本明細書では「肉盛(overlaying)」という用語を広い意味で使用し、ろう付け、クラッディング、上盛、充填及び表面硬化を含む任意の施工を意味し得る。例えば、「ろう付け」施工では、キャピラリー作用を用いて金属フィラーが継手のぴったりと合った面の間で広げられる。それに対して、「ブレイズ溶接」施工では、金属フィラーは間隙内に流れ込まされる。しかしながら、本明細書で用いるように、双方の方法は広く肉盛施工と呼ばれる。
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/溶接施工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であり得る。また、十分なエネルギーがあれば、白色レーザー又は石英レーザー型のシステムも用いることができる。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/cm2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を通じ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融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融池を形成し、また、ワークピース115上でワイヤ140を溶融させる役割を果たす。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。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。
図2は、図1のシステム100が用いる始動方法200の実施形態のフローチャートを示す。ステップ210では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140とワークピース115との間に電源170により検知電圧が印加される。検知電圧は、検知/電流コントローラ195の命令の下でホットワイヤ電源170により印加され得る。さらに、本考案の一実施形態によれば、印加される検知電圧はワイヤ140を大幅に加熱するのに十分なエネルギーを提供しない。ステップ220では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤの遠位端をワークピース115の方に前進させる。この前進はワイヤ送給装置150によって行われる。ステップ230では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115と最初に接触したときにそれを検知する。例えば、検知/電流コントローラ195は、ホットワイヤ140に非常にレベルの低い電流(例えば、3〜5アンペア)を提供するようホットワイヤ電源170に命令し得る。そのような検知は、検知/電流コントローラ195がフィラーワイヤ140(例えばコンタクトチップ160を介して)とワークピース115との間の約0ボルト(例えば0.4V)の電位差を測定することにより実現され得る。フィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115に短絡されている場合(即ち、ワークピースと接触している場合)、フィラーワイヤ140とワークピース115との間に(0ボルトを超える)有意な電圧レベルは存在しない場合がある。
ステップ240では、前記検知に応じて、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140に対して電源170を所定の期間(例えば、数ミリ秒)オフにする。検知/電流コントローラ195はオフになるよう電源170に命令し得る。ステップ250では、所定の期間の終了時に電源170をオンにして、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140に加熱電流の流れを印加する。検知/電流コントローラ195はオンになるよう電源170に命令し得る。ステップ260では、少なくとも加熱電流の流れを印加しながら、高強度エネルギー源110からのエネルギーをワークピース115に印加してワークピース115を加熱する。
オプションとして、方法200は、前記検知に応じて、ワイヤ140の前進を止めることと、所定の期間の終了時にワイヤ140の前進を再開すること(即ち再び進めること)と、加熱電流の流れを印加する前に、フィラーワイヤ140の遠位端が依然としてワークピース115に接触しているかを確認することとを含み得る。検知/電流コントローラ195は送給を停止するようワイヤ送給装置150に命令し、システム100に待つ(例えば数ミリ秒)よう命令し得る。そのような実施形態では、検知/電流コントローラ195は、ワイヤ送給装置150に開始及び停止を命令するためにワイヤ送給装置150に作動的に接続されている。検知/電流コントローラ195は、ワイヤ140を加熱するために加熱電流を印加するように、また、ワークピース115の方にワイヤ140を再度送給するようにホットワイヤ電源170に命令し得る。
始動方法が完了すると、システム100は動作の始動後モードに突入し得る。このモードでは、ろう付け施工、クラッディング施工、上盛施工、表面硬化施工又は溶接/接合作業のうちの1つを行うために、レーザービーム110及びホットワイヤ140がワークピース115に関連して動かされる。図3は、図1のシステム100が用いる始動後の方法(post start-up method)300の実施形態のフローチャートを示す。ステップ310では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140がワークピース115の方に供給されるときに高強度エネルギー源(例えばレーザー装置120)からのエネルギー(例えばレーザービーム110)及び/又は加熱されたワークピース115(即ち、ワークピース115はレーザービーム110により加熱される)がワークピース115上にフィラーワイヤ140の遠位端を溶融するよう、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140の遠位端が高強度エネルギー源(例えばレーザー装置120)に先行するか又は一致するように、高強度エネルギー源(例えば、レーザー装置120)及び少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140をワークピース150に沿って動かす。モーションコントローラ180は、レーザービーム110及びホットワイヤ140と関連してワークピース115を動かすようロボット190に命令する。レーザー電源130は、レーザービーム110を形成するためにレーザー装置120に電源を供給して動作させる。ホットワイヤ電源170は、検知/電流コントローラ195に命令されることによりホットワイヤ140に電流を供給する。
ステップ320では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140がワークピース115との接触を失いそうになる度にそれ検知する(即ち、予測能力の提供)。そのような検知は、検知/電流コントローラ195内の予測回路(premonition circuit)が、フィラーワイヤ140とワークピース150との間の電位差(dv/dt)、抵抗(dr/dt)、フィラーワイヤ140及びワークピース150を通る電流(dr/dt)又は電力(dp/dt)のうちの1つの変化率(rate of change)を測定することで実現され得る。この変化率が所定の値を上回ると、検知/電流コントローラ195は接触がまもなく失われると正式に予測する。そのような予測回路はアーク溶接の技術分野では公知である。
ワイヤ140の遠位端が加熱により高度に溶融すると、遠位端がワイヤ140から千切れてワークピース115上に移り始める。例えば、その時の電位差又は電圧は、遠位端が千切られてワイヤの遠位端の断面が急激に減少するため増加する。従って、そのような変化率を測定することで、システム100はいつ遠位端が千切られてワークピース115との接触が失われることになるのかを予測し得る。また、接触が完全に失われた場合、0ボルトよりも大幅に大きい電位差(即ち電圧レベル)が検知/電流コントローラ195によって測定され得る。ステップ330における措置が取られていないと、この電位差によりワイヤ140の新たな遠位端とワークピース115との間で(望ましくない)アークの形成が引き起こされ得る。当然ながら、他の実施形態では、ワイヤ140ははっきりと千切れるのではなく、ほぼ一定の断面を維持しながら連続的に溶融池に流入する。
ステップ330では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140の遠位端とワークピース115との接触が失われようとしていることの検知に応じて、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140を通る加熱電流の流れをオフにする(又は少なくとも大幅に、例えば95%減らす)。接触が失われようとしていることを検知/電流コントローラ195が判断すると、コントローラ195はホットワイヤ140に供給されている電流を止める(又は少なくとも大幅に減らす)ようホットワイヤ電源170に命令する。このように、不要なアークの形成が防止され、スパッタ又は溶け落ち等の望ましくない効果の発生が防止される。
ステップ340では、ワイヤ140がワークピース115の方に前進を続けることにより少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115と再度接触する毎に検知を行う。そのような検知は、検知/電流コントローラ195がフィラーワイヤ140(例えばコンタクトチップ160を介して)とワークピース115との間の約0ボルトの電位差を測定することで実現され得る。フィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115に短絡されている場合(即ち、ワークピースと接触している場合)、フィラーワイヤ140とワークピース115との間に0ボルトを超える有意な電圧レベルが存在しない場合がある。本明細書で使用の「再度接触する」という表現は、ワイヤ140の遠位端が実際にワークピース115から完全に千切れるかどうかに関係なく、ワイヤ140がワークピース115の方に進み、ワイヤ140(例えばコンタクトチップ160を介して)とワークピース115との間で測定した電圧が約0ボルトである状況を意味する。ステップ350では、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤの遠位端がワークピースと再度接触したことの検知に応じて、少なくとも1つの抵抗性フィラーワイヤを通る加熱電流の流れを再び印加する。検知/電流コントローラ195は、ワイヤ140の加熱を続けるために加熱電流を再度印加するようホットワイヤ電源170に命令し得る。このプロセスは肉盛施工の間続けられ得る。
例えば、図4は、図3の始動後の方法300に関連する一対の電圧波形410及び電流波形420の第1の例示の実施形態を示す。電圧波形410は、検知/電流コントローラ195によりコンタクトチップ160とワークピース115との間で測定される。電流波形420は、ワイヤ140及びワークピース115を介して検知/電流コントローラ195により測定される。
抵抗性フィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115との接触を失いそうになる度に電圧波形410の変化率(即ち、dv/dt)は所定の閾値を上回り、千切れが発生しそうであることを示す(波形410の点411における傾斜を参照)。あるいは、それに替えて、千切れが発生しそうであることを示すのにフィラーワイヤ140及びワークピース115を通る電流の変化率(di/dt)、電力の変化率(dp/dt)又はフィラーワイヤ140とワークピース115との間の抵抗の変化率(dr/dt)を用いてもよい。そのような変化率予測技術は当該技術分野で公知である。その時点で、検知/電流コントローラ195はワイヤ140を通る電流の流れを停止する(又は少なくとも大幅に減らす)ようホットワイヤ電源170に命令する。
ある期間430の後にフィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115と再度しっかり接触している(例えば、点412で電圧レベルが再び約0ボルトに下がる)ことを検知/電流コントローラ195が検知すると、検知/電流コントローラ195は、抵抗性フィラーワイヤ140を通る電流の流れを所定の出力電流レベル450の方にランプアップ(ランプ425参照)させるようホットワイヤ電源170に命令する。本考案の一実施形態によれば、ランプアップは所定の設定値440から始まる。このプロセスは、エネルギー源120及びワイヤ140がワークピース115に対して相対的に移動し、ワイヤ送給装置150によりワイヤ140がワークピース115の方に前進するのに伴って繰り返される。このように、ワイヤ140の遠位端とワークピース115との接触が概ね維持され、ワイヤ140の遠位端とワークピース115との間でのアークの形成が防止される。加熱電流のランピングは、千切れ状態又はアーク状態が存在していないのにそのような状態として電圧の変化率が誤って解釈されるのを防止するのに役立つ。電流の大きな変化は、加熱回路におけるインダクタンスによって誤った電圧の測定を引き越し得る。電流を徐々に上昇させた場合、インダクタンスの効果が低減される。
図5は、図3の始動後の方法に関連する一対の電圧波形510及び電流波形520の第2の例示の実施形態を示す。電圧波形510は、コンタクトチップ160とワークピース115との間で検知/電流コントローラ195により測定される。電流波形520は、ワイヤ140及びワークピース115を通じて検知/電流コントローラ195によって測定される。
抵抗性フィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115との接触を失いそうになる度に電圧波形510の変化率(即ち、dv/dt)は所定の閾値を上回り、千切れが発生しそうであることを示す(波形510の点511における傾斜を参照)。あるいは、それに替えて、千切れが発生しそうであることを示すのにフィラーワイヤ140及びワークピース115を通る電流の変化率(di/dt)、電力の変化率(dp/dt)又はフィラーワイヤ140とワークピース115との間の抵抗の変化率(dr/dt)を用いてもよい。そのような変化率予測技術は当該技術分野で公知である。その時点で、検知/電流コントローラ195はワイヤ140を通る電流の流れを停止する(又は少なくとも大幅に減らす)ようホットワイヤ電源170に命令する。
ある期間530の後にフィラーワイヤ140の遠位端がワークピース115と再度しっかり接触している(例えば、点512で電圧レベルが再び約0ボルトに下がる)ことを検知/電流コントローラ195が検知すると、検知/電流コントローラ195は、抵抗性フィラーワイヤ140を通る加熱電流の流れを印加するようホットワイヤ電源170に命令する。このプロセスは、エネルギー源120及びワイヤ140がワークピース115に対して相対的に移動し、ワイヤ送給装置150によりワイヤ140がワークピース115の方に前進するのに伴って繰り返される。このように、ワイヤ140の遠位端とワークピース115との接触が概ね維持され、ワイヤ140の遠位端とワークピース115との間でのアークの形成が防止される。この場合では加熱電流が徐々にランピングされないため、加熱回路におけるインダクタンスにより所定の電圧測定値が不注意又は誤りとして無視され得る。
要約すれば、ろう付け、クラッディング、上盛、充填及び表面硬化肉盛の施工のうちのいずれかのための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を始動及び使用する方法及びシステムが開示される。ワークピースを加熱するために高強度エネルギーがワークピースに印加される。印加される高強度エネルギーの位置又はその直前の位置において1つ以上の抵抗性フィラーワイヤがワークピースの方に供給される。1つ以上の抵抗性フィラーワイヤが印加される高強度エネルギーの位置又はその付近においてワークピースと接触したことを検知することが実現される。1つ以上の抵抗性フィラーワイヤへの加熱電流は、1つ以上の抵抗性フィラーの遠位端がワークピースと接触しているがどうかに基づいて制御される。印加される高強度エネルギー及び1つ以上の抵抗性フィラーワイヤは、互いに固定された関係でワークピースに沿って同じ方向に動かされる。
さらなる例示の実施形態では、本考案のシステム及び方法が溶接又は接合作業に用いられる。前で説明した実施形態では、肉盛作業における金属フィラーの使用に焦点を当てていた。しかしながら、本考案の態様は、金属フィラーを用い、溶接作業を使用してワークピースを接合する溶接及び接合用途に用いることができる。前で説明した実施形態、システム及び方法は金属フィラーを肉盛することに関するものであるが、以下でより詳細に説明する溶接作業で用いられるものと同様である。従って、以下の説明では、特に明記がない限り上記の説明が概ね当てはまることが分かる。また、下記の説明は図1〜図5への参照を含み得る。
溶接/接合作業では、一般に複数のワークピースを溶接作業で接合することが知られており、金属フィラーがワークピースの金属の少なくとも一部と合体して継手を形成する。溶接作業における製造スループットを高める要望から、より高速で且つ基準以下の品質の溶接部をもたらさない溶接作業に対する絶えない需要がある。さらに、離れた作業場(remote work sites)等の逆境環境条件下で素早く溶接することができるシステムを提供する必要がある。以下で説明するように、本考案の例示の実施形態は既存の溶接技術に勝る大きな利点を提供する。そのような利点としては限定されないが、全体的な入熱が少なくワークピースの変形が少ないこと、溶接移動速度が非常に速いこと、スパッタ率(spatter rate)が非常に低いこと、遮蔽(shielding)なしで溶接できること、スパッタがないか又は少ない状態でめっき材又は被覆材を高速に溶接できること及び複雑な材料を高速に接合できることが挙げられる。
本考案の例示の実施形態では、アーク溶接と比較した場合、被覆ワークピースを用いて非常に速い溶接速度が得ることができる。被覆ワークピースは通常大規模な準備作業を必要とし、アーク溶接法を使用する速度の遅い溶接プロセスである。例えば、下記の説明では亜鉛めっきワークピースの溶接に焦点を当てる。金属の亜鉛めっきは、係る金属の耐腐食性を高めるために用いられ、多くの産業用途においてそれは望ましいものである。しかしながら、従来の亜鉛めっきワークピースの溶接には課題がある。具体的には、溶接の間に亜鉛めっき中の亜鉛が気化し、溶融池が固化するときにこの亜鉛の蒸気が溶融池に閉じ込められて、ポロシティを生じさせる。このポロシティは溶接継手の強度に悪影響を与える。そのため、既存の溶接技術では、亜鉛めっきを取り除くか又はある程度の欠陥を伴って亜鉛めっきを介して遅い処理速度で溶接する第1の工程(これは非効率で遅延を生じさせる)が必要になるか又は溶接プロセスをゆっくり行うことが必要になる。プロセスを減速させることで、溶融池はより長い期間溶融した状態のままとなるため、気化した亜鉛が逃げ出す。しかしながら、速度が遅いために生産速度は遅く、溶接部への全体的な入熱が高くなり得る。同様の問題を引き起こし得る他のコーティングとしては、限定されないが塗料、スタンピング潤滑剤、ガラスライニング、アルミ化コーティング、表面加熱処理、窒化又は炭化処理、クラッディング処理又は他の気化するコーティング又は材料が挙げられる。下記で説明するように、本考案の例示の実施形態はこれらの問題を解消する。
図6及び図6Aに代表的な重ね溶接継手(lap joint)を示す。この図面では、2つの被覆(例えば亜鉛めっき)ワークピースW1/W2が重ね溶接で接合される。重ね継手の表面601及び603に加え、ワークピースW1の表面605が先ずコーティングで覆われる。一般の溶接作業(例えばGMAW)では、被覆面605の一部を溶融させる。これは、標準的な溶接作業の溶け込みの一般的な深さが原因である。表面605が溶融されるため、表面605のコーティングが気化するが、表面605から溶融池の表面までの距離が大きいために溶融池が固化するときにガスが閉じ込められ得る。本考案の実施形態を用いればこの問題は起こらない。
図6及び図6Aに示すように、レーザービーム110がレーザー装置120から溶接継手、具体的には表面601及び603に向けられている。レーザービーム110は、溶接表面の一部を溶融して、一般的な溶融池を形成する溶融池601A及び603Aを形成するエネルギー密度のものである。また、(前で説明したように抵抗加熱される)フィラーワイヤ140は、溶接ビードに必要な充填材を提供するために溶融池に向けられる。ほとんどの溶接プロセスとは異なり、フィラーワイヤ140は溶接プロセスの間に溶融池と接触し、溶融池内に突入する。これは、本プロセスではフィラーワイヤ140を移動するのに溶接アークを用いるのでなく、単にフィラーワイヤを溶融池内で溶融させるからである。
フィラーワイヤ140はその融点に又はその融点近くに予め加熱されるため、それが溶融池内に存在しても溶融池を大幅に冷却又は固化することはなく、溶融池内で素早く消費される(consumed)。フィラーワイヤ140の一般的な動作及び制御は肉盛の実施形態との関連で前に説明したものと同じである。
レーザービーム110を正確に集束させて表面601/603に向けることができるため、溶融池601A/603Aのための溶け込みの深さを正確に制御することができる。この深さを慎重に制御することで、本考案の実施形態は表面605の不必要な溶け込み又は溶融を防止する。表面605があからさまに溶解されないため、表面605のコーティングは気化せず溶融池に閉じ込められない。また、溶接継手601及び603の表面のコーティングはレーザービーム110により容易に気化され、溶融池が固化する前に溶接領域からそのガスを逃がすことができる。ガス排出システムを用いて気化したコーティング材料を取り除くのに役立てることが考えられる。
溶融池の溶け込みの深さを正確に制御することができるため、ポロシティを最小限に抑えるか又は解消しながら、被覆ワークピースの溶接速度を大幅に高めることができる。一部のアーク溶接システムでは、溶接のために優れた移動速度を得ることができるが、高速域ではポロシティやスパッタ等の問題が生じ得る。本考案の例示の実施形態では、(本明細書で説明するように)ポロシティ若しくはスパッタがないか又は少ない状態で非常に速い移動速度を実現でき、実際に、多くの様々な種類の溶接作業のために50インチ/分を上回る移動速度を容易に実現できる。本考案の実施形態では、80インチ/分を上回る溶接移動速度を実現できる。また、他の実施形態では、本明細書で説明するようにポロシティ又はスパッタがないか又は最小限に抑えられた状態で100〜150インチ/分の移動速度を実現できる。当然ながら、得られる速度はワークピースの特性(厚さ及び組成)及びワイヤの特性(例えば直径)の関数であるが、これらの速度は、本考案の実施形態を用いた場合に多くの様々な溶接及び接合用途で容易に得ることができる。また、これらの速度は、二酸化炭素100%のシールドガスを用いて実現されるか又は遮蔽を全く用いずに実現することができる。それに加えて、これらの移動速度は、溶融池の形成及び溶接の前に表面コーティングを何ら除去することなく実現できる。当然ながら、より速い移動速度が実現できることが考えられる。さらに、溶接部への入熱が少ないため、これらの高い速度は、より薄いワークピース115においても実現できる。一般に、より薄いワークピース115では変形を避けるために入熱を小さく維持しなければならないため、溶接速度が通常遅い。本考案の実施形態は、ポロシティ又はスパッタがないか又は少ない状態で上記の速い移動速度を実現できるだけでなく、少ない混合で非常に高い堆積速度を実現することもできる。具体的には、本考案の実施形態は、シールドガスを用いず且つポロシティ又はスパッタがないか若しくは少ない状態で10lb/時の堆積速度を実現できる。一部の実施形態では、堆積速度は10〜20lb/時である。
本考案の例示の実施形態では、ポロシティ及びスパッタがないか又は少ない状態でこれらの非常に速い移動速度が実現される。溶接部のポロシティは、ポロシティ率を特定するために溶接ビードの断面及び/又は長さを観察することにより求めることができる。断面ポロシティ率は、所定の断面におけるポロシティの全面積の、その点における溶接継手の全断面積に対する割合である。長さポロシティ率は、溶接継手の所定の単位長さにおける空隙の累積した全長である。本考案の実施形態は、断面ポロシティが0〜20%の状態で上記の移動速度を得ることができる。そのため、気泡又は空隙のない溶接ビードのポロシティは0%である。他の例示の実施形態では、断面ポロシティは0〜10%であり、別の例示の実施形態では2〜5%であり得る。一部の溶接用途では、ある程度のポロシティが許容される。また、本考案の例示の実施形態では、溶接部の長さポロシティは0〜20%であり、0〜10%であり得る。さらなる例示の実施形態では、長さポロシティ率は1〜5%である。そのため、例えば、断面ポロシティが2〜5%で長さポロシティ率が1〜5%の溶接部を作ることができる。
さらに、本考案の実施形態では、スパッタがないか又は少ない状態で上記の移動速度で溶接することができる。スパッタは、溶融池の溶滴が溶接領域の外に飛び散ることによって生じる。溶接スパッタが起こると、溶接部の品質が損なわれ、生産の遅延を引き起こし得る。何故なら、溶接プロセスの後でワークピースからスパッタを落さなければならないのが一般的だからである。そのため、スパッタなしで高速に溶接を行うことには大きな利点がある。本考案の実施形態は、スパッタ係数(spatter factor)が0〜0.5の状態で上記の速い移動高速で溶接を行うことができる。ここで、スパッタ係数とは、所定の移動距離Xに対するスパッタの重量(mg)/同じ距離Xに対する消費されたフィラーワイヤ140の重量(kg)である。即ち、
スパッタ係数=(スパッタ重量(mg)/消費されたフィラーワイヤの重量(kg))
距離Xは、溶接継手の代表サンプルの抽出が可能な距離であるべきである。即ち、距離Xが短すぎる場合、例えば0.5インチの場合、それは溶接部を代表しない。そのため、スパッタ係数が0の溶接継手は、距離Xに亘って消費されたフィラーワイヤに対してスパッタがなく、スパッタ係数が2.5の溶接部は消費されたフィラーワイヤ2kgに対して5mgのスパッタがあった。本考案の例示の実施形態では、スパッタ係数は0〜1である。さらなる例示の実施形態では、スパッタ係数は0〜0.5である。本考案の他の例示の実施形態では、スパッタ係数は0〜3又は0〜0.3である。なお、本考案の実施形態は、シールドガス又はフラックス遮蔽(flux shielding)のいずれかを含む外部の遮蔽の使用ありで又はなしで上記のスパッタ係数の範囲を実現できる。さらに、上記のスパッタ係数範囲は、亜鉛めっきされたワークピースを含む被覆ワークピース又は非被覆ワークピースを溶接する場合に溶接作業の前に亜鉛めっきを除去する必要なく実現できる。
溶接継手用にスパッタを測定する方法が数多く存在する。1つの方法は「スパッタボート(spatter boat)」の使用を含み得る。そのような方法の場合、溶接部の代表サンプルを、溶接ビードにより生成されるスパッタの全て又は略全てを捕捉可能な十分なサイズの容器の中に設置する。容器又は容器の一部、例えば上部は、スパッタが捕捉されるように溶接プロセスと共に動かすことができる。一般に、ボートは銅製のため、スパッタは表面に付着しない。代表的な溶接部は、溶接の間に形成されるスパッタが容器の中へと落下するように容器の底の上で行われる。溶接の間、消費したフィラーワイヤの量を観察する。溶接が完了した後、容器の溶接前及び溶接後の重さに違いがあればそれを求めることができる十分な正確性を有する装置によってスパッタボートが計量される。この違いはスパッタの重さを表し、そして消費されたフィラーワイヤの量(kg)で除される。あるいは、スパッタがボートに付着しない場合は、スパッタを取り除いてそれ自体を計量することもできる。
前で説明したように、レーザー装置120を用いることで、溶融池の深さを正確に制御できる。さらに、レーザー120を用いることで、溶融池のサイズ及び深さの調整を容易に行うことができる。これは、レーザービーム110を容易に集束/非集束させることができるか又はそのビーム強度をとても簡単に変えることができるためである。これらの能力により、ワークピースW1及びW2上の熱分布を正確に制御することができる。この制御により、精密溶接のために非常に狭い溶融池の形成が可能となるのに加えて、ワークピース上の溶接領域のサイズを最小限に抑えることができる。これは、溶接ビードにより影響を受けていないワークピースの領域を最小限に抑える上での利点も提供する。具体的には、溶接ビードに隣接するワークピースの領域が溶接作業から受ける影響が最小限になる。アーク溶接作業では通常これは当てはまらない。
本考案の例示の実施形態では、ビーム110の形状及び/又は強度を溶接プロセスの間に調整/変化させることができる。例えば、ワークピース上の特定の場所で溶け込みの深さを変更すること又は溶接ビードのサイズを変更することが必要になる場合がある。そのような実施形態では、溶接パラメータにおける必要な変更を提供するために、溶接プロセスの間にビーム110の形状、強度及び/又はサイズを調整することができる。
前で説明したように、フィラーワイヤ140はレーザービーム110と同じ溶融池に影響を与える。例示の実施形態では、フィラーワイヤ140はレーザービーム110と同じ位置で溶融池に影響を与える。しかしながら、他の例示の実施形態では、フィラーワイヤ140はレーザービームから離れて同じ溶融池に影響を与えることができる。図6Aに示す実施形態では、フィラーワイヤ140は溶接作業の間にビーム110に後続する。しかしながら、フィラーワイヤ140を先行位置に配置できるためそれは要件ではない。本考案はこの点に関して限定されない。何故なら、フィラーワイヤ140がビーム110と同じ溶融池に影響を与える限りフィラーワイヤ140はレーザービーム110に対して他の場所に位置することができるからである。
上記の実施形態は、亜鉛めっき等のコーティングを有するワークピースとの関連で説明した。しかしながら、本考案の実施形態はコーティングを有さないワークピースに対しても使用可能である。具体的には、前で説明したのと同じ溶接プロセスを被覆されていないワークピースにも用いることができる。そのような実施形態は、被覆材に関連して前で説明したのと同じ性能属性を実現できる。
また、本考案の例示の実施形態はスチールのワークピースを溶接することに限定されず、アルミニウム又は(後でさらに説明する)より複雑な金属の溶接にも用いることができる。
本考案の他の有利な側面はシールドガスに関するものである。一般的なアーク溶接作業では、大気中の酸素及び窒素又は他の有害な要素が溶融池及び金属転移と相互作用するのを防止するためにシールドガス又はシールドフラックスが用いられる。そのような障害は溶接部の品質及び外観に有害となり得る。従って、略全てのアーク溶接プロセスでは、外部的に供給されるシールドガス、フラックスが形成された電極(例えばスティック電極又はフラックスコアード電極等)の消費により形成されるシールドガス又は外部的に供給される粒状フラックス(例えばサブアーク溶接)の使用により遮蔽が提供される。また、特殊な金属の溶接又は亜鉛めっきされたワークピースの溶接等の一部の溶接作業では、特殊なシールドガスの混合物を用いなければならない。そのような混合物は非常に高価であり得る。また、極端な環境で溶接を行う場合、大量のシールドガスを作業場に搬送するのは通常困難であり(例えばパイプラインで)又は風が吹いてアークからシールドガスを遠ざける傾向にある。また、近年ではヒューム排出システムの使用が増えている。これらのシステムはヒュームを除去する傾向にあるが、溶接作業の近くにそれらを配置した場合にシールドガスも引き離す傾向にある。
本考案の利点は、溶接の際にシールドガスを使わないか又はその量を最小限に抑えることができることを含む。あるいは、本考案の実施形態は、特定の溶接作業では通常用いることができないシールドガスの使用を可能にする。これを以下でさらに説明する。
アーク溶接プロセスで一般的な(非被覆の)ワークピースを溶接する場合、その形態に関係なく遮蔽が必要となる。本考案の実施形態を用いて溶接を行った場合、遮蔽が必要ないことが見出された。即ち、シールドガス、粒状フラックス及び自己シールド電極を用いる必要がない。しかしながら、アーク溶接プロセスの場合とは異なり、本考案は高品質の溶接部を生成する。即ち、遮蔽を何ら用いることなく、前で説明した溶接速度を実現できる。これは、先行技術のアーク溶接プロセスでは成し得なかったことである。
一般的なアーク溶接プロセスの間、フィラーワイヤの溶滴は溶接アークを通じてフィラーワイヤから溶融池に移送される。遮蔽なしでは、溶滴の表面全体が移送の間に大気に晒され、その結果大気中の窒素及び酸素を取り込み、溶融池に窒素及び酸素を運ぶ傾向にある。これは望ましくない。
本考案では、溶滴又は同様のプロセスを使用せずにフィラーワイヤを溶接部に運ぶため、フィラーワイヤはさほど大気に晒らされない。従って、多くの溶接用途では、遮蔽の使用は要求されない。そのため、本考案の実施形態ではポロシティ又はスパッタがないか又は少ない状態で速い溶接速度を実現できるだけでなく、それをシールドガスを用いることなく実現できる。
遮蔽を用いる必要がないことから、溶接の間にヒューム排出ノズルを溶接継手のかなり近くに配置することができるため、より効率的でより効果的なヒューム排出を提供できる。シールドガスを用いる場合、ヒューム排出ノズルがシールドガスの機能を妨げないような場所にヒューム排出ノズルを配置する必要がある。本考案の利点により、そのような制限は存在せず、ヒューム排出を最適化できる。例えば、本考案の例示の実施形態では、レーザー120からのレーザービームをワークピース115の表面の近くまで保護するレーザーシュラウドアセンブリ1901によってレーザービーム110が保護されている。これを図19に図示する。シュラウド1901(断面で示す)はレーザービーム110を障害から保護し、作業の間に追加の安全性を提供する。さらに、溶接ヒュームを溶接領域から遠ざけるヒューム排出システム1903にシュラウドを連結することができる。シールドガスなしで実施形態を用いることができるため、シュラウド1901を溶接部の非常に近くに配置して、溶接領域からヒュームを直接遠ざけることができる。実際に、シュラウド1901は、溶接部の上のその距離Zが0.125〜0.5インチとなるように配置することができる。当然ながら、他の距離を用いることができるが、溶融池を妨げるか又はシュラウド1901の効率性を大幅に低減させないよう注意を払わなければならない。ヒューム排出システム1903は溶接業界で一般的に理解され且つ既知であるため、本明細書ではそれらの構成及び動作についての詳述は省略する。図19にはビーム110のみを保護するシュラウド1901を示しているが、ワイヤ140及びコンタクトチップ160の少なくとも一部を取り囲むようにシュラウド1901を構成することももちろん可能である。例えば、ヒューム排出を高めるためにシュラウド1901の底部開口を溶融池全体を略覆うような十分な大きさのものにするか又は溶融池よりも大きくすることもできる。
亜鉛めっきワークピース等の被覆ワークピースの溶接に用いられる本考案の例示の実施形態では、より安価なシールドガスが使用され得る。例えば、軟鋼を含む多くの様々な材料を溶接するためにCO2100%のシールドガスを用いることができる。これは、窒素100%のシールドガスのみで溶接が可能なステンレス鋼、二相鋼又はスーパー二相鋼等のより複雑な金属を溶接する場合にも当てはまる。一般的なアーク溶接作業では、ステンレス鋼、二相鋼又はスーパー二相鋼の溶接には、かなり高価なシールドガスのより複雑な混合物が必要となる。本考案の実施形態では、これらのスチールを窒素100%のシールドガスのみで溶接することが可能になる。また、他の実施形態では、これらのスチールをシールドガスなしで溶接することができる。亜鉛めっき材のための一般的な溶接プロセスでは、アルゴン/CO2混合物等の特別な混合シールドガスを用いなければならない。この種のガスは、一部に、通常のアーク溶接の間に陰極及び陽極が溶接領域に存在するため使用が必要になる。しかしながら、前で説明し、また後で詳述するように、溶接アークが存在せず、そのため溶接領域に陰極又は陽極が存在しない。従って、アーク及び溶滴転移が存在しないため、金属フィラーが大気から有害な要素を拾う機会が大幅に低減される。なお、本考案の多くの実施形態ではシールドガス等の遮蔽を使用することなく溶接を行うことができるが、溶接部の上でガス流を用いて溶接領域から蒸気又は汚染物質を除去することができる。即ち、溶接の間に、溶接領域から汚染物質を除去するために、溶接部の上で空気、窒素、CO2又は他の気体を吹き出すようにすることが考えられる。
被覆材を高速に溶接できることに加えて、本考案の実施形態は、熱影響部(「HAZ」)を大幅に低減させて二相鋼を溶接するのに用いることもできる。二相鋼はフェライト微細構造及びマルテンサイト微細構造の双方を有する高強度スチールであるため、該スチールは高い強度と良好な成形性を有する。二相鋼の性質から、熱影響部の強度によって二相鋼の強度が制限される。熱影響部は溶接継手(金属フィラーを含まない)の周りの領域であり、アーク溶接プロセスによりその微細構造が不利な形で変化してしまうほどに溶接プロセスで大きく加熱される。既知のアーク溶接プロセスでは、アークプラズマのサイズ及び溶接領域への入熱が大きいため熱影響部が非常に大きい。熱影響部が非常に大きいため、熱影響部が溶接部の強度を限定する部分になる。そのため、アーク溶接プロセスでは、高強度電極の使用は必要ないため、一般に軟鋼のフィラーワイヤ140(例えばER70S−6型又はER70S−3型電極)を用いてそのような継手を溶接する。さらに、このような理由から、設計者は、自動車のフレーム、バンパー、エンジンクレードル等の高応力構造の外に戦略的に二相鋼の溶接継手を配置しなければならない。
前で説明したように、レーザー装置120の使用により、溶融池の形成に際して高レベルの正確性が提供される。この正確性により、溶接ビードを取り囲む熱影響部を非常に小さく維持することができるか又はワークピースに対する熱影響部の全体的な影響を最小限に抑えることができる。実際に、一部の実施形態では、ワークピースの熱影響部を略解消できる。これは、レーザービーム110の集束を溶融池が形成されるワークピースの部分に対してのみ維持することによりなされる。熱影響部のサイズを大幅に低減することにより、アーク溶接プロセスを用いる場合ほど母材の強度が損なわれない。そのため、熱影響部の存在又は場所は溶接構造の設計における制限要因にはならない。本考案の実施形態は強度がより高いフィラーワイヤの使用を可能にする。何故なら、熱影響部ではなくワークピースの組成及び強度並びにフィラーワイヤの強度が構造デザインの推進要因(driving factors)になるからである。例えば、本考案の実施形態は、ER80S−D2型電極等の降伏強度が少なくとも80ksiの電極の使用を可能にする。当然ながら、この電極は一例である。さらに、アーク溶接の場合よりも全体的な入熱が少ないため、溶融池の冷却速度がより速くなる。これは、使用するフィラーワイヤの化学的構造(chemistry)をより効率的なものにし既存のワイヤ以上の性能を付与できることを意味する。
それに加えて、本考案の例示の実施形態は、遮蔽の要件を大幅に緩和してチタンを溶接するのに用いることができる。アーク溶接プロセスでチタンを溶接する場合、受け入れ可能な溶接部が形成されるように細心の注意を払わなければならない。これは、溶接プロセスの間に、チタンが酸素と反応する親和性が高いためである。チタンと酸素との反応によって二酸化チタンが形成され、二酸化チタンが溶融池内に存在すると溶接継手の強度及び/又は延性が大幅に低下し得る。このような理由から、チタンをアーク溶接する場合は、大気からアークを遮蔽するだけでなく、後続の溶融溜まりを冷却するときに大気から溶融溜まりを遮蔽するために大量の後続のシールドガスを提供する必要がある。アーク溶接から生成される熱により、溶融池がかなり大きくなり長期に亘って溶融したままになるため、大量のシールドガスが必要となる。本考案の実施形態は材料が溶融している時間を大幅に低減し素早く冷却するため、余分なシールドガスの必要性が軽減される。
前で説明したように、レーザービーム110を非常に慎重に集束させて、溶接領域への全体的な入熱を大幅に低減することができるため、溶融池のサイズを大幅に低減できる。溶融池がより小さくなるため、溶融池はより素早く冷却する。そのため、溶接部での遮蔽のみが必要で後続のシールドガスは必要ない。また、前で説明したのと同様の理由から、チタンを溶接する場合、溶接速度が向上する一方でスパッタ係数が大幅に低下する。
図7及び図7Aはオープンルート型(open root type)の溶接継手を示す。オープンルート継手は厚いプレートやパイプを溶接する場合に通常用いられ、離れた場所や困難な環境にある場所で一般的に生じる。オープンルート継手を溶接する既知の方法が数多く存在し、それらの方法としては、シールド金属アーク溶接(SMAW)、ガスタングステンアーク溶接(GTAW)、ガス金属アーク溶接(GMAW)、フラックスコアードアーク溶接(FCAW)、サブマージアーク溶接(SAW)及びセルフシールドフラックスコアードアーク溶接(FCAW−S)が挙げられる。これらの溶接プロセスには、遮蔽の必要性、速度制限、スラグの形成等の様々なデメリットがある。
そのため、本考案の実施形態は、このような種類の溶接を行う際の効率性や速度を大幅に改善する。具体的には、シールドガスの使用を解消するか又は大幅に低減し、スラグの生成を完全に解消することができる。さらに、スパッタ及びポロシティを最小限に抑えて高速で溶接を実現できる。
図7及び図7Aは、本考案の例示の実施形態により溶接されたオープンルート溶接継手を図示する。当然ながら、本考案の実施形態は、重ね型継手又はオープンルート型継手だけでなく多種多様な溶接継手の溶接に用いることができる。図7では、ワークピースW1/W2の間に間隙705が示され、ワークピースW1/W2は傾斜面701/703をそれぞれ有する。前で説明したように、本考案の実施形態ではレーザー装置120を用いて表面701/703上に正確な溶融溜まりを形成し、前で説明したように予め加熱したフィラーワイヤ(図示せず)が溶融溜まり内に堆積される。
実際に、本考案の例示の実施形態は、1つのフィラーワイヤを各溶融池に向けることに限定されない。本明細書で説明する溶接プロセスでは溶接アークが生成されないため、1つの溶融池に2つ以上のフィラーワイヤを向けることができる。所定の溶融池に向けられるフィラーワイヤの数を増やすことで、入熱を大幅に増やすことなく溶接プロセスの全体的な堆積速度を大幅に高めることができる。そのため、1つの溶接パスでオープンルート溶接継手(図7及び図7Aに図示の種類のもの等)を充填できることが考えられる。
また、図7に示すように、本考案の一部の例示の実施形態では、複数のレーザービーム110及び110Aを用いて溶接継手における2つ以上の場所を同時に溶融することができる。これは多くの方法で実現することができる。図7に示す第1の実施形態では、ビームスプリッター121が用いられ、レーザー装置120に連結されている。ビームスプリッター121はレーザー装置についての知識を有するものに知られており、本明細書ではその詳細な説明を省略する。ビームスプリッター121はレーザー装置120からのビームを2つ(以上)の別々のビーム110/110Aに分割し、それらを異なる2つの表面に向けることができる。そのような実施形態では、複数の表面を同時に照射することでき、溶接のさらなる精度及び正確性を提供する。他の実施形態では、別々のビーム110及び110Aのそれぞれを別個のレーザー装置で形成することができ、各ビームが専用の装置から出射される。
そのような実施形態では、複数のレーザー装置を用い、様々な溶接ニーズに適合するために溶接作業の様々な側面を変更することができる。例えば、別々のレーザー装置により生成されるビームは、異なるエネルギー密度を有すること、異なる形状を有すること及び/又は溶接継手において異なる断面積を有することができる。この柔軟性により、溶接プロセスの側面を変更及びカスタム化して必要とされる特定の溶接パラメータを満たすことができる。当然ながら、これは1つのレーザー装置とビームスプリッター121とを用いることでも実現できるが、用いるレーザービーム源が1つだと柔軟性の一部が制限され得る。また、所望により任意数のレーザーを用いることができるものと考えられるため、本考案はレーザーが1つ又は2つの構成に限定されない。
さらなる例示の実施形態では、ビーム走査装置を用いることができる。そのような装置はレーザー又はビーム出射の技術分野で知られており、ワークピースの表面に亘ってパターン状にビーム110を走査するのに用いられる。そのような装置を用いることで、走査速度及びパターンに加えて滞留時間を用いてワークピース115を所望な形で加熱することができる。また、所望の溶融池を形成するために、所望によりエネルギー源(例えばレーザー)の出力パワーを調節することができる。それに加えて、レーザー120内で使用されている光学系を所望の動作パラメータ及び接合パラメータに基づいて最適化できる。例えば、ライン光学系及び積分光学系を用いて、幅広い溶接又はクラッディング作業用に集中ラインビーム(focused line beam)を生成するか又は積分器を用いてパワー分布が均一な正方形/長方形のビームを生成することができる。
図7Aは本考案の別の実施形態を図示する。この実施形態では、表面701/703を溶融するために1つのビーム110がオープンルート継手に向けられている。
レーザービーム110及び110Aの精度により、ビーム110/110Aを間隙705から離れて、表面701/703上のみで集束させることができる。そのため、(間隙705を通常通り抜け得る)溶融(melt-through)を制御することができ、後方溶接ビード(間隙705の底面にある溶接ビード)の制御を大幅に改善する。
図7及び図7Aのそれぞれでは、ワークピースW1とW2との間に間隙705が存在し、溶接ビード707で充填される。例示の実施形態では、この溶接ビード707はレーザー装置(図示せず)によって形成される。そのため、例えば溶接作業の間、第1のレーザー装置(図示せず)はワークピースW1及びW2をレーザー溶接ビード707と共に溶接するために間隙705に第1のレーザービーム(図示せず)を向け、他方で第2のレーザー装置120は、溶接を完了するためにフィラーワイヤ(図示せず)が堆積される溶融池を形成するために表面701/703に少なくとも1つのレーザービーム110/110Aを向ける。間隙の溶接ビード707は間隙が十分小さい場合はレーザーのみで形成することができ、間隙705がレーザー及びフィラーワイヤを必要とする場合はそれらを用いて形成できる。具体的には、間隙705を適切に充填するのに金属フィラーを追加する必要があり得るため、フィラーワイヤを用いるべきである。この間隙ビード705の形成は、本考案の様々な例示の実施形態に関して前で説明したものと同様である。
なお、本明細書で説明するレーザー装置120等の高強度エネルギー源は、所望の溶接作業に必要なエネルギー密度を提供する十分なパワーを有する種類のものであるべきである。即ち、レーザー装置120は、溶接プロセスを通して安定した溶融池を形成及び維持し且つ所望の溶接溶け込みに到達する十分なパワーを有するべきである。例えば、一部の用途では、レーザーは溶接されるワークピースに「キーホール(keyhole)」を形成できる能力を有するべきである。これは、レーザーがワークピースを完全に貫通する十分なパワーを有しながら、レーザーがワークピースに沿って移動するときにその貫通のレベルが維持されることを意味する。例示のレーザーは1〜20kWの出力能力を有するべきであり、5〜20kWの出力能力を有し得る。より高出力のレーザーを用いることができるがコストが非常にかかり得る。当然ながら、ビームスプリッター121又は複数のレーザーは他の種類の溶接継手でも用いることができ、図6及び図6Aに図示したもの等の重ね継手にも用いることができる。
図7Bは本考案の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、溝が狭く深いオープンルート継手(narrow groove, deep open root joint)を示す。(深さが1インチよりも大きい)深い継手をアーク溶接する場合、溝の間隙Gが狭いと継手の底部を溶接するのが困難であり得る。これは、そのような深い溝内にシールドガスを効果的に送るのが困難であり、溝の狭い壁部がアーク溶接の安定性を妨げ得る。ワークピースは一般に鉄鋼材であるため、継手の壁部が磁気的に溶接アークを妨げる。そのため、一般的なアーク溶接の手順を用いる場合、溝の間隙Gはアークが安定した状態を保てるように十分広くなければならない。しかしながら、溝が広いほど、溶接を完了するのにより多くの金属フィラーが必要になる。本考案の実施形態はシールドガスを必要とせず、溶接アークを使用しないため、これらの問題が最小限に抑えられる。これにより、本考案の実施形態は深くて狭い溝を効率的且つ効果的に溶接することができる。例えば、ワークピース115の厚さが1インチよりも大きい本考案の例示の実施形態では、間隙の幅Gはフィラーワイヤ140の直径の1.5〜2倍の範囲にあり、側壁の角度は0.5〜10°の範囲にある。例示の実施形態では、そのような溶接継手のルートパス準備物の間隙RGは1〜3mmであり、ランドは1/16〜1/4インチである。そのため、通常のアーク溶接プロセスよりもずっと少ない充填材で深いオープンルート継手をより速く溶接できる。また、本考案の側面は溶接領域に導入する熱がより少ないため、ワイヤが側壁と接触するのを避けるために溶融池のより近くに送るのが容易になるようにコンタクトチップ160を設計できる。即ち、コンタクトチップ160を小さくし、細い構造の絶縁ガイドとして構成できる。さらなる例示の実施形態では、継手の両側を同時に溶接するために溶接部の幅全体に亘ってレーザー及びワイヤを移動させるのに平行移動(translation)装置又は機構を用いることができる。
図8に示すよう、本考案の実施形態を用いて突き合わせ型継手を溶接することができる。図8にフラッシュ突き合わせ型継手を示すが、溶接継手の上面及び底面にv字状の切り欠き溝を有する突き合わせ型継手も溶接できることが考えられる。図8に示す実施形態では、溶接継手の各側に2つのレーザー装置120及び120Aを示し、それぞれ自身で溶融池801及び803を形成している。図7及び図7Aのように、加熱されたフィラーワイヤはレーザービーム110/110Aに後続するため図示されていない。
既知のアーク技術を用いて突き合わせ型継手を溶接する場合、「磁気吹き」に関する大きな問題が起こり得る。「磁気吹き」は、溶接アークによって生成される磁場が互いに干渉し合ってそれぞれを不規則に動ごかす。また、同じ溶接継手上で溶接を行うために2つ以上のアーク溶接システムが使用される場合、各溶接電流の干渉によって起こる大きな問題がある。それに加えて、(高い入熱を部分的に原因とした)アーク溶接法の溶け込みの深さから、溶接継手の何れかの側でアークを用いて溶接できるワークピースの厚さが限られている。即ち、そのような溶接を細いワークピースに対して行うことができない。
本考案の実施形態を用いて溶接を行う場合、これらの問題は解消される。溶接アークが使用されないため、磁気吹き干渉又は溶接電流干渉の問題がない。また、レーザーの使用により可能となる溶け込みの深さ及び入熱の正確な制御により、溶接継手の両側でより細いワークピースを同時に溶接することができる。
本考案のさらなる例示の実施形態を図9に示す。この実施形態では、ユニークな溶接プロファイルを形成するために、2つのレーザービーム110及び110Aが互いに並んで(in line with each other)用いられている。図示の実施形態では、(第1のレーザー装置120から出射される)第1のビーム110を用いて第1の断面積及び深さを有する溶融池901の第1の部分を形成する一方、(第2のレーザー装置(図示せず)から出射される)第2のビーム110Aを用いて第1とは異なる第2の断面積及び深さを有する溶融池903の第2の部分を形成する。この実施形態は、溶け込みの深さが溶接ビードの残りの部分よりも深い溶接ビードの部分を有することが望ましい場合に用いることができる。例えば、図9に示すように、溶融池901は、溶融池903よりも深く且つ狭くなるように形成されている(溶融池903は溶融池901よりも広く且つ浅く形成されている)。そのような実施形態は、溶接継手の全体としては望ましくない(ワークピースが交わる部分である)深い溶け込みレベルが必要な場合に用いることができる。
本考案のさらなる例示の実施形態では、第1の溶融池903は継手のための溶接部を形成する溶融池であり得る。この第1の溶融池/継手は第1のレーザー120及びフィラーワイヤ(図示せず)を用いて形成され、適切な溶け込み深さに形成される。この溶接継手の形成後、第2のレーザービーム110Aを出射する第2のレーザー(図示せず)は継手の上を通り、プロファイルの異なる第2の溶融池903を形成する。この第2の溶融池903は、前の実施形態で説明したある種の肉盛を堆積するのに用いられるものである。この肉盛は、第1のフィラーワイヤとは化学的構造が異なる第2のフィラーワイヤを用いて堆積される。例えば、本考案の実施形態は、溶接継手を溶接した少し後又は直後に係る継手の上に耐腐食性の肉盛層を設置するのに用いることができる。この溶接作業は1つのレーザー装置120を用いて実現することもでき、その場合ビーム110は所望の溶融池のプロファイルを提供するために第1のビーム形状/密度と第2のビーム形状/密度との間でオシレート(oscillated)される。そのため、複数のレーザー装置を用いる必要はない。
前で説明したように、ワークピース上の耐腐食性コーティング(例えば亜鉛めっき)は溶接プロセスの間に取り除かれる。しかしながら、耐腐食性のために溶接継手を再度被覆するのが望ましい場合がある。そのため、第2のビーム110A及びレーザーを用いて、継手901の上に肉盛層等の耐腐食性の肉盛903を加えることができる。
本考案の様々な利点により、溶接作業により異種金属を容易に接合することも可能である。アーク溶接プロセスにより異種金属を接合するのは困難である。この困難は、入熱、それ故に溶融金属の化学的構造を制御することに関連する問題(望ましくない特性及び欠陥につながり、質の劣った溶接部をもたらし得る)を含む多くの理由によるものである。何故なら、これは、溶融温度が大きく異なるアルミニウムとスチールとのアーク溶接を試みる場合又はステンレス鋼を軟鋼に溶接することを試みる場合、それらの化学的構造が違うために特に当てはまる。しかしながら、本考案の実施形態を用いることでそのような問題が緩和される。
図10Aは本考案の例示の実施形態を示す。V字型の継手を示しているが、本考案はこの点で限定されない。図10には、溶接継手1000で接合される2つの異種金属を示す。この例では、2つの異種金属はアルミニウム及びスチールである。この例示の実施形態では、2つの異なるレーザー源1010及び1020が用いられている。しかしながら、2つの異なる材料を溶融するのに必要なエネルギーを提供するために1つの装置をオシレートできるため(これについては後でさらに説明する)、全ての実施形態で2つのレーザー装置が必要になるわけではない。レーザー1010は、スチールのワークピースに向けられるビーム1011を出射し、レーザー1020はアルミニウムのワークピースにビーム1021を出射する。各ワークピースは異なる金属又は合金でできているため、それらの溶融温度は異なる。そのため、レーザービーム1011/1021は溶融池1012及び1022においてそれぞれエネルギー密度が異なる。エネルギー密度が異なるため、溶融池1012及び1022のそれぞれを適切なサイズ及び深さで維持することができる。これは、溶融温度が低い方のワークピース、例えばアルミニウムのワークピースにおいて過度の溶け込みや入熱も防止する。一部の実施形態では、少なくとも溶接継手により、(図10Aに示すような)2つの個別の溶融池を有する必要なく、むしろ双方のワークピースにより1つの溶融池を形成することができ、その場合、各ワークピースの溶融部分が1つの溶融池を形成する。また、ワークピースの化学的構造が異なるものの溶融温度が同様の場合は、一方のワークピースが他方のワークピースよりもより溶融するという理解の下で1つビームを用いて双方のワークピースを同時に照射することができる。また、前で簡潔に説明したように、1つのエネルギー源(レーザー装置120等)を用いて双方のワークピースを照射することができる。例えば、レーザー装置120は第1のワークピースを溶融するのに第1のビーム形状及び/又はエネルギー密度を用い、次いで第2のビーム形状及び/又はエネルギー密度にオシレート/変更して第2のワークピースを溶融することができる。ビーム特性のオシレート及び変更は、溶融池が溶接プロセスの間に安定し且つ一貫して維持されるように双方のワークピースが適切に溶融されるよう十分な速度で行うべきである。他の1つのビームの実施形態では、各ワークピースが十分溶融されるように一方のワークピースよりも他方のワークピースにより多くの入熱を提供する形状のビーム110を用いることができる。そのような実施形態では、ビームのエネルギー密度はビームの断面に対して均一である。例えば、ビーム110は、ビームの形状によって一方のワークピースへの全体的な入熱が他方のワークピースへのものよりも少なくなるように台形又は三角形の形状を有することができる。あるいは、他の実施形態では、その断面においてエネルギー分布が非均一なビーム110を用いることができる。例えば、ビーム110は(双方のワークピースに影響を与えることができるように)矩形を有するが、ビームの第1の領域は第1のエネルギー密度を有し、ビーム110の第2の領域は第1の領域とは異なる第2のエネルギー密度を有し、各領域は各ワークピースを適切に溶融できる。一例として、ビーム110はスチールのワークピースを溶融するためにエネルギー密度が高い第1の領域を有する一方で、第2の領域はアルミニウムのワークピースを溶融するためにエネルギー密度が低い。
図10Aには、溶融池1012及び1022にそれぞれ向けられた2つのフィラーワイヤ1030及び1030Aを示す。図10Aに示す実施形態では2つのフィラーワイヤを用いているが、本考案はその点について限定されない。他の実施形態との関連で前で説明したように、所望のビードの形状や堆積速度等の所望の溶接パラメータに応じて1つのフィラーワイヤのみを用いることができるし、3つ以上のワイヤを用いることができると考えられる。1つのワイヤを用いる場合、そのワイヤを(双方のワークピースの溶融部分から形成された)共通の溶融池に向けるか又は溶接継手に一体化するために溶融部分の一方のみにワイヤを向けることができる。そのため、例えば図10Aに示す実施形態では、ワイヤを溶融部分1022に向けることができ、係る溶融部分はその後溶接継手の形成のために溶融部分1012と組み合わされる。当然ながら、1つのワイヤを用いる場合、ワイヤが浸漬される部分1022/1012内でワイヤが溶融するようにある温度に加熱しなければならない。
異種金属が接合されるため、接合される金属にワイヤを十分に接合できるようにフィラーワイヤの化学的構造を選択すべきである。さらに、フィラーワイヤの組成は、フィラーワイヤが温度の低い方の溶融池内で溶けて消費されるようにする好適な溶融温度をフィラーワイヤが有するように選択すべきである。実際に、適切な溶接の化学特性を得るために複数のフィラーワイヤの化学的構造は異なり得ることが考えられる。これは、2つの異なるワークピースが、それらの材料の間で最小限の混合が生じる材料組成を有する場合にとりわけ当てはまる。図10Aでは、温度が低い方の溶融池がアルミニウム溶融池1012であるため、フィラーワイヤ1030(A)は溶融池1012で簡単に消費されるように同様の温度で溶融するように調製されている。アルミニウムのワークピース及びスチールのワークピースを用いる上記の例では、フィラーワイヤはケイ素青銅、ニッケルアルミニウム青銅又はアルミニウム青銅ベースで、ワークピースの溶融温度と同様の溶融温度を有するワイヤであり得る。当然ながら、フィラーワイヤの組成は所望の機械特性及び溶接性能特性と合致する一方で、それと同時に溶接されるワークピースの少なくとも一方と同様の溶融特性を提供するように選択すべきであることが考えられる。
図10B〜図10Cに関する下記の説明は、異種材料が接合されるさらなる例示の実施形態に関する。以下で説明する例では、異種材料はアルミニウム及びスチールである。スチールは軟鋼又はステンレス鋼のうちのいずれか1つであり得る。異なる材料を接合する際、脆弱な溶接部をもたらし得る金属間化合物の形成を最小限に抑えることが望ましいことが分かる。本考案の実施形態は、本明細書で説明する方法及びシステムを用いることでこれを防ぐ。図10Bに示す溶接継手は、スチールワークピース1040がアルミニウムワークピース1041に接合された一般的な重ね継手構成である。当然ながら、重ね継手を図示しているが、本考案の実施形態を用いて他の種類の継手を形成すること/本考案の実施形態と他の種類の継手を併用することができる。例えば、T字継手、突き合わせ継手及び隅肉継手を用いることもできる。前で説明したように、スチール1040上に溶融池を形成するためにビーム110が継手領域に向けられている。しかしながら、前述した実施形態の多くとは異なり、ビーム110はスチール1040上に溶融池を形成するためにスチール1040のみに向けられている。この実施形態では、アルミニウムに比べてスチールは溶融温度が高いためこのような構成が取られている。一部の例示の実施形態では、スチール1040を継続的に加熱して、溶融池がアルミニウムワークピース1041と接触するまで溶融池を成長させるためにレーザーが用いられる。溶融池がアルミニウム1041に接触すると、ビーム110から直接接触なく、スチール1040の十分な溶け込みを実現できる一方で、アルミニウムの過剰溶融又は溶け込みを防ぐことが出来る。溶融池がアルミニウム1040に接触すると、溶融池が成長して2つの異種材料の間に十分な溶接継手が得られる。溶融池がアルミニウムに接触すると、溶融池がアルミニウムを溶融し、アルミニウムにおいて十分な溶け込みが得られる一方、アルミニウムは溶融池の急冷又は冷却を支援する。溶融池にエネルギーを加えて、必要に応じてアルミニウム及び/又はスチールの溶け込みを高めれるようにビーム110を制御することができる。そのようなプロセスは、アルミニウムワークピースに起因する、不都合となり得る溶融池の希釈(dilution)を最小限に抑えるのに役立つ。本考案の実施形態では、ある程度の溶け込みがアルミニウム1041に形成されるとともにそれが望ましいが、過度な溶け込み及び希釈は望ましくない。図10Cは完成した例示の溶接継手及びビードを示す。
溶融池でアルミニウムとスチールとの混合物が過剰に存在すると、金属間化合物又は他の脆性の微細構造が形成され、それが脆弱な溶接継手をもたらし得ることが一般に知られている。これは多くの場合望ましくない。従って、本考案の実施形態では、アルミニウムの範囲が0.01〜16%で鉄の範囲が0.01〜10%の溶融池/溶着物をもたらすプロセス及びワイヤを利用する。他の例示の実施形態では、アルミニウムの範囲は11〜14%であり、鉄の範囲は4〜8%である。当然ながら、材料や溶接条件に応じて他の範囲も可能であり得る。しかしながら、アルミニウム及び鉄の双方は接合を確実に実現することができるとともに母材の少なくとも一部が溶融されるような量で存在すべきであり、最大量は、許容可能な範囲を越えて溶接特性を低下させる金属間化合物が相当量形成されるのを防ぐことができるよう選択すべきである。一部の例示の実施形態では、上述した狭い方の範囲により十分な接合が確かなものになるとともに相当量の金属間化合物の形成が防止される。
溶融池の成長は、ワークピース及び/又はレーザービーム110を移動させること、ワークピース1040のビーム照射領域のサイズを変更すること及び溶融池の領域を成長させるためにワークピースへのエネルギー入力を増やすことを含む多種多様な方法で実現することができる。当然ながら、所望の溶け込み及びビード形状を得るために上記の任意の組み合わせを用いることもできる。さらなる実施形態では、堆積プロセスの間にワイヤ140を動かして溶融池をアルミニウム1041の方に動かすこともできる。
また、本明細書で説明したように、溶接プロセスの間に少なくとも1つのワイヤ140が溶融池内に堆積される。前で説明したように、ワイヤ140は異種材料と相性がよい組成を有するべきである。本考案の例示の実施形態では、ワイヤ140の組成はアルミニウムの範囲が6.5〜11.5%、ニッケルの範囲が3〜7%、マンガンの範囲が0.7〜3%、鉄の範囲が2〜6%で、残り(%)が銅である。本考案の追加の例示の実施形態では、ワイヤ140の組成はアルミニウムの範囲が8〜10%、ニッケルの範囲が4〜6%、マンガンの範囲が1〜2%、鉄の範囲が2.5〜4.5%で、残り(%)が銅である。さらなる例示の実施形態では、ワイヤ140の組成はアルミニウムが9%、ニッケルが5%、マンガンが1.5%、鉄が3.5%で、残りが銅である。当然ながら、本明細書に記載のパーセント及び組成は消耗電極の製造の現実を熟考し、様々な不純物等のよって他の元素が微量存在し得る。そのため、本明細書で言及するパーセント及び組成は、銅に加えて消耗電極の残りを構成する他の元素を少量(微量)有するものと考える。本考案の他の例示の実施形態では、ワイヤ140の組成はニッケルの範囲が4〜7%、マンガンの範囲が0〜2%、そして残り(%)が銅であり、アルミニウム又は鉄が組成に意図的に加えられておらず、相当量のアルミニウム又は鉄は存在しない。ワイヤ140の一部の例示の実施形態ではマンガンが存在しない。例示の実施形態では、ワイヤ140はスチールワークピース1040の溶融温度に近い溶融温度を有する。一部の例示の実施形態では、ワイヤ140の溶融温度はスチール1040の溶融温度の10%以内である(上下のいずれか)。他の例示の実施形態では、差はスチールの溶融温度の5%以内である。当然ながら、溶融温度は消耗電極の組成及び許容可能な溶着物の化学組成によって決定される。即ち、溶着物がニッケル又は鉄等の特定の材料を大量に取り扱うことが可能な実施形態では、溶接品質又は溶接プロセスに悪影響を及ぼすことなく溶接プロセスは高温に対処することができるため、溶融温度の大きな相違を許容することができる。
本考案の例示の実施形態では、アルミニウム1041及びスチール1040は同様の厚さを有する。しかしながら、実施形態は厚さの異なるワークピースを接合することができるためこれは要件ではない。
前で説明した方法によって、本考案の実施形態は、スチール及びアルミニウムの双方に溶け込みが形成される(ろう付継手とは対照的な)アルミニウムとスチールとの溶接継手を提供することができる。実際に、本考案の例示の実施形態は、少なくとも80ipmの溶接速度でアルミニウムとスチールとを溶接することができる。一部の例示の実施形態では、直径の範囲が0.035〜0.052インチのワイヤ140を用いて80〜130ipmの範囲の溶接速度を得ることができる。当然ながら、他のワイヤ直径を用いることもできる。
1つのビーム110及び1つのワイヤ140を用いて図10B及び図10Cの実施形態を説明してきたが、特段の説明がない限り、複数のビーム及び/又は消耗電極を用いることができる。さらに、一部の例示の実施形態では、所望の溶け込み、継手の形状等を得るためアルミニウム1041の一部を照射するのにビーム110を用いることができる。例えば、必要に応じてアルミニウムに作用するようにビーム110をオシレートすることができる。当然ながら、アルミニウム1041が過度に溶け込むことがないようにビームエネルギーを適切に制御する必要がある。例えば、ビーム110がアルミニウムに衝突するときにビーム110のエネルギーが減らされる。当然ながら、別のレーザーからの別のビームを用いることもできる。
なお、本考案の一部の例示の実施形態では、ワイヤ140は従来の溶接消耗電極と同様に円形断面を有する。しかしながら、本考案の実施形態はこの点に限定されず、他の形状を用いることもできる。例えば、消耗電極140は多角形、長円形、楕円形又は他の形状を有することができる。また、消耗電極140はストリップ型の消耗電極であってもよい。
また、本明細書で説明した他の実施形態と同様に、本考案の実施形態に係る溶接プロセスはシールドガスを用いる必要がない。一部の用途では、酸化の低減を支援するためにシールドガスを用いることができるが、多くの用途ではシールドガスは必要ではない。
図11A〜図11Cは使用可能なコンタクトチップ160の様々な実施形態を図示する。図11Aは、一般的なアーク溶接のコンタクトチップと構成及び動作の点で非常に類似したコンタクトチップ160を示す。本明細書で説明のホットワイヤ溶接の間、加熱電流は電源170からコンタクトチップ160に向けられ、コンタクトチップ160からワイヤ140に渡される。そして、その電流はワイヤを通り、ワイヤ140とワークピースWとの接触を通じてワークピースに向けられる。本明細書で説明したように、この電流の流れがワイヤ140を加熱する。当然ながら、電源170は図示のようにコンタクトチップに直接連結されておらず、電流をコンタクトチップ160に向けるワイヤ送給装置150に連結され得る。図11Bは本考案の他の実施形態を示す。この実施形態では、コンタクトチップ160が2つの構成要素160及び160’から構成されており、電源170の負極が第2の構成要素160’に連結されている。そのような実施形態では、加熱電流は第1のコンタクトチップ構成要素160からワイヤ140に流れ、そして第2のコンタクトチップ構成要素160’に流れる。構成要素160と160’との間でワイヤ140を通る電流の流れは、本明細書で説明したようにワイヤを加熱させる。図11Cは別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、コンタクトチップ160は誘導コイル1110を含み、誘導コイル1110は誘導加熱によりコンタクトチップ160とワイヤ140とを加熱させる。そのような実施形態では、誘導コイル1110はコンタクトチップ160と一体的に形成されていてもよいし、コンタクトチップ160の表面に周りに巻かれていてもよい。当然ながら、ワイヤが溶接作業にとって望ましい温度を得ることができるようにコンタクトチップが必要な加熱電流/電力をワイヤ140に供給することができる限り、コンタクトチップ160に他の構成を用いることができる。
本考案の例示の実施形態の動作を説明する。前で説明したように、本考案の実施形態は高強度エネルギー源及びフィラーワイヤを加熱する電源の双方を使用する。このプロセスの各側面を順番に説明する。なお、以下の説明及び解説は、前述の肉盛の実施形態に関連して前で述べた説明のいずれかにとって代わるか又はそれを置き換えることを意図したものではなく、溶接又は接合用途に対する説明を捕捉することを意図したものである。肉盛作業に関する前の説明も、接合及び溶接のために組み込まれる。
接合/溶接のための例示の実施形態は、図1に図示のものと同様であり得る。前で説明したように、フィラーワイヤ140に加熱電流を提供するホットワイヤ電源170が設けられている。電流はコンタクトチップ160(任意の既知の構成のものでよい)からワイヤ140に、そしてワークピースへと流れる。この抵抗加熱電流は、コンタクトチップ160とワークピースとの間のワイヤ140を、使用されているフィラーワイヤ140の溶融温度に又は溶融温度に近い温度に到達される。当然ながら、フィラーワイヤ140の溶融温度はワイヤ140のサイズ及び化学的構造に応じて変化する。従って、溶接の間のフィラーワイヤの所望の温度はワイヤ140に応じて変化する。以下でさらに説明するように、フィラーワイヤの所望の作業温度は、所望のワイヤ温度が溶接の間に維持されるように溶接システムに入力されるデータであり得る。いずれにせよ、ワイヤの温度は、ワイヤが溶接作業の間に溶融池の中で消費されるようなものであるべきである。例示の実施形態では、フィラーワイヤ140の少なくとも一部はワイヤが溶融池に入るときに固体である。例えば、フィラーワイヤが溶融池に入るときにフィラーワイヤの少なくとも30%が固体である。
本考案の例示の実施形態では、ホットワイヤ電源170は、フィラーワイヤの少なくとも一部をその溶融温度の75%以上の温度で維持する電流を供給する。例えば、軟鋼のフィラーワイヤ140を用いる場合、溶融池に入る前のワイヤの温度は約華氏1600度であるのに対して、ワイヤの溶融温度は約華氏2000度である。当然ながら、各溶融温度及び所望の作業温度は、少なくともフィラーワイヤの合金、組成、直径及び送給速度によって異なることが分かる。他の例示の実施形態では、電源170は、フィラーワイヤの一部をその溶融温度の90%以上の温度で維持する。さらなる例示の実施形態では、ワイヤの一部がその溶融温度の95%以上の温度で維持される。例示の実施形態では、ワイヤ140は、ワイヤ140及び溶融池に加熱電流が与えられた時点から温度勾配を有し、溶融池における温度は加熱電流の入力時点における温度よりも高い。ワイヤ140の効率的な溶融を促進するために、ワイヤ140の温度はワイヤが溶融池に入る時点又はその近くで最も高くなることが望ましい。そのため、上述した温度のパーセントは、ワイヤが溶融池に入る時点又はその近くにおけるワイヤ上で測定される。フィラーワイヤ140をその溶融温度で又はその溶融温度の近くの温度で維持することで、ワイヤ140は熱源/レーザー120により形成される溶融池内で容易に溶融するか又は消費される。即ち、ワイヤ140は、ワイヤ140が溶融池と接触する際に溶融池の大幅な冷却をもたらすことのない温度のものである。ワイヤ140の温度が高温であるため、ワイヤは溶融池と接触すると素早く溶融する。ワイヤが溶融池で底に達する(溶融池の非溶融部分と接触する)ことのない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部の品質に悪影響を及ぼし得る。
前で説明したように、一部の例示の実施形態では、ワイヤ140が溶融池に入ることによってのみワイヤ140の完全な溶融を促進することができる。しかしながら、他の例示の実施形態では、溶融池と、ワイヤ140の一部に影響を与えるレーザービーム110との組み合わせによりワイヤ140を完全に溶融することができる。本考案のさらに他の実施形態では、レーザービーム110がワイヤ140の加熱に寄与することで、ワイヤ140の加熱/溶融をレーザービーム110で支援することができる。しかしながら、多くのフィラーワイヤ140は反射性を有し得る材料で構成されているため、反射型レーザーを用いる場合、ワイヤ140をその表面の反射性が低下するような温度に加熱して、ビーム110がワイヤ140の加熱/溶融に寄与できるようにすべきである。この構成の例示の実施形態では、ワイヤ140とビーム110とはワイヤ140が溶融池に入る点で交差する。
図1に関連して前で説明したように、電源170及びコントローラ195は、溶接の間にワイヤ140がワークピースとの接触を維持し且つアークが生成されないようにワイヤ140への加熱電流を制御する。アーク溶接技術とは反対に、本考案の実施形態を用いて溶接を行う場合は、アークの存在によって溶接部に大きな欠陥がもたらされ得る。そのため、(前で説明したもの同様に)一部の実施形態では、ワイヤ140と溶融池との間の電圧を(ワイヤがワークピース/溶融池に短絡されているか又は接触していることを示す)0ボルトで又は0ボルト近くで維持すべきである。
しかしながら、本考案の他の例示の実施形態では、アークが生成されることなく0ボルトを上回る電圧レベルが得られるようなレベルの電流を提供することができる。より高い電流値を利用することで、より高いレベルの温度であって電極の溶融温度に近い温度で電極140を維持することができる。これにより、溶接プロセスをより速く進めることができる。本考案の例示の実施形態では、電源170は電圧を観察し、電圧が0ボルトを多少上回る電圧値に達するか又は近づいたときに、電源170はアークが形成されることがないようにワイヤ140への電流の流れを停止する。電圧の閾値レベルは、少なくとも部分的に、使用する溶接電極140の種類により通常変化する。例えば、本考案の一部の例示の実施形態では、電圧閾値レベルは6ボルト以下である。他の例示の実施形態では、閾値レベルは9ボルト以下である。さらなる例示の実施形態では、閾値レベルは14ボルト以下であり、追加の例示の実施形態では、閾値レベルは16ボルト以下である。例えば、軟鋼のフィラーワイヤを用いる場合、電圧の閾値レベルは低いタイプのものになる一方、フィラーワイヤがステンレス鋼用である場合、溶接はアークが形成される前に高い電圧に対処できる。
さらなる例示の実施形態では、上述のように電圧レベルを閾値よりも低く維持するのではなく、電圧を作業範囲で維持する。そのような実施形態では、フィラーワイヤをその溶融温度で又はその溶融温度の近くの温度で維持するのに十分に高い電流を確保できる最小量よりも大きく、溶接アークが形成される電圧レベルよりも小さいレベルで電圧を維持することが望ましい。例えば、電圧を1〜16ボルトで維持することができる。さらなる例示の実施形態では、電圧が6〜9ボルトの範囲で維持される。他の例では、電圧を12〜16ボルトで維持することができる。当然ながら、所望の作業範囲は、溶接作業に用いられる範囲(又は閾値)が使用するフィラーワイヤ又は使用するフィラーワイヤの特性に少なくとも部分的に基づいて選択されるように溶接作業で用いるフィラーワイヤ140の影響を受ける。そのような範囲を用いる上で、範囲の下限は、フィラーワイヤが溶融池内で十分に消費される電圧に設定され、範囲の上限はアークの形成が防止される電圧に設定される。
前で説明したように、電圧が所望の電圧閾値を上回ると、アークが形成されないように、加熱電流が電源170により止められる。本考案のこの側面を以下でさらに説明する。
上述した多くの実施形態では、電源170は上述したように電圧を観察及び維持するのに用いられる回路を含む。そのような種類の回路の構成は当業者には公知である。しかしながら、従来では、そのような回路はアーク溶接のために電圧を所定の閾値よりも上で維持するのに使用されていた。
さらなる例示の実施形態では、加熱電流を電源170により観察及び/又は調節することができる。これは、代替的に、電圧、電力又は電圧/アンペア特性のあるレベルを観察することに加えて行うことができる。即ち、電流は、ワイヤ140が溶融池内で適切に消費されるように適切な温度で維持されるようなレベルであるがアーク生成電流レベル未満である所望のレベルで維持される。例えば、そのような実施形態では、電圧及び/又は電流は、一方又は双方が特定の範囲内にあるか又は所望の閾値よりも低くなるように観察される。そして、電源は、アークが形成されず、また所望の作業パラメータが維持させるように供給される電流を調節する。
本考案のさらなる例示の実施形態では、加熱電力(V×I)も電源170により観察及び調節することができる。具体的には、そのような実施形態では、加熱電力のための電圧及び電流が所望のレベルで又は所望の範囲内で維持されるように観察される。そのため、電源はワイヤへの電圧又は電流を調節するだけではなく電流及び電圧の双方を調節できる。そのような実施形態は、溶接システム対する制御を向上し得る。そのような実施形態では、ワイヤへの加熱電力は、電力が閾値レベル未満で又は所望の範囲内で維持されるように(電圧に関連して上述したのと同様に)上限閾値レベルに又は最適な作業範囲内に設定できる。ここでも、閾値又は範囲設定はフィラーワイヤの特徴及び行われる溶接に基づくものであり、また、選択されたフィラーワイヤに少なくも部分的に基づくことができる。例えば、直径が0.045”の軟鋼電極にとっての最適な電力設定が1950〜2050ワットであると決定されたとする。電源は、電力がこの動作範囲内にとどまるように電圧及び電流を調節する。同様に、電力閾値が2000ワットに設定されている場合、電源は、電力レベルがこの閾値を上回らないが閾値近くにあるように電圧及び電流を調節する。
本考案のさらなる例示の実施形態では、電源170は加熱電圧(dv/dt)、電流(di/dv)及び/又は電力(dp/dt)の変化率を観察する回路を含む。そのような回路は一般に予測回路(premonition circuits)と呼ばれ、それらの一般構成は公知である。そのような実施形態では、電圧、電流及び/又は電力の変化率は、変化率が所定の閾値を上回った場合にワイヤ140への加熱電流が停止されるように観察される。
本考案の例示の実施形態では、抵抗(dr/dt)の変化も観察される。そのような実施形態では、コンタクトチップと溶融池との間のワイヤにおける抵抗が観察される。溶接の間にワイヤが加熱されるとワイヤは下に曲がり始め、アークを形成する傾向がある。その期間、ワイヤにおける抵抗が急激に増加する。この増加が検出されると、アークが形成されないように、前で説明したように電源の出力が停止される。実施形態は、ワイヤにおける抵抗が所望のレベルで維持されるように電圧、電流又はその双方を調節する。
本考案のさらなる例示の実施形態では、電源170は閾値レベルが検出された場合に加熱電流を停止するのではなく、加熱電流を非アーク生成レベルに低下させる。そのようなレベルは、ワイヤが溶融池から離れている場合にアークが生成されないバックグラウンド電流レベルであり得る。例えば、本考案の例示の実施形態は、50アンペアの非アーク生成電流レベルを有することができる。その場合、アークの生成が検出されるか若しくは予測されるか又は(前で説明した)上限閾値に到達した場合に、電源170は、所定の期間(例えば1〜10ms)又は検出された電圧、電流、電力及び/又は抵抗が上限閾値未満に下がるまで加熱電流をその動作レベルから非アーク生成レベルに低下させる。この非アーク生成閾値は電圧レベル、電流レベル、抵抗レベル及び/又は電力レベルであり得る。そのような実施形態では、アーク生成イベントの間に電流出力が低レベルで維持されるにも関わらず、加熱電流の動作レベルに素早く復帰させることができる。
本考案の他の例示の実施形態では、溶接作業の間にアークが実質的に生成されないように電源170の出力が制御される。一部の例示の溶接作業では、フィラーワイヤ140と溶融池との間でアークが実質的に生成されないように電源を制御できる。アークは、フィラーワイヤ140の遠位端と溶融池との間の物理的な間隙において形成されることが一般的に知られている。前で説明したように、本考案の例示の実施形態では、フィラーワイヤ140と溶融池との接触を維持することによってアークの生成を防止する。しかしながら、一部の例示の実施形態では、ごくわずかにアークが存在しても溶接部の品質が損なわれることはない。即ち、一部の例示の溶接作業では、短期間にごくわずかなアークが形成されても、それは溶接品質を損なう入熱のレベルをもたらさない。そのような実施形態では、溶接システム及び電源は、アークを完全に防止することに関連して本明細書で説明したように制御及び操作されるが、電源170はアークがある程度生成されるがそのアークはごくわずかとなるように制御される。一部の例示の実施形態では、電源170は形成されるアークの期間が10ms未満になるように操作される。他の例示の実施形態では、アークの期間は1ms未満であり、別の例示の実施形態では、アークの期間は300μs未満である。そのような実施形態では、そのようなアークの存在によって溶接品質が損なわれることはない。何故なら、そのようなアークは実質的な入熱を溶接部に与えないか又は大きなスパッタ又はポロシティを引き起こさないからである。そのため、そのような実施形態では、電源170は、アークが生成されるが、溶接品質が損なわれないように期間的にごくわずかになるように制御される。他の実施形態に関して本明細書で説明したのと同じ制御ロジック及び構成要素をこれらに例示の実施形態で用いることができる。しかしながら、電源170は所定の又は予測されるアーク生成点未満の(電流、電力、電圧、抵抗の)閾値ではなくアークの生成の検出を上限閾値として用いることができる。そのような実施形態では溶接作業をその限度の近くで行うことを可能にする。
フィラーワイヤ140は常に短絡状態(溶融池と常に接触した状態)であることが望ましいため、電流は緩やかな速度で減衰する傾向にある。これは、電源、溶接ケーブル及びワークピースに存在するインダクタンスが原因である。一部の用途では、ワイヤ内の電流がより速い速度で減少するように電流をより速い速度で減衰させる必要があり得る。一般に、電流を素早く減少させることができるほど、接合方法に対するより良い制御が得られる。本考案の例示の実施形態では、閾値に到達したか又は閾値を上回ったことが検出された後に電流を下降させるランプダウン時間(ramp down time)は1ミリ秒である。本考案の他の例示の実施形態では、電流のランプダウン時間は300マイクロ秒以下である。別の例示の実施形態では、ランプダウン時間は100〜300マイクロ秒である。
例示の実施形態では、そのようなランプダウン時間を得るために、ランプダウン回路が電源170に導入されている。ランプダウン回路は、アークが予測されるか又は検出された場合にランプダウン時間を短縮するのを支援する。例えば、アークが検出されるか又は予測された場合、ランプダウン回路が開放し、係る回路に抵抗が導入される。例えば、係る抵抗は、電流の流れを50マイクロ秒で50アンペア未満に下げる種類のものであり得る。そのような回路の簡略例を図18に示す。回路1800は抵抗器1801及びスイッチ1803を有する。抵抗器1801及びスイッチ1803は、電源が作動し電流を供給している場合にスイッチ1803が閉じられるように溶接回路内に配置されている。しかしながら、(アークの生成を防止するために又はアークが検出された場合に)電源が電力の供給を停止すると、スイッチが開いて抵抗器1801に誘導電流が流れるようにする。抵抗器1801は回路の抵抗を大幅に増加させ、より早いペースで電流を減少させる。そのような回路の種類は溶接業界では一般的に知られており、表面張力移動技術(「STT」)が組み込まれたリンカーンエレクトリック社(オハイオ州クリーブランド)製のパワーウェーブ(登録商標)溶接電源に見ることができる。STT技術は、特許文献1、特許文献2、特許文献3及び特許文献4に概して記載されており、それらの特許文献は参照により本願に全体的に組み込まれる。当然ながら、これらの特許文献では、開示の回路を用いてアークを生成し維持することが概して述べられているが、当業者であれば、そのようなシステムをアークが生成されないようにするように容易に適合できる。
上記の説明は、例示の溶接システムを示す(なお、レーザーシステムは明確性の点から図示していない)図12を参照することでさらに理解することができる。ホットワイヤ電源1210(図1に図示の170と同様の種類のものであり得る)を有するシステム1200が図示されている。電源1210は、インバータ型電源等の既知の溶接電源構成のものであり得る。そのような電源のデザイン、動作及び構成は既知であるため、本明細書ではそれらについての詳述は省略する。電源1210はユーザー入力部1220を含む。ユーザー入力部1220は、限定されないがワイヤ送給速度、ワイヤの種類、ワイヤの直径、所望の電力レベル、所望のワイヤ温度、電圧及び/又は電流レベルを含むデータをユーザーが入力できるようにする。当然ながら、必要に応じて他の入力パラメータを用いることができる。ユーザーインターフェース1220はCPU/コントローラ1230に連結されている。CPU/コントローラ1230はユーザー入力データを受信し、その情報を用いてパワーモジュール1250に必要な動作設定値又は範囲を生成する。パワーモジュール1250はインバータ又はトランス型モジュールを含む任意の既知の種類又は構成のものであり得る。
CPU/コントローラ1230は、ルックアップテーブルの使用を含む様々な方法で所望の動作パラメータを決定できる。そのような実施形態では、CPU/コントローラ1230は入力データ、例えばワイヤ送給速度、ワイヤの直径及びワイヤの種類を用いて、(ワイヤ140を適切に加熱するための)出力のための所望の電流レベル及び閾値電圧又は電力レベル(又は電圧若しくは電力の許容可能な動作範囲)を決定する。これは、ワイヤ140を適切な温度に加熱するのに必要な電流が少なくとも入力パラメータに基づいているためである。即ち、アルミニウムワイヤ140は軟鋼電極よりも溶融温度が低くいため、ワイヤ140を溶融するのに必要な電流/電力が少ない。それに加えて、直径が小さいワイヤ140は直径が大きい電極よりも必要な電流/電力が少ない。また、ワイヤ送給速度が上昇すると(従って堆積速度も)ワイヤの溶融に必要な電流/電力レベルはより高くなる。
同様に、入力データは、アークの生成が回避されるような動作のための電圧/電力閾値及び/又は範囲(例えば、電力、電流及び/又は電圧)を決定するためにCPU/コントローラ1230によって使用される。例えば、直径が0.045インチの軟鋼電極の電圧範囲設定は6〜9ボルトであり、パワーモジュール1250は6〜9ボルトの範囲の電圧を維持するように駆動される。そのような実施形態では、電流、電圧及び/又は電力は、電極を適切に加熱するのに電流/電力が十分高いことを確保する最小の6ボルトが維持され、アークが生成されず且つワイヤ140の溶融温度を上回らないように電圧が9ボルト以下で維持されるように駆動される。当然ながら、CPU/コントローラ1230は、電圧、電流、電力又は抵抗の変化率等の他の設定値パラメータを必要に応じて設定してもよい。
図示のように、電源1210の正極1221はホットワイヤシステムのコンタクトチップ160に連結され、電源の負極はワークピースWに連結されている。そのため、加熱電流は正極1221を通じてワイヤ140に供給され、負極1222を通じて戻る。そのような構成は一般的に知られている。
当然ながら、他の例示の実施形態では、負極1222もコンタクトチップ160に連結することができる。ワイヤ140を加熱するのに抵抗加熱を用いることができるため、コンタクトチップは、正極1221及び負極1222の双方をコンタクトチップ160に連結してワイヤ140を加熱することができる(図11に示すような)構成のものであり得る。例えば、コンタクトチップ160は(図11Bに示すような)デュアル構成を有するか又は(図11Cに示すような)誘導コイルを用いることができる。
フィードバックセンスリード1223も電源1210に連結されている。このフィードバックセンスリードは電圧を観察し、検出した電圧を電圧検出回路1240に送ることができる。電圧検出回路1240は検出した電圧及び/又は検出した電圧の変化率をCPU/コントローラ1230に通信し、CPU/コントローラ1230はそれに従ってモジュール1250の動作を制御する。例えば、検出された電圧が所望の動作範囲よりも低い場合、CPU/コントローラ1230は、モジュール1250に、その出力(電流、電圧及び/又は電力)を検出された電圧が所望の動作範囲に入るまで高めるよう指示する。同様に、検出された電圧が所望の閾値以上である場合、CPU/コントローラ1230は、アークが生成されないようにコンタクトチップ160への電流の流れを停止するようモジュール1250に指示する。電圧が所望の閾値未満に低下すると、CPU/コントローラ1230はモジュール1250に対して溶接プロセスを続けるために電流若しくは電圧又はその両方を供給するよう指示する。当然ながら、CPU/コントローラ1230は所望の電力レベルを維持又は供給するようにモジュール1250に指示することもできる。
なお、検出回路1240及びCPU/コントローラ1230は図1に図示のコントローラ195と同様の構成及び動作を有することができる。本考案の例示の実施形態では、サンプリング/検出速度は少なくとも10KHzである。他の例示の実施形態では、検出/サンプリング速度の範囲は100〜200KHzである。
図13A〜図13Cは本考案の実施形態で用いられる例示の電流波形及び電圧波形を示す。これらの各波形を順番に説明する。図13Aは、アーク検出イベント後に電源出力を再度オンにした後でフィラーワイヤ140が溶融池に接触する実施形態のための電圧波形及び電流波形を示す。図示のように、電源の出力電圧は所定の閾値(9ボルト)未満のある動作レベルにあったが、その後溶接の間にこの閾値まで上げられる。動作レベルは、(前で説明した)様々な入力パラメータに基づく所定のレベルであってもよいし、設定動作電圧、電流及び/又は電力レベルであってもよい。この動作レベルは、所定の溶接作業にとって望ましい電源170の出力であり、フィラーワイヤ140に望ましい加熱信号を提供するためのものである。溶接の間、アークの生成に繋がるようなイベントが発生し得る。図13Aでは、そのようなイベントは電圧の上昇を引き起こし、電圧をポイントAまで上昇させる。ポイントAでは、電源/制御回路は9ボルトの閾値(アーク検出点又は単にアーク生成点よりも低い所定の上限閾値であり得る)にヒットし、電源の出力を停止して、電流及び電圧をポイントBにある低いレベルに低下させる。電流低下の傾斜は、システムのインダクタンスから電流合力(current resultant)を素早く減少させるのを支援する(本明細書で説明した)ランプダウン回路を含めることで制御することができる。ポイントBにおける電流又は電圧レベルは予め決定されてもよいし、所定の期間の後で到達するようにしてもよい。例えば、一部の実施形態では、溶接のために電圧(又は電流若しくは電力)の上限閾値が設定されるだけでなく下限の非アーク生成レベルも設定される。この下限レベルは、アークが生成されないことが確実になり、電源が再度オンにしてもアークが形成されない下限の電圧、電流又は電力レベルである。そのような下限のレベルを有することで、電源は素早く再びオンにしてアークが生成されないようにすることができる。例えば、溶接のための電源設定値が2000ワットに設定され、電圧閾値が11ボルトの場合、この下限電力設定を500ワットに設定できる。そのため、電圧の上限閾値(実施形態に応じて電流又は電力閾値にすることもできる)に到達すると、出力が500ワットに落とされる(この下限閾値も下限電流若しくは電圧設定又はその両方であり得る)。あるいは、検出下限を設定する代わりに、タイミング回路を用いて設定した期間の後に電流供給を開始するようにできる。本考案の例示の実施形態では、そのような期間は500〜1000msであり得る。図13Aでは、ポイントCは出力が再びワイヤ140に供給される時点を表す。なお、ポイントBとポイントCとの間に示されている遅延は意図的な遅延の結果又は単にシステム遅延の結果によるものである。ポイントCで、フィラーワイヤを加熱するために電流が再度供給される。しかしながら、フィラーワイヤは溶融池にまだ接触していないため、電圧が上昇する一方で電流は上昇しない。ポイントDでワイヤは溶融池と接触し、電圧及び電流は所望の動作レベルに戻る。図示のように、電圧は、ポイントDにおける接触の前に上限閾値を上回り得る。それは電源が動作閾値よりも高いOCVレベルを有する場合に起こり得る。例えば、この高いOCVレベルは、電源のデザイン又は製造の結果として電源において設定される上限であってもよい。
図13Bは、電源の出力が高められる際にフィラーワイヤ140が溶融池に接触している点を除き、前で説明したものと同様である。そのような状況では、ワイヤは溶融池から離れないか又はワイヤはポイントCの前に溶融池と接触していた。図13BはポイントC及びDを一緒に示す。何故なら、出力を再びオンにしたときにワイヤは溶融池と接触しているからである。そのため、電流及び電圧の双方がポイントEで所望の動作設定に高められる。
図13Cは、出力がオフにされるとき(ポイントA)と、再びオンにされるとき(ポイントB)との間に遅延がないか又はあっても少なく、ワイヤがポイントBの前のある時点で溶融池と接触している実施形態を示す。図示の波形は、(電流、電力又は電圧に関わらず)下限に到達した場合に、遅延なしで又は少しの遅延で出力が再びオンにされるように下限が設定されている上述の実施形態で用いることができる。なお、この下限設定は、本明細書で説明した動作上限閾値又は範囲と同じ又は同様のパラメータを用いて設定することができる。例えば、この下限閾値はワイヤの組成、直径、送給速度又は本明細書で説明した他の様々なパラメータに基づいて設定できる。そのような実施形態は、溶接のための所望な動作設定値に戻る際の遅延を最小限に抑えることができ、ワイヤにおいて生じ得るネッキングを最小限に抑えることができる。ネッキングを最小限に抑えることは、アークの生成の可能性を最小限に抑えるのに役立つ。
図14は本考案のさらに別の例示の実施形態を示す。図14は、図1に図示の実施形態と同様のものを示す。しかしながら、明確性の点から特定の構成要素及び接続が図示されていない。図14は、ワイヤ140の温度を観察するために熱センサ1410が用いられるシステム1400を示す。熱センサ1410は、ワイヤ140の温度を検出することが可能な任意の公知の種類のものでよい。センサ1410は、ワイヤの温度を検出するためにワイヤ140に接触できるか又はコンタクトチップ160に連結することができる。本考案のさらなる例示の実施形態では、センサ1410はレーザー又は赤外線ビームを用いる種類のものであり、フィラーワイヤの直径等の小さなオブジェクトの温度をワイヤ140に接触することなく検出できる。そのような実施形態では、センサ1410は、ワイヤ140の温度がワイヤ140の突出部、即ちコンタクトチップ160の端部と溶融池との間のどこかの点で検出できるように配置されている。センサ1410は、ワイヤ140用のセンサ1410が溶融池の温度を感知しないように配置されるべきである。
センサ1410は、システム1400の制御を最適化することができるよう温度フィードバック情報を電源170及び/又はレーザー電源130に提供できるように(図1に関連して説明した)検知/コントロールユニット195に連結されている。例えば、電源170の電力又は電流出力をセンサ1410からのフィードバックに少なくとも基づいて調整することができる。即ち、本考案の実施形態では、ユーザーが(所定の溶接及び/又はワイヤ140にとって)望ましい温度設定を入力するか又は検知/コントロールユニットが他のユーザー入力データ(ワイヤ送給速度、電極の種類等)に基づいて所望の温度を設定することができ、そして検知/コントロールユニット195はその所望の温度を維持するために少なくとも電源170を制御し得る。
そのような実施形態では、ワイヤが溶融池に入る前にレーザービーム110がワイヤ140に影響を及ぼすことによって起こり得るワイヤ140の加熱が可能になる。本考案の実施形態では、ワイヤ140の温度は電源170を介してワイヤ140内の電流を制御することによってのみ制御できる。しかしながら、他の実施形態では、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作用するレーザービーム110に起因し得る。そのため、電源170からの電流又は電力のみがワイヤ140の温度を表さない場合がある。そのため、センサ1410を利用することで、電源170及び/又はレーザー電源130の制御を通じたワイヤ140の温度の調節を支援することができる。
(図14にも図示の)さらなる例示の実施形態では、温度センサ1420が溶融池の温度を検知するように構成されている。この実施形態では、溶融池の温度も検知/コントロールユニット195に連結されている。しかしながら、他の例示の実施形態では、センサ1420をレーザー電源130に直接連結することができる。センサ1420からのフィードバックを用いてレーザー電源130/レーザー120からの出力を制御することができる。即ち、所望の溶融池温度を得ることができるようにレーザービーム110のエネルギー密度を変更することができる。
本考案のさらなる例示の実施形態では、センサ1420を溶融池にさし向けるのではなく、ワークピースの溶融池に隣接する領域にさし向けることができる。具体的には、溶接部に隣接するワークピースへの入熱を最小限に抑えることが望ましい場合がある。センサ1420は、溶接部の付近で閾値温度が上回らないようこの温度敏感領域を観察するように設置できる。例えば、センサ1420はワークピース温度を観察し、検知した温度に基づいてビーム110のエネルギー密度を低減できる。そのような構成によって、溶接ビード付近の入熱が所望の閾値を上回らないようにすることができる。そのような実施形態は、ワークピースへの入熱が決定的に重要な意味を持つ精密溶接作業において用いることができる。
本考案の他の例示の実施形態では、検知/コントロールユニット195を、ワイヤ送給機構(図示していないが、図1の150参照)に連結された送給力(feed force)検出ユニットに連結することができる。送給力検出ユニットは既知であり、ワイヤ140がワークピース115に送給されるときにワイヤ140に加えられる送給力を検出する。例えば、そのような検出ユニットは、ワイヤ送給装置150のワイヤ送給モーターによって加えられるトルクを観察することができる。ワイヤ140が完全に溶融しないまま溶融した溶融溜まりを通過すると、ワイヤ140はワークピースの固体部分に接触することになる。モーターは設定された供給速度を維持しようと試みるため、そのような接触によって送給力の増加が引き起こされる。この力/トルクの増大を検出し、コントローラ195に伝達することができる。コントローラ195はこの情報を用いてワイヤ140への電圧、電流及び/又は電力を調整して溶融溜まりにおけるワイヤ140の溶融が適切なものになるようにする。
なお、本考案の一部の例示の実施形態では、ワイヤが溶融池に絶えず送給されるのではなく、所望の溶接プロファイルに基づいて途切れ途切れに送給され得る。具体的には、本考案の様々な実施形態の多様性によって、オペレータ又はコントロールユニット195のいずれかが望み通りに溶融溜まりへのワイヤ140の送給を開始及び停止できる。例えば、溶接継手の一部には金属フィラー(ワイヤ140)の使用を必要とするが、同じ継手又は同じワークピースの他の部分は金属フィラーの使用を必要としない複雑な溶接プロファイルや形状が種々に数多く存在する。そのため、溶接の第1の部分では、コントロールユニット195はレーザー120のみを操作して継手の第1の部分がレーザー溶接されるようにするが、溶接作業が(金属フィラーの使用を必要とする)溶接継手の第2の部分に到達すると、コントローラ195は電源170及びワイヤ送給装置150に対して溶融池にワイヤ140の堆積を開始させる。そして、溶接作業が第2の部分の終わりに到達したときに、ワイヤ140の堆積を停止できる。これは、ある部分と別の部分とでプロファイルが大きく異なる連続溶接部の形成を可能にする。そのような能力によって、個々の溶接作業を数多く有することとは対照的に単一の溶接作業でワークピースを溶接することを可能にする。当然ながら、多くの変更を実施できる。例えば、溶接部は、異なる形状、深さ及びフィラーの要件を有する溶接プロフィールを必要とする3つ以上の異なる部分を有し、各溶接部分でレーザー及びワイヤ140の使用が異なり得る。さらに、必要に応じて、さらなるワイヤを加えてもよいし除いてもよい。即ち、第1の溶接部分はレーザー溶接のみを必要とする一方で、第2の部分は1つのフィラーワイヤ140の使用のみを必要とし、溶接部の最後の部分は2つ以上のフィラーワイヤの使用を必要とする。コントローラ195は、連続溶接ビードが1つの溶接パスで形成されるよう係る様々な溶接プロファイルを連続溶接作業で得ることができるようにシステムの様々な構成要素を制御できるように構成できる。
図15は、本考案の例示の実施形態に従って溶接する場合の一般的な溶融池Pを示す。前で説明したように、レーザービーム110はワークピースWの表面に溶融池Pを形成する。溶融池は長さLを有し、長さLは、ビーム110のエネルギー密度、形状及び動きの関数である。本考案の例示の実施形態では、ビーム110は、溶融池の後端から距離Zの位置で溶融池Pに向けられている。そのような実施形態では、高強度エネルギー源(例えばレーザー120)は、エネルギー源120がワイヤ140を溶融するのではなく、ワイヤ140の溶融はワイヤ140が溶融池と接触することによって達成されるようにするために、自身のエネルギーがフィラーワイヤ140に直接作用させる。一般に、溶融溜まりPの後端は溶融池が終了し、形成される溶接ビードWBの固化が始まる点として定義される。本考案の実施形態では、距離Zは溶融池Pの長さLの50%である。さらなる例示の実施形態では、距離Zは溶融池Pの長さLの40〜75%である。
図15に示すように、フィラーワイヤ140は(溶接部の移動方向において)ビーム110の後ろで溶融池Pに影響を与える。図示のように、ワイヤ140は、溶融池Pの後端の前の距離Xとして溶融池Pに影響を与える。例示の実施形態では、距離Xは溶融池Pの長さの20〜60%である。他の例示の実施形態では、距離Xは溶融池Pの長さLの30〜45%である。他の例示の実施形態では、ワイヤ140及びビーム110は、溶接プロセスの間にビーム110の少なくとも一部がワイヤ140に作用するように溶融池Pの表面で又は溶融池Pの上の点で交差する。そのような実施形態では、溶融池Pにワイヤ140を堆積するためワイヤ140を溶融するのを支援するためにレーザービーム110が用いられる。ビーム110を用いてワイヤ140の溶融を支援することにより、ワイヤ140を溶融池P内で素早く消費するにはその温度が低すぎる場合にワイヤ140が溶融池Pを急冷してしまうのを防止するのを支援する。しかしながら、前で述べたように、(図15に示すように)一部の実施形態では、フィラーワイヤ140の溶融は溶融池の熱によって達成されるため、エネルギー源120及びビーム110はフィラーワイヤ140のどの部分もはっきりとは溶融しない。
図15に示す実施形態では、ワイヤ140はビーム110に後続し、ビーム110と並んでいる。しかしながら、ワイヤ140は(移動方向で)ビーム110に先行することができるため、本考案はこの構成に限定されない。また、移動方向でワイヤ140がビームと並んでいる必要はなく、ワイヤの好適な溶融が溶融池で起こる限り、任意の方向から溶融池にワイヤを当ててもよい。
図16A〜図16Fは、レーザービーム110の足跡(footprint)を示した状態の様々な溶融溜まりPを示す。図示のように、一部の例示の実施形態では、溶融溜まりPは円形の足跡を有する。しかしながら、本考案の実施形態はこの構成に限定されない。例えば、溶融池は楕円形又は他の形状を有することも考えられる。
また、図16A〜図16Fでは、断面が円形のビーム110を図示している。ここでも、本考案の他の実施形態はこれに関連して限定されない。何故なら、ビーム110は溶融池Pを有効に形成するために楕円、矩形又は他の形状を有することができるからである。
一部の実施形態では、レーザービーム110は溶融池Pに対して静止可能である。即ち、ビーム110は、溶接の間に溶融池Pに対して比較的一定の位置に留まる。しかしながら、図16A〜図16Dで例示するように、他の実施形態はそのような形に限定されない。例えば、図16Aは、ビーム110が溶融池Pの周りを円状に動かされる実施形態を示す。この図では、ビーム110における少なくとも1つの点が溶融池の中心Cと常に重なるようにビーム110が移動する。他の実施形態では、円状パターンが用いられるが、ビーム110は中心Cと接触しない。図16Bはビームが1つの線に沿って前後に移動される実施形態を示す。この実施形態は、所望の溶融池Pの形状に応じて溶融池Pを長くするか又はその幅を広げるのに用いることができる。図16Cは異なる2つのビーム断面を用いる実施形態を示す。第1のビーム断面110は第1の形状を有し、第2のビーム断面110’は第2の断面を有する。そのような実施形態は、溶融池P内のある点で溶け込みを大きくしつつ、(必要に応じて)より大きな溶融池のザイズを維持するのに用いることができる。この実施形態は、1つのレーザー120を用いて、レーザーのレンズ又は光学系の使用によりそのビーム形状を変化させることにより又は複数のレーザー120の使用により実現できる。図16Dは、溶融池Pにおいて楕円状に動かされるビーム110を示す。ここでも、そのようなパターンは必要に応じて溶融池Pを長くするか又はその幅を広げるのに用いることができる。ビーム110を別の形で移動させて溶融池Pを形成することができる。
図16E及び図16Fは、異なるビーム強度を用いたワークピースW及び溶融池Pの断面を示す。図16Eは、より幅広のビーム110によって形成された浅く幅が広い溶融池Pを示す一方、図16Fは、通常「キーホール」と呼ばれる深く幅が狭い溶融池Pを示す。この実施形態では、ビームは、その焦点がワークピースWの上面の近くになるように集束される。そのような集束により、ビーム110はワークピースの全深さを貫通することができ、ワークピースWの底面上に後部ビード(back bead)BBを形成するのを支援できる。ビームの強度及び形状は、溶接の間の溶融池の所望の特性に基づいて決定されることになる。
レーザー120は任意の既知の方法及び装置により移動、平行移動又は操作することができる。レーザーの動き及び光学系は一般的に知られているため、本明細書ではそれらについての詳述を省略する。図17は、本考案の例示の実施形態に係るシステム1700を示す。システム1700では、レーザー120を動かすことができ、動作の間にその光学系(そのレンズ等)を変更又は調整することができる。このシステム1700では、検知/コントロールユニット195がモーター1710及び光学駆動ユニット1720の双方に連結されている。モーター1710は、溶融池に対するビーム110の相対位置を溶接の間に動かすことができるようにレーザー120を動かすか又は平行移動させる。例えば、モーター1710は、例えばビーム110を前後に平行移動させたり、円状に動かしたりする。同様に、光学駆動ユニット1720は、レーザー120の光学系を制御するよう検知/コントロールユニット195から指示を受ける。例えば、光学駆動ユニット1720はビーム110の焦点をワークピースの表面に対して動かすか又は変化させることができるため、溶融池の溶け込み又は深さが変更される。同様に、光学駆動ユニット1720はレーザー120の光学系を変化させてビーム110の形状を変更する。そのため、溶接の間、検知/コントロールユニット195はレーザー120及びビーム110を制御して、作業の間に溶融池の特性を維持及び/又は変更する。
図1、図14及び図17のそれぞれでは、レーザー電源130、ホットワイヤ電源170及び検知/コントロールユニット195を明確性の点から別々に示している。しかしながら、本考案の実施形態では、これらの構成要素を単一の溶接システムに統合することができる。本考案の態様では、前で個別に説明した構成要素が別々の物理的ユニット又はスタンドアローン構造で維持されている必要はない。
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20に示す。図20は、図1に示すシステム100と同様のシステム2000を示す。システム2000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2000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2130、ワイヤ送給装置2150及びトーチ2120を含む。ワイヤ送給装置2150及びトーチ2150を通じて溶融池に溶接電極211が送られる。本明細書で説明する種類のGMAW溶接システム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消耗電極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20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がその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、追加の消耗電極211も溶融地に加えられる。この追加の消耗電極は、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堆積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消耗電極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(該アークに消耗電極が加えられる)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2000の動作の間、電源2130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2130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、各電流は磁場を生成し、これらの磁場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場は、電源2130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、競合し合う磁場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2130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。
図21は本考案の例示の溶接作業の拡大図を示す。図に示すように、トーチ2120(例示のGMAW/MIGトーチであり得る)は、一般的に知られているようにアークの使用を通じて消耗電極2110を溶融池WPに送る。また、ホットワイヤ消耗電極140は、上述した実施形態のいずれかに従って溶融池WPに送られる。なお、この図ではトーチ2120とコンタクトチップ160とを別々に示しているが、消耗電極140及び2110の双方を溶融池に送る単一のトーチユニットにこれらの構成要素を一体化させることができる。一体化構成を用いる場合、プロセスの間に消耗電極間での電流転移を防止するためにトーチ内で電気的遮蔽を用いなければならない。上述したように、それぞれの電流によって誘発された磁場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195を用いて電源2130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。これについて図22A〜図22Cに関連して説明する。例えば、特許文献5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5は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。
図22A〜図22Cのそれぞれは例示の電流波形を示す。図22Aは、ワイヤ2110から溶融池への溶滴の転移を支援するのに電流パルス2202を用いる例示の溶接波形(GMAW又はGTAWのいずれか)を示す。当然ながら、図示の波形は例示であり限定を意図したものではない。例えば、電流波形はパルススプレー転移、パルス溶接、表面張力転移溶接等のためのものであり得る。ホットワイヤ電源170は、概して上述したように抵抗加熱を通じてワイヤ140を加熱するために、一連のパルス2204を有する電流波形2203を出力する。電流パルス2204は、電流レベルの小さいバッググラウンドレベルによって離間されている。概して上述したように、ワイヤ140をその溶融温度に又はその溶融温度付近に加熱するために波形2203が用いられ、波形2203は、抵抗加熱を通じてワイヤ140を加熱するためにパルス2204及びバックグラウンドを用いる。図22Aに示すように、各電流波形からのパルス2202及び2204は互いに同相になるように同期されている。この例示の実施形態では、電流波形は、電流パルス2202/2204が図示のように同様の又は同じ周波数を有するとともに互いに同相になるように制御される。驚くべきことに、同相の波形を有することで、波形2203によって生成される加熱電流によってアークが大きな干渉を受けない、安定且つ一貫した動作が得られることが見出された。
図22Bは、本考案の別の例示の実施形態からの波形を示す。この実施形態では、加熱電流波形2205は、パルス2206がパルス2202と一定の位相角Θだけ位相がずれるように制御/同期される。そのような実施形態では、プロセスの安定動作を確かなものにするとともにアークが安定した状態で維持されるのが確かなものとなるように選択される。本考案の例示の実施形態では、位相角Θの範囲は30〜90°である。他の例示の実施形態では、位相角は0°である。当然ながら、安定した作業を得るために他の位相角を用いることができ、そのような位相角の範囲は0〜360°であるのに対して、他の例示の実施形態では、位相角の範囲は0〜180°である。
図22Cは本考案の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、ホットワイヤパルス2208が溶接パルス2202と位相角Θだけ位相がずれるように、そして該位相角Θが約180°になり、波形2201のバックグラウンド部2210の間のみ起こるようにホットワイヤ電流2207が溶接波形2201と同期される。この実施形態では、それぞれの電流は同時にピークに達しない。即ち、波形2207のパルス2208は波形2201の各バックグラウンド部2210で開始及び終了する。
本考案の一部の例示の実施形態では、溶接パルスのパルス幅とホットワイヤパルスのパルス幅とは同じである。しかしながら、他の実施形態では、それぞれのパルス幅は異なり得る。例えば、GMAWパルス波形とホットワイヤパルス波形とを併用する場合、GMAWパルス幅の範囲は1.5〜2.5ミリ秒で、ホットワイヤパルス幅の範囲は1.8〜3ミリ秒であり、ホットワイヤパルス幅はGMAWパルス幅よりも大きい。
なお、加熱電流をパルス電流として図示しているが、一部の例示の実施形態では、加熱電流は前で説明したように定電力であり得る。ホットワイヤ電流は、パルス加熱電力、定電圧、傾斜出力及び/又はジュール/時間に基づく出力であってもよい。
本明細書で説明したように、双方の電流がパルス電流の場合、安定動作を確かなものにするためにそれらが同期される。これを実現するのに、同期信号の使用を含む数多くの方法が存在する。例えば、コントローラ195(電源170/2130のいずれかと一体化されていてもよい)は、パルスアークピークを開始させるために同期信号を設定することができるとともに、ホットワイヤパルスピークのために所望の開始時間を設定することができる。前で説明したように、一部の実施形態では、パルスは同時に始まるように同期されるのに対して、他の実施形態では、同期信号は、アークパルスピーク後のある期間にホットワイヤ電流のためのパルスピークの開始を設定でき、該期間は作業のために所望の位相角を得るのに十分なものであり得る。
図23は本考案の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、GTAW溶接/被覆作業が用いられ、GTAWトーチ2121及び電極2122はアークを生成し、そのアーク内に消耗電極2120が送られる。再び、アーク及びホットワイヤ140が同じ溶融池WPに送られて、図示のようなビードWBを形成する。GTAWの実施形態の作業は、アークとホットワイヤ140とが同じ溶融池WPで相互に作用する点で上述した実施形態と同様である。再び、上述したGMAW作業と同様に、GTAW作業でアークを生成するのに電流が用いられる。例えば、図22A〜図22Cに示すパルス関係を用いることができる。また、コントローラ195は二重状態テーブル又は他の同様の制御方法を用いて電源間の同期を制御することができる。なお、消耗電極2120はコールドワイヤとして又はホットワイヤの消耗電極として溶接部に送ることができる。即ち、消耗電極2110及び140の双方は本明細書で説明したように加熱することができる。あるいは、本明細書で説明したように、消耗電極2120及び140の一方のみがホットワイヤであってもよい。
上述したGTAW又はGMAW型の実施形態(他のアーク型の方法の使用を含む)のいずれかでは、アークは移動方向に対して先頭(lead)に位置している。これを図21及び図23のそれぞれに示す。これは、ワークピースにおいて所望の溶け込みを得るのにアークを用いるからである。即ち、溶融池を形成し、ワークピースに所望の溶け込みを得るのにアークが用いられる。そして、アークプロセスの後に、本明細書で詳細に説明するホットワイヤプロセスが存在する。ホットワイヤプロセスを加えることで、少なくとも2つのアークが用いられる従来のタンデムMIGプロセス等のように別の溶接アークによる追加の入熱なしに多くの消耗電極140を溶融池に加えることができる。そのため、本考案の実施形態は既知のタンデム溶接法よりも相当少ない入熱で高い堆積速度を実現することができる。
図21に示すように、ホットワイヤ140はアークと同じ溶融池WPに挿入されているが、距離D離れた状態でアークの後を追う。一部の例示の実施形態では、この距離の範囲は5〜20mmであり、他の実施形態では、この距離の範囲は5〜10mmである。当然ながら、先行するアークによって形成される溶融池と同じものにワイヤ140が送給される限り、他の距離を用いることもできる。しかしながら、ワイヤ2110及び140は同じ溶融池に堆積されることになり、距離Dは、ワイヤ140を加熱するのに用いられる加熱電流によるアークの磁気妨害が最小限になるような距離とすべきである。一般に、アーク及びワイヤがまとめて向けられる溶融池のサイズは、ワイヤ2110と140との間の所望の距離を決定する上での要因にもなる溶接速度、アークパラメータ、ワイヤ140に供給される全電力、材料の種類等によって決まる。
なお、ホットワイヤ電流(例えば、2203、2205又は2207)の動作は、コントローラ195又は電源170によりアークイベントが検出されるか又は予測された場合について本明細書で詳細に説明したものと同様である。即ち、電流はパルス化されているが、アークが生成されるか又は検出された場合には、本明細書で説明したように電流を止めるか又は最小限に抑えることができる。さらに、一部の例示の実施形態では、バックグラウンド部2211は(ユーザー入力情報に基づいてコントローラ195により決定が可能な)ワイヤ140のためのアーク生成レベルよりも低い電流レベルを有し、アークが検出された場合にホットワイヤ電流を止めるのではなく、電源170は、(前で概して説明したように)ある期間又はアークが消弧されたと判断されるか若しくはアークは発生しないと判断されるまで、電流をバックグラウンドレベル2211に下げることができる。例えば、電源170はパルス2203/2205/2207を所定数スキップするか又は単純にある期間、例えば10〜100msパルス化しないようにでき、その期間の後に電源170はワイヤ140を適切な温度に加熱するために再びパルスを開始させることができる。
上述したように、少なくとも2つの消耗電極140/2110が同じ溶融池で用いられるため、シングルアークの作業の場合の入熱と入熱が同様の状態で非常に高い堆積速度を実現出来る。これは、ワークピースへの入熱が非常に高いタンデムMIG溶接システムに勝る大きな利点を提供する。例えば、本考案の実施形態は、シングルアークの入熱で少なくとも23ポンド/時間の堆積速度を容易に実現できる。他の例示の実施形態は少なくとも35ポンド/時間の堆積速度を有する。
本考案の例示の実施形態では、ワイヤ140及び2110は、それらが同じ組成、直径等を有する点でそれぞれ同じである。しかしながら、他の例示の実施形態では、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、必要に応じて異なる直径、ワイヤ送給速度及び組成を有していてもよい。例示の実施形態では、先行ワイヤ2110のワイヤ送給速度はホットワイヤ140のワイヤ送給速度よりも速い。例えば、先行ワイヤ2110のワイヤ送給速度は450インチ/分であり得るのに対して、後続ワイヤ140のワイヤ送給速度は400インチ/分である。また、ワイヤは異なるサイズ及び組成を有することができる。実際に、ホットワイヤ140を溶融池内に堆積するのにアークを通過させる必要がないため、ホットワイヤ140は一般にアークを良好に通過しない材料/組成を有することができる。例えば、ワイヤ140は、アークの点から一般的な溶接電極に添加することができない炭化タングステン又は他の同様の表面硬化材料を有することができる。それに加えて、先行電極2110は、所望のビード形状を提供するために溶融池の濡れ性を助ける湿潤材が豊富な組成を有することができる。また、ホットワイヤ140は溶融池の保護を助けるスラグ要素を含むこともできる。従って、本考案の実施形態は溶接化学的構造の柔軟性を高めることができる。なお、ワイヤ2110は先行ワイヤであるため、係る先行ワイヤを用いたアーク溶接作業は溶接継手のための溶け込みを提供し、その場合ホットワイヤは継手のための追加の充填を提供する。
本考案の一部の例示の実施形態では、行われる特定の作業の要件や制限に一致するよう溶着物への入熱のバランスを取るためにアークとホットワイヤとの組み合わせを用いることができる。例えば、接合施工のために先行アークからの熱を高めることができる。その場合、アークからの熱はワークピースを接合するのに必要な溶け込みを得るのを助け、ホットワイヤは継手の充填のために主として用いられる。しかしながら、クラッディング又は上盛りプロセスでは、ホットワイヤのワイヤ送給速度を高めて希釈を最低限に抑えるとともに上盛りを増やすことができる。
また、異なるワイヤの化学的構造を用いることができるため、従来では2つの別個のパスにより得られる異なる層を有する溶接継手を形成できる。先行ワイヤ2110は従来の第1のパスに必要な化学的構造を有し得るのに対して、後続ワイヤ140は従来の第2のパスに必要な化学的構造を有することができる。また、一部の実施形態では、ワイヤ140/2110のうちの少なくとも一方がコアードワイヤであってもよい。例えば、ホットワイヤ140は溶融池内に所望の材料を堆積する紛体のコアを有するコアードワイヤであり得る。
図24は本考案の電流波形の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、ホットワイヤ電流2403は溶接電流2401(GMAW又はGTAWのいずれか)と同期されたAC電流である。この実施形態では、加熱電流の正のパルス2404は電流2401のパルス2402と同期されているのに対して、加熱電流2403の負のパルス2405は溶接電流のバックグラウンド部2406と同期されている。当然ながら、他の実施形態では、正のパルス2402がバックグラウンド2406と同期され、負のパルス2405がパルス2402と同期されるといったように同期が逆であってもよい。別の実施形態では、パルス溶接電流とホットワイヤ電流との間に位相角が存在する。AC波形を利用することにより、アークの安定化を支援するのに交流(それ故に交番磁場)を用いることができる。当然ながら、本考案の精神又は範囲を逸脱することなく他の実施形態を用いることができる。例えば、サブマージアーク溶接(SAW)作業を用いるシステムでは、SAW電流波形はAC波形であり、ホットワイヤ電流波形はAC又はパルスDC電力波形であってよく、各波形が互いに対して同期される。
なお、本考案の実施形態は溶接電流が定電流波形又は略一定の電流波形の場合に用いることができる。そのような実施形態では、交流加熱電流2403を用いてアークの安定性を維持することができる。安定性は加熱電流2403からの絶えず変更された(constantly changed)磁場により得られる。
図25は本考案の別の実施形態を示す。この実施形態では、ホットワイヤ140が2つのタンデムアーク溶接作業の間に位置している。図25では、アーク溶接作業をGMAW型溶接として図示しているが、GTAW、FCAW、MCAW又はSAW型のシステムであってもよい。図中、先行トーチ2120は第1の電源2130に連結され、アーク溶接作業を通じで第1の電極2110を溶融池に送る。(上述のように堆積される)ホットワイヤ140が先行アークの後に続く。ホットワイヤ140の後に続くのは、第2の電源2130’、第2のトーチ2120’及び第2のアーク溶接ワイヤ2110’を用いる後続アーク溶接作業である。そのため、その構成はタンデムGMAW溶接システムの構成と同様であるが、トーチ2120及び2120’の間の共通の溶融池内に堆積されるホットワイヤ140を有する。そのような実施形態は溶融池への材料の堆積速度をさらに高める。なお、本考案の実施形態は単一作業において追加の溶接トーチ及び/又はホットワイヤ消耗電極を用いることができ、図示の実施形態に限定されない。例えば、複数のホットワイヤを用いて、シングルパスの間に溶融池に追加の材料を堆積させることができる。上述したように、本明細書で一般的に説明したGMAWプロセスではなく、SAWプロセスを用いることができる。例えば、図25に示す実施形態は、図示の構成と構成が同様の先行及び後続SAWプロセスを用いることができる。当然ながら、アークをシールドするためにシールドガスではなく粒状フラックスを用いてもよい。上述したように、全体的な方法又は作業及び制御は、SAW等の他の溶接方法を用いる場合にも同様に適用できる。例えば、図25Aは、本明細書で説明したホットワイヤを用いるSAWシステムで用いることができる例示の波形を示す。図示のように、先行SAW電流波形2501は、複数の正のパルス2503及び複数の負のパルス2505を有するAC波形であるのに対して、後続SAW電流2521も複数の正のパルス2523及び複数の負のパルス2525を有するAC波形であり、後続波形2521は先行波形2501から位相角αだけ位相がずれている。本考案の例示の実施形態では、位相角αの範囲は90〜270°である。なお、図示の実施形態では、波形2501と2521との間の±オフセットは、後続波形2521が先行波形2501よりも負のオフセットが大きい点で異なる。他の例示の実施形態では、オフセットが同じであるか又は逆であり得る。図示のホットワイヤ電流2510は、バックグラウンドレベル2513により離間された複数の正のパルス2511を有するパルス電流であり、波形2510は、位相角αとは異なるオフセット位相角θを有する。例示の実施形態では、ホットワイヤ位相角θの範囲は45〜315°であるが位相角αとは異なる。
なお、上記の説明はSAW型の作業に関するものであったが、同様の同期方法を用いた他の例示の実施形態は、GMAW、FCAW、MCAW又はGTAW型の作業又はその組み合わせであり得る。
上述したように、本考案の実施形態は、溶融池内への材料の堆積を大幅に高めながら、従来のタンデムシステムよりも全体的な入熱を低く維持することができる。しかしながら、一部の例示の実施形態は、従来のタンデム法よりも高い溶接ビードWBの形状を作ることができる。即ち、溶接ビードWBは、ワークピースの表面よりも上に直立(stand up)する傾向にあり、タンデムシステムほどには溶接ビードWBの側部にウェットアウト(wet out)しない。一般に、これは、先行アーク溶接作業の後でホットワイヤ140が溶融池の急冷を助けるからである。従って、本考案の一部の例示の実施形態では、溶接/被覆作業の間に溶融池の拡張又はウェットアウトの支援にシステム及び構成要素を用いる。
図26は例示の実施形態を示す。この実施形態では、2つのGMAWトーチ2120及び2120’は一列になって配置されるのではなく、図示のように併置(side-by-side position)され、ホットワイヤ140が2つのトーチ2120/2120’の後を追う。この実施形態では、併置構成の2つのGMAWアークを有するため溶融池WPが広がるとともに、溶融池のウェットアウトを支援して溶接ビードWBを平坦化させる。他の実施形態と同様に、ホットワイヤ140はアーク溶接作業の後に続き、アーク溶接作業の後ろの溶接ビードWBの中心線上に配置できる。しかしながら、溶接作業の間にホットワイヤ140をオシレートするか又は溶融池に対して動かすことができるため、ホットワイヤ140が中心線に留まる必要なない。
図27は、溶融池の平坦化を助けるか又は溶融池のウェッティングを支援するために溶融池WPのいずれかの側でレーザー2720及び2720’が用いられる別の例示の実施形態を示す。レーザー2720/2720’は、溶融池が所望の形状になるように、溶融池に熱を加えるとともに溶融池のウェッティングを支援するために溶融池の両側にビーム2710/2710’をそれぞれ照射する。レーザー2720/2720’は、本明細書で説明した種類のものでよく、上述したように制御できる。即ち、所望の溶接ビードの形状を提供するために、レーザーをコントローラ195又は同様の装置で制御することができる。さらに、所望の溶接ビードの形状を得るために2つのレーザーを用いるのではなく、1つのレーザーと、ビーム2710を分割し、所望の溶接ビードの形状を得るために分割したビームを溶融池上の適切な位置に向けるビームスプリッターとを併用することができる。なお、明確性のために、図27には先行アーク溶接プロセスを図示していない。
さらなる例示の実施形態では、(移動方向における)アークプロセスの直ぐ下流又はホットワイヤ140の下流にある溶融池に向けられた1つのレーザービーム2710を用いることができる。その実施形態では、ビーム2710が左右にオシレートされて溶融池の平坦化を支援する。そのような実施形態では、1つのレーザー2720を用いることができ、溶接の間に溶融池のウェットアウトの支援が望ましい溶融池の領域に向けることができる。レーザー2720の制御及び動作は、図1等との関連で上述したレーザー120の制御及び動作と同様である。
図28は、本考案の別の例示の実施形態を示す。この例示の実施形態では、アーク溶接プロセスのためにGTAW(又はGMAW、FCAW、MCAW)電極2801が用いられ、溶接の間にアークの動きを制御するために、電極2801に隣接して磁気プローブ2803が配置されている。プローブ2803は、(コントローラ195に連結されているか又は連結されていない)磁気制御/電源2805から電流を受け取り、その電流がプローブ2803に磁場MFを生成させる。該磁場は、アークによって生成される磁場と相互作用するため、溶接の間にアークを動かすのに用いることができる。即ち、溶接の間にアークを左右に動かすことができる。この左右の動きは、溶融池を広げるとともに溶融池のウェットアウトを助けて所望の溶接ビードの形状を得るために用いられる。明確性のために図示していないが、溶接ビードのための追加の充填を提供するために本明細書で説明したホットワイヤ消耗電極がアークの後を追う。磁気誘導システムの使用及び実施は溶接業界の当業者に一般的に知られているため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
当然ながら、本明細書で説明したように、図26及び図28のいずれかの実施形態(並びに本明細書で図示説明した他の実施形態)も、本明細書で説明したように溶融池の形状を支援するのにレーザー2720を用いることができる。
前で指摘したように、本考案の例示の実施形態は多種多様な溶接作業及び接合作業に用いることができる。これらの接合作業は、パイプ溶接を含む多種多様な溶接施工を含み得る。実際に、本考案の実施形態は、パイプのワークピースがニッケル合金等の耐腐食性材料で被覆された内面を有し得るパイプ溶接施工に用いることができる。そして、そのようなパイプを(端部と端部とで)溶接した場合、(腐食防止のために)被覆材料における溶接部を被覆材料の残りの部分と同じ化学的構造で維持しなければならない。従って、クラッドにおける第1のパス又は「ルートパス」は重要であるとともに、パイプ継手の外周全体の周りに形成しなければならず、本明細書で説明したようにポロシティがほとんどあってはならない(溶接継手の開始点及び終点においてポロシティがほとんどないことを含む)。これについて以下でより詳細に説明する。
本質的に腐食性である「サワー」油田及びガス田の量から、パイプライン部の寿命を延ばすために耐腐食性のクラッドパイプの使用が必要であることが一般的に知られている。多くの場合、パイプのクラッド層は、相当の厚さ、例えば約0.125インチのニッケルベースのクラッド材料(「Niクラッド層」)である。また、Niクラッド層はパイプの内面上にあるため、2つの隣接するパイプ部のNiクラッド層はルートパスで接合される。これは、パイプ部が外側から溶接されるためである。このNiクラッド層は、継手の深さ及び原形を保つクラッドの存在から、従来の溶接作業では困難なルートパスを呈する。これらの困難は、溶接が溶接部の開始点に影響を及ぼす溶接部の終点にとりわけ存在する。パイプ溶接部の終点部分において所望の強度や継手の形状及び混和(admixture)を実現するためには、完全な溶け落ちが必要である。しかしながら、このような溶け落ちは従来の溶接作業では困難であり、溶接部にポロシティや不完全な融合等の欠陥がもたらされる。一般に、これらの欠陥は溶接部の完成後にしか検出されないため、修復のために膨大なコスト及び遅延がもたらされる。
前で説明したように、本考案の実施形態はポロシティを大幅に低減できるか又は解消できるとともに、深くて狭い継手に用いることができるため、現在用いられているもの又は現在得られているものよりも速い速度で高品質な溶接部を生成できる。図29及び図30を参照して、図29は前で説明した図7Bと同様のものである。しかしながら、図示のように、クラッド層CLは、図示にようにワークピース115の一方側に位置している。クラッド層CLは厚さCLtを有する。クラッド層の厚さCLtは使用する施工によって異なり得る。一部の施工では、クラッド層の厚さCLtの範囲は0.060〜0.375インチである。ワークピース115を図示のように接合する場合、クラッド層CLは、ルートパス溶接RPを通じて接合されるワークピースの領域である。ルートパス溶接RPはルートパス厚さRPtを有する。本考案の例示の実施形態では、(「ランド」及び堆積された材料の厚さである)呼びルートパス厚さ(nominal root pass thickness)RPtの範囲は、クラッド層CLtの厚さの100〜200%である。ルートパス(RPt)の厚さは、ルートパスへの母材の希釈によって堆積された材料の化学的構造が許容可能なものとなるような厚さである。堆積された材料の化学的構造を制御しながら、厚さRPtは隣接するクラッド層CLの十分な接合が確かなものになるような厚さである。本考案の例示の実施形態では、消耗電極140はそれぞれのクラッド層CLを適切に接合することができるとともに、継手の所望の化学的構造及び強度を提供することができる材料からなる。本考案の例示の実施形態では、継手の残りの部分は同じ消耗電極で充填されるのに対して、他の例示の実施形態では、継手の残り部分のために化学的構造が異なる消耗電極が用いられる。
図31及び図32は、本考案の様々な実施形態を用いる例示のパイプ溶接を示す。図示のように、ルートパス溶接が開始点から始まり、レーザー120、ビーム110及び消耗電極140を用いて本明細書で説明したようにパイプ継手の周りを進む。図32は継手の断面を図示し、ルートパスRPと、作業が開始点SPに戻って溶接部の完成が近づいたプロセスとを示す。明確性のために、開始点SPは、接合プロセスの開始時における継手のルート上にあるビーム110の幾何学中心点(geometric center point)である。なお、本考案の例示の実施形態では、ビームは、ビーム衝突点においてパイプの外周の接線に垂直になるように傾斜している。しかしながら、他の例示の実施形態では、ビーム110は法線に対して±30°傾斜し得る。図では「ドラッグ」モード(先行)のワイヤ140を示しているが、他の例示の実施形態では、ワイヤ140はビーム110の後を追う(即ち「プッシング(pushing)」)ことができる。プロセスが開始点に戻ると、溶融池Pは開始点SPでルートパスRPと接触する。前進する溶融池と開始点における既存のルートパス溶接との接触及び相互作用が起こる場所が、従来の溶接プロセスにおいて数多くの欠陥、即ち大きなポロシティが生じる場所である。しかしながら、本考案の実施形態は、これらの欠陥、例えばポロシティを生じさせることなくルートパス溶接を完成させることができる。具体的には、溶融池Pが開始点SPに到達するか又は近づくと、既存のルートパス溶接RPの障害が最小限に抑えられるようにプロセスが制御される。具体的には、溶融池Pが開始点に到達すると、コントローラ195はワイヤ送給装置150に溶接部へのワイヤの送給を停止させる。他の例示の実施形態では、ワイヤの送給の停止ではなくワイヤ送給速度が減速される。それに加えて、一部の実施形態では、コントローラ195は電源170にワイヤ140の加熱を止めさせるか又は他の実施形態では、ワイヤ140に提供される加熱電流をランプダウンさせる。それに加えて、コントローラ195はレーザー電源130を制御して、レーザービーム110のエネルギー密度を減少させる及び/又は継手におけるレーザービーム110の作用時間(interaction time)を減少させる。ビーム110の作用時間はビーム110の移動速度を高めることによって減少させることができる。エネルギー密度を減らすこと及び/又はビームの作用時間を減らすことによって、レーザービーム110によって形成されるキーホールが溶融池の表面にもたらされるため、既存のルートパスRP溶接継手における全体的な溶け込みが小さくなる。なお、ビーム110の焦点距離を変更することによってもビーム110のエネルギー密度を減少させることができる。これにより、開始点において溶接部をルートパスRPの外に漸減され(tapered out of the root pass)、より浅い溶融池が得られる。ワイヤ送給速度の変化(0に減速できる)と溶融池へのビーム110からのエネルギーの低減を組み合わせすることにより、本考案の実施形態は、ルートパスRPの端部を、ポロシティ等の欠陥なく滑らかにランプアウト(ramp out)させることができる。上述したようにプロセスを制御することで、開始点における又は開始点付近のルートパス厚さRPtは、ルートパスの残りの部分のための呼びルートパス厚さRPtの100〜130%の範囲内となる。即ち、後続の溶接パスの妨げとなり得る過剰な材料の「こぶ(hump)」が溶接プロセスの最後に存在することがないようにプロセスが制御される。本考案の一部の例示の実施形態では、(ワークピース115の中心Cに対して)開始点の±5°の範囲内にあるルートパス厚さRPtは、溶接部の残りの部分のための呼びルートパス厚さRPtの100〜130%の範囲にある。
ランプアウトプロセス(ramp out process)の開始は、ワークピース115の構成(パイプの直径、ランドの厚さ)、使用される溶接パラメータ(移動速度、レーザースポットのサイズ、ワイヤ送給等)及び開始ランプ手順(starting ramp procedure)(例えば、どれだけ早く溶接がランプアップするか)及び終了ランプ手順(ending ramp procedure)(例えば、どれだけ早くランプアウトプロセスがランプダウンするか)によって決まる。本考案の例示の実施形態では、コントローラ195は、(ワークピース115の中心Cに対して測定した)ビーム110の幾何学中心が開始点SPの前では10°で開始点SPの後では5°の範囲内にある場合に、(上述した)ランプアウトプロセスが始まるようにプロセスを制御する。他の例示の実施形態では、ビームの中心が開始点SPの前では2°〜5°の範囲内にある場合にランプアウトプロセスが始まる。他の例示の実施形態では、(ワークピース115の中心Cに対して測定した)ビームの中心が開始点SPの±0.5〜5°(即ち、±0.5°〜±5°)の範囲内にある場合にランプアウトプロセスが始まる。他の例示の実施形態では、ビームの中心が±0.5〜2°の範囲内にビームの中心がある場合にランプアウトプロセスが始まる。他の例示の実施形態では、ルートにおけるビーム110の幾何学中心が開始点SPにある場合にランプアウトプロセスが始まる。いずれにしても、所望の溶接継手が提供されるようルートパスの終端がルートパスRPの始端と滑らかに接合されるようにランプアウトプロセスを制御すべきである。本考案の例示の実施形態では、ルートパスRPの全体的な溶接の間にビーム110のエネルギー密度がビーム110のエネルギー密度の25〜75%の範囲内に低減される。即ち、ビーム110の第1のエネルギー密度レベルでルートパスRPが溶接され、第1のエネルギー密度レベルよりも小さく、第1のレベルの50〜75%の範囲内のレベルである第2のエネルギー密度でランプアップが行われる。これは、所望の出口プロフィール(exit profile)を得るために移動速度が一定で維持されるか又は変化される実施形態において実現できる。他の例示の実施形態では、ビーム110による溶け込みの深さを滑らかに低減させるとともに所望の出口プロフィールを提供する速度でビーム110のエネルギー密度を第1のレベルからランプダウンさせることができる。他の例示の実施形態では、エネルギー密度を段階的に減少させることができる。
本考案の例示の実施形態では、コントローラ195は、ルートパスRPの終端におけるランプアウトが開始点SPを0.0〜30°(角度A)過ぎた範囲内で完了するようにプロセスを制御する。他の例示の実施形態では、角度Aの範囲は開始点SPを5〜15°過ぎた範囲にある。
図33は、上述した実施形態に従って行われ、溶接部が完成した例示の溶接継手の断面の図を示す。図示のように、ルート継手の「ランド」部の厚さは、通常クラッド層CLtの厚さよりも小さい。これは、クラッド層の耐腐食特性が損なわれることがないようルートパスの所望の組成を維持するために通常なされる。一般的に理解されているように、「ランド」部は、接合の前に、隣接するワークピースに対して押し付けられるワークピース115のルート継手部の厚さである。図示のように、溶接は開始点SPから始まる。その際、レーザービーム110が溶融池の形成を開始し、その後に消耗電極140が溶融池内に浸漬されて接合プロセスが開始される。しかしながら、溶接の開始時には通常の溶接パラメータ及び速度へのランプアップを伴うため、開始点SPにおいてワークピース115が完全に溶接されない領域Zが形成され得る。そして、上述したように、溶接プロセスが開始点SPの方に進んで、開始点SPに到達するか又は接近すると、開始点SPにおいて過剰な量の材料が継手内に堆積されないようにワイヤ送給速度が減速(又は停止)される。上述したように、本考案の例示の実施形態では、開始点の又はその付近のルートパスの厚さ(最終厚さFtとして図3に図示)は、溶接部の残りの部分ための呼びルートパス厚さRPtの100〜130%の範囲内にある。しかしながら、レーザー110の出力は、開始時に溶接が十分でないかもしれない領域Zに到達するように開始点SPで溶接部に十分侵入できるような出力であるべきである。これは、開始点領域において完全な溶接部ができるのを確かなものにする一方、過剰な材料の堆積を防止する。そのため、例示の実施形態では、ワイヤ送給速度が減速されるか又は止められた後にレーザー出力が下げられる。ワイヤ溶接速度及びレーザー出力の制御は、継手が開始点を含むその周辺に沿って完全に溶接されるとともに、ルートパスの開始点SPと終端との交流部分における溶接継手のプロファイルが所望の化学的構造、強度及び形状を有し、後続のフィルパスが物理的に妨げられないようになされる。本考案の実施形態は、上述したように、これをポロシティがほとんどない状態で高い速度で実現できる。
また、上記の説明は、1つのレーザー/ホットワイヤアセンブリを用いてパイプの外周全体を溶接した実施形態に概して関するものであった。しかしながら、他の例示の実施形態はこの点で限定されない。即ち、本考案の実施形態は、複数のアセンブリを用いてパイプを同時に溶接する場合にも用いることができ、その場合各溶接ヘッドユニットは互いに径方向に配置される。そのような実施形態では、溶接ビードが第1の溶接ヘッド(例えば、開始点を形成)により開始され、第2の後続の溶接ヘッドがきて溶接パスを完成させる。本考案の実施形態は、後続の溶接ヘッドが前で説明したルートパスのランプアウトを行い得る構成で用いることができる。
従って、本考案の実施形態は、従来のアーク溶接法に比べて、欠陥が大幅に少なく且つ大幅に速い速度で高強度のクラッドワークピース(パイプ等)を溶接することができる。即ち、本考案の実施形態は、本明細書で上述した速度及びポロシティのレベルでルートパスクラッドパイプ/ワークピースの溶接を提供するとの同時に、構造的に堅固で且つ許容可能な溶接継手を提供できる。当然ながら、本考案の例示の実施形態の全てと同様に、ワークピース又は溶接ヘッド/装置のいずれか又は双方を互いに対して動かして溶接作業をもたらすことができる。
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、同等物に置換され得ることが分かる。それに加えて、特定の状況又は材料を本考案の教示に適合するために、本考案の範囲から逸脱することなく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ず、本考案は添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含む。