JP2019063870A - アルミニウム含有溶接電極 - Google Patents
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Abstract
Description
さまざまな溶接技術が金属の源として機能する溶接ワイヤを利用する。例えば、金属アーク溶接で、ワークピースに向かって進む1つの電極として機能する消耗溶接電極ワイヤと、別の電極として機能するワークピースとの間に電圧が印加されるとき、電気アークが生成される。アークは金属ワイヤのチップを溶かし、それにより、ワークピース上に溶着して溶接物または溶接ビードを形成する、溶融金属ワイヤの液滴を作り出す。
図1は、金属アーク溶接工程における電極の構成の略図である。金属アーク溶接、例えば、ガス金属アーク溶接(GMAW)で、1つの電極4(例えば、アノード(+))に電気的に接続される、消耗金属ワイヤ6と、別の電極(例えば、カソード(−))として機能する、ワークピース2との間に電気アークが生成される。その後、プラズマ8が持続し、それは、アークによって気化した金属ワイヤ6の材料の中性のおよび荷電したクラスタまたは液滴と同様に、中性のおよびイオン化したガス分子を含有する。溶接中に、消耗金属ワイヤ6は、ワークピース2に向かって進められ、結果として生じる金属ワイヤ6の溶融液滴がワークピース上に溶着し、それにより溶接ビードが形成される。
本明細書に開示されるさまざまな実施形態は、上述のさまざまな溶接工程から結果として生じる溶接ビードのますます複雑で競合する特性に対処することを目指す。競合する特性は、特性の中でも特に、高靱性、例えば、低温における高靱性、靱性の小さな統計的散乱、低い高温割れ傾向、および低いポロシティを含む。さらに、これらの特性は、経済的考慮、例えば、消耗電極のコストによって制約される場合がある。これらのおよび他の必要性に対処するために、アルミニウム含有電極は、さまざまな実施形態によれば、コア電極である。
Nieq=2[Mn]+[Ni]+30[C]+20[N]+0.3[Cu]+0.3[Co] [1]
で記述される、当量ニッケル濃度、Nieqによって表現され得ることを見いだした。さまざまな実施形態で、Nieqは、約10重量%〜約80重量%の間、約20重量%〜約70重量%の間、または約30重量%〜約60重量%の間であり、式中[Mn]、[Ni]、[C]、[N]、[Cu]および[Co]は、それぞれの元素の重量%を表す。式[1]で、元素の比率は、実施形態によれば、+/−20%、10%または5%の範囲内で変化し得る。例えば、マンガンのニッケルに対する比率は、2.0+/−0.4、2.0+/−0.2または2.0+/−0.1であり得る。
上述のさまざまな溶接ワイヤを使用して、特定の組成を有する溶接ビードを形成することができ、その組成は、溶接ワイヤの組成と比較して実質的に同じであっても実質的に異なっていてもよい。さまざまな実施形態で、溶接ワイヤ(例えば図3A〜3Dの溶接ワイヤ30A〜30D)を使用して形成された溶接ビード(例えば、図2A、2Bの溶接ビード24)は、約50重量%〜約85重量%の間の濃度の鉄(Fe)および約4重量%〜約8重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)、または上述の溶接ワイヤのいずれかの濃度のFeおよび/もしくはAlを有する。加えて、溶接ビードは、図3A〜3Dに関して上述したような溶接ワイヤの対応する濃度と実質的に同じ濃度で、Alならびにオーステナイト安定化元素(Mn、Ni、C、N、CuおよびCo)のうちの1つもしくは複数および/またはフェライト安定化元素(Cr、Mo、Si、Ti、Nb、VおよびW)のうちの1つもしくは複数を含む。さまざまな実施形態に従って本明細書で開示される溶接ワイヤおよび溶接方法を使用して形成された溶接物は、さまざまな実施形態によれば、1〜125の間、2〜20の間、20〜40の間、40〜60の間、60〜80の間、80〜100の間、100〜120の間、120〜140の間、またはこれらの値のいずれかで規定された範囲内の値であるフェライト番号を有する。
図5は、実施形態による、オープンアーク溶接の場合に〜30lbs/hrまたはより高い速度で溶接金属を溶着させるための上に論じた溶接電極とともに使用するために構成された溶接システム50を例示する。特に、アーク溶接システム50は、実施形態によれば、GMAW、FCAW、FCAW−G、GTAW、SAW、SMAW、またはアルミニウム含有コアを含む溶接電極を使用可能な類似のアーク溶接工程のために構成される。アーク溶接システム50は、溶接電源52、溶接ワイヤドライブ54、シールドガス供給部58、および溶接ガン59を含む。溶接電源52は、溶接システム50に電力を供給するように構成され、図1に詳細に描写されるように、溶接電極ワイヤが第1の電極として機能するように溶接ワイヤドライブ54に電気的に結合され、第2の電極として機能するワークピース57にさらに電気的に結合される。溶接ワイヤドライブは、溶接ガン59に結合され、溶接システム50の動作中に溶接電極ワイヤを電極供給部56から溶接ガン59まで供給するように構成される。いくつかの実装で、溶接電源52は、同様に、溶接ガン59に結合して電力を直接供給することができる。
図6を参照すると、金属アーク溶接の方法60について説明されている。方法60は、溶接中に溶接金属の源として機能するように構成された溶接ワイヤを提供するステップ62を含む。溶接ワイヤは、鋼組成物を有するシースとシースによって囲まれるコアとを含む。コアは、溶接ワイヤの総重量を基準として約4重量%〜約8重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)を含み、Alは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化されている。方法60は、溶融溶接ワイヤの液滴の安定した流れを作り出すのに十分なエネルギーを印加するステップ64をさらに含む。方法60は、25ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に溶融液滴を溶着させるステップ66をさらに含む。特定の実施形態で、溶着させるステップ66は、例えば、図2A、2Bに関して上述したようなシールドガスがないセルフシールドフラックス入りアーク溶接(FCAW−S)工程下で溶着させるステップを含む。
8 プラズマ
24 溶接ビード
26A FCAW−Sワイヤ
26B FCAW−Gワイヤ
27 シールドガス
30A〜30D 溶接電極ワイヤ
34 シース
38a〜38d コア
60 方法
62 消耗溶接ワイヤを提供するステップ
64 電流を印加するステップ
66 溶着させるステップ
Claims (20)
- フラックス入りアーク溶接(FCAW)中に溶接金属の源として機能するように構成された溶接ワイヤであって、前記溶接ワイヤは、
鋼組成物を有するシースと、
前記シースによって囲まれるコアであって、前記コアは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準として約3重量%〜約20重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)を含み、
Alは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化されている、コアと
を含む、溶接ワイヤ。 - 請求項1に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、前記溶接ワイヤの総重量を基準として約10重量%〜約60重量%の間の濃度のマンガン(Mn)をさらに含み、Mnは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化されている、溶接ワイヤ。
- セルフシールドフラックス入りアーク溶接(FCAW−S)工程において電極として機能するように構成され、前記コアは、AlもしくはMn以外の金属の酸化物またはAlもしくはMn以外の金属のフッ化物を含むフラックス剤を含む、請求項2に記載の溶接ワイヤ。
- 請求項2に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約10重量%未満の濃度の銅(Cu)、および
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約10重量%未満の濃度のコバルト(Co)
のうちの1つまたは複数をさらに含み、
CuおよびCoのうちの前記1つまたは複数の総濃度は、前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約10重量%未満である、
溶接ワイヤ。 - 請求項4に記載の溶接ワイヤであって、前記溶接ワイヤは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約50重量%未満の濃度のニッケル(Ni)、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約2.5重量%未満の濃度の炭素(C)、および
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約2重量%未満の濃度の窒素(N)
のうちの1つまたは複数をさらに含む、溶接ワイヤ。 - 請求項5に記載の溶接ワイヤであって、Mn、Ni、C、N、CuおよびCoの濃度は、前記濃度の2[Mn]+[Ni]+30[C]+20[N]+0.3[Cu]+0.3[Co]が約10重量%〜約80重量%の間であるようなものであり、式中[Mn]、[Ni]、[C]、「N]、[Cu]および[Co]は、前記溶接ワイヤの総重量を基準としたそれぞれの元素の重量パーセンテージを表す、溶接ワイヤ。
- フラックス入りアーク溶接中に溶接金属の源として機能するように構成された溶接ワイヤであって、前記溶接ワイヤは、シースによって囲まれるコアと、前記溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが約50重量%〜約85重量%の間の濃度の鉄(Fe)および約3重量%〜約20重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)を有するような組成物とを含む、溶接ワイヤ。
- 前記溶接ビードは、約10重量%〜約60重量%の間の濃度のマンガン(Mn)をさらに含む、請求項7に記載の溶接ワイヤ。
- セルフシールドフラックス入りアーク溶接(FCAW−S)ワイヤであり、前記コアは、AlもしくはMn以外の金属の酸化物またはAlもしくはMn以外の金属のフッ化物を含むフラックス剤を含む、請求項8に記載の溶接ワイヤ。
- 請求項9に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準として約8重量%〜約20重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)と、
前記溶接ワイヤの総重量を基準として約30重量%〜約60重量%の間の濃度のマンガン(Mn)と、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量%よりも大きく約50重量%未満の濃度のニッケル(Ni)と
を含み、
Al、MnおよびNiのそれぞれは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化されている、溶接ワイヤ。 - 請求項8に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、前記溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが0重量%よりも大きく約0.5重量%未満の濃度の炭素(C)および約0重量%よりも大きく約30重量%未満の濃度のニッケル(Ni)を有するように、炭素(C)およびニッケル(Ni)をさらに含む、溶接ワイヤ。
- 2[Mn]+[Ni]+30[C]>20重量%であり、式中[Mn]、[Ni]および[C]は、前記溶接ビードの総重量を基準としたそれぞれの元素の重量パーセンテージを表す、請求項11に記載の溶接ワイヤ。
- 前記溶接ビードは、体積で30%を超える面心立方(FCC)オーステナイトを有する、請求項7に記載の溶接ワイヤ。
- シールドガスなしで溶着されるとき前記Al濃度および前記Mn濃度を有する前記溶接ビードを形成するように構成される、請求項9に記載の溶接ワイヤ。
- 前記コアは、前記溶接ビードのフェライト安定化元素の総濃度が0重量%よりも大きく約10重量%未満であるように、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)およびタングステン(W)からなる群から選択される前記フェライト安定化元素のうちの1つまたは複数をさらに含む、請求項9に記載の溶接ワイヤ。
- 前記コアは、前記溶接ビードのオーステナイト安定化元素の総濃度が0重量%よりも大きく約10重量%未満であるように、銅(Cu)およびコバルト(Co)からなる群から選択される前記オーステナイト安定化元素のうちの1つまたは複数をさらに含む、請求項9に記載の溶接ワイヤ。
- フラックス入りアーク溶接(FCAW)の方法であって、前記方法は、
溶接中に溶接金属の源として機能するように構成された溶接ワイヤを提供するステップであって、前記溶接ワイヤは、
鋼組成物を有するシースと、
前記シースによって囲まれるコアであって、前記コアは前記溶接ワイヤの総重量を基準として約3重量%〜約20重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)を含む、コアと
を含み、
Alは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化されている、ステップと、
溶融溶接ワイヤの液滴の安定した流れを作り出すのに十分なエネルギーを印加するステップと、
前記溶融液滴をワークピース上に溶着させるステップと
を含む、方法。 - 前記溶接ワイヤは、前記溶接ワイヤの総重量を基準として約10重量%〜約60重量%の間の濃度のマンガン(Mn)をさらに含み、Mnは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化されている、請求項17に記載の方法。
- 溶着させるステップは、シールドガスがないセルフシールドフラックス入りアーク溶接(FCAW−S)工程下で溶着させるステップを含み、前記エネルギーを印加するステップは、前記溶接ワイヤに電圧を印加してプラズマアークを発生させるステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 溶着させるステップは、前記溶接ワイヤを使用している溶接ビードが約4重量%〜約6.5重量%の間の濃度のアルミニウム(Al)および約15重量%〜約25重量%の間の濃度のマンガン(Mn)を有するような雰囲気および電圧条件で溶着させるステップを含む、請求項18に記載の方法。
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