JP2020049544A - 金属溶接ワイヤを製造する方法およびそれにより形成された金属溶接ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末充填金型の熱処理により金属溶接ワイヤを製造する方法、およびそれによって形成された金属溶接ワイヤを提供する。【解決手段】本明細書に開示する主題は、金属溶接ワイヤを製造する方法およびそれにより形成された金属溶接ワイヤに関する。金属溶接ワイヤを製造する方法は、金型（１００）に金属粉末を充填するステップであって、金属粉末が金型（１００）内の１つまたは複数の細長い管（１４０）を充填する、ステップと、金属粉末で充填された管（１４０）を熱処理し、それにより各管（１４０）内に固体金属溶接ワイヤを形成するステップと、を含む。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、金属溶接ワイヤを製造する方法に関する。より具体的には、本明細書で説明される様々な態様は、金属粉末充填金型の熱処理により金属溶接ワイヤを製造する方法、およびそれによって形成された金属溶接ワイヤに関する。

溶接ワイヤは、金属片を一緒に融着（つまり、溶接）する目的で、集中熱源（プラズマアーク、レーザービームなど）によって溶融される細い金属棒である。溶接ワイヤは、様々な種類と分類で市販されている。様々な溶接作業と母材金属材料には、用途に適した対応する溶接ワイヤが必要である。溶接ワイヤは、幅広い機械的特性、アーク挙動、品質、およびコストを有することができる。適切なワイヤの種類が決定したら、用途に適したワイヤ径とワイヤの適切な化学組成を選択することが重要である。しかし、市販の溶接ワイヤは通常、標準的な化学組成の標準的な直径でのみ提供される。

パルスレーザー溶接やマイクロプラズマ／タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接などの最新の溶接技術のいくつかを検討する場合、標準的でない小径の溶接ワイヤが必要である。さらに、特定の用途では、標準的でない化学組成の溶接ワイヤが有益な場合がある。そのような溶接ワイヤは、市販されていないか、非常に高価である。入手可能であっても、その溶接ワイヤは通常、表面品質が劣っていたり（例えば、粗悪／低真円度、低／高表面粗さ）、または所望の表面品質を達成するために必要な再加工（例えば、加工後プロセス）に関連するコストの増加のために非常に高価である。

金属溶接ワイヤを製造する方法およびそれにより形成された金属溶接ワイヤが開示される。本開示の第１の態様では、金属溶接ワイヤを製造する方法は、金型に金属粉末を充填するステップであって、金属粉末が金型内の１つまたは複数の細長い管を充填する、ステップと、金属粉末で充填された１つまたは複数の管を熱処理し、それにより各管内に固体金属溶接ワイヤを形成するステップと、を含む。

本方法の熱処理は、２つ以上の金属の金属合金を含む金属溶接ワイヤを形成することができる。熱処理は、焼結熱処理を含むことができる。

この方法で得られた金属溶接ワイヤは、以下の特性を達成するための再加工を必要とせずに、このような特性の１つまたは複数を有することができる。すなわち、少なくとも０．８の真円度（理想的には１．０の真円度）と、２．５マイクロメートル（μｍ）以下の平均表面粗さ（Ｒ_ａ）と、０．１ミリメートル（ｍｍ）〜１．０ミリメートル（ｍｍ）±０．０５ミリメートル（ｍｍ）の範囲の直径と、である。

本開示の第２の態様では、金属溶接ワイヤが開示され、金属溶接ワイヤは、少なくとも０．８の真円度、理想的には１．０の真円度を有し、２．５マイクロメートル（μｍ）以下の平均表面粗さ（Ｒ_ａ）を有し、金属溶接ワイヤは２つ以上の金属の金属合金を含む。金属溶接ワイヤは、０．１ミリメートル（ｍｍ）〜１．０ミリメートル（ｍｍ）±０．０５ミリメートル（ｍｍ）の範囲の直径を有することができる。金属溶接ワイヤは、再加工されていないが、これらの真円度、表面粗さ、および直径の値を有することもできる。

本開示のこれらのおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。

本開示の金属溶接ワイヤを製造する方法で使用される例示的な金型の側面図である。 図１の金型の上部と底部との間に延在する単一の管束の概略図である。 図１の金型の拡大上面図、具体的には図１の金型の上部の上面図である。

本開示の図面は、必ずしも原寸に比例しないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。これらの図面においては、図面間で同一の符号を付与することによって同一の要素を示している。

本明細書で開示される主題は、金属溶接ワイヤを製造する方法に関する。より具体的には、本明細書で説明される様々な態様は、金属粉末充填金型の熱処理により金属溶接ワイヤを製造する方法、およびそれによって形成された金属溶接ワイヤに関する。

上記のように、例えば０．１ミリメートル（ｍｍ）までの小さな直径を有する溶接ワイヤと、市販の溶接ワイヤでは通常利用されない化学組成、例えば、通常脆い金属合金から製造できる溶接ワイヤと、の両方が必要であり、また、そのような溶接ワイヤは、例えば、高い真円度（例えば、少なくとも０．８）および低い表面粗さ（例えば、Ｒａ≦２．５μｍ）などの望ましい優れた表面品質を有する必要がある。本開示の様々な態様は、小径溶接ワイヤを製造することができ、金属粉末の従来とは異なる化学組成を使用することができる、金属粉末充填金型の熱処理による金属溶接ワイヤの製造方法を含む。本開示の態様は、そのような属性を達成するために実行される加工後プロセス（再加工）を必要とせずに、真円度が高く表面粗さが低い金属溶接ワイヤをさらに含む。多数の種類、分類、およびサイズの溶接ワイヤを、本開示の本質を維持しながら、多数の金型構成を使用して製造することができる。

図１は、本開示の製造方法で使用される金型１００の側面図を示し、金型１００は、上部１１０と底部１２０を有し、複数の管束１３０が上部１１０と底部１２０との間に延在する。金型１００は、セラミックまたは任意の耐熱（高温）耐性材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、またはそれらの混合物を含むか、またはそれらで完全に構成することができる。

図２は、所定の管束１３０ａの概略図であり、複数の細長い管１４０がその中に含まれている。管束１３０および管１４０は、金型１００と同じ材料で構成することができる。所定の管１４０は、例えば、円形、楕円形、平らなリボン形などの任意の所望の形状の断面形状を有することができ、円形の断面形状が溶接ワイヤに最も典型的であり、図２の管１４０では例示目的で使用されている。

上述の断面形状を有する各管１４０はまた、断面形状の内径１５０も有する。内径１５０は、０．１ミリメートル（ｍｍ）〜５ミリメートル（ｍｍ）の範囲である。内径１５０は、使用する溶接用途および／または溶接プロセスに応じて変えることができる。各管１４０はまた、１００ミリメートル（ｍｍ）〜１０００ミリメートル（ｍｍ）の長さ１６０を有することができる。長さ１６０は、使用される用途および／またはプロセスに応じて同様に変えることができる。各管１４０は、その長さ１６０にわたって５％以下の真直度偏差を有することができる。最後に、各管１４０は、好ましくは１．６マイクロメートル（μｍ）以下の平均表面粗さ（Ｒ_ａ）を有する内面を有する。

図３は、図１の金型１００の拡大上面図、特に金型１００の上部１１０の上面図である。図３で分かるように、本明細書に記載の充填目的のために、上部１１０から複数の中空で細長い管１４０を有する複数の管束１３０にアクセスすることができる。本開示の金属溶接ワイヤを製造する方法は、金属粉末が金型１００の少なくとも１つの細長い管１４０を充填するように、金型１００に金属粉末を充填するステップを含む。金属粉末は、２０マイクロメートル（μｍ）〜１５０マイクロメートル（μｍ）の平均粒径を有することができる。金型１００に金属粉末を充填する間、金型１００に軸方向の動き（すなわち、上下運動）をさせて、金属粉末の粒子の充填密度を高めることができる。軸方向の動きは、金型１００の充填後に実行することも、金型１００の充填中および充填後に実行することもできる。軸方向の動きは、例えば１ヘルツ（Ｈｚ）〜１０ヘルツ（Ｈｚ）の低周波数で実行することができる。軸方向の動きは、金型１００に直接または間接的に取り付けられた運動装置によって作り出すことができる。運動装置は、所望の軸方向の動きを作り出すことができる任意の装置、例えば、空気圧、電子、または超音波振動子などの振動装置であってもよい。

金型１００に金属粉末を充填した後に、管１４０（充填済み）は、各管１４０内に固体金属溶接ワイヤが形成されるように熱処理を受ける。熱処理は、焼結熱処理であってもよい。金属粉末粒子の焼結は、特定の温度範囲および特定の保持時間で達成され、温度範囲と保持時間の両方は、使用される金属粉末の化学組成に主に依存する。

より具体的には、最高熱処理温度は、金属粉末全体または金属粉末の主要成分の液相線温度より低くなければならない。一方、最低熱処理温度は、粒子を合理的な時間で一緒に焼結できるように十分に高い必要がある。保持時間は、十分な粒子が焼結して各管１４０内に固体金属溶接ワイヤを形成するのに十分な時間であるように決定される。例として、ニッケル基およびコバルト基の耐熱合金の一般的な焼結温度は１１００℃〜１３００℃であり、その保持時間（焼結時間）は６〜１２時間とすることができる。焼結熱処理は、金属粉末の酸化を防止または抑制する雰囲気、例えば真空下または不活性ガス雰囲気（例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）など）で行うことができる。

熱処理（例えば、焼結）が完了すると、１つまたは複数の固体金属溶接ワイヤが形成される。これらの得られた溶接ワイヤは、少なくとも０．８の真円度を有することができ、理想的な（完全な）真円度は値１．０として表される。また、得られた溶接ワイヤは、２．５マイクロメートル（μｍ）以下の表面粗さ（Ｒ_ａ）を有することができる。さらに、得られた溶接ワイヤは、ワイヤの長さにわたって５％以下の真直度偏差（軸方向）を有することができる。得られた溶接ワイヤは、例えば±０．０５ミリメートル（ｍｍ）の公差で０．１ミリメートル（ｍｍ）〜１．０ミリメートル（ｍｍ）の範囲の直径を有することができる。得られた溶接ワイヤのこれらの特性（例えば、真円度、表面粗さ、真直度、および直径）は、後加工プロセス（再加工）を必要とせずに本開示の方法によって達成され、したがって製造時間とコストが削減される。これらの直径の溶接ワイヤを製造する従来の方法は、通常、注目される特性を達成するために時間と費用のかかる再加工が必要である。

さらに、本開示の方法は、２つ以上の金属の金属合金である金属溶接ワイヤを生成することもできる。金属には、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｂ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）およびクロム（Ｃｒ）が含まれ得る。選択される金属の混合物は、溶接の用途と種類、および溶接される母材の性質によって異なる。溶接ワイヤは、本開示の方法により、市販の溶接ワイヤでは通常利用されない化学組成、例えば通常脆い金属合金から製造することができる。溶接ワイヤを製造する従来の方法は、通常、そのような脆く、高合金化された材料からワイヤを製造することができない。これは、本開示の方法のさらに別の利点である。

本開示の方法の一実施形態では、本方法は、溶接ワイヤの端部またはワイヤの端部付近に識別子を形成するステップを含むことができる。このような識別子は、例えばワイヤの種類または構成を示すラベルとして機能することができる。このような識別子は、例えば色分けされたものであってもよい。識別子は、ワイヤの端部に／その近くに形成されたプラグ（例えば、多孔性セラミックプラグ）であってもよい。識別子は、ワイヤとなる部分の端部で、またはその近くでセラミックの粉末を金属の粉末と混合することにより、ワイヤの一体に形成された部分であってもよい。

本開示の方法により製造されたワイヤは、ガスメタルアーク溶接、ガスタングステン溶接、レーザー溶接、アークワイヤ溶射プロセスなどを含むがこれらに限定されない最新技術の溶接プロセスに使用することができる。本開示のワイヤは、修理作業のために、または新しい／最初の溶接作業で使用されてもよい。本開示のワイヤの化学組成はカスタマイズ可能であるため、溶接ワイヤは、特定の用途のニーズを満たすために、例えば修理において修理される部品と同じ材料特性を有する修理を行うために、または改善された特性を有する修理を行うために製造することができる。

本開示のワイヤまたはワイヤの化学組成に使用される溶接プロセスに関係なく、本開示は、より高品質（例えば、優れた真円度、表面粗さおよび真直度）の溶接ワイヤを生成する、より迅速かつ低コストの製造プロセスを提供し、再加工（例えば研削）を必要とせずに、小径のワイヤに対してそうすることができる。これは、製造後に必要な再加工が原因で、通常は品質が低く、ワイヤの直径が制限され、化学組成が制限されるため、非常に高価な溶接ワイヤを作成する従来の手法とは異なる。

本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で用いられるように、文脈で別途明確に指示しない限り、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は複数形も含むものとする。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合に、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を示すが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはこれらのグループの存在または追加を排除するものではないことがさらに理解されよう。

下記の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を遂行するための、一切の構造、材料または動作を包含することが意図されている。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されたもので、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図されていない。多くの変更および変形は、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。本開示の原理および実際の応用を最もよく説明し、想定される特定の使用に適するように様々な変更を伴う様々な実施形態の開示を他の当業者が理解できるようにするために、実施形態を選択し説明した。

１００ 金型
１１０ 上部
１２０ 底部
１３０ 管束
１３０ａ 管束
１４０ 管
１５０ 内径
１６０ 長さ

Claims (14)

1. 金属溶接ワイヤを製造する方法であって、
   金型（１００）に金属粉末を充填するステップであって、前記金属粉末が前記金型（１００）内の１つまたは複数の細長い管（１４０）を充填する、ステップと、
   前記金属粉末で充填された前記１つまたは複数の管（１４０）を熱処理し、それにより各管（１４０）内に固体金属溶接ワイヤを形成するステップと、
   を含む方法。
2. 前記金型（１００）が耐熱材料を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属粉末が、２０マイクロメートル（μｍ）〜１５０マイクロメートル（μｍ）の平均粒径を有する、請求項１に記載の方法。
4. 各管（１４０）が、０．１ミリメートル（ｍｍ）〜５ミリメートル（ｍｍ）の内径（１５０）を有する断面形状を有する、請求項１に記載の方法。
5. 各管（１４０）が、前記管（１４０）の長さ（１６０）にわたって５％以下の真直度偏差を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記１つまたは複数の管（１４０）の内面が、１．６マイクロメートル（μｍ）以下の平均表面粗さ（Ｒ_ａ）を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記熱処理が、前記金属粉末の液相線温度より低い最高温度、前記金属粉末の粒子の焼結を行うために選択された最低温度、および各管（１４０）内の固体金属溶接ワイヤを形成するために選択された保持時間による焼結熱処理を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記焼結熱処理が、真空下または不活性ガス雰囲気で行われる、請求項７に記載の方法。
9. 前記金属溶接ワイヤが、前記金属溶接ワイヤの長さ（１６０）にわたって５％以下の真直度偏差を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記金属溶接ワイヤが、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｂ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される２つ以上の金属の合金を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記金型（１００）の充填中または前記金型（１００）の充填後または前記金型（１００）の充填中と充填後の両方で、前記金型（１００）の軸方向運動を行い、それにより、前記金属粉末の粒子の充填密度を増加させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記金属溶接ワイヤの端部またはその近くに識別子を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記金属溶接ワイヤが、
    少なくとも０．８の真円度、理想的には１．０の真円度と、
    ２．５マイクロメートル（μｍ）以下の平均表面粗さ（Ｒ_ａ）と、
    ０．１ミリメートル（ｍｍ）〜１．０ミリメートル（ｍｍ）の範囲の直径と、
    を有する、請求項１に記載の方法。
14. 前記金属溶接ワイヤが再加工されていない、請求項１３に記載の方法。