(57)【要約】【課題】  アルミニウム含有溶接電極を提供する。【解決手段】  開示される技術は、一般に消耗電極ワイヤに関し、より具体的には、コアがアルミニウムを含む、コアシェル構造を有する消耗電極ワイヤに関する。１つの実施態様で、溶接ワイヤは、鋼組成物を有するシースとシースによって囲まれるコアとを含む。コアは、溶接ワイヤの総重量を基準として約３重量％〜約２０重量％の間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ている。開示される技術は、同様に、アルミニウムを含む電極ワイヤを使用するように適合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】
フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）中に溶接金属の源として機能する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、
鋼組成物を有するシースと、
前記シースによって囲まれるコアであって、前記コアは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準として約３重量％〜約２０重量％の間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ている、コアと
を含む、溶接ワイヤ。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、前記溶接ワイヤの総重量を基準として約１０重量％〜約６０重量％の間の濃度のマンガン（Ｍｎ）をさらに含み、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ている、溶接ワイヤ。
【請求項３】
セルフシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）工程において電極として機能するように構成され、前記コアは、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２に記載の溶接ワイヤ。
【請求項４】
請求項２に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約１０重量％未満の濃度の銅（Ｃｕ）、および
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約１０重量％未満の濃度のコバルト（Ｃｏ）
のうちの１つまたは複数をさらに含み、
ＣｕおよびＣｏのうちの前記１つまたは複数の総濃度は、前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約１０重量％未満である、
溶接ワイヤ。
【請求項５】
請求項４に記載の溶接ワイヤであって、前記溶接ワイヤは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約５０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約２．５重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）、および
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約２重量％未満の濃度の窒素（Ｎ）
のうちの１つまたは複数をさらに含む、溶接ワイヤ。
【請求項６】
請求項５に記載の溶接ワイヤであって、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、ＣｕおよびＣｏの濃度は、前記濃度の２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋２０［Ｎ］＋０．３［Ｃｕ］＋０．３［Ｃｏ］が約１０重量％〜約８０重量％の間であるようなものであり、式中［Ｍｎ］、［Ｎｉ］、［Ｃ］、「Ｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃｏ］は、前記溶接ワイヤの総重量を基準としたそれぞれの元素の重量パーセンテージを表す、溶接ワイヤ。
【請求項７】
フラックス入りアーク溶接中に溶接金属の源として機能する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、シースによって囲まれるコアと、前記溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが約５０重量％〜約８５重量％の間の濃度の鉄（Ｆｅ）および約３重量％〜約２０重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を有するような組成物とを含む、溶接ワイヤ。
【請求項８】
前記溶接ビードは、約１０重量％〜約６０重量％の間の濃度のマンガン（Ｍｎ）をさらに含む、請求項７に記載の溶接ワイヤ。
【請求項９】
セルフシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）ワイヤであり、前記コアは、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８に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１０】
請求項９に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、
前記溶接ワイヤの総重量を基準として約８重量％〜約２０重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）と、
前記溶接ワイヤの総重量を基準として約３０重量％〜約６０重量％の間の濃度のマンガン（Ｍｎ）と、
前記溶接ワイヤの総重量を基準としてゼロ重量％よりも大きく約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ている、溶接ワイヤ。
【請求項１１】
請求項８に記載の溶接ワイヤであって、前記コアは、前記溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが０重量％よりも大きく約０．５重量％未満の濃度の炭素（Ｃ）および約０重量％よりも大きく約３０重量％未満の濃度のニッケル（Ｎｉ）を有するように、炭素（Ｃ）およびニッケル（Ｎｉ）をさらに含む、溶接ワイヤ。
【請求項１２】
２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＞２０重量％であり、式中［Ｍｎ］、［Ｎｉ］および［Ｃ］は、前記溶接ビードの総重量を基準としたそれぞれの元素の重量パーセンテージを表す、請求項１１に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１３】
前記溶接ビードは、体積で３０％を超える面心立方（ＦＣＣ）オーステナイトを有する、請求項７に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１４】
シールドガスなしで溶着されるとき前記Ａｌ濃度および前記Ｍｎ濃度を有する前記溶接ビードを形成するように構成される、請求項９に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１５】
前記コアは、前記溶接ビードのフェライト安定化元素の総濃度が０重量％よりも大きく約１０重量％未満であるように、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（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前記フェライト安定化元素のうちの１つまたは複数をさらに含む、請求項９に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１６】
前記コアは、前記溶接ビードのオーステナイト安定化元素の総濃度が０重量％よりも大きく約１０重量％未満であるように、銅（Ｃｕ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群から選択される前記オーステナイト安定化元素のうちの１つまたは複数をさらに含む、請求項９に記載の溶接ワイヤ。
【請求項１７】
フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）の方法であって、前記方法は、
溶接中に溶接金属の源として機能するように構成された溶接ワイヤを提供するステップであって、前記溶接ワイヤは、
鋼組成物を有するシースと、
前記シースによって囲まれるコアであって、前記コアは前記溶接ワイヤの総重量を基準として約３重量％〜約２０重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む、コアと
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ている、ステップと、
溶融溶接ワイヤの液滴の安定した流れを作り出すのに十分なエネルギーを印加するステップと、
前記溶融液滴をワークピース上に溶着させるステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記溶接ワイヤは、前記溶接ワイヤの総重量を基準として約１０重量％〜約６０重量％の間の濃度のマンガン（Ｍｎ）をさらに含み、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ている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
溶着させるステップは、シールドガスがないセルフシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）工程下で溶着させるステップを含み、前記エネルギーを印加するステップは、前記溶接ワイヤに電圧を印加してプラズマアークを発生させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
溶着させるステップは、前記溶接ワイヤを使用している溶接ビードが約４重量％〜約６．５重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）および約１５重量％〜約２５重量％の間の濃度のマンガン（Ｍｎ）を有するような雰囲気および電圧条件で溶着させるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される技術は、一般に消耗溶接電極ワイヤに関し、より詳細にはアルミニウム含有消耗溶接電極ワイヤに、ならびにアルミニウム含有電極ワイヤを使用するように適合された溶接方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
さまざまな溶接技術が金属の源として機能する溶接ワイヤを利用する。例えば、金属アーク溶接で、ワークピースに向かって進む１つの電極として機能する消耗溶接電極ワイヤと、別の電極として機能するワークピースとの間に電圧が印加されるとき、電気アークが生成される。アークは金属ワイヤのチップを溶かし、それにより、ワークピース上に溶着して溶接物または溶接ビードを形成する、溶融金属ワイヤの液滴を作り出す。
【０００３】
溶接技術上の技術的および経済的要求は、複雑さが増大し続けている。例えば、高い降伏強度、延性および破壊靱性を含めて、外観と機械的性質の両方でのより高いビード品質の必要性が増大し続けている。同時に、より高いビード品質は経済的実現可能性を維持しつつ要求されることが多い。いくつかの溶接技術は、消耗材料を改善することによって、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って、これらの競合する要求に対処することを目指す。
【０００４】
このような競合する要求に対処する１つの手法は、消耗電極に添加物を取り込むことである。添加物例は、結果として生じる溶接物の耐酸化性／耐腐食性を改善するために添加することができる、クロム（Ｃｒ）である。しかしながら、このような添加物の添加は、耐腐食性に加えて、例えば、高温割れへの耐性および高い破壊靱性を含み得る、競合する溶接物特性のセットを同時に満たすには不十分な場合がある。加えて、競合する溶接物の性質のセットは、経済的実現可能性を維持しつつ満たされる必要がある場合があり、それは、主な添加物がＣｒなどの比較的高価な元素を含むとき困難な場合がある。以下に、生産性および経済的配慮と同様に、これらのおよび他の競合する溶接物特性を満たすことが可能な消耗溶接電極ワイヤ、溶接工程およびシステムのさまざま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】
開示される技術は、一般に消耗溶接電極ワイヤに関し、より具体的には、コアがアルミニウムを含む、コアシェル構造を有するアルミニウム含有消耗溶接電極ワイヤに関する。開示される技術は、同様に、アルミニウムを含む電極ワイヤを使用するように適合された溶接方法およびシステムに関する。
【０００６】
１つの実施態様で、溶接ワイヤは、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機能するように構成される。溶接ワイヤは、鋼組成物を有するシースとシースによって囲まれるコアとを含む。コアは、溶接ワイヤの総重量を基準として約３重量％〜約２０重量％の間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ている。
【０００７】
いくつかの実施形態で、シースおよびコアは、溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが約４重量％〜約６．５重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）および約１５重量％〜約２５重量％の間の濃度のマンガン（Ｍｎ）を有するように構成される。いくつかの他の実施形態で、シースおよびコアは、溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが０°Ｆより低い温度で測定されるとき２０ｆｔ−ｌｂｓよりも大きい破壊靱性を有するように構成される。いくつかの他の実施形態で、シースおよびコアは、溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが１〜１２５の間のフェライト番号を有するように構成される。
【０００８】
別の実施態様で、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機能するように構成された溶接ワイヤは、シースによって囲まれるコアと、溶接ワイヤを使用して形成された溶接ビードが約５０重量％〜約８５重量％の間の濃度の鉄（Ｆｅ）および約３重量％〜約２０重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を有するような組成物とを含む。
【０００９】
別の実施態様で、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機能するように構成された溶接ワイヤを提供するステップを含む。溶接ワイヤは、鋼組成物を有するシースとシースによって囲まれるコアとを含む。コアは、溶接ワイヤの総重量を基準として約３重量％〜約２０重量％の間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ている。方法は、溶融溶接ワイヤの液滴の安定した流れを作り出すのに十分なエネルギーを印加するステップをさらに含む。方法は、溶融液滴をワークピース上に溶着させるステップをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】金属アーク溶接工程における電極の構成の略図である。
【図２Ａ】実施形態による、セルフ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例示する。
【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例示する。
【図３Ａ】実施形態による、コアにアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの略図である。
【図３Ｂ】実施形態による、コアにアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの略図である。
【図３Ｃ】実施形態による、コアにアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの略図である。
【図３Ｄ】実施形態による、コアにアルミニウムを含むフラックス入り電極ワイヤの略図である。
【図４Ａ】実施形態による、フラックス入り電極ワイヤから作り出されたさまざまなフェライト番号を有する溶接部に関する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でフェライト番号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でフェライト番号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でフェライト番号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でフェライト番号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、実施形態による、コア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コア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略図である。
【図６】実施形態による、コア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コアアーク溶接の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】
【００１１】
競合する要求であることが多い、溶接技術上のさまざまな技術的および経済的要求は、複雑さが増大し続けている。例えば、経済的にまたは生産性に悪い結果、例えば原材料および／または溶接のコスト上昇を受けることなく、外観および機械的性質の両方に関してより高いビード品質が望まれることが多い。特に、鋼系溶接では、経済的実現可能性を維持しつつ、降伏強度、延性、耐腐食性、高温割れへの耐性および破壊靱性などの機械的性質の競合する特性を改善しまたは満たすことが必要とされる場合がある。
【００１２】
いくつかの溶接技術は、消耗材料を改善することによって、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って、これらの競合する要求に対処することを目指す。１つの実施例として、いくつかの従来型消耗電極は、クロム（Ｃｒ）およびニッケル（Ｎｉ）などの添加物を取り込む。鉄合金へのクロムおよびニッケル添加は、例えば、保護酸化物層を形成する能力を通して耐酸化性を提供し得る。しかしながら、大量のＣｒおよびＮｉは、コストの見地から望ましくない場合がある。加えて、１つの利点を提供する一方で、いくつかの添加物は、他の特性、例えば競合する特性を満たすことにおいて不十分な場合があるか、または望ましくない結果をもたらす場合がある。例えば、ある状況下では、耐酸化性および耐腐食性を提供する一方で、比較的大量のＣｒおよびＮｉは、結果として生じる溶接物で望ましくない量の体心立方（ＢＣＣ）フェライトを助長することがあり、それは、破壊靱性の低下を含む、望ましくない機械的性質につながる場合がある。
【００１３】
本明細書に記載のさまざまな実施形態で、消耗電極ワイヤは、例えばコアに、アルミニウムが特定の量で存在する、コアシェル構造を有する。さまざまな電極は、耐腐食性、高温割れへの耐性および高い破壊靱性などの、競合する溶接物の性質を満たす。加えて、ある特定の溶接工程、例えば、フラックス入りアーク溶接で使用されるとき、開示される電極は、鋼系溶接ワイヤにおける従来の添加物と比較してより低コストの解決策を提供し得る。
【００１４】
アルミニウム含有溶接電極を使用するための溶接工程
図１は、金属アーク溶接工程における電極の構成の略図である。金属アーク溶接、例えば、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）で、１つの電極４（例えば、アノード（＋））に電気的に接続される、消耗金属ワイヤ６と、別の電極（例えば、カソード（−））として機能する、ワークピース２との間に電気アークが生成される。その後、プラズマ８が持続し、それは、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または液滴と同様に、中性のおよびイオン化したガス分子を含有する。溶接中に、消耗金属ワイヤ６は、ワークピース２に向かって進められ、結果として生じる金属ワイヤ６の溶融液滴がワークピース上に溶着し、それにより溶接ビードが形成される。
【００１５】
金属ワイヤ６は、さまざまな実施形態によれば、金属ワイヤ６の総重量を基準として約４重量％〜約８重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む溶接ワイヤとすることができる。いくつかの実施形態で、金属ワイヤ６は、鋼組成物を有するシースとシースによって囲まれるコアとを含み、ここでコアは、溶接ワイヤの総重量を基準として約４重量％〜約８重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む。金属ワイヤ６は、ガス金属アーク溶接工程を含む、さまざまなアーク溶接工程で使用することができ、ガス金属アーク溶接工程ではソリッド電極ワイヤ（ＧＭＡＷ）または金属コアワイヤ（ＧＭＡＷ−Ｃ）のいずれかを使うことができる。金属ワイヤ６は、ガスシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｇ）またはセルフシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）とし得る、フラックス入りアーク溶接工程（ＦＣＡＷ）で同様に使用することができる。金属ワイヤ６はさらに、とりわけ、シールド金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）工程およびサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）工程で使用することができる。以下に、金属ワイヤ６を使うことができる異なる溶接工程をより詳細に説明する。
【００１６】
ソリッド電極（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、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とき、それらは、シールドガスと組み合わせて、結果として生じる溶接ビードの望ましい物理的および機械的性質を持つポロシティの低いまたはポロシティのない溶接部を提供するように設計され得る、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とき、有効成分の一部は、金属製外側シースのコアに添加されて、ソリッド電極の場合と類似の機能を提供するように設計され得る。
【００１７】
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、最終的な用途で満足に機能するための降伏強度、引張強度、延性および衝撃靱性を持つ、中実で実質的にポロシティのない溶接物またはビードを提供するように設計される。これらの電極は同様に、溶接中に発生するスラグの量を最小化するように設計することができる。いくつかの用途の場合、生産性を向上させるためにソリッドワイヤに対する代替として金属コア電極を使用することができる。本明細書に記載される場合、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によって囲まれたコアを有する複合電極を意味する。コアは、金属粉末と、アーク安定性、溶接部のぬれおよび外観、ならびに望ましい物理的および機械的性質に役立つ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、それから、ストリップを閉じて最終的な直径まで引き伸ばすことによって製造される。いくつかの用途の場合、コア電極は、ソリッド電極と比較して、溶着速度の増加と、より幅広く、比較的一貫性のある溶込みプロファイルとを提供することができる。本明細書に記載される場合、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）は、成分が主に金属であるコアを有する電極を意味する。存在する場合、コア中の非金属成分の合計濃度は、各電極の総重量を基準として、５％未満、３％未満または１％未満である。比較的低い非金属成分によって、ＧＭＡＷ−Ｃ電極を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区別することができる。ＧＭＡＷ−Ｃ電極は、スプレーアークおよび高品質溶接金属を特徴とすることができる。
【００１８】
金属コア電極を使用するガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ−Ｃ）と同じように、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｓ、ＦＣＡＷ−Ｇ）で使用される電極もまた、シェルによって囲まれるコアを含む。すなわち、フラックス入りアーク溶接で使用されるコア電極は、上述の金属コア電極と同じように、少なくとも部分的に充填され金属製外側シースによって囲まれたコアを有する。しかしながら、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）と異なり、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）で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設計されたフラックス剤をさらに含む。フラックス入りアークに使用されるコア電極は、アーク安定性、溶接部のぬれおよび外観、ならびに望ましい物理的および機械的性質に役立つ他の有効成分をさらに含むことができる。１つの実施態様で、フラックス入りアーク電極は、コア中に存在する非金属成分の量によって金属コア電極と区別することができ、その合計濃度は各電極の総重量を基準として、５％未満、３％未満または１％未満とすることができる。
【００１９】
アーク安定性を制御するため、溶接金属組成物を修正するため、および大気汚染から保護するために、フラックス入り電極用の多数のフラックス剤組成物が開発されている。フラックス入り電極で、アーク安定性は、フラックスの組成を修正することによって制御することができる。結果として、フラックス混合物中にプラズマ電荷キャリアとして十分に機能する物質を有することが望ましい場合がある。いくつかの用途で、フラックスは、金属中の不純物をより容易に可溶化し、これらの不純物が結合し得る物質を提供することによって、溶接金属組成物を同様に修正することができる。他の材料は、スラグ融点を下げるため、スラグ流動性を改善するため、およびフラックス粒子に対する結合剤として機能するために、ときどき添加される。ＦＣＡＷで使用されるさまざまなワイヤは、いくつかの類似した特性、例えば、溶接部の上に保護スラグを形成すること、ドラグ角技法を使用すること、より高い溶着速度において所定の位置を外れてまたは平らで水平に溶接する能力を有すること、プレート上の比較的より多量の汚染物質を取り扱う能力を有することなどを共有することができる。他方、異なるタイプのフラックス入りアーク溶接工程、すなわち、図２Ａおよび２Ｂを参照して下により詳細に説明される、セルフ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。
【００２０】
図２Ａおよび２Ｂは、実施形態による、それぞれ、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工程およびＦＣＡＷ−Ｇ工程のために構成されたシステム２０Ａおよび２０Ｂを例示する。ＦＣＡＷ工程で、１つの電極４（例えば、アノード（＋）またはカソード（−）のうちの一方）に電気的に接続される、ＦＣＡＷ−Ｓワイヤ２６Ａ（図２Ａ）またはＦＣＡＷ−Ｇワイヤ２６Ｂ（図２Ｂ）と、別の電極（例えば、アノード（＋）およびカソード（−）のうちの他方）として機能する、ワークピース２との間に生成される電気アークによってプラズマ８が作り出される。その後、プラズマ８が持続し、それは、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または液滴と同様に、中性のおよびイオン化したガス分子を含有する。動作中、ＦＣＡＷ−Ｓワイヤ２６Ａ（図２Ａ）およびＦＣＡＷ−Ｇワイヤ２６Ｂ（図２Ｂ）は、ワークピース２に向かって進み、ワイヤからの溶融液滴がワークピース２上に溶着し、それにより、凝固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）と異なり、ＦＣＡＷ−Ｇシステム２０Ｂは、シールドガスノズル２９を通してプラズマ領域に放出するためにシールドガス２７を供給するためのシールドガス注入口２８を同様に含む。
【００２１】
図２Ａを参照すると、ＦＣＡＷ−Ｓ工程は、大気から溶融金属を保護するために、アーク自体の中で化学反応から作り出される保護スラグおよびガスを利用する。ＦＣＡＷ−Ｓワイヤ２６Ａのコア中のフラックス成分は、機能の中でも特に、溶融金属を脱酸および脱窒すること、同様にビードを成形し所定の位置を外れた溶融金属を保持し得る、保護スラグを形成すること、ならびに溶接ビード２４に合金元素を添加して望ましい性質を作り出し、さまざまな溶接特性（例えば、深い溶込み特性および高い溶着速度）に制御可能に影響を与えることを含む、多機能を果たす。
【００２２】
ある状況下では、実施形態によるＦＣＡＷ−Ｓ工程／システムは、スティック電極が使用される用途と類似または同じ用途に対して半自動工程を用いた比較的高い溶着速度性能に部分的に起因して、他の工程、例えば、スティック（すなわち、手動の）溶接と比較して生産性の向上を提供する。例えば、いくつかのＦＣＡＷ−Ｓは、特にシールドガスが風によって容易に吹き飛ばされ、ガスシールド工程を用いて結果として生じる溶接ビードにポロシティをもたらすことがある場合に、外部シールドガスを使用しない屋外溶接に適合している。しかしながら、実施形態はそのように限定されず、他のＦＣＡＷ−Ｓ工程は屋内溶接に適合していることがある。
【００２３】
実施形態によるいくつかのＦＣＡＷ−Ｓ工程は、ＤＣ−極性の下で行われる。実施形態によるいくつかのＦＣＡＷ−Ｓ工程は、金属の微細な溶滴から大きな溶滴に及ぶ、グロビュールアーク移行を有する。
【００２４】
図２Ｂを参照すると、ＦＣＡＷ−Ｇ工程は、大気からアークを保護するために、スラグ系および外部シールドガスの両方を使用する。使用され得るシールドガス例は、二酸化炭素（ＣＯ２）、例えば、本質的に純粋なＣＯ２またはＣＯ２と不活性ガスとの混合物、例えば、残りのＣＯ２と組み合わされた７５〜８５％のアルゴン（Ａｒ）を含む。ＦＣＡＷ−Ｓワイヤと同じように、ＦＣＡＷ−Ｇワイヤのコア成分は、スラグを作り出し、合金元素を溶接ビードに取り込み、溶接特性に影響を与えるように構成することができる。しかしながら、ＦＣＡＷ−Ｓワイヤと異なり、ＦＣＡＷ−Ｇワイヤは、主にまたは本質的にプラズマ領域の周りに放出される外部シールドガス２７を通して、大気からの溶融金属の保護を得ることができる。
【００２５】
さらに図２Ｂを参照すると、いくつかのＦＣＡＷ−Ｇ工程は、滑らかなスプレーアークを用いた小さな溶滴アーク移行を特徴とする。実施形態によるいくつかのＦＣＡＷ−Ｇ工程は、ＤＣ＋極性の下で行われる。いくつかのＦＣＡＷ−Ｇシステム／工程は、例えば、ＦＣＡＷ−Ｓ工程と比較して、より滑らかなアーク特性を有するので、屋内溶接により適合している。しかしながら、実施形態はそのように限定されず、いくつかのＦＣＡＷ−Ｇ工程は屋外溶接に適合していることがある。
【００２６】
アルミニウム含有溶接電極
本明細書に開示されるさまざまな実施形態は、上述のさまざまな溶接工程から結果として生じる溶接ビードのますます複雑で競合する特性に対処することを目指す。競合する特性は、特性の中でも特に、高靱性、例えば、低温における高靱性、靱性の小さな統計的散乱、低い高温割れ傾向、および低いポロシティを含む。さらに、これらの特性は、経済的考慮、例えば、消耗電極のコストによって制約される場合がある。これらのおよび他の必要性に対処するために、アルミニウム含有電極は、さまざまな実施形態によれば、コア電極である。
【００２７】
上述のように、コア電極は、具体的に選択された鉄および他の金属粉末および合金を有する粒子のコアを持つ、例えば鋼組成物で形成されたシースを有する複合電極である。安定剤およびアーク増進剤などの添加物は、製造中に容易に添加することができ、それによって溶接工により広い作業ウィンドウを提供することができる。
【００２８】
コア電極は、粒子または粉末を含み得るコアを持つ、連続的に送給される管状金属シースである。コアは、靱性および強度を向上させ、耐腐食性を改善し、アークを安定化させる元素と同様に、フラックス元素、脱酸剤および脱窒剤、ならびに合金材料を含み得る。上述のように、コア電極は、以下、すなわち、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）、セルフ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つとして分類することができる。
【００２９】
製造の柔軟性のために、業務が特別な電極を必要とするとき、コア電極は、ソリッド電極よりも経済的であり得る。製造工程は、鋼の特別な溶解液を生成する代わりに金属粉末を混合することを伴うので、少量生産がより容易であり、最小注文数量がはるかに少なくなる。結果として、コア電極は、特別注文されたソリッド電極よりも、短いターンアラウンド時間かつ低コストで生産することができる。したがって、以下に、シースによって囲まれたアルミニウム含有コアを含む電極ワイヤのさまざまな実施形態について説明する。
【００３０】
本明細書に開示されるさまざまな実施形態の１つの実施態様で、これらの競合する特性間のバランスは、結果として生じる溶接ビードが制御された量のオーステナイトを含有するように溶接ワイヤを構成することによって部分的に達成することができる。本明細書に記載される場合、制御された割合のＦＣＣオーステナイトを有する溶接ビードは、溶接ビードの重量で、２０％、３０％もしくは４０％よりも大きいパーセンテージを有する、またはこれらのパーセンテージで規定された範囲内のパーセンテージを有する、溶接ワイヤから形成された溶接ビードを意味する。発明者らは、有利には、制御された量の（例えば、重量で３０％を上まわる）オーステナイトを有すると、後述するように溶接ビード中の比較的高濃度のアルミニウムおよびさまざまな他の元素を用いて少なくとも部分的に達成されるとき、コスト制約条件と同様にさまざまな競合する技術ニーズ間のバランスを満たすことができることを見いだした。したがって、有利には、本明細書に開示される実施形態は、溶接ワイヤの総重量を基準として約４重量％〜約８重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）を含む電極、例えば、コア電極に関する。アルミニウム含有電極から結果として生じる溶接ビードは、特性の中でも特に、低いポロシティ、低温における高い破壊靱性および高温割れへの高い耐性を達成する。本明細書に記載される場合、高い破壊靱性は、関連業界で知られているシャルピー衝撃試験を使用して測定して、約２０、５０、１００、１５０または２００ｆｔ−ｌｂｓよりも大きい破壊靱性値を意味する。本明細書に記載される場合、低温破壊靱性は、約０°Ｆ、−２０°Ｆ、または−４０°Ｆより低い温度で測定された破壊靱性を意味する。
【００３１】
図３Ａ〜３Ｄは、実施形態による、シース３４によって囲まれたアルミニウム含有コア３８ａ〜３８ｄを含み、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、溶接電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄを概略的に例示する。溶接電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは、第１のベース金属組成物を有するシース３４とシース３４によって囲まれるコア３８ａ〜３８ｄとを含み、ここでコア３８ａ〜３８ｄは、第２のベース金属組成物および後述するさまざまな他の元素を含み、その組み合わせは、制御された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適合される。特に、コア３８ａ〜３８ｄは、溶接ワイヤの総重量を基準として約４重量％〜約８重量％の間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ている。さまざまな実施形態で、シース３４の第１のベース金属およびコア３８ａ〜３８ｄの第２のベース金属の組成は同じであるのに対して、他の実施形態では、第１のベース金属および第２のベース金属の組成は異なる。
【００３２】
電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのさまざまな実施形態で、第１および第２のベース金属組成物のうちの一方または両方は、鋼組成物を含む。いくつかの実施形態で、ベース金属組成物は炭素鋼組成物とすることができる。非限定的な炭素鋼組成物例は、Ｆｅと、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＣ、約０．１重量％〜約１．５重量％の間の濃度のＳｉ、約０．５重量％〜約５重量％の間の濃度のＭｎ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の間の濃度のＳ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の間の濃度のＰ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＴｉ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＺｒ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＡｌおよび約０．１重量％〜約１重量％の間の濃度のＣｕのうちの１つまたは複数とを含む。
【００３３】
いくつかの他の実施形態で、第１および第２のベース金属組成物のうちの一方または両方は低炭素鋼組成物とすることができる。いくつかの非限定的な実施例は、約０．１０重量％未満の濃度のＣおよび最大約０．４重量％までの濃度のＭｎを有する組成物、ならびに約０．３０重量％未満の濃度のＣおよび最大約１．５重量％までの濃度のＭｎを有する組成物を含む。
【００３４】
いくつかの他の実施形態で、第１および第２のベース金属組成物のうちの一方または両方は低合金鋼組成物とすることができる。いくつかの非限定的な組成物例を提供するために、低合金鋼組成物は、Ｆｅと、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＣ、約０．１重量％〜約１．０重量％の間の濃度のＳｉ、約０．５重量％〜約５重量％の間の濃度のＭｎ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の間の濃度のＳ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の間の濃度のＰ、約０．０１重量％〜約５重量％の間の濃度のＮｉ、約０．１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＣｒ、約０．１重量％〜約１重量％の間の濃度のＭｏ、約０．００１重量％〜約０．１重量％の間の濃度のＶ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＴｉ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＺｒ、約０．０１重量％〜約０．５重量％の間の濃度のＡｌおよび約０．１重量％〜約１重量％の間の濃度のＣｕのうちの１つまたは複数とを含む。
【００３５】
いくつかの他の実施形態で、第１および第２のベース金属組成物のうちの一方または両方はステンレス鋼組成物とすることができる。いくつかの非限定的な組成物例を提供するために、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％の間の濃度のＣ、約０．１重量％〜約５．０重量％の間の濃度のＳｉ、約１０重量％〜約３０重量％の間の濃度のＣｒ、約０．１重量％〜約４０重量％の間の濃度のＮｉ、約０．１重量％〜約１０重量％の間の濃度のＭｎ、約０．００１重量％〜約０．０５重量％の間の濃度のＳおよび約０．００１重量％〜約０．０５重量％の間の濃度のＰのうちの１つまたは複数とを含む。
【００３６】
いずれの理論にも束縛されることなく、上記の第１および／または第２に取り込まれたさまざまな元素は、いくつかの実施例を提供するために本明細書で論じるように、鋼溶接において特定の利点を提供することができる。例えば、以下にさらに論じるように、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化させるのに役立つことができ、それは次に、強度および延性の指標となり得る、溶接物における破壊靱性を改善することができる。マンガンはさらに、溶接部から酸素を除去し溶接金属のポロシティを低減させる脱酸剤として機能することができる。銅は、製造工程の一部として意図的に添加することができ、（銅被覆の場合）導電性の改善、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。
【００３７】
いずれの理論にも束縛されることなく、以下にさらに論じるように、アルミニウム、ケイ素、クロムおよびモリブデンは、フェライト安定化元素として機能することができ、それは次に、溶接物の高温割れ性能を改善することができる。ケイ素は同様に、溶接物から酸素を除去する脱酸剤として機能し、溶接金属のポロシティを低減させることができる。一般に、金属中のケイ素のレベルが高いほど、溶接パドルは流動的になる。ケイ素の添加は、同様に、引張強度および降伏強度を向上させることができる。クロムは同様に、耐腐食性を改善することができる。モリブデンは同様に、溶接部が応力除去溶接後熱処理を受けるときでさえも、強度を付加し衝撃性質を改善することができる。
【００３８】
いずれの理論にも束縛されることなく、リンは、溶接割れの一因となり得るので、一般に溶着物に望ましくない。硫黄は同様に、溶接性のため一般に望ましくなく、溶接割れの一因となり得る。しかしながら、限定された量で、硫黄またはリンは、溶接パドルの流動性およびぬれを改善することができる。
【００３９】
いずれの理論にも束縛されることなく、チタンは、フェライト安定化元素として、ならびに脱酸剤および／または脱窒剤として機能することができる。ジルコニウムは、脱酸剤として機能することができる。
【００４０】
本明細書に記載の溶接プロセスおよび／または溶接ビードのさまざまな有利な特性を達成するために、実施形態によれば、溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは、比較的大量のアルミニウム（Ａｌ）およびマンガン（Ｍｎ）を有するコア３８ａ〜３８ｄを含む。さまざまな実施形態で、コア３８ａ〜３８ｄは、実施形態によれば、溶接ワイヤの総重量を基準として、約１重量％〜約２０重量％の間、約２重量％〜約１５重量％の間、約３重量％〜約１０重量％の間、約４重量％〜約８重量％の間、またはこれらの値のいずれかで規定された範囲内の濃度、例えば約５重量％の濃度のＡｌを含む。コア３８は、溶接ワイヤの総重量を基準として、約１重量％〜約６０重量％の間、約５重量％〜約４０重量％の間、約１０重量％〜約３０重量％の間、またはこれらの値のいずれかで規定された範囲内の濃度、例えば約１８重量％の濃度のマンガン（Ｍｎ）をさらに含む。いくつかの実施形態で、溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄは、Ａｌ濃度が約３重量％〜２０％の間でありＭｎ濃度が約１０％〜６０％の間であるか、Ａｌ濃度が約８重量％〜２０％の間でありＭｎ濃度が約３０％〜６０％の間であるか、Ａｌ濃度が約９重量％〜２０％の間でありＭｎ濃度が約３５％〜６０％の間であるか、またはＡｌ濃度が約１０重量％〜約２０％の間でありＭｎ濃度が４０％〜約６０％の間である、濃度の組み合わせを有するコア３８ａ〜３８ｄを含む。
【００４１】
さまざまな実施形態で、Ａｌおよび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化形態である。例えば、合金化形態のとき、Ａｌおよび／またはＭｎは、金属合金化合物、例えば、金属合金化合物の中でも特に、ＭがＡｌまたはＭｎである場合、ＡｌＭｇ、ＡｌＳｉ、ＡｌＺｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＭｎＳｉ、またはＭｎＳｉなどの、ＭＭｇ、ＭＳｉ、ＭＺｒ、ＭＦｅの一部として存在し得る。いずれの理論にも束縛されることなく、本明細書に開示される量でのコア３８ａ中のＡｌの存在は、単独で、または他の元素と組み合わせて、結果として生じる溶接ビードにおけるさまざまな利点を提供することができる。例えば、Ｃｒと同じように、開示された範囲内で存在するとき、Ａｌは、結果として生じる溶接物の優れた耐酸化性を有利に提供することができる。
【００４２】
加えて、本明細書に記載の特定の量でのＡｌは、単独で、または他の元素と組み合わせて、結果として生じる溶接物における比較的低いポロシティを有利に提供することができ、それによって、より広いプロセスウィンドウを提供することができ、例えば、より広範囲の溶着速度を提供することができる。
【００４３】
加えて、本明細書に記載の特定の量でのＡｌは、単独で、または他の元素と組み合わせて、実施形態によれば、結果として生じる溶接ビードが、溶接ビードの総重量を基準として、ゼロ重量％よりも大きく約１重量％未満、ゼロ重量％よりも大きく約０．５重量％未満、またはゼロ重量％よりも大きく約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）を含むように、脱酸剤および／または脱窒剤として機能することができる。
【００４４】
本明細書に記載される場合、オーステナイトは、最大約２％まで溶解炭素を含有し得る、鉄原子構造の面心立方（ＦＣＣ）相を意味する。本明細書に記載される場合、フェライトは、典型的には室温で０．０００１％の、極めて少ない炭素しか保持できない、鉄の体心立方（ＢＣＣ）相を意味する。それは、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。発明者らは、本明細書に記載のさまざまな望ましいビード特性と関連付けることができる、制御され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、本明細書に記載のように、単独で、またはさまざまな他の元素と組み合わせて比較的大量のＡｌを有することによって実現され得ることを認めた。例えば、いずれの理論にも束縛されることなく、比較的高いフェライト含有量は、比較的優れた高温割れまたは凝固割れ性能と関連付けられるが、比較的貧弱な低温破壊靱性と関連付けられることがあるので、溶接ビード中に制御された量のＦＣＣおよびＢＣＣ相を有することが望ましいことがある。対照的に、比較的低いフェライト含有量は、比較的貧弱な高温割れまたは凝固割れ性能と関連付けられるが比較的優れた低温破壊靱性と関連付けられることがある。本明細書に記載される場合、溶接研究評議会（Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｕｎｃｉｌ）（ＷＲＣ）、米国溶接協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）（ＡＷＳ）、および他の政府機関によって採用された、値が１〜１２５に及ぶ、フェライト番号（ＦＮ）として知られる標準化された表現が、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る。
【００４５】
発明者らは、Ａｌが比較的高い濃度で存在するとき、鉄のＢＣＣ相、またはフェライトに対する安定剤であり得ることを認めた。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、本明細書に開示されるさまざまな実施形態で、ＡｌのＢＣＣ安定化効果は、以下に説明するように、鉄中の１つまたは複数の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を使用して少なくとも部分的に相殺することができる。
【００４６】
特に、いずれの理論にも束縛されることなく、本明細書に記載の特定の量のＭｎにより、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て、ＦＣＣおよびＢＣＣ相の量のバランスをとることができ、比較的大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より低い温度で測定されるとき、シャルピー衝撃試験を使用して測定された、例えば、約２０、５０、１００、１５０または２００ｆｔ−ｌｂｓよりも大きい、比較的高い破壊靱性を有する溶接ビードを作り出すことができる。加えて、本明細書に記載の特定の量のＭｎにより、測定された破壊靱性値において比較的低い散乱を持つ溶接ビードを作り出すことができる。例えば、ある状況下では、測定された破壊靱性値は、高靱性分布および低靱性分布を有する双峰分布を示す。実施形態によれば、測定されたデータ点のうち８０％または９０％よりも多くが高靱性分布に含まれ、一方残りのデータ点は低靱性分布に含まれる。
【００４７】
ある状況下では、発明者らは、溶接ワイヤの総重量を基準として、約２０重量％、約１５重量％、または約１０重量％を超えないＡｌの濃度を有することが重要であり得ることを見いだした。加えて、Ｍｎの濃度が、溶接ワイヤの総重量を基準として、約１重量％、約５重量％または約１０重量％を超えることが重要であり得る。加えて、ある状況下では、発明者らは、溶接ワイヤの総重量を基準として、約１重量％、約２重量％、または約３重量％を超えるＡｌの濃度を有することが重要であり得ることを見いだした。加えて、Ｍｎの濃度が、溶接ワイヤの総重量を基準として、約３０重量％、約４０重量％または約５０重量％を超えないことが重要であり得る。ＡｌおよびＭｎの濃度の組み合わせが説明したように制御されるとき、高い破壊靱性、低いポロシティおよび高温割れへの耐性を含む、望ましい特性の組み合わせを達成することができる。
【００４８】
加えて、いくつかの実施形態で、コアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのコア３８ａ〜３８ｄは、溶接ワイヤの総重量を基準として、ゼロ重量％よりも大きく約５０重量％未満、ゼロ重量％よりも大きく約２０重量％未満、またはゼロ重量％よりも大きく約１０重量％未満、例えば約２重量％の濃度のニッケル（Ｎｉ）をさらに含む。いくつかの実施形態で、コアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのコア３８ａ〜３８ｄは、溶接ワイヤの総重量を基準として、ゼロ重量％よりも大きく約１０重量％未満、ゼロ重量％よりも大きく約５重量％未満、またはゼロ重量％よりも大きく約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つまたは複数をさらに含む。
【００４９】
いくつかの実施形態で、コアワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのコア３８ａ〜３８ｄは、溶接ワイヤの総重量を基準として、ゼロ重量％よりも大きく約５重量％未満、ゼロ重量％よりも大きく約２．５重量％未満、またはゼロ重量％よりも大きく約１重量％未満、例えば約０．２重量％の濃度の炭素（Ｃ）をさらに含む。いくつかの実施形態で、コアワイヤ３０Ａのコア３８は、溶接ワイヤの総重量を基準として、ゼロ重量％よりも大きく約４重量％未満、ゼロ重量％よりも大きく約２重量％未満、またはゼロ重量％よりも大きく約１重量％未満、例えば約０．２重量％の濃度の窒素（Ｎ）をさらに含む。
【００５０】
いくつかの実施形態で、さまざまな元素の特定の組み合わせを有するコア３８ａ〜３８ｄは、上述のさまざまな望ましい属性をもたらす。特に、発明者らは、溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのコア３８ａ〜３８ｄが、効果の中でも特に、溶接物中のＦＣＣ相を安定化させるのに集合的に役立つことができる、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、ＣｕおよびＣｏの組み合わせを含むことを見いだした。特に、発明者らは、ＦＣＣ安定化元素の量の尺度が、次式
Ｎｉｅｑ＝２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋２０［Ｎ］＋０．３［Ｃｕ］＋０．３［Ｃｏ］    ［１］
で記述される、当量ニッケル濃度、Ｎｉｅｑによって表現され得ることを見いだした。さまざまな実施形態で、Ｎｉｅｑは、約１０重量％〜約８０重量％の間、約２０重量％〜約７０重量％の間、または約３０重量％〜約６０重量％の間であり、式中［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］で、元素の比率は、実施形態によれば、＋／−２０％、１０％または５％の範囲内で変化し得る。例えば、マンガンのニッケルに対する比率は、２．０＋／−０．４、２．０＋／−０．２または２．０＋／−０．１であり得る。
【００５１】
上述のように、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、ＣｕおよびＣｏを含むさまざまなオーステナイト安定化元素は、特性の中でも特に、結果として生じる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、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのコア３８ａ〜３８ｄは、それぞれ、いずれの理論にも束縛されることなく、フェライト相を安定化させるのに有効であり得る元素をさらに含み得る。したがって、いくつかの実施形態で、電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのコア３８ａ〜３８ｄは、実施形態によれば、溶接ビードのフェライト安定化元素の総濃度が０重量％よりも大きく約２０重量％未満、０重量％よりも大きく約１０重量％未満、または０重量％よりも大きく約５重量％未満であるように、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（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フェライト安定化元素のうちの１つまたは複数をさらに含む。
【００５２】
したがって、本明細書に記載されるコア電極ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄのさまざまな実施形態で、コア３８ａ〜３８ｄはアルミニウムを含む。加えて、コア３８ａ〜３８ｄは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、Ｎ、Ｃｕ、およびＣｏからなる群から選択される１つもしくは複数のオーステナイト安定化元素ならびに／またはＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＷからなる群から選択される１つもしくは複数のフェライト安定化元素を含み得る。
【００５３】
実施形態によれば、溶接ワイヤの総重量を基準とした上述の濃度は、０．０４５インチ（１．１ｍｍ）〜０．０６８インチ（１．７ｍｍ）の間、０．０４５インチ（１．１ｍｍ）〜３／３２インチ（２．４ｍｍ）の間、または０．０５２インチ（１．４ｍｍ）〜０．０６８インチ（１．７ｍｍ）の間の外径（ＯＤ）を有するように金属コア電極３０Ａ／３０Ｂ／３０Ｃ／３０Ｄを構成することによって少なくとも部分的に達成することができる。
【００５４】
実施形態によれば、上述の濃度は、金属コア電極ワイヤ３０Ａ／３０Ｂ／３０Ｃ／３０Ｄの総重量を基準として、コアの内容物が約１重量％〜約８０重量％の間、約１０重量％〜約５０重量％の間、または約１５重量％〜約３０重量％の間を占めるように、コア３８ａ／３８ｂ／３８ｃ／３８ｄ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達成することができる。
【００５５】
実施形態によれば、本明細書に開示されるさまざまな実施形態は、金属コア（ＧＭＡＷ−Ｃ）電極、セルフ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）電極のうちのいずれか１つのために最適化することができる。
【００５６】
上記で、コア電極３０Ａ〜３０Ｄの実施形態は、コア３８ａ〜３８ｄの構造に対する特定の言及なく説明されてきた。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るコア３８ａを有し得る。以下に、図３Ｂ〜３Ｄを参照して、異なって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、各コア３８ｂ、３８ｃ、３８ｄは、上述のさまざまな元素および上述のような第２のベース金属組成物を含む粒子で少なくとも部分的に充填され、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合される。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を含むコア電極中の粒子は、一般に、酸化物またはフッ化物粒子などの、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を含み、結果として生じる溶接ビードの表面にスラグの比較的小さい島を作り出すように構成される。しかしながら、実施形態はそのように限定されず、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形であってもよい。
【００５７】
図３Ｂの例示された実施形態で、粒子３２は、組成が実質的に均一である。すなわち、各粒子３２は、上述の鋼組成物のうちのいずれか１つを含む第２のベース金属と、アルミニウムとを含有する。各粒子は、上述のように、１つもしくは複数のオーステナイト安定化元素および／または１つもしくは複数のフェライト安定化元素を同様に含み得る。例示された構成は、例えば粒子３２が同じ合金インゴットから作り出されるとき、結果として生じ得る。
【００５８】
さらに図３Ｂを参照すると、粒子３２は、第２のベース金属組成物およびアルミニウムの合金で形成される。含まれるとき、粒子３２は、第２のベース金属組成物ならびに１つもしくは複数のオーステナイト安定化元素および／または１つもしくは複数のフェライト安定化元素の合金で形成される。例えば、Ａｌならびに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つもしくは複数、および／または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つもしくは複数の原子は、第２のベース金属組成物の格子（例えば、鋼組成物の体心立方格子または面心立方格子）に、例えば、置換型および／または侵入型で、固溶させるか、または直接取り込むことができる。Ａｌ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、同様に、第２のベース金属組成物のマトリクス内で、クラスタ化され、例えば、析出物を形成することができる。しかしながら、実施形態はそのように限定されず、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のうちの１つまたは複数の原子が、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、フッ化物および酸化物の形で第２のベース金属組成物に取り込まれる、代替実施形態が可能である。
【００５９】
ここで図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、粒子３６ａ、３６ｂは異なる元素を含有する。いくつかの他の実施形態で、粒子３６ａ、３６ｂは、構成不純物の１つまたは複数を異なる濃度で同じ元素を含有する。以下に、異なる組成を有する２つの粒子３６ａ、３６ｂが例示されるが、各粒子が異なる組成を有する、１つまたは複数の追加の粒子が含まれてもよい。
【００６０】
溶接ワイヤ電極３０Ｃで、粒子３６ａ、３６ｂ、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のうちの１つまたは複数は、異なる原子結合形態で存在し得る。いくつかの実施形態で、Ａｌならびに不揮発性オーステナイト安定化元素（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃ、ＣｕおよびＣｏ）のうちの１つもしくは複数、および／または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つもしくは複数は、純元素形態で粒子３６ａ、３６ｂ中に存在し得る。これらの実施形態で、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のうちの１つまたは複数は、ベース金属組成物との機械的混合物で存在し得る。いくつかの他の実施形態で、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のうちの１つまたは複数の原子は、粒子３６ａ、３６ｂ中のベース金属組成物の原子と合金化される。いくつかの他の実施形態で、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のうちの１つまたは複数は、ベース金属組成物のマトリクス内で、粒子３６ａ、３６ｂ中に、例えば、析出物の形で、クラスタ化される。これらの実施形態で、析出物のコアは、純元素を含むのに対して、析出物の外表面は、マトリクスの原子と結合される。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のうちの１つまたは複数が、ベース金属組成物と混合物、例えば、機械的混合物を形成する非金属化合物、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、フッ化物および酸化物を形成する、さらに別の実施形態が可能である。
【００６１】
さらに図３Ｃを参照すると、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、すべての粒子３６ａ、３６ｂは、第２のベース金属組成物（例えば、上述の鋼組成物のいずれか）と、Ａｌならびに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つもしくは複数および／または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つもしくは複数とを含むが、それらを異なる濃度で含む。いくつかの他の実施形態で、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およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方を含まず第２のベース金属組成物を含み、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およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方を含む。いくつかの他の実施形態で、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およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方を含んで第２のベース金属組成物を含まず、一方、他の粒子３６ｂは、第２のベース金属組成物ならびにオーステナイト安定化元素およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方をともに含む。いくつかの他の実施形態で、いくつかの粒子３６ａは、第２のベース金属組成物を含んでオーステナイト安定化元素およびフェライト安定化元素のうち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およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方を含んで第２のベース金属組成物を含まない。いくつかの他の実施形態で、いくつかの粒子３６ａは、オーステナイト安定化元素およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方を含んで第２のベース金属組成物を含まず、一方、他の粒子３６ｂは、オーステナイト安定化元素およびフェライト安定化元素のうちの一方または両方を含まず第２のベース金属組成物を含む。いくつかの他の実装で、すべての粒子３６ａ、３６ｂがオーステナイト安定化元素およびフェライト安定化元素の一方または両方を異なる濃度で含む一方、第２のベース金属組成物を含む粒子はない。
【００６２】
図３Ａ〜３Ｃに関して上記で、溶接ワイヤ電極３０Ａ〜３０Ｃは、例えば、ＧＭＡＷ−ＣまたはＦＣＡＷの間での、異なる溶接工程に対する特定の適合性について特定の言及なく説明されてきた。上述のように、金属コア電極（ＧＭＡＷ−Ｃ）と異なり、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）で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設計されたフラックス剤をさらに含む。フラックス剤は、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）用のスラグを形成する。ＦＣＡＷでは、フラックスの材料が最終的な溶接ビードに取り込まれるように意図されない。その代わりに、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み得ない一方、ＦＣＡＷのために構成された溶接ワイヤはフラックス剤を含む。
【００６３】
金属コア電極およびフラックス入り電極は結果として生じるビード特性に基づいてさらに区別可能であることを理解されたい。さまざまな実施形態によれば、本明細書に記載の金属コア電極は、結果として生じる溶接ビードの表面にスラグの島を作り出す。対照的に、フラックス入り電極は、結果として生じる溶接ビードの表面の広範囲にわたるスラグ被覆を作り出す。例えば、金属コア電極によって作り出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、フラックス入り電極によって作り出されるスラグは、溶接ビードの表面積の５０％、７０％、または９０％よりも多くを覆うことができる。以下に、ＦＣＡＷ−ＳおよびＦＣＡＷ−Ｇを含む、フラックス入り電極のコアに存在するとき、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のうちの１つまたは複数の量および配置がより有利であり得る実施形態について説明する。
【００６４】
図３Ｄは、ＦＣＡＷ中に電極として機能するように構成された、溶接ワイヤ電極３０Ｄの略図である。図３Ｃに関して上述した電極ワイヤ３０Ｃと同じように、溶接ワイヤ３０Ｄは、上述の鋼組成物のうちのいずれか１つを含み得る第１のベース金属で形成されたシース３４を含む。溶接ワイヤ３０Ｄは、図３Ｂの粒子３２または図３Ｃの粒子３６ａ、３６ｂに関して上述した構成のいずれか１つまたは組み合わせによる、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をさらに含む。加えて、図３Ｄの例示された実施形態で、溶接ワイヤ電極３０Ｄのコア３８ｄは、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。
【００６５】
いずれの理論にも束縛されることなく、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、スラグの性質を修正してビードの形状を改善することができ、例えば、形成された溶接ビード上のガストラッキングの傾向を低減させることができる。例えば、芋虫に似たクレータが溶接ビードの表面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、フラックス剤が存在するとき低減され得る。いずれの理論にも束縛されることなく、例えば、スラグが溶融池よりもはるかに速く凝固する高速凝固スラグ系（ルチル系）で、ガストラッキングが観察されることがある。スラグの急速な凝固に起因して、溶融溶接部から発生するガスは、部分的に捕捉され、したがって溶接ビード表面にクレータを形成する。
【００６６】
いずれの理論にも束縛されることなく、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は、同様に、スラグの融点を引き下げることができる。スラグの融点がより低いことによって、スラグをより長時間溶融したままにすることが可能になり、それによりガスが溶融溶接部から発生しスラグに溶けるための時間をより長くすることが可能になる。スラグ中にフッ素を含むことによって、ＨＦの形成を同様に促進することができ、それにより溶接部からの水素が低減し、それによって溶接システム中の水素の分圧が減少し、ガストラッキングの発生が低減する。
【００６７】
溶接ワイヤがＦＣＡＷ−Ｓ工程に特に適合している特定の実施形態で、アルミニウム脱酸剤および脱窒剤に基づくスラグ系は、特に有益であり得る。これらの実施形態で、アルミニウムは溶融池に入り、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。融解温度の高い酸化アルミニウムは、フラックス中の融解温度の低い元素と組み合わせて、効果的なスラグ系を形成することができる。酸化アルミニウムを含むスラグ元素は、溶接中に溶解して溶融池の最上部に浮上することができ、大気汚染から工程を保護することができる。
【００６８】
ＦＣＡＷ−Ｓは窒素に対して比較的高い許容性を有し、スラグ系によりこれが可能となる。アルミニウム分子は酸素および窒素原子を引きつけ、それらが結びついて酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムを形成する。このように形成された高融点（すなわち、高速凝固）および軽量の酸化アルミニウム系スラグ系は、溶接部表面にすばやく浮上する。事実上、スラグ系は、酸素および窒素−潜在的汚染物質−を、溶接部を保護する化合物に変換する。
【００６９】
多くのＦＣＡＷ−Ｓワイヤは、塩基性系または酸性系を使うことができる。塩基性系で、フッ素含有化合物は、アルミニウム化合物とともに働く。他方、酸性系では、酸化鉄を使うことができる。塩基性系は、溶接金属をきれいにするより良い仕事をし、低温靱性および他の厳しい機械的性質要件を満たして、構造的に重要な仕事に適している傾向がある。酸性系は、滑らかな高速溶接を促進する。これは、いずれの理論にも束縛されることなく、溶接中に分子がイオン化され、特定のスラグ系が異なるレベルの熱と関連付けられてイオン化を成し遂げるためである。フッ化物系で、比較的大量の熱がフッ化物結合を形成するために分子を壊すことに投入される。他方、比較的少量の熱が酸性の酸化物系分子を壊すために使用される。速い反応は、高速スラグ凝固および、究極的には、高い溶着速度につながる。
【００７０】
いくつかの実施形態で、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。
【００７１】
本明細書に開示されるいくつかの実施形態で、非金属粒子３６ｃの一部として含まれるとき、電極ワイヤ中のフッ素（Ｆ）の濃度は、電極ワイヤの総重量を基準として、ゼロよりも大きいが約５重量％未満、ゼロよりも大きいが約１．５重量％未満、またはゼロよりも大きいが１．０重量％未満、例えば約０．１重量％とすることができる。
【００７２】
非金属粒子３６ｃの一部として含まれるとき、フッ素含有粒子が、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、ポリ四フッ化エチレン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）など）、Ｎａ２ＳｉＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６、Ｎａ３ＡｌＦ６および／またはＫ３ＡｌＦ６などの、非重合体または無機のフッ素含有化合物を含む、他の実施形態が可能である。しかしながら、他のまたはさらなるフッ素含有化合物が使用され得ることを理解されたい。
【００７３】
非フッ素含有非金属粒子３６ｃの実施例は、実施形態によれば、遷移金属酸化物、例えば、酸化チタン（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、カリウムシリコ−チタネート、ナトリウムシリコ−チタネートなど）を含む。一般に、両方ともが含まれるとき、非フッ素含有粒子の重量パーセントは、例えば、約０．５〜１０：１、典型的には約０．５〜５：１、およびより典型的には約０．７〜４：１の間の比率で、フッ素含有化合物の重量パーセントよりも大きい。
【００７４】
アルミニウム含有溶接電極を使用して形成された溶接物例
上述のさまざまな溶接ワイヤを使用して、特定の組成を有する溶接ビードを形成することができ、その組成は、溶接ワイヤの組成と比較して実質的に同じであっても実質的に異なっていてもよい。さまざまな実施形態で、溶接ワイヤ（例えば図３Ａ〜３Ｄの溶接ワイヤ３０Ａ〜３０Ｄ）を使用して形成された溶接ビード（例えば、図２Ａ、２Ｂの溶接ビード２４）は、約５０重量％〜約８５重量％の間の濃度の鉄（Ｆｅ）および約４重量％〜約８重量％の間の濃度のアルミニウム（Ａｌ）、または上述の溶接ワイヤのいずれかの濃度のＦｅおよび／もしくはＡｌを有する。加えて、溶接ビードは、図３Ａ〜３Ｄに関して上述したような溶接ワイヤの対応する濃度と実質的に同じ濃度で、Ａｌならびに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つもしくは複数および／または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つもしくは複数を含む。さまざまな実施形態に従って本明細書で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た溶接物は、さまざまな実施形態によれば、１〜１２５の間、２〜２０の間、２０〜４０の間、４０〜６０の間、６０〜８０の間、８０〜１００の間、１００〜１２０の間、１２０〜１４０の間、またはこれらの値のいずれかで規定された範囲内の値であるフェライト番号を有する。
【００７５】
図４Ａは、実施形態による、フラックス入り電極ワイヤ〜作り出されたさまざまなフェライト番号を有する試作溶接物に関するニッケル当量対アルミニウム含有量を例示するグラフ４０である。試作溶接物は、それぞれ、４．８重量％、４．９重量％、５．０重量％および５．９重量％のアルミニウム含有量、ならびに、それぞれ、４９重量％、４１重量％、３６重量％および３５重量％の上記の式［１］による対応するＮｉｅｑを有する、第１〜第４の組成物４２、４４、４６および４８を含む。
【００７６】
図４Ｂ、４Ｃ、４Ｄおよび４Ｅは、それぞれ、第１、第２、第３および第４の組成物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を例示する。
【００７７】
アルミニウム含有溶接電極を使用するために構成された溶接システム
図５は、実施形態による、オープンアーク溶接の場合に〜３０ｌｂｓ／ｈｒまたはより高い速度で溶接金属を溶着させるための上に論じた溶接電極とともに使用するために構成された溶接システム５０を例示する。特に、アーク溶接システム５０は、実施形態によれば、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＦＣＡＷ−Ｇ、ＧＴＡＷ、ＳＡＷ、ＳＭＡＷ、またはアルミニウム含有コアを含む溶接電極を使用可能な類似のアーク溶接工程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に詳細に描写されるように、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に電気的に結合され、第２の電極として機能するワークピース５７にさらに電気的に結合される。溶接ワイヤドライブは、溶接ガン５９に結合され、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。いくつかの実装で、溶接電源５２は、同様に、溶接ガン５９に結合して電力を直接供給することができる。
【００７８】
例示的な目的で、図５は、オペレータが溶接トーチを操作する半自動溶接構成を示していることを理解されたい。しかしながら、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で有利に使用することができる。
【００７９】
溶接電源５２は、交流電源（例えば、ＡＣ送電網、エンジン／発電機セット、またはそれらの組み合わせ）から入力電力を受け取り、入力電力を整え、ＤＣまたはＡＣ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に給電することができ、それは次に、溶接ガン５９に給電する。溶接電源５２は、ＡＣ入力電力をＤＣ正もしくはＤＣ負出力、ＤＣ可変極性、パルスＤＣ、または可変平衡（例えば、平衡または不平衡）ＡＣ出力に変換するように構成された、回路素子（例えば、変圧器、整流器、スイッチなど）を含み得る。約３０ｌｂｓ／ｈｒを超える速度での溶接金属溶着を達成することができるように、溶接電源５２は、約１００アンペア〜約１０００アンペアの間、または約４００アンペア〜約８００アンペアの間の出力電流を提供するように構成されることを理解されたい。
【００８０】
シールドガス供給部５８は、実施形態によれば、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ガン５９まで供給するように構成される。本明細書で使用される場合、シールドガスは、（例えば、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限定、金属表面のぬれの改善、溶着物の化学的性質の改変などのために）特定の局所雰囲気を提供するためにアークおよび／または溶融池に供給され得る任意のガスまたはガスの混合物を意味することができる。ある特定の実施形態で、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（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）、類似の適切なシールドガス、またはそれらの任意の混合物）とすることができる。例えば、シールドガス流は、いくつか例を挙げると、Ａｒ、Ａｒ／ＣＯ２混合物、Ａｒ／ＣＯ２／Ｏ２混合物、Ａｒ／Ｈｅ混合物を含み得る。
【００８１】
ワイヤドライブ５４は、ワイヤ送給の開始、停止、および速度について良好に制御するための永久磁石モータを含み得る。約３０ｌｂｓ／ｈｒを超える高い溶接金属溶着速度を可能にするために、ワイヤドライブ５４は、約５０インチ毎分（ｉｐｍ）〜約２０００ｉｐｍの間、約４００ｉｐｍ〜約１２００ｉｐｍの間、または約６００ｉｐｍ〜約１２００ｉｐｍの間のワイヤ送給速度を提供するように構成される。
【００８２】
動作中、溶接ガン５９は、ワイヤドライブ５４からの溶接電極、溶接ワイヤドライブ５４からの電力、およびシールドガス供給部５８からのシールドガス流を受け取って、ワークピース５７上でアーク溶接を行う。溶接ガン５９は、図１に関して上述したように、消耗溶接電極とワークピース５７との間にアークが形成されるように、ワークピース５７に十分に近づけられる。上に論じたように、溶接電極の組成を制御することによって、アークおよび／または結果として生じる溶接部の化学的性質（例えば、組成および物理的特性）を変化させることができる。
【００８３】
アルミニウム含有溶接電極を使用するための溶接方法
図６を参照すると、金属アーク溶接の方法６０について説明されている。方法６０は、溶接中に溶接金属の源として機能するように構成された溶接ワイヤを提供するステップ６２を含む。溶接ワイヤは、鋼組成物を有するシースとシースによって囲まれるコアとを含む。コアは、溶接ワイヤの総重量を基準として約４重量％〜約８重量％の間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ている。方法６０は、溶融溶接ワイヤの液滴の安定した流れを作り出すのに十分なエネルギーを印加するステップ６４をさらに含む。方法６０は、２５ポンド毎時を超える溶着速度でワークピース上に溶融液滴を溶着させるステップ６６をさらに含む。特定の実施形態で、溶着させるステップ６６は、例えば、図２Ａ、２Ｂに関して上述したようなシールドガスがないセルフシールドフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）工程下で溶着させるステップを含む。
【００８４】
方法６０で、消耗溶接ワイヤを提供するステップ６２は、例えば、図３Ａ〜３Ｄに関して上述した任意の溶接ワイヤを提供するステップを含む。
【００８５】
方法６０で、電流を印加するステップ６４は、いくつかの実施形態によれば、プラズマ不安定性事象の平均数が約１０事象毎秒未満に維持されるように、約３００アンペア〜約６００アンペアの間、約４００アンペア〜約７００アンペアの間、または約５００アンペア〜約８００アンペアの間の平均電流を印加するステップを含む。いくつかの他の実施形態によれば、電流を印加するステップ６４は、約４００アンペア〜約７００アンペアの間、約５００アンペア〜約８００アンペアの間、または約６００アンペア〜約９００アンペアの間のピーク電流を印加するステップを含む。
【００８６】
ある特定の実施形態について本明細書で説明してきたが、これらの実施形態は、ただ例として提示されたものであり、本開示の適用範囲を限定するように意図されるものではない。実際に、本明細書に記載の新規な装置、方法、およびシステムは、さまざまな他の形態で実施することができ、さらに、本開示の趣旨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においてさまざまな省略、置換、変更を行うことができる。上述のさまざまな実施形態の元素および作用の任意の適切な組み合わせを組み合わせてさらなる実施形態を提供することができる。添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物は、本開示の適用範囲および趣旨に含まれるそのような形態または修正形態を包含するように意図される。
【符号の説明】
【００８７】
２  ワークピース
８  プラズマ
２４  溶接ビード
２６Ａ  ＦＣＡＷ−Ｓワイヤ
２６Ｂ  ＦＣＡＷ−Ｇワイヤ
２７  シールドガス
３０Ａ〜３０Ｄ  溶接電極ワイヤ
３４  シース
３８ａ〜３８ｄ  コア
６０  方法
６２  消耗溶接ワイヤを提供するステップ
６４  電流を印加するステップ
６６  溶着させるステップ
【図１】
2019063870.tif 000002
【図２Ａ】
2019063870.tif 000003
【図２Ｂ】
2019063870.tif 000004
【図３Ａ】
2019063870.tif 000005
【図３Ｂ】
2019063870.tif 000006
【図３Ｃ】
2019063870.tif 000007
【図３Ｄ】
2019063870.tif 000008
【図４Ａ】
2019063870.tif 000009
【図４Ｂ】
2019063870.tif 000010
【図４Ｃ】
2019063870.tif 000011
【図４Ｄ】
2019063870.tif 000012
【図４Ｅ】
2019063870.tif 000013
【図５】
2019063870.tif 000014
【図６】
2019063870.tif 000015
【外国語明細書】
2019063870000001.pdf