JP3200728U - 接合部への入熱に影響を与える調節方式を提供するシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接工の訓練や経験が少なくても、所望の外観の溶接ビードを得ることができるアーク溶接システムを提供する。【解決手段】消耗溶接電極Ｅと溶接ワークピースＷとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムであって、溶接電源１０５と、２つ以上のシールドガス源６１０、６２０と、シールドガス源及び溶接電源に作動的に接続され、溶接電源に命令された混合比を得るためにシールドガスを混合するように構成されたガス混合装置６３０と、を含み、溶接電源は、溶接プロセスの間に生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、ガス混合装置に対して混合比を調節する。調節頻度は溶接工具６の選択された移動速度に基づく。さらに、溶接電極のワイヤ送給速度は、溶着ビードの外観に影響を与えるためにシールドガスと相乗的に調節される。【選択図】図６
Description
本願は、２０１２年１１月９日に出願された米国仮出願第６１／７２４６６６号の優先権を主張する。係る出願は、参照により本願に全体的に組み込まれる。
本考案の特定の実施形態はアーク溶接に、即ち、請求項１、２、４及び６に記載のアーク溶接システムに関する。より具体的には、本考案の特定の実施形態は、接合部への入熱に影響を与える（affect）ために１つ以上の溶接パラメータの調節（modulation）を提供するシステムに関する。
特定の先行技術の溶接システムでは、接合部において所望の外観の溶接ビードを得るのに溶接工に頼らなければならない及び／又は使用できる技術が限られている。
そのため、所望の外観の溶接ビードを一貫して得る能力が限られ、溶接工の訓練や経験が多く要求され得る。
本願の残りの部分で説明する本考案の実施形態と、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のシステム及び方法とを図面を参照しながら比較することで、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になる。
上記の限界やデメリットを解消することを目的とする。上記の課題は、請求項１、２、４及び６に記載の消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムによって解決される。アーク溶接システムの好ましい実施形態は従属項の主題である。特定の溶接アプリケーション（例えばアルミニウムのＭＩＧ溶接）では、接合部への入熱を調節して溶接ビードの外観に影響を与えることが望ましい場合がある。例えば、積み重ねた（１０セント）硬貨のような外観（stacked dime appearance）の溶接ビードが当該技術分野では周知であり、例えばポロシティの低減や粒状構造の改善といった冶金学的特徴の向上をもたらし得る。しかしながら、そのような積み重ねた硬貨のような外観を形成することは必ずしも容易ではなく、溶接工のスキルや経験が多いに要求され得る。シールドガスの混合物及び／又は１つ以上の溶接パラメータの調節を提供して接合部への入熱に対して影響を与え、その結果溶接ビードの外観（例えば積み重ねた硬貨のような外観）に影響を及ぼすシステムを開示する。例えば、所望の外観の溶接ビードを得るために、２つ以上のシールドガスの混合比が調節され得る。
本考案の一実施形態では、消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムが提供される。当該アーク溶接システムは、溶接電源と、２つ以上のシールドガス源と、前記２つ以上のシールドガス源及び前記溶接電源に作動的に接続されたガス混合装置とを含む。ガス混合装置は、前記溶接電源に命令された混合比を得るために前記２つ以上のシールガス源からのシールドガスを混合するように構成されている。前記溶接電源は、溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に（temporally）影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比をある調節頻度（modulation frequency）で調節するよう命令するように構成されている。接合部への入熱に対して時間的に影響を与えることは、第１の入熱状態と、該第１の入熱状態よりも多くの熱を提供する第２の入熱状態とを循環することを含み得る。前記シールドガスはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素のうちの少なくとも２つを含み得る。前記溶接プロセスは、例えばアルゴン及びヘリウムを用いるアルミニウム又はアルミニウム合金のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスであり得る。
本考案の一実施形態では、消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムが提供される。当該アーク溶接システムは、溶接電源と、２つ以上のシールドガス源と、前記２つ以上のシールドガス源及び前記溶接電源に作動的に接続されたガス混合装置を含む。ガス混合装置は、前記溶接電源に命令された混合比を得るために前記２つ以上のシールガス源からのシールドガスを混合するように構成されている。
前記溶接電源は、アーク溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比及び溶接パラメータを相関的に調節するよう命令するように構成されている。前記溶接パラメータは、溶接出力電流の周期波形の電極マイナス極性部、溶接出力電流の周期波形の電極プラス極性部、前記消耗溶接電極のワイヤ送給速度及び溶接出力電流の波形の種類のうちの１つを含み得る。接合部への入熱に対して時間的に影響を与えることは、第１の入熱状態と、該第１の入熱状態よりも多くの熱を提供する第２の入熱状態とを循環することを含み得る。前記シールドガスはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素のうちの少なくとも２つを含み得る。前記溶接プロセスは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスを含み得る。ワイヤ送給速度が上昇するにつれて混合比の調節頻度が増加し得る。
前記溶接電源は、アーク溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比及び溶接パラメータを相関的に調節するよう命令するように構成されている。前記溶接パラメータは、溶接出力電流の周期波形の電極マイナス極性部、溶接出力電流の周期波形の電極プラス極性部、前記消耗溶接電極のワイヤ送給速度及び溶接出力電流の波形の種類のうちの１つを含み得る。接合部への入熱に対して時間的に影響を与えることは、第１の入熱状態と、該第１の入熱状態よりも多くの熱を提供する第２の入熱状態とを循環することを含み得る。前記シールドガスはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素のうちの少なくとも２つを含み得る。前記溶接プロセスは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスを含み得る。ワイヤ送給速度が上昇するにつれて混合比の調節頻度が増加し得る。
本考案の一実施形態では、消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムが提供される。当該アーク溶接システムは、溶接電源と、送給されたワイヤの消耗溶接電極を受け取る溶接工具と、２つ以上のシールドガス源と、前記２つ以上のシールドガス源及び前記溶接電源に作動的に接続されたガス混合装置とを含む。ガス混合装置は、前記溶接電源に命令された混合比を得るために前記２つ以上のシールガス源からのシールドガスを混合するように構成されている。前記溶接電源は、溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比を前記溶接工具の選択された移動速度に基づいて調節するよう命令するように構成されている。移動速度が上昇するにつれて混合比の調節頻度が増加し得る。接合部への入熱に対して時間的に影響を与えることは、第１の入熱状態と、該第１の入熱状態よりも多くの熱を提供する第２の入熱状態とを循環することを含み得る。前記シールドガスはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素のうちの少なくとも２つを含み得る。前記溶接プロセスは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスであり得る。
本考案の一実施形態では、消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムが提供される。当該アーク溶接システムは、溶接電源と、２つ以上のシールドガス源とを含む。前記２つ以上のシールドガス源のそれぞれは出口バルブを有し、該出口バルブのうちの少なくとも一方はソレノイドにより操作可能である。前記出口バルブは共通の出口ホースに接続されている。前記溶接電源は、シールドガスの混合比を調節するために、前記１つ以上のソレノイドを動作させて対応する出口バルブを開閉させるように構成されている。前記１つ以上のソレノイドを動作させることはパルス幅変調により実現され得る。前記シールドガスはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素のうちの少なくとも２つを含み得る。調節された前記混合比は、アーク溶接プロセスの間に前記アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与え得る。接合部への入熱に対して時間的に影響を与えることは、第１の入熱状態と、該第１の入熱状態よりも多くの熱を提供する第２の入熱状態とを循環することを含み得る。前記溶接プロセスは、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスであり得る。
本考案の例示の実施形態の詳細は、下記の説明及び図面からより完全に理解される。
本開示中で使用され得る例示的な用語の定義を以下に挙げる。全ての用語の単数形及び複数形の両方ともが各意味に含まれる。
本明細書で使用の「ソフトウエア」又は「コンピュータプログラム」は、限定されないが、コンピュータ又は他の電子装置に所望の形で機能、動作を行わせる及び／又は行動させる１つ以上のコンピュータ可読命令及び／又はコンピュータ実行可能命令を含む。それらの命令は、ルーチン、アルゴリズム、モジュール又はプログラム（動的リンクライブラリからの別々のアプリケーション又はコードを含む）といった様々な形で実施され得る。ソフトウエアも、スタンドアローンプログラム、関数呼び出し、サーブレット、アプレット、アプリケーション、メモリに記憶された命令、オペレーティングシステムの一部又は他の種類の実行可能命令等の様々な形で実行され得る。当業者であれば、ソフトウエアの形態は、例えば、所望の用途の要件、ソフトウエアの動作環境及び／又はデザイナー／プログラマーの希望等によって決まることが分かる。
本明細書で使用の「コンピュータ」、「処理要素」又は「コンピュータ装置」は、限定されないが、データの記憶、読み出し及び処理を行うことが可能な任意のプログラム電子装置又はプログラム可能な電子装置を含む。「非一時的なコンピュータ可読媒体」は、限定されないが、ＣＤ-ＲＯＭ、リムーバブルフラッシュメモリカード、ハードディスクドライブ、磁気テープ及びフロッピーディスクを含む。
本明細書で使用の「溶接工具（welding tool）」は、限定されないが、溶接ガン、溶接トーチ又は消耗溶接電極をワークピースに導く、シールドガスを分散するために供給システム及び拡散器を提供する及び／又は（溶接電源からの）電力を溶接ワイヤに印加する任意の溶接装置を意味する。
本明細書で使用の「溶接出力回線経路」は、第１の溶接ケーブル（又は溶接ケーブルの第１の側）を通って溶接電源の溶接出力の第１の側から、溶接電極とワークピースとの間での短絡又はアークのいずれかを通じて溶接電極に、そしてワークピースに向かい、第２の溶接ケーブル（又は溶接ケーブルの第２の側）を通って溶接電源の溶接出力の第２の側に戻る電気経路を意味する。
本明細書で使用の「溶接ケーブル」は、溶接電源と溶接電極及びワークピースとの間に接続され（例えば、溶接ワイヤ送給装置を通じて）、溶接電極とワークピースとの間にアークを生成する電力を提供する電気ケーブルを意味する。
本明細書で使用の「溶接出力」は、電気出力回路又は溶接電源の出力ポート若しくは端子を意味し得るか又は電気出力回路若しくは溶接電源の出力ポートによって提供される電力、電圧若しくは電流を意味し得る。
本明細書で使用の「コンピュータメモリ」は、コンピュータ又は処理要素によって取り出すことが可能なデジタルデータ又は情報を記憶するように構成された記憶装置を意味する。
本明細書で使用の「コントローラ」は、溶接電源の制御に関わるロジック回路及び／又は処理要素並びに関連するソフトウエア若しくはプログラムを意味する。
本明細書では、「信号」、「データ」及び「情報」という用語を互換的に使用し、それらはデジタル又はアナログ形式であり得る。
本明細書では、「ＡＣ溶接」という用語を一般的に用いており、係る用語は実際のＡＣ溶接、プラス及びマイナス双方の極性のＤＣ溶接、可変極性溶接及び他のハイブリッド型の溶接プロセスを意味し得る。
本明細書では、「溶接パラメータ」という用語を広い意味で用いており、係る用語は溶接出力電流の波形の一部の特徴（例えば、振幅、パルス幅又は持続時間、傾き、電極の極性）、溶接プロセス（例えばショートアーク溶接プロセス又はパルス溶接プロセス）、ワイヤ送給速度、調節頻度又は溶接移動速度（welding travel speed）を意味し得る。
本明細書で使用の「調節」及び「調節する」という用語は、規定のレート又は頻度並びに規定のデューティ比で溶接パラメータ又はガスの混合比を変更する、変える又は変化させることを意味し得る。
本明細書で使用の「エネルギー出力状態」という用語及び「エネルギー入力状態」という用語は実質的に同意で、本明細書では互換的に用いられ得るが、それらの用語はそれぞれ溶接電源及び接合部の視点からのものである。本明細書で使用の「入熱状態」という用語は、所定量の熱が接合部に入力される溶接プロセスの一部を意味する。
図１は、消耗溶接電極及びワークピースに作動的に接続されたアーク溶接システム１００の例示の実施形態の概略ブロック図を示す。システム１００はスイッチング電源１０５を含む。スイッチング電源１０５は電力変換回路１１０及びブリッジスイッチング回路（bridge switching circuit）１８０を有し、溶接電極ＥとワークピースＷとの間に溶接出力電力を提供する。電力変換回路１１０は、ハーフブリッジ出力トポロジー（half bridge output topology）を有するトランスベースのものであり得る。例えば、電力変換回路１１０は、例えば溶接トランスの一次側及び二次側によってそれぞれ線引きされた入力側及び出力側を含むインバータ型のものであり得る。例えば、ＤＣ出力トポロジーを有するチョッパー型等の他の種類の電力変換回路も使用可能である。スイッチング電源１０５は、電力変換回路１１０に作動的に接続され、（例えばＡＣ溶接用に）溶接出力電流の極性の方向を切り替えるように構成されたブリッジスイッチング回路１８０も含む。
システム１００は、波形生成器１２０及びコントローラ１３０をさらに含む。波形生成器１２０はコントローラ１３０の命令に従って溶接波形を生成する。電極ＥとワークピースＷとの間に溶接出力電流を生成するために、波形生成器１２０が生成した波形によって電力変換回路１１０の出力が調節される。コントローラ１３０はブリッジスイッチング回路１８０の切り替えの命令も行い、溶接プロセスの間に電力変換回路１１０に制御コマンドを提供し得る。
システム１００は、電極ＥとワークピースＷとの間の溶接出力電圧及び溶接出力電流をモニタリングし、モニタリングした電圧及び電流をコントローラ１３０にフィードバックするために電圧フィードバック回路１４０及び電流フィードバック回路１５０をさらに含み得る。フィードバック電圧及びフィードバック電流は、例えば波形生成器１２０により生成された溶接波形の調節に関する判断及び／又はシステム１００の動作に影響を与える他の判断を行うためにコントローラ１３０によって用いられ得る。一実施形態によれば、消耗溶接電極からワークピース上に溶着される溶接ビードの外観に影響を与えるために１つ以上の溶接パラメータを変更する調節頻度を制御するのにコントローラ１３０が用いられる。
一実施形態によれば、システム１００の溶接電源はスイッチング電源１０５、波形生成器１２０、コントローラ１３０、電圧フィードバック回路１４０及び電流フィードバック回路１５０によって構成される。システム１００は、溶接工具６を通してワークピースＷの方に消耗ワイヤ溶接電極Ｅを送給するワイヤ送給装置５も含む。ワイヤ送給装置５、溶接工具６、消耗溶接電極Ｅ及びワークピースＷは溶接電源の一部ではないが、１つ以上の溶接出力ケーブルを通して溶接電源１００に作動的に接続され得る。
図２はＡＣ溶接出力電流の波形２００の例示の実施形態を示す。波形２００は電極プラス極性部（electrode positive portion）２１０と、溶着ビード（deposited weld bead）の外観に影響を与えるために調節される電極マイナス極性部（electrode negative portion）２２０とを有する。コントローラ１３０の命令の下で、波形２００の電極マイナス極性部は低エネルギー出力状態２２１と高エネルギー出力状態２２２との間を変化し得る。例えば、波形周期がｘ回連続する間（例えば１０波形周期）は低エネルギー出力状態２２１を提供する電極マイナス極性部２２０が生成され、その後、波形周期がｙ回連続する間（例えば５波形周期）は高エネルギー出力状態２２２を提供する電極マイナス極性部２２０が生成される。このプロセスはある規定の調節レート（modulation rate）で繰り返される。従って、電極マイナス極性部２２０は係る調節レートで低エネルギー状態と高エネルギー状態との間を行き来するように変更される。
電極マイナス極性エネルギーが調節されて電極マイナス極性エネルギーに対する電極プラス極性エネルギーの比が変化すると、電極溶接材の溶融速度が変化する。例えば、溶接出力電流の波形２００の電極マイナス極性部の間はワイヤ電極Ｅがより速く溶融し得る。溶接出力電流の電極マイナス極性部を上記のように調節することで、溶着ビードの所望の外観（例えば、溶接アプリケーションがアルミニウム又はアルミニウム合金のＭＩＧ溶接アプリケーションの場合は積み重ねた硬貨のような外観）が得られ得る。図８は、積み重ねた硬貨のような外観を有するアルミニウム溶接ビード８００の一例を示す。
溶接出力電流の波形２００の電極マイナス極性部２２０は様々な形で調節され得る。図２では、電極マイナス極性部２２０の振幅及び持続時間又はパルス幅が変更されている。例えば、電極マイナス極性部２２０の立ち下りの傾き及び立ち上がりの傾き又は電極マイナス極性部２２０の全体形状等の他のパラメータ又は特性も変更され得る。
図３は、溶着ビードの外観に影響を与えるためにワイヤ送給速度と溶接出力電流の波形とを相乗的に調節する例示の実施形態を示す。図３の上部は、低エネルギー電極マイナス極性部３１０を有する溶接出力電流３００の波形周期と高エネルギー電極マイナス極性部３２０を有する溶接出力電流３００の波形周期との間の遷移３０１を示す。即ち、溶接出力電流３００の電極マイナス極性部は、ある規定の調節レートで調節される。図３の下部は、ワイヤ送給装置５によって送給される溶接電極ワイヤＥの低ワイヤ送給速度部３３０と高ワイヤ送給速度部３４０との間の遷移３０１を示す。即ち、ワイヤ送給速度は、ある規定の調節レートで調節される（このプロセスはその調節レートで繰り返される）。
一実施形態によれば、低ワイヤ送給速度部３３０は溶接出力電流３００の低エネルギー電極マイナス極性部３１０と相関があり、高ワイヤ送給速度部３４０は溶接出力電流３００の高エネルギー電極マイナス極性部３２０と相関がある。従って、溶接出力電流３００の調節レートとワイヤ送給速度とが同じで且つ同期している。溶接出力電流３００の電極マイナス極性部３１０とワイヤ送給速度とを上記のように調節することで、溶着ビードの所望の外観（例えば、溶接アプリケーションがアルミニウム又はアルミニウム合金のＭＩＧ溶接アプリケーションの場合は積み重ねた硬貨のような外観；図８の積み重ねた硬貨のような外観を参照）が得られ得る。
図４は、溶着ビードの外観に影響を与えるために２つの溶接プロセスを循環する（cycling）例示の実施形態を示す。例えば、図４では、溶接プロセスがパルス溶接プロセス４１０の周期（例えば１０周期）とショートアーク溶接プロセス４２０の周期（例えば１５周期）とをある規定の調節レートで循環する。パルス溶接プロセス及びショートアーク溶接プロセスは当該技術分野では周知である。一実施形態によれば、上記の調節レートでの２つの溶接プロセスの循環はコントローラ１３０の制御下で行われる。パルス溶接プロセス４１０では、電極ＥとワークピースＷとの間のアーク全体で溶滴の熱伝達が大きい。ショートアーク溶接プロセス４２０では、電極ＥからワークピースＷを短絡することで電極ＥからワークピースＷへの溶滴の熱伝達が小さい。調節レートは、結果として得られる接合部への入熱を制御するために制御され得る。溶接プロセスを上記のように調節することにより、溶着ビードの所望の外観（例えば、溶接アプリケーションがケイ素青銅又はアルミニウムのＭＩＧ溶接アプリケーションの場合は積み重ねた硬貨のような外観）が得られ得る。他の実施形態によれば、他の低熱溶接プロセスと高熱溶接プロセスとが循環され得る。
図５は、溶着ビードの一貫した外観を得るために、溶接電源がどのようにして溶接移動速度に基づいて１つ以上の溶接パラメータの調節レート又は頻度を調整し得るかの例示の実施形態を示す。溶接移動速度は、消耗電極から溶接ビードを溶着するために、溶接工（又は機械装置）が溶接工具を溶接経路に沿って動かす速度に対応している。調節される１つ以上の溶接パラメータの例としては、溶接出力電流の電極マイナス極性部（例えば振幅及び持続時間）、ワイヤ送給速度又は溶接プロセス（例えばショートアーク及びパルス）が挙げられる。様々な実施形態によれば、他の溶接パラメータも調節可能であり得る。
一例として、図５のグラフ５１０に示すように、調節頻度は溶接移動速度に対して正比例し直線的に（directly and linearly）変化し得る。あるいは、図５のグラフ５２０に示すように、調節頻度は溶接移動速度に対して反比例し直線的に変化し得る。他の例として、図５のグラフ５３０に示すように、調節頻度は溶接移動速度に対して区分線形的に変化し得る。最後の例として、図５のグラフ５４０が示すように、調節頻度は溶接移動速度に対して非直線的に変化し得る。一実施形態によれば、２つ以上の溶接パラメータが互いに関連付けられるか又は同期され、同じ調節頻度に従って変化する。
溶接移動速度が変化するにつれて１つ以上の溶接パラメータの調節頻度を上記のように変更することで、溶着ビードの一貫した外観（例えば、溶接アプリケーションがニッケル又はニッケル合金のＭＩＧ溶接アプリケーションの場合は積み重ねた硬貨のような外観）が得られ得る。他の実施形態によれば、調節頻度と溶接移動速度との間の他の関係も可能である。
１つ以上の溶接パラメータを調節することにより溶着ビードの外観に影響を与えるシステム及び方法を開示した。例えば、溶着ビードの外観に影響を与えるために溶接出力電流の電極マイナス極性部が調節され得る。さらに、溶着ビードの外観に影響を与えるために、溶接電極のワイヤ送給速度が溶接出力電流の電極マイナス極性部と相乗的に調節され得る。溶着ビードの外観に影響を与えるために、特定の調節頻度で２つ以上の溶接プロセスが交互に行われる。溶着ビードの一貫した外観を提供するために、１つ以上の溶接パラメータが溶接移動速度に基づいて調節され得る。
一実施形態によれば、例えば酸素又は窒素等の大気ガスから溶接領域を保護するために、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスの間にシールドガスが使用される。遮蔽のために酸素又は窒素を他のガスと組み合わせて用いるのが望ましい状況があり得る。そのような大気ガスは、例えば融着の不具合、脆化及びポロシティといった様々な溶接金属の欠陥の原因となり得る。使用されるシールドガスの種類又はシールドガスの組み合せは、溶接する材料や溶接プロセスによって決まる。提供されるシールドガスの流量は、シールドガスの種類、移動速度、溶接電流、溶接形状及び溶接プロセスの金属移行モードによって決まる。不活性のシールドガスとしてはアルゴン及びヘリウムが挙げられる。しかしながら、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）、水素、酸素及び窒素等の他のシールドガス又はガスの組み合せを用いることが望ましい状況があり得る。一実施形態によれば、シールドガスは、溶接プロセスの間にシールドガスが溶接工具によって溶接領域に分散されるように、溶接プロセスの間に溶接工具に供給され得る。溶接プロセスの間に用いられる１つの又は複数のシールドガスは接合部への入熱に影響を与え得る。入熱に対するそのような影響は、溶接ビードの外観に影響を与えるために本考案の様々な実施形態によって活用され得る。
図６は、消耗溶接電極Ｅ及びワークピースＷに作動的に接続されたアーク溶接システム６００の第２の例示の実施形態の概略ブロック図を示す。システム６００は図１のシステム１００によく似ているが、システム６００は第１のシールドガス源６１０及び第２のシールドガス源６２０を含む。これらのシールドガス源は、例えば出口バルブ（output valve）を有する円筒状の金属容器であり得る。第１のシールドガス源６１０は例えばアルゴンガスを含み得る。第２のシールドガス源６２０は例えばヘリウムガスを含み得る。例えば、二酸化炭素、水素、窒素及び酸素等の他の種類のシールドガスの使用も可能である。
システム６００は、シールドガス源６１０及び６２０の出口（例えば出口バルブ）に接続されたガス混合装置６３０も含む。一実施形態によれば、ガス混合装置６３０は、シールドガス源６１０及び６２０により提供されるガスを取り込み、ある混合比のガスを形成するために取り込んだガスを混合するデジタル制御された装置である。例えば、シールドガス源６１０がアルゴンガスを提供し、シールドガス源６２０がヘリウムガスを提供する場合、ガス混合装置６３０はそれらのガスを混合してアルゴンガス７５％、ヘリウム２５％の混合比を提供するように設定され得る。一実施形態によれば、溶接電源のコントローラ１３０はガス混合装置６３０に信号を提供し、混合比を命令する。そして、上述したように、遮蔽を提供するために、溶接プロセスの間にガスの混合物が溶接工具に供給され得る。
一実施形態によれば、溶接電源のコントローラ１３０は、溶接プロセスの間に混合比を調節するように構成（例えばプログラム）され得る。例えば、コントローラ１３０は、ガス混合装置１３０に、溶接プロセスのｘ周期（例えば１５周期）の間はアルゴン１００％の混合比を提供し、その後、溶接プロセスのｙ周期（例えば１０周期）の間はアルゴン５０％、ヘリウム５０％の混合比を提供し、それを繰り返すよう命令する。溶接プロセスの間に混合比を上記のように調節することにより、接合部への入熱に対して時間に比例して（例えば時間的に）影響を与え、結果として得られる溶接ビードが特定の外観（例えば、積み重ねた硬貨のような外観）のものになり得る。異なる調節頻度を異なる溶接プロセスに提供して、それらの溶接プロセスで特定の所望の溶接ビードの外観が得られるようにしてもよい。
図７は、消耗溶接電極Ｅ及びワークピースＷに作動的に接続されたアーク溶接システム７００の第３の例示の実施形態の概略ブロック図を示す。システム７００はガス混合装置６３０を含まない点を除いて図６のシステム６００と同様である。さらに、シールドガス源６１０及び６２０のそれぞれはソレノイド７１０及び７２０によりそれぞれ操作可能な出口バルブを含む。出口バルブは、シールドガス源６１０及び６２０からのガスが共通の出口ホース７３０内で混合されるように共通の出口ホース７３０に接続されている。
溶接電源のコントローラ１３０は、シールドガスの混合比をある調節レートで調節するために、シールドガス源の各ソレノイドを動作させて対応する各出力バルブを開閉するように構成されている。一実施形態によれば、コントローラ１３０は、バルブを繰り返し開閉するために、各ソレノイドにあるパルス幅変調周波数及びデューティ比でパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を提供する。様々な実施形態によれば、ソレノイドへのＰＷＭ信号は同じ特徴を有する同じものか又は特徴の異なる（例えばＰＷＭ周波数又はデューティ比が異なる）別のものであり得る。調節されたガスの混合がアークに近い程、ガスの調節の影響がより顕著となり得る。
コントローラ１３０はさらに、ＰＷＭ信号を変更して、結果として得られるシールドガスの混合比が調節されるように構成されている。例えば、コントローラ１３０は、溶接プロセスのｘ周期の間はアルゴンとＣＯ２との混合比が９８％：２％になり、その後、溶接プロセスのｙ周期の間はアルゴンとＣＯ２との混合比が９０％：１０％になり、それが繰り返しされるようにするＰＷＭ信号を提供し得る。溶接プロセスの間に混合比を上記のように調節することにより、接合部への入熱に対して時間に比例して（即ち、時間的に）影響を与え、結果として得られる溶接ビードが所望の外観及び品質を有し得る。混合比の異なる調節レートを異なる溶接プロセスに提供して、それらの溶接プロセスで特定の所望の溶接ビードの外観が得られるようにしてもよい。なお、ＰＷＭ信号のＰＷＭ周波数は混合比の調節レートと同じではない。その代わり、一実施形態によれば、シールドガス源のソレノイドに印加されるＰＷＭ信号の周波数は混合比の調節レートに影響を与える。
代替的な実施形態によれば、第１のシールドガス源は、規定の混合比（例えばアルゴン９０％、ＣＯ２１０％）に従って混合された２つのガスを含み得る。第２のシールドガス源はＣＯ２のみを含み、第２のシールドガス源の出口バルブを制御するために作動的に接続されたソレノイドを有し得る。溶接プロセスの間、第１のシールドガス源は一貫して規定の混合比（例えば、アルゴン９０％、ＣＯ２１０％）を提供し得る。そして、ある調節レートに従って混合比を変更するために（例えば、混合比をアルゴン７５％、ＣＯ２２５％に変更）、第２のシールドガス源のソレノイドが周期的に動作されて追加のＣＯ２を提供する。そのような代替的な実施形態では、第１のシールドガス源は出口バルブを制御するソレノイドを有さない場合がある。そのような代替的な実施形態は、例えば軟鋼を溶接する場合に使用され得る。
他の実施形態によれば、３つ以上のシールドガス源が設けられ、３つ以上の構成要素の混合比を提供するために本明細書で説明した技法に従ってシールドガスが混合され得る。例えば、アルゴンガス、ＣＯ２ガス及びヘリウムガスを提供する３つのシールドガス源のガスが混合され、溶接電源のコントローラの制御の下で図６のシステム６００又は図７のシステム７００を用いて調節され得る。一実施形態によれば、溶接プロセスのｘ周期の間にアルゴンとＣＯ２とヘリウムとの混合比が９４％：３％：３％になり、その後、溶接プロセスのｙ周期の間にアルゴンとＣＯ２とヘリウムとの混合比が８５％：１０％：５％になり、それが繰り返され得る。
さらに、一実施形態によれば、混合比の調節頻度は溶接工具の選択された移動速度によって決定され得る。例えば、選択された移動速度が上昇するにつれて混合比の調節頻度も増加し得る。また、溶接パラメータ（例えば、溶接出力電流の周期波形の電極マイナス極性部、溶接出力電流の周期波形の電極プラス極性部、消耗溶接電極のワイヤ送給速度又は溶接出力電流の波形の種類）も、接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために混合比と共に相関的に調節され得る。
シールドガスの混合比及び／又は１つ以上の溶接パラメータを調節することにより、接合部への入熱に影響を与え、故に溶着ビードの外観に影響を与えるシステム及び方法を開示した。例えば、溶着ビードの外観に影響を与えるために、２つのシールドガス源からの２つの異なるシールドガスの混合比が調節され得る。調節頻度は溶接工具の選択された移動速度に基づき得る。さらに、溶着ビードの外観に影響を与えるために溶接電極のワイヤ送給速度がシールドガスと相乗的に調節され得る。溶着ビードの外観に影響を与えるために他の溶接パラメータがシールドガスと相乗的に調節され得る。
添付の請求項では、「包含する（including）」及び「有する（having）」という用語を「含む（comprising）」という用語と同意の平易な言葉として使用しており、「〜において（in which）」という用語は「そこで（wherein）」と同意である。さらに、添付の請求項では、「第１」、「第２」、「第３」、「上側」、「下側」、「底部」、「上部」等の用語は標識として使用しているに過ぎず、それらの目的語に数値的な又は位置的な要件を課すことを意図していない。さらに、添付の請求項の限定はミーンズプラスファンクション形式で記載されておらず、係る請求項の限定において、「〜のための手段」という表現がさらなる構造を欠いた機能の記載の後に明示的に使用されていない限り米国特許法１１２条、第６パラグラフに基づいて解釈されない。本明細書で使用されている単数形で記載された冠詞「ａ」又は「ａｎ」を伴う要素又はステップは、係る要素又はステップが複数あることが排除されると明確に述べられていない限り、複数あることが排除されないと理解すべきである。さらに、本考案の「一実施形態」への言及は、記載された特徴を同様に含有する付加的な実施形態の存在を排除するものと解釈すべきでない。さらに、そうではないと明確に述べられていない限り、特定の特性を有する１つの又は複数の要素を「含む」、「包含する」又は「有する」実施形態は、係る特性を持たない追加のそのような要素を含み得る。さらに、特定の実施形態を類似の又は同様の要素を有するものとして図示したが、これは説明を目的としたものに過ぎず、それらの実施形態は請求項で明記されていない限り必ずしも同じ要素を有する必要はない。
本明細書で使用の「得る（may、may be）」という用語は、一定の環境内で起こる可能性、特定の性質、特徴又は機能の保持を示す及び／又は別の動詞をその動詞に関連する才能、能力又は可能性を発揮することによって満たす。従って、「得る」の使用は、修飾された用語が示された能力、機能又は用途に明らかに適しているか、行うことが可能であるか又は好適であることを示す一方、一部の状況では修飾された用語は時として適切でないか、可能でないか又は好適でないことが考慮に入れられている。例えば、一部の状況では、イベント又は能力が期待されるが、他の状況では係るイベント又は能力は起こらない。「得る」という用語によってその区別がなされる。
本考案（最良の形態を含む）を開示するために、また、当業者が本考案を実施できるようにするために（任意の装置又はシステムの製造及び使用並びに包含される任意の方法の実行を含む）、本明細書では例を使用している。本考案の範囲は請求項によって定義され、当業者が思い付き得る他の例を含み得る。そのような他の例が本願の請求項の文言と変わらない構造的要素を有するか又はそのような他の例が請求項の文言と実質的に違わない同等の構造的要素を含む場合、それらの他の例は本願の請求項の範囲に含まれる。
特定の実施形態を参照しながら本願の請求項の主題を説明してきたが、当業者であれば請求項の主題の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられ、同等物に置換され得ることが分かる。それに加えて、特定の状況又は材料を請求項の主題の教示に適合するために、請求項の主題の範囲から逸脱することなく多くの変更が加えられ得る。従って、請求項の主題は開示した特定の実施形態に限定されず、請求項の主題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。
５ ワイヤ送給装置
６ 溶接工具
１００ アーク溶接システム
１０５ 電源
１１０ 電力変換回路
１２０ 波形生成器
１３０ コントローラ
１４０ 電圧フィードバック回路
１５０ 電流フィードバック回路
１８０ ブリッジスイッチング回路
２００ 波形
２１０ 電極プラス極性部
２２０ 電極マイナス極性部
２２１ 低エネルギー出力状態
２２２ 高エネルギー出力状態
３００ 溶接出力電流
３０１ 遷移
３１０ 電極マイナス極性部
３２０ 高エネルギー電極マイナス極性部
３３０ 低ワイヤ送給速度部
３４０ 高ワイヤ送給速度部
４１０ パルス溶接プロセス
４２０ ショートアーク溶接プロセス
５１０ グラフ
５２０ グラフ
５３０ グラフ
５４０ グラフ
６００ アーク溶接システム
６１０ 第１のシールドガス源
６２０ 第２のシールドガス源
６３０ ガス混合装置
７００ アーク溶接システム
７１０ ソレノイド
７２０ ソレノイド
７３０ 共通の出口ホース
８００ アルミニウム溶接ビード
Ｅ 電極
Ｗ ワークピース
ｘ 周期の数
ｙ 周期の数
６ 溶接工具
１００ アーク溶接システム
１０５ 電源
１１０ 電力変換回路
１２０ 波形生成器
１３０ コントローラ
１４０ 電圧フィードバック回路
１５０ 電流フィードバック回路
１８０ ブリッジスイッチング回路
２００ 波形
２１０ 電極プラス極性部
２２０ 電極マイナス極性部
２２１ 低エネルギー出力状態
２２２ 高エネルギー出力状態
３００ 溶接出力電流
３０１ 遷移
３１０ 電極マイナス極性部
３２０ 高エネルギー電極マイナス極性部
３３０ 低ワイヤ送給速度部
３４０ 高ワイヤ送給速度部
４１０ パルス溶接プロセス
４２０ ショートアーク溶接プロセス
５１０ グラフ
５２０ グラフ
５３０ グラフ
５４０ グラフ
６００ アーク溶接システム
６１０ 第１のシールドガス源
６２０ 第２のシールドガス源
６３０ ガス混合装置
７００ アーク溶接システム
７１０ ソレノイド
７２０ ソレノイド
７３０ 共通の出口ホース
８００ アルミニウム溶接ビード
Ｅ 電極
Ｗ ワークピース
ｘ 周期の数
ｙ 周期の数
Claims (11)
- 消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムであって、
溶接電源と、
２つ以上のシールドガス源と、
前記２つ以上のシールドガス源及び前記溶接電源に作動的に接続され、前記溶接電源に命令された混合比を得るために前記２つ以上のシールガス源からのシールドガスを混合するように構成されたガス混合装置と、
を含み、
前記溶接電源は、溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比を調節するよう命令するように構成されている、アーク溶接システム。 - 消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムであって、
溶接電源と、
２つ以上のシールドガス源と、
前記２つ以上のシールドガス源及び前記溶接電源に作動的に接続され、前記溶接電源に命令された混合比を得るために前記２つ以上のシールガス源からのシールドガスを混合するように構成されたガス混合装置と、
を含み、
前記溶接電源は、アーク溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比及び溶接パラメータを相関的に調節するよう命令するように構成されている、アーク溶接システム。 - 前記溶接パラメータは、溶接出力電流の周期波形の電極マイナス極性部、溶接出力電流の周期波形の電極プラス極性部、前記消耗溶接電極のワイヤ送給速度及び溶接出力電流の波形の種類のうちの１つを含む、請求項２に記載のシステム。
- 消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムであって、
溶接電源と、
送給されたワイヤの消耗溶接電極を受け取る溶接工具と、
２つ以上のシールドガス源と、
前記２つ以上のシールドガス源及び前記溶接電源に作動的に接続され、前記溶接電源に命令された混合比を得るために前記２つ以上のシールガス源からのシールドガスを混合するように構成されたガス混合装置と、
を含み、
前記溶接電源は、アーク溶接プロセスの間に当該アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与えるために、前記ガス混合装置に対して前記混合比を前記溶接工具の選択された移動速度に基づいて調節するよう命令するように構成されている、アーク溶接システム。 - 前記移動速度が上昇するにつれて前記混合比の調節頻度が増加する、請求項４に記載のシステム。
- 消耗溶接電極と溶接ワークピースとの間にアークを生成するためのアーク溶接システムであって、
溶接電源と、
２つ以上のシールドガス源と、
を含み、
前記２つ以上のシールドガス源のそれぞれは出口バルブを有し、該出口バルブのうちの少なくとも一方はソレノイドにより操作可能であり、前記出口バルブは共通の出口ホースに接続され、前記溶接電源は、シールドガスの混合比を調節するために、前記１つ以上のソレノイドを動作させて対応する出口バルブを開閉させるように構成されている、アーク溶接システム。 - 前記１つ以上のソレノイドを動作させることはパルス幅変調により実現される、請求項６に記載のシステム。
- 前記シールドガスはアルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素のうちの少なくとも２つを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
- 調節された前記混合比は、アーク溶接プロセスの間に前記アーク溶接システムによって生成される接合部への入熱に対して時間的に影響を与える、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
- 接合部への入熱に対して時間的に影響を与えることは、第１の入熱状態と、該第１の入熱状態よりも多くの熱を提供する第２の入熱状態とを循環することを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記溶接プロセスは、アルミニウム又はアルミニウム合金のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
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