溶接システム及び方法
【課題】比較的低い出力レーザを高い速度で使用して、厚い片上に完全溶け込み溶接部を形成する。
【解決手段】本溶接システム１００は、ギャップ１４０を形成するように配置された片と、ギャップ１４０内に配置されたフィラー１５０と、ギャップ１４０に追従しかつ該ギャップ１４０の近傍に溶融材料を移動させて初期溶接プール１３３を形成するように配置及び構成されたアーク溶接機１６０と、ギャップ１４０に隣接して初期溶接プール１３３を通してレーザビームを投射してフィラー１５０の一部分を溶融して強化溶接プール１３４を形成しかつそれが該ギャップ１４０を充填するのを助けるように配置及び構成されたレーザ溶接機１３０とを含む。
【解決手段】本溶接システム１００は、ギャップ１４０を形成するように配置された片と、ギャップ１４０内に配置されたフィラー１５０と、ギャップ１４０に追従しかつ該ギャップ１４０の近傍に溶融材料を移動させて初期溶接プール１３３を形成するように配置及び構成されたアーク溶接機１６０と、ギャップ１４０に隣接して初期溶接プール１３３を通してレーザビームを投射してフィラー１５０の一部分を溶融して強化溶接プール１３４を形成しかつそれが該ギャップ１４０を充填するのを助けるように配置及び構成されたレーザ溶接機１３０とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、総括的には溶接プロセスに関し、より具体的には、ハイブリッド溶接法を使用して溶接するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会において、２以上の金属片を接合する溶接技術は数多く知られている。典型的には、接合すべき片間に接合部又はシームを広く移動させる溶融溶接材料を含む溶接プールを形成するように１以上の溶接法を使用してエネルギーを適用する。溶融材料が凝固すると、片を接合する溶接部が形成される。エネルギーを適用して溶接プールを形成する一般的な技術は、レーザ溶接機又は電気アーク溶接機を使用する。例えば、レーザ溶接では、片に対してレーザビームを適用して部分片を溶融し、それによって溶接プールを形成する。アーク溶接では、片及び電極間に電気アークを生じさせる。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）では、アークが消耗電極を溶融しかつ溶接プールを形成するのを助けるように溶融材料を移動させる。ハイブリッド溶接では、レーザ溶接及びガス金属アーク溶接のような２以上の溶接法の組合せが使用される。
【０００３】
接合すべき片の厚さが増大するにつれて、全厚溶接部に好適な溶接プール（及びその溶接プールを形成するのに必要なエネルギーの量）を形成するように溶融する必要がある材料の量もまた増大する。同様に、材料の溶融温度及び／又は比熱が増大すると、溶接プールを形成するようにエネルギーを適用する必要がある速度もまた増大する。さらに、溶接材料の熱伝導率が低下すると、深溶込み溶接部の形成が一層困難になる。接合すべき片が比較的厚い若しくは比較的低い熱伝導性又は比較的高い溶融温度及び／又は比熱を有する材料を含むそれらの理由により、従来の溶接法の使用は、エネルギーを適用する速度を増大させる（つまり、溶接装置に対する機能向上）或いは溶接部を形成することができる速度の減少を必要とした。
【０００４】
同時に、当業者は、それら材料を溶接することができる速度を増大させるための高い溶融温度及び方法を有する材料の開発を捜し求めている。例えば、ガスタービン産業では、比較的高い溶融温度を示す多数の合金を開発しかつ開発し続けている。それらには、Ｕ５００、ＲＥＮＥ ７７、Ｕ７００、ＩＮ７３８及びＧＴＤ１１１のようなタービンブレードに使用する合金、Ｘ４０、Ｘ４５、ＦＳＸ４１４、Ｎ１５５及びＧＴＤ−２２２のようなタービンベーン組立体に使用する合金、ＳＳ３０９、ＨＡＳＴ Ｘ、Ｎ−２６３及びＨＡ−１８８のような燃焼器に使用する合金、ＡＬＬＯＹ ７１８、ＡＬＬＯＹ ７０６、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ、Ａ２８６及びＭ１５２のようなタービンホイールに使用する合金、並びにＡＩＳＩ ４０３、ＡＩＳＩ ４０３＋Ｃｂ及びＧＴＤ−４５０のようなガス圧縮機ブレードに使用する合金が含まれる。
【０００５】
接合すべき片の厚さが少なくとも商業的に許容可能な速度（少なくとも毎秒約２０インチ又は毎秒約６０インチのより好ましい速度又は毎秒１００インチの高い速度においてすら）で約０．２インチ又は０．２５インチの普通の厚さである上記した材料のような比較的高い溶融点温度を有する合金を含む片を接合する試みは、大きな課題を提示した。より正確には、経験によるとアーク溶接法は比較的大きい溶接プールを形成することができることを示したが、典型的なアークの比較的低い出力密度（例えば、約１０４Ｗ／ｃｍ2）は、一般的に高い溶接速度（つまり、少なくとも毎秒約３０〜７０インチ）までの適度な速度で片内に十分な深さまで溶融材料を溶込ませるのには不十分である。その結果、片が比較的厚い（例えば、約０．２５インチ以上の厚さ）又は比較的高い溶融点（例えば、約２６００°Ｆ以上）を有する材料を含む場合には、比較的低い溶接速度（例えば、毎秒約２０インチ以下）は、片内への又は片を通しての溶接部の許容可能な溶込みを可能にするために必要であることが見出された。より速い溶接速度を採用する試みは、溶接ビードの過剰な融合又は不足を生じた。
【０００６】
レーザを使用してこれらの問題を解決する試みは、限られた成功のみを達成した。例えば、レーザがそれらの比較的高い出力密度（例えば、１０６Ｗ／ｃｍ2超）のため高い速度までの適度な速度での大きな溶込みの達成を可能にした場合には、典型的なレーザビームの比較的狭い幅（つまり、直径で約０．６ｍｍのみ）は、それらの使用の実施可能性を損なう。レーザビーム寸法が比較的狭いので、レーザビームがシームを正確に追跡するのを損なった時又は片間のギャップが広すぎる箇所において、多くの場合に融合の不足が発生する。さらに、必要なレーザ出力は一般的に材料厚さ及び／又は溶融温度と共に増大するので、比較的厚い材料を溶接しようとする若しくは比較的高い溶融点及び／又は比熱を有する或いは比較的低い熱伝導率を示す材料に対して適用しようとするレーザ溶接のコストは、問題となる可能性がある。その結果、比較的高い溶接速度（例えば、毎分６０インチよりも大きい）及び改良型の深溶込みが限られたケースにおいてレーザで達成される場合には、自動レーザ溶接プロセスは高い温度合金を含む厚い片に対して高速で適切な信頼性を与えるのを損なった。シーム追跡制御を使用して信頼性を改善する試みは、付加的コストを有するが、溶接品質を高い信頼性で改善するのを損ないまたブローホール又は融合ギャップを除去するのを損なった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，７１８，９１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
その結果、当業者は、低いレーザ出力レベル及び適度な速度でハイブリッド溶接法を使用して厚い片を溶接するための改良型のシステム及び方法を捜し求めている。より具体的には、比較的低い出力レーザを比較的高い速度で使用して比較的厚い片上に完全溶込み溶接部を形成するための改良型のシステム及び方法が捜し求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様によると、溶接システムは、それらの間にギャップを形成するように配置された２以上の片と、ギャップ内に所望の深さで配置されたフィラーと、アーク溶接機と、レーザ溶接機とを含む。アーク溶接機は、ギャップに追従しかつ該ギャップの近傍に溶融材料を移動させて所望の幅の初期溶接プールを形成するように配置及び構成される。レーザ溶接機は、ギャップに隣接して初期溶接プールを通してレーザビームを投射してフィラーの少なくとも一部分を溶融し、それによって強化溶接プールを形成しかつ該強化溶接プールが該ギャップを充填するのを助けるように配置及び構成される。
【００１０】
本発明の別の態様によると、溶接方法は、片間にギャップを形成するように２以上の片を固定するステップと、ギャップ内に所望の位置でフィラーを配置するステップと、片の少なくとも一方に電気アークを適用してギャップの近傍に溶融材料を移動させかつそれによって所望の幅の初期溶接プールを形成するステップと、ギャップに隣接して初期溶接プールを通してレーザビームを投射してフィラーの少なくとも一部分を溶融し、それによって強化溶接プールを形成しかつ該強化溶接プールが該ギャップを充填するのを助けるステップとを含む。
【００１１】
その結果、本発明は厚い片型の改良した速度及び信頼性で溶接されるのを可能にする安定した溶接システム及び方法を提供する。添付図面に関連させて以下の詳細な説明を参照すると、上記の及びその他の利点及び特徴が一層明らかになるであろう。
【００１２】
本発明と見なされる主題は、特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。添付図面に関連させて以下の詳細な説明を参照すると、本発明の上記の及びその他の特徴及び利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ハイブリッド溶接法を使用する例示的な溶接システムを示す斜視図。
【図２】ハイブリッド溶接法を使用して厚い及び／又は高い温度の材料の片を溶接する例示的なプロセスを示すフロー図。
【図３】ハイブリッド溶接法を使用する例示的な溶接システムを示す図。
【図４】ハイブリッド溶接法を使用して溶接されるように構成されかつ配置された例示的な１対の片を示す図。
【図５】ハイブリッド溶接法を使用して溶接されるように構成されかつ配置された例示的な１対の片を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
詳細な説明は、図を参照した実施例により本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１５】
次に、幾つかの図全体を通して同じ符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、溶接法の組合せを使用する例示的な溶接システムを示す。図１に示すように、２以上の片１１０、１２０を接合するための溶接システム１００は、ギャップ１４０に追従しかつ該ギャップ１４０の周辺に材料を移動させて該ギャップ１４０の周辺に所望の幅の初期溶接プール１３３を形成するように配置及び構成されたアーク溶接機１６０を含む。このことを達成するためにアーク溶接機１６０は、該アーク溶接機１６０からの電気アークがギャップ１４０の周辺に材料を移動させる時に該ギャップ１４０を追従するように配置される。例示的な実施形態では、アーク溶接機１６０は、消費電極から溶接材料を移動させることによって初期溶接プール１３３を形成する。初期溶接プール１３３は、ギャップを広く移動させかつ２以上の片１１０、１２０上に設置される。
【００１６】
レーザ溶接機１３０は、ギャップ１４０に隣接して初期溶接プール１３３上にレーザビームを投射して初期溶接プール１３３及びギャップ１４０内に溶込ませかつギャップ１４０内に又は該ギャップ１４０に隣接して配置されたフィラー１５０に衝突させるように配置及び構成される。レーザビームがフィラー１５０に衝突すると、フィラー１５０にエネルギーが与えられ、それによって該フィラー１５０の幾らか又は全てを溶融させる。加えて、初期溶接プール１３３上へのレーザビームの作用は、該初期溶接プール１３３の材料にエネルギーを付加して該初期溶接プール１３３の少なくとも一部分がギャップ１４０内に流動しかつフィラー１５０からの溶融材料と接合して強化溶接プール１３４を形成するのを助ける。例示的な実施形態では、強化溶接プール１３４は、それがギャップ１４０内に（又はそれに隣接して）配置された時にフィラー１５０の深さまでエッジ１１６および１２６間のギャップ１４０を充填する。
【００１７】
例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、約０．２５インチの厚さであるステンレス鋼プレートを含む。レーザ溶接機１３０は、約４−ｋＷの出力のビームを発生し、またロボットアーム又は追跡組立体とすることができかつ毎分約６０インチの溶接速度でレーザ溶接機１３０をギャップ１４０に沿って案内するように構成された溶接機搬送装置１３５によって搬送される。それに代えて、片１１０、１２０は、毎分約６０インチの溶接速度でレーザ溶接機１３０に対して該片１１０、１２０を移動させるように構成された加工物搬送装置１１５によって移動させることができる。例示的な実施形態では、レーザ溶接機１３０は、フィラー１５０の所望の部分（例えば、フィラー全体、フィラーの半分）をフィラー１５０内に溶込ませかつ溶融させるのに十分な出力を移動させるレーザビームを供給して初期溶接プール１３３内に堆積した材料、片１１０及び１２０の各々から溶融した材料並びにフィラー１５０からの材料を含む強化溶接プール１３４が形成されるように構成される。強化溶接プール１３４の凝固により、全厚溶接部が完全形成される。当業者には明らかなように、本発明は、それらがギャップを残さないように配置された場合に片１１０及び１２０内に溶込ませることが必要となる出力に比較して低い出力を有するレーザの使用を可能にする。
【００１８】
本発明によると、ギャップ１４０の幅１４２は、最終溶接部の深さ１４４に依存しかつ該深さ１４４に逆相関する。１つの実施形態では、より厚い材料にはより小さいギャップが必要であることが観察された。他の実施形態では、ギャップ１４０の溶接深さ１４４及び幅１４２間の関係は、片の組成及び論理的寸法並びにレーザ溶接機の特性における経験を通してまた当技術で公知のその他の方法を通して開発された経験データから近似させることができる。例示的な実施形態では、厚さ１２８は０．２５インチであり、また矩形ギャップ１４０の幅１４２は０．０３５インチである。例示的な実施形態では、ギャップ１４０は該ギャップの端部から見た時にＹ字形であり、Ｙの開放部分が溶接機に最も接近したギャップの部分に相当しまたＹの閉鎖部分が溶接機から最も離れかつそれがギャップ１４０を充填した時に強化溶接プール１３４を支持するバリヤを形成する。別の例示的な実施形態では、ギャップ１４０はＵ字形である。例示的な実施形態では、ギャップ１４０はＪ字形である。
【００１９】
図１に示すように、フィラー１５０は、背面１１２、１２２に隣接して矩形ギャップ１４０内に配置された。この位置において、フィラー１５０は、強化溶接プール１３４（アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０の組合せ作用によって形成されかつレーザ溶接機１３０の作用により充填ギャップ１４０内に支えられた）に対して支持を与えまた深さ１４４が片１１０、１２０の全厚１１８、１２８に近似し、それによって全厚溶接部を形成することを示す。本発明の例示的な実施形態では、フィラー１５０は、ギャップ１４０を充填しかつ／又はギャップ１４０をシールしてその中に溶接プールを保持するような寸法であるワイヤを含む。フィラー１５０は、アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０のエネルギーによって（例えば、レーザビームの直接衝突により又は強化溶接プール１３４の流動部分によって運ばれる熱の移動により）少なくとも部分的（場合によっては完全）に溶融されるので、ギャップ１４０の幅１４２はまたレーザ溶接機１３０の出力能力に依存する。例示的な実施形態では、フィラー１５０は、ギャップ１４０内に詰込まれ、強化溶接プール１３４に対する支持構造体を与えるように配置及び構成された付加材料を含む。フィラーは、ギャップ内に溶接プールを保持するのに好適な構成で片１１０、１２０の表面において該ギャップに隣接して配置することができることを理解されたい。例えば、フィラーはギャップを広く移動させ、それによって該ギャップ内に溶接プールを保持するための支持構造体を設けるように片の隣接する表面に対して配置することができる。
【００２０】
フィラー１５０は、タック溶接部、圧縮部又は別の好適な手段を使用してギャップ１４０内に又は該ギャップ１４０に隣接して所定の位置に保持することができる。例えば、フィラー１５０は、片１１０、１２０間の圧縮部によって所定の位置に保持することができる。それに代えて、フィラー１５０は、エッジ１１６及び１２６内に形成されるか又は機械加工された対向するチャネル間に保持することができる。別の実施形態では、フィラー１５０は、片１１０、１２０が互いに隣接して配置されたときにエッジ１１６及び／又はエッジ１２６内に形成されかつ該エッジ１１６及び／又はエッジ１２６から片持ちになって強化溶接プール１３４のための支持構造体を形成する１以上の薄いプラットフォームを含むことができる。当業者には明らかなように、フィラー１５０は、矩形断面又は円形断面で形成することができ或いは強化溶接プール１３４がギャップ１４０内に流動しかつ該ギャップ１４０を充填した時にギャップ１４０を広く移動させてそれを支持するその他の好適な断面で形成することができる。さらに、フィラー１５０は、片１１０、１２０の背面１１２、１２２に対して配置しかつ該背面１１２、１２２にスタック溶接してギャップ１４０を広く移動させることができる。
【００２１】
全厚溶接部の場合には、フィラー１５０は、背面１１２又は１２２に隣接して配置される。より少ない深さの溶接部では、フィラー１５０は、背面１１２、１２２及び前面１１４、１２４間の中途のような中間深さで配置することができる。前面１１４、１２４からフィラー１５０を設置した位置まで溶接部を完全形成した後に、片１１０、１２０を回転させて背面１１２、１２２及びフィラー１５０間に補助溶接部を形成することができる。このようにして、全厚溶接部は、最終的に比較的高い溶接速度（例えば、最大毎分約６０インチ）で極度に厚い（例えば、１／２インチの厚さの）材料内に形成することができる。
【００２２】
レーザ溶接機１３０を使用すると、強化溶接プール１３４の少なくとも一部分のエネルギーがレーザ溶接機１３０からのレーザエネルギーの衝突によって増大して、流動を生じ、ビームが初期溶接プール１３３及びギャップ１４０内に溶込みかつフィラー１５０に衝突した時にレーザ溶接機１３０の作用によって溶融しているフィラー１５０と接触する。例示的な実施形態では、レーザ溶接機１３０からのビームの幅はギャップ１４０の幅よりも僅かに小さくて、レーザ溶接機１３０からのエネルギーが初期溶接プール１３３内に溶込んだ後にフィラー１５０に直接適用される。ギャップ１４０内において、レーザ溶接機１３０からのエネルギーは、フィラー１５０の幾らか又は全て並びにエッジ１１６及び１２６に隣接する片１１０及び１２０の少なくとも一部分を溶融して、強化溶接プール１３４を形成する。強化溶接プール１３４が凝固すると、フィラー１５０に溶込んだ溶接部が形成される。この例示的な実施形態では、生じた溶接部は、背面１１２、１２２まで延びる全厚である。
【００２３】
従って、例示的な実施形態では、アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０を含むハイブリッド溶接機は、凝固した強化溶接プール１３４による溶接ビード１６２の形成を可能にする。この溶接ビード１６２は、ギャップ１４０を完全に充填しかつ片１１０及び１２０間に全厚溶接部を形成する。例示的な実施形態では、全厚溶接部は、背面１１２、１２２から前面１１４、１２４まで延びる。加えて、溶接ビード１６２の幅は、ギャップ１４０の幅よりも大きい。従って、レーザ溶接機１３０は、アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０の組合せ作用が溶接ビード１６２の適切な幅に必要な要件を満たしながら所望の溶接部深さ１４４を形成する。
【００２４】
例示的な実施形態では、アーク溶接機１６０によって形成されかつレーザ溶接機１３０の作用によって強化された強化溶接プール１３４は、レーザ溶接機１３０の作用によってギャップ１４０内においてフィラー１５０の位置（深さ）まで該ギャップ１４０内に運ばれる。この実施形態によると、レーザ溶接機１３０は、そのビームがギャップ１４０に近接して初期溶接プール１３３の前端縁に又は該前端縁に近接してアーク溶接機１６０によって形成された初期溶接プール１３３に接触するように配置される。
【００２５】
当業者には明らかなように、システム１００は、片間へのギャップの形成を可能にして所望の深さまでのレーザビームの溶込みを可能になるようにしかつギャップ１４０内への初期溶接プール１３３の流動を可能にしてフィラー１５０からの材料と接合させそれによってギャップ１４０を充填する強化溶接プールを形成する形状の片１１０、１２０と共に使用することができる。従って、片１１０、１２０は、平坦なプレート又は湾曲断面とすることができ或いはパイプのような円筒形部材とさえすることができる。重力を使用してギャップ１４０内に強化溶接プール１３４が形成されるのを助けるのが望ましいが、レーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０は、隣接する前面１１４、１２４が背面１１２、１２２の上方に位置するギャップ１４０の部分の上方に配置することができる。片１１０、１２０は略平坦なプレートであるが、ギャップ１４０の大半又は全ては、垂直方向に配向することができ、またレーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０は、前面１１４、１２４及びギャップ１４０の上方に配置することができかつギャップ１４０に沿って移動させることができる。片１１０、１２０は、該片１１０、１２０がパイプ断面である場合のように円形断面を有するが、レーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０は、実質的にパイプ断面間のギャップの最上部分の上方の位置に固定することができる。この実施形態によると、パイプ断面は、それらの中心軸線の周りで回転させて、レーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０に対して円周ギャップを露出させることができる。
【００２６】
本発明によると、強化溶接プール１３４の形成は、初期溶接プール１３３上へのレーザ溶接機１３０の衝突によって支援される。それにも拘らず、強化溶接プール１３４は、溶融プールが吹飛ばされ又は落下するのを防止するように溶融フィラー１５０によって支えられた、ギャップ１４０内に形成された材料の高温溶融プールである。
【００２７】
例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、Ｕ５００、ＲＥＮＥ ７７、Ｕ７００、ＩＮ７３８及びＧＴＤ１１１のようなガスタービンエンジンのタービンブレードでの使用に適した１種以上の材料を含む。別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、Ｘ４０、Ｘ４５、ＦＳＸ４１４、Ｎ１５５及びＧＴＤ−２２２のようなガスタービンエンジンのベーン組立体での使用に適した１種以上の材料を含む。さらに別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、ＳＳ３０９、ＨＡＳＴ Ｘ、Ｎ−２６３及びＨＡ−１８８のようなガスタービンエンジンの燃焼器での使用に適した１種以上の材料を含む。さらに別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、合金、ＡＬＬＯＹ ７１８、ＡＬＬＯＹ ７０６、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ、Ａ２８６及びＭ１５２のようなガスタービンエンジンのタービンホイールでの使用に適した１種以上の材料を含む。さらに別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、合金、並びにＡＩＳＩ ４０３、ＡＩＳＩ ４０３＋Ｃｂ及びＧＴＤ−４５０のようなガスタービンエンジンの圧縮機ブレードでの使用に適した１種以上の材料を含む。
【００２８】
当業者には明らかなように、片１１０、１２０は、特定の用途に対して所望の特性を与えるようなモリブデン、ニッケル、タングステン、レニウム、鉄、アルミニウム、炭素、銅、クロム、チタン及びその他の成分を含む様々な成分で構成された材料を含むことができる。例示的な材料は、１０００°Ｆ〜最大約６０００°Ｆの溶融温度を示すことができる。例えば、材料は、２０００°Ｆ以上、又は２１００°Ｆ以上、又は２２００°Ｆ以上、又は２３００°Ｆ以上、又は２４００°Ｆ以上、又は２５００°Ｆ以上、又は２６００°Ｆ以上、又は２７００°Ｆ以上、又は２８００°Ｆ以上、又は２９００°Ｆ以上、又は３０００°Ｆ以上、又は３１００°Ｆ以上、及びそのようにして最大約６０００°Ｆの溶融温度を示すように構成することができる。純粋なレニウムは５７００°Ｆ以上の溶融温度を示すことができる。
【００２９】
図２は、比較的厚い又は比較的高い溶融温度を有する片を接合するための例示的な溶接方法２００を示すフロー図である。例示的な実施形態では、溶接すべき片は、搬送固定具上に設けられて片間にギャップを形成する２１０。ギャップの幅は、片の厚さ及びレーザ溶接機の出力に依存して予め定めた関係により固定又は変化する２２０。この関係は、片の組成及び物理的寸法並びにレーザ溶接機の特性に関する実験によりまた当技術で公知のその他の方法により開発された実験データから決定することができる。ギャップを少なくとも部分的にシールして該ギャップ内に溶融溶接材料を保持するのに好適なワイヤ又はその他の構造体のようなフィラーが、溶接される２つの片間又は２つの片に対して取付けられてギャップを塞ぎかつレーザ溶接機の作動によって形成された溶接プールに対する支持構造体として作用する２３０。例示的な実施形態では、ワイヤは、片間で所定の位置にタック溶接される２３２。
【００３０】
次に、アーク溶接機は、ギャップの近傍における片の少なくとも一方に関連させて電気アークを設定して該ギャップの近傍に溶融材料を移動させ、それによって所望の幅の初期溶接プールを形成する２４０。レーザ溶接機からのビームはまた、アーク溶接機によって形成された初期溶接プールに適用される２４２。レーザ溶接機からのビームはまた、初期溶接プールを通してまたギャップを通してフィラーに溶込んでフィラー２４４の少なくとも一部分を溶融し、初期溶接プールからの材料がギャップ内に流動しまた溶融フィラー材料と組合されて該ギャップを少なくとも部分的に充填しかつ強化溶接プール２４６を形成させ、それを可能にしかつそれを助ける。従って、十分な幅の溶接ビードは、ギャップを完全に充填するように形成されかつ全厚及び全幅溶接部を形成する。
【００３１】
例示的な実施形態では、レーザ溶接機の出力レベルは、十分なエネルギーを強化溶接プールからギャップ内に移動させてフィラーを該ギャップを充填するようにし、同時にフィラーを溶融させて強化溶接プールを形成するように供給される。レーザの適用時に、ギャップは、初期に少なくとも部分的に空いていてギャップのない状態で片の全厚に溶込むのに必要となるレーザ出力に比較してそのレーザ出力に必要な要件が減少させる。
【００３２】
図３に示すように、ハイブリッド溶接法における例示的な溶接システム３００では、片３１０及び３２０が、片間でＶ字形ギャップ３４０になるように配置される。ギャップ３４０において、片３１０及び３２０は、ギャップ３４０内への深さが増大するにつれて該ギャップ３４０を狭くするように形成されかつ／又は機械加工される。その結果、片３１０及び３２０は、片の対向する表面に隣接するギャップに対して比較的より広い開口部を形成しながら片の１つの表面に隣接して互いに非常に近接して接触し或いは配置させることができる。その結果、アーク溶接機は、ギャップ３４０内の開口部に隣接して表面上に溶接プールを堆積するように使用することができ、ギャップ内へのその流動を可能にして該ギャップを充填するようにレーザをその堆積材料に対して適用することができる。１つの表面に隣接しかつ対向する表面上に略近接させて開口するギャップを形成するように構成すると、構成した片が全厚溶接部を形成しながら同時にギャップをシールするためのフィラーの必要性を減少させることができるハイブリッド溶接法の使用を可能にする。例示的な実施形態では、厚さ３３０は、利用可能なレーザ出力に依存する。４ｋＷを供給することができるレーザが可能である場合には、開示プロセスを使用して１／８インチの材料厚さにより全厚溶接部が得られる。より厚い片を溶接するのが望ましい場合には、より大きいレーザ出力が必要となる可能性がある。
【００３３】
図４に示すように、ハイブリッド溶接法における例示的な溶接システム４００では、片４１０及び４２０が、片間で矩形ギャップ４４０になるように配置される。ギャップ４４０において、片４１０及び４２０は、ギャップ４４０内へのその極度な深さにおいて該ギャップ４４０に対してシールを行いながら該ギャップに対する開口部を形成するように形成されかつ／又は機械加工される。その結果、アーク溶接機は、ギャップ４４０内の開口部に隣接して表面上に溶接プールを堆積するように使用することができ、ギャップ内へのその流動を可能にして該ギャップを充填するようにレーザをその堆積材料に対して適用することができる。１つの表面に隣接しかつ対向する表面上に略近接させて開口するギャップを形成するように構成すると、構成した片が全厚溶接部を形成しながら同時にギャップをシールするためのフィラーの必要性を減少させることができるハイブリッド溶接法の使用を可能にする。
【００３４】
図５に示すように、ハイブリッド溶接法における例示的な溶接システム５００では、片５１０及び５２０が、それらの間にギャップ５４０を形成するように配置される。アーク溶接機（図示せず）は、ギャップ５４０の近傍に材料を搬送して該ギャップ５４０の幅よりも大きい幅に該ギャップ５４０を広く移動させかつ被覆する初期溶接プール５３３を形成する。レーザビームは、初期溶接プール５３３内のポイント５３２において該初期溶接プール５３３に適用されて、強化溶接プール５３４からギャップ５４０内への溶融又は蒸発材料の流動を生じさせ、これを助け又は可能にする方法で溶接プール５３４にエネルギーを付加するように選択されかつ配置された強化溶接プール５３４を形成する。その結果、強化溶接プールが凝固すると、ギャップ５４０を広く移動させかつ充填しまた片５１０及び５２０を互いに結合する溶接部５６２が形成される。
【００３５】
従って、片の配置と組合さってその中に有利に配置されたフィラーを備えたギャップを形成するようなアーク溶接機及びレーザ溶接機の組合せ作用により、フィラーの深さまでギャップを充填する強化溶接プールが形成されるのを可能にする。強化溶接プールが凝固すると、片の特定の材料組成及び物理的寸法に適した比較的高い速度で比較的低い出力ハイブリッドレーザを使用して２以上の片間に完全溶融及び完全溶込み溶接部を形成することができる。従って、本発明は、例えそれらの片が比較的高い溶融温度を有する材料を含む場合であっても改良型の速度及び信頼性を備えかつ比較的低い出力及び／又は比較的低いコストのハイブリッドレーザの使用を可能にして、比較的厚い断面片上に溶接部を形成するのを可能にする安定溶接プロセスを提供する。
【００３６】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３７】
１００ 溶接システム
１１０ 片
１１２ 表面
１１４ 前面
１１５ ワークピース搬送装置
１１６ エッジ
１１８ 厚さ
１２０ 片
１２２ 表面
１２４ 前面
１２６ エッジ
１２８ 厚さ
１３０ レーザ溶接機
１３３ 初期溶接プール
１３４ 強化溶接プール
１３５ 溶接機搬送装置
１４０ ギャップ
１４２ 幅
１４４ 深さ
１５０ フィラー
１６０ アーク溶接機
１６２ 溶接ビード
１６４ 幅
３００ 溶接システム
３１０ 片
３２０ 片
３４０ ギャップ
４００ 溶接システム
４１０ 片
４２０ 片
４４０ ギャップ
５００ 溶接システム
５１０ 片
５２０ 片
５３２ ポイント
５３３ 初期溶接プール
５３４ 強化溶接プール
５４０ ギャップ
５６２ 溶接部
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、総括的には溶接プロセスに関し、より具体的には、ハイブリッド溶接法を使用して溶接するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会において、２以上の金属片を接合する溶接技術は数多く知られている。典型的には、接合すべき片間に接合部又はシームを広く移動させる溶融溶接材料を含む溶接プールを形成するように１以上の溶接法を使用してエネルギーを適用する。溶融材料が凝固すると、片を接合する溶接部が形成される。エネルギーを適用して溶接プールを形成する一般的な技術は、レーザ溶接機又は電気アーク溶接機を使用する。例えば、レーザ溶接では、片に対してレーザビームを適用して部分片を溶融し、それによって溶接プールを形成する。アーク溶接では、片及び電極間に電気アークを生じさせる。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）では、アークが消耗電極を溶融しかつ溶接プールを形成するのを助けるように溶融材料を移動させる。ハイブリッド溶接では、レーザ溶接及びガス金属アーク溶接のような２以上の溶接法の組合せが使用される。
【０００３】
接合すべき片の厚さが増大するにつれて、全厚溶接部に好適な溶接プール（及びその溶接プールを形成するのに必要なエネルギーの量）を形成するように溶融する必要がある材料の量もまた増大する。同様に、材料の溶融温度及び／又は比熱が増大すると、溶接プールを形成するようにエネルギーを適用する必要がある速度もまた増大する。さらに、溶接材料の熱伝導率が低下すると、深溶込み溶接部の形成が一層困難になる。接合すべき片が比較的厚い若しくは比較的低い熱伝導性又は比較的高い溶融温度及び／又は比熱を有する材料を含むそれらの理由により、従来の溶接法の使用は、エネルギーを適用する速度を増大させる（つまり、溶接装置に対する機能向上）或いは溶接部を形成することができる速度の減少を必要とした。
【０００４】
同時に、当業者は、それら材料を溶接することができる速度を増大させるための高い溶融温度及び方法を有する材料の開発を捜し求めている。例えば、ガスタービン産業では、比較的高い溶融温度を示す多数の合金を開発しかつ開発し続けている。それらには、Ｕ５００、ＲＥＮＥ ７７、Ｕ７００、ＩＮ７３８及びＧＴＤ１１１のようなタービンブレードに使用する合金、Ｘ４０、Ｘ４５、ＦＳＸ４１４、Ｎ１５５及びＧＴＤ−２２２のようなタービンベーン組立体に使用する合金、ＳＳ３０９、ＨＡＳＴ Ｘ、Ｎ−２６３及びＨＡ−１８８のような燃焼器に使用する合金、ＡＬＬＯＹ ７１８、ＡＬＬＯＹ ７０６、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ、Ａ２８６及びＭ１５２のようなタービンホイールに使用する合金、並びにＡＩＳＩ ４０３、ＡＩＳＩ ４０３＋Ｃｂ及びＧＴＤ−４５０のようなガス圧縮機ブレードに使用する合金が含まれる。
【０００５】
接合すべき片の厚さが少なくとも商業的に許容可能な速度（少なくとも毎秒約２０インチ又は毎秒約６０インチのより好ましい速度又は毎秒１００インチの高い速度においてすら）で約０．２インチ又は０．２５インチの普通の厚さである上記した材料のような比較的高い溶融点温度を有する合金を含む片を接合する試みは、大きな課題を提示した。より正確には、経験によるとアーク溶接法は比較的大きい溶接プールを形成することができることを示したが、典型的なアークの比較的低い出力密度（例えば、約１０４Ｗ／ｃｍ2）は、一般的に高い溶接速度（つまり、少なくとも毎秒約３０〜７０インチ）までの適度な速度で片内に十分な深さまで溶融材料を溶込ませるのには不十分である。その結果、片が比較的厚い（例えば、約０．２５インチ以上の厚さ）又は比較的高い溶融点（例えば、約２６００°Ｆ以上）を有する材料を含む場合には、比較的低い溶接速度（例えば、毎秒約２０インチ以下）は、片内への又は片を通しての溶接部の許容可能な溶込みを可能にするために必要であることが見出された。より速い溶接速度を採用する試みは、溶接ビードの過剰な融合又は不足を生じた。
【０００６】
レーザを使用してこれらの問題を解決する試みは、限られた成功のみを達成した。例えば、レーザがそれらの比較的高い出力密度（例えば、１０６Ｗ／ｃｍ2超）のため高い速度までの適度な速度での大きな溶込みの達成を可能にした場合には、典型的なレーザビームの比較的狭い幅（つまり、直径で約０．６ｍｍのみ）は、それらの使用の実施可能性を損なう。レーザビーム寸法が比較的狭いので、レーザビームがシームを正確に追跡するのを損なった時又は片間のギャップが広すぎる箇所において、多くの場合に融合の不足が発生する。さらに、必要なレーザ出力は一般的に材料厚さ及び／又は溶融温度と共に増大するので、比較的厚い材料を溶接しようとする若しくは比較的高い溶融点及び／又は比熱を有する或いは比較的低い熱伝導率を示す材料に対して適用しようとするレーザ溶接のコストは、問題となる可能性がある。その結果、比較的高い溶接速度（例えば、毎分６０インチよりも大きい）及び改良型の深溶込みが限られたケースにおいてレーザで達成される場合には、自動レーザ溶接プロセスは高い温度合金を含む厚い片に対して高速で適切な信頼性を与えるのを損なった。シーム追跡制御を使用して信頼性を改善する試みは、付加的コストを有するが、溶接品質を高い信頼性で改善するのを損ないまたブローホール又は融合ギャップを除去するのを損なった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，７１８，９１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
その結果、当業者は、低いレーザ出力レベル及び適度な速度でハイブリッド溶接法を使用して厚い片を溶接するための改良型のシステム及び方法を捜し求めている。より具体的には、比較的低い出力レーザを比較的高い速度で使用して比較的厚い片上に完全溶込み溶接部を形成するための改良型のシステム及び方法が捜し求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様によると、溶接システムは、それらの間にギャップを形成するように配置された２以上の片と、ギャップ内に所望の深さで配置されたフィラーと、アーク溶接機と、レーザ溶接機とを含む。アーク溶接機は、ギャップに追従しかつ該ギャップの近傍に溶融材料を移動させて所望の幅の初期溶接プールを形成するように配置及び構成される。レーザ溶接機は、ギャップに隣接して初期溶接プールを通してレーザビームを投射してフィラーの少なくとも一部分を溶融し、それによって強化溶接プールを形成しかつ該強化溶接プールが該ギャップを充填するのを助けるように配置及び構成される。
【００１０】
本発明の別の態様によると、溶接方法は、片間にギャップを形成するように２以上の片を固定するステップと、ギャップ内に所望の位置でフィラーを配置するステップと、片の少なくとも一方に電気アークを適用してギャップの近傍に溶融材料を移動させかつそれによって所望の幅の初期溶接プールを形成するステップと、ギャップに隣接して初期溶接プールを通してレーザビームを投射してフィラーの少なくとも一部分を溶融し、それによって強化溶接プールを形成しかつ該強化溶接プールが該ギャップを充填するのを助けるステップとを含む。
【００１１】
その結果、本発明は厚い片型の改良した速度及び信頼性で溶接されるのを可能にする安定した溶接システム及び方法を提供する。添付図面に関連させて以下の詳細な説明を参照すると、上記の及びその他の利点及び特徴が一層明らかになるであろう。
【００１２】
本発明と見なされる主題は、特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。添付図面に関連させて以下の詳細な説明を参照すると、本発明の上記の及びその他の特徴及び利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ハイブリッド溶接法を使用する例示的な溶接システムを示す斜視図。
【図２】ハイブリッド溶接法を使用して厚い及び／又は高い温度の材料の片を溶接する例示的なプロセスを示すフロー図。
【図３】ハイブリッド溶接法を使用する例示的な溶接システムを示す図。
【図４】ハイブリッド溶接法を使用して溶接されるように構成されかつ配置された例示的な１対の片を示す図。
【図５】ハイブリッド溶接法を使用して溶接されるように構成されかつ配置された例示的な１対の片を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
詳細な説明は、図を参照した実施例により本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１５】
次に、幾つかの図全体を通して同じ符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、溶接法の組合せを使用する例示的な溶接システムを示す。図１に示すように、２以上の片１１０、１２０を接合するための溶接システム１００は、ギャップ１４０に追従しかつ該ギャップ１４０の周辺に材料を移動させて該ギャップ１４０の周辺に所望の幅の初期溶接プール１３３を形成するように配置及び構成されたアーク溶接機１６０を含む。このことを達成するためにアーク溶接機１６０は、該アーク溶接機１６０からの電気アークがギャップ１４０の周辺に材料を移動させる時に該ギャップ１４０を追従するように配置される。例示的な実施形態では、アーク溶接機１６０は、消費電極から溶接材料を移動させることによって初期溶接プール１３３を形成する。初期溶接プール１３３は、ギャップを広く移動させかつ２以上の片１１０、１２０上に設置される。
【００１６】
レーザ溶接機１３０は、ギャップ１４０に隣接して初期溶接プール１３３上にレーザビームを投射して初期溶接プール１３３及びギャップ１４０内に溶込ませかつギャップ１４０内に又は該ギャップ１４０に隣接して配置されたフィラー１５０に衝突させるように配置及び構成される。レーザビームがフィラー１５０に衝突すると、フィラー１５０にエネルギーが与えられ、それによって該フィラー１５０の幾らか又は全てを溶融させる。加えて、初期溶接プール１３３上へのレーザビームの作用は、該初期溶接プール１３３の材料にエネルギーを付加して該初期溶接プール１３３の少なくとも一部分がギャップ１４０内に流動しかつフィラー１５０からの溶融材料と接合して強化溶接プール１３４を形成するのを助ける。例示的な実施形態では、強化溶接プール１３４は、それがギャップ１４０内に（又はそれに隣接して）配置された時にフィラー１５０の深さまでエッジ１１６および１２６間のギャップ１４０を充填する。
【００１７】
例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、約０．２５インチの厚さであるステンレス鋼プレートを含む。レーザ溶接機１３０は、約４−ｋＷの出力のビームを発生し、またロボットアーム又は追跡組立体とすることができかつ毎分約６０インチの溶接速度でレーザ溶接機１３０をギャップ１４０に沿って案内するように構成された溶接機搬送装置１３５によって搬送される。それに代えて、片１１０、１２０は、毎分約６０インチの溶接速度でレーザ溶接機１３０に対して該片１１０、１２０を移動させるように構成された加工物搬送装置１１５によって移動させることができる。例示的な実施形態では、レーザ溶接機１３０は、フィラー１５０の所望の部分（例えば、フィラー全体、フィラーの半分）をフィラー１５０内に溶込ませかつ溶融させるのに十分な出力を移動させるレーザビームを供給して初期溶接プール１３３内に堆積した材料、片１１０及び１２０の各々から溶融した材料並びにフィラー１５０からの材料を含む強化溶接プール１３４が形成されるように構成される。強化溶接プール１３４の凝固により、全厚溶接部が完全形成される。当業者には明らかなように、本発明は、それらがギャップを残さないように配置された場合に片１１０及び１２０内に溶込ませることが必要となる出力に比較して低い出力を有するレーザの使用を可能にする。
【００１８】
本発明によると、ギャップ１４０の幅１４２は、最終溶接部の深さ１４４に依存しかつ該深さ１４４に逆相関する。１つの実施形態では、より厚い材料にはより小さいギャップが必要であることが観察された。他の実施形態では、ギャップ１４０の溶接深さ１４４及び幅１４２間の関係は、片の組成及び論理的寸法並びにレーザ溶接機の特性における経験を通してまた当技術で公知のその他の方法を通して開発された経験データから近似させることができる。例示的な実施形態では、厚さ１２８は０．２５インチであり、また矩形ギャップ１４０の幅１４２は０．０３５インチである。例示的な実施形態では、ギャップ１４０は該ギャップの端部から見た時にＹ字形であり、Ｙの開放部分が溶接機に最も接近したギャップの部分に相当しまたＹの閉鎖部分が溶接機から最も離れかつそれがギャップ１４０を充填した時に強化溶接プール１３４を支持するバリヤを形成する。別の例示的な実施形態では、ギャップ１４０はＵ字形である。例示的な実施形態では、ギャップ１４０はＪ字形である。
【００１９】
図１に示すように、フィラー１５０は、背面１１２、１２２に隣接して矩形ギャップ１４０内に配置された。この位置において、フィラー１５０は、強化溶接プール１３４（アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０の組合せ作用によって形成されかつレーザ溶接機１３０の作用により充填ギャップ１４０内に支えられた）に対して支持を与えまた深さ１４４が片１１０、１２０の全厚１１８、１２８に近似し、それによって全厚溶接部を形成することを示す。本発明の例示的な実施形態では、フィラー１５０は、ギャップ１４０を充填しかつ／又はギャップ１４０をシールしてその中に溶接プールを保持するような寸法であるワイヤを含む。フィラー１５０は、アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０のエネルギーによって（例えば、レーザビームの直接衝突により又は強化溶接プール１３４の流動部分によって運ばれる熱の移動により）少なくとも部分的（場合によっては完全）に溶融されるので、ギャップ１４０の幅１４２はまたレーザ溶接機１３０の出力能力に依存する。例示的な実施形態では、フィラー１５０は、ギャップ１４０内に詰込まれ、強化溶接プール１３４に対する支持構造体を与えるように配置及び構成された付加材料を含む。フィラーは、ギャップ内に溶接プールを保持するのに好適な構成で片１１０、１２０の表面において該ギャップに隣接して配置することができることを理解されたい。例えば、フィラーはギャップを広く移動させ、それによって該ギャップ内に溶接プールを保持するための支持構造体を設けるように片の隣接する表面に対して配置することができる。
【００２０】
フィラー１５０は、タック溶接部、圧縮部又は別の好適な手段を使用してギャップ１４０内に又は該ギャップ１４０に隣接して所定の位置に保持することができる。例えば、フィラー１５０は、片１１０、１２０間の圧縮部によって所定の位置に保持することができる。それに代えて、フィラー１５０は、エッジ１１６及び１２６内に形成されるか又は機械加工された対向するチャネル間に保持することができる。別の実施形態では、フィラー１５０は、片１１０、１２０が互いに隣接して配置されたときにエッジ１１６及び／又はエッジ１２６内に形成されかつ該エッジ１１６及び／又はエッジ１２６から片持ちになって強化溶接プール１３４のための支持構造体を形成する１以上の薄いプラットフォームを含むことができる。当業者には明らかなように、フィラー１５０は、矩形断面又は円形断面で形成することができ或いは強化溶接プール１３４がギャップ１４０内に流動しかつ該ギャップ１４０を充填した時にギャップ１４０を広く移動させてそれを支持するその他の好適な断面で形成することができる。さらに、フィラー１５０は、片１１０、１２０の背面１１２、１２２に対して配置しかつ該背面１１２、１２２にスタック溶接してギャップ１４０を広く移動させることができる。
【００２１】
全厚溶接部の場合には、フィラー１５０は、背面１１２又は１２２に隣接して配置される。より少ない深さの溶接部では、フィラー１５０は、背面１１２、１２２及び前面１１４、１２４間の中途のような中間深さで配置することができる。前面１１４、１２４からフィラー１５０を設置した位置まで溶接部を完全形成した後に、片１１０、１２０を回転させて背面１１２、１２２及びフィラー１５０間に補助溶接部を形成することができる。このようにして、全厚溶接部は、最終的に比較的高い溶接速度（例えば、最大毎分約６０インチ）で極度に厚い（例えば、１／２インチの厚さの）材料内に形成することができる。
【００２２】
レーザ溶接機１３０を使用すると、強化溶接プール１３４の少なくとも一部分のエネルギーがレーザ溶接機１３０からのレーザエネルギーの衝突によって増大して、流動を生じ、ビームが初期溶接プール１３３及びギャップ１４０内に溶込みかつフィラー１５０に衝突した時にレーザ溶接機１３０の作用によって溶融しているフィラー１５０と接触する。例示的な実施形態では、レーザ溶接機１３０からのビームの幅はギャップ１４０の幅よりも僅かに小さくて、レーザ溶接機１３０からのエネルギーが初期溶接プール１３３内に溶込んだ後にフィラー１５０に直接適用される。ギャップ１４０内において、レーザ溶接機１３０からのエネルギーは、フィラー１５０の幾らか又は全て並びにエッジ１１６及び１２６に隣接する片１１０及び１２０の少なくとも一部分を溶融して、強化溶接プール１３４を形成する。強化溶接プール１３４が凝固すると、フィラー１５０に溶込んだ溶接部が形成される。この例示的な実施形態では、生じた溶接部は、背面１１２、１２２まで延びる全厚である。
【００２３】
従って、例示的な実施形態では、アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０を含むハイブリッド溶接機は、凝固した強化溶接プール１３４による溶接ビード１６２の形成を可能にする。この溶接ビード１６２は、ギャップ１４０を完全に充填しかつ片１１０及び１２０間に全厚溶接部を形成する。例示的な実施形態では、全厚溶接部は、背面１１２、１２２から前面１１４、１２４まで延びる。加えて、溶接ビード１６２の幅は、ギャップ１４０の幅よりも大きい。従って、レーザ溶接機１３０は、アーク溶接機１６０及びレーザ溶接機１３０の組合せ作用が溶接ビード１６２の適切な幅に必要な要件を満たしながら所望の溶接部深さ１４４を形成する。
【００２４】
例示的な実施形態では、アーク溶接機１６０によって形成されかつレーザ溶接機１３０の作用によって強化された強化溶接プール１３４は、レーザ溶接機１３０の作用によってギャップ１４０内においてフィラー１５０の位置（深さ）まで該ギャップ１４０内に運ばれる。この実施形態によると、レーザ溶接機１３０は、そのビームがギャップ１４０に近接して初期溶接プール１３３の前端縁に又は該前端縁に近接してアーク溶接機１６０によって形成された初期溶接プール１３３に接触するように配置される。
【００２５】
当業者には明らかなように、システム１００は、片間へのギャップの形成を可能にして所望の深さまでのレーザビームの溶込みを可能になるようにしかつギャップ１４０内への初期溶接プール１３３の流動を可能にしてフィラー１５０からの材料と接合させそれによってギャップ１４０を充填する強化溶接プールを形成する形状の片１１０、１２０と共に使用することができる。従って、片１１０、１２０は、平坦なプレート又は湾曲断面とすることができ或いはパイプのような円筒形部材とさえすることができる。重力を使用してギャップ１４０内に強化溶接プール１３４が形成されるのを助けるのが望ましいが、レーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０は、隣接する前面１１４、１２４が背面１１２、１２２の上方に位置するギャップ１４０の部分の上方に配置することができる。片１１０、１２０は略平坦なプレートであるが、ギャップ１４０の大半又は全ては、垂直方向に配向することができ、またレーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０は、前面１１４、１２４及びギャップ１４０の上方に配置することができかつギャップ１４０に沿って移動させることができる。片１１０、１２０は、該片１１０、１２０がパイプ断面である場合のように円形断面を有するが、レーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０は、実質的にパイプ断面間のギャップの最上部分の上方の位置に固定することができる。この実施形態によると、パイプ断面は、それらの中心軸線の周りで回転させて、レーザ溶接機１３０及びアーク溶接機１６０に対して円周ギャップを露出させることができる。
【００２６】
本発明によると、強化溶接プール１３４の形成は、初期溶接プール１３３上へのレーザ溶接機１３０の衝突によって支援される。それにも拘らず、強化溶接プール１３４は、溶融プールが吹飛ばされ又は落下するのを防止するように溶融フィラー１５０によって支えられた、ギャップ１４０内に形成された材料の高温溶融プールである。
【００２７】
例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、Ｕ５００、ＲＥＮＥ ７７、Ｕ７００、ＩＮ７３８及びＧＴＤ１１１のようなガスタービンエンジンのタービンブレードでの使用に適した１種以上の材料を含む。別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、Ｘ４０、Ｘ４５、ＦＳＸ４１４、Ｎ１５５及びＧＴＤ−２２２のようなガスタービンエンジンのベーン組立体での使用に適した１種以上の材料を含む。さらに別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、ＳＳ３０９、ＨＡＳＴ Ｘ、Ｎ−２６３及びＨＡ−１８８のようなガスタービンエンジンの燃焼器での使用に適した１種以上の材料を含む。さらに別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、合金、ＡＬＬＯＹ ７１８、ＡＬＬＯＹ ７０６、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ、Ａ２８６及びＭ１５２のようなガスタービンエンジンのタービンホイールでの使用に適した１種以上の材料を含む。さらに別の例示的な実施形態では、片１１０、１２０は、合金、並びにＡＩＳＩ ４０３、ＡＩＳＩ ４０３＋Ｃｂ及びＧＴＤ−４５０のようなガスタービンエンジンの圧縮機ブレードでの使用に適した１種以上の材料を含む。
【００２８】
当業者には明らかなように、片１１０、１２０は、特定の用途に対して所望の特性を与えるようなモリブデン、ニッケル、タングステン、レニウム、鉄、アルミニウム、炭素、銅、クロム、チタン及びその他の成分を含む様々な成分で構成された材料を含むことができる。例示的な材料は、１０００°Ｆ〜最大約６０００°Ｆの溶融温度を示すことができる。例えば、材料は、２０００°Ｆ以上、又は２１００°Ｆ以上、又は２２００°Ｆ以上、又は２３００°Ｆ以上、又は２４００°Ｆ以上、又は２５００°Ｆ以上、又は２６００°Ｆ以上、又は２７００°Ｆ以上、又は２８００°Ｆ以上、又は２９００°Ｆ以上、又は３０００°Ｆ以上、又は３１００°Ｆ以上、及びそのようにして最大約６０００°Ｆの溶融温度を示すように構成することができる。純粋なレニウムは５７００°Ｆ以上の溶融温度を示すことができる。
【００２９】
図２は、比較的厚い又は比較的高い溶融温度を有する片を接合するための例示的な溶接方法２００を示すフロー図である。例示的な実施形態では、溶接すべき片は、搬送固定具上に設けられて片間にギャップを形成する２１０。ギャップの幅は、片の厚さ及びレーザ溶接機の出力に依存して予め定めた関係により固定又は変化する２２０。この関係は、片の組成及び物理的寸法並びにレーザ溶接機の特性に関する実験によりまた当技術で公知のその他の方法により開発された実験データから決定することができる。ギャップを少なくとも部分的にシールして該ギャップ内に溶融溶接材料を保持するのに好適なワイヤ又はその他の構造体のようなフィラーが、溶接される２つの片間又は２つの片に対して取付けられてギャップを塞ぎかつレーザ溶接機の作動によって形成された溶接プールに対する支持構造体として作用する２３０。例示的な実施形態では、ワイヤは、片間で所定の位置にタック溶接される２３２。
【００３０】
次に、アーク溶接機は、ギャップの近傍における片の少なくとも一方に関連させて電気アークを設定して該ギャップの近傍に溶融材料を移動させ、それによって所望の幅の初期溶接プールを形成する２４０。レーザ溶接機からのビームはまた、アーク溶接機によって形成された初期溶接プールに適用される２４２。レーザ溶接機からのビームはまた、初期溶接プールを通してまたギャップを通してフィラーに溶込んでフィラー２４４の少なくとも一部分を溶融し、初期溶接プールからの材料がギャップ内に流動しまた溶融フィラー材料と組合されて該ギャップを少なくとも部分的に充填しかつ強化溶接プール２４６を形成させ、それを可能にしかつそれを助ける。従って、十分な幅の溶接ビードは、ギャップを完全に充填するように形成されかつ全厚及び全幅溶接部を形成する。
【００３１】
例示的な実施形態では、レーザ溶接機の出力レベルは、十分なエネルギーを強化溶接プールからギャップ内に移動させてフィラーを該ギャップを充填するようにし、同時にフィラーを溶融させて強化溶接プールを形成するように供給される。レーザの適用時に、ギャップは、初期に少なくとも部分的に空いていてギャップのない状態で片の全厚に溶込むのに必要となるレーザ出力に比較してそのレーザ出力に必要な要件が減少させる。
【００３２】
図３に示すように、ハイブリッド溶接法における例示的な溶接システム３００では、片３１０及び３２０が、片間でＶ字形ギャップ３４０になるように配置される。ギャップ３４０において、片３１０及び３２０は、ギャップ３４０内への深さが増大するにつれて該ギャップ３４０を狭くするように形成されかつ／又は機械加工される。その結果、片３１０及び３２０は、片の対向する表面に隣接するギャップに対して比較的より広い開口部を形成しながら片の１つの表面に隣接して互いに非常に近接して接触し或いは配置させることができる。その結果、アーク溶接機は、ギャップ３４０内の開口部に隣接して表面上に溶接プールを堆積するように使用することができ、ギャップ内へのその流動を可能にして該ギャップを充填するようにレーザをその堆積材料に対して適用することができる。１つの表面に隣接しかつ対向する表面上に略近接させて開口するギャップを形成するように構成すると、構成した片が全厚溶接部を形成しながら同時にギャップをシールするためのフィラーの必要性を減少させることができるハイブリッド溶接法の使用を可能にする。例示的な実施形態では、厚さ３３０は、利用可能なレーザ出力に依存する。４ｋＷを供給することができるレーザが可能である場合には、開示プロセスを使用して１／８インチの材料厚さにより全厚溶接部が得られる。より厚い片を溶接するのが望ましい場合には、より大きいレーザ出力が必要となる可能性がある。
【００３３】
図４に示すように、ハイブリッド溶接法における例示的な溶接システム４００では、片４１０及び４２０が、片間で矩形ギャップ４４０になるように配置される。ギャップ４４０において、片４１０及び４２０は、ギャップ４４０内へのその極度な深さにおいて該ギャップ４４０に対してシールを行いながら該ギャップに対する開口部を形成するように形成されかつ／又は機械加工される。その結果、アーク溶接機は、ギャップ４４０内の開口部に隣接して表面上に溶接プールを堆積するように使用することができ、ギャップ内へのその流動を可能にして該ギャップを充填するようにレーザをその堆積材料に対して適用することができる。１つの表面に隣接しかつ対向する表面上に略近接させて開口するギャップを形成するように構成すると、構成した片が全厚溶接部を形成しながら同時にギャップをシールするためのフィラーの必要性を減少させることができるハイブリッド溶接法の使用を可能にする。
【００３４】
図５に示すように、ハイブリッド溶接法における例示的な溶接システム５００では、片５１０及び５２０が、それらの間にギャップ５４０を形成するように配置される。アーク溶接機（図示せず）は、ギャップ５４０の近傍に材料を搬送して該ギャップ５４０の幅よりも大きい幅に該ギャップ５４０を広く移動させかつ被覆する初期溶接プール５３３を形成する。レーザビームは、初期溶接プール５３３内のポイント５３２において該初期溶接プール５３３に適用されて、強化溶接プール５３４からギャップ５４０内への溶融又は蒸発材料の流動を生じさせ、これを助け又は可能にする方法で溶接プール５３４にエネルギーを付加するように選択されかつ配置された強化溶接プール５３４を形成する。その結果、強化溶接プールが凝固すると、ギャップ５４０を広く移動させかつ充填しまた片５１０及び５２０を互いに結合する溶接部５６２が形成される。
【００３５】
従って、片の配置と組合さってその中に有利に配置されたフィラーを備えたギャップを形成するようなアーク溶接機及びレーザ溶接機の組合せ作用により、フィラーの深さまでギャップを充填する強化溶接プールが形成されるのを可能にする。強化溶接プールが凝固すると、片の特定の材料組成及び物理的寸法に適した比較的高い速度で比較的低い出力ハイブリッドレーザを使用して２以上の片間に完全溶融及び完全溶込み溶接部を形成することができる。従って、本発明は、例えそれらの片が比較的高い溶融温度を有する材料を含む場合であっても改良型の速度及び信頼性を備えかつ比較的低い出力及び／又は比較的低いコストのハイブリッドレーザの使用を可能にして、比較的厚い断面片上に溶接部を形成するのを可能にする安定溶接プロセスを提供する。
【００３６】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３７】
１００ 溶接システム
１１０ 片
１１２ 表面
１１４ 前面
１１５ ワークピース搬送装置
１１６ エッジ
１１８ 厚さ
１２０ 片
１２２ 表面
１２４ 前面
１２６ エッジ
１２８ 厚さ
１３０ レーザ溶接機
１３３ 初期溶接プール
１３４ 強化溶接プール
１３５ 溶接機搬送装置
１４０ ギャップ
１４２ 幅
１４４ 深さ
１５０ フィラー
１６０ アーク溶接機
１６２ 溶接ビード
１６４ 幅
３００ 溶接システム
３１０ 片
３２０ 片
３４０ ギャップ
４００ 溶接システム
４１０ 片
４２０ 片
４４０ ギャップ
５００ 溶接システム
５１０ 片
５２０ 片
５３２ ポイント
５３３ 初期溶接プール
５３４ 強化溶接プール
５４０ ギャップ
５６２ 溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接システム（１００）であって、
それらの間にギャップ（１４０）を形成するように配置された２以上の片（１１０）と、
前記ギャップ（１４０）内に所望の深さ（１４４）で配置されたフィラー（１５０）と、
前記ギャップ（１４０）に追従しかつ該ギャップ（１４０）の近傍に溶融材料を移動させて所望の幅の初期溶接プール（１３３）を形成するように配置及び構成されたアーク溶接機（１６０）と、
前記ギャップ（１４０）に隣接して前記初期溶接プール（１３３）を通してレーザビームを投射して前記フィラー（１５０）の少なくとも一部分を溶融し、それによって強化溶接プール（１３４）を形成しかつ該強化溶接プール（１３４）が該ギャップ（１４０）を充填するのを助けるように配置及び構成されたレーザ溶接機（１３０）と
を備える溶接システム（１００）。
【請求項２】
前記フィラー（１５０）がワイヤである、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項３】
前記フィラー（１５０）が略円形断面を有する、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項４】
前記フィラー（１５０）が略矩形断面を有するワイヤである、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項５】
前記フィラー（１５０）及び２以上の片（１１０）が１種類の材料からなる、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項６】
前記フィラー（１５０）が前記片（１１０）の少なくとも一方に固定される、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項７】
前記フィラー（１５０）が、前記片（１１０）の少なくとも一方にタック溶接される、請求項６記載の溶接システム（１００）。
【請求項８】
前記レーザの出力が、前記フィラー（１５０）の直径に基づいて予め設定される、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項９】
前記レーザの出力が、前記フィラー（１５０）の厚さに基づいて予め設定される、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項１０】
前記ギャップ（１４０)の断面がＹ字形である、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項１】
溶接システム（１００）であって、
それらの間にギャップ（１４０）を形成するように配置された２以上の片（１１０）と、
前記ギャップ（１４０）内に所望の深さ（１４４）で配置されたフィラー（１５０）と、
前記ギャップ（１４０）に追従しかつ該ギャップ（１４０）の近傍に溶融材料を移動させて所望の幅の初期溶接プール（１３３）を形成するように配置及び構成されたアーク溶接機（１６０）と、
前記ギャップ（１４０）に隣接して前記初期溶接プール（１３３）を通してレーザビームを投射して前記フィラー（１５０）の少なくとも一部分を溶融し、それによって強化溶接プール（１３４）を形成しかつ該強化溶接プール（１３４）が該ギャップ（１４０）を充填するのを助けるように配置及び構成されたレーザ溶接機（１３０）と
を備える溶接システム（１００）。
【請求項２】
前記フィラー（１５０）がワイヤである、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項３】
前記フィラー（１５０）が略円形断面を有する、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項４】
前記フィラー（１５０）が略矩形断面を有するワイヤである、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項５】
前記フィラー（１５０）及び２以上の片（１１０）が１種類の材料からなる、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項６】
前記フィラー（１５０）が前記片（１１０）の少なくとも一方に固定される、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項７】
前記フィラー（１５０）が、前記片（１１０）の少なくとも一方にタック溶接される、請求項６記載の溶接システム（１００）。
【請求項８】
前記レーザの出力が、前記フィラー（１５０）の直径に基づいて予め設定される、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項９】
前記レーザの出力が、前記フィラー（１５０）の厚さに基づいて予め設定される、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【請求項１０】
前記ギャップ（１４０)の断面がＹ字形である、請求項１記載の溶接システム（１００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５６３６９（Ｐ２０１３−５６３６９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１９３６５８（Ｐ２０１２−１９３６５８）
【出願日】平成２４年９月４日（２０１２．９．４）
【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）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月４日（２０１２．９．４）
【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）】
[ Back to top ]