(57)【要約】【課題】  アルカリ土類金属を有する溶接電極ワイヤを提供する。【解決手段】  開示される技術は、概して溶接に関し、特に金属アーク溶接用の消耗電極ワイヤ、ならびに消耗電極ワイヤを使用する金属アーク溶接の方法およびシステムに関する。一態様では、金属アーク溶接中に電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤは、溶接ワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属アーク溶接中に電極として機能するように構成された消耗金属コア溶接ワイヤであって、
第１のベース金属組成物を有するシースと；
前記シースによって取り囲まれ、かつ前記溶接ワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素と合金化される第２のベース金属組成物を有する粒子を含むコアと
を含む消耗金属コア溶接ワイヤ。
【請求項２】
存在する場合、前記コア中の非金属原子の元素が前記溶接ワイヤの前記全重量を基準として５％以下の濃度で存在する、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記１種類以上のアルカリ土類金属元素の前記濃度が前記溶接ワイヤの前記全重量を基準として０．００５％〜０．５％である、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項４】
前記第１のベース金属組成物と前記第２のベース金属組成物とが異なる金属または金属合金組成物を含む、請求項２に記載の溶接ワイヤ。
【請求項５】
前記第１のベース金属組成物と前記第２のベース金属組成物とが同じ金属または金属合金組成物を含む、請求項２に記載の溶接ワイヤ。
【請求項６】
前記１種類以上のアルカリ土類金属元素がＢａを含む、請求項２に記載の溶接ワイヤ。
【請求項７】
前記１種類以上のアルカリ土類金属元素がＣａをさらに含む、請求項６に記載の溶接ワイヤ。
【請求項８】
前記溶接ワイヤがガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）用に構成され、前記コアがさらなるフラックス剤を含まない、請求項２に記載の溶接ワイヤ。
【請求項９】
前記金属コア溶接ワイヤがガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）用に構成され、前記コアが、前記溶接ワイヤの前記全重量を基準として２％以下の濃度のフルオロポリマーをさらに含む、請求項２に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１０】
前記フラックス剤が遷移金属酸化物をさらに含む、請求項８に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１１】
金属アーク溶接の方法であって、
電極として機能するように構成された消耗コア溶接ワイヤを提供するステップであって、前記溶接ワイヤが、前記溶接ワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、前記１種類以上のアルカリ土類金属元素の原子がベース金属組成物と合金化される、ステップと；
前記溶接ワイヤの溶融液滴の安定した流れを得るのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するステップと；
３０ポンド／時を超える溶着速度で工作物上に前記溶融液滴を溶着させるステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記消耗溶接ワイヤが、シースによって取り囲まれたコアを有する金属コア溶接ワイヤであり、前記コアが、前記１種類以上のアルカリ土類金属元素と合金化される前記ベース金属組成物を有する粒子を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）であり、前記コアがさらなるフラックス剤を含まず、かつ存在する場合、前記溶接ワイヤの前記全重量を基準として５％以下の濃度で非金属原子の元素を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記工作物上に前記溶融液滴を溶着させるステップが、得られる溶接ビードの表面上に、前記得られる溶接ビードの前記表面全体を実質的に覆うことなくスラグの島を形成するステップを含むような濃度で前記非金属原子の元素が存在する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）であり、前記コアがフルオロポリマーをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記フルオロポリマーが前記溶接ワイヤの前記全重量を基準として２％以下の濃度で存在する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電流を印加するステップが、プラズマ不安定性事象の平均数を約１０事象／秒未満に維持するために約４００アンペア〜約７００アンペアの平均電流を印加するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
電極として機能するように構成された消耗コア溶接ワイヤであって、前記溶接ワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、前記１種類以上のアルカリ土類金属元素の原子がベース金属組成物と合金化される、消耗コア溶接ワイヤと；
前記溶接ワイヤの溶融液滴の安定した流れを得るのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するように構成された電源と；
３０ポンド／時を超える溶着速度で工作物上に前記溶融液滴を溶着させるように構成された溶接ガンと
を含む金属アーク溶接のシステム。
【請求項１９】
前記消耗溶接ワイヤが、シースによって取り囲まれたコアを有する金属コア溶接ワイヤであり、前記コアが、前記１種類以上のアルカリ土類金属元素と合金化される前記ベース金属組成物を有する粒子を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記電源が、溶接中のプラズマ不安定性事象の平均数を約１０事象／秒未満に維持するために約４００アンペア〜約７００アンペアの平均電流を印加するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される技術は、概して溶接に関し、特に金属アーク溶接用の消耗電極ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属アーク溶接技術では、一方の電極として機能する工作物に向かって進む、もう一方の電極として機能する消耗溶接電極ワイヤの間で電気アークが生じる。アークによって金属ワイヤの先端が溶融し、それにより、工作物上に堆積する溶融金属ワイヤの液滴が溶接ビードを形成する。
【０００３】
溶接への要求の複雑さが高くなり続けているため、ますます複雑になる要求に対処するための種々の技術的アプローチが提案されている。たとえば、競合する要求としては、生産性のための速い溶着速度を実現しながら、同時に外観と、高い降伏強度、延性、および破壊靱性などの機械的性質とにおいて高品質の溶接ビードを実現することが挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特に、大量に製造を行う使用者は、非常に速い溶着速度、たとえばオープンアーク溶接の場合、約３０ポンド／時以上の溶着速度を要求することが多い。一部の溶接技術は、消耗品を改善することにより、たとえば電極ワイヤの物理的設計および組成を改善することにより、この要求およびその他の要求に対処することを目的としている。しかし、従来技術の電極では、このような高溶着速度における溶着は、プラズマアークが不安定になることが多く、その結果、溶接ビードの品質が容認できないものとなる。したがって、高品質の溶接部を形成しながら高溶着速度で使用できる消耗溶接電極ワイヤが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、溶接中に電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤ、たとえば金属コア消耗溶接ワイヤは、第１のベース金属組成物を有するシースを含む。この溶接ワイヤは、シースによって取り囲まれ、かつ溶接ワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素と混合される第２のベース金属組成物を有する粒子を含むコアをさらに含む。
【０００６】
別の一態様では、金属アーク溶接の方法は、電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤ、たとえば金属コア消耗溶接ワイヤを提供するステップを含み、この溶接ワイヤは、金属コアワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、１種類以上のアルカリ土類金属元素の原子がベース金属組成物と合金化される。この方法は、溶接ワイヤの材料から形成される溶融液滴の安定した流れを得るのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するステップをさらに含み、これによって３０ポンド／時を超える溶着速度で工作物上に溶融液滴が溶着する。
【０００７】
さらに別の一態様では、金属アーク溶接のシステムは、電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤ、たとえば金属コア消耗溶接ワイヤを含み、この溶接ワイヤは、溶接ワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、１種類以上のアルカリ土類金属元素の原子がベース金属組成物と合金化される。このシステムは、溶接ワイヤの材料から形成される溶融液滴の安定した流れを得るのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するように構成された電源をさらに含む。このシステムは、３０ポンド／時を超える溶着速度で工作物上に溶融液滴が溶着させるように構成された溶接ガンをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤの概略図である。
【図２Ｂ】実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを使用する溶接ビードの形成の概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの溶接中心線ＡＡ’に沿った１種類以上のアルカリ土類金属元素の濃度プロファイルの概略図である。
【図３Ａ】実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含むコアを有する金属コア電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｂ】実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含むコアを有する金属コア電極ワイヤの概略図である。
【図４】実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素およびフッ素含有粒子を含むコアを有する金属コア電極ワイヤの概略図である。
【図５】実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを使用する高溶着速度用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１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを使用する金属アーク溶接方法のフローチャートである。
【図７】実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤの実験的アーク不安定性の監視結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、たとえばガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）では、一方の電極４（たとえば、陽極（＋））に電気的に接続される消耗金属ワイヤ６と、もう一方の電極（たとえば、陰極（−））として機能する工作物２との間に電気アークが形成される。その後、プラズマ８が持続し、これは、中性のおよびイオン化したガス分子、ならびにアークによって気化した金属ワイヤ６の材料の中性のおよび荷電したクラスターまたは液滴を含有する。消耗金属ワイヤ６は、工作物２に向けて送り出され、金属ワイヤ６の溶融液滴が工作物上に溶着し、それによって溶接ビードが形成される。
【００１０】
広く使用されているアーク溶接方法としては、ソリッド電極ワイヤ（ＧＭＡＷ）または金属コアワイヤ（ＧＭＡＷ−Ｃ）のいずれかを使用できるガス金属アーク溶接法、ガスシールドフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ）またはセルフシールドフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）であってよいフラックスコアードアーク溶接法（ＦＣＡＷ）、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、ならびにサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）が特に挙げられる。
【００１１】
本明細書に記載される場合、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）は、成分が主として金属であるコアを有する電極を意味する。コア中に非金属成分が存在する場合、そのような成分の濃度の合計は、各電極の全重量を基準として５％未満、３％未満、または１％未満である。ＧＭＡＷ−Ｃ電極は、スプレーアークおよび優れたビード性能を特徴とする。
【００１２】
ソリッド電極（ＧＭＡＷ）または金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）を用いるガス金属アークでは、溶接中に溶融池および溶接ビードを大気汚染から保護するためにシールドガスが使用される。ソリッド電極が使用される場合、これらは、シールドガスと併用することで結果として得られる溶接ビードの所望の物理的性質および機械的性質を有する気孔のない溶接部が得られるように計画される有効成分と適切に合金化される。金属コア電極が使用される場合、一部の有効成分が金属製外側シースのコア中に加えられ、ソリッド電極の場合と同様の機能が得られるように計画される。
【００１３】
ソリッド電極および金属コア電極は、適切なガスシールド下で、最終用途で十分機能するための降伏強度、引張強度、延性、および衝撃強度を有する中実で実質的に気孔のない溶接部が得られるように設計される。これらの電極は、溶接中に生じるスラグの量が最小限になるようにも設計される。一部の用途の場合、生産性を向上させるために、ソリッドワイヤの代わりに金属コア電極を使用することができる。金属コア電極は、少なくとも部分的に充填され金属製外側シースで取り囲まれたコアを有する複合電極である。コアは、金属粉末と、アーク安定性、溶接部のぬれ性および外観、ならびに所望の物理的および機械的性質に有用な有効成分とを含むことができる。金属コア電極は、コア材料の成分を混合し、それらを形成されたストリップの内側に堆積し、次にストリップを閉じて、最終直径まで延伸することによって製造される。一部の用途の場合、コア電極により溶着速度を増加させることができ、ソリッド電極よりも幅広でより安定した溶け込みプロファイルを得ることができる。さらに、一部の用途の場合、コア電極により、改善されたアーク作用を得ることができ、ヒュームおよびスパッタの発生をより少なくすることができ、ソリッド電極よりも良好なぬれ性の溶着物を得ることができる。
【００１４】
フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｓ、ＦＣＡＷ−Ｇ）では、コア電極が使用される。フラックスコアードアーク溶接に使用されるコア電力は、前述の金属コア電極と同様に、少なくとも部分的に充填され金属製外側シースで取り囲まれたコアを有する。しかし、フラックスコアードアーク溶接に使用されるコア電極は、少なくとも部分的にシールドガスの代わりに、溶接中の大気汚染から溶融池および溶接ビードを保護するように計画されたフラックス剤をさらに含む。フラックスコアードアークに使用されるコア電極は、アーク安定性、溶接部のぬれ性および外観、ならびに物理的および機械的性質に有用な別の有効成分をさらに含むことができる。アーク安定性の制御、溶接金属組成物の改良、および大気汚染からの保護のために、多数のフラックス組成物が開発されている。アーク安定性は、フラックスの組成を変更することによって一般に制御される。したがって、フラックス混合物中のプラズマ電荷担体として十分機能する物質を有することが望ましい場合が多い。一部の用途では、フラックスは、金属中の不純物をより溶融しやすくし、これらの不純物が結合できる物質を供給することにより、溶接金属組成物を改良することもできる。スラグの融点を低下させるため、スラグの流動性の改善のため、およびフラックス粒子のバインダーとして機能させるために、場合により別の材料が加えられる。
【００１５】
本明細書に開示される種々の実施形態は、前述の種々の溶接法における高溶着速度のますます複雑になる要求に対処することを目的とする。有利には、本明細書に開示される実施形態は、比較的多量のアルカリ土類金属元素を含む電極に関する。ある実施形態では、電極は、比較的多量のアルカリ土類金属元素を含有するソリッド電極である。ある別の実施形態では、電極は、従来の被覆アーク溶接による実現が困難または不可能となりうる広範囲の冶金的および物理的特性を得るためのコア電極、たとえば、金属コア電極またはフラックスコア電極である。本明細書において使用される場合、高溶着速度は約３０ポンド／時を超える溶着速度を意味し、これは、ほとんどのオープンアーク溶接法で実際に実現可能な速度よりもはるかに速い。本明細書に開示される電極の実施形態により、過度の電気抵抗加熱を発生させることなく、さらに比較的小さい直径の電極でこのような高溶着速度が可能となる。さらに、結果として得られる溶接ビードは、８０，０００ｐｓｉを超える降伏強度などの望ましい機械的性質を有する。
【００１６】
図２Ａは、実施形態による溶接電極ワイヤ２０、たとえばベース金属組成物と１種類以上のアルカリ土類金属元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）とを含む金属コア溶接電極ワイヤの概略図である。
【００１７】
図２Ａの例示される実施形態を含む本明細書に記載の種々の実施形態では、ベース金属組成物は、鋼組成物またはアルミニウム組成物を含む。ある実施形態では、ベース金属組成物は炭素鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、炭素鋼組成物は、Ｆｅと、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１種類以上とを含む。
【００１８】
ある別の実施形態では、ベース金属組成物は、低炭素鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例としては、約０．１０重量％未満の濃度のＣと最大約０．４重量％の濃度のＭｎとを有する組成物、および約０．３０重量％未満の濃度のＣと最大約１．５重量％の濃度のＭｎとを有する組成物が挙げられる。
【００１９】
ある別の実施形態では、ベース金属組成物は低合金鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、低合金鋼組成物は、Ｆｅと、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１種類以上とを含む。
【００２０】
ある別の実施形態では、ベース金属組成物はステンレス鋼組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、ステンレス鋼組成物は、典型的には、Ｆｅと、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１種類以上とを含む。
【００２１】
なんらかの理論によって束縛されるものではないが、前述の各元素により、鋼の溶接での特有の利点を得ることができる。炭素は、溶接物に強度および延性を付与することができる。マンガンは、溶接部に強度を付与することができる別の元素であり、溶接部から酸素を除去し、溶接金属の気孔を減少させる脱酸剤として機能することもできる。ケイ素は、溶接部から酸素を除去する脱酸剤として機能することができ、溶接金属の気孔の可能性を低下させることができる。一般に、金属中のケイ素の量が多いほど、溶接パドルの流動性が高くなる。ケイ素の添加により、引張強度および降伏強度も増加しうる。リンは、溶接割れの一因となりうるため、一般に溶着物には望ましくない。硫黄も一般に溶接性のため望ましくなく、溶接割れの一因となりうる。しかし、限定された量では、硫黄またはリンは、溶接パドルの流動性およびぬれ性を改善することができる。銅は、（銅が被覆される場合）改善された導電性、したがってより良好なアーク開始のためのワイヤ電極の被覆の結果として存在することができる。チタンは、ケイ素およびマンガンに加えて脱酸剤として機能することができる。一部の脱酸剤は、溶接部からの酸素および窒素の両方の除去を促進し、それによって溶接金属の気孔の発生が減少する。ジルコニウム、アルミニウム、およびニッケルは、脱酸剤として機能することができる。モリブデンは、溶接部に対して応力緩和の溶接後熱処理が行われる場合でさえも、強度を付与し衝撃特性を改善することができる。クロムは、耐食性を改善することができる。
【００２２】
鋼組成物以外のベース金属組成物も可能である。ある実施形態では、ベース金属組成物は、アルミニウム組成物であってよい。一部の非限定的な例の組成物として、アルミニウム組成物は、Ａｌと、約０．０１重量％〜約５％の濃度のＭｎ、約０．１重量％〜２０重量％の濃度のＳｉ、約０．１重量％〜約１．０重量％の濃度のＦｅ、約０．０１重量％〜約１０重量％の濃度のＭｇ、約０．０１重量％〜約１．０重量％の濃度のＣｒ、約０．０１重量％〜１０重量％の濃度のＣｕ、約０．０１重量％〜約１．０重量％の濃度のＴｉ、および約０．０１重量％〜約１．０重量％の濃度のＺｎの１種類以上とを含む。これらおよびその他のアルミニウム組成物は、実施形態による溶接電極ワイヤ２０のベース金属の一部として含まれてよい。
【００２３】
図２Ａに例示される実施形態を含めた本明細書に記載の種々の実施形態では、１種類以上のアルカリ土類金属元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）は、電極ワイヤの全重量を基準として約０．００５％、０．０５０％、または０．１％の最低濃度と、約０．５％、５％、または１０％の最高濃度との間の濃度範囲で存在する。
【００２４】
２種類以上のアルカリ土類金属元素が存在する場合、前述の濃度は、合計の濃度または個別の濃度を表す。
【００２５】
特定の一実施形態では、Ｂａは、約０．０５％〜５％または約０．１％〜約１０％、たとえば約０．１２％の濃度で存在する。
【００２６】
別の一実施形態では、Ｃａは約０．０５％〜５％、または約０．１％〜約１０％、たとえば約０．１２％の濃度で存在する。
【００２７】
さらに別の一実施形態では、ＢａおよびＣａの両方は、それぞれ約０．０５％〜５％、または約０．１％〜約１０％、たとえば約０．１２％の濃度で存在する。
【００２８】
ある実施形態では、アルカリ土類金属の原子は、ベース金属組成物と合金化される。すなわち、アルカリ土類金属の原子は、ベース金属組成物の原子と金属結合を形成する。ある別の実施形態では、アルカリ土類金属の原子は、たとえばベース金属組成物のマトリックス中の析出物の形態でクラスター化する。アルカリ土類金属元素が、ベース金属組成物と混合物を形成する化合物、たとえば、ケイ酸塩、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、および酸化物の形態である、さらに別の実施形態が可能である。
【００２９】
本発明者らは、アルカリ土類金属を本明細書に記載の濃度で有することで、利点として特に、高溶着速度（たとえば３０ポンド／時を超える）を実現するために、大電流（たとえば、２００アンペアを超え、または４００アンペアを超える）におけるアークに安定性を付与できることを発見した。さらに、ある状況では、本明細書に記載の濃度のアルカリ土類金属は、有利には脱酸剤として機能することができる。
【００３０】
実施形態によると、前述の特徴は、少なくとも部分的に、０．０４５インチ〜３／３２インチ（１．１ｍｍ〜２．４ｍｍ）の直径範囲を有するように溶接金属電極２０を構成することによって実現できる。
【００３１】
以下では、図２Ｂおよび２Ｃに関して、なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、実施形態による溶接電極ワイヤが使用される場合に溶接ビードが形成されるときのアルカリ土類金属元素の変化が記載される。以下の説明を、図２Ａに関して前述した溶接電極ワイヤ、ならびに図３Ａ〜３Ｂおよび４に関して前述した実施形態に適用できることが理解されよう。さらに、この説明は鋼ベース金属組成物に適用されるが、類似の概念がアルミニウムベース金属組成物に適用される。
【００３２】
Ｆｅ−Ｃ系の平衡相図（図示せず）によると、約９１０℃未満で安定な体心立方フェライト（α−Ｆｅとも呼ばれる）、約７３０℃より高温で安定な面心立方オーステナイト（γ−Ｆｅとも呼ばれる）、および約１，３９０℃より高温で約１，５３９℃の融点まで安定なδ−フェライト（δ−Ｆｅ）など、数種類の鉄の相が存在する。溶接中、ベース鋼組成物によって決定されるが、液化した電極組成物は、多数の経路で急冷されて、固体溶接ビードを形成することができる。たとえば、炭素鋼および低合金鋼組成物の場合、経路は、Ｌ→δ＋Ｌ、続いてδ＋Ｌ→δ＋γ＋Ｌ、続いてδ＋γ＋Ｌ→γ＋δ＋Ｌ→γを含むことができる。あるいは、炭素鋼および低炭素鋼組成物の場合の経路は、包晶組成物の場合、Ｌ→δ＋Ｌ、続いてδ＋Ｌ→δを含むことができる。ステンレス鋼組成物の場合、経路は、Ｌ→δ＋Ｌ、続いてδ＋Ｌ→δ＋γであってよい。前述のアルカリ土類金属の濃度において、溶解したアルカリ土類金属元素を含む液化した溶接金属電極が、前述の経路の１つに従って固化して溶接ビードとなる場合、アルカリ土類金属元素の比較的少量の原子が鋼組成物の格子（たとえば、鋼組成物の体心立方格子または面心立方格子）中に置換型および／または侵入型で組み込まれる。実施形態によると、結果として、アルカリ土類金属原子の大部分は分離または析出して、得られるスラグ中に混入される。結果として、アルカリ土類金属原子の大部分は、得られるビード中に実質的に混入されないため、得られる溶接ビードはアルカリ土類金属原子を比較的含有しない。
【００３３】
図２Ｂは、実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤを用いた溶接ビード形成２２の概略図である。図２Ｂ中、溶接ビードの溶接金属結晶２４は、溶接パドル２８などの前の溶接パドル中の電極溶接金属の液相から結晶化している。溶接パドル２８は、溶接ビードがｘ方向に形成され続けるときの電極溶接金属の液相を表している。溶接ビード形成２２は、比較的速い溶着速度、たとえば溶着速度が約３０ポンド／時を超える場合でのビード形成を表している。このような状況において、溶接パドル２８の形状は、溶接中心線ＡＡ’に沿った方向で洋梨型の形状で細長くなりうる（たとえば、長さ（ｌ）／幅（ｗ）＞１．５）。
【００３４】
実施形態によると、アルカリ土類金属元素の濃度が比較的高い場合、たとえば、溶解度の限界を超える場合、溶接パドルが固化して鋼組成物またはアルミニウム組成物の１つ以上の固相となるため、たとえばアルカリ土類金属原子の量が、溶接金属結晶２４のグレインおよび粒界が含むことができる量を超える場合に、不純物原子は、液固界面２６、または溶接ビードが成長するときのビード表面に偏析しうる。さらに、溶融池２８は、アルカリ土類金属元素の濃度が増加し続けることがあり、それによって最終的に、偏析したアルカリ土類金属元素を含有するスラグが得られる。
【００３５】
図２Ｃは、図２Ｂの溶接中心線ＡＡ’に沿った１種類以上のアルカリ土類金属元素の濃度プロファイルを概略的に示すグラフ２９を示している。ある実施形態によると、アルカリ土類金属元素の濃度は、図２Ｃに示されるように、ベース金属組成物が鋼組成物である実施形態ではγ−Ｆｅおよび／またはδ−Ｆｅグレインを含むことができる溶接金属結晶２４のグレインおよび／または粒界から、実質的な量、たとえば実質的にすべてのアルカリ土類金属原子が偏析するように選択される。グラフ２９は、図２Ｂの溶接中心線ＡＡ’の断面に沿って溶接中心線方向（ｘ方向）のアルカリ土類金属の濃度を示している。図２Ｃに示されるように、ある実施形態では、溶解度の限界以下で固体溶接ビード中に含まれる比較的少量、たとえば微量のアルカリ土類金属の濃度２９ａは、ｘ方向に沿ってＣＳで比較的一定である。さらに、実質的にすべてのアルカリ土類金属は、液固界面２６および／または表面で偏析し、それによって溶接パドル２８中のＣＬのアルカリ土類金属の濃度２９ｂがＣＳを実質的に超える。溶接パドル２８は、アルカリ土類金属元素の濃度を増加させ続けることができ、最終的にスラグが生じる。
【００３６】
翼状に濃縮される溶接パドルが冷却されて溶接ビードを形成すると、実質的にすべてのアルカリ土類金属が溶接ビードの表面に、たとえばスラグの一部として偏析する。種々の実施形態では、有利には、電極ワイヤ中のアルカリ土類金属の初期濃度の約８０％を超え、約９０％を超え、または約９９％を超える部分がビード表面および／または液固界面に偏析し、それによって容易に除去可能なスラグを形成する。
【００３７】
図２Ａ〜図２Ｃに関する前述の種々の技術的特徴は、特定の種類の電極、たとえばソリッド電極ワイヤ（ＧＭＡＷ）、金属コアワイヤ（ＧＭＡＷ−Ｃ）、フラックスコアードアーク溶接法（ＦＣＡＷ）、シールドフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ）、セルフシールドフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、またはサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）に限定されるものではない。以下では、アルカリ土類金属元素を含むコア電極の特定の実施形態が詳細に記載される。
【００３８】
一般に、コア電極は、粒子または粉末のコアを有し連続的に供給される管状金属シースである。コアは、フラックス元素、脱酸剤および脱窒剤、ならびに合金化材料、ならびに靱性および強度を増加させ、耐食性を改善し、アークを安定化させる元素を含むことができる。前述したように、コア電極は、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）、セルフシールドフラックスコア電極（ＦＣＡＷ−Ｓ）、およびガスシールドフラックスコア電極（ＦＣＡＷ−Ｇ）の１つとして分類することができる。本明細書に記載の実施形態では、アルカリ土類金属元素を含有する金属コア電極中の粒子は、一般に、酸化物またはフッ化物などの化合物ではなく、金属および合金の粒子であり、溶接部の面上にスラグの小さい島が形成されるのみであることが理解されよう。対照的に、溶接中に広範囲にスラグの被覆を形成し、それがビードを支持し形成するフラックスコア電極は、酸化物およびフッ化物などの形態のアルカリ土類金属元素を含有する粒子を有しうる。前述したように、本明細書に開示される種々の実施形態は、金属コア電極、セルフシールドフラックスコア電極、およびガスシールドフラックスコア電極のいずれか１つに最適化させることができる。
【００３９】
前述したように、金属コア電極は、たとえば軟鋼から形成されるシースと、特に鉄および他の金属粉末および合金から選択された粉末のコアとを有する複合電極である。安定剤およびアークエンハンサーなどの添加剤を容易に加えることができ、それによって溶接者のためにより広い作業ウィンドウを得ることができる。金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）は、ソリッド合金電極（ＧＭＡＷ）の代替品となるガスシールド型である。
【００４０】
製造の自由度のため、特殊な電極が要求される作業の場合、金属コア電極はソリッド電極よりも経済的となりうる。製造プロセスは、鋼の特殊な溶融物を形成する代わりに金属粉末の混合を伴うため、少量での製造がより容易であり、最小限の注文量がはるかに少なくなる。結果として、金属コア電極は、特別注文のソリッド電極よりも短い所要時間および低コストで製造できる。
【００４１】
図３Ａおよび３Ｂは、実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）を含むコアを有する金属コア電極ワイヤ３０ａ／３０ｂの概略図である。それぞれの金属コア電極ワイヤ３０ａ／３０ｂは、第１のベース金属組成物を含むシース３４と、シース３４で取り囲まれたコア３８ａ／３８ｂとを含む。コア３８ａ／３８ｂには、１種類以上のアルカリ土類金属元素と第２のベース金属組成物とを含む粒子が少なくとも部分的に充填される。
【００４２】
金属コア電極ワイヤ３０ａ／３０ｂ中、シース３４の第１のベース金属およびコア中の粒子の第２のベース金属は、図２Ａの電極２０に関して前述した鋼組成物またはアルミニウム組成物のいずれか１つを含むことができる。ある実施形態では、第１のベース金属と第２のベース金属とは同じであり、一方、別の実施形態では、第１のベース金属と第２のベース金属とは異なる。さらに、粉末成分は、前述のような種々の構成のアルカリ土類金属を含む。
【００４３】
図３Ａの金属コア電極３０ａを参照すると、実施形態によると、粒子３２は、第２のベース金属組成物とアルカリ土類金属との合金から形成される。前出の図１に関して前述した実施形態と同様に、図３Ａの例示される実施形態では、アルカリ土類金属元素の原子は、第２のベース金属組成物格子（たとえば、鋼組成物の体心立方格子または面心立方格子）中に、たとえば、置換型および／または侵入型で溶解するか、または直接組み込まれることが可能である。アルカリ土類金属元素の原子は、第２のベース金属組成物のマトリックス中でクラスター化することもでき、たとえば析出物を形成することもできる。あるいは、アルカリ土類金属元素が、化合物、たとえば、ケイ酸塩、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、および酸化物の形態である実施形態が可能である。
【００４４】
図３Ａの例示される実施形態では、粒子３２は、組成が実質的に均一であり、同様または実質的に同じ量のアルカリ土類金属を含有する。たとえば、粒子３２が同じまたは異なる合金インゴットから製造される場合、そのような状況になりうる。
【００４５】
しかし、これより図３Ｂの金属コア電極３０ｂを参照すると、別の実施形態が可能である。図３Ｂの電極３０ｂ中、粒子３６ａ、３６ｂは異なる組成を有する。ある実施形態では、粒子３６ａ、３６ｂは異なる元素を含有する。別の実施形態では、粒子３６ａ、３６ｂは、１種類以上の構成不純物を異なる濃度で同じ元素を含有する。
【００４６】
ある実装形態では、すべての粒子３６ａ、３６ｂは、第２のベース金属組成物（たとえば、鋼またはアルミニウム組成物）および１種類以上のアルカリ土類金属元素を含むが、第２のベース金属組成物および１種類以上のアルカリ土類金属元素の一方または両方を異なる濃度で含む。一部の他の実装形態では、ある粒子３６ａは第２のベース金属組成物を含むが１種類以上のアルカリ土類金属元素は含まず、一方、別の粒子３６ｂは、第２のベース金属組成物と１種類以上のアルカリ土類金属元素との両方を含む。ある他の実装形態では、ある粒子３６ａは、第２のベース金属組成物を含まず１種類以上のアルカリ土類金属元素を含み、一方、別の粒子３６ｂは、第２のベース金属組成物と１種類以上のアルカリ土類金属元素との両方を含む。ある他の実装形態では、ある粒子３６ａは、第２のベース金属組成物を含み１種類以上のアルカリ土類金属を含み、一方、別の粒子３６ｂは、第２のベース金属組成物を含まず１種類以上のアルカリ土類金属を含む。ある別の実装形態では、ある粒子３６ａは、第２のベース金属組成物を含まず１種類以上アルカリ土類金属元素を含み、一方、別の粒子３６ｂは、第２のベース金属組成物を含むが、１種類以上のアルカリ土類金属元素を含まない。一部の他の実装形態では、第２のベース金属組成物を含む粒子は存在せず、すべての粒子３６ａ、３６ｂは、１種類以上のアルカリ土類金属元素を異なる濃度で含む。
【００４７】
図３Ａ〜３Ｂに例示される実施形態を含む前述の種々の実施形態において、ベース金属組成物は、図２Ａに関して前述したものと類似の組成を有する鋼組成物またはアルミニウム組成物を含む。
【００４８】
図３Ａ〜３Ｂの例示される実施形態に関して本明細書に記載される種々の実施形態では、１種類以上のアルカリ土類金属元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）は図２Ａに関して前述した濃度で存在する。
【００４９】
実施形態によると、前述の濃度は、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）を有する金属コア電極３０ａ／３０ｂを構成することによって少なくとも部分的に実現される。
【００５０】
実施形態によると、前述の濃度は、コアの内容物が、金属コア電極ワイヤ３０ａ／３０ｂの全重量を基準として、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％で構成されるようにコア３８ａ／３８ｂおよびシース３４の内容物を構成することによって少なくとも部分的に実現できる。
【００５１】
前述の特定の濃度および構成のアルカリ土類金属を有することは、多くの利点を有しうる。なんらかの理論に従うものではないが、アルカリ土類金属により、ある種のプラズマ特性が変化し、たとえばイオン化ポテンシャルが上昇すると考えられる。次に、プラズマのイオン化ポテンシャルが上昇すると、より大きい電流でより高いプラズマ安定性を得ることができ、それにより、より速い溶着速度、たとえば３０ポンド／時を超える溶着速度を維持することができる。さらに、別に記載したように、アルカリ土類金属原子は、得られる溶接ビード中に実質的に混入されないため、得られる溶接物の機械的性質の低下を防止することができる。なんらかの理論に従うものではないが、粒界中のアルカリ土類金属の新しい相の形成および／または過度の蓄積を防止することができる。
【００５２】
図３Ａ〜３Ｂの金属コア電極に関して前述したある実施形態によると、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）はガス金属アーク溶接であり、この場合、シールドガスによってシールドが得られる。前述のように、ガス金属アーク溶接は、管状電極中に含まれるフラックスによってシールドが得られるフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）と区別できる。フラックス剤は、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）の場合にスラグを形成する。ＦＣＡＷでは、フラックスの材料が最終溶接ビード中に混入されることは意図されない。その代わり、フラックスはスラグを形成し、これは溶接完了後に除去される。したがって、本明細書に記載の金属コア電極の種々の実施形態では、コアはさらなるフラックス剤を含有しない。
【００５３】
金属コア電極とフラックスコア電極とは、得られるビード特性に基づいてさらに区別可能であることが理解されよう。種々の実施形態によると、本明細書に記載の金属コア電極では、得られる溶接ビードの面上にスラグの島が形成される。対照的に、フラックスコア電極では、得られる溶接ビードの面の広範囲のスラグの被覆が形成される。たとえば、金属コア電極によって形成されるスラグの島は、溶接ビードの表面積の５０％未満、３０％未満、または１０％未満を覆うことができる。対照的に、フラックスコア電極によって形成されたスラグは、溶接ビードの表面積の５０％を超え、７０％を超え、または９０％を超えて覆うことができる。電極中のアルカリ土類金属の量および配列は、高速溶接用の金属コア電極のコア中に存在する場合により有利となりうるが、実施形態がそれらに限定されるものではなく、本明細書に記載の概念は、別の電極の構成、たとえばフラックスコア電極に使用することができる。
【００５４】
図４は、実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）を含むコアを有する金属コア電極ワイヤ４０の概略図である。金属コア電極ワイヤ４０は、シース４４を含む。シース４４の第１のベース金属組成物は、図２Ａの電極２０に関して前述した鋼組成物またはアルミニウム組成物のいずれか１つを含むことができる。金属コア電極４０は、図３Ａの粒子３２または図３Ｂの粒子３６ａ、３６ｂに関して前述した構成のいずれか１つまたは組合せによる第２のベース金属組成物および／または１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む粒子４０ａを含むコア４８をさらに含む。金属コア電極４０のコア４８は、実施形態による１種類以上のフッ素含有粒子４０ｂをさらに含む。ある別の実施形態では、コア４８は、１種類以上のフッ素非含有粒子４０ｃをさらに含む。
【００５５】
何らかの理論によって束縛しようとするものではないが、フッ素含有粒子４０ｂ中のフッ素含有化合物は、スラグの性質を変化させてビード形状を改善するため、たとえば形成された溶接ビード上のガストラッキング傾向を軽減するために使用される。たとえば、芋虫に類似したクレーターが溶接ビード表面上に観察される場合に観察される現象であるガストラッキングは、フッ素含有化合物が存在する場合に減少させることができる。なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、たとえば、スラグが溶融池よりもはるかに速く固化する高速凝固スラグ系（ルチル系）においてガストラッキングが観察されうる。スラグが急速に固化するため、溶融溶接部から発生するガスは部分的に捕捉され、それによって溶接ビードの表面上にクレーターが形成される。
【００５６】
なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、フッ素含有粒子４０ｂ中のフッ素含有化合物はスラグの融点を低下させることもできる。スラグの融点がより低いことで、スラグがより長時間溶融状態で残存することができ、それにより、より長時間の溶融溶接部からのガスの発生、およびスラグ中へのガスの溶解が可能となる。スラグ中へのフッ素の混入は、ＨＦの形成を促進することもでき、それによって溶接部からの水素が減少し、それにより溶接システム中の水素分圧が低下して、ガストラッキングの発生が減少する。
【００５７】
ある実施形態によると、フッ素含有粒子４０ｂはフルオロポリマーを含むことができる。フッ素含有化合物がフルオロポリマーを含む場合、そのフルオロポリマーは、各モノマーが少なくとも１つのフッ素原子で置換される２〜約１０の炭素原子を含有する炭化水素モノマーのホモポリマーであってよい。たとえば、フルオロポリマーは、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリヘキサフルオロプロピレンなどのフルオロカーボンポリマー、ならびにフッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーなどのコポリマーから形成することができる。
【００５８】
実施形態では、フルオロポリマーポリマーは約１，０００°Ｆ未満の融点を有し、それによって粒子形態でコア４８中に混入することができ、電極の形成および遠心中にその組成が維持される。ソリッドワイヤの製造に使用される溶融または合金化プロセス中にポリマーが分解する可能性があるため、図２Ａに関して前述したようなソリッド金属ワイヤ電極中にフルオロポリマーを使用することはあまり実際的でない場合があることは理解されよう。
【００５９】
本明細書に開示される種々の実施形態では、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として約０．０２重量％〜約２重量％、約０．１重量％〜約１．５重量％、または約０．５重量％〜約１．０重量％、たとえば約０．７重量％である。
【００６０】
フッ素含有粒子４０ｂが、非ポリマーまたは無機のフッ素含有化合物、たとえば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、ポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）など）、Ｎａ２ＳｉＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６、Ｎａ３ＡｌＦ６、および／またはＫ３ＡｌＦ６を含む別の実施形態が可能であるが、別のまたはさらなるフッ素含有化合物を使用できることが理解されよう。
【００６１】
本発明によるフッ素非含有粒子４０ｃは、遷移金属酸化物、たとえば、酸化チタン（たとえば、ルチルなど）および／または遷移金属含有化合物（たとえば、ケイチタン酸カリウム、ケイチタン酸ナトリウムなど）を含む。一般に、フッ素非含有粒子の重量パーセントは、たとえば約０．５〜１０：１、典型的には約０．５〜５：１、より典型的には約０．７〜４：１の比でフッ素含有化合物の重量％よりも多い。
【００６２】
図５は、実施形態による、オープンアーク溶接の場合に約３０ポンド／時以上の速度で溶接金属を溶着させるための前述の溶接電極を使用するために構成されたアーク溶接システム５０を示している。特に、アーク溶接システム５０は、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｇ、ＧＴＡＷ、ＳＡＷ、ＳＭＡＷ、または実施形態によるアルカリ土類金属を含む溶接電極を使用できる同様のアーク溶接プロセスのために構成される。アーク溶接システム５０は、溶接電源５２、溶接ワイヤドライブ５４、シールドガス供給部５８、および溶接ガン５９を含む。溶接電源５２は、溶接システム５０に電力を供給するように構成され、図１に詳細に示されるように、溶接電極ワイヤが第１の電極として機能するように溶接ワイヤドライブ５４に電気的に結合し、第２の電極として機能する工作物５７にさらに電気的に結合する。溶接ワイヤドライブは、溶接ガン５９に連結され、溶接システム５０の操作中に溶接電極ワイヤを電極供給部５６から溶接ガン５９まで供給するように構成される。ある実装形態では、溶接電源５２は、溶接ガン５９に結合して直接電力を供給することもできる。
【００６３】
例示の目的で、図５が、作業者が溶接トーチを操作する半自動溶接の構成を示していることが理解されよう。しかし、本明細書に記載の金属コア電極は、ロボット機械が溶接トーチを操作するロボット溶接セル中に有利に使用することができる。
【００６４】
溶接電源５２は、交流電流電源（たとえば、ＡＣ電力網、エンジン／発電機の組、またはそれらの組合せ）から入力電力を受け取り、入力電力を調整し、ＤＣまたはＡＣの出力電力を溶接システム５０に供給する電力変換回路を含む。溶接電源５２は、溶接ワイヤドライブ５４に電力を供給することができ、次にこれが溶接ガン５９に電力を供給する。溶接電源５２は、ＡＣ入力電力を、ＤＣ正側またはＤＣ負側出力、ＤＣ可変極性、パルスＤＣ、または可変平衡（たとえば、平衡または不平衡）ＡＣ出力に変換するように構成された回路素子（たとえば、変圧器、整流器、スイッチなど）を含むことができる。約３０ポンド／時を超える速度で溶接金属の溶着が実現できるように、溶接電源５２は、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が得られるように構成されることは理解されよう。
【００６５】
シールドガス供給部５８は、実施形態により、シールドガスまたはシールドガス混合物を１つ以上のシールドガス源から溶接ガン５９まで供給するように構成される。本明細書において使用される場合、シールドガスは、特定の局所雰囲気を得るために（たとえば、アークのシールド、アーク安定性の改善、金属酸化物の形成の制限、金属表面のぬれ性の改善、溶着物の化学的性質の変質などのために）アークおよび／または溶融池に供給できるあらゆるガスまたはガス混合物を意味することができる。ある実施形態では、シールドガス流は、シールドガスまたはシールドガス混合物（たとえば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、同様の適切なシールドガス、またはそれらのあらゆる混合物）であってよい。たとえば、シールドガス流は、一部の例として、Ａｒ、Ａｒ／ＣＯ２混合物、Ａｒ／ＣＯ２／Ｏ２混合物、Ａｒ／Ｈｅ混合物を含むことができる。
【００６６】
ワイヤドライブ５４は、ワイヤ供給の開始、停止、および速度を十分に制御するための永久磁石モーターを含むことができる。約３０ポンド／時を超える速い溶接金属溶着速度を可能にするために、約５０インチ／分（ｉｐｍ）〜約２０００ｉｐｍ、約４００ｉｐｍ〜約１２００ｉｐｍ、または約６００ｉｐｍ〜約１２００ｉｐｍのワイヤ供給速度が得られるようにワイヤドライブ５４が構成される。
【００６７】
操作中、溶接ガン５９は、ワイヤドライブ５４からの溶接電極と、溶接ワイヤドライブ５４からの電力と、シールドガス供給部５８からのシールドガス流とを受け取って、工作物５７上でアーク溶接を行う。溶接ガン５９は、図１に関して前述したように消耗溶接電極と工作物５７との間でアークが形成されるように、工作物５７に十分近づけられる。前述したように、溶接電極の組成を制御することにより、アークおよび／または得られる溶接部の化学的性質（たとえば、組成および物理的特性）を変化させることができる。
【００６８】
図６によると、金属アーク溶接の方法６０が記載される。方法６０は、電極として機能するように構成された消耗溶接ワイヤを提供するステップであって、この導電性ワイヤが、金属コアワイヤの全重量を基準として０．００５％〜１０％の濃度の１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む、ステップ６２を含む。１種類以上のアルカリ土類金属元素の原子はベース金属組成物と合金化される。方法６０は、溶接ワイヤの材料から形成される溶融液滴の安定した流れを得るのに十分なプラズマアークを発生させるために電流を印加するステップ６４をさらに含む。方法６０は、２５ポンド／時を超える溶着速度で工作物上に溶融液滴を溶着させるステップ６６をさらに含む。
【００６９】
方法６０において、消耗溶接ワイヤを提供するステップ６２は、たとえば図２Ａ、３Ａ、３Ｂ、および４に関して前述した任意の溶接ワイヤを提供するステップを含む。
【００７０】
方法６０において、電流を印加するステップ６４は、ある実施形態によるとプラズマ不安定性事象の平均数が約１０事象／秒未満に維持されるように、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ステップを含む。ある別の実施形態によると、電流を印加するステップ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ステップを含む。
【００７１】
方法６０において、溶着ステップ６６は、ある実施形態によると約２０ポンド／時を超える、３０ポンド／時を超える、４０ポンド／時を超える、または５０ポンド／時を超える溶着速度で溶着させるステップを含む。ある別の実施形態では、溶着ステップ６６は、実施形態によると、約２０ポンド／時〜約７０ポンド／時、約３０ポンド／時〜約８０ポンド／時、約４０ポンド／時〜約９０ポンド／時、または約５０ポンド／時〜約１００ポンド／時の溶着速度で溶着させるステップを含む。このような溶着速度は、実施形態によると、前述の電流レベルの印加と、約２００ｍ／分〜約４００ｍ／分、約３００ｍ／分〜約５００ｍ／分、または約４００ｍ／分〜約６００ｍ／分のワイヤ供給速度との組合せによって実現できる。
【００７２】
図７は、実施形態による１種類以上のアルカリ土類金属元素を含む電極ワイヤの実験的アーク不安定性の監視結果を示すグラフ７０である。ｙ軸は１秒当たりの不安定性事象数を表し、ｘ軸は溶接電極を流れる平均電流を表す。本明細書に記載されるように、アーク不安定性事象は、消耗電極と工作物との間で測定される溶着電流が、平均値の約３標準偏差を超えて急速に変化する持続溶着アーク中の事象として定義される。実際には、このような不安定性事象は、溶接ビードの外観および機械的性質に悪影響を与えるため、このような事象ができる限り少ない頻度で生じる電流値で溶接が行われる。
【００７３】
さらに図７を参照すると、監視結果７４は、一実施形態によるアーク溶接電極の結果である。特に、使用した溶接電極は、アルカリ土類金属元素と鋼組成物を主成分とするベース金属組成物とを含むコア溶接ワイヤであった。監視結果７４を得るために使用した溶接電極は、一実施形態による鋼組成物と合金化した０．１２重量％のＣａと、鋼組成物と合金化した０．１２重量％のＢａと、およびポリテトラフルオロエチレンの形態の０．７％のフッ素とを含有する直径１．４ｍｍの電極であった。比較として、監視結果７２を得るために使用した溶接電極は、この制御電極がＣａ、Ｂａ、またはポリテトラフルオロエチレンの形態のフッ素を含有しないことを除けば、監視結果７４を得るために使用した溶接電極と類似の組成を有する直径１．４ｍｍであった。
【００７４】
両方の監視結果７４および７２の場合において、約２４Ｖ〜約３７Ｖの一定電圧（ＣＶ）モードを使用し、同じ軟鋼Ｔ継手（横向姿勢）および同じ溶接パラメータの組を用いて、ロボット制御による溶接電極の溶接を行った。すべての個別の溶接部で、瞬間溶接電圧および電流を２０ｋＨｚの頻度（２０，０００サンプル／秒）で記録した。本明細書に記載されるように、アーク不安定性事象（または電圧不安定性事象）は、溶接電圧が（設定電圧）から約１０ボルト未満の値まで瞬時に低下することを意味する。なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、このようなアーク不安定性事象は、金属移行の「スプレー移行」状態と一般に呼ばれるものから逸脱した場合に相当しうる。図示されるように、監視結果７２では、アーク不安定性事象数は、約３００アンペアの平均電流で、約２０未満まで、約５００アンペアの平均電流で約０まで大幅に減少する。対照的に、制御電極の監視結果７４では、アーク不安定性事象数は、約２００アンペアの平均電流で約１０未満まで、約２５０アンペアの平均電流で約０まで大幅に減少する。すなわち、実施形態によるアルカリ土類金属元素を有する電極の最適な操作計画は、アルカリ土類金属元素を有さない制御電極よりも速い溶着速度および大きい電流値となることが理解されよう。特に、実施形態による電極を用いて高溶着速度を実現するために最適な操作電流値は、アルカリ土類金属元素を有さない制御電極を使用する場合よりも少なくとも１００〜２００アンペア大きい。
【００７５】
特定の実施形態を本明細書で説明してきたが、これらの実施形態は単なる例として提供したものであり、本開示の範囲の限定を意図するものではない。実際には、本明細書に記載の新規な装置、方法、およびシステムは、種々の他の形態で具体化することができ、さらに、本開示の意図から逸脱することなく、本明細書に記載の方法およびシステムの形態の種々の省略形態、置換形態、および変更形態が可能である。前述の種々の実施形態の要素および行為のあらゆる適切な組合せを組み合わせてさらなる実施形態を得ることができる。添付の請求項およびそれらの均等物は、本開示の範囲および意図の範囲内となるそのような形態または修正形態を含むことを意図している。
【符号の説明】
【００７６】
２  工作物
４  電極
６  消耗電極ワイヤ
８  プラズマ
２０  溶接電極ワイヤ
２２  溶接ビード形成
２４  溶接金属結晶
２６  液固界面
２８  溶接パドル
２９  グラフ
２９ａ  濃度
２９ｂ  濃度
３０ａ  金属コア電極
３０ｂ  金属コア電極
３２  粒子
３４  シース
３６ａ  粒子
３６ｂ  粒子
３８ａ  コア
３８ｂ  コア
４０  金属コア電極
４０ａ  粒子
４０ｂ  フッ素含有粒子
４０ｃ  フッ素非含有粒子
４４  シース
４８  コア
５０  アーク溶接システム
５２  溶接電源
５４  溶接ワイヤドライブ
５６  電極供給部
５７  工作物
５８  シールドガス供給部
５９  溶接ガン
６０  金属アーク溶接の方法
６２  ステップ
６４  ステップ
６６  ステップ
７０  グラフ
７２  監視結果
７４  監視結果
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【外国語明細書】
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