(57)【要約】  システム（１００）及び方法が提供される。システムは、第１の溶接電流を出力する第１の電源（１３０）を含む。第１の電源（１３０）は、トーチ（１２０）を介して第１の溶接電流を第１のワイヤ（１４０）に提供して、第１のワイヤ（１４０）とワークピース（１１５）との間にアークを創り出す。システム（１００）は、第１のワイヤをトーチ（１２０）に送る第１のワイヤフィーダ（１５０）や、第２のワイヤ（１４５）をコンタクトチューブ（１２５）に送る第２のワイヤフィーダ（１５５）も含む。システムは、第１の動作モードの間に加熱電流を出力し且つ第２の動作モードの間に第２の溶接電流を出力する第２の電源（１３５）を更に含む。システムは、第２の電源を第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えて第２の追従アークを創り出すコントローラ（１９５）も含む。
2016509959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の動作モードの間に第１の溶接電流を出力し、第２の動作モードの間に第１の加熱電流を出力する第１の電源であって、第１のコンタクトチューブを介して第１のワイヤに前記第１の溶接電流又は前記第１の加熱電流を提供する第１の電源と、
前記第１のコンタクトチューブに前記第１のワイヤを送る第１のワイヤフィーダと、
第２のコンタクトチューブに第２のワイヤを送る第２のワイヤフィーダと、
前記第１の動作モードの間に第２の加熱電流を出力し、前記第２の動作モードの間に第２の溶接電流を出力する第２の電源であって、前記第２のコンタクトチューブを介して前記第２のワイヤに前記第２の加熱電流又は前記第２の溶接電流を提供する第２の電源と、
第１の方向における移動の間に、前記第１のワイヤがワークピースに対して前記第２のワイヤに先導し、第２の方向における移動の間に、前記第１のワイヤが前記ワークピースに対して前記第２のワイヤに追従するよう、前記ワークピースと前記第１のワイヤ及び前記第２のワイヤとの間の相対的な移動をもたらす、進行機構と、
前記第１の方向の間に前記第１の動作モードを開始させ、前記進行機構が前記第１の方向から前記第２の方向に切り替わるときに、前記第２の動作モードに自動的に切り替わる、コントローラとを含み、
前記第１の動作モードの間に、前記第１の溶接電流は、前記第１のワイヤと前記ワークピースとの間にアークを創り出し、前記第２のワイヤは、前記第２の加熱電流によって、所望の第１の温度まで加熱され、
前記第２の動作モードの間に、前記第２の溶接電流は、前記第２のワイヤと前記ワークピースとの間にアークを創り出し、前記第１のワイヤは、前記第１の加熱電流によって、所望の第２の温度まで加熱される、
溶接システム。
【請求項２】
第１のワイヤを第１のコンタクトチューブに送ること、
第２のワイヤを第２のコンタクトチューブに送ること、
第１の動作モードの間に前記第１のコンタクトチューブを介して第１のアーク溶接電流を前記第１のワイヤに提供すること、
第２の動作モードの間に前記第１のコンタクトチューブを介して第１の加熱電流を前記第１のワイヤに提供すること、
前記第１の動作モードの間に前記第２のコンタクトチューブを介して第２の加熱電流を前記第２のワイヤに提供すること、
前記第２の動作モードの間に前記第２のコンタクトチューブを介して第２のアーク溶接電流を前記第２のワイヤに提供すること、
第１の方向における移動の間に、前記第１のワイヤがワークピースに対して前記第２のワイヤに先導し、第２の方向における移動の間に、前記第１のワイヤが前記ワークピースに対して前記第２のワイヤに追従するよう、前記ワークピースと前記第１のワイヤ及び前記第２のワイヤとの間の相対的な移動をもたらすこと、
前記第１の方向の間に前記第１の動作モードを開始すること、及び
前記相対的な移動が前記第１の方向から前記第２の方向に切り替わるときに、前記第２の動作モードに自動的に切り替わることを含み、
前記第１の動作モードの間に、前記第１のアーク溶接電流は、前記第１のワイヤと前記ワークピース上の溶融パッドルとの間に第１のアークを創り出し、前記第２のワイヤは、前記第２の加熱電流によって所望の温度まで加熱され、
前記第２の動作モードの間に、前記第２のアーク溶接電流は、前記第２のワイヤと前記ワークピース上の前記溶融パッドルとの間に第２のアークを創り出し、前記第１のワイヤは、前記第１の加熱電流によって所望の温度まで加熱される、
方法。
【請求項３】
前記所望の第１の温度は、前記第１のワイヤの融解温度又はその付近にあり、
前記所望の第２の温度は、前記第２のワイヤの融解温度又はその付近にある、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記相対的な移動の各パスの完了時に前記第１の方向と前記第２の方向との間を切り替えることを更に含む、
請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記パスは、接合又はクラッディング作業である、請求項２乃至４のうちのいずれか１項、好ましくは請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の溶接電流は、パルススプレー移行プロセス、表面張力移行プロセス、又は短絡収縮溶接プロセスに対応する溶接電流であり、
前記第２の溶接電流は、パルススプレー移行プロセス、表面張力移行プロセス、又は短絡収縮溶接プロセスに対応する溶接電流である、
請求項２乃至５のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
熱入力を制御するために、前記パルススプレー移行プロセス、前記表面張力移行プロセス、及び前記短絡収縮溶接プロセスのいずれかの間で、前記第１の溶接電流又は前記第２の溶接電流を切り替えることを更に含む、請求項２乃至６のうちのいずれか１項、好ましくは請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の動作モードの間に前記第２の加熱電流を出力することから溶接電流を出力することに切り替え或いは前記第２の動作モードの間に前記第１の加熱電流を出力することから溶接電流を出力することに切り替えて、前記ワークピースの特定の領域に追加的な熱入力を加えることを更に含む、
請求項２乃至７のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記領域は、継手の側壁、クラッディング層の縁、及び溶接層の縁のうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
接合の必要に基づき、単一のアーク／ホットワイヤプロセスからタンデムアークプロセスに切り替えることを更に含む、
請求項２乃至９のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の動作モードの間に、前記第１の溶接電流と前記第２の加熱電流とを同期させ、前記第２の加熱電流を前記第１の溶接電流から第１の所望の位相角だけシフトさせること、及び
前記第２の動作モードの間に、前記第２の溶接電流と前記第１の加熱電流とを同期させ、前記第１の加熱電流を前記第２の溶接電流から第２の所望の位相角だけシフトさせることを更に含む、
請求項２乃至１０のうちのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のシステム及び方法は、溶接及び接合に関し、より具体的には、タンデムホットワイヤシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接における進歩が起こったので、溶接処理量に対する要求が増大した。このため、溶接作業の速度を増大させるよう、多数の溶接電源を用いるシステムを含む様々なシステムが開発されており、多数の溶接電源を用いるシステムでは、１つの電源を用いて消耗電極中にアークを創り出して溶接パッドルを形成し、第２の電源を用いて同じ溶接作業中に溶接ワイヤを加熱する。これらのシステムは、溶接作業の速度又は溶着速度を増大させ得るが、それらの電源は、プロセス、例えば、溶接、接合、クラッディング、ビルドアップ、鑞接等を最適化するために熱入力を変更する能力及び機能において制約される。よって、改良されたシステムが望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
タンデムホットワイヤシステムを用いる溶接作業を向上させるために、本発明は請求項１に従った溶接システム及び請求項２に従った溶接方法を提案する。更なる実施態様を従属項から及び／又は本記載から及び／又は図面から得てもよい。本発明の例示的な実施態様は、プロセス、例えば、溶接、接合、クラッディング、ビルドアップ、鑞接等を最適化するために、少なくとも１つの電源の電流波形を変更させて所望の熱入力を達成する。幾つかの実施態様において、システムは、第１のアーク溶接電流を出力する第１の電源を含む。第１の電源は、トーチを介して第１のワイヤに第１のアーク溶接電流をもたらして、第１のワイヤとワークピースとの間にアークを創り出す。システムは、第１のワイヤをトーチに送る第１のワイヤフィーダや、第２のワイヤをコンタクトチューブに送る第２のワイヤフィーダも含む。システムは、更に、第１の動作モードの間に加熱電流を出力し且つ第２の動作モードの間に第２のアーク溶接電流を出力する第２の電源を含む。第２の電源は、コンタクトチューブを介して加熱電流又は第２のアーク溶接電流を第２のワイヤにもたらす。システムは、コントローラも含み、コントローラは、第２の電源内で第１の動作モードを開始して第２のワイヤを所望の温度まで加熱し、第２の電源を第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えて第２の（追従）アークを創り出す。追従アークは、第１の動作モードによってもたらされる熱入力と比べて増大された熱入力を溶融パッドルにもたらす。
【０００４】
幾つかの実施態様において、システムは、第１の動作モードの間に第１のアーク溶接電流を出力し且つ第２の動作モードの間に第１の加熱電流を出力する第１の電源を含む。第１の電源は、第１のコンタクトチューブを介して第１のアーク溶接電流又は第１の加熱電流を第１のワイヤにもたらす。システムは、第１のワイヤを第１のコンタクトチューブに送る第１のワイヤフィーダや、第２のワイヤを第２のコンタクトチューブに送る第２のワイヤフィーダも含む。システムは、更に、第１の動作モードの間に第２の加熱電流を出力し且つ第２の動作モードの間に第２のアーク溶接電流を出力する第２の電源を含む。第２の電源は、第２のコンタクトチューブを介して第２の加熱電流又は第２のアーク溶接電流を第２のワイヤにもたらす。システムは、進行機構(travel  mechanism)も含み、進行機構は、第１の方向における移動の間に、第１のワイヤがワークピースに対して第２のワイヤに先導し、第２の方向における移動の間に、第１のワイヤがワークピースに対して第２のワイヤに追従するよう、ワークピースと第１のワイヤ及び第２のワイヤとの間の相対的な移動をもたらす。システムは、コントローラを更に含み、コントローラは、第１の方向の間に第１の動作モードを開始し、進行機構が第１の方向から第２の方向に切り替わるときに第２の動作モードに自動的に切り替わる。第１の動作モードの間に、第１のアーク溶接電流は第１のワイヤとワークピースとの間にアークを創り出し、第２のワイヤは第２の加熱電流によって所望の温度まで加熱される。第２の動作モードの間に、第２のアーク溶接電流は第２のワイヤとワークピースとの間にアークを創り出し、第１のワイヤは第１の加熱電流によって所望の温度まで加熱される。所望の第１の温度が第１のワイヤの融解温度又はその付近にあるのが特に好ましく、所望の第２の温度は第２のワイヤの融解温度又はその付近にあり、且つ／或いは、進行機構は、その各パスの完了時に、第１の方向と第２の方向との間を切り替え、且つ／或いは、パスは接合又はクラッディング作業であり、且つ／或いは、第１の溶接電流は、パルススプレー移行プロセス、表面張力移行プロセス、又は短絡収縮溶接プロセスに対応する溶接電流であり、第２の溶接電流は、パルススプレー移行プロセス、表面張力移行プロセス、又は短絡収縮溶接プロセスに対応する溶接電流であり、且つ／或いは、コントローラは、熱入力を制御するために、パルススプレー移行プロセス、表面張力移行プロセス、及び短絡収縮溶接プロセスのいずれかの間で、第１の溶接電流又は第２の溶接電流を切り替え、且つ／或いは、第２の電源は、第１の動作モードの間に第２の加熱電流を出力することから溶接電流を出力することに切り替わり、或いは第１の電源は、第２の動作モードの間に第１の加熱電流を出力することから溶接電流を出力することに切り替わって、ワークピースの特定の領域に追加的な熱入力を加え、且つ／或いは、それらの領域は、継手の側壁、クラッディング層の縁、及び溶接層の縁のうちの少なくとも１つを含み、且つ／或いは、コントローラは、単一のアーク／ホットワイヤプロセスからタンデムアークプロセスに切り替わり、第１の動作モードの間に、第１の溶接電流及び第２の��熱電流は同期され、第２の加熱電流は第１の溶接電流から第１の所望の位相角だけシフトされ、第２の動作モードの間に、第２の溶接電流及び第１の加熱電流は同期され、第１の加熱電流は第２の溶接電流から第２の所望の位相角だけシフトされる。
【０００５】
請求する発明のこれらの及び他の構造(features)、並びにそれらの例示される実施態様の詳細は、以下の記載及び図面からより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の上の及び／又は他の特徴(aspects)は、添付の図面を参照して本発明の例示的な実施態様を詳細に記載することによってより明らかになるであろう。
【０００７】
【図１】本発明に従った溶接システムの例示的な実施態様を示す概略図である。
【０００８】
【図２】図１の溶接システムのトーチの周りの領域を示す拡大図である。
【０００９】
【図３Ａ】図１の溶接システムにおいて用い得る例示的な溶接及びホットワイヤ波形を示す図である。
【図３Ｂ】図１の溶接システムにおいて用い得る例示的な溶接及びホットワイヤ波形を示す図である。
【図３Ｃ】図１の溶接システムにおいて用い得る例示的な溶接及びホットワイヤ波形を示す図である。
【図３Ｄ】図１の溶接システムにおいて用い得る例示的な溶接及びホットワイヤ波形を示す図である。
【００１０】
【図４】図１の溶接システムにおいて用い得る例示的な溶接及びホットワイヤ波形を示す図である。
【００１１】
【図５Ａ】図１の溶接システムによって行い得る例示的な適用を示す図である。
【図５Ｂ】図１の溶接システムによって行い得る例示的な適用を示す図である。
【００１２】
【図６】図１の溶接システム中のコントローラによって実行し得る例示的なプログラムを示すブロック図である。
【００１３】
【図７】図１の溶接システムによって行い得る例示的な適用を示す図である。
【００１４】
【図８】図１の溶接システム中のコントローラによって実行し得る例示的なプログラムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付の図面を参照して本発明の例示的な実施態様を今や以下に記載する。記載する例示的な実施態様は本発明の理解を助けることを意図し、本発明の範囲を限定することを如何様にも意図しない。例示的な実施態様を通じて、同等の番号は同等の要素を指している。
【００１６】
この例示的な実施態様が図１に示されており、図１は、システム１００を示している。システム１００は、第１のシステム１０２がＧＭＡＷシステムとして構成され、第２のシステム１０４がホットワイヤとして構成される、初期的なタンデム構成(configuration)を例示している。以下に詳細に説明するように、本発明の幾つかの実施態様において、これらのシステムの一方又は両方、及びそれらの中の機器を、ホットワイヤプロセスとアーク溶接プロセスとの間で所望に切り替え得る。例えば、幾つかの実施態様において、電源１３０／１３５は、アーク溶接電源及びホットワイヤ電源の両方として機能し得る。しかしながら、明瞭性のために、これらのシステム及びそれらの中の機器の機能を、例示的な初期的構成において記載する。ＧＭＡＷであり得るシステム１０２は、電源１３０と、ワイヤフィーダ１５０と、トーチユニット１２０とを含み、トーチユニット１２０は、溶接電極１４０用のコンタクトチューブ１２２を含む。電源１３０は、溶接電極１４０とワークピース１１５（作業片）との間にアーク１１０を創り出す溶接波形をもたらす。溶接電極１４０は、コンタクトチューブ１２２を介して、ワイヤフィーダ１５０によるアーク１１０によって創り出される、溶融パッドル１１２に給送される。溶融パッドル１１２を創り出すことに加えて、アーク１１０は溶接ワイヤ１４０の溶滴を溶融パッドル１１２に移行させる(transfer)。ここに記載する種類のＭＧＡＷ溶接システムの動作は当業者に周知であり、ここにおいて詳細に記載する必要はない。ＧＭＡＷシステムを接合／溶接用途について描写する例示的な実施態様に関して示し且つ議論するが、本発明の例示的な実施態様を、接合／溶接、クラッディング、ビルドアップ、鑞接、これらの組み合わせ等を含む用途において、ＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ、及びＳＡＷシステムと共に用い得ることも留意されなければならない。図１に示していないのは、既知の方法に従って用い得るシールディングガスシステム(shielding  gas  system)又はサブアークフラックスシステム(sub  arc  flux  system)である。
【００１７】
ホットワイヤシステム１０４は、トーチユニット１２０内に含められるコンタクトチューブ１２５を介して溶接パッドル１１２にワイヤ１４５を送るワイヤフィーダ１５５を含む。ホットワイヤシステム１０４は、ワイヤ１４５が溶融パッドル１１２に入る前にコンタクトチューブ１２５を介してワイヤ１４５を抵抗加熱する電源１３５も含む。電源１３５は、ワイヤ１４５を所望の温度、例えば、ワイヤ１４５の融解温度又は融解温度付近まで加熱する。よって、ホットワイヤシステム１０４は、追加的なコンシューマブルを溶融パッドル１１２に加える。システム１００は、ロボット１９０に動作的に接続される動作コントローラ１８０を含む運動制御サブシステムも含み得る。動作コントローラ１８０は、ロボット１９０の動きを制御する。（コンタクトチューブ１２２及び１２５を備える）トーチユニット１２０がワークピース１１５に沿って効果的に進行する(travel)よう、ロボット１９０はワークピース１１５に動作的に接続されて（例えば機械的に固定されて）ワークピース１１５を方向１１１に移動させる。ワークピース１１５の代わりにトーチユニット１２０を移動させ得るようにシステム１００を構成し得るのは勿論である。
【００１８】
一般的に知られているように、ＧＭＡＷのようなアーク生成システムは、高いレベルの電流を用いて、前進する溶接コンシューマブル１４０とワークピース１１５上の溶融パッドル１１２との間にアーク１１０を生成する。これを達成するために、多くの異なるアーク溶接電流波形、例えば、定電流、パルス電流等のような電流波形を利用し得る。
【００１９】
図２は、本発明の例示的な溶接作業の近接図を描写している。図面に見ることができるように、コンタクトチューブ１２２及び１２５は、（ＧＭＡＷ／ＭＩＧトーチであり得る）トーチユニット１２０内に統合される。プロセス中のコンシューマブル間の電流移転を防止するために、コンタクトチューブ１２２はトーチユニット１２０内でコンタクトチューブ１２５から電気的に隔離される。コンタクトチューブ１２２は、一般的に知られているように、アーク１１０の使用を通じてコンシューマブル１４０を溶融パッドル１１２（即ち、溶接パッドル）に給送する。更に、ホットワイヤコンシューマブル１４５が、コンタクトチューブ１２５を介して、ワイヤフィーダ１５５によって溶融パッドル１１２に給送される。コンタクトチューブ１２２／１２５を単一の統合ユニットとして示しているが、これらの構成部品は別個であり得ることが留意されるべきである。
【００２０】
図１に例示するように、感知及び電流コントローラ１９５を用いて電源１３０及び１３５の動作を制御して、それぞれの電流を制御し／同期させる。加えて、感知及び電流コントローラ１９５を用いてワイヤフィーダ１５０及び１５５も制御し得る。図１において、感知及び電流コントローラ１９５は、電源１３０及び１３５の外部に示されているが、幾つかの実施態様において、感知及び電流コントローラ１９５は、溶接電源１３０及び１３５のうちの少なくとも一方の内部に或いはワイヤフィーダ１５０及び１５５のうちの少なくとも一方の内部にあり得る。例えば、電源１３０及び１３５のうちの少なくとも一方は、他の電源及びワイヤフィーダの動作を制御するマスタであり得る。動作中、（任意の種類のＣＰＵ、溶接コントローラ、又は同等物であり得る）感知及び電流コントローラ１９５は、溶接電源１３０及び１３５並びにワイヤフィーダ１５０及び１５５の出力を制御し得る。これを数多くの方法において達成し得る。例えば、感知及び電流コントローラ１９５は、電源からの実時間フィードバックデータ、例えば、アーク電圧Ｖ１、溶接電流Ｉ１、加熱電流Ｉ２、感知電圧Ｖ２等を用いて、それぞれの電源からの溶接波形及び加熱電流波形が正しく同期させられるのを保証し得る。更に、感知及び電流コントローラ１９５は、ワイヤフィーダ１５０及び１５５からの実時間フィードバックデータ、例えば、ワイヤ送り速度等を制御し且つ受け取り得る。代替的に、電源の一方を用いて他方の出力を制御する場合には、マスタ−スレーブ関係を利用することもできる。
【００２１】
電源の出力電流が安定的な動作のために同期させられるよう電源を制御する状態表又はアルゴリズムの使用を含む数多くの方法論によって、電源及びワイヤフィーダの制御を達成し得る。例えば、感知及び電流コントローラ１９５は、並列状態ベースコントローラ(parallel  state-based  controller)を含み得る。並列状態ベースコントローラは、ここに参照としてその全文を援用する米国特許出願第１３／５３４，１１９号及び１３／４３８，７０３号において議論されている。従って、並列状態ベースコントローラを詳細には更に議論しない。
【００２２】
図３Ａ−Ｃは、電源１３０及び１３５からそれぞれ出力し得る溶接電流及びホットワイヤ電流についての例示的な電流波形を描写している。図３Ａは、アーク１１０を介したワイヤ１４０からパッドル１１２への溶滴の移行(transfer)に役立つよう電流パルス２０２を用いる、例示的なアーク溶接波形２０１（例えばＧＭＡＷ波形）を描写している。図示のアーク溶接波形は例示的であり且つ代表的であり、限定的であることを意図しないのは勿論であり、例えば、アーク溶接電流波形は、パルス化スプレー移行(pulsed  spray  transfer)、パルス溶接(pulse  welding)、短絡アーク移行(short  arc  transfer)、表面張力移行(surface  tension  transfer)(ＳＴＴ)溶接、短絡収縮溶接(shorted  retract  welding)等のために用いられるものであり得る。ホットワイヤ電源１３５は、上で概ね記載した抵抗加熱を通じてワイヤ１４５を加熱する一連のパルス２０４も有する電流波形２０３を出力する。電流パルス２０２及び２０４は、それらのそれぞれのパルス２０２及び２０４よりも低い電流レベルのバックグラウンドレベル２１０及び２１１によってそれぞれ分離される。前に概ね記載したように、波形２０３を用いてワイヤ１４５を所望の温度まで、例えば、その融解温度又は融解温度付近まで加熱し、パルス２０４及びバックグラウンドを用いて、抵抗加熱を通じてワイヤ１４５を加熱する。図３Ａに示すように、それぞれの電流波形からのパルス２０２及び２０４は、それらが互いに同相にあるように同期させられる。この例示的な実施態様において、電流波形は、電流パルス２０２／２０４が類似の又は同じ周波数を有し且つ図示のように互いに同相にあるように制御される。上で議論したように、パルス２０２及び２０４を同時に、即ち、同相にパルス化することの効果は、アーク１１０をワイヤ１４５に向かって引っ張り、更に、溶接パッドル１１２の上に引っ張ることである。驚くべきことに、同相の波形を有することは、アーク１１０が波形２０３によって生成される加熱電流によって有意に干渉されない安定的な一貫した動作をもたらすことが分かった。
【００２３】
図３Ｂは、本発明の他の例示的な実施態様からの波形を描写している。この実施態様において、加熱電流波形２０５は、パルス２０６が一定の位相角Θだけパルス２０２と位相が外れるように制御され／同期させられる。そのような実施態様において、位相角はプロセスの安定的な動作を保証するように並びにアークが安定的な状態に維持されることを保証するように選択される。本発明の例示的な実施態様において、位相角Θは３０〜９０度の範囲内にある。他の例示的な実施態様において、位相角は０度である。安定的な動作を得るために他の位相角を利用し得ることは勿論であり、他の位相角は９０〜２７０度の範囲内にあり得るが、他の例示的な実施態様において、位相角は０〜１８０度の範囲内にある。
【００２４】
図３Ｃは、位相角Θが溶接パルス２０２と約１８０度であり且つ波形２０１のバックグラウンド部分２１０の間にだけ起こるよう、ホットワイヤパルス２０８が位相外にあるように、ホットワイヤ電流２０７がアーク溶接波形２０１と同期させられる、本発明の他の例示的な実施態様を描写している。この実施態様において、それぞれの電流は同時にピークにならない。即ち、波形２０７の波形２０８は、波形２０１のそれぞれのバックグラウンド部分２１０の間に開始し且つ終了する。
【００２５】
図４は、本発明の電流波形の他の例示的な実施態様を描写している。この実施態様において、ホットワイヤ電流４０３は、溶接電流４０１（例えば、ＧＭＡＷシステム）と同期させられるＡＣ電流である。この実施態様において、加熱電流の正パルス４０４は、電流４０１のパルス４０２と同期させられるのに対し、加熱電流４０３の負パルス４０５は、アーク溶接電流のバックグラウンド部分４０６と同期させられる。他の実施態様では、正パルス４０４がバックグラウンド４０６と同期させられ、負パルス４０５がパルス４０２と同期させられるという点で、同期が反対であり得るのは勿論である。他の実施態様では、パルス化溶接電流とホットワイヤ電流との間に位相角がある。ＡＣ波形を利用することによって、交流（よって、交番磁界）を用いてアーク１１０を安定化するのに役立ち得る。本発明の精神又は範囲から逸脱せずに他の実施態様を利用し得るのは勿論である。
【００２６】
本発明の幾つかの実施態様において、アーク溶接電流は、一定の又はほぼ一定の電流波形であり得る。そのような実施態様では、交流加熱電流を用いてアークの安定性を維持し得る。その安定性は加熱電流４０３からの一定に変化する磁界によって達成される。図３Ａ−３Ｃ及び４はＤＣ溶接波形のような例示的な波形を描写しているが、パルス波形はＡＣでもあり得るので、本発明はこの点において限定されない。ここに参照としてその全文を援用する同時係属中の米国特許出願第１３／５４７，６４９号中にタンデムホットワイヤ溶接に関する追加的な情報及びシステムを見出し得る。
【００２７】
本発明の幾つかの例示的な実施態様において、溶接パルス及びホットワイヤパルスのパルス幅は同じである。しかしながら、他の実施態様では、それぞれのパルス幅は異なり得る。例えば、ホットワイヤパルス波形と共にＧＭＡＷパルス波形を用いるとき、ＧＭＡＷパルス幅は、１．５〜２．５ミリ秒の範囲内にあり、ホットワイヤパルス幅は、１．８〜３ミリ秒の範囲内にあり、ホットワイヤパルス幅は、ＧＭＡＷパルス幅よりも大きい。
【００２８】
例示的な実施態様における加熱電流はパルス化電流として示しているが、幾つかの例示的な実施態様に関して、加熱電流は定電力であり得る。ホットワイヤ電流もパルス化加熱電力、定電圧、傾斜出力、及び／又はジュール／時間ベース出力であり得る。
【００２９】
以下に説明するように、両方の電流がパルス化電流である限りにおいて、安定的な動作を保証するために、それらは同期させられなければならない。同期信号の使用を含めて、これを達成するために用い得る多くの方法がある。（例えば電源１３５／１３０又はそのいずれかに統合し得る）感知及び電流コントローラ１９５は、例えば、第１の電源において同期信号を設定してパルス化アークピークが開始させ得るし、第２の電源におけるホットワイヤパルスピーク（及び／又は幾つかの実施態様における第２のアークパルス）のための所望の開始時間も設定し得る。上で説明したように、幾つかの実施態様では、パルスを同時に開始するよう同期させられるのに対し、他の実施態様では、同期信号は、第１の電源のアークパルスピークの後の幾らかの持続時間で、ホットワイヤ電流（及び／又は第２のアークパルス）のためのパルスピークの開始を設定し得る−その持続時間は、動作のための所望の位相角を得るのに十分である。
【００３０】
上で議論した実施態様において、アーク１１０は進行方向に対して先頭に位置付けられる。これは図１及び２の各々に示されている。これはアーク１１０を用いてワークピース１１５内への所望の浸透を達成するからである。即ち、アーク１１０を用いて溶融パッドル１１２を創り出してワークピース内の所望の浸透を達成する。次に、第１のアークプロセスの後に続くのは、ホットワイヤプロセス（及び／又は第２のアークプロセス）である。ホットワイヤプロセスの追加は、少なくとも２つのアークを用いる従来的なタンデムＭＩＧプロセスにおけるような他の溶接アークの追加的な熱入力を伴わずに、より多くのコンシューマブル１４５をパッドル１１２に加える。しかしながら、幾つかの実施態様では、ワイヤ１４５からの限定的な時間期間のために、第２のアークプロセスが望ましくあり得る。いずれの構成(configuration)を用いても、本発明の実施態様は既知のタンデム溶接法よりも相当に少ない熱入力で有意な溶着速度を達成し得る。
【００３１】
図２に示すように、ホットワイヤ１４５はアーク１１０と同じ溶接パッドル１１２内に挿入されるが、距離Ｄだけアークに後れを取る。幾つかの実施態様において、この距離は５〜２０ｍｍの範囲内にあり、他の実施態様において、この距離は５〜１０ｍｍの範囲内にある。ワイヤ１４５が先導するアーク１１０によって創り出されるのと同じ溶融パッドル１１２内に送られる限り、他の距離を用い得るのは勿論である。しかしながら、ワイヤ１４０及び１４５は、同じ溶融パッドル１１２内に溶着されるべきであり、距離Ｄは、ワイヤ１４５（又は幾つかの実施態様におけるような第２のアーク）を加熱するために用いられる加熱電流によるアーク１１０との最小の有害な磁気干渉があるような距離であるべきである。一般的には、アーク１１０及びワイヤ１４５が集合的に向けられるパッドル１１２の大きさは、溶接速度、アークパラメータ、ワイヤ１４５への総電力、材料種類等に依存し、それらはワイヤ１４０及び１４５の間の所望の距離を決定する要因でもある。
【００３２】
上で述べたように、少なくとも２つのコンシューマブル１４０／１４５が同じパッドル内で用いられるので、極めて高い溶着速度を達成することができ、殆どの溶接動作モード中の比較可能なタンデムシステムに基づく最大３５％までの熱入力の減少を伴う。これはワークピース内への極めて高い熱入力を有する全時間タンデムＭＩＧ溶接システムに対して有意な利点をもたらす。例えば、本発明の実施態様は、単一のアークの熱入力で少なくとも２３ｌｂ／ｈｒ（１０．４３ｋｇ／ｈｒ）の溶着速度を容易に達成し得る。他の例示的な実施態様は、少なくとも３５ｌｂ／ｈｒ（１５．８８ｋｇ／ｈｒ）の溶着速度を有する。
【００３３】
本発明の例示的な実施態様では、ワイヤ１４０及び１４５が同じ組成、直径等を有する点において、ワイヤ１４０及び１４５の各々は同じである。しかしながら、他の例示的な実施態様において、それらのワイヤは異なり得る。例えば、それらのワイヤは、特定の動作に望ましい異なる直径、ワイヤ送り速度、及び組成を有し得る。例示的な実施態様において、先導ワイヤ１４０のためのワイヤ送り速度は、ホットワイヤ１４５のためのワイヤ送り速度よりも高い。例えば、先導ワイヤ１４０は４５０ｉｐｍ（１１４３ｃｍ／ｍｉｎ）のワイヤ送り速度を有し得るのに対し、追従ワイヤ１４５は４００ｉｐｍ（１０１６ｃｍ／ｍｉｎ）のワイヤ送り速度を有する。更に、それらのワイヤは異なる大きさ及び組成を有し得る。
【００３４】
本発明の幾つかの例示的な実施態様では、アーク１１０及びホットワイヤ１４５（又はワイヤ１４５からの第２のアーク）の組み合わせを用いて、遂行されるべき特定の動作の要件及び制約と整合して溶着物への熱入力を均衡させ得る。例えば、アーク（又は複数のアーク）からの熱がワークピースとホットワイヤ１４５とを接合させるのに必要とされる浸透を得るのに役立つ接合用途のために、先導アーク１１０（又は必要に応じて用いられるワイヤ１４５からの第２のアーク）からの熱を増大させることができ、アークモードにおいて用いられないときには、先導アークからの熱を主として継手の充填のために用いる。クラッディング又はビルドアッププロセスでは、ホットワイヤワイヤ送り速度を増大させて持続時間を最小限化し且つビルドアップを増大させ得る。
【００３５】
更に、異なるワイヤの化学的性質を用い得るので、従来的には２つの別個のパス（通過)(pass)によって達成される異なる層を有する溶接継手を創り出し得る。先導ワイヤ１４０は、従来的な第１のパスのために必要とされる所要の化学的性質を有し得るのに対し、追従ワイヤ１４５は、従来的な第２のパスのために必要とされる化学的性質を有し得る。更に、幾つかの実施態様において、ワイヤ１４０／１４５の少なくとも１つは、有芯ワイヤであり得る。例えば、ホットワイヤ１４５は、所望の材料を溶接パッドル内に蒸着する粉末コアを有する有芯ワイヤであり得る。
【００３６】
上の実施態様において、システム１０２及びその構成部品、例えば、電源１３０は、アーク溶接システムとして記載され、システム１０４及びその構成部品、例えば、電源１３５は、主としてホットワイヤシステムとして記載されている。しかしながら、一部の実施態様では、これらのシステムの機能を切り替え得る。即ち、システム１０４はアーク溶接システムとして機能し、システム１０２はホットワイヤシステムとして機能し得る。そのようなシステムにおいて、ここにおけるシステム１０２の記載は、それがアーク溶接システムに関するときには、システム１０４が溶接モードにあるときのシステム１０４に適用可能であり、ここにおけるシステム１０４の記載は、それがホットワイヤシステムに関するときには、システム１０２がホットワイヤモードにあるときのシステム１０２に適用可能である。
【００３７】
上で議論したように、ホットワイヤ／ＧＭＡＷタンデムプロセスは、全時間タンデムＧＭＡＷ動作と等しい蒸着速度を可能にするが、単一のアークプロセスの熱入力により近い熱入力を伴う。より低い熱入力の故に、ホットワイヤ／ＧＭＡＷタンデムプロセスは、低浸透プロセスである。しばしば、低浸透プロセスが基板内の以前のパス又は他の突起と接するとき、溶接金属は継手を架橋し、それは空洞を残す。これを避けるために、継手領域への熱入力を増大させるよう、懸念の継手領域の上にトーチを保持し得る。しかしながら、これはプロセス、例えば、接合、クラッディング等を行うのに必要とされる時間を増大させ、それは非効率的である。
【００３８】
本発明の例示的な実施態様において、浸透の増大は、ホットワイヤ操作を行う電源からの熱入力を増大させることによって、「飛行中」(“on  the  fly”)に行われる。図１の例示的な実施態様において、システム１００の電源１３５は、加熱電流波形をワイヤ１４５に出力し、例えば、加熱電流波形は、上で議論した波形２０３、２０５、２０７若しくは４０３、又は他の波形であり得る。トーチユニット１２０が、アーク１１０とホットワイヤ１４５との組み合わせによってもたらされる熱入力よりも高い熱入力を必要とする領域の上を進行するとき、感知及び電流コントローラ１９５（又は他のデバイス）は、電源１３５の動作を、ワイヤ１４５を加熱する動作からアーク溶接動作に切り替え得る、即ち、電源１３５の出力を加熱電流からアーク溶接電流に切り替えることによって第２のアークを加える。例えば、アーク溶接電流は、パルススプレー移行のような高い熱入力プロセス、又は短絡アーク移行、表面張力移行（ＳＴＴ）溶接若しくは短絡収縮溶接等のような比較的より低い熱入力プロセスであり得る。短絡アークプロセス（短絡アーク移行、ＳＴＴ、短絡収縮溶接）は、パルススプレープロセスに比べてより低い熱入力であるが、短絡アークプロセスは、依然として、ホットワイヤプロセスよりも大きい熱入力をもたらすことが留意されるべきである。加えて（或いは代替的に）、ワイヤ送り速度を増大させて熱入力を集中させ得る。
【００３９】
「飛行中」に加熱電流からアーク溶接電流に変わることによって、本発明の例示的な実施態様においてプロセス（例えば、クラッディング、接合等）は減速されない。コントローラ１９５が必要に応じて電源の機能を加熱動作からアーク溶接動作に自動的に切り替え得るよう、前もってコントローラ１９５への入力前に追加的な熱入力を必要とする接合又はクラッディング領域を特定し得る。例えば、図５Ａは、ワークピース１１５Ａ及び１１５Ｂによって創り出される溶接継手５１０を例示している。システム１００は、トーチユニット１２０が溶接継手５１０に沿って進行するに応じて（矢印を参照）、トーチユニット１２０が溶接継手５１０の１つの側壁５１５Ａから他の側壁５１５ＢにパターンＰを編むように構成される（Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩを参照）。当該技術分野において既知であるような機械的オシレータ（図示せず）又はロボット１９０（図１を参照）によって編み行為Ｐを行い得る。
【００４０】
この例示的な実施態様では、図５Ｂに例示するように、溶接継手５１０は、側壁５１５Ａ，５１５Ｂとの適切な融合のために、側壁５１５Ａ，５１５Ｂで高い熱入力を必要とする。しかしながら、トーチユニット１２０が側壁から離れる方向に移動するや否や、ホットワイヤ／ＧＭＡＷタンデムによってもたらされる熱入力は、適切な溶接のために十分である。よって、システム１００は、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂから離れる方向に移動するときに、電源１３５がワイヤ１４５に加熱電流を出力し、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂにあるときに、電源がアーク溶接電流を出力するように構成される。電源１３５がアーク溶接電流を出力するとき、電源１３５のアーク溶接電流がワイヤ１４５とワークピース１１５Ａ，１１５Ｂとの間に第２アークを創り出すので、トーチユニット１２０は２つのアークを出力する。本発明の幾つかの実施態様において、トーチユニット１２０は、側壁５１５Ａ，５１５Ｂで適切な融合があるのを保証するために、所定の持続時間に亘って側壁５１５Ａ，５１５Ｂに留まる。持続時間は、例えば、所定の溶接時間ｔＷ又は溶接波形の所定の溶接サイクル計数ｃＷ、例えば、ピークパルス計数に基づき得る。
【００４１】
溶接電流からの／への電源１３５の切替えが適切な時に、即ち、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂにある時に起こるよう、感知及び電流コントローラ１９５、ロボット１９０、及び／又は機械的オシレータを事前構成し得る。例えば、幾つかの実施態様では、編みパターンＰ（又は溶接継手５１０寸法）のタイミングを機械的オシレータ又はロボット１９０内で事前構成し得るし、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂにある時が編みパターンに基づき分かるよう、システム１００をキャリブレート（較正）し得る。次に、機械的オシレータ又はロボット１９０は、感知及び電流コントローラ１９５が適切な行為を取り得るよう、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂにある（或いは側壁５１５Ａ，５１５Ｂから離れている）という信号を感知及び電流コントローラ１９５に送信し得る。幾つかの実施態様では、ロボット１９０又は機械的オシレータからの信号よりもむしろ、所定の時間ｔＷ又はサイクル計数ｃＷに亘る溶接電流への切替え前に、加熱電流が所定の加熱時間期間ｔＨ（又は所定の加熱電流サイクル数ｃＨ、例えば、ピークパルスの数）に亘って出力されるよう、感知及び電流コントローラ１９５を設定し得る。次に、コントローラ１９５のタイミングは、ロボット１９０又は機械的オシレータからの編みパターンと同期させられる。更に他の実施態様では、例えば、アーク電圧Ｖ１又は何らかの他のフィードバック入力を用いることによって側壁５１５Ａ，５１５Ｂを感知するように、コントローラ１９５を構成し得る。
【００４２】
図６は、電源１３５の出力を制御して溶接プロセス６０２と加熱プロセス６０４との間の切替えを行うよう、感知及び電流コントローラ１９５（又は何らかの他のデバイス）によって実施し得る例示的なプログラム６００を例示している。プロセスを開始するに先立ち、コントローラ１９５が適切なプロセス６０２又は６０４でプログラム６００を処理し始め得るよう、初期的な設定(configuration)がコントローラ１９５に入力される。例えば、側壁５１５Ａ，５１５Ｂに位置付けられるトーチユニット１２０で処理を開始するようにコントローラ１９５を構成し得る。溶接継手５１０内の他の位置にあるトーチユニット１２０でプロセスを開始し得るのは勿論である。トーチユニット１２０が側壁にあるときには、この目的のための適切な熱入力を得るために、電源１３５はアーク溶接電流信号を出力する必要がある。トーチユニット１２０の位置は、例えば、ロボット１９０及び／又は機械的オシレータ又は何らかの他のデバイスから受信する信号から、進行位置プロセス６０６によって監視される。トーチユニット１２０が側壁にあるならば、進行位置プロセス６０６は、アーク溶接プロセス６０２（ステップ６０３Ａを参照）を開始し且つ加熱プロセス６０４（ステップ６０５Ｂを参照）を停止する信号を送信するステップ６０７を開始する。アーク溶接プロセス６０２が開始するや否や、コントローラ１９５はステップ６１０に進み、同期パルスを確認し、同期パルスは、電源１３０がアーク溶接電流ピークパルス、例えば、ピークパルス２０２（図３を参照）をそのアーク溶接プロセスに亘って開始したことを示す。同期目的のために、例えばピークパルスの立下り(falling  edge)のような、電源のアーク溶接電流波形の他の部分を用い得るのは勿論である。同期信号が受信されるや否や、コントローラ１９５はステップ６１５に進み、ステップ６２０で電源１３５からの溶接電流パルスを開始する前に、所望の位相角Θに基づく適切な時間を待つ。幾つかの実施態様では、アーク溶接及び加熱電流波形の種類に基づき、同期信号は必要とされないことがある。ステップ６２２で所定の時間期間に亘ってピーク溶接電流レベルを保持し、カウンタＣを１だけ増分させた後に、電源１３５からのアーク溶接電流は、ステップ６２４でバックグラウンド電流レベルまで減少させられる。ステップ６２６で、バックグラウンドレベルは、ステップ６３０に進む前に所定の持続時間に亘って保持され、ステップ６３０では、カウンタカウンタＣを確認して、カウンタＣが所定の計数ｃＷ未満であるか否かを見る。もし所定の計数ｃＷ未満であるならば、コントローラ１９５はステップ６２０に戻り、ステップ６２０では、電源１３５からの次のアーク溶接ピークパルスが開始される。計数ＣがｃＷ以上であるならば、コントローラ１９５は加熱電流プロセス６０４を開始する（ステップ６０５Ａを参照）。トーチユニット１２０が、ステップ６０８で進行位置プロセス６０６によって監視される、アーク溶接プロセス６０２の間の如何なる時にも進行の終了に達しなければならないならば、コントローラはアーク溶接プロセス６０２を直ぐに停止させるのは勿論である（ステップ６０３Ｂを参照）。電源１３５のアーク溶接段階は任意の所���の持続時間であり得ることが留意されなければならない。例えば、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂにある全時間に亘って又はその時間のほんの一部だけ、電源１３５からアーク電流を出力し得る。加えて、トーチユニット１２０が側壁に達する前に、電源１３５からのアーク溶接電流を開始し得るし、トーチユニット１２０が側壁から離れる方向に移動した後に、電源１３５からのアーク溶接電流をある時間期間に亘って延長し得る。加えて、電源１３５からのアーク溶接電流プロセス６０２の持続時間は、所定数のサイクルｃＷの代わりに、所定の時間期間ｔＷに基づき得る、即ち、ステップ６３０において、コントローラ１３５は、カウンタＣではなくタイマを確認し得る。
【００４３】
コントローラ１９５がステップ６０５Ａで加熱プロセス６０４を開始させるとき、アーク抑制モニタルーチン６６０(arc  suppression  monitor  routine)が電圧Ｖ２を監視する（図１を参照）。アーク溶接プロセス６０２の間、アーク溶接プロセス６０２の間に、電源１３５の電圧Ｖ２は１４〜４０ボルトの範囲内にある。ワイヤ１４５が短絡させられ、電源１３５が加熱電流を出力するとき、動作電流レベルはアーク溶接モードと類似するが、システムはカソード／アノード効果を含まないので、電圧Ｖ２は１〜１２ボルトである。よって、１３ボルト以上の電圧は、アークが消されないことを意味し得る。従って、例えば、１３ボルトに設定し得る所定の電圧ＶＨに基づき、アーク抑制ルーチン６６０は、電源１３５を停止させてワイヤ１４５を溶接パッドル１１２に短絡させるか或いはステップ６４０に進むことによって加熱電流サイクルを開始させるか否かを決定する。電圧ＶＨが１３ボルト以上であるならば、例えば、ワイヤフィーダ１５５内のトルクセンサのような感知機構又はタイマに基づき、電源１３５はワイヤ１４５がパッドル１１２に短絡させられるまで停止させられる。システム及び／又はプロセスに基づきＶＨのための他の値を用い得るのは勿論である。電圧ＶＨが電圧ＶＨより下になるや否や、コントローラはステップ６４０に進む。しかしながら、加熱サイクルの間でさえも、アーク抑制ルーチン６６０は電圧Ｖ２を監視し、電圧Ｖ２が電圧ＶＨよりも上であるならば、電源１３５を停止させてワイヤ１４５上のアークを抑制する。
【００４４】
ステップ６４０で、コントローラ１９５は、電源１３０がアーク溶接電流ピークパルス、例えば、ピークパルス２０２を開始したことを示す同期信号を待つ。上述のように、同期目的のために、ピークパルスの立下がり等のような電源１３０のアーク溶接電流波形の他の部分を用い得る。同期信号を受信するや否や、コントローラ１９５は、ステップ６５０で加熱電流パルスを開始する前に所望の位相角Θに基づく適切な時間を待つ。例えば、加熱電流パルスは、図３に示されるような、パルス２０４、２０６、又は２０８であり得る。幾つかの実施態様では、溶接及び加熱電流波形の種類に基づき、同期信号は必要とされないことがある。
【００４５】
ステップ６５２で所定の時間期間に亘りピーク加熱電流レベルを維持した後、電源１３５からの加熱電流は、ステップ６５４でバックグラウンド電流レベルまで減少させられる。ステップ６５６で、バックグラウンド電流レベルは、コントローラ１９５がステップ６５０に進んで新しい加熱電流サイクルが開始させられる前に、所定の時間期間に亘って保持される。加熱電流サイクルは、そのサイクルがステップ６０５Ｂで停止させられるまで続く。何故ならば、トーチユニット１２０は側壁５１５Ａ，５１５Ｂにあるか（ステップ６０７）或いはトーチユニット１２０は進行の終了に達する（ステップ６０８）からである。
【００４６】
上のプログラム６００において、ロボット１９０及び／又は機械的オシレータは、側壁位置及び進行信号の終了を提供していると想定される。しかしながら、側壁５１５Ａ及び／又は側壁５１５Ｂへのトーチユニット１２０の近接性を示す他の信号を用いて、溶接電流プロセス６０２及び／又は加熱電流プロセス６０４を開始し得る。例えば、アーク電圧Ｖ１に基づく信号を用いて、トーチユニット１２０が側壁５１５Ａ，５１５Ｂ付近にある時を示し得るし、或いは、アーク溶接プロセス６０２と同様に、システムを加熱電流波形に同期させ得るし、所定の時間期間ｔＨ又は所定のサイクル計数ｃＨ、例えば、ピーク電流パルスの数が満たされたか否かに基づきプロセスを切り替え得る。加えて、上の例示的な実施態様における加熱電流プロセス６０４はＤＣであるが、本発明はそのように限定されず、加熱電流プロセス６０４のプログラムステップへの適切な変更を伴って、可変極性加熱電流、例えば、図４の波形４０３を用い得る。更に、上で議論した例示的な実施態様は、アーク溶接電流プロセス６０２及び加熱電流プロセス６０４のためにパルス型波形を用いる。しかしながら、溶接電流がホットワイヤ加熱電流よりも高い熱入力をもたらす限り、本発明は如何なる種類の溶接電流をも用い得るし、如何なる種類の加熱電流をも用い得る。例えば、アーク溶接及び加熱波形は、正弦波形、三角形、緩やかな正方形波等であり得る。また、上で議論した実施態様において、加熱電流波形は、プロセス中に同じままである。しかしながら、本発明の幾つかの実施態様では、加熱電流形状又は種類、振幅、ゼロオフセット(zero  offset)、パルス幅、位相角、又は加熱電流の他のパラメータを所望に変更して、熱入力を制御し得る。同様に、アーク溶接電流形状又は種類、振幅、ゼロオフセット、パルス幅、位相角、又は加熱電流の他のパラメータを所望に変更して、熱入力を制御し得る。例えば、アーク溶接電流プロセス６０２は、プロセス、例えば、接合、クラッディング等を最適化するよう、例えば、パルススプレープロセスのような、高い熱入力溶接プロセスと、例えば、短絡アーク移行、ＳＴＴ、短絡収縮溶接等のような、比較的低い熱入力との間で所望に変更することを含み得る。
【００４７】
加えて、上で議論した例示的な実施態様は、接合種類の用途のために熱入力を制御することに関し、より具体的には、溶接継手の側壁で熱入力を増大させることに関するが、本発明はそのように限定されない。本発明を用いて、例えば、前のパスにおいて蒸着されたクラッディング層の縁に接合するためにより高い熱入力を必要とするクラッディング用途のような他の用途において、熱入力を制御し得る。加えて、熱入力の制御が側壁及び溶接／クラッディング縁に関する用途に限定される必要はない。例えば、感知及び電流コントローラ１９５（又は何らかの他のデバイス）は、溶接パッドル１１２温度を所望の値に維持するために、ホットワイヤ加熱電流プロセスからアーク溶接電流プロセスに切り替わり得る。例えば、溶接パッドル１１２温度は、センサ１１７からコントローラ１９５への入力であり得る（図１を参照）。センサ１１７からのフィードバックに基づき、コントローラ１９５は、溶接パッドル１１２温度（又は溶接パッドル１１２に隣接する領域）を上で議論したような所望の値に維持し得る。センサ１１７は、溶接パッドル１１２又はワークピース１１５と接触せずに溶接パッドル１１２又は溶接パッドル１１２の周りの領域のような小さい領域の温度を検出し得る、レーザ又は赤外線ビームを用いる種類であり得る。プロセスへの熱入力を制御するために、他の方法を用いて、時間ベースの切替え操作（数マイクロ秒毎の切替え）又は距離ベースの切替え操作（数センチメートル毎の切替え）のような、ホットワイヤ加熱電流プロセスから溶接電流プロセスへの切替えを制御し得る。
【００４８】
上の例示的な実施態様において、加熱電流を制御する電源は、所望の熱入力に基づく溶接電流プロセスに切り替えられている。しかしながら、本発明は、ホットワイヤ電源の機能を変更することによって熱入力を調整（規制）することだけに限定されない。幾つかの実施態様では、溶接電源及びホットワイヤ電源の機能を交換してプロセスを最適化し得る。例えば、上で議論したように、例示的なホットワイヤタンデム適用において、アークはホットワイヤに先導する（図２を参照）。従来的なシステムにおいて、電源は機能を切り替え得ない。即ち、溶接電源は溶接電流波形を出力し得るに過ぎず、ホットワイヤ電源は加熱電流波形を出力し得るに過ぎない。よって、従来的なシステムにおいて、トーチ１２０に対する進行方向は可逆的でない。例えば、図２において、アーク１１０が先導し且つホットワイヤが追従する状態で、操作は右から左に進む。システムがそのパスの完了後に動作を続けるために、トーチユニット１２０が再び次のパスのために一番左寄りに再配置されなければならないか或いはトーチ（アーク）及びホットワイヤに対するトーチユニット１２０の向きが物理的に逆にされて左から右に進まなければならない。いずれのアプローチも貴重な時間が失われることを意味し、それはプロセスを非効率的にする。
【００４９】
本発明の幾つかの実施態様では、トーチユニット１２０の構成(configuration)を物理的に逆転させたりシステムを再配置させたりすることなく、アーク及びホットワイヤ機能をそれぞれの電源１３０及び１３５のために「飛行中に」切り替え得る。図７は、クラッディングの細片(strips)が互いに隣接して堆積されるクラッディング作業を例示している。例えば、図１に例示するシステムによって、クラッディング作業を行い得る。１つのパスから次のパスへのオフセットをロボット１９０（又は他の機械的デバイス）によって自動的に設定し得るし或いは操作者によって手作業で行い得る。各パスのために、トーチユニット１２０をロボット１９０（又は機械的オシレータ）によって上述の編みパターン（図５Ａを参照）と類似する編みパターンにおいてオシレート（往復動）させ得る。図７に例示するように、システムは方向７０２において第１のパス７０１を完了し、方向７０４において第２のパス７０３を行っている。第１のパス７０１において、ワイヤ１４０は、ワイヤ１４０は先導ワイヤ（アーク）である。よって、感知及び電流コントローラ１９５（又は何らかの他のデバイス）は電源１３０を制御して、第１のパス７０１の間にアーク溶接電流をワイヤ１４０に出力する。例えば、アーク溶接電流波形は、図３Ａ−３Ｃ及び４における波形の１つ（又は他の溶接波形）であり得る。また、第１のパス７０１の間、ワイヤ１４０に追従したワイヤ１４５はホットワイヤであり、コントローラ１９５は電源１３５を制御して、加熱電流波形、例えば、図３Ａ−３Ｃ及び４中のホットワイヤ電流波形のうちの１つ（又は他の加熱電流波形）をワイヤ１４５に出力する。
【００５０】
第２のパス７０３において、ワイヤ１４５は先導ワイヤになる。このときには、電源１３５が溶接電流波形、例えば、図３Ａ−３Ｃ及び４中の溶接電流波形のうちの１つ（又は他の溶接波形）を出力するよう、コントローラ１９５は電源１３５の動作を加熱電流プロセスからアーク溶接電流プロセスに自動的に（即ち、「飛行中に」）に切り替える。典型的には、必ずしも必要ではないが、溶接電流波形は、第１のプロセスにおいて電源１３０が用いる溶接電流波形と同じである。逆に、ワイヤ１４０は今や追従ワイヤであるので、それはホットワイヤとして作用し、コントローラ１９５は電源１３０の出力をアーク溶接電流波形から加熱電流波形に自動的に切り替える。よって、第２のパスの間に、電源１３０は、加熱電流波形、例えば、図３Ａ−３Ｃ及び４中のホットワイヤ波形のうちの１つ（又は他の加熱電流波形）を出力する。典型的には、必ずしも必要ではないが、加熱電流波形は、第１のプロセスにおいて電源１３５が用いる加熱電流波形と同じである。よって、進行方向に基づき、コントローラ１９５は、電源１３０，１３５の動作を自動的に切り替える。加えて、幾つかの例示的な実施態様において、システムは、接合（継手）の必要に基づき、タンデムアークから１つのアーク／ホットワイヤプロセスに切り替わり得る。例えば、接合（継手）が狭いならば、タンデムアークプロセスが望ましくあり得る。しかしながら、大きな間隙がある領域のためには、アーク及びホットワイヤの組み合わせに切り替えることが望ましくあり得る。上の実施態様におけるように、切替えは接合（継手）の必要に基づき「飛行中」に起こり得る。
【００５１】
図８は、電源１３０及び１３５を制御するために感知及び電流コントローラ１９５において実施し得る例示的なプログラム８００を例示している。電源１３０及び１３５のいずれか一方（又は何らかの他のデバイス）にプログラミングを配置し得るのは勿論である。プログラム８００は、マルチパスを有するホットワイヤタンデムプロセスに向けられており、マルチパスにおいて、アーク及びホットワイヤは、初期的には、１つの通過のために１つの方向に進行し、次に、次の通過のために反対の方向に進行する。例えば、プログラム８００を図７中に例示されるようなマルチパスクラッディング作業又は図５Ｂに例示されるような接合作業に向け得る。図８に例示するように、プログラム８００は、トーチ及びホットワイヤの初期進行方向信号８０４を受信する。初期進行方向信号８０４は操作者による入力であり得るし、システムの初期的設定に基づき、例えば、ロボット１９０によって初期方向信号８０４を自動的に決定し得る。進行方向信号８０４は、ステップ８０２でコントローラ１９５によって確認される。進行方向に基づき、コントローラ１９５は、ワイヤのうちのどれが先導ワイヤ（アーク）であり、どれが追従ワイヤ（ホットワイヤ）であるかを決定する。例えば、図２の右から左への方向に関して、ワイヤ１４０は先導（アーク）であり、ワイヤ１４５は追従（ホットワイヤ）である。よって、先導であるワイヤ１４０に対応する進行信号８０４に関して、プログラム８００はステップ８１０に進み、そこでは、ステップ８１０Ａにおいて、電源１３０は溶接プロセスを出力するよう制御される。例えば、ステップ８１０Ａは、図３の溶接電流２０１又は図４の溶接電流４０１を出力するプログラムを出力するプログラムを開始し得る。溶接プロセスが図３及び４の例示的な実施態様に限定されず、パルススプレー移行、短絡アーク移行、ＳＴＴ、短絡収縮溶接等のような、任意の所望の溶接プロセスであり得ることは勿論である。加えて、ステップ８１０Ａは、溶接プロセスを所望に切り替え得る、例えば、熱入力を制御するために或いは何らかの他の理由のためにパルススプレー移行から短絡アーク移行に切り替え得るプログラムを開始し得る。ステップ８１０Ｂにおいて、電源１３５は加熱電流プロセスを出力するよう制御される。例えば、ステップ８１０Ｂは、図３Ａ乃至３Ｃの加熱電流２０３、２０５又は２０７をそれぞれ出力し或いは図４の加熱電流４０３を出力するプログラムを開始し得る。加熱プロセスは図３及び４における例示的な実施態様に限定されず、ホットワイヤを所望の温度まで加熱する任意の所望の加熱プロセスであり得ることは勿論である。加えて、ステップ８１０Ｂは、熱入力を制御するために又は何らかの他の理由のためにアーク溶接プロセスと加熱プロセスとの間を切り替えるプログラムを開始し得る。例えば、ステップ８１０Ｂは、例えば、前に蒸着された溶接／クラッディング層、溶接継手側壁等との適切な融合を保証するために、図６のプログラム６００と類似するプログラムを開始し得る。異なるプロセスのための異なる要求、例えば、クラッディングの要求に対する接合の要求を考慮に入れるために、適切な変更をプログラム６００に行う必要があることがある。例えば、トーチユニット１２０が前のクラッディングパスに隣接する側にあるときに、進行位置プロセス６０６が「側壁で」信号(“at  sidewall”  signal)を送信するに過ぎないように、進行位置プロセス６０６をプログラムし得る。
【００５２】
コントローラ１９５がステップ８１０において適切なプロセスを開始するや否や、コントローラ１９５は、システムがパス（溶接、クラッディング、ビルドアップ等）、例えば、図７に例示するようなクラッディングパス７０２又は７０４を完了したという信号８０６を確認する。例えば、システムの初期的設定、適切なセンサ等に基づき、パスの終了信号８０６を手動で或いはシステムによって自動的に開始させ得る。信号８０６が存在しないならば、コントローラ１９５は、ステップ８１０の溶接プロセス（ステップ８１０Ａ）又は加熱プロセス（ステップ８１０Ｂ）を続ける。パスの終了信号８０６が存在するならば、ステップ８１４において、コントローラ１９５は信号８０８を確認して、プロセスが停止すべきか否かを見る。例えば、システムの初期的設定、適切なセンサ等に基づき、プロセス信号８０８の端を手動で或いはシステム（例えば、コントローラ１９５、ロボット１９０等）によって自動的に開始させ得る。例えば、特定のプロセスのために必要とされる数のパスでコントローラ１９５（又は何らかの他のデバイス）を構成してよい。システムが設定された数のパスに到達するや否や、プロセス信号８０８の端はプログラム８００に送信される。代替的に（又は追加的に）並びに「進行の終了」信号６０８と類似して、トーチユニット１２０が進行の終了に達するならば、「プログラムの終了を確認する」ステップ８１４がいつでもプロセスを停止するように、「プロセスの終了を確認する」ステップ８１４をプログラムし得るのは勿論である。
【００５３】
プロセスの終了信号８０８が存在しないならば、コントローラ１９５は、反対の進行方向にある次のパスのために、システム１０２及び１０４の機能を自動的に切り替える。例えば、我々の例示的な実施態様において、システムは、ワイヤ１４５が先導（アーク）であり且つワイヤ１４０が追従（ホットワイヤ）であるように進行する。よって、プログラム８００はステップ８２０に進み、そこでは、ステップ８２０Ａにおいて、電源１３０が加熱プロセスを出力するように制御され、ステップ８２０Ｂにおいて、電源１３５はアーク溶接プロセスを出力するように制御される。ステップ８２０乃至８２２における機能は、電源１３５がアーク溶接プロセスを出力し、電源１３０が加熱プロセス（又は変更された加熱／アーク溶接プロセス）を出力することを除き、ステップ８１０乃至８１２における機能とそれぞれ類似する。従って、これらのステップにおけるこれらの機能を更に議論しない。プロセスの終了信号８０８がステップ８２４において存在しないならば、コントローラはステップ８１０乃至８１４（即ち、次のパス）を反復する。次に、コントローラ１９５は、プロセスの終了信号８０８が存在するまで、各後続のパスのためにステップ８１０−８１４とステップ８２０−８２４との間を切り替える。信号８０８が存在するならば、プロセスは停止する（ステップ８３０を参照）。
【００５４】
ＤＣ及び可変極性ホットワイヤ電流波形を備える描写の例示的な実施態様に関してＧＭＡＷシステムを示し且つ議論しているが、接合／溶接、クラディング、鑞接、及びこれらの組み合わせ等を含む用途において本発明の例示的な実施態様をＦＣＡＷ、ＭＣＡＷ、及びＳＡＷシステムと共に用い得ることも留意されるべきである。
【００５５】
本発明の例示的な実施態様を参照して本発明を具体的に示し且つ記載したが、本発明はこれらの実施態様に限定されない。当業者は以下の請求項によって定められるような本発明の精神及び範囲から逸脱せずに形態及び詳細における様々な変更を行い得ることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００５６】
１００    システム
１０２    第１のシステム
１０４    第２のシステム
１１０    アーク
１１１    方向
１１２    溶融パッドル
１１５    ワークピース
１１５Ａ  ワークピース
１１５Ｂ  ワークピース
１１７    センサ
１２０    トーチユニット又はコンタクトチューブ
１２２    第１のコンタクトチューブ
１２５    第２のコンタクトチューブ
１３０    第１の電源
１３５    第２の電源
１４０    第１のワイヤ又は溶接電力
１４５    第２のワイヤ
１５０    第１のワイヤフィーダ
１５５    ワイヤフィーダ
１８０    運動コントローラ
１９０    ロボット
１９５    コントローラ
２０１    アーク溶接波形
２０２    パルス
２０３    波形
２０４    パルス
２０５    波形
２０６    波形
２０７    ホットワイヤ電流
２０８    ホットワイヤパルス
２１０    バックグラウンド部分
４０１    溶接電流
４０２    パルス
４０３    ホットワイヤ電流
４０４    正パルス
４０５    負パルス
４０６    バックグラウンド
５１０    溶接継手
５１５Ａ  側壁
５１５Ｂ  側壁
６００    例示的なプログラム
６０２    溶接プロセス
６０３Ａ  ステップ
６０３Ｂ  ステップ
６０４    加熱プロセス
６０５Ａ  ステップ
６０５Ｂ  ステップ
６０６    位置プロセス
６０８    ステップ
６１５    ステップ
６２０    ステップ
６２２    ステップ
６２４    ステップ
６４０    ステップ
６５０    ステップ
６５４    ステップ
６６０    アーク抑制モニタルーチン
７０１    第１のパス
７０２    方向
７０３    第２のパス
７０４    方向
８００    例示的なプログラム
８０２    ステップ
８０４    進行信号
８０６    パス信号
８０８    プロセス信号
８１０    ステップ
８１０Ａ  ステップ
８１０Ｂ  ステップ
８１２    ステップ
８１４    ステップ
８２０    ステップ
８２０Ａ  ステップ
８２０Ｂ  ステップ
８２２    ステップ
８２４    ステップ
Ｃ        カウンタ
Ｉ１      溶接電流
Ｉ２      加熱電流
ＳＴＴ    表面張力移行
Ｖ１      アーク電圧
Ｖ２      アーク電圧
Θ        位相角
（Ｉ）    第１の方向
（ＩＩ）  第２の方向
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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