コアードワイヤを作製する方法および装置
粉状かつ／または粒状充填材料を充填されたコアードワイヤを作製する装置および方法が開示される。本発明は、たとえば、細長片幅、細長片厚さ、充填材料の流量、および充填材料の密度の変動などの、種々のプロセスの変動を反映することによって、コアードワイヤ製造で使用される充填材料の堆積を自動的に制御する。こうした自動監視および制御は、検出された細長片測定値と検出された充填材料容積を使用して、高品質の（たとえば、所望のコア比から約±０．５％変動する）管状溶接ワイヤを生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管製造に関し、特に、粉状かつ／または粒状充填材料を充填されたコアードワイヤ（芯付きワイヤ）を作製する改良された方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の装置および方法は、生産プロセスに対する制御がほとんどまたは全く無い状態で、管材料および粉体充填管材料を製造する。例として、溶接における電極として使用されるコアードワイヤは、低炭素、軟鋼のシース、ならびに、脱酸素剤、スラグフォーマ、アーク安定化器、および合金材料を含んでもよい粉体の充填材料を有する連続する管状電極ワイヤである。コアードワイヤを生成するのに使用される基本プロセスは、長期間にわたってそれほど変っていない。たとえば、フラックスコアードワイヤは、第１の成形ダイのセットを使用して、連続給送される金属細長片をＵ形状に形作ることによって作製される。Ｕ形状金属細長片の底部は、その後、充填材料で充填される。次に、別の成形ダイのセットが、充填されたＵ形状金属細長片をＯ形状管に形作り、それにより、金属細長片の接するエッジが、押し付けられて、開口が密閉される。その後、さらなる成形ダイが、Ｏ形状管の直径を所望の直径のワイヤに縮小する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
細長片と充填材料は共に、詳細な仕様に適合させるために、製造業者によって、たとえそうされたとしてもうまく監視されないが、あるとすれば少数のコアードワイヤ製造業者が、所望のコア比から±２％以内の変動を達成することができる。コア比は、充填材料の重量を、充填材料のコアを含むワイヤの総重量で割ったパーセンテージとして測定される。現在、所望のコア比から±１％以内の変動を達成する高品質コアードワイヤについての必要性が存在する。許容範囲外のコア比（たとえば、一部の用途では、所望のコア比から±１．５％より大きな変動）は、フラックスコアードワイヤによって行われる溶接の再加工の主要な要因になることが多い。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
たとえば、細長片給送量、細長片幅、細長片厚さ、充填材料の流量、および、実施形態によっては、充填材料の密度の変動などの、種々のプロセス変化を反映することによって、コアードワイヤ製造で使用される充填材料の堆積を自動的に制御する、管材料および粉体充填管材料を作製するのに使用される機器を、本発明が提供することは、上記背景技術と対照的である。こうした自動監視および制御は、検出された細長片測定値と検出された充填材料容積を使用して、高品質の（たとえば、所望のコア比から約±０．５％変動の）管状溶接ワイヤを生成する。本発明は、改善された仕様および材料変動許容範囲に合わせた、コアードワイヤ、超伝導体、クラッディングワイヤ、および、粉状かつ／または粒状充填材料を充填された任意のコアードワイヤの製造に用途を有する。
【０００５】
本発明の、これらのまた他の特徴および利点は、添付図面と共に行われる本発明の種々の実施形態の以下の説明からより完全に理解されるであろう。
【０００６】
本発明の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と共に読まれると、最もよく理解することができる。図面では、同じ構造は、同じ参照数字で指示される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態による管材料およびコアードワイヤを作製するために、運転中に使用される機器生産ラインの図である。
【図２】本発明による成形ステーションの分解断面図であり、オペレータが１つのセットから他のセットへ細長片を変更することを可能にするように並んだ工具（ツーリング）の２つのセットを示す。
【図３】充填システムおよび溶接ステーションを有する本発明による別のラインの実施形態の略側面図である。
【図４Ａ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｂ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｃ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｄ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｅ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｆ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図５】たとえば、細長片給送量、細長片幅、細長片厚さ、粉体流量、および粉体密度の変動などの、種々のプロセス変化を反映することによってコアードワイヤ製造で使用される充填材料の堆積を自動的に制御する、本発明の実施形態による充填システム制御装置のブロック図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による充填システムの略正面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による充填システムの略平面図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による充填システムの略部分側面図である。
【図７Ａ】本発明の別の実施形態による充填システムの略正面断面図である。
【図７Ｂ】本発明の別の実施形態による充填システムの略側面断面図である。
【図８Ａ】本発明の別の実施形態による充填システムの略側面図である。
【図８Ｂ】本発明の別の実施形態による充填システムの略側面断面図である。
【図９】複数の充填システムを有する本発明による別のラインの実施形態の略側面図である。
【図９Ａ】図９の断面線９Ａ−９Ａに沿って切り取られ、複数の充填材料層を有するコアードワイヤの実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明による完全なターンキー式の実施形態の略平面図である。
【図１１】本発明による生産方法の実施形態のフローチャートである。
【図１２】本発明による充填材料用供給装置の実施形態の略正面図であり、ユニット面積を規定する、コンベアの側面から側面までの長さＬおよびコンベア上での位置Ｙからの幅Ｗを示す。
【図１３】本発明による充填材料用供給装置の実施形態の略側面図であり、ユニット面積を規定する、コンベアの側面から側面までの長さＬおよびコンベア上での位置Ｙからの幅Ｗを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図の要素は、簡略化と明確さのために示され、また、必ずしも、一定比例尺で描かれていないことを当業者は理解するであろう。たとえば、図の要素の一部の寸法は、他の要素に対して誇張されて、本発明の種々の実施形態の理解を高めるのに役立てることができる。
【０００９】
粉状かつ／または粒状充填材料を充填されたコアードワイヤを作製する方法および装置を対象とする本発明の実施形態の以下の説明は、本来、例示的であるに過ぎず、本発明あるいは本発明の用途または使用をいずれの点でも制限することを意図しない。
【００１０】
図１は、本発明によるワイヤ１２を作製するのに使用される装置１０を示す。一実施形態では、ワイヤ１２はコアードワイヤであり、別の実施形態では、ワイヤ１２は中空管材料である。一実施形態では、ワイヤ１２は、フラックスコアードワイヤまたは金属コアードワイヤであり、別の実施形態では、ワイヤ１２は、超伝導材料を充填される、かつ／または、超伝導体である。一実施形態では、装置１０は、１年当たり、約２，２６７，９６２ｋｇ（約５百万ポンド）の０．１１４３センチメートル（０．０４５インチ）直径の溶接ワイヤを生成する定格を持つ。
【００１１】
本発明は、種々の用途のための、小さな直径のコアードワイヤおよび小さな直径の金属管材料の生産を可能にする。溶接電極として使用するためのコアードワイヤは、軟鋼用に、また、ＨＹ８０、ＨＹ９０、ＨＹ９４、およびＨＹ１００（これらのワイヤは、所望である場合、Ｈ１と同程度に低い、非常に低い水素レベルを持って生産することができる）のような、７５ｋ〜１５０ｋの引張強度（ｐｓｉ）の高強度／低合金用に生産され得る。０．１２７センチメートル（０．０５インチ）から最大１．２７センチメートル（０．５インチ）の小さな直径の中空金属管材料は、装置１０を使用して製造され得る。
【００１２】
装置１０は、巻ほどき具（デリーラ）システム１４、細長片案内部および管成形ステーション１６、充填システム１８、複数の管縮小ステーション２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…２０ｎ、ワイヤアキュミュレータ２２、巻取りシステム２４、従来のライン制御装置２５、および充填システム制御装置２６を含む。巻ほどき具システム１４は、細長片案内部および管成形ステーション１６に対して、平坦金属細長片２８の連続した供給を行う。巻ほどき具システム１４からの巻ほどきの後に、金属細長片２８は、細長片案内部および管成形ステーション１６を通して装置１０の入口に引き込まれる。
【００１３】
細長片案内部および管成形ステーション１６は、充填材料を受け取るための溝形材を設けるために、金属細長片２８を「Ｕ」形状または改変形状に形作る（たとえば、図４Ｂを参照されたい）。このときまでに、金属細長片２８は、データを充填システム制御装置２６に提供する細長片測定装置３８によって、既に複数の寸法（少なくとも、幅、高さ、および厚さ）が測定されている。非常に正確に測定される細長片寸法は、細長片測定装置３８によって、運転中に、リアルタイムに、かつ、連続して解析される。一実施形態では、細長片測定装置３８は、たとえば、レーザおよび映像ベースの測定システムなどの非接触測定装置である。他の実施形態では、接触測定装置を使用して、細長片寸法が測定されてもよい。
【００１４】
金属細長片２８は、成形されたＵ形状シースで、細長片案内部および管成形ステーション１６を出て、成形されたＵ形状シースは、その後、充填システム１８に対して設けられた２つの材料モジュール３０ａ、３０ｂの一方を介して充填材料をいつでも受け取れる。充填材料は、連続可変に、成形されたＵ形状シース内に充填システム１８によって正確に吐出され、運転に対して所望のコア比から±２．０％未満の変動を提供する容積充填量を満たすように自動的に測定される。後の章で説明されるように、充填システム１８は、以下の製造変数、すなわち、細長片速度、充填材料流量、細長片の寸法変動、および、任意選択で、充填材料の密度を充填システム制御装置２６が補償するように動作する。
【００１５】
一実施形態では、本発明による装置１０は、ロボットローダ３２およびバーコード／ＲＦタグ読取器３４を組み込む。ロボットローダ３２は、充填システム制御装置２６からのプログラム式命令の下で動作して、適切な充填材料を含む充填材料モジュール３０ａ、３０ｂを充填システム１８に供給する。理解されるように、バーコード／ＲＦタグ読取器３４は、製品品質を保証し、人によるエラーを減らすのに役立つ。
【００１６】
装置１０は、高度なセンサおよび制御装置の使用によって、多くのセットアップ工程および運転プロセス介入を減らすことがさらに理解される。装置１０は、オペレータの介入を最小にした状態で、広い範囲の直径を生成することができる。装置１０は、ステーション１６、３６、および２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…２０ｎのそれぞれにおいて、延伸ダイインサートを確認するか、または、迅速に変更し、巻ほどき具システム１４から細長片案内部および管成形ステーション１６に正しい金属細長片２８を装填し、次に、充填材料についてのパラメータ（製品番号、および、任意選択で、運転長、コア比）を充填システム制御装置２６に入力し、次に、充填システム制御装置２６を起動するように、オペレータに要求するだけである。デフォルトによって、運転長が全く指定されない場合、装置１０は、巻ほどき具システム１４上の金属細長片２８の全コイルが使用されるまで運転することになる。
【００１７】
反復運転または巻ほどき具システム１４上に金属細長片２８の新しいコイルがある場合、オペレータは、延伸ダイインサートをチェックし、正しい細長片材料を装填した後、充填システム制御装置２６によって提供される表示リストから、製品番号だけを入力するか、または、選択してもよい。装置１０は、その後、製品番号に関連する、入力されたパラメータまたは充填システム制御装置２６のメモリ内の構成ファイル２７から読み取られたパラメータを使用して、ライン上の各ステーションに製品自体を自動的にセットする。たとえば、充填システム制御装置２６は、装置１０に隣接する、複数の異なる充填材料モジュール３０ａ、３０ｂを保持する供給ビン３１から、パラメータで識別された適切な充填材料を含む特定の充填材料モジュール３０ａ、３０ｂを充填システム１８に装填するように、ロボットローダ３２に指示し、製品番号について初期ライン運転速度を提供する。
【００１８】
従来のライン制御装置２５は、その後、製品番号についての初期ライン運転速度に達するようにステーションの速度を徐々に上げ、充填システム制御装置２６は、Ｕ形状金属細長片２８になるよう、充填システム１８によって堆積される％容積充填量を制御して、最小変動（すなわち、±２．０％未満）の所望のコア比が得られる。一実施形態では、特定の製品番号についての構成ファイル２７内のライン運転速度およびパラメータ値に対する補正が、運転中に行われ、この補正は、図１２および１３を参照して後の章でより詳細に説明される。各製品番号について、パラメータが構成ファイル２７内にセーブされるため、別の運転の場合、製品番号が、他のパラメータを入力する必要無しで選択されるだけである。
【００１９】
管閉鎖ステーション３６は、その後、充填されたＵ形状金属細長片２８をＯ形容に形作る。管縮小ステーション２０は、その後、ほぼ完成した製品を縮小する。充填システム制御装置２６は、たとえば、ライン運転速度、ワイヤ寸法、およびステーションごとのダイ直径などの、構成ファイル２７からの各製品番号についての、ライン制御装置２５用のセットアップ情報を提供し、セットアップ情報は、規定されるジョブおよび必要とされる延伸ダイの完成時の直径に応じて関わることになる、個々の管縮小ステーション２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…２０ｎの数を設定することが理解される。さらに、ステーション１６および３６はそれぞれ、統合され、かつ、調整可能な工具セット２３ａおよび２３ｂを提供する。したがって、考えられる細長片の切替え、および、各ワイヤ直径について各ステーションで要求される特定の延伸ダイを設けることを除いて、管直径の変更についての必要性が存在する。
【００２０】
たとえば、また、図２を参照すると、一対の工具２３ａ、２３ｂのセットが、本明細書で示し、説明されるように、管成形ステーション１６などの各ステーションに対して設けられる。各工具対２３ａ、２３ｂは、特定の細長片寸法の成形を可能にし、各ステーションで互いに隣接して搭載されるため、オペレータは、工具対２３ａ、２３ｂの一方を通して細長片を給送することによって、ある運転について所望の細長片寸法を迅速に選択し、各ステーションにおいて工具を切り替える必要無しで、対の他方に細長片を給送することによって、その後の運転について次の細長片寸法を迅速に選択することができる。代替の細長片給送部が図６Ｂに示される。図６Ｂおよび図６Ｃによって示される実施形態では、充填システム１８の上側部分１５は、下側部分１７に対して水平に移行し、再位置決めされるため、工具対２３ａ、２３ｂのいずれか一方を使用するときに、充填材料をＵ形状金属細長片２８内に給送するように、ベルトコンベア５４の端が適切に位置することも理解される。こうして、切替え時間は、従来の成形装置に関する平均４時間から約２０分に減る。成形および閉鎖用の工具対２３ａ、２３ｂの２つのセットによって、本発明は、また、溶接業界で使用されるワイヤ寸法の全範囲をカバーする。従来の装置を用いると、（０．０７６２センチメートル（０．０３インチ）直径から０．３１７５センチメートル（０．１２５インチ）直径の）ワイヤの同じ範囲をカバーするために工具の３つのセットが通常必要である。
【００２１】
管閉鎖ステーション３６の後で、各管縮小ステーション２０における成形ワイヤ１２の入来速度は、ワイヤが前の縮小ステーションを出るとき、正確にワイヤの出口速度まで自動的に増加する。装置１０の理想的な性能は、セットアップ中に機械オペレータによって入力されるワイヤ製品番号によってプリセットされる。各管縮小ステーション２０は、ライン制御装置２５によって設定された主要速度を有するが、ワイヤが各管縮小ステーション２０を通過するときの、実際のワイヤ応答に基づいて各管縮小ステーション２０の縮小速度を微調整するためのセンサが存在する。これらのセンサは、また、ワイヤ故障条件が検知される場合、プロセスを停止させる。
【００２２】
縮小した後、ワイヤアキュミュレータ２２および巻取りシステム２４は、ワイヤ１２を収集する。ワイヤ１２は、マスタコイル上に巻かれ、マスタコイルは、その後、熱処理炉２９において生成される（図１０）製品に適用可能である場合、熱処理される。
【００２３】
一実施形態では、図３によって示されるように、充填システム１８は、管閉鎖ステーション３６の後に設けられた連続溶接システム１９と共に動作する。この例証的な実施形態では、連続溶接システム１９を使用して、金属細長片２８の結合エッジを溶接し、それにより、ほぼ完成した製品が生産される。ラインに沿う種々の地点における細長片２８の形状は、図４Ａ〜図４Ｆによって示される。１つまたは複数の管成形ステーション１６に入る前に、細長片２８は、図４Ａに示されるように基本的に平坦であり、管成形ステーション（複数可）１６を出た後、細長片２８は、図４Ｂに示されるようにＵ字形すなわち溝形材４１を有する。充填システム１８を出た後、溝形材４１は、今や図４Ｃに示されるようにある量の充填材料４３を含む。
【００２４】
次に、管閉鎖ステーション３６によって、溝形材４１は閉じられ、それにより、溝形材４１内に充填材料４３が閉囲され、図４Ｄによって示されるように、細長片２８がワイヤ１２’として形作られることになる。一実施形態では、シームトラッキング溶接コントロール２１もまた、移動するシームに対して溶接システム１９を位置合わせするために設けられて、ワイヤ１２’のシーム４５が溶接されることを保証し、図４Ｅによって示されるように、ワイヤ１２’’内の溶接部４７がもたらされる。次に、溶接されたコア充填ワイヤ１２’’は、１つまたは複数の管縮小ステーション２０によって作業され、ついには、図４Ｆによって示されるように、コア充填ワイヤ１２’’についての所望の最終直径が生成される。たとえば、完成したワイヤ１２（図１）を生成することなどの、所望の最終直径に合わせるコア充填ワイヤ１２’’の作業は従来通りであるため、さらなる説明は行わない。
【００２５】
任意選択で、中空管材料だけが生産される場合、一実施形態では、充填システム１８は、好都合にターンオフされ（または、置き換えられ）てもよく、図３によって示されるラインは、細長片ガイダンスおよび管成形ステーション１６および連続溶接システム１９を用いて運転されることができる。一実施形態では、連続溶接システム１９は、レーザシーム溶接機である。最高６０９．６メートル／分（２０００フィート／分）の速度の生産運転が、中空管材料を生産するラインの実施形態において想定される。
【００２６】
図５を参照すると、本発明の実施形態による充填システム制御装置２６のブロック図が示される。製造プロセスの一部として、充填システム制御装置２６は、一実施形態では、いくつかのプロセス変数を測定する少なくとも４つのセンサからの連続データストリームを使用する。一実施形態では、充填システム制御装置２６は、細長片測定装置３８による細長片幅および厚さの測定値、速度センサ４０による充填システム１８の前の細長片速度、必要とされる充填容積を計算するための、充填材料測定装置４６による充填システム１８の吐出容積当たりの充填材料の量の判定値、および、エンコーダ５６による充填システム１８の充填材料調量装置５３の速度が提供される。後の章でより詳細に説明されるように、充填調量装置５３が、それぞれの吐出容積を提供する速度は、充填システム制御装置２６によって自動的に調整されて、細長片２８の溝形材４１（図４Ｂ）内に、充填材料の多数回の吐出容積（すなわち、容積バケット）またはその一部分が吐出され、それにより、充填材料の必要とされる充填容積が提供される。測定装置４６は、一実施形態では、マシン映像ベースの測定システムであり、別の実施形態は、充填システム１８に統合されたレーザおよび映像ベースの測定システムである。
【００２７】
一実施形態では、充填システム制御装置２６は、また、充填材料モジュール３０上に設けられたバーコードまたはＲＦタグ４２（図１）を読み取る読取器３４による充填材料のタイプおよび量の同定、ロボットローダ制御装置４９によるロボットローダ３２の応答、および、ライン制御装置２５によるライン運転条件および状態など他のデータも受け取る。こうしたデータは、また、充填調量装置５３からＵ形状金属細長片２８への充填材料の正確な調量を保証する。
【００２８】
別の実施形態では、力センサ４４が、縮小ステーション２０（図１）のうちの１つに設けられた工具または縮小用ダイ８４に隣接して設けられる。力センサ４４は、充填された管に加えられる縮小用力を測定する。この実施形態では、縮小用力の測定値は、ライン制御装置２５によって提供され、品質管理保証のために、充填システム制御装置２６によって既知の基準条件と比較される。品質管理測定として、許容可能な値より大きな縮小用力は、指定されたより大きな容積の充填材料に関連付けられ、許容可能な値より小さな縮小用力は、指定されたより小さな容積の充填材料に関連付けられる。
【００２９】
一実施形態では、測定された縮小用力が仕様をはずれる場合、充填システム制御装置２６は、ラインを止めるようにライン制御装置２５に指示し、何が悪いか、また、問題をどのように正すかという指示をオペレータに提供することになる。別の実施形態では、測定された縮小用力が仕様をはずれる場合、充填システム制御装置２６は、データファイル内で、充填材料充填量が低いとしてワイヤ１２のセクションにフラグを立てる。別の実施形態では、縮小用力が、所定期間の間、許容範囲をはずれる場合、充填システム制御装置２６は、ラインを止めるようにライン制御装置２５に指示し、何が悪いか、また、問題をどのように正すかという指示を再びオペレータに提供することになる。
【００３０】
任意選択で一実施形態では、管溶接センサ５０が設けられて、たとえば、超伝導材料などの充填材料を損傷しないようにある実施形態において設けられる場合、充填システム制御装置２６が溶接システム１９の溶接溶込を制御することが可能になる。さらに、任意選択で一実施形態では、力センサ５２は、充填システム１８の充填調量装置５３のコンポーネントの下に位置する。たとえば、図６Ｃに示される実施形態では、力センサ５２は、ベルトコンベア５４の下に設けられ、充填材料をＵ形状金属細長片２８内に吐出するのに使用される。図７Ａに示される実施形態では、力センサ５２は、スクリュー７０のセクションに提供される充填材料の付加分を測定し、充填材料の付加分は、その後、Ｕ形状細長片に提供され、図８Ｂに示される実施形態では、力センサ５２は、スクリュー式供給装置７１による給送量である装填量を測定する。こうした実施形態では、力センサ５２は、充填調量装置５３によって送出される充填材料の重量を測定して、細長片２８内に堆積される充填材料の正確な測定を保証する。一実施形態では、力センサ５２は、測定装置４６によって行われる測定を補い、別の実施形態では、測定装置４６と力センサ５２の一方が、他方に対するバックアップとして使用される。
【００３１】
エンコーダ５６を使用して、正確に測定された充填材料容積を充填調量装置５３によって送出するために使用されるサーボモータ５８が精密に制御される。図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃによって示される一実施形態では、充填調量装置５３は、ベルトコンベア５４を含み、サーボモータ５８は、ベルトコンベア５４を駆動して、ベルトコンベア５４の端に位置するＵ形状金属細長片２８に充填材料が送出される。図７Ａおよび図７Ｂによって示される別の実施形態では、充填調量装置５３は、スクリュー７０を含み、スクリュー７０は、サーボモータ５８によって駆動されて、スクリュー７０の下に配置されるＵ形状金属細長片２８に充填材料が送出される。図８Ａおよび図８Ｂによって示されるさらに別の実施形態では、充填調量装置５３は、スクリュー式供給装置７１を含み、スクリュー式供給装置７１は、サーボモータ５８によって駆動されて、Ｕ形状金属細長片２８に充填材料が送出される。
【００３２】
動作時、細長片測定装置３８による細長片２８の測定値が、基準より小さい場合、充填システム制御装置２６は、調量装置５３による細長片２８への充填材料容積の送出速度を落とすようサーボモータ５８に命令することになる。同様に、細長片２８の測定値が、基準より大きい場合、充填システム制御装置２６は、調量装置５３のサーボモータ５８の速度を上げることによって細長片２８への充填材料容積の送出を増やすことになる。一実施形態では、測定装置４６は、調量装置５３によって細長片２８に提供されることができる充填材料容積に関するデータを充填システム制御装置２６に提供する。別の実施形態では、測定装置４６および力センサ５２は、調量装置５３によって細長片２８に送出されることができる、それぞれ、充填材料の容積および密度に関するデータを充填システム制御装置２６に提供する。一実施形態では、測定装置４６は、１秒当たり有意な回数だけ、調量装置５３によって提供される充填材料の量を測定する。
【００３３】
再び図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃを参照すると、充填システム１８の一実施形態が示される。この例証的な実施形態では、サーボモータ５８は、ベルトコンベア５４の速度を制御する。充填材料ホッパ６４の一定高さのポート６２は、充填材料モジュール３０ａ、３０ｂ（図１）の開いた一方から一定量の充填材料をベルトコンベア５４上に送出する。選択モジュール６３は、ホッパ６４の上に着座し、一対の座部６５であって、一対の座部６５の上に充填材料モジュール３０ａ、３０ｂをそれぞれ支持するための、一対の座部６５を設ける。座部６５はそれぞれ、各充填材料モジュール３０ａ、３０ｂの端の開閉部（図示せず）を開口するアクチュエータ６７を有する。各アクチュエータ６７は、充填システム制御装置２６によって独立に制御され、作動されると、充填材料が、着座しかつ開口したモジュールからホッパ６４内に吐出される。一実施形態では、ロボットローダ３２（図１）は、モジュール（複数可）３０ａおよび／または３０ｂ（すなわち、満杯の充填材料モジュールと空の充填材料モジュール）を、座部６５へ／から、および、供給ビン３１へ／から、送出する／取り去る。一実施形態では、充填材料モジュール３０ａおよび３０ｂは、細長い管であり、他の実施形態では、測定された量の充填材料をホッパ６４に送出するのに適した任意の幾何学的形状であってよい。ホッパ６４は、また、例証的な実施形態では、狭くなる内部幅６６によってベルトコンベア５４上への充填材料の送出を制御する。
【００３４】
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の別の実施形態による充填システム１８の、それぞれ、略正面断面図と略側面断面図である。この装置は、サーボモータ５８によって駆動されるスクリュー７０を使用する。スクリュー７０は、プロセスが停止すると、充填材料を放出しないプロファイルを有する。スクリュー７０は、力センサ５２上にセットされ、力センサ５２は、スクリュー７０上の充填材料の重量を測定する。レベルセンサ７６は、ホッパ６４内の充填材料の高さを測定する。力センサ５２およびレベルセンサ７６からのデータならびに細長片測定装置３８（図５）からの細長片２８に対応するデータは、充填システム制御装置２６を通して処理され、サーボモータ５８に対する制御信号を生成する。充填システム制御装置２６は、サーボモータ５８を制御して、コアードワイヤ１２の生産を仕様内に保持するために必要である充填材料を、重さによる量で送出する。サーボモータ５８の速度は、エンコーダ５６によって正確に測定され、エンコーダ５６は、充填システム制御装置２６にフィードバックを提供し、充填システム制御装置２６は、力センサ５２およびレベルセンサ７６からの連続データと共にそのフィードバックも使用して、Ｕ形状金属細長片２８のそれぞれの測定された区分について充填材料が、重さによる正確な量で送出されることを保証する。
【００３５】
任意選択で、図７Ａに示される実施形態では、映像カメラ８０を使用して、Ｕ形状金属細長片２８を調査し、それにより、スクリュー７０によって提供される充填材料の高さが許容範囲内にあるかどうかが判定される。検出された充填材料高さに関して充填システム制御装置２６によって実施される傾向決定を使用して、提供された充填材料の量が、許容範囲上限をはずれるか、下限をはずれるかが判定されることができる。こうした傾向決定状態が起こると、充填システム制御装置２６は、傾向を逆にし、プロセスを許容範囲内に維持するために、スクリュー７０の回転速度を調整することによって充填材料の送出を調整することができる。
【００３６】
図８Ａおよび図８Ｂは、図７Ａおよび図７Ｂのスクリューの実施形態に対する代替の実施形態を示す。この実施形態では、スクリュー式供給装置７１は、スクリュー７０と類似の方法で動作し、制御される。スクリュー式供給装置７１は、スクリュー式供給装置７１に運ばれる充填材料の重量を測定する力センサ５２上にセットされる。レベルセンサ７６は、ホッパ６４内の粉体の高さを測定する。力センサ５２およびレベルセンサ７６からのデータは、充填システム制御装置２６を通して処理され、サーボモータ５８に対する制御信号を生成する。充填システム制御装置２６は、サーボモータ５８を制御して、コアードワイヤ１２の生産を仕様内に保持するために必要である充填材料を、重量による量で送出する。サーボモータ５８の速度は、エンコーダ５６によって正確に測定され、エンコーダ５６は、充填システム制御装置２６にフィードバックを提供し、充填システム制御装置は、力センサ５２およびレベルセンサ７６からの連続データと共に、そのフィードバックも使用して、Ｕ形状金属細長片２８のそれぞれの測定された区分について充填材料が、重さによる正確な量で送出されることを保証する。任意選択で、傾向決定データは、図７Ａおよび図７Ｂによって示される実施形態に関して説明されるように使用されてもよい。
【００３７】
図９は、複数の充填システム１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを有する、本発明による別のラインの実施形態を示す略側面図である。複数の充填システム１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、超伝導体の製造などのために、Ｕ形状金属細長片２８内へのいくつかの粉体の層状の給送を可能にする。図９Ａは、図９の断面線９Ａ−９Ａに沿って切り取られた断面図であり、ラインによって生産され、複数の充填材料層４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを有するコアードワイヤ１３の実施形態を示す。
【００３８】
図１０は、本発明による完全なターンキー式の（ただちに可動可能な）実施形態９９の略平面図である。ターンキーの実施形態は、一対の装置１０、２重制御式熱処理炉２９、２重ワイヤパッケージング装置３３、および任意選択のコイル保管ユニット３５を備える。冷却後に、製品は、顧客または業界標準に合うように、ワイヤパッケージング装置３３によって小さなコイル上に巻き直される。
【００３９】
本発明によれば、熱処理炉２９は、均一な加熱を提供し、高圧超乾燥混合ガスの制御された雰囲気を備える。熱処理炉２９内のこの制御された雰囲気は、緑青を生成し、緑青は、錆を低減させ、また、溶接プロセスで使用されるときに、コア充填式ワイヤの電流ピックアップを改善する。一実施形態では、制御された熱処理を容易にする充填システム制御装置２６は、熱処理炉２９を制御する。一実施形態では、制御された熱処理は、最高約摂氏２０４．４４°（華氏４００°）のバーンオフ（焼き払い）を実施することを含む。次に、空気ならびに窒素および／または他の不活性ガスなどの少なくとも１つのガスの超乾燥加熱混合物を含む、大気圧を超える制御された雰囲気のある流量が、最高約摂氏３２９．４４°（約華氏６２５°）の炉内に導入される。一実施形態では、不活性ガスは、混合物の３０〜４０％である。混合前の空気は、水分含有量を２５％未満まで減少させるために冷却される。この熱サイクル中に、雰囲気の２５％が、熱処理炉２９に戻るよう循環する。
【００４０】
次に、ワイヤは、制御された環境で冷却され、約摂氏５１．６７°（華氏１２５°）に達すると、冷却空間に移される（remove）。制御された熱処理は、保管寿命を増すために、ワイヤ表面上に非常に密で低多孔性の平滑な酸化物を生成する。酸化物表面は、ワイヤが非常に薄く密な酸化物を有し、また、清浄であるため、ワイヤを溶接アークに給送するのに非常に望ましく、したがって、材料を先端へもたらさず、それにより、よりコンシステントなアークが提供され、アークフラッタおよび停止がなくなることも発見された。上述の炉処理により一実施形態ではＨ１と同程度に低い、非常に低い溶接金属水素レベルを作り出すことが可能となる。
【００４１】
使用時、図１１によって示される本発明の方法に従って以下のプロセスが実施される。図１、図５、および図１０もまた参照される。以降で識別されるプロセスは、必ずしも、提示される順序で、または、さらに順次に実施される必要はなく、例証および説明のために提供されるだけであることが理解される。工程１００にて、オペレータは、運転される製品番号、および、任意選択で、所望される総ワイヤ長を（充填システム制御装置２６によって）入力する。充填システム制御装置２６は、工程１０５にて、構成ファイル２７から製品番号に対応するデータを読み取ることによって、以下の変数を自動的にセットするか、または、オペレータに提供する。以下の変数とは、充填材料、コア比、許容範囲％（すなわち、所望のコア比の範囲）、アクティブな延伸ステーションの数、工具アイデンティティ（ステーションごとのワイヤ直径）、入来する細長片速度に基づく運転速度（図５に示されるように、ライン制御装置２５によって設定され、速度センサ７３によって監視される）、および入来する細長片寸法（幅×厚さ）である。必要とされる延伸ダイ、圧延機スタンド設定、またはインストールされる他の特別なセットアップ手段を含む、オペレータに対するいずれの特別な命令も、充填システム制御装置２６によってモニタ（図示せず）上に表示される。
【００４２】
次に、工程１１０にて、オペレータまたはロボットローダ３２は、正しい充填材料カートリッジを装填する（図１）。装填されると、工程１２０にて、充填材料モジュール３０上のバーコードまたは無線周波数（ＲＦ）タグ４２が、読取器３４によって読み取られて、装填された充填材料および充填材料のバルク密度が充填システム制御装置２６に対して確認される。安全機構として、充填材料モジュール３０上のバーコードまたは無線周波数（ＲＦ）タグ４２が、充填システム制御装置２６の構成ファイル２７内の指定された充填材料に一致しない場合、装置１０は運転しないことになる。次に、工程１３０にて、オペレータは、充填システム制御装置２６によって指定されるように、管閉鎖ステーション３６および管縮小ステーション２０内の工具ダイを確認するか、または、工具ダイを手作業で変更する。オプションの電子識別情報が、各工具ダイ上に設けられることができ、充填システム制御装置２６によって読み取られる。こうした電子識別情報が設けられる場合、工程１４０にて、間違ったダイ直径が使用されるか、または、管縮小ステーション２０によるミスマッチが存在する場合、装置１０は、同様に、運転しないことになり、適切なエラーメッセージが、充填システム制御装置２６によってオペレータに提供されることになる。そうでなければ、こうした識別情報が設けられない場合、工程１４０は省略される。
【００４３】
オペレータは、その後、工程１５０にて、細長片案内部および管成形ステーション１６内に細長片２８を給送する。工程１６０にて、充填システム制御装置２６は、細長片測定装置３８を使用して細長片材料の測定を行うことによって、装填された金属細長片２８（図５）が補正されていることを確認する。任意選択で、工程１６０にて、細長片材料リール上のバーコードまたはＲＦタグが、充填システム制御装置２６によって読み取られて、正しい／正しくない細長片材料が装填されたことを、同様に、確認することができる。確認されると、充填システム制御装置２６は、オペレータに準備完了指示を提供する。オペレータは、その後、工程１７０にて、充填システム１８、管閉鎖ステーション３６を通して金属細長片２８を給送し、その後、ワイヤとして、装置１０の全ての残りの縮小ステーションを通して、ワイヤを巻取りステーション２４（図１）に接続させる。オペレータは、その後、工程１８０にて、連続生産運転のために装置１０を起動させる。装置１０は、速度センサ７３によって指示される特定の入来する細長片速度まで加速されることになり、その後、生産運転のために定常状態を保持することになる。装置１０の生産運転は、ワイヤ寸法に応じて、９１４．４メートル／分（３０００フィート／分）を超える速度で想定される。
【００４４】
工程１９０にて、充填システム制御装置２６およびライン制御装置２５は、充填システム１８およびラインの性能をそれぞれ監視し、必要であるとき、自己調整する。たとえば、また、後の章でより詳細に説明されるように、充填システム制御装置２６は、細長片寸法を監視し、細長片の溝形材に送出される充填材料の量を自動的に調整して、指定されたコア比を達成する。同様に、生産運転中に、充填システム制御装置２６は、充填システム１８を充填材料で一杯に維持することを充填材料モジュール３０ａ、３０ｂ（図１）に伝えるように、ロボットローダ３２に指示することになる。さらに、充填システム制御装置２６は、構成ファイル２７において、運転番号識別子と共に、製品番号についてのデータを更新して、検出される運転条件をよりよく反映することになる。この意味で、充填システム制御装置２６は、検出されたパラメータを使用して、構成ファイル２７内に元々設けられたパラメータを改善し、改善されたパラメータが、製品番号の次の運転について使用されることができることが理解される。工程２００にて、充填システム制御装置２６は、停止条件が存在するかどうかを目視で調べる。こうした停止条件は、たとえば、入力された運転長についての生産運転の終了、巻ほどき具システム１４上の細長片材料が空になること、コア比がコア比範囲をはずれること、充填材料の供給が枯渇すること、縮小用力が仕様をはずれること、および装置１０内でのワイヤ破断または詰まりを含む。先に述べたように、充填システム制御装置２６は、停止条件が存在する場合、ラインを止めるようにライン制御装置２５に指示し、何かが悪い場合、何が悪いか、また、問題をどのように正すかという指示をオペレータに提供することになる。この工程では、オペレータは、また、読みを見直し、装置１０の動作を観察し、必要である場合、介入すると共に、充填システム制御装置２６からの視覚および可聴コマンドを監視する。
【００４５】
生産運転の終了時、または、巻取りリールが一杯になったとき、オペレータは、その後、工程２１０にて、一杯のリールを巻取りシステム２４（図１）から取り外し、新しい空のリールを設置する。一杯のリールは、保管ユニット３５（図１０）などの一時的なキューイングステーション内に設置され、熱処理装置への搬送を待つ。一杯のリールは、工程２２０にて、独特の温度サイクルおよび高圧と高温下の超乾燥混合ガスを有する熱処理炉２９内に進む。
【００４６】
計画された熱処理プロセスが終了した後、複数のリールが、熱処理炉２９から出て、冷却キューを通ってワイヤパッケージング装置３３上に進む。コアードワイヤは、この時点で、室温または相対湿度に対して比較的敏感でない。工程２３０にて、ワイヤは、リールからはずされ、顧客ニーズに基づいて種々のパッケージ寸法および構成をとり、顧客要件ごとにパッケージングされる。ある量の充填材料をＵ形状金属細長片２８内に正確に供給して、改善されたコア比範囲内に生産されたコア充填式ワイヤがあることを保証する本発明の方法に関する詳細な説明は以下の通りである。
【００４７】
上述したように、巻ほどき具システム１４からの巻ほどきの後に、金属細長片２８は、細長片案内部および管成形ステーション１６内に引き込まれる。金属細長片２８は、たとえば、図４Ｂによって示されるように、充填材料を受け取るために上に開口した「Ｕ」形状または改変形状の溝形材（通路、チャネル）を持って、細長片案内部および管成形ステーション１６を出る。このときまでに、同様に先に述べたように、金属細長片２８は、データを充填システム制御装置２６に提供する細長片測定装置３８によって、複数の寸法が測定されている。こうして、たとえば、図１２によって示される細長片区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎなどの、規定された細長片区分についての非常に正確な細長片寸法は、リアルタイムに、かつ、連続して決定される。
【００４８】
一実施形態では、各細長片区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎについての細長片寸法を使用して、各細長片区分の重量が求められる（solve for）。各区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎの重量は、細長片測定装置３８からの測定された複数の寸法によって決定された各区分の容積と、細長片２８の単位密度を乗じることによって、充填システム制御装置２６によって簡単に計算される。以降で説明されるように、その後、各細長片区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎの重量が、充填システム制御装置２６によって使用されて、溝形材内に堆積される材料の量が正しく調整され、それにより、各細長片区分が所望のコア比範囲内にあることが保証される。一実施形態では、所望のコア比（すなわち、コア比範囲）からの変動は、約±２％未満であり、用途、ワイヤ直径、およびコア組成に応じて、最低約±０．５％まで調整可能である。
【００４９】
上述したように、コア比は、充填材料（複数可）の重量を（充填材料のコアを含む）ワイヤの総重量で割った値であり、パーセンテージを与えるために１００が乗じられる。たとえば、コアードワイヤを生産する場合、金属細長片２８について入手可能な標準的な冷間圧延細長片寸法は、０．０６０９６センチメートル（０．０２４インチ）×１．２７センチメートル（０．５００インチ）であり、出荷コイル長当たりの公称寸法（たとえば、１コイル当たり１フィートのワイヤ）から、厚さにおいて±０．０１５２４センチメートル（０．００６インチ）の典型的な変動、および、幅において±０．０１２７センチメートル（０．００５インチ）の典型的な変動を持って、製鋼業者から供給される。公称細長片寸法（たとえば、０．０６０９６センチメートル（０．０２４インチ）×１．２７センチメートル（０．５００インチ））だけを使用して生産運転のためにセットアップすると、運転を通じての細長片寸法のこうした変動は、高い側の細長片変動（すなわち、０．０７６２センチメートル（０．０３０インチ）×１．２８３センチメートル（０．５０５インチ））から低い側の細長片変動（すなわち、０．０６０９６センチメートル（０．０２４インチ）×１．２５７センチメートル（０．４９５インチ））まで、１７％コア比仕様を維持するのに必要とされる粉体量において約２３％の変化をもたらす可能性があることを、本発明者等は発見した。こうした理由で、従来技術の方法は、細長片寸法の変動を考慮しないため、せいぜい、最高約７６．２メートル／分（約２５０フィート／分）の材料充填レートの運転速度を達成することができるだけであり、その運転速度を超えると、所望のコア比の変動は±２％を超え、所望のコア比の境界を定めるコア比範囲からはずれる。しかし、本発明は、細長片寸法を連続して測定して、各細長片区分について溝形材内に堆積される材料の量を正確にかつ自動的に調整することによって、１７％の所望のコア比の±０．５％コア比範囲を維持しながら、最高２２８．６メートル／分（７５０フィート／分）の運転速度を実験的に達成した。
【００５０】
各細長片区分について溝形材内に堆積される材料の量を正確に調整するために、一実施形態では、吐出される材料の単位面積当たりの重量が、システムによって測定される。一実施形態では、単位面積は、図１２および図１３によって示されるように、ベルトコンベア５４の側面から側面までの長さＬとコンベア上の位置Ｙからの幅Ｗによって規定される。一実施形態では、単位面積は、充填材料測定装置４６の撮像エリアに相当する。別の実施形態では、単位面積は、力センサ５２の重さ付加エリアに相当する（たとえば、図６Ｃを参照されたい）。
【００５１】
調量装置５３が、ベルトコンベア５４を使用して、充填材料４３を搬送し、吐出するレーザ映像システムの実施形態では、ベルトコンベア５４上で搬送中の、単位面積（Ｌ×Ｗ）当たりの充填材料の重量は、材料の容積（Ｌ×Ｗ×Ｈ）を測定し、測定された容積と、充填材料モジュール３０ａ、３０ｂ（図１）上の設けられたバーコードまたはＲＦタグ４２によって指定された材料のバルク密度（単位面積あたりの重量）を乗じることによって容易に決定される。単位面積（Ｌ×Ｗ）における材料の高さＨは、充填材料測定装置４６のレーザ７７および撮像装置７９によって、ベルトコンベア５４上で搬送中の位置Ｙにおいて材料の画像８３を撮影することによって決定される。画像８３は、搬送平面に対して低い入射角で提供されるため、完全な高さプロファイルＨを有する充填材料４３の断面積がピクセルで与えられる。充填システム制御装置２６は、その後、画像８３のデータ信号を使用して、移動するベルトコンベア５４の、従来の画像処理を用いて識別されたセクション（すなわち、Ｌ×Ｗ）上に含まれる充填材料の容積を決定する。
【００５２】
一実施形態では、充填システム制御装置２６は、その後、細長片測定装置３８によって提供される細長片区分の容積を使用し、細長片区分の容積を、単位面積当たりの重量で乗じて、区分、たとえば、Ｓａの重量が決定される。その後、区分Ｓａの重量の逆数が、１−ｘ（ｘは、所望のコア比の数値（たとえば、１７％、ｘ＝０．１７））で乗じられて、細長片区分Ｓａと充填材料の総重量が与えられる。細長片区分Ｓａと充填材料の総重量は、その後、コア比で乗じられて、ベルトコンベア５４によって細長片区分Ｓａに送出されるのに必要とされる充填材料の重量が与えられる。
【００５３】
ベルトコンベア５４から適切な量の充填材料４３を送出するために、充填システム制御装置２６は、その後、速度センサ４０によって提供される区分Ｓａの速度を取得し、区分Ｓａの速度を、ベルトコンベア５４によって送出されるのに必要とされる充填材料の重量で乗じて、区分Ｓａについて必要とされる単位時間当たりの充填材料の重量が見出される。上記のように決定された単位時間当たりの充填材料の重量は、その後、ベルトコンベア５４上で搬送中の材料の単位面積（Ｌ×Ｗ）当たりの充填材料の重量で割られて、細長片区分Ａに送出されるのに必要とされるベルト上の充填材料の幅（Ｗ）が見出される。充填システム制御装置２６は、その後、ベルトコンベア５４がその周りを回転する駆動ホイール８１の円周を単位時間当たりの充填材料の重量で割って、ベルトコンベア５４上で搬送中の、今や精密に測定された充填材料４３の必要とされる量を細長片区分Ｓａに送出するために、駆動ホイール８１がベルトコンベア５４を駆動する必要がある１分当たりの回転数（ＲＰＭ）が見出される。充填システム制御装置２６は、その後、決定されたＲＰＭを取得し、ＲＰＭをサーボモータ５８（図６Ｃ）のギア減速比で乗じて、必要とされるモータＲＰＭが得られる。
【００５４】
充填システム制御装置２６は、その後、ワイヤ区分Ｓａの始めの位置および速度、位置Ｙからコンベアの端までの既知の距離、すなわち、距離Ｃｘ、およびエンコーダ５６（図５）によるベルトコンベア５４の現在速度を使用して、必要とされるモータＲＰＭに合うように、サーボモータ５８の速度調整を行うべきタイミングを計算し、それにより、区分Ｓａの溝形材内に堆積される充填材料４３の量が、±２％未満で、また、最低約±０．５％の変動を有するコア比を満たすことを保証する。こうした計算および速度調整は、それぞれの後続の細長片区分、たとえば、Ｓｂ、…Ｓｎについての運転中に連続して実施される。充填システム制御装置２６は、一実施形態では、それぞれの運転において各区分について吐出された材料の量の記録を提供し、その記録を使用して、生産されたコアードワイヤの品質が所望のコア比仕様を満たしていることを裏付けることができることが理解される。
【００５５】
スクリュー７０またはスクリュー式供給装置７１と力センサ５２を使用する実施形態（たとえば、図７Ｂおよび図８Ｂ）などの別の実施形態では、充填システム制御装置２６は、上述したように計算された、調量装置５３によって細長片区分Ｓａに送出されるのに必要とされる充填材料の重量を、スクリュー７０またはスクリュー式供給装置７１の既知の容積内の充填材料の重量で割る。スクリュー７０またはスクリュー式供給装置７１の既知の容積当たりの充填材料の重量は、調量装置５３から細長片２８の溝形材内に送出される量または容積バケットを表すことが理解される。したがって、充填システム制御装置２６の割り算は、充填材料のどれだけ多くの容積バケットｎＢ（ｎ＝１〜ｘ）が、区分Ｓａに送出される必要があるかを決定する。前と同様に、充填システム制御装置２６は、その後、ワイヤ区分Ｓａの位置および速度ならびにサーボモータの必要とされる速度調整を使用して、その数の容積バケットｎＢを吐出するためのタイミングを決定し、それにより、区分Ｓａの溝形材内に堆積される充填材料４３の量（すなわち、その数の容積バケットｎＢ）は、±２％未満で、また、最低約±０．５％の変動まで調整可能なコア比を満たすことが保証される。
【００５６】
制限はしないが、上述された本発明は、以下の特徴および利点を有することに留意されたい。原子重量および速度によらず、外側シース内に流れる充填材料の質量容積を制御することは、高速での製品の生産を可能にし、製品は、「業界で最もよく（industry best）」受入れられる品質標準より優れる。自動化および制御装置は、機械オペレータによる介入を最小にした状態で、最高品質の完成ワイヤを保証する、完全な検知および応答制御を有する。さらに、自動化された充填システム１８による、ワイヤの各コイル長にわたる、より精密でかつ一貫性のある充填は、１５０メッシュから最低４００メッシュの非常に微細な粉体の使用および調合により最高約４０％の４００メッシュ充填材料のバランスを有する均質混合物を作ることを可能にする。こうして、この調合は、広い範囲の原子重量についてのマトリクス材料分離をなくす。結合した粉体が、分離がほとんど無いか、または、全く無い状態で流れる最終的なコンシステンシ（密度、粘稠度、軟度）を有するため、製品は、よりコンシンテントな溶接化学物質および機械的特性を有する。本発明の精密なワイヤ縮小および速度制御は、また、ワイヤ捩れを減少させ、１つの半径方向位置に外側シースのワイヤシームを維持し、それにより、アーク先端へのワイヤのよりよい給送が改善されて、ワンダリングするアーク、パルス状アーク、および、これらの問題に伴う修理またはダウンタイムが最小になる。さらに、微細粉体（すなわち、４００メッシュ）を使用することが、粉体コストを最大２０％低減する。
【００５７】
本発明によれば、一実施形態では、所望の充填比から±０．５％の変動を有する、約０．０７６２センチメートル（約０．０３インチ）から約０．６３５センチメートル（約０．２５インチ）の最終直径の範囲の非常に小さなコアードワイヤを提供することができる。
【００５８】
別の実施形態では、本発明は、最高１８２．９メートル／分（６００フィート／分）の細長片給送速度で、所望のコア比から±．０５％の変動の粉体制御を維持し、それにより、１時間当たり６８０．４キログラム（１５００ポンド）を超えるワイヤ生産が可能になる。
【００５９】
別の実施形態では、本発明は、成形された管が、０．６３５センチメートル（０．２５０インチ）より小さい最終直径で溶接できる改善された速度を提供する。一実施形態では、本発明は、９１．４４メートル／分（３００フィート／分）を超える速度で溶接することができる高速レーザを使用し、従来の管成形装置に比べて小さな管の生産の約３０％の増加をもたらす。
【００６０】
本発明の先の説明は、例証と説明のために提示された。網羅的であるか、または，開示された厳密な形態に本発明を制限することは意図されず、他の変更および変形が、先の教示に照らして可能であってよい。開示される上記実施形態は、本発明の原理およびその実用的な応用を説明し、それにより、当業者が本発明を最もよく利用することを可能にするために、選択され、説明された。添付特許請求の範囲は、従来技術によって制限される以外は、本発明の他の代替の実施形態を含むと考えられることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管製造に関し、特に、粉状かつ／または粒状充填材料を充填されたコアードワイヤ（芯付きワイヤ）を作製する改良された方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の装置および方法は、生産プロセスに対する制御がほとんどまたは全く無い状態で、管材料および粉体充填管材料を製造する。例として、溶接における電極として使用されるコアードワイヤは、低炭素、軟鋼のシース、ならびに、脱酸素剤、スラグフォーマ、アーク安定化器、および合金材料を含んでもよい粉体の充填材料を有する連続する管状電極ワイヤである。コアードワイヤを生成するのに使用される基本プロセスは、長期間にわたってそれほど変っていない。たとえば、フラックスコアードワイヤは、第１の成形ダイのセットを使用して、連続給送される金属細長片をＵ形状に形作ることによって作製される。Ｕ形状金属細長片の底部は、その後、充填材料で充填される。次に、別の成形ダイのセットが、充填されたＵ形状金属細長片をＯ形状管に形作り、それにより、金属細長片の接するエッジが、押し付けられて、開口が密閉される。その後、さらなる成形ダイが、Ｏ形状管の直径を所望の直径のワイヤに縮小する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
細長片と充填材料は共に、詳細な仕様に適合させるために、製造業者によって、たとえそうされたとしてもうまく監視されないが、あるとすれば少数のコアードワイヤ製造業者が、所望のコア比から±２％以内の変動を達成することができる。コア比は、充填材料の重量を、充填材料のコアを含むワイヤの総重量で割ったパーセンテージとして測定される。現在、所望のコア比から±１％以内の変動を達成する高品質コアードワイヤについての必要性が存在する。許容範囲外のコア比（たとえば、一部の用途では、所望のコア比から±１．５％より大きな変動）は、フラックスコアードワイヤによって行われる溶接の再加工の主要な要因になることが多い。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
たとえば、細長片給送量、細長片幅、細長片厚さ、充填材料の流量、および、実施形態によっては、充填材料の密度の変動などの、種々のプロセス変化を反映することによって、コアードワイヤ製造で使用される充填材料の堆積を自動的に制御する、管材料および粉体充填管材料を作製するのに使用される機器を、本発明が提供することは、上記背景技術と対照的である。こうした自動監視および制御は、検出された細長片測定値と検出された充填材料容積を使用して、高品質の（たとえば、所望のコア比から約±０．５％変動の）管状溶接ワイヤを生成する。本発明は、改善された仕様および材料変動許容範囲に合わせた、コアードワイヤ、超伝導体、クラッディングワイヤ、および、粉状かつ／または粒状充填材料を充填された任意のコアードワイヤの製造に用途を有する。
【０００５】
本発明の、これらのまた他の特徴および利点は、添付図面と共に行われる本発明の種々の実施形態の以下の説明からより完全に理解されるであろう。
【０００６】
本発明の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と共に読まれると、最もよく理解することができる。図面では、同じ構造は、同じ参照数字で指示される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態による管材料およびコアードワイヤを作製するために、運転中に使用される機器生産ラインの図である。
【図２】本発明による成形ステーションの分解断面図であり、オペレータが１つのセットから他のセットへ細長片を変更することを可能にするように並んだ工具（ツーリング）の２つのセットを示す。
【図３】充填システムおよび溶接ステーションを有する本発明による別のラインの実施形態の略側面図である。
【図４Ａ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｂ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｃ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｄ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｅ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図４Ｆ】図３のラインに沿った種々の地点のうちの１つの地点における細長片の形状の略図である。
【図５】たとえば、細長片給送量、細長片幅、細長片厚さ、粉体流量、および粉体密度の変動などの、種々のプロセス変化を反映することによってコアードワイヤ製造で使用される充填材料の堆積を自動的に制御する、本発明の実施形態による充填システム制御装置のブロック図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による充填システムの略正面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による充填システムの略平面図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による充填システムの略部分側面図である。
【図７Ａ】本発明の別の実施形態による充填システムの略正面断面図である。
【図７Ｂ】本発明の別の実施形態による充填システムの略側面断面図である。
【図８Ａ】本発明の別の実施形態による充填システムの略側面図である。
【図８Ｂ】本発明の別の実施形態による充填システムの略側面断面図である。
【図９】複数の充填システムを有する本発明による別のラインの実施形態の略側面図である。
【図９Ａ】図９の断面線９Ａ−９Ａに沿って切り取られ、複数の充填材料層を有するコアードワイヤの実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明による完全なターンキー式の実施形態の略平面図である。
【図１１】本発明による生産方法の実施形態のフローチャートである。
【図１２】本発明による充填材料用供給装置の実施形態の略正面図であり、ユニット面積を規定する、コンベアの側面から側面までの長さＬおよびコンベア上での位置Ｙからの幅Ｗを示す。
【図１３】本発明による充填材料用供給装置の実施形態の略側面図であり、ユニット面積を規定する、コンベアの側面から側面までの長さＬおよびコンベア上での位置Ｙからの幅Ｗを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図の要素は、簡略化と明確さのために示され、また、必ずしも、一定比例尺で描かれていないことを当業者は理解するであろう。たとえば、図の要素の一部の寸法は、他の要素に対して誇張されて、本発明の種々の実施形態の理解を高めるのに役立てることができる。
【０００９】
粉状かつ／または粒状充填材料を充填されたコアードワイヤを作製する方法および装置を対象とする本発明の実施形態の以下の説明は、本来、例示的であるに過ぎず、本発明あるいは本発明の用途または使用をいずれの点でも制限することを意図しない。
【００１０】
図１は、本発明によるワイヤ１２を作製するのに使用される装置１０を示す。一実施形態では、ワイヤ１２はコアードワイヤであり、別の実施形態では、ワイヤ１２は中空管材料である。一実施形態では、ワイヤ１２は、フラックスコアードワイヤまたは金属コアードワイヤであり、別の実施形態では、ワイヤ１２は、超伝導材料を充填される、かつ／または、超伝導体である。一実施形態では、装置１０は、１年当たり、約２，２６７，９６２ｋｇ（約５百万ポンド）の０．１１４３センチメートル（０．０４５インチ）直径の溶接ワイヤを生成する定格を持つ。
【００１１】
本発明は、種々の用途のための、小さな直径のコアードワイヤおよび小さな直径の金属管材料の生産を可能にする。溶接電極として使用するためのコアードワイヤは、軟鋼用に、また、ＨＹ８０、ＨＹ９０、ＨＹ９４、およびＨＹ１００（これらのワイヤは、所望である場合、Ｈ１と同程度に低い、非常に低い水素レベルを持って生産することができる）のような、７５ｋ〜１５０ｋの引張強度（ｐｓｉ）の高強度／低合金用に生産され得る。０．１２７センチメートル（０．０５インチ）から最大１．２７センチメートル（０．５インチ）の小さな直径の中空金属管材料は、装置１０を使用して製造され得る。
【００１２】
装置１０は、巻ほどき具（デリーラ）システム１４、細長片案内部および管成形ステーション１６、充填システム１８、複数の管縮小ステーション２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…２０ｎ、ワイヤアキュミュレータ２２、巻取りシステム２４、従来のライン制御装置２５、および充填システム制御装置２６を含む。巻ほどき具システム１４は、細長片案内部および管成形ステーション１６に対して、平坦金属細長片２８の連続した供給を行う。巻ほどき具システム１４からの巻ほどきの後に、金属細長片２８は、細長片案内部および管成形ステーション１６を通して装置１０の入口に引き込まれる。
【００１３】
細長片案内部および管成形ステーション１６は、充填材料を受け取るための溝形材を設けるために、金属細長片２８を「Ｕ」形状または改変形状に形作る（たとえば、図４Ｂを参照されたい）。このときまでに、金属細長片２８は、データを充填システム制御装置２６に提供する細長片測定装置３８によって、既に複数の寸法（少なくとも、幅、高さ、および厚さ）が測定されている。非常に正確に測定される細長片寸法は、細長片測定装置３８によって、運転中に、リアルタイムに、かつ、連続して解析される。一実施形態では、細長片測定装置３８は、たとえば、レーザおよび映像ベースの測定システムなどの非接触測定装置である。他の実施形態では、接触測定装置を使用して、細長片寸法が測定されてもよい。
【００１４】
金属細長片２８は、成形されたＵ形状シースで、細長片案内部および管成形ステーション１６を出て、成形されたＵ形状シースは、その後、充填システム１８に対して設けられた２つの材料モジュール３０ａ、３０ｂの一方を介して充填材料をいつでも受け取れる。充填材料は、連続可変に、成形されたＵ形状シース内に充填システム１８によって正確に吐出され、運転に対して所望のコア比から±２．０％未満の変動を提供する容積充填量を満たすように自動的に測定される。後の章で説明されるように、充填システム１８は、以下の製造変数、すなわち、細長片速度、充填材料流量、細長片の寸法変動、および、任意選択で、充填材料の密度を充填システム制御装置２６が補償するように動作する。
【００１５】
一実施形態では、本発明による装置１０は、ロボットローダ３２およびバーコード／ＲＦタグ読取器３４を組み込む。ロボットローダ３２は、充填システム制御装置２６からのプログラム式命令の下で動作して、適切な充填材料を含む充填材料モジュール３０ａ、３０ｂを充填システム１８に供給する。理解されるように、バーコード／ＲＦタグ読取器３４は、製品品質を保証し、人によるエラーを減らすのに役立つ。
【００１６】
装置１０は、高度なセンサおよび制御装置の使用によって、多くのセットアップ工程および運転プロセス介入を減らすことがさらに理解される。装置１０は、オペレータの介入を最小にした状態で、広い範囲の直径を生成することができる。装置１０は、ステーション１６、３６、および２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…２０ｎのそれぞれにおいて、延伸ダイインサートを確認するか、または、迅速に変更し、巻ほどき具システム１４から細長片案内部および管成形ステーション１６に正しい金属細長片２８を装填し、次に、充填材料についてのパラメータ（製品番号、および、任意選択で、運転長、コア比）を充填システム制御装置２６に入力し、次に、充填システム制御装置２６を起動するように、オペレータに要求するだけである。デフォルトによって、運転長が全く指定されない場合、装置１０は、巻ほどき具システム１４上の金属細長片２８の全コイルが使用されるまで運転することになる。
【００１７】
反復運転または巻ほどき具システム１４上に金属細長片２８の新しいコイルがある場合、オペレータは、延伸ダイインサートをチェックし、正しい細長片材料を装填した後、充填システム制御装置２６によって提供される表示リストから、製品番号だけを入力するか、または、選択してもよい。装置１０は、その後、製品番号に関連する、入力されたパラメータまたは充填システム制御装置２６のメモリ内の構成ファイル２７から読み取られたパラメータを使用して、ライン上の各ステーションに製品自体を自動的にセットする。たとえば、充填システム制御装置２６は、装置１０に隣接する、複数の異なる充填材料モジュール３０ａ、３０ｂを保持する供給ビン３１から、パラメータで識別された適切な充填材料を含む特定の充填材料モジュール３０ａ、３０ｂを充填システム１８に装填するように、ロボットローダ３２に指示し、製品番号について初期ライン運転速度を提供する。
【００１８】
従来のライン制御装置２５は、その後、製品番号についての初期ライン運転速度に達するようにステーションの速度を徐々に上げ、充填システム制御装置２６は、Ｕ形状金属細長片２８になるよう、充填システム１８によって堆積される％容積充填量を制御して、最小変動（すなわち、±２．０％未満）の所望のコア比が得られる。一実施形態では、特定の製品番号についての構成ファイル２７内のライン運転速度およびパラメータ値に対する補正が、運転中に行われ、この補正は、図１２および１３を参照して後の章でより詳細に説明される。各製品番号について、パラメータが構成ファイル２７内にセーブされるため、別の運転の場合、製品番号が、他のパラメータを入力する必要無しで選択されるだけである。
【００１９】
管閉鎖ステーション３６は、その後、充填されたＵ形状金属細長片２８をＯ形容に形作る。管縮小ステーション２０は、その後、ほぼ完成した製品を縮小する。充填システム制御装置２６は、たとえば、ライン運転速度、ワイヤ寸法、およびステーションごとのダイ直径などの、構成ファイル２７からの各製品番号についての、ライン制御装置２５用のセットアップ情報を提供し、セットアップ情報は、規定されるジョブおよび必要とされる延伸ダイの完成時の直径に応じて関わることになる、個々の管縮小ステーション２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、…２０ｎの数を設定することが理解される。さらに、ステーション１６および３６はそれぞれ、統合され、かつ、調整可能な工具セット２３ａおよび２３ｂを提供する。したがって、考えられる細長片の切替え、および、各ワイヤ直径について各ステーションで要求される特定の延伸ダイを設けることを除いて、管直径の変更についての必要性が存在する。
【００２０】
たとえば、また、図２を参照すると、一対の工具２３ａ、２３ｂのセットが、本明細書で示し、説明されるように、管成形ステーション１６などの各ステーションに対して設けられる。各工具対２３ａ、２３ｂは、特定の細長片寸法の成形を可能にし、各ステーションで互いに隣接して搭載されるため、オペレータは、工具対２３ａ、２３ｂの一方を通して細長片を給送することによって、ある運転について所望の細長片寸法を迅速に選択し、各ステーションにおいて工具を切り替える必要無しで、対の他方に細長片を給送することによって、その後の運転について次の細長片寸法を迅速に選択することができる。代替の細長片給送部が図６Ｂに示される。図６Ｂおよび図６Ｃによって示される実施形態では、充填システム１８の上側部分１５は、下側部分１７に対して水平に移行し、再位置決めされるため、工具対２３ａ、２３ｂのいずれか一方を使用するときに、充填材料をＵ形状金属細長片２８内に給送するように、ベルトコンベア５４の端が適切に位置することも理解される。こうして、切替え時間は、従来の成形装置に関する平均４時間から約２０分に減る。成形および閉鎖用の工具対２３ａ、２３ｂの２つのセットによって、本発明は、また、溶接業界で使用されるワイヤ寸法の全範囲をカバーする。従来の装置を用いると、（０．０７６２センチメートル（０．０３インチ）直径から０．３１７５センチメートル（０．１２５インチ）直径の）ワイヤの同じ範囲をカバーするために工具の３つのセットが通常必要である。
【００２１】
管閉鎖ステーション３６の後で、各管縮小ステーション２０における成形ワイヤ１２の入来速度は、ワイヤが前の縮小ステーションを出るとき、正確にワイヤの出口速度まで自動的に増加する。装置１０の理想的な性能は、セットアップ中に機械オペレータによって入力されるワイヤ製品番号によってプリセットされる。各管縮小ステーション２０は、ライン制御装置２５によって設定された主要速度を有するが、ワイヤが各管縮小ステーション２０を通過するときの、実際のワイヤ応答に基づいて各管縮小ステーション２０の縮小速度を微調整するためのセンサが存在する。これらのセンサは、また、ワイヤ故障条件が検知される場合、プロセスを停止させる。
【００２２】
縮小した後、ワイヤアキュミュレータ２２および巻取りシステム２４は、ワイヤ１２を収集する。ワイヤ１２は、マスタコイル上に巻かれ、マスタコイルは、その後、熱処理炉２９において生成される（図１０）製品に適用可能である場合、熱処理される。
【００２３】
一実施形態では、図３によって示されるように、充填システム１８は、管閉鎖ステーション３６の後に設けられた連続溶接システム１９と共に動作する。この例証的な実施形態では、連続溶接システム１９を使用して、金属細長片２８の結合エッジを溶接し、それにより、ほぼ完成した製品が生産される。ラインに沿う種々の地点における細長片２８の形状は、図４Ａ〜図４Ｆによって示される。１つまたは複数の管成形ステーション１６に入る前に、細長片２８は、図４Ａに示されるように基本的に平坦であり、管成形ステーション（複数可）１６を出た後、細長片２８は、図４Ｂに示されるようにＵ字形すなわち溝形材４１を有する。充填システム１８を出た後、溝形材４１は、今や図４Ｃに示されるようにある量の充填材料４３を含む。
【００２４】
次に、管閉鎖ステーション３６によって、溝形材４１は閉じられ、それにより、溝形材４１内に充填材料４３が閉囲され、図４Ｄによって示されるように、細長片２８がワイヤ１２’として形作られることになる。一実施形態では、シームトラッキング溶接コントロール２１もまた、移動するシームに対して溶接システム１９を位置合わせするために設けられて、ワイヤ１２’のシーム４５が溶接されることを保証し、図４Ｅによって示されるように、ワイヤ１２’’内の溶接部４７がもたらされる。次に、溶接されたコア充填ワイヤ１２’’は、１つまたは複数の管縮小ステーション２０によって作業され、ついには、図４Ｆによって示されるように、コア充填ワイヤ１２’’についての所望の最終直径が生成される。たとえば、完成したワイヤ１２（図１）を生成することなどの、所望の最終直径に合わせるコア充填ワイヤ１２’’の作業は従来通りであるため、さらなる説明は行わない。
【００２５】
任意選択で、中空管材料だけが生産される場合、一実施形態では、充填システム１８は、好都合にターンオフされ（または、置き換えられ）てもよく、図３によって示されるラインは、細長片ガイダンスおよび管成形ステーション１６および連続溶接システム１９を用いて運転されることができる。一実施形態では、連続溶接システム１９は、レーザシーム溶接機である。最高６０９．６メートル／分（２０００フィート／分）の速度の生産運転が、中空管材料を生産するラインの実施形態において想定される。
【００２６】
図５を参照すると、本発明の実施形態による充填システム制御装置２６のブロック図が示される。製造プロセスの一部として、充填システム制御装置２６は、一実施形態では、いくつかのプロセス変数を測定する少なくとも４つのセンサからの連続データストリームを使用する。一実施形態では、充填システム制御装置２６は、細長片測定装置３８による細長片幅および厚さの測定値、速度センサ４０による充填システム１８の前の細長片速度、必要とされる充填容積を計算するための、充填材料測定装置４６による充填システム１８の吐出容積当たりの充填材料の量の判定値、および、エンコーダ５６による充填システム１８の充填材料調量装置５３の速度が提供される。後の章でより詳細に説明されるように、充填調量装置５３が、それぞれの吐出容積を提供する速度は、充填システム制御装置２６によって自動的に調整されて、細長片２８の溝形材４１（図４Ｂ）内に、充填材料の多数回の吐出容積（すなわち、容積バケット）またはその一部分が吐出され、それにより、充填材料の必要とされる充填容積が提供される。測定装置４６は、一実施形態では、マシン映像ベースの測定システムであり、別の実施形態は、充填システム１８に統合されたレーザおよび映像ベースの測定システムである。
【００２７】
一実施形態では、充填システム制御装置２６は、また、充填材料モジュール３０上に設けられたバーコードまたはＲＦタグ４２（図１）を読み取る読取器３４による充填材料のタイプおよび量の同定、ロボットローダ制御装置４９によるロボットローダ３２の応答、および、ライン制御装置２５によるライン運転条件および状態など他のデータも受け取る。こうしたデータは、また、充填調量装置５３からＵ形状金属細長片２８への充填材料の正確な調量を保証する。
【００２８】
別の実施形態では、力センサ４４が、縮小ステーション２０（図１）のうちの１つに設けられた工具または縮小用ダイ８４に隣接して設けられる。力センサ４４は、充填された管に加えられる縮小用力を測定する。この実施形態では、縮小用力の測定値は、ライン制御装置２５によって提供され、品質管理保証のために、充填システム制御装置２６によって既知の基準条件と比較される。品質管理測定として、許容可能な値より大きな縮小用力は、指定されたより大きな容積の充填材料に関連付けられ、許容可能な値より小さな縮小用力は、指定されたより小さな容積の充填材料に関連付けられる。
【００２９】
一実施形態では、測定された縮小用力が仕様をはずれる場合、充填システム制御装置２６は、ラインを止めるようにライン制御装置２５に指示し、何が悪いか、また、問題をどのように正すかという指示をオペレータに提供することになる。別の実施形態では、測定された縮小用力が仕様をはずれる場合、充填システム制御装置２６は、データファイル内で、充填材料充填量が低いとしてワイヤ１２のセクションにフラグを立てる。別の実施形態では、縮小用力が、所定期間の間、許容範囲をはずれる場合、充填システム制御装置２６は、ラインを止めるようにライン制御装置２５に指示し、何が悪いか、また、問題をどのように正すかという指示を再びオペレータに提供することになる。
【００３０】
任意選択で一実施形態では、管溶接センサ５０が設けられて、たとえば、超伝導材料などの充填材料を損傷しないようにある実施形態において設けられる場合、充填システム制御装置２６が溶接システム１９の溶接溶込を制御することが可能になる。さらに、任意選択で一実施形態では、力センサ５２は、充填システム１８の充填調量装置５３のコンポーネントの下に位置する。たとえば、図６Ｃに示される実施形態では、力センサ５２は、ベルトコンベア５４の下に設けられ、充填材料をＵ形状金属細長片２８内に吐出するのに使用される。図７Ａに示される実施形態では、力センサ５２は、スクリュー７０のセクションに提供される充填材料の付加分を測定し、充填材料の付加分は、その後、Ｕ形状細長片に提供され、図８Ｂに示される実施形態では、力センサ５２は、スクリュー式供給装置７１による給送量である装填量を測定する。こうした実施形態では、力センサ５２は、充填調量装置５３によって送出される充填材料の重量を測定して、細長片２８内に堆積される充填材料の正確な測定を保証する。一実施形態では、力センサ５２は、測定装置４６によって行われる測定を補い、別の実施形態では、測定装置４６と力センサ５２の一方が、他方に対するバックアップとして使用される。
【００３１】
エンコーダ５６を使用して、正確に測定された充填材料容積を充填調量装置５３によって送出するために使用されるサーボモータ５８が精密に制御される。図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃによって示される一実施形態では、充填調量装置５３は、ベルトコンベア５４を含み、サーボモータ５８は、ベルトコンベア５４を駆動して、ベルトコンベア５４の端に位置するＵ形状金属細長片２８に充填材料が送出される。図７Ａおよび図７Ｂによって示される別の実施形態では、充填調量装置５３は、スクリュー７０を含み、スクリュー７０は、サーボモータ５８によって駆動されて、スクリュー７０の下に配置されるＵ形状金属細長片２８に充填材料が送出される。図８Ａおよび図８Ｂによって示されるさらに別の実施形態では、充填調量装置５３は、スクリュー式供給装置７１を含み、スクリュー式供給装置７１は、サーボモータ５８によって駆動されて、Ｕ形状金属細長片２８に充填材料が送出される。
【００３２】
動作時、細長片測定装置３８による細長片２８の測定値が、基準より小さい場合、充填システム制御装置２６は、調量装置５３による細長片２８への充填材料容積の送出速度を落とすようサーボモータ５８に命令することになる。同様に、細長片２８の測定値が、基準より大きい場合、充填システム制御装置２６は、調量装置５３のサーボモータ５８の速度を上げることによって細長片２８への充填材料容積の送出を増やすことになる。一実施形態では、測定装置４６は、調量装置５３によって細長片２８に提供されることができる充填材料容積に関するデータを充填システム制御装置２６に提供する。別の実施形態では、測定装置４６および力センサ５２は、調量装置５３によって細長片２８に送出されることができる、それぞれ、充填材料の容積および密度に関するデータを充填システム制御装置２６に提供する。一実施形態では、測定装置４６は、１秒当たり有意な回数だけ、調量装置５３によって提供される充填材料の量を測定する。
【００３３】
再び図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃを参照すると、充填システム１８の一実施形態が示される。この例証的な実施形態では、サーボモータ５８は、ベルトコンベア５４の速度を制御する。充填材料ホッパ６４の一定高さのポート６２は、充填材料モジュール３０ａ、３０ｂ（図１）の開いた一方から一定量の充填材料をベルトコンベア５４上に送出する。選択モジュール６３は、ホッパ６４の上に着座し、一対の座部６５であって、一対の座部６５の上に充填材料モジュール３０ａ、３０ｂをそれぞれ支持するための、一対の座部６５を設ける。座部６５はそれぞれ、各充填材料モジュール３０ａ、３０ｂの端の開閉部（図示せず）を開口するアクチュエータ６７を有する。各アクチュエータ６７は、充填システム制御装置２６によって独立に制御され、作動されると、充填材料が、着座しかつ開口したモジュールからホッパ６４内に吐出される。一実施形態では、ロボットローダ３２（図１）は、モジュール（複数可）３０ａおよび／または３０ｂ（すなわち、満杯の充填材料モジュールと空の充填材料モジュール）を、座部６５へ／から、および、供給ビン３１へ／から、送出する／取り去る。一実施形態では、充填材料モジュール３０ａおよび３０ｂは、細長い管であり、他の実施形態では、測定された量の充填材料をホッパ６４に送出するのに適した任意の幾何学的形状であってよい。ホッパ６４は、また、例証的な実施形態では、狭くなる内部幅６６によってベルトコンベア５４上への充填材料の送出を制御する。
【００３４】
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の別の実施形態による充填システム１８の、それぞれ、略正面断面図と略側面断面図である。この装置は、サーボモータ５８によって駆動されるスクリュー７０を使用する。スクリュー７０は、プロセスが停止すると、充填材料を放出しないプロファイルを有する。スクリュー７０は、力センサ５２上にセットされ、力センサ５２は、スクリュー７０上の充填材料の重量を測定する。レベルセンサ７６は、ホッパ６４内の充填材料の高さを測定する。力センサ５２およびレベルセンサ７６からのデータならびに細長片測定装置３８（図５）からの細長片２８に対応するデータは、充填システム制御装置２６を通して処理され、サーボモータ５８に対する制御信号を生成する。充填システム制御装置２６は、サーボモータ５８を制御して、コアードワイヤ１２の生産を仕様内に保持するために必要である充填材料を、重さによる量で送出する。サーボモータ５８の速度は、エンコーダ５６によって正確に測定され、エンコーダ５６は、充填システム制御装置２６にフィードバックを提供し、充填システム制御装置２６は、力センサ５２およびレベルセンサ７６からの連続データと共にそのフィードバックも使用して、Ｕ形状金属細長片２８のそれぞれの測定された区分について充填材料が、重さによる正確な量で送出されることを保証する。
【００３５】
任意選択で、図７Ａに示される実施形態では、映像カメラ８０を使用して、Ｕ形状金属細長片２８を調査し、それにより、スクリュー７０によって提供される充填材料の高さが許容範囲内にあるかどうかが判定される。検出された充填材料高さに関して充填システム制御装置２６によって実施される傾向決定を使用して、提供された充填材料の量が、許容範囲上限をはずれるか、下限をはずれるかが判定されることができる。こうした傾向決定状態が起こると、充填システム制御装置２６は、傾向を逆にし、プロセスを許容範囲内に維持するために、スクリュー７０の回転速度を調整することによって充填材料の送出を調整することができる。
【００３６】
図８Ａおよび図８Ｂは、図７Ａおよび図７Ｂのスクリューの実施形態に対する代替の実施形態を示す。この実施形態では、スクリュー式供給装置７１は、スクリュー７０と類似の方法で動作し、制御される。スクリュー式供給装置７１は、スクリュー式供給装置７１に運ばれる充填材料の重量を測定する力センサ５２上にセットされる。レベルセンサ７６は、ホッパ６４内の粉体の高さを測定する。力センサ５２およびレベルセンサ７６からのデータは、充填システム制御装置２６を通して処理され、サーボモータ５８に対する制御信号を生成する。充填システム制御装置２６は、サーボモータ５８を制御して、コアードワイヤ１２の生産を仕様内に保持するために必要である充填材料を、重量による量で送出する。サーボモータ５８の速度は、エンコーダ５６によって正確に測定され、エンコーダ５６は、充填システム制御装置２６にフィードバックを提供し、充填システム制御装置は、力センサ５２およびレベルセンサ７６からの連続データと共に、そのフィードバックも使用して、Ｕ形状金属細長片２８のそれぞれの測定された区分について充填材料が、重さによる正確な量で送出されることを保証する。任意選択で、傾向決定データは、図７Ａおよび図７Ｂによって示される実施形態に関して説明されるように使用されてもよい。
【００３７】
図９は、複数の充填システム１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを有する、本発明による別のラインの実施形態を示す略側面図である。複数の充填システム１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、超伝導体の製造などのために、Ｕ形状金属細長片２８内へのいくつかの粉体の層状の給送を可能にする。図９Ａは、図９の断面線９Ａ−９Ａに沿って切り取られた断面図であり、ラインによって生産され、複数の充填材料層４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを有するコアードワイヤ１３の実施形態を示す。
【００３８】
図１０は、本発明による完全なターンキー式の（ただちに可動可能な）実施形態９９の略平面図である。ターンキーの実施形態は、一対の装置１０、２重制御式熱処理炉２９、２重ワイヤパッケージング装置３３、および任意選択のコイル保管ユニット３５を備える。冷却後に、製品は、顧客または業界標準に合うように、ワイヤパッケージング装置３３によって小さなコイル上に巻き直される。
【００３９】
本発明によれば、熱処理炉２９は、均一な加熱を提供し、高圧超乾燥混合ガスの制御された雰囲気を備える。熱処理炉２９内のこの制御された雰囲気は、緑青を生成し、緑青は、錆を低減させ、また、溶接プロセスで使用されるときに、コア充填式ワイヤの電流ピックアップを改善する。一実施形態では、制御された熱処理を容易にする充填システム制御装置２６は、熱処理炉２９を制御する。一実施形態では、制御された熱処理は、最高約摂氏２０４．４４°（華氏４００°）のバーンオフ（焼き払い）を実施することを含む。次に、空気ならびに窒素および／または他の不活性ガスなどの少なくとも１つのガスの超乾燥加熱混合物を含む、大気圧を超える制御された雰囲気のある流量が、最高約摂氏３２９．４４°（約華氏６２５°）の炉内に導入される。一実施形態では、不活性ガスは、混合物の３０〜４０％である。混合前の空気は、水分含有量を２５％未満まで減少させるために冷却される。この熱サイクル中に、雰囲気の２５％が、熱処理炉２９に戻るよう循環する。
【００４０】
次に、ワイヤは、制御された環境で冷却され、約摂氏５１．６７°（華氏１２５°）に達すると、冷却空間に移される（remove）。制御された熱処理は、保管寿命を増すために、ワイヤ表面上に非常に密で低多孔性の平滑な酸化物を生成する。酸化物表面は、ワイヤが非常に薄く密な酸化物を有し、また、清浄であるため、ワイヤを溶接アークに給送するのに非常に望ましく、したがって、材料を先端へもたらさず、それにより、よりコンシステントなアークが提供され、アークフラッタおよび停止がなくなることも発見された。上述の炉処理により一実施形態ではＨ１と同程度に低い、非常に低い溶接金属水素レベルを作り出すことが可能となる。
【００４１】
使用時、図１１によって示される本発明の方法に従って以下のプロセスが実施される。図１、図５、および図１０もまた参照される。以降で識別されるプロセスは、必ずしも、提示される順序で、または、さらに順次に実施される必要はなく、例証および説明のために提供されるだけであることが理解される。工程１００にて、オペレータは、運転される製品番号、および、任意選択で、所望される総ワイヤ長を（充填システム制御装置２６によって）入力する。充填システム制御装置２６は、工程１０５にて、構成ファイル２７から製品番号に対応するデータを読み取ることによって、以下の変数を自動的にセットするか、または、オペレータに提供する。以下の変数とは、充填材料、コア比、許容範囲％（すなわち、所望のコア比の範囲）、アクティブな延伸ステーションの数、工具アイデンティティ（ステーションごとのワイヤ直径）、入来する細長片速度に基づく運転速度（図５に示されるように、ライン制御装置２５によって設定され、速度センサ７３によって監視される）、および入来する細長片寸法（幅×厚さ）である。必要とされる延伸ダイ、圧延機スタンド設定、またはインストールされる他の特別なセットアップ手段を含む、オペレータに対するいずれの特別な命令も、充填システム制御装置２６によってモニタ（図示せず）上に表示される。
【００４２】
次に、工程１１０にて、オペレータまたはロボットローダ３２は、正しい充填材料カートリッジを装填する（図１）。装填されると、工程１２０にて、充填材料モジュール３０上のバーコードまたは無線周波数（ＲＦ）タグ４２が、読取器３４によって読み取られて、装填された充填材料および充填材料のバルク密度が充填システム制御装置２６に対して確認される。安全機構として、充填材料モジュール３０上のバーコードまたは無線周波数（ＲＦ）タグ４２が、充填システム制御装置２６の構成ファイル２７内の指定された充填材料に一致しない場合、装置１０は運転しないことになる。次に、工程１３０にて、オペレータは、充填システム制御装置２６によって指定されるように、管閉鎖ステーション３６および管縮小ステーション２０内の工具ダイを確認するか、または、工具ダイを手作業で変更する。オプションの電子識別情報が、各工具ダイ上に設けられることができ、充填システム制御装置２６によって読み取られる。こうした電子識別情報が設けられる場合、工程１４０にて、間違ったダイ直径が使用されるか、または、管縮小ステーション２０によるミスマッチが存在する場合、装置１０は、同様に、運転しないことになり、適切なエラーメッセージが、充填システム制御装置２６によってオペレータに提供されることになる。そうでなければ、こうした識別情報が設けられない場合、工程１４０は省略される。
【００４３】
オペレータは、その後、工程１５０にて、細長片案内部および管成形ステーション１６内に細長片２８を給送する。工程１６０にて、充填システム制御装置２６は、細長片測定装置３８を使用して細長片材料の測定を行うことによって、装填された金属細長片２８（図５）が補正されていることを確認する。任意選択で、工程１６０にて、細長片材料リール上のバーコードまたはＲＦタグが、充填システム制御装置２６によって読み取られて、正しい／正しくない細長片材料が装填されたことを、同様に、確認することができる。確認されると、充填システム制御装置２６は、オペレータに準備完了指示を提供する。オペレータは、その後、工程１７０にて、充填システム１８、管閉鎖ステーション３６を通して金属細長片２８を給送し、その後、ワイヤとして、装置１０の全ての残りの縮小ステーションを通して、ワイヤを巻取りステーション２４（図１）に接続させる。オペレータは、その後、工程１８０にて、連続生産運転のために装置１０を起動させる。装置１０は、速度センサ７３によって指示される特定の入来する細長片速度まで加速されることになり、その後、生産運転のために定常状態を保持することになる。装置１０の生産運転は、ワイヤ寸法に応じて、９１４．４メートル／分（３０００フィート／分）を超える速度で想定される。
【００４４】
工程１９０にて、充填システム制御装置２６およびライン制御装置２５は、充填システム１８およびラインの性能をそれぞれ監視し、必要であるとき、自己調整する。たとえば、また、後の章でより詳細に説明されるように、充填システム制御装置２６は、細長片寸法を監視し、細長片の溝形材に送出される充填材料の量を自動的に調整して、指定されたコア比を達成する。同様に、生産運転中に、充填システム制御装置２６は、充填システム１８を充填材料で一杯に維持することを充填材料モジュール３０ａ、３０ｂ（図１）に伝えるように、ロボットローダ３２に指示することになる。さらに、充填システム制御装置２６は、構成ファイル２７において、運転番号識別子と共に、製品番号についてのデータを更新して、検出される運転条件をよりよく反映することになる。この意味で、充填システム制御装置２６は、検出されたパラメータを使用して、構成ファイル２７内に元々設けられたパラメータを改善し、改善されたパラメータが、製品番号の次の運転について使用されることができることが理解される。工程２００にて、充填システム制御装置２６は、停止条件が存在するかどうかを目視で調べる。こうした停止条件は、たとえば、入力された運転長についての生産運転の終了、巻ほどき具システム１４上の細長片材料が空になること、コア比がコア比範囲をはずれること、充填材料の供給が枯渇すること、縮小用力が仕様をはずれること、および装置１０内でのワイヤ破断または詰まりを含む。先に述べたように、充填システム制御装置２６は、停止条件が存在する場合、ラインを止めるようにライン制御装置２５に指示し、何かが悪い場合、何が悪いか、また、問題をどのように正すかという指示をオペレータに提供することになる。この工程では、オペレータは、また、読みを見直し、装置１０の動作を観察し、必要である場合、介入すると共に、充填システム制御装置２６からの視覚および可聴コマンドを監視する。
【００４５】
生産運転の終了時、または、巻取りリールが一杯になったとき、オペレータは、その後、工程２１０にて、一杯のリールを巻取りシステム２４（図１）から取り外し、新しい空のリールを設置する。一杯のリールは、保管ユニット３５（図１０）などの一時的なキューイングステーション内に設置され、熱処理装置への搬送を待つ。一杯のリールは、工程２２０にて、独特の温度サイクルおよび高圧と高温下の超乾燥混合ガスを有する熱処理炉２９内に進む。
【００４６】
計画された熱処理プロセスが終了した後、複数のリールが、熱処理炉２９から出て、冷却キューを通ってワイヤパッケージング装置３３上に進む。コアードワイヤは、この時点で、室温または相対湿度に対して比較的敏感でない。工程２３０にて、ワイヤは、リールからはずされ、顧客ニーズに基づいて種々のパッケージ寸法および構成をとり、顧客要件ごとにパッケージングされる。ある量の充填材料をＵ形状金属細長片２８内に正確に供給して、改善されたコア比範囲内に生産されたコア充填式ワイヤがあることを保証する本発明の方法に関する詳細な説明は以下の通りである。
【００４７】
上述したように、巻ほどき具システム１４からの巻ほどきの後に、金属細長片２８は、細長片案内部および管成形ステーション１６内に引き込まれる。金属細長片２８は、たとえば、図４Ｂによって示されるように、充填材料を受け取るために上に開口した「Ｕ」形状または改変形状の溝形材（通路、チャネル）を持って、細長片案内部および管成形ステーション１６を出る。このときまでに、同様に先に述べたように、金属細長片２８は、データを充填システム制御装置２６に提供する細長片測定装置３８によって、複数の寸法が測定されている。こうして、たとえば、図１２によって示される細長片区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎなどの、規定された細長片区分についての非常に正確な細長片寸法は、リアルタイムに、かつ、連続して決定される。
【００４８】
一実施形態では、各細長片区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎについての細長片寸法を使用して、各細長片区分の重量が求められる（solve for）。各区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎの重量は、細長片測定装置３８からの測定された複数の寸法によって決定された各区分の容積と、細長片２８の単位密度を乗じることによって、充填システム制御装置２６によって簡単に計算される。以降で説明されるように、その後、各細長片区分Ｓａ、Ｓｂ、…Ｓｎの重量が、充填システム制御装置２６によって使用されて、溝形材内に堆積される材料の量が正しく調整され、それにより、各細長片区分が所望のコア比範囲内にあることが保証される。一実施形態では、所望のコア比（すなわち、コア比範囲）からの変動は、約±２％未満であり、用途、ワイヤ直径、およびコア組成に応じて、最低約±０．５％まで調整可能である。
【００４９】
上述したように、コア比は、充填材料（複数可）の重量を（充填材料のコアを含む）ワイヤの総重量で割った値であり、パーセンテージを与えるために１００が乗じられる。たとえば、コアードワイヤを生産する場合、金属細長片２８について入手可能な標準的な冷間圧延細長片寸法は、０．０６０９６センチメートル（０．０２４インチ）×１．２７センチメートル（０．５００インチ）であり、出荷コイル長当たりの公称寸法（たとえば、１コイル当たり１フィートのワイヤ）から、厚さにおいて±０．０１５２４センチメートル（０．００６インチ）の典型的な変動、および、幅において±０．０１２７センチメートル（０．００５インチ）の典型的な変動を持って、製鋼業者から供給される。公称細長片寸法（たとえば、０．０６０９６センチメートル（０．０２４インチ）×１．２７センチメートル（０．５００インチ））だけを使用して生産運転のためにセットアップすると、運転を通じての細長片寸法のこうした変動は、高い側の細長片変動（すなわち、０．０７６２センチメートル（０．０３０インチ）×１．２８３センチメートル（０．５０５インチ））から低い側の細長片変動（すなわち、０．０６０９６センチメートル（０．０２４インチ）×１．２５７センチメートル（０．４９５インチ））まで、１７％コア比仕様を維持するのに必要とされる粉体量において約２３％の変化をもたらす可能性があることを、本発明者等は発見した。こうした理由で、従来技術の方法は、細長片寸法の変動を考慮しないため、せいぜい、最高約７６．２メートル／分（約２５０フィート／分）の材料充填レートの運転速度を達成することができるだけであり、その運転速度を超えると、所望のコア比の変動は±２％を超え、所望のコア比の境界を定めるコア比範囲からはずれる。しかし、本発明は、細長片寸法を連続して測定して、各細長片区分について溝形材内に堆積される材料の量を正確にかつ自動的に調整することによって、１７％の所望のコア比の±０．５％コア比範囲を維持しながら、最高２２８．６メートル／分（７５０フィート／分）の運転速度を実験的に達成した。
【００５０】
各細長片区分について溝形材内に堆積される材料の量を正確に調整するために、一実施形態では、吐出される材料の単位面積当たりの重量が、システムによって測定される。一実施形態では、単位面積は、図１２および図１３によって示されるように、ベルトコンベア５４の側面から側面までの長さＬとコンベア上の位置Ｙからの幅Ｗによって規定される。一実施形態では、単位面積は、充填材料測定装置４６の撮像エリアに相当する。別の実施形態では、単位面積は、力センサ５２の重さ付加エリアに相当する（たとえば、図６Ｃを参照されたい）。
【００５１】
調量装置５３が、ベルトコンベア５４を使用して、充填材料４３を搬送し、吐出するレーザ映像システムの実施形態では、ベルトコンベア５４上で搬送中の、単位面積（Ｌ×Ｗ）当たりの充填材料の重量は、材料の容積（Ｌ×Ｗ×Ｈ）を測定し、測定された容積と、充填材料モジュール３０ａ、３０ｂ（図１）上の設けられたバーコードまたはＲＦタグ４２によって指定された材料のバルク密度（単位面積あたりの重量）を乗じることによって容易に決定される。単位面積（Ｌ×Ｗ）における材料の高さＨは、充填材料測定装置４６のレーザ７７および撮像装置７９によって、ベルトコンベア５４上で搬送中の位置Ｙにおいて材料の画像８３を撮影することによって決定される。画像８３は、搬送平面に対して低い入射角で提供されるため、完全な高さプロファイルＨを有する充填材料４３の断面積がピクセルで与えられる。充填システム制御装置２６は、その後、画像８３のデータ信号を使用して、移動するベルトコンベア５４の、従来の画像処理を用いて識別されたセクション（すなわち、Ｌ×Ｗ）上に含まれる充填材料の容積を決定する。
【００５２】
一実施形態では、充填システム制御装置２６は、その後、細長片測定装置３８によって提供される細長片区分の容積を使用し、細長片区分の容積を、単位面積当たりの重量で乗じて、区分、たとえば、Ｓａの重量が決定される。その後、区分Ｓａの重量の逆数が、１−ｘ（ｘは、所望のコア比の数値（たとえば、１７％、ｘ＝０．１７））で乗じられて、細長片区分Ｓａと充填材料の総重量が与えられる。細長片区分Ｓａと充填材料の総重量は、その後、コア比で乗じられて、ベルトコンベア５４によって細長片区分Ｓａに送出されるのに必要とされる充填材料の重量が与えられる。
【００５３】
ベルトコンベア５４から適切な量の充填材料４３を送出するために、充填システム制御装置２６は、その後、速度センサ４０によって提供される区分Ｓａの速度を取得し、区分Ｓａの速度を、ベルトコンベア５４によって送出されるのに必要とされる充填材料の重量で乗じて、区分Ｓａについて必要とされる単位時間当たりの充填材料の重量が見出される。上記のように決定された単位時間当たりの充填材料の重量は、その後、ベルトコンベア５４上で搬送中の材料の単位面積（Ｌ×Ｗ）当たりの充填材料の重量で割られて、細長片区分Ａに送出されるのに必要とされるベルト上の充填材料の幅（Ｗ）が見出される。充填システム制御装置２６は、その後、ベルトコンベア５４がその周りを回転する駆動ホイール８１の円周を単位時間当たりの充填材料の重量で割って、ベルトコンベア５４上で搬送中の、今や精密に測定された充填材料４３の必要とされる量を細長片区分Ｓａに送出するために、駆動ホイール８１がベルトコンベア５４を駆動する必要がある１分当たりの回転数（ＲＰＭ）が見出される。充填システム制御装置２６は、その後、決定されたＲＰＭを取得し、ＲＰＭをサーボモータ５８（図６Ｃ）のギア減速比で乗じて、必要とされるモータＲＰＭが得られる。
【００５４】
充填システム制御装置２６は、その後、ワイヤ区分Ｓａの始めの位置および速度、位置Ｙからコンベアの端までの既知の距離、すなわち、距離Ｃｘ、およびエンコーダ５６（図５）によるベルトコンベア５４の現在速度を使用して、必要とされるモータＲＰＭに合うように、サーボモータ５８の速度調整を行うべきタイミングを計算し、それにより、区分Ｓａの溝形材内に堆積される充填材料４３の量が、±２％未満で、また、最低約±０．５％の変動を有するコア比を満たすことを保証する。こうした計算および速度調整は、それぞれの後続の細長片区分、たとえば、Ｓｂ、…Ｓｎについての運転中に連続して実施される。充填システム制御装置２６は、一実施形態では、それぞれの運転において各区分について吐出された材料の量の記録を提供し、その記録を使用して、生産されたコアードワイヤの品質が所望のコア比仕様を満たしていることを裏付けることができることが理解される。
【００５５】
スクリュー７０またはスクリュー式供給装置７１と力センサ５２を使用する実施形態（たとえば、図７Ｂおよび図８Ｂ）などの別の実施形態では、充填システム制御装置２６は、上述したように計算された、調量装置５３によって細長片区分Ｓａに送出されるのに必要とされる充填材料の重量を、スクリュー７０またはスクリュー式供給装置７１の既知の容積内の充填材料の重量で割る。スクリュー７０またはスクリュー式供給装置７１の既知の容積当たりの充填材料の重量は、調量装置５３から細長片２８の溝形材内に送出される量または容積バケットを表すことが理解される。したがって、充填システム制御装置２６の割り算は、充填材料のどれだけ多くの容積バケットｎＢ（ｎ＝１〜ｘ）が、区分Ｓａに送出される必要があるかを決定する。前と同様に、充填システム制御装置２６は、その後、ワイヤ区分Ｓａの位置および速度ならびにサーボモータの必要とされる速度調整を使用して、その数の容積バケットｎＢを吐出するためのタイミングを決定し、それにより、区分Ｓａの溝形材内に堆積される充填材料４３の量（すなわち、その数の容積バケットｎＢ）は、±２％未満で、また、最低約±０．５％の変動まで調整可能なコア比を満たすことが保証される。
【００５６】
制限はしないが、上述された本発明は、以下の特徴および利点を有することに留意されたい。原子重量および速度によらず、外側シース内に流れる充填材料の質量容積を制御することは、高速での製品の生産を可能にし、製品は、「業界で最もよく（industry best）」受入れられる品質標準より優れる。自動化および制御装置は、機械オペレータによる介入を最小にした状態で、最高品質の完成ワイヤを保証する、完全な検知および応答制御を有する。さらに、自動化された充填システム１８による、ワイヤの各コイル長にわたる、より精密でかつ一貫性のある充填は、１５０メッシュから最低４００メッシュの非常に微細な粉体の使用および調合により最高約４０％の４００メッシュ充填材料のバランスを有する均質混合物を作ることを可能にする。こうして、この調合は、広い範囲の原子重量についてのマトリクス材料分離をなくす。結合した粉体が、分離がほとんど無いか、または、全く無い状態で流れる最終的なコンシステンシ（密度、粘稠度、軟度）を有するため、製品は、よりコンシンテントな溶接化学物質および機械的特性を有する。本発明の精密なワイヤ縮小および速度制御は、また、ワイヤ捩れを減少させ、１つの半径方向位置に外側シースのワイヤシームを維持し、それにより、アーク先端へのワイヤのよりよい給送が改善されて、ワンダリングするアーク、パルス状アーク、および、これらの問題に伴う修理またはダウンタイムが最小になる。さらに、微細粉体（すなわち、４００メッシュ）を使用することが、粉体コストを最大２０％低減する。
【００５７】
本発明によれば、一実施形態では、所望の充填比から±０．５％の変動を有する、約０．０７６２センチメートル（約０．０３インチ）から約０．６３５センチメートル（約０．２５インチ）の最終直径の範囲の非常に小さなコアードワイヤを提供することができる。
【００５８】
別の実施形態では、本発明は、最高１８２．９メートル／分（６００フィート／分）の細長片給送速度で、所望のコア比から±．０５％の変動の粉体制御を維持し、それにより、１時間当たり６８０．４キログラム（１５００ポンド）を超えるワイヤ生産が可能になる。
【００５９】
別の実施形態では、本発明は、成形された管が、０．６３５センチメートル（０．２５０インチ）より小さい最終直径で溶接できる改善された速度を提供する。一実施形態では、本発明は、９１．４４メートル／分（３００フィート／分）を超える速度で溶接することができる高速レーザを使用し、従来の管成形装置に比べて小さな管の生産の約３０％の増加をもたらす。
【００６０】
本発明の先の説明は、例証と説明のために提示された。網羅的であるか、または，開示された厳密な形態に本発明を制限することは意図されず、他の変更および変形が、先の教示に照らして可能であってよい。開示される上記実施形態は、本発明の原理およびその実用的な応用を説明し、それにより、当業者が本発明を最もよく利用することを可能にするために、選択され、説明された。添付特許請求の範囲は、従来技術によって制限される以外は、本発明の他の代替の実施形態を含むと考えられることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的にコアードワイヤを作製する方法であって、前記コアードワイヤは、所望のコア比に合うよう、粉状のおよび／または粒状の、充填材料を充填される、方法において、
運転中、第１速度で平坦な金属の細長片を給送する工程と、
前記運転中に連続して、前記細長片の寸法を自動的に測定する工程と、
前記細長片に溝形材を成形する工程であって、前記運転中に前記細長片が給送されるときに、前記溝形材は、上方に開口し、かつ、ある量の前記充填材料を保持するような大きさに作られる、前記細長片に溝形材を成形する工程と、
前記運転中に連続的に第２速度で調量装置によって前記充填材料を搬送する工程と、
前記調量装置によって、搬送中のある量の前記充填材料の容積を自動的に決定する工程と、
前記運転中に連続して、前記調量装置から前記溝形材内に前記充填材料を堆積させる工程と、
前記運転中に前記第２速度を自動的に調整する工程であって、それにより、前記溝形材内に堆積した前記充填材料の前記量が、前記所望のコア比前後の所望のコア比範囲内になることを保証しており、前記速度調整は、前記第１速度、前記細長片の測定寸法、および前記調量装置によって搬送中に決定される前記充填材料の容積に基づく、調整する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記搬送は、前記調量装置のベルトコンベアによって行う、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記搬送は、前記調量装置のスクリューによって行う、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記搬送は、前記調量装置のベルトコンベアによって行われ、前記充填材料の前記容積は、前記ベルトコンベア上で搬送中の前記充填材料の一部分である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記細長片の測定寸法および前記細長片の単位面積当たりの重量を使用して前記細長片のある区分の重量を自動的に決定する工程と、前記区分の重量の逆数と１−ｘ（ｘは前記所望のコア比の数値）とを乗じることによって、前記細長片の前記区分と前記充填材料の総重量とを自動的に決定する工程と、前記細長片の前記区分の前記総重量と前記所望のコア比とを乗じることによって、前記溝形材として成形されるときに、前記細長片の区分に対して前記調量装置によって送出されるのに必要とされる前記充填材料の重量を自動的に決定する工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１速度と、前記調量装置によって送出されるのに必要とされる前記充填材料の重量とを乗じることによって、前記細長片の前記区分について必要とされる単位時間当たりの前記充填材料の重量を自動的に決定する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記搬送は、前記調量装置のベルトコンベアによって行われ、前記充填材料の前記容積は、前記ベルトコンベア上で搬送中の前記充填材料の一部分であり、前記方法は、単位時間当たりの前記充填材料の重量を、前記充填材料のバルク密度と前記ベルトコンベア上で搬送中の前記充填材料の容積とを掛けた結果で割ることによって、前記細長片の前記区分に送出されるのに必要とされる前記ベルトコンベア上の前記充填材料の量を決定する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ベルトコンベアを駆動する駆動ホイールの１分当たりの回転数（ＲＰＭ）を、前記駆動ホイールの円周を単位時間当たりの前記充填材料の重量で割ることによって自動的に決定する工程と、前記駆動ホイールを回転させるサーボモータのギア減速比を乗じる工程であって、当該乗じる工程により前記第２速度を提供する、乗じる工程とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記充填材料の前記容積は、レーザを有するマシン映像に基づく測定システムを使用して測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記運転中に前記溝形材を管に成形する工程であって、それにより、前記管内に前記充填材料を閉じこめる、成形する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記運転は、１時間当たり約６８０．４キログラム（約１５００ポンド）の前記コアードワイヤをもたらす、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
一対の工具セットの一方のセットを使用する工程をさらに含み、前記一対の工具セットは、前記運転において設けられる少なくとも１つのステーション上に設けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所望のコア比の範囲は、前記所望のコア比の±２％未満であり、また、最低約０．５％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記充填材料は、約１５０メッシュから最低約４００メッシュの範囲の超微細粉体の混合物である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１速度は、９１．４４メートル／分（３００フィート／分）を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記コアードワイヤは、約０．０７６２センチメートル（約０．０３インチ）から約０．６３５センチメートル（約０．２５インチ）の直径の範囲の最終直径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記充填材料は第１充填材料であり、前記調量装置は第１調量装置であり、前記方法は、第２調量装置から第２充填材料を、前記第１充填材料の上部に堆積させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
複数の停止条件のうちの１つの停止条件について自動的にチェックする工程をさらに含み、前記停止条件は、給送される細長片がそれ以上無いこと、提供される実際のコア比が前記所望のコア比範囲をはずれること、前記細長片の測定寸法が所定の許容範囲をはずれること、前記充填材料の供給部が使い尽くされること、ワイヤ破断、およびワイヤ詰まりを含み、前記停止条件のうちの１つの停止条件が存在する場合、前記方法は、前記運転を停止させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記運転中に前記溝形材を管に成形する工程であって、それにより、前記管内に前記充填材料を閉じこめる、成形する工程と、前記管を最終直径に縮小させる工程であって、それにより、前記コアードワイヤを生成する、縮小させる工程と、前記コアードワイヤを熱処理する工程とをさらに含み、前記熱処理する工程は、前記コアードワイヤを最高約摂氏２０４．４４°（華氏４００°）の熱にさらすこと、前記コアードワイヤを、空気と不活性ガスを含む、大気圧を超える圧力の最高約摂氏３２９．４４°（約華氏６２５°）の加熱された超乾燥混合物を有する制御された環境にさらすことを含み、前記不活性乾燥ガスは、前記加熱された混合物の３０〜４０％であり、前記空気は、２５％未満の水分含有量を有し、前記コアードワイヤが前記制御された環境内に留まった状態で前記制御された環境を冷却すること、および、前記制御された環境が約摂氏５１．６７°（華氏１２５°）に達すると、前記コアードワイヤを取り外すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
制御装置を使用する工程であって、それにより、前記速度調整量を決定し、前記運転中に前記第２速度を自動的に調整する、使用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
製品番号を制御装置に入力する工程をさらに含み、前記制御装置は、前記製品番号に相当するパラメータを構成ファイルから読み取って、前記充填材料、前記コア比、前記所望のコア比範囲、前記第１速度、ならびに、前記平坦金属細長片の寸法およびバルク密度を指定する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
検出されたパラメータによって前記構成ファイルを自動的に更新する工程をさらに含み、それにより、前記構成ファイルに元々設けられた前記パラメータを改善し、前記改善されたパラメータは、前記製品番号の次の運転について使用され得る、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
所定の長さのコアードワイヤであって、前記コアードワイヤは、±０．５％未満で変動する所望のコア比に合う充填材料が充填されており、前記長さが３０．４８メートル（１００フィート）を超え、前記充填材料は、１５０メッシュから最低４００メッシュの粉状かつ／または粒状材料を含み、残部が最大約４０％の４００メッシュ材料の混合物を有する、所定の長さのコアードワイヤ。
【請求項１】
連続的にコアードワイヤを作製する方法であって、前記コアードワイヤは、所望のコア比に合うよう、粉状のおよび／または粒状の、充填材料を充填される、方法において、
運転中、第１速度で平坦な金属の細長片を給送する工程と、
前記運転中に連続して、前記細長片の寸法を自動的に測定する工程と、
前記細長片に溝形材を成形する工程であって、前記運転中に前記細長片が給送されるときに、前記溝形材は、上方に開口し、かつ、ある量の前記充填材料を保持するような大きさに作られる、前記細長片に溝形材を成形する工程と、
前記運転中に連続的に第２速度で調量装置によって前記充填材料を搬送する工程と、
前記調量装置によって、搬送中のある量の前記充填材料の容積を自動的に決定する工程と、
前記運転中に連続して、前記調量装置から前記溝形材内に前記充填材料を堆積させる工程と、
前記運転中に前記第２速度を自動的に調整する工程であって、それにより、前記溝形材内に堆積した前記充填材料の前記量が、前記所望のコア比前後の所望のコア比範囲内になることを保証しており、前記速度調整は、前記第１速度、前記細長片の測定寸法、および前記調量装置によって搬送中に決定される前記充填材料の容積に基づく、調整する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記搬送は、前記調量装置のベルトコンベアによって行う、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記搬送は、前記調量装置のスクリューによって行う、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記搬送は、前記調量装置のベルトコンベアによって行われ、前記充填材料の前記容積は、前記ベルトコンベア上で搬送中の前記充填材料の一部分である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記細長片の測定寸法および前記細長片の単位面積当たりの重量を使用して前記細長片のある区分の重量を自動的に決定する工程と、前記区分の重量の逆数と１−ｘ（ｘは前記所望のコア比の数値）とを乗じることによって、前記細長片の前記区分と前記充填材料の総重量とを自動的に決定する工程と、前記細長片の前記区分の前記総重量と前記所望のコア比とを乗じることによって、前記溝形材として成形されるときに、前記細長片の区分に対して前記調量装置によって送出されるのに必要とされる前記充填材料の重量を自動的に決定する工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１速度と、前記調量装置によって送出されるのに必要とされる前記充填材料の重量とを乗じることによって、前記細長片の前記区分について必要とされる単位時間当たりの前記充填材料の重量を自動的に決定する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記搬送は、前記調量装置のベルトコンベアによって行われ、前記充填材料の前記容積は、前記ベルトコンベア上で搬送中の前記充填材料の一部分であり、前記方法は、単位時間当たりの前記充填材料の重量を、前記充填材料のバルク密度と前記ベルトコンベア上で搬送中の前記充填材料の容積とを掛けた結果で割ることによって、前記細長片の前記区分に送出されるのに必要とされる前記ベルトコンベア上の前記充填材料の量を決定する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ベルトコンベアを駆動する駆動ホイールの１分当たりの回転数（ＲＰＭ）を、前記駆動ホイールの円周を単位時間当たりの前記充填材料の重量で割ることによって自動的に決定する工程と、前記駆動ホイールを回転させるサーボモータのギア減速比を乗じる工程であって、当該乗じる工程により前記第２速度を提供する、乗じる工程とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記充填材料の前記容積は、レーザを有するマシン映像に基づく測定システムを使用して測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記運転中に前記溝形材を管に成形する工程であって、それにより、前記管内に前記充填材料を閉じこめる、成形する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記運転は、１時間当たり約６８０．４キログラム（約１５００ポンド）の前記コアードワイヤをもたらす、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
一対の工具セットの一方のセットを使用する工程をさらに含み、前記一対の工具セットは、前記運転において設けられる少なくとも１つのステーション上に設けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所望のコア比の範囲は、前記所望のコア比の±２％未満であり、また、最低約０．５％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記充填材料は、約１５０メッシュから最低約４００メッシュの範囲の超微細粉体の混合物である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１速度は、９１．４４メートル／分（３００フィート／分）を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記コアードワイヤは、約０．０７６２センチメートル（約０．０３インチ）から約０．６３５センチメートル（約０．２５インチ）の直径の範囲の最終直径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記充填材料は第１充填材料であり、前記調量装置は第１調量装置であり、前記方法は、第２調量装置から第２充填材料を、前記第１充填材料の上部に堆積させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
複数の停止条件のうちの１つの停止条件について自動的にチェックする工程をさらに含み、前記停止条件は、給送される細長片がそれ以上無いこと、提供される実際のコア比が前記所望のコア比範囲をはずれること、前記細長片の測定寸法が所定の許容範囲をはずれること、前記充填材料の供給部が使い尽くされること、ワイヤ破断、およびワイヤ詰まりを含み、前記停止条件のうちの１つの停止条件が存在する場合、前記方法は、前記運転を停止させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記運転中に前記溝形材を管に成形する工程であって、それにより、前記管内に前記充填材料を閉じこめる、成形する工程と、前記管を最終直径に縮小させる工程であって、それにより、前記コアードワイヤを生成する、縮小させる工程と、前記コアードワイヤを熱処理する工程とをさらに含み、前記熱処理する工程は、前記コアードワイヤを最高約摂氏２０４．４４°（華氏４００°）の熱にさらすこと、前記コアードワイヤを、空気と不活性ガスを含む、大気圧を超える圧力の最高約摂氏３２９．４４°（約華氏６２５°）の加熱された超乾燥混合物を有する制御された環境にさらすことを含み、前記不活性乾燥ガスは、前記加熱された混合物の３０〜４０％であり、前記空気は、２５％未満の水分含有量を有し、前記コアードワイヤが前記制御された環境内に留まった状態で前記制御された環境を冷却すること、および、前記制御された環境が約摂氏５１．６７°（華氏１２５°）に達すると、前記コアードワイヤを取り外すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
制御装置を使用する工程であって、それにより、前記速度調整量を決定し、前記運転中に前記第２速度を自動的に調整する、使用する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
製品番号を制御装置に入力する工程をさらに含み、前記制御装置は、前記製品番号に相当するパラメータを構成ファイルから読み取って、前記充填材料、前記コア比、前記所望のコア比範囲、前記第１速度、ならびに、前記平坦金属細長片の寸法およびバルク密度を指定する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
検出されたパラメータによって前記構成ファイルを自動的に更新する工程をさらに含み、それにより、前記構成ファイルに元々設けられた前記パラメータを改善し、前記改善されたパラメータは、前記製品番号の次の運転について使用され得る、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
所定の長さのコアードワイヤであって、前記コアードワイヤは、±０．５％未満で変動する所望のコア比に合う充填材料が充填されており、前記長さが３０．４８メートル（１００フィート）を超え、前記充填材料は、１５０メッシュから最低４００メッシュの粉状かつ／または粒状材料を含み、残部が最大約４０％の４００メッシュ材料の混合物を有する、所定の長さのコアードワイヤ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図９Ａ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図９Ａ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２００９−５４２４４４（Ｐ２００９−５４２４４４Ａ）
【公表日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１９６０７（Ｐ２００９−５１９６０７）
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７２９３６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００６０５７
【国際公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５０９００８５３６）レヴワイヤーズ・エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７２９３６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００６０５７
【国際公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５０９００８５３６）レヴワイヤーズ・エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
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