(57)【要約】      （修正有）【課題】ろう付け、クラッディング、積み上げ、充填、肉盛、溶接及び接合などの用途において消耗品の誘導加熱に使用するためのシステムを提供する。【解決手段】システム１００は、少なくとも１つのワークピース１１５を加熱して溶融パドル１４５を作り出すように構成された高強度エネルギー源１２０、１３０と、消耗品１４０を溶融パドル１４５に送給するように構成されたワイヤ送給装置１５０とを含む。システム１００は、消耗品１４０を受け取り、消耗品１４０の所定長の部分が溶融パドルに入る前に消耗品１４０の所定長を誘導加熱する誘導システム１６０、１７０も含む。【選択図】図１
0003200613.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
消耗品を誘導加熱するためのシステムであって、
少なくとも１つのワークピースを加熱して溶融パドルを作り出す高強度エネルギー源と、
前記消耗品を前記溶融パドルに送給するワイヤ送給装置を含む送給装置システムと、
前記消耗品を受け取り、前記消耗品の所定長が前記溶融パドルに入る前に前記消耗品の前記所定長を誘導加熱する誘導システムと、
を含み、
前記誘導システムは、出力電流を供給する電源を含み、
前記出力電流は、前記消耗品の前記所定長を溶融するために必要なエネルギーの少なくとも５０％を提供する、
システム。
【請求項２】
前記電源からの前記出力電流は、ワイヤ送給速度、ワイヤ種類、ワイヤ直径、前記電源の所望の電力レベル、所望の消耗温度、前記電源の出力周波数、前記電源の電圧出力及び前記電源の電流出力のうち、少なくとも１つに基づいて制御される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記出力電流は前記消耗品を溶融するために必要な前記エネルギーの８５％から９５％を提供する、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記消耗品を溶融するために必要な前記エネルギーの一部が、前記高強度エネルギー源によって提供される、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
消耗品を誘導加熱するためのシステムであって、
少なくとも１つのワークピースを加熱して溶融パドルを作り出す高強度エネルギー源と、
前記消耗品を前記溶融パドルに送給するワイヤ送給装置を含む送給装置サブシステムと、
前記消耗品を受け取り、前記消耗品の所定長が前記溶融パドルに入る前に前記消耗品の前記所定長を誘導加熱する誘導システムと、
を含み、
前記誘導システムは、前記消耗品の溶融温度の少なくとも７５％の温度で前記消耗品の前記所定長を維持する電源を含む、
システム。
【請求項６】
前記電源は前記消耗品の前記溶融温度の９０％で、あるいは９０％より高く、前記温度を維持する、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記電源は前記消耗品の前記溶融温度の９５％で、あるいは９５％より高く、前記温度を維持する、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記消耗品に作動的に接続して前記消耗品を誘導加熱する第２電源を更に含み、
前記消耗品を溶融するために必要な前記エネルギーの一部は、前記第２電源から生じる、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記温度を検出するように少なくとも１つのセンサを更に含み、
前記センサは、前記電源の出力及び前記第２電源の出力のうちの少なくとも１つを制御するように使用される、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮出願第６１／６６８，８３６号に優先権を主張し、その全体を本願の参照として取り入れる。
【０００２】
本考案は、請求項１から５に記載の消耗品を誘導加熱するためのシステムに関する。特定の実施形態は、肉盛（ｏｖｅｒｌａｙｉｎｇ）、溶接及び接合の用途におけるフィラーワイヤの誘導加熱に関する。とりわけ、特定の実施形態は、ろう付け、クラッディング、積み上げ（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｕｐ）、充填、硬化肉盛（ｈａｒｄ−ｆａｃｉｎｇ  ｏｖｅｒｌａｙｉｎｇ）、接合及び溶接のいずれかの用途のための、フィラーワイヤ送給とエネルギー源システムとの組み合わせにおいて、少なくとも誘導加熱を用いるシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来型フィラーワイヤの溶接方法（例えば、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：Ｇａｓ−Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）フィラーワイヤ方法）では、従来型アーク溶接と比較して、増大した溶着速度、質の高い溶着及び溶接速度を提供することができる。このような溶接作業において、トーチにつながるフィラーワイヤは、別の電源によって抵抗加熱され得る。ワイヤは、コンタクトチップ（ｃｏｎｔａｃｔ  ｔｕｂｅ）を介してワークピースへと送給され、コンタクトチップを超えて延在する。延長部は、抵抗加熱され、フィラーの溶融に役立つ。タングステン電極は、ワークピースを加熱及び溶接して溶接パドルを形成するために用いられ得る。電源は、フィラーワイヤを抵抗溶融（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ−ｍｅｌｔ）するために必要なエネルギーの大部分を提供する。場合によっては、ワイヤ送給はスリップする（ｓｌｉｐ）、あるいは、弱まる（ｆａｌｔｅｒ）可能性があり、ワイヤ内の電流はワイヤの先端とワークピースとの間にアークを発生させる可能性がある。このようなアークの余分な熱は、溶け落ち及びスパッタの飛散を起こす可能性がある。
【０００４】
図面を参照して、本願の以下の部分にて説明される本考案の実施形態との比較を通して、従来の伝統的な、そして提案された手法の更なる制約及び欠点が当業者に明らかになる。
【考案の概要】
【０００５】
本考案が解決すべき問題点は、溶け落ち及びスパッタの飛散を防ぐこと、かつ／あるいは、ワイヤ送給のスリップ又は弱まりを防ぐこと、ワイヤ内の電流によりワイヤの先端とワークピースとの間でアークが生じる可能性を防ぐことである。この問題は、請求項１及び５に記載の消耗品を誘導加熱するためのシステムによって解決される。本考案の好ましい実施形態は、下位の請求項の対象である。本考案の実施形態は、フィラーワイヤが溶接作業のための溶融パドルに加えられるとき、フィラーワイヤを加熱するために誘導加熱を用いるシステムを含む。システムは、少なくとも１つのワークピースを加熱して溶融パドルを作り出すように構成された高強度なエネルギー源と、消耗品を溶融パドルに送給するように構成されたワイヤ送給装置を含む送給装置システムとを含む。システムは、消耗品を受け取り、消耗品の一部が溶融パドルに入る前に消耗品の所定長を誘導加熱する、誘導システムも含む。
【０００６】
本明細書は、以下の方法も開示する。本方法は、少なくとも１つのワークピースを加熱して溶融パドルを作り出す加熱工程と、消耗品を溶融パドルに送給する送給工程とを含む。また、本方法は、消耗品の一部が溶融パドルに入る前に、消耗品の所定長を誘導加熱する工程も含む。一部の実施形態において、本方法は、少なくとも、フィラーワイヤに誘導加熱を加えている間、高強度エネルギー源からのエネルギーをワークピースに加えて、ワークピースを加熱する工程も含む。高強度エネルギー源は、レーザー装置、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ：Ｐｌａｓｍａ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）装置、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：Ｇａｓ  Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）装置、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ：Ｇａｓ  Ｍｅｔａｌ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）装置、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ：Ｆｌｕｘ  Ｃｏｒｅｄ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）装置及びサブマージアーク溶接（ＳＡＷ：Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）装置のうち、少なくとも１つを含むことができる。本方法の更なる実施形態において、温度は消耗品の溶融温度の９０％、あるいはそれ以上に維持される。他の好ましい実施形態において、温度は消耗品の溶融温度の９５％、あるいはそれ以上で維持される。
【０００７】
請求項に係る本考案の上述及びその他の特徴、並びに請求項に係る本考案の例示した実施形態の詳細が、以下の説明及び図面からより十分に理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本考案の上述及び／又は他の態様は、添付の図面を参照して、本考案の例示的な実施形態を詳細に説明することによって、より明らかになる。
【図１】ろう付け、クラッディング、積み上げ、充填、硬化肉盛、溶接のいずれかの用途のためのフィラーワイヤ送給装置とエネルギー源システムとの組み合わせの例示的な実施形態の機能的な概略ブロック図である。
【図２】本考案の例示的な誘導加熱システムの図である。
【図３】本考案の例示的な誘導加熱システムの他の図である。
【図４】本考案の例示的な実施形態に従った、例示的なろう付け、クラッディング、積み上げ、充填、硬化肉盛又は溶接のシステムの図である。
【図５】本考案の例示的な実施形態に従った、例示的なろう付け、クラッディング、積み上げ、充填、硬化肉盛又は溶接のシステムの更なる図である。
【図６】本考案の例示的な実施形態に従った、例示的なろう付け、クラッディング、積み上げ、充填、硬化肉盛又は溶接のシステムの追加的な図である。
【図７】本考案の例示的な実施形態に従った、他の例示的なワイヤ加熱システムの図である。
【考案を実施するための形態】
【０００９】
本考案の例示的な実施形態が添付の図面を参照して以下に説明される。記載された例示的な実施形態は、本考案の理解を助けることを意図し、如何なる方法における本考案の範囲を制限することを意図するものではない。同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を示す。
【００１０】
溶加材（ｆｉｌｌｅｒ  ｍｅｔａｌ）が少なくともワークピースメタルの一部と結合して、接合部を形成する溶接作業において、溶接／接合作業が一般的に複数のワークピースを一緒に接合するということが知られている。溶接作業において、生産スループットを高めたいという要望のため、標準以下の質を有する溶接にはつながらない、より速い溶接作業に対する一貫した必要性がある。これは、同様の技術を用いるクラッディング／サーフェシング作業に対しても当てはまる。以下の議論の多くが「溶接」作業及びシステムについて言及するが、本考案の実施形態は、単に接合作業に限定せず、同様にクラッディング、ろう付け、肉盛などの種類の作業にも用いることができる。更に、作業場が離れている場合などの不利な環境条件の下、素早く溶接を行うことができるシステムを提供する必要がある。以下に説明するように、本考案の例示的な実施形態は、既存の溶接技術よりも有意な利点を提供する。このような利点には、総入熱の減少によるワークピースの歪みの低減、超高速な溶接速度、非常に低いスパッタ飛散率、シールドを使用しない溶接、わずかなスパッタ飛散で、あるいは、スパッタ飛散が全くなく、めっき又はコーティングされた材料を高速で溶接すること及び高速での複合材料の溶接などを含むがこれらに限らない。
【００１１】
図１は、ろう付け、クラッディング、積み上げ、充填、硬化肉盛及び接合／溶接のいずれかの用途を行うための、フィラーワイヤ送給装置とエネルギー源のシステム１００との組み合わせの例示的な実施形態の機能的な概略ブロック図を示す。システム１００は、ワークピース１１５上にレーザービーム１１０をフォーカスさせてワークピース１１５を加熱することができる、レーザーサブシステム１３０／１２０を含む。レーザーサブシステムは高強度なエネルギー源であり、レーザービーム１１０は、溶融パドル、つまり溶接パドル１４５を作り出すワークピース１１５の部分を溶融するエネルギー密度である。レーザーサブシステムは、二酸化炭素、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ−ｄｉｓｋ、ＹＢ−ｆｉｂｅｒ、ファイバ伝送（ｆｉｂｅｒ  ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ）又はダイレクトダイオードのレーザーのシステムを含むがこれらに限らない、高エネルギーレーザー源の任意の種類でよい。更に、白色光レーザー型システム又は石英レーザー型システムが十分なエネルギーを有する場合、これらのシステムを利用することができる。システムの他の実施形態は、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、ガスメタル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、サブマージアーク溶接サブシステムなどの高強度エネルギー源として機能するもののうち、少なくとも１つを含むことができる。本明細書の以下では、レーザーシステム、レーザービーム及びレーザー電源について繰り返し言及する。しかし、これは、任意の高強度エネルギー源が利用され得るので、例示的なものである。例えば、高強度エネルギー源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を提供することができる。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、これらは互いに作動的に接続される。レーザー電源１３０は電力を提供してレーザー装置１２０を作動させる。
【００１２】
ただし、本明細書で議論されるレーザー装置１２０などの高強度エネルギー源は、所望の溶接作業のための必要なエネルギー密度を提供するのに十分な電力を有する種類であるべきである。つまり、レーザー装置１２０は、溶接工程全体における安定した溶接パドルを作り出し、かつ、維持し、所望の溶接溶け込み（ｗｅｌｄ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）に達するために十分な電力を有するべきである。例えば、一部の用途にとって、レーザーは溶接されるワークピースを「キーホール（ｋｅｙｈｏｌｅ）する」能力を有するべきである。つまり、ワークピースに沿ってレーザーが伝わるように、溶け込みレベルを維持する間、レーザーはワークピースに完全に溶け込むのに十分な電力を有するべきである。例示的なレーザーが１ｋＷから２０ｋＷの範囲の電力能力を有するべきであり、５ｋＷから２０ｋＷの範囲の電力能力を有することができる。より高い電力のレーザーを利用することができるが、費用が非常にかかる。
【００１３】
システム１００は、フィラーワイヤ送給装置１５０、誘導チューブ１６０及び誘導加熱電源１７０を含む、ホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムも有する。ホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムは、レーザービーム１１０付近におけるワークピース１１５と接触するように、少なくとも１つの抵抗性のフィラーワイヤ１４０を提供することができる。本考案の一実施形態に従って、誘導加熱電源１７０は、交流（ＡＣ：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）にフィラーワイヤ１４０が加熱されるのに適した出力周波数を提供する、ＡＣ電源である。図２に示されるように、誘導チューブ１６０は誘導コイル１１１０を収容する。誘導コイル１１１０は、誘導加熱電源１７０からＡＣを受け取る。誘導コイル１１１０を通るＡＣの流れは、フィラーワイヤ１４０内に循環する渦電流を誘起する交流磁場を作り出し、続いて交流磁場はフィラーワイヤ１４０を加熱する。一部の実施形態において、誘導コイル１１１０は銅管からできており、水を循環させることで冷却され得る。しかし、本考案は、フィラーワイヤ１４０が所望の温度を達成する限り、誘導コイル１１１０の材料の選択及び冷却によって限定されない。誘導コイル１１１０は、誘導チューブ１６０に一体化されるか、あるいは誘導チューブ１６０の表面周囲に巻きつく。もちろん、誘導チューブ１６０／誘導コイル１１１０の構成は限定されず、フィラーワイヤ１４０が溶接作業のための所望の温度を達成する限り、他の構成が使用され得る。
【００１４】
動作中、フィラーワイヤ１４０は、誘導加熱電源１７０によって誘導加熱される。誘導加熱電源１７０は、誘導チューブ１６０に作動的に接続される。フィラーワイヤ１４０は、誘導チューブ１６０を通って、フィラーワイヤ送給装置１５０からワークピース１１５に送給され、誘導チューブ１６０を超えて延在する。ワークピース１１５上に溶接パドル１４５を接触させる前に、誘導チューブ１６０を超えて延在する部分が溶融点に近づくか、あるいは達するように、フィラーワイヤ１４０は誘導加熱される。
【００１５】
フィラーワイヤ１４０は溶接パドル１４５に向けられ、かつ、影響を及ぼし、溶接ビードに必要とされるフィラー材料を提供する。大部分の溶接工程とは異なり、フィラーワイヤ１４０は、溶接工程中、溶接パドルに接触し、嵌まる。これは、この工程ではフィラーワイヤ１４０を搬送するために溶接アークを使用せず、むしろフィラーワイヤを単に溶融して溶接パドルにするからである。
【００１６】
例示的な実施形態において、フィラーワイヤ１４０は、レーザービーム１１０と同じ位置において、溶接パドルに影響を及ぼす。しかし、他の例示的な実施形態において、フィラーワイヤ１４０は、レーザービーム１１０から離れた同様の溶接パドルに影響を及ぼすことができる。図１の実施形態において、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は、ワークピース１１５を矢印の方向に移動する。このように、フィラーワイヤ１４０は、溶接作業中、レーザービーム１１０の後を追う。しかし、フィラーワイヤ１４０が先頭位置（ｌｅａｄｉｎｇ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に配置されると、これは必要ない。フィラーワイヤ１４０がレーザービーム１１０と同じ溶接パドルに影響を及ぼす限り、フィラーワイヤ１４０がレーザービーム１１０に対して他の位置に配置され得るので、本考案はこの点において限定されない。更に、移動方向におけるビームと一致するフィラーワイヤ１４０を有する必要はないが、適切なワイヤ溶融が溶接パドル１４５内で生じる限り、フィラーワイヤ１４０は任意の方向から溶接パドルに影響を及ぼすことができる。
【００１７】
フィラーワイヤ１４０は、溶融点で、あるいは溶融点付近で予熱される。従って、溶接パドル１４５におけるその存在は、はっきりと溶接パドルを冷却又は凝固せず、溶接パドル１４５にすぐに消費される。フィラーワイヤ１４０が誘導加熱されるので、ワークピース１１５に流れる加熱電流はないか、あるいは非常に少ない。従って、フィラーワイヤ１４０とワークピース１１５と間のアークの可能性は、ほぼない。
【００１８】
誘導加熱電源１７０は、フィラーワイヤ１４０を誘導溶融するために必要なエネルギーの大部分を提供する。しかし、レーザービーム１１０は、ワークピース１１５の卑金属の一部を溶融して溶接パドル１４５を形成するように機能し、ワークピース１１５上にフィラーワイヤ１４０を溶融することにも役立つ。非限定的な実施形態において、誘導加熱電源１７０は、フィラーワイヤ１４０を溶融するために必要なエネルギーの全て又はほぼ全てを提供する。例えば、一部の例示的な実施形態において、誘導加熱電源はフィラーワイヤ１４０を溶融温度の８５％から９５％内に加熱し、これによって、ワイヤの溶融の残りは、高エネルギー加熱源から生じる。本考案の特定の他の実施形態に従って、送給装置サブシステムは、１つ以上のワイヤ（図示しない）を同時に提供することができる。例えば、第１ワイヤは、表面硬化のため、及び／又はワークピースに対する耐食性の提供のために使用され得る。そして、第２ワイヤはワークピースに構造物を加えるために使用され得る。
【００１９】
上述のように、誘導コイル１１１０（図２参照）を介してフィラーワイヤ１４０を誘導加熱する誘導加熱電源１７０が提供される。この誘導加熱は、採用されるフィラーワイヤ１４０の溶融温度、あるいは溶融温度付近にフィラーワイヤ１４０を到達させるか、あるいは少なくともワイヤの溶融温度の８５％から９５％内に到達させる。もちろん、フィラーワイヤ１４０の溶融温度は、フィラーワイヤ１４０のサイズ及び化学的性質によって変わる。従って、溶接中のフィラーワイヤの所望の温度は、フィラーワイヤ１４０次第で変化する。以下で更に議論するように、所望のワイヤ温度が溶接中に維持されるように、フィラーワイヤに対する所望の動作温度は、溶接システムへのデータ入力でよい。いずれにしても、ワイヤの温度は、溶接作業中にワイヤが消費されて溶接パドルになるようにするべきである。例示的な実施形態において、ワイヤが溶接パドルに入るように、フィラーワイヤ１４０の少なくとも一部は固体である。例えば、フィラーワイヤが溶接パドルに入るようにフィラーワイヤの少なくとも３０％は固体である。
【００２０】
本考案の他の例示的な実施形態において、誘導加熱電源１７０は溶融温度の７５％の温度で、あるいは７５％より高い温度でフィラーワイヤの少なくとも一部を維持する。例えば、軟鋼のフィラーワイヤ１４０を使用するとき、ワイヤが溶接パドルに入る前のワイヤの温度は、華氏約１６００度でよい。一方で、ワイヤは華氏約２０００度の溶融温度を有する。もちろん、各溶融温度及び所望の動作温度は、フィラーワイヤの少なくとも合金、組成、直径及び送給速度により変化する。他の例示的な実施形態において、誘導加熱電源１７０は、ワイヤの溶融温度の９０％の温度で、あるいは９０％より高い温度でフィラーワイヤの一部を維持する。更に例示的な実施形態において、ワイヤ部分はその溶融温度の９５％の温度で、あるいは９５％より高い温度で維持される。ワイヤが溶接パドルに入るところで、あるいはその付近で、ワイヤに対して測定される上述の温度率を有することが望ましい。フィラーワイヤ１４０をその溶融温度付近、あるいは溶融温度で維持することによって、フィラーワイヤ１４０は容易に溶融又は消費されて、加熱源／レーザー装置１２０によって作られた溶接パドルになる。つまり、フィラーワイヤ１４０が溶接パドルと接触するとき、フィラーワイヤ１４０は溶接パドル１４５を著しく冷却しない温度である。フィラーワイヤ１４０が高温であるため、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５と接触するとき、フィラーワイヤ１４０は素早く溶融する。フィラーワイヤ１４０が溶接プールの底に達しないように、つまり溶接プールの非溶融部分と接触しないようなワイヤ温度を有することが望ましい。このような接触は、溶接の質に悪影響を及ぼす。
【００２１】
前述のように、一部の実施形態において、フィラーワイヤ１４０の完全な溶融は、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５に入ることによってのみ促進され得る。しかし、他の例示的な実施形態において、フィラーワイヤ１４０は、溶接パドル１４５とフィラーワイヤ１４０の一部に影響を及ぼすレーザービーム１１０との組み合わせによって完全に溶融され得る。本考案の更に他の実施形態において、レーザービーム１１０がフィラーワイヤ１４０の加熱に寄与するように、フィラーワイヤ１４０の加熱及び溶融は、レーザービーム１１０によって支援される。しかし、多くのフィラーワイヤ１４０が反射し得る材料で作られているので、反射型のレーザーが使用される場合、フィラーワイヤ１４０は、その表面反射率が低減されるような温度に加熱されなければならず、レーザービーム１１０がフィラーワイヤ１４０の加熱／溶融に寄与することが可能になる。この構成の例示的な実施形態において、フィラーワイヤ１４０及びレーザービーム１１０は、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５に入るところで交差する。
【００２２】
上記の議論は、図３を参照して更に理解され得る。図３には、例示的な溶接システムが示される（ただし、レーザーシステムは明確にするために図示しない）。システム１２００が示され、誘導電源１２１０（図１の参照番号１７０で図示されたものと同様の種類でよい）を有する。電源１２１０は公知の誘導電源構成でよく、例えばＡＣ電源でよい。このような電源の設計、動作及び構成は周知のため、本明細書では詳細に議論しない。電源１２１０は、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、所望のワイヤの温度、周波数、電圧及び／又は電流レベルを含むがこれらに限らないデータをユーザが入力できるようにする、ユーザ入力１２２０を含む。もちろん、他の入力パラメータが必要に応じて利用され得る。ユーザ入力であるユーザインターフェース１２２０はＣＰＵ／コントローラ１２３０に結合され、これは、ユーザ入力データを受信し、この情報を使用してパワーモジュール１２５０に必要な動作設定点又は範囲を作り出す。パワーモジュール１２５０は公知のあらゆる種類又は構成でよい。
【００２３】
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、いくつもの方法における所望の操作パラメータを決定することができる。このような実施形態において、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、例えば、ワイヤ送給速度、ワイヤの直径、ワイヤの種類といった入力データを利用して、適切にフィラーワイヤ１４０を加熱するため、電源１２１０によって誘導加熱の所望の出力レベルを決定する。これは、適切な温度にフィラーワイヤ１４０を加熱するために必要な誘導出力が、少なくとも入力パラメータに基づくからである。つまり、アルミニウムのフィラーワイヤ１４０は軟鋼の電極よりも低い溶融温度を有することができ、従って、フィラーワイヤ１４０を溶融するためには、より小さな電力が必要となる。加えて、より小さな直径を有するフィラーワイヤ１４０は、より大きな直径を有する電極よりも小さな電力を要する。また、ワイヤ送給速度が増加すると（そして溶着速度に応じて）、ワイヤを溶融するための必要な電力レベルはより高くなる。
【００２４】
図４は、本考案の更なる他の例示的な実施形態を示す。図４は、図１に図示した実施形態と同様のものを示す。しかし、特定の構成要素及び接続は明確にするために図示しない。図４にはシステム１４００を示す。システム１４００では、熱センサ１４１０が利用され、フィラーワイヤ１４０の温度を測定する。熱センサ１４１０は、フィラーワイヤ１４０の温度を検出することができる公知のあらゆる種類でよい。熱センサ１４１０は、ワイヤの温度を検出するように、フィラーワイヤ１４０と接触することができるか、あるいは誘導チューブ１６０に結合され得る。本考案の更なる例示的な実施形態において、熱センサ１４１０は、フィラーワイヤ１４０と接触せずに、例えばフィラーワイヤの直径などの小さな対象物の温度を検出することができるレーザービーム又は赤外線ビームを使用する種類である。このような一実施形態において、熱センサ１４１０は、フィラーワイヤ１４０の温度がフィラーワイヤ１４０の突出し部で検出されるように位置する。この突出し部は、誘導チューブ１６０の端部と溶接パドル１４５との間のある部分に位置する。熱センサ１４１０は、フィラーワイヤ１４０のための熱センサ１４１０が溶接パドル１４５の温度を感知しないように位置されるべきである。
【００２５】
熱センサ１４１０は、システム１４００の制御を最適化するため、温度フィードバック情報が誘導加熱電源１７０及び／又はレーザー電源１３０に提供されるように感知及び制御ユニット１９５に結合される。例えば、誘導加熱電源１７０の出力は少なくとも熱センサ１４１０からのフィードバックに基づいて調整され得る。つまり、本考案の一実施形態において、ユーザが所望の温度設定（所定の溶接及び／又はフィラーワイヤ１４０に関する設定）を入力できるか、あるいは感知及び制御ユニットが他のユーザ入力データ（ワイヤ送給速度、電極の種類など）に基づいて所望の温度を設定でき、かつ、続いて感知及び制御ユニット１９５は、少なくとも誘導加熱電源１７０の出力を制御して、所望の温度を維持することができる。
【００２６】
このような実施形態において、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５に入る前に、フィラーワイヤ１４０に影響を及ぼすレーザービーム１１０に起因して起こる可能性があるフィラーワイヤ１４０の加熱を説明することができる。本考案の実施形態において、フィラーワイヤ１４０の温度は、誘導加熱電源１７０を介してのみ制御され得る。しかし、他の実施形態において、フィラーワイヤ１４０の少なくとも一部は、フィラーワイヤ１４０の少なくとも一部に影響を及ぼすレーザービーム１１０から生じる。このように、誘導加熱電源１７０からの電力は単独で、フィラーワイヤ１４０の温度を代表するものでなくてもよい。従って、熱センサ１４１０の利用は、誘導加熱電源１７０及び／又はレーザー電源１３０の制御を介したフィラーワイヤ１４０の温度を規制するのに役立つことができる。
【００２７】
更なる例示的な実施形態において（図４にも図示）、温度センサ１４２０は溶接パドル１４５の温度を感知することを対象とする。本実施形態において、溶接パドル１４５の温度も感知及び制御ユニット１９５に結合される。温度センサ１４２０からのフィードバックは、フィラーワイヤ１４０の所望の温度を計算することに使用され、従って少なくとも誘導加熱電源１７０の出力を制御する。
【００２８】
本考案の他の例示的な実施形態において、感知及び制御ユニット１９５は、ワイヤ送給機構（図示しないが、図１の参照番号１５０を参照）に結合される送給力検出ユニット（図示しない）に結合され得る。送給力検出ユニットは公知であり、フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５に供給されるときに、フィラーワイヤ１４０に加えられる送給力を検出する。例えば、このような検出ユニットはフィラーワイヤ送給装置１５０におけるワイヤ送給モータによって印加されるトルクを観測することができる。フィラーワイヤ１４０が完全に溶融することなく、溶融された溶接パドル１４５を通過する場合、ワークピース１１５の固体部分と接触する。このような接触は、モータが設定された送給速度を維持しようとすると、送給力を増加させる。この力／トルクの増加は、検出され、感知及び制御ユニット１９５に送られる。感知及び制御ユニット１９５は、溶接パドル１４５におけるフィラーワイヤ１４０の適切な溶融を確実にするため、この情報を利用して誘導加熱電源１７０の出力を調整する。
【００２９】
図５は、本考案の他の例示的な実施形態を示す（明確化のため、ワイヤ送給機構などのシステムの一部は図示しない）。システム２４００は、誘導チューブ２１６０及びコンタクトチップ２１６５の２つの管を用いて加熱されるフィラーワイヤ１４０を含む。動作中、フィラーワイヤ１４０は、誘導加熱電源２１７０に作動的に接続された誘導チューブ２１６０とまず交差する。誘導チューブ２１６０及び誘導加熱電源２１７０は、上記で議論した誘導チューブ１６０及び誘導加熱電源１７０と同様のものである。簡潔に表現するために、上述の実施形態と関連のある差異についてのみ議論する。本実施形態において、誘導チューブ２１６０／誘導加熱電源２１７０はフィラーワイヤ１４０だけを加熱して閾値にする。閾値は所定の値でよいが、ワイヤの溶融点を下回る。このような実施形態において、ワイヤを誘導加熱することは、ワイヤの加熱の大部分、つまりフィラーワイヤ１４０を溶融するために必要なエネルギーの５０％より大きいエネルギーを提供する。一部の例示的な実施形態において、誘導加熱によりフィラーワイヤ１４０をその溶融温度の７５％から９５％の範囲内にする。更なる例示的な実施形態において、誘導加熱することは、フィラーワイヤ１４０をその溶融温度の８５％から９５％の範囲内にする。ワイヤをその溶融温度にする（あるいは、溶融温度よりわずかに低くする）ために必要な残りのエネルギーは、コンタクトチップ２１６５及び抵抗加熱電源２１７５を用いて、フィラーワイヤ１４０を抵抗加熱することによって提供される。
【００３０】
抵抗加熱電源２１７５を使用することによって、感知及び制御ユニット２１９５は、フィラーワイヤ１４０を加熱して所望の温度にするとき、より応答性が高い制御を提供することができる。しかし、フィラーワイヤ１４０を加熱する電源入力の大部分が誘導加熱することによって提供されるため、抵抗加熱電源２１７５は、フィラーワイヤ１４０を抵抗加熱して溶融温度に、あるいは溶融温度付近にするのに通常必要な電流のごく一部の提供のみを必要とする。従って、ワークピース１１５に入る電流量が比較的小さいため、アーク発生の恐れは最小限に抑えられる。
【００３１】
感知及び制御ユニット２１９５は、ワークピース１１５、誘導加熱電源２１７０、抵抗加熱電源２１７５、レーザー電源１３０、そして温度センサ２４１０、２４１５及び２１２０に作動的に接続される。誘導加熱電源２１７０と接続する感知及び制御ユニット２１９５の動作は、感知及び制御ユニット１９５と誘導加熱電源１７０に関して上述したものと類似する。しかし、本実施形態において、フィラーワイヤ１４０の温度が誘導後、所望のレベルで維持されるように、感知及び制御ユニット２１９５は誘導加熱電源２１７０の出力を制御する。ただし、もちろん誘導加熱は一般的な突出し（ｓｔｉｃｋ−ｏｕｔ）よりも大きな突出しを有するので（フィラーワイヤ１４０の端部からの距離のため）、この距離に起因するいかなる温度降下も補う誘導電流レベルを使用する必要がある。感知及び制御ユニット２１９５は、１つ以上の温度センサ２４１０、２４１５及び２４２０からのフィードバックを使用して、誘導チューブ２１６０の先端における温度を所望の温度で維持するために、誘導加熱電源２１７０に必要な調整を行う。同様に、感知及び制御ユニット２１９５は１つ以上の温度センサ２４１０、２４１５及び２４２０からのフィードバックを使用して、コンタクトチップ２１６５の先端における温度を所望の温度で維持するために、抵抗加熱電源２１７５からの出力電流を制御する。非限定的な実施形態において、コンタクトチップ２１６５の先端における所望の温度は、フィラーワイヤ１４０の溶融点又はその付近である。抵抗加熱電源２１７５は、コンタクトチップ２１６５の先端部を通った電流をフィラーワイヤ１４０に通過させ、かつ、ワークピースへと流すことができる任意の公知の構成でよい。このような電源は一般的に公知であり、ワイヤの加熱の大部分は誘導加熱から生じるため、この抵抗加熱電源はさほど大きくなくてよい。
【００３２】
加えて、感知及び制御ユニット２１９５はワークピース１１５を通った電流（Ｉ）とフィラーワイヤである消耗品１４０を通った電流（Ｉ）との間の潜在的な差異（つまり、電圧Ｖ）を測定することができる。感知及び制御ユニット２１９５は、測定された電圧及び電流から、抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（Ｐ＝Ｖ×Ｉ）を計算することができる。一般的に、フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５と接触するとき、フィラーワイヤ１４０とワークピース１１５との間の潜在的な差異は、０Ｖ又は極めて０Ｖに近い。結果として、感知及び制御ユニット２１９５は、フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５と接続するときを感知し、そして溶接中、フィラーワイヤ１４０の温度の制御に伴って、フィラーワイヤ１４０がワークピースとの接触を維持し、かつ、アークが発生しないように、感知及び制御ユニット２１９５は抵抗加熱電源２１７５と作動的に接続して、感知に応答して、抵抗性のフィラーワイヤ１４０を通る電流の流れを更に制御することができる。加えて、その全体に参照として組み込まれた「溶接のためのフィラーワイヤ送給と高強度エネルギー源との組み合わせを開始及び使用する方法及びシステム（Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｏ  Ｓｔａｒｔ  Ａｎｄ  Ｕｓｅ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  Ｆｉｌｌｅｒ  Ｗｉｒｅ  Ｆｅｅｄ  Ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）」と題する米国特許出願第１３／２１２，０２５号が、感知及び制御ユニット２１９５に組み込むことができる起動アルゴリズム及びポスト起動アルゴリズムを提供する。
【００３３】
図６は本考案の他の非限定的な実施形態を示す。システム２２００は、抵抗加熱電源２２１０を含む。抵抗加熱電源２２１０は、図５に参照番号２１７５として示すものと同様の種類でよい。電源２２１０は公知の溶接電源構造物でよく、例えばインバータ型電源などがある。このような電源の設計、動作及び構造は公知であるため、本明細書では詳細に議論しない。上記で議論した誘導電源１２１０と同様に、電源２２１０はユーザ入力２２２０を含む。ユーザ入力２２２０は、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、所望のワイヤの温度、電圧及び／又は電流レベルなどを含むがこれらに限らないデータをユーザが入力することを可能にする。もちろん、他の入力パラメータは必要に応じて利用され得る。ユーザ入力であるユーザインターフェース２２２０はＣＰＵ／コントローラ２２３０に結合される。ＣＰＵ／コントローラ２２３０は、ユーザ入力データを受信し、パワーモジュール２２５０に関する必要な操作設定点又は範囲を作り出すためにこの情報を使用する。パワーモジュール２２５０はインバータ型又はトランス型モジュールを含む、任意の公知の種類又は構成でよい。
【００３４】
上記で議論されたＣＰＵ／コントローラ１２３０と同様に、ＣＰＵ／コントローラ２２３０はルックアップテーブルの使用を含むあらゆる方法における所望の動作的パラメータを決定することができる。ＣＰＵ／コントローラ２２３０は、例えばワイヤ送給速度、ワイヤの直径及びワイヤの種類などの入力データを利用して、出力（適切にフィラーワイヤ１４０を熱するため）及び閾値電圧又は電力レベル（あるいは、電圧又は電力の許容動作範囲）に対する所望の電流レベルを決定する。フィラーワイヤ１４０を加熱して適切な温度にするために必要な電流は、少なくとも入力パラメータに基づく。ＣＰＵ／コントローラ１２３０と同様に、ＣＰＵ／コントローラ２２３０は異なる材料から作られ、かつ／あるいは、異なる直径を有するフィラーワイヤが、フィラーワイヤを溶融するために異なる電流／電力設定を必要とするという事実を説明する。もちろん、ＣＰＵ／コントローラ２２３０は、ワイヤ速度と、フィラーワイヤ１４０がフィラーワイヤ１４０の溶融温度よりも少ない割合において、誘導加熱されて所定の温度になったという事実とを考慮することもできる。
【００３５】
更に、アークの生成を防ぐように、入力データは動作のための電圧／電力の閾値及び／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２２３０によって使用される。例えば、０．０４５インチの直径を有する軟鋼の電極は、６Ｖから９Ｖの電圧範囲の設定を有することができ、この範囲では、パワーモジュール２２５０が駆動され、６Ｖから９Ｖの間で電圧を維持する。このような実施形態において、電流、電圧及び／又は電力が駆動されて最低電圧６Ｖを維持し（これは、電流／電力が電極を適切に加熱するのに十分高いということを確実にする）、電圧を９Ｖあるいは９Ｖより低く維持して、アークが全く生成されないということ、そしてフィラーワイヤ１４０の溶融温度は超えられないということを確実にする。もちろん、例えば電圧、電流、電力又は抵抗の変化といった他の設定点パラメータも、ＣＰＵ／コントローラ２２３０によって要求通りに設定され得る。
【００３６】
図示されるように、電源２２１０の正極２２２１は、コンタクトチップ２１６５に結合され、電源２２１０の負極２２２２は、ワークピース１１５に結合される。従って、加熱電流は正極２２２１を通ってフィラーワイヤ１４０に供給され、負極２２２２を通って戻される。このような構成が一般的に公知である。
【００３７】
もちろん、他の例示的な実施形態において、負極２２２２はコンタクトチップ２１６５にも接続され得る。抵抗加熱がフィラーワイヤ１４０を加熱するために使用され得るので、コンタクトチップ２１６５は、負極２２２２及び正極２２２１の両方がコンタクトチップ２１６５と結合してフィラーワイヤ１４０を加熱することができる構造でよい。例えば、コンタクトチップ２１６５は図７に図示したような二重構造を有することができる。
【００３８】
図６に図示されるように、フィードバックセンスリード２２２３も電源２２１０に接続される。このフィードバックセンスリード２２２３は電圧を測定し、検出された電圧を電圧検出回路２２４０に送ることができる。電圧検出回路２２４０は検出された電圧及び／又は検出された電圧変化率をＣＰＵ／コントローラ２２３０に伝える。ＣＰＵ／コントローラ２２３０はパワーモジュール２２５０の動作をそれに応じて制御する。例えば、検出された電圧が所望の動作範囲を下回る場合、ＣＰＵ／コントローラ２２３０は、検出された電圧が所望の動作範囲内になるまで、パワーモジュール２２５０の出力（電流、電圧及び／又は電力）を増加させるようにパワーモジュール２２５０に指示する。同様に、検出された電圧が所望の閾値又はそれ以上の閾値である場合、ＣＰＵ／コントローラ２２３０はアークが生成されないようにコンタクトチップ２１６５への電流の流れを断つよう、パワーモジュール２２５０に指示する。電圧が所望の閾値を下回る場合、溶接工程を継続するため、ＣＰＵ／コントローラ２２３０は、電流又は電圧、あるいはそれら両方を供給するよう、パワーモジュール２２５０に指示する。もちろん、ＣＰＵ／コントローラ２２３０は所望の電力レベルを維持又は供給するよう、パワーモジュール２２５０に指示することもできる。
【００３９】
ただし、電圧検出回路２２４０及びＣＰＵ／コントローラ２２３０は、図５に図示された感知及び制御ユニット２１９５と同様の構成及び動作を有することができる。本考案の例示的な実施形態において、サンプリング／検出レートは少なくとも１０ＫＨｚである。他の例示的な実施形態において、検出／サンプリングレートは１００ＫＨｚから２００ＫＨｚの範囲内である。
【００４０】
上記の実施形態において、レーザー電源、誘導加熱電源、抵抗加熱電源、そして感知及び制御ユニットは、明確化のために別々に図示される。しかし、本考案の実施形態において、これらの構成要素は単一の溶接システムに一体化して作られ得る。本考案の態様は、別々の物理的ユニット又は独立の構造物として維持されるように、上記で個々に議論された構成要素を必要としない。
【００４１】
特定の実施形態を参照して本考案を説明してきたが、当業者に理解されるように、本考案の範囲を逸脱することなく、さまざまな変形がなされ、均等物が代用され得る。また、本考案の範囲を逸脱することなく、特定の状況又は材料を本考案の教示に適応させるように、数多くの変更がなされ得る。それゆえ、本考案は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の実用新案登録請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００４２】
１００    システム
１１０    レーザービーム
１１５    ワークピース
１２０    レーザー装置
１３０    レーザー電源
１４０    フィラーワイヤ
１４５    溶接パドル
１５０    フィラーワイヤ送給装置
１６０    誘導チューブ
１７０    誘導加熱電源
１８０    モーションコントローラ
１９０    ロボット
１９５    感知及び制御ユニット
１１１０    誘導コイル
１２００    システム
１２１０    （誘導）電源
１２２０    ユーザ入力／ユーザインターフェース
１２３０    ＣＰＵ／コントローラ
１２５０    パワーモジュール
１４００    システム
１４１０    熱センサ
１４２０    温度センサ
２１２０    温度センサ
２１６０    誘導チューブ
２１６５    コンタクトチップ
２１７０    誘導加熱電源
２１７５    抵抗加熱電源
２１９５    感知及び制御ユニット
２２００    システム
２２１０    （抵抗加熱）電源
２２２０    ユーザ入力／ユーザインターフェース
２２２１    正極
２２２２    負極
２２２３    フィードバックセンスリード
２２３０    ＣＰＵ／コントローラ
２２４０    電圧検出回路
２２５０    パワーモジュール
２４００    システム
２４１０    温度センサ
２４１５    温度センサ
２４２０    温度センサ
【図１】
0003200613.tif 000003
【図２】
0003200613.tif 000004
【図３】
0003200613.tif 000005
【図４】
0003200613.tif 000006
【図５】
0003200613.tif 000007
【図６】
0003200613.tif 000008
【図７】
0003200613.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月12日(2015.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
消耗品を誘導加熱するためのシステムであって、
少なくとも１つのワークピースを加熱して溶融パドルを作り出す高強度エネルギー源と、
前記消耗品を前記溶融パドルに送給するワイヤ送給装置を含む送給装置システムと、
前記消耗品を受け取り、前記消耗品の所定長が前記溶融パドルに入る前に前記消耗品の前記所定長を誘導加熱する誘導システムと、
を含み、
前記誘導システムは、出力電流を供給する電源を含み、
前記出力電流は、前記消耗品の前記所定長を溶融するために必要なエネルギーの少なくとも５０％を提供する、
システム。
【請求項２】
前記電源からの前記出力電流は、ワイヤ送給速度、ワイヤ種類、ワイヤ直径、前記電源の所望の電力レベル、所望の消耗温度、前記電源の出力周波数、前記電源の電圧出力及び前記電源の電流出力のうち、少なくとも１つに基づいて制御される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記出力電流は前記消耗品を溶融するために必要な前記エネルギーの８５％から９５％を提供する、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記消耗品を溶融するために必要な前記エネルギーの一部が、前記高強度エネルギー源によって提供される、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
消耗品を誘導加熱するためのシステムであって、
少なくとも１つのワークピースを加熱して溶融パドルを作り出す高強度エネルギー源と、
前記消耗品を前記溶融パドルに送給するワイヤ送給装置を含む送給装置サブシステムと、
前記消耗品を受け取り、前記消耗品の所定長が前記溶融パドルに入る前に前記消耗品の
前記所定長を誘導加熱する誘導システムと、
を含み、
前記誘導システムは、前記消耗品の溶融温度の少なくとも７５％の温度で前記消耗品の前記所定長を維持する電源を含む、
システム。
【請求項６】
前記電源は前記消耗品の前記溶融温度の９０％で、あるいは９０％より高く、前記温度を維持する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記電源は前記消耗品の前記溶融温度の９５％で、あるいは９５％より高く、前記温度を維持する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記消耗品に作動的に接続して前記消耗品を誘導加熱する第２電源を更に含み、
前記消耗品を溶融するために必要な前記エネルギーの一部は、前記第２電源から生じる、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記温度を検出するように少なくとも１つのセンサを更に含み、
前記センサは、前記電源の出力及び前記第２電源の出力のうちの少なくとも１つを制御するように使用される、請求項８に記載のシステム。