(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接フィードワイヤであって、
溶接フィードワイヤ長さに沿って溶接フィードワイヤ近端から溶接フィードワイヤ遠端に延在するとともに、溶接フィードワイヤ近端から溶接フィードワイヤ遠端にレーザーエネルギを導通するレーザー透過材料から形成されるレーザー導通エレメントと、
溶接フィードワイヤ長さに沿って前記近端から前記遠端に延在する溶加材と、
を含み、
前記溶加材および前記レーザー導通エレメントは、溶融池に加えられるように構成されている、
溶接フィードワイヤ。
【請求項２】
前記レーザー導通エレメントを含む心線を包囲する前記溶加材の管状外套として形成されている、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項３】
前記溶加材を含む心線を包囲する前記レーザー導通エレメントの管状外套として形成されている、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項４】
前記レーザー導通エレメントは、前記溶接フィードワイヤの外套内または心線内に、少なくとも１つの光ファイバを含む、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項５】
前記レーザー導通エレメントは、光ファイバの円形アレイを含み、前記光ファイバの円形アレイは、前記溶加材を含む心線を包囲する外套を形成している、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項６】
前記レーザー導通エレメントおよび前記溶加材のいずれか一方が、半円形状またはＣ字形状の横断面を有し、
前記レーザー導通エレメントおよび前記溶加材のいずれか他方が、前記半円形状または前記Ｃ字形状内に配置された心線を含む、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項７】
前記レーザー導通エレメントは、前記溶加材を含む心線の周囲に編み込まれた光ファイバを含む、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項８】
さらに、溶接フィードワイヤ長さに沿って前記溶接フィードワイヤ内に配置されたフラックス材料を含む、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項９】
前記溶加材は、ニッケルであり、
前記溶接フィードワイヤはさらに、前記溶接フィードワイヤ内に、ニッケルベースの超合金を形成するための付加製造または補修の溶融池のニッケルに結合する粉末成分を含む、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項１０】
前記溶加材および前記レーザー導通エレメントは、溶接フィードワイヤ長さに沿って並列に延在しており、結合材料によって結合されている、
請求項１記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項１１】
前記結合材料は、粉末材料または繊維材料を含む、
請求項１０記載の溶接フィードワイヤ。
【請求項１２】
装置であって、
溶接フィードワイヤ近端から溶接フィードワイヤ遠端へレーザーエネルギを導通する、溶接フィードワイヤ長さに沿ったレーザー導通エレメントと、溶接フィードワイヤ長さに沿った溶加材と、を含む、溶接フィードワイヤと、
前記溶接フィードワイヤを、前記溶加材によって形成される溶融池へ供給している間、溶接フィードワイヤ近端側で、前記レーザー導通エレメントにレーザービームを注入する、レーザー放出装置と、
を含み、
前記レーザー導通エレメントは、前記溶融池を覆うスラグの層を少なくとも部分的に形成する、
装置。
【請求項１３】
さらに、前記溶接フィードワイヤのコイルを保持し、付加製造または補修において前記溶接フィードワイヤを供給するスプールを含む、
請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザー放出装置は、前記スプールの回転軸線に沿って、前記スプール上のリフレクタへレーザービームを放出し、
前記リフレクタは、前記スプールとともに回転し、付加製造または補修において前記スプール上の溶接フィードワイヤ近端へ前記レーザービームを反射する、
請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記レーザー導通エレメントは、前記溶加材を含む心線上に光ファイバの円筒状外套を含み、
前記装置はさらに、前記レーザービームを、前記円筒状外套の周囲の前記光ファイバに結合される円筒管状レーザービームへ整形する光学レンズのセットを含む、
請求項１２記載の装置。
【請求項１６】
付加製造および補修の方法であって、
溶接フィードワイヤ長さに沿った溶加材と、溶接フィードワイヤ近端から溶接フィードワイヤ遠端へレーザーエネルギを導通する、溶接フィードワイヤ長さに沿ったレーザー導通エレメントと、を含む、溶接フィードワイヤを用意するステップと、
溶接フィードワイヤ近端側で、レーザービームを前記レーザー導通エレメントへ注入し、その一方、溶接フィードワイヤ遠端側で、前記溶接フィードワイヤを、前記溶加材を連続的に溶融させながら、レーザービームによって形成される溶融池へ供給するステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
さらに、
スプール上に前記溶接フィードワイヤを取り付けるステップと、
前記レーザービームを前記スプールへ配向して溶接フィードワイヤ近端に入射させ、その一方で、前記溶接フィードワイヤの供給のために前記スプールを回転させるステップと、
を含む、
請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記スプールの回転軸線に沿って前記レーザービームを配向してリフレクタへ入射させ、前記リフレクタによって前記レーザービームを溶接フィードワイヤ近端へ配向するステップを含む、
請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付加製造および補修のための装置および方法、ならびに、特に、こうした方法における溶接フィードワイヤを溶融するレーザーエネルギの供給に関する。
【０００２】
発明の背景
レーザー溶接中およびクラッディング中のレーザーエネルギの供給と溶加材の供給との調整には課題が多い。粉末溶加材はプリプレースできるが、これには手間が掛かり、重力によって保持可能な配置に制限されるうえ、処理中に散乱しやすい。溶接フィードワイヤは任意の位置に供給可能であるが、その運動をレーザービームの運動と協調させなければならない。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
本発明を以下に図面を参照しながら説明する。
【図１】中央部にレーザー光ファイバを有する溶接フィードワイヤを示す側断面図である。
【図２】図１の溶接フィードワイヤを線２−２に沿って切断した横断面図である。
【図３】外部レーザー光ファイバを有する溶接フィードワイヤを示す側断面図である。
【図４】図１の溶接フィードワイヤを線４−４に沿って切断した横断面図である。
【図５】図１に示されている溶接フィードワイヤの実施形態の製造を示す横断面図である。
【図６】別の溶接フィードワイヤの実施形態の製造を示す横断面図である。
【図７】レーザー注入部を有する溶接フィードワイヤのスプールを示す側断面図である。
【図８】レーザービームを円筒管状ビームへ整形する屈折レンズのコンセプト面のジオメトリを示す図である。
【図９】レーザービームを円筒管状ビームへ整形する屈折レンズの別の面のジオメトリを示す図である。
【図１０】並列（サイド‐バイ‐サイド）方式の実施形態を示す横断面図である。
【図１１】濃縮された溶加材粉末とフラックス成分とを含むバインダによる外套が設けられた光導体を示す断面図である。
【０００４】
発明の詳細な説明
本発明の発明者らは、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）およびフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）において、アーク溶接プロセスを有効化するための溶加材の供給と電気エネルギの導通との２つの機能に溶接ワイヤを用いると、エネルギが溶接ワイヤの端部につねに正確に供給されることに気付いた。本発明の発明者らは、ここに、同じ利点を提供するレーザー処理に用いられる溶接フィードワイヤを説明する。
【０００５】
図１は、溶加材の外套２２を有する溶接フィードワイヤ２０の側断面図である。この溶加材は例えば金属であって、溶接またはクラッディングまたは付加製造のために溶融池２４に加えられる。フィードワイヤは、ワイヤの心線２７内に、レーザー導通エレメント、例えば光ファイバ２６を有する。レーザー放出装置２８は、フィードワイヤ近端３２側で、レーザービーム３０をレーザー導通エレメントに注入する。フラックス２９および／または溶加材の成分添加剤は、例えば粉末形態で心線に適用可能である。
【０００６】
例えば、溶接外套２２は、例えばＮｉＣｏＣｒＡｌＹなどの所望の超合金の押出成形可能なサブセットから製造できるが、ワイヤ内への引出しまたは押出しが困難であることがある。しかし、ニッケルワイヤは、溶融池２４においてニッケルと結合するＣｏ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｙの粉末を含む中空心線２７によって製造可能である。こうした粉末は、合金の形態および／または元素もしくは化合物の形態の粒子から形成できる。
【０００７】
レーザー導通エレメント２６それ自体をフラックスとして用いることもできる。例えば、シリカ（ＳｉＯ２）は、１．０６μｍのレーザー光に対して高い透過性を有しかつ超合金材料のレーザー処理のためのフラックスとしても機能する、光ファイバを形成する。フラックスは、スラグ３６の保護層を溶融池２４上に形成する。こうした系の利点は、レーザーエネルギがフィードワイヤ２０の遠端３４に正確に供給され、レーザービームの運動とフィードワイヤの運動との個別調整の必要を無くせるということである。レーザー出力はフィードワイヤの速度に比例するように制御可能である。
【０００８】
図２は、図１を線２−２で切断した、溶接フィードワイヤの横断面図である。寸法比は、例えば、溶接外套２２に対して心線２７および／またはその内部の光ファイバ２６が拡大されるように、調整可能である。溶接外套２２は、光ファイバの過熱を回避するための急速冷却部を備える形態で心線２７の周囲に押出成形可能である。
【０００９】
図３は、溶加材４２と選択的にさらにフラックス２９および／または付加的な溶加成分とを含む心線４７を有する溶接フィードワイヤ４０の実施形態を示す側断面図である。レーザー導通エレメント、例えば光ファイバ４６は、心線を包囲している。レーザー放出装置４８は、フィードワイヤ近端側で、レーザー導通エレメント４６への注入のためにビーム５０を円筒管状ビーム６６へ整形するレンズ６０，６２，６４を介して、レーザービーム５０をレーザー導通エレメント４６へ注入する。フラックス２９および溶加材に対する元素添加物は、心線内に適用可能である。
【００１０】
この実施形態の利点は、溶加材のワイヤ４２に例えばポリマーなどのバインダの形態のフラックス２９をコーティングし、その後、光ファイバ４６の円形アレイを心線４７の外套としての母材に適用することにより容易に製造可能であるということである。光ファイバ４６はパラレル型であってよい。これに代えて、心線４７の周囲に光ファイバを編み機によって中空編みし、その後、例えばポリマーなどの母材に含浸させてもよい。溶加材、例えばニッケルを押出してまたは引出して溶加材のワイヤ４２を形成する際の熱は、後に付加される光ファイバを損なわない。さらにこれに代えて、溶加材は、心線内にフラックスおよび／または金属粉末を含む心線ワイヤであってもよい。
【００１１】
図４は、図３の溶接フィードワイヤを線４−４で切断した横断面図である。寸法比は調整可能である。この実施形態のさらなる利点は、高いエネルギ送信容量を提供する大きなレーザー導通断面積が得られ、溶融池の均一な加熱のために溶加材４２を完全に包囲できるということである。しかし、図示のような完全な包囲は本発明にとって必須ではない。
【００１２】
図５は、溶接外套を有する形態で形成された溶接フィードワイヤ２０Ｂの実施形態の横断面図である。溶接外套は２つの半部２２Ａ，２２Ｂに分割されており、これらの半部２２Ａ，２２Ｂは、浅い溶接部７０によって、または、他の接合手段、例えば、光ファイバを過剰な加熱から保護する過渡液相接合部によって、接合されている。
【００１３】
図６は、溶接フィードワイヤ４０Ｂの実施形態の横断面図であり、半円形状もしくはＣ字形状の断面を有する光学外套４６Ｂを形成し、溶加材４２およびフラックス２９の心線４７を導入することによる製造が示されている。心線には、締り嵌め部および／または例えばポリマーを含む結合剤を導入可能である。相互に向き合う一対のシーブ７２，７４によって完成心線４７をＣ字形状の光学外套４６Ｂ内へ押込むことができる。他の実施形態として、半円形状もしくはＣ字形状の溶加材から成る外套をレーザー透過性材料から成る心線の周囲に設けてもよい。
【００１４】
図７には、軸線８１を有するスプール８０上に配置された溶接フィードワイヤが示されている。溶接フィードワイヤ近端３２はリフレクタ８４を備えたカプラ８２の内部へ挿入されており、このリフレクタ８４は、スプールの軸線８１に沿った方向のレーザービーム３０を受信し、これを溶接フィードワイヤ近端３２へ反射する。これにより、レーザー放出装置２８は、付加製造または補修中のワイヤ２０の供給のためにスプールが無負荷回転またはモータ制御での溶接フィードワイヤの巻き戻しのいずれかによってハブ上で回転している間も、定置位置にとどまることができる。
【００１５】
図８には、図３に示されているような、レーザービーム５０を管状ビーム６６へ整形する一対の屈折レンズ６２，６４の表面ジオメトリ６２Ａ，６４Ａの概念図が示されている。表面６２Ａは、主軸線９０を中心として中央部が中空の発散性ビームを形成する第１の凹面を有する、スピンドル円環であってよい。この表面は、図３に示されているような距離で、ビーム壁を薄くするための第２の凸面を有してもよい。レンズ６２の第２の表面は、ビーム壁を薄くする必要量に応じて、円錐状、球面状または円環状であってよい。表面６４Ａは、主軸線９０を中心とした第１の凸面と第２の凹面とを有するスピンドル円環またはリング円環であってよく、これらの凸面および凹面は協働して中空発散性ビームをコリメートし、光学外套へ結合される円筒管を形成する（図３）。他のレンズ形状も、最終的な管状ビーム幅に対する放出装置ビーム幅に応じて使用可能である。例えば、図９に示されているように、ビーム壁を薄くする必要がない場合、表面６２Ｂは凹円錐状、表面６４Ｂは凸円錐状であってよい。等価のフレネルレンズも使用可能である。これに代えて、反射レンズを使用してもよい。さらに代えて、レーザー放出装置２８が、部分反射性の環状部によって包囲された全反射性の中央部を有するフィードバックリフレクタの設けられたレーザーキャビティを介して、管状ビームを形成するように構成してもよい。
【００１６】
共軸に延在するレーザー導通エレメントおよび溶加材の他のジオメトリ、例えば、双方の材料を溶接ワイヤ長さに沿って並列するように延在させてこの並列部分どうしを接続または包囲する結合材料によって共通に保持する構成が可能である。結合材料は、他の成分材料、例えばフラックス材料もしくは合金材料の粉末を含むこともできる。結合材料の例として、セルロース、セラミック（例えばシリカ、アルミナ、Nextelなど）繊維およびセラミック布が挙げられる。
【００１７】
図１０は、例えばポリマーなどのバインダ９４によって並列に結合された溶加材９２と光導体２６とを有する一実施形態９０の断面図である。
【００１８】
図１１は、バインダ１０２内の粉末溶加材による外套の設けられた光導体２６を有する実施形態１００の断面図である。バインダ１０２は、例えば、濃縮された粉末溶加材とフラックス成分とを含むポリマーである。
【００１９】
本発明を種々の実施形態に即して図示および説明してきたが、こうした実施形態は例示のために提供したにすぎないことは明らかであろう。本発明から離れずに種々の変更、修正および置換を行うことができる。したがって、本発明は、添付した特許請求の範囲の思想および観点によってのみ限定されるものとする。
【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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