JP3196140U - タンデム埋れアーク溶接 - Google Patents

Abstract

【課題】タンデム埋れアーク溶接に関する溶接システムを提供する。【解決手段】溶接システム１００は、少なくとも二つの溶接電源１０１，１０３がそれぞれの溶接トーチ１０６，１１０に結合されている。溶接電源はそれぞれ、溶接パルスの位相が互いにずれており、個別の溶接パルスが溶接中に重なり合わないようにパルス溶接波形をそれぞれの溶接トーチに提供する。システムはまた、アーク干渉及び磁気吹きを最小化するように、溶接中に接地電流経路を切換える接地スイッチ１１３を有する。【選択図】図１

Description

本考案のシステム及び方法は、溶接及び接合に関し、より具体的にはタンデム埋れアーク溶接に関する。

溶接技術の向上が起こるとともに、溶接処理量への要求が増加してきた。このため、溶接作業の速度を向上させるために様々なシステムが開発されてきた。そのようなシステムは、複数の溶接電源を使用し、各溶接電源がそれぞれの溶接電力を同じ溶接作業に向かわせるシステムを含む。これらのシステムは溶接作業の速度又は溶着速度（deposition rate）を向上させるが、しかし一方で、複数の溶接電源によって作り出された別々の溶接アークが、溶接中に互いに干渉して磁気吹き（アークブロー）及びその他の問題を生じ得る。したがって、改良されたシステムが望まれる。

本考案の例示的な実施形態は、先行電極に電気的に結合された少なくとも一つの先行電源を持つ溶接システム及び方法を含む。先行電源は第一の溶接波形を先行電極に提供し、第一の溶接アークによって先行電極を溶接接合部内に溶着させ、第一の溶接波形は最大電流レベル持つ複数のパルスを含む。また、システムには追行電極に電気的に結合された少なくとも一つの追行電源も含まれる。追行電源は、第二の溶接波形を追行電極に提供し、第二の溶接アークによって追行電極を溶接接合部内に溶着させ、第二の溶接波形は、最大電流レベル持つ複数のパルスを含む。第一の溶接波形のパルスの最大電流と第二の溶接波形のパルスの最大電流の位相がずれるように、第一の溶接波形及び第二の溶接波形の少なくとも一方が制御される。本考案の更なる態様、実施形態及び利点は、明細書、特許請求の範囲及び図面から明らかになるであろう。

本考案の上記の及び／又は他の態様は、添付の図面を参照して本考案の例示的な実施形態を詳細に記述することにより、より明らかになるであろう。
図１は、本考案による溶接システムの例示的な実施形態の図式的な説明である。 図２は、本考案の例示的な実施形態を使った溶接作業の図式的な説明である。 図３は、本考案の実施形態において使用される例示的な溶接波形の図式的な説明である。 図４は、本考案の実施形態において使用される他の例示的な溶接波形の図式的な説明である。 図５は、本考案の例示的な実施形態における接地点の位置の図式的な説明である。

ここから、添付の図面を参照して本考案の例示的な実施形態が以下に記述される。記述される例示的な実施形態は、本考案の理解を助けることを目的としており、如何なる事項においても本考案の範囲を限定するように意図されていない。同様な参照番号は、明細書を通じて同様な要素を参照する。

図１は、本考案の例示的な実施形態による溶接システム１００を表す。システム１００は、少なくとも二つの溶接電源１０１及び１０３を包含する。図示される実施形態には、合計で４つの溶接電源が存在し、増大した有効電流が提供されるように、複数の電源は並列配置に構成されている。例えは、電源１０１及び１０１’は並列に構成され、電源１０３及び１０３’は並列に構成される。述べたように、これは、トーチ１０６及び１１０にそれぞれ提供され得る全有効電流を増大させるために行われる。しかしながら、各トーチ１０６／１１０がそれぞれ単一の溶接電源から電流を受けることができる限り、そのような構成は必須ではない。

電源１０１，１０１’，１０３及び１０３’は、ＤＣ及び／又はＡＣ溶接モードのどちらでもパルス溶接が可能な電源である。そのような電源は、大きな直径及び厚い壁のパイプのような大きな加工対象物のサブマージアーク溶接又はタック溶接のために使用される種類のものであってもよい。そのような電源の例は、オハイオ州クリーブランドのＬｉｎｃｏｌｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（登録商標）社によって製造されるＰｏｗｅｒ Ｗａｖｅ（登録商標）ＡＣ／ＤＣ１０００（登録商標）ＳＤである。他の同様な電源が使用され得る。

図示されるように、電源は、溶接トーチ１０６及び１１０にそれぞれ結合される。トーチ１０６及び１１０は、溶接の間それらが共通の溶接接合部及び溶融池（溶接たまり）へそれぞれのフィラーワイヤ１０７及び１１１を向けているように、互いに隣接して配置される。フィラーワイヤ１０７及び１１１は、それぞれワイヤ給送機構１０５及び１０９を経由してトーチへ供給される。ワイヤ給送機構１０５及び１０９は、如何なる既知の種類のワイヤ給送機構であってもよい。

システム１００はまた、少なくとも二つの異なる接地点Ａ及びＢを電源１０１，１０１’，１０３及び１０３’の接地（グラウンド）と結合させる接地スイッチ１１３を有する。接地点Ａ及びＢは、加工対象物Ｗの遠位側の端部上に互いに離間して配置され、溶接プロセス中に作られている溶接接合部の進行方向に概して一直線に配置される。すなわち、溶接中トーチ１０６／１１０は、それぞれの接地点Ａ及びＢの一方から他方に向かって進行する。スイッチ１１３は、電源によって利用されている接地電流路を、溶接中に点Ａと点Ｂとの間で切り替えるために使用される。これは更に後述される。スイッチ１１３はシステム制御部１１５によって制御され、システム制御部はスイッチ１１３及び複数の溶接電源の少なくとも一つと結合される。図１において、システム制御部１１５は電源の外側に示されるが、いくつかの実施形態において制御部１１５は溶接電源１０１及び１０３の少なくとも一つの内側にあってもよい。すなわち、溶接電源の少なくとも一つは、他の電源及びスイッチ１１３の動作を制御するマスター電源であってもよい。動作中に、システム制御部１１５（如何なる種類のＣＰＵ、溶接制御部等であってもよい）は、溶接電源の出力及びスイッチ１１３を制御する。これは、多くの方法で達成されることができる。例えは、システム制御部１１５は、複数の電源のうちの一つの中に存在してもよく、電源からのリアルタイムのフィードバックデータを使用して、それぞれの電源からの溶接波形が（後述するように）適切に同期されることを確かにすることができる。さらに、制御部１１５は、以下の説明と一致するようにスイッチ１１３を制御することができる。一つの例示的な実施形態において、制御部１１５は、電源内の波形生成器（具体的に図示されない）からの波形タイミング信号を使用して、スイッチ１１３の切換えのタイミングを制御してもよい。スイッチ１１３のタイミングを制御する他の手段も利用され得る。一つの例示的な実施形態において、スイッチ１１３は、電源からの溶接波形の溶接周波数と一致する周波数で切換えられる。これは更に後述される。

図２は、本考案の溶接作業の例示的な実施形態を表し、図３は、本考案の実施形態において使用される例示的な溶接波形を表す。

図２に示されるように、各トーチ１０６及び１１０は、共通の溶融池に溶接するように、互いに隣接して配置される。図示される実施形態において、各トーチ１０６／１１０は、加工対象物の溶接表面の垂線に対して角度を付けられている。トーチ１１０は角度αの角度に置かれ、トーチ１０６は角度βに置かれる。一つの例示的な実施形態において、（先行電極である）トーチ１０６は−２０度から０度の範囲の角度βを持ち、一つの更なる例示的な実施形態において、−３度から−１５度の範囲の角度βを持つ。さらに、一つの例示的な実施形態において、トーチ１１０は０度から３０度の範囲の角度αを持ち、一つの更なる例示的な実施形態において、８度から２０度の範囲の角度αを持つ。加えて、例示的な実施形態において、溶接中のそれぞれのワイヤ１０７及び１１１の遠位端部の間の距離Ｄは、（ワイヤ１０７及び１１１の中心から中心へ測定して）６ｍｍから５０ｍｍの範囲内であり、一つの他の例示的な実施形態において距離Ｄは１５ｍｍから４０ｍｍの範囲内である。一つの更に別の例示的な実施形態において、距離Ｄは１１ｍｍから１６ｍｍの範囲内である。

溶接中に、溶接アーク２０１及び２０３が各ワイヤ１０７及び１１１からそれぞれ発生するが、しかるに、複数のアーク２０１／２０３の最大電流レベルは、それらが重なり合わないように時間調整されている。複数の他の実施形態において、複数のアーク２０１／２０３の少なくともいくらかの最大電流の重なり合いがもたらされる。複数の例示的な実施形態において、アーク２０１／２０３のそれぞれの最大電流の位相角度の間の角度φは、１８０度から−２０度の範囲内である。さらに、接地スイッチ１１３は、溶接中それぞれの電流経路１１及び１２が互いに離れているように制御される。具体的には、接地スイッチ１１３は、溶接のある部分の間は電流が接地点Ａに向かって方向付けられ、一方では溶接の他の部分の間は電流が接地点Ｂに向かって方向付けられように制御される。したがって、接地点Ａと接地点Ｂとの間での切換えによって、それぞれの電流１１及び１２は互いに離れるように偏らされ得る。そのような偏りは、溶接中のアーク２０１及び２０３の間のアーク干渉を最小化することを助けることができる。したがって、図３の波形３０１及び３１０を見る場合に、スイッチ１１３は、（トーチ１０６のための）第一の波形３０１がその最大値３０３である場合にはスイッチ１１３は接地点Ａに対して閉じており、波形３０１がそのバックグラウンドレベル３０５である場合にはスイッチ１１３は接地点Ａに対して開いている。同様に、
（トーチ１１０のための）波形３１０がその最大値３１３である場合にはスイッチ１１３は接地点Ｂに対して閉じており、波形３１０がそのバックグラウンドレベル３１５である場合にはスイッチ１１３は接地点Ｂに対して開いている。

本考案の一つの例示的な実施形態において、スイッチ１１３は、電流３０１及び３１０の両方が、それぞれそれらのバックグラウンドレベル３０５及び３１５又はその近傍である間に、その複数の位置の間で切換えられる。この構成は、溶接作業及びスイッチ１１３に与える切換えの衝撃を最小化することができる。本考案の一つの例示的な実施形態において、波形３０１及び３１０は、一つの最大電流レベル（例えば、３０３）の終了と次の最大レベル（例えば、３１３）の開始との間に、スイッチ１１３の切換えを許容するためのわずかな遅延が存在するように制御されてもよい。

本考案の他の例示的な実施形態において、スイッチ１１３の切換えは、必要に応じて、波形３０１又は３１０の溶接電流が増大又は減少している時に起きてもよい。例えば、いくつかの溶接用途において、パルスの電流レベルＬがバックグラウンドレベル（例えば、３０５）よりも高いが、最大パルス電流（例えば、３０３）の１５％であるか又はそれよりも低い間にスイッチ１１３をその複数の位置の間で切換えることは、有益であり得る。したがって、例えばいくつかの例示的な実施形態において、第一の波形３０１の電流がバックグラウンドレベル３０５から最大レベル３０３へ上昇していると同時に、電流が電流レベルＬにある間（図３の点Ｚを参照）に、スイッチ１１３が接地位置Ａから接地位置Ｂへ切換えられてもよい。同様に、他の例示的な実施形態において、波形３０１の電流が電流レベルＬにある間であるが、電流が最大レベル３０３からバックグラウンドレベル３０５へ低下している間（図３の点Ｙを参照）に、切換えが起こってもよい。他の例示的な実施形態において、切換え電流レベルＬはその波形についての最大電流レベルの５％又はそれ以下である。

さらに、図３に示されるように、例示的な実施形態において、それぞれの溶接波形は、それらが１８０度の位相シフトθを有するように制御される。図示されるように、各波形３０１及び３１０は、それぞれ最大レベル３０３及び３１３並びにバックグラウンドレベル３０５及び３１５を有する。しかしながら、波形３０１及び３１０は１８０度の位相のずれ（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ）であるから、第一の波形３０１が最大電流の状態にある間、第二の波形３１０は、バックグラウンドレベルにある。これは、アーク干渉及び磁気吹きを最小化する助けともなる。上記の実施形態において、達成し得る溶接及び溶着速度は既知のシステムよりもはるかに高い。例えば、本考案の例示的な実施形態は、パイプのつなぎ目のタック溶接のために使用されることができ、そして磁気的又は電気的なアーク干渉又は磁気吹きの発生がほとんどないか又は全く伴わずに、少なくとも１０ｍ／分の溶接速度を達成することができる。本考案の実施形態は、タック溶接用途だけの使用に限定されず、追加的な溶接用途のためにも使用されることができる。

図３に示される実施形態において、各波形３０１及び３１０は、同一のパルス幅及び最大振幅を有し、最大パルス幅及びバックグラウンド継続時間は同一の時間を有している。しかしながら、他の実施形態において、波形のこれらの政情は異なるものであり得る。

図４は、複数の波形が異なるパラメータを有する、更なる例示的な波形４０１及び４１０を表す。そのような本考案の実施形態は、それぞれのワイヤ１０７及び１１１が異なる場合に使用され得る。いくつかの例示的な実施形態において、ワイヤ１０７及び１１１は異なる直径及び／又は組成を有し得る。例えば、先行ワイヤ１０７は第一の直径を有し、第二のワイヤ１１１は第一の直径よりも小さな第二の直径を有してもよい。いくつかの実施形態において、直径は、所望の溶着速度及び／又は溶接溶け込みを達成するように選択される。ワイヤの直径が異なる大抵の実施形態において、先行ワイヤ１０７の方がより大きな直径を有する。しかしながら、常にこのような構成である必要はない。同様に、本考案のいくつかの実施形態において、ワイヤ１０７及び１１１の化学的性質は、最適な溶接の化学的性質を達成するために異なっていてもよい。したがって、いくつかの実施形態において、先行ワイヤ１０７は第一の化学的性質を有してもよく、一方で追行ワイヤ１１１は第二の化学的性質を有して、混合された場合に結果として生じる溶接が所望の化学的性質を有するようにしてもよい。その上、いくつかの実施形態において、ワイヤ１０７及び１１１は異なる給送速度で溶接接合部に給送されてもよい。

ワイヤ１０７及び１１１は寸法、化学的性質及びワイヤ給送速度が異なり得るため、各ワイヤに関して使用されるそれぞれの波形は異なり得る。そのような波形は図４に示される。追行波形４１０は、先行波形に関するパルス４０３の最大値よりも小さな最大電流レベルを持つパルス４１３を有する。図はまた、前記の波形のバックグラウンド（それぞれ、４０５及び４１５）に関する電流レベルが異なることを示す。さらに、先行波形パルス４０３のパルス幅ＰＷ１は、追行波形４１０のパルス４１３のパルス幅ＰＷ２よりも継続時間が長い。他の例示的な実施形態において、パルス幅ＰＷ２はパルス幅ＰＷ１よりも継続時間が長くてもよい。図４はまた、追行波形４１０パルス４１３は、先行波形４０１がそのバックグラウンドレベル４０５に到達した後の時間Ｔで開始することを示す。図４に示される実施形態において、追行波形４１０パルス４１３は、先行波形４０１のバックグラウンドレベル４０５の間に開始及び終了する。他の例示的な実施形態においては、このような制御でなくともよい。例えば、追行パルス４１３は、（図２に示されるものと同様に）先行パルス４０３が開始すると同時に終了してもよい。それぞれの波形４０１及び４１０の特質は、それぞれのワイヤ１０７及び１１１を溶接するために選択されるべきである。

上述したように、それぞれの接地点Ａ及びＢは、溶接中に加工対象物Ｗの遠位側の端部又は端部近傍に配置される。この構成は、図１に概略的に示され、図５においても表されている。図５は、溶接接合部の進行方向ＷＪに概して一直線に配置された接地点Ａ及びＢを有する、代表的な加工対象物Ｗを表す。すなわち、複数の接地点は、溶接接合部の進行方向ＷＪと共線的である。しかしながら、他の例示的な実施形態において、複数の接地点のうちの少なくとも一つが溶接接合部の進行方向ＷＪと共線的に配置されず、ある程度オフセットされている（ずれている）。いくつかの溶接加工対象物Ｗは共線的な接地点配置を許さず、そのため、複数の接地点は他の位置に配置され得ることが認識される。したがって、いくつかの実施形態において、接地点Ａ及びＢが溶接接合部の進行方向ＷＪと共線的であることが必要ではなく、少なくとも一つの接地点がオフセットされている。この配置により、接地点Ａ及びＢが、溶接中のアーク干渉を最小化するために互いに十分に異なる位置に電流経路１１及び１２を提供するように配置されている。図５に示される実施形態において、接地点Ｂ’は、溶接接合部の進行方向ＷＪに対して、第一の接地点Ａと第二の接地点Ｂとの間に角度θが存在するように、溶接接合部ＷＪから直線を外れて配置される。すなわち、接地点Ａ及びＢの両方が溶接接合部の進行方向ＷＪ内に共線的に配置された場合、角度θは１８０度である。例示的な実施形態において、その角度は１３５度から２２５度の範囲内であり、他の例示的な実施形態において、その角度は１５５度から２０５度の範囲内である。上記のような角度を備えて、接地電流経路１１及び１２は十分に異なる。これらの溶接接合部が直線でない実施形態において、溶接接合部の進行方向ＷＪは、溶接接合部の長さに渡って平均の進行方向であることが留意されるべきである。

図３及び４はＤＣ溶接波形として例示的な波形を表したが、本考案はこの点で限定されず、パルス波形はＡＣであってもよいことが留意されるべきである。

また、シールドガスの形をとり得るシールドの使用は、図１及び２のいずれにも図示されていないことが留意されるべきである。いくつかの実施形態において、使用されるシールドガスは１００％の二酸化炭素であってもよい。シールドは、そのような溶接作業へシールドを供給する既知の方法を使用されて供給され得る。例えは、少なくとも一つのシールドガスノズル（図示なし）が、図２のトーチ１０６及び１１０に隣接して配置され、溶接アーク２０１及び２０３及び溶融池が大気から十分に遮蔽（シールド）されるようにしてもよい。

本明細書において記述された例示的な実施形態は、埋れアーク溶接プロセスのために使用され得る。埋れアーク溶接プロセスは、サブマージアーク溶接のようなフラッククスシールドの使用とは対照的に、シールドガスを使用するオープンアーク溶接プロセスであることが知られている。さらに、本考案の例示的な実施形態は、タック溶接、より具体的にはパイプの継ぎ目のタック溶接及びその他の大型の工業的継ぎ目溶接用途のために使用され得る。

本考案はその例示的な実施形態を参照して具体的に示されかつ記述されたが、本考案は、これらの実施形態に限定されない。本考案の精神及び続く特許請求の範囲によって規定される範囲から逸脱することなく、本考案に様々な形式及び詳細の変更がなされ得ることが当業者に理解されるであろう。

１００ 溶接システム ４０１ 波形
１０１ 溶接電源 ４０３ パルス
１０１’ 電源 ４０５ 波形
１０３ 溶接電源 ４１０ 波形
１０３’ 電源 ４１３ パルス
１０５ ワイヤ給送機構 ４１５ 波形
１０６ トーチ
１０７ フィラーワイヤ Ａ 接地点
１０９ ワイヤ給送機構 Ｂ 接地点
１１０ トーチ Ｂ’ 接地点
１１１ フィラーワイヤ Ｄ 距離
１１３ 接地スイッチ １１ 電流経路
１１５ システム制御部 Ｉ２ 電流経路
２０１ 溶接アーク２０１ Ｌ 電流レベル
２０３ 溶接アーク２０１ ＰＷ１ パルス幅
３０１ 波形 ＰＷ２ パルス幅
３０３ 最大 Ｔ 時間
３０５ バックグラウンドレベル Ｗ 加工対象物Ｗ
３１０ 波形 ＷＪ 溶接接合部の進行方向
３１３ 最大 Ｚ 点
３１５ バックグラウンドレベル α 角度
β 角度
φ 角度
θ 角度

Claims (8)

1. 溶接システムであって、
   先行電極に電気的に結合された少なくとも一つの先行電源であり、前記先行電源は、第一の溶接波形を前記先行電極に提供し、オープンアーク溶接プロセスを用いて前記先行電極を溶接接合部内に溶着させ、前記第一の溶接波形は、最大電流レベル持つ複数のパルスを含む、先行電源、及び
   追行電極に電気的に結合された少なくとも一つの追行電源であり、前記追行電源は、第二の溶接波形を前記追行電極に提供し、オープンアーク溶接プロセスを用いて前記追行電極を溶接接合部内に溶着させ、前記第二の溶接波形は、最大電流レベル持つ複数のパルスを含む、追行電源、を有し、
   前記第一の溶接波形の前記パルスの前記最大電流と前記第二の溶接波形の前記パルスの前記最大電流の位相がずれるように、前記第一の溶接波形及び前記第二の溶接波形の少なくとも一方が制御される、
   溶接システム。
2. 前記先行電極及び前記追行電極の各々は、共通の溶融池内に溶着させて、溶接接合部を形成する、請求項１記載の溶接システム。
3. 前記先行電極は、溶接の間、前記溶接接合部への垂線に対して０度から−２０度の範囲の角度に置かれ、又は
   前記追行電極は、溶接の間、前記溶接接合部への垂線に対して０度から３０度の範囲の角度に置かれ、又は
   前記先行電極は、溶接の間、前記溶接接合部への垂線に対して−３度から−１５度の範囲の角度に置かれ、かつ、前記追行電極は、前記垂線に対して８度から２０度の範囲の角度に置かれる、
   請求項１又は請求項２記載の溶接システム。
4. 前記先行電極と前記追行電極との間の距離は、溶接の間、６ｍｍから５０ｍｍの範囲内である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の溶接システム。
5. 前記第一の溶接波形及び前記第二の溶接波形は、１８０度の差で位相がずれており、又は
   前記第一の溶接波形及び前記第二の溶接波形は、１８０度から−２０度の差で位相がずれている、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の溶接システム。
6. 前記第一の溶接波形の前記最大電流レベルの、振幅及び持続時間の少なくとも一方は、前記第二の溶接波形の前記最大電流レベルの、振幅及び持続時間と異なる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の溶接システム。
7. 前記第一の溶接波形は、前記第一の溶接波形の前記複数のパルスの間にバックグラウンド部分を更に有し、前記第二の溶接波形は、前記第二の溶接波形の前記複数のパルスの間にバックグラウンド部分を更に有し、
   前記第一の溶接波形及び前記第二の溶接波形の少なくとも一方について、前記複数のパルスのそれぞれの最大電流レベルは、完全に前記第一の溶接波形及び前記第二の溶接波形の他方のバックグラウンド部分の間に生じる、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の溶接システム。
8. 前記オープンアーク溶接プロセスは、タック溶接プロセスである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の溶接システム。

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