JP6216111B2 - 溶接システム、溶接プロセス及び溶接物品 - Google Patents

Description

本発明は、溶接システム、溶接プロセス及び溶接物品に関する。より具体的には、本発明は、３以上のタイプの溶接装置を用いた溶接に関する。

溶接は、絶えず開発が行われている技術である。溶接で形成及び／又は補修される物品の特性に対する要求がますます高まっている。製品は、より高い温度、より厳しい用途及びより腐食し易い環境に常に曝されている。公知の技術は、これらの要求に対処しようとしているが、これらを十分に満たすことができずにいる。

ある公知の溶接プロセスでは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）を用いる。ガスメタルアーク溶接機は、接合部上に溶着部を作ることができるが、溶込みの浅いものである。加えて、基材上でのアーク下で消耗電極から溶融プールへの金属転移に起因してスパッタが生じる。このスパッタを取り除くために、追加の仕上げ技法が用いられる。このような技法は、プロセス全体に対するコストアップとなり、非一貫性の溶接をもたらす可能性がある。

別の公知の溶接プロセスではレーザ溶接を用いる。レーザ溶接は、高エネルギー密度に起因してより深い溶込みの溶接を形成することができる。しかし、サイズの小さいレーザビームは、接合部の仮付けが制限され、非一貫性又は望ましくない低出力制限に起因した望ましくない溶融の欠落を生じる可能性がある。

別の公知の溶接プロセスは、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）を使用している。ガスタングステンアーク溶接機は、非消耗電極と基材との間に確立されるアークエネルギーを使用する。金属フィラーが溶接用途で適用することができる。ＧＴＡＷプロセスにおいては、適切に設定することによりスパッタは存在しない。しかし、ＧＴＡＷプロセスは、移動速度が緩慢で、生産性が制限される。

最近開発された溶接プロセスは、レーザ溶接とガスメタルアーク溶接を組合せている。２つの溶接プロセスが共に使用される場合、このような溶接プロセスは、ハイブリッド溶接プロセスとして知られている。ハイブリッド溶接プロセスは、複数の好ましい性質を有する溶接を提供する。このような溶接は、接合部作製コストを低減し、溶接プロセスを迅速化し、再加工を削減し、より高品質の溶接を提供することができる。しかし、更なる改善が依然として望ましい。例えば、ハイブリッド溶接プロセスは、スパッタを生じる可能性があり、労働経費又は運用コストを必要とする場合があり、スパッタ反射に起因したレーザエネルギー損失を伴う場合があり、一部の応用では溶接品質上の問題がある場合がある。加えて、スパッタは、レーザキーホール安定性を妨げる可能性がある。

上述の欠点の１以上を生じない溶接システム、溶接プロセス及び溶接物品が、当該技術分野で望ましい。

米国特許出願公開第２０１１／０１９８３１７号明細書

例示的な実施形態では、溶接システムは、レーザ溶接装置、ＧＭＡＷ装置及びＧＴＡＷ装置を含む。レーザ溶接装置、ＧＭＡＷ装置及びＧＴＡＷ装置は、合同溶融プールを生成して溶接パスに沿って物品を溶接するよう位置付けられる。

別の例示的な実施形態では、溶接プロセスは、レーザ溶接装置、ＧＭＡＷ装置及びＧＴＡＷ装置を有する溶接システムを準備する段階を含む。本プロセスは更に、レーザ溶接装置、ＧＭＡＷ装置及びＧＴＡＷ装置の１以上を用いて物品を溶接する段階を含む。

別の例示的な実施形態では、溶接物品は溶接を含む。溶接は、レーザ溶接装置、ＧＭＡＷ装置及びＧＴＡＷ装置からの溶接によって形成される
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。

一実施形態に係る例示的な溶接システムの側面図。 第１の部分にハイブリッドレーザ溶接、第２の部分にトライブリッドレーザ溶接及び第３の部分にＧＴＡＷ溶接を備えた一実施形態に係る例示的な溶接物品の上面図。 一実施形態に係る、例示的なＧＴＡＷプロセスによって形成された溶接の図２の線３−３に沿った断面図。 一実施形態に係る、例示的なハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷプロセスによって形成された溶接の図２の線４−４に沿った断面図。 一実施形態に係る、例示的なトライブリッドＧＴＡＷ／レーザ／ＧＭＡＷプロセスによって形成された溶接の図２の線５−５に沿った断面図。

可能な限り、同じ要素を示すために図面全体を通じて同じ参照符号が使用される。

例示的な溶接システム、溶接プロセス及び溶接物品が提供される。本開示の実施形態は、スパッタを低減し、再加工を削減し、必要のない労力を低減又は排除し、コストを削減し又はこれらの組合せを実施する。

図１を参照すると、一実施形態によれば、例示的な溶接システム１００は、レーザ溶接装置１０２、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）装置１０４及びガスタングステンアーク（ＧＴＡＷ）溶接装置１０６を含み、溶接パス１１０に沿って第１の加工物１０８を第２の加工物１０９に溶接し、溶接方向１１２に沿った溶接を形成するようにする。例示的な溶接プロセスは、レーザ溶接装置１０２、ＧＭＡＷ装置１０４及びＧＴＡＷ装置１０６の１以上を用いて第１の加工物１０８及び第２の加工物１０９を溶接するステップを含む。

システム１００は、溶接装置の好適な構成を含む。一実施形態では、システム１００は、溶接パス１１２が、第１番目にＧＭＡＷ装置１０４からの溶接、第２番目にレーザ溶接装置１０２からの溶接及び第３番目にＧＴＡＷ装置１０６からの溶接を含むように構成される。この実施形態では、３つの加熱源（レーザ溶接装置１０２、ＧＭＡＷ装置１０４及びＧＴＡＷ装置１０６など）は、共通の溶融プール１０３を共用している。本明細書で使用される用語「共通の溶融プール」とは、２以上の溶融プール（例えば、レーザ溶融プール、ＧＭＡＷ溶融プール及びＧＴＡＷ溶融プール）を共に組合せた溶融プールを指す。別の実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４及びレーザ溶接装置１０２は、ハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷを形成するのに十分に近接して（０〜１５ｍｍ）配置され、他方、ＧＴＡＷ装置１０６は、凝固している溶接部の一部を再溶融させて溶接冷却速度を低下させ、溶接欠陥形成を回避し、且つ溶接ビード表面を滑らかにするように位置付けられる。一実施形態では、システム１００は、２つの電気アーク間の干渉又は外乱を低減又は排除するよう構成される。例えば、一実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４とレーザ溶接装置１０２の相対位置が調整可能であり及び／又はレーザ溶接装置１０２とＧＴＡＷ装置１０６の相対位置が調整可能である。一実施形態では、第１にＧＭＡＷ装置１０４が位置付けられていると、第２にレーザ溶接装置１０２がＧＭＡＷ装置１０４と共に作動してハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷを形成し、ＧＭＡＷアークを安定化させる。

別の実施形態では、システム１００は、溶接パス１１２が、第１番目にＧＴＡＷ装置１０６からの溶接、第２番目にレーザ溶接装置１０２からの溶接及び第３番目にＧＭＡＷ装置１０４からの溶接を含むように構成される。一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６、レーザ溶接装置１０２及びＧＭＡＷ装置１０４は、共通の溶融プール１０３を共用している。一実施形態では、レーザ溶接装置１０２及びＧＭＡＷ装置１０４は、ハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷを形成するのに十分に近接して（例えば、約０ｍｍ〜約１５ｍｍ）位置付けられ、他方、ＧＴＡＷは、第１番目に位置付けられて且つハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷから分離され、アーク干渉を低減又は排除するようにする。別の実施形態では、レーザ装置１０２及びＧＴＡＷ装置１０６は、ハイブリッドレーザ／ＧＴＡＷを形成するのに十分に近接して（例えば、約０ｍｍ〜約１５ｍｍ）位置付けられ、他方、ＧＭＡＷ装置１０４は、第３番目に位置付けられ且つハイブリッドレーザ／ＧＴＡＷから分離され、アーク干渉を低減又は排除するようにする。一実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４とレーザ装置１０２との間及び／又はレーザ溶接装置１０２とＧＴＡＷ装置１０６との間の位置決めは調整可能である。ＧＴＡＷ装置１０６が第１番目に位置付けられる一実施形態では、ＧＴＡＷは、予熱器として動作し、レーザ溶接装置１０２が第３番目に位置付けられたＧＭＡＷ装置１０４において深い溶込みとスパッタ軽減をするのを支援する。

別の実施形態では、システム１００のレーザ溶接装置１０２は、レーザを用いて、例えば、単一のレーザビームを２つのレーザビームに分割する。別の実施形態では、システム１００は、第２のレーザビームを与えるための第２のレーザ溶接装置１０２を含む。これらの実施形態では、一方のレーザビームは、ＧＭＡＷと連動してハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷを形成し、別のレーザビームは、ＧＴＡＷと連動してハイブリッドレーザ／ＧＴＡＷを形成する。ＧＴＡＷ装置１０６、ＧＭＡＷ装置１０４及び２つのレーザビーム装置１０２は、共通の溶融プール１０３を共用している。システム内の各々の位置決めにより、２つの電気アーク間の干渉又は外乱が低減又は排除される。一実施形態では、所望の用途に基づいて、ＧＭＡＷ装置１０４及びレーザ溶接装置１０２は調整可能（例えば、約０ｍｍ〜約１５ｍｍ）であり、レーザ溶接装置１０２及びＧＴＡＷ装置１０６は調整可能（例えば、約０ｍｍ〜約１５ｍｍ）である。加えて、或いは代替として、一実施形態では、２つのレーザ間及び／又は２つのレーザビーム間の距離は調整可能（例えば、約０ｍｍ〜約１０ｍｍ）である。

溶接は、好適な速度で溶接パス１１０に沿って実施される。例えば、一実施形態では、溶接パスは、約６０インチ毎分（ｉｐｍ）である。他の実施形態では、溶接速度は、約３０ｉｐｍ〜約１２０ｉｐｍ、約５５ｉｐｍ〜約１００ｉｐｍ、約５５ｉｐｍ〜約７０ｉｐｍ、約６０ｉｐｍ〜約９０ｉｐｍ、約３０ｉｐｍ、約５５ｉｐｍ、約６０ｉｐｍ、約１００ｉｐｍ、約１２０ｉｐｍ、或いはこれらの組合せ又は部分的組合せである。

一実施形態では、レーザ溶接装置１０２は、所望の用途に基づいた所定の操作パラメータ内で動作する。例えば、一実施形態では、レーザは、約２．５ｋＷの出力で動作する。他の実施形態では、レーザは、約２．０ｋＷ〜約２０．０ｋＷ、約２．０ｋＷ〜約８．０ｋＷ、約２．５ｋＷ〜約６．０ｋＷの出力、約２．０ｋＷの出力、約１０．０ｋＷの出力、約２０．０ｋＷの出力、或いはこれらの組合せ又は部分的組合せで動作する。

一実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４は、所定の操作パラメータ内で動作する。例えば、一実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４は、パルス又は連続したダイレクトモードを用いて約２００Ａのアーク電流及び２６Ｖのアーク電圧で動作する。他の実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４は、約１００Ａ〜約５００Ａのアーク電流、約１５０Ａ〜約４５０Ａ、約２００Ａ〜約４００Ａ、約３００Ａ〜約５００Ａ、或いはこれらの組合せ又は部分的組合せで動作する。一実施形態では、電圧は約１５Ｖ〜約３５Ｖである。一実施形態では、アーク電流は、所望の用途に応じて連続した波成流又はパルス波である。

一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６は、所定の操作パラメータ内で動作する。例えば、一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６は、約１８０Ａのアーク電流及び１８Ｖのアーク電圧で動作する。他の実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６は、３０Ａ〜５００Ａで動作する。一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６は、第１の加工物１０８及び第２の加工物１０９から汚れ又は酸化物を燃焼もしくは他の方法で除去し、これによりＧＴＡＷ装置１０６無しで形成される溶接と比較して高品質な溶接の形成が可能になる。一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６から加えられる熱が、溶接プロセスで使用される溶融金属の流動特性を向上させ、これにより、ＧＴＡＷ装置１０６無しで形成される溶接と比較して、第１の加工物１０８（図１及び２を参照）の溶接中心１１６とベース１１８との間の移行領域１１４がより滑らかになる。別の実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６からの熱により溶接プールの冷却速度が低下し、溶接欠陥の形成が阻止される。別の実施形態では、ＧＴＡＷは、後続のＧＭＡＷにＧＭＡＷ金属転移用の大型カソードベースを提供してＧＭＡＷスパッタを低減又は排除するようにする溶融プールを生成する。別の実施形態では、ＧＴＡＷは、レーザ貫通時の温度勾配を低下させ、欠陥形成の傾向を低減する溶融プールを生成する。

一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６及びレーザ溶接装置１０２は、共通の溶融プール１０３を用いるよう構成及び位置付けられる。一実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６用の溶融プールは、レーザ溶接に使用される溶融プールよりも大きいなど、所定サイズのものである。この実施形態では、所定サイズの溶融プール１０３により、レーザ溶接装置１０２は、レーザ出力を増大させることなく溶込ませる他の場合よりも深く溶込ませることができる。また、これにより、ハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷ溶接法又はレーザ溶接法と比較して、レーザ溶接装置１０２に供給される出力量を低減することができる。

一実施形態では、ＧＭＡＷ装置１０４は、レーザ溶接装置１０２と相互作用するよう構成され位置付けられる。この実施形態では、第１の加工物１０８及び第２の加工物１０９のベース１１８上でＧＭＡＷ設定のカソードが確立され、レーザ溶接装置１０２のレーザビームと相互作用する。この実施形態では、ＧＴＡＷによって生成される溶融プール１０３は、共通の溶融プールに結合され、ＧＭＡＷ装置１０４の電極からの金属転移はＧＴＡＷ支援無しで形成される溶接と比べてより安定していることに起因して、ＧＭＡＷのスパッタが低減又は排除される。

図２を参照すると、例示的な溶接物品２００は、種々の設定を有するシステム１００を用いることにより形成される。具体的には、溶接物品２００は、ＧＭＡＷ装置１０４（図１を参照）、レーザ溶接装置１０２（図１を参照）及びＧＴＡＷ装置１０６（図１を参照）により溶接される。溶接物品２００は、溶接で使用される選択された装置に基づく所定の溶接特性を有する１以上の領域を含む。理解されるように、溶接プロセスの実施形態は、ＧＴＡＷ装置１０６、レーザ溶接装置１０２及びＧＭＡＷ装置１０４の１以上を用いた動作により移行して、異なる溶接特性を有する領域を形成するステップを含む。一実施形態では、ＧＴＡＷをハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷ設定に適用することによりスパッタが低減又は排除される。

図３を参照すると、一実施形態では、溶接物品２００は、ＧＴＡＷ装置１０６（図１を参照）を用いて形成されたＧＴＡＷ溶接領域３００（図２を参照）を含む。一実施形態では、ＧＴＡＷ溶接領域３００は、システム１００（図１を参照）によって形成される。この実施形態では、ＧＴＡＷ装置１０６が使用されているが、ここではトライブリッド（三混成）ＧＴＡＷ／レーザ／ＧＭＡＷ溶接におけるＧＴＡＷの寄与を実証するために、レーザ溶接装置１０２及びＧＭＡＷ装置１０４は使用されていない。

図４を参照すると、一実施形態では、溶接物品２００は、レーザ溶接装置１０２（図１を参照）及びＧＭＡＷ装置１０４（図１を参照）を用いることにより形成されたハイブリッド溶接領域４００（図２を参照）を含む。この実施形態では、レーザ溶接装置１０２及びＧＭＡＷ装置１０４が、所定距離（例えば、一実施形態では、所定距離は約０ｍｍ〜約１５ｍｍ）離れて使用され位置付けられてハイブリッドレーザ／ＧＭＡＷを形成するが、ＧＴＡＷ装置１０６は使用されていない。

図５を参照すると、一実施形態では、溶接物品２００は、レーザ溶接装置１０２（図１を参照）、ＧＭＡＷ装置１０４（図１を参照）及びＧＴＡＷ装置１０６（図１を参照）を用いることにより形成されたトライブリッド溶接領域５００（図２を参照）を含む。図５において分かるように、トライブリッド溶接領域５００（図２を参照）における溶接プロファイルは、図４のハイブリッド溶接領域４００（図２を参照）における溶接よりも明確である。同一のハイブリッド／ＧＭＡＷ設定の下では、一実施形態では、追加のＧＴＡＷによって、溶接プロファイル修正に起因して追加のＧＴＡＷ無しで存在する融合欠陥寄与の欠如が軽減又は排除される。加えて、トライブリッド溶接領域５００（図２を参照）における溶接は、マイクロ構造において実質的に一貫性があり且つ実質的に均一である。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することを意図している。

１００ 溶接システム
１０２ レーザ溶接装置
１０４ ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）装置
１０６ ガスタングステンアーク（ＧＴＡＷ）溶接装置
１０８ 第１の加工物
１０９ 第２の加工物
１１０ 溶接パス
１１２ 溶接方向

Claims (8)

1. 溶接システム（１００）であって、
   レーザ溶接装置（１０２）と、
   ガスメタルアーク溶接装置（１０４）と、
   ガスタングステンアーク溶接装置（１０６）と
   を備え、前記レーザ溶接装置（１０２）、前記ガスメタルアーク溶接装置（１０４）及び前記ガスタングステンアーク溶接装置（１０６）が、共通の溶融プールを生成して、溶接パス（１１２）に沿って物品（１０８）を溶接するよう位置付けられており、溶接パス（１１２）が、第１番目にガスメタルアーク溶接装置（１０４）からの溶接と、第２番目にレーザ溶接装置（１０２）からの溶接と、第３番目にガスタングステンアーク溶接装置（１０６）からの溶接とを含むように当該溶接システムが構成されていることを特徴とする、溶接システム（１００）。
2. ガスメタルアーク溶接装置（１０４）が第１番目に位置していて、ガスメタルアーク溶接装置（１０４）とレーザ溶接装置（１０２）とが、ハイブリッドレーザ／ガスメタルアーク溶接を形成するのに十分な０〜１５ｍｍの距離に配置され、ガスタングステンアーク溶接装置（１０６）が凝固しつつある溶接部の一部を再溶融させる位置に配置される、請求項１記載の溶接システム（１０）。
3. 前記レーザ溶接装置（１０２）と前記ガスメタルアーク溶接装置（１０４）と前記ガスタングステンアーク溶接装置（１０６）とが共通の溶融プールを使用する、請求項１又は請求項２記載の溶接システム（１００）。
4. 前記ガスメタルアーク溶接装置（１０４）及び前記レーザ溶接装置（１０２）が、前記ガスタングステンアーク溶接装置（１０６）無しで共通の溶融プールを使用する、請求項１又は請求項２記載の溶接システム（１００）。
5. 前記レーザ溶接装置（１０２）が分割レーザビームを形成する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の溶接システム（１００）。
6. 前記レーザ溶接装置（１０２）が、第１のレーザ及び第２のレーザを含み、前記第１のレーザが第１のレーザビームを与え、前記第２のレーザが第２のレーザビームを与える、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の溶接システム（１００）。
7. 第１のレーザビームが前記ガスメタルアーク溶接装置（１０４）と共に作動して第１のハイブリッド溶接装置を形成し、第２のレーザビームが前記ガスタングステンアーク溶接装置（１０６）と共に作動して第２のハイブリッド溶接装置を形成する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の溶接システム（１００）。
8. 溶接方法であって、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の溶接システム（１００）を準備する段階と、
   前記溶接システム（１００）を用いて溶接パス（１１２）に沿って物品（１０８）を溶接する段階であって、溶接パス（１１２）が、第１番目にガスメタルアーク溶接装置（１０４）からの溶接と、第２番目にレーザ溶接装置（１０２）からの溶接と、第３番目にガスタングステンアーク溶接装置（１０６）からの溶接とを含む、段階と
   を含む、溶接方法。