JP6698067B2 - ワークピースの内側領域にシールドガスを投与して、溶接浸透プロファイルを制御する方法及び装置 - Google Patents

ワークピースの内側領域にシールドガスを投与して、溶接浸透プロファイルを制御する方法及び装置 Download PDF

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Description

下記の実施形態は、溶接の分野に関し、特に内部溶接プロフィールを改善する方法及び関連する装置に関する。
溶接は当該技術分野で周知の製造工程であり、金属は合体によって互いに結合され、一般的にはワークピースを溶かすことにより結合され、しばしば溶かされた金属の溶融プールを形成するために充てん剤材料を加える。溶かされた溶接プールは、連続的な継ぎ目を形成するために最終的に冷却される。
例えば、ガス金属アーク溶接(GMAW又はMIG)、シールド金属アーク溶接(SMAW)及びガスタングステンアーク溶接(GTAW又はTIG)のよう溶接の多くの異なる手段が存在する。電気的なアーク、レーザー、ガス炎などのような様々なエネルギー源が用いられて、ワークピースを融解させ、溶接プールを形成する。最も多くの溶接手段にて、金属充てん剤ワイヤあるいは溶接プールに供給される。不活性か、半不活性のシールドガスが、酸化から保護するために溶接プール上にしばしば放出される。
例えば、GTAW溶接は、例えば、携帯型か、マシンマウントされた溶接トーチのセラミックジャケットから突き出るタングステン電極を組込む。電極はベースメタルの所望の溶接ゾーンに接近して置かれ、一方、セラミックジャケット内のオリフィスは、アルゴン又はヘリウムのようなシールドガスを放射して、溶接ゾーンに亘って不活性のシールド大気を形成する。電気的なアークは、電極とベースメタルの間で生産されて、溶接プールを形成する。溶接プールはベースメタルに浸透し、一方で金属充てん剤ワイヤは溶接プールに供給される。しかし、これは厳密に必要ではない。ベースメタル及び充てん剤ワイヤの両方は電気的なアークによって溶かされ、最終的に冷却されて溶接ジョイントを形成する。
流量計の構成時に、多くの部品が溶接されなければならない。流量計への適用については、フランジ、導管及び流れチューブが正確に溶接されなければならず、十分な溶接浸透が要求されるが、過度の浸透は受け入れられない。溶接ジョイントが不十分か過度の浸透と考えられれば、溶接ジョイントは不良であり(ground out)再溶接が必要である。幾つかの流量計の部品において、最初の溶接後に導管の内径のような内部にアクセスすることは不可能である。このように溶接の浸透は最初の溶接時に溶接ジョイントの全体につき正確でなければならない。これは、要求を充たすために、溶接の９０％が少なくとも再溶接の形式を必要とする問題を提示している。
図１は、従来技術の流量計の例として提供される。コリオリ質量流量計及び振動型デンシトメータのような導管センサは一般的に流れ材料を含む振動型導管の動きを検知することにより作動する。質量流れ、密度等のような導管内の材料に関連する特性は、導管に関連した動きトランスデューサから受信される測定信号を処理することによって決定される。材料が充填したシステムの振動の振動モードは、一般的に導管の質量、剛性及び減衰特性の組み合わせによって影響される。
振動型流量計を用いてパイプラインを通って流れる材料の質量流量及び他の材料特性を測定することは周知である。例えば、振動型コリオリ流量計は、J.E.Smithらの、米国特許第4,491,025号明細書、及び再発行特許第31,450号明細書に開示されている。これらの流量計は、１以上の流体チューブ(又は「流れチューブ」)を有する。
コリオリ質量流量計内の各々の導管構成は、単純曲げ、ねじり、半径方向、側方または結合されたタイプになり得る固有振動モードの組を有する。各々の導管は、これらの固有振動モードの共振周波数において振動するように駆動させられ得る。振動モードは一般に、流れチューブの質量、剛性及び減衰特性の組み合わせ及びその中に含まれる材料によって影響され、このように、質量、剛性及び減衰特性は周知技術を用いて流量計の最初の較正時に一般的に決定される。
材料は接続されたパイプラインから流量計内に流量計の入口側にて流れる。材料は流れチューブを通って向けられ、流量計から出口側に接続されたパイプラインに出る。音声コイルスタイル・ドライバのようなドライバは1本以上の流れチューブに力を加える。力により、１本以上の流れチューブが振動する。流量計を通って流れる材料がない場合、流れチューブに沿った点は全て同一の位相で振動する。材料が流れチューブを通って流れ始めると、コリオリの加速度により、流れチューブに沿った各点は、流れチューブに沿った他の点に対して関して異なる位相を有する。流れチューブの入口側の位相はドライバに遅れをとり、その一方で出口側の位相はドライバより進む。センサは、一般的に流れチューブ上の異なる２点に置かれ、２点にて流れチューブの動きを表示するシヌソイドの信号を生成する。センサから受信された２つの信号の位相差は、単位時間で計算される。
２つのセンサ信号間の位相差は、流れチューブを通って流れる材料の質量流量に比例する。材料の質量流量は位相差に流れ較正係数を乗じることにより決定される。流れ較正係数は、流れチューブの材料特性及び断面特性に依存する。流れ較正係数に影響する流れチューブの主な特性のうちの1つは、流れチューブの剛性である。パイプラインの中への流量計の組込みに先立って、流れ較正係数は較正プロセスによって決定される。
較正プロセスでは、流体は、所定の流量で流れチューブを流れ、位相差と流量の間の比例が演算される。当技術の中で一般に知られているように、流れチューブの剛性及び減衰特性も較正プロセスの間に決定される。
コリオリ流量計の1つの利点は、振動する流れチューブ内に動く要素が無いので、測定された質量流量の精度が流量計中の動く要素の摩耗によって大きくは影響されないことである。流量は、流れチューブ上の２点間の位相差に流れ較正係数を乗じることによって決定される。ただ一つの入力は、流れチューブ上で２点の振動を示すセンサからのシヌソイド信号である。位相差はシヌソイド信号から計算される。流れ較正係数が流れチューブの材料及び断面の特性に比例するので、位相差測定及び流れ較正係数は流量計中の動く要素の摩耗には影響されない。
一般的なコリオリ質量流量計は1つ以上の変換器(又はピックオフセンサ又は単に「ピックオフ」)を含み、それは流れ導管内の振動応答を測定するために一般的に使用され、ドライバの上流及び下流に位置する。ピックオフは電子器具に接続される。とりわけ、電子器具は２つのピックオフから信号を受け取り、質量流量測定を引き出すために信号を処理する。
一般的なコリオリ流量計は、ピックオフとしてコイルとマグネットを使用することにより、流れ及び/又は密度を測定し、流量計の流れチューブの振動動作を測定する。流量計を通る質量流量は、流量計の流れチューブの入口及び出口の近くにある多数のピックオフ信号間の位相差から決定される。しかしながら、コイル/マグネットピックオフの代わりの歪みゲージを使用して、流れを測定することは可能である。
２つのセンサタイプ間の基本の違いは、コイル/マグネットピックオフは、流れチューブの速度を測定し、歪みゲージは、チューブの変位に比例する流れチューブの歪みを測定する。そのため、各タイプのセンサの配置は、必ずしも同じ位置ではない。
下記に述べられた実施形態は、フランジ、導管、流れチューブ、流量計及び他の非流量計に関連するワークピースを溶接する手段を提供する。その内側領域へのアクセスが制限されているワークピースを溶接する実施形態を提供するのが本発明の目的である。ワークピースの内部領域にシールドガスを供給する実施形態を提供するのが本発明の目的である。
ワークピースの内部領域内のシールドガス圧力を制御する手段を提供する実施形態を提供するのが本発明の目的である。内部の溶接プロフィールを制御するために溶接プールを緩和する圧力にて、ワークピースの内部領域へシールドガスを導入する実施形態を提供するのが本発明の目的である。
実施形態に従って、外側領域及び内側領域を有するワークピース上の溶接浸透プロファイルを制御する方法が提供される。実施形態に従って、方法は溶接機を用いてワークピースの外側領域にエネルギを投与し、溶接プールを生成するステップと、該溶接プールが外側領域と内側領域の間に架かるようにワークピースに浸透させるステップと、溶接浸透を制限する力を付与する圧力にて内側領域にシールドガスを投与するステップを含む。
実施形態に従って、外側領域及び内側領域を有するワークピース上の溶接浸透プロファイルを制御する装置が提供される。実施形態に従って、溶接機はワークピースの外側領域から溶接ジョイントを生成するように構成され、溶接ジョイントはワークピースの外側領域からワークピースの内側領域に浸透し、内側領域に流体が行き来可能に繋がったガス供給機が構成されて、ワークピースの内側領域にシールドガスを供給し、シールドガスの圧力は、溶接浸透を制限する力を付与し、内側領域と流体が行き来可能である圧力ゲージを備え、該圧力ゲージは内側領域に存在するシールドガスの圧力を測定するように構成される。
実施形態に従って、外側領域及び内側領域を有する流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法が提供される。方法は溶接機を用いて流量計の一部の外側領域にエネルギを投与し、溶接プールを生成するステップと、該溶接プールが外側領域と内側領域の間に架かるように流量計の一部に浸透させるステップと、溶接浸透を制限する力を付与する圧力にて内側領域にシールドガスを投与するステップと、内側領域内にてシールドガスの略一定圧力を維持して、シールドガスの圧力は約６８.９Ｐa(０.０１psi)と１３７９０Ｐa (２.０psi)の間であるステップと、内側領域内のシールドガスの圧力を測定して測定された圧力を生成するステップと、測定された圧力を受け入れ可能な圧力の所定範囲と比較するステップと、測定された圧力が受け入れ可能な圧力範囲の外側にあるときは、内側領域内のシールドガスの圧力を受け入れ可能な圧力の範囲内に調整するステップを含む。
態様
一態様に従って、外側領域及び内側領域を有するワークピース上の溶接浸透プロファイルを制御する方法は、溶接機を用いてワークピースの外側領域にエネルギを投与し、溶接プールを生成するステップと、該溶接プールが外側領域と内側領域の間に架かるようにワークピースに浸透させるステップと、溶接浸透を制限する力を付与する圧力にて内側領域にシールドガスを投与するステップを含む。
方法は、内側領域内のシールドガスを大凡一定圧力に維持するステップを含むのが好ましい。
シールドガスの圧力は、約６８.９Ｐa(０.０１psi)と６８９５Ｐa (１.０psi)の間であるのが好ましい。
シールドガスの圧力は、約２０６Ｐa (０.０３psi)と２０７０Ｐa (０.３０psi)の間であるのが好ましい。
シールドガスの圧力は、約２７５Ｐa (０.０４psi)と１６７０Ｐa (０.２４５psi)の間であるのが好ましい。
方法は、内側領域内のシールドガスの圧力を測定するステップと、測定された圧力を受け入れ可能な圧力の所定範囲と比較するステップと、測定された圧力が受け入れ可能な圧力範囲の外側にあるときは、内側領域内のシールドガスの圧力を受け入れ可能な圧力の範囲内に調整するステップを含むのが好ましい。
方法は、溶融した金属のプールに金属フィラーを付与するステップを含むのが好ましい。
溶接は自溶性であるのが好ましい。
溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、大凡１.５８ｍｍ(０.０６２５インチ)を超過することを阻止されるのが好ましい。
溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、ワークピースの厚みの約１０％の距離を超過することを阻止されるのが好ましい。
一態様に従って、外側領域及び内側領域を有するワークピース上の溶接浸透プロファイルを制御する装置は、ワークピースの外側領域から溶接ジョイントを生成するように構成され、該溶接ジョイントはワークピースの外側領域からワークピースの内側領域に浸透する溶接機と、内側領域と流体が行き来可能に繋がって、ワークピースの内側領域にシールドガスを付与するように構成されたガス供給を備え、シールドガスの圧力は溶接浸透を制限する力を付与し、内側領域と流体が行き来可能に繋がった圧力ゲージを備え、該圧力ゲージは内側領域に存在するシールドガスの圧力を測定するように構成される。
内側領域に流体が行き来可能に繋がったバルブは、内側領域内のシールドガス圧力を調整するように構成されるのが好ましい。
システム電子機器は、圧力ゲージとバルブの両方に繋がり、圧力ゲージからの圧力信号を受信し、内側領域内の圧力を所定の圧力範囲内に維持するようにバルブを調整するように構成されるのが好ましい。
所定の圧力範囲は、約６８.９Ｐa(０.０１psi)と６８９５Ｐa (１.０psi)の間であるのが好ましい。
所定の圧力範囲は、約２０６Ｐa (０.０３psi)と２０７０Ｐa (０.３０psi)の間であるのが好ましい。
所定の圧力範囲は、約２７５Ｐa (０.０４psi)と１６７０Ｐa (０.２４５psi)の間であるのが好ましい。
溶接機は、ガスタングステンアーク溶接(GTAW)装置であるのが好ましい。
溶接機は、シールド金属アーク溶接(SMAW)装置であるのが好ましい。
溶接機は、ガス金属アーク溶接(GMAW)装置であるのが好ましい。
溶接機は、レーザービーム溶接機、エレクトロスラグ溶接機、磁気パルス溶接機及び摩擦撹拌溶接機の少なくとも1つを含むのが好ましい。
シールドガスはアルゴンを含むのが好ましい。
シールドガスは、窒素、ヘリウム、二酸化炭素、酸素、水素、一酸化窒素、六フッ化硫黄及びジクロロジフルオロメタンの少なくとも１つを含むのが好ましい。
ワークピースは鋼合金から構成されるのが好ましい。
ワークピースは、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、銅、プラチナ、ニッケル、炭素、クロミウム、コバルト、ニオブ、タングステン、バナジウム、ジルコニウム及びモリブデンの少なくとも１つから構成されるのが好ましい。
ワークピースは、導管を含むのが好ましい。
ワークピースは、フランジを含むのが好ましい。
ワークピースは、流量計の少なくとも一部を含むのが好ましい。
一態様に従って、外側領域及び内側領域を有する流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法は、溶接機を用いて流量計の一部の外側領域にエネルギを投与し、溶接プールを生成するステップと、該溶接プールが外側領域と内側領域の間に架かるように流量計の一部に浸透させるステップと、溶接浸透を制限する力を付与する圧力にて内側領域にシールドガスを投与するステップと、内側領域内にてシールドガスの略一定圧力を維持して、シールドガスの圧力は約６８.９Ｐa(０.０１psi)と１３７９０Ｐa (２.０psi)の間であるステップと、内側領域内のシールドガスの圧力を測定して測定された圧力を生成するステップと、測定された圧力を受け入れ可能な圧力の所定範囲と比較するステップと、測定された圧力が受け入れ可能な圧力範囲の外側にあるときは、内側領域内のシールドガスの圧力を受け入れ可能な圧力の範囲内に調整するステップを含む。
シールドガスの圧力は、約２０６Ｐa (０.０３psi)と２０７０Ｐa (０.３０psi)の間であるのが好ましい。
溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、大凡１.５８ｍｍ(０.０６２５インチ)を超過することを阻止されるのが好ましい。
溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、ワークピースの厚みの約１０％の距離を超過することを阻止されるのが好ましい。
全ての図面において、同じ符号は同じ要素を表す。図面は必ずしも縮尺通りではない。
従来技術の流量計を示す。 外側ハウジングを有するセンサアセンブリの従来技術の他の実施形態を示す。 アダプタ又はフランジが無い図２のセンサアセンブリの従来技術の実施形態の概略図である。 流量計用のフランジ及びアダプタを示し、溶接位置を示す。 流量計用のフランジ、延びた導管、アダプタを示し、溶接位置を示す。 実施形態に従った装置を示す。 図６の装置の断面図を示す。 実施形態に従った他の装置を示す。 実施形態の方法を記載したフローチャートを示す。 実施形態の他の方法を記載したフローチャートを示す。
図１〜図１０及び以下の説明は、特定の例をあげてどのようにして本発明の最良の形態を作製し、使用するかを当業者に教示する。本発明の原理を教示するために、一部の従来の態様は簡易化されまたは省略されている。当業者は、本発明の範囲内に入る、これらの例からの変形形態を理解するであろう。当業者は、以下に説明する特徴をさまざまな方法で組み合わせて本発明の複数の変形形態を形成することができることを理解するであろう。その結果、本発明は、以下に説明する特有の例に限定されず、特許請求の範囲及びその等価物のみによって限定される。
図１は、先行技術の流量計5を例証し、コリオリ流量計のような任意の振動型流量計である。流量計5はセンサアセンブリ10及びメータ電子機器20を含む。センサアセンブリ10はプロセス材料の質量流量及び密度に応答する。メータ電子機器20は、リード100を介してセンサアセンブリ10に接続されて、他の情報と同様にパス26上の密度、質量流量及び温度情報を提供する。
センサアセンブリ10はフランジ101及び101’、一対のマニホールド102及び102’、 一対の平行な流れチューブ(第１の流れチューブ)103、(第２の流れチューブ)103’、ドライバ104、抵抗性の温度検知器(RTD)のような温度センサ106、マグネット/コイルピックオフのような一対のピックオフ105、105’、歪みゲージ、光学センサ又は当該技術分野で公知の他のピックオフを含む。流れチューブ103及び103’は入口脚部107及び107’、出口脚部108及び108’を夫々有する。流れチューブ103及び103’は、長さに沿った少なくとも1つの箇所で曲げられ、長さを通して大凡平行である。各流れチューブ'103及び103は夫々、軸Ｗ及びＷ’の周りを振動する。
流れチューブ103及び103’の脚部107、107’、108、108”は、流れチューブ取付けブロック109、109’に固定されるように取り付けられ、同様にこれらのブロックはマニホールド102、102’に固定されるように取り付けられている。これにより、センサアセンブリ10を通る連続して閉塞した材料パスが付与される。
フランジ101及び101’が、測定されるべきプロセス材料を搬送するプロセスライン(図示せず)に接続されると、材料はフランジ101内の第１のオリフィス(図１においては見えない)を通って流量計5の第１端部110に入り、マニホールド102を通って流れチューブ取付けブロック109に案内される。マニホールド102内では、材料は分割され、流れチューブ103及び103’を通って送られる。流れチューブ103及び103’を出る際、プロセス材料はマニホールド102内にて１つの流れに再結合され、その後、フランジ101’によってプロセスライン(図示せず)に接続された第２端部112を出るように送られる。
流れチューブ103及び103’は、夫々曲げ軸Ｗ-Ｗ、Ｗ’-Ｗ’の周りに、大凡同じ質量分布を有し、慣性モーメントを有し、ヤング率を有するように選択されて、流れチューブ取付けブロック109、109’に適切に取り付けられる。流れチューブ103及び103’のヤング率が温度と共に変化し、この変化は流れの計算及び密度に影響するから、温度センサ106が流れチューブ103及び103’に取り付けられて、流れチューブの温度を連続的に測定する。流れチューブの温度、及び故に通過する所定の電流に対して温度センサ106に亘って現れる電圧は、流れチューブを通る材料の温度によって主に左右される(governed)。温度センサ106に亘って現れる温度に依存する電圧は、メータ電子機器20によって周知の方法で用いられて、流れチューブ温度の変化による流れチューブ103及び103’の弾性率の変化を補償する。温度センサはメータ電子機器20に接続される。
両流れチューブ103及び103’は、夫々の曲げ軸Ｗ-Ｗ’の周りに両方向にドライバ104によって駆動され、これは流量計の第１の位相不一致曲げモードと呼ぶ。このドライバ104は、流れチューブ103’に取り付けられるマグネット及び流れチューブ103に取り付けられる対向するコイルのような周知の構成要素の１つを構成し、交流がこれらを通って通過し、両流れチューブを振動させる。適切な駆動信号がメータ電子機器20によってリード113を介してドライバ104に付与される。
メータ電子機器20は、リード114上の温度信号を受信し、左右の速度信号がリード115及び115’上に夫々現れる。メータ電子機器20はリード113上に現れる駆動信号をドライバ104に生成し、流れチューブ103及び103’を振動させる。メータ電子機器20は左右の速度信号を処理して、センサアセンブリ10を通過する材料の質量流量及び密度を演算する。この情報は他の情報と共に、メータ電子機器20によってパス26を越えて利用手段に付与される。
コリオリ流量計が記載されるが、当該技術分野の専門家にはコリオリ質量流量計によって付与される更なる測定容量無しで振動型チューブデンシトメータが実施されることは明白であろう。実際に、本発明は質量流量、密度等の測定手段無しで又は測定手段と共に、全てのサイズのパイプライン、導管、フランジに用いられる。本発明は同様に、如何なる流量計5無しでも実行される。
図２は、ハウジング200によって囲まれる従来技術のセンサアセンブリ10の他の実施形態を示す。センサアセンブリ10の多くはハウジング200によって視界から隠されるが、マニホールド102、102’、及びフランジ101、101’は見ることが出来る。この実施形態では、アダプタ202、202’は、フランジ101、101’を接続するために、夫々のマニホールド102、102’に溶接される。図３は、図２の従来技術のセンサアセンブリ10の実施形態を示すが、アダプタ202、202’及びフランジ101、101’は明瞭化の為に記載されていない(absent)。
図４及び図５は、溶接が要求されるセンサアセンブリ10の部分の例を示し、該部分は内面へのアクセスが制限されている。更に、図２に示されるように、図４はアダプタ202とフランジ101を示す。図５はアダプタ202、フランジ101を示し、アダプタ202とフランジ101の間に配置された延びた導管204も示す。延びた導管204により、フランジ101とセンサアセンブリ10の間に更なるクリアランスの余裕がある。図４及び図５では、位置A、B、C及びDが示される。これらは、フランジ101がアダプタ202に溶接される点であり(位置A)、アダプタ202がマニホールド102に溶接される点であり(位置B)、延びた導管204がフランジ101に溶接される点であり(位置C)、延びた導管204がアダプタ202に溶接される点(位置D)である。これらの位置は、溶接されるセンサアセンブリ10の部分の単なる例であり、特許請求の範囲又は明細書の範囲を制限しない。
図６に最初に言及して、溶接浸透を制御する装置300が実施形態に従って提供される。
溶接装置(溶接機)302は、ワークピース306上で金属の溶融プール(溶接プール)304を形成する必要なエネルギーを提供する手段として提供される。
溶接機302は、十分な浸透溶接が出来る当該技術分野で公知の任意のタイプの溶接機であってもよい。例えば、溶接機302は、電極308と基材の間に電気的アークを生成して、ワークピース306を溶かし、溶接点にて溶接プール304を生成するように構成された電気的溶接電源を含むが、これには限定されない。電気的溶接電源は直流(DC)か交流(AC)の何れか利用する。他の実施形態にて、電源はガス、レーザー、電子ビーム、超音波のエネルギー、抵抗、磁気、摩擦及び当該技術分野で公知の他の溶接手段を利用する。図６では、電極308は接続箇所324によって溶接機302から電力を受ける。電極308は電極ホルダ309によって保持される。
図６にて示された例において、電極308は非消耗である。しかし、消耗電極も考えられる。GTAW溶接にて使用される非消耗電極は、例えば、その比較的高い融点(3,422°C)故に大部分がタングステンで構成される。清潔な仕上げの電極又はグランド仕上げの電極のいずれかが考えられる。本発明にて考慮されるGTAW実施形態用の電極の直径は、約0.5から7.0mmの間で変化する。実施形態では、直径は約3.1mmです。純粋なタングステンに加えて、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化トリウム及び/又は酸化ジルコニウムを含むタングステン合金も考えられる。
金属充てん剤310が溶接プール304に導入され得るが、これは全ての例において厳密に必要ではない。金属充てん剤310は、溶接プール304に手動で加えられ、あるいは金属充てん剤310の安定した材料を供給するように構成される充てん剤スプール312あるいは同様の自動装置から自動的に供給される。図６では、溶接機302は充てん剤スプール312に接続され、接続322を介して充てん剤沈着の割合を制御する。
シールドガスが溶接プール304を囲む領域へ導入されることも考えられる。例えば、シールドガスは大気の酸素から溶接領域を保護し、該酸素は融解欠陥、孔隙率及び溶接脆化を促進する酸化体である。シールドガスは電極から基材まで熱伝達することをさらに援助し、電気的な溶接機の場合、一層安定したアークを促進する。図６では、ガス供給機314は、第１のガスライン318を介して電極308を囲むスリーブ16を通ってシールドガスを供給する。溶接機302はガス供給を測定し、接続320を介してシールドガスの放出を制御する。
好ましい実施形態では、シールドガスはアルゴンを含む。別の実施形態では、シールドガスはアルゴンと二酸化炭素の混合体を含む(例えばC-50、C-25、C-15など)。別の実施形態では、シールドガスはアルゴンと酸素の混合体を含む(例えば0-5、O-2、O-lなど)。
別の実施形態では、シールドガスはアルゴンとヘリウムの混合体を含む(例えばA-75、A-50、A-25など)。別の実施形態では、シールドガスはアルゴンと水素の混合体を含む(例えばH-35、H-10、H-2など)。別の実施形態では、シールドガスはアルゴン、二酸化炭素及びヘリウムを含む;あるいはアルゴン、二酸化炭素及び水素を含む;あるいはアルゴン、二酸化炭素及び窒素を含む;あるいはアルゴン、二酸化炭素及び酸素を含む;あるいはアルゴン、ヘリウム及び水素を含む;あるいはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素及び水素を含む。別の実施形態では、シールドガスは、一酸化窒素、六フッ化硫黄及びジクロロジフルオロメタンの少なくとも１つを含む。
一実施形態において、ガス供給機314は、内側領域の内部圧力が維持されるあらゆる方法で第２のガスライン326経由でシールドガスでワークピース306の内側領域338(図７参照)を供給する。第１のガスライン318によって溶接プール304に供給されたシールドガス、及び第2のガスライン326によってワークピース306の内側領域338に供給されたシールドガスは、、同じシールドガスであっても、異なるシールドガスであってもよいことには注目するべきである。バルブ328は、ワークピース306の内側領域338にシールドガスの供給を開閉する手段を提供する。開いた導管のワークピース306の場合には、導管の端部近傍にシールが適応させられて、密封した内側領域を形成し、導管の端部を通ってシールドガスが逃げるのを防ぐ(導管の端部を通って、ガスはおそくワークピースの溶接される前の隣接部を通って漏れる)。例えば、シール330は、第２のガスライン326を受け入れることができる。実施形態(図示せず)では、シールには圧力ゲージ332が取り付けられる。図６に示された実施形態では、圧力ゲージ332は、ワークピース306に直接付けられている。圧力ゲージ332はワークピース306の内側領域338へ導入されるシールドガスの圧力を測定するように構成される。
溶接時に、溶接プール304は溶接ジョイント334に部分的にあるいは完全に浸透する。もし突合せジョイントに部分的な浸透のみが生じれば、これは溶接プール304が電極308の反対側であるワークピース306の側部に達しなかったことを意味する。これは一般に承諾しがたく、溶接ジョイント334を研磨し、少なくともその部分の再溶接を要する。しかし、浸透が大きすぎれば、材料は受け入れがたいと考えられる程度にまで突合せ接続を「下落(sag)して」過ぎ、付着される溶接の規格によって異なる。導管では多過ぎる浸透が、溶接ジョイント334の内径上の大きなビードに帰着し、該大きなビードは混乱、脆弱さ又はそのような導管が利用されるシステムの完全性に影響を与える他のものを引き起こす。
図７を参照して、溶接ジョイント334の断面が示される。実施形態に従った装置300は、外側領域336及び内側領域338を有するワークピース306上の溶接点浸透プロフィールを制御して、内面340を過ぎる過度の浸透を防ぐ。実施形態では、ワークピース306は、ワークピースを回転させる旋盤に取り付けられ、周辺の溶接が静止電極308で有効にされる。
この場合、図７に示すように、電極308が溶接プール304を維持している間に、ワークピース306が回転する。これにより、溶接ジョイント334はワークピース306の周囲に置かれ、溶融金属のあらゆるギャップを封止する。溶接ジョイント334は、ワークピース306に完全に浸透し、溶接ジョイント334は、このように外側領域336から内面340に架かる。十分に浸透した溶接は、内側領域338の内面340まで延び、内面340をおそらく僅かに超える。溶融金属は比較的流動性で、滴み又は下落し、それにより、受け入れ能であると考えられるものより大きい浸透を引き起こす。
いくつかの状況では、内面を通る浸透の程度はワークピース厚さの１０%に制限されている。従って、ワークピースが厚さ3.0mmである場合、内面を通過して受け入れ可能な浸透の深さは例えば0.3mm以上ではないが、この値に制限されない。他の場合では、受け入れ可能な浸透の深さは、ワークピース厚さの割合として必ずしも定義されない、所定の距離であり得る。このように、例えば１.５８ｍｍ(1/16インチ)又は３.１６ｍｍ(1/8インチ)が、ワークピース厚さに関係ない浸透範囲であり得るが、これに限定されない。
図６及び図７に引き続き言及し、一実施形態では、ガス供給機314からのシールドガスはワークピース306の内側領域338へ導入される。圧力ゲージ332は、内側領域338の圧力を測定する。内側領域338のシールドガスの所定の圧力が維持されることが望ましいので、バルブ328は溶接進行(course)時に調節される。例として、ワークピース306は、溶接が要求される比較的大きな継ぎ目を有し、内側領域338は、所定の圧力が達するように、シールドガスで満たされる。シールドガスが継ぎ目から漏れるかもしれないので、内側領域338へ導入されたガス流れは漏れるガスにもかかわらず、圧力を維持するように調節される。しかし、ワークピース306が溶接され、溶接ジョイント334が作成されると、シールドガスが内側領域338から逃げるかもしれない領域は減少し、ガス圧力は増加する傾向にある。従って、溶接ジョイントが進行するにつれ、バルブ328は所望の内部ガス圧力を維持するために内側領域338内へのシールドガス流れを減少させるように調節される。これは、手動で又は自動的に遂行される。内側領域338におけるシールドガスの圧力を注意深く調整することにより、溶接プロファイルは所望の浸透を維持し、所定の浸透範囲を過ぎて出ることを阻止される、というのは、シールドガスの圧力はクッションとして有効に働き、溶融した溶接プール304上に力を働かせて、沈下を縮小するからである。
ワークピース306はあらゆる溶接可能な金属から構成される。例えば、ワークピースは次のものを含む:鋼、鋼合金、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、銅、プラチナ、ニッケル、炭素、クロミウム、コバルト、ニオブ、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、モリブデンあるいはそれの任意の組み合わせであるが、これらに限定されない。
一実施形態では、ワークピース306はステンレス鋼から作られる。別の実施形態では、ワークピースはHastelloy(商標)から作られる。まだ別の実施形態では、ワークピースはバイメタルから作られる。
内側領域338のシールドガスの圧力は、溶接機程、ワークピースの材料、及びワークピース厚さを主として変えられる。例えば、内側領域338のシールドガスの圧力は約0.05psiと2psiの間で維持される。別の例において、GTAW溶接法を経たステンレス鋼ワークピース306は、内側領域338にて約６８９５Ｐa(0.1psi)と２０７０Ｐa (0.3psi)の間に維持される内部シールドガス圧力を有するが、この値に限定されない。まだ別の例で、GTAW溶接法を経たHastelloy(商標)ワークピース306は、内側領域338にて約２０６Ｐa (0.03psi)と６８９Ｐa(0.1psi)の間に維持される内部シールドガス圧力を有するが、この値に限定されない。これらの値は、溶接位置が水平であり、電極308がワークピース306上に位置することを意味して、仮定されることは注目すべきである。
本開示によって、他の溶接位置が考えられ、シールドガスの圧力は異なる溶接位置を受け入れるように変更される。
図８に示された実施形態では、システム電子機器400は、圧力ゲージ332、及びバルブ328に繋がっている。一実施形態では、バルブ328は、空気か、水力か、電気的か、光学的バルブのように自動的である。バルブ328は、ガス供給機314及びさらにワークピース306の内側領域338との間で流体が行き来可能に繋がっている。バルブ328は、内側領域338へ導入されるシールドガスの量を制御する。
システム電子機器400は汎用コンピュータ、マイクロ処理システム、論理回路あるいは他の目的を含むコンピュータであり、又は特注の処理デバイスである。システム電子機器400は多数の処理デバイス内に分布する。システム電子機器400は、コンピュータが読取り可能な記憶システムのようなあらゆる方法の一体化又は独立した電子記憶媒体を含み得る。一実施形態では、システム電子機器400はディジタイザを含み、圧力ゲージ信号はアナログセンサ信号を含む。ディジタイザはアナログセンサ信号をサンプリングしディジタル化し、デジタルセンサ信号を生成する。インターフェース/ディジタイザは更にあらゆる必要なデシメーションを実行でき、デジタルセンサ信号は必要とされる信号処理の量を減らし、かつ処理時間を減じるために10分の1にされる(decimate)。システム電子機器400は、フォーマット、増幅、バッファリングのようなあらゆる必要又は所望の信号調整を行なうことができる。
システム電子機器400は、圧力ゲージあるいは他の圧力センサからのセンサ信号をライン401上で受信する。システム電子機器400はセンサ信号を処理して、内側領域338内のシールドガスの圧力の値を得る。システム電子機器400は、ライン403に信号を送信して、バルブ328を始動させる。信号は、電子的、光学的、油圧的及び/又は空気圧的信号であり得る。一実施形態では、バルブ328は、ガス流れを測定することができる電磁弁を含む。一実施形態では、バルブ328は、ガス流れを測定することができるニードル弁を含む。一実施形態では、バルブ328は、ガス流れを測定することができるスプール弁を含む。
システム電子機器400は圧力ゲージ332から圧力信号を読み、ワークピース306内のこの圧力を所定の圧力範囲と比較する。ワークピース306内の圧力が所定の圧力範囲から外れる場合、システム電子機器400はライン403上にバルブ328への信号を送信し、圧力が所定の圧力にまで変化し、又は所定の圧力範囲内になるように、ワークピース内のガス圧力を増加または減少させる。
システム電子機器400は通信パス404を含み得る。通信パス404によって、システム電子機器400と溶接機302及び外部デバイスの間の通信が可能となる。通信パスは電子的か、光学的か、無線通信の任意の方法であり得る。
図９を参照して、実施形態は、外側領域336及び内側領域338を有するワークピース306上の溶接浸透プロフィールを制御する方法を含み、ワークピース306はベースメタルから作られている。ステップ500で、溶接機302を用いてエネルギーがワークピース306の外側領域336へ提供され、少なくともベースメタルを溶かすことにより溶融金属のプール(溶接プール)304を生成する。エネルギーは、ガス炎、摩擦あるいは当該技術の中で既知の他の溶接エネルギー源からの電気的、レーザー、超音波の何れかである。一実施形態では、溶接機302はガスタングステンアーク溶接(GTAW)装置を含む。別の実施形態では、溶接機302はシールド金属アーク溶接(SMAW)装置を含む。また別の実施形態では、溶接機302はガス金属アーク溶接(GMAW)装置を含む。当該技術分野の当業者には容易に明白であるように、当該技術の中で既知の他のあらゆるタイプの溶接機302も考えられる。
ステップ502で、ワークピース306は、溶接プール304が外側領域336と内側領域338の間に架かるように、十分に浸透される。これは十分な浸透溶接と考えられる。ステップ504でシールドガスが、溶接浸透を制限する緩和力を供給する圧力にて内側領域338へ付与される。
図１０に示される、関連する実施形態は、外側領域及び内側領域を有するワークピース上の溶接浸透プロフィールを制御する方法を含み、ワークピースはベースメタルで作られている。ステップ600にて、溶接機302を用いてエネルギーがワークピース306の外側領域336へ提供され、少なくともベースメタルを溶かすことにより溶融金属のプール(溶接プール)304を生成する。ステップ602で、ワークピース306は、溶接プール304が外側領域336と内側領域338の間に架かるように、十分に浸透される。ステップ604にてシールドガスが、溶接浸透を制限する緩和力を付与する圧力にて内側領域338へ提供される。ステップ604にて、一旦、所望の圧力に到達すれば、ステップ606に示すように、内側領域内にて、シールドガスのほぼ一定圧が維持される。
一実施形態では、シールドガスの圧力は約６８.９Ｐa(0.01psi)と６８９５Ｐa (1.0psi)の間にある。別の実施形態では、シールドガスの圧力は約２０６Ｐa (0.03psi)と２０７０Ｐa (0.30ps)iの間にある。また別の実施形態では、シールドガスの圧力は約２７５Ｐa (0.04psi)と１６７０Ｐa (0.245psi)の間にある。ステップ608にて、内側領域内のシールドガスの圧力が測定される。この測定された圧力値は、ステップ610にて受け入れ可能な所定範囲の圧力と比較される。これは、ガス圧力が受け入れ可能な範囲内であることの検証に役立つ。
ステップ612にて、測定された圧力が受け入れ可能な圧力の範囲から外れている場合、内側領域内のシールドガスの圧力は、受け入れ可能な圧力の範囲内にあるように調節される。
特別のタイプの金属、溶接機及びベースメタルの寸法に適切な圧力を付与することにより、溶接浸透は、内側領域の定義する表面を越えておよそ１.５８ｍｍ(0.0625インチ)を超過することを阻止される。
別の実施形態では、溶接浸透は、ワークピースの厚さのおよそ10%である距離だけ内側領域を定義する表面を過ぎて超過することを阻止される。
溶接浸透プロフィールを制御する方法は、金属の溶融プールに金属フィラーを供給するステップを含み得る。しかし、溶接は或いは自溶性である。一実施形態にて、１つのジョイント内に多数の溶接パスが作られ、各パスは自溶性であるか、又は金属フィラーを用いる。
上記の実施形態の詳細な記述は、本発明の範囲内にある発明者らによって熟考された全ての実施形態の完全な記述ではない。実際に当業者は、さらに実施形態を作成するために上記実施形態のある要素が種々に組み合わせられるかもしれないし除去されるかもしれないことを認識している、そしてそのような、さらなる実施形態は現在の記述の範囲及び開示の範囲内にある。本発明の範囲及び開示内にある追加の実施形態を作成するために、上記実施形態の全部或いは一部が組み合わせられるかもしれないことも当業者には明白である。
従って、本発明の特定の実施形態が説明の目的のためにここに記述されているが、当業者が認識するように、様々な等価な修正は本願の範囲内で可能である。ここに提供される開示は、他のデバイス及び方法に適用可能であり、上記に記載され添付の図面に示された実施形態だけではない。従って、上記の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (26)

  1. 外側領域及び内側領域を有するワークピース上の溶接浸透プロファイルを制御する方法であって、
    溶接機を用いてワークピースの外側領域にエネルギを投与し、溶接プールを生成するステップと、
    該溶接プールが外側領域と内側領域の間に架かるようにワークピースに浸透させるステップと、
    溶接浸透を制限する力を付与する圧力にて内側領域にシールドガスを投与するステップであって、シールドガスはワークピースの溶接される前の隣接部を通ってのみ漏れるステップと、
    前記内側領域内のシールドガスの圧力を測定するステップと、
    測定された圧力を受け入れ可能な圧力の所定範囲と比較するステップと、
    測定された圧力が受け入れ可能な圧力範囲外にあるときは、内側領域内のシールドガスの圧力を受け入れ可能な圧力の範囲内に自動的に調整して、前記内側領域内のシールドガスを一定圧力に維持するステップを含む、溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  2. シールドガスの圧力は、６８.９Ｐa(０.０１psi)と６８９５Ｐa (１.０psi)の間である、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  3. シールドガスの圧力は、２０６Ｐa (０.０３psi)と２０７０Ｐa (０.３０psi)の間である、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  4. シールドガスの圧力は、２７５Ｐa (０.０４psi)と１６７０Ｐa (０.２４５psi)の間である、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  5. 金属フィラーを溶融金属プールに付与するステップを含む、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  6. 溶接は自溶性である、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  7. 溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、１.５８ｍｍ(０.０６２５インチ)を超過することを阻止される、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  8. 溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、ワークピースの厚みの約１０％の距離を超過することを阻止される、請求項１に記載の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  9. 外側領域(３３６)及び内側領域(３３８)を有するワークピース(３０６)上の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)であって、
    ワークピース(３０６)の外側領域(３３６)から溶接ジョイント(３３４)を生成するように構成され、該溶接ジョイント(３３４)はワークピース(３３６)の外側領域(３３６)からワークピース(３０６)の内側領域(３３８)に浸透している溶接機(３０２)と、
    内側領域(３３８)に流体が行き来可能に繋がり、ワークピース(３０６)の内側領域(３３８)にシールドガスを供給し、シールドガスの圧力は、溶接浸透を制限する力を付与するガス供給機(３１４)と、
    内側領域(３３８)と流体が行き来可能に繋がり、該内側領域(３３８)に存在するシールドガスの圧力を測定するように構成された圧力ゲージ(３３２)と、
    内側領域(３３８)に流体が行き来可能に繋がり、内側領域(３３８)内のシールドガス圧力を調整するように構成されたバルブ(３２８)であって、シールドガスはワークピース(３０６)の溶接される前の隣接部を通ってのみ漏れるバルブ(３２８)と、
    圧力ゲージ(３３２)とバルブ(３２８)の両方に繋がり、圧力ゲージ(３３２)からの圧力信号を受信し、内側領域(３３８)内の圧力を所定の圧力範囲内に維持するようにバルブ(３２８)を自動的に調整するように構成されるシステム電子機器(４００)を備える、溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  10. 所定の圧力範囲は、６８.９Ｐa(０.０１psi)と６８９５Ｐa (１.０psi)の間である、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  11. 所定の圧力範囲は、２０６Ｐa (０.０３psi)と２０７０Ｐa (０.３０psi)の間である、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  12. 所定の圧力範囲は、２７５Ｐa (０.０４psi)と１６７０Ｐa (０.２４５psi)の間である、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  13. 前記溶接機(３０２)は、ガスタングステンアーク溶接(GTAW)装置である、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  14. 前記溶接機(３０２)は、シールド金属アーク溶接(SMAW)装置である、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  15. 前記溶接機(３０２)は、ガス金属アーク溶接(GMAW)装置である、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  16. シールドガスは、アルゴンを含む、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  17. シールドガスは、窒素、ヘリウム、二酸化炭素、酸素、水素、一酸化窒素、六フッ化硫黄及びジクロロジフルオロメタンの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  18. 前記ワークピース(３０６)は、鋼合金から構成される、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  19. 前記ワークピース(３０６)は、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、銅、プラチナ、ニッケル、炭素、クロミウム、コバルト、ニオブ、タングステン、バナジウム、ジルコニウム及びモリブデンの少なくとも１つから構成される、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  20. 前記ワークピース(３０６)は導管を備える、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  21. 前記ワークピース(３０６)は、フランジを備える、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  22. 前記ワークピース(３０６)は、流量計(５)の少なくとも一部を含む、請求項９に記載の溶接浸透プロファイルを制御する装置(３００)。
  23. 外側領域及び内側領域を有する流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法であって、
    溶接機を用いて流量計の一部の外側領域にエネルギを投与し、溶接プールを生成するステップと、
    該溶接プールが外側領域と内側領域の間に架かるように流量計の一部に浸透させるステップと、
    溶接浸透を制限する力を付与する圧力にて内側領域にシールドガスを投与するステップであって、シールドガスはワークピースの溶接される前の隣接部を通ってのみ漏れるステップと、
    内側領域内にてシールドガスの略一定圧力を維持して、シールドガスの圧力は６８.９Ｐa(０.０１psi)と１３９７０Ｐa(２.０psi)の間であるステップと、
    内側領域内のシールドガスの圧力を測定して測定された圧力を生成するステップと、
    測定された圧力を受け入れ可能な圧力の所定範囲と比較するステップと、
    測定された圧力が受け入れ可能な圧力範囲の外側にあるときは、内側領域内のシールドガスの圧力を受け入れ可能な圧力の範囲内に自動的に調整するステップを含む、流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  24. シールドガスの圧力は、２０６Ｐa (０.０３psi)と２０７０Ｐa (０.３０psi)の間である、請求項２３に記載の流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  25. 溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、１.５８ｍｍ(０.０６２５インチ)を超過することを阻止される、請求項２３に記載の流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
  26. 溶接浸透は、内側領域を規定する表面を超えて、ワークピースの厚みの約１０％の距離を超過することを阻止される、請求項２３に記載の流量計の一部上の溶接浸透プロファイルを制御する方法。
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