(57)【要約】【課題】  オーステナイトおよび二相鋼溶接金属を形成するための電極を提供する。【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、より具体的にはコアシェル構造を有する消耗電極ワイヤに関し、コアはクロムを含む。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コアとを含む。コアは、溶接ワイヤの全重量を基準に約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零〜約５重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、零重量％より高い濃度の炭素（Ｃ）とを含み、Ｎｉ、ＣおよびＭｎの濃度は［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約１２重量％未満となるようにされ、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す。本開示技術はまた、クロ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】
溶接中に電極として働くように構成された溶接ワイヤであって、鋼組成を有するシースと、前記シースにより囲まれたコアとを含む溶接ワイヤにおいて、前記コアは、
前記溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、
前記溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に約５重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に零より大きくかつ約１重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）を含み、
Ｎｉ、ＣおよびＭｎの濃度は［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約１２重量％未満となるようにされ、
［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は、前記溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す、溶接ワイヤ。
【請求項２】
Ｎｉ、Ｃ、Ｍｎの前記濃度は［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約６重量％〜約１１重量％となるようにされる、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記溶接ワイヤは前記溶接ワイヤの全重量を基準に零より大きくかつ約０．０６重量％未満の炭素（Ｃ）の濃度を有する、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項４】
前記コアはさらに、前記溶接ワイヤの全重量を基準に約０．２重量％〜約０．８重量％の濃度のシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項５】
前記コアはさらに、前記溶接ワイヤの全重量を基準に零以上かつ約０．７５重量％未満の濃度のＭｏを含む、請求項４に記載の溶接ワイヤ。
【請求項６】
前記コアはさらにＮｂを含み、Ｃｒ、Ｍｏ、ＳｉおよびＮｂの濃度は［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５［Ｓｉ］＋０．５［Ｎｂ］が約１６重量％〜約２０重量％となるようにされ、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］および［Ｎｂ］は前記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、請求項５に記載の溶接ワイヤ。
【請求項７】
前記溶接ワイヤは本質的に窒素を含まない、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項８】
前記溶接ワイヤは、前記溶接ワイヤを使用して形成される溶接ビードが５〜約３５のフェライト数を有するように構成される、請求項１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項９】
前記溶接ワイヤを使用して形成される前記溶接ビードは前記溶接ワイヤの全重量を基準に約０．０３重量％未満の窒素（Ｎ）を含む、請求項８に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１０】
溶接中に電極として働くように構成された溶接ワイヤであって、前記溶接ワイヤは：
鉄（Ｆｅ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に零〜約５重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に零より大きくかつ約０．０６重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）と、
前記溶接ワイヤの全重量を基準に約０．０３重量％未満の窒素（Ｎ）を含む、溶接ワイヤ。
【請求項１１】
前記溶接ワイヤは半径方向に一様な濃度を有するソリッド溶接ワイヤである、請求項１０に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１２】
前記溶接ワイヤは、各電極の全重量を基準に非金属元素の約５％未満を含む金属コア溶接ワイヤである、請求項１０に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１３】
前記溶接ワイヤは自己シールドフラックスコアアーク溶接（Ｓ−ＦＣＡＷ）プロセスにおいて電極として働くように構成され、前記コアは酸化物または弗化物を含むフラックス剤を含む、請求項１０に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１４】
Ｎｉ、ＣおよびＭｎの濃度は［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約１２重量％未満となるようにされ、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は、前記溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す、請求項１０に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１５】
前記コアはさらに、前記溶接ワイヤの全重量を基準に約０．２重量％〜約０．８重量％の濃度のシリコンを含む、請求項１０に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１６】
前記コアはさらに、前記溶接ワイヤの全重量を基準に零以上かつ約０．７５重量％未満の濃度のＭｏ含む、請求項１５に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１７】
前記コアはさらにＮｂを含み、Ｃｒ、Ｍｏ、ＳｉおよびＮｂの濃度は［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５［Ｓｉ］＋０．５［Ｎｂ］が約１６重量％〜約２０重量％となるようにされ、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］および［Ｎｂ］は、前記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、請求項１６に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１８】
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であって、前記溶接ワイヤは、鋼組成を有するシースと前記シースにより囲まれたコアとを含み、前記コアは、前記溶接ワイヤの全重量を基準に約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）を含み、さらにＮｉ、Ｃ、Ｍｎを含み、［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］は約１２重量％未満あり、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は前記溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す、工程と、
溶融溶接ワイヤの絶え間ない流れの液滴を生成するのに十分なエネルギーを印加する工程と、
前記溶融液滴を工作物上に堆積する工程を含むアーク溶接方法。
【請求項１９】
前記溶接ワイヤを供給する前記工程は窒素がほぼ無い前記溶接ワイヤを供給する工程を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法はガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）であり、前記コアは、追加のフラックス剤を含まず、存在する場合は前記溶接ワイヤの全重量を基準に約５％を越えない濃度の非金属原子を含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示技術は、一般的には消耗溶接電極ワイヤに関し、より具体的にはクロム含有消耗溶接電極ワイヤと、クロ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とに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、工作物方向に前進する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、工作物上に堆積する溶融金属ワイヤの液滴を生成して溶接物または溶接ビードを形成する。
【０００３】
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の必要性が、高耐力、延性および破壊靱性を含み増大し続けている。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することを目的とする。
【０００４】
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かもしれない。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困難かもしれない。以下では、これらおよび他の競合する溶接物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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示技術は、一般的には消耗溶接電極ワイヤに関し、より具体的にはコアがクロムを含むコアシェル構造を有するクロム含有溶接消耗電極ワイヤに関する。本開示技術はまた、クロ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。
【０００６】
一態様では、溶接ワイヤは、溶接中に電極および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コアとを含む。コアは、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零〜約５重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、零重量％より高い濃度の炭素（Ｃ）とを含み、Ｎｉ、ＣおよびＭｎの濃度は［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約１２重量％未満となるようにされる。ここで、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す。
【０００７】
別の態様では、溶接中に電極および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コアを含む。溶接ワイヤは、鉄（Ｆｅ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零〜約５重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零より高くかつ約０．０６重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく０．０３重量％未満の窒素（Ｎ）とを含む。
【０００８】
別の態様では、アーク溶接の方法は、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コアとを含む。コアは、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）を含み、さらにＮｉ、Ｃ、Ｍｎを含む。ここで、［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］は約１２重量％未満あり、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す。本方法は追加的に、溶融溶接ワイヤの絶え間ない流れの液滴を生成するための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堆積する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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２】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するように構成されたソリッド電極ワイヤの概略図である。
【図３Ａ】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するように構成されたコア電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｂ】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するように構成されたコア電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｃ】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するように構成されたコア電極ワイヤの概略図である。
【図３Ｄ】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するように構成されたコア電極ワイヤの概略図である。
【図４】実施形態による様々なフェライト量を有するオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するように構成された溶接ワイヤのクロム等価含有量対ニッケル等価含有量を示すグラフである。
【図５】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成するよう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】実施形態によるオーステナイトおよび二相鋼溶接物を形成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、外観および機械的性質の両方の観点での高いビード品質がしばしば、負の経済的結果または生産性結果（例えば原材料および／または溶接の高コスト）を招くこと無く望まれている。特に、鋼ベース溶接において、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。
【００１１】
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することを目的としている。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による耐酸化性を提供し得る。しかし、多量のＣｒおよびＮｉはコストの観点から望ましくないかもしれない。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、または望ましくない結果を導入し得る。例えば、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法結晶（ＢＣＣ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）フェライトを助長し得る。
【００１２】
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、コア内に存在し得るＣｒとＮｉが特定量で（例えばステンレススチール溶接用の伝統的量のＣｒおよびＮｉより比較的少ない量で）存在するコアシェル構造を有する。様々な電極が、高温割れに対する高い耐性と高い破壊靱性とを有する一方で許容可能耐食性などの競合溶接物特性を満足する。加えて、いくつかの溶接プロセス（例えばフラックスコアアーク溶接）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。
【００１３】
オーステナイトまたは二相鋼溶接物を形成するための溶接プロセス
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方向に前進させられ、金属ワイヤ６の結果溶融液滴が、工作物上に堆積し、これにより溶接ビードを形成する。
【００１４】
金属ワイヤ６は、鉄（Ｆｅ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零〜約５重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零より高くかつ約０．０６重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく０．０３重量％未満の窒素（Ｎ）とを含む溶接ワイヤであり得る。いくつかの実施形態では、ワイヤ６は、半径方向にほぼ一様な濃度の元素を有するソリッド電極である。いくつかの他の実施形態では、ワイヤ６はコア電極である。コア電極として構成される場合、溶接ワイヤ６は鋼組成を有するシースとシースにより囲まれたコアとを含む。コアは、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく約１２重量％〜約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、溶接ワイヤの全重量に基づく零〜約５重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）と、零重量％より高い濃度の炭素（Ｃ）とを含み、Ｎｉ、ＣおよびＭｎの濃度は［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約１２重量％未満となるようにされ、ここで、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す。金属ワイヤ６は、ソリッド電極ワイヤ（ＧＭＡＷ：ｓｏｌｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｗｉｒｅ）または金属コアワイヤ（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コアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ：ｇａｓ  ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）または自己シールドフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ：ｓｅｌｆ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）であり得るフラックスコア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。
【００１５】
ソリッド電極ワイヤ（ＧＭＡＷ）または金属コア電極（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する溶接プールおよび溶接ビードの保護を与えるために使用される。ソリッド電極が使用される場合、ソリッド電極は、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率または零気孔率をシールドガスと組み合わせて与え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。金属コア電極が使用される場合、活性成分の一部は、金属外側シースのコア内に加えられ得、ソリッド電極のケースと同様な機能を提供するように設計され得る。
【００１６】
ソリッドおよび金属コア電極は、最終アプリケーションにおいて満足に機能するために、降伏強さ、抗張力、延性および衝撃強さを有するソリッド電極と、ほぼ零気孔率溶接物またはビードと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。いくつかのアプリケーションに関しては、金属コア電極が、生産性を向上するためにソリッドワイヤの代案として使用され得る。本明細書で説明するように、金属コア電極は、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コアを有する複合電極を指す。コアは、アーク安定性、溶接濡れ性および外観、および所望の物理的および機械的性質に役立つ金属粉末と活性成分とを含み得る。金属コア電極は、コア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堆積し、次にストリップを閉じて最終半径まで引き締めることにより製造される。いくつかのアプリケーションに関し、コア電極は、ソリッド電極と比較して、増加された堆積速度と、より広くかつ比較的一貫した溶接侵入プロファイルとを提供し得る。さらに、いくつかのアプリケーションに関し、コア電極は、改善されたアーク行為を提供し、より少ないフュームおよびスパッタを生成し、ソリッド電極と比較して良好な濡れ性を有する溶着物を提供し得る。
【００１７】
本明細書で述べるように、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）は、その成分が主として金属性であるコアを有する電極を指す。存在すると、コア中の非金属成分は、各電極の全重量を基準に５％、３％または１％未満の複合濃度を有する。比較的少ない非金属成分は、ＧＭＡＷ−Ｃ電極を、以下により詳細に説明されるフラックスコアアーク溶接電極から区別し得る。ＧＭＡＷ−Ｃ電極は噴霧アークおよび高品質ビード能力により特徴付けられ得る。
【００１８】
金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）を使用するガス金属アーク溶接と同様に、フラックスコアアーク溶接（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コアを含む。すなわち、フラックスコアアーク溶接において使用されるコア電極は、上述の金属コア電極と同様に、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コアを有する。しかし、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）とは異なり、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）において使用されるコア電極は追加的に、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プールおよび溶接ビード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。フラックスコアアークにおいて使用されるコア電極は追加的に、アーク安定性、溶接濡れ性および外観、および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、フラックスコアアーク電極は、その複合濃度が各電極の全重量を基準に５％、３％または１％未満であり得るコア内に存在する非金属成分の量により金属コア電極とは識別され得る。
【００１９】
フラックスコア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。フラックスコア電極では、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しいかもしれない。いくつかのアプリケーションでは、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、高堆積速度で位置ズレまたは平坦および水平方向溶接能力を有すること、プレート上の比較的高い量の汚染物質などを扱う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コアアーク溶接プロセスが存在する、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コアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ：ｓｅｌｆ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）およびガスシールドフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ：ｇａｓ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）。
【００２０】
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により生成される保護スラグおよびガスを利用する。ＦＣＡＷ−Ｓワイヤのコア中のフラックス成分は、いくつかある機能の中でも特に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、位置ズレ溶融金属を保持し得る）、所望の特性を生ずるために合金用元素を溶接ビード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堆積速度）に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。
【００２１】
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アプリケーションと同様なまたは同じアプリケーションのための半自動プロセスによる比較的高い堆積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され、ガスシールドプロセスによる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、実施形態はそれほど制限されなく、他のＦＣＡＷ−Ｓプロセスが屋内の溶接用に適応化され得る。
【００２２】
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。
【００２３】
ＦＣＡＷ−Ｓプロセスとは対照的に、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および外部シールドガス両方を使用する。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ワイヤのコア成分は、スラグを生成し、合金用元素を溶接ビードへ取り込み、溶接特性に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を介し大気からの溶融金属の保護を導出し得る。
【００２４】
いくつかのＦＣＡＷ−Ｇプロセスは、滑らかな噴霧アーク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、実施形態はそれほど制限されなく、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。
【００２５】
オーステナイトまたは二相鋼溶接金属を形成するように構成された溶接電極
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、小さな統計的分散の靱性、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、クロム含有電極は様々な実施形態によるとコア電極である。
【００２６】
上述したように、コア電極は、特別に選択された鉄と他の金属粉末および合金とを有する粒子のコアと、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。安定剤と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。
【００２７】
コア電極は、粒子または粉末を含み得るコアを有する連続供給される管状金属シースである。コアは、靱性と強度を向上し、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、合金材料を含み得る。上述したように、コア電極は、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）、自己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）のうちの１つとして類別化され得る。
【００２８】
製造の柔軟性のために、作業が特別な電極を求める場合、コア電極はソリッド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、最少発注量はより少ない。この結果、コア電極は、より短いターンアラウンドタイムで、そして特注ソリッド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クロム含有コアを含む電極ワイヤの様々な実施形態が説明される。
【００２９】
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、制御された相対量のオーステナイトとフェラ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は実現され得る。本明細書で説明される実施形態によると、制御された量のオーステナイトとフェライトを有する溶接ビードは、容積で約１％〜８０％のフェライト、容積で約１％〜６０％のフェライト、容積で約１％〜４０％フェライト、容積で約５％〜３５％フェライトまたは容積で約１０％〜３０％フェライトを有する溶接ビードを指す。本明細書で述べるように、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化表現が溶接金属中のフェライトの相対量を記述するために代替的に使用され得る。本明細書で説明される実施形態によると、制御された相対量のオーステナイトとフェライトを有する溶接ビードは、１〜８０、１〜６０、１〜４０、５〜３５、または約１０〜３０のＦＮを有する溶接ビードを指す。本出願の本発明者らは次のことを発見した：以下に説明されるように高耐食性を有するステンレス鋼を溶接するための伝統的溶接ワイヤ組成と比較して比較的低濃度のＣｒおよびＮｉにより少なくとも部分的に実現される際に、制御された相対量の本明細書で説明されるオーステナイトとフェライトを有すると、費用制約条件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。したがって、有利には、本明細書において開示される実施形態は、比較的低いクロム（Ｃｒ）含有量（溶接ワイヤの全重量を基準に約１２重量％〜約１８重量％）および比較的低いニッケル（Ｎｉ）含有量（溶接ワイヤの全重量を基準に零〜約５重量％）を含む電極に関する。比較的低いＣｒおよびＮｉ含有量を有する電極から生じる溶接ビードは、いくつかある特徴の中で特に、低気孔率、高い低温破壊靱性、および高温割れに対する高い耐性を実現する。本明細書で述べるように、高い破壊靱性は、関連業界で知られたＣｈａｒｐｙ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（ｆｔ−ｌｂ）より大きい破壊靭性値を指す。本明細書で述べるように、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。
【００３０】
図２、図３Ａ〜３Ｄは、オーステナイトおよび二相鋼溶接金属を形成するための比較的低いＣｒおよびＮｉ含有量を含む実施形態による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２０、３０Ａ〜３０Ｄを概略的に示す。溶接ワイヤ２０（図２）は、卑金属組成を含む均一組成を有するソリッドワイヤとして構成される。対称的に、溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（それぞれ図３Ａ〜３Ｄ）は、コア３８ａ〜３８ｄがシース３４により囲まれたコアシェル構造を有するように構成される。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により囲まれたたコア３８ａ〜３８ｄとを含む、ここで、コア３８ａ〜３８ｄは、その組み合わせが制御量のオーステナイトおよびフェライト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を含む。様々な実施形態では、シース３４の第１の卑金属の組成とコア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。
【００３１】
様々な実施形態では、電極ワイヤ２０（図２）の卑金属組成と、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）の第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と、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＣ、約０．１ｗｔ％〜約１．５ｗｔ％の濃度のＳｉ、約０．５ｗｔ％〜約５ｗｔ％の濃度のＭｎ、約０．００１ｗｔ％〜約０．０５ｗｔ％の濃度のＳ、約０．００１ｗｔ％〜約０．０５ｗｔ％の濃度のＰ、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＴｉ、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＺｒ、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＡｌ、および約０．１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の濃度のＣｕのうちの１つまたは複数を含む。
【００３２】
様々な実施形態では、電極ワイヤ２０（図２）の卑金属組成と、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）の第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０．１０ｗｔ％未満の濃度のＣおよび最大約０．４ｗｔ％の濃度のＭｎを有する組成と、約０．３０ｗｔ％未満のＣおよび最大約１．５ｗｔ％のＭｎを有する組成とを含む。
【００３３】
様々な実施形態では、電極ワイヤ２０（図２）の卑金属組成と、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）の第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と、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＣ、約０．１ｗｔ％〜約１．０ｗｔ％の濃度のＳｉ、約０．５ｗｔ％〜約５ｗｔ％の濃度のＭｎ、約０．００１ｗｔ％〜約０．０５ｗｔ％の濃度のＳ、約０．００１ｗｔ％〜約０．０５ｗｔ％の濃度のＰ、約０．０１ｗｔ％〜約５ｗｔ％の濃度のＮｉ、約０．１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＣｒ、約０．１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の濃度のＭｏ、約０．００１ｗｔ％〜約０．１ｗｔ％の濃度のＶ、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＴｉ、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＺｒ、約０．０１ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の濃度のＡｌ、および約０．１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の濃度のＣｕのうちの１つまたは複数を含む。
【００３４】
様々な実施形態では、電極ワイヤ２０（図２）の卑金属組成と、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）の第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と、約０．０１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の濃度のＣ、約０．１ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％の濃度のＳｉ、約１０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の濃度のＣｒ、約０．１ｗｔ％〜約４０ｗｔ％の濃度のＮｉ、約０．１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％の濃度のＭｎ、約０．００１ｗｔ％〜約０．０５ｗｔ％の濃度のＳ、および約０．００１ｗｔ％〜約０．０５ｗｔ％の濃度のＰのうちの１つまたは複数を含む。
【００３５】
いかなる理論にも束縛されること無く、上述したような電極ワイヤ２０（図２）の卑金属組成と電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）の第１および第２の卑金属組成の一方または両方との中に取り込まれる様々な元素が、本明細書において論述されるように鋼溶接の際に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。マンガンとニッケルはさらに、溶接物から酸素および／または窒素を除去する脱酸素剤および／または脱窒素剤として働き得、溶接金属気孔率を低減する。銅は、伝導性の改善としたがって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）。
【００３６】
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、シリコン、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、溶接物の高温割れ性能を改善し得る。シリコンはまた、溶接物から酸素を除去する脱酸素剤として働き、溶接金属気孔率を低減し得る。一般的に、金属中のシリコンのレベルが高ければ高いほど、溶接パドルはより流動性になる。シリコンの追加もまた、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付加し、衝撃特性を改善し得る。
【００３７】
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、溶着物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。
【００３８】
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。
【００３９】
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２０（図２）、３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）は特定量のクロム（Ｃｒ）およびマンガン（Ｍｎ）を含む。
【００４０】
ソリッドワイヤ２０（図２）の一部として含まれる場合、ワイヤのバルクは、実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準に約２重量％〜約３０重量％、約５重量％〜約２５重量％、約１０重量％〜約２０重量％、約１２重量％〜約１８重量％、または約１０重量％〜約１５重量％、例えば約１６重量％の濃度のＣｒを含む。ソリッドワイヤ２０（図２）の一部として含まれる場合、ワイヤのバルクは、実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準に約２重量％〜約３０重量％、約５重量％〜約２５重量％、約１０重量％〜約２０重量％、約１２重量％〜約１８重量％、または約１０重量％〜約１５重量％、例えば約１６重量％の濃度のＭｎを含む。
【００４１】
コアワイヤ（それぞれ図３Ａ〜３Ｄの３０Ａ〜３０Ｄ）の一部として含まれる場合、コア３８ａ〜３８ｄのそれぞれは、実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準に約２重量％〜約３０重量％、約５重量％〜約２５重量％、約１０重量％〜約２０重量％、約１２重量％〜約１８重量％、または約１０重量％〜約１５重量％、例えば約１６重量％の濃度のＣｒを含む。コアワイヤの一部として含まれる場合（それぞれ図３Ａ〜３Ｄの３０Ａ〜３０Ｄ）、コア３８ａ〜３８ｄのそれぞれはさらに、実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準に、ワイヤのバルクは、約２重量％〜約３０重量％の濃度、約５重量％〜約２５重量％、約１０重量％〜約２０重量％、約１２重量％〜約１８重量％、または約１０重量％〜約１５重量％、例えば約１６重量％のＭｎを含む。
【００４２】
様々な実施形態では、ＣｒとＭｎのそれぞれは元素様式または異なる金属元素を有する合金様式であり得る。例えば、合金様式である場合、Ｃｒおよび／またはＭｎは、いくつかある金属合金化合物の中で特に、例えばＡｌＭｇ、ＡｌＳｉまたはＡｌＺｒなどのＭＭｇ、ＭＳｉ、ＭＺｒの金属合金化合物の一部として存在し得る。
【００４３】
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コア３８ａ中のＣｒ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いて様々な利点を提供し得る。例えば、開示された範囲内に存在する場合、Ｃｒは有利には結果溶接金属の優れた酸化抵抗を提供し得る。
【００４４】
加えて、本明細書で説明される特定量のＣｒ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堆積速度を提供する。
【００４５】
加えて、本明細書で説明される特定量のＣｒは、結果溶接ビードが、実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準に零重量％より大きくかつ約４重量％未満、零重量％より大きくかつ約２重量％未満、または零重量％より大きくかつ約１重量％未満、例えば約２重量％の濃度の窒素（Ｎ）を有するように、単独でまたは他の元素との組み合わせで、脱酸素剤および／または脱窒素剤として働き得る。いくつかの実施形態では、結果溶接ビードは、実施形態によると、溶接ワイヤの全重量を基準に零重量％より大きくかつ約４重量％未満、零重量％より大きくかつ約２重量％未満、または零重量％より大きくかつ約１重量％未満、例えば約２重量％の濃度の酸素（Ｏ）を含む。
【００４６】
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：ｆａｃｅ  ｃｅｎｔｅｒ  ｃｕｂｉｃ）相を指す。本明細書で述べるように、フェライトは、極僅か（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相とＢＣＣ相を有することの利点は、本明細書で説明するような様々な他の元素に沿ってまたはそれらと組み合わせて特定濃度のＣｒとＭｎを有することにより実現され得るということを認識した。溶接ビードの制御された量のＦＣＣおよびＢＣＣ相を有することは、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一方で比較的劣悪な低温破壊靱性を伴い得るので、望ましいかもしれない。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う一方で比較的優れた低温破壊靱性を伴い得る。
【００４７】
本発明者らは、Ｃｒが開示量で存在する場合は鉄またはフェライトのＢＣＣ相の安定剤であり得るということを認識した。すなわち、Ｃｒ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、Ｃｒ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。
【００４８】
特に、いかなる理論にも束縛されること無く、上述の量を有するＣｒを単独でまたは他の元素との組み合わせで含む本明細書で説明される特定量のＭｎは、少なくとも部分的に比較的多量のオーステナイトの存在のために約０°Ｆ、−２０°Ｆまたは−４０°Ｆ未満の温度で測定される際にＣｈａｒｐｙ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産するためにＦＣＣおよびＢＣＣ相の量をバランスさせ得る。
【００４９】
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１２重量％〜約１８重量％であるＣｒ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１２重量％〜約１８重量％であるということは決定的に重要であり得る（例えば以下の表１を参照）。Ｃｒ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。
【００５０】
加えて、いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に零重量％より大きくかつ約２０重量％未満、零重量％より大きくかつ約１５重量％未満、零重量％より大きくかつ約１０重量％未満、または零重量％より大きくかつ約５重量％未満、例えば約２重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）を含む。
【００５１】
加えて、いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に零重量％より大きくかつ約５重量％未満、零重量％より大きくかつ約２重量％未満、約０．１重量％より大きくかつ約１重量％未満、約０．２重量％より大きくかつ約０，８重量％未満、約０．４重量％より大きくかつ約０，６重量％未満、例えば約０．７重量％の濃度のシリコン（Ｓｉ）を含む。
【００５２】
加えて、いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に約５重量％未満の濃度、約２重量％未満、約１％未満、約０．７５重量％未満、約０．５重量％未満、またはこれらの重量％の任意のものにより定義される範囲内の値、例えば約０．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ（図３０Ａ〜３０Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に零重量％より大きくかつ約１０重量％未満、零重量％より大きくかつ約５重量％未満、または零重量％より大きくかつ約２重量％未満、例えば約５重量％の濃度の銅（Ｃｕ）とコバルト（Ｃｏ）のうちの１つまたは複数を含む。
【００５４】
いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に零重量％より大きくかつ約１重量％未満、零重量％より大きくかつ約０．５重量％未満、または零重量％より大きくかつ約０．１重量％未満、零重量％より大きくかつ約０．０６重量％未満、零重量％より大きくかつ約０．０３重量％未満、またはこれらの割合により定義された任意の範囲、例えば約０．０６重量％の濃度の炭素（Ｃ）を含む。
【００５５】
いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はさらに、溶接ワイヤの全重量を基準に約０．５％重量％未満、約０．１重量％未満、約０．０５重量％未満、約０．０３重量％未満、約０．０１重量％未満、例えば約０．０３重量％の濃度の窒素（Ｎ）を含む。
【００５６】
様々な実施形態では、本明細書において開示される任意の濃度のあらゆる元素を有することに加え、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のその他の残り部分は鉄（Ｆｅ）を含み得る。
【００５７】
いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）、または様々な元素の特定の組み合わせを有するコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量は、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、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量が、いくつかある効果の中で特に、溶接物中のＦＣＣ（オーステナイト）相を安定化するように集合的に働き得るＭｎ、ＮｉおよびＣの組み合わせ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＝［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］      ［１］
様々な実施形態では、Ｎｉｅｑは約２０重量％未満、約１６重量％未満、約１２重量％未満、約８重量％未満、約４重量％未満、またはこれらの割合の任意のものにより定義された範囲内の値である。ここで、［Ｍｎ］、［Ｎｉ］および［Ｃ］は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。式［１］では、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。
【００５８】
いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）、または様々な元素の特定の組み合わせを有するコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量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、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量が、いくつかある効果の中で特に、溶接物中のＢＣＣ（フェライト）相を安定化するように集合的に働き得るＣｒ、Ｍｏ、ＳｉおよびＮｂの組み合わせを含むということを発見した。特に、本発明者らは、ＢＣＣ安定化元素の量の測度は下記式により記述された等価クロム濃度（Ｃｒｅｑ）により表され得るということを発見した。
Ｃｅｑ＝［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋１．５［Ｓｉ］＋０．５［Ｎｂ］    ［２］
様々な実施形態では、Ｃｅｑは、約８重量％〜約２８重量％、約１２重量％〜約２４重量％、約１６重量％〜約２０重量％である。ここで、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］および［Ｎｂ］は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。式［２］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、ＭｏとＳｉの比は２．０＋／−０．４、２．０＋／−０．２または２．０＋／−０．１であり得る。
【００５９】
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コア中に含まれ得る。いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤ２０（図２）またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量はそれぞれさらに、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発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、ソリッドワイヤ２０（図２）、またはコアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）のコア３８ａ〜３８ｄのバルク容量は追加的に、溶接ビードが、実施形態にしたがって零重量％より大きくかつ約２０重量％未満、零重量％より大きくかつ約１０重量％未満、または零重量％より大きくかつ約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、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。
【００６０】
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）〜１／８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コア電極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。
【００６１】
実施形態によると、コアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ（図３Ａ〜３Ｄ）の１つとして構成されると、上記濃度は、コアの含有量が金属コア電極ワイヤ３０ａ／３０ｂ／３０ｃ／３８ｄの全重量を基準に約１ｗｔ％〜約８０ｗｔ％、約１０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％、または約１５ｗｔ％〜約３０ｗｔ％を構成するように、コア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。
【００６２】
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、金属コア（ＧＭＡＷ−Ｃ）電極、自己シールドフラックスコア（ＦＣＡＷ−Ｓ）電極およびガスシールドフラックスコア（ＦＣＡＷ−Ｇ）電極のうちの任意の１つに対し最適化され得る。
【００６３】
上記では、コア電極３０Ａ〜３０Ｄの実施形態は、コア３８ａ〜３８ｄの構造を特に参照すること無く説明された。コア電極３０Ａは例えば、ソリッドとしてまたは粉末で充填された容積として構成されたコア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コア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、上述したように、コア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（その組み合わせはオーステナイト相の制御された割合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。Ｃｒ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コア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（酸化物または弗化物粒子など）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、Ｃｒ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は酸化物、窒化物および弗化物などの化合物の様式であり得る。
【００６４】
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、上述の鋼組成の任意の１つを含む第２の卑金属とクロムとを含む。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。
【００６５】
図３Ｂを依然として参照すると、粒子３２は第２の卑金属組成とクロ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、Ｃｒ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つまたは複数の追加フェライト安定化元素（Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）の原子とが、溶解され得る、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）。Ｃｒの原子と１つまたは複数のオーステナイト安定化元素の原子とはまた、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、Ｃｒ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／または追加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、弗化物と酸化物））の様式で取り込まれる代替実施形態が可能である。
【００６６】
図３Ｃの溶接ワイヤ電極３０Ｃを参照すると、コア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。
【００６７】
溶接ワイヤ電極３０Ｃ内には、粒子３６ａ、３６ｂ、Ｃｒ、１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／または追加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、Ｃｒと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つまたは複数の追加のフェライト安定化元素（Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）とが粒子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、Ｃｒと１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／または追加のフェライト安定化元素とが、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、Ｃｒ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／または追加の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、Ｃｒ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、沈殿物のコアは純元素を含み、沈殿物の外面はマトリクスの原子と結合される。Ｃｒ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とが非金属化合物（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、弗化物、酸化物）を形成するさらに他の実施形態が可能である。
【００６８】
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）、Ｃｒ、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つまたは複数の追加のフェライト安定化元素（Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）を含むが異なる濃度のものを含む。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の一方または両方との両者を含む。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。いくつかの他の実装では、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の一方または両方を含む。
【００６９】
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、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）とは異なり、フラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）において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、溶接中の大気汚染に対する溶接プールおよび溶接ビードの保護を提供するように設計されたフラックス剤を追加的に含む。フラックス剤はフラックスコアアーク溶接（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、金属コア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。
【００７０】
金属コア電極およびフラックスコア電極はさらに結果ビード特徴に基づき識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コア電極は、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、フラックスコア電極は、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、金属コア電極により生成されるスラグアイランドは、溶接ビードの表面面積の約５０％未満、約３０％未満、または約１０％未満を覆い得る。対照的に、フラックスコア電極により生成されるスラグは、溶接ビードの表面面積の約５０％超、約７０％超、または約９０％超を覆い得る。以下では、Ｃｒと１つまたは複数のオーステナイト安定化元素および／または追加のフェライト安定化元素との量および配置が、…であるＦＣＡＷ−ＳとＦＣＡＷ−Ｇを含む実施形態は、フラックスコア電極のコア内に存在するとより有利であり得る。
【００７１】
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したがって、１つまたは複数の異なる粒子３６ａまたは３６ｂを有するコア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のコア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。
【００７２】
いかなる理論にも束縛されること無く、弗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トラッキング（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トラッキングは、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、ガストラッキングは、例えばスラグが溶接プール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。スラグの急冷凝固のために、溶融溶接部分から発達す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。
【００７３】
いかなる理論にも束縛されること無く、弗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発達しスラグ中に溶解するためのより長い時間を可能にする。スラグ中の弗素の包含もまた、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トラッキングの発生を低減する。
【００７４】
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プールに入り、比較的高い融解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、溶融溶接プールの上部へ浮上して、大気汚染からプロセスを保護する。
【００７５】
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と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面まで急速に浮上する。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。
【００７６】
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、弗素含有物がアルミニウム化合物と共に働く。一方、酸性系では、酸化鉄が採用され得る。塩基系は、良好な洗浄作用を有し、構造を重視する仕事に適する傾向があり、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、特定のスラグ系が、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。弗化物系では、比較的大量の熱が、分子を壊して弗化物結合を形成し始める。他方で、比較的低い熱量は、酸性酸化物ベース分子を砕くために使用される。急速な反応は、高速スラグ凍結そして最終的には高堆積速度に結びつく。
【００７７】
いくつかの実施形態では、非金属粒子３６ｃは、ＣｒまたはＭｎ以外の金属の金属酸化物または金属弗化物を含む無機化合物を含む。
【００７８】
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、電極ワイヤ中の弗素（Ｆ）の濃度は、電極ワイヤの全重量を基準に約０．０２ｗｔ％〜約２ｗｔ％、約０．１ｗｔ％〜約１．５ｗｔ％、または約０．５ｗｔ％〜約１．０ｗｔ％、例えば約０．７ｗｔ％であり得る。
【００７９】
非金属粒子３６ｃの一部として含まれる場合に弗素含有粒子が弗化アルミニウム、弗化バリウム、弗化ビスマス、弗化カルシウム、弗化マンガン、弗化カリウム、弗化ナトリウム、弗化ストロンチウム、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弗素含有化合物を含む他の実施形態が可能であるが、他のまたは追加の弗素含有化合物が使用され得るということが理解される。
【００８０】
実施形態によると、非弗素含有非金属粒子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、弗素非含有粒子の重量％は弗素含有化合物の重量％より大きい：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。
【００８１】
オーステナイトまたは二相鋼溶接金属を形成するように構成された溶接ワイヤを使用して形成される例示的溶接金属
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２の溶接ワイヤ２０または図３Ａ〜３Ｄの溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ）を使用して形成される溶接ビードは、上述したような溶接ワイヤと同様な濃度の鉄（Ｆｅ）およびクロム（Ａｌ）を有する。加えて、溶接ビードは、図２および図３Ａ〜３Ｄに関して上述した溶接ワイヤの対応濃度とほぼ同じ濃度のＣｒと１つ以上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つまたは複数の追加のフェライト安定化元素（Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ）を含む。
【００８２】
図４は、式［１］に関し上に説明した等価ニッケル濃度Ｎｉｅｑ対式［２］に関し上に説明した等価クロム濃度Ｃｒｅｑ式を示すグラフ４０である。本発明者らは、溶接ビードが組成範囲４２内の構成を有するワイヤを使用して形成されると、溶接ビードは組成範囲４２外の組成を有するワイヤを使用して形成された溶接ビードと比較して優れた機械的性質を有するということを発見した。本発明者らは、以下の組成を有する溶接金属を実験的に製造した：
【００８３】
【表１】
2019034340.tif 000002
【００８４】
表１を参照すると、ワイヤＡ〜Ｄから実験的に形成された各溶接金属はフェライト数５〜３５を有した。しかし、観測された衝撃靱性は、値がそれぞれのワイヤの全重量を基準に約１２％以下である場合は［Ｍｎ］に強く関連するということが理解される。
【００８５】
同様に構成されたワイヤを使用することによりオーステナイトまたは二相鋼溶接金属を形成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（１３．６ｋｇ）／ｈｒの速度（またはオープンアーク溶接に対してはより高い速度）で溶接金属を堆積するために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、クロム含有コア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、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内に描写する第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。いくつかの実装では、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。
【００８６】
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コア電極は、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内で有利に使用され得る。
【００８７】
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へ提供する電力変換回路系を含む。溶接電源５２は溶接ワイヤ駆動装置５４へそしてひいては溶接銃５９へ給電し得る。溶接電源５２は、ＡＣ入力電力をＤＣ正またはＤＣ負出力、ＤＣ可変極性、パルスＤＣ、または可変平衡（例えば、平衡または非平衡）交流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。溶接電源５２は、約３０ｌｂｓ（１３．６ｋｇ）／ｈｒを越える速度の溶接金堆積が達成され得るように約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構成されるということが理解される。
【００８８】
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、特定局所大気を供給するために（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／または溶接プール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、シールドガス流れは、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、シールドガス流れは、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。
【００８９】
ワイヤ駆動装置５４は、ワイヤ送りの開始、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（１３．６ｋｇ）／ｈｒを越える高い溶接金堆積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。
【００９０】
本発明者らは、本明細書で説明される濃度の様々な元素を有することが、いくつかある利点の中で特に、本明細書で説明される溶接ビードを形成するように適応化された電流および堆積速度におけるアークに対する安定性を提供し得るということを発見した。例えば、アークは、約１００アンペア〜約１０００アンペア、約１５０アンペア〜約７００アンペア、または約２００アンペア〜約５００アンペアの電流レベルと、約５ｌｂｓ（２．３ｋｇ）／ｈｒ〜約６０ｌｂｓ（２７．２ｋｇ）／ｈｒ、約７ｌｂｓ（３．２ｋｇ）／ｈｒ〜約４０ｌｂｓ（１８．１ｋｇ）／ｈｒ、または約１０ｌｂｓ（４．５ｋｇ）／ｈｒ〜約２５ｌｂｓ（１１．３ｋｇ）／ｈｒの堆積速度とで安定的に維持され得る。
【００９１】
作業中、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流れをシールドガス供給装置５８から受ける。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、アークの化学作用および／または結果溶接物（例えば組成と物理的特性）は変化させられ得る。
【００９２】
オーステナイトまたは二相鋼溶接金属を形成するための溶接方法
図６を参照して、金属アーク溶接の方法６０を説明する。方法６０は、上述の任意の配置にしたがって溶接ワイヤを供給する工程６２を含む、ここで、溶接ワイヤは溶接中に溶接金属の源として働くように構成される。例えば、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コアとを含むコアワイヤであり得る。コアは、溶接ワイヤの全重量を基準に約１２重量％〜約１８重量％の濃度のクロム（Ｃｒ）を含むコアを含み、さらに［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］が約１２重量％未満であるＮｉ、Ｃ、Ｍｎを含み、ここで、［Ｎｉ］、［Ｃ］および［Ｍｎ］は溶接ワイヤの全重量に基づくそれぞれの元素の重量パーセントを表す。方法６０は追加的に、溶融溶接ワイヤの絶え間無く続く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、溶融液滴を工作物上へ堆積する工程６６を含む。
【００９３】
方法６０において、消耗溶接ワイヤ供給工程６２は、例えば図３Ａ〜３Ｄに関する上述の任意の溶接ワイヤを供給する工程を含む。
【００９４】
方法６０において、いくつかの実施形態によると、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。
【００９５】
方法６０において、堆積工程６６は、いくつかの実施形態によると、約１０ｌｂｓ（４．５ｋｇ）／ｈｒ、２０ｌｂｓ（９．１ｋｇ）／ｈｒ、３０ｌｂｓ（１３．６ｋｇ）／ｈｒ、または５０ｌｂｓ（２２．７ｋｇ）／ｈｒを越える堆積速度で堆積する工程を含む。他のいくつかの実施形態では、堆積工程６６は、約５ｌｂｓ（２．３ｋｇ）／ｈｒ〜約２０ｌｂｓ（９．１ｋｇ）／ｈｒ、約１０ｌｂｓ（４．５ｋｇ）／ｈｒ〜約３０ｌｂｓ（１３．６ｋｇ）／ｈｒ、約２０ｌｂｓ（９．１ｋｇ）／ｈｒ〜約４０ｌｂｓ（１８．１ｋｇ）／ｈｒ、または約３０ｌｂｓ（１３．６ｋｇ）／ｈｒ〜約６０ｌｂｓ（２７．２ｋｇ）／ｈｒの堆積速度で堆積する工程を含む。このような堆積速度は、実施形態によると、約２００ｉｐｍ〜約４００ｉｐｍ、約３００ｉｐｍ〜約５００ｉｐｍまたは約４００ｉｐｍ〜約６００ｉｐｍのワイヤ送り速度と併せて上述の電流レベルを印加することにより実現され得る。
【００９６】
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る新規な装置、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る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】
【００９７】
２  工作物
４  電極
６  溶接電極ワイヤ
８  プラズマ
２０  溶接ワイヤ
３０Ａ〜３０Ｄ  コアワイヤ
３２  粒子
３４  シース
３６ａ〜３６ｃ  非金属粒子
３８ａ〜３８ｄ  コア
４０  グラフ
４２  組成範囲
５０  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  方法
６２  消耗溶接ワイヤ供給工程
６４  電流を印可する工程
６６  堆積する工程
【図１】
2019034340.tif 000003
【図２】
2019034340.tif 000004
【図３Ａ】
2019034340.tif 000005
【図３Ｂ】
2019034340.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
2019034340.tif 000009
【図５】
2019034340.tif 000010
【図６】
2019034340.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月23日(2018.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
フラックスコア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。フラックスコア電極では、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しいかもしれない。いくつかのアプリケーションでは、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、高堆積速度で位置ズレまたは平坦および水平方向溶接能力を有すること、プレート上の比較的高い量の汚染物質などを扱う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コアアーク溶接プロセスが存在する、すなわち：図３Ａ〜図３Ｄ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コアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ：ｓｅｌｆ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）およびガスシールドフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ：ｇａｓ−ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）。
【外国語明細書】
2019034340000001.pdf