(57)【要約】【課題】  アルミニウム含有ワイヤを使用する付加製造を提供する。【解決手段】  本開示技術は、一般的には消耗電極ワイヤに関し、より具体的にはアルミニウムを含む芯シェル構造を有する消耗電極ワイヤに関する。一態様では、溶接ワイヤは鋼組成を有するシースと、シースにより囲まれた芯とを含む。芯は、溶接ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、Ａｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。本開示技術はまた、アルミニウム含有電極ワイヤを使用することに適合化された溶接方法およびシステムに関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
付加製造による物品製作方法であって、前記方法は、
前記物品の少なくとも一部分を形成する金属の源として働くように構成されたワイヤを供給する工程であって、前記ワイヤは、
鋼組成を有するシースと、
前記シースにより囲まれた芯と、を含み、前記芯は、前記ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、Ａｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される、工程と、
前記金属の溶融液滴を形成するのに十分なエネルギーを印加する工程と、
前記物品の前記少なくとも一部分を形成するビードの層を形成するために前記溶融液滴を蒸着する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記溶融液滴を蒸着する工程は、前記物品の大部分を形成するビードの複数の積層を形成する工程を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項３】
前記エネルギーを印加する工程は、前記溶融液滴の前記形成を引き起こすために前記ワイヤと工作物との間にプラズマアークを生成するのに十分なエネルギーを印加する工程を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項４】
前記エネルギーを印加する工程は前記溶融液滴の前記形成を引き起こすために工作物の上にレーザビームを導きながら前記ワイヤを抵抗加熱する工程を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項５】
前記エネルギーを印加する工程と、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスに従って蒸着する工程と、を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項６】
前記エネルギーを印加する工程と、シールドガスの無い自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）プロセスに従って蒸着する工程を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項７】
前記方法は、前記エネルギーを印加する工程と、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）プロセスまたはプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）プロセスに従って蒸着する工程と、を含み、前記エネルギーを印加する工程は、前記ワイヤと異なる電極へ前記エネルギーを印加する工程を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項８】
前記ワイヤを供給する工程は金属入りワイヤを供給する工程を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項９】
前記ワイヤを供給する工程は自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）ワイヤを供給する工程を含み、前記芯はＡｌもしくはＭｎ以外の金属の酸化物またはＡｌもしくはＭｎ以外の金属のフッ化物を含むフラックス剤を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項１０】
前記芯はさらに、前記ワイヤの前記全重量を基準に約１０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を含み、Ｍｎは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項１１】
前記芯はさらに、
前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約１０重量％未満の濃度の銅（Ｃｕ）と、
前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約１０重量％未満の濃度のコバルト（Ｃｏ）と、のうちの１つまたは複数を含み：
ＣｕおよびＣｏのうちの前記１つまたは複数のものの全濃度は前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約１０重量％未満である、請求項１０に記載の物品製作方法。
【請求項１２】
前記ワイヤはさらに、
前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約５０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、
前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約２．５重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）と、
前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約２重量％未満の濃度の窒素（Ｎ）とのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項１３】
前記ワイヤはさらに、２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋２０［Ｎ］＋０．３［Ｃｕ］＋０．３［Ｃｏ］が約１０重量％〜約８０重量％であるようなそれぞれの濃度のＭｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｏを含み、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃ］、［Ｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃｏ］は前記ワイヤの前記全重量を基準にしたそれぞれの元素の重量％を表す、請求項１に記載の物品製作方法。
【請求項１４】
付加製造による物品製作方法であって、前記方法は、
シースにより囲まれた芯と、ワイヤを溶融および急冷することにより形成される溶融液滴から形成されるビードが前記ビードの全重量を基準に約５０重量％〜約８５重量％の濃度の鉄（Ｆｅ）と約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）とを有するような組成と、を含むワイヤを供給する工程と、
前記ビードの複数の層を使用して前記物品の大部分を形成する工程と、を含む方法。
【請求項１５】
前記溶融液滴の前記形成を引き起こすために前記ワイヤと工作物との間にプラズマアークを生成するのに十分なエネルギーを印加する工程をさらに含む、請求項１４に記載の物品製作方法。
【請求項１６】
前記溶融液滴の前記形成を引き起こすために工作物の上にレーザビームを導きながら前記ワイヤを抵抗加熱する工程をさらに含む、請求項１４に記載の物品製作方法。
【請求項１７】
前記ビードはさらに、前記ビーズの全重量を基準に約１０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を含む、請求項１４に記載の物品製作方法。
【請求項１８】
ビードは前記ビードの全重量を基準に約４重量％〜約６．５重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）と、約１５重量％〜約２５重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、を有する、請求項１４に記載の物品製作方法。
【請求項１９】
前記ビードは前記ビードの全容積を基準に３０％を越える面心立方（ＦＣＣ）オーステナイトを有する、請求項１４に記載の物品製作方法。
【請求項２０】
前記芯は：
前記ワイヤの全重量を基準に約８重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）と；
前記ワイヤの前記全重量を基準に約３０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と；
前記ワイヤの前記全重量を基準に０重量％より大きく約５０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、を含み、
Ａｌ、ＭｎおよびＮｉのそれぞれは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される、請求項１４に記載の物品製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年９月２９日出願の、「アルミニウム含有溶接電極（ＡＬＵＭＩＮＵＭ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＷＥＬＤＩＮＧ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ）」と題された米国特許出願第１５／７２０，８９５号明細書の一部継続出願であり、その内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【０００２】
本開示技術は、一般的には消耗溶接電極ワイヤに関し、具体的には、アルミニウム含有消耗電極ワイヤに関し、かつ、アルミニウム含有電極ワイヤを使用するために適合化された溶接方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
伝統的接合技術および新興付加製造技術を含む様々な溶接技術は金属の源として働く溶接ワイヤを利用する。例えば、金属アーク溶接では、工作物方向に進む１つの電極として働く消耗溶接電極ワイヤと別の電極として働く工作物との間に電圧が印可されると電気アークが生成される。電気アークは、金属ワイヤの先端を溶融し、これにより、工作物上へ蒸着する溶融金属ワイヤの液滴を生成し、溶接物の溶接ビードまたは付加製造により形成される物品を形成する。
【０００４】
これらの溶接技術に対する技術的および経済的要求は複雑さの点で増大し続けている。例えば、外観および機械的性質の両方の点でより高いビード品質（高耐力、延性および破壊靱性を含む）の必要性が増大し続けている。同時に、経済的実現可能性を維持する一方でより高いビード品質がしばしば要求される。いくつかの溶接技術は、消耗材を改善することにより（例えば電極ワイヤの物理的設計および／または組成を改善することにより）これらの競合する要求に対処しようとする。
【０００５】
このような競合する要求に対処する１つの手法は消耗電極内に添加剤を取り込むことである。例示的添加剤は、結果溶接物の酸化／耐食性を改善するために加えられ得るクロム（Ｃｒ）である。しかし、このような添加剤の追加は、耐食性に加えて、例えば高温割れに対する抵抗力と高い破壊靱性とを含み得る一組の競合する溶接物特性を同時に満足するためには不十分である可能性がある。加えて、一組の競合する溶接物特性は、経済的実現可能性を維持する一方で満足される必要があり得、これは、主添加剤がＣｒなどの比較的高価な元素を含む場合は困難である可能性がある。以下では、溶接物および付加製造された物品のこれらおよび他の競合する特徴だけでなく生産性および経済的考慮点を満足することができる消耗溶接電極ワイヤ、溶接プロセス、およびシステムの様々な実施形態について説明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８，６５３，４１７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示技術は、一般的には消耗溶接電極ワイヤに関し、具体的には芯がアルミニウムを含む芯シェル構造を有するアルミニウム含有溶接消耗電極ワイヤに関する。本開示技術はまた、溶接および付加製造する方法と、アルミニウム含有電極ワイヤを使用する方法に適合化されたシステムとに関する。
【０００８】
第１の態様では、溶接ワイヤは、溶接、例えばフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ：ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）中に溶接金属の源として働くように構成される。溶接ワイヤは鋼組成を有するシースとシースにより囲まれた芯とを含む。芯は、溶接ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、ここでＡｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。
【０００９】
第１の態様の溶接ワイヤでは、芯はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に約１０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を含み、ここでＭｎは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。
【００１０】
第１の態様の溶接ワイヤでは、溶接ワイヤは自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ：ｓｅｌｆ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）プロセスにおいて電極として働くように構成され、芯は、ＡｌまたはＭｎ以外の金属の酸化物またはＡｌまたはＭｎ以外の金属のフッ化物を含むフラックス剤を含む。
【００１１】
第１の態様の溶接ワイヤでは、芯はさらに、以下のもののうちの１つまたは複数を含む：溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約１０重量％未満の濃度の銅（Ｃｕ）；溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約１０重量％未満の濃度のコバルト（Ｃｏ）、ここで、ＣｕおよびＣｏのうちの１つまたは複数の全濃度は、溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約１０重量％未満である。
【００１２】
第１の態様の溶接ワイヤでは、溶接ワイヤはさらに以下のもののうちの１つまたは複数を含む：溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約５０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）；溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約２．５重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）；および溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約２重量％未満の濃度の窒素（Ｎ）。
【００１３】
第１の態様の溶接ワイヤでは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｏの濃度は、２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋２０［Ｎ］＋０．３［Ｃｕ］＋０．３［Ｃｏ］が約１０重量％〜約８０重量％であるようにされ、ここで［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃ］、［Ｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃｏ］は溶接ワイヤの全重量を基準にしたそれぞれの元素の重量％を表す。
【００１４】
いくつかの実施形態では、シースおよび芯は、溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが約４重量％〜約６．５重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）および約１５重量％〜約２５重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を有するように構成される。他のいくつかの実施形態では、シースおよび芯は、溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが０°Ｆ未満の温度において測定されると２０フィートポンドより大きい破壊靱性を有するように構成される。他のいくつかの実施形態では、シースおよび芯は溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが１〜１２５のフェライト数を有するように構成される。
【００１５】
第２の態様では、溶接、例えばフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）中に溶接金属の源として働くように構成された溶接ワイヤは、シースにより囲まれた芯と、溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが約５０重量％〜約８５重量％の濃度の鉄（Ｆｅ）および約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を有するような組成と、を含む。
【００１６】
第２の態様の溶接ワイヤでは、溶接ビードはさらに、約１０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を含む。
【００１７】
第２の態様の溶接ワイヤでは、溶接ワイヤは自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）ワイヤであり、芯は、ＡｌまたはＭｎ以外の金属の酸化物またはＡｌまたはＭｎ以外の金属のフッ化物を含むフラックス剤を含む。
【００１８】
第２の態様の溶接ワイヤでは、芯は、溶接ワイヤの全重量を基準に約８重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）；溶接ワイヤの全重量を基準に約３０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）；および溶接ワイヤの全重量を基準に０重量％より大きく約５０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）を含み、Ａｌ、ＭｎおよびＮｉのそれぞれは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。
【００１９】
第２の態様の溶接ワイヤでは、芯はさらに、溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが０重量％より大きく約０．５重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）と約０重量％より大きく約３０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）とを有するように炭素（Ｃ）およびニッケル（Ｎｉ）を含む。
【００２０】
第２の態様の溶接ワイヤでは、上記組成は２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＞２０重量％であるようにされ、ここで［Ｍｎ］、［Ｎｉ］および［Ｃ］は溶接ビードの全重量を基準にしたそれぞれの元素の重量％を表す。
【００２１】
第２の態様の溶接ワイヤでは、溶接ビードは３０容積％を越える面心立方（ＦＣＣ：ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）オーステナイトを有する。
【００２２】
第２の態様の溶接ワイヤでは、溶接ワイヤは、シールドガス無しで蒸着されたＡｌ濃度およびＭｎ濃度を有する溶接ビードを形成するように構成される。
【００２３】
第２の態様の溶接ワイヤでは、芯はさらに、溶接ビードが０重量％より大きく約１０重量％未満である総濃度のフェライト安定化元素を有するようにクロミウム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）およびタングステン（Ｗ）からなるグループから選択されたフェライト安定化元素のうちの１つまたは複数を含む。
【００２４】
第２の態様の溶接ワイヤでは、芯はさらに、溶接ビードが０重量％より大きく約１０重量％未満である総濃度のオーステナイト安定化元素を有するように銅（Ｃｕ）およびコバルト（Ｃｏ）からなるグループから選択されたオーステナイト安定化元素のうちの１つまたは複数を含む。
【００２５】
第３の態様では、溶接、例えばフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）の方法は溶接中に溶接金属の源として働くように構成された溶接ワイヤを供給する工程を含む。溶接ワイヤは鋼組成を有するシースとシースにより囲まれた芯とを含む。芯は、溶接ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、ここでＡｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。本方法は追加的に、溶融溶接ワイヤの安定したストリームの液滴を生成するために十分なエネルギーを印加する工程を含む。本方法はさらに、溶融液滴を工作物上に蒸着する工程を含む。
【００２６】
第３の態様の方法では、溶接ワイヤはさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に約１０重量％〜約６０重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を含み、ここでＭｎは、元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。
【００２７】
第３の態様の方法では、蒸着工程はシールドガス無しの自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）プロセス下で蒸着する工程を含み、エネルギーを印加する工程は、プラズマアークを生成するために電圧を溶接ワイヤへ印加する工程を含む。
【００２８】
第３の態様の方法では、蒸着工程は、溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが約４重量％〜約６．５重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）および約１５重量％〜約２５重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）を有するような雰囲気および電圧条件において蒸着する工程を含む。
【００２９】
第４の態様では、付加製造により物品を製作する方法は、物品の少なくとも一部分を形成する金属の源として働くように構成されたワイヤを供給する工程を含む。ワイヤは鋼組成を有するシースとシースにより囲まれた芯とを含む。芯は、ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、ここでＡｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。本方法は追加的に、金属の溶融液滴を形成するのに十分なエネルギーを印加する工程を含む。本方法はさらに、物品の少なくとも一部分を形成するビードの層を形成するために溶融液滴を蒸着する工程を含む。
【００３０】
第５の態様では、付加製造により物品を製作する方法は、シースにより囲まれた芯と、ワイヤを溶融および急冷することにより形成される溶融液滴から形成されるビードがビードの全重量を基準に約５０重量％〜約８５重量％の濃度の鉄（Ｆｅ）と約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）とを有するような組成と、を含むワイヤを供給する工程を含む。本方法は追加的に、ビードの複数の層を使用して物品の大部分を形成する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】金属アーク溶接プロセスにおける電極の構成の概略図である。
【図２Ａ】実施形態による自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）のために構成された金属アーク溶接システムを示す。
【図２Ｂ】実施形態によるガスシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ）のために構成された金属アーク溶接システムを示す。
【図３Ａ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｂ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｃ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｄ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図４Ａ】実施形態によるフラックス入り電極ワイヤから生成された様々なフェライト数を有する溶接物のニッケル当量対アルミニウム含有量である。
【図４Ｂ】実施形態による図４Ａのフェライト数２を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】実施形態による図４Ａのフェライト数１３を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｄ】実施形態による図４Ａのフェライト数３３を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｅ】実施形態による図４Ａのフェライト数１２３を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤを使用するフラックス入りアーク溶接のために構成された金属アーク溶接システムの概略図である。
【図６】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤを使用するフラックス入りアーク溶接の方法のフローチャートである。
【図７】実施形態による芯内にアルミニウムを含む電極ワイヤを使用する付加製造により物品を製作する方法のフローチャートである。
【図８Ａ−Ｂ】実施形態による芯内にアルミニウムを含む電極ワイヤを使用するワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図９Ａ】実施形態によるアルミニウム含有電極ワイヤが金属の源として働くアーク溶接に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図９Ｂ】実施形態による非電極アルミニウム含有ワイヤが金属の源として働くガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図９Ｃ】実施形態による非電極アルミニウム含有ワイヤが金属の源として働くプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図１０】実施形態によるアルミニウム含有ワイヤが金属の源として働くワイヤおよびレーザ付加製造（ＷＬＡＭ：ｗｉｒｅ  ａｎｄ  ｌａｓｅｒ  ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）のために構成されたシステムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
接合技術および新興付加製造技術を含む溶接技術に対する様々な技術的および経済的要求（これらはしばしば競合する要求である）が複雑性の点で増大し続けている。例えば、外観と機械的性質との両方の観点での高いビード品質が負の経済的結果または生産性結果（例えば原材料および／または溶接の高費用）を招くこと無くしばしば望まれる。特に、鋼ベース溶接では、降伏強さ、延性、耐食性、高温割れに対する抵抗力、および破壊靱性などの機械的性質の競合特徴を改善または満足することが、経済的実現可能性を維持する一方で必要とされ得る。
【００３３】
いくつかの溶接技術は、消耗材を改善することにより（例えば消耗電極ワイヤの物理的設計および／または組成を改善することにより）これらの競合する要求に対処しようする。一例として、いくつかの伝統的消耗電極はクロム（Ｃｒ）およびニッケル（Ｎｉ）などの添加剤を取り込む。合金鉄へのクロムおよびニッケル添加は、例えば保護酸化層を形成する能力を介し耐酸化性を提供し得る。しかし、多量のＣｒおよびＮｉは費用の観点から望ましくない可能性がある。加えて、１つの利点を提供する一方で、いくつかの添加剤は他の特徴（例えば競合する特徴）を満足するには不十分であり得るか、または望ましくない結果を導入し得る。例えば、いくつかの状況下では、耐酸化性および耐食性を提供する一方で、比較的多量のＣｒおよびＮｉは、結果溶接物のより低い破壊靱性を含む望ましくない機械的性質に繋がり得る望ましくない量の体心立方（ＢＣＣ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）フェライトを助長し得る。
【００３４】
本明細書で説明される様々な実施形態において、消耗電極ワイヤは、アルミニウムが特定量で存在する（例えば芯内に）芯シェル構造を有する。様々な電極は、耐食性、高温割れに対する耐性および高い破壊靱性などの競合する溶接物特性を満たす。加えて、いくつかの溶接プロセス（例えばフラックス入りアーク溶接）において使用されると、本開示電極は、鋼ベース溶接ワイヤ中の伝統的添加剤と比較して低経費解決策を提供し得る。以下では、アルミニウム含有ワイヤならびにアルミニウム含有ワイヤを採用する溶接プロセスおよびシステムの様々な実施形態が最初に開示され、続いて、アルミニウム含有ワイヤを使用する付加製造のための方法およびシステムが開示される。しかし、開示されたワイヤならびにシステムおよび方法の様々な態様は接合製造技術と付加製造技術のいずれかまたは両方において交換可能に使用され得るということが理解される。
【００３５】
アルミニウム含有溶接電極を使用する溶接プロセス
図１は金属アーク溶接プロセスにおける電極の構成の概略図である。金属アーク溶接、例えばガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ：ｇａｓ−ｍｅｔａｌ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）では、電気アークが、一方の電極４（例えば陽極（＋））へ電気的に接続された消耗金属ワイヤ６と他方の電極（例えば陰極（−））として働く工作物２との間に生成される。その後、中性およびイオン化されたガス分子と、アークにより気化された金属ワイヤ６の材料の中性および帯電クラスタまたは液滴とを含むプラズマ８が持続される。溶接中、消耗金属ワイヤ６は工作物２方向に進められ、金属ワイヤ６の結果溶融液滴が、工作物上に蒸着し、これにより溶接ビードを形成する。
【００３６】
金属ワイヤ６は、様々な実施形態によると金属ワイヤ６の全重量を基準に約４重量％〜約８重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む溶接ワイヤであり得る。いくつかの実施形態では、金属ワイヤ６は鋼組成を有するシースとシースにより囲まれたと芯とを含み、ここで芯は溶接ワイヤの全重量を基準に約４重量％〜約８重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む。金属ワイヤ６は、固体電極ワイヤ（ＧＭＡＷ：ｓｏｌｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｗｉｒｅ）または金属入りワイヤ（ＧＭＡＷ−Ｃ：ｍｅｔａｌ−ｃｏｒｅｄ  ｗｉｒｅ）のいずれかを採用し得るガス金属アーク溶接プロセスを含む様々なアーク溶接プロセスにおいて使用され得る。金属ワイヤ６はまた、ガスシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ：ｇａｓ  ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）または自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ：ｓｅｌｆ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）であり得るフラックス入りアーク溶接プロセス（ＦＣＡＷ：ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）において使用され得る。金属ワイヤ６はさらに、数ある中でもシールド金属アーク溶接（ＳＭＡＷ：ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｍｅｔａｌ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）プロセスおよびサブマージアーク溶接（ＳＡＷ：ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）プロセスにおいて使用され得る。以下では、金属ワイヤ６を採用し得る様々な溶接プロセスがより詳細に説明される。
【００３７】
固体電極ワイヤ（ＧＭＡＷ）または金属入り電極ワイヤ（ＧＭＡＷ−Ｃ）を使用するガス金属アーク溶接では、シールドガスが、溶接中の大気汚染に対し溶接池および溶接ビードのための保護を与えるために使用される。固体電極が使用されると、固体電極は、シールドガスと組み合わせて、結果溶接ビードの所望物理的および機械的性質を有する低気孔溶接または無気孔溶接を提供するように設計され得る活性成分により適切に合金にされる。金属入り電極が使用されると、活性成分の一部が、金属外側シースの芯内に加えられ得、固体電極の場合と同様な機能を提供するように設計され得る。
【００３８】
固体および金属入り電極は、最終用途において満足に機能するために、降伏強さ、抗張力、延性および衝撃靱性を有する固体のほぼ無気孔溶接物またはビードを適切なガスシールド下で提供するように設計される。これらの電極はまた、溶接中に生成されるスラグの量を最小化するように設計され得る。いくつかの用途に関しては、金属入り電極が、生産性を向上するために固体ワイヤの代案として使用され得る。本明細書で述べたように、金属入り電極は、金属外側シースにより少なくとも部分的に充填され囲まれた芯を有する複合電極を指す。芯は、アーク安定性、溶接濡れ性および外観、ならびに所望の物理的および機械的性質に役立つ金属粉末および活性成分を含み得る。金属入り電極は、芯材料の成分を混合し、この混合物を、形成されたストリップ内に蒸着し、次にストリップを閉じて最終半径まで引くことにより製造される。いくつかの用途に関しては、有芯電極は、固体電極と比較して、増加された蒸着速度と、より広くかつ比較的一貫した溶け込みプロファイルとを提供し得る。本明細書で述べたように、金属入り電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）は、その成分が主として金属性である芯を有する電極を指す。存在すると、芯中の非金属成分は、各電極の全重量を基準に５％、３％または１％未満の合成濃度を有する。比較的低い濃度の非金属成分は、ＧＭＡＷ−Ｃ電極と、以下により詳細に説明されるフラックス入りアーク溶接電極とを区別し得る。ＧＭＡＷ−Ｃ電極は噴霧アークおよび高品質溶接金属により特徴付けられ得る。
【００３９】
金属入り電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）を使用するガス金属アーク溶接と同様に、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｓ、ＦＣＡＷ−Ｇ）において使用される電極もまたシェルにより囲まれた芯を含む。すなわち、フラックス入りアーク溶接において使用される有芯電極は、上述の金属入り電極と同様に、金属外側シースにより少なくとも部分的に充填され囲まれた芯を有する。しかし、金属入り電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）とは異なり、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）において使用される有芯電極は追加的に、少なくとも部分的にシールドガスの代わりに、溶接中に大気汚染に対する溶接池および溶接ビードのための保護を提供するように設計されたフラックス剤を含む。フラックス入りアークにおいて使用される有芯電極は追加的に、アーク安定性、溶接濡れ性および外観、ならびに所望の物理的および機械的性質に役立つ他の活性成分を含み得る。一態様では、フラックス入りアーク電極は、その合成濃度が各電極の全重量を基準に５％、３％または１％未満であり得る芯内に存在する非金属成分の量により金属入り電極とは区別され得る。
【００４０】
フラックス入り電極用の多数のフラックス剤組成が、アーク安定性を制御し、溶接金属組成を修正し、大気汚染からの保護を提供するために開発されてきた。フラックス入り電極では、アーク安定性はフラックスの組成を修正することにより制御され得る。この結果、フラックス混合物中のプラズマ電荷担体としてうまく働く物質を有することが望ましい可能性がある。いくつかの用途では、フラックスはまた、金属中の不純物をより溶け易くすることにより、そしてこれらの不純物が合成し得る物質を提供することにより、溶接金属組成を修正し得る。他の材料が、スラグ融点を低下し、スラグ流動性を改善し、フラックス粒子の結合剤として働くために時折加えられる。ＦＣＡＷにおいて使用される様々なワイヤは、以下のいくつかの同様な特徴を共有し得る：例えば溶接物の上に保護スラグを形成すること、前進角技術を使用すること、高蒸着速度で、ずれて溶接するまたは平坦かつ水平に溶接する能力を有すること、プレート上の比較的高い量の汚染物質を処理する能力を有することなど。他方で、異なるタイプのフラックス入りアーク溶接プロセス（すなわち図２Ａ、２Ｂを参照して以下にさらに詳細に説明する自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）およびガスシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ））が存在する。
【００４１】
図２Ａおよび２Ｂは、実施形態によるアルミニウム含有電極ワイヤを使用するように構成されたＦＣＡＷ−ＳプロセスおよびＦＣＡＷ−Ｇプロセスのために構成されたシステム２０Ａおよび２０Ｂをそれぞれ示す。ＦＣＡＷプロセスでは、プラズマ８は、１つの電極４（例えば陽極（＋）または陰極（−）のうちの一方）に電気的に接続されたＦＣＡＷ−Ｓワイヤ２６Ａ（図２Ａ）またはＦＣＡＷ−Ｇワイヤ２６Ｂ（図２Ｂ）と工作物２（別の電極（例えば陽極（＋）および陰極（−）のうちの他方）として働く）との間に生成される電気アークにより生成される。その後、中性ガス分子およびイオン化されたガス分子、ならびにアークにより気化された金属ワイヤ６の材料の中性および帯電クラスタまたは液滴を含むプラズマ８が持続される。動作中、ＦＣＡＷ−Ｓワイヤ２６Ａ（図２Ａ）およびＦＣＡＷ−Ｇワイヤ２６Ｂ（図２Ｂ）は工作物２方向に進み、同ワイヤからの溶融液滴が工作物２上へ蒸着し、これにより、固化した溶接金属を含む溶接ビードまたは溶接物２４を形成する。ＦＣＡＷ−Ｓシステム２０Ａ（図２Ａ）とは異なり、ＦＣＡＷ−Ｇシステム２０Ｂはまた、シールドガスノズル２９を介したプラズマ領域への配送のためのシールドガス２７を供給するためのシールドガス入口２８を含む。
【００４２】
図２Ａを参照すると、ＦＣＡＷ−Ｓプロセスは、溶融金属を大気から保護するためにアーク自体における化学反応から生成される保護スラグおよびガスを利用する。ＦＣＡＷ−Ｓワイヤ２６Ａの芯内のフラックス成分は、いくつかある機能の中でも、溶融金属を脱酸素および脱窒素する機能と、保護スラグを形成する機能と（保護スラグはまた、ビードを整形し、溶融金属を適所外に保持し得る）、所望特性を生ずるために合金用元素を溶接ビード２４へ加えて様々な溶接特性（例えば深い侵入特性および高い蒸着速度）へ制御可能に影響を及ぼす機能とを含む複数の機能を行う。
【００４３】
いくつかの状況下では、実施形態によるＦＣＡＷ−Ｓプロセス／システムは、他のプロセス、例えばスティック（すなわち手動）溶接（ｓｔｉｃｋ  ｗｅｌｄｉｎｇ）と比較して向上された生産性を提供する。これは、スティック電極が使用される用途と同様なまたは同じ用途のための半自動プロセスによる比較的高い蒸着速度能力から部分的に生じる。例えば、いくつかのＦＣＡＷ−Ｓは、外部シールドガスを使用しない屋外溶接（特に、シールドガスが風により容易に吹き飛ばされ、ガスシールドプロセスにより結果溶接ビード中に気孔を生じ得る）用に適応化される。しかし、実施形態はそのように制限されなく、他のＦＣＡＷ−Ｓプロセスは屋内溶接のために適応化され得る。
【００４４】
実施形態によるいくつかのＦＣＡＷ−ＳプロセスはＤＣ極性下で行われる。実施形態によるいくつかのＦＣＡＷ−Ｓプロセスは、金属の微細液滴から大きな液滴までの範囲の球状アーク転移（ｇｌｏｂｕｌａｒ  ａｒｃ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）を有する。
【００４５】
図２Ｂを参照すると、ＦＣＡＷ−Ｇプロセスはアークを大気から保護するためにスラグと外部シールドガスとの両方を使用する。使用され得る例示的シールドガスは、二酸化炭素（ＣＯ２）（例えば、ほぼ純粋なＣＯ２、またはＣＯ２と不活性ガスとの混合物（例えばＣＯ２とバランスよく組み合わされた７５〜８５％のアルゴン（Ａｒ）））を含む。ＦＣＡＷ−Ｓワイヤと同様、ＦＣＡＷ−Ｇワイヤの芯成分は、スラグを生成し、合金用元素を溶接ビードへ取り込み、溶接特性へ影響を与えるように構成され得る。しかし、ＦＣＡＷ−Ｓワイヤとは異なり、ＦＣＡＷ−Ｇワイヤは、主としてまたは本質的にプラズマ領域周囲に配送される外部シールドガス２７を介し大気からの溶融金属の保護を導出し得る。
【００４６】
依然として図２Ｂを参照すると、いくつかのＦＣＡＷ−Ｇプロセスは、滑らかな噴霧アークなどによる小さな液滴アーク転移により特徴付けられる。実施形態によるいくつかのＦＣＡＷ−ＧプロセスはＤＣ＋極性下で行われる。いくつかのＦＣＡＷ−Ｇシステム／プロセスは、より滑らかなアーク特性を有するので、例えばＦＣＡＷ−Ｓプロセスと比較して屋内溶接用により適応化される。しかし、実施形態はそのように制限されなく、いくつかのＦＣＡＷ−Ｇプロセスは屋外溶接用に適応化され得る。
【００４７】
アルミニウム含有溶接電極
本明細書において開示される様々な実施形態は、上述の様々な溶接プロセスから生じる溶接ビードのますます複雑化しかつ競合する特徴に対処することを目的とする。競合する特徴は、いくつかある特徴の中で特に、例えば低温での高靭性、靱性の小さな統計的分散、高温割れ傾向の低さ、および低気孔率を含む。さらに、これらの特徴は経済的考慮点（例えば消耗電極の経費）により制約され得る。これらおよび他の必要性に対処するために、様々な実施形態によるとアルミニウム含有電極は有芯電極である。
【００４８】
上述したように、有芯電極は、特別に選択された鉄ならびに他の金属粉末および合金を有する粒子の芯と、例えば鋼組成で形成されたシースとを有する複合電極である。安定剤およびアーク強化剤などの添加剤が、製造中に容易に加えられ得、溶接機のより広い動作窓を提供する。
【００４９】
有芯電極は、粒子または粉末を含み得る芯を有する連続送給された管状金属シースである。芯は、靱性および強度を向上し、耐食性を改善し、アークを安定させる元素だけでなくフラックス元素、脱酸素および脱窒素剤、ならびに合金材料を含み得る。上に説明したように、有芯電極は、金属入り電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）、自己シールドフラックス入り電極（ＦＣＡＷ−Ｓ）およびガスシールドフラックス入り電極（ＦＣＡＷ−Ｇ）のうちの１つとして類別化され得る。
【００５０】
製造における柔軟性のために、作業が特別な電極を求める場合、有芯電極は固体電極より経済的であり得る。製造プロセスは、鋼の特別な溶融物を生成する代わりに金属粉末を混合する工程を含むので、少量を生産するのが容易であり、最少発注量ははるかに少ない。この結果、有芯電極は、より短いターンアラウンドタイムで、そして特注固体電極より低い経費で生産され得る。したがって、以下では、シースにより囲まれたアルミニウム含有芯を含む電極ワイヤの様々な実施形態が説明される。
【００５１】
本明細書において開示される様々な実施形態の一態様では、これらの競合する特徴間のバランスは、結果溶接ビードが制御量のオーステナイトを含むように溶接ワイヤを構成することにより部分的に実現され得る。本明細書で述べたように、制御された一定割合のＦＣＣオーステナイトを有する溶接ビードは、溶接ビード重量比で、２０％、３０％または４０％を越える百分率を有するまたはこれらの百分率により定義される範囲内の百分率を有する溶接ワイヤから形成される溶接ビードを指す。本発明者らは、有利なことに、「制御量（例えば、＞３０重量％）のオーステナイトを有し、以下に説明されるように溶接ビード中の比較的高い濃度のアルミニウムおよび様々な他の元素により少なくとも部分的に実現されると、費用制約だけでなく様々な競合する技術的必要性間のバランスが有利に満足され得る」ということを発見した。したがって、有利には、本明細書に開示される実施形態は溶接ワイヤの全重量を基準に約４重量％〜約８重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む電極（例えば有芯電極）に関する。アルミニウム含有電極に由来する溶接ビードは、いくつかある特徴の中で特に、低気孔率、低温における高い破壊靱性、および高温割れに対する高い耐性を実現する。本明細書で述べたように、高い破壊靱性は、関連業界で知られたシャルピー衝撃試験を使用することにより測定される約２０、５０、１００、１５０または２００フィートポンドより大きい破壊靭性値を指す。本明細書で述べたように、低温破壊靱性は約０°Ｆ、−２０°Ｆまたは−４０°Ｆ未満の温度で測定された破壊靱性を指す。
【００５２】
図３Ａ〜３Ｄは、実施形態による、シース３４により囲まれたアルミニウム含有芯３８ａ〜３８ｄを含む溶接電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄであって金属アーク溶接中に電極として働くように構成された溶接電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄを概略的に示す。溶接電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは、第１の卑金属組成を有するシース３４と、シース３４により囲まれたた芯３８ａ〜３８ｄとを含み、ここで芯３８ａ〜３８ｄは、その組み合わせが制御量のオーステナイト相を有する溶接ビードを形成するようにされた第２の卑金属組成と以下に説明する様々な他の元素とを含む。特に、芯３８ａ〜３８ｄは溶接ワイヤの全重量を基準に約４重量％〜約８重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、ここでＡｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。様々な実施形態では、シース３４の第１の卑金属の組成と芯３８ａ〜３８ｄの第２の卑金属の組成は同じであり、一方、他の実施形態では、第１の卑金属の組成と第２の卑金属の組成は異なる。
【００５３】
電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの様々な実施形態では、第１および第２の卑金属組成の一方または両方は鋼組成を含む。いくつかの実施形態では、卑金属組成は炭素鋼組成であり得る。非限定的例の炭素鋼組成は、Ｆｅ、ならびに約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＣ、約０．１重量％〜約１．５重量％の濃度のＳｉ、約０．５重量％〜約５重量％の濃度のＭｎ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の濃度のＳ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の濃度のＰ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＴｉ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＺｒ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＡｌ、および約０．１重量％〜約１重量％の濃度のＣｕのうちの１つまたは複数を含む。
【００５４】
いくつかの他の実施形態では、第１および第２の卑金属組成の一方または両方は低炭素鋼組成であり得る。いくつかの非限定的例は、約０．１０重量％未満の濃度のＣおよび最大約０．４重量％の濃度のＭｎを有する組成と、約０．３０重量％未満のＣおよび最大約１．５重量％のＭｎを有する組成とを含む。
【００５５】
いくつかの他の実施形態では、第１および第２の卑金属組成の一方または両方は低合金鋼組成であり得る。いくつかの非限定的例組成を提供するために、低合金鋼組成は、Ｆｅ、ならびに約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＣ、約０．１重量％〜約１．０重量％の濃度のＳｉ、約０．５重量％〜約５重量％の濃度のＭｎ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の濃度のＳ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の濃度のＰ、約０．０１重量％〜約５重量％の濃度のＮｉ、約０．１重量％〜約０．５重量％の濃度のＣｒ、約０．１重量％〜約１重量％の濃度のＭｏ、約０．００１重量％〜約０．１重量％の濃度のＶ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＴｉ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＺｒ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の濃度のＡｌ、および約０．１重量％〜約１重量％の濃度のＣｕのうちの１つまたは複数を含む。
【００５６】
いくつかの他の実施形態では、第１および第２の卑金属組成の一方または両方はステンレス鋼組成であり得る。いくつかの非限定的例組成を提供するために、ステンレス鋼組成は通常、Ｆｅ、ならびに約０．０１重量％〜約１重量％の濃度のＣ、約０．１重量％〜約５．０重量％の濃度のＳｉ、約１０重量％〜約３０重量％の濃度のＣｒ、約０．１重量％〜約４０重量％の濃度のＮｉ、約０．１重量％〜約１０重量％の濃度のＭｎ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の濃度のＳ、および約０．００１重量％〜約０．０５重量％の濃度のＰのうちの１つまたは複数を含む。
【００５７】
いかなる理論にも束縛されること無く、上の第１および／または第２の卑金属中に取り込まれる様々な元素は、わずかな例を提供するために本明細書で論述されるように鋼溶接において特別の利点を提供し得る。例えば、以下にさらに論述されるように、炭素、マンガン、ニッケルおよび銅はそれぞれ、オーステナイト相を安定させるように働き得、ひいては溶接物の破壊靱性（強度と延性の指標であり得る）を改善し得る。マンガンはさらに、溶接物から酸素を除去するとともに溶接金属気孔率を低減する脱酸素剤および／または脱窒素剤として働き得る。銅は、製造プロセスの一部として意図的に追加され得、導電性の改善としたがって溶接電極とコンタクトチップとの間のより良好なアーク開始とのためのワイヤ電極の被覆の結果として存在し得る（銅被覆されていれば）。
【００５８】
いかなる理論にも束縛されること無く、以下にさらに論述されるように、アルミニウム、珪素、クロムおよびモリブデンがフェライト安定化元素として働き得、ひいては溶接物の高温割れ性能を改善し得る。珪素はまた、溶接物から酸素を除去するとともに溶接金属気孔率を低減する脱酸素剤として働き得る。一般的に、金属中の珪素のレベルが高ければ高いほど、溶接パドルはより流動的になる。珪素の追加もまた、引っ張りおよび降伏強さを向上し得る。クロムもまた、耐食性を改善し得る。モリブデンもまた、溶接が応力緩和溶接後熱処理に晒されるときでも強度を加え、衝撃特性を改善し得る。
【００５９】
いかなる理論にも束縛されること無く、燐は、溶接割れに寄与し得るので、溶接蒸着には通常望ましくない。硫黄もまた、溶接性には通常望ましくなく、溶接割れに寄与し得る。しかし、限定された量では、硫黄または燐は溶接パドルの流動性および濡れ性を改善し得る。
【００６０】
いかなる理論にも束縛されること無く、チタンはフェライト安定化元素および脱酸素剤および／または脱酸素剤として働き得る。ジルコニウムは脱酸素剤として働き得る。
【００６１】
本明細書で説明する溶接プロセスおよび／または溶接ビードの様々な有利な特徴を実現するために、実施形態によると、溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは比較的高い量のアルミニウム（Ａｌ）およびマンガン（Ｍｎ）を有する芯３８ａ〜３８ｄを含む。様々な実施形態では、芯３８ａ〜３８ｄは、溶接ワイヤの全重量を基準に、約１重量％〜約２０重量％の濃度、約２重量％〜約１５重量％の濃度、約３重量％〜約１０重量％の濃度、約４重量％〜約８重量％の濃度、またはこれらの値のうちの任意のものにより定義される範囲内の濃度（例えば実施形態によると約５重量％）のＡｌを含む。芯３８は追加的に、溶接ワイヤの全重量を基準に、約１重量％〜約６０重量％の濃度、約５重量％〜約４０重量％の濃度、約１０重量％〜約３０重量％の濃度、またはこれらの値のうちの任意のものにより定義される範囲内の濃度（例えば約１８重量％）のマンガン（Ｍｎ）を含む。いくつかの実施形態では、溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは、Ａｌ濃度が約３重量％〜２０重量％でありかつＭｎ濃度は約１０％〜６０％であるか、Ａｌ濃度が約８重量％〜２０重量％でありかつＭｎ濃度は約３０％〜６０％であるか、Ａｌ濃度が約９重量％〜２０重量％でありかつＭｎ濃度は約３５％〜６０％であるか、またはＡｌ濃度が約１０重量％〜２０重量％でありかつＭｎ濃度は４０重量％〜約６０重量％である濃度の組み合わせを有する芯３８ａ〜３８ｄを含む。
【００６２】
様々な実施形態では、ＡｌとＭｎのそれぞれは元素形態であるか、または異なる金属元素との合金形態である。例えば、合金形態である場合、Ａｌおよび／またはＭｎは、金属合金化合物（例えばＭＭｇ、ＭＳｉ、ＭＺｒ、ＭＦｅ）の一部として存在し得、ここで、Ｍは、いくつかある他の金属合金化合物の中で特にＡｌＭｇ、ＡｌＳｉ、ＡｌＺｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＭｎＳｉまたはＭｎＳｉなどのＡｌまたはＭｎである。いかなる理論にも束縛されること無く、本明細書において開示される量の芯３８ａ中のＡｌの存在は、単独でまたは他の元素との組み合わせで、結果溶接ビードにおける様々な利点を提供し得る。例えば、Ｃｒと同様に、開示された範囲内で存在すると、Ａｌは有利には結果溶接物の優れた耐酸化性を提供し得る。
【００６３】
加えて、本明細書で説明された特定量のＡｌは、単独でまたは他の元素との組み合わせで、有利には結果溶接物の比較的低い気孔率を提供し得、これにより広いプロセスウインドウを提供する、例えばより広い範囲の蒸着速度を提供する。
【００６４】
加えて、実施形態によると、本明細書で説明される特定量のＡｌは、単独でまたは他の元素との組み合わせで、結果溶接ビードが、溶接ビードの全重量を基準に、０重量％より大きく約１重量％未満、０重量％より大きく約０．５重量％未満、または０重量％より大きく約０．１重量％未満、例えば約０．２重量％の濃度の窒素（Ｎ）または酸素（Ｏ）を有するように脱酸素および／または脱窒素剤として働き得る。
【００６５】
本明細書で述べるように、オーステナイトは、溶液中に最大約２％の炭素を含み得る鉄原子構造の面心立方（ＦＣＣ）相のものを指す。本明細書で述べるように、フェライトは、極わずか（通常は室温で０．０００１％）の炭素を保持し得る鉄の体心立方（ＢＣＣ）相のものを指す。フェライトはアルファまたはデルタフェライトのいずれかとして存在し得る。本発明者らは「本明細書で説明される様々な所望ビード特徴に伴い得る制御されかつバランスのとれた量のＦＣＣ相およびＢＣＣ相を有することの利点が、比較的高い濃度のＡｌを単独で有することによりまたは本明細書で説明するような様々な他の元素と組み合わせて有することにより実現され得る」ということを認識した。溶接ビード内に制御された量のＦＣＣおよびＢＣＣ相を有することは望ましい可能性がある。これは、例えば、いかなる理論にも束縛されること無く、比較的高いフェライト量は、比較的劣悪な低温破壊靱性を伴い得るが比較的優れた高温割れ性能または凝固割れ性能を伴い得るためである。対称的に、比較的低いフェライト量は比較的劣悪な高温割れ性能または凝固割れ性能を伴い得るが比較的優れた低温破壊靱性を伴う。本明細書で述べたように、溶接研究評議会（ＷＲＣ：Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｕｎｃｉｌ）、米国溶接協会（ＡＷＳ：Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）および他の機関により採用されたその値が１〜１２５であるフェライト数（ＦＮ：ｆｅｒｒｉｔｅ  ｎｕｍｂｅｒ）として知られた標準表現が溶接物中のフェライトの相対量を記述するために使用され得る。
【００６６】
本発明者らは、比較的高い濃度で存在するとＡｌが鉄またはフェライトのＢＣＣ相の安定剤となり得るということを認識した。すなわち、Ａｌの濃度は鉄のＢＣＣ相の安定性または量に比例し得る。したがって、本明細書において開示される様々な実施形態では、ＡｌのＢＣＣ安定化効果は、以下に述べるように鉄中のＦＣＣ相またはオーステナイト安定化元素（例えば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃ、および／またはＮ）のうち１つを使用することにより少なくとも部分的に相殺され得る。
【００６７】
特に、いかなる理論にも束縛されること無く、本明細書で説明される特定量のＭｎは、単独で、または上述の量を有するＡｌを含む他の元素と組み合わせで、比較的多量のオーステナイトの存在に少なくとも部分的に起因して、約０°Ｆ、−２０°Ｆまたは−４０°Ｆ未満の温度で測定される際にシャルピー衝撃試験を使用することにより測定されるような比較的高い（例えば約２０、５０、１００、１５０または２００フィートポンドより大きい）破壊靱性を有する溶接ビードを生成するようにＦＣＣおよびＢＣＣ相の量をバランスし得る。加えて、本明細書で説明される特定量のＭｎは、測定された破壊靭性値の比較的低い分散を有する溶接ビードを生成し得る。例えば、いくつかの状況下で、測定された破壊靭性値は高靭性分布および低靭性分布を有する双峰分布を表す。実施形態によると、測定データ点のうちの８０％または９０％超が高靭性分布に含まれ、一方、残りデータ点は低靭性分布に含まれる。
【００６８】
いくつかの状況下では、本発明者らは、溶接ワイヤの全重量を基準に約２０重量％、約１５重量％、または約１０重量％を越えないＡｌの濃度を有することが決定的に重要であり得るということを発見した。加えて、Ｍｎの濃度が溶接ワイヤの全重量を基準に約１重量％、約５重量％、または約１０重量％を越えるということは決定的に重要であり得る。加えて、いくつかの状況下で、本発明者らは、溶接ワイヤの全重量を基準に約１重量％、約２重量％、または約３重量％を越えるＡｌの濃度を有することが決定的に重要であり得るということを発見した。加えて、Ｍｎの濃度が溶接ワイヤの全重量を基準に約３０重量％、約４０重量％、または約５０重量％を越えないということは決定的に重要であり得る。ＡｌとＭｎの濃度の組み合わせが説明したように制御されると、高破壊靱性、低気孔率、および高温割れに対する抵抗力を含む望ましい特徴の組み合わせが実現され得る。
【００６９】
加えて、いくつかの実施形態では、有芯ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの芯３８ａ〜３８ｄはさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に、０重量％より大きく約５０重量％未満、０重量％より大きく約２０重量％未満、０重量％より大きく約１０重量％未満、または０重量％より大きく約１０重量％未満、例えば約２重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）を含む。いくつかの実施形態では、有芯ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの芯３８ａ〜３８ｄはさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に、０重量％より大きく約１０重量％未満、０重量％より大きく約５重量％未満、または０重量％より大きく約２重量％未満、例えば約５重量％の濃度の銅（Ｃｕ）およびコバルト（Ｃｏ）のうちの１つまたは複数を含む。
【００７０】
いくつかの実施形態では、有芯ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの芯３８ａ〜３８ｄはさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に、０重量％より大きく約５重量％未満、０重量％より大きく約２．５重量％未満、または０重量％より大きく約１重量％未満、例えば約０．２％の濃度の炭素（Ｃ）を含む。いくつかの実施形態では、芯ワイヤ３０の芯３８はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に、０重量％より大きく約４重量％未満、０重量％より大きく約２重量％未満、または０重量％より大きく約１重量％未満、例えば約０．２重量％の濃度の窒素（Ｎ）を含む。
【００７１】
いくつかの実施形態では、様々な元素の特定の組み合わせを有する芯３８ａ〜３８ｄは上述の様々な望ましい属性を生じ得る。特に、本発明者らは「溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの芯３８ａ〜３８ｄが、いくつかある他の効果の中で特に、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｏの組み合わせ（溶接物中のＦＣＣの位相を安定するように集団で働き得る）を含む」ということを発見した。特に、本発明者らは、ＦＣＣ安定化元素の量の測度は下記式により記述される等価ニッケル濃度（Ｎｉｅｑ）により表され得るということを発見した。
Ｎｉｅｑ＝２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋２０［Ｎ］＋０．３［Ｃｕ］＋０．３［Ｃｏ］    ［１］
様々な実施形態では、Ｎｉｅｑは、約１０重量％〜約８０重量％、約２０重量％〜約７０重量％、または約３０重量％〜約６０重量％であり、ここで［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃ］、［Ｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃｏ］はそれぞれの元素の重量％を表す。式［１］において、元素の比は実施形態によると＋／−２０％、１０％または５％内で変化し得る。例えば、マンガンとニッケルの比は２．０＋／−０．４、２．０＋／−０．２または２．０＋／−０．１であり得る。
【００７２】
上述のように、いくつかある特徴の中で特にＭｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、Ｃｕ、Ｃｏを含む様々なオーステナイト安定化元素が、結果溶接ビード中のオーステナイトの相対的割合を制御するために芯中に含まれ得る。いくつかの実施形態では、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの芯３８ａ〜３８ｄはそれぞれさらに、いかなる理論にも束縛されること無く、フェライト相を安定させる際に活性であり得る元素を含み得る。したがって、いくつかの実施形態では、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの芯３８ａ〜３８ｄは追加的に、溶接ビードが、実施形態に従って０重量％より大きく約２０重量％未満、０重量％より大きく約１０重量％未満、または０重量％より大きく約５重量％未満であるフェライト安定化元素の総濃度を有するように、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）およびタングステン（Ｗ）からなる群から選択される１つまたは複数のフェライト安定化元素を含む。
【００７３】
したがって、本明細書で説明される有芯電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄの様々な実施形態では、芯３０ａ〜３０ｄはアルミニウムを含む。加えて、芯３０ａ〜３０ｄは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、ＣｕおよびＣｏからなるグループから選択された１つまたは複数のオーステナイト安定化元素、および／またはＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＷからなるグループから選択された１つまたは複数のフェライト安定化元素を含み得る。
【００７４】
実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準にした上記濃度は、０．０４５インチ（１．１ｍｍ）〜０．０６８インチ（１．７ｍｍ）、０．０４５インチ（１．１ｍｍ）〜３／３２インチ（２．４ｍｍ）または０．０５２インチ（１．４ｍｍ）〜０．０６８インチ（１．７ｍｍ）の外径（ＯＤ）を有するように金属入り電極３０ａ／３０ｂを構成することにより少なくとも部分的に実現され得る。
【００７５】
実施形態によると、上記濃度は、芯の含有量が金属入り電極ワイヤ３０ａ／３０ｂ／３０ｃ／３８ｄの全重量を基準に約１重量％〜約８０重量％、約１０重量％〜約５０重量％、または約１５重量％〜約３０重量％を構成するように、芯３８ａ／３８ｂ／３８ｃ／３８ｄおよびシース３４の含有量を構成することにより少なくとも部分的に実現され得る。
【００７６】
実施形態によると、本明細書に開示される様々な実施形態は、金属入り（ＧＭＡＷ−Ｃ）電極、自己シールドフラックス入り（ＦＣＡＷ−Ｓ）電極およびガスシールドフラックス入り（ＦＣＡＷ−Ｇ）電極のうちの任意の１つに対し最適化され得る。
【００７７】
上記では、有芯電極３０Ａ〜３０Ｄの実施形態は芯３８ａ〜３８ｄの構造を特に参照すること無く説明された。有芯電極３０Ａは、例えば、固体としてまたは粉末で充填された容積として構成された芯３８ａを有する。以下では、図３Ｂ〜３Ｄを参照して、異なるやり方で配置された粉末を含むように配置されたそれぞれの芯３８ｂ、３８ｃ、３８ｄを有する溶接電極ワイヤ３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄの実施形態について説明する。特に、芯３８ｂ、３８ｃ、３８ｄのそれぞれは、上述の様々な元素と上述の第２の卑金属組成とを含む粒子（その組み合わせは制御された割合のオーステナイト相を有する溶接ビードを形成するように適応化される）により少なくとも部分的に充填される。Ａｌとオーステナイト安定化元素および／または追加フェライト安定化元素とを含む有芯電極中の粒子は通常、金属および合金粒子以外の化合物粒子よりむしろ金属および合金粒子（酸化物またはフッ化物粒子など）を含み、結果溶接ビードの面上のスラグの比較的小さなアイランドを生成するように構成される。しかし、実施形態はそのように限定されなく、Ａｌならびにオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素は酸化物、窒化物およびフッ化物などの化合物の様式であり得る。
【００７８】
図３Ｂの示された実施形態では、粒子３２は組成がほぼ一様である。すなわち、粒子３２のそれぞれは、上述の鋼組成のうちの任意の１つを含む第２の卑金属とアルミニウムとを含む。粒子のそれぞれはまた、上述したような１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／または１つまたは複数のフェライト安定化元素を含み得る。示された構成は、例えば粒子３２が同じ合金インゴットから生成されると生じ得る。
【００７９】
図３Ｂを依然として参照すると、粒子３２は第２の卑金属組成とアルミニウムとの合金で形成される。含まれる場合、粒子３２は、第２の卑金属組成と１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／または１つまたは複数のフェライト安定化元素との合金で形成される。例えば、Ａｌの原子と、１つまたは複数のオーステナイト安定化元素（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、Ｃｕ、Ｃｏ）および／または１つまたは複数のフェライト安定化元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）の原子とが、溶解され得るか、または第２の卑金属組成の格子（例えば鋼組成の体心立方格子または面心立方格子）内に直接取り込まれ得る（例えば置換的におよび／または格子間に）。Ａｌの原子および１つまたは複数のオーステナイト安定化元素の原子はまた、第２の卑金属組成のマトリクス内にクラスタ化され得る（例えば沈殿物を形成し得る）。しかし、実施形態はそのように限定されなく、Ａｌの原子と１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素の原子とが第２の卑金属組成内に化合物（例えば合金以外の無機化合物（例えば珪酸塩、チタン酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、リン酸塩、硫化物、水酸化物、フッ化物と酸化物））の様式で取り込まれる代替実施形態が可能である。
【００８０】
ここで図３Ｃの溶接ワイヤ電極３０Ｃを参照すると、芯３８ｃ中の粒子３６ａ、３６ｂは異なる組成を有する。いくつかの実施形態では、粒子３６ａ、３６ｂは異なる元素を含む。いくつかの他の実施形態では、粒子３６ａ、３６ｂは同じ元素を１つまたは複数の構成不純物の異なる濃度で含む。以下では、異なる組成を有する２つの粒子３６ａ、３６ｂが示されるが、それぞれが異なる組成を有する１つまたは複数の追加粒子が含まれ得る。
【００８１】
溶接ワイヤ電極３０Ｃ内には、粒子３６ａ、３６ｂ、Ａｌ、１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素が異なる原子的結合様式で存在する。いくつかの実施形態では、Ａｌならびに１つまたは複数の不揮発性オーステナイト安定化元素（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ｃｏ）および／または１つまたは複数のフェライト安定化元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）が粒子３６ａ、３６ｂ内に純粋な元素様式で存在し得る。これらの実施形態では、Ａｌならびに１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素が、卑金属組成を有する機械的混合物で存在し得る。いくつかの他の実施形態では、Ａｌの原子と１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素の原子とが粒子３６ａ、３６ｂ内で卑金属組成の原子と合金化される。いくつかの他の実施形態では、Ａｌならびに１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素が、卑金属組成のマトリクス内の粒子３６ａ、３６ｂ中に、例えば沈殿物の様式でクラスタ化され得る。これらの実施形態では、沈殿物の芯は純元素を含み、沈殿物の外面はマトリクスの原子と結合される。Ａｌならびに１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素が非金属化合物（卑金属組成と、例えば混合物（例えば機械的混合物）を形成する珪酸塩、チタン酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、リン酸塩、硫化物、水酸化物、フッ化物、酸化物）を形成するさらに他の実施形態が可能である。
【００８２】
図３Ｃを依然として参照すると、異なる粒子３６ａ、３６ｂは異なる組成配置を有し得る。いくつかの実施形態では、すべての粒子３６ａ、３６ｂは、第２の卑金属組成（例えば以前説明した鋼組成のうちの任意のもの）、Ａｌならびに１つまたは複数のオーステナイト安定化元素（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、Ｃｕ、Ｃｏ）および／または１つまたは複数のフェライト安定化元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）を含むが異なる濃度である。他のいくつかの実施形態では、いくつかの粒子、例えば粒子３６ａは、オーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含まないが第２の卑金属組成を含み、一方、他の粒子、例えば粒子３６ｂはオーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含む。他のいくつかの実施形態では、いくつかの粒子、例えば３６ａは、オーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含むが第２の卑金属組成を含まなく、一方、他の粒子３６ｂは、第２の卑金属組成と、オーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含む。いくつかの他の実施形態では、いくつかの粒子３６ａは、第２の卑金属組成を含み、オーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含み、一方、他の粒子３６ｂは、オーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含むが第２の卑金属組成を含まない。いくつかの他の実施形態では、いくつかの粒子３６ａはオーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含むが第２の卑金属組成を含まなく、一方、他の粒子３６ｂは、オーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含まないが第２の卑金属組成を含む。いくつかの他の実施形態では、いかなる粒子も第２の卑金属組成を含まなく、一方、すべての粒子３６ａ、３６ｂは異なる濃度のオーステナイト安定化元素とフェライト安定化元素との一方または両方を含む。
【００８３】
図３Ａ〜３Ｃに関する上記説明では、溶接ワイヤ電極３０Ａ〜３０Ｃが、異なる溶接プロセス（例えばＧＭＡＷ−ＣまたはＦＣＡＷ）に対する特定適合性に特に言及すること無く説明された。上述のように、金属入り電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）とは異なり、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）において使用される有芯電極は追加的に、少なくとも部分的にシールドガスの代わりに、溶接中に大気汚染に対する溶接池および溶接ビードのための保護を提供するように設計されたフラックス剤を含む。フラックス剤はフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）のスラグを形成する。ＦＣＡＷでは、フラックスの材料は最終溶接ビード内に取り込まれるように意図されていない。その代りに、フラックスは、溶接の完了後に除去されるスラグを形成する。したがって、金属入り電極はフラックス剤を含まなくてもよいが、ＦＣＡＷ用に構成された溶接ワイヤはフラックス剤を含む。
【００８４】
金属入り電極とフラックス入り電極は、結果ビード特徴に基づきさらに区別可能であるということが理解される。様々な実施形態によると、本明細書で説明される金属入り電極は、結果溶接ビードの面上にスラグアイランドを生成する。対称的に、フラックス入り電極は、結果溶接ビードの面の広汎なスラグ被覆を生成する。例えば、金属入り電極により生成されるスラグアイランドは、溶接ビードの表面積の５０％未満、３０％未満、または１０％未満を覆い得る。対照的に、フラックス入り電極により生成されるスラグは、溶接ビードの表面積の５０％超、７０％超、または９０％超を覆い得る。以下では、Ａｌならびに１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／またはフェライト安定化元素の量および配置が、フラックス入り電極の芯内に存在するとより有利であり得るＦＣＡＷ−ＳおよびＦＣＡＷ−Ｇを含む実施形態。
【００８５】
図３Ｄは、ＦＣＡＷ中に電極として働くように構成された溶接電極ワイヤ３０Ｄの概略図である。図３Ｃに関して上に説明した電極ワイヤ３８ｃと同様、溶接ワイヤ３０Ｄは、上述の鋼組成のうちの任意の１つを含み得る第１の卑金属で形成されたシース３４を含む。溶接ワイヤ３０Ｄは追加的に、図３Ｂの粒子３２または図３Ｃの粒子３６ａ、３６ｂに関して上に説明した構成のうちの任意の１つまたは任意の組み合わせに従って、１つまたは複数の異なる粒子３６ａまたは３６ｂを有する芯３８ｄを含む。加えて、図３Ｄの示された実施形態では、溶接ワイヤ電極３０Ｄの芯３８ｄは追加的に、実施形態によるフラックス剤またはスラグ形成剤を含む１つまたは複数の非金属粒子３６ｃを含む。
【００８６】
いかなる理論にも束縛されること無く、フッ素含有化合物および／または酸素含有化合物を含み得る１つまたは複数の非金属粒子３６ｃは、ビードの形状を改善するために（例えば形成された溶接ビード上のガス追跡（ｇａｓ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）の傾向を低減するために）スラグの特性を修正し得る。例えば、ワーム（ｗｏｒｍ）に似たクレータが溶接ビードの表面上に観測される現象であるガス追跡はフラックス剤が存在すると低減され得る。いかなる理論にも束縛されること無く、ガス追跡は、例えばスラグが溶接池よりはるかに速く固化する高速凍結スラグ系（ルチルベース）において観測され得る。スラグの急冷固化のために、溶融溶接部分から生まれるガスは部分的にトラップされ、したがって溶接ビード表面上にクレータを形成する。
【００８７】
いかなる理論にも束縛されること無く、フッ素含有化合物および／または酸素含有化合物を含むいくつかのフラックス剤もまたスラグの融点を低減し得る。スラグの低融点は、スラグがより長い時間溶融状態に留まることを可能にし、これにより、ガスが溶融溶接部分から生まれスラグ中に溶解するためのより長い時間を可能にする。スラグ中のフッ素の包含もまた、ＨＦの形成を促進し得、これにより溶接部分から水素を低減し得、これにより、溶接系中の水素の分圧を低減しガス追跡の発生を低減する。
【００８８】
溶接ワイヤがＦＣＡＷ−Ｓプロセス用に特に適応化された特別の実施形態では、アルミニウム脱酸素剤および脱窒素剤に基づくスラグ系が特に有益であり得る。これらの実施形態では、アルミニウムが溶接池に入り、比較的高い溶融温度を有する酸化アルミニウムを含むフラックス剤を形成する。高熔融温度酸化アルミニウムはフラックス中の低熔融温度元素と組み合わされて効果的なスラグ系を形成し得る。酸化アルミニウムを含むスラグ要素は、溶接中に溶融し、溶接池の上部へ浮上して、大気汚染からプロセスを保護する。
【００８９】
ＦＣＡＷ−Ｓは窒素に対する比較的高い耐性を有し、スラグ系はこれを可能にする。アルミニウム分子は酸素および窒素原子を引き寄せ、互いに結びついて、酸化アルミニウムおよび窒化物を形成する。高融点（すなわち、高速凍結性）と軽量性とを有するこのようにして形成された酸化アルミニウムベーススラグ系は溶接表面へ急速に浮上する。実際には、スラグ系は、酸素および窒素潜在的汚染物を、溶接を保護する化合物に変換する。
【００９０】
多くのＦＣＡＷ−Ｓワイヤは塩基系または酸性系を採用し得る。塩基系では、フッ素含有化合物はアルミニウム化合物と協働する。一方、酸性系では、酸化鉄が採用され得る。塩基系は、溶接金属をきれいに洗浄し、したがって構造クリティカル作業に適し易くなり、低温靱性および他の厳しい機械的性質要件を満足する。酸性系は円滑かつ速い溶接を促進する。これは、いかなる理論にも束縛されること無く、溶接中、分子がイオン化され、特定スラグ系はイオン化を達成するために様々なレベルの熱を伴うためである。フッ化物系では、比較的大量の熱が、分子を壊してフッ化物結合を形成し始める。他方で、比較的低い量の熱が、酸性酸化物ベース分子を砕くために使用される。急速反応は、高速スラグ凍結そして最終的には高蒸着速度に到る。
【００９１】
いくつかの実施形態では、非金属粒子３６ｃは、ＡｌまたはＭｎ以外の金属の金属酸化物または金属フッ化物を含む無機化合物を含む。
【００９２】
本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、非金属粒子３６ｃの一部として含まれる場合、電極ワイヤ中のフッ素（Ｆ）の濃度は、電極ワイヤの全重量を基準に、０重量％より大きいが約５重量％未満、０重量％より大きいが約１．５重量％未満、または０重量％より大きいが約１．０重量％未満、例えば約０．１重量％であり得る。
【００９３】
他の実施形態が可能である。ここでは、非金属粒子３６ｃの一部として含まれると、フッ素含有粒子は、フッ化アルミニウム、フッ化バリウム、フッ化ビスマス、フッ化カルシウム、フッ化マンガン、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム、フッ化ストロンチウム、テフロン（登録商標）などのポリテトラフルオロエチレン、Ｎａ２ＳｉＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６、Ｎａ３ＡｌＦ６、および／またはＫ３ＡｌＦ６などの非ポリマまたは無機フッ素含有化合物を含む。しかし、他のまたは追加のフッ素含有化合物が使用され得るということが理解される。
【００９４】
実施形態によると、非フッ素含有非金属粒子３６ｃの例は、遷移金属酸化物（例えばチタン酸化物（例えばルチルなど））および／または遷移金属含有化合物（例えばカリウムシリカチタン酸塩、ナトリウムシリカチタン酸塩など）を含む。一般的に、両方が含まれる場合、フッ素非含有粒子の重量％はフッ素含有化合物の重量％より大きく、例えば約０．５〜１０：１、典型的には約０．５〜５：１、さらに典型的には約０．７〜４：１の比である。
【００９５】
アルミニウム含有溶接電極を使用して形成される例示的溶接物
上述の様々な溶接ワイヤを使用することにより、溶接ワイヤの組成と比較して実質的に同じまたは実質的に異なり得る特定組成を有する溶接ビードが形成され得る。様々な実施形態では、溶接ワイヤ（例えば図３Ａ〜３Ｄ内の溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ）を使用して形成される溶接ビード（例えば図２Ａ、２Ｂ内の溶接ビード２４）は、約５０重量％〜約８５重量％の濃度の鉄（Ｆｅ）および約４重量％〜約８重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）、または上述の溶接ワイヤの任意の濃度のＦｅおよび／またはＡｌを有する。加えて、溶接ビードは、Ａｌ、およびオーステナイト安定化元素（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、ＣｕおよびＣｏ）のうちの１つまたは複数、および／または図３Ａ〜３Ｄに関して上に説明した溶接ワイヤの対応濃度とほぼ同じ濃度のフェライト安定化元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＷ）のうちの１つまたは複数を含む。様々な実施形態よる本明細書に開示される溶接ワイヤおよび溶接方法を使用して形成される溶接物は、１〜１２５、２〜２０、２０〜４０、４０〜６０、６０〜８０、８０〜１００、１００〜１２０、１２０〜１４０または様々な実施形態によるとこれらの値のうちの任意の値で定義された範囲内の値のフェライト数を有する。
【００９６】
図４Ａは、実施形態によるフラックス入り電極ワイヤから生成された様々なフェライト数を有する実験的に製造された溶接物のニッケル当量対アルミニウム含有量を示すグラフ４０である。実験的に製造された溶接物は、４．８重量％、４．９重量％、５．０重量％、および５．９重量％（４９重量％、４１重量％、３６重量％、および３５重量％の上記式［１］によるＮｉｅｑにそれぞれ対応する）のアルミニウム含有量を有する第１〜第４の組成４２、４４、４６および４８をそれぞれ含む。
【００９７】
図４Ｂ、４Ｃ、４Ｄおよび４Ｅは、第１、第２、第３および第４の組成４２、４４、４６および４８に対応するＳＥＭ顕微鏡写真４２ａ、４４ａ、４６ａおよび４８ａをそれぞれ示す。
【００９８】
アルミニウム含有溶接電極を使用するように構成された溶接システム
図５は、実施形態による、約３０ｌｂｓ／ｈｒの速度（またはオープンアーク溶接にはより高い速度）で溶接金属を蒸着するために以前に論述された溶接電極と共に使用するように構成されたアーク溶接システム５０を示す。特に、アーク溶接システム５０は、実施形態によると、アルミニウム含有芯を含む溶接電極を使用し得るＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｇ、ＧＴＡＷ、ＳＡＷ、ＳＭＡＷまたは同様なアーク溶接プロセス用に構成される。アーク溶接システム５０は、溶接電源５２、溶接ワイヤ駆動装置５４、シールドガス供給装置５８、および溶接銃５９を含む。溶接電源５２は、溶接システム５０へ電力を供給するように構成され、溶接電極ワイヤが第１の電極として働き、さらに詳細図１に描写する第２の電極として働く工作物５７へ電気的に結合されるように溶接ワイヤ駆動装置５４へ電気的に結合される。溶接ワイヤ駆動装置は、溶接銃５９へ結合され、溶接システム５０の動作中に溶接電極ワイヤを電極電源５６から溶接銃５９へ供給するように構成される。いくつかの実施形態では、溶接電源５２もまた溶接銃５９へ結合され、電力を溶接銃５９へ直接供給し得る。
【００９９】
例示目的のために図５は作業者が溶接トーチを操作する半自動溶接構成を示すということが理解される。しかし、本明細書で説明される金属入り電極は、ロボットマシンが溶接トーチを操作するロボット溶接セルにおいて有利に使用され得る。
【０１００】
溶接電源５２は、交流電源（例えばＡＣ電力グリッド、エンジン／発電セットまたはそれらの組み合わせ）から入力電力を受け、この入力電力を調節し、ＤＣまたはＡＣ出力電力を溶接システム５０へ供給する電力変換回路を含む。溶接電源５２は溶接ワイヤ駆動装置５４をそしてひいては溶接銃５９を給電し得る。溶接電源５２は、ＡＣ入力電力をＤＣ正またはＤＣ負出力、可変極性ＤＣ、パルス状ＤＣ、または可変平衡（例えば、平衡または非平衡）ＡＣ出力へ変換するように構成された回路要素（例えばトランス、整流器、スイッチなど）を含み得る。約３０ｌｂｓ／ｈｒを越える速度の溶接金属蒸着が実現され得るように約１００アンペア〜約１０００アンペアまたは約４００アンペア〜約８００アンペアの出力電流を供給するように溶接電源５２が構成されるということが理解される。
【０１０１】
実施形態によると、シールドガス供給装置５８はシールドガスまたはシールドガス混合物を１つまたは複数のシールドガス源から溶接銃５９へ供給するように構成される。本明細書で使用されるシールドガスは、特定局所雰囲気を提供するために（例えば、アークを遮蔽し、アーク安定性を改善し、金属酸化物の形成を制限し、金属面の濡れ性を改善し、溶着物の化学作用を変更する等のために）アークおよび／または溶接池へ供給され得る任意のガスまたはガスの混合物を指し得る。いくつかの実施形態では、シールドガス流は、シールドガスまたはシールドガスの混合物（例えばアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、同様な好適なシールドガスまたは任意のそれらの混合物）であり得る。例えば、シールドガス流は、いくつかの例を挙げるとＡｒ、Ａｒ／ＣＯ２混合物、Ａｒ／ＣＯ２／Ｏ２混合物、Ａｒ／Ｈｅ混合物を含み得る。
【０１０２】
ワイヤ駆動装置５４は、ワイヤ送給の開始、停止、速度に関する良好な制御を提供するための永久磁石モータを含み得る。約３０ｌｂｓ／ｈｒを越える高い溶接金属蒸着速度を可能にするためにワイヤ駆動装置５４は約５０インチ／分（ｉｐｍ）〜約２０００ｉｐｍ、約４００ｉｐｍ〜約１２００ｉｐｍ、または約６００ｉｐｍ〜約１２００ｉｐｍのワイヤ送り速度を提供するように構成される。
【０１０３】
動作中、溶接銃５９は、アーク溶接を工作物５７に対し行うために、ワイヤ駆動装置５４から溶接電極を、溶接ワイヤ駆動装置５４から電力を、そしてシールドガス供給装置５８からシールドガス流を受ける。溶接銃５９は、図１に関して前に説明したようにアークが消耗溶接電極と工作物５７間に形成されるように工作物５７の十分近くに持って来られる。前に論述されたように、溶接電極の組成を制御することにより、アークおよび／または結果溶接物の化学的性質（例えば組成と物理的特性）は変更され得る。
【０１０４】
アルミニウム含有溶接電極を使用する溶接方法
図６を参照して、金属アーク溶接６０の方法を説明する。方法６０は、溶接中に溶接金属の源として働くように構成された溶接ワイヤを提供する工程６２を含む。溶接ワイヤは鋼組成を有するシースとシースにより囲まれた芯とを含む。芯は、溶接ワイヤの全重量を基準に約４重量％〜約８重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、ここでＡｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。方法６０は追加的に、溶融溶接ワイヤの安定したストリームの液滴を生成するために十分なエネルギーを印可する工程６４を含む。方法６０はさらに、溶融液滴を毎時２５ポンドを越える蒸着速度で工作物上へ蒸着する工程６６を含む。特定実施形態では、蒸着工程６６は、例えば図２Ａ、２Ｂに関して上に説明したようにシールドガス無しの自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）プロセス下で蒸着する工程を含む。
【０１０５】
方法６０において、溶接ワイヤ供給工程６２は、例えば図３Ａ〜３Ｄに関して上に説明した任意の溶接ワイヤを供給する工程を含む。
【０１０６】
方法６０において、実施形態によると、電流を印加する工程６４は、プラズマ不安定性事象の平均数を１秒当たり約１０事象未満に維持するために、約３００アンペア〜約６００アンペア、約４００アンペア〜約７００アンペア、または約５００アンペア〜約８００アンペアの平均電流を印加する工程を含む。他のいくつかの実施形態によると、電流を印加する工程６４は、約４００アンペア〜約７００アンペア、約５００アンペア〜約８００アンペア、または約６００アンペア〜約９００アンペアのピーク電流を印加する工程を含む。
【０１０７】
アルミニウム含有ワイヤを使用する付加製造方法
付加製造（時折、３次元（３Ｄ）印刷と呼ばれる）は、３次元物体がコンピュータ支援設計から層毎様式で材料（例えば金属）を蒸着することにより製作される製造プロセスを指す。付加製造は、余分な材料が減じられる（例えば個片の材料から切断、削孔、および／または研磨除去される）伝統的「減法（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ）」製造と好対照をなす。付加製造方法の開示された実施形態では、溶接技術において使用される蒸着技術が利用される。伝統的溶接プロセスでは、ビードで形成された接合が、溶接物を形成するために別個の金属片同士を連結するが、実施形態による付加製造の方法は、物品または部品の大部分を形成するビードの複数の積層を形成する工程を含む。ビードの層が形成される基板は最終製品の一部であり得るが、ビードの蒸着層は、主として接合として働くのではなく製品の離散的部分をほぼ形成する。いくつかの実施形態では、基板は犠牲的なものであり得、ビードの層により形成される物品または製品は基板から取り外され得る。さらに、特に、本明細書に開示される実施形態は、ビードの層が電気アーク、レーザ加熱、抵抗加熱、および電子ビーム照射のうちの１つまたは複数などの好適なエネルギッシュプロセスにより形成される金属の溶融液滴から形成されるワイヤ送給付加製造に関する。
【０１０８】
部分的には、減法製造技術および他の付加製造プロセス（例えば粉体層溶融プロセス）と比較してより少ない材料消耗のおかげで、開示されたワイヤ送給付加製造技術は、比較的大きく、高価で、複雑な幾何学形状を有し、良好な表面仕上げを有し、および／または航空宇宙、自動車および金型業界を含む様々な用途における厳しい要件を満たすために優れた材料特性を有する金属部品を製作するのに有利であり得る。エネルギー入力、ワイヤ送給速度、溶接速度、蒸着パターンおよび溶着順序などを含む様々なプロセスパラメータは、優れた機械的性質および外観を有する部品を製造するために本明細書に開示されるように制御され得る。
【０１０９】
しかし、ワイヤ送給付加製造プロセスは、数ある中でも特に、比較的高い熱サイクルから部分的に生じる難題であってワイヤ送給速度、蒸着速度およびワイヤ径などの様々なプロセスパラメータならびに蒸着パターンおよび順序に関連付けられ得る難題に直面する。例えば、ワイヤ送給付加製造プロセスは有利には高い蒸着速度を提供し得るが、高い蒸着速度は、溶融金属の熱冷却速度の比較的高い可変性を伴い得る。熱冷却速度の比較的高い可変性は、数ある中でも特に、反りおよび変形を生じ得る比較的高い残留応力に繋がり得る。
【０１１０】
本発明者らは、実施形態によるワイヤを使用するワイヤ送給付加製造プロセスが、ワイヤ送給付加製造プロセスに関連付けられたこれらおよび他の難題を克服し得るということを発見した。特に、本明細書に開示されるアルミニウム含有ワイヤの組成および構造を制御することにより、本発明者らは、ワイヤ送給付加製造プロセスにより実施形態に従って溶接ワイヤを使用することにより製作された物品が優れた機械的性質を有するということを発見した。いかなる理論にも束縛されること無く、他の改善の中でも特に、低気孔率、低温における高破壊靱性、高温割れに対する高耐性、および比較的低い変形を含む観察された改善は、比較的熱履歴非依存性であり得、したがって熱冷却速度の高レベルの可変性に比較的影響されない制御された量のＦＣＣオーステナイトに繋がるワイヤ組成に起因し得る。優れた機械的性質は、ビード中の制御された割合のＦＣＣオーステナイトに少なくとも部分的に起因し得る。本発明者らは、効果的な量のＦＣＣオーステナイトは、溶接ビードの全容積を基準に、例えば２０％、３０％、または４０％、またはこれらの百分率により定義される範囲内の百分率を越え得るということを発見した。したがって、上に説明したように溶接ビード中の比較的高い濃度のアルミニウムおよび様々な他の元素により少なくとも部分的に実現される場合の制御量のオーステナイトは、様々な競合する技術的必要性間のバランスおよび付加製造における費用制約を満足し得る。
【０１１１】
これまで述べた難題の認識とワイヤ送給付加製造における改善の必要性とに基づき、本明細書に開示される実施形態は、溶接ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含むアルミニウム含有電極（例えば有芯電極）を使用するワイヤ送給付加製造方法およびシステムに関する。アルミニウム含有ワイヤを使用する付加製造により製造される物品は、他の望ましい特徴の中でも特に、低気孔率、低温における高破壊靱性、および高温割れに対する高耐性を誇示する。
【０１１２】
図７は、実施形態による芯中にアルミニウムを含む電極ワイヤを使用する付加製造により物品を製作する方法のフローチャートである。付加製造により物品を製作する方法７００は、様々な実施形態によると、物品の少なくとも一部分を形成するために金属の源として働くように構成されたワイヤを供給する工程７０４を含む。ワイヤは、数ある中でも特に、鋼組成を有するシースとシースにより囲まれた芯とを含む。芯は、ワイヤの全重量を基準に約３重量％〜約２０重量％の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含み、ここでＡｌは元素形態であるか、または異なる金属元素と合金化される。ワイヤは、本出願において説明される任意の構成および組成を有し得る。本方法は追加的に、金属の溶融液滴を形成するのに十分なエネルギーを印可する工程７０８を含む。本方法はさらに、物品の少なくとも一部分を形成するビードの層を形成するために溶融液滴を蒸着する工程７１２を含む。
【０１１３】
アルミニウム含有ワイヤを使用する方法のために構成された付加製造システム
図８Ａ、８Ｂは、実施形態による芯内に金属の源としてアルミニウムを含む電極ワイヤを使用するワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。実施形態によるワイヤ送給付加製造のために構成されたシステム８００は、製造される物品の３次元構造を製作するための印刷コードをモデル化し実行するように構成されたコンピュータ装置を含むモデリングユニット８０４と、ロボット運動と蒸着プロセスとを連携させるように構成されたロボットコントローラ８０８と、溶融金属を形成するとともに溶接プロセスを制御するために蒸着ユニット８２０へ電力を配送するように構成された電源８１２と、金属液滴を形成し蒸着するとともにビードの層を形成するように構成された蒸着ユニット８２０の運動を実施するように構成されたロボット８１６と、を含む。
【０１１４】
モデリングユニット８０４は、例えばＣＡＤ設計ソフトウェアを使用することにより３次元モデルを生成するためのソフトウェアであって３次元モデルを、印刷経路ならびにロボット８１６および蒸着ユニット８２０の開始および終了点をロボットコントローラ８０８およびワイヤ送給装置を介し定義するための３次元印刷可能符号へ変換するためのソフトウェアを備える。３次元印刷可能符号は、例えば、３次元構造を定義する複数の２次元スライスを生成し得る。
【０１１５】
図８Ｂに示される蒸着ユニット８２０を参照すると、動作中、上述の任意の実施形態に従って構成されるワイヤ（例えば図２Ａ、２Ｂのワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、図３Ａ〜３Ｄのワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ）を溶融するのに十分なエネルギーが同ワイヤに印加され、溶融液滴のストリーム８３６が形成され工作物８２８上へ蒸着されるようにし、これにより、溶接池８４０から固化されるビードを形成する。基板８３２上に初期ビードを形成した後、ロボット８１６は、ビードの第１の層が基板８３２上に完成されるまで、蒸着銃８２４の位置が追加ビードの形成のために横方向に変換されるようにする。その後、このプロセスは、ビードの複数の層が完全な物品を製作するために形成されるまで繰り返される。基板８３２は、製造される最終物品の一部であってもよいし犠牲的なものであってもよい。後者の場合、基板８３２は物品全体が付加製造により形成されるように分離され得る。
【０１１６】
示された実施形態における蒸着ユニット８２０はアークベース蒸着システムを描写するが、実施形態はそれに限定されない。金属蒸着に使用されるエネルギー源に依存して、実施形態によるワイヤ送給付加製造は、レーザベース、アーク溶接ベースまたは電子ビームベース蒸着ユニット８２０と、図９Ａ〜９Ｃおよび図１０に関して以下に説明されるものを含む対応電源８１２と、を含む。
【０１１７】
図９Ａは、実施形態による、アーク溶接に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステム９００Ａを概略的に示す。ここでは、ワイヤが電極と金属の源との両方として働く。システム８００は、電気アークが消耗電極ワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、３０Ａ〜３０Ｄ（図２Ａ、２Ｂおよび３Ａ〜３Ｄそれぞれ）と工作物金属８２８との間に形成される任意のアーク溶接プロセスのために構成され得る。アークプロセスは、数ある中でも特に、制御された短絡移行モード機構を含むグロビュール移行（ｇｌｏｂｕｌａｒ）、短絡、噴霧、パルス状噴霧、コールド金属転移（ＣＭＴ：ｃｏｌｄ  ｍｅｔａｌ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）、およびその変形に基づき、金属を工作物８２８へ転移し得る。上述のように、これらの方法では、上述の任意の実施形態によるワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、３０Ａ〜３０Ｄ（図２Ａ、２Ｂと図３Ａ〜３Ｄそれぞれ）は、上に説明した固体電極ワイヤ（ＧＭＡＷ）または金属入りワイヤ（ＧＭＡＷ−Ｃ）のいずれかを採用し得るガス金属アーク溶接プロセスを含む様々なアーク溶接プロセスにおいて使用され得る。金属ワイヤはまた、上に説明したガスシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ）または自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）であり得るフラックス入りアーク溶接プロセス（ＦＣＡＷ）において使用され得る。本発明者らは「いくつかの用途では、ＦＣＡＷまたはＦＣＡＷ−Ｓプロセスはいくつかの状況下で有利になり得、例えば溶接ビードが重力に反して蒸着される場合はフラックス（および／またはスラグ）の存在が有益であり得る」ということを発見した。金属ワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、３０Ａ〜３０Ｄはさらに、数ある中でも特に、シールド金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）プロセスとサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）プロセスにおいて使用され得る。上に既に説明されたこれらのプロセスのそれぞれのプロセスの詳細は簡単のためにここでは省略される。
【０１１８】
蒸着ユニット８２０は、実施形態によるＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｇ、ＧＴＡＷ、ＳＡＷ、ＳＭＡＷ、またはアルミニウム含有芯を含むワイヤを使用し得る同様なアーク溶接プロセスを含むオープンアーク溶接のための最大約３０ｌｂｓ／ｈｒ以上の速度で溶接ビードを蒸着するために図２Ａ、２Ｂおよび図５に関し上に説明した溶接銃５９と同様に構成される蒸着銃８２４（図８Ｂ）を含み得る。図２Ａ、２Ｂおよび図５に関して上に説明したように、電源８１２は、電力を溶接システム８００へ供給するように構成され、ワイヤが第１の電極として働くようにワイヤ駆動装置（図５の５４）へ電気的に結合され、さらに、第２の電極として働く工作物８２８へ電気的に結合される。ワイヤ駆動装置は、蒸着銃８２４へ結合され、システム８００の動作中、ワイヤ供給装置（図５の５６）から蒸着銃８２４へワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、３０Ａ〜３０Ｄを供給するように構成される。
【０１１９】
動作中、様々な実施形態に関し上に説明した溶接ビードの蒸着と同様なやり方で、電気アークはワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、３０Ａ〜３０Ｄと工作物８２８との間に生成される。その後、溶融液滴８３６のストリームを形成させて工作物８２８上へ蒸着させるプラズマがその間に維持され、これにより溶接池８４０から固化されるビードを形成する。初期ビードを形成した後、ロボット８１６は、ビードの第１の層が完成されるまで蒸着銃８２４の位置が横方向へ変換されるようにする。その後、このプロセスは、ビードの複数の層が物品を完成するように形成されるまで繰り返される。
【０１２０】
蒸着ユニット８２０がＦＣＡＷ−Ｓシステム２０Ａ（図２Ａ）またはＦＣＡＷ−Ｇシステム２０Ｂ（図２Ｂ）として構成されるかどうかに依存して、蒸着ユニット８２０はまた、シールドガスノズル９１２を介しプラズマ領域へ配送するためのシールドガス８４４を供給するためのシールドガス入口を含み得る。
【０１２１】
図９Ｂは、実施形態によるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステム９００Ｂを概略的に示す。図９Ｃは、実施形態によるプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）の関連技術に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。プラズマ生成および蒸着方向の観点で上述のシステム９００Ａと似ているシステム９００Ｂ、９００Ｃの様々な態様は、簡単のために、ここでは省略される。しかし、ワイヤが電極と金属の源との両方として働く同じ原理に基づくワイヤ送給付加製造システム９００Ａおよび方法とは異なり、ＧＴＡＷおよびＰＡＷでは、プラズマ生成／維持電極９１６は、製造される物品の金属の源として働かない。その代りに、プラズマ生成／維持電極９１６は非消耗電極（例えばタングステン電極）を含む。したがって、ＧＴＡＷおよびＰＡＷに基づくワイヤ送給付加製造では、消耗ワイヤ２６Ａ、２６Ｂ、３０Ａ〜３０Ｄ（図２Ａ、２Ｂおよび図３Ａ〜３Ｄ）が溶接池８４０（例えば溶接池８４０の先端）へ加えられる。ＧＴＡＷとＰＡＷはこれらの態様において似ているが、これらの間の差異は、「ＰＡＷでは、電極を蒸着銃またはノズルのボデイ内に配置することにより、プラズマアークがシールドガス外囲器から比較的離され得る」ということである。この結果、プラズマアークの高温区域はＧＴＡＷアークより狭くなり、蒸着される比較的狭い溶接ビードを生じる。
【０１２２】
図１０は、実施形態によるワイヤおよびレーザ付加製造（ＷＬＡＭ）のために構成されたシステム１０００を概略的に示す。ＷＬＡＭは、付加材料として金属ワイヤを使用するとともに、溶融液滴を形成するためにプラズマアークの代わりにエネルギー源としてレーザを使用する付加製造プロセスである。上述の任意の実施形態による金属ワイヤ（例えば図２Ａ、２Ｂのワイヤ２６Ａ、２６Ｂと図３Ａ〜３Ｄのワイヤ３０Ａ〜３０Ｄそれぞれ）が使用され得る。
【０１２３】
システム１０００はレーザホットワイヤ溶接プロセスのために構成され得る。本明細書で述べたように、レーザホットワイヤ溶接プロセスは、抵抗加熱「ホット」溶接電極と併せてレーザビームが溶接ビードを形成するために使用される溶接プロセスを指す。システム１０００は、金属の源および工作物８２８として働く溶接ワイヤ（図２Ａ、２Ｂの２６Ａ、２６Ｂと図３Ａ〜３Ｄの３０Ａ〜３０Ｄそれぞれ）へエネルギーを供給するように構成されたレーザサブシステムを含む。レーザサブシステムは、レーザ電源装置１００２により給電されるレーザ源１００４を含む。レーザ源１００４は、レーザビーム１００８を集束することによりエネルギーを溶接ワイヤおよび／または工作物８２８へ供給するように構成される。レーザ源１００４は、実施形態によると、溶接ワイヤおよび／または工作物８２８を溶融するのに十分なエネルギー密度を有するレーザビーム１００８を供給するように構成される。レーザビーム１００８は、様々な実施形態では、例えば連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ）であってもよいし、変調またはパルス化されてもよく、可視スペクトルまたは近赤外スペクトル内の波長を有してもよい。
【０１２４】
様々な実施形態では、システム１０００はさらに、ホットワイヤ溶接に加え、プラズマアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガス金属アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、およびサブマージアーク溶接のうちの１つまたは複数を行うように構成され得る。
【０１２５】
システム１０００は追加的に、溶接ワイヤを供給する（例えば連続的に供給する）ように構成された溶接ワイヤ送給装置１１１２を含む。溶接ワイヤ送給装置１１１２は、レーザビーム１００４の近傍の工作物８２８と接触するようにワイヤを導くように構成される。
【０１２６】
図示されたシステムはさらに、動作中に溶接ワイヤを抵抗加熱するための電流、電圧、および／または電力を供給するように構成されたホットワイヤ電源１００６（図８Ａの電源８１２の一部として含まれ得る）を含む。いくつかの実施形態では、ホットワイヤ溶接電源１００６は直流（ＤＣ）電源（例えばパルス状ＤＣ電源）である。しかし、実施形態はそのように限定されなく、他の実施形態では、ホットワイヤ電源１００６は交流（ＡＣ）または他のタイプの電源であり得る。
【０１２７】
動作中、溶接ワイヤは、ワイヤ送給装置１１１２から送給され、工作物８２８方向に延びる。溶接ワイヤは、溶接ワイヤが溶接ワイヤの溶融温度に近づくか、達するか、またはそれを越え得るように、ホットワイヤ電源１００６により配送される電流、電圧、および／または電力により抵抗加熱され得る。併せて、レーザ源１００４は、工作物８２８の卑金属を少なくとも部分的に溶融して溶接池を形成させるためにおよび／または溶接ワイヤを溶融温度以上の温度で少なくとも部分的に溶融して溶融金属を（例えば加熱金属を工作物８２８上へ）形成させるために十分な電力密度を有するレーザビーム１００８を供給するように構成される。
【０１２８】
実施形態によると、ホットワイヤ電源１００６は、溶接ワイヤを抵抗溶融するためにおよび／または溶接池を形成するために必要とされるエネルギーの少なくとも一部分（例えば、５０％より大きい、６０％より大きい、７０％より大きい、８０％より大きい、９０％より大きいまたはこれらの百分率値のうちの任意値内の一部分）を供給するように構成され得る。実施形態によると、レーザ装置１００４は、レーザ電源装置１００２（図８Ａの電源８１２またはスタンドアロンの電源の一部として含まれ得る）を介し、溶接ワイヤを抵抗溶融するためおよび／または溶接池を形成するために必要とされるエネルギーの少なくとも一部分（例えば、５０％より大きい、６０％より大きい、７０％より大きい、８０％より大きい、９０％より大きいまたはこれらの百分率値のうちの任意値内の一部分）を供給するように構成される。
【０１２９】
図１０を依然として参照すると、システム１０００Ａはさらに、蒸着ユニット８２０（図８Ａおよび８Ｂ）の一部としてワイヤ送給装置１１１２とは独立にレーザビーム１００８を移動するように構成されたレーザ運動コントローラ１０１０を含み得る。例えば、レーザ運動コントローラ１０１０は、レーザビーム１００４および溶接ワイヤが溶接ビードを同じ方向に沿って形成しながら互いに比較的固定された関係のままであるように、レーザビーム１００８を、工作物８２８に沿った溶接ワイヤと同じ方向にそして固定距離に移動するように構成され得る。代替的に、レーザ装置１００４およびワイヤ送給装置１１１２は、図８Ｂに関して上に説明した運動制御システムを介し工作物８２８に沿って移動され得る単一可動部品として一体化され得る。関連し得るレーザホットワイヤ溶接プロセスおよびシステムのさらなる詳細は、参照により本明細書にその全体を援用する、例えば（特許文献１）に述べられている。
【０１３０】
いくつかの実施形態が本明細書で説明されたが、これらの実施形態は単に一例として提示されており、本開示の範囲を制限するようには意図されていない。実際、本明細書で説明された新規な装置、方法、システムは多種多様の他の様式で具現化され得、さらに、本明細書で説明された方法とシステムの様式における様々な省略、置換、変更が、本開示の精神から逸脱することなくなされ得る。要素の任意の好適な組み合わせおよび上述の様々な実施形態の行為は、別の実施形態を提供するために組み合わせられ得る。添付の特許請求の範囲とそれらの同等物は、本開示の範囲および精神に入るだろうこのような様式または修正をカバーするように意図されている。
【符号の説明】
【０１３１】
２  工作物
４  電極
６  消耗金属ワイヤ
８  プラズマ
２０Ａ、２０Ｂ  システム
２４  溶接物
２６Ａ  消耗電極ワイヤ
２６Ｂ  消耗電極ワイヤ
２７  シールドガス
２８  シールドガス入口
２９  ガスノズル
３０Ａ〜３０Ｄ  溶接電極ワイヤ
３２  粒子
３４  シース
３６ａ〜３６ｄ  粒子
３８ａ〜３８ｄ  芯
４０  グラフ
４２ａ  ＳＥＭ顕微鏡写真
４４ａ  ＳＥＭ顕微鏡写真
４６ａ  ＳＥＭ顕微鏡写真
４８ａ  ＳＥＭ顕微鏡写真
５０  アーク溶接システム
５２  電源
５４  溶接ワイヤ駆動装置
５６  電極電源
５７  工作物
５８  シールドガス供給装置
５９  溶接銃
６０  金属アーク溶接方法
６２  溶接ワイヤ供給工程
６４  エネルギー印可工程
６６  蒸着工程
７００  付加製造による物品製作方法
７０４  ワイヤ供給工程
７１２  蒸着工程
８００  システム
８０４  モデリングユニット
８０８  ロボットコントローラ
８１２  電源
８１６  ロボット
８２０  蒸着ユニット
８２４  蒸着銃
８２８  工作物
８３２  基板
８３６  溶融液滴のストリーム
８４０  溶接池
８４４  シールドガス
９００Ａ  システム
９００Ｂ  システム
９００Ｃ  システム
９１２  シールドガスノズル
９１６  プラズマ生成／維持電極
１０００  システム
１００２  レーザ電源装置
１００４  レーザ源
１０１０  レーザ運動コントローラ
ＯＤ  外径
【図１】
2020055036.tif 000002
【図２Ａ】
2020055036.tif 000003
【図２Ｂ】
2020055036.tif 000004
【図３Ａ】
2020055036.tif 000005
【図３Ｂ】
2020055036.tif 000006
【図３Ｃ】
2020055036.tif 000007
【図３Ｄ】
2020055036.tif 000008
【図４Ａ】
2020055036.tif 000009
【図４Ｂ】
2020055036.tif 000010
【図４Ｃ】
2020055036.tif 000011
【図４Ｄ】
2020055036.tif 000012
【図４Ｅ】
2020055036.tif 000013
【図５】
2020055036.tif 000014
【図６】
2020055036.tif 000015
【図７】
2020055036.tif 000016
【図８Ａ−Ｂ】
2020055036.tif 000017
【図９Ａ】
2020055036.tif 000018
【図９Ｂ】
2020055036.tif 000019
【図９Ｃ】
2020055036.tif 000020
【図１０】
2020055036.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月28日(2019.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
【図１】金属アーク溶接プロセスにおける電極の構成の概略図である。
【図２Ａ】実施形態による自己シールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）のために構成された金属アーク溶接システムを示す。
【図２Ｂ】実施形態によるガスシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ）のために構成された金属アーク溶接システムを示す。
【図３Ａ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｂ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｃ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｄ】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの概略図である。
【図４Ａ】実施形態によるフラックス入り電極ワイヤから生成された様々なフェライト数を有する溶接物のニッケル当量対アルミニウム含有量である。
【図４Ｂ】実施形態による図４Ａのフェライト数２を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】実施形態による図４Ａのフェライト数１３を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｄ】実施形態による図４Ａのフェライト数３３を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｅ】実施形態による図４Ａのフェライト数１２３を有する溶接物の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤを使用するフラックス入りアーク溶接のために構成された金属アーク溶接システムの概略図である。
【図６】実施形態による芯内にアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤを使用するフラックス入りアーク溶接の方法のフローチャートである。
【図７】実施形態による芯内にアルミニウムを含む電極ワイヤを使用する付加製造により物品を製作する方法のフローチャートである。
【図８Ａ−Ｂ】実施形態による芯内にアルミニウムを含む電極ワイヤを使用するワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図９Ａ】実施形態によるアルミニウム含有電極ワイヤが金属の源として働くアーク溶接に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図９Ｂ】実施形態によるアルミニウム含有電極ワイヤが金属の源として働くガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図９Ｃ】実施形態によるアルミニウム含有電極ワイヤが金属の源として働くプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）に基づくワイヤ送給付加製造のために構成されたシステムを概略的に示す。
【図１０】実施形態によるアルミニウム含有ワイヤが金属の源として働くワイヤおよびレーザ付加製造（ＷＬＡＭ：ｗｉｒｅ  ａｎｄ  ｌａｓｅｒ  ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）のために構成されたシステムを概略的に示す。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
実施形態によると、上記濃度は、芯の含有量が金属入り電極ワイヤ３０Ａ／３０Ｂ／３０Ｃ／３８Ｄの全重量を基準に約１重量％〜約８０重量％、約１０重量％〜約５０重量％、または約１５重量％〜約３０重量％を構成するように、芯３８ａ／３８ｂ／３８ｃ／３８ｄおよびシース３４の含有量を構成することにより少なくとも部分的に実現され得る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
図３Ｄは、ＦＣＡＷ中に電極として働くように構成された溶接電極ワイヤ３０Ｄの概略図である。図３Ｃに関して上に説明した溶接ワイヤ電極３０Ｃと同様、溶接ワイヤ電極３０Ｄは、上述の鋼組成のうちの任意の１つを含み得る第１の卑金属で形成されたシース３４を含む。溶接ワイヤ電極３０Ｄは追加的に、図３Ｂの粒子３２または図３Ｃの粒子３６ａ、３６ｂに関して上に説明した構成のうちの任意の１つまたは任意の組み合わせに従って、１つまたは複数の異なる粒子３６ａまたは３６ｂを有する芯３８ｄを含む。加えて、図３Ｄの示された実施形態では、溶接ワイヤ電極３０Ｄの芯３８ｄは追加的に、実施形態によるフラックス剤またはスラグ形成剤を含む１つまたは複数の非金属粒子３６ｃを含む。
【外国語明細書】
2020055036000001.pdf