JP2019198894A - アルカリ土類金属を有する溶接電極ワイヤ - Google Patents
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Abstract
Description
金属アーク溶接技術で、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ビードを形成する、溶融金属ワイヤの液滴を作り出す。
図2Aは、実施形態による、ベース金属組成物および1つまたは複数のアルカリ土類金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)を含む溶接電極ワイヤ20、例えば金属コア溶接電極ワイヤの略図である。
図5は、実施形態による、オープンアーク溶接の場合に約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、またはアルカリ土類金属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、電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤを提供するステップ62を含み、ここで導電性ワイヤは、金属コアワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む。1つまたは複数のアルカリ土類金属元素の原子は、ベース金属組成物と合金化されている。方法60は、溶接ワイヤの材料で形成された溶融液滴の安定した流れを作り出すのに十分なプラズマアークを発生させるために電流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。
上述のように、オープンアーク溶接において非常に高い溶着速度、例えば約30lbs/hr以上の溶着速度での溶接に関連した多くの課題がある。発明者らは、このような高い溶着速度を達成するために従来の溶接ワイヤが使用されるとき、例えば、許容できないレベルのポロシティ、貧弱な外観ならびに劣った機械的性質、例えば、低い降伏強度、延性および破壊靱性に起因して、結果として生じる溶接ビードの品質が許容できないことに気づいた。溶接ビードの低品質は、オープンアーク溶接中にプラズマアークで観察される不安定性と相関関係があることが多い。上述のように、さまざまな実施形態によれば、例えば、溶接ワイヤ中にアルカリ土類金属元素を取り込むことによって、電極ワイヤの物理的設計および組成を改善することによって、これらの非常に高い溶着速度で高品質溶接ビードを作り出すことができる。実施形態によるアルカリ土類金属元素を含む溶接ワイヤを使用することによって、高品質溶接ビードを同様に作り出しつつ高い溶着速度を達成することができる。発明者らは、ビードの高品質がアーク溶接中のプラズマアークの安定性と相関関係があることに気づいた。
上記で、アーク溶接中の電力調整について説明してきた。それは、プラズマアークに供給される電力の標準偏差の低減を含む、プラズマアーク特性のさまざまな改善をもたらし、それは次に、ポロシティの低減を含めてビード品質のさまざまな側面を改善する。電力のベースライン標準偏差に加えて、発明者らは、プラズマアークに供給される電流、電圧および/または電力における瞬間的なスパイクまたはサージを低減させることが、同様に、プラズマアーク特性および結果として生じるビード品質を大幅に改善し得ることをさらに発見した。
1. 金属アーク溶接中に電極として機能するように構成された消耗金属コア溶接ワイヤであって、溶接ワイヤは、
第1のベース金属組成物を有するシースと、
シースによって囲まれ、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素と合金化された第2のベース金属組成物を有する粒子を含むコアと
を含む、消耗金属コア溶接ワイヤ。
2. 存在する場合、コア中の非金属原子が溶接ワイヤの総重量を基準として5%を超えない濃度で存在する、実施形態1に記載の溶接ワイヤ。
3. 1つまたは複数のアルカリ土類金属元素の濃度は、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜0.5%の間である、実施形態1に記載の溶接ワイヤ。
4. 第1のベース金属組成物および第2のベース金属組成物は、異なる金属または金属合金組成物を含む、実施形態2に記載の溶接ワイヤ。
5. 第1のベース金属組成物および第2のベース金属組成物は、同じ金属または金属合金組成物を含む、実施形態2に記載の溶接ワイヤ。
6. 1つまたは複数のアルカリ土類金属元素は、Baを含む、実施形態2に記載の溶接ワイヤ。
7. 1つまたは複数のアルカリ土類金属元素は、Caをさらに含む、実施形態6に記載の溶接ワイヤ。
8. 溶接ワイヤは、ガス金属アーク溶接(GMAW)のために構成され、コアは、追加のフラックス剤を含まない、実施形態2に記載の溶接ワイヤ。
9. 金属コア溶接ワイヤは、ガス金属アーク溶接(GMAW)のために構成され、コアは、溶接ワイヤの総重量を基準として2%を超えない濃度のフルオロポリマーをさらに含む、実施形態2に記載の溶接ワイヤ。
10. フラックス剤は、遷移金属酸化物をさらに含む、実施形態8に記載の溶接ワイヤ。
11. 金属アーク溶接の方法であって、
電極として機能するように構成された消耗コア溶接ワイヤを提供するステップであって、溶接ワイヤは、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含み、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素の原子は、ベース金属組成物と合金化されている、ステップと、
溶接ワイヤの溶融液滴の安定した流れを作り出すのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するステップと、
30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と
を含む方法。
12. 消耗溶接ワイヤは、シースによって囲まれるコアを有する金属コア溶接ワイヤであり、コアは、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素と合金化されているベース金属組成物を有する粒子を含む、実施形態11に記載の方法。
13. 方法は、ガス金属アーク溶接(GMAW)であり、コアは、追加のフックス剤を含まず、存在する場合、溶接ワイヤの総重量を基準として5%を超えない濃度の非金属原子を含む、実施形態12に記載の方法。
14. 非金属原子は、ワークピース上に溶融液滴を溶着させるステップが、結果として生じる溶接ビードの表面全体を実質的に覆うことなく、結果として生じる溶接ビードの表面にスラグの島を形成することを含むような濃度で存在する、実施形態13に記載の方法。
15. 方法は、ガス金属アーク溶接(GMAW)であり、コアは、フルオロポリマーをさらに含む、実施形態12に記載の方法。
16. フルオロポリマーは、溶接ワイヤの総重量を基準として2%を超えない濃度で存在する、実施形態15に記載の方法。
17. 電流を印加するステップは、プラズマ不安定性事象の平均数を約10事象毎秒未満に維持するように、約400アンペア〜約700アンペアの間の平均電流を印加するステップを含む、実施形態11に記載の方法。
18. 金属アーク溶接のためのシステムであって、
電極として機能するように構成された消耗コア溶接ワイヤであって、溶接ワイヤは、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含み、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素の原子は、ベース金属組成物と合金化されている、消耗コア溶接ワイヤと、
溶接ワイヤの溶融液滴の安定した流れを作り出すのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するように構成された電源と、
30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ように構成された溶接ガンと
を含む、システム。
19. 消耗溶接ワイヤは、シースによって囲まれるコアを有する金属コア溶接ワイヤであり、コアは、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素と合金化されているベース金属組成物を有する粒子を含む、実施形態18に記載のシステム。
20. 電源は、溶接中のプラズマ不安定性事象の平均数を約10事象毎秒未満に維持するように、約400アンペア〜約700アンペアの間の平均電流を印加するように構成される、実施形態19に記載のシステム。
21. アーク溶接の方法であって、
1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む溶接ワイヤを提供するステップと、
溶接ワイヤを溶かすのに十分なプラズマアークを発生させるために溶接ワイヤに電力を印加するステップと、
プラズマアークに供給される実質的に一定の電力を維持するように調整しつつ、30ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に、溶接ワイヤを溶かすことによって形成された溶融液滴を溶着させるステップと
を含む、方法。
22. 溶接ワイヤ中の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素の濃度は、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間である、実施形態21に記載の方法。
23. 溶接ワイヤは、シースとシースによって囲まれるコアとを含む金属コア溶接ワイヤであり、コアは、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、実施形態21または22に記載の方法。
24. コアは、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素と合金化されている第1のベース金属組成物を有する粒子を含む、実施形態21〜23のいずれか一項に記載の方法。
25. 存在する場合、コア中の非金属原子が溶接ワイヤの総重量を基準として5%を超えない濃度で存在する、実施形態21〜23のいずれか一項に記載の方法。
26. 方法は、ガス金属アーク溶接(GMAW)であり、コアは、フルオロポリマーをさらに含む、実施形態21〜25のいずれか一項に記載の方法。
27. アルカリ土類金属は、BaまたはCaのうちの1つまたは複数を含む、実施形態21〜26のいずれか一項に記載の方法。
28. 溶接ワイヤは、実施形態1〜10のいずれか一項によるものである、実施形態21〜27のいずれか一項に記載の方法。
29. 方法は、実施形態11〜17のいずれか一項によるものである、実施形態21〜27のいずれか一項に記載の方法。
30. 方法は、実施形態18〜20のいずれか一項によるシステムを使用して行われる、実施形態21〜27のいずれか一項に記載の方法。
31. アーク溶接の方法であって、
溶接ワイヤを溶かすのに十分なプラズマアークを発生させるために溶接ワイヤに電力を印加するステップと、
30ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に、溶接ワイヤを溶かすことによって形成された溶融液滴を溶着させるステップであって、溶着させるステップは、プラズマアークに供給される電力の標準偏差がプラズマアークに供給される平均電力の2%未満であるようにプラズマアークに供給される電力を調整しつつ行われる、ステップと
を含む、方法。
32. 電力の標準偏差は、少なくとも200ミリ秒の期間にわたって、500ワット(W)未満である、実施形態31に記載の方法。
33. 電力を調整することは、20kWを超えて調整することを含む、実施形態31〜32に記載の方法。
34. 電力を調整することは、約500アンペア(A)を超える平均電流および約40ボルト(V)を超える平均電圧をプラズマアークに供給することを含む、実施形態31〜33に記載の方法。
35. 電力を調整することは、プラズマ不安定性事象の平均数が約10事象毎秒未満であるようなものである、実施形態31〜34に記載の方法。
36. アーク溶接は、ガス金属アーク溶接(GMAW)である、実施形態31〜35に記載の方法。
37. 溶接ワイヤは、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、実施形態31〜36に記載の方法。
38. 溶接ワイヤは、シースとシースによって囲まれるコアとを含む金属コア溶接ワイヤであり、コアは、1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、実施形態31〜37に記載の方法。
39. 電力を調整することは、プラズマアークから測定された電流または電圧のフィードバックに基づいて溶接ワイヤの送給速度またはコンタクトチップ母材間距離(CTWD)を能動的に調節することを含む、実施形態31〜38に記載の方法。
40. 溶接ワイヤは、実施形態1〜10のいずれか一項によるものである、実施形態31〜39のいずれか一項に記載の方法。
41. 方法は、実施形態11〜17のいずれか一項によるものである、実施形態31〜39のいずれか一項に記載の方法。
42. 方法は、実施形態18〜20のいずれか一項によるシステムを使用して行われる、実施形態31〜39のいずれか一項に記載の方法。
43. アーク溶接の方法であって、
溶接ワイヤを溶かすのに十分なプラズマアークを発生させるために溶接ワイヤに電力を印加するステップと、
30ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に、溶接ワイヤを溶かすことによって形成された溶融液滴を溶着させるステップであって、溶着させるステップは、プラズマアークに供給される電力を調整しつつ行われる、ステップと
を含み、
電力を調整することは、電流の変化量を限定するステップを含む、
方法。
44. 電力を調整することは、電流の変化量を限定する前に、所定値を超える電圧の瞬間的な変化(dV/dt)を検出するステップを含む、実施形態43に記載の方法。
45. dV/dtは、0.1V/マイクロ秒を超える、実施形態43〜44に記載の方法。
46. 電流の変化量を限定するステップは、約200アンペア未満に限定するステップを含む、実施形態43〜45に記載の方法。
47. 電流の変化量を限定するステップは、1ミリ秒未満の所定の持続時間にわたって限定するステップを含む、実施形態43〜46に記載の方法。
48. 電力を調整することは、電力の標準偏差がプラズマアークに供給される平均電力の2%未満であるようにプラズマアークに供給される電力を調整することを含む、実施形態43〜47に記載の方法。
49. 溶接ワイヤは、溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、実施形態43〜48に記載の方法。
50. 溶接ワイヤは、実施形態1〜10のいずれか一項によるものである、実施形態43〜48のいずれか一項に記載の方法。
51. 方法は、実施形態11〜17のいずれか一項によるものである、実施形態43〜48のいずれか一項に記載の方法。
52. 方法は、実施形態18〜20のいずれか一項によるシステムを使用して行われる、実施形態43〜48のいずれか一項に記載の方法。
8 プラズマ
20 溶接電極ワイヤ
22 溶接ビード形成
24 溶接金属結晶
26 液固界面
28 溶接パドル
29、70 グラフ
29a、29b 濃度
30a、30b、40 金属コア電極ワイヤ
32、36a、36b、40a 粒子
40b フッ素含有粒子
40c 非フッ素含有粒子
34、44 シース
38a、38b、48 コア
50 溶接システム
52 溶接電源
54 溶接ワイヤドライブ
60 金属アーク溶接の方法
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、930 溶着させるステップ
72、74 監視結果
810、820 波形領域
900、1100 アーク溶接の方法
910 溶接ワイヤを提供するステップ
920 電力を印加するステップ
1110 電力の調整を開始するステップ
1120 電圧の変化を検出するステップ
1130 電流の変化量を限定するステップ
Claims (23)
- アーク溶接の方法であって、
1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む溶接ワイヤを提供するステップと、
前記溶接ワイヤを溶かすのに十分なプラズマアークを発生させるために前記溶接ワイヤに電力を印加するステップと、
前記プラズマアークに供給される実質的に一定の電力を維持するように調整しつつ、30ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に、前記溶接ワイヤを溶かすことによって形成された溶融液滴を溶着させるステップと
を含む、方法。 - 前記溶接ワイヤ中の前記1つまたは複数のアルカリ土類金属元素の濃度は、前記溶接ワイヤの総重量を基準として0.005%〜10%の間である、請求項1に記載の方法。
- 前記溶接ワイヤは、シースと前記シースによって囲まれるコアとを含む金属コア溶接ワイヤであり、前記コアは、前記1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記コアは、前記1つまたは複数のアルカリ土類金属元素と合金化されている第1のベース金属組成物を有する粒子を含む、請求項3に記載の方法。
- 存在する場合、前記コア中の非金属原子が前記溶接ワイヤの総重量を基準として5%を超えない濃度で存在する、請求項3に記載の方法。
- 前記方法は、ガス金属アーク溶接(GMAW)であり、前記コアは、フルオロポリマーをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記アルカリ土類金属は、BaまたはCaのうちの1つまたは複数を含む、請求項1に記載の方法。
- アーク溶接の方法であって、
溶接ワイヤを溶かすのに十分なプラズマアークを発生させるために前記溶接ワイヤに電力を印加するステップと、
30ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に、前記溶接ワイヤを溶かすことによって形成された溶融液滴を溶着させるステップであって、溶着させるステップは、前記プラズマアークに供給される電力の標準偏差が前記プラズマアークに供給される平均電力の2%未満であるように前記プラズマアークに供給される前記電力を調整しつつ行われる、ステップと
を含む、方法。 - 前記電力の前記標準偏差は、少なくとも200ミリ秒の期間にわたって、500ワット(W)未満である、請求項8に記載の方法。
- 前記電力を調整することは、20kWを超えて調整することを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記電力を調整することは、約500アンペア(A)を超える平均電流および約40ボルト(V)を超える平均電圧を前記プラズマアークに供給することを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記電力を調整することは、プラズマ不安定性事象の平均数が約10事象毎秒未満であるようなものである、請求項8に記載の方法。
- 前記アーク溶接は、ガス金属アーク溶接(GMAW)である、請求項8に記載の方法。
- 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0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記溶接ワイヤは、シースと前記シースによって囲まれるコアとを含む金属コア溶接ワイヤであり、前記コアは、前記1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記電力を調整することは、前記プラズマアークから測定された電流または電圧のフィードバックに基づいて前記溶接ワイヤの送給速度またはコンタクトチップ母材間距離(CTWD)を能動的に調節することを含む、請求項8に記載の方法。
- アーク溶接の方法であって、
溶接ワイヤを溶かすのに十分なプラズマアークを発生させるために前記溶接ワイヤに電力を印加するステップと、
30ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に、前記溶接ワイヤを溶かすことによって形成された溶融液滴を溶着させるステップであって、溶着させるステップは、前記プラズマアークに供給される電力を調整しつつ行われる、ステップと
を含み、
電力を調整することは、電流の変化量を限定するステップを含む、
方法。 - 電力を調整することは、電流の前記変化量を限定する前に、所定値を超える電圧の瞬間的な変化(dV/dt)を検出するステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記dV/dtは、0.1V/マイクロ秒を超える、請求項18に記載の方法。
- 電流の前記変化量を限定するステップは、約200アンペア未満に限定するステップを含む、請求項19に記載の方法。
- 電流の前記変化量を限定するステップは、1ミリ秒未満の所定の持続時間にわたって限定するステップを含む、請求項20に記載の方法。
- 電力を調整することは、電力の標準偏差が前記プラズマアークに供給される平均電力の2%未満であるように前記プラズマアークに供給される電力を調整することを含む、請求項17に記載の方法。
- 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0.005%〜10%の間の濃度の1つまたは複数のアルカリ土類金属元素を含む、請求項17に記載の方法。
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