JP2769770B2 - 煙霧の減少したコア付き電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気アーク溶接の技術に
関し、更に詳しくはガスシールドを用いて使用されるべ
きフラックスコア付き電極のための改良されたフラック
ス処方物に関する。本発明は非ステンレス物質と共に使
用するための低煙霧発生のフラックスコア付き電極に特
に利用しうるものであり、とくにこれを参照して記述す
るけれども、本発明は更に広い応用をもち、改良された
析出速度、浸透、高品位の機械的性質および改良された
溶接ビード輪郭特性をもつ煙霧の減少した電極として使
用しうるということが理解される。

【０００２】

【従来の技術】ゴンザレッヅの米国特許第４，１８６，
２９３号（引用をもってここにくみ入れる）は煙霧の量
を減少させるように処方したコア付きの代表的な自己シ
ールド性コア付アーク溶接電極を示している。この電極
は脱酸化剤および脱窒化剤を組合せて使用して溶接金属
を大気汚染から保護している。この種の電極は、本発明
が関与する且つ外側シールドガスを使用し溶接金属の保
護のために脱酸化剤を使用する種類のコア付き電極から
技術的に区別され、異なった熱力学的および化学的に機
能する。この従来技術のＧｏｎｚａｌｅｚ特許を引用に
よってここにくみ入れて、自己シールドガスがコア材料
に伴なう熱および化学反応中に放出される完全に異なっ
た電極技術を示す。この特許は大気汚染物質と電極コア
を処方する材料を反応させる目的で高い百分率のアルミ
ニウムを使用して低融点スラッグを生成し且つ溶接金属
に保護を与える。

【０００３】フランツエルブの米国特許は２酸化炭素の
ような外部シールドガスと共に使用する電極に関し、コ
ア中に４種の金属を含む合金を作用しているが、４種の
金属のうちの１つはアルミニウムであってもよく、また
アルミニウムでなくてもよい。マグネシウムとマンガン
は合金の２成分を形成する。２酸化チタンフラックス系
においてこの独特の合金化の概念を使用することによっ
て、煙霧の形体での特定物質の放出が減少するといわれ
ている。この電極は、本発明により構成されるコア物質
に有害なマグネシウムの使用を必要とするコアをもつ
が、シールドガス型コア電極における煙霧の減少という
努力の点で、この開示を背景情報としてここに引用によ
ってくみ入れる。

【０００４】本発明は外部シールドガスを用いるアーク
溶接に使用される電極のコアに金属粉末状アルミナを使
用することに関する。好ましい態様において、電極は特
定量の独特の安定化用ブレンドを使用し、これはコア中
にも含まれる。このような電極に関する背景情報とし
て、オクらの米国特許第３，５５８，５８１号を引用に
よってここにくみ入れる。この特許は２酸化炭素シール
ドガスを用いるアーク溶接に使用されるコア付き電極に
おける鉄とアルミニウムとの合金の使用を述べている。
フェロアルミニウム合金のアルミニウム部分は全電極の
０．０５〜０．８０重量％の範囲にある。然しながら、
コア材料中に含まれるアルミニウムはアーク中で直接に
は反応しない。アルミニウムは常に鉄と合金の形体にあ
るからである。より高いアルミニウム合金の範囲におい
て、アークは安定ではなく、組合せの又は単独のアルカ
リ金属の酸化物と一般に定義されるアーク安定剤が必要
である。特定のアーク安定性成分、アーク安定性諸成分
のブレンドの使用、またはアーク安定性成分の量につい
ての示唆は存在しない。それはガスシールド電極中に与
えられた最小量のアルミニウム合金に関するものだから
である。アーク溶接法の操作中に生成する析出金属の殺
し剤としての少量のフェロアルミニウムの使用を説明す
る目的でこの背景特許を引用によってここにくみ入れ
る。

【０００５】コバヤシの米国特許第４，５１０，３７４
号はガスシールドのアーク溶接に使用するフラックスコ
ア付き電極の金属外皮中の炭素含量を減少させる通常の
概念に関する。この電極は外部シールドガスを用いるフ
ラックスコア電極を使用して、アーク溶接中の煙霧を減
少させる必要性と概念、および如何にして煙霧を減少さ
せうるかを説明している。この特許の電極は２酸化チタ
ンフラックス系を含み、そして電極のコアを形成する粒
状物質の種々の成分を説明している。電極は酸化マグネ
シウム、酸化アルミニウムおよび酸化鉄を、アーク溶接
法にコア付き電極を使用する際の煙霧放出の減少に有効
な成分として使用している。２酸化チタン、２酸化ケイ
素および２酸化ジルコニウムは煙霧速度を減少させるの
に有効であると信ぜられるということも述べられてい
る。この特許は上記の酸化物類のすべては溶接中の煙霧
放出の減少に寄与していると主張している。弗化ナトリ
ウムは煙霧の放出速度を増大させると考えられる。煙霧
放出速度の減少はコア付き電極の外皮中の低炭素鋼の使
用によって生じるとも主張されている。フェロアルミニ
ウムは溶接ビードの金属の殺し剤である。この特許は外
部シールドガスと共に使用されるべきフラックスコア付
き電極中のチタン基材フラックスを開示しており、この
特許を引用によってここにくみ入れる。この特許では２
酸化チタン、２酸化ケイ素、酸化アルミニウム、２酸化
ジルコニウム、酸化鉄および酸化マグネシウムが減少さ
れ、安定剤としての弗化ナトリウムおよび溶接ビードの
鋼の殺し剤としての合金脱酸化剤と共に使用される。フ
ェロアルミニウムは脱酸化剤の機能を果すための合金と
して記載されている。標準フラックス組成物を低炭素鋼
外皮と組合せて電極を用いる溶接によって生じる煙霧を
減少させる。

【０００６】ここにくみ入れたこれらのいくつかの特許
は外部シールドガス用に特に設計された種類のコア付き
電極によって生ずる煙霧の問題を説明している。これら
のいくつかの特許は外部シールドガス用に特に設計され
たコア付き電極中の煙霧の生成の問題を説明している。
煙霧発生についてのこれらの特許の唯一の教示は、電極
のまわりの鋼製外皮中の炭素の減少、ある種の酸化物の
減少、またはいくつかの金属を含む特に処方された合金
の使用であり、これらのうちの１つはアルミニウムを含
むことができ、またはアルミニウムを含んでいなくとも
よい。

【０００７】電気アーク溶接の分野には、溶接工業によ
って電極が評価される多数の基準がある。電極の最も重
要な基準の１つは、電極が溶接材料の所望の最終用途に
満足に合致するための引張り強度、展性およびチャーピ
ー衝撃値をもつ固体の非多孔質溶接ビードを生じなけれ
ばならないということである。コア付き電極の場合、フ
ラックス系および種々の合金剤をもつコアを包囲する外
皮を含めて、衝撃値および引張り強度を広範囲の溶接用
途の要件に合致するように処方するというすさまじい要
求がある。生成する溶接ビードがアーク溶接に使用する
ときの固体ワイヤにえられる値に到達する性質をもつと
いう要求がある。その逆に、所望の引張り強度および許
容しうるチャーピー衝撃特性を使用する種類のコア付き
電極の処方についてのすさまじい要求もある。引張り強
度と、チャーピー衝撃値の両者は溶接の後の究極に析出
した溶接金属化学および溶接ビードの多孔性に直接に影
響を受ける。多孔性は空気からの窒素のようなガスによ
って生じうる。そして電極の金属によるアークの熱にお
いて組み合わさって電極から溶接プールに移る。析出溶
融金属中の窒素成分は析出溶接金属が冷却および固化す
る際に放出される。窒素は通常、いくつかのフラックス
材料たとえば金属弗化物および金属酸化物を含有させる
ことによって、電気アーク溶接により生ずる溶融プール
の溶接金属との溶融に入ることを阻止される。これらの
弗化物および酸化物は電極のコア中にあり、溶接操作中
に電極の端部から放出される。電気アークおよび本発明
が関与する電極中の溶融金属プールは加工片に向かう電
極の外面のまわりに窒素を含まないガスの連続流を流す
ことによって更にシールドされる。このガスはアークの
まわりに包みを形成し、空気中の窒素がアーク区域に侵
入して窒素および酸素をアークに導入して溶接操作中に
溶融金属が生成するのを阻止する。窒素を含まないガス
はふつうアルゴン、ヘリウム、２酸化炭素または別の不
活性ガスまたはそれらの混合物であって溶接プールを雰
囲気の窒素からシールドするガスである。この方法は溶
接ビードが冷却するとその溶接ビード内の多孔性を阻止
する。

【０００８】本発明はとくにシールドガスフラックスコ
ア付き電極に関し、主として種々の酸化物と若干の合金
性金属を含む２酸化チタンフラックス系をもつそのよう
な電極に関する。必要な引張り強度とチャーピー衝撃値
は通常種々の合金成分を電極のコアに加えることによっ
てえられる。これは外皮の溶融金属と合金を作って所望
の冶金学的性質をもつ析出溶接金属ビードを形成する。
溶接金属の所望の合金を作るためにコア中に通常配合さ
れる合金成分は炭素、クロム、ニッケル、マンガン、ホ
ウ素、モリブデン、チタン、ジルコニウム、およびケイ
素である。他の金属も種々の量で加えて溶接ビード物質
の所望のチャーピー衝撃値および引張り強度を達成させ
ることができる。種々の合金剤または金属は好適な還元
剤との組合せによって元素、フェロ合金、合金自体、お
よび／または酸化物のいづれかとして加えることができ
る。

【０００９】溶接用電極の別の重要な基準はすべて位置
で溶接しうる能力を包含する。フラックスコア付き電極
のコア中の種々の成分は、両方の下方の手、垂直および
頭上の位置で満足な溶接ビード輪郭を電極に作らせるた
めに必要である。満足な溶接輪郭を作るために、電極の
コア中のフラックススラッグ形成性成分を含まなければ
ならない。スラッグ形成性成分は溶接ビードが冷却する
際に溶接ビードの表面に浮かぶ。このスラッグは雰囲気
中に含まれる悪いガスから溶接ビードを保護する。悪い
ガスは溶接ビードを形成する物質の固化過程中に溶接ビ
ードに孔を生ぜしめることがある。これらのフラックス
成分は、混合物の固化温度が溶接ビードの固化温度より
低いような割合をもっている。このようにして、溶接ビ
ードの表面上のスラッグ物質は、固化しつつあるビード
の表面の正常の形に悪影響をもたらすことはない。場所
からはずれた位置での溶接において、たとえば垂直およ
び頭上の溶接において、コアのフラックス系に含まれる
材料から生成したスラッグは溶接ビードの表面をコート
するのみならず、液化する際のビードの輪郭をも形作り
しなければならない。このようなスラッグは十分な粘度
をもっていて固化過程中に重力に対抗して所望の位置に
ビードの溶融金属をスラッグが支えるように制御しなけ
ればならない。金属をまず固化させ、そして溶接が位置
から外れたとき所望の形状に溶融金属を保持するに十分
な粘度をもたせるというこれら２つの基準はコア付き電
極のフラックス系の諸成分の周知の選択によって満足さ
れる。その結果として、フラックス系の諸成分の適正な
選択によって、所望の輪郭をもつなめらかな溶接ビード
が下方の手による溶接および外れた位置での溶接の双方
において発生されうる。

【００１０】電極のフラックス材料の選択は、ビードと
フラックスの双方が固化した後にスラッグの除去を容易
にさせるものでなければならない。アーク溶接操作中に
発生するスラッグの所望の効果と物理的特性を得るため
の種々の成分は電極技術において周知である。然しなが
ら、過去において、適切なフラックス成分を含み、所望
のスラッグおよび適切な溶接ビード化学を生じる合金剤
を含むそのようなフラックスコア付きガスシールド電極
はかなりな量の煙霧もしくは粒状物を生じることが見出
された。これはここに引用によってくみ入れる種々の特
許に開示され論じられているようにアーク溶接操作にお
いてや、悩ましく且つ望ましくない問題である。

【００１１】外部煙霧ガスを伴なうアーク溶接に使用さ
れるコア付き電極によって発生する煙霧を減少させる試
みが行なわれた。煙霧の減少は、多孔性のない溶接ビー
ドを作るに必要な且つ溶接ビードの形状を処方するのに
必要なスラッグ特性を作るのに必要な所望の機械特性を
達成するのに必要とされる化学性質をもつビードの基準
を遂行する電極の能力を破壊しない機構によって行なわ
れなければならない。このような電極によって生じる煙
霧の減少は溶接する者の快的さにとって望ましく且つ溶
接操作に伴なう高価で複雑な煙霧排出装置の必要性をな
くすためにも望ましい。電極の低煙霧生成は高価で嵩ば
った煙霧排出装置（限定された区域での溶接期間中に必
要とされる）の必要をなくす。また溶接煙霧は溶接操作
中の溶接パドル自体の肉眼観察を妨害することがある。
その結果として、発生煙霧量を減少させて所望の合金特
性およびスラッグ特性を保つ、シールドガス溶接中に使
用されるフラックスコア付き電極を処方するのが望まし
い。この目的を達成する従来の試みは成功とはいえなか
った。従来の電極は合金剤または炭素の減少を使用し、
外部シールドガスを用いるアーク溶接によって発生する
煙霧の少量を減少させるにすぎなかったからである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は煙霧の量を減
少させながら、手もとの及び外れた位置での両方の溶接
において高品位の溶接ビードを可能にするフラックスコ
ア付き電極の新規で改良された成分処方を提供しようと
するものである。本発明はまた溶接ビード金属を適正な
ビード形状に保持するスラッグの外れ位置能力を改良
し、ならびに電極によってえられる析出速度を改良す
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、鋼製外皮とこ
の外皮内の充てん剤とを組合せて含むシールド用ガス中
の電気アーク溶接のための消耗性溶接電極であって、該
充てん剤が実質的に純粋な金属アルミニウム粉末および
酸化ナトリウムと酸化カリウムの２元安定剤を含み、該
安定剤と該アルミニウムが２．４：１〜３．５：１の重
量比をもち、該金属アルミニウム粉末が該充てん剤の
０．５〜５．０重量％の量で存在し、そして該２元安定
剤が該充てん剤の少なくとも１．４重量％の量で存在
し、溶接中の煙霧の発生を減少させる作用を有すること
を特徴とする電極である。

【００１４】本発明の１つの特定の面によれば、ガスシ
ールドの環境中で使用されるフラックスコア付き電極用
処方物が提供され、金属アルミニウムが煙霧減少剤とし
て使用される。金属アルミニウム粉末は生成ビードを作
る溶接金属の化学に効果のある試剤として働くというこ
とも発見された。ガスシールドのアーク系における金属
アルミニウム粉末の使用は従来のガスシールドのフラッ
クスコア付き電極についての通常の智恵および教示とは
対照的である。過去において、アルミニウムはスラッグ
変性用の酸化アルミニウムとして又は脱酸化用の限られ
た量のフェロアルミニウムとして、ガスシールドアーク
系において導入された。酸化物形体のアルミニウムは、
非酸化アルミニウムが溶接金属に移動して溶接ビードの
強度に悪影響を及ぼすのを阻止した。本発明は電極のコ
ア中に金属アルミニウムを使用して溶接法からの煙霧を
減少させる。アルミニウム粉末はアーク中で直接に反応
し、シールド用ガスによって包囲される反応帯域を形成
し、包囲酸素を吸収し、煙霧生成性酸化物を減少させ、
そしてえられる溶接金属の強度を改良する。

【００１５】アーク溶接の期間中、アーク自体内に高温
が発生し、種々の元素および化合物の迅速な酸化のため
のエネルギーを提供する。電極のコア中の金属アルミニ
ウム粉末によるアーク自体中の有効酸素量の減少によっ
て、溶接操作中の他の元素の酸化量が実質的に減少す
る。酸化の減少は溶接操作中に発生する煙霧の量を減少
させる。金属アルミニウム粉末はまた溶接金属中の全窒
素含量（溶接金属自体の強度およびチャーピー特性に影
響を与える）に効果をもつ。ＮＯの生成により、より多
くの窒素が酸素の存在下に溶接アークに吸収されること
周知である。アルミニウムがアーク中の酸素と反応する
とき、それは酸化窒素の生成に必要な酸素を除去する。
また、アルミニウムは溶接金属の窒素と化合物を形成す
る。この窒素化合物は窒化チタンよりも揮発性が大き
く、溶接金属の固化温度において蒸気の形体にある。従
って窒化アルミニウムは溶接材料から除かれて窒素の量
をチタンが窒素を除くよりも大きい程度に窒素の量を減
少させる。これは本発明により金属粉末を使用すること
の２次的利点である。窒素は溶接ビードの多孔性に及ぼ
すその悪影響および金属チャーピーＶ−ノッチ性に及ぼ
すその悪影響について知られている。その結果として、
本発明は溶接ビード金属の物理的特性を改良し然もガス
シールド電気アーク溶接に電極を使用するとその煙霧を
も減少させるという利点をもつ。溶接金属中の少量の分
散窒化物の生成は溶接金属の機械的性質を増強させう
る。

【００１６】電極のコア中に使用するときの金属アルミ
ニウムはアークの反応帯域中の酸素および窒素と結合し
て電極と加工片との間のアーク中の煙霧形成剤を減少さ
せ、然も溶接金属中の遊離窒素の形成によって溶接ビー
ドの機械的強度を更に増大させる。また、金属アルミニ
ウム粉末は２酸化チタンと酸化ホウ素を減少させて溶接
ビード中に合金化するチタンとホウ素の量を制御する。
フラックス中の酸化アルミニウムの使用は酸化によって
生ずる煙霧の減少に実質的に寄与しない。この場合のア
ルミニウムは既に酸化形体にあるからである。更に、酸
化アルミニウムは溶接プール中の酸素および窒素の減少
を助けることはできない（溶接プール中の酸素と窒素を
増大させて多孔度の量を増大させる）。酸化アルミニウ
ムは非常に有用なスラッグ剤であるけれども、酸化アル
ミニウムは非常に高融点の酸化物でもあって、コア付き
電極のフラックス系におけるフラックス成分として制御
された量で使用されうるにすぎない。金属アルミニウム
をコア中に使用する本発明は、溶接操作の電気アークに
よって生じる反応帯域の上部においてアルミニウム粉末
をその金属形体で導入する。これはアーク中の他の元素
の酸化を最少にしてアークによって生ずる煙霧を減少さ
せる。残余のアルミニウム（存在する場合）は溶接金属
に入る。それは溶接金属を脱酸化し、窒化物を生成させ
て溶接ビード内の窒素を減少させる働きをする。溶接ビ
ードに入ったアルミニウムはもはや煙霧水準を更に減少
させるのに有効ではない。

【００１７】酸化アルミニウムは金属アルミニウム粉末
と共に使用してフラックス中の酸化アルミニウムに所望
のフラックスまたはスラッグ中の融点と粘度を制御させ
るようにすることもできる。金属アルミニウムは溶接操
作中のアーク中に生じる煙霧を減少させ、溶接プール自
体中の酸素と窒素を減少させる。すなわち、溶接操作中
に発生する煙霧を減少させる一次機能をもつ本発明は、
溶接金属化学をも改良して固化溶接ビードの強度と衝撃
特性を増強する。溶接金属中の酸素と窒素の減少した含
量から生じる改良された溶接金属の移動はスパッターを
減少させて析出効力を増大させ然も溶接者への方法の魅
力をも改良する。酸化アルミニウムは制御された量にあ
るべきである。それはスラッグの粘度を減少させるから
である。然しながら、粘度の低すぎるスラッグは小球を
生成して溶接金属を均一かつ平滑にカバーしない。すな
わち酸化アルミニウムは（もしそれが本発明の電極中に
使用されるのであるならば）制御された量をもたなけれ
ばならない。酸化アルミニウムの量は本発明に使用する
金属アルミニウム粉末の量を変化させない。

【００１８】金属アルミニウムは実質的に純粋なアルミ
ニウム粉末としてフラックス成分に導入され、溶接操作
の電気アークによって溶接金属より上に生じる帯域中で
反応することができる。その結果として、種々の酸化物
の還元、酸素および窒素の減少および本発明の他の有利
な特徴が溶接金属プールより上の溶接アーク中で行なわ
れる。この新規なアーク反応法の後に残る少量のアルミ
ニウムは溶接金属に入るので、金属中のアルミニウムは
溶接金属中の遊離の窒素および遊離の酸素を固定する。
アルミニウム合金は殺し操作におけるように窒素と酸素
の減少に利用される。本発明は、本発明の補助的利点を
除いて、殺し操作に関するものではない。

【００１９】本発明の別の面によれば、２元安定剤をフ
ラックス処方に加えて溶接操作中の煙霧を減少させアー
クを安定化する。この特定の安定化は溶接操作のアーク
もしくは反応帯域において直接に反応する金属アルミニ
ウム粉末の導入により必要である。本発明の２元安定剤
は酸化ナトリウムと酸化カリウムから成る。低いワイヤ
供給速度での溶接中、酸化カリウムはアークを短かくし
て平滑なアーク移動および減少した量の煙霧をもたら
す。高いワイヤ供給速度でのアーク溶接中、酸化ナトリ
ウムはアーク安定性を増大させ然も煙霧の量を減少させ
る。本発明のフラックス処方に使用する２元安定剤の量
は１部の金属アルミニウム粉末に対して約２．４〜３．
５の安定剤の重量％比をもたせるように制御される。金
属アルミニウム粉末と特定の２元安定剤との組合せが相
互作成して煙霧の減少と高品位溶接ビードの生成の双方
を達成する理由についての正確な機構は知られていない
けれども、２元安定剤と金属アルミニウム粉末とのこの
特定の重量比が溶融ビード中の生成溶接金属の所望の機
械的性質を達成するために重要である。金属アルミニウ
ム粉末は他のフラックス物質、主として酸化物と反応し
て溶接操作中に発生する煙霧の量を減少させる。溶接操
作中のアルミニウム粉末による酸化は溶接操作中に生じ
る煙霧の多くを減少させるけれども、実施の際には特定
の２元安定剤なしに生じる煙霧の量は所望よりも依然と
して多い。酸化カリウムと酸化ナトリウムは溶接操作中
に個々にほぼ同量の煙霧を生成するようにみえる。本発
明のフラックス処方において使用する酸化ナトリウムと
酸化カリウムとの組合せは好ましくは約１：１の酸化ナ
トリウム：酸化カリウムである。この比は高い又は低い
溶接電流が溶接操作に望まれるか否かに応じて調節する
ことができる。酸化ナトリウムが増大するにつれてスラ
ッグの粘度は減少する。更に、酸化ナトリウムは電流お
よび従って供給速度の増大につれて増加する。

【００２０】２元フラックス剤と組合せて使用する金属
アルミニウムの量も重要である。溶接操作中酸化しない
アルミニウム粉末は残渣または合金剤として溶接プール
に移動する。溶接ビード中の残存アルミニウムの実質量
は溶接ビード金属のチャーピーノッチ強度に有害な効果
をもたらす。溶接ビード中のアルミニウムは約０．１０
％以下でなければならない。煙霧の減少のため金属アル
ミニウム粉末は０．５％〜５％の範囲にあり、好ましく
は２．０％未満である。アルミニウム粉末の量は、残存
アルミニウムおよび増大したチタンとホウ素の減少が望
まれるときは、約５．０％まで増大させることができ
る。

【００２１】本発明の別の一面によれば、２酸化チタン
フラックス系がフラックスコア付き電極中に使用され
る。このフラックス系は種々のスラッグ制御元素および
合金剤を含む。主としてルチル形の２酸化チタンは下方
の手および外れ位置の双方の溶接に必要な所望の特性を
与えることが見出された。種々の他のスラッグ制御剤た
とえば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、２酸化ケ
イ素、および他の金属の弗化物を加えて生成スラッグの
所望の粘度および除去可能特性を増大させることができ
る。本発明の別の面によれば、コア付き電極の金属合金
化剤たとえばケイ素、チタン、マンガン、ジルコニウ
ム、モリブデン、および他の金属を加えて生成溶接金属
に望まれる性質を得ることができる。

【００２２】本発明はシールド用ガス、たとえば２酸化
炭素またはアルゴンと２酸化炭素とのブレンド、を使用
するための電極を含む。この外部ガスを使用して溶接プ
ールとアークを大気に含まれる悪いガスからシールドす
る。その結果として、シールド用ガスはアークのまわり
及び溶接金属プールより上に包みを形成して大気を排除
する。本発明においてはこのシールド用ガスを使用す
る。なんとなればフラックスの生成はそれ自身シールド
用ガスを生成するように設計されておらず、あるいは外
部のシールド用ガスの使用なしに健全な溶接を発展させ
うる溶接析出化学を生じるように設計されていないから
である。自己シールド性ガス型のコア付き電極は完全に
異なった技術である。このような電極はガスを放出する
ように設計されており、スラッグ保護を提供して外部ガ
スの使用なしに大気から溶接プールを保護する。実質量
の窒素殺し剤たとえばアルミニウムおよび／またはチタ
ンをこのような電極のコアに加えて溶接金属中で殺し機
能を果す。このような自己シールド電極は、溶接金属よ
り上に及びアーク区域中に反応帯域を発生させる目的で
アークを包囲するガスの包みをもたない。本発明の電極
は、それ自身でシールド用ガスを発生して大気ガスたと
えば窒素が溶接ビードに悪影響を及ぼすのを阻止する化
合物を含まないフラックス系もしくは処方、をもたな
い。その結果として、本発明に使用する技術は、溶接ビ
ードを保護するための外部シールド用ガスを必要とする
コア付き電極技術に関する。このような技術は、本発明
によって意図されているような溶接金属より上のアーク
中での反応のためにアルミニウムを使用することは従来
なかった。

【００２３】本発明は２酸化炭素をその純粋な形体でシ
ールド用ガスとして使用することができ、より高価な不
活性ガスの組合せもしくはブレンドたとえばアルゴンと
ヘリウムのブレンドの組合せもしくはブレンドを必要と
しない。純粋な２酸化炭素の使用にとくに設計された従
来の電極はより不安定なアークおよび過度のスパッター
をもたらした。その結果として、純粋な２酸化炭素シー
ルド用ガスを用いるフラックスコア型の従来の電極は貧
弱な外観、減少した溶接効率をもたらし、望ましくない
クリーニング費用を必要とした。本発明において使用す
る２元安定剤は、シールド用ガスとしてＣＯ_２のみを使
用する通常の電極で経験する過去の問題を軽減する。２
元安定剤は低い供給速度および高い供給速度の双方にお
けるアークを安定化させ、溶接プールへの金属の移動を
助ける。純粋な２酸化炭素が本発明においてシールド用
ガスとして好ましいけれども、２酸化炭素はアルゴンお
よびヘリウムのようなより標準の不活性ガスと組合せる
こともできる。

【００２４】本発明の主たる目的は、アーク区域中の反
応に金属アルミニウム粉末を含むガスシールドフラック
スコア付き電極を提供して煙霧を減少させることにあ
る。本発明の別の目的は、金属アルミニウム粉末を含む
ガスシールド電極を提供してアーク溶接操作中の減少し
た量の煙霧を作ることにある。本発明の更にもう１つの
目的は、電極のコア中に２元安定剤と金属アルミニウム
粉末との組合せを含む上記のような電極を提供すること
にある。本発明の更にもう１つの目的は、２元安定剤と
金属アルミニウムとの比が約３：１である２元安定剤と
金属アルミニウム粉末を含む上記のガスシールド電極を
提供することにある。本発明の更にもう１つの目的は、
酸化ナトリウムと酸化カリウムから成る２元安定剤を提
供することにある。本発明の更にもう１つの目的は、金
属アルミニウム粉末、２元アーク安定剤、および２酸化
チタンフラックス系を含む上記のガスシールド電極を提
供して煙霧の量を減少させ且つ電極を外れ位置で溶接す
るのに使用しうるようにすることである。本発明の更に
別の目的は、煙霧を減少させるのみならず、溶接金属中
の窒素の量を減少させ溶接金属中の窒素を窒化アルミニ
ウムとして固定することによって溶接ビード金属の機械
的性質をも改良する、上記の電極を提供することにあ
る。これらの及びその他の目的と利点は添付図面を参照
して記述する以下の説明から明らかになるであろう。添
付図面（図１）は外部シールド用ガスを用いるアーク溶
接法に使用する本発明の好ましい態様の部分横断面図で
ある。

【００２５】

【実施例】本発明の好ましい態様は図面において電極１
０として示される。Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｅｌ
ｄｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ａ ５．２０仕様書にＥ７
１Ｔ−１電極として分類される電極である。この電極は
低炭素外皮１２および粒状の内部充てん材料もしくはコ
ア２０を備える。溶接操作中、電極１０は電力供給源に
接続されて、電気アークもしくはプラズマ４０の熱によ
って溶接ビードプール３０中に溶融金属を堆積させる。
アークは金属外皮１２を溶融させ、コア２０内の材料を
溶融させる。その後にコア内の材料は溶接ビードのプー
ル３０に堆積する。アーク４０は一般に円錐形であり、
電極１０と溶接ビードのプール３０との間に高温反応帯
域を含む。この帯域は非常に高温の特徴があり、外皮１
２の溶融金属とコア２０中に含まれる種々の合金および
フラックス成分との化学反応を生ぜしめる。本発明によ
れば、コア２０は粒子６０として図示される金属アルミ
ニウム粉末を含む。この粉末は実質的に純粋なアルミニ
ウムの形体にあって、コアおよび外皮からの溶融金属が
溶接ビード３０に移動する前に、帯域５０中で化学反応
を起す。２酸化炭素または他の適当なシールド用ガスは
アーク４０および帯域５０のまわりに円筒状の包みを形
成して周囲雰囲気の水分、窒素、酸素およびその他の成
分の侵入を阻止する。反応帯域５０において、アルミニ
ウム粉末は煙霧を形成する酸化物を還元する。本発明に
よれば外皮中の炭素は外皮中の金属の約０．０７重量％
未満である。この低炭素は更なる煙霧の発生を阻止す
る。炭素の減少は反応帯域５０中の活性金属アルミニウ
ム粉末の包含と共に、溶接操作中に発生する煙霧の量を
減少させる。

【００２６】電極１０はシールド用ガス７０と共に使用
するために特に設計されている。電極の金属外皮１２は
低炭素鉄金属外皮であり、その結果としてこの低い炭素
含量は煙霧生成の減少を助け、そしてまた高い電極供給
速度でのアーク浸透の減少をも助ける。金属外皮は０．
０７重量％未満の炭素含量をもつのが好ましいけれど
も、外皮は０．０４％未満の炭素をもつのが更に好まし
い。コア２０はフラックス組成物を含むが、これは金属
アルミニウム粉末６０、２元安定剤、２酸化チタン基材
フラックス系、通常のスラッグ粘度増強剤、および種々
の通常の合金成分を包含する。フラックス組成物は通常
の方法で管状外皮に加えることができる。外皮は溶接操
作中に消耗する金属から作られており、図に示すように
溶融溶接金属プール３０に直接に移動する。コア２０の
フラックス組成物中の金属アルミニウム粉末６０は、溶
接ビード３０中の金属の機械的性質を犠牲にすることも
なしに、所望の煙霧減少特性を得るように制御される。
アルミニウム粉末は、堆積した溶接金属物質中に０．１
％のアルミニウムを生ずる量より多くない量であるべき
であるということが見出された。アルミニウム粉末の量
は溶接プール中の酸素および窒素の所望量を減少させる
ように更に制御される。固化用のプール中の溶融スチー
ルは酸素および窒素に対して高い親和力をもつ。シール
ド用ガスは酸素および窒素が大気から溶接プールに入る
のを阻止する。然しながら、酸化鉄および窒化鉄はシー
ルド用ガスの包みによって完全には排除されなかった酸
素および窒素から溶接金属中に沈殿する。これらの鉄の
酸化物および窒化物は溶接ビード材料の実質的な弱化お
よび脆さをもたらす。また、溶接プール中の結合してい
ない遊離の窒素は、プールが固化中に冷却する際の窒素
の迅速な逃散のために、溶接金属の多孔性に寄与するこ
ともありうる。

【００２７】コア２０のフラックス組成物中の金属アル
ミニウム粉末の量は、１３．５〜１６．５％の電極充て
ん百分率が電極の全重量の０．０７〜０．３１％の金属
アルミニウムを提供することを考慮して、フラックス物
質の０．５〜２０重量％の範囲にあるのが好ましい。好
ましくは電極全重量の０．１３〜０．１８％が金属アル
ミニウム粉末である。本発明の水準での金属アルミニウ
ム濃縮物は、溶接ビード物質それ自体において非常に望
ましい煙霧減少性と適正な窒素および酸素の制御特性を
示す。金属アルミニウムは実質的に純粋なアルミニウム
粉末であって、それによってアルミニウムは反応帯域５
０において直接に反応し、溶接ビード中に殺し効果を生
ぜしめるために溶接ビード物質と合金を作ることを必要
としない。帯域５０における反応の後に、ある量のアル
ミニウムは依然として存在しうる。アルミニウムの残り
は溶接ビードに入って窒素と結合し、窒素を固定するか
又は窒素を溶接金属の固化前にガスとして除去する。
２．０％の上限が電極１０を使用するときの所望量に煙
霧を減少させるのに一般に十分であるけれども、このア
ルミニウム％は充てん物質の約５．０重量％に増大させ
ることができる。この高水準のアルミニウム粉末を使用
すれば、２酸化チタンおよび酸化ホウ素は合金の目的に
還元される。また、更なるアルミニウムは帯域５０から
酸素を除去して酸化窒素の生成を阻止するために使用さ
れる。更に、残りのアルミニウムは酸素および窒素を還
元する目的のために少しづつ溶接金属中に導入すること
ができる。すなわち、煙霧減少のためには、アルミニウ
ム粉末の１００分率はフラックス物質の０．５〜２．０
％の範囲にあるのが好ましい。アルミニウム粉末の利点
の十分な完成をもつ好ましい範囲について、その百分率
の上限は充てん物質の５．０％までである。

【００２８】電極のフラックス組成物はまた安定剤とア
ルミニウム粉末との重量比が２．４：１〜３．５：１で
ある２元安定剤を含む。好ましい態様において、この比
は２．８：１である。溶接操作中の煙霧の最高の減少
は、２元安定剤と金属アルミニウムとの重量比が約３：
１であるときに起る。２元安定剤を形成する酸化カリウ
ムと酸化ナトリウムの量は、フラックス組成物の重量％
で、０．６〜２．５％酸化カリウムおよび０．８〜３．
２％酸化ナトリウムである。好ましくは１．２４％酸化
カリウムおよび約１．６２％酸化ナトリウムをフラック
ス組成物中に使用して所望の結果を得る。２元安定剤の
酸化カリウム成分は低い電極供給速度および低い電流で
アークを短かくし且つ安定化させる。アークの安定化は
平滑な金属移動を促進して金属スパッターを減少させ
る。高い電極速度および高い溶接電流において、酸化ナ
トリウムは電極のアーク安定化特性を増強する。２元安
定剤の使用は従来のＥ７１Ｔ−１電極と比べて有用な電
極供給速度を増大させる。従来のＥ７１Ｔ−１電極のワ
イヤ供給速度は限定されていた。低電流におけるスパッ
ター金属移動、貧弱なビードの形状、貧弱なビード表面
外観、ビードのアンダーカット、および高いワイヤー速
度における、過いアーク力による過度の浸透のためであ
る。２元安定剤ブレンドは、金属アルミニウム粉末との
組合せにおいて、これらの限定を克服して直径１／１６
インチの電極を提供する。この電極は１２５〜６００イ
ンチ／分の範囲の速度で供給することができ、４．６〜
２２ポンド／時の有用な析出速度をもつ。この速度は従
来のＥ７１Ｔ−１電極より２０〜３０％の増加を表わ
す。２００〜８００インチ／ｍの有用なワイヤ供給速度
は０．０４５インチの電極を用いて達成される。酸化ナ
トリウムと酸化カリウムの量は特定の電極供給速度につ
いて最大量の煙霧減少能力を得るように調節することが
できる。

【００２９】フラックスのスラッグ形成性成分は２酸化
チタンを基材とする系から成る。代表的に２酸化チタン
はルチルの形体にある。２酸化チタンはフラックス組成
物の６５％までを構成することができ、好ましくは約５
３％の量で存在する。他のスラッグ形成性成分は酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化ホウ
素、および弗化カルシウムから成る。これらのスラッグ
形成性成分は溶融溶接プールの表面に浮かぶ能力をも
ち、溶融溶接金属が固化する前に固化する。従って溶接
ビードの機械的性質に悪影響を及ぼす溶接ビードに含ま
れるスラッグに付随する問題は防がれる。２酸化ケイ素
と組合せた酸化アルミニウムの存在は、外れた位置での
溶接期間中の溶融溶接金属をスラッグが支えることを可
能にするスラッグ粘度を与え、そして更に下方の手によ
る溶接と外れた位置での溶接の双方において高品位ビー
ドを与える。電極は僅か少量の炭素を含むということも
重要である。スチール外皮またはフラックス組成物の中
にある炭素は溶接中に追加の煙霧の生成をもたらす。ス
チール外皮内の炭素の量は電極の約０．０７重量％未満
であるべきであり、好ましくは約０．０４重量％末満で
ある。

【００３０】フラックス組成物に使用する合金成分とし
てケイ素、チタン、マンガンおよびモリブデンがあげら
れるが、これらに限定されない。種々の合金成分の量は
溶接ビードの所望の機械的性質に応じて調節することが
できる。溶接析出物の若干の合金は充てん物質中の若干
の酸化物のアルミニウムによる直接の還元により起る。
これらの酸化物として酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ジ
ルコニウム、および酸化ホウ素があげられるが、これら
に限定されない。マグネシウムは合金成分から除外され
る。マグネシウムはアルミニウム粉末による脱酸化に干
渉するからである。マグネシウムは非常に高活性の物質
であって、酸化アルミニウムをアルミニウムに還元する
ことができ、これが溶接ビードに不注意に移動して溶接
ビードの強度に悪影響を及ぼすからである。また、マグ
ネシウムによる酸化アルミニウムの還元は金属アルミニ
ウムが溶接中に酸素および窒素と反応して溶接中の煙霧
の減少を阻止する。

【００３１】充てん物質の重量％を基準にして、本発明
の実施例の代表的なフラックス組成物（１３．５〜１
６．５重量％のコア）は次のとおりである。 好ましいシールド用ガスは１００％２酸化炭素である
が、他のシールド用ガスたとえばアルゴン、２酸化炭素
ブレンド、および他の不活性ガスブレンドを使用するこ
ともできる。

【００３２】本発明を好ましい態様に関して記述したけ
れども、この明細書を読み且つ理解した第３者にとって
他の変形と変化は明らかに想到されるであろう。このよ
うな変形と変化のすべてはそれらが特許請求の範囲に入
る限り本発明に含まれることが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】外部シールド用ガスを用いるアーク溶接法に使
用する本発明の好ましい態様の部分横断面図である。

【符号の説明】

１０ 電極 １２ 外皮 ２０ コア ３０ 溶接ビードのプール ４０ 電気アーク ５０ 高温反応帯域 ６０ 金属アルミニウム粉末 ７０ シールド用ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ピー ムンツ アメリカ合衆国オハイオ州 44047 ジ ェファーソン スタンプビル ロード 1817 (72)発明者 デニス ディー クロケット アメリカ合衆国オハイオ州 44060 メ ンター メアリー レーン 7618 (56)参考文献 特開 昭62−33094（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−286089（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−248597（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−149096（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−275295（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−284497（ＪＰ，Ａ) 特公 昭60−39480（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭60−57956（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−44159（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼製外皮とこの外皮内の充てん剤とを組
   合せて含むシールド用ガス中の電気アーク溶接のための
   消耗性溶接電極であって、該充てん剤が実質的に純粋な
   金属アルミニウム粉末および酸化ナトリウムと酸化カリ
   ウムの２元安定剤を含み、該安定剤と該アルミニウムが
   ２．４：１〜３．５：１の重量比をもち、該金属アルミ
   ニウム粉末が該充てん剤の０．５〜５．０重量％の量で
   存在し、そして該２元安定剤が該充てん剤の少なくとも
   １．４重量％の量で存在し、溶接中の煙霧の発生を減少
   させる作用を有することを特徴とする電極。
2. 【請求項２】 シールド用ガスが２酸化炭素である請求
   項１の電極。
3. 【請求項３】 シールド用ガスが２酸化炭素、アルゴ
   ン、またはアルゴンと他の不活性ガス、２酸化炭素、酸
   素、またはこれらの組合せとのブレンドである請求項１
   の電極。
4. 【請求項４】 充てん剤が、酸化アルミニウム、酸化ジ
   ルコニウム、酸化ケイ素、酸化ホウ素およびフルオライ
   ドまたはそれらの組合せを含むフラックス成分をもつ２
   酸化チタン基材フラックスを含む請求項１の電極。
5. 【請求項５】 ２元安定剤と金属アルミニウムとの重量
   比が３：１である請求項１の電極。
6. 【請求項６】 充てん剤がチタン、ジルコニウム、マン
   ガン、ケイ素およびモルブデンまたはそれらのいづれか
   の組合せから成る群からえらばれる合金剤を含む請求項
   １の電極。
7. 【請求項７】 外皮が０．０７％未満の炭素を含む低炭
   素鋼外皮である請求項１の電極。
8. 【請求項８】 １．４〜５．７重量％２元安定剤が存在
   する請求項１の電極。
9. 【請求項９】 充てん剤の合計重量％を基準にして該充
   てん剤が次の諸成分を含む請求項１の電極。酸化ナトリウム ０．８〜３．２ 酸化カリウム ０．６〜２．５ ２酸化チタン ４０．０〜６５．０ 合金剤 １７．０〜３２．０
10. 【請求項１０】 充てん剤の合計重量を基準にして該充
    てん剤が次の諸成分を含む請求項１の電極。 酸化ナトリウム ０．８〜３．２ 酸化カリウム ０．６〜２．５ ２酸化チタン ４０．０〜６５．０ 酸化アルミニウム ０．０〜１．４ 酸化ケイ素 ３．８〜８．０ 酸化ホウ素 ０．３０〜１．３
11. 【請求項１１】 充てん剤の合計重量％を基準にして該
    充てん剤が次の諸成分を含む請求項１の電極。 金属アルミニウム ０．９９ 酸化ナトリウム １．６２ 酸化カリウム １．２４ ２酸化チタン ５２．６４ 酸化ケイ素 ５．２０ 弗化カルシウム ０．４４ 酸化ホウ素 ０．５５ 金属ケイ素 ５．４８ 金属チタン ０．９２ 金属マンガン １０．３ 金属モリブデン ０．３０
12. 【請求項１２】 充てん剤の合計重量を基準にして該充
    てん剤が次の諸成分を含む請求項１の電極。 金属アルミニウム １．０ 酸化ナトリウム １．６ 酸化カリウム １．２ ２酸化チタン ５３．０ 酸化ケイ素 ５．２ 弗化カルシウム ０．５ 酸化ホウ素 ０．５ 金属ケイ素 ５．５ 金属チタン １．０ 金属マンガン １０．０ 金属モリブデン ０．３