(57)【要約】【課題】  溶接パドルとともに消耗品、および熱源を用いる方法およびシステムを提供する。【解決手段】  フィラーワイヤおよび／または熱源を制御するためのシステム、およびフィラーワイヤおよび／または熱源を制御する方法が提供される。システムは、少なくとも１つのワークピースを加熱して、少なくとも１つのワークピースの表面に溶融パドルを生成するように構成された高強度エネルギー源を含む。フィラーワイヤ送給装置が、前記溶融パドルにフィラーワイヤを送給するように構成され、かつ、移動方向コントローラが、高強度エネルギー源およびフィラーワイヤを移動方向に前進させて、少なくとも１つのワークピースにフィラーワイヤを溶着させるように構成されている。システムは、フィラーワイヤの送給および前進の間にフィラーワイヤおよび／またはエネルギー源を少なくとも第１の方向に移動させるように構成されたコントローラもまた含む。少なくとも第１の方向を制御して、溶融パドルによって形成されるビードの所望の形状、プロファイル、高さ、大きさ、または混合を得るようにする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラーワイヤを制御する方法であって、
少なくとも１つのワークピースを高エネルギー熱源で加熱して、前記少なくとも１つのワークピースの表面に溶融パドルを生成するステップと、
前記溶融パドルにフィラーワイヤを送給するステップと、
前記高エネルギー熱源および前記フィラーワイヤのそれぞれを移動方向に前進させて、前記フィラーワイヤを前記少なくとも１つのワークピースに溶着させるステップと、
前記フィラーワイヤの前記送給、および前記フィラーワイヤおよび前記高エネルギー熱源の前記前進の間に、少なくとも第１の方向への前記フィラーワイヤの移動、および少なくとも第２の方向への前記高エネルギー熱源の移動、のうちの少なくとも１つの移動ステップであって、前記少なくとも第１の方向および前記少なくとも第２の方向のそれぞれが、前記移動方向とは異なる移動ステップと、
前記溶融パドルの表面に対する前記フィラーワイヤの前記溶融パドルへの進入角度、および前記溶融パドルの長手方向軸に対する前記フィラーワイヤのオフセットのうちの少なくとも１つを設定するステップと、
前記少なくとも第１の方向への前記フィラーワイヤの前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記高エネルギー熱源の前記移動、のうちの少なくとも１つを制御するとともに、前記角度および前記オフセットのうちの少なくとも１つを前記設定するステップを制御して、前記溶融パドルによって形成されるビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記少なくとも第１の方向への前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記高エネルギー熱源の前記移動のそれぞれが、前記移動方向と一列に並んだ前後の動き、前記移動方向と交差する前後の動き、円形の動き、楕円形の動き、およびジグザグの動きのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フィラーワイヤが前記溶融パドルに進入する前に、前記フィラーワイヤの溶融温度まで、または溶融温度付近まで前記フィラーワイヤを予加熱するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記高エネルギー熱源が、レーザビームを前記少なくとも１つのワークピースに向けて、前記溶融パドルを生成するレーザを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
織りパターンにおいて前記フィラーワイヤ、および前記熱源のうちの少なくとも１つを走査するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記織りパターンの間に前記熱源および前記フィラーワイヤのうちの前記少なくとも１つを前記走査するステップが、前記織りパターン上の１つまたは複数の位置で前記走査を減速させるか、または一時停止させる滞留時間を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記溶融パドルによって形成される前記ビードの前記所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るように、前記フィラーワイヤのワイヤ送給速度を制御するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記溶融パドルに第２のフィラーワイヤを送給するステップと、
前記移動方向に前記第２のフィラーワイヤを前進させて、前記少なくとも１つのワークピースに前記第２のフィラーワイヤを溶着させるステップと、
前記第２のフィラーワイヤを前記送給するステップ、および前記第２のフィラーワイヤを前記前進させるステップの間に、少なくとも第３の方向に前記第２のフィラーワイヤを移動するステップであって、前記少なくとも第３の方向が、前記移動方向とは異なる移動ステップと、
前記溶融パドルの前記表面に対する前記第２のフィラーワイヤの前記溶融パドルへの進入角度、および前記溶融パドルの前記長手方向軸に対する前記第２のフィラーワイヤのオフセットのうちの少なくとも１つを設定するステップと、
をさらに含むとともに、
前記溶融パドルによって形成される前記ビードの前記所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るように前記制御するステップが、前記少なくとも第３の方向への前記第２のフィラーワイヤの前記移動を制御するステップをさらに含み、かつ、
前記少なくとも第３の方向への前記第２のフィラーワイヤの前記移動が、前記移動方向と一列に並んだ前後の動き、前記移動方向と交差する前後の動き、円形の動き、楕円形の動き、およびジグザグの動きのうちの少なくとも１つを含む請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記フィラーワイヤの第１のワイヤ送給速度、および前記第２のフィラーワイヤの第２のワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つを制御して、前記溶融パドルの化学的性質、および前記ビードの前記所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも第１の方向への前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記移動のうちの少なくとも１つを前記制御するステップが、前記角度および前記オフセットのうちの少なくとも１つを前記設定するステップを前記制御するステップと同期される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも第１の方向への前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記移動のうちの少なくとも１つを前記制御するステップが、前記角度および前記オフセットのうちの少なくとも１つを前記設定するステップを前記制御するステップとは独立している、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
センサからのフィードバックに基づいて、前記少なくとも１つの方向への前記フィラーワイヤの前記移動、前記少なくとも第２の方向への前記高エネルギー熱源の前記移動、前記フィラーワイヤのワイヤ送給速度、前記移動方向の移動速度、前記高エネルギー熱源の強度、前記フィラーワイヤの前記角度、および前記フィラーワイヤの前記オフセットのうちの少なくとも１つを制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
フィラーワイヤを制御するためのシステムであって、
少なくとも１つのワークピースを加熱して、前記少なくとも１つのワークピースの表面に溶融パドルを生成するように構成された高強度エネルギー源と、
前記溶融パドルの中にフィラーワイヤを送給するように構成されたフィラーワイヤ送給装置と、
前記高強度エネルギー源および前記フィラーワイヤをそれぞれ移動方向に前進させて、前記フィラーワイヤを前記少なくとも１つのワークピースに溶着させるように構成された移動方向コントローラと、
前記フィラーワイヤの前記送給、ならびに前記フィラーワイヤおよび前記高強度エネルギー源の前記前進の間に、少なくとも第１の方向への前記フィラーワイヤの移動、および少なくとも第２の方向への前記高強度エネルギー源の移動のうちの少なくとも１つの移動であって、前記少なくとも第１の方向および前記少なくとも第２の方向のそれぞれが、前記移動方向とは異なる移動を行うように構成されたコントローラと、
を備えるとともに、
前記コントローラが、前記溶融パドルの表面に対する前記フィラーワイヤの前記溶融パドルへの進入角度、および前記溶融パドルの長手方向軸に対する前記フィラーワイヤのオフセットのうちの少なくとも１つを設定するように構成され、かつ、
前記コントローラが、前記少なくとも第１の方向への前記フィラーワイヤの前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記高強度エネルギー源の前記移動のうちの少なくとも１つを制御するとともに、前記角度および前記オフセットのうちの少なくとも１つの前記設定を制御して、前記溶融パドルによって形成されるビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るように構成されたシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも第１の方向への前記フィラーワイヤの前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記高強度エネルギー源の前記移動の前記それぞれが、前記移動方向と一列に並んだ前後の動き、前記移動方向と交差する前後の動き、円形の動き、楕円形の動き、およびジグザグの動きのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記フィラーワイヤが前記溶融パドルに進入する前に、前記フィラーワイヤの溶融温度まで、または溶融温度付近まで前記フィラーワイヤを予加熱するように構成されたワイヤ電源をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記高強度エネルギー源が、レーザビームを前記少なくとも１つのワークピースに向けて、前記溶融パドルを生成するように構成されたレーザを備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記コントローラが、織りパターンにおいて前記フィラーワイヤおよび前記高強度エネルギー源のうちの少なくとも１つを走査するように構成された、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記織りパターンの間に前記高強度エネルギー源および前記フィラーワイヤのうちの前記少なくとも１つの前記走査が、前記織りパターン上の１つまたは複数の位置で前記走査を減速させるか、または一時停止させる滞留時間を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記溶融パドルによって形成される前記ビードの前記所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または前記混合を得るように、前記フィラーワイヤのワイヤ送給速度を制御するステップをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
前記溶融パドルに第２のフィラーワイヤを送給するように構成された第２フィラーワイヤ送給装置と、前記第２のフィラーワイヤを前記移動方向に前進させて、前記少なくとも１つのワークピースに前記第２のフィラーワイヤを溶着させるようにさらに構成された前記移動方向コントローラと、をさらに備えるとともに、
前記第２のフィラーワイヤの前記送給、および前記第２のフィラーワイヤの前記前進の間に、前記コントローラが、少なくとも第３の方向への前記第２のフィラーワイヤの移動であって、前記少なくとも第３の方向が、前記移動方向とは異なる移動をさせるように構成され、
前記コントローラが、前記溶融パドルの前記表面に対する前記第２のフィラーワイヤの前記溶融パドルへの進入角度、および前記溶融パドルの前記長手方向軸に対する前記第２のフィラーワイヤのオフセットのうちの少なくとも１つを設定するように構成され、
前記溶融パドルによって形成される前記ビードの前記所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るように前記制御するステップが、前記少なくとも第３の方向への前記第２のフィラーワイヤの前記移動を制御するステップをさらに含み、かつ、
前記少なくとも第３の方向への前記第２のフィラーワイヤの前記移動が、前記移動方向と一列に並んだ前後の動き、前記移動方向と交差する前後の動き、円形の動き、楕円形の動き、およびジグザグの動きのうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記フィラーワイヤの第１のワイヤ送給速度、および前記第２のフィラーワイヤの第２のワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つを制御して、前記溶融パドルの化学的性質、および前記ビードの前記所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすように構成された、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記コントローラが、前記少なくとも第１の方向への前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記移動のうちの少なくとも１つが、前記角度および前記オフセットのうちの少なくとも１つの前記設定の前記制御と同期されるように構成された、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラが、前記少なくとも第１の方向への前記移動、および前記少なくとも第２の方向への前記移動のうちの少なくとも１つが、前記角度および前記オフセットのうちの少なくとも１つの前記設定の前記制御とは独立して行われるように構成された、請求項１３に記載のシステム
【請求項２４】
前記溶融パドル、前記溶接ビード、溶接継手、および前記ワークピースのうちの少なくとも１つのプロファイルのフィードバックを提供するセンサをさらに備えるとともに、
前記フィードバックに基づいて、前記コントローラが、前記少なくとも１つの方向への前記移動、前記少なくとも第２の方向への前記移動、前記フィラーワイヤのワイヤ送給速度、前記移動方向における移動速度、前記高強度エネルギー源の強度、前記フィラーワイヤの前記角度、および前記フィラーワイヤの前記オフセットのうちの少なくとも１つを制御するように構成された、請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月８日に出願された米国特許出願第１３／７９０，８６８号（現在は米国特許第９，６８７，９２９号）の継続出願である、２０１７年５月２２日に出願された米国特許出願第１５／６０１，５５０号の一部継続出願であり、米国仮特許出願第６１／６６８，８１８号の優先権を主張し、これらの内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
特定の実施形態は、オーバーレイ、溶接、および接合用途におけるフィラーワイヤおよび／または熱源の使用に関する。より具体的には、特定の実施形態は、ろう付け、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、接合、および溶接用途のいずれかのためのシステムおよび方法においてフィラーワイヤおよび／または熱源を制御することに関する。
【背景技術】
【０００３】
旧来のフィラーワイヤ溶接法（例えば、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：ｇａｓ−ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）フィラーワイヤ法）は、旧来のアーク溶接のみの溶接法よりも、溶着速度および溶接速度が速くなっている。トーチを導くフィラーワイヤは、別の電源によって抵抗溶融される。ワイヤは、コンタクトチップを通じてワークピースに向かって送給され、コンタクトチップを越えて延在する。この延在部分は、延在部分が融点に近づくか、または到達するように抵抗溶融され、溶接パドルと接触する。タングステン電極を用いてワークピースを加熱溶融させ、溶接パドルを形成してもよい。電源は、フィラーワイヤを抵抗溶融させるのに必要なエネルギーの大半を供給する。ワイヤ送給がスリップしたり、ぐらついたりして、ワイヤ内の電流によってワイヤの先端とワークピースとの間にアークが生じ得る場合がある。このようなアークの余分な熱は、溶け落ち、およびスパッタを引き起こすことがある。加えて、旧来のフィラーワイヤ法は、アークを用いてフィラー材料を溶接部に移行させるので、所望の溶接プロファイルの獲得および／または溶接パドルの冷却速度の制御が困難な場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１３／２１２，０２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願の以降の部分に記載の本発明の実施形態と、従来の手法、旧来の手法、および提案されている手法とを、図面を参照しながら比較することにより、このような手法のさらなる限界および不利な点が、当業者には明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、ろう付け、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、および接合用途のいずれかのためのシステムおよび方法においてフィラーワイヤを制御することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、高エネルギー熱源で少なくとも１つのワークピースを加熱して、少なくとも１つのワークピースの表面に溶融パドルを生成するステップと、フィラーワイヤを溶融パドルに送給するステップと、を含む。方法は、高エネルギー熱源およびフィラーワイヤのそれぞれを移動方向に前進させて、フィラーワイヤを少なくとも１つのワークピースに溶着させるステップもまた含む。フィラーワイヤの送給および前進の間にフィラーワイヤおよび／または熱源を、少なくとも第１の方向であって、移動方向とは異なる少なくとも第１の方向に移動させる。方法は、少なくとも第１の方向に少なくともフィラーワイヤおよび／または熱源の移動を制御して、溶融パドルによって形成されるビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るステップをさらに含む。
【０００７】
いくつかの実施形態では、システムは、少なくとも１つのワークピースを加熱して、少なくとも１つのワークピースの表面に溶融パドルを生成するように構成された高強度エネルギー源（ｈｉｇｈ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｏｕｒｃｅ）を含む。フィラーワイヤ送給装置が、溶融パドルにフィラーワイヤを送給するように構成されている。移動方向コントローラが、高強度エネルギー源およびフィラーワイヤのそれぞれを移動方向に前進させて、フィラーワイヤを少なくとも１つのワークピースに溶着させるように構成されている。システムは、フィラーワイヤの送給および前進の間にフィラーワイヤおよび／またはエネルギー源を、少なくとも第１の方向であって、前記移動方向とは異なる少なくとも第１の方向に移動させるように構成されたコントローラもまた含む。少なくとも第１の方向への少なくともフィラーワイヤおよび／またはエネルギー源の移動を制御して、溶融パドルによって形成されるビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得るようにする。
【０００８】
方法は、少なくとも加熱電流の流れを印加している間に高強度エネルギー源からのエネルギーをワークピースに印加してワークピースを加熱するステップもまた含む。この高強度エネルギー源は、レーザデバイス、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）デバイス、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）デバイス、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）デバイス、有芯アーク溶接（ＦＣＡＷ）デバイスおよびサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）デバイスのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０００９】
本発明のこれらの特徴および他の特徴に加えて、本発明の図示された実施形態の詳細は、以下の説明および図面からより完全に理解されるであろう。
【００１０】
本発明の上記および／または他の態様は、添付の図面を参照して本発明の例示的な実施形態を詳細に記載することによってより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ろう付け、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、接合、および溶接用途のいずれかのための、フィラーワイヤ送給装置とエネルギー源を組み合わせたシステムの例示的な実施形態の概略的な機能ブロック図を図示する。
【図２Ａ】図１のシステムに用いることが可能な、フィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図２Ｂ】図１のシステムに用いることが可能なフィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図２Ｃ】図１のシステムに用いることが可能なフィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図３Ａ】図１のシステムに用いることが可能なフィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図３Ｂ】図１のシステムに用いることが可能なフィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図４Ａ】図１のシステムに用いることが可能なフィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図４Ｂ】図１のシステムに用いることが可能なフィラーワイヤを制御する方法を図示する。
【図５Ａ】図１のシステムのコンタクトチップの角度とオフセット移動を制御する装置の例示的な実施形態のブロック図を図示する。
【図５Ｂ】図１のシステムのコンタクトチップの角度とオフセット移動を制御する装置の例示的な実施形態のブロック図を図示する。
【図６】図１のシステムによって実行可能な例示的な織りパターンを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を以下で説明する。説明する例示的な実施形態は、本発明の理解を助けることを意図しており、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。全体を通して、同様の参照番号は、同様の要素を指している。
【００１３】
溶接／接合作業は、一般に複数のワークピース同志を溶接作業で接合することが知られており、溶接作業ではフィラーの金属がワークピースの金属の少なくとも一部と合体して継手を形成する。溶接作業での製造スループットを高めるという要望があるため、溶接作業をより高速に行い、かつ、溶接の品質が基準以下にならないようにする必要が常にある。これは類似の技術を用いるクラッディング／サーフェシング作業にも当てはまる。なお、以下の説明の大半は「溶接」作業およびシステムに関するものであるが、本発明の実施形態は、接合作業だけに限定されるのではなくクラッディング、ろう付け、オーバーレイなどのような作業にも同様に用いることが可能である。さらに、離れた作業場（ｒｅｍｏｔｅ  ｗｏｒｋ  ｓｉｔｅｓ）などの逆境環境条件下で素早く溶接することが可能なシステムを提供する必要がある。以下で説明するように、本発明の例示的な実施形態は、既存の溶接技術に勝る大きな利点を提供する。このような利点としては、複数のフィラーワイヤを用いること、溶接プロファイルを調節すること、溶接パドルの冷却速度を制御すること、全体的な入熱が減り、ワークピースの変形が少なくなること、溶接移動速度が非常に速いこと、スパッタ率が非常に低いこと、シールディングなしで溶接できること、スパッタがないか、または少ない状態でめっき材料または被覆材料を高速で溶接できること、および複雑な材料を高速で溶接できることが含まれるが、これらに限定されない。
【００１４】
図１は、ろう付け、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、および接合／溶接用途のいずれかを行うための、フィラーワイヤ送給装置とエネルギー源とを組み合わせたシステム１００の例示的な実施形態の概略的な機能ブロック図を図示している。システム１００は、ワークピース１１５の上にレーザビーム１１０を集束させて、ワークピース１１５を加熱し、溶接パドル１４５を形成することが可能なレーザサブシステム１３０／１２０を含む。レーザサブシステムは、高強度エネルギー源である。レーザサブシステムは、炭酸ガス、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂディスク、ＹＢファイバー、ファイバー伝送、またはダイレクトダイオードレーザシステムを含むが、これらに限定されない、任意の種類の高エネルギーレーザ源とすることができる。さらに、白色光レーザまたは石英レーザ型のシステムであっても、それらに十分なエネルギーがあれば使用できる。システムの他の実施形態は、高強度エネルギー源としての役割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、ガス金属アーク溶接サブシステム、有芯アーク溶接サブシステム、およびサブマージ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、本明細書では、レーザシステム、ビームおよび電源について繰り返し言及するが、このような言及は、任意の高強度エネルギー源が使用され得るものとして例示的なものであることを理解されたい。例えば、高強度エネルギー源は、少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を供給することができる。
【００１５】
本明細書で説明するレーザデバイス１２０などの高強度エネルギー源は、所望の溶接作業に必要なエネルギー密度を提供するのに十分なパワーを有する種類のものとすることに留意されたい。すなわち、レーザデバイス１２０は、溶接プロセス全体を通して安定した溶接パドルを生成および維持し、かつ、所望の溶け込みに到達するのに十分なパワーを有するものとする。例えば、一部の用途では、レーザは溶接されるワークピースに「キーホール（ｋｅｙｈｏｌｅ）」を形成することができるものとする。これは、レーザがワークピースを完全に貫通する十分なパワーを有しながら、レーザがワークピースに沿って移動するときにその貫通のレベルが維持されることを意味する。例示的なレーザは、１〜２０ｋＷの範囲の出力能力を有するものとし、５〜２０ｋＷの範囲の出力能力を有することができる。これよりも高出力のレーザを用いることができるが、非常にコストがかかる場合がある。
【００１６】
レーザサブシステム１３０／１２０は、互いに動作可能に接続されたレーザデバイス１２０およびレーザ電源１３０を含む。レーザ電源１３０は、電力を供給してレーザデバイス１２０を動作させる。レーザデバイス１２０により、溶接パドル１４５のサイズおよび深さの正確な制御が可能になる。これは、レーザビーム１１０を容易に集束／非集束させることが可能であり、そのビーム強度を非常に容易に変えることができるためである。これらの能力により、ワークピース１１５上の熱分布を正確に制御することができる。この制御により、正確な溶接のために非常に狭い溶接パドルの生成が可能になるだけでなく、ワークピース１１５上の溶接領域のサイズを最小限に抑えることが可能になる。
【００１７】
システム１００は、少なくとも１つの抵抗フィラーワイヤ１４０を提供して、レーザビーム１１０の近傍でワークピース１１５に接触させることが可能なフィラーワイヤ送給装置サブシステムもまた含む。当然ながら、本明細書においてワークピース１１５と言う場合、溶融パドル、すなわち、溶接パドル１４５は、ワークピース１１５の一部であると考えられるため、ワークピース１１５との接触と言う場合には、パドル１４５との接触を含むことを理解されたい。フィラーワイヤ送給装置サブシステムは、フィラーワイヤ送給装置１５０と、コンタクトチップ１６０と、ワイヤ電源１７０と、を含む。作業の間、フィラーワイヤ１４０は、コンタクトチップ１６０とワークピース１１５との間に動作可能に接続された電源１７０からの電流によって抵抗溶融される。本発明の一実施形態によれば、電源１７０は、パルス直流（ＤＣ）電源であるが、交流（ＡＣ）または他の種類の電源も同様に可能である。いくつかの例示的な実施形態では、フィラーワイヤ１４０は、電源１７０によって、その融点に、または融点近くまで予加熱される。したがって、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル内に存在しても、溶接パドル１４５を大幅に冷却または固化することはなく、溶接パドル１４５内で素早く消費される。
【００１８】
電源１７０、フィラーワイヤ送給装置１５０、およびレーザ電源１３０は、感知および制御ユニット１９５に動作可能に接続することができる。制御ユニット１９５は、いくつか例をあげると、ワイヤ送給速度、ワイヤ温度、および溶接パドル温度といったような、溶接作業を制御することができる。これを達成するために、制御ユニット１９５は、電源１３０および１７０によって使用される電力、コンタクトチップ１６０における電圧、フィラーワイヤを流れる加熱電流、フィラーワイヤに所望される温度および実際の温度などといったような、入力を受け取ることができる。２０１１年８月１７に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｏ  Ｓｔａｒｔ  Ａｎｄ  Ｕｓｅ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  Ｆｉｌｌｅｒ  Ｗｉｒｅ  Ｆｅｅｄ  Ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ」という名称の（特許文献１）は、その内容全体が参照により組み込まれるが、例示的な監視および制御方法論を含む、例示的な感知ユニットおよび制御ユニットについて記載しており、これらは、本発明に組み込みことができる。
【００１９】
本発明の例示的な実施形態では、溶接パドル１４５に対するワイヤ１４０の移動を制御することによって、溶接プロファイル、すなわち、溶接パドル１４５の形状および／またはサイズを変更することが可能である。図１に図示されるように、コンタクトチップ１６０を制御するフィラーワイヤモータ１７３０によって、溶接パドル１４５内のフィラーワイヤ１４０の衝突場所を制御することができる。モータ１７３０は、溶接パドル１４５に対するワイヤ１４０の位置が溶接の間に移動するように、コンタクトチップ１６０を移動または平行移動させる。例示的な実施形態では、フィラーワイヤ１４０は、レーザビーム１１０と同じ場所で溶接パドル１４５に衝突する。このような場合では、レーザビーム１１０は、フィラーワイヤ１４０の溶融を促進する。しかしながら、他の例示的な実施形態では、フィラーワイヤ１４０は、レーザビーム１１０から離れて同じ溶接パドル１４５に衝突することができる。当然ながら、レーザサブシステムの代わりに、アーク型の加熱サブシステムが用いられる場合には、フィラーワイヤ１４０は、アークから離れて溶接パドル１４５に衝突することができる。いくつかの例示的な実施形態では、フィラーワイヤモータ１７３０は、溶接パドル１４５内のワイヤ１４０の移動がレーザビーム１１０の移動と連携するように、コンタクトチップ１６０を制御することになる。この点に関して、ワイヤモータ１７３０を感知および制御ユニット１９５に動作可能に接続させて通信させ、かつ／または、レーザ動作制御サブシステム１７１０／１７２０と直接接続させて通信させることができる。レーザ動作制御サブシステム１７１０／１７２０は、モータ１７１０と、光学駆動ユニット１７２０と、を含む。モータ１７１０は、溶接パドル１４５に対するビーム１１０の位置が溶接の間に移動するように、レーザ１２０を移動または平行移動させる。すなわち、溶接プロセスの間レーザビーム１１０およびワイヤ１４０をワークピース１１５に対して（すなわち、溶接の方向に（矢印１１１を参照））移動させながら、レーザビーム１１０を溶接パドル１４５に対して移動させることもまた可能である。例えば、溶接パラメータに基づいて、モータ１７１０は、ビーム１１０を、溶接の方向と一列に並んで前後に、溶接の幅に沿って前後に、円形パターンで、楕円形パターンなどで、平行移動させることができる。レーザビーム１１０を移動させることに代えて、またはそれに加えて、光学駆動ユニット１７２０は、レーザ１２０の光学を制御することで、レーザビーム１１０の形状および／または強さを制御することが可能である。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１１５の表面に対して移動させるか、または変化させることにより、溶接パドル１４５の溶け込みまたは深さを変えることができる。いくつかの例示的な実施形態では、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ことにより、溶接パドル１４５の形状を変更させることができる。レーザ動作制御サブシステム１７１０／１７２０の動作は、２０１１年８月１７に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｏ  Ｓｔａｒｔ  Ａｎｄ  Ｕｓｅ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  Ｆｉｌｌｅｒ  Ｗｉｒｅ  Ｆｅｅｄ  Ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ」という名称の（特許文献１）においてさらに説明されており、その内容全体が参照により組み込まれる。
【００２０】
パドルに対してワイヤ１４０が移動可能であることによって、本発明の実施形態は、パドルの形状、プロファイル、および高さの調節が可能であるだけでなく、溶接の間に所望の溶接パドルの混合を得ることが可能である。例えば、溶接パドル１４５が相対的に十分な大きさであれば、ワイヤ１４０の移動によって、溶接／クラッディングの間にパドル１４５全体にわたってワイヤ１４０を相対的に均一に溶着させ、かつ分布させることが可能になる。そればかりでなく、作業の間の様々な時間にワイヤ１４０を溶接パドル１４５のある特定部分に送達することが望ましい場合がある。本発明の実施形態は、ワイヤ１４０を適切な時にパドル１４５内の適切な場所に送達することによって、これを実現可能にする。さらに、作業の間にワイヤ１４０をパドルに対して移動させることによって、溶接パドルの混合を高めることが可能である。
【００２１】
いくつかの例示的な実施形態では、感知および制御ユニット１９５は、モータ１７３０を用いてワイヤ１４０の移動をレーザビーム１１０の移動と同期させることができる。例示的な実施形態では、図２Ａおよび図２Ｂに図示されるように、レーザビーム１１０およびワイヤ１４０は、それぞれモータ１７１０および１７３０によって、いずれも、円形パターンで動いている。ビーム１１０に対するワイヤ１４０の相対的な位置をモータ１７３０によって調節して、ビーム１１０およびワイヤ１４０が前方の溶接の方向（矢印１１１を参照）に移動するにつれて、パドル１４５がその最適温度にある地点で、ワイヤ１４０が確実に溶接パドル１４５に当たるようにすることができる。例えば、図２Ｂに示されるように、ワイヤ１４０は、ビーム１１０がワイヤを加熱した直後に、溶接パドル１４５上の点Ｘに当たる。したがって、本発明の実施形態は、ワイヤ１４０にビーム１１０（または他の熱源）の移動を辿らせて、溶接パドル１４５内へのワイヤ１４０の吸収を最適化することが可能であり、それは図２Ｃに概ね示されている。当然ながら、最適な衝突点の正確なタイミングは、溶接パドル１４５の温度、レーザビーム１１０の強さ、フィラーワイヤ１４０の種類、フィラーワイヤ１４０の送給速度などに応じて様々に変わり得る。
【００２２】
加えて、ワイヤ１４０およびレーザビーム１１０は、他のパターンに従ってもよく、それらの移動を同期させる必要はない。例えば、図３Ａおよび図３Ｂは、一実施形態を図示している。図では、レーザビーム１１０およびフィラーワイヤ１４０が、単一の線に沿って前後に平行移動されている。ビーム１１０およびワイヤ１４０が溶接パドル１４５の幅を横断して平行移動するか（図３Ａ）、または溶接パドルと一列に並んで平行移動するか（図３Ｂ）に応じて、これらの実施形態を用いて、溶接の所望の形状によって決まる必要に応じて溶接パドル１４５を伸長または拡張させることができる。当然ながら、数多くの他のパターンが実施可能である。例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示される円形パターンではなく楕円形パターンで、ビーム１１０およびワイヤ１４０を溶接パドル１４５内で平行移動させることが可能である。当然ながら、所望の溶接プロファイルを得るための必要に応じて、このようなパターンの任意の組み合わせを用いて、溶接パドル１４５の伸長または拡張のいずれかを行うことが可能である。加えて、２０１１年８月１７に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｏ  Ｓｔａｒｔ  Ａｎｄ  Ｕｓｅ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  Ｆｉｌｌｅｒ  Ｗｉｒｅ  Ｆｅｅｄ  Ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ」という名称の（特許文献１）は、その内容全体が参照により組み込まれるが、本発明において用いることができる追加的なパターンを提供している。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ワイヤ１４０の動きは、レーザビーム１１０の動きとは独立している。すなわち、レーザビーム１１０およびワイヤ１４０のパターンは、同じである必要がない。例えば、レーザビーム１１０は、楕円形パターンを有する場合があるのに対し、ワイヤ１４０は、円形または前後を往復するパターンを有する。さらに他の実施形態では、レーザビーム１１０は、溶接パドル１４５に対して静止したままとすることができ、ワイヤ１４０のみが溶接パドル１４５に対して移動、または平行移動される。
【００２４】
本発明のいくつかの例示的な実施形態では、フィラーワイヤ１４０を用いて、溶接パドル１４５を冷却する速度を制御することができる。例えば、溶接を冷却し、かつ凝固させるために、フィラーワイヤ１４０は溶接パドル１４５よりも低温であってもよい。このような溶接システムは、位置外溶接では有利な場合がある。なぜならば、溶接パドル１４５は溶接継手から垂れ下がったり、溢れ出したりする前に、冷却、凝固し始めるからである。しかしながら、溶接パドル１４５内の望ましくない局所化された（または不均一な）冷却または凝固を防ぐために、モータ１７３０は、上記で説明したようにワイヤ１４０を移動させて、より低温のフィラーワイヤ１４０が確実に溶接パドル１４５全体にわたって均一に広がるようにすることが可能である。逆に、一部の溶接作業では、溶接パドル１４５が速く冷却または凝固しすぎるのを防ぐために、フィラーワイヤ１４０を溶接パドル１４５よりも高温にさせることが望ましい場合がある。ここでもまた、モータ１７３０によってフィラーワイヤ１４０を移動させ、溶接パドル１４５の温度を均一に保つことができる。
【００２５】
図２Ａ〜図３Ｂに示される実施形態では、溶接作業の間、フィラーワイヤ１４０はビーム１１０に後行する。しかしながら、フィラーワイヤ１４０は先行位置に配置することができるので、必ずしもそうでなくてもよい。さらに、移動方向でワイヤ１４０がビーム１１０と一列に並んでいる必要はなく、フィラーワイヤ１４０がビーム１１０と同じ溶接パドル１４５に衝突する限り、任意の方向からパドルにワイヤを当ててもよい。
【００２６】
上記で説明した実施形態では、１つのフィラーワイヤだけが用いられていた。しかしながら、本発明は、単一のフィラーワイヤを溶接パドル１４５に向けることに限定されない。ほとんどの溶接プロセスとは異なり、フィラーワイヤ１４０は溶接プロセスの間に溶接パドル１４５と接触し、溶接パドル１４５内に突入する。これは、このプロセスではフィラーワイヤ１４０を移行させるために溶接アークを用いるのでなく、単にフィラーワイヤ１４０を溶接パドル１４５内に溶融させるからである。本明細書で説明する溶接プロセスでは溶接アークが生成されないため、どの１つの溶接パドルにも２つ以上のフィラーワイヤを向けることができる。すなわち、送給装置サブシステムは、１つまたは複数のフィラーワイヤを同時に提供することができる場合もある。所与の溶接パドルに向けられるフィラーワイヤの数を増やすことで、入熱を大幅に増やすことなく溶接プロセスの全体的な溶着速度を大幅に高めることができる。そのため、単一の溶接パスでオープンルート溶接継手を充填できることが考えられる。加えて、フィラーワイヤの溶着速度とともに、追加のフィラーワイヤを用いることによって、溶接の形状および特徴を所望の通りに変えることが可能である。複数のフィラーワイヤが利用され、いずれもが本明細書に記載されるように加熱される限りにおいては、本発明の実施形態は、各ワイヤに単一の電源１７０を利用することが可能である。
【００２７】
いくつかの例示的な実施形態では、図４Ａおよび図４Ｂに図示されるように、２つのフィラーワイヤが溶接パドル１４５に当たっている。２つ以上のフィラーワイヤが用いられる実施形態は、上記で説明した実施形態に類似している。したがって、簡潔にするために、関連する相違点のみを説明する。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、第２のフィラーワイヤ１４０’は、幅方向にワイヤ１４０と一列に並んで溶接パドル１４５に当たっている。しかしながら、この構成は限定するものではなく、ワイヤ１４０’は、溶接の方向（矢印１１１を参照）にワイヤ１４０と一列に並んで溶接パドル１４５に当たっていてもよい。当然ながら、ワイヤ１４０および１４０’は、図４Ａおよび図４Ｂに示されるような後行位置にある必要はなく、ワイヤ１４０’もしくは１４０のいずれか、または両方が、溶接作業の間に先行位置にあってもよい。ワイヤ１４０’は、ワイヤ１４０と同じ材料で構成してもよいし、あるいは、所望される溶接に応じて異なる材料で構成してもよい。例えば、ワークピースに表面硬化および／または耐腐食性を施すのにワイヤ１４０’を使用し、ワークピースに構造を付加するのにワイヤ１４０を使用してもよい。
【００２８】
いくつかの例示的な実施形態では、ワイヤ１４０’は、上記で説明したようなワイヤ１４０と類似したやり方でモータによって制御することができる。例えば、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、ワイヤ１４０’は、モータ（図示せず）によって時計回りのパターンで移動され、ワイヤ１４０は、反時計回りのパターンで移動される。ワイヤ１４０および１４０’の移動を上記で説明したように制御して、所望の溶接形状を実現することが可能である。当然ながら、ワイヤの移動は円形パターンに限定されないし、反対の方向（すなわち、時計回りおよび反時計回り）に限定されない。上記で説明したパターンの任意の組み合わせを用いて、ワイヤ１４０および１４０’を制御して、所望の溶接プロファイルを実現することが可能である。
【００２９】
いくつかの実施形態では、第２のフィラーワイヤを用いて、溶接パドル１４５の温度を制御することができる。例えば、溶接パドル１４５の所望の温度に基づいて第２のフィラーの送給速度および／または温度を制御することができる。上記で説明した例示的な実施形態と同様に、第２のフィラーワイヤは、溶接パドル温度よりも低温であっても、高温であってもよいし、ワイヤ１４０’を制御して、溶接パドル１４５の温度が確実に均一であるようにすることができる。
【００３０】
図１では、わかり易くするために、レーザ電源１３０、ホットワイヤの電源１７０、ならびに感知および制御ユニット１９５を別々に示している。しかしながら、本発明の実施形態では、これらの構成要素を単一の溶接システムに組み込むことができる。本発明の態様では、上記で個別に説明した構成要素が別々の物理的ユニットまたはスタンドアローン構造として維持されている必要はない。
【００３１】
いくつかの例示的な実施形態では、ワイヤ送給サブシステムは、フィラーワイヤ１４０が、溶接パドル１４５の表面に対してある角度で、また、溶接継手溝に対して横方向への変位またはオフセットで、溶接パドル１４５に進入することができるように、コンタクトチップ１６０を方向付けするように構成することができる。図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、コンタクトチップ１６０は、ワイヤ１４０が垂直角度αおよび／またはオフセットＤで溶接パドルに進入するように方向付けすることができる。例えば、コンタクトチップ１６０は、溶接パドル１４５に進入しながらフィラーワイヤ１４０の方向付けを調節するロボットアーム２１０に接続、または組み込むことができる。ロボットアーム２１０は、溶接パドル１４５に進入しながら、ワイヤ１４０が所望の垂直角度αおよび／またはオフセットＤで溶接パドル１４５に進入するような方向にコンタクトチップ１６０を回転または位置決めするように構成して、フィラーワイヤ１４０の位置および方向付けを正確に制御することができる。コンタクトチップ１６０の垂直角度αは、手動で、および／またはロボットアーム２１０を介して回転または位置決めすることができ、これは、例えば、感知および制御ユニット１９５（図１を参照）によって制御することができる。同様に、コンタクトチップ１６０の横方向への変位またはオフセットＤは、手動で、および／またはロボットアーム２１０を介して制御することができ、これは、例えば、感知および制御ユニット１９５によって制御することができる。当然ながら、ロボットアーム２１０は例示的なものであり、他の手段を用いて、コンタクトチップ１６０を所望の通りに設定、および／または調節することが可能である。
【００３２】
角度αは、０度よりもわずかに大きい（すなわち、溶接パドル１４５の上面に平行であるよりもわずかに大きい角度）から９０度（すなわち、ワイヤ１４０が溶接パドルの表面に垂直な溶接パドル１４５に進入する）までの範囲に及ぶ場合がある。例えば、手動で、および／または、ロボットアーム２１０とコントローラ１９５とを介して角度αを設定および／または調節して、溶融パドル１４５によって形成される溶接ビードＷＢ（またはクラッドビード）の所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得ることができる。加えて、例えば、手動で、および／またはロボットアーム２１０とコントローラ１９５とを介して角度αを設定および／または調節して、所望の深さのフィラーワイヤ１４０の溶接パドル１４５への溶け込みを得ることができる。例えば、溶接パドル１４５の深さが浅いか、または溶接パドル１４５が、フィラーワイヤ１４０がすぐには溶融しない温度にある場合には、フィラーワイヤ１４０が溶接継手の底に当接するのを防ぐためには、小さな角度αが望ましい場合がある。溶け込みをもっと深くしたい場合には、角度αがもっと大きな角度に設定される。加えて、フィラーワイヤ１４０の所望の溶け込みは、熱源に対するフィラーワイヤ１４０の方向付けによって決まる場合がある。例えば、溶接パドルは、概して、熱源の前の方が熱源のすぐ後ろよりも浅い。なぜなら、熱源の前方では、溶接パドルの形成が始まったばかりだからである。対照的に、熱源の後ろでは、溶接パドル１４５が十分に形成されている。したがって、溶接パドル１４５が十分に形成されている熱源の後ろでフィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５に進入する場合には、角度αを大きく設定して、溶接パドル１４５が浅い可能性がある熱源の前でフィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５に進入する場合よりも溶け込みを大きくすることができる。したがって、角度αは、フィラーワイヤ１４０が熱源の前で溶接パドル１４５に進入するのか、熱源の後で進入するのか、または、その中間のどこかで進入するのかに基づいて、異なる場合がある。例えば、溶接パドルが浅く、および／またはフィラーワイヤ１４０が熱源の前方に方向付けされている場合には、角度αは、小さな角度、例えば、５度〜３０度に、より好ましくは、２０度〜３０度に設定および／または調節することが可能である。例えば、フィラーワイヤ１４０が熱源の後ろにあるために、溶け込みをもっと深くしたい場合には、角度αは、もっと大きな角度、例えば、４５度〜９０度に、より好ましくは、６０度〜８０度に設定または調節することが可能である。
【００３３】
さらに、角度αは、フィラーワイヤ１４０の溶接パドル１４５への進入点と、熱源が溶接パドル１４５に当たる点２２０との間の所望の距離に基づいて、例えば、手動で、および／またはロボットアーム２１０とコントローラ１９５とを介して、設定および／または調節することが可能である。例えば、角度αが小さくなると、フィラーワイヤ１４０が点２２０に近い点で溶接パドル１４５に進入することが可能になり、これにより、フィラーワイヤ１４０の溶融を加速し、かつ／または溶接パドル１４５をより急速に冷却することが可能になる。加えて、溶接パドルがより高温である点２２０により近い点で溶接パドル１４５に進入することによって、必要ならば、フィラーワイヤ１４０を流れる予熱電流を低減または除去することが可能である。フィラーワイヤ１４０の角度αは、フィラーワイヤの材料の種類、ワークピースの材料の種類、溶接パドルの深さ、溶接パドルの温度、溶接ビードの所望の形状、フィラーワイヤの溶接パドルへの進入点と、熱源との間の所望の距離などといったような、様々なパラメータによって決まる場合がある。いくつかの実施形態では、上記で説明した実施形態と同様に、フィラーワイヤ１４０を所望の角度αに維持しながら、移動方向１１１と一列に並んだ前後の動き、移動方向１１１と交差する前後の動き、円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、楕円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、ジグザグの動き、上記の任意の組み合わせ、または任意の他の所望の動きのうちの少なくとも１つを含む、少なくとも１つの方向に、フィラーワイヤ１４０を移動させることが可能である。いくつかの実施形態では、フィラーワイヤ１４０の角度αの設定および／または調節は、少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤ１４０の移動と同期させることが可能である。他の実施形態では、フィラーワイヤ１４０の角度αの設定および／または調節は、少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤ１４０の移動とは独立している。
【００３４】
当然ながら、いくつかの実施形態では、２つ以上のフィラーワイヤが、それぞれの角度αを手動で、および／または自動的に所望の値に適合させることが可能である。それぞれの角度αは、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、フィラーワイヤは、フィラーワイヤを点２２０の近くに向けることができるように小さい角度αを有することができる一方で、残りのフィラーワイヤは大きい角度αを有し、点２２０から離れる方向に向けることができる。フィラーワイヤは、高強度熱源の周りに、任意の所望の構成で、例えば、同じ側に、４５度離れた向きに、９０度離れた向きに、１８０度離れた向きに、または他の何らかの所望の向きに方向付けすることができる。
【００３５】
溶接パドル１４５の中心長手方向軸２１５に対する横方向への変位またはオフセットＤにより、フィラーワイヤ材料が溶接パドル１４５内で溶着される場所の調節が可能になる。オフセットＤは、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５内に溶着されることになる場所に基づいて、例えば、手動で、および／またはロボットアーム２１０とコントローラ１９５とを介して、設定および／または調節することができる。例えば、溶接継手に関する溶接作業では、オフセットＤは、溶接溝の軸に対するものとすることができる。クラッディング作業では、オフセットＤは、クラッド層の中心長手方向軸に対するものとすることができる。例示的な実施形態では、オフセットＤは、ワークピースおよび／または溶接溝継手のずれに基づいて調節することができる。例えば、溶接シームのプロファイル（例えば、シームトラッキングセンサ）および／またはワークピースのプロファイルを提供するセンサからのフィードバックが、溶接継手にずれがある（例えば、ワークピースプレートのうちの１つが、ワークピースの他のプレートと比較して浮き上がっている）ことを示す場合には、感知および制御ユニット１９５は、フィラーワイヤ１４０が溶接パドル１４５に進入する場所を偏らせて、ずれを修正する（例えば、フィラーワイヤ１４０が溶接パドルに進入する場所を適切なオフセットＤによって浮き上がっていないプレートの方に偏らせてレベル差を補償する）ように構成することができる。ワークピースプレートが適切に位置合わせされている場合には、オフセットはゼロとすることができ、フィラーワイヤ１４０は、溶接溝の軸、すなわちどちらか一方側に偏らずに溶着される。クラッディング作業では、センサが、クラッディングされているワークピースのプロファイルのフィードバックを提供し、ワークピースのずれまたは不規則性を反映するように、オフセットＤに対する適切な調節を行うことができる。加えて、角度αと同様に、オフセットＤは、例えば、手動で、および／または、ロボットアーム２１０とコントローラ１９５とを介して、設定および／または調節して、溶融パドル１４５によって形成される溶接ビード（またはクラッドビード）の所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得ることもまた可能である。
【００３６】
さらに、フィラーワイヤ１４０が移動方向に対して熱源側に位置する場合、オフセットＤは、フィラーワイヤ１４０の溶接パドル１４５への進入点と、点２２０との間の所望の距離に基づいて、例えば、手動で、および／またはロボットアーム２１０とコントローラ１９５とを介して、設定および／または調節することが可能である。加えて、角度αと同様に、オフセットＤは、フィラーワイヤの材料の種類、ワークピースの材料の種類、溶接パドルの深さ、溶接パドルの温度、溶接ビードの所望の形状、フィラーワイヤの溶接パドルへの進入点と、点２２０との間の所望の距離などといったような、様々なパラメータによって決まる場合がある。いくつかの実施形態では、上記で説明した実施形態と同様に、フィラーワイヤ１４０の平均オフセットを所望のオフセットＤに維持しながら、移動方向１１１と一列に並んだ前後の動き、移動方向１１１と交差する前後の動き、円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、楕円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、ジグザグの動き、上記の任意の組み合わせ、または任意の他の所望の動きのうちの少なくとも１つを含む、少なくとも１つの方向に、フィラーワイヤ１４０を移動させることが可能である。いくつかの実施形態では、フィラーワイヤ１４０のオフセットＤの設定および／または調節は、少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤ１４０の移動と同期させることが可能である。他の実施形態では、フィラーワイヤ１４０のオフセットＤの設定および／または調節は、少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤ１４０の移動とは独立している。
【００３７】
当然ながら、いくつかの実施形態では、２つ以上のフィラーワイヤが、そのオフセットＤを手動で、および／または自動的に所望の値に適合させることが可能である。それぞれのオフセットＤは、すべて同じ場合もあれば、すべて互いに異なっている場合もあり、あるいは、フィラーワイヤの数に基づいて、同じオフセットと異なるオフセットを組み合わせることも可能である。例えば、第１のフィラーワイヤを制御して、平均して、第１のフィラーワイヤに変位がないように、すなわち、中心長手方向軸２１５に対して一列に並ぶようにする一方で、第２のフィラーワイヤを制御して、平均して、中心長手方向軸２１５に対してオフセットＤがあるようにすることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、２つ以上のフィラーワイヤを使用する場合には、１つまたは複数のフィラーワイヤの角度α、および／またはオフセットＤを調節することが可能である一方で、残りのフィラーワイヤの角度α、および／またはオフセットＤは、所定の値に維持される。いくつかの実施形態では、高強度エネルギー源またはフィラーワイヤを単に移動方向１１１に移動させながら、少なくとも１つの方向であって、移動方向１１１と一列に並んだ前後の動き、移動方向１１１と交差する前後の動き、円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、楕円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、ジグザグの動き、上記の任意の組み合わせ、または任意の他の所望の動きのうちの少なくとも１つである、少なくとも１つの方向に、残りの高強度エネルギー源またはフィラーワイヤを移動させるように、システム１００を構成することが可能である。いくつかの実施形態では、フィラーワイヤ１４０のオフセットＤおよび／または角度αの設定、および／または調節は、それぞれの少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤ１４０および／または熱源の移動と同期させることが可能である。他の実施形態では、フィラーワイヤ１４０のオフセットＤおよび／または角度αの設定、および／または調節は、それぞれの少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤ１４０および／または熱源の移動とは独立している。
【００３９】
加えて、２つ以上のフィラーワイヤを使用するいくつかの実施形態では、少なくとも１つのフィラーワイヤのワイヤ送給速度が、残りのフィラーワイヤのワイヤ送給速度とは異なる場合がある。したがって、２つ以上のフィラーワイヤを使用する場合、角度α、オフセットＤ、および／または少なくとも１つのフィラーワイヤのワイヤ送給速度は、残りのフィラーワイヤの角度α、オフセットＤ、および／またはワイヤ送給速度とはそれぞれ異なる場合がある。異なる角度α、オフセットＤ、および／またはワイヤ送給速度を用いることによって、溶接パドル１４５の化学的性質、および／または溶接ビードのプロファイルは、例えば、継手の種類に基づいて、所望の通りに修正することができる。いくつかの実施形態では、ワイヤ送給速度の制御は、フィラーワイヤの角度α、および／もしくはオフセットＤと同期させることが可能であり、かつ／または、それぞれの少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤおよび／もしくは熱源の移動と同期させることが可能である。他の実施形態では、ワイヤ送給速度の制御は、角度α、オフセットＤ、および／または、それぞれの少なくとも１つの方向へのフィラーワイヤおよび／または熱源の移動とは独立している。
【００４０】
いくつかの例示的な実施形態では、溶接継手の種類によっては、熱源およびフィラーワイヤが移動方向１１１に移動するにつれて、熱源および／または１つまたは複数のフィラーワイヤが、織りパターンで移動する。織りパターンは、熱源および／または少なくとも１つのフィラーワイヤを、所定のパターンで溶接溝の中を移動させる。例えば、図６に示されるように、熱源、例えば、ビーム１１０は、溶接が移動方向１１１に進行する間、溶接継手２３０の一方の側壁２３０Ａから、溶接継手２３０のもう一方の側壁２３０Ｂまで（またはクラッディング作業を行う場合には、一方の外側クラッド端部からもう一方側まで）延在する、織りパターン２２５で移動させることができる。熱源の代わりに、または熱源に加えて、少なくとも１つのフィラーワイヤ、例えば、フィラーワイヤ１４０を制御して、それぞれの織りパターンを辿るようにすることもまた可能である。図６の実施形態では、織りパターン２２５は、三角波型で、一方の側壁２３０Ａからもう一方の側壁２３０Ｂまで延在している。当然ながら、織りパターン２２５は例示的なものであり、織りパターンは、一方の側壁または外側クラッド端部からもう一方側まで完全に延在する必要はない。すなわち、織りパターンは、一方の側壁／外側クラッド端部の手前で止めることも、両方の側壁／端部の手前で止めることもできる。加えて、織りパターンの種類は、正弦波型、三角波型、正方形弁型、それらの任意の組み合わせ、または他の何らかの所望のパターンとすることができる。織りパターンの振幅は、溶接溝のギャップ、および／または、溶接ビードまたはクラッドビードの所望のプロファイルによって決まることになる。例えば、大きな溶接継手のギャップをカバーするために、および／または、より平坦度が高い溶接ビードまたはクラッドビードを提供するために、振幅を大きくしてもよい。織りパターンの頻度数は、走査速度を決定し、ひいては、溶接パドル上の任意の所定の点における熱源および／またはフィラーワイヤと、溶接パドルとの間の相互作用時間を決定する。概して、頻度数を増やすことは、熱源および／またはフィラーワイヤと、溶接パドルとの間の相互作用時間が短くなる（すなわち、熱源から溶接パドルに伝達される熱量が少なくなり、かつ／または、所与のワイヤ送給速度の任意の所定の点において、フィラーワイヤから溶着されるフィラー材料が少なくなる）ことを意味し、また、頻度数を減らすことは、熱源および／またはフィラーワイヤと、溶接パドルとの間の相互作用時間が長くなる（すなわち、熱源から溶接パドルに伝達される熱量が多くなり、かつ／または、所与のワイヤ送給速度の任意の所定の点において、フィラーワイヤから溶着されるフィラー材料が多くなること）ことを意味する。加えて、織りパターンは、織りパターン経路上の１つまたは複数の位置に滞留時間を含むことができ、滞留時間では、所定の時間の間、熱源および／またはフィラーワイヤの走査速度が所定の速度に減速するか、または一時停止する。例えば、熱源および／またはフィラーワイヤの走査は、側壁に沿ってより良好な溶接を形成するために、溶接溝の側壁で減速または一時停止して、溶接への入熱を増加させ、かつ／または、溶着されるフィラー材料の量を増加させることができる。クラッディング作業を行う場合、より平坦度が高いクラッドビードを提供し、かつ／または、クラッド層のプロファイルを変更するために、クラッド層の外側の端部で、熱源および／またはフィラーワイヤの走査を減速または一時停止して、クラッド層への入熱を増加させ、かつ／または、溶着されるフィラー材料の量を増加させることができる。
【００４１】
いくつかの例示的な実施形態では、フィラーワイヤおよび／または熱源のそれぞれの少なくとも１つの方向への移動は、それぞれの織りパターンと重ね合わせることができる。すなわち、熱源および／またはフィラーワイヤを走査して、上記で説明したような織りパターンを実行しながら、熱源および／またはフィラーワイヤが、必要に応じて、移動方向１１１と一列に並んだ前後の動き、移動方向１１１と交差する前後の動き、円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、楕円形の動き（時計回りまたは反時計回り）、ジグザグの動き、上記の任意の組み合わせ、または任意の他の所望の動きのうちの少なくとも１つで、それぞれ移動されている。熱源および／またはフィラーワイヤの織りパターンと、それぞれの少なくとも１つの方向の動きとの組み合わせにより、溶融パドルによって形成される溶接ビード／クラッドビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得る際の柔軟性が増す。いくつかの実施形態では、フィラーワイヤおよび／または熱源の織りパターンの制御は、フィラーワイヤの角度α、および／もしくはオフセットＤと同期させることが可能であり、かつ／または、フィラーワイヤおよび／もしくは熱源のそれぞれの少なくとも１つの方向への移動と同期させることが可能である。他の実施形態では、織りパターンの制御は、角度α、オフセットＤ、および／または、フィラーワイヤおよび／または熱源のそれぞれの少なくとも１つの方向への移動とは独立している。
【００４２】
いくつかの実施形態では、感知および制御ユニット１９５は、溶接ビードＷＢのプロファイル、溶融パドル１４５のプロファイル、溶接シームのプロファイル、および／または、ワークピースのプロファイルに関するフィードバックを制御ユニット１９５に提供するセンサ（図示せず）を含む。フィードバックに基づいて、制御ユニット１９５は、少なくとも１つのフィラーワイヤおよび／または熱源の角度α、オフセットＤ、溶接作業の織りパターン、ワイヤ送給速度、それぞれの少なくとも１つの方向への移動、またはそれらの任意の組み合わせを動的に変更して、溶融パドルによって形成される溶接ビードまたはクラッドビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得ることができる。溶接パドル、溶接ビード、溶接継手および／またはワークピースのプロファイルのフィードバックを提供するセンサ、例えば、シームトラッキングセンサなどは、当技術分野では既知であり、したがって詳細には説明しない。いくつかの実施形態では、センサ、例えば、シームトラッキングセンサは、溶接システムが移動方向に移動する際に、溶接継手のギャップ、溶接継手の厚さおよび／または方向付けに関するフィードバックを制御ユニット１９５に提供し、制御ユニット１９５は、溶接作業の角度α、オフセットＤ、溶接作業の織りパターン、少なくとも１つのフィラーワイヤおよび／または熱源の、ワイヤ送給速度、少なくとも１つの方向への移動、またはそれらの任意の組み合わせを動的に変更して、溶融パドルによって形成される溶接ビードまたはクラッドビードの所望の形状、プロファイル、高さ、サイズ、または混合を得ることができる。例えば、シームトラッキングセンサからのフィードバックが、溶接ギャップが広がっていることを示す場合には、感知および制御ユニット１９５は、同期して、または独立してのいずれかで、以下のうちの１つまたは複数を実行するように構成することができる。すなわち、それらは、織りパターンを増やして、溶接パドル１４５がギャップを確実にカバーするようにすること、フィラーワイヤおよび／または熱源の少なくとも１つの方向への移動を調節して、溶接パドルがギャップを確実にカバーするようにすること、フィラーワイヤのワイヤ送給速度を増して、ギャップに加えられるフィラー材料が確実に多くなるようにすること、移動速度を落として、ギャップが確実にカバーされるようにすること、熱源の強度を減らして、吹き抜けがないようにすること、角度αを小さくして、フィラーワイヤの溶け込みが深くならないようにすること、および／または、必要に応じてオフセットＤを調節すること、である。逆に、センサのフィードバックが、ギャップが減少したことを示す場合には、感知および制御ユニット１９５は、同期して、または独立してのいずれかで、以下のうちの１つまたは複数を実行するように構成することができる。すなわち、それらは、織りパターンを減らして、溶接パドル１４５がギャップを越えないようにすること、フィラーワイヤおよび／または熱源の少なくとも１つの方向への移動を調節すること、フィラーワイヤのワイヤ送給速度を落として、ギャップに加えられるフィラー材料が確実に少なくなるようにすること、移動速度を増して、ギャップに加えられるフィラー材料が確実に少なくなるようにすること、熱源の強度を増やし、溶接パドルがそこで確実に適切な深さにあるようにすること、角度αを大きくして、フィラーワイヤの溶け込みが確実に適切であるようにすること、および／または、必要に応じてオフセットＤを調節すること、である。シームトラッキングセンサは、当技術分野では既知であり、したがって、詳細には説明しない。
【００４３】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明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、ならびに均等物に置き換え得ることがわかる。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正を行なって、特定の状況または材料を、本発明の教示に適合させることができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むことを意図している。
【符号の説明】
【００４４】
１００  システム
１１０  レーザビーム
１１１  移動方向
１１５  ワークピース
１２０  レーザデバイス
１３０  レーザ電源
１４０  フィラーワイヤ
１４０’  第２のフィラーワイヤ
１４５  溶接パドル
１５０  フィラーワイヤ送給装置
１６０  コンタクトチップ
１７０  ワイヤ電源
１９５  感知および制御ユニット
２１０  ロボットアーム
２１５  中心長手方向軸
２２０  点
２２５  織りパターン
２３０  溶接継手
２３０Ａ  側壁
２３０Ｂ  側壁
１７１０  モータ
１７２０  光学駆動ユニット
１７３０  フィラーワイヤモータ
Ｄ  オフセット
ＷＢ  溶接ビード
Ｘ  点
α  垂直角度
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【外国語明細書】
2019018246000001.pdf