説明

溶接システム、溶接プロセス及び溶接物品

【課題】3以上のタイプの溶接装置を用いた溶接を提供すること。
【解決手段】 溶接システム、溶接プロセス及び溶接物品が開示される。本システムは、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、溶接パスに沿って物品を溶接するよう位置付けられる。本プロセスは、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。溶接物品は、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溶接を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許出願公開第2011/0198317号明細書
【発明の概要】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】一実施形態に係る例示的な溶接システムの側面図。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【符号の説明】
【0030】
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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接システムであって、
レーザ溶接装置と、
ガスメタルアーク溶接装置と、
ガスタングステンアーク溶接装置と
を備え、前記レーザ溶接装置、前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記ガスタングステンアーク溶接装置が、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、溶接システム。
【請求項2】
前記レーザ溶接装置、前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記ガスタングステンアーク溶接装置が共通の溶融プールを使用する、請求項1記載の溶接システム。
【請求項3】
前記ガスタングステンアーク溶接装置及び前記レーザ溶接装置が、前記ガスメタルアーク溶接装置無しで共通の溶融プールを使用する、請求項1記載の溶接システム。
【請求項4】
前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記レーザ溶接装置が、前記ガスタングステンアーク溶接装置無しで共通の溶融プールを使用する、請求項1記載の溶接システム。
【請求項5】
前記レーザ溶接装置が、前記ガスメタルアーク溶接装置と前記ガスタングステンアーク溶接装置との間に位置付けられる、請求項1記載の溶接システム。
【請求項6】
前記レーザ溶接装置が分割レーザビームを形成する、請求項1記載の溶接システム。
【請求項7】
前記レーザ溶接装置が、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記載の溶接システム。
【請求項8】
第1のレーザビームが前記ガスメタルアーク溶接装置と共に作動して第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記載の溶接システム。
【請求項9】
溶接プロセスであって、
レーザ溶接装置、ガスメタルアーク溶接装置及びガスタングステンアーク溶接装置を備えた溶接システムを準備する段階と、
前記レーザ溶接装置、前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記ガスタングステンアーク溶接装置の1以上を用いて物品を溶接する段階と、
を含む、溶接プロセス。
【請求項10】
前記溶接段階が、前記ガスメタルアーク溶接装置、前記レーザ溶接装置及び前記ガスタングステンアーク溶接装置の各々からの溶接段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項11】
前記溶接段階が、共通の溶融プールを用いて、前記ガスタングステンアーク溶接装置及び前記レーザ溶接装置により溶接する段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項12】
前記溶接段階が、共通の溶融プールを用いて、前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記レーザ溶接装置により溶接する段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項13】
前記溶接段階が、共通の溶融プールを用いて、前記ガスタングステンアーク溶接装置、前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記レーザ溶接装置により溶接する段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項14】
前記溶接段階が、前記レーザ溶接装置及び前記ガスメタルアーク溶接装置を作動させずに前記ガスタングステンアーク溶接装置を作動させる段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項15】
前記溶接段階が、前記ガスタングステンアーク溶接装置を作動させずに前記レーザ溶接装置及びガスメタルアーク溶接装置を作動させる段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項16】
前記溶接段階が、前記ガスタングステンアーク溶接装置、前記ガスメタルアーク溶接装置及び前記レーザ溶接装置の1以上の動作間を移行する段階を含む、請求項9記載のプロセス。
【請求項17】
前記レーザ溶接装置が分割レーザビームを形成する、請求項9記載のプロセス。
【請求項18】
前記レーザ溶接装置が、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9記載のプロセス。
【請求項19】
第1のレーザビームが前記ガスメタルアーク溶接装置と共に作動して第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9記載のプロセス。
【請求項20】
ガスメタルアーク溶接装置、レーザ溶接装置及びガスタングステンアーク溶接装置からの溶接により形成された溶接を備える、溶接物品。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−111654(P2013−111654A)
【公開日】平成25年6月10日(2013.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−253800(P2012−253800)
【出願日】平成24年11月20日(2012.11.20)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Fターム(参考)】