(57)【要約】      （修正有）【課題】自己潤滑溶接部又はクラッドを提供するホットワイヤ消耗品を提供する。【解決手段】ろう付け、クラッディング、肉盛、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかのためのシステム１００において、自己潤滑材料を溶着させるためのフィラーワイヤ１４０（消耗品）である。フィラーワイヤ１４０は、既知の組成と一致するベースフィラー材料から構成される。例えば、ベースフィラー材料は、多くの標準的な軟鋼ワイヤ１４０で使用される標準的な材料を含むことができる。ベースフィラー材料に加えて、消耗品１４０は、自己潤滑材料を含む。自己潤滑材料は、黒鉛粒子及び黒鉛粉末の少なくとも一方を含み、他の自己潤滑材料を含むことができる。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ホットワイヤ消耗品であって：
ベースフィラー材料、及び
２００ミクロンから４００ミクロンの範囲の呼び径を有する自己潤滑粒子及び４ミクロンから２００ミクロンの範囲の呼び径を有する自己潤滑粉末の少なくとも一方、を含む、
消耗品。
【請求項２】
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、５％から５０％の範囲の前記消耗品における組み合わせた体積百分率を示す、
請求項１に記載の消耗品。
【請求項３】
外層を形成するように前記ベースフィラー材料の上に配置されるフラックスをさらに有し、前記ベースフィラー材料は、前記フィラーワイヤの固体コア部分を形成し、
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、前記消耗品の前記外層において、前記フラックスと混合される、
請求項１又は２に記載の消耗品。
【請求項４】
前記消耗品は、固体タイプのワイヤであり、
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、前記ベースフィラー材料と混合され、前記混合物は、前記固体タイプのワイヤを形成するよう焼結される、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項５】
前記消耗品は、コア付きタイプのワイヤであり、前記ベースフィラー材料はコアの周りにシースを形成し、
前記コアは、前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方を有する、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項６】
前記コアはフラックスを有し、
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、前記コアの前記フラックスと混合される、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項７】
前記消耗品はコア付きタイプのワイヤであり、前記ベースフィラー材料並びに前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、コアの周りにシースを形成する、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項８】
前記コアはフラックスを有し、
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方の残りの部分は、前記コアの前記フラックスと混合される、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項９】
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、被覆される、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項１０】
前記被覆は、ニッケル及びニッケル合金の少なくとも一方を含み、前記被覆の厚さは、１から３０ミクロンの範囲である、
請求項９に記載の消耗品。
【請求項１１】
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方の溶融温度又は燃焼温度は、前記ベースフィラー材料の溶融温度より高い、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項１２】
前記消耗品は、前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の両方を含み、前記消耗品における前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の組み合わせた体積百分率は、５％から５０％の範囲である、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項１３】
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、黒鉛である、又は前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、黒鉛、銅、スズ、及び二硫化モリブデンの少なくとも１つである、
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項１４】
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、黒鉛、銅、スズ、及び二硫化モリブデンの少なくとも２つの組み合わせである、
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の消耗品。
【請求項１５】
前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記少なくとも一方は、黒鉛と、銅、スズ、及び二硫化モリブデンの１つとの組み合わせであり、前記消耗品における前記自己潤滑粒子及び前記自己潤滑粉末の前記消耗品の前記組み合わせた体積百分率は、５％から５０％の範囲である、
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の消耗品。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願番号第６１／６７３，５６２号の優先権を主張し、その全体をここに参照によって援用する。
【０００２】
本考案は、請求項１による、ろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかに使われるフィラーワイヤ（消耗品）に関連する。より具体的には、幾つかの実施形態は、ろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかのためのシステムで自己潤滑材料を溶着させるためにフィラーワイヤを使用するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来のアーク溶接又はサーフェシング（クラッディング等）作業では、フィラーワイヤが、高温アークを使用して材料を接合部に溶着させるために使用され得る。アークからの熱は、フィラーワイヤを溶かし、溶けたフィラーワイヤ液滴は、溶接パドルに加えられる。しかし、幾つかの材料及び組成物は、アークの使用で、容易に、又は全く移行しないので、アークの存在のために、フィラーワイヤの組成は限定され得る。これは、アークの又はアークの中に存在するアーク／プラズマ力学のための高い温度を含む、幾つかの理由に起因し得る。しかし、これらの成分の幾つかをサーフェシング作業部又は溶接接合部に溶着させることは非常に望ましく、このようなものとして、様々な組成物及びその中の成分を持つフィラーワイヤを使用することができる必要がある。
【０００４】
従来の、伝統的な、及び提案されたアプローチのさらなる制限及び欠点は、図面を参照して本出願の残りの部分に述べられる本考案の実施形態とのこのようなアプローチの比較を通じて、当業者に明らかになるであろう。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
本考案による目的は、これらの制限及び欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この問題は、請求項１によるホットワイヤ消耗品によって解決される。本考案の好適な実施形態は、従属請求項の主題である。本考案の実施形態は、ろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかのためのシステムにおいて自己潤滑材料を溶着させるために少なくとも１つのフィラーワイヤ（消耗品）を使用するためのシステム及び方法を含む。フィラーワイヤは、様々なろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途で使用される一般に知られる消耗品組成と一致するベースフィラー材料から構成される。例えば、ベースフィラー材料は、例えば、ＥＲ７０Ｓ−６のような、多くの標準的な軟鋼固体ワイヤで使用される、鉄、炭素、シリコン、ニッケル、クロム、銅、硫黄等のような標準的な材料を含むことができる。ベースフィラー材料に加えて、本考案の消耗品は、自己潤滑材料を含む。自己潤滑材料は、黒鉛粒子及び黒鉛粉末の少なくとも一方、又は限定されるものではないが、銅、スズ若しくは二硫化モリブデンを含む、摩耗するとき溶接接合部若しくはクラッド層の表面摩擦を減少させることができる他の材料を含む。
【０００７】
システムは、本考案と一致する少なくとも１つのフィラーワイヤ（消耗品）を加熱するために少なくともレーザ又はホットワイヤ電源を使用する間に少なくとも１つのワークピース（被加工物）を加熱する高強度エネルギ源を含む。方法は、本考案と一致する少なくとも１つのフィラーワイヤ（消耗品）を加熱するために少なくともレーザ又はホットワイヤ電源を使用する間に少なくとも１つのワークピース（被加工物）を加熱するために、高強度エネルギ源から少なくとも１つのワークピースにエネルギを加えることを含む。高強度エネルギ源は、レーザ装置、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）装置、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）装置、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）装置、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）装置、及びサブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）装置の少なくとも１つを含み得る。
【０００８】
請求項に記載される考案のこれらの及び他の特徴、並びにそれらの説明される実施形態の詳細は、以下の説明及び図面からより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本考案の上述の及び／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記載することによってより明らかになるであろう。
【図１】ろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかのための組み合わせフィラーワイヤフィーダ及びエネルギ源システムの例示的な実施形態の機能概略ブロック図を示す。
【図２Ａ】図１のシステムに使用されることができるフィラーワイヤの例示的な実施形態を示す。
【図２Ｂ】図１のシステムに使用されることができるフィラーワイヤの例示的な実施形態を示す。
【図３Ａ】図１のシステムに使用されることができるフィラーワイヤの例示的な実施形態を示す。
【図３Ｂ】図１のシステムに使用されることができるフィラーワイヤの例示的な実施形態を示す。
【図４】図１のシステムに使用されることができるフィラーワイヤの例示的な実施形態を示す。
【図５Ａ】図２Ａ及び３Ａに示されたフィラーワイヤの例示的な実施形態を使用して形成されることができる例示的な溶接部の断面図を示す。
【図５Ｂ】図２Ｂ及び３Ｂに示されたフィラーワイヤを使用して形成されることができる例示的な溶接部の断面図を示す。
【図６】図４に示されたフィラーワイヤを使用して形成されることができる例示的な溶接部の断面図を示す。
【図７】ろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかのための組み合わせフィラーワイヤフィーダ及びエネルギ源システムの例示的な実施形態の機能概略ブロック図を示す。
【図８Ａ】例示的なクラッド層を描き、本考案の実施形態の使用を描く。
【図８Ｂ】例示的なクラッド層を描き、本考案の実施形態の使用を描く。
【考案を実施するための形態】
【００１０】
本考案の例示的な実施形態が次に、添付の図面を参照して以下に記載される。記載される例示的な実施形態は、本考案の理解を助けることが意図され、如何なる方法でも本考案の範囲を制限することは意図されない。以下の議論の多くは「溶接」作業及びシステムに言及しているが、本考案の実施形態は、接合作業にだけ限られるものではなく、同じように、クラッディング、ろう付け、肉盛溶接等の―タイプの作業に使用されることができる。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を示す。
【００１１】
本考案及び応用の目的に関して、用語「自己潤滑」は、溶接又はクラッド層が摩耗するとき溶接接合部又はクラッド層の表面摩擦を減少させる材料を示す。
【００１２】
溶接／接合作業は典型的には、フィラー材料が接合部を形成するようにワークピース金属の少なくとも幾つかと結合される溶接作業において複数のワークピースを接合する。このような作業では、フィラー材料は、ワークピースと正確な組成でない可能性がある。したがって、接合部がワークピースの残りと比べて異なる特性を有することは珍しくはない。例えば、接合部の表面摩擦は非常に高くなり得るのに対して、ワークピースの表面摩擦は非常に低い。このような場合、ワークピースと一致する表面摩擦を生み出す自己潤滑材料（例えば、黒鉛）から構成される接合部を有することが望ましい。さらに、ワークピースの表面摩擦にかかわらず、減少した摩擦表面を提供するように、溶接接合部及び／又はサーフェシング又はクラッディングを使用することは有益であり得る。しかし、従来の方法は、フィラー材料を移行させるためにアークを使用するため、このような自己潤滑材料をフィラー材料に加える能力は、自己潤滑材料が、溶接パドル（溶融池）に溶着されるのではなく、アークの中で消費され得るので、限定され得る。以下に記載されるように、本考案の実施形態は、溶接部の中に自己潤滑材料を溶着させることができ、既存の溶接技術に勝る著しい利点を提供する。
【００１３】
以下の議論の大半は、潤滑剤として黒鉛又は黒鉛粉末を使用することを議論しているが、これは、例示的であることが意図され、他の低摩擦材料が、本考案の実施形態において使用されることができ、以下の議論において置換されることができることが留意されるべきである。このような材料は、銅、スズ、及び二硫化モリブデン、並びに他の既知の摩擦を低減させる材料を含み得る。
【００１４】
図１は、ろう付け、クラッディング、充填、表面硬化肉盛、溶接、及び接合用途のいずれかのための組み合わせフィラーワイヤフィーダ及びエネルギ源システム１００の例示的な実施形態の機能概略ブロック図を示す。システム１００は、溶接パドル１４５を形成するようにワークピース１１５を加熱することができる高エネルギ熱源を含む。高エネルギ熱源は、互いに動作可能に接続されるレーザ装置１２０及びレーザ電源１３０を含むレーザサブシステム１３０／１２０であることができる。レーザ１２０は、レーザビーム１１０をワークピース１１５の上に焦点を合わせることができ、電源１３０はレーザ装置１２０を動作させるように電力を供給する。レーザサブシステム１３０／１２０は、限定されるものではないが、炭酸ガス、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ−ディスク、ＹＢ−ファイバ、ファイバ供給、ダイレクトダイオードレーザシステムを含む、任意のタイプの高エネルギレーザ源であることができる。さらに、十分なエネルギを有する場合、白色光又は石英レーザタイプのシステムでさえ使用されることができる。例えば、高強度エネルギ源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を供給することができる。
【００１５】
以下の詳述は、繰り返しレーザサブシステム１３０／１２０、ビーム１１０及びレーザ電源１３０に言及するが、任意の高強度エネルギ源が使用され得るので、これらの参照は例示であることが理解されるべきである。例えば、高エネルギ熱源の他の実施形態は、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、及びサブマージドアーク溶接サブシステムの少なくとも１つを含み得る。ここで議論されるレーザ装置１２０のような高強度エネルギ源は、所望の溶接作業に関して必要なエネルギ密度を供給するのに十分な出力を有するタイプのものであるべきであることが留意されるべきである。すなわち、レーザ装置１２０は、溶接プロセスの間ずっと安定して溶接パドルを作るとともに維持するように、及び所望の溶け込みに達するように、レーザ電源（又は他のソース）からエネルギを変更する能力を有するべきである。例えば、幾つかの用途のために、レーザは、溶接されるワークピースに「キーホール」を作る能力を有するべきである。これは、レーザがワークピースに沿って移動するとき侵入のレベルを維持しながら、レーザが、ワークピースに（完全に又は部分的に）侵入するのに十分な出力を有するべきであることを意味する。例示的なレーザは、１から２０ｋＷの範囲の出力能力を有するべきであり、５から２０ｋＷの範囲の出力能力を有し得る。他の例示的な実施形態では、出力密度は、１０５から１０８ワット／ｃｍ２の範囲であることができる。より高い出力のレーザが利用されることができるが、非常に高価になり得る。
【００１６】
システム１００はまた、レーザビーム１１０の近くでワークピース１１５と接触するように少なくとも１つの抵抗フィラーワイヤ１４０を供給することができるホットフィラーワイヤフィーダサブシステムも含む。もちろん、ここでワークピース１１５を参照することによって、溶融パドル、すなわち溶接パドル１４５は、ワークピース１１５の一部とみなされ、したがって、ワークピース１１５との接触への言及は、パドル１４５との接触を含むことが理解される。ホットフィラーワイヤフィーダサブシステムは、フィラーワイヤフィーダ１５０、コンタクトチューブ１６０、及びホットワイヤ電源１７０を含む。本考案の実施形態によれば、ホットワイヤ溶接電源１７０は、（例えば、パルス駆動され得る）直流（ＤＣ）電源であるが、交流（ＡＣ）又は他のタイプの電源も可能である。ワイヤ１４０は、ワイヤフィーダ１５０からコンタクトチューブ１６０を通ってワークピース１１５に向かって送給され、チップ１６０を超えて延びる。動作中、フィラーワイヤ１４０の延長部分は、ホットワイヤ電源１７０からの電流によって抵抗加熱され、このホットワイヤ電源はコンタクトチューブ１６０とワークピース１１５との間を動作可能に接続する。ワークピース１１５の溶接パドル１４５に入る前に、ワイヤ１４０の延長部分は、延長部分がワークピース１１５の溶接パドル１４５に接触する前に融点に近づく又は到達するように、抵抗加熱され得る。フィラーワイヤ１４０は、その融点又はその近くに加熱されるので、溶接パドル１４５内のその存在は、パドル１４５を感知できるほど冷却又は凝固させず、ワイヤ１４０は溶接パドル１４５に素早く吸収される。レーザビーム１１０（又は他のエネルギ源）は、溶接パドル１４５を形成するためにワークピース１１５のベース金属の幾つかを溶かすように及びワークピース１１５へのワイヤ１４０の溶融を完了させるように働く。しかし、電源１７０は、フィラーワイヤ１４０を溶融温度まで又は同温度の近くに抵抗加熱させるのに必要なエネルギを供給する。
【００１７】
システム１００はまた、センシング及び制御ユニット１９５も含む。センシング及び制御ユニット１９５は、システム１００において溶接プロセスを制御するために、電源１７０、ワイヤフィーダ１５０、及び／又はレーザ電源１３０に動作可能に接続されることができる。“Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｏ  Ｓｔａｒｔ  Ａｎｄ  Ｕｓｅ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  Ｆｉｌｌｅｒ  Ｗｉｒｅ  Ｆｅｅｄ  Ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ”と題する、米国特許出願番号第１３／２１２、０２５号は、その全体が参照により援用され、システム１００を動作させるためにセンシング及び制御ユニット１９５で援用され得る例示的な起動及び起動後の制御アルゴリズムを提供する。
【００１８】
多くの溶接プロセスとは異なり、本考案は、加熱し、溶融させ及びフィラーワイヤ１４０を溶接パドル１４５に移行させるために、溶接アークを使用するのではなく、フィラーワイヤ１４０を溶接パドル１４５に溶かす。アークがここに記載されるプロセスではフィラーワイヤ１４０の移行のために使用されないので、フィラーワイヤは、次の凝固でパドルの中に存在しないような通常アークで消費される又はアークと相互作用する材料を含むことができる。例えば、フィラーワイヤ１４０は、溶接部の表面摩擦を減少させるために、黒鉛のような、自己潤滑材料を含み得る。これらの構造は、アークにおける加熱又は化学的活性のために、それらの構造、組成、及び／又は特性が変化し得る。用語「自己潤滑」は、概して低い摩擦レベルを有するとともに典型的には機械的な構成要素の間の摩擦のレベルを減少させるために使用される、限定されるものではないが黒鉛を含む、材料又は組成物を意味することが意図されることが留意されるべきである。したがって、以下の記載はまた、ここに記載される粒子を記載するために用語「低摩擦」も使用する。どちらの場合も、用語は、ワークピース及び／又は凝固したパドル１４５より小さい摩擦レベルを有する材料を記載することが意図される。
【００１９】
本考案の幾つかの例示的な実施形態では、自己潤滑材料は、小さい黒鉛粒子から構成される。図２Ａに示されるように、フィラーワイヤ１４０は、ベースフィラー材料１４１から構成され、このベースフィラー材料は、溶接プロセスに適切な任意の標準的なフィラー材料であり得る。例えば、ベースフィラー材料１４１は、例えば、ＥＲ７０Ｓ−６のような、多くの標準的な軟鋼固体ワイヤで使用される、鉄、炭素、シリコン、ニッケル、クロム、銅、硫黄等のような標準的な材料を含むことができる。ベースフィラー材料に加えて、本考案の消耗品は、自己潤滑材料を含む。例えば、ベースフィラー材料１４１に埋め込まれるのは、例えば、５ミクロンから２００ミクロンの範囲の、呼び径を有することができる黒鉛粒子１４２であり、他の実施形態では、粒子は、より大きく、２００ミクロンから４００ミクロンの範囲の呼び径を有し得る。もちろん、粒子が溶着され得るとともに所望の性能を提供し得る限り、他の粒子サイズが、本考案の範囲から離れることなしに使用することができる。幾つかの実施形態では、黒鉛粒子は、それらがあまりに速くパドル母材と反応／混合しないように十分大きい。例えば、幾つかの例では、黒鉛は、（酸化鉄のような）酸化物と反応しＣＯを出し、これは不利であり得る。フィラー材料１４１内の黒鉛粒子１４２の密度は、ワークピースが遭遇する環境に依存する。例えば、フィラー材料１４１内の黒鉛粒子１４２の密度は、他の物体又は材料がその表面でスライドしている環境に曝されるワークピースに関して、より研磨されない環境にあるワークピースより、高い。本考案の例示的な実施形態では、ワイヤ１４０内の黒鉛粒子の体積百分率は、５％−３０％の範囲にある一方、他の実施形態では、範囲は５から５０％であり得る。しかし、実施形態は、完成したワークピースのための環境に依存して、異なる密度を有する。図２Ｂに示されるような、他の例示的な実施形態では、黒鉛粉末１４３が、フィラーワイヤ１４０を作るためにフィラー材料１４１と混合される。黒鉛粉末１４３は、黒鉛粒子１４２より細かく、黒鉛粉末１４３は、５から２００ミクロンの範囲の呼び径を有することができ、他の実施形態では、２０から１００ミクロンの範囲の呼び径を有する。加えて、ワイヤ１４０内の黒鉛粉末の体積百分率は、５％から５０％の範囲にあることができる。もちろん、フィラーワイヤ１４０は、黒鉛粒子１４２及び黒鉛粉末１４３の組み合わせを含み得るとともに、組み合わせた体積百分率は５％から５０％の範囲にある。前述の範囲は、使用される自己潤滑材料、例えば、銅、スズ若しくは二硫化モリブデン、又は他の材料にかかわらず、同じであることが留意される。埋め込まれた黒鉛粒子１４２及び／又は黒鉛粉末１４３を含む、フィラーワイヤ１４０は、黒鉛粒子又は黒鉛粉末をフィラー金属粉末と混合し次にそれらを焼結させるような、既知の方法を使用して製造され得る。以下の議論はしばしば「黒鉛」に言及するが、これは単に、前述されたような、使用されることができる他の低摩擦材料としての例示であることが意図されることが留意されるべきである。加えて、自己潤滑材料の混合物が使用されることができる。例えば、消耗品は、黒鉛、銅、スズ、若しくは二硫化モリブデン、又は他の低摩擦材料のいずれか２以上を含む、異なる種類の自己潤滑材料の組み合わせを使用し得る。組み合わせは、異なる材料の任意の比を使用することができ、例えば、材料は、５０％の自己潤滑材料が一方のタイプであるとともに他の５０％がもう一つのタイプであるような１対１の比を有することができる。もちろん、実施形態は他の比を有することができ、使用される各材料それぞれに対して任意の粒子及び粉末サイズの混合物を含むことができる。しかし、構成要素及び材料の混合物に関わらず、組み合わせた体積百分率は、上述のように５から５０％の範囲に留まるべきである。
【００２０】
上述の実施形態では、黒鉛粒子１４２及び／又は黒鉛粉末１４３は、ベースフィラー材料１４１組成物に混合又は埋め込まれ、固体型フィラーワイヤと同様に製造される。しかし、本考案の幾つかの実施形態では、フィラーワイヤは、有芯である。図３Ａ及び３Ｂに示されるように、フィラー材料１４１は、フラックス１４４で充填されたコア（芯）の周りにシースを形成する。この例示的な実施形態では、黒鉛粒子１４２及び／又は黒鉛粉末１４３は、フィラー材料１４１の替わりに（加えて）フラックス１４４に混合される又は埋め込まれることができる。本考案の他の実施形態では、フラックス１４４は、ワイヤ１４０Ａに含まれず、黒鉛粒子１４２及び／又は黒鉛粉末１４３のみがコア材料内に存在する。コア材料は、アーク溶接有芯電極に使用されるフラックス材料と同様に製造されることができる。例えば、コアは、摩耗低摩擦粒子及び／又は粉末もフラックス材料に加えられることを除いて、既存のフラックス入り電極と同様の組成を有する粒状フラックスであることができる。さらなる例示的な実施形態では、ワイヤ１４０Ａの構造は、シース１４１及びコアのそれぞれが固定であるが、コアはここに記載されるように低摩擦粒子（例えば、黒鉛）を含む固体組成物を有する、メタルコアードワイヤのものと同様である。さらに、本考案の例示的な実施形態は、低摩擦粒子を持つフラックスが固体コア部分の上に置かれるワイヤ１４０Ａの外層にあることができるように、図示された構造に限定されない。この構造は、自己遮蔽棒電極のものと同様であり、この棒電極は、固体コアの外面に被覆されるフラックスを有する。
【００２１】
図５Ａは、図２Ａ又は３Ａに示されるフィラーワイヤを使用して溶着された自己潤滑材料を含む溶接ワイヤ１４０Ｃの断面図を示す。同様に、図５Ｂは、図２Ｂ又は３Ｂに示されるフィラーワイヤを使用して溶着された自己潤滑材料を含む溶接部の断面図を示す。図５Ａ及び５Ｂに示されるように、自己潤滑材料は、溶接部の全体に渡って見つけ出される。したがって、ホットワイヤ消耗品１４０Ａ−Ｃが溶接パドルに溶着されるにつれて、低摩擦材料が溶融パドルの全体に渡って分散され、パドルが凝固するとき、粒子は全体に渡って分散される。図５Ａ及び５Ｂは典型的な溶接接合部を示しているが、本考案の実施形態は、ワイヤがクラッディング／サーフェシング作業にも使用されることができ、他の溶接接合のタイプに使用されることができるので、この点に限定されないことが留意される。これらの図面は例示であることが意図される。例えば、これらの図は、例示的な溶接接合部を描き、本考案の実施形態は、本考案の精神又は範囲から離れることなしに、クラッディング又は肉盛溶接作業に対して使用されることができる。接合部全体に渡る低摩擦粒子の分散を用いて、接合部が、露出、機械的な摩擦、等を通じてすり減るとき、接合部／溶着部は、接合部／溶着部の低摩擦特性がその厚さに全体に渡って比較的一貫性があるように、粒子の追加の層を一貫して露出させる。例えば、フィラーがクラッディング／サーフェシング作業に使用される場合、クラッディングが擦り減るにつれて、新しい粒子が露出し、したがって、クラッディング層の厚さ全体に渡って、一貫した低摩擦特性を提供する。
【００２２】
他の例示的な実施形態では、上層（すなわち、溶接ビードの最後のパス）のみが低摩擦材料を含むようにワイヤ１４０Ａ−Ｃが充填プロセスの最後に使用されるようなプロセスが使用されることができる。
【００２３】
もちろん、自己潤滑又は低摩擦材料（例えば、黒鉛）及びフィラー材料は、同じフィラーワイヤ１４０Ａ−Ｃに含まれる必要はない。（ここでのワイヤ１４０への参照は、ここに開示されるワイヤの全ての実施形態、例えば１４０Ａ／Ｃ、を含むことが意図される。）アークがフィラーワイヤ１４０（１４０Ａ）を溶接パドル１４５に移行させるために使用されないので、フィーダサブシステム１５０は、本考案の幾つかの他の実施形態にしたがって、１より多いワイヤをパドルに同時に供給するように構成されることができる。例えば、第１のワイヤが、自己潤滑材料（例えば、黒鉛粒子１４２又は黒鉛粉末１４３）をワークピース１１５に溶着させるために使用され得るとともに、第２のワイヤが構造をワークピースに加えるために使用され得る。第１又は第２のワイヤはまた、硬化肉盛り及び／又はワークピース１１５に耐腐食性を提供するためにも使用され得る。加えて、１より多いフィラーワイヤを任意の１つの溶接パドルに向けることによって、溶接プロセスの全体的な溶着速度は、入熱の著しい増加なしに、著しく増加されることができる。したがって、開放ルート溶接接合部が単一の溶接パスで充填されることが考えられる。さらに、他の例示的なマルチワイヤの実施形態では、ワイヤの１つ（例えば、先導ワイヤ）が、溶接接合部の母材に溶着されることができる一方、任意の追加的なワイヤが、ここに記載されるような耐摩耗粒子を加える。このような実施形態は、特定の状況のために所望の性能を提供するように、ビード特性又は化学的性質をカスタマイズする又は適合させる能力を提供することができる。
【００２４】
上述のように、フィラーワイヤ１４０（１４０Ａ）は、アーク無しで溶接パドル１４５に溶ける。したがって、ワイヤ１４０（１４０Ａ）は、８，０００°Ｆの高さであり得る、アークの極度の熱を受けない。しかし、フィラーワイヤ１４０（１４０Ａ）の溶融温度は、ワイヤ１４０（１４０Ａ）のサイズ及び化学的性質によって変化し、１，５００°Ｆを超え得る。したがって、本考案の幾つかの例示的な実施形態では、低摩擦粒子は、残りのフィラーワイヤ組成物のものより高い溶融／燃焼温度を有するべきである。本出願の目的に関して、燃焼温度は、材料の蒸発又は沸騰温度であり得る。これは、低摩擦粒子の完全な状態が損なわれる前にワイヤが解けることを確実にするのに役立つ。しかし、低摩擦材料が、粒子のものより高い溶融温度を有する（又はパドル温度が粒子の溶融／燃焼温度より高い）フィラーワイヤ内に含まれる範囲で、フィラーワイヤ１４０Ａ／Ｃ内の粒子は、フィラーワイヤ１４０Ａ／Ｃの溶融温度に基づいて保護される必要があり得る。
【００２５】
例えば、上述の幾つかの例示的な実施形態は、耐摩耗材料として黒鉛を使用する。黒鉛は、酸素の存在下で燃焼することができ、二酸化炭素を形成する。約２１％が酸素である、空気中で、黒鉛は約１，５５０°Ｆで燃焼する。したがって、溶融パドル１４５の温度及び／又はワイヤ１４０の融点が、黒鉛が燃焼する温度を超える状況では、フィラーワイヤ１４０（１４０Ａ）内のグラファイトを酸素に曝さないように注意が払われなければならない。
【００２６】
幾つかの例示的な実施形態では、フィラーワイヤ１４０（１０４Ａ）は、溶接領域を酸素から保護するフラックスを含むことができる。このような実施形態では、フラックスは、溶接領域を雰囲気からシールドするために溶接領域の上に保護スラグを形成し得る及び／又は溶接領域を保護するために二酸化炭素を形成し得る。このようなフラックスコーティングは、一般的に知られており、しばしば自己遮蔽電極とともに使用される。幾つかの例示的な実施形態では、フラックスは、フィラーワイヤ状のコーティング（図示せず）である。他の実施形態では、フラックスは、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、フィラーワイヤのコアに配置される。このようなフラックスの組成は、一般的に知られており、ここでは議論されない。他の例示的な実施形態では、システム１００は、作業中に作業を雰囲気から遮断するために、シールドガスをパドル１４５に供給するシールドガスシステムを含むことができる。シールドガスは、アルゴンのような、不活性ガスであることができ、酸素を含まない既知のシールドガスを一般的に使用することができる。
【００２７】
さらに他の例示的な実施形態では、低摩擦粒子１４２は、粒子を存在し得る如何なる酸素からも隔離するために、又は粒子をパドル１４５の熱及び／又はワイヤの加熱から隔離するために、被覆され得る。例えば、図４に示されるように、粒子１４２は、適切なコーティング１４６を使用して被覆又はカプセル封入される。幾つかの例示的な実施形態では、コーティング１４６は、ニッケル又はニッケル合金のような金属合金であり得る。例示的な実施形態では、被覆厚さは、１から３０ミクロンの範囲にあることができ、他の例示的な実施形態では、５から３０ミクロンの範囲であることができ、厚さは、被覆される粒子のサイズに依存し得る。もちろん、本考案は、この範囲から外れる被覆厚さを含むことができる。幾つかの実施形態では、その溶融温度がフィラー材料１４１及び／又は溶接パドル１４５の溶融温度を上回るコーティング１４６が選択される。したがって、コーティング１４６はこれらの実施形態において溶けないので、粒子１４２は、溶接プロセス中に雰囲気に曝されない。代替的には、他の実施形態では、コーティング１４６は、フィラーワイヤ１４０（１４０Ａ）が溶接パドル１４５と接触した後のみ溶け、この溶接パドルはコーティング１４６の融点を上回る温度に維持される。コーティング１４６が溶ける前に、粒子１４２は既に溶接パドル１４５内にあるので、雰囲気への露出、したがって、黒鉛の如何なる燃焼も制限される。もちろん、フラックス及び不活性ガスもまた、溶接パドル１４５の周りの任意の酸素を置換又は消費することによって雰囲気への粒子の露出をさらに制限するために使用され得る。
【００２８】
さらに、コーティングは、パドル１４５からの熱及びワイヤの加熱が粒子に達するのを防ぐ熱バリアとして働く。このようなものとして、コーティング１４６は、低摩擦粒子を保護する熱バリアを提供する材料及び厚さであることができる。すなわち、幾つかの実施形態では、コーティング１４６は、粒子が熱によって破壊される前にパドルが冷却するとともに凝固するように、熱の移動に抵抗する組成物であることができる。さらに、コーティング１４６は、コーティング１４６の少なくとも一部が溶けて溶接パドルに吸収されるが、コーティング１４６の少なくとも一部はパドルを冷却するとき粒子に残るような厚さ及び組成であることができる。したがって、コーティング１４６は、パドル１４５と適合するが、パドルからの及びワイヤ１４０の熱が低摩擦粒子を破壊することも防ぐ組成であることができる。上述のように、このような材料は、粒子がワイヤ１４０に混合される前に粒子に付着されるニッケル又はニッケル合金であることができる。様々な製造方法が、粒子を被覆するために使用されることができ、蒸着の使用、又は他の同様の被覆方法を含む。図６は、図４に示されるフィラーワイヤを使用して溶着された被覆された低摩擦材料を含む溶接部の断面図を示す。
【００２９】
上述の実施形態では、ワイヤ１４０（１４０Ａ）及び／又は溶接パドル１４５の温度は、溶着される自己潤滑材料のタイプに依存する重要な作業パラメータであることができる。したがって、図７に示されるような本考案のさらに他の例示的な実施形態では、システム１４００は、ワイヤ１４０（１４０Ａ，１４０Ｃ）の温度を監視するために利用される温度センサ１４１０を含む。システム１４００は、システム１００と同様であり、簡潔さのために、関連した違いのみが議論される。温度センサ１４１０は、ワイヤ１４０（１４０Ａ）の温度を検出できる任意の既知のタイプであり得る。センサ１４１０は、ワイヤ１４０（１４０Ａ）と接触することができる又は、ワイヤの温度を検出するために、コンタクトチューブ１６０の先端に結合されることができる。本考案のさらなる例示的な実施形態では、センサ１４１０は、ワイヤ１４０（１４０Ａ）に接触することなしに−フィラーワイヤの直径のような−小さい物体の温度を検出できるレーザ又は赤外線ビームを使用するタイプである。このような実施形態では、センサ１４１０は、ワイヤ１４０（１４０Ａ）の温度が、ワイヤ１４０（１４０Ａ）から出る棒で−すなわち、コンタクトチューブ１６０のチップの端部と溶接パドル１４５との間のある点で−検出されることができるように、配置される。センサ１４１０はまた、ワイヤ１４０（１４０Ａ）のためのセンサ１４１０が溶接パドル１４５の温度を感知しないように配置されるべきである。
【００３０】
センサ１４１０は、システム１４００の制御が最適化され得るよう、温度フィードバック情報が、電源１７０、レーザ電源１３０、及び／又はワイヤフィーダ１５０に供給されることができるように、センシング及び制御ユニット１９５に結合される。例えば、電源１７０の電力又は電流出力は、少なくともセンサ１４１０からのフィードバックに基づいて調整されることができる。すなわち、本考案の実施形態では、ユーザが（与えられた溶接部及び／又はワイヤ１４０（１４０Ａ）のための）所望の温度設定を入力することができるかセンシング及び制御ユニット１９５が他のユーザ入力データ（自己潤滑材料のタイプ、自己潤滑材料のコーティング、ワイヤ送給速度、電極タイプ等）に基づいて所望の温度を設定することができるかのどちらかであり、その後、センシング及び制御ユニット１９５は、その所望の温度に維持するように、少なくとも電源１７０、レーザ電源１３０、及び／又はワイヤフィーダ１５０を制御する。
【００３１】
このような実施形態では、ワイヤ１４０（１４０Ａ）が溶接パドル１４５に入る前にレーザビーム１１０がワイヤ１４０（１４０Ａ）に衝突することに起因して生じ得るワイヤ１４０（１４０Ａ）の加熱を説明することができる。本考案の実施形態では、ワイヤ１４０（１４０Ａ）の温度は、ワイヤ１４０（１４０Ａ）の電流を制御することによって電源１７０のみを介して制御されることができる。しかし、他の実施形態では、ワイヤ１４０（１４０Ａ）の加熱の少なくとも一部は、少なくともワイヤ１４０（１４０Ａ）の一部に衝突するレーザビーム１１０から生じ得る。このようなものとして、電源１７０からの電流又は電力単独では、ワイヤ１４０（１４０Ａ）の温度を表し得ない。そのようなものとして、センサ１４１０の利用は、電源１７０、レーザ電源１３０及び／又はワイヤフィーダ１５０の制御を通じてワイヤ１４０（１４０Ａ）の温度を調整するのに役立つことができる。
【００３２】
さらなる例示的な実施形態（図７にも示される）では、温度センサ１４２０が、溶接パドル１４５の温度を感知するように向けられる。この実施形態では、溶接パドル１４５の温度もまた、センシング及び制御ユニット１９５に連結される。しかし、他の例示的な実施形態では、センサ１４２０は、レーザ電源１３０に直接連結されることができる。センサ１４２０からのフィードバックが、レーザ電源１３０／レーザ１２０からの出力を制御するために使用されることができる。すなわち、レーザビーム１１０のエネルギ密度は、所望の溶接パドル温度が達成されることを確実にするように変更されることができる。
【００３３】
図１及び７では、レーザ電源１３０、ホットワイヤ電源１７０、ワイヤフィーダ１５０、並びにセンシング及び制御ユニット１９５が明確さのために別々に示されている。しかし、本考案の実施形態では、これらの構成要素は、単一の溶接システムに一体にされることができる。本考案の態様は、別々の物理的なユニット又はスタンドアローン構造として保たれることになる上述の個別の議論された構成要素を必要としない。
【００３４】
図８Ａ及び８Ｂは、本考案の実施形態を用いて作られることができる例示的なクラッド層を描く。図８Ａは、母材（マトリックス）全体に渡って分散された粒子を持つワークピース上のクラッド層を示す。図示されるように、クラッド層が摩耗するにつれて、クラッド層がクラッド層の全厚さに渡って潤滑を提供することができるように、新しい粒子が連続的に露出する。同様に、図８Ｂは、粒子が粒子保護層に覆われる同様のクラッド層を示し、クラッド表面及保護層が擦り減るにつれて、粒子が露出するようになる。
【００３５】
本考案が幾つかの実施形態を参照して記載されているが、様々な変更が成され得るとともに均等物が本考案の範囲から離れることなしに置き換えられ得ることが当業者に理解されるであろう。加えて、多くの修正形態が、本考案の範囲から離れることなしに特定の状況又は材料を本考案の教示に適合させるために、作られ得る。したがって、本考案は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本考案は、添付の請求項の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むことが意図される。
【符号の説明】
【００３６】
１００  システム
１１０  レーザビーム
１１５  ワークピース
１２０  レーザ装置
１３０  レーザ電源
１４０  フィラーワイヤ
１４０Ａ  ワイヤ
１４０Ｃ  ワイヤ
１４１  フィラー材料
１４２  （黒鉛）粒子
１４３  （黒鉛）粉末
１４４  フラックス
１４５  溶接パドル
１４６  コーティング
１５０  ワイヤフィーダ
１６０  コンタクトチューブ
１７０  電源
１９５  制御ユニット
１４００  システム
１４１０  センサ
１４２０  センサ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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