JP7187137B2 - 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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Description

開示される技術は、概して溶接に関し、特に金属アーク溶接用の消耗電極ワイヤに関する。
金属アーク溶接技術では、一方の電極として機能する工作物に向かって進む、もう一方の電極として機能する消耗溶接電極ワイヤの間で電気アークが生じる。アークによって金属ワイヤの先端が溶融し、それにより、工作物上に堆積する溶融金属ワイヤの液滴が溶接ビードを形成する。
溶接への要求の複雑さが高くなり続けているため、ますます複雑になる要求に対処するための種々の技術的アプローチが提案されている。たとえば、競合する要求としては、生産性のための速い溶着速度を実現しながら、同時に外観と、高い降伏強度、延性、および破壊靱性などの機械的性質とにおいて高品質の溶接ビードを実現することが挙げられる。
特に、大量に製造を行う使用者は、非常に速い溶着速度、たとえばオープンアーク溶接の場合、約30ポンド/時以上の溶着速度を要求することが多い。一部の溶接技術は、消耗品を改善することにより、たとえば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り、この要求およびその他の要求に対処することを目的としている。しかし、従来技術の電極では、このような高溶着速度における溶着は、プラズマアークが不安定になることが多く、その結果、溶接ビードの品質が容認できないものとなる。したがって、高品質の溶接部を形成しながら高溶着速度で使用できる消耗溶接電極ワイヤが必要とされている。
一態様では、溶接中に電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤ、たとえば金属コア消耗溶接ワイヤは、第1のベース金属組成物を有するシースを含む。この溶接ワイヤは、シースによって取り囲まれ、かつ溶接ワイヤの全重量を基準として0.005%~10%の濃度の1種類以上のアルカリ土類金属元素と混合される第2のベース金属組成物を有する粒子を含むコアをさらに含む。
別の一態様では、金属アーク溶接の方法は、電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤ、たとえば金属コア消耗溶接ワイヤを提供するステップを含み、この溶接ワイヤは、金属コアワイヤの全重量を基準として0.005%~10%の濃度の1種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、1種類以上のアルカリ土類金属元素の原子がベース金属組成物と合金化される。この方法は、溶接ワイヤの材料から形成される溶融液滴の安定した流れを得る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をさらに含み、これによって30ポンド/時を超える溶着速度で工作物上に溶融液滴が溶着する。
さらに別の一態様では、金属アーク溶接のシステムは、電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤ、たとえば金属コア消耗溶接ワイヤを含み、この溶接ワイヤは、溶接ワイヤの全重量を基準として0.005%~10%の濃度の1種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、1種類以上のアルカリ土類金属元素の原子がベース金属組成物と合金化される。このシステムは、溶接ワイヤの材料から形成される溶融液滴の安定した流れを得る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をさらに含む。このシステムは、30ポンド/時を超える溶着速度で工作物上に溶融液滴が溶着させるように構成された溶接ガンをさらに含む。
金属アーク溶接プロセスにおける電極の構成の概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤの概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを使用する溶接ビードの形成の概略図である。 図2Bの溶接中心線AA’に沿った1種類以上のアルカリ土類金属元素の濃度プロファイルの概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含むコアを有する金属コア電極ワイヤの概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含むコアを有する金属コア電極ワイヤの概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素およびフッ素含有粒子を含むコアを有する金属コア電極ワイヤの概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを使用する高溶着速度用に構成された金属アーク溶接システムの概略図である。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを使用する金属アーク溶接方法のフローチャートである。 実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤの実験的アーク不安定性の監視結果を示すグラフである。
図1は、金属アーク溶接プロセスにおける電極の構成の概略図である。金属アーク溶接、たとえばガス金属アーク溶接(GMAW)では、一方の電極4(たとえば、陽極(+))に電気的に接続される消耗金属ワイヤ6と、もう一方の電極(たとえば、陰極(-))として機能する工作物2との間に電気アークが形成される。その後、プラズマ8が持続し、これは、中性のおよびイオン化したガス分子、ならびに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ーまたは液滴を含有する。消耗金属ワイヤ6は、工作物2に向けて送り出され、金属ワイヤ6の溶融液滴が工作物上に溶着し、それによって溶接ビードが形成される。
広く使用されているアーク溶接方法としては、ソリッド電極ワイヤ(GMAW)または金属コアワイヤ(GMAW-C)のいずれかを使用できるガス金属アーク溶接法、ガスシールドフラックスコアードアーク溶接(FCAW-G)またはセルフシールドフラックスコアードアーク溶接(FCAW-S)であってよいフラックスコアードアーク溶接法(FCAW)、被覆アーク溶接(SMAW)、ならびにサブマージアーク溶接(SAW)が特に挙げられる。
本明細書に記載される場合、金属コア電極(GMAW-C)は、成分が主として金属であるコアを有する電極を意味する。コア中に非金属成分が存在する場合、そのような成分の濃度の合計は、各電極の全重量を基準として5%未満、3%未満、または1%未満である。GMAW-C電極は、スプレーアークおよび優れたビード性能を特徴とする。
ソリッド電極(GMAW)または金属コア電極(GMAW-C)を用いるガス金属アークでは、溶接中に溶融池および溶接ビードを大気汚染から保護するためにシールドガスが使用される。ソリッド電極が使用される場合、これらは、シールドガスと併用することで結果として得られる溶接ビードの所望の物理的性質および機械的性質を有する気孔のない溶接部が得られるように計画される有効成分と適切に合金化される。金属コア電極が使用される場合、一部の有効成分が金属製外側シースのコア中に加えられ、ソリッド電極の場合と同様の機能が得られるように計画される。
ソリッド電極および金属コア電極は、適切なガスシールド下で、最終用途で十分機能するための降伏強度、引張強度、延性、および衝撃強度を有する中実で実質的に気孔のない溶接部が得られるように設計される。これらの電極は、溶接中に生じるスラグの量が最小限になるようにも設計される。一部の用途の場合、生産性を向上させるために、ソリッドワイヤの代わりに金属コア電極を使用することができる。金属コア電極は、少なくとも部分的に充填され金属製外側シースで取り囲まれたコアを有する複合電極である。コアは、金属粉末と、アーク安定性、溶接部のぬれ性および外観、ならびに所望の物理的および機械的性質に有用な有効成分とを含むことができる。金属コア電極は、コア材料の成分を混合し、それらを形成されたストリップの内側に堆積し、次にストリップを閉じて、最終直径まで延伸することによって製造される。一部の用途の場合、コア電極により溶着速度を増加させることができ、ソリッド電極よりも幅広でより安定した溶け込みプロファイルを得ることができる。さらに、一部の用途の場合、コア電極により、改善されたアーク作用を得ることができ、ヒュームおよびスパッタの発生をより少なくすることができ、ソリッド電極よりも良好なぬれ性の溶着物を得ることができる。
フラックスコアードアーク溶接(FCAW、FCAW-S、FCAW-G)では、コア電極が使用される。フラックスコアードアーク溶接に使用されるコア電力は、前述の金属コア電極と同様に、少なくとも部分的に充填され金属製外側シースで取り囲まれたコアを有する。しかし、フラックスコアードアーク溶接に使用されるコア電極は、少なくとも部分的にシールドガスの代わりに、溶接中の大気汚染から溶融池および溶接ビードを保護するように計画されたフラックス剤をさらに含む。フラックスコアードアークに使用されるコア電極は、アーク安定性、溶接部のぬれ性および外観、ならびに物理的および機械的性質に有用な別の有効成分をさらに含むことができる。アーク安定性の制御、溶接金属組成物の改良、および大気汚染からの保護のために、多数のフラックス組成物が開発されている。アーク安定性は、フラックスの組成を変更することによって一般に制御される。したがって、フラックス混合物中のプラズマ電荷担体として十分機能する物質を有することが望ましい場合が多い。一部の用途では、フラックスは、金属中の不純物をより溶融しやすくし、これらの不純物が結合できる物質を供給することにより、溶接金属組成物を改良することもできる。スラグの融点を低下させるため、スラグの流動性の改善のため、およびフラックス粒子のバインダーとして機能させるために、場合により別の材料が加えられる。
本明細書に開示される種々の実施形態は、前述の種々の溶接法における高溶着速度のますます複雑になる要求に対処することを目的とする。有利には、本明細書に開示される実施形態は、比較的多量のアルカリ土類金属元素を含む電極に関する。ある実施形態では、電極は、比較的多量のアルカリ土類金属元素を含有するソリッド電極である。ある別の実施形態では、電極は、従来の被覆アーク溶接による実現が困難または不可能となりうる広範囲の冶金的および物理的特性を得るためのコア電極、たとえば、金属コア電極またはフラックスコア電極である。本明細書において使用される場合、高溶着速度は約30ポンド/時を超える溶着速度を意味し、これは、ほとんどのオープンアーク溶接法で実際に実現可能な速度よりもはるかに速い。本明細書に開示される電極の実施形態により、過度の電気抵抗加熱を発生させることなく、さらに比較的小さい直径の電極でこのような高溶着速度が可能となる。さらに、結果として得られる溶接ビードは、80,000psiを超える降伏強度などの望ましい機械的性質を有する。
図2Aは、実施形態による溶接電極ワイヤ20、たとえばベース金属組成物と1種類以上のアルカリ土類金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)とを含む金属コア溶接電極ワイヤの概略図である。
図2Aの例示される実施形態を含む本明細書に記載の種々の実施形態では、ベース金属組成物は、鋼組成物またはアルミニウム組成物を含む。ある実施形態では、ベース金属組成物は炭素鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、炭素鋼組成物は、Feと、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のC、約0.1重量%~約1.5重量%の濃度のSi、約0.5重量%~約5重量%の濃度のMn、約0.001重量%~約0.05重量%の濃度のS、約0.001重量%~約0.05重量%の濃度のP、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のTi、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のZr、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のAl、および約0.1重量%~約1重量%の濃度のCuの1種類以上とを含む。
ある別の実施形態では、ベース金属組成物は、低炭素鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例としては、約0.10重量%未満の濃度のCと最大約0.4重量%の濃度のMnとを有する組成物、および約0.30重量%未満の濃度のCと最大約1.5重量%の濃度のMnとを有する組成物が挙げられる。
ある別の実施形態では、ベース金属組成物は低合金鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、低合金鋼組成物は、Feと、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のC、約0.1重量%~約1.0重量%の濃度のSi、約0.5重量%~約5重量%の濃度のMn、約0.001重量%~約0.05重量%の濃度のS、約0.001重量%~約0.05重量%の濃度のP、約0.01重量%~約5重量%の濃度のNi、約0.1重量%~約0.5重量%の濃度のCr、約0.1重量%~約1重量%の濃度のMo、約0.001重量%~約0.1重量%の濃度のV、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のTi、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のZr、約0.01重量%~約0.5重量%の濃度のAl、および約0.1重量%~約1重量%の濃度のCuの1種類以上とを含む。
ある別の実施形態では、ベース金属組成物はステンレス鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、ステンレス鋼組成物は、典型的には、Feと、約0.01重量%~約1重量%の濃度のC、約0.1重量%~約5.0重量%の濃度のSi、約10重量%~約30重量%の濃度のCr、約0.1重量%~約40重量%の濃度のNi、約0.1重量%~約10重量%の濃度のMn、約0.001重量%~約0.05重量%の濃度のS、および約0.001重量%~約0.05重量%の濃度のPの1種類以上とを含む。
なんらかの理論によって束縛されるものではないが、前述の各元素により、鋼の溶接での特有の利点を得ることができる。炭素は、溶接物に強度および延性を付与することができる。マンガンは、溶接部に強度を付与することができる別の元素であり、溶接部から酸素を除去し、溶接金属の気孔を減少させる脱酸剤として機能することもできる。ケイ素は、溶接部から酸素を除去する脱酸剤として機能することができ、溶接金属の気孔の可能性を低下させることができる。一般に、金属中のケイ素の量が多いほど、溶接パドルの流動性が高くなる。ケイ素の添加により、引張強度および降伏強度も増加しうる。リンは、溶接割れの一因となりうるため、一般に溶着物には望ましくない。硫黄も一般に溶接性のため望ましくなく、溶接割れの一因となりうる。しかし、限定された量では、硫黄またはリンは、溶接パドルの流動性およびぬれ性を改善することができる。銅は、(銅が被覆される場合)改善された導電性、したがってより良好なアーク開始のためのワイヤ電極の被覆の結果として存在することができる。チタンは、ケイ素およびマンガンに加えて脱酸剤として機能することができる。一部の脱酸剤は、溶接部からの酸素および窒素の両方の除去を促進し、それによって溶接金属の気孔の発生が減少する。ジルコニウム、アルミニウム、およびニッケルは、脱酸剤として機能することができる。モリブデンは、溶接部に対して応力緩和の溶接後熱処理が行われる場合でさえも、強度を付与し衝撃特性を改善することができる。クロムは、耐食性を改善することができる。
鋼組成物以外のベース金属組成物も可能である。ある実施形態では、ベース金属組成物は、アルミニウム組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、アルミニウム組成物は、Alと、約0.01重量%~約5%の濃度のMn、約0.1重量%~20重量%の濃度のSi、約0.1重量%~約1.0重量%の濃度のFe、約0.01重量%~約10重量%の濃度のMg、約0.01重量%~約1.0重量%の濃度のCr、約0.01重量%~10重量%の濃度のCu、約0.01重量%~約1.0重量%の濃度のTi、および約0.01重量%~約1.0重量%の濃度のZnの1種類以上とを含む。これらおよびその他のアルミニウム組成物は、実施形態による溶接電極ワイヤ20のベース金属の一部として含まれてよい。
図2Aに例示される実施形態を含めた本明細書に記載の種々の実施形態では、1種類以上のアルカリ土類金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)は、電極ワイヤの全重量を基準として約0.005%、0.050%、または0.1%の最低濃度と、約0.5%、5%、または10%の最高濃度との間の濃度範囲で存在する。
2種類以上のアルカリ土類金属元素が存在する場合、前述の濃度は、合計の濃度または個別の濃度を表す。
特定の一実施形態では、Baは、約0.05%~5%または約0.1%~約10%、たとえば約0.12%の濃度で存在する。
別の一実施形態では、Caは約0.05%~5%、または約0.1%~約10%、たとえば約0.12%の濃度で存在する。
さらに別の一実施形態では、BaおよびCaの両方は、それぞれ約0.05%~5%、または約0.1%~約10%、たとえば約0.12%の濃度で存在する。
ある実施形態では、アルカリ土類金属の原子は、ベース金属組成物と合金化される。すなわち、アルカリ土類金属の原子は、ベース金属組成物の原子と金属結合を形成する。ある別の実施形態では、アルカリ土類金属の原子は、たとえばベース金属組成物のマトリックス中の析出物の形態でクラスター化する。アルカリ土類金属元素が、ベース金属組成物と混合物を形成する化合物、たとえば、ケイ酸塩、チタン酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、リン酸塩、硫化物、水酸化物、フッ化物、および酸化物の形態である、さらに別の実施形態が可能である。
本発明者らは、アルカリ土類金属を本明細書に記載の濃度で有することで、利点として特に、高溶着速度(たとえば30ポンド/時を超える)を実現するために、大電流(たとえば、200アンペアを超え、または400アンペアを超える)におけるアークに安定性を付与できることを発見した。さらに、ある状況では、本明細書に記載の濃度のアルカリ土類金属は、有利には脱酸剤として機能することができる。
実施形態によると、前述の特徴は、少なくとも部分的に、0.045インチ~3/32インチ(1.1mm~2.4mm)の直径範囲を有するように溶接金属電極20を構成することによって実現できる。
以下では、図2Bおよび2Cに関して、なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、実施形態による溶接電極ワイヤが使用される場合に溶接ビードが形成されるときのアルカリ土類金属元素の変化が記載される。以下の説明を、図2Aに関して前述した溶接電極ワイヤ、ならびに図3A~3Bおよび4に関して前述した実施形態に適用できることが理解されよう。さらに、この説明は鋼ベース金属組成物に適用されるが、類似の概念がアルミニウムベース金属組成物に適用される。
Fe-C系の平衡相図(図示せず)によると、約910℃未満で安定な体心立方フェライト(α-Feとも呼ばれる)、約730℃より高温で安定な面心立方オーステナイト(γ-Feとも呼ばれる)、および約1,390℃より高温で約1,539℃の融点まで安定なδ-フェライト(δ-Fe)など、数種類の鉄の相が存在する。溶接中、ベース鋼組成物によって決定されるが、液化した電極組成物は、多数の経路で急冷されて、固体溶接ビードを形成することができる。たとえば、炭素鋼および低合金鋼組成物の場合、経路は、L→δ+L、続いてδ+L→δ+γ+L、続いてδ+γ+L→γ+δ+L→γを含むことができる。あるいは、炭素鋼および低炭素鋼組成物の場合の経路は、包晶組成物の場合、L→δ+L、続いてδ+L→δを含むことができる。ステンレス鋼組成物の場合、経路は、L→δ+L、続いてδ+L→δ+γであってよい。前述のアルカリ土類金属の濃度において、溶解したアルカリ土類金属元素を含む液化した溶接金属電極が、前述の経路の1つに従って固化して溶接ビードとなる場合、アルカリ土類金属元素の比較的少量の原子が鋼組成物の格子(たとえば、鋼組成物の体心立方格子または面心立方格子)中に置換型および/または侵入型で組み込まれる。実施形態によると、結果として、アルカリ土類金属原子の大部分は分離または析出して、得られるスラグ中に混入される。結果として、アルカリ土類金属原子の大部分は、得られるビード中に実質的に混入されないため、得られる溶接ビードはアルカリ土類金属原子を比較的含有しない。
図2Bは、実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを用いた溶接ビード形成22の概略図である。図2B中、溶接ビードの溶接金属結晶24は、溶接パドル28などの前の溶接パドル中の電極溶接金属の液相から結晶化している。溶接パドル28は、溶接ビードがx方向に形成され続けるときの電極溶接金属の液相を表している。溶接ビード形成22は、比較的速い溶着速度、たとえば溶着速度が約30ポンド/時を超える場合でのビード形成を表している。このような状況において、溶接パドル28の形状は、溶接中心線AA’に沿った方向で洋梨型の形状で細長くなりうる(たとえば、長さ(l)/幅(w)>1.5)。
実施形態によると、アルカリ土類金属元素の濃度が比較的高い場合、たとえば、溶解度の限界を超える場合、溶接パドルが固化して鋼組成物またはアルミニウム組成物の1つ以上の固相となるため、たとえばアルカリ土類金属原子の量が、溶接金属結晶24のグレインおよび粒界が含むことができる量を超える場合に、不純物原子は、液固界面26、または溶接ビードが成長するときのビード表面に偏析しうる。さらに、溶融池28は、アルカリ土類金属元素の濃度が増加し続けることがあり、それによって最終的に、偏析したアルカリ土類金属元素を含有するスラグが得られる。
図2Cは、図2Bの溶接中心線AA’に沿った1種類以上のアルカリ土類金属元素の濃度プロファイルを概略的に示すグラフ29を示している。ある実施形態によると、アルカリ土類金属元素の濃度は、図2Cに示されるように、ベース金属組成物が鋼組成物である実施形態ではγ-Feおよび/またはδ-Feグレインを含むことができる溶接金属結晶24のグレインおよび/または粒界から、実質的な量、たとえば実質的にすべてのアルカリ土類金属原子が偏析するように選択される。グラフ29は、図2Bの溶接中心線AA’の断面に沿って溶接中心線方向(x方向)のアルカリ土類金属の濃度を示している。図2Cに示されるように、ある実施形態では、溶解度の限界以下で固体溶接ビード中に含まれる比較的少量、たとえば微量のアルカリ土類金属の濃度29aは、x方向に沿ってCで比較的一定である。さらに、実質的にすべてのアルカリ土類金属は、液固界面26および/または表面で偏析し、それによって溶接パドル28中のCのアルカリ土類金属の濃度29bがCを実質的に超える。溶接パドル28は、アルカリ土類金属元素の濃度を増加させ続けることができ、最終的にスラグが生じる。
翼状に濃縮される溶接パドルが冷却されて溶接ビードを形成すると、実質的にすべてのアルカリ土類金属が溶接ビードの表面に、たとえばスラグの一部として偏析する。種々の実施形態では、有利には、電極ワイヤ中のアルカリ土類金属の初期濃度の約80%を超え、約90%を超え、または約99%を超える部分がビード表面および/または液固界面に偏析し、それによって容易に除去可能なスラグを形成する。
図2A~図2Cに関する前述の種々の技術的特徴は、特定の種類の電極、たとえばソリッド電極ワイヤ(GMAW)、金属コアワイヤ(GMAW-C)、フラックスコアードアーク溶接法(FCAW)、シールドフラックスコアードアーク溶接(FCAW-G)、セルフシールドフラックスコアードアーク溶接(FCAW-S)、被覆アーク溶接(SMAW)、またはサブマージアーク溶接(SAW)に限定されるものではない。以下では、アルカリ土類金属元素を含むコア電極の特定の実施形態が詳細に記載される。
一般に、コア電極は、粒子または粉末のコアを有し連続的に供給される管状金属シースである。コアは、フラックス元素、脱酸剤および脱窒剤、ならびに合金化材料、ならびに靱性および強度を増加させ、耐食性を改善し、アークを安定化させる元素を含むことができる。前述したように、コア電極は、金属コア電極(GMAW-C)、セルフシールドフラックスコア電極(FCAW-S)、およびガスシールドフラックスコア電極(FCAW-G)の1つとして分類することができる。本明細書に記載の実施形態では、アルカリ土類金属元素を含有する金属コア電極中の粒子は、一般に、酸化物またはフッ化物などの化合物ではなく、金属および合金の粒子であり、溶接部の面上にスラグの小さい島が形成されるのみであることが理解されよう。対照的に、溶接中に広範囲にスラグの被覆を形成し、それがビードを支持し形成するフラックスコア電極は、酸化物およびフッ化物などの形態のアルカリ土類金属元素を含有する粒子を有しうる。前述したように、本明細書に開示される種々の実施形態は、金属コア電極、セルフシールドフラックスコア電極、およびガスシールドフラックスコア電極のいずれか1つに最適化させることができる。
前述したように、金属コア電極は、たとえば軟鋼から形成されるシースと、特に鉄および他の金属粉末および合金から選択された粉末のコアとを有する複合電極である。安定剤およびアークエンハンサーなどの添加剤を容易に加えることができ、それによって溶接者のためにより広い作業ウィンドウを得ることができる。金属コア電極(GMAW-C)は、ソリッド合金電極(GMAW)の代替品となるガスシールド型である。
製造の自由度のため、特殊な電極が要求される作業の場合、金属コア電極はソリッド電極よりも経済的となりうる。製造プロセスは、鋼の特殊な溶融物を形成する代わりに金属粉末の混合を伴うため、少量での製造がより容易であり、最小限の注文量がはるかに少なくなる。結果として、金属コア電極は、特別注文のソリッド電極よりも短い所要時間および低コストで製造できる。
図3Aおよび3Bは、実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)を含むコアを有する金属コア電極ワイヤ30a/30bの概略図である。それぞれの金属コア電極ワイヤ30a/30bは、第1のベース金属組成物を含むシース34と、シース34で取り囲まれたコア38a/38bとを含む。コア38a/38bには、1種類以上のアルカリ土類金属元素と第2のベース金属組成物とを含む粒子が少なくとも部分的に充填される。
金属コア電極ワイヤ30a/30b中、シース34の第1のベース金属およびコア中の粒子の第2のベース金属は、図2Aの電極20に関して前述した鋼組成物またはアルミニウム組成物のいずれか1つを含むことができる。ある実施形態では、第1のベース金属と第2のベース金属とは同じであり、一方、別の実施形態では、第1のベース金属と第2のベース金属とは異なる。さらに、粉末成分は、前述のような種々の構成のアルカリ土類金属を含む。
図3Aの金属コア電極30aを参照すると、実施形態によると、粒子32は、第2のベース金属組成物とアルカリ土類金属との合金から形成される。前出の図1に関して前述した実施形態と同様に、図3Aの例示される実施形態では、アルカリ土類金属元素の原子は、第2のベース金属組成物格子(たとえば、鋼組成物の体心立方格子または面心立方格子)中に、たとえば、置換型および/または侵入型で溶解するか、または直接組み込まれることが可能である。アルカリ土類金属元素の原子は、第2のベース金属組成物のマトリックス中でクラスター化することもでき、たとえば析出物を形成することもできる。あるいは、アルカリ土類金属元素が、化合物、たとえば、ケイ酸塩、チタン酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、リン酸塩、硫化物、水酸化物、フッ化物、および酸化物の形態である実施形態が可能である。
図3Aの例示される実施形態では、粒子32は、組成が実質的に均一であり、同様または実質的に同じ量のアルカリ土類金属を含有する。たとえば、粒子32が同じまたは異なる合金インゴットから製造される場合、そのような状況になりうる。
しかし、これより図3Bの金属コア電極30bを参照すると、別の実施形態が可能である。図3Bの電極30b中、粒子36a、36bは異なる組成を有する。ある実施形態では、粒子36a、36bは異なる元素を含有する。別の実施形態では、粒子36a、36bは、1種類以上の構成不純物を異なる濃度で同じ元素を含有する。
ある実装形態では、すべての粒子36a、36bは、第2のベース金属組成物(たとえば、鋼またはアルミニウム組成物)および1種類以上のアルカリ土類金属元素を含むが、第2のベース金属組成物および1種類以上のアルカリ土類金属元素の一方または両方を異なる濃度で含む。一部の他の実装形態では、ある粒子36aは第2のベース金属組成物を含むが1種類以上のアルカリ土類金属元素は含まず、一方、別の粒子36bは、第2のベース金属組成物と1種類以上のアルカリ土類金属元素との両方を含む。ある他の実装形態では、ある粒子36aは、第2のベース金属組成物を含まず1種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、一方、別の粒子36bは、第2のベース金属組成物と1種類以上のアルカリ土類金属元素との両方を含む。ある他の実装形態では、ある粒子36aは、第2のベース金属組成物を含み1種類以上のアルカリ土類金属を含み、一方、別の粒子36bは、第2のベース金属組成物を含まず1種類以上のアルカリ土類金属を含む。ある別の実装形態では、ある粒子36aは、第2のベース金属組成物を含まず1種類以上アルカリ土類金属元素を含み、一方、別の粒子36bは、第2のベース金属組成物を含むが、1種類以上のアルカリ土類金属元素を含まない。一部の他の実装形態では、第2のベース金属組成物を含む粒子は存在せず、すべての粒子36a、36bは、1種類以上のアルカリ土類金属元素を異なる濃度で含む。
図3A~3Bに例示される実施形態を含む前述の種々の実施形態において、ベース金属組成物は、図2Aに関して前述したものと類似の組成を有する鋼組成物またはアルミニウム組成物を含む。
図3A~3Bの例示される実施形態に関して本明細書に記載される種々の実施形態では、1種類以上のアルカリ土類金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)は図2Aに関して前述した濃度で存在する。
実施形態によると、前述の濃度は、0.045インチ(1.1mm)~0.068インチ(1.7mm)、0.045インチ(1.1mm)~3/32インチ(2.4mm)、または0.052インチ(1.4mm)~0.068インチ(1.7mm)の外径(OD)を有する金属コア電極30a/30bを構成することによって少なくとも部分的に実現される。
実施形態によると、前述の濃度は、コアの内容物が、金属コア電極ワイヤ30a/30bの全重量を基準として、約1重量%~約80重量%、約10重量%~約50重量%、または約15重量%~約30重量%で構成されるようにコア38a/38bおよびシース34の内容物を構成することによって少なくとも部分的に実現できる。
前述の特定の濃度および構成のアルカリ土類金属を有することは、多くの利点を有しうる。なんらかの理論に従うものではないが、アルカリ土類金属により、ある種のプラズマ特性が変化し、たとえばイオン化ポテンシャルが上昇すると考えられる。次に、プラズマのイオン化ポテンシャルが上昇すると、より大きい電流でより高いプラズマ安定性を得ることができ、それにより、より速い溶着速度、たとえば30ポンド/時を超える溶着速度を維持することができる。さらに、別に記載したように、アルカリ土類金属原子は、得られる溶接ビード中に実質的に混入されないため、得られる溶接物の機械的性質の低下を防止することができる。なんらかの理論に従うものではないが、粒界中のアルカリ土類金属の新しい相の形成および/または過度の蓄積を防止することができる。
図3A~3Bの金属コア電極に関して前述したある実施形態によると、金属コア電極(GMAW-C)はガス金属アーク溶接であり、この場合、シールドガスによってシールドが得られる。前述のように、ガス金属アーク溶接は、管状電極中に含まれるフラックスによってシールドが得られるフラックスコアードアーク溶接(FCAW)と区別できる。フラックス剤は、フラックスコアードアーク溶接(FCAW)の場合にスラグを形成する。FCAWでは、フラックスの材料が最終溶接ビード中に混入されることは意図されない。その代わり、フラックスはスラグを形成し、これは溶接完了後に除去される。したがって、本明細書に記載の金属コア電極の種々の実施形態では、コアはさらなるフラックス剤を含有しない。
金属コア電極とフラックスコア電極とは、得られるビード特性に基づいてさらに区別可能であることが理解されよう。種々の実施形態によると、本明細書に記載の金属コア電極では、得られる溶接ビードの面上にスラグの島が形成される。対照的に、フラックスコア電極では、得られる溶接ビードの面の広範囲のスラグの被覆が形成される。たとえば、金属コア電極によって形成されるスラグの島は、溶接ビードの表面積の50%未満、30%未満、または10%未満を覆うことができる。対照的に、フラックスコア電極によって形成されたスラグは、溶接ビードの表面積の50%を超え、70%を超え、または90%を超えて覆うことができる。電極中のアルカリ土類金属の量および配列は、高速溶接用の金属コア電極のコア中に存在する場合により有利となりうるが、実施形態がそれらに限定されるものではなく、本明細書に記載の概念は、別の電極の構成、たとえばフラックスコア電極に使用することができる。
図4は、実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)を含むコアを有する金属コア電極ワイヤ40の概略図である。金属コア電極ワイヤ40は、シース44を含む。シース44の第1のベース金属組成物は、図2Aの電極20に関して前述した鋼組成物またはアルミニウム組成物のいずれか1つを含むことができる。金属コア電極40は、図3Aの粒子32または図3Bの粒子36a、36bに関して前述した構成のいずれか1つまたは組合せによる第2のベース金属組成物および/または1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む粒子40aを含むコア48をさらに含む。金属コア電極40のコア48は、実施形態による1種類以上のフッ素含有粒子40bをさらに含む。ある別の実施形態では、コア48は、1種類以上のフッ素非含有粒子40cをさらに含む。
何らかの理論によって束縛しようとするものではないが、フッ素含有粒子40b中のフッ素含有化合物は、スラグの性質を変化させてビード形状を改善するため、たとえば形成された溶接ビード上のガストラッキング傾向を軽減するために使用される。たとえば、芋虫に類似したクレーターが溶接ビード表面上に観察される場合に観察される現象であるガストラッキングは、フッ素含有化合物が存在する場合に減少させることができる。なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、たとえば、スラグが溶融池よりもはるかに速く固化する高速凝固スラグ系(ルチル系)においてガストラッキングが観察されうる。スラグが急速に固化するため、溶融溶接部から発生するガスは部分的に捕捉され、それによって溶接ビードの表面上にクレーターが形成される。
なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、フッ素含有粒子40b中のフッ素含有化合物はスラグの融点を低下させることもできる。スラグの融点がより低いことで、スラグがより長時間溶融状態で残存することができ、それにより、より長時間の溶融溶接部からのガスの発生、およびスラグ中へのガスの溶解が可能となる。スラグ中へのフッ素の混入は、HFの形成を促進することもでき、それによって溶接部からの水素が減少し、それにより溶接システム中の水素分圧が低下して、ガストラッキングの発生が減少する。
ある実施形態によると、フッ素含有粒子40bはフルオロポリマーを含むことができる。フッ素含有化合物がフルオロポリマーを含む場合、そのフルオロポリマーは、各モノマーが少なくとも1つのフッ素原子で置換される2~約10の炭素原子を含有する炭化水素モノマーのホモポリマーであってよい。たとえば、フルオロポリマーは、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリヘキサフルオロプロピレンなどのフルオロカーボンポリマー、ならびにフッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーなどのコポリマーから形成することができる。
実施形態では、フルオロポリマーポリマーは約1,000°F未満の融点を有し、それによって粒子形態でコア48中に混入することができ、電極の形成および遠心中にその組成が維持される。ソリッドワイヤの製造に使用される溶融または合金化プロセス中にポリマーが分解する可能性があるため、図2Aに関して前述したようなソリッド金属ワイヤ電極中にフルオロポリマーを使用することはあまり実際的でない場合があることは理解されよう。
本明細書に開示される種々の実施形態では、電極ワイヤ中のフッ素(F)の濃度は、電極ワイヤの全重量を基準として約0.02重量%~約2重量%、約0.1重量%~約1.5重量%、または約0.5重量%~約1.0重量%、たとえば約0.7重量%である。
フッ素含有粒子40bが、非ポリマーまたは無機のフッ素含有化合物、たとえばフッ化アルミニウム、フッ化バリウム、フッ化ビスマス、フッ化カルシウム、フッ化マンガン、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム、フッ化ストロンチウム、ポリテトラフルオロエチレン(Teflon(登録商標)など)、NaSiF、KSiF、NaAlF、および/またはKAlFを含む別の実施形態が可能であるが、別のまたはさらなるフッ素含有化合物を使用できることが理解されよう。
本発明によるフッ素非含有粒子40cは、遷移金属酸化物、たとえば、酸化チタン(たとえば、ルチルなど)および/または遷移金属含有化合物(たとえば、ケイチタン酸カリウム、ケイチタン酸ナトリウムなど)を含む。一般に、フッ素非含有粒子の重量パーセントは、たとえば約0.5~10:1、典型的には約0.5~5:1、より典型的には約0.7~4:1の比でフッ素含有化合物の重量%よりも多い。
図5は、実施形態による、オープンアーク溶接の場合に約30ポンド/時以上の速度で溶接金属を溶着させるための前述の溶接電極を使用するために構成されたアーク溶接システム50を示している。特に、アーク溶接システム50は、GMAW、FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAW、または実施形態によるアルカリ土類金属を含む溶接電極を使用できる同様のアーク溶接プロセス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に詳細に示されるように、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に電気的に結合し、第2の電極として機能する工作物57にさらに電気的に結合する。溶接ワイヤドライブは、溶接ガン59に連結され、溶接システム50の操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。ある実装形態では、溶接電源52は、溶接ガン59に結合して直接電力を供給することもできる。
例示の目的で、図5が、作業者が溶接トーチを操作する半自動溶接の構成を示していることが理解されよう。しかし、本明細書に記載の金属コア電極は、ロボット機械が溶接トーチを操作するロボット溶接セル中に有利に使用することができる。
溶接電源52は、交流電流電源(たとえば、AC電力網、エンジン/発電機の組、またはそれらの組合せ)から入力電力を受け取り、入力電力を調整し、DCまたはACの出力電力を溶接システム50に供給する電力変換回路を含む。溶接電源52は、溶接ワイヤドライブ54に電力を供給することができ、次にこれが溶接ガン59に電力を供給する。溶接電源52は、AC入力電力を、DC正側またはDC負側出力、DC可変極性、パルスDC、または可変平衡(たとえば、平衡または不平衡)AC出力に変換するように構成された回路素子(たとえば、変圧器、整流器、スイッチなど)を含むことができる。約30ポンド/時を超える速度で溶接金属の溶着が実現できるように、溶接電源52は、約100アンペア~約1000アンペア、または約400アンペア~約800アンペアの出力電流が得られるように構成されることは理解されよう。
シールドガス供給部58は、実施形態により、シールドガスまたはシールドガス混合物を1つ以上のシールドガス源から溶接ガン59まで供給するように構成される。本明細書において使用される場合、シールドガスは、特定の局所雰囲気を得るために(たとえば、アークのシールド、アーク安定性の改善、金属酸化物の形成の制限、金属表面のぬれ性の改善、溶着物の化学的性質の変質などのために)アークおよび/または溶融池に供給できるあらゆるガスまたはガス混合物を意味することができる。ある実施形態では、シールドガス流は、シールドガスまたはシールドガス混合物(たとえば、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、二酸化炭素(CO)、酸素(O)、窒素(N)、同様の適切なシールドガス、またはそれらのあらゆる混合物)であってよい。たとえば、シールドガス流は、一部の例として、Ar、Ar/CO混合物、Ar/CO/O混合物、Ar/He混合物を含むことができる。
ワイヤドライブ54は、ワイヤ供給の開始、停止、および速度を十分に制御するための永久磁石モーターを含むことができる。約30ポンド/時を超える速い溶接金属溶着速度を可能にするために、約50インチ/分(ipm)~約2000ipm、約400ipm~約1200ipm、または約600ipm~約1200ipmのワイヤ供給速度が得られるようにワイヤドライブ54が構成される。
操作中、溶接ガン59は、ワイヤドライブ54からの溶接電極と、溶接ワイヤドライブ54からの電力と、シールドガス供給部58からのシールドガス流とを受け取って、工作物57上でアーク溶接を行う。溶接ガン59は、図1に関して前述したように消耗溶接電極と工作物57との間でアークが形成されるように、工作物57に十分近づけられる。前述したように、溶接電極の組成を制御することにより、アークおよび/または得られる溶接部の化学的性質(たとえば、組成および物理的特性)を変化させることができる。
図6によると、金属アーク溶接の方法60が記載される。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であって、この導電性ワイヤが、金属コアワイヤの全重量を基準として0.005%~10%の濃度の1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む、ステップ62を含む。1種類以上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る。方法60は、溶接ワイヤの材料から形成される溶融液滴の安定した流れを得る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/時を超える溶着速度で工作物上に溶融液滴を溶着させるステップ66をさらに含む。
方法60において、消耗溶接ワイヤを提供するステップ62は、たとえば図2A、3A、3B、および4に関して前述した任意の溶接ワイヤを提供するステップを含む。
方法60において、電流を印加するステップ64は、ある実施形態によるとプラズマ不安定性事象の平均数が約10事象/秒未満に維持されるように、約300アンペア~約600アンペア、約400アンペア~約700アンペア、または約500アンペア~約800アンペアの平均電流を印加するステップを含む。ある別の実施形態によると、電流を印加するステップ64は、約400アンペア~約700アンペア、約500アンペア~約800アンペア、または約600アンペア~約900アンペアのピーク電流を印加するステップを含む。
方法60において、溶着ステップ66は、ある実施形態によると約20ポンド/時を超える、30ポンド/時を超える、40ポンド/時を超える、または50ポンド/時を超える溶着速度で溶着させるステップを含む。ある別の実施形態では、溶着ステップ66は、実施形態によると、約20ポンド/時~約70ポンド/時、約30ポンド/時~約80ポンド/時、約40ポンド/時~約90ポンド/時、または約50ポンド/時~約100ポンド/時の溶着速度で溶着させるステップを含む。このような溶着速度は、実施形態によると、前述の電流レベルの印加と、約200m/分~約400m/分、約300m/分~約500m/分、または約400m/分~約600m/分のワイヤ供給速度との組合せによって実現できる。
図7は、実施形態による1種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤの実験的アーク不安定性の監視結果を示すグラフ70である。y軸は1秒当たりの不安定性事象数を表し、x軸は溶接電極を流れる平均電流を表す。本明細書に記載されるように、アーク不安定性事象は、消耗電極と工作物との間で測定される溶着電流が、平均値の約3標準偏差を超えて急速に変化する持続溶着アーク中の事象として定義される。実際には、このような不安定性事象は、溶接ビードの外観および機械的性質に悪影響を与えるため、このような事象ができる限り少ない頻度で生じる電流値で溶接が行われる。
さらに図7を参照すると、監視結果74は、一実施形態によるアーク溶接電極の結果である。特に、使用した溶接電極は、アルカリ土類金属元素と鋼組成物を主成分とするベース金属組成物とを含むコア溶接ワイヤであった。監視結果74を得るために使用した溶接電極は、一実施形態による鋼組成物と合金化した0.12重量%のCaと、鋼組成物と合金化した0.12重量%のBaと、およびポリテトラフルオロエチレンの形態の0.7%のフッ素とを含有する直径1.4mmの電極であった。比較として、監視結果72を得るために使用した溶接電極は、この制御電極がCa、Ba、またはポリテトラフルオロエチレンの形態のフッ素を含有しないことを除けば、監視結果74を得るために使用した溶接電極と類似の組成を有する直径1.4mmであった。
両方の監視結果74および72の場合において、約24V~約37Vの一定電圧(CV)モードを使用し、同じ軟鋼T継手(横向姿勢)および同じ溶接パラメータの組を用いて、ロボット制御による溶接電極の溶接を行った。すべての個別の溶接部で、瞬間溶接電圧および電流を20kHzの頻度(20,000サンプル/秒)で記録した。本明細書に記載されるように、アーク不安定性事象(または電圧不安定性事象)は、溶接電圧が(設定電圧)から約10ボルト未満の値まで瞬時に低下することを意味する。なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、このようなアーク不安定性事象は、金属移行の「スプレー移行」状態と一般に呼ばれるものから逸脱した場合に相当しうる。図示されるように、監視結果72では、アーク不安定性事象数は、約300アンペアの平均電流で、約20未満まで、約500アンペアの平均電流で約0まで大幅に減少する。対照的に、制御電極の監視結果74では、アーク不安定性事象数は、約200アンペアの平均電流で約10未満まで、約250アンペアの平均電流で約0まで大幅に減少する。すなわち、実施形態によるアルカリ土類金属元素を有する電極の最適な操作計画は、アルカリ土類金属元素を有さない制御電極よりも速い溶着速度および大きい電流値となることが理解されよう。特に、実施形態による電極を用いて高溶着速度を実現するために最適な操作電流値は、アルカリ土類金属元素を有さない制御電極を使用する場合よりも少なくとも100~200アンペア大きい。
特定の実施形態を本明細書で説明してきたが、これらの実施形態は単なる例として提供したものであり、本開示の範囲の限定を意図するものではない。実際には、本明細書に記載の新規な装置、方法、およびシステムは、種々の他の形態で具体化することができ、さらに、本開示の意図から逸脱することなく、本明細書に記載の方法およびシステムの形態の種々の省略形態、置換形態、および変更形態が可能である。前述の種々の実施形態の要素および行為のあらゆる適切な組合せを組み合わせてさらなる実施形態を得ることができる。添付の請求項およびそれらの均等物は、本開示の範囲および意図の範囲内となるそのような形態または修正形態を含むことを意図している。
2 工作物
4 電極
6 消耗電極ワイヤ
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 グラフ
29a 濃度
29b 濃度
30a 金属コア電極
30b 金属コア電極
32 粒子
34 シース
36a 粒子
36b 粒子
38a コア
38b コア
40 金属コア電極
40a 粒子
40b フッ素含有粒子
40c フッ素非含有粒子
44 シース
48 コア
50 アーク溶接システム
52 溶接電源
54 溶接ワイヤドライブ
56 電極供給部
57 工作物
58 シールドガス供給部
59 溶接ガン
60 金属アーク溶接の方法
62 ステップ
64 ステップ
66 ステップ
70 グラフ
72 監視結果
74 監視結果

Claims (17)

  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、
    第1のベース金属組成物を有するシースであって、該第1のベース金属組成物は鋼組成物である、シースと;
    前記シースによって取り囲まれるコアであって該コアはBaと合金化される第2のベース金属組成物を有する粒子を含み、該Baは、前記消耗金属コア溶接ワイヤの全重量を基準として0.1%より大きく、10%未満の濃度で存在する、コアと
    を含む消耗金属コア溶接ワイヤであって、
    存在する場合、前記コア中の非金属原子の元素が前記消耗金属コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として5%未満の濃度で存在し、
    前記コアは、前記消耗金属コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として0.5%~2%の濃度のフルオロポリマーをさらに含む、消耗金属コア溶接ワイヤ。
  2. Baの前記濃度は、前記消耗金属コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として0.5%未満である、請求項1に記載の溶接ワイヤ。
  3. 前記第1のベース金属組成物と前記第2のベース金属組成物とが異なる金属または金属合金組成物を含む、請求項1に記載の溶接ワイヤ。
  4. 前記第1のベース金属組成物と前記第2のベース金属組成物とが同じ金属または金属合金組成物を含む、請求項1に記載の溶接ワイヤ。
  5. 前記消耗金属コア溶接ワイヤがガス金属アーク溶接(GMAW)用に構成されている、請求項1に記載の溶接ワイヤ。
  6. 前記コアは遷移金属酸化物をさらに含む、請求項5に記載の溶接ワイヤ。
  7. 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用いるステップであって、前記消耗コア溶接ワイヤが、前記消耗コア溶接ワイヤの全重量を基準として0.005%~10%の濃度の1種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、前記1種類以上のアルカリ土類金属元素の原子が前記消耗コア溶接ワイヤのベース金属組成物と合金化される、ステップと;
    前記消耗コア溶接ワイヤの溶融液滴の安定した流れを得る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;
    13.6kg/時を超える溶着速度で工作物上に前記溶融液滴を溶着させるステップと
    を含む方法。
  8. 前記消耗コア溶接ワイヤが、シースによって取り囲まれたコアを有する金属コア溶接ワイヤであり、前記コアが、前記1種類以上のアルカリ土類金属元素と合金化される前記ベース金属組成物を有する粒子を含む、請求項7に記載の方法。
  9. ガス金属アーク溶接(GMAW)であり、非金属原子の元素が前記コアに存在する場合、前記コアは、前記消耗コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として5%未満の濃度で非金属原子の元素を含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記工作物上に前記溶融液滴を溶着させるステップが、得られる溶接ビードの表面上に、前記得られる溶接ビードの前記表面の全体を実質的に覆うことなくスラグの島を形成するステップを含むような濃度で前記非金属原子の元素が存在する、請求項9に記載の方法。
  11. ガス金属アーク溶接(GMAW)であり、前記コアがフルオロポリマーをさらに含む、請求項8に記載の方法。
  12. 前記フルオロポリマーが前記消耗コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として2%以下の濃度で存在する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記電流を印加するステップが、アーク不安定性事象の平均数を10事象/秒未満に維持するために400アンペア~700アンペアの平均電流を印加するステップを含む、請求項7に記載の方法。
  14. 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、前記消耗コア溶接ワイヤの全重量を基準として0.005%~10%の濃度の1種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、前記1種類以上のアルカリ土類金属元素の原子が前記消耗コア溶接ワイヤのベース金属組成物と合金化される、消耗コア溶接ワイヤと;
    前記消耗コア溶接ワイヤの溶融液滴の安定した流れを得る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;
    13.6kg/時を超える溶着速度で工作物上に前記溶融液滴を溶着させるように構成された溶接ガンと
    を含む金属アーク溶接のシステム。
  15. 前記消耗コア溶接ワイヤが、シースによって取り囲まれたコアを有する金属コア溶接ワイヤであり、前記コアが、前記1種類以上のアルカリ土類金属元素と合金化される前記ベース金属組成物を有する粒子を含む、請求項14に記載のシステム。
  16. 前記電源が、溶接中のアーク不安定性事象の平均数を10事象/秒未満に維持するために400アンペア~700アンペアの平均電流を印加するように構成される、請求項15に記載のシステム。
  17. 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、
    第1のベース金属組成物を有するシースであって、該第1のベース金属組成物は鋼組成物である、シースと;
    前記シースによって取り囲まれるコアであって、該コアは1つ以上のアルカリ土類金属元素と合金化される第2のベース金属組成物を有する粒子を含み、該1つ以上のアルカリ土類金属は、前記消耗金属コア溶接ワイヤの全重量を基準として0.1%より大きく、10%未満の濃度で存在する、コアと
    を含む消耗金属コア溶接ワイヤであって、
    存在する場合、前記コア中の非金属原子の元素が前記消耗金属コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として5%以下の濃度で存在し、
    前記消耗金属コア溶接ワイヤがガス金属アーク溶接(GMAW)用に構成され、前記コアは、前記消耗金属コア溶接ワイヤの前記全重量を基準として0.5%~2%の濃度のフルオロポリマーをさらに含む、消耗金属コア溶接ワイヤ。
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