(57)【要約】【課題】水素クラッキングの可能性を低下した高い強さおよび／または高い衝撃剛性を有する溶接溶着物を生成する電極組成物の提供。【解決手段】電気アーク溶接法において高い強さの溶接溶着物を溶着するように適合された芯つき電極であって、高い強さの溶着物は、鉄を含みさらに０．０５-０．２０重量％の炭素、１．４-２．４重量％のマンガン、０．２-０．４重量％の珪素、２．３-５．４重量％のニッケル、０．６-１．０重量％のクロムおよび０．２５-１．１０重量％のモリブデンを含むことを特徴とする芯つき電極およびその製法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気アーク溶接法において高い強さの溶接溶着物を溶着するように適合された芯つき電極であって、高い強さの溶着物は、鉄を含みさらに０．０５-０．２０重量％の炭素、１．４-２．４重量％のマンガン、０．２-０．４重量％の珪素、２．３-５．４重量％のニッケル、０．６-１．０重量％のクロムおよび０．２５-１．１０重量％のモリブデンを含むことを特徴とする芯つき電極。
【請求項２】
珪素の濃度が０．３２-０．３８％である請求項１の芯つき電極。
【請求項３】
珪素の濃度が約０．３５％である請求項２の芯つき電極。
【請求項４】
ニッケルの濃度が２．９-４．４％である請求項１の芯つき電極。
【請求項５】
ニッケルの濃度が約３．４％である請求項４の芯つき電極。
【請求項６】
モリブデンの濃度が０．３-０．８％である請求項１の芯つき電極。
【請求項７】
モリブデンの濃度が約０．５５％である請求項６の芯つき電極。
【請求項８】
０-０．０８％の濃度でチタンをさらに含む請求項１の芯つき電極。
【請求項９】
チタンの濃度が０．０１-０．０５％である請求項８の芯つき電極。
【請求項１０】
チタンの濃度が約０．０２％である請求項９の芯つき電極。
【請求項１１】
クロムの濃度が０．８-１．０％である請求項１の芯つき電極。
【請求項１２】
クロムの濃度が約１．０％である請求項１１の芯つき電極。
【請求項１３】
水素スカベンジャーをさらに含む請求項１の芯つき電極。
【請求項１４】
水素スカベンジャーが、フッ素含有剤、塩素含有剤およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれる請求項１３の芯つき電極。
【請求項１５】
水素スカベンジャーが、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化カルシウム、フッ化マンガン、珪フッ化カリウム、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＤＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれるフッ素含有剤である請求項１４の芯つき電極。
【請求項１６】
水素スカベンジャーは、ポリ塩化ビニル、ポリクロロプレン、ポリ塩化ビニリデン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれる塩素含有剤である請求項１４の芯つき電極。
【請求項１７】
フッ素含有化合物が、ポリテトラフルオロエチレンである請求項１５の芯つき電極。
【請求項１８】
ポリテトラフルオロエチレンが、０．１-１０％の重量濃度で電極に存在する請求項１７の芯つき電極。
【請求項１９】
ポリテトラフルオロエチレンが、０．５-８％の重量濃度で電極に存在する請求項１７の芯つき電極。
【請求項２０】
ポリテトラフルオロエチレンが、１-２％の重量濃度で電極に存在する請求項１７の芯つき電極。
【請求項２１】
電極が、鉄および約０．０５％の炭素、約２．９％のマンガン、約０．３％の珪素、約６．２％のニッケル、約１．８％のクロム、約０．８％のモリブデン、約０．０３％のチタンを含む請求項１の芯つき電極。
【請求項２２】
溶接溶着物が、鉄および約０．０５％の炭素、約２．３％のマンガン、約０．３５％の珪素、約３．４％のニッケル、約１．０％のクロム、約０．５５％のモリブデン、約０．０２％のチタン、約０．１５％の銅を含む請求項１の芯つき電極。
【請求項２３】
溶接溶着物が、（１）-３０℃で７５ｆｔ-ｌｂｓ（約１０．３５ｍ-ｋｇ）以内、（２）-２０℃で１００ｆｔ-ｌｂｓ（約１３．８ｍ-ｋｇ）以内そして（３）０℃で１２５ｆｔ-ｌｂｓ（約１７．２５ｍ-ｋｇ）以内の少なくとも１つの衝撃剛性値を示す請求項１の芯つき電極。
【請求項２４】
溶接溶着物が、（１）、（２）および（３）の２つの衝撃剛性値を示す請求項２３の芯つき電極。
【請求項２５】
溶接溶着物が、（１）、（２）および（３）のすべての３つの衝撃剛性値を示す請求項２３の芯つき電極。
【請求項２６】
電気アーク溶接法において高い衝撃剛性を示す溶接溶着物を溶着するように適合された芯つき電極であって、溶接溶着物が鉄を含みさらに０．０５-０．２０重量％の炭素、１．４-２．４重量％のマンガン、０．２-０．４重量％の珪素、２．３-５．４重量％のニッケル、０．６-１．０重量％のクロムおよび０．２５-１．１０重量％のモリブデンを含み、溶接溶着物が、（１）-３０℃で７５ｆｔ-ｌｂｓ（約１０．３５ｍ-ｋｇ）以内、（２）-２０℃で１００ｆｔ-ｌｂｓ（約１３．８ｍ-ｋｇ）以内そして（３）０℃で１２５ｆｔ-ｌｂｓ（約１７．２５ｍ-ｋｇ）以内からなる群から選ばれる少なくとも１つの衝撃剛性値を示すことを特徴とする芯つき電極。
【請求項２７】
溶接溶着物が（１）、（２）および（３）の２つの衝撃剛性値を示す請求項２６の芯つき電極。
【請求項２８】
溶接溶着物が（１）、（２）および（３）のすべての３つの衝撃剛性値を示す請求項２６の芯つき電極。
【請求項２９】
珪素の濃度が０．３２-０．３８％である請求項２６の芯つき電極。
【請求項３０】
ニッケルの濃度が２．９-４．４％である請求項２６の芯つき電極。
【請求項３１】
モリブデンの濃度が０．３-０．８％である請求項２６の芯つき電極。
【請求項３２】
０-０．０８％の濃度でチタンをさらに含む請求項２６の芯つき電極。
【請求項３３】
クロムの濃度が０．８-１．０％である請求項２６の芯つき電極。
【請求項３４】
水素スカベンジャーをさらに含む請求項２６の芯つき電極。
【請求項３５】
水素スカベンジャーが、フッ素含有剤、塩素含有剤およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれる請求項３４の芯つき電極。
【請求項３６】
水素スカベンジャーが、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化カルシウム、フッ化マンガン、珪フッ化カリウム、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＤＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれるフッ素含有剤である請求項３５の芯つき電極。
【請求項３７】
水素スカベンジャーは、ポリ塩化ビニル、ポリクロロプレン、ポリ塩化ビニリデン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれる塩素含有剤である請求項３５の芯つき電極。
【請求項３８】
フッ素含有剤がポリフルオロエチレンである請求項３６の芯つき電極。
【請求項３９】
ポリテトラフルオロエチレンが、０．１-１０％の重量濃度で電極に存在する請求項３８の芯つき電極。
【請求項４０】
ポリテトラフルオロエチレンが、１-２％の重量濃度で電極に存在する請求項３９の芯つき電極。
【請求項４１】
電極が、鉄および約０．０５％の炭素、約２．９％のマンガン、約０．３％の珪素、約６．２％のニッケル、約１．８％のクロム、約０．８％のモリブデン、約０．０３％のチタンを含む請求項２６の芯つき電極。  
【請求項４２】
溶接溶着物が、鉄および約０．０５％の炭素、約２．３％のマンガン、約０．３５％の珪素、約３．４％のニッケル、約１．０％のクロム、約０．５５％のモリブデン、約０．０２％のチタン、約０．１５％の銅を含む請求項２６の芯つき電極。
【請求項４３】
溶接溶着物が少なくとも６９０ＭＰａの降伏強さを示す請求項２６の芯つき電極。
【請求項４４】
溶接組成物が、鉄を含みさらに０．０５-０．２０重量％の炭素、１．４-２．４重量％のマンガン、０．２-０．４重量％の珪素、２．３-５．４重量％のニッケル、０．６-１．０重量％のクロムおよび０．２５-１．１０重量％のモリブデンを含む高い強さの溶接物を溶着するように適合された芯つき電極を用意し、そして
電極を経て電流を流して電極を溶融しそして鋼上に溶接溶着物を形成する
ことを特徴とする高い強さの鋼をアーク溶接する方法。
【請求項４５】
水素スカベンジャーを電極中に配合することをさらに含む請求項４４の方法。
【請求項４６】
水素スカベンジャーが、フッ素含有剤、塩素含有剤およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれる請求項４４の方法。
【請求項４７】
水素スカベンジャーが、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化カルシウム、フッ化マンガン、珪フッ化カリウム、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＤＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれるフッ素含有剤である請求項４６の方法。
【請求項４８】
水素スカベンジャーは、ポリ塩化ビニル、ポリクロロプレン、ポリ塩化ビニリデン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれる塩素含有剤である請求項４６の方法。
【請求項４９】
フッ素含有剤がポリフルオロエチレンである請求項４７の方法。
【請求項５０】
ポリテトラフルオロエチレンが、０．１-１０％の重量濃度で電極に存在する請求項４９の方法。
【請求項５１】
ポリテトラフルオロエチレンが、０．５-８％の重量濃度で電極に存在する請求項４９の方法。
【請求項５２】
ポリテトラフルオロエチレンが、１-２％の重量濃度で電極に存在する請求項４９の方法。
【請求項５３】
電極が、鉄および約０．０５％の炭素、約２．９％のマンガン、約０．３％の珪素、約６．２％のニッケル、約１．８％のクロム、約０．８％のモリブデン、約０．０３％のチタンを含む請求項４３の方法。  
【請求項５４】
溶接溶着物が、鉄および約０．０５％の炭素、約２．３％のマンガン、約０．３５％の珪素、約３．４％のニッケル、約１．０％のクロム、約０．５５％のモリブデン、約０．０２％のチタン、約０．１５％の銅を含む請求項４４の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い強さの溶接部における水素クラッキングの減少に関する。本発明は、また高い強さおよび高い衝撃剛性を示す溶接溶着物の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、適度にすべての金属に溶解する。それは非常に小さい原子であり、そして金属の結晶格子の金属原子間にうまく収まる。その結果、それは、大きな原子よりはるかに早く拡散できる。例えば、室温でのフェライト鋼における水素の拡散係数は、水中の塩の拡散係数に等しい。水素は、金属の構造が膨張している高い３軸の引張り強さの領域に引きよされ勝ちである。従って、それは、応力下のクラックまたはノッチが起こる前の領域に引っ張られる。溶解した水素は、恐らく開裂をより容易に行うことにより、または恐らく強い局所の可塑性の変形の発達を助けることにより、金属の破壊を助けることができる。これらの効果は、金属の脆化を招く。
【０００３】
水素により誘導されたクラッキングは、遅延クラッキングまたはコールドクラッキングとも知られているが、鋼の溶接物に生ずる最も普通の重大な問題の１つである。水素の普通の源は水分からである。グリース、水和された酸化物および他の汚染物も水素の源の可能性がある。水素は、溶接電極、遮蔽材料、基本の金属表面および大気または外部の剤を経て溶接域中に導入される。
【０００４】
水素により誘導されるクラッキングは、溶接熱により影響をうけるゾーン（ＨＡＺ）および融解ゾーン（ＦＺ）で生ずる。クラッキングの理由は同じであるが、クラッキングを生じさせるファクターをコントロールすることは、ＨＡＺおよびＦＺについて異なる。ＨＡＺでは、クラッキングのコントロールは、一般に、鋼製造工程で発生し、基本の金属（鋼）において水素の源を排除しそして原因と思われるミクロ構造を避ける剤または処理を行う。もし溶接金属の水素含量が多いならば、これは、実際には、溶接金属（高濃度）からＨＡＺ（低濃度）への水素の拡散により水素をＨＡＺに「加える」。そのため、低水素含量の溶接金属の使用は、また、ＨＡＺの水素のクラッキングを防ぐのを助ける。クラッキングのコントロールは、また、適切な溶接技術を使用することからもたらされ、熱入力のコントロールおよび予熱を含む。ＦＺでは、水素により誘導されるクラッキングの可能性のコントロールは、典型的には、消耗品のなかへの合金化剤の添加、並びに予熱および熱入力のコントロールを含む適切な溶接技術の注意深い選択により達成される。
【０００５】
水素により誘導されるクラッキングの可能性を低下させる最も普通かつ有効な方法は、溶接のための最低の予熱およびインターパスの温度を特定することである。一般に、予熱が高ければ高いほど、脆いミクロ構造の形成のチャンスは減りそして水素が溶接部から拡散する時間が長くなる。しかし、予熱は時間がかかりそしてコストがかかる。
【０００６】
すべての鋼は、腐食疲労クラックの成長に対する水素の影響により、そして非常に高い水素濃度の影響下水素により誘導されるクラッキングの発生により証明されるように、水素によって影響される。しかし、静的負荷の下の水素の脆化は、比較的高い強さの鋼でのみ経験される。それゆえ、高い強さの鋼に関する典型的な応用のために、水素により誘導されるクラッキングまたは水素の脆化は、特に関心がある。これは鋼における水素の量、適用される応力、応力の量の厳格さおよび鋼の組成およびミクロ構造の関数であるため、水素が関連する問題がその上で経験される強さのレベルについて標準的な制限はない。おおよその指針として、水素の脆化は、約４１５ＭＰａより低い降伏強さを有する最近の鋼ではなさそうであり、そして約６９０ＭＰａより高い降伏強さを有する鋼にとり大きな問題になりそうである。溶接部および周りの基本の金属中に導入される水素の効果は、約２００℃で数時間加熱することにより低下できる。これは、ときには、溶接後「浸漬（ｓｏａｋ）」とよばれる。これは、水素のいくらかが鋼の外に拡散することを可能にし、一方他のフラクションは、ミクロ構造における比較的無害な部位に結合するようになる。しかし、前述したように、加熱は時間を要しそしてコストがかかる。また、溶接物のサイズによりことを行うことはときに実施できない。
【０００７】
従って、高い強さの鋼の溶接部の水素により誘導されたクラッキングの可能性を低下させる技術が望まれる。
【０００８】
従来の技術者は、水素により誘導されるクラッキングまたは溶接物の水素の脆化の可能性を低下させる試みのために溶接材料を処方してきた。例えば、特許文献１は、その中の水素の量が少なく、溶接部の水素のクラッキングが最小になる溶接金属を生成するといわれるアーク溶接電極を記述している。電極は、溶接中の温度を低下させそのため溶接金属中に導入される水素の量を最小にするといわれるバリウムまたはセシウムを含むフラックスカバリングを使用する。さらに、特許文献１は、電極に吸湿性材料を配合してそのなかの水分含量を低下させさらに溶接部または溶接物の水素含量が増大する可能性を低下させることを記述している。
【０００９】
さらに最近では、特許文献２は、水素クラッキングの抵抗性を増大させる明確なミクロ構造の特徴を示すといわれる溶接金属を生成する溶接材料を記述している。特に、特許文献２は、炭素含量を制限することから生じそして固い成分例えばラスマステンサイトとともに、ミクロ構造中の針状のフェライトを少ない容量％で含むことから水素クラッキングの抵抗性の増大を記述している。さらに、特許文献２で採用されたアプローチが、例えば少なくとも６そしてしばしば約８、１０またはそれより多い比較的多数の溶接パスを使用することに注目することが有益である。ある点では高い強さの溶接部が生成されるが、これらの方法は、多数のパスのために、時間がかかりそしてコストがかかる。
【００１０】
特許文献３は、比較的少ない量の拡散可能な水素を有する高い強さの溶接金属を記述している。特許文献３は、溶接中に溶接金属に溶解する水素の全量が一般に一定であるため、拡散可能な水素（水素クラッキングに導く）の量は、拡散できない水素の量を増やすことにより低下できると主張している。さらに、特許文献３は、水素を捕捉するといわれる或る沈殿物並びに水素を吸収するといわれる或る包接物を記述し、それにより拡散できない水素の量を増大させる。
【００１１】
【特許文献１】米国特許４１０３０６７
【特許文献２】米国特許６５６５６７８
【特許文献３】米国特許公開２００５／００１６９８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
水素クラッキングの可能性を低下させる点でこれらの従来の試みのすべては、程度の違いはあるが満足できるものであるが、水素により誘導されるクラッキングの可能性が、特に高い強さの特性を示す溶接部について低下できる他の方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
１つの構成では、本発明は、電気アーク溶接法において高い強さの溶接溶着物を溶着するように適合された芯つき電極を提供する。高い強さの溶接溶着物は、０．０５-０．２０重量％の炭素を含む。溶接溶着物は、また１．４-２．４重量％のマンガンを含む。溶接溶着物は、また０．２-０．４重量％の珪素を含む。溶着物は、さらに２．３-５．４重量％のニッケルを含む。溶接溶着物は、０．６-１．０重量％のクロムを含む。溶接溶着物は、０．２５-１．１０重量％のモリブデンを含む。さらに、溶接物は、有効量の鉄を含む。
【００１４】
他の構成では、本発明は、高い衝撃剛性を示す、電気アーク溶接法において溶接溶着物を溶着するように適合された芯つき電極を提供する。高い衝撃剛性の溶接溶着物は、０．０５-０．２０重量％の炭素を含む。溶接溶着物は、また１．４-２．４重量％のマンガンを含む。溶接溶着物は、また０．２-０．４重量％の珪素を含む。溶着物は、さらに２．３-５．４重量％のニッケルを含む。溶接溶着物は、０．６-１．０重量％のクロムを含む。溶接溶着物は、０．２５-１．１０重量％のモリブデンを含む。さらに、溶接物は、有効量の鉄を含む。さらに、高い衝撃剛性の溶接溶着物は、（１）-３０℃で７５ｆｔ-ｌｂｓ（約１０．３５ｍ-ｋｇ）以内、（２）-２０℃で１００ｆｔ-ｌｂｓ（約１３．８ｍ-ｋｇ）以内そして（３）０℃で１２５ｆｔ-ｌｂｓ（約１７．２５ｍ-ｋｇ）以内の少なくとも１つの衝撃剛性値を示す。
【００１５】
他の構成では、本発明は、高い強さの鋼をアーク溶接する方法を提供する。この方法は、高い強さの溶接物を溶着するように適合された芯つき電極を用意することを含む。電極から形成される溶接組成物は、０．０５-０．２０重量％の炭素、１．４-２．４重量％のマンガン、０．２-０．４重量％の珪素、２．３-５．４重量％のニッケル、０．６-１．０重量％のクロムおよび０．２５-１．１０重量％のモリブデンおよび有効量の鉄を含む。方法は、また電極を経て電流を流して電極を溶融しそして鋼上に溶接溶着物を形成することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明によれば、水素により誘導されるクラッキングの可能性の顕著な低下を示す種々の溶接組成物および電極組成物が提供される。
【００１７】
本発明は、改善された電極に関し、そして特に水素により誘導されるクラッキングに特に抵抗する高い強さの溶接物を提供するように特に処方されたフラックス芯つき電極に関する。フラックス芯つき電極は、高い強さを要求する応用に特に有用なクラック抵抗性の高い強さの鋼組成物を溶着するように処方される。
【００１８】
本発明は、また高い強さの鋼をアーク溶接する方法に関する。この方法は、水素により誘導されるクラッキングに特に抵抗する高い強さの溶接物を提供するための本明細書に記載された電極組成物の使用を含む。
【００１９】
用語「高い強さの鋼」は、約６９０ＭＰａ以上の降伏強さを有する鋼をいう。本明細書に記載された「高い強さ」を有する溶接溶着物は、相当する降伏強さ、および高い強さの鋼が使用される典型的な用途に溶接金属が使用可能な特徴を示す。例えば、本明細書で記載された高い強さの溶接溶着物は、少なくとも約６９０ＭＰａの降伏強さを示す。
【００２０】
好ましい態様の電極および得られる溶着組成物は、また優れた衝撃剛性を示す。すなわち、高い強さに加えて、本発明の組成物は、また優れた衝撃剛性を示す。衝撃剛性は、破滅的な破壊の可能性を最低にできる。本明細書で記載された溶着組成物は、たとえもし変形が生ずる点まで極めて過大負荷されるとしても、顕著な抵抗性を示す。
【００２１】
当業者がよく知っているように、剛性の測定は、クラックを拡大（または成長）するのに必要な力を定量することを含む。所定の材料におけるクラックの拡大は、所定の温度において特定の材料の特徴であるエネルギーの或る量を要する。剛い材料は、クラックが成長する前に顕著な量のエネルギーを吸収するが、脆い材料はエネルギーをほとんど吸収しない。材料の剛性の測定は、テスト中にそれが吸収するエネルギーである。
【００２２】
材料の剛性は、また材料が作業する温度に依存する。剛性を測定するテストは、テストが行われるべき温度、およびその温度で必要な衝撃エネルギーの最低のレベルを特定しなければならない。
【００２３】
最も普通なタイプのテストは、Ｃａｒｐｙ衝撃テストとして知られている。このテストは、テストピースが振り子の末端でハンマーにより打たれるために、衝撃テストとして知られている。衝撃により、或る量のエネルギーがテストピースを破断するのに吸収される。吸収されたエネルギーの量は、振り子が跳ね返る高さを決定し、それにより材料の剛性の測定値をもたらす。
【００２４】
破断の結果としての破壊は、構造中に欠陥または応力を上げるものが存在するとき、生ずる。従って、剛性テスト用のテストピース（通常「チャーピー（ｃｈａｒｐｙ）」として知られている）は、この状況を表すためにノッチをつけられる。ノッチは、標準化されてサンプル間の比較が容易にできる。
【００２５】
本明細書で記載された好ましい態様の溶接溶着物は、（１）-３０℃で７５ｆｔ-ｌｂｓ（約１０．３５ｍ-ｋｇ）以内、（２）-２０℃で１００ｆｔ-ｌｂｓ（約１３．８ｍ-ｋｇ）以内そして（３）０℃で１２５ｆｔ-ｌｂｓ（約１７．２５ｍ-ｋｇ）以内の少なくとも１つの衝撃剛性値を示す。本明細書で記載された他の好ましい態様の溶接溶着物は、値（１）、（２）および（３）の内の２つの衝撃剛性値を示す。そして、本明細書で記載された追加の好ましい態様の溶接溶着物は、すべての３つの衝撃剛性値、すなわち（１）、（２）および（３）を示す。このような程度の衝撃剛性が、本明細書で記載された高い強さの特徴と組み合わされて達成できることは、驚くべきことである。本明細書で記載された好ましい態様の溶接溶着物は、高い衝撃剛性値および高い降伏強さを示すが、本発明は、１つ以上の高い衝撃剛性値のみを示すが、必ずしも高い強さの値を示さない溶接溶着物を含むか、または逆に、高い強さの値のみを示すが、必ずしも１つ以上の高い衝撃剛性値を示さない溶接溶着物を含む。
【００２６】
本発明の電極は、特に、鞘の芯中の充填組成物を囲む金属鞘を有する芯つき電極に関し、そして特にそれに関連して説明されるだろう。しかし、本発明が他のタイプの電極に適用可能であることは、理解されるだろう。本発明の芯つき電極は、高い強さの鋼を溶接するのに特に有用であるクラック抵抗性高い強さの組成物を溶着するスラグシステムおよび金属合金システムを含む充填組成物を有する。本発明の電極により形成される溶接部は、高い強さの用途において鋼を接続および／または修復するのに特に有用である高い強さの溶着物を形成するのに使用できる。
【００２７】
本発明の１つの構成では、本発明の電極は、自己遮蔽電極である。そのため、電極を使用するとき、遮蔽ガスはほとんどまたは全く要しない。遮蔽ガスが使用できることも理解すべきである。もし遮蔽ガスが使用されるならば、遮蔽ガスは、電極と関連して使用されて、大気中の元素および／または化合物から溶接ビードまたは緩衝層を保護する。遮蔽ガスは、一般に、１つ以上のガスを含む。これらの１つ以上のガスは、一般に、溶接ビードまたは緩衝層の組成に関して不活性であるかまたは実質的に不活性である。遮蔽ガスは、二酸化炭素遮蔽ガス、または二酸化炭素およびアルゴンのブレンドの遮蔽ガス（二酸化炭素はブレンドの約２-約４０％をしめる）を含むが、これらに限定されない。本発明の１つの態様（本発明を限定しない）では、ブレンド遮蔽ガスが使用されるとき、遮蔽ガスは、約５-約２５容量％の二酸化炭素を含み、残りはアルゴンである。理解されるように、他の不活性または実質的に不活性なガスおよび／または追加の不活性または実質的に不活性なガスも使用できる。
【００２８】
本発明の他の構成および／または別の構成では、芯つき電極は、鉄（例えば、炭素鋼、低炭素鋼、ステンレス鋼、低合金鋼など）から主として形成される金属鞘を含む。しかし、金属鞘は、他の金属例えばアルミニウム、アンチモン、ビスマス、硼素、炭素、クロム、コバルト、銅、鉛、マンガン、モリブデン、ニッケル、ニオブ、珪素、硫黄、錫、チタン、タングステン、バナジウム、亜鉛および／またはジルコニウムを含むことができるが、これらに限定されない。本発明の１つの態様（本発明を限定しない）では、金属鞘は、鉄そして１つ以上の他の元素例えば炭素、クロム、銅、マンガン、モリブデン、ニッケルおよび／または珪素（ただしこれらに限定されない）を主として含む。本発明の他の態様（本発明を限定しない）では、金属鞘の鉄含量は、少なくとも約８０重量％である。本発明の他の態様（本発明を限定しない）では、芯つき電極の鞘は、低炭素鋼を含む。充填組成物が芯つき電極に含まれるとき、充填組成物は、典型的に、全電極の重量の少なくとも約１重量％、全電極重量の約５５重量％以下、そして典型的に全電極重量の約１０-５０重量％、そしてさらに典型的に全電極重量の約１５-４０重量％、そしてより典型的に全電極重量の約１５-３５重量％をしめる。或る好ましい態様では、約２０％の充填組成物が使用できる（全電極重量に基づく）。そして、他の好ましい態様では、約３０％の充填組成物が使用できる。本発明の１つの態様（本発明を限定しない）では、芯つき電極の充填組成物は、鞘が低炭素鋼から形成されるとき、より多い重量％を有する。１つの特別な例（本発明を限定しない）では、低炭素軟鋼鞘における芯つき電極の充填組成物は、全電極の約３０-５０重量％、典型的に全電極の約３５-４８重量％、そしてさらに典型的に全電極の約４０-４６重量％である。他の特別な例（本発明を限定しない）では、ステンレス鋼の鞘における芯つき電極の充填組成物は、全電極の約１０-３０重量％、典型的に全電極の約１２-２８重量％そしてさらに典型的に全電極の約２０-２６重量％である。
【００２９】
さらに特に、本発明によれば、以下の表１に示される以下の重量％の組成を有する溶着した好ましい態様の溶接金属を提供する電極組成物が、利用される。
【００３０】
【表１】
2006289495.tif 000002
【００３１】
従来の高い強さの溶着した溶接金属の組成物に比べて、表１に示された好ましい態様の溶接金属の組成物は、一般に、顕著に少ない珪素および顕著に少ないニッケルを含む。好ましい態様の溶接金属組成物は、また、対応する従来の高い強さの溶着した溶接金属より少ないマンガンを含む。好ましい態様の溶接金属組成物は、一般に、従来の高い強さの溶着した溶接金属組成物に比較して、モリブデン、チタンおよびクロムの１つ以上を多量に含む。
【００３２】
表１に示された好ましい態様の溶接金属組成物では、組成物は、約０．２-約０．４％、さらに好ましくは約０．３２-約０．３８％そして最も好ましくは約０．３５％の濃度で珪素を含む。
【００３３】
表１の好ましい態様の溶接金属組成物では、組成物は、約２．３-約５．４％、さらに好ましくは約２．９-約４．４％そして最も好ましくは約３．４％の濃度でニッケルを含む。
【００３４】
表１の好ましい態様の溶接金属組成物では、減少したレベルの珪素および／またはニッケルを利用するとき、増加した量の１つ以上のモリブデン、チタンおよびクロム（対応する従来の高い強さの溶接組成物に比較したとき）が使用できる。
【００３５】
好ましくは、表１に示される溶接組成物は、約０．２５-約１．１０％、さらに好ましくは約０．３-約０．８％そして最も好ましくは約０．５５％の濃度でモリブデンを含む。
【００３６】
表１に示される好ましい溶接組成物は、約０-約０．０８％、さらに好ましくは約０．０１-約０．０５％そして最も好ましくは約０．０２％の濃度でチタンを含む。
【００３７】
表１に示される好ましい態様の溶接組成物は、約０．６-約１．０％、さらに好ましくは約０．８-約１．０％そして最も好ましくは約１．０％の濃度でクロムを含む。
【００３８】
本発明による他の好ましい態様では、電極組成物は、表２に示される。
【００３９】
【表２】
2006289495.tif 000003
【００４０】
表２に示される好ましい態様の電極組成物を使用して得られる溶接溶着組成物は、表３に示される。
【００４１】
【表３】
2006289495.tif 000004
【００４２】
１つ以上の水素スカベンジャーは、好ましい電極中に配合されて得られる溶接金属中の水素の量をさらに低下させる。本発明で使用される水素スカベンジャーの例（本発明を限定しない）は、フッ素含有剤、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化マンガン（ＭｎＦ２）、珪フッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレン-テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）およびこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。本発明で使用するための好適な水素スカベンジャーの他の例は、塩素含有剤、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリクロロプレン、ポリ塩化ビニリデン、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）およびこれらの組み合わせである。
【００４３】
特に好ましい態様では、約０．１-約１０％、さらに好ましくは約０．５-約８％そして最も好ましくは約１-約２％のＰＴＦＥが、フラックス芯つき電極に添加される。本明細書に記載された溶接消耗物に配合される好ましいＰＴＦＥ水素スカベンジャーは、未充填ＰＴＦＥ、炭素充填ＰＴＦＥ、グラファイト充填ＰＴＦＥおよびこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。
【００４４】
どんな特定な理論にも限定されることを望まないが、水素スカベンジャー例えばフッ素含有剤および／または塩素含有剤は、溶接環境、溶接消耗物および／または基本金属中の水素と反応して、得られる溶接金属が比較的低い水素含量を有しそのため水素により誘導されるクラッキングの可能性を低下させるように、溶接物を去るかまたは溶接物から容易に除去できる１つ以上の水素含有化合物を生成するのに働くものと考えられる。
【００４５】
本明細書で記載された好ましい電極組成物から形成される好ましい溶接溶着物は、比較的低い水素濃度を示す。一般に、好ましい溶接溶着物は、溶接金属１００ｇあたり５ｍＬより少ない水素という溶着された溶接金属における水素濃度を要求するＡｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ（ＡＷＳ）により設けられた標準に合致するかまたはそれを超える。特に、このＡＷＳの標準は、４．３-９３である。
【００４６】
示されたように、本明細書に記載された１つ以上の種々の水素スカベンジャーを電極組成物に配合することが最も好ましい。しかし、最後に得られる溶接金属中の水素含量を低下させるための他の方法も、水素スカベンジャーの使用に加えて使用できる。例えば、コントロールされた大気が使用されて、溶接部または溶接物中の水素を除くことができる。溶接フラックスを水分なしにすることができる。しばしばコストはかかるが、予熱技術および／または溶接後の浸漬が使用されて、水素が溶接部または溶接物から外に拡散される。
【００４７】
好ましい態様のフラックス芯つき電極は、素材上への金属の溶着を増大させそして望ましい溶着した金属組成物を得るのを助ける充填組成物を含む。充填組成物は、典型的に、電極の重量に基づいて約５-１５重量％のスラグシステムそして残りは合金化剤である。１つの特定の態様では、充填組成物は、電極の約２０-５０重量％を占め、そして電極の重量に基づいて、約８-１２％のスラグシステムを含み、残りは合金化剤である。スラグシステムの１つの一般的な組成物は、電極の重量に基づいて、以下の通りである。この電極の充填物の主な成分は、スラグ剤と充填剤と両方に働く剤（約１０％以内）、水素スカベンジャー（約８％以内）および合金（残り）である。以下の組成物は、一般に、自己遮蔽またはガス遮蔽電極の代表例である。
【００４８】
充填剤１-１０％、ガス発生化合物０．０５-６％、スラグ湿潤剤０．０５-７％、安定化剤０．５％、表面溶着剤０-５％。
【００４９】
スラグシステムの他の一般的な組成物は、以下の通りである（電極の重量に基づく）。
【００５０】
充填剤２-９％、ガス発生化合物０．１-５％、スラグ湿潤剤０．１-６％、安定化剤０．１-４％、表面溶着剤０-４％。
【００５１】
好ましい態様の電極組成物は、また高い強さの性質が望まれる浸漬アーク溶接法において使用されるように適合される。一般的に、このような用途では、裸のワイヤまたはスティック電極が素材に供給される。別のフラックス供給物が電極でまたはその前に用意されて、保護ガスおよびスラグが発生し、そして所望により合金化要素を溶接プールに添加する。遮蔽ガスは、一般に必要とされない。本明細書で記載された好ましい電極組成物が、好ましい態様の溶着組成物を形成するための集合的な組成物であることは、当業者により理解されるだろう。すなわち、電極組成物の要素に関する１つ以上の追加の源が、電極のほかに他の供給物から浸漬アーク溶接法で提供される。
【００５２】
高い強さの鋼をアーク溶接する好ましい方法は、本明細書で記載した組成を有する電極を利用し、電極を通して電流を流してそれを溶融し、それにより本明細書で記載した特定の組成を有する溶着した溶接金属を形成する。溶着した溶接金属は、好ましくは、表１に示した組成物を特徴とする。
【００５３】
高い強さの鋼の溶接を必要とする用途の例は、パイプ（例えば、ガス、水および油の移動に使用される大口径（１８インチ以上）のパイプ）、ウインドタワー、ならびに高い静的および動的な負荷をうける他の構造支持体を含むが、これらに限定されない。特に、パイプを溶接するとき、好ましい態様の電極および得られる溶着組成物は、単回または複数回のパスの溶接に良く適合し、そしてパイプ上のシーム溶接並びに１つのパイプを他のパイプに結合する周辺溶接（しばしばダブルエンディングまたはダブルジョインティングとよばれる）の両者に適している。
【００５４】
本発明の顕著な特徴は、高い強さの溶接溶着物が、水素クラッキングなしにまたは少なくとも水素クラッキングを遙かに生ずることなく、そして比較的多数の溶接パスを使用することなく、形成されることである。一般に、水素クラッキングの可能性を減らした高い強さの溶接を達成するために、従来の方法は、多数の溶接パスの使用を要した。これは、生産性を低下させた。本明細書で記載した独特な組成物を使用することにより、高い強さの溶接が、例えば１つまたは２つのパスという僅かなパスで製造できる。
【００５５】
アーク溶接の材料および特に溶接用の芯つき電極のさらなる詳細は、米国特許５３６９２４４、５３６５０３６、５２３３１６０、５２２５６６１、５１３２５１４、５１２０９３１、５０９１６２８、５０５５６５５、５０１５８２３、５００３１５５、４８３３２９６、４７２３０６１、４７１７５３６、４５５１６１０および４１８６２９３に提供されており、これらのすべては、本明細書において参考として引用される。
【００５６】
前述は、現在のところ、本発明の好ましい態様であると考えられている。しかし、当業者に明らかな種々の変化および改変は、本発明から離れることなく行うことができるものと考える。従って、前述は、均等の範囲を含む本発明の趣旨および範囲内に含まれるすべての変化および改変をカバーすることを目的とする。