KR102210291B1 - 관형의 용접 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 용접에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)과 같은 아크 용접을 위한 용접 와이어에 관한 것이다. 하나의 실시예에서, 관형의 용접 와이어는 외피 및 코어를 포함하고, 코어는 유기 안정제 성분을 포함한다. 또한, 유기 안정제 성분은 용접하는 동안 공작물의 표면 가까이에 수소를 방출하도록 구성되는 유기 하위 성분을 포함하고, 1족 금속, 2족 금속 또는 이들의 조합을 포함한다.

Description

관형의 용접 와이어{A TUBULAR WELDING WIRE}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2012년 8월 28일자로 출원된 "용접 전극을 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭이 붙여진 미국 출원 제13/596,713호의 일부계속출원으로서, 모든 목적에서 전체로서 그 개시가 참조로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 용접에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding(GMAW)) 또는 플럭스 코어 아크 용접(Flux Core Arc Welding(FCAW))과 같은 아크 용접을 위한 전극에 관한 것이다.
용접은 다양한 응용을 위해 다방면의 산업에서 편재하게 된 공정이다. 예를 들어, 용접은 조선, 해양 구조물(offshore platform), 건설, 파이프 밀(pipe mill) 등과 같은 응용에 대개 사용된다. 특정 용접 기술(예를 들면, 가스 메탈 아크 용접, 가스 실드 플럭스 코어 아크 용접(Gas-shielded Flux Core Arc Welding FCAW-G)), 가스 텅스텐 아크 용접(Gas Tungsten Arc Welding(GTAW))은 용접 공정 동안 용접 아크 및 용접 풀(pool) 내에 그리고 주위에 국부적 분위기(local atmosphere)를 제공하기 위하여 일반적으로 실드 가스(shielding gas)(예를 들면, 아르곤, 이산화탄소 또는 산소)를 전형적으로 사용하는 반면, 다른 용접 기술(예를 들면, 플럭스 코어 아크 용접(Flux Core Arc Welding(FCAW)), 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding(SAW)), 피복 아크 용접(Shielded Metal Arc Welding(SMAW))은 그렇지 않다. 게다가, 특정 유형의 용접은 용접 와이어의 형태로 용접 전극을 포함할 수 있다. 용접 와이어는 일반적으로 용접 공정 동안 용접부를 위한 필러(filler) 금속의 공급을 제공할 수 있고 또한 전류를 위한 통로를 제공할 수 있다. 또한, 특정 유형의 용접 와이어(예를 들면, 관형의(tubular) 용접 와이어)는 용접 공정 및/또는 결과물인 용접부의 성질을 일반적으로 바꿀 수 있는 하나 이상의 성분(예를 들면, 플럭스, 아크 안정제(arc stabilizer) 또는 다른 첨가제)을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 관형의 용접 와이어는 외피 및 코어를 포함하고, 코어는 유기 안정제 성분을 포함한다. 또한, 유기 안정제 성분은 용접하는 동안 공작물의 표면 근처에 수소를 방출하도록 구성되는 유기 하위 성분을 포함하고, 1족 금속, 2족 금속 또는 이들의 결합을 포함한다.
다른 실시예에서, 관형의 용접 와이어는 외피 및 코어를 포함한다. 또한, 코어는 희토류 규화물(rare earth silicide) 성분을 포함하고, 그 희토류 규화물은 세륨, 란타늄 또는 이들의 결합을 포함한다.
다른 실시예에서, 관형의 용접 와이어는 코팅된 금속 공작물을 용접하도록 구성되고, 분당 대략 30인치보다 큰 진행 속도에서 용접부의 인치당 대략 0.25인치 미만의 다공성(porosity)을 가지는 용접부를 제공하도록 구성된다.
도면 전체에 걸쳐 유사한 부호는 유사한 부품을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 본 발명의 이들 및 다른 특징, 양상 및 이점이 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접(GMAW)의 블록선도(block diagram)이고;
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 관형의 용접 와이어의 횡단면도이고;
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 공작물을 용접하기 위해 관형의 용접 와이어가 사용될 수 있는 공정이고, 그리고
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 관형의 용접 와이어를 제조하기 위한 공정이다.
본 개시의 하나 이상의 구체적인 실시예가 아래에 설명될 것이다. 이들 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로서, 실제 실행의 모든 특징이 명세서에 설명되지 않을 수 있다. 임의의 그러한 실제의 실행을 전개함에 있어서, 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서처럼, 시스템과 관련된 그리고 사업과 관련된 제약에 따르는 것과 같은, 매 실행마다 달라질 수 있는 개발자의 특정한 목표를 성취하기 위해서 수많은 실행특유의(implementation-specific) 결정이 내려져야 한다는 것이 인식되어야 한다. 게다가, 그러한 전개 노력은 복잡하고 시간이 많이 걸릴 수 있지만 그럼에도 불구하고 이 개시의 이점을 가지는 통상의 기술자에게는 설계, 제작, 제조에서 일상의 일일 것이라는 점이 인식되어야 한다.
본 개시의 다양한 실시예의 구성요소를 소개할 때, 관사는 그 구성요소가 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하기 위한 목적이 있다. "포함하는" 및 "가지는"의 용어의 사용은 포함하기 위한 목적이며 기재된 구성요소 외에도 추가적인 구성요소가 있을 수 있다는 것을 의미하기 위한 목적이다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "관형의 용접 전극" 또는 "관형의 용접 와이어"는 금속 외피(metal sheath) 및 금속 코어(metal-cored) 또는 플럭스 코어(flux-cored) 용접 전극과 같은 알갱이가 있는(granular) 또는 분말(powdered) 코어를 가지는 임의의 용접 와이어 또는 전극을 지시할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 용어 "안정제" 또는 "첨가제"는 아크의 품질, 용접부의 품질, 그 밖에 용접 공정에 영향을 미치는 관형의 용접의 임의의 성분을 지시하는데 일반적으로 사용될 수 있다는 것 또한 인식되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때 "대략"은, 임의의 실시예에서, 실제 값보다 0.01% 미만, 0.1% 미만 또는 1% 미만의 차이(예를 들면, 더 높거나 더 낮은)를 나타낼 수 있는 대략의 값을 일반적으로 지시할 수 있다. 즉, "대략의" 값은, 임의의 실시예에서, 정해진 값(stated value)의 0.01%이내, 0.1%이내, 또는 1%이내(예를 들면, 플러스 또는 마이너스)까지 정밀(accurate)할 수 있다.
언급된 것과 같이, 임의의 유형의 용접 전극(예를 들면, 관형의 용접 와이어)은 용접 공정 및 결과물인 용접의 성질을 일반적으로 바꿀 수 있는 하나 이상의 성분(예를 들면, 플럭스, 아크 안정제 또는 다른 첨가제)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임의의 현재 개시된 용접 전극 실시예는 코팅된 공작물(예를 들면, 아연 도금된 공작물)을 용접하는데 도움이 되는 환원하는 분위기를 제공하면서 아크의 안정도를 일반적으로 향상시킬 수 있는 유기 안정제(예를 들면, 유도화된 셀룰로오스 기초의 성분)를 포함한다. 임의의 현재 개시된 용접 전극 실시예는 용접하는 동안 아크의 용입(penetration) 및 형상을 일반적으로 제어하게 할 수 있는 희토류 규화물 성분 또한 포함할 수 있다. 또한, 개시된 용접 전극 실시예는, 이하에 자세히 제시된 바와 같이, 예를 들어, 탄소 성분(예를 들면, 흑연, 카본 블랙 또는 다른 적절한 탄소 성분) 및 응집된(agglomerated) 안정제 성분(예를 들면, 칼륨/티탄산염/망간산염 응집체)과 같은 다른 성분을 포함할 수 있다.
따라서, 현재 개시된 용접 전극은, 심지어는 높은 진행 속도(예를 들면, 40인치/분 이상의 속도)에서도 코팅된(예를 들면, 아연 도금, 갈바닐드 하는 등) 공작물 및/또는 더 가는(thinner)(예를 들면, 20-, 22-, 24-게이지 또는 더 가는) 공작물의 용접 가능성을 향상시킨다. 게다가, 개시된 용접 전극은 상이한 용접 구성(예를 들면, 직류정극성(direct current electrode negative(DCEN)), 직류역극성(direct current electrode positive(DCEP)), 교류(AC) 등) 및/또는 상이한 용접 방법(예를 들면, 용접하는 동안 원형의 또는 구불구불한 용접 전극의 움직임을 수반하는)하에서 만족스러운 용접부를 일반적으로 가능하게 한다. 게다가, 임의의 현재 개시된 용접 전극은 우수한 열 전달 및 증착율을 제공하기 위해 특정 지름(예를 들면, 0.030인치, 0.035인치, 0.040인치 또는 다른 적절한 지름)으로 인발(draw)될 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 개시에 따른 용접 전극(예를 들면, 관형의 용접 와이어)을 활용하는 가스 메탈 아크 용접(GMAW) 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 본 논의는 도 1에 도시되는 특히 GMAW 시스템(10)에 초점을 맞출 수 있지만, 현재 개시되는 용접 전극은 용접 전극을 사용하는 임의의 아크 용접 공정(예를 들면, FCAW, FCAW-G, GTAW, SAW, SMAW 또는 유사한 아크 용접 공정)을 이롭게 할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 용접 시스템(10)은 용접 전력원(12), 용접 와이어 공급기(14), 가스 공급 시스템(16) 및 용접 토치(18)를 포함한다. 용접 전력원(12)은 용접 시스템(10)에 전력을 일반적으로 공급하고 케이블 다발(20)을 통해 용접 와이어 공급기(14)에 결합될 수 있을 뿐만 아니라 클램프(26)를 가지는 리드 케이블(24)을 사용하여 공작물(22)에 결합될 수 있다. 도시된 실시예에서, 용접 시스템(10)의 작동중에 소모가능한 관형의 용접 와이어(즉, 용접 전극) 및 전력을 용접 토치(18)에 공급하기 위하여, 용접 와이어 공급기(14)는 케이블 다발(28)을 통해 용접 토치(18)에 결합된다. 다른 실시예에서, 용접 전력 유닛(12)은 용접 토치(18)에 결합할 수 있고 용접 토치(18)에 전력을 직접적으로 공급할 수 있다.
용접 전력원(12)은 교류 전력원(30)(예를 들면, AC 전력망, 엔진/발전기 세트 또는 이들의 결합)으로부터 입력 전력을 수신하고, 입력 전력을 조절하고, 케이블(20)을 통해 DC 또는 AC 출력 전력을 제공하는 전력 변환 회로를 일반적으로 포함할 수 있다. 이와 같이, 용접 전력원(12)은 용접 시스템(10)의 요구에 따라 용접 와이어 공급기(14)에 전력을 제공할 수 있고, 이어서 용접 토치(18)에 전력을 공급한다. 용접 전력원(12), 공작물(22) 및 용접 토치(18) 사이의 회로를 폐쇄하기 위해서, 클램프(26) 내에서 종결하는 리드 케이블(24)은 용접 전력원(12)을 공작물(22)에 결합한다. 용접 시스템(10)의 요구에 의해 명령된 바에 따라, 용접 전력원(12)은 AC 입력 전력을 직류역극성(DCEP) 출력, 직류정극성(DCEN) 출력, DC 가변극성, 펄스 DC, 가변 균형(예를 들면, 균형 또는 불균형) AC 출력으로 변환할 수 있는 회로 구성요소(예를 들면, 변환기, 정류기, 스위치 등)를 포함할 수 있다. 현재 개시되는 용접 전극(예를 들면, 관형의 용접 와이어)은 수많은 상이한 전력 구성에 대해 용접 공정의 개선(예를 들면, 향상된 아크 안정도 및/또는 향상된 용접부 품질)을 가능하게 할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
도시된 용접 시스템(10)은 하나 이상의 실드 가스 공급원(17)으로부터 용접 토치(18)에 실드 가스 또는 실드 가스 혼합물을 제공하는 가스 공급 시스템(16)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 가스 공급 시스템(16)은 가스 도관(32)을 통해 용접 토치(18)에 직접 결합된다. 다른 실시예에서, 가스 공급 시스템(16)은 와이어 공급기(14)에 대신 결합될 수 있고, 그리고 와이어 공급기(14)는 가스 공급 시스템(16)으로부터 용접 토치(18)로의 가스의 유동을 조절할 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 실드 가스는 특정한 국부적 분위기(예를 들면, 아크를 실드하고, 아크 안정성을 향상시키고, 금속 산화물의 형성을 제한하고, 금속 표면의 웨팅(wetting)을 향상시키고, 용착물(weld deposit)의 화학적 성질을 바꾸는 것 등)를 제공하기 위해 아크 및/또는 용접 풀에 제공될 수 있는 임의의 가스 또는 가스의 혼합물을 지시할 수 있다. 임의의 실시예에서, 실드 가스 유동은 실드 가스 또는 실드 가스 혼합물(예를 들면, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 질소(N2), 유사한 적절한 실드 가스 또는 이들의 임의의 혼합물) 일 수 있다. 예를 들어, 실드 가스 유동(예를 들면, 도관(32)을 통해 배달되는)은 Ar, Ar/CO2 혼합물, Ar/CO2/O2 혼합물, Ar/He 혼합물 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 실드 가스 유동은 90% Ar 및 10% CO2를 포함할 수 있다.
따라서, 도시된 용접 토치(18)는 공작물의 GMAW를 수행하기 위하여, 용접 전극(즉, 관형의 용접 와이어), 용접 와이어 공급기(14)로부터 전력과, 가스 공급 시스템(16)으로부터 실드 가스 유동을 일반적으로 수용한다. 작동 중, 소모 가능한 용접 전극(즉, 용접 토치(18)의 접촉 첨단을 빠져 나오는 용접 와이어) 및 공작물(22) 사이에 아크(34)가 형성될 수 있도록 용접 토치(18)가 공작물(22) 가까이에 오게 할 수 있다. 게다가, 이하에 논의되는 바와 같이, 용접 전극(즉, 관형의 용접 와이어)의 구성을 제어함으로써, 아크(34) 및/또는 결과물인 용접부의 화학적 성질(예를 들면, 구성 및 물리적 성질)이 변화될 수 있다. 예를 들어, 용접 전극은 용접 공정에 영향을 미칠 수 있는 플럭싱(fluxing) 또는 합금 성분(예를 들면, 아크 안정제로서 역할)을 포함할 수 있고 또한 용접부 내부로 적어도 부분적으로 합쳐질 수 있는데, 이는 용접부의 기계적 성질에 영향을 미친다. 또한, 용접 전극(즉, 용접 와이어)의 특정 성분은 아크 가까이에 추가적인 실드 분위기를 또한 제공할 수 있고, 아크(34)의 전달 성질에 영향을 미칠 수 있으며, 공작물의 표면을 탈산화하는 것 등을 할 수 있다.
현재 개시되는 용접 와이어의 실시예의 횡단면도가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 알갱이가 있는 또는 분말 코어(54)(필러로 또한 지시됨)를 싸고 있는 금속 외피(52)를 포함하는 관형의 용접 와이어(50)를 도시한다. 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 하나 이상의 미국 용접 협회(AWS) 규격을 준수할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 AWS A5.18[가스 실드 아크 용접용 탄소강 전극 및 로드를 위한 명세서("SPECIFICATION FOR CARBON STEEL ELECTRODES AND RODS FOR GAS SHEILDED ARC WELDING")] 및/또는 AWS A5.36[플럭스 코어 아크 용접용 탄소 및 저합금강 플럭스 코어 전극 및 가스 금속 아크 용접용 금속 코어 전극을 위한 명세서("SPECIFICATION FOR CARBON AND LOW-ALLOY STEEL FLUX CORED ELECTRODES FOR FLUX CORED ARC WELDING AND METAL CORED ELECTRODES FOR GAS METAL ARC WELDING")]에 부합할 수 있다.
도 2에 도시되는 관형의 용접 와이어(50)의 금속 외피(52)는 임의의 적절한 금속 또는 스틸(steel)과 같은 합금으로 제조될 수 있다. 금속 외피(52)의 구성은 결과물인 용접부의 구성 및/또는 아크(34)의 성질에 영향을 미칠 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 임의의 실시예에서, 금속 외피(52)는 관형의 용접 와이어(50)의 전체 중량의 대략 80% 내지 90%를 차지할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 금속 외피(52)는 관형의 용접 와이어(50)의 전체 중량의 대략 84% 또는 대략 86%를 제공할 수 있다.
이와 같이, 금속 외피(52)는 소망하는 용접부 성질을 제공하도록 선택될 수 있는 임의의 첨가제 또는 불순물(예를 들면, 합금 성분, 탄소, 알칼리 금속, 망간 또는 유사한 화합물 또는 원소)을 포함할 수 있다. 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 금속 외피(52)는 상대적으로 적은(예를 들면, 더 낮은 또는 환원된) 양의 탄소(예를 들면, 중량으로 대략 0.06% 미만, 대략 0.07% 미만 또는 대략 0.08% 미만 탄소)를 포함하는 저탄소 스트립일 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 금속 외피(52)는 중량으로 대략 0.07% 내지 0.08% 의 탄소를 포함할 수 있다. 게다가, 임의의 실시예에서, 금속 외피(52)는 일반적으로 소수의 함유물을 가지는 스틸로 제조될 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 금속 외피(52)는 중량으로 대략 0.25% 내지 대략 0.5% 또는 대략 0.34% 망간을 포함할 수 있다. 추가의 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 금속 외피(52)는 중량으로 대략 0.02% 미만의 인 또는 황을 포함할 수 있다. 금속 외피(52)는, 임의의 실시예에서, 중량으로 대략 0.04% 미만 실리콘, 중량으로 대략 0.05% 미만 알루미늄, 중량으로 대략 0.1% 미만 구리 및/또는 중량으로 대략 0.02% 미만 주석 또한 포함할 수 있다.
도시된 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 일반적으로 압축된(compacted) 분말일 수 있다. 임의의 실시예에서, 알갱이가 있는 코어(54)는 관형의 용접 와이어(50)의 전체 중량의 대략 7% 내지 대략 40% 또는 대략 10% 내지 대략 20%를 차지할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 알갱이가 있는 코어(54)는 관형의 용접 와이어(50)의 전체 중량의 대략 14%, 대략 15% 또는 대략 16%를 제공할 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 아래에 논의되는 알갱이가 있는 코어(54)의 성분은 알갱이가 있는 코어(54)의 내부에 균질하게 또는 비균질하게(예를 들면, 덩어리(clump)로 또는 무리(cluster)로) 배치될 수 있다. 예를 들어, 임의의 용접 전극 실시예의 알갱이가 있는 코어(54)(예를 들면, 금속 코어 용접 전극)는 적어도 용접부를 위한 필러 금속의 일부를 제공할 수 있는 하나 이상의 금속(예를 들면, 철, 티타늄 철, 규소 철 또는 다른 합금 또는 금속)을 포함할 수 있다. 구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 알갱이가 있는 코어(54)는 대략 70% 내지 대략 75%의 철 분말, 페로타이타늄(예를 들면, 40% 그레이드), 페로-마그네슘-규소 및 페로-규소 분말(예를 들면, 50% 그레이드, 불안정화)과 같은 다른 합금 성분을 포함할 수 있다. 관형의 용접 와이어(50) 내부에 제시될 수 있는 성분의 다른 예(즉, 하나 이상의 탄소 공급원 및 하나 이상의 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 화합물에 더하여)는 일리노이 툴 워크스사(Illinois Tool Works, Inc.)로부터 입수할 수 있는 METALLOY X-CEL™용접 전극에서 찾을 수 있는 것과 같은, 다른 안정화, 플럭싱, 합금 성분을 포함한다.
게다가, 관형의 용접 와이어(50)의 현재 개시되는 실시예는 알갱이가 있는 코어(54) 내에 배치되는 유기 안정제를 포함할 수 있다. 유기 안정제는 하나 이상의 알칼리 금속 이온(예를 들면, 1족: 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)) 또는 알칼리 토금속 이온(예를 들면, 2족: 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba))을 포함하는 임의의 유기 분자일 수 있다. 즉, 임의의 실시예에서, 유기 안정제는 탄소, 수소 및 산소를 포함하는 유기 하위 성분(예를 들면, 유기 분자 또는 중합체)을 포함하고, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온에 화학적으로(예를 들면, 공유적 또는 이온적) 결합할 수 있다. 다른 실시예에서, 유기 안정제는 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 염(예를 들면, 산화칼륨, 황산칼륨, 산화나트륨 등)과 혼합되는(예를 들면, 화학적으로 결합한 것이 아닌) 유기 하위 성분(예를 들면, 셀룰로오스와 같은 중합체 또는 유기 분자)을 포함할 수 있다.
구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 유기 안정제는 나트륨 또는 칼륨 염(예를 들면, 카복시메틸셀룰로오스 나트륨 또는 칼륨)을 형성하도록 유도체화되는 셀룰로오스 사슬을 포함하는 셀룰로오스 기초의(예를 들면, 셀룰로오스를 함유하는) 성분일 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 셀룰로오스 기츠의 유기 안정제는 대략 0.5에서 대략 2.5의 범위의 치환도(DS)를 가지는 카복시메틸셀룰로오스 나트륨일 수 있다. 일반적으로, 유도체화된 셀룰로오스의 DS는 다당류의 각각의 단위체 유닛 내에 치환된 히드록실 작용기(moieties)의 평균 개수를 나타내는 0 내지 3의 실수일 수 있다. 다른 실시예에서, 유기 안정제는 하나 이상의 1족/2족 이온을 포함하는 다른 유기 분자일 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 유기 안정제는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염을 형성하기 위해 이용할 수 있는 하나 이상의 카복실산 또는 황산염 작용기를 가지는 다당류 또는 유도체화된 당(예를 들면, 유도체화된 수크로오스, 글루코스 등)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 유기 안정제는 비누 같은 분자(예를 들면, 도데실황산나트륨 또는 스테아르산나트륨) 또는 알지네이트를 포함할 수 있다. 게다가, 임의의 실시예에서, 유기 안정제는 중량으로 알갱이가 있는 코어(54)의 대략 10% 미만, 대략 0.05% 내지 대략 5%, 대략 0.1% 내지 대략 3%, 대략 0.25% 내지 대략 2.5%, 대략 0.5% 내지 대략 1.5% 또는 대략 1%를 차지할 수 있다. 게다가, 임의의 실시예에서, 유기 안정제는 중량으로 관형의 용접 와이어(50)의 대략 5% 미만, 대략 0.05% 내지 대략 3%, 대략 0.08% 내지 대략 2%, 대략 0.1% 내지 대략 1% 또는 대략 0.15%를 차지할 수 있다.
관형의 용접 와이어(50)의 유기 안정제 성분은, 용접부 내로 많은 기공을 들여오지 않고 환원 환경(예를 들면, 수소가 풍부한)이 용접 아크 가까이에 제공될 수 있도록 적절한 레벨로 유지될 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 유기 분자는 아크의 상태하에서 수소를 발생시킬 수 있고 이것은 연강(mild steel)에 다공성의 및/또는 약한 용접부를 야기할 수 있기 때문에, 현재 개시되는 바와 같이, 적어도 1족/2족 이온의 일부를 용접 아크로 전달하는 수단으로서 유기 분자를 활용하는 것은 폭넓게 사용되지 않을 수 있다는 것 또한 인식되어야 한다. 그러나 아래에 제시되는 바와 같이 현재 개시되는 유기 안정제의 사용은, 심지어 코팅된(예를 들면, 아연 도금된) 및/또는 가는 공작물 상에 높은 진행 속도에서 용접을 할 때에도, 품질 좋은 용접부(예를 들면, 낮은 다공성의 용접부)를 제공한다.
게다가, 관형의 용접 와이어(50)의 현재 개시되는 실시예는 알갱이가 있는 코어(54) 내에 배치되는 탄소 성분을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 알갱이가 있는 코어(54) 및/또는 금속 외피(52) 내에 존재하는 탄소 공급원은 여러 형태로 존재할 수 있고 아크(34)를 안정화시킬 수 있고 및/또는 용접부의 탄소 함유량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 흑연, 그래핀(graphene), 나노튜브, 풀러렌(fullerenes) 및/또는 유사한 실질적으로 sp2-혼성화된 탄소 공급원이 관형의 용접 와이어(50)에서 탄소 공급원으로 활용될 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 그래핀 또는 흑연은 또한 탄소 시트 사이의 사이 공간(interstitial space)에 존재할 수 있는 다른 성분(예를 들면, 수분, 가스, 금속 등)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 실질적으로 sp3- 혼성화된 탄소 공급원(예를 들면, 마이크로- 또는 나노-다이아몬드, 탄소 나노튜브, 벅키볼(buckyballs))이 탄소 공급원으로서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 실질적으로 무정형의 탄소(예를 들면, 카본 블랙, 램프 블랙(lamp black), 그을음(soot) 및/또는 유사한 무정형의 탄소 공급원)가 탄소 공급원으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 개시는 이 성분을 "탄소 공급원"으로 지시할 수 있지만, 탄소 공급원은 탄소가 아닌 원소(예를 들면, 산소, 할로겐, 금속 등)를 포함하는 화학적으로 변형된 탄소 공급원일 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 대략 20%의 망간 함유량을 포함할 수 있는 알갱이가 있는 코어(54) 내에 카본 블랙 성분을 포함할 수 있다. 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 탄소 성분은 분말 또는 알갱이가 있는 흑연일 수 있다. 게다가, 임의의 실시예에서, 탄소 성분은 중량으로 알갱이가 있는 코어(54)의 대략 10% 미만, 대략 0.01% 내지 대략 5%, 대략 0.05% 내지 대략 2.5%, 대략 0.1% 내지 대략 1% 또는 대략 0.5%를 차지할 수 있다. 임의의 실시예에서, 탄소 성분은 중량으로 관형의 용접 와이어(50)의 대략 5% 미만, 대략 0.01% 내지 대략 2.5%, 대략 0.05% 내지 대략 0.1% 또는 대략 0.08%를 차지할 수 있다.
또한, 위에 논의된 유기 안정제에 더하여, 관형의 용접 와이어(50)는 아크(34)를 더 안정화하기 위해 하나 이상의 무기 안정제를 또한 포함할 수 있다. 즉, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 1족 및 2족 원소(예를 들면, Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba)의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 예시 화합물의 비제한적인 목록은 1족(즉, 알칼리 금속) 및 2족(즉, 알칼리 토금속) 규산염, 티탄산염, 탄산염, 할로겐화물, 인산염, 황화물, 수산화물, 산화물, 과망간산염, 규소할로겐화물, 장석, 폴루사이트, 휘수연석 및 몰리브덴산염을 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 티탄산염망간칼륨(potassium manganese titanate), 황산칼륨, 나트륨장석, 칼륨장석 및/또는 탄산리튬을 포함할 수 있다. 구체적인 예에 의하면, 알갱이가 있는 코어(54)는 칼륨 공급원으로서 규산칼륨, 티탄산칼륨, 알긴산칼륨, 탄산칼륨, 플루오르화칼륨, 인산칼륨, 황화칼륨, 수산화칼륨, 산화칼륨, 과망간산칼륨, 규플루오르화칼륨, 칼륨장석, 몰리브덴산칼륨(potassium molybdates) 또는 이들의 결합을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 안정화 화합물의 유사한 예는 정극성 금속 코어 와이어("Straight Polarity Metal Cored Wires")라는 명칭이 붙은 미국 특허 제7,087,860호 및 정극성 금속 코어 와이어("Straight Polarity Metal Cored Wires")라는 명칭이 붙은 미국 특허 제6,723,954호에 설명되어 있고, 모든 목적에서 전체로서 양자 모두 참조 되어 포함된다.
또한, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)의 임의의 실시예에서, 하나 이상의 무기 안정제는 알갱이가 있는 코어(54) 내에 응집체(agglomerate) 또는 프릿(frit)의 형태로 포함될 수 있다. 즉, 관형의 용접 와이어(50)의 임의의 실시예는 용접하는 동안 아크를 안정화할 수 있는 응집체 또는 프릿 내에 위에 설명된 무기 안정제 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "응집체" 또는 "프릿"은 혼합물의 성분이 서로 밀접한 접촉을 하도록 하소로 또는 오븐에서 불에 쬐여지거나 가열되는 화합물의 혼합물을 지시한다. 응집체는 응집체를 형성하기 위해 사용되는 혼합물의 각각의 성분에 비하여 미묘하게 또는 실질적으로 상이한 화학적 및/또는 물리적 성질을 가질 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 현재 개시되는 바와 같이 응집(agglomerating)은 비응집 재료보다 용접 환경에 더 적당한 프릿을 제공할 수 있다.
임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 하나 이상의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 화합물(예를 들면, 산화칼륨, 산화나트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 다른 적절한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 화합물)의 응집체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 화합물 및 다른 산화물(예를 들면, 이산화규소, 이산화티타늄, 이산화망간 또는 다른 적절한 금속 산화물)의 혼합물의 응집체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 관형의 용접 와이어(50)의 하나의 실시예는 산화칼륨, 실리카 및 티타니아의 혼합물을 포함하는 응집된 칼륨 공급원을 포함할 수 있다. 추가의 예에 의하면, 관형의 용접 와이어(50)의 다른 실시예는 알갱이가 있는 코어(54) 내에 산화칼륨(예를 들면, 중량으로 대략 22% 내지 25%), 산화규소(예를 들면, 중량으로 대략 10% 내지 18%), 이산화티타늄(예를 들면, 중량으로 대략 38% 내지 42%), 산화망간 또는 이산화망간(예를 들면, 중량으로 대략 16% 내지 22%)의 혼합물을 가지는 다른 안정화 응집체를 포함할 수 있다. 임의의 실시예에서, 응집체는 중량으로 대략 5% 내지 75% 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 화합물(예를 들면, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 다른 적절한 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 화합물) 또는 중량으로 대략 5% 내지 95%의 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속(예를 들면, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 또는 다른 적절한 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속)을 포함할 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 응집체 혼합물에 존재하는 각각의 성분의 상대적인 양을 선택할 때 다른 화학적 및/또는 물리적 요인(예를 들면, 응집체의 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 로딩, 산도, 안정도 및/또는 흡습성의 최대화)이 고려될 수 있다. 게다가, 임의의 실시예에서, 응집체는 중량으로 알갱이가 있는 코어(54)의 대략 10%미만, 대략 0.1% 내지 대략 6%, 대략 0.25% 내지 대략 2.5%, 대략 0.5% 내지 대략 1.5% 또는 대략 1%를 차지할 수 있다. 임의의 실시예에서, 응집체는 중량으로 관형의 용접 와이어(50)의 대략 5%미만, 대략 0.05% 내지 대략 2.5%, 대략 0.1% 내지 대략 0.5% 또는 대략 0.15%를 차지할 수 있다.
게다가, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 용접 공정을 제어하기 위해 다른 성분을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 희토류 원소는 아크(34)의 안정도 및 열전달 성질에 일반적으로 영향을 미칠 수 있다. 이와 같이, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 희토류 원소(예를 들면, 세륨, 란타넘) 및 다른 비희토류 원소(예를 들면, 철 및 규소)를 포함할 수 있는 Rare Earth Silicide(예를 들면, 일리노이주 로즈몬트시의 밀러 앤드 컴퍼니(Miller and Company of Rosemont, Illinois)로부터 입수가능)와 같은 희토류 성분을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 세륨 또는 란타넘을 포함하는 임의의 재료(예를 들면, 니켈 란타넘 합금)가 본 접근의 효과를 손상하지 않는 양으로 사용될 수 있다. 구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 희토류 성분은 중량으로 알갱이가 있는 코어(54)의 대략 10%미만, 대략 0.01% 내지 대략 8%, 대략 0.5% 내지 대략 5%, 대략 0.25% 내지 대략 4%, 대략 1% 내지 대략 3%, 대략 0.75% 내지 대략 2.5% 또는 대략 2%를 차지할 수 있다. 임의의 실시예에서, 희토류 성분은 중량으로 관형의 용접 와이어(50)의 대략 5%미만, 대략 0.01% 내지 대략 2.5%, 대략 0.1% 내지 대략 0.75% 또는 대략 0.3%를 차지할 수 있다.
또한, 관형의 용접 와이어(50)는, 추가적으로 또는 택일적으로, 아크 안정성을 제공하고 결과물인 용접부의 화학적 성질을 제어하기 위해 다른 원소 및/또는 광물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54) 및/또는 금속의 외피(52)는 임의의 원소(예를 들면, 티타늄, 망간, 지르코늄, 플루오린 또는 다른 원소) 및/또는 광물(예를 들면, 황철석, 자철석 등)을 포함할 수 있다. 구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예는 알갱이가 있는 코어(54) 내에 규화지르코늄, 지르코늄니켈 또는 티타늄, 알루미늄 및/또는 지르코늄의 합금을 포함할 수 있다. 특히, 다양한 황화물, 황산염 및/또는 아황산염 화합물(예를 들면, 이황화몰리브덴, 황화철, 아황산망간, 황산바륨, 황산칼슘, 황산칼륨과 같은)을 포함하는 함황 화합물 또는 함황 화합물 또는 광물(예를 들면, 황철석, 석고 또는 유사한 함황 화학종)이 비드 형상을 향상시키고 슬래그(slag) 분리를 용이하게 함으로써 결과물인 용접부의 품질을 향상시키기 위해 알갱이가 있는 코어(54) 내에 포함될 수 있고, 이는 아래에 논의되는 바와 같이 아연 도금된 공작물을 용접할 때 특히 유용할 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 복수의 황 공급원(예를 들면, 아황산망간, 황산바륨 및 황철석)을 포함할 수 있는 반면, 관형의 용접 와이어(50)의 다른 실시예는 많은 양의 다른 황 공급원(예를 들면, 황철석 또는 황화철)을 포함함이 없이 오로지 단 하나의 황 공급원(예를 들면, 황산칼륨)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)의 알갱이가 있는 코어(54)는 대략 0.01% 내지 대략 0.5% 또는 대략 0.2% 황산칼륨을 포함할 수 있다.
일반적으로 말하면, 관형의 용접 와이어(50)는 공작물(22)에 아크(34)의 형성을 일반적으로 안정화할 수 있다. 이와 같이, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 용접 공정의 하나 이상의 양상(예를 들면, 증착률, 진행 속도, 스플래터(splatter), 비드 형상, 용접부 품질 등)을 향상시킬 수 있다. 아크(34)의 향상된 안정도는 코팅된 금속 공작물 및 더 가는 공작물의 용접을 일반적으로 가능하게 할 수 있고 향상시킬 수 있다는 것이 또한 인식되어야 한다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 코팅된 금속 공작물은 아연 도금된, 갈바닐드(galvanealed)(예를 들면, 아연도금 및 어닐링의 조합) 또는 유사한 아연 코팅된 공작물을 포함할 수 있다. 예시 코팅된 공작물의 비제한적 목록은 디피드(dipped), 도금된(plated)(예를 들면, 니켈-도금, 구리-도금, 주석-도금 또는 전기도금 또는 유사한 금속을 사용하여 화학적으로 도금된), 크롬 도금된, 아질산염 코팅된, 알루미늄 도금된 또는 가탄된(carburized) 공작물을 더 포함한다. 예를 들어, 아연 도금된 공작물의 경우에, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 공작물(22)의 외부 상에 아연 코팅에 불구하고 우수한 용접부를 얻을 수 있도록 일반적으로 아크(34)의 안정도를 향상시키고 용입을 제어할 수 있다. 게다가, 아크(34)의 안정도를 향상시킴으로써, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 일반적으로 다른 용접 전극을 사용하여 가능할 수 있는 것에 비해 더 가는 공작물의 용접을 일반적으로 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 대략 14-, 16-, 18-, 20-, 22-, 24-게이지를 가지는 금속 또는 심지어 더 가는 공작물을 용접하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 대략 5mm 미만, 3mm 미만 또는 심지어는 대략 1.5mm 미만의 두께를 가지는 공작물의 용접을 가능하게 할 수 있다.
또한, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 분당 30 또는 심지어 40인치를 초과하는 진행 속도에서 용접(예를 들면, 가는 게이지 아연 도금된 스틸의 용접)을 가능하게 한다. 예를 들어, 관형의 용접 와이어(50)는 낮은 용접부 다공성과 함께 분당 40인치(예를 들면, 분당 35 또는 45 인치)를 넘는 진행 속도에서 고품질 필릿(fillet) 용접부를 용이하게 가능하게 한다. 즉, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 다른 고체 코어, 금속 코어 또는 플럭스 코어 용접 와이어 보다 더 높은 진행 속도(예를 들면, 50% 내지 75% 더 높음)를 가능하게 한다. 더 높은 진행 속도는 더 높은 생산율(예를 들면, 생산라인에서)을 가능하게 하고 비용을 줄일 수 있다. 게다가, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 폭넓은 작동 공정 윈도우를 사용하여 우수한 오차 조정(gap handling)을 보이고 훌륭한 용접부 성질(예를 들면, 강도, 연성, 외관 등)을 제공한다. 또한, 관형의 용접 와이어(50)는 다른 고체 코어, 메탈 코어 또는 플럭스 코어 용접 와이어에 비해 더 적은 연기 및 스패터(spatter)를 일반적으로 만들어낸다.
또한, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 특정한 유형의 공작물을 위해 용접 시스템(10)의 강인성을 더 향상시킬 수 있는 임의의 용접 방법 또는 기법(예를 들면, 용접 공정 동안 용접 전극이 특정한 방식으로 이동하는 기법)과 또한 조합될 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50) 및 공작물(22) 사이(예를 들면, 단지 관형의 용접 와이어(50)의 외피(52) 및 공작물(22) 사이)에 아크(34)를 유지하기 위해 용접 토치(18) 내에서 소망하는 패턴(예를 들면, 원형의, 스핀 아크(spin arc)의 또는 구불구불한 패턴)으로 전극을 순환적 또는 주기적으로 이동시키도록 용접 토치(18)가 구성될 수 있다. 구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 모든 목적에서 전체로서 참조로서 모두 포함되는 "직류 정극성의 회전 아크 용접 방법 및 시스템"("DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method And System")을 명칭으로 하는 미국 특허가출원 제61/576,850호, "직류 정극성의 회전 아크 용접 방법 및 시스템"("DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method And System")을 명칭으로 하는 미국 특허출원 제13/681,687호 및 "적응식 회전 아크 용접 방법 및 시스템"("Adaptable Rotating Arc Welding Method And System")을 명칭으로 하는 미국 특허가출원 제61/676,563호에서 설명되는 것과 같은 용접 방법과 함께 활용될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 그러한 용접 기법은 가는 공작물(예를 들면, 20-, 22-, 24-게이지 두께를 가지는)을 용접할 때 특히 유용할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
도 3은 개시되는 용접 시스템(10) 및 관형의 용접 와이어(50)를 사용하여 공작물(22)이 용접될 수 있는 공정(60)의 실시예를 도시한다. 도시된 공정(60)은 관형의 용접 전극(50)(즉, 관형의 용접 와이어(50))을 용접 장치(예를 들면, 용접 토치(18))에 공급(블록 62)하면서 시작한다. 위에 제시된 바와 같이, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 하나 이상의 유기 안정제 성분(예를 들면, 카복시메틸셀룰로오스나트륨), 하나 이상의 탄소 성분(예를 들면, 흑연 분말) 및 하나 이상의 희토류 성분(예를 들면, 희토류 규화물)을 포함할 수 있다. 또한, 관형의 용접 와이어(50)는 대략 0.024인치 내지 0.062인치, 대략 0.030인치 내지 대략 0.060인치, 대략 0.035인치 내지 대략 0.052인치 또는 대략 0.040인치의 외경을 가질 수 있다. 임의의 실시예에서, 용접 시스템(10)은 분당 30인치 보다 크거나 분당 40인치 보다 큰 진행 속도를 가능하게 하기 위해 적절한 속도로 관형의 용접 와이어(50)를 공급할 수 있다는 것이 또한 인식될 수 있다.
게다가, 공정(60)은 용접 장치의 접촉 첨단(예를 들면, 토치(18)의 접촉 첨단) 가까이에 실드 가스 유동(예를 들면, 100% 아르곤, 100% 이산화탄소, 75% 아르곤/25% 이산화탄소, 90% 아르곤/10% 이산화탄소 또는 유사한 실드 가스 유동)을 제공(블록 64)하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 가스 공급 시스템(예를 들면, 도 1에 도시되는 가스 공급 시스템(16)과 같은)을 사용하지 않는 용접 시스템이 사용될 수 있고 관형의 용접 와이어(50)의 하나 이상의 성분(예를 들면, 탄산칼륨)이 실드 가스 성분(예를 들면, 이산화탄소)를 제공하기 위해 분해될 수 있다.
다음, 관형의 용접 와이어(50) 및 공작물(22) 사이에 아크(34)를 발생시키고 유지하기 위해 공작물(22) 가까이에 관형의 용접 와이어(50)가 가져 오게(블록 66)할 수 있다. GMAW 시스템(10)을 위해, 예를 들어, DCEP, DCEN, DC 가변 극성, 펄스 dc, 평형 또는 불평형 AC 전력 구성을 사용하여 아크(34)가 생산될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 일단 아크(34)가 공작물(22)에 설정되면, 관형의 용접 와이어(50)(예를 들면, 필러 금속 및 합금 성분)의 일부가 용착물의 용접 비드를 형성하기 위해 공작물(22)의 표면상의 용접 풀 내부로 이동(블록 68)될 수 있다. 그 동안에, 아크의 전기적 성질 및 결과물인 용착물의 화학적 및 기계적 성질을 제어하기 위해, 관형의 용접 와이어(50)의 나머지 성분들은 아크 안정제, 슬래그 형성제 및/또는 탈산제로서 역할을 하도록 관형의 용접 와이어(50)로부터 방출(블록 70)될 수 있다.
구체적인 예에 의하면, 임의의 실시예에서, 유기 안정제의 1족 또는 2족 금속(예를 들면, 칼륨 및 나트륨 이온)은 유기 안정제로부터 일반적으로 분리될 수 있고 아크에 안정화 효과를 제공할 수 있다고 보인다. 그 동안, 유기 부분(예를 들면, 적어도 탄소 및 수소를 포함하지만 산소를 포함 가능한)은 용접 위치에 또는 가까이에 환원(예를 들면, 수소가 풍부한) 환경을 제공하기 위해 아크의 상태하에서 분해될 수 있다고 보인다. 따라서, 이론에 구속됨을 바라는 것은 아니지만, 결과물인 환원 분위기는, 그리고 현재 개시되는 1족/2족 안정화 금속, 희토류 성분, 순환 운동 등과 잠재적인 조합 내에서, 심지어 코팅된 공작물을 용접할 때 또는 갭 채움(gap fill)을 수행할 때에도 높은 진행 속도 및 낮은 다공성을 가능하게 하는 용접 해결책을 제공하는 것으로 보인다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 더 가는 공작물 뿐만 아니라 페인트칠된, 아연 도금된, 갈바닐드된, 도금된, 알루미늄 도금된, 크롬 도금된, 가탄된(carburized) 또는 다른 유사한 코팅된 공작물의 용접을 일반적으로 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)의 임의의 실시예는, 심지어 갭 채움(예를 들면, 1~3mm 갭 채움)을 수행할 때에도 높은 진행 속도(예를 들면, 분당 30인치를 초과하는) 및 낮은 다공성을 유지하면서, 5mm 미만 또는 4mm 미만의 두께를 가지는 공작물 또는 대략 1.3mm 또는 1.2mm의 두께를 가지는 공작물의 용접을 가능하게 할 수 있다.
공정(60)에 따른 개시되는 관형의 용접 와이어(50)의 실시예를 사용하여 전용접(all-weld) 금속 용접 실험예에 대한 결과가 아래의 표 1에 제시된다. 표 1에 도시되는 용접부 화학적 성질은 철에 의해 제공되는 나머지 퍼센트와 함께 용접부 금속의 특정 성분(예를 들면, 전체 용접부 금속의 대략 3%)이 차지한다는 것이 인식되어야 한다. 표 1에 도시된 바와 같이, 결과물인 용접부를 위한 샤르피-V-노치 값은 대략 -30°C에서 대략 35 풋파운드(ft. lbs)이고 대략 -40°C에서 대략 24 풋파운드이다. 임의의 실시예에서, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)를 사용하여 형성되는 용접부의 샤르피-V-노치 값은 일반적으로 대략 20 풋파운드 내지 대략 45 풋파운드의 범위에 있다. 게다가, 표 1에 도시되는 실험에서, 결과물인 용접부는 대략 제곱 인치당 116 킬로파운드(kpsi)의 최대인장강도(UTS)를 견디었고 대략 105kpsi(예를 들면, 20%의 연신율(elongation)을 가지고)의 항복강도(YS)를 견디었다. 임의의 실시예에서, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)를 사용하여 형성되는 용접부는 대략 100kpsi 내지 대략 130kpsi의 범위 내에 있는 UTS 및/또는 대략95kpsi 내지 대략 115kpsi의 범위 내에 있는 YS 및/또는 대략 10% 내지 대략 40%의 연신율을 가질 수 있다.
또한, 본 접근은 심지어 코팅된 공작물을 용접할 때에도 높은 진행 속도(예를 들면, 30인치/분 또는 40인치/분을 초과하여)에서 낮은 다공성의(예를 들면, 낮은 표면 다공성 및/또는 낮은 전체 다공성)의 용접부를 얻을 수 있게 한다는 것이 인식되어야 한다. 임의의 실시예에서, 현재 개시되는 관형의 용접 와이어(50)에 의해 가능하게 되는 낮은 다공성은 실질적으로 기공이 없는 용접부를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 개시되는 관형의 용접 와이어(50)는 각각의 구멍(pores)의 각기 지름과 같거나 또는 더 큰 거리에 의해 서로 분리되어 있는 오로지 작은 빈공간(voids) 또는 구멍(pores)(예를 들면, 지름이 대략 1.6mm 미만)을 가지는 낮은 다공성의 용접부를 제공할 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 기공은 하나의 방향에서(예를 들면, 용접부축을 따라) 용접부의 거리마다 마주치는 구멍의 지름의 합으로 표시될 수 있다. 그러한 실시예에서, 용접부는 대략 용접부의 인치당 0.3인치 미만, 대략 용접부의 인치당 0.25인치 미만, 대략 용접부의 인치당 0.2인치 미만 또는 대략 용접부의 인치당 0.1인치 미만의 다공성을 가질 수 있다. 용접부의 기공은 X-ray 분석, 현미경 분석 또는 다른 적절한 방법을 사용하여 측정될 수 있다.
용접 파라미터 용접부 화학적 성질(%)
암페어 270 탄소 0.126
볼트 28 망가니즈 1.671
전류 DCEN 인 0.009
와이어 공급 속도 425 in/min 황 0.012
진행 속도 10 in/min 규소 0.883
-29°C에서샤르피-V-노치 35 ft. lbs. 구리 0.039
-40°C에서샤르피-V-노치 24 ft. lbs. 크롬 0.045
인장강도(UTS) 116 kpsi 바나듐 0.005
인장강도(YS) 105 kpsi 니켈 0.017
몰리브덴 0.006
알루미늄 0.014
티타늄 0.033
니오븀 0.002
코발트 0.003
붕소 0.0008
텅스텐 0.006
주석 0.003
지르코늄 0.001
안티모니 0.002
비소 0.003
<관형의 용접 와이어(50)의 실시예를 사용하는 용접 실험>
도 4는 관형의 용접 와이어(50)가 제조될 수 있는 공정(80)의 실시예를 도시한다. 공정(80)은 단지 관형의 용접 와이어(50)를 제조하기 위한 하나의 예를 제공한다는 것이 인식될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 제조하기 위한 다른 방법은 관형의 용접 와이어(50)를 생산하기 위해 본 접근의 효과를 손상함이 없이 사용될 수 있다. 즉, 예를 들어, 임의의 실시예에서, 관형의 용접 와이어(50)는 롤 성형의 방법을 통해 또는 코어 구성을 중공의 금속 외피 내부에 채우는 것을 통해 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 방법(80)은 스트립을 부분적으로 원형인 금속 외피(52)로 형성(예를 들면, 반원 또는 골(trough)을 생산)하는 다수의 다이를 통해 납작한 금속 스트립이 공급(블록 82)되는 것에서 시작한다. 금속 스트립이 적어도 부분적으로 금속 외피(52)로 형성된 후에, 그것은 필러(예를 들면, 알갱이가 있는 코어(54))로 채워질 수 있다(블록 84). 즉, 부분적으로 형성된 금속 외피(52)는 다양한 분말 합금, 아크 안정화, 슬래그 형성, 탈산 및/또는 채우는 성분으로 채워질 수 있다. 예를 들어, 다양한 플럭싱 또는 합금 성분 사이에서, 하나 이상의 유기 안정제 성분(예를 들면, 카복시메틸셀룰로오스 나트륨), 하나 이상의 탄소 성분(예를 들면, 흑연 분말) 및 하나 이상의 희토류 성분(예를 들면, 희토류 규화물)이 금속 외피(52)에 추가될 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 다른 성분(예를 들면, 희토류 규화물, 자철석, 티탄산염, 황철석, 철 분말 및/또는 다른 유사한 성분)이 부분적으로 형성된 금속 외피(52)에 추가될 수 있다.
다음으로 도시된 공정(80)에서, 일단 알갱이가 있는 코어 재료(54)의 성분이 부분적으로 형성된 금속 외피(52)에 추가된 다음, 부분적으로 형성된 금속 외피(52)는 그것이 알갱이가 있는 코어 재료(54)를 실질적으로 둘러싸도록(예를 들면, 씸(seam)(58)을 형성) 금속 외피(52)를 일반적으로 밀폐할 수 있는 하나 이상의 장치(예를 들면, 드로잉 다이 또는 다른 적절한 장치)를 통해 공급(블록 86)될 수 있다. 게다가, 밀폐된 금속 외피(52)는, 이후에, 알갱이가 있는 재료(54)를 압축함으로써 관형의 용접 와이어(50)의 원주를 감소시키기 위하여 다수의 장치(예를 들면, 드로잉 다이 또는 다른 적절한 장치)를 통해 공급(블록 88)될 수 있다. 임의의 실시예에서, 이동을 위해 관형의 용접 와이어를 스풀(spool), 릴(reel), 또는 드럼(drum)상에 포장하기 전에, 관형의 용접 와이어(50)는 그 다음 대략 4~6시간 동안 대략 300℉ 내지 대략 650℉로 가열될 수 있지만, 반면 다른 실시예에서는 관형의 용접 와이어(50)는 이러한 가열 단계없이 포장될 수 있다.
본 발명의 임의의 특징만이 여기에 도시되고 설명되었지만, 다수의 변형과 변화가 통상의 기술자에게 떠오를 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위는 발명의 참된 사상 내에 속하는 그러한 모든 변형 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 관형의 메탈 코어 용접 와이어에 있어서,
    알갱이가 있는 코어의 둘레에 배치되는 금속 외피로서, 상기 알갱이가 있는 코어는 유기 안정제 성분을 포함하는 것인 금속 외피를 포함하고,
    상기 유기 안정제 성분은 셀룰로오스 기초의 폴리머에 화학적으로 결합되는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1족 금속 이온과, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 2족 금속 이온 중 하나 이상을 포함하는 셀룰로오스 기초의 폴리머인 유기 하위 성분을 포함하고,
    상기 유기 하위 성분은 용접하는 동안 공작물의 표면 가까이에 수소를 방출하도록 구성되고,
    상기 관형의 메탈 코어 용접 와이어는 중량으로 0.01% 내지 5%의 유기 안정제 성분을 포함하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유기 안정제 성분은 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 0.05% 내지 5%를 구성하거나 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 0.01% 내지 4%를 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 유기 안정제 성분은 알지네이트 또는 스테아르산염(stearate)을 포함하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 유기 안정제 성분은 카복시메틸셀룰로오스의 1족 염 또는 2족 염을 포함하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 알갱이가 있는 코어는 세륨, 란타늄 또는 이들의 화합물을 포함하는 희토류 성분을 포함하고, 상기 희토류 성분은 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 10% 미만을 구성하거나 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 5% 미만을 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 희토류 성분은 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 0.5% 내지 5%를 구성하거나 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 0.01% 내지 2.5%를 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 알갱이가 있는 코어는 흑연, 그래핀, 카본 블랙, 램프 블랙, 탄소 나노튜브, 다이아몬드 또는 이들의 화합물을 포함하는 탄소 성분을 포함하고, 상기 탄소 성분은 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 10% 미만을 구성하거나 또는 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 5% 미만을 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 탄소 성분은 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 0.01% 내지 5%를 구성하거나 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 0.01% 내지 2.5%를 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 알갱이가 있는 코어는 하나 이상의 1족 금속 또는 2족 금속, 티타늄 및 망간의 각각의 산화물을 포함하는 응집체를 포함하고, 상기 응집체는 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 10% 미만을 구성하거나 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 5% 미만을 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 알갱이가 있는 코어는 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 7% 내지 40%를 구성하고, 상기 유기 안정제 성분은 중량으로 상기 알갱이가 있는 코어의 10% 미만을 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 알갱이가 있는 코어는 희토류 규화물 성분을 더 포함하고, 상기 희토류 규화물 성분은 세륨, 란타늄 또는 이들의 화합물을 포함하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 희토류 규화물 성분은 중량으로 상기 관형의 용접 와이어의 0.1% 내지 5%를 구성하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 알갱이가 있는 코어는,
    흑연, 그래핀, 카본 블랙, 램프 블랙, 탄소 나노튜브, 다이아몬드 또는 이들의 화합물을 포함하는 탄소 성분; 및
    하나 이상의 1족 금속 또는 2족 금속, 티타늄 및 망간의 산화물을 포함하는 응집체
    를 포함하는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  17. 청구항 1에 있어서, 코팅된 금속 공작물을 용접하기 위해 구성되는 관형의 용접 와이어로서, 상기 관형의 용접 와이어는 분당 30인치보다 큰 진행 속도에서 용접부의 인치당 0.25인치 미만의 다공성을 가지는 용접부를 제공하도록 구성되는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 다공성은 용접부의 1인치당 0.10인치 미만인 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 용접부는, -40℉에서 20풋-파운드(ft.lbs.)보다 크고 -30℉에서 30풋-파운드보다 큰 샤르피-V-노치 인성(Charpy-V-Notch toughness)을 가지는 것인 관형의 메탈 코어 용접 와이어.

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