JP3208810U - 制御アーク周波数と共にフィラーワイヤ送給と溶接用の高強度エネルギー源との組み合わせを用いるシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ホットワイヤ溶接法を用いて、ワークピース上に溶接材料を堆積する堆積システムを提供する。【解決手段】システム１００はワークピース１１５を加熱するレーザーサブシステムを含み、レーザー装置１２０とレーザー電源１３０を含む。また、システム１００は、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０を提供し、レーザービーム１１０の近傍で該フィラーワイヤをワークピース１１５に接触させることが可能なホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムも含む。ホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムは、フィラーワイヤ送給装置１５０、コンタクトチップ１６０及びホットワイヤ電源１７０を含み、フィラーワイヤ１４０は、コンタクトチップ１６０とワークピース１１５との間に作動的に接続されたホットワイヤ電源１７０からの電流により抵抗加熱される。【選択図】図１

Description

本願は、２０１４年２月２４日に出願された米国仮出願第６１／９４３６３３号及び２０１４年１２月５日に出願された米国特許出願第１４／５６１９０４号に対する優先権を主張する。それらの出願は参照により本願に全体的に組み込まれる。本願は、２００９年１月１３日に出願された米国特許出願第１２／３５２６６７号（参照により本願に全体的に組み込まれる）の一部継続出願である、２０１１年８月１７日に出願された米国特許出願第１３／２１２０２５号（参照により本願に全体的に組み込まれる）の一部継続出願であり、該米国特許出願の優先権を主張する。

特定の実施形態は、フィラーワイヤ肉盛用途に加えて溶接用途及び接合用途に関する。より具体的には、特定の実施形態は、レーザー溶接プロセス又はアーク溶接プロセスのいずれかとホットワイヤ堆積プロセスとを併用するシステムに関する。より具体的には、本考案は請求項１の導入部に記載の溶接材料（consumable）堆積システムを提供する。

近年、ホットワイヤ溶接は進展を遂げた。しかしながら、これらのプロセス及びシステムの一部は溶接又は肉盛作業に所望の又は必要な入熱を提供しないことがある。そのため、追加の熱を溶接又は肉盛作業に提供することが望ましいと考えらえる。

本願の残り部分に記載される本考案の実施形態を従来のアプローチ、既存のアプローチ及び既に提案されているアプローチと比較することで、これらのアプローチのさらなる限界及び欠点が当業者に明らかになる。

米国特許出願公開第２０１０／００９６３７３号明細書

本願の実施形態は、ホットワイヤ法（hot wire technique）を用いて、肉盛、クラッディング、接合又は溶接プロセスのいずれかで材料を堆積するシステム及び方法を含む。本考案の実施形態は、プロセスを支援するためにワイヤとワークピースとの間で複数のアークイベント（arcing events）が生成されるホットワイヤ堆積法を用いる。アークイベントはプロセスへの入熱を制御するのを支援できるともに、プロセスの一体性を損なうことなくプロセスのパフォーマンスを向上させることができる。

本考案のこれらの及び他の特徴並びに本考案の例示の実施形態及びさらなる実施形態の詳細は、下記の説明、実用新案登録請求の範囲及び図面からより一層理解できる。

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で、本考案の上記の及び／又は他の態様が一層明らかになる。
図１は、ホットワイヤ／レーザーシステムの例示の実施形態の図である。 図２は、ホットワイヤ／アーク溶接システムの例示の実施形態の図である。 図３は、ホットワイヤ電源と該電源が用いられるシステムとの例示の実施形態のさらなる図である。 図４は、本考案に係る、ホットワイヤプロセスのための例示の電圧波形及び電流波形の図である。 図５は、アーク溶接電流波形と同期された例示のホットワイヤ電流波形の図である。 図６は、プロセスの開始時のホットワイヤ溶接のための例示の波形の図である。 図７は、本考案の溶接システムの別の例示の実施形態の図である。 図８Ａは、本考案の実施形態で使用可能な例示の電流波形の図である。 図８Ｂは、本考案の実施形態で使用可能な例示の電流波形の図である。 図９は、本考案の実施形態によって利用可能な別の例示の溶接波形の図である。 図１０Ａは、本考案の例示の実施形態で得ることができる例示の溶接継手の断面図である。 図１０Ｂは、本考案の例示の実施形態で得ることができる例示の溶接継手の断面図である。

添付の図面を参照しながら本考案の例示の実施形態を以下で説明する。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意図したものであり、本考案の範囲を限定することを何ら意図していない。全体を通じて、同様の参照符号は同様の要素を表す。

図１は、ろう付け、クラッディング、上盛、充填、表面硬化肉盛及び接合／溶接用途のうちのいずれかを行うための、フィラーワイヤ送給装置とエネルギー源とを組み合わせたシステム１００の例示の実施形態の概略的な機能ブロック図を示す。システム１００は、ワークピース１１５にレーザービーム１１０を集束させてワークピース１１５を加熱することが可能なレーザーサブシステムを含む。レーザーサブシステムは高強度エネルギー源である。レーザーサブシステムは任意の種類の高エネルギーレーザー源であってよく、限定されないが炭酸ガスレーザーシステム、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーシステム、Ｙｂディスクレーザーシステム、ＹＢファイバーレーザーシステム、ファイバー伝送レーザーシステム又はダイレクトダイオードレーザーシステムが挙げられる。また、十分なエネルギーがあれば他の種類のレーザーシステムを用いることもできる。上記システムの他の実施形態は、高強度エネルギー源としての役割を果たす電子ビーム、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、ガス金属アーク溶接サブシステム、フラックスコアードアーク溶接サブシステム及びサブマージ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。以下、本明細書ではレーザーシステム、ビーム及び電源に繰り返し言及するが、任意の高強度エネルギー源を用いてもよいため係る言及は例示に過ぎないことが分かる。例えば、高強度エネルギー源は少なくとも５００Ｗ／ｃｍ^２を提供できる。レーザーサブシステムはレーザー装置１２０及びレーザー電源１３０を含み、レーザー装置１２０とレーザー電源１３０とは互いに作動的に接続されている。レーザー電源１３０はレーザー装置１２０を動作させるためにレーザー装置１２０に電力を供給する。

システム１００は、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ（resistive filler wire）１４０を提供し、レーザービーム１１０の近傍で該フィラーワイヤをワークピース１１５に接触させることが可能なホットフィラーワイヤ（hot filler wire）送給装置サブシステムも含む。当然ながら、本明細書におけるワークピース１１５を参照して、溶融池（molten puddle）はワークピース１１５の一部であると考えられるため、ワークピース１１５との接触への言及は溶融池との接触を含むことが分かる。ホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムは、フィラーワイヤ送給装置１５０、コンタクトチップ１６０及びホットワイヤ電源１７０を含む。動作中、レーザービーム１１０に先行するフィラーワイヤ１４０は、コンタクトチップ１６０とワークピース１１５との間に作動的に接続されたホットワイヤ溶接電源１７０からの電流により抵抗加熱される。本考案の一実施形態によれば、ホットワイヤ溶接電源１７０はパルス直流（ＤＣ）電源であるが、交流（ＡＣ）又は他の種類の電源も同様に可能である。ワイヤ１４０は、コンタクトチップ１６０を通してフィラーワイヤ送給装置１５０からワークピース１１５の方に供給され、コンタクトチップ１６０を越えて延びる。ワイヤ１４０の延伸部分は、ワークピース上の溶接池に接触する前に該延伸部分が融点に近づくか又は達するように抵抗加熱される。レーザービーム１１０は、ワークピース１１５の母材の一部を溶融して溶接池を形成し、また、ワークピース１１５上でワイヤ１４０を溶融する役割を果たす。電源１７０は、フィラーワイヤ１４０を抵抗溶融するのに必要なエネルギーの大半を提供する。本考案の他の特定の実施形態によれば、送給装置サブシステムは１つ以上のワイヤを同時に提供することが可能であり得る。例えば、ワークピースに表面硬化及び／又は耐腐食性を施すのに第１のワイヤを使用し、ワークピースに構造を付加するのに第２のワイヤを使用してもよい。

システム１００は、レーザービーム１１０（エネルギー源）と抵抗性フィラーワイヤ１４０とが互いに固定関係を維持するようにレーザービーム１１０及び抵抗性フィラーワイヤ１４０をワークピース１１５に沿って（少なくとも相対的な意味で）同じ方向１２５に移動させることが可能なモーションコントロールサブシステムをさらに含む。様々な実施形態によれば、ワークピース１１５とレーザー／ワイヤの組み合わせとの相対動作は、ワークピース１１５を実際に動かすことで又はレーザー装置１２０及びホットワイヤ送給装置サブシステムを動かすことで実現され得る。図１では、モーションコントロールサブシステムは、ロボット１９０に作動的に接続されたモーションコントローラ１８０を含む。モーションコントローラ１８０はロボット１９０の動作を制御する。ロボット１９０はワークピース１１５に作動的に接続されており（例えば機械的に固定されている）、レーザービーム１１０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に沿って効果的に移動するようにワークピース１１５を方向１２５に動かす。本考案の代替的な実施形態によれば、レーザー装置１１０及びコンタクトチップ１６０は１つのヘッドに統合され得る。該ヘッドは、該ヘッドに作動的に接続されたモーションコントロールサブシステムによりワークピース１１５に沿って動かされ得る。

一般に、ワークピースに対して高強度エネルギー源／ホットワイヤを相対的に動かすいくつかの方法がある。例えば、ワークピースが丸い場合、高強度エネルギー源／ホットワイヤを固定し、高強度エネルギー源／ホットワイヤの下でワークピースを回転させてもよい。あるいは、ロボットアーム又はリニアトラクターを丸いワークピースと平行に動かし、ワークピースが回転されたときに、例えば高強度エネルギー源／ホットワイヤを連続的に動ごかすか又は回転毎に一度インデックス（index）させて丸いワークピースの表面を肉盛してもよい。ワークピースが平らであるか又は少なくもとも丸くない場合、ワークピースは図１に示すように高強度エネルギー源／ホットワイヤの下で動かされ得る。しかしながら、高強度エネルギー源／ホットワイヤのヘッドをワークピースに対して相対的に動かすのにロボットアーム若しくはリニアトラクター又はビーム搭載キャリッジを用いてもよい。

システム１００は、検知／電流コントロール（sensing and current control）サブシステム１９５をさらに含む。検知／電流コントロールサブシステム１９５はワークピース１１５及びコンタクトチップ１６０に作動的に接続され（即ち、ホットワイヤ電源１７０の出力に有効に接続されている）、ワークピース１１５とホットワイヤ１４０との電位差（即ち、電圧Ｖ）並びにワークピース１１５及びホットワイヤ１４０を通る電流（Ｉ）を測定することができる。検知／電流コントロールサブシステム１９５はさらに、測定した電圧及び電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（power value）（Ｐ＝Ｖ×Ｉ）を算出することが可能であってもよい。一般に、ホットワイヤ１４０がワークピース１１５と接触している場合、ホットワイヤ１４０とワークピース１１５との電位差は０ボルトであるか又は極めて０ボルトに近い。しかしながら、他の実施形態では、ワイヤ１４０とワークピース１１５との間の電圧低下の範囲は２〜８ボルトである。その結果、検知／電流コントロールサブシステム１９５は抵抗性フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５と接触している場合にそれを検知することができる。また、本明細書において後でより詳細に説明するように、検知／電流コントロールサブシステム１９５は、係る検知に応えて抵抗性フィラーワイヤ１４０を通る電流の流れを制御することがさらにできるようにホットワイヤ電源１７０に作動的に接続されている。本考案の他の実施形態によれば、検知／電流コントローラ１９５はホットワイヤ電源１７０の一体部分であり得る。

本考案の一実施形態によれば、モーションコントローラ１８０はさらにレーザー電源１３０及び／又は検知／電流コントローラ１９５に作動的に接続されていてもよい。このように、モーションコントローラ１８０及びレーザー電源１３０は、ワークピース１１５が何時移動しているかがレーザー電源１３０に分かるように且つレーザー装置１２０がアクティブかどうかがモーションコントローラ１８０に分かるように互いに通信してもよい。同様に、このような形で、モーションコントローラ１８０及び検知／電流コントローラ１９５は、ワークピース１１５が何時移動しているかが検知／電流コントローラ１９５に分かるように且つホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムがアクティブかどうかがモーションコントローラ１８０に分かるように互いに通信してもよい。そのような通信は、システム１００の様々なサブシステム間でのアクテビティを調整するのに用いられ得る。

上述したように、高強度エネルギー源は、溶接電源を含む任意の数のエネルギー源であり得る。これの例示の実施形態を図２に示す。図２は、図１に示すシステム１００と同様のシステム２００を示す。システム２００の構成要素の多くはシステム１００の構成要素と同様であるため、それらの動作及び利用についての詳細な説明は省略する。しかしながら、システム２００ではレーザーシステムがＧＭＡＷシステム等のアーク溶接システムに置き換えられている。ＧＭＡＷシステムは電源２１３、ワイヤ送給装置２１５及びトーチ２１２を含む。ワイヤ送給装置２１５及びトーチ２１５を通じて溶融池に溶接電極２１１が届けられる。本明細書で説明する種類のＧＭＡＷ溶接装置の動作は周知であるため、本明細書で詳細に説明する必要はない。なお、図示の例示の実施形態に関連してＧＭＡＷシステムを図示説明するが、本考案の例示の実施形態はＧＴＡＷシステム、ＦＣＡＷシステム、ＭＣＡＷシステム及びＳＡＷシステム、クラッディングシステム、ろう付けシステム並びにこれらのシステムの組み合わせ等（ワークピース上の溶融池に溶接材料を移動させるのを支援するのにアークを用いるシステムを含む）でも用いることができる。図２に図示していないが、シールドガスシステム又はサブアークフラックスシステムを既知の方法に従って用いることができる。

上述したレーザーシステムのように、溶融池を形成するために（高強度エネルギー源として使用可能な）アーク生成システムが用いられ、前で詳述したシステム及び実施形態を用いてホットワイヤ１４０が溶融地に加えられる。しかしながら、アーク生成システムの場合では、周知のように、追加の溶接材料２１１も溶融地に加えられる。この追加の溶接材料は、本明細書で説明するホットワイヤプロセスによって既にもたらされた向上したパフォーマンスを増大させる。このパフォーマンスについて以下でより詳細に説明する。

また、一般的に知られているように、ＧＭＡＷ等のアーク生成システムは送り出される溶接材料とワークピース上の溶融池との間でアークを生成するために高レベルの電流を使用する。同様に、ＧＴＡＷシステムは、電極とワークピースとの間にアーク（該アークに溶接材料が加えられる）を生成するために高レベルの電流を使用する。一般的に知られているように、定電流、パルス電流等の多種多様な電流波形をＧＴＡＷ又はＧＭＡＷ溶接作業に用いることができる。しかしながら、システム２００の動作の間、電源２１３によって生成される電流は、電源１７０によって生成される、ワイヤ１４０の加熱に用いられる電流を干渉し得る。ワイヤ１４０は電源２１３によって生成されるアークに近接しているため（前述したのと同様に、それらは共に同じ溶融池に向けられるため）、それぞれの電流が互いに干渉し合う場合がある。具体的には、各電流は磁界を生成し、これらの磁界が互いに干渉し合ってそれらの動作に悪影響を及ぼし得る。例えば、ホットワイヤ電流によって生成される磁界は、電源２１３によって生成されるアークの安定性を妨げ得る。即ち、それぞれの電流の適切な制御及び同期なくしては、競合し合う磁界がアークを不安定化させ、それ故にプロセスを不安定化させる。従って、例示の実施形態は、安定した作業を確かなものにするために電源２１３及び１７０の間で電流の同期を用いる。これについて以下で詳細に説明する。

上述したように、それぞれの電流によって誘発された磁界は互いに干渉し合うため、本考案の実施形態はそれぞれの電流を同期させる。同期は様々な方法により実現できる。例えば、検知／電流コントローラ１５０を用いて電源２１３及び１７０の動作を制御して電流を同期させることができる。あるいは、一方の電源を用いて他方の出力を制御するマスター／スレーブ関係を用いることもできる。相対流の制御は、安定した動作のために電源の出力電流が同期されるように電源を制御する状態表又はアルゴリズムの使用を含む多数の方法により実現できる。これについて以下でさらに説明する。例えば、特許文献１に記載のものと同様の二重状態ベースの（dual-state based）システム及び装置を用いることができる。２０１０年４月２２日に公開された特許文献１は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。

システム１００及び２００の構造、用途、制御、動作及び機能についてのより詳細な説明は、（本願の冒頭で）本願が優先権を主張する米国特許出願（これらの米国特許出願のそれぞれは、本願で説明及び解説するシステム及び本願で説明する代替的な実施形態に関連するため、それらは参照によりその全体が本願に組み込まれる）に記載されているため、本願では効率性及び明確性の点からそれらの説明を省略する。

図３は、本考案のシステム３００の別の例示の実施形態の概略図を示す。システム２００と同様に、システム３００はホットワイヤプロセスとアーク溶接プロセスとの組み合わせを用いる。システム３００の機能及び動作はシステム２００の機能及び動作と同様であるため、同様の機能についての説明は省略する。図示のように、システム３００は、後続のホットワイヤ（trailing hot wire）１４０に先行する先行アーク溶接電源（leading arc welding power supply）３０１を含む。電源３０１をＧＭＡＷ型の電源として図示しているが、ＧＴＡＷ型の電源も利用可能であるため実施形態はこれに限定されない。溶接電源３０１は任意の既知の構成のものでよい。ホットワイヤ電源３１０（図１及び図２に図示のものと同じであり得る）をその内部の構成要素の一部と共に図示する。上述したように、電源３０１及び３１０のそれぞれから出力される電源波形を同期させることが望ましい場合がある。そのため、それらの電源の動作が確実に同期されるようにするために同期信号３０３を用いることができる。これについて以下でさらに説明する。

ホットワイヤ電源３１０はインバータ電源部（inverter power section）３１１を含む。インバータ電源部３１１は、入力（ＡＣ又はＤＣのいずれかであり得る）を受け取り、該入力を、ワークピースＷ上の溶融池内にワイヤ１４０を堆積させることができるようワイヤ１４０を加熱するのに用いられる出力に変換する。インバータ電源部３１１は、溶接電源、切断電源又はホットワイヤ電源用に使用させる任意の既知のインバータ型電源として構成できる。電源はプリセット加熱電圧回路（preset heating voltage circuit）３１３も含む。プリセット加熱電圧回路３１３は、ワイヤ１４０が所望の温度で維持されてワークピースＷ上に適切に堆積されるように、プロセスに関連する入力データを用いて電源３１０の出力信号のためのプリセット加熱電圧を設定する。例えば、プリセット加熱電圧回路３１３は、プロセスの間に維持されるべきプリセット加熱電圧を設定するためにワイヤのサイズ、ワイヤの種類及びワイヤ送給速度等の設定を用いることができる。動作の間、所定の期間（duration of time）又は所定数の周期に亘って出力信号の平均電圧がプリセット加熱電圧レベルで維持されるように出力加熱信号が維持される。一部の実施形態では、プリセット加熱電圧レベルの範囲は２〜９ボルトである。また、本考案の例示の実施形態では、ワイヤ送給速度が低い場合（２００インチ／分以下）はプリセット加熱電圧レベルの範囲が２〜４ボルトであるのに対して、ワイヤ送給速度が高い場合（２００インチ／分より高い）はプリセット加熱電圧レベルの範囲は５〜９ボルトであるというようにワイヤ１４０のワイヤ送給速度は最適なプリセット加熱電圧レベルに影響を与え得る。また、一部の例示の実施形態では、電流が小さい場合（１５０アンペア以下）はプリセット加熱電圧レベルの範囲は２〜４ボルトであるのに対して、電流が大きい場合（１５０アンペアよりも大きい）はプリセット加熱電圧レベルの範囲は５〜９ボルトである。そのため、動作の間、電源３１０は、所定の動作のために、ワイヤ１４０とワークピースＷとの間の平均電圧をプリセット加熱電圧レベルで維持する。他の例示の実施形態では、プリセット加熱電圧回路３１３は平均電圧範囲を設定することができ、平均電圧がプリセット範囲内で維持される。検出された平均電圧をプリセット加熱電圧レベルで又はプリセット加熱電圧範囲内で維持することによって、電源３１０は、ワイヤ１４０を望み通りに加熱するがアークの形成を回避する加熱信号を提供する。本考案の例示の実施形態では、プロセスの間に移動平均が求められるように所定の期間に亘って平均電圧が測定される。電源は、センスリード３１７及び３１９を通じて出力電圧を検知し、上述した電圧平均計算を行う時間平均フィルター回路３１５を利用する。そして、図３に示すように、求められた平均電圧がプリセット加熱電圧と比較される。

当然ながら、他の例示の実施形態では、電源３１０は電流及び／又は電力プリセット閾値を用いて電源の出力信号を制御することができる。そのようなシステムの動作は、上述した電圧に基づく制御と同様であり得る。

電源３１０はアーク検出閾値回路３２１も含む。アーク検出閾値回路３２１は、センスリード３１７及び３１９を通じて、検出した出力電圧を比較するとともに、検出した出力電圧をアーク検出電圧レベルと比較して、ワイヤ１４０とワークピースＷとの間でアークイベントが起きたか又は起こるかを判断する。検出した電圧がアーク検出電圧レベルを上回る場合、回路３２１はインバータ電源部３１１（又はコントローラ装置）に信号を出力する。該信号は、アークを消弧若しくは抑制するか又はその生成を防止するために電力部３１１に出力を遮断させる。一部の例示の実施形態では、アーク検出電圧レベルの範囲は１０〜２０ボルトである。他の例示の実施形態では、アーク検出電圧レベルの範囲は１２〜１９ボルトである。さらなる例示の実施形態では、アーク検出電圧レベルはプリセット加熱電圧レベル及び／又はワイヤ送給速度に基づいて決定される。例えば、一部の例示の実施形態では、アーク検出電圧レベルの範囲は、プリセット加熱電圧レベルの２〜５倍である。他の例示の実施形態では、使用されている任意のシールドガスのための陽極電圧レベル及び陰極電圧レベルがプリセット加熱電圧レベルに影響を与える。一部の例示の実施形態では、アーク検出電圧の範囲は７〜１０ボルトであるのに対して、他の実施形態では、アーク検出電圧の範囲は１４〜１９ボルトである。本考案の例示の実施形態では、アーク検出電圧の範囲はプリセット加熱電圧レベルよりも５〜８ボルト高い。

電源３１０は公称パルス波形回路（nominal pulsed waveform circuit）３２３も含む。公称パルス波形回路３２３は、ワイヤ１４０及びワークピースＷに所望の加熱波形を出力するためにインバータ電源部３１１によって用いられる波形を生成する。図示のように、公称パルス波形回路３２３は同期信号３０３を通じてアーク溶接電源３０１に連結されているため、それぞれの電源からの出力波形は本明細書で説明するように同期されている。

図示のように、公称パルス波形回路３２３はその出力信号をアーク溶接電源３０１と同期させ、生成された加熱波形を乗算器（図示のように比較器３２７からのエラー信号も受信する）に出力する。エラー信号は、上述したように、所望の平均電圧を維持するためにインバータ電源部３１１への出力コマンド信号の調整を可能にする。

なお、上述した回路及び基本的な機能は溶接電源及び切断電源で用いられているものと同様であるため、本明細書では、それらの回路の詳細な構成についての詳細な説明を省略する。また、上記の機能の一部又は全てを電源３１０内の単一のコントローラによって実現することができる。

本願が優先権を主張する前記の米国特許出願（係る出願は、それらの開示が本願に全体的に含まれているかのうように参照により本願に全体的に組み込まれる）で詳細に説明されているように、ホットワイヤ接合法及びホットワイヤ肉盛法を用いる場合には、ワイヤ１４０は溶融池と常に接触が維持されるのが一般的であるため、ワイヤ１４０と溶融池との間でのアークの生成が防止されることが望ましい。しかしながら、一部のホットワイヤ用途では、プロセス及び溶融池に望み通りに熱を加えるために、ホットワイヤプロセスの間に個別のアークイベント（discrete arching events）を起こすのが望ましい場合があることが見出された。これは、少なくとも１つのワークピースが被覆されている（例えば亜鉛メッキ鋼）場合の接合又は肉盛用途にとりわけ当てはまる。これについて、図４を参照しながら以下でさらに説明する。

図４は、本明細書で説明したホットワイヤプロセスのための例示の電圧波形及び電流波形を示す。図示のように、電流波形５００は、ピーク電流レベル５０３を有する複数の加熱パルス５０１を含む。ピーク電流レベルの範囲は２００〜７００アンペアであり得る。ピーク電流レベル５０３はプロセスの間にワイヤ１４０が望ましい形で加熱及び溶融されるように選択される。同様に、電圧波形４００は、ピーク電圧４０３を有する複数の電圧パルス４０１を示す。しかしながら、ワイヤ１４０と溶融池との間でアークが短期間生成されるアークイベントも示す。アークイベントの間、ワイヤ１４０は溶融池との接触を失い、それにより電圧がアークレベル４０５に跳ね上がる。その時、ホットワイヤ電源はアークイベントが起きたことを検出し、アーク５０７を消弧するか又は抑制するために電流を止める。本考案の例示の実施形態では、３５０〜１０００ミリ秒の範囲内の時間の間アークが存在する。他の例示の実施形態では、５００〜８００ミリ秒の範囲内の時間の間アークが存在する。アークの期間がそのような比較的短い期間であれば、アークによって溶融池が過度に乱されることなく溶融池に熱を加えることができる。電源は、アークイベントを検出するのに様々な制御方法を用いることができる。本考案の例示の実施形態では、閾値を設定し、閾値を上回った場合にアークイベントが起きたと電源が判断するように、閾値が電源によって設定される。前で説明したように、一部の実施形態では、アーク検出電圧レベルの範囲は１０〜２０ボルトである。他の例示の実施形態では、アーク検出電圧レベルの範囲は１２〜１９ボルトである。さらなる例示の実施形態では、アーク検出電圧レベルはプリセット加熱電圧レベル及び／又はワイヤ送給速度に基づいて決定される。

アークが生成された後、ワイヤ１４０はもはや溶融池と接触しておらず、ワイヤ１４０と溶融池との間に間隙が存在する。電源が加熱電流（５０７）を止めた後、電源は、ワイヤ１４０と溶融池との接触を再度検出することができるように（ワイヤ送給装置によってワイヤ１４０が依然送給されているため）ピークレベル４０９を有する開路電圧（ＯＣＶ）４０７をワイヤ１４０に提供する。本考案の例示の実施形態では、ＯＣＶの範囲は１０〜２５ボルトである。他の例示の実施形態では、ＯＣＶの範囲は１７〜２２ボルトである。作業のための選択されたＯＣＶは、限定されないがワイヤの種類やワイヤの直径を含む多数のパラメータに基づき得る。ワイヤ１４０が（４１０で）溶融池と接触すると、電源は（任意の既知の接触検知制御方法を用いて）該接触を検出してＯＣＶを止め、ワイヤ１４０への加熱電流の提供を始める。図４に示すように、電流は接触ピークレベル５０９の後でピークを迎え、引き込み電流（lead-in current）５１１のレベルで維持される。

引き込み電流５０９は（パルスのピークレベルに比べて）比較的低い電流レベルであり、ワイヤ１４０を溶融池に所定の距離再突入させるために、また、パルス同期（後でさらに説明する）を行うために用いられる。引き込み電流は持続時間ＴＬＩ（後でさらに説明する）に亘って維持される。引き込み電流は電源によって設定され、ワイヤ送給速度、ワイヤの種類、ワイヤの直径、ホットワイヤパルス周波数及びホットワイヤパルスピーク５０３の電流レベルのうちのいずれか１つ又は全てを含む多数の要因に基づいて選択される電流レベルである。一般に、引き込み電流５１１はピーク５０３のレベルに比べて低い。例示の実施形態では、引き込み電流に対するパルスピーク電流の比の範囲は１０：１〜５：１である。例示の実施形態では、引き込み電流の範囲は２５〜１００アンペアであり、他の実施形態では、引き込み電流の範囲は４０〜８０アンペアである。他の例示の実施形態では、電流レベルを用いて設定するのとは対照的に、電力レベルを用いて引き込みを設定することができる。そのような実施形態では、引き込み電力レベルの範囲は１００〜１５００ワットであり得る。追加の例示の実施形態では、引き込み電流５０９は、波形のホットワイヤ部の平均電流レベルよりも小さい、例えば図４に示すようにアークイベントの間の加熱パルス５０１’のための平均電流よりも小さい電流レベルを有する。例示の実施形態では、引き込み電流５０９のピーク及び平均電流は波形５００のための平均電流及びアークイベントの間のホットワイヤ電流パルス５０１’の平均電流よりも小さい。

上述したように、引き込み電流は持続時間ＴＬＩに亘って維持される。持続期間ＴＬＩは、所望の深さまでワイヤ１４０を溶融池に再突入させることができる。そのため、ＴＬＩは少なくともワイヤ１４０のワイヤ送給速度に基づいて決定される。例示の実施形態では、引き込み持続時間ＴＬＩの範囲は５〜２０ミリ秒であり、オフタイム５０７の範囲は１〜７ミリ秒である。例示の実施形態では、オフタイム５０７とＴＬＩとを合算した時間の範囲は６〜２０ミリ秒である。しかしながら、少なくとも図２及び図３に関して前で説明したように、一部の例示の実施形態では、ホットワイヤプロセスが、同じ溶接池で作業するアーク溶接プロセス（ＧＭＡＷ等）と一体となっている。そのような実施形態では、引き込み持続時間ＴＬＩは、ワイヤ１４０のワイヤ送給速度に基づくとともに、ホットワイヤプロセスと連携するアーク溶接プロセスからの電流パルスの開始に基づく持続時間である。アーク溶接プロセスと一体となったホットワイヤプロセスを用いる場合、それぞれのプロセスからの電流パルスを同期させることが望ましい。そのため、そのような実施形態では、ホットワイヤ電源は、（１）所定の引き込み遅延が終了してワイヤ１４０を適切な形で溶融池に突入させ、（２）アーク溶接波形の次のアーク溶接パルスの開始と一致させて初めて持続期間ＴＬＩの後に第１のパルス５０１’を開始させる。これらの条件を満たすように延長された持続期間ＴＬＩを有することで、ホットワイヤパルス５０１を再開させるためにワイヤ１４０を適切な形で溶融池に突入させること及びホットワイヤ波形が同時に用いられるアーク溶接プロセスと適切に同期するのを確かなものにできる。これを図５に図示する。図５では、溶接プロセスは、電流波形６００を用いるパルスアーク溶接プロセス（例えばＧＭＡＷ）と同期されたホットワイヤ電流波形５００を用いる。本願の冒頭で言及するとともに本願に全体的に組み込まれている優先出願及び「フィラーワイヤ送給と溶接のための高強度エネルギー源との組み合わせを用いる方法及びシステム」と題する米国特許出願（該出願も参照により本願に全体的に組み込まれているとともに、本願と同時に出願されている）で説明されているように、一部の用途ではそれぞれの波形のパルスを同期させることが望ましい。そのため、図５に示すように、本考案の例示の実施形態では、引き込み持続時間ＴＬＩは突入持続時間Ｔｐと同期持続時間Ｔｓとを組み合わせたものである。突入持続時間Ｔｐは、ワイヤ１４０が溶融池に適切な形で突入するのを確かなものにするために、少なくともワイヤ１４０のワイヤ送給速度に基づいてホットワイヤ電源によって決定され、同期持続時間Ｔｓは突入持続時間Ｔｐの終了と次のアーク溶接パルス６０１’の開始との間の時間である。即ち、一般に、引き込み持続時間ＴＬＩ（又は引き込み期間）の最大持続時間は、突入持続時間Ｔｐ（又は突入期間）及びアーク溶接波形のバックグラウンド部６０３の持続時間である。これは、ワイヤ１４０が溶融池に完全に突入するとともに、２つのそれぞれの波形が同期することを確かなものにする。そのため、本考案の例示の実施形態の動作の間、ホットワイヤ電源は突入持続時間Ｔｐを決定するとともに、持続時間Ｔｐに亘って引き込み電流５１１を引き込み電流レベルで維持し、突入持続時間Ｔｐの終了後にホットワイヤ電源はコントローラ又はアーク溶接電源からのパルス開始信号を待つ。その開始信号又は同期信号に基づいて、ホットワイヤ電源は、引き込み電流５１１の後に第１のパルス５０１’を開始させて、アーク溶接プロセスの次のパルス６０１’と一致させる。

なお、図５は、パルス５０１’及びパルス６０１’のそれぞれが同時に開始されるよう位相がシフトしていない２つの波形５００／６００を示す。しかしながら、他の例示の実施形態は、電流波形５００と６００との間の位相シフトを用いて、それぞれの波形のパルスは同期されているが互いに位相がシフトしているように構成することができる。そのような実施形態では、引き込み持続時間ＴＬＩは、パルス５０１’及び６０１’が適切な形で位相がシフトした状態で突入持続時間の終了後に互いに対して適切な時間に開始されるのを確かなものにする長さである。一部の例示の実施形態では、ワイヤの直径と略同じ距離だけワイヤを溶融池に突入させる。

前で説明したように、プロセスに追加の熱を加えるためにアークイベントが用いられる。これを実現するために、ホットワイヤ電源１７０は、１〜２０Ｈｚの範囲の周波数でアークイベントが起こるように制御される。他の例示の実施形態では、１〜１０Ｈｚの範囲の周波数でアークイベントが起こる。アーク周波数を一定の間隔で維持することにより、ホットワイヤプロセス又はアーク溶接プロセスを不安定にさせることなく、該プロセスに追加の熱を制御された形で加えることができる。一部の例示の実施形態では、アークイベントの周波数を調整してプロセスの間の入熱を調整することができる。即ち、プロセスの第１の部分の間は３Ｈｚのアーク周波数を用いることが望ましい一方、該プロセスの他の部分では１０Ｈｚのアーク周波数を有することが望ましい場合がある。即ち、電源１７０は波形４００／５００を制御して、プロセスの異なる部分に対して所望のアークイベント周波数を実現することができるため、プロセスの全体的な入熱を上手く制御することができる。

図４は、アークイベントの間にある複数（ｎ）の電流パルス及び電圧パルスも示す。図示のように、電流パルス５０１／５０１’は比較的一定のピーク電流レベル５０３を有する。即ち、これらのパルスのピーク電流レベルは略同じであるが、溶接作業の実態によって異なり得るとともに各パルスで全く同じでない場合がある。しかしながら、図示のように、対応する電圧パルスは、（アークイベントの後の）第１の電圧パルス４０１’から（アークイベントの後の）最後の完全な電圧パルス４０１’’まで一般的に増加するピーク電圧４０３を有する。一部の例示の実施形態では、パルス４０１’〜４０１’’のピーク電圧レベルをアークイベントの間に徐々に増加させることが望ましいことが見出された。一般に、この電圧の増加は、少なくとも部分的にワイヤ１４０及びプロセスにおける熱が増加することによって起こる。これは、ワイヤ１４０の全体的な耐性に影響を及ぼし、それ故に、アークイベントの間の複数の電圧パルスに亘って電圧を第１のピーク電圧レベルから第２のより高いピーク電圧レベルに概ね増加させる。なお、図４はパルス間で増加するパルス４０１’〜４０１’’のピーク電圧レベル（一部の実施形態に適用可能）を図示しているが、一部の例示の実施形態はこれに限定されない。即ち、一部の例示の実施形態では、（傾斜４１３により示すように）パルスに亘って電圧が概ね増加するものの、全ての後続のパルスが先行するパルスよりもピーク電圧が高い訳ではない。一部の実施形態では、後続のパルスはその直前のパルスのピーク電圧と同じか又は僅か小さいピーク電圧を有し得る。しかしながら、最後のパルス４０１’’は第１のパルス１０１’よりも高いピーク電圧を有する。また、図示の実施形態は、概ね直線的なピーク電圧の増加を示すが（傾斜４１３）、他の実施形態は直線的な電圧の増加に限定されない。例示の実施形態では、第１の電圧パルス４０１’から最後の電圧パルス４０１’’までのピーク電圧の差の範囲は２〜８ボルトである。他の例示の実施形態では、ピーク電圧の差の範囲は３〜６ボルトである。また、本考案の例示の実施形態では、アークイベント間の電圧パルス４０１’〜４０１’’の数の範囲は８〜２２である。他の例示の実施形態では、アークイベント間の電圧パルスの数の範囲は１２〜１８である。

次に図６を参照して、別の電流波形６００を示す。しかしながら、この波形６００はホットワイヤ溶接プロセスの開始部分を示す。前で説明したように、ホットワイヤ溶接の間はアークがない状態で溶接材料が溶融池内に堆積される。その間、加熱電流が溶接材料に提供されて溶接材料が溶融池内で溶けるようにさせる。しかしながら、このプロセスのために、ホットワイヤプロセスが始まるよりも前に溶融池が必要になる。一部の状況では、溶融池はレーザー、別のプロセスからのアーク又は他の熱源により形成できる。しかしながら、本考案の例示の実施形態では、プロセスを確立するために、ホットワイヤ溶接材料と共にプロセスの始めにショートパルスルーチンを用いて溶融池を形成する。溶融池が形成された後にホットワイヤプロセスを進めることができる。例えば、図４に関して上述したような形でホットワイヤプロセスを進めることができる。

図６に示すように、波形６００は開始ルーチン部（start routine portion）ＳＲ及びホットワイヤ部ＨＷＲを有する。開始ルーチン部ＳＲは任意の既知のアーク溶接作業のように開始することができる。例えば、開始ルーチン部ＳＲは、溶接材料とワークピースとの間でアークを開始させるために既知のＧＭＡＷ型溶接プロセスのように始めることができる。アークが生成された後、複数の電流パルス６０１を有する短いパルス溶接プロセスが始まる。この間、パルスはパルス６０１の間にピーク電流レベル６０５及びバックグラウンドレベル６０３を有する。これは既知のＧＭＡＷ型パルス溶接プロセスと同様である。ワークピース上に溶融池を形成するためにこのパルス溶接プロセスが用いられ、十分な溶融池が形成されるのを確かなものにするために所定の持続時間に亘って維持される。溶融池が形成されると、波形６００はアーク溶接開始プロセスＳＲからホットワイヤ部ＨＷＲに変更される。開始ルーチン部ＳＲの最後に、溶接材料と溶融池との間のアークを消弧するために電流が下げられるか又は止められる。図４及び図５に関して前で説明したように、その後、溶接材料が溶融池と接触するように溶接材料が前に進められ、そしてホットワイヤルーチンＨＷＲが開始される。図示のように、波形６００では、ホットワイヤルーチンは、ピークレベル６１１及びバックグランドレベル６１３（一部の実施形態では０アンペアであり得る）を有する複数は加熱パルス６１１を有する。なお、開始ルーチン部ＳＲとホットワイヤ部ＨＷＲとの間の遷移は、図４に関して上述したものであり得る。

上述したように、開始ルーチン部は比較的短い。本考案の例示の実施形態では、開始ルーチンの持続時間の長さの範囲は０．０１〜５秒である。該持続時間の開始はアークが開始された時間であり、該持続時間の終わりはアークが消弧されるときである（例えば６１０で）。さらなる例示の実施形態では、開始ルーチンの範囲は０．０１〜１秒である。他の例示の実施形態では、開始ルーチンの持続時間の範囲は０．１〜０．５秒である。さらなる例示の実施形態では、電源は、開始ルーチンＳＲのバックグラウンド部６０３からのみホットワイヤルーチンＨＷＲに遷移する。例えば、所定の持続期間がアークパルス６０１の途中で終わった場合、電源は単にその時点で消弧するのではなく、パルス６０１が完了して、遷移前に溶接電流がバックグラウンド部６０３に達するまで待つ。なお、一部の例示の実施形態では、開始ルーチンの間の溶接材料のワイヤ送給速度は、溶接プロセスのホットワイヤ部の間のワイヤ送給速度より遅くてもよい。また、開始ルーチンは、開始ルーチンの間に短絡アーク、ＳＴＴ、ワイヤリトラクト（wire retract）又は他の低入熱アーク溶接プロセス等の既知のアーク溶接プロセスを用いることができる。そのような実施形態では、始動の際に過剰な入熱が避けられる。

さらなる例示の実施形態では、電源は、持続時間を用いる代わりに、開始ルーチンＳＲに所定数のアークパルス６０１を用い、所定数のパルスに達した後でアークを消弧する。例えば、例示の実施形態では、開始ルーチンのためのパルスの数はｎ個のパルスであり、ｎ個のパルスに達した場合に電源はホットワイヤルーチンＨＷＲに遷移する。例示の実施形態では、パルスｎの数の範囲は１〜１０００パルスである。他の例示の実施形態では、パルスｎの数の範囲は５〜２５０パルスであり、さらなる実施形態ではパルスの数の範囲は５〜１００パルスである。追加の例示の実施形態では、開始ルーチンＳＲの長さを決定するために、電源は持続時間とパルスの数との組み合わせを用いることができる。即ち、そのような実施形態では、電源は設定された持続時間及びパルスの数の双方を用い、持続時間及びパルスの数のそれぞれが規定に達するまで（どちらが先に規定に達したかに関係なく）ホットワイヤルーチンＨＷＲに遷移しない。

例示の実施形態では、開始ルーチン部ＳＲの持続時間及び／又はパルスの数が、ユーザー入力情報に基づき電源によって予め決定される。ユーザー入力情報はワイヤ送給速度、溶接材料のサイズ、溶接材料の種類、溶接金属の種類等を含み得る。さらなる例示の実施形態では、開始ルーチンの持続時間及び／又はパルスの数を決定するのに他の要因を用いることができる。他の要因はホットワイヤプロセスがレーザープロセス、ＧＭＡＷプロセス又はＳＡＷプロセスと一体化されているかどうかを含む。さらなる実施形態では、溶接／接合用途の種類が開始ルーチンのパラメータ又は溶融池の所望のサイズに影響を及ぼし得る。例えば、溶融池のサイズは高速の薄板プロセス（概して小さい溶融池）、圧膜製造（heavy fabrication）プロセス（大きい溶融池）又はクラッディングプロセス（非常に大きい溶融池）で異なり得る。そのような実施形態では、ユーザー入力情報に基づいて、電源コントローラは参照テーブル、状態表等を用いて、使用すべき開始ルーチンＳＲの持続時間及び／又はパルスの数を設定する。持続時間及び／又はパルスの数は、ホットワイヤルーチンが開始される前に溶融池が所望のサイズ、深さ及び／又は温度に達するのが確かなものとなるように選択される。他の例示の実施形態では、溶融池及び／又はワークピースの熱を観察する及び／又は溶融池のサイズ／形状を観察するのにシステムを用いることができる。

本明細書で説明したように、開始ルーチンＳＲからホットワイヤルーチンＨＷＲへの遷移は、図４及び図５に関して説明したような形で行うことができる。しかしながら、他の例示の実施形態では、開始ルーチンの間に生み出される短絡状態の間に遷移が起こり得る。例えば、溶融池／ワークピースに対して溶接材料を短絡させるプロセスを開始ルーチンが使用している場合、電源のコントローラは短絡条件の間にホットワイヤに遷移させる。これは、開始ルーチンＳＲが、例えばＳＴＴ、短絡溶接又は短絡アーク溶接等の開始ルーチンを使用している場合に行うことができる。そのような実施形態では、コントローラは開始ルーチンＳＲの持続時間をモニタリングし、所望の持続時間及び／又はパルスの数が完了した場合に、電源は次の短絡イベント時にホットワイヤに遷移する。

他の例示の実施形態では、開始ルーチンは、図６に示すようなパルス溶接作業を用いることができる。しかしながら、所定の持続時間／パルスの数の後、短絡イベントが起こるまでアークの長さを短くするためにパルス６０１の電流が下げられる。短絡が起こると、ホットワイヤプロセスへの遷移が起こる。短絡イベントを用いることで、遷移のためにアークを人為的に抑制する必要がない。

追加の実施形態では、開始ルーチンＳＲの持続時間は、開始ルーチンＳＲの間の入熱をモニタリングすることによって決定できる。例えば、そのような実施形態では、コントローラ／電源は上述したユーザー入力データを用いて、開始ルーチンＳＲに必要な所望の／所定の入熱量を決定する。即ち、電源のコントローラは所定量の入熱を設定することができ、その入熱の閾値に達すると、電源は本明細書で説明したようにアークルーチンからホットワイヤルーチンに遷移できる。例示の実施形態では、入熱の閾値の範囲は０．０１〜１０ｋｊであり得る。さらなる例示の実施形態では、入熱の閾値の範囲は０．０１〜１ｋｊであり得る。

図７は、図３に関して説明したホットワイヤ電源３１０を有するシステム７００の追加の実施形態を示す。この実施形態では、電源３１０はコントローラ７１０（電源に内蔵され得る）に連結されている。コントローラ７１０は、プロセスをモニタリングするセンサ装置７０１に連結されている。センサ装置７０１は、溶融池／ワークピースの所望のパラメータをモニタリングする任意の種類のセンサ装置であり得る。例えば、センサ装置は溶融池及び／又はワークピースの温度をモニタリングする温度センサであり得る。そして、ホットワイヤプロセスの開始及び／又はホットワイヤプロセス自体を制御するためにセンサ装置からのフィードバックが電源３１０によって用いられる。例えば、図４に関して説明したように、ワークピース／溶融池への入熱を制御するために、アーク周波数をホットワイヤプロセスと一体化させることができる。そのような実施形態では、電源３１０からのホットワイヤ電流出力のために適したアーク周波数を決定するために、センサ７０１からのフィードバックが電源によって用いられる。他の実施形態では、センサ７０１はワークピース上の溶融池の形成及びサイズをモニタリングする光学センサであり得る。そして、コントローラ７１０はこのセンサからのフィードバックを用いてホットワイヤ波形の出力及び／又はアーク周波数を制御する。電源３１０の制御を支援するために他のセンサを用いてもよいし、センサの組み合わせを用いてもよい。

図８Ａ及び図８Ｂは、本考案の例示の実施形態で用いることが可能な追加の例示的な波形を示す。上述したように、電流波形８００及び８００’は図４で説明した波形と同様である。具体的には、波形８００及び８００’はホットワイヤ波形とアーク波形との組み合わせである。しかしながら、波形８００及び８００’では、ホットワイヤ部の間に２つ以上のアーク溶接パルスが存在する。そのような実施形態は、ワークピースへの入熱をさらに制御するため及び／又は望み通りに溶接パラメータ及び溶接速度を最適化するために用いることができる。また、そのような実施形態は、亜鉛メッキが施されたワークピース等の被覆されたワークピースに対して用いることができ、被覆された材料にアーク溶接を行う場合に概して伴うポロシティなしで所望のパフォーマンスを得ることができる。

図８Ａは、アーク溶接部８０１及びホットワイヤ部を有する電流波形８００を示す。アーク溶接部８０１は、ＧＭＡＷ型パルス溶接プロセス等の任意の既知のパルス溶接プロセスであり得る。アーク溶接部８０１はバックグラウンド電流によって隔てられた複数のパルス８０２を含む。ＧＭＡＷ型パルス溶接波形は既知であるため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。ある期間の後又は所望の数のパルス８０１が形成されると、アーク溶接部が８０４で終了する。８０４では、アークが消弧されて波形８００がホットワイヤ段階８２０に遷移するように電流が下げられるか又は止められる。なお、アーク溶接段階とホットワイヤ段階との間の遷移部は、引き込み電流等を用いた図４の波形に関して説明したものであり得る。図示の実施形態では、アーク溶接電流が終わった後に（８０４）、電流は時間８０５の間に非常に低く設定されるか又は止められる。これは溶接材料が溶融池の方に進められるからである（これは、前で説明したように、アーク溶接作業により、ワイヤが溶融池と接触していないからである）。オフタイム８０５の間、溶融池との接触を検出するために溶接材料にＯＣＶを印加することができる。前で説明したように、接触が検出されると、加熱電流が（８０７で）引き込みレベル８０９（引き込み電流レベルであり得る）に印加され、（前で説明したように）引き込み時間に亘って維持される。引き込みの後、電流が加熱電流レベル８１０に上げられる。加熱電流レベル８１０は、アークが生成されることなく溶接材料が溶融池内で溶融するのを確かなものにするために溶接材料を加熱するために維持される。先の説明（例えば図４及び図５の実施形態）と同様に、電源は、溶接材料とワークピースとの間にアークが形成されないが、溶接材料が適切な形で溶融池内に堆積されるのを確実にするために、ホットワイヤ部８２０の間でアーク抑制制御スキームを用いる。

図４に示すホットワイヤパルスとは異なり、図８Ａではホットワイヤ電流をレベル８１０の定電流として図示する。そのような実施形態では、加熱電流レベル８１０が所望の溶融レベルで維持される。しかしながら、他の例示の実施形態では、図４に図示のものと同様に、図８Ａ（及び図８Ｂ及び図９）の波形のホットワイヤ部８２０をパルスホットワイヤ波形に置き換えることができる。即ち、そのような実施形態では、アーク溶接部８１０はホットワイヤ部８２０のために定電流又はパルスホットワイヤ波形のいずれかと一体化することできる。ある期間の後、ホットワイヤ部８２０が止められ、アーク溶接作業を行うためにアーク溶接部８１０に再度遷移する。図８Ａに示すように、ホットワイヤ電流は低減されたレベルに下げられ（期間８１１に亘って０アンペアであり得る）、その後にアーク溶接電流がレベル８１３で開始され、その後にアーク溶接パルス８０２が再び始まる。当然ながら、パルス溶接、ＳＴＴ型溶接、短絡アーク溶接等の任意の既知のアーク溶接作業を開始することができる。本考案の実施形態はこの点に限定されない。それに加えて、波形のホットワイヤ部８２０の後で開始されるアーク溶接作業は、ホットワイヤ部の前で用いられるアーク溶接作業と同じである必要はない。例えば、波形のホットワイヤ部の前にパルス溶接アーク溶接波形を用いることができ、ホットワイヤ部８２０の後にＳＴＴ型波形を用いることができる。ホットワイヤ溶接部８２０からアーク溶接部８１０への遷移は既知のアーク溶接開始手順を通じて行うことができる。一部の例示の実施形態では、ワイヤ送給装置は、アークの開始の前に溶接材料と溶融池との間に間隙を形成するために溶接材料の速度を下げるか又は後退させることができる。他の例示の実施形態では、溶接材料の端部を千切り、その後にアークを開始させるために電源によって遷移ルーチンを開始させることができる。本考案の実施形態はこの点に限定されない。前で説明したように、例示の実施形態では、アーク段階のためにＳＴＴ、短絡アーク又はワイヤリトラクトプロセスを用いることができ、ホットワイヤへの遷移は短絡状態の間のみである。

同じ溶接材料でホットワイヤプロセス及びアーク溶接プロセスの双方を用いることにより、本考案の実施形態は溶接プロセスへの入熱の制御を向上させ、特定の溶接作業の溶接パフォーマンスを改善することができる。例えば、本考案の例示の実施形態は図７に図示のシステムと同様のシステムを用いることができ、ワークピースの温度がモニタリングされ、その検出した温度に基づいてコントローラ７１０が波形８００を制御して所望の遷移プロセスを用いる。即ち、コントローラ７１０は、溶接部への入熱を制御するためにホットワイヤ溶接に対するアーク溶接の比を制御することができる。例えば、追加の熱が必要であると判定された場合、制御装置は、溶接波形におけるホットワイヤ溶接に対するアーク溶接の比を高めることができる。また、入熱が高すぎる場合は、コントローラ７１０は、アーク溶接の量を少なくするとともに波形８００のホットワイヤ溶接の量を高めるために電源３１０を制御することができる。

例示の実施形態では、所望の入熱及び堆積速度を得るためにアーク溶接プロセスに対するホットワイヤプロセスの比が最適化される。例えば、例示の実施形態では、アーク溶接プロセスに対するホットワイヤプロセスの比の範囲は５０／５０〜０／１００であり、係る比率はプロセス持続時間を用いる。５０／５０の比は溶接時間の５０％がホットワイヤモードであるのに対して、他の５０％の時間がアーク溶接モードであることを意味する。なお、適切な溶融池の形成が確かなものとなるとともに、ホットワイヤ段階の間に溶接材料の適切な溶融が得られることが確かなものとなるように比率を選択すべきである。また、例示の実施形態では、所望の入熱を得るために所定の期間に亘って又は入熱フィードバックに基づいて比率を調整できる。電流波形が遷移モードにある時間は、必ずしもアーク溶接又はホットワイヤのいずれかとして特徴付けられないことがあるため、そのような実施形態ではアーク溶接プロセスの持続時間は、アークが存在していないホットワイヤプロセスの持続時間に対して、アークが存在する持続時間として判断される。他の例示の実施形態は、本考案の精神又は範囲から逸脱することなくプロセスのホットワイヤ部とアーク溶接部との間の他の比率関係を用いることができる。例えば。他の例示の実施形態では、パルスのカウント数（pulse counts）の比を用いることができ、係る比率はアーク溶接パルスに対するホットワイヤパルスの数を表す。他の例示の実施形態では、それぞれの部分（ホットワイヤ対アーク溶接）のパルスのカウント数の比が維持されるが、それぞれのパルスの周波数が調整される。そのような実施形態では、それぞれのパルスの周波数が変化するためそれぞれのプロセスの全体的な持続時間が調整される。例えば、図８Ａでは、アーク溶接パルス８０２の周波数を調整できる（例えば上げる）のに対して、ホットワイヤ段階８２０の持続時間は、ホットワイヤ段階８２０の全体的な周波数又は発生がより頻繁に起こるように（アーク溶接部８１０の持続時間が短くなるように）維持することができる。

他の例示の実施形態では、センサ７０１を用いる代わりに、コントローラ７１０は波形８００の電力の微分を用いて溶接部への全体的な入熱を求め、求めた入熱に基づきコントローラ７１０は波形８００のホットワイヤに対するアークの比を制御する。例示の実施形態では、コントローラ７１０はユーザー入力情報を用いて作業のための所望の入熱を決定して、この所望の入熱を維持する。例えば、一部の実施形態では、コントローラ７１０は所定の動作のための所望の移動平均入熱及び／又は入力を決定し、電源を制御してその移動平均を提供する。入熱及び／又は入力のための移動平均はユーザー入力又はユーザー設定であり得るが、ユーザー入力データに基づきコントローラが決定することもできる。例えば、ユーザーは、ワークピースの材料、溶接材料の情報、ワイヤ送給速度、ワークピースの厚さ、溶接部のサイズ、溶接位置、用途の種類（クラッディング、高速接合、圧膜接合（heavy deposition joining）等）、間隙のサイズ及び任意のビルドアップパラメータ又は要件のうちのいずれか１つ又は組み合わせであり得る。この情報に基づいて、コントローラ７１０は入熱及び／又は入力の閾値（移動平均閾値であり得る）を決定し、電源を制御して、所望の設定出力熱及び／又は電力を実現する波形８００を出力する。当然ながら、コントローラ７１０は（センサ７０１等を通じて）実際の熱をモニタリングし及び／又は提供された熱及び実際の電力を計算して波形８００を必要に応じて調整し所望の熱及び／又は出力を維持することができる。コントローラ７１０は多種多様な制御方法を用いることができる。例えば、一部の例示の実施形態では、コントローラ７１０は設定された持続時間又は距離に亘って入熱及び／又は入力のための所望の移動平均を用いて波形８００を調整し、所望の移動平均を維持することができる。そのような実施形態では、制御のためにジュール／秒又はジュール／インチの比を用いることができ、その場合、所定の移動平均はユーザー入力情報に基づいて設定される。

例えば、一部の例示の実施形態では、システム制御のためにホットワイヤプロセスのジュールに対するアークプロセスのジュールのオフセット比を用いることができる。例えば、システムコントローラは所望の又は所定の入熱比を決定することができ、所定の時間に亘って又は移動平均に亘って所望の比率を実現するためにプロセスが制御される。例示の実施形態では、ホットワイヤプロセスのジュールに対するアークプロセスのジュールの決定された比の範囲は２．５：１〜１０：１である。他の例示の実施形態では、係る比率の範囲は３：１〜７：１である。

図８Ｂは、図８Ａの波形８００と同様の波形８００’の別の例示の実施形態を示す。しかしながら、この実施形態では、波形８００’のホットワイヤ部８２０’は負の極性を有するため、全体的な波形８００’はＡＣ型の波形である。なお。一部の溶接作業の間、同じ電流極性を常に用いることでワークピース及び／又はワークピース固定具を磁化させ得る。これは多くの理由から望ましくない。しかしながら、図８Ｂに示すように電流を交流にすることで、磁気の蓄積を緩和し最小限に抑えることができる。一般に、波形８００’は図８Ａに関して上述したのと同様に生成及び制御されるが、図示のようにホットワイヤ部は負の極性を有する。アーク溶接とは異なり、負の極性の使用が溶接作業の全体的な入熱に及ぼす影響は小さい。何故ならアークが存在しないからである。実際に、一部の例示の実施形態では、電源は図８Ａ及び図８Ｂに示す双方の波形の組み合わせを用いることができる。即ち、電流波形のホットワイヤ部は正の極性と負の極性とのを交互にすることができ、溶接プロセス全体で同じ極性を有する必要はない。ＡＣ電流は固定具に対して脱気効果があり、ＡＣの周波数はこの効果に関する。そのため、一部の例示の実施形態では、脱気効果を最適化するために極性が変更される。一部の実施形態では、連続するパルスの極性が交互になる。また、溶接プロセスは、第１の極性（例えば正）を有する複数の連続するホットワイヤ部を、その後に第２の極性（例えば負）を有する１つの（又は複数の）ホットワイヤ部を有することができる。コントローラ／電源は所望のパフォーマンスを得るために必要に応じてホットワイヤ部の極性を調整しながら、ワークピース／固定具内での磁力の蓄積を防止することができる。また、ホットワイヤ部のために極性を変更するだけでなく、波形８００／８００’のアーク溶接部８１０のために変更することもできる。即ち、本考案の実施形態はアーク溶接部８１０のためにＡＣアーク溶接プロセスを用いることができる。また、他の実施形態は、図８Ｂに図示のものとは対照的に、正極性のホットワイヤ溶接を用いながら、負極性のアーク溶接を用いることができる。

さらなる例示の実施形態では、ワークピース及び／又はワークピースを保持する固定具内の磁界の蓄積を検出する磁気センサにコントローラ７１０を連結することができる。この磁気センサからのフィードバックに基づいて、コントローラ７１０は電源を制御してホットワイヤ部８２０／８２０’の極性を調整し、不要な磁力の蓄積を緩和するか又は制御することができる。

図９は、図８Ａに示す波形８００と同様の波形９００の別の例示の実施形態を示す。しかしながら、本実施形態では、電源は波形のホットワイヤ部８２０からアーク溶接部８１０に素早く遷移する。図示のように、本実施形態では、ホットワイヤ電流（８１０）のピーク又はアーク溶接パルス８０２のピークよりも低いがバックグラウンド電流８０３より高い遷移レベル９０１にホットワイヤ電流が下げられる。電流が遷移レベル９０１に達すると、電源は動作のアーク抑制モードから動作の従来のアーク生成モードに切り替わり、アークが即座に生成される。そのような実施形態は、溶接材料が溶融池内で底に達するのを防止しながらホットワイヤプロセスからアーク溶接プロセスに遷移するために高速のワイヤ送給速度を使用する場合に用いることができる。例示の実施形態では、遷移レベルの範囲は１００〜２５０アンペアである。他の例示の実施形態では、アークの形成の間に爆発又は飛散イベントの可能性を最小限に抑えるために、遷移はランプ電流（ramped current）を用いることができる。他の実施形態は、遷移の間にワイヤを後退させるか又は減速させることもできる。さらなる例示の実施形態では、予測回路を用いてアークの形成の直前に電流を下げるＳＴＴ制御アプローチを用いることができる。それに加えて、他の実施形態では、アークが形成された直後に溶融池と溶接材料との間に間隙を確立するために、プロセス電流とは独立してピーク電流を用いることができる。また、他の例示の実施形態は、アーク溶接プロセスからホットワイヤプロセスに遷移する際に拡張バックグランド電流を用いることができる。拡張バックグラウンドは短絡イベントを促し、短絡が起きた場合にホットワイヤへの遷移を開始できる。

当然ながら、波形８００／８００’／９００のホットワイヤ部８２０からアーク溶接部８１０への変更のために他の遷移波形及び制御方法を用いることができる。

本考案の例示の実施形態では、プロセスを最適化するために、溶接材料のワイヤ送給速度をプロセスの間に調整することができる。例えば、例示の実施形態では、アーク溶接段階の間のワイヤ送給速度はホットワイヤプロセスの間のワイヤ送給速度より遅くてもよい。例えば、アーク溶接段階で短絡アーク溶接プロセスを用いる場合、ホットワイヤからアーク溶接への遷移の間にワイヤ送給速度が減速され、ホットワイヤプロセスに再び遷移にする場合に加速される。

本考案の実施形態は向上した熱制御を提供するため、溶接作業の最適化のためにそれらを用いることができる。例えば、本考案の実施形態は、とりわけ比較的薄いワークピース上に、裏当て（backing）を必要とせずに突き合わせ継手やＴ字継手等の継手を溶接するのに用いることができる。これを図１０Ａ及び図１０Ｂに概して図示する。図１０Ａは、溶接部を支持する裏当て板が溶接部の裏側ＢＳで使用されていない突き合わせ継手を図示する。本考案の実施形態は向上した熱制御を有するため、裏当てなしで且つ溶融池が溶接部の裏側ＢＳを吹き抜けることなく溶接部を完成させることができる。例示の実施形態では、溶接部に熱を加えるとともに所望の貫通を提供するためにアーク溶接プロセスを用いることができ、そして溶融池が継手の裏側を突き抜けることがないようにプロセスを過熱（又は冷却）することなく材料を加えるために溶接プロセスのホットワイヤ部を用いることができる。これらは溶接作業の生産性を大きく高める。また、本考案の追加の例示の実施形態では、所望の入熱及び堆積を実現するために、溶接継手の裏側ＢＳをモニタリングするようセンサ７０１（例えば温度センサ）を配置し、センサ７０１からのフィードバックを用いて電源３１０の出力を制御することができる。即ち、センサ７０１からのフィードバックを用いて、電源から出力されるアーク溶接プロセスに対するホットワイヤプロセスの比を制御することができる。例えば、溶接部の裏側ＢＳで望ましくない温度の上昇が検出された場合、電源はプロセスを冷却して溶融池が溶接部の裏側に貫通するのを防止するためにホットワイヤに切り替える。同様に、本考案の実施形態は、裏当てなしで図１０Ｂに示すようなＴ字継手を溶接するのに用いることができる。当然ながら、本考案の実施形態はこれらの種類の継手だけに限定されず、多種多様な種類の継手に用いることができる。

また、本考案の実施形態は、亜鉛メッキ等の被覆されたワークピースに改善された溶接を提供する。従来、亜鉛メッキが施された材料を溶接する場合、溶接継手のポロシティが過度なものになるのを防止するために溶接を行う前にコーティングを除去する及び／又は溶接を非常にゆっくり行うことが必要なことが一般的に知られている。しかしながら、本考案の実施形態は、これらの欠点なしに被覆／亜鉛メッキが施されたワークピースを接合するのに用いることができる。即ち、同じ溶接材料でアーク溶接及びホットワイヤ溶接の組み合わせを用いることで、溶接継手のポロシティを最小限に抑えながら溶接継手を改善した速度で形成できる。ワークピースを貫通させるとともに被覆を気化させるのにアーク溶接プロセスを用いることができるのに対して、ホットワイヤプロセスは全体的な入熱を低く維持して、溶接部の熱の影響を受けた領域の被覆（例えば亜鉛）の気化を防止することができる。本考案の例示の実施形態では、被覆されたワークピースを溶接する場合のホットワイヤの持続期間に対するアーク溶接の持続時間の比の範囲は７０／３０〜４０／６０である。さらなる例示の実施形態では、係る比率の範囲は６０／４０〜４５／５５である。そのため、本考案の実施形態は、被覆された材料を溶接する場合に既知の溶接方法に勝る改善されたパフォーマンスを実現するのに用いることができる。

本考案の実施形態に係るシステム及び方法は、ホットワイヤ溶接及びアーク溶接の組み合わせを利用するホットワイヤ法を用いて、ワークピース１１５に溶接材料１４０を堆積させることに関する。波形５００は、溶接プロセスにおいて熱を加える／制御するためにホットワイヤ溶接作業の間にアークイベントを形成する。ホットワイヤ溶接プロセスはそれ自体で、レーザー１２０と共に又は他の溶接プロセスと併用することができる。

特定の実施形態を参照しながら本考案を説明してきたが、当業者であれば、本考案の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ得ること及び同等物が置換され得ることが分かる。それに加えて、本考案の範囲から逸脱することなく、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が加えられ得る。従って、本考案は、開示した特定の実施形態に限定されることを意図したものではなく、本考案は、本願の範囲に含まれる全ての実施形態を含む。

１００ システム
１１０ レーザービーム
１１５ ワークピース
１２０ レーザー装置
１２５ 方向
１３０ レーザー電源
１４０ フィラーワイヤ
１５０ フィラーワイヤ送給装置
１６０ コンタクトチップ
１７０ ホットワイヤ電源
１８０ モーションコントローラ
１９５ 電流コントローラ
２００ システム
２１１ 溶接電極
２１２ トーチ
２１３ 電源
２１５ ワイヤ送給装置
３００ システム
３０１ 溶接電源
３０３ 同期信号
３１０ ホットワイヤ電源
３１１ インバータ電源部
３１３ プリセット加熱電圧回路
３１５ 時間平均フィルター回路
３１７ センスリード
３１９ センスリード
３２１ アーク検出閾値回路
３２３ 公称パルス波形回路
４００ 電圧波形
４０１ 電圧パルス
４０３ ピーク電圧
４０５ アークレベル
４０７ 開路電圧（ＯＣＶ）
４０９ ピークレベル
５００ 電流波形
５０１ 加熱パルス
５０３ ピーク電流レベル
５０７ アーク
５０９ 引き込み電流
５１１ 引き込み電流
６００ 電流波形
６０１ アーク電流パルス
６０３ バックグラウンド部
６１１ 加熱パルス
７００ システム
７０１ センサ装置
７１０ コントローラ
８００ 電流波形
８００’ 電流波形
８０１ アーク溶接波形
８０２ パルス
８０４ 時点
８０５ 時間
８０９ レベル
８１０ 加熱電流レベル
８１１ 期間
８１３ レベル
８２０ ホットワイヤ段階
９００ 波形
９０１ 遷移レベル

Claims (11)

1. 溶接材料の堆積システムであって、
   少なくとも１つのワークピース上の溶融池内に堆積される溶接材料に電流波形を提供する電源を含み、
   前記電流波形は、前記溶接材料と前記溶融池との間にアークをもたらすアーク堆積部と、ホットワイヤ部とを含み、該ホットワイヤ部の間は前記溶接材料に加熱電流が提供されるとともに前記溶接材料と前記溶融池との間にアークが形成されず、
   前記電源は、前記電流波形から前記少なくとも１つのワークピースへの所望の入熱を決定するコントローラを含み、前記電源は、前記電流波形を前記アーク堆積部と前記ホットワイヤ部との間で交互させて、前記電流波形から前記ワークピースへの入熱を制御して前記所望の入熱を維持する、堆積システム。
2. 前記アーク堆積部はＧＭＡＷ型プロセスである、請求項１に記載の堆積システム。
3. 前記ワークピースへの入熱を検出するセンサをさらに含み、前記コントローラは該センサからのフィードバックを用いて前記電源を制御するとともに、前記電流波形を前記アーク堆積部と前記ホットワイヤ部との間で交互させる、請求項１又は２に記載の堆積システム。
4. 前記コントローラは、前記電流波形の前記アーク堆積部に対する前記ホットワイヤ部の比の範囲が５０／５０〜０／１００になるように前記電流波形を制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の堆積システム。
5. 前記コントローラは、前記電流波形の前記アーク堆積部に対する前記ホットワイヤ部の比を制御して前記所望の入熱を維持する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の堆積システム。
6. 前記コントローラは、前記ホットワイヤ部及び前記アーク堆積部のうちの少なくとも一方の周波数及び電流パルスの数のうちの少なくとも１つを制御して前記所望の入熱を維持する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の堆積システム。
7. 前記所望の入熱は前記電流波形の移動平均入熱である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の堆積システム。
8. 前記所望の入熱は、前記ワークピースの材料の種類、前記溶接材料の種類、溶接サイズ、溶接位置、用途の種類、充填すべき間隙のサイズ、前記溶接材料のためのワイヤ送給速度及び前記ワークピースの厚さのうちの少なくとも１つ又は組み合わせに基づいて決定される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の堆積システム。
9. 前記所望の入熱は前記電流波形の移動平均入力である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の堆積システム。
10. 前記コントローラは、前記ホットワイヤ部のジュールに対する前記アーク堆積部のジュールの比の範囲が２．５：１〜１０：１になるように前記電流波形を制御する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の堆積システム。
11. 前記コントローラは、前記ホットワイヤ部のジュールに対する前記アーク堆積部のジュールの比の範囲が３：１〜７：１になるように前記電流波形を制御する、請求項１０に記載の堆積システム。

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