しない。

図１０はＳＴＴ（表面張力転送：ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）タイプ波形である別の例示的波形１０００を描写する。このような波形は知られているので本明細書では詳細に説明されない。ＳＴＴタイプ波形、その構造、使用及び実施形態をさらに説明するために、２０１２年４月５日出願の（特許文献１）がその全体として参照により本明細書に援用される。再び、この波形はバックグラウンドレベル１０１０並びに第１のピークレベル１０１５及び第２のピークレベル１０２０を有し、ここでは、第２のピークレベルは液滴とパドルとの間のショートが解除された後に到達される。第２のピーク電流レベル１０２０後、電流はブリッジ液滴が形成されるブリッジ電流レベル１０３０まで低下され、その後、電流は、パドルと接触するまで液滴がパドルまで進むことを可能にするためにバックグラウンドレベル１０１０まで低下される。他の実施形態では、ＡＣ波形が使用され得、例えば、ＡＣ ＳＴＴ波形、パルス波形などが使用され得る。

図９と図１０の波形は、ブリッジ液滴を使用するショートサーキット又はショートアーク溶接の例示的波形である。これらの堆積作業のアーク部中、溶接電極のＷＦＳは、電極から離れる前にブリッジ液滴を溶融パドル内へ押し込むために正であり且つ比較的高い。しかし、ショート事象中、ＷＦＳは、電流流れからのピンチ力が電極を溶融パドルから分離するとともに電極からアークを再建することを可能にするために低減され得る。いくつかの実施形態では、ワイヤ供給はＷＦＳが零に到達するようにショート事象中は停止され得る。ワイヤフィーダの供給方向はまた、電極を溶融パドルから引っ張り出すためにショート事象中に反転され得る。この場合、ワイヤフィーダは、追加フィラー金属をパドルへ追加するためにショート事象中に電極を当初溶融パドル内へ駆動し、その後、アークを再建するのを助けるために電極を溶融パドルから引き離す。電極を減速、停止、及び／又は反転するためのタイミングはショート事象の発生の検出に基づき得る。例えば、電源は、溶接電圧を監視し得、溶接電圧がショートレベルへ降下すると電極を減速／停止／反転する又はショートが発生した後の所定期間に電極を減速／停止／反転するようにワイヤフィーダを制御し得る。電極と溶融パドルとの間の溶接アークは、ワイヤ供給が減速若しくは停止される又は供給方向が反転される（溶融パドルから離れる）間に再建され得る。次に、ワイヤフィーダは、ショートが解除されアークが再建された後に電極を溶融パドル方向に配送することを再開し得る。ＷＦＳ及び方向に対する変更は、ショート中の電流レベル及び堆積作業のアーク部に対する変更と連携され得る。

上に論述したように、マルチワイヤ堆積作業（例えば溶接、加法製造、耐摩耗加工など）において使用されるワイヤ電極はワイヤ電極間のブリッジ液滴の形成を促進する距離Ｓだけ離間され得る。ブリッジ液滴のサイズはワイヤ電極間の間隔とコンタクトチップ内の出口オリフィス間の間隔とにより判断される。ブリッジ液滴のサイズは堆積作業中に存在する電気アークの幅を判断し、出口オリフィスとワイヤ電極との間の間隔を低減することはアーク幅を狭くする。より大きなブリッジ液滴はより大きな溶接にとって好ましいかもしれなく、より小さなブリッジ液滴はより小さな溶接にとって好ましいかもしれない。堆積速度はアーク幅により影響を受け、小ゲージワイヤの堆積速度は出口オリフィスとワイヤ電極との間の間隔を（例えば約２ｍｍから１ｍｍへ）低減することにより増加され得る。

出口オリフィス間及びワイヤ電極間の最大間隔は、電流波形により（例えばピーク電流レベルにおいて）成長された磁力がブリッジ液滴の形成を依然として可能にする場合に到達され、そしてブリッジングが最早可能でない場合に越えられる。最小間隔は、ブリッジの時点でワイヤの固体部分同士を分離しておく距離である。磁力はワイヤ電極を引き合わせる傾向があり、ワイヤはいくぶん柔軟である。したがって、出口オリフィス間及びワイヤ電極間の最小間隔は、ワイヤ径、構築材料などのパラメータにより影響を受ける電極の剛性に依存することになる。

図１１は本発明による例示的溶接トーチの端部を描写する。溶接トーチの構造及び動作は一般的に知られるので、このような構造及び動作の詳細は本明細書で詳細に論述されない。示されるように、トーチは、多くの部品を含み、溶接又は加法製造作業のために少なくとも２つのワイヤ電極及び１つのシールドガスを工作物へ配送するために使用される。トーチは、溶接作業のためにシールドガスを正しく導出及び分散することを支援する拡散器２０５を含む。拡散器２０５の下流端へ結合されるのは、溶接中に同時にコンタクトチップを貫通させられる少なくとも２つのワイヤ電極内へ溶接電流を通すために使用されるコンタクトチップ２００である。コンタクトチップ２００は、コンタクトチップ内の孔又はチャネルを通って配送されるワイヤ電極間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成される。ブリッジ液滴は、上に論述したように、堆積作業により生成される溶融パドルへ接触する前に第１のワイヤ電極を第２のワイヤ電極へ結合する。

拡散器２０５の外側上に螺合されるのは絶縁体２０６である。絶縁体２０６はノズル２０４をトーチ内の電気的活性部品から電気的に絶縁する。ノズル２０４は溶接中にシールドガスを拡散器２０５からトーチの遠端と工作物とに向ける。

従来のコンタクトチップは拡散器へ螺入するコンタクトチップの上流又は近端上にねじ山を有する。コンタクトチップと拡散器とはコンタクトチップを拡散器内へネジ止めすることにより接続される。このような締め付けシステムは単一ワイヤによる溶接にうまく働く。溶接ワイヤはコンタクトチップを介し螺入され得、コンタクトチップは、ワイヤを中心に複数回回転され、拡散器内へネジ止めされ得る。しかし、コンタクトチップを同時に貫通する複数の溶接ワイヤにより溶接する際、このような締め付けシステムは溶接ワイヤの望ましくない捻じりを生じるだろう。例えば、２つの溶接ワイヤがコンタクトチップを通過させれば、３６０°より大きい回転を必要とする複数回転により拡散器上にコンタクトチップをその後螺合することは、溶接ワイヤが捩じられることになり、コンタクトチップを通されることができなくなる。

図１１のコンタクトチップ２００は、３６０°未満（２７０°（３／４回転）、１８０°（１／２回転）、９０°（１／４回転）、９０°未満など）のコンタクトチップの回転により拡散器２０５へ取り付けられる。コンタクトチップを拡散器２０５へ取り付けるのに必要なコンタクトチップ２００の回転は、所望により任意の角度であり得、好適には３６０°未満であり、コンタクトチップを貫通する複数のワイヤ電極がコンタクトチップの設置中に過度に捩じられないような角度である。コンタクトチップの設置中に溶接ワイヤが過度に捩じられれば、ワイヤ供給問題が生じ、溶接ワイヤの「鳥の巣状態（ｂｉｒｄ ｎｅｓｔｉｎｇ）」が発生し得る。

図１１〜１６を参照すると、コンタクトチップ２００は１／４回転（拡散器内のコンタクトチップの時計回り）により拡散器２０５へ取り付けられる。コンタクトチップ２００は、プライヤなどの道具による把持に対処するために先細り形状を有するとともにフラット２１５を含む前方側すなわち下流側先端部を有する。コンタクトチップ２００は、概して円筒状である後方側すなわち上流側基端部２０８を有するが、コンタクトチップを拡散器へ安全に接続するために拡散器２０５の内壁内のスロット２１２と係合する放射状突出タブ２１０を含む。コンタクトチップ２００の後方部２０８は、コンタクトチップが拡散器上に設置される場合は拡散器２０５内に配置され、コンタクトチップの取り付けシャンクとして働く。コンタクトチップの後方部２０８の径は隣接下流側部より小さく、コンタクトチップの円柱状後方部２０８から放射状に突出する肩部２１１を生じるということが分かる。肩部２１１は、コンタクトチップ２００が拡散器上に設置されると拡散器２０５の終端部面に当接して着座する。

コンタクトチップ２００は、既知のコンタクトチップ材料から作製され得、任意の既知のタイプの溶接ガン内で使用され得る。コンタクトチップは、その後方近端からその前方遠端まで延伸する導電体（銅など）を含み得る。この例示的実施形態に示すように、コンタクトチップ２００は、コンタクトチップの長さ方向に走る２つの別個のワイヤチャネル又は孔２１４、２１６を有する。チャネル２１４／２１６は、取り付けシャンク２０８の近端面上のワイヤ入口オリフィスとコンタクトチップの遠端面上のワイヤ出口オリフィスとの間に延伸し得る。溶接中、第１のワイヤ電極は第１のチャネル２１４を介し配送され、第２のワイヤ電極は第２のチャネル２１６を介し配送される。チャネル２１４／２１６は通常、チャネルを通されるワイヤの径に対し適切に寸法決めされる。例えば、電極が同じ径を有すれば、チャネルは同じ径を有することになる。しかし、様々なワイヤサイズが一緒に使用されれば、チャネルは様々なサイズの電極へ電流を正しく転送するように適切に寸法決めされるべきである。加えて、示された実施形態では、チャネル２１４／２１６は電極がコンタクトチップ２００の遠端面から並列に出るように構成される。しかし、他の例示的実施形態では、チャネルは、＋／−１５°の範囲内の角度がそれぞれの電極の中心線間に存在するように電極がコンタクトチップの遠端面から出るように構成され得る。この角度は溶接作業の所望性能特性に基づき判断され得る。本明細書で論述される例示的コンタクトチップは２つの電極孔を有して示される。しかし、コンタクトチップは３以上の電極の孔（３以上の孔など）を有する可能性があるということを理解すべきである。

拡散器２０５の内壁内のスロット２１２は軸方向部２１８及び螺旋部２２０を含む。スロット２１２の軸方向部２１８は、コンタクトチップ２００の肩部２１１が当接して着座する拡散器２０５の下流側終端部面まで延伸する。溶接電極がコンタクトチップ２００を通された後、取り付けシャンク２０８上の放射状突出タブ２１０はスロット２１２の軸方向部２１８内へ挿入され、コンタクトチップは拡散器２０５内に押し込まれる。タブ２１０がスロットの螺旋部２２０に到達すると、コンタクトチップ２００はタブを螺旋部の端部まで移動させるために回転される。螺旋部２２０は、コンタクトチップの肩部２１１が拡散器２０５の下流側終端部面に当接して着座するように、コンタクトチップが回転されるとコンタクトチップ２００を内方向に引っ張る若干上流側のピッチを有する。取り付けシャンク２０８上のタブ２１０は、２つの部品間の密着接続を保証するのを助けるために、拡散器２０５内のスロット２１２のピッチに整合する先細端２１７を有し得る。示された例示的実施形態では、スロット２１２の螺旋部２２０は、コンタクトチップを拡散器２０５へ固定するためにコンタクトチップ２００の１／４回転を許容する。しかし、他の回転角（例えば、１／４回転すなわち９０°超又は未満）が可能であるということを理解すべきである。例えば、スロットの螺旋部２２０は拡散器２０５の内室の内周のまわりで３６０°未満延伸し得る。

図１７は別の例示的コンタクトチップ２３０を示す。コンタクトチップ２３０は図１３に示すコンタクトチップに似ている。しかし、ワイヤ出口オリフィス２３２、２３４はコンタクトチップ２３０の遠端面２３６上に対称的に配置されない。出口オリフィス２３２はコンタクトチップ２３０の遠端面２３６に沿ってほぼセンタリングされる。第２の出口オリフィス２３４は、上に論述したようにコンタクトチップ２３０を介し配送されるワイヤ電極間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ第１の出口オリフィス２３２から分離される。第１の出口オリフィス２３２を介し配送されるワイヤ電極（トーチの軸に沿ってセンタリングされる）は、溶接経路を接触感知することとスルーアークシームトラッキング（ＴＡＳＴ：ｔｈｒｏｕｇｈ ａｒｃ ｓｅａｍ ｔｒａｃｋｉｎｇ）とに使用され得る。第１の出口オリフィス２３２を介し配送されるワイヤ電極はまた、本溶接システムが単一ワイヤ及びデュアルワイヤ作業の両方用に構成される場合に使用される一次電極であり得る。単一ワイヤ作業では、ワイヤフィーダは溶接中の使用のために第１の出口オリフィス２３２だけを介しワイヤ電極を配送するが、デュアルワイヤ作業では、同じワイヤフィーダ又は第２のワイヤフィーダが出口オリフィス２３２、２３４両方を介しワイヤ電極を配送する。単一ワイヤ作業中、一次ワイヤ電極が無くなれば、第２の出口オリフィス２３４を介し配送される二次ワイヤ電極が、一次ワイヤ電極が補充されるまでバックアップとして使用され得る。

図１８はデュアルワイヤ溶接システムにおけるワイヤフィーダに使用される例示的駆動ロール１０７を示す。駆動ロール１０７は中央孔を有する。孔の内面は、駆動トルクを駆動ロール１０７へ転送するために駆動機構（駆動ギアなど）上に突起を収容するための孔型凹部１３１を含み得る。駆動ロール１０７は１つ又は複数の環状ワイヤ収容溝１３３、１３５を含む。ワイヤ収容溝１３３、１３５は駆動ロール１０７の外周に沿って軸方向に離間される。ワイヤ収容溝１３３、１３５は２つの溶接ワイヤを収容するように設計される。駆動ロール１０７と共に使用する例示的標準的溶接ワイヤ径は、０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）、０．０３５インチ（０．８５ｍｍ）、０．０４０インチ（１．０２ｍｍ）、０．０４５インチ（１．１４ｍｍ）などを含む。ワイヤ収容溝１３３、１３５は、互いに同じ幅及び深さを有してもよいし、デュアル溶接ワイヤの異なるサイズ又はその組み合わせに対処するために異なる幅及び深さを有してもよい。ワイヤ収容溝１３３、１３５がそれぞれ同じ幅及び深さを有すれば、駆動ロール１０７は、１つの溝が摩耗された場合に、駆動ロールを単純にひっくり返しそしてこの駆動ロールをワイヤフィーダ上に再設置することにより再使用され得る。ワイヤ収容溝１３３、１３５は同じ径を有する２つのワイヤ又は異なる径を有する２つのワイヤを同時に駆動するように構成され得る。ワイヤ収容溝１３３、１３５は、直線側壁、角度付き側壁、又は内方向先細側壁と側壁間に延伸する平坦基部とを有するほぼ台形形状を有し得る。しかし、ワイヤ収容溝１３３、１３５は、台形形状以外の他の形状（例えば湾曲凹溝基部を有する）を有する可能性がある。いくつかの実施形態では、溝１３３、１３５は、溶接ワイヤを把持するのを助けるためにギザギザ表面処理又は他の摩擦表面処理を含み得る。

図１９は、堆積作業中にデュアル溶接ワイヤを供給するためのワイヤフィーダ上に搭載されるだろう２つの駆動ロール１０７の部分断面図を示す。駆動ロール１０７は、クランプ力を第１の溶接ワイヤＥ１及び第２の溶接ワイヤＥ２上に供給するために一緒に付勢される。溶接ワイヤＥ１、Ｅ２は両方とも上側及び下側駆動ロール１０７の環状溝内に配置される。駆動ロール１０７へ印加される付勢力により、溶接ワイヤＥ１、Ｅ２は、溝を形成する上側及び下側側壁１５０と隣接溶接ワイヤとの間の環状溝内にクランプされる。溶接ワイヤＥ１、Ｅ２は環状溝内の３つの接点を介し安定に保持される。このクランプシステムは、両方のワイヤが一貫したやり方でワイヤフィーダ内に通されることを可能にし得る。２つの溶接ワイヤＥ１、Ｅ２は、供給中に互いに支持し合い、摩擦を介し互いに引き合う。環状溝の側壁１５０は、角度付けされているので、溶接ワイヤＥ１、Ｅ２上の垂直方向クランプ力と水平方向クランプ力との両方を印加する。水平方向クランプ力は、溶接ワイヤＥ１、Ｅ２を一緒に押して、互いに接触させる。溶接ワイヤＥ１、Ｅ２は両方の凹溝基部１５２から軸方向にオフセットされるように環状溝内でクランプされる。すなわち、溶接ワイヤＥ１、Ｅ２は、ギャップが溶接ワイヤのそれぞれと溝基部１５２との間に存在するように互いと溝の角度付けされた側壁１５０との間に固定される。一例示的実施形態では、側壁１５０と駆動ロール１０７の外周との間の角度は約１５０°であるが、他の角度が可能であり、健全な技術判断により判断され得る。

駆動ロール１０７により提供されるワイヤクランプは溶接ワイヤＥ１、Ｅ２の径の何らかの可変性（例えば製造公差に起因する）を許容する。各溶接ワイヤＥ１、Ｅ２が駆動ロール１０７内のそれ自身の専用環状溝を有し、溶接ワイヤの一方が他方よりわずかに大きければ、より小さな溶接ワイヤは駆動ロール間に適切にクランプされないかもしれない。このような状態では、より大きな溶接ワイヤは、駆動ロール１０７の互いに対する径方向変位を制限し、これにより、より小さなワイヤの適切なクランピングを妨げるだろう。これは、ワイヤ供給中のより小さな溶接ワイヤのフィード問題と所謂鳥の巣状態に至る可能性がある。上に論述されたクランプシステムは、クランプシステムが自己調整型であるので様々なサイズのワイヤに対処し得る。１つの溶接ワイヤＥ１が他の溶接ワイヤＥ２より大きいと、ワイヤ間の接触点は、環状溝内の中央位置からより小さなワイヤに向けて軸方向シフトされる。３つの接点が溝の側壁１５０と隣接溶接ワイヤとにより各溶接ワイヤＥ１、Ｅ２上で維持される。

図２０は溶接システム１００の別の例示的実施形態を描写する。ここでは、ワイヤフィーダ１０５は、電極Ｅ１、Ｅ２をそれぞれ供給するための別個の組の駆動ロール１０７ａ、１０７ｂを有する。ワイヤフィーダ１０５は共通トーチ１１１及びコンタクトチップ（図示せず）を介し電極Ｅ１、Ｅ２のいずれか１つ又は両方を選択的に駆動し得る。したがって、溶接システム１００は電極の一方だけが溶接中に供給される単一ワイヤモード又は両電極が溶接中に供給されるデュアルワイヤモードのいずれかで作動され得る。ワイヤフィーダ１０５は、それらの動作を制御するために一組の駆動ロール１０７ａ、１０７ｂの別個の駆動モータを含み得、各駆動モータは個々に活性化及び非活性化され、様々なワイヤ供給速度で作動され得る。代替的に、駆動ロール１０７ａ、１０７ｂは共通モータにより動力を供給され得、各組の駆動ロールはそれらのワイヤ供給を活性化／非活性化するためにクラッチ装置により制御され得る。駆動ロール１０７ａ、１０７ｂは、電極Ｅ１、Ｅ２のワイヤ供給速度が例えば溶接金属の組成を制御するために堆積動作中に互いに異なるように、必要に応じ様々な速度で作動され得る。図２１は２つの別個のワイヤフィーダ１０５ａ、１０５ｂを有する溶接システム１００のさらに別の例示的実施形態を示す。図２１のシステムは、ワイヤ電極Ｅ１、Ｅ２のいずれかが単一ワイヤ堆積作業中に一度に１つだけ供給され得る又はワイヤ電極Ｅ１、Ｅ２がデュアルワイヤ堆積作業中に一緒に供給され得るという点で図２０のシステムと同様に動作し得る。図２１では、ライナ１１４は、共通導管トランクと、ワイヤ電極Ｅ１、Ｅ２をトーチ１１１へ運ぶための各ワイヤフィーダ１０５ａ、１０５ｂへ延伸する別個のブランチ１１５、１１６とを有する。ライナ１１４はそのＹ形状全体に起因してＹライナであると考えられ得る。

図２２と図２３は、単一ワイヤ堆積作業とデュアルワイヤ堆積作業との両方を一緒に利用する例示的堆積作業を示す。例示的堆積作業は単一ワイヤ溶接技術及びデュアルワイヤ溶接技術を使用する３Ｄ印刷などの加法製造プロセスであり得る。図２４は、単一及びデュアルワイヤ加法製造プロセスを使用して層毎に築き上げられる例示的最終パーツ３００を示す。パーツ３００は内部空隙３１０を有し、したがって内側及び外側境界線３２０を有する。図２２と図２３は形成されている最終パーツ３００の部分層を示す。これらの層は、境界３２０に沿って「壁」３３０を築くことにより形成される。次に、壁間の空間は層を完成するために金属により充填される。壁３３０は微細解像度堆積プロセスを使用して高精度に形成されることが望ましい。壁間の空間は、低解像度そして好適にはより高い速度堆積プロセスを使用する際に充填され得る。単一ワイヤ堆積作業は、デュアルワイヤ堆積作業より概して高い解像度（例えば金属のより精密な配置）を提供する。しかし、デュアルワイヤ堆積作業はより高い堆積速度を有し、したがって単一ワイヤ堆積より速い。例示的加法製造プロセスでは、壁３３０は単一ワイヤ堆積作業を使用して形成される。壁３３０が形成された後、壁間の空間は、上に論述したようにワイヤ間に形成されるブリッジ液滴を利用するデュアルワイヤ堆積作業を使用して充填される３４０。単一電極３５０及びデュアル電極３６０が図２２と図２３それぞれに示される。最終パーツ３００の層は、１つ又は２つの溶接電極のいずれかをトーチへ選択的に供給し得る単一溶接システム（例えば図２０と図２１に示す溶接システムなど）を使用して形成され得る。電源は、より微細な解像度堆積が必要かどうか又はより高い堆積速度が望ましいかどうかに依存して１つ又は２つの溶接電極をトーチへ供給するようにワイヤフィーダの動作を制御し得る。例えば、電源は、単一ワイヤ堆積作業及びデュアルワイヤ堆積作業の両方を行うために第１のワイヤフィーダ及び第２のワイヤフィーダを選択的に作動するように構成され得る。電源はまた、トーチへ供給される溶接波形を単一又はデュアルワイヤ作業が発生するかに依存して制御し得る。

壁構築は単一ワイヤ微細解像度堆積作業が使用され得る一つの例示的状況である。単一ワイヤ堆積作業はまたあるときには、パーツの張り出し部を形成する場合などより低い堆積速度又はより微細な解像度が望ましい場合に使用され得る。単一ワイヤ堆積作業の代案として、デュアルワイヤショートサーキット又はショートアーク堆積作業が、壁３３０を形成するためにパーツの境界３２０に沿って使用され得る。ショート堆積作業は、パルス噴霧プロセスより少ない熱を溶融パドルへ加えるので、堆積中の溶融流れを制限するのを助けそして構造の解像度を改善し得る。

図２５は例示的デュアルワイヤ堆積作業を示す。溶接トーチのコンタクトチップ２００及びデュアルワイヤ電極Ｅ１、Ｅ２が図２５に概略的に示される。溶接中、トーチは、２つの工作物Ｗ１、Ｗ２間の溶接継ぎ目を形成する溝４００（方向Ｙ）に沿って移動する。トーチはまた、溶接中に前後に（方向Ｘに）織るように進められ得る。電極Ｅ１、Ｅ２及びコンタクトチップ２００の出口オリフィスは、溝に沿ってトーチの走行方向Ｙに対しほぼ垂直にそして織り方向Ｘに対しほぼ平行に配向される。電極Ｅ１、Ｅ２の配向により、アーク円錐はＹ方向よりＸ方向により広くなる。電極Ｅ１、Ｅ２がＸ方向に織るように進められると、より大きなアーク円錐は、溶融領域を流体状態に維持して溶接中の融合不良のリスクを低減するのを助ける。当然、電極Ｅ１、Ｅ２及びコンタクトチップ出口オリフィスは、走行及び織り方向に対して任意の所望角度（例えば走行方向Ｙに対して平行になど）で又は織り及び走行方向に対して４５度の角度で配向され得る。

本明細書に説明される実施形態の使用は、既知の溶接作業を越える安定性、溶接構造及び性能の著しい改善を提供し得る。しかし、溶接作業に加えて、いくつかの実施形態は加法製造作業において使用され得る。実際、上述のシステム１００は、溶接作業におけるのと同様に加法製造作業において使用され得る。例示的実施形態では、改善された堆積速度は加法製造作業において実現され得る。例えば、単一ワイヤ加法過程においてＳＴＴタイプ波形を使用する際、０．０４５’’（１．１４ｍｍ）ワイヤを使用することは、不安定になる前に約５ｌｂｓ（２．３ｋｇ）／時間の堆積速度を提供し得る。しかし、本発明のいくつかの実施形態及び２つの０．０４０’’（１．０２ｍｍ）のワイヤを使用する際、７ｌｂｓ（３．２ｋｇ）／時間の堆積速度が安定転送で実現され得る。加法製造プロセス及びシステムは既知であるので、このようなプロセス及びシステムの詳細は本明細書では説明される必要はない。このようなプロセスでは、上述のものなどのブリッジ電流は加法製造電流波形において使用され得る。

例示的実施形態は、他の溶接タイプ波形が本発明のいくつかの実施形態と共に使用され得るので上に論述され本明細書において説明される波形の使用に限定されないということに注意すべきである。例えば、他の実施形態は、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く可変極性パルス化噴霧溶接波形、ＡＣ波形などを使用し得る。例えば、可変極性実施形態では、溶接波形のブリッジ部は、ブリッジ液滴が溶接パドル内への全入熱を低減する一方で生成されるように負極性で行われ得る。例えば、ＡＣタイプ波形を使用する際、波形は、２つのワイヤを溶融しそれら間にブリッジ液滴を形成するために正負パルスを交互に切り替える６０〜２００Ｈｚの周波数を有し得る。別の実施形態では、周波数は８０〜１２０Ｈｚの範囲内にあり得る。

前に説明したように、本発明のいくつかの実施形態は、フラックスコア消耗品を含む様々なタイプの消耗品及びその組み合わせと共に使用され得る。実際、本発明のいくつかの実施形態は、フラックスコア電極を使用する際により安定した溶接作業を提供し得る。具体的には、ブリッジ液滴の使用は、単一ワイヤ溶接作業において不安定になる傾向があり得るフラックスコア液滴を安定化することを支援し得る。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、より高い堆積速度における増加された溶接及びアーク安定性を可能にする。例えば、単一ワイヤ溶接作業において、高電流及び高堆積速度で、液滴の転送タイプはストリーミング噴霧から回転噴霧へ変化し得、溶接作業の安定性を目につくほど低減する。しかし、本発明のいくつかの例示的実施形態により、ブリッジ液滴は液滴を安定化し、高堆積速度におけるアーク及び溶接安定性を著しく改善する（２０ｌｂｓ（９．１ｋｇ）／時間を越える安定性など）。

加えて、上に示したように、消耗品は、所与の溶接作業を最適化し得る様々なタイプ及び／又は組成のものであり得る。すなわち、２つの異なる、適合する消耗品の使用は所望溶接継手を生成するために組み合わせられ得る。例えば、耐摩耗加工ワイヤ、ステンレスワイヤ、様々な組成のニッケル合金及び鋼ワイヤを含む適合消耗品が組み合わせられ得る。１つの具体例として、軟鋼ワイヤが、３０９ステンレス鋼組成を作るために過剰合金ワイヤと組み合わせられ得る。これは、望まれるタイプの単一消耗品が所望溶接特性を有しない場合に有利になり得る。例えば、特殊溶接のいくつかの消耗品は、所望溶接化学的性質を提供するが、使用するのが極めて難しく、そして満足な溶接を提供するのが困難である。しかし、本発明のいくつかの実施形態は、所望溶接化学的性質を生成するために組み合わせられて溶接するのがより容易である２つの消耗品の使用を可能にし得る。本発明のいくつかの実施形態は、そうでなければ商業的に入手可能でない又はそうでなければ製造するのが非常に高価な合金／堆積化学品を生成するために使用され得る。したがって、２つの異なる消耗品が、高価又は入手不可能な消耗品の必要性を取り除くために使用され得る。さらに、いくつかの実施形態は希薄合金を生成するために使用され得る。例えば、第１の溶接ワイヤは一般的な安価な合金である可能性があり、第２の溶接ワイヤが特製ワイヤである可能性がある。所望堆積は、高価な特製ワイヤを越える、２つのワイヤの平均であり、２つのワイヤの低平均費用で、ブリッジ液滴の形成の際に十分に混合されるだろう。さらに、いくつかのアプリケーションでは、所望堆積は、適切な消耗化学品の欠如に起因して入手不可能になる可能性があるが、２つの標準的合金ワイヤを混合することにより到達され、ブリッジ液滴内で混合され単一液滴として堆積される可能性がある。さらに、耐摩耗性金属のアプリケーションなどのいくつかのアプリケーションでは、所望堆積は、１つのワイヤからの炭化タングステン粒子と別のワイヤからのクロムカーバイド粒子との組み合わせであり得る。さらに別のアプリケーションでは、２つのワイヤの混合物を堆積するために、より大きな粒子を内に収容するより大きなワイヤがより少ない粒子又はより小さな粒子を含むより小さなワイヤと混合される。ここで、ワイヤのそれぞれからの期待貢献は、ワイヤ供給速度が同じだとして、ワイヤのサイズに比例する。さらに別の例では、ワイヤのワイヤ供給速度は生成される合金を所望堆積に基づき変更することを可能にするために異なるが、ワイヤの混合物はワイヤ間に生成されるブリッジ液滴により依然として生成される。

本発明はその例示的実施形態を参照することにより特に示され説明されたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。形式及び詳細の様々な変更が、以下の特許請求の範囲により定義される本発明の精神及び範囲から逸脱すること無くなされ得るということは当業者により理解されることになる。

１００ 溶接システム
１０１ 電極源
１０３ 電極源
１０５ ワイヤフィーダ
１０５ａ ワイヤフィーダ
１０５ｂ ワイヤフィーダ
１０７ 駆動ロール
１０７ａ 駆動ロール
１０７ｂ 駆動ロール
１０９ 電源
１１１ トーチ
１１３ ライナ
１２０ コントローラ
１３１ 孔型凹部
１３３ 環状ワイヤ収容溝
１３５ 環状ワイヤ収容溝
１５０ 側壁
１５２ 溝基部
２００ コンタクトチップ
２０１ チャネル
２０３ チャネル
２０４ ノズル
２０５ 拡散器
２０６ 絶縁体
２０８ 取り付けシャンク
２１０ 放射状突出タブ
２１１ 肩部
２１２ スロット
２１４ 第１のチャネル
２１５ フラット
２１６ 第２のチャネル
２１７ 先細端
２１８ 軸方向部
２２０ 螺旋部
２３０ コンタクトチップ
２３２ 出口オリフィス
２３４ 出口オリフィス
２３６ 遠端面
３００ 最終パーツ
３１０ 内部空隙
３２０ 境界
３３０ 壁
３５０ 単一電極
３６０ デュアル電極
４００ 溝
６００ 流れ図
７００ コンタクトチップ
７０１ 個別出口オリフィス
７０２ 個別出口オリフィス
７１０ チャネル
７１１ 第１の出口チャネル
７１２ 第２の出口チャネル
７２０ 分離部
８００ 電流波形
８１０ バックグラウンド電流レベル
８２０ ブリッジ電流レベル
８３０ ピーク電流レベル
８４０ 噴霧転送電流レベル
９００ 波形
９１０ バックグラウンド部
９２０ ショート応答
９３０ ブリッジ電流レベル
１０００ 波形
１０１０ バックグラウンドレベル
１０１５ 第１のピークレベル
１０２０ 第２のピークレベル
１０３０ ブリッジ電流レベル
Ｅ１ 電極
Ｅ２ 電極
Ｆ フィンガ
Ｓ 距離
Ｘ 方向
Ｙ 方向
Ｗ 工作物
Ｗ１ 工作物
Ｗ２ 工作物
ＷＢ 溶接ビード

Claims (22)

1. 電源の動作を制御するコントローラを含む前記電源であって、前記電源は、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供し、前記第１の出口オリフィスは第１のワイヤ電極を配送するように構成され、前記第２の出口オリフィスは第２のワイヤ電極を配送するように構成される、電源を含む溶接又は加法製造システムにおいて、
   前記第１及び第２の出口オリフィスは、前記電流波形が前記コンタクトチップアセンブリを介し前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、前記第１の孔を介し配送される前記第１のワイヤ電極の固体部分が前記第２の孔を介し配送される前記第２のワイヤ電極の固体部分と接触するのを防止する一方で、前記第１の孔を介し配送される前記第１のワイヤ電極と前記第２の孔を介し配送される前記第２のワイヤ電極との間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される、溶接又は加法製造システム。
2. 少なくとも１つのワイヤフィーダをさらに含む請求項１に記載の溶接又は加法製造システムであって、前記少なくとも１つのワイヤフィーダは前記コンタクトチップアセンブリを介し前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極の一方又は両方を駆動するように構成される、溶接又は加法製造システム。
3. 前記第１のワイヤ電極のワイヤ供給速度は前記堆積作業中前記第２のワイヤ電極のワイヤ供給速度とは異なる、請求項１に記載の溶接又は加法製造システム。
4. 前記第１の出口オリフィス及び前記第２の出口オリフィスの配向は前記堆積作業中前記コンタクトチップアセンブリの走行方向に対しほぼ垂直である、請求項１に記載の溶接又は加法製造システム。
5. 前記第１の出口オリフィスは径を有し、前記距離は前記径の２０％〜２００％の範囲内である、請求項１に記載の溶接又は加法製造システム。
6. 前記距離は、前記第１及び第２のワイヤ電極の径の０．２５〜２．２５倍の範囲内である前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極間の間隔であって前記第１及び第２のワイヤ電極の最近接端間で測定される間隔を提供する、請求項１に記載の溶接又は加法製造システム。
7. 前記距離は３ｍｍ未満である、請求項１に記載の溶接又は加法製造システム。
8. 電源の動作を制御するコントローラを含む前記電源であって、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供する電源；
   前記第１の出口オリフィスを介し第１のワイヤ電極を配送する第１のワイヤフィーダ；及び
   前記第２の出口オリフィスを介し第２のワイヤ電極を配送する、第２のワイヤフィーダを含む溶接又は加法製造システムにおいて、
   前記第１及び第２の出口オリフィスは、前記電流波形が前記コンタクトチップアセンブリを介し前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、前記第１の孔を介し配送される前記第１のワイヤ電極の固体部分が前記第２の孔を介し配送される前記第２のワイヤ電極の固体部分と接触するのを防止する一方で、前記第１の孔を介し配送される前記第１のワイヤ電極と前記第２の孔を介し配送される前記第２のワイヤ電極との間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される、溶接又は加法製造システム。
9. 前記第１のワイヤ電極のワイヤ供給速度は前記第２のワイヤ電極のワイヤ供給速度とは異なる、請求項８に記載の溶接又は加法製造システム。
10. 前記電源は単一ワイヤ堆積作業及びデュアルワイヤ堆積作業の両方を行うために前記第１のワイヤフィーダ及び前記第２のワイヤフィーダを選択的に作動するように構成される、請求項８に記載の溶接又は加法製造システム。
11. 前記コンタクトチップアセンブリは遠端面を含み、前記第１の出口オリフィスは前記遠端面に沿ってほぼセンタリングされる、請求項８に記載の溶接又は加法製造システム。
12. 前記第１の出口オリフィスは径を有し、前記距離は前記径の２０％〜２００％の範囲内である、請求項８に記載の溶接又は加法製造システム。
13. 前記距離は、前記第１及び第２のワイヤ電極の径の０．２５〜２．２５倍の範囲内である前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極間の間隔であって前記第１及び第２のワイヤ電極の最近接端間で測定される間隔を提供する、請求項８に記載の溶接又は加法製造システム。
14. 前記距離は３ｍｍ未満である、請求項８に記載の溶接又は加法製造システム。
15. 電源の動作を制御するコントローラを含む前記電源であって、前記電源は、第１の出口オリフィスにおいて終端する第１の孔及び第２の出口オリフィスにおいて終端する第２の孔を有するコンタクトチップアセンブリへ電流波形を提供し、前記第１の出口オリフィスは第１のワイヤ電極を配送するように構成され、前記第２の出口オリフィスは第２のワイヤ電極を配送するように構成される、電源；及び
    前記第１の孔を介し前記第１のワイヤ電極及び前記第２の孔を介し前記第２のワイヤ電極を駆動する少なくとも１つのワイヤフィーダを含む溶接又は加法製造システムにおいて、
    前記第１及び第２の出口オリフィスは、前記電流波形が前記コンタクトチップアセンブリを介し前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極の両方に同時に導かれる堆積作業中に、前記第１の孔を介し配送される前記第１のワイヤ電極の固体部分が前記第２の孔を介し配送される前記第２のワイヤ電極の固体部分と接触するのを防止する一方で、前記第１の孔を介し配送される前記第１のワイヤ電極と前記第２の孔を介し配送される前記第２のワイヤ電極との間のブリッジ液滴の形成を促進するように構成された距離だけ互いに分離される、溶接又は加法製造システム。
16. 前記第１のワイヤ電極のワイヤ供給速度は前記第２のワイヤ電極のワイヤ供給速度とは異なる、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。
17. 前記電源は単一ワイヤ堆積作業及びデュアルワイヤ堆積作業の両方を行うために前記少なくとも１つのワイヤフィーダを制御するように構成される、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。
18. 前記コンタクトチップアセンブリは遠端面を含み、前記第１の出口オリフィスは前記遠端面に沿ってほぼセンタリングされる、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。
19. 前記第１の出口オリフィス及び前記第２の出口オリフィスの配向は前記堆積作業中前記コンタクトチップアセンブリの走行方向に対しほぼ垂直である、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。
20. 前記第１の出口オリフィスは径を有し、前記距離は前記径の２０％〜２００％の範囲内である、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。
21. 前記距離は、前記第１及び第２のワイヤ電極の径の０．２５〜２．２５倍の範囲内である前記第１のワイヤ電極及び前記第２のワイヤ電極間の間隔であって前記第１及び第２のワイヤ電極の最近接端間で測定される間隔を提供する、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。
22. 前記距離は３ｍｍ未満である、請求項１５に記載の溶接又は加法製造システム。

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