KR20190131433A - 알칼리 토금속을 갖는 용접 전극 와이어 - Google Patents

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바드리 케이 나라야난
옌 치 리아오
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

개시된 기술은 일반적으로 용접에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속 아크 용접용 소모성 전극 와이어, 및 소모성 전극 와이어를 사용하는 금속 아크 용접을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 일 양태에서, 금속 아크 용접 중에 전극 역할을 하도록 구성된 소모성 용접 와이어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함한다.

Description

알칼리 토금속을 갖는 용접 전극 와이어{WELDING ELECTRODE WIRES HAVING ALKALINE EARTH METALS}
개시된 기술은 일반적으로 용접에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 금속 아크 용접을 위한 소모성 전극 와이어에 관한 것이다.
금속 아크 용접 기술에서, 모재를 향해 진행하는 하나의 전극 역할을 하는 소모성 용접 전극 와이어와 다른 전극 역할을 하는 모재 사이에 전기 아크가 생성된다. 아크는 금속 와이어의 팁을 용융시키고, 이로써 용융된 금속 와이어의 액적을 생성하여 모재 상에 용착시켜 용접 비드를 형성한다.
용접 요구 사항의 복잡성이 계속 증가함에 따라, 점점 더 복잡해지는 요구 사항을 해결하기 위한 다양한 기술적 접근법이 제안되고 있다. 예를 들어, 경쟁적인 요구에는 생산성을 위한 높은 용착 속도를 달성하는 동시에 높은 항복 강도, 연성 및 파괴 인성과 같은 외관 및 기계적 특성의 고품질 용접 비드를 달성하는 것이 포함된다.
특히, 무거운 팹(fab) 사용자는 종종 매우 높은 용착 속도, 예를 들어 오픈-아크 용접의 경우 약 30 lbs/hr 또는 그 이상의 용착 속도를 원한다. 일부 용접 기술은 소모품을 개선하여, 예를 들어 전극 와이어의 물리적 디자인 및 조성을 개선함으로써 이와 같은 요구 사항 및 다른 요구 사항을 해결하는 것을 목표로 한다. 그러나, 종래 기술의 전극에서, 그와 같은 높은 용착 속도로의 용착은 종종 플라즈마 아크의 불안정성을 초래하며, 이는 결국 용접 비드의 허용 불가능한 품질을 초래한다. 따라서, 고품질의 용접을 생성하면서 높은 용착 속도로 사용될 수 있는 소모성 용접 전극 와이어가 필요하다.
일 양태에서, 용접 중에 전극 역할을 하도록 구성된 소모성 용접 와이어, 예를 들어 금속 코어드 소모성 용접 와이어는 제1 베이스 금속 조성물을 갖는 시스(sheath)를 포함한다. 용접 와이어는 추가로 시스에 의해 둘러싸이고 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소와 혼합된 제2 베이스 금속 조성물을 갖는 입자를 포함하는 코어를 포함한다.
다른 양태에서, 금속 아크 용접 방법은 전극 역할을 하도록 구성된 소모성 용접 와이어, 예를 들어 금속 코어드 소모성 용접 와이어를 제공하는 단계를 포함하며, 용접 와이어는 금속 코어 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하고, 여기서 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 원자는 베이스 금속 조성물과 합금된다. 방법은 추가로 용접 와이어의 물질로 형성된 용융 액적의 일정한 스트림을 생성하기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 전류를 인가하는 단계를 포함하며, 이에 의해 용융 액적은 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 모재 상에 용착된다.
또 다른 양태에서, 금속 아크 용접을 위한 시스템은 전극 역할을 하도록 구성된 소모성 용접 와이어, 예를 들어 금속 코어드 소모성 용접 와이어를 포함하며, 용접 와이어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 포함하고, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 원자는 베이스 금속 조성물과 합금된다. 시스템은 용접 와이어의 물질로 형성된 용융 액적의 일정한 스트림을 생성하기에 충분한 플라즈마 아크를 생성하기 위해 전류를 인가하도록 구성된 전원을 추가로 포함한다. 시스템은 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용융 액적을 모재 상에 용착하도록 구성된 용접 건(weld gun)을 추가로 포함한다.
또 다른 양태에서, 아크 용접 방법은 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 용접 와이어를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 플라즈마 아크에 전달되는 실질적으로 일정한 전력을 유지하도록 조절하면서 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 양태에서, 아크 용접 방법은 용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 방법은 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계를 추가로 포함한다. 용착은 플라즈마 아크에 전달된 전력의 표준 편차가 플라즈마 아크에 전달된 평균 전력의 2% 미만이 되도록 플라즈마 아크에 전달된 전력을 조절하면서 수행된다.
또 다른 양태에서, 아크 용접 방법은 용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 방법은 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용접 와이어를 용융시켜 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계를 추가로 포함하며, 용착은 플라즈마 아크에 전달된 전력을 조절하면서 수행된다. 전력을 조절하는 것은 전류의 변화량을 제한하는 것을 포함한다.
도 1은 금속 아크 용접 프로세스에서의 전극 구성의 개략도이다.
도 2a는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어의 개략도이다.
도 2b는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어를 사용하는 용접 비드 형성의 개략도이다.
도 2c는 도 2b의 용접 센터라인 AA'에 따른 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 농도 프로파일의 개략도이다.
도 3a는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 코어를 갖는 금속 코어드 전극 와이어의 개략도이다.
도 3b는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 함유하는 코어를 갖는 금속 코어드 전극 와이어의 개략도이다.
도 4는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소 및 함불소 입자를 포함하는 코어를 갖는 금속 코어드 전극 와이어의 개략도이다.
도 5는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어를 사용하여 높은 용착 속도로 구성된 금속 아크 용접 시스템의 개략도이다.
도 6은 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어를 사용하는 금속 아크 용접 방법의 흐름도이다.
도 7은 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어의 실험적 아크 불안정성 모니터링 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 구현예에 따른 전력 조절된 아크 용접 중에 및 정전압 아크 용접 중에 발생된 실험 파형의 비교를 도시한다.
도 9는 다양한 구현예에 따른 전력-조절 아크 용접 방법을 도시한다.
도 10a는 구현예에 따른 전력 조절된 아크 용접 중에 발생된 실험 파형을 도시한다.
도 10b는 정전압 아크 용접 중에 발생된 비교 실험 파형을 도시한다.
도 11a는 구현예에 따라 전력 조절된 아크 용접 중에 발생된 실험 파형을 도시한다.
도 11b는 구현예에 따라 전류의 변화량을 제한하는 것을 포함하는 전력 조절된 아크 용접의 예시적인 방법을 도시한다.
도 1은 금속 아크 용접 프로세스에서의 전극 구성의 개략도이다. 금속 아크 용접, 예를 들어 가스 금속 아크 용접(GMAW : gas-metal arc welding)에서, 전기 아크는 하나의 전극(4)(예를 들어, 양극(+))에 전기적으로 연결된 소모성 금속 와이어(6)와 다른 전극(예를 들어, 음극(-))의 역할을 하는 모재(2) 사이에 생성된다. 그 후, 중성 및 이온화된 가스 분자뿐만 아니라 중성 및 대전된 클러스터 또는 아크에 의해 기화된 금속 와이어(6) 물질의 액적을 함유하는 플라즈마(8)가 유지된다. 소모성 금속 와이어(6)는 모재(2)를 향해 진행하며, 금속 와이어(6)의 용융 액적이 모재 상에 용착되어, 용접 비드가 형성된다.
널리 사용되는 아크 용접 프로세스는 고체 전극 와이어(GMAW) 또는 금속 코어드 와이어(GMAW-C)를 사용할 수 있는 가스 금속 아크 용접 프로세스, 가스 쉴디드 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-G) 또는 셀프 쉴디드 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-S), 쉴디드 금속 아크 용접(SMAW) 및 서브머지드 아크 용접(SAW) 등이 될 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 프로세스(FCAW)를 포함한다.
본원에 기술된 바와 같이, 금속 코어드 전극(GMAW-C)은 성분이 주로 금속인 코어를 갖는 전극을 지칭한다. 존재하는 경우, 코어 내의 비금속 구성요소는 각 전극의 총 중량을 기준으로 5%, 3% 또는 1% 미만의 결합 농도를 갖는다. GMAW-C 전극은 스프레이 아크 및 우수한 비드 성능을 특징으로 한다.
고체(GMAW) 또는 금속 코어드 전극(GMAW-C)을 사용하는 가스 금속 아크 용접에서, 용접 중에 대기 오염에 대한 용접 풀(weld pool) 및 용접 비드의 보호를 제공하기 위해 쉴딩 가스가 사용된다. 고체 전극이 사용되는 경우, 이들은 활성 성분과 적절하게 합금되어, 쉴딩 가스와의 조합으로, 생성된 용접 비드의 원하는 물리적 및 기계적 특성을 갖는 무기공(porosity-free) 용접을 제공하도록 설계된다. 금속 코어드 전극이 사용되는 경우, 일부의 활성 성분은 금속 외부 시스의 코어에 첨가되며, 고체 전극의 경우에서와 유사한 기능을 제공하도록 설계된다.
고체 및 금속 코어드 전극은, 적절한 가스 쉴딩 하에서, 최종 적용예에서 만족스럽게 수행하는 항복 강도, 인장 강도, 연성 및 충격 강도를 갖는 고체의 실질적으로 무기공 용접을 제공하도록 설계된다. 이들 전극은 또한 용접 중에 발생되는 슬래그의 양을 최소화하도록 설계된다. 일부 적용예의 경우, 금속 코어드 전극이 고체 와이어의 대안으로 사용되어 생산성을 증가시킬 수 있다. 금속 코어드 전극은 적어도 부분적으로 충진되고 금속 외부 시스로 둘러싸인 코어를 갖는 복합 전극이다. 코어는 아크 안정성, 용접 습윤성 및 외관 및 원하는 물리적 및 기계적 특성에 도움이 되도록 금속 분말 및 활성 성분을 포함할 수 있다. 금속 코어드 전극은 코어 물질의 성분을 혼합하고 형성된 스트립 내에 이들을 용착한 다음에, 그 스트립을 최종 직경으로 클로징 및 드로잉함으로써 제조된다. 일부 적용예의 경우, 코어드 전극은 고체 전극에 비해 증가된 용착 속도와 더 넓은, 보다 일정한 용접 침투 프로파일을 제공할 수 있다. 또한, 일부 적용예의 경우, 코어드 전극은 개선된 아크 작용을 제공하고, 흄 및 스패터를 덜 발생시키며, 고체 전극에 비해 양호한 습윤성을 갖는 용접 용착물을 제공할 수 있다.
플럭스 코어드 아크 용접(FCAW, FCAW-S, FCAW-G)에서는, 코어드 전극이 사용된다. 플럭스 코어드 아크 용접에 사용되는 코어드 전극은 전술된 금속 코어드 전극과 유사한, 적어도 부분적으로 충진되고 금속 외부 시스로 둘러싸인 코어를 가진다. 그러나, 플럭스 코어드 아크 용접에 사용되는 코어드 전극은 적어도 부분적으로 쉴딩 가스 대신에, 용접 중에 대기 오염에 대한 용접 풀 및 용접 비드의 보호를 제공하도록 설계된 플럭싱제를 추가로 포함한다. 플럭스 코어드 아크에 사용되는 코어드 전극은 아크 안정성, 용접 습윤성 및 외관 및 원하는 물리적 및 기계적 특성에 도움이 되도록 다른 활성 성분을 추가로 포함할 수 있다. 다수의 플럭싱제 조성물은 아크 안정성을 제어하고, 용접 금속 조성을 변경시키며, 대기 오염으로부터 보호를 제공하기 위해 개발되었다. 아크 안정성은 일반적으로 플럭스의 조성을 변경함으로써 제어된다. 따라서 플럭스 혼합물에서 플라즈마 전하 캐리어로서 잘 기능하는 물질을 갖는 것이 종종 바람직하다. 일부 적용예에서, 플럭스는 또한 금속 내의 불순물을 보다 용이하게 융해시키고 이들 불순물이 결합할 수 있는 물질을 제공함으로써 용접 금속 조성을 변경시킬 수 있다. 슬래그 융점을 낮추고, 슬래그 유동성을 개선하며, 플럭스 입자의 바인더 역할을 하도록 다른 물질이 추가되는 경우가 있다.
본원에 개시된 다양한 구현예는 전술한 다양한 용접 프로세스에서 높은 용착 속도의 점점 더 복잡해지는 요구 사항을 해결하는 것을 목표로 한다. 유리하게는, 본원에 개시된 구현예는 비교적 다량의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극에 관한 것이다. 일부 구현예에서, 전극은 비교적 다량의 알칼리 토금속 원소를 함유하는 고체 전극이다. 일부 다른 구현예에서, 전극은 코어드 전극, 예를 들어 금속 코어드 전극 또는 플럭스 코어드 전극으로, 전통적인 스틱 용접으로 달성하기 어렵거나 불가능할 수 있는 광범위한 야금학적 및 물리적 특징을 제공한다. 본원에 기술된 바와 같이, 높은 용착 속도는 약 30lbs/hr를 초과하는 용착 속도를 지칭하며, 이는 대부분의 오픈 아크 용접 프로세스로 실질적으로 달성 가능한 속도보다 훨씬 높다. 본원에 개시된 전극의 구현예는 비교적 작은 직경의 전극에서도 과도한 전기 저항 가열을 개발하지 않고 그와 같은 높은 용착 속도를 허용한다. 또한, 생성된 용접 비드는 80,000 psi를 초과하는 항복 강도와 같은 바람직한 기계적 특성을 갖는다.
알칼리 토금속 원소를 함유하는 용접 와이어
도 2a는, 구현예를 따라 베이스 금속 조성물 및 하나 이상의 알칼리 토금속 원소(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)를 포함하는 용접 전극 와이어(20), 예를 들어 금속 코어드 용접 전극 와이어의 개략도이다.
도 2a의 예시된 구현예를 포함하여 본원에 기술된 다양한 구현예에서, 베이스 금속 조성물은 강 조성물 또는 알루미늄 조성물을 포함한다. 일부 구현에서, 베이스 금속 조성물은 탄소강 조성물일 수 있다. 일부 비제한적인 예시적 조성물을 제공하기 위해, 탄소강 조성물은 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Fe 및 하나 이상의 C, 약 0.1 중량% 내지 약 1.5 중량%의 농도로 Si, 약 0.5 중량% 내지 약 5 중량%의 농도로 Mn, 약 0.001 중량% 내지 약 0.05 중량%의 농도로 S, 약 0.001 중량% 내지 약 0.05 중량%의 농도로 P, 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Ti, 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Zr, 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Al 및 약 0.1 중량% 내지 약 1 중량%의 농도로 Cu를 포함한다.
일부 다른 구현예에서, 베이스 금속 조성물은 저탄소강 조성물일 수 있다. 일부 비제한적인 실시예는 약 0.10 중량% 미만의 농도의 C 및 약 0.4 중량% 이하의 농도의 Mn을 갖는 조성물 및 약 0.30 중량% 미만의 농도의 C 및 약 1.5 중량% 이하의 농도의 Mn을 갖는 조성물을 포함한다.
일부 다른 구현예에서, 베이스 금속 조성물은 저합금강 조성물일 수 있다. 일부 비제한적인 예시적 조성물을 제공하기 위해, 저합금강 조성물은 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Fe 및 하나 이상의 C, 약 0.1 중량% 내지 약 1.0 중량의 농도로 Si, 약 0.5 중량% 내지 약 5 중량%의 농도로 Mn, 약 0.001 중량% 내지 약 0.05 중량%의 농도로 S, 약 0.001 중량% 내지 약 0.05 중량%의 농도로 P, 약 0.01 중량% 내지 약 5 중량%의 농도로 Ni, 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Cr, 약 0.1 중량% 내지 약 1 중량%의 농도로 Mo, 약 0.001 중량% 내지 약 0.1 중량%의 농도로 V, 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Ti, 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량%의 농도로 Zr, 약 0.01 중량% 내지 약 0.5 중량의 농도로 A1 및 약 0.1 중량% 내지 약 1 중량%의 농도로 Cu를 포함한다.
일부 다른 구현예에서, 베이스 금속 조성물은 스테인레스강 조성물일 수 있다. 일부 비제한적인 예시적 조성물을 제공하기 위해, 스테인레스강 조성물은 전형적으로 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%의 농도로 Fe 및 하나 이상의 C, 약 0.1 중량% 내지 약 5.0 중량%의 농도로 Si, 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 농도로 Cr, 약 0.1 중량% 내지 약 40 중량%의 농도로 Ni, 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%의 농도로 Mn, 약 0.001 중량% 내지 약 0.05 중량%의 농도로 S 및 약 0.001 중량% 내지 약 0.05 중량%의 농도로 P를 포함한다.
임의의 이론에 구애됨이 없이, 상기 논의된 각각의 요소는 강 용접에서 특별한 이점을 제공할 수 있다. 탄소는 용접물에서 강도와 연성을 제공할 수 있다. 망간은 용접부에 강도를 추가할 수 있는 또 다른 요소이며 또한 용접부에서 산소를 제거하고 용접 금속 다공성을 감소시키는 탈산제 역할을 할 수 있다. 실리콘은 탈산제 역할을 하여 용접부에서 산소를 제거하고 용접 금속 다공성의 기회를 감소시킨다. 일반적으로, 금속 내의 실리콘 수준이 더 높을수록 용접 퍼들(weld puddle)이 더 유동적이다. 실리콘의 첨가는 또한 인장 강도 및 항복 강도를 증가시킬 수 있다. 인은 일반적으로 용접 균열에 기여할 수 있기 때문에 용접 용착에 바람직하지 않다. 황은 또한 일반적으로 용접성에 바람직하지 않으며, 용접 균열에 기여할 수 있다. 그러나, 제한된 양으로, 황 또는 인은 용접 퍼들의 유동성 및 습윤성을 개선할 수 있다. 구리는 개선된 전도성을 위해 와이어 전극(구리 코팅된 경우)의 코팅 결과로서 존재할 수 있으며, 따라서 양호한 아크 개시가 존재할 수 있다. 규소와 망간에 더하여, 티타늄은 탈산제 역할을 할 수 있다. 일부 탈산제는 용접부에서 산소와 질소 둘 모두를 제거하여, 이에 의해 용접 금속 다공성의 발생을 감소시키는 데 도움이 된다. 지르코늄, 알루미늄, 및 니켈은 탈산제 역할을 할 수 있다. 몰리브덴은, 용접이 용접 후 열처리를 완화시키는 스트레스를 받을 경우에도 강도를 높이고 충격 특성을 개선할 수 있다. 크롬은 내식성을 개선할 수 있다.
강 조성물 이외의 베이스 금속 조성물이 가능하다. 일부 구현예에서, 베이스 금속 조성물은 알루미늄 조성물일 수 있다. 일부 비제한적인 예시적 조성물을 제공하기 위해, 알루미늄 조성물은 약 0.01 중량% 내지 약 5 중량%의 농도로 Al 및 하나 이상의 Mn, 약 0.1 중량% 내지 20 중량%의 농도로 Si, 약 0.1 중량% 내지 약 1.0 중량%의 농도로 Fe, 약 0.01 중량% 내지 약 10 중량%의 농도로 Mg, 약 0.01 중량% 내지 약 1.0 중량%의 농도로 Cr, 약 0.01 중량% 내지 10 중량%의 농도로 Cu, 약 0.01 중량% 내지 약 1.0 중량%의 농도로 Ti 및 약 0.01 중량% 내지 약 1.0 중량%의 농도로 Zn을 포함한다. 이들 및 다른 알루미늄 조성물은, 구현예에 따라 용접 전극 와이어(20)의 베이스 금속의 일부로서 포함될 수 있다.
도 2a의 예시된 구현예를 포함하여 본원에 기술된 다양한 구현예에서, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)는 전극 와이어의 총 중량을 기준으로 약 0.005%, 0.050% 또는 0.1%의 최소 농도와 약 0.5%, 5% 또는 10%의 최대 농도 사이의 농도 범위로 존재할 수 있다.
하나 이상의 알칼리 토금속 원소가 존재하는 경우, 상기 표시된 농도는 결합 농도 또는 개별 농도를 나타낸다.
일 특정 구현예에서, Ba는 약 0.05% 내지 5% 또는 약 0.1% 내지 약 10%, 예를 들어 약 0.12%의 농도로 존재한다.
다른 구현예에서, Ca는 약 0.05% 내지 5% 또는 약 0.1% 내지 약 10%, 예를 들어 약 0.12%의 농도로 존재한다.
또 다른 구현예에서, Ba 및 Ca 둘 모두는 각각 약 0.05% 내지 5% 또는 약 0.1% 내지 약 10%, 예를 들어 약 0.12%의 농도로 존재한다.
일부 구현예에서, 알칼리 토금속의 원자는 베이스 금속 조성물과 합금된다. 즉, 알칼리 토금속의 원자는 베이스 금속 조성물의 원자와 금속 결합을 형성한다. 일부 다른 구현예에서, 알칼리 토금속의 원자는 베이스 금속 조성물의 매트릭스 내에서, 예를 들어 침전물의 형태로 클러스터링된다. 알칼리 토금속 원소가 베이스 금속 조성물과의 혼합물을 형성하는 실리케이트, 티타네이트, 카보네이트, 할라이드, 포스페이트, 설파이드, 하이드록사이드, 플루오라이드 및 옥사이드와 같은 화합물의 형태인, 또 다른 구현예가 가능하다.
발명자는 본원에 기술된 농도로 알칼리 토금속을 갖는 것이 높은 용착 속도(예를 들어, 30 lbs/hr를 초과)를 달성하기 위해 고전류(예를 들어, 200 암페어 초과 또는 400 암페어 초과)에서 아크에 안정성을 제공하는 다른 이점 중에서 제공할 수 있음을 발견하였다. 또한, 일부 환경 하에서, 본원에 기술된 농도의 알칼리 토금속은 유리하게 탈산제 역할을 할 수 있다.
구현예에 따르면, 전술한 특징은 용접 금속 전극(20)이 0.045" 내지 3/32"(1.1 mm 내지 2.4 mm)의 직경 범위를 갖도록 구성함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다.
하기에서, 도 2b 및 도 2c와 관련하여, 임의의 이론에 구애됨이 없이, 구현예에 따른 용접 전극 와이어가 사용되는 경우, 용접 비드가 형성될 때 알칼리 토금속 원소의 발생이 설명된다. 하기의 설명은 도 2a와 관련하여 전술한 용접 전극 와이어뿐만 아니라 도 3a 내지 도 3b 및 도 4와 관련하여 하기에 기술된 실시예에 적용할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 설명이 강 베이스 금속 조성물에 적용되지만, 유사한 개념이 알루미늄 베이스 금속 조성물에 적용된다.
Fe-C 시스템의 평형 상태도(도시되지 않음)에 따르면, 약 910℃ 미만에서 안정한 체심 입방형 페라이트(또한 α-Fe라고도 함), 약 730℃ 초과에서 안정한 면심 입방 오스테나이트(γ-Fe라고도 함) 및 약 1,390℃ 초과 및 약 1,539℃의 용융점 이하에서 안정한 델타 페라이트(δ-Fe)를 포함하는 철의 수 개의 상이 존재한다. 용접하는 동안, 베이스 강 조성물에 따라, 액화된 전극 조성물은 다수의 경로를 통해 켄칭되어 고체 용접 비드를 형성할 수 있다. 예를 들어, 탄소강 및 저합금 강의 경우, 경로는 L → δ+L, 그 다음 δ+L → δ+γ+L, 그 다음 δ+γ+L → γ+δ+L → γ을 포함할 수 있다. 대안으로, 탄소강 및 저탄소 강 조성물의 경로는 포정 조성(peritectic composition)을 위해 L → δ+L, 그 다음 δ+L → δ을 포함할 수 있다. 스테인리스 강 조성물의 경우, 경로는 L → δ+L, 그 다음 δ+L → δ+γ을 포함할 수 있다. 전술한 알칼리 토금속의 농도에서, 용해된 알칼리 토금속 원소를 포함하는 액화된 용접 금속 전극이 전술한 경로 중 하나 다음에 용접 비드로 고형화될 때, 상대적으로 적은 양의 알칼리 토금속 원소의 원자는 치환적으로 및/또는 침입형으로 강 조성물의 격자(예를 들어, 강 조성물의 체심 입방 격자 또는 면심 입방 격자)에 혼입된다. 결과적으로, 구현예에 따르면, 대부분의 알칼리 토금속 원자가 분리되거나 침전되어 생성된 슬래그에 혼입하게 된다. 결과적으로, 대부분의 알칼리 토금속 원자가 실질적으로 생성된 비드에 혼입되지 않기 때문에, 생성된 용접 비드는 알칼리 토금속 원자가 상대적으로 없다.
도 2b는 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어를 사용하는 용접 비드 형성부(22)의 개략도이다. 도 2b에서, 용접 비드의 용접 금속 결정(24)은 용접 퍼들(28)과 같은 이전의 용접 퍼들 내의 액체 상의 전극 용접 금속으로부터 결정화된다. 용접 퍼들(28)은 용접 비드가 x 방향으로 계속 형성될 때 액체 상의 전극 용접 금속을 나타낸다. 용접 비드 형성부(22)는 예를 들어 용착 속도가 약 30 lbs/hr를 초과할 때와 같이 상대적으로 높은 용착 속도 하에서의 비드 형성부를 나타낸다. 그와 같은 상황 하에서, 용접 퍼들(28)의 형상은 배 형상의 형태로 용접 중심선(AA')을 따르는 방향으로 연장될 수 있다(예를 들어, 길이(l)/너비(w) > 1.5).
구현예에 따르면, 알칼리 토금속 원소의 농도가 상대적으로 높으면, 예를 들어 용해도 한계보다 높으면, 용접 퍼들이 하나 이상의 고체 상의 강 또는 알루미늄 조성물로 고형화됨에 따라, 용접 비드가 증가할 때, 예를 들어 알칼리 토금속 원자의 양이 용접 금속 결정(24)의 결정립 및 결정립계에 의해 수용될 수 있는 양을 초과할 때, 불순물 원자는 액체/고체 계면(26) 또는 비드의 표면으로 분리될 수 있다. 또한, 용접 풀(28)은 알칼리 토금속 원소의 농도가 계속해서 풍부하게(enriched) 될 수 있으며, 결국 분리된 알칼리 토금속 원소를 함유하는 슬래그를 초래한다.
도 2c는 도 2b의 용접 중심선(AA')에 따른 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 농도 프로파일을 개략적으로 나타내는 그래프(29)를 도시한다. 일부 구현예에 따르면, 알칼리 토금속 원소의 농도는 알칼리 토금속 원자의 상당한 양, 예를 들어 본질적으로 모두가 도 2c에 도시된 바와 같이 베이스 금속 조성물이 강 조성물인 구현예에 있어서, γ-Fe 및/또는 δ-Fe 결정립을 함유할 수 있는, 용접 금속 결정(24)의 결정립 및/또는 결정립계로부터 분리되도록 선택된다. 그래프(29)는 도 2b의 용접 중심선(AA')의 단면을 따라 용접 중심선 방향(x 방향)으로 알칼리 토금속의 농도를 도시한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 일부 구현예에서, 용해도 한계에 또는 그 미만의 고체 용접 비드에 혼입되는 알칼리 토금속의 상대적으로 소량, 예를 들어 미량의 농도(29a)는 x 방향을 따라 CS에서 비교적 일정하다. 또한, 실질적으로 모든 알칼리 토금속은 용접 퍼들(28) 내의 CL에서 알칼리 토금속의 농도(29b)가 CS의 농도를 실질적으로 초과하도록 액체/고체 계면(26)에서 및/또는 표면으로 분리된다. 용접 퍼들(28)은 알칼리 토금속 원소의 농도가 계속해서 풍부하게 될 수 있으며, 결국 슬래그를 초래한다.
ala로 풍부하게 되는 용접 퍼들이 냉각되어 용접 비드를 형성할 때, 사실상 모든 알칼리 토금속은 용접 비드의 표면으로, 예를 들어 슬래그의 일부로서 분리된다. 다양한 구현예에서, 유리하게는, 전극 와이어 내의 알칼리 토금속의 초기 농도의 약 80% 이상, 약 90% 이상 또는 약 99% 이상이 비드의 표면 및/또는 액체/고체 계면으로 분리되어, 이에 의해 쉽게 제거될 수 있는 슬래그를 형성한다.
도 2a 내지 도 2c와 관련하여 전술한 다양한 기술적 특징은, 예를 들어 고체 전극 와이어(GMAW), 금속 코어드 와이어(GMAW-C), 플럭스 코어드 아크 용접 프로세스(FCAW), 쉴디드 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW- G), 셀프 쉴디드 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-S), 쉴디드 금속 아크 용접(SMAW) 또는 서브머지드 아크 용접(SAW) 중에서 특정 유형의 전극에 제한되지 않는다. 하기에서는, 알칼리 토금속 원소를 포함하는 코어드 전극의 특정 구현예가 상세히 설명된다.
일반적으로, 코어드 전극은 입자 또는 분말의 코어를 갖는 연속적으로 공급되는 관형 금속 시스이다. 코어는 플럭싱 요소, 탈산제 및 탈질제, 및 합금 물질뿐만 아니라 인성 및 강도를 증가시키고, 내식성을 개선하며, 아크를 안정화시키는 요소를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 코어드 전극은 금속 코어드 전극(GMAW-C), 셀프 쉴디드 플럭스 코어드 전극(FCAW-S) 및 가스 쉴디드 플럭스 코어드 전극(FCAW-G) 중 하나로 분류될 수 있다. 본원에 기술된 구현예에서, 알칼리 토금속 원소를 함유하는 금속 코어드 전극의 입자는 일반적으로 옥사이드 또는 플루오라이드와 같은 화합물보다는 금속 및 합금 입자이며, 용접 면 상에 슬래그의 작은 섬만을 생성한다. 대조적으로, 비드를 지지하고 형성하는, 용접 중에 광범위한 슬래그 커버를 생성하는 플럭스 코어드 전극은, 옥사이드 및 플루오라이드와 같은 화합물의 형태로 알칼리 토금속 원소를 함유하는 입자를 가질 수 있다. 하기에서 설명되는 바와 같이, 본원에 개시된 다양한 구현예는 금속 코어드 전극, 셀프 쉴디드 플럭스 코어드 전극 및 가스 쉴디드 플럭스 코어드 전극 중 어느 하나에 대해 최적화 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 금속 코어드 전극은 특별히 선택된 철 및 다른 금속 분말과 합금을 갖는 입자의 코어와, 예를 들어 연강으로 형성된 시스를 갖는 복합 전극이다. 안정제 및 아크 촉진제와 같은 첨가제가 쉽게 추가될 수 있어, 용접기에 대한 더욱 넓은 작동 윈도우를 제공한다. 금속 코어드 전극(GMAW-C)은 고체 합금 전극(GMAW)의 대안인 가스 쉴디드 유형이다.
제조의 유연성으로 인해, 작업이 특수 전극을 요구할 때, 금속 코어드 전극은 고체 전극보다 더 경제적일 수 있다. 제조 프로세스에는 강으로 이루어진 특수 용융물을 생성하는 대신 금속 분말을 블렌딩하는 것이 수반되기 때문에, 소량으로 생산하는 데 용이하며, 최소 주문량이 훨씬 적다. 결과적으로, 금속 코어드 전극은 맞춤형(special-ordered) 고체 전극보다 짧은 턴어라운드(turnaround) 시간과 저렴한 비용으로 생산될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 구현예에 따른 하나 이상의 알칼리 토금속 원소(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)를 포함하는 코어를 갖는 금속 코어드 전극 와이어(30a/30b)의 개략도이다. 금속 코어드 전극 와이어(30a/30b)의 각각은 제1 베이스 금속 조성물을 포함하는 시스(34) 및 시스(34)로 둘러싸인 코어(38a/38b)를 포함한다. 코어(38a/38b)는 적어도 부분적으로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소(들) 및 제2 베이스 금속 조성물을 포함하는 입자로 충진된다.
금속 코어드 전극 와이어(30a/30b)에서, 시스(34)의 제1 베이스 금속 및 코어 내의 입자의 제2 베이스 금속은 도 2a의 전극(20)에 대해 전술한 강 또는 알루미늄 조성물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서는 제1 베이스 금속과 제2 베이스 금속이 동일한 반면, 다른 구현예에서는 제1 베이스 금속과 제2 베이스 금속이 상이하다. 또한, 분말 구성요소는 후술하는 바와 같이 다양한 구성의 알칼리 토금속을 포함한다.
도 3a의 금속 코어드 전극(30a)을 참조하면, 입자(32)는 구현예에 따라 제2 베이스 금속 조성물과 알칼리 토금속의 합금으로 형성된다. 도 1과 관련하여 전술한 구현예와 유사하게, 도 3a의 예시된 구현예에서, 알칼리 토금속 원소의 원자는 제2 베이스 금속 조성물의 격자(예를 들어, 강 조성물의 체심 입방 격자 또는 면심 입방 격자)에 용해되거나, 예를 들어 치환적으로 및/또는 침입형으로, 직접적으로 혼입될 수 있다. 알칼리 토금속 원소의 원자는 또한 제2 베이스 금속 조성물의 매트릭스 내에 응집되어, 예를 들어 침전물을 형성할 수 있다. 대안으로, 알칼리 토금속 원소가 화합물, 예를 들어 실리케이트, 티타네이트, 카보네이트, 할라이드, 포스페이트, 설파이드, 하이드록사이드, 플루오라이드 및 옥사이드의 형태인 구현예가 가능하다.
도 3a의 예시된 구현예에서, 입자(32)는 조성물이 실질적으로 균일하고 유사하거나 본질적으로 동일한 양의 알칼리 토금속을 함유한다. 이는, 예를 들어 입자(32)가 동일하거나 상이한 합금 잉곳으로부터 생성되는 경우일 수 있다.
그러나, 이제 도 3b의 금속 코어드 전극(30b)을 참조하면, 다른 구현예가 가능하다. 도 3b의 전극(30b)에서, 입자(36a, 36b)는 상이한 조성물을 갖는다. 일부 구현예에서, 입자(36a, 36b)는 상이한 원소를 함유한다. 다른 구현예에서, 입자(36a, 36b)는 하나 이상의 구성 불순물의 상이한 농도에서 동일한 원소를 함유한다.
일부 구현예에서, 모든 입자(36a, 36b)는 제2 베이스 금속 조성물(예를 들어, 강 또는 알루미늄 조성물) 및 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하지만, 상이한 농도로 제2 베이스 금속 조성물 및 하나 이상의 알칼리 토금속 원소 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 일부 다른 구현예에서, 일부 입자(36a)는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하지 않는 제2 베이스 금속 조성물을 포함하는 반면, 다른 입자(36b)는 제2 베이스 금속 조성물 및 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 둘 모두 함유한다. 일부 다른 구현예에서, 일부 입자(36a)는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하지만 제2 베이스 금속 조성물을 포함하지 않는 반면, 다른 입자(36b)는 제2 베이스 금속 조성물 및 하나 이상의 알칼리 토금속 원소 둘 모두를 포함한다. 일부 다른 구현예에서, 일부 입자(36a)는 하나 이상의 알칼리 토금속을 포함하지만 제2 베이스 금속 조성물을 포함하는 반면, 다른 입자(36b)는 하나 이상의 알칼리 토금속을 포함하지만 제2 베이스 금속 조성물을 포함하지 않는다. 일부 다른 구현예에서, 일부 입자(36a)는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하지만 제2 베이스 금속 조성물을 포함하지 않는 반면, 다른 입자(36b)는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하지 않지만 제2 베이스 금속 조성물을 포함한다. 일부 다른 구현예에서, 제2 베이스 금속 조성물을 포함하는 입자는 없는 반면, 모든 입자(36a, 36b)는 상이한 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함한다.
도 3a 내지 도 3b의 예시된 구현예를 포함하는 본원에 기술된 다양한 구현예에서, 베이스 금속 조성물은 도 2a와 관련하여 전술한 바와 같은 유사한 조성물을 갖는 강 조성물 또는 알루미늄 조성물을 포함한다.
도 3a 내지 도 3b의 예시된 구현예와 관련하여 본원에 기술된 다양한 구현예에서, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)는 도 2a와 관련하여 전술한 농도로 존재한다.
구현예에 따르면, 전술한 농도는 0.045"(1.1 mm) 내지 0.068"(1.7 mm), 0.045"(1.1 mm) 내지 3/32"(2.4 mm) 또는 0.052"(1.4 mm) 내지 0.068"(1.7 mm) 사이의 외경(OD)을 가지도록 금속 코어드 전극(30a/30b)을 구성함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다.
구현예에 따르면, 전술한 농도는 코어의 함량이 금속 코어드 전극 와이어(30a/30b)의 총 중량을 기준으로 약 1 중량% 내지 약 80 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 약 15 중량% 내지 약 30 중량%를 구성하도록 코어(38a/38b) 및 시스(34)의 함량을 구성함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다.
본원에 기술된 특정 농도 및 구성에서 알칼리 토금속을 갖는 것은 많은 이점을 가질 수 있다. 임의의 이론에도 동의하지 않고, 알칼리 토금속은 특정 플라즈마 특성을 변경, 예를 들어 이온화 포텐셜을 증가시키는 것으로 여겨진다. 플라즈마의 증가된 이온화 포텐셜은 결국 더 높은 전류로 더 높은 플라즈마 안정성을 유도할 수 있으며, 더 높은 용착 속도, 예를 들어 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도가 유지될 수 있다. 또한, 다른 곳에서 기술된 바와 같이, 알칼리 토금속 원자가 실질적으로 생성된 용접 비드에 혼입되지 않기 때문에, 생성된 용접물의 기계적 특성의 열화가 방지될 수 있다. 임의의 이론에도 동의하지 않고, 결정립계에서의 알칼리 토금속의 새로운 상 형성 및/또는 과도한 빌드업(build-up)이 방지될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b의 금속 코어드 전극과 관련하여 전술된 일부 구현예에 따르면, 금속 코어드 전극(GMAW-C)은 가스 금속 아크 용접용으로 구성되며, 여기서 쉴딩은 쉴딩 가스에 의해 제공된다. 전술한 바와 같이, 가스 금속 아크 용접은 관형 전극 내에 함유된 플럭스가 쉴딩을 생성하는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)과 구별될 수 있다. 플럭싱제는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 위한 슬래그를 형성한다. FCAW에서, 플럭스의 물질은 최종 용접 비드에 혼입되도록 의도되지 않는다. 대신에, 플럭스는 슬래그를 형성하며, 이는 용접의 완료 후에 제거된다. 따라서, 본원에 기술된 금속 코어드 전극의 다양한 구현예에서, 코어는 추가의 플럭싱제를 함유하지 않는다.
금속 코어드 전극 및 플럭스 코어드 전극은 생성된 비드 특성에 기초하여 추가로 구별될 수 있음을 이해할 것이다. 다양한 구현예에 따르면, 본원에 기술된 금속 코어드 전극은 생성된 용접 비드의 표면 상에 슬래그 섬을 생성한다. 대조적으로, 플럭스 코어드 전극은 생성된 용접 비드의 표면의 광범위한 슬래그 피복을 생성한다. 예를 들어, 금속 코어드 전극에 의해 생성된 슬래그 섬은 용접 비드의 표면적의 50%, 30% 또는 10% 미만을 커버할 수 있다. 대조적으로, 플럭스 코어드 전극에 의해 생성된 슬래그는 용접 비드의 표면적의 50%, 70% 또는 90% 이상을 커버할 수 있다. 전극에서의 알칼리 토금속의 양 및 배열은 고속 용접을 위한 금속 코어드 전극의 코어에 존재할 때 더 유리할 수 있지만, 구현예는 이에 한정되지 않으며, 본원에 기술된 개념은 다른 전극 구성, 예를 들어 플럭스 코어드 전극에 사용될 수 있다.
도 4는 구현예에 따른 하나 이상의 알칼리 토금속 원소(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)를 함유하는 코어를 갖는 금속 코어드 전극 와이어(40)의 개략도이다. 금속 코어드 전극 와이어(40)는 제1 베이스 금속으로 형성된 시스(44)를 포함한다. 시스(44)의 제1 베이스 금속 조성물은 도 2a의 전극(20)에 대하여 전술한 강 또는 알루미늄 조성물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 코어드 전극(40)은 추가로 도 3a의 입자(32) 또는 도 3b의 입자(36a, 36b)에 대하여 전술한 구성 중 어느 하나 또는 조합에 따른 제2 베이스 금속 조성물 및/또는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 함유하는 입자(40a)를 함유하는 코어(48)를 포함한다. 금속 코어드 전극(40)의 코어(48)는 구현예에 따라 하나 이상의 함불소 입자(40b)를 추가로 포함한다. 일부 다른 구현예에서, 코어(48)는 하나 이상의 비-불소 함유 입자(40c)를 추가로 포함한다.
임의의 이론에 구애됨이 없이, 함불소 입자(40b) 내의 함불소 화합물은 비드의 형상을 개선하기 위해, 예를 들어 형성된 용접 비드에 대한 가스 트래킹의 경향을 줄이기 위해 슬래그의 특성을 변형시키는 데 사용된다. 예를 들어, 용접 비드의 표면에서 웜과 유사한 크레이터(crater)가 관찰되는 현상인 가스 트래킹은 함불소 화합물이 존재할 때 감소될 수 있다. 임의의 이론에 구애됨이 없이, 예를 들어 슬래그가 용접 풀보다 훨씬 더 빠르게 응고되는 고속 냉동 슬래그 시스템(루타일 기반)에서 가스 트래킹이 관찰될 수 있다. 슬래그의 급속 응고로 인해, 용융된 용접부로부터 방출되는 가스는 부분적으로 포획되어 용접 비드 표면에 크레이터를 형성한다.
임의의 이론에 구애됨이 없이, 함불소 입자(40b) 내의 함불소 화합물은 또한 슬래그의 용융점을 감소시킬 수 있다. 슬래그의 더 낮은 용융점은 슬래그가 더 오랜 시간 동안 용융된 채로 있게 하여, 가스가 용융된 용접부로부터 방출(evolve)하고 슬래그에 용해되는 데 더 많은 시간을 허용한다. 슬래그에 불소를 함유하는 것은 또한 HF의 형성을 촉진시켜, 용접부에서 수소를 감소시킬 수 있으며, 이는 용접 시스템에서의 수소 분압을 감소시켜 가스 트래킹의 발생율을 감소시킨다.
함불소 입자(40b)는 일부 구현예에 따라 플루오로 중합체를 포함할 수 있다. 함불소 화합물이 플루오로 중합체를 함유하는 경우, 플루오로 중합체는 2개 내지 약 10개의 탄소 원자를 함유하는 하이드로카본 단량체의 단독 중합체일 수 있으며, 여기서 각각의 단량체는 적어도 하나의 불소 원자로 치환된다. 예를 들어, 플루오로 중합체는 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리헥사플루오로프로필렌과 같은 플루오로카본 중합체, 및 헥사플루오로프로필렌과의 비닐리덴 플루오라이드 및 테트라플루오로에틸렌의 공중합체와 같은 공중합체로 형성될 수 있다.
구현예에서, 플루오로 중합체 중합체는 미립자 형태로 코어(48) 내로 혼입될 수 있고 전극의 형성 및 드로잉 중에 조성물을 보유할 수 있도록 약 1,000℉ 미만의 용융점을 갖는다. 고체 와이어를 생성하는 데 사용되는 용융 또는 합금 프로세스 중에 중합체가 분해될 수 있기 때문에, 도 2a와 관련하여 전술한 바와 같이 고체 금속 와이어 전극에서 플루오로 중합체를 사용하는 것은 더 비실용적일 수 있음을 이해할 것이다.
본원에 개시된 다양한 구현예에서, 전극 와이어에서의 불소(F)의 농도는 약 0.02 중량% 내지 약 2 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 1.5 중량%, 또는 약 0.5 중량% 내지 약 1.0 중량%, 전극 와이어의 총 중량을 기준으로, 예를 들어 약 0.7 중량%이다.
다른 구현예가 가능하며, 여기서, 함불소 입자(40b)는 알루미늄 플루오라이드, 바륨 플루오라이드, 비스무트 플루오라이드, 칼슘 플루오라이드, 망간 플루오라이드, 칼륨 플루오라이드, 나트륨 플루오라이드, 스트론튬 플루오라이드, 폴리테트라플루오르에틸렌(Teflon®와 같은), Na2SiF6, K2SiF6, Na3AlF6 및/또는 K3AlF6와 같은 비중합체 또는 무기 함불소 화합물을 포함하지만; 다른 또는 추가의 함불소 화합물이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
비-함불소 입자(40c)의 예로서는 구현예에 따라 전이 금속 산화물, 예를 들어 티타늄 산화물(예를 들어, 루틸 등) 및/또는 전이 금속 함유 화합물(예를 들어, 칼륨 실리코-티타네이트, 나트륨 실리코-티타네이트 등)을 포함한다. 일반적으로, 비-함불소 입자의 중량%는, 예를 들어 약 0.5 내지 10:1, 전형적으로 약 0.5 내지 5:1, 그리고 보다 전형적으로 약 0.7 내지 4: 1의 비율로 함불소 화합물의 중량%보다 크다.
높은 용착 속도에 적응화된 아크 용접 시스템
도 5는 구현예에 따라 오픈 아크 용접을 위해 약 30 lbs/hr 또는 그 이상의 속도로 용접 금속을 용착하기 위해 앞서 논의된 용접 전극과 사용하도록 구성된 아크 용접 시스템(50)을 도시한다. 특히, 아크 용접 시스템(50)은 구현예에 따라 알칼리 토금속을 포함하는 용접 전극을 사용할 수 있는 GMAW, FCAW, FCAW-G, GTAW, SAW, SMAW 또는 유사한 아크 용접 프로세스를 위해 구성된다. 아크 용접 시스템(50)은 용접 전력원(52), 용접 와이어 구동부(54), 쉴딩 가스 공급부(58) 및 용접 건(59)을 포함한다. 도 1에 상세히 도시된 바와 같이, 용접 전력원(52)은 용접 시스템(50)에 전력을 공급하도록 구성되며, 용접 전극 와이어가 제1 전극의 역할을 하도록 용접 와이어 구동부(54)에 전기적으로 결합되며, 제2 전극의 역할을 하는 모재(57)에 추가로 전기적으로 결합된다. 용접 와이어 구동부는 용접 건(59)에 결합되고 용접 시스템(50)의 작동 중에 전극 공급부(56)로부터 용접 건(59)으로 용접 전극 와이어를 공급하도록 구성된다. 일부 구현에서는, 용접 전력원(52)이 또한 용접 건(59)에 결합되어 직접 전력을 공급할 수 있다.
예시적인 목적을 위해, 도 5는 작업자가 용접 토치를 작동하는 반자동 용접 구성을 도시한다는 점이 이해될 것이다. 그러나, 본원에 기술된 금속 코어드 전극은 유리하게는 로봇 기계가 용접 토치를 작동시키는 로봇 용접 셀에 사용될 수 있다.
용접 전력원(52)은 교류 전원(예를 들어, AC 전력 그리드, 엔진/발전기 세트 또는 이들의 조합)으로부터 입력 전력을 수신하고, 입력 전력을 조절하며, DC 또는 AC 출력 전력을 용접 시스템(50)에 제공하는 전력 변환 회로를 포함한다. 용접 전력원(52)은 결국 용접 건(59)에 전력을 공급하는, 용접 와이어 구동부(54)에 전력을 공급할 수 있다. 용접 전력원(52)은 AC 입력 전력을 DC 양 또는 DC 음 출력, DC 가변 극성, 펄스화된 DC, 또는 가변 밸런스(예를 들어, 밸런싱된 또는언밸런싱된) AC 출력으로 변환하도록 구성된 회로 소자(예를 들어, 변압기, 정류기, 스위치 등)를 포함할 수 있다. 용접 전력원(52)이 약 100 amps 내지 약 1000 amps, 또는 약 400 amps 내지 약 800 amps의 출력 전류를 제공하도록 구성되어, 용접 금속 용착이 약 30 lbs/hr를 초과하는 속도로 달성될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
쉴딩 가스 공급부(58)는 구현예에 따라 쉴딩 가스 또는 쉴딩 가스 혼합물을 하나 이상의 쉴딩 가스원으로부터 용접 건(59)으로 공급하도록 구성된다. 본원에서 사용되는 쉴딩 가스는 특정 국부적 분위기를 제공하기 위해(예를 들어, 아크를 쉴딩하고, 아크 안정성을 개선하고, 금속 산화물의 형성을 제한하고, 금속 표면의 습윤성을 개선하고, 용접 용착물의 화학적 성질을 변경하는 등을 위해) 아크 및/또는 용접 풀에 제공될 수 있는 임의의 가스 또는 가스의 혼합물을 지칭할 수 있다. 특정 구현예에서, 쉴딩 가스 흐름은 쉴딩 가스 또는 쉴딩 가스 혼합물(예를 들어, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 질소(N2), 유사한 적절한 쉴딩 가스 또는 이들의 임의의 혼합물)일 수 있다. 예를 들어, 쉴딩 가스 흐름은 몇 가지 예로서 Ar, Ar/CO2 혼합물, Ar/CO2/O2 혼합물, Ar/He 혼합물을 포함할 수 있다.
와이어 구동부(54)는 와이어 공급의 시작, 정지 및 속도에 대한 양호한 제어를 제공하기 위한 영구 자석 모터를 포함할 수 있다. 약 30 lbs/hr를 초과하는 높은 용접 금속 용착 속도를 가능하게 하기 위해, 와이어 구동부(54)는 약 50 ipm(분 당 인치) 내지 약 2000 ipm, 약 400 ipm 내지 약 1200 ipm, 또는 약 600 ipm 내지 약 1200 ipm의 와이어 공급 속도를 제공하도록 구성된다.
작동시, 용접 건(59)은 와이어 구동부(54)로부터의 용접 전극, 용접 와이어 구동부(54)로부터의 전력, 및 쉴딩 가스 공급부(58)로부터의 쉴딩 가스 흐름을 수용하여 모재(57) 상에 아크 용접을 수행한다. 용접 건(59)은 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이 소모성 용접 전극과 모재(57) 사이에 아크가 형성되도록 모재(57)에 충분히 근접하게 된다. 전술한 바와 같이, 용접 전극의 조성을 제어함으로써, 아크 및/또는 생성된 용접의 화학적 성질(예를 들어, 조성 및 물리적 특성)이 변화될 수 있다.
높은 용착 속도 아크 용접
도 6을 참조하면, 금속 아크 용접의 방법(60)이 기술된다. 방법(60)은 전극 역할을 하도록 구성된 소모성 용접 와이어를 제공하는 단계(62)를 포함하며, 전도성 와이어는 금속 코어 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 함유한다. 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 원자는 베이스 금속 조성물과 합금된다. 방법(60)은 용접 와이어의 물질로 형성된 용융 액적의 일정한 스트림을 생성하기에 충분한 플라즈마 아크를 생성하기 위해 전류를 인가하는 단계(64)를 추가로 포함한다. 방법(60)은 시간당 25 파운드를 초과하는 용착 속도로 모재 상에 용융 액적을 용착하는 단계(66)를 더 포함한다.
방법(60)에서, 소모성 용접 와이어를 제공하는 단계(62)는, 예를 들어 도 2a, 도 3a, 도 3b 및 도 4와 관련하여 전술한 임의의 용접 와이어를 제공하는 것을 포함한다.
방법(60)에서, 전류를 인가하는 단계(64)는 일부 구현예에 따라 약 300 amps 내지 약 600 amps, 약 400 amps 내지 약 700 amps, 또는 약 500 amps 내지 약 800 amps의 평균 전류의 인가를 포함하여, 플라즈마 불안정성 이벤트의 평균 횟수가 초 당 약 10번의 이벤트 미만으로 유지되도록 한다. 일부 다른 구현예에 따르면, 전류를 인가하는 단계(64)는 약 400 amps 내지 약 700 amps, 약 500 amps 내지 약 800 amps, 또는 약 600 amps 내지 약 900 amps의 피크 전류의 인가를 포함한다.
방법(60)에서, 용착하는 단계(66)는 일부 구현예에 따라 약 20 lbs/hr, 30 lbs/hr, 40 lbs/hr 또는 50 lbs/hr를 초과하는 용착 속도로 용착하는 것을 포함한다. 일부 다른 구현예에서, 용착하는 단계(66)는 약 20 lbs/hr 내지 약 70 lbs/hr, 약 30 lbs/hr 내지 약 80 lbs/hr, 약 40 lbs/hr 내지 약 90 lbs/hr, 또는 약 50 lbs/hr 내지 약 100 lbs/hr의 용착 속도로 용착하는 것을 포함한다. 이와 같은 용착 속도는 구현예에 따라 약 200 m/분 내지 약 400 m/분, 약 300 m/분 내지 약 500 m/분 또는 약 400 m/분 내지 약 600 m/분 사이의 와이어 공급 속도와 관련하여 전술한 전류 레벨을 인가함으로써 달성될 수 있다.
도 7은 구현예에 따라 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 전극 와이어의 실험적 아크 불안정성 모니터링 결과를 도시하는 그래프(70)이다. y 축은 초당 불안정성 이벤트의 수를 나타내며, x 축은 용접 전극을 통과하는 평균 전류를 나타낸다. 본원에 기술된 바와 같이, 아크 불안정성 이벤트는 소모성 전극과 모재 사이에서 측정된 것과 같은 용착 전류가 평균값의 약 3 표준 편차 이상으로 빠르게 변화하는 지속된 용착 아크 중의 이벤트로서 정의된다. 실제로, 이와 같은 불안정성 이벤트는 용접 비드의 외관 및 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치며, 용접은 이와 같은 이벤트가 가능한 한 최소 빈도로 발생하는 전류 값으로 수행된다.
다시 도 7을 참조하면, 모니터링 결과(74)는 일 구현예에 따른 아크 용접 전극의 것이다. 특히, 사용된 용접 전극은 알칼리 토금속 원소 및 강 조성물을 기재로하는 베이스 금속 조성물을 포함하는 코어드 용접 와이어였다. 모니터링 결과(74)를 발생시키기 위해 사용된 용접 전극은 일 구현예에 따라 강 조성물과 합금된 0.12 중량%의 Ca, 강 조성물과 합금된 0.12 중량%의 Ba 및 폴리테트라플루오로에틸렌의 형태로 0.7% 불소가 함유된 1.4 mm 직경 전극이었다. 대조적으로, 모니터링 결과(72)를 발생시키기 위해 사용된 용접 전극은 1.4 mm 직경이었고, 제어 전극이 Ca, Ba 및 폴리테트라플루오로에틸렌의 형태로 불소를 함유하지 않는 것을 제외하고, 모니터링 결과(74)를 발생시키기 위해 사용된 용접 전극과 유사한 조성물을 가졌다.
모니터링 결과(74 및 72) 둘 모두에 대해, 동일한 연강 T-조인트(수평 필렛) 및 동일한 용접 파라미터 세트를 사용하여, 약 24 V 내지 약 37 V의 정전압(CV) 모드를 사용하여 용접 전극을 로봇식으로 용접했다. 모든 개별 용접에 대해, 순간 용접 전압 및 전류가 20 kHz 주파수(초당 20,000 샘플)로 기록되었다. 본원에 기술된 바와 같이, 아크 불안정성 이벤트(또는 전압 불안정성 이벤트)는 용접 전압(세트 포인트 전압으로부터)이 약 10 볼트 미만의 값으로 순간적으로 강하하는 것을 지칭한다. 이론에 구애됨이 없이, 이와 같은 아크 불안정성 이벤트는 일반적으로 금속 전달의 "스프레이 이행(spray transfer)" 모드라고 불리는 것으로부터의 편차의 경우에 대응할 수 있다. 도시된 바와 같이, 모니터링 결과(72)에서, 아크 불안정성 이벤트의 수는 약 300 암페어의 평균 전류에서 약 20 미만으로 급격히 감소하고, 약 500 암페어의 평균 전류에서 약 0으로 급격히 감소한다. 대조적으로, 제어 전극의 모니터링 결과(74)에서, 아크 불안정성 이벤트의 수는 약 200 암페어의 평균 전류에서 약 10 미만으로 급격히 감소하고, 약 250 암페어의 평균 전류에서 약 0으로 급격히 감소한다. 즉, 구현예에 따른 알칼리 토금속 원소를 갖는 전극에 대한 최적의 작동 방식은 알칼리 토금속 원소를 갖지 않는 제어 전극과 비교하여 더 높은 용착 속도 및 더 높은 전류 값에 있다. 특히, 구현예에 따른 전극을 사용하여 높은 용착 속도를 달성하기 위한 최적의 작동 전류 값은 알칼리 토금속 원소를 갖지 않는 제어 전극을 사용하는 것보다 적어도 100 내지 200 amp 이상이다.
전력 조절된 높은 용착 속도 아크 용접
전술한 바와 같이, 오픈 아크 용접에서 매우 높은 용착 속도, 예를 들면 약 30 lbs/hr 또는 그 이상의 용착 속도로 용접하는 것과 관련된 많은 도전이 있다. 본 발명자는 종래의 용접 와이어가 이와 같은 높은 용착 속도를 달성하는 데 사용되는 경우, 허용될 수 없는 수준의 다공성, 열악한 외관 및 열등한 기계적 특성, 예를 들어 낮은 항복 강도, 연성 및 파괴 인성으로 인해, 생성된 용접 비드의 품질이 용인될 수 없다는 것을 관찰하였다. 저품질의 용접 비드는 종종 오픈 아크 용접 중에 플라즈마 아크에서 관찰되는 불안정성과 상관관계가 있다. 전술한 바와 같이, 다양한 구현예에 따르면, 전극 와이어의 물리적 설계 및 조성물을 개선함으로써, 예를 들어 용접 와이어 내에 알칼리 토금속 원소를 혼입시킴으로써 이러한 매우 높은 용착 속도로 고품질의 용접 비드가 생성될 수 있다. 구현예에 따른 알칼리 토금속 원소를 포함하는 용접 와이어를 사용함으로써, 고품질의 용접 비드를 생성하면서 높은 용착 속도가 달성될 수 있다. 본 발명자는 고품질의 비드가 아크 용접 중 플라즈마 아크의 안정성과 상관 관계가 있음을 관찰하였다.
물리적 설계 및 소모품의 조성물을 개선하는 것 이외에, 본 발명자는 플라즈마 아크의 변동 및 불안정성을 감소시키기 위해 능동적으로 제어함으로써 플라즈마 안정성 및 생성된 용접 비드의 품질에서 추가의 개선이 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 본 발명자는 플라즈마 아크에 전달되는 전력의 변동을 감소시키는 것이 용접 비드의 품질을 개선하는 데 특히 효과적일 수 있다는 것을 발견하였다. 전력 변동은 결국 플라즈마 아크에 전달되는 실질적으로 일정한 전력을 유지하도록 전력을 조절함으로써 감소될 수 있다.
다양한 오픈 아크 용접 기술에서, 전력은 정전류(CC) 모드 또는 정전압(CV) 모드를 사용하여 플라즈마 아크에 전달된다. CC 모드 하에서, 전력 전달 회로는 상대적으로 일정한 전류를 유지하기 위해 출력 전압을 변화시킨다. CV 모드 하에서, 전력 전달 회로는 상대적으로 일정한 전압을 유지하기 위해 출력 전류를 변화시킨다. CV 모드는, 예를 들어 아크 거리가 쉽게 제어될 수 없는 기술에서 유리할 수 있다. CC 모드는, 예를 들어 아크 거리에 관계없이 용접될 물질에 도달하는 고정된 암페어 수가 필요한 기법에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 일부 쉴디드 금속 아크 용접 및 가스 텅스텐 아크 용접 기법은 CC 모드를 사용하는 반면, 일부 가스 금속 아크 용접 및 플럭스 코어드 아크 용접 기법은 CV 모드를 사용한다.
본 발명자는 CV 모드 또는 CC 모드를 사용하는 대신에, 플라즈마 아크에 전달된 전력이 용착 중에 상대적으로 일정하게 조절되는 경우, 약 30 lbs./hr.를 초과하는 속도와 같은 높은 용착 속도에서 플라즈마 안정성 및/또는 용접 비드의 품질을 더욱 개선할 수 있다는 것을 발견하였다. 구현예에 따라 용착 중에 전력이 조절되는 경우, 전력의 표준 편차가 상당히 감소될 수 있다. 본 발명자는 아크 용접 중 전력의 표준 편차의 크기가 전류 또는 전압의 표준 편차의 크기와 비교하여 빈약한 비드 품질을 초래하는 플라즈마 불안정성과 더 강한 상관관계를 나타내는 것을 발견하였다. 따라서, 하기에서는 전력 조절된 아크 용접의 방법 및 시스템이 기술되고, 이는 알칼리 토금속 함유 용접 전극의 사용 여부에 관계없이 플라즈마 안정성 및/또는 용접 비드의 품질을 유리하게 개선할 수 있다.
도 8은 정전압 아크 용접 중에 발생된 파형에 대한 구현예에 따른 전력 조절된 아크 용접 중에 발생된 실험 파형의 비교를 나타낸다. 상부, 중간 및 하부 그래프는 시간의 함수로서 각각 전압(V), 전류(A) 및 전력(W) 파형을 나타낸다. 설명의 목적을 위해, 조절 모드는 연속 용접 와이어를 사용하여 연속 용접 세션 중에 전환되었다. 사용된 용접 와이어는 알칼리 토금속 원소 및 도 7의 실험 결과를 발생시키는 데 사용된 것과 유사한 강 조성물에 기초한 베이스 금속 조성물을 포함하는 금속 코어드 용접 와이어였다. 용접 와이어는 분당 850 인치의 속도로 공급되는 반면, 32 ㎾의 목표 전력이 플라즈마 아크에 전달되어, 38 lbs/hr의 용착 속도를 초래한다. 좌측 파형 영역(810)은 구현예에 따른 전력 조절 모드에서 아크 용접이 수행되는 영역을 도시하고, 우측 파형 영역(820)은 정전압(CV) 모드에서 아크 용접이 수행되는 영역을 도시한다. 파형 영역(810)에 의해 나타낸 바와 같이, 전력 조절 모드 하에서, 전압 및 전류는 상대적으로 높은 진폭에서 변동하는 반면, 전력은 상대적으로 낮은 진폭에서 변동한다. 대조적으로, 파형 영역(820)에 의해 나타낸 바와 같이, 종래의 CV 모드 하에서, 전압은 상대적으로 낮은 진폭에서 변동하는 반면, 전력은 상대적으로 높은 진폭에서 변동한다. 전력 조절 파형 영역(810) 및 CV 모드 영역(820)에서 관찰된 전력의 표준 편차는 각각 약 250 W 및 1000 W이다. 본 발명자는 전압, 전류 및 전력의 변동 중에서도 전력의 변동이 비드 품질 열화를 초래하는 플라즈마 불안정성과 가장 강한 상관관계를 갖는다는 것을 발견하였다. 따라서, 본원에 기술된 다양한 구현예에 따르면, 아크 용접의 방법은 전력의 표준 편차가 CV 및 CC 모드에 비해 상대적으로 낮게 유지되도록 전력을 조절한다.
도 9는 다양한 구현예에 따라 전력을 조절함으로써 아크 용접을 하는 방법(900)을 도시한다. 방법(900)은 높은 용착 속도에서 아크 용접에 적응된 용접 와이어를 제공하는 단계(910)를 포함한다. 구현예가 그렇게 제한되지는 않지만, 용접 와이어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함한다. 방법(900)은 용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계(920)를 추가로 포함한다. 방법(900)은 높은 용착 속도로 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계(930)를 더 포함한다. 플라즈마 아크에 전달되는 실질적으로 일정한 전력을 유지하도록 조절하면서 용착이 수행된다.
본원에 기술된 바와 같이, 전력 조절된 아크 용접과 관련하여 높은 용착 속도는, 일부 구현예에 따라 약 20 lbs/hr, 30 lbs/hr, 40 lbs/hr 또는 50 lbs/hr를 초과하는 용착 속도를 지칭하거나 적용예의 어디든지 개시된 용착 속도, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 용착 속도를 지칭한다. 일부 다른 구현예에서, 용착 단계(66)는 구현예에 따라 약 20 lbs/hr 내지 약 70 lbs/hr, 약 30 lbs/hr 내지 약 80 lbs/hr, 약 40 lbs/hr 내지 약 90 lbs/hr, 또는 약 50 lbs/hr 내지 약 100 lbs/hr의 용착 속도로 용착하는 것을 포함한다.
높은 용착 속도는 아크 용접 중에 플라즈마 아크에 전달되는 전력을 조절함으로써 달성될 수 있으며, 구현예에 따라 상기 전력은 10 kW, 15 kW, 20 kW, 25 kW, 30 kW, 35 kW, 40 kW, 45 kW, 50 kW, 55 kW 또는 60 kW를 초과하는 평균값을 가질 수 있거나 적용예의 어디든지 개시된 임의의 다른 값을 가질 수 있거나 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 평균값을 가질 수 있다.
전력을 조절하기 위해, 적절한 양의 전류가 플라즈마 아크에 전달되고/전달되거나 그로부터 측정되고, 구현예에 따라 상기 전류는 약 200 암페어, 300 암페어, 400 암페어, 500 암페어, 600 암페어, 700 암페어, 800 암페어, 900 암페어 또는 1000 암페어를 초과하는 평균값을 가질 수 있거나 적용예의 어디든지 개시된 임의의 다른 값을 가질 수 있거나 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 가질 수 있다.
전력을 조절하기 위해, 적절한 전압이 플라즈마 아크에 전달되고/전달되거나 그로부터 측정되고, 구현예에 따라 상기 전압은 약 20 V, 25 V, 30 V, 35 V, 40 V, 45 V, 50 V, 55 V, 60 V, 65 V, 70 V, 75 V 또는 80 V을 초과하는 평균값을 가질 수 있거나 적용예의 어디든지 개시된 임의의 다른 값을 가질 수 있거나 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 가질 수 있다.
목표 용착 속도는, 구현예에 따라 약 200 m/분 내지 약 400 m/분, 약 300 m/분 및 약 500 m/분, 약 400 m/분 내지 약 600 m/분 사이의 속도로, 또는 적용예의 어디든지 개시된 속도로, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 갖는 속도로 용접 와이어를 연속적으로 공급하면서 상기 표시된 값으로 전력을 조절함으로써 달성될 수 있다.
일부 구현예에서, 용접 전극(와이어 또는 스틱)의 공급 속도는 전력의 조절과 함께 결합하여 아크 용접 세션 중에 능동적으로 변화되거나 조절될 수 있다. 와이어 피더가 전류 또는 전압의 능동 피드백을 통해 와이어 공급 속도를 조정할 수 있도록 함으로써, 전력의 표준 편차를 낮게 유지하면서 전류 또는 전압을 비교적 일정하게 유지될 수 있다. 관련된 방식으로, 일부 구현예에서, 콘택트 팁과 모재간 거리(CTWD)는 전력의 조절과 함께 결합하여 아크 용접 세션 중에 능동적으로 변화되거나 조절될 수 있다. 공급 속도 조절과 유사하게, CTWD는 전류 또는 전압의 피드백을 통해 조정될 수 있어, 전력의 낮은 표준 편차를 유지하면서 전류 또는 전압이 비교적 일정하게 유지되도록 한다.
본 발명자는 전압 또는 전류를 조절하는 것과 비교하여 전력을 조절하는 것이 전력의 표준 편차를 상당한 개선을 초래할 수 있다는 것을 발견하였다. 생성된 상대적으로 낮은 표준 편차는 결국 플라즈마 아크 및 비드 품질의 안정성의 상당한 개선을 초래할 수 있다. 도 8과 관련하여 전술한 바와 같이, 유사한 공칭 전력 레벨에 대해, 전력 조절은 실질적으로 더 작은 전력의 표준 편차를 초래한다.
본 발명자는 구현예에 따른 목표 평균 전력에서 플라즈마 아크에 전달된 전력의 표준 편차가 약 600 W, 550 W, 500 W, 450 W, 400 W, 350 W, 300 W, 250 W, 200 W, 150 W 또는 100 W 미만의 값, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 가질 수 있음을 발견하였다. 전력의 표준 편차는 또한 약 2%, 1.5%, 1% 또는 0.5% 미만의 목표 평균 전력의 백분율, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 가질 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 표준 편차가 이들 값 중 하나를 가질 때 플라즈마 아크에 전달되는 전력은 실질적으로 일정하다고 지칭된다. 이들 표준 편차 값은 본원에 기술된 방법에 따라 100 msec, 200 msec, 500 msec 또는 1 초를 초과하는 지속기간 동안, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 지속기간, 예를 들어 전력 조절된 아크 용접 세션의 전체 지속기간 동안 유지될 수 있다.
전력 조절된 아크 용접 방법 및 시스템의 다양한 구현예에 따르면, 본원에 기술된 임의의 용접 와이어가 사용될 수 있다. 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 임의의 용접 와이어는 본원에 기술된 바와 같이 전력 조절된 아크 용접에 특히 적합할 수 있다. 그러나, 구현예는 이에 한정되는 것은 아니며, 본원에 개시된 높은 용착 속도로 용접하기에 적합한 임의의 용접 와이어가 사용될 수 있다.
구현예에 따른 전력 조절된 아크 용접 방법은 적합한 아크 용접 시스템, 예를 들어 도 5와 관련하여 전술한 아크 용접 시스템(50)과 유사한 것을 사용하여 구현될 수 있고, 이는 GMAW, FCAW, FCAW-G, GTAW, SAW, SMAW, 또는 유사한 아크 용접 프로세스를 위해 구성될 수 있다. 특히, 용접 시스템(50)에 전력을 공급하도록 구성되고, 용접 전극 와이어가 제1 전극 역할을 하도록 용접 와이어 구동기(54)에 전기적으로 연결되는 용접 전력원(52)은, 예를 들어 전력 조절에 적응된 전력원(52)을 제공함으로써 다양한 구현예에 따른 아크 용접 중에 높은 용착 속도를 위해 상대적으로 높은 전력을 공급하고 전력을 조절하도록 구성된다. 시스템(50)은 또한 적합한 용접 와이어, 예를 들어 알칼리 토금속을 포함하는 용접 전극 와이어를 높은 용착 속도를 달성하기에 충분한 전력을 전달하면서 충분한 속도로 공급함으로써 아크 용접에 추가로 적응될 수 있다.
또한, 도 10a 및 도 10b는 구현예에 따른 전력 조절된 아크 용접(도 10a) 및 정전압 아크 용접(도 10b) 중에 발생된 실험 파형의 비교를 도시한다. 도 10a 및 도 10b의 각각의 상부, 중간 및 하부 그래프는 y 축의 전압(V), 전류(A) 및 전력(W)을 x 축의 시간의 함수로서 각각 도시한다. 파형은 커서(cursor) 사이의 간격이 240 밀리초이다. 도 10a의 결과를 얻기 위해 사용된 실험 조건 및 용접 와이어는, 도 8의 파형 영역(810)을 얻기 위해 사용된 것과 유사하고, 이는 구현예에 따른 전력 조절 모드 하에서 측정되었다. 도 10b의 결과를 얻기 위해 사용된 실험 조건 및 용접 와이어는, 도 8의 파형 영역(820)을 얻기 위해 사용된 것과 유사하고, 이는 정전압(CV) 모드 하에서 측정되었다. 도 8과 관련하여 도시된 파형 영역(810)과 유사하게, 도 10a는 전력 조절 모드 하에서, 전압 및 전류가 상대적으로 높은 진폭에서 변동하는 반면, 전력은 상대적으로 낮은 진폭에서 변동한다는 것을 도시한다. 대조적으로, 도 8과 관련하여 도시된 파형 영역(820)과 유사하게, 정전압 모드 하에서, 전압은 상대적으로 낮은 진폭에서 변동하는 반면, 전력은 상대적으로 높은 진폭에서 변동한다. 도 10a와 관련하여 도시된 전력 조절 모드에 대응하는 파형 및 도 10b와 관련하여 도시된 CV 모드에 대응하는 파형에서 관측된 전력의 표준 편차는 각각 약 60 W 및 1060 W이었다.
높은 용착 속도 아크 용접 중의 서지(surge) 제한된 전력 조절
상기에서, 아크 용접 중의 전력 조절이 기술되었는데, 이는 플라즈마 아크가 전달되는 감소된 전력의 표준 편차를 포함하는 플라즈마 아크 특성의 다양한 개선을 초래하고, 이는 결국 감소된 다공성을 포함하는 비드 품질의 다양한 양태를 개선한다. 전력의 베이스라인 표준 편차에 더하여, 본 발명자는 플라즈마 아크에 전달된 전류, 전압 및/또는 전력의 순간적인 스파이크 또는 서지를 감소시키는 것이 또한 플라즈마 아크 특성 및 생성된 비드 품질을 크게 개선할 수 있음을 발견하였다.
도 11a는 구현예에 따라 전력 조절된 아크 용접 중에 발생된 실험 파형을 도시한다. 도 11a의 상부, 중간 및 하부 그래프는 y 축의 전압(V), 전류(A) 및 전력(W)을 x 축의 시간의 함수로서 각각 도시한다. 플라즈마 아크는 32 K 와트의 목표 전력에서 전력 조절되었다. 상부 그래프를 참조하면, 전압 파형은 약 250 마이크로 초의 짧은 시간 범위 내에서 약 50 V 내지 75 V의 전압 스파이크를 보여준다. 중간 그래프를 참조하면, 전압 스파이크에 응답하여, 전력 공급부는 전류 값을 150 암페어 이상 급속하게 저하시킴으로써 전달된 전력의 순간적인 감소를 보상하려고 시도했다. 부분적으로 전압의 급격한 변화에 응답하는 전력 공급부 회로의 제한된 응답 시간으로 인해, 플라즈마 아크에 전달되는 전력 범위는 목표 또는 평균 전력에 비해 약 +/- 3000 와트에 걸쳐 있다.
도 11b는 구현예에 따라 전력의 서지 및 스파이크를 제어하기 위해 전류의 변화량을 제한하는 것을 포함하는 전력 조절된 아크 용접 방법(1100)의 예시적인 구현예를 도시한다. 아크 용접의 구현예는 본원에 기술된 다양한 구현예에 따라 용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계, 및 예를 들어 시간당 30 파운드를 초과하는 높은 용착 속도로 용접 와이어를 용융시켜 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계를 포함한다. 예시된 구현예에 따르면, 아크 용접 방법(1100)은 프리셋 전력에서 전력의 조절을 시작하는 단계(1110)를 포함한다. 용착은 본원에 개시된 다양한 구현예에 따라 플라즈마 아크에 전달된 전력을 조절하면서 수행된다. 방법은 시간에 따른 전압 변화, 예를 들어 전압의 순간적인 변화(dV/dt)를 검출하는 단계(1120)를 포함하며, 상기 검출하는 단계는 미리 결정된 값을 초과하는 dV/dt를 검출하는 것을 포함한다. 방법은 dV/dt가 미리 결정된 값을 초과하는 것으로 결정될 때, 전류의 변화량을 미리 결정된 값으로 제한하는 단계를 더 포함한다.
여전히 도 11b를 참조하면, dV/dt를 검출하는 단계(1120)는 0.05 V/마이크로초, 0.1 V/마이크로초, 0.2 V/마이크로초, 0.4 V/마이크로초, 0.6 V/마이크로초, 0.8 V/마이크로초 또는 1.0 V/마이크로초를 초과하는 단위 시간당 전압 변화, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 검출하는 것을 포함한다. 대안으로, dV/dt를 검출하는 단계(1120)는 또한, 구현예를 따라 0.2%/마이크로초, 0.4%/마이크로초, 0.8%/마이크로초, 1.2%/마이크로초, 1.6%/마이크로초 또는 2.0%/마이크로초를 초과하는 평균 전력의 백분율, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
여전히 도 11b를 참조하면, 급격한 변화, 예를 들어 스파이크 또는 전류의 감소를 제한하는 단계(1130)는, 구현예를 따라 약 400 암페어, 350 암페어, 300 암페어, 250 암페어, 200 암페어, 150 암페어, 100 암페어, 50 암페어, 또는 약 0 암페어, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값의 미만으로 변화를 제한하는 것을 포함한다. 대안으로, 전류의 변화 또는 스파이크를 제한하는 단계(1130)는, 구현예를 따라 약 100%, 80%, 60%, 40%, 20%, 10% 또는 약 0%, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 백분율의 미만으로 변화를 제한하는 것을 포함한다.
여전히 도 11b를 참조하면, 전류의 변화 또는 스파이크를 제한하는 단계(1130)는, 구현예를 따라 1000 ㎲, 800 ㎲, 600 ㎲, 400 ㎲, 200 ㎲, 또는 100 ㎲, 또는 이들 값 중 하나에 의해 정의된 범위의 값 미만의 지속기간 동안 제한을 구현하는 것을 포함한다.
구현예
1. 금속 아크 용접 중에 전극 역할을 하도록 구성된 소모성 금속 코어드 용접 와이어로서, 상기 용접 와이어는:
제1 베이스 금속 조성물을 갖는 시스;
시스에 의해 둘러싸이고 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소와 합금된 제2 베이스 금속 조성물을 갖는 입자를 포함하는 코어를 포함하는, 용접 와이어.
2. 구현예 1에 있어서, 존재하는 경우, 코어 내의 비금속 원자 원소는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 5%를 초과하지 않는 농도로 존재하는, 용접 와이어.
3. 구현예 1에 있어서, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 농도는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 0.5%인, 용접 와이어.
4. 구현예 2에 있어서, 제1 베이스 금속 조성물 및 제2 베이스 금속 조성물은 상이한 금속 또는 금속 합금 조성물을 포함하는, 용접 와이어.
5. 구현예 2에 있어서, 제1 베이스 금속 조성물 및 제2 베이스 금속 조성물은 동일한 금속 또는 금속 합금 조성물을 포함하는, 용접 와이어.
6. 구현예 2에 있어서, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소는 Ba를 포함하는, 용접 와이어.
7. 구현예 6에 있어서, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소는 Ca를 추가로 포함하는, 용접 와이어.
8. 구현예 2에 있어서, 용접 와이어는 가스 금속 아크 용접(GMAW)용으로 구성되고, 코어는 추가의 플럭싱제를 포함하지 않는, 용접 와이어.
9. 구현예 2에 있어서, 금속 코어 용접 와이어는 가스 금속 아크 용접(GMAW)용으로 구성되고, 코어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 2%를 초과하지 않는 농도로 플루오로 중합체를 더 포함하는, 용접 와이어.
10. 구현예 8에 있어서, 플럭싱제는 전이 금속 옥사이드를 더 포함하는, 용접 와이어.
11. 금속 아크 용접 방법에 있어서,
전극 역할을 하도록 구성된 소모성 코어드 용접 와이어를 제공하는 단계로서, 용접 와이어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하고, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 원자는 베이스 금속 조성물과 합금되는, 용접 와이어를 제공하는 단계;
용접 와이어의 용융 액적의 일정한 흐름을 생성하기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 전류를 인가하는 단계; 및
시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 모재 상에 용융 액적을 용착하는 단계를 포함하는, 방법.
12. 구현예 11에 있어서, 소모성 용접 와이어는 시스로 둘러싸인 코어를 갖는 금속 코어드 용접 와이어이고, 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소와 합금된 베이스 금속 조성물을 갖는 입자를 포함하는, 방법.
13. 구현예 12에 있어서, 상기 방법은 가스 금속 아크 용접(GMAW)이고, 코어는 추가의 플럭싱제를 포함하지 않으며, 존재하는 경우, 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 5%를 초과하지 않는 농도로 비금속 원자 원소를 포함하는, 방법.
14. 구현예 13에 있어서, 비금속 원자 원소는 용융 액적을 모재 상에 용착시키는 단계가, 생성된 용접 비드의 전체 표면을 실질적으로 커버하지 않고 생성된 용접 비드의 표면 상에 슬래그 섬을 형성하는 단계를 포함하도록 하는 농도로 존재하는, 방법.
15. 구현예 12에 있어서, 상기 방법은 기체 금속 아크 용접(GMAW)이고, 코어는 플루오로 중합체를 더 포함하는, 방법.
16. 구현예 15에 있어서, 플루오로 중합체는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 2%를 초과하지 않는 농도로 존재하는, 방법.
17. 구현예 11에 있어서, 전류를 인가하는 단계는 초당 약 10 이벤트 미만의 플라즈마 불안정성 이벤트의 평균 수를 유지하도록 약 400 암페어 내지 약 700 암페어 사이의 평균 전류를 인가하는 것을 포함하는, 방법.
18. 금속 아크 용접 시스템에 있어서,
전극 역할을 하도록 구성된 소모성 코어드 용접 와이어로서, 용접 와이어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하고, 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 원자는 베이스 금속 조성물과 합금되는, 용접 와이어;
용접 와이어의 용융 액적의 일정한 흐름을 생성하기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 전류를 인가하도록 구성된 전력원; 및
시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용융 액적을 모재 상에 용착하도록 구성된 용접 건을 포함하는, 시스템.
19. 구현예 18에 있어서, 소모성 용접 와이어는 시스로 둘러싸인 코어를 갖는 금속 코어드 용접 와이어이고, 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소와 합금된 베이스 금속 조성물을 갖는 입자를 포함하는, 시스템.
20. 구현예 19에 있어서, 전력원은 초당 약 10 이벤트 미만의 플라즈마 불안정성 이벤트의 평균 수를 유지하도록 약 400 암페어 내지 약 700 암페어 사이의 평균 전류를 인가하도록 구성되는, 시스템.
21. 아크 용접 방법에 있어서,
하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 용접 와이어를 제공하는 단계;
용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계; 및
플라즈마 아크에 전달되는 실질적으로 일정한 전력을 유지하도록 조절하면서 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계를 포함하는, 방법.
22. 구현예 21에 있어서, 용접 와이어의 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 농도는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%인, 방법.
23. 구현예 21 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 용접 와이어는 시스 및 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 금속 코어드 용접 와이어이고, 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
24. 구현예 21 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소와 합금된 제1 베이스 금속 조성물을 갖는 입자를 포함하는, 방법.
25. 구현예 21 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 존재하는 경우, 코어의 비금속 원자 원소는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 5%를 초과하지 않는 농도로 존재하는, 방법.
26. 구현예 21 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 가스 금속 아크 용접(GMAW)이고, 코어는 플루오로 중합체를 더 포함하는, 방법.
27. 구현예 21 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 알칼리 토금속은 Ba 또는 Ca 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
28. 구현예 21 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 용접 와이어는 구현예 1 내지 10 중 어느 하나에 따른 것인, 방법.
28. 구현예 21 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 구현예 11 내지 17 중 어느 하나에 따른 것인, 방법.
29. 구현예 21 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 구현예 18 내지 20 중 어느 하나에 따른 시스템을 사용하여 수행되는, 방법.
30. 아크 용접 방법에 있어서,
용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계; 및
시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계로서, 용착은 플라즈마 아크에 전달된 전력의 표준 편차가 플라즈마 아크에 전달된 평균 전력의 2% 미만이 되도록 플라즈마 아크에 전달된 전력을 조절하면서 수행되는, 상기 용착하는 단계를 포함하는, 방법.
31. 구현예 30에 있어서, 전력의 표준 편차는 적어도 200 밀리초의 주기 동안 500 와트(W) 미만인, 방법.
32. 구현예 30 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 전력 조절은 20 kW 초과로 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
33. 구현예 30 내지 32 중 어느 하나에 있어서, 전력 조절은 약 500 암페어(A)를 초과하는 평균 전류 및 약 40 볼트(V)를 초과하는 평균 전압을 플라즈마 아크에 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
34. 구현예 30 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 전력 조절은 플라즈마 불안정성 이벤트의 평균 수가 초당 약 10 이벤트 미만이 되도록 하는 단계인, 방법.
35. 구현예 30 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 아크 용접은 가스 금속 아크 용접(GMAW)인, 방법.
36. 구현예 30 내지 35 중 어느 하나에 있어서, 용접 와이어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
37. 구현예 30 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 용접 와이어는 시스 및 시스로 둘러싸인 코어를 포함하는 금속 코어드 용접 와이어이고, 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
38. 구현예 30 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 전력 조절은 플라즈마 아크로부터 측정된 전류 또는 전압의 피드백에 기초하여 용접 와이어의 공급 속도 또는 콘택트 팁과 모재간 거리(CTWD)를 능동적으로 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
39. 구현예 30 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 용접 와이어는 구현예 1 내지 10 중 어느 하나에 따른 것인, 방법.
40. 구현예 30 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 구현예 11 내지 17 중 어느 하나에 따른 것인, 방법.
41. 구현예 30 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 구현예 18 내지 20 중 어느 하나에 따른 시스템을 사용하여 수행되는, 방법.
42. 아크 용접 방법에 있어서,
용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계; 및
시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계로서, 용착은 플라즈마 아크에 전달된 전력을 조절하면서 수행되는, 상기 용착하는 단계를 포함하며,
전력 조절은 전류의 변화량을 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
43. 구현예 42에 있어서, 전력 조절은 전류의 변화량을 제한하기 전에 미리 결정된 값을 초과하는 전압의 순간 변화(dV/dt)를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
44. 구현예 42 내지 43에 있어서, dV/dt는 0.1 V/마이크로초를 초과하는, 방법.
45. 구현예 42 내지 44에 있어서, 전류 변화량을 제한하는 것은 약 200 암페어 미만으로 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
46. 구현예 42 내지 45에 있어서, 전류 변화량을 제한하는 것은 1 밀리초 미만의 미리 결정된 지속기간 동안 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
47. 구현예 42 내지 46에 있어서, 전력 조절은 전력의 표준 편차가 플라즈마 아크에 전달된 평균 전력의 2% 미만이 되도록 플라즈마 아크에 전달된 전력을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
48. 구현예 42 내지 47에 있어서, 용접 와이어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
49. 구현예 42 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 용접 와이어는 구현예 1 내지 10 중 어느 하나에 따른 것인, 방법.
50. 구현예 42 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 구현예 11 내지 17 중 어느 하나에 따른 것인, 방법.
51. 구현예 42 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 구현예 18 내지 20 중 어느 하나에 따른 시스템을 사용하여 수행되는, 방법.
전술한 구현예에서, 높은 용착 속도 아크 용접을 위한 장치, 시스템 및 방법이 특정 구현예와 관련하여 설명된다. 그러나, 구현예의 원리 및 이점은 높은 용착 속도 아크 용접에 대한 필요성을 갖는 임의의 다른 시스템, 장치 또는 방법에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기에서, 구현예 중 하나의 임의의 특징은 임의의 다른 구현예의 임의의 다른 특징과 조합 및/또는 대체될 수 있음을 이해할 것이다.
문맥이 달리 명료하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구범위에 걸쳐, 용어 "포함하다(comprises)," "포함하는(comprising)", "포함하다(include)", "포함하는(including)" 등은 배타적인 또는 철저한 의미와는 반대되는 포괄적인 의미, 즉 "포함하지만 이에 제한되지 않는다"의 의미로 해석되어야 한다. 본원에서 일반적으로 사용되는 용어 "결합된(coupled)"은, 직접 연결되거나 하나 이상 중간 요소에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 요소를 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용되는 용어 "연결되는(connected)"는, 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 요소에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 요소를 의미한다. 또한, "여기에서", "상기의(above)", "하기의(below)", "아래의(infra)", "위의(supra)" 및 이와 유사한 의미의 용어는, 본 출원의 특정 부분이 아닌 본 출원의 전체를 참조하여야 한다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수의 수를 사용하는 상기 상세한 설명의 용어는 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 두 개 이상의 항목의 리스트와 관련하여, 용어 "또는"은 다음 용어의 해석: 리스트의 임의의 항목, 리스트의 모든 항목 및 리스트의 항목의 조합을 모두 포괄한다.
또한, "할 수 있다(can, could, might, may)", "예를 들어(e.g., for example)", "~와 같은(such as)" 등과 같은 본원에서 사용된 조건부 언어는, 달리 특정하게 언급되지 않거나 사용된 상황 내에서 달리 이해되지 않는 한, 일반적으로 특정 구현예가 어떤 특징, 요소 및/또는 상태를 포함하지만 다른 구현예가 포함하지 않는다는 것을 전달하는 것으로 의도된다. 따라서, 이와 같은 조건부 언어는 일반적으로 하나 이상의 구현예에 대해 특징, 요소 및/또는 상태가 어떤식으로든 요구되거나 이들 특징, 요소 및/또는 상태가 임의의 특정 구현예에서 포함되거나 수행되어야 하는지 여부를 암시하지 않는다.
특정 구현예가 본원에서 설명되었지만, 이들 구현예는 단지 예로서 제시되었으며, 본 개시의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 실제로, 본원에 기술된 신규한 장치, 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며; 또한, 본원에서 기술된 방법 및 시스템의 형태에서의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 개시의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예를 들어, 블록이 주어진 배열로 제시되는 동안, 대안 구현예는 상이한 구성요소 및/또는 회로 토폴로지와 유사한 기능을 수행할 수 있고, 일부 블록은 삭제, 이동, 추가, 세분화, 결합되고/결합되거나 변형될 수 있다. 이들 블록의 각각은 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 전술한 다양한 구현예의 요소 및 동작의 임의의 적절한 조합이 추가 구현예를 제공하도록 결합될 수 있다. 전술한 다양한 특징 및 프로세스는 서로 독립적으로 구현될 수 있거나, 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 본 개시의 특징의 모든 적절한 조합 및 서브 조합은 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (23)

  1. 아크 용접 방법에 있어서,
    하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는 용접 와이어를 제공하는 단계;
    상기 용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 상기 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 플라즈마 아크에 전달되는 실질적으로 일정한 전력을 유지하도록 조절하면서 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 상기 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접 와이어 내의 하나 이상의 알칼리 토금속 원소의 농도는 상기 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용접 와이어는 시스 및 상기 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 금속 코어드 용접 와이어이고, 상기 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소와 합금된 제1 베이스 금속 조성물을 갖는 입자를 포함하는, 방법.
  5. 제3항에 있어서, 존재하는 경우, 상기 코어 내의 비금속 원자 원소는 상기 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 5%를 초과하지 않는 농도로 존재하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 방법은 가스 금속 아크 용접(GMAW)이고, 상기 코어는 플루오로 중합체를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 알칼리 토금속은 Ba 또는 Ca 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  8. 아크 용접 방법에 있어서,
    용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 상기 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계; 및
    시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 상기 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 모재 상에 용착하는 단계로서, 용착은 상기 플라즈마 아크에 전달된 전력의 표준 편차가 플라즈마 아크에 전달되는 평균 전력의 2% 미만이 되도록 플라즈마 아크에 전달되는 전력을 조절하면서 수행되는, 상기 용착하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전력의 표준 편차는 적어도 200 밀리초의 주기 동안 500 와트(W) 미만인, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전력을 조절하는 것은 20 kW 초과로 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 전력을 조절하는 것은 약 500 암페어(A)를 초과하는 평균 전류 및 약 40 볼트(V)를 초과하는 평균 전압을 상기 플라즈마 아크에 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 전력을 조절하는 것은 플라즈마 불안정성 이벤트의 평균 수가 초당 약 10 이벤트 미만이 되도록 하는 단계인, 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 아크 용접은 가스 금속 아크 용접(GMAW)인, 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 용접 와이어는 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 용접 와이어는 시스 및 상기 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 금속 코어드 용접 와이어이고, 상기 코어는 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
  16. 제8항에 있어서, 상기 전력을 조절하는 것은 상기 플라즈마 아크로부터 측정된 전류 또는 전압의 피드백에 기초하여 상기 용접 와이어의 공급 속도 또는 접촉 팁과 모재간 거리(CTWD)를 능동적으로 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 아크 용접 방법에 있어서,
    용접 와이어를 용융시키기에 충분한 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용접 와이어에 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 용접 와이어를 용융시킴으로써 형성된 용융 액적을 시간당 30 파운드를 초과하는 용착 속도로 모재 상에 용착하는 단계로서, 상기 용착은 상기 플라즈마 아크에 전달되는 전력을 조절하면서 수행되는, 상기 용착하는 단계를 포함하고,
    상기 전력을 조절하는 것은 전류의 변화량을 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전력을 조절하는 것은 상기 전류의 변화량을 제한하기 전에 미리 결정된 값을 초과하는 전압의 순간 변화(dV/dt)를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 dV/dt는 0.1 V/마이크로초를 초과하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 전류의 변화량을 제한하는 것은 약 200 암페어 미만으로 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 전류의 변화량을 제한하는 것은 1 밀리초 미만의 미리 결정된 기간 동안 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 전력을 조절하는 것은 전력의 표준 편차가 플라즈마 아크에 전달된 평균 전력의 2% 미만이 되도록 플라즈마 아크에 전달되는 전력을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 용접 와이어는 상기 용접 와이어의 총 중량을 기준으로 0.005% 내지 10%의 농도로 하나 이상의 알칼리 토금속 원소를 포함하는, 방법.
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