DE102016001845A1

DE102016001845A1 - Manganarme Schweißelektroden

Info

Publication number: DE102016001845A1
Application number: DE102016001845.3A
Authority: DE
Inventors: Jonathan S. Ogborn; Radhika Panday; Daniel J. Langham
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2016-08-18
Also published as: DE102016001845A8; US20160236302A1; US10322473B2

Abstract

Flussmittelkern-Schweißelektroden umfassen einen Eisen-basierten Metallmantel und entweder ein Flussmittel oder einen Metallkern innerhalb des Mantels, der die Kernbestandteile umschließt. Die Kernbestandteile und der Mantel umfassen zusammen, in gewichtsprozentualen Mengen auf der Basis des Gesamtgewichts der Elektrode, sehr geringe Mengen Mangan. Zwar enthalten die Elektroden nur geringe Mengen Mangan, doch sie erfüllen die Festigkeits- und Arbeitsschutzanforderungen, die von auf dem freien Markt erhältlichen Elektroden verlangt werden. Ausführungsformen enthalten Mangan im Bereich von 0,09 bis 0,19 Gewichts-% der Elektrode, zusammen mit anderen Komponenten.

Description

PRIORITÄT
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/117,777, eingereicht am 18. Februar 2015, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Bestimmte Ausführungsformen betreffen Schweißelektroden mit geringem Mangangehalt, und betreffen genauer gesagt Flussmittelkern-, Metallkern- und Volldraht-Schweißelektroden mit geringem Mangangehalt, die eine Schweißablagerung mit geringem Mangangehalt erzeugen.
HINTERGRUND
Die Spezifikationen der American Welding Society AWS A5.20/A5.20M und AWS A5.36/A5.36M und andere ähnliche globale Spezifikationen regeln die technischen Anforderungen an Flussmittelkern-Elektroden, die für das Schweißen von Kohlenstoffstählen ausgelegt sind. Für Schutzgas-Flussmittelkern-Kohlenstoffstahl-Elektroden, die als E7XT-1C, E7XT-1M, E7XT9C, E7XT-9M, E7XT-12C und E7XT-12M klassifiziert und Titandioxid(TiO₂)-basierte Schlackesysteme enthalten, verlangen AWS A5.20/A5.20M und AWS A5.36/A5.36M, dass der Legierungsgehalt im Schweißmetall nicht größer als 1,75% Mangan (1,60% für E7XT12-Typ), 0,12% Kohlenstoff, 0,90% Silizium, 0,20% Chrom, 0,50% Nickel, 0,30% Molybdän, 0,08% Vanadium und 0,35% Kupfer ist. Obgleich Nickel für die Zähigkeits- und Duktilitätseigenschaften von Schweißmetall vorteilhaft ist, ist der maximal zulässige Nickelgehalt bei diesen Elektrodentypen recht restriktiv. Darum werden die Kohlenstoff-, Mangan-, Molybdän- und Siliziumgehalte in der Regel so justiert, dass die Schweißmetalleigenschaften optimiert werden.
Im Allgemeinen enthalten konventionelle Schutzgas-Flussmittelkern-Schweißelektroden mit Titandioxid-basierten Schlackesystemen signifikante Mengen Mangan und können auch geringe Konzentrationen an Bor enthalten, um gewünschte Zähigkeits-, Zugfestigkeits- und Duktilitätseigenschaften des Schweißmetalls zu erreichen. Ein Nachteil konventioneller Schutzgas-Flussmittelkern-Elektroden, die Titandioxid-basierte Schlackesysteme enthalten, ist, dass die signifikanten Manganmengen, die diese Elektroden enthalten, möglicherweise bestimmte Emissionskontrollvorschriften nicht erfüllen. Zum Beispiel begrenzen die „Metal Fabrication Hazardous Air Pollutants"(MFHAP)-Anforderungen im Rahmen der Vorschriften der US-Umweltschutzbehörde in 40 CFR Part 63 Subpart, die vor kurzem in Kraft getreten sind, den Mangangehalt bestimmter Schweißelektroden auf weniger als 1,0 Gewichtsprozent auf der Basis des Gesamtelektrodengewichts.
Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung einer Schweißelektrode, die geringe Mengen Mangan enthält und dennoch strukturell hochwertige Schweißnähte erzeugt.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Schweißelektroden, die im Vergleich zu bekannten Elektroden nur geringe Mengen Mangan aufweisen, die Schweißnähte mit einem niedrigen Gehalt an Mangan in der Schweißablagerung erzeugen, und die verschiedene strukturelle und mechanische Anforderungen an Schweißnähte erfüllen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Flussmittelkern-Elektroden, Metallkern-Elektroden und Volldraht-Elektroden. Des Weiteren enthalten beispielhafte Ausführungsformen Flussmittelkern-Elektroden, die vom Rutil-Schlacke-Typ und vom Basis-Schlacke-Typ sind.
Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details veranschaulichter Ausführungsformen davon werden anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben beschriebenen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden, in denen Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Flussmittelkern-Elektrode der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Volldraht-Elektrode der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Folgenden unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung erleichtern und sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
In dieser Spezifikation werden verschiedene Schweißelektrodenausführungsformen beschrieben, um ein Gesamtverständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es versteht sich, dass die verschiedenen in dieser Spezifikation beschriebenen Ausführungsformen nicht-einschränkend und nicht-erschöpfend sind. Darum wird die Erfindung nicht durch die Beschreibung der in dieser Spezifikation offenbarten verschiedenen nicht-einschränkenden und nicht-erschöpfenden Ausführungsformen eingeschränkt. Unter zweckmäßigen Bedingungen können die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale und Eigenschaften mit den Merkmalen und Eigenschaften anderer Ausführungsformen kombiniert werden. Es ist beabsichtigt, dass solche Modifizierungen und Veränderungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Spezifikation enthalten sind. Insofern können die Ansprüche so geändert werden, dass sie alle Schritte, Elemente, Beschränkungen, Merkmale und/oder Eigenschaften anführen, die ausdrücklich oder stillschweigend in dieser Spezifikation beschrieben oder auf sonstige Weise ausdrücklich oder stillschweigend durch diese Spezifikation gestützt werden. Die verschiedenen in dieser Spezifikation offenbarten und beschrieben Ausführungsformen können die Elemente, Beschränkungen, Merkmale und/oder Eigenschaften, die verschiedentlich im vorliegenden Text beschrieben sind, umfassen, aus ihnen bestehen und/oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen.
Jegliche Patente, Publikationen oder sonstigen Offenbarungsmaterialien, die im vorliegenden Text erwähnt werden, werden vollständig durch Bezugnahme in diese Spezifikation aufgenommen, sofern nicht etwas anderes ausgesagt wird, aber nur in dem Umfang, wie das aufgenommene Material keinen existierenden Definitionen, Aussagen oder sonstigen Offenbarungsmaterialien, die ausdrücklich in dieser Spezifikation dargelegt sind, widerspricht. Darum, und im notwendigen Umfang, tritt die ausdrückliche Offenbarung, wie sie in dieser Spezifikation dargelegt ist, an die Stelle aller widersprechenden Materialien, die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen sind. Jegliche Materialien oder Teile davon, von denen ausgesagt wird, dass sie durch Bezugnahme in diese Spezifikation aufgenommen sind, aber existierenden Definitionen, Aussagen oder sonstigen Offenbarungsmaterialien, die im vorliegenden Text dargelegt sind, widersprechen, werden nur in dem Umfang aufgenommen, wie kein Konflikt zwischen diesen aufgenommenen Materialien und den existierenden Offenbarungsmaterialien besteht. Die Anmelder behalten sich das Recht vor, diese Spezifikation abzuändern, um ausdrücklich jeden Gegenstand oder Teil davon, der durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen ist, anzuführen.
Die Formulierungen bzw. grammatischen Artikel „ein einzelnes/bestimmes”, „ein/eine/einer” und „der/die/das”, wenn und insofern sie in dieser Spezifikation verwendet werden, sollen „mindestens ein” oder „ein oder mehrere” enthalten, sofern nicht etwas anderes ausgesagt wird. Die Artikel in dieser Spezifikation werden darum so verwendet, dass sie sich auf eins oder mehr als eins (d. h. „mindestens eins”) des grammatischen Objekts des Artikels beziehen. Beispielsweise meint „eine Komponente” eine oder mehrere Komponenten, so dass in einer Implementierung der beschriebenen Ausführungsformen möglicherweise mehr als eine Komponente in Betracht gezogen wird und verwendet oder genutzt werden kann. Des Weiteren enthält die Verwendung eines Einzahlsubstantivs auch den Plural, und die Verwendung eines Pluralsubstantivs enthält auch den Singular, sofern der Kontext der Verwendung nicht etwas anderes verlangt.
Verschiedene im vorliegenden Text beschriebene Ausführungsformen betreffen Schutzgas-Flussmittelkern-Schweißelektroden, einschließlich Titandioxid-basierter Schlackesysteme (Rutil-Schlacke-Typ) und Calciumfluorid-basierte Schlackesysteme (Basis-Schlacke-Typ) mit geringem Mangangehalt sowie Volldraht-Elektroden mit geringem Mangangehalt. Der geringe Mangangehalt in Ausführungsformen von im vorliegenden Text beschriebenen Schweißelektroden erzeugt Schweißdämpfe, die Manganmengen enthalten, die geringer als bei einigen konventionellen Schutzgas-Flussmittelkern-Schweißelektroden sind. Der Mangangehalt in einigen nichteinschränkenden Ausführungsformen von Schweißelektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung erfüllt bestimmte „Metal Fabrication Hazardous Air Pollutants”(MFHAP)-Anforderungen im Rahmen der Vorschriften der US-Umweltschutzbehörde in 40 CFR Part 63 Subpart XXXXXX bezüglich des Gehalts an Legierungselementen. Insbesondere EPA Subpart XXXXXX verlangt, dass der Legierungsgehalt einer Elektrode auf der Basis des Gesamtelektrodengewichts nicht größer als 1,0 Gewichtsprozent Mangan, 0,1 Gewichtsprozent Nickel, 0,1 Gewichtsprozent Chrom, 0,1 Gewichtsprozent Cadmium und 0,1 Gewichtsprozent Blei ist.
Obgleich bekannt ist, dass Mangan bestimmte Schweißmetalleigenschaften verbessert, gilt es doch auch als ein gefährlicher Bestandteil der während des Lichtbogenschweißprozesses abgegebenen Schweißdämpfe, wenn es in Mengen eingeatmet wird, die die von bestimmten Gesundheits- und Arbeitsschutzorganisationen festgelegten Grenzwerte überschreiten. Das Reduzieren des Mangangehalts in konventionellen Schutzgas-Flussmittelkern-Elektroden kann den Mangangehalt in den Schweißdämpfen verringern. Zum Beispiel erörtert US-Publikation Nr. 2014/0097168 , die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, die gewichtsprozentualen Mengen von Mangan in Schweißdämpfen als eine Funktion des Elektrodenmangangehalts in Flussmittelkern-Schweißelektroden des Typs E71T-9M während des Schutzgas-Lichtbogenschweißens. Jedoch kann das Reduzieren des Mangangehalts in einer Flussmittelkern-Schweißelektrode auch den Mangangehalt im Schweißmetall reduzieren und dadurch die Zähigkeits-, Zugfestigkeits- und Duktilitätseigenschaften des Schweißmetalls verschlechtern, was in der oben erwähnten Publikation ebenfalls besprochen wird.
Das heißt, der Schweißelektrodenaufbau muss einander widerstrebende Belange berücksichtigen, und das Reduzieren des Mangangehalts in Flussmittelkern-Schweißelektroden zum Verringern des Mangangehalts von Schweißdämpfen kann die mechanischen Eigenschaften der Schweißablagerung beeinträchtigen. Das heißt, es besteht Bedarf an Schweißelektroden verschiedenen Typs, die die Anforderungen von EPA Subpart XXXXXX nach maximal 1,0% Mangan und maximal 0,1% Nickel einhalten oder unterbieten, während gleichzeitig die Zähigkeits-, Zugfestigkeits- und Duktilitätseigenschaften des Schweißmetalls gemäß den AWS A5.20/A5.20M-Klassifizierungen E7XT-1C, E7XT-1M, E7XT-9C, E7XT-9M, E7XT12C und E7XT-12M erhalten bleiben.
Wie unten gezeigt und besprochen, erfüllen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diese Nachfrage in der Schweißbranche mit verschiedenen Typen von Elektroden, wie im vorliegenden Text besprochen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreichen dies durch Optimieren der verschiedenen Bestandteile in den Elektroden, um Schweißelektroden zu erhalten, die hochwertige Schweißnähte erzeugen, während sie gleichzeitig die Menge an Mangan in der Elektrode, in den Schweißdämpfen und in der Schweißablagerung signifikant reduzieren.
Nicht-einschränkende beispielhafte Ausführungsformen der im vorliegenden Text besprochenen Schweißelektroden haben geringere Mangangehalte als auf dem freien Markt erhältliche Schweißelektroden und erzeugen dadurch Schweißdämpfe mit erheblich weniger Mangan. Jedoch erfüllen die Schweißelektrodenausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung trotzdem die in AWS A5.20/A5.20M und AWS A5.36/A5.36M spezifizierten Zähigkeits-, Zugfestigkeits- und Duktilitätseigenschaften des Schweißmetalls. Die Kern-Schweißelektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen einen Eisenmetallmantel und Kernbestandteile, die in dem Eisenmetallmantel eingeschlossen sind, und können Schutzgas-Kernelektroden enthalten. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Optimierung der Kombination von Bestandteilen in der Elektrode, wie zum Beispiel der Kohlenstoff-, Bor-, Silizium-, Molybdän- und Titan-, Magnesium- und/oder Aluminiumgehalte, eine beträchtliche Verringerung des Mangangehalts der Schweißelektroden im Vergleich zu den auf dem freien Markt erhältlichen Schweißelektroden erlauben, während akzeptable Zähigkeits-, Zugfestigkeits- und Duktilitätseigenschaften des Schweißmetalls gewahrt bleiben.
Die beispielhaften Kernelektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung können unter Verwendung jedes beliebigen konventionellen Verfahrens zum Herstellung solcher Elektroden hergestellt werden. In einem nicht-einschränkenden Verfahren zur Herstellung von Schweißelektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein aufgerolltes Eisenstahlblech in Streifen geschlitzt. Die Streifen werden durch Walzen geleitet, welche die Streifen zu Kanälen mit einem allgemein U-förmigen Querschnitt formen. Im selben Arbeitsgang wird der gebildete Streifen mit einer abgemessenen Menge teilchenförmiger Kernbestandteile gefüllt. Der U-förmige Streifen wird dann durch Schließwalzen geleitet, wodurch der Streifen zu einer Röhre geformt wird, in der die Kernbestandteile umschlossen werden. Die Röhre wird dann auf eine gewünschte Größe gezogen, gewalzt oder tiefgezogen, die kleiner als der ursprüngliche Durchmesser der gebildeten Röhre ist, wodurch eine fertige Schweißelektrode entsteht. Die fertige Elektrode kann gebrannt werden, um verbliebene Schmiermittel und Feuchtigkeit zu entfernen, oder kann im ungebrannten Zustand verwendet werden – je nach dem Reduzierungsprozess, der zur Herstellung der Elektrode verwendet wird. Dem Durchschnittsfachmann fallen beim Studium der vorliegenden Beschreibung noch weitere Verfahren zum Herstellen von Schweißelektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung ein.
Nach der Herstellung können Schutzgas-Flussmittelkern-Elektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem Flussmittelkern-Lichtbogenschweiß(FCAW)-Prozess verwendet werden, wobei das Schutzgas zum Beispiel unter Argon, Kohlendioxid, Sauerstoff, anderen Inertgasen und Gemischen von zwei oder mehr davon ausgewählt wird. Jede FCAW-Ausrüstung und jeder FCAW-Prozess, die bzw. der eine geeignete Stromquelle, eine geeignete Draht(Elektroden)-Zufuhrvorrichtung, eine geeignete Pistole und ein geeignetes System zum Zuführen von Schutzgas enthält, kann verwendet werden, um Materialien mittels der Schutzgas-Flussmittelkern-Schweißelektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung zu schweißen. Im vorliegenden Text besprochene beispielhafte Elektroden können auch mit verschiedenen Schweißprozessen verwendet werden, die allgemein bekannt sind, wie zum Beispiel Unterpulver-Lichtbogenschweißen usw.
Wie unten gezeigt, werden die im vorliegenden Text besprochenen Konzentrationen und Bestandteile für die verschiedenen Elektrodenausführungsformen in Gewichtsprozenten des Mantels, des Kerns oder der Elektrode als Ganzes angegeben, so wie der Kontext es verlangt. Des Weiteren beziehen sich Verweise auf Schweißablagerungen im vorliegenden Text auf unverdünnte Schweißablagerungen, wie dem Durchschnittsfachmann klar ist.
Wir wenden uns nun 1 zu, wo eine beispielhafte Ausführungsform einer Flussmittelkern-Elektrode 100 gezeigt ist. Die Elektrode 100 hat einen Mantel 110 und einen Flussmittelkern 120, wobei der Mantel 110 überwiegend aus einem Eisenmetall besteht und der Kern 120 ein Flussmittel hat, das aus verschiedenen Bestandteilen besteht, wie weiter unten noch besprochen wird. Beispielhafte Ausführungsformen der Flussmittelkern-Elektrode, wie im vorliegenden Text besprochen, können der Rutil-Schlacke-Typ oder der Basis-Schlacke-Typ sein. Jede dieser beispielhaften Ausführungsformen wird unten nacheinander besprochen.
Eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzgas-Flussmittelkern-Elektrode (ähnlich der, die in 1 gezeigt ist), die ein Titandioxid-basiertes Schlackesystem verwendet. Dies wird auch als ein Schlackesystem vom Rutiltyp bezeichnet. Wie unten gezeigt, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Flussmittelkern-Elektrode bereit, die einen sehr niedrigen Mangangehalt im Vergleich zu bekannten Elektroden aufweist – selbst jene, die vorgeblich nur geringe Mengen Mangan enthalten. Das heißt, in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat die Elektrode einen Mangangehalt im Bereich von 0,09 bis 0,19 Gewichts-% der Gesamtelektrode. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Mangangehalt im Bereich von 0,12 bis 0,18 Gewichts-% der Gesamtelektrode. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Elektrode einen Mangangehalt im Bereich von 0,14 bis 0,16 Gewichts-% der Gesamtelektrode haben. Jedoch können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung selbst mit einem solch niedrigen Mangangehalt immer noch Elektroden erzeugen, die die Anforderungen an Elektroden vom E71T-1/9C- und E71T-1/9M-Typ erfüllen; diese Anforderungen sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen.

Wie oben erläutert wurde, umfassen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl einen Mantel als auch einen Flussmittelkern. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt der Kern im Bereich von 12 bis 20% des Gesamtgewichts der Elektrode, während der Mantel im Bereich von 80 bis 88% des Gesamtgewichts der Elektrode liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt der Kern im Bereich von 14 bis 18% des Gesamtgewichts der Elektrode, und der Mantel liegt im Bereich von 82 bis 86% des Gesamtgewichts. Die folgende Tabelle 1 zeigt die relativen Prozentsätze der Bestandteile von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, zeigt Tabelle 1 die Bestandteil-Gewichtsprozente für den Mantel und den Kern individuell sowie für die Gesamtelektrode. TABELLE 1

BESTANDTEIL	KERN	MANTEL	ELEKTRODE
Al₂O₃	3,5 bis 6,1	0,0	0,42 bis 1,22
SiO₂	1,5 bis 2,1	0,0	0,18 bis 0,42
ZrO₂	4,5 bis 6,5	0,0	0,5 bis 1,3
TiO₂	30 bis 45	0,0	4 bis 9
Na₂O	1,0 bis 2,0	0,0	0,12 bis 0,4
K₂O	0,25 bis 0,75	0,0	0,03 bis 0,15
Al	0,5 bis 1,5	0,0	0,06 bis 0,3
Mg	1,1 bis 2,4	0,0	0,13 bis 0,48
Ti	1,3 bis 2,1	0,0	0,1 5 bis 0,42
B	0,03 bis 0,07	0,0	0,003 bis 0,014
Fe	22 bis 38	99,4 bis 99,9	83 bis 94
Mo	0 bis 2	0,0	0 bis 0,4
Mn	0,008 bis 0,032	0,12 bis 0,20	0,09 bis 0,19
Ni	2,0 bis 2,6	0,0	0,24 bis 0,55
Si	2,5 bis 4,0	0,005 bis 0,015	0,3 bis 0,8
C	0,35 bis 0,60	0,0	0,04 bis 0,12
K₂SiF₆	2,0 bis 3,0	0,0	0,2 bis 0,6

Tabelle 2 unten zeigt die Bestandteile, in Gewichtsprozenten der verschiedenen Komponenten und der Gesamtelektrode, für eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. TABELLE 2

BESTANDTEIL	KERN	MANTEL	ELEKTRODE
Al₂O₃	3,7 bis 5,8	0,0	0,45 bis 1,2
SiO₂	1,65 bis 1,95	0,0	0,19 bis 0,4
ZrO₂	4,8 bis 5,4	0,0	0,6 bis 1,1
TiO₂	35 bis 40	0,0	4 bis 8
Na₂O	1,3 bis 1,5	0,0	0,16 bis 0,30
K₂O	0,4 bis 0,6	0,0	0,048 bis 0,12
Al	0,85 bis 1,15	0,0	0,10 bis 0,23
Mg	1,2 bis 2,2	0,0	0,15 bis 0,45
Ti	1,6 bis 1,85	0,0	0,19 bis 0,38
B	0,042 bis 0,061	0,0	0,005 bis 0,012
Fe	27 bis 33	99,6 bis 99,9	82 bis 95
Mo	0 bis 1,9	0,0	0 bis 0,4
Mn	0,015 bis 0,025	0,14 bis 0,19	0,11 bis 0,17
Ni	2,15 bis 2,45	0,0	0,25 bis 0,5
Si	2,8 bis 3,8	0,008 bis 0,012	0,4 bis 0,6
C	0,42 bis 0,54	0,0	0,05 bis 0,11
K₂SiF₆	2,2 bis 2,6	0,0	0,25 bis 0,52

Es versteht sich allgemein, dass auch andere Spurenelemente in der Zusammensetzung der oben besprochenen Elektroden vorliegen können. Das Vorhandensein solcher Spurenelemente widerspricht nicht dem Wesen und Schutzumfang von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Des Weiteren ist anzumerken, dass zwar in einigen Ausführungsformen das Vorhandensein von Molybdän (Mo) festgestellt wird (wie mit den höheren Bereichen für dieses Element in den Tabellen oben gezeigt ist), dass aber in einigen beispielhaften Ausführungsformen dem Verbrauchsmaterial kein Mo absichtlich hinzugefügt wird. Obgleich in einigen beispielhaften Ausführungsformen das Vorhandensein von Mo die Festigkeitseigenschaften der Schweißnaht verbessert, ist festgestellt worden, dass Ausführungsformen, bei denen kein Mo absichtlich hinzugefügt wurde, ebenfalls eine adäquate Festigkeit erzeugen können. wie im vorliegenden Text beschrieben. In solchen Ausführungsformen wird zwar kein Mo absichtlich hinzugefügt, doch können Spurenmengen im Bereich von 0,02 bis 0,03 Gewichts-% des Verbrauchsmaterials vorhanden sein. Es ist des Weiteren anzumerken, dass in einigen beispielhaften Ausführungsformen von Flussmittelkern-Elektroden, die in jeder der Tabellen 1 und 2 dargelegt sind, die Elektroden und/oder ihre jeweiligen Komponenten im Wesentlichen aus den Bestandteilen bestehen, die in den Tabellen 1 bzw. 2 angegeben sind.
Wie oben gezeigt, haben Flussmittelkern-Elektroden einen Gesamtmangangehalt im Bereich von 0,09 bis 0,19 Gewichts-% der Elektrode. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Mangan im Bereich von 0,11 bis 0,17 Gewichts-% der Elektrode, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge im Bereich von 0,13 bis 0,17 Gewichts-% der Elektrode, und in weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Menge an Mangan im Bereich von 0,14 bis 0,16 Gewichts-% der Elektrode. Es ist des Weiteren anzumerken, dass jeder dieser Prozentbereiche in jeder der Elektrodenkonfigurationen verwendet werden kann, die in den Tabellen 1 oder 2 gezeigt sind. Das heißt zum Beispiel, dass die beispielhafte Elektrode in Tabelle 1 oder Tabelle 2 Mangan in einem Bereich von 0,14 bis 0,16 Gewichts-% der Elektrode verwenden kann.

Die in den obigen Tabellen enthaltenen beispielhaften Ausführungsformen können mit jedem bekannten FCAW-Schweißprozess verwendet werden, um hochwertige Schweißnähte zu erzeugen, während ein Verbrauchsmaterial mit signifikant reduzierten Mengen an Mangan in den Dämpfen und in der Schweißablagerung – im Vergleich zu bekannten Verbrauchsmaterialien – verwendet wird. Es können sogar, als ein Beispiel, beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, die die Standards für den Elektrodentyp E71T-1/9C und den Elektrodentyp E71T-1/9M erfüllen. Wie in jeder der Tabellen 3 und 4 unten gezeigt, können Elektroden, die gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, Schweißablagerungen mit signifikant reduziertem Mangangehalt erzeugen. Die in jeder der Tabellen 3 und 4 gezeigten Bestandteildaten zeigen die Gewichtsprozente der unverdünnten Schweißablagerung. Jede der Tabellen 3 und 4 repräsentiert Schweißablagerungs-Gewichtsprozente, die mit einem Schweißprozess erreicht werden können, der die folgenden beispielhaften Eigenschaften besitzt: (1) der Elektrodendurchmesser beträgt 1/16”; (2) Drahtzufuhrgeschwindigkeit (Wire Feed Speed, WFS) 250; (3) ungefährer Strom von 295 A; (4) Spannung von 27 Volt (Tabelle 3) oder 25 Volt (Tabelle 4); (5) Kontaktspitze-Werkstück-Distanz (Contact to Work Distance, CTWD) von 1 Inch; (6) Vorschubgeschwindigkeit von 12 ipm; (7) Wärmezufuhr von 36 kJ; (8) Vorwärmung von 72°F; und (9) Zwischenlagenwärme von 325°F. Natürlich sind diese Bedingungen nur beispielhaft, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch mit anderen Schweißbedingungen verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Des Weiteren kann das Schweißen mit anderen Bedingungen immer noch die gewünschten Mangan-armen Schweißablagerungen zur Folge haben, die unten gezeigt sind. Außerdem ist, weil Tabelle 3 Daten für eine Elektrode vom Typ E71T-1/9C darstellt, das Schutzgas, das zum Erzeugen der Daten verwendet wird, 100% CO₂, und da Tabelle 4 Daten für eine Elektrode vom Typ E71T-1/9M darstellt, ist das Schutzgas, das zum Erzeugen der Daten verwendet wird, 75% Ar und 25% CO₂. TABELLE 3

BESTANDTEIL	SCHWEISSABLAGERUNG
C	0,05 bis 0,1
S	0,004 bis 0,014
N	0,004 bis 0,014
O	0,06 bis 0,08
Al	0,004 bis 0,014
As	0,00
B	0,0035 bis 0,0054
Ca	0,00
Cd	0,00
Co	0,00
Cr	0,022 bis 0,038
Cu	0,01 bis 0,03
Mn	0,09 bis 0,15
Mo	0,00 bis 0,30
Nb	0,00
Ni	0,30 bis 0,52
P	0,00
Pb	0,00
Sb	0,00
Si	0,38 bis 0,68
Sn	0,00
Ta	0,00
Ti	0,06 bis 0,08
V	0,00
W	0,005 bis 0,015
Zr	0,00

Der Rest der in Tabelle 3 gezeigten beispielhaften Schweißablagerung sind Fe und vielleicht zusätzliche Verunreinigungen. Des Weiteren ist anzumerken, dass, wenn oben angegeben ist, dass die gewichtsprozentuale Menge „0,00” ist, in einigen Ausführungsformen eine Spuren- oder unwesentliche Menge des Elements aufgrund von Verunreinigungen festgestellt werden könnte, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus zeigt die obige Tabelle das Vorhandensein von Elementen wie zum Beispiel S, N, As, Cr, Cu, P und W an, die in keiner der Tabellen 1 und 2 auftauchten, die die Bestandteile des Verbrauchsmaterials zeigten, die zum Generieren der Daten von Tabelle 3 verwendet wurden. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass das Vorhandensein dieser Elemente in der Ablagerung aus dem Schweißprozess resultieren kann und aufgrund von Verunreinigungen, Spurenmengen des Elements in der Elektrode oder einer Beschichtung auf der Elektrode und/oder Spurenmengen dieser Elemente in der Schweißgrundplatte oder dem Schweißmetall vorliegen kann.

Die folgende Tabelle 4 zeigt ähnliche Daten wie die, die in 3 gezeigt sind, außer dass Tabelle 4 Daten von einer Elektrode des Typs E71T-1/9M unter Verwendung eines Ar/CO₂-Schutzgasgemischs zeigt. TABELLE 4

BESTANDTEIL	SCHWEISSABLAGERUNG
C	0,05 bis 0,10
S	0,004 bis 0,014
N	0,004 bis 0,014
O	0,06 bis 0,08
Al	0,004 bis 0,020
As	0,00
B	0,0035 bis 0,0054
Ca	0,00
Cd	0,00
Co	0,00
Cr	0,022 bis 0,038
Cu	0,01 bis 0,03
Mn	0,10 bis 0,16
Mo	0,00 bis 0,3
Nb	0,00
Ni	0,3 bis 0,52
P	0,00
Pb	0,00
Sb	0,00
Si	0,38 bis 0,68
Sn	0,00
Ta	0,00
Ti	0,06 bis 0,11
V	0,00
W	0,005 bis 0,015
Zr	0,00

Wie in Tabelle 4 oben gezeigt, ähneln die Daten denen von Tabelle 3. Es ist anzumerken, dass die obige Besprechung bezüglich des Vorhandenseins von Spurenmengen an Elementen und Verunreinigungen gleichermaßen für diese Tabelle 4 gilt.
Wie in jeder der obigen Tabellen 3 und 4 gezeigt, können beispielhafte Flussmittelkern-Elektroden vom Rutiltyp der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einem Mangangehalt im Bereich von 0,09 bis 0,16 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen. Einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können sogar Schweißablagerungen mit einem Mn-Gehalt im Bereich von 0,095 bis 0,115 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen. In jedem Fall ist dies signifikant weniger als die 1,75 Gewichts-%, die in den Standards E71T-1/9C und -1/9M spezifiziert sind. Des Weiteren ist dies signifikant weniger als bei anderen bekannten Mangan-armen Schweißverbrauchsmaterialien.
Des Weiteren haben die im vorliegenden Text besprochenen beispielhaften Ausführungsformen zwar einen geringen Mangangehalt und erzeugen Schweißablagerungen mit geringem Mangangehalt, doch die im vorliegenden Text besprochenen Elektroden können Schweißnähte erzeugen, die alle benötigten strukturellen und Festigkeitseigenschaften erfüllen. Genauer gesagt, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einer Zugfestigkeit im Bereich von 70 bis 95 ksi, einer praktischen Mindestfließgrenze von mindestens 58 ksi, einer Mindestlängung von mindestens 22% und einer Mindest-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy bei –20°F von 20 ft·lbs erzeugen. Somit stellen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereit Schutzgas-Flussmittelkern-Elektroden vom Rutiltyp mit einem signifikant reduzierten Mangangehalt bereit, aber erbringen immer noch strukturell hochwertige Schweißnähte.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Flussmittelkern-Elektrode der vorliegenden Anmeldung ist eine Calciumfluorid(CaF₂)-basierte Elektrode oder eine Elektrode vom Basisschlacketyp. 1 stellt außerdem schaubildhaft eine Elektrode dieser Ausführungsform mit einem Flussmittelkern 120 dar, die in einer ähnlichen Weise wie die oben besprochenen Elektroden vom Flussmittelkerntyp hergestellt werden kann. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten zwar eine geringe Mengen Mangan, doch sie erfüllen auch die Anforderungen an Elektroden des Typs E70T-5C und E70T-5M; diese Anforderungen werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen.

Wie Tabelle 1, zeigt die folgende Tabelle 5 die Bestandteile für beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eines Basis-Schlacke-Typs. Die Tabelle zeigt die Gewichtsprozente für den Mantel, den Kern und die Gesamtelektrode. In beispielhaften Ausführungsformen liegt der Kern im Bereich von 20 bis 30% des Gesamtgewichts der Elektrode, während der Mantel im Bereich von 70 bis 80% des Gesamtgewichts der Elektrode liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt der Kern im Bereich von 22,5 bis 27,5% des Gesamtgewichts der Elektrode, und der Mantel liegt im Bereich von 72,5 bis 77,5% des Gesamtgewichts. TABELLE 5

BESTANDTEIL	KERN	MANTEL	ELEKTRODE
SiO₂	1,2 bis 2,0	0,000	0,24 bis 0,6
ZrO₂	0,000	0,000	0,000
TiO₂	2,5 bis 3,5	0,000	0,05 bis 1,05
K₂O	0,55 bis 0,95	0,000	0,1 bis 0,3
CaF₂	19 bis 30	0,000	3,8 bis 9
Al	0,3 bis 0,5	0,004 bis 0,006	0,06 bis 0,16
B	0,000	0,000	0,000
Ti	0,000	0,025 bis 0,035	0,02 bis 0,03
Fe	58 bis 72	99,1 bis 99,9	88 bis 94
Mg	0,000	0,000	0,000
Mn	0,045 bis 0,065	0,12 bis 0,22	0,09 bis 0,19
Ni	1,2 bis 2,0	0,04 bis 0,06	0,27 bis 0,65
Si	2,5 bis 4,1	0,0025 bis 0,0075	0,5 bis 1,1
C	0,22 bis 0,34	0,005 bis 0,015	0,05 bis 0,11

Tabelle 6 unten zeigt die Bestandteile, in Gewichtsprozenten der verschiedenen Komponenten und der Gesamtelektrode, für eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. TABELLE 6

BESTANDTEIL	KERN	MANTEL	ELEKTRODE
SiO₂	1,4 bis 1,8	0,000	0,28 bis 0,54
ZrO₂	0,000	0,000	0,000
TiO₂	2,8 bis 3,2	0,000	0,56 bis 0,96
K₂O	0,68 bis 0,82	0,000	0,14 bis 0,25
CaF₂	20 bis 28	0,000	4,3 bis 7,8
Al	0,35 bis 0,45	0,0045 bis 0,0055	0,07 bis 0,15
B	0,000	0,000	0,000
Ti	0,000	0,027 bis 0,032	0,02 bis 0,03
Fe	62 bis 68	99,5 bis 99,9	88 bis 93
Mg	0,000	0,000	0,000
Mn	0,05 bis 0,06	0,15 bis 0,19	0,11 bis 0,18
Ni	1,4 bis 1,8	0,04 bis 0,06	0,28 bis 0,55
Si	2,9 bis 3,7	0,004 bis 0,006	0,58 bis 1,12
C	0,25 bis 0,31	0,008 bis 0,012	0,05 bis 0,11

Wie bei den in den Tabellen 1 und 2 beschriebenen Elektroden, können die in den Tabellen 5 und 6 beschriebenen Elektroden auch andere Spurenelemente enthalten, die in der Zusammensetzung der oben besprochenen Elektroden vorliegen können. Das Vorhandensein solcher Spurenelemente widerspricht nicht dem Wesen und Schutzumfang von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Jedoch weisen die oben beschriebenen Elektroden, wie oben angemerkt, in jeder der Tabellen 5 und 6 kein absichtlich hinzugefügtes ZrO₂, B oder Mg auf. Es ist anzumerken, dass diese Komponenten aufgrund von Verunreinigungen oder dergleichen in Spurenmengen vorliegen können, ohne von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, aber sie sind nicht absichtlich hinzugefügt. Es ist des Weiteren anzumerken, dass in einigen beispielhaften Ausführungsformen von Flussmittelkern-Elektroden, die in jeder der Tabellen 5 und 6 dargelegt sind, die Elektroden und/oder ihre jeweiligen Komponenten im Wesentlichen aus den Bestandteilen bestehen, die in jeder der Tabellen 5 bzw. 6 angeführt sind.
Wie oben gezeigt, haben Flussmittelkern-Elektroden einen Gesamtmangangehalt im Bereich von 0,09 bis 0,19 Gewichts-% der Elektrode. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Mangan im Bereich von 0,11 bis 0,18 Gewichts-% der Elektrode. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Mangan im Bereich von 0,12 bis 0,16 Gewichts-% der Elektrode, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge im Bereich von 0,13 bis 0,15 Gewichts-% der Elektrode. Es ist des Weiteren anzumerken, dass jeder dieser Prozentbereiche in jeder der Elektrodenkonfigurationen in jeder der gezeigten Tabellen 5 oder 6 verwendet werden kann. Das heißt zum Beispiel, dass die beispielhafte Elektrode in Tabelle 5 oder Tabelle 6 Mangan in einem Bereich von 0,13 bis 0,15 Gewichts-% der Elektrode verwenden kann.

Die in den obigen Tabellen enthaltenen beispielhaften Ausführungsformen können mit jedem bekannten FCAW-Schweißprozess verwendet werden, um hochwertige Schweißnähte zu erzeugen, während ein Verbrauchsmaterial mit signifikant reduzierten Mengen an Mangan in den Dämpfen und in der Schweißablagerung – im Vergleich zu bekannten Verbrauchsmaterialien – verwendet wird. Es können sogar, als ein Beispiel, beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, die die Standards für jeden der Elektrodentypen E70T-5C und E70T-5M erfüllen. Wie in jeder der Tabellen 7 und 8 unten gezeigt, können Elektroden, die gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, Schweißablagerungen mit signifikant reduzierten Mangangehalten erzeugen. Die in jeder der Tabellen 7 und 8 gezeigten Bestandteildaten zeigen die Gewichtsprozente der unverdünnten Schweißablagerung. Jede der Tabellen 7 und 8 repräsentiert Schweißablagerungs-Gewichtsprozente, die unter Verwendung eines Schweißprozesses erreicht werden können, der die folgenden beispielhaften Eigenschaften besitzt: (1) der Elektrodendurchmesser beträgt 3/32”; (2) Drahtzufuhrgeschwindigkeit (WFS) 200; (3) ungefährer Strom von 430 A; (4) Spannung von 31 Volt (Tabelle 7) oder 29 Volt (Tabelle 8); (5) Kontaktspitze-Werkstück-Distanz (Contact to Work Distance, CTWD) von 1,25 Inch; (6) Vorschubgeschwindigkeit von 12 ipm; (7) Wärmezufuhr von 60 kJ; (8) Vorwärmung von 72°F; und (9) Zwischenlagenwärme von 325°F. Natürlich sind diese Bedingungen nur beispielhaft, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch mit anderen Schweißbedingungen verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Des Weiteren kann das Schweißen mit anderen Bedingungen immer noch die gewünschten Mangan-armen Schweißablagerungen zur Folge haben, die unten gezeigt sind. Außerdem ist, weil Tabelle 7 Daten für eine Elektrode vom E70T-5C-Typ darstellt, das Schutzgas, das zum Erzeugen der Daten verwendet wird, 100% CO2, und da Tabelle 8 Daten für eine Elektrode vom E70T-5M-Typ darstellt, ist das Schutzgas, das zum Erzeugen der Daten verwendet wird, 75% Ar und 25% CO₂. TABELLE 7

BESTANDTEIL	SCHWEISSABLAGERUNG
C	0,06 bis 0,10
S	0,005 bis 0,007
N	0,006 bis 0,008
O	0,04 bis 0,06
Si	0,4 bis 0,8
Mn	0,11 bis 0,22
Ni	0,3 bis 0,5
Al	0,015 bis 0,025
Ti	0,015 bis 0,025
Mo	0,005 bis 0,015
Zr	0,00
As	0,00
B	0,00
Ca	0,00
Cd	0,00
Co	0,00
Cr	0,02 bis 0,04
Cu	0,02 bis 0,04
Nb	0,00
P	0,005 bis 0,015
Pb	0,00
Sb	0,00
Sn	0,00
Ta	0,00
V	0,00
W	0,005 bis 0,015

Der Rest der in Tabelle 7 gezeigten beispielhaften Schweißablagerung sind Fe und vielleicht zusätzliche Verunreinigungen. Des Weiteren ist anzumerken, dass, wenn oben angegeben ist, dass die gewichtsprozentuale Menge „0,00” ist, in einigen Ausführungsformen eine Spuren- oder unwesentliche Menge des Elements aufgrund von Verunreinigungen festgestellt werden könnte, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist anzumerken, dass andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit den in den Tabellen 5 und 6 gezeigten Zusammensetzungen Schweißablagerungen mit einem Mangangehalt im Bereich von 0,13 bis 0,16 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen und immer noch die Anforderungen von Elektroden des E70T-5C-Typs erfüllen können. Darüber hinaus zeigt die obige Tabelle das Vorhandensein von Elementen wie zum Beispiel S, N, Cr, Cu, P und W, die weder in Tabelle 5 noch in Tabelle 6 auftauchen, die die Bestandteile des Verbrauchsmaterialien zeigen, die zum Generieren der Daten von Tabelle 7 verwendet werden. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass das Vorhandensein dieser Elemente in der Ablagerung aus dem Schweißprozess resultieren kann und dass sie aufgrund von Verunreinigungen oder Spurenmengen des Elements in der Elektrode oder einer Beschichtung auf der Elektrode vorliegen können.

Die folgende Tabelle 8 zeigt ähnliche Daten wie die, die in 7 gezeigt sind, außer dass Tabelle 8 Daten von einer Elektrode des E70T-5M-Typs unter Verwendung eines Schutzgasgemisches aus Ar/CO₂ zeigt. TABELLE 8

BESTANDTEIL	SCHWEISSABLAGERUNG
C	0,06 bis 0,10
S	0,004 bis 0,006
N	0,005 bis 0,007
O	0,07 bis 0,09
Si	0,4 bis 0,8
Mn	0,12 bis 0,23
Ni	0,3 bis 0,5
AI	0,05 bis 0,07
Ti	0,02 bis 0,04
Mo	0,005 bis 0,015
Zr	0,00
As	0,00
B	0,00
Ca	0,00
Cd	0,00
Co	0,00
Cr	0,02 bis 0,04
Cu	0,02 bis 0,04
Nb	0,00
P	0,005 bis 0,015
Pb	0,00
Sb	0,00
Sn	0,00
Ta	0,00
V	0,00
W	0,005 bis 0,015

Wie in der obigen Tabelle 8 gezeigt, ähneln die Daten denen von Tabelle 7. Es ist anzumerken, dass die obige Besprechung bezüglich des Vorhandenseins von Spurenmengen an Elementen und Verunreinigungen gleichermaßen für diese Tabelle 8 gilt.
Wie in jeder der obigen Tabellen 7 und 8 gezeigt, können beispielhafte Flussmittelkern-Elektroden vom Basis-Typ der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einem Mangangehalt im Bereich von 0,11 bis 0,20 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen. Es können sogar einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einem Mn-Gehalt im Bereich von 0,13 bis 0,18 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen. Des Weiteren können – für beispielhafte Elektroden, die die Anforderungen des Typs E70T-5C erfüllen – Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Schweißablagerung mit einem Mangangehalt im Bereich von 0,13 bis 0,17 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen, und für beispielhafte Elektroden, die die Anforderungen des Typs E70T-5M erfüllen, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Schweißablagerung mit einem Mangangehalt im Bereich von 0,15 bis 0,19 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen. In jedem Fall ist dies signifikant weniger als die 1,75 Gewichts-%, die in den Standards E70T-5C und -5M dargelegt sind. Des Weiteren ist dies signifikant weniger als bei anderen bekannten Mangan-armen Schweißverbrauchsmaterialien.
Des Weiteren haben zwar die im vorliegenden Text besprochenen beispielhaften Ausführungsformen einen geringen Mangangehalt und erzeugen Schweißablagerungen mit geringem Mangangehalt, doch können die im vorliegenden Text besprochenen Elektroden Schweißnähte erzeugen, die alle benötigten strukturellen und Festigkeitseigenschaften erfüllen. Genauer gesagt, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einer Zugfestigkeit im Bereich von 70 bis 95 ksi, einer praktischen Mindestfließgrenze von mindestens 58 ksi, einer Mindestlängung von mindestens 22% und einer Mindest-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy bei –20°F von 20 ft·lbs erzeugen. Somit stellen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schutzgas-Flussmittelkern-Elektroden vom Basis-Typ mit einem signifikant reduzierten Mangangehalt bereit, aber erbringen immer noch strukturell hochwertige Schweißnähte.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Schweißelektrode 200 mit einer Metallkernkonfiguration ist. Die Elektrode 200 enthält einen Metallmantel 210, der einen Metallkern 220 umgibt. Wie bei den Flussmittelkern-Elektroden, ist der Aufbau von Metallkern-Verbrauchsmaterialien allgemein bekannt und braucht im vorliegenden Text nicht näher erläutert zu werden. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten zwar nur geringe Mengen Mangan, doch sie erfüllen auch die Anforderungen an Elektroden vom E70C-6M-Typ; diese Anforderungen werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen.

Wie die Tabellen 1 und 5, zeigt die folgende Tabelle 9 die Bestandteile für beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eines Metallkern-Verbrauchsmaterials. Die Tabelle zeigt die Gewichtsprozente für den Mantel, den Kern und die Gesamtelektrode. In beispielhaften Ausführungsformen liegt der Metallkern im Bereich von 16 bis 26% des Gesamtgewichts der Elektrode, während der Mantel im Bereich von 74 bis 84% des Gesamtgewichts der Elektrode liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt der Kern im Bereich von 18 bis 24% des Gesamtgewichts der Elektrode, und der Mantel liegt im Bereich von 77 bis 81% des Gesamtgewichts. TABELLE 9

BESTANDTEIL	KERN	MANTEL	ELEKTRODE
SiO₂	0,000	0,000	0,000
ZrO₂	0,000	0,000	0,000
TiO₂	0,000	0,000	0,000
K₂O	0,000	0,000	0,000
CaF₂	0,000	0,000	0,000
Al	0,35 bis 0,65	0,004 bis 0,006	0,06 bis 0,18
B	0,000	0,000	0,000
Ti	0,10 bis 0,40	0,02 bis 0,04	0,03 bis 0,14
Fe	92 bis 98	99,3 bis 99,9	97 bis 99
Mg	0,000	0,000	0,000
Mn	0,05 bis 0,09	0,12 bis 0,20	0,09 bis 0,19
Ni	1,7 bis 2,3	0,04 bis 0,06	0,3 bis 0,6
Si	2,5 bis 4,0	0,003 bis 0,007	0,4 bis 1,1
C	0,4 bis 0,55	0,008 bis 0,012	0,06 bis 0,15

Tabelle 10 unten zeigt die Bestandteile, in Gewichtsprozenten der verschiedenen Komponenten und der Gesamtelektrode, für eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. TABELLE 10

BESTANDTEIL	KERN	MANTEL	ELEKTRODE
SiC₂	0,000	0,000	0,000
ZrO₂	0,000	0,000	0,000
TiO₂	0,000	0,000	0,000
K₂O	0,000	0,000	0,000
CaF₂	0,000	0,000	0,000
Al	0,4 bis 0,6	0,0045 bis 0,0055	0,06 bis 0,16
B	0,000	0,000	0,000
Ti	0,15 bis 0,30	0,025 bis 0,035	0,04 bis 0,11
Fe	91 bis 96	99,5 bis 99,9	97 bis 99
Mg	0,000	0,000	0,000
Mn	0,065 bis 0,089	0,15 bis 0,19	0,12 bis 0,18
Ni	1,8 bis 2,2	0,04 bis 0,06	0,3 bis 0,63
Si	2,8 bis 3,8	0,004 bis 0,006	0,4 bis 1,0
C	0,425 bis 0,525	0,009 bis 0,011	0,07 bis 0,15

Wie bei den in den anderen Ausführungsformen im vorliegenden Text beschrieben Elektroden, können die in den Tabellen 9 und 10 offenbarten Ausführungsformen noch andere Spurenelemente enthalten, die in der Zusammensetzung der oben besprochenen Elektroden vorliegen können. Das Vorhandensein solcher Spurenelemente widerspricht nicht dem Wesen und Schutzumfang von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Jedoch haben, wie in den obigen Tabellen gezeigt, die oben beschriebenen Elektroden in jeder der Tabellen 9 und 10 kein absichtlich hinzugefügtes SiO₂, ZrO₂, TiO₂, K₂O, CaF₂, B oder Mg. Es ist anzumerken, dass diese Komponenten aufgrund von Verunreinigungen oder dergleichen in Spurenmengen vorliegen können, ohne von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, aber sie sind nicht absichtlich hinzugefügt. Es ist des Weiteren anzumerken, dass in einigen beispielhaften Ausführungsformen von Flussmittelkern-Elektroden, die in jeder der Tabellen 10 und 11 dargelegt sind, die Elektroden und/oder ihre jeweiligen Komponenten im Wesentlichen aus den Bestandteilen bestehen, die in den Tabellen 10 bzw. 11 angeführt sind.
Wie oben gezeigt, haben beispielhafte Metallkern-Elektroden einen Gesamtmangangehalt im Bereich von 0,09 bis 0,19 Gewichts-% der Elektrode. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Mangan im Bereich von 0,12 bis 0,18 Gewichts-% der Elektrode. In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Mangan im Bereich von 0,13 bis 0,17 Gewichts-% der Elektrode, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge im Bereich von 0,14 bis 0,16 Gewichts-% der Elektrode.
Die in den obigen Tabellen enthaltenen beispielhaften Ausführungsformen können mit jedem bekannten FCAW-Schweißprozess verwendet werden, um hochwertige Schweißnähte zu erzeugen, während ein Verbrauchsmaterial mit signifikant reduzierten Mengen an Mangan in den Dämpfen und in der Schweißablagerung – im Vergleich zu bekannten Verbrauchsmaterialien – verwendet wird. Es können sogar, als ein Beispiel, beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, die die Standards für den Elektrodentyp E70C-6M erfüllen. Wie in Tabelle 12 unten gezeigt, können Elektroden, die gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, Schweißablagerungen mit signifikant reduzierten Mangangehalten erzeugen. Die in Tabelle 12 gezeigten Bestandteildaten zeigen die Gewichtsprozente der unverdünnten Schweißablagerung. Tabelle 12 stellt Schweißablagerungs-Gewichtsprozente dar, die unter Verwendung eines Schweißprozesses erreicht werden können, der die folgenden beispielhaften Eigenschaften besitzt: (1) der Elektrodendurchmesser beträgt 1/16”; (2) Drahtzufuhrgeschwindigkeit (WFS) 265; (3) ungefährer Strom von 325 A; (4) Spannung von 25,5 Volt; (5) Kontaktspitze-Werkstück-Distanz (Contact to Work Distance, CTWD) von 0,75 Inch; (6) Vorschubgeschwindigkeit von 10 ipm; (7) Wärmezufuhr von 45 kJ; (8) Vorwärmung von 70°F; und (9) Zwischenlagenwärme von 300°F. Des Weiteren ist das Schutzgas 5% CO₂ und 95% Ar. Natürlich sind diese Bedingungen nur beispielhaft, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch mit anderen Schweißbedingungen verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Des Weiteren kann das Schweißen mit anderen Bedingungen immer noch die gewünschten Mangan-armen Schweißablagerungen zur Folge haben, die unten gezeigt sind.

Die folgende Tabelle 12 zeigt beispielhafte Daten für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Anforderungen an Elektroden vom E70C-6M-Typ erfüllt. TABELLE 12

BESTANDTEIL	SCHWEISSABLAGERUNG
C	0,06 bis 0,10
S	0,004 bis 0,006
N	0,005 bis 0,007
O	0,065 bis 0,095
Si	0,4 bis 0,7
Mn	0,08 bis 0,22
Ni	0,3 bis 0,5
AI	0,04 bis 0,06
Ti	0,005 bis 0,015
Mo	0,005 bis 0,015
Zr	0,00
As	0,00
B	0,00
Ca	0,00
Cd	0,00
Co	0,00
Cr	0,02 bis 0,04
Cu	0,02 bis 0,04
Nb	0,00
P	0,005 bis 0,015
Pb	0,00
Sb	0,00
Sn	0,00
Ta	0,00
V	0,00
W	0,005 bis 0,015

Es ist anzumerken, dass, wie bei anderen beispielhaften Ausführungsformen von im vorliegenden Text besprochenen Elektroden, die obige Besprechung bezüglich des Vorhandenseins von Spurenmengen an Elementen und Verunreinigungen gleichermaßen für diese Tabelle 12 gilt.
Wie in Tabelle 12 gezeigt, können beispielhafte Metallkern-Elektroden vom Basistyp der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einem Mangangehalt im Bereich von 0,08 bis 0,22 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen, die die Anforderungen an den Elektrodentyp E70C-6M erfüllen, und können in anderen Ausführungsformen im Bereich von 0,12 bis 0,22% liegen. Es können sogar einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einem Mn-Gehalt im Bereich von 0,14 bis 0,19 Gewichts-% der Schweißablagerung erzeugen. Dies ist signifikant weniger als bei anderen bekannten Mangan-armen Schweißverbrauchsmaterialien.
Des Weiteren haben zwar die im vorliegenden Text besprochenen beispielhaften Ausführungsformen einen geringen Mangangehalt und erzeugen Schweißablagerungen mit geringem Mangangehalt, doch können die im vorliegenden Text besprochenen Elektroden Schweißnähte erzeugen, die alle benötigten strukturellen und Festigkeitseigenschaften erfüllen. Genauer gesagt, können Metallkern-Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Schweißablagerungen mit einer Zugfestigkeit von mindestens 70 ksi, einer praktischen Mindestfließgrenze von mindestens 58 ksi, einer Mindestlängung von mindestens 22% und einer Mindest-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy bei –20°F von 20 ft·lbs erzeugen. Somit stellen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Metallkern-Elektroden mit einem signifikant reduzierten Mangangehalt bereit, aber erbringen immer noch strukturell hochwertige Schweißnähte.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf konkrete Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und dass Äquivalente an ihre Stelle treten können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen. Es ist darum beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen enthält, die in den Geltungsbereich der vorliegenden Anmeldung fallen.
Bezugszeichenliste

100: Flussmittelkern-Elektrode
110: Mantel
120: Flussmittelkern
200: Metallkern
210: Metallmantel
220: Metallkern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0097168 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Spezifikationen der American Welding Society AWS A5.20/A5.20M und AWS A5.36/A5.36M [0003]
„Metal Fabrication Hazardous Air Pollutants”(MFHAP)-Anforderungen im Rahmen der Vorschriften der US-Umweltschutzbehörde in 40 CFR Part 63 Subpart [0004]
AWS A5.20/A5.20M [0018]
AWS A5.20/A5.20M [0020]
AWS A5.36/A5.36M [0020]

Claims

Flussmittelkern-Elektrode (100), die Folgendes umfasst: einen Eisen-basierten Metallmantel (110); und einen Titandioxid-basierten Flussmittelkern (120), der von dem Eisen-basierten Metallmantel (110) umgeben ist; wobei die Elektrode (100) des Weiteren – nach Gewicht der Elektrode (100) – umfasst: Mangan im Bereich von 0,09 bis 0,19%; Bor im Bereich von 0,003 bis 0,014%; Kohlenstoff im Bereich von 0,04 bis 0,12%; Silizium im Bereich von 0,3 bis 0,8%; Molybdän im Bereich von 0 bis 0,4%; Titan im Bereich von 0,15 bis 0,42%; und Aluminium im Bereich von 0,06 bis 0,3%.
Flussmittelkern-Elektrode nach Anspruch 1, wobei das Mangan im Bereich von 0,11 bis 0,17 Gewichts-% und bevorzugt im Bereich von 0,14 bis 0,16 Gewichts-% liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Titandioxid im Bereich von 30 bis 45 Gewichts-% des Flussmittelkerns und bevorzugt im Bereich von 35 bis 40 Gewichts-% des Flussmittelkerns liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das Bor im Bereich von 0,005 bis 0,012% liegt; der Kohlenstoff im Bereich von 0,05 bis 0,11% liegt; das Silizium im Bereich von 0,4 bis 0,6% liegt; das Molybdän im Bereich von 0 bis 0,4% liegt; das Titan im Bereich von 0,19 bis 0,38% liegt; und das Aluminium im Bereich von 0,10 bis 0,23% liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Mantel im Bereich von 80 bis 88% des Gewichts der Kernelektrode liegt.
Flussmittelkern-Elektrode (100), die Folgendes umfasst: einen Eisen-basierten Metallmantel (110); und einen Calciumfluorid-basierten Flussmittelkern (120), der von dem Eisenbasierten Metallmantel (110) umgeben ist; wobei die Elektrode (100) des Weiteren – nach Gewicht der Elektrode (100) – umfasst: Mangan im Bereich von 0,09 bis 0,19%; Kohlenstoff im Bereich von 0,05 bis 0,11%; Silizium im Bereich von 0,5 bis 1,1%; Titan im Bereich von 0,02 bis 0,03%; und Aluminium im Bereich von 0,06 bis 0,16%.
Flussmittelkern-Elektrode nach Anspruch 6, wobei das Mangan im Bereich von 0,12 bis 0,16 Gewichts-% und bevorzugt im Bereich von 0,13 bis 0,15 Gewichts-% liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Calciumfluorid im Bereich von 19 bis 30 Gewichts-% des Flussmittelkerns und bevorzugt im Bereich von 20 bis 28 Gewichts-% des Flussmittelkerns liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei: der Kohlenstoff im Bereich von 0,05 bis 0,11% liegt; das Silizium im Bereich von 0,58 bis 1,12% liegt; das Titan im Bereich von 0,02 bis 0,03% liegt; und das Aluminium im Bereich von 0,07 bis 0,15% liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Mantel im Bereich von 70 bis 80% des Gewichts der Kernelektrode liegt.
Flussmittelkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei weder Zirkondioxid, Bor noch Magnesium absichtlich in der Flussmittelkern-Elektrode vorliegen.
Metallkern-Elektrode (200), die Folgendes umfasst: einen Eisen-basierten Metallmantel (210); und einen Eisen-basierten Kern (220), der von dem Eisen-basierten Metallmantel (210) umgeben ist; wobei die Elektrode (200) des Weiteren – nach Gewicht der Elektrode (200) – umfasst: Mangan im Bereich von 0,09 bis 0,19%; Kohlenstoff im Bereich von 0,06 bis 0,15%; Silizium im Bereich von 0,4 bis 1,1%; Titan im Bereich von 0,03 bis 0,14%; und Aluminium im Bereich von 0,06 bis 0,18%.
Metallkern-Elektrode nach Anspruch 12, wobei das Mangan im Bereich von 0,12 bis 0,18 Gewichts-% und bevorzugt im Bereich von 0,14 bis 0,16 Gewichts-% liegt.
Metallkern-Elektrode nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Eisen-basierte Kern Nickel im Bereich von 1,7 bis 2,3 Gewichts-% des Eisen-basierten Kerns umfasst.
Metallkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei: der Kohlenstoff im Bereich von 0,07 bis 0,15% liegt; das Silizium im Bereich von 0,4 bis 1% liegt; das Titan im Bereich von 0,04 bis 0,11% liegt; und das Aluminium im Bereich von 0,06 bis 0,16% liegt.
Metallkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Mantel im Bereich von 74 bis 84% des Gewichts der Kernelektrode liegt.
Metallkern-Elektrode nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei weder Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Titandioxid, Kaliumoxid, Calciumfluorid, Bor noch Magnesium absichtlich in der Metallkern-Elektrode vorliegen.