JP3198223U - ホットワイヤプロセス中にコンシューマブルを過熱するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、オーバーレイ、溶接、及び接合用途における使用のためのホットワイヤシステムを提供する。【解決手段】システム１００は、少なくとも１つのワークピースの表面の上に溶融パッドルを創成するよう第１のレーザビーム１１０を表面に向ける第１のレーザビームシステム１２０，１３０と、消耗物１４０が溶融パッドル１４５と接触するよう消耗物を溶融パッドルに前進させるワイヤフィーダ１５０とを含む。システム１００は、加熱信号を出力する電源１６０，１７０も含み、加熱信号は、消耗物がパッドルに進入する前に消耗物を加熱するよう消耗物に向けられる。システム１００は、消耗物がパッドルに進入する前に第２のレーザビーム２１０を消耗物に向ける第２のレーザビームシステム２２０，２３０と、電源１６０、１７０及び第２のレーザビームシステムの各々の出力を制御するコントローラ１９５とを更に含む。【選択図】図１

Description

（関連出願の参照）
本出願は米国仮特許出願第６１／６６８，８４５の優先権を主張し、その全文をここに参照として援用する。

特定の実施態様は、溶接ワイヤ鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、溶接、及び接合用途に関する。より具体的には、特定の実施態様は、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、接合、及び溶接用途のいずれかのためのシステムにおいて溶接ワイヤを加熱するためにレーザを用いるシステム及び方法に関する。更により具体的には、本考案はホットワイヤシステム及び消耗物（コンシューマブル）を加熱する方法に関する。

溶接の従来的な溶接ワイヤ方法（例えば、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）溶接ワイヤ方法）は、従来的なアーク溶接のみの溶着速度及び溶接速度に対して、溶着速度及び溶接速度の増大をもたらす。そのような溶接作業では、トーチを導く溶接ワイヤを別個の電源によって抵抗加熱し得る。溶接ワイヤはコンタクトチューブを通じてワークピースに向かって送られ、コンタクトチューブを越えて延びる。拡張部は溶接ワイヤの熔解を助けるために抵抗加熱される。ワークピースを加熱し且つ溶解して溶接パッドルを形成するためにタングステン電極を用い得る。電源が溶接ワイヤを抵抗加熱するのに必要とされるエネルギの大部分を提供する。一部の場合、ワイヤ送りは滑り或いは蹌踉めき得、溶接ワイヤ内の電流は溶接ワイヤの先端とワークピースとの間にアークを発生させ得る。そのようなアークの余分な熱は溶落ち及びスパッタを引き起こし、不満足な溶接品質をもたらし得る。

従来的な、伝統的な、及び提案されるアプローチの更なる制約及び不利点は、そのようなアプローチを、図面を参照して本出願の残部において示される本考案の実施態様と比較することを通じて、当業者に明らかになるであろう。

本考案の課題は、上記制約及び不利点を克服することである。

本考案の実施態様は、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、溶接、及び接合用途のいずれかのためのシステムにおいて少なくとも１つの溶接ワイヤを加熱するためにレーザを用いるシステム及び方法を含む。一部の実施態様において、システムは、少なくとも１つのワークピースの表面上に溶融パッドルを創成するよう第１のレーザビームを少なくとも１つのワークピースの表面に向ける第１のレーザビームシステムと、消耗物が溶融パッドルと接触するよう消耗物を溶融パッドルに前進させるワイヤフィーダとを含む。システムは、加熱信号を出力する電源も含み、加熱信号は、消耗物が溶融パッドルに進入する前に消耗物を加熱するよう消耗物に向けられる。システムは、消耗物が溶融パッドルに進入する前に第２のレーザビームを消耗物に向ける第２のレーザビームシステムと、電源及び第２のレーザビームシステムの各々の出力を制御するコントローラとを更に含む。コントローラは、消耗物での電圧、消耗物を通じる電流、消耗物の抵抗、及び消耗物の温度のうちの少なくとも１つを監視し、消耗物が消耗物と溶融パッドルとの間にアークを生成せずに溶融パッドル内に溶解するよう、第２のレーザビームシステム及び電源のうちの少なくとも一方の出力を監視に基づき制御する。

一部の実施態様において、方法は、少なくとも１つのワークピースの表面上に溶融パッドルを創成するよう第１のレーザビームを少なくとも１つのワークピースの表面に向けることと、消耗物が溶融パッドルと接触するよう消耗物を溶融パッドルに前進させることとを含む。方法は、消耗物が溶融パッドルに進入する前に消耗物を加熱するよう加熱信号を消耗物に向けられることや、消耗物が溶融パッドルに進入する前に第２のレーザビームを消耗物に向けることも含む。方法は、消耗物での電圧、消耗物を通じる電流、消耗物の抵抗、及び消耗物の温度のうちの少なくとも１つを監視することと、消耗物が消耗物と溶融パッドルとの間にアークを生成せずに溶融パッドル内に溶解するよう、第２のレーザビームシステム及び電源のうちの少なくとも一方の出力を監視に基づき制御することを更に含む。

方法は、少なくとも、少なくとも１つの溶接ワイヤを加熱するためにレーザを用いる間に、ワークピースを加熱するために、強力エネルギ源からワークピースにエネルギを適用することも含む。強力エネルギ源は、レーザ装置、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）装置、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）装置、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）装置、有芯アーク溶接（ＦＣＡＷ）装置、及びサブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）装置のうちの少なくとも１つを含み得る。

請求される考案のこれらの及び他の機能並びにそれらの例示される実施態様の詳細は、以下の記載、請求項、及び図面からより十分に理解されるであろう。

本考案の上記及び／又は他の特徴は、添付の図面を参照して本考案の例示的な実施態様を詳細に記載することによってより明らかになるであろう。

鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、溶接、及び接合用途のいずれかのための、組合わせ溶接ワイヤ及びエネルギ源システムの例示的な実施態様を概略的に示す機能的なブロック図である。 図１のシステムと関連する電圧波形、電力波形、及び電流波形の例示的な実施態様を示すグラフである。 本考案の実施態様において用い得る電源の例示的な実施態様を示す図である。 鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、溶接、及び接合用途のいずれかのための、組合わせ溶接ワイヤ及びエネルギ源システムの例示的な実施態様を概略的に示す機能的なブロック図である。 本考案の実施態様において用い得るレーザの例示的な実施態様を示す図である。 本考案の実施態様において用い得るレーザの例示的な実施態様を示す図である。

添付の図面を参照して本考案の例示的な実施態様を以下に記載する。記載する例示的な実施態様は本考案の理解を助けることを意図し、本考案の範囲を限定することを如何様にも意図しない。例示的な実施態様を通じて同等の参照番号は同等の要素を指す。

溶接／接合作業は、典型的には多数のワークピースを溶接作業において結合させ、溶接作業では、溶接材料がワークピース金属の少なくとも一部と組み合わせられて継手を形成することが知られている。溶接作業において生産歩留まりを増大させるという願望の故に、標準以下の品質を有する溶接をもたらさないより速い溶接作業の必要が常にある。これは類似の技術を用いるクラッディング／サーフェーシング作業にも当て嵌まる。以下の議論の大部分は「溶接」作業及びシステムに言及するが、本考案の実施態様は接合作業だけに限定されず、本考案の実施態様をクラッディング、鑞接、オーバーレイ等の種類の作業にも同様に用い得る。更に、遠隔作業現場のような悪環境条件の下で素早く溶接し得るシステムを提供する必要がある。以下に記載するように、本考案の例示的な実施態様は、既存の溶接技術に対して有意な利点をもたらす。そのような利点は、ワークピースの低い歪みをもたらす全熱入力の減少、極めて高い溶接走行速度、極めて低いスパッタ速度、シールディングのない溶接、スパッタを伴わずに或いは僅かなスパッタを伴ってめっき又は塗工材料を高速で溶接すること、及び高速で複雑な材料を溶接すること含むが、それらに限定されない。

図１は、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、及び接合／溶接用途のいずれかを行うための、組合わせ溶接ワイヤ及びエネルギ源システム１００の例示的な実施態様の機能的な概略的なブロック図を例示している。システム１００は、溶接パッドル１４５を形成するようワークピース１１５を加熱し得る、高エネルギ熱源を含む。高エネルギ熱源は、互いに動作的に接続されるレーザ装置１２０と溶接パッドルレーザ電源１３０とを含む、レーザサブシステム１３０／１２０であり得る。レーザ１２０は、レーザビーム１１０をワークピースの上に集束させることができ、レーザ電源１３０は、レーザ装置１２０を作動させる電力をもたらす。レーザサブシステム１３０／１２０は、二酸化炭素レーザシステム、Ｎｄ：ＹＡＧレーザシステム、Ｙｂ−ｄｉｓｋレーザシステム、ＹＢファイバレーザシステム、ファイバ供給レーザシステム、又はダイレクトダイオードレーザシステムを含む、任意の種類の高エネルギレーザ源であり得るが、それらに限定されない。更に、十分なエネルギを有するならば、白色光レーザ型又は石英レーザ型のシステムさえも用い得る。例えば、強力(high intensity)エネルギ源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ^２を供給し得る。

以下の明細はレーザシステム１３０／１２０、ビーム１１０、及び溶接パッドルレーザ電源１３０に繰り返し言及するが、如何なる強力エネルギ源をも用い得るので、この言及は例示的であることが理解されなければならない。例えば、高エネルギ熱源の他の実施態様は、電子ビーム、プラズマアーク溶接サブシステム、ガスタングステンアーク溶接サブシステム、ガスメタルアーク溶接サブシステム、有芯アーク溶接サブシステム、及びサブマージドアーク溶接サブシステムのうちの少なくとも１つを含み得る。ここにおいて議論するレーザ装置１２０のような強力エネルギ源は所望の溶接作業のための所要のエネルギ密度をもたらすのに十分な出力（パワー）を有する種類でなければならないことを記さなければならない。即ち、レーザ装置１２０は、溶接プロセスを通じて安定的な溶接パッドルを創り出して維持し且つ所望の溶接貫通にも達する、十分な出力を有さなければならない。例えば、一部の用途のために、レーザは溶接されるワークピースに「鍵穴を穿ける」能力(ability to ”keyhole”)を有さなければならない。これは、レーザがワークピースを完全に貫通する十分な出力を有すると同時に、レーザがワークピースに沿って移動するときにそのレベルの貫通を維持しなければならないことを意味する。例示的なレーザは１〜２０ｋＷの範囲内の出力能力を有さなければならず、５〜２０ｋＷの範囲内の出力能力を有し得る。より高出力のレーザを利用し得るが、それは極めて高価になり得る。

システム１００は、レーザビーム１１０の近傍においてワークピース１１５と接触するよう少なくとも１つの溶接ワイヤ１４０を提供し得る、ホット溶接ワイヤフィーダサブシステムも含み得る。もちろん、ここにおいてワークピース１１５を参照することによって、溶融パッドル、即ち、溶接パッドル１４５は、ワークピース１１５の一部であると考えられ、よって、ワークピース１１５との接触することの言及は、溶接パッドル１４５との接触を含むことが理解されよう。溶接ワイヤフィーダサブシステムは、溶接ワイヤフィーダ１５０と、コンタクトチューブ１６０と、ホットワイヤ抵抗電源１７０と、ホットワイヤレーザサブシステム２３０／２２０とを含む。ホットワイヤレーザサブシステム２３０／２２０は、ホットワイヤレーザ電源２３０によって給電されるレーザ２２０を含む。ホットワイヤレーザサブシステム２３０／２２０は、二酸化炭素レーザシステム、Ｎｄ：ＹＡＧレーザシステム、Ｙｂ−ｄｉｓｋレーザシステム、ＹＢファイバレーザシステム、ファイバ供給レーザシステム、又はダイレクトダイオードレーザシステムを含む、任意の種類の高エネルギレーザ源であり得るが、それらに限定されない。やはり、十分なエネルギを有するならば、白色光レーザ型又は石英レーザ型のシステムさえも用い得る。

作業中、溶接ワイヤ１４０は溶接ワイヤフィーダ１５０からワークピース１１５に向かって送られ、コンタクトチューブ１６０を越えて延びる。ワークピース１１５上の溶接パッドル１４５内へのその進入に先立ち、溶接ワイヤ１４０が溶接パッドル１４５に接触する前にその融点に接近し或いは達するよう、溶接ワイヤ１４０の拡張部分はレーザ２２０からのレーザビーム２１０によって加熱される。殆どの溶接プロセスと異なり、本考案は、溶接ワイヤ１４０を溶接パッドル１４５中に移転するために溶接アークを用いるよりもむしろ、溶接ワイヤ１４０を溶接パッドル１４５中に溶け込ませる。溶接ワイヤ１４０はレーザビーム２１０によってその融点又は融点付近まで加熱されるので、溶接パッドル１４５内のその存在は、溶接パッドル１４５を感知し得る程度には冷却せず或いは凝固させず、溶接ワイヤ１４０は素早く溶接パッドル１４５中に消耗される。

一部の例示的な実施態様において、溶接ワイヤ１４０は、ホットワイヤ抵抗電源１７０によって所定の閾温度まで予加熱される。電源１７０がコンタクトチューブ１６０を介して溶接ワイヤ１４０を通じて電流を送り、電流抵抗は溶接ワイヤ１４０の拡張部分を所定の閾温度まで加熱する。一部の非限定的な実施態様において、閾温度は、溶接ワイヤ１４０がワークピース１１５との接触を失うならば、溶接ワイヤ１４０を閾温度に維持するのに必要とされる電流がアークを生成しないように選択される。従って、抵抗電源１７０からの電流はアーク創成のためのレベルより下にあるので、溶接ワイヤ１４０とワークピース１１５との間に偶発的にアークを形成する可能性は、ほぼゼロである。溶接ワイヤ１４０は溶接パッドル１４５に送られるので、コンタクトチューブ１６０を越えて延びる溶接ワイヤ１４０の少なくとも一部はレーザビーム２１０によってその融点又は融点付近にまで加熱される。多くの溶接ワイヤは反射的であり得る材料で作製されるので、上で議論したように電源１７０からの電流を用いて溶接ワイヤ１４０を予加熱することは、溶接ワイヤの表面反射率を下げ、レーザビーム２１０が溶接ワイヤ１４０の加熱／熔解に寄与することを可能にする。一部の例示的な実施態様において、溶接ワイヤ１４０の予加熱の機能は、別個の電源においてよりもむしろ、レーザ電源２３０内に組み込まれる。

もちろん、溶接ワイヤ１４０の溶融温度は、溶接ワイヤ１４０の大きさ及び化学的性質に依存して異なる。従って、溶接中の溶接ワイヤの所望の温度は、溶接ワイヤ１４０に依存して異なる。以下に更に議論するように、溶接ワイヤ１４０のための所望の作業温度は、所望の溶接ワイヤ温度が溶接中に維持されるよう、溶接システム内へのデータ入力であり得る。いずれにしても、溶接ワイヤ１４０の温度は、溶接ワイヤ１４０が溶接作業中に溶接パッドル１４５内に消耗されるような温度であるべきである。例示的な実施態様では、溶接ワイヤ１４０が溶接パッドル１４５に進入するとき、溶接ワイヤ１４０の少なくとも一部が固体である。例えば、溶接ワイヤ１４０が溶接パッドル１４５に進入するとき、溶接ワイヤ１４０の少なくとも３０％が固体である。

ここに記載するプロセスでは溶接ワイヤを移転するために溶接アークが必要とされないので、フィーダサブシステムは、本考案の特定の他の実施態様に従って、１つ又はそれよりも多くの溶接ワイヤを同時に提供することが可能であり得る。例えば、表面硬化のために及び／又はワークピースに耐食性をもたらすために第１の溶接ワイヤを用い、ワークピースに構成を追加するために第２の溶接ワイヤを用い得る。加えて、１つよりも多くの溶接ワイヤを任意の１つの溶接パッドルに向けることによって、熱入力の有意な増大を伴わずに、溶接プロセスの全体的な溶着速度を有意に増大させ得る。よって、開放ルート溶接継手を単一の溶接路において充填し得ることが想定される。

上で議論したように、溶接ワイヤ１４０はレーザビーム１１０と同じ溶接パッドル１４５に衝突する。一部の例示的な実施態様において、溶接ワイヤ１４０はレーザビーム１１０から遠隔に同じ溶接パッドル１４５に衝突し得る。しかしながら、他の例示的な実施態様では、溶接ワイヤ１４０はレーザビーム１１０と同じ場所で溶接パッドル１４５に衝突する。この場合、ワークピース１１５の一部を熔解させて溶接パッドル１４５を形成する働きをするレーザビーム１１０は、溶接ワイヤ１４０を溶解させることにおいてもレーザビーム２１０を助け得る。加えて、一部の非限定的な実施態様において、溶接パッドル１４５は溶接ワイヤ１４０を溶解するのを助ける。レーザ１２０及び電源１７０は、本考案の一部の例示的な実施態様において溶接ワイヤ１４０を溶解するために何らかのエネルギをもたらし得るが、レーザ２２０は溶接ワイヤ１４０を溶解するのに必要とされるエネルギの大部分をもたらす。一部の非限定的な実施態様において、レーザビーム２１０は溶接ワイヤ１４０を溶解するのに必要とされるエネルギの５０％よりも多くをもたらし得る。しかしながら、他の例示的な実施態様では、加熱電流が溶接ワイヤ１４０を溶解するのに必要とされるエネルギの５０％よりも多くをもたらし得る。

本考案の例示的な実施態様において、溶接ワイヤ加熱レーザビーム２２０は、それが作業中に溶接ワイヤ１４０のみに衝突し且つ作業中に如何なる追加的な熱をも溶接パッドル１４５に加えないように構成され且つ方向付けられる。これらの実施態様において、ビーム２１０は断面形状で放射され、ビーム２１０が溶接パッドルに衝突しないように集束する。例えば、ビーム２１０は、ワイヤ１４０上の衝突地点で、（ワイヤの中心線に対して垂直な方向において）ワイヤ１４０の直径の５０〜９０％の範囲内の最大幅を有する、断面形状を有し得る。そのような断面寸法はビーム２１０エネルギのいずれも溶接パッドルに衝撃を与えないことを保証する。

図１に示される実施態様において、溶接ワイヤ１４０は溶接作業中にレーザビーム１１０を追跡する。しかしながら、溶接ワイヤ１４０を先導位置に位置付け得るので、それは必要でない。溶接ワイヤ１４０がビーム１１０と同じ溶接パッドル１４５に衝突する限り、溶接ワイヤ１４０をビーム１１０に対する他の位置に位置付け得るので、本考案はこの点において限定されない。

システム１００は、感知チューブ１６０を介してワークピース１１５及び溶接ワイヤ１４０に動作的に接続される感知及び制御ユニット１９５を含み得る。本考案の一部の実施態様において、感知及び制御ユニット１９５は、溶接ワイヤ１４０の所定の地点（例えば、感知チューブ１６０の場所）とワークピース１１５及び／又はワイヤ１４０を通じて流れる電流との間で抵抗及び／又は電位差（例えば、電圧Ｖ）を測定し得る。加えて、感知及び制御ユニット１９５は、レーザ１２０及び２２０並びに電源１７０からワイヤ１４０を通じる予加熱電流を始動させることを含む溶接プロセスを開始する前に、溶接ワイヤ１４０がいつワークピース１１５と接触するかを感知し得る。ここにその全文を参照として組み込む「Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding」という名称の米国特許出願第１３／２１２，０２５号は、ワイヤ１４０がワークピース１１５と接触するときを感知するために感知及び制御ユニット１９５内に組み込み得る例示的な始動制御アルゴリズムを提供している。

溶接プロセスが開始するや否や、感知及び制御ユニット１９５は、感知に応答してレーザ２２０を更に制御し得るよう、ホットワイヤレーザ電源２３０に動作的に接続される。電圧、電流、及び／又は抵抗測定値に基づき、感知及び制御ユニット１９５は、ワイヤ送りプロセス中にワイヤ１４０が過剰に速く又は過剰に遅く溶解させられないことを保証するために、レーザ２２０及び／又は電源１７０からの電力を調節し得る。溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５の間の電位差（ｄｖ／ｄｔ）、それらを通じる電流（ｄｉ／ｄｔ）、それらの間の抵抗（ｄｒ／ｄｔ）、又はそれらを通じる電力（ｄｐ／ｄｔ）のうちの１つの変化の速度を測定する、感知及び制御ユニット１９５内の徴候回路(premonition circuit)によって、そのような感知を達成し得る。これらのパラメータの変化の速度は、ワイヤ１４０がどれぐらい速く（又は遅く）加熱されているかの表示を提供し得る。例えば、溶接作業中、感知及び制御ユニット１９５は、溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失いつつあるとき（例えば、ワイヤ１４０が速く溶解し過ぎること）をいつでも感知し得る。変化の速度が所定の値を超えるとき、感知及び制御ユニット１９５は接触の喪失が起こりつつあることを正式に予測する。そのような徴候回路はアーク溶接のために当該技術分野において周知である。加えて、ここにその全文を参照として組み込む「Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding」という名称の米国特許出願第１３／２１２，０２５号は、感知及び制御ユニット１９５に組み込み得る例示的な徴候制御アルゴリズムを提供している。例示的な実施態様では、レーザビーム２１０及び／又は電源１７０を制御するために徴候回路を用い得る。

例えば、ワイヤ１４０の遠位端が加熱の故に大いに溶融状態になるとき、遠位端はワイヤ１４０からワークピース１１５上にピンチオフされ（摘み取られ)始め得る。その時、ワイヤの遠位端の断面が摘み取られて急速に減少するので、電位差又は電圧は増大する。従って、そのような変化の速度を測定することによって、感知及び制御ユニット１９５は、遠位端がいつピンチオフされて（摘み取られて）ワークピース１１５との接触を失うかを予期し得る。また、接触が完全に失われるならば、感知及び制御ユニット１９５によって零ボルトよりも有意に大きい電位差（即ち、電圧レベル）を測定し得る。感知及び制御ユニット１９５が接触が失われつつあることを決定するとき、制御ユニット１９５はホットワイヤレーザ電源２３０に命令して、レーザ２２０によってホットワイヤ１４０に供給される熱を減少させる。もちろん、他の実施態様では、ワイヤ１４０への予加熱電流も減少させ或いは遮断させ得る。

例えば、図２は、それぞれ、電圧波形４１０、電力波形４１５、及び電流波形４２０の例示的な実施態様を例示している。電圧波形４１０は、溶接ワイヤ１４０上の所定の地点（例えば、接触チューブ１６０にある地点）とワークピース１１５との間で、感知及び制御ユニット１９５によって測定される。電力波形４１５は、レーザ２２０のそれである。溶接ワイヤ１４０を通じる電流波形４２０は、感知及び制御ユニット１９５によって測定され、抵抗電源１７０（又は、一部の実施態様では、電源２３０からの）それであり得る。

溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失いつつあるときにはいつでも、電圧波形４１０の変化の速度（即ち、ｄｖ／ｄｔ）は所定の閾値を越え、ピンチオフが起こりつつあることを示す（波形４１０の地点４１１での傾斜を参照）。代替として、ピンチオフが起こりつつあることを示すために、充填ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電流の変化の速度（ｄｉ／ｄｔ）、それらの間の抵抗の変化の速度（ｄｒ／ｄｔ）、又はそれらを通じる電力の変化の速度（ｄｐ／ｄｔ）を代わりに用い得る。そのような変化速度徴候技法は当該技術分野において周知である。その時点で、感知及び電流コントローラ１９５は、電源２３０（部分４１６）からレーザビーム２１０への電力を減少させることによって且つ／或いは電源１７０（部分４２１）からの予加熱電流を減少させることによって、溶接ワイヤ１４０への熱入力を減少させる。一部の例示的な実施態様では、電源２３０からの電力及び／又は電源１７０からの予加熱電流を遮断し得る。他の例示的な実施態様において、予加熱電流は一定なままであり、レーザ２２０への電力のみが感知及び制御ユニット１９５に応答して制御される（減少させられる或いは遮断される）。

ある時間間隔４３０の後に溶接ワイヤ１４０の遠位端が再度ワークピース１１５と十分な接触を行っている（例えば、電圧レベルが地点４１２で降下して約零ボルトに戻る）ことを感知及び電流コントローラ１９５が感知するとき、感知及び制御ユニット１９５は電源２３０に命令してレーザビーム２１０への電力（部分４１７）及び／又は電源１７０からの予加熱電流（部分４２２）を増大させる。本考案の実施態様によれば、電源２３０からの電力及び／又は電源１７０からの電流は増大させられる（部分４１８及び４２３をそれぞれ参照）。このようにして、溶接ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間の接触は概ね維持され、ワークピース１１５上への溶接ワイヤ１４０の溶着は中断させられない。

よって、レーザシステム２２０／２３０及びホットワイヤシステム１７０／１６０は協働して、溶接ワイヤ１４０への所望の全エネルギ又は熱入力を提供し、アーク放電(arcing)を用いない溶接ワイヤ１４０の効果的な溶解をもたらす。即ち、一部の例示的な実施態様において、感知及び制御ユニット１９５は特定の作業のために望ましい全エネルギ又は熱入力を決定し、次に、各それぞれのシステムから適切な熱／エネルギ入力を配分し得る。例えば、溶接ワイヤ１４０への所望の熱又はエネルギ入力の７５〜９５％の間が電源１７０によってもたらされ、溶接ワイヤ１４０にもたらされるべき所望のエネルギ／熱の残余はレーザ２２０及びビーム２１０から来る。これはレーザ２２０が熱／エネルギ入力の「微調整」をもたらすことを可能にし且つ電源に熱／エネルギの大部分をもたらさせ、それは余り強力でないレーザ２２０が必要とされるのに対し、システム１００は依然として改良された作業を達成することを意味する。よって、制御ユニット１９５は熱又はエネルギ入力パラメータ使用者入力に基づき設定し、次に、最適な性能を達成し得るよう、そのエネルギ／熱の適切な割合を電源１７０及び２３０の各々に配分し得る。

図３は、図１中に電源２３０として示されるものに類似する種類であり得るホットワイヤレーザ電源１２１０の他の実施態様を例示している。電源１２１０は使用者がデータを入力することを可能にする使用者入力１２２０を含み、それらのデータは、ワイヤ送り速度、ワイヤ種類、ワイヤ直径、所望の電力レベル、所望の予加熱電流レベル、及び所望のワイヤ温度を含むが、それらに限定されない。もちろん、必要に応じて他の入力パラメータを利用し得る。ユーザーインターフェイス１２２０は、ＣＰＵ／コントローラ１２３０に結合され、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、使用者入力データを受信し、この情報を用いて所要の作業設定地点又は電力モジュール１２５０のための範囲を創成する。

ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、ルックアップ表を用いることを含む如何なる数の方法においても、所望の作業パラメータを決定し得る。そのような実施態様において、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、溶接ワイヤ１４０を適切に加熱するレーザ２２０の所望の電力出力を決定するために、入力データ、例えば、ワイヤ送り速度、ワイヤ直径、予加熱電流、及びワイヤ種類を利用する。これは溶接ワイヤ１４０を適切な温度まで加熱するためのレーザ２２０からの所要の電力が少なくとも入力パラメータに基づくからである。即ち、アルミニウムワイヤが軟鋼電極よりも低い溶融温度を有し得、よって、ワイヤを溶解するためにより少ない電力を必要とする。加えて、より小さい直径のワイヤは、より大きい直径の電極よりも少ない電力を必要とする。また、ワイヤ送り速度（相応して溶着速度）が増大するに応じて、ワイヤを溶解する所要の電力レベルはより高い。一部の例示的な実施態様において、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はワイヤ１４０のための所望の予加熱電流レベルを決定し得る。

電源１２１０は、検出回路１２４０も有し得、検出回路１２４０は、ＣＰＵ／コントローラ１２３０との組み合わせにおいて、上で議論し且つ図１に示した感知及び制御ユニット１９５と類似の構成及び動作を有し得る。本考案の例示的な実施態様において、サンプリング／検出速度は少なくとも１０ＫＨｚである。他の例示的な実施態様において、検出／サンプリング速度は１００〜２００ＫＨｚの範囲内にある。

図４は、本考案の更に他の例示的な実施態様を描写している。図４は、図１に示す実施態様と類似の実施態様を示している。しかしながら、明瞭性のために、特定の構成部品及び接続を描写していない。図４は、ワイヤ１４０の温度を監視するために温度センサ１４１０が利用されるシステム１４００を描写している。温度センサ１４１０は、溶接ワイヤ１４０の温度を検出し得る如何なる種類のであってもよい。センサ１４１０はワイヤ１４０と接触し得るし、或いは、ワイヤ１４０と接触せずに−溶接ワイヤの直径のような小さい対象の温度を検出し得るレーザ又は赤外ビームを用いる種類であり得る。そのような実施態様では、センサ１４１０は、ワイヤ１４０の温度をワイヤ１４０の突出部で−即ち、ワイヤ１４０の前の何らかの所定の地点で検出し得るように位置付けられる。ワイヤ１４０のためのセンサ１４１０が溶接パッドル１４５の温度を感知しないようにもセンサ１４１０を位置付け得る。

システム１４００の制御を最適化し得るよう温度フィードバック情報を電源２３０及び／又はレーザ電源１３０にもたらし得るように、センサ１４１０は（図１に関して議論した）感知及び制御ユニット１９５と結合される。例えば、少なくともセンサ１４１０からのフィードバックに基づき、電源２３０の電力出力を調節し得る。即ち、本考案の実施態様では、使用者が（所与の溶接及び／又はワイヤのために）所望の温度設定を入力し得るか、或いは感知及び制御ユニット１９５が他の使用者入力データ（ワイヤ送り速度、溶接ワイヤ種類、電極種類等）に基づき所望の温度を設定し得、次に、その所望の温度を維持するために、感知及び制御ユニット１９５が少なくとも電源２３０を制御する。

そのような実施態様では、ワイヤ１４０が溶接パッドル１４５に進入する前にワイヤに衝突するレーザビーム１１０の故に起こり得るワイヤ１４０の加熱を考慮に入れることが可能である。本考案の実施態様では、ワイヤ１４０に対するレーザビーム２１０の出力（パワー）を制御することによって電源２３０を介してのみワイヤ１４０の温度を制御し得る。しかしながら、他の実施態様において、感知及び制御ユニット１９５は、所望の温度を維持するために電源１７０も制御し得る。更に、更に他の実施態様において、ワイヤ１４０の加熱の少なくとも一部は、ワイヤ１４０の少なくとも一部に衝突するレーザビーム１１０から来ることができる。よって、電源２３０からの電力のみがワイヤ１４０の温度を示されないかもしれない。従って、センサ１４１０の利用は電源２３０及び／又はレーザ電源１３０の制御を通じてワイヤ１４０の温度を規制するのを助け得る。

（図４にも示される）更なる実施態様では、溶接パッドル１４５の温度を感知するために、温度センサ１４２０が向けられる。この実施態様において、溶接パッドルの温度は、感知及び制御ユニット１９５にも結合される。感知及び制御ユニット１９５は、溶接パッドル１４５の温度のセンサ１４２０からのフィードバックに基づきレーザ電源２３０及び／又はレーザ電源１３０を制御し得る。

本考案の例示的な実施態様において、通常作業中、感知及び制御ユニット１９５は、溶接ワイヤ１４０の少なくとも一部をその溶融温度の７５％又は７５％より上の温度に維持する。例えば、軟鋼溶接ワイヤを用いるとき、ワイヤが溶接パッドルに進入する前のワイヤの温度は約１６００°Ｆであり得るのに対し、ワイヤは約２０００°Ｆの溶融温度を有する。もちろん、それぞれの溶融温度及び所望の作業温度は、少なくとも合金、組成、溶接ワイヤの直径及び送り速度により異なることが理解されよう。他の例示的な実施態様において、制御ユニット１９５は、溶接ワイヤの一部をその溶融温度の９０％又は９０％より上の温度に維持する。更なる例示的な実施態様において、ワイヤ１４０の部分は、その溶融温度の９５％又は９５％より上にあるワイヤの温度に維持される。ワイヤ１４０の効率的な溶解を促進するために、ワイヤ１４０の最高温度をワイヤが溶接パッドルに進入する地点又はその地点付近に有することが望ましい。よって、上述の温度百分率はワイヤ１４０が溶接パッドル１４５に進入する地点又はその地点付近で測定されるべきである。溶接ワイヤ１４０をその溶融温度又は溶融温度付近の温度に維持することによって、ワイヤ１４０は熱源／レーザ１２０によって創成される溶接パッドル１４５内に容易に溶解され或いは消耗される。即ち、ワイヤ１４０は、ワイヤ１４０が溶接パッドル１４５と接触するときに溶接パッドル１４５の有意な急冷を引き起こさない温度を有する。ワイヤ１４０の高温の故に、ワイヤ１４０が溶接パッドル１４５と接触するとき、ワイヤ１４０は素早く溶解する。ワイヤ１４０が溶接プール内で最も低い位置にない−溶接プールの非溶融部分と接触するようなワイヤ温度を有することが望ましい。そのような接触は溶接の品質に悪影響を及ぼし得る。

本考案の他の例示的な実施態様では、感知及び制御ユニット１９５を、ワイヤ送り機構（図示せず−しかしながら、図１の１５０を参照）に結合し得る送り力検出ユニット（図示せず）に結合し得る。送り力検出ユニットは知られており、ワイヤ１４０がワークピース１１５に送られているときにワイヤ１４０に適用される送り力を検出する。例えば、そのような検出ユニットは、ワイヤフィーダ１５０内でワイヤ送りモータによって適用されているトルクを監視し得る。ワイヤ１４０が完全に溶解されない状態で溶解された溶接パッドルを通過するならば、ワイヤ１４０はワークピースの前記部分と接触し、そのような接触は送り力を増大させる。モータは設定される送り速度を維持しようとするからである。この力／トルクの増大を検出し且つ制御ユニット１９５に中継し得、制御ユニット１９５はこの情報を利用してレーザ２２０からワイヤ１４０への電力を調節し、溶接パッドル１４５内のワイヤ１４０の適切な溶解を保証する。

上の例示的な実施態様は、溶接パッドル１４５を形成するのにレーザ１２０を使用し、溶接ワイヤ１４０を加熱するのにレーザ１２０を使用する。もちろん、単一のレーザ装置−例えば、図５に示されるような、ビームスプリッタを含み得るレーザ１１２０及びレーザ光学１１４０を利用しても、溶接パッドル１４５の形成及び溶接ワイヤの加熱を達成し得る。しかしながら、単一のレーザ源の使用するならば、一部の柔軟性は限定的であり得る。加えて、図６に示されるように、一部の非限定的な実施態様において、単一のレーザ１２２０は、レーザビーム１２１０Ａ及び１２１０Ｂを形成するよう、適切な光学１２３０を用いてそのビームを振動さ得る。レーザビーム１２１０Ａ及び１２１０Ｂを形成は、それぞれ、溶接パッドル１４５を形成し、ワイヤ１４０を加熱する。そのような実施態様では、ワークピース１１５及び溶接ワイヤ１４０の要求にそれぞれ適合するよう、レーザビーム１２１０Ａ及び１２１０Ｂの集束及び強さも振動させ得る。更に、如何なる数のレーザをも所望に用い得るので、本考案は単一レーザ構成又は二重レーザ構成に限定されない。例えば、システムにおいて用いられる各溶接ワイヤのために別個のレーザを用い得る。加えて、レーザビーム２１０が１つよりも多くの溶接ワイヤを加熱するよう、レーザ２２０の集束の領域は調節可能であり得る。

図１及び４において、溶接パッドルレーザ電源１３０、ホットワイヤ電源２３０、ホットワイヤ抵抗電源１７０、並びに感知及び制御ユニット１９５は、明瞭性のために別個に示されている。しかしながら、本考案の実施態様では、これらの構成部品を単一の溶接システムに統合し得る。本考案の特徴は、上の個々に議論した構成部品が別個の物理的ユニット又は独立型（スタンドアローン）構成として維持されることを要求しない。

特定の実施態様を参照して本考案を記載したが、当業者は本考案の範囲から逸脱せずに様々の変更を行い得ること並びに均等物と置換し得ることを理解するであろう。加えて、本考案の範囲から逸脱せずに特定の状況又は材料を本考案の教示に適合させるために多くの変更を行い得る。従って、本考案は開示の特定の実施態様に限定されず、本考案は付属の請求項の範囲内に入る全ての実施態様を含むことを意図する。

１００ システム
１１０ レーザビーム
１１５ ワークピース
１２０ レーザ装置
１３０ 電源
１４０ 溶接ワイヤ
１４５ 溶接パッドル
１５０ 溶接ワイヤフィーダ
１６０ コンタクトチューブ
１７０ 電源
１９５ 制御ユニット
２１０ レーザビーム
２２０ レーザ
２３０ 電源
４１０ 電圧波形
４１１ 地点
４１２ 地点
４１５ 電力波形
４１６ 部分
４１７ 部分
４１８ 部分
４２０ 電流波形
４２１ 部分
４２２ 部分
４２３ 部分
４３０ 時間間隔
１１２０ レーザ
１１４０ レーザ光学
１２１０ 電源
１２１０Ａ レーザビーム
１２１０Ｂ れー座ビーム
１２２０ 使用者入力
１２３０ ＣＰＵ／コントローラ
１２５０ 電力モジュール
１４００ システム
１４１０ 温度センサ
１４２０ 温度センサ

Claims (8)

1. 少なくとも１つのワークピースの表面の上に溶融パッドルを創成するよう第１のレーザビームを前記表面に向ける第１のレーザビームシステムと、
   消耗物が前記溶融パッドルと接触するよう前記消耗物を前記溶融パッドルに前進させるワイヤフィーダと、
   加熱信号を出力する電源と、
   前記消耗物が前記溶融パッドルに進入する前に第２のレーザビームを前記消耗物に向ける第２のレーザビームシステムと、
   前記電源及び前記第２のレーザビームシステムの各々の出力を制御するコントローラとを含み、
   前記加熱信号は、前記消耗物が前記溶融パッドルに進入する前に前記消耗物を加熱するよう前記消耗物に向けられ、
   前記コントローラは、前記消耗物での電圧、前記消耗物を通じる電流、前記消耗物の抵抗、及び前記消耗物の温度のうちの少なくとも１つを監視し、前記消耗物が前記消耗物と前記溶融パッドルとの間にアークを生成せずに前記溶融パッドル内に溶解するよう前記第２のレーザビームシステム及び前記電源のうちの少なくとも一方の出力を前記監視に基づき制御する、
   ホットワイヤシステム。
2. 前記コントローラは、少なくとも前記第２のレーザビームシステムの前記出力を制御し、前記第２のレーザビームシステムの前記出力を制御することは、前記消耗物に対する衝突の地点で前記第２のレーザビームの断面形状及び焦点のうちの少なくとも１つを調節することを含む、請求項１に記載のホットワイヤシステム。
3. 前記コントローラは、前記断面形状の幅が前記消耗物の直径の５０％〜９０％の範囲内にあるよう、少なくとも前記断面形状の前記幅を調節する、請求項２に記載のホットワイヤシステム。
4. 前記第１のレーザビームシステム及び前記第２のレーザビームシステムは別個であり、或いは前記第１のレーザビームシステム及び前記第２のレーザビームシステムは１つの結合レーザビームシステムであり、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームは、共通の源レーザに由来する、請求項１に記載のホットワイヤシステム。
5. 前記レーザビームシステムは、前記共通の源レーザからのレーザビームを前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームに分割するビームスプリッタ、又は前記レーザビームシステムの出力が前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとの間で振動するよう前記共通の源レーザを制御するレーザビームオシレータを含む、請求項４に記載のホットワイヤシステム。
6. 前記コントローラは、少なくとも前記レーザビームシステムの前記出力を制御し、前記レーザビームシステムの前記出力を制御することは、前記消耗物に対する衝突の地点で前記第２のレーザビームの断面形状及び焦点のうちの少なくとも１つを調節することを含む、請求項５に記載のホットワイヤシステム。
7. 前記レーザビームシステムは、前記消耗物を溶解するのに必要とされるエネルギの５０％よりも多くをもたらす、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のホットワイヤシステム。
8. 前記電源は、前記消耗物を溶解するのに必要とされるエネルギの５０％よりも多くをもたらす、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のホットワイヤシステム。

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