(57)【要約】【課題】溶接の際の望ましくないスパッタの発生を低減することが可能な溶接ワイヤ電極を得る。【解決手段】ガス金属アーク溶接プロセスにおいて消耗品として使用される溶接ワイヤ電極は、互いに巻き付けられ、所望のワイヤ直径に延伸された複数のストリップ（２０、２２、２８）を有して構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体被覆内において入れ子になった固体コアを形成するべく曲げられた金属ストリップを有する溶接ワイヤ電極。
【請求項２】
前記固体コアは、Ｃ字の形状になっている、請求項１記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項３】
前記固体コア及び前記被覆は、同軸になっている、請求項２記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項４】
前記固体コアはＳ字の形状になっている、請求項１記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項５】
前記金属ストリップは、ラップ構造となるように曲げられている、請求項１記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項６】
前記金属ストリップは、バット構造となるように曲げられている、請求項１記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項７】
前記固体被覆の周りに巻き付けられた第３の金属ストリップを更に有する、請求項１記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項８】
前記金属ストリップはスチールから構成されている、請求項１記載の溶接ワイヤ電極。
【請求項９】
前記固体被覆は、スチールから構成されている、請求項１記載の溶接電極。
【請求項１０】
前記被覆は、前記固体コアの周りに巻き付けられた湾曲ストリップから構成されている、請求項１記載の溶接電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、消耗溶接ワイヤ電極を有する溶接プロセスに関するものである。更に詳しくは、本発明は、ガス金属アーク溶接プロセスに関するものであって、このプロセスにおいて使用される消耗電極は、入れ子になった同軸又は非同軸のストリップから構成されている。
【背景技術】
【０００２】
ガス金属アーク溶接（Ｇａｓ  Ｍｅｔａｌ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＧＭＡＷ）とは、溶加材と工作物間の電気アークにより、溶加材と工作物を加熱し、これらを１つに溶接する溶接プロセスである。このＧＭＡＷプロセスにおける溶加材は、通常、消耗すると直ちにプロセスに供給される消耗電極である。この電極を通じて電流が流れ、消耗電極の先端と工作物の金属の間に電気アークが形成される。このようなＧＭＡＷ溶接プロセスを使用することにより、２枚の金属シートを１つに接合可能であり、これ以外にも、多くのその他のアプリケーションが存在している。図１には、このＧＭＡＷ用の溶接ガン及び構成の一例が概略的に示されている。溶接ガン１０を通じて、消耗溶接電極１４が溶接プロセスに供給される。そして、金属シート１１及び１３から構成された工作物と、この電極との間に生成された電気アーク１８により、この電極１４が溶解する。そして、Ａｒ、ＣＯ2、又はこれらの混合物などの外部供給ガスが、溶接ガン１０内のガスノズル１２を通じて、この溶接プロセスに進入し、ガスシールド１６を形成することにより、アーク、電極の先端、及び溶解した金属のプール１５をシールドする。このＧＭＡＷプロセスの利点は、ガスシールドと安定した電気アークにより、高速で、且つ、スパッタと合金化する元素の損失をほとんど引き起こすことなしに生成することが可能な、高品質の溶接にある。図１の（電気アークによって溶解する）消耗電極は、アークによって工作物に搬送され、溶加材として機能する。又、このアークは、溶接プロセス用の熱も生成している（このアークは、陰極（正の端子）と陽極（負の端子）間における電子の流れによって維持されている）。即ち、ＧＭＡＷの環境においては、消耗電極と工作物の両方が、陰極又は陽極として機能することができる。
【０００３】
アーク溶接用の電力は、２つの異なる方法によって得ることができる。この方法の１つは、使用場所において、これを生成する方法であり、もう１つの方法は、電力線から供給される電力を変換する方法である。この電力の変換には、電力線からの相対的に高い電圧を交流溶接用のライン電圧に変換する変圧器を必要とする。或いは、変圧器によってこの電圧を降下させた後に、整流器により、この交流電流を、直流溶接用の直流電流に変えることも可能である。尚、交流の利点の１つは、陰極に関係するクリーニング（スパッタリング）にあり、この結果、溶解しにくい酸化物が接合表面から除去され、優れた溶接を得ることが可能である。尚、このようなケースにおいては、直流又は交流のいずれを使用するかを問わず、手動による溶接用の不活性ガスの選択肢はアルゴンである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気アーク溶接の生産性の向上に対する要求が増大するに伴って、特にロボット溶接アプリケーションにおいて、生産性を改善しつつ、溶接時間を短縮するための継続的な努力が求められている。最大限の能力レベルにおいて溶接機を稼働させるには、消耗電極が、結果的に得られる溶接の品質を犠牲にすることなしに、可能な最大移動速度において、良好な溶接ビードを形成可能であることを要する。そして、生産性を向上させる方法の１つは、所与の溶接サイズにおける溶着速度と移動速度を増大させる方法である。しかしながら、多くの場合に、移動速度が増大すると、溶接不良の数も増大することになる。
【０００５】
その他の溶接パラメータを犠牲にすることなしに、溶着速度と移動速度を増大させる方法の１つは、（多くの場合にワイヤの形態で使用されている）消耗電極の幾何学的な構造と組成を変更する方法である。ワイヤ電極は、図２（Ａ）に示されているように、固体電極であってもよく、或いは、図２（Ｂ）に示されているように、外部のシースと内部のコアから構成された有芯電極であってもよい。溶着速度が大きい電極を設計する際に開発者が使用している原則の１つは、ワイヤ電極の電気抵抗を増大させることである。電極抵抗の増大は、生成される熱の増大と溶解速度の上昇に結び付き、この結果、ワイヤの溶解速度の上昇と望ましい溶着速度の上昇がもたらされることになる。
【０００６】
既存の有芯ワイヤ電極は、通常、金属コアワイヤとフラックコアワイヤに分類される。そして、有芯ワイヤは、通常、固体粒タイプのコアに圧縮された金属又はフラックス粉から構成されている。このような有芯ワイヤの製造には、通常、ワイヤの形成、充填、及び、延伸又はローリング段階が伴っている。即ち、スチールのシースをＵ字形状のストリップに曲げた後に、このＵ字形状のストリップ内に、例えば、鉄粉などの既定量の金属粉を供給する。そして、これに続く形成及び延伸プロセスにおいて、この粉をシース内に封入し、このワイヤを、その最終的な形状及びサイズに圧縮する。ワイヤのコア内に圧縮されている金属粉により、電流に対する電気抵抗は、固体ワイヤの場合と比べて、大きくなる。この結果、このような金属の有芯ワイヤの溶着速度は、固体ワイヤ電極と比べて、格段に大きくなる。しかしながら、高速で移動する金属ストリップから形成されたチューブ内に、粉状の混合物を供給しているため、このような金属コア電極の製造は、かなり複雑なものになる。そして、しばしば、フラックス又は粉のディスペンサによってチューブを一定に充填することが困難であるため、高品質のワイヤの製造を維持するには、このプロセスを正確に制御することが非常に重要となる。
【０００７】
コアとして圧縮された粉状の金属を有する金属コアワイヤの主な特性の１つは、コアの充填割合である。このコアの充填割合が変動すると、ＧＭＡＷプロセスにおいて、スパッタが変動することになる。即ち、コアの充填割合の変化によって生じるイオン化電位の小さな変動により、電気アークが妨げられ、溶接の際に、望ましくないスパッタが発生することになるのである。従って、従来は、コアの充填割合の変動とスパッタを低減することが、消耗有芯電極の構造と組成を設計する際の重要な考慮事項であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ガス金属アーク溶接用の新しい溶接ワイヤ電極は、所望のワイヤ直径に延伸された少なくとも２つの同軸又は非同軸のストリップを有する固体コア溶接ワイヤである。一実施例においては、このワイヤは、互いに巻き付けられた複数の同軸ストリップから構成されている。そして、このストリップ間のインターフェイスにより、ワイヤ内の電流の流れに対する電気抵抗を増大させて、金属コアワイヤ内の電流伝播パターンと同様に、最も外側のストリップに沿って電流が流れるようにしている。このワイヤの増大した電気抵抗により、固体ワイヤと比べて、大きな溶着速度を得ることができる。又、複数の高精度でローリングされた金属ストリップから構成された溶接ワイヤ電極によっても、スパッタのレベルを低減し、サイズと寸法における変動が低減された内部及び外部ストリップの一定の直径を確保することが可能である。溶接ワイヤ固体コア電極の一実施例は、ワイヤ電極のコアを形成するべくラップ（Ｌａｐ：重ね合わせ）又はバット（Ｂｕｔｔ：突合せ）構造となるように曲げられた固体金属シースから構成された中央ストリップと、この中央ストリップの周りに巻き付けられ、ラップ又はバット構造となるように曲げられた第２の個体ストリップシースを有している。このようなダブル又はトリプルストリップ溶接ワイヤ電極（これは、同軸であっても、非同軸であってもよい）は、ガス金属アーク溶接プロセスにおいて、消耗電極として機能する。
【０００９】
非同軸溶接ワイヤ電極の一実施例は、固体内部コアとして成形された内部ストリップの周りに巻き付けられた外部ストリップを有し、固体内部コアは、外部ストリップとの境界を有している。
【００１０】
一般的なケースにおいては、溶接ワイヤ電極は、固体シース内において入れ子になった固体コアを有しており、この場合に、この固体コアは、円筒形又は非円筒形のものを含む（但し、これらに限定されない）任意の所望の断面を具備することができる。そして、この固体コアは、固体シース内において入れ子になった非粉状金属から構成されている。このワイヤは、通常、固体コア内において、割れ目を、そして、コアとシースの間においては、インターフェイスを具備している。実験データによれば、このワイヤは、２５０Ａ、３００Ａ、及び３５０Ａのそれぞれのアンペア数において、約４．６ｋｇ（１０．３ｌｂｓ）／ｈｒ、約６．８ｋｇ（１５ｌｂｓ）／ｈｒ、及び約８．４ｋｇ（１８．７ｌｂｓ）／ｈｒの模範的な溶着速度を実現する。
【００１１】
この新しい溶接ワイヤを有するガス金属アーク溶接プロセスは、消耗電極のコアを形成するべくラップ又はバット構造となるように曲げられたスチールシースから構成された中央ストリップと、この中央ストリップの周りに巻き付けられ、ラップ又はバット構造となるように曲げられたスチールシースから形成された少なくとも１つ以上のストリップを具備する消耗電極をガス金属アーク溶接装置に供給する段階と；この電極の周りにシールド用の雰囲気を形成する段階と；工作物と電極の間にアークを生成して工作物を溶接する段階と；を有している。
【００１２】
このワイヤを使用するガス金属アーク溶接装置は、電極を溶接ガンに供給する手段を具備するガス金属アーク溶接ガンと；電極のコアを形成するラップ又はバット構造となるように曲げられたスチールシースから構成された中央ストリップと、この中央ストリップの周りに緊密にフィットした関係で巻き付けられ、ラップ又はバット構造となるように曲げられたスチールシースから形成された少なくとも１つ以上のストリップを有する電極と；この電極に電流を供給するための外部又は内部電源と；を有している。
【００１３】
製造の観点においては、この内部ストリップを外部ストリップ内に供給する段階は、一定の品質で非常に高速で実現可能である。従って、生産性を大幅に向上させることが可能である。又、この新しい溶接ワイヤの機械的及び溶着特性は、その微小構造と化学的な組成の影響を受けることになるが、これらは、ワイヤの長さ方向に一貫性を有しており、変動を最小限にすることができる。そして、製造におけるこの一貫性により、溶接金属の化学的特性と強度における優れた一貫性と、溶接の長さ方向における良好な強度特性が得られる。
【００１４】
又、固体コアを有する溶接ワイヤは、有芯ワイヤと比べて、拡散性水素の濃度が格段に低い。圧縮された粉状金属から構成されたコアを有するワイヤの場合には、通常、粉状コアの表面領域が大きく、この結果、水分を吸着及び吸収する傾向を有することになるが、本発明の溶接ワイヤ電極の場合には、この現象が発生する可能性は低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図３（Ａ）に示されているように、溶接ワイヤ電極は、２つの同軸ストリップから構成されている。中央（又は、コア）ストリップ２０は、ワイヤの固体コアを形成するべく曲げられたシースから構成されている。そして、この場合に、ワイヤのこの形成された固体コアは、従来の既存の金属コアワイヤとは異なっている（従来の既存の金属コアワイヤは、金属シースと、通常、非金属の無機化合物を合計重量の５％未満だけ含む圧縮された粉状金属充填材組成から構成されたコアと、から構成された複合管状金属電極である）。即ち、本発明の場合には、ワイヤのコアは、圧縮された粉状充填材料から構成されてはおらず、固体非粉状材料から構成されている。例えば、この溶接ワイヤの固体コアは、連続したストリップから構成可能である。尚、この「連続」という用語は、本明細書においては、ストリップが、圧縮された粉状充填材組成から構成されていないということを意味している。このストリップは、好ましくは、低炭素Ｍｎ合金スチールから構成されており、これが曲げられて、ストリップ２０を構成している。但し、このストリップ材料として別の材料を使用することも可能であると考えられる。又、この場合に、「金属」という用語は、金属性の材料を意味しており、これには、金属と、任意の所望の組成の合金と、が含まれる。尚、この溶接ワイヤに使用する好適な合金としては、軟鋼、低合金鋼、ステンレス鋼を含むスチールである（但し、これらに限定されない）。又、好ましい金属は、アルミニウムであってよい。
【００１６】
図３（Ａ）に示されているように、曲げられたストリップ２０は、継ぎ目２４を具備しており、これは、ラップ又はバット構造であってよい。好適な実施例においては、ストリップ２０は、Ｃ字の形状に曲げられている。そして、この中央ストリップ２０の周りに巻き付けられているのは、第２のストリップ２２であり、これは、中央ストリップ２０を曲げるプロセスと同様に、ストリップを被覆として曲げることによって形成されている。尚、この第２のストリップ２２は、ストリップ２０の外部表面とストリップ２２の内部表面の間にギャップが残らないように、中央ストリップ２０の周りに十分緊密に巻き付けられることが好ましい。そして、このストリップ２０及び２２によって形成されたワイヤは、通常、所望のサイズに延伸され、図３（Ａ）に示されている断面を具備することになる。又、この図３（Ａ）に示されているワイヤの断面は、ストリップ２０の固体コアとストリップ２２の外部シースの間のインターフェイス３２をも示している。このインターフェイス３２は、外部シースが固体コアの周りに巻き付けられた際に形成される被覆とコア間の境界である。このストリップ２０及び２２を曲げて、１つに巻きつけた後に、ワイヤの所望の直径に延伸することにより、これら２つのストリップは、非常に緊密に相互にフィットすることになる。但し、これらが緊密に延伸された場合にも、多くの固体物体の場合と同様に、溶接ワイヤの内部には、割れ目が残ることになり、この割れ目は、わずかな間隔で離隔した溶接ワイヤの固体コアと被覆の間、並びに、曲げられたストリップのそれぞれの要素の間に介在する空間又はギャップである。尚、ここで、重要なことは、圧縮された粉状の充填材組成によってコアが形成されている従来の金属コアワイヤとは対照的に、このワイヤの固体コアを形成しているのは、ストリップ２０であるということである。
【００１７】
図３（Ｂ）は、ストリップ２２が中央ストリップ２０の周りに巻き付けられるのと同様に、第２ストリップ２２の周りに第３ストリップ２８が巻き付けられている溶接ワイヤ電極の別の実施例を示している。このストリップ２８の継ぎ目３０も、ラップ又はバット構造に形成可能である。このストリップ２８の好ましい材料は、低炭素Ｍｎ合金スチールである。そして、ストリップ２２の外部表面とストリップ２８の内部表面の間にギャップが存在しないように、第２ストリップ２２の周りにストリップ２８を巻き付けることが好ましい。曲げられたストリップ２０及び２２は、ワイヤの固体コアを形成している。図３（Ｂ）には、このような３つのストリップの同軸ワイヤによって結果的に生成される断面が示されている。又、この図３（Ｂ）は、このトリプルストリップ溶接ワイヤが、２つのインターフェイス３２及び３４を具備していることを示している。即ち、インターフェイス３２が、曲げられたストリップ２０と第２ストリップ２２から構成された被覆の間に形成されており、インターフェイス３４が、同様に、第２ストリップ２２と、このストリップ２２の周りに曲げられた第３ストリップ２８との間に形成されている。
【００１８】
図３（Ｃ）には、本発明の代替実施例が示されている。継ぎ目２４を有するストリップ２０から構成された内部固体コアは、ストリップを外部ストリップ２２とは非同軸の形状になるように曲げることにより、形成されている。これは、Ｓ字形状の固体内部コア、非円筒形コア、又は任意のその他の好適な形状の固体コアであってよい。このような固体コアとワイヤの内部及び外部部分間の境界を有する固体コアワイヤ電極も、本発明の範囲内に属している。又、図３（Ｄ）には、更に別の代替実施例が示されており、この場合には、ストリップ２０から構成された固体コアが曲げられることにより、２つの継ぎ目２４が形成されている。又、これら図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示されているワイヤの断面には、ストリップ２０の固体コアとストリップ２２の外部被覆間のインターフェイス３２も示されている。
【００１９】
いくつかの溶接試験において製造及び試験された溶接ワイヤ構造のいくつかが、次の表１に示されている。即ち、単一、ダブル、及びトリプルストリップシースワイヤの試験を行った。シースは、最大１．５％の様々な割合のＭｎを含むＭｎ合金スチールから構成した。このスチールシース内におけるＳｉの量は、１．５％Ｍｎの場合の約０．８％から、約１％のＭｎの場合の約０．９％まで変化させた。この結果、これらのワイヤは、０．３％Ｍｎ合金スチールの場合に、−１７．８℃（０Ｆ）において、約４１３Ｍｐａ（６０ｋｓｉ）の引っ張り強度と４０．７Ｎ・ｍ（３０ｆｔ−ｌｂｓ）の衝撃力を示し、−２８．９℃（−２０Ｆ）において、約５１６．８ＭＰａ（７５ｋｓｉ）の引っ張り強度と９４．９Ｎ・ｍ（７０ｆｔ−ｌｂｓ）の衝撃力を示し、−２８．９℃（−２０Ｆ）において、約４８２ＭＰａ（７０ｋｓｉ）の引っ張り強度と５４．２Ｎ・ｍ（４０ｆｔ−ｌｂｓ）の衝撃力を示した。
【００２０】
【表１】
2006110629.tif 000003
【００２１】
溶接試験において、結果的に得られた溶接は、凡そ、次の表２に示されているような組成を具備していた。
【００２２】
【表２】
2006110629.tif 000004
【００２３】
そして、これらの試験においては、これらのワイヤが、ＥＲ７０Ｓ−６及びＥ７０Ｃ−６に分類されている電極の同一パラメータに匹敵する溶着速度及びワイヤ供給速度を示すことが示された。表３は、２５０Ａ、３００Ａ、及び３５０Ａの電流における直径１．１４３ｍｍ（．０４５”）の試験ワイヤの溶着速度のレンジを示している。
【００２４】
【表３】
2006110629.tif 000005
【００２５】
表４は、表３と同一の電流におけるワイヤ供給速度の比較データを提示している。
【００２６】
【表４】
2006110629.tif 000006
【００２７】
図４及び図５は、５０倍の溶接ワイヤの断面を示している。図４は、ラップ構造となるように曲げられた２つのストリップから構成されたワイヤの断面を示している。図５は、ダブルストリップ同軸ワイヤの５０倍の拡大図を示している。
【００２８】
本発明の新しい消耗溶接ワイヤ電極を有する溶接装置を使用して工作物上に溶接を形成するには、溶接プロセスにおいて、ワイヤ電極を供給する手段と、装置内にシールドガスを供給する手段と、を有する溶接装置を使用する。溶接装置内にワイヤを供給する手段は、ワイヤドライブとワイヤリールを有することが可能であり、或いは、溶接プロセスにおいて消耗したワイヤ部分を置き換えるべく十分な速度で装置内にワイヤを供給するその他の好適な構造を有することも可能である。又、溶接装置内にワイヤを供給する手段は、この装置の内部に配置することも可能であり、或いは、この装置の外部に配置することも可能であろうと考えられる。そして、この溶接装置は、電源に接続されており、溶接の形成対象である工作物と電極の間にアークが形成される。又、溶接プロセスへのシールドガスの供給は、溶接装置のガスノズルにガスを供給する外部ガス供給装置から実行することができる。
【００２９】
本発明によって想定されているワイヤの製造プロセスは、形成及び延伸の段階を有しており、この場合に、延伸段階は、必要に応じて、ローリング段階によって置換可能である。形成段階においては、一連の形成ロールに、連続したスチールストリップを通すことにより、同軸、又は非同軸、或いはその他の所望の形状に形成し、次いで、一連のダイに、これを強制的に通すことにより、所望のワイヤ直径を得る。ダブルの同軸又は非同軸ワイヤの場合には、２つのストリップを形成し、同軸又は非同軸ワイヤが円筒形状のワイヤ内に位置した状態で同時に延伸する段階が必要になる。
【００３０】
以上の内容の変形又は変更も本発明の範囲内に属している。本明細書に開示及び定義されている本発明には、言及した（又は、本文及び／又は図面から明らかな）複数の個々の特徴のすべてのその他の組み合わせも包含されることを理解されたい。これらの様々な組み合わせは、いずれも本発明の様々な代替態様を構成するものである。本明細書に記述されている実施例は、本発明を実施する形態について説明するものであり、これにより、当業者は、本発明を利用することができよう。従って、添付の請求項は、既存の技術によって許容される程度に、代替実施例を含むべく解釈する必要がある。
【００３１】
本発明の様々な特徴は、添付の請求項に規定されているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ガス金属アーク溶接プロセスの概略図。
【図２】（Ａ）は固体ワイヤの断面図、（Ｂ）は金属コアワイヤの断面図。
【図３】（Ａ）はダブルストリップ同軸溶接ワイヤの断面図、（Ｂ）はトリプルストリップ同軸溶接ワイヤの断面図、（Ｃ）は非同軸溶接ワイヤの断面図、（Ｄ）は非同軸溶接ワイヤの断面図。
【図４】同軸溶接ワイヤの拡大断面図。
【図５】別の同軸溶接ワイヤの拡大断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０    溶接ガン
１１、１３    金属シート
１２    ガスノズル
１４    電極
１５    金属プール
１６    ガスシールド
１８    電気アーク
２０    コアストリップ
２２    第２のストリップ
２４、２６、３０    継ぎ目
２８    第３のストリップ
３２、３４    インターフェイス
【図１】
2006110629.tif 000007
【図２】
2006110629.tif 000008
【図３】
2006110629.tif 000009
【図４】
2006110629.tif 000010
【図５】
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