(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接のために溶接ワイヤ送りと強力エネルギ源との組合せを始動させる溶接システムを提供する。【解決手段】システム２０００において、レーザシステムは、ＧＭＡＷシステムのようなアーク溶接システムと置換されている。ＧＭＡＷシステムは、電源２１３０と、ワイヤフィーダ２１５０と、トーチ２１２０とを含む。溶接電源２１１０がフィーダ２１５０及びトーチ２１２０を介して溶融パッドルに送られる。システム２０００の動作中、電源２１３０によって生成される電流は、ワイヤ１４０を加熱するために用いられる電源１７０によって生成される電流と干渉し得る。ワイヤ１４０は電源２１３０によって生成されるアークに近接するので、それぞれの電流は互いに干渉し合い得る。【選択図】図２０
0003198490.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのワークピースの上に溶融パッドルを創り出すために、複数の電流パルスを含むアーク生成信号を電極に提供して該電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間にアークを生成する、アーク生成電源と、
少なくとも１つのコンシューマブルが前記溶融パッドルと接触するときに、前記少なくとも１つのコンシューマブルが前記溶融パッドル内に溶解するように、複数の加熱電流パルスを含む加熱信号を生成して前記少なくとも１つのコンシューマブルを加熱する、ホットワイヤ電源と、
前記アーク生成信号の前記電流パルスと前記加熱電流パルスとの間に一定の位相角が維持されるように、前記アーク生成信号及び前記加熱信号の両方を同期させるコントローラとを含み、
前記ホットワイヤ電源及びコントローラの少なくとも一方が、前記加熱信号に関連するフィードバックを監視し、且つ該フィードバックをアーク生成閾値と比較し、前記ホットワイヤ電源は、前記フィードバックが前記アーク生成閾値レベルに達するときに、前記加熱信号を停止する、
溶接システム。
【請求項２】
前記位相角は０〜１８０度の範囲内にあり、特に、前記位相角は０度である、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記位相角は３０〜９０度の範囲内にある、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記加熱信号はＡＣ信号である、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記電極は、前記アーク生成信号によって溶解され且つ前記溶融パッドル内に溶着されるコンシューマブルである、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
【請求項６】
少なくとも１つのレーザを更に含み、そのレーザビームは、前記溶融パッドルに熱を加えるよう前記溶融パッドルで方向付けられ、且つ／或いは少なくとも１つの磁場生成装置を更に含み、該少なくとも１つの磁場生成装置は、前記アークと相互作用する磁場を生成する、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
【請求項７】
第２のアークが前記溶融パッドルと接触するよう、第２のアーク生成信号を第２の電極に提供して前記第１の電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に前記第２のアークを生成する、第２のアーク生成電源を含み、前記第２のアーク生成信号は、複数の第２の電流パルスを含み、
前記コントローラは、一定の位相角が前記アーク生成信号の前記電流パルスと前記加熱信号パルスとの間に維持されるように、前記アーク生成信号及び前記加熱信号の両方を同期させる、
請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記第１及び第２のアーク生成信号は、サブマージドアーク溶接信号である、請求項７に記載の溶接システム。
【請求項９】
前記第１及び第２のアーク生成信号の各々及び前記加熱信号は、それらの位相が互いに外れるように同期させられる、請求項７又は８に記載の溶接システム。
【請求項１０】
前記第１及び第２のアーク生成信号のうちの少なくとも１つは、ＡＣ信号である、請求項７乃至９のうちのいずれか１項に記載の溶接システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、ここにその全文を参照として援用する２００９年１月１３日に出願された米国特許出願第１２／３５２，６６７号の一部係属出願である、ここにその全文を参照として援用する２０１１年８月１７日に出願された米国特許出願第１３／２１２，０２５号の一部係属出願であり、それらの優先権を主張する。
【０００２】
特定の実施態様は、溶接ワイヤオーバーレイ適用並びに溶接及び接合適用に関する。より具体的には、特定の実施態様は、鑞接、クラッディング、ビルドアップ（肉盛）、充填、表面硬化オーバーレイ、接合、及び溶接適用のいずれかのための、組合わせ溶接ワイヤフィード及びエネルギ源システムの始動及び使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
溶接の従来的な溶接ワイヤ方法（例えば、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）溶接ワイヤ方法）は、従来的なアーク溶接だけの溶着速度及び溶接速度に対して増大された溶着速度及び溶接速度をもたらす。トーチをもたらす溶接ワイヤは別個の電源によって抵抗加熱される。ワイヤはコンタクトチューブを通じてワークピースに向かって送られ、チューブを越えて延びる。延長部がパッドルに接近すると、延長部を抵抗加熱し得る。ワークピースを加熱し且つ溶解して溶接パッドルを形成するために、タングステン電極を用い得る。電源は溶接ワイヤを抵抗溶解するのに必要とされるエネルギの大部分を提供する。一部の場合において、ワイヤフィードは滑り或いは故障し(faulter)、ワイヤ内の電流ワイヤのチップ（先端）とワークピースとの間にアークを発生させ得る。そのようなアークの余分な熱は、溶落ち(burnthrough)、スパッタ、及び不満足な表面品質を招き得る。そのようなアーク発生の危険性は、ワイヤが初期的に小さな地点でワークピースと接触するプロセスの開始でより大きい。ワイヤ内の初期的な電流が高過ぎるならば、その地点は焼落ち(burn  away)、アークを発生させ得る。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
従来的な、伝統的な、提案されるアプローチの更なる制約及び不利点は、図面を参照してそのようなアプローチを本明細書の残部に示すような本考案の実施態様と比較することを通じて明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本考案の実施態様は、溶接ワイヤフィーダ及びエネルギ源システムの組合わせを始動させ且つ使用するシステム及び方法を含む。本考案の第１の実施態様は、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、溶接及び接合用途のいずれかのためにワイヤフィーダ及びエネルギ源システムの組合わせを始動させ且つ使用する方法を含む。本方法は、電源を介して少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤとワークピースとの間に感知電圧を印可すること、並びに少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤの遠位端をワークピースに向かって前進させることを含む。本方法は、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤの遠位端が初めてワークピースと接触するときを感知することを更に含む。本方法は、感知に応答して所定の時間間隔に亘って少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤへの電源を切ることも含む。本方法は、加熱電流の流れを少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤを通じて適用するために、所定の時間間隔の終わりに電源を入れることを更に含む。本方法は、少なくとも加熱電流の流れを適用している間にワークピースを加熱するために、強力エネルギ源からのエネルギをワークピースに適用することも含む。強力エネルギ源は、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、ガスメタルアーク溶接（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）装置のうちの少なくとも１つを含み得る。
【０００６】
請求される考案のこれらの及び他の機能、並びにその例示される実施態様の詳細は、以下の記載、請求項、及び図面からより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ適用のいずれかのための、ワイヤフィーダ及びエネルギ源システムの組合わせの例示的な実施態様を示す機能的なブロック図である。
【０００８】
【図２】図１のシステムによって用いる始動方法の実施態様を示すフローチャートである。
【０００９】
【図３】図１のシステムによって用いる始動後方法の実施態様を示すフローチャートである。
【００１０】
【図４】図３の始動後方法と関連する一対の電圧及び電流波形の第１の例示的な実施態様を示すグラフである。
【００１１】
【図５】図３の始動後方法と関連する一対の電圧及び電流波形の第２の例示的な実施態様を示すグラフである。
【００１２】
【図６】溶接作業を行うために用いる本発明の更なる例示的な実施態様を示す図である。
【図６Ａ】溶接作業を行うために用いる本発明の更なる例示的な実施態様を示す図である。
【００１３】
【図７】本発明を用いた溶接を追加的な例示的な実施態様を示す図である。
【図７Ａ】本発明を用いた溶接を追加的な例示的な実施態様を示す図である。
【図７Ｂ】本発明を用いた溶接を追加的な例示的な実施態様を示す図である。
【００１４】
【図８】継手の２つの側を同時に接合する更なる例示的な実施態様を示す図である。
【００１５】
【図９】本考案を用いた溶接の他の例示的な実施態様を示す図である。
【００１６】
【図１０】多数のレーザ及びワイヤを用いて継手を溶接することにおける本考案の他の例示的な実施態様を示す図である。
【００１７】
【図１１Ａ】本考案の実施態様と共に用いるコンタクトチップの例示的な実施態様を示す図である。
【図１１Ｂ】本考案の実施態様と共に用いるコンタクトチップの例示的な実施態様を示す図である。
【図１１Ｃ】本考案の実施態様と共に用いるコンタクトチップの例示的な実施態様を示す図である。
【００１８】
【図１２】本考案の実施態様に従ったホットワイヤ電源システムを示す図である。
【００１９】
【図１３Ａ】本考案の例示的な実施態様によって創り出される電圧及び電流波形を示すグラフである。
【図１３Ｂ】本考案の例示的な実施態様によって創り出される電圧及び電流波形を示すグラフである。
【図１３Ｃ】本考案の例示的な実施態様によって創り出される電圧及び電流波形を示すグラフである。
【００２０】
【図１４】本考案の例示的な実施態様に従った他の例示的な溶接システムを示す図である。
【００２１】
【図１５】本考案の例示的な実施態様によって創り出される溶接パッドルの例示的な実施態様を示す図である。
【００２２】
【図１６Ａ】本考案の実施態様に従った溶接パッドル及びレーザビーム利用の例示的な実施態様を示す図である。
【図１６Ｂ】本考案の実施態様に従った溶接パッドル及びレーザビーム利用の例示的な実施態様を示す図である。
【図１６Ｃ】本考案の実施態様に従った溶接パッドル及びレーザビーム利用の例示的な実施態様を示す図である。
【図１６Ｄ】本考案の実施態様に従った溶接パッドル及びレーザビーム利用の例示的な実施態様を示す図である。
【図１６Ｅ】本考案の実施態様に従った溶接パッドル及びレーザビーム利用の例示的な実施態様を示す図である。
【図１６Ｆ】本考案の実施態様に従った溶接パッドル及びレーザビーム利用の例示的な実施態様を示す図である。
【００２３】
【図１７】本考案の他の例示的な実施態様に従った溶接システムを示す図である。
【００２４】
【図１８】本考案の実施態様において用い得る減少回路の例示的な実施態様を示す図である。
【００２５】
【図１９】本考案に従ったヒューム抽出ノズルの例示的な実施態様を示す図である。
【００２６】
【図２０】本考案の更なる溶接システムの例示的な実施態様を示す図である。
【００２７】
【図２１】本考案の実施態様に従った溶接作業の例示的な実施態様を示す図である。
【００２８】
【図２２Ａ】本考案の溶接システムによって利用される電流波形の例示的な実施態様を示すグラフである。
【図２２Ｂ】本考案の溶接システムによって利用される電流波形の例示的な実施態様を示すグラフである。
【図２２Ｃ】本考案の溶接システムによって利用される電流波形の例示的な実施態様を示すグラフである。
【００２９】
【図２３】本考案の実施態様に従った他の溶接作業の例示的な実施態様を示す図である。
【００３０】
【図２４】本考案の実施態様と共に用い得る電流波形の他の例示的な実施態様を示すグラフである。
【００３１】
【図２５】本考案の実施態様と共に用い得る他の溶接作業の例示的な実施態様を示す図である。
【００３２】
【図２５Ａ】図２５に示す実施態様と共に用い得る電流は形の例示的な実施態様を示すグラフである。
【００３３】
【図２６】並列アーク溶接作業を用いる更なる溶接作業の例示的な実施態様を示す図である。
【００３４】
【図２７】本考案の追加的な溶接作業の例示的な実施態様を示す図である。
【００３５】
【図２８】磁気操縦を利用する本考案の溶接作業の追加的な例示的な実施態様を示す図である。
【考案を実施するための形態】
【００３６】
ここにおいて、「オーバーレイ」という用語は広義に用いられ、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、及び表面硬化を含む、如何なる適用（用途）をも指し得る。例えば、「鑞接」適用において、充填材料が毛管作用を介して継手の密接に適合する表面の間に分配される。それに対して、「鑞付け溶接」において、充填材料は間隙内に流れ込まされる。しかしながら、ここで用いられるとき、両方の技法を広義にオーバーレイ適用と呼ぶ。
【００３７】
図１は、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、表面硬化オーバーレイ、及び接合／溶接適用のいずれかを行うための、組合わせ溶接ワイヤフィーダ及びエネルギ源システム１００の例示的な実施態様の機能的なブロック図を例示している。システム１００は、レーザビーム１１０をワークピース１１５の上に集束させてワークピース１１５を加熱し得るレーザサブシステムを含む。レーザサブシステムは強力エネルギ源である。レーザサブシステムは、二酸化炭素、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂディスク(Yb-disk)、ＹＢファイバ(YB-fiber)、ファイバ供給(fiber  delivered)又はダイレクトダイオードレーザシステムを非限定的に含む、如何なる種類の高エネルギレーザ源であってもよい。更に、十分なエネルギを有するならば、白熱光又は石英レーザの種類のシステムさえも用い得る。システムの他の実施態様は、強力エネルギ源としての機能を果たす電子ビーム、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、及びサブマージドアーク溶接サブシステムのうちの少なくとも１つを含み得る。以下の明細書は、レーザシステム、ビーム、及び電源に繰り返し言及するが、この言及は例示的であることが理解されなければならない。何故ならば、如何なる強力エネルギ源をも用い得るからである。例えば、強力エネルギ源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を提供し得る。レーザサブシステムは、互いに動作的に接続されるレーザ装置１２０及びレーザ電源１３０を含む。レーザ電源１３０はレーザ装置１２０を作動させる電力を提供する。
【００３８】
システム１００は、レーザビーム１１０の近傍でワークピース１１５と接触させるよう少なくとも１つの抵抗溶接ワイヤ１４０を提供し得るホット溶接ワイヤフィーダサブシステムも含む。もちろん、ここにおけるワークピース１１５を参照することによって、溶融パッドルはワークピース１１５の一部と考えられ、よって、ワークピース１１５との接触への言及は、パッドルとの接触を含む。ホット溶接ワイヤフィーダサブシステムは、溶接ワイヤフィーダ１５０と、コンタクトチューブ１６０と、ホットワイヤ電源１７０とを含む。動作中、レーザビーム１１０をもたらす溶接ワイヤ１４０は、コンタクトチューブ１６０とワークピース１１５との間に動作的に接続されるホットワイヤ溶接電源１７０からの電流によって抵抗加熱される。本考案の実施態様によれば、ホットワイヤ溶接電源１７０はパルス直流（ＤＣ）電源であるが、交流（ＡＣ）又は他の種類の電源も可能である。ワイヤ１４０は溶接ワイヤフィーダ１５０からコンタクトチューブ１６０を通じてワークピース１１５に向かって送られ、コンタクトチューブ１６０を越えて延びる。ワイヤ１４０の延長部分は、延長部分がワークピース上の溶接パッドルに接触する前に融点に接近し或いは達するように抵抗加熱される。レーザビーム１１０は、ワークピース１１５のベースメタルの一部を溶解させて溶接パッドルを形成する機能を果たし、ワイヤ１４０をワークピース１１５上に溶解させる機能も果たす。電源１７０は溶接ワイヤ１４０を抵抗溶解するのに必要とされるエネルギの大部分を提供する。フィーダサブシステムは、本考案の特定の他の実施態様に従って、１つ又はそれよりも多くのワイヤを同時に提供し得る。例えば、表面硬化し且つ／或いはワークピースに耐食性をもたらすために第１のワイヤを用い、ワークピースに構造を追加するために第２のワイヤを用い得る。
【００３９】
システム１００は、レーザビーム１１０及び抵抗性溶接ワイヤ１４０が互いに固定的な関係に留まるよう、レーザビーム１１０（エネルギ源）及び抵抗性溶接ワイヤ１４０を（少なくとも相対的な意味において）ワークピース１１５に沿って同じ方向１２５に移動させ得る。様々な実施態様によれば、ワークピース１１５を実際に移動させることによって或いはレーザ装置１２０及びホットワイヤフィーダサブシステムを移動させることによって、ワークピース１１５とレーザ／ワイヤ組合わせとの間の相対的な運動を達成し得る。図１において、運動制御サブシステムは、ロボット１９０に動作的に接続される運動コントローラ１８０を含む。運動コントローラ１８０は、ロボット１９０の運動を制御する。レーザビーム１１０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に沿って効果的に進行するように、ロボット１９０はワークピース１１５に動作的に接続されてワークピース１１５を方向１２５において移動させる。本考案の代替的な実施態様によれば、レーザ装置１２０及びコンタクトチューブ１６０を単一のヘッドに一体化し得る。ヘッドに動作的に接続される運動制御サブシステムを介して、ヘッドをワークピース１１５に沿って移動させ得る。
【００４０】
一般的には、強力エネルギ源／ホットワイヤをワークピースに対して移動させ得る幾つかの方法がある。例えば、ワークピースが丸いならば、強力エネルギ源／ホットワイヤは静止的であり、強力エネルギ源／ホットワイヤの下でワークピースを回転させ得る。代替的に、ロボットアーム又はリニアトラクタが丸いワークピースと平行に移動し、そして、ワークピースが回転させられると、強力エネルギ源／ホットワイヤは連続的に移動し或いは一回転当たり一度割り出して、例えば、丸いワークピースの表面をオーバーレイし得る。ワークピースが平坦であるか或いは少なくとも丸くないならば、図１に示されるような強力エネルギ源／ホットワイヤの下でワークピースを移動させ得る。しかしながら、強力エネルギ源／ホットワイヤをワークピースに対して移動させるために、ロボットアーム又はリニアトラクタを用い得るし、ビーム取付けキャリッジさえも用い得る。
【００４１】
システム１００は、ワークピース１１５及びコンタクトチューブ１６０に動作的に接続され（即ち、ホットワイヤ電源１７０の出力に効果的に接続され）且つワークピース１１５を通じる電流（Ｉ）とホットワイヤ１４０との間の電位差（即ち、電圧Ｖ）を測定し得る、感知及び電流制御サブシステム１９５を更に含む。感知及び制御サブシステム１９５は、測定される電圧及び電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び電力値（Ｐ＝Ｖ＊Ｉ）を更に計算し得る。一般的には、ホットワイヤ１４０がワークピース１１５に接触するとき、ホットワイヤ１４０とワークピース１１５との間の電位差はゼロボルトであり或いはゼロボルトに極めて近い。結果的に、ここにおいて後に詳述するように、感知及び電流制御サブシステム１９５は、抵抗性溶接ワイヤ１４０がワークピース１１５と接触するときを感知し得、その感知に応答して抵抗性溶接ワイヤ１４０を通じる電流の流れを更に制御し得るようホットワイヤ電源１７０に動作的に接続される。本考案の他の実施態様によれば、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０の一体的な部分であり得る。
【００４２】
本考案の実施態様によれば、運動コントローラ１８０をレーザ電源１３０並びに／或いは感知及び電流コントローラ１９５に更に動作的に接続し得る。このようにして、ワークピース１１５が動作しているときをレーザ電源１３０が識別するように、並びにレーザ装置１２０が活性であるか否かを運動コントローラ１８０が識別するように、運動コントローラ１８０及びレーザ電源１３０は互いに通信し得る。同様に、このようにして、ワークピース１１５が移動しているときを感知及び電流コントローラ１９５が識別するように、並びにホットワイヤフィーダサブシステムが活性であるか否かを運動コントローラ１８０が識別するように、運動コントローラ１８０及び感知及び電流コントローラ１９５は互いに通信しつ得る。システム１００の様々なサブシステムの間の活動を調整するために、そのような通信を用い得る。
【００４３】
図２は、図１のシステム１００によって用いられる始動方法２００の実施態様のフローチャートを例示している。ステップ２１０において、電源１７０を介して少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０とワークピース１１５との間に感知電圧を印可する。感知及び電流コントローラ１９５の命令の下でホットワイヤ電源１７０によって感知電圧を印可し得る。更に、本考案の実施態様によれば、印可される電圧はワイヤ１４０を有意に加熱するのに十分なエネルギを提供しない。ステップ２２０において、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端をワークピース１１５に向かって前進させる。前進はワイヤフィーダ１５０によって行われる。ステップ２３０において、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５と初めて接触するときを感知する。例えば、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して、ホットワイヤ１４０を通じて極めて低いレベルの電流（例えば、３〜５アンペア）を提供させ得る。（例えば、コンタクトチューブ１６０を介した）溶接ワイヤ１４０とワークピース１１５との間の約ゼロボルト（例えば、０．４Ｖ）の電位差を測定する感知及び電流コントローラ１９５によってそのような感知を行い得る。溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５に短絡させられる（即ち、ワークピースと接触する）とき、（ゼロボルトより上の）有意な電圧レベルは溶接ワイヤ１４０とワークピース１１５との間に存在しない。
【００４４】
ステップ２４０において、感知に応答して所定の時間間隔（例えば、数ミリ秒）に亘り少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０への電源１７０を切る。感知及び電流コントローラ１９５は、電源１７０に命令して、電源を切らせ得る。ステップ２５０において、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０を通じて加熱電流の流れを適用するよう所定の時間間隔の終わりに電源１７０を入れる。感知及び電流コントローラ１９５は、電源１７０に命令して、電源を入れさせ得る。ステップ２６０において、少なくとも加熱電流の流れを適用している間に、強力エネルギ源１１０からのエネルギをワークピース１１５に適用して、ワークピース１１５を加熱する。
【００４５】
選択肢として、方法２００は、感知に応答してワイヤ１４０の前進を停止すること、所定の時間間隔の終わりにワイヤ１４０の前進（即ち、再前進）を再開すること、並びに加熱電流の流れを適用する前に溶接ワイヤ１４０の遠位端が依然としてワークピース１１５と接触していることを確認することを含み得る。感知及び制御コントローラ１９５は、ワイヤフィーダ１５０に命令して送りを停止させ、システム１００に命令して（例えば、数ミリ秒）待機させ得る。そのような実施態様において、感知及び制御コントローラ１９５は、ワイヤフィーダ１５０に命令して始動させ且つ停止させるために、ワイヤフィーダ１５０に動作的に接続される。感知及び制御コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して、加熱電流を適用してワイヤ１４０を加熱させ、且つワークピース１１５に向かって再びワイヤ１４０を送らせ得る。
【００４６】
始動方法が完了するや否や、システム１００は、レーザビーム１１０及びホットワイヤ１４０がワークピース１１５に対して移動させられて鑞接適用、クラッディング適用、ビルドアップ適用、表面硬化適用、又は溶接／接合操作のうちの１つを行う、始動後動作モードに入り得る。図３は、図１のシステム１００によって用いられる始動後方法３００の実施態様のフローチャートを例示している。ステップ３１０では、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０がワークピース１１５に向かって送られるときに、強力エネルギ源（例えば、レーザ装置１２０）からのエネルギ（例えば、レーザビーム１１０）及び／又は加熱させられたワークピース１１５（例えば、ワークピース１１５はレーザビーム１１０によって加熱される）が溶接ワイヤ１４０の遠位端をワークピース１１５の上に溶解させるよう、強力エネルギ源（例えば、レーザ装置１２０）及び少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０をワークピースに沿って移動させる。運動コントローラ１８０は、ロボット１９０に命令して、ワークピース１１５をレーザビーム１１０及びホットワイヤ１４０に対して移動させる。レーザ電源１３０は、レーザ装置１２０を作動させる電力を提供してレーザビーム１１０を形成する。感知及び電流コントローラ１９５によって命令されるときに、ホットワイヤ電源１７０は電流をホットワイヤ１４０に提供する。
【００４７】
ステップ３２０において、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失おうとしている如何なる時をもセンサが感知する（即ち、兆候能力を提供する）。溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５の間の電位差の変化率（ｄｖ／ｄｔ）、溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）、溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５の間の抵抗の変化率（ｄｒ・ｄｔ）、又は溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電力（ｄｐ・ｄｔ）のうちの１つを測定する、感知及び電流コントローラ１９５内の兆候回路によって、そのような感知を達成し得る。変化率が所定の値を超えるとき、感知及び電流コントローラ１９５は、接触の喪失が起ころうとしていることを正式に予測する。そのような兆候回路はアーク溶接の技術分野において周知である。
【００４８】
ワイヤ１４０の遠位端が加熱の故に大いに溶解するとき、遠位端はワークピース１１５上でワイヤ１４０からピンチオフ(pinch  off)し始め得る。例えば、その時は、遠位端がピンチオフしているときにワイヤの遠位端の断面が急速に減少するので、電位差又は電圧は増大する。従って、そのような変化率を測定することによって、システム１００は遠位端がピンチオフしてワークピース１１５との接触を失おうとしているときを予想し得る。また、接触が完全に失われるならば、感知及び電流コントローラ１９５によってゼロボルトよりも有意に大きい電位差（即ち、電圧レベル）を測定し得る。ステップ３３０における行動が取られないならば、この電位差はワイヤ１４０の新しい遠位端とワークピース１１５との間に（望ましくない）アークを形成させ得る。もちろん、他の実施態様において、ワイヤ１４０は如何なる感知し得る程のピンチをも示さず、むしろパッドル内へのほぼ一定の断面を維持しながら連続的にパッドル内に流入する。
【００４９】
ステップ３３０において、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失おうとしていることを感知することに応答して、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０を通じる加熱電流の流れを停止する（或いは少なくとも大いに、例えば、９５％だけ減少させる）。接触が失われようとしていることを感知及び電流コントローラ１９５が決定するとき、コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して、ホットワイヤ１４０に供給される電流を停止させる（或いは少なくとも大いに減少させる）。このようにして、望ましくないアークの形成は回避され、スプラッタ又は溶落ち(burnthrough)のような如何なる望ましくない影響が起こることをも回避する。
【００５０】
ステップ３４０において、ワークピース１１５に向かって前進し続けるワイヤ１４０の故に少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５と再び接触する如何なる時をも感知する。（例えば、コンタクトチューブ１６０を介した）溶接ワイヤ１４０とワークピース１１５との間の約ゼロボルトの電位差を測定する感知及び電流コントローラ１９５によって、そのような感知を達成し得る。溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５に短絡させられる（即ち、ワークピースと接触する）ときには、ゼロボルトよりも上の有意な電圧レベルが溶接ワイヤ１４０とワークピース１１５との間に存在しない。「再び接触する」という成句は、ここでは、ワイヤ１４０がワークピース１１５に向かって前進し、ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５から実際に完全にピンチオフするか否かに拘わらず、（例えば、コンタクトチューブ１６０を介した）ワイヤ１４０とワークピース１１５との間の測定される電圧が約ゼロボルトである状況に言及するために用いられる。ステップ３５０において、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤの遠位端がワークピースと再び接触することを感知することに応答して、少なくとも１つの抵抗性溶接ワイヤを通じて加熱電流の流れを再適用する。感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して、ワイヤ１４０を加熱し続けるよう、加熱電流を再適用させる。このプロセスはオーバーレイ適用の期間に亘って継続し得る。
【００５１】
例えば、図４は、図３の始動後方法３００とそれぞれ関連付けられる、一対の電圧波形４１０及び電流波形４２０の第１の例示的な実施態様を例示している。電圧波形４１０は、コンタクトチューブ１６０とワークピース１１５との間で感知及び電流コントローラ１９５によって測定される。電流波形４２０は、ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じて感知及び電流コントローラ１９５によって測定される。
【００５２】
抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失おうとしている時には何時でも、電圧波形４１０の変化率（即ち、ｄｖ／ｄｔ）は所定の閾値を超え、ピンチオフが起ころうとしていることを示す（波形４１０の地点４１１での傾斜を参照）。代替として、ピンチオフが起ころうとしていることを示すために、溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）、溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５の間の抵抗の変化率（ｄｒ／ｄｔ）、又は溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電力の変化率（ｄｐ／ｄｔ）を代わりに用い得る。そのような変化率兆候技法は当該術分野において周知である。その時点で、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令してワイヤ１４０を通じる電流の流れを停止させる（或いは少なくとも大いに減少させる）。
【００５３】
溶接ワイヤ１４０の遠位端がある時間間隔４３０の後でワークピース１１５と再び接触する（例えば、電圧レベルが地点４１２で約ゼロボルトに後退する）ことを感知及び電流コントローラ１９５が感知するとき、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して抵抗性溶接ワイヤ１４０を通じる電流の流れを所定の出力電流レベル４５０まで増加させる（ランプ４２５を参照）。本考案の実施態様によれば、増加は設定点値４４０から開始する。このプロセスはエネルギ源１２０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に対して移動するときに並びにワイヤ１４０がワイヤフィーダ１５０の故にワークピース１１５に向かって前進するときに反復する。このようにして、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間の接触は大いに維持され、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間にアークが生じるのが防止される。加熱電流をランプさせることは、ピンチオフ状態又はアーク放電状態が存在しないときに、電圧の変化率をピンチオフ状態又はアーク放電状態として不用意に解釈することを防止するのに役立つ。電流の如何なる大きな変化も加熱電流中のインダクタンスの故に誤った電圧読取りがなされることの原因となり得る。電流が漸進的に増大させられるとき、インダクタンスの影響は減少させられる。
【００５４】
図５は、図３の始動後方法と関連付けられる一対の電圧波形５１０及び電流波形５２０の第２の例示的な実施態様をそれぞれ例示している。電圧波形５１０は、コンタクトチューブ１６０とワークピース１１５との間で感知及び電流コントローラ１９５によって測定される。電流波形５２０は、ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じて感知及び電流コントローラ１９５によって測定される。
【００５５】
抵抗性溶接ワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失おうとしている時には何時でも、電圧波形５１０の変化率（即ち、ｄｖ／ｄｔ）は所定の閾値を超え、ピンチオフが起ころうとしていることを示す（波形５１０の地点５１１での傾斜を参照）。代替として、ピンチオフが起ころうとしていることを示すために、溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）、溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５の間の抵抗の変化率（ｄｒ／ｄｔ）、又は溶接ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じる電力の変化率（ｄｐ／ｄｔ）を代わりに用い得る。そのような変化率兆候技術は当該術分野において周知である。その時点で、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して、ワイヤ１４０を通じる電流の流れを停止させる（或いは少なくとも大いに減少させる）。
【００５６】
ある時間間隔５３０の後に、感知及び電流コントローラ１９５が、溶接ワイヤ１４０の遠位端が再びワークピース１１５と良好に接触していることを感知するとき（例えば、電圧レベルは地点５１２で約ゼロボルトに後退する）、感知及び電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ電源１７０に命令して、抵抗性溶接ワイヤ１４０を通じて加熱電流の流れを適用させる（加熱電流レベル５２５を参照）。このプロセスはエネルギ源１２０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に対して移動するときに並びにワイヤ１４０がワイヤフィーダ１５０の故にワークピース１１５に向かって前進するときに反復する。このようにして、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間の接触は大いに維持され、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間にアークが生じるのが防止される。この場合には、加熱電流は漸進的に増大させられないので、加熱電流中のインダクタンスの故に特定の電圧読取りを不用意又は誤りとして無視し得る。
【００５７】
要約すれば、鑞接、クラッディング、ビルドアップ、充填、及び表面硬化オーバーレイ適用のいずれかのために、組合わせワイヤフィード及びエネルギ源システムを始動させ且つ使用する方法及びシステムを開示している。強力エネルギがワークピースに適用されてワークピースを加熱する。１つ又はそれよりも多くの抵抗性溶接ワイヤが、適用される強力エネルギで又はその直ぐ前に、ワークピースに向かって送られる。１つ又はそれよりも多くの抵抗性溶接ワイヤの遠位端が適用強力エネルギで又はその直前でワークピースと接触するときの感知が達成される。１つ又はそれよりも多くの抵抗性溶接ワイヤへの加熱電流は、１つ又はそれよりも多くの抵抗性溶接ワイヤの遠位端がワークピースと接触しているか否かに基づき制御される。適用される強力エネルギ及び１つ又はそれよりも多くの抵抗性溶接ワイヤは、互いに一定の関係においてワークピースに沿って同じ方向に移動させられる。
【００５８】
更なる例示的な実施態様において、本考案のシステム及び方法は溶接又は接合作業のために利用される。上記で議論した実施態様はオーバーレイ作業における溶接金属の使用に焦点を置いた。しかしながら、ワークピースが溶接作業を用いて及びフィラーの使用で接合される溶接用途及び接合用途において本考案の特徴を用い得る。フィラーをオーバーレイすることに向けられているが、上記の実施態様、システム、及び方法は、以下により十分に記載する溶接作業において利用されるものに類似する。従って、以下の議論では、特段の断りのない限り、上記の議論が概ね当て嵌まることが理解される。更に、以下の議論は図１乃至５への参照を含み得る。
【００５９】
溶接／接合作業は典型的には溶接作業において多数のワークピースを結合させ、その場合、フィラーはワークピース金属の少なくとも一部と組み合わせられて継手を形成することが知られている。溶接作業における製造歩留まりを増大させる願望の故に、標準以下の品質を有する溶接物をもたらさない、より速い溶接作業の必要が常にある。更に、遠隔作業現場におけるような不利な環境条件の下で迅速に溶接し得るシステムを提供するという必要がある。以下に記載するように、本考案の例示的な実施態様は、既存の溶接技術に対する有意な利点をもたらす。そのような利点は、ワークピースの低い歪みをもたらす全熱入力の減少、極めて高い溶接走行速度、極めて低いスパッタ率、シールドのない溶接、スパッタ(spatter)のない或いは殆どない高速でのメッキされた(plated)或いは被覆された(coated)材料の溶接、及び高速での複雑な材料の溶接を含むが、これらに限定されない。
【００６０】
本考案の例示的な実施態様では、典型的には有意な事前作業を必要とし且つアーク溶接方法を用いるより一層低速の溶接プロセスである、被覆されたワークピースを用いて、アーク溶接と比べて極めて高い溶接速度を得ることができる。一例として、以下の議論は亜鉛メッキしたワークピースに焦点を置く。金属の亜鉛メッキは金属の耐食性を増大させるために用いられ、多くの工業用途において望ましい。しかしながら、亜鉛メッキしたワークピースの従来的な溶接は問題であり得る。具体的には、溶接中に亜鉛メッキ中の亜鉛が蒸発し、この亜鉛蒸気はパッドルが凝固するときに溶接パッドル中に捕捉されるようになり、多孔性(porosity)を引き起こし得る。この多孔性は溶接継手の強度に有害な影響を与える。このため、既存の溶接技法は、亜鉛メッキを除去すること又はより低い処理速度で亜鉛メッキを通じて溶接することの第１のステップを必要とし、（非効率的であり且つ遅延を引き起こし或いは溶接プロセスがゆっくり進むことを必要とする）あるレベルの欠陥を伴う。プロセスを遅らせることによって、溶接パッドルはより長い時間期間に亘って溶融したままであり、気化させられる亜鉛が漏れ出すのを可能にする。しかしながら、遅い速度の故に、製造速度も遅く、溶接中への全熱入力も高くあり得る。類似の問題を引き起こし得る他の塗膜(coating)は、塗料、潤滑剤のスタンピング、ガラスライニング、アルミナ化被覆、表面熱処理、窒化若しくは炭化処理、クラッディング処理、又は他の気化塗膜若しくは材料を含むが、これらに限定されない。本考案の例示的な実施態様は、以下に説明するように、これらの問題を解消する。
【００６１】
図６及び６Ａ（それぞれ断面図及び側面図）を参照すると、重ね継手(lap  joint)の代表的な溶接が示されている。この図面では、２つの被覆された（例えば、亜鉛メッキされた）ワークピースＷ１／Ｗ２が重ね溶接部と接合される。重ね継手表面６０１及び６０３は、初期的に塗膜並びにワークピースＷ１の表面６０５で覆われる。典型的な溶接作業（例えば、ＧＭＡＷ）において、覆われる表面６０５の部分は溶解させられる。これは標準的な溶接作業の典型的な浸透の深さの故である。表面６０５は溶解させられるので、表面６０５上の塗膜は蒸発させられるが、溶接プールの表面からの表面６０５の距離の故に、溶接プールが凝固するときに気体が捕捉され得る。本考案の実施態様を用いるならば、これは起こらない。
【００６２】
図６及び６Ａに示されるように、レーザビーム１１０は、レーザ装置１２０から溶接継手、特に、表面６０１及び６０３に向けられる。レーザビーム１１０は、溶接表面の部分を溶解させるエネルギ密度を有し、溶融パッドル６０１Ａ及び６０３Ａを創り出し、それは一般的な溶接パッドルを創り出す。更に、前述のように抵抗加熱される溶接ワイヤ１４０は溶接パッドルに向けられ、溶接ビードのための所要のフィラー材料をもたらす。大部分の溶接プロセスと異なり、溶接プロセス中に溶接ワイヤ１４０は溶接パッドルと接触し、溶接パッドル中に突入する。その理由は、溶接ワイヤ１４０を移動させるために、このプロセスが溶接アークを用いず、むしろ溶接ワイヤ１４０を溶接パッドル中に溶け込ませるに過ぎないからである。
【００６３】
溶接ワイヤ１４０はその融点まで或いはその融点付近まで予加熱されるので、溶接パッドル中のその存在はパッドルを認識し得る程には冷却せず或いは凝固させず、素早く溶接パッドル中に消耗させられる。溶接ワイヤ１４０の一般的な動作及び制御はオーバーレイ実施態様に関して前述した通りである。
【００６４】
レーザビーム１１０を表面６０１／６０３に精密に集束させ且つ方向付け得るので、プール６０１Ａ／６０３Ａのための浸透の深さを精密に制御し得る。この深さを注意深く制御することによって、本考案の実施態様は如何なる不要な浸透又は表面６０５の熔解をも防止する。表面６０５は過剰に溶解されないので、表面６０５上の如何なる塗膜も気化させられず、溶接パッドル中に捕捉されない。更に、溶接継手６０１及び６０３の表面上の如何なる塗膜もレーザビーム１１０によって容易に気化させられ、その気体は溶接パッドルが凝固する前に溶接ゾーンから漏れ出すことが可能にされる。如何なる気化させられる塗膜材料の除去をも補助するために気体抽出システムを利用し得ることが想起される。
【００６５】
溶接パッドル浸透の深さを精密に制御し得るので、被覆されるワークピース溶接する速度を漸進的に増大させ得ると同時に、多孔性を有意に最小限化し或いは排除し得る。一部のアーク溶接システムは溶接のための良好な走行速度を達成し得るが、より高い速度で、多孔性及びスパッタのような問題が起こり得る。本考案の例示的な実施態様では、（ここにおいて議論するような）多孔性又はスパッタのない或いは殆どない極めて高い走行速度を達成し得る。実際には、多くの異なる種類の溶接作業のために５０インチ／分を超える走行速度を容易に達成し得る。本考案の実施態様は、８０インチ／分を超える溶接走行速度を達成し得る。更に、他の実施態様は、ここにおいて議論するような多孔性又はスパッタを伴わない或いは殆ど伴わない、１００〜１５０インチ／分の範囲内の走行速度を達成し得る。もちろん、達成される速度はワークピース特性（厚さ及び組成）及びワイヤ特性（例えば、直径）の関数であるが、本考案の実施態様を用いるならば、これらの速度は多くの異なる溶接及び接合用途において容易に達成可能である。更に、これらの速度を１００％二酸化炭素シールドガスを用いて或いはシールドガスを全く用いずに達成し得る。加えて、溶接及び溶接パッドルの創成に先立ち如何なる表面塗膜をも除去せずに、これらの走行速度を達成し得る。もちろん、より高い走行速度を達成し得ることが想起される。更に、溶接部内への熱入力の減少の故に、歪みを避けるために熱入力を低く維持しなければならないので、より遅い溶接速度を有するのが典型的である、より薄いワークピース１１５において、これらの高速を達成し得る。本考案の実施態様は、多孔性又はスパッタを伴わずに或いは殆ど伴わずに上述の高い走行速度を達成するのみならず、それらは低混合剤で極めて高い溶着速度も達成し得る。具体的には、本考案の実施態様は、シールドガスを用いずに且つ多孔性又はスパッタを伴わずに或いは殆ど伴わずに、１０ポンド／時間（lb/hr）以上の溶着速度を達成し得る。一部の実施態様において、溶着速度は、１０〜２０ポンド／時間の範囲内にある。
【００６６】
本考案の例示的な実施態様において、これらの極めて高い走行速度は、多孔性を伴わずに或いは殆ど伴わずに且つスパッタを伴わずに或いは殆ど伴わずに達成される。空孔率比を特定するために溶接ビードの断面及び／又は長さを検査することによって溶接部の空孔率(porosity)を決定し得る。断面空孔率比は、溶接継手の総断面積に亘る所与の断面の地点での、溶接継手の総断面積に亘る所与の断面における多孔性の総面積である。長さ空孔率比は、溶接継手の所与の単位長における孔の総蓄積長である。本考案の実施態様は０〜２０％の間の断面空孔率で上述の走行速度を達成し得る。よって、気泡又は空腔のない溶接ビードは０％の空孔率を有する。他の例示的な実施態様において、断面空孔率は０〜１０％の範囲内にあり得る。他の例示的な実施態様は２〜５％の範囲内にあり得る。一部の溶接用途では、あるレベルの空孔率が許容可能であることが理解されよう。更に、本考案の例示的な実施態様において、溶接部の長さ空孔率は０〜２０％の範囲内にあり、０〜１０％であり得る。更なる例示的な実施態様において、長さ空孔率は１〜５％の範囲内にある。よって、例えば、２〜５％の断面空孔率及び１〜５％の長さ空孔率比を有する溶接部を生成し得る。
【００６７】
本考案の実施態様は、スパッタを伴わずに或いは殆ど伴わずに、上記で特定した走行速度で溶接し得る。スパッタは溶接パッドルの溶滴が溶接ゾーンの外側に撒き散らされるときに起こる。溶接スパッタが起こるとき、それは溶接部の品質を妥協させ、製造遅延を引き起こし得る。何故ならば、それは溶接プロセスの後でワークピースから取り除かれなければならないからである。よって、スパッタを伴わずに高速で溶接することには大きな利益がある。本考案の実施態様は、０〜０．５の範囲内のスパッタ因数(spatter  factor)で、上記の高い走行速度で溶接することができ、スパッタ因数は（ｋｇでの）同じ方向Ｘに亘る消耗される溶接ワイヤ１４０の重量に亘る（ｍｇでの）所与の走行距離Ｘに亘るスパッタの重量である。即ち、以下の通りである。
スパッタ因数＝（スパッタ重量（ｍｇ）／消耗溶接ワイヤ重量（ｋｇ））
【００６８】
距離Ｘは溶接継手の代表的なサンプリングを許容する距離でなければならない。即ち、距離Ｘが短過ぎるならば、例えば、０．５インチであるならば、それは溶接を代表するものではないかもしれない。よって、０のスパッタ因数を備える溶接継手が距離Ｘに亘って消耗される溶接ワイヤのためにスパッタを有さず、２．５のスパッタ因数を備える溶接部が、２ｋｇの消耗溶接ワイヤのために５ｍｇのスパッタを有する。本考案の例示的な実施態様において、スパッタ因数は０〜１の範囲内にある。更なる実施態様において、スパッタ因数は０〜０．５の範囲内にある。本考案の他の例示的な実施態様において、スパッタ因数は０〜．３の範囲内にある。本考案の実施態様はいずれかの外部シールドの使用を伴って或いは伴わずに上述のスパッタ因数範囲を達成することができ、外部シールドはシールドガス又はフラックスシールドを含む、ことが付記されなければならない。更に、亜鉛メッキされたワークピースを含む被覆されない或いは被覆されたワークピースを、溶接作業に先立ち亜鉛メッキを除去することなく溶接するときに、上記スパッタ因数範囲を達成し得る。
【００６９】
溶接継手のためのスパッタを測定する多数の方法がある。１つの方法は「スパッタボート」の使用を含み得る。そのような方法のために、代表的な溶接サンプルが溶接ビードによって生成されるスパッタの全て又は殆どを捕捉するのに十分な大きさを備える容器内に配置される。容器又は（頂部のような）容器の一部が溶接プロセスと共に移動して、スパッタが捕捉されることを保証し得る。典型的には、スパッタが表面に粘着しないよう、ボートは銅で作製される。溶接中に創り出される如何なるスパッタも容器内に入らないよう、代表的な溶接は容器の底より上で行われる。溶接中、消耗される溶接ワイヤの量は監視される。溶接の完了後、もし存在するならば、溶接前及び溶接後の容器の重量の間の距離を決定するために、十分な精度を有する装置によってスパッタボートの重量が測定される。この差はスパッタの重量を表し、次に、消耗された溶接ワイヤのｋｇでの量によって分割される。代替的に、スパッタがボートに粘着しないならば、スパッタを除去し、それだけで重量を測り得る。
【００７０】
前述のように、レーザ装置１２０の使用は溶接パッドルの深さの精密な制御を可能にする。更に、レーザ装置１２０の使用は溶接パッドルの大きさ及び深さの容易な調節を許容する。その理由は、レーザビーム１１０が容易に焦点が合わせられ／焦点が外され得るか、或いはそのビーム強度を極めて容易に変更させ得るからである。これらの能力の故に、ワークピースＷ１及びＷ２上の熱分配を精密に制御し得る。この制御は精密な溶接のために極めて狭い溶接パッドルの創成を可能にし、ワークピース上の溶接ゾーンの大きさを最小限化する。これは溶接ビードによって影響されないワークピースの領域を最小限化するという利点ももたらす。具体的には、溶接ビードに隣接するワークピースの領域は溶接作業からの最小の影響を有し、それはアーク溶接作業の場合には当て嵌まらないことが多い。
【００７１】
本考案の例示的な実施態様では、溶接プロセス中にビーム１１０の形状及び／又は強さを調節／変更し得る。例えば、ワークピース上の特定の場所で浸透の深さを変更したり或いは溶接ビードの大きさを変更することが必要であり得る。そのような実施態様では、溶接プロセス中に、ビーム１１０の形状、強さ、及び／又は大きさを調節して、溶接パラメータにおける所要の変更をもたらし得る。
【００７２】
上述のように、溶接ワイヤ１４０はレーザビーム１１０と同じ溶接パッドルに衝突する。例示的な実施態様において、溶接ワイヤ１４０はレーザビーム１１０と同じ場所で溶接パッドルと衝突し得る。しかしながら、他の実施態様では、溶接ワイヤ１４０はレーザビームから遠隔に同じ溶接パッドルに衝突し得る。図６Ａに示される実施態様において、溶接ワイヤ１４０は溶接作業中にビーム１１０を追跡する。しかしながら、それは必要でない。何故ならば、溶接ワイヤ１４０を進み位置において位置付け得るからである。本考案はこの点において限定されない。何故ならば、溶接ワイヤ１４０がビーム１１０と同じ溶接パッドルに衝突する限り、溶接ワイヤ１４０をビーム１１０に対する他の位置に位置付け得るからである。
【００７３】
上述の実施態様は亜鉛メッキのような塗膜を有するワークピースに関して記載された。しかしながら、本考案の実施態様を塗膜を有さないワークピースにも用い得る。具体的には、非被覆ワークピースとも同じ上述の溶接プロセスを利用し得る。そのような実施態様は被覆される金属に関して上述したものと同じ性能を達成する。
【００７４】
更に、本考案の例示的な実施態様は鋼製ワークピースを溶接することに限定されず、以下に更に記載するように、本考案の例示的な実施態様をアルミニウム又はより複雑な金属を溶接するためにも用い得る。
【００７５】
本考案の他の有益な特徴はシールドガスに関する。典型的なアーク溶接作業では、大気中の酸素及び窒素又は他の有害な成分が溶接パッドル及び金属移転(metal  transfer)と相互作用することを防止するために、シールドガス又はシールドフラックスが用いられる。そのような相互作用は溶接部の品質及び外観にとって有害であり得る。従って、殆ど全ての溶接プロセスでは、外部的に供給されるシールドガスによってシールドがもたらされ、シールドガスは、フラックスを有する電極（例えば、スティック電極、フラックスコアード電極等）の消耗によって、或いは外部的に供給される粒状化フラックス（例えば、サブアーク溶接）によって創り出される。更に、特殊な金属を溶接すること又は亜鉛メッキされたワークピースを溶接することのような、一部の溶接作業では、特別なシールドガス混合物が利用されなければならない。そのような混合物は極めて高価であり得る。更に、極限環境において溶接するときには、大量のシールドガスを（パイプラインのような）作業現場に輸送するのは困難であることが多く、風はシールドガスをアークから離れる方向に吹く傾向を有する。更に、近年では、ヒューム抽出システムの使用が成長している。これらのシステムはヒュームを除去する傾向を有するが、それらは溶接作業の近接し過ぎて配置されるならば、シールドガスを引き離す傾向も有する。
【００７６】
本考案の利益は、溶接するときにシールドガスを用いないか或いは最小の量のシールドガスを用い得ることを含む。代替的に、本考案の実施態様は、特定の溶接作業のために普通は用い得ないシールドガスの使用を可能にする。これは以下に更に議論される。
【００７７】
アーク溶接プロセスで典型的なワークピース（非被覆）を溶接するときには、シールドガスがその形態に拘わらず必要とされる。本考案の実施態様で溶接するときにはシールドが要求されないことが発見された。即ち、シールドガス、粒状フラックス、及び自己シールド電極を用いる必要はない。しかしながら、アーク溶接プロセスにおけると異なり、本考案は上質の溶接を生成する。即ち、如何なるシールドも用いずに、上述の溶接速度を達成し得る。これは従来的なアーク溶接プロセスでは達成され得ない。
【００７８】
典型的なアーク溶接プロセス中、溶接ワイヤの溶滴が溶接ワイヤから溶接ワークを通じて溶接パッドルに移転される。シールドがなければ、溶滴の全表面は移転中に大気に晒され、よって、大気中の酸素及び窒素を捕捉し、酸素及び窒素を溶接パッドルに送る傾向を有する。これは望ましくない。
【００７９】
本考案は溶滴の使用又は類似のプロセスを用いずに溶接ワイヤを溶接部に送るので、溶接ワイヤはそんなにまで大気に晒されない。従って、多くの溶接用途において、シールドの使用は必要とされない。よって、本考案の実施態様は多孔性又はスパッタを伴わずに或いは殆ど伴わずに高い溶接速度を達成するのみならず、シールドガスの使用を伴わずにそのようにする。
【００８０】
シールドを用いる必要がないならば、溶接中にヒューム抽出ノズルを溶接継手により近接して配置することが可能であり、よって、より一層効率的で効果的なヒューム抽出をもたらす。シールドガスが利用されるときには、ヒューム抽出ノズルがシールドガスの機能と緩衝しないようにヒューム抽出ノズルを配置することが必要である。本考案の利点の故に、そのような制約は存在せず、ヒューム抽出を最適化し得る。例えば、本考案の例示的な実施態様において、レーザビーム１１０はレーザシュラウド組立体１９０１によって保護され、レーザシュラウド組立体１９０１は、ビームをレーザ１２０からワークピース１１５の表面付近まで遮断する。この代表を図１９に見ることができる。シュラウド１９０１（断面において示されている）はビーム１１０を干渉から守り、作業中に追加的な安全をもたらす。更に、如何なる溶接ヒュームをも溶接ゾーンから引き離すヒューム抽出システム１９０３にシュラウド１９０１を結合させ得る。シールドガスを用いずに実施態様を利用し得るので、ヒュームを溶接ゾーンから直接的に引き離すために、シュラウド１９０１を溶接部に極めて近接して位置付け得る。実際には、溶接部よりも上のその距離Ｚが０．１２５〜０．５インチの範囲内にあるように、シュラウド１９０１を位置付け得る。もちろん、他の距離も用い得るが、溶接パッドルを邪魔しないよう或いはシュラウド１９０１の有効性を有意に減少させないよう注意しなければならない。ヒューム抽出システム１９０３は溶接業界において概ね理解され且つ既知であるので、ここではそれらの構造及び動作を詳細に議論しない。図１９はビーム１０のみを保護するシュラウド１９０１を示しているが、シュラウドがコンタクトチップ１６０及びワイヤ１４０の少なくとも一部を取り囲むようにシュラウド１９０１が構成されるのはもちろんである。例えば、シュラウド１９０１の底開口は溶接パッドルのほぼ全体を覆うのに十分な大きさであることが可能であり、ヒューム抽出を増大させるために溶接パッドルよりも大きくてさえもよい。
【００８１】
亜鉛メッキされたワークピースのような被覆されたワークピースを溶接するために用いられる本考案の例示的な実施態様では、より一層安価なシールドガスを利用し得る。例えば、軟鋼を含む多くの異なる材料を溶接するために、１００％ＣＯ２シールドガスを用い得る。これは、１００％窒素シールドガスでのみ溶接し得る、ステンレス鋼、二相鋼(duplex  steel)、超二相鋼(super  duplex  steel)のような、より複雑な金属を溶接するときにも当て嵌まる。典型的なアーク溶接作業において、ステンレス鋼、二相鋼、又は超二相鋼の溶接は、極めて高価であり得るシールドガスのより複雑な混合を必要とする。本考案の実施態様は、これらの鋼が１００％窒素シールドガスでのみ溶接されることを可能にする。更に、他の実施態様はこれらの鋼をシールドガスを用いずに溶接させ得る。亜鉛メッキされた材料のための典型的な溶接プロセスでは、アルゴン／ＣＯ２ブレンドのような、特別な混合シールドガスを利用されなければならない。１つには、通常のアーク溶接中にカソード及びアノードが溶接ゾーン内に存在することの故に、この種類の気体は用いられなければならない。しかしながら、上記で説明したように、そして、以下に更に説明するように、溶接アークはなく、よって、溶接ゾーン内にアノード又はカソードは存在しない。従って、溶接ワイヤが大気から有害な成分を捕捉する機会は大いに減少させられる。何故ならば、アークも溶滴移転もないからである。本考案の多くの実施態様はシールドガスのようなシールドを使用しない溶接を許容するが、溶接ゾーンから蒸気又は汚染物を取り除くために、溶接部に亘って気体流を利用し得る。即ち、溶接ゾーンから汚染物を取り除くために、溶接中、空気、窒素、ＣＯ２、又は他の気体を溶接部の上に吹き付け得ることが想起される。
【００８２】
被覆された材料を高速で溶接し得ることに加えて、有意に減少させられた熱影響部（「ＨＡＺ」）を伴う二相鋼(dual-phase  steel)を溶接するために、本考案の実施態様を利用し得る。二相鋼は、フェライト及びマルテンサイト微細構造の両方を有する強力鋼であり、よって、鋼が高強度及び良好な成形性を有することを可能にする。二相鋼の性質の故に、二相鋼溶接部の強度は、熱影響部の強度によって制約される。熱影響部は、アーク溶接プロセスの故にその微細構造が不利に変更させられるように溶接プロセスから有意に加熱される、（フィラーを含まない）溶接継手の周りのゾーンである。既知のアーク溶接プロセスでは、アークプラズマの大きさ及び溶接ゾーン内への高い熱入力の故に、熱影響部は極めて大きい。熱影響部は極めて大きいので、熱影響部は溶接の強度制限部分になる。よって、アーク溶接プロセスは、典型的には、そのような継手を溶接するために軟鋼フィラーワイヤ１４０を用いる（例えば、ＥＲ７０Ｓ−６又は３型電極）。何故ならば、高力電極の使用は不要だからである。更に、このため、設計者は−自動車フレーム、バンパ、エンジンクレードル等におけるように−溶接継手を戦略的に高応力構造から外で二相鋼内に配置しなければならない。
【００８３】
上記で議論したように、レーザ装置１２０の使用は溶接パッドルの創成において高いレベルの精度をもたらす。この精度の故に、溶接ビードを取り囲む熱影響部を極めて小さく維持し得るし、或いはワークピースに対する熱影響部の全体的な影響を最小限化し得る。実際には、一部の実施態様では、ワークピースの熱影響部をほぼ排除し得る。これはレーザビーム１１０の焦点をパッドルが創り出されるべきワークピースの部分にのみ維持することによって行われる。熱影響部の大きさを有意に減少させることによって、ベースメタルの強度はアーク溶接プロセスが用いられるほどには妥協されない。よって、熱影響部の存在又は場所は、最早、溶接される構造の設計における制約要因ではない。熱影響部よりもむしろワークピースの組成及び強度並びに溶接ワイヤの強度が構造設計における推進要因であるので、本考案の実施態様はより強力な溶接ワイヤの使用を可能にする。例えば、本考案の実施態様は、ＥＲ８０Ｓ−Ｄ２型の電極のような、少なくとも８０ｋｓｉ降伏強度を有する電極の使用を今や許容する。もちろん、この電極は例示的であることが意図される。更に、アーク溶接よりも少ない全熱入力があるので、パッドルの冷却速度はより速く、それは使用される溶接ワイヤの化学的性質はより貧弱であるが、既存の溶接ワイヤに対して同等以上の性能をもたらすことを意味する。
【００８４】
加えて、有意に減少させられた遮断要求でチタンを溶接するために、本考案の例示的な実施態様を用い得る。アーク溶接プロセスでチタンを溶接するときには、許容し得る溶接が創り出されるのを保証するために大いなる配慮がなされなければならないことが知られている。それは溶接プロセス中にチタンが酸素と反応する強い親和力を有するからである。チタンと酸素との間の反応は二酸化チタンを創り出し、溶接プール中に二酸化チタンが存在するならば、それは溶接継手の強度及び／又は延性を有意に減少させ得る。このため、チタンをアーク溶接するときには、パッドルがさめるときにアークのみならず追跡溶融パッドル(trailing  molten  puddle)も大気から遮断するために、有意な量の追跡シールドガス(trailing  shielding  gas)を提供することが必要である。アーク溶接から生成される熱の故に、溶接パッドルは極めて大きくあり得、長い時間期間に亘って溶解したままであり得、よって、有意な量のシールドガスを必要とする。本考案の実施態様は材料が溶解させられる時間を減少させ且つ急速に冷却し、この余分なシールドガスの必要は減少させられる。
【００８５】
上記で説明したように、溶接ゾーン内への全熱入力を有意に減少させ、よって、溶接パッドルの大きさを有意に減少させるために、レーザビーム１１０を極めて注意深く集束させ得る。溶接パッドルはより小さいので、溶接パッドルはより速く冷却する。よって、後端シールドガスの必要はなく、溶接部でのシールドが必要なだけである。更に、上記で議論した類似の理由のために、チタンを溶接するときのスパッタ因数は大いに減少させられるのに対し、溶接の速度は増大させられる。
【００８６】
図７及び７Ａを今や参照すると、オープンルート型の溶接継手が示されている。オープンルート継手は厚いプレート及びパイプを溶接するためにしばしば用いられ、遠隔で環境的に困難な場所においてしばしば起こり得る。被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）、及び自己シールドフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）を含む、オープンルート継手を溶接する多数の既知の方法がある。これらの溶接プロセスは、シールドの必要、速度制約、スラグの創成等を含む、様々な不利点を幽する。
【００８７】
よって、本考案の実施態様はこれらの種類の溶接を行い得る効率及び速度を大いに改良する。具体的には、シールドガスの使用を排除し得るか或いは大いに減少させ得るし、スラグの生成を完全に解消し得る。更に、最小のスパッタ及び多孔性で、高速での溶接を得ることができる。
【００８８】
図７及び７Ａは、本考案の例示的な実施態様によって溶接される代表的なオープンルート溶接継手を示している。もちろん、重ね型の又はオープンルート型の継手だけでなく、広範な溶接継手を溶接するために、本考案の実施態様を利用し得る。図７では、間隙７０５がワークピースＷ１／Ｗ２の間に示され、各それぞれのワークピースは傾斜表面７０１／７０３をそれぞれ有する。上記で丁度議論したように、本考案の実施態様はレーザ装置１２０を用いて表面７０１／７０３上に精密な溶融パッドルを創り出し、上述のように、予加熱された溶接ワイヤ（図示せず）がパッドル内にそれぞれ溶着される。
【００８９】
実際には、本考案の例示的な実施態様は、単一の溶接ワイヤを各それぞれの溶接パッドル内に向けることに限定されない。ここに記載する溶接プロセス中に溶接アークは生成されないので、１つよりも多くの溶接ワイヤを任意の１つの溶接パッドルに向け得る。所与の溶接パッドルへの溶接ワイヤの数を増大させることによって、熱入力の有意な増大を伴わずに、溶接の全体的な溶着速度を有意に増大させ得る。よって、（図７及び７Ａに示される種類のような）オープンルート溶接継手を単一の溶接パスにおいて充填し得ることが想起される。
【００９０】
更に、図７に示されるように、本考案の一部の例示的な実施態様では、溶接継手における１つよりも多くの場所を同時に熔解するために、複数のレーザビーム１１０及び１１０Ａを利用し得る。これを多数の方法において達成し得る。図７に示される第１の実施態様では、ビームスプリッタ１２１が利用され、レーザ装置１２０に結合されている。ビームスプリッタ１２１はレーザ装置に精通しいている者に知られており、ここで詳細に議論される必要はない。ビームスプリッタ１２１はレーザ装置１２０からのビームを２つの（又はそれよりも多くの）別個のビーム１１０／１１０Ａに分割し、それらを２つの異なる表面に向け得る。そのような実施態様では、多数の表面を同時に照射して溶接における更なる精度及び確度をもたらし得る。他の実施態様では、各ビームがその独自の専用装置から放射されるように、別個のレーザ装置によって別個のビーム１１０及び１１０Ａの各々を創り出し得る。
【００９１】
多数のレーザ装置を用いるそのような実施態様では、異なる溶接の必要に適合するよう、溶接作業の多くの特徴を異ならせ得る。例えば、別個のレーザ装置によって生成されるビームは異なるエネルギ密度を有し得るし、溶接継手で異なる形状及び／又は異なる断面積を有し得る。この柔軟性を用いるならば、必要とされる如何なる特定の溶接パラメータをも充足するよう、溶接プロセスの特徴を修正し且つカスタマイズし得る。もちろん、これを単一のレーザ装置及びビームスプリッタ１２１の利用でも達成し得るが、柔軟性の一部は単一のレーザ装置の使用で限定され得る。更に、如何なる数のレーザをも所望に用い得ることが想起されるので、本考案は単一又は二重のレーザ構造に限定されない。
【００９２】
更なる例示的な実施態様では、ビーム走査装置を用い得る。そのような装置はレーザ又はビーム放射技術分野において知られており、ワークピースの表面に亘ってあるパターンにおいてビーム１１０を走査するために用いられる。そのような装置を用いるならば、ワークピース１１５を所望の様式において加熱するために、走査速度及びパターン並びにドウェル時間を用い得る。更に、所望のパッドル構成を創り出すために、エネルギ源（例えば、レーザ）の出力電力を所望に規制し得る。加えて、所望の操作及び継手パラメータに基づきレーザ１２０内で利用される光学を最適化し得る。例えば、広い溶接又はクラッディング作業のために集束線ビームを生成するために線及び積分器光学(line  and  integrator  optics)を利用し得るし、均一な電力分配を有する正方形／長方形ビーム(square/rectangular  beam)を生成するために積分器を用い得る。
【００９３】
図７Ａは、本考案の他の実施態様を描写しており、そこでは、単一のビーム１１０がオープンルート継手に向けられて、表面７０１／７０３を溶解している。
【００９４】
レーザビーム１１０及び１１０Ａの精度の故に、ビーム１１０／１１０Ａを間隙７０５から離れて表面７０１／７０３の上だけに集束させ得る。このため、（通常は間隙７０５を通じて落ちる）溶落ち(melt-through)を制御することができ、それは背面溶接ビード（間隙７０５の底表面にある溶接ビード）の制御を大いに向上させる。
【００９５】
図７及び７Ａの各々では、間隙７０５がワークピースＷ１とＷ２との間に存在し、それは溶接ビード７０７で充填されている。例示的な実施態様において、この溶接ビード７０７はレーザ装置（図示せず）によって創り出される。よって、例えば、溶接作業中、第１のレーザ装置（図示せず）が、第１のレーザビーム（図示せず）を間隙７０５に向け、ワークピースＷ１及びＷ２をレーザ溶接ビード７０７で一体に溶接するのに対し、第２のレーザ装置１２０は、少なくとも１つのレーザビーム１１０／１１０Ａを表面７０１／７０３に向け、溶接パッドルを創り出し、そこでは、溶接ワイヤ（図示せず）が溶着されて溶接を完了させる。間隙が十分に小さいならば、レーザだけによって間隙溶接ビード７０７を創り出し得るし、間隙７０５がそのように要求するならば、レーザ及び溶接ワイヤの使用によって創り出し得る。具体的には、間隙７０５を適切に充填するためにフィラーを加えることが必要であり得、よって、溶接ワイヤが用いられなければならない。この間隙ビード７０５の創成は、本考案の様々な例示的な実施態様に関して上述したものに類似する。
【００９６】
ここにおいて議論するレーザ装置１２０のような強力エネルギ源は、所望の溶接作業のために必要なエネルギ密度をもたらすのに十分な電力を有する種類でなければならないことを付記しなければならない。即ち、レーザ装置１２０は、溶接プロセスを通じて安定的な溶接パッドルを創り出し且つ維持し、そして、所望の溶接浸透にも達するのに十分な電力を有さなければならない。例えば、一部の用途のために、レーザは溶接されるワークピースに「鍵穴を開ける」(“keyhole”)能力を有さなければならない。これは、レーザがワークピースを完全に貫通すると同時に、レーザがワークピースに沿って走行するときにその貫通のレベルを維持するのに十分な電力を有さなければならないことを意味する。例示的なレーザは１〜２０ｋＷの範囲内のパワー能力を有さなければならず、５〜２０ｋＷの範囲内のパワー能力を有し得る。より強力なレーザを利用し得るが、極めて高価になり得る。もちろん、ビームスプリッタ１２１の使用又は多数のレーザの使用を他の種類の溶接継手においても用い得るし、図６及び６Ａに示されるような重ね継手において用い得ることを付記する。
【００９７】
図７Ｂは、本考案の他の例示的な実施態様を描写している。この実施態様では、狭い溝、深いオープンルート継手が示されている。（１インチよりも大きい深さの）深い継手をアーク溶接するときには、溝のための間隙Ｇが狭いときに継手の底を溶接するのは困難であり得る。これはシールドガスをそのように深い溝内に効果的に送るのが困難であり且つ溝の狭い壁が溶接アークの安定性との干渉を引き起こし得るからである。ワークピースは典型的には第一鉄材料であるので、継手の壁は溶接アークと磁気的に干渉し得る。このため、典型的なアーク溶接手続きを用いるときには、溝の間隙Ｇはアームが安定的なままであるように十分に広くある必要がある。しかしながら、溝が広ければ広いほど、溶接を完了させるためにより多くのフィラーが必要とされる。本考案の実施態様はシールドガスを必要とせず、溶接アークを用いないので、これらの問題は最小限化される。これは本考案の実施態様が深く狭い溝を効率的に且つ効果的に溶接することを可能にする。例えば、ワークピース１１５が１インチよりも大きい厚さを有する本考案の例示的な実施態様において、間隙幅Ｇは、溶接ワイヤ１４０の直径の１．５〜２倍の範囲内にあり、側壁角度は、０．５〜１０度の範囲内にある。例示的な実施態様において、そのような溶接継手のルートパス準備は、１／１６インチ〜１／４インチの範囲内のランドを備える１〜３ｍｍの範囲内の間隙ＲＧを有し得る。よって、通常のアーク溶接プロセスよりも速く且つより一層少ないフィラーで深いオープンルート継手を溶接し得る。更に、本考案の特徴はより一層少ない熱を溶接ゾーン内に導入するので、側壁との接触を避けるよう、溶接パッドルへのより一層近接した送りを容易化するために、チップ１６０を設計し得る。即ち、チップ１６０をより小さく作製し且つ狭い構造を備える絶縁ガイドとして構成し得る。更なる例示的な実施態様では、継手の両側を同時に溶接するために、レーザ及びワイヤを溶接部のの幅に亘って移動させるよう、並進装置又は機構を用い得る。
【００９８】
図８に示されるように、本考案の実施態様を用いて突合わせ型の継手を溶接し得る。図８には、フラッシュ突合わせ型の継手が示されているが、溶接継手の頂面及び底面にＶノッチ溝を備える突合わせ型の継手も溶接し得ることが想起される。図８に示される実施態様には、２つのレーザ装置１２０及び１２０Ａが溶接継手の両側に示されており、各々のレーザ装置はそれらの独自の溶接パッドル８０１及び８０３をそれぞれ作り出している。図７及び７Ａと同様に、加熱される溶接ワイヤは示されていない。何故ならば、それらは図示の図面においてレーザビーム１１０／１１０Ａの背後を追跡しているからである。
【００９９】
既知のアーク技術で突合わせ型の継手を溶接するときには、アークが相互を不規則に移動させるよう、相互に干渉する溶接アークによって磁場が生成されるときに起こる「アーク吹き」(“arc  blow”)に関連する有意な問題がある。更に、同じ溶接継手上で溶接するために２つ又はそれよりも多くのアーク溶接システムが用いられるときには、それぞれの溶接電流の干渉によって引き起こされる有意な問題があり得る。加えて、１つには高い熱入力の故に、アーク溶接方法の浸透の深さの故に、溶接継手の両側にアークで溶接し得るワークピースの厚さは制約される。即ち、薄いワークピースの上では、そのような溶接を行い得ない。
【０１００】
本考案の実施態様を用いて溶接するとき、これらの問題は解消される。利用される溶接アークはないので、アーク吹き干渉問題又は溶接電流干渉問題はない。更に、熱入力及びレーザの使用を通じて可能である浸透の深さの故に、溶接継手の両側で同時により一層薄いワークピースを溶接し得る。
【０１０１】
本考案の更なる例示的な実施態様が図９に示されている。この実施態様では、特異な溶接プロファイルを創り出すために、２つのレーザビーム１１０及び１１０Ａが−互いに一致して−利用されている。図示の実施態様では、第１の断面積及び深さを有する溶接パッドル９０１の第１の部分を創り出すために（第１のレーザ装置１２０から放射される）第１のビーム１１０が用いられているのに対し、第１のものと異なる第２の断面積及び深さを有する溶接パッドル９０３の第２の部分を創り出すために（第２のレーザ装置−図示せず−から放射される）第２のビーム１１０Ａが用いられている。溶接ビードの残部よりも深い浸透の深さを有する溶接ビードの部分を有するのが望ましいときには、この実施態様を用い得る。例えば、図９に示されるように、パッドル９０１は、より広く且つより浅く作製される溶接パッドル９０３よりも深く且つ狭く作製される。ワークピースを接触する場所で深い浸透レベルが必要とされるが、溶接継手の全体的な部分にとって望ましくないときに、そのような実施態様を用い得る。
【０１０２】
本考案の更なる例示的な実施態様では、第１のパッドル９０３は、継手のための溶接部を創り出す溶接パッドルであり得る。この第１のパッドル／継手は第１のレーザ１２０及び溶接ワイヤ（図示せず）を用いて創り出され、適切な浸透の深さに作製される。この溶接継手が作製された後、第２のレーザビーム１１０Ａを放出する第２のレーザ（図示せず）が継手を横切って、異なるプロファイルを備える第２のパッドル９０３を創り出し、そこでは、上記の実施態様で議論したような何らかの種類のオーバーレイを溶着させるために、この第２のパッドルが用いられる。このオーバーレイは、第１の溶接ワイヤと異なる化学的性質を有する第２の溶接ワイヤを用いて溶着される。例えば、継手が溶接された直後に或いは程なく、溶接継手の上に耐食性クラッディング層を配置するために、この考案の実施態様が用いられる。単一のレーザ層１２０を用いてもこの溶接作業を達成することができ、その場合には、所望の溶接パッドルプロファイルを提供するために、ビーム１１０が第１のビーム形状／密度と第２のビーム形状／密度との間で往復させられる。よって、多数のレーザ装置が利用されることは必要でない。
【０１０３】
上記で説明したように、（亜鉛メッキのような）ワークピース上の耐食性塗膜が溶接プロセス中に除去される。しかしながら、耐食目的のために溶接継手を再び被覆することが望ましくあり得る。よって、クラッディング層のような耐食性オーバーレイを継手９０１の上に追加するために、第２のレーザビーム１１０Ａ及びレーザを用い得る。
【０１０４】
本考案の様々な利点の故に、溶接作業を介して異なる金属を容易に接合させることも可能である。異なる金属及びフィラーのための所要の化学的性質は亀裂及び劣等の溶接をもたらし得るので、アーク溶接プロセスを用いて異なる金属を溶接することは困難である。これは、それらの異なる化学的性質の故に、ステンレス鋼を軟鋼に溶接するときに、或いは極めて異なる溶解温度を有するアルミニウム及び鋼を一体にアーク溶接することを試みるときに、特に当て嵌まる。しかしながら、本考案の実施態様を用いるならば、そのような問題は緩和される。
【０１０５】
図１０は、この考案の例示的な実施態様を描写している。Ｖ型の継手が示されているが、本考案はこの点において制約されない。図１０では、２つの異なる金属が溶接継手１００で接合されて示されている。この実施例において、２つの異なる金属はアルミニウム及び鋼である。この例示的な実施態様では、２つの異なるレーザ源１０１０及び１０２０が利用されている。しかしながら、２つのレーザ装置は全ての実施態様において必要とされない。何故ならば、２つの異なる材料を溶解させる必要なエネルギを提供するために、単一の装置を往復させ得るからである−これを以下に更に議論する。レーザ１０１０は鋼製ワークピースに向けられるビーム１０１１を放射し、レーザ１０２０はアルミニウム製ワークピースに向けられるビーム１０２１を放射する。それぞれのワークピースの各々は異なる金属又は合金で作製されるので、それらは異なる溶解温度を有する。よって、それぞれのレーザビーム１０１１／１０２１の各々は溶接パッドル１０１２及び１０２２で異なるエネルギ密度を有する。異なるエネルギ密度の故に、それぞれの溶接パッドル１０１２及び１０２２の各々を正しい大きさ及び深さに維持し得る。これはより低い溶解温度を有するワークピース−例えば、アルミニウム内への過剰な浸透及び熱入力も防止する。一部の実施態様では、少なくとも溶接継手の故に、（図１０に示されるように）２つの別個の異なる溶接パッドルを有する必要はなく、むしろ両方のワークピースで単一のパッドルを形成し得る。その場合には、各々のワークピースの溶解部分は単一の溶接パッドルを形成する。更に、ワークピースが異なる化学的性質を有するが類似の溶解温度を有するならば、一方のワークピースが他方のワークピースよりも多く溶解するという理解で、両方のワークピースを同時に照射するために単一のビームを用いることが可能である。更に、上記で簡潔に記載したように、両方のワークピースを照射するために（レーザ装置１２０のような）単一のエネルギ源を用いることが可能である。例えば、レーザ装置１２０は、第１のワークピースを溶解させるために第１のビーム形状／エネルギ密度を用い、次に、第２のワークピースを溶解させるために第２のビーム形状／エネルギ密度に往復／変更させ得る。溶接パッドルが溶接プロセス中に安定的且つ堅実に維持されるよう、両方のワークピースの正しい溶解が維持されることを保証するために、ビーム特性の振動及び変更は十分な速度で達成されなければならない。他の単一ビーム実施態様は、各ワークピースの十分な溶解を保証するために他方のワークピースに対するよりも多くの熱入力を一方のワークピースにもたらす形状を有するビーム１１０を利用し得る。そのような実施態様において、ビームのエネルギ密度は、ビームの断面に亘って均一であり得る。例えば、ビーム１１０は、ビームの形状の故に、一方のワークピースへの全熱入力が他方のワークピースへよりも少ないよう、台形又は三角形の形状を有し得る。代替的に、一部の実施態様は、その断面に亘って非均一なエネルギ分配を有するビーム１１０を用い得る。例えば、ビーム１１０は（それが両方のワークピースに衝突するよう）長方形の形状を有し得るが、ビームの第１の領域は第１のエネルギ密度を有し、ビーム１１０の第２の領域が第１の領域と異なる第２のエネルギ密度を有するので、各々の領域はそれぞれのワークピースを適切に溶解させ得る。一例として、ビーム１１０は鋼製ワークピースを溶解させる高い第１のエネルギ密度を有し得るのに対し、第２の領域はアルミニウム製ワークピースを溶解させるより低いエネルギ密度を有する。
【０１０６】
図１０には、２つの溶接ワイヤ１０３０及び１０３０Ａが示されており、各々の溶接ワイヤは、溶接パッドル１０１２及び１０２２にそれぞれ向けられている。図１０に示される実施態様は２つの溶接ワイヤを利用しているが、本考案はこの点において制約されない。他の実施態様に関して上記で議論したように、所望のビード形状及び溶着速度のような所望の溶接パラメータに依存して、１つだけの溶接ワイヤを用い得るか或いは２つよりも多くの溶接ワイヤを用い得ることが想起される。単一のワイヤが利用されるときには、それを（両方のワークピースの溶解部分から形成される）共通のパッドルに向け得るし、或いは溶接継手内への統合のために、溶接ワイヤを溶解部分の１つにのみ向け得る。よって、例えば、図１０に示される実施態様では、ワイヤを溶解部分１０２２に方向付けてもよく、次に、溶解部分１０２２は、溶接継手の形成のために、溶解部分１０１２と結合させられる。もちろん、単一のワイヤが利用されるならば、それはワイヤが浸漬される部分１０２２／１０１２内にワイヤが溶解するするのを可能にする温度まで加熱させられなければならない。
【０１０７】
異なる金属が接合させられるので、溶接ワイヤの化学的性質は、ワイヤが接合させられる金属と十分に結合し得ることを保証するように選択されなければならない。更に、溶接ワイヤの組成は、溶接ワイヤがより低い温度の溶接パッドルの溶接パッドル内で溶解し且つ消耗されるのを可能にする適切な溶解温度を有するように選択されなければならない。実際には、適切な溶接化学的性質を得るよう、多数の溶接ワイヤの化学的性質が異なり得ることが想起される。最小の混合が材料の間で起こる材料組成を２つの異なるワークピースが有するときに特に当て嵌まる。図１０において、より低い温度の溶接パッドルはアルミニウム製溶接パッドル１０１２であり、よって、溶接ワイヤをパッドル１０１２内で容易に消耗させ得るよう類似の温度で溶解させるために、溶接ワイヤ１０３０（Ａ）が処方される。上記の実施例では、アルミニウム及び鋼のワークピースを用いるならば、溶接ワイヤは、ワークピースの溶解温度と類似の溶解温度を有するケイ素青銅、ニッケル・アルミニウム青銅、又はアルミニウム青銅に基づくワイヤであり得る。もちろん、溶接ワイヤ組成は、所望の機械的及び溶接性能特性に適合すると同時に、溶接されるべきワークピースのうちの少なくとも１つの溶解特性と類似する溶解特性をもたらすように選択されなければならないことが想起される。
【０１０８】
図１１Ａ乃至１１Ｃは、利用し得るチップ１６０の様々な実施態様を描写している。図１１Ａは、その構造及び動作が通常のアーク溶接コンタクトチップと極めて類似するチップ１６０を描写している。ここに記載するようなホットワイヤ溶接中、加熱電流は電源１７０からコンタクトチップ１６０に向けられ、チップ１６０からワイヤ１４０内に送られる。次に、電流は、ワークピースＷに対するワイヤ１４０の接触を介して、ワイヤを通じてワークピースに向けられる。ここに記載するように、この電流の流れはワイヤ１４０を加熱する。もちろん、電源１７０を図示のようにコンタクトチップに直接的に結合させなくてもよく、ワイヤフィーダ１５０に結合させて、ワイヤフィーダが電流をチップ１６０に向けてもよい。図１１Ｂは、本考案の他の実施態様を示しており、そこでは、チップ１６０は、電源１７０の負極が第２の構成部品１６０’に結合されるよう、２つの構成部品１６０及び１６０’で構成される。そのような実施態様において、加熱電流は第１のチップ構成部品１６０からワイヤ１４０に流れ、次に、第２のチップ構成部品１６０’内に流れる。ワイヤ１４０を通じる電流の流れは、構成部品１６０及び１６０’の間で、ワイヤをここに記載するように加熱させる。図１１Ｃは、他の例示的な実施態様を描写しており、そこでは、チップ１６０は誘導コイル１１１０を含み、誘導コイル１１１０は誘導加熱を介してチップ１６０及びワイヤ１４０を加熱させる。そのような実施態様では、誘導コイル１１１０をコンタクトチップ１６０と一体的に作製し得るし或いはチップ１６０の表面の周りに巻回し得る。もちろん、ワイヤが溶接作業のための所望の温度を達成し得るよう、チップ１６０が所要の電流／電力をワイヤ１４０に送る限り、チップ１６０のために他の構造も用い得る。
【０１０９】
本考案の例示的な実施態様の動作を記載する。上記で議論したように、本考案の実施態様は、溶接ワイヤを加熱する電源及び強力エネルギ源の両方を利用する。このプロセスの各特徴を順々に議論する。以下の記載及び議論は、前記で議論したオーバーレイ実施態様に関する前述の議論のいずれかと取って代わったり交換することを意図せず、溶接又は接合用途に関して議論したものを捕捉することを意図する。オーバーレイ作業に関する前記議論は、接合及び溶接の目的のためにも組み込まれる。
【０１１０】
接合／溶接のための例示的な実施態様は、図１に示されるものと類似し得る。上記のように、溶接ワイヤ１４０に加熱電流を提供するホットワイヤ電源１７０が提供される。電流は（任意の既知の構造であり得る）コンタクトチップ１６０からワイヤ１４０に通じ、次に、ワークピース内に通じる。この抵抗加熱電流は、チップ１６０とワークピースとの間のワイヤ１４０を、利用される溶接ワイヤ１４０の溶解温度又はその付近の温度に到達させる。もちろん、溶接ワイヤ１４０の溶解温度は、ワイヤ１４０の大きさ及び化学的性質に依存して異なる。従って、溶接中、溶接ワイヤの所望の温度は、ワイヤ１４０に依存して異なる。以下に更に議論するように、溶接ワイヤのための所望の動作温度は、溶接中に所望のワイヤ温度が維持されるよう、溶接システム内へのデータ入力であり得る。例示的な実施態様では、溶接ワイヤ１４０の少なくとも一部が溶接パッドルに入る。例えば、溶接ワイヤが溶接パッドルに入るとき、溶接ワイヤの少なくとも３０％は固定である。
【０１１１】
本考案の例示的な実施態様において、ホットワイヤ電源１７０は、溶接ワイヤの少なくとも一部をその溶解温度又はその溶解温度の７５％上の温度に維持する電流を供給する。例えば、軟鋼溶接ワイヤ１４０を用いるとき、ワイヤがパッドルに入る前のワイヤの温度は約１，６００°Ｆであり得るのに対し、ワイヤは約２，０００°Ｆの溶解温度を有する。もちろん、それぞれの溶解温度及び所望の動作温度は、少なくとも溶接ワイヤの合金、組成、直径、及び送り速度で異なることが理解されよう。他の例示的な実施態様において、電源１７０は、溶接ワイヤの一部を、その溶解温度又はその溶解温度の９０％上の温度に維持する。更なる例示的な実施態様のおいて、ワイヤの部分は、その溶解温度又はその溶解温度の９５％上の温度にあるワイヤの温度に維持される。例示的な実施態様において、ワイヤ１４０は、加熱電流がワイヤ１４０及びパッドルに伝えられる地点からの温度勾配を有し、その場合、パッドルでの温度は、加熱電流の入力地点での温度よりも高い。ワイヤ１４０の効率的な溶解を促進するために、ワイヤがパッドルに入る地点又はその付近でワイヤ１４０の最高温度を有するのが望ましい。よって、上述の温度百分率は、ワイヤがパッドルに入る地点又はその地点付近でワイヤ上で測定されるべきである。溶接ワイヤ１４０をその溶解温度又はその溶解温度付近に維持することによって、ワイヤ１４０は熱源／レーザ１２０によって創り出される溶接パッドル内に溶解し或いは消耗される。即ち、ワイヤ１４０は、ワイヤ１４０がパッドルと接触するときにパッドルの有意な急冷を引き起こさない温度を有する。ワイヤ１４０の高温の故に、ワイヤが溶接パッドルと接触するときに、ワイヤは素速く溶解する。ワイヤが溶接プール中で最低にならない−溶接プールの非溶解部分と接触するようなワイヤ温度を有するのが望ましい。そのような接触は、溶接の品質に悪影響を及ぼし得る。
【０１１２】
前述のように、一部の実施態様では、パッドル内へのワイヤ１４０の進入によってワイヤ１４０の完全な溶解を促進し得るに過ぎない。しかしながら、他の例示的な実施態様では、ワイヤ１４０の一部に衝突するレーザビーム１１０及びパッドルの組合わせによってワイヤ１４０を完全に溶解させ得る。本考案の更に他の実施態様では、レーザビーム１１０がワイヤ１４０の加熱に寄与するよう、レーザビーム１１０によってワイヤの加熱／溶解を補助し得る。しかしながら、多くの溶接ワイヤ１４０は反射的であり得る材料で作製されるので、反射性のレーザ種類が用いられるならば、ワイヤ１４０は、その表面反射率が減少させられてビーム１１０がワイヤ１４０の加熱／溶解に寄与するような温度まで加熱されなければならない。この構成の例示的な実施態様において、ワイヤ１４０及びビーム１１０は、ワイヤ１４０がパッドルに入る地点で交差する。
【０１１３】
図１に関しても前記で議論したように、電源１７０及びコントローラ１９５は、溶接中に、ワイヤ１４０がワークピースとの接触を維持し、アークが生成されないように、ワイヤ１４０への加熱電流を制御する。アーク溶接技術に反して、本考案の実施態様で溶接するときのアークの存在は、有意な溶接欠陥をもたらし得る。よって、（上記で議論したような）一部の実施態様において、ワイヤ１４０と溶接パッドルとの間の電圧は、ワイヤがワークピース／溶接パッドルと短絡している／接触していることを示す−０ボルト又は０ボルト付近に維持されなければならない。
【０１１４】
しかしながら、本考案の他の実施態様では、アークを創り出すことなく０ボルトより上の電圧レベルが得られるようなレベルで電流を提供することが可能である。より高い電流値を利用することによって、より高いレベルにある温度に或いは電極の溶解温度付近のレベルにある温度に電極１４０を維持することが可能である。これは溶接プロセスがより速く進行することを可能にする。本考案の例示的な実施態様において、電極１７０は電圧を監視し、電圧が０ボルトより上のある地点にある電圧値に達するか或いは接近すると、電源１７０は電流をワイヤ１４０に流すのを停止して、アークが創り出されないことを保証する。電圧閾値レベルは、少なくとも部分的には、用いられる電極１４０の種類の故に、異なるのが典型的である。例えば、本考案の一部の例示的な実施態様において、閾値電圧レベルは６ボルト以下である。他の例示的な実施態様において、閾値レベルは９ボルト以下である。更なる例示的な実施態様において、閾値レベルは１４ボルト以下であり、追加的な例示的な実施態様において、閾値レベルは１６ボルト以下である。例えば、軟鋼溶接ワイヤを用いるとき、電圧のための閾値レベルはより低い種類であるのに対し、ステンレス鋼のための溶接ワイヤは、アークが創り出される前により高い電圧を取り扱い得る。
【０１１５】
更なる例示的な実施態様では、上述のように電圧レベルを閾値よりも下に維持することよりもむしろ、電圧は動作範囲内に維持される。そのような実施態様では、電圧を最小量より上に維持することが望ましい−溶接ワイヤを、その溶解温度又はその付近の温度であるが、溶接アークが創り出されないような電圧レベルより下に維持するのに十分に高い電流を保証する。例えば、電圧を１〜１６ボルトの範囲内に維持し得る。更なる例示的な実施態様において、電圧は６〜９ボルトの範囲内に維持される。他の実施例では、電圧を１２〜１６ボルトの間に維持し得る。もちろん、溶接作業のために用いられる範囲（又は閾値）が、少なくとも部分的には、用いられる溶接ワイヤ又は用いられる溶接ワイヤの特徴に基づき選択されるよう、溶接作業のために用いられる溶接ワイヤ１４０は動作範囲に影響を及ぼし得る。そのような範囲を利用するとき、その範囲の底は、溶接パッドル内で溶接ワイヤを十分に消耗し得る電圧に設定され、その範囲の上限は、アークの創成が回避されるような電圧に設定される。
【０１１６】
前述のように、電圧が所望の閾値電圧を超えると、アークが創り出されないように、加熱電流は電源１７０によって停止される。本考案のこの特徴を以下に更に議論する。
【０１１７】
上述の多くの実施態様において、電源１７０は、電圧を上述のように監視し且つ維持するために利用される。そのような種類の回路構成の構造は、当業者に知られている。しかしながら、従来的には、そのような回路構成は、電圧をアーク溶接のための特定の閾値より上に維持するために利用されている。
【０１１８】
更なる例示的な実施態様では、電源によっても加熱電流を監視し且つ／或いは規制し得る。電圧、電力、又は何らかのレベルの電圧／アンペア特性を代替として監視することに加えて、これを行い得る。即ち、ワイヤ１４０が−正しい消耗のために、適切な温度に維持されるが、依然としてアーク生成電流レベルより下に維持されるのを保証するために、電流を所望のレベル又は複数の所望のレベルに維持し得る。例えば、そのような実施態様では、電圧及び電流の一方又は両方が特定の範囲内又は所望の閾値より下にあることを保証するために、電圧及び／又は電流が監視される。次に、電源は、供給される電流を規制して、アークが創り出されないで所望の動作パラメータが維持されることを保証する。
【０１１９】
本考案の更なる例示的な実施態様では、電源１７０によって加熱電力（ＶｘＩ）も監視し且つ規制し得る。具体的には、そのような実施態様において、加熱電流のための電圧及び電流は、所望のレベルに或いは所望の範囲内に維持されるように監視される。よって、電源はワイヤへの電圧又は電流を規制するのみならず、電流及び電圧の両方も規制し得る。そのような実施態様は、溶接システムに対する改良された制御をもたらし得る。そのような実施態様では、電力が（電圧に関して上記で議論したものに類似して）閾値レベルより下又は所望の範囲内に維持されるように、ワイヤへの加熱電力を上方閾値レベル又は最適な動作範囲に設定し得る。再び、閾値又は範囲設定は、溶接ワイヤ及び遂行される溶接の特性に基づき、且つ少なくとも部分的には選択される溶接ワイヤに基づき得る。例えば、０．０４５インチの直径を有する軟鋼電極のための最適な電力設定は、１，９５０〜２，０５０ワットの範囲内にある。電源は、電力がこの動作範囲内に留まるように電圧及び電流を規制する。同様に、電力閾値が２，０００ワットに設定されるならば、電源は、電力レベルがこの閾値を超えないがこの閾値に近いように、電圧及び電流を規制する。
【０１２０】
本考案の更なる例示的な実施態様において、電源１７０は、加熱電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）、電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）、及び電力の変化率（ｄｐ／ｄｔ）を監視する回路を含む。そのような回路はしばしば兆候回路を呼ばれ、それらの一般的な構造は知られている。そのような実施態様では、変化率が特定の閾値を超えるならば、ワイヤ１４０への加熱電流が停止されるよう、電圧、電流、及び／又は電力の変化率は監視される。
【０１２１】
本考案の例示的な実施態様では、抵抗の変化率（ｄｒ／ｄｔ）も監視される。そのような実施態様では、コンタクトチップとパッドルとの間のワイヤ内の抵抗が監視される。溶接中、ワイヤが熱くなると、ワイヤはネックダウン(neck  down)し始め、アークを形成する傾向を有し、その時の間に、ワイヤ内の抵抗は指数関数的に増大する。この増大が検出されると、電源の出力はここに記載するように停止されて、アークが創り出されないことを保証する。実施態様は電圧、電流、又は両方を規制して、ワイヤ内の抵抗が所望のレベルに維持されることを保証する。
【０１２２】
本考案の更なる例示的な実施態様では、閾値レベルが検出されるときに加熱電流を停止するよりもむしろ、電源１７０は加熱電流をアーク非生成レベルまで減少させる。そのようなレベルは、ワイヤが溶接パッドルから分離されるならばアークを生成しないバックグラウンド電流レベルであり得る。例えば、本考案の例示的な実施態様は、５０アンペアのアーク非生成電流レベルを有し得る。そこでは、アーク生成が検出される或いは予測されるや否や或いは（上記で議論した）上方閾値に達するや否や、電源１７０は加熱電流を、所定量の時間（例えば、１〜１０ｍｓ）又は検出される電圧、電流、電力、及び／又は抵抗が上方閾値より下に降下するまで、その動作レベルからアーク非生成レベルまで降下させる。このアーク非生成閾値は、電圧レベル、電流レベル、抵抗レベル、及び／又は電力レベルであり得る。そのような実施態様では、低いレベルであろうとも−アーク生成事象中の電流出力を維持することによって、それは加熱電流動作レベルへのより迅速な回復を引き起こし得る。
【０１２３】
本考案の他の例示的な実施態様において、電源１７０の出力は溶接作業中に実質的なアークが創り出されないように制御される。一部の例示的な溶接作業では、実質的なアークが溶接ワイヤ１４０とパッドルとの間に創り出されないように、電源を制御し得る。アークが溶接ワイヤ１４０の遠位端と溶接パッドルとの間の物理的な間隙の間に創り出されることは概ね知られている。上記で議論したように、本考案の例示的な実施態様は、溶接ワイヤ１４０をパッドルと接触した状態に維持することによって、アークが創りされるのを防止する。しかしながら、一部の実施態様において、微量のアークの存在は溶接の品質を妥協させない。即ち、一部の例示的な溶接作業において、短期間の微量のアークの創成は、溶接品質を妥協させる熱入力のレベルをもたらさない。そのような実施態様において、溶接システム及び電源は、アークを完全に回避することに関して、ここで記載したように制御され且つ作動されるが、電源１７０は、アークが創り出される限りにおいて、アークが微量であるように制御される。一部の例示的な実施態様において、電源１７０は、創り出されるアークが１０ｍｓ未満の持続時間を有するように作動させられる。他の例示的な実施態様において、アークは１ｍｓ未満の持続時間を有し、他の例示的な実施態様において、アークは３００μｓ未満の持続時間を有する。そのような実施態様において、そのようなアークの存在は溶接品質を妥協させない。何故ならば、アークは溶接部内に実質的な熱入力を与えず或いは有意なスパッタ又は多孔性をもたらさないからである。よって、そのような実施態様において、電源１７０は、アークが創り出される限りにおいて、アークが持続時間において微量に維持されるので、溶接品質が妥協させられないように制御される。ここにおいて他の実施態様に関して議論するのと同じ制御論理及び構成部品を、これらの例示的な実施態様において用い得る。しかしながら、閾値上限のために、電源１７０は、所定の又は予測されるアーク創成地点より下の（電流、電力、電圧、抵抗の）閾値地点よりもむしろ、アークの創成の検出を用い得る。そのような実施態様は、溶接作業をその限界に近接して行うことを可能にする。
【０１２４】
溶接ワイヤ１４０は絶えず（溶接パッドルと接触した）短絡状態にあることが望ましいので、電流は遅い速度で減衰する傾向を有する。これは電源、溶接ケーブル、及びワークピース中に存在するインダクタンスの故である。一部の用途では、ワイヤ中の電流が高速で減少させられるよう、電流をより速い速度で減衰させることが必要であり得る。一般的には、電流が速く減少させられればさせられるほど、接合方法に対するより良好な制御が達成される。本考案の例示的な実施態様において、閾値に達した或いは超えたことを検出した後、電流のための減少時間(ramp  down  time)は、１ミリ秒である。本考案の他の例示的な実施態様において、電流のための減少時間は、３００μ秒未満である。他の例示的な実施態様において、減少時間は、３００〜１００μ秒の範囲内にある。
【０１２５】
例示的な実施態様では、そのような減少時間を達成するために、減少回路が電源１７０内に導入され、それはアークが予測される或いは検出されるときに減少時間を減少させるのに役立つ。例えば、アークが検出されるか或いは予測されるとき、減少回路が開き、それは回路内に抵抗を導入する。例えば、抵抗は、電流の流れを５０μ秒内に５０アンペア未満まで減少させる種類であり得る。そのような回路の簡略化された実施例が図１８に示されている。回路１８００は、抵抗器１８０１と、電源が作動して電流を提供するとスイッチ１８０３が閉じるように溶接回路内に配置されるスイッチ１８０３とを有する。しかしながら、電源が（アークの創成を阻止するために）電力を供給するのを停止すると（或いはアークが検出されると）、スイッチが開き、誘起電流を抵抗器１８０１を通じさせる。抵抗器１８０１は、回路の抵抗を大いに増大させ、より迅速なペースで電流を減少させる。そのような回路の種類は、溶接業界において概ね知られ、Cleveland,  OhioのThe  Lincoln  Electric  Companyによって製造されるPower  Wave（登録商標）溶接電源に見出され、それは表面張力移行技術(「ＳＴＴ」)を組み込む。ＳＴＴ技術は、ここに参照としてそれらの全文を援用する、米国特許第４，８６６，２４７号、第５，１４８，００１号、６，０５１，８１０号、及び第７，１０９，４３９号に概ね記載されている。もちろん、これらの特許は、アークが創り出され且つ維持されることを保証するため、開示の回路構成を用いることを概ね議論している−アークが創り出されないことを保証するために、当業者はそのようなシステムを容易に適合させ得る。
【０１２６】
例示的な溶接システムを描写する図１２を参照して、上記の議論を更に理解し得よう。（明瞭性のためにレーザシステムは示されていないことに留意すべきである。）ホットワイヤ電源１２１０（図１において１７０として示されるものと類似する種類であり得る）を有するシステム１２００が示されている。電源１２１０は、インバータ型の電源のような、既知の溶接電源構造であり得る。そのような電源の設計、動作、及び構造は知られているので、それらをここでは詳細に議論しない。電源１２１０は、ユーザ入力１２２０を含み、ユーザ入力１２２０は、ユーザが、ワイヤ送り速度、ワイヤ種類、ワイヤ直径、所望の電力レベル、所望のワイヤ温度、電圧、及び／又は電流レベルを非限定的に含む、データを入力することを可能にする。もちろん、必要に応じて、他の入力パラメータも利用し得る。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、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、ユーザ入力データを受信し、そして、この情報を用いて電力モジュール１２５０のための所要の動作設定地点又は範囲を創り出す。電力モジュール１２５０は、インバータ又は変圧器型のモジュールを含む、任意の既知の種類又は構造であり得る。
【０１２７】
ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、所望の動作パラメータを、ルックアップ表を使用することを含む、如何なる数の方法においても決定し得る。そのような実施態様において、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、入力データ、例えば、ワイヤ送り速度、ワイヤ直径、及びワイヤ種類を利用して、（ワイヤ１４０を適切に加熱する）出力のための所望の電流レベル、閾値電圧、又は電力レベル（或いは電圧又は電流の許容可能な動作範囲）を決定する。これはワイヤ１４０を適切な温度まで加熱するために必要とされる電流が少なくとも入力パラメータに基づくからである。即ち、アルミニウム製ワイヤ１４０は、軟鋼電極よりも低い融点温度を有し、よって、ワイヤ１４０を溶解させるのにより少ない電流／電圧を必要とし得る。加えて、より小さな直径のワイヤ１４０がより大きい直径の電極よりも少ない電流／電力を必要とする。また、ワイヤ送り速度が増大すると（相応して、溶着速度が増大すると）、ワイヤを溶解させるのに必要な電流／電圧レベルはより高い。
【０１２８】
同様に、アークの創成が回避されるように動作のための電圧／電力閾値及び／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１２３０は入力データを用いる。例えば、０．０４５インチの直径を有する軟鋼電極のために、６〜９ボルトの電圧範囲設定を有し得る。その場合、電力モジュール１２５０は、電圧を６〜９ボルトの間に維持するために駆動させられる。そのような実施態様において、電流、電圧、及び／又は電力は、最小の６ボルトを維持するように駆動させられ−それは電流／電力が電極を適切に加熱するために十分に高いことを保証し−ボルトを９ボルト以下に維持して、アークが創り出されないこと並びにワイヤ１４０の溶解温度を超えないことを保証する。もちろん、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、電圧、電流、電力、又は抵抗率変化のような、他の設定地点パラメータも、所望に設定し得る。
【０１２９】
図示のように、電源１２１０の正端子１２２１がホットワイヤシステムのコンタクトチップ１６０に結合させられ、電源の負端子がワークピースＷに結合させられる。よって、加熱電流が正端子１２２１を通じてワイヤ１４０に供給され、負端子１２２０を通じて戻される。そのような構造は概ね知られている。
【０１３０】
他の例示的な実施態様では、負端子１２２２をチップ１６０に接続させ得るのはもちろんである。ワイヤ１４０を加熱するために抵抗加熱を用い得るので、チップ１６０は（図１１に示されるような）構造であり得る。その場合には、ワイヤ１４０を加熱するために、負端子及び正端子１２２１／１２２２の両方をコンタクトチップ１４０に結合させ得る。例えば、コンタクトチップ１６０は、（図１１Ｂに示されるような）二重構造を有し得るか、或いは（図１１Ｃに示されるような）誘導コイルを用い得る。
【０１３１】
フィードバック感知リード線も電源１２１０に結合させられる。このフィードバック感知リード線は電圧を監視して、検知電圧を電圧検出回路１２４０に送り得る。電圧検出回路１２４０は、検出される電圧及び／又は検出される電圧変化率を、ＣＰＵ／コントローラ１２３０に伝達し、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、モジュール１２５０の動作を相応して制御する。例えば、検出される電圧が所望の動作範囲より下であるならば、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はモジュール１２５０に命令して、検出される電圧が所望の動作範囲内になるまで、その出力（電流、電圧、及び／又は電力）を増大させる。同様に、検出される電圧が所望の閾値であり或いは所望の閾値よりも上であるならば、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はモジュール１２５０に命令して、アークが創り出されないよう、チップ１６０への電流の流れを停止させる。電圧降下が消耗の閾値よりも下であるならば、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はモジュール１２５０に命令して、溶接プロセスを継続させるよう、電流又は電圧或いはそれらの両方を供給させる。もちろん、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はモジュール１２５０に命令して、所望の電力レベルを維持させ或いは供給させることもできる。
【０１３２】
検出回路１２４０及びＣＰＵ／コントローラ１２３０は、図１に示されるコントローラ１９５と類似する構造及び動作を有し得ることを付記する。本考案の例示的な実施態様において、サンプリング／検出速度は、少なくとも１０ＫＨｚである。他の例示的な実施態様において、検出／サンプリング速度は、１００〜２００ＫＨｚの範囲内である。
【０１３３】
図１３Ａ乃至Ｃは、本考案の実施態様において利用される例示的な電流波形及び電圧波形を描写している。これらの波形の各々を順々に議論する。図１３Ａは、電源出力が元に戻された後の−アーク検出事象後の、溶接ワイヤ１４０が溶接パッドルに触れる実施態様のための電圧波形及び電流波形を示している。図示のように、電源の出力電圧は、決定された閾値（９ボルト）より下の何らかの動作レベルにあり、次に、溶接中にこの閾値まで増大する。動作レベルは（上記で議論した）様々な入力パラメータに基づく決定されたレベルであり得るし、設定された動作電圧、電流、及び／又は電力レベルであり得る。この動作レベルは、所与の溶接作業のための電源１７０の所望の出力であり、所望の加熱信号を溶接ワイヤ１４０に提供することが意図される。溶接中、アークの創成を引き起こし得る事象が起こり得る。図１３Ａにおいて、その事象は電圧の増大を引き起こし、電圧を地点Ａまで増大させる。地点Ａで、電源／制御回路構成は、（アーク検出地点であり得るし或いは単にアーク創成地点よりしたであり得る所定の上方閾値であり得る）９ボルト閾値に達し、電源の出力を停止させ、電流及び電圧を地点Ｂで減少させられたレベルまで降下させる。システムインダクタンスに由来する電流を急速に減少させるのを助ける（ここで議論するような）減少回路を含めることによって、電流降下の傾斜を制御し得る。地点Ｂでの電流又は電圧レベルを決定し得るし或いは所定の時間期間の後にそれらに達し得る。例えば、一部の実施態様では、電圧（又は電流又は電力）のための上方閾値が溶接のために設定されるのみならず、より低いアーク非生成レベルも設定される。このより低いレベルは、電源のスイッチを入れて戻すのが許容可能であり且つアークが生成されないようアークを創り出し得ないことが保証される、より低い電圧、電流、又は電流レベルのいずれかであり得る。そのようなより低いレベルを有することは、電源のスイッチを素速く入れて戻し、アークが創り出されないことを保証するのを可能にする。例えば、溶接のための電源設定地点が、１１ボルトの電圧閾値を伴って２，０００ワットに設定されるならば、このより低い電力設定は５００ワットに設定され得る。よって、（実施態様に依存して電流又は電力閾値でもあり得る）上方電圧閾値に達するとき、出力は５００ワットに減少させられる。（このより低い閾値は、より低い電流又は電圧設定或いは両方でもあり得る。）代替的に、より低い検出限界を設定するよりもむしろ、設定された時間の期間の後に電流を供給し始めるために、タイミング回路を利用し得る。本考案の例示的な実施態様において、そのような期間は、５００〜１０００ｍｓであり得る。図１３Ａにおいて、地点Ｃは、出力が再びワイヤ１４０に供給されている時を表している。地点Ｂと地点Ｃとの間に示される遅延は意図的な遅延の結果であり得るし、或いは単にシステム遅延の結果であり得る。地点Ｃで、電流が再び供給されて、溶接ワイヤを加熱する。しかしながら、溶接ワイヤは未だ溶接パッドルに触れていないので、電圧は増大するが、電流は増大しない。地点Ｄで、ワイヤはパッドルと接触し、電圧及び電流は所望の動作レベルに戻って落ち着く。図示のように、電圧は、Ｄでの接触の前に上方閾値を超え得、それは電源が動作閾値のＯＣＶレベルよりも高いＯＣＶレベルを有するときに起こり得る。例えば、このより高いＯＣＶレベルは、その設計又は製造の結果として電源内に設定される上限であり得る。
【０１３４】
図１３Ｂは、電源の出力が増大させられるときに溶接ワイヤ１４０が溶接パッドルと接触している点を除き、上述のものと類似している。そのような状況では、ワイヤは溶接パッドルから決して離れず、或いはワイヤは地点Ｃより前に溶接パッドルと接触させられる。図１３Ｂは、地点Ｃ及びＤを一緒に示している。何故ならば、出力が戻されるときに、ワイヤはパッドルと接触するからである。よって、電流及び電圧の両方が地点Ｅで所望の動作設定まで増大する。
【０１３５】
図１３Ｃは、出力が消されている（地点Ａ）のと出力が戻されている（地点Ｂ）のと間に遅延がないか殆どない実施態様であり、ワイヤは地点Ｂより前の何らかのときにパッドルと接触している。描写されている波形を上記の実施態様において利用し得る。その場合、下方閾値は、下方閾値に達するときに−それが電流、電力、又は電圧であれ−出力が遅延なく或いは殆ど遅延なく戻されるように設定される。ここで記載したような動作上方閾値又は範囲と同じ又は類似のパラメータを用いて、この下方閾値設定を設定し得ることを付記する。例えば、ワイヤ組成、直径、送り速度、又はここに記載する様々な他のパラメータに基づき、このより低い閾値を設定し得る。そのような実施態様は、溶接のために所望の動作設定地点に戻ることにおける遅延を最小限化し得るし、ワイヤにおいて起こり得る如何なるネッキング(necking)をも最小限化し得る。ネッキングの最小限化は、アークが創り出される機会を最小限化するのを助ける。
【０１３６】
図１４は、本考案の更に他の例示的な実施態様を描写している。図１４は、図１に示される実施態様と類似する実施態様を示している。しかしながら、明瞭性のために、特定の構成部品及び接続は描写されていない。図１４は、ワイヤ１４０の温度を監視するために熱センサ１４１０が利用されるシステム１４００を描写している。熱センサ１４１０は、ワイヤ１４０の温度を検出し得る如何なる既知の種類であってもよい。ワイヤの温度を検出するために、センサ１４１０はワイヤ１４０と接触し得るし、或いはセンサ１４１０をチップ１６０に結合させ得る。本考案の更なる例示的な実施態様において、センサ１４１０は、ワイヤ１４０と接触することなく−溶接ワイヤの直径のような−小さい物体の温度を検出し得る、レーザ又は赤外ビームを用いる種類である。そのような実施態様において、センサ１４１０は、チップ１６０の端と溶接パッドルとの間のある地点にある−ワイヤ１４０の突出部で、ワイヤ１４０の温度を検出し得るように位置付けられる。ワイヤ１４０のためのセンサ１４１０が溶接パッドル温度を感知しないようにもセンサ１４１０を位置付けなければならない。
【０１３７】
システム１４００の制御を最適化し得るように、温度フィードバック情報を電源１７０及び／又はレーザ電源１３０に提供し得るよう、センサ１４１０は（図１に関して議論した）感知及び制御ユニット１９５に結合させられる。例えば、少なくともセンサ１４１０からのフィードバックに基づき、電源１７０の電力又は電流出力を調節し得る。即ち、本考案の実施態様では、ユーザが（所要の溶接部及び／又はワイヤ１４０のための）所望の温度設定を入力し得るか或いは感知及び制御ユニット１９５が他のユーザ入力データ（ワイヤ送り速度、電極種類等）に基づき所望の温度を設定し得る。次に、感知及び制御ユニット１９５は、少なくとも電源１７０を制御して、その所望の温度を維持する。
【０１３８】
そのような実施態様では、ワイヤが溶接パッドルに入る前にワイヤ１４０に衝突するレーザビーム１１０の故に起こり得るワイヤ１４０の加熱を計上する(account  for)ことが可能である。本考案の実施態様では、ワイヤ１４０中の電流を制御することによって、電源１７０を介するだけで、ワイヤ１４０の温度を制御し得る。しかしながら、他の実施態様において、ワイヤ１４０の加熱の少なくとも一部は、ワイヤ１４０の少なくとも一部に衝突するレーザビーム１１０に由来し得る。よって、電源１７０からの電流又は電力は単独ではワイヤ１４０の温度を表し得ない。よって、センサ１４１０の利用は、電源１７０及び／又はレーザ電源１３０の制御を通じてワイヤ１４０の温度を規制することを助け得る。
【０１３９】
（図１４にも示される）更なる例示的な実施態様において、温度センサ１４２０は、溶接パッドルの温度を感知するために向けられる。この実施態様において、溶接パッドルの温度は感知及び制御ユニット１９５にも結合させられる。しかしながら、他の例示的な実施態様では、センサ１４２０をレーザ電源１３０に直接的に結合させ得る。センサ１４２０からのフィードバックは、レーザ電源１３０／レーザ１２０からの出力を制御するために用いられる。即ち、所望の溶接パッドル温度が達成されることを保証するために、レーザビーム１１０のエネルギ密度を変更し得る。
【０１４０】
本考案の更なる例示的な実施態様では、センサ１４２０をパドルで方向付けることよりもむしろ、溶接パッドルに隣接するワークピースの領域で方向付け得る。具体的には、溶接部に隣接するワークピースへの熱入力が最小限化されることを保証するのが望ましくあり得る。閾温度が溶接部に隣接して超過させられないように、この温度感応領域を監視するよう、センサ１４２０を位置付け得る。例えば、センサ１４２０はワークピース温度を監視し、感知される温度に基づきビーム１１０のエネルギ密度を減少させ得る。そのような構造は溶接ビードに隣接する熱入力が所望の閾値を超えないことを保証する。そのような実施態様をワークピースへの熱入力が重要である精密溶接作業において利用し得る。
【０１４１】
本考案の他の例示的な実施態様では、感知及び制御ユニット１９５を送り力検出ユニット（図示せず）に結合させ得る。送り力検出ユニットは、送り機構（図示せず−しかしながら、図１中の１５０を参照）に結合させられる。送り力検出ユニットは知られており、ワイヤ１４０がワークピース１１５に送られるときにワイヤ１４０に加えられる送り力を検出する。例えば、そのような検出ユニットは、ワイヤフィーダ１５０内でワイヤ送りモータによって加えられるトルクを監視し得る。ワイヤ１４０が完全に溶解しないで溶融している溶接パッドルを通過するならば、ワイヤ１４０はワークピースの固体部分と接触し、そのような接触は、モータが設定送り速度を維持しようと試みるときに、送り力を増大させる。この力／トルクの増大を検出し、制御ユニット１９５に中継し得る。制御ユニット１９５はこの情報を利用してワイヤ１４０への電圧、電流、及び／又は電力を調節し、パッドル内のワイヤ１４０の正しい溶解を保証する。
【０１４２】
本考案の一部の例示的な実施態様では、ワイヤは溶接パッドルに絶えず送られず、所望の溶接プロファイルに基づき断続的に送られることを記す。具体的には、本考案の様々な実施態様の多用途性は、操作者又は制御ユニット１９５がパッドル内へのワイヤ１４０の送りを所望に開始し且つ及び停止させることを可能にする。例えば、フィラー（ワイヤ１４０）の使用を必要とする溶接継手の一部の部分及び同じ継手の又はフィラーの使用を必要としない同じワークピース上の他の部分を有し得る、多くの異なる種類の複雑な溶接プロファイル及び幾何学的構成がある。よって、溶接の第１の部分の間、制御ユニット１９５はレーザ１２０のみを作動させて継手のこの第１の部分のレーザ溶接を引き起こすが、溶接作業が−フィラーの使用を必要とする−溶接継手の第２の部分に達すると、コントローラ１９５は電源１７０及びワイヤフィーダ１５０に溶接パッドル内へのワイヤ１４０の溶着を開始させる。次に、溶接作業が第２の部分の終わりに達すると、ワイヤ１４０の溶着を停止させ得る。これは１つの部分と次の部分とで有意に異なるプロファイルを有する連続的な溶接部の創成を可能にする。そのような能力は、多くの別個の溶接作業を有するのとは対照的に、ワークピースが単一の溶接作業において溶接されるのを可能にする。もちろん、多くの変形を実施し得る。例えば、溶接部は、レーザ及びワイヤ１４０の使用が各溶接部分において異なり得るよう、異なる形状、深さ、及びフィラー要件を備える溶接プロファイルを必要とする、３つ又はそれよりも多くの相異なる部分を有し得る。更に、必要に応じて追加的なワイヤを追加し或いは除去することもできる。即ち、第１の溶接部分がレーザ溶接のみを必要とし得るのに対し、第２の部分が単一の溶接ワイヤ１４０の使用のみを必要とし、溶接部の最終部分が２つ又はそれよりも多くの溶接ワイヤの使用を必要とする。連続的な溶接ビードが単一の溶接経路において創り出されるよう、コントローラ１９５は、様々なシステム構成部品を制御して、連続的な溶接作業においてそのような異なる溶接プロファイルを達成し得るようにさせられ得る。
【０１４３】
図１５は、本考案の例示的な実施態様に従って溶接するときの典型的な溶接パッドルＰを描写している。前述のように、レーザビーム１１０はワークピースＷの表面にパッドルＰを創り出す。溶接パッドルは、ビーム１１０のエネルギ密度、形状、及び移動の関数である、長さＬを有する。本考案の例示的な実施態様において、ビーム１１０は、溶接パッドルの後縁から距離ＺでパッドルＰに向けられている。そのような実施態様では、エネルギ源１２０がワイヤ１４０を溶解せず、むしろ溶接パッドルとの衝突の故にワイヤ１４０がその溶解を完了させるように、強力エネルギ源（例えば、レーザ１２０）は、そのエネルギを溶接ワイヤ１４０に直接的に衝突させる。溶融パッドルが終了し且つ創り出される溶接ビードＷＢがその凝固を開始する地点としてパッドルＰの後縁を概ね定め得る。本考案の例示的な実施態様において、距離Ｚは、パッドルＰの長さＬの５０％である。更なる例示的な実施態様において、距離Ａは、パッドルＰの長さＬの４０〜７５％の範囲内にある。
【０１４４】
溶接ワイヤ１４０は、図１５に示されるように、ビーム１１０の背後で−溶接の進行方向において−パッドルＰに衝突する。図示のように、ワイヤ１４０は、パッドルＰの後縁の前の距離ＸでパッドルＰに衝突する。例示的な実施態様において、距離Ｘは、パッドルＰの長さの２０〜６０％の範囲内にある。他の例示的な実施態様において、距離Ｘは、パッドルＰの長さの３０〜４５％の範囲内にある。他の例示的な実施態様において、ワイヤ１４０及びビーム１１０は、溶接プロセス中にビーム１１０の少なくとも一部がワイヤ１４０に衝突するよう、パッドルＰの表面で或いはパッドルＰより上の地点で交差する。そのような実施態様において、レーザビーム１１０は、パッドルＰにおける溶着のためにワイヤ１４０の溶解を助けるために利用される。ワイヤ１４０の溶解を助けるためにビーム１１０を用いることは、ワイヤ１４０がパッドルＰ内で迅速に消耗させられるには低温すぎるならば、ワイヤ１４０がパッドルＰを急冷させることを防止するのを助ける。しかしながら、（図１５に示されるような）一部の例示的な実施態様において前述したように、溶解は溶接パッドルの熱によって完了させられるので、エネルギ源１２０及びビーム１１０は溶接ワイヤ１４０の如何なる部分をも感知し得る程には溶解しない。
【０１４５】
図１５に示される実施態様において、ワイヤ１４０はビーム１１０を追跡し、ビーム１１０に沿っている。しかしながら、本考案はこの構造に制約されない。何故ならば、ワイヤ１４０は（走行方向において）進み得るからである。更に、ワイヤ１４０を走行方向においてビームと一致させる必要はなく、適切なワイヤ溶解がパッドル内で起こる限り、ワイヤは如何なる方向からもパッドルに衝突し得る。
【０１４６】
図１６Ａ乃至１６Ｆは、様々なパッドルＰを描写しており、レーザビーム１１０のフットプリントを描写している。図示のように、一部の例示的な実施態様において、パッドルＰは円形のフットプリントを有する。しかしながら、本発明の実施態様はこの構造に制約されない。例えば、パッドルが楕円形又は他の形状も有し得ることが想起される。
【０１４７】
更に、図１６Ａ乃至１６Ｆには、円形の断面を有するビーム１１０が示されている。やはり、本考案の他の実施態様はこの点に関して制約されない。何故ならば、ビーム１１０は、溶接パッドルＰを効果的に創り出すために、楕円形、長方形、又は他の形状を有し得るからである。
【０１４８】
一部の実施態様において、レーザビーム１１０は溶接パッドルＰに対して静止的なままであり得る。即ち、ビーム１１０は溶接中にパッドルＰに対して比較的一貫した位置に留まる。しかしながら、図１６Ａ乃至１６Ｆに例示されるように、他の実施態様はそのように制約されない。例えば、図１６Ａは、ビーム１１０が溶接パッドルＰの周りで円形パターンにおいて並進（平行移動）させられる実施態様を描写している。この図面において、ビーム１１０は、ビーム１１０上の少なくとも１つの地点が常にパッドルの中心Ｃと重なり合うように並進する。他の実施態様では、円形パターンが用いられるが、ビーム１１０は中心Ｃに接触しない。図１６Ｂは、ビームが単一の線に沿って前後に並進させられる実施態様を描写している。所望のパッドルＰ形状に応じてパッドルＰを伸ばし或いは広げるために、この実施態様を用い得る。図１６Ｃは、２つの異なるビーム断面が用いられた実施態様を描写している。第１のビーム断面１１０は第１の幾何学的構成を有し、第２のビーム断面１１０’は第２の断面を有する。必要であれば−より大きいパッドルサイズを依然として維持しながら、パッドルＰ内のある地点で浸透を増大させるために、そのような実施態様を用い得る。この実施態様を、レーザレンズ及び光学の使用を通じてビーム形状を変えることによって単一のレーザ１２０で達成し得るし、或いは多数のレーザ１２０の使用を通じて達成し得る。図１６Ｄは、パッドルＰ内で楕円形パターンにおいて並進させられるビームを描写している。やはり、必要に応じて溶接パッドルＰを伸ばし或いは広げるために、そのようなパターンを用い得る。パッドルＰを創り出すために、他のビーム１１０並進を利用し得る。
【０１４９】
図１６Ｅ及び１６Ｆは、異なるビーム強度を用いるワークピースＷ及びパッドルＰの断面を描写している。図１６Ｅは、より広いビーム１１０によって創り出される浅いより広いパッドルＰを描写しているのに対し、図１６Ｆは、典型的には「鍵穴」(“keyhole”)と呼ばれる−より深く狭い溶接パッドルＰを描写している。この実施態様において、ビームは、その焦点がワークピースＷの上面付近にあるように集束される。そのような焦点を用いるならば、ビーム１１０は、ワークピースの深さ全体を通じて浸透し且つワークピースＷの底面上に後方ビードＢＢを創り出すのを助け得る。ビーム強度及び形状は溶接中の溶接パッドルの所望の特性に基づき決定され得る。
【０１５０】
任意の既知の方法及び装置を介してレーザ１２０を移動させ、並進させ、或いは作動させ得る。レーザの動作及び光学は概ね知られているので、ここではそれらを詳細に議論しない。図１７は、本考案の例示的な実施態様に従ったシステム１７００を描写しており、そこでは、レーザ１２０を移動させ得るし、その（レンズのような）光学を動作中に変更し或いは調節し得る。このシステム１７００は感知及び制御ユニット１９５をモータ１７１０及び光学駆動ユニット１７２０に結合する。モータ１７１０は、溶接パッドルに対するビーム１１０の位置が溶接中に移動させられるよう、レーザ１２０を移動し或いは並進させる。例えば、モータ１７１０はビーム１１０を前後に並進させ、ビームを円形パターン等において移動させ得る。同様に、光学駆動ユニット１７２０は、感知及び制御ユニット１９５から命令を受け取ってレーザ１２０の光学を制御する。例えば、光学駆動ユニット１７２０は、ビーム１１０の焦点をワークピースの表面に対して移動させ或いは変更させ、よって、溶接パッドルの浸透又は深さを変更する。同様に、光学駆動ユニット１７２０は、レーザ１２０の光学にビーム１１０の形状を変更させる。よって、溶接中、感知及び制御ユニット１９５は、レーザ１２０及びビーム１１０を制御して、動作中の溶接パッドルの特性を維持し且つ／或いは修正する。
【０１５１】
図１、１４、及び１７の各々において、レーザ電源１３０と、ホットワイヤ電源１７０と、感知及び制御ユニット１９５とは、明瞭性のために別個に示されている。しかしながら、本考案の実施態様では、これらの構成部品を単一の溶接システムに統合し得る。本考案の特徴は個別に議論される上記構成部品が別個の物理的なユニット又はスタンドアローン（独立型）の構造として維持されることを必要としない。
【０１５２】
上述のように、強力エネルギ源は、溶接電源を含む、如何なる数のエネルギ源であってもよい。これの例示的な実施態様が図２０に示されており、それは図１に示すシステム１００と類似するシステム２０００を示している。システム２０００の構成部品の多くは、システム１００における構成部品と類似しており、よって、ここではそれらの動作及び利用を詳細に議論しない。しかしながら、システム２０００において、レーザシステムは、ＧＭＡＷシステムのようなアーク溶接システムと置換されている。ＧＭＡＷシステムは、電源２１３０と、ワイヤフィーダ２１５０と、トーチ２１２０とを含む。溶接電源２１１０がフィーダ２１５０及びトーチ２１２０を介して溶融パッドルに送られる。ここに記載する種類のＧＭＡＷ溶接システムの動作は周知であり、ここに詳細に記載する必要はない。ＧＭＡＷシステムが示され且つ描写の例示的な実施態様に従って議論されるが、本考案の例示的な実施態様を、ＧＴＡＷシステム、ＦＣＡＷシステム、ＭＣＡＷシステム、及びＳＡＷシステム、クラッディングシステム、溶接システム、並びにワークピース上の溶融パッドルへのコンシューマブル(consumable)の移行を助けるためにアークを用いるシステムを含むこれらのシステムの組合わせと共に用い得る。図２０に示していないのは、既知の方法に従って用い得るシールドガスシステム又はサブアークフラックスシステムである。
【０１５３】
上述のレーザシステムと同様に、（強力エネルギ源として用い得る）アーク生成システムは溶融パッドルを創り出すために用いられ、溶融パッドルには上記で詳細に記載したようなシステム及び実施態様を用いてホットワイヤ１４０が加えられる。しかしながら、アーク生成システムを用いるならば、既に知られているように、追加的なコンシューマブル２１１０もパッドルに加えられる。この追加的なコンシューマブルは、ここで記載したホットワイヤプロセスによって提供される、既に増大させられた溶着性能を増大させる。この性能を以下により詳細に議論する。
【０１５４】
更に、概ね知られているように、ＧＭＡＷのようなアーク生成システムは、前進するコンシューマブルとワークピース上の溶融パッドルとの間にアークを生成するために高いレベルの電流を用いる。同様に、ＧＴＡＷシステムは、電極とワークピースとの間にアークを生成するために高い電流レベルを用い、ワークピース内にはコンシューマブルが加えられる。概ね知られているように、ＧＴＡＷ又はＧＭＡＷ溶接作業のために、定電流、パルス電流等の、多くの異なる電流波形を利用し得る。しかしながら、システム２０００の動作中、電源２１３０によって生成される電流は、ワイヤ１４０を加熱するために用いられる電源１７０によって生成される電流と干渉し得る。ワイヤ１４０は電源２１３０によって生成されるアークに近接するので（何故ならば、上述したものと同様に、それらは同じ溶接パッドルに各々向けられるからである）、それぞれの電流は互いに干渉し合い得る。具体的には、電流の各々は磁場を生成し、それらの磁場は互いに干渉し合い、それらの動作に悪影響を与え得る。例えば、ホットワイヤ電流によって生成される磁場は、電源２１３０によって生成されるアークの安定性と干渉し得る。即ち、それぞれの電流の間の正しい制御及び同期がないならば、競合する磁場はアークを不安定化させ、よって、プロセスを不安定化させ得る。従って、例示的な実施態様は、以下に更に議論するように、電源２１３０及び１７０の間の電流同期を利用して、安定的な動作を保証する。
【０１５５】
図２１は、本考案の例示的な溶接作業のより接近した図を描写している。図面から分かるように、（例示的なＧＭＡＷ／ＭＩＧトーチであり得る）トーチ２１２０は、概ね知られているように−アークの使用を通じてコンシューマブル２１１０を溶接パッドルＷＰに送る。更に、上述の実施態様のいずれかに従ってホットワイヤコンシューマブル１４０が溶接パッドルＷＰに送られる。トーチ２１２０及びチップ１６０はこの図面において別個に示されているが、これらの構成部品を単一のトーチユニットに統合し得、単一のトーチユニットはコンシューマブル２１１０及び１４０の両方をパッドルに送る。一体的な構造が利用される限りにおいて、プロセス中のコンシューマブル間の電流移転を防止するために、トーチ内の電気絶縁が用いられなければならないのはもちろんである。上述のように、それぞれの電流によって誘起される磁場が互いに干渉し合うことがあり、よって、本考案の実施態様はそれぞれの電流を同期させる。様々な方法を通じて同期を達成し得る。例えば、電源２１３０及び１７０の動作を制御して電流を同期させるために、感知及び電流コントローラ１９５を用い得る。代替的に、電源の他方の出力を制御するために電源の一方が用いられる場合には、マスター・スレーブ関係も利用し得る。電源の出力電流が安定的な作動のために同期させられるように電源を制御するアルゴリズム又は状態表の使用を含む多数の方法論によって、相対的な電流の制御を達成し得る。図２２これをＡ乃至Ｃに関連して議論する。例えば、米国特許出願公開第２０１０／００９６３７３号に記載されているものに類似する二重状態に基づくシステム及び装置を利用し得る。２０１０年４月２２日に公開された米国特許出願公開第２０１０／００９６３７３号の全文をここに参照として援用する。
【０１５６】
図２２Ａ乃至Ｃの各々は、例示的な電流波形を描写している。図２２Ａは、ワイヤ２１１０からパッドルへの溶滴の移転を助けるよう電流パルス２２０２を用いる例示的な溶接波形（ＧＭＡＷ又はＧＴＡＷ）を描写している。もちろん、図示の波形は例示的且つ代表的であり、限定的であることを意図せず、例えば、電流波形は、パルス化スプレー移行、パルス溶接、表面張力移行溶接等のための電流波形であり得る。ホットワイヤ電源１７０は、上記で概ね記載した抵抗加熱を通じて、ワイヤ１４０を加熱するよう一連のパルス２２０４も有する電流波形２２０３を出力する。電流パルス２２０４は、より小さい電流レベルのバックグラウンドレベルによって分離される。前記で概ね記載したように、波形２２０３はワイヤ１４０をその溶解温度又はその付近まで加熱するために用いられ、抵抗加熱を通じてワイヤ１４０を加熱するためにパルス２２０４及びバックグラウンドを用いる。図２２Ａに示されるように、それぞれの電流波形からのパルス２２０２及び２２０４は、それらが互いに位相が合うように同期させられる。この例示的な実施態様において、電流波形は、電流パルス２２０２・２２０４が類似の又は同じ周波数を有し且つ図示のように互いに位相が合うように制御される。驚くべきことに、位相が合う波形を有することは安定的で一貫的な作動をもたらし、その場合、アークは波形２２０３によって生成される加熱電流によって有意に干渉させられないことが発見された。
【０１５７】
図２２Ｂは、本考案の他の例示的な実施態様からの波形を描写している。この実施態様において、加熱電流波形２２０５はパルス２２０６が一定の位相角Θだけパルス２２０２と位相外れするように制御される／同期させられる。そのような実施態様において、位相角はプロセスの安定的な作動を保証し且つアークが安定的な状態に維持されることを保証するように選択される。本考案の例示的な実施態様において、位相角Θは３０〜９０度の範囲内にある。他の例示的な実施態様において、位相角は０度である。もちろん、安定的な作動を得るために、他の位相角を利用し得るし、０〜３６０度の範囲内にあり得るのに対し、他の例示的な実施態様において、位相角は０〜１８０度の範囲内にある。
【０１５８】
図２２Ｃは、本考案の他の例示的な実施態様を描写しており、そこでは、位相角Θが溶接パルス２２０８を備えて約１８０度であり、波形２２０１のバックグラウンド部分２２１０の間にのみ起こるよう、ホットワイヤパルス２２０８が位相外れするように、ホットワイヤ電流２２０７が溶接波形２２０１と同期させられる。この実施態様において、それぞれの電流は同時にピークにならない。即ち、波形２２０７のパルス２２０８は波形２２０１のそれぞれのバックグラウンド部分２２１０の間に開始し且つ終了する。
【０１５９】
本考案の一部の例示的な実施態様において、溶接パルス及びホットワイヤパルスのパルス幅は同じである。しかしながら、他の実施態様において、それぞれのパルス幅は異なり得る。例えば、ホットワイヤパルス波形と共にＧＭＡＷパルス波形を用いるとき、ＧＭＡＷパルス幅は１．５〜２．５ミリ秒の範囲内にあり、ホットワイヤパルス幅は１．８〜３ミリ秒の範囲内にあり、ホットワイヤパルス幅はＧＭＡＷパルス幅よりも大きい。
【０１６０】
加熱電流がパルス化電流として示されているが、一部の例示的な実施態様のために、加熱電流は前記で記載したような定電力であり得ることを記さなければならない。ホットワイヤ電流も、パルス化加熱電力、定電圧、傾斜出力、及び／又はジュール／時間に基づく出力であり得る。
【０１６１】
ここにおいて説明するように、両方の電流がパルス化電流である限りにおいて、それらは安定的な作動を保証するために同期させられるべきである。これを達成するために用い得る同期信号の使用を含む多くの方法がある。例えば、（電源１７０／２１３０又はいずれかに統合し得る）コントローラ１９５は、パルス化アークを開始するために同期信号を設定し、且つホットワイヤパルスピークのための所望の始動時間も設定し得る。上記で説明したように、一部の実施態様では、同時に始動するようパルスを同期させるのに対し、他の実施態様では、同期信号は、アークパルスピーク後のある期間にホットワイヤ電流のためのパルスピークの開始を設定し得る−その期間は作動のための所望の位相角を得るのに十分である。
【０１６２】
図２３は、本考案の他の例示的な実施態様を表している。この実施態様では、ＧＴＡＷ溶接／塗装作業が利用されており、そこでは、ＧＴＡＷトーチ２１２１及び電極２１２２がアークを創り出し、コンシューマブル２１２０がアーク内に送られる。やはりアーク及びホットワイヤ１４０は同じパッドルＷＰに送られて、図示のようにビードＷＢを創り出す。ＧＴＡＷ実施態様の動作は、アーク及びホットワイヤ１４０が同じ溶接パッドルＷＰと相互作用するという点において、上述のものと類似している。やはり、上述のＧＭＡＷ作業と同様に、ＧＴＡＷ内でアークを生成するために用いられる電流は、ホットワイヤ作業のための電流と同期させられる。例えば、図２２Ａ乃至２２Ｃにおいて示されるようなパルス関係を用い得る。更に、コントローラ１９５は二重状態表又は他の類似の制御方法を用いて電源間の同期を制御し得る。コンシューマブル２１２０をコールドワイヤとして溶接部に送り得ること或いはコンシューマブル２１２０はホットワイヤコンシューマブルであり得ることを記さなければならない。即ち、両方のコンシューマブル２１１０及び１４０をここに記載するように加熱し得る。代替的に、コンシューマブル２１２０及び１４０の一方のみがここに記載するようなホットワイヤであり得る。
【０１６３】
（他のアーク型の方法の使用を含む）上記で議論したＧＴＡＷ又はＧＭＡＷ型の実施態様のいずれかにおいて、アークは走行方向に対して−進みにおいて位置付けられる。これは図２１及び２３の各々に示されている。これはワークピースにおける所望の浸透を達成するためにアークが用いられるからである。即ち、アークは溶融パッドルを創り出してワークピースにおける所望の浸透を達成するために用いられる。次に、アークプロセスの後に続くのは、ここに詳細に記載するホットワイヤプロセスである。ホットワイヤプロセスの追加は、少なくとも２つのアークが用いられる従来的なタンデムＭＩＧプロセスにおけるような他の溶接アークの追加的な熱入力を伴うことなく、より多くのコンシューマブルをパッドルに加える。よって、本考案の実施態様は、既知のタンデム溶接方法よりも相当に少ない熱入力で有意な溶着速度を達成し得る。
【０１６４】
図２１に示されるように、ホットワイヤ１４０はアークと同じ溶接パッドルＷＰ内に挿入されるが、距離Ｄだけアークの背後を追跡する。一部の例示的な実施態様において、この距離は５〜２０ｍｍの範囲内にあり、他の実施態様において、この距離は５〜１０ｍｍの範囲内にある。もちろん、ワイヤ１４０が進むアークによって創り出されるパッドルと同じ溶融パッドル内に送り込まれる限り、他の距離を用い得る。しかしながら、ワイヤ２１１０及び１４０は溶融パッドル内に溶着されるべきであり、距離Ｄはワイヤ１４０を加熱するために用いられる加熱電流によってアークとの最小の磁気干渉があるような距離であるべきである。一般的には、アーク及びワイヤが集合的に向けられる−パッドルの大きさは、ワイヤ２１１０及び１４０の間の所望の距離を決定することにおける要因でもある、溶接速度、アークパラメータ、ワイヤ１４０への層電力、材料種類等に依存する。
【０１６５】
ホットワイヤ電流（例えば、２２０３、２２０３、又は２２０７）の動作は、アーク事象がコントローラ１９５又は電源１７０によって検出される或いは予測されるときにここに詳細に記載するものと類似する。即ち、電流はパルス化されるが、アークが創り出され或いは検出されるならば、電流をここに記載するように停止し或いは最小限化し得る。更に、一部の例示的な実施態様において、複数のバックグラウンド部分２２１１は（ユーザ入力に基づきコントローラ１９５によって決定し得る）ワイヤ１４０のためのアーク生成レベルよりも下の電流レベルを有し、アークが検出されるときにホットワイヤ電流を停止するよりもむしろ、電源１７０は、（前記に概ね記載されるように）アークが消火されるか或いは発生しないことが決定されるまで又はそのような期間に亘って、電流をバックグラウンドレベル２１１１まで降下させ得る。例えば、電源１７０は所定数のパルス２２０３／２２０５／２２０７をスキップしてよく、或いは１０〜１００ｍｓのような期間に亘って単にパルス化せず、その時間の後、電源１７０はパルスを再び開始してワイヤ１４０を適切な温度まで加熱してもよい。
【０１６６】
上述のように、少なくとも２つのコンシューマブル１４０／２１１０が同じパッドル内で用いられるので、単一のアーク作動の熱入力と類似する熱入力で極めて高い溶着速度を達成し得る。これはワークピースへの極めて高い熱入力を有するタンデムＭＩＧ溶接システムに対する有意な利点をもたらす。例えば、本考案の実施態様は、単一アークの熱入力で少なくとも２３ポンド／時間の溶着速度を容易に達成し得る。他の例示的な実施態様は、少なくとも３５ポンド／時間の溶着速度を有する。
【０１６７】
本考案の例示的な実施態様において、ワイヤ１４０及び２１１０の各々は、それらが同じ組成、直径等を有するという点において同じである。しかしながら、他の例示的な実施態様において、ワイヤは異なり得る。例えば、ワイヤは、特定の作業にとって所望であるように、異なる直径、ワイヤ送り速度、及び組成を有し得る。例示的な実施態様において、進みワイヤ２１１０のためのワイヤ送り速度は、ホットワイヤ１４０のためのワイヤ送り速度よりも高い。例えば、進みワイヤ２１１０は、４５０ｉｐｍのワイヤ送り速度を有し得るのに対し、追跡ワイヤ１４０は４００ｉｐｍのワイヤ送り速度を有する。更に、ワイヤは異なる大きさ及び組成を有し得る。実際には、ホットワイヤ１４０はパッドル内に溶着されるためにアークを通じて走行する必要がないので、ホットワイヤ１４０は典型的にはアークを通じて十分に移転しない材料／組成を有し得る。例えば、ワイヤ１４０は、アークの故に典型的な溶接電極に加え得ない、炭化タングステン又は他の類似の表面硬化材料を有し得る。加えて、進み電極２１１０は、所望のビード形状をもたらすためにパッドルに湿らせるのを助けち得る、湿潤剤に富む組成を有し得る。更に、ホットワイヤ１４０は、パッドルを保護するのを助けるスラグ成分も含み得る。従って、本考案の実施態様は、溶接化学的性質における大きな柔軟性を可能にする。ワイヤは進みワイヤであるので、アーク溶接作業は、進みワイヤで、溶接継手のための浸透をもたらし、ホットワイヤは、継手のための追加的な充填をもたらす。
【０１６８】
本考案の一部の例示的な実施態様では、遂行されるべき具体的な作業の要件及び制約に従って、溶接部溶着に対して熱入力を均衡させるために、アーク及びホットワイヤの組合わせを用い得る。例えば、アークからの熱がワークピースを接合させるのに必要な浸透を得るのを助け且つホットワイヤが継手の充填のために主として用いられる継手用途のために、進みアークからの熱を増大させ得る。しかしながら、クラッディング又はビルドアッププロセスでは、希釈を最小限化し且つビルドアップを増大させるために、ホットワイヤ送り速度を増大させ得る。
【０１６９】
更に、異なるワイヤの化学的性質を用い得るので、従来的には２つの別個のパスによって達成される、異なる層を有する溶接継手を創り出し得る。進みワイヤ２１１０は従来的な第1のパスのために必要とされる所要の化学的性質を有し得るのに対し、追跡ワイヤ１４０は従来的な第２のパスのために必要とされる化学的性質を有し得る。更に、一部の実施態様において、ワイヤ１４０／２１１０のうちの少なくとも１つは、有芯ワイヤであり得る。例えば、ホットワイヤ１４０は、所望の材料を溶接パッドル内に溶着する粉末コアを有する、有芯コアであり得る。
【０１７０】
図２４は、本考案の電流波形の他の例示的な実施態様を描写している。この実施態様において、ホットワイヤ電流２４０３は、（それがＧＭＡＷであれＧＴＡＷであれ）溶接電流２４０１と同期させられるＡＣ電流である。この実施態様において、加熱電流の正パルス２４０４は電流２４０１のパルス２４０２と同期させられるのに対し、加熱電流２４０３の負パルス２４０５は溶接電流のバックグラウンド部分２４０６と同期させられる。もちろん、他の実施態様では、正パルス２４０４がバックグラウンド２４０６と同期させられ且つ負パルス２４０５がパルス２４０２と同期させられるという点において、同期は反対であり得る。他の実施態様では、パルス化溶接電流とホットワイヤ電流との間に位相角がある。ＡＣ波形２４０３を利用することによって、アークを安定させるのを助けるために、交流（よって、交流磁場）を用い得る。本考案の精神又は範囲から逸脱せずに他の実施態様を用い得るのはもちろんである。例えば、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）作業を用いるシステムでは、ＳＡＷ電流は形はＡＣ波形であり得、ホットワイヤ電流波形はＡＣ又はパルス化ＤＣ電力波形であり、その場合、各々の波形は互いに同期させられる。
【０１７１】
溶接電流が一定な又はほぼ一定な電流波形である場合に本考案の実施態様を用い得ることも記す。そのような実施態様では、アークの安定性を維持するために、交流の加熱電流２４０３を用い得る。安定性は加熱電流２４０３から絶えず変化させられる磁場によって達成される。
【０１７２】
図２５は、本考案の他の例示的な実施態様を描写しており、そこでは、ホットワイヤ１４０は２つのタンデムアーク溶接作業の間に位置付けられる。図２５において、アーク溶接作業はＧＭＡＷ型の溶接として描写されているが、ＧＴＡＷ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ、又はＳＡＷ型のシステムであってもよい。図面において、進みトーチ２１２０は第1の電源２１３０に結合させられ、アーク溶接作業を介して第1の電極２１１０をパッドルに送る。進みアークを追跡しているのは、（上記で議論したように溶着される）ホットワイヤ１４０である。ホットワイヤ１４０を追跡しているのは、第２の電源２１３０’と、第２のトーチ２１２０’と、第２のアーク溶接ワイヤ２１１０’とを用いる、追跡アーク溶接作業である。よって、その構造はＧＭＡＷ溶接システムの構造と類似するが、トーチ２１２０及び２１２０’の間の共通のパッドル内に溶着させられるホットワイヤ１４０を有する。そのような実施態様は、パッドル内への材料の溶着速度を更に増大させる。本考案の実施態様は単一の作業において追加的な溶接トーチ及び／又はホットワイヤコンシューマブルを用い得ること並びに図面中に示される実施態様に限定されないことを記さなければならない。例えば、単一のパスの間に追加的な材料をパッドル内に溶着させるために、ホットワイヤを越えるものを用い得る。上述のように、ここにおいて概ね議論するＧＭＡＷプロセスよりもむしろ、ＳＡＷプロセスを用い得る。例えば、図２５に示す実施態様は、この図面に示す構造と類似の構造を備える進み及び追跡ＳＡＷプロセスを利用し得る。もちろん、アークをシールドするために、シールドガスよりもむしろ、粒状フラックスが用いられる。上記で議論したような、全体的な方法又は操作及び制御は、ＳＡＷのような他の溶接方法論を用いるときに、同様に適用可能である。例えば、図２５Ａは、ここに記載するようなホットワイヤを用いるＳＡＷシステムにおいて用い得る例示的な波形を描写している。描写されるように、進みＳＡＷ電流波形２５０１は、複数の正パルス２５０３と複数の負パルス２５０５とを有するＡＣ波形であり、追跡ＳＡＷ電流２５２１も、複数の正パルス２５２３と複数の負パルス２５２５とを有するＡＣ波形であり、その場合、追跡波形２５２１は、位相角αだけ進み波形２５０１から位相が外れている。本考案の例示的な実施態様において、位相角αは９０〜２７０度の範囲内にある。図示の実施態様において、波形２５０１及び２５２１の間の＋／−オフセットは、追跡波形２５２１が進み波形２５０１よりも大きい負のオフセットを有する点において異なる。他の例示的な実施態様において、オフセットは同じであり得るし或いは逆であり得る。ホットワイヤ電流２５１０は、バックグラウンドレベル２５１３によって分離された複数の正パルス２５１１を有するパルス電流において示されており、そこでは、波形２５１０は、位相角αと異なるオフセット位相角θを有する。例示的な実施態様において、ホットワイヤ位相角θは４５〜３１５度の範囲内にあるが、位相角αと異なる。
【０１７３】
上記議論はＳＡＷ型の作業に向けられているが、類似の同期方法論を用いる他の例示的な実施態様はＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ、又はＧＴＡＷ型の作業、或いはそれらの組合わせであり得る。
【０１７４】
上述のように、本考案の実施態様はパッドル内への材料の溶着を大いに増大させながら、従来的なタンデムシステムよりも低い全熱入力を維持し得る。しかしながら、一部の例示的な実施態様は、従来的なタンデム方法よりも高い溶接ビードＷＢ形状を創り出し得る。即ち、溶接ビードＷＢはワークピースの表面より上により高く直立しがちであり、タンデムシステムほど溶接ビードＷＢの側方にウェットアウトしない(wet  out)。一般的には、これはホットワイヤ１４０が進みアーク溶接作業に後続してパッドルを急冷するのを助けるからである。従って、本考案の一部の例示的な実施態様は、溶接／塗装作業中にパッドルを広げ或いはウェットアウトさせるのを助けるために、システム及び構成部品を利用する。
【０１７５】
図２６は、例示的な実施態様を描写しており、そこでは、２つのＧＭＡＷトーチ２１２０及び２１２０’は直列に位置付けられておらず、図示されているように−むしろ並んだ位置に位置付けられており、そこでは、ホットワイヤ１４０は２つのトーチ２１２０／２１２０’の後方を追跡している。この実施態様において、２つのＧＭＡＷアークを並列構成において有することはパッドルＷＰを広げ、パッドルをウェットアウトさせて溶接ビードＷＢを平坦化させるのを助ける。他の実施態様と同様に、ホットワイヤ１４０はアーク溶接作業を追跡し、アーク溶接作業の後方で溶接ビードＷＢの中心線上に位置付けられ得る。しかしながら、溶接作業中にホットワイヤをパッドルに対して往復動させ或いは移動させ得るので、ホットワイヤ１４０が中心線に留まることは不要である。
【０１７６】
図２７は、他の例示的な実施態様を描写しており、そこでは、パッドルを平坦化させるのを助け或いはパッドルの湿潤を助けるために、溶接パッドルＷＰの両側で、レーザ２７２０及び２７２０’が用いられる。レーザ２７２０／２７２０’の各々は、パッドルの両側にビーム２７１０／２７１０’をそれぞれ放射して、パッドル形状が所望であるよう、パッドルに熱を加えてパッドルを湿潤化させるのを助ける。レーザ２７２０／２７２０’はここに記載する種類であり得るし、上述のように制御され得る。即ち、所望の溶接ビード形状をもたらすよう、コントローラ１９５又は類似の装置によってレーザを制御し得る。更に、所望の溶接ビード形状を達成するために２つのレーザを用いることよりもむしろ、ビーム２７１０を分割し且つ分割したビームを溶接パッドル上の適切な位置に方向付けて所望の溶接ビード形状を達成するビームスプリッタと共に、単一のレーザを用い得る。明瞭性の目的のために、進みアーク溶接プロセスは図２７に描写されていないことを記す。
【０１７７】
更なる例示的な実施態様では、（走行方向において）アークプロセスの直ぐ下流にある或いはホットワイヤ１４０の下流にあるパッドルに向けられる単一のレーザビーム２７１０を用い得る。その場合、ビーム２７１０は、パッドルを平坦化させるのを助けるために、側方から側方に（左右に）往復動させられる。そのような実施態様では、単一のレーザ２７２０を用い、溶接中にパッドルをウェットアウトするのを助けるのが望ましいパッドルの領域に方向付け得る。レーザ２７２０の制御及び動作は、図１等に関連して上述したレーザ１２０の制御及び動作と類似する。
【０１７８】
図２８は、本考案の他の例示的な実施態様を描写している。この例示的な実施態様では、アーク溶接プロセスのためにＧＴＡＷ（又はＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ）電極２８０１が利用され、磁気プローブ２８０３が電極２８０１に隣接して位置付けられて、溶接中にアークの動作を制御する。プローブ２８０３は、コントローラ１９５に結合させられても結合させられなくてもよい磁気制御装置及び電源２８０５から電流を受け取り、電流はプローブ２８０３によって生成させる。その磁場はアークによって生成される磁場と相互作用し、よって、溶接中にアークを移動させるために用いられ得る。即ち、溶接中にアークを側方から側方に（左右に）移動させ得る。側方から側方への動作は、所望のビード形状を達成するために、パッドルを広げ且つパッドルをウェットアウトするのを助けるために用いられる。明瞭性のために示されていないが、アークに後続してあるのは、ここに議論するようなホットワイヤコンシューマブルであり、溶接ビードのための追加的な充填をもたらす。磁気操縦システムの使用及び実施は溶接業界の当業者によって概ね知られており、ここで詳細に記載することは不要である。
【０１７９】
もちろん、図２６及び２８のいずれかにおける実施態様（並びにここに記載する他の図示される実施態様）は、ここに記載するように溶接パッドルの形状を助けるためにレーザ２７２０を用い得ることが理解されよう。
【０１８０】
特定の実施態様を参照して本考案を記載したが、本考案の範囲から逸脱することなく様々な変更を行い得ること並びに均等物を置換させ得ることが当業者によって理解されるであろう。加えて、本考案の範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本考案の教示に適合させるために、多くの修正を行い得る。従って、本考案は開示の特定の実施態様に限定されないこと並びに本考案が付属の請求項の範囲内に入る全ての実施態様を含むことを意図する。
【符号の説明】
【０１８１】
１００      システム
１１０      レーザビーム
１１０Ａ    レーザビーム
１１０’    断面
１１５      ワークピース
１２０      レーザ装置
１２１      ビームスプリッタ
１２５      方向
１３０      レーザ電源
１４０      溶接ワイヤ
１５０      溶接ワイヤフィーダ
１６０      コンタクトチューブ
１６０’    構成部品
１７０      ホットワイヤ電源
１８０      運動コントローラ
１９０      ロボット
１９５      電流制御サブシステム
２００      始動方法
２１０      ステップ
２２０      ステップ
２３０      ステップ
２４０      ステップ
２５０      ステップ
２６０      ステップ
３００      始動方法
３１０      ステップ
３２０      ステップ
３３０      ステップ
３４０      ステップ
３５０      ステップ
４１０      電圧波形
４１１      地点
４１２      地点
４２０      電流波形
４２５      ランプ
４３０      時間間隔
４４０      設定地点値
４５０      電流レベル
５１０      電圧波形
５１１      地点
５１２      地点
５２０      電流波形
５２５      電流レベル
５３０      時間間隔
６０１      継手表面
６０１Ａ    溶融パッドル
６０３      継手表面
６０３Ａ    溶融パッドル
６０５      表面
７０１      傾斜表面
７０３      傾斜表面
７０５      間隙
７０７      溶接ビード
８０１      溶接パッドル
８０３      溶接パッドル
９０１      溶接パッドル
９０３      溶接パッドル
１０００    溶接継手
１０１０    レーザ源
１０１１    ビーム
１０１２    溶接パッドル
１０２０    レーザ源
１０２１    ビーム
１０２２    溶接パッドル
１０３０    溶接ワイヤ
１０３０Ａ  溶接ワイヤ
１１１０    誘導コイル
１２００    システム
１２１０    ホットワイヤ電源
１２２０    ユーザ入力
１２２１    正端子
１２２２    負端子
１２２３    フィードバック感知リード線
１２３０    ＣＰＵ／コントローラ
１２４０    電圧検出回路
１２５０    電源モジュール
１４００    システム
１４１０    熱センサ
１４２０    温度センサ
１７００    システム
１７１０    モータ
１７２０    光学駆動ユニット
１８００    回路
１８０１    抵抗器
１８０３    スイッチ
１９０１    レーザシュラウド組立体
１９０３    ヒューム抽出システム
２０００    システム
２１１０    溶接電極
２１１０’  溶接ワイヤ
２１２０    トーチ
２１２０’  第２のトーチ
２１２１    トーチ
２１２２    電極
２１３０    電源
２１３０’  第２の電源
２１５０    ワイヤフィーダ
２２０１    溶接波形
２２０２    電流パルス
２２０３    電流波形
２２０４    パルス
２２０５    電流波形
２２０６    パルス
２２０７    ホットワイヤ回路
２２０８    ホットワイヤパルス
２２１０    バックグラウンド部分
２２１１    複数のバックグラウンド部分
２４０１    溶接電流
２４０２    パルス
２４０３    ホットワイヤ電流
２４０４    正パルス
２４０５    負パルス
２４０６    バックグラウンド部分
２５０１    電流波形
２５０３    正パルス
２５０５    負パルス
２５１０    ホットワイヤ電流
２５１１    正パルス
２５１３    バックグラウンドレベル
２５２１    ＳＡＷ電流
２５２３    正パルス
２５２５    負パルス
２７１０    ビーム
２７１０’  ビーム
２７２０    レーザ
２７２０’  レーザ
２８０１    電極
２８０３    磁気プローブ
２８０５    電源
Ａ          地点
Ｂ          地点
Ｃ          地点／中心
Ｄ          地点／距離
Ｅ          地点
Ｇ          間隙幅
Ｉ          電流
Ｌ          長さ
ＭＦ        磁場
Ｐ          溶接パッドル
Ｖ          電圧
Ｗ          ワークピース
Ｗ１        ワークピース
Ｗ２        ワークピース
ＷＢ        溶接ビード
ＷＰ        溶接パッドル
Ｘ          走行距離
Ｚ          距離
α          角度
Θ          角度
θ          角度
【図１】
0003198490.tif 000003
【図２】
0003198490.tif 000004
【図３】
0003198490.tif 000005
【図４】
0003198490.tif 000006
【図５】
0003198490.tif 000007
【図６】
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【図６Ａ】
0003198490.tif 000009
【図７】
0003198490.tif 000010
【図７Ａ】
0003198490.tif 000011
【図７Ｂ】
0003198490.tif 000012
【図８】
0003198490.tif 000013
【図９】
0003198490.tif 000014
【図１０】
0003198490.tif 000015
【図１１Ａ】
0003198490.tif 000016
【図１１Ｂ】
0003198490.tif 000017
【図１１Ｃ】
0003198490.tif 000018
【図１２】
0003198490.tif 000019
【図１３Ａ】
0003198490.tif 000020
【図１３Ｂ】
0003198490.tif 000021
【図１３Ｃ】
0003198490.tif 000022
【図１４】
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【図１５】
0003198490.tif 000024
【図１６Ａ】
0003198490.tif 000025
【図１６Ｂ】
0003198490.tif 000026
【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２５Ａ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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