(57)【要約】【課題】  従来技術の欠点を生じない溶接プロセス、溶接システム、及び溶接物品を提供すること。【解決手段】  溶接プロセス、溶接システム及び溶接物品が開示される。この溶接プロセスは、１以上の溶融ビームのエネルギーを配向して、第１の要素を第２の要素に接合し、第１の要素を第３の要素に接合するステップを含む。エネルギーの配向は、第１の要素に対して第１の外側角及び第２の外側角でなされる。溶接システムは、エネルギー放射装置、第１の溶融ビーム及び第２の溶融ビームを含む。第１の溶融ビーム及び第２の溶融ビームは、物品を通って斜めに延びるような向きにされる。レーザ溶接物品では、第１の要素が第２の要素に接合され、且つ第１の要素が第３の要素に接合される。隅肉溶接部が、第１の要素と第２の要素との間の第１のアクセス不能部分及び第１の要素と第３の要素との間の第２のアクセス不能部分内に形成される。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の溶融ビームからのエネルギーを配向して、第１の要素を第２の要素に接合し、第１の要素を第３の要素に接合するステップを含み、前記エネルギーの配向が、第１の要素に対して第１の外側角及び第２の外側角でなされる、溶接プロセス。
【請求項２】
前記１以上の溶融ビームがアクセス可能部分に配向される、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項３】
前記１以上の溶融ビームがアクセス不能部分内に延びる、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項４】
前記エネルギーを配向するステップが、重なり領域に向かってなされる、請求項３記載の溶接プロセス。
【請求項５】
前記重なり領域が前記アクセス不能部分内に延びる、請求項４記載の溶接プロセス。
【請求項６】
前記重なり領域が、前記アクセス不能部分から前記アクセス可能部分への方向で固化する、請求項４記載の溶接プロセス。
【請求項７】
前記アクセス不能部分内に隅肉溶接部が形成される、請求項４記載の溶接プロセス。
【請求項８】
第１の外側角が、第２の要素の表面と第１の溶融ビームとの間の角度である、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項９】
第２の外側角が、第３の要素の表面と第２の溶融ビームとの間の角度である、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１０】
第１の外側角と第２の外側角とが等しくない、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１１】
第１の外側角及び第２の外側角が、約１度から約８９度までの間である、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１２】
前記１以上の溶融ビームが、単一の脱焦レーザビームである、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１３】
前記１以上の溶融ビームが、第１のレーザビームと第２のレーザビームとを含む、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１４】
前記１以上の溶融ビームが電子ビームを含む、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１５】
前記１以上の溶融ビームがプラズマビームを含む、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１６】
前記プロセスが自動化される、請求項１記載の溶接プロセス。
【請求項１７】
溶接システムであって、
エネルギー放射装置と、
第１の溶融ビームと、
第２の溶融ビームと
を含み、
第１の溶融ビーム及び第２の溶融ビームが、交差することなく物品を通って斜めに延びるような向きにされる、溶接システム。
【請求項１８】
エネルギービーム分割装置を更に含む、請求項１７記載の溶接システム。
【請求項１９】
前記エネルギービームの分割部分を前記物品に再配向するように構成され且つ配置される反射装置を更に含む、請求項１８記載の溶接システム。
【請求項２０】
レーザ溶接物品であって、
第２の要素と第３の要素との間に配置された第１の要素を含み、
第１の要素が第２の要素に接合され、第１の要素が第３の要素に接合され、第１の要素と第２の要素との間の第１のアクセス不能部分、及び第１の要素と第３の要素との間の第２のアクセス不能部分を融接することによって隅肉溶接部が形成される、レーザ溶接物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接プロセス、溶接システム、及び溶接物品に関する。より詳細には、本発明は、融接（溶融溶接）に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接は、複数の材料を接合して接合物品を形成するのに用いられる継続的に開発されている技術である。溶接物品は、小型化され続ける一方で、常にますます過酷な条件に曝されている。物品の形状及び／又はサイズに起因して、溶接装置の届かない位置に溶接が必要になることが多い。周知の技術はこれらの要求に対処しようと試みているが、十分に適合することができないでいる。
【０００３】
１つの周知の溶接プロセスは、物品に配向された単一のレーザビームを用いて、材料を互いに溶接する。単一のレーザビームは、第２の材料と第３の材料との間に配置された第１の材料に直接配向される。レーザビームからのエネルギーは、第１の材料と第２の材料との間に溶接部を生成する。レーザビームからのエネルギーはまた、第１の材料と第３の材料との間に溶接部を生成する。単一のレーザビームは、第１の要素から出ることがなく、このことは、熱の蓄積を生じる可能性があるが、第１の要素と、第２の要素及び第３の要素との間に隅肉を生成せず、これにより構造的完全性の改善が妨げられる。
【０００４】
別の周知の溶接プロセスは、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接を用いる。ＴＩＧ溶接は、溶接材料を所望の溶接位置に手作業で送給して、熱を加えることが必要となる。ＴＩＧ溶接は、溶接が行われる際に、ユーザが溶接領域のサイズ及び密度を制御することを必要とする。ＴＩＧ溶接はまた、溶接プロセス中に大量の熱を加えることを必要とする。熱及びユーザ制御に起因する固有の変動性により、溶接される材料の歪み、一貫していない溶接部、低い生産性、又はこれらの組合せが生じることが多い。更に、溶接される領域へのアクセスが必要になる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５１５５３２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
当技術分野において、上記の欠点の１以上を生じることのない溶接プロセス、溶接システム、及び溶接物品が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの例示的な実施形態において、溶接プロセスは、１以上の溶融ビームからのエネルギーを配向して、第１の要素を第２の要素に接合し、別個に又は同時に第１の要素を第３の要素に接合することを含む。エネルギーの配向は、第１の要素に対して第１の外側角及び第２の外側角でなされる。
【０００８】
別の例示的な実施形態において、溶接システムは、エネルギー放射装置と、第１の溶融ビームと、第２の溶融ビームとを含む。第１の溶融ビーム及び第２の溶融ビームは、物品を通って斜めに延びるような向きにされる。
【０００９】
別の例示的な実施形態において、レーザ溶接物品は、第１の要素が第２の要素と第３の要素の間に配置される。第１の要素は第２の要素に接合され、且つ第１の要素は第３の要素に接合される。隅肉溶接が、第１の要素と第２の要素との間の第１のアクセス不能部分、及び第１の要素と第３の要素との間の第２のアクセス不能部分内に形成される。
【００１０】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例証として示す添付図面と併せて説明される好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示による、２つの溶融ビームを用いて例示的な溶接物品を生成する例示的な溶接プロセスの概略図。
【図２】本開示による、分割溶融ビームを用いて例示的な溶接物品を生成する例示的な溶接プロセスの概略図。
【図３】本開示による例示的な溶接物品の断面図。
【図４】本開示に従って溶接された物品の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
【００１３】
例示的な溶接プロセス、溶接システム及び溶接物品が提供される。本開示の実施形態は、本明細書で開示される１以上の特徴を利用しない方法及び製品と比べると、歪みを低減又は排除し、一貫性を向上させ、生産性を高め、欠陥を低減又は排除し、複数の所望の隅肉を生成し、溶融ビームが溶接領域の第１の要素内にのみエネルギー及び／又は熱を蓄積するのを防ぎ、又はこれらの組合せをもたらす。欠陥は、これらに限定されるものではないが、気孔率、要素間の融合不良、又はこれらの組合せを含む。
【００１４】
図１を参照すると、一実施形態において、溶接プロセス１００は、第１の要素１０１を配置することを含む。例えば、第１の要素１０１が、第１の要素１０１が配置される前に所定の位置に機械的に固定された１以上の材料に対して垂直に又は角度を付けて手作業で配置され、他の適切な技術により１以上の他の材料を配置する前に所定の位置に機械的に固定され、又はこれらの組合せが行われる。
【００１５】
第１の要素１０１は、シート、部材、プレート、管、押出成形品、及び／又は突出部、又は任意の適切な構成要素若しくは組立体の任意の他の部分のような、任意の部品である。好適な構成要素として、これらに限定されるものではないが、ブレード、バケット、シュラウド、タービンエンジン構成要素、他のタービン構成要素、又はこれらの組合せが挙げられる。他の好適な構成要素として、これらに限定されるものではないが、管プレート間熱交換器、熱伝達装置、他の加熱／換気／空調構成要素、又はこれらの組合せが挙げられる。一実施形態において、第１の要素１０１は、第２の要素１０２と第３の要素１０３の中間に配置され、第１の要素１０１が第２の要素１０２と第３の要素１０３の間から延びるようにされる。第１の要素１０１、第２の要素１０２、及び／又は第３の要素１０３は、１以上のシステム又は構成要素の一部分であり、又は別個の構成要素の一部分であり、類似の若しくは異なる構造体である。図４に示されるように、一実施形態において、第１の要素１０１は「ｙ」平面にあり、第２の要素１０２及び第３の要素１０３は「ｘ」平面にあり、溶接プロセス１００は「ｚ」平面において進行し、「ｚ」平面は「ｘ」平面及び「ｙ」平面に対して垂直である。
【００１６】
第１の要素１０１、第２の要素１０２、及び第３の要素１０３は、任意の好適な厚さを有する。好適な厚さは、これらに限定されるものではないが、約０．０１μｍ〜約１０μｍ、約０．１μｍ〜約１０μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約０．１μｍ〜約５μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、又はこれらの任意の好適な組合せ、部分的組合せ、範囲若しくは部分範囲を含む。
【００１７】
第１の要素１０１、第２の要素１０２、及び第３の要素１０３は、任意の好適な溶接可能材料である。第１の要素１０１は第１の材料を含む。第２の要素１０２は第２の材料を含む。第３の要素１０３は第３の材料を含む。第１の材料の組成は、第２の材料と異なるか又は同じである。第２の材料の組成は、第３の材料と異なる又は同じである。第１の材料の組成は、第３の材料と異なる又は同じである。好適な溶接可能材料は、ニッケルベースの合金、鉄ベースの合金、コバルトベースの合金及びステンレス鋼を含む。
【００１８】
再び図１を参照すると、第１の要素１０１を配置した後、溶接プロセス１００は、エネルギーをエネルギー放射装置１２０から第１の要素１０１に配向すること（ステップ１３０）に進む。このエネルギーは、レーザビーム、電子ビーム、ハイブリッドビーム、プラズマビーム、又はこれらの組合せなどの１以上の溶融ビームである。ビームは、脱焦（ｄｅｆｏｃｕｓ）又は合焦される。エネルギー放射装置１２０は、任意の好適な融接エネルギー源である。好適な融接源は、これらに限定されるものではないが、レーザ溶接装置、電子ビーム溶接装置、プラズマ／アーク溶接装置、任意の他の好適なビーム溶接装置、又はこれらの組合せを含む。
【００１９】
一実施形態において、エネルギーは、エネルギー放射装置１２０から、第１の要素１０１と第２の要素１０２との間に配置された及び／又は、第１の要素１０１と第３の要素１０３との間に配置された重なり領域１０４に配向される（ステップ１３０）。エネルギーは、図１に示されるような複数のビーム、脱焦ビーム（図示せず）、又は図２に示されるように分割装置１２５から外方に配向されて反射装置１２７により再配向された分割装置１２５によって分割された単一の溶融ビーム１２３の形で配向される（ステップ１３０）。
【００２０】
図１を参照すると、一実施形態において、エネルギー放射装置１２０からのエネルギーは、第１の溶融ビーム経路１２１に沿って進む。第１の溶融ビーム経路１２１は、第１の要素１０１の少なくとも一部分を通って延びて、これを完全に貫通する。第１の溶融ビーム経路１２１は、第２の要素１０２及びエネルギー放射装置１２０の近位の第１のアクセス可能部分１３１のような第１の側から、第３の要素１０３の近位で且つエネルギー放射装置１２０から遠位の第２のアクセス可能部分１３４のような第２の側へ第１の要素１０１を通って延びる。第１の溶融ビーム経路１２１でエネルギーを配向すること（ステップ１３０）により、第１の溶融プール１０６が生成される。一実施形態において、この第１の溶融プール１０６は、エネルギー放射装置１２０から遠位の第２のアクセス不能部分１３４から、エネルギー放射装置１２０の近位の第１のアクセス可能部分１３１に向かって冷却及び固化して、この冷却の際に融合領域（ｆｕｓｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）１０５の一部分を形成する。
【００２１】
別の実施形態において、エネルギー放射装置１２０からのエネルギーは、第２の溶融ビーム経路１２２に沿って進む。第２の溶融ビーム経路１２２は、第１の要素１０１の少なくとも一部分を通って延びて、これを完全に貫通する。第２の溶融ビーム経路１２２は、第３の要素１０３及びエネルギー放射装置１２０の近位の第２のアクセス可能部分１３２のような第１の側から、第２の要素１０２の近位で且つエネルギー放射装置１２０から遠位の第１のアクセス不能部分１３３のような第２の側へ第１の要素１０１を通って延びる。第２の溶融ビーム経路１２２でエネルギーを配向すること（ステップ１３０）により、第２の溶融プール１０７が生成される。一実施形態において、この第２の溶融プール１０７は、第１の溶融プール１０６の冷却によって形成された融合領域１０５を通過する。第２の溶融プール１０７は、エネルギー放射装置１２０から遠位の第１のアクセス不能部分１３３から、エネルギー放射装置１２０に近接する第２のアクセス可能部分１３２に向かって冷却及び固化して、この冷却の際に融合領域１０５の一部分を形成する。
【００２２】
一実施形態において、第１の溶融プール１０６及び第２の溶融プール１０７は共有の溶融プールを形成する。同時に、第１の溶融プール１０６及び第２の溶融プール１０７の冷却及び固化により、融合領域１０５が形成される。
【００２３】
１以上の隅肉１１１が溶融プールから生じる。隅肉１１１は、第１の要素１０１の第１のアクセス不能部分１３３及び第２のアクセス不能部分１３４に対応する、エネルギー放射装置１２０から遠位の重なり領域１０４内に配置される。一実施形態において、第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２は、第１のアクセス不能部分１３３及び第２のアクセス不能部分１３４内に類似の及び／又は等しい隅肉溶接部を生成する。別の実施形態において、隅肉１１１は同時に形成される。一実施形態において、脱焦レーザビーム及び／又は回転レーザを用いて、隅肉１１１のサイズが調整される。
【００２４】
エネルギーを配向する（ステップ１３０）と、プロセス１００は、第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２、及び／又は重なり領域１０４によって定められた融合領域１０５の溶接プロセス１００に進む。溶接プロセス１００は、第２の要素１０２を第１の要素１０１に接合し、第３の要素１０３を第１の要素１０１に接合して、溶接物品１１０を形成する。第１の要素１０１の突出部分１０８が、第２の要素１０２と第３の要素１０３の間からエネルギー放射装置１２０の近位に延びる。突出部分１０８は、第１の溶融プール１０６及び第２の溶融プール１０７の形成により消耗し、その結果、溶接物品１１０に突出部分１０８がなくなり、及び／又は突出部分１０８からの材料が融合領域１０５を形成する。
【００２５】
一実施形態において、溶接プロセス１００は自動化プロセスである。別の実施形態において、溶接プロセス１００は、単一の溶接操作で完了する。溶接プロセス１００は、例えば、任意の好適な所定の速度範囲内、及び／又は任意の好適な所定の電力範囲内などの任意の好適なパラメータを伴う。溶接プロセス１００に好適な速度は、約４０インチ毎分から約８０インチ毎分までの間、約４０インチ毎分から約７０インチ毎分までの間、約５０インチ毎分から約８０インチ毎分までの間、約５０インチ毎分から約７０インチ毎分までの間、又はこれらの任意の好適な組合せ、部分的組合せ、範囲若しくは部分範囲を含む。溶接プロセス１００に好適な電力は、約２キロワットから約１０キロワットまでの間、約２キロワットから約８キロワットまでの間、約３キロワットから約４キロワットまでの間、又はこれらの任意の好適な組合せ、部分的組合せ、範囲若しくは部分範囲を含む。
【００２６】
図３を参照すると、一実施形態において、溶接物品１１０は、第１の要素１０１から延びる溶接強化領域３０１、第１の要素１０１から第２の要素１０２に向かって延びる第１の幅３０２、及び第１の要素１０１から第３の要素１０３に向かって延びる第２の幅３０３をカバーする融合領域１０５を含む。融合領域１０５は、第１の要素１０１、第２の要素１０２及び第３の要素１０３を接合する。一実施形態において、融合領域１０５は、隅肉１１１を含むように延び、且つ隅肉１１１と連続している。隅肉１１１は、融合領域１０５の第１のアクセス不能部分１３３及び第２のアクセス不能部分１３４内に位置する。
【００２７】
一実施形態において、融合領域１０５は、第１のアクセス可能部分１３１と第２のアクセス可能部分１３２との間で第１の要素１０１から遠ざかるように延び、凸状幾何形状を形成する。融合領域１０５は、第２の要素１０２に沿って、第１のアクセス可能部分１３１及び第１のアクセス不能部分１３３において第１の要素１０１から遠ざかるように延びる。融合領域１０５は、第１のアクセス可能部分１３１と第１のアクセス不能部分１３３との間に凹状幾何形状を形成する。融合領域１０５は、第３の要素１０３に沿って、第２のアクセス可能部分１３２及び第２のアクセス不能部分１３４において第１の要素１０１から遠ざかるように延びる。融合領域１０５は、アクセス可能部分１３２とアクセス不能部分１３４との間に凹状幾何形状を形成する。内側部分３１１と内側部分３１２とが交わって隅肉１１１の間に凹状幾何形状を形成する。
【００２８】
図４を参照すると、一実施形態において、第１の溶融ビーム経路１２１は、第１の外側角４０３で第１の溶融ビーム入口点１０７を通って延び、第２の溶融ビーム経路１２２は、第２の外側角４０４で第２の溶融ビーム入口点１０８を通って延びる。本明細書で用いられる場合「外側角」という用語は、溶接経路４０５の意図した方向に対して垂直又は実質的に垂直な平面内の角度を指す。第１の溶融ビーム入口点１０７及び第２の溶融ビーム入口点１０８は、それぞれ第１のアクセス可能部分１３１及び第２のアクセス可能部分１３２内にある。第１の外側角４０３及び／又は第２の外側角４０４は、任意の好適な値、例えば、約１度から約８９度までの間、約３０度から約６０度までの間、約４５度から約７５度までの間、約４５度から約６０度までの間、又はこれらの任意の好適な組合せ、部分的組合せ、範囲若しくは部分範囲を有する。
【００２９】
一実施形態において、第１の溶融ビーム入口点１０７は、第２の溶融ビーム入口点１０８と互い違いに配置される。一実施形態において、第１の溶融ビーム入口点１０７は溶接開始位置４０１に位置し、第２の溶融ビーム入口点１０８は、溶接開始位置４０１から遠位で溶接終了位置４０２の近位に位置し、これにより溶接経路４０５が定められる。
【００３０】
一実施形態において、第２の溶融ビーム入口点１０８は溶接開始位置４０１に位置し、第１の溶融ビーム経路１２１は溶接物品１１０の外部に位置する。溶接プロセス１００が進行するにつれて、第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２は、溶接経路４０５に沿って溶接開始位置４０１から溶接終了位置４０２に向かって、同時に又は実質的に同時に移動する。第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２が溶接終了位置４０２に向かって移動すると、第１の溶融ビーム経路１２１は溶接開始位置４０１に達し、第１の溶融ビーム入口点１０７において溶接物品に入る。一実施形態において、第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２は、溶接開始位置４０１から溶接終了位置４０２まで別個に移動する。
【００３１】
一実施形態において、第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２は、溶接経路４０５に対して垂直な方向で見たときに、「Ｘ」形パターンで溶接物品１１０を通って斜めに延びるように向けられる。溶接開始端４０１において第１の溶融ビーム入口点１０７及び第２の溶融ビーム入口点１０８から同時に始めることにより、第１の溶融ビーム経路１２１と第２の溶融ビーム経路１２２が交差する。第１の溶融ビーム経路１２１及び第２の溶融ビーム経路１２２が第１の要素１０１を通って移動する際に、第１の溶融ビーム経路１２１が第２の溶融ビーム経路１２２に接触するのを防ぐために、第１の溶融ビーム入口点１０７と第２の溶融ビーム入口点１０８とは互い違いに配置される。
【００３２】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ、且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含するものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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