JP3196715U - 同期した磁気アーク誘導及び溶接 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＭＡＷ又はＧＴＡＷ作業のいずれかと同期した磁気アーク誘導を用いる溶接システムを提供する。【解決手段】パルス溶接の間に溶接アーク１１５の近傍で磁界１０９を生成できるように、パルス溶接電源１０１が磁界電源１０３に連結されている。パルス溶接の間、溶接アーク１１５及び該アーク内を移行する溶滴１１７を方向付けるのに磁界１０９が用いられる。【選択図】図１

Description

本考案に係る装置、システム及び方法は溶接に関し、より具体的にはＧＭＡＷ又はＧＴＡＷ作業のいずれかと同期した磁気アーク誘導（magnetic arc steering）を用いる溶接に関するものである。

溶接アーク内を及びワークピース中を電流が流れるため、溶接プロセス中に磁界が形成されることが知られている。これらの磁界の存在は、溶接作業中にアークが不安定になる磁気吹き等の問題を引き起こすことが時としてある。そのため、別の磁界を用いて溶接アークを動かすか又は安定化を試みる方法及び機器が必要とされている。

本考案の例示の実施形態は溶接システム及び溶接方法である。当該システム及び方法は、電極とワークピースとの間に溶接アークが生成されるように、前記電極に複数の電流パルスを有する溶接電流信号を出力する溶接電源を有する。例えば、磁界プローブを含むか又は磁界プローブから成る磁気誘導装置（magnetic steering device）に複数の磁流パルス（magnetic current pulses）を有する磁界電流信号（magnetic field current signal）を出力する磁界電源も備える。前記磁気誘導装置は前記溶接アークの近傍に位置し、前記磁気誘導装置は、溶接の間に前記溶接アークを動かすために前記磁界電流信号を用いて磁界を生成する。また、前記複数の磁流パルスが前記溶接信号の前記複数の電流パルスと同期するように、前記磁界電流信号が前記溶接電流信号と同期している。本考案のさらなる実施形態及び特徴は、下記の説明、請求項及び図面に示してある。

添付の図面を参照しながら本考案の例示の実施形態を詳細に説明することにより、本考案の上記の態様及び／又は他の態様がより明らかになる。
図１は、本考案の例示の実施形態に係る溶接システムの図を示す。 図２Ａは、本考案の例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図２Ｂは、本考案の例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図３は、本考案の他の例示の実施形態に係る溶接システムの図を示す。 図４は、本考案の他の例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図５は、本考案のさらなる例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図６は、本考案の付加的な例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図７は、本考案のさらなる例示の実施形態に係る溶接システムの図を示す。 図８は、本考案の付加的な例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図９は、本考案の付加的な例示の実施形態に係る溶接システムの図を示す。 図１０は、本考案のさらなる例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図１１は、短絡が存在する状態の本考案の付加的な例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。 図１２は、短絡が存在する状態の本考案のさらなる例示の実施形態に係る溶接波形及び磁気誘導波形の図を示す。

添付の図面を参照しながら、以下で本考案の例示の実施形態を説明する。説明する例示の実施形態は、本考案の理解を助けることを目的したものであり、本考案の範囲を限定することを目的としていない。全体を通して、同様の参照符号は同様の要素を示す。

図１は、本考案の実施形態に係る例示の溶接システム１００を示す。システム１００は少なくとも１つの溶接電源１０１（ＧＭＡＷ型電源として示す）を含む。電源１０１はパルス溶接波形（pulsed welding waveform）を用いた溶接を行うことができ、溶接トーチ１１１を通じて溶接電流を、溶滴移行又は他の作用、特に同様の移行作用によって溶接パドルに堆積された消耗溶接電極１１３に向かわせる。システム１００は磁界電源１０３も含む。磁界電源１０３は、溶接作業の間に溶接アーク１１５の近傍に位置する、少なくとも１つの磁界プローブ１０７を有する磁界生成装置１０５と連結している。

当業者であれば分かるように、ＧＭＡＷ型溶接作業では、溶接アーク１１５を形成し且つ溶接電極１１３の一部を溶融するのにパルス溶接波形（pulsed welding waveform）が用いられる。その波形の１パルスの間に、電極１１５の溶滴（molten droplet）１１７が、アーク１１５を介して電極から溶接パドルに移される。一般的に、溶滴１１７は溶接電流パルスのピークの間に移される。そのような溶接作業は公知なため、本明細書ではその詳細の説明を省略する。本明細書で言及するＧＭＡＷ型溶接又はＧＭＡＷ型パルス溶接とは、パルス溶接波形を用いる任意の溶接を意味することが分かる。そのような溶接の例としては、限定されないがＧＭＡＷ、ＭＩＧ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ型溶接が挙げられる。

なお、本明細書における説明の多くは、明瞭性及び効率性から、図面に示すようにＧＭＡＷ型溶接に言及している。しかしながら、本考案の実施形態はＧＭＡＷ型溶接システムでの使用に限定されない。具体的には、本願の範囲及び精神から逸脱することなく、本考案の実施形態をＴＩＧ／ＧＴＡＷ（ガスタングステンアーク溶接）システムで使用することもできる。本明細書における説明と同様に、ＴＩＧ／ＧＴＡＷシステムでも、ＴＩＧアークの動きを溶接の間に制御するのに磁界が用いられる。ＴＩＧ／ＧＴＡＷ溶接では、アークを形成するのに用いられる電極が（ＧＭＡＷプロセスとは異なって）溶接材料ではないことが知られており、本考案の実施形態では磁界がこのアークの動きを制御する。従って、本願では説明の多くがＧＭＡＷシステム及びプロセスに言及し、図面の多くがそれらを図示しているが、それは例示を目的としたものであり、本考案の実施形態はＧＭＡＷ型プロセスに限定されない。例えば、本考案の範囲及び精神から逸脱することなく、図１、図３、図７及び図９のそれぞれにおいてＧＭＡＷ電極（例えば１０１）及びトーチ（例えば１１１）をＧＴＡＷ電源及びＧＴＡＷ電極に置き換えることができる。なお、当然のことながら、溶接材料の送達はＧＴＡＷトーチを介してではなく、周知の手段によって行われる。さらに、本願で図示説明する電流波形と、磁界電流及び溶接電流の関係とは、ＧＭＡＷ及びＧＴＡＷ型の溶接作業においても同様に適用可能である。当然のことながら、ＧＭＡＷ型溶接の間に溶滴を提供する溶接材料は電極であるのに対し、ＧＴＡＷ型溶接では溶接材料が電極とは別個のものであることが知られている。

図１に戻って、システム１００は磁界電源１０３及び磁界生成装置１０５を含む。電源１０３は、プローブ１０７により磁界１０９が生成されるように、電流を装置１０５に向かわせる。磁界電源１０３は、磁界を生成するために磁界装置に電流を提供することができる電源であればどのようなタイプのものでもよい。磁界電源１０３は、パルス溶接電源と適切に対応するように、磁界生成電流の正確且つ高周波な制御を提供できなければならない。あるいは、電源１０３は、その出力の制御に溶接電源１０１からの信号（signaling）を用いることができるように、溶接電源１０１のロジック信号又は制御信号からの信号に従うタイプのものであってもよい。例えば、電源１０１は、下記でさらに説明する電流波形の同期を制御することができる。例示の実施形態では、パルス溶接信号を提供するのに同様のトポロジを用いるインバータ型又はトランス型電源が含まれ得る。当然のことながら、磁界電源の出力は一般的なパルス溶接電源よりも小さくなければならない。

本考案の実施形態では、磁界１０９が溶滴１１７の飛行中に溶接アーク１１５及び溶滴１１７に影響を及ぼせるように、プローブ１０７が溶接アーク１１５の近傍に位置している。本考案の実施形態では、最適な溶接作業が得られるように磁界１０９の生成とパルス溶接波形とを同期する。磁界１０９の生成とアーク１１５及び溶滴移行とを同期することによって、特に特別な溶接継手を得ることを試みる場合に最適な溶接作業を得ることができる。この同期について以下で詳細に説明する。

図１に示すように、トーチ１１１はワークピースＷの溶接継手の中心に位置していない。この構成は数々の理由から、例えば溶接継手の近くの障害物から必要になり得る。そのため、１つの磁界生成装置１０５を用いて溶接の間に溶接継手の一方側にアーク１１５及び溶滴１１７を誘導する。即ち、磁界電源１０３は、溶接電源１０１によって生成される溶接波形と同期した電流を装置１０５に提供する。磁界１０９の生成によって、アークが上記の側に移動し、そのアークの移動によって、コンタクトチップ１１１及びフィラー１１３の真下とは異なる位置に溶滴１１７が置かれる。

図２Ａは、１つの磁気装置１０５を用いる実施形態で用いることができる例示の溶接波形及び磁界波形を示す。図示のように、電流は、複数の電流ピーク１、２及び３を有するパルス波形である。広く知られているように、多くのパルス溶接作業では、ピーク電流の間に溶滴１１７がフィラー１１３から分離する。そのため、一部の実施形態では磁気誘導電流が溶接電流と同相であるため、溶接電流及び磁界電流のそれぞれが同時に立ち上がり始め且つピークに達する。そのような実施形態では、溶滴１１７がフィラーワイヤ１１３から分離する前に磁界１０９の強度が最高になる。また、図示のように、一部の例示の実施形態では、磁気誘導電流は溶接電流パルス毎にパルス化しない（pulsed）。図示の実施形態では、溶接パルス１つ置きに（パルス１及び３で）誘導電流がパルス化する。そのような実施形態では、溶接の間に一部の溶滴１１７が第１の位置で溶接パドルに影響を及ぼす一方、他の液滴１１７は別の領域でパドルに影響を及ぼす。そのため、フィラー１１３は溶接パドルの様々な位置で堆積する。当然のことながら、本考案の実施形態は、溶接パルス１つ置きに誘導電流がパルス化する構成に限定されず、異なるパルスカウント（pulsing count）を用いることができる。例えば、連続する１０個の溶接パルスの間に誘導電流がパルス化し、次の１０個の溶接パルスの間はオフになる構成が考えられる。他の実施形態では、パルスの数を必要に応じて変更することができる。また、図示の実施形態では、誘導電流パルスの持続時間が溶接パルスの持続時間と同じであるが、誘導パルスの持続時間を必要に応じて長く又は短くすることができるため、他の実施形態ではそうであるとは限らない。

図２Ａに示すように、誘導パルスは溶接パルスと位相がずれていてもよい。具体的には、誘導パルスは溶接パルスと４５〜１３５°位相がずれていることが考えられる。アーク溶接の一部の実施形態では、溶接パルスのピークの終わりの近くまで溶滴１１７がワイヤ１１３から分離せず、アーク電流が低下している時に液滴１１７がまだ飛行中ということがある。そのような実施形態では、溶滴１１７が分離した時に又は溶滴１１７が分離点（breaking point）にある時にだけ磁界１０９を生成するように、誘導電流の位相を溶接パルスとずらすことができる（図２Ａの破線）。そのような実施形態では、液滴の分離前に磁界１０９がアーク１１５に干渉することはなく、溶滴が飛行中にピークに達する。また、誘導電流の位相をずらすことによって、アーク電流が下がり且つ溶滴がまだ飛行中に磁界１０９がピークになる。一部の実施形態では、アーク電流がそのバックグラウンドレベルに達するまで誘導電流がピーク電流のままでいる。

他の例示の実施形態では、誘導電流はアーク溶接電流と１８０°位相がずれている。そのような実施形態では、溶滴１１７を飛行中に動かすために磁界１０９が用いられるのではなく、溶接パドルを制御して溶接パドルを伸張するために又はワークピースの表面を予め洗浄するために用いられる。例えば、磁気装置１０５及びプローブ１０７をチップ１１１の（進行方向の）前又は後ろのいずれかに配置できる。そのような実施形態では、磁界１０９は必要に応じてアークを前又は後に移動させて溶接パドルを伸張させることができる。例えば、溶滴１１７が溶接パドルに移動する前にアークの熱で被膜又は表面の汚れが取り除かれるように、アークを（アークに液滴がない状態で）前方に偏向させることができる。同様に、所望の冷却又は凝固プロファイルのために溶接パドルが伸張するようにアークを後方に偏向させることができる。図６は上述の例示の洗浄波形である。図示のように、磁気誘導電流は、アーク溶接パルスの前に始まるものの、ワイヤ１１３から溶滴１１７が放出される点よりも前に終わるようにパルス化する。また、この実施形態では、溶接電流パルス毎に誘導電流が提供される。しかしながら、他の実施形態では、この洗浄パルスをＮ個のアーク溶接パルス毎に又は所定の持続時間の後でオンにできる（energize）。

本考案のさらなる例示の実施形態では、溶滴１１７が溶接パドルに接触した後であって且つ次の液滴１１７が放出される前に誘導電流が始まるか又はそのピークに達する。付加的な例示の実施形態では、溶接電流がバックグラウンドレベルに達するのと同時に又はその後で誘導電流パルスが始まる。また、次の溶接電流パルスが始まる前に誘導電流パルスをオフにするか又はバックグラウンドレベルに達するようにできる。

図２Ｂは、図２Ａに示すものと同様の溶接波形を示すが、この実施形態では磁気誘導電流が交流電流である点で図２Ａのものと異なっている。この実施形態等では、電源１０３がＡＣ電源であり、電流の極性の変化が磁界の方向を変化させ、ひいてはアークの動きの方向を変化させる。そのため、溶接の間に１つのプローブ１０７でアーク１１５を溶接継手全体に亘って動かすことができるように、磁界１０９を交番にすることができる。例えば、例示の実施形態では、ワイヤ１１３が溶接継手の中心に位置し、アークを必要に応じて継手の一方側から他方側に移動させるために、交流電流を用いて磁界１０９を変化させることができる。本考案の実施形態の、ＡＣ信号を用いる磁気誘導電流の制御及び動作は、本明細書で説明の他の実施形態のものと同様である。当然のことながら、本明細書で説明したように、所望の溶接作業を行うために、ＡＣ磁気誘導波形の周波数、ピーク振幅及び形状を必要に応じて変えることができる。そのような実施形態では、溶接継手に沿って作業が進むのにしたがって、溶接アークに溶接ビードの長さに沿ってジグザグ又は曲がりくねったパターンをたどらせるようにできる。

図３は、本考案の溶接システム３００の他の例示の実施形態を示す。この実施形態では、少なくとも２つの磁気装置３０５及び１０５が存在する。磁気装置３０５も自前のプローブ３０７を有する。装置１０５／３０５は、それらの各磁界が溶接アーク１１５に影響を及ぼすことができるようコンタクトチップ１１１の近傍に位置している。装置１０５／３０５は、コンタクトチップ１１１の周囲の所望位置に配置することができる。例示の実施形態では、装置１０５／３０５は共線的であり、溶接作業の進行方向に沿って（前後位置で）又は進行方向に対して垂直に（図３に示すように並置（side-by-side）で）配置することができる。図３に示す実施形態では、各磁気装置の磁界がアーク１１５を溶接継手に亘って動かすことができるように磁気装置が並置構成を取っている。上述のように、アーク１１５の位置及び／又は溶滴１１７の飛行を溶接作業の間に制御するのに、各磁気装置１０５／３０５からの磁界を用いることができる。そのため、そのような実施形態では、アーク１１５を少なくとも３つの異なる位置に動かして、溶滴１１７をそれらの位置に向かわせることができる。例えば、溶接の一部の間に溶滴１１７を溶接継手の左側に向かわせ、溶接の他の部分で液滴を継手の中央に向かわせ（磁界が有効になっていない）、次いで溶接の他の部分で溶滴１１７を継手の右側に向かわせることができる。

図示のシステムでは、磁界電源１０３はスイッチング回路３０１を有する。スイッチング回路３０１は、適切な磁界がオンとなるように異なる磁気装置１０５／３０５への磁気誘導電流を切り替える。例えば、溶接電流パルス毎に誘導電流を装置１０５／３０５の交互に供給するようにスイッチング回路３０１を制御することができる。当然のことながら、他の実施形態では、所定の持続時間の間又はＮ個の溶接パルスの間は誘導電流が一方の装置１０５に向かうようにスイッチング回路３０１を制御することができる。例えば、スイッチ３０１は、１０個の溶接電流パルスの間は誘導電流を装置１０５に向かわせ、次の１０個のパルスの間は誘導電流を装置３０５に向かわすことができる。スイッチング回路３０１を様々な手段で制御することができる。例えば、溶接アークの波形の制御に使用されるタイミング信号又は制御信号を磁界電源３０１の制御にも使用できるように、磁気誘導電源１０３を溶接電源１０１に連結させることができる。一部の実施形態では、スイッチ３０１の制御に溶接波形タイミング回路を用いることができる。

図４は、図３に示すシステムで用いることができる溶接電流及び磁気誘導電流双方の例示の波形を示す。図示のように、溶接電流は一連のパルス１、２、３…を有する。磁気誘導電流も同様である。しかしながら、磁気誘導パルスの一部を装置３０５／１０５のうちの一方（左側又は前側に位置する方）に向かわせ、次いで磁気誘導パルスの他のものを装置３０５／１０５のうちの他方（右側又は後ろ側に位置する方）に向かわせることができる。図４では、磁気誘導パルスが溶接アークパルス毎に提供されるが、他の実施形態では、図２Ａに示す構成と同様に、一部のアーク溶接パルスについては提供をスキップする制御を用いることができる。また、図４に示す実施形態では、誘導電流がアーク溶接電流と同相である。当然のことながら、他の実施形態では、図２Ａに関連して説明したように誘導電流の位相がずれていてもよいし及び／又は誘導電流がＡＣ波形であってもよい。

図５は、図３に示すシステム３００で用いることができる電流波形の他の例示の実施形態を示す。ここでは、１つの溶接電流パルスの間の別々のタイミングで別々の装置１０５／３０５を作動させることができる。図示のように、左側又は前側の装置１０５／３０５をアーク溶接パルスの開始時に作動させる一方、溶滴１１７を所望の位置に向かわせるために右側／後ろ側の磁気装置１０５／３０５を上記パルスの終了時に作動させることができる。また、図２Ｂと同様に、磁気誘導電流のうちのいずれか一方又は双方がＡＣであってもよい。

図７は、本考案の例示の実施形態に係る他の溶接システム７００を示す。この例示の実施形態では、磁気プローブを有する磁気誘導装置７０８が、ＧＭＡＷ溶接プロセスで溶接を行う２つの溶接トーチ７０２／７０４の近傍に（図示の実施形態ではそれらの間に）位置している。前側トーチ（lead torch）７０２は、前側電源（lead power supply）７０１から電力の供給を受け、後ろ側トーチ（trailing torch）７０４は後ろ側電源（trailing power supply）７０３から電力の供給を受ける。図示の実施形態では、双方の電源がＧＭＡＷ型電源である。しかしながら、他の例示の実施形態では、ＧＴＡＷ型電源等の他の種類のパルス溶接電源を用いることができる。磁気装置７０８は磁界電源７０７から電力の供給を受ける。磁界電源７０７は、プローブ７０９が磁界７１１を生成するように装置７０８に磁気誘導電流を提供する。溶接電源７０１、７０３及び磁界電源７０７のそれぞれは、各電源の動作を制御するシステムコントローラ７０５に連結されている。

そのようなタンデムなアーク溶接構成（tandem arc welding configuration）では、各トーチ７０２／７０４からのアーク及び溶滴移行が互いに干渉しないように、アーク溶接電流パルスの前側波形及び後ろ側波形を交番にすることが知られている。しかしながら、そのような構成では、前側アークと後ろ側アークとの間でアーク干渉が発生することが往々にしてあるため、磁気吹きや同様の問題が起こり得ることが知られている。この点を緩和するために、本考案の実施形態では磁気装置７０８を用いて前側溶接作業及び後ろ側溶接作業の溶接パルスの間に磁界７１１を生成する。

それを図８に図示する。ここでは、前側溶接パルスと後ろ側溶接パルスとの間で磁気誘導電流がパルス化する。この実施形態では、前側溶接パルス及び後ろ側溶接パルス１、２、３、４、５、６、…の間で磁界７１１を生成する。溶接パルスの間に磁界７１１が存在すると、溶接パルスの間のアークプラズマを安定化させるのに役立つ。図示の実施形態では、アーク溶接パルスの間のバックグラウンド電流の間に各磁界パルスが生じる。しかしながら、他の例示の実施形態では、溶接作業を安定化させ且つ磁気吹きを緩和するために、必要に応じて磁界パルスをアーク溶接パルスの一部と重複させてもよい。

システム７００の他の例示の実施形態では、システムコントローラ７０５が、装置７０８をオン及び／又はオフにするために溶接作業からのフィードバック（溶接電源７０１／７０３からのフィードバックを含み得る）を用いることができる。例えば、一部の溶接作業では、各交番溶接パルスの間に磁界を生成する必要がない場合がある。しかしながら、コントローラ７０５は、磁気吹きの状況又はアーク安定性の状況が溶接の間の何時存在するかを判断し、そのフィードバックを用いて磁界電源７０７を作動させて、磁界７１１を用いて溶接作業の安定性を回復させる。例えば、システムコントローラは、前側溶接電源及び後ろ側溶接電源のうちのいずれか一方又は双方からの電流フィードバック情報を用いて、磁界７１１が安定化のために必要かどうかを判断できる。また、上記の電源のうちのいずれか一方又は双方の溶接状態ロジックはアーク不安定に対応でき、検出された不安定に基づき磁界を有効にする及び／又は変更することができる。

図９は、本考案の一実施形態に係る溶接システム９００の他の例示の実施形態を示す。システム９００は、溶接の間にトーチ１１１を溶接ビードに対して移動させることができる例示の実施形態を示す。当然のことながら、本考案の実施形態では、トーチ１１１又はワークピースＷのいずれかを動かして溶接ビードを形成する。そのような動きは溶接継手と共線的なものである。しかしながら、システム９００では、溶接作業の間にトーチ１１１も溶接継手に亘って動かされる。即ち、トーチ１１１は溶接継手の中心線に対して垂直に又は斜めに動かされる。そのような実施形態では、特別な溶接継手の形成又は幅広の継手の溶接が可能となる。図９は、溶接の間にトーチ１１１をワークピースＷに対して動かす実施形態を示すが、他の例示の実施形態では、溶接の間にワークピースを動かすことができる。

図９に示すように、この実施形態では、溶接の間にトーチ１１１を動かすのにモータ／キャリッジ装置９０５を用いる。この動きは溶接継手に対して縦方向又は横方向のものであり得る。当然のことながら、モータ／キャリッジ装置９０５をワークピースに連結して、溶接の間にワークピースを動かすこともできる。モータ／キャリッジ装置９０５は、溶接の間に上記の動きを制御するシステムコントローラ９０１に連結されている。この実施形態では、トーチ１１１の各側に磁気装置９０７及び９０９がそれぞれ存在する（必要に応じて装置９０７／９０９を前後に配置することも可能）。各磁気装置９０７／９０９は、いずれかの磁気装置で磁界９０８を生成できるように、図３に関連して上述した構成と同様に磁界電源１０３に連結されている。また、各装置９０７／９０９のトーチが溶接の間にフィラーワイヤ１１３に対して等距離のままとなるように、装置９０７／９０９をトーチに固定することができる。あるいは、フィラーワイヤと装置９０７／９０９との間の距離を溶接の間に変化させるために装置９０７／９０９の間でトーチ１１１が移動するように装置９０７／９０９を固定することができる。

トーチ１１１は、溶接継手に亘ってフィラーワイヤ１１３が動かされるように溶接の間に溶接継手に対して動かされる。システムコントローラ９０１は、溶接継手に対するトーチ１１１の位置情報を用いて磁界電源１０３及び／又は溶接電源１０１の出力を制御する。即ち、溶接継手に対するトーチの位置に基づいて電源１０１／１０３の出力を変えることができる。具体的には、継手に対するトーチ１１１の横位置に基づいて、磁界電源１０３の出力電流を変化させ、溶接位置に基づき強度が可変の磁界を生成できる。

そのような出力の例を図１０に示す。図１０には一連の５個の溶接パルスが示される。簡潔にするために、図１０に示す溶接電流パルスのそれぞれは、溶接プロセスの異なる横位置にあるものと仮定する。なお、当然のことながら、複数の溶接電流パルスが同じ横位置で生じることがあるため（往々にしてそうなる）、上記の仮定が適用時に該当しない場合もある。例えば、各溶接横位置に任意数Ｎのパルスがあってもよく、本考案の実施形態はこのような形に限定されない。図１０に戻って、第１の溶接パルス１ではトーチ１１１が第１の溶接位置にあり、第１の強度の磁界を生成するため電源１０３からの磁気誘導電流が第１の大きさＡで左側の磁気装置９０９に向けられることが分かる。なお、図１０は、溶接電流がそのピークに達してから時間Ｔで磁気誘導パルスが始まる波形関係を示す。前で説明したように、一部の実施形態では、溶滴の飛行に対して磁界の効果を集中させるために、溶接電流パルスのピークの終了近くで磁界が最大強度に達するようにすることが有益な場合がある。当然のことながら、他の実施形態では、本考案の精神及び範囲から逸脱することなく、上述のように磁界が別のタイミングでピークに達するようにできる。

第１のパルス１の後、第２の溶接パルス２が第２の横位置で提供される。この位置では同じ左側の磁気装置９０９が用いられるが、誘導電流が別のレベル（Ｂ）にあるため磁気装置９０９は大きさが異なる磁界を生成する。図示の実施形態では、これは第１のパルス１の場合よりも溶接継手の中心に近い位置で第２のパルス２が生じる状況である。そのため、トーチが継手の中心に近づくにしたがって、溶滴を所望の位置に置くために磁界の強度が低下する。当然のことながら、他の実施形態では、トーチが継手の中心に近づくにしたがって磁界が強くなるようにできる。第３の溶接パルス３では、トーチ１１１が継手の中心に位置する。この位置ではいずれの装置９０７／９０９によっても磁界が生成されないため、溶滴を継手の中心に置くことができる。そして、トーチ１１１が継手の右側に移動すると、右側の装置９０７がパルス４及び５で（２つの異なる位置で）磁界を生成し、上述のように、磁界の強度が位置に基づき変化する。そのため、本考案の実施形態では、溶接継手に対する溶接トーチ１１１の相対位置に基づき、溶接アークの誘導に使用される磁界の強度及び方向を制御できる。また、上述のように、誘導波形はＡＣであってもよいし、溶接の間に溶滴飛行の制御に用いられる異極性部（opposite polarity portions）を有していてもよい。例えば、一部の例示の実施形態では、誘導波形は一定のＡＣ波形ではなく、短絡等の特定のイベントの検出の際に液滴又はアークの飛行を制御するのに異極性部を用いることができる。そのため、一部の実施形態では、磁界電流は後続のパルス毎に逆の極性を有するか又は一連のパルスを第１の極性（方向）で提供し、次いで一連のパルスを逆の極性（方向）で提供することができる。この制御方法の例示の実施形態を以下でより詳細に説明する。

次に図１１及び図１２を参照して、本考案の実施形態は溶接の間に溶滴の飛行及び／又はアークの位置調整を制御するのに使用できるだけでなく、溶接の間に短絡を解消する（clearing of a short circuit）のを支援するのにも使用できる。図１１及び図１２は、短絡解消動作で使用される波形を示し、それぞれを順番に説明する。なお、これらの実施形態を単極性の磁気誘導電流を用いるものとして示しているが、ＡＣ又は極性が変化する電流（changing polarity current）も本考案の例示の実施形態で用いることができる。本明細書で説明するように、電流の方向はアークの動きに影響を及ぼすことから、アーク／溶滴飛行の制御に電流の極性及び大きさを用いることができる。本考案の実施形態は、単極性の磁気誘導電流を用いる構成に限定されない。

図１１は、溶滴の飛行を制御するために、磁気誘導電流を溶接アークの左側から用いる実施形態を示す。図示のように、磁気誘導電流はここでも、溶接電流パルスがそのピークに達してから時間Ｔでピークに達する。溶接の間、溶接電流がピークＡに達し、次いで磁気誘導電流を駆動して溶滴を要望通りに誘導する。しかしながら、この実施形態では溶接の間に短絡が発生して、フィラーワイヤ１１３とワークピースＷとが接触する。これを、電流がバックグラウンドレベル未満に下がる点Ｂに示す。短絡が検出されると、システムコントローラ（例えば９０１）は、磁界を生成するよう右側の磁界装置（例えば９０７）に命令する。この磁界からの力は、溶接アーク及び溶滴又はフィラー１１３をワークピースＷとの接触から「遠ざける」のを助けて、短絡の素早い解消を支援する。短絡の間、短絡が解消されるまで（ポイントＣ）又は短絡が解消してからしばらくたつまで（ポイントＤ）、パルスＳにより生成された磁界が維持される。そして、溶接電流がそのバックグラウンドレベルＥに戻って、次の溶接パルスＡを始めることができる。当然のことながら、本考案の他の実施形態では、短絡解消磁気パルスＳに異なる持続時間及び大きさを用いることができ、これらは依然として本考案の範囲内にある。図１１に示す実施形態では、第１の磁界生成装置は溶滴を方向付けるに磁界パルス１及び２を生成する一方、反対側の磁界生成装置（右側）は短絡の解消の支援に用いられる。図１２は、短絡の解消のために磁界が同様に用いられる構成を示すが、ここでは短絡の解消に同じ磁界生成装置が用いられる。図９に示す実施形態のような一部の実施形態では、短絡の解消のために磁界生成装置９０７／９０９のうちのどちらを用いるかを決めるのに、トーチ１１１に関する位置情報を使用できる。例えば、トーチ１１１が溶接継手の左側に位置している場合、左側の装置９０９はアークを中心又はワークピースに送り、（短絡が発生した原因であり得る）ワークピースＷの側壁からアークを遠ざける一助になるため、短絡の解消に左側の装置９０９を用いることができる。同様に、トーチ１１１が溶接継手の中心の右側に位置している場合に、右側の装置９０７を用いて短絡解消磁界を生成して溶接継手の右側からアークを遠ざけることができる。当然のことながら、他の実施形態の想定が可能であり、それらは必要に応じて制御できる。

図１２に示すように、溶接の間に溶滴の移動を方向付けるのに用いられる磁気パルス１、２とは磁気ピークの大きさ及び／又は持続時間が異なる短絡解消磁気パルスＳが考えらえる。図１２では、短絡ピークＳは誘導ピーク１、２よりも高く且つ長い。他の実施形態では、異なる関係を用いることができる。なお、当然のことながら、磁気電流のピークが高いほど得られる磁界が強くなるため、短絡解消パルスＳの磁界が誘導磁気パルスの磁界よりも高く且つ長くなるようにできる。

以下様々な制御方法を説明する。なお、下記の例示の実施形態の説明は代表的なものである。何故なら、本考案の精神及び範囲から逸脱することなく他の制御方法も使用可能だからである。本考案の例示の実施形態では、アークの誘導及び／又はアークを通過する溶滴の飛行の制御のために磁界の生成を制御する及び／又は同期する様々な方法を用いることができる。一部の例示の方法は溶接波形と磁界電流とを同期することを用いることができるのに対して、他の例示の方法は溶接作業中に発生するイベントのリアルタイム検出を用いることができる。以下でそれぞれの方法を説明する。なお、溶接電源の電流信号を制御するための制御信号回路、タイミング回路、短絡検出回路、溶接フィードバック回路及び制御の構成及び動作は広く知られているため、これらの回路についての詳細な説明は本明細書では省略する。しかしながら、以下で説明するように、磁気誘導電流の生成を制御するために、本明細書に記載のシステムコントローラ及び／又は磁界電源でこれらの同様の回路及び制御方法を実施できる。

第１の例示の実施形態では、溶接電源（例えば１０１）によって使用される制御信号と同じ又は同様のものを用いて、溶接電源と同時に磁界電源（例えば１０３）をオンにできる。例えば、溶接パルスを生成するために溶接電源１０１によって信号が生成される場合、その信号を磁界電源と共有して、同時に磁界電流が磁気装置１０５に供給されるようにする。そのような実施形態では、磁気誘導電流を制御するためにオン／オフ信号を生成することができる。そのため、磁界の生成が溶接パルスと一致する。他の実施形態では（上述のように）、磁界の生成が溶接パルスとずれていることが望ましい場合がある。そのような実施形態では、磁気誘導電流（及びそれ故に磁界）の生成を溶接パルスが生成されてから時間Ｔだけ遅延させるタイミング回路を磁界電源１０３及び／又は溶接電源１０１が有していてもよい。例えば、一部の例示の実施形態では、溶接パルスの開始から磁気誘導電流を５〜２０ｍｓだけ遅延させることができる。当然のことながら、他の実施形態では別のタイミング遅延が用いられ得る。

他の例示の実施形態では、上述のように、溶接パルスの生成の時間Ｔの前に溶接電源の制御回路が磁界電流を生成する。ここでも、溶接パルスに対して磁界の適切なタイミングが確実になるように、溶接電源、磁界電源及びシステムコントローラのいずれかにタイミング回路を用いることができる。

本考案の他の例示の実施形態では、波形制御システムに基づく共有の状態テーブル（state table）を使用できる。溶接波形を制御するために状態テーブルを用いることは広く知られており、例えばオハイオ州クリーブランドのリンカーンエレクトリック社製造のパワーウェーブ（Power Wave）（登録商標）溶接電源ではそのような制御方法が用いられる。例示の実施形態では、状態テーブルによって溶接電源及び磁界電源の双方の動作が制御されるように、磁界電流信号の制御及び同期が溶接波形状態テーブルに統合される。例えば、溶接電源が例えばアーク電圧、アーク電流、アーク電力、出力電圧、出力電流、ワイヤ供給速度等を含むリアルタイム溶接フィードバックを受信した場合に、そのリアルタイムフィードバックに基づいて共有の状態テーブルが溶接電源及び磁界電源の双方に動作指示を与える。

さらなる例示の実施形態では、併設の状態テーブル（parallel state table）が磁界電源１０３の動作のために設けられて、併設の磁界状態テーブルが磁界電源１０３の動作を制御するのに対して、溶接状態テーブルが溶接電源１０１の動作を制御する。上述のように、そのような実施形態では、磁界電源１０３は、アーク電流、アーク電圧、アーク電力、出力電圧、出力電流、ワイヤ供給速度、出力等の溶接作業からの溶接フィードバック及び制御信号を共有できる。このリアルタイムフィードバック情報に基づいて、磁界電源１０３用の併設の状態テーブルが磁界電流信号の適切な磁界強度、位相、周波数、タイミング、ピーク持続時間等を決定し、磁界電源１０３が適切な磁界電流を生成する。

さらなる例示の実施形態では、上記の併設の状態テーブルは、磁界電流信号又は磁界のための適切なパラメータを決定する際に溶接作業の間の溶接トーチ１１１の横方向の位置を考慮に入れることができる。上述のように、本考案の実施形態では、溶接継手に対するトーチの動きに基づき磁界を変化させることができる。そのため、磁界電源１０３の制御状態テーブルも溶接の間の溶接トーチ１１１の位置を考慮に入れることができる。即ち、磁界電源の制御状態テーブルは、所望の磁界強度、持続時間、周波数及び位相を決定するために、ワークピースに対する溶接トーチのｘ、ｙ及びｚ軸を考慮に入れることができる。

さらなる例示の実施形態では、磁界電源用の制御状態テーブルは、短絡の検出の際に誘発される制御パラメータを含む。そのような実施形態では、溶接電源１０１によって短絡が検出された場合に、そのフィードバックが磁界電源１０３にも提供される。検出された短絡に基づいて、磁界電源１０３は短絡の解消を助けるために磁界装置（例えば１０５）に磁界電流を提供する。例えば、本考案の例示の実施形態では、磁界電源１０３用の制御状態テーブルが溶接電源１０１（又は同様の併設のフィードバック回路）から短絡の検出についてのフィードバックを受信し、その検出された短絡に基づいて磁界の強度、持続時間及びタイミングを決定する。そして、その磁界電流が短絡の解消を支援するために適切な磁気誘導装置に提供される。複数の磁界生成装置が存在する場合、状態テーブルはどちらの装置をオンにすべきかを決定することもできる。さらに、状態テーブルは、適切な磁界パラメータを決定するために短絡時の溶接トーチ１１１の位置も考慮に入れることができる。

図面に示す溶接システムの例示の実施形態では、溶接電源、磁界電源及びシステムコントローラを別々の構成要素として示したが、これらの構成要素は単一のユニットとして統合できるため、それらの構成要素は別々である必要はない。さらに、磁界用の制御ハードウェア及びソフトウェア（例えば、制御状態テーブル）が溶接電源、システムコントローラ及び／又は磁界電源のうちのいずれか１つに含まれていてもよい。この点に関して、本考案の実施形態は限定されず、システムの構成要素が別個であるが合体可能なモジュールとして提供されるモジュール構成を取ることもできる。

本考案をとりわけその例示の実施形態を参照して図示説明してきたが、本考案はそれらの実施形態に限定されない。当業者であれば、下記の請求項によって定義される本考案の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に様々な変更が加えられ得ることが分かる。

１００ 溶接システム
１０１ 溶接電源
１０３ 磁界電源
１０５ 磁界生成装置
１０７ 磁界プローブ
１０９ 磁界
１１１ 溶接トーチ
１１３ 溶接電極
１１５ 溶接アーク
１１７ 溶滴
３００ 溶接システム
３０１ スイッチング回路
３０５ 磁気装置
３０７ プローブ
７００ 溶接システム
７０１ 前側電源
７０２ 溶接トーチ
７０３ 後ろ側電源
７０４ 溶接トーチ
７０５ コントローラ
７０７ 磁界電源
７０８ 磁気誘導装置
７０９ プローブ
７１１ 磁界
９００ 溶接システム
９０１ システムコントローラ
９０５ モータ／キャリッジ装置
９０７ 磁気装置
９０８ 磁界
９０９ 磁気装置
Ａ 電流
Ｂ レベル／点
Ｃ 点
Ｄ 点
Ｅ バックグラウンドレベル
Ｎ 数
Ｓ パルス
Ｔ 時間
Ｗ ワークピース
ｘ 軸
ｙ 軸
ｚ 軸

Claims (12)

1. 溶接システムであって：
   電極とワークピースとの間に溶接アークが生成されるように、前記電極に複数の電流パルスを含む溶接電流信号を出力する溶接電源；及び
   磁気誘導装置に複数の磁流パルスを含む磁界電流信号を出力する磁界電源；
   を含み、
   前記磁気誘導装置は前記溶接アークの近傍に位置し、前記磁気誘導装置は、溶接の間に前記溶接アークを動かすために前記磁界電流信号を用いて磁界を生成し、
   前記複数の磁流パルスは、前記溶接信号の前記複数の電流パルスのうちの少なくとも一部と同期している、溶接システム。
2. 前記電流パルスのうちの前記少なくとも一部のそれぞれは、溶接材料から溶滴を分離させ、各前記溶滴が前記溶接材料から分離する少なくとも直前に前記磁流パルスがピークレベルにあるように、前記複数の磁流パルスが前記溶接信号の前記複数の電流パルスのうちの前記少なくとも一部と同期している、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電流パルスのうちの前記少なくとも一部のそれぞれは、溶接材料から溶滴を分離させ、各前記溶滴が前記溶接材料から分離する少なくとも直後に前記磁流パルスがピークレベルにあるように、前記複数の磁流パルスが前記溶接信号の前記複数の電流パルスのうちの前記少なくとも一部と同期している、請求項１に記載のシステム。
4. 前記溶接材料は前記電極である、請求項２又は３に記載のシステム。
5. 前記溶接電源は、前記複数の磁流パルスを前記複数の溶接電流パルスのうちの前記少なくとも一部と同期させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記複数の磁流パルスのうちの少なくとも一部は、前記複数の磁流パルスのうちの他のものとピークレベルが異なる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記複数の磁流パルスのうちの少なくとも一部は、前記複数の磁流パルスのうちの他のものと極性が異なる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記複数の磁流パルスのうちの少なくとも一部は、前記溶接電流パルスのうちの前記少なくとも一部と４５〜１３５°位相がずれている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記溶接電流信号は、前記複数の電流パルスのうちの前記少なくとも一部の間に追加の電流パルスを少なくとも１つ提供する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 第２の磁気誘導装置に第２の複数の磁流パルスを含む第２の磁界電流信号を出力する第２の磁界電源をさらに含み、
    前記第２の磁気誘導装置は前記溶接アークの近傍に位置し、前記第２の磁気誘導装置は、溶接の間に前記溶接アークを動かすために前記第２の磁界電流信号を用いて追加の磁界を生成し、
    前記第２の複数の磁流パルスは、前記溶接信号の前記複数の電流パルスのうちの他のものの少なくとも一部と同期している、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記磁界電源は、前記溶接電源によって前記電極と前記ワークピースとの間で短絡が検出された場合に、前記複数の磁流パルスとは異なる追加の磁流パルスを提供する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記複数の磁流パルスのうちの少なくとも一部は、前記溶接電流パルスのうちの前記少なくとも一部と９０°又は１８０°位相がずれている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。

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