(57)【要約】【課題】  それぞれ第一及び第二の材料を含む第一の加工部品（２０）を第二の加工部品（２０）に溶接するために溶接ワイヤ（２２）をレーザ処理する方法を提供する。【解決手段】  本方法は、加工部品で画成される開口（２９）の上方に溶接ワイヤの先端（２７）を配置する段階を含む。先端は、開口（２９）の幅を覆いかつ各加工部品（２０，２０）の一部を覆うように延在する。溶接ワイヤは予熱され、レーザビーム（１８）を先端に当てることによって溶融される。先端がレーザビーム（１８）の下方に位置した状態でレーザビーム（１８）を開口（２９）の長さに沿って前進させて、加工部品（２０，２０）間に高アスペクト比溶接部（３７）を形成する。高アスペクト比溶接部（３７）は、約２以上のアスペクト比を有する。溶接ワイヤ（２２）が予熱されるので、溶接ワイヤ（２２）を溶融するためにレーザビーム（１８）に必要なエネルギー及び時間が低減される。
2005515895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の材料を含む第一の加工部品（２０）を第二の材料を含む第二の加工部品（２０）に溶接するために溶接ワイヤ（２２）をレーザ処理する方法であって、
第一の加工部品と第二の加工部品とで画成される開口（２９）の上方に溶接ワイヤの先端（２７）を配置し、先端が、開口の幅（３１）及び第一の加工部品の一部と第二の加工部品の一部とを覆うように延在させる段階と、
溶接ワイヤを予熱する段階と、
溶接ワイヤの先端にレーザビーム（１８）を当てて溶接ワイヤを溶融する段階と、
溶接ワイヤの先端をレーザビームの下方に配置した状態で開口の長さに沿ってレーザビームを前進させて、第一及び第二の加工部品間に約２以上のアスペクト比を有する高アスペクト比溶接部（３７）を形成する段階と、
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記溶融段階が、溶接ワイヤ（２２）の先端（２７）にレーザビーム（１８）を当てることからなる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
開口（２９）の長さに沿ってレーザビーム（１８）を前進させる段階が、高アスペクト比溶接部（３７）を形成するために１回だけ行われる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
溶接ワイヤ（２２）の直径（３５）が、開口（２９）の幅（３１）を開口幅の約１０％超える、請求項３記載の方法。
【請求項５】
溶接ワイヤ（２２）の直径（３５）が、開口（２９）の幅（３１）を開口幅の約１５％超える、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記アスペクト比が約３を超える、請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記アスペクト比が約４を超える、請求項６記載の方法。
【請求項８】
溶接ワイヤ（２２）を連続的に供給して開口（２９）の上方に先端（２７）を維持する段階と、
コンピュータアルゴリズムを使用するコントローラ（４０）を用いて、前進と、連続供給と、レーザビーム（１８）のエネルギー及び出力とを制御する段階と、
をさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項９】
連続供給のための供給速度を選択し、前進速度を選択しかつレーザ出力を選択して、高アスペクト比溶接部（３７）の平均幅（４１）が、開口（２９）の幅（３１）の約１．５倍〜約３倍の範囲内になるように制御する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
供給速度の選択、前進速度の選択及びレーザ出力の選択によって、高アスペクト比溶接部（３７）の平均幅（４１）が開口（２９）の幅（３１）の約２倍〜約２．５倍の範囲内になるように制御する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
予熱段階で、溶接ワイヤ（２２）を約５００℃未満の温度に加熱する、請求項３記載の方法。
【請求項１２】
第一及び第二の材料が割れ感受性である、請求項３記載の方法。
【請求項１３】
第一の材料と第二の材料が同じ材料である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第一の材料と第二の材料とが異なる、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
開口（２９）を画成する加工部品の第一の加工部品（２０）を第二の加工部品（２０）にレーザ溶接するための装置（１００）であって、
開口の幅を超える直径を有する溶接ワイヤ（２２）と、
溶接ワイヤを連続的に供給するように構成されたワイヤ供給装置（２４）と、
開口の幅及び第一の加工部品の一部と第二の加工部品の一部とを覆うように溶接ワイヤの先端（２７）を開口の上方の位置に導くためのガイド（２６）と、
溶接ワイヤの先端にレーザビーム（１８）を当てて第一及び第二の加工部品間に約２以上のアスペクト比を有する高アスペクト比溶接部（３７）を形成するように構成されたレーザ（１２）と、
溶接ワイヤに電流を供給して溶接ワイヤを予熱するように構成された電源（３０）と、
を備える装置（１００）。
【請求項１６】
レーザ（１２）に連結されたロボットアーム（３８）をさらに備え、ロボットアームが、レーザビーム（１８）の照射方向を変更するように構成されている、請求項１５記載の装置（１００）。
【請求項１７】
コンピュータアルゴリズムを使用するコントローラ（４０）をさらに備え、コントローラが、ワイヤ供給装置（２４）、レーザ（１２）及びロボットアーム（３８）を制御するように構成されている、請求項１６記載の装置（１００）。
【請求項１８】
溶接ワイヤ（２２）の先端（２７）がレーザビーム（１８）の下方に位置した状態で開口（２９）の長さに沿ってレーザビームを前進させて高アスペクト比溶接部（３７）を形成するように、加工部品（２０，２０）を移動させるための並進手段（３４）をさらに備える、請求項１５に記載の装置（１００）。
【請求項１９】
コンピュータアルゴリズムを使用するコントローラ（４０）をさらに備え、コントローラが、ワイヤ供給装置（２４）、レーザ（１２）及び並進手段（３４）を制御するように構成されている、請求項１８記載の装置（１００）。
【請求項２０】
コントローラ（４０）が、ワイヤ供給装置（２４）、レーザ（１２）及び並進手段（３４）を制御して、高アスペクト比溶接部（３７）の平均幅（４１）が開口（２９）の幅（３１）の約１．５倍〜約３倍の範囲内になるように制御するように構成されている、請求項１９記載の装置（１００）。
【請求項２１】
第一の割れ感受性材料を含む第一の加工部品（２０）を第二の割れ感受性材料を含む第二の加工部品（２０）に溶接するために溶接ワイヤ（２２）をレーザ処理する方法であって、
第一の加工部品と第二の加工部品とで画成される開口（２９）の上方にその直径（３５）が開口の幅を開口の幅の約１０％超える溶接ワイヤの先端（２７）を配置し、先端が、開口の幅（３１）及び第一の加工部品の一部と第二の加工部品の一部とを覆うように延在させる段階と、
溶接ワイヤを予熱する段階と、
溶接ワイヤの先端にレーザビーム（１８）を当てて溶接ワイヤを溶融する段階と、
溶接ワイヤの先端をレーザビームの下方に配置した状態で開口の長さに沿ってレーザビームを１回だけ前進させて、第一及び第二の加工部品間に約２以上のアスペクト比を有する高アスペクト比溶接部（３７）を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項２２】
溶接ワイヤ（２２）を連続的に供給して開口（２９）の上方に先端（２７）を維持する段階と、
コンピュータアルゴリズムを使用するコントローラ（４０）を用いて、前進と、連続供給と、レーザビーム（１８）のエネルギー及び出力とを制御する段階と、
連続供給のための供給速度を選択し、前進速度を選択しかつレーザ出力を選択して、高アスペクト比溶接部（３７）の平均幅（４１）が、開口（２９）の幅（３１）の約１．５倍〜約３倍の範囲内になるように制御する段階と、
をさらに含む、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高アスペクト比（溶込み深さと溶込み幅との比が高い）溶接部の溶接速度を向上させる方法及び装置に関し、さらに具体的には、溶接ワイヤを用いて同種又は異種の割れ感受性加工部品間に形成される高アスペクト比溶接部の溶接速度を高める方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な多くの溶接法では、ワイヤ供給装置を用いて溶接ワイヤを供給する。しかし、割れ感受性材料が関与する用途では、こうした方法は通例過度の熱を加え、不要な欠陥を招くことになる。
【０００３】
他の方法では、ワイヤは補助供給ワイヤ（タングステン不活性ガス法、つまりＴＩＧ法）である。しかし、こうした方法では、要する時間が長くなる。
【０００４】
欠陥形成を最小にするために用いられる現在の肉盛プロセスでは、割れ感受性合金は、全肉盛プロセスを通して高温に維持される。しかし、ガスタービン翼形部（例えばＧＴＤ１１１）の先端を再生する場合、このプロセスは、高温で数時間を要しかねない。さらに、これは手動プロセスであり、作業員に優しい環境とはいえない。
【０００５】
ＩＮ７３８のような他の材料では、部品が高温に付される時間が長くなりすぎないように低温と高温の間の温度サイクルが繰り返され、欠陥及び部品の変形を最小限にする。しかし、かかる繰返しプロセスでは、所要の肉盛ビルドアップを得るのに要する処理時間が長くなる。
【０００６】
ある従来技術の溶接プロセスではレーザ溶接法が用いられる。例えば、Ｂｒｉｔｉｓｈ  Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｅｒｓに譲渡された米国特許第４６３４８３２号（Ｍａｒｔｙｒ）は、溶接すべきプレートの隣接する壁をレーザ誘起プラズマを用いて溶接して突合せ溶接部又はＴ形溶接部を形成する。さらに具体的には、Ｍａｒｔｙｒのプロセスは、レーザビームをビームインタセプタ材料に集束させてプラズマを形成する。プラズマのエネルギーが壁に移動して表面を溶融させ２枚のプレートが溶接されるように、ガスの供給によってプラズマを定位置に保つ。この高エネルギーレーザ溶接プロセスは高アスペクト比溶接部の形成に使用できるが、プラズマから溶接される割れ感受性材料に過度の熱が移動するだけでなく、割れ感受性材料にビームインタセプタ材料が埋め込まれてしまうので、割れ感受性材料の溶接には不適当である。過度の熱と埋め込みはいずれも欠陥及び割れの原因となる。
【０００７】
Ｗｅｓｔｉｎｇｈａｕｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社に譲渡された米国特許第４７３７６１２号（Ｂｒｕｃｋ他）では、溶加材を使用せずにレーザキーホール溶接を形成する。このプロセスは、レーザ（約２〜５百万ワット／ｃｍ2の出力密度を有する）から２つの隣接する割れ感受性材料へのエネルギー移動によって材料に割れを引き起こすので、割れ感受性材料には望ましくない。Ｂｒｕｃｋ他はさらに、接合すべき対向表面の側部に沿ってレーザを通し、生じた金属溶融池内に抵抗加熱溶接ワイヤを通すことによってレーザ伝導形溶接部を形成することを開示している。この後者のプロセスも、以下の理由により、割れ感受性材料用及び本発明の目的には望ましくない。第一に、２つの隣接する割れ感受性部品の壁にレーザビームを向けて溶融池を形成することは、これら部品に過度の熱を移して割れ感受性材料に割れその他の欠陥を生じさせることになる。さらに、Ｂｒｕｃｋ他は、伝導形溶接部を形成している。当業者に公知の通り、伝導形溶接部は深さ対幅比が低く、一般に溶接部に沿って変形を生じる。伝導形溶接部の典型的なアスペクト比は１以下である。このように、Ｂｒｕｃｋ他の後者の方法は、本発明の望ましい高アスペクト比を形成しない。
【０００８】
別の従来技術のレーザ溶接プロセスが、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社に譲渡された米国特許第４８０３３３４号（Ｂｕｒｋｅ他）に開示されている。Ｂｕｒｋｅ他は、２つの突合せ金属母材複合材部品をその交差部を横断するようにレーザビームを搖動させることによって接合する浅い金属溶融池を用いて伝導形溶接部を形成している。予熱した溶接ワイヤを溶融池内に供給して、溶接部に溶加材が付加される。２つの隣接する割れ感受性部品の壁にレーザビームを向けて溶融池を形成することは、これらの部品に過度の熱を移入して割れ感受性材料内に割れその他の欠陥を生じさせるので、このプロセスは、Ｂｒｕｃｋ他のプロセスと同様、割れ感受性材料には望ましくない。さらに、伝導形溶接部は低アスペクト比を有し、変形を生じ易い。
【０００９】
本願出願人に譲渡された米国特許第５９５８２６１号（Ｏｆｆｅｒ他）には、高アスペクト比溶接部を形成するためのアーク又はレーザ溶接プロセスが記載されており、該プロセスでは、加工品表面の上方に延在しかつ２つの対向する側壁で画成される開先内に溶接ワイヤが供給される。溶接ワイヤの先端はアーク及び／又は過熱溶接パドル（ワイヤの目標位置に応じて）によって溶融され、開先は継目を横断する搖動を必要としないほど十分に狭いのが好ましいが、発散アークの加工部品への投影面積が比較的細いワイヤへの投影面積よりも数倍大きいため、残りのアーク熱は、溶接ワイヤに対してなく主に加工部品に直接に移入される。そのため、明示されているように、Ｏｆｆｅｒ他の方法は、基材への熱移動のため割れ感受性基材での使用は望ましくない。
【特許文献１】米国特許第４６３４８３２号
【特許文献２】米国特許第４７３７６１２号
【特許文献３】米国特許第４８０３３３４号
【特許文献４】米国特許第５９５８２６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、同種及び異種の割れ感受性基材の接合に使用することができる高アスペクト比溶接部を形成するためのワイヤ供給装置を用いたレーザ溶接プロセスを開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第一の実施形態では、第一の加工部品を第二の加工部品に溶接するため溶接ワイヤをレーザ処理する方法を開示する。第一及び第二の加工部品はそれぞれ第一及び第二の材料を含む。
【００１２】
溶接ワイヤの先端は、第一の加工部品と第二の加工部品とで画成される開口の上方に配置される。先端は、開口の幅及び第一の加工部品の一部と第二の加工部品の一部とを覆うように延在する。
【００１３】
溶接ワイヤは予熱される。溶接ワイヤの先端にレーザビームを当てて、溶接ワイヤを溶融する。溶接ワイヤの先端をレーザビームの下方に配置した状態で、開口の長さに沿ってレーザビームを前進させて、第一及び第二の加工部品間に高アスペクト比溶接部を形成する。高アスペクト比溶接部は約２以上のアスペクト比を有する。
【００１４】
本発明の第二の実施形態では、開口を画成する加工部品の第一の加工部品を第二の加工部品にレーザ溶接するための装置を開示する。
【００１５】
溶接ワイヤは、開口の幅を超える直径を有する。ワイヤ供給装置は、溶接ワイヤを連続的に供給するように構成される。ガイドは、開口の幅及び第一の加工部品の一部と第二の加工部品の一部とを覆うように溶接ワイヤの先端を開口の上方の位置に導くように構成される。
【００１６】
レーザは、溶接ワイヤの先端にレーザビームを当てて第一及び第二の加工部品間に高アスペクト比溶接部を形成するように構成される。高アスペクト比溶接部は約２以上のアスペクト比を有する。電源は、溶接ワイヤに電流を供給するように構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、溶接ワイヤをレーザ処理する方法を含む。本発明は、同種及び異種の割れ感受性加工部品の対向する側壁間に高アスペクト比溶接部を形成するための溶接用途において特に有用である。ただし、本発明は、肉盛形状にも有益に適用できる。
【００１８】
ここで図１を参照すると、肉盛システム１０が示されている。肉盛システム１０はレーザ１２を備える。例示的なレーザ１２は様々な出力レベルで動作できるＣＷ  Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。光ファイバケーブル１４の一端はレーザ１２に固定され、他端は光ファイバ結合器１６に固定される。光ファイバ結合器１６は目的のターゲットにレーザビーム１８を集束させるための光学系を備える。
【００１９】
レーザビーム１８は基材２０に向けられ、その基材に対してワイヤ２２が本願の肉盛又は溶接プロセスによって流れ込む。
【００２０】
本願では、基材２０として、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ２２２及びＩＮ７３８のような割れ感受性合金基材が想定され、これらの材料は長時間高温に曝されると変形及び割れを生じ易い。無論、本願の装置及び方法はその他様々な基材にも適用できる。
【００２１】
ワイヤ２２は、細長いチューブ２６を通してワイヤを導くワイヤ供給装置２４によって基材２０に供給される。チューブ２６は、ワイヤ２２をワイヤ２２の基材２０との接触点に導くガイドとしても役立つ。
【００２２】
チューブ２６はガス供給源２８に連結され、アルゴン、ヘリウム、窒素のような不活性ガスがチューブ２６内に導入される、チューブ２６は、レーザビーム１８によってワイヤ２２が基材２０に流れる位置に不活性ガスが放出されるように構成される。チューブ２６によって溶接領域に導入された不活性ガスは、溶接部と反応するおそれのある外来夾雑物及びガスから溶接部を遮蔽するために使用される。例えば、不活性ガスは、レーザビーム１８の溶接プロセスの周りに雰囲気を形成し、それによって酸素を除去して酸化、欠陥及び割れのような不都合な副次的作用を防ぐ。
【００２３】
電源３０は、ワイヤ２２の温度を上昇させるため、駆動ホイール３２を用いてワイヤ２２に電流を供給する。駆動ホイール３２は、電源３０からワイヤ２２までの回路を完結する。オームの法則に従って、ワイヤ２２を流れる電流を電源３０によって増加させれば、ＩＲ（電流×抵抗）加熱のためワイヤ２２の温度も上昇する。電源３０は、ワイヤ２２内部の温度を典型的には５００℃の温度又は使用したワイヤの溶融温度よりも低い温度まで上昇させる。また、ワイヤ２２は、ワイヤがその剛性を失ってしまうような温度まで加熱すべきではない。無論、他の温度及び温度範囲を使用してもよいと思料される。
【００２４】
駆動ホイール３２は一対の間隔をおいて対向した関係にあり、ワイヤ供給装置２４からワイヤ２２を引き出すように配置される。別の実施形態では、単独の駆動ホイールと適切に配置したガイドピンによってワイヤ２２に駆動力を与える。駆動ホイール３２は、可変速度モータ（図示せず）によって機械的に駆動される。モータ速度とそれに伴う駆動ホイール３２の速度は、ワイヤ２２の基材２０への供給速度を変更できるように制御できる。さらに、起動及びそれに伴う駆動ホイール３２の回転速度は、プログラム可能コンピュータアルゴリズムを用いたコントローラ４０によって制御できる。
【００２５】
また、電源３０はワイヤ２２内部の温度を変化させるための手段を与える。さらに、ワイヤの材料の種類、寸法（すなわち直径）及び長さのようなワイヤ２２の固有の特性をコントローラ４０に導入し、併せてワイヤ２２への電圧及び電流源をコントローラ４０に導入すれば、ワイヤ２２内部を所定の温度にするための手段を容易に得ることができる。
【００２６】
当然、ワイヤの必要な温度は、使用するワイヤの種類（すなわち寸法及び材料）、基材の種類及び必要な肉盛温度に応じて変化すると思料される。
【００２７】
ここで特に図１及び図２を参照すると、基材２０に流れ出すワイヤ２２の部分は角度αで配置するのが好ましい。角度αは好ましくは１５〜３０゜である。無論、角度の大きさを３０゜超にしても１５°未満にしてもよいと思料される。レーザ１２の発生するはレーザビーム１８はワイヤ２２と基材２０との接触点に集束される。
【００２８】
接触点において、レーザビーム１８はワイヤ２２に追加の熱を与え、その結果ワイヤ２２が溶融して基材２０上に流れ出す。ワイヤ２２は「溶加棒」としても作用するので、ワイヤ２２は消耗型であり、溶接部を形成する材料を供給する。ワイヤ２２は電源３０によって既に予熱されているので、ワイヤ２２の加熱に当たってはレーザビーム１８のエネルギーが過剰に消費されることはない。従って、レーザビーム１８のエネルギーは全部ではないとしても大半はワイヤ２２の基材２０への肉盛に充てられる。さらに、ワイヤ２２は既に予熱されているので、ワイヤ２２が流れ込む基材２０部分が過熱されることはなく、過熱による欠陥のおそれが低減する。
【００２９】
加えて、レーザ出力の大部分は、ワイヤ２２の温度を予熱温度から溶融温度にするのに充てられるので、肉盛速度は格段に速くなる。さらに、レーザ１２から獲得する出力も減るので、低出力で低コストのレーザが使用できる。
【００３０】
レーザ１２の使用出力レベルは、ワイヤ供給速度、基材表面の移動速度及びワイヤ直径にも依存する。例えば、ワイヤ供給速度及び基材表面移動速度が増すと、それに応じてレーザ１２の出力を増大させる。また、ワイヤ２２の寸法が増すと、レーザ１２の出力も増大させる。
【００３１】
基材２０は並進テーブル３４に固定され、テーブル３４は基材２０を移動させるための手段を提供する。図１に示すように、基材２０は矢印３６の方向に移動する。この移動によって、ワイヤ２２がレーザビーム１８の下を通過するとワイヤ２２が基材２０上に流れる。ただし、基材２０は、ワイヤ２２の基材２０への肉盛を容易にする任意の方向に移動させてもよい。
【００３２】
コントローラ４０は、肉盛システムを使用し始めたら、レーザによってワイヤ２２が基材２０上に連続的に肉盛されるようにレーザ１２とワイヤ供給装置２４と並進テーブルの動作を同期させる。また、コントローラ４０は、動作パラメータをプログラミングすることができるコンピュータアルゴリズムを利用する。例えば、所定の方向に２０ｍｍの肉盛をプログラミングすれば、並進テーブル３４及びワイヤ供給装置２４によって２０ｍｍのワイヤがレーザビーム１８に供給されたら、システムは停止する。無論、システムにプログラミングできる溶接部の長さは２０ｍｍを超えても２０ｍｍ未満でもよい。
【００３３】
さらに、システム１０の起動に先立って、ワイヤ２２の所望の予熱温度のような他の態様をコンピュータアルゴリズムに入力してもよい。
【００３４】
並進テーブル３４に対する代替又は追加の実施形態として、基材２０へのワイヤ２２の肉盛を容易にすべく、ロボット（図示せず）に連結したロボットアーム３８で、レーザビーム１８が適切な位置に向くように光ファイバ連結器及びワイヤ供給装置に必要な動きを与える。例示的な実施形態では、ロボットアーム３８は、光ファイバ連結器１６とワイヤガイドすなわち細長いチューブ２６とを操作して、基材２０に沿ってレーザビーム１８とワイヤ２２の先端２７とを前進させる。
【００３５】
さらに、ロボットアームの動きは、コントローラ４０又はコンピュータアルゴリズムに入力することができ、所定のクラッド又は溶接部を予めプログラミングすることができる。
【００３６】
ここで図３を参照すると、第一の加工部品２０を第二の加工部品２０に溶接するため溶接ワイヤをレーザ処理する方法が示されている。第一及び第二の加工部品はそれぞれ第一及び第二の材料を含む。例えば、２つの同種又は異種の割れ感受性基材２０を互いに溶接する。別の実施形態では、加工部品２０の一方のみを割れ感受性としてもよいし、或いはいずれも割れ感受性でなくてもよい。
【００３７】
この実施形態では、図３に示すように、溶接ワイヤ２２の先端２７は、第一の加工部品と第二の加工部品とで画成される開口２９の上方に配置される。先端２７は、図５にもっと明瞭に示してあるように、開口２９の幅３１を覆うだけでなく、第一の加工部品２０の一部３３及び第二の加工部品２０の一部３３を覆うように延在する。
【００３８】
図３に示し、また上記で肉盛用途に関して詳細に述べた通り、溶接ワイヤ２２は予熱される。例えば、溶接ワイヤ２２は、肉盛用途に関して上記で説明した通り、電源３０及び駆動ホイール３２を用いて約５００℃未満の温度に予熱される。溶接ワイヤ２２は、図３に示すように、先端２７にレーザビーム１８を当てることによって溶融される。図１及び図３に示しまた肉盛用途に関して上記で説明した通り、レーザビーム１８を放射するための一つの例示的なレーザ１２は、光ファイバケーブルに固定したＣＷ  Ｎｄ：ＹＡＧであって、ケーブルは光ファイバ連結器１６に接続される。
【００３９】
図３に示すように、先端２７をレーザビーム１８の下方に配置してレーザビーム１８を開口２９の長さに沿って前進させる。例えば、図３に示すように、加工部品２０，２０は並進テーブル３４に固定される。並進テーブル３４は、加工部品２０，２０を移動させるための手段を提供し、肉盛用途に関して上記で説明した通り、開口２９に沿ってレーザビーム１８を前進させる。並進テーブル３４に対する別の又は追加の実施形態として、図１に示しまた肉盛用途で上記で説明した通り、ロボットアーム３８を使用してレーザビーム１８を前進させる。開口２９の長さに沿ってレーザビーム１８を前進させることによって、第一及び第二の加工部品２０，２０間の高アスペクト比溶接部３７が形成される。本明細書で用いる「高アスペクト比溶接部」という用語は、約２以上のアスペクト比を意味する。さらに具体的な実施形態では、アスペクト比は約３又は４を超える。さらに具体的には、レーザビーム１８は開口２９に沿って一回前進するだけで高アスペクト比溶接部３７を形成する。
【００４０】
有益なことに、レーザビーム１８を先端２７に当てて予熱ワイヤ２２を溶融すると、公知の方法に比べ、割れ感受性材料２０を割れから保護するのに役立つ。さらに具体的には、本発明の方法を用いると、レーザビームを加工部品に当てて溶融池を形成してから溶融池に溶接ワイヤを挿入して溶融させる公知の方法に比べ、加工部品２０に移るレーザ出力が低減する。本発明のこの利点は、開口を横断してレーザビームを搖動させて溶融池を形成してから溶融プールに溶接ワイヤを挿入して溶融させる公知の方法と比較した場合にも当てはまる。先端２７が開口２９の幅３１を覆いかつ加工部品２０，２０の部分３３を覆うように延在するので、入射レーザ出力の大部分は溶接ワイヤの溶融のため先端２７に当てられる。対照的に、上述の公知の方法では、入射レーザ出力の大部分は加工部品に当てられる。
【００４１】
本発明の方法は、好適には、割れ感受性材料を含む加工部品２０，２０の溶接に用いられる。具体的な実施形態では、第一及び第二の材料は共に割れ感受性である。さらに具体的には、第一及び第二の材料は同種又は異種の割れ感受性材料からなる。後者の用途に使用を使用すると特に有利である。２つの異なる割れ感受性材料を接合するのは、２つの異なる材料間の格子不整合のため、同種の割れ感受性材料からなる２つの加工部品を接合するよりも一般に割れを起こし易いからである。しかし、本発明の方法は、入射レーザ出力の大部分が溶接ワイヤ２２を溶融するために先端２７に当てられるので、割れ感受性基材２０を溶接時の割れから保護するのに役立つ。
【００４２】
さらに、開口２９の長さに沿ってレーザビーム１８を１回だけ前進させるて高アスペクト比溶接部３７を形成することよって、開口の長さに沿ってレーザビームを数回通過させて溶接部を形成する公知の方法よりも溶接速度が増すという利点がある。加えて、レーザビーム１８の１回のパスで溶接部を形成することは、各パスで溶接層を形成するレーザの数回のパスに比べ、きれいな溶接部を形成する。「きれいな溶接部」という用語は、溶接部には溶接部に沿った加工部品の対向壁の変形や曲がりがなく、溶接部がポロシティや割れのような欠陥が少ないことを意味する。一連の層を含む溶接部は、各層の形成で溶接部の深さ方向に対向壁に異なる応力が生じるため、変形を生じ易くなる。
【００４３】
加工部品２０，２０をレーザビーム１８の中央部から遮蔽するために、溶接ワイヤ２２の直径３５は、具体的な実施形態では、開口２９の幅３１を幅３１の約１０％だけ超え、さらに具体的には、幅３１の約１５％だけ超える。例えば、例示的な約０．６ｍｍ（すなわち２５ミル）の開口幅では、例示的なワイヤ直径は、約０．７５ｍｍ（すなわち３０ミル）である。ガウス分布のレーザビームが先端２７で約１ｍｍ（すなわち４０ミル）の幅を有すると仮定すると、レーザ出力の大部分は溶接ワイヤに移り、溶接ワイヤを効率的に溶融し、かつ加工部品２０，２０を過熱から保護する。
【００４４】
具体的な実施形態では、肉盛用途に関して上記で説明した通り、溶接ワイヤ２２の先端２７は、加工部品２０，２０に対して約１５度〜約３０度の角度で配置される。
【００４５】
溶接部３７を形成するように溶加材を連続的に供給するため、具体的な実施形態に係る方法は、溶接ワイヤ２２を連続的に供給して開口２９の上方に先端２７を維持する段階をさらに含む。例えば、肉盛用途に関して上記で説明しまた図３に示したように、溶接ワイヤ２２はワイヤ供給装置２４を用いて細長いチューブ２６を通して供給される。この実施形態の方法はさらに、肉盛用途に関して上記で説明した通り、コンピュータアルゴリズムを使用してレーザビーム１８の前進を制御し、溶接ワイヤの連続供給を制御しかつレーザビーム１８の出力及びエネルギーを制御するコントローラ４０を含む。有利には、コントローラ４０は、加工部品２０，２０が連続的にレーザ溶接されるようにレーザ１２とワイヤ供給装置２４と並進テーブル３４の動作を同期させる。さらに具体的には、この方法はさらに、溶接ワイヤ２２の供給速度、レーザビーム１８を前進させる速度及びレーザ出力を選択して、高アスペクト比溶接部３７の平均幅４１が、開口２９の幅３１の約１．５倍〜約３倍の範囲内、さらに具体的には約２倍〜約２．５倍の範囲内になるように制御する段階を含む。例示的な高アスペクト比溶接部３７を図６に示す。溶接部３７の中央部分４３は溶接ワイヤ２２由来の材料を含み、側部分４５は、溶接ワイヤ２０由来の材料と加工部品２０，２０由来の材料とを含む。溶接部３７の例示的な寸法は、約５ｍｍ（すなわち２００ミル）の溶接深さ、約０．６ｍｍ（すなわち２５ミル）の開口幅３１及び約１．２ｍｍ（すなわち５０ミル）〜約１．７ｍｍ（すなわち７０ミル）の範囲の平均溶接幅４１である。
【００４６】
ここで図４を参照すると、溶接用途によっては、矢印４０で示すように不活性ガスを溶接部の位置に加工部品の両側から導入する。上記のような不活性ガスを用いると溶接部が外来夾雑物から保護される。
【００４７】
第一の加工部品２０を第二の加工部品にレーザ溶接するための装置１００の実施形態を、図３、図５及び図６に関して説明する。図５に示すように、装置１００は、開口２９の幅３１を超える直径３５の溶接ワイヤ２２を備える。装置１００はさらに、溶接ワイヤ２２を連続的に供給するように構成されたワイヤ供給装置２４と、図５に示すように、開口２９の幅３１を覆いかつ加工部品２０，２０の部分３３を覆うように溶接ワイヤ２２の先端２７を開口２９の上方の位置に導くためのガイド２６とを備える。装置１００はさらに、溶接ワイヤ２２の先端２７にレーザビーム１８を当てて加工部品２０，２０間に高アスペクト比溶接部３７を形成するように構成されたレーザ１２を備える。上述の通り、高アスペクト比溶接部は、約２以上、さらに具体的には約３又は４を超えるアスペクト比を有する。
【００４８】
装置１００はさらに、溶接ワイヤ２２に電流を供給して溶接ワイヤ２２を予熱するように構成された電源３０を備える。
【００４９】
開口２９の長さに沿ってレーザビーム１８を前進させるため、具体的な実施形態に係る装置１００はさらに、例えば光ファイバ連結器１６を介してレーザ１８に連結され、かつレーザビーム１８の照射方向を変更するように構成されたロボットアーム３８を備える。ロボットアーム３８は図１に示してある。さらに具体的には、装置１００はさらに、コンピュータアルゴリズムを使用しかつワイヤ供給装置２４、レーザ１２及びロボットアーム３８を制御するように構成されたコントローラ４０を含んでおり、例えばそれらの動作を同期させて加工部品２０，２０を連続的にレーザ溶接する。
【００５０】
ロボットア−ムの使用の代替又は追加として、装置１００はさらに、先端２７がレーザビーム１８の下方に位置した状態で開口２９の長さに沿ってレーザビーム１８を前進させて高アスペクト比溶接部３７を形成するように加工部品２０，２０を移動させるための並進手段３４を備える。図３に示すように、例示的な並進手段は並進テーブル３４である。さらに具体的には、装置１００はさらに、コンピュータアルゴリズムを使用しかつワイヤ供給装置２４、レーザ１２及び移動手段３４を制御するように構成されたコントローラ４０を備え、例えばそれらの動作を同期させて加工部品２０，２０を連続的にレーザ溶接し、さらに具体的には、高アスペクト比溶接部３７の平均幅４１が開口２９の幅３１の約１．５倍〜約３倍の範囲内になるように制御する。例示的な高アスペクト比溶接部３７を図６に示す。
【００５１】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して種々の変更を加えることができ、均等物で置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況或いは材料を本発明の教示に適合させるように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態の肉盛プロセスを示す正面斜視図。
【図２】図１の実施形態の側面図。
【図３】本発明のレーザ溶接プロセス及び装置の実施形態を示す正面斜視図。
【図４】図３の実施形態の溶接ワイヤを図示していない矢視４−４図。
【図５】溶接ワイヤを示した図４と同様の図。
【図６】図３のレーザ溶接プロセス及び装置を用いて形成された例示的な高アスペクト比溶接部を示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１０  システム
１２  レーザ
１４  光ファイバケーブル
１６  光ファイバ連結器
１８  レーザビーム
２０  基材
２２  溶接ワイヤ
２４  ワイヤ供給装置
２６  ガイド
２７  溶接ワイヤの先端
２８  ガス供給源
２９  開口
３０  電源
３２  駆動ホイール
３４  並進テーブル
３７  高アスペクト比溶接部
４０  コントローラ
【図１】
2005515895.tif 000003
【図２】
2005515895.tif 000004
【図３】
2005515895.tif 000005
【図４】
2005515895.tif 000006
【図５】
2005515895.tif 000007
【図６】
2005515895.tif 000008
【国際調査報告】
2005515895.tif 000009
2005515895.tif 000010
2005515895.tif 000011