JP3203668U

JP3203668U - タンデムホットワイヤシステム

Info

Publication number: JP3203668U
Application number: JP2015600153U
Authority: JP
Inventors: ピーターズ，スティーブン，アール
Original assignee: リンカーングローバル，インコーポレイテッド
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: US10035211B2; US20140263229A1; CN105246634A; WO2014140783A3; WO2014140783A2; DE212014000085U1

Abstract

【課題】複数の電源が同期されて、溶接、接合、クラッディング、肉盛（ｂｕｉｌｄｉｎｇ−ｕｐ）、鑞接等のプロセスを最適化する溶接システムを提供する。【解決手段】システムは、溶接パルス電流とバックグラウンド電流とを含む溶接電流を溶接電極１４０に出力する第１の電源を含む。システムは、第１の極性にある第１の加熱パルス電流と第２の極性にある第２の加熱パルス電流とを含む加熱電流をワイヤ１４５に出力する第２の電源も含む。システムは、溶接パルス電流及びバックグラウンド電流のうちの少なくとも一方を用いて第１の加熱パルス電流及び第２の加熱パルス電流のうちの少なくとも一方を同期させて、溶接電流及び加熱電流によって創り出される磁界に基づき溶融パッドル１１２に対するアーク１１０の位置に影響を及ぼす、コントローラも含む。【選択図】図２

Description

本考案は請求項１に従った溶接システムに関する。本考案のシステムは溶接及び接合に関し、より具体的には、タンデムホットワイヤシステムに関する。

溶接における進歩が起こったので、溶接処理量に対する要求が増大した。このため、溶接作業の速度を増大させるよう、多数の溶接電源を用いるシステムを含む様々なシステムが開発されており、多数の溶接電源を用いるシステムでは、１つの電源を用いて消耗電極中にアークを創り出して溶接パッドルを形成し、第２の電源を用いて同じ溶接作業中に溶接ワイヤを加熱する。これらのシステムは、溶接作業の速度又は溶着速度を増大させ得るが、多数の電源によって創り出される異なる電流は、互いに干渉し合って、溶接中にアークブロー(arc blow)及び他の問題を引き起こし得る。加えて、これらの電源は、プロセス、例えば、溶接、接合、クラッディング、肉盛(building-up)、鑞接等を最適化するために同期されない。よって、改良されたシステムが望まれる。

これらのシステムを改良するために、特に、アークブローを避けるために、請求項１に従った溶接システムを記載する。本考案の更なる実施態様は、従属項の主題である。本考案の例示的な実施態様は、加熱電流が溶接電流と同期させられて溶融パッドルに対するアークの位置に影響を及ぼすシステムを含む。幾つかの例示的な実施態様において、システムは、溶接パルス電流とバックグラウンド溶接電流とを含む溶接電流を出力する第１の電源を含む。第１の電源は、トーチを介して溶接電流を第１のワイヤにもたらして、第１のワイヤとワークピースとの間にアークを創り出す。アークは、ワークピース上に溶融パッドルを創り出す。システムは、第１のワイヤをトーチに送る第１のワイヤフィーダや、コンタクトチューブを介して第２のワイヤを溶融パッドルに送る第２のワイヤフィーダも含む。システムは、第１の極性にある第１の加熱パルス電流と反対の極性にある第２の加熱パルス電流とを含む加熱電流を出力する第２の電源を更に含む。第２の電源は、コンタクトチューブを介して加熱電流を第２のワイヤにもたらす。システムは、第１の加熱パルス電流及び第２の加熱パルス電流のうちの少なくとも一方を溶接パルス電流及びバックグラウンド電流のうちの少なくとも一方と同期させて、溶接電流及び加熱電流によって創り出される磁界に基づき溶融パッドルに対するアークの位置に影響を及ぼす、コントローラを追加的に含む。

幾つかの例示的な実施態様において、システムは、溶接パルス電流とバックグラウンド溶接電流とを含む溶接電流を出力する第１の電源を含む。第１の電源は、トーチを介して溶接電流を第１のワイヤにもたらして、第１のワイヤとワークピースとの間にアークを創り出す。システムは、第１のワイヤをトーチに送る第１のワイヤフィーダや、コンタクトチューブを介して第２のワイヤを溶融パッドルに送る第２のワイヤフィーダも含む。システムは、第１の極性にある第１の加熱パルス電流と第１の極性とは反対の極性にある第２の加熱パルス電流とを含む加熱電流を出力する第２の電源を更に含む。第２の電源は、コンタクトチューブを介して加熱電流を第２のワイヤにもたらす。システムは、第１の加熱パルス電流及び第２の加熱パルス電流のうちの少なくとも一方を溶接パルス電流及びバックグラウンド電流のうちの少なくとも一方と同期させて、溶接電流及び加熱電流によって創り出される磁界に基づき溶融パッドルに対するアークの位置に影響を及ぼす、コントローラを追加的に含む。コントローラは、第２の加熱パルス電流に対する第１の加熱パルス電流の持続時間を調節するバランス制御装置（平衡制御装置）も含む。コントローラは、第２の加熱パルス電流に対する第１の加熱パルス電流の振幅を調節するオフセット制御装置や、第２の加熱パルス電流から第１の加熱パルス電流への移行の第２のデッドタイムに対して第１の加熱パルス電流から第２の加熱パルス電流への移行の第１のデッドタイムを調節するデッドタイム制御装置も含み得る。

幾つかの実施態様において、システムは、第１のワイヤをトーチに送る第１のワイヤフィーダと、トーチを介して溶接電流を第１のワイヤに出力する第１の電源とを含む。溶接電流は、第１のワイヤがワークピースと接触するときに出力されて第１のワイヤの一部を溶解する第１の電流セグメントを含む。溶接電流は、第１のワイヤからの前記一部がワークピースに移行してアークが第１のワイヤとワークピースとの間に創り出されるときに出力される第２の電流セグメントも有する。システムは、コンタクトチューブを介して第２のワイヤを溶融パッドルに送る第２のワイヤフィーダや、第１の極性にある第１の加熱パルス電流と第１の極性とは反対の極性にある第２の加熱パルス電流とを含む加熱電流を出力する第２の電源も含む。第２の電源は、コンタクトチューブを介して加熱電流を第２のワイヤにもたらす。システムは、第１の同期及び第２の同期のうちの少なくとも一方を行うコントローラを更に含む。第１の同期は、第１の加熱パルス電流及び第２の加熱パルス電流のうちの少なくとも一方を第２の電流セグメントと同期させて、溶接電流及び加熱電流によって創り出される磁界に基づき溶融パッドルに対するアークの位置に影響を及ぼすことを含む。第２の同期は、第１の加熱パルス電流及び第２の加熱パルス電流のうちの少なくとも一方を第１の電流セグメントと同期させて、第１のワイヤからの前記一部の移行に影響を及ぼすことを含む。

幾つかの実施態様において、システムは、溶接パルス電流とバックグラウンド溶接電流とを含む溶接電流を出力する第１の電源を含む。第１の電源は、トーチを介して溶接電流をもたらして、第１のワイヤとワークピースとの間にアークを創り出す。システムは、第１のワイヤをトーチに送る第１のワイヤフィーダや、コンタクトチューブを介して第２のワイヤを溶融パッドルに送る第２のワイヤフィーダも含む。システムは、加熱パルス電流とバックグラウンド加熱電流とを含む加熱電流を出力する第２の電源を更に含む。第２の電源は、コンタクトチューブを介して加熱電流を第２のワイヤにもたらす。システムは、加熱パルス電流及びバックグラウンド加熱電流のうちの少なくとも一方を溶接パルス電流及びバックグラウンド電流のうちの少なくとも一方と同期させて、溶接電流及び加熱電流によって創り出される磁界に基づき溶融パッドルに対するアークの位置に影響を及ぼす、コントローラを追加的に含む。コントローラは、バックグラウンド加熱電流の値を調節し且つ加熱パルス電流の値を自動的に変更して、加熱電流のための事前設定平均値を維持する、バックグラウンド電流コントローラも含む。

請求する考案のこれらの及び他の構造(features)、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。

本考案の上の及び／又は他の特徴(aspects)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。

本考案に従った溶接システムの例示的な実施態様を示す概略図である。

図１のシステムのトーチの周りの領域を示す拡大図である。

図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。

図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。

例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形の例示的な極性整列を示す図である。例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形の例示的な極性整列を示す図である。

図５Ａ及び５Ｂの極性整列に対応する磁界向きを示す図である。図５Ａ及び５Ｂの極性整列に対応する磁界向きを示す図である。

図１の感知及び電流コントローラのための例示的な波形制御装置を示す図である。

図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接波形及びホットワイヤ波形を示す図である。

添付の図面を参照して本考案の例示的な実施態様を今や以下に記載する。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、同等の番号は同等の要素を指している。

これの例示的な実施態様が図１に示されており、図１はシステム１００を示している。システム１００は、タンデムホットワイヤシステム１０４を備える、ＧＭＡＷシステムのような、アーク溶接システム１０２を含む。ＭＭＡＷシステム１０２は、電源１３０と、ワイヤフィーダ１５０と、トーチ１２０とを含む。電源１３０は、溶接電極１４０とワークピース１１５との間にアーク１１０を創り出す溶接波形をもたらす。溶接電流１４０は、ワイヤフィーダ１５０及びトーチ１２０を介してアーク１１０によって創り出される溶融パッドル１１２にもたらされる。溶融パッドル１１２を創り出すことに加えて、アーク１１０は、溶接ワイヤ１４０の溶滴を溶融パッドル１１２に移行させる。ここに記載する種類のＧＭＡＷ溶接システムの動作は当業者に周知であり、ここに詳細に記載する必要はない。接合／溶接用途についての描写の例示的な実施態様に関してＧＭＡＷシステムを示し且つ議論しているが、本考案の例示的な実施態様を、接合／溶接、クラッディング、肉盛(building-up)、鑞接、及びこれらの組み合わせ等を含む用途において、ＴＩＧ、プラズマ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ、及びＳＡＷシステムと共にも用い得る。ＴＩＧ及びプラズマを用いるならば、溶接電極がコンシューマブル電極でないのは勿論である。図１に示していないのは、既知の方法に従って用い得るシールディングガスシステム又はサブアークフラックスシステムである。

ホットワイヤシステム１０４は、コンタクトチューブ１２５を介してワイヤ１４５を溶接パッドル１１２に送るワイヤフィーダ１５５を含む。ホットワイヤシステム１０４は、ワイヤ１４５が溶融パッドル１１２に入るに先立ちコンタクトチューブ１２５を介してワイヤ１４５を抵抗加熱する電源１３５も含む。電源１３５は、ワイヤ１４５を所望の温度、例えば、ワイヤ１４５の融解温度又は融解温度付近まで加熱する。よって、ホットワイヤシステム１０４は、追加的なコンシューマブルを溶融パッドル１１２に加える。システム１００は、ロボット１９０に動作的に接続される運動コントローラ１８０を含む運動制御サブシステムも含み得る。運動コントローラ１８０は、ロボット１９０の動きを制御する。ロボット１９０はワークピース１１５に動作的に接続されて（例えば、機械的に固定されて）、トーチ１２０及びワイヤ１４５がワークピース１１５に沿って進行するような方向にワークピース１１５を動かす。ワークピース１１５の代わりにトーチ１２０及びワイヤ１４５を移動させ得るようにシステム１００を構成し得るのは勿論である。

一般的に知られているように、ＧＭＡＷのようなアーク生成システムは、高いレベルの電流を用いて、前進する溶接コンシューマブル１４０とワークピース１１５上の溶融パッドル１１２との間にアーク１１０を生成する。これを達成するために、多くの異なる溶接電流波形、例えば、定電流、プラズマ電流等のような電流波形を利用し得る。しかしながら、システム１００の動作中、電源１３０によって生成される電流は、ワイヤ１４５を加熱するために用いられる電源１３５によって生成される電流と干渉し得る。ワイヤ１４５は電源１３０によって生成されるアーク１１０に近接するので（それらはそれぞれ溶融パッドル１１２に向けられるので）、電源のそれぞれの電流は互いに干渉し合い得る。具体的には、各々の電流は磁界を生成し、それらの磁界は互いに干渉し合って溶接／接合作業に悪影響を与え得る。即ち、電源１３５によってホットワイヤ電流によって生成される磁界は、電源１３０によって生成されるアーク１１０の安定性及び溶接／接合作業の効率と干渉し得る。しかしながら、溶接波形とホットワイヤ波形とを同期させることによって、これらの同じ磁界を制御してアークを安定化させて溶接作業を最適化させ得る。

例えば、溶接コンシューマブル１４０（アーク１１０）及びホットワイヤ１４５を通じる電流が同相にあるときに、即ち、パルス及び極性が整列するときに（図５Ａを参照）、電流は図６Ａに例示するように同じ方向に流れる磁束線を生成する。アーク１１０とホットワイヤ１４５との間の空間内で、磁束線は反対方向に流れ、かなりの程度まで相殺し合うが、ワイヤ１４０及び１４５を取り巻く磁界が依然としてある。この磁界はワイヤ１４０及び１４５を互いにより近く引っ張ることを欲する正味磁力を有する。しかしながら、この磁界はワイヤ１４０及び１４５を偏向させる(deflect)ほど強くないが、アーク１１０は容易に偏向させられる。図５Ａに示すように、アーク１１０は中央に、即ち、ホットワイヤ１４５に向かって偏向させられ、更に溶融パッドル１１２の上に偏向させられる。この位置において、アーク１１０の加熱は、ワークピース１１５ではなく溶融パッドル１１２に概ね向けられる。アーク１１０を中央に向けることによって、ベース金属（基材）と溶融パッドルとの間の混合(admixture)が最小限化され、それは幾つかの用途、例えば、クラッディング用途において望ましくあり得る。しかしながら、他の用途、例えば、接合用途では、混合の減少は望ましい特徴でないことがある。

ワイヤ１４０及び１４５を通じる電流が反対の極性（異極性）を有するとき、例えば、反対極性パルスが整列させられるとき（図５Ｂを参照）、ワイヤ１４５とアーク１１０との間の磁力線は強化される。磁束の蓄積は、アーク１１０を前方に、即ち、図６Ｂに例示するようにワイヤ１４５から離れる方向に押す正味磁力を創り出す。この位置において、アーク１１０の加熱は溶接パッドル１１２の前方に概ね向けられ、ワークピース１１５を予加熱する働きをする。浸透及び混合を増大させるために、ワークピース１１５のこの予加熱は、幾つかの用途、例えば、接合用途において望ましくあり得る。加えて、アーク１１０はパッドル１１２の上にないので、反対極性構成は、幾つかの用途において溶落ち(burn through)を防止するのに役立ち得る。しかしながら、このような方法において予加熱することによって、溶接パッドル１１２は、ワイヤ１４５がパッドル１１２に入る前に冷たくなる空間を有することができ、それは望ましくないことがある。加えて、極性が反対であるとき、ホットワイヤ１４５とアーク１１０との間の電位差は、反対極性が過剰に長く維持されるならば、アーク１１０がワークピース１１５に飛ぶよりもむしろワイヤ１４５に飛ぶ傾向を有するような、電位差である。

溶接電流パルスが、ホットワイヤ電流がゼロであるときの間に起こるとき、アーク１１０に対する影響は最小である（或いは影響がない）。幾つかの用途において、この動作はアーク安定性を維持するのに望ましいことがある。

ホットワイヤ電流波形がＡＣ、即ち、可変極性波形であるとき、変化する磁界は、１つの極性で１つの方向にアーク１１０に力を適用し、次に、極性が逆転した後、反対方向に力を適用する、即ち、アーク１１０は振動する(oscillate)。振動(oscillation)の振幅は、ホットワイヤ電流パルスの持続時間及び振幅に依存する。低いＡＣ周波数で、ホットワイヤ電流は、アーク１１０の可視的な振動「掃引」(“sweep”)をもたらし得る。可変極性ホットワイヤ電流波形周波数が増大させられるならば、アーク１１０の動きの大きさは減少する。

上に見られるように、溶接電流及びホットワイヤ電流によって創り出される磁界は、アーク１１０に対して大きな影響を有し得る。従って、それぞれの電流の間の適切な制御及び同期がないならば、競合する磁界はアーク１１０を不安定化させ、よって、プロセスを不安定化させる。従って、本考案の例示的な実施態様は、電源１３０及び１３５の間の電流同期を利用して安定的な動作を保証し、それを以下に更に議論する。加えて、例示的な実施態様は、プロセス、例えば、クラッディング、接合等を最適化させるよう、アーク１１０をパッドル１１２に対して位置付け得るように、ホットワイヤ電流パルスを制御し得る。よって、用途に基づき、ホットワイヤ電流のパルスの周波数、位相角、及び／又は振幅及び持続時間を変えて、アーク１１０の位置を制御し得る。

図２は、本考案の例示的な溶接作業のより近接した図を描写している。図２に見ることができるように、（例示的なＧＭＡＷ／ＭＩＧトーチであり得る）トーチ１２０は、一般的に知られているように−アーク１１０の使用を通じて、コンシューマブル１４０を溶融パッドル１１２（即ち、溶接パッドル）に給送する。更に、この実施態様では、コンタクトチューブ１２５がトーチ１２０に統合され、ホットワイヤコンシューマブル１４５がコンタクトチューブ１２５を介してワイヤフィーダ１５５によって溶融パッドル１１０に給送される。トーチ１２０及びコンタクトチューブ１２５はこの図面では一体化されたものとして示されているが、これらの構成部品は図１に示すように別個であり得ることが留意されなければならない。一体的な構造が利用される限りにおいて、プロセス中のコンシューマブル間の電流移転を防止するために、トーチ内の電気絶縁が用いられなければならないのは勿論である。上述のように、それぞれの電流に誘起される磁界は互いに干渉し得る。よって、本考案の実施態様はそれぞれの電流を同期させる。様々な方法を介して同期を達成し得る。例えば、図１に例示するように、感知及び電流コントローラ１９５を用いて電源１３０及び１３５の動作を制御してそれぞれの電流を同期させ得る。加えて、感知及び電流コントローラ１９５を用いてワイヤフィーダ１５０及び１５５を制御することもできる。図１において、感知及び電流コントローラ１９５は電源１３０及び１３５の外部に示されているが、幾つかの実施態様において、感知及び電流コントローラ１９５は溶接電源１３０及び１３５の少なくとも一方又はワイヤフィーダ１５０及び１５５の少なくとも一方の内部にあり得る。例えば、電源１３０及び１３５の少なくとも一方は、他の電源及びワイヤフィーダの動作を制御するマスタであり得る。動作中、（任意の種類のＣＰＵ、溶接コントローラ、又は同等物であり得る）感知及び電流コントローラ１９５は、溶接電源１３０及び１３５並びにワイヤフィーダ１５０及び１５５の出力を制御する。これを数多くの方法において達成し得る。例えば、感知及び電流コントローラ１９５は、実時間フィードバックデータ、例えば、電源からの電圧Ｖ_１、溶接電流Ｉ_１、加熱電流Ｉ_２、感知電圧Ｖ_２等を用いて、それぞれの電源からの溶接波形及び加熱電流波形が適切に同期させられるのを保証し得る。更に、感知及び電流コントローラ１９５は、ワイヤフィーダ１５０及び１５５からの実時間データ、例えば、ワイヤ送り速度等を制御し且つ受信し得る。代替的に、電源の一方を用いて電源の他方の出力を制御するマスタ−スレーブ関係も用い得る。

電源及びワイヤフィーダの出力電流が安定的な動作のために同期させられるように電源を制御するアルゴリズム又は状態表を含む、数多くの方法論によって、電源及びワイヤフィーダの制御を達成し得る。例えば、感知及び電流コントローラ１９５は、並列的状態ベースコントローラ(parallel state-based controller)を含み得る。並列的状態ベースコントローラは米国特許出願第１３／５３４，１１９号において議論されており、その全文をここに参照として援用する。従って、並列状態ベースコントローラを詳細に更に議論しない。

図３Ａ−Ｃは、電源１３０及び１３５からそれぞれ出力し得る溶接電流及びホットワイヤ電流についての例示的な電流波形を描写している。図３Ａは、例示的な溶接波形２０１（例えば、ＧＭＡＷ波形）を描写しており、溶接波形２０１は、電流パルス２０２を用いてアーク１１０を介したワイヤ１４０からパッドル１１２への溶滴の移行を助ける。図示の溶接波形は例示的且つ代表的であり、限定的であることを意図しないのは勿論であり、例えば、溶接電流波形は、パルス化スプレー移行(pulsed spray transfer)、パルス溶接(pulse welding)、短絡アーク移行(short arc transfer)、表面張力移行（ＳＴＴ）溶接(surface tension transfer welding)、短絡収縮溶接(shorted retract welding)等のために用いられる溶接電流波形であり得る。ホットワイヤ電源１３５は、電流波形２０３を出力し、電流波形２０３も、上で概ね述べたような抵抗加熱を通じて、ワイヤ１４５を加熱する一連のパルス２０４を有する。電流パルス２０２及び２０４は、それらのそれぞれのパルス２０２及び２０４よりも少ない電流レベルのバックグラウンドレベル２１０及び２１１によってそれぞれ分離されている。上で概ね述べたように、波形２０３は、ワイヤ１４５を所望の温度、例えば、その融解温度又は融解温度付近まで加熱するために用いられ、パルス２０４及びバックグラウンドを用いて抵抗加熱を通じてワイヤ１４５を加熱する。図３Ａに示すように、それぞれの電流波形からのパルス２０２及び２０４は、それらが互いに同相にあるように同期させられる。この例示的な実施態様において、電流波形は、電流パルス２０２／２０４が図示のように類似又は同一の周波数を有し且つ互いに同相にあるように制御される。上で議論したように、パルス２０２及び２０４を同時に、即ち、同相でパルス化させる効果は、アーク１１０をワイヤ１４５に向かって引っ張り、更に、溶接パッドル１１２の上に引っ張ることである。驚くべきことに、同相の波形を有することは安定的で一貫した動作をもたらし、アーク１１０は波形２０３によって生成される加熱電流と有意に干渉させられないことが発見された。

図３Ｂは、本考案の他の例示的な実施態様からの波形を描写している。この実施態様において、加熱電流波形２０５は、パルス２０６が一定の位相角Θだけパルス２０２と位相が外れるように制御され／同期させられる。そのような実施態様において、位相角は、プロセスの安定的な動作を保証し且つアークが安定的な状態に維持されることを保証するように選択される。本考案の例示的な実施態様において、位相角Θは３０〜９０度の範囲内にある。他の例示的な実施態様において、位相角は０度である。安定的な動作を得るために他の位相角を利用し得るのは勿論であり、位相角は９０〜２７０度の範囲内にあることができ、他の例示的な実施態様において、位相角は０〜１８０度の範囲内にある。

図３Ｃは、本考案の他の例示的な実施態様を描写しており、そこでは、ホットワイヤパルス２０８が、位相角Θが約１８０度であるよう溶接パルス２０２と位相が外れ、波形２０１のバックグラウンド部分２１０の間だけ起こるように、ホットワイヤ電流２０７は、溶接波形２０１と同期させられる。この実施態様において、それぞれの電流は同時にピークにならない。即ち、波形２０７のパルス２０８は、波形２０１のそれぞれのバックグラウンド部分２１０の間に開始し且つ終了する。

本考案の幾つかの例示的な実施態様において、溶接パルス及びホットワイヤパルスのパルス幅は同じである。しかしながら、他の実施態様において、それぞれのパルス幅は異なり得る。例えば、ＧＭＡＷパルス波形をホットワイヤパルス波形と共に用いるとき、ＧＭＡＷパルス幅は、１．５〜２．５ミリ秒の範囲内にあり、ホットワイヤパルス幅は、１．８〜３ミリ秒の範囲内にあり、ホットワイヤパルス幅は、ＧＭＡＷパルス幅よりも大きい。

幾つかの例示的な実施態様において、ホットワイヤ電流パルスの幅及び位相角Θを変更することに同調して、上で議論したように、ホットワイヤ電流のバックグラウンド電流も調節して、より安定的なアーク１１０をもたらし且つ／或いはアーク１１０に影響を及ぼし得る。しかしながら、多くのホットワイヤシステムでは、ホットワイヤの一貫した温度を維持するために、ワイヤ１４５を通じる平均加熱電流を維持するのが望ましい。よって、幾つかの実施態様では、バックグラウンド電流における変化が、ピークパルス電流に対する変更も要求する。

例えば、図３Ｄにおいて、波形２０３と類似するホットワイヤ波形３１０は、バックグラウンド電流３１４によって分離されるピークパルス３１２を有する。この例示的な実施態様において、ピークパルス３１２は、図３Ａの実施態様と同様に、波形２０１のパルス２０２と整列するように同期させられる。よって、波形３１０とのアーク１１０の挙動は、図３Ａに関して上で議論した実施態様の挙動と類似する。しかしながら、アーク１１０がパルス電流３１２期間の間にパッドル１１２の上まで引っ張られないのが望ましいならば、波形３１０’において示すように、バックグラウンド電流レベルを増大させ得る（バックグラウンド電流３１４’は、波形３１０のバックグラウンド電流３１４よりも高いレベルにある）。バックグラウンド電流が増大させられるときには、ワイヤ１４５を通じて同じ平均電流を維持するためにピーク電流パルス（パルス３１２’を参照）は下げられなければならない。従って、ホットワイヤバックグラウンド電流を変更することによって、操作者はピークパルス期間中のアーク１１０の挙動に影響を及ぼし得る。アーク１１０がバックグラウンド電流によっても影響を及ぼされるのは勿論であるが、電流によって生成される磁界は電流の平方に比例するので、バックグラウンド電流における変化に起因する影響は、ピーク電流における変化よりも少ない。幾つかの実施態様では、図８に示すように感知及び電流コントローラ１９５上にバックグラウンド電流調節装置（バックグラウンド電流制御装置８０８を参照）を配置し得るし及び／又はホットワイヤ電極上にバックグラウンド電流調節装置（図示せず）を配置し得る。バックグラウンド電流を設定する方法は限定的でない。例えば、２つだけ例を挙げると、バックグラウンド電流についての実際の値に基づき或いはバックグラウンド電流に対するピーク電流の比率として、バックグラウンド電流制御装置８０８を設定し得る。例えば、感知及び電流コントローラ１９５によって或いはホットワイヤ電源１３５によって、バックグラウンド電流制御装置８０８の設定に基づくピーク電流及び／又はバックグラウンド電流に対する調節を自動的に行い得る。

従って、用途に応じて、本考案の例示的な実施態様は、ホットワイヤバックグラウンド電流を変更することによって、ホットワイヤ電流ピークパルスに多少の振幅をもたらし得る。例えば、クラッディング作業では、波形３１０のピークパルス３１２と類似する高いピーク振幅が望ましいことがある。これは、溶接パルス２０２と整列させられるときに、ピークパルス３１２がアーク１１０をパッドル１１２の上に偏向させ、より高い振幅はより大きな偏向をもたらすからである。パッドル１１２の上にアーク１１０を有することによって、アーク１１０によるワークピース１１５のベース金属のより少ない浸透があり、従って、より少ないベース金属がパッドル１１２と混じる。しかしながら、接合用途では、より多くの浸透を必要とし得る。そのような用途では、波形３１０’において例示するように振幅を降下させるために、バックグラウンド電流を増大させ得る。ピーク電流の大きさが減少させられるならば、アーク１１０はパッドル１１７の上にそれほど引っ張られない。従って、ワークピース１１５のベース金属内へのアーク１１０のより深い浸透がある。より深い浸透は、例えば、接合用途において、より多くの混合及びより良好な融合をもたらす。

例示的な実施態様における加熱電流をパルス化電流として示しているが、幾つかの例示的な実施態様のために、加熱電流は定電力であり得る。ホットワイヤ電流も、パルス化加熱電力、低電圧、勾配付き出力、及び／又はジュール／時間ベースの出力であり得る。

ここにおいて説明するように、両方の電流がパルス化電流である限りにおいて、それらは安定的な動作を保証するために同期させられるべきである。これを達成するために用い得る、同期信号の使用を含む多くの方法がある。例えば、（例えば、電源１３５／１３０又はそれらのいずれかと一体的であり得る）感知及び電流コントローラ１９５は、パルス化アークピークを開始する同期信号を設定し得るし、ホットワイヤパルスピークのための所望の開始時間も設定し得る。上で説明したように、幾つかの実施態様において、パルスは同時に開始するよう同期させられるのに対し、他の実施態様において、同期信号は、アークパルスピークの後のある持続時間で、ホットワイヤ電流のためのパルスピークの開始を設定し得る−その持続時間は動作のための所望の位相角を得るのに十分である。

上で議論した実施態様において、アーク１１０は、進行方向に対して先導して位置付けられる。これは図１及び２の各々において示されている。これはアーク１１０を用いてワークピース（複数のワークピース）において所望の浸透を達成するからである。即ち、アーク１１０を用いて溶融パッドル１１２を創り出してワークピース（複数のワークピース）における所望の浸透を達成する。次に、アークプロセスの後に続くのはホットワイヤプロセスである。ホットワイヤプロセスの追加は、少なくとも２つのアークを用いる従来的なタンデムＭＩＧプロセスにおけるような他の溶接アークの追加的な熱入力なしに、より多くのコンシューマブル１４５をパッドル１１２に加える。よって、本考案の実施態様は、既知のタンデム溶接方法よりも相当に少ない熱入力で有意な溶着速度を達成し得る。

図２に示すように、ホットワイヤ１４５はアーク１１０と同じ溶接パッドル１１２内に挿入されるが、距離Ｄだけアークの後を追従する。幾つかの例示的な実施態様において、この距離は５〜２０ｍｍの範囲内にあり、他の実施態様において、この距離は５〜１０ｍｍの範囲内にある。ワイヤ１４５が先導アーク１１０によって創り出される溶融パッドルと同じ溶融パッドル１１２内に送られる限り、他の距離を用い得るのは勿論である。しかしながら、ワイヤ１４０及び１４５は、同じ溶融パッドル１１２内に溶着させられるべきであり、距離Ｄは、ワイヤ１４５を加熱するのに用いる加熱電流によるアーク１１０との有害な磁気干渉が最小であるような距離であるべきである。一般的には、アーク１１０及びワイヤ１４５が集合的に向けられるパッドル１１２の大きさは、溶接速度、アークパラメータ、ワイヤ１４５への総電力、材料の種類等に依存し、それらはワイヤ１４０及び１４５の間の所望の距離を決定する要因でもある。

上述のように、少なくとも２つのコンシューマブル１４０／１４５が同じパッドル１１２内で用いられるので、最大で２倍の溶着速度を伴って、単一アーク動作の熱入力と類似の熱入力で、極めて高い溶着速度を達成し得る。これはワークピース内への極めて高い熱入力を有するタンデムＭＩＧ溶接システムに対して有意な利点をもたらす。例えば、本考案の実施態様は、単一アークの熱入力で少なくとも２３ｌｂ／ｈｒ（１０．４３ｋｇ／ｈｒ）の溶着速度を容易に達成し得る。他の例示的な実施態様は、少なくとも３５ｌｂ／ｈｒ（１５．８８ｋｇ／ｈｒ）の溶着速度を有する。

本考案の例示的な実施態様において、ワイヤ１４０及び１４５の各々は、それらが同じ組成、直径等を有する点において、同じである。しかしながら、他の例示的な実施態様において、ワイヤは異なり得る。例えば、ワイヤは、特定の作業のために所望に異なる直径、ワイヤ送り速度、及び組成を有し得る。例示的な実施態様において、先導ワイヤ１４０のためのワイヤ送り速度は、ホットワイヤ１４５のためのワイヤ送り速度よりも速い。例えば、先導ワイヤ１４０は、４５０ｉｐｍ（１１４３ｃｍ／ｍｉｎ）のワイヤ送り速度を有し得るのに対し、追従ワイヤ１４５は４００ｉｐｍ（１０１６ｃｍ／ｍｉｎ）のワイヤ送り速度を有する。更に、それらのワイヤは異なる大きさ及び組成を有し得る。実際には、ホットワイヤ１４５はパッドル内に溶着されるためにアークを通じて進行する必要がないので、ホットワイヤ１４５は、典型的にはアークを通じて上手く移行しない材料／成分を有し得る。例えば、ワイヤ１４５は、アークの故に典型的な溶接電極に加え得ないタングステンカーバイド又は他の類似の表面硬化材料を有し得る。加えて、先導ワイヤ１４０は、湿潤剤に富む組成を有することができ、それはパッドル１１２を湿らせるのに役立ち、所望のビード形状をもたらし得る。更に、ホットワイヤ１４５は、パッドル１１２を保護するのに役立つスラグ要素も含み得る。加えて、ホットワイヤ１４５は、アーク性能を妨げ或いは妨害するが、溶接ビードの何らかの特徴を改良するために、例えば、付加的な強度、より良好な寒空性能(cold weather performance)、より高温でのより良好な耐クリープ性、より良好な機械加工性、改良された亀裂抵抗、改良されたビード湿潤性、又は特定の粒状構造の形成に抗する或いは役立つ合金化元素(alloying element)のためにパッドルに加えられる、元素／成分も含み得る。従って、本考案の実施態様は、溶接化学的性質における大きな柔軟性を可能にする。ワイヤ１４０は先導ワイヤであるので、先導ワイヤ１４０を用いたアーク溶接作業は、溶接継手のための浸透をもたらし、その場合、ホットワイヤ１４５は、継手のための追加的な充填をもたらす。

本考案の幾つかの例示的な実施態様では、アーク１１０及びホットワイヤ１４５の組み合わせを用いて、溶着物への熱入力を遂行されるべき特定の動作の要件及び制約に従って平衡させ得る。例えば、接合用途のために先導アーク１１０からの熱を増大させ得る。その場合、アークからの熱はワークピースを接合させるのに必要とされる浸透を得るのに役立ち、ホットワイヤは主として継手の充填のために用いられる。しかしながら、クラッディング又は肉盛用途では、ホットワイヤのワイヤ送り速度を増大させて、希釈を最小限化させ且つ肉盛を増大させ得る。

更に、異なるワイヤ化学的性質を用い得るので、従来的には２つの別個のパス（通過）によって達成される異なる層を有する溶接継手を創り出し得る。先導ワイヤ１４０は、従来的な第１のパスのために必要とされる所要の化学的性質を有し得るのに対し、追従ワイヤ１４５は、従来的な第２のパスのために必要とされる化学的性質を有し得る。更に、幾つかの実施態様において、ワイヤ１４０／１４５の少なくとも一方は有芯ワイヤであり得る。例えば、ホットワイヤ１４５は、所望の材料を溶接パッドル内に溶着する粉末コアを有する有芯コアであり得る。

図４は、本考案の電流波形の他の例示的な実施態様を描写している。この実施態様において、ホットワイヤ電流４０３は、溶接電流４０１（例えば、ＧＭＡＷシステム）と同期させられるＡＣ電流である。この実施態様において、加熱電流の正パルス４０４は、電流４０１のパルス４０２と同期させられるのに対し、加熱電流４０３の負パルス４０５は、溶接電流のバックグラウンド部分４０６と同期させられる。他の実施態様では、正パルス４０４がバックグラウンド４０６と同期させられ、負パルス４０５はパルス４０２と同期させられるという点で、同期が反対であり得るのは勿論である。他の実施態様では、パルス化溶接電流とホットワイヤ電流との間に位相角がある。ＡＣ波形４０３を利用することによって、交流（よって、交番磁界）を用いてアーク１１０を安定化させるのを助け得る。本考案の精神又は範囲から逸脱せずに他の実施態様を利用し得るのは勿論である。

本考案の幾つかの実施態様において、溶接電流は、一定の又はほぼ一定の電流波形であり得る。そのような実施態様では、交流の加熱電流４０３を用いてアークの安定性を維持し得る。安定性は加熱電流４０３からの常に変化する磁界によって達成される。図３Ａ−３Ｃ及び４はＤＣ溶接波形としての例示的な波形を描写しているが、パルス波形はＡＣでもあり得るので、本考案はこの点において限定されない。

本考案の幾つかの実施態様では、アーク１１０のより大きな制御／アーク１１０に対するより大きな影響をもたらすために、ホットワイヤ極性を変更し得る。これは、アークを特定の方向に所望に押し或いは引っ張るために、ワイヤ１４０及び１４５を取り巻く磁界を変更することによって行われる。即ち、溶接パッドル１１２に対するアーク１１０の位置を所望に変更して、用途の必要を満足させ且つ／或いは有害な磁気相互作用の影響を弱め得る。例えば、上で説明したように、溶接電流及びホットワイヤ電流が同じ極性にあるならば、アーク１１０は磁気相互作用の故にワイヤ１４５に向かって引っ張られる。溶接電流及びホットワイヤ電流が反対の極性にあるならば、アーク１１０は磁気相互作用の故に前方に（即ち、パッドル１１２から離れる方向に）押される。中立の偏向（僅かの偏向又は偏向がないこと）が望ましいならば、ホットワイヤ電流が減少させられたバックグラウンド電流値にあるとき又は正周期と負周期の間にあるとき、例えば、ホットワイヤ電流がゼロに保持されるとき、溶接電流はパルス化される。従って、パッドル１１２に対するアーク１１０の位置は、溶接電流及びホットワイヤ電流によって創り出される磁界に依存し、そして、電流波形のそれぞれの波形を同期させることによって、これらの磁界を制御してプロセスを最適化し且つ／或いはアーク安定性をもたらし得る。

例えば、図７は、図１のシステムにおいて用い得る例示的な溶接電流波形７１０と例示的なホットワイヤ電流波形７２０とを例示している。溶接電流波形７１０は、バックグラウンド電流レベル７１４によって分離されるパルス７１２を含む。上で議論したように、溶接電流はワイヤ１４０を通じて流れ、アーク１１０を創り出す。溶滴の形態におけるワイヤ材料は、パルス７１２の間にアーク１１０を介して移行させられる。アーク１１０はバックグラウンド電流レベル７１４の間に維持されるが、材料は移行させられない。

ホットワイヤ電流波形７２０は、この例示的な実施態様において、正パルス７２２及び負パルス７２４を備えるＡＣ波形である。上で議論したように、ホットワイヤ電流波形７２０のパルス７２２及び／又は７２４を溶接波形７１０のパルス７１２と同期させて、プロセス、例えば、クラッディング又は接合プロセスを最適化させ、且つ／或いはアーク１１０を安定化させ得る。例えば、幾つかの接合作業では、プロセスが溶滴をワイヤ１４０から（縁でよりもむしろ）溶接パッドル１１２の中央の上に直接的に移行させ、そして、溶滴が移行させられないときには、プロセスがワークピースを予加熱するように、プロセスを最適化させることが望ましくあり得る。本考案の例示的な実施態様は、この最適化を遂行し得る。

図７に例示するように、溶接パルス７１２及びホットワイヤ電流７２２が同相にあるよう、ホットワイヤ電流パルス７２２を溶接パルス７１２と同期させ得る。これらのパルスが同相にあるとき、アーク１１０は、上で議論したように、ホットワイヤに向かって、パッドル１１２の中央の上に引っ張られ（図６Ａを参照）、ワイヤ１４０からの溶滴は、パッドルの中心に向かって移行する。加えて、負パルス７２４が波形７１０のバックグラウンド電流７１４位相の間にパルスを出すよう、負パルス７２４を同期させ得る。バックグラウンド溶接電流７１４はアーク１１０を維持し、従って、正パル７１２磁界よりも弱いにも拘わらず、関連する磁界を有する。負パルス７２４がパルス化されるとき、２つの電流の磁界は反対の極性を有し、アーク１１０は上で議論したように前方に押される（図６Ｂを参照）。溶滴は移行させられないので、アーク１１０はワークピース１１５を予加熱する。また、この間にアーク１１０を前方に押すことによって、バックグラウンド溶接電流７１４、パルス７２４は、例えば、溶接部がメッキされた板又は下塗りされた板のような材料で塗工されるとき、板を洗浄するのを助け得る。加えて、幾つかのシステムにおいて、反対の極性の動作は、パッドル１１２から離れる方向にアーク１１０を偏向させることによって溶落ち(burn through)を防止して、パッドルを冷却させるのを助け得る。従って、可変極性波形であり得るホットワイヤ電流波形のパルスを溶接波形と適切に同期させることによって、磁界を巧みに処理してプロセス、例えば、接合プロセス、クラッディングプロセス等を最適化させ得る。

上の例示的な実施態様において、パルス７１２及び７２２は同期させられて、ピーク電流を同時にもたらす。しかしながら、本考案はこの構成に限定されない。上で議論した他の例示的な実施態様と同様に、安定的な動作／最適化のために、溶接波形パルスとのホットワイヤ電流パルス７２２の同期及び／又はバックグラウンド電流７１４とのパルス７２４の同期を位相角Θだけ所望にオフセットさせ得る。加えて、上で議論した他の例示的な実施態様と同様に、パルス７１２，７２２，７２４の幅を所望に変更し得る。

上で見たように、アーク１１０の位置を変更する／アーク１１０の位置に影響を与える能力は望ましい。しかしながら、従来的なホットワイヤ電源が均一な押し／引っ張り力を主熱源、例えば、ＴＩＧトーチのアークにもたらすという点において、従来的なホットワイヤ電源は平衡させられる。しかしながら、多くの用途において、アークがホットワイヤ側に向かって僅かに引っ張られるならば、アークはより安定的であり且つ／或いはプロセスはより効率的になる。また、上で見たように、アークを前方に押すことは幾つかの状況において望ましくもあり得る。この目的を達成するために、本考案の幾つかの例示的な実施態様は、パッドルに対するアークの位置を制御することに向けられた使用者制御装置を提供する。

図８に例示するように、感知及び電流コントローラ１９５は、バランス制御装置８０２と、オフセット制御装置８０４と、デッドタイムオフセット制御装置８０６とを含む。これらの制御装置を用いてホットワイヤ電流波形を下で議論するように調整し得る。感知及び電流コントローラ１９５は、溶接作業に関連する他の制御装置を含み得る。しかしながら、簡潔性のために、本考案を説明するのに関係する制御装置のみを示して議論する。幾つかの実施態様において、下に議論する波形制御装置をホットワイヤ電源１３５に配置し得るのは勿論である。

バランス制御装置８０２は、ホットワイヤ電流波形の負極性の持続時間に対する正極性の持続時間を調節する。バランスを制御する方法は限定的でない。例えば、正極性と負極性との間の比率を選択するようにバランス制御装置８０２を構成し得る。この場合、１の比率は、正パルスの持続時間が負パルスの持続時間と等しい、即ち、それらのパルスの幅が等しいことを意味する。正パルス又は負パルスのいずれかの実際の時間を選択するようにもバランス制御装置８０２を構成し得る。例えば、バランス制御装置８０２はパルス持続時間のうちの１つを調節し、他方を感知及び電流コントローラ１９５によって自動的に決定し得る。例えば、パルスの総時間が１０ｍｓであるならば、バランス制御装置８０２は正パルス持続時間を、例えば、６ｍｓと設定することができ、その場合、負パルス持続時間を、感知及び電流コントローラ１９５によって自動的に４ｍｓに設定し得る。極性が正又は負のいずれかである時間の百分率を選択するようにもバランス制御装置８０２を構成し得る。例えば、バランス制御装置８０２は、正パルス持続時間について、例えば、６０％を選択することができ、負パルス持続時間は、感知及び電流コントローラ１９５によって自動的に４０％に設定される。その場合には、正パルス及び負パルスのためのｍｓにおける実際の持続時間値を感知及び電流コントローラ１９５によって自動的に設定し得る。パルスの一方（正又は負）のみが所与のときに調節されるようにバランス制御装置８０２を構成し得るのは勿論である。加えて、本考案は、バランスを制御するのに上の方法に限定されず、本考案の精神から逸脱せずに他の手段を用い得る。

感知及び電流コントローラ１９５を１つ又はそれよりも多くの基本（又は基準）ホットワイヤ電流波形で構成し、それを制御装置８０２−８０６に基づき修正する。例えば、図９に例示するように、感知及び電流コントローラ１９５は、正パルス９１２の持続時間が負パルス９１４の持続時間と等しい５０％バランスに設定される基本波形９１０を含み得る。この実施例において、基本波形９１０の正パルス９１２は、溶接波形９００のパルス９０２で同期させられる。用途に基づき、操作者はより長い持続時間に亘ってパッドル１１２の中央にアーク１１０を引っ張ることが望ましいと決定することがある。何故ならば、それは、例えば、アークがより良好な溶接、より安定的なアーク、より効率的なプロセス等をもたらすからである。一例として、操作者は、クラッディング作業が遂行されているので、浸透及び混合を減少させるために、より長い持続時間に亘ってアーク１１０を引っ張ることを欲することがある。よって、操作者は、バランス制御装置８０２を、例えば、５０％ではなく６０％に調節し得る。この操作の効果は、波形９２０に見られるように、基本波形９１０に比べて、正パルス９２２の持続時間を増大させ、負パルス９２４の持続時間を減少させることである。これは５０％のバランスを備える基本波形９１０を用いるよりも長い持続時間に亘ってアーク１１０をワイヤ１４０に向かって引っ張る。

バランス制御装置８０２に加えて、感知及び電流コントローラ１９５は、オフセット制御装置８０４を含み得る。オフセット制御装置８０４は、負極性の振幅に対する正極性の振幅を調節する。即ち、「ゼロ」線を調節してより大きい正の振幅又はより大きい負の振幅をもたらす。例えば、波形９３０は、パルス９３２の振幅（Ｐ’）が基本波形９１０のパルス９１２の振幅（Ｐ）よりも大きく、負パルス０３４の絶対値（Ｎ’）が基本波形９１０の負パルス９１４の絶対値（Ｎ）よりも少ないよう、オフセットが移動させられる、例示的な場合を例示している。振幅がより正であるようにオフセット制御装置８０４を調節することによって、溶接パルス９０２がパルス化されるときの間、パッドル１１２に向かうアーク１１０の偏向は、基本波形９１０よりも大きい。逆に、バックグラウンド溶接電流９０４のときの間、アーク１１０の前方偏向は、基本波形９１０よりも少ない。オフセット調節は如何なる１つの方法にも限定されない。例えば、調節は、実際の電流値に基づいて、例えば、±２００アンペアの範囲（又は任意の他の所望の範囲）における調節を可能にし得る。オフセット調節は、百分率にも関し得る。例えば、＋１０％調節は、図９に示すように、波形９３０がパルス９３２に関してより正のピーク値（Ｐ’）を有し、負のパルス９３４（Ｎ’）についてより低い絶対ピーク値を有するよう、「ゼロ」が、例えば、ピーク間値（又は何らかの他の振幅基準値）に対して、１０％だけ移動させられることを意味する。オフセット制御装置８０４の設定に基づき、感知及び電流コントローラ１９５は、正及び負のピーク値について、アンペアにおける実際の電流振幅を自動的に設定し得る。

感知及び電流コントローラ１９５は、デッドタイムオフセット制御装置８０６も含み得る。「デッドタイム」は、正から負（波形９１０の９１６を参照）及び負から正（９１８を参照）への移行の間にホットワイヤ電流がゼロに保持される時間期間である。デッドタイムオフセット制御装置８０６は、負から正へのデッドタイムに対する正から負へのデッドタイムの比率を調節する。本考案の精神から逸脱せずに他の方法を用いて各デッドタイム９１６及び９１８の持続時間を制御し得るのは勿論である。デッドタイムオフセット調節を用いてアークに対するホットワイヤ磁界の影響を最小限化する。例えば、図１０に例示するように、アーク１１０に対するホットワイヤ磁界がある場合の影響を最小限化するために、ホットワイヤ電流がゼロの値にあるときに溶接電流パルスを有するのが望ましいことがある。溶接パルス９０２がパルス化されないときにパルス９１２がパルスを出さないよう、図１０に示すように位相角Θだけパルス９１２をオフセットさせることによって、これを達成し得る。しかしながら、基本波形９１０は、所望の位相角Θで溶接パルス９０２と依然として干渉し得る負パルス９１４を有する。負パルス９１４の影響を最小限化するために、溶接パルス９０２がホットワイヤ電流波形のデッドタイムと整列するよう、デッドタイム９１６及び９１８の比率を調節するように、デッドタイムオフセット制御装置８０６を構成し得る。図１０の波形９１０’に示すように、デッドタイムオフセット制御装置８０６のデッドタイムを調節することによって、負パルス９１４が正パルス９１２により近く動かされるよう、デッドタイム９１６の持続時間は減少させられ、デッドタイム９１８の持続時間は増大させられる。負パルス９１４を動かすことによって、溶接パルス９０２は波形９１０’のデッドタイム９１８の間にパルスを出し得る。よって、デッドタイムオフセット調節装置８０６の設定に基づき、感知及び電流コントローラ１９５は、各ゼロ移行のためにデッドタイムをｍｓにおいて自動的に設定し得る。

上で議論した例示的な実施態様において見ることができるように、可変極性ホットワイヤ電流波形は、幾つかの利点を挙げるだけでも、例えば、アーク型の電源を用いるシステムにおける安定的な動作、消耗電極からの溶滴移行をデッドタイム又はホットワイヤ電流パルスのいずれかと所望に整列させる能力、溶落ち(burn through)を防止する反対極性動作を遂行する能力のような、多くの利点をもたらし得る。

幾つかの実施態様において、溶接電流波形は、短絡アーク移行(short arc transfer)、表面張力移行(surface tension transfer)(ＳＴＴ)、短絡収縮溶接(shorted retract welding)等のような、短絡アーク型プロセスの溶接電流波形であり得る。図１１は、図１のシステムと共に用い得る短絡アーク移行溶接波形１１００を例示している。電源１３０からワイヤ１４０に出力される例示的な溶接波形１１００は、バックグラウンド電流Ｉ_ＢＳ（１１０３）から電流値Ｉ_ＰＳに傾斜する。バックグラウンド電流位相１１０３の間に、アーク１１０が存在するが、ワイヤ１４０からの材料は移行されない。ワイヤ１４０が溶接パッドル１１２に短絡するとき、溶接電流の値は、ワイヤ１４０からの溶滴が溶接パッドル１１２に移行されるまで（Ｉ_ＰＳを参照、１１０２）増大する（１１０１を参照）。電流値Ｉ_ＰＳは概算値である。何故ならば、その値は移行される各溶滴について異なり得るからである。溶滴が移行されるや否や（１１０２）、電流はバックグラウンド電流Ｉ_ＢＳまで降下する。短絡アーク移行は当該技術分野において知られており、本考案を説明するのに必要である以外は詳細に更に議論しない。

短絡アーク移行（及び他の短絡アーク型プロセス）は、例えば、薄板の接合、クラッディング、肉盛等のような、多くの用途において従来的に用いられている。何故ならば、プロセスは低い熱入力で金属を溶着させるからである。しかしながら、溶着速度は限定的であり得る、例えば、最大約２２５ｉｐｍｗｆｓ（５７１．５ｃｍ／ｍｉｎｗｆｓ）であり得る。ホットワイヤシステム、例えば、ホットワイヤフィーダシステム１０４（図１）と組み合わせられるとき、下で議論するようにホットワイヤ電流波形パルスを溶接波形パルスと同期させることによって、システムの溶着速度は、（ホットワイヤ及び溶接コンシューマブル共）２〜３倍、例えば、０．４５の直径のワイヤについて最大５００ｉｐｍ（１２７０ｃｍ／ｍｉｎ）まで増大し得る。

例えば、消耗ワイヤ１４０がパッドル１１２に触れている間にホットワイヤ電流パルスを提供することは、ワイヤ１４０からの溶滴移行を助ける。ホットワイヤ電流及び溶接電流の極性は同相にあるので、ホットワイヤ電流パルスからの磁界は、ワイヤ１４０からの溶滴を引っ張り、短絡アーク移行プロセスを助けるのに役立つ。よって、ホットワイヤ電流パルスを同期させてワイヤ１４０がパッドル１１２に短絡させられる時間期間と整列させるように、本考案の例示的な実施態様を構成し得る（波形１１００の１１０１を参照）。

例えば、感知及び電流コントローラ１９５（又は何らかの他の装置）は、ワイヤ１４０が溶接波形１１００の期間１１０１中に短絡させられるときにパルス１１１２が開始されるように、電流パルス１１１２を同期させ得る。パルス１１１２及び１１０１での溶接電流は同じ極性を有するので、磁界は図６Ａに示す構成にある。よって、磁界の正味力はワイヤ１４０及び１４５を互いにより近づけさせることを欲する。正味磁力はワイヤを偏向させるほどに強くないので、溶接電源１３０が短絡アーク移行プロセスを遂行するときに、この力はワイヤ１４０からの溶滴を移行させる（「引っ張る」）のを助ける。図１１の例示的な実施態様において、感知及び電流コントローラ１９５（又は何らかの他の装置）が、ワイヤ１４０がパッドル１１２に短絡させられたことを感知するや否や、パルス１１１２が開始する。短絡を感知する方法は限定的でない。例えば、感知及び電流コントローラ１９５は、アーク電圧Ｖ_１、電流Ｉ_１、電源１３０からの電力等のようなフィードバックを用いて、ワイヤ１４０がパッドル１１２と短絡したときを感知し得る。しかしながら、上で議論した例示的な実施態様におけるように、ホットワイヤパルスの開始は、位相角だけ溶接プロセスに基づき所望に異なり得る。加えて、上の例示的な実施態様におけるように、パルス１１１２の幅及び振幅は、所望に異なり得る。

幾つかの実施態様では、短絡アーク移行の「ピーク及びテイルアウト」(“peak & tailout”)期間中に、アーク１１０をホットワイヤ１４５に向かって引っ張ることが望ましい。例えば、アーク１１０がパッドル１１２の上に配置されるならば、アーク１１０は、トーチ１２０が前方に進行するときに、パッドル１１２をウォッシュアウトする（洗い出す）のを助け得る。これを達成するために、感知及び電流コントローラ１９５（又は何らかの他の装置）は、ホットワイヤ電流パルス１１１４が波形１１００の「ピーク及びテイルアウト」期間、即ち、アーク放電（アーキング）期間と整列するよう、ホットワイヤ電流波形１１１０を短絡アーク移行波形１１００と同期させ得る（図１１を参照）。パルス１１１４及び波形１１００は同じ極性を有するので、アーク１１０は、図６Ａに示すように、パッドル１１２の上に更に引っ張られる。上で議論した例示的な実施態様と同様に、感知及び電流コントローラ１９５は、パルス１１１４がいつ開始させられるべきかを制御するために、アーク電圧Ｖ_１、電流Ｉ_１、電源１３０からの電力等のようなフィードバックを用いて、ワイヤ１４０がアーク放電期間にあるときを感知し得る。加えて、パルス１１１４の開始を位相角だけ所望に遅延させ得る。更に、パルス１１１４の幅及び振幅を所望に変更し得る。逆に、幾つかの実施態様において、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ１４５を通じる電流を増大させ且つワイヤフィーダ１５５を制御することによってワイヤ送り速度を増大させるために、アーク電圧Ｖ_１、電流Ｉ_１、電源１３０からの電力のようなフィードバックを用いて、ワイヤ１４０が短絡させられるときを感知し得る。これは溶着速度を増大させるが、ホットワイヤ電流の増大はアークに影響を及ぼさない。何故ならば、ワイヤ１４０はパッドル１１２に短絡させられ、アークがないからである。

例示的な波形１１１０に例示するように、パルス１１１２が上述のような溶滴の移行を助け、パルス１１１４がアーク１１０を引っ張ってパッドル１１２をウォッシュアウトし（洗い出し）得るよう、ホットワイヤ電流パルス１１１２及び１１１４を同じ波形に含め得る。本考案の実施態様がパルス１１１２及びパルス１１１４の一方のみを所望に含み得るのは勿論である。

幾つかの実施態様では、波形１１００の「ピーク及びテイルアウト」期間中にアーク１１０をパッドル１１２の前方に押すのが望ましくあり得る。アークを前方に押すことによって、「湿潤作用」を向上させるために、アーク１１０はワークピース１１５を予加熱し得る。上で議論したように、アーク１１０をパッドル１１２の前方に押すために、ホットワイヤ電流パルス及び溶接電流パルスは反対の極性にあることが必要である。従って、本考案の幾つかの実施態様では、可変ホットワイヤ電流波形が短絡アーク型プロセスと共に用いられる。図１１に示すように、ホットワイヤ電流波形１１２０は、負パルス１１２４を含む。負パルス１１２４は、波形１１００の「ピーク及びテイルアウト」期間と同期させられる。パルス１１２４及び波形１１００は反対の極性にあるので、この時間期間の間に、アーク１１０はパッドル１１２の前方に押される。上で議論した他の例示的な実施態様と同様に、パルス１１２４が波形１１０の「ピーク及びテイルアウト」期間内のどこででも所望に開始して用途の必要を満足するよう、位相角を変更し得る。加えて、例えば、バランス制御装置８０２及びオフセット制御装置８０４をそれぞれ用いることによって、パルス１１２４の幅及び振幅を所望に変更し得る。

例示的な波形１１２０は、溶接波形１１００の短絡期間と同期させられる（１１０１を参照）パルス１１２２も含み得る。パルス１１２２の効果は、上で議論した例示的な実施態様のパルス１１１２の効果と類似する、即ち、パルス１１２２は、ワイヤ１４０が短絡させられる間に、ワイヤ１４０から溶滴を移行させるのを助ける。従って、パルス１１２２を更に議論しない。幾つかの例示的な実施態様では、パルス１１２２が上で議論したように溶滴を移行させるのを助け、パルス１１２４がアーク１１０を押してワークピース１１５を予加熱し得るよう、パルス１１２２及び１１２４を同じ波形に含め得る。幾つかの実施態様がパルス１１２２及び１１２４の一方のみを所望に含み得るのは勿論である。

ＤＣ及び可変極性ホットワイヤ電流波形を備える描写の例示的な実施態様に関してＧＭＡＷシステムを示し且つ議論しているが、接合／溶接、クラディング、鑞接、及びこれらの組み合わせ等を含む用途において本考案の例示的な実施態様をＴＩＧ、プラズマ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ、及びＳＡＷシステムと共に用い得ることが留意されるべきである。ＴＩＧ及びプラズマシステムを用いるならば、電極はコンシューマブルでないのは勿論である。

本考案の例示的な実施態様を参照して本考案を具体的に示し且つ記載したが、本考案はこれらの実施態様に限定されない。当業者は以下の請求項によって定められるような本考案の精神及び範囲から逸脱せずに形態及び詳細における様々な変更を行い得ることを理解するであろう。

１００システム
１０２アーク溶接システム
１０４タンデムホットワイヤシステム
１１０アーク
１１２パッドル
１１５ワークピース
１１７パッドル
１２０トーチ
１２５コンタクトチューブ
１３０電源
１３５電源
１４０溶接電極／ワイヤ
１４５ワイヤ
１５０ワイヤフィーダ
１５５ワイヤフィーダ
１８０運動コントローラ
１９０ロボット
１９５感知及び電流コントローラ
２０１溶接波形
２０２電流パルス
２０３電流波形
２０４電流パルス
２０５加熱電流波形
２０６パルス
２０７ワイヤ電流
２０８パルス
２１０バックグラウンドレベル
２１１バックグラウンドレベル
３１０ホットワイヤ波形
３１０’ 波形
３１２ピークパルス
３１２’ パルス
３１４バックグラウンド電流
３１４’ バックグラウンド電流
４０１電流
４０２電流／パルス
４０３ホットワイヤ電流
４０４正パルス
４０５負パルス
４０６バックグラウンド部分
７１０溶接電流波形
７１２パルス
７１４バックグラウンド電流レベル
７２０ワイヤ電流波形
７２２正パルス
７２４負パルス
８０２バランス制御装置
８０３制御
８０４オフセット制御装置
８０５制御
８０６デッドタイムオフセット制御装置
８０８バックグラウンド電流制御装置
９００溶接波形
９０２パルス
９１０基本波形
９１０’ 波形
９１２正パルス
９１４負パルス
９１６デッドタイム
９１８デッドタイム
９２０波形
９２２正パルス
９２４負パルス
９３０波形
９３２パルス
９３４波形
１１００溶接波形
１１０１期間
１１０２期間
１１０３バックグラウンド電流
１１１２パルス
１１１４パルス
１１２２パルス
１１２４パルス
Ｉ_１溶接電流
Ｉ_２溶接電流
Ｖ_２電圧
Θ 角度
Ｉ_ＢＳ電流値
Ｉ_ＰＳ電流値

Claims

トーチと、
第１のワイヤフィーダと、
第１の電源と、
第２のワイヤフィーダと、
第２の電源と、
コントローラとを含み、
前記第１のワイヤフィーダは、第１のワイヤを前記トーチに送り、
前記第１の電源は、前記トーチを介して溶接電流波形を前記第１のワイヤに出力し、前記溶接電流波形は、前記第１のワイヤがワークピースと接触して前記第１のワイヤの一部を溶解して移行するときに出力される第１の電流セグメントと、前記第１のワイヤと前記ワークピースとの間のアーク放電期間の間に出力される第２の電流セグメントとを含み、アークは前記ワークピースの上に溶融パッドルを創り出し、
前記第２のワイヤフィーダは、コンタクトチューブを介して第２のワイヤを前記溶融パッドルに送り、
前記第２の電源は、加熱電流波形を出力し、該加熱電流波形は、前記溶接電流波形及び前記加熱電流波形によって創り出される磁界に基づき前記第１のワイヤの前記一部の前記移行に影響を及ぼす第１の加熱電流パルスと、前記溶接電流波形及び前記加熱電流波形によって創り出される磁界に基づき前記溶融パッドルに対する前記アークの位置に影響を及ぼす第２の加熱電流パルスとの少なくとも一方を含み、前記第２の電源は、前記コンタクトチューブを介して前記加熱電流波形を前記第２のワイヤにもたらし、
前記コントローラは、前記第１の加熱電流パルスを前記第１の電流セグメントと同期させる第１の同期及び前記第２の加熱電流パルスを前記第２の電流セグメントと同期させる第２の同期のうちの少なくとも一方を行う、
溶接システム。
前記加熱電流波形は、前記第１の加熱電流パルス及び前記第２の加熱電流パルスの両方を含み、
前記コントローラは、前記第１の同期及び前記第２の同期の両方を行う、
請求項１に記載の溶接システム。
前記アークの前記一部に影響を及ぼすことは、前記磁界が同じ方向に流れるよう設定することによって前記アークを前記第２のワイヤに向かって偏向させること、及び前記磁界が反対の方向に流れるよう設定することによって前記アークを前記第２のワイヤから離れる方向に偏向させることを含む、請求項１又は２に記載の溶接システム。
前記加熱電流波形は、前記第１の加熱電流パルス又は前記第２の加熱電流パルスを含み、
前記第２の加熱電流パルス及び前記第２の電流セグメントは、同一の極性を有し、且つ／或いは
前記第２の加熱電流パルス及び前記第２の電流セグメントは、反対の極性を有し、
且つ／或いは、
前記コントローラは、前記第１の同期を行い、該第１の同期は、前記第１のワイヤが前記溶融パッドルに短絡させられるときからの所望の位相角で開始するよう、前記第１の加熱電流パルスを同期させることを含み、
且つ／或いは、
前記コントローラは、前記第１の同期を行い、前記第１の同期は、前記アーク放電期間の開始からの所望の位相角で開始するよう、前記第２の加熱電流パルスを同期させることを含む、
請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
前記コントローラは、前記第１の電源の出力電圧及び出力電流の一方を用いて、前記第１のワイヤが前記溶融パッドルに短絡するときを決定し、且つ／或いは
前記コントローラは、前記第１の電源の出力電圧及び出力電流の一方を用いて、前記第１のワイヤが前記アーク放電期間にあるときを決定する、
請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
前記溶接電流波形は、短絡アーク移行プロセス、表面張力移行プロセス、又は短絡収縮溶接プロセスに対応する波形である、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。