(57)【要約】  ワークピース（Ｗ）が最小の孔隙率及びスパッタを伴って高速に溶接されるシステム（７００）及び方法が提供される。実施態様では、高い溶接速度が達成されるように、ワークピース（Ｗ）はアーク溶接プロセスで溶接されて溶接パッドル（ＷＰ）を作り出し、溶接パッドル（ＷＰ）はアーク溶接作業の下流でエネルギビーム（１１１）によって照射される。ビード形状及び／又はビード品質を最適化するために溶接パッドルの形状又は特性を変更するよう溶接パッドル（ＷＰ）内にエネルギを入力するために高エネルギ熱源（１０８，１０９）が溶接作業の下流に位置付けられる。
2014531325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体溶接パッドルが少なくとも１つのワークピースから作り出されるように、アーク溶接プロセスを用いて前記少なくとも１つのワークピースを溶接するステップを含み、該溶接は進行方向において行われ、
エネルギビームが前記溶接パッドルへの熱エネルギを増大させて前記溶接パッドルの形状を修正するように、前記エネルギビームを前記進行方向に対する前記アーク溶接プロセスの下流で前記溶接パッドルの表面に向けるステップを含み、
溶接継手が前記溶接によって作り出され、前記向けるステップは３０％以下の断面孔隙率及び３０％以下の長さ孔隙率を有する、
溶接方法。
【請求項２】
前記エネルギビームは、１０５Ｗ／ｃｍ２以下の出力密度を有するレーザビームである、請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記エネルギビームは、前記溶接中に前記アーク溶接プロセスに対して移動させられる、請求項１又は２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記エネルギビームは、前記溶接パッドルの最大幅の５〜３５％の範囲内にある前記溶接パッドルでの幅を有する、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記溶接パッドルは、前記アーク溶接プロセスのみによって作り出される溶接パッドルよりも５０％以下だけより長い全長を有する、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記溶接パッドルの縁と前記溶接パッドル上に前記エネルギビームによって作り出されるスポットの縁との間の最小距離が、溶接中の前記溶接パッドルの前記最大幅の１０％未満である、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項７】
前記溶接パッドル上に前記エネルギビームによって作り出されるスポットの縁と前記アーク溶接プロセスによって作り出される前記溶接パッドル上のアークスポットとの間の最小距離が、前記溶接パッドルの最大長の１０％未満である、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項８】
前記溶接パッドルの表面及び前記ワークピースの表面の少なくとも一方の温度を感知するステップと、該感知される温度に応答して前記エネルギビームの動作を変更するステップとを更に含む、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項９】
前記溶接によって作り出される溶接ビードの形状を検出するステップと、該検出される形状に応答して前記エネルギビームの動作を変更するステップとを更に含む、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１０】
前記溶接パッドル及び前記溶接パッドルによって形成される溶接ビードの少なくとも一方の表面における孔隙率を検出するステップと、該検出される孔隙率に応答して前記エネルギビームの動作を変更することを更に含む、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１１】
前記エネルギビームは、５ｍＳ以下の相互作用時間を有する、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１２】
前記ワークピースは、前記溶接中に溶接されるべき前記ワークピースの表面上に塗膜を有する、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１３】
前記断面孔隙率及び前記長さ孔隙率の少なくとも一方は、１０％以下である、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１４】
溶接システムであって、
溶接継手を作り出すために、ワークピースの上でアーク溶接作業を行うためのアーク溶接トーチに結合されるアーク溶接電源を含み、前記アーク溶接作業中に溶接パッドルが作り出され、
エネルギビーム源に結合されるエネルギビーム電源を含み、前記エネルギビーム源は、進行方向における前記アーク溶接作業の下流で前記溶接パッドルの表面にエネルギビームを向け、
前記エネルギビームは、前記溶接パッドルへのエネルギを増大させるのに十分なエネルギ密度及び／又は相互作用時間を有し、
当該システムは、３０％以下の断面孔隙率と３０％以下の長さ孔隙率とを有する溶接継手を作り出す、
溶接システム。
【請求項１５】
前記エネルギビームは、１０５Ｗ／ｃｍ２以下の出力密度を有するレーザビームである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記溶接中に前記アーク溶接プロセスに対して前記エネルギビームを移動させるエネルギビーム移動装置を更に含む、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記エネルギビームは、前記溶接パッドルの最大幅の５〜３５％の範囲内にある前記溶接パッドルでの幅を有する、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記溶接パッドルは、前記アーク溶接プロセスのみによって作り出される溶接パッドルよりも５０％以下だけより長い全長を有する、
請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記溶接パッドルの縁と前記溶接パッドル上に前記エネルギビームによって作り出されるスポットの縁との間の最小距離が、溶接中の前記溶接パッドルの前記最大幅の１０％未満である、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記溶接パッドル上に前記エネルギビームによって作り出されるスポットの縁と前記アーク溶接作業によって作り出される前記溶接パッドル上のアークスポットとの間の最小距離が、前記溶接パッドルの最大長の１０％未満である、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記溶接パッドルの表面及び前記ワークピースの表面の少なくとも一方の温度を感知する温度センサを更に含み、前記エネルギビームの動作が、前記感知される温度に応答してを変更される、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記溶接パッドルによって作り出される溶接ビードの形状を検出する前記アーク溶接作業に隣接して位置付けられる検出装置を更に含み、前記エネルギビームの動作が、前記検出される形状に応答して変更される、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記溶接パッドル及び前記溶接パッドルによって形成される溶接ビードの少なくとも一方の表面における孔隙率を検出する表面孔隙率検出装置を更に含み、前記エネルギビームの動作が、前記検出される孔隙率に応答して変更される、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記エネルギビームは、５ｍＳ以下の相互作用時間を有する、請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ワークピースは、前記溶接中に溶接されるべき前記ワークピースの表面上に塗膜を有する、
請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２６】
前記断面孔隙率及び前記長さ孔隙率の少なくとも一方は、１０％以下である、
請求項１４乃至１６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本発明は２０１１年１０月８日に出願された米国特許出願第１３／２６７，６４１号の一部係属出願であり、その全文を参照としてここに援用する。
【０００２】
本発明のシステム及び方法は溶接及び接合に関し、より具体的には、塗膜付き材料の溶接及び接合に関する。
【背景技術】
【０００３】
腐食を防止する表面塗膜を必要とする環境では多くの溶接構造が使用される。例えば、鋼が環境に晒されるときに鋼を腐食から保護するために、（亜鉛めっき又はガルバニール処理を通じた）鋼上の亜鉛の堆積が一般的に使用されている。材料が所定の場所に溶接された後に材料を亜鉛メッキすることは極めて困難であり、よって、殆どの鋼製の構成部品は溶接前に亜鉛メッキされる。しかしながら、塗膜は溶接プロセスと干渉し、溶接の品質を劣化させるので、塗膜付き材料を溶接することは困難であり得る。例えば、亜鉛メッキにおける亜鉛は、溶接アークの熱の故に気化させられ、この気化は有意なスパッタを引き起こし得るし、或いは溶接パッドル内に捕捉されて溶接内に多孔性を招き得る。この故に、塗膜付き材料の溶接は、塗膜無し材料の溶接よりも相当に遅い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の上記問題点を解決することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施態様は、液体溶接パッドルが少なくとも１つのワークピースから作り出され且つ溶接が進行方向において行われるように、アーク溶接プロセスを用いて少なくとも１つのワークピースを溶接する機器及び方法を含む。また、エネルギビームが溶接パッドルへの熱エネルギを増大させて溶接パッドルの形状を修正するように、進行方向に対するアーク溶接プロセスの下流で、エネルギビームが溶接パッドルの表面に向けられる。プロセスによって作り出される溶接継手が、３０％以下の断面孔隙率と、３０％以下の長さ孔隙率とを有する。更なる実施態様が、以下の記載、図面、及び／又は請求項から推断可能である。
【０００６】
添付の図面を参照して本発明の例示的な実施態様を詳細に記載することによって、本発明の上記の及び／又は他の特徴がより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】溶接プロセスから作製される溶接継手を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明の例示的な実施態様に従ったクリーニング作業を示す概略図である。
【図２Ｂ】本発明の例示的な実施態様に従ったクリーニング作業を示す概略図である。
【図２Ｃ】本発明の例示的な実施態様に従ったクリーニング作業を示す概略図である。
【図３Ａ】本発明の例示的な実施態様に従って作製される溶接継手を示す概略図である。
【図３Ｂ】本発明の例示的な実施態様に従って作製される溶接継手を示す概略図である。
【図４】本発明の実施態様に従って作製される溶接継手の更なる例示的な実施態様を示す概略図である。
【図５】本発明に従った溶接システムの例示的な実施態様を示す概略図である。
【図６】溶接システムの一部の例示的な実施態様を示す概略図である。
【図７】本発明の溶接システムの他の例示的な実施態様を示す概略図である。
【図８】本発明の溶接システムの更なる例示的な実施態様を示す概略図である。
【図９】本発明の例示的な実施態様に従った統合溶接ヘッドユニットを示す概略図である。
【図１０】本発明の追加的な例示的な実施態様を示す概略図である。
【図１１】図１０の例示的な実施態様を使用する溶接作業を示す概略図である。
【図１２】図１０の例示的な実施態様によって形成される溶接パッドルを示す概略図である。
【図１３】本発明の他の例示的な溶接システムを示す概略図である。
【図１４】本発明の更なる他の例示的な実施態様に従った溶接システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施態様を以下に記載する。記載する例示的な実施態様は、本発明の理解を助けることを意図しており、本発明の範囲を如何様にも限定することを意図していない。例示的な実施態様を通じて、同等の参照番号は、同等の素子を示している。
【０００９】
図１は、第１のワークピースＷ１が第２のワークピースＷ２の上に部分的に配置され、２つのワークピースが溶接ビードＷＢで溶接される、典型的な溶接ラップジョイント（重ね継ぎ）を描写している。溶接産業において、この種類の接続は、一般的にはラップジョイントと呼ばれる。ラップジョイントは、自動車産業において一般的である。ラップジョイントに加えて、本発明の実施態様は、隅肉ジョイント、凹凸ジョイント、継ぎ合わせジョイント等を含む、多数の異なる種類の継手（ジョイント）も溶接し得る。図１に示すように、ワークピースのうちの少なくとも一方は、溶接されるべき表面の上に塗膜Ｃ１／Ｃ２を有し、塗膜はワークピースとは異なる材料組成を有する。一例として、この塗膜は、亜鉛メッキのような耐食塗膜であり得る。ワークピースは塗工されるので、互いに接触し合うワークピースの表面Ｓ１及びＳ２も、それらの上に塗膜を有する。溶接中、溶接アークプラズマの熱は、塗膜Ｃ１／Ｃ２を気化させる。ワークピースの重なり合いによって覆われていない気化させられた塗膜Ｃ１／Ｃ２は、典型的には、ヒューム抽出によって溶接ゾーンから取り除かれるか、或いは蒸気が溶接と干渉しないように単に消散する。しかしながら、溶接ビードＷＢによる浸透の典型的な深さの故に、接触表面Ｓ１／Ｓ２上にある塗膜Ｃ１／Ｃ２も気化させられる。しかしながら、接触表面Ｓ１／Ｓ２から気化させられる塗膜は、溶接中に溶接パッドルの表面から離れており、よって、ビードが凝固する前に溶接パッドルから漏れ出すことを試みるよう溶融パッドルを通じて進まなければならない。しかしながら、溶接速度が速すぎるならば、気化した塗膜が漏れ出し得る前にパッドルは凝固する。これは溶接ビード内に多孔性(porosity)を引き起こす。泡が泡の背後で閉じない溶接パッドル内の尾を離れるとき、この多孔性は極めて悪くあり得る。漏れ出す気化塗膜によって作り出される空洞は、溶接の品質を有意に劣化させ得る。
【００１０】
多孔性に伴うこれらの問題の故に、塗膜付きワークピースの溶接は、塗膜無しワークピースの溶接に比べて有意に遅くされなければならない。遅いペースは、気化させられる塗膜が溶融させられる溶接パッドルから漏れ出すのに十分な時間を提供し得る。しかしながら、これらの遅いペースは、溶接内への熱入力を増大させる傾向を有し、全体的な速度及び溶接作業の効率を減少させる。例えば、亜鉛メッキした鋼を溶接するとき、典型的な走行速度は、約１／１６インチ（１６ゲージ）の厚さを有するワークピースのために、毎分１５〜２５インチである。代替的に、溶接工は頻繁にワークピースを研削し或いは研磨して、ワークピースから塗膜を取り除かなければならず、それも時間がかかり且つ骨の折れる作業である。
【００１１】
前述のように、一般的な塗膜は、耐食用の亜鉛メッキである。しかしながら、類似の問題を引き起こし得る他の塗膜は、塗装、スタンピング潤滑剤、ガラス裏打ち、アルミニウム処理塗膜、表面熱処理、窒化又は炭化処理、クラッド処理、又は他の蒸発塗膜又は材料を含むが、それらに限定されない。
【００１２】
図２Ａ乃至２Ｃは、削摩ゾーン１０２から塗膜Ｃを除去するようワークピースＷの表面にビーム１１１を向けるために電源１０８及び高エネルギ熱源１０９を使用する、クリーニングシステム１００（洗浄システム）の例示的な実施態様を描写している。削摩ゾーン１０２は、後続の溶接が配置される領域であり、ワークピースＷの表面上のビーム１１１の進行長及び幅を含む長方形領域によって概ね定められる。本発明の例示的な実施態様において、熱源は（図示のような）レーザ１０９である。しかしながら、他の実施態様はレーザの使用に限定されず、他の種類の熱源を用い得る。更に、多くの異なる種類のレーザを用い得る。そして、塗膜を削摩し或いは除去するための比較的低い温度要件の故に、極めて高いエネルギのレーザ又は熱源を使用することは不要である。（熱源１０９及び電源１０８を含む）そのようなレーザ／熱源システムは既知であり、ここに詳細に記載する必要はない。
【００１３】
例示的な実施態様において、ビーム１１１のエネルギ密度及び焦点は、下に横たわるワークピースＷを実質的に溶解させるよう高すぎてはならない。何故ならば、そのような溶解はアーク溶接プロセスと干渉し得るからである。本発明の例示的な実施態様では、１０Ｗ〜１０ｋＷの出力レベルを有するレーザ１０９を用い得る。他の例示的な実施態様において、レーザビーム１１１は、少なくとも１０５Ｗ／ｃｍ２の出力密度、及び５ｍｓ以下の相互作用時間を有さなければならない。一部の実施態様において、相互作用時間は、１〜５ｍｓの範囲内になければならない。レーザ（又は熱源）の強さ及び相互作用時間は、基材の適切な溶解が回避されなければならないような強さ及び相互作用時間でなければならない。塗膜を削摩し或いは除去するのに必要とされる熱は典型的には高くないので、このクリーニングプロセスは、溶接プロセス自体以上には、溶接継手（溶接ジョイント）の熱の影響を受けるゾーンに影響を与えない。レーザは、二酸化炭素レーザシステム、Ｎｄ：ＹＡＧレーザシステム、Ｙｂディスクレーザシステム、ＹＢファイバレーザシステム、ファイバ供給される又は直接ダイオードレーザシステムを含む、任意の既知の種類のレーザであり得るが、それらに限定されない。更に、白色光又は石英レーザ型システムが十分なエネルギを有するならば、白色光又は石英レーザ型システムさえも用い得る。システムの他の実施態様は、ワークピースの表面上の塗膜を気化し得、且つ高強度エネルギ源として働く電子ビーム、プラズマアーク溶接サブシステム、ガスタングステンアーク溶接サブシステム、ガス金属アーク溶接サブシステム、有芯アーク溶接サブシステム、及びサブマージド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、他の種類の高エネルギ源を用い得る。しかしながら、より高いエネルギ源が用いられるならば、それらのエネルギ密度及び熱は、下に横たわるワークピースを実質的に溶解させたり或いは損なわせるのではなく、塗膜の少なくとも一部を気化させるように制御されなければならない。
【００１４】
本発明の実施態様において利用されるレーザは、連続波レーザ、パルスレーザ、Ｑスイッチレーザ、又は所望のクリーニング作業を行うのに十分なピーク出力及びエネルギ密度を有する他の種類のレーザであり得る。円、長方形、正方形、楕円形、又は他の所望の形状であり得るビーム断面をもたらすよう、光学素子又は電源１０８によってレーザ１０９からのビーム１１１を制御し得る。更に、表面上に多数のビーム又は衝撃スポットをもたらすよう、ビームスプリッタを利用し得る。所望のクリーニングを達成する所要の相互作用時間のために表面上に所望の出力分布をもたらすよう、ビームを走査し或いはその他の方法で操作してもよい。
【００１５】
削摩中、熱源１０９は、電源１０８によって電力供給され、表面でビーム１１１を放射する。この出願を通じて熱源１０９を「レーザ」とも呼ぶが、本発明の上述の実施態様はレーザだけの使用に限定されず、「レーザ」は例示的な実施態様のみの議論として用いられる。除去中、レーザ１０９はビーム１１１を放射し、ビーム１１１はワークピースの表面に衝突し、塗膜Ｃを削摩し或いは除去する。図２Ａに示すように、ビーム１１１は、削摩ゾーン１０２内のワークピースの表面から塗膜Ｃ全体を除去するが、ワークピースを実質的に溶解しない−それはワークピース材料の溶解パッドルがワークピースの表面上に作り出されないことを意味する。削摩ゾーン１０２の幅及び長さは、遂行されるべき溶接の関数であり、塗膜の除去は溶接前の如何なるときにも起こり得る。
【００１６】
図２Ａに示すように、ワークピースがモータによって進行方向において移動させられている間に、ビーム１１１は除去プロセス中に削摩ゾーン１０２を横断して前後に往復動させられる。しかしながら、本発明の実施態様は、この点に関して限定されない。何故ならば、ワークピースが静止的なままである間に、レーザを進行方向において移動させ得るからである。更に、他の実施態様において、ビーム１１１は平行移動（並進）させられる必要はない。例えば、往復動することを必要とせずにビーム１１１が削摩ゾーンの全幅を削摩するよう、ビーム１１１は表面で幅を有し得る。
【００１７】
本発明の更なる実施態様では、ビーム１１１が塗膜Ｃの厚さ全体を除去することは必要とされない。一部の溶接操作では、許容可能な溶接を達成するために塗膜の部分的な量を除去することが必要なだけであり得る。例えば、一部の溶接操作では、最小レベルの孔隙率(porosity)が許容可能である。よって、プロセスを早めるために、ワークピースＷ上の塗膜の厚さの５０％までを削摩することが必要なだけであり得る。他の例示的な実施態様では、塗膜の厚さの７５％までが削摩されることが必要であり得る。
【００１８】
図２Ｂ及び２Ｃに示すように、一部の例示的な実施態様では、削摩ゾーン１０２の全領域をビームで削摩することは不要である。上述のように、一部の溶接作業は、最小レベルの孔隙率を伴う許容可能な溶接ビードをもたらす。この故に、領域１０２内の塗膜Ｃの全てを除去することは必要でないかもしれない。よって、本発明の一部の例示的な実施態様では、レーザ１０９及びビーム１１１は、削摩領域１０２全体よりも少ない塗膜Ｃの領域を除去し得る。図２Ｂに示すように、（溝の形状における）空洞１０４が厚み内に作り出されるように、ビーム１１１は塗膜を除去する。この実施態様において、クリーニング作業全体は、塗膜Ｃの全てを除去することよりも速い。更に、塗膜内の溝１０４の創成は、溶接中に溶接ゾーンからの気化塗膜の除去を促進させるのを助け得る。具体的には、図２Ｂに示すように、溶接のために他のワークピースがワークピースＷの上に配置されるときに、溝が２つのワークピースの間に空洞を形成するように、溝はワークピースＷの端まで延び得る。これらの空洞は、最小量の気化塗膜が溶接パッドルに入り或いは溶接パッドルを通過しようとするよう、気化塗膜のための出口路をもたらす。よって、塗膜Ｃ上に溝又は空洞を作り出すことによって、削摩プロセス全体は（より少ない材料が除去されるので）より迅速であり得ると同時に、高速及び低孔隙率の溶接を依然として許容する。本発明の例示的な実施態様において、ビーム１１１は、削摩ゾーン１０２の領域の少なくとも４０％から塗膜Ｃを除去する。他の例示的な実施態様において、ビーム１１１は、削摩ゾーン１０２の領域の少なくとも６５％から塗膜Ｃを除去する。
【００１９】
図２Ｃは、他の実施態様を描写しており、そこでは、ビーム１１１は、ワークピースＷの溶接表面上の塗膜Ｃ内の空洞１０６を作り出す。空洞１０６は、溶接パッドルに入り或いは溶接パッドルを通過しようとする気化させられる塗膜が漏れ出す量を減少させるのを助ける任意の形状又は大きさであり得る。
【００２０】
図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施態様に従って塗膜が除去された後のワークピースＷ１及びＷ２を描写している。それらの図面から分かるように、表面Ｓ１及びＳ２は、溶接ゾーン内に完全な／元の量の塗膜をもはや有していない。これらの図面において、塗膜Ｃ１／Ｃ２の全量が除去されているが、上述のように、一部の実施態様では、完全な除去は不要かもしれない。これらのワークピースが今や溶接されるときに（図３Ｂ）、溶接ビードの浸透は気化させられる塗膜材料を作り出さず、よって、スパッタ又は孔隙率を増大させずに、溶接作業の速度が増大させられることを可能にする。例えば、本発明の実施態様は、１／１６インチ〜３／１６インチの範囲内の厚さを有する塗膜付き鋼材料の上で、上述の孔隙率及びスパッタレベルを伴う少なくとも５０インチ／分の溶接速度を達成し得る。一部の実施態様において、速度は５０〜１００インチ／分の範囲内にあり、他の実施態様において、速度は７０〜１００インチ／分の範囲内にある。一部の実施態様では、同時に塗膜を除去し且つ溶接しながら、これらの速度を達成し得る。
【００２１】
上で議論した実施態様において、ワークピースは、溶接作業前のある時点にレーザ１０９によってクリーニング（洗浄）される。このクリーニング作業は溶接作業とは別個の作業ステーションで起こり得るが、作業効率を増大させるために溶接ステーションと調和しても起こり得る。更に、クリーニングは溶接作業と同時に起こり得る。
【００２２】
上記実施態様は、ワークピースＷ上の表面塗膜の除去及び／又は削摩を議論した。しかしながら、本発明の他の実施態様は、溶接前に塗膜の特性又は化学組成を変更するためにレーザ１０９及びビーム１１１を用い得る。一部の実施態様では、塗膜を除去し或いは削摩することは不要であり得るが、その組成を変更し或いはその特性を変更することは必要であり得る。例えば、例えば、塗料中の炭化水素はアーク溶接プロセスと干渉し得るのに対し、塗料の他の成分はそれほど問題でないことが知られている。そのような訳で、塗料から炭化水素を焼き取り、それによって、その組成を変更するために、レーザ１０９及びビーム１１１を用い得るが、塗料の全体的な厚さは削摩前と実質的に同じままであり得る。よって、塗膜を除去するよりもむしろ、塗膜の特性又は組成を変更するために、他の実施態様を用い得る。もちろん、塗膜の除去のためにここに記載したのと類似する特徴、特性、手順、及び機器を用いて、このプロセスを利用し得る。
【００２３】
図４は、塗膜が継手の溶接の直前に照射される溶接作業を描写している。具体的には、上方の図面では、ワークピースＷ１／Ｗ２上の塗膜の少なくとも一部を気化させ／除去するためにビーム１１１が継手内に浸透するよう、ビーム１１１が継手に向けられている。一部の実施態様では、このプロセスの間、ワークピースＷ１及びＷ２の各々の部分の溶解によって作り出し得るレーザ溶接ビード４０１を作り出し得る。もちろん、ワークピースが構造的に妥協されないように、ビーム１１１の浸透の深さが制御されなければならない。この領域内の塗膜は照射中に気化させられるので、ビード４０１内に少なくとも何らかの孔隙率が存在し得る。しかしながら、この実施態様において、ビーム照射の直後、アーク溶接作業が継手で行われる（下方の図面）。アーク溶接のプロセスは、アーク溶接ビード４０３を作り出し、アーク溶接ビード４０３は、レーザ溶接ビード４０１の少なくとも一部を焼失させ、この後続のアーク溶接作業の故に、何らかの孔隙率がビーム溶接ビード４０１に存在する限り、その孔隙率はアーク溶接ビード４０３を通じて漏れ出すであろう。よって、一部の例示的な実施態様において、レーザクリーニング及びアーク溶接は同時に起こり得る。そのような実施態様は、溶接作業の効率を有意に向上させ得る。
【００２４】
上で議論した実施態様のいずれかにおいて、レーザ１０９は表面から塗膜の殆ど全て又は全てを取り除くので、本発明の実施態様は、塗膜付き材料を溶接するときに以前には達成し得なかった溶接速度を達成し得る。例えば、本発明の実施態様は、塗膜無し材料の溶接速度に達する速度での塗膜付き材料の溶接速度を達成し得る。アーク溶接システムは概ね知られているので、そのような独立型（スタンドアローン）システムをここで描写し或いは説明する必要はない。
【００２５】
更に、より高い溶接速度が達成されるのみならず、最小レベルの孔隙率及びスパッタでより高い溶接速度を達成し得る。多孔性率(porosity  ratio)を特定するために溶接ビードの断面及び／又は長さを検査することによって溶接の孔隙率を決定し得る。断面孔隙率は、その地点での溶接継手の全断面積に亘る所与の断面における孔隙率の全面積である。長さ孔隙率率は、溶接継手の所与の単位長における孔の全蓄積長である。本発明の実施態様は、０〜３０％の間の断面孔隙率を備える上述の進行速度を達成し得る。よって、泡又は空洞のない溶接ビードは０％の孔隙率を有する。他の例示的な実施態様において、断面孔隙率は５〜２０％の範囲内にあり得る。他の例示的な実施態様において、断面孔隙率は０〜１０％の範囲内にあり得る。一部の溶接用途では、あるレベルの孔隙率が許容可能であることが理解されている。更に、本発明の例示的な実施態様において、溶接の長さ多孔性率は０〜３０％の範囲内にあり、そして、５〜２０％の範囲内にあり得る。更なる例示的な実施態様において、長さ多孔性率は０〜１０％の範囲内にある。よって、例えば、０〜１０％の範囲内の断面孔隙率及び０〜１０％の長さ多孔性率を有する塗膜付き材料において溶接を生成し得る。
【００２６】
更に、本発明の実施態様は、（溶接中に塗膜が所定の場所にある）塗膜付き材料の以前の方法に対してスパッタが殆どない或いは全くない状態で上記進行速度で溶接し得る。スパッタは溶接パッドルの滴が溶接ゾーンの外側に撒き散らされるときに起こる。溶接スパッタが起こるとき、溶接スパッタは溶接の品質を妥協させ得るし、製造遅延を引き起こし得る。何故ならば、溶接スパッタは、溶接プロセス後にワークピースから落とされなければならないからである。よって、スパッタを伴わずに高速で溶接することの大きな利益がある。本発明の実施態様は、０〜３の範囲内のスパッタ因子で上記の高い進行速度で溶接し得る。ここで、スパッタ因子は、同じ距離Ｘに亘り消費される充填ワイヤ１４０の（Ｋｇにおける）重量に対する所与の進行距離Ｘに亘るスパッタの（ｍｇにおける）重量である。即ち、以下の通りである。
スパッタ因子＝（スパッタ重量（ｍｇ）／消費充填ワイヤ重量（Ｋｇ））
【００２７】
距離Ｘは、溶接継手の代表的なサンプリングを可能にする距離でなければならない。即ち、距離Ｘが短すぎるならば、例えば、０．５インチであるならば、それは溶接を代表するものでないかもしれない。よって、０のスパッタ因子を伴う溶接継手は、距離Ｘに亘る消費充填ワイヤ（溶接ワイヤ）に関してスパッタがなく、２．５の因子のスパッタを伴う溶接は、２Ｋｇの消費充填ワイヤに関して５ｍｇのスパッタを有した。本発明の例示的な実施態様において、スパッタ因子は０〜３の範囲内にある。更なる例示的な実施態様において、スパッタ因子は０〜１の範囲内にある。本発明の他の例示的な実施態様において、スパッタ因子は０〜０．５の範囲内にある。塗膜が溶接作業中にワークピース上に留まる塗膜付き材料を溶接するとき、本発明の実施態様は上述のスパッタ因子範囲を達成し得ると同時に、普通は塗膜無しワークピース上でのみ達成可能な高速を達成することが記されなければならない。
【００２８】
溶接継手のためのスパッタを測定する数多くの方法がある。１つの方法は「スパッタボート」(“spatter  boat”)の使用を含み得る。そのような方法のために、代表的な溶接サンプルが、溶接ビードによって生成されるスパッタの全て又は殆ど全てを捕捉する十分な大きさを備える容器内に配置される。容器又は−頂部のような−容器の部分は、スパッタが捕捉されることを保証するために、溶接プロセスと共に移動し得る。典型的には、スパッタが表面に粘着しないよう、ボートは銅製である。溶接中に如何なるスパッタも容器内に落ちないように、代表的な溶接は容器の底よりも上で行われる。溶接中、消費される充填ワイヤの量は監視される。溶接の完了後、溶接前及び溶接後の容器の重量の間に差があるならば、スパッタボートはその差を決定するのに十分な精度を有する装置によって計量されなければならない。この差はスパッタの重量を示し、次に、この差は消費充填ワイヤのＫｇにおける量によって除算される。代替的に、スパッタがボートに粘着しないならば、スパッタを除去してそれ自体を計量し得る。
【００２９】
図５は、クリーニング及び溶接作業は同時に起こる本発明の例示的な実施態様に従った溶接システム５００を描写している。具体的には、システム５００は、アーク溶接波形を電極１０３に供給する溶接電源１０１を含む。電極１０３は、ワイヤ送りシステム１０７を介して接触先端１０５を通じてワークピースＷに向けられる。このアーク溶接システムは、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）を含む任意の既知の種類のアーク溶接システムであり得るが、それに限定されない。図示されていないのは、アーク溶接において頻繁に使用される不活性ガス又はフューム抽出システムである。電極１０３が溶接ビード内に堆積されるように、電源１０１は電極１０３とワークピースＷとの間に溶接アークを作り出す。上述のように、レーザ１０９は、溶接前に塗膜を除去し或いは削摩するよう、ビームでワークピースＷの塗膜を照射する。ビーム１１１のエネルギレベルは、ワークピースＷの感知し得る程の溶解がないようなレベルである。ビーム１１１の形状／断面は、溶接前に必要に応じて塗膜の十分な削摩／除去をもたらすようでなければならない。
【００３０】
図６は、本発明の実施態様に従った溶接システムの特徴を描写している。図示のように、アーク溶接は削摩作業の後ろの距離Ｚで起こる。本発明の例示的な実施態様において、距離Ｚは０．５〜６インチの範囲内にある。他の例示的な実施態様において、距離Ｚは０．５〜３．５インチの範囲内にある。もちろん、他の実施態様では、溶接が削摩作業の直後に起こることは必要とされない。実際には、レーザ削摩は他のワークステーションで起こり得る。
【００３１】
図７は、本発明に従った溶接システム２００の他の例示的な実施態様を描写している。このシステム２００では、蒸気抽出システム２０１及びノズル２０３が組み込まれている。ノズル２０３は溶接ゾーンから如何なる気化塗膜材料をも除去し得るように位置付けられる。これは蒸気が溶接を汚染するのを防止し或いは溶接作業に必要とされ得るいずれかの遮蔽材と他の方法において干渉するのを防止する。図示の実施態様において、ノズル１０３は、ノズル１０３がレーザビーム１１１を囲うようにレーザ１０９に結合される。例示的な実施態様において、ノズル２０３の端は、０．１２５〜０．５インチの範囲内のワークピースの表面より上の距離Ｘである。距離Ｘは溶接作業と干渉してはならないが、削摩中に気化塗膜の少なくとも一部を除去するのに十分でなければならない。図４に同様に示されているのは、遮蔽ガス源２０５及び遮蔽ガスを溶接部に送るノズル２０７である。そのようなシステムは概ね知られており、ここでは詳細に記載されない。
【００３２】
図８は、本発明の他の例示的な実施態様を描写している。溶接システム３００が、３つの構成部品の動作を同期し得るよう少なくとも溶接電源１０１をレーザ電源１０８と結合させるシステムコントローラ３０１を利用する。そのような実施態様は、始動、溶接、及び停止中に、これらの構成部品の容易な同期を可能にし得る。更に、コントローラ３０１は、溶接作業中にレーザ電源１０８及び溶接電源１０１の一方又は両方の調節を可能にし得る。即ち、システムコントローラ３０１は、溶接の第１の領域のためのレーザビームのための第１の出力密度をもたらし、次に、溶接の第２の領域のための（異なる）第２の出力密度をもたらすよう、レーザ電源１０８を向け得る。もちろん、出力密度は同じままであり得るが、削摩領域又はゾーンの大きさを必要に応じて変更し得る。同様に、必要に応じて、削摩パターンも溶接継手の第１の領域から第２の領域に変わり得る。例えば、溶接されるべき溶接継手は、単一の溶接作業中に異なるパラメータを有し得る。よって、コントローラ３０１は、レーザ及び溶接作業を適切に制御し得る。例えば、溶接中に、レーザを停止し或いはレーザのエネルギレベル又はビーム形状を変更することが望ましくあり得る。コントローラ３０１は、これらの変更が溶接中に起こることを可能にする。更に、一部の例示的な実施態様において、溶接中にモータ３０３によってレーザ１０９を所望に移動させ或いは往復動させ得る。同様に、溶接中に光学コントローラ３０５によってレーザ１０９の光学を変更し得る。これはシステム３００の柔軟性を増大させ、複雑な溶接継手が単一の溶接作業において溶接されることを可能にする。例えば、少なくとも２つの溶接表面を削摩するために２つのビームを使用するのではなくむしろ、単一のビーム１１１が多数の表面を十分に削摩し得るように、レーザを十分な速度で前後に往復動させ得る。同様に、溶接中にビーム１１１の形状又はビーム密度を変更するために、レーザの光学を制御し得る。
【００３３】
コントローラ３０１は別個の構成部材として図８中に描写されているが、コントローラ３０１は溶接電源１０１又はレーザ電源１０８のいずれかと一体的に作製されてよい（し、別個の構成部品構成部品であってもよい）。
【００３４】
他の例示的な実施態様では、ビーム衝突領域とアーク溶接作業との間の地点でワークピースＷの表面の温度を感知するために、温度センサ３０７が位置付けられる。ワークピースが削摩プロセス中に過熱されないことを保証するためにコントローラ３０１がワークピースＷの表面の温度を監視し得るよう、センサ３０７はコントローラ３０１に結合される。よって、表面温度が高すぎるならば、コントローラ３０１は、ビーム１１１のエネルギ／出力密度を減少させるよう、レーザ電源１０８を調節する。これはワークピースの過熱又は時期尚早の溶解を防止する。
【００３５】
他の例示的な実施態様において、図８に示すセンサ３０７は、（亜鉛、塗料等のような）塗膜が除去されたか否かを決定し得る分光センサであり得る。そのような分光センサは、レーザ誘導プラズマ分光センサ又はレーザ誘導破壊分光センサを含み得る。例えば、センサ３０７は、材料の存在を検出するのに光又はレーザビームを用いる分光センサであり得る。本発明の実施態様では、塗膜が十分に削摩されているのを保証するために、下に横たわる鋼のような基材を感知するようセンサ３０７を較正し得る。十分な塗膜削摩が起こっていることが検出される限り、システムは、コントローラ３０１を介して、削摩を適切に調節し得る。更に、センサ３０７は、（塗膜の除去からの）削摩プルームが適切であることを決定するために、削摩プルームからのスペクトル線も検出し得る。
【００３６】
図８はクリーニング及び溶接作業がワークピースＷの上で同時に起こっていることを描写しているが、実施態様はこれに限定されないことも記されなければならない。具体的には、本発明の他の例示的な実施態様では、システム２００，３００，５００を実施可能であり、そこでは、クリーニング作業は、溶接作業と別個であるが、描写されているように依然として制御される。即ち、クリーニング作業は作業セルの第１のステーションで起こり、そして、ワークピースは（無人操作又は手作業で）作業セルの第２のステーションに移転され、溶接作業は第２のステーションで起こることが想定される。実際には、システム３００では、システムコントローラ３０１は、第１のステーションから第２のステーションへの洗浄済みワークピースの移転を調整し得る。
【００３７】
図９は、本発明の例示的な実施態様と共に使用し得る統合溶接ヘッドを描写している。この実施態様において、溶接ヘッド６００は、ビーム１１１をワークピースＷに向けるよう、溶接接触先端１０５及びレーザ１０９の少なくとも一部を結合させ且つ収容するハウジング構造６０１を含む。そのようなハウジング６０１は、ビームと溶接アークとの間の距離Ｚを固定する。溶接作業を単純化させるためにそのようなハウジング６０１を使用し得る。一部の実施態様において、ハウジング６０１は、如何なる気化塗膜の除去をも促進させるために、蒸気抽出ノズル２０３も含む。図示されていないのは、同様にハウジング６０１に結合し得る遮蔽ガスノズル又は溶接フューム抽出ノズルである。他の実施態様では、温度センサ３０７がビーム１１１とアーク溶接との間のワークピースＷの表面を感知するように、温度センサ３０７もハウジング６０１に結合させ且つ位置付け得る。ハウジング６０１は、特定の溶接作業のために必要とされるような構成又は構造を有し得る。例えば、ハウジング６０１は、ビーム１１１及び溶接アークを外部的な影響及び汚染から保護する遮蔽材（図示せず）を有し得る。その場合、遮蔽材はワークピースの表面の極めて近くまで延び得る。更に、ハウジング６０１は、如何なる汚染をも防止し且つ如何なる蒸気抽出もアーク溶接作業から遮蔽ガスを不注意に除去するのを防止するために、アークとビーム１１１との間に物理的分割器６０３を有し得る。分割器６０３は、ワークピースの表面の極めて近くまで延び得る。
【００３８】
本発明の更なる例示的な実施態様が、以下に詳細に議論される図１０乃至１４に描写されている。これらの実施態様では、溶接パッドルＷＰに追加的な熱エネルギを加えるために、レーザビーム１１１は、アーク溶接事象の下流で溶接パッドルＷＰに向けられている。追加的な熱エネルギは、アーク溶接プロセス中に普通起こるよりも長く、溶接パッドルを溶融状態に維持する。溶接パッドルをより長い時間期間に亘って溶融状態に維持することによって、溶融パッドル内のいずれの気化材料も溶接パッドルから漏れ出すためにより多くの時間を有し、孔隙率が減少させられた溶接継手を形成するよう溶融パッドルが漏れ出る泡の周りを閉じるのを依然として可能にする。前に説明したように、溶接パッドルは泡が完全に漏れ出し得る前に凝固するので、アーク溶接塗膜付き材料は溶接継手内での気化材料の捕捉を引き起こし得る。しかしながら、本発明のこれらの実施態様において、溶接パッドルはより長い時間期間に亘って溶融状態に維持されて、あらゆる捕捉ガスが漏れ出るための並びにパッドルが漏れ出るガスの周りを閉じるためのより多くの時間を与える。以下に議論するように、本発明の実施態様は、追加的な熱エネルギを溶接パッドルに加えるためにレーザビームを用いて溶融溶接パッドルを照射することによって、これを達成する。
【００３９】
図１０を参照すると、例示的なシステム７００が示されている。システム７００は、少なくとも図５に関して前述したものと類似する構成部品を含み、類似の方法において作動させられ且つ制御される（よって、これらの構成部品の詳細な議論をここで反復しない）。しかしながら、図１０に示すように、ビーム１１１が溶接パッドルＷＰの下流部分に向けられるように、レーザ１０９及びビーム１１１は、トーチ１０５の後ろの尾位置に位置付けられる。ビーム１１１は、アーク溶接作業後に溶接パッドルＷＰを普通よりも長く溶融状態に維持するよう溶接パッドルＷＰに熱を加えるのに十分なエネルギ密度を有する。即ち、ビーム１１１のエネルギは、ビーム１１１から提供される熱が溶接パッドルＷＰ内に存在する熱と組み合わせられるときに、捕捉されるガスが溶接作業中に漏れ出し得るように、溶接パッドルＷＰの長さを伸張させるようなエネルギでなければならない。本発明の例示的な実施態様は、ビーム１１１のエネルギ密度を規制することに加えて、溶接パッドルＷＰとのビーム１１１の相互作用時間を規制もし得る。即ち、本発明の実施態様は、ビーム１１１相互作用時間が所望のエネルギ入力を溶接パッドルＷＰ内にもたらして所望の結果を達成するよう、ビーム１１１の大きさ及び動作（移動速度）も規制し得る。よって、本発明の実施態様は、ビームのエネルギ密度を制御するのみならず、ビームの大きさ、断面、移動／動作速度等を非限定的に含む−相互作用時間をも制御するために、上述の制御方法論を使用し得る。本発明の例示的な実施態様において、相互作用時間は５ｍＳ以下でなければならない。他の例示的な実施態様において、相互作用時間は３．５ｍＳでなければならない。
【００４０】
このために、本発明の実施態様は、図１乃至９に関して議論した実施態様に類似する性能属性を達成し得る。即ち、図１０乃至１４に提示される実施態様は、ビーム１１１が溶接前にワークピースを削摩するとは対照的に溶接パッドルの下流側を照射している点を除き、上で議論した類似の孔隙率、スパッタ、速度、及び堆積速度性能属性を達成し得る。
【００４１】
本発明の例示的な実施態様において、ビーム１１１は、１０５Ｗ／ｃｍ２より下の出力密度を有する。例示的な実施態様において、出力密度は、表面溶融を所望に維持し且つ溶接パッドル及びワークピースを通じてキーホールを穿けないレベルにある。
【００４２】
図１１及び１２は、例示的な溶接作業及び本発明の実施態様で作り出される溶接パッドルを描写している。図１１に示すように、ビーム１１１は、アーク溶接作業の下流のレーザスポットＬＳで溶接パッドルＷＰを照射する。図示されていないのは、遮蔽ガスの使用であるが、当該技術分野において概ね知られているように、遮蔽ガスと共に本発明の実施態様を利用し得る。
【００４３】
図１２は、溶接中の溶接パッドルＷＰの頂面図を描写している。溶接パッドルＷＰの前縁は、アークスポットＡＳであり、アークスポットＡＳは、溶接アークが溶接パッドルＷＰと接触する溶接パッドルＷＰ上の地点である。安定的な溶接作業中、アークスポットは、典型的には溶接作業の進行に応じて溶接パッドルＷＰの境界に対して静止的なままである。アークスポットＡＳの下流はレーザスポットＬＳであり、それも溶接パッドルＷＰ上に衝突する。一部の実施態様において、レーザスポットＬＳとアークスポットＡＳとの間の相対的な位置が一定なままであるように、レーザスポットＬＳは、溶接中にアークスポットＡＳに対して静止的なままである。しかしながら、他の例示的な実施態様では、溶接中に溶接パッドルＷＰの異なる部分を照射するよう、溶接作業中にレーザスポットＬＳを移動させ得る。図１２に示す実施態様において、レーザスポットＬＳは、アークスポットＡＳの後ろで円形パターンにおいて移動させられる。もちろん、他のパターンも用い得る。例えば、他の例示的な実施態様では、溶接パッドルの所望の形状及び長さのために必要とされるような溶接パッドルの幅に亘って及び／又は長さに沿って、レーザスポットＬＳを走査し得る。例えば、溶接パッドルの長さを増大させること又は特別なパッドル形状を作り出すことが望ましくあり得る。よって、レーザスポットＬＳの動作パターン及び／又は走査パターンを変更することによって、レーザスポットＬＳの相互作用時間を制御し得る。溶接パッドル上に非均一なエネルギ入力を有するためにこれを行い得る。例えば、一部の実施態様では、溶接パッドルの前縁付近よりも後縁でより少ない熱入力を有することが望ましい。よって、ビームのエネルギ及び／又は相互作用時間を変更することによって溶接パッドル内に非均一な熱入力をもたらすようレーザスポットＬＳを制御し得る。
【００４４】
本発明の例示的な実施態様では、レーザスポットＬＳを溶接パッドルＷＰと比べて比較的小さく維持することが望ましい。これは溶接パッドルＷＰがレーザビーム１１１によって不注意に広げられることを防止するのを助ける。例えば、本発明の例示的な実施態様において、レーザスポットＬＳは、溶接中に溶接パッドルＷＰの幅Ｙの５〜３５％の範囲内にある直径を有する。他の例示的な実施態様において、レーザスポットＬＳは、溶接中に溶接パッドルＷＰの幅Ｙの１０〜２５％の範囲内にある直径を有する。そのような直径は、溶接パッドルＷＰの幅を不必要に広げることなく溶接パッドルＷＰ内への十分な熱入力を可能にする。図面においてレーザスポットＬＳは円形断面を有して示されているが、正方形、長方形等を含む、他のレーザスポット形状も利用し得るので、本発明はこの点において限定されないことが記されなければならない。非円形の形状が使用されるならば、レーザスポットの直径は、利用されるレーザスポットの面積と同じ面積を有する円の直径である。本発明の他の実施態様において、レーザスポットＬＳは、溶接パッドルの幅の１００％までの幅を有し得る。
【００４５】
図１２に同様に示されているのは、溶接パッドルの伸長である。レーザビーム１１１の使用がないならば、溶接パッドルは、溶接作業だけで他の追加の外部的な熱がパッドルにもたらされない状態での溶接パッドルＷＰの長さである、第１の溶接パッドル長さＷＰ１を有する。レーザビーム１１１の使用は、溶接パッドルＷＰを、第１の長さＷＰ１よりも長い第２の長さＷＰ２に伸長させる。本発明の実施態様において、レーザビーム１１１は、溶接パッドルＷＰの幅Ｙを増大させずにこれを行う。溶接パッドルＷＰの第２の長さＷＰ２は、捕捉されるガスが溶接中に溶接パッドルＷＰから漏れ出る機会を有するような長さでなければならない。しかしながら、溶接パッドルの第２の長さＷＰ２は、追加的な熱入力が、作り出される溶接継手の完全性を、感知し得る程に妥協しないような長さでなければならない。本発明の例示的な実施態様において、第２の溶接パッドル長さＷＰ２は、第１の溶接パッドル長さＷＰ１よりも５０％以下だけより長い。更なる例示的な実施態様において、第２の溶接パッドル長さＷＰ２は、第１の溶接パッドル長さＷＰ１よりも２０〜４５％より長い範囲内にある。そのような実施態様は、捕捉されるガスが漏れ出す十分な時間を可能にするが、溶接パッドルを過剰に過熱しない。
【００４６】
同様に図１２に示されているのは、レーザスポットＬＳと溶接パッドルの縁とアークスポットＡＳとの間の関係である。上述のように、一部の例示的な実施態様において、レーザビーム１１１は溶接パッドルＷＰの幅Ｙの増大を生み出さない。よって、一部の実施態様では、レーザスポットＬＳが溶接中に溶接パッドルＷＰの縁に近すぎないことを保証することが望ましい。本発明の例示的な実施態様において、レーザスポットＬＳは、（それが移動していようが移動していまいが）レーザスポットＬＳと溶接パッドルの縁との間で最小距離Ｘが維持されるように位置付けられる。本発明の実施態様において、距離Ｘは溶接パッドルＷＰの幅Ｙの１０％未満である。他の実施態様において、距離Ｘは溶接パッドルの幅の２０％未満である。もちろん、他の実施態様では、レーザスポットＬＳは、距離Ｘが０に近いように溶接パッドルの両側に接近し得るが、レーザスポットＬＳの相互作用時間及び／又はエネルギ密度は、溶接パッドルが不注意に広げられないような時間及び密度でなければならない。他の例示的な実施態様では、溶接パッドルを平らにし且つ／或いは広げるよう、レーザの焦点を外し得る。例えば、溶接ビードを粘着性の或いは狭い溶接ビードの創成を避けるために溶接パッドルを平らにするよう、レーザビームの焦点を外し得る。一部の実施態様において、焦点を外されたレーザのフットプリントは、溶接パッドルと重なり合い、ワークピースの非溶接パッドル部分に衝突し得る。
【００４７】
更に、本発明の実施態様又は使用の用途において、ビーム１１１及び／又はビームからの熱が溶接作業中にアークに衝突しないことを保証するのが望ましくあり得る。そのような実施態様において、レーザスポットＬＳは、アークスポットＡＳの後ろの最小距離Ｚを維持する。本発明の実施態様において、距離Ｚは溶接パッドルＷＰの長さＷＰ２の１０％以上である。他の例示的な実施態様において、距離Ｚは２５％以上であり、更なる例示的な実施態様において、距離Ｚは１０〜４５％の範囲内にある。アークスポットＡＳは、概ね、溶接アークが溶接パッドルＷＰと接触する溶接パッドル上の地域である。アークスポットＡＳとレーザスポットＬＳとの間のこの関係が望ましいか否かは、溶接される材料及び利用される溶接プロセスに依存し得るが、本発明の実施態様の全ての実施態様又は用途のために必ずしも必要ではない。
【００４８】
図１３は、本発明の他の例示的なシステム８００を描写している。システム８００は、図８に示すシステム３００と類似の構成部品及び構造を有する。よって、それらの構成部品の議論をここで反復しない。しかしながら、図１３に示すシステム８００において、溶接トーチ１０５はレーザ１０９及びビーム１１１の上流にある。再び、この実施態様において、ビーム１１１は溶接パッドルＷＰと衝突し、上述のように溶接パッドルにエネルギを加える。同様に図１３に示されているのは、システムコントローラ３０１に結合される温度センサ３０７である。センサ３０７及びコントローラ３０１の動作は、図８に関して議論したものと類似する。しかしながら、システム８００において、センサ３０７は、溶接中に溶接パッドルＷＰの温度を感知し、溶接パッドルＷＰに向けられるべきビーム１１１のエネルギレベルを決定する。例示的な実施態様では、所与の溶接作業のために、パッドル温度はコントローラ３０１内に設置され、それはビーム１１１を介して所望のパッドル温度を維持するためにコントローラ３０１によて使用される。例えば、所望のパッドル温度が高いならば、ビームエネルギは減少させられるのに対し、所望のパッドル温度が低いならば、ビーム１１１エネルギは、必要に応じてパッドル長を増大させるよう、パッドル内に所要のエネルギをもたらすために増大させられる。
【００４９】
更に、本発明の他の例示的な実施態様では、溶接ビードＷＢの平坦性を制御するためにシステム８００（又は類似のシステム）を用い得る。よって、溶接ビードのプロファイル／平坦性を制御するためにパッドル内への熱入力を制御するためのシステム８００を用い得る。システム８００は、溶接パッドルＷＰ内への熱入力を監視して、ビードプロファイルを決定し且つ所望のビードプロファイルを達成するためにシステムを制御し得る。例えば、所望の溶接ビードプロファイルを得るために、レーザビームの相互作用時間／エネルギ密度を制御し得る。更なる実施態様において、センサ３０７は、溶接ビードの形状（高さ、幅、長さ等）を検出し得るセンサ、例えば、視覚センサであり得る。よって、所望の形状が達成されるよう、レーザの操作を制御するために溶接ビードの形状を用い得る。そのようなセンサは概ね知られており、視覚及び／又は温度センサを含み得る。
【００５０】
本発明の例示的な実施態様において、センサ３０７は、溶接パッドルＷＰの尾部分又は溶接パッドルＷＰに隣接する溶接ビードの領域の温度を検出するために、ビーム１１１の下流に位置付けられる。そのような実施態様では、溶接アークの下流の設定距離でワークピースＷの表面の温度を検出するためにセンサ３０７を位置付け得る。１つの例示的な実施態様において、センサ３０７は、溶接中に溶接パッドルの縁の温度を検出するよう位置付けられる。感知温度に基づき、コントローラ３０１は、溶接パッドルＷＰが適切な大きさ及び温度を有することを示す適切な温度がセンサ３０７によって検出されることを保証するよう、レーザ１０９のエネルギ出力を制御する。例えば、センサ３０７は、検出地点でのワークピースの表面が溶融状態にあることが望ましい溶接アークからの設定距離でワークピースの表面温度を決定するよう位置付けられる。検出温度が温度設定地点よりも下であるならば、それは溶接パッドルＷＰが十分に長くないことを示し、コントローラ３０１は電源１０８に信号を送信して、所望の長さが達成されるよう溶接パッドルＷＰ内へのエネルギを増大させるためにビームエネルギ１１１を増大させる。同様に、検出温度が高すぎるならば、コントローラ３０１はレーザエネルギを減少させる。
【００５１】
レーザ１０９及びビーム１１１から溶接パッドルＷＰへの熱入力の制御を数多くの異なる方法において達成し得る。即ち、本発明の実施態様は、ビーム１１１からの熱入力を変更するために様々の制御方法論を用い得る。実施例は、（１）ビーム１１１をパルス化し且つ／或いは熱入力を変更するためにビーム１１１のパルスレートを変更すること、（２）ビーム１１１がパッドルに接触するときにビーム１１１のエネルギ密度を変更するためにビームの断面形状又は大きさを変更すること、（３）ビーム１１１の形状を変更せずにビーム１１１のエネルギ密度を増大させ或いは減少させること、並びに（４）溶接アークに対するビーム１１１の位置又は動作を変更することのうちのいずれか１つ又は組み合わせを含み得る。
【００５２】
他の例示的な実施態様では、レーザ１０９の出力を制御するために、他の種類のセンサを用い得る。例えば、溶接パッドルと溶接ビードとの間の移行領域が溶接アークからの所望の場所又は距離に維持されるよう、ビーム１１１が制御されるように、溶融溶接パッドルＷＰから凝固溶接ビードＷＢへの移行を検出する視覚センサを用い得る。溶接パッドルの形状を監視するために用いられる光学システムは概ね知られており、ここで詳細に議論される必要はない。更に、溶接パッドルの表面上の孔の存在を特定する（例示的なシステムのような）線走査システムを用い得るし、孔の検出に基づきレーザからの熱入力を制御し得る。他の実施態様では、溶接の孔隙率／品質を監視するために、溶接監視ソフトウェア／システムを利用し得る。そのような溶接監視ソフトウェア／システムの一例は、オハイオ州クリーブランド市のThe  Lincoln  Co.から入手可能なWeld  Score(TM)品質監視システムである。更なる例示的な実施態様では、パッドルによって作り出される結果としての溶接ビード内の孔の存在／量を検出するために線走査システムを利用し得るし、（例えば、閾量を超える）孔の検出に基づき、検出される孔の量を減少させるようパッドルを修正するためにレーザを制御し得る。そのようなシステムは孔又は多孔性のために凝固後に溶接ビードの表面を走査する構造光（レーザ線）であり得るし、このシステムからのフィードバックに基づき溶接ビード内の孔隙率を減少させるようプロセスを修正し得る。例えば、レーザ相互作用時間を修正し得る。
【００５３】
本発明の例示的な実施態様において、コントローラ３０１によって利用される設定地点は、（温度であろうが他の種類のものであろうが）溶接入力情報に基づき決定される。例えば、本発明の実施態様は、作業のための設定地点を決定するために、溶接電流、進行速度、ワイヤ送り速度、溶接電力、溶接電圧、消耗可能な種類、及びワークピースの種類（例えば、軟鉄、ステンレス鋼等）のうちの少なくとも１つを用い得る。所望の設定地点を作り出すために、状態表の使用に基づき、或いはアルゴリズム又は任意の他の方法を介して、設定地点を選択し得る。溶接中、検出されるフィードバックは設定地点と比較されて、所望の溶接パッドルＷＰが達成されるのを保証するためにレーザ１０９の出力を制御する。例えば、溶接電源１０１及び／又はシステムコントローラ３０１内への使用者入力情報が、溶接作業について、上述のような情報を含み得る。コントローラ３０１内の制御アルゴリズム、状態表、ルックアップ表等は、溶接パッドルＷＰが、達成されるべき本発明の利益を可能にする長さを有することを保証するために、溶接アークの下流のある距離で設定温度を有し且つ／或いは溶融状態になければならないことを決定する。溶接中、センサ３０７は、所望の設定地点が維持されることを保証するために、この距離でパッドル及び／又はワークピース表面を監視する。（温度読取りのような）センサ３０７からのフィードバックが所望の設定地点と一致しないならば、コントローラ３０１は、所望の設定地点が達成されるようビーム１１１の特性又はレーザ１０９の操作を変更させる。
【００５４】
図１４は、溶接作業のために少なくとも２つのレーザビーム１１１及び１１１’が使用される、本発明の追加的な溶接システム９００を描写している。即ち、システム９００は、第１のレーザ１０９と、第２のレーザ１０９’とを含む。第１のレーザ１０９は、第１のレーザ電源１０８に結合され、ここに記載されるように、溶接前にワークピースを照射するよう動作可能である。第２のレーザ１０９’は、第２のレーザ電源１０８’に結合され、ここに記載されるように、溶接パッドルＷＰを照射するよう動作可能である。そのような実施態様において、２つのレーザビーム１１１及び１１１’は協働して孔隙率及びスパッタを最小限化するのを助けると同時に、作業の溶接速度を増大させる。そのような実施態様をここに記載される性能レベルを達成するために用い得るが、そのような実施態様は所要のレーザエネルギ密度を２つのレーザ１０９及び１０９’の使用に対して分配する。同様に図１４に示されているのは、溶接アークの両側で多数のセンサ３０７及び３０７’を利用し得ること、並びにレーザ１０９及び１０９’の出力を制御するためにここに記載したセンサの議論と相応して作動させ得ることである。
【００５５】
溶接アークの下流でレーザを利用する本発明の例示的な実施態様は、図１０乃至１４に関して上述したようにビーム１１１が溶接パッドルを照射している点を除き、図７及び９に示す実施態様と構造及び動作が類似し得る。
【００５６】
多くの異なる種類の溶接継手に本発明の実施態様を用い得るので、本出願中に描写されるラップジョイントは例示的であることが意図されていることが記されなければならない。溶接ビード内での気化塗膜の捕捉を引き起こし得る多くの異なる種類の溶接継手があり、それらの種類の溶接継手のためにも本発明の実施態様を適合させ且つ利用し得る。
【００５７】
本発明の例示的な実施態様を参照して本発明を具体的に図示し且つ記載したが、本発明はこれらの実施態様に限定されない。当業者は、以下の請求項によって定められるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々の変更を本発明において行い得ることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００５８】
１００    クリーニングシステム
１０１    溶接又はアーク電源
１０２    削摩ゾーン又は削摩領域
１０３    電極
１０４    溝
１０５    接触先端
１０６    空洞
１０７    送りシステム
１０８    電源
１０８’  第２のレーザ電源
１０９    高エネルギ熱源
１０９’  第２のレーザ
１１１    ビーム
１１１’  レーザビーム
２００    溶接システム
２０１    蒸気抽出システム
２０３    ノズル
２０５    遮蔽ガス源
２０７    ノズル
３００    システム
３０１    システムコントローラ
３０３    モータ
３０５    光学コントローラ
３０７    温度センサ
３０７’  多数のセンサ
４０１    溶接ビード
４０３    アーク溶接ビード
５００    溶接システム
６００    溶接ヘッド
６０１    ハウジング構造
６０３    物理的分割器
７００    システム
８００    システム
９００    追加的な溶接システム
ＡＳ      アークスポット
Ｃ        塗膜
Ｃ１      塗膜
Ｃ２      塗膜
ＬＳ      レーザスポット
Ｓ１      接触表面
Ｓ２      接触表面
Ｗ        ワークピース
Ｗ１      第１のワークピース
Ｗ２      第２のワークピース
ＷＢ      溶接ビード
ＷＰ      溶接パッドル
ＷＰ１    第１の長さ
ＷＰ２    第２の長さ
Ｘ        所与の進行距離
Ｙ        幅
Ｚ        距離
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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