(57)【要約】【課題】耐水吸収性で広範囲のフラックス成分及び／又は金属合金剤を結合させるために使用できる溶接用フラックスバインダーを提供する。【解決手段】フラックス剤とバインダーを含む溶接用フラックスにおいて該フラックス剤が金属酸化物、金属フッ化物、金属炭酸塩及びそれらの混合物からなる群から選ばれ、該バインダーが該溶接用フラックスの少なくとも約５重量％を構成し、該バインダーがコロイド状バインダーを含み、該コロイド状バインダーが少なくとも部分的に小固体粒子から形成されており、該小固体粒子が二酸化ケイ素を含むことを特徴とする溶接用フラックス。 【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラックス剤とバインダーを含む溶接用フラックスにおいて該フラックス剤が金属酸化物、金属フッ化物、金属炭酸塩及びそれらの混合物からなる群から選ばれ、該バインダーが該溶接用フラックスの少なくとも約５重量％を構成し、該バインダーがコロイド状バインダーを含み、該コロイド状バインダーが少なくとも部分的に小固体粒子から形成されており、該小固体粒子が二酸化ケイ素を含むことを特徴とする溶接用フラックス。
【請求項２】
該バインダーが少なくとも約１０重量のコロイド状バインダーを含む請求項１記載の溶接用フラックス。
【請求項３】
該バインダーが少なくとも約３０重量のコロイド状バインダーを含む請求項１又は２記載の溶接用フラックス。
【請求項４】
該バインダーが少なくとも約５０重量のコロイド状バインダーを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項５】
該バインダーが少なくとも約１００重量のコロイド状バインダーを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項６】
該コロイド状バインダーが液体及び該バインダーを完全に乾燥する前の該小固体粒子を含み、該小固体粒子が少なくとも約５重量％の該コロイド状バインダーから構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項７】
該コロイド状バインダーが液体及び該バインダーを完全に乾燥する前の該小固体粒子を含み、該小固体粒子が少なくとも約１０重量％の該コロイド状バインダーから構成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項８】
該コロイド状バインダーが液体及び該バインダーを完全に乾燥する前の該小固体粒子を含み、該小固体粒子が少なくとも約３０重量％の該コロイド状バインダーから構成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項９】
該小固体粒子が少なくとも約１０重量％の二酸化ケイ素を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１０】
該小固体粒子が少なくとも約３０重量％の二酸化ケイ素を含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１１】
該小固体粒子が少なくとも約３０重量％の二酸化ケイ素を含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１２】
該小固体粒子が約１００重量％の二酸化ケイ素を含む請求項１〜１１のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１３】
該液体が水を含む請求項６〜１２のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１４】
該小固体粒子が約１００ｎｍ以下の平均粒子径をもつ請求項１〜１３のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１５】
該小固体粒子が約５０ｎｍ以下の平均粒子径をもつ請求項１〜１４のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１６】
該小固体粒子が約２−２５ｎｍの平均粒子径をもつ請求項１〜１５のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１７】
該平均フラックス粒子径が約４８メッシュ以下である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１８】
該平均フラックス粒子径が約１００メッシュ以下である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項１９】
約１％以下の湿分含量をもつ請求項１〜１８のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項２０】
約０．６％以下の湿分含量をもつ請求項１〜１９のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項２１】
該フラックス剤がアルミニウム、マグネシウム、チタン、及びそれらの混合物からなる群から選ばれる金属合金を含む請求項１〜２０のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項２２】
該バインダーが該コロイド状バインダーとケイ酸金属の混合物を含み、該混合物が少なくとも約８０重量％の該バインダーから構成され、該ケイ酸金属がケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム及びそれらの混合物を包含する請求項１〜２１のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項２３】
コロイド状混合物からなる溶接用フラックスバインダーにおいて該コロイド状混合物が液体と少なくとも約２０重量％の小粒子を含み、該液体が水を含み、該小粒子が少なくとも約３０重量％の二酸化ケイ素を含み、該小粒子が約１００ｎｍ以下の平均粒子径をもつことを特徴とする溶接用フラックス。
【請求項２４】
該コロイド状混合物が少なくとも約１０重量％の該溶接用フラックスバインダーから構成されている請求項２３記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項２５】
該コロイド状混合物が少なくとも約３０重量％の該溶接用フラックスバインダーから構成されている請求項２３又は２４記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項２６】
該コロイド状混合物が少なくとも約５０重量％の該溶接用フラックスバインダーから構成されている請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項２７】
該コロイド状混合物が少なくとも約１００重量％の該溶接用フラックスバインダーから構成されている請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項２８】
該小粒子が少なくとも約５０重量％の二酸化ケイ素から構成されている請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項２９】
該小粒子が少なくとも約１００重量％の二酸化ケイ素から構成されている請求項２３〜２８のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項３０】
該固体粒子が少なくとも約３０重量％の該コロイド状混合物から構成されている請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項３１】
該小粒子の該平均粒子径が約５０ｎｍ以下である請求項２３〜３０のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項３２】
該小粒子の該平均粒子径が約２−２５ｎｍ以下である請求項２３〜３１のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項３３】
該コロイド状バインダーとケイ酸金属の混合物を含み、該混合物が少なくとも約８０重量％の該バインダーから構成され、該ケイ酸金属がケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム及びそれらの混合物を包含する請求項２３〜３２のいずれか１項に記載の溶接用フラックスバインダー。
【請求項３４】
１)フラックスバインダーを形成し、ここで該フラックスバインダーはコロイド状混合物を含み、該コロイド状混合物は液体及び少なくとも２０重量％の小粒子を含み、該液体は水を含み、該小粒子は少なくとも約１０重量％の二酸化ケイ素を含み、且つ該小粒子は約１００ｎｍ以下の平均粒子径をもつ；２）該フラックスバインダーとフラックス成分を混合してフラックス混合物を形成し、ここで該フラックス成分は金属酸化物、金属フッ化物、金属炭酸塩及びそれらの混合物からなる群から選ばれるフラックス剤を含む；そして３）該フラックスブレンド物の湿分含量が約１％以下となるまで少なくとも約４００℃の温度で少なくとも３０分間該フラックス混合物を乾燥する工程からなる低水分含量で且つ耐湿性をもつフラックス系を形成する方法。
【請求項３５】
該乾燥フラックス混合物を約４８メッシュ以下の平均粒子径になるまで粉砕する工程を含む請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
該乾燥フラックス混合物を約１００メッシュ以下の平均粒子径になるまで粉砕する工程を含む請求項３４又は３５記載の方法。
【請求項３７】
該粉砕フラックス混合物がサブマージドアークフラックス又はコア電極用フラックスである請求項３４〜３６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
該フラックス混合物を乾燥する前に金属電極の周りに該フラックス混合物を押し出す工程を含む請求項３４〜３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
該フラックスブレンド物の湿分含量が約０．６％以下である請求項３４〜３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
該フラックスブレンド物の湿分含量が約０．２％以下である請求項３４〜３９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４１】
該フラックス成分がアルミニウム、マグネシウム、チタン、及びそれらの混合物からなる群から選ばれる金属合金を含む請求項３４〜４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
該コロイド状バインダーとケイ酸金属の混合物を含み、該混合物が少なくとも約８０重量％の該バインダーから構成され、該ケイ酸金属がケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム及びそれらの混合物を包含する請求項３４〜４１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４３】
該バインダーが少なくとも約１０重量のコロイド状バインダーを含む請求項３４〜４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
該バインダーが少なくとも約３０重量のコロイド状バインダーを含む請求項３４〜４３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４５】
該小粒子が約３０重量の該コロイド状バインダーから構成されている請求項３４〜４４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４６】
該小粒子が少なくとも約３０重量の二酸化珪素を含む請求項３４〜４５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４７】
該小粒子が約１００重量の二酸化珪素を含む請求項３４〜４６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
該小粒子が約５０ｎｍ以下の平均粒子径をもつ請求項３４〜４７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
該小粒子が約２−２５ｎｍの平均粒子径をもつ請求項３４〜４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
該湿分含量が約０．６％以下である請求項３４〜４９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的な溶接用フラックスバインダー分野、より特徴的には低い固化温度をもって形成される非−吸湿性の溶接用フラックスバインダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接の分野においては、３種類の形式があり、それはサブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）、シールド金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）、及びフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）がある。サブマージドアーク溶接においては、融合は裸の金属電極と溶接されるべき金属間を電気的なアークで加熱することによって生ずる。溶接は顆粒又は熔融物質又はフラックスで覆われる。溶接操作はフラックスの下にアークを飛ばして周囲のフラックスを融解させるための熱を生成させ、連続的な電流流れによって流体状を保つ表面下の伝導プールを形成するようにして開始される。電極末端とその直下の作業片は熔融しそして熔融フィラー金属は電極から作業板（溶接すべき金属）の上に沈積する。熔融フィラー金属はフラックスプールと置換しそして溶接を形成する。シールド金属アーク溶接においては、シールドはゆるい顆粒フラックスの覆いの代わりにフラックスコーティングによって行われる。
【０００３】
溶接の分野においては、これまで予め決定された方法で実施することを意図して予め決定された成分をもつタイプのフラックス組成物を発展させるために多くの努力がなされてきた。多くの組成物が溶接フラックスとしての一般的用途及び金属芯又は鞘のコーティング用途として共にアーク溶接のフラックス用に使用するために開発されてきた。フラックスはアーク安定性を調節し溶接金属組成を変性し、そして大気汚染から防御するためのアーク溶接に使用されている。アーク安定性は通常フラックスの組成を変化させることによって調節される。それゆえに、フラックス混合物中のプラズマ電荷媒体として機能する物質を含むことが望ましい。フラックスは又金属中の不純物より容易に融解しそしてこれらの不純物が金属に優先してスラッグを形成するために結合する物質を用意することによって溶接金属組成を変性する。実際上全てのスラッグ形成化合物はそれらが反応する化合物にしたがって酸性又は塩基性として分類される。最も活性な“塩基性”と見做される物質はカルシウム、マグネシウム、及びナトリウムのような、水溶液中で通常の化学反応において塩基化合物を生成する元素の化合物である。最も活性な“酸性”不純物はシリコン、チタン、ジルコニウム及びアルミニウムの化合物である。フラックスは溶接される金属及び金属中の不純物の種類によって酸性又は塩基性化合物の高含有量又は低含有量で調製される。或る場合には、スラッグの融点を下げ、スラッグの流動性を改善するために、そしてフラックス粒子のバインダーとして供するためにその他の物質を加えてもよい。
【０００４】
溶接工業で遭遇する問題点の一つは溶接電極のフラックスカバーによる湿分吸収である。溶接の過程で、熱は水を蒸発させそして解離させ、水素ガスを生じさせ、それは金属中に溶解する。応力下で、溶接金属中の溶解水素は潜在的に溶接の大きな失敗となりひび割れを生ずることがある。水素脆性は鋼中の水素の存在により延性の低下及び室温で鋼のひび割れが増加する可能性を生ずる現象である。水素が引き起こすひび割れは−１００℃以上で１５０℃以下の温度で硬質鋼に十分な水素と応力が存在するときにはいつもかなりの程度で起こりうる。溶接においてこれらの応力の生成を避けることはほとんど不可能である。ひび割れ制御の方法は通常溶接中に存在する水素の量、固相化した溶接金属のミクロ構造、或いはその両方の制御を含む。水素は酸化物、線の不純物及び油を含む多くの供給源から溶接アーク雰囲気中に導入される。
【０００５】
バインダーはフラックス系の成分を一緒に保持し及び／又は通常の操作の過程の金属芯の周りの電極コーティングの望ましい形態を維持するために顆粒状フラックス中で及び電極コーティング中で使用される。多くの溶接フラックスの調合は酸化物ベースの材料（フラックス）及びケイ酸ナトリウム及び／又はケイ酸カリウム（水ガラス）によって一緒に結合している添加剤から構成される。この種のバインダーは特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５及び特許文献６に開示されており、これらのすべてはここでは参照として取り込まれている。そのようなバインダーは使用条件下で耐分解性でまたそのようなバインダーは電極製造に使用される高押し出し速度でフラックス組成物に加えられる量で適切な強度特性を与えるために特に有用である。さらに、ケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムのどちらかの特性はそれぞれ溶接電極の製造を魅力的にする。例えば、乾燥特性は金属電極をコーティングするためのバインダーとして使用される液体ケイ酸塩が水を失って硬いフィルムとなるということである。フラックス中でのケイ酸塩の使用は溶接過程でのアーク安定性を増大させる。フラックス中でのケイ酸塩はフラックス中に低融点成分を与えスラッグの融点／凝固点範囲の調節を容易にする。ケイ酸塩は取り扱いや使用が容易で、バインダーとしての使用を望ましいものにする。ケイ酸塩はまた比較的安価で、フラックス組成物に低コストで加えることができる。ケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムはそれらの性質がコートした電極の製造に望ましい特性を与えるために特に有用である。粉末調合物を乾燥するために液体ケイ酸ナトリウムを添加すると、得られる化合物は引き続く押し出しに適切な粘凋度にこねることができる。こねた混合物の塊は典型的には“スラッグ”を形成し、それは貯蔵時間及び押し出し操作のための混合物の加圧過程の取り扱いを容易にする。現在では、商業的に生産されるコートした電極の実質的な部分は押し出しプロセスによって製造される。線電極上のフラックスコーティングの可塑性はフラックス混合物へのケイ酸塩添加によって或る程度調節されるが、しかしまたシリカや焼成クレイに添加した又は結合した粗クレイ又はベントナイトのような他の成分によって影響を受ける。電極が押し出されると、電極は十分に固形化しそして電極がダイを出てコンベアベルトに落下するとすぐに平たくなるのを妨げる。線電極上に押し出されたフラックスコーティングの乾燥はひび割れなしでフラックスコーティングの均一乾燥を得るために初めは約１００−１５０℃の低温で湿度を調節しながら実施される。乾燥工程はフラックスコーティングの性質に応じた低湿度で行う１以上の高温乾燥工程を伴う。電極上の乾燥フラックスコーティングの湿分含量は或る低水素電極においては０．２％以下からセルロース型の電極（例えば、Ｅ６０１０，Ｅ６０１１、等々）においては３−６％の範囲である。
【０００６】
高強度、低水素電極においては、ケイ酸ナトリウム及び／又はケイ酸カリウムバインダーは十分満足すべきものではない。ケイ酸ナトリウム及び／又はケイ酸カリウムバインダーは非常に吸湿性でそしてそれらを健全に保ち、ひび割れから免れるために水分を必要とする。
溶接の過程で、熱は水を蒸発させ解離させ、溶接金属中に溶解する水素ガスを生ずる。応力下では、溶解水素は溶接金属のひび割れを生じさせる可能性がある。ケイ酸塩及び／又はケイ酸カリウムバインダーによって保持される水分量は主に乾燥する温度によって支配される。ケイ酸塩の室温乾燥は溶接で使用されるフィルム又は帯に対しては適切ではないことが知られている。失敗の可能性を減少させる試みにおいて、現在利用できる溶接電極は３７０−５４０℃又はそれ以上でフラックス中の水を０．２％まで減少させるために焼成する。この乾燥度の維持は高強度材料の溶接において重要になってきており、そしてそのような維持はこれらの電極の使用過程での吸水性水分取り込みを避けるための注意深い取り扱いを必要不可欠としている。水分取り込みは低強度溶接金属のコーティングにおいては特に問題はないが、今日の低水素コーティングの吸水性の性質は水分取り込みを制限するためにフラックスコーティングの乾燥を維持するために加熱乾燥機を使用することを必須としてきた。高強度溶接の場合は、フラックスコーティング中のケイ酸塩の吸水性は、例えば、ＥＸＸ１８型の電極において特にダメージが大きいので、水分含量は０．２％以下に保たなければならない。結果として、これらの電極はフラックスが空気から水分を吸収する前の限定された時間でのみ使用可能でありそしてこのように再び水分含量を減少させるために焼成しなければならない。アーク溶接におけるいくつかの意見では、低水素電極は低温で再焼成してもフラックスコーティングの水分量を十分減少させることができないとされている。そのような場合、熟練した当業者の意見では、溶接金属による水素吸収を避けるための最も適切な方法はフラックスコーティングの水分含量を最初に乾燥した後で最小に維持することであるとされている。結果として、低水素電極の水分レベルには厳格な制御が必要である。
【０００７】
これらの溶接フラックス、特にサブマージドアーク溶接による水吸収の問題に加えて、問題は溶接過程のＣＯ２を含む化合物の欠乏である。ＣＯ２を含む化合物は溶接過程でＣＯ２を発生させるためにいくつかのサブマージドアークフラックスに加えられる。これらのＣＯ２を含む化合物はアークの安定性を増大させそして溶接金属から大気中の汚染物、特にＮ２、を取り除くか又は減少させることによってフラックスの安定性を増大させることができる。約５４０℃の温度でのフラックスの焼成は、炭酸カルシウムのようなフラックス中のＣＯ２源を分解させる傾向がある。結果として、フラックス組成物の乾燥時間は或るＣＯ２濃度が望まれるときフラックスからＣＯ２が逃げ出さないように減少させなければならない；しかしながら、減少した乾燥時間はフラックスの水分含量を増加させ、そしてフラックスの固化時間を少なくすることになる。
【０００８】
水分を取り除くために５４０℃又はそれ以上で焼成することの他の問題点は溶接金属の合金を与えるために加えられる金属粉（例えばＡｌ，Ｍｇ，Ｔｉ、等々）のような、いくつかのフラックス成分が焼成操作の過程で酸化することである。金属粉は溶接すべき種々の金属又は鋼と合金化するのに必要なので添加される。フッ化物は操作温度におけるフラックスの粘度を低下させそれによって鋼の熔融フラックスの流動性を変化させるために添加される。フラックスに添加されるべき金属粉の種類の選択における自由度は鋼帯の組成変化よりも溶接電極のコストを減少させる。さらに、フラックス系に含まれる或る材料は高温でケイ酸塩（例えば、カオリン、等々）と反応する。
【０００９】
いくつかのフラックスバインダーはケイ酸ナトリウム及び／又はケイ酸カリウムバインダーに伴う諸問題に取り組むために開発されてきた。これらのバインダーの二つは特許文献１及び特許文献７に開示されており、共にここでは参照として取り込まれている。‘９５２特許はテトラアルキルオルソシリケート、Ｓｉ（ＯＲ）４、ここでＲは−ＣＨ３、−Ｃ２Ｈ５又は−Ｃ３Ｈ７、アルカリそしてアルカリ土類の塩である、の混合物から水和しそして重合した溶接用フラックスバインダーを開示している。このバインダーで作られた溶接用フラックスはケイ酸アルカリ−アルカリ土類、Ｍ２Ｏ・Ｍ’Ｏ・ＳｉＯ２、ここでＭはリチウム、ナトリウム、カリウム、又は周期律表の第Ｉ族のその他の元素でありそしてＭ’はマグネシウム、カルシウム、バリウム、又は周期律表の第ＩＩ族のその他の元素である、を含みそしてさらに金属化合物を含んでいてもよい。テトラアルキルオルソシリケートはセラミックバインダーへの有機金属前駆体である。有機部分は溶接フラックスバインダーの製造過程で取り除かれ最終製品中には存在しない。ケイ酸ナトリウム及び／又はケイ酸カリウムバインダーと異なり、バインダーはアルカリ及びアルカリ土類イオンが均一に分布しておりそして吸水性ではない。これはテトラアルキルオルソシリケートの使用と、反応してＣａＯ，ＭｇＯ，ＢａＯ、又はその他のアルカリ土類酸化物を生成する化合物の存在の結果である。酸化物化合物、特にカルシウム化合物は安定剤として作用しそして焼成バインダーを非−吸水性にする。アルカリ化合物、特にカリウムはガラスの粘度をかなり減少させ、バインダーを焼結させる温度を約５００−１１００°Ｆまで低下させる。
【００１０】
‘０６７特許は実質上湿分レベルに寄与せずそして溶接前の吸水性湿分取り込みに耐性の或る被覆を作るエチルシリケートのような水和有機シリケートのバインダーを開示している。水和したエチルシリケートバインダーはフラックスの吸水性を減少させる。水和有機シリケートバインダーはケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムバインダーの置き換え又は補足として使用できる。結果として、不活性ガスで保護された雰囲気中で５３７℃まで適切に乾燥すると、水和ケイ酸エチルは水分のないシリカに転換しそれはフラックスの湿分含量を低下させる結果となる。さらに、バインダーによる湿分の取り込みは制限されそれによりこれらの電極は湿分の取り込みなしで通常の作業所での実施より長い期間使用可能となる。
【００１１】
これらのバインダーはケイ酸ナトリウム及び／又はケイ酸カリウムバインダーに付随する湿分取り込みの問題点のいくつかに対応しているが、‘９５２特許に開示されているバインダーはなおバインダーを固化させるのに高い温度を必要とする。‘０６７特許に開示されているバインダーは、低い固化温度をもつが、有機バインダーの使用によってフラックス中に水素を導入してしまう。そのように加えられた水素は溶接金属中で非常に低い水素レベルを得ることを望むときには有害である。従来技術のバインダーの観点から、低吸水性、低固化温度及びフラックス系に水素を導入しないバインダーが求められている。
【００１２】
【特許文献１】ＵＳＰ４，１０３，０６７
【特許文献２】ＵＳＰ４，１３１，７８４
【特許文献３】ＵＳＰ４，２０８，５６３
【特許文献４】ＵＳＰ４，３５５，２２４
【特許文献５】ＵＳＰ４，７４１，９７４
【特許文献６】ＵＳＰ５，３００，７５４
【特許文献７】ＵＳＰ４，６６２，９５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は上記した従来技術の問題点を解決し、コロイド状バインダーを含む改良されたフラックス系を提供することである。本発明の他の目的は低い乾燥及び／又は固化温度を必要とする改良されたフラックス系を提供し、それによってフラックス系で使用できる成分の種類に大きな自由度を与えることである。また別の目的はフラックス系が乾燥され及び／又は固化された後の時間を延ばした場合の耐湿分取り込み性をもつフラックス系を提供することである。さらに別の目的はフラックス系が粉砕された後の流動特性が改良されたフラックス系を提供することである。なおさらに別の目的はコロイド状バインダーと他のバインダーを組み合わせて低い固化温度、改良された流動性、及び／又は時間経過時の少ない湿分取り込みをもつフラックス系を提供することである。又さらに別の目的はフラックス系がサブマージドアーク溶接法で使用でき、電極にコートすることができ、及び／又はフラックス芯入り電極の芯で使用できるコロイド状バインダーを含むフラックス系を提供することである。なおさらに別の目的はフラックス系の１以上の成分と一緒に化学的に結合するバインダーを含むフラックス系を提供することである。また他の目的は金属電極上に押し出してコートした金属電極を形成するフラックス系を提供することである。本発明のこれらの目的と利点は添付した図に示された好ましい態様を見れば本発明と従来技術との差異は明確となるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は溶接用フラックスに関するものであり、より特徴的には、耐水吸収性で広範囲のフラックス成分及び／又は金属合金剤を結合させるために使用できる溶接用フラックスバインダーに関するものである。本発明の新規なバインダーの使用を含むフラックス系はサブマージドアーク溶接及びシールド金属アーク溶接のような全ての溶接形態で使用できる。本発明のフラックス系は溶接用電極にコートすることができ、金属電極の芯に注入することができ、及び／又は顆粒状フラックスに形成することもできる。本発明の新規なバインダーは従来技術のフラックスバインダーの固化に高温度が必要な過去のフラックス系の問題点及びフラックスバインダーが乾燥された後のフラックス系の湿分吸収に伴う問題点を解決している。本発明の新規なバインダーを含むフラックス系はまたサブマージドアーク溶接法の過程で作業片へのフラックス系の注入の均一性及び／又はフラックス芯入り電極に電極を形成する前に電極にフラックス系を注入する均一性に伴う問題点を解決している。コロイド状バインダーは従来技術のケイ酸塩バインダー系よりも実質上低い温度で乾燥そして固化できる。一旦、コロイド状バインダーが乾燥し固化すると、新規なバインダーは湿分吸収を抑制し、それによって長い期間フラックス系の湿分含量を低く維持する。
【００１５】
新規なバインダーの低い乾燥及び固化温度はまたフラックス系で使用できるフラックス成分の数を増大させる。従来技術のフラックス系はもしフラックス系が炭酸塩及び／又は、限定はしないが、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンのような或る種の金属合金を含むときは長時間６４９℃を超える温度で乾燥することはできなかった。６４９℃以上で乾燥すると、炭酸塩化合物は時間と共に分解し、溶接の過程でシ−ルドガスとして使用できる二酸化炭素を放出する。高温乾燥は又或る合金金属の酸化を生じさせ、溶接過程での溶接金属中に合金化剤としての金属の使用を妨げる。本発明の新規なバインダーの低い乾燥及び固化温度はフラックス系での炭酸塩の使用を可能にし、同様にフラックス系での多数の金属合金剤の使用を可能にする。
【００１６】
本発明の一態様においては、本発明の溶接用フラックスバインダーは１以上の金属酸化物から形成されるコロイド状バインダーを含む。コロイド状バインダーはフラックス系のフラックスバインダーの全てを作り上げることができ又はフラックス系のフラックスバインダーの１部分のみを構成することもできる。本発明の一態様においては、コロイド状バインダーを形成する金属酸化物は二酸化ケイ素を含む。二酸化ケイ素は純粋及び／又は純粋でない形態であることができる。純粋でない形態は、限定はしないが、石英、長石、マイカ、ビオタイト、かんらん石、角閃石、白雲母、輝石、及び／又は二酸化ケイ素の他の源泉を含む。この態様の一例においては、コロイド状バインダー中の少なくとも約５％の二酸化ケイ素は二酸化ケイ素の純粋形態である。純粋な二酸化ケイ素の一例としてはＫｅｍｉｒａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社によってＩｎｄｕｓｉｌ５０８として販売されている。この態様の別の及び／又は代替の例としては、典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約１０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、より典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約２０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、さらに典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約３０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、よりさらに典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約４０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、なおさらに典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約５０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、もっと典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約６０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、さらにもっと典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約７０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、よりさらに典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約８０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、なおさらに典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約９０％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素であり、最も典型的にはコロイド状バインダー中の少なくとも約１００％の二酸化ケイ素は純粋な二酸化ケイ素である。本発明の別の及び／又は代替の態様としては、コロイド状バインダー中の固体粒子の平均粒子径はコロイド状バインダーの結合効果を達成するのに十分な程度に小さいものから選ばれる。十分小さい粒子が使用されるときは、粒子表面の化学的結合効果、ブラウニアン効果によると信じられている、はコロイド状バインダーによって１以上のフラックス成分を一緒に結合する結果を生ずる。この態様の一例としては、コロイド状バインダー中の固体粒子の平均粒子径は約１００ｎｍ以下、そして典型的には約７０ｎｍ以下、より典型的には約６０ｎｍ以下、よりさらに典型的には約５０ｎｍ以下、なおさらに典型的には約４０ｎｍ以下、なおよりさらに典型的には約３０ｎｍ以下、より典型的には約２０ｎｍ以下、もっとさらに典型的には約１０ｎｍ以下、そして最も典型的には約０．５−１０ｎｍである。限定はしないが、一例としては、コロイド状バインダー中の固体粒子の平均粒子径は約１−３０ｎｍ、典型的には約２−２５ｎｍ、より典型的には約５−１５ｎｍ、そし���よりさらに典型的には約５−１０ｎｍである。本発明の別の及び／又は代替の一例としては、コロイド状バインダーは液体成分と固体粒子成分をもつ。一般的には、液体成分は主として水を含むが、しかしながら、付加的な及び／又は代替の液体を使用することもできる。液体は固体粒子を湿ったフラックス系の乾燥過程でフラックス系中の成分と結合させやすいように固体粒子を懸濁させるために使用される。本発明の一態様においては、液体は実質上如何なる炭化水素化合物も含まない。液体系への炭化水素化合物の導入は溶接過程で溶接金属に水素を導入することになる。或るフラックス系においては、溶接過程における望ましい溶接たまり（ｐｏｏｌ）特性を達成するためにフラックス系から水素を減らすか取り除く必要がある。この態様の一例としては、液体は約１０％以下の炭化水素化合物、典型的には約５％以下の炭化水素化合物、より典型的には約２％以下の炭化水素化合物、そしてよりさらに典型的には約０．０５％以下の炭化水素化合物を含む。本発明の別の及び／又は代替の態様としては、コロイド状バインダー中の固体粒子は一般的にはコロイド状バインダーの乾燥前でコロイド状バインダーの合計重量の約９０％以下で構成されている。この態様の一例としては、固体粒子はコロイド状バインダーの合計重量の約６０％以下で構成されており、典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約５０％以下で構成されており、より典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約４０％以下で構成されており、さらに典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約３５％を超えない量で構成されており、よりさらに典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約５−３５％で構成されており、もっと典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約１０−３５％で構成されており、もっとさらに典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約１５−３５％で構成されており、よりさらに典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約２０−３５％で構成されており、そして最も典型的にはコロイド状バインダーの合計重量の約２５−３５％で構成されている。
【００１７】
本発明の別の及び／又は代替の一例としては、コロイド状バインダーはフラックス系のバインダーの１００％を含むか又はフラックス系のバインダーの部分から構成されている。コロイド状バインダーがバインダー系の一部を代表するときは、コロイド状バインダーは他のバインダーと混合される。そのような他のバインダーとしては、限定はしないが、水ガラス（ケイ酸カリウム及び／又はケイ酸ナトリウム）、ホウ酸、ボロックス、溶解性炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、酸クロライド、種々の樹脂、砂糖、デンプン、寒天、及びその類似物を含む。本発明の一態様においては、コロイド状バインダーは、バインダー合計の一部を構成しているときは、一般的には水ガラスと結合している。コロイド状バインダーが水ガラスと結合するとこれらの二つの成分は典型的にはバインダーの主成分を構成し、そしてより典型的にはバインダーの少なくとも約６０％を構成しており、さらに典型的にはバインダーの少なくとも約７０％を構成しており、なおさらに典型的にはバインダーの少なくとも約８０％を構成しており、なおよりさらに典型的にはバインダーの少なくとも約９０％を構成しており、最も典型的にはバインダーの約１００％を構成している。別の及び／又は代替の態様としては、コロイド状バインダーは、バインダー合計の一部を構成しているときは、コロイド状バインダーは合計バインダーの少なくとも約５％、典型的には合計バインダーの少なくとも約１０％、より典型的には合計バインダーの少なくとも約２０％、さらに典型的には合計バインダーの少なくとも約３０％、なおさらに典型的には合計バインダーの少なくとも約４０％、なおよりさらに典型的には合計バインダーの少なくとも約５０％、もっと典型的には合計バインダーの少なくとも約６０％、さらに典型的には合計バインダーの少なくとも約７０％、よりさらに典型的には合計バインダーの少なくとも約８０％、なおよりさらに典型的には合計バインダーの少なくとも約９０％、そして最も典型的には合計バインダーの少なくとも約９５％を構成している。
【００１８】
本発明の別の及び／又は代替の一例としては、フラックス系の新規なバインダーは新規なバインダーがフラックス系の１以上の成分に悪影響を与えないような低い温度で乾燥及び固化できるように調合される。多くの従来技術のバインダー系は６５０℃（１２００°Ｆ）を超える温度で長時間固化させる必要がある。そのような高温は典型的にはフラックス系の金属合金のいくつかを酸化させ及び／又はフラックス系の１以上の炭酸塩から二酸化炭素を放出する原因となる。フラックス系からの二酸化炭素の放出は溶接過程のフラックス系によって生ずるシールドガスを少なくする結果となる。フラックス系の１以上の金属合金の酸化は溶接金属中で合金化されていない酸化された金属合金を生じさせ、それによって望ましい溶接金属組成を製造しにくくする。従来技術のフラックス系の乾燥温度及び／又は時間を減少させるとこれらのフラックス系から放出される二酸化炭素の量及び／又はこれらフラックス系の金属合金の酸化量を減少させるが；しかしながら、そのような温度低下及び／又は乾燥時間の減少は乾燥プロセスの過程で完全に又は適切に固化されていない従来技術のフラックス系バインダーを生じさせる。そのような適切でない従来技術のフラックス系の固化又は乾燥はフラックス系の湿分含量を高くし及び／又は貯蔵過程でのフラックス系による湿分吸収の度合いを多くしてしまう。バインダーの不適切な固化はまたフラックス系の成分を内部に一緒に取り込んでしまうことになる。低温で固化できる有機化合物を含むいくつかの代替のバインダー系が提案されてきている；しかしながら、そのような有機化合物はフラックス系に或る溶接用途には望ましくない水素を発生させる。本発明の新規なフラックスバインダーは実質的に従来のバインダーより低い温度で乾燥及び固化し、そしてそのような低温でもバインダーを固化させるために炭化水素成分を含ませることを必要としない新規なバインダー系を使用することによってこれらの従来技術のフラックス系の過去の問題点を克服している。さらに、新規なバインダーは実質上フラックス系の湿分含量を除去するためにそして長時間においてフラックス系の湿分含量を維持するために乾燥することができる。本発明の一態様においては、フラックス系はフラックス系のバインダーの乾燥及び固化の過程で約７６０℃（１４００°Ｆ）以下の温度で加熱される。フラックス系の高められた温度までの加熱はフラックス系の湿分含量を減少させるために及び／又はフラックス系のバインダーを固化させるために使用される。水素源としての水は特定のタイプの溶接操作の過程で溶接金属の性質に悪影響を与えるので、フラックス系の湿分含量の減少が望ましい。フラックス系の低湿分含量は高強度鋼の溶接ビーズの形成において特に望ましい。しかしながら、フラックスの湿分含量が望ましい溶接ビーズに対して十分高くできる場合は他の溶接用途がある。この態様の一例としては、フラックス系が乾燥及び／又は固化手順の過程で曝される温度は約７０５℃（１３００°Ｆ）以下、典型的には約６５０℃（１２００°Ｆ）以下、より典型的には約５９４℃（１１００°Ｆ）以下、よりさらに典型的には約５３８℃（１０００°Ｆ）、そして最も典型的には約４８２℃（９００°Ｆ）以下である。十分低い温度及び／又は固化温度が使用できることは理解できるであろう。別の及び／又は代替の態様としては、約２５０℃（４８０°Ｆ）以上でのフラックス系の新規なバインダーの乾燥及び／又は固化時間は約１重量％以下の湿分含量を得るためには約１０時間以下である。この態様の一例としては、約４００℃（７５０°Ｆ）を超える温度でのフラックス系の新規なバインダーの乾燥及び／又は固化時間は約８時間以下、より典型的には約５時間以下、そしてよりさらに典型的には４時間以下である。フラックス系の新規なバインダーのより短い及び／又は長い乾燥及び／又は固化時間も使用できることは理解できるであろう。そのような時間は典型的にはフラックス系が曝される温度、フラックス系の水分含量、バインダーの固化時間、及び／又はフラックス系が乾燥された後のフラックス系の望ましい湿分含量に依存する。本発明の別の及び／又は代替の態様としては、フラックス系の乾燥及び／又は固化後のフラックス系の湿分含量は典型的には約６重量％以下、より典型的には約３重量％以下、よりさらに典型的には約１重量％以下、なおさらに典型的には約０．５重量％以下、そして最も典型的には約０．２重量％以下である。乾燥及び／又は固化プロセス後のフラックス系の湿分含量は典型的には使用されるアーク溶接プロセスのタイプに依存する。水素含量が極度に低いレベルが望ましい高張力鋼の溶接プロセスにおいて使用されるフラックス系では、フラックス系の湿分含量は典型的には約１％以下、より典型的には約０．４％以下、よりさらに典型的には約０．２％以下、そして最も典型的には約０．１５％以下である。
【００１９】
本発明のさらに別の及び／又は代替の一例としては、本発明のフラックス系で使用される新規なバインダーは過去のフラックス系よりも改良された注入特性を示す。フラックス系が乾燥及び／又は固化した後で、フラックス系は典型的には粉砕されそしてそれからサブマージドアーク溶接プロセス及び／又はフラックス芯入り電極での使用のためにスクリーンで分粒される。典型的には、フラックス系は粉砕されそしてそれから約４８メッシュ以下、より典型的には約８０メッシュ以下、そして最も典型的には１００メッシュ以下のフラックス系の平均粒子径を得るためにスクリーンで分粒される。サブマージドアーク溶接プロセスにおいては、粉砕されたフラックス系は典型的には作業片の溝に注入されそしてそれから金属ロッドとして電気火花（アーク）に曝され溶接金属を形成して熔融する。フラックス系はサブマージドアーク溶接プロセスの過程で作業片に注入されるので、望ましいシールド及び／又は望ましい溶接ビーズ性能を得るための溶接プロセス過程でのフラックス特性を得るためにフラックス系の或る程度の量が必要となる。過去において、種々の粉砕フラックス系は均一に注入されなかったので、溶接プロセスの過程で溶接ビーズの均一性の問題が生じていた。同様に、フラックス芯入り電極が形成されるときには、電極が芯入り電極に形状化される前に或る量の粉砕フラックスが電極上に堆積し、そこではフラックス系は電極の芯領域を満たしている。電極に注入されるフラックス系の均一性は線（ワイヤー）の縦方向長さを通して芯領域で均一なフラックス量を維持するために重要である。過去の粉砕フラックス系はそのような注入均一性の困難に遭遇してきており、そのためにフラックス芯入り電極の品質に悪影響を及ぼしていた。フラックス系のコロイド状バインダーの使用はサブマージドアーク溶接操作におけるフラックスの注入の過程で及び／又はフラックス芯入り電極の形成のために電極にフラックス系を注入することによって改善された流動性をもつ粉砕フラックス系を結果として得ることが見出されてきた。このように、本発明のフラックス系は従来のフラックス系の流動性の問題点を解決することができる。
【発明の効果】
【００２０】
コロイド状バインダーで形成されるフラックス系は、限定はしないが、従来技術のバインダーに対して以下のような利点を示す：
【００２１】
・  新規なバインダーは乾燥後に優れた耐湿分取り込み性をもつ。
・  新規なバインダーは低温で乾燥／固化でき、フラックス系で多くのフラックス成分を使用することを可能にする。
・  新規なバインダーは少なくとも部分的に１以上のフラックス成分と化学的方法によって結合する。
・  新規なバインダーは低温又は高温で乾燥／固化できる。
・  新規なバインダーは線電極の表面にコートされるとき線電極と強い結合を形成する。
・  新規なバインダーを含んで形成されたフラックス系は耐クラッキング性がある。
・  新規なバインダーは乾燥できそして標準の技術で粉砕できる。
・  新規なバインダーは他のバインダーと組み合わせて又はバインダー単独でフラックス系として使用できる。
・  新規なバインダーはフラックス系に低融点成分（例えば、ケイ酸カリウム及び／又はケイ酸ナトリウム）を添加する必要性を少なくさせる。
・  新規なバインダーは改良された流動特性をもつフラックス系を形成する。
・  新規なバインダーは低い乾燥／固化温度を必要とするときに典型的に使用される有機バインダーの必要性がない。
・  新規なバインダーはサブマージドアークフラックス、電極上にコートしたフラックス、及び／又はフラックス芯入り電極用のフラックス系を形成するために使用することができる。
・  新規なバインダーは６価クロムの生成を減少させ、より環境に優しいフラックス系を作ることができる。
・  新規なバインダーを使用するフラックス系は細かい粒子サイズに粉砕することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図を参照して詳細を説明するが、例示は本発明の好ましい態様を説明する目的のためであって、発明を限定する目的でなされるものではない。図１は溶接フラックス系の種々のフラックス成分を一緒に結合している本発明のコロイド状バインダー系小ＳｉＯ２粒子の使用を示す。フラックス系の成分は典型的には金属酸化物（例えば、酸化アルミニウム、酸化ボロン、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、酸化カリウム、二酸化シリコン、酸化ナトリウム、酸化スズ、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化ジルコニウム，等々）、金属炭酸塩（例えば、炭酸カルシウム、等々）、金属フッ化物（例えば、フッ化バリウム、フッ化ビスマス、フッ化カルシウム、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム、テフロン、等々）、及び／又は金属合金剤（例えば、アルミニウム、ボロン、カルシウム、炭素、鉄、マンガン、ニッケル、シリコン、チタン、ジルコニウム、等々）を含む。フラックス系の特定の成分は典型的には使用される溶接法のタイプ（ＳＡＷ，ＳＭＡＷ，ＦＣＡＷ）及び／又は溶接される作業片のタイプに依る。
【００２３】
図１に示されるように、二酸化シリコンの粒子は実質上フラックス成分の粒子１０より小さい。図１は二つのフラックス成分の表面の小部分の間に位置する３個の二酸化シリコン粒子を例示している。二酸化シリコンは純粋又は純粋でない原料源からのものである。典型的には、二酸化シリコンの大部分は純粋な原料源からのものである。典型的には二酸化シリコン粒子は約２−２５ｎｍの平均粒子径をもち、そしてより典型的には約８ｎｍの平均粒子径をもつ。フラックス成分の平均粒子径は典型的には約４００メッシュ（３７ミクロン）又はそれ以上である。このように、二酸化シリコンの粒子径は一般的には実質上フラックス系の他の成分より小さい。例えば、約４００メッシュの平均粒子径をもつフラックス成分は約８ｎｍの平均粒子径をもつ二酸化シリコン粒子より約４６２５倍大きい。二酸化シリコンによる結合メカニズムは全く化学的であると信じられている。二酸化シリコン小粒子はブラウニアン力によってフラックス成分に引き寄せられると信じられている。図１に示すように、二酸化シリコン粒子は負電荷をもちそしてフラックス成分１０の表面に引き寄せられる。このように、二酸化シリコン小粒子はバインダー粒子間のフラックス成分を捕捉する従来のバインダーとは異なってフラックス成分と結合する。二酸化シリコン小粒子は近傍の正電荷フラックス成分（例えば、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属化合物）と化学的に結合する。負電荷の小粒子の正電荷の金属酸化物との結合はそのような酸化物の水和において減少する。
【００２４】
図２を参照すると、二酸化シリコンの小粒子形態のバインダーと在来の水ガラスバインダーは二つのフラックス成分の表面領域で一緒に結合するために使用される。水ガラスの粒子は二酸化シリコン粒子よりかなり大きいものとして示されている。典型的には、水ガラス粒子は二酸化シリコン粒子より少なくとも１００倍大きい。水ガラス粒子による結合メカニズムは水ガラスの多数の粒子間へのフラックス成分の捕捉である。上述のように、二酸化シリコンの小粒子の信じられている結合メカニズムはブラウニアン効果による電子吸引力である。両方のタイプのバインダーがフラックス成分と一緒に結合させるために一緒に使用することができることが見出されてきた。二酸化シリコン小粒子を水ガラス粒子と組み合わせて使用するときは、水ガラスと二酸化シリコン粒子の組み合わせは少なくともバインダーの７０重量％、そして典型的にはフラックス中のバインダーの少なくとも９０重量％を構成している。
【００２５】
図３を参照すると、サブマージドアーク溶接での使用又はフラックス芯入り電極の芯充填のためのフラックス系の形成方法が示されている。フラックス成分及び／又は金属合金剤２０のドライブレンドが調製されるか又は得ることができる。フラックス成分及び／又は金属合金剤のサイズは所望により調整される。典型的には、フラックス成分及び／又は金属合金剤の平均サイズは約１００-４００メッシュである。フラックス成分及び／又は金属合金剤はそれから湿式バインダー２２で湿った混合物を形成するために混合される。フラックス成分が最初にバインダーと混合しそれから金属合金剤と混合するか、又は金属合金剤が最初にバインダーと混合しそれからフラックス成分と混合するか、又は如何なる他の混合順序でもよいことは理解できるであろう。バインダーは二酸化シリコン小粒子をもつコロイド状バインダーを含む。コロイド状バインダー中の小粒子は二酸化シリコン粒子の全て又は一部を含む。典型的には、コロイド状バインダー中の小粒子の８０％以上が二酸化シリコン粒子である。コロイド状バインダー中の小粒子の平均粒子径は典型的には約２−２５ｎｍであり、より典型的には８ｎｍである。コロイド状バインダーの液体成分はコロイド状バインダーの約６０−８５重量％を構成し、そしてより典型的にはコロイド状バインダーの約７０重量％を構成している。液体は典型的には水である；しかしながら、他の及び／又は追加の液体を使用することができる。バインダーは図１に示されるのと同様なバインダー調合を形成するために１００重量％のコロイド状バインダーから作ることができ、或いは図２に示されるのと同様なバインダー調合を形成するためにコロイド状バインダー部分と１以上の他のバインダー部分から作ることができる。コロイド状バインダーが１以上の他のバインダーと組み合わせられるときは、他のバインダーは典型的には水ガラスである。コロイド状バインダーはバインダーの一部を形成するときはバインダーの約０．０１−９９．９重量％を構成している。バインダーが主として水ガラスとコロイド状バインダーから形成されているときは、コロイド状バインダーは典型的にはバインダーの約５−７５重量％そしてより典型的には２０-５０重量％を構成している。
【００２６】
フラックスバインダー中での水ガラスの使用は、限定はしないが、いくつかの利点をもっている：
・  水ガラス成分（Ｎａ２Ｏ及び／又はＫ２Ｏ）はアーク安定性を増大させる
・  水ガラスはフラックス系に溶接過程でのスラッグの融点／凝固点範囲を調節するのに役立つ低融点成分を与える
・  水ガラスは取り扱いと使用が容易である
・  水ガラスは低コストの材料である
【００２７】
バインダーとしてコロイドを単独で使用するか或いはバインダーとして水ガラスと組み合わせて使用するフラックス系はバインダーとして水ガラスを単独で使用するフラックス系の従来技術の、限定はしないが、以下のような問題点を解決する：
・  水ガラスが高温（≧１４００°Ｆ）で適切に固化しないときには、フラックス系はかなりの量の湿分を吸収する
・  水ガラスは高い固化温度を必要としフラックス系で使用できる成分の種類を制限する
・  水ガラスはカリウム及び／又はナトリウムを含み或るフラックス調合においては好ましくない
・  フラックスバインダーが水ガラスをかなりの量で含むとステンレス鋼の溶接時に６価クロムの煙を多く発生する
・  バインダーが水ガラスのときは粉砕フラックス系の粗い顆粒サイズが必要となる
【００２８】
一旦、バインダーとフラックス成分及び／又は合金剤が適切に一緒に混合されると、湿った混合物は乾燥工程２４で乾燥される。湿った混合物はいかなる在来の装置（例えば、オーブン、等々）によっても乾燥することができる。乾燥温度は典型的には約８００−１２００°Ｆ（４２６−６４９℃）である；しかしながら、より高い又はより低い温度も使用できる。フラックス系が炭酸塩、アルミニウム金属、マグネシウム金属及び／又はチタン金属を含むときは、乾燥温度は典型的には炭酸塩から解離する二酸化炭素の量を減少させるために及び／又はアルミニウム金属、マグネシウム金属及び／又はチタン金属の酸化量を減少させるために１２００°Ｆ（６４９℃）を超えない。バインダーの乾燥温度はフラックス系の所望の結合量を達成しながら湿った混合物中の湿分を追い出すために２００−６００°Ｆのような低温とすることができる。フラックス系は所望の又は許容できる湿分含量が得られるまで乾燥される。高強度溶接において使用されるフラックス系の場合は、フラックス系の湿分含量は典型的には約０．２重量％以下に減少させ且つ維持される。
【００２９】
一旦、フラックス系が乾燥されると、フラックス系は粉砕されそれからスクリーンにかけられ約３２−２００メッシュの平均粒子径のフラックス系が得られる；しかしながら、その他の平均粒子径も使用することができる。粉砕及びスクリーン工程２６は標準の技術で実施されるので、これ以上は記載しない。コロイド状バインダーを含むフラックス系は水ガラスや糖蜜、等々のようなバインダーを使用する従来技術のフラックス系に比較してより細かく又は小粒子径に粉砕することができる。
【００３０】
図３に例示された工程によって形成されたフラックス系はサブマージドアークフラックスで使用することができ又はフラックス芯入り電極の芯として含むことができる。コロイド状バインダーを含むフラックス系は水ガラスと結合したフラックス系のような従来技術のバインダー系に比較して改良された流動特性をもつことが見出されてきた。図５Ａに例示されているように、従来技術のフラックス系は分配器４２によって作業片Ｗ上の積み重ね４０に分散する。そのような操作は典型的にはフラックス系が作業片を溶接するように適用されそしてそれから電気火花（アーク）が熔融消費可能な線電極及びフラックス系に適用されるサブマージドアーク溶接系で行われる。フラックス系は所望のシールド及び／又は雰囲気からの溶接たまりの保護に影響を与え溶接金属、等々の性質を変性するのに十分な量で作業片の上に積み重ねられる。もしフラックス系の不適切な量（即ち、少なすぎるか又は多すぎる）が作業片に適用されると、溶接金属の望ましくない性質が生ずることになる。図５Ａに例示するように、従来のフラックス系は分配器から均一には流れず、作業片上でフラックス系の凹凸の積み重ねを生ずることになる。本発明のコロイド状バインダーを含むフラックス系は改良された流動性を示す。図５に示すように、フラックス系の流れは分配器５２から実質上均一であり作業片Ｗ上にフラックス系の実質上均一な積み重ね５０を形成する。流れの均一性の同様な利点はフラックス芯入り電極の形成にも適用できる。
【００３１】
表１は標準の水ガラスバインダーを利用するいくつかのフラックス系にコロイド状バインダーを含むいくつかのフラックス系の湿分取り込みの結果を示す。
【００３２】
【表１】
2004283915.tif 000002
【００３３】
ＯｅｒｌｉｋｏｎＯＰ１２１ＴＴ，Ｌｉｎｃｏｌｎ８８０Ｍ，Ｌｉｎｃｏｌｏｎ７６１、及びＬｉｎｃｏｌｎ８６０として同定されるフラックスは水ガラスを主なバインダーとして含む市販されているフラックス系である。実験的なＤＣＸ６、実験的なＤＣＸ７、実験的なＤＣＸ８、実験的なＤＣＸ９は合金剤含量が変更されていることを除き、上記の１以上の標準フラックスと類似のフラックス系である。実験的なＤＣＸ６、実験的なＤＣＸ７、及び実験的なＤＣＸ９はコロイド状シリカを１／３、水ガラスを２／３含有するバインダーを含む。実験的なＤＣＸ８は実験的なＤＣＸ７と同じであるが、バインダーがコロイド状シリカを全然含まない。上記に示した全てのフラックスはサブマージドアーク溶接フラックスであり−２０＋４０メッシュでふるいにかけられ、そして引き続き８０°Ｆ、８０％相対湿度で湿らせる前に１時間再調整される。さらに、上記に述べた全てのフラックスは９００°Ｆで試験する前に９００°Ｆで１時間再調整される。受け入れ時（Ａｓ  Ｒｅｃｅｉｖｅｄ）とは再調整後であるが、湿潤化前のフラックス系を示す。全ての実験的フラックスは約１２５０°Ｆで乾燥した。コロイド状バインダーを含むフラックス系は市販のフラックス系に比較して許容できる分解レベルを示した。
【００３４】
表１に示されるように、水ガラスを主なバインダーとして含む全てのフラックス系は二つの湿分試験の過程でかなりの湿分吸収を示した。バインダー中に水ガラスと組み合わせてコロイド状シリカを含むフラックス系は試験期間で非常に少ない湿分吸収を示した。種々のフラックスの湿分吸収は図６にグラフで示した。さらに、コロイド状シリカを含むフラックス系は試験期間の過程でフラックス系の二酸化炭素は実質上同じ量を維持した。表１に示された結果は図６に例示されコロイド状シリカを含むフラックス系はコロイド状シリカを含まないバインダーより耐湿分吸収性であることを示し、そしてさらにバインダー中のコロイド状シリカは時間の経過後でもフラックス系の二酸化炭素含量を維持していることを示している。
【００３５】
図４を参照すると、コートした電極の形成方法が例示されている。フラックス成分及び／又は金属合金剤３０のドライブレンドが調製又は得られる。フラックス成分及び／又は金属合金剤のサイズが所望のとおりに調節される。典型的には、フラックス成分及び／又は金属合金剤の平均サイズは約１００−４００メッシュである。フラックス成分及び／又は金属合金剤それから湿ったバインダー３２と混合され湿潤混合物を形成する。フラックス成分が最初にバインダーと混合しそれから金属合金剤と混合するか、又は金属合金剤が最初にバインダーと混合しそれからフラックス成分と混合するか、又は如何なる他の混合順序でもよいことは理解できるであろう。バインダーは二酸化シリコン小粒子をもつコロイド状バインダーを含む。コロイド状バインダーは上述のコロイド状バインダーと同じか類似のものである。バインダーは１００重量％のコロイド状バインダーから作られ図１に例示されたものと同様のバインダーの組み合わせを形成するか、又はコロイド状バインダーと部分的に１以上の他のバインダーから作られ図２に例示されたものと同様のバインダーの組み合わせを形成する。コロイド状バインダーを１以上の他のバインダーと組み合わせるときは、他のバインダーは典型的には水ガラスを含む。コロイド状バインダーがバインダーの一部を構成するきはバインダーの約０．０１−９９．９９重量％を構成する。バインダーが主成分として水ガラスとコロイド状バインダーから形成されるときは、コロイド状バインダーは典型的にはバインダーの約５−７５重量％そしてより典型的にはバインダーの約２０−５０重量％から構成される。水ガラス及び／又は他のバインダーをコロイド状バインダーに含ませることは典型的には所望のフラックス組成に依存する。
【００３６】
一旦、バインダーとフラックス成分及び／又は金属合金剤が適切に一緒に混合されると、湿潤混合物はビレット形成工程３４でビレットに形成される。ビレットは典型的には約３−３０インチ径で約１０−４０インチの高さをもつ大きな円筒形状に作られる。ビレットの製造方法は公知なので、ここではこれ以上の説明を要しないであろう。ビレットはそれから押し出し機に移しこで工程３６に示されるような電極表面の周りにフラックス系の量を調節して押し出す。押し出し機及び電極へのフラックス系への押し出し方法は公知なので、ここではこれ以上の説明を要しないであろう。コートされた線はその後工程３８に例示されているように漸次乾燥される。乾燥温度は典型的には低温（例えば、６５℃）から始めそしてコートされた線が乾燥室又はオーブンをゆっくり移動する間に最高温度（例えば、６４９°Ｆ）まで漸次上昇させる。より高い又はより低い温度が使用できることは理解できるであろう。さらに、乾燥温度はフラックス系の乾燥過程で連続的に上昇させる必要はないが、しかし同じ温度で維持するか、時間と共に温度を下げることもできることも理解できるであろう。乾燥時間は典型的には数時間で一般的には乾燥前の湿分量及び乾燥終了時の湿分含量によって決められる。乾燥装置は公知なので、ここではこれ以上の説明を要しないであろう。
【００３７】
以上を要約すると、コロイド状バインダーで形成されるフラックス系は、限定はしないが、従来技術のバインダーに対して以下のような利点を示す：
【００３８】
・  新規なバインダーは乾燥後に優れた耐湿分取り込み性をもつ。
・  新規なバインダーは低温で乾燥／固化でき、フラックス系で多くのフラックス成分を使用することを可能にする。
・  新規なバインダーは少なくとも部分的に１以上のフラックス成分と化学的方法によって結合する。
・  新規なバインダーは低温又は高温で乾燥／固化できる。
・  新規なバインダーは線電極の表面にコートされるとき線電極と強い結合を形成する。
・  新規なバインダーを含んで形成されたフラックス系は耐クラッキング性がある。
・  新規なバインダーは乾燥できそして標準の技術で粉砕できる。
・  新規なバインダーは他のバインダーと組み合わせて又はバインダー単独でフラックス系として使用できる。
・  新規なバインダーはフラックス系に低融点成分（例えば、ケイ酸カリウム及び／又はケイ酸ナトリウム）を添加する必要性を少なくさせる。
・  新規なバインダーは改良された流動特性をもつフラックス系を形成する。
・  新規なバインダーは低い乾燥／固化温度を必要とするときに典型的に使用される有機バインダーの必要性がない。
・  新規なバインダーはサブマージドアークフラックス、電極上にコートしたフラックス、及び／又はフラックス芯入り電極用のフラックス系を形成するために使用することができる。
・  新規なバインダーは６価クロムの生成を減少させ、より環境に優しいフラックス系を作ることができる。
・  新規なバインダーを使用するフラックス系は細かい粒子サイズに粉砕することができる。
【００３９】
ここで述べたこれら態様の他の修正は、本発明の他の態様と同様に、熟練した当業者にとっては、ここで開示した内容から明らかであり容易に推測可能なものであり、このことから、これまで記述した事柄は単に本発明を例示するためのものであり本発明を限定するものではないことを明確に理解すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の新規なバインダーはサブマージドアークフラックス、電極上にコートしたフラックス、及び／又はフラックス芯入り電極用のフラックス系を形成するために使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】溶接フラックス系の二つのフラックス成分を一緒に結合している本発明のコロイド状バインダー系ＳｉＯ２小粒子の例示である。
【図２】溶接フラックス系の二つのフラックス成分を一緒に結合している本発明のコロイド状バインダー系ＳｉＯ２小粒子と水ガラスの例示である。
【図３】サブマージドアーク溶接及び／又はフラックス芯入り電極の使用のための本発明のフラックス系を製造するフローチャートである。
【図４】本発明のフラックス系を製造しそれからフラックスコートした電極を形成するためのフローチャートである。
【図５】サブマージドアーク溶接に使用する作業片への従来技術のフラックス系の注入と本発明のフラックス系注入の例示である。
【図６】本発明の新規なフラックスバインダーを含む又は含まない種々のフラックス系の湿分取り込みを例示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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