JP6073297B2 - 金属の高速クラッディングのためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本出願は、米国仮出願第61/491,775号(2011年5月31日出願)の優先権の恩典を主張する。
本発明は、金属クラッディングに関し、より詳細には、金属の高速ロボットクラッディングのためのシステムおよび方法に関する。
クラッディングまたはコーティングとは、金属、耐食合金または複合材(クラッディング材)を、電気的、機械的または何らかの他の高圧高温プロセスを通じて、もう一つの異種金属(母材)上に融着させることにより、その耐久性、強度または外観を高めるプロセスを意味する。今日作られているクラッド製品の大半は、母材として炭素鋼を、融着するクラッド材としてアルミニウム、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金およびステンレス鋼を使用する。通常、クラッドの目的は、それが置かれる環境から、下層の鋼母材を保護することにある。クラッドされた鋼板、鋼薄板、鋼管および他の管状製品は、多くの場合、他のコーティング方法を使うことができない高腐食環境またはストレス環境で使用される。
一つの態様では、リーダーワイヤおよびトレーラーワイヤを有するプログラマブルロボット溶接トーチを使用して金属をクラッディングする方法を提供し、この方法は以下の工程を含む:
プロセッサによって実行可能で、そこに保存され、プロセッサに以下の工程を実行させる複数の命令を含む非一時的機械可読媒体を提供する工程であり、各命令はプロセッサに以下の工程を実行させる:
溶接ビードを形成するために、金属表面上の溶接基準線を中心に、既定の速度で、トーチを揺動させる工程であり、溶接ビードの形成は以下の工程による:
溶接基準線から所定の距離に位置する点p0にリーダーを位置付ける工程と;
基準線上の点p1にトレーラーを位置付ける工程と;
溶接経路s1が角度θで基準線と交わるように、リーダーに点p0から、基準線に向かう溶接経路s1に沿った溶接を開始させ;同時に、溶接経路s1’が角度Φで基準線と交わるように、トレーラーに点p1から、基準線から離れる溶接経路s1’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線上の点p4で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点p2で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s1およびs1’に沿って進ませる工程と;
リーダーに点p4から、基準線に沿う溶接経路s2に沿った溶接を開始させ;同時に、トレーラーに点p2から、基準線と平行である溶接経路s2’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線上の点p5で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点p3で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s2およびs2’に沿って進ませる工程と;
リーダーに点p5から、角度Φで基準線から離れる溶接経路s3に沿った溶接を開始させ;同時に、トレーラーに溶接経路s3’と溶接経路s2’とが角度Φとなるように、点p3から、基準線に向かう溶接経路s3’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点p8で一時停止し、トレーラーが基準線と角度θで交わり点p4で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s3およびs3’に沿って進ませる工程と;
リーダーに点p8から、基準線と平行である溶接経路s4に沿った溶接を開始させ;同時に、トレーラーに点p4から、溶接経路s4’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点p9で一時停止し、トレーラーが基準線上に位置する点p5で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s4およびs4’に沿って進ませる工程と;
溶接経路s5と溶接経路s4とが角度Φとなるように、リーダーに点p9から、基準線に向かう溶接経路s5に沿った溶接を開始させ;同時に、溶接経路s5’と基準線とが角度Φとなるように、トレーラーに基準線から離れる溶接経路s5’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線上の点p10で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点p6で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s5およびs5’に沿って進ませる工程と;
リーダーに点p10から、基準線に沿う溶接経路s6に沿った溶接を開始させ;同時に、トレーラーに点p6から、基準線と平行である溶接経路s6’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線上に位置する点p11で一時停止し、トレーラーが基準線から所定の距離に位置する点p7で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s6およびs6’に沿って進ませる工程と;
リーダーに点p11から、角度Φで基準線から離れる溶接経路s7に沿った溶接を開始させ;同時に、溶接経路s7’と溶接経路s6’とが角度Φとなるように、トレーラーに点p7から、基準線に向かう溶接経路s7’に沿った溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点p12で一時停止し、トレーラーが基準線と角度θで交わり点p10で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s7およびs7’に沿って進ませる工程と;
リーダーに点p12から、基準線と平行である溶接経路s8に沿った溶接を開始させ;同時に、トレーラーに基準線に沿う溶接経路s8’を辿る溶接を開始させる工程と;
リーダーが基準線から所定の距離に位置する点p13で一時停止し、トレーラーが基準線上に位置する点p11で一時停止するまで、リーダーおよびトレーラーを、各々溶接経路s8およびs8’に沿って進ませる工程。
、一セットの複数パラメータによって定義された、ロボットツール用の揺動パターンであって、溶接に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を包含する揺動パターン、をプログラミングする工程と;
少なくとも9インチ/秒のトーチの移動速度をプログラミングする工程と;
少なくとも二つのワイヤの各々に対応するワイヤ送給速度をプログラミングする工程と;
少なくとも二つのワイヤの各々が、プログラムされたトーチ移動速度で、プログラムされた揺動パターンによって決まる共通の溶融池を生成するように、溶接トーチに十分な電力を送る工程とを含む。
非一時的なコンピュータ可読媒体中に、プロセッサに以下の工程を実行させることが可能な一セットの各命令を提供する工程を有し、各命令はプロセッサにより:
少なくとも一つのトーチの移動速度を制御する工程と;
トーチへの二つの溶接ワイヤの送給速度を制御する工程と;
二つの溶接ワイヤの突出量を制御する工程と;
金属に対する各溶接ワイヤの角度を制御する工程と;
少なくとも一つのトーチの、溶接基準線に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を含む揺動パターンならびに揺動周波数を制御する工程と;
少なくとも一つのトーチへの電力を制御する工程;
上記各工程により揺動パターンが、最小の凝固収縮および凝固割れで、低希釈率を有する溶接ビードを生成する。
本明細書における本発明の例示的な実施態様の詳細な説明は、実例としての例示的な実施態様およびその最良のモードを示す添付のブロック図および概略図を参照する。これらの例示的な実施態様は、当業者による本発明の実施を可能にするに十分に詳細に記載するが、本発明の本質および範囲を逸することなく、他の実施態様も実現でき、論理的および機械的変化を為すことができることが理解される。したがって、本明細書における詳細な説明は、実例のみを目的として提示され、限定されるわけではない。例として、方法またはプロセス説明のいずれかに列挙される工程は、任意の順序で実行することができ、提示する順序に制限されない。
(1)ロボットタンデムパルス溶接は、良好な溶接性および溶融池制御で、高さ4mm、1 1/4インチ幅の凸状のビードを生成することができる;
(2)サイクル時間は、MIGおよびストリッププロセスと比較して半減することができる。システム100の使用により、溶接ワイヤ104または106の消費が12〜15ポンド/時から24〜30ポンド/時に増した;
(3)低い希釈率レベルにより、凝固収縮が制御下に保たれ、ビード割れの防止に役立つことができた。溶接ワイヤ104、106および上記の溶接パラメータの使用によって、冶金および溶融池の機械的特性の改善を援助できた;
(4)システム100を用いることによる、希釈による割れおよび鉄のピックアップの量の有意な減少および溶接中の入熱の低下は、ビードのより良好な粒子構造を提供する。溶接施工要領(WPS)の指示では、MIG溶接プロセスにおいてSA 516-Gr 70の部品120に最大116kJが求められるが、一方、システムを使用すると同じ部品120に生まれるのは19kJにすぎない。
Claims (20)
- リーダーワイヤおよびトレーラーワイヤを有するプログラマブルロボット溶接トーチを使用して金属をクラッディングする方法であって、前記方法は以下の工程を含む:
プロセッサによって実行可能で、そこに保存され、前記プロセッサに以下の工程を実行させる複数の命令を含む非一時的機械可読媒体を提供する工程であり、前記各命令は前記プロセッサに以下の工程を実行させる:
溶接ビードを形成するために、金属表面上の溶接基準線を中心に、既定の速度で、前記トーチを揺動させる工程であり、前記溶接ビードの形成は以下の工程による:
前記溶接基準線から所定の距離に位置する点p0に前記リーダーを位置付ける工程と;
前記基準線上の点p1に前記トレーラーを位置付ける工程と;
溶接経路s1が角度θで前記基準線と交わるように、前記リーダーに点p0から、前記基準線に向かう前記溶接経路s1に沿った溶接を開始させ;同時に、溶接経路s1’が角度Φで前記基準線と交わるように、前記トレーラーに点p1から、前記基準線から離れる前記溶接経路s1’に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線上の点p4で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点p2で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s1およびs1’に沿って進ませる工程と;
前記リーダーに点p4から、前記基準線に沿う溶接経路s2に沿った溶接を開始させ;同時に、前記トレーラーに点p2から、前記基準線と平行である溶接経路s2’に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線上の点p5で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点p3で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s2およびs2’に沿って進ませる工程と;
前記リーダーに点p5から、角度Φで前記基準線から離れる溶接経路s3に沿った溶接を開始させ;同時に、前記トレーラーに溶接経路s3’と前記溶接経路s2’とが角度Φとなるように、点p3から、前記基準線に向かう前記溶接経路s 3’ に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点p8で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線と角度θで交わり点p4で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s3およびs3’に沿って進ませる工程と;
前記リーダーに点p8から、前記基準線と平行である溶接経路s4に沿った溶接を開始させ;同時に、前記トレーラーに点p4から、溶接経路s4’に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点p9で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線上に位置する点p5で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s4およびs4’に沿って進ませる工程と;
溶接経路s5と前記溶接経路s4とが角度Φとなるように、前記リーダーに点p9から、前記基準線に向かう前記溶接経路s5に沿った溶接を開始させ;同時に、溶接経路s5’と前記基準線とが角度Φとなるように、前記トレーラーに前記基準線から離れる前記溶接経路s5’に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線上の点p10で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点p6で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s5およびs5’に沿って進ませる工程と;
前記リーダーに点p10から、前記基準線に沿う溶接経路s6に沿った溶接を開始させ;同時に、前記トレーラーに点p6から、前記基準線と平行である溶接経路s6’に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線上に位置する点p11で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線から所定の距離に位置する点p7で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s6およびs6’に沿って進ませる工程と;
前記リーダーに点p11から、角度Φで前記基準線から離れる溶接経路s7に沿った溶接を開始させ;同時に、前記溶接経路s7’と前記溶接経路s6’とが角度Φとなるように、前記トレーラーに点p7から、前記基準線に向かう前記溶接経路s7’に沿った溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点p12で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線と角度θで交わり点p10で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s7およびs7’に沿って進ませる工程と;
前記リーダーに点p12から、前記基準線と平行である溶接経路s8に沿った溶接を開始させ;同時に、前記トレーラーに前記基準線に沿う溶接経路s8’を辿る溶接を開始させる工程と;
前記リーダーが前記基準線から所定の距離に位置する点p13で一時停止し、前記トレーラーが前記基準線上に位置する点p11で一時停止するまで、前記リーダーおよび前記トレーラーを、各々前記溶接経路s8およびs8’に沿って進ませる工程。 - 前記基準線と平行であって、所定の距離に位置する前記経路が前記ビードの端部を形成する、
請求項1記載の方法。 - 点p0から点p13または点p1から点p11が一つのサイクルを表すように、前記リーダーが1/4秒で点p0から点p13に移動し、前記トレーラーが1/4秒で点p1から点p11に移動する、
請求項1記載の方法。 - 溶接欠陥および溶融の不足を最小化しつつ、過度に停止することなく、前記トーチが66cm/分〜95cm/分の間の速度で移動する、
請求項1記載の方法。 - 前記トーチが溶接する間、酸化不純物が前記表面から除去される、
請求項3記載の方法。 - 前記トーチが4mm/秒の速度で移動するとき、その後、前記溶接に沿った凝固が前記ワイヤの通過後少なくとも1.5秒で始まる、
請求項1記載の方法。 - MIG溶接プロセスにおいてSA 516-G70金属を溶接する間の入熱が19kJであり、前記トーチ移動速度および前記入熱が低いパス間温度に寄与し、前記金属に欠陥のない粒子構造が結果としてもたらされる、
請求項1記載の方法。 - 前記ビードが4分の1インチである、
請求項7記載の方法。 - 少なくとも二つのワイヤを有するトーチを用いて、金属薄板または金属板に融着溶接を生成するための連続的なウィービング動作を実行するようにロボットツールを制御することによるクラッディング方法であって、前記方法は以下を含む:
一セットの複数パラメータによって定義された、前記ロボットツール用の揺動パターンであって、溶接基準線に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を包含し、前記部品表面上の前記溶接基準線と平行または同一線上の垂直軸に沿って前記トーチを連続的に動かしつつ、前記溶接基準線に対して横断する水平軸に沿って前記溶接基準線を中心に前記トーチを周期的に揺動させることを含み、前記溶接基準線と交わる前記少なくとも二つのワイヤのいずれかが、前記垂直軸に沿う前記ロボット溶接トーチの動きの間、前記溶接基準線に沿って維持されて前記溶接基準線に沿って溶接セグメントを形成するように、前記少なくとも二つのワイヤのいずれかが前記溶接基準線と交わり、一方、前記少なくとも二つのワイヤの他方が前記溶接基準線と平行である溶接セグメントを形成する各発生時に、前記水平軸に沿う揺動を周期的に一時停止して、前記トーチが既定の速度で揺動されて溶接ビードを形成することによって特徴付けられる、前記揺動パターン、をプログラミングする工程と;
少なくとも9インチ/秒の前記トーチの移動速度をプログラミングする工程と;
前記少なくとも二つのワイヤの各々に対応するワイヤ送給速度をプログラミングする工程と;
前記少なくとも二つのワイヤの各々が、前記プログラムされたトーチ移動速度で、プログラムされた揺動パターンよって決まる共通の溶融池を生成するように、前記溶接トーチに十分な電力を送る工程と
を含む方法。 - 前記一セットの各パラメータが、突出量、揺動振幅、ウィービング角度および揺動周波数の一つ以上を含む、
請求項9記載の方法。 - 前記ウィービング角度が、0〜45度の間である、
請求項10記載の方法。 - 前記周波数が、4Hzである、
請求項10記載の方法。 - 前記突出量が17ミリメートル〜20ミリメートルの間である、
請求項12記載の方法。 - 前記溶融ワイヤを縦方向に溶着しながら、前記部品の表面に対して移動する前記トーチを用いて、前記部品上に前記ビードを生成し、前記部品が静止している位置に保持される、
請求項13記載の方法。 - 前記溶融ワイヤを溶着しながら、前記部品に対して水平および/または垂直に移動する前記トーチを用いて前記部品上に前記ビードを生成し、
接地された部品保持ステーションに前記部品が固定して保持され、
それにより、共通する接地の問題を解消する、
請求項13記載の方法。 - 前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つの伸びを最小化しつつ、一貫した所定のワイヤ送給速度のために、前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つの制動力を制御可能なように、
ワイヤドラムから前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つを引き出すための第一のワイヤ送給装置と、
前記第一のワイヤ送給装置から前記少なくとも二つのワイヤのうちの一つを引き出すための、前記トーチに隣接する第二のワイヤ送給装置と
によって、前記少なくとも二つのワイヤの各々が独立して前記トーチに供給される、
請求項9記載の方法。 - 前記部品を溶接する間の前記入熱が、19kJ以下に維持され、
前記トーチ移動速度および前記入熱が、低いパス間温度に寄与し、
前記部品の前記金属に欠陥のない粒子構造および最小のスラグが、結果としてもたらされる、
請求項9記載の方法。 - 希釈率が、7%〜12%の間であり、それにより、凝固収縮および凝固割れを最小化する、
請求項13記載の方法。 - 前記希釈率が、前記ウィービング角度によって部分的に決定される、
請求項18記載の方法。 - 自動溶接ツールを用いて金属薄板または金属板に融着溶接を生成するための金属クラッディングプロセスであって、前記ツールが二つの溶接ワイヤを受けて前記金属上に溶融池を生成するための少なくとも一つのトーチを含み、前記プロセスは、
非一時的なコンピュータ可読媒体中に、プロセッサに以下の工程を実行させることが可能な一セットの各命令を提供する工程を有し、前記各命令は前記プロセッサにより:
前記少なくとも一つのトーチの移動速度を制御する工程と;
前記トーチへの前記二つの溶接ワイヤの送給速度を制御する工程と;
前記二つの溶接ワイヤの突出量を制御する工程と;
前記金属に対する前記各溶接ワイヤの角度を制御する工程と;
前記少なくとも一つのトーチの、溶接基準線に対する中心位置、側方左位置および側方右位置の各々における一時停止を含み、前記部品表面上の前記溶接基準線と平行または同一線上の垂直軸に沿って前記トーチを連続的に動かしつつ、前記溶接基準線に対して横断する水平軸に沿って前記溶接基準線を中心に前記トーチを周期的に揺動させることを含み、前記溶接基準線と交わる前記少なくとも二つのワイヤのいずれかが、前記垂直軸に沿う前記ロボット溶接トーチの動きの間、前記溶接基準線に沿って維持されて前記溶接基準線に沿って溶接セグメントを形成するように、前記少なくとも二つのワイヤのいずれかが前記溶接基準線と交わり、一方、前記少なくとも二つのワイヤの他方が前記溶接基準線と平行である溶接セグメントを形成する各発生時に、前記水平軸に沿う揺動を周期的に一時停止して、前記トーチが既定の速度で揺動されて溶接ビードを形成することを含む、揺動パターンならびに揺動周波数を制御する工程と;
前記少なくとも一つのトーチへの電力を制御する工程;
上記各工程により溶接ビードが、最小の凝固収縮および凝固割れで、低希釈率を有する
プロセス。
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