JP7204692B2 - 同軸自動送りをともなう電極を使用する溶接の方法および装置 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、材料技術の分野に関し、より詳細には、同軸自動送り（ｃｏａｘｉａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｅｅｄ）をともなう電極を使用する溶接の方法および装置に関する。

超合金の溶接は、これらの合金が最適化されて達成する高強度（および対応する低延性）のために、様々な技術的課題を提示している。課題の１つは、アーク溶接（例えば、ＧＴＡＷ、ＰＡＷ、ＧＭＡＷなど）を介したルーチン処理のための、または、ワイヤによるビーム（例えば、レーザー）処理（例えば、ＬＢＷ）のための、特定の／特有の合金堆積物、すなわち特定の超合金に対する所望の堆積物組成物を提供するために通常製造される溶接フィラー金属ワイヤを含む。このような特異性は、超合金堆積物の様々な組成物を達成しようとする柔軟性を制限している。

当然のことながら、本発明者は、従来技術の溶接フィラー金属ワイヤおよび電極の上記の制限を認識しており、ここでは溶接作業で使用するための新規な電極を開示している。

一実施形態では、溶接作業で使用するための電極が提供される。電極は、それらの間に中空のコアを画定する金属シリンダーを含む。中空のコアは、搬送手段を介してそれらの間に１つまたは複数の材料を搬送するための導管を提供している。シリンダーは、所望の超合金材料の組成物を形成するための純金属または金属合金で形成され、同時に、導管を介して送達される材料は、所望の超合金材料の組成物を形成するための組成物成分の残余を含む。結果として生じる堆積物は、少なくともシリンダー材料およびコアの送達した材料の組み合わせの結果として、所望の超合金組成物を達成する。当然のことながら、シリンダーの純金属または金属合金は、その円筒形状に容易に押し出される（例えば、可塑的に成形される）材料のものである。電極は、シリンダーを取り囲むフラックス材料および／または例えば導管を介して送達されるフラックス材料をさらに含み得る。フラックス材料はまた、溶接作業の結果として、所望の超合金組成物に寄与し得る。搬送手段は、キャリアアシストガス、または１つまたは複数の材料を電極の搬送端部に送達するために電極に操作可能に接続された機械的アセンブリであり得る。

本明細書で提供される開示による電極の一実施形態の概略図である。 本明細書で提供される開示による、図１の電極のさらなる実施形態の概略図である。 本明細書で提供される開示による溶接方法のブロック図を示している。

本発明者は、堆積が困難な種々の合金を堆積するための新規な方法および装置を開発した。本方法は、シールドメタルアーク溶接（ＳＭＡＷ）プロセスの変種を含み、これはスティック溶接または被覆電極溶接とも呼ばれている。この新規なプロセスは、シールド手段、例えば粘着性の被覆フラックスにより取り囲まれてもよい中空の金属または金属合金のシース／コアからなる電極の使用を含む。作業中、中空のシース／コアの金属合金が溶接電流を流し、同時に、フラックス被覆は保護を提供する。溶接作業の間に、中空の金属のシース／コアは溶けて、例えば、堆積物のための母材、例えば、純ニッケルまたは合金化ニッケル、鉄などを提供し、同時に、中空のコアを介して搬送されるフィラー材料は、例えば、所望の堆積物を形成するために必要な残りの材料を提供する。フラックス被覆は、溶接作業の間に溶融し、シールドガスを放出し、（最初は溶融しており、その後固体の）スラグを提供し、溶融堆積物を大気反応から保護する。当然のことながら、フラックスはまた、堆積物の化学的性質に寄与してもよく、溶融池から不純物を除去するように作用してもよい。

当然のことながら、本発明者の新規な電極は、単一電極から様々な堆積物の超合金組成物を形成するための柔軟性を提供している。例えば、ニッケル系超合金の場合、純ニッケル金属シリンダーを含む電極は、任意のニッケル系堆積物の超合金組成物を形成するために使用され、所望の堆積物の組成物を形成するための残りの、または残余の組成成分が電極の中空のコアを介して搬送され得る。別の言い方をすれば、電極を変更する代わりに、所望の堆積物を形成するために電極の中空のコアを通して搬送される材料を変更することにより、例えば、複数の種類のニッケル堆積物を形成することが可能である。電極の実施形態は、本明細書で言及される超合金に加えて他の材料、例えば、ステンレス鋼、酸化物分散強化合金などを含み、および他の材料に応用されてもよく、ここで金属シリンダーが例えば鉄で形成されるとき、ステンレス鋼の堆積物を形成するための残りの成分は中空のコアを介して提供される。

本明細書の主題の実施形態を例示することのみを目的とし、限定するものではない図面を参照すると、図１は、溶接装置、すなわち電極１００の一つの例示的な実施形態の概略図である。

電極１００は、ＳＭＡＷ電極１００であってもよく、溶接作業の間に電流を確立するためにそれらの間に中空のコア１１０を画定するシリンダー１０５、例えば金属シリンダーまたはチューブを含み得る。コア１１０は、それらの間に材料１５０、例えば粉末状の供給材料（例えば、金属合金粉末および／または他の成分）および材料搬送手段、例えば、キャリア（アシスト）ガスまたは回転システムの流れを搬送するための導管を提供するように適合またはサイズ決定された内部（すなわち、コア内部）を画定する円筒形状であり得る。

シリンダー１０５は、元素金属、例えば鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウムなどの延性材料、または所望の材料、例えば超合金材料、例えばニッケルまたはニッケル合金（例えば、ＣＭ２４７、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８、Ｉｎｃｏｎｅｌ ９３９、Ｈａｙｎｅｓ ２８２、ＥＲ ＮｉＣｒ－３・・・）を規定するのに寄与する組成物の元素のサブセットを含む押出し成型可能な金属合金材料で形成され得る。作業中、導管１１０、すなわち電極１００の中空のコア部分は、キャリアガスとともに粉末の形態にある組成成分の残余、例えばＣｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃ、Ｔａなどの搬送を促進し得る。当然のことながら、シリンダー材料とコアの搬送した材料との組み合わせは、予想される揮発性損失の後に、堆積された超合金組成物を達成する結果をもたらす。

キャリア（アシスト）ガスは、任意の既知の種類のアーク溶接アシストガス、例えばアルゴン、ヘリウム、水素、二酸化炭素、酸素、窒素など、またはそれらの混合物であってもよく、電極１００のどの実施形態が提供されるかに応じて任意に必要とされてもよい。アシストガスをともなう粉末の供給速度は、所望の超合金堆積物組成物を達成するために、例えば電極１００の溶融速度と共同して調節され得る。本発明者は、コアの粉末供給速度を傾けるか、もしくは高めて、またはコアの粉末組成物を調節して、堆積物組成物を調整するためにこのアプローチにおける増大した、および潜在的に無限の柔軟性を認識している。

引き続き図面を参照すると、電極１００は、電極の端部と溶接される基材との間にアークが確立されるときに、例えば大気反応からの保護を提供するためのシールド手段１２０をさらに含み得る。一実施形態では、シールド手段は、電極１００の金属合金のコア部分１１０を取り囲み得る接着性フラックス被覆１２０とすることができる。フラックス被覆１２０は、例えば、ＳＭＡＷ作業の間の保護を提供し、および例えば電極の端部と溶接される基材との間にアークが確立されるときの大気反応からの保護を提供し得る。

フラックス被覆１２０は、例えばＳＭＡＷ作業保護の間に、例えば別の保護ソースからの任意のさらなる支援なしに、完全な保護を提供することができるように、全体フラックス被覆であってもよい。追加または代替として、フラックス被覆１２０は、保護機能を支援するために追加のシールド手段を必要とし得る軽減フラックス被覆であり得る。追加または代替として、シールド手段は、導管１１０を通して発射されるか、または搬送されるフラックス材料であり得る。導管から搬送されるフラックスは、例えば、それと共に混合されて同時に供給されるか、または集塊粒子としての、中空のコアの供給材料と共に提供され得る。

さらに別の例示的な実施形態では、シールド手段１２０は、例えば溶接点で、保護または追加の保護を提供するために、導管１１０の周囲または導管１１０を通して供給され得るアシストガスであり得る。追加のシールド手段は、フラックス被覆（全体または軽減）のいずれかとともに、またはフラックス被覆１２０の代わりに提供され得る。追加または代替として、補助シールドガスが、例えば金属合金の管状コアワイヤ１００の外面において追加の保護を提供するために、例えば溶接点において供給され得る。さらに別の実施形態では、追加の粉末状フラックスが、追加のシールド手段として保護を支援するために、導管１１０を通して発射されるか、または搬送され得る。

引き続き図面を参照すると、図２では、電極１００の更なる実施形態が提供されている。図２の実施形態では、中空のコア１１０を通して材料を搬送するための搬送手段は、導管１１０を通して供給材料（例えば、粉末）を機械的に搬送するための機械的アセンブリ２００であり得る。一実施形態では、機械的アセンブリ２００は、コア１１０を通した材料の流れおよび／またはスループットを制御するように操作可能に構成され得る回転スクリューまたはオーガー２００（図２）であり得る。

オーガー２００は、電極１００に対して軸方向に、および電極１００の溶融速度で、引込まれるか、または取り出されるように構成され得る。追加または代替として、電極１００は、例えば溶接作業の間に固定されたオーガーにわたって移動または突出していてもよい。

オーガー２００を介した供給材料（例えば、粉末）の搬送は、オーガー２００の回転速度、オーガースレッディング（フルーティング）の大きさ（深さ）および間隔によって決定され得る。追加または代替として、オーガーの送達端部、すなわち、粉末がオーガー２００を介して搬送される端部は、電極１００の溶接端部（例えば、図２のＡＲＣ）の近くにあるか、存在すべきである。

さらに別の例示的な実施形態では、搬送手段は、音響または超音波のデバイスまたはシステムから発射される１つまたは複数の音波または超音波であり得る。超音波システムは、例えば、電極１００に超音波を生成および／または印加して、導管１１０を通した材料の搬送を高めるように構成され得る。波は、導管１１０の内部および電極１００を通した材料の流れおよびスループットを方向的に制御するために、電極１００に、または導管１１０内部の材料に向けられ得る。

当然のことながら、機械的搬送手段は、キャリアアシストガスとともに、または電極１００を通したコアの供給材料の任意のガスアシスト推進の代わりに使用され得る。搬送手段の任意の組み合わせは、導管１１０を介したコアの供給材料を搬送するために使用され得る。

引き続き図面を参照すると、図３では、電極１００の実施形態を利用する溶接技術（方法）１０００が提供されている。当然のことながら、本明細書で開示されるステップは、特定の順序で実施される必要はなく、ここでは例示的な目的で提供されている。例えば、溶融池を形成する前に、溶融池を形成すると同時に、または溶融池が形成された後に、中空のコア１１０を介して材料を搬送するためのステップがおこり得る。

方法１０００は、超合金基材上に、例えば材料組成物、例えば超合金の材料組成物の堆積物を形成するために電極１００を溶融するステップ（１０１０）を含み得る。当然のことながら、溶接プロセスの間に、電極１００は、例えば、スティンガー３００としても知られている電極ホルダー３００を介して取り扱われ得る。例示的な実施形態では、スティンガー３００は、それを通した材料１５０および／または搬送手段２００（推進ガス、オーガー）の供給を容易にするようにサイズ決めされたか、または適合された少なくとも一部を有する内部または開口部を画定し得る。例えば、図２は、溶接点付近の電極１００の搬送端部における供給材料１５０の搬送のために、それを通してオーガー２００を受け入れるように適合された内部３１０を有するスティンガー３００の実施形態を示している。

電極１００は、供給材料１５０の搬送端部の反対側、すなわち溶接端部の反対側でスティンガー３００によって保持され得る。電極被覆、例えば、フラックス被覆２００の一部はまた、スティンガー３００が電極１００（例えば、金属シリンダー１０５）を保持し、およびそれにより溶接作業の間に溶接電流の接続を確立するために、除去または剥ぎ取られ得る（ＳＣ、図１）。

溶接プロセスの間に、電極１００は、溶接点で消費され得る、すなわち、フラックス被覆１２０を含む電極１００の実施形態では、フラックス被覆１２０と同様に、溶融して溶融池の一部となり得る。溶融池を形成するために、例えば電気アーク、レーザービーム、または溶接技術で使用される他の高エネルギー源を介して、例えば基材は溶融され得る。

金属シリンダー１０５は、例えば、所望の超合金材料の堆積物組成物を形成するために純金属を含み得る。所望の超合金材料の堆積物を形成するための組成成分の残余を含むコアの供給材料１５０は、例えば搬送手段を介して、溶接点に近接した、または溶接点における電極の搬送端部において、導管１１０を通して搬送され得る（１０２０）。金属シリンダー、コアの搬送材料および任意にフラックス被覆を消費すると、溶融シリンダー１０５および搬送材料１５０の組み合わせは、所望の超合金材料の組成物を達成する堆積をもたらし得る。

当然のことながら、作業中、消費時のフラックス被覆１２０は、溶融池および周囲の加熱領域を保護し、大気汚染から基材を保護するシールドガスを生成する。フラックスはまた、溶融池に入り、溶融池の表面にスラグを形成し、これは溶融池が溶接ビードへ固化するときに溶接ビード上に残り得る。溶融池のボリューム内に存在すると同時に、当然のことながら、フラックスはまた、溶融池に存在する不純物を脱酸素および／または除去し得る。表面上に存在すると同時に、スラグはまた、凝固の間に溶融池を形作るのに役立ち得る。フラックス被覆１２０は中性であり得る、すなわち、堆積物組成物に実質的に影響を及ぼさないか、またはフラックスは活性であり得る、すなわち、プロセスの間、例えば溶接作業の間の揮発性損失のために堆積物組成物に追加するか、または補償する。

追加または代替として、方法１０００は、当技術分野で知られ、正しい判断で選択される基材の表面からスラグを除去するための任意の手段を介して、フラックス被覆１２０の溶融からもたらされるスラグを除去するステップを含み得る（１０３０）。

スラグの除去後、必要に応じて、方法１０００は、基材または部品を仕上げ、作業で使用される部品を準備するためのステップを含み得る（１０４０）。このステップ１０４０において、および任意のスラグの除去時に、仕上げおよび準備のステップは、例えば炉を介して、例えば高熱真空炉を介して部品を熱処理することを含み得る。追加または代替として、および熱処理の前または後に、部品は、例えばチップ除去法（例えば、研磨ブラスト媒体を使用する）および／または研削法を介して、仕上げまたは機械加工されて、基材の表面からの望ましくない構造を低減し得る。追加または代替として、仕上げステップは、部品の完全性を検査するための非破壊検査法を含み得る。

当然のことながら、本明細書に記載の電極１００の任意の実施形態およびそれを使用する方法は、電極を利用する溶接プロセス、例えば、コアードワイヤガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）（金属コア、フラックスコア（ＦＣＡＷ）または金属およびフラックスコア）に適用され得る。これらのプロセスは、ワイヤに事前に製造された固定コア材料を有するコイル状ワイヤを利用するが、電極１００の実施形態は、それらの間に中空の内部を画定する金属シース／コアを含む、コイル状である、すなわち、コイル形状に形成され得る。この実施形態では、電極１００はコイル形状を含むため、コアの供給材料は、キャリアアシスト／推進ガス、および同様に、回転して処理点の近くへ供給材料を搬送し得る柔軟なオーガー、例えば溝付きポリウレタンラインを含む本明細書に記載の搬送手段２００のいずれかを介して電極１００の搬送端部まで送達され得る。

特定の実施形態を詳細に説明したが、当業者は、本開示の全体的な教示に照らして、それらの詳細に対する様々な修正および代替を開発できることを認識している。例えば、異なる実施形態に関連して説明された要素を組み合わせることができる。従って、開示された特定の構成は、例示のみを意図しており、添付の特許請求の範囲およびそれに関するあらゆる同等物の全範囲が与えられる特許請求の範囲または明細書の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は他の要素またはステップを除外せず、冠詞「ａ」または「ａｎ」の使用は複数を除外しないことに留意されたい。

１００ 電極
１０５ 金属シリンダー
１１０ 中空のコア
１２０ フラックス被覆
１５０ 供給材料
２００ 搬送手段
３００ スティンガー

Claims (14)

1. 電極（１００）であって、
   溶接端部および中空の内部（１１０）を画定している金属シリンダー（１０５）と、
   前記中空の内部（１１０）に位置し、前記電極の前記溶接端部に向かって前記金属シリンダーに対して移動可能な粉末状供給材料（１５０）と、
   前記金属シリンダーに対して前記粉末状供給材料を移動させるように操作可能な搬送アセンブリとを含み、
   前記金属シリンダーの材料は、所望の超合金材料の組成物を規定するのに寄与する組成物の元素のサブセットを含む押出し成型可能な金属合金材料を含み、前記中空の内部を介して搬送される前記粉末状供給材料は、前記所望の超合金材料の組成物を規定する組成成分の残余を含み、
   前記金属シリンダーの材料は、ニッケル、コバルト、アルミニウム、チタンのうちの１つまたは複数を含み、
   前記搬送アセンブリは、キャリアガス、オーガーを含む機械的アセンブリ、音響システムおよび超音波システムの１つまたは複数を含む、電極。
2. 前記キャリアガスは、アルゴン、ヘリウム、水素、二酸化炭素、酸素、窒素、またはそれらの混合物のうちの１つまたは複数から選択される、請求項１に記載の電極。
3. 前記オーガーは、前記電極の溶融速度で前記電極に対して軸方向に引込むように構成されている、請求項１に記載の電極。
4. 前記オーガーは固定されており、前記電極は、作業中に前記オーガーにわたって突出するように適合されている、請求項１に記載の電極。
5. 前記金属シリンダーを取り囲むフラックス被覆（１２０）をさらに含む、請求項１に記載の電極。
6. 中空のコアに操作可能に接続された搬送手段（２００）を介して、それを通して金属合金の材料を搬送するように適合された中空のコア（１１０）を取り囲むシース（１０５）を含む電極であって、
   前記シースは、所望の超合金材料の組成物の堆積物を形成するための純金属または金属合金の組成物を含み、
   前記中空のコアを介して搬送される前記金属合金の材料は、前記所望の超合金材料の組成物を規定する組成成分の残余を含み、
   前記搬送手段は、前記シースに対して前記中空のコア内で前記金属合金の材料を移動させるように動作可能であり、
   前記純金属は、ニッケル、コバルト、アルミニウム、チタンのうちの１つから選択され、
   前記搬送手段は、キャリアガス、オーガーを含む機械的アセンブリ、音響システムおよび超音波システムの１つまたは複数を含む、電極。
7. 前記シースを取り囲むフラックス被覆をさらに含む、請求項６に記載の電極。
8. 前記搬送手段は、アルゴン、ヘリウム、水素、二酸化炭素、酸素、窒素、またはそれらの混合物のうちの１つまたは複数から選択される推進ガスである、請求項６に記載の電極。
9. シールドメタルアーク溶接の方法であって、
   堆積物の材料組成物を形成するために、基材および請求項１に記載の電極を溶融するステップを含む、方法。
10. 前記堆積物の超合金材料の組成物を形成するために、基材および請求項６に記載の電極の一部を溶融するステップを含む、方法。
11. 前記粉末状供給材料は、キャリアガス、機械的アセンブリ、音響システム、または超音波システムのうちの１つまたは複数を介して、前記中空の内部を介して搬送される、請求項９に記載の方法。
12. 前記電極は、前記電極の搬送端部の反対側の端部におけるスティンガーを介して取り扱われ、前記スティンガーは、前記中空の内部を介して前記粉末状供給材料の搬送を促進するために、前記中空の内部に対応するようにサイズ決めされた内部部分を含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記機械的アセンブリは、前記中空の内部を介して前記粉末状供給材料を搬送し、前記電極の溶融速度で前記電極に対して軸方向に引込むように構成されたオーガーを含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記機械的アセンブリは、前記中空の内部を介して前記粉末状供給材料を搬送し、および固定されたオーガーを含み、前記電極は、前記電極の搬送端部に向かって前記固定されたオーガーにわたって突出する、請求項９に記載の方法。

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