(57)【要約】  自動溶接ツールを使用した金属クラッディングプロセスであって、ツールが二つの溶接ワイヤを受けて金属上に溶融池を生成するための少なくとも一つのトーチを含み、プロセスが非一時的コンピュータ可読媒体に一セットの命令を提供する工程を有し、少なくとも一つのトーチの移動速度を制御し、少なくとも一つのトーチの揺動パターンおよび揺動周波数を制御するための命令がプロセッサによって実行可能であり、揺動パターンが溶接基準線に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を含む。
2014515317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーダーワイヤおよびトレーラーワイヤを有するプログラマブルロボット溶接トーチを使用して金属をクラッディングする方法であって、前記方法は以下の工程を含む：
プロセッサによって実行可能で、そこに保存され、前記プロセッサに以下の工程を実行させる複数の命令を含む非一時的機械可読媒体を提供する工程であり、前記各命令は前記プロセッサに以下の工程を実行させる：
溶接ビードを形成するために、金属表面上の溶接基準線を中心に、既定の速度で、前記トーチを揺動させる工程であり、前記溶接ビードの形成は以下の工程による：
前記溶接基準線から所定の距離に位置する点ｐ０に前記リーダーを位置付ける工程と；
前記基準線上の点ｐ１に前記トレーラーを位置付ける工程と；
溶接経路ｓ１が角度θで前記基準線と交わるように、前記リーダーに点ｐ０から、前記基準線に向かう前記溶接経路ｓ１に沿った溶接を開始させ；同時に、溶接経路ｓ１’が角度Φで前記基準線と交わるように、前記トレーラーに点ｐ１から、前記基準線から離れる前記溶接経路ｓ１’に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線上の点ｐ４で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ２で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ１およびｓ１’に沿って進ませる工程と；
前記リーダーに点ｐ４から、前記基準線に沿う溶接経路ｓ２に沿った溶接を開始させ；同時に、前記トレーラーに点ｐ２から、前記基準線と平行である溶接経路ｓ２’に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線上の点ｐ５で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ３で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ２およびｓ２’に沿って進ませる工程と；
前記リーダーに点ｐ５から、角度Φで前記基準線から離れる溶接経路ｓ３に沿った溶接を開始させ；同時に、前記トレーラーに溶接経路ｓ３’と前記溶接経路ｓ２’とが角度Φとなるように、点ｐ３から、前記基準線に向かう前記溶接経路ｓ３に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ８で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線と角度θで交わり点ｐ４で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ３およびｓ３’に沿って進ませる工程と；
前記リーダーに点ｐ８から、前記基準線と平行である溶接経路ｓ４に沿った溶接を開始させ；同時に、前記トレーラーに点ｐ４から、溶接経路ｓ４’に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ９で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線上に位置する点ｐ５で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ４およびｓ４’に沿って進ませる工程と；
溶接経路ｓ５と前記溶接経路ｓ４とが角度Φとなるように、前記リーダーに点ｐ９から、前記基準線に向かう前記溶接経路ｓ５に沿った溶接を開始させ；同時に、溶接経路ｓ５’と前記基準線とが角度Φとなるように、前記トレーラーに前記基準線から離れる前記溶接経路ｓ５’に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線上の点ｐ１０で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ６で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ５およびｓ５’に沿って進ませる工程と；
前記リーダーに点ｐ１０から、前記基準線に沿う溶接経路ｓ６に沿った溶接を開始させ；同時に、前記トレーラーに点ｐ６から、前記基準線と平行である溶接経路ｓ６’に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線上に位置する点ｐ１１で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ７で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ６およびｓ６’に沿って進ませる工程と；
前記リーダーに点ｐ１１から、角度Φで前記基準線から離れる溶接経路ｓ７に沿った溶接を開始させ；同時に、前記溶接経路ｓ７’と前記溶接経路ｓ６’とが角度Φとなるように、前記トレーラーに点ｐ７から、前記基準線に向かう前記溶接経路ｓ７’に沿った溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ１２で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線と角度θで交わり点ｐ１０で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ７およびｓ７’に沿って進ませる工程と；
前記リーダーに点ｐ１２から、前記基準線と平行である溶接経路ｓ８に沿った溶接を開始させ；同時に、前記トレーラーに前記基準線に沿う溶接経路ｓ８’を辿る溶接を開始させる工程と；
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点ｐ１３で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線上に位置する点ｐ１１で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路ｓ８およびｓ８’に沿って進ませる工程。
【請求項２】
前記基準線と平行であって、所定の距離に位置する前記経路が前記ビードの端部を形成する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
点ｐ０から点ｐ１３または点ｐ１から点ｐ１１が一つのサイクルを表すように、前記リーダーが１／４秒で点ｐ０から点ｐ１３に移動し、前記トレーラーが１／４秒で点ｐ１から点ｐ１１に移動する、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
溶接欠陥および溶融の不足を最小化しつつ、過度に停止することなく、前記トーチが６６cm／分〜９５cm／分の間の速度で移動する、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記トーチが溶接する間、酸化不純物が前記表面から除去される、
請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記トーチが４mm／秒の速度で移動するとき、その後、前記溶接に沿った凝固が前記ワイヤの通過後少なくとも１．５秒で始まる、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
ＭＩＧ溶接プロセスにおいてSA 516-G70金属を溶接する間の入熱が１９kJであり、前記トーチ移動速度および前記入熱が低いパス間温度に寄与し、前記金属に欠陥のない粒子構造が結果としてもたらされる、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ビードが４分の１インチである、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
少なくとも二つのワイヤを有するトーチを用いて、部品に溶接を生成するためのウィービング動作を実行するようにロボットツールを制御する方法であって、前記方法は以下の工程を含む：
一セットの複数パラメータによって定義された、前記ロボットツール用の揺動パターンであって、前記溶接に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を包含する前記揺動パターン、をプログラミングする工程と；
少なくとも９インチ／秒の前記トーチの移動速度をプログラミングする工程と；
前記少なくとも二つのワイヤの各々に対応するワイヤ送給速度をプログラミングする工程と；
前記少なくとも二つのワイヤの各々が、前記プログラムされたトーチ移動速度で、プログラムされた揺動パターンよって決まる共通の溶融池を生成するように、前記溶接トーチに十分な電力を送る工程と
を含む方法。
【請求項１０】
前記一セットの各パラメータが、突出量、揺動振幅、ウィービング角度および揺動周波数の一つ以上を含む、
請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ウィービング角度が、０〜４５度の間である、
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記周波数が、４Hzである、
請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記突出量が１７ミリメートル〜２０ミリメートルの間である、
請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記溶融ワイヤを縦方向に溶着しながら、前記部品の表面に対して移動する前記トーチを用いて、前記部品上に前記ビードを生成し、前記部品が静止している位置に保持される、
請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記溶融ワイヤを溶着しながら、前記部品に対して水平および／または垂直に移動する前記トーチを用いて前記部品上に前記ビードを生成し、
接地された部品保持ステーションに前記部品が固定して保持され、
それにより、共通する接地の問題を解消する、
請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つの伸びを最小化しつつ、一貫した所定のワイヤ送給速度のために、前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つの制動力を制御可能なように、
ワイヤドラムから前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つを引き出すための第一のワイヤ送給装置と、
前記第一のワイヤ送給装置から前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つを引き出すための、前記トーチに隣接する第二のワイヤ送給装置と
によって、前記少なくとも二つのワイヤの各々が独立して前記トーチに供給される、
請求項９記載の方法。
【請求項１７】
前記部品を溶接する間の前記入熱が、１９kJ以下に維持され、
前記トーチ移動速度および前記入熱が、低いパス間温度に寄与し、
前記部品の前記金属に欠陥のない粒子構造および最小のスラグが、結果としてもたらされる、
請求項９記載の方法。
【請求項１８】
希釈率が、７％〜１２％の間であり、それにより、凝固収縮および凝固割れを最小化する、
請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
前記希釈率が、前記ウィービング角度によって部分的に決定される、
請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
自動溶接ツールを使用した金属クラッディングプロセスであって、前記ツールが二つの溶接ワイヤを受けて前記金属上に溶融池を生成するための少なくとも一つのトーチを含み、前記プロセスが以下の各工程を有する：
非一時的なコンピュータ可読媒体中に、プロセッサに以下の工程を実行させることが可能な一セットの各命令を提供する工程を有し、前記各命令は前記プロセッサにより：
前記少なくとも一つのトーチの移動速度を制御する工程と；
前記トーチへの前記二つの溶接ワイヤの送給速度を制御する工程と；
前記二つの溶接ワイヤの突出量を制御する工程と；
前記金属に対する前記各溶接ワイヤの角度を制御する工程と；
前記少なくとも一つのトーチの、溶接基準線に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を含む揺動パターンならびに揺動周波数を制御する工程と；
前記少なくとも一つのトーチへの電力を制御する工程；
上記各工程により前記揺動パターンが、最小の凝固収縮および凝固割れで、低希釈率を有する溶接ビードを生成する
プロセス。
【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、米国仮出願第６１／４９１，７７５号（２０１１年５月３１日出願）の優先権の恩典を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は、金属クラッディングに関し、より詳細には、金属の高速ロボットクラッディングのためのシステムおよび方法に関する。
【０００３】
発明の背景
クラッディングまたはコーティングとは、金属、耐食合金または複合材（クラッディング材）を、電気的、機械的または何らかの他の高圧高温プロセスを通じて、もう一つの異種金属（母材）上に融着させることにより、その耐久性、強度または外観を高めるプロセスを意味する。今日作られているクラッド製品の大半は、母材として炭素鋼を、融着するクラッド材としてアルミニウム、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金およびステンレス鋼を使用する。通常、クラッドの目的は、それが置かれる環境から、下層の鋼母材を保護することにある。クラッドされた鋼板、鋼薄板、鋼管および他の管状製品は、多くの場合、他のコーティング方法を使うことができない高腐食環境またはストレス環境で使用される。
【０００４】
低合金鋼のクラッディングは、一般的に、溶接プロセスの全体制御および全体の状況認識を要する複雑なプロセスである。クラッディングプロセスの間、回転テーブルに取り付けられたケーブルを通じて電力が供給され、クラッディングは、ワイヤ、シールドガスまたはフラックスを用いて、多数のビードを積層することにより実行される。通常、オペレータは、クラッディングプロセスの間、溶接ヘッドの電圧、電流値およびビード形状を監視する必要がある。
【０００５】
高腐食用途用のクラッド鋼のコストが炭素鋼のコストのおよそ５倍であるため、クラッド鋼の現在のコストにより、様々な用途および産業での使用が制限されている。今日、クラッドされた鋼製品の主要な買い手は、石油（オイル、ガスおよび石油化学）産業、化学産業、海洋探鉱産業、鉱業、海運業、海水淡水化産業および原子力産業である。
【０００６】
先行技術においては、メタルイナートガス（ＭＩＧ）溶接、タングステンイナートガス（ＴＩＧ）溶接、ストリップ溶接、エレクトロスラグおよびプラズマスプレーを包含する、金属クラッディングを実行するための数多くのプロセスがある。最良の選択ができるかどうかは、多くのパラメータ、例えば、サイズ、母材の冶金技術、所期の技法に対するコーティング材の適応性、要する接着のレベルならびに機器の可用性およびコストに依存する。通常、多くの場合、最終使用環境により、組み合わされるクラッド材、適用される層の厚さおよび数が決定される。クラッディングは、保護を必要とする表面に依存して、母材の内側、外側または両側に適用することができる。
【０００７】
一般的に言えば、これらのクラッディングプロセスは、時間がかかり、消耗品、労働および他のコストに起因して高コストである傾向がある。例として、ＭＩＧ溶接、ストリップ溶接およびエレクトロスラグを用いると、オペレータは、各パス間に機械の停止および洗浄を強いられる。各溶接パス後にそれを実行しないと、溶融の不足および欠陥のリスクが増す。例証的な例として、Ｃｒ−Ｍｏ鋼管薄板をクラッディングする先行技術のプロセスは、２軸ポジショナに取り付けられた溶接ヘッドを用いる半自動プロセスにおいて、５インチ／分〜９インチ／分の溶接速度で実行される。この先行技術のプロセスは、機械が稼働している間、ワークを一つの位置に制限し、高レベルの余計な労働を引き起こし、高レベルの紫外線を生じさせるため、時間がかかり、クラッディングを生成するには費用がかかるやり方である。
【０００８】
プラズマスプレープロセスは、Ｃｏベース合金のクラッディングに使用される、５kW横断流ＣＯ２レーザを使用する。粉末が母材上に予め載せられることによりコストが増加し、クラッディング結果は、緊密なテクスチャおよび小さなサイズの粒子を持つクラッディング微細構造を示す。しかしながら、プラズマスプレーは、運転中のノイズを包含する高レベルの赤外線および紫外線放射を放出し、オペレータ用の特別な保護装置が必須となる。加えて、プラズマスプレーは、電気的危険の可能性を増すことがあり、有意なオペレータ訓練を要し、機器コストおよびイナートガス消費がより大きくなる。さらに、すべての溶接プロセスにおいて、溶接プロセスの間、危ない金属ヒュームが生じることがある。
【０００９】
もう一つの技法にはレーザクラッディングがあり、レーザ熱源を使用して、動く母材上に所望の金属の薄層を溶着させる。溶着する材料は、いくつかの方法：粉末注入、母材上に予め載せた粉末またはワイヤ送給によって、母材へ移送させることができる。そのプロセスは、いくつかの有意な欠点、例えば、高い投資コスト、レーザ源の低効率およびクラッディングプロセス全体にわたる制御の欠如、運転パラメータ、例えば、レーザ出力、ビームの速さおよび粉末送給速度、中の小さな変化に原因がある低い再現性を有する。
【００１０】
これらのクラッド生成方法に共通する特徴は、時間と費用がかかることである。買い手は、購買決断において、他の腐食性材料および（溶融融着（ＦＢＥ）エポキシ、亜鉛めっきおよびジンククロメートさび止めのような他の無機金属の仕上げプロセスからの）より速い生成プロセスに勝る、クラッド鋼の利点を比較・検討することが必要である。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、先に述べた不都合の少なくとも一つを軽減または取り除くことである。
【００１２】
発明の概要
一つの態様では、リーダーワイヤおよびトレーラーワイヤを有するプログラマブルロボット溶接トーチを使用して金属をクラッディングする方法を提供し、この方法は以下の工程を含む：
プロセッサによって実行可能で、そこに保存され、プロセッサに以下の工程を実行させる複数の命令を含む非一時的機械可読媒体を提供する工程であり、各命令はプロセッサに以下の工程を実行させる：
溶接ビードを形成するために、金属表面上の溶接基準線を中心に、既定の速度で、トーチを揺動させる工程であり、溶接ビードの形成は以下の工程による：
溶接基準線から所定の距離に位置する点ｐ０にリーダーを位置付ける工程と；
基準線上の点ｐ１にトレーラーを位置付ける工程と；
溶接経路ｓ１が角度θで基準線と交わるように、リーダーに点ｐ０から、基準線に向かう溶接経路ｓ１に沿った溶接を開始させ；同時に、溶接経路ｓ１’が角度Φで基準線と交わるように、トレーラーに点ｐ１から、基準線から離れる溶接経路ｓ１’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線上の点ｐ４で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ２で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ１およびｓ１’に沿って進ませる工程と；
リーダーに点ｐ４から、基準線に沿う溶接経路ｓ２に沿った溶接を開始させ；同時に、トレーラーに点ｐ２から、基準線と平行である溶接経路ｓ２’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線上の点ｐ５で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ３で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ２およびｓ２’に沿って進ませる工程と；
リーダーに点ｐ５から、角度Φで基準線から離れる溶接経路ｓ３に沿った溶接を開始させ；同時に、トレーラーに溶接経路ｓ３’と溶接経路ｓ２’とが角度Φとなるように、点ｐ３から、基準線に向かう溶接経路ｓ３’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ８で一時停止し、トレーラーが基準線と角度θで交わり点ｐ４で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ３およびｓ３’に沿って進ませる工程と；
リーダーに点ｐ８から、基準線と平行である溶接経路ｓ４に沿った溶接を開始させ；同時に、トレーラーに点ｐ４から、溶接経路ｓ４’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ９で一時停止し、トレーラーが基準線上に位置する点ｐ５で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ４およびｓ４’に沿って進ませる工程と；
溶接経路ｓ５と溶接経路ｓ４とが角度Φとなるように、リーダーに点ｐ９から、基準線に向かう溶接経路ｓ５に沿った溶接を開始させ；同時に、溶接経路ｓ５’と基準線とが角度Φとなるように、トレーラーに基準線から離れる溶接経路ｓ５’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線上の点ｐ１０で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ６で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ５およびｓ５’に沿って進ませる工程と；
リーダーに点ｐ１０から、基準線に沿う溶接経路ｓ６に沿った溶接を開始させ；同時に、トレーラーに点ｐ６から、基準線と平行である溶接経路ｓ６’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線上に位置する点ｐ１１で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ７で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ６およびｓ６’に沿って進ませる工程と；
リーダーに点ｐ１１から、角度Φで基準線から離れる溶接経路ｓ７に沿った溶接を開始させ；同時に、溶接経路ｓ７’と溶接経路ｓ６’とが角度Φとなるように、トレーラーに点ｐ７から、基準線に向かう溶接経路ｓ７’に沿った溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ１２で一時停止し、トレーラーが基準線と角度θで交わり点ｐ１０で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ７およびｓ７’に沿って進ませる工程と；
リーダーに点ｐ１２から、基準線と平行である溶接経路ｓ８に沿った溶接を開始させ；同時に、トレーラーに基準線に沿う溶接経路ｓ８’を辿る溶接を開始させる工程と；
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点ｐ１３で一時停止し、トレーラーが基準線上に位置する点ｐ１１で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路ｓ８およびｓ８’に沿って進ませる工程。
【００１３】
その態様のもう一つでは、少なくとも二つのワイヤを有するトーチを用いて、金属に溶接を生成するためのウィービング動作を実行するようにロボットツールを制御する方法を提供し、この方法は以下の工程を含む：
、一セットの複数パラメータによって定義された、ロボットツール用の揺動パターンであって、溶接に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を包含する揺動パターン、をプログラミングする工程と；
少なくとも９インチ／秒のトーチの移動速度をプログラミングする工程と；
少なくとも二つのワイヤの各々に対応するワイヤ送給速度をプログラミングする工程と；
少なくとも二つのワイヤの各々が、プログラムされたトーチ移動速度で、プログラムされた揺動パターンによって決まる共通の溶融池を生成するように、溶接トーチに十分な電力を送る工程とを含む。
【００１４】
その態様のもう一つでは、自動溶接ツールを使用した金属クラッディングプロセスを提供し、ツールが二つの溶接ワイヤを受けて金属上に溶融池を生成するための少なくとも一つのトーチを含み、プロセスが以下の各工程を有する：
非一時的なコンピュータ可読媒体中に、プロセッサに以下の工程を実行させることが可能な一セットの各命令を提供する工程を有し、各命令はプロセッサにより：
少なくとも一つのトーチの移動速度を制御する工程と；
トーチへの二つの溶接ワイヤの送給速度を制御する工程と；
二つの溶接ワイヤの突出量を制御する工程と；
金属に対する各溶接ワイヤの角度を制御する工程と；
少なくとも一つのトーチの、溶接基準線に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を含む揺動パターンならびに揺動周波数を制御する工程と；
少なくとも一つのトーチへの電力を制御する工程；
上記各工程により揺動パターンが、最小の凝固収縮および凝固割れで、低希釈率を有する溶接ビードを生成する。
【００１５】
有利には、コーティングは、選択された材料の表面上に材料（例えば、金属およびセラミック）の薄層の溶着を結果としてもたらす。これにより、母材の表面特性が溶着した材料の表面特性に変化する。母材は、母材材料単独の使用を通じては一般的に達成できない特性を示す複合材料になる。コーティングは、耐久性のある耐食層を提供し、コア材料は、荷重載荷能力を提供する。数多くの異なる種類の金属、例えば、クロム、チタン、ニッケル、銅およびカドミウムを、金属のコーティングプロセスに使用することができる。
【００１６】
有利には、溶接プロセスにフラックスを必要としないため、中断することなく、継続的に溶接して金属クラッディング業務を完了することが可能である。フラックスコア電極ワイヤを使用する場合、ガス状の煙が生まれ、フラックスの一部が結局溶融池になり、冷却するにつれ溶接部をカバーするスラグからの不純物が蓄積する。それゆえに、汚れが残っていると溶接強度または溶接の完全性に影響を受けるであろうスラグおよび他の汚染物質のない溶接領域を維持するために、一定の洗浄および注意を要する。ゆえに、先行技術の溶接システムおよび方法とは違い、本発明は、消費するエネルギー量、材料および汚染がより少なく、それにより環境への影響を実質的に最小化する。加えて、フラックスおよびスラグを洗浄する工程を取り除き、したがって、有意に削減した労働を結果としてもたらす。加えて、本発明の一つの態様におけるクラッディングプロセスは、完全に自動化されており、溶接アークによって生じる高紫外線の放出および有毒なヒュームの近くにオペレータの人が位置付けられる必要がなく、したがって、プロセスは先行技術のシステムよりもより安全になる。
【００１７】
その態様のもう一つでは、プロセッサによって実行可能な命令を含む非一時的機械可読媒体を提供し：プロセッサが溶接ツールの移動速度、ワイヤ送給速度およびウィービングパターンを制御して、溶接ツールの移動速度が増したときに溶接ビードの止端にもたらされることがある溶融の不足の問題を最小化する。
【００１８】
もう一つの態様においては、ワークピースは、安定した非回転状態でクラッドされ、クラッディング中にワークピースを旋回させることによって引き起こされる接地の問題を解消することができる。それゆえに、過度に停止することなく、先行技術のシステムよりもより高速に、ワークピースを連続的にクラッドすることができる。有利には、高速によって、パス間温度および入熱を最低限に保つことができる。金属に結果生じる粒子構造は、ＭＩＧ、ＴＩＧ、ストリップよりも良好であり、低い入熱に起因して、生まれるエレクトロスラグはより少ない。より詳細には、本明細書に開示する金属クラッディングプロセスは、有意に増した速度で移動および溶接する溶接ツールを採用し、それに対応して増した消耗ワイヤの送給速度で溶融池を生成する。
【００１９】
本発明のいくつかの好ましい態様を、添付の図面を参照しながら、例のみのためにここに記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１ａ】一つの実施態様における、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）パルス時間同期ツインアークタンデムプロセスを実行するための装置の概略図を図示する。
【図１ｂ】アーク溶接（ＧＭＡＷ）パルス時間同期ツインアークタンデムプロセスのための例示的な工程を示す。
【図２ａ】実施態様に従った、新規の溶接ツール揺動パターンを図示する。
【図２ｂ】図２ａの溶接ツール揺動パターン使用の結果を図示する。
【図３ａ】実施態様に従った、ベース金属上にクラッディングビードを形成するために使用する高速ロボット溶接ツールの概略図を図示する。
【図３ｂ】図３ａの高速ロボット溶接ツール使用の結果を示す。
【図３ｃ】図３ａの高速ロボット溶接ツール使用の結果を示す。
【図４ａ】例示的なワークセルを図示する。
【図４ｂ】もう一つの実施態様における例示的なワークセルを図示する。
【００２１】
例示的な実施態様の詳細な説明
本明細書における本発明の例示的な実施態様の詳細な説明は、実例としての例示的な実施態様およびその最良のモードを示す添付のブロック図および概略図を参照する。これらの例示的な実施態様は、当業者による本発明の実施を可能にするに十分に詳細に記載するが、本発明の本質および範囲を逸することなく、他の実施態様も実現でき、論理的および機械的変化を為すことができることが理解される。したがって、本明細書における詳細な説明は、実例のみを目的として提示され、限定されるわけではない。例として、方法またはプロセス説明のいずれかに列挙される工程は、任意の順序で実行することができ、提示する順序に制限されない。
【００２２】
また、本明細書に示し、記載する個別の実施態様が本発明の例証的なものおよびその最良のモードであり、本発明の範囲を制限することをまったく意図しないことがわかる。実際には、簡潔さを目的として、個々の運転コンポーネントのある種のサブコンポーネント、従来のデータネットワーキング、アプリケーション開発およびシステムの他の機能的な態様は、本明細書に詳細には記載しない。さらに、本明細書に含有される各種の図に示す接続線は、各種の要素間の例示的な機能的関連性および／または物理的な連結を表すことが意図される。多くの代替的なまたは追加の機能的関連性または物理的な接続が実際のシステムに存在できることに注目されたい。
【００２３】
本発明は、スクリーンショットおよびフローチャート、任意の選択ならびに各種の処理工程の観点からも本明細書に記載することができる。そのような機能ブロックは、規定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェアおよび／またはソフトウェアコンポーネントによって実現されることができる。例として、本発明は、一つ以上のマイクロプロセッサまたは他の制御装置の制御下で様々な機能を実行できる各種の集積回路コンポーネント（例えば、メモリ素子、処理素子、論理素子、ルックアップテーブルなど）を採用することができる。同様に、本発明のソフトウェア要素は、任意のプログラミングまたはスクリプト言語、例えば、データ構造、オブジェクト、プロセス、ルーチンまたは他のプログラミング要素の任意の組み合わせで具現化される各種のアルゴリズムを持つ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ、アセンブラ、ＰＥＲＬ、拡張マークアップ言語（ＸＭＬ）、スマートカード技術で具現化されることができる。さらに、本発明がデータ伝送、シグナル伝達、データ処理、ネットワーク制御などのための、任意の数の従来の技法を採用できることに注目されたい。
【００２４】
本開示の目的のために、ロボットシステムを使用して金属をクラッディングするための高速プロセスを、以下総じて高速ロボットクラッディング（「ＨＳＲＣ」）と称する。ＨＳＲＣは、図１ａに例証する例示的なシステム１００によって実行することができる、自動ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）パルス時間同期ツインアークタンデムプロセスを組み入れる。
【００２５】
図１ａを見ると、例示的な溶接システム１００は、電源１０８、１０９によってそれぞれ電力が投入される二つの固体電極ワイヤ１０４、１０６を持つタンデムトーチ１０２を有する、溶接装置１０１を含む。３軸外部軸を持つ例示的な６軸ロボット１１０を使用して、ロボットコントローラ１１１を介してトーチ１０２を制御し、ゆえに、溶接プロセス全体にわたる全体状況の制御を提供することができる。６軸ロボット１１１は、（３軸手首運動（ピッチ、ロールおよびヨー）を組み合わせたｘ、ｙ、ｚ軸）ロボット本体運動を包含する。本体運動および手首運動により、人間がトーチ１０２を操作するのとほぼ同じように、空間で溶接トーチ１０２を操作することが可能になる。電極ワイヤ１０４、１０６は、各々ワイヤ送給装置１１６、１１７および１１８、１１９を含むワイヤ送給システム１１５によって制御された速度でスプール１１２、１１３から連続的に供給される。溶接ワイヤ１０４、１０６は、クラッドされる部品１２０の上方において互いに近接して位置付けられる。各電極ワイヤ１０４または１０６は、電極ワイヤ１０４、１０６および部品１２０を融解するアークを生成し、溶融した電極ワイヤ１０４、１０６がアークを横切って移送し、溶融池、続いて、クラッディングを形成する。部品１２０は、１２インチの直径および３インチの厚さを持つSA 516-70板であることができる。ワイヤ１０４、１０６、例えば、Inconel 82(I82)またはInconel 52(I52)を使用して完全に自動化された高速ロボットクラッディング試験品を互いに独立して制御することができ、それらの運転を以下により詳細に記載する同期システム１２１によって同期することができる。Inconel 82(I82)またはInconel 52(I52)ワイヤは、ニッケル−クロム合金耐食表面を提供し、酸化性酸にも耐性がある。ゆえに、タンデム溶接プロセスは、二つのまったく独立した溶接回路を含み、各々が自身の溶接ワイヤ１０４、１０６、電源１０８、１０９、トーチケーブル、ワイヤ送給装置１１６、１１７および１１８、１１９ならびにコンタクトチップ１２２、１２４を持つ。シールドガスを使用して、大気ガスからクラッディング領域をシールドし、したがって、溶融金属を酸化および汚染から保護する。シールドガスは、イナートガス、例えば、厳密に同じコンディションで大気に戻るアルゴンであることもでき、ゆえに、アルゴンは、再生可能なガスであり、他のガス、例えば、酸素と組み合わさって二酸化窒素（ＮＯ２）を形成することができる窒素または金属酸化物を形成することができる酸素よりも環境への影響がより小さい。
【００２６】
以下により詳細に説明するように、システム１００は、タンデム溶接トーチ１０２を使用して、高速でクラッディングしつつ溶融池を生成しつつ、所定の特性および最小の欠陥を持つ所望の溶接ビードを生成する。固体電極ワイヤ１０４、１０６は、互いに電気的に絶縁されており、溶接方向において一つが他の後方にくるように一列に位置付けられる。それゆえに、一つの電極ワイヤ１０４がリードワイヤまたはリーダーとして指定され、一方、他の電極ワイヤ１０６がトレイルワイヤまたはトレーラーとして指定される。二つのコンタクトチップ１２２、１２４は、共通のトーチ本体１３０内部に含有されており、共通のガスノズルによって囲まれて、シールドガスを提供する。二つのコンタクトチップ１２２、１２４は、溶接中、二つのワイヤ１０４、１０６の両方が単一の溶融パドル１３２に寄与するデュアルアークを生成するように角度付けられる。以下に記載するように、リードワイヤ１０４がビードの一つの側を制御する一方、トレイルワイヤ１０６がビードの他の側を制御して、一貫したビードを生成する。
【００２７】
同期システム１２１は、二つの電源１０８および１０９によって送られ、最終的には電極ワイヤ１０４、１０６まで送られる電力のパルス周波数を同期する。パルス同期により、二つの溶接回路間の干渉を削減することでアークを安定させ、クラッディングの溶込みおよび形状寸法を最適化する。加えて、同期パルス電流により、スパッタおよび潜在的な磁気吹きの問題を最小化する。
【００２８】
タンデムワイヤ１０４、１０６をスプールにセットアップして、ワイヤの連続的な供給を提供することができる。例として、電極ワイヤ１０４には第一のワイヤ送給装置１１６を使用して、ワイヤスプール１１２またはドラムから作業中のロボットを経てワイヤ１０４を引き出す。第二のワイヤ送給装置１１７を使用して、ワイヤ１０４を損傷することなく、ワイヤ１０４の抵抗または制動力を最小化し、所定の送給速度を維持する。一つの実施態様では、第二のワイヤ送給装置１１７は、トーチ１０２に隣接して位置する。それに対応して、電極ワイヤ１０６は、第一のワイヤ送給装置１１８によってワイヤスプール１１３から引き出され、トーチ１０２に隣接して位置する第二のワイヤ送給装置１１９を使用して、ワイヤ１０６の抵抗または制動力を最小化し、所定の送給速度を維持する。送給速度が最適な送給速度に適切に制御されているとき、結果生じるビードは、図３ｂおよび３ｃに示すような実質的に一直線の端部を包含する。しかしながら、抵抗があるときは、送給速度が非最適となり、ワイヤ１０４は、その固有の弾性に起因して伸長し、ギザギザの端部を持つ不均一なビードを生成し、それは理想的ではない。そのような一貫性のないビード特性は、所望のビード特性を達成するために追加層の溶着が必須となり、したがって、資源、例えば、電極ワイヤ、時間および労働の消費が結果として増す。
【００２９】
ロボットシステム１１０は、日本のファナック株式会社から入手できるFanuc R-J3ロボット１１０であることができる。ロボットコントローラ１１１は、プログラミングを起動し、命令をロボット１１０に、ロボット１１０から溶接装置１０１にリレーする。コントローラ１１１は、米国のAllen Bradleyから入手できるAllen Bradley PLCであることができる。ワークセルに関連するプログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）から、またはロボットコントローラ１１１によるデジタル通信を介して、電源１０８、１０９に溶接パラメータが設定される。プログラムは、好適な運転パラメータ内に溶接プロセスを維持するように変更することができる。溶接オペレータは、所与の溶接施工に要する命令をロボットコントローラ１１１にプログラムする。ロボット１１０は、プログラムによって設定されたコマンドを実行することにより、溶接プロセスの運転、例えば、ウィービングパターンを実行する。一つの例示的な実施態様では、プログラムによってコマンドされるとき、ロボットシステム１００は、先行技術のシステムで共通であるような、部品１２０を動かすためのポジショナを要さない。代わりに、後に記載するように、トーチ１０２が静止している部品１２０またはワークピースを中心に動く。
【００３０】
【表１】
2014515317.tif 000003
【００３１】
以下の表Ａは、システム１００を使用した、ＧＭＡＷパルス時間同期ツインアークタンデムプロセスでの使用のためにプログラムすることができる例示的なパラメータを示す。例として、溶接プログラムのための命令は、電源１０８、１０９に関連するユーザインターフェースを介して入力することができる。ユーザインターフェースにより、特に、溶接プロセス、電源１０８、１０９および溶接トーチ１０２に関わる複数のパラメータの入力が可能になる。例として、一つの例示的な実施態様では、溶接システム１００は、デジタル化された、マイクロプロセッサ制御インバータ電源１０８、１０９を持つ、オーストリアのFroniusが提供する二つのTransPuls Synergic 5000溶接機械を含む。一般的に、パラメータは、溶接用途に依存して多くのインターフェースモードの一つを介して、または電源１０６もしくは１０８に通信的に連結されたインターフェース、例えば、Froniusの遠隔制御ユニットRCU5000iを介して遠隔から入力される。複数のパラメータは、識別子が割り当てられ、メモリ、例えば、ＥＰＲＯＭに保存された、溶接プログラムを形成する。トーチ１０２、例えば、Fronius Robacta Drive - RA900を持つパルスモードＧＭＡＷツインアークタンデムプロセスを使用してクラッドされる合金鋼のベース金属には、下記のパラメータを選択することができる：Iconel 52ワイヤの溶着速度が２４〜３０ポンド／時、溶接速度が６６〜９５cm／分、シールドガス、例えば、アルゴンの供給速度が６０キュービックフィート／時に設定される。他のパラメータは：薄板の厚さ；溶接電流；ワイヤ送給速度；ワイヤ直径；トーチネック角度、溶接準備角度、溶接位置、溶接角度、移動角度、溶接シーム（組み合わせシーム／溶接クラッディング）、溶接シーム品質管理（Ｘ線、超音波、硬さ試験）、圧縮試験（引張試験、Ｃ＆Ｅ、目視）送給装置のインチング速度、溶接プロセス、電極極性、予熱温度、溶接ローラ駆動、開先形状、制御ユニット、自動コンポーネント（ロボット、半自動）およびルート保護を包含する。
【００３２】
【表２】
2014515317.tif 000004
【００３３】
表Ｂは、図１のシステム１００を用いてＧＭＡＷパルス時間同期ツインアークタンデムプロセスを使用する、トーチ１０２の個別のウィービングパターンまたは揺動パターンをプログラムすることができる例示的な既定の数セットのパラメータを示す。トーチ１０２のオペレーショナルシーケンスは、ゆえに、ロボットコントローラからのプログラムされた命令、ＰＬＣプログラムまたはユーザ定義ＰＬＣコードに基づく揺動パターンによって決まる。当技術分野において周知のように、ウィービングパターンは、一直線の経路と比較すると、改善された継手特性を提供する。滞留期間の幅および場所を包含するウィービングパターンの形状を調整して、継手特性、例えば、引張強度、疲労強度、せん断強度および硬さを改善することができる。ウィービングパターンは、特に、ワイヤ送給速度（ｍ／分）、溶接速度（cm／分）、揺動幅（mm）、ウィービング角度（度）および揺動周波数（Hz）に依存する。より詳細には、電極ワイヤ１０４、１０６の延長部または突出量は、適切な溶接アーク長さを保証するために１７〜２０mmの範囲内であることができる。アーク長さは、電極ワイヤ１１２または１１４の終端と部品１２０との間に形成されるアークの距離である。有意に長いアーク長さは、スパッタ、上昇したパドル熱、低速の溶着速度により積層が減少したより平坦な溶接部、より広い溶接部、およびより深い溶込みを生む。より短いアーク長さは、より少ないパドル熱、高い積層を持つより狭い溶接部、より浅い溶込みを結果としてもたらす。したがって、アーク長さを使用して、パドルサイズを制御し、高希釈率を引き起こす溶込みの深さを制御することができる。ゆえに、一定のアーク長さを維持するために、ワイヤ送給システムにより所定の速度で、溶接プログラムに従って、タンデムトーチ１０２、１０４に電極ワイヤ１０４、１０６を供給する。この例では、突出量は２０mmに設定される。
【００３４】
図１ｂを見ると、システム１００を使用した一つの例示的なクラッディングプロセスにおいて、プロセスは、下記の工程の一つ以上の工程を含む：部品１２０のツインアークタンデム溶接プロセスのための溶接パラメータをプログラミングする工程（工程２００）；ロボットコントローラ１１１またはプログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）を介して、ロボット１１０によってトーチ１０２の運動に関連する少なくとも一つのウィービングパターンのためのパラメータをプログラミングする工程（工程２０２）；プログラムされたウィービングパターンの一つを選択する工程（工程２０４）；静止している部品１２０に対してトーチ１０２を位置付ける工程（工程２０６）；多軸またはロボットシステムに備え付けられたワイヤ送給装置１１６、１１８およびトーチ１０２に隣接するワイヤ送給装置１１７、１１９によってワイヤスプール１１２、１１３からワイヤ１０４、１０６を取り出す前に、部品１２０上のクラッディング領域付近にシールドガスを印加する工程（工程２０８）；トーチへのワイヤ１０４、１０６の送給速度を制御して、２対のワイヤ送給装置１１６、１１７と１１８、１１９との間の抗力を最小化する工程（工程２１０）；ワイヤ１０４、１０６が作業中のロボット（すなわち、ワイヤ送給装置１１７、１１９と溶接トーチ１０２との間のライナーまたはコード）およびタンデム溶接トーチ１０２を通る際の溶接パラメータを制御する工程（工程２１２）；タンデムワイヤ１０４、１０６を同期して、部品１２０上にワイヤ１０４、１０６を融解するパルス状電流および電圧により共通の溶融池を作成し、溶接ビードを形成する工程（工程２１４）；シーム追跡カメラ、溶接パドルカメラおよび一つ以上の３Ｄカメラを包含する多数のカメラを使用して溶接プロセスを監視および記録する工程（工程２１６）；およびプログラムされた揺動パターンに従い、６６cm／分〜９５cm／分の速度でタンデムトーチ１０２を動かし、クラッドされる部品１２０の領域をカバーする工程（工程２１８）。
【００３５】
一般的に、溶接トーチ１０２が５インチ／分を上回る速度で移動するとき、最も共通する欠陥の一つは、クラッドされたビードの止端における溶融の不足である。しかしながら、これらの欠陥は、図２ａのウィービングパターンのための表Ｂに示す例示的なパラメータを使用すると有意に減少する。図２ａのウィービングパターンは、溶込み、積層、ポロシティ、アンダカットおよびオーバラップの観点から、結果得られる溶接ビードの特質を決定する。そのようなものとして、図２ａの揺動パターンと、約５〜９インチ／分の溶接トーチ１０２の移動速度との組み合わせにより、大抵の先行技術のシステムに固有の溶融の不足を補える。
【００３６】
先に記載したように、システム１００は、図２ａの例示的な揺動パターンを使用して部品１２０をクラッドするための多軸ロボットシステムに関連することができる。トーチ１０２、つまりはリードワイヤ１０４およびトレイルワイヤ１０６によって遂げられる揺動パターンは、コンピュータ可読媒体に保存され、プロセッサによって実行可能なプログラムされた命令によって制御され、トーチ１０２、とりわけ、リードワイヤ１０４およびトレイルワイヤ１０６に、以下に記載する例示的な工程を実行させる。
【００３７】
ベース金属上に溶接基準線Ａ−Ａ’が選ばれると、トーチ１０２は、既定の速度で溶接基準線Ａ−Ａ’に沿って動きながら、その基準線の左右を揺動し、図２ｂに示すような溶接ビード１４０を形成する。例として、溶接基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ１に位置する点ｐ０にリードワイヤ１０４を位置付け、基準線Ａ−Ａ’上の点ｐ１にトレイルワイヤ１０６を位置付ける。リーダー１０４は、初期静止点ｐ０から始動して、角度θで基準線Ａ−Ａ’と交わるように、基準線Ａ−Ａ’に向かう溶接経路ｓ１を辿る溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、初期静止点ｐ１から始動して、溶接経路ｓ１’が角度Φで基準線Ａ−Ａ’と交わるように、基準線Ａ−Ａ’から離れる溶接経路ｓ１’を辿る溶接を開始する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’上の点ｐ４で一時停止し、トレーラーが基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ２に位置する点ｐ２で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ１およびｓ１’に沿って進む。タンデムワイヤ１０４、１０６がトーチ１０２内で固定距離だけ隔てられるのであれば、タンデムワイヤ１０４、１０６は、したがって、タンデムに動き、ゆえに、距離ｄ１と距離ｄ２とは等しい。それゆえに、経路ｓ１の長さと経路ｓ１’の長さとは等しく、トレーラー１０６の角度Φは（１８０−θ）度に等しい。
【００３８】
リーダー１０４は、点ｐ４での一時停止の次に、溶接経路ｓ２が基準準線Ａ−Ａ’と平行であるように、基準線Ａ−Ａ’に沿う溶接経路ｓ２に沿った溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ２での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’と平行である溶接経路ｓ２’を辿る溶接を開始する。ゆえに、ｓ２’は、基準線Ａ−Ａ’と溶接セグメントｓ２’との間に溶融池を形成するように、基準線Ａ−Ａ’の左に溶接端部を形成する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’上の点ｐ５で一時停止し、トレーラーが基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ２に位置する点ｐ３で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ２およびｓ２’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ２の長さと経路ｓ２’の長さとは等しい。
【００３９】
リーダー１０４は、点ｐ５での一時停止の次に、角度Φで基準線Ａ−Ａ’から離れる溶接経路ｓ３に沿った溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ３での一時停止の次に、溶接経路ｓ３’と溶接経路ｓ２’とが角度Φとなるように、基準線Ａ−Ａ’に向かう溶接経路ｓ３’を辿る溶接を開始する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ１に位置する点ｐ８で一時停止し、トレーラーが角度θで基準線Ａ−Ａ’と交わり、点ｐ４で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ３およびｓ３’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ３の長さと経路ｓ３’の長さとは等しい。
【００４０】
リーダー１０４は、点ｐ８での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’と平行である溶接経路ｓ４に沿った溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ４での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’に沿う溶接経路ｓ４’を辿る溶接を開始する。ゆえに、ｓ４は、基準線Ａ−Ａ’と溶接セグメントｓ４との間に溶融池を形成するように、基準線Ａ−Ａ’の右に溶接端部を形成する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ１に位置する点ｐ９で一時停止し、トレーラー１０６が基準線Ａ−Ａ’上に位置する点ｐ５で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ４およびｓ４’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ４の長さと経路ｓ４’の長さとは等しい。
【００４１】
リーダー１０４は、点ｐ９での一時停止の次に、溶接経路ｓ５と溶接経路ｓ４とが角度Φとなるように、基準線Ａ−Ａ’に向かう溶接経路ｓ５を辿る溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、溶接経路ｓ５’と基準線Ａ−Ａ’とが角度Φとなるように、基準線Ａ−Ａ’から離れる溶接経路ｓ５’を辿る溶接を開始する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’上の点ｐ１０で一時停止し、トレーラー１０６が基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ２に位置する点ｐ６で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ５およびｓ５’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ５の長さと経路ｓ５’の長さとは等しい。
【００４２】
リーダー１０４は、点ｐ１０での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’に沿う溶接経路ｓ６に沿った溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ６での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’と平行である溶接経路ｓ６’を辿る溶接を開始する。ゆえに、ｓ６’は、基準Ａ−Ａ’と溶接セグメントｓ６’との間に溶融池を形成するように、基準線Ａ−Ａ’の左に溶接端部を形成する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’上に位置する点ｐ１１で一時停止し、トレーラー１０６が基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ２に位置する点ｐ７で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ６およびｓ６’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ６の長さと経路ｓ６’の長さとは等しい。
【００４３】
リーダー１０４は、点ｐ１１での一時停止の次に、角度Φで基準線Ａ−Ａ’から離れる溶接経路ｓ７に沿った溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ７での一時停止の次に、溶接経路ｓ７’と溶接経路ｓ６’とが角度Φとなるように、基準線Ａ−Ａ’に向かう溶接経路ｓ７’を辿る溶接を開始する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ１に位置する点ｐ１２で一時停止し、トレーラーが角度θで基準線Ａ−Ａ’と交わり、点ｐ１０で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ７およびｓ７’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ７の長さと経路ｓ７’の長さとは等しい。
【００４４】
最後に、リーダー１０４は、点ｐ１２での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’と平行である溶接経路ｓ８に沿った溶接を開始する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ１０での一時停止の次に、基準線Ａ−Ａ’に沿う溶接経路ｓ８’を辿る溶接を開始する。ゆえに、ｓ８は、基準Ａ−Ａ’と溶接セグメントｓ８との間に溶融池を形成するように、基準線Ａ−Ａ’の右に溶接端部を形成する。リーダー１０４が基準線Ａ−Ａ’から所定の距離ｄ１に位置する点ｐ１３で一時停止し、トレーラー１０６が基準線Ａ−Ａ’上に位置する点ｐ１１で一時停止するまで、タンデムワイヤ１０４、１０６は、各々それらの所与の経路ｓ８およびｓ８’に沿って進む。それゆえに、経路ｓ８の長さと経路ｓ８’の長さとは等しい。
【００４５】
ゆえに、リーダー１０４は、一つのサイクルにおいて、点ｐ０から始動して点ｐ４、ｐ５、ｐ８、ｐ９、ｐ１０、ｐ１１、ｐ１２、最後に点ｐ１３に至る経路に沿って動き、溶接する。同時に、トレーラー１０６は、点ｐ１から始動して点ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ６、ｐ７、ｐ１０、最後に点ｐ１１に至る経路に沿って動き、溶接する。ウィービングサイクルは、基準線Ａ−Ａ’に沿った点ｐ１から点ｐ１３までの溶接の長さＬである。矢印がトーチ１０２、つまりはワイヤ１０４、１０６の移動方向を示す、結果得られたビード１４０を図２ｂに示す。一つの実施態様では、結果得られる長さＬのビード１４０が１／４秒で生成されるように、ウィービング周波数を４Hzに設定する。一つの実施態様では、変位ｄ１またはｄ２が１／８インチに等しくなるように、ビード幅（ｄ１＋ｄ２）は１／４インチに等しい。
【００４６】
図２ｂは、ベクトルａ０〜ａ７がワイヤ１０４、１０６、つまりはトーチ１０２の移動方向および移動速度を表す、図２ａの溶接ツール揺動パターンを使用した結果を図示する。
【００４７】
ビード形状は、ウィービング角度に依存する。一例として、０度のウィービング角度を使用するとビード形状は平坦となり、一方、ウィービング角度が０〜４５度であるとビード形状は実質的に丸みを帯びる。ｈがクラッド高さ、Ｗがクラッド幅、σがぬれ角、ｂがクラッド深さ（クラッディング中に融解してクラッド領域に追加された、部品１２０の母材の厚さを表す）である、代表的なビードが有する形状寸法を図２ｃに示す。それゆえに、一つの例示的な実施態様では、幾何学的な希釈率は、式：ｂ／（（ｈ＋ｂ）／２）によって決定することができる。あるいは、希釈率は、母材の融解が寄与する表面層の全体容積のパーセンテージとして定義することができる。図２ａの揺動パターンは、パドルの止端が部品１２０に溶融し、次の溶接パスのために任意の溶接不純物を除去し、高速での溶接を試みるときに起きることがあるアンダカットと言われる欠陥を減少させるため、有意である。
【００４８】
図３ａから見てとれるように、トレイリング電極１０６の角度により、トーチ１０２の移動方向と反対側に溶融池が押され、それにより、より深い溶込みが結果としてもたらされる。多軸またはロボットシステムは、４対１の原理を実行することが可能である、換言すれば、溶接トーチ１０２の移動速度が４mm／秒であるとき、その後、溶接基準線Ａ−Ａ’に沿った凝固がワイヤ１０４または１０６の通過後約１．５秒（または、より早く）で始まる。ＨＳＲＣシステム１００における揺動パターンと高移動速度との組み合わせは、時間およびコストの両方の観点において、先行技術の金属クラッディング技術よりも優れた有意な改善を表す。図３ｂおよび３ｃは、システム１００を使用して得られた例証的なクラッディング結果を示す。
【００４９】
もう一つの実施態様では、ウィービング角度を調整して、より少ない希釈率およびより高速なワイヤ溶着速度（ポンド／時）を結果としてもたらし、パドルサイズに役立つことができる。
【００５０】
もう一つの実施態様では、揺動周波数を変動させて、ウィービング角度のサイズおよび速度を制御して、溶融不足欠陥の制御に役立つことができる。揺動周波数を使用して、トーチが中心から溶接パドルの中心の左右に動く頻度も制御することができる。
【００５１】
システム１００を用いることによる欠陥のない結果は、機械が正しいパラメータおよびセットアップで起動している場合に、表面から事実上すべての酸化不純物をタンデム−溶接アークで除去することによって達成される。より詳細には、実験および研究によって下記のことが明らかになった：
（１）ロボットタンデムパルス溶接は、良好な溶接性および溶融池制御で、高さ４mm、１  １／４インチ幅の凸状のビードを生成することができる；
（２）サイクル時間は、ＭＩＧおよびストリッププロセスと比較して半減することができる。システム１００の使用により、溶接ワイヤ１０４または１０６の消費が１２〜１５ポンド／時から２４〜３０ポンド／時に増した；
（３）低い希釈率レベルにより、凝固収縮が制御下に保たれ、ビード割れの防止に役立つことができた。溶接ワイヤ１０４、１０６および上記の溶接パラメータの使用によって、冶金および溶融池の機械的特性の改善を援助できた；
（４）システム１００を用いることによる、希釈による割れおよび鉄のピックアップの量の有意な減少および溶接中の入熱の低下は、ビードのより良好な粒子構造を提供する。溶接施工要領（ＷＰＳ）の指示では、ＭＩＧ溶接プロセスにおいてSA 516-Gr 70の部品１２０に最大１１６kJが求められるが、一方、システムを使用すると同じ部品１２０に生まれるのは１９kJにすぎない。
【００５２】
完了した調査的なワークにより、現在、産業で行われている溶着よりも、より迅速に、より高い品質でこの層を溶着することができ、材料コストおよび製造時間の有意な節約につなげることができることが示された。例証的な例として、先行技術のプロセスを使用すると、Inconel 52ワイヤを用いた半自動プロセスにおいて溶接速度５インチ／分で、直径２４インチの管薄板（SA 516-G70）１２０をコスト５，８７４．００ドル、２６時間以内でクラッドすることができる。比較すると、システム１００を用いると、完全に自動のクラッディングプロセスにおいては、３７インチ／分を上回る溶接速度で、同じ部品１２０を１，０００．００ドル未満のコスト、１．５時間以内でクラッドすることができ、品質や安全性を損なうことなく生産高が増し、部品１２０は、７％〜１２％の範囲内の最小の希釈率を有した。希釈率は、部品１２０のベース金属から溶接パドル内にピックアップされた鉄の総量である。それゆえに、概算したコストおよび時間の節約は、非常に有意である。
【００５３】
ＨＳＲＣシステム１００を用いて達成することができるコストの節約をさらに例証するために、先行技術の方法を使用した一つの例では、直径１２．５フィート×厚さ８インチの管薄板１２０をクラッドするための見積時間は、サイクル時間にして約７９２時間または３３日かかり、ワイヤ１０４、１０６およびシールドガスにユニット当たり７０，０００ドルを上回るコストがかかる；しかしながら、図２ａの例示的なウィービングパターンを上記の溶接速度で採用するシステム１００を使用すると、直径１２．５フィート×厚さ８インチの同じ管薄板１２０は、サイクル時間にして約３５時間または１．７５日、ワイヤ１０４、１０６およびシールドガスにユニット当たり５８，０００ドルを上回るコストでクラッドされる。図２ａのパターンによって揺動する高速トーチ１０２を採用するシステム１００の使用が、一貫したビードを生成する一方、時間およびコストを有意な削減を結果としてもたらすことが明白である。
【００５４】
表Ｃは、先行技術のＭＩＧプロセスと比較した、システム１００の労働およびコスト効果をさらに例証する。
【００５５】
【表３】
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【００５６】
ここで図４ａおよび４ｂを参照し、システム１００のための好適な運転環境を提供する、例示的なワークセル３００を示す。多軸ロボット、例えば、６軸ＭＩＧ溶接ロボットまたは８軸ＭＩＧもしくはＴＩＧ溶接ロボット３０１を使用して、部品３０２の肉盛溶接を実行することができる。オペレータインターフェースを持つロボットコントローラ３０４、例えば、Allen Bradley Panel View Plus 1000／PLC 1 Allen Bradley Compact Logixは、溶接プロセスのためにコマンドを溶接トーチ３０３に提供する。大きなワイヤドラム３０５の提供により、ワイヤ供給の補充のために停止する必要なく、長期間、溶接ロボット３０１に溶接させることができる。
【００５７】
部品３０２は、接地された部品ステーション３０６上の固定位置に保持され、したがって、先行技術の方法において、ポジショナを持つ回転部品に関連する、共通する接地の問題を解消する。先行技術の方法では、適切な接地の欠如は、スパッタリングおよび不安定なアークを結果としてもたらし、アークがアンバランスに見える場合には、溶接中におけるワイヤ送給速度および電圧の頻繁な調整が結果としてもたらされる。加えて、回転ポジショナは、回転ディスクの角速度（または、線速度）の正確な制御を要し、これは多くの場合達成が困難であり、ゆえに、一貫性のない溶接部が結果としてもたらされる。幅広い様々な修理部品、例えば、シャフト、ディスク、リングに適応するため、水平軸または垂直軸を中心に部品を操作または回転させるためのポジショナを要する先行技術のシステムとは違い、システム１００は、代わりに、円筒状部品（例えば、シャフト）または平坦部品、例えば、ディスクおよびリングを容易に処理できるように、部品３０２を中心にしてトーチ３０３を回転させる。ロボット３０１を使って、トーチ３０３は、部品３０２に対して任意の位置に設置することができる。一つの例では、シリンダ３０２の全内面表面が一連の隣り合うビードリングによって順々にクラッドされるように、図２ａのウィービングパターンを使用するビードをシリンダ３０２の内面上に溶着させることができる。同様に、シリンダ３０２の外面もクラッドすることができる。クラッディングは、部品３０２表面に対して上下逆、または任意の角度でも実行することができる。それゆえに、部品３０２を固定された非回転状態に保つことにより、先行技術のシステムに固有の、クラッディング中の部品３０２の旋回によって引き起こされる接地の問題が解消される。有利には、部品３０２は、過度に停止することなく、先行技術のシステムよりも高速で連続的にクラッドすることができ、したがって、資源、例えば、時間およびコストを節約することができる。
【００５８】
タンデムＭＩＧ溶接パッケージシステム３０８がロボット３０１およびロボットコントローラ３０４に連結され、システム３０８は、溶接電流のアンペアおよび電圧を生成するためのタンデム電源を包含し、過度の熱を除去するための水冷却も提供する。溶接トーチ３０３を洗浄するためのトーチクリーナシステム３１０を提供することができる。ロボット３０１を３軸ガントリ製造セル／セットアップまたはロボットセル／セットアップ３１２に保持することにより、システム１００は、溶接のための予備の軸を有することができる。換気システム３１４を提供することにより、溶接領域に集まる溶接ヒューム、オゾンまたは煙を除去することができる。通常、換気システム３１４は、局在し、所定のおよび許容範囲の速度で、影響を受けた溶接領域またはその付近から排気を強制排出させる、固定されたまたはフレキシブルな排気収集装置を使用する。
【００５９】
多数のカメラ３１６を提供することにより、オペレータは、多数の角度から溶接プロセスを視認し、遠隔の場所から手動または自動でパラメータを微調整することができ、したがって、有害な放射または有毒なガス、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕおよびクラッディング中に潜在的に吐き出され得る他の有害元素を含有する浮遊微小粒子からオペレータを保護する。カメラ３１６は、溶融池に対するワイヤチップ位置を監視し、分割スクリーンビデオモニタ上に溶融池領域の正面および側面画像を提供する。赤外線センサを使用して、クラッドされる部品３０２のパス間温度を測定し、部品３０２を冶金の見地から見て最も高い品質に維持することを保証する。
【００６０】
積層式表示灯３１８を安全ガードとして使用することができ、ガーディングロットゾーンスキャナおよびワイヤメッシュガード３２０をセル３００の安全運転のために使用することができる。延長可能なトラック３２２を提供することにより、ロボット３０１をセル３００内の異なる場所に位置付けすることができる。もう一つの実施態様では、セル３００に多数のロボットを設置することができる。
【００６１】
板上にビードを持つ部品１２０、３０２のクラッディングに加えて、複数の他の溶接、例えば、突合せ溶接および隅肉溶接も、システム１００の先に述べた方法を用いて可能である。
【００６２】
有利点、他の利点および問題に対する解決策を、具体的な実施態様に関して先に記載した。しかしながら、有利点、利点、問題に対する解決策および任意の有利点、利点または解決策を引き起こす、またはそれらがより顕著になるようにさせることができる任意の要素は、不可欠な、必要な、もしくは本質的なフィーチャ、または任意のもしくはすべての請求項の要素として解釈されない。本明細書で使用する用語「含む」「含んでいる」またはその任意の他の変形は、非排他的な包含をカバーすることが意図され、要素のリストを含むプロセス、方法、物品または装置がそれらの要素のみを包含するのではなく、明確にリストされない、またはそのようなプロセス、方法、物品もしくは装置に固有の他の要素を包含することができる。さらに、「本質的な」または「不可欠な」と明確に記載しない限り、本明細書に記載する要素は、本発明の実施に必ず必要とされるものではない。
【００６３】
本明細書に記載するフィーチャは、デジタル電子回路またはコンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアもしくはそれらの組み合わせに具現化することができる。フィーチャは、プログラマブルプロセッサによる実行のために、情報担体、例えば、機械可読ストレージ装置または伝播された信号に有形に具体化されたコンピュータプログラム製品に具現化することができる；方法工程は、命令プログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって実行され、入力データを元に運転し出力を生み出すことにより、記載した実施態様の機能を実行することができる。記載したフィーチャは、有利には、データストレージシステム、少なくとも一つの入力装置および少なくとも一つの出力装置からのデータおよび命令を受け取り、それらへのデータおよび命令を伝送するように連結された少なくとも一つのプログラマブルプロセッサを包含するプログラマブルシステムで実行可能な一つ以上のコンピュータプログラムに具現化することができる。コンピュータプログラムは、コンピュータにおいて直接的または間接的に使用され、ある種のアクティビティを実行し、ある種の結果を成し遂げることができる一セットの命令である。コンピュータプログラムは、コンパイラ型言語またはインタープリタ型言語を包含する任意の形態のプログラミング言語で書き込むことができ、スタンドアロンプログラムまたはモジュール、コンポーネント、サブルーチンもしくはコンピューティング環境での使用に好適な他のユニットを包含する任意の形態で展開することができる。
【００６４】
前記の詳細な説明は、説明のみを目的として提示するものであり、それに制限されるわけではなく、本発明の範囲は、前記の説明および添付の請求項に関して定義される。
【図１】
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【図２ａ】
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【図３ａ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図１ｂ】
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【図２ｂ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【国際調査報告】
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