JP2014534072A - Ｇｍａｗハイブリッドレーザアーク溶接用の電極 - Google Patents
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Abstract
中実又は金属コア電極のいずれかであるハイブリッドレーザアーク溶接（１００）のための溶接電極（１１１）が提供される。電極（１１１）は、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐を含む。電極（１１１）は、電極の重量％において、０．０２％以下の炭素、０．６〜１．２％の範囲内のマンガン、０．３〜０．６％の範囲内のケイ素、０．０１％以下の硫黄、及び０．０１％以下の燐を有する。
Description
本発明は請求項１に従った溶接電極に関し、請求項３に従った溶接電極を作製する方法に関し、且つ請求項１４に従った溶接の方法にに関する。本発明と一致する装置、システム、及び方法は、ＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接のために使用される電極に関する。
近年、ハイブリッドレーザアーク溶接において開発が行われ、そこでは、レーザ方法とガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）方法との組み合わせを使用して被加工物（ワークピース）が溶接される。そのような溶接の１つの実施例において、溶融溶接パッドルを創成する或いは少なくとも開始するためにレーザが使用され、充填材料（溶接電極）を溶接パッドル内に堆積させるためにレーザの後にＧＭＡＷプロセスが続く。ＧＭＡＷプロセスは典型的には周知のＭＧＡＷプロセスに従って行われるので、米国溶接協会（ＡＷＳ）規格、例えば、Ａ５．１８ＥＲ７０Ｓ−３に準拠する溶接電極が利用される。
しかしながら、ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスにおいて溶接しているとき、標準的なＡＷＳ電極の使用は凝固割れの創成及び溶接硬度の増大を招き、それらは溶接の完全性及び品質を劣化させ得る。
請求項１に従った溶接電極の溶接の完全性及び品質を劣化させる問題を解決するために、請求項３に溶接電極を作製する方法、及び請求項１４に従った溶接方法が提示される。本発明の更なる実施態様を従属項から取り得る。本発明の例示的な実施態様は、電極本体の重量％において、０．０２％以下の炭素、０．６〜１．２％の範囲内のマンガン、０．３〜０．６％の範囲内のケイ素、０．０１％以下の硫黄、及び０．０１％以下の燐を有する、ハイブリッドレーザアーク溶接における使用のための電極、電極を作製する方法、及び電極を使用する方法である。溶接の方法によれば、電極がコアとコアを取り囲む外側シースとで構成されるときを勧め得る。
本発明の上記の及び他の特徴は、添付の図面を参照して本発明の例示的な実施態様を詳細に記載することによってより明らかであろう。
次に、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施態様を記載する。記載する例示的な実施態様は、本発明の理解を助けることを意図しており、本発明の範囲を限定することを如何様にも意図していない。例示的な実施態様を通じて、同等の参照番号は、同等の素子を指している。
図１は、ＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接システム１００の基本的な表示を描写している。システム１００はレーザ装置１０３を含む。レーザ装置１０３は被加工物Ｗ（ワークピース）にベーム１０１を投射し、被加工物Ｗは溶解し始める。レーザ装置１０３はレーザ電源１０５に結合される。ワイヤ送込み装置（図示せず）及び接触先端１１３を介して、溶接電極１１１が溶接部に供給される。ＧＭＡＷ又は類似の溶接プロセスを使用して電極を溶接部内に堆積させ得るよう、ＧＭＡＷ電源１１５が電極１１１に溶接波形をもたらす。ＧＭＡＷ溶接及びＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接は概ね知られているので、溶接プロセス並びにそれぞれの構成部品の動作及び構造の詳細をここでは詳細に議論しない。以下の議論はＧＭＡＷ溶接に言及するが、本発明の特徴はＧＭＡＷ溶接における使用に限定されず、本発明の特徴を類似の問題を有する類似の溶接操作においても使用し得る。
前に述べたように、典型的なハイブリッドレーザアーク溶接操作では、標準的なＡＷＳ Ａ５．１８ ＥＲ７０Ｓ−３／−６固体電極が利用される。ＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接におけるそのような標準的な電極の使用は、それらの化学組成の特徴の故に割れ及び過剰な溶接硬度の原因となり得ることが発見されている。
ＡＷＳ Ａ５．１８電極分類は、ワイヤの組成中の特定の成分の特定の量を特定させたコンプライアント電極を必要とする。具体的には、ＡＷＳ Ａ５．１８ ＥＲ７０Ｓ−３は、（電極の重量％における）以下を必要とする。
炭素（Ｃ）＝０．０６〜０．１５％
マンガン（Ｍｎ）＝０．９〜１．４０％
ケイ素（Ｓｉ）＝０．４５〜０．７５％
硫黄（Ｓ）＝０．０３５％以下
燐（Ｐ）＝０．０２５％以下
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典型的なＧＭＡＷ溶接（並びに類似の溶接操作）の目的のために、そのような組成を備える固体電極の使用は、許容可能な溶接をもたらす。しかしながら、そのような電極がＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接において使用されるとき、マンガン及びケイ素（シリコン）は溶接金属の凍結範囲を増大させる。よって、溶接パッドルの凝固は広い温度範囲に亘って起こる。これは、これらの合金成分（Ｃ、Ｓｉ、及びＭｎ）の濃度の増大を有するよう、液体を溶接部の樹脂状領域内で凍結させる。この濃度はこの領域の凝固温度をより一層低くさせる。よって、これが−高い深さ対幅比を有する溶接接合部において受けるように−高い応力を有する溶接接合部の領域において起こるとき、それは溶接内に割れを引き起こし得る。これを凝固割れと呼び得る。更に、そのような電極で作製される溶接部の冷却速度は、凝固した溶接部に高い硬度の微細構造を有させるのに十分な程に高くあり得る。これは被加工物の用途に依存して不利であり得る高い硬度を有する全体的な溶接をもたらし得る。
本発明の実施態様は、ＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接において使用し得る、ＡＡＷＳ Ａ５．１８の外側の特定の組成を有する電極の使用を通じて、上述の問題を克服し或いは解消する。
具体的には、本発明に従った溶接電極の例示的な実施態様は、電極の重量％において以下の組成を有する。
炭素（Ｃ）＝０．０２％以下
マンガン（Ｍｎ）＝０．６〜１．２％
ケイ素（Ｓｉ）＝０．３〜０．６％
硫黄（Ｓ）＝０．０１％以下
燐（Ｐ）＝０．０１％以下
炭素（Ｃ）＝０．０２％以下
マンガン（Ｍｎ）＝０．６〜１．２％
ケイ素（Ｓｉ）＝０．３〜０．６％
硫黄（Ｓ）＝０．０１％以下
燐（Ｐ）＝０．０１％以下
更なる例示的な実施態様において、炭素のレベルは、０．００５〜０．０１５％の範囲内にある。他の例示的な実施態様において、Ｍｎは、０．６〜０．９％の範囲内にあり、Ｓｉは、０．３〜０．４５％の範囲内にある。更なる例示的な実施態様において、硫黄及び燐の量は、各々、０．００２〜０．００７％の範囲内にある。よって、電極の他の実施態様は、以下の百分率の上記組成を有し得る。
炭素（Ｃ）＝０．００５〜０．０１５％
マンガン（Ｍｎ）＝０．６〜０．９０％
ケイ素（Ｓｉ）＝０．３〜０．４５％
硫黄（Ｓ）＝０．００２〜０．００７％
燐（Ｐ）＝０．００２〜０．００７％
炭素（Ｃ）＝０．００５〜０．０１５％
マンガン（Ｍｎ）＝０．６〜０．９０％
ケイ素（Ｓｉ）＝０．３〜０．４５％
硫黄（Ｓ）＝０．００２〜０．００７％
燐（Ｐ）＝０．００２〜０．００７％
もちろん、所与の溶接操作のために電極の性能を最適化するよう、上述の特定の百分率の様々の組み合わせを利用し得る。例えば、マンガンは０．６〜１．２％の範囲内にあるのに対し、炭素のレベルは、０．００５〜０．０１５％の範囲内にあり得る。類似の例示的な組み合わせを行い得る。しかしながら、品質及び許容可能な溶接を保証するために、相対的な百分率が選択されなければならない。成分は、例えば、凝固割れ、溶接硬度、及び多孔性が最小限化されるよう選択されなければならない。
上述の組成の百分率を備える本発明の様々の例示的な実施態様では、ＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接において利用されるとき、溶接の凝固中の溶接金属の性能は、ＡＷＳ電極の使用に対して改良される。そのような低いレベルの上記組成を使用することによって、溶接パッドルの凍結範囲は減少させられる。更に、上記組成のレベルが減少させられるとしても、それらは酸素が溶接部から漏れ出そうとすることの故に作り出される多孔性が殆どないことを保証するのに十分である。一部の成分、例えば、Ｓｉ及びＭｎのレベルが減少させられ過ぎるならば、溶接パッドル中に酸素泡が作り出され、それらがパッドルから漏れ出そうとするとき、それらは多孔性を引き起こし得る。更に、上述の特定の組成は、溶接内に割れを引き起こし得る硫化鉄の液体膜の形成を防止する。
図２は、本発明の例示的な実施態様を描写している。図示の電極１１１は、外側シース２０１とコア２０３とを有する金属コア付き電極である。外側シース２０１を任意の既知の或いは従来的な方法において作成し且つ形成し得る。外側シース２０１は、金属コア付き電極の製造において典型的に使用される組成を有し得る。一部の例示的な実施態様において、上記で特定した成分の全てはコア２３０中に見出され、コア２０３は粉末又は粒状形態にある。即ち、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐の各々は、コア２３０内に配置される。他の実施態様は、電極のシース２０１内に上記で特定した成分の少なくとも一部を有し得る。例えば、例示的な実施態様において、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐のうちの少なくとも１つは、電極のシース２０１内にある。更に他の実施態様では、シース２０１及びコア２０３の各々は、上記で特定した成分お少なくとも一部の量を有する。例えば、本発明の例示的な実施態様において、シース２０１は成分の少なくとも２５％を含有し得る。即ち、シース２０１は、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐のうちのいずれか１つ又は全部の少なくとも２５％を含有し得る。
シース２０１は、電極１１１の重量の大部分を提示し得る。例示的な実施態様において、コア２０３は、電極の全重量のうちの３５％の重量を提示する。他の例示的な実施態様において、コア２０３は、電極の全重量のうちの１０〜２５重量％を提示する。
前述のように、本発明は図２に示すような金属コア付きワイヤに限定されず、本発明を中実コア電極としても作製し得る。しかしながら、金属コア付き電極を使用する利点は、電極の化学的性質の比較的安価な調節を可能にすることである。何故ならば、中実コアワイヤを延伸するために使用される原材料における変化を通じてよりもむしろコアの化学的性質における変更を通じて、化学的性質の調節を主として行い得るからである。
本発明の例示的な実施態様では、銅、鉄、クロム、モリブデン、ニッケル、バナジウム等を非限定的に含む、ＡＷＳ Ａ５．１８規格電極中に典型的に現れる成分で、電極１１１の重量百分率の残余を構成し得る。これらの成分のそれぞれの量は、ＡＷＳ規格仕様を超えない量においてもたらされる。
上述の成分の特定の量の故に、凝固割れを引き起こさずに本発明の実施態様をＧＭＡＷハイブリッドレーザアーク溶接において使用可能であり、典型的に使用されているＥＲ７０Ｓ電極の使用を通じて普通は達成可能な溶接強度及び特性を依然として達成する。具体的には、本発明に従って作製される電極１１１で作製される溶接部は、少なくとも５８ｋｓｉの降伏強度及び少なくとも７０ｋｓｉの引っ張り強さを達成し得る。
１００％の二酸化炭素又はアルゴンと二酸化炭素との混合物を非限定的に含む、典型的な遮蔽ガス混合物を用いて、本発明の例示的な実施態様に従って作製される電極を溶接し得る。
本発明の実施態様を製造するために既知の製造方法を利用し得る。具体的には、中実電極に関して、中実電極をここに示すような適切な化学的性質を有する「生ロッド」(“green rod”)から適切な直径に延伸し得る。よって、ここに述べるような所望の化学的性質を有する原材料又は生ロッドが作製され、次に、原材料は−既知の延伸プロセス又は製造プロセスを通じて−所望の直径に延伸され、任意の所望の表面塗膜を有する。そのような方法は知られており、ここにおいて記載される必要はない。金属−コア実施態様に関して、典型的には、シース２０１は、所望の幅及び厚さの平坦な原材料(stock material)として形成される。平坦な原材料は、次に、形成プロセスを通じてＵ通路に成形される。コア材料がＵ通路内に配置され、Ｕ通路は円形のシースを形成するよう閉じられ、シース２０１はコア２０３を完全に取り囲み、コア材料を所定の場所に保持する。もちろん、他の既知の又は使用済みの製造方法も利用し得る。
本発明の実施態様を既知の溶接電極直径のいずれかに或いは溶接操作のために必要とされるような任意の他の電極直径に作製し得る。
本発明の例示的な実施態様を参照して本発明を具体的に図示し且つ記載したが、本発明はこれらの実施態様に限定されない。後続の請求項によって定められるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々の変更をここにおいて行い得ることを当業者は理解しよう。
１００ レーザ溶接システム
１０１ ビーム
１０３ レーザ装置
１０５ レーザ電源
１１１ 溶接電源
１１３ 接触先端
１１５ 源源
２０１ 外側シース
２０３ コア
Ｗ 被加工物
１０１ ビーム
１０３ レーザ装置
１０５ レーザ電源
１１１ 溶接電源
１１３ 接触先端
１１５ 源源
２０１ 外側シース
２０３ コア
Ｗ 被加工物
Claims (15)
- ハイブリッドレーザアーク溶接（１００）のための溶接電極（１１１）であって、
電極本体を含み、
該電極本体は、前記電極本体の重量％において、
０．０２％以下の炭素、
０．６〜１．２％の範囲内のマンガン、
０．３〜０．６％の範囲内のケイ素、
０．０１％以下の硫黄、及び
０．０１％以下の燐
があるように、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐を含む、
溶接電極。 - 前記電極本体は、コアと該コアを取り囲む外側シースとで構成される、請求項１に記載の溶接電極。
- 溶接電極を作製する方法であって、
少なくとも炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐を有する電極本体を形成することを含み、
前記電極本体の重量％において、
０．０２％以下の炭素、
０．６〜１．２％の範囲内のマンガン、
０．３〜０．６％の範囲内のケイ素、
０．０１％以下の硫黄、及び
０．０１％以下の燐
がある、
方法。 - 前記炭素は、前記電極本体の重量において、０．００５〜０．０１５％の範囲内にある、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記マンガンは、前記電極本体の重量において、０．６〜０．９％の範囲内にある、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記ケイ素は、前記電極本体の重量において、０．３〜０．４５％の範囲内にある、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記硫黄は、前記電極本体の重量において、０．００２〜０．００７％の範囲内にある、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記燐は、前記電極本体の重量において、０．００２〜０．００７％の範囲内にある、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記炭素は、前記電極本体の重量において、０．００５〜０．０１５％の範囲内にあり、前記硫黄及び燐の各々は、前記電極本体の重量において、０．００２〜０．００７％の範囲内にある、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記形成するステップは、外側シース内にコアを配置すること、及び前記コアの周りを前記外側シースで閉じることを含む、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐の各々は、前記コア内にある、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記コアは、前記電極の重量の５〜３５％である、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 前記コアは、前記電極の重量の１０〜２５％である、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の方法又は溶接電極。
- 被加工物の少なくとも一部を溶解させるようレーザビームを前記被加工物に向けること、
溶接電極を前記被加工物に供給すること、及び
アーク溶接プロセスを使用して前記溶解部分内に前記溶接電極を配置することを含み、
前記電極本体は、前記電極本体の重量％において、
０．０２％以下の炭素、
０．６〜１．２％の範囲内のマンガン、
０．３〜０．６％の範囲内のケイ素、
０．０１％以下の硫黄、及び
０．０１％以下の燐
があるように、炭素、マンガン、ケイ素、硫黄、及び燐を含む、
溶接方法。 - 前記炭素は、前記電極本体の重量において、０．００５〜０．０１５％の範囲内にあり、前記硫黄及び燐の各々は、前記電極本体の重量において、０．００２〜０．００７％の範囲内にある、請求項１４に記載の溶接方法。
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