(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接方法であって：
溶接接合部のところで少なくとも０．５インチ（０．０１２７メートル）の厚みを有する少なくとも１つの溶接用ワークピースを溶接用に提供するステップ；
前記溶接接合部の第１溶接パスを実行するステップであり、前記第１溶接パスは：
前記溶接接合部の少なくとも１つの部分を溶接するためにレーザビームを前記溶接接合部に向けるステップ；及び、
第１溶接ビードを創出するために第１金属フィラーで前記溶接接合部を溶接するステップであり、前記溶接接合部の溶接中に前記レーザビーム及び前記第１金属フィラーが単一の溶接パドルに向けられ、且つ、溶接プロセスを用いる前記レーザビームによって溶接される前記溶接接合部の前記部分の上に前記第１金属フィラーが置かれるところのステップ；
を含むところのステップ；
前記第１溶接パスの後に前記溶接接合部の上にフラックスを置くステップであり、前記フラックスが前記溶接プロセスに流入するのを分割機が防止するところのステップ；並びに、
前記溶接接合部を完成させ且つ第２溶接ビードを創出するためにサブマージアーク溶接プロセスを用いて少なくとも第２金属フィラーで前記溶接接合部を溶接するステップ；
を含み、
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記第１溶接ビードの少なくとも１つの部分を溶解し、且つ、前記第１溶接ビードの前記部分を前記第２溶接ビードに吸収する、
溶接方法。
【請求項２】
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記第１溶接ビードの少なくとも５０％を溶解し、且つ、溶解した前記第１溶接ビードを前記第２溶接ビードに吸収する、
請求項１の方法。
【請求項３】
前記第１溶接ビードは、ガスメタルアーク溶接プロセス、メタル不活性ガス溶接プロセス、メタル活性ガス溶接プロセス、又は、メタル／フラックスコアアーク溶接プロセスのうちの１つによって創出される、
請求項１又は２の方法。
【請求項４】
前記第２金属フィラーは、６〜１２インチ（０．１５２４〜０．３０４８メートル）の範囲内の後続距離で、前記第１金属フィラーの後ろを追跡する、
請求項１乃至３のうちの何れか１つの方法。
【請求項５】
前記サブマージアーク溶接プロセスは、少なくとも毎時５０ポンド（２２．６８キログラム）の溶着速度、及び、少なくとも毎分６０インチ（１．５２４メートル）の移動速度を有する、
請求項１の方法。
【請求項６】
前記溶接接合部を完成させ且つ前記第２溶接ビードを創出するために第２及び第３金属フィラーを用いて前記サブマージアーク溶接プロセスで前記溶接接合部を溶接するステップをさらに含み、
前記第２及び第３金属フィラーのそれぞれは、共通の第２溶接パドルに向けられる、
請求項１乃至５のうちの何れか１つの方法。
【請求項７】
厚板のワークピースを溶接する溶接装置であって：
前記ワークピースの少なくとも１つの部分を溶接するために前記ワークピースの第１溶接パドルにレーザビームを向けるレーザ溶接装置；
前記レーザビームが前記第１溶接パドルに向けられている間に前記第１溶接パドルに第１溶接電極を向けるために前記レーザ溶接装置に隣接して置かれる溶接トーチであり、溶接プロセスを通じて前記レーザ溶接装置によって溶接される前記部分に第１溶接ビードを創出するために前記第１溶接電極を置く溶接トーチ；
前記第１溶接ビードに溶接フラックスを置くフラックスノズル；
前記フラックスノズルと前記溶接プロセスとの間にバリアを提供する分割機；
サブマージアーク溶接プロセスを通じて第２溶接ビードを創出するために前記第１溶接ビードにサブマージアーク金属フィラーを向ける少なくとも１つのサブマージアーク溶接トーチ；
を含み、
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記第１溶接ビードの少なくとも１つの部分を溶解し、溶解した前記部分を前記第２溶接ビードに吸収する、
装置。
【請求項８】
前記第１溶接電極と前記サブマージアーク金属フィラーとの間の後続距離は、６〜１２インチ（０．１５２４〜０．３０４８メートル）の範囲内にある、
請求項７の装置。
【請求項９】
前記レーザ溶接装置、前記溶接トーチ、及び前記少なくとも１つのサブマージアーク溶接トーチのそれぞれは、共通の支持構造に取り付けられる、
請求項７又は８の装置。
【請求項１０】
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記第１溶接ビードの少なくとも５０％を溶解し、溶解した前記第１溶接ビードを前記第２溶接ビードに吸収する、
請求項７乃至９のうちの何れか１つの装置。
【請求項１１】
厚板のワークピースを溶接する溶接システムであって：
前記ワークピースの少なくとも１つの部分を溶接するために前記ワークピースの第１溶接パドルにレーザビームを向けるレーザ溶接装置；
前記レーザビームが前記第１溶接パドルに向けられている間に前記第１溶接パドルに第１溶接電極を向けるために前記レーザ溶接装置に隣接して置かれる溶接トーチであり、溶接プロセスを通じて前記レーザ溶接装置によって溶接される前記部分に第１溶接ビードを創出するために前記第１溶接電極を置く溶接トーチ；
前記溶接トーチに第１溶接信号を供給するために前記溶接トーチに接続される第１溶接電源；
前記第１溶接ビードに溶接フラックスを置くフラックスノズル；
前記フラックスノズルと前記溶接プロセスとの間にバリアを提供する分割機；
サブマージアーク溶接プロセスを通じて第２溶接ビードを創出するために前記第１溶接ビードにサブマージアーク金属フィラーを向ける少なくとも１つのサブマージアーク溶接トーチ；
前記サブマージアーク溶接プロセスのために前記サブマージアーク溶接トーチにサブマージアーク溶接信号を供給するために前記少なくとも１つのサブマージアーク溶接トーチに接続される少なくとも１つのサブマージアーク溶接電源；
を含み、
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記第１溶接ビードの少なくとも１つの部分を溶解し、溶解した前記部分を前記第２溶接ビードに吸収する、
システム。
【請求項１２】
前記第１溶接電極と前記サブマージアーク金属フィラーとの間の後続距離は、６〜１２インチ（０．１５２４〜０．３０４８メートル）の範囲内にある、
請求項１１のシステム。
【請求項１３】
前記レーザ溶接装置、前記溶接トーチ、及び前記少なくとも１つのサブマージアーク溶接トーチのそれぞれは、共通の支持構造に取り付けられる、
請求項１１又は１２のシステム。
【請求項１４】
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記第１溶接ビードの少なくとも５０％を溶解し、溶解した前記第１溶接ビードを前記第２溶接ビードに吸収する、
請求項１１乃至１３のうちの何れか１つのシステム。
【請求項１５】
前記第１溶接電源は、前記第１溶接ビードを創出するために、ガスメタルアーク溶接プロセス、メタル不活性ガス溶接プロセス、フラックスコアアーク溶接プロセス、又は、メタル活性ガス溶接プロセスのうちの何れか１つを採用し、且つ、
少なくとも２つの前記サブマージアーク溶接トーチのそれぞれは、第１サブマージアーク溶接電極及び第２サブマージアーク溶接電極のそれぞれが溶接中に共通の溶接パドルに向けられるように、且つ、前記第１サブマージアーク溶接電極と前記第２サブマージアーク溶接電極との理論的な交点が前記第２溶接ビードの下になるように、方向付けられる、
請求項１１乃至１４のうちの何れか１つのシステム。
【請求項１６】
溶接接合部のところで少なくとも０．５インチ（０．０１２７メートル）の厚みを有する少なくとも１つの溶接用ワークピースを溶接のために提供するステップ；
前記溶接接合部の第１溶接パスを実行するステップであり、前記第１溶接パスが、レーザ溶接を用いて前記溶接接合部の少なくとも１つの部分を溶接するために前記溶接接合部にレーザビームを向けるステップを含むところのステップ；
前記第１溶接パスの後に前記溶接接合部の上にフラックスを置くステップであり、前記フラックスがレーザ溶接部に流入するのを分割機が防止するところのステップ；
前記溶接接合部を完成させ且つレーザ溶接部の上にサブマージアーク溶接ビードを創出するためにサブマージアーク溶接プロセスを用いて前記溶接接合部を溶接するステップ；
を含み、
前記サブマージアーク溶接プロセスは、前記レーザ溶接部の断面の少なくとも５％を溶解し、且つ、前記少なくとも５％を前記サブマージアーク溶接ビードに吸収する、
溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明と合致する方法、装置、及びシステムは、請求項１、７、１１、及び１６にしたがったハイブリッド・レーザ・サブマージアーク溶接プロセスを用いた厚板接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
０．５インチ以上の厚みを有するワークピースの溶接を必要とする多くの製造業が存在する。この溶接はしばしば厚板溶接と呼ばれる。そのような製造業は、例えば、造船、パイプライン建設を含む。しかしながら、厚板ワークピースを溶接する場合、適切な接合を得るためにかなりの量の金属フィラーを用いる必要がある。このため、溶着物の十分性を確保するために接合部の上に複数のパスを作ることがしばしば必要となる。このことは、接合部の創出に関わる全体的な労働時間を増大させる。さらに、用いられるプロセスによっては、接合部が溶接され得る速度が限定される場合がある。例えば、いくつかの溶接プロセスは、溶接プロセスの進行速度が速すぎる場合、溶接接合部における亀裂又は他の欠陥を引き起こし得る。少なくともこれらの不利点のために、０．５インチ以上の厚みを有するワークピースを溶接する場合に高い溶着速度及び適切な溶接をもたらし得る溶接システム及びプロセスを持つことが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、厚板溶接作業における溶接の進行速度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この問題は、請求項１、７、１１、及び１６のそれぞれにおける特徴の組み合わせによって解決される。本発明の典型的な実施例は、厚板ワークピースを溶接する方法及び装置であり、その方法及び装置は、ワークピースの少なくとも一部を溶接するためにワークピースの第1溶接パドルにレーザビームを向けるレーザ溶接装置と、レーザビームが溶接パドルに向けられている間に第1溶接パドルに第１溶接電極を向けるためにレーザ溶接装置に隣接して配置される溶接トーチとを用いることを含む。溶接トーチは、レーザ溶接装置によって溶接される部分に第1溶接ビードを創出するために第1溶接電極を溶着させる。フラックスノズルは、溶接フラックスを第1溶接ビード上に置くために採用され、且つ、少なくとも１つのサブマージアーク溶接トーチは、サブマージアーク溶接プロセスを通じて第２溶接ビードを創出するためにサブマージアーク金属フィラーを第１溶接ビードに向けるために使用される。なお、サブマージアーク溶接プロセスは、第１溶接ビードの少なくとも一部を溶解し、その溶解した部分を第２溶接ビードに吸収する。
【０００５】
サブアーク溶接プロセスは、第１フィラーパス後に利用され得る。高速度での全体的に高い溶着速度のためであり、また、ＧＭＡＷタイプのプロセスに優る良好な側壁浸透特性（side  wall  penetration  characteristics）のためである。さらに、サブアーク溶接プロセスの使用は、ワークピース上の溶接ビードを平らにならし、ほとんどの場合、良好な溶接ビードをもたらす。サブアーク溶接プロセスによる良好な側壁浸透は、ＧＭＡＷタイプのプロセスのみでは実現し得ない所望の溶接プロファイル及び機械的性質をもたらすのに役立つ。第２フィラーパス中、サブアーク溶接プロセスは、ＧＭＡＷ溶接ビードの少なくとも一部がサブアーク溶接ビードに吸収されるように、ＧＭＡＷ溶接ビードに浸透する。言い換えれば、サブアーク溶接ビードは、ＧＭＡＷ溶接ビードの少なくとも一部がサブアーク溶接ビードからもはや区別不能となるように、ＧＭＡＷ溶接ビードに浸透する。すなわち、第１パスからの金属フィラーの少なくともいくらかは、第１パスからの金属フィラーがサブアークパスの金属フィラーに吸収されるように、サブアーク溶接パスで再溶融される。第１パス溶接ビードのこの再溶融（再利用（reclamation））は、良好な溶接プロファイル及び機械的性質を有する最適な最終溶接ビードを創出するのに有益である。別の典型的な実施例では、ＧＭＡＷ溶接ビードの断面積の５０％超がサブアーク溶接プロセス及びビードによって消費される。さらに別の典型的な実施例では、サブアーク溶接プロセス及びビードの浸透深さは、ＧＭＡＷ溶接ビードの断面積の１００％を消費できるようなものである。そのような実施例では、サブアーク溶接ビードの浸透深さは、そのビードがレーザ溶接の溶接ビードに直接的に接するようなものである。それ故に、第１パスからの金属フィラーの全ては再溶融され、そして、サブアーク溶接プロセスの溶接ビードに吸収される。そのような実施例では、認識可能な或いは区別可能なＧＭＡＷ溶接ビードは第２パスの後には残らない。上述の第１フィラーパス及び第２フィラーパスの組み合わせは、厚いワークピースにおいて、正確且つ十分な浸透深さを有し、同時にかなりの側壁浸透をもたらす溶接接合部をもたらす。それ故に、第１フィラーパス及び第２フィラーパスの組み合わせは、０．５インチ以上の厚みを有するワークピースにおけるより精密で最適な溶接ビードをもたらす。さらに、良好な溶接品質を有することに加え、かなりの溶接効率が達成され得る。例えば、本発明の典型的な実施例は、少なくとも毎分６０インチの速度で溶接できる。別の実施例は、少なくとも毎分８０インチの速度で溶接できる。さらに、溶接作業における全体的な溶着速度は、顕著に改善され得る。厚板溶接のためのいくつかの従来技術によるシステムは、最大で毎時約３０ポンド（金属フィラー溶着速度）で溶着可能である。しかしながら、この溶着速度は、多くの厚板溶接作業において十分でない。それ故に、金属フィラーを溶着するための多くの追加的なパスを必要とし、そのような溶接物を生成する際のコストを大幅に増大させ、且つ、潜在的な処理量を低下させる。本発明の典型的な実施例は、少なくとも毎時４０ポンドの溶着速度を実現し得る。また、別の典型的な実施例は、少なくとも毎時５０ポンドの溶着速度を実現し得る。そのような溶着速度は、単一のパスで厚板溶接接合部を簡易に且つ十分に埋めることができ、溶接時間及び溶接接合部への全体的なエネルギ入力を有意に低減させる。本発明の典型的な実施例を採用することによる追加的な利点は、片側から厚板を溶接しさえすればよい点、ワークピースの歪みの少なさ、相対的な移動速度及び溶着速度のための低入熱、並びに、ワークピース上の熱影響域の狭さを含む。さらに、本発明の実施例は、厚板溶接のコストを大幅に低減させる。（そのような高い溶着速度を有する）サブアーク溶接プロセスの使用は、溶接接合部のランド高さが低減され、その結果、必要なレーザ出力を低減させ、レーザ装置のコストを低減させることを意味するためである。本発明の典型的な実施例において、ＧＭＡＷの第１パスのための金属フィラー（すなわち電極）は、サブアーク溶接の第２パスのために用いられるものと同じである。しかしながら、本発明の他の典型的な実施例では、各パスのための金属フィラーは、異なる構成を有する。例えば、ＧＭＡＷの金属フィラーは、ＥＲ７０Ｓタイプの電極等の軟合金鋼であり、一方で、サブアークの金属フィラーは、例えばＭＩＬ８００Ｈフラックスと共に使用され得るＬＡ１００ワイヤ等の高強度電極であることが考えられる。そのような組み合わせは、ワークピースの構成／材料タイプによっては、最適な溶接プロファイルをもたらし得る。なお、本発明は、典型的なものとして特定される上述の電極及びフラックスの使用に限定されることはない。本発明の別の実施例によると、厚板ワークピースを溶接するための溶接装置は：ワークピースの少なくとも１つの部分を溶接するためにワークピースの第１溶接パドルにレーザビームを向けるレーザ溶接装置；レーザビームが第１溶接パドルに向けられている間に第１溶接電極を第１溶接パドルに向けるためにレーザ溶接装置に隣接して位置付けられる第１溶接トーチであり、レーザ溶接装置によって溶接される部分に第１溶接ビードを創出するために第１溶接電極を溶着させる第１溶接トーチ；溶接フラックスを第１溶接ビード上に置くフラックスノズル；第１及び第２サブマージアーク溶接トーチであり、サブマージアーク溶接プロセスを用いて第２溶接ビードを創出するためにそれぞれが第１及び第２サブマージアーク金属フィラーを個々に第１溶接ビードに向けるところの第１及び第２サブマージアーク溶接トーチ；を含み、第１及び第２サブマージアーク溶接電極のそれぞれが溶接中に共通の溶接パドルに向けられるように少なくとも２つのサブマージアーク溶接トーチのそれぞれが方向付けられ、且つ、第１溶接トーチと第１サブマージアーク溶接トーチとの間の後続距離が少なくとも６インチである。本発明のさらに別の実施例によると、厚板ワークピースを溶接するための溶接システムは：ワークピースの少なくとも１つの部分を溶接するためにワークピースの第１溶接パドルにレーザビームを向けるレーザ溶接装置；レーザビームが第１溶接パドルに向けられている間に第１溶接電極を第１溶接パドルに向けるためにレーザ溶接装置に隣接して位置付けられる溶接トーチであり、レーザ溶接装置によって溶接される部分に第１溶接ビードを創出するために第１溶接電極を溶着させる溶接トーチ；第１溶接信号を溶接トーチに供給するために溶接トーチに接続される第１溶接電源であり、第１溶接ビードを創出するためにガスメタルアーク溶接プロセス、メタル不活性ガス溶接プロセス、フラックスコアアーク溶接プロセス、又はメタル活性ガス溶接プロセスの何れか１つを採用する第１溶接電源；溶接フラックスを第１溶接ビード上に置くフラックスノズル；第１及び第２サブマージアーク溶接トーチであり、サブマージアーク溶接プロセスを用いて第２溶接ビードを創出するためにそれぞれが第１及び第２サブマージアーク金属フィラーを個々に第１溶接ビードに向けるところの第１及び第２サブマージアーク溶接トーチ；第１及び第２サブアーク溶接トーチのそれぞれに第１及び第２サブアーク溶接信号を個々に供給するために第１及び第２サブアーク溶接トーチのそれぞれに接続される第１及び第２サブマージアーク溶接電源；を含み、第１及び第２サブマージアーク溶接電極のそれぞれが溶接中に共通の溶接パドルに向けられるように、且つ、第１サブマージアーク溶接電極と第２サブマージアーク溶接電極との理論的交点が第２溶接ビードの下になるように少なくとも２つのサブマージアーク溶接トーチのそれぞれが方向付けられ、且つ、第１溶接電極と第１サブマージアーク金属フィラーとの間の後続距離が少なくとも６インチである。
【０００６】
本発明の上述の且つ／或いは他の態様は、添付図面を参照して本発明の典型的な実施例を詳細に説明することによってより明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本発明の典型的な実施例で用いられる典型的な溶接接合部の断面の概略図を示す。
【図１Ｂ】本発明の典型的な実施例で用いられる典型的な溶接接合部の断面の概略図を示す。
【図１Ｃ】本発明の典型的な実施例で用いられる典型的な溶接接合部の断面の概略図を示す。
【図２】本発明に係る溶接装置の典型的な実施例の概略図を示す。
【図３】本発明の典型的な実施例にしたがった溶接システムの典型的な実施例の概略図を示す。
【図４】本発明の典型的な実施例にしたがった溶接用搬送アセンブリの典型的な実施例の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
これより、本発明の典型的な実施例は、添付図面を参照することにより、以下で説明される。説明される典型的な実施例は、本発明の理解を支援することを意図し、決して本発明の範囲を限定することを意図するものではない。全体を通じて、同様の参照番号は同様の要素を参照する。
【０００９】
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の典型的な実施例によって形成される典型的な溶接接合部の断面を示す。図１Ａ〜図１Ｃに示すその典型的な接合部では、突き合わせタイプ（butt-type）の接合部が示されているが、本発明は、これらのタイプの接合部のみへの使用に明確に限定されるものではなく、他のタイプの溶接接合部でも使用され得る。本発明の種々の典型的な実施例は、溶接されるワークピースＷが溶接接合部で０．５インチ以上の厚みを有するところの溶接で利用される。図１Ａ〜図１Ｃにおいて、互いに実質的に平行である２つのワークピースＷの対向する２つの面Ｓの高さであるランド高さＬが示されている。本発明の典型的な実施例では、ランド高さＬは、ワークピースＷの厚み全体を表し得る。或いは、他の典型的な実施例では、ランド高さＬは、ワークピースＷの厚みより小さい。例えば、ワークピースの厚みが０．７５インチの場合、そのランド高さは、０．５インチとなり、残りの０．２５インチは、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、Ｖ字型切り欠き溝の形をとり得る。
【００１０】
本発明の典型的な実施例では、２つのワークピースＷの対向する２つの面Ｓの間に隙間Ｇが存在し得る。しかしながら、他の典型的な実施例では、それらのワークピースＷは、互いにぴったり接触し得る。いくつかの典型的な実施例では、隙間Ｇは、１〜１０ｍｍの範囲内となり得る。
【００１１】
さらに、図１Ａ〜図１ＣはそれらのワークピースＷが同じ厚みを有することを示すが、本発明はこの点において限定されるものではない。本発明の典型的な実施例は、様々な厚みのワークピースを接合するために利用され得るためである。
【００１２】
複数の典型的な実施例は、厚板を接合する際の溶接性能を最適化するために複数の溶接プロセス／システムの組み合わせを採用する。このことは、図１Ｂ及び図１Ｃを参照して簡潔に説明され、且つ、図２〜図４を参照してより詳細に説明される。
【００１３】
既に簡潔に説明したように、図１Ａは、本発明の実施例によって溶接され得る典型的な溶接接合部であり、ランド高さＬがワークピースＷの厚み未満で且つ隙間Ｇが２つの面Ｓの間に存在するところの典型的な溶接接合部を示す。２つの面Ｓは、ランド高さＬに沿って互いに実質的に平行である。なお、本発明の態様が、例えば軟鋼又は高強度鋼であり得るワークピースＷの材料組成によって限定されることはない。
【００１４】
図１Ｂは、溶接プロセスの第１フィラーパスが完了した図１Ａの溶接接合部を示す。具体的には、本発明の典型的な実施例において、この第１フィラーパスは、ハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷ溶接プロセスを用いて達成される。ＧＭＡＷは、ガスメタルアーク溶接であり、一般的にＭＩＧ又はメタル不活性ガス溶接と呼ばれる。この第１フィラーパスを達成するために、レーザビームが使用される。その高浸透深さのためである。そのレーザは、溶接接合部におけるランド高さＬの大部分のためのレーザ溶接部１０１をもたらすために利用される。そのレーザは、そのエネルギ密度並びにそのレーザによってもたらされる精密度及び焦点のために、ランドＬに沿ってそれらワークピースを正確に溶接できる。そのようなものとして、レーザ溶接は、接合部の底又はほぼ底までの集中的な浸透をもたらす。レーザ溶接と同時に、レーザ溶接部１０１の上にＧＭＡＷ溶接ビード１０３をもたらすためにＧＭＡＷ溶接プロセスが利用される。レーザ溶接に伴うＧＭＡＷプロセスの利用は、その溶接部にフィラー材の追加をもたらし、ＧＭＡＷプロセスからの金属フィラーは、レーザ溶接のためにレーザを集束するのに役立つ。さらに、溶接される接合部に隙間Ｇが存在する限りにおいて、ＧＭＡＷプロセスは、この隙間が十分に埋められ且つそのハイブリッド・レーザ溶接プロセス中に適切に溶接されるようにするのに必要なフィラー材を提供する。さらに、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接プロセスの使用は、所望の溶接プロファイル及び機械的性質のための特定の合金の溶接ビードへの追加を可能にする。
【００１５】
上述のプロセスは、ハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷ溶接として一般的に知られており、且つ、当業者に一般的に知られている。そういうわけで、そのような溶接作業の詳細を本書で説明する必要はない。
【００１６】
本願全体を通じて、ハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷ溶接への言及がある。しかしながら、本発明は、レーザシステムを用いたＧＭＡＷ又はＭＩＧ溶接の使用に特に限定されるものではなく、他の溶接システムも使用され得る。例えば、メタル活性ガス（ＭＡＧ）溶接及びメタルコアアーク溶接（ＭＣＡＷ）を含むがそれらには限定されない他のタイプの溶接が使用され得る。これらの代替的な溶接プロセスは、異なる性質と、所望の溶接パラメータによっては有利となり得る利点とを有し、且つ、ハイブリッド・レーザシステムと共に使用され得る。それ故、本願における説明の残りの部分はＧＭＡＷ又はＭＩＧを参照するが、このことは、簡潔さと効率のために為されたものであり、ＭＡＧ、ＭＣＡＷ等の他のタイプの溶接プロセスを除外することを意図するものではない。
【００１７】
本発明の態様にしたがって考えられるもののような厚板のワークピースを溶接する場合、ハイブリッド・レーザＧＭＡＷ溶接プロセスの利用自体は、実行速度（例えば、溶着速度及び移動速度）を含むがそれらに限定されることはない限界があり、また、溶接品質問題を有する。例えば、ハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷ溶接プロセスの性質のために、ワークピースＷへの溶接部の側壁浸透は制限される。それ故に、本発明の典型的な実施例では、この第１フィラーパスにサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）の第２フィラーパスが続く。
【００１８】
図１Ｃは、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ又はサブアーク溶接）の第２フィラーパスの後の溶接接合部を示す。サブアーク溶接は、典型的にはより大きな直径の溶接電極（例えば５／３２”）が利用され、且つ、その溶接アークが粒状の溶接フラックスによって外側の空気からシールドされるところの既知の溶接プロセスである。当業者はサブアーク溶接及びそのプロセスに精通しているため、本書に詳細な説明を含める必要はない。
【００１９】
サブアーク溶接プロセスは、高速度でのその全体的に高い溶着速度のために、且つ、ＧＭＡＷタイプのプロセスに比べて良好な側壁浸透特性のために、第１フィラーパスの後で利用され得る。さらに、サブアーク溶接プロセスの使用は、ワークピースＷ上で溶接ビード１０５を平らにならし、ほとんどの場合、ワークピースＷ上に良好な溶接ビード１０５をもたらす。サブアーク溶接プロセスによる良好な側壁浸透は、ＧＭＡＷタイプのプロセスのみでは実現し得ない所望の溶接プロファイル及び機械的性質をもたらすのに役立つ。第２フィラーパス中、サブアーク溶接プロセスは、ＧＭＡＷ溶接ビード１０３に浸透し、ＧＭＡＷ溶接ビードの少なくとも一部が、サブアーク溶接ビード１０５に吸収されるようにする。言い換えれば、サブアーク溶接ビード１０５は、ＧＭＡＷ溶接ビード１０３に浸透し、ＧＭＡＷ溶接ビード１０３の少なくとも一部がサブアーク溶接ビード１０５からもはや区別できないようにする。すなわち、第１パスの金属フィラーの少なくともいくつかの部分は、サブアーク溶接パスで再溶融され、第１パスの金属フィラーがサブアーク溶接パスの金属フィラーに吸収されるようにする。第１パス溶接ビードのこの再溶融（再利用）は、改善された溶接プロファイル及び機械的性質を持つ最適な最終溶接ビードを創出するのに有益である。
【００２０】
別の典型的な実施例では、ＧＭＡＷ溶接ビード１０３の断面積の５０％超が、サブアーク溶接プロセス及びビード１０５によって吸収される。さらに別の典型的な実施例では、サブアーク溶接プロセス及びビード１０５の浸透深さは、ＧＭＡＷ溶接ビード１０３の断面積の１００％を吸収するというようなものである。そのような実施例では、サブアーク溶接ビード１０５の浸透深さは、ビード１０５がレーザ溶接による溶接ビード１０１に直接的に接するというようなものである。それ故に、第１パスの金属フィラーの全てが再溶融され且つサブアーク溶接プロセスの溶接ビードに吸収される。そのような実施例では、識別可能な或いは区別可能なＧＭＡＷ溶接ビード１０３が第２パスの後に残ることはない。
【００２１】
上述の第１フィラーパスと第２フィラーパスの組み合わせは、厚いワークピースにおいて、正確且つ十分な浸透深さを有する溶接接合部をもたらし、一方でそれと同時に、かなりの側壁浸透をもたらす。それ故に、第１フィラーパスと第２フィラーパスの組み合わせは、０．５インチ以上の厚みを有するワークピースにおいて、より精密で最適な溶接ビードをもたらす。さらに、良好な溶接品質を有することに加え、かなりの溶接効率が実現され得る。例えば、本発明の典型的な実施例は、少なくとも毎分６０インチの速度で溶接可能である。別の典型的な実施例は、少なくとも毎分８０インチの速度で溶接可能である。さらに、溶接作業の全体的な溶着速度が顕著に改善され得る。厚板溶接のためのいくつかの従来技術によるシステムは、最大で毎時約３０ポンド（金属フィラー溶着速度）で溶着可能である。しかしながら、この溶着速度は、多くの厚板溶接作業において十分でない。それ故に、金属フィラーを溶着するための多くの追加的なパスを必要とし、そのような溶接を行う際のコストを大幅に増大させ、且つ、潜在的な処理量を低下させる。本発明の典型的な実施例は、少なくとも毎時４０ポンドの溶着速度を実現し得る。また、別の実施例は、少なくとも毎時５０ポンドの溶着速度を実現し得る。そのような溶着速度は、単一のパスで厚板溶接接合部を簡易に且つ十分に埋めることができ、溶接時間及び溶接接合部への全体的なエネルギ入力を有意に低減させる。
【００２２】
本発明の典型的な実施例を採用することによる追加的な利点は、片側から厚板を溶接しさえすればよい点、ワークピースの歪みの少なさ、相対的な移動速度及び溶着速度のための低入熱、並びに、ワークピース上の熱影響域の狭さを含む。さらに、本発明の実施例は、厚板溶接のコストを大幅に低減させる。（そのような高い溶着速度を有する）サブアーク溶接プロセスの使用は、溶接接合部のランド高さＬが低減され、その結果、必要なレーザ出力を低減させ、レーザ装置のコストを低減させることを意味するためである。
【００２３】
本発明の典型的な実施例において、ＧＭＡＷの第１パスのための金属フィラー（すなわち電極）は、サブアーク溶接の第２パスのために用いられるものと同じである。しかしながら、本発明の他の典型的な実施例では、それぞれのパスのための金属フィラーは、異なる構成を有する。例えば、ＧＭＡＷの金属フィラーは、ＥＲ７０Ｓタイプの電極等の軟合金鋼であり、一方で、サブアーク溶接の金属フィラーは、例えばＭＩＬ８００Ｈフラックスと共に使用され得るＬＡ１００ワイヤ等の高強度電極であることが考えられる。そのような組み合わせは、ワークピースＷの構成／材料タイプによっては、最適な溶接プロファイルをもたらし得る。なお、本発明は、典型的なものとして特定される上述の電極及びフラックスの使用に限定されることはない。
【００２４】
次に図２を参照して、ワークピースＷ上で溶接を行う溶接装置２００の典型的な実施例を説明する。装置２００は、レーザ溶接作業で通常用いられるタイプのレーザ装置２０１を含む。レーザ装置２０１は、装置２００の移動方向の先端に置かれ、ワークピースＷに対してビーム２０３を提供する。本発明の態様はレーザ装置２０１のタイプ又は構成によって限定されないが、レーザ装置２０１は、ワークピースＷのランドＬの領域を正確に溶接可能なタイプのものであるべきであり、且つ、溶接接合部の深さ全体又はほぼ全体まで達するのに十分なレーザ溶接部をもたらすための十分な浸透能力を提供すべきである。例えば、図１Ｂのランド高さＬを参照する。典型的な実施例では、レーザ装置２０１は、６〜２０ｋＷの範囲の出力を有し、別の典型的な実施例では、レーザ装置２０１は、１０〜２０ｋＷの範囲の出力を有する。当然ながら、より高い出力のレーザが使用されてもよいが、出力レベルが増大するにつれて、レーザのコストも増大する。本発明の利点は、通常採用され得るものよりも低出力のレーザを用いて極厚板溶接が高速で実現され得るという点にある。本発明の典型的な実施例では、レーザ装置２０１は、ワークピースＷに“鍵穴”を創出する出力及び能力を有するべきである。すなわち、レーザ装置２０１は、レーザ装置２０１によって溶接されるワークピースＷの厚み（例えばランド高さＬ）を貫通する穴を作るのに十分なエネルギ密度を有し、且つ、溶接接合部の創出中にそのレベルの浸透を維持するべきである。本発明の典型的な実施例では、ワークピースＷに十分な“鍵穴”をもたらすことができるレーザ装置２０１は、１０６〜１０７ワット／ｃｍ２の範囲のエネルギ密度を有する。
【００２５】
別の典型的な実施例では、レーザ装置２０１は、様々な溶接作業のために調整可能となるようにビーム２０３のサイズ及び／又は密度の手動調整及び／又は自動調整を許容するフォーカス可能／調整可能なビームレンズを有する。図示された典型的な実施例では、レーザ装置２０１は、ビーム２０３が溶接部の上面に垂直に放出されるように位置付けられる。しかしながら、本発明の実施例は、ビーム２０３がワークピースＷに斜めに衝突できるように装置２０１を傾けることを予期する。本発明の典型的な実施例では、レーザ装置２０１は、ビーム２０３が溶接パドルのほぼ中央で溶接パドルに衝突できるように位置付けられる。
【００２６】
また、図２に示す装置２００は、レーザ装置２０１に隣接する後続位置に位置付けられるＧＭＡＷ（又はＭＩＧ）溶接トーチ２０５を含む（上述のように、いくつかの典型的な実施例では、ＧＭＡＷ又はＭＩＧの代わりに、ＭＡＧ又はＭＣＡＷを含むがそれらに限定されない他のタイプの溶接及び溶接トーチが使用され得る。）。トーチ２０５は、溶接ビード２０９（図１Ｂのアイテム１０３も参照。）を創出するために、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接プロセスを用いて、溶接接合部に第１フィラー電極２０７を供給する。図示された典型的な実施例では、トーチ２０５は、溶接部の表面に対して斜めに第１金属フィラー（溶接電極）２０７がその溶接部に対して供給されるように位置付けられる。すなわち、レーザビーム２０３及び金属フィラー２０７は、互いに平行ではない。ビーム２０３と金属フィラー２０７との間の角度は最適化されるが、ビーム２０３の中心線と金属フィラー２０７の中心線との間で３０〜６０度の範囲となり得る。本発明の典型的な実施例では、トーチ２０５の位置付けは、ビーム２０３が向けられるのと同じ溶融溶接パドルにＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接プロセスが金属フィラー２０７を溶着するように行われる。すなわち、レーザ装置２０１及びトーチ２０５は、溶接パドルを共有している。別の典型的な実施例では、トーチ２０５は、ビーム２０３の少なくとも一部が溶接プロセス中に金属フィラー２０７に衝突するように位置付けられる。そのような位置付けは、ランドＬの最適な浸透及び溶接品質を実現するためにビーム２０３を集束するのに役立つ。金属フィラー２０７及び適用されるシールドガス（もしあれば）の突き出しは、溶接部の所望の性能基準に基づいて最適化されるべきである。
【００２７】
さらに、トーチ２０５によって促進されるＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接プロセスは、任意の既知のタイプの溶接作業であってもよい。例えば、いくつかの典型的な実施例は、パルス溶接プロセスを利用可能であり、一方で、他の典型的な実施例は、表面張力移行タイプの溶接プロセスを採用し得る。
【００２８】
図２に示す典型的な実施例では、トーチ２０５及びレーザ装置２０１は、溶接作業の進行方向における共通の中心線上に位置付けられる。すなわち、それら構成要素は互いに真っ直ぐに一直線となる。
【００２９】
図２は後続位置にあるトーチ２０５を示すが、本発明の他の典型的な実施例では、溶接トーチ２０５は、溶接中、レーザ装置２０１に先行し得る。すなわち、図２におけるトーチ２０５及びレーザ装置２０１の配置は置き換えられてもよい。さらに別の典型的な実施例では、より大きな第１パス溶接ビードを創出するために２つの溶接トーチ２０５が利用されるところの二重（dual）の若しくは直列(tandem)のトーチ構成が使用されてもよい。例えば、先行の及び後続のトーチ２０５の双方がレーザ装置２０１を取り囲んでもよい（レーザ装置２０１が２つのトーチ２０５の間に位置付けられてもよい。）。そのような構成は、接合部の隙間Ｇが大きい場合に使用され得る。大きな隙間Ｇは第１パスでより多くのフィラー材を必要とするため、その第１パスのために二重トーチ構成の使用が必要となり得る。
【００３０】
トーチ２０５に続くのは、溶接部に溶接フラックスＦを供給するフラックスノズル２１１である。フラックスノズル２１１及びフラックスＦは、サブアーク溶接プロセスのために利用される既知のタイプの任意のものであればよい。ノズル２１１は、フラックスＦがトーチ２０５又はレーザ２０１の作業と干渉しないようにしながらも、サブアーク溶接プロセスのためのフラックスを供給するために、トーチ２０５に直列に且つトーチ２０５の後ろに位置付けられる。また、事前に全体に置かないで、溶接中にサブアーク金属フィラーの周りにフラックスを置くことも一般的である。何れの実施例も、本発明の実施例において利用され得る。
【００３１】
ノズル２１１に続くのは、サブアーク溶接プロセスのためにワークピースにサブアーク金属フィラー２１４を供給する少なくとも１つのサブアーク溶接トーチ２１３である。少なくとも１つのサブアークトーチ２１３は、フラックスＦがサブアーク溶接プロセスのための十分なシールドを提供できるように、（進行方向において）ノズル２１１に直列にノズル２１１の後ろに位置付けられる。図２に示す実施例では、第１サブアークトーチ２１３及び第２サブアークトーチ２１５が提供され、直列（tandem）サブアーク溶接構成を創出する。しかしながら、本発明は、溶接作業の要請に応じて単一のサブアークトーチ２１３が利用され得るように、この点において限定されることはない。さらに、追加の典型的な実施例では、２つを超えるサブアークトーチが利用されてもよく、例えば、３つのサブアークトーチが互いに直列に位置付けられることが考えられる。また、さらなるサブアークトーチが利用され得ることも考えられる。論理的には、利用されるサブアークトーチの数を増大させることによって、全体的な溶着速度が増大させられる。
【００３２】
図２に示すように、トーチ２１３／２１５は、典型的なサブアーク溶接プロセスにおける場合と同様に、フラックスＦの下にサブアーク溶接ビード２１７を創出する（このことは、アイテム１０５として図１Ｃにも示されている。）。
【００３３】
図２では、トーチ２１３及び２１５は、溶接物に対して傾けられ、且つ、フィラー２１４及び２１６のそれぞれがお互いのほうに向けられるように傾けられている。この構成では、金属フィラー２１４及び２１６は、溶接作業中に共通の溶接パドルを共有するように向けられている。他の典型的な実施例では、他の方向付けが利用され得る。例えば、単一トーチの実施例では、トーチ２１３は、溶接物の表面に垂直となるように方向付けられ得る。さらに、２以上のサブアークトーチを有する直列構成では、少なくとも１つのトーチが溶接物に垂直となるように方向付けられ、一方でその他のトーチが傾けられ、それでもなお同じ溶接パドルが共有されるようにしてもよい。例えば、先行のトーチ２１３は、先行の金属フィラー２１４が溶接ビードに垂直となるように位置付けられ、一方で、後続の金属フィラー２１６が先行の金属フィラー２１４に対して１０〜８０度の間で傾けられるように後続のトーチ２１５が傾けられる。
【００３４】
本発明の典型的な実施例では、サブアークトーチ２１３及び２１５の傾斜は、サブアーク金属フィラー２１４及び２１６のそれぞれの間の理論的な収束点がサブアーク溶接ビード２１７の最大深さより下となるようにする。いくつかの実施例では、その収束点は、溶接ビード２１７の深さの真下にある。そのような理論的な収束点を有するように金属フィラー２１４／２１６を傾けることによって、先行のサブアーク金属フィラー２１４と後続のサブアーク金属フィラー２１６との間の最適距離が得られる。
【００３５】
２以上のサブアークフィラー２１４／２１６を用いる本発明の典型的な実施例では、フィラー２１４／２１６の組成が同じである。しかしながら、他の典型的な実施例では、フィラー２１４／２１６のそれぞれの組成は異なるものであってもよい。すなわち、異なりはするがそれでもなお混合された溶接ビードを得るために相溶性のある組成の電極を必要に応じて用いることが可能である。例えば、一実施例では、先行の金属フィラー２１４が金属芯ワイヤである一方で、後続のフィラー２１６が中実ワイヤ（solid  wire）であってもよい。金属芯金属フィラーの使用は、より小さい電流を使用しながらより高い充填速度（fill  rate）をもたらし得る。或いは、他の実施例では、後続のワイヤが、或いは、先行及び後続の金属フィラーの双方が金属芯であってもよい。金属芯金属フィラーの使用は、溶接作業によっては、中実ワイヤよりも小さい電流でより多くの金属フィラーの溶着をもたらし得る。さらに、いくつかの典型的な実施例では、先行及び後続の電極のサイズ（直径）が異なる。例えば、先行の電極２１４は、後続の電極よりも大きな直径を有していてもよい。
【００３６】
本発明の図示しない別の典型的な実施例では、ツインアーク・サブアーク溶接プロセスが採用され得る。ツインアーク溶接は、単一のサブアークトーチ２１３で２つの金属フィラーを利用する。そのような溶接では、金属フィラー（電極）の双方が同じトーチ（例えば２１３）を通過させられ、且つ、単一の電源（例えば３０７）がそのトーチに単一の溶接波形を供給する。そのようなプロセスは当業者に知られている。
【００３７】
さらに、代替の典型的な実施例では、サブアークトーチ２１３／２１５は、ビード２１７の幅を必要に応じて増大させるために、溶接ビードの中心線の両側に傾けられてもよい。そのような構成では、トーチ２１３／２１５の少なくとも１つ（或いは全て）は、金属フィラー２１４／２１６のそれぞれが溶接ビードの中心線から外れて（それでもなお共通の溶接パドル内で）溶接ビード２１７に溶着されるように傾けられる。
【００３８】
前述のように、サブアーク溶接プロセスは、ＧＭＡＷ溶接ビード２０９（図１Ｂの１０３）の少なくとも一部を消費する。この消費は、ＧＭＡＷ溶接ビード２０９の１００％ともなり得る。それ故に、図２に示すように、サブアーク溶接ビード２１７の創出は、溶接ビード２０９の少なくとも一部（或いは全て）を消費する。
【００３９】
次に図３を参照して、本発明の典型的な実施例にしたがった溶接システム３００の典型的な実施例を説明する。図示されるシステムは、本発明の典型的な実施例にしたがった溶接作業を促進するために採用される種々の電源を表す。なお、図３では、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ又はサブアーク溶接作業のためのワイヤ供給装置が示されていない。それらの装置の構成及び操作は既知であり、本書でそれらの操作を説明する必要はない。しかしながら、金属フィラーを溶接トーチのそれぞれに供給するためにＧＭＡＷ／ＭＩＧ及びサブアーク溶接作業がワイヤ供給装置の使用を採用することは当業者によってよく理解されている。
【００４０】
図３に示すように、レーザ電源３０１は、レーザ装置２０１を操作し且つレーザ装置２０１に電力を供給するためにレーザ装置２０１に電気的に接続される。それら電源は既知である。なお、いくつかの典型的な実施例では、レーザ装置２０１及びその電源３０１は、単一のハウジング又はユニット内に一体的に製造され得る。しかしながら、例えばスペース等の様々な設計制約のため、レーザ装置２０１から遠く離れてレーザ電源３０１を配置することが必要な場合も考えられる。
【００４１】
ＧＭＡＷ電源３０３は、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接作業を促進すべくＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接信号をトーチ２０５に供給するためにＧＭＡＷトーチ２０５に電気的に接続される。電源３０３は、任意の既知のタイプ又は既知の構成であればよく、パルス溶接及び／又は表面張力移行溶接を含むがそれらに限定されない様々なタイプの溶接作業を実施できる。例えば、オハイオ州クリーブランドのThe  Lincoln  Electric  Companyが製造するPower  Wave（登録商標）４５５Ｍ  power  supplyがＧＭＡＷ電源３０３として利用され得る。当然ながら、この電源はほんの一例に過ぎず、本発明がこの特定の電源の利用に限定されることはない。
【００４２】
当然ながら、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接作業を実施する際に、本発明の典型的な実施例によって予期されるようなもののように、シールドガスが一般的に使用されることは当業者に知られている。それらのシールドガスは、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、及びそれらの混合物を含み得る。明確化のため、トーチ２０５へのシールドガスの供給は図３では示されていない。しかしながら、本発明の実施例は、ＧＭＡＷアークが適切にシールドされることを確かなものとするためにシールドガスをＧＭＡＷ溶接プロセスに供給するシールドガス源・供給システムを有する。なお、レーザ２０１の動作と干渉するシールドガスが利用されるべきではない。例えば、ヘリウム等のいくつかのシールドガスの使用は、レーザによって創出されるプラズマを抑制するためにＣＯ２タイプのレーザで必要とされ、それ故に利用法を制限する。しかしながら、それらのシールドガス問題は、ファイバーレーザ技術の使用により軽減され得る。さらに、他の典型的な実施例では、溶接作業による溶接煙を除去するために溶接煙除去システム（図示せず。）が利用され得る。そのようなシステムは既知であるため、本書でこれ以上説明することはない。
【００４３】
フラックスノズル２１１に接続されるのはフラックス源３０５である。フラックス源３０５は、溶接作業中に使用されるフラックスＦを含む。
【００４４】
先行のサブアークトーチ２１３は、第１サブアーク電源３０７に接続され、また、後続のサブアークトーチ２１５は、第２サブアーク電源３０９に接続される。サブアーク電源３０７／３０９は、任意の既知のサブアーク電源システムであればよい。それらのシステムは、溶接工業において既知である。例えば、オハイオ州クリーブランドのThe  Lincoln  Electric  Companyが製造するPower  Wave（登録商標）AC/DC  1000（登録商標）SD  systemが利用され得る。当然ながら、この電源はほんの一例に過ぎず、本発明がこの特定の電源の利用に限定されることはない。
【００４５】
（図３に示すように）複数のトーチを使用する本発明の典型的な実施例では、電源３０７／３０９のそれぞれのサブアーク溶接プロセスは同じである。例えば、２つのサブアーク溶接トーチを有する直列構成では、双方の動作が直流溶接又は交流溶接となり得る。しかしながら、他の典型的な実施例では、異なる溶接パラメータ又は波形を利用することが有益となり得る。例えば、いくつかの典型的な実施例では、先行のサブアーク溶接電極（金属フィラー）に直流の正極性を持たせ、一方で、後続の電極が交流モード又は可変極性モードで動作するようにすることが有益である。そのような構成は、サブアーク溶接プロセスのワークピースＷへの全体的な浸透を増大させ得る。或いは、サブアーク溶接波形の双方が交流であるプロセスを使用する場合、典型的な実施例は、浸透を増大させるために、後続のトーチ２１５よりも高い正の成分（振幅又は時間の一方又は双方）を有する先行のトーチ２１３のための交流波形を利用し得る。当然ながら、必要に応じて後続のサブアーク溶接がより高い正の成分を有する交流波形を利用することも考えられる。交流波形における増大された正の成分の使用は、より高い浸透速度をもたらすばかりでなく、溶接物へのより高い入熱をもたらし、それ故に、溶接ビードの外観を改善し得る。さらに、他の典型的な実施例では、サブアークプロセスのそれぞれにおける電流量が異なり得る。例えば、典型的な実施例は、後続サブアーク溶接電流よりも高い先行サブアーク溶接電流を利用する。そのような構成は、先行のサブアークプロセスがより深い浸透をもたらすことを可能にし、そして、後続のサブアークは、追加的なフィラー材を提供するために用いられる。本発明の典型的な実施例では、先行のサブアーク溶接プロセスは、７５０〜１０００アンペアの範囲の平均電流レベルを有し、後続のサブアーク溶接プロセスは、６００〜８００アンペアの範囲の平均電流レベルを有する。別の典型的な実施例では、先行のサブアーク溶接プロセスは、後続のサブアーク溶接プロセスの平均電流レベルよりも５０〜１５０アンペアだけ大きい範囲の平均電流レベルを有する。
【００４６】
本発明の別の典型的な実施例では、後続のサブアーク溶接波形は、先行のサブアーク溶接波形よりも大きな負の成分を有し得る。そのような構成では、より低い溶接電流で高い溶着速度が実現され得る。後続のサブアークプロセスが主として充填（fill）プロセスとして用いられるためである。
【００４７】
当然ながら、単一のサブアークトーチ２１３が利用される限りにおいては、単一の電源３０７のみが必要とされる。３つ以上のサブアークトーチを利用する他の典型的な実施例では、サブアーク溶接電源は、サブアークトーチ毎に提供される。
【００４８】
本発明の典型的な実施例では、直列構成又は複数トーチ構成における金属フィラー２１４／２１６のそれぞれのワイヤ供給速度は同じである。しかしながら、他の典型的な実施例では、金属フィラー２１４／２１６のそれぞれのワイヤ供給速度は異なる。例えば、いくつかの典型的な実施例では、先行する金属フィラー２１４は、後続の金属フィラー２１６よりも高いワイヤ供給速度を有する。相対的なワイヤ供給速度は、最適な溶接ビードプロファイルを実現するために調整され得る。
【００４９】
図３の典型的な実施例で示すように、第１コントローラ３０２は、レーザ電源３０１及びＧＭＡＷ電源３０３のそれぞれに接続される。コントローラ３０２は、電源３０１／３０３の動作を同期させるために使用される。例えば、コントローラ３０２は、電源３０１／３０３の動作が適切に同期されるように電源３０１／３０３のそれぞれのオン・オフを同期させるために利用される。図３はコントローラ３０２を別個の構成要素として表すが、物理的に別個のコントローラ３０２が不要となるように、レーザ電源３０１又はＧＭＡＷ電源３０３のうちの１つの制御部にコントローラ３０２が一体化されることが考えられる。同様に、典型的な実施例では、サブアーク電源３０７／３０９は、電源３０７／３０９の動作を同期させる共通のコントローラ３０８に接続される。そのようなコントローラは既知であり、その構造及び動作が詳細に説明される必要はない。ここでも、コントローラ３０２と同様に、コントローラ３０８は、サブアーク電源３０７又は３０９のうちの何れか１つの制御電子回路に一体化され得る。
【００５０】
さらに、別の典型的な実施例では、電源３０１、３０３、３０７、及び３０９の全ての動作を同期させるマスタコントローラ（図示せず。）が利用され得る。そのような同期は、複数の電源のそれぞれが同時に或いは特定の間隔でオン・オフされるのを確かなものとすることができる。例えば、レーザ／ＧＭＡＷ溶接プロセスとサブアーク溶接プロセスとの間の距離のため、レーザ／ＧＭＡＷ電源３０１／３０３がオン・オフされてからいくらかの時間間隔の後でサブアーク電源３０７／３０９をオン・オフすることが望ましい場合がある。このことは、溶接作業のそれぞれが溶接接合部の同じ部分をカバーすることを確かなものとする。
【００５１】
次に図４を参照して、搬送アセンブリ４００の典型的な実施例を説明する。搬送アセンブリ４００は、レーザ装置２０１、ＧＭＡＷトーチ２０５、ノズル２１１、第１サブアークトーチ２１３、及び第２サブアークトーチ２１５のそれぞれが動作のために取り付けられる支持構造４０１を含む。それら構成要素は、締め具４０３又はそれら構成要素を要望通りに取り付ける任意の適切な接続装置を用いてその構造に取り付けられ得る。いくつかの典型的な実施例では、搬送アセンブリ４００は、溶接中に進行方向に動かされ、一方、他の典型的な実施例では、搬送アセンブリ４００が固定され、ワークピースＷが溶接中に動かされる。アセンブリ４００が可動である典型的な実施例では、動作を容易にするために、他の構成要素が構造４０１に取り付けられることが考えられる。例えば、ワイヤ供給機、ワイヤ供給スプール、及びフラックス源３０５が、キャリッジ４００と共に移動できるように、構造４０１に取り付けられ得る。また、搬送アセンブリ４００は、ワークピースＷに沿った動きを安定化させるのに役立つローラ又はホイール（図示せず。）を備えていてもよい。アセンブリ４００及び構造４０１の種々の構造及び構成は、特定の作業の必要に応じてカスタマイズされ得る。
【００５２】
図４に示すように、ポイントＡとポイントＢとの間には距離Ｄが存在し、ポイントＡは、ＧＭＡＷフィラー材２０７が溶接物に溶着されるところのワークピースＷ上のポイントであり、また、ポイントＢは、先行のサブアークフィラー材２１４が溶接物に溶着されるところのワークピースＷ上のポイントである。この距離は、後続距離として参照され得る。典型的な実施例では、距離Ｄは、少なくとも６インチである。別の実施例では、距離Ｄは、６〜１２インチの範囲内にある。他の典型的な実施例では、距離Ｄは、１２インチ未満の上述の範囲より長くもなり短くもなり得る。しかしながら、距離ＤがＤより短い場合、サブアーク溶接プロセスをシールドするためにフラックスＦが溶接物に十分に供給され、同時に、ハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷ溶接作業と干渉しないことを確保することが必要となる。
【００５３】
いくつかの典型的な実施例では、フラックスＦが上流の溶接作業と干渉するのを防止するためにノズル２１１とハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷ溶接プロセスとの間にバリアを供給する分割機４０５が構造４０１及び／又はノズル２１１に接続され得る。分割機４０５は、フラックスＦがレーザ−ＧＭＡＷ溶接プロセスに流入するのを十分に防止できるように、且つ、距離Ｄが低減されるように置かれる。このことは、６インチ未満の後続距離を許容し得る。
【００５４】
図４に示す典型的な実施例では、構成要素のそれぞれが構造４０１に固定して取り付けられる。しかしながら、他の典型的な実施例では、構成要素２０１、２０５、２１１、２１３、及び２１５のうちの何れか或いは全ては、様々な溶接プロセスのための簡単な変更を許容するように位置決め可能であってもよい。例えば、トーチ２０５、２１３、及び２１５は、回転及び／又は直線運動を許容する接続部を用いて取り付けられてもよい。その回転は、トーチが要望通りに再配置されるのを可能にし、また、その直線運動は、突き出し距離の簡単な調整を許容し得る。そのような位置決め可能性は、搬送アセンブリ４００の柔軟性を増大させる。別の典型的な実施例では、サブアークトーチ２１３／２１５は、トーチ２１３／２１５が溶接物の中心線から外れて溶接するために傾けられるように、位置決め可能なアタッチメントを用いて構造４０１に取り付けられ得る。例えば、溶接物の中央から外れた溶接のためにトーチ２１３／２１５を傾けることによって溶接ビードの幅を増大させるべくトーチ２１３／２１５が位置付けられるように、左右旋回タイプのアタッチメント（例えばジンバル（gimble））が利用されてもよい。
【００５５】
上述の実施例は、サブアーク溶接と共にハイブリッド・レーザ−ＧＭＡＷシステムを用いる点に焦点を合わせるが、多くの適用例と同様に、ＧＭＡＷ溶接プロセスからの追加的なフィラー材が第1溶接パスのために必要とされ得る。しかしながら、これは、常に必要というわけではない。具体的には、本発明の典型的な実施例は、ある実施例は上述のレーザ溶接プロセス及びサブアーク溶接プロセスのみを採用するといったように、ＧＭＡＷ溶接プロセスを必要としない場合がある。そのような実施例では、それらレーザ及びサブアークプロセス及び構成要素は、上述のように動作する。この解決策は、独立の独創的な意味を有する。そのような実施例では、ワークピースＷのそれぞれのランドＬがほとんど接するように（或いは接するように）隙間Ｇが小さい。そのような状況ではＧＭＡＷ／ＭＩＧプロセスからの追加的なフィラー材が必要でない場合があり、フィラー材を必要とせずにワークピースＷを接合するのにレーザ溶接で十分となる。しかしながら、そのようなシステムでは、後続のサブアーク溶接プロセスが溶接接合部を完全に埋め、且つ、サブアーク溶接ビード２１７とレーザ溶接部１０１との間に隙間が存在しないように、ランド高さＬは実質的にレーザ溶接部１０１で埋められるべきである。そのような結果が得られるのを確かなものとするために、（ＧＭＡＷ溶接ビード１０３に関する上述の場合と同様に）サブアーク溶接ビード１０５／２１７がレーザ溶接部１０１の少なくとも一部を消費することが望ましい。一実施例では、サブアーク溶接プロセスは、レーザ溶接部１０１の断面の少なくとも５％がサブアーク溶接ビード２１７／１０５によって消費されるようにする。この実施例の利点は、（レーザ接点とポイントＢとの間の）後続距離が、ＧＭＡＷ溶接プロセスをレーザ２０１と共に用いた場合に達成され得るものよりもさらに低減され得るという点にある。ここで説明された実施例のその他の態様は、その他の実施例に関して上述されたものと同様である。
【００５６】
上述のように、本発明の典型的な実施例を用いた溶接は、厚板溶接作業のための改善された溶接プロセスをもたらす。すなわち、溶接不足及び不十分な側壁溶接浸透を防止しながら、改善された進行速度と溶着速度の組み合わせが達成される。それ故に、本発明の典型的な実施例は、既知の厚板溶接プロセスに優る改善をもたらす。
【００５７】
サブアーク溶接プロセスがＧＭＡＷ／ＭＩＧ（又は他の）溶接プロセスに近接しているために、種々の典型的な実施例においていくつかのアーク安定性問題が生じ得る。例えば、種々の溶接プロセスが近接しているため、アーク干渉、磁気吹き(arc  blow)、及びアーク感（arc  sensing）の問題が経験され得る。すなわち、サブアーク溶接プロセスが、溶接中にＧＭＡＷ電源３０３でアーク感問題を引き起こし得ることが見出され得る。しかしながら、そのような問題は、多くの方法で対処され且つ緩和され得る。例えば、複数の溶接プロセスのそれぞれに対する電流経路の制御は、溶接アース線位置（ground  lead  location）の最適な配置を通じて取得され得る。特にサブアーク溶接プロセスのために、適切なアース線位置を選択することによって、電流経路の干渉は極小化され得る。本発明の典型的な実施例では、サブアーク溶接プロセスのアース線位置は、ワークピースＷとの電気的接触を維持しながら、溶接プロセスと共に移動する。そのような実施例では、このことは、サブアークプロセスからアース線への距離が、安定的な大地電流経路を維持するために一定のままであることを確かなものとする。同様に、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ溶接プロセスのためのアース線位置は、干渉を極小化するためにそのプロセスにおける電流経路も一定で且つ安定的なままとなるよう、溶接プロセスと共に“移動”させられ得る。別の典型的な実施例では、電源電圧線位置の配置は、上述のアース線位置と同様に、最適化され得る。
【００５８】
別の典型的な実施例では、溶接アークを磁気的に誘導し或いは別の方法で制御／安定化させるために磁場ステアリングユニットが利用され得る。溶接アークを安定化させるために、特に磁気吹き問題に対処するために、磁場ステアリングユニットが利用され得ることは一般的に知られている。そのような技術は一般的に知られており、本書で詳細に説明する必要はない。例えば、典型的な実施例では、磁気アークステアリングユニットは、溶接プロセスのそれぞれを磁気的にシールドするために、第１パスとサブアーク溶接プロセスとの間に配置される。
【００５９】
また、本発明の別の実施例は、アーク干渉を最小限に抑えるために種々の溶接プロセスの間で溶接同期を利用できる。例えば、ＧＭＡＷ／ＭＩＧプロセスが直流パルスモード溶接プロセスであり、且つ、サブアーク溶接プロセスの少なくとも１つが交流である場合、溶接性能を最適化するためにＧＭＡＷ／ＭＩＧパルスのパルスピークがサブアークプロセスの交流波形に同期させられるように、それらのプロセスは同期させられ得る。
【００６０】
本発明は典型的な実施例を参照して具体的に示され且つ説明されたが、本発明は、それらの実施例に限定されるものではない。当業者は、添付の請求項で定められる本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形状及び細部における種々の変更が行われ得ることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００６１】
１０１  レーザ溶接部
１０３  ＧＭＡＷ溶接ビード
１０５  サブアーク溶接ビード
２００  装置
２０１  レーザ溶接装置
２０３  レーザビーム
２０５  溶接トーチ
２０７  フィラー材又は第１溶接電極
２０９  溶接ビード
２１１  フラックスノズル
２１３  第１サブアーク溶接トーチ
２１４  サブアーク金属フィラー
２１５  第２サブアーク溶接トーチ
２１６  サブアーク金属フィラー
２１７  サブアーク溶接ビード
２１７Ａ  共通溶接パドル
３０１  電源
３０２  第１コントローラ
３０３  電源
３０５  フラックス源
３０７  電源
３０８  コントローラ
３０９  電源
４００  搬送アセンブリ
４０１  支持構造
４０３  締め具
４０５  分割機
Ｄ  後続距離
Ｆ  溶接フラックス
Ｇ  隙間
Ｌ  ランド高さ
Ｓ  面
Ｗ  ワークピース
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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