JPH1080776A - 溶接のための方法、システムおよび電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワイヤなどの形の可融性金属の溶加材を幅の
狭い高アスペクト比（深さと幅の比）の金属継手に供給
し、溶加材が溶融池に入るときに溶加材の位置を制御し
安定させるための複数溶加材案内ノズル・アセンブリを
提供する。 【解決手段】 幅の狭い開先の中の第１の所望の位置ま
で第１の溶加材（１０ａ）を案内する第１のノズル（１
６ａ）であって、その先端部に溶加材の第１の出口を有
する第１のノズル、開先の中の第２の所望の位置まで第
２の溶加材（１０ｂ）を案内する第２のノズル（１６
ｂ）であって、その先端部に溶加材の第２の出口を有す
る第２のノズル、および第１および第２の溶加材が互い
に対して所定の角度で前記第１および第２の出口からそ
れぞれ出ていくように、第１および第２の出口の間の位
置関係を一定に維持する固定維持手段（１８Ａ、１８
Ｂ、１２Ｃ、２８、５０）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に部品同士を接
合する方法および装置に関するものであり、更に詳しく
は幅の狭い開先で金属部品同士を接合するための自動溶
接に関するものである。

【０００２】

【発明の背景】従来の機械化された自動溶接（および一
部のろう付け）法は、特に応力腐食割れ（ＳＣＣ）の様
な応力誘起割れを生じやすい材料に対して、継手の微細
構造状態および残留応力を改善することに注意が向けら
れていた。更に、特に比較的厚い材料に対して継手の品
質を維持し又は向上させながら、接合作業の生産性を改
善することに注意が向けられていた。方法では熱効率が
比較的低いこと、従ってその結果生じる過熱効果が、し
ばしば既存の部品の破損の直接的な原因の１つであるた
めである。Ｖ形開先に対するそれらの一例は、溶接継手
の幅を狭くすることによって堆積（溶着）すべき溶加材
の量を減らすことであった、この技術は「狭開先（狭ギ
ャップ）溶接」として当該分野では知られている。開先
角度を小さくすることによって継手を薄くするとき、単
一の溶加材のみを使用する場合でも、信頼性よく完成で
きる継手設計について幅およびアスペクト比（深さと幅
の比）に限界がある。継手をより薄くするには技術的お
よび実用的な要求が増大するので、この様な狭くて比較
的深い継手の中へ複数の平行でない溶加材を位置決めし
て正確に制御することは益々困難であり、多くの用途で
は実用的ではない。

【０００３】薄い高アスペクト比の継手についての別の
問題は、溶加材堆積速度および対応する継手完成速度に
限界があることである。これらの速度は、溶着不良また
はその他の欠陥を生じる恐れのない実用的な最大溶加材
溶融速度（ｍｅｌｔ−ｏｆｆｒａｔｅ）によって強く支
配される。溶加材堆積パスの間の任意の時点に単一の溶
加材のみを溶融池に供給する方法は、熱源の殆どのパワ
ーを利用するためにその熱効率に固有の限界を有する。
２つの溶加材を同時に供給し、その内の１つが溶融池に
供給されるが熱源の最も高温の部分または融解に最も効
果的な部分に意図的に位置決めされない場合もまた、熱
効率に固有の限界を有する。これらの方法は溶加材溶融
速度および生産性に望ましくない制約を生じる。

【０００４】複数の溶加材ワイヤを供給するシステムが
商業上利用できる。溶接工業で複数の溶加材の供給のた
めに使用されている一般的な方策は、それぞれ異なる時
間に供給を行う２つのノズルを使用することである。ノ
ズルは異なる方向から、典型的にはトーチの進行方向に
関してトーチ（または他の熱源）の前側および後側から
目標に向けられている。一つの方式は、複数の溶加材堆
積パス中に前進方向に進行している間に部品に巻き付け
られたケーブルを巻出しながら軌道運動的接合を継続す
る場合のように、トーチの進行方向が前進から後進方向
に周期的に変更されるときに、２つの対向する平行でな
いノズルから交互に供給することである。この商業上利
用可能なシステムは普通「二重ワイヤ供給」システムと
呼ばれており、複数パス両方向進行用途で生産性を改善
することが出来る。

【０００５】別の公知の方式は、典型的には溶加材堆積
速度を改善しようとして前進、後進または両方向で溶接
しながら、２つの対向する平行でないノズルから同時に
供給することである。この方式の一変形は、両方の溶加
材ノズルを、従って両方の溶加材ワイヤの目標点を（熱
源の下の）溶融池の所望の部分に整列させようとするこ
とである。

【０００６】横方向のトーチおよび溶加材往復運動に用
いられる別の方式は、一方の溶加材の目標を熱源の現在
の位置に同期させ、他方の溶加材の目標を熱源が丁度移
動した前の溶融池部分に同期させて、溶融池に残ってい
る過剰／残留熱の幾分かを利用するものである。この後
者の構成では、「チル（ｃｈｉｌｌ）」溶加材供給速度
は典型的には一次供給速度のほんの一部分に過ぎない。
このシステムは、付加的な位相外れ後側チル・ワイヤ供
給を使用することによって生産性を改善すると主張され
ている。

【０００７】２つのパワーレベルの間でアークをパルス
駆動するのと同期して、２つの供給速度の間で単一の溶
加材をパルス駆動する多数の溶接システムが商業上利用
できる。しかし、パルス周波数が高くなると、駆動機構
（モータ歯車装置など）内の機械的ゆるみ、並びに溶加
材導管の内側寸法と溶加材の外側寸法との間の隙間が組
合わさって、溶加材が供給ノズルの出口端から出ていく
ときに個々の供給速度をある平均値付近に落ちつかせ
る。この平均化条件は、実効的に、駆動機構の機械的慣
性によって悪化し、結果として高パワーレベルの大きな
溶加材加熱及び融解能力が効率よく使用されない。例え
ば、電気溶接アークの加熱及び融解能力は電流の自乗に
比例するので、高電流レベルは低電流レベルよりも溶加
材を融解するのに一層効果的である。

【０００８】寿来の溶加材ノズルは剛性であり、またそ
れらの幅が大きいので、非常に薄いの中には挿入するこ
とは出来ない。薄い継手の中に達するようにノズルの先
端から突き出る溶加材の長さをを大きくする標準的な方
法は、厚い材料の場合のように継手の深さが深いとき、
継手の底近くでは溶加材の位置を制御することが出来な
いことにより制限される。位置制御が出来ないと、熱源
の最も高温の部分への目標がずれるので、溶加材の融解
効率の低下を招くばかりでなく、溶加材が過って（非消
耗性）電極に接触し且つアークの形状および熱特性を乱
すので、電極の汚染、溶着部の欠陥およびプロセスの終
了を招く。

【０００９】複数の溶加材を供給するために個別のノズ
ルを利用する複数溶加材装置設計では、真っ直ぐな案内
管を使用しており、これらの案内管は、支持されていな
い溶加材の形状が真っ直ぐでないという事実を自動的に
補償せず、従って溶加材の端部はノズルの出口端を出た
後に真っ直ぐな経路を辿らない。この設計の欠点は、溶
加材ワイヤがノズルの出口端を出た後のワイヤ位置の目
標制御が出来ないことであり、溶加材ワイヤが円形のス
プールに巻き付けられていたときに生じる永久的な曲り
残っていることによる「キャスト」すなわち螺旋形状を
有しているという事実が補償されないことである。以前
は曲がっていたワイヤは、それがスプール上にあったと
きに受けた曲げ歪みの一部分を反映して湾曲した形状に
ばね作用で戻る。この曲りは、典型的には、溶加材が熱
源（例えば非消耗性電極のチップ）に対して最初に位置
決めされるときに考慮され、場合によっては多軸モータ
工藤溶加材案内ノズル位置決め装置の使用による接合の
途中に手動で無効化される。この方法は、運転員によっ
て周期的に目標調節を行う必要があり、２つ以上の溶加
材を同時に、特に高速接合手段で供給する場合に、非常
に時間がかかる。

【００１０】

【発明の概要】本発明は、複数の溶加材を幅の狭い高ア
スペクト比（深さと幅の比）の溶接継手またはろう付け
継手に供給するための方法および装置である。本発明の
方法および装置は、溶加材が熱源および隣接の溶融池領
域に入るときの溶加材の位置の制御および安定性を改善
して接合作業を容易にする。本発明の方法および装置は
また溶加材を融解する熱効率を増大して、対応する堆積
（溶融）速度を増大し、結果として従来の複雑な方法に
比べて継手材料の特性および接合生産性をかなり改善す
る。これらの改善は、複数溶加材案内ノズル装置と共に
複数溶加材供給方法を用いることにより最もよく実現さ
れる。

【００１１】複数の大体平行な溶加材を供給できるノズ
ルの使用により、接合生産性がかなり改善されると同時
に、熱入力を最小に保つことができ、これは本発明の重
要な特徴である。既存の工業的な二重ワイヤ供給法と本
発明の方法との間の相違点は、従来の標準的な二重ワイ
ヤ供給法ではトーチが前進および後進または継手を横切
って横方向に往復運動するときに溶加材が異なるノズル
から供給されるのに対して、本発明の方法ではワイヤの
形の複数のほぼ平行な溶加材が前向きまたは後向き（或
いは両方向に）同じノズルから同時に供給されることで
ある。外部の熱源（例えば、アークまたはパワービー
ム）から溶加材へ又は溶加材を介して熱伝達を一層効率
よく行うための主な技術的特徴は、次の通りである。

【００１２】１．所与の長さの複数のワイヤへの熱伝達
のための表面対流面積が、同じ長さおよび体積を持つ
（従って太さが一層大きい）単一のワイヤの面積と比べ
て、かなり増大する。 ２．ワイヤがその中心を通って反対側まで完全に融解す
る前に外部から供給される熱を伝導しなければならない
非円形断面の一層小さいワイヤの厚さ（または円形断面
の一層小さい半径および直径）が、かなり減少する。

【００１３】３．この複数の溶加材の表面積が熱源に曝
される時間がかなり増大し、一層速い速度で供給される
一層小さい単一のワイヤの場合よりも比例的に大きくな
る。 ４．溶融池の近く複数の溶加材の位置を、熱源の温度分
布の中の好ましい位置に選択することが出来ることによ
り、一層良好な熱伝達が得られ、従って接合プロセスの
ための熱効率が一層高くなる。ノズル孔の所定の出口角
度および間隔が溶加材の収束位置を決定する。

【００１４】５．複数の溶加材は互いに接近して配置す
ることができ、これにより異なる組成のワイヤを融解し
て複合合金または注文通りの合金を生じさせるとき、溶
着金属の混合および化学的均質性が改善される。 ６．複数の溶加材の冗長性により、各々の溶加材が全体
の溶融速度のほんの一部分を表しているので、融解プロ
セスを殆ど乱さずに１つ以上の溶加材の供給速度を変え
ることが出来る。

【００１５】７．非消耗性電極（存在する場合）に対す
る溶加材の端部の間隔は、開示した設計の複数溶加材案
内ノズルの固有の大きい剛性によりかなり改善される。
ノズル設計の一変形では、電極がノズル・アセンブリの
機械的に一体の部品として作られ、これにより熱源に対
する溶加材の目標点を一定に且つ正確に定めることが出
来る。

【００１６】８．溶加材の形状にかなりの「キャスト
（ｃａｓｔ）」がある場合でも、湾曲した形状を持つノ
ズル孔の自己整列特徴により、各々の溶加材を向ける目
標点を一貫して制御することができ、湾曲した溶加材を
強制的にノズルの湾曲した形状の所定の配置方向に一貫
して追従させることが出来る。上述の１−８の作用の各
々は、複数のより細かいワイヤを使用するとき、溶接ま
たはろう付け熱源の所要最小パワー（電力）を低減させ
ることができ、これにより溶接継手またはろう付け継手
の熱効率を改善することが出来る。上述の作用は一緒に
なると、融解熱効率を更に大きく改善する。一定容積の
継手を満たすための入力が低くなり、過剰な母材を融解
するために無駄に使われるパワーが少なくなるので、熱
効率が改善される。更に、接合される部品に生じる熱損
傷（例えば、局部的な収縮、全体の歪み、熱影響部にお
ける微細構造の損傷）が少ない。

【００１７】９．複数の溶加材の供給速度は、オプショ
ンにより、アーク電源（使用する場合）の周期的なパル
ス駆動と同期して個々にパルス式に駆動できる。この特
徴により、異なる融点を持つ複数の溶加材をより熱的に
効率よく融解することができ、その際、融点の高い方の
溶加材をサイクルの高出力部分の間に比例的に大きな速
度で供給し、融点の低い方の溶加材を低出力パルスの間
に大きな速度で供給する。

【００１８】熱効率に直接関係しない付加的な技術的利
点として、下記のことが挙げられる。 １．複数のノズルは、継手またはクラッディング中によ
り好ましい一様な、傾斜した（ｇｒａｄｉｅｎｔ）又は
階段状の（ｓｔｅｐｐｅｄ）組成を作成するための合金
化による溶接部希釈効果を補償するために使用すること
が出来る。これらの種々の組成構造は可変割合の２種以
上の異なる合金を継手に供給することによって達成する
ことが出来る。この利点は、例えば、流体を処理するた
めに露出される自由表面において、または母材金属が溶
加材とは異なる組成であるときの母材金属間の界面にお
いて好ましいものである。

【００１９】２．複数のノズルは、例えば貴金属触媒元
素（例えば、パラジウム）とのその場での合金化（現場
合金化法）を含む合金化作用のための粉末または応力腐
食割れ抵抗性の元素（例えば、クロム）の富化のための
粉末のような固体添加剤を、溶融池に送給するために使
用することができる。ここで用いる「貴金属」とは、白
金、パラジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウ
ム、ロジウム、およびこれらの混合物を意味する。ま
た、溶接材料と合金化しないが、複合構造を形成する添
加剤も導入することができる。本発明はまた、現場合金
化法および標準の合金の溶加材を使用して、注文通りの
合金化組成を持つクラッディングを堆積するために使用
することが出来る。

【００２０】３．複数のノズルは、溶接部フラクシング
表面活性剤および／または溶接部溶込み剤を含有する少
なくとも１つの溶加材を局部的に送給して、標準の組成
の合金で作られているような他の溶加材の性能を高める
ため、または困難な「高純度」の合金の溶接性を高めて
それらに許容可能な溶接性を与えるために、使用するこ
とが出来る。

【００２１】４．複数のノズルは、溶接またはろう付け
によって機能的に傾斜した材料（ＦＧＭ）の継手を作る
ために使用することができ、継手の深さ（典型的には材
料の厚さ）に沿った傾斜した組成の勾配を用途に応じて
より良く調節できるという利点がある。一例として、傾
斜した組成の継手の有益な特性を実現するために、必要
に応じて、該傾斜をより一様にし又は傾斜の勾配を小さ
くすることが出来る。この結果を生じることのできる１
つのノズル構成は、アセンブリ内の個々のノズルを垂直
に配列することである。

【００２２】５．複数のノズルの使用は、個々に調整さ
れた供給速度を使用することによって全体の溶加材溶融
速度を改善することができ、各々の供給速度はアーク
（または他の熱源）の温度勾配内のその正確な位置に従
って最大値まで調節される。アークの最も高温の部分に
位置決めした１つ以上の溶加材をアークのより低い温度
の部分に位置決めした残りの溶加材よりも高い速度で供
給し、該残りの溶加材をそのアーク内での位置に対応し
た低い速度（しかし個々には最大にした速度）で供給す
ることにより、全体の最大供給速度は、直径が一層大き
な、より融解困難な単一の溶加材を用いた場合よりも、
高い値に設定することが出来る。

【００２３】本発明の他の商業上または実用上の利点と
して、下記のことが挙げられる。 １．複数の細い（しかし、冶金学的硬く且つ剛性の）ワ
イヤを遅い線速度で供給することは、より細い１本のワ
イヤを（同じ体積供給速度に対応する）一層速い線速度
で供給する場合よりも、非常に細いワイヤがそれより太
いワイヤと比べて、典型的な回りくどい導管システムを
介して案内ノズルに押し込まれるときにおけるような軸
方向圧縮で座屈および破砕し易いという理由で、有利で
ある。一定の体積速度および一定の線速度で溶加材を供
給する場合、１本の相対的に大きい円柱形の溶加材から
複数Ｎ本の相対的に小さい、等しい直径を持つ円柱形の
溶加材へ変更するとき、量的な関係は次のように定ま
る。

【００２４】Ｒ₁ ＝（ＮＲ_N ²）^1/2 ここで、Ｒ₁ は相対的に大きい１本の溶加材の半径であ
り、Ｒ_N は相対的に小さい複数の溶加材の各々の半径で
ある。従って、複数Ｎ本の溶加材の表面積は、供給速度
が等しい場合、１本の溶加材に比べてＮ^1/2 倍大きくな
る。 ２．複数のノズルよりも単一の複数ポートノズルから複
数のワイヤを供給する別の実用的な利点は、それらのワ
イヤのそれぞれの目標点の安定性がより正確に維持され
ることである。この利点は、モノリシック型のノズル設
計および組立て型のノズル設計に存在する。

【００２５】３．比例的により速い線速度で供給される
より細い１本ワイヤではなく複数の細いワイヤを使用す
ることの商業上の利点は、非常に細いワイヤの単位体積
（従って単位重量）当たりの製造コストが高いことであ
る。溶加材溶融速度に加えて、溶接生産性における別の
重要な制限因子は、典型的には、重力や表面張力と釣り
合いをとりながら安定に維持できる溶融池の最大寸法で
ある。例えば平形のワイヤ供給複数ノズル構造によって
アークの直ぐ下に供給するようにより小さい寸法の熱効
率のよい複数の溶加材ワイヤを使用することによって、
従来の位相外れ後側チル・ワイヤ供給法または単一ワイ
ヤ供給法に比べて溶加材堆積速度が高くなる。この効果
が可能なことは、この方法によって融解される母材金属
の体積が低減し、従って任意の時点で融解される金属の
全体積が実用的な限界内に保たれるからである。体積供
給速度が等しいとした場合、１本のワイヤを相対的に速
い線速度で供給するよりも、複数のワイヤを相対的に遅
い線速度で供給することによって、始動および停止の際
のワイヤ・スプール駆動装置に対する慣性についての許
容度を緩和することが出来る。このことは、重量のある
ワイヤ・スプールから、または非常に速い速度で、或い
は両方の条件で供給するときに重要になる。

【００２６】従って、本発明は、取扱いが容易でない非
常に細い溶加材では熱効率および溶融速度が高いという
ことと、取扱いが比較的容易であるより大きい溶加材で
は熱効率および溶融速度が比較的低いということとの間
の実用的な釣り合いを取ることが可能である。本発明の
方法および装置は、多くの公知の自動および機械化され
たアーク（およびパワービーム）溶接（およびろう付
け）法を改善するのに適しており、消耗性電極兼溶加材
であるワイヤまたは溶加材だけであるワイヤの堆積に適
用することが出来る。本発明の利点は非金属材料、金属
材料またはそれらの組合せの接合に当てはまる。しか
し、主な用途は全て金属の継手である。

【００２７】他の技術的な利点は、オプションとして、
同じまたは異なる合金の複数のワイヤを同時に供給し、
また１本以上の溶加材ワイヤを予熱することなどの変形
を利用することによって、溶接またはろう付けプロセス
および完成した継手の熱効率および他の特性を改善する
多機能の能力を含むことである。本発明の実用的な利点
は、ワイヤ供給案内ノズルにより視界を遮ることなく、
継手の内部を直接にまたは遠隔カメラにより観察するこ
とが可能なことである。本発明によれば、視界の妨害
は、幾つかの異なる側から同時に供給を行う公知の技術
と比べて、溶融池の一つの側のみに限られる。従来技術
を使用して幅の狭い開先を接合する際、継手の前側およ
び後側の両方から複数の材料が供給され、その結果とし
て現在およびその前の接合パスについての視界がかなり
遮られる。本発明では、ノズルの幅が狭いので、片側か
ら溶加材を供給する装置の場合でも、溶接パスの視界が
良好に得られる。

【００２８】要約すると、溶接およびろう付けの生産性
の利点は、特定の熱入力を増加することなく溶加材供給
速度を大きく（代わりに、溶加材供給速度を一定にして
おいて熱入力を小さくする）ことによって溶加材堆積速
度を増大し、必要な溶加材パスの数を減らし、従って全
体の溶接またはろう付け時間およびコストを低減する能
力を含む。別の生産性の利点は、従来では溶接またはろ
う付け欠陥を増大させるような特徴、例えば、一定の溶
加材堆積速度および特定の熱入力を保ちながら、一層高
い速度でまたは濡れ特性の低い合金を接合するという特
徴を採用出来ることである。簡単に述べると、複数の溶
加材を供給する方法および装置を組み合わせて使用する
ことによる技術的利益には、（１）溶加材融解熱効率が
高くなること、（２）溶加材溶融（堆積）速度が大きく
なること、（３）現場（その場）での合金化およびドー
ピングが行えること、（４）所定の充填速度で熱入力が
低減されること、（５）溶加材およびパワーのパルス動
作の同期化が改善されること、が挙げられる。また、実
用的な利益には、（１）溶加材の位置制御が改善される
こと、（２）溶融池への視界に対する妨害が少なくなる
こと、（３）相補的な機能を集積すること、（４）種々
の継手欠陥に対する耐性が増大すること、（５）溶加材
供給装置および制御が簡単になること、（６）継手の全
体的な生産（充填）速度が高くなること、が挙げられ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１に示される本発明の好ましい
実施態様によれば、第１および第２の溶加材ワイヤ１０
ａおよび１０ｂが、互いに平行なシャフト２２に回転自
在に取り付けられた一組のそれぞれの単一溝駆動ロール
対２０ａおよび２０ｂによって該ワイヤを駆動すること
により、同じ複数ポートを持つ複数溶加材案内ノズル・
アセンブリ１２Ａに供給される。この代わりに、複数の
溝を持つ単一対の駆動ロール（図示していない）を用い
て、複数の溶加材ワイヤを供給することが出来る。図１
には２本の溶加材ワイヤのみを示しているが、本発明は
単一の複数溶加材案内ノズル・アセンブリを介して２本
以上の溶加材ワイヤを供給するという概念を含む。複数
のワイヤの幾つかの相対速度を変えるため、複数のワイ
ヤは、必要に応じて独立に駆動されるロールの組または
同期して駆動および制御されるロールの組を用いて供給
することが出来る。

【００３０】複数ポートを持つ複数溶加材案内ノズル・
アセンブリは、小さい円形または非円形の管１６ａおよ
び１６ｂと、その対向する両側に配置された高強度の棒
またはバー材より成る一対の補剛部材１８から作ること
ができ、管の少なくとも先端部は補剛部材に接合され
る。この代わりに、ただ一つの補剛部材を使用してもよ
い。溶加材ワイヤ１０ａおよび１０ｂは管１６ａおよび
１６ｂをそれぞれ通って供給され、また複数溶加材案内
ノズル・アセンブリ１２Ａは、溶加材ワイヤ１０ａおよ
び１０ｂの端部が溶接ビードを形成すべき場所に位置す
るように位置決めされる。

【００３１】管１６ａおよび１６ｂ（以後、「溶加材案
内ノズル」とも呼ぶ）は、（化学蒸着法によって作られ
るような）タングステン、または金属炭化物のような他
の高降伏強度の耐磨耗性材料で形成できる。溶加材案内
ノズル１６と同様に補剛部材１８は、剛性で最も耐熱性
かつ耐磨耗性のある実用的なノズル・アセンブリを作る
ために炭化物、タングステン等から形成でき、或いは最
も強靱な（耐破壊性）アセンブリを作るために高強度焼
戻し鋼から形成できる。

【００３２】図２に示す実施態様では、ホッパー２４ａ
および２４ｂを使用して、複数溶加材案内ノズル・アセ
ンブリの管１６ａおよび１６ｂへそれぞれの粒状溶加材
２５ａおよび２５ｂを供給することが出来る。希望に応
じて、他の機械的機構を使用して、複数溶加材案内ノズ
ル・アセンブリへ連続した固体材料、粒状溶加材、ガス
流動化粉末、または別々のガスを供給してもよい。

【００３３】複数の溶加材案内ノズルを構成する管は、
ノズルを出ていく溶加材が熱源の焦点（エネルギ密度／
温度が最高の部分）かその近くに収束する方向に進行す
るように、それぞれの長さに沿って互いにほぼ平行に、
或いは互いに対して小さな角度で接合することが出来
る。この構成の一例が図３に示されており、図では平た
い形状の電極を利用した非常に幅の狭いアーク溶接継手
に用いられている。具体的に述べると、本発明の溶加材
案内ノズル・アセンブリは、部品６ａおよび６ｂの間に
溶接された継手を形成するように幅の狭い開先２を溶接
するためのガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡ
Ｗ）システムの一部として使用することができる。ＧＴ
ＷＡシステムは機械化されたトーチ移動手段を有し、ま
た幅の狭い開先２の中に挿入するように設計された形状
を持つタングステン電極８を含んでいる。開先２の側壁
は好ましくは５゜未満の鋭角を持つ。電極８のブレード
は非円形断面を持つ。特に、ブレードは、ほぼ長方形の
断面を持つ柱体のように、長い方の寸法と短い方の寸法
を持つ断面を有し、該断面の長い方の寸法は溶接継手の
長さに平行な向きに配置され且つ短い方の寸法は溶接継
手の長さに対して直角な向きに配置される。

【００３４】薄くて長いタングステン合金製の電極８を
使用して、溶加材案内ノズル・アセンブリ１２Ａから開
先２内へ供給される溶加材ワイヤ１０を融解することに
より、溶接ビード４が開先２内に堆積される。電極８は
開先２内に、電極８と側壁との間に隙間ができるように
挿入される。電極８のブレードは開先２の側壁に対して
アークが生じないようにセラミック被膜で被覆してもよ
い。電極８は通常のアーク電源装置（図示していない）
から給電されて、主アークを生じさせる。この平形の電
極８および平形の溶加材案内ノズル・アセンブリ１２Ａ
は、ベベル角を小さくすると共に溶接パラメータを選択
することにより、非常に薄い溶接継手を作る。溶接中、
少なくとも１つの遠隔観察カメラ１４を使用してアーク
を観察するのが好ましい。

【００３５】本発明の好ましい実施態様によれば、溶加
材案内ノズル・アセンブリ（例えば１２Ａ）は非円形断
面を持つ。具体的に述べると、溶加材案内ノズル・アセ
ンブリの断面形状は、溶接シーム（ｓｅａｍ）の深さお
よび長さに対して直角な方向では薄く且つ溶接シームに
平行な方向では広くなるように選択される。また、高さ
および／または幅に、溶加材案内ノズル・アセンブリの
長さに沿ってテーパを付けることにより、入口端（取付
け端）に向かって出来るだけ剛性を大きくし且つ出口端
に向かって出来るだけ狭く細くするようにしてもよい。
また、表面積を増し、従って熱伝達面積および融解効率
を改善するために、非円形断面の溶加材ワイヤまたはス
トリップを代わりに使用することができる。

【００３６】非円形断面（例えば、ブレード形）の溶加
材案内ノズル装置を使用する理由としては、次のことが
挙げられる。すなわち、（Ａ）従来では狭すぎて挿入で
きないような幅の狭い継手に使用したときに実用的に最
小の幅（壁に対して直角な方向の寸法）を与えながら、
適切な溶加材位置の案内を維持するのに充分な横方向剛
性をノズルに与えるためであり、（Ｂ）不注意による物
理的取扱い又は誤った機械化ノズルの操作にも拘わらず
所望の溶加材の案内が維持されるように、継手の深さに
平行なノズルの曲げ強さおよび継手の深さに直角なノズ
ルの曲げ強さの両方を増大するためであり、（Ｃ）継手
内への遠隔観察カメラの視界がノズルによって遮られな
いように、ノズルの幅（溶接シームに対して直角な方向
の寸法）を最小にするためであり、（Ｄ）接合に関連し
た多数の機能を同時に実現できるように、或いは接合プ
ロセスのために使用されるのと同じノズル・アセンブリ
で特定の１つの機能がより効率よく且つ生産性よく実現
できるように、ノズルの高さ（継手の深さに平行な方向
の寸法）を充分な高さにするためであり、（Ｅ）溶加材
の溶融池の中に直接に溶加材の粉末を添加するために非
常に幅の狭い継手の底近くまでノズルを挿入できるよう
にするためである。もし継手内に挿入できない大きなノ
ズルによって継手の外から流動化粉末を供給した場合、
その流動化粉末は継手内に広く分散されて、溶加材の溶
融池への供給効率がかなり失われることになる。

【００３７】複数の管はまた、それらの長さに沿って且
つ互いに対して小さな角度をなすように薄いテーパ付き
の補剛部材に接合して、溶加材が所定の位置またはその
近くの点に収束するようにすることが出来る。補剛部材
は、好ましくは（長くて薄い形状に切断されたタングス
テン合金またはステンレス鋼のような）高降伏強度の材
料で作られる。この様な収束するスペーサすなわち補剛
部材の効率のよい形状は、図４の溶加材案内ノズル・ア
センブリ１２Ｂに示すように、底辺の寸法がその隣接の
側辺の寸法よりも小さい切頭三角形板１８Ａである。側
辺が湾曲した同様な形状のものが以下に説明される。付
加的なノズルを管１６ａまたは１６ｂに接合して、補剛
部材の板の平面内にノズル・スタックを形成することが
出来る。

【００３８】補剛部材の一構成は、タングステン合金
（または炭化物のような他の高降伏強度の材料）の薄く
て長い三角形のシートであり、このシートはその三角形
の狭い頂角部分を溶加材案内ノズルの管の出口端部に配
置して該管に溶接、ろう付け、機械的締め付けなどによ
り接合する。この構成は、溶加材案内ノズル・アセンブ
リが三角形の広い方の端部で片持ち張り式に取付けブラ
ケットに取り付けられたとき、曲げに対する最大の抵抗
性を与える。取付けブラケットは、溶加材案内ノズル・
アセンブリを上昇および下降させる駆動装置（図示して
いない）に接続される。

【００３９】図５は、楕円形断面形状を持つモノリシッ
ク型の溶加材案内ノズル・アセンブリ１２Ｃを示してお
り、これは、２つ以上の溶加材（１０ａ，１０ｂ，１０
ｃ）用の２つ以上のポートまたは孔（２６ａ、２６ｂ、
２６ｃ）を有すると共に、溶接プロセスに必要なガス、
照明、加熱、検知／制御用レーザ光ビーム、電気導体な
どを通すための付加的なポート２６ｄおよび２６ｅを有
する。溶加材案内ノズルは取付けブラケットによって支
持されていて、開先の外側から開先内の所望の位置すな
わち溶融池に接近した位置まで溶加材を案内する。溶加
材は導管２０によってノズルの中に案内される。モノリ
シック型の溶加材案内ノズル・アセンブリの断面形状
は、図示の楕円形の代わりに、長方形にすることが出来
る。

【００４０】ポート２６ａ−２６ｃはまた、溶融池に固
体添加剤を送給するために使用することができる。固体
添加剤は、例えば、貴金属触媒元素（例えば、パラジウ
ム）とのその場での合金化、応力腐食割れ抵抗性の元素
（例えば、クロム）による富化を含めて、合金化作用の
ための粉末、或いは溶込みおよび／または濡れを改善す
るためのフラックスおよび表面活性剤である。また、溶
接材料と合金化しないが、複合構造を形成する添加剤も
導入することができる。

【００４１】モノリシック型の溶加材案内ノズル・アセ
ンブリ１２Ｃのオプションのポート２６ｄおよび２６ｅ
はまた、ノズル内の光ファイバを通るレーザ光のよう
な、接合プロセスのための主または補助融解熱源を送給
するために使用することができる。この変形例は、ビー
ム品質の一層高いレーザ・システムによって非常に幅の
狭い継手内で仕事をするのに特に有用であり、光ファイ
バの端部に場所をとる対物レンズを必要とせずに充分に
集中した熱を溶融池へ光学的に送給することができる。

【００４２】本発明による複数溶加材案内ノズル・アセ
ンブリの異なる実施態様では、溶加材案内ノズルが、機
械的に強く、耐熱性で、導電性の薄い材料で形成された
底辺の広い三角形板部材の真っ直ぐな側縁または湾曲し
た側縁に接合され、例えば図６、７および８に示される
ように平形の電極２８の側縁に接合され、溶加材案内ノ
ズル・アセンブリ１２Ｄを形成する。平形の電極２８
は、溶加材案内ノズル１６ａおよび１６ｂに対するモノ
リシックな補剛部材として、並びに非消耗性電極として
機能する。この代わりに、溶加材案内ノズル・アセンブ
リの三角形板部材を、ノズルに対する補剛部材として、
並びに非消耗性電極チップ（図に示していない）に対す
る保持体として作用させる。電気的および機械的に補剛
部材に接続され、しかも取外し可能なチップを持つ組立
式の設計のものが好ましい。側縁の溶加材案内ノズル
は、電極チップおよび補剛部材から電気絶縁しなければ
ならない。

【００４３】底辺の広い三角形板部材を有する溶加材案
内ノズル・アセンブリは、電極チップと連続した溶加材
の溶融端との間の相対的な位置を安定化し、或いは溶加
材がガス流動化粉末である場合は溶加材の流れを安定化
するという利点を有する。プロセスで必要とされる場合
またはプロセスを支持するために、希望により他のポー
トまたは孔を設けて、例えば遮蔽ガスまたはプラズマ形
成用ガスを供給し、或いは照明、加熱、追跡などのため
にレーザ光ビームを通すようにしてもよい。図６には真
っ直ぐな側縁が示されているが、図１７に示すのと同様
にして湾曲した側縁を上記の底辺の広い三角形板部材に
形成し得る。図７、８および９は図６に示した実施態様
の細部を示す。タングステンまたは他の適当な耐熱合金
で製作され、非消耗性溶接電極として且つノズル補剛部
材として機能する三角形（または棒状）電極／補剛部材
２８を用いて、非円形断面の溶加材案内ノズル・アセン
ブリを作ることができる。タングステン合金シート材か
ら作られる三角形電極／補剛部材はその底辺の（広い）
端部で充分な断面積を有しているので、許容できない曲
げに首尾良く抵抗すると共に、その最小の厚さにも拘わ
らず非常に大きいアーク電流を通すことができる。三角
形電極／補剛部材の底辺端部は電極保持器３０によって
クランプまたは保持される。電極保持器３０は好ましく
は銅合金（例えば、ベリリウム銅合金）のような導電性
の耐酸化性材料から作られ、オプションにより銀または
ニッケルで電気メッキされる。電極保持器３０は好まし
くはＴ字形金属体の形を取り、シャンク３０ａおよびク
ロスピース３０ｂを有する。シャンク３０ａは通常の溶
接トーチ（図示していない）に接続される。クロスピー
ス３０ｂは、容易に挿入および取外しが出来るように充
分な遊びをもって、三角形電極／補剛部材の底辺端部を
受け入れるように形成された長手方向のスロットを有す
る。三角形電極／補剛部材の底辺端部は、一対の止めね
じ３２をクロスピースに形成された対応するねじ穴に締
め付けることによってクロスピースのスロット内に固定
保持される。三角形電極／補剛部材は、ねじを緩めるこ
とにより保持器から容易に外すことができる。これによ
り破損した三角形電極／補剛部材を容易に交換できる。
上記のねじを使用する代わりに、ろう付けによって保持
器に固定し、もってモノリシック型の、すなわち容易に
交換できない三角形電極／補剛部材を構成してもよい。
三角形電極／補剛部材２８は好ましくは、開先の側壁に
対するアークの発生を防止するために、例えばＡｌ₂ Ｏ
₃ またはＹ₂ Ｏ₃ のような絶縁被膜で被覆する。また打
ち抜きまたは切断により形成されたままの三角形電極／
補剛部材の全ての縁を、アーク発生防止のためにばり取
りする。本発明の好ましい実施態様によれば、平らな三
角形電極／補剛部材に１つ以上の絶縁性の隔離体３４が
設けられる。各々の隔離体３４はＡｌ₂ Ｏ₃ またはＹ₂
Ｏ₃ のような絶縁材のスラグから構成され、円筒形の周
壁を有すると共に、両端に一対の対向する僅かな凸面ま
たは丸みを付けた縁を有する。図８から最も良く分かる
ように、各々の絶縁性隔離体３４は平らな三角形電極／
補剛部材２８の両面から突き出ている。これらの隔離体
３４は開先の側壁と三角形電極／補剛部材の平らな両面
との間に最小の隙間を保つように作用して、三角形電極
／補剛部材が開先内を進行しているときのセラミック被
膜の引っかきや過剰な磨耗を防止する。電極／補剛部材
の被覆された面に対する引っかきが深いと、セラミック
被膜が剥がれて、その剥がれた部分に沿ってアークが生
じやすくなる。

【００４４】１つの溶加材案内ノズル１６ａまたは１６
ｂが電極／補剛部材２８と電気的に共通である場合、溶
加材ワイヤが金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接におけるよ
うな消耗性電極となる。この場合、交換可能な先端部ま
たはチップ２５（図７参照）は除去することができる。
この代わりに、溶加材案内ノズル１６ａおよび１６ｂが
電極／補剛部材２８から電気的に絶縁されている場合、
電極／補剛部材がタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶
接におけるような非消耗性電極になる。オプションとし
て、例えば不活性遮蔽ガスを運ぶために補助ノズル３６
が図７に破線で示されているように設けられる。遮蔽ガ
ス・ノズルは、純粋な遮蔽ガスを必要な場所に局部的に
供給することによって、すなわち溶融池をカバー（覆
う）することによって、遮蔽ガスが開先の外側から幅の
狭い深い開先内に吹き込まれた場合に生じるような汚染
の可能性を低減する。

【００４５】図９に示す別の変形によれば、溶加材案内
ノズル１６Ｃが電極／補剛部材５６に溶接され、温度検
知手段（図示していない）を受け入れるためのノズル３
８が溶加材案内ノズル１６Ｃの反対側に接合される。溶
加材ワイヤが、ＭＩＧ溶接および有芯アーク溶接におけ
るように消耗性電極でもある場合、溶加材案内ノズル
は、溶加材ワイヤの融解端から加工物へアークを設定し
て維持するために、溶加材ワイヤに電気を伝導するよう
に設計される。この変形例では、溶加材案内ノズルは溶
接トーチの他の部品から電気絶縁される。この場合の溶
加材案内ノズル１６Ｃは電気絶縁体４２によって囲まれ
た電気導体４０を有し、電気絶縁体４２は構造用管４４
によって囲まれている。

【００４６】補剛部材は溶加材案内ノズル装置と電気的
に共通に作って、高温ろう付け、精密溶接（例えば、レ
ーザ、電子ビーム、抵抗加熱）または他の手段によっ
て、使用中のアセンブリの接合部の過熱や融解の危険も
なく、溶加材案内ノズル装置に接合することができる。
熱源の非線形温度分布をよりよく利用する前記出口パタ
ーンの例は、２つ以上の異なる溶加材および／または寸
法を持つパターンである。この熱的にバイアスされたパ
ターンは、寸法の大きい方／融解温度の高い方の溶加材
を熱源の最も温度の高い部分のほぼ中心に位置決めし、
その下側またはその各々の側面に、すなわち熱源の温度
のより低い部分に寸法の小さい／融解温度の高い溶加材
を位置決めすることによって構成できる。３つの連続し
た溶加材を個別の供給速度で供給できる供給機構の例
が、図１０に示されている。各々の溶加材ワイヤ１０ａ
−１０ｃは、駆動シャフト２２に回転自在に取り付けら
れたそれぞれの単一溝ロール対２０ａ−２０ｃによっ
て、それぞれの溶加材案内ノズル１６ａ−１６ｃを介し
て供給される。３本の溶加材ワイヤは、図１１に示す溶
加材案内ノズル・アセンブリ１２Ｅにおけるように、そ
れぞれの先端が三角形の頂点に整列または位置するよう
に向きを定めることができる。一例として、熱源がアー
クの場合、溶加材ワイヤの陽極（加工物）側の位置は実
効的に相対的に温度が低い。というのは、陽極へ向かう
アークの温度分布が軸方向および半径方向に減少し、ア
ークのエネルギ密度が電極チップからの距離につれて減
少し、電極チップに最も近い溶加材ワイヤの陰になるか
らである。

【００４７】熱的にバイアスされたパターンの好ましい
設計では、溶加材の寸法が温度分布にしたがって溶融速
度を最大にするように予め選択される。この寸法の選択
には、最も小さい溶加材ワイヤが座屈またはその他の実
用的な問題を生じることなく供給できる大きさであるこ
と、並びに最も大きい溶加材ワイヤが好ましい幅の狭い
継手設計にとって必要な非常に細いノズルの中に挿入で
きる大きさであることを考慮すべきである。溶加材の大
きさが選ばれた場合、複数の溶加材の数、溶加材の位置
および溶加材の大きさの組合せにより得られる溶加材の
融解のための特定の熱効率を著しく劣化させることな
く、溶加材のそれぞれの供給速度を比較的小さく変更す
ることによって、溶融速度は接合プロセスの実際の熱源
およびヒートシンクに対して後で最適化することが出来
る。

【００４８】図１１に示す三角形のパターンを使用する
方法では、小さい方の溶加材の供給速度を互いに対し
て、また大きい方の溶加材に対して個別に調節すること
が出来る。この方法は、溶加材が薄くなると表面積がお
おきくなるという利点を利用し、溶加材の融解のための
熱の利用を改善する好ましい溶加材の幾何学的パターン
を利用している。その上、一次の（典型的には、大きい
方の）溶加材の合金含量と共に二次および／または三次
の（典型的には、小さい方の）溶加材の合金含量を調整
し、また溶融池の特性を制御し、例えば付加的な溶加材
に含まれている活性元素により一次溶加材の表面での濡
れおよび溶込みを制御することができるという利点を利
用する。一次および二次溶加材の位置は、これらの溶加
材のそれぞれの融解点および寸法に応じて置き換えるこ
とが出来る。

【００４９】図１２乃至図１４に示されるような別の三
角形または多角形パターンは、所定の熱入力レベルで溶
融効率を改善するために使用することが出来る。図１２
および図１３は、１本の大きな溶加材ワイヤ１０ｃと２
本の小さい溶加材ワイヤ１０ａおよび１０ｂとより成る
三角形の溶加材パターンを示し、更に破線で示すように
オプションとして第３の小さい溶加材ワイヤ１０ｄを付
加することが出来る。図１４では、溶加材パターンは、
平行四辺形の頂点に配置された２本の大きな溶加材ワイ
ヤ１０ｃおよび１０ｄと２本の小さい溶加材ワイヤ１０
ａおよび１０ｂとより成り、更に破線で示すようにオプ
ションとして第３および第４の小さい溶加材ワイヤ１０
ｅおよび１０ｆと第３の大きな溶加材ワイヤ１０ｇを付
加することが出来る。４本以上の溶加材ワイヤを持つこ
れらのパターンは、各々が２本いじょうの溶加材を供給
する簡単な並列型溶加材駆動機構を使用することが出来
る。この代わりに、１本以上の溶加材の供給速度をより
巧妙な設計で調整するように個別の供給駆動装置を用い
て溶加材を操作することが出来る。

【００５０】本発明によれば、収束形のスペーサ／補剛
部材を構成する板の側縁は湾曲していても真っ直ぐであ
ってもよい。図１５および図１６に示す溶加材案内ノズ
ル・アセンブリ１２Ｆの場合、スペーサ／補剛部材１８
Ｂの好ましい側縁の形状はノズルの平面内で湾曲してい
る。この程度の湾曲では、取り付けられる可撓性の管１
６ａ−１６ｃを容易に湾曲させることが出来る。溶加材
案内通路としての湾曲した孔は次の機能的な理由により
真っ直ぐな孔よりも好ましい。

【００５１】ａ）湾曲した孔の１つの利点は、湾曲した
孔がノズルを出た典型的には湾曲した溶加材の平面状の
整列および収束を維持することである（図１６参照）。
溶加材がスプールから巻出された後、溶加材に湾曲（キ
ャスト）が残っているので、湾曲の方向によりそれ自身
の方位方向位置がノズルの孔の軸線に対して定まる場合
には、溶加材はそれぞれの目標位置からかなりずれるこ
とがある。

【００５２】ｂ）湾曲したノズルの第２の利点は、継手
の外側からルート領域に達するのに必要なノズルの長さ
がかなり短くて済むことである。この特徴は、接合すべ
き部材の厚さが増大する場合、或いは（ルートの面に対
する）溶加材の入射角（ｅｎｔｒｙ ａｎｇｌｅ）が減
少する場合、より重要になる。収束目標点を持つノズル
・アセンブリ１８Ａが、溶加材キャスト制御及び収束目
標設計のノズル・アセンブリ１８Ｂと比較するために破
線で示してある。

【００５３】ｃ）第３の利点は、（ノズル内の真っ直ぐ
な形状に合わせてい溶加材を成形するよりはむしろ）ノ
ズルの曲率が溶加材の曲率に近いので、溶加材と溶加材
案内ノズルとの間の滑り摩擦が小さくなることである。
この摩擦の低減により、より細かい（従って、より効率
よく融解する）溶加材を信頼性よく供給することがで
き、供給機構の下流側で生じるような軸方向圧縮状態の
その長さの支持されてない部分に座屈を生じる固有の危
険性が増大しない。

【００５４】ｄ）第４の利点は、所定の断面形状を持つ
場合に、上記のｂ）で述べたようにノズルが短くなる
と、重さが軽くなり、従って往復運動および電圧制御ア
クチュエータのようなトーチ・アセンブリの他のマニピ
ュレータの安定な位置決めのために荷重要件が軽減され
ることである。 ｅ）湾曲した長さの短いノズルの第５の利点は、該ノズ
ルが一層剛性であり、従って所定の断面形状のノズルの
場合、手荒な取扱い又は使用中に改善された溶加材目標
点を維持できることである。

【００５５】ｆ）複数溶加材案内ノズルに適用できる第
６の利点は、各々の側縁の曲率半径が異なっている平た
い補剛部材の両側縁に溶加材案内ノズルが配置されてい
るとき、異なる曲率（「キャスト」）を持つ溶加材を、
曲率が最も近いノズルに選択的に供給することができ、
これにより上記のｃ）に述べた利点が得られることであ
る。

【００５６】本発明の好ましい他の実施態様が図１７お
よび図１８に示されている。図７に示した三角形電極／
補剛部材２８とは対照的に、電極／補剛部材５０はその
下側部分に沿って凸状の側縁５２および５２′を持つ。
電極／補剛部材５０は、ブレード５４およびシャンク５
６を有し、その各々は別々に交換可能である。ブレード
５４は複数の貫通孔５８を有し、これらの貫通孔はそれ
ぞれのクリンプ保持スリーブ６０を受け入れる。各々の
スリーブ６０は、それぞれの孔に該スリーブを保持し且
つ該スリーブ内にセラミック・ボール６２を保持するた
めに（図１９に示すように）クリンプ（ｃｒｉｍｐ）さ
れている。図１８に示す実施態様では、セラミック・ボ
ール６２の直径は電極／補剛部材５０の厚さより大き
い。この代わりに、より小さいボールを保持するように
保持スリーブを非対称に形成して、幾つかのボールが電
極／補剛部材の一方の側からだけ突き出し、他のボール
が電極／補剛部材の反対側からだけ突き出すようにする
ことが出来る。何れの場合も、ボールは絶縁性の回転隔
離体として作用する。ボールの配置位置および寸法は、
電極／補剛部材の各々の側でボールが対向する開先の側
壁に接触して、電極／補剛部材自身が開先の側壁におけ
るアークの発生を防止するのに充分な離間ギャップだけ
開先の側壁から隔てられるように定められる。

【００５７】図１７に示す実施態様では、例えば局部的
なカバーガスを供給するために使用できる一対のノズル
６４および６４′が電極／補剛部材５０の凸状の側縁５
２および５２′に溶接されている。一対のホットワイヤ
案内ノズル６６および６６′が一対のガス・ノズル６４
および６４′に接合されている。図１８に示すように、
ホットワイヤ案内ノズル６６は溶加材ワイヤ１０ａを取
り囲む電気導体６８および電気導体６８を取り囲む電気
絶縁体７０を有する。電気絶縁体７０は構造用管７２内
に収容されている。構造用管７２はガス・ノズル６４に
溶接されている。電気導体６８は、溶加材ワイヤ１０ａ
を電極／補剛部材５０からのアークによって融解する前
に予熱するために使用される。ホットワイヤ案内ノズル
６６′は溶加材ワイヤ１０ｂを予熱するために同様に構
成される。溶加材ワイヤの予熱は電気アークによる溶接
継手および熱影響部への熱入力の量を低減させ、これに
より溶接部における残留応力を低減する。

【００５８】図２０は図１７の実施態様の変形を示し、
セラミック・ボールの隔離体の代わりにセラミックのこ
ろ（ローラ）より成る隔離体７４が使用されている。こ
のころ形の隔離体７４は折り曲げたワイヤ７６に取り付
けられ、ワイヤ７６は例えば溶接によって側縁に接合さ
れている。オプションにより破線で示す隔離体を設けて
もよい。ころの縁は丸みを付けて、ころが粗い面に引っ
かからないようにする。図２１および図２２に示す実施
態様では、各々のころ（７４）は電極／補剛部材５０の
厚さより大きい直径を持ち、電極／補剛部材５０の中間
平面に対して対称になるように配置される。この代わり
に、複数の折り曲げたワイヤ７６を、電極／補剛部材の
両面および両側縁で電極／補剛部材の平面から傾斜させ
ることが出来る。各々の折り曲げたワイヤはころ形の隔
離体を支持し、隔離体のころは電極／補剛部材の厚さよ
り小さい直径を持つことが出来る。一組のころが電極／
補剛部材の一方の面上に配置され、他のころが電極／補
剛部材の反対側の面上に配置される。いずれの場合も、
ころは絶縁性の隔離体として作用する。ころの配置位置
および寸法は、電極／補剛部材の各々の面上のころが対
向する開先の側壁に接触して、電極／補剛部材自身が開
先の側壁におけるアークの発生を防止するのに充分な離
間ギャップだけ開先の側壁から隔てられるように定めら
れる。

【００５９】図２１は、前に図１８に示した形式のホッ
トワイヤ・ノズルに取り付けられるころ形の隔離体を示
す。図２２は、ガス・ノズル６４に溶接された導電性の
管６８′を有するホットワイヤ・ノズルに取り付けられ
たころ形の隔離体を示す。導電性の管６８′は、ガス・
ノズル６４と電極／補剛部材５０との間に配置された電
気絶縁体８０によって、電極／補剛部材５０から電気絶
縁されている。

【００６０】接合用途に対する本発明の利点の多くは、
溶加材ノズルの厚さに関係のないクラッディング（ｃｌ
ａｄｄｉｎｇ）用途でも実現できる。これらは接合のた
めの技術的利点および生産性の利点の全てを含み、ただ
ノズル装置の非常に薄い形状に関するものは除く。図
３、図４、図１１および図１５に示した複数溶加材案内
ノズル・アセンブリのフルサイズの機能的なプロトタイ
プを製作した。生産接合用途に適した種々の材料を組み
合わせてこれらのプロトタイプのユニットを製作した。
これらの組合せは、炭化物の補剛部材を備えた金属炭化
物の管（２孔型のノズル）、工具鋼の補剛部材を備えた
硬化ステンレス鋼の管（２孔および３孔の三角形パター
ン型のノズル）、補剛部材なしの硬化ステンレス鋼の管
（３孔のインライン・パターン型のノズル、中心の管が
補剛部材の代わりに用いられる）、および炭化物の補剛
部材を備えたステンレス鋼の管（３孔の三角形パターン
型のノズル）を含む。

【００６１】複数孔のノズルが、直径０．０１５、０．
０１６および０．０１７インチのタイプＥＲ３４７ステ
ンレス鋼ワイヤ、直径０．０２０、０．０２３および
０．０２５インチのタイプＥＲ３０８Ｌステンレス鋼ワ
イヤ、直径０．０２０、０．０２５および０．０３０イ
ンチのインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）タイプＥＲ８２ワ
イヤ、並びに直径０．０２３インチのタイプＥＲ７０Ｓ
６炭素鋼ワイヤにより評価された。ＧＴＷＡの使用の場
合、３孔のノズルは、直径の大きな孔が非消耗性電極の
所定の位置（アークが存在しているときに熱源の最も高
い温度および最も大きいエネルギ密度の部分である位
置）に最も近づき、且つ直径の小さい孔が電極から最も
離れるように、組み立てられた。これらのパターンは、
真っ直ぐな設計と湾曲した設計で製作した。また、２孔
のノズルは、等しい直径の２つの溶加材を使用するもの
と、大きさの異なる溶加材を使用するもので、直径の大
きい方を熱源に最も近づくように選択して、製作され
た。溶加材の融解特性がかなり異なる場合、この孔の大
きさによる配置位置は逆にして、相対的な寸法に関係な
く融解が困難な方の溶加材を熱源により近づけるように
することが出来る。

【００６２】プロトタイプのために使用した組立て方法
は、ステンレス鋼箔ストラップの直接ろう付け又は抵抗
スポット溶接（全て炭化物タイプ）、ステンレス鋼箔ス
トラップの直接抵抗スポット溶接または抵抗スポット溶
接（ステンレス鋼管、工具鋼および炭化物補剛部材タイ
プ）、および高温はんだ付け（全てステンレス鋼管タイ
プ）を含む。これらの溶加材案内ノズル・アセンブリの
各々を用いて溶加材ワイヤを供給したところ、これらの
溶加材案内ノズル・アセンブリによって、好ましい細い
または薄い形状で必要な剛性が得られて、位置制御およ
び遠隔観察能力が改善され且つワイヤ目標位置へ向かう
正しい角度方向の収束が得られることが実証された。

【００６３】本発明の複数溶加材案内ノズル・アセンブ
リの基本的設計並びにそのオプションおよび変形例の殆
どを適応させるために、商業上入手可能な電源装置およ
び溶接ヘッドが（同時の対向整列供給よりもむしろ）交
互周期の平行整列二重ワイヤ供給のための能力を有して
いるので、装置の変更は殆ど必要ではない。 これらの
システムは電気的に並列な電動機回路で運転するために
容易に配線し直すことがで来、既存の単一の制御器で動
作させることが出来る。この構成では、現在入手可能な
電動機が、既存の設計の２つの単一ポートノズルに交互
に供給するよりはむしろ、単一ノズルの複数のポートに
同時に供給する。

【００６４】並列システムにおける各々の供給装置の相
対速度は、プログラムされた「マスタ」ユニットに対す
る「スレーブ」ユニットの電動機電圧（従って速度）を
減じる直列配線の調節ポテンショメータによって簡単に
調節できる。既存の並列システムにおける各々の供給装
置は同じであるので、いずれか一方のユニットを「スレ
ーブ」として選び且つ他方のユニットを「マスタ」とし
て選ぶことができ、或いはそれらを等しい速度で運転し
て、それぞれの駆動輪間の比を選択するようにすること
が出来る。

【００６５】開先を持つ部材間の継手内の堆積（溶着）
した溶加材の組成を調整する能力を与えるのに加えて、
本発明はまた、標準の合金の溶加材を用いて現場合金化
法を使用することにより注文合金化組成を持つクラッデ
ィングを設けるために使用することが出来る。本発明の
以上の好ましい実施態様は例示のために開示したもので
ある。開示した方法の変形および変更は溶接の分野の当
業者には明らかであろう。本発明の概念から逸脱しない
この様な全ての変形および変更は特許請求の範囲によっ
て包含される。例えば、複数溶加材案内ノズルは、それ
ぞれの溶加材がノズル出口から平行に又は互いに対して
鋭角をなして出ていくように取り付けることが出来る。
特許請求の範囲で用いられている「鋭角」とは、０゜
（すなわち、平行）を含む９０゜未満の角度を意味す
る。更に、本発明のころ形の隔離体は、ガスおよび溶加
材ノズルを支持する二重機能を行わない平形電極の側縁
に直接取り付けることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の好ましい実施態様による複数並
列ワイヤ供給／混合装置の斜視図である。

【図２】本発明の第２の好ましい実施態様による複数並
列ワイヤ供給／混合装置の斜視図である。

【図３】第１の好ましい実施態様による、円筒形の補剛
部材を備えた複数溶加材案内ノズル・アセンブリの斜視
図である。

【図４】第３の好ましい実施態様による、先細のスペー
サ兼補剛部材を備えた複数溶加材案内ノズル・アセンブ
リの斜視図である。

【図５】第４の好ましい実施態様による、収束する複数
の溶加材案内ノズルを有するモノリシック型の複数溶加
材案内ノズル・アセンブリの斜視図である。

【図６】本発明の第５の好ましい実施態様による、非消
耗性電極によって担持された複数溶加材案内ノズル・ア
センブリの斜視図である。

【図７】図６の複数溶加材案内ノズル・アセンブリの正
面図である。

【図８】図７の複合構造に組み込まれた非消耗性電極の
側面図である。

【図９】溶加材が予熱される、図７の複合構造の変形例
を示す断面図である。

【図１０】本発明の第６の好ましい実施態様による三並
列ワイヤ供給／混合装置の斜視図である。

【図１１】第７の好ましい実施態様による、先細のスペ
ーサ兼補剛部材を備えた分割型設計の三溶加材案内ノズ
ル・アセンブリの斜視図である。

【図１２】本発明による複数の連続した溶加材の多角形
状に配列する様子を示す一例の配列図である。

【図１３】本発明による複数の連続した溶加材の多角形
状に配列する様子を示す一例の配列図である。

【図１４】本発明による複数の連続した溶加材の多角形
状に配列する様子を示す一例の配列図である。

【図１５】本発明の第８の好ましい実施態様による、溶
加材鋳込み制御及び収束目標設計の湾曲した複数溶加材
案内ノズル・アセンブリの斜視図である。

【図１６】図１５の湾曲した複数溶加材案内ノズル・ア
センブリによって溶接アーク内に案内された３本の溶加
材ワイヤの先端部分を示す斜視図である。

【図１７】本発明の第９の好ましい実施態様による溶加
材案内ノズル−非消耗性電極アセンブリの斜視図であ
る。

【図１８】図１７の線１８−１８に沿って取った断面図
である。

【図１９】絶縁／案内用のセラミック・ボールを緩く保
持するクリンプ保持スリーブの正面図である。

【図２０】本発明の更に別の好ましい実施態様による、
縁部回転隔離体を備えた二重凸状縁部を持つ複数溶加材
案内ノズル・アセンブリの斜視図である。

【図２１】溶加材が予熱される、図２０の複合構造の変
形例を示す断面図である。

【図２２】溶加材が予熱される、図２０の複合構造の変
形例を示す断面図である。

【符号の説明】

２ 開先 ４ 溶接ビード ６ａ、６ｂ 部品 ８ 電極 １０ａ−ｃ 溶加材ワイヤ １２Ａ−Ｆ 溶加材案内ノズル・アセンブリ １４ 遠隔観察カメラ １６ａ、１６ｂ 溶加材案内ノズルを構成する管 １８、１８Ａ、１８Ｂ 補剛部材 ２５ａ、２５ｂ 粒状溶加材 ２６ａ−ｅ 孔 ２８ 電極 ３０ 電極保持器 ４２、７０、８０ 電気絶縁体 ５０ 電極／補剛部材 ５４ ブレード ５６ シャンク ６０ クリンプ保持スリーブ ６２ セラミック・ボール ６４ ガス・ノズル ６６ ホットワイヤ案内ノズル ６８ 電気導体 ７４ ころ形の隔離体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 9/167 Ｂ２３Ｋ 9/167 Ｂ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非常に幅の狭い開先で溶接を行うための
   溶接システムにおいて、 溶接トーチ、前記溶接トーチから伸びていて、前記開先
   に挿入するのに適した溶接電極（８、２８、５０）、お
   よび前記開先に挿入するのに適した非円形断面を持つ複
   数溶加材案内ノズル・アセンブリを含み、 前記複数溶加材案内ノズル・アセンブリが、 前記開先の中の第１の所望の位置まで第１の溶加材を案
   内する第１のノズル（１６ａ）であって、その先端部に
   溶加材の第１の出口を有する第１のノズル、 前記開先の中の第２の所望の位置まで第２の溶加材を案
   内する第２のノズル（１６ｂ）であって、その先端部に
   溶加材の第２の出口を有する第２のノズル、並びに前記
   第１および第２の溶加材が互いに対して所定の角度で前
   記第１および第２のノズルの前記第１および第２の出口
   からそれぞれ出ていくように、前記第１および第２の出
   口の間の位置関係を一定に維持する固定維持手段（１８
   Ａ、１８Ｂ、１２Ｃ、２８、５０）を有していることを
   特徴とする溶接システム。
2. 【請求項２】 前記固定維持手段は、前記第１のノズル
   を前記第２のノズルに接合する手段を有する請求項１記
   載の溶接システム。
3. 【請求項３】 前記固定維持手段は剛性材料で作られた
   スペーサ（１８Ａ、１８Ｂ）を有し、前記第１および第
   ２のノズルが該スペーサに接合されている請求項１記載
   の溶接システム。
4. 【請求項４】 前記固定維持手段は、前記第１および第
   ２のノズルを前記電極に取り付ける手段を有する請求項
   １記載の溶接システム。
5. 【請求項５】 前記第１および第２のノズルの各々が湾
   曲している請求項１記載の溶接システム。
6. 【請求項６】 前記第１のノズルが第１の直径のチャン
   ネルを有し、前記第２のノズルが前記第１の直径とは異
   なる第２の直径のチャンネルを有している請求項１記載
   の溶接システム。
7. 【請求項７】 前記第１のノズルが電源装置に電気接続
   されている請求項１記載の溶接システム。
8. 【請求項８】 非常に幅の狭い開先で溶接を行うための
   溶接システムにおいて、 溶接トーチ、 前記溶接トーチから伸びていて、前記開先に挿入するの
   に適した溶接電極（８、２８、５０）であって、チップ
   を有する溶接電極、 前記開先に挿入するのに適した湾曲した溶加材案内ノズ
   ル（１６ａ、６６）であって、その先端部に溶加材の出
   口を有する湾曲した溶加材案内ノズル、ならびに前記溶
   加材案内ノズルと前記電極との間の位置関係を所定の関
   係に維持する手段を含んでいることを特徴とする溶接シ
   ステム。
9. 【請求項９】 平らな電極（５０）、前記電極によって
   支持された真っ直ぐな部材（７６）、および前記真っ直
   ぐな部材上に回転自在に取り付けられたころ形隔離体
   （７４）を有し、前記隔離体のころが円筒面を持つと共
   に電気絶縁材料で作られていること、を特徴とする溶接
   電極アセンブリ。
10. 【請求項１０】 平らな電極（２８、５０）、前記電極
    によって支持され、前記電極の平面内に位置するホット
    ワイヤ溶加材案内ノズル（１６Ｃ、６８、６８′）、お
    よび電気絶縁体（４２、７０、８０）を有し、前記ホッ
    トワイヤ溶加材案内ノズルが電気導体を含み、前記電気
    絶縁体が前記電気導体を前記電極から電気絶縁するよう
    に配置されていること、を特徴とするホットワイヤ溶接
    電極アセンブリ。
11. 【請求項１１】 非常に幅の狭い開先で溶接を行うため
    の方法において、 溶接電極を開先に挿入して、前記溶接電極のチップを前
    記開先の底から離間させ、 前記チップと前記底との間のギャップを横切って電気ア
    ークを生じさせ、 前記アークからの熱によって溶加材が融解する位置であ
    る前記開先内の第１の位置まで第１の溶加材を供給し、 前記アークからの熱によって溶加材が融解する位置であ
    る前記開先内の第２の位置まで第２の溶加材を供給し、
    ここで、前記第１および第２の位置は、融解した前記第
    １および第２の溶加材が溶融池を形成するように定めら
    れており、 融解した前記第１および第２の溶加材の前記溶融池を溶
    着させる、各工程を有することを特徴とする溶接方法。
12. 【請求項１２】 前記第１および第２の溶加材の組成が
    異なっている請求項１１記載の溶接方法。
13. 【請求項１３】 前記第１および第２の溶加材の少なく
    とも一方が少なくとも幾つかの貴金属を含有している請
    求項１１記載の溶接方法。
14. 【請求項１４】 前記第１および第２の溶加材が異なる
    供給速度で供給される請求項１１記載の溶接方法。