(57)【要約】  本発明は包括的には、溶接に関し、より具体的には、ガスメタルアーク溶接(GMAW)またはフラックスコアアーク溶接(FCAW)等のアーク溶接用の溶接ワイヤに関する。一実施形態では、中空溶接ワイヤは、シースおよびコアを有し、シースは、約０．０６重量％未満の炭素を含む。コアは、炭素源およびカリウム源を有し、該炭素源とカリウム源とは合計でコアの１０重量％未満を構成する。
2015529564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空溶接ワイヤにおいて、
シースおよびコアを具備し、
前記シースは約０．０６重量％未満の炭素を含み、
前記コアは、炭素源およびナトリウム源またはカリウム源を有し、
前記炭素源および前記ナトリウム源またはカリウム源は、合計で前記コアの約１０重量％未満を構成する中空溶接ワイヤ。
【請求項２】
前記シースは約０．０３重量％未満の炭素を含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記シースは、約０．０１重量％〜約０．０３重量％の炭素を含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項４】
前記ナトリウム源若しくはカリウム源は、ケイ酸ナトリウム若しくはケイ酸カリウム、チタン酸ナトリウム若しくはチタン酸カリウム、アルギン酸ナトリウム若しくはアルギン酸カリウム、炭酸ナトリウム若しくは炭酸カリウム、フッ化ナトリウム若しくはフッ化カリウム、リン酸ナトリウム若しくはリン酸カリウム、硫化ナトリウム若しくは硫化カリウム、水酸化ナトリウム若しくは水酸化カリウム、酸化ナトリウム若しくは酸化カリウム、過マンガン酸ナトリウム若しくは過マンガン酸カリウム、ケイフッ化ナトリウム若しくはケイフッ化カリウム、ナトリウム長石若しくはカリウム長石、モリブデン酸ナトリウム若しくはモリブデン酸カリウムまたはそれらの組合せを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項５】
前記炭素源は、グラファイト、カーボンブラック、ランプブラック、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドまたはそれらの組合せを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項６】
前記コアは、カルボキシメチルセルロースナトリウムまたはカルボキシメチルセルロースカリウムを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項７】
前記コアは希土類シリサイドを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項８】
約１４重量％〜１６重量％のコアを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項９】
溶接方法であって、
溶接ワイヤ電極を溶接装置に給送することであって、前記溶接ワイヤ電極は、コアおよびシースを有し、該シースは、約０．０５重量％未満の炭素を含み、前記コアは、炭素源およびアルカリ金属またはアルカリ土類金属の安定剤を有し、該炭素源と該安定剤とは合計で前記コアの１０重量％未満を構成することと、
前記溶接ワイヤ電極と被覆金属ワークとの間に溶接アークを形成することと、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記シースは約０．０４重量％未満の炭素を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記シースは約０．０２重量％未満の炭素を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記被覆金属ワークは、亜鉛めっきワークまたは合金化亜鉛めっきワークを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記被覆金属ワークは、塗装、めっき、クロムめっき、アルミめっき、浸炭処理、亜硝酸塩被覆またはそれらの組合せがなされた金属ワークを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属の安定剤は、酸化カリウム、シリカ、チタニアおよび二酸化マンガンを含む凝集体である請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワークは１６ゲージ厚以下を有する請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
溶接システムであって、該溶接システムは、
溶接ワイヤ電極を受け取るように構成されている溶接トーチを含み、前記溶接ワイヤ電極は、炭素源および金属源を有し、該炭素源と該金属源とは合計で前記溶接ワイヤ電極の１０重量％未満を構成し、前記溶接ワイヤは、０．０４重量％未満の炭素を含む金属シースを有し、前記金属源は、アルカリ金属源、アルカリ土類金属源またはそれらの任意の組合せを含む、溶接システム。
【請求項１７】
前記金属シースは約０．０１重量％を超える炭素を含む請求項１６に記載の溶接システム。
【請求項１８】
前記金属シースは、約０．０１重量％〜約０．０３重量％の炭素を含む請求項１６に記載の溶接システム。
【請求項１９】
前記金属源は、アルカリ金属ケイ酸塩若しくはアルカリ土類金属ケイ酸塩、アルカリ金属チタン酸塩若しくはアルカリ土類金属チタン酸塩、アルカリ金属アルギン酸塩若しくはアルカリ土類金属アルギン酸塩、アルカリ金属炭酸塩若しくはアルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属ハロゲン化物若しくはアルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属リン酸塩若しくはアルカリ土類金属リン酸塩、アルカリ金属硫化物若しくはアルカリ土類金属硫化物、アルカリ金属水酸化物若しくはアルカリ土類金属水酸化物、アルカリ金属酸化物若しくはアルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属過マンガン酸塩若しくはアルカリ土類金属過マンガン酸塩、アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属の長石、アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属のポルサイト、アルカリ金属モリブデン酸塩若しくはアルカリ土類金属モリブデン酸塩またはそれらの組合せを含む請求項１６に記載の溶接システム。
【請求項２０】
前記金属源は、アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化形態、ケイ素の少なくとも１つの酸化形態、チタンの少なくとも１つの酸化形態およびマンガンの少なくとも１つの酸化形態を含む請求項１６に記載の溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には、溶接に関し、より具体的には、ガスメタルアーク溶接(GMAW)またはフラックスコアアーク溶接(FCAW)等のアーク溶接用の電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接は、多様な用途のために様々な産業に遍在するようになったプロセスである。例えば、溶接は多くの場合、造船、海上プラットフォーム、建設、パイプミル等の用途に用いられる。或る特定の溶接技法（例えば、ガスメタルアーク溶接(GMAW)、ガスシールドフラックスコアアーク溶接(FCAW-G)およびガスタングステンアーク溶接(GTAW)）は通常、溶接プロセス時に、溶接アークおよび溶接プール中およびその周囲に特定の局所的な雰囲気を提供するのにシールドガス（例えば、アルゴン、二酸化炭素または酸素）を用いるのに対し、他の溶接（例えば、フラックスコアアーク溶接(FCAW)、サブマージアーク溶接(SAW)およびシールドメタルアーク溶接(SMAW)）は用いない。更に、溶接ワイヤの形態の溶接電極を必要するタイプの溶接もある。溶接ワイヤは、一般的に溶接のための溶加材を供給すると共に溶接プロセスの間に電流経路を構成する。更に、溶接プロセスおよび／または得られる溶接部の特性を概ね変更するような１または複数の成分（例えば、フラックス、アーク安定剤その他の添加剤）を有するタイプの溶接ワイヤ（例えば、中空溶接ワイヤ）もある。
【発明の概要】
【０００３】
１つの実施形態では、中空溶接ワイヤ電極が、シースおよびコアを有する。シースは、約０．０６重量％未満の炭素を含む。コアは、炭素源およびカリウム源を有し、該炭素源とカリウム源とは合計でコアの１０重量％未満を構成する。
【０００４】
別の実施形態では、溶接方法が、溶接ワイヤ電極を溶接装置に給送することを含む。この溶接ワイヤ電極は、コアおよびシースを有し、シースは約０．０５重量％未満の炭素を含む。更に、コアは、炭素源およびアルカリ金属またはアルカリ土類金属の安定剤を有し、これらは合計でコアの１０重量％未満を構成する。本方法は、溶接ワイヤ電極と被覆金属ワークとの間に溶接アークを形成することを更に含む。
【０００５】
別の実施形態では、溶接システムが、溶接ワイヤ電極を受け取るように構成されている溶接トーチを有する。溶接ワイヤ電極は、炭素源および金属源を有し、これらは合計で溶接ワイヤ電極の１０重量％未満を構成する。更に、溶接ワイヤは、０．０４重量％未満の炭素を含む金属シースを有する。更に、金属源は、アルカリ金属源、アルカリ土類金属源またはそれらの任意の組合せを含む。
【０００６】
本発明のこれらの特徴、態様および利点並びに他の特徴、態様および利点は、同様の符号が図全体を通して同様の部品を表す添付の図面を参照しながら以下の詳細な記載を読めば、よりよく理解されることであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の実施形態に従ったガスメタルアーク溶接(GMAW)システムのブロック図である。
【図２】本開示の実施形態に従った中空溶接電極の断面図である。
【図３】本開示の実施形態に従って中空溶接電極を用いてワークを溶接することができるプロセスを示す図である。
【図４】本開示の実施形態に従って中空溶接電極を製造するプロセスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
既述したように、或る特定のタイプの溶接電極（例えば、中空溶接ワイヤ）は、溶接プロセスおよび得られる溶接部の特性を概ね変更できる１または複数の成分（例えば、フラックス、アーク安定剤または他の添加剤）を有することができる。本開示の溶接電極の実施形態は、他の溶接電極よりも少ない炭素含有量を有する金属シースを有する。以下で詳細に記載するように、本開示の中空溶接ワイヤの金属ストリップ中の炭素含有量が少ないほど、例えば、スパッタ速度を遅らせ、溶接煙を減少させおよび／または溶接時のワーク中への浸食を低減させることが可能となる。したがって、本開示の金属ストリップは、高進行速度（例えば、３０インチ／分より速い）であっても、より薄いワーク（例えば、２０ゲージ、２２ゲージ、２４ゲージまたはより薄いワーク）および／または被覆ワークの溶接性を向上させる。更に、上述の金属シースに加えて、本開示の溶接ワイヤは、種々の形態の炭素、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、並びに他の元素（例えば、チタン、マンガンまたは類似の元素）および無機物（例えば、希土類シリサイド、パイライト、マグネタイト等）を組み込み得るフィラー組成物を含む。更に、開示される溶接電極は、種々の溶接構成（例えば、直流負極性（DCEN：直流棒マイナス））、直流正極性（DCEP：直流棒プラス））等）および／または種々の溶接方法（例えば、溶接時の溶接電極の円形の動きまたは蛇行状の動きを伴う）の下で、許容可能な溶接を概ね可能にする。
【０００９】
「中空溶接電極」または「中空溶接ワイヤ」という用語は、本明細書で用いる場合、メタルコア溶接電極またはフラックスコア溶接電極等の、金属シースおよび粒状コアまたは粉末状コアを有する任意の溶接ワイヤまたは溶接電極を指し得ることを理解すべきである。「安定剤」という用語は、アークおよび／または溶接の質を向上させる中空溶接電極の任意の成分を指すのに概ね用いられ得ることも理解すべきである。
【００１０】
図を参照すると、図１は、本開示に従った溶接電極（例えば、中空溶接ワイヤ）を用いるガスメタルアーク溶接(GMAW)システム１０の一実施形態を示す。本説明は、図１に示されているGMAWシステム１０に特に重点を置くものであろうが、本開示の溶接電極は、溶接電極を用いる任意のアーク溶接プロセス（例えば、FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAWまたは同様のアーク溶接プロセス）に利することができることを理解すべきである。溶接システム１０は、溶接電源１２と、溶接ワイヤフィーダー１４と、ガス供給システム１６と、溶接トーチ１８とを備える。溶接電源１２は一般的に、溶接システム１０に給電し、ケーブル束２０を介して溶接ワイヤフィーダー１４に接続することができ、また、クランプ２６を有するリードケーブル２４を用いてワーク２２に接続することができる。図示の実施形態では、溶接ワイヤフィーダー１４は、溶接システム１０の動作時に筒状の消耗溶接ワイヤ（すなわち溶接電極）を供給すると共に溶接トーチ１８に給電するために、ケーブル束２８を介して溶接トーチ１８に接続される。別の実施形態では、溶接電力ユニット１２は、溶接トーチ１８と接続して溶接トーチ１８に直接給電することができる。
【００１１】
溶接電源１２は一般的に、電力変換回路を有することができ、電力変換回路は、交流電源３０（例えば、ＡＣ電力グリッド、エンジン／発電機セットまたはそれらの組合せ）から入力電力を受け取り、その入力電力を調節し、ケーブル２０を介してＤＣ出力電力またはＡＣ出力電力を供給する。そのようなものとして、溶接電源１２は、溶接ワイヤフィーダー１４に給電することができ、この溶接ワイヤフィード１４が更に、溶接システム１０の要求に従って溶接トーチ１８に給電する。クランプ２６において終端するリードケーブル２４は、溶接電源１２をワーク２２に接続して、溶接電源１２と、ワーク２２と、溶接トーチ１８との間での回路を閉じる。溶接電源１２は、溶接システム１０の要求による指定に応じて、ＡＣ入力電力を直流正極性(DCEP)出力、直流負極性(DCEN)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出力に変換することが可能な回路素子（例えば、変圧器、整流器、スイッチ等）を有することができる。本開示の溶接電極（例えば、中空溶接ワイヤ）は、多数の異なる電力構成のために溶接プロセスに対する改善（例えば、アーク安定性の改善および／または溶接品質の改善）を可能にすることができることが理解されるべきである。
【００１２】
図示の溶接システム１０は、ガス供給システム１６を有し、このガス供給システム１６が、シールドガスまたはシールドガス混合気を１または複数のシールドガス源１７から溶接トーチ１８に供給する。図示の実施形態では、ガス供給システム１６は、ガス導管３２を介して溶接トーチ１８に直接接続されている。別の実施形態では、ガス供給システム１６は代わりにワイヤフィーダー１４に接続することができ、ワイヤフィーダー１４は、ガス供給システム１６から溶接トーチ１８へのガスの流れを調整することができる。シールドガスとは、本明細書で用いる場合、（例えば、アークを遮断し、アーク安定性を高め、金属酸化物の形成を制限し、金属表面の湿潤を高め、溶着物の化学的性質を変える等のために）特定の局所的な雰囲気を提供するために、アークおよび／または溶接プールに供給することができる任意のガスまたはガスの混合気を指し得る。或る特定の実施形態において、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気（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）、類似の好適なシールドガス、またはそれらの任意の混合気）とすることができる。例えば、シールドガス流（例えば、導管３２を経由して供給される）として、Ａｒ、Ａｒ／ＣＯ2混合気、Ａｒ／ＣＯ2／Ｏ2混合気、Ａｒ／Ｈｅ混合気等とすることができる。
【００１３】
したがって、図示の溶接トーチ１８は一般的に、ワーク２２のGMAWを行うために、溶接ワイヤフィーダー１４からの溶接電極（すなわち、中空溶接ワイヤ）および電力、並びにガス供給システム１６からのシールドガス流を受け取る。動作時、アーク３４が消耗溶接電極（すなわち、溶接トーチ１８のコンタクトチップから出ている溶接ワイヤ）とワーク２２との間に形成され得るように溶接トーチ１８をワーク２２の近傍に移動することができる。更に、以下で説明するように、溶接電極（すなわち、中空溶接ワイヤ）の組成を調整することによって、アーク３４および／または得られる溶接部の化学的性質（例えば、組成特性および物理特性）を変更できる。例えば、溶接電極は、フラックス成分または合金成分を有することができ、これらの成分は、アーク安定剤として働くことができ、更に、溶接部に少なくとも部分的に組み込まれることで、溶接部の機械的特性に影響を及ぼすことができる。更に、溶接電極（すなわち、溶接ワイヤ）の或る特定の成分は、アーク近くに更なるシールド雰囲気も提供し、アーク３４による移行特性に影響を及ぼし、かつ／または、ワークの表面等を還元することができる。
【００１４】
本開示の溶接ワイヤの一実施形態の断面が図２に示されている。図２は、中空溶接ワイヤ５０を示しており、この中空溶接ワイヤ５０は、粒状コアまたは粉末状コア５４（フィラーとも呼ばれる）を被包する金属シース５２を有する。金属シース５２は、任意の適した金属または合金、例えば鋼鉄から製造することができる。金属シース５２の組成が、得られる溶接部の組成および／またはアーク３４の特性に影響を及ぼし得ることを理解すべきである。したがって、金属シース５２は、添加剤または不純物（例えば、合金成分、炭素、アルカリ金属、マンガンまたは同様の化合物若しくは成分）を有することができ、これらの添加物または不純物は、所望の溶接特性を提供するように選択することができる。或る特定の実施形態において、金属シース５２は、中空溶接ワイヤ５０の総重量の約８０％〜９０％を占めることができる。例えば、或る特定の実施形態では、金属シース５２が、中空溶接ワイヤ５０の総重量の約８４％または約８６％をもたらすものであってもよい。
【００１５】
とりわけ、或る特定の実施形態において、中空溶接ワイヤ５０の金属シース５２は、比較的小さい（例えば、より少ないまたは減少させた）量の炭素を含む低炭素ストリップとすることができる。概して、金属シース５２は約０．１重量％未満の炭素を含んでいてもよい。或る特定の実施形態では、金属シース５２が、約０．０１重量％〜約０．０３重量％の炭素を含んでいてもよい。例えば、或る特定の実施形態では、金属シース５２が、約０．００５重量％〜約０．０３５重量％、約０．０１５重量％〜約０．０２５重量％または約０．０２重量％の炭素を含んでいてもよい。或る特定の実施形態において、金属シース５２は、約０．１重量％未満、約０．０８重量％未満、約０．０６重量％未満、約０．０５重量％未満、約０．０４重量％未満または約０．０３重量％未満の炭素を含んでいてもよい。加えて、或る特定の実施形態では、金属シース５２が、一般的にわずかな異物を有する低炭素鋼からなるものであってもよい。例えば、或る特定の実施形態において、金属シース５２は、約０．２５重量％〜約０．５重量％または約０．３５重量％のマンガンを含むものであってもよい。更なる例によれば、或る特定の実施形態において、金属シース５２は、約０．０２重量％未満のリンまたは硫黄を含むものであってもよい。金属シース５２はまた、約０．０４重量％未満のケイ素、約０．０５重量％未満のアルミニウム、約０．１重量％未満の銅および／または約０．０２重量％未満のスズを含むものであってもよい。
【００１６】
図示される中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４は、一般的に、以下で説明するように、或る特定の実施形態では炭素源並びにアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物を含み得る組成を有する圧粉とすることができる。或る特定の実施形態において、粒状コア５４は中空溶接ワイヤ５０の総重量の約５％〜２０％を占めることができる。例えば、或る特定の実施形態では、粒状コア５４が、中空溶接ワイヤ５０の総重量の約１４％、約１５％または約１６％をもたらすものであってもよい。更に、或る特定の実施形態では、炭素源、アルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物および／または他の成分（例えば、他のフラックス成分または合金成分）を均質にまたは不均質に（例えば、塊または集合体５６で）粒状コア５４内に配することができる。加えて、或る特定の溶接電極の実施形態（例えば、メタルコア溶接電極）の場合、粒状コア５４は、１または複数の金属（例えば、鉄、チタン鉄、シリコン鉄または他の合金若しくは金属）を有することができ、この金属が溶接用の溶加材の少なくとも一部を提供することができる。
【００１７】
中空溶接ワイヤ５０内に存在し得る成分の例として（すなわち、１または複数の炭素源および１または複数のアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物に加えて）、Illinois Tool Works, Inc.から入手可能なＭＥＴＡＬＬＯＹ  Ｘ−ＣＥＬ（商標）溶接電極中に見ることができるように、他の安定化成分、フラックス成分および合金成分が挙げられる。概して、１または複数の炭素源と１または複数のアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物との組合せ全体の割合は、粒状コア５４または中空溶接ワイヤ５０全体に対して約０．０１重量％〜約１０重量％とすることができる。例えば、或る特定の実施形態において、１または複数の炭素源および１または複数のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の組合せ全体の割合は、粒状コア５４または中空溶接ワイヤ５０に対して、約０．０１重量％〜約８重量％、約０．０５重量％〜約５重量％または約０．１重量％〜約４重量％であり得る。具体例により、或る特定の実施形態では、粒状コア５４が、炭素源およびカリウム源を有することができ、これらは合計で粒状コア５４の約１０重量％以下を占める。アーク３４の条件によって、溶接ワイヤの構成要素（例えば、金属シース５２、粒状コア５４等）は、物理的状態を変えるか、化学反応（例えば、酸化、分解等）するかまたは溶接プロセスによって実質的に変性しない溶接部に組み込むことができることを理解すべきである。
【００１８】
粒状コア５４および／または金属シース５２に存在する炭素源は、多数の形態とすることができ、アーク３４を安定させることができ、かつ／または、溶接部の炭素含有量を増加させることができる。例えば、或る特定の実施形態では、グラファイト、グラフェン、ナノチューブ、フラーレンおよび／または同様の実質的にｓｐ2混成の炭素源を、中空溶接ワイヤ５０における炭素源として用いることができる。更に、或る特定の実施形態では、グラフェンまたはグラファイトを用いて、炭素シート間の間質空間内に存在し得る他の成分（例えば、水分、ガス、金属等）を提供することもできる。他の実施形態では、実質的にｓｐ3混成の炭素源（例えば、マイクロダイヤモンドまたはナノダイヤモンド、カーボンナノチューブ、バッキーボール）を炭素源として用いることができる。更に他の実施形態では、実質的に非晶質の炭素（例えば、カーボンブラック、ランプブラック、煤および／または同様の非晶質炭素源）を炭素源として用いることができる。更に、本開示は、この成分を「炭素源」と呼び得るが、炭素源は、炭素以外の元素（例えば、酸素、ハロゲン、金属等）を含有し得る化学修飾された炭素源とすることができることを理解すべきである。例えば、或る特定の実施形態では、中空溶接ワイヤ５０は、約２０％のマンガン含有量を含有することができるカーボンブラック炭素源（例えば、粒状コア５４および／または金属シース５２における）を有することができる。更に、或る特定の実施形態において、炭素源は、粒状コア５４の、約０．０１重量％〜９．９重量％、約０．０５重量％〜５重量％、約０．１重量％〜３重量％、約０．２５重量％〜２重量％、約０．４重量％〜１重量％または約０．５重量％を占め得る。
【００１９】
更に、中空溶接ワイヤ５０は、アーク３４を安定させる１または複数のアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物を有することもできる。すなわち、筒状溶接ワイヤ５０の粒状コア５４および／または金属シース５２は、１または複数の第１族元素および第２族元素の化合物、すなわち、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）またはバリウム（Ｂａ）を含み得る。化合物の例の非限定的なリストとして、第１族（すなわち、アルカリ金属）元素および第２族（すなわち、アルカリ土類金属）元素のケイ酸塩、チタン酸塩、チタン酸マンガン、アルギン酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、リン酸塩、硫化物、水酸化物、酸化物、過マンガン酸塩、ハロゲン化ケイ素類、長石、ポルサイト、モリブデナイトおよびモリブデン酸塩が挙げられる。例えば、或る特定の実施形態において、筒状溶接ワイヤ５０の粒状コア５４は、チタン酸カリウムマンガン、硫酸カリウム、ナトリウム長石、カリウム長石および／または炭酸リチウムを含み得る。具体例により、粒状コア５４は、カリウム源として、ケイ酸カリウム、チタン酸カリウム、アルギン酸カリウム、炭酸カリウム、フッ化カリウム、リン酸カリウム、硫化カリウム、水酸化カリウム、酸化カリウム、過マンガン酸カリウム、ケイフッ化カリウム、カリウム長石、モリブデン酸カリウムまたはそれらの組合せを含むことができる。或る特定の実施形態では、１または複数のアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物が、カルボキシメチルセルロースの第１族および第２族の塩（例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウムまたはカルボキシメチルセルロースカリウム）を含み得る。用いることができる炭素源およびアルカリ金属化合物の同様の例が、米国特許第7,087,860号「STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRES」および米国特許第6,723,954号「STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRE」に記載されており、これらの米国特許は双方とも、あらゆる目的から、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
【００２０】
更に、或る特定の実施形態では、アルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物の安定剤が、中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４に含まれる、凝集体またはフリット源によって供給され得る。すなわち、中空溶接ワイヤ５０の或る特定の実施形態は、上記の１または複数のアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物を含む、凝集体またはフリットを含んでいてもよい。「凝集体」または「フリット」という用語は、本明細書で使用する場合、混合物の成分が互いに密接に接触するように、か焼炉または炉内で燃焼または加熱された化合物の混合物を指す。凝集体は、凝集体を形成するのに使用される混合物の個々の成分とは微妙にまたは実質的に異なる化学的性質および／または物理的性質を有し得ることを理解すべきである。例えば、本開示の通りに、アルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物を凝集させることは、凝集されていないアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物よりも溶接環境に適する凝集体を提供することができる。
【００２１】
或る特定の実施形態において、中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４は、１または複数のアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物（例えば、酸化カリウム、酸化ナトリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウムまたは他の好適なアルカリ金属化合物若しくはアルカリ土類金属化合物）の凝集体を含み得る。他の実施形態では、中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４が、アルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物と、他の酸化物（例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化マンガンまたは他の好適な金属酸化物）との混合物の凝集体を含み得る。例えば、中空溶接ワイヤ５０の一実施形態は、酸化カリウムとシリカとチタニアとの混合物を含む凝集したカリウム源を含み得る。更なる例では、中空溶接ワイヤ５０の別の実施形態が、粒状コア５４中に、酸化カリウム（例えば、約２２重量％〜２５重量％）と、シリカ（例えば、約１０重量％〜１８重量％）と、チタニア（例えば、約３８重量％〜４２重量％）と、酸化マンガンまたは二酸化マンガン（例えば、約１６重量％〜２２重量％）との混合物を有する別の安定化凝集体を含み得る。或る特定の実施形態において、凝集体は、約５重量％〜７５重量％のアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物（例えば、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウムまたは他の好適なアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物）または、約５重量％〜９５重量％のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属（例えば、カリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウムまたは他の好適なアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属）を含み得る。更に、或る特定の実施形態では、凝集体混合物中に存在する各成分の相対量を選択する際に、他の化学的要素および／または物理的要素（例えば、凝集体のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の最大装填量、酸性度、安定性および／または吸湿性）を考慮することができる。加えて、或る特定の実施形態では、凝集体が、粒状コア５４の約０．０１重量％〜９．９重量％、約０．０５重量％〜５重量％、約０．１重量％〜４重量％、約１重量％〜３重量％、約１．５重量％〜２．５重量％または約２重量％を占めることができる。
【００２２】
更に、中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４は、他の安定化成分を有することもできる。一般的に、希土類元素がアーク３４に安定性を与えることができ、希土類元素は得られる溶接部の特性に影響を及ぼし得る。例えば、或る特定の実施形態では、中空溶接ワイヤ５０は、希土類元素（例えば、セリウム）を含み得る、Rare Earth Silicide（例えば、イリノイ州ローズモント所在のMiller and Company社から市販されている）等の希土類シリサイドを用いることができる。更に、中空溶接ワイヤ５０は付加的または代替的に、アーク安定性を与えると共に、得られる溶接部の化学的性質を調整する、他の元素および／または無機物を有してもよい。例えば、或る特定の実施形態において、筒状溶接ワイヤ５０の粒状コア５４および／または金属シース５２は、或る特定の元素（例えば、チタン、マンガン、ジルコニウム、フッ素またはその他の元素）および／または無機物（例えば、パイライト、マグネタイト等）を含み得る。具体例により、或る特定の実施形態は、ケイ化ジルコニウム、ニッケルジルコニウムまたはチタン、アルミニウムおよび／またはジルコニウムの合金を粒状コア５４に含み得る。特に、様々な硫化物化合物、硫酸化合物および／または亜硫酸化合物（例えば、二硫化モリブデン、硫化鉄、亜硫酸マンガン、硫酸バリウム、硫酸カルシウムまたは硫酸カリウム）または硫黄含有化合物若しくは硫黄含有無機物（例えば、パイライト、石膏または類似の硫黄含有種）を含む硫黄含有化合物は、ビーズ形状を改良し、かつスラッグが離れるのを促進することで、得られる溶接の質を改良するために粒状コア５４中に含まれることができ、これは以下に説明されるように、亜鉛めっきワークの溶接の際に特に有益であり得る。更に、或る特定の実施形態において、中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４は、複数の硫黄源（例えば、亜硫酸マンガン、硫酸バリウムおよびパイライト）を含んでいてもよく、一方中空溶接ワイヤ５０の別の実施形態は、かなりの量の別の硫黄源（例えば、硫酸カリウム）を含むことなく単一の硫黄源（例えば、パイライトまたは硫化鉄）のみを含んでいてもよい。
【００２３】
概して、中空溶接ワイヤ５０は、ワーク２２に対するアーク３４の形成を概ね安定させることができる。したがって、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、溶接プロセス時の飛散を低減しつつも溶着率を高めることができる。アーク３４の安定性の向上により、被覆金属ワークおよびより薄いワークの溶接を概ね可能にすることができることを更に理解すべきである。被覆ワークの例の非限定的なリストとして、塗装ワーク、シールワーク、亜鉛めっきワーク、合金化亜鉛めっきワーク（または類似の亜鉛被覆ワーク）、めっき（例えば、ニッケルめっき、銅めっき、錫めっきまたは同様の金属を用いる電気めっき若しくは化学めっき）ワーク、クロムめっきワーク、亜硝酸塩被覆ワーク、アルミめっきワークまたは浸炭処理ワークが挙げられる。例えば、亜鉛めっきワークの場合、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、アーク３４の安定性およびアーク３４による溶け込みの制御を向上させることができ、それによって、ワーク２２の外側が亜鉛で被覆されているにもかかわらず優れた溶接を達成することができる。更に、アーク３４の安定性を向上させることによって、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、他の溶接電極を用いて可能であり得るよりも薄いワークの溶接を概ね可能にすることができる。例えば、或る特定の実施形態では、本開示の中空溶接ワイヤ５０を用いて、約１６ゲージ、１８ゲージ、２０ゲージ、２２ゲージ、２４ゲージのまたは更にはより薄いワークを有する金属を溶接することができる。中空溶接ワイヤ５０の或る特定の実施形態では、金属シース５２の炭素含有量が少ないほど、溶接時のワーク２２の表面への浸食を低減させることが可能となることを理解すべきである。
【００２４】
更に、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、毎分３０インチを超える進行速度における溶接（例えば、薄いゲージの亜鉛めっき鋼の溶接）を可能とする。例えば、中空溶接ワイヤ５０は容易に、低空隙率を有する、毎分３０インチを上回る進行速度（例えば、毎分３５インチまたは４０インチ）における高品質の隅肉溶接を可能とする。すなわち、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、他のソリッドコア、メタルコアまたはフラックスコアの溶接ワイヤよりも速い（例えば、５０％〜７５％速い）進行速度を可能とし得る。進行速度が速いほど、生産速度（例えば、生産ラインにおける）が速く、コストも低減され得ることを理解すべきである。加えて、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、広いオペレーティングプロセスウィンドウを用いて、良好なギャップハンドリングを示すと共に、優れた溶接特性（例えば、強度、延展性、外観等）を提供する。更に、中空溶接ワイヤ５０は概して、他のソリッドコア、メタルコアまたはフラックスコアの溶接ワイヤよりも煙およびスパッタを発生させない。
【００２５】
更に、本開示の中空溶接ワイヤ５０は、或る特定の溶接方法または溶接技法（例えば、溶接動作時に特定の方法で溶接電極を動かす技法）と組み合わせることもでき、この溶接方法または溶接技法は、特定のタイプのワーク用に溶接システム１０の堅牢性を更に高めることができる。例えば、或る特定の実施形態では、溶接トーチ１８は、中空溶接ワイヤ５０とワーク２２との間（例えば、中空溶接ワイヤ５０のシース５２とワーク２２との間のみ）にアーク３４を維持するために、溶接トーチ１８の内部で所望のパターン（例えば、円形パターン、スピンアークパターンまたは蛇行パターン）で電極をサイクル的にまたは周期的に動かすように構成することができる。具体例として、或る特定の実施形態では、開示の中空溶接ワイヤ５０は、米国仮特許出願第61/576850号「DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM」に開示の溶接方法等の溶接方法と共に用いることができる。上記米国仮特許出願は、あらゆる目的から、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。そのような溶接技法は、上述したように、薄いワーク（例えば、２０ゲージ厚、２２ゲージ厚または２４ゲージ厚を有する）を溶接する際に特に有用であることを理解すべきである。
【００２６】
図３は、本開示の溶接システム１０および中空溶接ワイヤ５０を用いて、ワーク２２を溶接することができるプロセス６０の一実施形態を示す。図示のプロセス６０は、中空溶接電極５０（すなわち、中空溶接ワイヤ５０）を溶接装置（例えば、溶接トーチ１８）に給送する（ブロック６２）ことによって開始する。とりわけ、或る特定の実施形態において、中空溶接電極５０は、約０．０１重量％〜約０．０３重量％の炭素を有する金属シース５２を有し得る。更に、プロセス６０は、シールドガス流（例えば、１００％アルゴン、１００％二酸化炭素、７５％アルゴン／２５％二酸化炭素、９０％アルゴン／１０％ヘリウムまたは同様のシールドガス流）を溶接装置のコンタクトチップ（例えば、トーチ１８のコンタクトチップ）近くに供給する（ブロック６４）ことを含む。他の実施形態では、ガス供給システム（例えば、図１に示されているガス供給システム１６等）を用いない溶接システムを用いることができ、中空溶接電極５０の１または複数の成分（例えば、炭酸カリウム）がシールドガス成分（例えば、二酸化炭素）を提供するように分解することができる。
【００２７】
次に、アーク３４が中空溶接ワイヤ５０とワーク２２との間に生じると共に、維持されるように中空溶接電極５０をワーク２２近くに運ぶ（ブロック６６）ことができる。アーク３４は、例えば、GMAWシステム１０用のDCEP、DCEN、ＤＣ可変極性、パルスＤＣ、平衡ＡＣ電源構成または不平衡ＡＣ電源構成を用いて生成することができることを理解すべきである。アーク３４をワーク２２に築いたら、中空溶接電極５０の一部（例えば、溶加材および合金成分）を、溶着物の溶接ビードを形成するようにワーク２２の表面上の溶接プールに動かす（ブロック６８）ことができる。それと同時に、中空溶接電極５０の成分の残りが、アークの電気的特性並びに溶着物の得られる化学的性質および機械的性質を制御するように、アーク安定剤、スラッグ形成剤および／または脱酸素剤として機能するために、中空溶接電極５０から放出され得る（ブロック７０）。更に、或る特定の実施形態では、中空溶接電極５０および／または溶接時の中空溶接電極５０のサイクル的な動きにより、より薄い（例えば、２０ゲージ未満の）ワークおよび、塗装ワーク、亜鉛めっきワーク、合金化亜鉛めっきワーク、めっきワーク、アルミめっきワーク、クロムめっきワーク、浸炭処理ワークまたは他の同様の被覆ワークの溶接を概ね可能にすることができる。
【００２８】
図４は、中空溶接ワイヤ５０を製造することができるプロセス８０の一実施形態を示す。プロセス８０は、ストリップを成形して部分的に円形の金属シース５２にする（例えば、半円形または窪みをつくり出す）複数のダイスの中に平らな金属ストリップを給送する（ブロック８２）ことによって開始する。とりわけ、或る特定の実施形態では、金属ストリップを、約０．０１重量％〜約０．０３重量％の炭素を有する低炭素金属ストリップとすることができる。金属ストリップが少なくとも部分的に成形されて金属シース５２になった後、金属ストリップをフィラー（例えば、粒状コア５４）で充填する（ブロック８４）ことができる。すなわち、部分的に成形された金属シース５２を、種々の粉末状合金成分、アーク安定成分、スラッグ形成成分、脱酸素成分および／または充填成分で充填することができる。より具体的には、種々のフラックス成分および合金成分のうち、１または複数の炭素源および１または複数のアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物を、合せて中空溶接ワイヤ５０および／または粒状コア材料５４の１０％未満を構成するように添加することができる。更に、或る特定の実施形態では、他の成分（例えば、希土類シリサイド、マグネタイト、チタン酸塩、パイライト、鉄粉および／または他の同様の成分）を、部分的に成形された金属シース５２に添加することもできる。
【００２９】
次に、図示されるプロセス８０において、粒状コア材料５４の成分が、部分的に成形された金属シース５２に添加されると、次に、部分的に成形された金属シース５２が粒状コア材料５４を実質的に囲む（例えば、シーム５８を形成する）ように、金属シース５２を概ね閉じることができる１または複数のデバイス（例えば、引抜ダイスまたは他の好適な閉鎖デバイス）の中に金属シース５２を給送する（ブロック８６）ことができる。更に、閉じた金属シース５２をその後、粒状コア材料５４を圧縮することによって中空溶接ワイヤ５０を細くするように複数のデバイス（例えば、引抜ダイスまたは他の好適なデバイス）の中に給送する（ブロック８８）ことができる。
【００３０】
本明細書において、本発明の或る特定の特徴だけが図示および説明されてきたが、当業者には多くの変更および変形が思い浮かぶであろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に入る全てのこのような変更および変形を包含することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３１】
１２    溶接電源
１４    溶接ワイヤフィーダー
１６    ガス供給システム
１７    シールドガス源
１８    溶接トーチ
２０    ケーブル
２２    ワーク
２４    リードケーブル
２６    クランプ
２８    ケーブル束
３０    交流電源
３２    ガス導管
３４    アーク
５０    中空溶接ワイヤ
５２    金属シース
５４    粒状コア材料
５８    シーム
【図１】
2015529564.tif 000003
【図２】
2015529564.tif 000004
【図３】
2015529564.tif 000005
【図４】
2015529564.tif 000006
【国際調査報告】
2015529564.tif 000007
2015529564.tif 000008
2015529564.tif 000009