(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接システムを提供する。【解決手段】溶接システム１００はクラッド層を有するワークピース１１５の狭い継手のルートパスの間に溶融池を形成する少なくとも１つの高強度エネルギー源を含む。当該システム１００は溶接ランプアウトプロセスを制御するコントローラも含み、前記コントローラは、前記溶融池が既存のルートパス溶接部の開始点に進むのにつれて、前記少なくとも１つの高強度エネルギー源のエネルギー出力を下げること及び前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間を減らすことのうちの少なくとも１つが行われるように制御する。ルートパスの完了後、既存のルートパス溶接部の開始点にあるか又は付近にある領域内のルートパス溶接部の厚さは、該ルートパス溶接部の残りの部分の呼びルートパス厚さの１００％〜１３０％の範囲内にある。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
溶接システムであって、
クラッド層を有するワークピースの狭い継手のルートパスの間に溶融池を形成する少なくとも１つの高強度エネルギー源と、
前記溶融池にフィラーワイヤを前進させるワイヤ送給装置と、
前記フィラーワイヤが前記溶融池と接触している場合に前記フィラーワイヤを加熱するためにフィラーワイヤ加熱信号を提供するフィラーワイヤ電源と、
溶接ランプアウトプロセスを制御するコントローラと、
を含み、
前記コントローラは、前記溶融池が既存のルートパス溶接部の開始点に進むのにつれて、
前記少なくとも１つの高強度エネルギー源のエネルギー出力を下げること及び前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間を減らすことのうちの少なくとも１つが行われるように前記少なくとも１つの高強度エネルギー源を制御し、
ワイヤ送給速度を落とすこと及び前記フィラーワイヤの前進を止めることのうちの１つが行われるよう前記ワイヤ送給装置を制御し、
前記フィラーワイヤ加熱信号の出力レベルを下げること及び前記フィラーワイヤへの前記フィラーワイヤ加熱信号を止めることのうちの１つが行われるように前記フィラーワイヤ電源を制御し、
前記溶接ランプアウトプロセスは、前記ルートパスの完了後に、前記既存のルートパス溶接部の開始点にあるか又は付近にある領域内のルートパス溶接部の厚さが、該ルートパス溶接部の残りの部分の呼びルートパス厚さの１００％〜１３０％の範囲内になるように制御される、溶接システム。
【請求項２】
前記ワークピースはパイプであり、前記狭い継手は該パイプの外周の周りに配置され、前記クラッド層は前記パイプの内面に配置されている、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記クラッド層の厚さの範囲は０．６０インチ〜０．３７５インチであり、前記呼びルートパス厚さは、前記クラッド層の厚さの１００％〜２００％の範囲内にある、請求項１又は２に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記領域は、前記パイプの中心に対して前記開始点の±５°の範囲内にある、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの高強度エネルギー源は、前記溶融池を形成するためにレーザービームを提供するレーザー電源を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記コントローラ及び／又は前記制御ユニットは、前記レーザービームの幾何学中心が、前記パイプの中心に対して前記開始点の±０．５°〜５°の範囲内、とりわけ前記パイプの中心に対して前記開始点の±０．５〜２°の範囲内にある場合に前記溶接ランプアウトプロセスを開始する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記ルートパス溶接部の残りの部分の間の前記レーザービームのエネルギー密度の２５％〜７５％内になるように前記レーザービームのエネルギー密度を下げることによって前記レーザー電源のエネルギー出力が下げられ、及び／又は
前記ルートパス溶接部の残りの部分の間の前記レーザービームのエネルギー密度の５０％〜７５％の範囲内になるように前記レーザービームのエネルギー密度が下げられる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記レーザービームの移動速度を上げることにより、前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間が減らされる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項９】
前記溶接ランプアウトプロセスは、前記パイプの中心に対して前記開始点を０．０°〜３０°過ぎて停止し、とりわけ前記溶接ランプアウトプロセスは、前記パイプの中心に対して前記開始点を５°〜１５°過ぎて停止する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の溶接システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年３月７日に出願された米国仮出願第６１／９４９４２２号の優先権を主張する。該出願は参照により本願に全体的に組み込まれる。
【０００２】
本考案は、請求項１に記載の溶接システムに関する。特定の実施形態は、フィラーワイヤ肉盛（overlaying）施工に加えて、溶接及び接合施工に関する。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、上盛り（building  up）、充填、表面硬化肉盛、接合及び溶接の施工うちのいずれかのために、フィラーワイヤ送給とエネルギー源とを組み合わせたシステムを始動及び使用するシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
従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）フィラーワイヤ法）は、従来のアーク溶接単独の場合よりも高い堆積速度及び溶接速度を提供する。トーチに先行するフィラーワイヤは別の電源によって抵抗加熱される。ワイヤはコンタクトチップを通じてワークピースの方に供給され、コンタクトチップを越えて延びる。その延伸部分は、溶融池に達すると抵抗加熱され得る。ワークピースを加熱溶融して溶融池を形成するのにタングステン電極が用いられ得る。電源は、フィラーワイヤを抵抗溶融するのに必要なエネルギーの大半を提供する。ワイヤ送給装置がスリップするか又はぐらつき、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る場合が時としてある。そのようなアークの余分な、熱は溶け落ち、スパッタ及び表面品質の悪化を引き起こることがある。そのようなアーク発生のリスクは、ワイヤが最初に小さな点でワークピースと接触するプロセスの開始時においてより大きい。ワイヤ内の初期電流が高すぎると、係る点が燃え尽きアークの発生を引き起こし得る。また、既知のシステムでアルミニウムをスチールに接合するのは非常に困難である。
【０００４】
本願の残りの部分に記載の本考案の実施形態と、従来のアプローチ、既存のアプローチ及び既に提案されているアプローチとを図面を参照しながら比較することにより、それらのアプローチのさらなる限界やデメリットが当業者に明らかになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４８６６２４７号明細書
【特許文献２】米国特許第５１４８００１号明細書
【特許文献３】米国特許第６０５１８１０号明細書
【特許文献４】米国特許第７１０９４３９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／００９６３７３号明細書
【考案の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の限界及び欠点を解消するために、請求項１に記載のシステムを説明する。本考案のさらなる実施形態はサブクレームの主題である。本考案の実施形態は、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を始動及び使用するシステム及び方法を含む。本考案の第１の実施形態は、ろう付け、クラッディング、上盛、充填、表面硬化肉盛、溶接及び接合の施工のうちのいずれかのためにワイヤ送給とエネルギー源とを組み合わせたシステムを始動及び使用する方法を含む。当該方法は、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤとワークピースとの間に電源を通じて検知電圧を印加するステップと、該少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤの遠位端を該ワークピースの方に進めるステップとを含む。当該方法は、前記少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤが前記ワークピースに最初に接触したときにそれを検知するステップをさらに含む。当該方法は、前記検知に応えて、前記少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤへの電源を所定の期間に亘ってオフにするステップも含む。当該方法は、前記所定の期間の最後に前記電源をオンにして前記少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤを通る加熱電流の流れを印加するステップをさらに含む。当該方法は、少なくとも前記加熱電流の流れを印加しながら、高強度エネルギー源からのエネルギーを前記ワークピースに印加して前記ワークピースを加熱するステップも含む。高強度エネルギー源はレーザー装置、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、ガス金属アーク溶接（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アーク溶接（ＳＡＷ）装置のうちの少なくとも１つを含み得る。本考案の方法は、アルミニウムとスチールとの接合等の異種材料の接合にも用いることができる。
【０００７】
別の例示の実施形態では、溶接システムはクラッド層を有するワークピースの狭い継手のルートパスの間に溶融池を形成する少なくとも１つの高強度エネルギー源を含む。当該システムは前記溶融池にフィラーワイヤを前進させるワイヤ送給装置を含む。フィラーワイヤ電源は前記フィラーワイヤが前記溶融池と接触している場合に前記フィラーワイヤを加熱するためにフィラーワイヤ加熱信号を提供する。当該システムは溶接ランプアウトプロセスを制御するコントローラも含む。前記コントローラは、前記溶融池が既存のルートパス溶接部の開始点に進むのにつれて、前記少なくとも１つの高強度エネルギー源のエネルギー出力を下げること及び前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間を減らすことのうちの少なくとも１つが行われるように前記少なくとも１つの高強度エネルギー源を制御する。前記コントローラは、ワイヤ送給速度を落とすか又は前記フィラーワイヤの前進を止めるかのいずれかが行われるように前記ワイヤ送給装置を制御する。前記コントローラはさらに、前記フィラーワイヤ加熱信号の出力レベルを下げるか又は前記フィラーワイヤへの前記フィラーワイヤ加熱信号を止めるかのいずれかが行われるように前記フィラーワイヤ電源を制御する。それに加えて、前記溶接ランプアウトプロセスは、前記ルートパスの完了後に、前記既存のルートパス溶接部の開始点にあるか又は付近にある領域内のルートパス溶接部の厚さが、該ルートパス溶接部の残りの部分の呼びルートパス厚さの１００％〜１３０％の範囲内にあるように制御される。
【０００８】
別の例示の実施形態では、溶接方法は、少なくとも１つの高強度エネルギー源を用いて溶融池を形成するステップと、クラッド層を有するワークピースの狭い継手上にルートパスを溶接するステップとを含む。当該方法は、フィラーワイヤを前記溶融池に前進させるステップ及び前記フィラーワイヤが前記溶融池に接触している場合に前記フィラーワイヤを加熱するステップも含む。当該方法は、前記溶融池が既存のルートパス溶接部の開始点に進むのにつれて溶接ランプアウトプロセスを制御するステップをさらに含む。溶接ランプアウトプロセスの制御は、前記少なくとも１つの高強度エネルギー源のエネルギー出力を下げること及び前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間を減らすことのうちの少なくとも１つを含む。前記制御は、前記フィラーワイヤのワイヤ送給速度を落とすこと又は前記フィラーワイヤの前進を止めることのいずれかも含む。前記制御は前記フィラーワイヤ加熱信号の出力レベルを下げること又は前記フィラーワイヤの加熱を止めることのいずれかを含む。それに加えて、前記溶接ランプアウトプロセスは、前記ルートパスの完了後に、前記既存のルートパス溶接部の開始点にあるか又は付近にある領域内のルートパス溶接部の厚さが、該ルートパス溶接部の残りの部分の呼びルートパス厚さの１００％〜１３０％の範囲内にあるように制御される。
【０００９】
本考案のこれらの及び他の特徴並びに本考案の例示の実施形態及びさらなる実施形態の詳細は、下記の説明、実用新案登録請求の範囲及び図面からより一層理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付の図面を参照しながら本考案の例示の実施形態を詳細に説明することで、本考案の上記の及び／又は他の態様が一層明らかになる。
【図１】図１は、ろう付け、クラッディング、上盛、充填及び表面硬化肉盛の施工のうち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とを組み合わせたシステムの例示の実施形態の概略機能ブロック図を示す。
【図２】図２は、図１のシステムによって用いられる始動方法の実施形態のフローチャートを示す。
【図３】図３は、図１のシステムによって用いられる始動後の方法の実施形態のフローチャートを示す。
【図４】図４は、図３の始動後の方法に関連する一対の電圧波形及び電流波形の第１の例示の実施形態を示す。
【図５】図５は、図３の始動後の方法に関連する一対の電圧波形及び電流波形の第２の例示の実施形態を示す。
【図６】図６は、溶接作業を行うのに用いられる本考案のさらなる例示の実施形態を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、溶接作業を行うのに用いられる本考案のさらなる例示の実施形態を示す。
【図７】図７は、本考案を用いた溶接の追加の例示の実施形態を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、本考案を用いた溶接の追加の例示の実施形態を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本考案を用いた溶接の追加の例示の実施形態を示す。
【図８】図８は、継手の２つの側部を同時に接合するさらなる例示の実施形態を示す。
【図９】図９は、本考案を用いた溶接の別の例示の実施形態を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、複数のレーザー及びワイヤを用いて継手を溶接する場合の本考案の別の例示の実施形態を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本考案の例示の実施形態に係る、アルミニウムとスチールとの溶接継手を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本考案の例示の実施形態に係る、アルミニウムとスチールとの溶接継手を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本考案の実施形態で用いられるコンタクトチップの例示の実施形態を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本考案の実施形態で用いられるコンタクトチップの例示の実施形態を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本考案の実施形態で用いられるコンタクトチップの例示の実施形態を示す。
【図１２】図１２は、本考案の一実施形態に係るホットワイヤ電源システムを示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本考案の例示の実施形態によって生成された電圧波形及び電流波形を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本考案の例示の実施形態によって生成された電圧波形及び電流波形を示す。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本考案の例示の実施形態によって生成された電圧波形及び電流波形を示す。
【図１４】図１４は、本考案の例示の実施形態に係る別の溶接システムを示す。
【図１５】図１５は、本考案の一実施形態により形成された溶融池の例示の実施形態を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本考案の実施形態に係る溶融池及びレーザービームの利用の例示の実施形態を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本考案の実施形態に係る溶融池及びレーザービームの利用の例示の実施形態を示す。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本考案の実施形態に係る溶融池及びレーザービームの利用の例示の実施形態を示す。
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、本考案の実施形態に係る溶融池及びレーザービームの利用の例示の実施形態を示す。
【図１６Ｆ】図１６Ａは、本考案の実施形態に係る溶融池及びレーザービームの利用の例示の実施形態を示す。
【図１７】図１７は、本考案の別の例示の実施形態に係る溶接システムを示す。
【図１８】図１８は、本考案の実施形態で用いることが可能なランプダウン回路の例示の実施形態を示す。
【図１９】図１９は、本考案に係るヒューム排出ノズルの例示の実施形態を示す。
【図２０】図２０は、本考案のさらなる溶接システムの例示の実施形態を示す。
【図２１】図２１は、本考案の実施形態に係る溶接作業の例示の実施形態を示す。
【図２２Ａ】図２１Ａは、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の実施形態を示す。
【図２２Ｂ】図２１Ｂは、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の実施形態を示す。
【図２２Ｃ】図２１Ｃは、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の実施形態を示す。
【図２３】図２３は、本考案の一実施形態に係る別の溶接作業の例示の実施形態を示す。
【図２４】図２４は、本考案の実施形態で用いることが可能な電流波形の別の例示の実施形態を示す。
【図２５】図２５は、本考案の実施形態で用いることが可能な別の溶接作業の例示の実施形態を示す。
【図２５Ａ】図２５Ａは、図２５に示す実施形態で用いることが可能な電流波形の例示の実施形態を示す。
【図２６】図２６は、サイドバイサイドアーク溶接作業を用いるさらなる溶接作業の例示の実施形態を示す。
【図２７】図２７は、本考案の追加の溶接作業の例示の実施形態を示す。
【図２８】図２８は、磁気誘導を利用する本考案の溶接作業の追加の例示の実施形態を示す。
【図２９】図２９は、本考案の例示の実施形態を用いた、クラッド層を有するワークピースにおけるルートパスの形成を示す。
【図３０】図３０は、本考案の例示の実施形態を用いた、クラッド層を有するワークピースにおけるルートパスの形成を示す。
【図３１】図３１は、本考案の例示の実施形態を用いた、クラッド層を有するワークピースにおけるルートパスの形成を示す。
【図３２】図３２は、本考案の例示の実施形態を用いた、図３１に示すルートパスの例示の完成を示す。
【図３３】図３３は、本考案の例示の実施形態を用いた、図３１に示すルートパスの例示の完成を示す。
【考案を実施するための形態】
【００１１】
本明細書では「肉盛（overlaying）」という用語を広い意味で使用し、ろう付け、クラッディング、上盛、充填及び表面硬化を含む任意の施工を意味し得る。例えば、「ろう付け」施工では、キャピラリー作用を用いて金属フィラーが継手のぴったりと合った面の間で広げられる。それに対して、「ブレイズ溶接」施工では、金属フィラーは間隙内に流れ込まされる。しかしながら、本明細書で用いるように、双方の方法は広く肉盛施工と呼ばれる。
【００１２】
図１は、ろう付け、クラッディング、上盛、充填、表面硬化肉盛及び接合／溶接施工のうち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の例示の実施形態の概略機能ブロック図を示す。システム１００は、ワークピース１１５にレーザービーム１１０を集束させてワークピース１１５を加熱することが可能なレーザーサブシステムを含む。レーザーサブシステムは高強度エネルギー源である。レーザーサブシステムは任意の種類の高エネルギーレーザー源であってよく、限定されないが炭酸ガスレーザーシステム、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーシステム、Ｙｂディスクレーザーシステム、ＹＢファイバーレーザーシステム、ファイバー伝送レーザーシステム又はダイレクトダイオードレーザーシステムであり得る。また、十分なエネルギーがあれば、白色レーザー又は石英レーザー型のシステムも用いることができる。上記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、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ーシステム、ビーム及び電源に繰り返し言及するが、任意の高強度エネルギー源を用いてもよいため、係る言及は例示に過ぎないことが分かる。例えば、高強度エネルギー源は少なくとも５００Ｗ／ｃｍ２を提供できる。レーザーサブシステムはレーザー装置１２０及びレーザー電源１３０を含み、レーザー装置１２０とレーザー電源１３０とは互いに作動的に接続されている。レーザー電源１３０はレーザー装置１２０を動作させるためにレーザー装置１２０に電力を供給する。
【００１３】
システム１００は、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ（resistive  filler  wire）１４０を提供し、レーザービーム１１０の近傍で該フィラーワイヤをワークピース１１５に接触させることが可能なホットフィラーワイヤ（hot  filler  wire）送給装置サブシステムも含む。当然ながら、本明細書におけるワークピース１１５を参照して、溶融池はワークピース１１５の一部であると考えられるため、ワークピース１１５との接触への言及は溶融池との接触を含むことが分かる。ホット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、コンタクトチップ１６０及びホットワイヤ電源１７０を含む。動作中、レーザービーム１１０に先行するフィラーワイヤ１４０は、コンタクトチップ１６０とワークピース１１５との間に作動的に接続されたホットワイヤ溶接電源１７０からの電流により抵抗加熱される。本考案の一実施形態によれば、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同様に可能である。ワイヤ１４０は、コンタクトチップ１６０を通じてフィラーワイヤ送給装置１５０からワークピース１１５の方に供給され、コンタクトチップ１６０を越えて延びる。ワイヤ１４０の延伸部分は、ワークピース上の溶融池に接触する前に該延伸部分が融点に近づくか又は達するように抵抗加熱される。レーザービーム１１０は、ワークピース１１５の母材の一部を溶融して溶融池を形成し、また、ワークピース１１５上でワイヤ１４０を溶融させる役割を果たす。電源１７０は、フィラーワイヤ１４０を抵抗溶融するのに必要なエネルギーの大半を提供する。本考案の他の特定の実施形態によれば、送給装置サブシステムは１つ以上のワイヤを同時に提供することが可能であり得る。例えば、ワークピースに表面硬化及び／又は耐腐食性を施すのに第１のワイヤを使用し、ワークピースに構造を付加するのに第２のワイヤを使用してもよい。
【００１４】
システム１００は、レーザービーム１１０（エネルギー源）と抵抗性フィラーワイヤ１４０とが互いに固定関係を維持するようにレーザービーム１１０及び抵抗性フィラーワイヤ１４０をワークピース１１５に沿って（少なくとも相対的な意味で）同じ方向１２５に移動させることが可能なモーションコントロールサブシステムをさらに含む。様々な実施形態によれば、ワークピース１１５とレーザー／ワイヤの組み合わせとの相対動作は、ワークピース１１５を実際に動かすことで又はレーザー装置１２０及びホットワイヤ送給装置サブシステムを動かすことで実現され得る。図１では、モーションコントロールサブシステムは、ロボット１９０に作動的に接続されたモーションコントローラ１８０を含む。モーションコントローラ１８０はロボット１９０の動作を制御する。ロボット１９０はワークピース１１５に作動的に接続されており（例えば機械的に固定されている）、レーザービーム１１０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に沿って効果的に移動するようにワークピース１１５を方向１２５に動かす。本考案の代替的な実施形態によれば、レーザー装置１１０及びコンタクトチップ１６０は１つのヘッドに統合され得る。該ヘッドは、該ヘッドに作動的に接続されたモーションコントロールサブシステムによりワークピース１１５に沿って動かされ得る。
【００１５】
一般に、ワークピースに対して高強度エネルギー源／ホットワイヤを相対的に動かすいくつかの方法がある。例えば、ワークピースが丸い場合、高強度エネルギー源／ホットワイヤを固定し、高強度エネルギー源／ホットワイヤの下でワークピースを回転させてもよい。あるいは、ロボットアーム又はリニアトラクターを丸いワークピースと平行に動かし、ワークピースが回転されたときに、例えば高強度エネルギー源／ホットワイヤを連続的に動ごかすか又は回転毎に一度インデックス（index）させて丸いワークピースの表面を肉盛してもよい。ワークピースが平らであるか又は少なくもとも丸くない場合、ワークピースは図１に示すように高強度エネルギー源／ホットワイヤの下で動かされ得る。しかしながら、高強度エネルギー源／ホットワイヤのヘッドをワークピースに対して相対的に動かすのにロボットアーム若しくはリニアトラクター又はビーム搭載キャリッジを用いてもよい。
【００１６】
システム１００は、検知／電流コントロール（sensing  and  current  control）サブシステム１９５をさらに含む。検知／電流コントロールサブシステム１９５はワークピース１１５及びコンタクトチップ１６０に作動的に接続され（即ち、ホットワイヤ電源１７０の出力に有効に接続されている）、ワークピース１１５とホットワイヤ１４０との電位差（即ち、電圧Ｖ）並びにワークピース１１５及びホットワイヤ１４０を通る電流（Ｉ）を測定することができる。検知／電流コントロールサブシステム１９５はさらに、測定した電圧及び電流から抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）及び／又は電力値（power  value）（Ｐ＝Ｖ×Ｉ）を算出することが可能であってもよい。一般に、ホットワイヤ１４０がワークピース１１５と接触している場合、ホットワイヤ１４０とワークピース１１５との電位差は０ボルトであるか又は極めて０ボルトに近い。その結果、検知／電流コントロールサブシステム１９５は抵抗性フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５と接触している場合にそれを検知することができる。また、本明細書において後でより詳細に説明するように、検知／電流コントロールサブシステム１９５は、係る検知に応えて抵抗性フィラーワイヤ１４０を通る電流の流れを制御することがさらにできるようにホットワイヤ電源１７０に作動的に接続されている。本考案の他の実施形態によれば、検知／電流コントローラ１９５はホットワイヤ電源１７０の一体部分であり得る。
【００１７】
本考案の一実施形態によれば、モーションコントローラ１８０はさらにレーザー電源１３０及び／又は検知／電流コントローラ１９５に作動的に接続されていてもよい。このように、モーションコントローラ１８０及びレーザー電源１３０は、ワークピース１１５が何時移動しているかがレーザー電源１３０に分かるように且つレーザー装置１２０がアクティブかどうかがモーションコントローラ１８０に分かるように互いに通信してもよい。同様に、このような形で、モーションコントローラ１８０及び検知／電流コントローラ１９５は、ワークピース１１５が何時移動しているかが検知／電流コントローラ１９５に分かるように且つホットフィラーワイヤ送給装置サブシステムがアクティブかどうかがモーションコントローラ１８０に分かるように互いに通信してもよい。そのような通信は、システム１００の様々なサブシステム間でのアクテビティを調整するのに用いられ得る。
【００１８】
図２は、図１のシステム１００が用いる始動方法２００の実施形態のフローチャートを示す。ステップ２１０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０とワークピース１１５との間に電源１７０により検知電圧が印加される。検知電圧は、検知／電流コントローラ１９５の命令の下でホットワイヤ電源１７０により印加され得る。さらに、本考案の一実施形態によれば、印加される検知電圧はワイヤ１４０を大幅に加熱するのに十分なエネルギーを提供しない。ステップ２２０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤの遠位端をワークピース１１５の方に前進させる。この前進はワイヤ送給装置１５０によって行われる。ステップ２３０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５と最初に接触したときにそれを検知する。例えば、検知／電流コントローラ１９５は、ホットワイヤ１４０に非常にレベルの低い電流（例えば、３〜５アンペア）を提供するようホットワイヤ電源１７０に命令し得る。そのような検知は、検知／電流コントローラ１９５がフィラーワイヤ１４０（例えばコンタクトチップ１６０を介して）とワークピース１１５との間の約０ボルト（例えば０．４Ｖ）の電位差を測定することにより実現され得る。フィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５に短絡されている場合（即ち、ワークピースと接触している場合）、フィラーワイヤ１４０とワークピース１１５との間に（０ボルトを超える）有意な電圧レベルは存在しない場合がある。
【００１９】
ステップ２４０では、前記検知に応じて、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０に対して電源１７０を所定の期間（例えば、数ミリ秒）オフにする。検知／電流コントローラ１９５はオフになるよう電源１７０に命令し得る。ステップ２５０では、所定の期間の終了時に電源１７０をオンにして、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０に加熱電流の流れを印加する。検知／電流コントローラ１９５はオンになるよう電源１７０に命令し得る。ステップ２６０では、少なくとも加熱電流の流れを印加しながら、高強度エネルギー源１１０からのエネルギーをワークピース１１５に印加してワークピース１１５を加熱する。
【００２０】
オプションとして、方法２００は、前記検知に応じて、ワイヤ１４０の前進を止めることと、所定の期間の終了時にワイヤ１４０の前進を再開すること（即ち再び進めること）と、加熱電流の流れを印加する前に、フィラーワイヤ１４０の遠位端が依然としてワークピース１１５に接触しているかを確認することとを含み得る。検知／電流コントローラ１９５は送給を停止するようワイヤ送給装置１５０に命令し、システム１００に待つ（例えば数ミリ秒）よう命令し得る。そのような実施形態では、検知／電流コントローラ１９５は、ワイヤ送給装置１５０に開始及び停止を命令するためにワイヤ送給装置１５０に作動的に接続されている。検知／電流コントローラ１９５は、ワイヤ１４０を加熱するために加熱電流を印加するように、また、ワークピース１１５の方にワイヤ１４０を再度送給するようにホットワイヤ電源１７０に命令し得る。
【００２１】
始動方法が完了すると、システム１００は動作の始動後モードに突入し得る。このモードでは、ろう付け施工、クラッディング施工、上盛施工、表面硬化施工又は溶接／接合作業のうちの１つを行うために、レーザービーム１１０及びホットワイヤ１４０がワークピース１１５に関連して動かされる。図３は、図１のシステム１００が用いる始動後の方法（post  start-up  method）３００の実施形態のフローチャートを示す。ステップ３１０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５の方に供給されるときに高強度エネルギー源（例えばレーザー装置１２０）からのエネルギー（例えばレーザービーム１１０）及び／又は加熱されたワークピース１１５（即ち、ワークピース１１５はレーザービーム１１０により加熱される）がワークピース１１５上にフィラーワイヤ１４０の遠位端を溶融するよう、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０の遠位端が高強度エネルギー源（例えばレーザー装置１２０）に先行するか又は一致するように、高強度エネルギー源（例えば、レーザー装置１２０）及び少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０をワークピース１５０に沿って動かす。モーションコントローラ１８０は、レーザービーム１１０及びホットワイヤ１４０と関連してワークピース１１５を動かすようロボット１９０に命令する。レーザー電源１３０は、レーザービーム１１０を形成するためにレーザー装置１２０に電源を供給して動作させる。ホットワイヤ電源１７０は、検知／電流コントローラ１９５に命令されることによりホットワイヤ１４０に電流を供給する。
【００２２】
ステップ３２０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０がワークピース１１５との接触を失いそうになる度にそれ検知する（即ち、予測能力の提供）。そのような検知は、検知／電流コントローラ１９５内の予測回路（premonition  circuit）が、フィラーワイヤ１４０とワークピース１５０との間の電位差（ｄｖ／ｄｔ）、抵抗（ｄｒ/ｄｔ）、フィラーワイヤ１４０及びワークピース１５０を通る電流（ｄｒ／ｄｔ）又は電力（ｄｐ/ｄｔ）のうちの１つの変化率（rate  of  change）を測定することで実現され得る。この変化率が所定の値を上回ると、検知／電流コントローラ１９５は接触がまもなく失われると正式に予測する。そのような予測回路はアーク溶接の技術分野では公知である。
【００２３】
ワイヤ１４０の遠位端が加熱により高度に溶融すると、遠位端がワイヤ１４０から千切れてワークピース１１５上に移り始める。例えば、その時の電位差又は電圧は、遠位端が千切られてワイヤの遠位端の断面が急激に減少するため増加する。従って、そのような変化率を測定することで、システム１００はいつ遠位端が千切られてワークピース１１５との接触が失われることになるのかを予測し得る。また、接触が完全に失われた場合、０ボルトよりも大幅に大きい電位差（即ち電圧レベル）が検知／電流コントローラ１９５によって測定され得る。ステップ３３０における措置が取られていないと、この電位差によりワイヤ１４０の新たな遠位端とワークピース１１５との間で（望ましくない）アークの形成が引き起こされ得る。当然ながら、他の実施形態では、ワイヤ１４０ははっきりと千切れるのではなく、ほぼ一定の断面を維持しながら連続的に溶融池に流入する。
【００２４】
ステップ３３０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との接触が失われようとしていることの検知に応じて、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０を通る加熱電流の流れをオフにする（又は少なくとも大幅に、例えば９５％減らす）。接触が失われようとしていることを検知／電流コントローラ１９５が判断すると、コントローラ１９５はホットワイヤ１４０に供給されている電流を止める（又は少なくとも大幅に減らす）ようホットワイヤ電源１７０に命令する。このように、不要なアークの形成が防止され、スパッタ又は溶け落ち等の望ましくない効果の発生が防止される。
【００２５】
ステップ３４０では、ワイヤ１４０がワークピース１１５の方に前進を続けることにより少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５と再度接触する毎に検知を行う。そのような検知は、検知／電流コントローラ１９５がフィラーワイヤ１４０（例えばコンタクトチップ１６０を介して）とワークピース１１５との間の約０ボルトの電位差を測定することで実現され得る。フィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５に短絡されている場合（即ち、ワークピースと接触している場合）、フィラーワイヤ１４０とワークピース１１５との間に０ボルトを超える有意な電圧レベルが存在しない場合がある。本明細書で使用の「再度接触する」という表現は、ワイヤ１４０の遠位端が実際にワークピース１１５から完全に千切れるかどうかに関係なく、ワイヤ１４０がワークピース１１５の方に進み、ワイヤ１４０（例えばコンタクトチップ１６０を介して）とワークピース１１５との間で測定した電圧が約０ボルトである状況を意味する。ステップ３５０では、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤの遠位端がワークピースと再度接触したことの検知に応じて、少なくとも１つの抵抗性フィラーワイヤを通る加熱電流の流れを再び印加する。検知／電流コントローラ１９５は、ワイヤ１４０の加熱を続けるために加熱電流を再度印加するようホットワイヤ電源１７０に命令し得る。このプロセスは肉盛施工の間続けられ得る。
【００２６】
例えば、図４は、図３の始動後の方法３００に関連する一対の電圧波形４１０及び電流波形４２０の第１の例示の実施形態を示す。電圧波形４１０は、検知／電流コントローラ１９５によりコンタクトチップ１６０とワークピース１１５との間で測定される。電流波形４２０は、ワイヤ１４０及びワークピース１１５を介して検知／電流コントローラ１９５により測定される。
【００２７】
抵抗性フィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失いそうになる度に電圧波形４１０の変化率（即ち、ｄｖ/ｄｔ）は所定の閾値を上回り、千切れが発生しそうであることを示す（波形４１０の点４１１における傾斜を参照）。あるいは、それに替えて、千切れが発生しそうであることを示すのにフィラーワイヤ１４０及びワークピース１１５を通る電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）、電力の変化率（ｄｐ／ｄｔ）又はフィラーワイヤ１４０とワークピース１１５との間の抵抗の変化率（ｄｒ/ｄｔ）を用いてもよい。そのような変化率予測技術は当該技術分野で公知である。その時点で、検知／電流コントローラ１９５はワイヤ１４０を通る電流の流れを停止する（又は少なくとも大幅に減らす）ようホットワイヤ電源１７０に命令する。
【００２８】
ある期間４３０の後にフィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５と再度しっかり接触している（例えば、点４１２で電圧レベルが再び約０ボルトに下がる）ことを検知／電流コントローラ１９５が検知すると、検知／電流コントローラ１９５は、抵抗性フィラーワイヤ１４０を通る電流の流れを所定の出力電流レベル４５０の方にランプアップ（ランプ４２５参照）させるようホットワイヤ電源１７０に命令する。本考案の一実施形態によれば、ランプアップは所定の設定値４４０から始まる。このプロセスは、エネルギー源１２０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に対して相対的に移動し、ワイヤ送給装置１５０によりワイヤ１４０がワークピース１１５の方に前進するのに伴って繰り返される。このように、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との接触が概ね維持され、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間でのアークの形成が防止される。加熱電流のランピングは、千切れ状態又はアーク状態が存在していないのにそのような状態として電圧の変化率が誤って解釈されるのを防止するのに役立つ。電流の大きな変化は、加熱回路におけるインダクタンスによって誤った電圧の測定を引き越し得る。電流を徐々に上昇させた場合、インダクタンスの効果が低減される。
【００２９】
図５は、図３の始動後の方法に関連する一対の電圧波形５１０及び電流波形５２０の第２の例示の実施形態を示す。電圧波形５１０は、コンタクトチップ１６０とワークピース１１５との間で検知／電流コントローラ１９５により測定される。電流波形５２０は、ワイヤ１４０及びワークピース１１５を通じて検知／電流コントローラ１９５によって測定される。
【００３０】
抵抗性フィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５との接触を失いそうになる度に電圧波形５１０の変化率（即ち、ｄｖ/ｄｔ）は所定の閾値を上回り、千切れが発生しそうであることを示す（波形５１０の点５１１における傾斜を参照）。あるいは、それに替えて、千切れが発生しそうであることを示すのにフィラーワイヤ１４０及びワークピース１１５を通る電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）、電力の変化率（ｄｐ／ｄｔ）又はフィラーワイヤ１４０とワークピース１１５との間の抵抗の変化率（ｄｒ/ｄｔ）を用いてもよい。そのような変化率予測技術は当該技術分野で公知である。その時点で、検知／電流コントローラ１９５はワイヤ１４０を通る電流の流れを停止する（又は少なくとも大幅に減らす）ようホットワイヤ電源１７０に命令する。
【００３１】
ある期間５３０の後にフィラーワイヤ１４０の遠位端がワークピース１１５と再度しっかり接触している（例えば、点５１２で電圧レベルが再び約０ボルトに下がる）ことを検知／電流コントローラ１９５が検知すると、検知／電流コントローラ１９５は、抵抗性フィラーワイヤ１４０を通る加熱電流の流れを印加するようホットワイヤ電源１７０に命令する。このプロセスは、エネルギー源１２０及びワイヤ１４０がワークピース１１５に対して相対的に移動し、ワイヤ送給装置１５０によりワイヤ１４０がワークピース１１５の方に前進するのに伴って繰り返される。このように、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との接触が概ね維持され、ワイヤ１４０の遠位端とワークピース１１５との間でのアークの形成が防止される。この場合では加熱電流が徐々にランピングされないため、加熱回路におけるインダクタンスにより所定の電圧測定値が不注意又は誤りとして無視され得る。
【００３２】
要約すれば、ろう付け、クラッディング、上盛、充填及び表面硬化肉盛の施工のうちのいずれかのための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を始動及び使用する方法及びシステムが開示される。ワークピースを加熱するために高強度エネルギーがワークピースに印加される。印加される高強度エネルギーの位置又はその直前の位置において１つ以上の抵抗性フィラーワイヤがワークピースの方に供給される。１つ以上の抵抗性フィラーワイヤが印加される高強度エネルギーの位置又はその付近においてワークピースと接触したことを検知することが実現される。１つ以上の抵抗性フィラーワイヤへの加熱電流は、１つ以上の抵抗性フィラーの遠位端がワークピースと接触しているがどうかに基づいて制御される。印加される高強度エネルギー及び１つ以上の抵抗性フィラーワイヤは、互いに固定された関係でワークピースに沿って同じ方向に動かされる。
【００３３】
さらなる例示の実施形態では、本考案のシステム及び方法が溶接又は接合作業に用いられる。前で説明した実施形態では、肉盛作業における金属フィラーの使用に焦点を当てていた。しかしながら、本考案の態様は、金属フィラーを用い、溶接作業を使用してワークピースを接合する溶接及び接合用途に用いることができる。前で説明した実施形態、システム及び方法は金属フィラーを肉盛することに関するものであるが、以下でより詳細に説明する溶接作業で用いられるものと同様である。従って、以下の説明では、特に明記がない限り上記の説明が概ね当てはまることが分かる。また、下記の説明は図１〜図５への参照を含み得る。
【００３４】
溶接／接合作業では、一般に複数のワークピースを溶接作業で接合することが知られており、金属フィラー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。溶接作業における製造スループットを高める要望から、より高速で且つ基準以下の品質の溶接部をもたらさない溶接作業に対する絶えない需要がある。さらに、離れた作業場（remote  work  sites）等の逆境環境条件下で素早く溶接することができるシステムを提供する必要がある。以下で説明するように、本考案の例示の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。そのような利点としては限定されないが、全体的な入熱が少なくワークピースの変形が少ないこと、溶接移動速度が非常に速いこと、スパッタ率（spatter  rate）が非常に低いこと、遮蔽（shielding）なしで溶接できること、スパッタがないか又は少ない状態でめっき材又は被覆材を高速に溶接できること及び複雑な材料を高速に接合できることが挙げられる。
【００３５】
本考案の例示の実施形態では、アーク溶接と比較した場合、被覆ワークピースを用いて非常に速い溶接速度が得ることができる。被覆ワークピースは通常大規模な準備作業を必要とし、アーク溶接法を使用する速度の遅い溶接プロセスである。例えば、下記の説明では亜鉛めっきワークピースの溶接に焦点を当てる。金属の亜鉛めっきは、係る金属の耐腐食性を高めるために用いられ、多くの産業用途においてそれは望ましいものである。しかしながら、従来の亜鉛めっきワークピースの溶接には課題がある。具体的には、溶接の間に亜鉛めっき中の亜鉛が気化し、溶融池が固化するときにこの亜鉛の蒸気が溶融池に閉じ込められて、ポロシティを生じさせる。このポロシティは溶接継手の強度に悪影響を与える。そのため、既存の溶接技術では、亜鉛めっきを取り除くか又はある程度の欠陥を伴って亜鉛めっきを介して遅い処理速度で溶接する第１の工程（これは非効率で遅延を生じさせる）が必要になるか又は溶接プロセスをゆっくり行うことが必要になる。プロセスを減速させることで、溶融池はより長い期間溶融した状態のままとなるため、気化した亜鉛が逃げ出す。しかしながら、速度が遅いために生産速度は遅く、溶接部への全体的な入熱が高くなり得る。同様の問題を引き起こし得る他のコーティングとしては、限定されないが塗料、スタンピング潤滑剤、ガラスライニング、アルミ化コーティング、表面加熱処理、窒化又は炭化処理、クラッディング処理又は他の気化するコーティング又は材料が挙げられる。下記で説明するように、本考案の例示の実施形態はこれらの問題を解消する。
【００３６】
図６及び図６Ａに代表的な重ね溶接継手（lap  joint）を示す。この図面では、２つの被覆（例えば亜鉛めっき）ワークピースＷ１／Ｗ２が重ね溶接で接合される。重ね継手の表面６０１及び６０３に加え、ワークピースＷ１の表面６０５が先ずコーティングで覆われる。一般の溶接作業（例えばＧＭＡＷ）では、被覆面６０５の一部を溶融させる。これは、標準的な溶接作業の溶け込みの一般的な深さが原因である。表面６０５が溶融されるため、表面６０５のコーティングが気化するが、表面６０５から溶融池の表面までの距離が大きいために溶融池が固化するときにガスが閉じ込められ得る。本考案の実施形態を用いればこの問題は起こらない。
【００３７】
図６及び図６Ａに示すように、レーザービーム１１０がレーザー装置１２０から溶接継手、具体的には表面６０１及び６０３に向けられている。レーザービーム１１０は、溶接表面の一部を溶融して、一般的な溶融池を形成する溶融池６０１Ａ及び６０３Ａを形成するエネルギー密度のものである。また、（前で説明したように抵抗加熱される）フィラーワイヤ１４０は、溶接ビードに必要な充填材を提供するために溶融池に向けられる。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融池と接触し、溶融池内に突入する。これは、本プロセスではフィラーワイヤ１４０を移動するのに溶接アークを用いるのでなく、単にフィラーワイヤを溶融池内で溶融させるからである。
【００３８】
フィラーワイヤ１４０はその融点に又はその融点近くに予め加熱されるため、それが溶融池内に存在しても溶融池を大幅に冷却又は固化することはなく、溶融池内で素早く消費される（consumed）。フィラーワイヤ１４０の一般的な動作及び制御は肉盛の実施形態との関連で前に説明したものと同じである。
【００３９】
レーザービーム１１０を正確に集束させて表面６０１／６０３に向けることができるため、溶融池６０１Ａ／６０３Ａのための溶け込みの深さを正確に制御することができる。この深さを慎重に制御することで、本考案の実施形態は表面６０５の不必要な溶け込み又は溶融を防止する。表面６０５があからさまに溶解されないため、表面６０５のコーティングは気化せず溶融池に閉じ込められない。また、溶接継手６０１及び６０３の表面のコーティングはレーザービーム１１０により容易に気化され、溶融池が固化する前に溶接領域からそのガスを逃がすことができる。ガス排出システムを用いて気化したコーティング材料を取り除くのに役立てることが考えられる。
【００４０】
溶融池の溶け込みの深さを正確に制御することができるため、ポロシティを最小限に抑えるか又は解消しながら、被覆ワークピースの溶接速度を大幅に高めることができる。一部のアーク溶接システムでは、溶接のために優れた移動速度を得ることができるが、高速域ではポロシティやスパッタ等の問題が生じ得る。本考案の例示の実施形態では、（本明細書で説明するように）ポロシティ若しくはスパッタがないか又は少ない状態で非常に速い移動速度を実現でき、実際に、多くの様々な種類の溶接作業のために５０インチ／分を上回る移動速度を容易に実現できる。本考案の実施形態では、８０インチ／分を上回る溶接移動速度を実現できる。また、他の実施形態では、本明細書で説明するようにポロシティ又はスパッタがないか又は最小限に抑えられた状態で１００〜１５０インチ／分の移動速度を実現できる。当然ながら、得られる速度はワークピースの特性（厚さ及び組成）及びワイヤの特性（例えば直径）の関数であるが、これらの速度は、本考案の実施形態を用いた場合に多くの様々な溶接及び接合用途で容易に得ることができる。また、これらの速度は、二酸化炭素１００％のシールドガスを用いて実現されるか又は遮蔽を全く用いずに実現することができる。それに加えて、これらの移動速度は、溶融池の形成及び溶接の前に表面コーティングを何ら除去することなく実現できる。当然ながら、より速い移動速度が実現できることが考えられる。さらに、溶接部への入熱が少ないため、これらの高い速度は、より薄いワークピース１１５においても実現できる。一般に、より薄いワークピース１１５では変形を避けるために入熱を小さく維持しなければならないため、溶接速度が通常遅い。本考案の実施形態は、ポロシティ又はスパッタがないか又は少ない状態で上記の速い移動速度を実現できるだけでなく、少ない混合で非常に高い堆積速度を実現することもできる。具体的には、本考案の実施形態は、シールドガスを用いず且つポロシティ又はスパッタがないか若しくは少ない状態で１０ｌｂ／時の堆積速度を実現できる。一部の実施形態では、堆積速度は１０〜２０ｌｂ／時である。
【００４１】
本考案の例示の実施形態では、ポロシティ及びスパッタがないか又は少ない状態でこれらの非常に速い移動速度が実現される。溶接部のポロシティは、ポロシティ率を特定するために溶接ビードの断面及び／又は長さを観察することにより求めることができる。断面ポロシティ率は、所定の断面におけるポロシティの全面積の、その点における溶接継手の全断面積に対する割合である。長さポロシティ率は、溶接継手の所定の単位長さにおける空隙の累積した全長である。本考案の実施形態は、断面ポロシティが０〜２０％の状態で上記の移動速度を得ることができる。そのため、気泡又は空隙のない溶接ビードのポロシティは０％である。他の例示の実施形態では、断面ポロシティは０〜１０％であり、別の例示の実施形態では２〜５％であり得る。一部の溶接用途では、ある程度のポロシティが許容される。また、本考案の例示の実施形態では、溶接部の長さポロシティは０〜２０％であり、０〜１０％であり得る。さらなる例示の実施形態では、長さポロシティ率は１〜５％である。そのため、例えば、断面ポロシティが２〜５％で長さポロシティ率が１〜５％の溶接部を作ることができる。
【００４２】
さらに、本考案の実施形態では、スパッタがないか又は少ない状態で上記の移動速度で溶接することができる。スパッタは、溶融池の溶滴が溶接領域の外に飛び散ることによって生じる。溶接スパッタが起こると、溶接部の品質が損なわれ、生産の遅延を引き起こし得る。何故なら、溶接プロセスの後でワークピースからスパッタを落さなければならないのが一般的だからである。そのため、スパッタなしで高速に溶接を行うことには大きな利点がある。本考案の実施形態は、スパッタ係数（spatter  factor）が０〜０．５の状態で上記の速い移動高速で溶接を行うことができる。ここで、スパッタ係数とは、所定の移動距離Ｘに対するスパッタの重量（ｍｇ）／同じ距離Ｘに対する消費されたフィラーワイヤ１４０の重量（ｋｇ）である。即ち、
スパッタ係数＝（スパッタ重量（ｍｇ）／消費されたフィラーワイヤの重量（ｋｇ））
距離Ｘは、溶接継手の代表サンプルの抽出が可能な距離であるべきである。即ち、距離Ｘが短すぎる場合、例えば０．５インチの場合、それは溶接部を代表しない。そのため、スパッタ係数が０の溶接継手は、距離Ｘに亘って消費されたフィラーワイヤに対してスパッタがなく、スパッタ係数が２．５の溶接部は消費されたフィラーワイヤ２ｋｇに対して５ｍｇのスパッタがあった。本考案の例示の実施形態では、スパッタ係数は０〜１である。さらなる例示の実施形態では、スパッタ係数は０〜０．５である。本考案の他の例示の実施形態では、スパッタ係数は０〜３又は０〜０．３である。なお、本考案の実施形態は、シールドガス又はフラックス遮蔽（flux  shielding）のいずれかを含む外部の遮蔽の使用ありで又はなしで上記のスパッタ係数の範囲を実現できる。さらに、上記のスパッタ係数範囲は、亜鉛めっきされたワークピースを含む被覆ワークピース又は非被覆ワークピースを溶接する場合に溶接作業の前に亜鉛めっきを除去する必要なく実現できる。
【００４３】
溶接継手用にスパッタを測定する方法が数多く存在する。１つの方法は「スパッタボート（spatter  boat）」の使用を含み得る。そのような方法の場合、溶接部の代表サンプルを、溶接ビードにより生成されるスパッタの全て又は略全てを捕捉可能な十分なサイズの容器の中に設置する。容器又は容器の一部、例えば上部は、スパッタが捕捉されるように溶接プロセスと共に動かすことができる。一般に、ボートは銅製のため、スパッタは表面に付着しない。代表的な溶接部は、溶接の間に形成されるスパッタが容器の中へと落下するように容器の底の上で行われる。溶接の間、消費したフィラーワイヤの量を観察する。溶接が完了した後、容器の溶接前及び溶接後の重さに違いがあればそれを求めることができる十分な正確性を有する装置によってスパッタボートが計量される。この違いはスパッタの重さを表し、そして消費されたフィラーワイヤの量（ｋｇ）で除される。あるいは、スパッタがボートに付着しない場合は、スパッタを取り除いてそれ自体を計量することもできる。
【００４４】
前で説明したように、レーザー装置１２０を用いることで、溶融池の深さを正確に制御できる。さらに、レーザー１２０を用いることで、溶融池のサイズ及び深さの調整を容易に行うことができる。これは、レーザービーム１１０を容易に集束／非集束させることができるか又はそのビーム強度をとても簡単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Ｗ１及びＷ２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、精密溶接のために非常に狭い溶融池の形成が可能となるのに加えて、ワークピース上の溶接領域のサイズを最小限に抑えることができる。これは、溶接ビードにより影響を受けていないワークピースの領域を最小限に抑える上での利点も提供する。具体的には、溶接ビードに隣接するワークピースの領域が溶接作業から受ける影響が最小限になる。アーク溶接作業では通常これは当てはまらない。
【００４５】
本考案の例示の実施形態では、ビーム１１０の形状及び／又は強度を溶接プロセスの間に調整／変化させることができる。例えば、ワークピース上の特定の場所で溶け込みの深さを変更すること又は溶接ビードのサイズを変更することが必要になる場合がある。そのような実施形態では、溶接パラメータにおける必要な変更を提供するために、溶接プロセスの間にビーム１１０の形状、強度及び／又はサイズを調整することができる。
【００４６】
前で説明したように、フィラーワイヤ１４０はレーザービーム１１０と同じ溶融池に影響を与える。例示の実施形態では、フィラーワイヤ１４０はレーザービーム１１０と同じ位置で溶融池に影響を与える。しかしながら、他の例示の実施形態では、フィラーワイヤ１４０はレーザービームから離れて同じ溶融池に影響を与えることができる。図６Ａに示す実施形態では、フィラーワイヤ１４０は溶接作業の間にビーム１１０に後続する。しかしながら、フィラーワイヤ１４０を先行位置に配置できるためそれは要件ではない。本考案はこの点に関して限定されない。何故なら、フィラーワイヤ１４０がビーム１１０と同じ溶融池に影響を与える限りフィラーワイヤ１４０はレーザービーム１１０に対して他の場所に位置することができるからである。
【００４７】
上記の実施形態は、亜鉛めっき等のコーティングを有するワークピースとの関連で説明した。しかしながら、本考案の実施形態はコーティングを有さないワークピースに対しても使用可能である。具体的には、前で説明したのと同じ溶接プロセスを被覆されていないワークピースにも用いることができる。そのような実施形態は、被覆材に関連して前で説明したのと同じ性能属性を実現できる。
【００４８】
また、本考案の例示の実施形態はスチールのワークピースを溶接することに限定されず、アルミニウム又は（後でさらに説明する）より複雑な金属の溶接にも用いることができる。
【００４９】
本考案の他の有利な側面はシールドガスに関するものである。一般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要素が溶融池及び金属転移と相互作用するの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。そのような障害は溶接部の品質及び外観に有害となり得る。従って、略全てのアーク溶接プロセスでは、外部的に供給されるシールドガス、フラックスが形成された電極（例えばスティック電極又はフラックスコアード電極等）の消費により形成されるシールドガス又は外部的に供給される粒状フラックス（例えばサブアーク溶接）の使用により遮蔽が提供される。また、特殊な金属の溶接又は亜鉛めっきされたワークピースの溶接等の一部の溶接作業では、特殊なシールドガスの混合物を用いなければならない。そのような混合物は非常に高価であり得る。また、極端な環境で溶接を行う場合、大量のシールドガスを作業場に搬送するのは通常困難であり（例えばパイプラインで）又は風が吹いてアークからシールドガスを遠ざける傾向にある。また、近年ではヒューム排出システムの使用が増えている。これらのシステムはヒュームを除去する傾向にあるが、溶接作業の近くにそれらを配置した場合にシールドガスも引き離す傾向にある。
【００５０】
本考案の利点は、溶接の際にシールドガスを使わないか又はその量を最小限に抑えることができることを含む。あるいは、本考案の実施形態は、特定の溶接作業では通常用いることができないシールドガスの使用を可能にする。これを以下でさらに説明する。
【００５１】
アーク溶接プロセスで一般的な（非被覆の）ワークピースを溶接する場合、その形態に関係なく遮蔽が必要となる。本考案の実施形態を用いて溶接を行った場合、遮蔽が必要ないことが見出された。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がない。しかしながら、アーク溶接プロセスの場合とは異なり、本考案は高品質の溶接部を生成する。即ち、遮蔽を何ら用いることなく、前で説明した溶接速度を実現できる。これは、先行技術のアーク溶接プロセスでは成し得なかったことである。
【００５２】
一般的なアーク溶接プロセスの間、フィラーワイヤの溶滴は溶接アークを通じてフィラーワイヤから溶融池に移送される。遮蔽なしでは、溶滴の表面全体が移送の間に大気に晒され、その結果大気中の窒素及び酸素を取り込み、溶融池に窒素及び酸素を運ぶ傾向にある。これは望ましくない。
【００５３】
本考案では、溶滴又は同様のプロセスを使用せずにフィラーワイヤを溶接部に運ぶため、フィラーワイヤはさほど大気に晒らされない。従って、多くの溶接用途では、遮蔽の使用は要求されない。そのため、本考案の実施形態ではポロシティ又はスパッタがないか又は少ない状態で速い溶接速度を実現できるだけでなく、それをシールドガスを用いることなく実現できる。
【００５４】
遮蔽を用いる必要がないことから、溶接の間にヒューム排出ノズルを溶接継手のかなり近くに配置することができるため、より効率的でより効果的なヒューム排出を提供できる。シールドガスを用いる場合、ヒューム排出ノズルがシールドガスの機能を妨げないような場所にヒューム排出ノズルを配置する必要がある。本考案の利点により、そのような制限は存在せず、ヒューム排出を最適化できる。例えば、本考案の例示の実施形態では、レーザー１２０からのレーザービームをワークピース１１５の表面の近くまで保護するレーザーシュラウドアセンブリ１９０１によってレーザービーム１１０が保護されている。これを図１９に図示する。シュラウド１９０１（断面で示す）はレーザービーム１１０を障害から保護し、作業の間に追加の安全性を提供する。さらに、溶接ヒュームを溶接領域から遠ざけるヒューム排出システム１９０３にシュラウドを連結することができる。シールドガスなしで実施形態を用いることができるため、シュラウド１９０１を溶接部の非常に近くに配置して、溶接領域からヒュームを直接遠ざけることができる。実際に、シュラウド１９０１は、溶接部の上のその距離Ｚが０．１２５〜０．５インチとなるように配置することができる。当然ながら、他の距離を用いることができるが、溶融池を妨げるか又はシュラウド１９０１の効率性を大幅に低減させないよう注意を払わなければならない。ヒューム排出システム１９０３は溶接業界で一般的に理解され且つ既知であるため、本明細書ではそれらの構成及び動作についての詳述は省略する。図１９にはビーム１１０のみを保護するシュラウド１９０１を示しているが、ワイヤ１４０及びコンタクトチップ１６０の少なくとも一部を取り囲むようにシュラウド１９０１を構成することももちろん可能である。例えば、ヒューム排出を高めるためにシュラウド１９０１の底部開口を溶融池全体を略覆うような十分な大きさのものにするか又は溶融池よりも大きくすることもできる。
【００５５】
亜鉛めっきワークピース等の被覆ワークピースの溶接に用いられる本考案の例示の実施形態では、より安価なシールドガスが使用され得る。例えば、軟鋼を含む多くの様々な材料を溶接するためにＣＯ２１００％のシールドガスを用いることができる。これは、窒素１００％のシールドガスのみで溶接が可能なステンレス鋼、二相鋼又はスーパー二相鋼等のより複雑な金属を溶接する場合にも当てはまる。一般的なアーク溶接作業では、ステンレス鋼、二相鋼又はスーパー二相鋼の溶接には、かなり高価なシールドガスのより複雑な混合物が必要となる。本考案の実施形態では、これらのスチールを窒素１００％のシールドガスのみで溶接することが可能になる。また、他の実施形態では、これらのスチールをシールドガスなしで溶接することができる。亜鉛めっき材のための一般的な溶接プロセスでは、アルゴン／ＣＯ２混合物等の特別な混合シールドガスを用いなければならない。この種のガスは、一部に、通常のアーク溶接の間に陰極及び陽極が溶接領域に存在するため使用が必要になる。しかしながら、前で説明し、また後で詳述するように、溶接アークが存在せず、そのため溶接領域に陰極又は陽極が存在しない。従って、アーク及び溶滴転移が存在しないため、金属フィラーが大気から有害な要素を拾う機会が大幅に低減される。なお、本考案の多くの実施形態ではシールドガス等の遮蔽を使用することなく溶接を行うことができるが、溶接部の上でガス流を用いて溶接領域から蒸気又は汚染物質を除去することができる。即ち、溶接の間に、溶接領域から汚染物質を除去するために、溶接部の上で空気、窒素、ＣＯ２又は他の気体を吹き出すようにすることが考えられる。
【００５６】
被覆材を高速に溶接できることに加えて、本考案の実施形態は、熱影響部（「ＨＡＺ」）を大幅に低減させて二相鋼を溶接するのに用いることもできる。二相鋼はフェライト微細構造及びマルテンサイト微細構造の双方を有する高強度スチールであるため、該スチールは高い強度と良好な成形性を有する。二相鋼の性質から、熱影響部の強度によって二相鋼の強度が制限される。熱影響部は溶接継手（金属フィラーを含まない）の周りの領域であり、アーク溶接プロセスによりその微細構造が不利な形で変化してしまうほどに溶接プロセスで大きく加熱される。既知のアーク溶接プロセスでは、アークプラズマのサイズ及び溶接領域への入熱が大きいため熱影響部が非常に大きい。熱影響部が非常に大きいため、熱影響部が溶接部の強度を限定する部分になる。そのため、アーク溶接プロセスでは、高強度電極の使用は必要ないため、一般に軟鋼のフィラーワイヤ１４０（例えばＥＲ７０Ｓ−６型又はＥＲ７０Ｓ−３型電極）を用いてそのような継手を溶接する。さらに、このような理由から、設計者は、自動車のフレーム、バンパー、エンジンクレードル等の高応力構造の外に戦略的に二相鋼の溶接継手を配置しなければならない。
【００５７】
前で説明したように、レーザー装置１２０の使用により、溶融池の形成に際して高レベルの正確性が提供される。この正確性により、溶接ビードを取り囲む熱影響部を非常に小さく維持することができるか又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に抑えることができる。実際に、一部の実施形態では、ワークピースの熱影響部を略解消できる。これは、レーザービーム１１０の集束を溶融池が形成されるワークピースの部分に対してのみ維持することによりなされる。熱影響部のサイズを大幅に低減することにより、アーク溶接プロセスを用いる場合ほど母材の強度が損なわれない。そのため、熱影響部の存在又は場所は溶接構造の設計における制限要因にはならない。本考案の実施形態は強度がより高いフィラーワイヤの使用を可能にする。何故なら、熱影響部ではなくワークピースの組成及び強度並びにフィラーワイヤの強度が構造デザインの推進要因（driving  factors）になるからである。例えば、本考案の実施形態は、ＥＲ８０Ｓ−Ｄ２型電極等の降伏強度が少なくとも８０ｋｓｉの電極の使用を可能にする。当然ながら、この電極は一例である。さらに、アーク溶接の場合よりも全体的な入熱が少ないため、溶融池の冷却速度がより速くなる。これは、使用するフィラーワイヤの化学的構造（chemistry）をより効率的なものにし既存のワイヤ以上の性能を付与できることを意味する。
【００５８】
それに加えて、本考案の例示の実施形態は、遮蔽の要件を大幅に緩和してチタンを溶接するのに用いることができる。アーク溶接プロセスでチタンを溶接する場合、受け入れ可能な溶接部が形成されるように細心の注意を払わなければならない。これは、溶接プロセスの間に、チタンが酸素と反応する親和性が高いためである。チタンと酸素との反応によって二酸化チタンが形成され、二酸化チタンが溶融池内に存在すると溶接継手の強度及び/又は延性が大幅に低下し得る。このような理由から、チタンをアーク溶接する場合は、大気からアークを遮蔽するだけでなく、後続の溶融溜まりを冷却するときに大気から溶融溜まりを遮蔽するために大量の後続のシールドガスを提供する必要がある。アーク溶接から生成される熱により、溶融池がかなり大きくなり長期に亘って溶融したままになるため、大量のシールドガスが必要となる。本考案の実施形態は材料が溶融している時間を大幅に低減し素早く冷却するため、余分なシールドガスの必要性が軽減される。
【００５９】
前で説明したように、レーザービーム１１０を非常に慎重に集束させて、溶接領域への全体的な入熱を大幅に低減することができるため、溶融池のサイズを大幅に低減できる。溶融池がより小さくなるため、溶融池はより素早く冷却する。そのため、溶接部での遮蔽のみが必要で後続のシールドガスは必要ない。また、前で説明したのと同様の理由から、チタンを溶接する場合、溶接速度が向上する一方でスパッタ係数が大幅に低下する。
【００６０】
図７及び図７Ａはオープンルート型（open  root  type）の溶接継手を示す。オープンルート継手は厚いプレートやパイプを溶接する場合に通常用いられ、離れた場所や困難な環境にある場所で一般的に生じる。オープンルート継手を溶接する既知の方法が数多く存在し、それらの方法としては、シールド金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）及びセルフシールドフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）が挙げられる。これらの溶接プロセスには、遮蔽の必要性、速度制限、スラグの形成等の様々なデメリットがある。
【００６１】
そのため、本考案の実施形態は、このような種類の溶接を行う際の効率性や速度を大幅に改善する。具体的には、シールドガスの使用を解消するか又は大幅に低減し、スラグの生成を完全に解消することができる。さらに、スパッタ及びポロシティを最小限に抑えて高速で溶接を実現できる。
【００６２】
図７及び図７Ａは、本考案の例示の実施形態により溶接されたオープンルート溶接継手を図示する。当然ながら、本考案の実施形態は、重ね型継手又はオープンルート型継手だけでなく多種多様な溶接継手の溶接に用いることができる。図７では、ワークピースＷ１／Ｗ２の間に間隙７０５が示され、ワークピースＷ１／Ｗ２は傾斜面７０１／７０３をそれぞれ有する。前で説明したように、本考案の実施形態ではレーザー装置１２０を用いて表面７０１／７０３上に正確な溶融溜まりを形成し、前で説明したように予め加熱したフィラーワイヤ（図示せず）が溶融溜まり内に堆積される。
【００６３】
実際に、本考案の例示の実施形態は、１つのフィラーワイヤを各溶融池に向けることに限定されない。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、１つの溶融池に２つ以上のフィラーワイヤを向けることができる。所定の溶融池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堆積速度を大幅に高めることができる。そのため、１つの溶接パスでオープンルート溶接継手（図７及び図７Ａに図示の種類のもの等）を充填できることが考えられる。
【００６４】
また、図７に示すように、本考案の一部の例示の実施形態では、複数のレーザービーム１１０及び１１０Ａを用いて溶接継手における２つ以上の場所を同時に溶融することができる。これは多くの方法で実現することができる。図７に示す第１の実施形態では、ビームスプリッター１２１が用いられ、レーザー装置１２０に連結されている。ビームスプリッター１２１はレーザー装置についての知識を有するものに知られており、本明細書ではその詳細な説明を省略する。ビームスプリッター１２１はレーザー装置１２０からのビームを２つ（以上）の別々のビーム１１０／１１０Ａに分割し、それらを異なる２つの表面に向けることができる。そのような実施形態では、複数の表面を同時に照射することでき、溶接のさらなる精度及び正確性を提供する。他の実施形態では、別々のビーム１１０及び１１０Ａのそれぞれを別個のレーザー装置で形成することができ、各ビームが専用の装置から出射される。
【００６５】
そのような実施形態では、複数のレーザー装置を用い、様々な溶接ニーズに適合するために溶接作業の様々な側面を変更することができる。例えば、別々のレーザー装置により生成されるビームは、異なるエネルギー密度を有すること、異なる形状を有すること及び／又は溶接継手において異なる断面積を有することができる。この柔軟性により、溶接プロセスの側面を変更及びカスタム化して必要とされる特定の溶接パラメータを満たすことができる。当然ながら、これは１つのレーザー装置とビームスプリッター１２１とを用いることでも実現できるが、用いるレーザービーム源が１つだと柔軟性の一部が制限され得る。また、所望により任意数のレーザーを用いることができるものと考えられるため、本考案はレーザーが１つ又は２つの構成に限定されない。
【００６６】
さらなる例示の実施形態では、ビーム走査装置を用いることができる。そのような装置はレーザー又はビーム出射の技術分野で知られており、ワークピースの表面に亘ってパターン状にビーム１１０を走査するのに用いられる。そのような装置を用いることで、走査速度及びパターンに加えて滞留時間を用いてワークピース１１５を所望な形で加熱することができる。また、所望の溶融池を形成するために、所望によりエネルギー源（例えばレーザー）の出力パワーを調節することができる。それに加えて、レーザー１２０内で使用されている光学系を所望の動作パラメータ及び接合パラメータに基づいて最適化できる。例えば、ライン光学系及び積分光学系を用いて、幅広い溶接又はクラッディング作業用に集中ラインビーム（focused  line  beam）を生成するか又は積分器を用いてパワー分布が均一な正方形／長方形のビームを生成することができる。
【００６７】
図７Ａは本考案の別の実施形態を図示する。この実施形態では、表面７０１／７０３を溶融するために１つのビーム１１０がオープンルート継手に向けられている。
【００６８】
レーザービーム１１０及び１１０Ａの精度により、ビーム１１０／１１０Ａを間隙７０５から離れて、表面７０１／７０３上のみで集束させることができる。そのため、（間隙７０５を通常通り抜け得る）溶融（melt-through）を制御することができ、後方溶接ビード（間隙７０５の底面にある溶接ビード）の制御を大幅に改善する。
【００６９】
図７及び図７Ａのそれぞれでは、ワークピースＷ１とＷ２との間に間隙７０５が存在し、溶接ビード７０７で充填される。例示の実施形態では、この溶接ビード７０７はレーザー装置（図示せず）によって形成される。そのため、例えば溶接作業の間、第１のレーザー装置（図示せず）はワークピースＷ１及びＷ２をレーザー溶接ビード７０７と共に溶接するために間隙７０５に第１のレーザービーム（図示せず）を向け、他方で第２のレーザー装置１２０は、溶接を完了するためにフィラーワイヤ（図示せず）が堆積される溶融池を形成するために表面７０１／７０３に少なくとも１つのレーザービーム１１０／１１０Ａを向ける。間隙の溶接ビード７０７は間隙が十分小さい場合はレーザーのみで形成することができ、間隙７０５がレーザー及びフィラーワイヤを必要とする場合はそれらを用いて形成できる。具体的には、間隙７０５を適切に充填するのに金属フィラーを追加する必要があり得るため、フィラーワイヤを用いるべきである。この間隙ビード７０５の形成は、本考案の様々な例示の実施形態に関して前で説明したものと同様である。
【００７０】
なお、本明細書で説明するレーザー装置１２０等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十分なパワーを有する種類のものであるべきである。即ち、レーザー装置１２０は、溶接プロセスを通して安定した溶融池を形成及び維持し且つ所望の溶接溶け込みに到達する十分なパワーを有するべきである。例えば、一部の用途では、レーザーは溶接されるワークピースに「キーホール（keyhole）」を形成できる能力を有するべきである。これは、レーザー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、レーザー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。例示のレーザーは１〜２０ｋＷの出力能力を有するべきであり、５〜２０ｋＷの出力能力を有し得る。より高出力のレーザーを用いることができるがコストが非常にかかり得る。当然ながら、ビームスプリッター１２１又は複数のレーザーは他の種類の溶接継手でも用いることができ、図６及び図６Ａに図示したもの等の重ね継手にも用いることができる。
【００７１】
図７Ｂは本考案の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、溝が狭く深いオープンルート継手（narrow  groove,  deep  open  root  joint）を示す。（深さが１インチよりも大きい）深い継手をアーク溶接する場合、溝の間隙Ｇが狭いと継手の底部を溶接するのが困難であり得る。これは、そのような深い溝内にシールドガスを効果的に送るのが困難であり、溝の狭い壁部がアーク溶接の安定性を妨げ得る。ワークピースは一般に鉄鋼材であるため、継手の壁部が磁気的に溶接アークを妨げる。そのため、一般的なアーク溶接の手順を用いる場合、溝の間隙Ｇはアークが安定した状態を保てるように十分広くなければならない。しかしながら、溝が広いほど、溶接を完了するのにより多くの金属フィラーが必要になる。本考案の実施形態はシールドガスを必要とせず、溶接アークを使用しないため、これらの問題が最小限に抑えられる。これにより、本考案の実施形態は深くて狭い溝を効率的且つ効果的に溶接することができる。例えば、ワークピース１１５の厚さが１インチよりも大きい本考案の例示の実施形態では、間隙の幅Ｇはフィラーワイヤ１４０の直径の１．５〜２倍の範囲にあり、側壁の角度は０．５〜１０°の範囲にある。例示の実施形態では、そのような溶接継手のルートパス準備物の間隙ＲＧは１〜３ｍｍであり、ランドは１／１６〜１／４インチである。そのため、通常のアーク溶接プロセスよりもずっと少ない充填材で深いオープンルート継手をより速く溶接できる。また、本考案の側面は溶接領域に導入する熱がより少ないため、ワイヤが側壁と接触するのを避けるために溶融池のより近くに送るのが容易になるようにコンタクトチップ１６０を設計できる。即ち、コンタクトチップ１６０を小さくし、細い構造の絶縁ガイドとして構成できる。さらなる例示の実施形態では、継手の両側を同時に溶接するために溶接部の幅全体に亘ってレーザー及びワイヤを移動させるのに平行移動（translation）装置又は機構を用いることができる。
【００７２】
図８に示すよう、本考案の実施形態を用いて突き合わせ型継手を溶接することができる。図８にフラッシュ突き合わせ型継手を示すが、溶接継手の上面及び底面にｖ字状の切り欠き溝を有する突き合わせ型継手も溶接できることが考えられる。図８に示す実施形態では、溶接継手の各側に２つのレーザー装置１２０及び１２０Ａを示し、それぞれ自身で溶融池８０１及び８０３を形成している。図７及び図７Ａのように、加熱されたフィラーワイヤはレーザービーム１１０／１１０Ａに後続するため図示されていない。
【００７３】
既知のアーク技術を用いて突き合わせ型継手を溶接する場合、「磁気吹き」に関する大きな問題が起こり得る。「磁気吹き」は、溶接アークによって生成される磁場が互いに干渉し合ってそれぞれを不規則に動ごかす。また、同じ溶接継手上で溶接を行うために２つ以上のアーク溶接システムが使用される場合、各溶接電流の干渉によって起こる大きな問題がある。それに加えて、（高い入熱を部分的に原因とした）アーク溶接法の溶け込みの深さから、溶接継手の何れかの側でアークを用いて溶接できるワークピースの厚さが限られている。即ち、そのような溶接を細いワークピースに対して行うことができない。
【００７４】
本考案の実施形態を用いて溶接を行う場合、これらの問題は解消される。溶接アークが使用されないため、磁気吹き干渉又は溶接電流干渉の問題がない。また、レーザーの使用により可能となる溶け込みの深さ及び入熱の正確な制御により、溶接継手の両側でより細いワークピースを同時に溶接することができる。
【００７５】
本考案のさらなる例示の実施形態を図９に示す。この実施形態では、ユニークな溶接プロファイルを形成するために、２つのレーザービーム１１０及び１１０Ａが互いに並んで（in  line  with  each  other）用いられている。図示の実施形態では、（第１のレーザー装置１２０から出射される）第１のビーム１１０を用いて第１の断面積及び深さを有する溶融池９０１の第１の部分を形成する一方、（第２のレーザー装置（図示せず）から出射される）第２のビーム１１０Ａを用いて第１とは異なる第２の断面積及び深さを有する溶融池９０３の第２の部分を形成する。この実施形態は、溶け込みの深さが溶接ビードの残りの部分よりも深い溶接ビードの部分を有することが望ましい場合に用いることができる。例えば、図９に示すように、溶融池９０１は、溶融池９０３よりも深く且つ狭くなるように形成されている（溶融池９０３は溶融池９０１よりも広く且つ浅く形成されている）。そのような実施形態は、溶接継手の全体としては望ましくない（ワークピースが交わる部分である）深い溶け込みレベルが必要な場合に用いることができる。
【００７６】
本考案のさらなる例示の実施形態では、第１の溶融池９０３は継手のための溶接部を形成する溶融池であり得る。この第１の溶融池／継手は第１のレーザー１２０及びフィラーワイヤ（図示せず）を用いて形成され、適切な溶け込み深さに形成される。この溶接継手の形成後、第２のレーザービーム１１０Ａを出射する第２のレーザー（図示せず）は継手の上を通り、プロファイルの異なる第２の溶融池９０３を形成する。この第２の溶融池９０３は、前の実施形態で説明したある種の肉盛を堆積するのに用いられるものである。この肉盛は、第１のフィラーワイヤとは化学的構造が異なる第２のフィラーワイヤを用いて堆積される。例えば、本考案の実施形態は、溶接継手を溶接した少し後又は直後に係る継手の上に耐腐食性の肉盛層を設置するのに用いることができる。この溶接作業は１つのレーザー装置１２０を用いて実現することもでき、その場合ビーム１１０は所望の溶融池のプロファイルを提供するために第１のビーム形状／密度と第２のビーム形状／密度との間でオシレート（oscillated）される。そのため、複数のレーザー装置を用いる必要はない。
【００７７】
前で説明したように、ワークピース上の耐腐食性コーティング（例えば亜鉛めっき）は溶接プロセスの間に取り除かれる。しかしながら、耐腐食性のために溶接継手を再度被覆するのが望ましい場合がある。そのため、第２のビーム１１０Ａ及びレーザーを用いて、継手９０１の上に肉盛層等の耐腐食性の肉盛９０３を加えることができる。
【００７８】
本考案の様々な利点により、溶接作業により異種金属を容易に接合することも可能である。アーク溶接プロセスにより異種金属を接合するのは困難である。この困難は、入熱、それ故に溶融金属の化学的構造を制御することに関連する問題（望ましくない特性及び欠陥につながり、質の劣った溶接部をもたらし得る）を含む多くの理由によるものである。何故なら、これは、溶融温度が大きく異なるアルミニウムとスチールとのアーク溶接を試みる場合又はステンレス鋼を軟鋼に溶接することを試みる場合、それらの化学的構造が違うために特に当てはまる。しかしながら、本考案の実施形態を用いることでそのような問題が緩和される。
【００７９】
図１０Ａは本考案の例示の実施形態を示す。Ｖ字型の継手を示しているが、本考案はこの点で限定されない。図１０には、溶接継手１０００で接合される２つの異種金属を示す。この例では、２つの異種金属はアルミニウム及びスチールである。この例示の実施形態では、２つの異なるレーザー源１０１０及び１０２０が用いられている。しかしながら、２つの異なる材料を溶融するのに必要なエネルギーを提供するために１つの装置をオシレートできるため（これについては後でさらに説明する）、全ての実施形態で２つのレーザー装置が必要になるわけではない。レーザー１０１０は、スチールのワークピースに向けられるビーム１０１１を出射し、レーザー１０２０はアルミニウムのワークピースにビーム１０２１を出射する。各ワークピースは異なる金属又は合金でできているため、それらの溶融温度は異なる。そのため、レーザービーム１０１１／１０２１は溶融池１０１２及び１０２２においてそれぞれエネルギー密度が異なる。エネルギー密度が異なるため、溶融池１０１２及び１０２２のそれぞれを適切なサイズ及び深さで維持することができる。これは、溶融温度が低い方のワークピース、例えばアルミニウムのワークピースにおいて過度の溶け込みや入熱も防止する。一部の実施形態では、少なくとも溶接継手により、（図１０Ａに示すような）２つの個別の溶融池を有する必要なく、むしろ双方のワークピースにより１つの溶融池を形成することができ、その場合、各ワークピースの溶融部分が１つの溶融池を形成する。また、ワークピースの化学的構造が異なるものの溶融温度が同様の場合は、一方のワークピースが他方のワークピースよりもより溶融するという理解の下で１つビームを用いて双方のワークピースを同時に照射することができる。また、前で簡潔に説明したように、１つのエネルギー源（レーザー装置１２０等）を用いて双方のワークピースを照射することができる。例えば、レーザー装置１２０は第１のワークピースを溶融するのに第１のビーム形状及び／又はエネルギー密度を用い、次いで第２のビーム形状及び／又はエネルギー密度にオシレート／変更して第２のワークピースを溶融することができる。ビーム特性のオシレート及び変更は、溶融池が溶接プロセスの間に安定し且つ一貫して維持されるように双方のワークピースが適切に溶融されるよう十分な速度で行うべきである。他の１つのビームの実施形態では、各ワークピースが十分溶融されるように一方のワークピースよりも他方のワークピースにより多くの入熱を提供する形状のビーム１１０を用いることができる。そのような実施形態では、ビームのエネルギー密度はビームの断面に対して均一である。例えば、ビーム１１０は、ビームの形状によって一方のワークピースへの全体的な入熱が他方のワークピースへのものよりも少なくなるように台形又は三角形の形状を有することができる。あるいは、他の実施形態では、その断面においてエネルギー分布が非均一なビーム１１０を用いることができる。例えば、ビーム１１０は（双方のワークピースに影響を与えることができるように）矩形を有するが、ビームの第１の領域は第１のエネルギー密度を有し、ビーム１１０の第２の領域は第１の領域とは異なる第２のエネルギー密度を有し、各領域は各ワークピースを適切に溶融できる。一例として、ビーム１１０はスチールのワークピースを溶融するためにエネルギー密度が高い第１の領域を有する一方で、第２の領域はアルミニウムのワークピースを溶融するためにエネルギー密度が低い。
【００８０】
図１０Ａには、溶融池１０１２及び１０２２にそれぞれ向けられた２つのフィラーワイヤ１０３０及び１０３０Ａを示す。図１０Ａに示す実施形態では２つのフィラーワイヤを用いているが、本考案はその点について限定されない。他の実施形態との関連で前で説明したように、所望のビードの形状や堆積速度等の所望の溶接パラメータに応じて１つのフィラーワイヤのみを用いることができるし、３つ以上のワイヤを用いることができると考えられる。１つのワイヤを用いる場合、そのワイヤを（双方のワークピースの溶融部分から形成された）共通の溶融池に向けるか又は溶接継手に一体化するために溶融部分の一方のみにワイヤを向けることができる。そのため、例えば図１０Ａに示す実施形態では、ワイヤを溶融部分１０２２に向けることができ、係る溶融部分はその後溶接継手の形成のために溶融部分１０１２と組み合わされる。当然ながら、１つのワイヤを用いる場合、ワイヤが浸漬される部分１０２２／１０１２内でワイヤが溶融するようにある温度に加熱しなければならない。
【００８１】
異種金属が接合されるため、接合される金属にワイヤを十分に接合できるようにフィラーワイヤの化学的構造を選択すべきである。さらに、フィラーワイヤの組成は、フィラーワイヤが温度の低い方の溶融池内で溶けて消費されるようにする好適な溶融温度をフィラーワイヤが有するように選択すべきである。実際に、適切な溶接の化学特性を得るために複数のフィラーワイヤの化学的構造は異なり得ることが考えられる。これは、２つの異なるワークピースが、それらの材料の間で最小限の混合が生じる材料組成を有する場合にとりわけ当てはまる。図１０Ａでは、温度が低い方の溶融池がアルミニウム溶融池１０１２であるため、フィラーワイヤ１０３０（Ａ）は溶融池１０１２で簡単に消費されるように同様の温度で溶融するように調製されている。アルミニウムのワークピース及びスチールのワークピースを用いる上記の例では、フィラーワイヤはケイ素青銅、ニッケルアルミニウム青銅又はアルミニウム青銅ベースで、ワークピースの溶融温度と同様の溶融温度を有するワイヤであり得る。当然ながら、フィラーワイヤの組成は所望の機械特性及び溶接性能特性と合致する一方で、それと同時に溶接されるワークピースの少なくとも一方と同様の溶融特性を提供するように選択すべきであることが考えられる。
【００８２】
図１０Ｂ〜図１０Ｃに関する下記の説明は、異種材料が接合されるさらなる例示の実施形態に関する。以下で説明する例では、異種材料はアルミニウム及びスチールである。スチールは軟鋼又はステンレス鋼のうちのいずれか１つであり得る。異なる材料を接合する際、脆弱な溶接部をもたらし得る金属間化合物の形成を最小限に抑えることが望ましいことが分かる。本考案の実施形態は、本明細書で説明する方法及びシステムを用いることでこれを防ぐ。図１０Ｂに示す溶接継手は、スチールワークピース１０４０がアルミニウムワークピース１０４１に接合された一般的な重ね継手構成である。当然ながら、重ね継手を図示しているが、本考案の実施形態を用いて他の種類の継手を形成すること／本考案の実施形態と他の種類の継手を併用することができる。例えば、Ｔ字継手、突き合わせ継手及び隅肉継手を用いることもできる。前で説明したように、スチール１０４０上に溶融池を形成するためにビーム１１０が継手領域に向けられている。しかしながら、前述した実施形態の多くとは異なり、ビーム１１０はスチール１０４０上に溶融池を形成するためにスチール１０４０のみに向けられている。この実施形態では、アルミニウムに比べてスチールは溶融温度が高いためこのような構成が取られている。一部の例示の実施形態では、スチール１０４０を継続的に加熱して、溶融池がアルミニウムワークピース１０４１と接触するまで溶融池を成長させるためにレーザーが用いられる。溶融池がアルミニウム１０４１に接触すると、ビーム１１０から直接接触なく、スチール１０４０の十分な溶け込みを実現できる一方で、アルミニウムの過剰溶融又は溶け込みを防ぐことが出来る。溶融池がアルミニウム１０４０に接触すると、溶融池が成長して２つの異種材料の間に十分な溶接継手が得られる。溶融池がアルミニウムに接触すると、溶融池がアルミニウムを溶融し、アルミニウムにおいて十分な溶け込みが得られる一方、アルミニウムは溶融池の急冷又は冷却を支援する。溶融池にエネルギーを加えて、必要に応じてアルミニウム及び／又はスチールの溶け込みを高めれるようにビーム１１０を制御することができる。そのようなプロセスは、アルミニウムワークピースに起因する、不都合となり得る溶融池の希釈（dilution）を最小限に抑えるのに役立つ。本考案の実施形態では、ある程度の溶け込みがアルミニウム１０４１に形成されるとともにそれが望ましいが、過度な溶け込み及び希釈は望ましくない。図１０Ｃは完成した例示の溶接継手及びビードを示す。
【００８３】
溶融池でアルミニウムとスチールとの混合物が過剰に存在すると、金属間化合物又は他の脆性の微細構造が形成され、それが脆弱な溶接継手をもたらし得ることが一般に知られている。これは多くの場合望ましくない。従って、本考案の実施形態では、アルミニウムの範囲が０．０１〜１６％で鉄の範囲が０．０１〜１０％の溶融池／溶着物をもたらすプロセス及びワイヤを利用する。他の例示の実施形態では、アルミニウムの範囲は１１〜１４％であり、鉄の範囲は４〜８％である。当然ながら、材料や溶接条件に応じて他の範囲も可能であり得る。しかしながら、アルミニウム及び鉄の双方は接合を確実に実現することができるとともに母材の少なくとも一部が溶融されるような量で存在すべきであり、最大量は、許容可能な範囲を越えて溶接特性を低下させる金属間化合物が相当量形成されるのを防ぐことができるよう選択すべきである。一部の例示の実施形態では、上述した狭い方の範囲により十分な接合が確かなものになるとともに相当量の金属間化合物の形成が防止される。
【００８４】
溶融池の成長は、ワークピース及び／又はレーザービーム１１０を移動させること、ワークピース１０４０のビーム照射領域のサイズを変更すること及び溶融池の領域を成長させるためにワークピースへのエネルギー入力を増やすことを含む多種多様な方法で実現することができる。当然ながら、所望の溶け込み及びビード形状を得るために上記の任意の組み合わせを用いることもできる。さらなる実施形態では、堆積プロセスの間にワイヤ１４０を動かして溶融池をアルミニウム１０４１の方に動かすこともできる。
【００８５】
また、本明細書で説明したように、溶接プロセスの間に少なくとも１つのワイヤ１４０が溶融池内に堆積される。前で説明したように、ワイヤ１４０は異種材料と相性がよい組成を有するべきである。本考案の例示の実施形態では、ワイヤ１４０の組成はアルミニウムの範囲が６．５〜１１．５％、ニッケルの範囲が３〜７％、マンガンの範囲が０．７〜３％、鉄の範囲が２〜６％で、残り（％）が銅である。本考案の追加の例示の実施形態では、ワイヤ１４０の組成はアルミニウムの範囲が８〜１０％、ニッケルの範囲が４〜６％、マンガンの範囲が１〜２％、鉄の範囲が２．５〜４．５％で、残り（％）が銅である。さらなる例示の実施形態では、ワイヤ１４０の組成はアルミニウムが９％、ニッケルが５％、マンガンが１．５％、鉄が３．５％で、残りが銅である。当然ながら、本明細書に記載のパーセント及び組成は消耗電極の製造の現実を熟考し、様々な不純物等のよって他の元素が微量存在し得る。そのため、本明細書で言及するパーセント及び組成は、銅に加えて消耗電極の残りを構成する他の元素を少量（微量）有するものと考える。本考案の他の例示の実施形態では、ワイヤ１４０の組成はニッケルの範囲が４〜７％、マンガンの範囲が０〜２％、そして残り（％）が銅であり、アルミニウム又は鉄が組成に意図的に加えられておらず、相当量のアルミニウム又は鉄は存在しない。ワイヤ１４０の一部の例示の実施形態ではマンガンが存在しない。例示の実施形態では、ワイヤ１４０はスチールワークピース１０４０の溶融温度に近い溶融温度を有する。一部の例示の実施形態では、ワイヤ１４０の溶融温度はスチール１０４０の溶融温度の１０％以内である（上下のいずれか）。他の例示の実施形態では、差はスチールの溶融温度の５％以内である。当然ながら、溶融温度は消耗電極の組成及び許容可能な溶着物の化学組成によって決定される。即ち、溶着物がニッケル又は鉄等の特定の材料を大量に取り扱うことが可能な実施形態では、溶接品質又は溶接プロセスに悪影響を及ぼすことなく溶接プロセスは高温に対処することができるため、溶融温度の大きな相違を許容することができる。
【００８６】
本考案の例示の実施形態では、アルミニウム１０４１及びスチール１０４０は同様の厚さを有する。しかしながら、実施形態は厚さの異なるワークピースを接合することができるためこれは要件ではない。
【００８７】
前で説明した方法によって、本考案の実施形態は、スチール及びアルミニウムの双方に溶け込みが形成される（ろう付継手とは対照的な）アルミニウムとスチールとの溶接継手を提供することができる。実際に、本考案の例示の実施形態は、少なくとも８０ｉｐｍの溶接速度でアルミニウムとスチールとを溶接することができる。一部の例示の実施形態では、直径の範囲が０．０３５〜０．０５２インチのワイヤ１４０を用いて８０〜１３０ｉｐｍの範囲の溶接速度を得ることができる。当然ながら、他のワイヤ直径を用いることもできる。
【００８８】
１つのビーム１１０及び１つのワイヤ１４０を用いて図１０Ｂ及び図１０Ｃの実施形態を説明してきたが、特段の説明がない限り、複数のビーム及び／又は消耗電極を用いることができる。さらに、一部の例示の実施形態では、所望の溶け込み、継手の形状等を得るためアルミニウム１０４１の一部を照射するのにビーム１１０を用いることができる。例えば、必要に応じてアルミニウムに作用するようにビーム１１０をオシレートすることができる。当然ながら、アルミニウム１０４１が過度に溶け込むことがないようにビームエネルギーを適切に制御する必要がある。例えば、ビーム１１０がアルミニウムに衝突するときにビーム１１０のエネルギーが減らされる。当然ながら、別のレーザーからの別のビームを用いることもできる。
【００８９】
なお、本考案の一部の例示の実施形態では、ワイヤ１４０は従来の溶接消耗電極と同様に円形断面を有する。しかしながら、本考案の実施形態はこの点に限定されず、他の形状を用いることもできる。例えば、消耗電極１４０は多角形、長円形、楕円形又は他の形状を有することができる。また、消耗電極１４０はストリップ型の消耗電極であってもよい。
【００９０】
また、本明細書で説明した他の実施形態と同様に、本考案の実施形態に係る溶接プロセスはシールドガスを用いる必要がない。一部の用途では、酸化の低減を支援するためにシールドガスを用いることができるが、多くの用途ではシールドガスは必要ではない。
【００９１】
図１１Ａ〜図１１Ｃは使用可能なコンタクトチップ１６０の様々な実施形態を図示する。図１１Ａは、一般的なアーク溶接のコンタクトチップと構成及び動作の点で非常に類似したコンタクトチップ１６０を示す。本明細書で説明のホットワイヤ溶接の間、加熱電流は電源１７０からコンタクトチップ１６０に向けられ、コンタクトチップ１６０からワイヤ１４０に渡される。そして、その電流はワイヤを通り、ワイヤ１４０とワークピースＷとの接触を通じてワークピースに向けられる。本明細書で説明したように、この電流の流れがワイヤ１４０を加熱する。当然ながら、電源１７０は図示のようにコンタクトチップに直接連結されておらず、電流をコンタクトチップ１６０に向けるワイヤ送給装置１５０に連結され得る。図１１Ｂは本考案の他の実施形態を示す。この実施形態では、コンタクトチップ１６０が２つの構成要素１６０及び１６０’から構成されており、電源１７０の負極が第２の構成要素１６０’に連結されている。そのような実施形態では、加熱電流は第１のコンタクトチップ構成要素１６０からワイヤ１４０に流れ、そして第２のコンタクトチップ構成要素１６０’に流れる。構成要素１６０と１６０’との間でワイヤ１４０を通る電流の流れは、本明細書で説明したようにワイヤを加熱させる。図１１Ｃは別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、コンタクトチップ１６０は誘導コイル１１１０を含み、誘導コイル１１１０は誘導加熱によりコンタクトチップ１６０とワイヤ１４０とを加熱させる。そのような実施形態では、誘導コイル１１１０はコンタクトチップ１６０と一体的に形成されていてもよいし、コンタクトチップ１６０の表面に周りに巻かれていてもよい。当然ながら、ワイヤが溶接作業にとって望ましい温度を得ることができるようにコンタクトチップが必要な加熱電流／電力をワイヤ１４０に供給することができる限り、コンタクトチップ１６０に他の構成を用いることができる。
【００９２】
本考案の例示の実施形態の動作を説明する。前で説明したように、本考案の実施形態は高強度エネルギー源及びフィラーワイヤを加熱する電源の双方を使用する。このプロセスの各側面を順番に説明する。なお、以下の説明及び解説は、前述の肉盛の実施形態に関連して前で述べた説明のいずれかにとって代わるか又はそれを置き換えることを意図したものではなく、溶接又は接合用途に対する説明を捕捉することを意図したものである。肉盛作業に関する前の説明も、接合及び溶接のために組み込まれる。
【００９３】
接合／溶接のための例示の実施形態は、図１に図示のものと同様であり得る。前で説明したように、フィラーワイヤ１４０に加熱電流を提供するホットワイヤ電源１７０が設けられている。電流はコンタクトチップ１６０（任意の既知の構成のものでよい）からワイヤ１４０に、そしてワークピースへと流れる。この抵抗加熱電流は、コンタクトチップ１６０とワークピースとの間のワイヤ１４０を、使用されているフィラーワイヤ１４０の溶融温度に又は溶融温度に近い温度に到達される。当然ながら、フィラーワイヤ１４０の溶融温度はワイヤ１４０のサイズ及び化学的構造に応じて変化する。従って、溶接の間のフィラーワイヤの所望の温度はワイヤ１４０に応じて変化する。以下でさらに説明するように、フィラーワイヤの所望の作業温度は、所望のワイヤ温度が溶接の間に維持されるように溶接システムに入力されるデータであり得る。いずれにせよ、ワイヤの温度は、ワイヤが溶接作業の間に溶融池の中で消費されるようなものであるべきである。例示の実施形態では、フィラーワイヤ１４０の少なくとも一部はワイヤが溶融池に入るときに固体である。例えば、フィラーワイヤが溶融池に入るときにフィラーワイヤの少なくとも３０％が固体である。
【００９４】
本考案の例示の実施形態では、ホットワイヤ電源１７０は、フィラーワイヤの少なくとも一部をその溶融温度の７５％以上の温度で維持する電流を供給する。例えば、軟鋼のフィラーワイヤ１４０を用いる場合、溶融池に入る前のワイヤの温度は約華氏１６００度であるのに対して、ワイヤの溶融温度は約華氏２０００度である。当然ながら、各溶融温度及び所望の作業温度は、少なくともフィラーワイヤの合金、組成、直径及び送給速度によって異なることが分かる。他の例示の実施形態では、電源１７０は、フィラーワイヤの一部をその溶融温度の９０％以上の温度で維持する。さらなる例示の実施形態では、ワイヤの一部がその溶融温度の９５％以上の温度で維持される。例示の実施形態では、ワイヤ１４０は、ワイヤ１４０及び溶融池に加熱電流が与えられた時点から温度勾配を有し、溶融池における温度は加熱電流の入力時点における温度よりも高い。ワイヤ１４０の効率的な溶融を促進するために、ワイヤ１４０の温度はワイヤが溶融池に入る時点又はその近くで最も高くなることが望ましい。そのため、上述した温度のパーセントは、ワイヤが溶融池に入る時点又はその近くにおけるワイヤ上で測定される。フィラーワイヤ１４０をその溶融温度で又はその溶融温度の近くの温度で維持することで、ワイヤ１４０は熱源／レーザー１２０により形成される溶融池内で容易に溶融するか又は消費される。即ち、ワイヤ１４０は、ワイヤ１４０が溶融池と接触する際に溶融池の大幅な冷却をもたらすことのない温度のものである。ワイヤ１４０の温度が高温であるため、ワイヤは溶融池と接触すると素早く溶融する。ワイヤが溶融池で底に達する（溶融池の非溶融部分と接触する）ことのないようなワイヤ温度を有することが望ましい。そのような接触は溶接部の品質に悪影響を及ぼし得る。
【００９５】
前で説明したように、一部の例示の実施形態では、ワイヤ１４０が溶融池に入ることによってのみワイヤ１４０の完全な溶融を促進することができる。しかしながら、他の例示の実施形態では、溶融池と、ワイヤ１４０の一部に影響を与えるレーザービーム１１０との組み合わせによりワイヤ１４０を完全に溶融することができる。本考案のさらに他の実施形態では、レーザービーム１１０がワイヤ１４０の加熱に寄与することで、ワイヤ１４０の加熱／溶融をレーザービーム１１０で支援することができる。しかしながら、多くのフィラーワイヤ１４０は反射性を有し得る材料で構成されているため、反射型レーザーを用いる場合、ワイヤ１４０をその表面の反射性が低下するような温度に加熱して、ビーム１１０がワイヤ１４０の加熱／溶融に寄与できるようにすべきである。この構成の例示の実施形態では、ワイヤ１４０とビーム１１０とはワイヤ１４０が溶融池に入る点で交差する。
【００９６】
図１に関連して前で説明したように、電源１７０及びコントローラ１９５は、溶接の間にワイヤ１４０がワークピースとの接触を維持し且つ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。アーク溶接技術とは反対に、本考案の実施形態を用いて溶接を行う場合は、アークの存在によって溶接部に大きな欠陥がもたらされ得る。そのため、（前で説明したもの同様に）一部の実施形態では、ワイヤ１４０と溶融池との間の電圧を（ワイヤがワークピース／溶融池に短絡されているか又は接触していることを示す）０ボルトで又は０ボルト近くで維持すべきである。
【００９７】
しかしながら、本考案の他の例示の実施形態では、アークが生成されることなく０ボルトを上回る電圧レベルが得られるようなレベルの電流を提供することができる。より高い電流値を利用することで、より高いレベルの温度であって電極の溶融温度に近い温度で電極１４０を維持することができる。これにより、溶接プロセスをより速く進めることができる。本考案の例示の実施形態では、電源１７０は電圧を観察し、電圧が０ボルトを多少上回る電圧値に達するか又は近づいたときに、電源１７０はアークが形成されることがないようにワイヤ１４０への電流の流れを停止する。電圧の閾値レベルは、少なくとも部分的に、使用する溶接電極１４０の種類により通常変化する。例えば、本考案の一部の例示の実施形態では、電圧閾値レベルは６ボルト以下である。他の例示の実施形態では、閾値レベルは９ボルト以下である。さらなる例示の実施形態では、閾値レベルは１４ボルト以下であり、追加の例示の実施形態では、閾値レベルは１６ボルト以下である。例えば、軟鋼のフィラーワイヤを用いる場合、電圧の閾値レベルは低いタイプのものになる一方、フィラーワイヤがステンレス鋼用である場合、溶接はアークが形成される前に高い電圧に対処できる。
【００９８】
さらなる例示の実施形態では、上述のように電圧レベルを閾値よりも低く維持するのではなく、電圧を作業範囲で維持する。そのような実施形態では、フィラーワイヤをその溶融温度で又はその溶融温度の近くの温度で維持するのに十分に高い電流を確保できる最小量よりも大きく、溶接アークが形成される電圧レベルよりも小さいレベルで電圧を維持することが望ましい。例えば、電圧を１〜１６ボルトで維持することができる。さらなる例示の実施形態では、電圧が６〜９ボルトの範囲で維持される。他の例では、電圧を１２〜１６ボルトで維持することができる。当然ながら、所望の作業範囲は、溶接作業に用いられる範囲（又は閾値）が使用するフィラーワイヤ又は使用するフィラーワイヤの特性に少なくとも部分的に基づいて選択されるように溶接作業で用いるフィラーワイヤ１４０の影響を受ける。そのような範囲を用いる上で、範囲の下限は、フィラーワイヤが溶融池内で十分に消費される電圧に設定され、範囲の上限はアークの形成が防止される電圧に設定される。
【００９９】
前で説明したように、電圧が所望の電圧閾値を上回ると、アークが形成されないように、加熱電流が電源１７０により止められる。本考案のこの側面を以下でさらに説明する。
【０１００】
上述した多くの実施形態では、電源１７０は上述したように電圧を観察及び維持するのに用いられる回路を含む。そのような種類の回路の構成は当業者には公知である。しかしながら、従来では、そのような回路はアーク溶接のために電圧を所定の閾値よりも上で維持するのに使用されていた。
【０１０１】
さらなる例示の実施形態では、加熱電流を電源１７０により観察及び／又は調節することができる。これは、代替的に、電圧、電力又は電圧／アンペア特性のあるレベルを観察することに加えて行うことができる。即ち、電流は、ワイヤ１４０が溶融池内で適切に消費されるように適切な温度で維持されるようなレベルであるがアーク生成電流レベル未満である所望のレベルで維持される。例えば、そのような実施形態では、電圧及び／又は電流は、一方又は双方が特定の範囲内にあるか又は所望の閾値よりも低くなるように観察される。そして、電源は、アークが形成されず、また所望の作業パラメータが維持させるように供給される電流を調節する。
【０１０２】
本考案のさらなる例示の実施形態では、加熱電力（Ｖ×Ｉ）も電源１７０により観察及び調節することができる。具体的には、そのような実施形態では、加熱電力のための電圧及び電流が所望のレベルで又は所望の範囲内で維持されるように観察される。そのため、電源はワイヤへの電圧又は電流を調節するだけではなく電流及び電圧の双方を調節できる。そのような実施形態は、溶接システム対する制御を向上し得る。そのような実施形態では、ワイヤへの加熱電力は、電力が閾値レベル未満で又は所望の範囲内で維持されるように（電圧に関連して上述したのと同様に）上限閾値レベルに又は最適な作業範囲内に設定できる。ここでも、閾値又は範囲設定はフィラーワイヤの特徴及び行われる溶接に基づくものであり、また、選択されたフィラーワイヤに少なくも部分的に基づくことができる。例えば、直径が０．０４５”の軟鋼電極にとっての最適な電力設定が１９５０〜２０５０ワットであると決定されたとする。電源は、電力がこの動作範囲内にとどまるように電圧及び電流を調節する。同様に、電力閾値が２０００ワットに設定されている場合、電源は、電力レベルがこの閾値を上回らないが閾値近くにあるように電圧及び電流を調節する。
【０１０３】
本考案のさらなる例示の実施形態では、電源１７０は加熱電圧（ｄｖ/ｄｔ）、電流（ｄｉ/ｄｖ）及び／又は電力（ｄｐ/ｄｔ）の変化率を観察する回路を含む。そのような回路は一般に予測回路（premonition  circuits）と呼ばれ、それらの一般構成は公知である。そのような実施形態では、電圧、電流及び／又は電力の変化率は、変化率が所定の閾値を上回った場合にワイヤ１４０への加熱電流が停止されるように観察される。
【０１０４】
本考案の例示の実施形態では、抵抗（ｄｒ/ｄｔ）の変化も観察される。そのような実施形態では、コンタクトチップと溶融池との間のワイヤにおける抵抗が観察される。溶接の間にワイヤが加熱されるとワイヤは下に曲がり始め、アークを形成する傾向がある。その期間、ワイヤにおける抵抗が急激に増加する。この増加が検出されると、アークが形成されないように、前で説明したように電源の出力が停止される。実施形態は、ワイヤにおける抵抗が所望のレベルで維持されるように電圧、電流又はその双方を調節する。
【０１０５】
本考案のさらなる例示の実施形態では、電源１７０は閾値レベルが検出された場合に加熱電流を停止するのではなく、加熱電流を非アーク生成レベルに低下させる。そのようなレベルは、ワイヤが溶融池から離れている場合にアークが生成されないバックグラウンド電流レベルであり得る。例えば、本考案の例示の実施形態は、５０アンペアの非アーク生成電流レベルを有することができる。その場合、アークの生成が検出されるか若しくは予測されるか又は（前で説明した）上限閾値に到達した場合に、電源１７０は、所定の期間（例えば１〜１０ｍｓ）又は検出された電圧、電流、電力及び／又は抵抗が上限閾値未満に下がるまで加熱電流をその動作レベルから非アーク生成レベルに低下させる。この非アーク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。そのような実施形態では、アーク生成イベントの間に電流出力が低レベルで維持されるにも関わらず、加熱電流の動作レベルに素早く復帰させることができる。
【０１０６】
本考案の他の例示の実施形態では、溶接作業の間にアークが実質的に生成されないように電源１７０の出力が制御される。一部の例示の溶接作業では、フィラーワイヤ１４０と溶融池との間でアークが実質的に生成されないように電源を制御できる。アークは、フィラーワイヤ１４０の遠位端と溶融池との間の物理的な間隙において形成されることが一般的に知られている。前で説明したように、本考案の例示の実施形態では、フィラーワイヤ１４０と溶融池との接触を維持することによってアークの生成を防止する。しかしながら、一部の例示の実施形態では、ごくわずかにアークが存在しても溶接部の品質が損なわれることはない。即ち、一部の例示の溶接作業では、短期間にごくわずかなアークが形成されても、それは溶接品質を損なう入熱のレベルをもたらさない。そのような実施形態では、溶接システム及び電源は、アークを完全に防止することに関連して本明細書で説明したように制御及び操作されるが、電源１７０はアークがある程度生成されるがそのアークはごくわずかとなるように制御される。一部の例示の実施形態では、電源１７０は形成されるアークの期間が１０ｍｓ未満になるように操作される。他の例示の実施形態では、アークの期間は１ｍｓ未満であり、別の例示の実施形態では、アークの期間は３００μｓ未満である。そのような実施形態では、そのようなアークの存在によって溶接品質が損なわれることはない。何故なら、そのようなアークは実質的な入熱を溶接部に与えないか又は大きなスパッタ又はポロシティを引き起こさないからである。そのため、そのような実施形態では、電源１７０は、アークが生成されるが、溶接品質が損なわれないように期間的にごくわずかになるように制御される。他の実施形態に関して本明細書で説明したのと同じ制御ロジック及び構成要素をこれらに例示の実施形態で用いることができる。しかしながら、電源１７０は所定の又は予測されるアーク生成点未満の（電流、電力、電圧、抵抗の）閾値ではなくアークの生成の検出を上限閾値として用いることができる。そのような実施形態では溶接作業をその限度の近くで行うことを可能にする。
【０１０７】
フィラーワイヤ１４０は常に短絡状態（溶融池と常に接触した状態）であることが望ましいため、電流は緩やかな速度で減衰する傾向にある。これは、電源、溶接ケーブル及びワークピースに存在するインダクタンスが原因である。一部の用途では、ワイヤ内の電流がより速い速度で減少するように電流をより速い速度で減衰させる必要があり得る。一般に、電流を素早く減少させることができるほど、接合方法に対するより良い制御が得られる。本考案の例示の実施形態では、閾値に到達したか又は閾値を上回ったことが検出された後に電流を下降させるランプダウン時間（ramp  down  time）は１ミリ秒である。本考案の他の例示の実施形態では、電流のランプダウン時間は３００マイクロ秒以下である。別の例示の実施形態では、ランプダウン時間は１００〜３００マイクロ秒である。
【０１０８】
例示の実施形態では、そのようなランプダウン時間を得るために、ランプダウン回路が電源１７０に導入されている。ランプダウン回路は、アークが予測されるか又は検出された場合にランプダウン時間を短縮するのを支援する。例えば、アークが検出されるか又は予測された場合、ランプダウン回路が開放し、係る回路に抵抗が導入される。例えば、係る抵抗は、電流の流れを５０マイクロ秒で５０アンペア未満に下げる種類のものであり得る。そのような回路の簡略例を図１８に示す。回路１８００は抵抗器１８０１及びスイッチ１８０３を有する。抵抗器１８０１及びスイッチ１８０３は、電源が作動し電流を供給している場合にスイッチ１８０３が閉じられるように溶接回路内に配置されている。しかしながら、（アークの生成を防止するために又はアークが検出された場合に）電源が電力の供給を停止すると、スイッチが開いて抵抗器１８０１に誘導電流が流れるようにする。抵抗器１８０１は回路の抵抗を大幅に増加させ、より早い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では一般的に知られており、表面張力移動技術（「ＳＴＴ」）が組み込まれたリンカーンエレクトリック社（オハイオ州クリーブランド）製のパワーウェーブ（登録商標）溶接電源に見ることができる。ＳＴＴ技術は、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に概して記載されており、それらの特許文献は参照により本願に全体的に組み込まれる。当然ながら、これらの特許文献では、開示の回路を用いてアークを生成し維持することが概して述べられているが、当業者であれば、そのようなシステムをアークが生成されないようにするように容易に適合できる。
【０１０９】
上記の説明は、例示の溶接システムを示す（なお、レーザーシステムは明確性の点から図示していない）図１２を参照することでさらに理解することができる。ホットワイヤ電源１２１０（図１に図示の１７０と同様の種類のものであり得る）を有するシステム１２００が図示されている。電源１２１０は、インバータ型電源等の既知の溶接電源構成のものであり得る。そのような電源のデザイン、動作及び構成は既知であるため、本明細書ではそれらについての詳述は省略する。電源１２１０はユーザー入力部１２２０を含む。ユーザー入力部１２２０は、限定されないがワイヤ送給速度、ワイヤの種類、ワイヤの直径、所望の電力レベル、所望のワイヤ温度、電圧及び／又は電流レベルを含むデータをユーザーが入力できるようにする。当然ながら、必要に応じて他の入力パラメータを用いることができる。ユーザーインターフェース１２２０はＣＰＵ／コントローラ１２３０に連結されている。ＣＰＵ／コントローラ１２３０はユーザー入力データを受信し、その情報を用いてパワーモジュール１２５０に必要な動作設定値又は範囲を生成する。パワーモジュール１２５０はインバータ又はトランス型モジュールを含む任意の既知の種類又は構成のものであり得る。
【０１１０】
ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、ルックアップテーブルの使用を含む様々な方法で所望の動作パラメータを決定できる。そのような実施形態では、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は入力データ、例えばワイヤ送給速度、ワイヤの直径及びワイヤの種類を用いて、（ワイヤ１４０を適切に加熱するための）出力のための所望の電流レベル及び閾値電圧又は電力レベル（又は電圧若しくは電力の許容可能な動作範囲）を決定する。これは、ワイヤ１４０を適切な温度に加熱するのに必要な電流が少なくとも入力パラメータに基づいているためである。即ち、アルミニウムワイヤ１４０は軟鋼電極よりも溶融温度が低くいため、ワイヤ１４０を溶融するのに必要な電流／電力が少ない。それに加えて、直径が小さいワイヤ１４０は直径が大きい電極よりも必要な電流／電力が少ない。また、ワイヤ送給速度が上昇すると（従って堆積速度も）ワイヤの溶融に必要な電流／電力レベルはより高くなる。
【０１１１】
同様に、入力データは、アークの生成が回避されるような動作のための電圧／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によって使用される。例えば、直径が０．０４５インチの軟鋼電極の電圧範囲設定は６〜９ボルトであり、パワーモジュール１２５０は６〜９ボルトの範囲の電圧を維持するように駆動される。そのような実施形態では、電流、電圧及び／又は電力は、電極を適切に加熱するのに電流／電力が十分高いことを確保する最小の６ボルトが維持され、アークが生成されず且つワイヤ１４０の溶融温度を上回らないように電圧が９ボルト以下で維持されるように駆動される。当然ながら、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、電圧、電流、電力又は抵抗の変化率等の他の設定値パラメータを必要に応じて設定してもよい。
【０１１２】
図示のように、電源１２１０の正極１２２１はホットワイヤシステムのコンタクトチップ１６０に連結され、電源の負極はワークピースＷに連結されている。そのため、加熱電流は正極１２２１を通じてワイヤ１４０に供給され、負極１２２２を通じて戻る。そのような構成は一般的に知られている。
【０１１３】
当然ながら、他の例示の実施形態では、負極１２２２もコンタクトチップ１６０に連結することができる。ワイヤ１４０を加熱するのに抵抗加熱を用いることができるため、コンタクトチップは、正極１２２１及び負極１２２２の双方をコンタクトチップ１６０に連結してワイヤ１４０を加熱することができる（図１１に示すような）構成のものであり得る。例えば、コンタクトチップ１６０は（図１１Ｂに示すような）デュアル構成を有するか又は（図１１Ｃに示すような）誘導コイルを用いることができる。
【０１１４】
フィードバックセンスリード１２２３も電源１２１０に連結されている。このフィードバックセンスリードは電圧を観察し、検出した電圧を電圧検出回路１２４０に送ることができる。電圧検出回路１２４０は検出した電圧及び／又は検出した電圧の変化率をＣＰＵ／コントローラ１２３０に通信し、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はそれに従ってモジュール１２５０の動作を制御する。例えば、検出された電圧が所望の動作範囲よりも低い場合、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、モジュール１２５０に、その出力（電流、電圧及び／又は電力）を検出された電圧が所望の動作範囲に入るまで高めるよう指示する。同様に、検出された電圧が所望の閾値以上である場合、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は、アークが生成されないようにコンタクトチップ１６０への電流の流れを停止するようモジュール１２５０に指示する。電圧が所望の閾値未満に低下すると、ＣＰＵ／コントローラ１２３０はモジュール１２５０に対して溶接プロセスを続けるために電流若しくは電圧又はその両方を供給するよう指示する。当然ながら、ＣＰＵ／コントローラ１２３０は所望の電力レベルを維持又は供給するようにモジュール１２５０に指示することもできる。
【０１１５】
なお、検出回路１２４０及びＣＰＵ／コントローラ１２３０は図１に図示のコントローラ１９５と同様の構成及び動作を有することができる。本考案の例示の実施形態では、サンプリング／検出速度は少なくとも１０ＫＨｚである。他の例示の実施形態では、検出／サンプリング速度の範囲は１００〜２００ＫＨｚである。
【０１１６】
図１３Ａ〜図１３Ｃは本考案の実施形態で用いられる例示の電流波形及び電圧波形を示す。これらの各波形を順番に説明する。図１３Ａは、アーク検出イベント後に電源出力を再度オンにした後でフィラーワイヤ１４０が溶融池に接触する実施形態のための電圧波形及び電流波形を示す。図示のように、電源の出力電圧は所定の閾値（９ボルト）未満のある動作レベルにあったが、その後溶接の間にこの閾値まで上げられる。動作レベルは、（前で説明した）様々な入力パラメータに基づく所定のレベルであってもよいし、設定動作電圧、電流及び／又は電力レベルであってもよい。この動作レベルは、所定の溶接作業にとって望ましい電源１７０の出力であり、フィラーワイヤ１４０に望ましい加熱信号を提供するためのものである。溶接の間、アークの生成に繋がるようなイベントが発生し得る。図１３Ａでは、そのようなイベントは電圧の上昇を引き起こし、電圧をポイントＡまで上昇させる。ポイントＡでは、電源／制御回路は９ボルトの閾値（アーク検出点又は単にアーク生成点よりも低い所定の上限閾値であり得る）にヒットし、電源の出力を停止して、電流及び電圧をポイントＢにある低いレベルに低下させる。電流低下の傾斜は、システムのインダクタンスから電流合力（current  resultant）を素早く減少させるのを支援する（本明細書で説明した）ランプダウン回路を含めることで制御することができる。ポイントＢにおける電流又は電圧レベルは予め決定されてもよいし、所定の期間の後で到達するようにしてもよい。例えば、一部の実施形態では、溶接のために電圧（又は電流若しくは電力）の上限閾値が設定されるだけでなく下限の非アーク生成レベルも設定される。この下限レベルは、アークが生成されないことが確実になり、電源が再度オンにしてもアークが形成されない下限の電圧、電流又は電力レベルである。そのような下限のレベルを有することで、電源は素早く再びオンにしてアークが生成されないようにすることができる。例えば、溶接のための電源設定値が２０００ワットに設定され、電圧閾値が１１ボルトの場合、この下限電力設定を５００ワットに設定できる。そのため、電圧の上限閾値（実施形態に応じて電流又は電力閾値にすることもできる）に到達すると、出力が５００ワットに落とされる（この下限閾値も下限電流若しくは電圧設定又はその両方であり得る）。あるいは、検出下限を設定する代わりに、タイミング回路を用いて設定した期間の後に電流供給を開始するようにできる。本考案の例示の実施形態では、そのような期間は５００〜１０００ｍｓであり得る。図１３Ａでは、ポイントＣは出力が再びワイヤ１４０に供給される時点を表す。なお、ポイントＢとポイントＣとの間に示されている遅延は意図的な遅延の結果又は単にシステム遅延の結果によるものである。ポイントＣで、フィラーワイヤを加熱するために電流が再度供給される。しかしながら、フィラーワイヤは溶融池にまだ接触していないため、電圧が上昇する一方で電流は上昇しない。ポイントＤでワイヤは溶融池と接触し、電圧及び電流は所望の動作レベルに戻る。図示のように、電圧は、ポイントＤにおける接触の前に上限閾値を上回り得る。それは電源が動作閾値よりも高いＯＣＶレベルを有する場合に起こり得る。例えば、この高いＯＣＶレベルは、電源のデザイン又は製造の結果として電源において設定される上限であってもよい。
【０１１７】
図１３Ｂは、電源の出力が高められる際にフィラーワイヤ１４０が溶融池に接触している点を除き、前で説明したものと同様である。そのような状況では、ワイヤは溶融池から離れないか又はワイヤはポイントＣの前に溶融池と接触していた。図１３ＢはポイントＣ及びＤを一緒に示す。何故なら、出力を再びオンにしたときにワイヤは溶融池と接触しているからである。そのため、電流及び電圧の双方がポイントＥで所望の動作設定に高められる。
【０１１８】
図１３Ｃは、出力がオフにされるとき（ポイントＡ）と、再びオンにされるとき（ポイントＢ）との間に遅延がないか又はあっても少なく、ワイヤがポイントＢの前のある時点で溶融池と接触している実施形態を示す。図示の波形は、（電流、電力又は電圧に関わらず）下限に到達した場合に、遅延なしで又は少しの遅延で出力が再びオンにされるように下限が設定されている上述の実施形態で用いることができる。なお、この下限設定は、本明細書で説明した動作上限閾値又は範囲と同じ又は同様のパラメータを用いて設定することができる。例えば、この下限閾値はワイヤの組成、直径、送給速度又は本明細書で説明した他の様々なパラメータに基づいて設定できる。そのような実施形態は、溶接のための所望な動作設定値に戻る際の遅延を最小限に抑えることができ、ワイヤにおいて生じ得るネッキングを最小限に抑えることができる。ネッキングを最小限に抑えることは、アークの生成の可能性を最小限に抑えるのに役立つ。
【０１１９】
図１４は本考案のさらに別の例示の実施形態を示す。図１４は、図１に図示の実施形態と同様のものを示す。しかしながら、明確性の点から特定の構成要素及び接続が図示されていない。図１４は、ワイヤ１４０の温度を観察するために熱センサ１４１０が用いられるシステム１４００を示す。熱センサ１４１０は、ワイヤ１４０の温度を検出することが可能な任意の公知の種類のものでよい。センサ１４１０は、ワイヤの温度を検出するためにワイヤ１４０に接触できるか又はコンタクトチップ１６０に連結することができる。本考案のさらなる例示の実施形態では、センサ１４１０はレーザー又は赤外線ビームを用いる種類のものであり、フィラーワイヤの直径等の小さなオブジェクトの温度をワイヤ１４０に接触することなく検出できる。そのような実施形態では、センサ１４１０は、ワイヤ１４０の温度がワイヤ１４０の突出部、即ちコンタクトチップ１６０の端部と溶融池との間のどこかの点で検出できるように配置されている。センサ１４１０は、ワイヤ１４０用のセンサ１４１０が溶融池の温度を感知しないように配置されるべきである。
【０１２０】
センサ１４１０は、システム１４００の制御を最適化することができるよう温度フィードバック情報を電源１７０及び／又はレーザー電源１３０に提供できるように（図１に関連して説明した）検知／コントロールユニット１９５に連結されている。例えば、電源１７０の電力又は電流出力をセンサ１４１０からのフィードバックに少なくとも基づいて調整することができる。即ち、本考案の実施形態では、ユーザーが（所定の溶接及び／又はワイヤ１４０にとって）望ましい温度設定を入力するか又は検知／コントロールユニットが他のユーザー入力データ（ワイヤ送給速度、電極の種類等）に基づいて所望の温度を設定することができ、そして検知／コントロールユニット１９５はその所望の温度を維持するために少なくとも電源１７０を制御し得る。
【０１２１】
そのような実施形態では、ワイヤが溶融池に入る前にレーザービーム１１０がワイヤ１４０に影響を及ぼすことによって起こり得るワイヤ１４０の加熱が可能になる。本考案の実施形態では、ワイヤ１４０の温度は電源１７０を介してワイヤ１４０内の電流を制御することによってのみ制御できる。しかしながら、他の実施形態では、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作用するレーザービーム１１０に起因し得る。そのため、電源１７０からの電流又は電力のみがワイヤ１４０の温度を表さない場合がある。そのため、センサ１４１０を利用することで、電源１７０及び／又はレーザー電源１３０の制御を通じたワイヤ１４０の温度の調節を支援することができる。
【０１２２】
（図１４にも図示の）さらなる例示の実施形態では、温度センサ１４２０が溶融池の温度を検知するように構成されている。この実施形態では、溶融池の温度も検知／コントロールユニット１９５に連結されている。しかしながら、他の例示の実施形態では、センサ１４２０をレーザー電源１３０に直接連結することができる。センサ１４２０からのフィードバックを用いてレーザー電源１３０／レーザー１２０からの出力を制御することができる。即ち、所望の溶融池温度を得ることができるようにレーザービーム１１０のエネルギー密度を変更することができる。
【０１２３】
本考案のさらなる例示の実施形態では、センサ１４２０を溶融池にさし向けるのではなく、ワークピースの溶融池に隣接する領域にさし向けることができる。具体的には、溶接部に隣接するワークピースへの入熱を最小限に抑えることが望ましい場合がある。センサ１４２０は、溶接部の付近で閾値温度が上回らないようこの温度敏感領域を観察するように設置できる。例えば、センサ１４２０はワークピース温度を観察し、検知した温度に基づいてビーム１１０のエネルギー密度を低減できる。そのような構成によって、溶接ビード付近の入熱が所望の閾値を上回らないようにすることができる。そのような実施形態は、ワークピースへの入熱が決定的に重要な意味を持つ精密溶接作業において用いることができる。
【０１２４】
本考案の他の例示の実施形態では、検知／コントロールユニット１９５を、ワイヤ送給機構（図示していないが、図１の１５０参照）に連結された送給力（feed  force）検出ユニットに連結することができる。送給力検出ユニットは既知であり、ワイヤ１４０がワークピース１１５に送給されるときにワイヤ１４０に加えられる送給力を検出する。例えば、そのような検出ユニットは、ワイヤ送給装置１５０のワイヤ送給モーターによって加えられるトルクを観察することができる。ワイヤ１４０が完全に溶融しないまま溶融した溶融溜まりを通過すると、ワイヤ１４０はワークピースの固体部分に接触することになる。モーターは設定された供給速度を維持しようと試みるため、そのような接触によって送給力の増加が引き起こされる。この力／トルクの増大を検出し、コントローラ１９５に伝達することができる。コントローラ１９５はこの情報を用いてワイヤ１４０への電圧、電流及び／又は電力を調整して溶融溜まりにおけるワイヤ１４０の溶融が適切なものになるようにする。
【０１２５】
なお、本考案の一部の例示の実施形態では、ワイヤが溶融池に絶えず送給されるのではなく、所望の溶接プロファイルに基づいて途切れ途切れに送給され得る。具体的には、本考案の様々な実施形態の多様性によって、オペレータ又はコントロールユニット１９５のいずれかが望み通りに溶融溜まりへのワイヤ１４０の送給を開始及び停止できる。例えば、溶接継手の一部には金属フィラー（ワイヤ１４０）の使用を必要とするが、同じ継手又は同じワークピースの他の部分は金属フィラーの使用を必要としない複雑な溶接プロファイルや形状が種々に数多く存在する。そのため、溶接の第１の部分では、コントロールユニット１９５はレーザー１２０のみを操作して継手の第１の部分がレーザー溶接されるようにするが、溶接作業が（金属フィラーの使用を必要とする）溶接継手の第２の部分に到達すると、コントローラ１９５は電源１７０及びワイヤ送給装置１５０に対して溶融池にワイヤ１４０の堆積を開始させる。そして、溶接作業が第２の部分の終わりに到達したときに、ワイヤ１４０の堆積を停止できる。これは、ある部分と別の部分とでプロファイルが大きく異なる連続溶接部の形成を可能にする。そのような能力によって、個々の溶接作業を数多く有することとは対照的に単一の溶接作業でワークピースを溶接することを可能にする。当然ながら、多くの変更を実施できる。例えば、溶接部は、異なる形状、深さ及びフィラーの要件を有する溶接プロフィールを必要とする３つ以上の異なる部分を有し、各溶接部分でレーザー及びワイヤ１４０の使用が異なり得る。さらに、必要に応じて、さらなるワイヤを加えてもよいし除いてもよい。即ち、第１の溶接部分はレーザー溶接のみを必要とする一方で、第２の部分は１つのフィラーワイヤ１４０の使用のみを必要とし、溶接部の最後の部分は２つ以上のフィラーワイヤの使用を必要とする。コントローラ１９５は、連続溶接ビードが１つの溶接パスで形成されるよう係る様々な溶接プロファイルを連続溶接作業で得ることができるようにシステムの様々な構成要素を制御できるように構成できる。
【０１２６】
図１５は、本考案の例示の実施形態に従って溶接する場合の一般的な溶融池Ｐを示す。前で説明したように、レーザービーム１１０はワークピースＷの表面に溶融池Ｐを形成する。溶融池は長さＬを有し、長さＬは、ビーム１１０のエネルギー密度、形状及び動きの関数である。本考案の例示の実施形態では、ビーム１１０は、溶融池の後端から距離Ｚの位置で溶融池Ｐに向けられている。そのような実施形態では、高強度エネルギー源（例えばレーザー１２０）は、エネルギー源１２０がワイヤ１４０を溶融するのではなく、ワイヤ１４０の溶融はワイヤ１４０が溶融池と接触することによって達成されるようにするために、自身のエネルギーがフィラーワイヤ１４０に直接作用させる。一般に、溶融溜まりＰの後端は溶融池が終了し、形成される溶接ビードＷＢの固化が始まる点として定義される。本考案の実施形態では、距離Ｚは溶融池Ｐの長さＬの５０％である。さらなる例示の実施形態では、距離Ｚは溶融池Ｐの長さＬの４０〜７５％である。
【０１２７】
図１５に示すように、フィラーワイヤ１４０は（溶接部の移動方向において）ビーム１１０の後ろで溶融池Ｐに影響を与える。図示のように、ワイヤ１４０は、溶融池Ｐの後端の前の距離Ｘとして溶融池Ｐに影響を与える。例示の実施形態では、距離Ｘは溶融池Ｐの長さの２０〜６０％である。他の例示の実施形態では、距離Ｘは溶融池Ｐの長さＬの３０〜４５％である。他の例示の実施形態では、ワイヤ１４０及びビーム１１０は、溶接プロセスの間にビーム１１０の少なくとも一部がワイヤ１４０に作用するように溶融池Ｐの表面で又は溶融池Ｐの上の点で交差する。そのような実施形態では、溶融池Ｐにワイヤ１４０を堆積するためワイヤ１４０を溶融するのを支援するためにレーザービーム１１０が用いられる。ビーム１１０を用いてワイヤ１４０の溶融を支援することにより、ワイヤ１４０を溶融池Ｐ内で素早く消費するにはその温度が低すぎる場合にワイヤ１４０が溶融池Ｐを急冷してしまうのを防止するのを支援する。しかしながら、前で述べたように、（図１５に示すように）一部の実施形態では、フィラーワイヤ１４０の溶融は溶融池の熱によって達成されるため、エネルギー源１２０及びビーム１１０はフィラーワイヤ１４０のどの部分もはっきりとは溶融しない。
【０１２８】
図１５に示す実施形態では、ワイヤ１４０はビーム１１０に後続し、ビーム１１０と並んでいる。しかしながら、ワイヤ１４０は（移動方向で）ビーム１１０に先行することができるため、本考案はこの構成に限定されない。また、移動方向でワイヤ１４０がビームと並んでいる必要はなく、ワイヤの好適な溶融が溶融池で起こる限り、任意の方向から溶融池にワイヤを当ててもよい。
【０１２９】
図１６Ａ〜図１６Ｆは、レーザービーム１１０の足跡（footprint）を示した状態の様々な溶融溜まりＰを示す。図示のように、一部の例示の実施形態では、溶融溜まりＰは円形の足跡を有する。しかしながら、本考案の実施形態はこの構成に限定されない。例えば、溶融池は楕円形又は他の形状を有することも考えられる。
【０１３０】
また、図１６Ａ〜図１６Ｆでは、断面が円形のビーム１１０を図示している。ここでも、本考案の他の実施形態はこれに関連して限定されない。何故なら、ビーム１１０は溶融池Ｐを有効に形成するために楕円、矩形又は他の形状を有することができるからである。
【０１３１】
一部の実施形態では、レーザービーム１１０は溶融池Ｐに対して静止可能である。即ち、ビーム１１０は、溶接の間に溶融池Ｐに対して比較的一定の位置に留まる。しかしながら、図１６Ａ〜図１６Ｄで例示するように、他の実施形態はそのような形に限定されない。例えば、図１６Ａは、ビーム１１０が溶融池Ｐの周りを円状に動かされる実施形態を示す。この図では、ビーム１１０における少なくとも１つの点が溶融池の中心Ｃと常に重なるようにビーム１１０が移動する。他の実施形態では、円状パターンが用いられるが、ビーム１１０は中心Ｃと接触しない。図１６Ｂはビームが１つの線に沿って前後に移動される実施形態を示す。この実施形態は、所望の溶融池Ｐの形状に応じて溶融池Ｐを長くするか又はその幅を広げるのに用いることができる。図１６Ｃは異なる２つのビーム断面を用いる実施形態を示す。第１のビーム断面１１０は第１の形状を有し、第２のビーム断面１１０’は第２の断面を有する。そのような実施形態は、溶融池Ｐ内のある点で溶け込みを大きくしつつ、（必要に応じて）より大きな溶融池のザイズを維持するのに用いることができる。この実施形態は、１つのレーザー１２０を用いて、レーザーのレンズ又は光学系の使用によりそのビーム形状を変化させることにより又は複数のレーザー１２０の使用により実現できる。図１６Ｄは、溶融池Ｐにおいて楕円状に動かされるビーム１１０を示す。ここでも、そのようなパターンは必要に応じて溶融池Ｐを長くするか又はその幅を広げるのに用いることができる。ビーム１１０を別の形で移動させて溶融池Ｐを形成することができる。
【０１３２】
図１６Ｅ及び図１６Ｆは、異なるビーム強度を用いたワークピースＷ及び溶融池Ｐの断面を示す。図１６Ｅは、より幅広のビーム１１０によって形成された浅く幅が広い溶融池Ｐを示す一方、図１６Ｆは、通常「キーホール」と呼ばれる深く幅が狭い溶融池Ｐを示す。この実施形態では、ビームは、その焦点がワークピースＷの上面の近くになるように集束される。そのような集束により、ビーム１１０はワークピースの全深さを貫通することができ、ワークピースＷの底面上に後部ビード（back  bead）ＢＢを形成するのを支援できる。ビームの強度及び形状は、溶接の間の溶融池の所望の特性に基づいて決定されることになる。
【０１３３】
レーザー１２０は任意の既知の方法及び装置により移動、平行移動又は操作することができる。レーザーの動き及び光学系は一般的に知られているため、本明細書ではそれらについての詳述を省略する。図１７は、本考案の例示の実施形態に係るシステム１７００を示す。システム１７００では、レーザー１２０を動かすことができ、動作の間にその光学系（そのレンズ等）を変更又は調整することができる。このシステム１７００では、検知／コントロールユニット１９５がモーター１７１０及び光学駆動ユニット１７２０の双方に連結されている。モーター１７１０は、溶融池に対するビーム１１０の相対位置を溶接の間に動かすことができるようにレーザー１２０を動かすか又は平行移動させる。例えば、モーター１７１０は、例えばビーム１１０を前後に平行移動させたり、円状に動かしたりする。同様に、光学駆動ユニット１７２０は、レーザー１２０の光学系を制御するよう検知／コントロールユニット１９５から指示を受ける。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動かすか又は変化させることができるため、溶融池の溶け込み又は深さが変更される。同様に、光学駆動ユニット１７２０はレーザー１２０の光学系を変化させてビーム１１０の形状を変更する。そのため、溶接の間、検知／コントロールユニット１９５はレーザー１２０及びビーム１１０を制御して、作業の間に溶融池の特性を維持及び／又は変更する。
【０１３４】
図１、図１４及び図１７のそれぞれでは、レーザー電源１３０、ホットワイヤ電源１７０及び検知／コントロールユニット１９５を明確性の点から別々に示している。しかしながら、本考案の実施形態では、これらの構成要素を単一の溶接システムに統合することができる。本考案の態様では、前で個別に説明した構成要素が別々の物理的ユニット又はスタンドアローン構造で維持されている必要はない。
【０１３５】
上述したように、高強度エネルギー源は、溶接電源を含む任意の数のエネルギー源であり得る。これの例示の実施形態を図２０に示す。図２０は、図１に示すシステム１００と同様のシステム２０００を示す。システム２０００の構成要素の多くはシステム１００の構成要素と同様であるため、それらの動作及び利用についての詳細な説明は省略する。しかしながら、システム２０００ではレーザーシステムがＧＭＡＷシステム等のアーク溶接システムに置き換えられている。ＧＭＡＷシステムは電源２１３０、ワイヤ送給装置２１５０及びトーチ２１２０を含む。ワイヤ送給装置２１５０及びトーチ２１５０を通じて溶融池に溶接電極２１１が送られる。本明細書で説明する種類のＧＭＡＷ溶接システムの動作は周知であるため、本明細書で詳細に説明する必要はない。なお、図示の例示の実施形態に関連してＧＭＡＷシステムを図示説明するが、本考案の例示の実施形態は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、ろう付けシステム並びにこれらのシステムの組み合わせ等（ワークピース上の溶融池に消耗電極を移動させるのを支援するのにアークを用いるシステムを含む）でも用いることができる。図２０に図示していないが、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を既知の方法に従って用いることができる。
【０１３６】
上述したレーザーシステムのように、溶融池を形成するために（高強度エネルギー源として使用可能な）アーク生成システムが用いられ、前で詳述したシステム及び実施形態を用いてホットワイヤ１４０がその溶融地に加えられる。しかしながら、アーク生成システムの場合では、周知のように、追加の消耗電極２１１も溶融地に加えられる。この追加の消耗電極は、本明細書で説明するホットワイヤプロセスによって既にもたらされた向上した堆積パフォーマンスを増大させる。このパフォーマンスについて以下でより詳細に説明する。
【０１３７】
また、一般的に知られているように、ＧＭＡＷ等のアーク生成システムは送り出される消耗電極とワークピース上の溶融池との間でアークを生成するために高レベルの電流を使用する。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（該アークに消耗電極が加えられる）を生成するために高レベルの電流を使用する。一般的に知られているように、定電流、パルス電流等の多種多様な電流波形をＧＴＡＷ又はＧＭＡＷ溶接作業に用いることができる。しかしながら、システム２０００の動作の間、電源２１３０によって生成される電流は、電源１７０によって生成される、ワイヤ１４０の加熱に用いられる電流を干渉し得る。ワイヤ１４０は電源２１３０によって生成されるアークに近接しているため（前述したのと同様に、それらは共に同じ溶融池に向けられるため）、それぞれの電流が互いに干渉し合う場合がある。具体的には、各電流は磁場を生成し、これらの磁場が互いに干渉し合ってそれらの動作に悪影響を及ぼし得る。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を妨げ得る。即ち、それぞれの電流の適切な制御及び同期なくしては、競合し合う磁場がアークを不安定化させ、それ故にプロセスを不安定化させる。従って、例示の実施形態は、安定した作業を確かなものにするために電源２１３０及び１７０の間で電流の同期を用いる。これについて以下で詳細に説明する。
【０１３８】
図２１は本考案の例示の溶接作業の拡大図を示す。図に示すように、トーチ２１２０（例示のＧＭＡＷ／ＭＩＧトーチであり得る）は、一般的に知られているようにアークの使用を通じて消耗電極２１１０を溶融池ＷＰに送る。また、ホットワイヤ消耗電極１４０は、上述した実施形態のいずれかに従って溶融池ＷＰに送られる。なお、この図ではトーチ２１２０とコンタクトチップ１６０とを別々に示しているが、消耗電極１４０及び２１１０の双方を溶融池に送る単一のトーチユニットにこれらの構成要素を一体化させることができる。一体化構成を用いる場合、プロセスの間に消耗電極間での電流転移を防止するためにトーチ内で電気的遮蔽を用いなければならない。上述したように、それぞれの電流によって誘発された磁場は互いに干渉し合うため、本考案の実施形態はそれぞれの電流を同期させる。同期は様々な方法により実現できる。例えば、検知／電流コントローラ１９５を用いて電源２１３０及び１７０の動作を制御して電流を同期させることができる。あるいは、一方の電源を用いて他方の出力を制御するマスター／スレーブ関係を用いることもできる。相対流の制御は、安定した動作のために電源の出力電流が同期されるように電源を制御する状態表又はアルゴリズムの使用を含む多数の方法により実現できる。これについて図２２Ａ〜図２２Ｃに関連して説明する。例えば、特許文献５に記載のものと同様の二重状態ベースの（dual-state  based）システム及び装置を用いることができる。２０１０年４月２２日に公開された特許文献５は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。
【０１３９】
図２２Ａ〜図２２Ｃのそれぞれは例示の電流波形を示す。図２２Ａは、ワイヤ２１１０から溶融池への溶滴の転移を支援するのに電流パルス２２０２を用いる例示の溶接波形（ＧＭＡＷ又はＧＴＡＷのいずれか）を示す。当然ながら、図示の波形は例示であり限定を意図したものではない。例えば、電流波形はパルススプレー転移、パルス溶接、表面張力転移溶接等のためのものであり得る。ホットワイヤ電源１７０は、概して上述したように抵抗加熱を通じてワイヤ１４０を加熱するために、一連のパルス２２０４を有する電流波形２２０３を出力する。電流パルス２２０４は、電流レベルの小さいバッググラウンドレベルによって離間されている。概して上述したように、ワイヤ１４０をその溶融温度に又はその溶融温度付近に加熱するために波形２２０３が用いられ、波形２２０３は、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に示すように、各電流波形からのパルス２２０２及び２２０４は互いに同相になるように同期されている。この例示の実施形態では、電流波形は、電流パルス２２０２／２２０４が図示のように同様の又は同じ周波数を有するとともに互いに同相になるように制御される。驚くべきことに、同相の波形を有することで、波形２２０３によって生成される加熱電流によってアークが大きな干渉を受けない、安定且つ一貫した動作が得られることが見出された。
【０１４０】
図２２Ｂは、本考案の別の例示の実施形態からの波形を示す。この実施形態では、加熱電流波形２２０５は、パルス２２０６がパルス２２０２と一定の位相角Θだけ位相がずれるように制御／同期される。そのような実施形態では、プロセスの安定動作を確かなものにするとともにアークが安定した状態で維持されるのが確かなものとなるように選択される。本考案の例示の実施形態では、位相角Θの範囲は３０〜９０°である。他の例示の実施形態では、位相角は０°である。当然ながら、安定した作業を得るために他の位相角を用いることができ、そのような位相角の範囲は０〜３６０°であるのに対して、他の例示の実施形態では、位相角の範囲は０〜１８０°である。
【０１４１】
図２２Ｃは本考案の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、ホットワイヤパルス２２０８が溶接パルス２２０２と位相角Θだけ位相がずれるように、そして該位相角Θが約１８０°になり、波形２２０１のバックグラウンド部２２１０の間のみ起こるようにホットワイヤ電流２２０７が溶接波形２２０１と同期される。この実施形態では、それぞれの電流は同時にピークに達しない。即ち、波形２２０７のパルス２２０８は波形２２０１の各バックグラウンド部２２１０で開始及び終了する。
【０１４２】
本考案の一部の例示の実施形態では、溶接パルスのパルス幅とホットワイヤパルスのパルス幅とは同じである。しかしながら、他の実施形態では、それぞれのパルス幅は異なり得る。例えば、ＧＭＡＷパルス波形とホットワイヤパルス波形とを併用する場合、ＧＭＡＷパルス幅の範囲は１．５〜２．５ミリ秒で、ホットワイヤパルス幅の範囲は１．８〜３ミリ秒であり、ホットワイヤパルス幅はＧＭＡＷパルス幅よりも大きい。
【０１４３】
なお、加熱電流をパルス電流として図示しているが、一部の例示の実施形態では、加熱電流は前で説明したように定電力であり得る。ホットワイヤ電流は、パルス加熱電力、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ってもよい。
【０１４４】
本明細書で説明したように、双方の電流がパルス電流の場合、安定動作を確かなものにするためにそれらが同期される。これを実現するのに、同期信号の使用を含む数多くの方法が存在する。例えば、コントローラ１９５（電源１７０／２１３０のいずれかと一体化されていてもよい）は、パルスアークピークを開始させるために同期信号を設定することができるとともに、ホットワイヤパルスピークのために所望の開始時間を設定することができる。前で説明したように、一部の実施形態では、パルスは同時に始まるように同期されるのに対して、他の実施形態では、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でき、該期間は作業のために所望の位相角を得るのに十分なものであり得る。
【０１４５】
図２３は本考案の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、ＧＴＡＷ溶接／被覆作業が用いられ、ＧＴＡＷトーチ２１２１及び電極２１２２はアークを生成し、そのアーク内に消耗電極２１２０が送られる。再び、アーク及びホットワイヤ１４０が同じ溶融池ＷＰに送られて、図示のようなビードＷＢを形成する。ＧＴＡＷの実施形態の作業は、アークとホットワイヤ１４０とが同じ溶融池ＷＰで相互に作用する点で上述した実施形態と同様である。再び、上述したＧＭＡＷ作業と同様に、ＧＴＡＷ作業でアークを生成するのに電流が用いられる。例えば、図２２Ａ〜図２２Ｃに示すパルス関係を用いることができる。また、コントローラ１９５は二重状態テーブル又は他の同様の制御方法を用いて電源間の同期を制御することができる。なお、消耗電極２１２０はコールドワイヤとして又はホットワイヤの消耗電極として溶接部に送ることができる。即ち、消耗電極２１１０及び１４０の双方は本明細書で説明したように加熱することができる。あるいは、本明細書で説明したように、消耗電極２１２０及び１４０の一方のみがホットワイヤであってもよい。
【０１４６】
上述したＧＴＡＷ又はＧＭＡＷ型の実施形態（他のアーク型の方法の使用を含む）のいずれかでは、アークは移動方向に対して先頭（lead）に位置している。これを図２１及び図２３のそれぞれに示す。これは、ワークピースにおいて所望の溶け込みを得るのにアークを用いるからである。即ち、溶融池を形成し、ワークピースに所望の溶け込みを得るのにアークが用いられる。そして、アークプロセスの後に、本明細書で詳細に説明するホットワイヤプロセスが存在する。ホットワイヤプロセスを加えることで、少なくとも２つのアークが用いられる従来のタンデムＭＩＧプロセス等のように別の溶接アークによる追加の入熱なしに多くの消耗電極１４０を溶融池に加えることができる。そのため、本考案の実施形態は既知のタンデム溶接法よりも相当少ない入熱で高い堆積速度を実現することができる。
【０１４７】
図２１に示すように、ホットワイヤ１４０はアークと同じ溶融池ＷＰに挿入されているが、距離Ｄ離れた状態でアークの後を追う。一部の例示の実施形態では、この距離の範囲は５〜２０ｍｍであり、他の実施形態では、この距離の範囲は５〜１０ｍｍである。当然ながら、先行するアークによって形成される溶融池と同じものにワイヤ１４０が送給される限り、他の距離を用いることもできる。しかしながら、ワイヤ２１１０及び１４０は同じ溶融池に堆積されることになり、距離Ｄは、ワイヤ１４０を加熱するのに用いられる加熱電流によるアークの磁気妨害が最小限になるような距離とすべきである。一般に、アーク及びワイヤがまとめて向けられる溶融池のサイズは、ワイヤ２１１０と１４０との間の所望の距離を決定する上での要因にもなる溶接速度、アークパラメータ、ワイヤ１４０に供給される全電力、材料の種類等によって決まる。
【０１４８】
なお、ホットワイヤ電流（例えば、２２０３、２２０５又は２２０７）の動作は、コントローラ１９５又は電源１７０によりアークイベントが検出されるか又は予測された場合について本明細書で詳細に説明したものと同様である。即ち、電流はパルス化されているが、アークが生成されるか又は検出された場合には、本明細書で説明したように電流を止めるか又は最小限に抑えることができる。さらに、一部の例示の実施形態では、バックグラウンド部２２１１は（ユーザー入力情報に基づいてコントローラ１９５により決定が可能な）ワイヤ１４０のためのアーク生成レベルよりも低い電流レベルを有し、アークが検出された場合にホットワイヤ電流を止めるのではなく、電源１７０は、（前で概して説明したように）ある期間又はアークが消弧されたと判断されるか若しくはアークは発生しないと判断されるまで、電流をバックグラウンドレベル２２１１に下げることができる。例えば、電源１７０はパルス２２０３／２２０５／２２０７を所定数スキップするか又は単純にある期間、例えば１０〜１００ｍｓパルス化しないようにでき、その期間の後に電源１７０はワイヤ１４０を適切な温度に加熱するために再びパルスを開始させることができる。
【０１４９】
上述したように、少なくとも２つの消耗電極１４０／２１１０が同じ溶融池で用いられるため、シングルアークの作業の場合の入熱と入熱が同様の状態で非常に高い堆積速度を実現出来る。これは、ワークピースへの入熱が非常に高いタンデムＭＩＧ溶接システムに勝る大きな利点を提供する。例えば、本考案の実施形態は、シングルアークの入熱で少なくとも２３ポンド／時間の堆積速度を容易に実現できる。他の例示の実施形態は少なくとも３５ポンド／時間の堆積速度を有する。
【０１５０】
本考案の例示の実施形態では、ワイヤ１４０及び２１１０は、それらが同じ組成、直径等を有する点でそれぞれ同じである。しかしながら、他の例示の実施形態では、ワイヤは異なり得る。例えば、ワイヤは特定の作業のために、必要に応じて異なる直径、ワイヤ送給速度及び組成を有していてもよい。例示の実施形態では、先行ワイヤ２１１０のワイヤ送給速度はホットワイヤ１４０のワイヤ送給速度よりも速い。例えば、先行ワイヤ２１１０のワイヤ送給速度は４５０インチ／分であり得るのに対して、後続ワイヤ１４０のワイヤ送給速度は４００インチ／分である。また、ワイヤは異なるサイズ及び組成を有することができる。実際に、ホットワイヤ１４０を溶融池内に堆積するのにアークを通過させる必要がないため、ホットワイヤ１４０は一般にアークを良好に通過しない材料／組成を有することができる。例えば、ワイヤ１４０は、アークの点から一般的な溶接電極に添加することができない炭化タングステン又は他の同様の表面硬化材料を有することができる。それに加えて、先行電極２１１０は、所望のビード形状を提供するために溶融池の濡れ性を助ける湿潤材が豊富な組成を有することができる。また、ホットワイヤ１４０は溶融池の保護を助けるスラグ要素を含むこともできる。従って、本考案の実施形態は溶接化学的構造の柔軟性を高めることができる。なお、ワイヤ２１１０は先行ワイヤであるため、係る先行ワイヤを用いたアーク溶接作業は溶接継手のための溶け込みを提供し、その場合ホットワイヤは継手のための追加の充填を提供する。
【０１５１】
本考案の一部の例示の実施形態では、行われる特定の作業の要件や制限に一致するよう溶着物への入熱のバランスを取るためにアークとホットワイヤとの組み合わせを用いることができる。例えば、接合施工のために先行アークからの熱を高めることができる。その場合、アークからの熱はワークピースを接合するのに必要な溶け込みを得るのを助け、ホットワイヤは継手の充填のために主として用いられる。しかしながら、クラッディング又は上盛りプロセスでは、ホットワイヤのワイヤ送給速度を高めて希釈を最低限に抑えるとともに上盛りを増やすことができる。
【０１５２】
また、異なるワイヤの化学的構造を用いることができるため、従来では２つの別個のパスにより得られる異なる層を有する溶接継手を形成できる。先行ワイヤ２１１０は従来の第１のパスに必要な化学的構造を有し得るのに対して、後続ワイヤ１４０は従来の第２のパスに必要な化学的構造を有することができる。また、一部の実施形態では、ワイヤ１４０／２１１０のうちの少なくとも一方がコアードワイヤであってもよい。例えば、ホットワイヤ１４０は溶融池内に所望の材料を堆積する紛体のコアを有するコアードワイヤであり得る。
【０１５３】
図２４は本考案の電流波形の別の例示の実施形態を示す。この実施形態では、ホットワイヤ電流２４０３は溶接電流２４０１（ＧＭＡＷ又はＧＴＡＷのいずれか）と同期されたＡＣ電流である。この実施形態では、加熱電流の正のパルス２４０４は電流２４０１のパルス２４０２と同期されているのに対して、加熱電流２４０３の負のパルス２４０５は溶接電流のバックグラウンド部２４０６と同期されている。当然ながら、他の実施形態では、正のパルス２４０２がバックグラウンド２４０６と同期され、負のパルス２４０５がパルス２４０２と同期されるといったように同期が逆であってもよい。別の実施形態では、パルス溶接電流とホットワイヤ電流との間に位相角が存在する。ＡＣ波形を利用することにより、アークの安定化を支援するのに交流（それ故に交番磁場）を用いることができる。当然ながら、本考案の精神又は範囲を逸脱することなく他の実施形態を用いることができる。例えば、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）作業を用いるシステムでは、ＳＡＷ電流波形はＡＣ波形であり、ホットワイヤ電流波形はＡＣ又はパルスＤＣ電力波形であってよく、各波形が互いに対して同期される。
【０１５４】
なお、本考案の実施形態は溶接電流が定電流波形又は略一定の電流波形の場合に用いることができる。そのような実施形態では、交流加熱電流２４０３を用いてアークの安定性を維持することができる。安定性は加熱電流２４０３からの絶えず変更された（constantly  changed）磁場により得られる。
【０１５５】
図２５は本考案の別の実施形態を示す。この実施形態では、ホットワイヤ１４０が２つのタンデムアーク溶接作業の間に位置している。図２５では、アーク溶接作業をＧＭＡＷ型溶接として図示しているが、ＧＴＡＷ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ又はＳＡＷ型のシステムであってもよい。図中、先行トーチ２１２０は第１の電源２１３０に連結され、アーク溶接作業を通じで第１の電極２１１０を溶融池に送る。（上述のように堆積される）ホットワイヤ１４０が先行アークの後に続く。ホットワイヤ１４０の後に続くのは、第２の電源２１３０’、第２のトーチ２１２０’及び第２のアーク溶接ワイヤ２１１０’を用いる後続アーク溶接作業である。そのため、その構成はタンデムＧＭＡＷ溶接システムの構成と同様であるが、トーチ２１２０及び２１２０’の間の共通の溶融池内に堆積されるホットワイヤ１４０を有する。そのような実施形態は溶融池への材料の堆積速度をさらに高める。なお、本考案の実施形態は単一作業において追加の溶接トーチ及び／又はホットワイヤ消耗電極を用いることができ、図示の実施形態に限定されない。例えば、複数のホットワイヤを用いて、シングルパスの間に溶融池に追加の材料を堆積させることができる。上述したように、本明細書で一般的に説明したＧＭＡＷプロセスではなく、ＳＡＷプロセスを用いることができる。例えば、図２５に示す実施形態は、図示の構成と構成が同様の先行及び後続ＳＡＷプロセスを用いることができる。当然ながら、アークをシールドするためにシールドガスではなく粒状フラックスを用いてもよい。上述したように、全体的な方法又は作業及び制御は、ＳＡＷ等の他の溶接方法を用いる場合にも同様に適用できる。例えば、図２５Ａは、本明細書で説明したホットワイヤを用いるＳＡＷシステムで用いることができる例示の波形を示す。図示のように、先行ＳＡＷ電流波形２５０１は、複数の正のパルス２５０３及び複数の負のパルス２５０５を有するＡＣ波形であるのに対して、後続ＳＡＷ電流２５２１も複数の正のパルス２５２３及び複数の負のパルス２５２５を有するＡＣ波形であり、後続波形２５２１は先行波形２５０１から位相角αだけ位相がずれている。本考案の例示の実施形態では、位相角αの範囲は９０〜２７０°である。なお、図示の実施形態では、波形２５０１と２５２１との間の±オフセットは、後続波形２５２１が先行波形２５０１よりも負のオフセットが大きい点で異なる。他の例示の実施形態では、オフセットが同じであるか又は逆であり得る。図示のホットワイヤ電流２５１０は、バックグラウンドレベル２５１３により離間された複数の正のパルス２５１１を有するパルス電流であり、波形２５１０は、位相角αとは異なるオフセット位相角θを有する。例示の実施形態では、ホットワイヤ位相角θの範囲は４５〜３１５°であるが位相角αとは異なる。
【０１５６】
なお、上記の説明はＳＡＷ型の作業に関するものであったが、同様の同期方法を用いた他の例示の実施形態は、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ又はＧＴＡＷ型の作業又はその組み合わせであり得る。
【０１５７】
上述したように、本考案の実施形態は、溶融池内への材料の堆積を大幅に高めながら、従来のタンデムシステムよりも全体的な入熱を低く維持することができる。しかしながら、一部の例示の実施形態は、従来のタンデム法よりも高い溶接ビードＷＢの形状を作ることができる。即ち、溶接ビードＷＢは、ワークピースの表面よりも上に直立（stand  up）する傾向にあり、タンデムシステムほどには溶接ビードＷＢの側部にウェットアウト（wet  out）しない。一般に、これは、先行アーク溶接作業の後でホットワイヤ１４０が溶融池の急冷を助けるからである。従って、本考案の一部の例示の実施形態では、溶接／被覆作業の間に溶融池の拡張又はウェットアウトの支援にシステム及び構成要素を用いる。
【０１５８】
図２６は例示の実施形態を示す。この実施形態では、２つのＧＭＡＷトーチ２１２０及び２１２０’は一列になって配置されるのではなく、図示のように併置（side-by-side  position）され、ホットワイヤ１４０が２つのトーチ２１２０／２１２０’の後を追う。この実施形態では、併置構成の２つのＧＭＡＷアークを有するため溶融池ＷＰが広がるとともに、溶融池のウェットアウトを支援して溶接ビードＷＢを平坦化させる。他の実施形態と同様に、ホットワイヤ１４０はアーク溶接作業の後に続き、アーク溶接作業の後ろの溶接ビードＷＢの中心線上に配置できる。しかしながら、溶接作業の間にホットワイヤ１４０をオシレートするか又は溶融池に対して動かすことができるため、ホットワイヤ１４０が中心線に留まる必要なない。
【０１５９】
図２７は、溶融池の平坦化を助けるか又は溶融池のウェッティングを支援するために溶融池ＷＰのいずれかの側でレーザー２７２０及び２７２０’が用いられる別の例示の実施形態を示す。レーザー２７２０／２７２０’は、溶融池が所望の形状になるように、溶融池に熱を加えるとともに溶融池のウェッティングを支援するために溶融池の両側にビーム２７１０／２７１０’をそれぞれ照射する。レーザー２７２０／２７２０’は、本明細書で説明した種類のものでよく、上述したように制御できる。即ち、所望の溶接ビードの形状を提供するために、レーザーをコントローラ１９５又は同様の装置で制御することができる。さらに、所望の溶接ビードの形状を得るために２つのレーザーを用いるのではなく、１つのレーザーと、ビーム２７１０を分割し、所望の溶接ビードの形状を得るために分割したビームを溶融池上の適切な位置に向けるビームスプリッターとを併用することができる。なお、明確性のために、図２７には先行アーク溶接プロセスを図示していない。
【０１６０】
さらなる例示の実施形態では、（移動方向における）アークプロセスの直ぐ下流又はホットワイヤ１４０の下流にある溶融池に向けられた１つのレーザービーム２７１０を用いることができる。その実施形態では、ビーム２７１０が左右にオシレートされて溶融池の平坦化を支援する。そのような実施形態では、１つのレーザー２７２０を用いることができ、溶接の間に溶融池のウェットアウトの支援が望ましい溶融池の領域に向けることができる。レーザー２７２０の制御及び動作は、図１等との関連で上述したレーザー１２０の制御及び動作と同様である。
【０１６１】
図２８は、本考案の別の例示の実施形態を示す。この例示の実施形態では、アーク溶接プロセスのためにＧＴＡＷ（又はＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ）電極２８０１が用いられ、溶接の間にアークの動きを制御するために、電極２８０１に隣接して磁気プローブ２８０３が配置されている。プローブ２８０３は、（コントローラ１９５に連結されているか又は連結されていない）磁気制御／電源２８０５から電流を受け取り、その電流がプローブ２８０３に磁場ＭＦを生成させる。該磁場は、アークによって生成される磁場と相互作用するため、溶接の間にアークを動かすのに用いることができる。即ち、溶接の間にアークを左右に動かすことができる。この左右の動きは、溶融池を広げるとともに溶融池のウェットアウトを助けて所望の溶接ビードの形状を得るために用いられる。明確性のために図示していないが、溶接ビードのための追加の充填を提供するために本明細書で説明したホットワイヤ消耗電極がアークの後を追う。磁気誘導システムの使用及び実施は溶接業界の当業者に一般的に知られているため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
【０１６２】
当然ながら、本明細書で説明したように、図２６及び図２８のいずれかの実施形態（並びに本明細書で図示説明した他の実施形態）も、本明細書で説明したように溶融池の形状を支援するのにレーザー２７２０を用いることができる。
【０１６３】
前で指摘したように、本考案の例示の実施形態は多種多様な溶接作業及び接合作業に用いることができる。これらの接合作業は、パイプ溶接を含む多種多様な溶接施工を含み得る。実際に、本考案の実施形態は、パイプのワークピースがニッケル合金等の耐腐食性材料で被覆された内面を有し得るパイプ溶接施工に用いることができる。そして、そのようなパイプを（端部と端部とで）溶接した場合、（腐食防止のために）被覆材料における溶接部を被覆材料の残りの部分と同じ化学的構造で維持しなければならない。従って、クラッドにおける第１のパス又は「ルートパス」は重要であるとともに、パイプ継手の外周全体の周りに形成しなければならず、本明細書で説明したようにポロシティがほとんどあってはならない（溶接継手の開始点及び終点においてポロシティがほとんどないことを含む）。これについて以下でより詳細に説明する。
【０１６４】
本質的に腐食性である「サワー」油田及びガス田の量から、パイプライン部の寿命を延ばすために耐腐食性のクラッドパイプの使用が必要であることが一般的に知られている。多くの場合、パイプのクラッド層は、相当の厚さ、例えば約０．１２５インチのニッケルベースのクラッド材料（「Ｎｉクラッド層」）である。また、Ｎｉクラッド層はパイプの内面上にあるため、２つの隣接するパイプ部のＮｉクラッド層はルートパスで接合される。これは、パイプ部が外側から溶接されるためである。このＮｉクラッド層は、継手の深さ及び原形を保つクラッドの存在から、従来の溶接作業では困難なルートパスを呈する。これらの困難は、溶接が溶接部の開始点に影響を及ぼす溶接部の終点にとりわけ存在する。パイプ溶接部の終点部分において所望の強度や継手の形状及び混和（admixture）を実現するためには、完全な溶け落ちが必要である。しかしながら、このような溶け落ちは従来の溶接作業では困難であり、溶接部にポロシティや不完全な融合等の欠陥がもたらされる。一般に、これらの欠陥は溶接部の完成後にしか検出されないため、修復のために膨大なコスト及び遅延がもたらされる。
【０１６５】
前で説明したように、本考案の実施形態はポロシティを大幅に低減できるか又は解消できるとともに、深くて狭い継手に用いることができるため、現在用いられているもの又は現在得られているものよりも速い速度で高品質な溶接部を生成できる。図２９及び図３０を参照して、図２９は前で説明した図７Ｂと同様のものである。しかしながら、図示のように、クラッド層ＣＬは、図示にようにワークピース１１５の一方側に位置している。クラッド層ＣＬは厚さＣＬｔを有する。クラッド層の厚さＣＬｔは使用する施工によって異なり得る。一部の施工では、クラッド層の厚さＣＬｔの範囲は０．０６０〜０．３７５インチである。ワークピース１１５を図示のように接合する場合、クラッド層ＣＬは、ルートパス溶接ＲＰを通じて接合されるワークピースの領域である。ルートパス溶接ＲＰはルートパス厚さＲＰｔを有する。本考案の例示の実施形態では、（「ランド」及び堆積された材料の厚さである）呼びルートパス厚さ（nominal  root  pass  thickness）ＲＰｔの範囲は、クラッド層ＣＬｔの厚さの１００〜２００％である。ルートパス（ＲＰｔ）の厚さは、ルートパスへの母材の希釈によって堆積された材料の化学的構造が許容可能なものとなるような厚さである。堆積された材料の化学的構造を制御しながら、厚さＲＰｔは隣接するクラッド層ＣＬの十分な接合が確かなものになるような厚さである。本考案の例示の実施形態では、消耗電極１４０はそれぞれのクラッド層ＣＬを適切に接合することができるとともに、継手の所望の化学的構造及び強度を提供することができる材料からなる。本考案の例示の実施形態では、継手の残りの部分は同じ消耗電極で充填されるのに対して、他の例示の実施形態では、継手の残り部分のために化学的構造が異なる消耗電極が用いられる。
【０１６６】
図３１及び図３２は、本考案の様々な実施形態を用いる例示のパイプ溶接を示す。図示のように、ルートパス溶接が開始点から始まり、レーザー１２０、ビーム１１０及び消耗電極１４０を用いて本明細書で説明したようにパイプ継手の周りを進む。図３２は継手の断面を図示し、ルートパスＲＰと、作業が開始点ＳＰに戻って溶接部の完成が近づいたプロセスとを示す。明確性のために、開始点ＳＰは、接合プロセスの開始時における継手のルート上にあるビーム１１０の幾何学中心点（geometric  center  point）である。なお、本考案の例示の実施形態では、ビームは、ビーム衝突点においてパイプの外周の接線に垂直になるように傾斜している。しかしながら、他の例示の実施形態では、ビーム１１０は法線に対して±３０°傾斜し得る。図では「ドラッグ」モード（先行）のワイヤ１４０を示しているが、他の例示の実施形態では、ワイヤ１４０はビーム１１０の後を追う（即ち「プッシング（pushing）」）ことができる。プロセスが開始点に戻ると、溶融池Ｐは開始点ＳＰでルートパスＲＰと接触する。前進する溶融池と開始点における既存のルートパス溶接との接触及び相互作用が起こる場所が、従来の溶接プロセスにおいて数多くの欠陥、即ち大きなポロシティが生じる場所である。しかしながら、本考案の実施形態は、これらの欠陥、例えばポロシティを生じさせることなくルートパス溶接を完成させることができる。具体的には、溶融池Ｐが開始点ＳＰに到達するか又は近づくと、既存のルートパス溶接ＲＰの障害が最小限に抑えられるようにプロセスが制御される。具体的には、溶融池Ｐが開始点に到達すると、コントローラ１９５はワイヤ送給装置１５０に溶接部へのワイヤの送給を停止させる。他の例示の実施形態では、ワイヤの送給の停止ではなくワイヤ送給速度が減速される。それに加えて、一部の実施形態では、コントローラ１９５は電源１７０にワイヤ１４０の加熱を止めさせるか又は他の実施形態では、ワイヤ１４０に提供される加熱電流をランプダウンさせる。それに加えて、コントローラ１９５はレーザー電源１３０を制御して、レーザービーム１１０のエネルギー密度を減少させる及び／又は継手におけるレーザービーム１１０の作用時間（interaction  time）を減少させる。ビーム１１０の作用時間はビーム１１０の移動速度を高めることによって減少させることができる。エネルギー密度を減らすこと及び／又はビームの作用時間を減らすことによって、レーザービーム１１０によって形成されるキーホールが溶融池の表面にもたらされるため、既存のルートパスＲＰ溶接継手における全体的な溶け込みが小さくなる。なお、ビーム１１０の焦点距離を変更することによってもビーム１１０のエネルギー密度を減少させることができる。これにより、開始点において溶接部をルートパスＲＰの外に漸減され（tapered  out  of  the  root  pass）、より浅い溶融池が得られる。ワイヤ送給速度の変化（０に減速できる）と溶融池へのビーム１１０からのエネルギーの低減を組み合わせすることにより、本考案の実施形態は、ルートパスＲＰの端部を、ポロシティ等の欠陥なく滑らかにランプアウト（ramp  out）させることができる。上述したようにプロセスを制御することで、開始点における又は開始点付近のル��トパス厚さＲＰｔは、ルートパスの残りの部分のための呼びルートパス厚さＲＰｔの１００〜１３０％の範囲内となる。即ち、後続の溶接パスの妨げとなり得る過剰な材料の「こぶ（hump）」が溶接プロセスの最後に存在することがないようにプロセスが制御される。本考案の一部の例示の実施形態では、（ワークピース１１５の中心Ｃに対して）開始点の±５°の範囲内にあるルートパス厚さＲＰｔは、溶接部の残りの部分のための呼びルートパス厚さＲＰｔの１００〜１３０％の範囲にある。
【０１６７】
ランプアウトプロセス（ramp  out  process）の開始は、ワークピース１１５の構成（パイプの直径、ランドの厚さ）、使用される溶接パラメータ（移動速度、レーザースポットのサイズ、ワイヤ送給等）及び開始ランプ手順（starting  ramp  procedure）（例えば、どれだけ早く溶接がランプアップするか）及び終了ランプ手順（ending  ramp  procedure）（例えば、どれだけ早くランプアウトプロセスがランプダウンするか）によって決まる。本考案の例示の実施形態では、コントローラ１９５は、（ワークピース１１５の中心Ｃに対して測定した）ビーム１１０の幾何学中心が開始点ＳＰの前では１０°で開始点ＳＰの後では５°の範囲内にある場合に、（上述した）ランプアウトプロセスが始まるようにプロセスを制御する。他の例示の実施形態では、ビームの中心が開始点ＳＰの前では２°〜５°の範囲内にある場合にランプアウトプロセスが始まる。他の例示の実施形態では、（ワークピース１１５の中心Ｃに対して測定した）ビームの中心が開始点ＳＰの±０．５〜５°（即ち、±０．５°〜±５°）の範囲内にある場合にランプアウトプロセスが始まる。他の例示の実施形態では、ビームの中心が±０．５〜２°の範囲内にビームの中心がある場合にランプアウトプロセスが始まる。他の例示の実施形態では、ルートにおけるビーム１１０の幾何学中心が開始点ＳＰにある場合にランプアウトプロセスが始まる。いずれにしても、所望の溶接継手が提供されるようルートパスの終端がルートパスＲＰの始端と滑らかに接合されるようにランプアウトプロセスを制御すべきである。本考案の例示の実施形態では、ルートパスＲＰの全体的な溶接の間にビーム１１０のエネルギー密度がビーム１１０のエネルギー密度の２５〜７５％の範囲内に低減される。即ち、ビーム１１０の第１のエネルギー密度レベルでルートパスＲＰが溶接され、第１のエネルギー密度レベルよりも小さく、第１のレベルの５０〜７５％の範囲内のレベルである第２のエネルギー密度でランプアップが行われる。これは、所望の出口プロフィール（exit  profile）を得るために移動速度が一定で維持されるか又は変化される実施形態において実現できる。他の例示の実施形態では、ビーム１１０による溶け込みの深さを滑らかに低減させるとともに所望の出口プロフィールを提供する速度でビーム１１０のエネルギー密度を第１のレベルからランプダウンさせることができる。他の例示の実施形態では、エネルギー密度を段階的に減少させることができる。
【０１６８】
本考案の例示の実施形態では、コントローラ１９５は、ルートパスＲＰの終端におけるランプアウトが開始点ＳＰを０．０〜３０°（角度Ａ）過ぎた範囲内で完了するようにプロセスを制御する。他の例示の実施形態では、角度Ａの範囲は開始点ＳＰを５〜１５°過ぎた範囲にある。
【０１６９】
図３３は、上述した実施形態に従って行われ、溶接部が完成した例示の溶接継手の断面の図を示す。図示のように、ルート継手の「ランド」部の厚さは、通常クラッド層ＣＬｔの厚さよりも小さい。これは、クラッド層の耐腐食特性が損なわれることがないようルートパスの所望の組成を維持するために通常なされる。一般的に理解されているように、「ランド」部は、接合の前に、隣接するワークピースに対して押し付けられるワークピース１１５のルート継手部の厚さである。図示のように、溶接は開始点ＳＰから始まる。その際、レーザービーム１１０が溶融池の形成を開始し、その後に消耗電極１４０が溶融池内に浸漬されて接合プロセスが開始される。しかしながら、溶接の開始時には通常の溶接パラメータ及び速度へのランプアップを伴うため、開始点ＳＰにおいてワークピース１１５が完全に溶接されない領域Ｚが形成され得る。そして、上述したように、溶接プロセスが開始点ＳＰの方に進んで、開始点ＳＰに到達するか又は接近すると、開始点ＳＰにおいて過剰な量の材料が継手内に堆積されないようにワイヤ送給速度が減速（又は停止）される。上述したように、本考案の例示の実施形態では、開始点の又はその付近のルートパスの厚さ（最終厚さＦｔとして図３に図示）は、溶接部の残りの部分ための呼びルートパス厚さＲＰｔの１００〜１３０％の範囲内にある。しかしながら、レーザー１１０の出力は、開始時に溶接が十分でないかもしれない領域Ｚに到達するように開始点ＳＰで溶接部に十分侵入できるような出力であるべきである。これは、開始点領域において完全な溶接部ができるのを確かなものにする一方、過剰な材料の堆積を防止する。そのため、例示の実施形態では、ワイヤ送給速度が減速されるか又は止められた後にレーザー出力が下げられる。ワイヤ溶接速度及びレーザー出力の制御は、継手が開始点を含むその周辺に沿って完全に溶接されるとともに、ルートパスの開始点ＳＰと終端との交流部分における溶接継手のプロファイルが所望の化学的構造、強度及び形状を有し、後続のフィルパスが物理的に妨げられないようになされる。本考案の実施形態は、上述したように、これをポロシティがほとんどない状態で高い速度で実現できる。
【０１７０】
また、上記の説明は、１つのレーザー／ホットワイヤアセンブリを用いてパイプの外周全体を溶接した実施形態に概して関するものであった。しかしながら、他の例示の実施形態はこの点で限定されない。即ち、本考案の実施形態は、複数のアセンブリを用いてパイプを同時に溶接する場合にも用いることができ、その場合各溶接ヘッドユニットは互いに径方向に配置される。そのような実施形態では、溶接ビードが第１の溶接ヘッド（例えば、開始点を形成）により開始され、第２の後続の溶接ヘッドがきて溶接パスを完成させる。本考案の実施形態は、後続の溶接ヘッドが前で説明したルートパスのランプアウトを行い得る構成で用いることができる。
【０１７１】
従って、本考案の実施形態は、従来のアーク溶接法に比べて、欠陥が大幅に少なく且つ大幅に速い速度で高強度のクラッドワークピース（パイプ等）を溶接することができる。即ち、本考案の実施形態は、本明細書で上述した速度及びポロシティのレベルでルートパスクラッドパイプ／ワークピースの溶接を提供するとの同時に、構造的に堅固で且つ許容可能な溶接継手を提供できる。当然ながら、本考案の例示の実施形態の全てと同様に、ワークピース又は溶接ヘッド／装置のいずれか又は双方を互いに対して動かして溶接作業をもたらすことができる。
【０１７２】
特定の実施形態を参照しながら本考案を説明してきたが、当業者であれば本考案の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ、同等物に置換され得ることが分かる。それに加えて、特定の状況又は材料を本考案の教示に適合するために、本考案の範囲から逸脱することなく多くの変更が加えられ得る。従って、本考案は開示した特定の実施形態に限定されず、本考案は添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含む。
【符号の説明】
【０１７３】
１００  システム
１１０  レーザービーム
１１０Ａ  レーザービーム
１１５  ワークピース
１２０  レーザー装置
１２０Ａ  レーザー装置
１２１  ビームスプリッター
１２５  方向
１３０  電源
１４０  フィラーワイヤ
１５０  フィラーワイヤ送給装置
１６０  チューブ／コンタクトチップ
１６０’  コンタクトチップ
１７０  電源
１８０  モーションコントローラ
１９０  ロボット
１９５  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
４１０  波形
４１１  点
４１２  点
４２０  波形
４２５  ランプ
４３０  間隔
４５０  電流レベル
５１０  波形
５１２  点
５２０  波形
５２５  電流レベル
５３０  間隔
６０１  表面
６０１Ａ  溶融池
６０３  表面
６０３Ａ  溶融池
６０５  表面
７０１  表面
７０３  表面
７０５  間隙
７０７  溶接ビード
８０１  溶融池
８０３  溶融池
９０１  溶融池／継手
９０３  溶融池／肉盛
１０００  溶接継手
１０１０  レーザー源
１０１１  ビーム
１０１２  溶融池
１０２０  レーザー源
１０２１  ビーム
１０２２  溶融池
１０３０  フィラーワイヤ
１０３０Ａ  フィラーワイヤ
１０４０  ワークピース
１０４１  ワークピース
１１１０  誘導コイル
１２００  システム
１２１０  電源
１２２０  ユーザー入力
１２２１  正極
１２２２  正極
１２２３  センスリード
１２３０  コントローラ
１２４０  回路
１２５０  電源モジュール
１４００  システム
１４１０  センサ
１４２０  センサ
１７００  システム
１７１０  モーター
１７２０  駆動ユニット
１８００  回路
１８０１  抵抗器
１８０３  スイッチ
１９０１  覆い
１９０３  システム
２０００  システム
２１１０  溶接電極
２１１０’  ワイヤ
２１２０  トーチ
２１２０’  トーチ
２１２１  トーチ
２１２２  電極
２１３０  電源
２１３０’  電源
２１５０  ワイヤ送給装置
２２０１  溶接波形
２２０２  パルス
２２０３  波形
２２０４  パルス
２２０５  波形
２２０６  パルス
２２０７  ホットワイヤ電流
２２０８  ホットワイヤパルス
２２１０  バックグラウンド部
２２１１  バックグラウンド部
２４０１  溶接電流
２４０２  パルス
２４０３  ホットワイヤ電流
２４０４  正のパルス
２４０５  負のパルス
２４０６  バックグラウンド
２５０１  波形
２５０３  正のパルス
２５０５  負のパルス
２５１０  波形
２５１１  正のパルス
２５１３  バックグラウンドレベル
２５２１  電流
２５２３  正のパルス
２５２５  負のパルス
２７１０  ビーム放射
２７２０  レーザー
２７２０’  レーザー
２８０１  電極
２８０３  磁気プローブ
２８０５  電源
Ｇ  間隙幅
Ｌ  長さ
Ｐ  溶融池
Ｗ１  ワークピース
Ｗ２  ワークピース
ＷＢ  溶接ビード
ＷＰ  溶融池
Ｘ  距離
Ｚ  距離
α  位相角度
Θ  位相角度
【図１】
0003209369.tif 000003
【図２】
0003209369.tif 000004
【図３】
0003209369.tif 000005
【図４】
0003209369.tif 000006
【図５】
0003209369.tif 000007
【図６】
0003209369.tif 000008
【図６Ａ】
0003209369.tif 000009
【図７】
0003209369.tif 000010
【図７Ａ】
0003209369.tif 000011
【図７Ｂ】
0003209369.tif 000012
【図８】
0003209369.tif 000013
【図９】
0003209369.tif 000014
【図１０Ａ】
0003209369.tif 000015
【図１０Ｂ】
0003209369.tif 000016
【図１０Ｃ】
0003209369.tif 000017
【図１１Ａ】
0003209369.tif 000018
【図１１Ｂ】
0003209369.tif 000019
【図１１Ｃ】
0003209369.tif 000020
【図１２】
0003209369.tif 000021
【図１３Ａ】
0003209369.tif 000022
【図１３Ｂ】
0003209369.tif 000023
【図１３Ｃ】
0003209369.tif 000024
【図１４】
0003209369.tif 000025
【図１５】
0003209369.tif 000026
【図１６Ａ】
0003209369.tif 000027
【図１６Ｂ】
0003209369.tif 000028
【図１６Ｃ】
0003209369.tif 000029
【図１６Ｄ】
0003209369.tif 000030
【図１６Ｅ】
0003209369.tif 000031
【図１６Ｆ】
0003209369.tif 000032
【図１７】
0003209369.tif 000033
【図１８】
0003209369.tif 000034
【図１９】
0003209369.tif 000035
【図２０】
0003209369.tif 000036
【図２１】
0003209369.tif 000037
【図２２Ａ】
0003209369.tif 000038
【図２２Ｂ】
0003209369.tif 000039
【図２２Ｃ】
0003209369.tif 000040
【図２３】
0003209369.tif 000041
【図２４】
0003209369.tif 000042
【図２５】
0003209369.tif 000043
【図２５Ａ】
0003209369.tif 000044
【図２６】
0003209369.tif 000045
【図２７】
0003209369.tif 000046
【図２８】
0003209369.tif 000047
【図２９】
0003209369.tif 000048
【図３０】
0003209369.tif 000049
【図３１】
0003209369.tif 000050
【図３２】
0003209369.tif 000051
【図３３】
0003209369.tif 000052
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月23日(2016.9.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
溶接システムであって、
クラッド層を有するワークピースの狭い継手のルートパスの間に溶融池を形成する少なくとも１つの高強度エネルギー源と、
前記溶融池にフィラーワイヤを前進させるワイヤ送給装置と、
前記フィラーワイヤが前記溶融池と接触している場合に前記フィラーワイヤを加熱するためにフィラーワイヤ加熱信号を提供するフィラーワイヤ電源と、
溶接ランプアウトプロセスを制御するコントローラと、
を含み、
前記コントローラは、前記溶融池が既存のルートパス溶接部の開始点に進むのにつれて、
前記少なくとも１つの高強度エネルギー源のエネルギー出力を下げること及び前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間を減らすことのうちの少なくとも１つが行われるように前記少なくとも１つの高強度エネルギー源を制御し、
ワイヤ送給速度を落とすこと及び前記フィラーワイヤの前進を止めることのうちの１つが行われるよう前記ワイヤ送給装置を制御し、
前記フィラーワイヤ加熱信号の出力レベルを下げること及び前記フィラーワイヤへの前記フィラーワイヤ加熱信号を止めることのうちの１つが行われるように前記フィラーワイヤ電源を制御し、
前記溶接ランプアウトプロセスは、前記ルートパスの完了後に、前記既存のルートパス溶接部の開始点にあるか又は付近にある領域内のルートパス溶接部の厚さが、該ルートパス溶接部の残りの部分の呼びルートパス厚さの１００％〜１３０％の範囲内になるように制御される、溶接システム。
【請求項２】
前記ワークピースはパイプであり、前記狭い継手は該パイプの外周の周りに配置され、前記クラッド層は前記パイプの内面に配置されている、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記クラッド層の厚さの範囲は０．０６０インチ〜０．３７５インチ（１．５２４ｍｍ〜９．５２５ｍｍ）であり、前記呼びルートパス厚さは、前記クラッド層の厚さの１００％〜２００％の範囲内にある、請求項２に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記領域は、前記パイプの中心に対して前記開始点の±５°の範囲内にある、請求項２又は３のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの高強度エネルギー源は、前記溶融池を形成するためにレーザービームを提供するレーザー電源を含む、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記レーザービームの幾何学中心が、前記パイプの中心に対して前記開始点の±０．５°〜５°の範囲内、とりわけ前記パイプの中心に対して前記開始点の±０．５〜２°の範囲内にある場合に前記溶接ランプアウトプロセスを開始する、請求項５に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記ルートパス溶接部の残りの部分の間の前記レーザービームのエネルギー密度の２５％〜７５％内になるように前記レーザービームのエネルギー密度を下げることによって前記レーザー電源のエネルギー出力が下げられ、及び／又は
前記ルートパス溶接部の残りの部分の間の前記レーザービームのエネルギー密度の５０％〜７５％の範囲内になるように前記レーザービームのエネルギー密度が下げられる、請求項５又は６に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記レーザービームの移動速度を上げることにより、前記少なくとも１つの高強度エネルギー源と前記溶融池との相互作用時間が減らされる、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項９】
前記溶接ランプアウトプロセスは、前記パイプの中心に対して前記開始点を０．０°〜３０°過ぎて停止し、とりわけ前記溶接ランプアウトプロセスは、前記パイプの中心に対して前記開始点を５°〜１５°過ぎて停止する、請求項２乃至８のいずれか一項に記載の溶接システム。