JP3205264U - 溶接継手において自動アークステアリングと共にアーク溶接を行う方法及びアーク溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】自動アークステアリングを有するアーク溶接システムを提供する。【解決手段】溶接継手１４５において、アーク及び／又はトーチヘッドを誘導するためのシステム１００であって、システム１００は、少なくとも１つのワークピース１１５に形成された溶接溝部内にアークを生成するトーチヘッド１２０を含む。システム１００は、アークの電圧、アークの電流、トーチ電源の電力出力及びコンタクトチップ−溶接間距離のうちの少なくとも１つを監視するフィードバックシステムを含む制御ユニット１９０も含む。制御ユニット１９０は、監視に対応するフィードバック信号を出力する。制御ユニット１９０は、溶接溝部におけるアーク及びトーチヘッド１２０のうちの少なくとも１つの位置に対応する少なくとも１つの所定値とフィードバック信号を比較する比較回路も含む。制御ユニット１９０は、比較に基づきステアリング信号を出力するアークステアリングシステムを更に含む。【選択図】図１Ａ

Description

（関連出願）
本願は、米国特許出願第１３／４３８，７０３号の一部継続出願であり、これに利益を主張し、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。

本考案は、請求項１に記載のアーク溶接システムと、請求項９に記載のアークステアリング（ａｒｃ ｓｔｅｅｒｉｎｇ）と共にアーク溶接を行う方法と、に関する。特定の実施形態は、アーク溶接施工に関する。更に、特定の実施形態は、アーク溶接／接合施工における溶接継手において、アーク及び／又はトーチを誘導すること（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）に関する。

ガス遮蔽タングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：ｇａｓ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）、ガスシールド金属アーク溶接（ＧＭＡＷ：ｇａｓ−ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔａｌ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ：ｐｌａｓｍａ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）などの関連したアーク溶接システムにおいて、トーチヘッドが溶接溝部の壁に対して適切に位置付けられていない場合、溶接の質は悪影響を受ける。例えば、溶接溝部の側壁の鉄系材料がアークと干渉する可能性があるので、不適切に位置付けられるトーチヘッドのアークは、溶接の底部よりはむしろ、側壁へと移動する可能性がある。反対に、トーチヘッドが側壁から非常に離れて位置付けられている場合、フィラー材は側壁に対して適切に堆積されない。更に、溶接プロセスの開始時で適切に位置付けられたトーチヘッドであっても、溶接プロセス中に再度調整する必要があるかもしれない。これは、ワークピースの側壁の整列が真っ直ぐ正確ではなく、溶接溝部の側壁に対するトーチヘッドの相対位置が変化するから、つまり、トーチヘッドが溶接溝部の長さを移動するにつれて、溶接ヘッドと溝の側壁との間の距離がより小さく、あるいは、より大きくなるからである。加えて、一部の場合、溶接溝部の幅は、溶接溝部を加工する際の偏差（ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ）に起因してその長さに沿って変化する可能性もある。従って、溶接溝部における不整合及び幅の変化を考慮すると、機械的振動、磁気的振動及び／又はグランド切り替え（ｇｒｏｕｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が使用される状況において、トーチヘッドの位置及び／又はアーク振動の幅は、調整される必要がある。それ故、たとえ「自動」溶接プロセスであっても、オペレータは、溶接動作を見て、トーチヘッドの位置及び／又はアーク振動の幅を常に調整する必要がある。

図面を参照して、そのようなやり方を本願の以下で明記された本考案の実施形態と比較することを通して、従来の、典型的な、かつ、提案されたやり方の更なる限定及び欠点が、当業者にとって明らかになるだろう。

本考案の目的は、前述の制限及び欠点を克服することである。この課題は、請求項１に記載の自動アークステアリング（ａｕｔｏｍａｔｅｄ ａｒｃ ｓｔｅｅｒｉｎｇ）を有する溶接システムによって、かつ、請求項９に記載のアークステアリングと共にアーク溶接を行う方法によって解決される。本考案の更なる実施形態は、従属請求項の対象である。本考案の実施形態は、アーク溶接／接合施工のためのシステムにおいて、溶接継手における、アーク及び／又はトーチヘッドを誘導する（ｓｔｅｅｒ）ための方法及びシステムを含む。本考案の一部の例示的な実施形態は、溶接溝部におけるアーク及び／又はトーチヘッドの位置の指示を受け取るフィードバック回路を有する、自動アークステアリングシステムを含む。アークステアリングシステムは、アーク及び／又はトーチヘッド位置指示を所定値と比較する比較回路も含む。所定値は、溶接溝部における所定の地点に対するアーク及び／又はトーチヘッドのための所望の電圧及び／又は電流の値でよい。アークステアリングシステムは、アークステアリング装置を更に含み、当該装置は、アーク及び／又はトーチヘッド位置と所定値との比較に基づき、アーク及び／又はトーチヘッドを位置付ける。

一部の実施形態において、システムは、少なくとも１つのワークピースにおいて形成される溶接溝部内でアークを生成するトーチヘッドに動作可能に接続されるトーチ電源を含む。システムは、アークの電圧、アークの電流、トーチ電源の電力出力及びコンタクトチップ−溶接間距離（ｃｏｎｔａｃｔ ｔｉｐ ｔｏ ｗｅｌｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ）のうちの少なくとも１つを監視するフィードバックシステムを有する制御ユニットを含む。制御ユニットは、監視に対応するフィードバック信号を出力する。制御ユニットは、溶接溝部におけるアーク及びトーチヘッドのうちの少なくとも１つの位置に対応する少なくとも１つの所定値とフィードバック信号を比較する比較回路も含む。制御ユニットは、比較に基づきステアリング信号を出力するアークステアリングシステムを更に含む。ステアリング信号は、溶接溝部におけるアーク及びトーチヘッドのうちの少なくとも１つの位置を制御するように使用される。方法の好ましい実施形態によると、前記フィードバック信号は前記アークの前記電圧に基づき、前記第１の所定値は９Ｖであり、前記第２の所定値は１１Ｖである。

一部の実施形態において、方法は、少なくとも１つのワークピースに形成された溶接溝部内でアークを生成する工程も含む。また、方法は、アークの電圧、アークの電流、トーチヘッドの電力出力及びコンタクトチップ−溶接間距離のうちの少なくとも１つを監視する工程と、監視に対応するフィードバック信号を出力する工程とを含む。方法は、溶接溝部におけるアーク及びトーチヘッドのうちの少なくとも１つの位置に対応する少なくとも１つの所定値とフィードバック信号を比較する工程と、比較に基づきステアリング信号を出力する工程と、を更に含む。方法は、ステアリング信号に基づき溶接溝部におけるアーク及びトーチヘッドのうちの少なくとも１つの位置を制御する工程を追加的に含む。

請求項に係る考案のこれらの特徴やその他の特徴は、本考案の図示された実施形態の詳細と同様に、以下の説明及び図面からより完全に理解されるだろう。

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形態を詳細に説明することによってより明白になるだろう。
任意のろう付け、クラッディング、肉盛、充填、硬化、オーバーレイ、接合及び溶接施工のためのシステムの例示的な実施形態の機能的な概略ブロック図である。 図１Ｂとは異なる、任意のろう付け、クラッディング、肉盛、充填、硬化、オーバーレイ、接合及び溶接施工のためのシステムの例示的な実施形態の機能的な概略ブロック図である。 図１Ａ及び図１Ｂのシステムによって作り出され得る例示的な振動パターンの図である。 図１Ａ及び図１Ｂのシステムによって作り出され得る例示的な振動パターンの図である。 図１Ａ及び図１Ｂのシステムによって作り出され得る例示的な振動パターンの図である。 図１Ａ及び図１Ｂのシステムによって作り出され得る例示的な振動パターンの図である。 配管における、任意のろう付け、クラッディング、肉盛（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｕｐ）、充填、硬化、オーバーレイ、接合及び溶接施工のためのシステムの例示的な実施形態の機能的な概略ブロック図である。 図３のセクションＡＡの拡大図である。 図３のシステムを使用して溶接され得る例示的な溶接継手の図である。 例示的な溶接継手においてアークスイープ（ａｒｃ ｓｗｅｅｐ）のさまざまな地点における例示的なアーク電圧値の図である。

添付の図を参照して、本考案の例示的な実施形態を以下で説明する。説明した例示的な実施形態は、本考案の理解を援用するものであって、決して本考案の範囲を限定するように意図するものではない。全体を通して、同様の参照符号は同様の要素を示す。

図１Ａ及び図１Ｂは、溶接／接合施工のための例示的なシステム１００の異なる図を図示する。明確にするために、特定の構成要素を図示しない。システム１００は、ＧＴＡＷシステムなどのアーク溶接システムを含む。ＧＴＡＷシステムが図示されているが、本考案は、ろう付け、クラッディング、肉盛、充填、硬化、オーバーレイ、接合及び溶接施工のためのアークを使用する任意の自動システムと作動する。図１Ａに示すように、システム１００は、タングステン電極１７２に動作的に接続される電源１７０を含み、タングステン電極１７２はトーチヘッド１２０に収容される。電源１７０はアーク１１０を生成するアークスターター（図示しない）を有することができ、かつ／あるいは、電源１７０はアーク１１０を「トーチ」開始するように構成され得る。電源１７０は、溶接電流を電極１７２及びアーク１１０を介してワークピース１１５に提供する。アーク１１０は、ワークピース１１５を加熱して溶接パドル１４５を生成する。一部の実施形態において、交流電流（ＡＣ）又は他の種類の電源も可能であるが、電源１７０はパルス直流電流（ＤＣ）電源である。一般的なアーク溶接は公知であるので、詳細には議論しない。

図１Ｂに示すように、システム１００は、磁気アーク振動システム１３０も含むことができる。磁気アーク振動システム１３０は、磁気ヘッド１３７、磁極１３５及び電源１３１を含む。磁極１３５は、ヘッド１３７によって正極又は負極のいずれかを有するように設定され得る。磁極１３５の極性は、アーク１１０がどこに向けられるのか、つまり、磁極１３５に向かうのか、あるいは、磁極１３５から離れるのかいずれかを判定する。一部の実施形態において、磁気アーク振動システム１３０は、磁場の強度を変化させてアーク１１０の撓み量（ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を制御することもできる。磁気アーク振動システム１３０は、アーク１１０を振動するように構成されて、矢印１３２で示すようなスイープ動作（ｓｗｅｅｐｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）（「アークスイープ」）を作り出すことができる。アークスイープ１３２は、ウィービングパターン（ｗｅａｖｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ）を作り出すことによって溶接ビード形状を向上させるように使用され得る。例えば、磁気アーク振動システム１３０は、溶接の「キャップ（ｃａｐ）」パスなどのより幅広い溶接パス上で使用され得る。エッジを溶接する熱の量が制御され得るので、この技術はよりよい側壁融合（ｓｉｄｅｗａｌｌ ｆｕｓｉｏｎ）を提供する。磁気アーク振動システム１３０は、アンダーカットを最小化する隅肉溶接（ｆｉｌｌｅｔ ｗｅｌｄ）のために使用され得る。更に、異なる厚さの材料を接合するとき、アーク振動は、より薄いワークピースのアンダーカットを防ぎつつ、より厚いワークピースに十分に浸透するように制御され得る。図２Ａから図２Ｄは、磁気アーク振動システム１３０によって作り出され得るアークスイープパターンの一部の例を提供する。もちろん、本考案は、図示したアークスイープパターンに限定されず、所望の溶接ウィーブパターンを作り出す任意のアークスイープパターンが使用され得る。加えて、アーク溶接システムと組み合わせた磁気アーク振動の方法及びシステムは、本明細書に参照として全体に組み込まれている、米国特許出願第１３／４３８，７０３号明細書に開示されている。従って、磁気アーク振動技術については、これ以上議論しない。

図１Ｂに図示したように、システム１００は、機械的ステアリング装置１８０を更に含むことができる。機械的ステアリング装置１８０は、ブラケット１８５を介してトーチヘッド１２０に動作的に接続される。ブラケット１８５は、矢印１８２で示すように、溶接溝部の一方の側部から他方へとトーチヘッド１２０を誘導する（ｓｔｅｅｒ）ために制御され得る。もちろん、トーチヘッドが溶接溝部内の所望の位置に移動され得る限り、他のステアリング方法及び装置が使用され得る。トーチヘッドに対する磁極１３５の相対位置が一定であるように、磁気アーク振動システム１３０と共に使用するとき、ブラケット１８５も振動システム１３０に動作的に接続され得る。従って、磁気アーク振動システム１３０が所望の溶接ウィーブパターンを作り出すために、トーチヘッド１２０／磁気振動システム１３０が適切な位置にあるように、機械的ステアリング装置１８０は、トーチヘッド１２０／磁気振動システム１３０を溶接溝部に位置付けることができる。一部の実施形態において、機械的ステアリング装置は、磁気アーク振動システム１３０と同様のトーチヘッド１２０（及びアーク１１０）を振動して、例えば、上述したようなウィーブパターンを作り出すように使用され得る。

システム１００は、ワークピース１１５Ａ及び１１５Ｂにおける少なくとも２つのグランド（ｇｒｏｕｎｄｓ）間で切り替わることができるグランド切替回路（ｇｒｏｕｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）１９５も含むことができる（図１Ｂ参照）。１つのグランドのみが任意の所定時間で作動するように、グランド切替回路１９５はグランド１９６Ａ及び１９６Ｂに動作的に接続される。グランド１９６Ａ及び１９６Ｂは、ワークピース１１５Ａ及び１１５Ｂにそれぞれ配置される。グランド切替回路１９５は、アーク１１０の方向を制御するか、あるいは、導くために、作動中のグランドを切り替えるように構成され得る。例えば、一部の実施形態において、グランド切替回路１９５がアーク１１０におけるスイープ動作を作り出して所望の溶接ウィーブパターンを作り出すように制御される。一部の実施形態において、Ｈブリッジ回路は作動中のグランドを切り替えるように使用され得る。一般的なＨブリッジ回路は、周知技術であるのでこれ以上議論しない。上記の例示的な実施形態は、各ワークピースにおける１つのグランドを示す。しかしながら、戦略的に配置された任意の数のグランドは、所望の溶接ウィーブパターンを作り出すように使用され得る。

電源１７０、電源１７５、磁気振動システム１３０、機械的ステアリング装置１８０、ワイヤ供給機１５０及びグランド切替回路１９５のうちの１つ以上は、感知及び制御ユニット１９０に接続され得る。一部の実施形態において、制御ユニット１９０は制御ロジックを含み、これは、溶接状態に基づいて、機械的ステアリング装置１８０を介して溶接継手においてトーチヘッド１２０を自動的に誘導する（ｓｔｅｅｒ）。制御ユニット１９０は、溶接溝部の側壁に対するアーク１１０及び／又はトーチヘッド１２０の近接性を判定するために、コンタクトチューブ１６０における電圧（Ｖ）と、システムに流れる電流（Ｉ）とを測定する電圧及び電流センサから、フィードバック信号を受け取ることもできる。もちろん、一部の実施形態において、フィードバックが側壁に対するアーク１１及び／又はトーチヘッド１２０の位置の指示を提供することができる限り、電源１７０の電力出力、コンタクトチップ−溶接間距離（ＣＴＷＤ：ｃｏｎｔａｃｔ ｔｉｐ ｔｏ ｗｅｌｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ）などといった、他のフィードバック信号が使用され得る。フィードバック信号は、次いで、トーチヘッド１２０及び／又はアーク１１０を自動的に誘導する（ｓｔｅｅｒ）ように使用され得る。例えば、溶接動作（例えば、ＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＰＡＷなど）、材料の種類、溶接パスの数（単一パス／多数パスの溶接）などに基づき、アークスイープに沿ったアーク１１０の１つ以上の位置のために、制御ユニット１９０（又は一部の他の同様の装置）は、アーク１１０のための所望のアーク電圧及び／又は電流の値を有して構成され得る。例えば、図６は、アーク１１０が一方の側壁から他方へとスイープするように構成される実施形態を図示している。磁気アーク振動システムは、左の側壁の基部に対してアーク１１０を屈折させる、磁極１３５を介した左の磁場と、右の側壁の基部に対してアーク１１０を屈折させる右の磁場とを提供するように構成される。磁場がオフになると、アーク１１０はトーチヘッド１２０の下方の中心位置にある。もちろん、磁気アーク振動システムは、溶接の必要性に基づき異なって配置され得る。例えば、トーチヘッド１２０が中央よりはむしろ側壁の一つを越えるように、トーチヘッド１２０は設定され得る。そのような場合、磁気アーク振動システムは、一方の側壁（磁場がオフ）から他方の側壁（磁場がオン）へとアーク１１０を移動させる。他の実施形態において、磁場の強度は、連続的に変化されて、単なる離散値よりはむしろ溶接溝部における任意の位置、例えば、左の側壁、右の側壁、中心などにアーク１１０を導くことができる。

図６における実施形態に関し、アークが側壁から離れるか、右の側壁にあるか、あるいは、左の側壁にあるかどうかに基づいて、アーク１１０は異なる所望のアーク電圧を有することができる。つまり、本考案の例示的な実施形態において、溶接動作での任意の所定の瞬間又は場所に関する所望のレベル又は閾値電圧レベルは、電極の位置付け、溝の形状などを含むがこれらに限らない異なる要因を考慮して変化するだろう。例えば、中心の磁場位置において、所望のアーク電圧フィードバックは、例えば、１２Ｖから１５Ｖでよく、左右の側壁（つまり、左右の磁場位置）では、所望のアーク電圧は、例えば、９Ｖから１１Ｖでよい。所望のシステムの実施形態の制御は、多くの異なる方法において生じることができる。例えば、アーク電圧を監視することから生じるフィードバックは、溶接動作中に特定の間隔で、溶接プロセス中の特定の位置で利用され、かつ／あるいは、フィードバックは、溶接プロセス（又はこれら手法の任意の組み合わせ）中、連続的でもよい。例えば、一部の実施形態において、アーク１１０がアークスイープに沿う特定の位置にある間、例えば、アーク１１０が磁極１３５によって右、左又は中心に位置付けられるとき、例えば、アーク電圧といったフィードバック信号は監視され得る。他の実施形態において、アーク１１０に対応するフィードバック信号は、一方のアーク位置から他方へ移動する間であっても、連続的に監視される。更に他の実施形態において、フィードバック信号は、所望の周波数で、例えば、全てのＮアークスイープで測定されるか、あるいは、断続的に適切な動作を検証するように測定される。更なる例示的な実施形態において、フィードバック信号は、例えば、毎時５ｍｓから２０ｍｓといったある時間間隔後に利用され得る。例えば、他の時間間隔及び手法が、本考案の精神又は範囲から逸脱することなく使用され得る。

例えばアーク電圧といったフィードバック信号や、例えば左、右、中心位置といったアーク位置に関する情報に基づき、制御ユニット１９０は、検出された電圧が任意の所定位置における所望の電圧と異なるかどうかを判定することができる。例えば、本考案の実施形態は、トーチヘッド１２０と側壁との間の距離が何らかの理由で変化したかどうか、例えば、トーチヘッド１２０が、ドリフトしていることや、側壁でずれているかどうかを判定することができる。例えば、アーク１１０の電圧が右の磁場位置で８Ｖ、中心の磁場位置で１２Ｖ、左の磁場位置で１２Ｖであることを制御ユニット１９０が分かると、制御ユニット１９０はトーチヘッド１２０が右へドリフトしていること、そして、トーチヘッド１２０が左に移動する必要があることを判定する。同様に、例えば、ワークピースの位置ずれ、溶接溝部の幅における意図的な設計変更などといった何らかの理由で溶接溝部が変わったので、制御ユニット１９０は、アークスイープの幅が調整される必要があるかどうかをフィードバック信号に基づき判定するように設定され得る。例えば、制御ユニット１９０が、アーク１１０の電圧が左右の磁場位置において８Ｖであり、中心の磁場位置で１２Ｖであると分かる場合、制御ユニット１９０は、溶接溝部が狭められたことや、狭められた溶接壁で適切な溶接を確実にするように磁場の強度又は他の溶接設定が調整される必要があることを判定することができる。

一部の実施形態において、例えばアーク電圧といったフィードバック信号に対する所定値に基づいて、適切な調整がトーチヘッド１２０の位置及び／又は磁場強度に対して行われるように、システム１００は設定され得る。例えば、一部のシステムにおいて、例えば９Ｖより小さい低アーク電圧は、アーク１１０が溶接溝部の側壁に近すぎることや、アーク状態の潜在的な短絡及び／又は損失が存在することを示している。反対に、例えば１１Ｖより大きな高アーク電圧は、アーク１１０が溶接溝部の側壁から離れていることを示している。そのようなシステムにおいて、制御ユニット１９０は、以下の２点を行うように構成される。１）アーク１１０が左又は右の磁場位置にあり、アーク電圧が例えば９Ｖといった所定の低いレベルを下回るとき、制御ユニット１９０は、トーチヘッド１２０が側壁に近すぎることを判定する。２）アーク１１０が左又は右の磁場位置にあり、アーク電圧が例えば１１Ｖといった所定の高いレベルよりも大きいとき、制御ユニット１９０は、対応する左又は右の位置におけるトーチ１２０が側壁から離れすぎていることを判定する。従って、アークスイープにおける１つ以上の地点からのフィードバック信号に対する所定の低い及び高いレベル（例えば、左、右及び中心の磁場位置における電圧）を比較することによって、機械的ステアリング装置１８０を使用して溶接溝部内にトーチヘッド１２０を適切に移動させるように、かつ／あるいは、磁気アーク振動システム１３０を使用してアークスイープの幅を変えるように、制御ユニット１９０は構成され得る。つまり、アーク電圧が所定の低いレベルを下回る場合、制御ユニット１９０は側壁から離れてトーチへ１２０を誘導する（ｓｔｅｅｒ）ように構成される。あるいは、フィードバック電圧が高すぎるとき（例えば、１２Ｖから１５Ｖ）、制御ユニット１９０はトーチヘッド１２０を側壁に向けて誘導する（ｓｔｅｅｒ）ことができる。制御ユニット１９０は、例えば、左、右、中心といったアーク１１０の位置を提供することができる磁気アーク振動システム１３０と通信するので、どの方向にトーチヘッド１２０を誘導する（ｓｔｅｅｒ）のかが分かる。

一部の実施形態において、制御ユニット１９０は、トーチヘッド１２０を誘導する（ｓｔｅｅｒ）ために、機械的ステアリング装置１８０に動作的に接続される。制御ユニット１９０は、所定の自動ステアリング値を用いてプログラム化され得る。所定の自動ステアリング値は、溶接される材料、ワークピース１１５Ａ及び１１５Ｂの厚さ、プロセスがＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＰＡＷなどかどうか、かつ／あるいは、プロセスが単一パスの溶接か、あるいは、多数パスの溶接かどうか、などに基づく。代替的に、あるいは、追加的に、制御ユニット１９０は、順応性制御を使用して溶接プロセス中の自動ステアリング値を判定するか、あるいは、「微調整」することができる。一部の実施形態において、自動ステアリング値は、ユーザ設定可能又は調整可能でよい。

トーチ２１０における電圧及び／又は電流を測定し、上記で議論したように自動的にトーチ１２０を誘導する（ｓｔｅｅｒ）ことによって、本考案は、溶接されるワークピースにおける位置ずれを自動的に修正する。例えば、図３には、電極１７２を有するトーチヘッド１２０及び磁気振動システム１３０が溶接ヘッドトラクターユニット３１５に取り付けられる本考案の別の例示的な実施例が図示される。パイプセグメント３３０Ａ及び３３０Ｂを接続するパイプユニット３２０を溶接するための球状溶接システムにおいて、トラクターユニット３１５は、ガイドトラック３１０に沿って移動する。例示的な球状溶接システムの構成要素は、共に係属中の２０１２年１１月１３日に出願された米国特許出願第１３／６７５，１６８号で議論され、本明細書に全体的に参照として取り入れられる。従って、簡潔化のために、本考案の説明に関連する球状溶接システムのこれらの構成要素だけが以下で議論される。ガイドトラック３１０の径方向平面がパイプセグメント３３０Ｂの縦軸に対して垂直であるように、ガイドトラック３１０はパイプセグメント３３０Ｂの全周囲で設定される。図示したように、中心線３３５のいずれかの側において、パイプ継手３２０は２つのパス、つまり、溶接パスＸ_Ａ及びＸ_Ｂをとって溶接する。これを達成するために、トーチヘッド１２０が溶接パスＸ_Ａの中間点にあるように、機械的ステアリング装置１８０はトーチヘッド１２０を位置付けることができる。図３のセクションＡＡの拡大である図４に図示するように、トーチ１２０は溶接パスＸ_Ａの中間点である線４１０Ａに初めから位置付けられる。磁気発振器１８０及び／又はグランド切替回路１９５がアーク１１０を一方から他方へとスイープして溶接４２０を作り出すために、溶接４２０は溶接継手の約半分を覆う。しかしながら、時々ある場合のように、溶接継手は直線及び正確でなくてもよく、つまり、溶接溝部の側壁はパイプセグメント３３０Ａ及び３３０Ｂの縦軸に対して垂直でなくてもよい（図４参照）。従って、溶接トラクターヘッド３１５がガイドトラック３１０の下方に移動するように（図３参照）、溶接４２０は側壁に近づきすぎる。これは、側壁付近での、質の悪い溶接及び／又はアーク安定性に関わる問題を生じさせる。また、第１溶接パスＸ_Ａが溶接継手３２０の半分を予想通りに覆わないので、第２溶接パスＸ_Ｂの被膜率（ｃｏｖｅｒａｇｅ）は悪影響を受けるだろう。従って、従来型溶接システムでは、トーチヘッド１２０を再度中心に置くことによって、オペレータは、いかなる位置ずれの問題も手動で調整していた。

しかしながら、上記で議論したように、制御ユニット１９０（又は他の同様の装置）は、側壁に対するアーク１１０及び／又はトーチヘッド１２０の位置を判定するために、例えばアーク電圧といったフィードバック信号を受信し、かつ、監視することができる。例えば、上記で議論したように、一部の実施形態において、制御ユニット１９０は、トーチヘッド１２０がアーク１１０に対応するフィードバック信号、例えば電圧に基づき、適切に位置付けされる、ということを判定することができる。図３の例示的な実施形態において、左の磁場位置、つまり、左の側壁におけるアーク電圧が、９Ｖから１１Ｖの間であり、中心の磁場及び右の磁場位置の電圧が、１２Ｖから１５Ｖである場合、制御ユニット１９０は、トーチヘッド１２０が適切に位置付けられていることを判定するだろう。本実施形態が２つの溶接パスを必要とするので、第１パスＸ_Ａにおける右の磁場は、右の側壁よりはむしろ、溶接継手３２０の中心線３３５にアーク１１０を位置付けるだろう。従って、本実施形態における右の磁場に対する所望のアーク電圧は、図６の９Ｖから１１Ｖの例示的な実施形態よりはむしろ、１２Ｖから１５Ｖである。

制御ユニット１９０が、例えばアーク電圧といったフィードバック信号が所望の範囲内にないということを判定する場合、次いで、トーチヘッドが溝の壁から適切な距離を維持するように、制御ユニット１９０はトーチヘッド１２０を自動的に移動（つまり、誘導（ｓｔｅｅｒ））させることができる。例えば、アーク１１０の電圧が、例えば９Ｖといった所定値Ｖ_Ａを下回る場合、左の磁場位置において、左の側壁におけるアーク１１０の電圧が、例えば９Ｖから１１Ｖの間といった所望値Ｖ_ｘであるように、制御ユニット１９０は、機械的ステアリング装置１８０を使用して、トーチヘッド１２０を地点４１０Ｂに対し右に移動させるように構成され得る。溶接が進み、アーク１１０が再び左の側壁に近づきすぎ、アーク電圧が所定電圧Ｖ_Ａを下回ると、アーク電圧が再びＶ_Ｘなどであるように、制御ユニット１９０はトーチ１２０を地点４１０Ｃに対して右に更に動かすことができる。この方法で、制御ユニット１９０は溶接継手３２０における位置ずれに対して自動的に調整を行う。

上記実施形態にいて、制御ユニット１９０は、段階的調整のために、つまり、調整が行われる前に所望の値Ｖ_Ｘから値Ｖ_Ａに落ちたアーク電圧のために構成された。しかし、本考案はそのような段階的調整に限らず、アーク電圧が所望の電圧値で維持されるように、制御ユニット１９０はトーチヘッド１２０の位置を連続的に調整するように構成され得る。もちろん、一部の実施形態において、トーチヘッド１２０を調整するとき、本考案はアーク電流をフィードバック値として使用することもできる。

例えば、一定の電圧プロセスにおいて、電流は、ＣＴＷＤを判定するようにフィードバックとして利用される。一定の電圧プロセスの場合、壁に電極が近づくにつれ、壁における電流フィードバック信号は減少する。反対に、電極が壁から更に離れるとき、電流フィードバック信号は増加する。もちろん、本考案はフィードバック信号としてアーク電流又はアーク電圧を使用することに限定されず、例えば、電源の電力出力、ＣＴＷＤなどといった、トーチヘッドの側壁に対する接近性に基づいて変化する他のフィードバックを使用することもできる。

一部の状況において、溶接継手の幅は、例えば、溶接溝部を加工する際の偏差（ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ）に起因して変化することができる。そのような状況において、溶接継手の幅が変化すると、アークスイープがこれ以上溶接継手の期待された幅に合致せず、つまり、アークスイープが大きすぎるか、あるいは、小さすぎる可能性があるので、アーク１１０及び／又はトーチヘッド１２０は、側壁に対して接近しすぎるか、あるいは、十分に接近せずに移動することができる。例えば、図５に図示するように、地点Ａにおいて溶接継手５１０の幅に関してシステムは設定され、溶接５２０を生成する。しかしながら、地点Ｂにおいて、溶接継手５１０の幅は、地点Ａにおける幅よりも小さく、アークスイープはアーク１１０及び溶接５２０を左の側壁に近づけすぎる。反対に、地点Ｃにおいて、溶接継手５１０の幅は、地点Ａにおける幅よりも大きく、アークスイープはアーク１１０及び溶接５２０を右の側壁に近づけない。また、幅の変化に起因して、トーチヘッド１２０は、例えば所望の溶接ウィーブパターンの中間点といった適切な位置になくてもよい。従って、従来技術のシステムでは、適切な溶接を確実にするために、オペレータはアークスイープの幅及び／又はトーチヘッドの位置を手動で調整する必要がある。しかしながら、本考案の一部の実施形態において、制御ユニット１９０（又は他の同様の装置）は、機械的ステアリング装置１８０を使用してトーチヘッド１２０の位置を調整することができ、かつ／あるいは、磁気振動システム１３０及び／又はグランド切替回路１９５を使用してアークスイープの幅を調整することができる。これを達成するために、制御ユニット１９０は、トーチヘッド１２０からの電圧及び／又は電流のフィードバック信号を使用して、アークスイープ幅が適切であるかどうかを判定することができる。例えば、アーク電圧が左右両方の磁場位置において９Ｖから１１Ｖである場合、制御ユニット１９０はアークスイープ幅が適切であり、かつ、溶接溝部の幅が大幅に変化していないということを判定する。しかしながら、右及び／又は左の磁場位置が、例えば９Ｖといった所定値よりも小さいアーク電圧を有する場合、制御ユニット１９０は、溶接溝部の幅が右及び／左の側壁においてそれぞれ狭められたということを判定する。同様に、右及び／左の磁場位置が、例えば、１１Ｖといった所定値よりも大きい場合、制御ユニット１９０は、溶接溝部の幅が右及び／又は左の側壁においてそれぞれ広げられたということを判定する。従って、例えば電圧といったフィードバック信号に基づき、制御ユニット１９０は、任意の特定の地点における溶接継手の幅が変わったかどうかを判定し、そして、トーチ１２０がその地点におけるアークスイープの中間点に配置されるように、機械的ステアリング装置１８０を使用して、トーチヘッド１２０の位置を適切に調整することができる。加えて、制御ユニット１９０は、磁気アーク振動システム１３０及び／又はグランド切替回路１９５を調整して適切なアークスイープ幅を作り出すことができる。例えば、溶接プロセスが図５における地点Ａから地点Ｂへと進行すると、制御ユニット１９０は、溶接溝部の幅が地点Ａにおける幅Ｘから幅Ｙに変化したと感知するだろう。つまり、制御ユニット１９０は、左の磁場位置におけるアーク電圧が、例えば９Ｖといった所定値を下回るということを感知する。これは、アーク１１０が側壁に近すぎることを示す。また、制御ユニット１９０は、右の磁場位置におけるアーク電圧が、例えば９Ｖから１１Ｖといった適切な範囲にあるということも感知するだろう。右の磁場位置におけるアーク電圧が地点Ａで測定したものから変化しなかったので、制御ユニット１９０は、溶接溝部が左の側壁に起因して狭められたと判定し、アークスイープの幅及び／又はトーチ１２０の位置に対して適切な調整を行うだろう。溶接工程が進行し、トーチヘッド１２０が地点Ｃに近づくにつれ、右の磁場位置におけるアーク電圧が、例えば１１Ｖといった所定値よりも大きく、従って、例えば９Ｖから１１Ｖといった適切な範囲にはないので、制御ユニット１９０は、アーク１１０が右の側壁から離れすぎていると判定する。制御ユニット１９０は、次いで、トーチヘッド１２０の位置及び／又は地点Ｃにおける幅Ｚに対するアークスイープの幅を適切に調整することができる。一部の実施形態において、磁気アーク振動システム１８０及び／又はグランド切替回路１９５に加えて、あるいは、これらに代わって、制御ユニット１９０は、機械的ステアリング装置を使用してトーチヘッド１２０を振動させることができる。幅の変更後に、堆積率が更に適切であることを確実にするために、トーチヘッド１２０の移動速度及び／又はワイヤ１４０の供給速度（ｆｅｅｄ ｒａｔｅ）は、制御ユニット１９０（又は一部の他の装置）によって適切に調整され得る。

本考案の一部の実施形態において、制御ユニット１９０（又は一部の他の装置）は、アークスイープに沿った１つ以上の地点におけるアーク１１０の所望のフィードバック値を含むルックアップテーブルと共に構成され得る。所望の値は、溶接プロセスの種類（例えば、ＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＰＡＷなど）、溶接される材料の種類及び／又は厚さ、溶接パスの数などによって決まることができる。一部の実施形態において、制御ユニット１９０（又は一部の他の装置）は、アークスイープに沿った１つ以上の地点におけるアーク１１０のための所望のフィードバック値を提供するフィードバック曲線の平均化又は他の表現（ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ）を含むことができる。

特定の実施形態を参照して本考案を説明してきたが、本考案の範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ、均等物と置換し得るということは当業者によって理解されるだろう。上記の実施形態において、トーチヘッド１２０を誘導する（ｓｔｅｅｒ）制御ロジックは、制御ユニット１９０に配置された。しかしながら、制御論理は、機械的ステアリング装置１８０又は一部の他の装置に配置されることができる。また、本考案の範囲から逸脱することなく、本考案の教示に対して多くの変更が、特定の状況又は材料を採用するように行われ得る。従って、本考案は、開示され特定の実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲内に該当する全ての実施形態を含むということが意図される。

１００ システム
１１０ アーク
１１５ ワークピース
１１５Ａ ワークピース
１１５Ｂ ワークピース
１２０ トーチヘッド
１３０ 振動システム
１３１ 電源
１３２ アークスイープ
１３５ 磁極
１３７ 磁気ヘッド
１４０ ワイヤ
１４５ 溶接パドル
１５０ ワイヤ供給機
１６０ コンタクトチューブ
１７０ 電源
１７２ 電極
１７５ 電源
１８０ ステアリング装置
１８２ ステアリング矢印
１８５ ブラケット
１９０ 制御ユニット
１９５ 回路
１９６Ａ グランド
１９６Ｂ グランド
３１０ ガイドトラック
３１５ 溶接ヘッドトラクターユニット
３２０ 溶接パイプ継手
３３０Ａ パイプセグメント
３３０Ｂ パイプセグメント
３３５ 中心線
４１０Ａ 線
４１０Ｂ 地点
４１０Ｃ 地点
４２０ 溶接
５１０ 溶接継手
５２０ 溶接
Ｘ_Ａ 溶接パス
Ｘ_Ｂ 溶接パス
Ｉ 電流
Ｖ_Ｘ 電圧
Ｖ_Ａ 電圧
Ａ 地点
Ｘ 幅
Ｙ 幅

Claims (8)

1. 自動アークステアリングを有するアーク溶接システムであって、当該アーク溶接システムは、
   少なくとも１つのワークピースに形成される溶接溝部内でアークを生成するトーチヘッドに動作的に接続されるトーチ電源と、
   制御ユニットと、
   を含み、
   前記制御ユニットは、
   前記アークの電圧、前記アークの電流、前記トーチ電源の電力出力及びコンタクトチップ−溶接間距離のうちの少なくとも１つを監視し、かつ、前記の監視に対応するフィードバック信号を出力するフィードバックシステムと、
   前記溶接溝部における前記アーク及び前記トーチヘッドのうちの少なくとも１つの位置に対応する少なくとも１つの所定値と前記フィードバック信号を比較する比較回路と、
   前記の比較に基づきステアリング信号を出力するアークステアリングシステムと、を含み、
   前記ステアリング信号は、前記溶接溝部における前記アーク及び前記トーチヘッドのうちの少なくとも１つの前記位置を制御するように使用される、
   アーク溶接システム。
2. 前記の溶接トーチに動作的に接続され、かつ、前記ステアリング信号に基づき前記溶接溝部において前記の溶接トーチを位置付ける機械的ステアリング装置を更に含み、
   前記少なくとも１つの所定値は、前記溶接溝部の側壁付近で前記アーク又は前記トーチヘッドの所望の位置に対応する第１の所定値と第２の所定値とを比較し、
   前記の比較が、前記フィードバック信号は前記第１の所定値を下回るということを判定するとき、前記機械的ステアリング装置は、前記側壁からより遠くに離れて前記トーチヘッドを位置付け、
   前記の比較が、前記フィードバック信号は前記第２の所定値を上回るということを判定するとき、前記機械的ステアリング装置は、前記トーチヘッドを前記側壁のより近くに移動させる、請求項１に記載のアーク溶接システム。
3. 前記トーチヘッドの移動方向に対して横断する方向において、前記アークをスイープするアーク振動システムを更に含み、
   前記アーク振動システムは、前記ステアリング信号に基づき前記溶接溝部における前記アークのスイープ幅を制御し、
   前記のスイープが前記溶接溝部の側壁付近に前記アークを位置付けるとき、前記少なくとも１つの所定値は、前記アークの所望の位置に対応する第１の所定値及び第２の所定値を含み、
   前記の比較が、前記フィードバック信号は前記第１の所定値を下回るということを判定するとき、前記アークが前記側壁からより遠くに離れるように、前記アーク振動システムは前記アークの前記スイープ幅を減少させ、
   前記の比較が、前記フィードバック信号は前記第２の所定値を上回るということを判定するとき、前記アークが前記側壁に対してより近づくように、前記アーク振動システムは前記アークの前記スイープ幅を増加させる、請求項１又は２に記載のアーク溶接システム。
4. 前記溶接溝部の中への堆積のための前記アークに、消耗品を供給するワイヤ供給機と、
   前記トーチヘッド又は前記少なくとも１つのワークピースに動作的に取り付けられ、かつ、前記溶接溝部に沿った移動方向において前記少なくとも１つのワークピースに対して前記トーチヘッドを動かすように構成される、駆動ユニットと、を更に含み、
   前記少なくとも１つのワークピースに対する、前記消耗品の供給速度と、前記トーチヘッドの移動速度とのうちの少なくとも１つは、前記スイープ幅の前記の増加又は前記の減少に基づき調整される、請求項１から３のいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
5. 前記アーク振動システムは、磁場を生成して前記アークの前記スイープ幅を制御する磁気アーク発振器を含み、
   前記アーク振動システムは、前記アークの前記スイープ幅を制御するグランド切替回路を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
6. 前記フィードバック信号は、前記アークの前記電圧に基づき、
   前記第１の所定値は９Ｖであり、前記第２の所定値は１１Ｖである、請求項１から５のいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
7. 前記トーチヘッドの移動方向に対して横断する方向において、前記アークをスイープする磁場を生成する磁気アーク発振器と、
   前記の溶接トーチに動作的に接続される機械的ステアリング装置と、を更に含み、
   前記溶接溝部において、前記アークのスイープ幅と、前記の溶接トーチの前記位置とのうちの少なくとも１つは、前記ステアリング信号に基づき制御される、請求項１から６のいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
8. 前記少なくとも１つの所定値は、
   前記溶接溝部の第１側壁付近で前記アークの所望の第１位置に対応する第１の所定値と、
   前記溶接溝部の第２側壁付近で前記アークの所望の第２位置に対応する第２の所定値と、
   前記第１位置と前記第２位置との間にある前記アークの所望の第３位置に対応する第３の所定値と、を含み、
   前記第１の所定値、前記第２の所定値及び前記第３の所定値のうちの少なくとも１つと、前記フィードバック信号との比較に基づき、前記アークステアリングシステムは、前記アークの前記スイープ幅、前記トーチヘッドの前記位置、あるいは、前記スイープ幅及び前記のトーチヘッド位置の両方を制御するかどうかを判定する、請求項１から７のいずれか一項に記載のアーク溶接システム。

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