(57)【要約】  溶接作業中の入熱を制御するためのシステム（１００）及び方法が提供される。当該システム（１００）は、溶接トーチ（１３０）に溶接波形を出力するように構成されたアーク溶接電源（１１０）を含む。アーク溶接電源（１１０）は、出力溶接波形（２００）を生成する波形生成器（１１６）を含む。前記電源（１１０）は、所望の溶接温度に基づいて前記出力溶接波形を最適化するコントローラ（１１８）も含む。最適化は、電力の比及び持続時間の比のうちの少なくとも一方を調整することにより行われる。前記電力の比は前記溶接波形のプラスの部分の電力に対する前記溶接波形のマイナスの部分の電力の比であり、前記持続時間の比は、前記溶接波形のプラスの部分の持続時間に対する前記溶接波形のマイナスの部分の持続時間の比である。前記所望の溶接温度は温度設定値及び温度範囲のうちの一方である。
2015533347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチに溶接波形を出力するように構成されたアーク溶接電源であって、当該アーク溶接電源は、
出力溶接波形を生成する波形生成器と、
所望の溶接温度と検出された溶接温度との比較に基づいて前記出力溶接波形を制御するコントローラと、
を含み、
前記制御は、電力の比及び持続時間の比のうちの少なくとも一方を調整することにより行われ、
前記電力の比は前記溶接波形のプラスの部分の電力に対する前記溶接波形のマイナスの部分の電力の比であり、
前記持続時間の比は、前記溶接波形のプラスの部分の持続時間に対する前記溶接波形のマイナスの部分の持続時間の比であり、
前記所望の溶接温度は温度設定値及び温度範囲のうちの一方である、アーク溶接電源。
【請求項２】
前記コントローラは、前記電力の比及び前記持続時間の比のうちの少なくとも一方を、溶接作業の第１の段階の間に第１の値に制御し、溶接作業の第２の段階の間に該第１の値よりも大きい第２の値に制御し、
前記第１の値はワークピースの温度を前記所望の溶接温度に上げるために選択され、前記第２の値は前記ワークピースを前記所望の溶接温度で維持するために選択される、請求項１に記載のアーク溶接電源。
【請求項３】
前記コントローラは、溶接溜まり及びワークピースのうちの少なくとも一方に対応する少なくとも１つの温度信号を受信するように構成され、
前記第１の段階から前記第２の段階への遷移は該温度信号に基づく、請求項２に記載のアーク溶接電源。
【請求項４】
前記第１の段階から前記第２の段階への遷移は、所定の期間の経過及び前記溶接波形の周期数の経過うちの少なくとも一方に基づき、前記所定の期間は２００ｍｓ〜５ｓであり及び／又は前記周期数は１０〜２００である、請求項２又は３に記載のアーク溶接電源。
【請求項５】
前記所定の期間はワークピース上に溶接溜まりを確立するのに十分な時間を提供するために選択される、請求項４に記載のアーク溶接電源。
【請求項６】
前記第１の値は１／１０〜２／５であり、
前記第２の値は前記第１の値よりも大きい、請求項２〜５のいずれか１項に記載のアーク溶接電源。
【請求項７】
前記第２の値は前記第１の値の４倍大きく、
前記第１の値は、溶接電流、溶接電圧、ワイヤ送給速度、ワイヤの種類、ワークピース材料の種類、ワークピースの厚さ、移動速度、堆積速度、最大ワークピース温度、臨界相変態温度、予熱温度及び溶接領域への距離のうちの少なくとも１つに基づいて選択される、請求項６に記載のアーク溶接電源。
【請求項８】
前記コントローラは、前記温度信号を所望の溶接温度と比較して、その比較に基づいて前記制御を行うように構成されている、請求項３又は４に記載のアーク溶接電源。
【請求項９】
前記コントローラは前記波形のマイナスの部分の電力を調整し、該調整はピーク電流の大きさ、ピーク電流の持続時間、電流ランプ速度及び前記波形のマイナスの部分の持続時間のうちの少なくとも１つを調整することを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のアーク溶接電源。
【請求項１０】
前記最適化は、前記電力の比を一定に保ちながら、前記溶接波形のマイナスの部分の持続時間を調整することにより行われる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のアーク溶接電源。
【請求項１１】
アーク溶接システムであって、
溶接トーチと、
前記溶接トーチに溶接波形を出力するように構成された請求項１〜１０のいずれか１項に記載の溶接電源と、
を含むアーク溶接システム。
【請求項１２】
溶接溜まり及びワークピースのうちの少なくとも一方に対応する温度信号を送信するように構成された少なくとも１つの温度センサをさらに含み、
前記コントローラは、前記温度信号を受信し、前記温度信号を所望の溶接温度と比較して、その比較に基づいて最適化を行うように構成されている、請求項１１に記載のアーク溶接システム。
【請求項１３】
所望のワイヤ送給速度でワイヤを提供するように構成されたワイヤ送給装置をさらに含み、
前記ワイヤ送給速度は所望のアーク長を維持するために制御される、請求項１１又は１２に記載のアーク溶接システム。
【請求項１４】
アーク溶接システムの制御方法であって、
溶接トーチを提供することと、
溶接波形を生成することと、
前記溶接波形を前記溶接トーチに送信することと、
所望の溶接温度と検出した溶接温度との比較に基づいて、電力の比及び持続時間の比のうちの少なくとも一方を調整することにより前記溶接波形を制御することと、
を含み、
前記電力の比は前記溶接波形のプラスの部分の電力に対する前記溶接波形のマイナスの部分の電力の比であり、
前記持続時間の比は、前記溶接波形のプラスの部分の持続時間に対する前記溶接波形のマイナスの部分の持続時間の比であり、
前記所望の溶接温度は温度設定値及び温度範囲のうちの一方である、アーク溶接システムの制御方法。
【請求項１５】
溶接溜まり及びワークピースのうちの少なくとも一方に対応する温度を検知することと、
検知した温度を受信することと、
をさらに含み、
前記制御することは、前記検知した温度と所望の溶接温度とを比較することをさらに含む、請求項１４に記載のアーク溶接システムの制御方法。
【請求項１６】
前記制御することは、前記電力の比及び前記持続時間の比のうちの少なくとも一方を、溶接作業の第１の段階の間に第１の値に制御し、溶接作業の第２の段階の間に前記第１の値よりも大きい第２の値に制御することをさらに含み、
前記第１の値はワークピースの温度を前記所望の溶接温度に上げるために選択され、前記第２の値は前記ワークピースを前記所望の溶接温度で維持するために選択され、前記第１の段階から前記第２の段階への遷移は、前記検知した温度に基づき、前記第１の段階から前記第２の段階への遷移は、所定の期間の経過及び前記溶接波形の周期数の経過うちの少なくとも一方に基づく、請求項１４又は１５に記載のアーク溶接システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国仮特許出願第６１／７２３７５８号及び米国特許出願第１３／７９２６６５号の優先権を主張する。これらの特許出願は、参照により本願に全体的に組み込まれる。
【０００２】
本発明は溶接システム及び溶接方法に関する。より具体的には、本発明は、溶接の間の入熱を制御するシステム及び方法に関する。さらに具体的には、本発明はアーク溶接電源、アーク溶接システム及びアーク溶接システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
アーク溶接を行う際、溶接の間の入熱を制御することが望ましい。溶接アークは非常に大量の熱を生成し、その熱は溶接部の周りのワークピースの温度を大幅に上昇させ得る。この温度の上昇は溶接部外にとってデメリットとなり得る。何故なら、ワークピースの材料特性に悪影響を及ぼすことに加えて、反りの原因にもなり得るからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ワークピースの温度を制御する試みとしては、ワークピースを外部的に冷却すること又は溶接プロセスを変更することが挙げられる。しかしながら、これらの方法は複雑であり、得られる結果も限られている。
【０００５】
図面を参照しながら、本願の残りの部分で説明する本発明の実施形態と、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とを比較することにより、それらの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となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、溶接波形の電極マイナス極性部の様々なパラメータに加えて、溶接プロセスの他の特性を調整することにより望ましい入熱が維持されるアーク溶接のためのシステム及び方法を含む。一部の例示の実施形態では、望ましいアーク長及び／又は電圧を維持するのと同時に、接合部への入熱を最小限に抑え且つアークを安定的に維持する波形バランスを得るのに溶接波形の電極マイナス極性部のみが調整される。
【０００７】
例示の実施形態では、システムは、溶接トーチに溶接波形を出力するように構成されたアーク溶接電源を含む。アーク溶接電源は、溶接波形を生成する波形生成器を含む。前記電源は、所望の溶接温度と検出された溶接温度との比較に基づいて前記溶接波形を制御するコントローラも含む。最適化は、電力の比及び持続時間の比のうちの少なくとも一方を調整することにより行われる。前記電力の比は前記溶接波形のプラスの部分の電力に対する前記溶接波形のマイナスの部分の電力の比であり、前記持続時間の比は、前記溶接波形のプラスの部分の持続時間に対する前記溶接波形のマイナスの部分の持続時間の比である。前記所望の溶接温度は温度設定値及び温度範囲のうちの一方である。
【０００８】
他の例示の実施形態では、アーク溶接システムの制御方法は、溶接トーチを提供することと、溶接波形を生成することと、前記溶接波形を前記溶接トーチに送信することとを含む。当該方法は、所望の溶接温度と検出した溶接温度との比較に基づいて前記溶接波形を制御することをさらに含む。最適化は電力の比及び持続時間の比のうちの少なくとも一方を調整することにより行われる。前記電力の比は前記溶接波形のプラスの部分の電力に対する前記溶接波形のマイナスの部分の電力の比であり、前記持続時間の比は、前記溶接波形のプラスの部分の持続時間に対する前記溶接波形のマイナスの部分の持続時間の比である。前記所望の溶接温度は温度設定値及び温度範囲のうちの一方である。
【０００９】
本発明のこれらの及び他の特徴に加えて、本発明の例示の実施形態の詳細が下記の詳細な説明、請求項及び図面でより詳細に開示されており、下記の詳細な説明、請求項及び図面から理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付の図面を参照しながら本発明の例示の実施形態を詳細に説明することにより、本発明の上記の態様及び／又は他の態様が一層明らかになる。
【図１】図１は、本発明の例示の実施形態に係る溶接システムの図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態で用いられる溶接波形の図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態で用いられる別の溶接波形の図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施形態で使用可能な様々な制御手順の図である。
【図５】図５は、本発明の他の例示の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面を参照しながら本発明の例示の実施形態を以下で説明する。説明する例示の実施形態は、本発明の理解を助けることを目的としたものであり本発明を何ら限定しない。全体を通して、同様の参照符号は同様の要素を表す。
【００１２】
図１は、本発明の例示の実施形態に係る溶接システム１００の例示の実施形態である。溶接システムは、溶接アークＡを生成するために電極Ｅを通して溶接トーチ１３０及びワークピースＷに溶接波形を供給する溶接電源１１０を含む。電極Ｅはワイヤ送給装置１５０を通じて溶接作業に供給される。ワイヤ送給装置１５０は、溶接部に電極Ｅを供給することが可能な任意の既知の構成のものでよく、一部の実施形態では、ワイヤ送給装置１５０は電源１１０からの信号に基づいて電極Ｅのワイヤ送給速度を調整できる。この点については後でより詳細に説明する。
【００１３】
システム１００は、ワークピースＷ若しくはコンタクトチップ１３０のいずれか又はワークピースＷ及びコンタクトチップ１３０の両方を移動させることが可能な移動装置（movement  device）１６０も含む。そのような移動装置は一般的に知られており、ロボット、溶接トラクターユニット等を含み得る。本発明の例示の実施形態では、移動装置は、溶接作業の間に受信したコマンドに従って溶接作業の移動速度を調整又は変更することが可能である。図１に示すように、コマンドは電源１１０内のコントローラ１１８から発せられる。しかしながら、他の例示の実施形態では、電源１１０の外部の別個のシステムコントローラの使用が可能であり、係るシステムコントローラは電源１１０、ワイヤ送給装置１５０及び移動装置１６０を含むシステム１００の構成要素の動作を制御する。
【００１４】
電源１１０が本明細書に記載の機能及び動作が可能でありさえすれば、電源１１０の一般的な構成はＧＭＡＷ／ＭＩＧ型の溶接作業が可能な既知の電源の構成と同じでよい。例えば、電源１１０は、リンカーンエレクトリック社（オハイオ州、クリーブランド）製造のＰｏｗｅｒ  Ｗａｖｅ（登録商標）型電源と同様に構成されてもよい。当然のことながら、本発明の実施形態はそのような構成に限定されず、係る構成は例示に過ぎない。
【００１５】
図１に示すように、電源１１０はＬ１、Ｌ２及びＬ３を通じて入力信号の受信が可能である。図１では三相入力の場合を示すが、他の実施形態では単相入力のみ利用可能である。電源１１０は、電源１１０の出力が溶接アークを維持することができるように、入力信号を受信して出力相（出力インバータ１１４等）に信号を出力することが可能な電力変換ユニット１１２を含む。電力変換ユニット１１２は複数の様々な部品で構成され得る。例えば、電力変換ユニット１１２は、整流回路と、整流信号を受信して出力インバータ１１４に定電圧を出力する昇降圧回路とを含み得る。当然のことながら、他の例示の実施形態では、出力インバータ１１４はチョッパー回路又は溶接信号を出力するために電力変換ユニット１１２と連携可能な任意の他の種類の出力回路であり得る。電源１１０は波形生成器１１６も含む。波形生成器１１６は、アークＡの生成に用いられる望ましい溶接波形を提供するために、電力変換ユニット１１２及び出力インバータ１１４のうちの少なくとも一方又は両方の出力の制御を支援する回路である。例えば、波形生成器１１６は、溶接の間にアークＡを生成し維持するのに用いられる望ましい電流波形を生成するのに用いることができ、電力変換ユニット１１２及び出力インバータ１１４の一方又は双方（又は使用されている出力コンポーネント）に連結される。それに加えて、電源１１０は、該電源の機能及び動作を制御することが可能な任意の種類のＣＰＵ又はプロセッサ型の装置であり得るコントローラ１１８を有する。そのようなコントローラは広く知られている。例示の実施形態では、コントローラは、溶接作業の間に溶接アークＡからの電流フィードバック及び電圧フィードバックをそれぞれ提供する電流フィードバック回路１２０及び電圧フィードバック回路１２２からフィードバックを受信する。このフィードバックにより、コントローラ１１８は所望の出力が提供されるように電源１１０のパフォーマンスを調整及び最適化することができる。この点については後でさらに説明する。
【００１６】
図１に示すように、一部の実施形態では、コントローラ１１８はワイヤ送給装置１５０にも連結されている。これにより、コントローラはワイヤ送給装置１５０からフィードバックを受信することができるのに加えて、溶接作業の間にワイヤ送給速度等のワイヤ送給装置１５０の動作を制御することができる。この点についても後でさらに説明する。
【００１７】
図１に示す実施形態では、溶接溜まり及び／又は溶接溜まりの近くのワークピースＷの温度をモニタリングする熱センサ１７０も利用する。センサ１７０は検知対象領域の温度を正確に測定し、検知した温度をコントローラ１１８に報告することが可能な任意の種類のセンサであり、これにより温度情報を用いることができる。なお、図１では１つのセンサ１７０を示しているが、他の実施形態では２つ以上のセンサを用いることができる。例えば、溶接溜まり、溶接溜まりに隣接するワークピースＷ及び／又はワークピースの裏側（裏側とは、溶接の間にトーチ１３０とは反対にある側のことである）の温度をモニタリングするのに複数のセンサを用いることができる。
【００１８】
溶接作業の間、溶接溜まり及び／又はワークピースの温度は大きく変動し得る。例えば、溶接プロセスの開始時、ワークピースの温度は室温の温度と同様であり得る。従って、接合部のワークピースは比較的低温であるため、所望の溶接溜まり及び／又は溶け込みを提供するにはより多くのアークエネルギーが必要となり得る。始動後の溶接の期間に、ワークピースＷの温度は特に溶接が比較的長い場合（relatively  long  weld  runs）に大きく上昇を始める。溶接作業が変更されないと、この加熱によって溶接パラメータが変化して、溶接が低品質なものとなる。例えば、温度を野放しに上昇させると、ワークピースに反りが生じるか又は溶接ビードの周りの熱の影響を受けた領域が大きくなり過ぎ得る。従って、入熱を制御することが望ましい。
【００１９】
本発明の実施形態では、適切な入熱及び溶接品質が確実に得られるように、溶接作業のパラメータのうちの少なくとも１つを制御することにより接合部への入熱を制御する。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態で使用可能な例示の電流波形２００を示す。なお、図示の波形２００は、溶接作業、とりわけＧＭＡＷ／ＭＩＧ型の作業で用いることが可能な多くの異なる種類の溶接電流波形を代表する包括的なパルス波形であり、本発明の実施形態は図２又は本明細書で言及する図面のいずれかに図示の電流波形を用いることに限定されない。図２に示すように、波形２００は各周期Ｃに電極プラス極性（electrode  positive）（ＥＰ）部２１０及び電極マイナス極性（electrode  negative）（ＥＮ）部２０８の双方を有する。波形２００のＥＰ部２１０は、溶接電極Ｅがプラス極性を有する波形の期間であり（電流が電極ＥからワークピースＷに流れる）、それに対してＥＮ部２０８の間、電極ＥはワークピースＷから電極Ｅに電流が流れるようにマイナス極性を有する。
【００２１】
各ＥＰ部２１０は、ピーク電流２０１と、ピーク２０１の次にバックグラウンド電流レベル２０３とを有するパルス２０２を含み、バックグラウンド電流レベルはピーク２０１の電流レベルよりも低い。バックグラウンド部２０３と次の周期Ｃのピーク２０１との間にＥＮ部２０８がある。例示の実施形態では、ＥＮ部２０８はＥＮランプアップ（ramp-up）部２０５、ＥＮピーク部２０７及びＥＮランプダウン（ramp-down）部２０９を含む。ＥＮ部２０８は全持続時間ｔＥＮ及びピーク持続時間ｔＰＥＡＫＥＮを有する。
【００２２】
波形２００のＥＰ部及びＥＮ部のそれぞれは電流成分及び電圧成分（電圧は図示せず）を有しているため、各ＥＰ部２１０及びＥＮ部２０８は電力を提供する。そのため、各周期Ｃは、ＥＮ電力（EN  Power）／ＥＰ電力（EP  Power）（ＥＮ電力はＥＮ部２０８によって入力される電力全体であり、ＥＰ電力はＥＰ部２１０によって入力される電力全体である）に等しいマイナスの電力の比（negative  power  ratio）を有する。
【００２３】
溶接の間、周期ＣのＥＮ部２０８が溶接溜まりに提供する入熱はＥＰ部２１０のものに比べて小さい。しかしながら、ＥＮ部２０８は、溶接の間に送給される電極ＥをＥＰ部２１０よりも効率的に溶融する。本発明の様々な実施形態では、周期Ｃの各部のこれらの性質を利用して接合部への入熱を制御、最適化する。この点については後で詳細に説明する。
【００２４】
図２に示すように、また前で説明したように、本発明の実施形態では波形２００の周期ＣにおけるＥＮ部２０８を用いる。周期ＣのＥＮ部２０８は一般にＥＰ部２１０よりも低温（cooler）であるが、ＥＰ部２１０よりも効率的に電極Ｅを「バーンバック（burn  back）」することができる。そのため、ワークピース温度の調整を支援するのにＥＮ部２０８を用いることができる。なお、本発明の実施形態は、本明細書で説明するようにＡＣ型波形又はＡＣを断続的に用いる一般的なＤＣ波形の双方で使用可能である。
【００２５】
前で述べたように、溶接作業の開始時、ワークピースの温度は比較的低く、ワークピースの温度を最適な溶接温度に素早く高めるのが望ましい場合がある。溶接の間、ワークピースの温度は上昇を続けて高くなりすぎることがあるため、より低温の溶接作業が必要になる。本発明の実施形態では、ワークピース温度のデータ及び／又は他のパラメータを用いて接合部への入熱を制御することによる入熱制御を提供する。例えば、本発明の例示の実施形態では、システム１００は、第１のマイナスの電力の比を有する波形２００を溶接作業の初期段階の間に利用し、初期段階の後、波形２００は初期段階時のマイナスの電力の比よりも大きい第２のマイナスの電力の比を有するように変更される。初期段階では、第２の段階のマイナスの電力の比よりも小さいマイナスの電力の比を用いる。そのため、通常の波形の場合よりも、高い入熱によってワークピースの温度がより素早く所望の温度になるが、ワークピースの温度が所望の温度に達すると、電源はマイナスの電力の比をより大きい比に調整する。マイナスの電力の比をより大きい比に調整することで、接合部への入熱が減少しワークピースの温度が許容可能な温度で安定する。例示の実施形態では、溶接波形２００の初期段階から第２の段階への遷移は、検知した温度のデータに基づいて又は溶接作業における所定の期間の経過に基づいて起こり得る。また、本発明の例示の実施形態では、電源１１０は、溶接作業の間にワークピース温度の変動に対処するためにマイナスの電力の比が調整される溶接波形２００の第３の段階を利用する。例えば、ワークピース温度が高くなりすぎた場合、第３の段階は、接合部への入熱を少なくするためにより大きいマイナスの電力の比を有する。この点については、入熱の制御及び所望の溶接パフォーマンスを維持するために他のパラメータを用いることと合わせて後で説明する。
【００２６】
例示の実施形態では、溶接を行う前に、ユーザーは溶接作業に必要な様々な溶接パラメータを電源１１０／コントローラ１１８に入力する。これらの入力は、電流、電圧、ワイヤ送給速度、溶接材料（consumable）の種類、ワークピースの材料、ワークピースの厚さ、移動速度、堆積速度、最大ワークピース温度、臨界相変態温度、予熱温度、溶接領域への距離等を含み得る。この情報に基づいて、初期のマイナスの電力の比が選択され、初期のマイナスの電力の比よりも電力の比が大きい第２のマイナスの電力の比（１／１０〜２／５の範囲にあり得る）が初期段階の後で使用するために選択される。一部の例示の実施形態では、第２のマイナスの電力の比は、初期のマイナスの電力の比の４倍大きい。一部の実施形態では、初期のマイナスの電力の比が特定の期間使用され、その後、電源１１０は波形２００を第２のマイナスの電力の比に切り替える。この持続期間は予め決められており、一部の実施形態では２００ｍｓ〜５ｓ又は安定した溶接溜まりを確立するのに十分な時間であり得る。当然のことながら、他の持続時間を用いることができる。他の例示の実施形態では、電源１１０が初期段階用に波形２００の周期Ｃの周期数（ｎ）を予め決定し、そして周期数ｎが経過したときに（例えば、ｎが１０〜２００の場合）、電源１１０は初期段階から第２の段階に切り替える。本発明の他の例示の実施形態では、電源１１０は入力情報を用いて初期のマイナスの電力の比を決定し、溶接作業の間に温度データを用いてマイナスの電力の比を調整して所望の溶接温度を得る。即ち、ワークピースＷの温度が上昇していると判断された場合、所望の温度又は目標温度が維持されるようにマイナスの電力の比が調整されてより低温の溶接作業が提供される。そのため、そのような実施形態では、目標温度又は温度範囲が決定されると、コントローラ１１８は、温度を所望の温度／温度範囲に到達させ、それを維持するためにマイナスの電力の比を調整する。
【００２７】
図１に示す実施形態では、溶接温度のモニタリングのために少なくとも１つの温度センサ１７０が用いられ、コントローラ１１８はこの情報を用いて波形２００のマイナスの電力の比を調整する。例えば、センサ１７０はコントローラ１１８に温度フィードバックを提供し、検出した温度が所望の閾値に達した場合、コントローラ１１８は波形２００のマイナスの電力の比を調整して所望の温度を維持及び保持する。即ち、検出した温度が高くなりすぎると、（溶接プロセスの温度を下げるために）マイナスの電力の比を大きくし、検出した温度が低くなりすぎると、（溶接プロセスに熱を加えるために）マイナスの電力の比を小さくする。
【００２８】
他の例示の実施形態では、２つ以上のセンサ１７０を用いることができるか又はセンサ１７０はワークピースの他の領域における温度をモニタリングできる。本発明の実施形態はこの点で限定されない。
【００２９】
また、他の実施形態では、センサを用いる代わりに、コントローラ１１８（又は他のＣＰＵ装置）は状態テーブル、アルゴリズム等を用いて接合部への入熱を算出し、これらの算出結果を、前述したように波形２００のマイナスの電力の比の調整のために自身で又はセンサ１７０と共に用いることができる。
【００３０】
また、他の例示の実施形態では、システム１００は、ワークピースをその開始温度から所望の溶接温度に加熱するためのランプ速度を制御することができる。一部の溶接用途では、ワークピースＷをあまり素早く加熱しないようにすることが望ましい。そのような実施形態では、温度増加のための望ましいランプ速度が決定されるか又はコントローラ１１８に入力され、コントローラ１１８は溶接にとって望ましい温度に達するまでマイナスの電力の比を制御して望ましいランプ速度を維持する。
【００３１】
前で説明したように、本発明の実施形態では、波形２００のマイナスの電力の比を変更して溶接の間に接合部への温度入力を調整するために、温度フィードバック及び／又は温度算出情報を用いて波形２００のＥＮ部２０８を調整する。例えば、（ワークピース温度の上昇によって）接合部の温度が高すぎると判断された場合、電源１１０はアークからの入熱が小さくなるようにマイナスの電力の比が大きい波形２００を提供する。即ち、アークＡに出力されるＥＮ電力の量をＥＰ電力よりも多くすることで、アークＡがより低い温度にありながらも電極Ｅを続けて消費できる。なお、ＥＮ電力の間、電極Ｅをより速い速度で又はより効率的な速さでバーンバックすることができるため、一部の例示の実施形態では、波形２００のこの部分の間に、ワイヤ送給装置１５０によって電極Ｗのワイヤ送給速度も調整され得る。この点については後でさらに説明する。反対に、ワークピースＷの温度が低すぎることが検出された場合（例えば初期段階の間又は溶接の間にワークピースの温度が低くなりすぎた場合）、本発明の実施形態ではＥＮ電力を小さくすることによりマイナスの電力の比を下げる。この結果、波形２００におけるＥＰ電力が多くなる（これは一般に温度がより高い工程である）。また、波形のＥＰ部２１０の間の電極Ｅの消費はＥＮ部２０８の場合よりも少ないため、コントローラは、波形２００のこの段階の間、ワイヤ送給装置に電極Ｅのワイヤ送給速度を減速させるようにする。
【００３２】
本発明の例示の実施形態では、波形２００のＥＰ部２１０又は波形の周波数に変更を加えない。そのため、本発明の実施形態では、温度を維持又は変更するのに波形２００のＥＮ部２０８のみに変更を加える。これにより、波形２００、とりわけその周波数を根本的に変更することなく正確な温度制御が可能となる。他の例示の実施形態では、波形のプラスのパルス２０２に何ら変更を加えることなくマイナスの電力の比が変更される。即ち、プラスのパルス２０２のピーク２０１、持続時間及びランプ速度は変更されないが、ＥＰ部２１０のバックグラウンド部２０３の持続期間に変更を加えることができる。そのような実施形態では、アーク長が変化しないか又は変化があっても変化を最小限に抑えるためにワイヤ送給速度の調整が必要となる場合がある。
【００３３】
本発明の実施形態では、所望の温度又は温度の変化率を得るためにＥＮ部２０８の様々な特性の調整を利用できる。例えば、ＥＮ部への変更は先端の電流ランプ速度２０５、ピーク２０７（大きさ又はｔＰＥＡＫＥＮへの変更を通じて）、後端の電流ランプ速度２０９及び／又はＥＮ部２０８の持続時間ｔＥＮへの変更を含む。即ち、電源１１０は、ＥＮ部２０８のこれらのパラメータのいずれか１つ、任意の組み合せ又は全てを調整してマイナスの電力の比を変更し、ワークピースの温度を設定値（setpoint）温度にすることができる。
【００３４】
前で説明したように、本発明の実施形態では、溶接作業の初期段階の間に温度を所望の値にするために第１のマイナスの電力の比を用いることができ、本発明の実施形態では、第１の段階の間に固定の第１のマイナスの電力の比を用いることができ、係る固定の比は電源１１０／コントローラ１１８によって決定される。しかしながら、他の例示の実施形態では、第１の段階の間の温度の増加率がモニタリングされ、所望とする温度の増加率が確実に得られるようにマイナスの電力の比が調整される。これは、ワークピースＷの温度の増加が速すぎるか又は遅すぎることがないようにする。例えば、ワークピースＷの温度をできるだけ速く溶接温度にするか又はワークピースＷの加熱が速すぎることがないようにするのが望ましい場合がある。
【００３５】
本発明の実施形態では、波形２００のマイナスの電力の比を制御するために様々なフィードバック又は制御手順を用いることができる。例えば、電源１１０は（システムの設計された更新速度で）ワークピース温度を継続的にモニタリングし、偏差（deviation）が検出され次第マイナスの電力の比が調整される。本発明の例示の実施形態では、温度用の更新速度は１〜１０ＫＨｚである。当然のことながら、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく他の更新速度を用いることができる。他の実施形態では、別のフィードバック手順を用いることができる。例えば、電源１１０／コントローラ１１８は波形２００の複数（Ｎ）の周期Ｃに亘って又はある期間に亘ってワークピースの温度をモニタリングし、求められた温度又は測定した温度を温度設定値と比較してマイナスの電力の比を変更すべきか判断することができる。当然のことながら、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく他の制御手順を用いることができる。
【００３６】
他の例示の実施形態では、電源１１０及び／又はコントローラ１１８は（使用するシステムの更新速度又はサンプルレートに基づいて）瞬時温度のモニタリング及び／又は算出を行って、設定値からの偏差が検出されたかを判定するが、複数の連続する偏差が検出されるまで波形２００を変更しない。そのような実施形態では、持続時間が短い異常の検出に基づく波形２００の変更を避け、短い時間で自己修正する。例えば、例示の実施形態では、システムは検出した／算出した温度を設定値と比較し、偏差が検出された場合はコントローラ１１８が、第１の偏差の後の連続する偏差の数をカウントするカウンターを始動させる。検出された連続する偏差の数が所望の数を超えた場合、マイナスの電力の比が本明細書で説明したように変更される。例えば、検出された連続する偏差の数は５〜２０であり得る。一部の実施形態では、連続する偏差が所定数に達する前に検出した／算出した温度が設定値に戻った場合は、波形２００を変更せず、カウンターが０にリセットされる。
【００３７】
他の例示の実施形態では、偏差が検出された場合に実際の温度変化を検出する／算出するための更新速度が変更される。例えば、溶接の間に第１の更新速度が用いられ、偏差が検出された場合に、更新速度をより速い更新速度に変更して温度をモニタリングし、マイナスの電力の比を調整する。
【００３８】
なお、本発明の他の例示の実施形態では、電源１１０が、所望の温度を維持するためにその出力電流を調整する間マイナスの電力の比を一定に保つことができる。そのような実施形態では、電源１１０はマイナスの電力の比を変更する代わりにマイナスの持続時間の比（negative  duration  ratio）（マイナスの持続時間の比＝ｔＥＮ／ｔＥＰ）を変更する。そのような実施形態では、電源１１０は、波形のＥＮ状態の持続時間がより長くなるようにＥＮ部２０８の持続時間ｔＥＮを調整するが、マイナスの電力の比は変更されない。そのような実施形態では、ＥＮ部２０８のピーク電流２０７が減少されるが、ＥＮ部２０８の持続時間が長くなることで波形２００のより低温の部分をより長い期間利用できる。そのような実施形態では、所望のアーク長を維持するために、少なくとも電極Ｅのワイヤ送給速度を変更することが必要になる場合がある。
【００３９】
前で説明したよう、本発明の実施形態では、溶接プロセスの開始時に第１のマイナスの電力の比を使用し、そして溶接の間に第１の比よりも低温で且つ比がより大きいマイナスの電力の比に切り替えることができる。しかしながら、このより低温な第２のマイナスの電力の比を使用しても、ワークピースＷの温度上昇が高くなり過ぎる可能性があるため、溶接の間にさらなる冷却が必要になる。そのため、本発明の実施形態では、さらなる冷却を提供するために波形２００の第３の段階を時々使用できる。第３の段階では第２の段階の場合よりも大きいマイナスの電力の比又はマイナスの持続時間の比が用いられる。
【００４０】
これについては図３に概して図示されており、波形２００は、マイナスの電力の比及びマイナスの持続時間の比のうちの一方又は双方のいずれかを大きくして波形２００がより低温のものになるよう調整されている。例えば、図３に示すように、波形２００は、周期Ｃの全体の長さに対してＥＮ部２０８の持続時間ｔＥＮが長くなるように変更されている。これにより、周期Ｃ毎の低温の溶接時間の長さがより長くなる。一部の例示の実施形態では、提供される全体的なマイナスの電力はＥＮ部２０８の間に増えない。何故なら、マイナス電流のピークレベル２０７が下げられているからであり、ピークレベル２０７が第２の段階でのレベルと同じままであるよりも低温になる。本発明の一部の例示の実施形態では、第３の段階の持続時間ｔＥＮは、第２の段階の間の持続時間ｔＥＮよりも１０〜４５％長い。当然のことながら、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく他の差異を用いることができる。第３の冷却段階では、所望の冷却が得られるように波形２００のＥＮ部２０８の特性のうちのいずれか１つ又は全てを変更することができる。
【００４１】
本発明の例示の実施形態では、波形２００のＥＮ部２０８の第３の段階又は「冷却」段階のパラメータは、溶接の前の入力情報に基づいて電源１１０／コントローラ１１８によって予め決めることができる。即ち、冷却プロセスを実行すべきことが検出された場合に、電源１１０がＥＮ部２０８用に所定の冷却プロファイルを用いるように、入力情報に基づいてＥＮ部２０８の持続時間、ピークレベル及びランプ速度を予め決定することができる。しかしながら、他の例示の実施形態では、波形２００の冷却段階の間のＥＮ部２０８のパラメータは検出された温度に基づいて選択される。例えば、電源１１０／コントローラ１１８は、温度と設定値温度との間で求めた差に基づきＥＮ部２０８に加える変更を決定する。これはアルゴリズム型制御、状態デーブル等を用いて行うことができる。例えば、測定した差が設定値の第１の範囲内にある場合はＥＮ部２０８の持続時間ｔＥＮのみを変更し、この場合検出された差に応じて持続時間が変更される（例えば、設定値からの差に比例して持続時間を長くするか又は短くする）。他方で、前記の差が第１の範囲の範囲外にある場合、コントローラ１１８／電源１１０はＥＮ部２０８全体で提供される電力が少なくなるようにＥＮ部２０８の持続期間を長くし、ＥＮ部のピーク電流２０７を少なくする。前と同様にここでも、加えられる変更は所望の設定値から検出した差に比例し得る。そのような実施形態では、電源１１０及び／又はコントローラ１１８は波形のＥＮ部を絶えず変更して溶接プロセスへの全体的な入熱を制御できる。本発明の例示の実施形態では、上述の第１の範囲は設定値の４〜２０％の範囲内である。即ち、第１の範囲の外界（outer  bound）は設定値の４〜２０％の範囲内にある。当然のことながら、他の範囲を用いることができる。設定値が実際に動作範囲の場合、上記のパーセントの数値は動作範囲の各端点からのものと判断される（例えば、範囲の上限の４〜２０％内且つ範囲の下限の４〜２０％内）。
【００４２】
なお、前で述べた説明及び以下で述べる説明の中で温度「設定値」に頻繁に言及するが、一部の実施形態では動作設定値として温度範囲を用いることができる。その場合、温度が動作範囲内にある限り、波形２００又は動作に変更が加えられない。温度は設定値又は範囲であり得る。例えば、動作範囲は５０℃であり、他の例示の実施形態では範囲は１５０〜２６０℃であり得る。なお、混乱を避けるために、本明細書に記載の説明では明確性の点から「設定値」に言及するが、これらの説明は動作範囲を「設定値」として用いる場合にも同じく当てはまる。
【００４３】
なお、一部の例示の実施形態では、波形２００は、波形のＥＮ部２０８が完了した直後にプラスのパルス２０２が始まるように制御される（図２参照）。しかしながら、他の実施形態ではそれが当てはまらない場合がある。例えば、前で説明したように、本発明の実施形態では温度を所望の温度に到達させる／所望の温度で維持するためにＥＮ部２０８を早期に終了させることができる。そのような実施形態では、次のパルスが始まる前に電流をプラスのバックグラウンド２０３に戻すことができるため、波形の周波数が維持される。
【００４４】
上述した実施形態を実施するために様々な制御方法又は制御手順を用いることができる。例えば、コントローラ１１８は状態テーブル、ルックアップテーブル又はアルゴリズム型の制御手順を用いて本発明の実施形態を実施できる。そのような実施形態では、検出した及び／又は求められた温度及び温度設定値（又は範囲）を利用し、その情報を用いてどの波形の段階を用いるべきかを判断するか又は所望の温度を維持するために波形２００のＥＮ部２０８に加える変更の量及び種類を決定し得る。なお、本発明の実施形態では、測定した／求められた温度と設定値との間の偏差に基づいてＥＮ部の様々な特性（例えば、ピーク電流ランプ速度、持続時間）を変更することができる。そのため、一部の実施形態では、検出した差が大きい場合はより積極的な変更をＥＮ部２０８に加えることができる。
【００４５】
本発明のさらなる例示の実施形態では、電源１１０及び／又はコントローラ１１８は温度を所望の温度に到達させるか又は所望の温度で維持するために溶接作業の他の特性の変更を利用することができる。例えば、一部の実施形態では、所望の温度を得るために波形２００のＥＮ部に変更を加えることに加えて、コントローラ１１８は移動装置１６０を制御して溶接作業の移動速度を変更することができる。そのような実施形態では、温度が増加すると、コントローラ１１８は移動速度を上げるようにして、所望の温度が得られるか又は所望の温度を維持するのを支援することもできる。あるいは、温度が低すぎる場合、コントローラ１１８は移動速度を下げて所望の温度を維持するのを支援する。
【００４６】
本発明の一部の例示の実施形態では、温度と設定値との間の偏差の大きさにより、設定値を維持するか又は設定値に戻すのを支援するのに用いられる移動速度の程度を決定できる。図４Ａはこの点を説明するのに役立つ。
【００４７】
図４Ａに示すように、電源は温度設定値Ｔｅｍｐを有し得る（なお、上述したようにＴｅｍｐの代わりに動作範囲を用いることができるが、この図では設定値を用いる）。図示するように、一部の実施形態では、第１の動作範囲ΘがＴｅｍｐの周りに確立されている。図４Ａでは、第１の動作範囲ΘがＴｅｍｐを中心としたものであるように図示しているが、全ての実施形態でこのようにある必要はない。第１の動作範囲Θは、温度が第１の動作範囲Θ内にある場合は第１の温度変更プロトコルを使用して動作にとって望ましい温度が維持される一方、温度が第１の動作範囲Θの範囲外にある場合は第２の温度変更プロトコルを使用して所望の温度が維持されるような温度の範囲を有する。例えば、求められた温度が第１の動作範囲Θの範囲内にある場合、電源１１０／コントローラ１１８は（上述のように）波形２００のみを調整して所望の温度を維持する一方、温度が第１の動作範囲Θの範囲外にある場合、コントローラ１１８は波形２００及び移動速度への変更を実行して所望の温度に戻す。当然のことながら、温度が第１の動作範囲Θの範囲内にあるか又は範囲外にあるかに応じて他のパラメータを調整できる。例えば、第１の動作範囲Θの範囲内にある場合、電源１１０はＥＮ部２０８の１つのパラメータ（例えば、ランプ速度、ピーク、持続時間）を調整する一方、第１の動作範囲Θの範囲外にある場合、電源１１０は第１のパラメータを含み得る少なくとも２つのパラメータ（例えば、ランプ速度、持続時間、ピーク電流）を調整する。様々な実施形態では、本明細書で説明した任意のパラメータの様々な組み合わせを用いて、マイナスの電力の比、マイナスの持続時間の比及び／又は移動速度を調整して温度を設定値に調整することができる。
【００４８】
図４Ｂは本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、上述したように用いられる第１の動作範囲Θと、上述した第１の動作範囲Θと同じように用いられる第２の動作範囲αが存在する。即ち、第１の動作範囲Θでは第１のパラメータ又は第１のパラメータ群を用いて温度が制御される一方、第２の動作範囲αでは第２のパラメータ又は第２のパラメータ群を用いて温度が制御され、第２の動作範囲の範囲外の場合は第３のパラメータ又は第３のパラメータ群を用いて温度が制御される。参考までに、使用可能なパラメータとしては、ＥＮ部のマイナスの電力の比、マイナスの持続時間の比、電流ランプ速度、ピーク電流及び持続時間並びに移動時間に加えて、ＥＰ部の電流ランプ速度、ピーク電流及び持続時間並びにワイヤ送給速度が挙げられる。
【００４９】
なお、プラス及びマイナスの間で電極Ｅの「バーンバック」率に差があることから、異なる波形段階の間に電極Ｅのワイヤ送給速度を調整し、マイナスの電力の比及び／又は移動時間の変更を調整して十分なフィラーが接合部に供給されるようにする必要があり得る。波形２００のＥＮ部２０８の間、電極Ｅをより効率的に消費できる。そのため、マイナスの電力の比が大きくなるのに伴ってワイヤ送給速度を上げる必要があり得る。そのような変更はコントローラ１１８及びワイヤ送給装置１５０を用いて行うことができる。
【００５０】
図５は、本発明の別の例示の実施形態である。この実施形態では、システム１００は溶接の間にユーザーが冷却のための第３の波形段階を開始できるようにする。そのような実施形態は半自動の溶接システム及び作業と併用できる。具体的には、図示の実施形態では、トーチ１３０は溶接の間にユーザーが作動させることができるスイッチ１３１を含む。なお、この実施形態では、トーチ１３０は既知の構成を有する手持ち式の溶接トーチであり得る。スイッチ１３１は、溶接の間にユーザーがスイッチ１３１を作動させて、溶接部に入力される温度が少なくなるように波形２００を変更できるようコントローラに連結されている。例えば、スイッチを作動させることによって、波形２００がより低温の溶接波形となるように波形２００を第２の段階から（前で説明した）冷却段階に変更することができる。そのため、ユーザーはトーチ１３０で入熱を制御できる。さらなる例示の実施形態では、トーチ１３０にインジケータ１３２を搭載することができる。インジケータは、溶接作業の温度が溶接温度パラメータの範囲内又は範囲外であることを示すＬＥＤライト等の任意の装置であり得る。例えば、通常作業の間、インジケータ１３２は緑色でワークピース／接合部の温度が許容可能であることを示す。前記温度が高すぎる場合、インジケータは色を赤に変えて、冷却スイッチ１３１を動作させるべきことをユーザーに示すことができる。前記温度が所望のレベルに達した場合、インジケータは赤から緑に変化する。他の実施形態では、さらなる表示をユーザーに提供することができる。例えば、所望の作業にとって前記温度が低すぎる場合、インジケータ１３２はユーザーが溶接プロセスの速度を減速する及び／又はスイッチ１３１を開放できるように温度が低すぎることを示す青色を表示できる。それに加えて、インジケータは、前記温度が許容可能な動作範囲の範囲内にあるものの動作範囲の限界に近づいていることを示す黄色の照明等の中間信号を提供することができ、その結果ユーザーはスイッチ１３１を必要とせずに溶接プロセスを調整することができる。従って、本発明の実施形態は、ユーザーがスイッチを手動で作動させることにより波形２００の冷却段階を実行できるようにする。その場合、波形２００はより低温の溶接作業が提供されるように変更される。また、インジケータ１３２は、溶接プロセスの間の溶接温度に関する指示又は情報を提供するために視覚的刺激又は表示をユーザーに提供することができる。
【００５１】
当然のことながら、例示の実施形態では、ユーザーがスイッチ１３１を操作した場合に、コントローラ１１８によって電極Ｅのワイヤ送給速度が適切な速度に変更できるようにすることも可能である。一部の実施形態では、溶接作業に応じてワイヤ送給速度を固定することもできる。
【００５２】
本発明の一部の例示の実施形態では、マイナスの電力の比がある段階から別の段階で変更されるが、各周期Ｃにより生成される全体的な電力は周期Ｃによって変わらない。即ち、本明細書で説明したようにマイナスの電力の比が変更されても、波形２００の各周期Ｃの全体的な電力は周期によって変わらない。そのような実施形態では、溶接プロセスの間に提供される電力は一定である。
【００５３】
上述したこれらの実施形態に加えて、本明細書で説明した範囲と一致する他の実施形態により、波形の周波数又はＥＰ部を変更することを必要とせずに、入熱を最小限に抑えながら所望のアーク長を制御及び維持できる。そのような制御は、入熱が大きくなるか、溶接周波数が変更されるか又は波形の全ての特性が変更され得る既知の制御方法に勝る大きな利点を提供する。
【００５４】
特定の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ得ること及び同等物に置換され得ることが分かる。それに加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの変更が加えられ得る。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されず、本発明は添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含む。
【符号の説明】
【００５５】
１００  溶接システム
１１０  溶接電源
１１２  電力変換ユニット
１１４  出力インバータ
１１６  波形生成器
１１８  コントローラ
１２０  フィードバック回路
１２２  電圧フィードバック回路
１３０  溶接トーチ
１３１  スイッチ
１３２  インジケータ
１５０  ワイヤ送給装置
１６０  移動装置
１７０  熱センサ
２００  電流波形
２０１  ピーク電流
２０２  パルス
２０３  バックグラウンド電流レベル
２０５  ランプアップ部
２０７  ピーク部
２０８  マイナスの部分
２０９  ランプダウン部
２１０  プラスの部分
Ａ  溶接アーク
Ｃ  周期
Ｅ  電極
ｔＥＮ  持続時間
ｔＰＥＡＫＥＮ  ピークの持続時間
Ｗ  ワークピース
α  第２の動作範囲
Θ  第１の動作範囲
【図１】
2015533347.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2015533347.tif 000010
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