(57)【要約】  金属ワークピースの2つの端部の間の溝に沿って溶接金属を堆積する電気アーク溶接システム（1200）。このシステムは、第1の電源（1210）および第2の電源（1220）を有し、各々は、それぞれの溶接電極に、溶接波形を提供する。両電源（1211、1221）の正の出力端子は、同じコンタクトチップ（750）に結合され、電源の一つの負の出力端子は、ワークピース（W）には結合されない。
2014516803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の正の出力端子および第1の負の出力端子を有する第1の溶接電源であって、前記第1の正の出力端子は、第1のコンタクトチップに結合され、前記第1の負の端子は、ワークピースに結合される第1の溶接電源と、
第2の正の出力端子および第2の負の出力端子を有する第2の溶接電源であって、前記第2の正の出力端子は、前記第1のコンタクトチップに結合され、前記第2の負の接続端子は、第2のコンタクトチップに結合される第2の溶接電源と、
を有し、
前記第2の負の出力端子は、前記ワークピースには結合されず、
前記第1および第2のコンタクトチップの各々は、それぞれ、第1の溶接電極および第2の溶接電極を、前記ワークピースの溶接のため、共通溶接アークに誘導するように配向されることを特徴とする溶接システム。
【請求項２】
さらに、第3の正の出力端子および第3の負の出力端子を有する、少なくとも第3の電源を有し、
前記第3の正の出力端子は、第3のコンタクトチップに結合され、前記第3の負の出力端子は、前記ワークピースに結合され、
前記第1の電源は前記第3の電源に結合され、前記第3の電源の作動パラメータが制御されることを特徴とする請求項1に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記第1の電源は、第1のRMS値を有する第1の溶接電流を、前記第1の溶接電極に供給し、
前記第2の電源は、前記第1の溶接電極に第2の溶接電流を提供し、
前記第1のRMS電流は、前記第2のRMS電流よりも高く、
前記第1のRMS電流は、前記第2のRMS電流よりも50乃至600A高く、および／または
前記第1および第2のRMS電流、ならびに前記第1および第2のRMS電流の合計の少なくとも一つの大きさは、少なくとも、前記ワークピースの厚さに基づくことを特徴とする請求項1または2に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記第1および第2の電源は、前記共通溶接アークに全RMS電流を提供し、
前記第1の電源により提供されるRMS電流は、前記全RMS電流の50％よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の溶接電源。
【請求項５】
前記第1および第2の電源の少なくとも一つは、ユーザインターフェースに結合され、該ユーザインターフェースは、ユーザ入力用の、少なくとも、全電流およびグラウンド電流入力機能を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の溶接電源。
【請求項６】
さらに、溶接運搬組立体を有し、
該溶接運搬組立体は、前記第1および第2のコンタクトチップの各々を有し、前記第1および第2の電極の各々が相互に交差するように、前記第1および第2のコンタクトチップを、溶接用の固定位置に固定することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の溶接電源。
【請求項７】
前記溶接運搬組立体は、第3の電源に結合された第3のコンタクトチップを有し、
前記第3のコンタクトチップは、溶接の間、第3の溶接電極を、前記ワークピースに誘導するように配向され、
前記第3のコンタクトチップは、移動方向において、前記第2のコンタクトチップの後方に配置され、前記第2の溶接電極と前記第3の溶接電極の間の距離は、3から6インチ（7.62cmから15.24cm）の範囲にあることを特徴とする請求項6に記載の溶接電源。
【請求項８】
さらに、前記第1の溶接電極を提供する第1のワイヤフィーダ、および前記第2の溶接電極を提供する第2のワイヤフィーダを有し、
前記第1の電源の各々は、前記第1および第2のワイヤフィーダの両方を制御することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の溶接システム。
【請求項９】
溶接の方法であって、
第1の電源の第1の正の出力を、第1のコンタクトチップに結合し、前記第1の電源の第1の負の出力を被溶接ワークピースに結合するステップと、
溶接の間、前記第2の負の出力が前記ワークピースに結合されないようにして、第2の電源の第2の正の出力を、前記第1のコンタクトチップに結合し、前記第2の電源の第2の負の出力を、第2のコンタクトチップに結合するステップと、
前記第1のコンタクトチップを介して、第1の溶接電極を前記ワークピースに誘導するステップと、
前記第1および第2の電極が共通溶接アークを共有するように、前記第2のコンタクトチップを介して、第2の溶接電極を前記ワークピースに誘導するステップであって、前記第1の溶接電極は、前記第2の溶接電極とは異なる直径を有することが好ましいステップと、
前記第1の電源から前記第1の溶接電極に、第1のRMS電流を提供するステップと、
前記第2の電源から前記第1の溶接電極に、第2のRMS電流を提供するステップと、
を有する方法。
【請求項１０】
前記第1のRMS電流は、前記第2のRMS電流よりも大きく、
前記第1のRMS電流は、前記第2のRMS電流よりも50乃至600Aだけ大きいことが好ましいことを特徴とする請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、全電流設定値およびグラウンド電流設定値をユーザインターフェースに入力するステップを有し、
前記全電流設定値は、前記第1および第2のRMS電流の合計を定め、前記第2のRMS電流は、前記全電流設定値と前記グラウンド電流設定値の間の差であることを特徴とする請求項9または10に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、第3の溶接電極を、前記ワークピースに誘導するステップを有し、
前記第3の電極は、第3の電源に結合され、
前記第3の電極は、溶接の間、移動方向において、前記第2の電極の3から8インチ（7.62cmから15.24cm）後方に配置されることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
前記溶接の移動速度は、15から40インチ／分の範囲であり、および／または
前記第1の溶接電極のワイヤ供給速度は、前記第2の溶接電極のワイヤ供給速度と等しいことを特徴とする請求項9乃至12のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
前記第1の電源は、前記第2のRMS電流用の作動設定点を、前記第2の電源に伝達することを特徴とする請求項9乃至13のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
さらに、少なくとも前記ワークピースの厚さに基づいて、前記第1および第2のRMS電流、ならびに前記第1および第2のRMS電流の合計である、全電流設定値の少なくとも一つの大きさを定めるステップを有することを特徴とする請求項9乃至14のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、2006年1月9日に出願された一部継続出願の米国特許出願第11／327736号の優先権を主張するものであり、この全体は、本願の参照として取り入れられる。また、2004年1月9日に出願された米国特許出願第10／754836号の継続出願である、2006年8月21日に出願された一部継続出願の米国特許出願第11／465999号の優先権を主張するものであり、この全体は、本願の参照として取り入れられる。
【０００２】
本発明は、電気アーク溶接法に関し、特に改良された直列アーク溶接法および改良型直列アーク溶接法に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明の実施例は、大型金属ブランクのシーム溶接に使用される種類の2または3以上のタンデム電極を駆動する、高容量交流回路電源を用いた電気アーク溶接システムに関する。本発明は、出力極性を変化させるスイッチを有する、いかなる標準的な交流電源でも使用することができるが、一実施例では、Stavaの米国特許第6111216号に記載の切り換える概念を有する電源が使用される。この文献では、電源は、2つの大きな出力極性スイッチを有するインバータであり、アーク電流は、スイッチによって極性が変化する前に低減される。電源は、高切り換え速度で作動するチョッパであっても良い。その結果、「切り換え点」と言う用語は、複雑な手順となり、電源は、電流が100Aのような予め定められた値よりも小さくなるまで待機するため、最初にオフにされる。閾値の100Aに達すると、電源の出力スイッチが反転され、インバータの直流出力リンクから極性が反転される。従って、「切り換え点」は、「キル」コマンドとして知られる、電源インバータのオフ出力コマンドであり、その後、切り換えコマンドにより出力極性が反転される。キル出力は、低減電流レベルまで降下する。この手順は、各一連の極性反転を繰り返し、交流電源は、低電流においてのみ極性を反転させる。この方法では、出力極性制御スイッチ用のスナブ回路は、寸法が低減しまたは省略される。この切り替えの概念は、本発明に使用される切り換え点を定義する上で好ましいため、Stavaの米国特許第6111216号は、全体が本願の参照として取り入れられる。タンデム電極用の交流電流の概念は、良く知られている。米国特許第6207929号には、タンデム電極がそれぞれ、別個のインバータタイプの電源によって給電されるシステムが示されている。周波数が変化して、隣接するタンデム電極における交流の間の干渉が抑制される。ここで、この譲受人の従来の特許は、単一の電源に関し、これは、直流給電電極を駆動した後、交流駆動電極を駆動するか、あるいは2または3以上の交流駆動電極を駆動する。各例において、各電極のため、別個のインバータタイプの電源が使用され、交流高容量電源において、Stavaの米国特許第6111216号の切り換え点の概念が使用される。別個の高容量電源により、タンデム電極の各々を別個に駆動するこのシステムは、本発明の背景情報であり、そのような背景は、本願の参照として取り入れられる。同様に、米国特許第6291798号には、別のアーク溶接システムが記載されており、ここでは、タンデム溶接作動において、各電極は、単一電極アークと並列に接続された、2または3以上の独立した電源により駆動される。このシステムは、単一のスイッチ組を有し、これは、2または3以上の正確にバランス化された電源を有し、この電源は、Stavaの米国特許第6111216号により作動される極性反転スイッチネットワークへの入力を形成する。各電源は、単一のコマンド信号によって駆動され、従って、極性反転スイッチを介して誘導された、同一の電流値組が共有される。この種のシステムは、電極への全ての電流が単一のスイッチ組を介して流れるため、大きな極性反転スイッチを必要とする。米国特許第6291798号には、単一電極用の電源のマスターとスレーブの組み合わせが示されており、本発明に関する一般的背景情報が記載されている。���のため、この特許は、全体が本願の参照として取り入れられる。制御された切り換え点を用いてタンデム電極を作動させるための改善は、Houstonの米国特許第6472634号に記載されている。この文献は、本願の参照として取り入れられる。
【０００４】
本発明のタンデム電極は、Stuttの米国特許第4246463号、および特に、オハイオ州ClevelandのLincoln  Electric  Company  の「別のアーク溶接法の開発」に記載されているような、2つのリード電極を有する。タンデムアーク溶接機の改良型直列リード電極の改良を示すこれらの文献、すなわち溶接システムは、再訪する必要がないように、本願の背景技術として、本願の参照用に取り入れられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第6111216号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
管（パイプ）や板の溶接など、溶接の適用技術には、しばしば、高電流が必要となり、タンデム電極によって生じるいくつかのアークを使用する場合がある。そのような溶接システムは、2つの隣接するタンデム電極の間の磁気的相互作用によるアークの外乱によって生じる、ある困難に直面する傾向にある。米国特許第6207929号には、隣接する交流駆動タンデム電極によって生じる不具合を修正するためのシステムが示されている。この従来の特許では、交流駆動電極の各々は、それ自身がインバータ系の電源を有する。各電源の出力周波数は、隣接する電極間の干渉を抑制するように変化する。このシステムには、各電極用の別個の電源が必要となる。所与の電極に対する昨今の要求は、インバータ系電源の電流速度を超えるため、新たな電源を設計し、構成し、製造する必要がある。従って、タンデム電極を作動させるそのようなシステムには、管溶接に要求される高電流を得るため、高容量または高速電源が必要となる。タンデム電極用の高電流速度電源に関する要望を抑制するため、譲受人は、Stavaの米国特許第6291798号に示されたシステムを開発した。この場合、各交流電極は、並列接続された2または3以上のインバータ電源で駆動される。これらの並列電源は、極性切り換えネットワークの入力側で組み合わされた、それらの出力電流を有する。従って、所与の電極に対して高電流が要求される場合、2または3以上の並列電源が使用される。このシステムでは、各電源は、合同で作動され、出力電流を等しく共有する。従って、溶接条件の変更によって要求される電流は、単一ユニットのオーバー電流速度のみによって提供される。電流バランス化システムでは、いくつかの小さな電源を組み合わせることができる。しかしながら、電源は、極性反転切り換えネットワークの入力側に、並列に接続される必要がある。そのため、各電極用の大きなスイッチが必要となる。その結果、そのようなシステムによって、管溶接に使用されるようなタンデム溶接作動において、各電極用の特殊な電源が要求されるという欠点が解消される。しかしながら、スイッチを極めて大きくし、入力、並列電源は、単一電流コマンド信号からの駆動によって、正確に整合させなければならないという問題が、未だ存在する。Stavaの米国特許第6291798号では、電流を各タンデム電極に誘導する各溶接セル（cell）用の、同期信号の概念が使用される。しかしながら、システムには、大きなスイッチが未だ要求される。この種のシステムは、溶接セルを相互接続するイーサネット（登録商標）ネットワークにおける作動に利用することができる。イーサネット相互接続では、正確にタイミングを制御することはできない。前述のシステムでは、所与の電極の切り換えタイミングは、時間的にずらす必要がある。しかしながら、固有の時間を正確に定める必要はない。従って、単一のネットワークおよびバランス化電流が必要な、示されたシステムは、イーサネットネットワークまたはインターネットおよびイーサネットネット制御システムを使用した際に、タンデムアーク溶接作動に使用される高容量電流を得ることができる。インターネットにリンクした状態またはリンクしない状態で、イーサネットネットワークにより溶接機を制御することに関す��要望がある。タイミングの制限のため、これらのネットワークでは、通常の同期技術のみを用いたタンデム電極システムが使用される。
【０００７】
そのようなシステムは、ネットワークによって制御することができる。しかしながら、各並列電源のパラメータは、変更することができない。各セルは、同期信号によって、相互にずらすことしかできない。そのようなシステムは、インターネットおよび／またはローカルエリアのネットワーク制御による中央制御には適さない。なぜなら、セル同士の間のオフセットを単に与えるために、込み入ったネットワークを使用することは、効果的ではないからである。Houstonの米国特許第6472634号には、各電極用の単一の交流アーク溶接セルの概念が示されている。セル自身は、1または2以上の並列電源を有し、この各々は、それ自身の切り換えネットワークを有する。次に、切り換えネットワークの出力は、電極の駆動に組み合わされる。この場合、システム内の並列の個々の電源の極性反転に、比較的小さなスイッチを使用することが可能になる。また、比較的小さな電源を並列にして、タンデム溶接作動に使用されるいくつかの電極の各々に対する高電流入力を構築することが可能になる。単一電極を駆動する極性切り換えネットワークの後に、いくつかの独立の制御された並列電源を使用することにより、インターネットまたはイーサネットのようなネットワークを有意に使用することが可能になる。
【０００８】
Houstonの米国特許第6472634号では、各システムにおける小型の電源が並列に接続され、単一の電極に給電する。各並列電源の切り換え点を、高精度インターフェースで調製することにより、交流出力電流は、並列電源からの電流の和となえい、極性を切り換える前に組み合わせる必要はなくなる。この概念を使用することにより、イーサネットネットワークは、インターネットとのリンクの有無に関わらず、溶接システムの各並列電源の溶接パラメータを制御することができる。切り換え点のタイミングは、新たなインターフェースによって正確に制御されるが、各電源の制御器によって誘導される溶接パラメータは、正確な時間系を有しないイーサネットネットワークによって提供される。従って、インターネットリンクを使用して、単一電極を駆動する溶接システムの個々の電源制御器に、パラメータを誘導しても良い。これらの溶接パラメータの時間系の精度を、各電源用にコード化する必要はない。好適実施例では、切り換え点は、「キル」コマンドであり、例えば100Aのような最小閾値未満の電流低下の検出を待ち受ける。各電源が切り換えコマンドを有する場合、その後、これらが切り換えられる。並列電源の間の切り換え点は、ウェイト遅延とともに、瞬間的なまたは一連の「キル」コマンドを含む場合、10μs未満の精度を有するインターフェースカードによって、正確に調整される。これは、1乃至5μsの範囲であることが好ましい。このタイミングは、正確に調整され、並列電源における切り換え動作を整合し、交流出力電流を調整する。
【０００９】
インターネットまたはイーサネットのローカルエリアネットワークを使用することにより、各電源用の一連の溶接パラメータを、精度の低い情報ネットワークで利用することができ、これを、高精度デジタルインターフェースカードを用いて、並列電源の制御器と相互接続することができる。従って、システムの個々の並列電源の切り替えが調整される。これは、溶接システムのインターネットおよびローカルエリアネットワーク制御を使用できる点で有意である。情報ネットワークは、タンデム溶接作動において、いくつかの電極に接続されたいくつかのアーク溶接システムを、選択された位相関係で、始動させる同期信号を有する。電極の各溶接システムは、正確に制御された個々の切り換え点を有する一方、システムは、異なる電極間の磁気的干渉を抑制するため、シフトされまたは遅延される。Houstonの米国特許第6472634号のシステムは、交流電流を用いて所与の電極に給電する並列電源において、実質的に有益である。切り換え点は、正確なインターフェースによって調整され、各並列電源の溶接パラメータは、一般的な情報ネットワークによって提供される。この背景は、譲受人によって開発され特許化された技術であり、本願では、「背景」と記載されているが、必ずしも従来技術を構成しない。
【００１０】
Stava米国特許第6207929号におけるシステムの特徴として、2または3以上の電源で、単一電極が駆動される。従って、システムは、第1の電源用の第1の電源を有し、該第1の電源は、第1の制御器によって受信される所与のシステムの同期信号に対して、一般的な時間関係で、極性反転切り換え点を有する切り換え信号を発生させ、電極とワークピースの間に、交流電流を形成する。この第1の制御器は、該第1の制御器に誘導された、第1の電源の特定パラメータ信号組に対応する、第1の溶接パラメータで作動される。スレーブ電源を作動させる、少なくとも一つのスレーブ制御器が提供され、切り換え点において、交流電流の極性を反転させることにより、同じ電極とワークピースの間に、交流電流が形成される。スレーブ制御器は、スレーブ制御器への電源固有パラメータ信号の第2の組に応じて、第2の溶接パラメータで作動する。第1の制御器および第2のまたはスレーブ制御器に接続される情報ネットワークは、2つの制御器用の、デジタルの第1および第2の電源固有パラメータ信号と、システム固有同期信号と、を有する。従って、制御器は、パラメータ信号、および情報ネットワークからの同期信号を受信し、これは、インターネットリンクを有するまたは有しない、イーサネットネットワークであっても良い。あるいは単なるローカルエリアネットワークであっても良い。本発明は、第1の制御器とスレーブ制御器とを接続し、第1またはマスター制御器からの切り換え信号によって、第2のまたはスレーブ電源の切り換え点を制御する、デジタルインターフェースを含む。実際、第1の制御器は、切り換え点で電流反転を開始する。この事象は、高精度でスレーブ制御器に伝送され、その電流反転プロセスが開始される。各制御器が、所与の値未満のアーク電流を感知した場合、「レディ信号」が形成される。全ての並列電源からの「レディ」信号の後、全ての電源の極性が反転される。これは、25μs毎のストローブまたはルックコマンドの受信の際に生じる。従って、切り替えが同調され、25μs未満の遅延が得られる。その結果、両制御器は、単一電極に対する交流電流の切り換え点を制御する、相互接続データを有する。同じ制御器は、情報ネットワークからパラメータ情報および同期信号を受信し、これは、実際には、インターネットおよびイーサネットまたはローカルエリアイーサネットネットワークにおける組み合わせを有する。デジタルインターフェースのタイミング精度は、10μs未満であり、通常1乃至5μsの範囲であることが好ましい。従って、単一の電極を制御する2つの制御器の切り換え点は、5μs未満の間に、指令を受ける。次に、25μs以内に、切り替えが実際に実施される。同時に、タンデム溶接作動において、単一電極に交流電流を駆動する2つの制御器に接続された情報ネットワークから、比較的短い時間感度情報が受信される。25μsの最大遅延は、変化し得るが、これは、切り換えコマンド精度よりも小さい。
【００１１】
Houstonの米国特許第6472634号、およびStavaの米国特許第6291798号に記載の新しい制御システムを使用して、主として管溶接に使用されるタンデム電極用の電源が制御される。このStavaの特許は、溶接経路に沿って移動可能な直列タンデム電極に関し、回転管の端部の間、または2つの隣接する管区画の端部の間の空間に、連続溶接ビードが構成される。この特殊技術に使用される個々の交流波形は、少なくとも18KHzの周波数で生じる多くの電流パルスによって形成され、各電流パルスの振幅は、波形形状器によって制御される。この技術は、Blankenshipの米国特許第5278390号にさかのぼる。2つの隣接するタンデム電極の交流電流における波形の形成は、知られており、前述の特許およびStavaの米国特許第6207929号にも示されている。後者のStavaの文献において、隣接するタンデム電極の交流電流の周波数は、磁気的干渉を抑制するために調整される。オハイオ州ClevelandのLincoln  Electric  Companyによるこれらの全ての特許技術は、タンデム電極の作動の際に有効であり、各電極は、こららの文献に記載された波形技術によって生じた別個の交流波形によって、作動される。これらの文献は、全てが本願の参照として取り入れられている。しかしながら、これらの文献には、交流電流を使用する隣接する各電極によるタンデム溶接法に使用される、そのような波形技術を使用する本発明は、開示されていない。この技術は、通常の変成器技術のように、溶接パドルのダイナミクスを制御する際に、困難性に直面する。すなわち、溶接動作の間、溶融溶接パドルのダイナミクスおよび物理を制御するように具体的に構成された、隣接するタンデム電極のための、電気アーク溶接システムが必要となる。これらの利点は、単に周波数を変更して、磁気的干渉を抑制するだけでは、得られない。
【００１２】
タンデム電気アーク溶接法または溶接システムにおけるリード電極による浸透の制御のため、数年来、特殊なリード電極配置が使用されている。初期の概念は、電源に直列に接続された2つの可動リード電極を含み、電流は、一つの電極のチップ（先端）から、隣接する電極のチップ（先端）に流れる。これらの両電極は、溶接パドルの被溶接ワークピースの端部の間の溝の共通点に向かって移動可能である。直列配置を使用することにより、一つの電極を、電源のワーク端子に接続し、他方を通常の電極端子に接続することができる。全電力は、電極同士の間にあり、電極とワークピースの間には存在しない。その結果、実質的にゼロアーク力となる。両電極は、電極間の電流フローによって溶融される。これは、溶接パドルに対して実質的に抑制された熱入力で、二重堆積速度を提供する。従って、パドルへの熱は、低減される。直列電極の概念の問題は、浸透が極めて少ないことである。アークは、ワークピースに進展しない。金属は、大部分、重力により、ワークピースの端部の間の接続部に堆積される。2つの直列電極によるリードアークの浸透を高めるため、後続電極が機械的アースに接続される。この概念は、Shuttの米国特許第4246463号に記載されている。この文献では、アークは、2つの電極の間を、リード電極からワークピースまで移動する。2つの3／16インチの電極を使用することにより、改良された直列アークシステムでは、リード電極からの電流は、2つの経路を通って流れ、電源まで戻る。電流は、後続電極、またはワークピースまで流れる。実際、リード電極から電源に戻る電流フローの比は、ワークを介するものが約1／3であり、電極を介するものが2／3である。ワークは、実質的に、リターン並列回路における抵抗よりも高い抵抗を有する。この配列は、堆積速度を2倍に高める。プレートまたはワークピースへの電流の量は、溶接動作の全電流の約30％である。その結果、二倍の堆積速度が得られ、板への熱が抑制される。浸透は、2つのリード電極の改良型直流回路接続によって生じる。重量のあるワークピースでは、この片側溶接は、有効に使用することはできない。直列接続電極における交流電流の周波数は、電源のライン周波数によって制御されるためである。各電極用のワイヤフィーダは、同じ電源で制御される。これは、ワイヤフィーダを駆動する2つのモータの関係を制限する。電源の入力電圧および周波数は、両方のワイヤフィーダの駆動に使用される。その結果、見かけの有意点を有する従来のシステムの使用は、電流の比較的小さな範囲においてのみ、およびある限られた電極サイズにおいてのみ、達成される。従って、従来のシステムの使用は、限定邸である。適当な溶融、浸透、およびワイヤ供給速度のため、電流および入力周波数を調整する必要がある。電源のパラメータおよび2つの独立した駆動ワイヤフィーダの相互関係は、2つの電極が直列に接続され、限定された交流電流によって駆動されるような、タンデムアーク溶接機の従来の溶接技術を超える。この技術には限られた用途しかないため、一般的な用途の電気アーク溶接機向けに、直列接続されたタンデム電極機器を販売することはできない。その結果、タンデム溶接システムにおける改良型直列接続電極の利点は、長い��、実質的に生かされてはいない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
普遍的に利用可能な、改良型直列回路で接続された2つのリード電極を有するタンデム電気アーク溶接機、またはシステムを提供するため、本発明が開発された。本発明の実施例を使用することにより、サブマージドアーク溶接作動において、大きな板を片側から溶接することができる。実質的に直列接続電極の堆積を高めたままの状態で、アーク力による浸透を生じさせることができる。本発明の実施例を使用することにより、2つの直列接続リード電極によって、ルート溶接ビードが設置される。これは、ワークピースの離間された2つの端部を相互に接続する。実際には、大きな板は、船舶シートであり、または管溶接時の管セグメントの端部である。本発明の実施例では、タンデム溶接用の既知の直列接続リード電極の概念が改良され、そのような溶接機は、寸法および材料的に、広範囲の電流で、および広範囲の電極で、使用することができる。これは、電気アーク溶接の分野において、大きな利点であり、片側サブマージドアーク溶接における改良型の直列接続タンデム電極の利用が少ない理由を解消する。この改良は、他のタイプの溶接法にも使用することができる。
【００１４】
本発明の実施例では、金属ワークピースの先端同士の間の溝に沿って、溶接金属を堆積させる電気アーク溶接機が提供される。この溶接機は、溝のポイントに向かって、ワイヤフィーダによって駆動される電極を有する。第2の電極は、溝の同じポイントに向かって、第2のワイヤフィーダによって駆動される。主電源は、第1の電極に接続された電源の第1の出力端子と、第2の電極および金属ワークピースに直接または間接的に接続された主電源の第2の出力端子とを有する電極に接続される。溶接機は、2つのリターン経路を有し、一方は、第2の電極を通り、他方は、ワークピースを通る。電源は、インバータチョッパのような高速切り換え出力ステージを有する。このステージは、主電源の第1と第2の出力端子の間に、選択された交流波形を有する電流を形成する。主電源の波形は、通常はデジタル回路である、パルス幅モジュレータ回路を制御する波形発生器により形成される。ただし、ある実施例では、これはアナログPWM回路である。デジタルまたはアナログのパルス幅モジュレータ回路は、主電源の出力ステージの電流動作を定める。所与の方向に、溝に沿って、電極を一緒に移動させる装置が使用される。これらの電極は、タンデム電極アーク溶接機、または電気アーク溶接機システムにおけるリード電極を形成する。本発明の実施例では、第3、第4、または第5の電極は、直列接続された第1および第2の電極の後方に接続される。これらの後続電極の各々は、第1の直列接続電極とともに移動可能である。実際、これらは、同じ機構またはトラクタで移動可能であるが、これらは、別個に移動しても良い。この場合も、第1および第2の直列接続電極により、「略移動可能」である。第3または後続の電極は、それぞれ、主電源とは異なる予備電源によって給電され、この予備電源は、第3の電極に接続された第1の出力端子と、ワークピースに接続された第2の出力端子とを有する。これは、タンデム溶接動作の後続電極用の標準的な接続である。
【００１５】
本発明のさらに別の態様では、前述のような電気アーク溶接機が提供される。後続電極の予備電源は、インバータまたはチョッパのような、高速切り換え出力ステージを有する。この出力ステージは、予備電源の第1と第2の出力端子の間に、選定された後続波形を形成する。予備電源の後続波形は、デジタルまたはアナログの、パルス幅モジュレータ回路を制御する波形発生器によって生じ、予備電源の出力ステージの電流動作が定められる。従来のように、電源の数は、後続電極の数に応じて変更できる。特に、一つの電源が2つの後続電極を作動し、または2つの電源が、単一の後続電極を作動しても良い。これらの全てのバリエーションは、本願の参照として取り入れられている各種特許に定められた、タンデム電気アーク溶接に使用される。
【００１６】
本発明の実施例では、後続電極の後続波形は、本発明の態様により構成される電気溶接機の直列接続されたリード電極において使用されるような、交流波形である。当然のことながら、後続電極は、直流波形の大きさを定める定常出力信号を形成する波形発生器によって形成された、直流波形を有しても良い。この例では、波形は電流のレベルであり、本願では、「波形」は、主として、繰り返し交流波形を表す際に使用される。
【００１７】
本発明の別の態様では、主電源は、第1および第2のモジュール電源を有し、これらのモジュール電源は、主電源の出力端子と並列接続される。大きな電流を提供するため、第2のモジュールは、第1のモジュールと並列に接続される。2つの電源モジュールは、本発明の直列接続されたリード電極を駆動する、「主」電源として定められる。一実施例では、第2の電源は、第2電極とワークピースの間に直列接続される。この配置では、主電源の一つの端子および第2の電源の端子は、第2の電極と直列接続される。第2の電源は、ワークピース経路内にある。2つの電源を使用することにより、2つの直列接続電極用の別個独立に駆動されるワイヤフィーダを、異なる電源で制御することが可能になる。これにより、単一の電源を使用して、本発明のリード電極用に使用される別個の2つのワイヤフィーダを駆動するための、複雑なソフトウェア開発が抑制される。その結果、2つの別個の電源を使用するという利点が得られる。電源の各々は、ワイヤ供給制御回路を有し、これは、本発明によって得られるタンデム溶接システムのリード電極を形成する各直列接続電極のワイヤフィーダを調整し、最適化する。
【００１８】
本発明の実施例は、主として、大きな板に対する片側溶接法に使用される。この点、本発明は、溶接金属を受容する溝の下側の背面の概念を有する。背面は、ワークピースの下側であり、通常、背面溶接ビード構成を制御するフラックスを有するトラフを提供する。本態様では、後続電極の前方には、フラックスディスペンサがある。従って、後続電極は、サブマージドアーク溶接に使用される。実際、第1の直列電極は、ガスシールドされ、またはフラックスディスペンサを備え、最初の2つの電極用のサブマージドアーク溶接プロセスを形成する。
【００１９】
本発明の実施例を使用することにより、主電源用の波形発生器の、直列接続リード電極の間に、交流波形の周波数を調整する回路が提供される。この方法では、直列接続電極に使用される交流波形の周波数は、主電源に対するライン電圧の周波数によって、いかなる態様でも影響されない。波形の周波数を調整することにより、直列接続された電極の溶接動作が調整され、従来は利用できなかった方法で、異なる直径の電極、異なる材料の電極、および溶接動作をカスタマイズする各種電流が適合される。また、本発明の波形発生器は、主電源からの交流波形のジューティサイクルを調整する回路を有する。従って、溶接動作は、浸透と堆積の間で調整され、溶接プロセスの動作をカスタマイズすることができる。これを達成するため、波形の正の電流部の大きさは、独立に制御され、または交流波形の負の部分の大きさの百分率として制御される。これらの全ての調整回路により、多くの有意性を有する直列接続電極を使用したままで、主電源の周波数、ジューティサイクル、および／または振幅を調整し、最適な溶接プロセスが提供されるように、溶接機をカスタマイズすることが可能になる。
【００２０】
本発明の実施例の主な目的は、タンデム電気アーク溶接機を提供することである。リード電極は、直列に接続され、この溶接機は、2つの直列接続電極における交流電流波形を有する。この波形は、調整され、タンデム電極溶接機におけるリード電極によって実施される溶接動作がカスタマイズされる。
【００２１】
本発明の実施例の別の目的は、前述のような電気アーク溶接機を提供することである。この電気アーク溶接機は、異なる電極および異なる電流設定値を使用して、直列接続されたリード電極により、交流アーク溶接プロセスを実行する。
【００２２】
本発明のさらに別の実施例の目的は、前述のような電気アーク溶接機を提供することである。この電気アーク溶接機は、波形の周波数、波形のジューティサイクル、および／または波形の正と負の部分における電流の大きさを調整する機能を有し、これにより、リード直列接続電極によって実施される溶接プロセスがカスタマイズされる。
【００２３】
これらのおよび他の目的、特徴、利点は、添付図面を参照した、以下の説明および特許請求の範囲の記載から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例の実施に使用される溶接機のブロック図である。
【図２】各々が切り換え出力を有する、2つの並列電源の配線図である。
【図３】管のシームを溶接するための3つのタンデム電極の断面図である。
【図４】Houstonの米国特許第6472634号、およびStavaの米国特許第6291798号に記載された3つの電極用の溶接システムのブロック形式の概略的な配置図である。
【図５】Houstonの米国特許第6472634号に記載の可変パルス発生器を有する、図4に示すようなシステムによって駆動される単一電極を示すブロック図である。
【図６】2つの同期パルスおよびあるタンデム電極用のバランス化交流波形を示す電流グラフである。
【図７】本発明の実施例に使用される、波形の極性を定めるためのロジックを示す信号に重ね合わされた、電流グラフである。
【図８】本発明の一実施例において使用される波形の広いアスペクトを示す電流グラフである。
【図９】タンデム電極の同時極性関係の間の、溶接パドルのダイナミクスを概略的に示した図である。
【図１０】タンデム電極の同時極性関係の間の、溶接パドルのダイナミクスを概略的に示した図である。
【図１１】2つの隣接するタンデム電極における波形を示す電流グラフの組である。
【図１２】同時極性関係の領域を有する、隣接するタンデム電極における交流波形の電流グラフの組である
【図１３】隣接するタンデム電極における波形の電流グラフである。一つの電極の交流波形は、他の電極の波形とは実質的に異なり、同時極性関係の時間が限定される。
【図１４】隣接するタンデム電極において異なる形状の波形を使用するための、隣接する電極用の2つの正弦波波形の電流グラフである。
【図１５】本発明の一実施例により構成された溶接機により形成され同期化された、タンデム電極の4つの隣接する交流アークにおける波形を示す電流グラフである。
【図１６】調整切り換えコマンドが処理された際に、速やかに並列電源を切り換え、次の同時信号が形成される、ソフトウェアプログラムの概略的な配置図である。
【図１７】本発明の一実施例による一般的な構成の概略図である。
【図１８】図17の線18−18に沿って得られた部分断面図である。
【図１９】ソフトウェアプログラムの概略的な配置図を、本発明の一実施例に使用される主電源の動作が概略的に示されたブロック図とともに示した図である。
【図２０】主電源が改良された、本発明において使用されるリード直列接続電極のみを示した、本発明の一実施例の部分側面図である。
【図２１】主電源および本発明のワークピース経路に使用される一実施例を示した、図20と同様の図である。
【図２２】本発明の別の実施例を概略的に示した図である。
【図２３】本発明の実施例による溶接コンタクトの運搬組立体を概略的に示した図である。
【図２４】本発明の一実施例の別の概略図である。
【図２５】波形バランスを示すグラフである。
【図２６】波形バランスを示すグラフである。
【図２７】電流オフセットを示すグラフである。
【図２８】位相角シフトを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の前述のおよび／または他の態様は、添付図面を参照した本発明の詳細な実施例の記載から明らかになる。
【００２６】
以下、限定的目的ではなく、本発明の一実施例を説明する目的のみのために示された図面を参照すると、本発明に使用されるシステムは、図1、2および16に示されている。図1において、単一の電気アーク溶接システムSは、単一セルの形態であり、アークとして、溶接ステーションWSに交流電流を形成する。このシステムまたはセルは、電極Eと直列の出力リード10、12を有する第1のマスター溶接機Aと、管シーム接合または他の溶接動作の形態のワークピースWとを有する。ホール効果電流変換器14は、ライン16に溶接機Aの電流に比例する電圧を提供する。遠隔中央制御18において、溶接パラメータのような、レスタイム臨界データが生じる。同様に、スレーブ後続溶接機Bは、リード10、12と並列に接続されたリード20、22を有し、溶接ステーションWSに追加の交流電流を誘導する。ホール効果電流変換器24は、ライン26に電圧を形成し、これは、溶接作動の間の溶接機Bの電流レベルを表す。単一のスレーブまたは後続溶接機Bが示されているが、電極EおよびワークピースWにわたって、交流電流が生じるように、いかなる数の追加の溶接機を、マスター溶接機Aと並列接続しても良い。交流電流は、極性切り換えネットワークの前に、溶接ステーションで組み合わされる。各溶接機は、制御器およびインバータ系電源を有し、これは、マスター制御器と電源30、およびスレーブ制御器と電源32の組み合わせとして示されている。制御器30、32は、比較的低レベルのロジックネットワークから、パラメータデータおよび同期データを受信する。パラメータ情報またはデータは、電源に特有化されており、各電源には、電流、電圧、および／またはワイヤ供給速度のような、所望のパラメータが提供される。低レベルデジタルネットワークは、パラメータ情報を提供するが、極性変換用の交流電流も、同時に生じる。「同時」とは、10μs未満の時間差を表し、通常、1乃至5μsの範囲であることが好ましい。電源30および電源32からの交流出力の正確な調整を得るため、切り換え点および極性情報は、タイミングがあまり正確ではない通常のロジックネットワークからは提供されない。個々の交流電源は、「ゲートウェイ」と称される、高速、高精度直流ロジックインターフェースによって調整される。図1に示すように、電源30、32には、必要な作動パラメータが提供され、これは、それぞれ、二方向リード42m、42sによって表される。このノンタイム感度情報は、図1に示すデジタルネットワークによって提供される。マスター電源30は、一方向ライン40によって表された同期信号を受信し、その交流出力電流の制御器動作の時間が計られる。電源30用の交流電流の極性は、ライン46で示されているように出力される。マスター電源30の交流電流用の実際の切り換えコマンドは、ライン44に出力される。切り換えコマンドは、インバータの形態の電源Sに、「キル」を伝達し、これは、大きな電流減少を意味する。あるいは、これは、実際、極性反転のための切り換え信号である。ライン44における「切り換え点」またはコマンドは、「キル」であることが好ましく、これは、Stavaの米国特許第6111216号に記載の「切り換え点」を用いた電流反転コマンドである。従って、時間切り換え点またはコマンドは、電源30から、ライン44により出力される。これらの切り換え点またはコマンドは、電源「キル」の後の、低電流または単なる電流反転点での切り換えレディ信号を有する。切り換え「レディ」は、「キル」の概念が実行された際に使用される。いかなるインバータも、これらが設定電流を下回るまで、実際に反転させないからである。これは、図16に示されている。制御器30のスイッチの極性は、ライン46においてロジックを制御する。スレーブ電源32は、ライン44bにおけるコマンドロジックおよびライン46bにおける極性ロジック、または切り換え点を受信する。これらの2つのロジック信号は、ライン44a、46aにおいて、ゲートウェイ50、変換ゲートウェイ、およびゲートウェイ52、受信ゲートウェイとして示された、高精度ロジックインターフェースを介して、マスター電源とスレーブ電源との間で相互接続される。これらのゲートウェイは、各電源用のネットワークインターフェースカードであり、ライン44b、46bのロジックは、それぞれ、ライン44、46におけるロジックの時間に近づけられる。実際には、ネットワークインターフェースカードまたはゲートウェイ50、52は、このロジックを10μs以内で制御する。これは1乃至5μsの範囲であることが好ましい。低精度のネットワークは、ゲートウェイまたはインターフェースカードによって提供されるように示されているライン42m、42sを介して、中央制御18からのデータ用の個々の電源を制御する。これらのラインは、遠隔領域（中央制御18など）からのデータを有し、これには、時間感度はなく、ゲートウェイの正確な特性を使用しない。切り換え反転タイミング用の高精度データは、ネットワークカード50、52を介した相互接続ロジック信号を使用する。図1のシステムは、単一交流アーク用の単一セルである。ただし、本発明の実施例は、タンデム電極に関し、2または3以上の交流アークは、管溶接の際に認められる大きなギャップを充填するように形成される。従って、第1の電極用のマスター電源30は、同期信号を受信し、これは、第1の電極、すなわちARC1のシステムSのタイミングまたは位相動作を定める。システムSは、他の同一システムとともに使用され、出力84、86、88の同期によって時間調整されたARC2、3、4が形成される。この概念は、図5に概略的に示されている。図1には、タンデム電極の一つのみに関して、同期または位相設定信号82乃至88が示されている。中央制御コンピュータおよび／またはウェブサーバ60を有する情報ネットワークNは、タンデム動作で異なる電極を制御するいくつかのシステムまたはセルにおける個々の電源に関するデジタル情報またはデータを提供する。インターネット情報82は、ローカル相互接続ライン70a、70b、70cを有するイーサネットネットワーク70の形態の、ローカルエリアネットワークに誘導される。同様の相互接続ラインは、タンデム溶接作動のARC1、2、3、4を形成する、4つのセルに使用される各電源に誘導される。システムまたはセルSの記載は、他の電極での各アークに適用できる。交流電流が使用される場合、マスター電源が使用される。ある例では、マスター電源は、単にセル固有の同期化信号とともに使用される。高電流が必要な場合、システムまたはセルは、図1のシステムSに関して説明されたような、マスター電源とスレーブ電源の組み合わせを有する。ある例では、発生器80によって同期化された2または3以上の交流アークとともに、直流アークが使用される。直流アークは、しばしば、タンデム電極溶接動作におけるリード電極であり、2または3以上の同期化交流アークがこれに続く。直流電源は、同期化される必要はなく、極性ロジックと切り換え点またはコマンドの正確な相互接続も必要ではない。いくつかの直流給電電極は、正と負の間で切り換えられるが、交流駆動電極の周波数では、切り換えられない。アークの構成とは無関係に、イーサネットまたはローカルエリアネットワーク70は、タンデム溶接作動に使用される各種システムの個々の電源用にコード化され設計された、定められたパラメータ情報を有する。また、このネットワークは、いくつかのセルまたはシステム用の同期化信号を使用し、これにより、システムは、時間関係がオフセットできる。これらの同期化信号は、図1のライン40で示されているように、デコードされ、マスター電源によって受信される。この方法では、交流アークは、時間に関してオフセットされる。これらの同期化信号には、ネットワークインターフェースカードまたはゲートウェイ50、52を介した切り換え点のような精度は要求されない。データネットワークにおける同期化信号は、可変パルス発生器80の形態のネットワークインターフェースによって受信される。発生器は、ライン84、86、88においてオフセット同期化信号を形成する。これらの同期化信号は、タンデム電極作動における別個の電極の個々の交流電流セルの位相を定める。同期化信号は、インターフェース80によって生じても良く、あるいはネットワーク70を介して発生器によって正確に受信されても良い。実際には、ネットワーク70は、単に発生器80を活性化し、多くの同期信号用の遅延パターンを形成する。また、タンデム溶接作動において、望ましい場合、発生器80は、同期化パルスの周波数により、個々のセルの周波数を変化させても良い。
【００２７】
多くの制御器および電源を使用して、図1に示すようなシステムを実現しても良い。ただし、図2には、システムの別の実施例を示す。ここでは、電源PSAは、制御器および電源30と組み合わされ、電源PSBは、制御器および電源32と組み合わされる。これらの2つのユニットは、構造が実質的に同じであり、適切な場合、同じ参照符号が付されている。電源PSAの記載には、電源PSBの記載が等しく適用できる。インバータ100は、入力整流器102を有し、これは、3つの位相ライン電流L1、L2、L3を受信する。出力変換器110は、出力整流器112を介して、反対極性のスイッチQ1、Q2を駆動する、タップ化インダクタ120に接続される。電源PSAの制御器140aおよび電源PSBの制御器140bは、実質的に同じであるが、制御器140aは、制御器140bにタイミング情報を出力する。切り換え点またはライン142、144は、本願の参照として取り入れられているStavaの米国特許第6111216号に詳しく記載されているように、ライン142、144のロジックによって示された時間において、極性を反転する極性スイッチQ1、Q2の伝導状態を制御する。制御は、ロジックプロセッサによりデジタルで行われ、すなわちA／Dコンバータ150は、フィードバックライン16または26における電流情報を、エラー増幅器152からの出力レベル用の制御デジタル値に変換する。エラー増幅器152は、アナログエラー増幅器として示されている。実際には、これは、デジタルシステムであり、制御構造には、他のアナログ信号は存在しない。しかしながら、示されているように、増幅器は、変換器150からの第1の入力152a、および制御器140aまたは140bからの第2の入力152bを有する。ライン152bにおける電流コマンド信号は、溶接ステーションWSでのアークにわたる交流電流に必要な波形または波形形状を有する。これは、本願の参照として取り入れられている、Blankenshipの米国特許第5278390号のような、Lincoln  Electricのいくつかの特許において考慮されている標準的な態様である。本願の参照として取り入れられている、Stavaの米国特許第6207929号も参照。増幅器152からの出力は、変換器160によって、アナログ電圧信号に変換され、オシレータ164によって制御された周波数で、パルス幅モジュレータ162が駆動される。これは、プロセッサソフトウェア内のタイマープログラムである。アークにおける波形の形は、ライン152bでの電圧またはデジタル数である。オシレータ164の周波数は、18kHzよりも大きい。このシステムの全体構成は、本発明の好適実施例においてデジタル化され、アナログ信号への再変換を含まない。この表記は、説明用のため概略的に示されており、本発明において実際に使用される電源の種類を限定することを意図するものではない。他の電源を使用することもできる。
【００２８】
図1および2の概念を使用する本発明の実際の実施例は、図3および図4に示されている。ワークピース200は、管のシームであり、それぞれ、個々の電源PS1、PS2、PS3によって給電されるタンデム電極202、204、206により、相互に溶接される。電源は、Houstonの米国特許第6472634号の技術による、調整された2以上の電源を有しても良い。示された実施例は、リード電極202用の直流アークと、それぞれのタンデム電極204、206用の交流アークとを有する。タンデム電極の形成された波形は、交流電流であり、前述の波形形成技術において示したような、波形形成器または波形発生器によって形成された形状を含む。電極202、204、206が溶接経路WPに沿って移動すると、溶融金属パドルPは、開放ルート部210を有する管シーム200に堆積され、その後、それぞれ、電極202、204、206から、堆積物212、214、216が堆積される。前述のように、図15の波形に示された3つ以上の交流駆動電極は、隣接電極の交流電流に関する本発明により作動されても良い。図4に示すように、電源は、それぞれが整流器222からの直流リンクを受けるインバータ220を有する。Lincolnの波形技術と同様に、先端または内部プログラム化パルス幅モジュレータステージ224は、18kHzよりも大きな周波数で、オシレータ226によって駆動され、これは、20kHzを超えることが好ましい。オシレータ226がパルス幅モジュレータ224を駆動すると、出力電流は、ライン242での電圧またはデジタル数として、波形形成器240から出力された波形によって定められた形状を有する。出力リード217、218は、電極202、204、206と直列である。リアルタイムの形状は、比較器230として示されたステージによって、ホール効果変換器228からのライン232において、実際のアーク電流と比較され、その結果、ライン234における出力は、交流波形の形状を制御する。ライン234におけるデジタルまたは電圧は、ライン224aにおける出力信号を定め、インバータ220を制御し、アークでの電流の波形は、波形形成器240から出力された選択されたプロファイルに追従する。前述のように、これは、標準的なLincolnの波形形成技術である。電源PS1は、リード電極202において、直流アークを形成する。従って、電源の波形形成器240からの出力は、直流電流の大きさを表す定常状態である。本発明のいくつかの実施例は、直流アークの形成には関係しない。これに対して、本発明では、電極204、206のような、タンデム電極用の2つの隣接する交流アークの電流の制御に関する。本発明では、波形形成器240は、入力250を有し、これは、交流波形の所望の形状またはプロファイルを選定するために使用される。この形状は、シフトプログラム252として概略的に示されている内部プログラムによって、リアルタイムでシフトされる。波形形成器240は、ライン254の優先信号となる出力を有する。実際には、優先信号は、図7に示すようなロジックのビットである。ロジック1は、波形形成器240で生じた波形の負の極性を表し、ロジック0は、正の極性を表す。電源に誘導されたロジック信号またはビット制御器220は、図16に示した技術によって読み取られる。インバータは、ライン254のロジックビットの変化によって開始される特定の「レディ」タイムにおいて、極性を、正の極性から負の極性に、またはその逆に切り換える。実際には、このビットは、図1および図5に示���可変パルス発生器80から受信される。図3、4に示す溶接システムは、本発明の実際の態様において使用され、電極204、206での交流アーク電流の形状は、新たな形状を有し、これにより、本発明の有意な結果を得ることができる。すなわち、通常静止状態の溶融金属パドルP、および／またはアーク溶接に使用される変換器波形と互換性のある、合成正弦波を得ることができる。図3、4に示した電気アーク溶接システムは、波形形成器240用の「選択」プログラム250で波形を選択するプログラムを有する。この方法では、タンデム電極によって、本発明の特殊な波形が使用される。図5には、交流アークを形成する電源の一つが、概略的に示されている。電源またはソースは、図1に示すように、可変パルス発生器80によって制御される。発生器からの信号260は、第1のアーク用の電源を制御する。この信号は、ライン254において波形形成器240によって出力される極性ビットとの波形の同期を生じさせる。ライン260a乃至260nは、本発明の溶接システムにより、所望の後続のタンデム交流アークを制御する。これらの信号のタイミングは、他の波形の開始をシフトさせる。図5には、図4において説明したような、連続アークを制御する可変パルス発生器80の単なる関係が示されている。
【００２９】
Houstonの米国特許第6472634号の溶接システムでは、交流波形は、図6に示したような方法で形成され、電極204でのアークAC1用の波形形成器は、正の部分272および負の部分274を有する信号270を形成する。電極206での第2のアークAC2は、正の部分282および負の部分284を有する波形形成器からの信号280によって制御される。これらの2つの信号は、同じであるが、図6に示すように、発生器80からの信号によって、距離ｘだけずれている。一つのアークにおける電流パルスまたは波形を形成する波形は、図6の底部に示すように、正の部分290および負の部分292を有する波形である。波形形成器からのロジックビットは、波形が正の極性から負の極性に切り換えられるタイミングおよびその逆を定める。Stavaの米国特許第6111216号（本願の参照として取り入れられている）に示されているように、パルス幅モジュレータ224は、通常、ポイント291a、291bにおいて、低いレベルにシフトされる。次に、電流は、100Aのような一定のレベルに到達するまで減少する。その結果、スイッチによって、ポイント294a、294bでの極性が変化する。これにより、正の位置290と負の位置292の間で、電流の遷移が生じたとき、垂直ラインまたは形状296a、296bが形成される。これは、Houstonの米国特許に記載のシステムであり、ここでは、波形は、磁気的干渉を回避するためにシフトされる。波形部分290、292は、アークAC1およびAC2と同じである。これは、溶融金属パドルを制御し、および／または従来使用されていなかった方法で、正弦波を合成するため、アークAC1およびAC2で波形をカスタマイズすることに関する本発明とは異なる。図6には、波形をシフトさせる概念について示されているが、本発明は、隣接する波形の各々をカスタマイズする。本発明の一実施例では、極性の間の垂直遷移を形成するため、同じ切り換え手順が使用される。図6に示す溶接システムから、本発明の実施例への変換は、概略的に図7に示されている。ライン254でのロジックは、部分300において、ロジック1として示され、部分302において、ロジック0として示される。図16に示したシステムにおいて、極性が変化した際に、ロジックまたはビット数信号が変化する。これは、図6の下側のグラフのポイント294a、294bに、概略的に示されている。本発明の態様により、隣接する交流アークの各々用の波形形成器240は、一つの極性用の第1の波形形状器310と、別の極性用の第2の波形形成器312とを有する。各波形形成器310、312は、ライン254でのロジックとともに、ライン234でのロジックによって形成される。従って、図7に示すパルス310、312は、正および負の極性部分が異なるパルスである。各パルス310、312は、示された別々の電流パルス310a、312aによって形成される。極性間の切り替えは、図6に示すように行われる。ここでは、波形形成器によって生じた波形は、波形310、312の通常の形状を有するように示されている。正の極性は、浸透を制御し、負の極性は、堆積を制御する。本発明では、波形の正および負のパルスは、異なり、切り換え点は、一つのアークでの交流波形が負の極性および性の極性の両方において制御され、波形形成器240の出力によって形成される特有の形状を有するように制御される。図7に示すような電流を有するアークに隣接する、アーク用の波形は、本発明の利点が得られるように、別個��制御される。これは、図8に示されている。アークAC1での波形は、図8の上部に示されている。これは、電流パルス320aによって示された正の部分320と、パルス322aによって形成された負の部分322とを有する。正の部分320は、最大値a、および幅または期間bを有する。負の部分322は、最大値d、および期間cを有する。これらの4つのパラメータは、波形形成器240によって調整される。示された実施例では、アークAC2は、図8の底部に示す波形を有し、この場合、正の部分330は、電流パルス330aによって形成され、高さまたは振幅a’と、時間長さまたは期間b’とを有する。負の部分332は、パルス332aによって形成され、最大振幅d’  および時間長c’を有する。これらのパラメータは、波形形成器240によって調整される。本発明の態様では、アークAC1での波形形成器からの波形は、アークAC2用の波形形成器とは位相がずれている。2つの波形は、、以下のように調整されたパラメータまたは寸法を有する：（a）浸透および堆積が制御され、（b）パドルPが、同極性または反対極性のような、特定の極性関係に晒される間、長い時間は生じない。この波形形成器に関する概念は、図9および10に示すように、長時間の極性関係を抑制する。図9において、電極204、206は、所与の時間において、隣接する電流の波形によって定められる同極性を有する。この例では、電極204の磁気流束350、および電極206の磁気流束352は、同じ方向であり、電極間の中心領域354では、相互に打ち消される。これにより、溶融パドルPにおいて、矢印cで示すように、電極204、206からの溶融金属部分360、362が相互に移動するようになる。この荘厳内方の移動、または電極間のパドルPでの溶融金属の崩壊は、極めて短い時間、すなわち約20ms未満で終結しなかった場合、最終的に上方への噴流につながる。図10に示すように、電極204、206が反対極性を有する場合、パドルの反対向きの移動が生じる。次に、磁気流束370および磁気流束372は、電極間の中心部分374で蓄積され増大する。電極間の大きな力によって、パドルPの溶融金属部分364、366は、相互に離れるような力を受ける。これは、矢印rで示されている。パドルP中での溶融金属のそのような外方力によって、それが相当の時間、通常10ms未満の時間、継続された場合、溶接ビードの分裂が生じる。図9および10に示すように、隣接する電極での波形の極性が同じ極性または反対の極性になる間の時間は、制限されることが望ましい。図8に示すように、同極性および反対極性は、アークAC1、アークAC2での波形のサイクル長よりも短い、極めて短時間だけ維持される。この長時間の極性関係の発生を回避する有効な対応と、正および負の領域における異なる形状と異なる比率を有するパルスの新たな概念との組み合わせにより、パドルが制御され、浸透および堆積が制御される。これは、通常の変換器電源または通常のLincoln波形形成技術の使用では、得ることはできない。
【００３０】
図11では、波形形成器240からの交流波形の正および負の部分は、合成正弦波形状であり、波形の負の部分に比べて、正の部分は、異なるエネルギーを有する。合成正弦波または波形の正弦波部分は、新しい。これにより、波形は、変換器溶接回路と比較され、正弦波溶接法の評価と比較される。図11において、波形370は、アークAC1のものであり、波形372は、アークAC2のものである。これらのタンデムアークは、図11に示す交流溶接電流を利用し、小さな正の正弦波部分370aは、アークAC1の浸透を制御し、大きな負の部分370bは、アークAC1での金属の堆積を制御する。図7に示すように、ロジックビットが変化する極性の間は、切り換えられる。図において、ライン370cに示すように、正弦波波形370は、約100Aから、ゼロ電流を通過して垂直に低下する。負の部分370bと正の部分370aの間の遷移も、垂直遷移370dが生じるような切り換え点での垂直遷移で開始される。同様に、アークAC2の位相シフト波形372は、小さな浸透部分372aと、大きな負の堆積部分372bとを有する。極性の間の遷移は、垂直ライン372cおよび372dによって表される。波形372は、波形370に対してシフトしており、パドルのダイナミックスは、隣接するアークAC1、AC2の極性によって生じるパドル中の溶融金属の過度の崩壊または反発力を生じさせずに、制御される。図11に示した実施例では、正弦波形状は同じであり、周波数は同じである。これらは、単に特定の極性関係の長時間発生を抑制するため、シフトされる。
【００３１】
図12では、波形380は、アークAC1に使用され、波形382は、アークAC2に使用される。部分380a、380b、382a、382bは、正弦波合成化部分であり、同じ振幅として示されている。これらの2つの波形900をずらすことにより、同時極性の領域が、領域390、392、394、396として定められる。正弦波プロファイルを有する、シフトした波形を使用することにより、同様の極性または反対極性は、いかなる時間長でも残留しない。従って、溶融金属パドルは、撹拌されず、静置状態が維持される。この概念の利点は、所与の波形の正および負の極性部分の間で、エネルギーが異なることである。図12には、同時極性関係の定義を示す。これらは、短い時間でのみ、維持される必要がある。この目的を達成するため、図13には、本発明の別の実施例が示されている。前述の波形380は、波形400と組み合わされ、アークAC2の鋸歯波形として示され（a）、またはアークAC2の波形として、パルス波形402が示されている（b）。波形380を、別の波形402の異なる波形400と組み合わせることにより、小さな領域または同時極性関係410、412、414等の時間が生じる。図14では、一つのアークで生じた交流波形は、別のアークで生じた交流波形とは大きく異なっている。この大きく異なる波形と同じ概念は、図14に示されている。ここで、波形420は、交流パルスプロファイル波形であり、波形430は、正弦波プロファイル波形であり、波形420の約1／2の周期を有する。波形420は、小さな浸透の正の部分420aと、直線極性遷移420cを有する、大きな堆積部分420bとを有する。波形430は、正の部分430aと、垂直極性遷移430cを有する負の部分430bとを有する。これらの2つの異なる波形により、両合成正弦波の概念が一つの電極で実施され、長期間の同時極性関係は得られなくなる。従って、パドルPの溶融金属は、両アークAC1、AC2による溶接作動の間、幾分静止状態で維持される。
【００３２】
図15では、各4つのタンデムアークAC1、AC2、AC3、AC4用の電源の波形形成器240によって、波形450、452、454、456が生じる。隣接するアークは、波形が、負の部分から正の部分までの遷移に対応する際に定められる同期信号460によって示されるように、整列される。この同期信号は、開始パルスの整列を除き、図1に示すように、発生器80によって形成される。本発明のこの実施例では、第1の波形450は、隣接する波形452、454、456の正および負の部分の両方と同期された正の部分450aを有する。例えば、正の部分450aは、波形452の正の部分452aおよび負の部分452bと同期され、関連付けられる。同様に、波形452の正の部分452aは、波形454の正の部分454aおよび負の部分454bと同期化され、関連付けられる。同じ関係は、正の部分454aと波形456の部分456a、456bの間にも存在する。負の部分450bは、整列された波形452の2つの反対極性部分と同期化され、関連付けられる。同じタイミング関係は、負の部分452bと波形454の間にも存在する。言い換えると、各隣接するアークにおいて、波形の一つの極性は、隣接するアークの全体の波形に関連付けられる。この方法では、図9、10において示したような、パドルPの崩壊および反発力は、動的に制御される。1または2以上の正もしくは負の部分は、図11、12に示した本発明の態様に関して説明したような、合成された正弦波であっても良い。
【００３３】
図1および2に示すように、スイッチのマスター制御器が切り換えられる場合、切り換えコマンドが、電源30のマスター制御器140aに通知される。これにより、マスターによって「キル」信号が受信され、キル信号および極性ロジックは、単一の電極に並列接続された1または2以上のスレーブ電源の制御器に、急速に変換される。極性スイッチと並列の大きなスナバを有する標準的な交流電源が使用される場合、スレーブ制御器は、マスター電源が切り換えコマンドを受信した後、1乃至10ms以内に、迅速に切り換えられる。これは、高精度インターフェースカードまたはゲートウェイの利点である。実際、並列電源の電流反転の実際の切り替えは、出力電流が所与の値、すなわち約100Ａを下回るまで、生じない。これにより、小さなスイッチを使用することが可能になる。
【００３４】
単一の交流アーク用の全ての電源の切り替えの実行には、遅延切り換え技術が使用される。実際の切り替えは、全ての電源が所与の電流レベルを下回ったときにのみ生じる。遅延プロセスは、デジタルプロセッサのソフトウェアで実施され、この構成は、概略的に図16に示されている。ライン502で示すように、マスター電源500の制御器がコマンド信号を受信した場合、電源は、切り換えシーケンスを開始する。マスターは、ライン504にロジックを出力し、マスターの極性切り換えに対応する、スレーブの切り換え用の所望の極性が提供される。指示された切り換えシーケンスにおいて、マスター電源500のインバータは、ターンオフされ、またはホール効果変換器510によって読まれる電極Eへの電流が減少するように減少調整される。ライン502における切り換えコマンドによって、並列スレーブ電源520、522の制御器に、ライン512によって表されるような「キル」信号が迅速に生じ、ホール効果変換器532、534によって測定されるような、接合530に電流が提供される。全ての電源は、インバータのターンオフまたは減少調整の切り換えシーケンスに晒される。ソフトウェア比較器回路560、562、554は、減少した電流を、ライン556の電圧によって参照される所与の低電流と比較する。各電源が所与の値を下回るまで低下すると、それぞれ、ライン560、562、564に、サンプルかつホールド回路570、572、574の入力への信号が生じる。回路は、各電源から、ライン580におけるストローブ信号によって出力される。設定ロジックが回路570、572、574に保管されると、ストローブ信号の時間で、ラインのレディ1、レディ2、レディ3に、YESロジックが現れる。この信号は、電源に生じ、25μsの期間を有する。ただし、他の高速ストローブも使用可能である。信号は、マスター電源の制御器Cに誘導され、これは図16に破線で示されている。ANDゲート584で表されたソフトウェアAND化機能は、全ての電源が極性切り換えに対してレディとなった際に、ライン582にYESロジック出力を有する。この出力条件は、ソフトウェアフリップフロップ600の端子ECLKが可能なクロックに誘導され、そのD端子には、ライン504で示されるように、切り換えられる極性の所望のロジックが提供される。オシレータまたはタイマは、ライン602におけるターミナルCKへの信号により、約1MHzのクロックフリップフロップで作動する。これは、ライン504における極性コマンドロジックを、Qターミナル604に移動させ、ライン610におけるこのロジックが切り換えスレーブ520、522に提供されると同時に、ライン612における同様のロジックは、マスター電源500を切り換える。切り換え後、ライン504における極性ロジックは、反対極性にシフトする一方、マスター電源は、切り換え周波数に基づいて、次の切り換えコマンドの待機をする。他の回路を使用して、切り換えシーケンスの遅延を実現しても良い。ただし、図16の例は、本発明の基本構想である。
【００３５】
本発明の実施例は、Houstonの米国特許第6472634号またはStavaの米国特許第6291798号に記載のような、単一の電源または複数の関連付けられた電源を含む電気アーク電源の波形形成器または波形発生器によって制御された波形に関する。本発明は、交流波形によって給電されるタンデム電極に関する。2つの隣接する電極は、電極間の溶融金属パドルのダイナミクスを制御する波形を有し、および／または合成正弦波を使用して、標準的な変換溶接動作を有するタンデム溶接システムの動作を関連付ける。正の部分と負の部分における異なるエネルギーは、特定の電極による堆積量に対する浸透量の関係を制御する。これにより、溶接パドルを略静置状態にしたままで、隣接する電極の動作が可能になる。この動作は、得られる溶接ビードを改善し、溶接動作の効率を改善する。溶接パドルを制御するため、波形形成器によって生じた隣接する波形は、異なる形状を有し、隣接する電極間に所与の極性関係が存在する間の時間長が制御される。換言すれば、隣接する電極の波形が同極性または反対極性を有する時間は、波形形成器または波形発生器を用いた波形形成技術により生じる、2つの隣接する交流波形の間の異なる関係、および異なる形状を使用することにより限定される。
【００３６】
前述のように、本発明の実際の実施例において使用される技術を詳細に説明した。図1乃至16の技術は、本発明の一実施例に使用される。本発明の一実施例は、図17、18に概略的に示された電気アーク溶接機を有し、さらに、タンデム電気アーク溶接機を有する。この場合、第1の電極E1および第2の電極E2は、改良された方法で直列接続される。後続電極は、電極E3に示されているように、電極E1、E2と調和して駆動され、タンデム溶接プロセスが実行される。当然のことながら、いくつかの後続電極E3は、普通に使用される。一つの後続電極E3だけが示されているが、同じ開示は、他の後続電極にも当てはまる。図1乃至16に示した技術は、ワークピースWの溝702に金属を堆積する際に使用される、電気アーク溶接機700に適用できる。示された実施例では、ワークピースWは、小さなギャップbを有する離間された板710、712であり、端部714、716は、図18において最も分かり易く示されている、角度718を有する板Bの溝704を定める。電極E1、E2は、図17に示すように配置され、図18において最も分かり易く示されている溝704におけるポイントに向かって誘導される。このポイントは、電気コンタクト750の下にあり、突出部hを定める。ここで、より詳しく図17を参照すると、機構720は、溝702に沿ってリード電極E1、E2を駆動し、主電源722を有する。出力端子724、726は、リード730、732により、交流電流をそれぞれの電極E1、E2に誘導する。電極は、それぞれ、スプール740、742から供給され、それぞれ、標準的なワイヤフィーダ760、762によって、コンタクト750、752を介して駆動される。ワイヤフィーダ760は、モータ760cによって回転する駆動ロール760a、760bを有する。同様に、ワイヤフィーダ762は、モータ762cによって回転する駆動ロール762a、762bを有する。リード760d、762dはいずれも、主電源722からのライン764における制御信号によって給電される。電源は、オハイオ州、ClevelandのLincoln  Electric  Company社のパワーウェーブユニットであり、通常、Blankenshipの米国特許第5278390号に示されている。電源722は、両方のワイヤフィーダ760、762の制御に使用される。これは、ワイヤフィーダの駆動に、電源からの単一の信号が利用されるため、限定につながる。これが生じると、ライン764における信号は、電極E1、E2の所望の配線供給速度の間の妥協信号となる必要がある。実際、ライン764における単一の信号は、両方のワイヤフィーダを駆動する。当然のことながら、ソフトウェアを設計して、大きなコストで、個々のワイヤフィーダに別個の制御を提供しても良い。図20、21に示すように、2つの電源を使用すると、ワイヤフィーダ用の別個の信号が形成される。リード732は、ライン734によって、コンタクト752に接続され、ライン736によってワークピースWに接続される。従って、電極E1と電源722の間の電流フローは、低抵抗ライン734と、高抵抗ライン736とを介して流れる。これらのリターン経路の抵抗は、電流フローを分割し、溶接プロセスにおけるアーク力による浸透およびアークの熱を調整する。機構720を使用することにより、2つの直列電極を用いた低熱での高堆積が可能となる。溶接動作の間、電極E1からワークピースには、限定された量の電流が流れる。この溶接プロセスは、本発明により、図19に概略的に示した回路により、制御可能である。
【００３７】
本発明の一実施例では、図17に示すように、電極E1、E2の後には、少なくとも一つの電極E3が続く。この後続電極は、電極E1、E2と調和するように、機構770によって駆動されるが、これらの電極は、異なる機構によって移動しても良い。一実施例では、機構720、770用に、同じ移動装置が使用される。後続電極機構は、予備電源772を有し、これは、オハイオ州ClevelandのLincoln  Electric  Companyによって製造されたPower  Wave  ユニットである。この電源は、ライン780、782により交流電流波形を誘導する、出力端子774、776を有し、溶接プロセスにおいて、電極E3が使用される。電極E3は、スプール784によって供給され、ワイヤフィーダ760、762と同様に、ワイヤフィーダ790により、コンタクト786を介して駆動される。ワイヤフィーダ790は、モータ790によって回転する、離間された駆動ロール790a、790bを有する。ライン792における電源772からの制御信号は、モータ790cを駆動し、ライン792における信号によって定められた速度で、電極E3をワークピースWに向かって運搬する。
【００３８】
図17、18に示した一実施例の作動では、電極E1、E2、および後続電極E3は、溝702内に溶接パドル800を形成する。電極E1、E2は、第1の経路802を形成し、このビードは、溝702の内方に突出する部分を溶融することにより、端部714、716を相互に接合し、または連結する。その後、パドル800は、後続電極E3により、ビード804を重ねることにより拡張される。実際には、別の電極を使用して、図1乃至16に示したようなタンデム溶接プロセスにおいて溝702が充填される。実際、電極E3は、サブマージドアーク溶接プロセスに使用され、このプロセスでは、電極E3の前方においてフラックスディスペンサ810が用いられ、標準的なサブマージド溶接技術により、ホッパ814から管816を介して、フラックスFを分散させるため、分散モータ812が提供される。当然のことながら、電極E1、E2は、サブマージドアーク交流溶接プロセスにも使用される。次に、電極E1の前で、溝702の上部に、同様のフラックスディスペンサ810が提供される。実際には、電極E1、E2の周囲に、シールドガスが使用される。本発明の実施例では、主電源722および予備電源772用のPower  Wave電源が使用される。これらの電源は、デジタル制御され、Lincoln  Electric  Companyによって見出された波形形成技術が利用される。これにより、電源は、波形を形成し、この波形は、18kHzを超える高切り換え速度で形成された、一連の個々の電流パルスを有する。速度は、好ましくは、実質的に20ｋHzを超える。実際には、波形は、40kHzを超える速度で形成された、一連の電流パルスによって提供される。この方法では、機構720および機構770の交流電流には、リード電極および後続電極用の溶接プロセスを最適化する、いかなる交流波形が提供されても良い。この種の溶接プロセスは、図19に概略的に示されている。この図は、実際の本発明の好適実施例で使用される電源を示す。
【００３９】
図19には、本発明のシステム900を概略的に示す。Power  Wave電源910は、3つの位相ライン電流L1、L2、L3を受信する入力整流器914、および出力端子912a、912bを有する高切り換え出力ステージ912を有する。出力ステージ912は、出力端子912a、912bで、交流波形を形成し、溶接ステーションWPで、交流アーク溶接プロセスが実施される。溶接ステーションWPは、電極920およびワークピース922を有し、ライン932における信号を出力する電流シャント930を有するように示されている。この信号は、溶接ステーションWSで実施される溶接プロセスの電流を表す。比較器940は、ライン932における信号を受信し、電圧制御パルス幅モジュレータ回路942への出力940aを有する。電圧制御パルス幅モジュレータ回路942は、デジタルまたはアナログであり、多くの構成を有する。パルス幅モジュレータは、オシレータ944により、高速で駆動され、実際には、オシレータは、約40kHzの周波数で作動する。このオシレータの周波数は、パルス幅モジュレータを駆動し、高速切り換え速度で、一連の電流パルスを提供し、ステーションWSで交流波形が形成される。波形の極性は、波形発生器960からの入力ライン952、およびPower  Wave電源ユニットのステージ912から出力される波形の極性を制御する出力ライン954を有するネットワーク950からのロジックまたは信号によって制御される。急速形成された一連のパルスを有する波形のプロファイルは、波形発生器960によって制御され、定められる。波形発生器960は、選択ネットワーク962を有し、これは、ステージ912の出力端子912a、912bで形成される所望の波形を選定する。ネットワーク962から選択された波形により、電気アーク溶接機構720、770によって使用される所望の波形が形成される。本発明では、電極E1、E2の間の波形は、システム900に示すように調整される。電極E3に示すように、後続電極の波形は、図1乃至16に示された回路によって制御される。直列接続された電極E1、E2に使用される波形を制御するため、システム900は、波形調整回路972乃至978を有し、それぞれは、調整ネットワーク972a乃至978aを有する。回路972は、波形の周波数を調整する。ネットワーク962により波形が選択されると、回路972からの信号は、交流波形の周波数を調整する。同様に、波形のジューティサイクルは、回路974により制御される。ジューティサイクルは、波形が負の極性にある時間に対する正の極性にある時間の相対比較時間である。回路976、978は、波形の負の位置の間、または波形の正の位置の間の電流の大きさを制御する。回路976は、波形の負の部分の大きさを調整する。回路978は、波形の正の部分の大きさを調整する。電極E1、E2に使用される波形は、交流波形である。しかしながら、後続電極E3に、直流波形を使用しても良い。ただし、いくつかの実施例では、交流電流が好ましい。実際、いくつかの実施例では、電気アーク溶接機700の全ての電極に、交流波形を使用することが好ましい。他の回路は、ライン970における信号を調整するために使用され、ネットワーク962によって選択された波形のプロファイルが調整され、変更され、電極E1、E2の交点での溶接が最適化される。
【００４０】
図19に示すシステムを使用する図17に示す溶接機に利用できる電流量を増大させるため、図20には、改良型電気アーク溶接機980が示されている。直列接続された電極Ｅ1、Ｅ2しか示されていないが、溶接機980において、後続電極E3を使用しても良い。溶接機を使用して、2つの別個のPower  Waveユニット982、984を含む改良型電源722aに、主電源722を形成することにより、より多くの溶接電流が得られる。これらのユニットは、並列に接続され、電流容量が2倍になる。出力リード982a、982bは、それぞれ、端子724、726に接続される。また、出力リード984a、984bは、それぞれ、端子724、726に接続される。従って、溶接機980は、図19に示したシステム900を使用することにより、図17、18に示した溶接機700として作動する。並列電源を使用することにより、個々の電源の容量を高めることなく、利用できる電流を増やすことができる。また、モジュール982、984は、それぞれ、ライン982c、984cにおいて、それら自身のワイヤフィーダ制御信号を発生する。従って、ワイヤフィーダ760、762は、2つの電源982、984の各々において利用できる、別個に調整可能な信号により制御される。従って、電極E1、E2の個々のワイヤ供給速度は、溶接機980を用いて調整される。図17乃至19に示した好適実施例の同様の変更は、図21に概略的に示されている。この図には、主電源992と第2の電源994とを有するタンデム電極溶接機990が示されている。主電源992は、出力端子996a、996bを有する。これらの端子は、それぞれ、リード992aおよび992bに接続される。リード992aは、電源992の一つの出力を、電極E1のコンタクト750に接続する。ライン992bは、コンタクトE2からおよびコンタクトE2への経路内の電流フロー用のライン100に接続される。ワークピースグラウンドの経路内の端子996bを接続するため、第2の電源994は、端子996bとワークピースWの間に直列接続される。電源994は、端子998a、998bを有する。この方法では、第2の電源994は、端子998bに接続されるリード994bと直列である。この構成では、電極E1は、フルの電流を搬送し、電極E1からおよび電極E1への電流は、電極E2とリード994bの間で分離される。これは、図16と同様の構成である。しかしながら、端子998aからのリード994aは、電源992からのリード992bに接続される。その結果、2つの電源992、994は、グラウンド994bとリード992aの間で直列接続される。2つの電源の間で、リード1000は、電極E2のコンタクト752と接続される。その結果、電極E1、E2は、Power  Wave電源994を介して、グラウンド電流経路と直列接続される。この配置を利用することにより、両電源992、994において使用される波形が等しくなり、それぞれは、図19に示すように、システム900によって形成される。電源994により、波形形成プロセスに対して調整が行われ、図21に示す溶接機のグラウンド経路に流れる電流が制御される。2つの別個の電源が使用されるため、ワイヤフィーダ760は、電源992からのライン992cの信号によって制御される。ライン994cにおける第2のワイヤフィーダ信号は、電源994によって制御される。図20に示した溶接機に関して前述したように、溶接機990は、電源デジタル制御区画において複雑なソフトウェアを使用せずに、ワイヤフィーダ760、762を独立に制御することができる点で有意である。図20には、基本的に、2つの並列モジュールを有する主電源を示す。図21では、直列接続モジュールが使用される。しかしながら、第2のモジュールは、グラウンドラインと直列接続され、グラウンドリターン回路または経路において、電流波形のより良い制御が行われても良い。
【００４１】
図1乃至16における各種技術の概念は、図16乃至21に示した溶接機に提供することができる。これらの後述する溶接機における各種概念は、相互に取り入れられ、タンデムアーク溶接機の目的が達成される。前方の2つの電極は、直列接続され、ワークピースを通る電流リターン経路を有する。
【００４２】
図22には、本発明の別の一実施例を示す。具体的には、改変された直列アーク溶接機用の溶接システム1200が示されている。溶接システム1200は、少なくとも3つの電源1210、1220、1230を有し、これらは、サブマージドアーク溶接プロセスにおける溶接に適用できる。電源は、前述のタイプであっても良い。本発明の別の実施例では、電源は、オハイオ州ClevelandのLincoln  Electric  Companyによって製造されたPower  Wave  AC/DC  1000SDと同様のタイプの電源であっても良い。当然のことながら、他の種類の電源を使用しても良い。各電源は、（それぞれ）正の出力端子1211、1221、1231と、（それぞれ）負の出力端子1215、1225、1235を有する。これらを用いて、溶接信号の正および負の部分が、正および負のリードを介して、ワークピースWに出力される。本発明の実施例では、リードの接続は、過去のものとは異なる。これは、以下に詳しく説明されるが、この接続および制御プロファイルは、他の直列アークおよび改変された直列アーク溶接システムにわたる改善につながる。
【００４３】
前述のように、例えば図17に関し、本発明の実施例では、3つの電極E1、E2、E3が使用される。本発明の態様は、3つの電極の使用に限定されるものではないことに留意する必要がある。例えば、後続電極E3の後に、追加の電極（追加の電源に接続される）を使用しても良い。また、本発明の他の一実施例では、後続電極E3（および電源1230）は、必ずしも必要ではない。これは、通常、溶接に追加のフィラー材料を提供する際に使用される。
【００４４】
本発明の一実施例では、第1及び第2の電源1210／1220の正のリード1212／1222は、リードコンタクト750に電気的に接続され、第1および第2の電源1212／1222の各々は、それぞれの溶接信号を、同じコンタクトに搬送する。これは、示された実施例では、リードコンタクト750である。図22に示した実施例では、第3の電源1230用の正のリード1232は、電源1230を後続コンタクト786に結合する。第1の電源12010の負のリード1214は、ワークピースWに結合される。そのような接続の種類は、良く知られており、グラウンドクランプ等を介して行われる。同様に、負のリード1234は、グラウンドクランプ等を介して、ワークピースWに結合される。示された一実施例では、第1および第3の電源1210／1230の両方からの負のリード1214／1234は、共通バス点1240で接続され、該バス点1240は、グラウンド点1250でワークピースWに結合される。そのような構成は、電源がワークピースWから離れて配置され、それぞれのリード1214および1234をワークピースに接続することが難しくなる際に利用できる。バス点1240は、いかなる導電性材料または配置で構成されても良い。これは、例えば単に銅の棒または板であっても良い。また、リード1214、1234は、同じ点1250でアースされる必要はないことに留意する必要がある。ただし、そのような配置は、溶接プロセスの構成および配置に応じた利点がある。
【００４５】
図12では、電源1210／1220／1230は、別個の部材として示されているが、本発明の実施例は、これに限られないことに留意する必要がある。より具体的には、本発明の実施例は、単一のユニットまたはハウジングに集積された複数の電源回路を有しても良い。示された各電源は、完全に分離された、個々の電源である必要はない。
【００４６】
第2の電源1220の負のリード1224は、第2のコンタクト752と結合される。第2の電源1220は、ワークピースWに直接接続された、グラウンドまたは負のリードを有さない。これは、従来のシステムとは逆である。そのような構成では、第1および第2の電源1210／1220からの少なくとも一部の溶接電流は、リードコンタクト750から、第2のコンタクト752を通り、第2の電源1220に戻る。溶接中、溶接電流が電極E1とワークピースWの間、および電極E1とE2の間を流れることに留意する必要がある。すなわち、2つの電流リターン経路が存在する。ワークピースおよびグラウンド点1250を通る経路と、負のリード1224を通る経路である。このため、電極E1、E2により、共通アークが形成されても、この共通アークは、電極E1とワークピースの間、および電極E1と電極E2の間のアークによって、有効に構成される。従って、第2の電源1220の端子1225とワークピースWの間には、物理的なまたは実際の電気接続は、存在しない。
【００４７】
前述のように、第1および第2の電極E1、E2は、共通の溶接アークを共有する。溶接の間、溶接電流の少なくとも一部は、第1の電極E1から第2の電極E2に流れ、負のリード1224を介して第2の電源1220に戻る。
【００４８】
そのような構成では、システム全体のインピーダンスに関する問題は、排除されなくても、軽減される。従来の技術では、電流のグラウンド経路は、溶接システムの応答性に大きな影響を及ぼす。すなわち、システム全体のインピーダンスは、グラウンド経路によって、大きな影響を受ける。グラウンド経路は、変化し、制御が難しいからである。例えば、溶接動作が進行すると、アークとグラウンド点1250の間の距離が変化する。この距離の変化は、（アークとグラウンド点1250の間の）回路の抵抗を変化させ、その結果、電気回路の全体のインピーダンスの予測ができなくなり、インピーダンスは、溶接動作の間、変化する。また、グラウンド接続1250の初期の構成は、重要であり、グラウンド点1250の配置は、最適なシステム特性を得るため、注意深く選定される必要がある。しかしながら、この場合も、グラウンド点1250が注意深く選定されたとしても、溶接プロセスが継続されると、グラウンド点1250までの距離が変化し、これによりシステムのインピーダンスが変化する。電気的システムのインピーダンスは、溶接電源の全体的な応答性に、大きく影響することが知られている。電流フローは、電気回路のインピーダンスによって大きく影響されるためである。これらの従来のシステムでは、不安定性のため、バックビード（第1のルートパス802により、ワークピースWの底部に形成されるビード）の形成に関する問題が生じる。これは、電源からの電流制御がインピーダンス変化によって悪影響を受けると、電極E1とE2の間の共通アークが不安定になるためである。また、電気回路の不安定性も、後続電極E3のアークの安定性に悪影響を及ぼす。この不安定性は、溶接品質の低下、および溶接ビード形状の劣化につながる。
【００４９】
第2の電源1220の負のリード1224を、コンタクト752のみに接続し、ワークピースWに接続しないことにより、前述のインピーダンスの問題が軽減される。これにより、第2の電源1220は、その電流出力の制御の際に、より良好な応答性を示し、従って、より安定な溶接アークおよび溶接システムが提供される。
【００５０】
以下、前述の実施例の理解を高めるため、一実施例の動作について説明する。図22に示した実施例では、リード電源1210は、マスター電源であり、第2の電源1220は、スレーブ電源であり、これは、マスター電源1210からその作動コマンドを受信する。マスター／スレーブ動作の構成は、溶接分野では良く知られており、ここでは詳しく説明しない。
【００５１】
「全電流」および「グラウンド電流」の動作のため、マスター電源1210に設定値が伝達され、および／またはマスター電源1210が設定される。全電流は、マスター電源1210およびスレーブ電源1220によって、それぞれの正のリード1212／1222を介してコンタクト750に搬送される全電流量（RMS電流）である。グラウンド電流は、ワークピースWに搬送される、すなわちグラウンド経路を介して流れる、全電流量である。次に、全電流とグラウンド電流の間の差分は、負のリード1224を介して、スレーブ電源1220に供給される。そのような電流経路のため、スレーブ電源1220は、その電流を正確に制御し、全電流およびグラウンド電流が正確に制御される。スレーブ電源の動作は、溶接の間のインピーダンス変化、あるいは初期に定められた不明確なインピーダンスによる悪影響を受けない。
【００５２】
グラウンド電流は、ワークピースWに流れる電流であるため、グラウンド電流は、溶接における全体の熱入力を定める。従って、溶接への熱入力は、正確に制御され、所与の溶接動作用に最適化される。この最適化は、全電流とグラウンド電流の間の関係および／または差異を調整することにより行われる。すなわち、グラウンド電流は、全電流が維持されたまま、抑制することができる。従って、溶接プロセスの全堆積速度は、影響を受けず（全電流が維持されるため）、全熱入力が抑制される（溶接部に供給されるグラウンド電流の低減による）。あるいは、溶接プロセスの堆積速度は、溶接部全体の熱入力を高めることなく、増大させることができる。利用される全電流は、得られる全体の堆積速度を定める。通常、全電流が増加すると、堆積速度は上昇する。しかしながら、従来のシステムでは、全電流の増加は、熱入力も増加することを意味する。これは、特に、薄いワークピースWを溶接する際に問題となる。本発明の実施例では、溶接プロセスにおいて、全体の熱入力を変化させない状態で、大きな堆積速度を得ることができる。例えば、全電流が1200Aで、グラウンド電流が700Aの実施例では、ワークピースWへの熱入力を両方の用途と正確に同じ状態に維持したまま、全電流が1000Aでグラウンド電流が700Aのプロセスに比べて、大きな堆積速度が得られる。
【００５３】
本発明の一実施例では、第1の電源1210および第2の電源1220の電流レベル（RMS電流）は、同じではない。特に、本発明の一実施例では、リード電源1210は、溶接動作において、第2の電源1220よりも大きなRMS電流を提供する。換言すれば、本発明の実施例では、グラウンド電流は、供給される全電流の50％よりも常に大きい。例えば、溶接動作用に、全体で1000Aが望ましく、グラウンド電流として600Aが望ましい場合、リード電源1210は、全体で600Aの電流を提供し、第2の電源1220は、残りの400Aを提供する。そのような構成では、リード電源1210は、マスター電源であり、第2の電源1220は、スレーブ電源である。ユーザの設定（以下に示す）に基づいて、マスター電源1210は、自身がグラウンド電流を提供するように設定され、スレーブ電源1220に、所望の全電流とグラウンド電流の間の残りの差分を提供するように指令する（前述の例では400A）。
【００５４】
本発明の一実施例では、マスター電源とスレーブ電源1210／1220によって供給される電流の差は、50から600Aの範囲である。本発明の別の実施例では、供給される電流の差は、100から500Aの範囲である。大きな差により、マスター電源と同じ給電速度を有しないスレーブ電源を使用することが可能となる。これは、スレーブ電源に小さな電源を利用することができるようになり、作動コストの抑制につながる。
【００５５】
動作の間、オペレータは、所望の全電流および所望のグラウンド電流の双方を設定し、マスター電源1210内の制御回路により、マスター電源およびスレーブ電源1210／1220を、それぞれの設定値に設定することができる。この構成では、マスター電源およびスレーブ電源1210／1220の各々は、個々に応答し、溶接部に、それぞれの電流が供給される。そのような構成では、全電流およびグラウンド電流の全体の制御が最適化される。従って、直列アークの電流は、もはや回路のインピーダンスを変化させることによっては定められなくなり（例えば、ワークピースの存在のため）、スレーブ電源1220によって直接制御されるようになる。
【００５６】
本発明の実施例では、マスター電源およびスレーブ電源によって提供される溶接信号は、一定の電圧信号である。別の実施例では、信号は、一定の電流信号である。理想的には、電源1210、1220は、溶接パラメータに基づいて、両方のタイプの溶接信号を提供することができる。
【００５７】
図23には、前述のシステムの実施例とともに使用され得る、溶接搬送組立体1260の一実施例を示す。組立体1260は、サポート1261を有し、このサポートは、溶接動作の間、各コンタクト750、752、786を相互に対して固定する。示された実施例では、コンタクト786は、溶接表面に対して垂直に配向され、電極E3用の突出長さYを提供する。突出長さYは、適当な溶接動作が得られる、いかなる長さであっても良く、0.75から2.5インチの範囲であっても良い。一連のコンタクト750、752は、相互に隣接して配置され、相互に対して傾斜している。コンタクト750、752の中心線の間の角度βは、15から45°の範囲であり、ある実施例では、25から35°の範囲である。また、示された実施例では、コンタクト752は、後続コンタクト786に対して角度αだけ傾斜している。本発明の実施例では、角度αは、0から15°の範囲である。各コンタクト750、752は、溶接の間、ワークピースWの底部表面の上部で、それらの各電極E1、E2が、約0.25インチの距離で交差するように配向され、配置される。別の実施例では、薄いワークピースを溶接する場合、交差点は、ワークピースの上部表面の上部にある。電極の交差は、被溶接ワークピースの厚さに基づいて、溶接動作を最適化するように選定される必要がある。また、各コンタクト750、752は、それぞれ、突出距離WおよびZを提供する。これらは、0.75から2.5インチの範囲である。本発明の一実施例では、突出距離WおよびZは、同じであるが、他の実施例では、突出距離は、異なっていても良い。
【００５８】
また、図23に示した実施例では、コンタクト752および後続コンタクト786は、各電極E2、E3の間に距離Xが生じるように、サポート1261上に配置される。距離Xは、電極E3からの堆積が、電極E1、E2によって形成される溶接部への堆積に適するように選定される。Xがあまりに大きくなると、電極E3の堆積は、E1およびE2を用いた溶接によって生じたスラグによって妨害される。スラグは、フラックスの使用によって形成され、これは、この分野の当業者には知られている。しかしながら、距離Xが極端に小さいと、それぞれの溶接アークが相互に干渉し、あるいは溶接ゾーンへの大きな全体の熱入力が生じる。本発明の一実施例では、距離Xは、3から6インチの範囲である。他の実施例では、距離xは、4から5インチの範囲である。
【００５９】
電極E1、E2、E3は、所望の溶接仕様（例えば堆積速度など）、および溶接特性（例えば強度など）に基づいて選択される。本発明のある実施例では、電極E1、E2、E3の直径は、異なっても良い。例えば、E1は、3／16インチの直径を有し、E2は、1／8インチの直径を有し、E3は、5／32インチの直径を有する。当然のことながら、所望の特性に基づいて、他の直径を選定しても良い。同様に、電極の組成は、所望の溶接の化学的性質に基づいて、異なっていても良い。例えば、E1およびE2は、同じ化学的性質を有し、E3は異なる化学的性質を有する。本発明の実施例は、これに限定されるものではなく、所望の各種化学的組み合わせを実施しても良い。
【００６０】
また、動作の間、各電極E1、E2、E3もワイヤ供給速度は、等しくなくても良い。すなわち、溶接の間、電極E1、E2、E3は、所望の必要な相対堆積速度のため、異なるワイヤ供給速度で、溶接部に供給されるように考慮されても良い。図22に示された実施例では、電極E1、E2、E3用の別個のワイヤフィーダの各々は、それぞれのワイヤ供給信号ポスト1213、1223、1233を介して、電源に結合される。そのような実施例では、各電源は、ワイヤフィーダの動作を制御し、ワイヤ供給速度は、各ワイヤE1、E2、E3で変えることができる。しかしながら、本発明の別の実施例では、各一連のワイヤE1、E2のワイヤフィーダは、マスター電源1210のポスト1213に結合され、これらの各々が同じ信号を受信するようにしても良い。そのような実施例では、一連のワイヤE1、E2のワイヤ供給速度は、同じであり、各ワイヤフィーダは、同じ制御信号を受信する。そのような構成の例は、図17に示されている。この図において、リード764は、両方のワイヤフィーダ760、762に結合される。
【００６１】
図24には、本発明の別の一実施例を示す。具体的には、溶接システム1300は、図22に示したものと同様の構成を有する。（従って、明確化のため、同様の参照符号は、繰り返さない。）ユーザインターフェース1310は、全電流1311およびグラウンド電流1312用の入力を有するように提供される。ユーザインターフェース1310は、接続1313を介して少なくともマスター電源1210に結合され、設定値が溶接用の電源1210に伝達される。図24において、ユーザインターフェース1310は、別個の部材として示されているが、本発明の実施例は、この構成に限定されるものではない。具体的には、入力1311および1312を有するユーザインターフェース1310は、例えばマスター電源1210のような電源と一体化されても良い。本発明の実施例は、これに限定されない。ユーザインターフェース1310は、例えばPC系装置などのような、ユーザの設定点またはデータの入力が可能な、いかなる既知のシステムまたは装置であっても良い。本発明の実施例は、これに限定されない。
【００６２】
動作中、マスター電源1210は、全電流およびグラウンド電流の設定入力を受信し、その後、その出力電流設置値が設定され、グラウンド電流設定と整合される。マスター電源1210は、スレーブ電源1220と結合され、スレーブ電源1220は、全電流とグラウンド電流の間の差に、それ自身の電流出力を設定する。従って、マスター電源1210とスレーブ電源1220の組み合わされた出力は、所望の全電流となる。マスター電源1210は、スレーブ電源に対して所望の設定点で通信し（すなわち全電流とグラウンド電流の間の差）、または全電流およびグラウンド電流の設定値を単純に伝達し、スレーブ電源は、それ自身の設定点を定める。
【００６３】
当然のことながら、他の構成を利用することもできる。例えば、ユーザインターフェース1310は、マスター電源とスレーブ電源1210／1220の両方に結合され、各々に設定情報が伝達され、これらは、電源用の適当な作動設定点を設定する。設定点は、マスター電源およびスレーブ電源に伝達され、または各電源1210／1220の各々が、自身の設定点を定め、設定する。また、ユーザインターフェース1310は、スレーブ電源1220のみに結合することもできる。その後、マスター電源1210に設定点が伝達され、次に、溶接動作の態様が制御される。
【００６４】
図24に示した一実施例では、マスター電源1210と第3の電源1230の間に、リンク1319が存在する。このリンクにより、作動目的のため、各電源が連携することが可能となる。すなわち、マスター電源1210は、少なくとも一つの作動パラメータを、第3の電源1230に伝達する。例えば、本発明の実施例では、マスター電源1210は、位相差設定値を後続電源1230に伝達し、これは、溶接動作を安定化させるユーザ入力設定値となる。例えば、一連の溶接波形および後続アークがバランス化されると、波形は、面内となる。しかしながら、波形の一方または両方がバランス化されないと、後続アーク波形は、一連のアーク波形とともに面外に設定される必要がある。波形は、1乃至359°だけ位相がずれ、安定な溶接アークを提供するための設定を行う必要がある。
【００６５】
また、図24に示すように、本発明の実施例は、ワークピースに接続された、電圧または電流の検知リード1317／1321（または両方）を有する。電圧／電流検知リードの使用は、一般に知られており、ここではこれ以上説明しない。検知リードは、通常、フィードバックリードとして使用され、各電源1210／1230のモニタおよびその動作制御が可能となる。示された実施例では、スレーブ電源1220は、ワークピースWに接続された検知リードを有さない。実際、スレーブ電源1220は、ワークピースWとは直接接続されない。
【００６６】
前述のように、本発明のこの態様の実施例は、安定な改良型直列アーク溶接法を提供する。マスター電源およびスレーブ電源によって生じた電流およびアークの制御は、より高精度であるからである。従って、本発明の実施例は、ワークピース厚さの広い範囲にわたって、より良好な制御、およびより良好な品質を提供し、過度の熱入力による、いかなる悪影響も生じない。すなわち、本発明の実施例では、（例えば）1／4から1インチの範囲の厚さを有するワークピースを溶接することができる。グラウンド電流設定値の調整により、変化する厚さに容易に対応することができる。例えば、薄い材料を溶接する際、グラウンド電流（ワークピースに流れる電流）を低減する一方、全電流は、未変化のままにされる。そのような状況では、薄い材料への全体の熱入力は抑制されるが、所望の堆積速度が維持される。従って、グラウンド電流および全電流の設定値は、少なくとも被溶接ワークピースの厚さに基づき、ユーザは、厚さを考慮して、これらの設定値の各々を設定することができる。薄いワークピースの場合、ユーザは、迅速な溶接速度が可能となる全電流、および薄いワークピースの場合に問題となるワークピースへの熱入力を大きく抑制するグラウンド電流を入力することができる。これは、従来のシステムを超える利点であり、従来のシステムでは、薄い材料の溶接の際に、小さな電流（および相応の熱入力）が必要となる。これらの利点のため、片側から、高品質なバックビード構造を有する（造船分野等で使用されるような）高強度鋼を、良好な制御で溶接することができる。これは、本発明の実施例は、従来の方法を超える、顕著な移動速度の改善を提供することを意味する。本発明の実施例では、薄いおよび厚いワークピースにおいても、25から35インチ／minの範囲の移動速度が得られる。これらのワークピースでは、通常、遅い移動速度が必要である。別の実施例では、移動速度は、15から40インチ／minの間の範囲である。当然のことながら、より大きなまたは小さな移動速度を得ることも可能であることが理解される。
【００６７】
本発明の別の実施例では、各種溶接波形パラメータを調整して、ワークピースの厚さおよび他の特性に基づいて、ならびに所望の溶接パラメータに基づいて、溶接特性を最適化することができる。具体的には、溶接波形の波形バランス、波形オフセット、周波数、および位相角を最適化して、所望の溶接特性および性能を得ることができる。本発明の一実施例では、前述のような正弦波プロファイルの代わりに、矩形波プロファイルが使用され得る。溶接波形の電流および電圧は、ピーク値でより多くの時間を使うため、矩形波プロファイルは、高い効率を提供することが知られている。矩形波プロファイルを使用することにより、向上したアーク安定性が得られ、単一溶接パスでの厚いピースへの溶接が可能となり、迅速な速度および抑制された全熱入力での、薄い板への溶接が可能となる。
【００６８】
波形バランスは、溶接波形の直流＋成分を表す。すなわち、25％のバランスを有する波形は、サイクルの25％が正で、残りの75％が負であるサイクルを有する波形である。これは、図25のグラフに示されている。図には、負のバランスと、バランス化された波形の両方が示されている。同様に、図26には、バランス化波形と比較して、正の未バランス化波形が示されている。本発明の一実施例では、一連の電極E1、E2用の中性または負のバランス化波形を使用することが望ましい。これは、波形バランスが50％以下である。負のバランスを使用することで、溶接電極（E1、E2、E3）の溶融落下が増大する。溶接波形の波形バランスを調整することにより、浸透を抑制したまま、堆積を高めることができる。本発明の一実施例では、調整電極E3は、50％よりも大きく正にバランス化された波形バランスを有する。
【００６９】
波形オフセットは、0電流交点に対する電流波形のプラスまたはマイナスのずれを表す。従って、電流が正または負である時間の量に影響するバランスとは対照的に、オフセットは、電流の振幅をずらし、より正またはより負にする。オフセットを使用して、溶接中のワークピースWへの浸透の量が制御される。また、オフセット制御を利用することにより、特定の電極直径用の電流範囲の下限近傍の溶接の際の、アークの安定性が改善される。図27には、オフセットを有しない矩形波、および負のオフセットを有する矩形波のグラフを示す。図から明らかなように、負のオフセット波形は、電流ピークがより負側に（および正が小さくなる側に）シフトするようにずらされる。本発明の実施例は、ピークアンペア数（正または負）の+／-25％の範囲のオフセットを有する。
【００７０】
また、本発明の一実施例では、波形周波数が使用され、最適な溶接パラメータが提供される。例えば、波形の周波数を高めることにより、溶接ビード幅が減少し、溶接ビードの凸部が大きくなる。また、波形周波数を低下させることにより、ピーク電流および電圧値で、より多くの溶接時間が利用可能になり、波形の遷移領域において、より少ない全体の時間が使用されるようになる。従って、溶接は、より効率的になる。本発明の一実施例では、溶接波形の周波数は、20から100Hzの間である。
【００７１】
位相角は、複数の交流電流経路の角度距離である。図28には、90°の位相角の差を有する2つの電流経路を示す。タンデムで作動する、2つの独立の交流アークの間の電気的位相角は、アークおよび溶接プールの安定性に影響を及ぼすことが知られている。従って、位相角は、アークの安定性、ビード形状、浸透、およびビード端部の外観に影響を及ぼす。位相角は、0から360°のいかなる角度に設定しても良く、これは、所望の溶接ビード特性および特徴に依存する。
【００７２】
より大きな浸透が望ましいが、フィラー金属は抑制する必要があるような（例えばバット溶接タイプの接合）本発明の一実施例では、波形バランスは、50％よりも大きく、正のオフセットが利用される。浸透とフィラー金属堆積の間のバランスが要求される実施例では、50％以下のバランスが利用される。浸透がほとんど要求されないが、大きな充填が要求されるような（例えばVノッチ溝）他の実施例では、バランスは、50％未満にされ、20から100Hzの範囲の高い周波数が使用され、負のオフセット値が使用される。ある実施例では、20Hz未満の周波数、または100Hzを超える周波数を使用することが可能である。しかしながら、溶接動作の安定性は、維持される必要がある。
【００７３】
本発明の一実施例では、後続電極E3の溶接波形を調整して、一連の電極E1、E2よりも大きな浸透を得ることが有意である。これは、ビード形状特性のため、後続電極E3が、電極E1、E2によって形成されたビードに、より浸透することが望ましい場合があるからである。
【００７４】
一実施例を参照して、本発明を、具体的に示し説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。当業者には、特許請求の範囲によって定められた本発明の思想および範囲から逸脱しないで、各種形態および細部の変更がなされ得ることが理解される。
【符号の説明】
【００７５】
１０        出力リード                ７０ａ        局部的相互接続ライン
１２        出力リード                ７０ｂ        局部的相互接続ライン
１４        電流変換器                ７０ｃ        局部的相互接続ライン
１６        ライン                    ８０          発生器
１８        遠隔中央制御              ８２−８８    位相設定信号
２０        リード                    １００        インバータ
２２        リード                    １０２        入力整流器
２４        電流変換器                １１０        出力変換器
２６        ライン                    １１２        出力調整器
３０        マスター制御／電源        １２０        タップ化インダクタ
３２        スレーブ制御／電源        １４０ａ      制御器
４０        一方向ライン              １４０ｂ      制御器
４４        ライン                    １４２        ライン
４４ａ      ライン                    １４４        ライン
４４ｂ      ライン                    １５０        変換器
４６        ライン                    １５２        エラー増幅器
４６ａ                                １５２ａ      第１の入力
４６ｂ      ライン                    １５２ｂ      第２の入力
５０        ゲートウェイ              １６０        変換器
５２        ゲートウェイ              １６２        幅モジュレータ
６０        ウェブサーバ              １６４        オシレータ
６２        内部情報                  ２００        ワークピース
７０        イーサネットネットワーク  ２０２        タンデム電極
２０４      タンデム電極              ２７０        信号
２０６      タンデム電極              ２７２        正の部分
２１０      オープンルート部          ２７４        負の部分
２１２      堆積                      ２８０        信号
２１４      堆積                      ８２        正の部分
２１６      堆積                      ２８４        負の部分
２１７      出力リード                ２９０        正の部分
２１８      出力リード                ２９１ａ      ポイント
２２０      インバータ                ２９１ｂ      ポイント
２２２      整流器                    ２９２        負の部分
２２４      パルス幅変調ステージ      ２９４ａ      ポイント
２２４ａ    ライン                    ２９４ｂ      ポイント
２２６      オシレータ                ２９６ａ      垂直ライン／形状
２２８      ホール効果トランジスタ    ２９６ｂ      垂直ライン／形状
２３０      比較器                    ３１０        第１の波形形状
２３２      ライン                    ３１０ａ      別個の電流パルス
２３４      ライン                    ３１２        第２の波形形状
２４０      波形形成器                ３１２ａ      別個の電流パルス
２４２      ライン                    ３２０        正の部分
２５０      入力                      ３２０ａ      電流パルス
２５２      シフトプログラム          ３２２        負の部分
２５４      ライン                    ３２２ａ      パルス
２６０      信号                      ３３０        正の部分
２６０ａ−２６０ｎ  ライン            ３３０ａ      電流パルス
３３２      負の部分                  ３８２ａ      部分
３３２ａ    パルス                    ３８２ｂ      部分
３５０      磁気フラックス            ３９０      領域
３５２      磁気フラックス            ３９２      領域
３５４      中央領域                  ３９４      領域
３６０      溶融金属部                ３９６      領域
３６２      溶融金属部                ４００      波形
３６４      溶融金属部                ４０２      振動波形
３６６      溶融金属部                ４１０      極性関係
３７０      磁気フラックス            ４１２      極性関係
３７０ａ    正の正弦波部分            ４１４      極性関係
３７０ｂ    大きな負の部分            ４２０      波形
３７０ｃ    垂直ライン                ４２０ａ    小さな正の部分
３７０ｄ    垂直遷移                  ４２０ｂ    大きな堆積（成膜）部分
３７２      磁気フラックス            ４２０ｃ    直線極性遷移
３７２ａ    小さな浸透部分            ４３０      波形
３７２ｂ    大きな負の堆積部分        ４３０ａ    正の部分
３７２ｃ    垂直ライン                ４３０ｂ    負の部分
３７２ｄ    垂直ライン                ４３０ｃ    垂直極性遷移
３７４      中央部分                  ４５０      第１の波形
３８０      波形                      ４５０ａ    正の部分
３８０ａ    部分                      ４５０ｂ    負の部分
３８０      部分                      ４５２      隣接波形
３８２      波形                      ４５２ａ    正の部分
４５２ｂ    負の部分                  ５６４      ライン
４５４      隣接波形                  ５７０      ホールド電流
４５４ａ    正の部分                  ５７２      ホールド電流
４５４ｂ    負の部分                  ５７４      ホールド電流
４５６      隣接波形                  ５８０      ライン
４５６ａ    部分                      ５８２      ライン
４５６ｂ    部分                      ５８４      ゲート
４６０      同期化信号                ６００      ソフトウェアフリップフロップ
５００      マスター電源              ６０２      ライン
５０２      ライン                    ６０４      端子
５０４      ライン                    ６１０      ライン
５１０      ホール効果トランジスタ    ６１２      ライン
５１２      ライン                    ７００      電気アーク溶接機
５２０      並列スレーブ電源          ７０２      溝
５２２      並列スレーブ電源          ７０４      溝
５３０      接合                      ７１０      板
５３２      ホール効果トランジスタ    ７１２      板
５３４      ホール効果トランジスタ    ７１４      端部
５５０      ソフトウェア比較器回路    ７１６      端部
５５２      ソフトウェア比較器回路    ７１８      角度
５５４      ソフトウェア比較器回路    ７２０      機構
５５６      ライン                    ７２２      主電源
５６０      ライン                    ７２４      出力端子
５６２      ライン                    ７２６      出力端子
７３０      リード                    ７８６      コンタクト
７３２      リード                    ７９０      ワイヤフィーダ
７３４      ライン                    ７９０ａ    離間駆動ロール
７３６      ライン                    ７９０ｂ    離間駆動ロール
７４０      スプール                  ７９０ｃ    モータ
７４２      スプール                  ７９２      ライン
７５０      電気コンタクト            ８００      溶接パドル
７５２      電気コンタクト            ８０２      第１のルートパス
７６０      ワイヤフィーダ            ８０４      オーバーレイビード
７６０ａ    駆動ロール                ８１０      フラックスディスペンサ
７６０ｂ    駆動ロール                ８１２      分散モータ
７６０ｃ    モータ                    ８１４      ホッパ
７６０ｄ    リード                    ８１６      管
７６２      ワイヤフィーダ            ９００      波形／システム
７６２ａ    駆動ロール                ９１０      パワーウェーブ電源
７６２ｂ    駆動ロール                ９１２      高切り換え出力ステージ
７６２ｃ    モータ                    ９１２ａ    出力端子
７６２ｄ    リード                    ９１２ｂ    出力端子
７６４      ライン                    ９１４      入力整流器
７７０      機構                      ９２０      電極
７７２      予備電源                  ９２２      ワークピース
７８０      ライン                    ９３０      電流シャント
７８２      ライン                    ９３２      ライン
７８４      スプール                  ９４０      比較器
９４２      幅モジュレータ回路        ９９４      第２の電源
９４４      オシレータ                ９９４ａ    リード
９５０      ネットワーク              ９９４ｂ    リード
９５２      入力ライン                ９９６ａ    出力端子
９５４      出力ライン                ９９６ｂ    出力端子
９６０      波形発生器                ９９８ａ    端子
９６２      ネットワーク              ９９８ｂ    端子
９７０      ライン                    １０００    ライン
９７２−９７８  波形調整回路          １２００    溶接システム
９７２ａ−９７８ａ  調整ネットワーク  １２１０    電源
９８０      電気アーク溶接機          １２１１    正の出力端子
９８２      パワーウェーブユニット    １２１２    正のリード
９８２ａ    出力リード                １２１３    ワイヤ供給信号ポスト
９８２ｂ    出力リード                １２１４    負のリード
９８２ｃ    ライン                    １２１５    負の出力端子
９８４      パワーウェーブユニット    １２２０    電源
９８４ａ    出力リード                １２２１    正の出力端子
９８４ｂ    出力リード                １２２２    正のリード
９８４ｃ    ライン                    １２２３    ワイヤ供給信号ポスト
９９０      タンデム電極溶接機        １２２４    負のリード
９９２      主電源                    １２２５    負の出力端子
９９２ａ    リード                    １２３０    電源
９９２ｂ    リード                    １２３１    正の出力端子
９９２ｃ    ライン                    １２３２    正のリード
１２３３    ワイヤ供給信号ポスト      Ｅ１        第１の電極
１２３４    負のリード                Ｅ２        第２の電極
１２３５    負の出力端子              Ｅ３        第３の電極
１２４０    共通バスポイント          ＥＣＬＫ    端子
１２５０    グラウンド点              Ｆ          分散フラックス
１２６０    溶接運搬組立体            Ｌ１        ３相ライン電流
１２６１    サポート                  Ｌ２        ３相ライン電流
１３００    溶接システム              Ｌ３        ３相ライン電流
１３１０    ユーザインターフェース    Ｎ          ネットワーク
１３１１    全電流                    Ｐ          溶融金属パドル
１３１２    グラウンド電流            ＰＳＡ      電源
１３１３    接続                      ＰＳＢ      電源
１３１７    電流検知リード            ＰＳ１      個々の電源
１３１９    リンク                    ＰＳ２      個々の電源
１３２１    電流検知リード            ＰＳ３      個々の電源
Ｑ          端子
Ａ          第１のマスター溶接機      Ｑ１        反対極性スイッチ
ＡＣ１      アーク                    Ｑ２        反対極性スイッチ
ＡＣ２      アーク                    Ｓ          溶接システム
Ｂ          フォロー溶接機            Ｗ          ワークピース
Ｃ          制御器                    ＷＰ        溶接経路
ＣＫ        端子                      ＷＳ        溶接ステーション
Ｄ          端子                      Ｘ          距離
Ｅ          電極                      Ｙ          突出長さ
Ｚ          距離
β          角度
ａ          最大振幅
ａ’        高さ／振幅
ｂ          幅／時間
ｂ’        時間長さ／期間
ｃ          時間／期間
ｃ’        時間長
ｄ          最大の大きさ
ｄ’        最大振幅
ｈ          突出
ｒ          矢印
０          ロジック
１          ロジック
ＲＥＡＤＹ１  ライン
ＲＥＡＤＹ２  ライン
ＲＥＡＤＹ３  ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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