(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接プロセスの間にコンタクトチップからワークピースまでの一貫した望ましい距離（ＣＴＷＤ）を溶接工に知らせる溶接システムを提供する。【解決手段】溶接電源が、溶接プロセスの間に溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの一方又は双方をリアルタイムでサンプリングする。サンプリングした溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの少なくとも一方又は双方に基づいて実際のＣＴＷＤをで求め、目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較される。目標ＣＴＷＤは溶接プロセスのための予想の又は望ましいＣＴＷＤを表す。比較に基づき偏差パラメータが生成され、偏差パラメータの表示又は実際のＣＴＷＤが溶接プロセスを行っている溶接工にフィードバックされ、溶接工は溶接プロセスの間に実際のＣＴＷＤが目標ＣＴＷＤにより合致するようリアルタイムで調整することができる。【選択図】図１
0003206212.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
溶接電源を含む溶接システムであって、該溶接電源は、
溶接プロセスの間に溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの１つ以上をリアルタイムでサンプリングすること、及び
前記溶接出力電流及び前記ワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づいて、実際のコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）をリアルタイムで求めること、
を行うように構成されている、システム。
【請求項２】
前記溶接電源はさらに、
前記実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較すること、及び
前記比較に基づき、前記目標ＣＴＷＤからの前記実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータをリアルタイムで生成すること、
を行うように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記溶接プロセスを行っている溶接工に前記実際のＣＴＷＤの表示を提供するための手段及び／又は前記溶接プロセスを行っている溶接工に前記偏差パラメータの表示を提供するための手段をさらに含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記表示は、視覚表示、可聴表示及び触覚表示のうちの１つ以上を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記溶接電源はさらに、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
コントローラを含む溶接電源であって、該コントローラは、溶接プロセスの間に溶接出力電流及び溶接送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づいて、実際のコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）をリアルタイムで求めるように構成されている、溶接電源。
【請求項７】
前記コントローラは、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成されている、請求項６に記載の溶接電源。
【請求項８】
前記コントローラはさらに、
前記実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較すること、及び
前記比較に基づき、前記目標ＣＴＷＤからの前記実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータをリアルタイムで生成すること、
を行うように構成されている、請求項６又は７に記載の溶接電源。
【請求項９】
前記コントローラはさらに、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成されている、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の溶接電源。
【請求項１０】
前記コントローラに作動的に接続され、前記溶接出力電流をサンプリングし、前記コントローラにフィードバックするように構成された電流フィードバック回路及び／又は前記コントローラに作動的に接続され、前記溶接出力電圧をサンプリングし、前記コントローラにフィードバックするよう構成された電圧フィードバック回路をさらに含む、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の溶接電源。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年４月１７日出願の米国仮特許出願第６１／８１２７８２号の優先権及び便益を主張する。係る仮特許出願は、参照により本願に全体的に組み込まれる。
【０００２】
本考案は、請求項１に記載の溶接システム及び請求項６に記載の溶接電源に関する。本考案の特定の実施形態はアーク溶接に関する。より具体的には、本考案の特定の実施形態は、拡張現実のためにコンタクトチップからワークピースまでの距離（contact  tip-to-work  distance）（ＣＴＷＤ）のフィードバックを提供するシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
一貫した望ましいコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）を溶接プロセスの間に維持することが重要である。一般に、ＣＴＷＤが増加すると溶接電流は減少する。ＣＴＷＤが長すぎると溶接電極が熱くなりすぎたり、シールドガスが浪費されたりすることがある。さらに、望ましいＣＴＷＤは、様々な溶接プロセスによって異なり得る。今日、溶接プロセスは、望ましいＣＴＷＤを得るのに溶接オペレータに依存している。その結果、望ましいＣＴＷＤを一貫して得る能力が制限され、溶接工のかなりの訓練や経験が必要になり得る。
【０００４】
そのようなシステム及び方法と、本願の残りの部分で説明する本考案の実施形態とを図面を参照しながら比較することにより、従来のアプローチ、既存のアプローチ及び提案されているアプローチのさらなる限界やデメリットが当業者に明らかになる。
【考案の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した限界やデメリットを解消するために、請求項１に記載の溶接システム及び請求項６に記載の溶接電源を説明する。本考案のさらなる実施形態は、従属項の主題である。一実施形態では、溶接電源を用いて、アーク溶接プロセスの間に溶接出力電流及び溶接ワイヤ送給速度のうちの１つ以上をサンプリングするステップと、溶接電源を用いて、溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づき実際のコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）をリアルタイムで求めるステップとを含む方法が提供される。当該方法は、溶接プロセスを行っている溶接工（welder）に実際のＣＴＷＤの表示を、例えば視覚表示、可聴表示又は触覚表示を提供することにより提供するステップをさらに含み得る。当該方法は、実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較するステップと、比較ステップに基づいて目標ＣＴＷＤからの実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータ（deviation  parameter）をリアルタイムで生成するステップとを含み得る。当該方法は、溶接プロセスを行っている溶接工に偏差パラメータの表示を、例えば視覚表示、可聴表示又は触覚表示を提供することにより提供するステップをさらに含み得る。実際のＣＴＷＤはさらに、溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づき得る。
【０００６】
一実施形態では、溶接電源を含む溶接システムが提供される。該溶接電源は、溶接プロセスの間に溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの１つ以上をリアルタイムでサンプリングし、前記溶接出力電流及び前記ワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づいて、実際のＣＴＷＤをリアルタイムで求めるように構成されている。当該システムは、溶接プロセスを行っている溶接工に実際のＣＴＷＤの表示を提供するための手段をさらに含み、該表示は、視覚表示、可聴表示及び触覚表示のうちの１つ以上を含み得る。当該溶接電源は、前記実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較し、その比較に基づき、前記目標ＣＴＷＤからの前記実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータをリアルタイムで生成するように構成され得る。溶接プロセスを行っている溶接工に前記偏差パラメータの表示を提供するための手段が設けられ、該表示は、視覚表示、可聴表示及び触覚表示のうちの１つ以上を含み得る。当該溶接電源はさらに、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成され得る。
【０００７】
一実施形態では、コントローラを有する溶接電源が提供される。該コントローラは、溶接プロセスの間に溶接出力電流及び溶接送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づいて、実際のＣＴＷＤをリアルタイムで求めるように構成されている。前記コントローラは、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成され得る。前記コントローラはさらに、前記実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較し、前記比較に基づき、前記目標ＣＴＷＤからの前記実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータをリアルタイムで生成するように構成され得る。当該溶接電源は、前記コントローラに作動的に接続され、前記溶接出力電流をサンプリングし、前記コントローラにフィードバックするように構成された電流フィードバック回路も含み得る。当該溶接電源は、前記コントローラに作動的に接続され、前記溶接出力電圧をサンプリングし、前記コントローラにフィードバックするよう構成された電圧フィードバック回路も含み得る。
【０００８】
本考案の例示の実施形態の詳細は、下記の説明及び図面からより完全に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、アーク溶接システムの例示的な実施形態の図を示す。
【図２】図２は、消耗溶接電極及びワークピースに作動的に接続された、図１のアーク溶接システムの電源の例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。
【図３】図３は、アーク溶接プロセスの間にワークピースと関わる、図１のアーク溶接システムの溶接ガンの一部の例示的な実施形態の図を示す。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、アークが存在する場合及びしない場合のコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）の概念を示す。
【図５】図５は、特定の種類の溶接ガスを用いた場合における、種類は同じであるがサイズが異なり、所定のワイヤ送給速度で送給されるアーク溶接プロセス用の２つの異なる溶接ワイヤについてのＣＴＷＤと溶接出力電流（アンペア数）との関係を示す２つのプロットを有する２次元グラフの例示的な実施形態を示す。
【図６】図６は、特定の種類の溶接ガスが提供される場合の、特定の種類及びサイズであるアーク溶接プロセス用のＣＴＷＤ、溶接出力電流（アンペア数）及びワイヤ送給速度の関係を示す３次元グラフの例示的な実施形態を示す。
【図７】図７は、アーク溶接プロセスの間の実際のＣＴＷＤと目標（予想の又は望ましい）ＣＴＷＤとの間の偏差を表す偏差パラメータを求めるように構成された、図２の電源のコントローラの一部の例示的な実施形態を示す。
【図８】図８は、実際のＣＴＷＤが望ましいＣＴＷＤから外れている場合、溶接プロセスの間に溶接工に警告する方法の例示的な実施形態のフローチャートを示す。
【考案を実施するための形態】
【００１０】
以下は、本開示内で使用し得る例示的な用語の定義である。全ての用語の単数形及び複数形の双方が各意味に含まれる。
【００１１】
本明細書で使用の「ソフトウエア」又は「コンピュータプログラム」は、限定されないがコンピュータ又は他の電子機器に所望の形で機能、動作を実行させる及び／又は行動を取らせる１つ以上のコンピュータ可読及び／又は実行可能命令を含む。係る命令は、ルーチン、アルゴリズム、モジュール又はダイナミックリンクライブラリとは別のアプリケーション若しくはコードを含むプログラム等の様々な形で具現化され得る。ソフトウエアも、スタンドアローンプログラム、関数呼び出し、サーブレット、アプレット、アプリケーション、メモリに記憶された命令、オペレーティングシステムの一部又は他の種類の実行可能命令等の様々な形でも実施され得る。当業者であれば、ソフトウエアの形態は、例えば所望の適用の要件、動作環境及び／又はデザイナー／プログラマーの要望等によって決まることが分かる。
【００１２】
本明細書で使用の「コンピュータ」又は「処理要素」又は「コンピュータ装置」は、限定されないが、データの記憶、取り出し及び処理を行うことが可能な任意のプログラムされた又はプログラム可能な電子機器を含む。「非一時的なコンピュータ可読媒体」は、限定されないがＣＤ−ＲＯＭ、リムーバブルフラッシュメモリーカード、ハードディスクドライブ、磁気テープ及びフロッピーディスクを含む。
【００１３】
本明細書で使用の「溶接工具」は、限定されないが、溶接ガン、溶接トーチ又は溶接電源によって供給される電力を消耗溶接ワイヤに印加する目的で消耗溶接ワイヤを受け入れる任意の溶接装置を意味する。
【００１４】
本明細書で使用の「溶接出力経路」は、第１の溶接ケーブル（又は溶接ケーブルの第１の側）を通じて溶接電源の溶接出力の第１の側から溶接電極に、そしてワークピースに至り（溶接電極とワークピースとの間のショート又はアークの何れか通じて）、第２の溶接ケーブル（又は溶接ケーブルの第２の側）を通じて溶接電源の溶接出力の第２の側に戻る電気路を意味する。
【００１５】
本明細書で使用の「溶接ケーブル」は、電力を提供して溶接電極とワークピースとの間にアークを作り出すために（例えば溶接ワイヤ送給装置を通じて）溶接電源と溶接電極及びワークピースとの間に連結され得る電気ケーブルを意味する。
【００１６】
本明細書で使用の「溶接出力」は、溶接電源の電気出力回路又は出力ポート若しくは端子を意味し得るか又は溶接電源の電気出力回路若しくは出力ポートによって提供される電力、電圧又は電流を意味し得る。
【００１７】
本明細書で使用の「コンピュータメモリ」は、コンピュータ又は処理要素が読み出し可能なデジタルデータ又は情報を記憶するように構成された記憶装置を意味する。
【００１８】
本明細書で使用の「コントローラ」は、論理回路及び／又は処理要素と溶接電源の制御に関与する関連ソフトウエア又はプログラムとを意味する。
【００１９】
本明細書では、「信号」、「データ」及び「情報」という用語を区別しないで用いることがあり、それらはデジタル又はアナログ形式であり得る。
【００２０】
本明細書では、「ＡＣ溶接」という用語を一般的に用いており、該用語は実際のＡＣ溶接、正及び負双方の極性のＤＣ溶接、可変極性溶接及び他のハイブリッド溶接プロセスを意味し得る。
【００２１】
本明細書では、「溶接パラメータ」という用語を広い意味で用いており、溶接出力電流波形の一部（例えば、振幅、パルス幅又は持続時間、傾斜、電極極性）、溶接プロセス（例えば、ショートアーク溶接プロセス又はパルス溶接プロセス）、ワイヤ送給速度、変調周波数又は溶接移動速度の特徴を意味し得る。
【００２２】
図１は、アーク溶接システム１の例示的な実施形態の図を示す。アーク溶接システム１は、ワイヤ送給装置５、溶接ガン１０、シールドガス源１５及び電源１００を含む。ワイヤ送給装置５、溶接ガン１０、シールドガス源１５及び電源１００は、当該技術分野において周知なように、溶接工が溶接ワイヤとワークピースＷとの間に電気アークを生成して溶接部を作ることができるように作動的に接続されている。一実施形態によれば、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスの間に例えば酸素又は窒素等の大気ガスから溶接領域を保護するためにシールドガスが使用され得る。そのような大気ガスは、例えば融合欠陥、脆化及びポロシティ等の様々な溶接金属欠陥を引き起こし得る。
【００２３】
使用するシールドガスの種類又はシールドガスの組み合わせは、溶接する材料及び溶接プロセスによって決まる。供給されるべきシールドガスの流量は、シールドガスの種類、移動速度、溶接電流、溶接の形状及び溶接プロセスの金属移行モードによって決まる。不活性シールドガスとしてはアルゴン及びヘリウムが挙げられる。しかしながら、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）や酸素等の他のシールドガス又はガスの組み合わせを使用することが望ましい場合があり得る。一実施形態によれば、溶接プロセスの間に溶接工具によりシールドガスが溶接領域に分散されるように、シールドガスがアーク溶接プロセスの間に溶接工具に供給され得る。
【００２４】
溶接ワイヤ又は電極の選択は、溶接するワークピース、溶接プロセス、溶接継手の構成及び溶接するワークピースの表面状態の複合によって決まる。溶接ワイヤの選択は、結果として得られる溶接部の機械特性に大きな影響を与え、溶接品質の主たる決定要因になり得る。結果として得られる溶接金属が不連続、汚染物質又はポロシティ等の欠陥なく母材と同様の機械特性を有することが望ましい。
【００２５】
既存の溶接ワイヤ電極は、酸素ポロシティの防止を助けるためにケイ素、マンガン、チタン及びアルミニウム等の脱酸金属を比較的小さな割合で含んでいることが多い。一部の電極は、窒素ポロシティを防ぐためにチタンやジルコニウム等の金属を含み得る。溶接プロセス及び溶接する母材によるが、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）で用いる電極の直径は通常０．０２８〜０．０９５インチであるが、大きい時には０．１６インチになることもある。最も小さい電極は、直径が通常最大で０．０４５インチで、短絡金属移行プロセスに関連し得るものであるのに対して、スプレー移行プロセスに用いられる電極の直径は少なくとも０．０３５インチであり得る。
【００２６】
図２は、消耗溶接電極Ｅ及びワークピースＷに作動的に接続された、図１のアーク溶接システム１の電源１００の例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。電源１００は、電力変換回路１１０と、溶接電極Ｅ及びワークピースＷの間に溶接出力電力を提供するブリッジスイッチング回路１８０とを含む。電力変換回路１１０は、ハーフブリッジ出力トポロジを有するトランスベースのものであり得る。例えば、電力変換回路１１０は、例えば溶接トランスの一次側及び二次側によって線引きされた入力側及び出力側を含むインバータタイプのものであり得る。例えばＤＣ出力トポロジを有するチョッパータイプ等の他の種類の電力変換回路も可能である。電源１００は、電力変換回路１１０に作動的に接続され、（例えばＡＣ溶接のために）溶接出力電流の極性の方向を切り替えるように構成されたブリッジスイッチング回路１８０も含む。
【００２７】
電源１００は、波形生成器１２０及びコントローラ１３０をさらに含む。波形生成器１２０は、コントローラ１３０の命令に従って溶接波形を生成する。波形生成器１２０により生成された波形は、溶接電極ＥとワークピースＷとの間に溶接出力電流を生成するために電力変換回路１１０の出力を調節する。コントローラ１３０は、ブリッジスイッチング回路１８０の切り替えの命令も行い、電力変換回路１１０に制御コマンドを提供し得る。
【００２８】
電源１００は、電極ＥとワークピースＷとの間の溶接出力電圧及び電流を観察し、観察した電圧及び電流がコントローラ１３０にフィードバックされるように電圧フィードバック回路１４０及び電流フィードバック回路１５０をさらに含む。フィードバック電圧及び電流は、例えば、波形生成器１２０により生成された溶接波形を調節することに関する決定を下す及び／又は電源１００の動作に影響を与える他の決定を下すためにコントローラ１３０に用いられ得る。一実施形態によれば、本明細書において後でより詳細に説明するように、溶接プロセスの間の実際のＣＴＷＤをリアルタイムで求め、実際のＣＴＷＤを予想の又は望ましい（expected  or  desired）ＣＴＷＤと比較するのにコントローラ１３０が用いられる。
【００２９】
一実施形態によれば、スイッチング電源１０５、波形生成器１２０、コントローラ１３０、電圧フィードバック回路１４０及び電流フィードバック回路１５０が溶接電源１００を構成する。システム１は、溶接ガン（溶接工具）１０を通じて選択されたワイヤ送給速度（ＷＦＳ）で消耗ワイヤ溶接電極ＥをワークピースＷの方に送給するワイヤ送給装置５も含む。ワイヤ送給装置５、消耗溶接電極Ｅ及びワークピースＷは溶接電源の一部ではないが、溶接出力ケーブルを通じて溶接電源１００に作動的に接続され得る。
【００３０】
図３は、アーク溶接プロセスの間にワークピースＷと関わる、溶接ワイヤ電極Ｅを提供する図１のアーク溶接システム１の溶接ガン１０の一部の例示的な実施形態の図を示す。溶接ガン１０は、絶縁されたコンダクターチューブ１１、電極導管１２、ガス拡散器（gas  diffuser）１３、コンタクトチップ１４及びガン１０を通じて供給されるワイヤ電極Ｅを有し得る。制御スイッチ又はトリガー（図示せず）が溶接工によって作動されると、ワイヤの送給、電力及びシールドガス流がスタートし、電極ＥとワークピースＷとの間に電気アークの確立がもらされる。コンタクトチップ１４は導電性であり、溶接ケーブルを通じて溶接電源１００に接続されており、電極ＥをワークピースＷの方に方向付けながら電極Ｅに電気エネルギーを送る。
【００３１】
ワイヤ送給装置５は電極ＥをワークピースＷに供給し、導管１２を介してコンタクトチップ１４に電極Ｅを送る。ワイヤ電極Ｅは一定の送給速度で送給されるか又はアーク長及び溶接電圧に基づき送給速度が変更され得る。一部のワイヤ送給装置の送給速度は高速のものでは１２００インチ／分に達し得るが、半自動ＧＭＡＷ用の送給速度は通常７５〜４００インチ／分の範囲である。
【００３２】
コンタクトチップ１４に向かう途中、ワイヤ電極Ｅは電極導管１２により保護及びガイドされる。電極導管１２はねじれの防止を助け、ワイヤ電極Ｅの送給を中断なく維持する。ガス拡散器１３はシールドガスを溶接領域内に均等に向かわせる。シールドガス源のタンクからのガスホースがガス拡散器１３にガスを供給する。
【００３３】
図４Ａ及び図４Ｂは、アークが存在する場合としない場合のコンタクトチップからワークピースへの距離（ＣＴＷＤ）の概念を示す。図４Ａでは、電極ＥとワークピースＷとの間にアークが確立されていない状態のコンタクトチップ１４の端部とワークピースＷとの間の距離としてＣＴＷＤを示す。図４Ｂでは、電極ＥとワークピースＷとの間にアークが確立された状態のコンタクトチップ１４の端部とワークピースＷとの間の距離としてＣＴＷＤを示す。繰り返しになるが、一貫した望ましいコンタクトチップからワークピースへの距離（ＣＴＷＤ）を溶接プロセスの間に維持することが重要である。一般に、ＣＴＷＤが増加すると溶接電流は減少する。ＣＴＷＤが長すぎると溶接電極が熱くなりすぎたり、シールドガスが浪費されたりすることがある。さらに、望ましいＣＴＷＤは、様々な溶接プロセスによって異なり得る。
【００３４】
図５は、特定種類の溶接ガスを用いた場合における、種類が同じで且つ送給される速度が同じ固定のものであるが直径が互いに異なるアーク溶接プロセス用の２つの異なる溶接ワイヤについてのＣＴＷＤ及び溶接出力電流（アンペア数）の関係を示す２つのプロット５１０及び５２０を有する２次元グラフ５００の例示的な実施形態を示す。一実施形態によれば、溶接プロセスの間の実際のＣＴＷＤが、使用する溶接出力電流（アンペア数）、溶接電極の種類、溶接電極の直径、ワイヤ送給速度（ＷＦＳ）及びシールドガスに基づきコントローラ１３０によってリアルタイムで求められ得る。ＣＴＷＤが溶接プロセスの間にリアルタイムで変化すると、溶接出力電流（アンペア数）は、適切なプロット（例えば５１０又は５２０）により規定されるようにその変化をリアルタイムで反映する。溶接プロセスの間に実際のＣＴＷＤがリアルタイムで変化すると、電流フィードバック回路１５０からフィードバックされた溶接出力電流値を受信し、選択されたワイヤ電極の種類／直径、シールドガスの混合物及びワイヤ送給速度を既に知っているコントローラが実際のＣＴＷＤを求める。
【００３５】
一実施形態によれば、プロット５１０は、アルゴンシールドガス９０％及び二酸化炭素シールドガス１０％の混合物が提供される溶接プロセスで用いられ、軟鋼製で且つ銅被覆タイプの直径が０．０４５インチの溶接ワイヤ電極に対応する。さらに、一実施形態によれば、プロット５２０は、アルゴンシールドガス９０％及び二酸化炭素シールドガス１０％の同じ混合物が提供される溶接プロセスで用いられ、同じ軟鋼製で且つ銅被覆タイプの直径が０．０５２インチの溶接ワイヤ電極に対応する。図５から分かるように、同じ種類の溶接ワイヤの直径が大きい直径に変化させると、ＣＴＷＤとアンペア数との関係を表すプロットはグラフ５００の起点から外側の方に移動する。
【００３６】
様々な実施形態によれば、使用する溶接電極の種類、溶接電極の直径、ワイヤ送給速度及びシールドガスの組み合わせについてのＣＴＷＤとアンペア数との関係は、試験的に又は理論に基づく分析を通じて求められ得る。そのような関係が決定されると、係る関係は、例えば参照テーブル（ＬＵＴ）として又は数学的伝達関数として表され得るか若しくはコントローラ１３０に記憶され得る。
【００３７】
代替的な実施形態によれば、溶接プロセスの間にワイヤ送給速度（ＷＦＳ）が変化し得る（例えば、アーク長及び溶接電圧に基づいて）。そのため、ＬＵＴ又は数学的伝達関数は、変化するワイヤ送給速度の影響をＣＴＷＤに対して反映させ得る。例えば、図６は、特定種類の溶接ガスが提供される場合における、アーク溶接プロセス用の特定種類且つサイズの溶接ワイヤについてのＣＴＷＤ、溶接出力電流（アンペア数）及びワイヤ送給速度（ＷＦＳ）の関係を示す３次元グラフ６００の例示的な実施形態を示す。グラフ６００上のプロット６１０は面を形成する。一実施形態によれば、溶接プロセスの間の実際のＣＴＷＤは、使用する溶接出力電流（アンペア数）、溶接送給速度、溶接電極の種類、溶接電極の直径及びシールドガスに基づきコントローラ１３０によってリアルタイムで求められ得る。
【００３８】
溶接プロセスの間に実際のＣＴＷＤがリアルタイムで変化すると、グラフ６００の表面プロット６１０によって規定されるように、溶接出力電流（アンペア数）とＷＦＳとの対はその変化をリアルタイムで反映する。さらに、溶接プロセスの間に実際のＣＴＷＤがリアルタイムで変化すると、電流フィードバック回路１５０からフィードバックされた溶接出力電流値（アンペア数）及びワイヤ送給装置５からフィードバックされたＷＦＳ値を受信し、選択されたワイヤ電極の種類／直径及びシールドガスの混合物を既に知っているコントローラ１３０が実際のＣＴＷＤを求める。図６は、グラフ６００の表面プロット６１０により求められる、実際のＣＴＷＤ値６１２に対応するアンペア数／ＷＦＳの対６１１の一例を示す。使用する溶接電極の種類、溶接電極の直径及びシールドガスの他の組み合わせについては、他の表面のプロットがＣＴＷＤ、ＷＦＳ及びアンペア数の関係を規定する。代替的な実施形態によれば、電圧フィードバック回路１４０からコントローラ１３０にフィードバックされる溶接出力電圧を考慮に入れることで、実際のＣＴＷＤがより正確に求められ得る。
【００３９】
様々な実施形態によれば、使用する溶接電極の種類、溶接電極の直径及びシールドガスの組み合わせについてのＣＴＷＤ、ＷＦＳ及びアンペア数の関係が試験的に又は理論に基づく分析を通じて求められ得る。そのような関係が決定されると、係る関係は、例えば参照テーブル（ＬＵＴ）として又は数学的伝達関数として表されるか若しくはコントローラ１３０に記憶される。
【００４０】
図７は、実際のＣＴＷＤと、アーク溶接プロセスの間の実際のＣＴＷＤと目標（予想の又は望ましい）ＣＴＷＤとの間の偏差を表す偏差パラメータとを求めるように構成された、図２の電源１００のコントローラ１３０の部分７００の例示的な実施形態を示す。図７の実施形態に示すように、入力７１１（ＷＦＳ、ワイヤの種類、ワイヤのサイズ、アンペア数、電圧及びシールドガス）と出力７１２（実際のＣＴＷＤ）との関係を実施するのにＬＵＴ７１０が用いられる。ＬＵＴ７１０は、例えばＥＥＰＲＯＭとしてファームウェアにおいて実施され得る。一部の実施形態では、溶接出力電圧又はシールドガスの入力が使用されないこともある。
【００４１】
入力１７１の任意の特定の組み合わせのために、実際のＣＴＷＤをリアルタイムで表す出力７１２が生成される。実際のＣＴＷＤ７１２は、目標（予想の又は望ましい）ＣＴＷＤ７１２と共にコンパレータ回路７２０に入力され得る。コンパレータ回路７２０は、コンパレータへの入力（７１２及び７２１）に基づいて偏差パラメータ７２２を出力する。偏差パラメータ７２２は、実際のＣＴＷＤと望ましいＣＴＷＤとの間の単純な線形差分でもよいし又は望ましいＣＴＷＤからの実際のＣＴＷＤの偏差を表すより複雑な数量（例えば、重み付け数量又は非線形数量）であり得る。
【００４２】
図８は、実際のＣＴＷＤが望ましいＣＴＷＤから外れている場合に溶接プロセスの間に溶接工に警告する方法８００の例示的な実施形態のフローチャートを示す。ステップ８１０では、溶接プロセスの間に溶接出力電流及びワイヤ供給速度のうちの一方又は双方をリアルタイムでサンプリングするか又は観察する。ステップ８２０では、溶接出力電流及びワイヤ送給速度の一方又は双方に加えて、溶接プロセスの間に用いる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ及び任意で溶接ガスの種類及び／又は溶接出力電圧に基づき実際のＣＴＷＤを求める。ステップ８３０では、求められた実際のＣＴＷＤが目標（予想の又は望ましい）ＣＴＷＤと比較され、求められた実際のＣＴＷＤと目標ＣＴＷＤとの間の偏差を表す偏差パラメータが生成される。ステップ８４０では、溶接プロセスを行っている溶接工に偏差パラメータの表示を提供する。溶接工が絶え間なく実際のＣＴＷＤと目標ＣＴＷＤとの関係を知ることができるように、方法８００は溶接プロセスの間に絶え間なくリアルタイムで行われる。
【００４３】
偏差パラメータの表示を提供するステップ８４０は様々な方法で実現され得る。例えば、一実施形態によれば、望ましいＣＴＷＤに比べて実際のＣＴＷＤが長すぎる場合は第１の周波数の振動、そして望ましいＣＴＷＤに比べて実際のＣＴＷＤが短すぎる場合は第２の周波数の振動の形態の触覚フィードバックを提供するように溶接ガン１０が構成され得る。さらに、振動の強度が偏差の増加と共に増加してもよい。実際のＣＴＷＤが望ましいＣＴＷＤと合致する場合又は実際のＣＴＷＤが少なくとも望ましいＣＴＷＤの規定範囲内にある場合には、ガン１０は全く振動しないことで、溶接工に対してＣＴＷＤが許容範囲内にあることを示す。一実施形態によれば、溶接ガン１０内に組み込まれるか又は溶接ガン１０上に設けられた１つ以上の電動振動要素によって振動が提供され得る。
【００４４】
別の実施形態によれば、偏差パラメータの表示を提供するステップ８４０は溶接工に可聴フィードバックを提供することによって実現され得る。例えば、可聴音の形態の可聴フィードバックを提供するために、電源１００又は溶接工が着用する溶接ヘルメット（図示せず）にスピーカー装置を設けた構成としてもよい。望ましいＣＴＷＤに比べて実際のＣＴＷＤが長すぎる場合には低周波が提供され、望ましいＣＴＷＤに比べて実際のＣＴＷＤが短すぎる場合には高周波が提供され得る。さらに、偏差の量の変化に伴って音の周波数を変更してもよい（小さくなるか又は大きくなる）。実際のＣＴＷＤが望ましいＣＴＷＤと合致する場合又は実際のＣＴＷＤが少なくとも望ましいＣＴＷＤの規定範囲内にある場合には、可聴音が全く発生しないことで、溶接工に対してＣＴＷＤが許容範囲内にあることを示す。スピーカー装置が溶接ヘルメット内に設けられる実施形態では、スピーカー装置は有線手段又は無線手段を通じて電源１００と連動し得る。
【００４５】
さらなる実施形態によれば、偏差パラメータの表示を提供するステップ８４０は、ユーザーに視覚フィードバックを提供することにより実現され得る。例えば、溶接工が着用する溶接ヘルメット（図示せず）に、例えばいくつかの発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えば、赤色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤ）を有する発光ダイオード装置等の発光源が設けられ得る。偏差パラメータ７２２が表すように、実際のＣＴＷＤが望ましいＣＴＷＤの許容可能な範囲内にある場合には緑色ＬＥＤが発光し得る。偏差パラメータ７２２が表すように、実際のＣＴＷＤが許容可能範囲から外れ始めると黄色ＬＥＤが発光し得る。偏差パラメータ７２２が表すように、実際のＣＴＷＤが所定量を越えて許容可能範囲外にある場合には赤色ＬＥＤが発光し得る。溶接工が実際のＬＥＤ自体ではなく様々な発光されるＬＥＤの色を明確に見ることができるようにＬＥＤがヘルメット内に配置され得る。様々な実施形態によれば、ＬＥＤ装置は有線手段又は無線手段により電源１００と連動し得る。他の実施形態によれば、ＬＥＤは溶接ヘルメットから離れて（例えば溶接ガン１０に）位置し得る。
【００４６】
視覚フィードバックの別の形態は、溶接工が着用する溶接ヘルメット内の観察窓（viewing  window）にグラフィカルオーバーレイ（graphical  overlay）を提供することを含み得る。例えば、溶接ヘルメットは、溶接ヘルメット内の観察窓にグラフィカルオーバーレイを投射するように構成され、グラフィカルオーバーレイは目標シンボル及び偏差シンボルを提供する。一実施形態によれば、目標シンボル（例えば小さな丸）は望ましいＣＴＷＤを表す。偏差パラメータ７２２が表すように実際のＣＴＷＤが望ましいＣＴＷＤから外れた場合に、偏差シンボル（例えば垂直線）が目標シンボルの一方側又は他方に水平方向に移動し得る。様々な実施形態によれば、投射／観察窓の構成は、有線手段又は無線手段を通じて電源１００と連動し得る。
【００４７】
他の実施形態によれば、偏差パラメータ７２２は生成されないか又は使用されないことがある。その代わり、溶接工に実際のＣＴＷＤ７１２の表示が直接表示され得る。例えば、溶接工が着用するヘルメット内で実際のＣＴＷＤ７１２の数値が溶接工に表示され得る。様々な実施形態によれば、係る数値は有線手段又は無線手段を通じて溶接ヘルメットに伝達され得る。他の実施形態によれば、実際のＣＴＷＤを溶接工に提供する他の様々な方法も可能であり得る。
【００４８】
要約すると、溶接プロセスの間にコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）を溶接工に知らせるシステム及び方法が提供される。溶接プロセスの間に溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの一方又は双方をリアルタイムでサンプリングする。サンプリングした溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの少なくとも一方又は双方に基づいて実際のＣＴＷＤをリアルタイムで求める。実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較し、目標ＣＴＷＤは溶接プロセスのための予想の又は望ましいＣＴＷＤを表す。係る比較に基づいて偏差パラメータが生成され得る。偏差パラメータは、目標ＣＴＷＤからの求められた実際のＣＴＷＤの偏差を表す。溶接プロセスを行っている溶接工に偏差パラメータの表示又は実際のＣＴＷＤがフィードバックとして提供され、溶接工は溶接プロセスの間に実際のＣＴＷＤが目標ＣＴＷＤにより合致するようリアルタイムで調整することができる。
【００４９】
添付の請求項では、「包含する（including）」及び「有する（having）」という用語を「含む（comprising）」という用語と同等である平易な言葉として用いており、「その場合（in  which）」という用語は「その間に（wherein）」と同等である。さらに、添付の請求項では、「第１」、「第２」、「第３」、「上側」、「下側」「下部」、「上部」等の用語は標識として使用しているに過ぎず、それらの物体に数値又は位置的な要件を課すことを意図したものではない。また、添付の請求項の限定はミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、係るクレーム限定でさらなる構造を欠いた機能の言及の後に「〜のための手段」という用語が明確に使用されていない限り米国特許法１１２条第６パラグラフに基づいて解釈すべきではない。本明細書で使用の不定冠詞を伴う単数形で記載された要素又はステップは、複数の係る要素又はステップを除外することが明確に記載されていない限りそれらを除外するものではないと理解すべきである。さらに、本考案の「一実施形態」への言及は、記載された特徴を含む追加の実施形態の存在を除外するものと解釈すべきではない。さらに、そうでないことが明記されていない限り、特定の特性を有する１又は複数の要素を「含む」か、「含有する」か、又は「有する」実施形態は、その特性を有さない追加の係る要素を含み得る。さらに、特定の実施形態は、同様の又は類似の要素を有するものとして示され得るが、これは例示を目的としたものに過ぎず、そのような実施形態は請求項で明記されてない限り同じ要素を必ずしも有する必要はない。
【００５０】
本明細書で使用の「得る（may、may  be）」は一定の環境内での発生の可能性、特定の特性、特徴又は機能の保有を示す及び／又は別の動詞に関連する能力、機能又は可能性のうちの１つ以上を表現することによりその別の動詞を修飾する。従って、「得る」の使用は、修飾された用語が一部の状況では示された能力、機能又は使用に適していないか、可能でないか又は好適でないことを考慮に入れつつ、それらに明らかに適しているか、可能であるか又は好適であることを示す。例えば、ある状況では、イベント又は能力が期待されるが、他の状況ではイベント又は能力が発生しない。この区別が「得る」という用語によってとらえられる。
【００５１】
最良の形態を含む本考案の開示のために、また、任意の装置又はシステムを製造すること及び使用すること並びに含まれる任意の方法を行うことを含む本考案を当業者が実施できるようにするために、本明細書では例を用いている。本考案の範囲は請求項によって規定され、当業者が思い付き得る他の例を含み得る。そのような他の例が請求項の文言のものと差別化されない構造要素を有する場合又は請求項の文言のものとの差異がごくわずかな同等の構造要素を含む場合は、そのような他の例は本考案の請求の範囲に含まれる。
【００５２】
特定の実施形態を参照しながら本願に係る考案を説明してきたが、当業者であれば、本考案の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ、同等物が置き換えられ得ることが分かる。それに加えて、特定の状況又は材料を本考案の教示に適合させるために、本考案の範囲から逸脱することなく多くの変更が加えられ得る。従って、本考案は開示した特定の実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図する。
【符号の説明】
【００５３】
１  システム
５  ワイヤ送給装置
１０  溶接ガン（溶接工具）
１１  コンダクターチューブ
１２  電極導管
１３  ガス拡散器
１４  コンタクトチップ
１００  電源
１０５  電源
１１０  電力変換回路
１２０  波形生成器
１３０  コントローラ
１４０  電圧フィードバック回路
１５０  電流フィードバック回路
１８０  ブリッジスイッチング回路
５００  グラフ
５１０  プロット
５２０  プロット
６００  グラフ
６１０  プロット
６１１  対
６１２  値
７１０  ＬＵＴ
７１１  入力
７１２  出力
７２０  コンパレータ回路
７２１  目標
７２２  偏差パラメータ
８００  方法
８１０  ステップ
８２０  ステップ
８３０  ステップ
８４０  ステップ
Ｅ  電極
Ｗ  ワークピース
ＷＦＳ  ワイヤ送給速度
【図１】
0003206212.tif 000003
【図２】
0003206212.tif 000004
【図３】
0003206212.tif 000005
【図４Ａ】
0003206212.tif 000006
【図４Ｂ】
0003206212.tif 000007
【図５】
0003206212.tif 000008
【図６】
0003206212.tif 000009
【図７】
0003206212.tif 000010
【図８】
0003206212.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月20日(2016.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
溶接電源を含む溶接システムであって、該溶接電源はコントローラを含み、該コントローラは、
溶接プロセスの間に溶接出力電流及びワイヤ送給速度のうちの１つ以上をリアルタイムでサンプリングするように構成されており、かつ
前記溶接出力電流及び前記ワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づいて、実際のコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）をリアルタイムで求めるように構成されている、システム。
【請求項２】
前記コントローラはさらに、
前記実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較するように構成されており、かつ
前記比較に基づき、前記目標ＣＴＷＤからの前記実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータをリアルタイムで生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記溶接プロセスを行っている溶接工に前記実際のＣＴＷＤの表示を提供するための手段及び／又は前記溶接プロセスを行っている溶接工に前記偏差パラメータの表示を提供するための手段をさらに含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記表示は、視覚表示、可聴表示及び触覚表示のうちの１つ以上を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラはさらに、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
コントローラを含む溶接電源であって、該コントローラは、溶接プロセスの間に溶接出力電流及び溶接送給速度のうちの少なくとも１つ以上に基づいて、実際のコンタクトチップからワークピースまでの距離（ＣＴＷＤ）をリアルタイムで求めるように構成されている、溶接電源。
【請求項７】
前記コントローラは、前記溶接プロセスの間に用いられる溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、溶接出力電圧及びシールドガスの種類のうちの１つ以上に基づいて前記実際のＣＴＷＤを求めるように構成されている、請求項６に記載の溶接電源。
【請求項８】
前記コントローラはさらに、
前記実際のＣＴＷＤを目標ＣＴＷＤとリアルタイムで比較するように構成されており、かつ
前記比較に基づき、前記目標ＣＴＷＤからの前記実際のＣＴＷＤの現在の偏差を表す偏差パラメータをリアルタイムで生成するように構成されている、請求項６又は７に記載の溶接電源。
【請求項９】
前記コントローラに作動的に接続され、前記溶接出力電流をサンプリングし、前記コントローラにフィードバックするように構成された電流フィードバック回路及び／又は前記コントローラに作動的に接続され、前記溶接出力電圧をサンプリングし、前記コントローラにフィードバックするよう構成された電圧フィードバック回路をさらに含む、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の溶接電源。