(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、中空溶接ワイヤが、シースとコアとを有する。更に、コアは、炭素源と、第１族または第２族化合物、二酸化ケイ素および二酸化チタンとを有する凝集体を含む。更に、炭素源および凝集体は合計でコアの１０重量％未満を占める。
2015518427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シースおよびコアを含む中空溶接ワイヤであって、前記コアは、炭素源および凝集体を含み、前記凝集体は、第１族または第２族化合物、二酸化ケイ素および二酸化チタンを含み、前記炭素源および前記凝集体は、合計で前記コアの１０重量％未満を占める、中空溶接ワイヤ。
【請求項２】
前記炭素源および前記凝集体が、合計で前記コアの０．０５重量％〜５重量％を占める請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記炭素源および前記凝集体が、合計で前記コアの１重量％〜２．５重量％を占める請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項４】
前記第１族または第２族化合物が、第１族若しくは第２族酸化物または第１族若しくは第２族フッ化物を含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項５】
前記凝集体が酸化カリウム、酸化ナトリウム、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６】
前記凝集体が少なくとも１つの酸化型のマンガンを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項７】
前記コアが希土類化合物を含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項８】
前記コアがランタニド金属酸化物またはランタニド金属シリサイドを含む請求項７に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項９】
前記コアが硫化鉄を含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項１０】
前記炭素源がグラファイトを含む請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項１１】
前記中空溶接ワイヤが、０．１２５インチ以下の厚さを有する亜鉛めっきワークまたは合金化亜鉛めっきワークを溶接するように構成されている請求項１に記載の中空溶接ワイヤ。
【請求項１２】
グラファイト、カーボンブラック、またはランプブラックを含む炭素源と、
酸化カリウムまたは酸化ナトリウム、二酸化ケイ素、二酸化チタンおよび酸化マンガンを含む凝集体と、
を含む粒状の溶接ワイヤコアであって、前記炭素源および前記凝集体が、合計で前記コアの１０重量％未満を占める、粒状の溶接ワイヤコア。
【請求項１３】
前記凝集体が少なくとも１つのチタンの酸化物を含む請求項１２に記載の粒状の溶接ワイヤコア。
【請求項１４】
前記コアが希土類金属の酸化物を含む請求項１２に記載の粒状の溶接ワイヤコア。
【請求項１５】
前記コアが希土類金属のシリサイドを含む請求項１２に記載の粒状の溶接ワイヤコア。
【請求項１６】
中空溶接ワイヤを製造する方法であって、コアを金属シース中に配置することを含み、前記コアが炭素源と凝集体とを含み、前記凝集体が、第１族または第２族金属、ケイ素およびマンガンの各々の少なくとも１つの酸化物を含み、前記炭素源および前記凝集体が、合計で前記中空溶接ワイヤの１０重量％未満を占める方法。
【請求項１７】
第１族または第２族化合物、砂およびルチルを含む混合物を形成することと、前記混合物を加熱することであって、前記凝集体を形成させることとを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１族または第２族化合物が、第１族若しくは第２族ケイ酸塩、第１族若しくは第２族チタン酸塩、第１族若しくは第２族アルギン酸塩、第１族若しくは第２族炭酸塩、第１族若しくは第２族ハロゲン化物、第１族若しくは第２族リン酸塩、第１族若しくは第２族金属水酸化物、第１族若しくは第２族酸化物、第１族若しくは第２族過マンガン酸塩、第１族若しくは第２族長石、第１族若しくは第２族ポルサイト、第１族若しくは第２族モリブデン酸塩、またはそれらの組合せを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記コアが酸化ランタンまたは酸化セリウムを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記コアが本質的に硫化鉄からなる単一の硫黄源を含む請求項１６に記載の方法。
【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。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、2012年4月17日出願の米国特許仮出願第61/625488号「SYSTEMS AND METHODS FOR WELDING ELECTRODES」の優先権および利益を主張し、また、本明細書の一部をなすものとして同米国特許仮出願全体を引用する。
【背景技術】
【０００３】
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池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とも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】
【０００４】
１つの実施の形態では、中空溶接ワイヤがシースおよびコアを有する。更に、コアは、炭素源と、第１族または第２族化合物、二酸化ケイ素および二酸化チタンを有する凝集体とを含む。更に、炭素源および凝集体は合計でコアの１０重量％未満を占める。
【０００５】
別の実施の形態では、粒状の溶接ワイヤコアは、グラファイト、カーボンブラックまたはランプブラックを含む炭素源を有する。更に、粒状コアは、酸化カリウムまたは酸化ナトリウム、二酸化ケイ素、二酸化チタンおよび酸化マンガンを有する凝集体を含む。更に、炭素源および凝集体は合計でコアの１０重量％未満を占める。
【０００６】
別の実施の形態において、中空溶接ワイヤを製造する方法は、コアを金属シース中に配置することを含む。コアは炭素源と凝集体とを含む。更に、凝集体は、第１族または第２族金属、ケイ素およびマンガンの各々の少なくとも１つの酸化物を含む。更に、炭素源および凝集体は合計で中空溶接ワイヤの１０重量％未満を占める。
【０００７】
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】
【０００８】
【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】
【０００９】
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／または得られる溶接部の特性を概ね変更する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）を有することができる。例えば、本溶接電極の実施形態は、安定剤、例えば、炭素化合物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、希土類化合物等を含み得る。更に、以下で説明するように、本開示の溶接電極の或る特定の安定化成分は、溶接電極のコア中に凝集体の形態で存在し得る。以下に詳細に説明するように、１または複数の安定化成分を凝集体として提供することにより、安定化化合物を、非凝集化合物よりも溶接環境により適した形態にて送達させることが可能となる。例えば、或る特定の実施形態において、本開示のアーク安定化成分は「ソフトアーク」を提供することができ、ソフトアークは一般的に、薄いワークでさえも、溶け落ちをもたらすことなく、ワークの部分を溶かすため、かつ／または、被覆（例えば、亜鉛めっきワークの亜鉛被覆）を蒸発させるために、ワークに好適な熱を提供し得る。或る特定の実施形態において、本開示の溶接電極の１または複数の安定剤によって提供される「ソフトアーク」は、非被覆および被覆（例えば、めっき、亜鉛めっき、塗装、アルミめっき、浸炭処理、または同様の被覆）ワークの溶接の改善を可能とし得る。更に、本アプローチは、より薄いワーク、例えば、１６ゲージ（０．０５１インチ）未満、２０ゲージ（０．０３２インチ）未満、２２ゲージ（０．２５インチ）未満、または約２４ゲージ（０．０２インチ）の厚さを有するワークを溶接するために有用であろう。
【００１０】
「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、メタルコアまたはフラックスコアの溶接電極および溶接ワイヤ等の、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、中空溶接ワイヤのあらゆる成分、例えば、或る特定の開示された炭素源、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物および希土類化合物を指すために一般的に用いられ得ることもまた理解すべきである。
【００１１】
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、溶接電力ユニット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。溶接電力ユニット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。
【００１２】
溶接電力ユニット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、溶接電力ユニット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、溶接電力ユニット１２をワーク２２に接続して、溶接電力ユニット１２と、ワーク２２と、溶接トーチ１８との間での回路を閉じる。溶接電力ユニット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：直流棒プラス）出力、直流負極性（DCEN：直流棒マイナス）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）を可能とすることが理解されるべきである。
【００１３】
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、シールドガスフローは、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、シールドガスフロー（例えば、導管３２を経由して送達される）として、Ａｒ、Ａｒ／ＣＯ2混合気、Ａｒ／ＣＯ2／Ｏ2混合気、Ａｒ／Ｈｅ混合気等を挙げることができる。例えば、或る特定の実施形態において、シールドガスは、７５％Ａｒおよび２５％ＣＯ2の混合気または９０％Ａｒおよび１０％ＣＯ2の混合気とすることができる。
【００１４】
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）を変えることができる。例えば、溶接電極は、フラックス成分および／または合金成分を有することができ、これらの成分は、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。
【００１５】
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に示される中空溶接ワイヤ５０は、粒状コアまたは粉末状コア５４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、高炭素鋼、低炭素鋼または他の適した金属若しくは合金）から製造することができる。金属シース５２は一般的に、溶接に用いる溶加材の一部を提供することができるため、金属シース５２の組成が、得られる溶接部の組成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、炭素、アルカリ金属、マンガン、ニッケル、銅または同様の化合物若しくは元素）を有することができ、これは、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。
【００１６】
図示の中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４は、一般的に、以下で説明するように、１または複数の安定化成分を含み得る組成を有する圧粉とすることができる。例えば、アーク３４を安定化するために、粒状コア５４の或る特定の実施形態は、炭素源、アルカリ金属化合物または凝集体、アルカリ土類金属化合物または凝集体および希土類化合物の１または複数を含み得る。更に、或る特定の実施形態において、安定剤（例えば、炭素源および１または複数の安定化凝集体）は、粒状コアの約１０重量％以下を占め得る。粒状コア５４の様々な成分を、粒状コア５４内に均質または不均質に（例えば、塊または集合体５６中にて）配置することができる。以下に詳細に示すように、粒状コア５４の安定化成分の１または複数（例えば、１以上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）は、粒状コア５４中の凝集体またはフリットの形態で提供することができる。更に、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、ニッケル、銅、高炭素鉄粉、フェロモリブデン粉または他の好適な金属）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。中空溶接ワイヤ５０内に存在し得る他の成分の例として、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。
【００１７】
概して、或る特定の実施形態において、中空溶接ワイヤ５０中の安定剤（例えば、１または複数の炭素源、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物および／または希土類化合物）の組合せの総パーセンテージは、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または複数の安定剤の組合せの総パーセンテージは、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８重量％、約０．０５重量％〜約５重量％、または約０．１重量％〜約４重量％とすることができる。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５４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以上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、中空溶接ワイヤ５０の粒状コア５４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、一実施形態において、中空溶接ワイヤ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。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。更に、或る特定の実施形態において、上記の第１族および第２族化合物を、中空溶接ワイヤ５０のコア５４中に直接配置してもよいし、一方別の実施形態において、上記の第１族および第２族化合物を、以下に詳細に示すように、凝集体を形成させるために用いてもよい。或る特定の上記の化合物を凝集プロセスの間に他のタイプの化合物へと変換することができる（例えば、炭酸カリウムは酸化カリウムになり得る）ことを理解すべきである。
【００２０】
更に、中空溶接ワイヤ５０は、他の安定化成分を有することもできる。具体的には、一般的に、希土類化合物（例えば、希土類シリサイド、希土類酸化物等）がアーク３４に安定性を与えることができ、希土類化合物は得られる溶接部の特性に影響を及ぼし得る。したがって、本開示の溶接ワイヤの或る特定の実施形態は、１以上の希土類化合物（例えば、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、またはその他の好適な希土類金属の化合物）を含み得る。化合物の例の非限定的なリストとしては、希土類シリサイド、酸化物、ケイ酸塩、チタン酸塩、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、過マンガン酸塩、ハロゲン化ケイ素、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、中空溶接ワイヤ５０は、希土類シリサイド、例えば、希土類元素（例えば、セリウム）を含み得る、Rare Earth Silicide（例えば、Miller and Company of Rosemont, Illinoisから入手可能）を用いることができる。更なる例により、或る特定の実施形態において、中空溶接ワイヤ５０は、溶接動作の際にアーク３４に安定性を提供するために、１以上の希土類元素の酸化物（例えば、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化サマリウム等）を含み得る。以下に詳細に説明するように、或る特定の実施形態において、希土類化合物は、凝集体（例えば、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）と併せて使用され、アークに組合せ安定化効果を提供する。
【００２１】
更に、中空溶接ワイヤ５０は、追加的または代替的に、得られる溶接部の化学的性質を制御するために、その他の元素および／または無機物を含み得る。例えば、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。具体例として、或る特定の実施形態は、粒状コア５４において、ジルコニウムシリサイド、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含み得る。特に、以下で説明するように、亜鉛めっきワークを溶接する場合に特に有用なビードの形状の改善およびスラグ脱離の促進により、得られる溶接部の質を向上させるために、粒状コア５４中に、様々な硫化物、硫酸塩および／または亜硫酸塩化合物（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等）を含む含硫黄化合物または含硫黄化合物若しくは無機物（例えば、パイライト、石膏、または同様の含硫黄種）が含まれ得る。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。
【００２２】
更に、本開示の中空溶接ワイヤ５０の或る特定の実施形態において、多数の安定化成分（例えば、１以上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、粒状コア５４中に凝集体またはフリットとして存在していてもよい。例えば、中空溶接ワイヤ５０の或る特定の実施形態は、１または複数の結合剤（例えば、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、またはそれらの組合せ）および／または乾燥剤（例えば、フッ化リチウム）とともに、１以上のアルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物を有する凝集体またはフリットを含み得る。本明細書で用いる場合、「凝集体」または「フリット」という用語は、混合物の成分が互いに緊密に接触するように、か焼炉またはかまどにて焼成または加熱された化合物の混合物のことを指す。凝集体は、凝集体を形成するために使用された混合物の個々の成分とは、わずかにまたは実質的に異なる化学的および／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、或る特定の実施形態において、炭酸カリウム、砂およびルチルを混合し、次いで凝集させることにより、焼成後に、酸化カリウム、シリカおよび二酸化チタンの混合物を含む凝集体が提供され得る。
【００２３】
本開示のように、或る特定の安定化成分（例えば、１以上のアルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、または任意のその他の好適な安定化成分）を凝集させてフリットとすることにより、非凝集化合物よりも溶接環境に良好に適した形態でこれら安定化化合物を送達することができる。理論に拘束されることを望むわけではないが、凝集体が粒状コア５４の化学的および／または物理的性質を向上させ得る一つの様式は、溶接アーク３４の条件に導入する前に、凝集させた安定化成分を乾燥状態に維持することを確実にすること（例えば、大気または周囲環境から水分を概ねまたは全く吸収させないこと）による。更に、凝集体が粒状コア５４の化学的および／または物理的性質を向上させ得る別の様式は、安定化成分が、溶接アーク３４への送達の際に特定の相対比および局所濃度を有することを可能にすることによる。
【００２４】
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以上のアルカリ金属化合物（例えば、酸化カリウム、酸化ナトリウム、または別の好適なアルカリ金属化合物）および／または１以上のアルカリ土類金属化合物（例えば、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、または別の好適なアルカリ土類金属化合物）を有する凝集体を含み得る。例えば、或る特定の実施形態において、粒状コア５４は、酸化カリウムおよび酸化ナトリウムの組合せを含む凝集体を含み得る。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はまた、その他の酸化物（例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化マンガン、またはその他の好適な金属酸化物）および／または或る特定の乾燥剤若しくは結合剤（例えば、ケイ酸塩、フッ化リチウム等）を同様に含む凝集体も含み得る。例えば、中空溶接ワイヤ５０の一実施形態は、酸化カリウム、シリカおよびチタニアの混合物を含む凝集体を含み得る。具体例として、中空溶接ワイヤ５０の或る特定の実施形態は、粒状コア５４中に凝集体を含むことができ（例えば、粒状コアの約１％〜約１０％、または粒状コアの約２％）、その凝集体は、酸化カリウム（例えば、安定化凝集体の約２２重量％〜２５重量％）、シリカ（例えば、安定化凝集体の約１０重量％〜１８重量％）、チタニア（例えば、安定化凝集体の約３８重量％〜４２重量％）および酸化マンガンまたは二酸化マンガン（例えば、安定化凝集体の約１６重量％〜２２重量％）の混合物を含むことができる。
【００２５】
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、合計で凝集体の約５重量％〜７５重量％を占める、１以上のアルカリ金属化合物（例えば、酸化ナトリウム、酸化カリウム、またはその他の好適なアルカリ金属化合物）と、０または１以上のアルカリ土類金属化合物（例えば、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、またはその他の好適なアルカリ土類金属化合物）を有する凝集体を含み得る。別の実施形態において、１以上のアルカリ金属化合物および０または１つ以上のアルカリ土類金属化合物は、凝集体の約５重量％〜９５重量％を占め得る。更に、或る特定の実施形態において、その他の化学的および／または物理的要因（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負荷量の最大化、酸性度、安定性および／または吸湿性）を、凝集体中に存在する各成分の相対量を選択する場合に考慮し得る。更に、或る特定の実施形態において、凝集体は粒状コア５４の、約０．０１重量％〜約９．９重量％、約０．０５重量％〜約５重量％、約０．１重量％〜約４重量％、約１重量％〜約３重量％、約１．５重量％〜約２．５重量％、または約２重量％を占め得る。
【００２６】
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、被覆金属ワークの溶接を概ね可能とす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、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による溶け込みを概ね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た場合よりも一層薄いワークの溶接を概ね可能とする。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、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。
【００２７】
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、米国特許出願第13/681687号「DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM」に開示されている溶接方法等の溶接方法とともに用いることができる。上記米国特許出願は、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、１６ゲージ厚、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。
【００２８】
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（例えば、中空溶接電極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、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。更に、プロセス６０は、シールドガス流（例えば、１００％アルゴン、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、アルミニウム、鉄または酸化マグネシウム）がシールドガス成分を提供することができる。次に、アーク３４が中空溶接電極５０とワーク２２との間に形成され得るように中空溶接電極５０をワーク２２近傍に移動する（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。更に、上述したように、或る特定の実施形態では、溶接プロセス時にアーク３４が（例えば、実質的に中空溶接電極５０の金属シース５２とワーク２２との間に）維持され得るように中空溶接電極５０を特定のパターンおよび／または幾何学形状（例えば、スピンアーク、旋回パターン、または蛇行パターン）に従ってワーク２２に対してサイクル的にまたは周期的に動かす（ブロック６８）ことができる。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とする。
【００２９】
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７０の一実施形態を示す。プロセス７０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坦な金属帯片を給送する（ブロック７２）ことによって開始する。金属帯片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、金属帯片を粒状コア材料５４で充填する（ブロック７４）ことができる。これに応じて、部分的に成形された金属シース５２を、種々の粉末状のフラックス成分および合金成分（例えば、酸化鉄、亜鉛金属または同様のフラックス成分および／または合金成分）で充填することができる。更に、或る特定の実施形態において、安定化成分（例えば、１または複数の炭素源、および／または、１以上のアルカリ金属化合物、および／または、１以上のアルカリ土類金属化合物、および／または、１以上の希土類金属化合物）が、合計で中空溶接ワイヤ５０、および／または、粒状コア材料５４の１０重量％未満を占めるように添加され得る。更に、上記のように、或る特定の実施形態において、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は、粒状コア５４中に凝集体の形態において存在し得る。更に、或る特定の実施形態において、その他の成分（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／またはその他の同様の成分）もまた、部分的に成形されたシースに添加される粒状コア５４中に存在し得る。
【００３０】
具体例として、一実施形態において、粒状コア５４は、約７１．６（重量）％の鉄粉、約１．１（重量）％の鉄チタン粉、約１７．１（重量）％のシリコ−マンガン粉、約４．０（重量）％の鉄ケイ素粉、約０．４（重量）％の硫化鉄（例えば、パイライト）、約０．５（重量）％のグラファイト、約３．３（重量）％の希土類シリサイドおよび約２（重量）％の凝集体を含み得る。更に、フェロマンガンケイ素としても知られるシリコ−マンガン粉は、シリコ−マンガン粉の約６２重量％のマンガン、約３０重量％のケイ素および約８重量％の鉄を含み得る。更に、かかる実施形態において、凝集体は、（凝集体重量の）約２２％〜約２５％の酸化カリウムおよび／または酸化ナトリウム、約１６％〜約２２％の酸化マンガンまたは二酸化マンガン、約１０％〜約１８％の二酸化ケイ素および約３８％〜約４２％の二酸化チタンを含み得る。更に、或る特定の実施形態において、上記のように、例えば、アークを安定化するために、希土類金属シリサイドまたは希土類金属酸化物が、凝集体とともに粒状コア５４中に含まれ得る。粒状コア５４の或る特定の別の実施形態は、同様の配合率を有し得るが、上記列挙の値から（例えば、約５％以下）変動し得る。
【００３１】
粒状コア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または複数の器具（例えば、ダイス）の中に金属シース５２を給送する（ブロック７６）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を縮径するように複数の引抜器具（例えば、引抜ダイス）の中に給送する（ブロック７８）ことができる。
【００３２】
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】
【００３３】
１０    溶接システム
１２    溶接電力ユニット
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    ケーブル束
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    溶接アーク
５０    中空溶接ワイヤ
５２    金属シース
５４    コア
５６    集合体
５８    シーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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