JPH0366988B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶接および修理溶接に関し、特に加工
物の表面に溶着すべき溶加材のプールの形成に用
いる溶接工程を制御する改良方法と改良装置に関
する。

ガスタービンエンジンの合金製構成部等の物品
の半自動的な溶接と修理において一般に行われて
いることは、溶加材を金属ワイヤ、リボン等の形
態で加えることであり、このような形態の溶加材
は適当な装置によつて溶融溶接プールに導入され
る。もちろん、ここで用いる「ワイヤ」という術
語は他の同様の材料形態も包含するものとする。
加工物の表面と溶加材の溶融プール間に相対運動
を与えることにより、完全な溶接または修理溶接
がなされる。

溶融溶接プールは様々の発熱手段を用いて形成
されうる。例えば、電極と加工物の加工表面との
間に発生する電弧、プラズマアーク、レーザ等の
発熱手段のいずれかを用いて上記プールを形成し
うる。

上記の作用をなしうる様な装置が従来開発され
てきた。特に重要なものは、本発明の譲受人に譲
渡された米国特許第4159410号に開示されている
方法と装置である。米国特許第4159410号は、往
復式、すなわち、溶加材ワイヤを加工物に形成さ
れる加熱・溶融プール域に導入することと、溶加
材ワイヤを該域から引出すこととを特定送給速度
で間欠的に行う方式により溶加材ワイヤを該域に
選択的に導入するような、溶加材を加工物に溶着
する方法と装置を示す。このように、すると、ワ
イヤ端の溶融が間欠的に生じ、この引例に記載さ
れた様々な利点をもたらす。溶加材の加工物への
溶着はこのようにして米国特許第4159410号に説
明されているように、連続的に進行する。この引
例の内容は参照によつてここに包含される。

米国特許第4159410号に開示されている方法と
装置は、生成される溶接部または修理溶接部の質
をかなり向上させるが、この方法と装置はさらに
改良の余地があることがわかつた。例えば、前述
の装置や他の従来装置では、加工物の望ましくな
い溶融、そして時には溶加材ワイヤの端部の過早
溶融が生ずることがわかつている。このような事
態を改善しようとして様々な方策が開発された
が、いずれもこれらの問題を十分解決するもので
はなかつた。例えば、米国特許第3581053号は、
加熱用トーチに加えられる溶接電流を溶加材ワイ
ヤの送給と同期化する技術を開示しており、この
同期化は、ワイヤが加工物から最も離れている時
最大電流を生じかつワイヤが加工物と接触す時最
小電流源を生ずるように行われる。こうして、送
給ワイヤの最大移動時にワイヤに溶滴が形成さ
れ、次いでこの溶滴は、加工物との接触時に表面
張力によつて送給ワイヤから離れる。同様の技術
が米国特許第3934110号に開示されている。

米国特許第3627977号は溶加材が加工物の表面
と接触する際溶接装置の作用を開始する技術を開
示しており、この技術は溶接装置の操作者を保護
する安全上の特徴を有する。しかし、溶接装置の
作用は、全溶接工程が完了するまでは不連続にな
らず、そして溶加材の往復に応じて溶接装置への
電流供給を選択的に不連続にするいかなるプログ
ラムを開発されていない。

上述のように、従来当業者によつて、溶加材ワ
イヤが加工物の表面に付加される際のワイヤの溶
融を調整する様々な技術が開発されてきたが、現
在までに開発された技術のいずれも、往復式ワイ
ヤ送給作用を利用して溶接プールを形成する装置
と関連して加工物と溶加材ワイヤの適切な溶融を
十分保証する方法を提供するものではない。

従つて、本発明の主目的な溶加材を加工物に溶
着する改良された方法と装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、往復式溶加材ワイヤ送給
作用を用いて溶加材を加工物に溶着する改良され
た方法と装置を提供することである。

本発明の他の目的は、溶加材と加工物に溶着中
溶融溶加材のプールの形成を効果的に調整するよ
うな往復式溶加材ワイヤ送給作用を用いて溶加材
を加工物に溶着する改良された方法と装置を提供
することである。

上記および他の目的と利点は以下の例示的な説
明からさらに良く理解されよう。

簡略に述べると、溶加材、例えばワイヤ状溶加
材の一端を発熱手段において溶融して加工物に付
着することによつて溶加材を加工物に溶着する方
法と装置が提供される。適当な溶接プールを形成
するために、溶加材ワイヤは、ワイヤを溶接プー
ル内へ導入することと、ワイヤを溶接プールから
引出すことを特定の送給速度で交互に行うように
往復式にプール域内へ選択的に導入される。溶融
した溶加材の付加中に加工物を適当に動かすこと
により、その結果生ずる溶融プールは加工物の表
面に適切に付加され、所望の溶接部または修理溶
接部を形成する。

本発明によれば、溶加材を溶融するために所定
域を加熱することが、溶加材ワイヤの溶接プール
内への導入および溶接プールからの引出しと次の
ように同期化される。電気的に働く発熱手段が設
けられ、この手段では、溶接電流またはレーザエ
ネルギーのような加熱力が、あらかじめ選定され
たピークレベルとバツクグランドレベル間でパル
ス化されている。加熱力のこのパルスは、溶加材
ワイヤが発熱手段によつて生ずる溶融プールと接
触する時ピーク加熱パルスを開始するように進行
する。これらのピーク加熱力パルスは、溶加材ワ
イヤが溶融プールから引出されるまで維持され、
その時点で、比較的低いバツクグランドレベルに
減らされる。加熱力パルスの周波数と、該パルス
のピークからバツクグランドまでの時間とレベル
は、特定用途のために指定されたワイヤ送給速度
に従つて変えうるものであり、ワイヤ送給速度は
主として、適切な溶加材付加に要する溶融ワイヤ
の量と、ベース溶接物および付加された溶加材の
熱エネルギー分布特性とに依存する。

本技術はパルス化されたワイヤ送給付加と関連
して適用しうるものであり、前記付加は、ワイヤ
をプールに選択的に導入するためにワイヤの装置
内への一定送給と往復運動とを組合わせることに
より、あるいはワイヤを溶接プールに必要に応じ
て間欠的に送給するることによつて進行する。い
ずれの場合にも、溶加材ワイヤが溶融プールに導
入されまでピーク加熱パルスの開始を遅らせるこ
とにより、溶加材ワイヤのはやすぎる溶融が防止
される。さらに、溶融プールの寸法が調整され
る。

添付図面の全図を通じて同符号は同様の構造要
素を表す。

本発明の特定態様を選択して図面に例示し、ま
た以下の説明では、本発明のこれらの態様を説明
するために特定の術語を用いてあるが、この説明
は本発明の範囲を制限するものではない。

第１図は加工物１０と関連して溶接または修理
溶接をなすために使用しうる装置の一例を示す。
明らかに、加工物１０はこのような溶接を施す
様々な物品のいずれでもよい。さらに、図示の本
発明装置の具体例は単なる例に過ぎず、本発明の
方法と装置は様々な装置と関連して用いうるもの
であことを理解されたい。

図示のように、加工物１０は陽極（「＋」）で示
す）を形成し、これは陰極（「−」で示す）１２
と協働して適切な溶接状態をもたらす。電極１２
は非溶極であることが好ましいが、溶極も用いう
る。溶接電流制御装置５０と、当業者で通常利用
されうる型の適切な溶接電流発生機５１とを用い
て、加工物１０と電極１２とにより電弧１４が生
成される。プラズマ型溶接装置と、レーザを用い
た装置もまた所望に応じて必要な熱を得るために
使用しうることを理解されたい。

溶接装置と関連して、全体的に１６で示した溶
加材ワイヤ送給手段または組立体が設けられ、こ
れによつて溶加材ワイヤ１８がワイヤ源（図示せ
ず）から送り出され、電動機によつて駆動される
送給ローラ２０と、たわみ導管２６と、送給ノズ
ル２２とを経た後溶接プール２４内に進入する。
溶接プール２４は、加工物１０と電極１２との間
に生ずる電弧１４のような発熱手段の使用の結果
として加工物１０に形成される。こうして、加
熱・溶融プール域が２３の箇所に生じ所望の溶接
部または修理溶接部を形成しうる。

溶加材ワイヤ１８と溶接プール域２３とに相対
往復運動を与えるために様々な装置を用いうる。
第１図に示した装置では、送給ノズル２２が固定
具２５によつて電極１２と固定的に関連してお
り、これにより電極１２と送給ノズル２２とに適
当な位置関係が与えられ、従つて溶加材ワイヤ１
８は溶接プール２４内に適当に導入される。往復
運動を発生させるために、往復ケーブル組立体３
２がたわみ導管２６に取付けられている。組立体
３２のたわみケーブル３５の端部３４には偏心駆
動手段が設けられ、組立体３２に矢印２７で示す
ような往復運動を与える。従つて、組立体１６の
端２８の動きは実線で示す位置と、仮想線で示す
位置との間に生じ、溶加材ワイヤ１８のノズル２
２内そしてさらに溶接プール２４内への間欠的進
入をもたらす。組立体１６，３２の往復運動は所
望に応じてばね３０によつて補助されうる。

偏心駆動手段は、軸３８を中心として回転する
ように偏心的に取付けられたカム３６と、このカ
ムの一部をなすピンによつてカム３６に装着され
た軸受３７とを含む。たわみケーブル３５は軸受
け３７と、ワイヤ案内装着支持体２５とに取付け
てある。ケーブル３５のケーシング３９はブラケ
ツト４１によつてモータ４３に取付けられ、また
締付け組立体４５によつて導管２６の端部２８に
取付けられている。前述から明らかなように、軸
３８を中心とする偏心カム３６の回動により、組
立体３２の端部２８の送給ノズル２２への前進と
それからの後退とが間欠的に生ずる。明らかに、
こ前進と後退の速度と工程は、カム３６の形状
と、軸３８を回転するモータ４３の回転速度とを
適当に変えることによつて変えうるものである。

第１図に示すように、スイツチ４４もまたカム
３６と作動的に関連している。後に詳述のよう
に、スイツチ４４は溶接電気発生機５１の作用の
制御に用いられ、電極１２の作用と、溶加材ワイ
ヤ１８の溶接プール２４内への進入とを協調させ
る。図示のマイクロスイツチ４４はピボツトアー
ム４６およびそれと関連する従節４８とを含み、
これらはカム３６の回転中カムに従動しうる。明
らかに、この機能を果たすために様々なスイツチ
を用いるることでき、マイクロスイツチ４４な一
例に過ぎない。

溶接部または修理溶接部を形成する前記装置の
作用は次のように進行する。第１図において、カ
ム３６はピン４０がその最後方位置にあるように
向けられている。この状態では、ケーブルケーシ
ング３９が圧接され、端部２８を進め、従つて、
溶加材ワイヤ１８は第２図に示した矢印２７ａの
方向に進む。この位置は、溶加材ワイヤ１８の溶
接プール２４への進入完了に相当する。カム３６
をさらに回転させると、カム３６の最も幅広の部
分とピン４０とが回転し、その結果ケーブルケー
シング４０とが回転し、その結果ケーブルケーシ
ング３９が緩むので、端部２８は第３図に示した
矢印２７ｂの方向に後退する。従つて、溶加材ワ
イヤ１８は溶接プール２４から引出され、こうし
て材料溶着サイクルが完了する。

前述のように、溶接状態は、溶加材ワイヤが適
当な溶接プール２４を形成すべき溶融される速度
と、ベース溶接物および付加された溶加材の熱エ
ネルギー分布特性とに依存する。このような溶接
状態は、本発明により、電極１２に与えられるピ
ーク加熱力パルスの開始と持続時間を溶加材ワイ
ヤ１８と溶接プール２４との接触に対応させるこ
とによつて有利に調整されうる。

そうするために、カム３６を作動的に関連する
スイツチ４４は、従節４８がカム３６の偏心度の
変化に応動するるように位置づけられる。こうし
て、組立体３２の端部２８の相対的な位置づけ、
従つて、溶加材ワイヤ１８の溶接プール２４内へ
の進入がスイツチ４４とカム３６との関係に同期
化される。例えば、第４図に示すように、カム３
６が第１図に示す方位をとるとき、スイツチ４４
のアーム４６は圧縮される。スイツチ４４をカム
３６に対して適当に位置づけることにより、アー
ム４６の圧縮によるスイツチ４４の接触変化は、
溶加材ワイヤ１８の溶接プール２４内への導入と
同期化される。その時、スイツチ４４を閉ざすこ
とは、様々な切換え機能を用いて溶接電気発生機
５１の作用を調節するための信号を発生するため
に利用されうる。

これを達成しうる一方は、スイツチ４４の接触
変化に応じて溶接電気発生機５１の溶接電流装置
５０における低抗を変えることである。第１図と
第４図に示すように、スイツチ４４のアーム４６
は圧縮され、スイツチ４４をトリガしてその常閉
接点を開く。スイツチ４４の接点を開くと、分路
抵抗５２が一次抵抗５４から除かれ、溶接電流発
生機５１の制御装置５０に変化をもたらし、電極
１２に供給される溶接電流を増加させる。

第５図に示すように、カム３６の回転が進むに
つれ、アーム４６は弛緩可能になり、結局スイツ
チ４４の接点は常閉位置に戻り、分路抵抗５２を
一次抵抗５４に戻す。溶接電流発生機５１の制御
装置５０における抵抗の対応変化は、溶接電流を
元のバツクグランドレベルまで減らすように作用
する。溶接電流のこの減少も、スイツチ４４をカ
ム３６に対して適当に位置づけることにより、溶
加材ワイヤ１８の溶接プール２４からの引出しと
同期化される。

このようにして、溶接電流発生機５１は、スイ
ツチ４４が働いている時のピーク電流レベルから
スイツチ４４が弛緩している時のバツクグランド
電流レベルへ切換えられる。その結果生ずる電流
パルスは、溶加材ワイヤ１８と溶接プール２４と
の接触と同期化される。もちろん、この時限機能
は、スイツチ４４とカム３６との相対的位置づけ
を変えることにより必要に応じて変えうるもので
ある。

一般に、送給ワイヤ１８の往復運動は、最適状
態を得ためには毎秒約２〜30ストローク（１スト
ロークは前後運動）の速度で進行すべきであるこ
とがわかつた。そうすると、パルス周波数は通例
２〜30Hzの範囲内で変わることになる。パルス周
波数の変化に加えて、パルス持続時間もまた特定
の用途に合うように変えることができ、そしてこ
れらの時限パラメータは必要に応じて変えうる。
また、スイツチ４４が間欠的に働くにつれて生ず
るバツクグランド対ピーク電流比は少なくとも１
対２から１対13までの範囲内で変えうることが好
ましい。選定パラメータにかかわらず、前述の装
置は前述の諸目的の達成に好適である。

第６図は溶加材ワイヤの移行と溶接電流のパル
ス化との前述の関係を示す概略図である。図示の
ように、溶加材ワイヤ１８は、矢印５８で示す往
復運動をしながらノズル２２から前進し、他方、
電極１２の作用により、図示のように加工物１０
の表面に溶着金属を付加するのに用いる溶接プー
ル２４が形成される。

曲線６２は溶加材ワイヤの移行を表す。部品６
４は第１図と第２図に示すような組立体３２の完
全前進を表し、部分６６は第３図に示すような組
立体３２の完全後退を表す。各ゼロ交差点６８は
溶加材ワイヤ１８と溶接プール２４との接触点を
表す。

曲線７０は、曲線６２で表される溶加材の変位
に対応して溶接電流発生機５１によつて生ずる溶
接電流を表す。図からわかるように、ピーク電流
パルス７２は溶加材ワイヤ１８の溶接プール２４
内への挿入に対応し、そしてバツクグランド電流
レベル７４は溶加材ワイヤ１８の溶接プール２４
からの引出しに対応し、こうして所望の同期電流
パルスが得られる。

曲線７６を見ればわかるように、溶加材ワイヤ
１８と溶接プール２４との接触は、溶加材ワイヤ
１８と加工物１０との間に生ずる、一般にゼロに
近づく電圧降下に従つて検出されうる。従つて、
溶加材ワイヤとベース溶接物との間の電圧の変化
の監視は、ピーク電流パルスのタイミングを実験
的に定めるために利用されうる。例えば、このタ
イミングは、溶加材ワイヤ１８とベース溶接物と
の間に生ずる電圧をオツシログラフまたはオツシ
ロスコープによつて追跡することにより検出され
うる。これは、特定用途のための動作パラメータ
をただちに決定しやすくする制御特性をもたら
す。

本発明によるる溶加材の加工物への付加と電極
に供給される電流の同期パルス化は様々な利点を
もたらすことがわかつた。例えば、従来装置に生
じた比較的大きな溶融域は、付着溶加材の適切な
溶融をなすのにもはや必要でない。むしろ、発熱
手段からの熱エネルギーは溶融域急速に注入さ
れ、従つて、比較的高い割合の注入エネルギーが
溶加材の溶融のために用いられ、そして加工物に
分布する残りのエネルギーは極めて少なくなる。
こうして、このようなエネルギー分布の悪影響、
例えば、析出硬化合金における焼なましまたは過
度時効、低融点粒界共晶の溶離、後の熱処理中の
ある種のニツケル合金におけるひずみ時効割れ等
が実質的に除去される。さに加工物の溶け込み深
さの制御が改良される。

以上、本発明の実施例を詳述したが、もちろ
ん、各部の詳細、材料、構成等は本発明の範囲内
で多様に改変しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶接力制御手段を包含する溶
接・修理溶接装置の好適例の部分断面略図、第２
図と第３図は加工物に付加された溶融溶接プール
域に対する溶加材ワイヤの２つの交替位置を示す
部分略図、第４図と第５図は、それぞれ、第２図
と第３図に示す溶加材ワイヤ位置に対する溶接力
制御スイツチの交替位置を示す略図、第６図は本
発明の溶接力制御手段によつて生ずる時限シーケ
ンスを示す略図である。 １０…加工物、１２…陰極、１６…溶加材ワイ
ヤ送給組立体、１８…溶加材ワイヤ、２０…送給
ローラ、２２…送給ノズル、２３…加熱・溶融プ
ール域、２４…溶接プール、２５…固定具、２６
…たわみ導管、３２…往復ケーブル組立体、３５
…たわみケーブル、３６…カム、３７…軸受、４
０…ピン、４３…モータ、４４…スイツチ、４５
…締付け組立体、４６…ピボツトアーム、４８…
従節、５０…溶接電流制御装置、５１…溶接電流
発生機、５２…分路抵抗、５４…一次抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶加材のワイヤの一端を発熱手段において溶
   融することにより、加工物に付着された加熱・溶
   融プール域を設けるような、前記溶加材を前記加
   工物に溶着する方法において、前記溶加材ワイヤ
   端の前記プール域内の挿入と前記プール域外への
   引出しとを交互に行うように前記溶加材ワイヤを
   前記プール域に往復式に導入することと、前記溶
   加材ワイヤが前記プール域に接触する時にピーク
   加熱パルスを開始しそして前記溶加材ワイヤが前
   記プール域から引出されるまで前記ピーク加熱パ
   ルスを保つように前記発熱手段によつて発生する
   熱を変えることを特徴とする方法。 ２ 前記発熱手段によつて発生する熱は、前記溶
   加材ワイヤが前記プール域から引出される時、比
   較的低いバツクグランドレベルに戻される、特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記ピーク加熱パルス中に生ずる熱対前記バ
   ツクグランドレベル中に生ずる熱の比は少なくと
   も１対２ないし１対13の範囲にある、特許請求の
   範囲第２項記載の方法。 ４ 前記ピーク加熱パルスの周波数は約２〜30Hz
   である、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 前期発熱手段は電気的に働き、そして前記発
   熱手段によつて生ずる熱は、前記発熱手段に与え
   られる加熱を変えることによつて変えられる、特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 発熱手段と加熱・溶融プール域を設けるため
   に前記発熱手段を加工物の表面に向ける手段と、
   溶加材ワイヤの一端を前記プール域に送給する溶
   加材ワイヤ送給手段とを含む、溶加材を前記加工
   物に溶着する装置において、前記溶加材ワイヤ端
   の前記プール域内への挿入と前記プール域外への
   引き出しとを交互に行うように前記溶加材ワイヤ
   を前記プール域に往復式に導入する手段と、前記
   溶加材ワイヤが前記プール域に接触する時にピー
   ク加熱パルスを開始しそして前記溶加材ワイヤが
   前記プール域から引出されるまで前記ピーク加熱
   パルスを保つように、前記発熱手段によつて発生
   する熱を変える手段とを設けたことを特徴とする
   装置。 ７ 前記発熱手段は、前記溶加材ワイヤが前記プ
   ール域から引出される時、比較的低いバツクグラ
   ンドレベルをとる、特許請求の範囲第６項記載の
   装置。 ８ 前記導入手段は、一端が前記溶加材ワイヤ送
   給手段と関連動作をなしかつ他端が偏心駆動手段
   を含むような往復組立体と、前記偏心駆動手段と
   関連動作をなす従動手段を含む切換え手段と、前
   記偏心駆動を回転させ、これにより前記往復組立
   体の動きと、前記切換え手段の動作状態と不動作
   状態への交互切換えとをひき起こす手段とからな
   る、特許請求の範囲第６項記載の装置。 ９ 前記切換え手段の前記動作状態と前記不動作
   状態への切換えは、それぞれ、前記溶加材ワイヤ
   端の前記プール域内への挿入と前記プール域外へ
   の引出しとに同期化される、特許請求の範囲第８
   項記載の装置。 １０ 前記切換え手段と前記偏心駆動手段との位
   置関係が可変である特許請求の範囲第８項記載の
   装置。 １１ 前記発熱手段は電気的に働き、そして前記
   切換え手段は、前記動作状態では前記発熱手段に
   高加熱力を発生させそして前記不動作状態では前
   記発熱手段に低加熱力を発生させる、特許請求の
   範囲第８項記載の装置。 １２ 前記発熱手段は、溶接トーチであり、前記
   加熱力は溶接電流であり、そして高低両電流は、
   前記溶接トーチと関連する溶接電流供給制御手段
   に加えられた抵抗を変えることによつて発生す
   る、特許請求の範囲第１１項記載の装置。 １３ 前記発熱手段はレーザであり、前記加熱力
   はレーザエネルギーであり、そして高低両熱力は
   レーザ電源に加えられる制御電圧を変えることに
   よつて発生する、特許請求の範囲第１１項記載の
   装置。