(57)【要約】【課題】有心溶接棒及びショートアーク溶接システム、並びに特別な有心の溶接棒を溶着させるためのシステムの溶融パルスを制御する方法を提供する。【解決手段】ショートアーク溶接プロセス及びセルフシールド溶接棒を用いて高強度の材料をガース溶接する溶接システム及び方法が開示され、前記溶接システムは、セルフシールド溶接棒を溶接されるべきワークピースに向かって進行させると共にアーク長さを制御する溶接装置と該装置の操作を含む結果、溶接部が少なくともアメリカ石油協会の等級Ｘ−８０のパイプの溶接に対する要求を満たす。前記システムは更に、前記溶接棒にエネルギを導入してセルフシールド溶接棒の端末を溶融させる電流パルスを生成するためのコントローラを備えた電源と、その期間中に溶融した溶接棒がワークピースに対して短絡する溶融パルスの終末に後続する低電流での休止した金属移転部分と、を含んでいる。【選択図】図１
2007301633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースを溶接する方法であって、
セルフシールド溶接棒を溶接装置からワークピースに向かって進行させるステップと、
前記進行するセルフシールド溶接棒を用い、ショートアーク溶接プロセスを採用して前記ワークピースを溶接するステップと、を備え、
溶接部が少なくとも７０［ksi］の降伏強さを有している、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接棒は有心セルフシールド溶接棒であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接棒は溶接ガンを通って進行させられることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記降伏強さは少なくとも８０［ksi］であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも７０［ksi］の引張強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも９０［ksi］の引張強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接部が、２０度で少なくとも６０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有していることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接部が、４０度で少なくとも４０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有していることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
前記溶接部が、少なくともアメリカ石油協会の等級Ｘ−８０のパイプの溶接に対する要求を満たしていることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記セルフシールド溶接棒は、フラックス入りセルフシールドアーク溶接ワイヤであることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
ショートアーク溶接プロセスの溶融パルスを制御するステップを更に備え、前記溶接プロセスでは、溶融パルスに続いて低電流のトランスファサイクルが、
前記溶融パルスと前記トランスファサイクル期間中の短絡との間の継続時間を測定し、
前記継続に対する望ましい時間を設定し、
前記測定された継続時間と前記設定された望ましい時間とを比較することにより修正信号を生成し、
前記修正信号に基づいて前記溶融パルスのパラメータを調整する、
ことにより、生じることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．３インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．２インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．１インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
ワークピースを溶接する方法であって、
セルフシールド溶接棒を溶接装置からワークピースに向かって進行させるステップと、
前記進行するセルフシールド溶接棒を用い、ショートアーク溶接プロセスを採用して前記ワークピースを溶接するステップと、を備え、
溶接部が、少なくともアメリカ石油協会の等級Ｘ−８０のパイプの溶接に対する要求を満たしている、
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶接棒は有心セルフシールド溶接棒であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶接棒は溶接ガンを通って進行させられることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも７０［ksi］の引張強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも９０［ksi］の引張強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶接部が、２０度で少なくとも６０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有していることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の方法であって、
前記溶接部が、４０度で少なくとも４０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有していることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１５に記載の方法であって、
前記セルフシールド溶接棒は、フラックス入りセルフシールドアーク溶接ワイヤであることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１５に記載の方法であって、
ショートアーク溶接プロセスの溶融パルスを制御するステップを更に備え、前記溶接プロセスでは、溶融パルスに続いて低電流のトランスファサイクルが、
前記溶融パルスと前記トランスファサイクル期間中の短絡との間の継続時間を測定し、
前記継続に対する望ましい時間を設定し、
前記測定された継続時間と前記設定された望ましい時間とを比較することにより修正信号を生成し、
前記修正信号に基づいて前記溶融パルスのパラメータを調整する、
ことにより、生じることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１５に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．３インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１５に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．２インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．１インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項２７】
ワークピースを溶接する方法であって、
セルフシールド溶接棒を溶接装置からワークピースに向かって進行させるステップと、
前記進行するセルフシールド溶接棒を用い、ショートアーク溶接プロセスを採用して前記ワークピースを溶接するステップと、を備え、
溶接部が、２０度で少なくとも６０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有している、
ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接棒は有心セルフシールド溶接棒であることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接棒は溶接ガンを通って進行させられることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも７０［ksi］の降伏強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも８０［ksi］の降伏強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも７０［ksi］の引張強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも９０［ksi］の引張強さを有していることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接部が、４０度で少なくとも４０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有していることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項２７に記載の方法であって、
前記溶接部が、少なくともアメリカ石油協会の等級Ｘ−８０のパイプの溶接に対する要求を満たしていることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項２７に記載の方法であって、
前記セルフシールド溶接棒は、フラックス入りセルフシールドアーク溶接ワイヤであることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項２７に記載の方法であって、
ショートアーク溶接プロセスの溶融パルスを制御するステップを更に備え、前記溶接プロセスでは、溶融パルスに続いて低電流のトランスファサイクルが、
前記溶融パルスと前記トランスファサイクル期間中の短絡との間の継続時間を測定し、
前記継続に対する望ましい時間を設定し、
前記測定された継続時間と前記設定された望ましい時間とを比較することにより修正信号を生成し、
前記修正信号に基づいて前記溶融パルスのパラメータを調整する、
ことにより、生じることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項２７に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．３インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項２７に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．２インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項２７に記載の方法であって、
前記ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さは０．１インチ以下であることを特徴とする方法。
【請求項４１】
セルフシールド有心溶接棒を溶接ガンからワークピースに向かって進行させるステップと、
前記進行するセルフシールド溶接棒を用い、ショートアーク溶接プロセスを採用して前記ワークピースを溶接するステップと、を備え、
溶接部が少なくとも７０［ksi］の降伏強さを有している、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項４２】
セルフシールド有心溶接棒を溶接ガンからワークピースに向かって進行させるステップと、
前記進行するセルフシールド溶接棒を用い、ショートアーク溶接プロセスを採用して前記ワークピースを溶接するステップと、を備え、
溶接部が、少なくともアメリカ石油協会の等級Ｘ−８０のパイプの溶接に対する要求を満たしている、
ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
セルフシールド有心溶接棒を溶接ガンからワークピースに向かって進行させるステップと、
前記進行するセルフシールド溶接棒を用い、ショートアーク溶接プロセスを採用して前記ワークピースを溶接するステップと、を備え、
溶接部が、２０度で少なくとも６０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有している、
ことを特徴とする方法。
【請求項４４】
溶接されるべきワークピースに向かって溶接棒を進行させるショートアーク溶接システムを備え、
前記溶接棒はセルフシールド溶接棒であり、
前記ショートアーク溶接システムは、溶接部が少なくとも７０［ksi］の降伏強さを有するように制御される、
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項４５】
溶接されるべきワークピースに向かって溶接棒を進行させるショートアーク溶接システムを備え、
前記溶接棒はセルフシールド溶接棒であり、
溶接部が、少なくともアメリカ石油協会の等級Ｘ−８０のパイプの溶接に対する要求を満たす、
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項４６】
溶接されるべきワークピースに向かって溶接棒を進行させるショートアーク溶接システムを備え、
前記溶接棒はセルフシールド溶接棒であり、
溶接部が、２０度で少なくとも６０［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有する、
ことを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年４月２９日に出願手続された米国特許出願第１０／８３４，１４１号の一部継続出願、２００４年１０月６日に出願手続された米国特許出願第１０／９５９，８５７号の一部継続出願、２００５年１０月３１日に出願手続された米国特許出願第１１／２６３，０６４号の一部継続出願、及び２００６年１月２０日に出願手続された米国特許出願第１１／３３６，５０６号の一部継続出願であり、その全ての開示事項は、引用することによりここに組み入れられる。
【０００２】
本発明は、電気アーク（arc）溶接の分野に関し、より詳しく言えば、セルフシールド・フラックスコアード（self-shield flux cored）アーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）棒を用いて行う改良されたショートアーク（short arc）溶接システム、溶接の方法、及び溶接棒の成分に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、ガス無し（ガスレス：gas-less）又はセルフシールドの溶接プロセスを用いて、高強度のパイプ及びパイプラインを、半自動で、周状に溶接するための商業ベースでの解決法または方法はない。これは、ガスレス又はセルフシールド溶接用途に用いられる伝統的な技術が、高強度溶接用途における固有の制限を抱えているからである。
【０００４】
ガスレス又はセルフシールド溶接棒を用いるに際して、雰囲気中の酸素および窒素と反応してこれら成分を溶接部外に保つために、溶接棒内には様々な化学物質が使用されている。これら化学物質は、酸素または窒素が溶接品質を悪化させることを防止するに十分な量が用いられる。しかしながら、例えばチタニウムやアルミニウムのようなこれら化学物質は、溶接部をより強くするが、反面、それらはまた、溶接部を脆くするという逆効果も有している。この脆性は、溶接強度がアメリカ石油協会（ＡＰＩ： American Petroleum Institute）の等級（グレード：Grade）Ｘ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を十分に満たすことを求められることが多々ある、例えばパイプライン溶接のような、多くの高強度溶接に、ガスレス又はセルフシールド溶接法が用いられることを妨げている。
【０００５】
更に、ガスシールド溶接法を用いてこれら溶接要求に適合する方法があるけれども、これらの方法も、それらが望ましいとは言えなくする欠点を有している。すなわち、ガスシールド法を用いて（他の用途に加えて）高強度のパイプ又はパイプラインを溶接するための現行の方法およびシステムは、雰囲気および元素（エレメント：element）から溶接領域を保護するために、コストが嵩み時間の掛かる段取り（セットアップ：set up）を必要とする。このことは、困難な環境条件においてしばしば外部で溶接が行われるパイプライン用途において特に当てはまることである。
【０００６】
（参照による組み入れ）
本発明は、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たすことができる、セルフシールド有心（フラックスコアード：flux cored）アーク溶接棒を採用したショートアーク溶接プロセスを用いることを伴うものである。本発明の溶接方法とフラックス入りの溶接棒を組み合わせる場合には、相互依存的な関係がある。そこで、本発明は、入力エネルギを制御することと、高い強度および靱性を達成するために溶着される溶接金属の微視的構造の制御とを、一緒に組み合わせるものである。特に、本発明の或る例示的な実施形態は、５５０ＭＰａを越える降伏強さおよび６９０ＭＰａを越える引張強さ、並びに摂氏２０度で６０ジュール（Joules）を越えるシャルピーＶ−ノッチ（ＣＶＮ）の靱性を達成することができる。
【０００７】
パイプの溶接方法および装置と同様に、短絡アーク溶接のシステム，技法および関連した概念は、特許文献１−１３に一般的に述べられており、それらの内容は、背景技術情報として引用することによりここに組み入れられる。
【０００８】
電気アーク溶接の分野では、消耗し得る進行する溶接棒の端部と加工物（ワークピース：workpiece）の間で様々の溶接プロセスを用いる。ワークピースは、一緒に溶接される２つ若しくはそれ以上の部品も含み得るものである。本発明の或る実施形態はショートアークプロセスに関するものであり、このショートアークプロセスでは、進行する溶接棒は電流パルス期間中にアークの熱によって溶融し、そして、溶融金属が表面張力の作用によって球状体（ボール：ball）を形成した後、この溶融金属の球状体は短絡作用によってワークピースに移行する。短絡は、進行するワイヤが球状体を移動させてワークピース上の溶融金属溜まりに接触させるときに生じ、短絡（ショート：short）は、溶接電圧の急な落ち込みによって感知される。その後、短絡は中断され、ショートアーク溶接プロセスが繰り返される。
本発明は、ショートアーク溶接の改良であり、溶接波形の輪郭（プロフィール：profile）が高速スイッチングインバータのパルス幅変調器を操作する波形発生器によって制御される電源を用いることによって実行されるもので、そのことは、引用することによりここに組み入れられるものであるが、譲受人による幾つかの特許、例えば特許文献１４，１５及び１２に開示されている。これら３つの特許は、本発明の或る例示的な実施形態を実施するために採用された高速スイッチングタイプの電源を図説しており、背景技術としてここに組み入れられる。
波形発生器の波形は、状態テーブルとしてメモリに記憶されており、前記テーブルは、オハイオ（Ohio）州クリーブランド（Cleveland）のリンカーン・エレクトリック・カンパニー（Lincoln Electric Company）によって先駆された標準技術に従って、選択され、波形発生器に出力される。波形発生器内に波形プロフィールを生成するテーブルのこのような選択は、例えば前述の特許文献１５など、幾つかの先の特許に開示されている。従って、本発明を実施するのに用いられる電源は、一般に知られており、本発明において用いられる背景技術を構成するものである。
本発明のショートアーク溶接システムの一つの様相は、例えば特許文献１４に記載されているように、進行する溶接棒の溶融金属球状体を形成する溶融パルスのトータルエネルギを決定する回路を採用している。この溶融パルスのトータルエネルギは、溶融パルスの全期間にわたる統合した出力を有する電力計によって感知される。この技術は、本発明の一つの様相に採用されているので、引用することによりここに組み入れられる。
ショートアーク溶接システムにおいて短絡（ショート：short）が生成された後、短絡は、続いて起こる溶接電流の増加によって解消される。かかる状態進行はショートアーク溶接システムにおいては良く知られており、特許文献１６及び特許文献１４にその全体が記載されている。従って、特許文献１６に記載された技術も、背景技術としてここに組み入れられるものである。
本発明の或る例示的な実施形態は、溶接産業において公知の標準的な交流（ＡＣ）パルス溶接システムの一つの変形である。譲受人の先の出願は、本発明の或る例示的なＡＣ短絡の実行の実施に用いられるタイプの高周波スイッチング電源用のエネルギ測定回路またはプログラムを備えた、直流（ＤＣ）および交流（ＡＣ）の両方の標準的なパルス溶接を開示している。本発明を理解する上で或いは本発明を実施する上で必ずしも必要ではないけれども、２００５年４月１１日に出願された出願番号１１／１０３，０４０号のこの先行する出願は、引用することによりここに組み入れられる。
【０００９】
本発明は、有心溶接棒およびショートアーク溶接システム、並びに、特別な有心の溶接棒を、従ってシールドガスを要することなく、溶着するためのシステムの溶融パルスを制御する方法であり、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）グレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たすことができる方法、に関するものである。
このシステム及び方法は、パルスと実際の短絡との間を所望の期間に維持する。この期間は、短絡とパルスの所望のタイミングを含むフィードバックループ（feedback loop）によって制御され、その結果、堅実な短絡タイミングを維持するようにパルスの球状体の大きさが変化させられる。
このプロセスは、特許文献１７に開示されているような、２つの電源を用いた他のショートアーク制御装置の実質的な改良である。第１の電源は、一定の大きさの溶融パルスを維持し、短絡とそれに続くクリーニングパルス（cleaning pulse）の間には定まった期間がある。律動的なタイミングと溶融パルスのパラメータの間には、本発明において採用されているような、フィードバックは無い。溶融パルスの終末と短絡発生の間に、所望の期間が維持される。フィードバックループの概念を用いて所望の期間を固定することにより、アークの安定性が向上する。
本発明は、特許文献１７に示されるように、ＤＣプロセスに適用可能であるが、主として、ＡＣショートアーク溶接システムを用いる場合に有益である。従って、特許文献１７は、２つの関係しないタイミングが溶融パルスの閉ループ制御なしに一定に維持されたＤＣショートアークシステム用の制御回路を示す背景技術として、引用することにより、ここに組み入れられるものである。
【００１０】
本発明は、更に、フラックス入りの、つまりセルフシールドの溶接棒または溶接ワイヤを採用している溶接方法を含むものである。アーク溶接棒またはワイヤの詳細、とりわけ有心の溶接棒の詳細が特許文献１８−３２に提示されており、それら全ては、引用することによりここに組み入れられる。
【００１１】
また、出願番号１０／６５５，６８５号として２００３年９月８日に出願された先行する出願、出願番号１０／８３４，１４１号として２００４年４月２９日に出願された先行する出願、出願番号１０／９５９，５８７号として２００４年１０月６日に出願された先行する出願、及び出願番号１１／２６３，０６４号として２００５年１０月３１日に出願された先行する出願は、引用することにより、非先行背景技術としてここに組み入れられる。
【特許文献１】米国特許第４７１７８０７号（パークス：Parks）明細書
【特許文献２】米国特許第４９５４６９１号（パークス：Parks）明細書
【特許文献３】米国特許第５６７６８５７号（パーカー：Parker）明細書
【特許文献４】米国特許第５７４２０２９号（ステーバ：Stava）明細書
【特許文献５】米国特許第５９６１８６３号（ステーバ：Stava）明細書
【特許文献６】米国特許第５９８１９０６号（パーカー：Parker）明細書
【特許文献７】米国特許第６０９３９０６号（ニコルソン：Nicholson）明細書
【特許文献８】米国特許第６１６０２４１号（ステーバ：Stava）明細書
【特許文献９】米国特許第６１７２３３３号（ステーバ：Stava）明細書
【特許文献１０】米国特許第６２０４４７８号（ニコルソン：Nicholson）明細書
【特許文献１１】米国特許第６２１５１００号（ステーバ：Stava）明細書
【特許文献１２】米国特許第６４７２６３４号（ヒューストン：Houston）明細書
【特許文献１３】米国特許第６５０１０４９号（ステーバ：Stava）明細書
【特許文献１４】米国特許第４８６６２４７号（パークス：Parks）明細書
【特許文献１５】米国特許第５２７８３９０号（ブランケンシップ：Blankenship）明細書
【特許文献１６】米国特許第６６１７５４９号（アイデ：Ihde）明細書
【特許文献１７】米国特許第４０２０３２０号（ピジルス：Pijls）明細書
【特許文献１８】米国特許第５３６９２４４号明細書
【特許文献１９】米国特許第５３６５０３６号明細書
【特許文献２０】米国特許第５２３３１６０号明細書
【特許文献２１】米国特許第５２２５６６１号明細書
【特許文献２２】米国特許第５１３２５１４号明細書
【特許文献２３】米国特許第５１２０９３１号明細書
【特許文献２４】米国特許第５０９１６２８号明細書
【特許文献２５】米国特許第５０５５６５５号明細書
【特許文献２６】米国特許第５０１５８２３号明細書
【特許文献２７】米国特許第５００３１５５号明細書
【特許文献２８】米国特許第４８３３２９６号明細書
【特許文献２９】米国特許第４７２３０６１号明細書
【特許文献３０】米国特許第４７１７５３６号明細書
【特許文献３１】米国特許第４５５１６１０号明細書
【特許文献３２】米国特許第４１８６２９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、先に議論した問題に取り組み、また、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たす溶接部を形成することができるシステム及び方法をもたらすための、システム及び方法に注力したものである。特に、本発明の例示的な実施形態は、５５０［Mpa］を越える降伏強さ及び６９０［Mpa］を越える引張強さ、並びに摂氏２０度で６０ジュール［Ｊ］を越えるシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）靱性を達成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のシステム及び方法は、望ましい溶接特性を達成するために、有心の、つまりセルフシールドの溶接棒の使用と連繋して、アーク長さを最短にする専用の電源を通じて溶接アークを制御する。ショートアークの使用は、溶融池（プール：pool）において雰囲気からの汚染を最少にし、しかも、同時に、溶接中、気孔に対してより耐性がある。更に、本発明の或る実施形態によれば、短いアーク長さの使用は、後で更に議論する本発明の一つの様相に係る成分を含有したセルフシールド溶接棒を使用できるようにする。加えて、本発明を用いることで、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たす、及び／又は、５５０［Mpa］を越える降伏強さ及び６９０［Mpa］を越える引張強さ、並びに摂氏２０度で６０ジュール［Ｊ］を越えるシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）靱性の溶接を達成するのに、追加的なシールドガスを用いる必要はない。
【００１４】
本発明の方法に関連した第１の様相によれば、ショートアーク波形の溶融パルスは、溶融パルスの値を一定に固定することによってではなく、フィードバックループによって相互作用的に制御される。溶融パルスの終端と短絡との間の時間は、ショートアーク溶接システムにおける溶融パルスの反作用的に変化するパラメータによって維持される。本発明の或る例示的な実施形態では、システムはＡＣシステムであるが、特許文献１７に概略的に記載されたタイプのＤＣシステムにおいても使用できる。ショートアーク波形の操作（マニピュレーション：manipulation）は、特許文献１２に開示されているような、高速スイッチングインバータのパルス幅変調器を操作する波形発生器によって制御される波形を有する単一の電源を用いることによって容易化される。本発明を実施することにより認識される一つの利点は、先行技術に示されるような、２つの別々の電源を用いるショートアーク溶接に対する改良である。
【００１５】
本発明の第１の様相の他の実施形態によれば、ショートアーク溶接システムは、溶融パルスが負の極性を有するＡＣシステムである。一定した溶融金属ビード（bead）を維持するために、進行する溶接棒の端末の溶融金属が球状体を形成し、そしてワークピースの溶接溜まりに対して短絡するように、電力供給を低レベルの正の電流に移行させるジュール（joule）閾値のスイッチがある。或る実施形態においては、ＡＣ波形は、波形の個々の電流部分のプロフィールを制御し波形部分の極性を決定する波形発生器によって制御される。先行技術においては、溶融パルスに一定のエネルギを与えるためにジュール閾値のスイッチが用いられていた。
本発明の或る実施形態では、溶融パルスの後に溶接棒がショートするための時間を計測するタイマがある。溶融パルスと短絡発生との間の一貫した時間を維持するために、フィードバックループが採用されている。この時間の制御は、アーク及び短絡サイクルを安定させる。本発明の或る実施形態では、溶融パルスとショートとの間の時間は約１．０［ms］である。溶接棒のサイズ及び溶着速度に依存して、溶融パルスと短絡発生との間の時間は、０．５［ms］から２．０［ms］の一般的な範囲内で或る固定した値に調整され得る。タイミングの制御は、典型的にはＡＣショートアーク溶接に適用可能であるが、同じ概念が直列のＤＣ正極に適用可能である。
両方の例において、溶融パルスによって形成された溶融金属を伴った進行するワイヤは、短絡発生に先立って球状体の形成を助長する低レベルの零入力の正の電流に保たれる。本発明の何れの実施においても、溶融パルスのジュール又は他のパラメータは、短絡発生に対するプリセット（preset）時間を維持するように条件付けられたフィードバックループによって制御される。
【００１６】
本発明の第１の様相のＡＣでの実施は、有心タイプの環状の溶接棒にとって有益であり、或る実施形態は、以下で更に議論される本発明の一つの様相に係る合金成分をコア（core）内に備えた有心溶接棒を用いて実施される。短絡時間からのフィードバックに基づいた有心溶接棒の溶融サイクルの制御は、ＡＣ短絡溶接プロセスの安定性を維持するために、非常に精密な手順である。
前述の見地から、本発明の或る実施形態は、本発明の一実施形態に係る有心の、つまりセルフシールドの溶接棒を用いてパイプを溶接するのに使用することができる。そのような溶接棒に対する溶接電流は、本発明の方法を用いる場合には、スプレイ（spray）溶接に対する閾値電流以下である。従って、パイプ接合部への金属の移行は、何れかのタイプの短絡を伴わなければならず、本発明の実施形態においては、本発明が注力しているタイプであるグロビュラ（globular）短絡移行を伴うことになろう。
ＡＣショートアーク溶接を用いることによって溶接部の安定性を向上させてもなお、アークの不安定をもたらすかも知れない。この不安定性は、本発明を実施することによって克服された。従って、本発明は、セルフシールド有心溶接棒を用いたパイプ接合のＡＣショートアーク溶接にとりわけ適用可能であり、その結果、溶接強度は、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たすものとなる。
【００１７】
本発明の或る実施形態によれば、進行するワイヤ溶接棒とワークピースとの間にショートアーク溶接プロセスを実行する溶接システムが提供され、前記システムは、溶接棒の端末を溶融させるエネルギを溶接棒内に導入する電流パルス、及び溶接棒の端末の溶融金属がワークピースの溶接溜まり内に溶着されることができるようにする低電流での休止した金属移転（トランスファ）部を生成する、コントローラを有する電源を備えている。低電流での休止した金属移転部の期間中は、溶融金属は、溶融金属溜まりに対して短絡している。タイマ（timer）は、溶融パルスと短絡発生との間の実際の時間を計測する。前記パルスと短絡発生との間の望ましい時間を設定するのに或る装置が用いられ、また、実際の時間と前記望ましい時間との差に基づいて修正信号を生成するのに或る回路が使用される。この修正信号は、例えば溶融パルス期間中にワイヤに導入されるトータルエネルギのように、溶融パルスの所定のパラメータを制御するのに用いられる。
【００１８】
本発明の第１の様相の或る例示的な実施形態によれば、ショートアーク溶接プロセスはＡＣプロセスであり、そこでは、溶融パルスは負の電流で実行され、波形の休止低電流金属移転部は負の極性である。本発明のＡＣバージョン（version）は、例えばパイプの溶接接合の初層溶接（ルートパス：root pass）のような、幾つかの環境における有心溶接棒を用いた溶接に適用可能である。
【００１９】
本発明の電源の他の様相によれば、ショートアーク溶接システムのコントローラは、短絡後に短絡クリーニングパルス（cleaning pulse）を生成する回路を有している。前記電源のこの実施形態では、波形発生器が、任意の所定時間において、溶接波形の極性およびプロフィールを決定する。本発明の溶接システムは、定められた値で溶融パルスとショートとの間の時間を維持し、前記定められた値は、一般的な範囲０．５−２．０［ms］であり、他の実施形態では、約１．０［ms］である。
【００２０】
前記電源または前記電源により実行される方法の他の様相によれば、ショートアーク溶接システムは、溶融パルスと休止部の両方が正であり、正の短絡クリーニングパルスがこれに続いて、ＤＣ正が実行される。本発明のこの実施は、ショートアーク溶接プロセスを実行するための波形の処理期間中に波形発生器からの極性変化を伴うものではない。ショートアーク溶接システムはＡＣであり、溶融パルスと短絡との間の実際の時間を、それが望ましい時間と同じであるようにするために、電流パルスを制御する回路がある。本発明のこの実施形態は、本発明の他の実施形態がそうであるように、一定の時間を維持する。
【００２１】
本発明の一実施形態は、溶融パルスと究極的な短絡発生との間の時間を制御するために、溶融パルスのエネルギを制御する。
【００２２】
本発明の第１の様相の更に他の様相は、プロセスが溶融パルスと短絡発生との間の選択された時間を有するように、ショートアーク溶接プロセスの溶融パルスを制御する方法をもたらすことである。この方法によって制御されるパラメータは、溶融パルスのトータルエネルギである。本発明のこの実施形態は、有心溶接棒を用いた周状のオープンルート（open root）パイプ接合のルートパスに用いることができる。
【００２３】
本発明の第２の様相は、ＡＣ溶接中に前述のショートアーク法によって得られるような比較的短いアーク長さを利用することに少なくとも部分的に関連しており、そのことは、雰囲気からの溶接部の汚染の著しい低減をもたらすものである。
本発明のこの実施形態は、また、本発明のこの様相と共に溶接棒に用いられると有益な結果を達成することができる、独特のフラックス（flux）合金システムを利用している。有心溶接棒の前記フラックス／合金システムは、短いアーク長さを可能にし、また、促進する。
本発明の或る実施形態に従ってこれらの様相を組み合わせることは、６０を越え７０［ksi］までに至る強度をもった健全で強靱な溶接金属を創り出すという、共同作用的な現象をもたらし、また、他の実施形態においては少なくとも８０［ksi］の降伏強さを有しており、従って、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たす溶接部をもたらす。
また、本発明の或る例示的な実施形態は、５５０［Mpa］を越える降伏強さ及び６９０［Mpa］を越える引張強さ、並びに摂氏２０度で６０ジュール［Ｊ］を越えるシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）靱性を達成することができる。更に、本発明の実施形態で用いられる合金は、より薄肉のパイプの使用を可能にし、また、パイプ溶接領域におけるシールドガスの必要性はない。
【００２４】
オハイオ（Ohio）州クリーブランド（Cleveland）のリンカーン・エレクトリック・カンパニー（Lincoln Electric Company）によって先駆されている波形技術は、有心溶接棒を用いるＡＣ（交流）溶接での使用のために修正されてきた。有心溶接棒は、溶接ビードの合金が当該ビードにとって望ましい機械的特性に調整され、また溶接作業の位置がより制限されない状態で、溶接作業がより精密に制御され得るようにする。しかしながら、アークの安定性ならびに適切な溶融温度および速度を与えるためには、ＡＣプロセスのための波形の実際の制御は、非常に複雑である。
アーク溶接中の溶接金属の汚染は、ＡＣ溶接を用いる有心溶接棒にとって、なお問題である。溶接作業後の溶接金属における汚染は、気孔，亀裂およびその他の欠陥を溶接金属中に生じさせる。従って、アーク溶接プロセスの設計者が直面する主要な難題は、大気から、アーク環境からの汚染のような要素を排除するための技術、或いは、そのような不純物の潜在的に有害な作用を中和するための技術を、開発することであった。潜在的な汚染源は、溶接棒を構成する材料、ワークピース自体内の不純物、及び周囲環境の雰囲気を含むものである。
有心溶接棒は、例えばアルミニウム，マグネシウム，ジルコニウム及びチタニウムなどの、キリングエージェント（"killing" agent）を含有しているかも知れず、それらエージェントは、潜在的な汚染物質と化学的に結合し、それらが、溶接金属内で気孔や有害な介在物を形成することを阻止する。本発明は、有心溶接棒が溶接金属内に汚染物の介在を許容する傾向を減少せしめる溶接棒成分を用いることを伴うものである。また、その方法は、キリングエージェントとして必要とされる材料の量を低減する。
【００２５】
本発明は、特に、ＡＣ波形を用いて、低減された汚染レベルの溶接部を形成するのに特に適合した、セルフシールド有心アーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）棒を提供する。前記溶接棒は、約３５から約５５％のバリウムフッ化物，約２から約１２％のリチウムフッ化物，約０から約１５％のリチウム酸化物，約０から約１５％のバリウム酸化物，約５から約２０％の酸化鉄、及び約２５％未満の脱酸および脱窒素（ディニトライディング：denitriding）エージェントでなる、合金／フラックス・システムを有している。このエージェントは、アルミニウム，マグネシウム，チタニウム，ジルコニウム及びその組み合わせから選ばれる。
【００２６】
本発明は、独特の合金／フラックス・システムを利用したセルフシールド有心溶接棒を用いるアーク溶接法を提供するものである。この方法は、溶接棒と基体（サブストレート：substrate）の間に第１の負の電圧を印可して、溶接棒のサブストレートに近い側に、少なくとも部分的な溶融を生じせしめることを含んでいる。この方法は、また、溶接棒とサブストレートの間に正の電圧を印可して、溶接棒から流動可能な材料の塊の形成を促進することを含んでいる。この方法は、更に、溶接棒とサブストレートの間に前記流動可能な塊を介して電気的なショート（短絡）が起こることを監視することを含んでいる。この方法は、更に電気的なショートを検出すると、溶接棒とサブストレートの間に第２の負の電圧を印可することを含んでいる。そして、この方法は、第２の負の電圧の大きさを増し、それにより、電気的なショートをクリア（clear）し、前記流動可能な塊からサブストレート上に溶接部を形成することを含んでいる。
セルフシールド有心溶接棒は、約３５から約５５％のバリウムフッ化物，約２から約１２％のリチウムフッ化物，約２から約１５％のリチウム酸化物，約５から約２０％の酸化鉄、及び約２５％未満の脱酸および脱窒素エージェントであって、アルミニウム，マグネシウム，チタニウム，ジルコニウム及びその組み合わせでなるグループから選ばれたもの、を含むことができる。
【００２７】
本発明の一つの目的は、少なくともアメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求を満たす溶接部をもたらすために、特にプロセスがＡＣモードで実行されているときに、プロセス中の短絡事象の間隔を制御する、ショートアーク溶接システムを提供することである。
【００２８】
本発明の今一つの目的は、溶融パルスとショートとの間の時間に基づいて、この時間が望ましい値に固定されるように、前記溶融パルスを制御する、ショートアーク溶接方法を提供することである。
【００２９】
本発明の更に他の目的は、改良された溶接棒成分、そして特に、新規なショートアーク溶接システム及び方法と組み合わせて用いるのに特に適合する溶接棒充填（フィル：fill）成分を、提供することである。
【００３０】
本発明の更なる目的は、可能な最短のアーク長さでアークを安定させるために、ショートアークプロセスと有心溶接棒を備えた共同作用的なシステムを提供することである。従って、大気からの汚染は最小になる。合金システムと溶接プロセスの組み合わせは、そのような短いアーク長さでアークが案手できるようにし、健全で強靱な溶接金属をもたらす。
本発明の一つの実施形態は、ガスシールドを用いることなく、少なくとも８０［ksi］の降伏強さを有する溶接部をもたらすことができ、従って、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求もしくはそれ以上の要求を満たす溶接部をもたらす。また、本発明の或る例示的な実施形態は、５５０［Mpa］を越える降伏強さ及び６９０［Mpa］を越える引張強さ、並びに摂氏２０度で６０ジュール［Ｊ］を越えるシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）靱性を達成することができる。
【００３１】
これら及び他の目的および利点は、添付図面と共に以下の説明から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
電気アーク溶接産業においては、ショートアーク溶接は一般によく行われており、図２に模式的に示されているように、４つの段階（ステージ：stage）Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ及びＩＶを伴うものである。ショートアーク溶接を行うための電源は、変圧器ベースの電源であってもよい；しかしながら、本発明の例示的な実施形態によれば、図１に示されたシステムＡは、導線（ライン：line）１４ａ，１４ｂを渡る第１直流（ＤＣ）信号を生成するインバータ１４に指向した、ライン１０，１４を渡るＡＣ供給（サプライ：supply）或いは３相サプライを有する、高速スイッチングインバータ・ベースの電源Ｂを用いている。
標準的な構成に従って、ブースト（boost）又はバック（buck）コンバータ２０が、出力ライン２２，２４を渡る制御された第２ＤＣ信号を生成することにより入力電力要素（ファクタ：factor）を修正するために、電源Ｂに用いられている。高速スイッチングインバータ３０は、ライン２２，２４を渡る前記第２ＤＣ信号を、出力リード線３２，３４を渡る多数の電流パルスによって生成された波形に変換する。本発明の例示的な実施形態によれば、リード線３２，３４を渡る波形は正の直流（ＤＣ）か又は交流（ＡＣ）であり；従って、インバータ３０は、図には示されていないが、リード線３２，３４を渡る輪郭が描かれた波形の極性を指示する出力段（ステージ：stage）を有している。前記リード線は、それぞれ溶接棒Ｅ及びワークピースＷＰに接続されている。
標準的なショートアーク技術によれば、溶接棒Ｅは、供給スプール（spool）又はドラム（drum）４０から接触片４２を通って供給されるワイヤＷの前進端である。所望の極性を有する制御された波形が溶接棒ＥとワークピースＷＰの間の間隙を渡って生成されながら、ワイヤＷは所定のＷＦＳでワークピースＷＰに向かって駆動される。
本発明の実施形態では、ワイヤＷはフラックス入りのワイヤで、図１Ａにおいて模式的に描かれ、フラックス剤を有し通常は合金粒子を含む内部フラックスコアを取り囲む低炭素鋼製の鞘（シース：sheath）５０を含むことが示されており、セルフシールドのワイヤ又は溶接棒としても知られている。溶接棒の実施形態については、以下により詳しく議論されよう。
【００３３】
分流器（シャント：shunt）６０がフィードバック電流装置（デバイス：device）６２を駆動し、ライン６４の電圧信号が溶接プロセスの瞬間アーク電流を表示する。同様のやり方で、デバイス７０が、溶接プロセスの瞬間の電圧を表示する、ライン７２上の信号を生成する。インバータ３０のコントローラＣは、例えばＤＳＰやマイクロプロセッサ等のようなデジタル式の装置であり、全体的にアナログ構成で模式的に描かれた機能を実行する。
コントローラＣの中心的な構成要素として、波形発生器１００は、メモリユニット１０２に記憶され、デバイス又は回路１０４により所望の溶接プロセスに応じて選択された、状態テーブルからの特定の波形を処理する。所望のショートアーク溶接プロセスが選択されると、選択信号１０４ａがメモリユニット１０２に向けられ、所望のショートアーク溶接波形の特性およびパラメータを規定する状態テーブルが、ライン１０２ａで表示されるように、波形発生器１００にロード（load）される。発生器１００は、任意の所定時間に、ライン１００ｂのロジック（logic）により表示される所望の極性をもって、出力ライン１００ａに波形のプロフィールを出力する。
デジタル式のコントローラＣによって制御される図示された電源Ｂは、電流制御フィードバックタイプのもので、そこでは、ライン６４上の電圧を表示する電流が、誤差増幅器１１０によってライン１００ａ上の波形プロフィール信号と組み合わされており、前記誤差増幅器１１０は、標準的な波形制御技術に従ったパルス幅変調器１１２を制御するために、ライン１１０ａ上に出力信号を有している。ライン１１２ａの出力信号はライン３２，３４を渡る波形の形状を制御し、また、インプリメント（implement）された特定の波形プロフィールの極性は、ライン１００ｂのロジックにより設定される。このようにして、波形発生器１００はパルス幅変調器１１２を制御し、ライン１１２ａにおけるパルスにインバータ３０の高周波動作を制御させる。このインバータのスイッチング周波数は、一般に１８ｋＨｚよりも高く、好ましくは４０ｋＨｚよりも高い。
これまでに説明したように、コントローラＣを備えた電源Ｂは、オハイオ（Ohio）州クリーブランド（Cleveland）のリンカーン・エレクトリック・カンパニー（Lincoln Electric Company）によって先駆されている標準的な技術に従って動作する。コントローラＣは、アナログ形式で図説されているがデジタル式のものである。
ショートアーク溶接プロセスを実施するには、コントローラＣが、溶接棒ＥとワークピースＷＰの間の短絡条件に関するフィードバック情報を受け取ることが必要である。コントローラＣのこの特徴は、短絡検出器１２０として模式的に示されており、前記短絡検出器は、ライン１２２にロジックを生成して、短絡事象ＳＣが在ることを波形発生器１００に報知する。このように、前記発生器は、短絡が在るときには知らされ、任意のショートアーク溶接プロセスにおいて遂行されるように、短絡の処理に従った波形を実施する。これまでに説明したように、コントローラＣは、標準技術のものであるが、ライン１００ｂのロジックによりインバータ３０の出力にて極性の切り換えを制御するという例外を備えている。
【００３４】
本発明を実施するために、コントローラＣは、短絡に先立って溶融パルスを制御する回路１５０を備えている。該回路１５０は、アナログ構造で図説されているがデジタル式のものである。その機能はコントローラＣのデジタルプロセッサによって実行され、溶融パルスのエネルギを制御する。かかるエネルギ制御の回路構成は、本願出願人により２００５年４月１１日に出願された先行する同時係属出願である出願番号１１／１０３，０４０号に記載されている。この先行する出願は、先行技術としてではないが、関連技術として、引用することによりここに組み入れられる。
この先行出願に示されるように、パルスにされた溶接波形の溶融パルスのエネルギは、回路１５０によって制御することができ、該回路は、溶接プロセスの瞬間ワット（watt）を表示するライン１５４上の信号をもらすために、ライン６２，７２上の瞬間信号を乗算する乗算器１５２（マルチプライヤー：multiplier）を有している。ライン１５４上のワット数の信号は、特許文献１４に記載されているような標準的な積分器１５６（インテグレータ：integrator）によって累計される。
ライン１５４上のワット信号の積分は、ライン１６２のロジックによって示される溶融パルスの開始（スタート：start）に対応するブロック１６０に示されるように、パルススタート命令（コマンド：command）を生成する、波形発生器１００によって制御される。該波形発生器１００によって溶融パルスがスタートするとき、その開始点は時間ｔ１である。
ライン１６４上の出力信号が、ライン１５４上のワット信号の積分器１５６による積分を開始させる。入力ライン１７２ａ上のロジックを受け取ると直ぐに、ストップパルス装置または回路１７２の作動によって生じるライン１７０上のロジックにより、積分プロセスは停止させられる。ライン１７２ａ上のロジックは、装置１７２のスイッチを切り換えて、出力ライン１７２ｂ及び１７２ｃにおけるロジックを変化させる。ライン１７２ｃのロジックは、出力ライン１００ａ上のプロフィールを変えるために溶融パルスが停止されるべきことを、波形発生器に報知する。同時に、ライン１７２ｂの信号は、リセット（reset）装置または回路１７４のスイッチを切り換えて、ライン１７０のロジックを変え、瞬間ワット信号の積分を停止させる。
ショートアーク溶接プロセスにおける所定の溶融パルスのトータルエネルギを表示する出力１８２を有するレジスター（register）１８０に、出力ライン１５６ａ上のデジタル数字がロードされる。このトータルエネルギ信号は、ライン１９２にデジタル数字または信号を与えるために、レジスター１９０に記憶された望ましいエネルギ水準と比較される。比較器１９４は、ライン１８２上の数値で表される所定のパルスに対する実際のエネルギを、ライン１９２上の数値で示される望ましいエネルギ水準と比較する。
前記実際のエネルギと望ましいエネルギの相互関係が、ライン１７２ａ上のロジックを制御する。ライン１８２からの信号がライン１９２上の信号と等しい場合には、比較器１９４は、ライン１７２ａのロジックを変更して、デバイスまたは回路１７２によって表示されるようにパルスを停止させる。このことは、積分を停止させ、また、波形発生器１００によって生成された溶融パルスを停止させる。
回路１５０は、本発明の例示的な一実施形態を実行するために採用されており、そこでは、回路２００の調整を通じてライン１９２上の数値を変えることにより、溶融パルスに対する基準となる又は望ましいエネルギを変える調整されたエネルギ又はエネルギ閾値が、ライン１９２上の信号と対比されるライン１８２上の数字信号によって決定されたように達すると、パルスが停止される。本発明の一実施形態においては、電源および用いられた方法が回路２００を調整し、溶融パルスを変えることによってショートアーク溶接プロセスを実行ために基準エネルギを変える。
【００３５】
デジタルコントローラＣを備えた電源Ｂを用いるショートアーク溶接システムＡは、回路２００を調整して、図３に示される波形を実行することにより稼働される。ＡＣ電流波形２００は、溶融パルスが溶接棒Ｅの端末に溶融金属２２０を創り出す図２のステージＩで表される負の溶融パルス２１２を有している。パルス２１２の電流のレベルは、スプレーアークに要する電流以下であり、短絡（ショート：short）による移転（トランスファ：transfer）がある。後に説明するように、時間ｔ１でジュール測定が始まる。前記パルスは、時間ｔ１にスタート位置を、時間ｔ２に停止位置を有している。
標準的な実施に従えば、溶融パルスに続いて、図２のステージＩＩで表されるように、正の低電流での休止した移転（トランスファ）部２１４がある。このステージでは、進行する溶接棒Ｅの端末の溶融金属２２０が、時間ｔ３で発生しステージＩＩＩで示される短絡を待ちながら、表面張力作用により球状体に形成される。従って、ｔ２とｔ３の間の時間は、溶融パルスの終末と短絡発生との間の時間であり、この時間は、図１に示されるように、ライン１２２上のロジックにより示されるものである。
ステージＩＩの後、ネック（neck）部に示される電流ピンチ（pinch）作用が、溶融金属２２０を溜まり２２４から分離させる。標準的な実施に従えば、ステージＩＶに示されるこの電気的なピンチング作用は、急峻な傾斜部をもった第１電流部２１６ａと、それに続いてより漸進的な傾斜部をもった第２電流部２１６ｂとを有する、負の短絡パルス２１６によって促進される。
最後に、ショートされた金属は分離し、ライン１２２上のＳＣロジックがシフトして、移行部２１８によって示される時間ｔ１で、次の電流パルスをスタートさせる。波形２１０は、負の溶融パルス２１２，低電流での休止した部分２１４、及び時間ｔ１で次の負のパルスに遷移するクリアランスパルス２１６を、有するＡＣ波形である。
対応する電圧は、負の部分２３２、ショート２３６で急落する低レベルの正の部分２３４、及びそれに続いて部分２４０で次の溶融パルス電圧２３２に遷移する負の電圧部分２３８を備えた、波形２３０を有している。
全体のサイクルタイムはｔ１から次のｔ１であり、正のトランスファ２１４は、全体のサイクルタイムの２０％よりも短い時間を有している。このことは、スタッビング（stubbing）を防止する。
【００３６】
本発明は、コントローラＣの波形発生器１００によって波形２１０を制御する、電源および方法を伴うものであり、ｔ２での溶融パルス２１２の終末と実際の短絡発生ｔ３との間の時間は、回路２００の調整に基づいて一定である。或る例示的な実施形態では、この時間遅延の調整は、図４に示される回路２５０によって成し遂げられる。この回路においては、時間ｔ２での溶融パルスと時間ｔ３での短絡の時間は、０．５から２．０［ms］の間の所望のレベルに設定される。
或る一つの実施形態では、この設定された所望の時間遅延は、１．０［ms］であり、これはライン２５４の信号のレベルである。このように、ライン２５４上の数値は、所望時間ｔ２からｔ３である。ｔ２とｔ３の間の実際の時間は、時間ｔ２でスタートし時間ｔ３で停止するタイマ２６０によって決定される。タイマ２６０は、ｔ５として示される適切な時間で、次の測定のために初期状態に戻される（リセット（reset）される）。前記ｔ５は、ｔ３の後の様々な位置に調整可能で、その位置は、図３における溶融パルス期間中に図示されている。
ライン２６２上の数値は、ｔ２とｔ３の間の実際の時間である。この実際の時間は、例えば時間ｔ２のような任意の適切な時間でリセットされるレジスター２７０に記憶される。従って、ライン２７２上のデジタルデータは、ｔ２とｔ３の間の実測時間である。この時間が、ライン２５４上の望ましい時間と比較される。
実測時間の設定時間に対する関係をデジタル的に処理するために、任意の誤差増幅器を用いることができる。この処理は、加算ジャンクション（junction）２８０、及び調整回路２００への出力２８４を有するデジタルフィルタ２８２として、模式的に図示されている。所望の時間と実測時間の間の差異は、ライン２８４の誤差信号であり、それは回路２００の所望のトータルエネルギを増加または減少させる。この所望のトータルエネルギは、更新（アップデート：update）回路２９０により、ｔ２として示される適切な時間で定期的に更新される。
このように、図１のライン１９２の信号は、常時、ショートアークプロセスのパルス２１２にとって望ましいトータルエネルギである。このトータルエネルギは時間ｔ２と時間ｔ３の間の任意の差異によって調整され、パルス２１２のエネルギは、一定、又はやがて来る短絡に対する所望の時間遅れに維持される。この時間制御は、システムＡのショートアーク溶接プロセスを安定したものにする。
【００３７】
図４においては、電源の例示的な実施形態が、溶融パルスに対するエネルギ閾値を変化させることによって実施され、前記パルスと短絡事象との間のタイミングを変化させている。この時間は、図５及び６に模式的に図説されるように、溶融パルスの電圧または電力によっても変化させることができる。これら実施形態の両方において、溶融パルスの時間ｔ１からｔ２は、ブロック３００で示されるように、一定に維持されている。この一定時間の溶融パルス期間中、電圧または電力が変化させられて、パルスと短絡事象との間の時間を制御する。
図５においては、フィルタ２８２からの出力ライン２８４の数値がフィードバックループ３１０を制御して、ライン３１２上の数値データで示されるように、溶融パルスの電圧を調整する。短絡発生の遅延時間を制御する電力を調整するためには、フィードバックループ３２０を調整するために出力ライン２８４の数値が用いられ、それが、波形発生器１００により、ライン１５４の瞬間電力と比較される。電力の変化はライン３２２上の数値であり、それが、溶融パルスの電力を制御するために、ライン１５４上のデジタル数値と比較される。
このように、本発明の実施形態においては、波形の全エネルギ，波形の電圧または波形の電力は、ｔ１からｔ２までを一定時間に維持するために調整され、図１に示されたシステムＡのアーク及び短絡事象を安定したものとする。
【００３８】
電源の他の実施形態よれば、溶融パルス２１２のエネルギ調整は、図５及び６に図説された本発明の２つの変形例と組み合わされている。このような組み合わせ制御が、図７及び８に示されており、そこでは、従前の加算ジャンクション２８０及びデジタルフィルタ２８２が、アナログ式の誤差増幅器３３０と組み合わされて図説されている。構成要素またはプログラムは、ライン１８２のロジックで示されるように、閾値エネルギが到達されたときに、溶融パルスを停止させるロジックを伴った出力３３２を有している。従って、パルスの全エネルギは、図７におけるパルス電圧制御回路３１０及び図８に示されるようなパルス電力制御回路３２０と一緒に、制御される。
出力３１２は、波形発生器１００のライン１００ａにおける波形プロフィールを制御するために出力１７２ｃと組み合わされる。同様のやり方で、エネルギレベルが、電力パルス制御回路３２０の出力ライン３２２のデジタル情報と組み合わされて、ライン１７２ｃ上のロジックによって制御される。
溶融パルスと短絡事象との間の時間の精密な制御を保証するために、パラメータの他の組み合わせが溶融パルス２１２を制御するのに用いることができる。このようなパラメータは、閉じたフィードバックループによって波形発生器を制御する分野の技術の範囲内のものである。
【００３９】
本発明の例示的な或る実施形態においては、図４に示されるように、プロセスは交流（ＡＣ）プロセスである；しかしながら、図９に示されるように、正の直流（ＤＣ）波形４００を用いることができる。溶融パルス４０２は、パルスが時間ｔ２で止まるまでは、正の高電流４０２ａを有している。正のＤＣモードにおいて、電流は、金属がショートを伴わずに分離することがないように、スプレーアークに必要とされるよりも低いレベルに制限されている。この概念は、ショートアーク溶接プロセスを規定している。
それから、波形は、時間ｔ３での短絡を待ちながら、低レベルの正の電流部４０４に遷移する。この低レベルの正の電流は、本発明の或る例示的な実施形態において用いられ、時間ｔ３で止まる。その後、ショートクリーニングパルス４１２が、波形発生器によって生成される。パルス４１０は、電流を高電流レベル４０２ａに戻すために、高傾斜領域４１２と段付き領域４１４とを有している。本発明の図説された様々の実施形態が、正の電流波形４００を与えて用いることができる；しかしながら、ライン３２，３４の出力波形の極性を制御するライン１００ｂのロジックは必要ではない。
【００４０】
電源の或る例示的な実施形態は、図１Ａに模式的に表されたような有心溶接棒を用いたパイプ溶接作業である。かかるパイプ溶接作業は図１０に模式的に示されており、そこでは、パイプ断面４２０，４２２がオープンルート（open root）４２４を形成している。図４に示された本発明は、ワイヤＷが接触チップ４２を通ってパイプ接合部のオープンルート４２４まで移動するときに、ワイヤＷ上の波形を制御する。図１０は、後に続く標準的な溶接技法を用いた接合のために、パイプ断面を仮付けするパイプ接合部の初層（ルート）パスの溶接に本発明を用いた、特定の実施形態を示したものである。
【００４１】
或る実施形態においては、本発明に係る電源および／または溶接作業は、次の様相の１つ若しくはそれ以上の様相を呈している。金属の移転（トランスファ：transfer）の基本的なモードは短絡溶接であるので、電流密度は一般にスプレー溶接に要するよりも低い。多くの短絡溶接におけるように、ピンチ電流はワイヤの直径に応じて設定される。例えば、５／６４インチのフラックス入りワイヤに対しては、６２５アンペアの電流を用いることができる。
一般に、正の電流はアーク長さをセットする傾向がある。たとえ１ミリ秒の半分でも、正の電流が負の電流のアーク長さと同レベルに達することが許容される場合には、正の電流のアークは望ましくない長さに達するでああろう。一般に、正側の制御電流は、約５０アンペアから約１２５アンペアの範囲にあり、或る実施形態では約７５アンペアである。
波の形状の負の部分は、約５から１５パーセントの電流の勾配を伴って、一定の電力または電圧の何れであっても良い。典型的には、溶接は、約６０ヘルツ、１０パーセント正で行うことができる。正の電流が比較的低いレベルに設定されているので、波の形状が正である部分は典型的には２０パーセントよりも少ない。
【００４２】
図１１並びに１２は、波形技術の溶接機および／または溶接システム５１０並びに有心溶接棒５３０を示している。前記溶接システムは、溶接棒５３０をワークピースＷの方に指向させるトーチ（torch）を有する溶接機５１０を備えている。溶接システム５１０は、整流器５５０，５６０を通って整流される３相の入力電力供給（サプライ：supply）Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３、及び電源５４０を含んでいる。電源５４０は、出力、特に、前に引用することによりここに組み入れられたものであるが、２００５年１０月３１日に出願手続された米国特許出願第１１／２６３，０６４号に記載されているように、ＡＣ波形を与える。アークＡＣが溶接棒５３０の端末部とワークピースＷの間に生成される。
溶接棒は、鞘部（シース：sheath）６００と内部に充填された芯部（コア：core）６１０とを備えた、有心溶接棒である。前記コアは、小片（パーティクル：particle）６１０ａで表されるように、フラックス成分を包含している。これら成分６１０ａの目的は、（ａ）溶融金属をスラグ（slag）で覆うことにより、大気の汚染から溶融金属を遮蔽する、（ｂ）任意の大気中の汚染物質と化学的に結合して、溶接部の品質へのその悪影響を最小にする、及び／又は（ｃ）アークシールドガスを発生する、ことである。
標準的な実施によれば、コア６１０は、コア６１０の充填をもたらすために組み合わせられる他の雑多な小片６１０ｃと一緒に、小片６１０ｂとして参照される合金化成分も含んでいる。従来の用途においては、溶接作業を最適化するために、均質（ソリッド：solid）なワイヤを外部のシールドガスと共に用いることが必要であった。しかしながら、特定の機械的および冶金学的特性を備えた溶接部を創り出すためには、特定の合金が必要とされ、そのことは、ソリッドワイヤの形態では得ることが困難である。
更に、ガスシールドは、風を受ける条件、清浄なガス混合へのアクセス可能性および難しい地勢による、ガスへのアクセス或いは適正な遮蔽（シールディング：shielding）を達成する困難性のために、常に実行可能な選択肢であるとは限らない。従って、セルフシールド有心溶接棒を用いることは有益であり、その結果、本発明におけるように、環境が溶接に影響を及ぼすことはない。
【００４３】
溶接波形プロフィールの制御なしで有心溶接棒を用いる場合に生じる一般的な問題が、図１３に示されている。溶接プロセスは、シース６００を溶かして、溶融された上端部６４０で示されるように、溶接棒の周囲に上向きに溶かされた溶融金属の部分６３０をもたらす。このように、溶接棒のシースは、コアよりも迅速に溶かされる。このことは、コア６１０の内部の構成物の溶融によって生成される保護ガス又は化学反応なしで、溶接棒５３０の出力端部に溶融金属材料が存在する状態を生じさせる。従って、アークＡＣは、保護されていない雰囲気下で溶接棒の金属を溶融させることになる。溶融金属にとって必要な遮蔽は、シースとコアとが同じ速度で溶かされた場合に形成される。
溶融金属をコアよりも迅速に溶かすことの問題が、図１４の図による描写によって示されている。シース６００からの溶融金属６５０は、コア６１０が溶かされる機会を得る以前に、既にワークピースＷに結合している。従って、コア６１０は、溶接プロセスにとって必要な遮蔽をもたらすことはできない。
図１３及び１４は、有心溶接棒を用いたＡＣ溶接が、海洋パイプラインの溶接および他のパイプラインの溶接に用いられて来なかった理由を示している。しかしながら、ＡＣ波形は、有心溶接棒を用いる場合に、熱入力を制御するのに利用することができる。
【００４４】
溶接プロセスに用いるＡＣ波形に対し精密なプロフィールを制御することにより、シース６００とコア６１０とが近似的に同じ速度で溶融されることができる。
シースの溶融をコアの溶融と好適に調整することの失敗は、図１５に示されるように、シールドガスＳＧが用いられる理由の一つである。ＡＣ波形のプロフィールを制御することの利点は、外部のシールドガスＳＧを避け得ることである。
【００４５】
ＡＣ波形の制御は前述のように顕著な利点を導き得るものであるが、アークの安定性並びに適正な溶融温度および速度を与えるためには、前記ＡＣ波形の実際の制御は非常に複雑である。また、たとえ精巧なＡＣ波形を使用したとしても、溶接部の汚染は起こり得るものである。精巧なＡＣ波形を使用して形成した溶接部の汚染は、たとえシールドガスが用いられたとしても、なお起こり得る。従って、本発明の好ましい態様では、ＡＣ波形と共に用いられた際に、著しい汚染問題を伴うことなく、また、ＡＣ波形に求められるものでない制御の程度を伴うことなく、高強度かつ強靱で耐久性のある溶接部を形成することができる、或る溶接棒成分が与えられる。
【００４６】
有心溶接棒を用いて、本発明の方法または電源によって溶接する場合、シースとコアとを同じ速度で溶融させることが望ましい。この作業は、或るコア材料の外側シースとの均一な混合を促進し、溶融材料の混合が化学的に雰囲気汚染の影響に抵抗する。所望の機械的および冶金学的特性を有する溶接部を創り出すのに必要とされる合金化元素は、溶接金属中に均一に分与される。更に、スラグ及び／又はガス形成の構成物によりもたらされる保護上の利点が最も効果的にされる。前述のように、この状態が図１５に示されている。
対照的に、図１４は、シースがコアよりも迅速に溶ける状態を示している。この有害な状況では、シース５００からの溶融金属６５０は、コア６１０が溶かされる機会を得る以前に、既にワークピースＷに結合している。金属６５０は、溶融されていないコア構成物が実際に溶融されてしまった場合の程度にまで、雰囲気汚染の影響から保護されてはいない。加えて、所望の機械的および冶金学的特性を達成するに必要な合金化元素は、
溶融金属６５０から消失してしまうかも知れない。
【００４７】
前に示したように、波形技術を用いるタイプの電気溶接機は、例えば図１６に示される溶接棒７００のような有心溶接棒を用いるＡＣ溶接に使用することができる。かかる溶接棒は、合金化金属およびスラグ又はフラックス材料を含む粒状の材料で形成されたコア７２０を取り巻く、鋼製の外側シース７１０を有している。
内部フラックス又はスラグ材料を有することにより、溶接中に外部シールドガスは必要がない。コア７２０内に合金化材料を含むことにより、ワークピース７３０上の溶接金属７４０の溜まりは、正確な合金組成を有するように変化することができる。このことは、合金化が溶接ワイヤの実際の組成によって達成されなければならないソリッドな溶接ワイヤに代えて、有心溶接棒を用いる利点であり理由である。ソリッド溶接ワイヤを用いる場合、溶接金属に対する合金化の調整は非常に困難である。従って、高品質の溶接において、有心の、つまりセルフシールドの溶接棒を用いることは有益である。
アークＡＲは、基本的に同一になるように制御され得る速度で、シース７１０を溶かし、そしてコア７４０の構成物または充填物を溶かす。例えば水素，窒素および酸素のような、溶接金属内の汚濁物質は、溶接金属内における、気孔の問題、亀裂および他の物理的な欠陥を引き起こすおそれがある。従って、溶融した溶接金属から汚染物質を排除する溶接プロセスを設計することは、難題である。
潜在的な汚染物質と化学的に結合して、それらが溶接金属内で気孔や有害な介在物を形成することを阻止する、典型的には、シリコン，アルミニウム，チタニウム及び／又はジルコニウムなどの「キリング」エージェント（"killing" agent）を用いることは一般的である。更に、溶接部から水素を除去するために、核種を含有する水素と反応する、不純物除去剤（スカベンジャ：scavenger）も添加してもよい。健全な溶接金属を堅固に溶着させるために、例えば延性や低温靱性などの溶接部の特性にとってそれ自体有害なキリングエージェントを多量に添加する必要がしばしばあった。従って、キリングエージェントを最少にできるように、溶接棒７００からワークピース７３０へ移行する金属の汚染を防止するために、アークＡＲ内の溶融金属の露出を抑制することが望ましい。
【００４８】
本発明の溶接棒成分は、ＡＣ溶接に用いられるときに、耐久性，靱性があり、従来の溶接棒成分の使用に係る問題に影響されにくい、望ましい溶接部を創り出す。本発明の溶接棒成分は、ＡＣ波形の正の形状および負の形状がアーク全長ＬＡを減少せしめるように変化させられるＡＣ波形と共に用いることができる。このやり方では、雰囲気への露出がより少なく、また、金属が溶融している時間もより短い。本発明の溶接棒成分がそれ用に設計されるＡＣ波形および関連した溶接プロセスの詳細な説明は、前に引用することによりここに組み入れられたものであるが、２００５年１０月３１日に出願手続された米国特許出願第１１／２６３，０６４号に記載されている。
実際、アーク長さを短くすることにより、溶融金属が溶接棒７００から溶接金属溜まり７４０へ移動するときに、溶融金属の温度を低下させることができる。
典型的には、正の部分と負の部分に対して異なる形状でもってＡＣ溶接プロセスを実行することができる溶接機を用いる場合、有心溶接棒で行うＡＣ溶接は現場で有効に使用することができる。交番する波形の正および負の部分のパラメータは、補償し、また、選択された溶接棒７００に対してシース７１０及びコア７２０の両方の溶融を最適化するように、独立して調整することができる。
【００４９】
特に、本発明の一実施形態は、溶接棒とＡＣ溶接の組み合わせを伴うものであり、そこでは、波形の正および負の部分が個々に調整されて、短いアーク長さという目的を達成し、汚染を低減する。この戦略を用いて、本発明の溶接棒成分は、特に、それがセルフシールドであるので、顕著な利点をもたらすことができる。前記溶接棒は、シールドガスを用いることなく、また、特定の用途に依存することなく、使用することができ、しかも、雰囲気汚染からの更なる保護のために、コア内の脱酸剤および脱窒素剤をあてにすることができる。
【００５０】
本発明の一実施形態は、溶接方法と、ＦＣＡＷ−Ｓ溶接棒のコア内の合金化およびフラックス成分の独特の組み合わせとの、相互作用的なシステムを提供する。注記したように、有心溶接棒は、粉状にされたフラックス及び／又は合金化成分を伴って、管状の金属製シースを連続的に送給する。これらは、靱性および強度を増し、耐食性を向上させ、及びアークを安定化させる成分だけでなく、フラッキシング（fluxing）成分，脱酸および脱窒素剤，及び合金化材料を含んでいても良い。典型的なコア材料は、アルミニウム，カルシウム，炭素，クロム，鉄，マグネシウム、並びに他の元素および材料を含み得る。フラックスコアの溶接棒がより広範に用いられる一方、金属コアの製品は、合金鋼を溶接する場合に溶加材（フィラー：filler）金属成分を調整するのに有用である。金属コアの溶接棒における粉状体は、一般に、化合物というよりも金属および合金の粉状体であり、溶接部の表面上にスラグのほんの小さな島（アイランド：island）を創り出すだけである。対照的に、フラックスコアの溶接棒は、溶接中ビードを支えて形作る広範囲に及ぶスラグの覆い（カバー：cover）を創り出す。
【００５１】
本発明の合金／フラックス・システムは、特定の量のバリウム源、特定の量のリチウム源，酸化リチウム，酸化鉄、並びに随意的な量の酸化カルシウム，酸化珪素（シリコン：silicon）及び酸化マグネシウム、を包含している。１種もしくはそれ以上のバリウムのフッ化物，酸化物および/または炭酸塩が、バリウム源として用いることができる。また、１種もしくはそれ以上のリチウムのフッ化物および/または炭酸塩が、リチウム源として用いることができる。前記合金／フラックス・システムは、溶接棒の充填物（フィル：fill）内に含まれている。この溶接棒の充填物は、一般に、溶接棒の約１８から約２４％を構成している。
前記合金／フラックス・システムの或る例示的な実施形態は、以下を包含している。
バリウム源として約３５から約５５％のフッ化バリウム、
リチウム源として約２から約１２％のフッ化リチウム、
第２のバリウム源として約０から約８％の炭酸バリウム、
第２のリチウム源として約０から約８％の炭酸リチウム、
約０から約１５％の酸化リチウム、
約０から約１５％の酸化バリウム、
約５から約２０％の酸化鉄、
約０から約５％の酸化カルシウム、
約０から約５％の酸化珪素、
約０から約５％の酸化マンガン、及び
脱酸および脱窒素のために、約２５％未満のアルミニウム，マグネシウム，チタニウム，ジルコニウム及びその組み合わせ、並びに鉄，ニッケル，マンガン，珪素，又はその組み合わせを随意的に含む残余の金属物。尚、ここに表示された全ての百分率（パーセント）は、特に注記しない限り重量パーセントである。
或る実施形態では、溶接棒の充填物成分は、約３５から約５５％のフッ化バリウム、約２から約１２％のフッ化リチウム、約０から約１５％の酸化リチウム、約０から約１５％の酸化バリウム、約５から約２０％の酸化鉄、並びに約２５％未満の前述の脱酸および脱窒素剤を包含している。
他の実施形態においては、前述の溶接棒の充填物成分は、約０から約８％の炭酸バリウムも含み得る。更に他の実施形態においては、溶接棒の充填物成分は、約０から約８％の炭酸リチウムを更に含んでいてもよい。また更に他の実施形態においては、前記充填物成分は、約０から約５％の酸化カルシウムを含むことができる。また更に他の実施形態においては、溶接棒の充填物成分は、約０から約５％の酸化珪素を含むことができる。そして、今一つの実施形態では、溶接棒の充填物成分は、約０から約５％の酸化マンガンを包含し得る。他の実施形態は、これらエージェント、つまり、炭酸バリウム，炭酸リチウム，酸化カルシウム，酸化珪素，酸化マンガン、及びこれらの組み合わせ、の１つ若しくはそれ以上を用いることを含んでいる。
【００５２】
本発明に係る方法の或る例示的な実施形態は、溶接棒と基体（サブストレート：substrate）の間に第１の負の電圧を印可して、サブストレートに近い側で、溶接棒の少なくとも部分的な溶融を生じせしめることを含んでいる。この方法は、また、溶接棒とサブストレートの間に正の電圧を印可して、溶接棒から流動可能な材料の塊の形成を促進することを含んでいる。この方法は、更に、溶接棒とサブストレートの間に前記流動可能な塊を介して電気的なショート（短絡）が起こることを監視（モニタ：monitor）することを含んでいる。この方法は、更に電気的なショートを検出すると、溶接棒とサブストレートの間に第２の負の電圧を印可することを含んでいる。そして、この方法は、第２の負の電圧の大きさを増し、それにより、電気的なショートを解消（クリア：clear）し、前記流動可能な塊からサブストレート上に溶接部を形成することを含んでいる。
有心溶接棒の溶接棒充填物の成分は、約３５から約５５％のフッ化バリウム，約２から約１２％のフッ化リチウム，約０から約１５％の酸化リチウム，約０から約１５％の酸化バリウム，約５から約２０％の酸化鉄、並びに約２５％未満の脱酸および脱窒素剤であって、アルミニウム，マグネシウム，チタニウム，ジルコニウム及びその組み合わせでなるグループから選ばれたもの、を包含している。
他の実施形態では、溶接棒充填物に追加的なエージェントが組み入れられている。例えば、約０から約８％の炭酸バリウムが含まれ得る。溶接棒の充填物成分の他の実施形態は、約０から約８％の炭酸リチウムを含んでいる。溶接棒の充填物成分の更に他の実施形態は、約０から約５％の酸化カルシウムを含んでいる。今一つの実施形態は、約０から約５％の酸化珪素を含んでいる。そして、更に今一つの実施形態では、約０から約５％の酸化マンガンを含んでいる。
更なる実施形態では、溶接棒の充填物成分に、これらエージェントの１つ若しくはそれ以上が添加または含まれることができる。例えば、溶接棒の充填物は、前述の割合のフッ化バリウム，フッ化リチウム，酸化リチウム，酸化バリウム，酸化鉄、並びに１種もしくはそれ以上の特定の脱酸および脱窒素剤に加えて、約０から約８％の炭酸バリウム，約０から約８％の炭酸リチウム，約０から約５％の酸化カルシウム，約０から約５％の酸化珪素および約０から約５％の酸化マンガンも包含することができる。
【００５３】
前記フラックス／合金システムは、このプロセスで用いられる独特の波形に起因する、短いアーク長さを達成し、低い熱入力で溶接するために、ＦＣＡＷ−Ｓ溶接棒用の伝統的なフラックス／合金システムから改変されている。短いアーク長さ及び安定したアークは、合金およびフラックス・システムと独特の特性をもつ波形の組み合わせの結果である。基本的には、最終的な溶接の製品要求を達成するために、溶接の消費財とプロセスの両方が並行して最適化される。
【００５４】
或る実施形態においては、本発明は、魅力ある特性を有する溶接金属を形成する方法をもたらす。一般に、これらの方法は、前述の成分を備えたコアを有する溶接ワイヤ又は溶接棒を提供することを伴うものである。或る一つの実施形態では、前記溶接ワイヤ又は溶接棒は、シールドガスやかかるガスを形成するエージェント無しで使用される。
前記方法は、例えばパイプの２つの断面間に形成される接合部のような、関心ある領域へ向かってワイヤ又は溶接棒が移動させられるプロセスも含んでいる。更なる実施形態では、かかる移動が制御された送り速度で行われる。前記方法は、また、ワイヤとパイプ断面との間のアークによりワイヤ又は溶接棒を溶融させ、それにより接合部に溶融金属のビードを形成する、溶接電流を生成することを含んでいる。前記方法は、また、短絡事象の継続により、溶けたワイヤを溶融金属ビードへ移転（トランスファ）させることを含んでいる。
前記方法は、特に、少なくとも約７０［ksi］の降伏強さと約０．７５インチ未満の厚さを有する金属で形成された２つのパイプ断面の間の接合部を溶接する用途に適合している。更なる実施形態においては、本発明は、ガスシールドを用いることなく、少なくとも８０［ksi］の降伏強さを有する溶接部をもたらすことができ、従って、少なくともアメリカ石油協会（ＡＰＩ）のグレードＸ−８０のラインパイプの溶接に対する要求を満たす溶接部をもたらす。更に、本発明の或る例示的な実施形態は、５５０［Mpa］を越える降伏強さ及び６９０［Mpa］を越える引張強さ、並びに摂氏２０度で６０ジュール［Ｊ］を越えるシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）靱性を達成することができる。
【００５５】
しかしながら、本発明は０．７５インチよりも大きい又は未満の厚さを有するパイプへの用途にも使用し得ることが理解されよう。或る実施形態では、結果として得られるビードが一般に７０［ksi］よりも高い降伏強さを有し、或る適用では約９０［ksi］よりも高い。
或る特定の様相では、溶融電流は負であっても良い。溶融電流が負の場合には、金属の移転動作は正の電流によって行われることができる。しかしながら、金属の移転は、溶融電流とは独立した正の電流によって行われることができる。
前述の方法を実行するとき、或る実施形態では、平均アーク長さは、０．３０インチよりも短く、更なる実施形態では０．２０インチよりも短く、そして、今一つの実施形態では０．１０インチよりも短い。前述の方法の一実施形態では、短絡現象の速度は自動的に制御される。短絡現象の速度は、一般に、毎秒約４０から約１００サイクルである。
【００５６】
他の実施形態では、前述の概念、つまり、電源および制御技術をここに注記した溶接棒成分と組み合わせて用いることは、摂氏２０度で最低でも６０ジュール［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有する溶接金属を創り出すのに利用することができる。同様に、前記方法は、摂氏４０度で最低でも４０ジュール［Ｊ］のシャルピーＶノッチ靱性を有する溶接金属を創り出すのに用いることができる。また、前記方法は、９０［ksi］を越える引張強さを有する溶接金属を創り出すのに用いることができる。従って、約０．７５インチよりも薄い薄肉のパイプを用いることができ、結果として節約をもたらす。シールドガスは必要でなく、従って、現場でのガスのコストが無くなるか又は大幅に低減される。
【００５７】
本用途は広範な配置の用途に利用することができる。ここに説明されたシステム，プロセス及び／又は成分は、特に、少なくともＸ８０パイプ（呼称Ｘ８０はＡＰＩ  ５Ｌ：２０００工業仕様に従ったものである）のセルフシールド・フラックス入りワイヤを用いた溶接における使用に適合している。しかしながら、本発明は、他のパイプ等級についても利用され得るものである。
本発明は、パイプに実施される「初層パス（ルートパス：root pass）」或いは仮止め（タック：tack）溶接作業にも利用され得る。本発明は、初期の溶接パスに対する埋れショートアークを用いる現在既知の実務作業に比べて、より小さいアーク力で、より多量の溶接ワイヤを溶融させるのに用いることができる。本発明の更に他の用途は、薄いゲージ（gauge）金属の高速溶接用のロボット溶接用途である。
【００５８】
（実施例）
以下の論議は、本発明の実施例についてのものである。本発明は、以下で論議する実施形態および結果に限定されるものではないが、以下の論議は、本発明の例示的な実施形態から達成され得る結果を実証するために与えられるものである。
【００５９】
一連の試験溶接が、本発明の実施形態を用いて行われ、そこでは、ショートアーク溶接プロセスに、セルフシールドでフラックスコアの溶接棒が使用された。幾つかの試験では、直径０．０６２インチのリンカーン（Lincoln）社のインナーシールド（Innershield）ＮＲ−２３３が用いられた。溶接は、一定のワイヤ送り速度およびワイヤ移動速度で行われた。
溶接は、３つのパスが並び、それから第１の３つのパス上の第２層に２つのパスが並ぶ、ビード・オン・プレート（bead on plate）溶接であった。板の表面は、スケール（scale）及び塵埃を除去するために、溶接に先立ってショットブラスト（shot blast）が施された。第２層における溶接金属層が、窒素含有量について分析された。使用された溶接棒には意図的に窒素が全く入れられていないので、以下の分析は、溶接金属中の窒素は周囲雰囲気から来たという前提の下に行われた。
【００６０】
更に、溶接電力の供給は可変波形の交番電流を生成するように構成され、ＡＣ波形の以下の特性が変化させられた：
「波形バランス（balance）」−波形バランスは、溶接棒の極性が正のときのＡＣサイクル時間の百分率である。また；
「ＤＣオフセット（offset）」−ＤＣオフセットは、波形の正の部分および負の部分の大きさが等しくない程度の測定値である。−２０のＤＣオフセットとは、波形の正の部分の大きさが１９．４ボルトであり、一方、負の部分が２３ボルトであることを示している。更に、＋２０は、その逆、つまり、正が２３ボルトで負が１９．４ボルトであることを示している。
【００６１】
図１７は、クレームされた発明の実施例によって実行された例示的な溶接において、溶接金属の窒素の回復（リカバリー：recovery）に対する波形バランス及びＤＣオフセットの影響を表している。図１７に示されるように、０％波形バランスでの大きいデータポイント、０．０２９％窒素リカバリーは、ＤＣ−電流を用いてなされた溶接に対する結果である。１０％波形バランス，＋２０ＤＣオフセットでなされた２つの溶接、
５０％波形バランス，−２０ＤＣオフセットでなされた２つの溶接は、ＤＣ溶接よりも著しく低い窒素リカバリーであった。更に、試験期間中、ＤＣ−で観察された窒素リカバリーよりも高い窒素リカバリーが、波形バランス及びＤＣオフセットの他の組み合わせで観察されたことが分かった。
【００６２】
更に、追加的な実施形態では、ＡＣ波形をうまく扱って溶接金属内の酸素および水素のレベルを制御することができる。汚染物質の全体レベルを低減することは、キリングエージェント，不純物除去剤または幾何学的な修正あるいは溶解性制限剤の必要性を減少せしめる。従って、セルフシールド溶接棒における合金レベルを最適化して、溶接金属における最適な物理的特性を達成することができる。
【００６３】
以下の表は、本発明の実施形態に従って実行された溶接例の溶接データ及び溶接仕様を提供している。この例では、表１に記述された手順に応じた５Ｇ姿勢において、オハイオ州クリーブランドのリンカーン・エレクトリック社製のパイプライナー（登録商標）溶接棒が用いられた。
更に、図１８は、以下の表に示されたデータに対応した溶接接合の設計構造を表している。溶接された金属１８１は、１７ｍｍの厚さを有するＡＰＩグレードＸ−８０であり、溶接構造は図１８に示されている。更に、図１８に示すように、溶接パスは、＃１から＃９として示されている。表２は、表１に従って行われた溶接部の機械試験結果を示している。最後に、表３は、表１に記載した例の溶着部の化学成分を示している。
【００６４】
【表１】
2007301633.tif 000003
【００６５】
【表２】
2007301633.tif 000004
【００６６】
【表３】
2007301633.tif 000005
【００６７】
上記の実施例は、本発明の一実施形態の単なる例示を意図したものであり、何れにしても本発明の範囲を制限することを意図したものではない。
【００６８】
本発明の一実施形態では、ショートアーク溶接装置は、溶接されるべきワークピースに向かって溶接棒を連続的に前進させるために溶接ガンを採用する溶接装置である。これはＭＩＧ溶接プロセスに類似している。しかしながら、上で示したように、前記プロセスは、セルフシールド・フラックスコア溶接棒を用いるガス無し（ガスレス：gas-less）プロセスである。更に、前記ショートアーク溶接システム及び前記開示された溶接棒を用いる溶接の方法は、溶接棒が溶接ガンを通って連続的に前進する点で、ＭＩＧ溶接に類似した溶接方法である。
【００６９】
更に、前述の論議に加えて、本発明の更なる実施形態においては、溶接装置は、エンジン駆動の機械、又は燃料電池もしくは電池（バッテリー：battery）ベースで駆動される機械である。加えて、本発明は、自動またはロボット溶接機と共に採用されることもできる。
【００７０】
本発明は、若干数の実施形態および用途と共に説明されてきた。これらは、添付クレームに規定されたような発明の範囲を逸脱することなく、組み合わせ及び互換し得るものである。添付クレームに規定されているような前記システム，方法および溶接棒ならびにそれらの組み合わせは、相乗効果のある本発明の新規な特徴の記載の一部分であるかのようにして、引用することによりここに組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の例示的な実施形態に用いられるショートアーク溶接システムのブロック線図である。
【図１Ａ】図１の１Ａ−１Ａ線に略沿った拡大断面図である。
【図２】ショートアーク溶接プロセスにおけるステージＩ−ＩＶを示す一連の側面図である。
【図３】図２に示された様々のステージに対して、図４に開示されるように本発明の実施形態を実施する波形を示す、電流波形および電圧波形の組み合わせたグラフである。
【図４】本発明の実施形態を実行するための、図１のシステムの変形例を説明するフローチャートブロック線図である。
【図５】本発明の更なる実施形態を実行するための、図１に示された溶接システムの一部のフローチャートブロック線図である。
【図６】本発明の更なる実施形態を実行するための、図１に示された溶接システムの一部のフローチャートブロック線図である。
【図７】図４に示された本発明の実施形態を図５に示された本発明の実施形態からの組み合わせ波形制御と組み合わせる、図１に示された溶接システムの部分的なフローチャートブロック線図である。
【図８】図４に示された本発明の実施形態を図６に示された本発明の実施形態からの組み合わせ波形制御と組み合わせる、図１に示された溶接システムの部分的なフローチャートブロック線図である。
【図９】本発明のＤＣ正の実施に対する電流波形である。
【図１０】パイプの溶接接合の初層パス又は仮止めパスに用いられる本発明を示す模式的な正面図である。
【図１１】代表的な溶接システム及び溶接棒の使用を示すブロック線図を伴った側面図である。
【図１２】図１１の１２−１２線に略沿った絵画化した拡大断面図で、溶接棒をより詳しく拡大した図である。
【図１３】被覆材と芯材とが異なる速度で溶融する有心の溶接棒を示す拡大した模式図である。
【図１４】有心の溶接棒を用いた溶接に対して調整された波形を採用しなかったことの不利益を示す、図１３と同様の図である。
【図１５】図１３及び図１４と同様の図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る有心の溶接棒を説明し、本発明の使用により長さが最少にされたアーク長さを示す、部分的な側面図である。
【図１７】本発明の実施例における溶着金属の窒素リカバリーに及ぼす波形バランス及びＤＣオフセットの影響を示す図である。
【図１８】本発明の例示的な実施形態に従って実行された溶接例の接合設計を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１００  波形発生器
１０２  メモリ
１２０  短絡検出器
２６０  タイマ
５１０  溶接機
５３０  溶接棒
５４０  電源
６１０  コア
Ａ  溶接システム
Ｂ  電源
Ｃ  コントローラ
Ｅ  溶接棒
Ｗ  溶接ワイヤ
ＷＰ  ワークピース
【図１】
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【図１Ａ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【外国語明細書】
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