(57)【要約】【課題】  被覆溶接ワイヤを提供する。【解決手段】  開示される技術は一般に溶接ワイヤに関し、より詳しくは被覆溶接ワイヤに関する。消耗溶接ワイヤは、鋼鉄成分を含むベースワイヤと、ベースワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングと、を含み、酸化鉄は、溶接ワイヤの外面がダークグレイから黒の色を有するような酸素対鉄（Ｏ／Ｆｅ）比を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗溶接ワイヤにおいて、
鋼鉄成分を含むベースワイヤと、
前記ベースワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングであって、前記酸化鉄は、前記溶接ワイヤの外面がダークグレイから黒の色を有するような酸素対鉄原子濃度比（Ｏ／Ｆｅ）を有するようなコーティングと、
を含む消耗溶接ワイヤ。
【請求項２】
前記Ｏ／Ｆｅは、前記溶接ワイヤの前記外面が実質的に黒色を有するようなものである、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記Ｏ／Ｆｅは１．３７〜１．５である、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項４】
前記酸化鉄はヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）とマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）の一方又は両方を含む、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項５】
前記酸化鉄は基本的にマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を含む、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項６】
前記酸化鉄は、前記ベースワイヤの酸化部分である、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項７】
前記消耗溶接ワイヤは、前記ベースワイヤの前記表面上に形成される銅コーティングを含まない、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項８】
腐食抑制オイルコーティングをさらに含み、前記コーティングは前記酸化鉄を含む、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項９】
前記コーティングの厚さは約１μｍ〜約４μｍである、請求項１に記載の消耗溶接ワイヤ。
【請求項１０】
消耗溶接ワイヤの製造方法において、
鋼鉄成分を含むベースワイヤを提供するステップと、
前記ベースワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングであって、前記酸化鉄は、前記溶接ワイヤの外面がダークグレイから黒の色を有するような酸素対鉄原子濃度比（Ｏ／Ｆｅ）を有するようなコーティングを形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記Ｏ／Ｆｅ比は、前記溶接ワイヤの前記外面が実質的に黒色を有するようなものである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記Ｏ／Ｆｅ比は１．３７〜１．５である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記コーティングを形成するステップは前記ベースワイヤを化学的に酸化させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティングを形成するステップは、前記ベースワイヤを金属水酸化物、亜硝酸金属、又は金属硝酸塩のうちの１つ又は複数を含む溶液に浸漬させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記コーティングを形成するステップは、前記ベースワイヤを水酸化ナトリウム、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、又は硝酸カリウムの１つ又は複数を含む溶液に浸漬させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記コーティングを形成するステップは、前記ベースワイヤを水酸化ナトリウムを含む６０〜８０重量％と亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、及び硝酸カリウムのうちの１つ又は複数を含む１５〜４０重量％を含む溶液に浸漬させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
酸化させるステップは、前記ベースワイヤを約１００〜２００℃の温度の溶液中で酸化させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記コーティングの周囲にシーリングを形成するステップをさらに含み、前記シーリングは腐食抑制オイルを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記コーティングの厚さは約１μｍ〜約４μｍである、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記コーティングを形成するステップは、前記ベースワイヤを１００〜１４００℃の温度で熱酸化させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
参照による援用
本願は、２０１９年２月４日に出願された米国仮特許出願第６２／８００，６８８号及び２０２０年１月２１日に出願された米国仮特許出願第１６／７４７，９７５号の優先権を主張するものであり、これらの内容の全体を参照によって本願に援用する。
【０００２】
開示されている技術は一般に溶接ワイヤに関し、より詳しくは被覆溶接ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な溶接技術で溶接ワイヤが使用され、これは金属源の役割を果たす。例えば、メタルアーク溶接の場合、母材に向かって前進する１つの電極の役割を果たす消耗溶接電極と他の電極の役割を果たす母材との間に電圧が印加されると、電気アークが作られる。アークは金属ワイヤの先端を溶かし、それによって溶融金属ワイヤの液滴が生成され、それが母材の上に溶着して、溶接部又は溶接ビードを形成する。
【０００４】
溶接技術に対する技術的及び経済的要求は複雑さを増す一方である。例えば、蒸着の高速化等を通じた生産性向上のニーズと、汚染の低減等を通じたビードの品質改善のニーズがしばしば同時に存在する。幾つかの溶接技術は、消耗材を改良することにより、例えば電極ワイヤの物理的設計及び／又は組成を改良することにより、これらの競合する要求に対処しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８９０１４５５号明細書
【特許文献２】米国特許第８，９０１，４５５号明細書
【特許文献３】米国特許第８，３９５，０７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
溶接ワイヤの中には、ワイヤの周囲に形成されたコーティングを有するものがある。一部のコーティングは、溶接プロセス中に割れやすく、これは結果として得られる溶接ビームを汚染し得る等の問題を有する可能性がある。さらに、一部のコーティングは、溶接の溶着速度を限定する可能性がある。それゆえ、溶接ワイヤのための改良されたコーティングが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ある態様において、消耗溶接ワイヤは、鋼鉄成分を含むワイヤと、コアワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングと、を含み、酸化鉄は、溶接ワイヤがダークグレイから黒い色を有するような酸素対鉄（Ｏ／Ｆｅ）比を有する。
【０００８】
他の態様において、消耗溶接ワイヤの製造方法は、鋼鉄成分を含むワイヤを提供するステップと、コアワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングを形成するステップと、を含み、酸化鉄は、溶接ワイヤがダークグレイから黒い色を有するような酸素対鉄（Ｏ／Ｆｅ）比を有する。
【０００９】
他の態様において、溶接方法は、鋼鉄成分を含むワイヤと、コアワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングと、を含む消耗溶接ワイヤを提供するステップを含み、酸化鉄は、溶接ワイヤがダークグレイから黒い色を有するような酸素対鉄（Ｏ／Ｆｅ）比を有する。方法は溶接部を形成するステップをさらに含み、これは、溶接ワイヤを５０インチ／分〜１３０インチ／分のワイヤ送給速度で送給するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的なガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）システムの斜視図を概略的に示す。
【図２】例示的なガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）システムの斜視図を概略的に示す。
【図３】図１及び２のＧＭＡＷシステムのケーブルアセンブリで使用される長いフレキシブルケーブルの半径方向の断面を概略的に示す。
【図４】例示的なサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムを概略的に示す。
【図５】例示的なサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムの斜視図を概略的に示す。
【図６】鉄−酸素位相図である。
【図７】実施形態による表面被覆溶接ワイヤと比較対象の溶接ワイヤとの、異なるワイヤ送給速度（ＷＦＳ）について使用される平均電流の実験的比較を示す。
【図８】実施形態による溶接ワイヤと比較対象の溶接ワイヤの、腐食試験後の表面外観及び耐食性能を比較する光学顕微鏡写真である。
【図９】実施形態による被覆溶接ワイヤの製造方法を説明するフローチャートを示す。
【図１０】実施形態による表面被覆溶接ワイヤと比較対象の溶接ワイヤとの、異なる標的溶接電流、電圧、及び電極突出し長さについての平均ウェハ速度（ＷＦＳ）の実験的比較を示す。
【図１１】表面酸化物の連続層を有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。
【図１２】表面酸化物及びオイルコーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。
【図１３】表面酸化物及びオイルコーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。
【図１４】表面酸化物及びオイルコーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。
【図１５】表面酸化物及び他の防食コーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。
【図１６】表面酸化物及び他の防食コーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
前記及びその他のニーズに対処するために、本明細書で開示される消耗溶接ワイヤは、鋼鉄成分を含むワイヤと、コアワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングと、を含み、酸化鉄は、溶接ワイヤがダークグレイから黒い色を有するような酸素対鉄（Ｏ／Ｆｅ）比を有する。開示される溶接ワイヤは、様々な利点を提供する。
【００１２】
生産性は、溶接応用において重要な考慮点であり、その経済性に直接関係する。パラメータの中でも、溶接の溶着速度は溶接プロセスの生産性を特定する主要な指標である。今日業界で使用されている溶接ワイヤの中には、様々な要因によってその溶着速度が限られているものがある。ある溶接ワイヤについて実現可能な溶着速度は、要因の中でも、溶接プロセス、溶接パラメータ、及び使用される消耗材に依存する可能性がある。
【００１３】
開示されている実施形態による溶接ワイヤは、有利な点として、今日業界で使用されている同等のワイヤと比べて実質的に速い溶着速度を実現する。実施形態によるワイヤによって速い溶着速度が可能となるのは、一部に、金属酸化物の混合物を有する既存のワイヤとは異なる、設計製作されたワイヤ表面を有することによる。この溶着速度の増大は、直接生産性の向上につながり得る。実施形態による溶接ワイヤは、ホットワイヤガスタングステンアーク溶接、レーザ及びプラズマホットワイヤプロセス等のプロセスにおいて使用して、より早い溶着速度を実現できる。
【００１４】
開示されている技術の実施形態が提供できる他の利点には、コーティングの割れ、例えば銅被覆／クラッドワイヤを用いた溶接中に時々見られる銅の割れの低減が含まれる。実施形態による溶接ワイヤは、ある溶接ワイヤを覆うように形成される銅クラッドの代わりに金属酸化物のコーティングを用いることが可能となる。それゆえ、溶接部の銅汚染及び銅の割れを減らすことができる。
【００１５】
開示されている技術の実施形態が提供できる他の利点には、溶接ワイヤの腐食の低減が含まれる。軟鋼成分を含む溶接ワイヤは、腐食しやすい可能性がある。腐食の問題は、非被覆溶接ワイヤにおいて非常に深刻であり得る。実施形態による溶接ワイヤは、現在入手可能なワイヤと比較して、改善された耐食性を提供し得る。
【００１６】
開示されている技術の実施形態が提供できる他の利点には、ワイヤの表面外観の改善が含まれる。現在入手可能な鋼鉄溶接ワイヤは、一貫性のない表面外観（例えば、ワイヤの表面の凹凸又は色により推測できる）を有する。実施形態によりワイヤ上に堆積される金属酸化物は、ワイヤ表面全体にわたり均一な色を提供し、これは溶接ワイヤの改善された外観を提供できる。
【００１７】
開示されている技術の実施形態が提供できる他の利点には、ワイヤ表面上に形成されるコーティングの表面接着の改善が含まれる。現在利用可能なコーティングは、ワイヤ表面との接着性が比較的低い可能性があり、そのため、コーティングが比較的はがれやすく、それが有害な効果の中でも限定的な送給性及びコンタクトチップの摩耗等、様々な有害な効果の原因となり得る。
【００１８】
溶接ワイヤの金属の酸化物で被覆された溶接ワイヤを用いたアーク溶接プロセス
鋼鉄成分を含むワイヤと、コアワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングと、を含む、本明細書において開示される消耗溶接ワイヤは、本明細書において開示される様々な溶接プロセスにおいて使用でき、また、これらに限定されない。
【００１９】
アーク溶接は一般に、金属の母材が電気アークからの熱の利用により接合されるプロセスを指す。アーク溶接は、非消耗電極又は消耗電極を使って実現できる。消耗電極には、被覆ロッド又はワイヤが含まれる。非消耗電極、例えばタングステンで使用される。溶接プロセスは、比較的低速である可能性がある。したがって、消耗電極を使用するアーク溶接プロセスのほうが業界においてはより人気が高くなっている。消耗電極を使用するプロセスにおいて、電極又はワイヤが溶融して付加金属を提供し、それがギャップを埋めて２つの金属母材を接合する溶接継手部を形成する。消耗電極を使用する溶接プロセスには、シールドメタルアーク溶接（ＳＭＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、又はメタルイナートガス（ＭＩＧ）溶接、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、メタルコアードアーク溶接（ＭＣＡＷ）、及びサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）等が含まれる。消耗溶接電極を使用する溶接プロセスは、直流陽極（ＤＣＥＰ）モード、直流陰極（ＤＣＥＮ）モード、又は交流（ＡＣ）モードで実行できる。ＤＣＥＰモードでは、直流が使用され、ワイヤは電源のプラス端子に接続され、溶接される母材又はプレートはマイナス端子に接続され、ＤＣＥＮモードで溶接される場合はその逆である。ＡＣモードでは、ワイヤと母材又はプレートが周波数に応じたサイクルでプラスからマイナスに切り替わる。陽極の役割を果たす端子は、アノードと呼ばれてよく、陰極の役割を果たす端子はカソードと呼ばれてよい。以下において、実施形態による酸化物被覆溶接ワイヤで実現できる各種の消耗電極による溶接プロセスを説明する。
【００２０】
ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）
ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）は、その亜型であるメタルイナートガス（ＭＩＧ）溶接又はメタルアクティブガス（ＭＡＧ）溶接と呼ばれることもあり、消耗ワイヤ電極又は溶接ワイヤとシールドガスが溶接ガンを通じて連続的に送給される半自動又は自動アーク溶接プロセスを指す。
【００２１】
図１及び２は、実施形態による酸化物被覆溶接ワイヤ用として構成された例示的なガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）システム１０の斜視図を概略的に示す。ＧＭＡＷシステム１０は、電源１２と、ワイヤ駆動アセンブリ１４と、シールドガス供給システム１６と、電力を送達するためのケーブルアセンブリ１８と、スプール２４内の溶接ワイヤと、溶接対象の母材２０に送達されるように構成されたシールドガス源２８内のシールドガスと、を含む。ワイヤ駆動アセンブリ１４は典型的に、連続消耗ワイヤ電極を含むスプール２４を担持するためのリールスタンド２２のほか、溶接ワイヤをスプール２４からケーブルアセンブリ１８を通じて母材２０へと駆動するための１つ又は複数の駆動ホイール（図示せず）を含む駆動機構２６を含む。シールドガス供給システム１６は通常、シールドガス源２８と、ケーブルアセンブリ１８と流体連通するガス供給導管３０と、を含む。図２に示されるように、ケーブルアセンブリ１８は典型的に長い柔軟ケーブル３２を含み、これは一方の端で電源１２、ワイヤ駆動アセンブリ１４、及びガス供給システム１６に、他方の端で溶接ガン３４に取り付けられる。
【００２２】
図３は、図１及び２に示されるＧＭＡＷシステム１０のケーブルアセンブリ１８において使用できる長い柔軟ケーブル３２の一例の半径方向の断面を概略的に示す。図３に示される例において、柔軟ケーブル３２は、溶接電力を溶接ガン３４のコンタクトチップに提供するための電気ケーブル３８と、シールドガスを輸送するためのガス導管３６と、溶接ワイヤを格納するための柔軟シース４８と、を含む。
【００２３】
柔軟ケーブル３２は、少なくとも１０フィート（約３ｍ）の長さ、例えば少なくとも１５フィート（約４．６ｍ）、少なくとも２０フィート（約６．１ｍ）、少なくとも２５フィート（約７．６ｍ）、又は少なくとも３０フィート（約９．１ｍ）の長さとすることができ、それによって電源１２、ワイヤ駆動アセンブリ１４、及びシールドガス供給システム１６は、溶接ガン３４が別の場所に移動する間に、基本的に静止していることができる。さらに、柔軟ケーブル３２は、溶接ガン３４を移動させて所望の場所に位置決めすることにおける柔軟度を提供するように柔軟にすることができる。例えば、柔軟ケーブル３２は、図２に示されるように、何巻きかの輪にする等、比較的きつく曲げるのに十分に柔軟にすることができる。
【００２４】
溶接ワイヤが柔軟ケーブル３２の中で引っかからないようにするために、溶接ワイヤは柔軟シース４８の中に通されてもよい。柔軟シース４８は、らせん状にきつく巻かれた金属ワイヤから製作でき、その内径は溶接ワイヤの外形よりわずかに大きくてよく、それによって、結果として得られる構造は柔軟ケーブル３２に高い柔軟性を提供し、それと同時に溶接ワイヤと柔軟ケーブル３２内部の他の構成要素との接触が防止される。
【００２５】
長い柔軟ケーブル３２の長さと柔軟性のために、溶接ワイヤをスプール２４からケーブルアセンブリ１８を通って母材２０へと駆動するために、比較的大きい力が必要になることがある。そのため、溶接ワイヤの中には、溶接ワイヤの外面と、それが通る柔軟シースの内面との間の摩擦係数を減少させるためにグラファイト、二硫化モリブデンなどの潤滑剤で被覆されているものがある。
【００２６】
サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）
サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）とＧＭＡＷとの違いは、ＳＡＷでは外部シールドガスが使用されなくてよいことである。その代わりに、溶融池とアーク領域がフラックス散布層の下に埋められ、それが電極と溶接対象の母材との間の電流経路を提供し、また、周辺大気から溶接部を保護する。
【００２７】
図４は、実施形態による酸化物被覆溶接ワイヤで使用するために構成された例示的なサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムを概略的に示す。ＳＡＷシステムは、母材５６内に溶接部５８を形成するために駆動ローラ５２により駆動される溶接ワイヤ５０を含む。溶接ワイヤ５０の先端はアーク５４を形成し、これはフラックス６０の層の中に埋められ、例えば完全に埋められてよい。
【００２８】
ＳＡＷシステムの中には、比較的高い溶着速度を提供し得るものがある。例えば、ＳＡＷでは毎時堆積溶接金属１００ポンド（４５ｋｇ／ｈ）超又はそれ以上が可能であり、これは一部のＧＭＡＷプロセスの場合の５〜１０ポンド（約２〜４ｋｇ／ｈ）と対照的である。典型的に、水平表面はＳＡＷプロセスを使って溶接され、これは、水平でない表面では重力によって粒状フラックスが滑り落ちる場合があるからである。そのため、ＳＡＷプロセスは、高速溶着溶接が大型の、水平に置かれた物体に行われるような用途、例えば管製造において、より広く用いられ得る。
【００２９】
図５は、実施形態による酸化物被覆溶接ワイヤに適し得る例示的なサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムの斜視図を概略的に示す。図のシステムにおいて、供給スプール６４から得られる溶接ワイヤ６２は、駆動ローラ（図示せず）を含む供給アセンブリ６６により溶接ガン６８を通って送給され、そこでこれがテーブル７０上の静止位置に取り付けられた母材（図示せず）上に溶接部を形成する。図の例では、供給スプール６４、供給アセンブリ６６、及び溶接ガン６８は、レール７２に沿って移動可能なフレーム７１上の固定位置に取り付けられ、それによって母材の長さに沿って連続的な溶接部を形成できる。しかしながら、例は限定ではなく、他の例示的構成では、供給スプール６４、供給アセンブリ６６、及び溶接ガン６８は静止位置に取り付けられ、その一方で母材はテーブル７０に沿って移動可能で、それによって連続的な長い溶接部が提供されてよい。何れの場合も、自動的に溶接対象箇所をフラックスで被覆するために、適当なフラックス供給システム（図示せず）が提供されてよい。
【００３０】
用途に応じて、図５に示されるＳＡＷシステムは静的とすることができ、その場合、システム全体が単独の使用位置に永久的に取り付けられてよい。他の用途では、このＳＡＷシステムは可動的とすることができ、この場合、システム全体が、例えば橋桁の溶接等の場合のように、異なる使用位置間で移動できる。
【００３１】
工業的に、溶接ワイヤ６２は、図５に示されるように供給スプール６４か、又はバレル、ステム、若しくはリールで溶接ガン６８に供給される。ワイヤ供給は、溶接ガン６８に関して固定された位置に、通常はその比較的近くに取り付けられてよい。同様に、供給アセンブリ６６もまた、通常、溶接ガン６８に関して固定された位置に、通常はその比較的近くに取り付けられてよい。これらの特徴の結果として、図１〜３に示されるＧＭＡＷシステム中の柔軟シース４８等の案内システムは省かれてよい。これは、溶接ワイヤ６２とこの溶接ワイヤを供給スプール６４から溶接ガン６８に輸送する構造的要素との間の摺動摩擦が基本的にないからである。したがって、ＳＡＷシステムのための溶接ワイヤは、摺動摩擦を軽減させるためにＧＭＡＷシステム内で典型的に使用される固形潤滑剤が提供されなくてよい。
【００３２】
前述のように、ＳＡＷの溶着速度は典型的に、ＧＭＡＷよりはるかに高い。これは、ＧＭＡＷと比較して、例えばより太い溶接を使用すること、及びより高い電力を使用することによって可能となる。例えば、これに限定されないが、ＳＡＷ用の溶接ワイヤは典型的に、直径１／１６インチ（約１．６ｍｍ）以上であってよく、それに対してＧＭＡＷ用の溶接ワイヤは典型的に約１／１６インチ（約１．６ｍｍ）以下であり得る。前述のように、溶着速度は消耗電極の重要な性能指標の１つである。溶着速度は、とりわけ、溶接中のワイヤ送給速度（ＷＦＳ：ｗｉｒｅ  ｆｅｅｄ  ｓｐｅｅｄ）と相関関係があり得、これは一般に、インチ／分又は、別の測定システムにおける同等の単位で測定されてよい。電極の溶着速度を高めることにより、全体的な生産性が向上する。
【００３３】
溶接ワイヤの金属の酸化物で被覆されるベース溶接ワイヤ
開示される技術の各種の実施形態によれば、ワイヤ表面に金属酸化物のコーティングを形成することにより、導電ワイヤの溶着速度の高速化を含めた様々な利点が実現され得る。ワイヤの金属酸化物表面は、ワイヤに表面処理を施すことにより形成されてよい。実施形態によれば、酸化物被覆溶接ワイヤはこれまで、カーボンスチールサブマージアーク溶接ワイヤに実装されてきた。これらのワイヤにおいて、本発明者らは、他の利用可能な非銅被覆溶接ワイヤと比較して、標的溶着速度を得るために必要な平均電流が少なくてよいことを発見した。
【００３４】
本明細書で開示される各種の実施形態によるワイヤは、消耗電極を利用し、この電極が溶接電流を供給するアーク溶接プロセス全般に利用可能である。実施形態によれば、消耗ワイヤは中実ワイヤ又はコアードワイヤとすることができる。中実ワイヤは１本の金属ワイヤを含み、これは例えば、より大きな直径を有するコイルから所望の直径へと線引きすることにより形成されてよい。中実ワイヤは、銅コーティング、又は銅を含まないコーティングを有することができ、これは、例えば（特許文献１）に記載されており、その内容の全体を参照により本願に援用する。コーティングに加え、溶接システム内でワイヤを送給するのを助け、アークエンハンサの役割も果たす潤滑剤をワイヤ表面に付加することができる。
【００３５】
実施形態によるコアードワイヤは、管状の性質を有し、内部開口（コア）は金属シースにより取り囲まれる。コアは、混合物、例えばメタルコアードアーク溶接（ＭＣＡＷ）ワイヤの金属混合物又はフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）ワイヤのフラックス等で充填できる。ＭＣＡＷワイヤの場合、充填物の少なくとも８０〜９５％が金属混合物とすることができ、残りはフラックス又はその他の非金属成分を含むことができる。
【００３６】
幾つかの実施形態において、溶接ワイヤの金属の実質的部分は、炭素鋼、例えば軟鋼を含むことができる。しかしながら、幾つかの他の実施形態において、溶接ワイヤの金属の実質的部分は、他の金属及びそれらの合金、例えば、フェライト、オーステナイト、マルテンサイト、二相ステンレス鋼、及び析出硬化型ステンレス鋼その他を含む様々な等級のステンレス鋼を含むことができる。また別の幾つかの実施形態において、溶接ワイヤの金属の実質的部分は、アルミニウム及びその合金、その他の鉄系合金システム、例えばＩｎｖａｒ（登録商標）、Ｋｏｖａｒ（登録商標）、ニッケル及びニッケル系超合金、例えばＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、銅、真鍮、青銅、鋳鉄、亜鉛、及びカドミウムを含むことができる。
【００３７】
サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）に使用される典型的なワイヤ径は、１／１６インチ（１．６ｍｍ）、１／８インチ（３．２ｍｍ）、５／３２インチ（４．０ｍｍ）、３／１６インチ（４．８ｍｍ）又はそれ以上とすることができる。ＧＭＡＷの場合、ワイヤ径はＳＡＷより比較的小さくすることができ、典型的には１／１６インチ（１．６ｍｍ）以下の範囲である。ＦＣＡＷ及びＭＣＡＷワイヤは、ＧＭＡＷワイヤのそれと同様のワイヤ径を有することができる。ＳＡＷワイヤの径がより大きいことにより、有利な点として、溶接中により高レベルの電流を流すことができる。
【００３８】
実施形態による酸化物被覆溶接ワイヤがＦＣＡＷ及びＭＣＡＷワイヤで実装される実施形態において、適当な溶接フラックス又は金属充填物を取り入れることができる。
【００３９】
開示される実施形態は、ベースワイヤを覆うコーティングを実装することに焦点を当てている。しかしながら、これらはクラッド又はめっきワイヤにも拡張できることがわかるであろう。コーティング又はクラディングは、適当な材料から形成できる。以下において、炭素鋼に関する表面酸化物を含むコーティング又はクラディングが開示される。
【００４０】
溶接ワイヤの金属の酸化物で溶接ワイヤを被覆する表面処理プロセス
実施形態によるコーティングを形成するためにスチールワイヤに使用される表面処理は、黒色酸化物化成処理被覆プロセス又は黒色めっきプロセスと呼ばれてよい。化学黒色めっきプロセスでは、事前に線引きされたワイヤが溶液中に浸漬されて、化学反応を通じてその表面を改変する。被覆プロセスに使用される溶液の調製は、溶接ワイヤの違いによって異なっていてもよい。使用される溶液の種類は、加工温度に依存し得る。
【００４１】
炭素鋼のコーティング又は黒色めっきプロセスは、実施形態によれば３種類の方法、すなわち、Ａ）熱間黒色めっきプロセス、Ｂ）中温黒色めっきプロセス、及びＣ）冷間黒色めっきプロセスを通じて取得できる。実施形態によれば、熱間及び中温黒色めっきプロセスは、溶接ワイヤを酸化させるステップを含む。溶接ワイヤを酸化させるステップは、例えば溶接ワイヤを溶液に浸漬させて、その表面を化学的に酸化させることによる、化学的に酸化させるステップを含む。化学酸化プロセスは、熱酸化プロセスとは区別可能であることがわかる。後者の場合、金属表面は、例えば酸素を含む環境内で、例えば上昇された温度で熱酸化される。
【００４２】
実施形態による熱間コーティング又は黒色めっきプロセスにおいて、コーティングは、鋼鉄成分を有する溶接ワイヤを、金属水酸化物、亜硝酸金属、又は金属硝酸塩のうちの１つ又は複数を含む溶液に浸漬させることによって得られてよい。実施形態によれば、溶液は水酸化ナトリウムを重量％で５０〜６０％、６０〜７０％、７０〜８０％、８０〜９０％の量だけ、又はこれらのパーセンテージの何れかにより画定される量、例えば６０〜８０％だけ含む。実施形態によれば、溶液はさらに、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、及び／又は硝酸カリウムを、重量％で１０〜１５％、１５〜２０％、２０〜２５％、２５〜３０％、３０〜３５％、３５〜４０％、４０〜４５％の量だけ、又はこれらのパーセンテージの何れかにより画定される量、例えば１５〜４０％だけ含む。実施形態によれば、黒色酸化物プロセスは、約１２０〜１３０℃、１３０〜１４０℃、１４０〜１５０℃、１５０〜１６０℃、１６０〜１７０℃、１７０〜１８０℃、１８０〜１９０℃、１９０〜２００℃の温度、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば１３０〜１５０℃の温度の溶液中で実行される。実施形態によれば、黒色酸化物プロセスは、１〜１０分、１０〜２０分、２０〜３０分、３０〜４０分、４０〜５０分、５０〜６０分にわたり、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば約３０分の継続時間で実行される。硝酸又は亜硝酸ナトリウム又はカリウムは、溶接ワイヤの表面を酸化させる、又は溶接ワイヤの表面を酸化物に変換する酸化剤としての役割を果たす。
【００４３】
黒色めっきプロセスは、溶液を用いる化学的黒色めっきプロセスに限定されないことがわかるであろう。幾つかの実施形態において、熱黒色めっき又は酸化が用いられてよい。鋼鉄ワイヤの熱黒色めっき又は酸化は、酸化環境内での対流加熱又は誘導加熱により実現されてよい。例えば、熱黒色めっき又は酸化は、ワイヤを１００〜５００℃、５００〜１０００℃、１０００〜４００℃、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲の温度のオーブン又は炉内でワイヤを加熱することにより実現できる。酸化環境は、空気中若しくは適当な酸化雰囲気中で加熱すること、又は硝酸カリウム若しくは硝酸ナトリウム等の酸化剤を使用することにより提供されてよい。
【００４４】
各種の実施形態において、化学的又は熱黒色めっきプロセスは、溶接ワイヤの表面上に形成される酸化物が主としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を含むように実装される。しかしながら、他の幾つかの実施形態において、プロセスは、溶接ワイヤの表面上に形成される酸化物が主としてマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）とヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）の混合物を含むように実装される。実施形態によれば、表面上に形成される酸化物は、Ｆｅ３Ｏ４及び／又はＦｅ２Ｏ３を重量％で１０〜２０％、２０〜３０％、３０〜４０％、４０〜５０％、５０〜６０％、６０〜７０％、７０〜８０％、８０〜９０％、若しくは９０〜９９％、又はこれらの値の何れかにより画定されるパーセンテージで含むことができる。
【００４５】
幾つかの実施形態において、形成される酸化物層は透過性であり得るため、後に溶接ワイヤを腐食保護のためにホットオイル又は腐食抑制用溶液中に浸漬させてよい。
【００４６】
中温コーティング又は黒色めっきプロセスは熱間酸化プロセスと同様であり得るが、このプロセスは高温黒色酸化物処理と比較して、より低温で、例えば約９０〜９５℃、９５〜１００℃、１００〜１０５℃、１０５〜１１０℃、１１０〜１１５℃、１１５〜１２０℃の温度、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲の温度、例えば１０４〜１１８℃で実行されてよい点が異なる。
【００４７】
冷間コーティング又は黒色めっきプロセスは、化成処理コーティング又は酸化プロセスではない。その代わりに、冷間黒色めっきプロセスは銅とセレニウム、例えば銅セレニウムを含むコーティングを鋼鉄ワイヤの表面を覆うように塗布するステップを含む。ステンレス鋼ワイヤの場合、冷間黒色酸化物プロセスに使用される例示的な溶液は、塩化水素、アセレン酸、銅、リン酸、及び水のうちの１つ又は複数を含む混合物を含む。黒色めっき時間は、約１〜２分、２〜３分、３〜４分、４〜５分、５〜６分、６〜７分、７〜８分、８〜９分、９〜１０分、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば２〜５分の時間とすることができる。
【００４８】
アルミニウム及びアルミニウム合金を含む溶接ワイヤの場合、黒色めっきプロセスのため、又はコーティングを形成するための例示的溶液は、水酸化ナトリウム、酸化亜鉛、及び水のうちの１つ又は複数を含む混合物を含む。この場合の黒色めっき時間は、約１０〜３０秒、３０〜６０秒、６０〜９０秒、９０〜１２０秒、１２０〜１５０秒、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば３０秒〜２分の持続時間とすることができる。銅又は銅合金を含む溶接ワイヤの場合、黒色めっきプロセスのため、又はコーティングを形成するための例示的溶液は、塩化ナトリウムと水を含む。この場合の黒色めっき時間は、約１〜５分、５〜１０分、１０〜１５分、１５〜２０分、２０〜２５分、２５〜３０分、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば５〜２０分の持続時間とすることができる。亜鉛又は亜鉛合金を含む溶接ワイヤの場合、黒色めっきプロセスのため、又はコーティングを形成するための例示的溶液は水酸化ナトリウムと水を含む。ニッケル又はニッケル合金を含む溶接ワイヤの場合、黒色めっきプロセスのため、又はコーティングを形成するための例示的溶液はフルオロホウ酸と水を含み、黒色めっき時間は約１〜３分、３〜６分、６〜１０分、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば１〜３分の持続時間である。カドミウム又はその合金を含む溶接ワイヤの場合、黒色めっきプロセスのため、又はコーティングを形成するための例示的溶液は、ニッケル及び／又はアンチモンの水溶液を含み、黒色めっき時間は約１〜３分、３〜６分、６〜１０分、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲、例えば２〜５分の持続時間である。鋳鉄の場合、炭素鋼に使用されるものと同様の黒色めっきプロセスを使用できる。
【００４９】
図９は、溶接ワイヤの表面のコーティング又は黒色めっきの例示的方法９００のフローチャートである。まず、処理すべきワイヤを前述のように所望の直径まで線引きする。方法９００は、所望の直径の溶接ワイヤを洗浄するステップ９１０を含み、これには酸洗いを含むことができる。洗浄するステップ９１０の後、方法９００はワイヤを水、例えば室温より低い温度の冷水ですすぐステップ９２０に進む。すすぐステップ９２０の後、方法は、前述の黒色めっきプロセスのうちの１つを使用するコーティング又は黒色めっきするステップ９３０に進む。例えば、炭素鋼ワイヤの場合、熱間黒色めっきプロセスを利用でき、この場合、洗浄済みのワイヤが、６０〜８０重量％の水酸化ナトリウムと１５〜４０重量％の亜硝酸／硝酸ナトリウム／カリウムを含む、約１３０〜１５０℃の温度の溶液に約３０分間浸漬させる。黒色めっきするステップ９３０の後、方法は、ワイヤ束を取り出し、水、例えば室温より低い温度の冷水ですすぐステップ９４０に進む。すすぐステップ９４０の後、方法はワイヤの表面を、ワイヤの腐食を抑制するために例えばオイル又は腐食抑制剤を使用することによって、シールするステップ９５０に進む。任意選択により、方法は、溶接ガンを通じたワイヤの送給可能性をさらに高めるための１つ又は複数の潤滑剤を処理済みワイヤ表面に塗布することにより、溶接ワイヤを滑りやすくするステップ９６０に進む。各種の溶接ワイヤに使用可能な潤滑剤は、（特許文献２）及び（特許文献３）に記載されており、これらの内容の全体を本願に援用する。さらに、任意選択により、方法は、ワイヤを仕上げダイに通すことによって研磨するステップ９７０を含む。
【００５０】
溶接ワイヤの表面処理により形成されるコーティングの組成及び構造
図６は、鉄−酸素位相図である。酸化鉄はＯ２−アニオン格子と、四面体及び八面体の隙間を占有するＦｅカチオンを有する。ウスタイト（Ｆｅ１−ｘＯ又はＦｅＯ）は、岩塩型構造を有し、Ｆｅ２＋が八面体サイト内にあり、Ｆｅカチオンの欠如により不定比であることが多い。酸化条件下で、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）が形成される場合があり、これは謎の（ｃｏｎｕｎｄｒｕｍ）構造を有する。Ｆｅ３＋は八面体サイト内にある。マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）は、（逆）スピネル構造を有する。逆スピネル構造はＢ（ＡＢ）Ｏ４構造を有し、その中で、Ｂカチオンは四面体サイト中にあり、（ＡＢ）イオンは八面体サイトを占有する。Ｆｅ３Ｏ４の場合、ＢはＦｅ３＋であり、ＡはＦｅ２＋である。マグネタイトの逆スピネル構造により、その性質はフェリ磁性となる。各種の酸化物の融点は、鉄−酸素位相図からわかる。マグネタイトには、約１２５Ｋでフェルヴァイ転移と呼ばれる転移が起こり、ここで、酸化物の導電性は１００倍増大する。
【００５１】
実施形態による表面処理によって形成される鉄／鋼鉄を含む溶接ワイヤの表面は、幾つかの状況下では室温のマグネタイトと残留鉄の混合物を、又は他の幾つかの状況下では、マグネタイトとヘマタイトの混合物を含む可能性があり、これは例えば、加工段階中のＯ／Ｆｅ比に依存する。例えば、Ｏ／Ｆｅ比が高くなると（例えば、１．３７以上）、ヘマタイト形成の増大につながる可能性がある。最終的に、Ｏ／Ｆｅ比が非常に高く、例えば１．５を超えると、このように形成される表面酸化物は基本的にヘマタイトからなる可能性がある。図６に示されているＦｅ−Ｏ位相図からわかるように、５７０℃より高温まで加熱されると、鉄とマグネタイトの混合物はウスタイトと鉄、ウスタイトのみ、又はウスタイトとマグネタイトに変化する可能性がある。Ｏ／Ｆｅ比がより高いと、より低温で形成されたマグネタイトとヘマタイトがより高温でも引き続き存在する可能性がある。
【００５２】
実施形態によれば、溶接ワイヤのコーティングの酸化鉄のＯ／Ｆｅ原子比は１．３〜１．３５、１．３５〜１．４、１．４〜１．４５、１．４５〜１．５、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲である。
【００５３】
溶接ワイヤの表面上に形成されるコーティングが酸化鉄を含む場合、厚さは０．５〜１マイクロメートル、１〜２マイクロメートル、２〜３マイクロメートル、３〜４マイクロメートル、及び４〜５マイクロメートル又は、これらの値の何れかにより画定される範囲、例えば１〜３マイクロメートルの厚さとすることができる。代替的に、コーティングは、溶接ワイヤの総重量に基づいて、０．０５〜０．１０％、０．１０〜０．１５％、０．１５〜０．２０％、０．２０〜０．２５％、０．２５〜０．３０％又は、これらの値の何れかにより画定される範囲、例えば０．０８０％〜０．２６７％の値とすることができる。このように存在するこれらの表面酸化物は、後述のように、鋼鉄ワイヤの溶接特性に影響を与える可能性がある。
【００５４】
溶接ワイヤの表面処理により形成されるコーティングの導電性
表面酸化物は、鋼鉄ワイヤに関して、より低い導電性を有する。マグネタイトの導電性は、室温からその融点まで比較的一定を保つ。例えば、室温でのマグネタイトの単結晶の導電性は約２５０シーメンス／ｃｍ（Ｓ／ｃｍ）であり、約８００Ｋで約２００  Ｓ／ｃｍまでわずかに低下し、それを超えて約１６００Ｋまで一定を保つと報告されている。また、ウスタイト相の導電性はＯ／Ｆｅ比に応じて変化する可能性があることも報告されている。例えばＯ／Ｆｅ比が１．１のウスタイト相の導電性は、１０７３Ｋ〜１５７３Ｋの間で１７０〜２００  Ｓ／ｃｍ内で変化する可能性がある。しかしながら、興味深いことに、Ｏ／Ｆｅ比を１．０６に変化させることにより、ウスタイト相の導電性は１０７３Ｋ〜１５７３Ｋの間で９０〜１４０  Ｓ／ｃｍ内に変化する可能性があることがわかる。一般に、多くの酸化鉄は広い温度範囲にわたり同程度の導電性を保ち得る。それに対して、ＡＩＳＩ  １００８鋼の導電性は室温での約３×１０４  Ｓ／ｃｍから約１２７３Ｋでの約０．７×１０４  Ｓ／ｃｍに変化する。炭素鋼の導電性はそれゆえ、一般に、酸化鉄のそれの１００倍である可能性がある。それゆえ、有利な点として、実施形態によりワイヤ上に形成されるコーティングの導電性は、実施形態によれば、コアワイヤ自体のそれの５倍、１０倍、５０倍、１００倍、５００倍、又はこれらの値の何れかにより画定される範囲内の数値である。
【００５５】
被覆溶接ワイヤを用いるアーク溶接における熱伝導
ワイヤの溶着速度は、溶接ワイヤの溶融速度と相関する可能性がある。溶着速度はワイヤ送給速度から推定されることが多い。すると、溶接ワイヤの溶融速度はワイヤへの、及びワイヤ内の熱伝導特性により影響を受ける可能性がある。
【００５６】
ワイヤがプラス端子に接続されている場合、ワイヤから放出される熱は以下の成分を含むことができる：アノード降下電圧、電極突出し部のジュール加熱、アークからの放射、及びワイヤとコンタクトチップとの間の接触点における接触抵抗により放出される熱。
【００５７】
アノード降下領域は、電子を引き付ける領域である。電気はその熱及び運動エネルギーをアノードに伝える。この領域に関係する電圧降下はアノード降下電圧と呼ばれる。ワイヤのジュール加熱はＩ２Ｒにより与えられ、その中で、Ｉは溶接電流であり、Ｒは電極突出し部の抵抗で、ワイヤの材料と物理的寸法に依存する。その他の熱源には、接触抵抗が含まれる可能性があり、そこからコンタクトチップからワイヤ表面へと流れる電流により熱が生成される可能性がある。ワイヤがマイナス端子に接続されている場合、これは電子の供給源の役割を果たすカソードと呼ばれる。
【００５８】
消耗電極を用いた溶接中、電極付近にはアノード表面からの大量の金属蒸気が存在し得る。銅被覆鋼鉄ワイヤでは、蒸気内の主要元素には例えば、銅、鉄、マンガン等が含まれる可能性がある。ワイヤからの熱損失は、液滴からの蒸発損失、ワイヤから周辺への熱放射及び熱対流等の異なる現象によるであろう。
【００５９】
溶接ワイヤの金属の酸化物で被覆された溶接ワイヤの溶着速度
ワイヤの表面上の導電性が減少することにより、接触点におけるワイヤとコンタクトチップとの間の接触抵抗が増大する可能性がある。この接触抵抗の増大により、電極突出し部の温度分布が変化し、その結果、ワイヤ内の加熱が異なる可能性がある。熱生成の増大が今度は、特に高電流での溶融の増大につながり、それによって、有利な点として、溶着速度が高まる。
【００６０】
アーク溶接において、液滴温度は約３０００Ｋの高温に到達する可能性がある。いかなる理論にも拘束されることなく、表面酸化物の混合物中に存在し得るヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）は、図６の位相図により、約１４５０Ｋ超の高温ではマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）と酸素に分解され得る。この自由に利用できる酸素は、Ｆｅ及びＭｎ等のワイヤからの他の元素に加えて、蒸発してアノード付近の領域内で電離する可能性がある。有利な点として、この酸素はその後、その電離可能性がより高いために、アノード降下電圧を高くする可能性がある。このアノード降下電圧の上昇が今度は、アノードの中に入る熱が増大し、したがって、ワイヤの溶融速度が速くなる。しかしながら、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４等の酸化鉄の他の酸化物形態は、これらの温度では容易に分解しない場合があり、単純に液滴表面から酸化物として蒸発し、その後、アーク内で崩壊する場合がある。
【００６１】
溶接ワイヤの金属の酸化物で被覆された溶接ワイヤの外観
実施形態による溶接ワイヤにおいて、外観はワイヤ上の、その体積全体を通じた表面の色の均一性に関係する。鉄の酸化物は異なる色を有する。マグネタイトとウスタイトは黒い色であり、ヘマタイトは赤い色である。前述の様々なプロセスを用いて、一貫して実質的に黒いコーティングをワイヤ表面全体にわたり得ることができる。黒色は、その審美性を高めることができる。実施形態による黒色は、黒い表面仕上げを提供するための幾つかの既存のプロセスとは区別可能である。
【００６２】
溶接ワイヤの金属の酸化物で被覆された溶接ワイヤの腐食抑制
実施形態による溶接ワイヤ上に形成されるコーティングは、有利な点として、土台のワイヤの腐食を抑制することができる。幾つかの実施形態において、耐食性をさらに高めるために、オイル又は腐食抑制剤を本明細書に記載の様々なコーティングに塗布してよい。本発明者らは、オイル又は腐食抑制剤が幾つかのコーティング、例えば実施形態による酸化鉄を含むコーティングの中に形成される小孔を有効にシールでき、それによって土台の溶接ワイヤの耐食性がさらに改善されることを見出した。コーティング内に形成される小孔により、コーティングに塗布されるオイル又は腐食抑制剤に対する親和性が改善され得、それによって結果として得られる、その上にオイル又は腐食抑制剤が塗布されたコーティングは、土台のワイヤの耐食性をさらに高めることができる。
【実施例】
【００６３】
以下において、実施形態により製作された被覆溶接ワイヤを実験的に特徴付け、既知のプロセスにより製作された被覆溶接ワイヤと比較する。表１は、異なる溶接ワイヤを特徴付けるために使用される異なるワイヤのリストである。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
表１に関して、２種類の黒色酸化物被覆ワイヤ（ワイヤＢ及びＣ）を実施形態により製作し、試験した。ワイヤＡは（特許文献１）において開示されている方法により比較例として製作した非銅被覆ＳＡＷワイヤである。
【００６６】
表２は、ワイヤＡ及びＢを比較するために使用した実験マトリクスを示す。表２に示されるように、ワイヤＡ及びＢは、ＤＣＥＰ定電圧モードでＬｉｎｃｏｌｎ  ＡＣ／ＤＣ  １０００電源を使って試験した。このモードでは、投入標的ワイヤ送給速度（ＷＦＳ）と電圧が電源に与えられ、溶接中に標的ＷＦＳを保つために機械で相応に電流を調整した。両ワイヤを使って合計２１の溶接部を作った。使用した標的ＷＦＳは、５０インチ／分、８０インチ／分、及び１１０インチ／分であり、標的電圧はそれぞれ２８Ｖ、３６Ｖ、及び４０Ｖに設定した。実験では、２種類のコンタクトピース母材間距離（ＣＴＷＤ：ｃｏｎｔａｃｔ  ｐｉｅｃｅ  ｔｏ  ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）、１．２５インチ及び３インチを使用した。トーチ移動速度はすべての測定について２５インチ／分で同じに保った。すべての溶接部がプレート上のストリンガビードであり、振動させなかった。実験に使用したフラックスはすべて、Ｌｉｎｃｏｌｎｗｅｌｄ  ７６１フラックスである。
【００６７】
【表２】
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【００６８】
表３は、表２に示される実験マトリクスを用いて行った測定について観察された電流信号の概要を示す。表３に示されるように、瞬時溶接電流を、溶接前に機械に接続したアークトレーサを使って記録した。図７は、表３にまとめられた結果をプロットしたグラフを示し、これは設定された標的ＷＦＳを実現するのに必要な平均定常電流（溶接開始及び停止電流を除く）に基づく。図のように、ワイヤＢはどちらのＣＴＷＤについてもより低い平均電流で設定された標的ＷＦＳを達成している。結果は、実施形態による酸化物被覆表面を有するワイヤＢのほうが、既存の技術を使って製作されたワイヤＡと比較して、その溶着速度が高くなったことを示している。表３及び図７のために得られたデータは、単回試験と多重試験によるものであり、幾つかの多重試験は試験中に観察された電流読取り値の中に見られるすべての瞬間変動の効果を無効にするために行った。
【００６９】
【表３】
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【００７０】
実施形態により製造された溶接ワイヤに見られる他の利点は、図８に示されるように、改善された表面外観である。ワイヤの表面外観は、ワイヤの表面色分布に密接に関係する。ワイヤＡ（左上）は、一貫しない表面色を有することがわかり、これはコーティングの不均一な分布に関係し得る。それに対して、ワイヤＢ（左中央）及びＣ（左下）は、非常に均一で連続的な色を示しており、ワイヤＡに見られるようなしみがない。マグネタイトとウスタイトの存在は、黒／ダークグレイの色の原因となる可能性がある。図８は、ワイヤＡ、Ｂ、及びＣの表面外観／色の差を表す。ワイヤＢ及びＣはどちらも、ワイヤＡと比較して、ワイヤの長さ全体にわたって、より均一な色分布を示している。
【００７１】
実施形態により製造される溶接ワイヤに見られる他の利点は、改善された耐食性であり、これは、図８に示されるように、ワイヤＡ、Ｂ、及びＣについて行った実験によって確認された。ワイヤＡ（左上）、Ｂ（左中央）、及びＣ（左下）の画像は、ワイヤに対する腐食促進試験の前に撮影されたものであり、それに対応するワイヤＡ（右上）、Ｂ（右中央）、及びＣ（右下）の画像は、腐食促進試験の後に撮影されたものである。腐食促進試験は恒湿器を用いて行われ、その中でサンプルを５０℃、相対湿度８０％の条件下に９０分間置いた。図のように、ワイヤＢ及びＣは、ワイヤＡと比較して腐食がはるかに少なかった。実施形態による酸化物で被覆されたワイヤＢ及びＣは、ワイヤＡより明らかに高い性能であることが示されている。
【００７２】
図１０は、実施形態による表面被覆溶接ワイヤＢと比較用の溶接ワイヤＡ（（特許文献１）において開示される方法により製作された）との間の、異なる標的溶接電流、電圧、及び電極突出し長さについての平均ウェハ速度（ＷＦＳ：ｗａｆｅｒ  ｓｐｅｅｄ）の実験的比較を示す。溶接はすべて、Ｌｉｎｃｏｌｎｗｅｌｄ（登録商標）７６１（登録商標）フラックスを用いてＤＣＥＰ、ＣＶモードで行った。図１０の結果を得るために使用した実験マトリクスを表４に示す。
【００７３】
【表４】
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【００７４】
図１０及び表４に関して、実験は、異なるＬｉｎｃｏｌｎ  ＡＣ／ＤＣ  １０００電源溶接を使ってＤＣＥＰ定電流（ＣＣ）モードで行った。この溶接モードでは、機械が溶接ワイヤに一定の電流及び電圧を供給し、機械がＷＦＳを制御して、一定の平均電流を保った。ＤＣＥＰ  ＣＣで８つの溶接部の作成に成功した（プログラム第４８）。使用した電流は、両方のタイプのワイヤについて、７００Ａ、３６Ｖ、及び１０００Ａ、４２Ｖである。移動速度は２５インチ／分で一定に保った。使用した溶接フラックスは、Ｌｉｎｃｏｌｎｗｅｌｄ（登録商標）７６１（登録商標）フラックス（ロット番号：１５４５６０５７）である。すべての溶接はプレート上のストリンガビードであり、振動させなかった。この実験群は、第一の実験群（図７）から得られた観察結果の有効性を確認するために行った。電流、電圧、ＷＦＳの取得データは、Ｗｅｌｄ  Ｖｉｅｗソフトウェアを用いる機械の内蔵データ取得システムを使って６００００Ｈｚで記録した。平均ＷＦＳは、最初の１秒を除いた後のデータ取得（６００００データポイント）から求めた。両方のワイヤについて、これらの平均ＷＦＳの値を溶接電流に対してプロットし、分析した。
【００７５】
図１０に示される結果は下の表５にも示され、これはＤＣＥＰ  ＣＣモードでのワイヤＢとワイヤＡに関する設定標的溶接電流及び電圧で観察された平均ＷＦＳを示している。図１０及び表５に示される結果は、ワイヤＢについて見られたＷＦＳがワイヤＡについてのそれより高いことを明らかに実証している。この差は、突出し長さがより長い（３インチ）場合に特に顕著であり、ＷＦＳはワイヤＢのほうが約９％高い。同じ電流でのＷＦＳのこの増大は、ワイヤＢによれば同様の溶接条件下でワイヤＡと比較してより速い溶着速度が得られることを示しており、それゆえ、第一の実験群の所見（表２、図７）と一致している。
【００７６】
【表５】
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【００７７】
表面酸化物で被覆された溶接ワイヤの断面の走査型電子顕微鏡検査法（ＳＥＭ）により分析を行った。表面酸化物の腐食は、本明細書に記載するように、鋼鉄基板とは異なることがわかった。図１１は、実施形態による表面酸化物で被覆された鋼鉄ワイヤの代表的な断面ＳＥＭ画像である。表面酸化物の連続層が示されている。
【００７８】
観察された表面酸化物の厚さは、当初の露出材料の黒色酸化物処理への曝露に応じて、約１〜４μｍであることがわかった。これは、図１２〜１６の表面酸化物を有するワイヤ断面のＳＥＭ画像により示され、表６にまとめられている。図１２は、表面酸化物及びオイルコーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。測定された厚さは約１．３μｍの範囲であった。図１３は、表面酸化物及びオイルコーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。測定された厚さは約１．８μｍの範囲であった。図１４は、表面酸化物及びオイルコーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。測定された厚さは、約２．２μｍの範囲であった。図１５は、表面酸化物と他の腐食防止コーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。測定された厚さは約３．５μｍの範囲であった。図１６は、表面酸化物と他の腐食防止コーティングを有する鋼鉄ワイヤの断面ＳＥＭ画像である。測定された厚さは約１．７μｍの範囲であった。
【００７９】
【表６】
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【００８０】
図１２〜１６及び表６に示される表面酸化物の測定された厚さに基づき、表面酸化物の質量を既知の長さ及び密度で推定して、実施形態による酸化物コーティング中の位相に関する情報を得ることができる。ウスタイトの既知の密度は５．９９ｇ／ｃｃであり、それに対してマグネタイトの既知の密度は４．８７ｇ／ｃｃである。既知の密度と測定結果に基づきワイヤのカット長さ１ｃｍの表面酸化物の質量を、２つの密度４．８７ｇ／ｃｃ及び５．９９ｇ／ｃｃと厚さ範囲１．３２〜３．５３μｍについて推定した。これらの推定を表７及び８に示す。推定された質量は、０．８０ｍｇ〜２．６５ｍｇであることがわかった。表面酸化物の質量の推定値を表７にまとめる。同じ長さ１ｃｍ、直径４ｍｍの場合、鋼鉄ワイヤのカット長さの推定質量は０．９９ｇとなる。これらの推定は、鋼鉄ベース（ワイヤ）に対する酸化物の観察された質量／重量パーセントが０．０８０％〜０．２６７％の範囲内であることを示している。
【００８１】
【表７】
2020124746.tif 000008
【００８２】
【表８】
2020124746.tif 000009
【００８３】
その他の例
１．消耗溶接ワイヤにおいて、
鋼鉄成分を含むベースワイヤと、
ベースワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングであって、酸化鉄は、溶接ワイヤの外面がダークグレイから黒の色を有するような酸素対鉄原子濃度比（Ｏ／Ｆｅ）を有するコーティングと、
を含む。
２．Ｏ／Ｆｅは、溶接ワイヤが実質的に黒色を有するようなものである、実施形態１の消耗溶接ワイヤ。
３．Ｏ／Ｆｅは１．３７〜１．５である、実施形態１又は２の消耗溶接ワイヤ。
４．酸化鉄はヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）とマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）の一方又は両方を含む、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
５．酸化鉄は基本的にマグネタイトを含む、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
６．酸化鉄は、ベースワイヤの表面と直接接触する酸化物である、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
７．酸化鉄は、ベースワイヤの表面を酸化させることにより形成される酸化物である、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
８．消耗溶接ワイヤは、ベースワイヤの表面上に形成される銅コーティングを含まない、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
９．腐食抑制オイルコーティングをさらに含み、コーティングは酸化鉄を含む、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
１０．コーティングの厚さは約１μｍ〜約４μｍである、前項までの実施形態の何れか１つの消耗溶接ワイヤ。
１１．消耗溶接ワイヤの製造方法において、
鋼鉄成分を含むベースワイヤを提供するステップと、
ベースワイヤを取り囲む酸化鉄を含むコーティングであって、酸化鉄は、溶接ワイヤの外面がダークグレイから黒の色を有するような酸素対鉄原子濃度比（Ｏ／Ｆｅ）を有するようなコーティングを形成するステップと、
を含む方法。
１２．Ｏ／Ｆｅは、溶接ワイヤが実質的に黒色を有するようなものである、実施形態１１の方法。
１３．Ｏ／Ｆｅは１．３７〜１．５である、実施形態１１又は１２の方法。
１４．コーティングを形成するステップはコアワイヤを酸化させるステップを含む、実施形態１１〜１３の何れか１つの方法。
１５．コーティングを形成するステップは、コアワイヤを金属水酸化物、亜硝酸金属、又は金属硝酸塩のうちの１つ又は複数を含む溶液に浸漬させるステップを含む、実施形態１１〜１４の何れか１つの方法。
１６．コーティングを形成するステップは、コアを水酸化ナトリウム、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、又は硝酸カリウムの１つ又は複数を含む溶液に浸漬させるステップを含む、実施形態１１〜１５の何れか１つの方法。
１７．コーティングを形成するステップは、コアを６０〜８０％の水酸化ナトリウムと１５〜４０％の亜硝酸／硝酸ナトリウム／カリウムを含む溶液に浸漬させるステップを含む、実施形態１１〜１６の何れか１つの方法。
１８．コーティングを形成するステップは、約１００〜２００℃の温度で酸化させるステップを含む、実施形態１４〜１７の何れか１つの方法。
１９．コーティングを形成するステップは、約１３０〜１５０℃の温度で酸化させるステップを含む、実施形態１４〜１８の何れか１つの方法。
２０．コーティングを形成するステップは、１分〜１時間酸化させるステップを含む、実施形態１４〜１９の何れか１つの方法。
２１．コーティングを形成するステップの後、水ですすぐステップを含む、実施形態１４〜２０の何れか１つの方法。
２２．コーティングを形成するステップは、ベースワイヤを１００〜１４００℃の温度で熱酸化させるステップを含む、実施形態１１〜１４の何れか１つの方法。
２３．熱酸化させるステップは、ベースワイヤを対流加熱するステップを含む、実施形態２２の方法。
２４．熱酸化させるステップは、ベースワイヤを誘導加熱するステップを含む、実施形態２２の方法。
２５．コーティングの周囲にシーリングを形成するステップをさらに含み、シーリングは腐食抑制オイルを含む、実施形態１１〜２４の何れか１つの方法。
２６．コーティングの厚さは約１μｍ〜約４μｍである、実施形態１１〜２４の何れか１つの方法。
２７．溶接の方法において、
実施形態１〜１０の何れか１つによる消耗溶接ワイヤを提供するステップと、
溶接ワイヤを５０インチ／分〜１３０インチ／分のワイヤ送給速度で送給するステップを含む、溶接部を形成するステップと、
を含む方法。
２８．溶接部形成するステップは、２８Ｖ〜４２Ｖの電圧で形成するステップを含む、実施形態２７の方法。
２９．溶接部を形成するステップは、５００Ａ〜１２００Ａの電流で形成するステップを含む、実施形態２７又は２８の方法。
【００８４】
文脈上、明らかに別の解釈が必要な場合を除き、説明文と特許請求の範囲を通じて、「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ，ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ，ｉｎｃｌｕｄｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」等の単語は、排他的又は排除的な意味ではなく、包含的な意味、すなわち「〜を含むがこれらに限定されない」の意味で解釈されるものとする。「連結される」という用語は、本明細書で一般的に使用されるかぎり、直接接続されるか、１つ又は複数の中間要素によって接続されるかの何れでもよい２つ又は複数の要素を指す。同様に、「接続される」という単語は、本明細書中で一般的に使用されるかぎり、直接接続されるか、１つ又は複数の中間要素により接続されるかの何れでもよい２つ又は複数の要素を指す。さらに、「本明細書において」、「上で」、「下で」、及び同様の意味の単語は、本明細書で使用されるかぎり、本願の何れかの特定の部分ではなく、本願全体を指すものとする。文脈上可能なかぎり、前述の「詳細な説明」の中の単数また複数を用いた単語はまた、それぞれ複数又は単数も含んでいてよい。２つ又はそれ以上の項目のリストに関する「又は」という単語は、その単語の以下の解釈の全部を網羅する：リスト中の項目の何れか、リスト中の項目の全部、及びリスト中の項目のあらゆる組合せ。
【００８５】
さらに、明細書で使用される条件的文言、例えば「〜できる、〜する可能性がある、〜かもしれない、〜してよい（ｃａｎ、ｃｏｕｌｄ、ｍｉｇｈｔ、ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．、ｆｏｒ  ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｓｕｃｈ  ａｓ）」その他は、特に別段のことわりがないかぎり、又は使用されている文脈内で別の理解がなされないかぎり、一般に、特定の実施形態が特定の特徴、要素、及び／又は状態を含むが他の実施形態はこれらを含まないことを伝えようとしている。それゆえ、このような条件的文言は、一般に、特徴、要素及び／又は状態が１つ又は複数の実施形態にいかなる方法でも必要とされないこと、又はこれらの特徴、要素、及び／又は状態が何れかの特定の実施形態に含められ、又はその中で実行されることになることを示唆しようとするものではない。
【００８６】
特定の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示されたにすぎず、本開示の範囲を限定しようとしたものではない。実際、本明細書に記載の新規の装置、方法、及びシステムは、他の様々な形態で実施されてよく、さらに、本明細書に記載の方法及びシステムの形態における様々な省略、置換、及び変更が、本開示の主旨から逸脱せずに行われてよい。例えば、ある配置においてブロックが提示されるが、他の実施形態は同様の機能を異なる構成要素及び／又は回路配置で実施してよく、幾つかのブロックを削除、移動、追加、分割、合体、及び／又は改変してもよい。これらのブロックの各々は、他の様々な方法で実施されてよい。前述の各種の実施形態の要素と動作の何れの適当な組合せを組み合わせて更なる実施形態を提供することもできる。前述の各種の特徴及びプロセスは、相互に独立して実施しても、様々な方法で組み合わせてもよい。本開示の特徴の考え得る組合せ及び部分的組合せの全てが本開示の範囲に含められるものとする。
【符号の説明】
【００８７】
１０  溶接システム
１２  電源
１４  ワイヤ駆動アセンブリ
１６  シールドガス供給システム
１８  ケーブルアセンブリ
２０  母材
２２  リールスタンド
２４  スプール
２６  駆動機構
３２  柔軟ケーブル
３４  溶接ガン
３６  ガス導管
３８  電気ケーブル
４８  柔軟シース
５０  溶接ワイヤ
５２  駆動ローラ
５４  アーク
６０  フラックス
６２  溶接ワイヤ
６４  供給スプール
６６  供給アセンブリ
６８  溶接ガン
７０  テーブル
７１  フレーム
７２  レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【外国語明細書】
2020124746000001.pdf