(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのワーク（１２、１４）の接合面（１６）を冶金的に接合することによって前記ワーク（１２、１４）を溶接する方法であって、
前記ワークの接合面（１６）が対面するように前記ワーク（１２、１４）を共に配置し、前記接合面（１６）によってそれらの間に画成され且つ前記ワーク（１２、１４）が共に配置された後でも露出されたままの前記ワーク（１２、１４）の表面（２４）に直ぐ隣接した表面間部分を含む継手領域（２２）が画成される段階と、
前記継手領域（２２）に沿って前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスを順次的に実施する段階と、
を含み、
前記前方ハイブリッド溶接プロセスが、前記継手領域（２２）上に前方レーザビーム（３２）を投影し、該前方レーザビーム（３２）の投影（３８）を前記継手領域（２２）に沿って移動させ、該継手領域（２２）の表面間部分を溶込ませる段階を含み、更に、前記前方レーザビームの投影（３８）上に前方電気アーク（３６）を配向しながら、第１の溶接フィラー材料（４８）を前記前方電気アーク（３６）に送給して前方溶接プールを形成し、該前方溶接プールが凝固して前記継手領域（２２）内に溶接物（４０）を形成する段階を含み、
前記後方ハイブリッド溶接プロセスが、前記溶接物（４０）上に後方レーザビーム（３４）を投影し、該後方レーザビーム（３４）の投影（４２）を前記溶接物（４０）に沿って移動させ、前記溶接物（４０）を溶込ませる段階を含み、更に、前記後方レーザビーム（３４）の投影（４２）上に後方電気アーク（５６）を配向しながら、第２の溶接フィラー材料（６８）を前記後方電気アーク（５６）に送給して後方溶接プールを形成する段階を含み、
前記前方及び後方レーザビーム投影（３８、４２）が前記継手領域（２２）に沿って離間し、前記前方及び後方電気アーク（３６、５６）が前記継手領域（２２）に沿って離間し、前記後方ハイブリッド溶接プロセスにより形成される後方溶接プールが前記溶接物（４０）上にカスケード接続して再溶融し、該溶接物（４０）と混合して複合溶接プールを形成するようにし、
前記方法が更に、
前記複合溶接プールを冷却し、前記継手領域（２２）内に溶接継手（３０）を形成して、前記ワーク（１２、１４）を冶金的に接合して溶接組立体をもたらす段階を含む、
方法。
【請求項２】
前記後方レーザビーム（３４）が前記前方レーザビーム（３２）よりも大きな出力レベルである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１の溶接フィラー材料（４８）の断面積が、第２の溶接フィラー材料（６８）の断面積よりも大きい、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第１及び第２の溶接フィラー材料（４８、６８）が異なる材料から形成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
第１の溶接フィラー材料（４８）の材料が、第２の溶接フィラー材料（６８）の材料よりも高い引張強さを有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
第２の溶接フィラー材料（６８）の材料が、第１の溶接フィラー材料（４８）の材料よりも延性である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記前方及び後方レーザビーム（３２、３４）が互いに平行且つ前記ワーク（１２、１４）の隣接する表面（２４）に垂直である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記溶接物（４０）が凝固して内部にガスバブルを捕捉し、前記後方レーザビーム（３４）及び前記後方電気アーク（５６）により形成される前記後方溶接プールにより前記溶接物（４０）が再溶融される結果として、前記バブル内のガスが前記溶接物（４０）から放出される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記溶接組立体が風力タービンタワーの構成要素である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも２つのワーク（１２、１４）の接合面（１６）を冶金的に接合することによって前記少なくとも２つのワーク（１２、１４）を溶接する装置（１０）であって、前記接合面（１６）が対面し、前記接合面（１６）によってそれらの間に画成され且つ前記ワーク（１２、１４）の露出したままの表面（２４）に直ぐ隣接する表面間部分を含む継手領域（２２）を定め、
前記装置が、
前記継手領域（２２）に沿って前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスを順次的に実施することにより前記ワーク（１２、１４）を溶接する手段（３２、３４、３６）を備え、
前記溶接手段（３２、３４、３６）が、前記継手領域（２２）上で前記前方ハイブリッド溶接プロセスを行う手段（３２、３６）と、前記前方ハイブリッド溶接プロセスによって形成される溶接物（４０）上で前記後方ハイブリッド溶接プロセスを行う手段（３４２、５６）とを含み、
前記前方ハイブリッド溶接プロセス手段（３２、３６）が、前記継手領域（２２）上に前方レーザビーム（３２）を投影し、前記前方レーザビーム（３２）の投影（３８）を前記継手領域（２２）に沿って移動させ、前記継手領域（２２）の表面間部分に溶込むように適合されており、前記前方ハイブリッド溶接プロセス手段（３２、３６）が更に、前記前方レーザビーム（３２）の投影（３８）上に前方電気アーク（３６）を配向しながら、該前方電気アーク（３６）に第１の溶接フィラー材料（４８）を送給して前記継手領域（２２）に前記溶接物（４０）を形成するように適合されており、
前記後方ハイブリッド溶接プロセス手段（３４、５６）が、前記溶接物（４０）上に後方レーザビーム（３４）を投影し、前記後方レーザビーム（３４）の投影（４２）を前記溶接物（４０）に沿って移動させ、前記溶接物（４０）を溶込ませるように適合されており、前記後方ハイブリッド溶接プロセス手段（３４、５６）が更に、前記後方レーザビーム（３４）の投影（４２）上に後方電気アーク（５６）を配向しながら、第２の溶接フィラー材料（６８）を前記後方電気アーク（５６）に送給して後方溶接プールを形成するよう適合されており、
前記溶接手段（３２、３４、３６、５６）が、前記継手領域（２２）に沿って前記前方及び後方レーザビーム投影（３８、４２）を離間させ、且つ前記継手領域（２２）に沿って前記前方及び後方電気アーク（３６、５６）を離間させ、前記後方ハイブリッド溶接プロセス手段（３４、５６）により形成される前記後方溶接プールを前記溶接物（４０）上にカスケード接続して再溶融させ、該溶接物（４０）と混合して複合溶接プールを形成する、装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的に溶接方法に関する。より具体的には、本方法は、レーザビーム溶接とアーク溶接を同じ溶接プールにおいて同時に行う第１のハイブリッドレーザアーク溶接技術を利用し、更に、第１のハイブリッドレーザアーク溶接技術の後に第２のハイブリッドレーザアーク溶接技術を利用して、得られる溶接継手におけるポロシティ及びガスポケットの排除を促進する溶接プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
低入熱溶接プロセス、及び特に狭い範囲の溶接条件にわたって作動するレーザビーム及び電子ビーム溶接（それぞれ、ＬＢＷ及びＥＢＷ）などの高エネルギー溶接プロセスは、限定ではないが、ターボ機械で使用される合金を含む幅広い種類の材料において亀裂無し溶接継手を生成するのに首尾よく利用されている。高エネルギービーム溶接プロセスの利点は、高エネルギー密度の集束レーザ又は電子ビームが最小溶接金属容量の深くて狭い溶接部を生成でき、追加重量が少なく、アーク溶接プロセスのような他の溶接技術と比較して構成要素の歪みが少ない構造的突き合わせ溶接の形成を可能にする点である。レーザビーム溶接に特に関連する追加の利点は、電子ビーム溶接に通常必要とされる真空チャンバ又は輻射シールド無しで実施できることである。その結果として、レーザビーム溶接は、電子ビーム溶接と比べてより低コストで、より生産性の高い溶接プロセスとすることができる。
【０００３】
フィラー材料は特定の応用及び溶接条件で使用されてきたが、レーザビーム及び電子ビーム溶接プロセスは通常、自生的（付加される追加フィラー材料がない）に実施される。高エネルギービームは、溶接すべき表面、例えば溶接される２つの構成要素の接合面（溶接シム）上に集束される。溶接中、表面は、金属の一部を蒸発させるのに十分に加熱されてキャビティ（キーホール）を生成し、キャビティを囲む溶融材料により後で充填される。レーザビーム溶接における比較的最新の画期的な進歩は、高出力固体レーザの開発であり、本明細書で定義されるように、４キロワット及び特に１０キロワット又はそれ以上の出力レベルを含む。特定の実施例は、ディスク形式（Ｙｂ：ＹＡＧディスクレーザ）で、或いはファイバー（Ｙｂファイバーレーザ）の内部コーティングとして酸化イッテルビウム（Ｙｂ2Ｏ3）を用いる固体レーザである。これらのレーザは、効率及び出力レベルを大幅に高めることができることが分かっている（例えば、約４キロワット〜２０キロワットを超える）。
【０００４】
レーザハイブリッド溶接としても知られるハイブリッドレーザアーク溶接（ＨＬＡＷ）は、レーザビーム及びアーク溶接技術を両方とも同じ溶接プールにおいて同時に起こるように組み合わせるプロセスである。レーザビームは通常、溶接面に対し垂直方向に向けられ、アーク溶接プロセス（例えば、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接としても知られる））又はガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接としても知られる）の電気アーク及びフィラー金属は、通常、溶接継手表面のレーザビームの集束点背後（後方）に位置付けられ、且つ該集束点に向かって前方に傾斜される。アーク溶接プロセスのこの後方位置は「フォアハンド」溶接技術として知られる。ＨＬＡＷ法の利点は、溶込みの深さを増大させることができ、及び／又は、例えば、従来のアーク溶接プロセスよりも溶接プロセスの移動速度を４倍に増大させることにより生産性を高めることができることである。
【０００５】
レーザビーム溶接は、上述の種々の利点を有することが知られているが、深い溶込みのレーザビーム溶接技術は、捕捉ポロシティを生じる傾向があることが知られている。この傾向は、典型的な溶融アークプロセスと比べてレーザビーム溶接に関連する低入熱に起因する可能性がある。結果として、レーザビーム溶接により生成される溶接プールは、極めて直ぐに凝固する傾向があり、溶接プロセス中に生成されるガス−金属反応生成物を捕捉する。ＨＬＡＷプロセスにアークプロセスを含めることにより、例えば、２分の１インチ（約１センチメートル）足らずの溶接深さなど、浅い溶接部内のポロシティを低減できるが、捕捉したガスバブルから生じるポロシティは、より大きな溶接深さを得ようとする際には問題となる。
【０００６】
深いレーザ溶接におけるポロシティの低減又は排除は、循環的作動を受ける構成要素について長寿命を達成する観点からすると特に有利になる。１つの商業的実施例は、風力タービンタワーの製作である。現在のところ、レーザビーム溶接技術を利用する溶接プロセスの使用は、レーザビーム溶接により生成される深い溶接物において大量の微細な内部ポロシティが見られる傾向があることに起因して抑制されてきた。ポロシティが存在することで、溶接継手ひいては溶接継手を包含する構造物の疲労寿命が有意に短縮される可能性がある。その結果として、風力タービンタワーなど、循環的作動を受ける構造物の製作には、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）プロセスなどの他の溶接技術がより一般的に利用されている。しかしながら、風力タービンタワーの建造に必要な大きな厚みの断面を溶接するのに使用される場合、ＳＡＷプロセスの重大な欠点は、例えば、毎分約２０〜４０インチ（約５０〜１００ｃｍ）の比較的低速度で複数回のパスを実施する必要があることに起因して、生産性が低いことである。溶接の直前に構成要素を予熱することで、ガスバブルが溶接プールから逃げることができる低い冷却速度を達成できるが、実際には、構成要素は、その溶融温度の４分の３近くまでの加熱を必要とする場合があり、これは高価で且つ構成要素の基材材料特性に悪影響を及ぼす可能性がある。レーザビーム溶接の次にガスバルブを放出する第２のレーザビーム溶接処理を用いても、第２の処理によって生成される溶接プールもまた迅速に凝固する傾向があり、ガスバルブが溶接プールから離れて流動できるので効果がないことが証明された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第２０１００２４３６２１号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、複数のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを利用して、各々がレーザビーム溶接とアーク溶接とを同時に利用して溶接プールを生成する溶接方法及び装置を提供する。複数のハイブリッドレーザアーク溶接技術のうちの第１のハイブリッドレーザアーク溶接技術の後に第２のハイブリッドレーザアーク溶接技術が続き、得られる溶接継手中のポロシティ及びガスポケットの排除が促進される。本方法は、従来のハイブリッドレーザアーク溶接技術を用いては過剰な溶接物ポロシティレベルをもたらすことなく溶接するのが困難な、例えば１センチメートルよりも大きい比較的肉厚の断面を溶接するのに特に好適である。
【０００９】
本発明の１つの態様によれば、溶接方法は、ワークの接合面が対面して継手領域が画成されるようにワークを共に配置する段階を含む。継手領域は、接合面によってそれらの間に画成され、且つワークが共に配置された後でも露出されたままのワークの表面に直ぐ隣接した表面間部分を含む。次に、前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスが継手領域に沿って順次的に行われる。前方ハイブリッド溶接プロセスは、継手領域上に前方レーザビームを投影し、該前方レーザビームの投影を継手領域に沿って移動させ、該継手領域の表面間部分を溶込ませる段階を含み、更に、前方レーザビームの投影上に前方電気アークを配向しながら、第１の溶接フィラー材料を前方電気アークに送給して前方溶融プールを形成し、該溶融プールが凝固して継手領域内に溶接物を形成する段階を含む。後方ハイブリッド溶接プロセスは、溶接物上に後方レーザビームを投影し、該後方レーザビームの投影を溶接物に沿って移動させ、溶接物を溶込ませる段階を含み、更に、後方レーザビームの投影上に後方電気アークを配向しながら、第２の溶接フィラー材料を後方電気アークに送給して後方溶融プールを形成する段階を含む。前方及び後方レーザビーム投影は継手領域に沿って離間し、前方及び後方電気アークが継手領域に沿って離間し、後方ハイブリッド溶接プロセスにより形成される後方溶接プールが溶接物上にカスケード接続して再溶融し、該溶接物と混合して複合溶接プールを形成する。次いで、複合溶接プールを冷却し、継手領域内に溶接継手を形成して、ワークを冶金的に接合して溶接組立体をもたらす。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、溶接装置は、継手領域に沿って前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスを順次的に実施することによりワークを溶接する手段を含む。溶接手段は、継手領域上で前方ハイブリッド溶接プロセスを行う手段と、前方ハイブリッド溶接プロセスによって形成される溶接物上で後方ハイブリッド溶接プロセスを行う手段とを含む。前方ハイブリッド溶接プロセス手段は、継手領域上に前方レーザビームを投影し、前方レーザビームの投影を継手領域に沿って移動させ、継手領域の表面間部分に溶込むように適合されている。前方ハイブリッド溶接プロセス手段は、前方レーザビームの投影上に前方電気アークを配向しながら、該前方電気アークに第１の溶接フィラー材料を送給して継手領域に溶接物を形成するように適合されている。後方ハイブリッド溶接プロセス手段は、溶接物上に後方レーザビームを投影し、後方レーザビームの投影を溶接物に沿って移動させ、溶接物を溶込ませるように適合されている。後方ハイブリッド溶接プロセス手段が更に、後方レーザビームの投影上に後方電気アークを配向しながら、第２の溶接フィラー材料を後方電気アークに送給して後方溶融プールを形成するよう適合されている。溶接手段は、継手領域に沿って前方及び後方レーザビーム投影を離間させ、且つ継手領域に沿って前方及び後方電気アークを離間させ、後方ハイブリッド溶接プロセス手段により形成される後方溶接プールを溶接物上にカスケード接続して再溶融させ、該溶接物と混合して複合溶接プールを形成する。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、後方ハイブリッド溶接プロセスは、前方ハイブリッド溶接プロセスにより形成された溶接物を再溶融してこれと混合させ、これにより前方ハイブリッド溶接プロセスのレーザビームにより生成された深い溶込みの溶接物中に捕捉されるポロシティを排除できるように機能する。このような機能は、例えば１センチメートル以上の比較的深い溶接継手を生成使用とする際に特に有利である。その際に、深い溶込みレーザビーム溶接の利点は、限定ではないが、発電、航空宇宙、社会基盤設備、医療、産業用途（その実施例が風力タービンタワーの建造である）を含む、様々な製品に利用可能となる。
【００１２】
本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、共に突き合わされて多段溶接プロセスを受ける２つのワークを概略的に示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、複数のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを利用した溶接プロセスを実施するための溶接装置１０を表している。ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスは、順次的に実施され、プロセスのうちの第１は、後続のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスの結果として本質的にポロシティを含まないことができる比較的深い溶込み溶接物をもたらすのが好ましい。溶接プロセスは、発電用途で使用される種々の構成要素の製作の場合と同様に、風力タービンタワーの建造、並びに航空宇宙、社会基盤設備、医療、産業用途、その他を含む幅広い種類の他の用途を対象とした構成要素を含む、例えば、１センチメートル又はそれよりも大きい比較的厚い断面での溶接を必要とする構成要素の製作に特に好適である。
【００１５】
図１は、本発明の多段溶接プロセスを受けるワーク１２及び１４のペアを表す。ワーク１２、１４は、鋳造、鍛造、又は粉体冶金の形態とすることができ、また、様々な材料から形成することができ、これらの非限定的な実施例は、ニッケル基、鉄基、コバルト基、銅基、アルミニウム基、及びチタニウム基の合金を含む。ワーク１２、１４は、溶接継手３０により冶金的に接合されるのが望ましい接合面１６を有する。接合面１６は、ワーク１２、１４の対向配置の第１及び第２の表面１８、２０と連続しており、これらの間に各ワーク１２、１４の貫通厚みが定められる。
【００１６】
図１において、ワーク１２、１４は、接合面１６が対面するように共に配置されて図示されている。継手領域２２は、接合面１６並びに各ワーク表面１８の直接隣接した表面部分２４により画成されることが分かる。これらの表面部分２４は、ワーク１２、１４が嵌合した結果として並置される。図１は、以下で検討するハイブリッドレーザアーク溶接プロセス中に堆積されるフィラー金属を収容するようなサイズにされた、溝２６形態の溶接準備内に画成される表面部分２４を示す。溶接準備溝２６は、Ｕ字形断面を有して示されているが、他の断面形状も本発明の範囲内にある。溶接準備溝２６は一部の用途では排除してもよいが、本発明の溶接プロセスを実施する際に使用することができ且つ使用するのが好ましい量の溶接フィラーを収容するために、比較的深い溶接準備溝２６が好ましい点は理解されるであろう。図１は更に、ワーク１２、１４の接合面１６間に配置されたシム２８を示している。シム２８を利用して、溶接継手３０にフィラー金属を提供し、及び／又は米国特許出願シリアル番号１２／４１５，３０５に記載される追加の利点、すなわち、高出力レーザビーム溶接中にスパッタリング及び不連続性を低減するよう溶接キーホールの安定化を提供することができる。このため、シム２８は、ワーク１２及び１４間からシム２８の上縁が突出するように接合面１６よりも大きく図示されている。シム２８の好適で好ましい組成は、ワーク１２、１４の組成によって決まることになる。
【００１７】
本発明の特定の態様によれば、継手領域２２（表面部分２４にほぼ垂直）の貫通厚みは、１センチメートル（約０．５インチ）又はそれ以上とすることができる。このような厚みは、高出力レーザビームのガスの閉じ込めの傾向及び従来のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスが深い溶接継手においてガスの閉じ込めを回避できないことの結果として、高出力レーザビーム及びハイブリッドレーザアーク溶接プロセスの使用を妨げていることが上記で証明されたが、本発明は、第１のハイブリッドレーザアーク溶接プロセス中に行われるレーザアーク溶接プロセスにより捕捉されるガスを第１の直後に続く第２のハイブリッドレーザアーク溶接プロセス中に放出することを可能にする複数のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを用いることにより、従来技術の問題に対処する。便宜上、ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスは、単にハイブリッド溶接プロセスと呼ぶことにするが、各々がレーザビームと電器アーク溶接技術を組み合わせて使用することを伴う点は理解されたい。
【００１８】
図１では、第１の「前方」ハイブリッド溶接プロセスを実施する手段が、「前方」レーザビーム３２及び「前方」レーザビーム３２及び「前方」電気アーク３６として表される。前方レーザビーム３２は、継手領域２２及びシム２８上に投影されて継手領域の表面部分２４上の投影３８を定めるように図示されている。投影３８は、継手領域２２に沿って方向「Ｄ」で移動するように行わせる。図１は、本質的に溶接シム全体の溶込みとして前方レーザビームを表しており、接合面１６間の継手領域２２の表面間領域によって全体的に画成される。従って、前方レーザビーム３２は、ワーク１２、１４及びこれらの継手領域２２の貫通厚み全体を本質的に溶込むのが好ましい。電気アーク３６はまた、継手領域２２に移動し、前方レーザビーム３２の投影に重なり合う投影溶接ゾーンを定める。より詳細には、アーク３６の溶接ゾーン４６は、ビーム３２の投影３８よりも大きく、これを完全に囲むのが好ましい。図１は更に、電極から放射されるアーク３６を表しており、該電極は、スプールのようなワイヤ送給装置４４からアーク３６内に送給されるフィラー金属ワイヤ４８として表される。アーク３６の溶接ゾーン４６及び前方レーザビーム３２の投影３８は共に、継手領域２２に沿った方向「Ｄ」で同時に、好ましくは一体となって進むようにされる。
【００１９】
図１は、「後方」レーザビーム３４及び「後方」電気アーク５６を含む第２の「後方」ハイブリッド溶接プロセスを実施する手段を表している。後方レーザビーム３４は、前方レーザビーム３２及び電気アーク３６により形成される溶接物４０上に投影されるように図示され、溶接物４０の表面上の投影４２を定め、溶接領域２２の貫通厚みを溶込むことができるが、必須ではない。前方ハイブリッド溶接プロセスと同様に、電気アーク５６は、後方レーザビーム３４の投影４２に重なり合う投影溶接ゾーン６６を定める。より詳細には、アーク５６の溶接ゾーン６６は、ビーム３４の投影４２よりも大きく、これを完全に囲むのが好ましい。図１は更に、スプールのようなワイヤ送給装置６４からアーク５６内に送給される第２のフィラー金属ワイヤ６８から放射されるアーク５６を表している。前方ハイブリッド溶接プロセスのレーザビーム投影３８及び電気アーク溶接ゾーン４６と同様に、アーク５６及びレーザビーム３４の溶接ゾーン６６及び投影４２は共に、継手領域２２に沿った方向「Ｄ」で同時に、好ましくは一体となって進むようにされる。
【００２０】
前方レーザビーム３２及び電気アーク３６は、継手領域２２の表面部分２４上で且つ接合面１６間の溶接シム内に前方溶融溶接プールを形成し、冷却時に溶接物４０を形成するよう、溶接中に発生するガス−金属反応によって生成されるガスを捕捉することができる。ガスバブルの捕捉は、溶接物４０内にポロシティが存在する結果をもたらす。従来技術のレーザビーム溶接法の重大な制限にもかかわらず、本発明の特定の態様は、溶融物４０の少なくとも一部を再溶融する後方ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによってポロシティ及びその捕捉ガスを完全とまではないにせよその大部分を排除する能力がある。詳細には、一連の前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスの好ましい態様は、前方ハイブリッド溶接プロセスが溶接シム（接合面１６間の継手領域２２の領域）を深く溶込ませる前方溶接プールをもたらし、該溶接シムが凝固して溶接物４０を形成し、該溶接物が、次に、後方ハイブリッド溶接プロセスにより生成される後方溶接プールにより再溶融されるものである。更に、後方ハイブリッド溶接プロセスは、好ましくは、後方溶接プールが溶接物４０上（又は凝固して溶接物４０を形成する前に前方溶接プール上）にカスケード接続されるように実施され、その結果として溶接物４０の溶融だけでなく、溶接物４０の溶融溶接材料のある程度の混合及び攪拌を生じ、前方ハイブリッド溶接プロセス及び特にその前方レーザビーム３２により達成される深い溶込み及び比較的迅速な冷却の結果として、溶接物４０内に最初から捕捉されていた（又は捕捉されるようになった）ガスバブルの移動及び排除を可能にする。
【００２１】
前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスで利用される電気アーク３６及び５６は一般に、限定ではないが、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接としても知られる）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接としても知られる）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、及びガスタングステンアーク溶接−ホットワイヤ（ＧＴＡＷ−ＨＷ）を含む、ガスシールド溶融アークプロセスと適合することができる。ワーク１２、１４の組成及び目的とする用途に応じた好ましい材料を用いて、フィラー金属ワイヤ４８、６８に種々の材料を用いることができる。例えば、溶接継手３０における亀裂形成の傾向を低減するために延性フィラーが好ましいとすることができ、或いは、その化学的性質がワーク１２、１４のベース金属に密接に一致し、ベース金属の所望の特性をほぼ維持するフィラーを用いることができる。更に、ワイヤ４８、６８は、中実、金属粉体の有芯、又は得られる溶接プールにおいてフラックス／スラグ反応を提供するために金属と適切なフラックスの両方を有する有芯とすることができる。本発明の好ましい態様によれば、ワイヤ４８及び６８は、有利には、異なる材料から形成することができる。例えば、第１のワイヤ４８は、第２のワイヤ６８よりも引張強さがより高い材料から形成でき、第２のワイヤ６８は、第１のワイヤ４８よりもより延性の材料から形成することができる。順次的な前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスの結果として、第１のワイヤ４８の高い引張強さ材料は、第２のワイヤ６８のより延性の材料により溶接継手３０内に閉じ込めることができ、これらを組み合わせて、表面亀裂形成が開始するまでのサイクル数を増大させることにより、疲労寿命の増大をもたらすことができる。
【００２２】
後方ハイブリッド溶接プロセスにより生成される後方溶接プールが、溶接物４０（又は、場合によっては前方溶接プール）上にカスケード接続されて溶接材料を混合及び攪拌し、更にガスバブルの排除を可能にする要求の観点から、第２のワイヤ６８は、後方溶接プール内にこの効果を得るのに十分な量の溶融溶接材料を生成するような適切なサイズにする必要がある。この目的において、第２のワイヤ６８は通常、第１のワイヤ４８よりも大きくされると考えられる。例えば、第１のワイヤ４８が、約０．０３０〜約０．０４５インチ（約０．７６〜約１．１ｍｍ）の範囲の直径を有する場合、第２のワイヤ６８は、約０．０４５〜約０．０９３インチ（約１．１〜約２．４ｍｍ）の範囲のより大きな直径が好ましい可能性が高い。図１に示す溶接準備溝２６は、複数のフィラワイヤ４８及び６８を用いる結果として、特に第２のワイヤ６８のより大きなサイズが好ましいことを考慮して、溶接プロセスで使用される可能性が高い溶接フィラー金属のより大きな量を収容するようなサイズにすべきである点は理解されたい。図１の溝２６で示されるＵ字断面もまたこの理由から好ましい。溝２６の最適深さ（図１の「ｄG」）は、必然的に、特定用途及び溶接シムの深さ（ワーク１２、１４の貫通厚みに相当する）に依存することになる。
【００２３】
溶接物４０と溶接継手３０の溶込み深さは、１つ又は両方のレーザビーム３２、３４の供給源として少なくとも１つの高出力レーザ５０を用いることにより向上させることができる。好ましい高出力レーザは、ディスク形式（Ｙｂ：ＹＡＧディスクレーザ）又はファイバー（Ｙｂファイバーレーザ）の内部コーティングとして酸化イッテルビウム（Ｙｂ2Ｏ3）を用いる固体レーザを含むものと考えられる。高出力レーザ溶接プロセスの典型的なパラメータは、４キロワットよりも大きい（例えば、１０キロワット又はそれ以上）出力レベルと、約０．５〜約１ミリメートル（例えば、投影３８、４２において）のレーザビーム直径とを含む。動作速度及び移動速度のパルスモード又は連続モードのような他の好適な動作パラメータは、過度の実験を行うことなく確認することができる。レーザ５０の制御は、何らかの好適なロボット機械を用いて達成することができる。レーザビーム溶接プロセスと当該技術分野で公知の設備とを適合させるために、レーザビーム３２及び３４は、必ずしも真空又は不活性雰囲気で必要としない。むしろ、前方及び後方ハイブリッド溶接プロセスは、例えば、不活性シールドガス、活性シールドガス、又は混合シールドガスを形成するこれらの組み合わせなど、何れかの好適な雰囲気中で実施することができる。
【００２４】
上記の点を考慮して、本発明の溶接プロセスの好ましい実施形態は、他の場合にはレーザビーム３２、３４を用いることで生じることになるポロシティを少なくとも部分的に排除することができると共に、レーザビーム３２及び３４が幾つかの重要な利点を提供することができる。第１に、レーザビーム３２及び３４は、好ましくは、継手領域２２の溶接シムに深く溶込み、これにより、前方ハイブリッド溶接プロセス中に溶着部が存在しない場合には、前方レーザビーム３２が、溶接シムを完全に貫通して延びることができるように溶接物４０の深さを最大限にすることができる。前方レーザビーム３２はまた、極めて高い予熱温度を提供することができ、各ハイブリッド溶接プロセスの溶込み及び溶接物４０上への後方溶接プールのカスケード接続を向上させる。加えて、ハイブリッド溶接プロセスのより優れた溶込みにより冷却速度が緩慢になり、溶接継手３０中の残留応力を低減する能力を有する。
【００２５】
前方ハイブリッド溶接プロセスの結果として生じ、後方ハイブリッド溶接プロセスが遭遇する余熱は、レーザビーム３２と３４との間及び電気アーク３６と５６との間の間隔（図１の「ｄｓ」）、並びに継手領域２２に沿ったビーム３２、３４及びアーク３６、５６の移動速度によって決まるので、１次レーザビームを分離して２つの別個のレーザビーム３２及び３４を形成することは、２つの別個のレーザビーム発生器を用いて２つの平行ビーム３２及び３４を近接して配置することが困難であることを考慮すると好ましいことである。従って、図１は、１次レーザビーム３２及び３４を生成する単一の高出力レーザ５０を表しており、該レーザビームは次いで、プリズム５４により分離され、前方及び後方レーザビーム３２、３４を生成する。プリズム５４はまた、ビーム３２、３４を継手領域２２に沿って整列及び離間させ、互いに対して平行で且つワーク１２、１４の表面１８に対して垂直になり、継手領域２２に直ぐ隣接した表面部分２４に対し局所的に垂直であるようにビーム３２、３４を配向する。前方レーザビーム３２は、好ましくは深く溶込みし、後方ハイブリッド溶接プロセスの直前に材料を予熱するのが好ましい。この理由から、レーザビーム３２、３４の投影３８、４２は、非限定的な例証として、２インチ（約５ｃｍ）未満離れて比較的近接しており、約０．５〜約１．５インチ（約１〜約４センチメートル）の距離（図１における「ｄｓ」）だけ継手領域２２に沿って分離される必要がある。また、前方及び後方ハイブリッド溶接プロセス間の分離距離を最小にする目的で、前方電気アーク３６は後方ハイブリッド溶接プロセスに向けて角度を付けて戻されるように図示されており、後方電気アーク５６は、前方ハイブリッド溶接プロセスに向けて前方に角度を付けて図示されている。場合によっては、前方レーザビーム３２は、後方レーザビーム３４よりも高出力レベルであり、及び／又は後方レーザビーム３４よりも小さな直径を有するように集束されるのが好ましい場合がある。
【００２６】
使用時には、図１で示される溶接装置１０は、前方ハイブリッド溶接プロセスのレーザビーム３２及び電気アーク３６を継手領域２２上に投影してシム２８を溶融し、ワーク１２、１４の接合面１６間の溶接シムを溶込ませて前方溶融プールを生成し、該溶融プールが凝固してポロシティが存在し得る溶接物４０を形成することによってワーク１２、１４を溶接するよう機能する。続いて、溶接物４０は、後方ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスのレーザビーム３４及び電気アーク５６によって再溶融され、溶接物４０上にカスケード接続され、結果としてワーク１２からの溶融ベース金属並びにワイヤ４８、６８からの溶融フィラー金属を含有する後方溶融溶接プールを形成する。この溶接プールを凝固して溶接継手３０を形成する前に、溶接物４０内に当初捕捉されたガスバブルが溶接プールを通って上方に浮動し放出されるのが好ましい。冷却時には、ワーク１２、１４は、溶接継手３０により冶金的に接合され、得られる溶接組立体の貫通厚みを通って全体的に延びるのが好ましい。図１に描かれた溶接継手３０は方形溝の突き合わせ継手であるが、角継手、重ね継手、エッジ継手、及びティー継手を含む、他の継手タイプも予期される点は理解されたい。
【００２７】
深い溶接継手３０においてポロシティを低減又は排除することで、溶接金属特性が向上し、循環的作動条件の結果として疲労に曝される構成要素について長寿命を達成できる。上述のように、１つの商業的実施例は、電力生成で使用される風力タービンタワーの製作である。現在のところ、特定の風力タービンタワーは、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）によって形成された溶接継手を用いて製作され、毎分約２０〜４０インチ（約５０〜１００ｃｍ／分）の速度で６回〜１２回の溶接パスを実施する必要がある。本発明を用いると、約１００〜２００インチ／分（約２５００〜５０００ｃｍ／分）の速度の単一パスで等価の溶接継手及び場合によってはより上質の溶接継手を生成できると考えられる。本発明より以前では、こうした構造物のレーザビームは、約２の分の１インチ（約１センチメートル）よりも大きな厚みを有するレーザビーム溶接断面を得ようとするときに大量の微細な内部ポロシティが形成されることに起因して抑制されてきた。
【００２８】
好ましい実施形態について本発明を説明してきたが、当業者であれば他の形態を適合させることができる点は理解される。従って、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ限定されるものとする。
【符号の説明】
【００２９】
１０  溶接装置
１２、１４  ワーク
１６  接合面
１８、２０  第１及び第２の表面
２２  継手領域
２４  継手領域の表面部分
２６  溶接準備溝
２８  シム
３０  溶接継手
３２  前方レーザビーム
３４  第２のレーザビーム
３６  電気アーク
３８  投影
４０  溶接物
４２  投影
４４  ワイヤ送給装置
４６  投影溶接ゾーン
４８  フィラー金属ワイヤ
５０  高出力レーザ
５２  ビーム
５４  プリズム                                                                  
５６  電気アーク
６４  ワイヤ送給装置
６６  投影溶接ゾーン
６８  フィラー金属ワイヤ
【図１】
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