(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク溶接プロセスのためのシールドガス混合物であって、金属が短絡移行、グロビュール移行、スプレー移行、パルススプレー移行、高電流密度スプレー移行、高電流密度回転スプレー移行または高電流密度非回転スプレー移行の一つにより電極から移行され、そして62〜74体積％のアルゴン、17〜23体積％のヘリウム、および９〜16体積％の二酸化炭素からなる、シールドガス混合物。
【請求項２】
前記アルゴンが68体積％の量で存在する、請求項１に記載のシールドガス混合物。
【請求項３】
前記二酸化炭素が12体積％の量で存在する、請求項１に記載のシールドガス混合物。
【請求項４】
前記ヘリウムが20体積％の量で存在する、請求項１に記載のシールドガス混合物。
【請求項５】
アークが、連続する溶接金属電極と溶融池との間に維持されるガス金属アーク溶接プロセスにおいて、改良が：
該アークを68体積％のアルゴン、20体積％のヘリウム、および12体積％の二酸化炭素からなるガス混合物でシールドする工程を包含する、プロセス。
【請求項６】
アークが、フラックス材料を封入する金属からなる連続する溶接金属電極と溶融池との間に維持されるフラックス入りアーク溶接プロセスにおいて、改良が：
該アークを68体積％のアルゴン、20体積％のヘリウム、および12体積％の二酸化炭素からなるガス混合物でシールドする工程を包含する、プロセス。
【請求項７】
金属が、短絡移行、グロビュール移行、スプレー移行、パルススプレー移行、高電流密度スプレー移行、高電流密度回転スプレー移行または高電流密度非回転スプレー移行の一つにより電極から移行される、ガス金属アーク溶接プロセスにおいて、改良が：
68体積％のアルゴン、20体積％のヘリウム、および12体積％の二酸化炭素からなるシールドガスを使用する工程を包含する、プロセス。
【請求項８】
前記電極が連続線で供給される、請求項６に記載のプロセス。
【請求項９】
金属が、短絡移行、グロビュール移行、スプレー移行、パルススプレー移行、高電流密度スプレー移行、高電流密度回転スプレー移行または高電流密度非回転スプレー移行の一つにより電極から移行される、アーク溶接プロセスにおいて、改良が：
62〜74体積％のアルゴン、17〜23体積％のヘリウム、および９〜16体積％の二酸化炭素からなるシールドガスを使用して、ユーザーによる多姿勢溶接を可能にする工程を包含する、プロセス。
【発明の詳細な説明】
関連出願の相互参照
適用なし
連邦政府支援の研究または開発についての声明
適用なし
発明の背景
本発明は、ガス金属アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、および混合剤入りアーク溶接に関し、特に、これらのプロセスにおける使用のためのシールドガス組成物のに関する。
溶接の分野において、シールド金属アーク溶接、ガス金属アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、および混合剤入りアーク溶接において、シールドガスが、プロセスおよび得られる溶接の品質に影響し得ることは周知である。
これらのプロセスにおいて、主要成分として不活性ガスであるアルゴンを有するシールドガスを用いることは一般的な方法である。アルゴンには、酸素、二酸化炭素、およびヘリウムからなる群から選択される種々の他のガスが混和される。シールドガスの詳細な説明は、米国溶接学会（American Welding Society）によって「Recommended Practices For Schiedling Gases For Welding And Plasma Arc Cutting」という標題で刊行された刊行物ANSI/AWS C5、10-94に見い出され得る。
基礎となる溶接プロセス、特にガス金属アーク溶接（GMAW）およびフラックス入りアーク溶接（FCAW）は、米国溶接学会によって刊行された、溶接ハンドブックの第八版の第２巻の、それぞれ、第４章および第５章に詳細に説明される。
溶接ハンドブックによれば、種々のシールドガス混合物が溶接プロセスにおいて使用され、消耗電極（これは、棒型電極でも連続した針金でもよい）から溶融池へ金属が基本的に併用され、変換されて、結合されるべき、調製された母材金属間の結合部を形成する。
ガス金属アーク溶接（GMAW）プロセスは、連続する溶接剤金属電極と溶融池との間のアークストラックを使用するアーク溶接プロセスである。このプロセスは、圧力が適用されないガス混合物によって供給されるシールドとともに用いられる。シールドガス混合物は、基本的に、一つ以上の添加剤（例えば、酸素、二酸化炭素、ヘリウム、または水素）を伴うアルゴンである。
フラックス入りのアーク溶接（FCAW）プロセスは、連続する溶接剤金属電極と溶融池との間のアークに関与する。このプロセスは、チューブ状の電極内に含まれるフラックスによるシールドを伴い、外的に供給されるガスによるさらなるシールドを伴うか伴わなずに、そして圧力の適用を伴わずに使用される。外部のシールドガスを使用するフラックス入りアーク溶接の場合、シールドガスは、基本的に、ヘリウム、酸素、および二酸化炭素からなる群から選択される１つ以上の成分を含むアルゴンである。
混合剤入りアーク溶接（CCAW）は、金属粉末で充填された中心を有するチューブ状ワイヤが、電極材料として使用されるアーク溶接プロセスを記載するために使用される。このプロセスはまた、アークおよび溶融池を保護するためのシールドガスの使用に依存する。
種々の産業用ガス供給者および溶接供給業者は、多数のシールドガス混合物を提供する。
特に、Air Products and Chemicals, Inc.は、平坦または水平位置でのガス金属アーク溶接プロセスにおいて、金属の高沈着および高いアーク移動速度のためのAstec HPと呼ばれるガス混合物を市場化している。この企業によって提供される組成物は、65％のアルゴン、25％のヘリウム、および10％の二酸化炭素を含む。この特定のシールドガス混合物は、平坦または水平位置以外における溶接の際に、溶融金属の制御を困難にする。さらに、微細な短路アーク移動は、この混合物によっては容易には影響を受けない。
発明の簡単な要旨
体積比で62〜74％のアルゴン、17〜23％のヘリウム、および９〜16％の二酸化炭素を含むガス混合物がガス金属アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、および混合剤入りアーク溶接で、任意の態様の金属転移および任意の溶接位置で用いられ得る、単一のシールドガス混合物を有する長らく切望された必要を満たし得る。好ましい実施態様において、シールドガスは、体積比で、68％のアルゴン、20％のヘリウム、および12％の二酸化炭素を含む。
従って、１つの局面において、本発明は、62〜74体積％のアルゴン、17〜23体積％のヘリウム、および９〜16体積％の二酸化炭素から本質的になるアーク溶接のためのシールドガス混合物である。
別の局面において、本発明は、ガス金属アーク溶接プロセスである。このプロセスにおいて、アークは、連続する溶接金属電極と溶融池との間に維持され、溶接金属と溶融池との間に生成したアークのシールドを有し、68体積％のアルゴン、20体積％のヘリウム、および12体積％の二酸化炭素のガス混合物を伴う。
さらに別の局面において、本発明は、フラックス入りアーク溶接プロセスである。このプロセスにおいて、アークは、フラックスする材料を封入する金属から本質的になる連続する充填金属電極とアークの溶接を伴う溶融池との間に維持され、68体積％のアルゴン、20体積％のヘリウム、および12体積％の二酸化炭素のガス混合物を伴う。
なお別の局面において、本発明は、混合剤入りアーク溶接プロセスである。このプロセスにおいて、アークは、溶接金属電極とアークのシールドを伴う溶融池との間に維持され、68体積％のアルゴン、20体積％のヘリウム、および12体積％の二酸化炭素から本質的になるガス混合物を伴う。
本発明はまた、ガス金属アーク溶接プロセスに関する。このプロセスにおいて、金属は、短絡移行、グロビュール移行、スプレー移行、パルススプレー移行、高電流密度スプレー移行、高電流密度回転スプレー移行または高電流密度非回転スプレー移行の一つにより電極から移行され、そして体積比で68％のアルゴン、20％のヘリウム、および12％の二酸化炭素から本質的になるシールドガスがプロセスの間に生成するアークをシールドするために使用される。
発明の詳細な説明
当該分野で周知なように、ガス金属アーク溶接（GMAW）、フラックス入りアーク溶接（FCAW）、および混合剤入りアーク溶接（CCAW）のような種々の溶接プロセスのユーザーにとって、これらのプロセスを使用して受容可能な溶接を生成するために必要とされるシールドのための異なるガス混合物が必要であり、そしてそれを手元に有することが習慣であった。
本発明は、シールドガス混合物を作製する努力、ならびに溶接プロセスの間の迅速な充填、迅速な安定（follow）、および迅速な冷却のタイプの金属溶着の特徴を示す種々のプロセスにおけるシールドガス混合物の使用の周辺を対象とする。二酸化炭素、酸素およびアルゴンのガス混合物は、迅速な充填および迅速な安定の特徴を有することが公知であった。しかし、これらのガス混合物は、迅速な冷却タイプの溶接への適用においてはそれほど有効ではなかった。さらに、フラックス入りアーク溶接プロセスについて、アルゴンの割合は、全ての実施目的について、75％に限定されていた。
従って、低炭素綱かつ軟鋼の両方のためのガス金属アーク溶接に使用される場合、上述の３つの特徴を有するシールドガス混合物を作製することが必要となった。この混合物はまた、フラックス入りワイヤアーク溶接、および混合剤入りアーク溶接にも機能し、そして種々の政府機関の適用可能な標準を満たす。
種々の試行により、体積比で68％のアルゴン、20％のヘリウム、および12％の二酸化炭素の名目上の組成物を有するシールドガス混合物が、シールドガスがガス金属アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、および有心アーク溶接プロセスに使用される場合に、上記の３つ全ての特徴に対して優れた結果を提供するという発見を導いた。
本発明は、シールドガス混合物を包含する。ここで、組成物は、62〜74体積％のアルゴン、17〜23体積％のヘリウム、および９〜16体積％の二酸化炭素から本質的になる。種々の成分が、ガス金属アークアーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、または混合剤入りアーク溶接適用のために必要とされるような異なる溶接条件を満たすように調整され得る。
第一の試行において、67％のアルゴン、20％のヘリウム、および13％の二酸化炭素から本質的になる混合物が、満足いく結果で使用された。最初の回の試行後に、好ましい組成物は、体積比で、68％のアルゴン、20％のヘリウム、および12％の二酸化炭素を含むようにに調整された。
体積比で、68％のアルゴン、20％のヘリウム、および12％の二酸化炭素の混合物を、種々のプロセスおよび種々の溶接条件を使用して試験した。結果を以下の表１に示す。
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0004037914.tif 000003
上記の表から、本発明に従って好ましい組成物が、非常に効率の良い溶接プロセス、すなわち、ガス金属アーク溶接、混合剤入りアーク溶接、およびフラックス入りアーク溶接のための単一のガス混合物を達成することが明らかである。本発明によるこのシールドガスは、種々の金属移行技術による金属の移行を提供し、そしてユーザーによる多姿勢かつ多プロセスの溶接を可能にする。さらに、シールドガス混合物は、短絡および垂直スプレー移行におけるより大きい溶け込みを達成する。さらに、本発明によるシールドガス混合物は、金属不活性ガス溶接（MIG）溶接プロセスに使用される場合、溶融の損失を減少させる。
さらに、表１で報告した試験において、すべてのサンプルは、溶接作業者に非常に魅力的であることが見い出され、作業者による容易な操作を提供し、そして作業者による容易な設定を提供する。
さらなる一連の試験が、シールドガスおよびプロセスの見込みのあるユーザーによって実施された。26個のサンプルが溶接された。16個はガス金属アーク溶接において好ましい組成物を使用し、６つはフラックス入りアーク溶接において好ましい組成物を使用し、そして４つは混合剤入りアーク溶接において好ましい組成物を使用する。ユーザーは、列挙されたプロセスにおける好ましい組成物を用いて、溶接の外見、溶接のぬれ性（wetting）、溶接の溶け込み、作業者への魅力、操作の容易さ、および設定の容易さを評価した。26全てのサンプルにおいて、当業者によって評価された結果は、当業者が、本発明による単一の好ましい組成物が３つの異なるプロセスにおいて使用される場合、以前に必要とされたいくつかのシールドガス混合物と同等かまたはそれよりも良好であったと結論づけた結果であった。従って、GMAW、FCAW、またはCCAWにおいて使用され得る単一のシールドガス組成物を提供する本発明の目的は、達成された。
本発明に従って好ましい組成物は、ユーザーが必要とするシールドガスまたはガス混合物の数を減少させ、従ってエンドユーザーがストックで有することを必要とするボンベの数を減少させ、それ故ユーザーのための実施能を増加させる。
シールドガス混合物の製造者のために、製造者の溶着プラント効率における対応する上昇を必要とするボンベの数における同様の減少が存在する。
本発明による組成物および好ましい組成物はまた、環境に優しい。なぜなら、それらは、環境への二酸化炭素放出量を、それらのプロセスに使用される公知のガス混合物と比較して低減させるからである。
本発明をこのように記載したので、特許文書によって保護されることが所望されるものは、添付の請求の範囲に示される。