(57)【要約】  ガス送達システム(10)が、被加工物(25)を溶接している間、シールドガスを供給源(16)から1つ以上のホースを通じてノズル(18)を有するトーチ(12)へと送達する。シールドガス制御装置(56)が、入口(62)と、出口(64)と、入口(62)と出口(64)との間にある少なくとも1つの弁(60)と、を備える。弁(60)は、所定最小シールドガス流れ設定値に応答して動作する。シールドガス制御装置(56)は、所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、シールドガスの流れを変化させるために、溶接(32)の前または後に弁(60)を動作させる。溶接の方法が、シールドガスの流量をあらかじめ決定するステップと、ガスの別の流量をあらかじめ決定するステップと、溶接している間に第1の溶接プール(26)に近接して第1の流量でガスを分配するステップと、被加工物(25)における別の溶接(32)を溶接している間、第1の流量と異なる第2の流量でシールドガスを分配するステップと、を含む。
2017524541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つ以上の被加工物(25)を溶接している間、シールドガスを、前記シールドガスの供給源(16)から、1つ以上の管もしくははホース(58、78)を通じて、ノズル(18)を有する溶接トーチ(12)へと送達するためのガス送達システム(54)であって、
シールドガスを、シールドガスの前記供給源(16)から、前記1つ以上の管もしくはホース(58、78)を通じて受け入れるための入口(62)と、
前記ノズル(18)へとシールドガスが流れるように出て行く出口(64)と、
前記入口(62)と前記出口(64)との間にあり、所定最小シールドガス流れ設定値に応答して動作可能である少なくとも1つの弁(60)と、
を備えるシールドガス制御装置(56)を備え、
前記シールドガス制御装置(56)は、前記所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、前記ノズル(18)からの前記シールドガスの流れを変化させるために、第1の溶接の前または後に、前記少なくとも1つの弁(60)を少なくとも一回動作させる、ガス送達システム(54)。
【請求項２】
前記弁(60)はオリフィスを備え、前記シールドガス制御装置(56)は、前記所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク開始順序の間にシールドガス流量を増加または低減するために、前記オリフィスの大きさを変化させる、請求項1に記載のガス送達システム(54)。
【請求項３】
前記シールドガス制御装置(56)は、前記所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク終了順序の間に前記シールドガス流量を変化させる、請求項1または2に記載のガス送達システム(54)。
【請求項４】
前記シールドガス制御装置(56)は、前記出口(64)からの実際のガス流量を測定し、測定された流量を示す信号を送信することができるセンサ(70)をさらに備える、請求項1から3のいずれか一項に記載のガス送達システム(54)。
【請求項５】
前記センサ(70)は、前記センサ(70)の上流および下流における前記1つ以上の管もしくはホース(58、78)における障害によって引き起こされる、溶接している間のシールドガスの流れにおける変化を検出する、請求項4に記載のガス送達システム(54)。
【請求項６】
溶接処理順序は、第1の溶接順序と、溶接方向、被加工物形状、または溶接速度のうちの少なくとも1つにおいて前記第1の溶接順序と異なる第2の溶接順序と、を含み、
前記シールドガス制御装置(56)は、前記所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、前記第1の溶接順序と前記第2の溶接順序との間で前記シールドガス流量を変化させる、請求項1から5のいずれか一項に記載のガス送達システム(54)。
【請求項７】
1つ以上の被加工物(25、102、104、122、124)を溶接するための溶接システム(10)であって、
ノズル(18)を有する溶接トーチ(12)と、
前記溶接トーチ(12)と電気的に通じている溶接機(14)と、
前記溶接トーチ(12)を所定の溶接経路に沿ってトレースするために、前記溶接トーチ(12)と前記1つ以上の被加工物(25、102、104、122、124)との間に相対移動を提供するロボット(40)と、
前記1つ以上の被加工物(25、102、104、122、124)へと溶加材(20)を計って送るための送り込み機(50)と、
シールドガスを、シールドガスの供給源(16)から、1つ以上の管もしくはホース(58、78)を通じて受け入れるための入口(62)、
前記ノズル(18)へとシールドガスが流れるように出て行く出口(64)、および、
前記入口(62)と前記出口(64)との間にあり、所定最小シールドガス流れ設定値に応答して動作可能である少なくとも1つの弁(60)、
を含んだシールドガス制御装置(56)であって、
前記所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、前記ノズル(18)からの前記シールドガスの流れを変化させるために、第1の溶接の前または後に、前記少なくとも1つの弁(60)を少なくとも一回動作させるシールドガス制御装置(56)と、
前記溶接機(14)、前記シールドガス制御装置(56)、および前記ロボット(40)と動作可能に通じており、前記第1の溶接を含む第1の溶接順序のための所定最小シールドガス流れ設定値を前記シールドガス制御装置(56)へと伝える制御システム(42)と、
を備える溶接システム(10)。
【請求項８】
前記制御システム(42)および前記溶接機(14)と動作可能に通じている溶接品質制御システム(96)であって、前記第1の溶接(106、126)の品質、および1つ以上の後の溶接(108、110、128、130)の品質を検出し、それぞれの溶接品質を示す信号を前記制御システム(42)へと送信する溶接品質制御システム(96)をさらに備え、
前記制御システム(42)は、前記所定最小シールドガス流れ設定値と異なる第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、それぞれの前記溶接品質に基づいて計算し、前記第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、後の被加工物におけるそれぞれの溶接を溶接している間に、前記シールドガス制御装置(56)へと伝える、請求項7に記載のシステム(10)。
【請求項９】
前記制御システム(42)および前記溶接機(14)と動作可能に通じており、溶接している間に前記溶接機(14)からのボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を検出し、前記溶接機(14)からの前記ボルト数および前記アンペア数のうちの前記1つ以上を示す信号を前記制御システム(42)へと送信するセンサ(98)をさらに備え、
前記制御システム(42)は、前記所定最小シールドガス流れ設定値と異なる第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、前記ボルト数および前記アンペア数のうちの前記1つ以上を示す前記信号に基づいて計算し、前記第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、後の被加工物におけるそれぞれの溶接を溶接している間に、前記シールドガス制御装置(56)へと伝える、請求項7または8に記載のシステム。
【請求項１０】
被加工物(25、102、104、122、124)を溶接する方法であって、
前記被加工物(25、102、104、122、124)における第1の溶接(106、108、110、126、128、130)の形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つに基づいて、シールドガスの第1の流量をあらかじめ決定するステップと、
前記被加工物(25、102、104、122、124)における第2の溶接(106、108、110、126、128、130)の形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つに基づいて、前記シールドガスの第2の流量をあらかじめ決定するステップであって、前記第2の溶接(106、108、110、126、128、130)は、形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つにおいて、前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)と異なる、ステップと、
前記被加工物(25、102、104、122、124)における前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)を溶接している間、前記第1の溶接プールに近接して、前記第1の流量で前記シールドガスを分配するステップと、
前記被加工物(25、102、104、122、124)における前記第2の溶接(106、108、110、126、128、130)を溶接している間、第2の溶接プールに近接して、前記第1の流量と異なる前記第2の流量で前記シールドガスを分配するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)および前記第2の溶接(106、108、110、126、128、130)は、前記被加工物(25、102、104、122、124)における連続した溶接である、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)は複数の溶接のうちの第1の溶接順序(100、120)にあり、前記第1の流量で前記シールドガスを分配するステップは、前記第1の溶接順序(100、120)における各々の溶接について前記第1の流量を維持するステップを含む、請求項10または11に記載の方法。
【請求項１３】
前記第2の溶接(106、108、110、126、128、130)は複数の溶接のうちの第2の溶接順序(100、120)にあり、前記第2の流量で前記シールドガスを分配するステップは、前記第2の溶接順序(100、120)における各々の溶接について前記第2の流量を維持するステップを含む、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1の被加工物(25、102、104、122、124)と異なる第2の被加工物(25、102、104、122、124)における第3の溶接(106、108、110、126、128、130)を溶接している間、第3の溶接プールに近接して、前記第1の流量で前記シールドガスを分配するステップを含む、前記第2の被加工物(25、102、104、122、124)を溶接するステップであって、前記第3の溶接(106、108、110、126、128、130)は、前記第2の被加工物(25、102、104、122、124)における形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つにおいて、前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)と同じである、ステップをさらに含む、請求項10から13のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記被加工物(25、102、104、122、124)における前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)の品質を監視するステップと、前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)を溶接している間の前記第1の流量、および/または、前記被加工物(25、102、104、122、124)の後の第2の被加工物(25、102、104、122、124)における前記第1の流量を、前記第1の溶接(106、108、110、126、128、130)の前記品質に基づいて変化させるステップと、をさらに含む、請求項10から14のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、2014年7月7日に出願された米国仮特許出願第62/021,358号への優先権を主張し、その特許出願の開示は、本明細書において、その全体において参照により組み込まれている。
【０００２】
本発明は、概してガスシステム、溶接システム、および溶接の方法に関し、より詳細には、自動ガス制御システム、溶接システム、およびそれらを使用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
溶接は、別々の金属の被加工物を金属接合することである。典型的には、溶接している間、2つの被加工物は互いに近づけられる。各々の被加工物の一部分が、被加工物間に溶融金属のプールを形成するために、電気溶接の電力供給装置に接続されたトーチによる局所的な熱の付与によって融解される。被加工物を加熱することは、金属不活性ガス(MIG:Metal Inert Gas)トーチまたはタングステン不活性ガス(TIG:Tungsten Inert Gas)トーチなど、溶接トーチでしばしば行われる。知られているように、MIG溶接はガス金属アーク溶接(GMAW)と称されることがあり、TIG溶接はガスタングステンアーク溶接(GTAW)と称されることがある。他の種類の溶接には、ガス溶接およびフラックス入りアーク溶接(FCAW)があり得る。これらの溶接処理の各々では、溶加材が、溶接プールとしても知られる溶融金属のプールにしばしば添加される。溶加材は、金属スティックまたは金属線材の形態であり得る。
【０００４】
溶接プールは、形成された後で、2つの被加工物の間で所定の経路に沿って並進または移動される。溶加材が、溶接プールが並進されるにつれて、制御された速さで溶接プールへと連続的に送り込まれる。溶接プールの前の金属が融解される一方、移動する溶接プールの後にある金属と溶加材との混合物は、冷却するにつれて固化する。2つの被加工物の間の溶接継手が、溶融金属の溶接プールが冷却すると形成される。
【０００５】
溶接は、溶接トーチを用いて手動で実行できる一方、大量の製造作業のために自動溶接システムがある。これらのシステムは、溶接トーチを被加工物に対して移動するために、ロボットまたは他の電気機械的に関節接合された機械をしばしば備えている。ロボットのプログラムを作ることによって、ロボットは、正確なあらかじめ選択された経路において、または外部センサによって修正される経路に沿って、被加工物にわたってトーチを繰り返しトレースできる。線材の形態の溶加材は、ロボットに担持されている、または、ロボットに近接している自動送り込み機によって、線材スプールから送り込まれ得る。
【０００６】
上記で特定した溶接処理の多くは、シールドガス(例えば、アルゴンなどの非反応性ガス)を必要とする。例えば、MIG溶接は、電極および溶接プールを包囲するために、不活性シールドガスの使用を必要とする。シールドガスは、通常の大気ガスを溶融金属の周囲から押しのける。したがって、シールドガスは、溶融金属と通常の大気ガスとの間に局所的なガスの遮蔽または緩衝を形成する。この遮蔽を提供することによって、シールドガスは、大気における望ましくないガスが溶融金属と反応するのを防止する。溶融金属または高温金属が、例えば窒素および/または酸素といった大気ガスと反応する可能性があり、品質の悪い溶接継手をもたらす可能性があることは、知られている。例えば、例として気孔および/または金属酸化物の含有といった、望ましくない反応生成物を含む溶接継手は、脆弱な機械的強度および脆弱な耐腐食性など、許容できない特性を呈する可能性がある。したがってシールドガスの使用は概して溶接品質を向上する。
【０００７】
シールドガスを必要とするこれらの溶接システムについて、ガスをトーチへと送達するための制御システムが使用され得る。ガス制御システムは、シールドガスの圧力を調整するために、および溶接プールに近接してのシールドガスの送達を制御するために、様々な調整器および配管を備え得る。通常、送達は流量計を用いて手動で制御され、流量計は、ガスシリンダまたはバルクガス供給源に結合された圧力計から下流にあり得る。最小限の必要なシールドガスの一貫性のある送達は、問題が残っている。
【０００８】
送達の問題は、ガス遮蔽における変動のため、溶接継手の品質の問題を引き起こす可能性がある。溶接プールの周りでのガス遮蔽は、例えばシールドガスの供給からの距離のためといった、いくつかの理由で変動する可能性がある。簡単な手順が、溶接プールにわたるシールドガスの流れにおける変動と、不十分なシールドガスと関連付けられる問題と、に対処するために、用いられ得る。
【０００９】
ある一般的な手法は、全体の溶接処理の間に流れ制御を高いレベルに手動で設定することで、過剰な量のシールドガスを使用することである。手動設定は、設定された後で、溶接処理の間に後で調節されることはない。この手法の場合、ガスの流れにおいて変動があったとしても、少なくとも最少量のシールドガスが常に存在することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
既存の溶接システムの問題に鑑みて、溶接システムは概して満足できるが、溶接システムの製造者およびその顧客は、コストを低減しつつ、特には溶接品質および溶接品質の一貫性といった、自身の溶接システムおよび溶接処理を引き続き改善しようとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、溶接システムの前述および他の短所および欠点を克服する。本発明は特定の実施形態との関連で記載されるが、本発明がそれらの実施形態に限定されないことは、理解されるものである。むしろ、本発明は、すべての代替、変更、および均等物を、本発明の精神および範囲内に含まれ得るとして含んでいる。
【００１２】
本発明の原理によれば、ガス送達システムが、1つ以上の被加工物を溶接している間、シールドガスを、シールドガスの供給源から、1つ以上の管もしくはホースを通じて、ノズルを有する溶接トーチへと送達する。ガス送達システムは、シールドガスを、シールドガスの供給源から、1つ以上の管もしくはホースを通じて受け入れるための入口と、ノズルへとシールドガスが流れるように出て行く出口と、入口と出口との間にある少なくとも1つの弁と、を備えるシールドガス制御装置を備える。弁は、所定最小シールドガス流れ設定値に応答して動作可能である。シールドガス制御装置は、所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、ノズルからのシールドガスの流れを変化させるために、第1の溶接の前または後に、少なくとも1つの弁を少なくとも一回動作させる。
【００１３】
一実施形態では、弁は、溶接している間にシールドガスの流れを変化させるための可変オリフィスを備える。
【００１４】
一実施形態では、シールドガス制御装置は、所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク開始順序の間にシールドガス流量を増加または低減するために、オリフィスの大きさを変化させる。
【００１５】
一実施形態では、少なくとも1つの弁は比例弁である。
【００１６】
一実施形態では、各々の弁は流れ絞り機構と関連付けられる。
【００１７】
一実施形態では、シールドガス制御装置は、出口からの実際のガス流量を測定し、測定された流量を示す信号を送信することができるセンサをさらに備える。
【００１８】
一実施形態では、センサは、センサの上流および下流における1つ以上の管もしくはホースにおける障害によって引き起こされる、溶接している間のシールドガスの流れにおける変化を検出する。
【００１９】
一実施形態では、溶接処理順序は、第1の溶接順序と、溶接方向、被加工物形状、または溶接速度のうちの少なくとも1つにおいて第1の溶接順序と異なる第2の溶接順序と、を含み、シールドガス制御装置は、所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、第1の溶接順序と第2の溶接順序との間でシールドガス流量を変化させる。
【００２０】
一実施形態では、シールドガス制御装置は、所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク終了順序の間にシールドガス流量を変化させる。
【００２１】
一実施形態では、ガス送達システムは、1つ以上の管もしくはホースにおけるシールドガスと流体連通していると共にシールドガスにおける窒素および/または他の汚染物を検出するセンサをさらに備える。
【００２２】
一実施形態では、ガス送達システムは、圧縮空気をノズルへと供給するためのノズルと流体連通している空気供給システムをさらに備える。
【００２３】
本発明の一態様によれば、1つ以上の被加工物を溶接するための溶接システムが、ガス送達システムと、ノズルを有する溶接トーチと、溶接トーチと電気的に通じている溶接機と、溶接トーチを所定の溶接経路に沿ってトレースするために、溶接トーチと1つ以上の被加工物との間に相対移動を提供するロボットと、1つ以上の被加工物へと溶加材を計って送るための送り込み機と、溶接機、シールドガス制御装置、およびロボットと動作可能に通じており、第1の溶接を含む第1の溶接順序のための所定最小シールドガス流れ設定値をシールドガス制御装置へと伝える制御システムと、を備える。
【００２４】
一実施形態では、溶接システムは、制御システムおよび溶接機と動作可能に通じている溶接品質制御システムをさらに備える。溶接品質制御システムは、第1の溶接の品質、および1つ以上の後の溶接の品質を検出し、それぞれの溶接品質を示す信号を制御システムへと送信する。制御システムは、所定最小シールドガス流れ設定値と異なる第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、それぞれの溶接品質に基づいて計算する。制御システムは、第2の所定最小シールドガス流れ設定値を後の被加工物におけるそれぞれの溶接を溶接している間に、シールドガス制御装置へと伝える。
【００２５】
一実施形態では、システムは、制御システムおよび溶接機と動作可能に通じているセンサをさらに備える。センサは、溶接している間に溶接機からのボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を検出し、溶接機からのボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を示す信号を制御システムへと送信する。制御システムは、所定最小シールドガス流れ設定値と異なる第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、ボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を示す信号に基づいて計算する。制御システムは、第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、後の被加工物におけるそれぞれの溶接を溶接している間に、シールドガス制御装置へと伝える。
【００２６】
一実施形態では、シールドガス制御装置は、所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク開始順序の間にシールドガス流量を増加または低減する。
【００２７】
一実施形態では、溶接処理順序は、第1の溶接順序と、溶接方向、被加工物形状、または溶接速度のうちの少なくとも1つにおいて第1の溶接順序と異なる第2の溶接順序と、を含み、シールドガス制御装置は、制御システムからの所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、第1の溶接順序と第2の溶接順序との間でシールドガス流れを変化させる。
【００２８】
一実施形態では、溶接システムは、1つ以上の管もしくはホースにおけるシールドガスと流体連通していると共にシールドガスにおける窒素を検出するセンサを、さらに備える。
【００２９】
一実施形態では、溶接システムは、圧縮空気をノズルへと供給するための、ノズルと流体連通している空気供給システムを、さらに備える。
【００３０】
一実施形態では、溶接している間、シールドガス制御装置は、出口からのシールドガス流量に関して、信号を制御システムへと出力する。
【００３１】
一実施形態では、溶接機は、制御システムと通じている溶接品質制御システムを備える。溶接品質制御システムは、第1の溶接の品質を評価するように構成される。
【００３２】
本発明の他の態様では、被加工物を溶接する方法が、(i)被加工物における第1の溶接の形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つに基づいて、シールドガスの第1の流量をあらかじめ決定するステップと、(ii)被加工物における第2の溶接の形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つに基づいて、シールドガスの第2の流量をあらかじめ決定するステップであって、第2の溶接は、形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つにおいて、第1の溶接と異なる、ステップと、(iii)被加工物における第1の溶接を溶接している間、第1の溶接プールに近接して、第1の流量でシールドガスを分配するステップと、(iv)被加工物における第2の溶接を溶接している間、第2の溶接プールに近接して、第1の流量と異なる第2の流量でシールドガスを分配するステップと、を含む。
【００３３】
一実施形態では、第1の溶接および第2の溶接は、被加工物における連続した溶接である。
【００３４】
一実施形態では、第1の溶接は複数の溶接のうちの第1の溶接順序にあり、第1の流量でシールドガスを分配するステップは、第1の溶接順序における各々の溶接について第1の流量を維持するステップを含む。
【００３５】
一実施形態では、第2の溶接は複数の溶接のうちの第2の溶接順序にあり、第2の流量でシールドガスを分配するステップは、第2の溶接順序における各々の溶接について第2の流量を維持するステップを含む。
【００３６】
一実施形態では、溶接の方法は、第1の被加工物と異なる第2の被加工物を溶接するステップをさらに含む。第2の被加工物を溶接するステップは、第2の被加工物における第3の溶接を溶接している間、第3の溶接プールに近接して、第1の流量でシールドガスを分配するステップを含む。第3の溶接は、第2の被加工物における形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つにおいて、第1の溶接と同じである。
【００３７】
一実施形態では、方法は、第1の被加工物と異なる第2の被加工物を溶接するステップをさらに含む。溶接するステップは、第2の被加工物における第3の溶接を溶接している間、第3の溶接プールに近接して、第1の流量でシールドガスを分配するステップを含む。第3の溶接は、第2の被加工物における形状において、溶接速度において、および溶接方向において、第1の溶接と同じである。
【００３８】
一実施形態では、方法は、被加工物における第1の溶接の品質を監視するステップと、第1の溶接を溶接している間の第1の流量、および/または、被加工物の後の第2の被加工物における第1の流量を、第1の溶接の品質に基づいて変化させるステップと、をさらに含む。
【００３９】
本明細書に組み込まれていると共に本明細書の一部分を構成している添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、以下に提供されている詳細な記載と共に、本発明を説明するように作用する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態による溶接システムの概略図である。
【図２】使用中の例示の溶接トーチの部分的な断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態によるシールドガス制御装置の概略図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態によるシールドガス制御装置の概略図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態によるシールドガス制御装置の概略図である。
【図４Ａ】異なる例示の溶接形状と溶接順序とを描写する図である。
【図４Ｂ】異なる例示の溶接形状と溶接順序とを描写する図である。
【図５】本発明の実施形態による溶接トーチと共に使用するための漏斗状装置の側方からの立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図1を参照すると、本発明の実施形態が、概して、高品質の溶接継手を一貫して製作するための溶接システム10に向けられている。この点において、システム10の実施形態は、溶接処理の特定の部分の間のガスの流れの変動を含め、溶接処理を通じてシールドガスの流れを制御する。これは後でより詳細に記載しているが、概して、シールドガスの流れは、制御され、溶接順序の開始の前および最中に、ある溶接順序から次の溶接順序までに、ある溶接から次の溶接までに、溶接順序の最後に、溶接順序の間に外部入力に基づいて、および/または、溶接順序の終了に続いて、変化させることができる。本発明の一実施形態では、溶接システム10は、例えば連続する溶接順序において、溶接ごとにシールドガスの流れを変化させ、その特定の溶接順序および/または溶接についての所定のシールドガスの流れの設定に基づく。有利には、本発明の実施形態は、シールドガスの消費を低減しつつ、溶接品質および溶接品質の一貫性を維持または向上する。
【００４２】
シールドガスの流れを制御することに加えて、本発明の一実施形態では、システム10は、溶接品質の目に見える悪化の前に、システム10の1つ以上の構成要素の保守の問題を監視、特定、および/または予測できる。このように、システム10は予防的な保守の機能を含み得る。本明細書で記載している溶接システムは、限定されることはないが、ガス金属アーク溶接(GMAW)、ガスタングステンアーク溶接(GTAW)、プラズマアーク溶接、またはプラズマ切断システムを含むことが、理解されるものである。
【００４３】
特に、図1を参照すると、本発明の一実施形態では、溶接システム10は、溶接機14と電気的に結合されていると共に、例えば、微量(例えば、約1%から約2%)のアルゴン(Ar)、二酸化炭素(CO2)、ヘリウム(He)、酸素(O2)、または、それらの組み合わせのシールドガス16の1つ以上の供給元に流体結合されている溶接トーチ12を備えている。例として、例示の溶接トーチ12は、金属不活性ガス(MIG)トーチ、タングステン不活性ガス(TIG)トーチ、またはプラズマトーチであり得る。シールドガス16の供給元は、限定されることはないが、高圧シリンダ、または図示しているようなバルクガス保管システムを備える。
【００４４】
MIGトーチによる例示の溶接処理によれば、図2を参照すると、溶接トーチ12は、接触管19と電極20との両方を包囲するノズル18を備え得る。シールドガスは、ガス遮蔽22を形成するために、電極20とノズル18との間で放出され得る。溶接機14(図1)は、電極20に電気的に結合されており、電極20と金属の被加工物25との間にアーク24を作り出すために必要な電力を提供する。アーク24は、被加工物25の金属と電極20からの金属との混合物を含む溶接プール26へと電極20が計って送られるにつれて、溶接プール26を作り出すために、被加工物25および電極20の各々を融解するのに十分である。電極が処理の間に消費されるように意図されていないTIG処理またはプラズマ処理においてなど、金属が電極20と別に溶接プール26へと供給され得ることは、理解されるものである。一実施形態では、システム10は、電極20あたりで1つのシールドガスの供給元16だけを備える。
【００４５】
溶接プール26は、ガス遮蔽22によって大気ガス28から分離される。溶接トーチ12は、矢印30によって指示されているように、被加工物25に対して移動され得る。この移動によって、溶接プール26およびシールドガス16は溶接トーチ12と共に移動する。アーク24は、移動30の方向において融解された電極20と混合するために、被加工物25のより多くの金属を融解し、溶接プール26をトーチ12の移動30に続いて冷却させる。溶接プール26が冷却するにつれて、溶接継手32が形成される。図示されていないが、2つ以上の被加工物が溶接継手32によって一体に結合され得ることは、理解されるものである。さらに、被加工物25に対するトーチ12の配向は、トーチ12が溶接プール26を「押す」と言われるような直角ではない角度になっているが、本発明の実施形態は、図示した特定の配向に限定されない。トーチ12は、トーチ12が溶接プール26を「引く」と言われる配向を含め、溶接継手32を形成するのに十分な任意の配向で、溶接プール26に対して配向され得る。
【００４６】
ガス遮蔽22とその溶接プール26に対する関係とは、溶接継手32の品質に影響を与える可能性がある。ガス遮蔽22は、ノズル18からのシールドガスの流れによって溶接プール26の周りに維持される。各々の特定の溶接処理において、溶接プール26を大気ガス28から保護するために、十分な体積のガス遮蔽22を維持するシールドガスの流れの特徴的な最少の流れがある。その特定の溶接についての最少の流れ未満にシールドガスの流れが減少すると、溶接プール26を大気ガス28に曝してしまう。ガス遮蔽22が溶接プール26を十分に保護しない場合、大気ガス28は、反応する、または溶接プール26における高温金属と望ましくない成分を形成する可能性がある。結果として、溶接32の特性は様々な点で不十分となり、そのため品質の悪いものとなる可能性がある。例として、品質の悪い溶接には、最後には溶接32に気孔または孔を引き起こす相当の窒素吸収を伴う溶接があり、これは溶接32の強度を低下させてしまう。
【００４７】
ガス遮蔽22が溶接プール26に対して過大とされる場合、過剰なシールドガスが消費されてしまう。ガス遮蔽22は溶接プール26を大気ガス28から十分に保護できる一方、溶接処理または溶接32への測定可能なほどの便益のないことが、過剰なシールドガスについて観察され得る。しかしながら、過剰なシールドガスは溶接32のコストを増加させてしまう。ノズル18からのシールドガスの流れは、ガス遮蔽22の大きさに影響を与える。
【００４８】
概して、シールドガスの流れが減少するにつれてガス遮蔽22の大きさが縮小し、逆の場合も同様である。他の要因が、溶接している間に必要とされるガス遮蔽22の最小の大きさに影響を与える可能性もある。例として、限定されることはないが、アーク24を発生させるために電極20へと供給される電力、電極20から被加工物25までの距離、移動30の方向における進行速度、溶接32の設計、被加工物25の形状、ならびに、ガス遮蔽22における風の通る場所および風が通らないことが、ガス遮蔽22の最小の大きさに影響を与える可能性がある。先行技術の流れ制御手順は、溶接処理におけるこれらの変動の多くまたは全部の下でシールドガスの流れの制御を検討し損ねている。
【００４９】
本発明の実施形態によれば、システム10は、高品質の溶接継手32を提供するために必要な最小の大きさに、または、その最小の大きさを若干上回るように、ガス遮蔽22を維持する。前の段落において特定された変化のうちの任意の1つまたは全部を考慮することで、システム10は、溶接処理の間に、シールドガス流量をあらかじめ決定し、設定できる。例えば、ガス遮蔽22の最小の必要とされる大きさは、ある溶接順序と次の手順とでは変わる可能性があるため、システム10は、溶接手順ごとに、および溶接ごとであっても、シールドガス流量を変化させることができる。したがって、システム10は、特定の溶接のために必要とされるガス遮蔽22の最小の大きさに合うように、シールドガス流量を変化させることができる。このようにして、システム10は、過剰なシールドガスの消費を低減または排除することで、溶接コストを最小限にする。
【００５０】
そのために、図1を参照すると、システム10の実施形態は、溶接トーチ12が固定され得るロボット40の例示の形態で、電気機械的な機械を備えている。しかしながら、被加工物25に対して溶接トーチ12を操作することができる他の機械が知られているため、ロボットを利用する必要はない。他の機械には、プログラムされた経路に沿って被加工物25に対してトーチ12を繰り返しトレースできる1つ以上のサーボモータがあり得る。図示されていないが、被加工物25は、ロボット40の移動と併せて、被加工物25と溶接トーチ12との間に相対移動を提供するようにも移動し得るように、別の電気機械的な機械に固定されてもよい。さらに、溶接トーチ12がロボット40に固定されて示されているが、ロボット40が被加工物25を保持し、被加工物25を固定された溶接トーチまたは移動可能な溶接トーチに対して移動するように構成されてもよいことは、理解されるものである。知られているように、ロボット40はコンピュータプログラム可能であり得る。
【００５１】
その点において、溶接システム10は、ロボット40に動作可能に結合された制御システム42を備えてもよい。制御システム42は、溶接を形成するために必要とされる関連する機器を制御することとの組み合わせで、ロボット40のための軌道を含む溶接プログラムを生成するために使用され得るコンピュータ(符号なし)および教示ペンダント44または他のオフラインプログラミングソフトウェアシステム(図示略)を備え得る。軌道は、被加工物25によって定められる空間における座標を含むことができ、制御システム42またはロボット40に保存され得る。溶接順序の間、制御システム42は、ロボット40に所定の軌道または経路に追従するように命令すると共に、溶接継手32を形成するために、他の構成要素(後に記載される)を軌道と適合させることができる。一実施形態によれば、溶接プログラムは、溶接ごとに、使用者選択可能シールドガス流量と、教示ペンダント44を通じて、または、オフラインプログラミングから入力される、他の使用者選択可能変数とを含み得る。
【００５２】
図1を引き続き参照すると、システム10は、制御された量の溶加材を溶接プール26(図2)へと計って送るための送り込み機50を備え得る。送り込み機50は、溶接機14および/または制御システム42に動作可能に結合され得る。所定の軌道に沿ったトーチ12の移動およびトーチ12による溶接と併せて、溶接機14および/または制御システム42の一方は、送り込み機50に溶加材を分配させて、溶加金属の所定の目標濃度に従って溶接プール26を満たすように、送り込み機50と通信できる。図示しているように、送り込み機50は、ロボット40と結合され得る、または、トーチ12の近位の別の場所に置かれ得る。トーチ12がMIGトーチである例示の実施形態では、送り込み機50は、電極20を溶接プール26へと計って送るための線材送り込み機であり得る。溶接トーチ12はTIGトーチであってもよく、その場合、送り込み機50は、タングステン電極と被加工物との間に形成される溶接プールへと溶加金属を計って送るように構成され得ることが、理解されるものである。
【００５３】
送り込み機50の動作と併せて、システム10は、ガス供給元16からガス送達システム54を通じた溶接トーチ12のノズル18(図2)へのシールドガスの流れを制御する。一実施形態では、制御システム42は、(任意選択的な)ソレノイド55でシールドガスの流れのオンオフ制御を調整し、溶接ごとなどで、溶接している間のシールドガスの流れを変化させることができる。ソレノイド55はオンオフ制御装置であり得る。
【００５４】
溶接している間のガスの流れに関して、一実施形態では、ガス送達システム54は、最少の所定のシールドガスの流れに関する設定値情報を受信するシールドガス制御装置(後に記載されており、概して符号56で指示されている)を備え得る。シールドガス制御装置の例示の実施形態が本明細書では記載されているが、システム54の実施形態は、記載した特定のガス制御装置に限定されないことが、理解されるものである。1つ以上の管もしくは配管58が、ソレノイド55およびシールドガス制御装置56を、一端においてシールドガスの供給元16へと、他端において溶接トーチ12のノズル18へと、流体結合している。単なる例として、配管58は、シールドガスの内圧の下での膨張を最小限とするために、WA Technologyより入手可能な「GSS」ホースなど、少なくとも350psi(約2413kPa)の定格とすることができ、シールドガスの流れのオンオフの周期の間における圧力の急増を低減できる。一実施形態では、シールドガス制御装置56は、溶接の前、溶接順序の各々個々の溶接継手を溶接している間、および/または溶接の後、ノズル18からのシールドガスの流量を制御する。具体的にはアーク開始の間の溶接の前、被加工物を溶接している間、および/または、アーク終了の間の溶接に続いて、シールドガス制御装置56は、ノズル18からのシールドガスの流れを変化させることができる。
【００５５】
これらの目的および他の目的のために、一実施形態では、図1および図3Aを参照すると、例示のシールドガス制御装置56は、入口62と出口64との間に弁60を備えている。弁60は、ガス送達システム54におけるシールドガスの流れを変化させることができる。弁60は、シールドガス制御装置56が受信する設定値情報の出てくる制御システム42と動作可能に連通している。
【００５６】
図示しているように、一実施形態では、シールドガス制御装置56は、入口62と出口64との間に流れ絞り部66を備えてもよい。シールドガス制御装置56は、フィードバックセンサ70とバイパス管72とを備えるフィードバック回路68から、制御システム42のための出力を生成する。バイパス管72は、入口62を通過するガスの流れの少量の一部分が、流れ絞り部66を迂回させられ、フィードバックセンサ70と動作可能に連通させられるように、流れ絞り部66の周囲で流体連通している。フィードバック回路68は、シールドガス制御装置56を通るガスの流れを示す信号を制御システム42へと出力する。フィードバック回路68が、出口64から流れるガスの体積流量および/または質量流量の指示を提供できることは、理解されるものである。
【００５７】
例示のシールドガス制御装置56では、フィードバックセンサ70は、バイパス管72を通過するガスを加熱する加熱器を備えてもよい。バイパス管72におけるガスを加熱することで、シールドガス制御装置56を通過するシールドガスの質量流量を熱力学の第1法則によって測定することが可能である。したがって、フィードバックセンサ70は、出口64からのシールドガス流量を示す電気信号などの出力を生成できる。その出力は、弁60を調節するために使用でき、制御システム42へと伝えられてもよい。制御システム42は、この情報を、単位時間あたりのシステム10のシールドガスの消費量を決定するために利用でき、これは次に教示ペンダント44において作業者に視認可能とさせることができる。さらに、後でより詳細に記載しているように、出力は、トーチ12の動作の1つ以上の質的および/または量的な評価のために使用されてもよい。一実施形態では、シールドガス制御装置56は質量流れ制御装置であり、これは、型式番号GE0A004504R8V020として、Andover, MassachusettsのMKS Instrumentsから市販されている。
【００５８】
動作中、例示のシールドガス制御装置56は、出口64から通過するシールドガスの流れを、制御システム42から受信される設定値情報に応答して弁60を調節することで変化させることができる。この変化は、後で詳細に記載するように、溶接順序の間の溶接の品質に、溶接ごとに、または別の要因に基づき得る。例として、弁60は、出口64からのシールドガスの流れを変化させることができる可変オリフィス(図示せず)を備えてもよい。可変オリフィスの大きさの変化は、フィードバック回路68からの出力に基づき得る。特に、シールドガス制御装置56は、シールドガス制御装置56からの流れが、制御システム42からの設定値によって決定されたような所定の最少ガス流れに到達するまで、弁60における可変オリフィスの大きさを変化させるために、制御スキーム(例えば、PID制御)を使用できる。
【００５９】
一実施形態では、図1および図3Bを参照すると、例示のシールドガス制御装置56は、入口62と出口64との間に1つ以上の弁60を備えている。弁60は、ガス多岐管142、144の間で流体結合され得る。一実施形態では、各々の弁60は、制御システム42または他の供給源から、ソレノイドに弁を開けさせるのに十分な電力の形態で設定値情報を受信するソレノイドと結合されている空圧弁とすることができ、ガスを一方の多岐管142から他方の多岐管144へと通じさせることができ、したがって、制御装置56内においてシールドガスを切り替えるために動作できる。電力を弁60から除くと、弁60が閉じる。
【００６０】
図3Bの例示のガス制御装置56は、1つ以上の流れ絞り機構146をさらに備えてもよい。流れ絞り機構146は、既知の弁へのシールドガスの流れを絞ることができる所定の大きさのオリフィスを備えることができる。流れ絞り機構146は、ガスの流れを、ガス制御装置56内の圧力の幅広い範囲において、既知の所定の速さに限定するように動作できる。単なる例として、流れ絞り機構146は、Mott Corporation, Farmington, Connecticutから購入することができ、弁60は、Asco Valves, Warren Michiganから購入することができる。
【００６１】
図3Bで示した実施形態では、各々の弁60に対して1つの流れ絞り機構146がある。しかしながら、流れ絞り機構146の数および弁60の数は等しくなっている必要がないことは、理解されるものである。本発明の実施形態は、弁および流れ絞り機構の他の組み合わせが後で説明するように利用され得るため、4つの弁と4つの対応する流れ絞り機構とを有するシールドガス制御装置に限定されていない。
【００６２】
動作中、図3Bに示した例示のシールドガス制御装置56は、入口62から出口64へと通過するシールドガスの流れを、制御システム42から受信される設定値情報に応答して1つ以上の弁60を開けることで変化させることができる。弁60は、関連する流れ絞り機構146に依存して選択され得る。例えば、1つの流れ絞り機構146は、介在する弁60が開けられるとき、1時間あたり10立方フィート(CFH)のシールドガスの流れを多岐管142から多岐管144へと通過させることができるように構成され得る。したがって、10CFHの流量のシールドガスが必要とされる場合、10CFHの流れ絞り機構に関連付けられている弁60が開けられ得る。複数の流れ絞り機構146が利用される場合、各々の流れ絞り機構146は、異なる所定のシールドガス流量を許容できる。
【００６３】
この点において、上記の例に続いて、第2の流れ絞り機構146は、別の介在する弁60が開けられるとき、15CFHのシールドガスの流れを多岐管142から多岐管144へと通過させることができるように構成され得る。この例では、制御システム42が15CFHのシールドガスの流れを必要とする場合、制御システム42は、15CFHの流れ絞り機構に関連付けられている弁60を開ける一方、10CFHの流れ絞り機構に関連付けられている弁60とあらゆる他の弁とを閉じたままにする。さらなる例では、制御システム42が25CFHのシールドガスの流れを必要とする場合、制御システム42は、10CFHの流れ絞り機構および15CFHの流れ絞り機構に対応する弁60の各々を開ける。つまり、システム42は15CFHの流れ絞り機構に関連付けられている弁を開けると共に、システム42は10CFHの流れ絞り機構に関連付けられている弁60を開ける。10CFHの流量と15CFHの流量との組み合わせは、25CFHのシールドガスの流れを提供する。追加の例として、図示しているような4つの弁60と4つの流れ絞り機構146とを有する実施形態では、追加の流れ絞り機構146は、前述した先の流れ絞り機構146と、同じシールドガスの流れまたは異なるシールドガスの流れを許容するように構成されてもよい。既知の流れ絞り機構146に対して弁60を開閉することで、制御システム42は、ガス送達システム54におけるシールドガスの流れを制御できる。
【００６４】
引き続き図3Bを参照すると、例示のシールドガス制御装置56は、多岐管144に結合された流量計148を備え得る。流量計148は、シールドガスの流量を測定し、次に、出口64から放出されているシールドガスの流量に関連する信号150を介してフィードバックを提供するように構成され得る。この方法では、弁60および選択された流れ絞り機構146と組み合わされている流量計148は、後で記載しているトーチ12の動作の1つ以上の質的および/または量的な評価のために使用され得る。次に、制御システム42は、このフィードバックに基づいて、設定値情報を改変し、実際のシールドガス流量を変化させるために弁60のうちの1つ以上を開けるおよび/または閉じる。
【００６５】
一実施形態では、図1および図3Cを参照すると、例示のシールドガス制御装置56は、入口62と出口64との間に弁60を備えている。弁は、多岐管142を多岐管144に結合でき、流量の連続的な体制にわたってシールドガス流量を調節するために、可変的に開くように構成され得る。
【００６６】
この点において、制御システム42は、出口64から流れるシールドガスの流量を変化させるために、設定値情報を提供できる。この変化は、後で詳細に記載するように、溶接順序の間の溶接の品質に、溶接ごとに、または、別の要因に基づき得る。例として、弁60は、出口64からのシールドガスの流れを変化させることができる可変オリフィス(図示略)を備えてもよい。可変オリフィスの大きさの変化は、フィードバック回路68からの出力に基づき得る。特に、シールドガス制御装置56は、シールドガス制御装置56からの流れが、制御システム42からの設定値によって決定されたような所定の最少ガス流れに到達するまで、弁60における可変オリフィスの大きさを変化させるために、制御スキーム(例えば、PID制御)を使用できる。一実施形態では、弁60は、ASCO, Florham Park, New Jerseyから市販されている比例弁であり得る。
【００６７】
図3Cで示した例示のガス制御装置56は、信号150を介してフィードバックを提供するために、流量計148も備え得る。したがって、制御システム42は、PID制御などの既知の制御スキームに基づいて、出口64から流れるガスを調節するために、設定値情報を比例的に改変できる。この方法では、弁60と組み合わされている流量計148は、後で記載しているように、トーチ12の動作の1つ以上の質的および/または量的な評価のために使用され得る。
【００６８】
一実施形態では、シールドガスの流れは、ガス供給元16からの圧力から、およびシールドガス制御装置56の出口64におけるシールドガスの圧力から、本質的に独立しているように制御される。この点において、シールドガス制御装置56は、シールドガスの流れの動的な閉ループ制御を提供でき、出口64からの一貫性のあるシールドガス流量をなおも維持しつつ、圧力における上流の変動に応答できる。例として、シールドガスの流れの一貫性は、一段の圧力調整器および流量計を用いてシールドガスの満タンのボンベを空になるまで利用する溶接の過程で約8%未満、また追加の例として約4%未満の変動であり得る。
【００６９】
本発明の一実施形態では、シールドガス制御装置56は、ガス供給元16の圧力定格を超える圧力定格を有し得る。したがって、システム10の実施形態は、圧力計74(図1に示されている)を備えなくてもよい。しかしながら、例えばガス供給元16の圧力が2,200psi(約15168kPa)を超える場合、圧力計74は必要とされ得る。追加または代替で、システム10の実施形態は、ガス供給元16における圧力が通常の高さ(例えば、約100psi(約689kPa)未満)であるとき、ガス供給元16とシールドガス制御装置56との間に流量計76を備えなくてもよい。流れ制御の供給配管の上流における圧力損失が流れの低下を引き起こしやすい先行技術のガス流れシステムと異なり、本発明の実施形態は、シールドガス制御装置56の入口62におけるガス圧力が不意に低下させられる事象において、シールドガス制御装置56からの一貫したガス流量を有利に維持する。
【００７０】
そのために、シールドガス制御装置56は、シールドガス制御装置56の入口62またはその近くにおける圧力の低下に応答できる。それに応じて、シールドガス制御装置56は、出口64からのシールドガスの流れを最小所定シールドガス流れ設定値で維持するために1つ以上の異なる流れ絞り機構146を選択するのに、弁60を調節することができる、または、1つ以上の弁60を開/閉することができる。
【００７１】
反対の応答が、シールドガス制御装置56の上流での圧力の増加について見られる。つまり、入口62における圧力の増加によって、出口64からの一定の流れを維持するために、シールドガス制御装置56に、弁60におけるオリフィスの大きさを縮小させるか、または1つ以上の弁60を開/閉させる。シールドガス制御装置56の上流における圧力の増加または低下の場合、センサ70からの信号または流量計148からの信号など、制御システム42へのフィードバックは、図3Aおよび図3Cで示したガス制御装置56に従って、弁60におけるオリフィスの大きさにおける変化に使用され得るか、または図3Bで示したガス制御装置56における弁60のうちの1つ以上を開/閉するために使用され得る。追加または代替で、フィードバックは、起こり得る圧力の問題の警報を作業者に提供するために、制御システム42に送信され、制御システム42によって利用され得る。システム10は、高品質の溶接を維持しつつシールドガスの消費を低減するために、他のガス圧力変動の原因となり得る。
【００７２】
溶接に先立ち、ガス送達システム54内に過剰な量のシールドガスがあり得る。この過剰なガスは、ホースまたは管の膨張など、ガス送達システム54における弾性のため、または他の理由のためであり得る。この場合、アーク開始において、制御システム42がガス送達システム54を通じてシールドガスの流れを開始するとき、管または配管58において蓄積された過剰なガスは、概して制御されていない形でノズル18から吐き出され得る。ノズル18からのこのガス急増は無駄である。また、トーチ12におけるガスの層流を阻害し、これがアークを阻害する可能性があることによって、溶接の問題を引き起こす可能性もある、および/または急増は、ガス遮蔽22へと大気ガスを引っ張る可能性のあるベンチュリ効果を、ノズル18と被加工物25との間に作り出す可能性がある。これらの問題の各々は、品質の悪い溶接および/または生産性の悪化として現れる可能性がある。ノズル18においてガス送達システム54から吐き出される過剰なガスの量は、いくつかの要因の中でも特に、管または配管58の長さ、シールドガス制御装置56の入口側における圧力、および、配管58の剛性(つまり、膨張に対する抵抗)に依存し得ることが、理解されるものである。
【００７３】
これらの問題に鑑みて、本発明の一実施形態では、シールドガス制御装置56は、アーク開始前またはアーク開始時におけるガス送達システム54における過度に高いガス圧力を補償する。例として、図3Aを参照すると、弁60における可変オリフィスは、初期に溶接している間に使用される可変オリフィスの大きさより、アーク開始において比較的より小さい大きさに設定され得る。つまり、アーク開始におけるシールドガスの流れは、溶接している間に使用されるシールドガスの流れより小さく設定され得る。例として、可変オリフィスの初期の大きさは、初期溶接に必要とされる大きさより、既知の割合または既知の百分率だけ、より大きくされ得るかまたはより小さくされ得る。有利には、アーク開始の始めより前またはアーク開始の始めにおけるガス急増を最小限にすることは、全体のガス消費を最小限にし、アーク開始に関連する溶接品質の問題に対処できる。
【００７４】
追加の例として、図3Bを参照すると、制御システム42は、ガスの急増を限定する1つ以上の流れ絞り機構146をあらかじめ選択するために、1つ以上の弁60を初期に開けることができる。この手法は、ガス送達システム54における既知の量のガスの急増があるとき、特に有用であり得る。例えば、初期のアーク開始順序において、流量計148は、システム42がそのアーク開始についてのシステムにおける探索流れを記録するように、実際の流れを測定できる。後のアーク開始において、システム42は、あらゆるガス急増の流れを補償するために、弁60を開/閉することによって、あらゆる急増の流れを補償できる。
【００７５】
溶接している間、シールドガス制御装置56は、出口64の下流でシールドガスの流れに影響を与える問題を検出できる。一実施形態では、シールドガス制御装置56は、下流のシールドガスの圧力変動に応答することで、溶接品質の一貫性を向上する。例えば、出口64とトーチ12との間にホース78を挟み付け、シールドガス制御装置56への背圧の増加を引き起こしてもよい。これはノズル18からのガスの流れの低減を通常引き起こし、結果として、溶接品質に悪影響を与え得る一方、シールドガス制御装置56は、挟み付けのため、背圧からのシールドガスの流れの低減を検出でき、そのため、図3Aおよび図3Cに示したシールドガス制御装置56に従って弁60を開けるか、または挟み付けられたホースによる低減されたガスの流れを補償するために、図3Bに示したガス制御装置56に従って、流れ絞り機構146と関連付けられる1つ以上の弁60を開ける。一実施形態では、シールドガスの流れを最小所定シールドガス流れ設定値で維持するための、図3Aおよび図3Cのガス制御装置56の弁60における可変オリフィスの大きさの百分率の変化、または図3Bのガス制御装置56の弁60の数および/もしくは選択の変更が検出され、そのデータが制御システム42に送信され、したがってこれは、作業者にホース78における挟み付けを警報できる。
【００７６】
追加の例として、溶接スパッタが、溶接している間にノズル18に蓄積する可能性があることが知られている。スパッタはノズル18の領域を縮小し、確認しないままにすると、最終的にノズル18からのシールドガスの流れを絞ってしまう可能性がある。スパッタは、トーチ12における熱の上昇を引き起こす可能性もある。スパッタの蓄積によるノズル18からの流れの低減に応答して、シールドガス制御装置56は、流れ低減を補償するために、図3Aおよび図3Cのシールドガス制御装置56の弁60において可変オリフィスの大きさを増大できる、または、図3Bのシールドガス制御装置56の弁60の数および/もしくは選択を変更できる。したがって、シールドガス制御装置56は、シールドガスの流れにおけるスパッタの悪影響を弱めることができる。
【００７７】
さらに、図3Aおよび図3Cのガス制御装置56の弁60における可変オリフィスの大きさの相対的な増加、および/または図3Bのガス制御装置56の弁60の数、ならびに/もしくは選択の変更に基づいて、制御システム42は、ノズル18におけるスパッタなど、ガス送達システム54における制限が溶接品質に関していつ問題となるかを予測できる。この所定の限界は、溶接品質を観察することと、溶接品質をノズル18におけるスパッタの量と相互に関連付けることと、によって確立され得る。出口64から出て行くガス流量がその所定の限界に到達するように、図3Aおよび図3Cのガス制御装置56の弁60における可変オリフィスの大きさの変化、または図3Bのガス制御装置56の弁60の数および/もしくは選択の変更があるとすぐに、制御システム42は、問題があるという信号をロボット40に送り得る。したがって、ロボット40は、スパッタをノズル18から除去するために、溶接順序ごとの間に、または別の時に、ノズル拡孔プログラムを実行できる。設定数の溶接の後の予測されるスパッタにしばしば基づく先行技術のノズル拡孔処理と異なり、本発明の実施形態は、ノズル18における実際のスパッタに応答することができる。そのため、本発明の実施形態は、溶接構造におけるスパッタの輪を排除または低減する一方、溶接品質を維持できる。また、設定の頻度においてではなく必要なときに基づいてのみノズル18を拡孔することによって、ノズル18は、同じような摩耗および損耗に曝されることがなく、より小さい頻度に基づいて交換を必要とする可能性がある。
【００７８】
ノズル洗浄処理に追加して、またはノズル洗浄処理の一部として、図1に示しているように、圧縮空気供給部80が、空気供給配管82を介してトーチ12と流体結合されてもよい。圧縮空気供給部80は、ソレノイド84によってトーチ12から分離されてもよい。本発明の一実施形態では、前述のノズル洗浄処理に続いて、制御システム42は、トーチ12を通じて圧縮空気を流すためにソレノイド84を作動できる。この後のノズル洗浄処理は、洗浄の後のノズル18におけるあらゆる残骸を除去できる。一実施形態では、制御システム42は、あらゆる構造を溶接した後、あらゆる溶接順序の後、または各々の溶接の後、ソレノイド84を作動できる。圧縮空気は、ノズル18におけるあらゆるスパッタの輪を吹き飛ばすことができ、溶接処理ごとの間に、溶接順序ごとの間に、および/または溶接ごとの間に、トーチ12を冷却できる。この処理は、溶接品質を向上でき、ノズル18をより冷やして維持することでトーチ12の耐用期間を引き延ばすことができる。有利には、スパッタは、ノズル拡孔処理がより少ない頻度で必要とされるように、冷却ノズルに付着しにくくなっている。
【００７９】
一実施形態では、システム10は周期的に、または必要とされるときに、任意選択で、作業者の関与なしで、トーチ12の状態を量的に検出する能力を備える。具体的には、例として、溶接トーチ12は、ノズル18を通じること以外のシールドガスの不用意な漏れを防止するために、1つ以上のOリング(図示略)を備えてもよい。これらのOリングは、送り込み線材のための電力ピン(図示略)の周りでノズル18の反対のトーチ12の後端に概して位置付けられ得る。通常の溶接トーチの保守の間、トーチ12は、取り外し、検査、および再取り付けされ得る。送り込み線材へのトーチ12の取り外しおよび再取り付けは、Oリングが損傷するか、または他の形で損なわれることになる可能性を増大し、これによって、シールドガスがトーチ12の誤った端から漏れる可能性がある。損傷したOリングは、最終的にシステム10に必要以上のシールドガスを消費させる可能性がある。本発明の実施形態は、損傷した、もしくは損なわれたOリング、またはガス送達システム54における望ましくない場所でのシールドガスの他の漏れを検出できる可能性がある。
【００８０】
この点において、一実施形態では、制御システム42は、次第に抑制されるガスの流れの一連の装置へロボット40がトーチ12を挿入するプログラムを含み得る。ノズル18が挿入されると、制御システム42はノズル18からのガスの流れを出し、次にガスの流れを測定する。様々なレベルの障害においてトーチ12を通るシールドガス流量を測定することで、保守の問題を特定すること、および/またはトーチ12におけるOリングなどのシステムの構成要素についての有用な耐用期間をより正確に計り、予防的な保守をスケジュールすること、が可能であり得る。例として図5を参照すると、トーチ12が、100%の制限(つまり、流れの完全な妨害)を有する漏斗状装置140へと挿入され得る。ノズル18が閉塞されるときにガスの流れがトーチ12を通って100%で維持される場合、Oリングはトーチ12を封止していない。つまり、トーチ12を含むガス送達システム54がゼロの流れ(つまり、100%の制限)の条件と関連付けられる上昇した圧力を含むことができないため、トーチ12の後端を通じて、または他の望ましくない場所において、100%のシールドガスの漏れがある。有利には、トーチ12の自動的な検査はガス送達システム54の予防的な保守を容易にでき、結果として溶接品質を向上しつつ、緊急の保守と関連付けられる休止時間を短縮できる。
【００８１】
本発明の一実施形態では、ガス送達システム54は、ガス供給元16とシールドガス制御装置56との間にセンサ86を備えている。センサ86は、ガス送達システム54の内容物を決定することができる。特に、センサ86は、ガス送達システム54内の窒素の量などの不純物レベルを決定できる。溶接に先立ち、センサ86は窒素の濃度を測定でき、ガス送達システム54の内容物が高品質の溶接に必要なガス遮蔽22を提供するのに十分であるかどうかを決定できる。ガス送達システム54の内容物が、多過ぎる窒素など不純物を多く含み過ぎる場合、制御システム42は、ガス送達システム54の成分が必要なガス遮蔽22を提供できることをセンサ86が指示するまで、シールドガスによるガス送達システム54のパージを開始し得る。ガス送達システム54が十分にパージされると、制御システム42は溶接処理を開始できる。溶接している間、センサ86は、ガス供給元16からのガス品質の周期的または連続的な監視を提供できる。例えば、センサ86から上流で、またはセンサ86から下流であっても、ガス送達システム54における漏れのため、ガス品質が悪化する場合、センサ86は、品質の悪いガスの信号を制御システム42に送ることができる。そのため、制御システム42は、悪い溶接品質またはシステム10への損傷を防止するために、溶接動作を停止できる。
【００８２】
前述したように、シールドガス制御装置56は、溶接している間にシールドガスの流れを変化させることができる。例えば、第1の溶接順序または第1の継手の溶接している間のシールドガスの流れは、後の溶接順序または後の溶接継手の溶接の間のシールドガスの流れより大きくてもよく、逆の場合も同様である。
【００８３】
知られているように、溶接順序は、構造において複数の個別の溶接を行うときのあらかじめ定められた順番である。別の言い方をすれば、溶接順序は、個別の溶接が構造において行われる順番および方向である。溶接順序は、最終的な溶接された構造における歪みおよび変形を生成し得る残留応力を最小限にするように設計され得る。例として図4Aを参照すると、被加工物102と104とを結合するための例示の溶接順序100が示されている。溶接順序100は個別の溶接継手106、108、および110を含んでいる。溶接継手106、108、および110が形成される場所および順番は、あらかじめ決定されてもよい。溶接継手106、108、および110が形成される順番の決定は、溶接している間、被加工物102および104の局所的な加熱によって引き起こされる歪みを最小限にできる。例えば、溶接順序100は、第1の溶接として溶接継手108を溶接することと、第2の溶接として溶接継手106を溶接することと、第3の溶接として溶接継手110を溶接することと、を含み得る。溶接継手106、108、および110が、溶接順序100に従う任意のあらかじめ決定された順番で形成され得ることは、理解されるものである。個別の別々の溶接が示されているが、溶接継手106、108、および110は、例えばバックステップ溶接処理によって、被加工物102と104との間に1つの連続した溶接を集合的に形成できる。
【００８４】
例として図4Bを参照すると、被加工物122と124とを結合するための別の例示の溶接順序120が示されている。溶接順序120は個別の溶接継手126、128、および130を含んでいる。溶接継手126、128、および130が形成される場所および順番は、溶接順序120においてあらかじめ決定されてもよい。順番の決定は、溶接構造において歪みを最小限にすることに依存し得る。例えば、溶接順序120は、第1の溶接として溶接継手128を溶接することと、第2の溶接として溶接継手126を溶接することと、第3の溶接として溶接継手130を溶接することと、を含み得る。溶接継手126、128、および130が、溶接順序120に従う任意のあらかじめ決定された順番で形成され得ることは、理解されるものである。個別の別々の溶接が示されているが、溶接継手126、128、および130は、例えばバックステップ溶接処理によって、被加工物122と124との間に1つの連続した溶接を集合的に形成できる。
【００８５】
本発明の実施形態によれば、シールドガス制御装置56は、溶接ごとにシールドガスの流れを変化させることができる。つまり、シールドガス制御装置56は、被加工物の形状に基づいて、被加工物の配置に基づいて、被加工物を包囲する気体雰囲気の組成に基づいて、もしくは他の理由のため、シールドガスの流れを低減できるか、またはシールドガスの流れを増加できる。例えば図4Aおよび図4Bを参照すると、溶接順序100および120を考慮して、シールドガス制御装置56は、ノズル18からのシールドガスの流れを、溶接順序100と溶接順序120との間で変化させることができる。
【００８６】
この場合、シールドガス制御装置56は、溶接順序100の完了の後で溶接順序120の開始の前に、シールドガスの流れを増加できる。理論によって縛られることなく、溶接順序100において高品質の溶接継手を提供するためになくてはならない最小限必要なシールドガスの流れが、溶接順序120において高品質の溶接継手を提供するためになくてはならない最小限必要なシールドガスの流れより小さくてもよいことは、検討される。これは、他の溶接パラメータのすべてが一定のままであるとしても、当てはまる可能性がある。例えば、溶接が(図4Bに示しているような)突き合わせ溶接であり、外部のガスの通気を受ける場合、必要なシールドガスの流れは、溶接プールが適切に防御されるためには約50CFHであり得る。溶接が(図4Aに示しているような)隅肉溶接であり、その形状のおかげで外部の通気から防御される場合、必要なシールドガスの流れは、約15CFHから約20CFHほどの小ささであり得る。
【００８７】
必要なシールドガスの流れは、シールドガスの流れの種類にも依存し得る。例えば、シールドガスが、空気より重たい100%の二酸化炭素(CO2)である場合、必要とされる最少のシールドガスの流れは先の値より小さくなる。ある溶接順序と次の溶接順序との間におけるガスの流れの変化は、少なくとも約5%とすることができ、さらなる例として、約10%から約20%までの間であり得る。この点において、被加工物102および104の互いに対する配置は、溶接している間に曝される溶接プール26の縮小される体積のおかげで、最少のシールドガスの流れの要件を、図4Bに描写した突き合わせ継手を溶接している間に形成される溶接プール26と比較して、最小限にできる。さらに、空気の通気が、溶接順序100の配置に対して、被加工物102および104の形状によって提供される遮蔽のため、ガス遮蔽22をよりかき乱し難い。図4Bに示した被加工物122、124の突き合わせ継手が、図4Aに示した溶接順序100の間の被加工物102、104によって提供されるものと同様の通気の保護のないことは、理解されるものである。
【００８８】
追加または代替で、シールドガス制御装置56は、溶接順序100の間にシールドガスの流れを変化させることができる。シールドガス制御装置56は、溶接継手108と溶接継手106との間、または溶接継手106と溶接継手110との間など、溶接継手106、108、および110のうちの任意の2つの間でシールドガスの流れを変化させることができる。シールドガス制御装置56が溶接継手106、108、および110の各々の間でシールドガスの流れを変化させることができることは、理解されるものである。同様に、シールドガス制御装置56は、溶接継手126、128、および130のうちの任意の2つの間、または溶接継手126、128、および130の各々の間など、溶接順序120の間にシールドガスの流れを変化させることができる。
【００８９】
任意の2つの溶接順序の間での、または、任意の2つの溶接の間の溶接順序の間のシールドガスの流れへの変化は、後で記載しているように、その特定の溶接順序について、または特定の順序における溶接の各々について、所定のシールドガスの流れの設定に従うものであり得る。
【００９０】
この点においてさらに、連続する溶接順序間、被加工物を包囲する周囲の気体雰囲気は変化する可能性がある。つまり、シールドガスが遮蔽22を作り出すために流れるとき、ガスは、概して被加工物の周りに蓄積でき、それによって汚染ガスを被加工物の周囲から概して押しのける。これは、被加工物が溶接ロボットを伴う閉鎖環境内にある場合、特に当てはまる。汚染ガスが概して閉鎖環境から押しのけられるため、シールドガス流量は低減され得る。別の言い方をすれば、被加工物を直に包囲している環境が溶接にとって概して好ましくなると、ガス遮蔽22を提供するために必要とされる遮蔽はより少なくなる。後に記載する溶接セル内のガスセンサからなど、外部入力がシールドガスの蓄積を検出するために使用されてもよく、その情報は、溶接している間にシールドガス流量を低減させるために、制御システム42によって利用され得る。
【００９１】
ガスセンサに加えて、他の外部入力が、前回の溶接順序と現在の溶接順序との間の時間の長さに基づいてもよい。概して、製作の間、シールドガスが被加工物に近接して放出され、ロボットの近傍においてシールドガスの蓄積があり得る。この蓄積は、被加工物のおおよその近傍から汚染ガスを押しのけることができる。シールドガスの放出の速さと作業セルの容積とに依存して、シールドガスは、比較的遅い速さで消散し得る。そのため、シールドガスの大部分から成る環境が被加工物の周囲に構築されると、制御システム42は、より少ないシールドガスの流れがガス遮蔽22を形成するために必要とされ得るため、シールドガスの流れを低減できる。例えば、シールドガスがトーチ12から流れていない溶接順序間の時間を伴ういくつかの溶接順序があり得る。溶接順序間の時間が短いとき、被加工物を概して包囲するシールドガスは、シールドガスが被加工物の周りの環境に加えられる速さより遅い速さで消散し得るため、シールドガス流量は低減され得る。
【００９２】
同様の考えで、連続する溶接間に長い待機期間がある場合、シールドガスは被加工物の周囲から消散する可能性がある。したがって、この状況では、後の溶接順序は、直前の段落における状況より、ガス遮蔽22を得るためにより大きな量のシールドガスを必要とし得る。待機期間が比較的長い状況では、シールドガス流量は大幅に低減され得ない。しかしながら、待機期間が比較的短い状況では、シールドガスは被加工物の周囲に蓄積でき、シールドガス流量は、溶接品質を維持しつつ、大幅に低減され得る。そのため、上記を考慮して、一実施形態では、外部入力は、連続する溶接順序間の時間の長さを監視することと、溶接順序間の測定された時間に依存してシールドガス流量を補償することと、を含み得る。
【００９３】
追加の例として、他の外部入力は、被加工物に近接する大気ガスの組成を監視できるセンサ(図示略)からの直接的な入力を含み得る。例えば、センサは、被加工物を包囲するシールドガスの量を測定でき、その測定は、溶接プール26を保護するために必要なシールドガス流量を変化させるために利用され得る。さらなる例として、センサは被加工物を包囲する汚染ガスの量を測定でき、その測定は、溶接プール26の周りのガス遮蔽22を維持するのに十分な量でシールドガス流量を変化させるために利用され得る。
【００９４】
(前述した)溶接継手と関連付けられる形状および周囲ガス環境における変化に加えて、シールドガスの流れの変化は、電気スティックアウト(ESO:Electric Stick Out)における変化に応答するものであり得る。図2を参照すると、溶接処理の間、ノズル18の端から被加工物25までの距離は、溶接のプログラミングの間に作業者によって制御され得る。この距離は、溶接している間の処理状態のため、意図的に調節または変更され得る。シールドガスの流れが同様に調節されない場合、品質の悪い溶接という結果になり得る。本発明の一実施形態では、シールドガス流れ設定値は、ESOの増加または低下に応じて変更され得る。この変更は、ESOに関連する、溶接アンペア数に対する線材送り込み速度の割合における変化を観察することに応答するものであり得る。線材送り込み速度が一定に保持され、ノズル18と被加工物25との間の距離の増加のため、ESOが増加する状況では、溶接アンペア数が通常低下することになる。例えば、1.2mmの直径の電極については、ESOは約18mmから約25mmまで増加し、溶接アンペア数は約30Aだけ低下し得る。この場合、例えば、制御システム42は、増加したESOのため、ガス遮蔽22の大きさを増大するために、シールドガス流れ設定値を約30CFHから約40CFHまで増加できる。逆もまた可能であることは理解されるものであり、つまり、制御システム42は、ノズル18と被加工物25との間の距離が短縮される場合、シールドガス流れ設定値を低減できる。
【００９５】
前述のように、所定の最少のシールドガスの流れは、制御システム42によって設定され得る。本発明の実施形態によれば、最少の所定のシールドガス流量が決定される少なくとも2つの方法があり得る。
【００９６】
一方の方法では、特定の溶接順序の連続する溶接間でシールドガスの流れの変化を伴う反復処理が、実施される。シールドガスの流れが変化させられ得る間、他の溶接設定(例えば、特にはESO、電力、溶加材組成、および溶接速度)が、一定に保持されるか、または統計的な評価処理に従って変更され得る。被加工物は、特定の溶接構造の製作のために必要とされるように配置され得る。その溶接構造のための溶接順序は、手動で、またはあらかじめ選択されたシールドガスの流れを伴うロボットで、実施され得る。溶接順序が選択されたシールドガスの流れで完了すると、個別の溶接は、溶接の各々が満足できる品質のものであるかどうかを決定するために検査され得る。溶接が十分な品質のものである場合、シールドガスの流れは、同じ品質を提供するより少ないシールドガスの流れがあるかどうかを決定するために、次の溶接順序において低減され得る。1つ以上の溶接が十分な品質のものでない場合、シールドガスの流れは、次の溶接順序におけるその特定の溶接に向けて増加され得る。
【００９７】
すべての溶接が十分な品質のものである場合、第2の溶接構造は、同じ溶接順序に従うがより少ないシールドガスで溶接される。第2の溶接構造の溶接品質が検査され得る。観察された品質に依存して、シールドガスの流れは、溶接品質が悪い場合に増加され得るか、または溶接品質が十分なままである場合に低減され得る。特定の溶接順序についてシールドガスの流れを低減または増加し、溶接の品質を検査するこの繰り返しの処理によって、設定溶接条件における溶接順序100または120についてなどの特定の溶接順序について、最少の所定のシールドガスの流れが決定され得る。
【００９８】
同様の繰り返し処理が、溶接ごとに、シールドガスの流れを決定するために用いられてもよい。例えば、設定溶接条件における対応する溶接順序100、120内の各々の溶接継手106、108、および110ならびに126、128、および130についての最少の所定ガス流量は、連続する溶接順序間でシールドガスの流れを徐々に低減し、溶接継手の品質を検査することで決定され得る。溶接品質に依存して、シールドガスの流れは、所定のシールドガスの流れが各々の溶接について特定されるまで、低減または増加され得る。
【００９９】
図1を参照すると、最小所定シールドガス流れ設定値が、教示ペンダント44などを通じて、制御システム42へと入力され得る。この点において、制御システム42は、特定の溶接順序について、および/または、溶接処理の間に後で使用するための順序内における各々の溶接について、最小所定ガス流れ設定値を保存するガス制御プログラム90を含み得る。この情報は、溶接順序100の各々の溶接継手106、108、および110、ならびに、溶接順序120の各々の溶接継手126、128、および130の間に、ガス制御プログラム90、ロボット40の移動、および送り込み機50に従ってシールドガスの流れを設定することを調整できるプレイバック制御プログラム92に伝えられ得る。プレイバック制御プログラム92は、特定の構造についての溶接経路を教示ペンダント44でロボットに教示することで決定され得る溶接経路に関する位置情報も保存できる。このようにして、溶接処理の間、ガス制御プログラム90は、プレイバック制御プログラム92における特定の溶接順序について最少の所定のシールドガスの流れを設定できる。次に、制御システム42は、ガス送達システム54からの実際のシールドガスの流れが最小所定シールドガス流れ設定値に近づき、フィードバック回路68によって検証されるまで、弁60にシールドガス制御装置56を通るガスの流れを変化させ得る。制御システム42は、所定の経路に沿って溶接トーチ12をトレースして所定最小シールドガス流れ設定値で構造を溶接するために、ロボット40を移動できる。このようにして、溶接システム10は、各々の溶接継手の品質を制御する一方、シールドガスの流れが、各々の溶接順序について、または溶接処理における各々の溶接について、所定の最小設定値であるため、シールドガスの消費を低減する。
【０１００】
図1を参照すると、特定の溶接順序についてのシールドガス流れ設定値をあらかじめ決定するための別の手順により、制御システム42は学習機能94を備え得る。学習機能94は、ガス制御プログラム90による使用のために所定の最少のシールドガスの流れを決定するために使用され得る。そのようにするために、学習機能94は、制御システム42によって実行される溶接処理に、必要以上に試算されたシールドガスの流れを提供できる。その溶接順序の後、溶接が検査され得る。次に、学習機能94は、作業者に各々の溶接継手の品質を検査するように促すことができる。溶接継手が十分な品質のものである場合、学習機能94は、より少ないシールドガスの流れが十分な品質の溶接を作り出すかどうかを決定するために、あらかじめ選択された量(例えば、約1%から約2%まで)だけ目標のシールドガスの流れを低減し得る。
【０１０１】
より少ないシールドガスの流れで次の構造を溶接した後、学習機能94は、再び作業者に各々の溶接継手の品質を検査するように促すことができる。溶接の品質が満足できない場合、学習機能94は、次に溶接される構造におけるその溶接順序について、シールドガス流れ設定値を増加できる。この増加は、シールドガスの流れにおける先の低減のうちの所定の分だけであってもよい。例えば、学習機能94が約2%だけシールドガスの流れを低減し、溶接の品質が悪い場合、学習機能94は、次の溶接順序について、約1%など、2%未満の量でシールドガスの流れを増加してもよい。連続する溶接構造についてシールドガスの流れを低下および上昇することと、それらの異なるシールドガスの流れにおいて作り出された溶接を検査することとのこの繰り返しの処理によって、その特定の溶接順序について、またはその順序における特定の溶接について、所定最小シールドガス流れ設定値が決定され得る。
【０１０２】
溶接順序についてのシールドガスの流れが学習機能94によって決定されると、所定最小シールドガス流れ設定値は、先に記載したような特定の溶接構造における特定の溶接順序を含む各々の溶接処理について、システム10によって利用されるガス制御プログラム90に保存され得る。
【０１０３】
代替で、図1、図4A、および図4Bを参照すると、対応するシールドガスの流れにおける溶接順序100の各々の溶接継手106、108、および110、ならびに溶接順序120の各々の溶接継手126、128、および130の手作業の検査ではなく、溶接機14は、制御システム42と通信でき、特にプレイバック制御プログラム92と通信できる溶接品質制御システム96を、備え得る。溶接品質制御システム96は、前の段落で説明したものと同様の繰り返しの処理の間、異なるシールドガスの流れにおける溶接品質に関して、溶接機14と情報を交換できる。しかしながら、この繰り返しの処理において、システム10はシールドガスの流れを調節し、溶接品質を評価する。作業者は、溶接継手106、108、および110ならびに126、128、および130のいずれについても所定最小シールドガス流れ設定値の決定にもはや含まれない。この処理が、各々の個別の溶接の目視の評価の主観的な本質による溶接処理への人間の影響を排除することは、理解されるものである。
【０１０４】
特に、初期のステップとして、本発明の一実施形態では、溶接品質は、必要以上に試算されたシールドガスの流れにおいて、溶接品質制御システム96を介して決定される。上記で手掛けられた処理と同様に、後の溶接順序は、連続的により少ないシールドガスの流れにおけるものであり得る。例えば、溶接品質制御システム96は、第1の溶接構造において溶接順序100を溶接することから第2の溶接構造において溶接順序100を溶接することへと、シールドガスの流れの所定の低減を提供する一方、使用される各々のシールドガスの流れにおける溶接品質に関する情報を提供する。
【０１０５】
ある溶接順序から次の溶接順序へのシールドガスの流れの継続する低減は、溶接品質制御システム96によって決定されるような品質の悪い溶接を最終的に作り出すことになる。そのため、制御システム42は、シールドガスの流れを、溶接品質制御システム96による十分な溶接品質を作り出すために必要とされる最小レベルまで増加し得る。この繰り返しの処理は、溶接ごとにおよび/または特定の溶接順序に従って完了し得る。各々の溶接について、または各々の溶接順序について、所定最小ガス流れ設定値が決定されると、この情報はガス制御プログラム90内に保存され得る。制御システム42は、その溶接順序の後の溶接の間、ガス制御プログラム90内の設定値を利用できる。
【０１０６】
具体的には、溶接品質は製作の間に変動する可能性がある。この変動は、溶接品質制御システム96によって監視され得る。一実施形態では、溶接品質は溶接品質制御システム96によって連続的に評価され得る。溶接品質が所定の値を超えて逸脱すると、新たな所定最小シールドガス流れ設定値が、悪い品質を呈する溶接および/または溶接順序について決定され得る。この点において、制御システム42がシールドガスの流れを初期に増加し、溶接品質の評価が続き得ることを除いて、前述したのと同様の処理がこの決定において用いられ得る。品質が許容できるレベルに到達すると、特定の溶接および/または特定の溶接順序についての更新されたシールドガス流れ設定値が、ガス制御プログラム90に保存され得る。例として、限定ではなく、溶接品質に関連付けられる情報、溶接品質変動、およびシールドガス流れ設定値における更新は、ガス制御プログラム90内の先入れ先出し配列記憶部に保存され得る。溶接品質制御システム96とガス制御プログラム90との間の情報の交換は、システム10における変化に応答して、または通常の製作の間に、溶接品質の継続的で動的な決定を効果的に提供できる。この点において、溶接品質制御システム96は、溶接品質が満足できる場合であっても、ガス消費をさらに低減するために利用され得る。
【０１０７】
本発明の実施形態によれば、相当の量のシールドガスが節約され得る。溶接ごとに溶接している間にシールドガスの流れを調節することで、最大で約50%までシールドガスの消費を低減することになると試算されている。また、ガス急増を低減または排除することで、シールドガスの消費が最大で約50%まで低減されることになると試算されている。
【０１０８】
本発明の別の実施形態では、センサ98が溶接機14に動作可能に結合されており、溶接している間に溶接機14の電力出力(アンペア数およびボルト数の少なくとも一方)を監視する。センサ98は、最小所定シールドガス流れ設定値を決定するために利用され得る。一実施形態では、システム10は溶接品質制御システム96がなくてもよい。代わりに、センサ98は、電力消費の指示としてボルト数および/もしくはアンペア数を、または溶接品質に相互に関連付けられ得る他の波形の情報を提供するために利用され得る。特に、センサ98からの情報は、溶接品質をシールドガスの流れと相互に関連付けるために、学習機能94によって利用されてもよい。
【０１０９】
そのために、センサ98についての基準値が、特定の溶接継手を溶接している間にセンサ98を通じて溶接機14から出力される電力を監視することで確立され得る。その電力出力は、溶接品質の視覚的検査と、継手を溶接している間に利用されるシールドガスの流れとに相互に関連付けられ得る。先の段落において手掛けられた処理と同様の繰り返しの処理によって、所定の最少のシールドガスの流れが、センサ98を介して溶接品質と関連付けられ得る。
【０１１０】
特に、大きなシールドガスの流れにおいて初期の溶接順序を溶接した後、シールドガスの流れは、後の溶接処理において低減され得る一方、センサ98は溶接機14の出力を監視する。各々の溶接処理の間の溶接品質が検出され、次にセンサ98からの出力データと相互に関連付けられてもよい。このようにして、学習機能94は、いくつかの処理変数の中でも、シールドガスの流れとセンサ98によって検出されるような電力出力とを溶接品質に相互に関連付けることができる。先の段落において手掛けられた処理と同様の繰り返しの処理によって、最少の所定のシールドガスの流れが決定される。その最少の流れが、各々の溶接順序についておよび/または溶接ごとに決定されると、制御システム42は、センサ98を監視でき、学習機能94において利用可能なデータに従って各々の溶接についての電力を評価できる。後の溶接の間に、センサ98からのデータは、繰り返しの処理によって先に決定され、制御システム42における学習機能94に従って保存されているような、電力出力における上限および下限と比較され得る。したがって、センサ98は、悪い品質の指標、または良くも悪くも両方での溶接品質における傾向の指標であり得る。電力出力が、学習機能94によって確立された限度から外れる場合、制御システム42は、溶接処理に問題があり得ることを作業者に警報できる。この問題は、シールドガスの流れに伴う問題、または他の問題を含み得る。有利には、センサ98を介して溶接機14の電力出力を連続的に監視することで、品質の悪い溶接が生成される可能性を低減または排除する。
【０１１１】
一方、センサ98を介して検出された電力出力が許容可能な上下の範囲から外れる場合、学習機能94は、後の溶接についての新たな所定の最小流れを確立するために、シールドガスの流れを変化させることができる。先に手掛けた処理と同様に、本発明の実施形態は、シールドガスの流れに関連付けられた溶接品質の適応できる決定または継続的で動的な決定を提供できる。
【０１１２】
上記に加えて、または、上記の代替として、以下の実施形態が記載される。
【０１１３】
実施形態1は、1つ以上の被加工物を溶接している間、シールドガスを、シールドガスの供給源から1つ以上の管もしくはホースを通じて、ノズルを有する溶接トーチへと送達するためのガス送達システムに向けられており、そのガス送達システムは、
シールドガスを、シールドガスの供給源から、1つ以上の管もしくはホースを通じて受け入れるための入口と、
ノズルへとシールドガスが流れるように出て行く出口と、
入口と出口との間にあり、所定最小シールドガス流れ設定値に応答して動作可能である少なくとも1つの弁と、
を備えるシールドガス制御装置を備え、
シールドガス制御装置は、所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、ノズルからのシールドガスの流れを変化させるために、第1の溶接の前または後に、少なくとも1つの弁を少なくとも一回動作させる。
【０１１４】
実施形態2は、弁が、溶接している間にシールドガスの流れを変化させるための可変オリフィスを備える、実施形態1のガス送達システムに向けられている。
【０１１５】
実施形態3は、シールドガス制御装置が、所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク開始順序の間にシールドガス流量を増加または低減するために、オリフィスの大きさを変化させる、実施形態1または2のガス送達システムに向けられている。
【０１１６】
実施形態4は、少なくとも1つの弁が比例弁である、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１１７】
実施形態5は、各々の弁が流れ絞り機構と関連付けられる、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１１８】
実施形態6は、シールドガス制御装置が、出口からの実際のガス流量を測定し、測定された流量を示す信号を送信することができるセンサをさらに備える、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１１９】
実施形態7は、センサが、センサの上流および下流における1つ以上の管もしくはホースにおける障害によって引き起こされる、溶接している間のシールドガスの流れにおける変化を検出する、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１２０】
実施形態8は、溶接処理順序が、第1の溶接順序と、溶接方向、被加工物形状、または溶接速度のうちの少なくとも1つにおいて第1の溶接順序と異なる第2の溶接順序と、を含み、シールドガス制御装置が、所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、第1の溶接順序と第2の溶接順序との間でシールドガス流量を変化させる、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１２１】
実施形態9は、シールドガス制御装置が、所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク終了順序の間にシールドガス流量を変化させる、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１２２】
実施形態10は、1つ以上の管もしくはホースにおけるシールドガスと流体連通していると共にシールドガスにおける窒素および/または他の汚染物を検出するセンサをさらに備える、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１２３】
実施形態11は、圧縮空気をノズルへと供給するための、ノズルと流体連通している空気供給システムをさらに備える、前記の実施形態のいずれかのガス送達システムに向けられている。
【０１２４】
実施形態12は、実施形態1〜11のいずれかのガス送達システムと、
ノズルを有する溶接トーチと、
溶接トーチと電気的に通じている溶接機と、
溶接トーチを所定の溶接経路に沿ってトレースするために、溶接トーチと1つ以上の被加工物との間に相対移動を提供するロボットと、
1つ以上の被加工物へと溶加材を計って送るための送り込み機と、
溶接機、シールドガス制御装置、およびロボットと動作可能に通じており、第1の溶接を含む第1の溶接順序のための所定最小シールドガス流れ設定値をシールドガス制御装置へと伝える制御システムと、
を備える、1つ以上の被加工物を溶接するための溶接システムに向けられている。
【０１２５】
実施形態13は、制御システムおよび溶接機と動作可能に通じている溶接品質制御システムであって、第1の溶接の品質、および1つ以上の後の溶接の品質を検出し、それぞれの溶接品質を示す信号を制御システムへと送信する溶接品質制御システムをさらに備え、制御システムが、所定最小シールドガス流れ設定値と異なる第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、それぞれの溶接品質に基づいて計算し、第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、後の被加工物におけるそれぞれの溶接を溶接している間に、シールドガス制御装置へと伝える、実施形態12のシステムに向けられている。
【０１２６】
実施形態14は、制御システムおよび溶接機と動作可能に通じており、溶接している間に溶接機からのボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を検出し、溶接機からのボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を示す信号を制御システムへと送信するセンサをさらに備え、制御システムが、所定最小シールドガス流れ設定値と異なる第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、ボルト数およびアンペア数のうちの1つ以上を示す信号に基づいて計算し、第2の所定最小シールドガス流れ設定値を、後の被加工物におけるそれぞれの溶接を溶接している間に、シールドガス制御装置へと伝える、実施形態12または13のシステムに向けられている。
【０１２７】
実施形態15は、シールドガス制御装置が、所定最小シールドガス流れ設定値と比較して、アーク開始順序の間にシールドガス流量を増加または低減する、実施形態12〜14のいずれかのシステムに向けられている。
【０１２８】
実施形態16は、溶接処理順序が、第1の溶接順序と、溶接方向、被加工物形状、または溶接速度のうちの少なくとも1つにおいて第1の溶接順序と異なる第2の溶接順序と、を含み、シールドガス制御装置が、制御システムからの所定最小シールドガス流れ設定値に応じて、第1の溶接順序と第2の溶接順序との間でシールドガス流れを変化させる、実施形態12〜15のいずれかのシステムに向けられている。
【０１２９】
実施形態17は、1つ以上の管もしくはホースにおけるシールドガスと流体連通していると共にシールドガスにおける窒素を検出するセンサをさらに備える、実施形態12〜16のいずれかのシステムに向けられている。
【０１３０】
実施形態18は、圧縮空気をノズルへと供給するための、ノズルと流体連通している空気供給システムをさらに備える、実施形態12〜17のシステムに向けられている。
【０１３１】
実施形態19は、溶接している間、シールドガス制御装置が、出口からのシールドガス流量に関して信号を制御システムへと出力する、実施形態12〜18のいずれかのシステムに向けられている。
【０１３２】
実施形態20は、溶接機が制御システムと通じている溶接品質制御システムを備え、溶接品質制御システムが第1の溶接の品質を評価するように構成される、実施形態12〜19のいずれかのシステムに向けられている。
【０１３３】
実施形態21は、被加工物における第1の溶接の形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つに基づいて、シールドガスの第1の流量をあらかじめ決定するステップと、
被加工物における第2の溶接の形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つに基づいて、シールドガスの第2の流量をあらかじめ決定するステップであって、第2の溶接が、形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つにおいて、第1の溶接と異なる、ステップと、
被加工物における第1の溶接を溶接している間、第1の溶接プールに近接して、第1の流量でシールドガスを分配するステップと、
被加工物における第2の溶接を溶接している間、第2の溶接プールに近接して、第1の流量と異なる第2の流量でシールドガスを分配するステップと、
を含む、被加工物を溶接する方法に向けられている。
【０１３４】
実施形態22は、第1の溶接および第2の溶接が被加工物における連続した溶接である、実施形態21の方法に向けられている。
【０１３５】
実施形態23は、第1の溶接が複数の溶接のうちの第1の溶接順序にあり、第1の流量でシールドガスを分配するステップが、第1の溶接順序における各々の溶接について第1の流量を維持するステップを含む、実施形態21または22の方法に向けられている。
【０１３６】
実施形態24は、第2の溶接が複数の溶接のうちの第2の溶接順序にあり、第2の流量でシールドガスを分配するステップが、第2の溶接順序における各々の溶接について第2の流量を維持するステップを含む、実施形態23の方法に向けられている。
【０１３７】
実施形態25は、第1の被加工物と異なる第2の被加工物における第3の溶接を溶接している間、第3の溶接プールに近接して、第1の流量でシールドガスを分配するステップを含む、第2の被加工物を溶接するステップであって、第3の溶接が、第2の被加工物における形状、溶接速度、および溶接方向のうちの少なくとも1つにおいて、第1の溶接と同じである、ステップをさらに含む、実施形態23または24のいずれかの方法に向けられている。
【０１３８】
実施形態26は、第1の被加工物と異なる第2の被加工物における第3の溶接を溶接している間、第3の溶接プールに近接して、第1の流量でシールドガスを分配するステップを含む、第2の被加工物を溶接するステップであって、第3の溶接が、第2の被加工物における形状、溶接速度、および溶接方向において、第1の溶接と同じである、ステップをさらに含む、実施形態23〜25のいずれかの方法に向けられている。
【０１３９】
実施形態27は、被加工物における第1の溶接の品質を監視するステップと、第1の溶接を溶接している間の第1の流量、および/または、被加工物の後の第2の被加工物における第1の流量を、第1の溶接の品質に基づいて変化させるステップと、をさらに含む、実施形態23〜26のいずれかの方法に向けられている。
【０１４０】
本発明が様々な実施形態の記載によって例示されており、これらの実施形態はいくらか詳細に記載されているが、このような詳細に添付の請求項の範囲を制限または多少なりとも限定することは、発明者の意図ではない。追加の利点および変更は当業者には容易に明らかとなる。本発明の様々な特徴は、使用者の要求および好みに依存して、単独または任意の組み合わせで用いられ得る。
【符号の説明】
【０１４１】
10  溶接システム
12  溶接トーチ
14  溶接機
16  シールドガス、ガス供給元
18  ノズル
19  接触管
20  電極
22  ガス遮蔽
24  アーク
25  被加工物
26  溶接プール
28  大気ガス
30  移動
32  溶接継手
40  ロボット
42  制御システム
44  教示ペンダント
50  送り込み機
54  ガス送達システム
55  ソレノイド
56  シールドガス制御装置
58  管、配管
60  弁
62  入口
64  出口
66  流れ絞り部
68  フィードバック回路
70  フィードバックセンサ
72  バイパス管
74  圧力計
76  流量計
80  圧縮空気供給部
82  空気供給配管
84  ソレノイド
86  センサ
90  ガス制御プログラム
92  プレイバック制御プログラム
94  学習機能
96  溶接品質制御システム
98  センサ
100  溶接順序
102、104  被加工物
106、108、110  溶接継手
120  溶接順序
122、124  被加工物
126、128、130  溶接継手
140  漏斗状装置
142、144  ガス多岐管
146  流れ絞り機構
148  流量計
150  信号
【図１】
2017524541.tif 000003
【図２】
2017524541.tif 000004
【図３Ａ】
2017524541.tif 000005
【図３Ｂ】
2017524541.tif 000006
【図３Ｃ】
2017524541.tif 000007
【図４Ａ】
2017524541.tif 000008
【図４Ｂ】
2017524541.tif 000009
【図５】
2017524541.tif 000010
【国際調査報告】
2017524541.tif 000011
2017524541.tif 000012
2017524541.tif 000013