(57)【要約】  本開示は概して、溶接合金に、より具体的にはガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、シールドメタルアーク溶接（ＳＭＡＷ）及びフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）等の溶接用の溶接消耗物（例えば、溶接ワイヤ及びロッド）に関するものである。一実施形態では、溶接合金は、およそ１ｗｔ％未満のマンガンと、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤とを含む。さらに、溶接合金の炭素当量（ＣＥ）値は、伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である。溶接合金は、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤も含み、溶接合金はおよそ０．６ｗｔ％未満の粒子制御剤を含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接合金であって、
およそ１ｗｔ％未満のマンガンと、
ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤であって、該溶接合金の炭素当量（ＣＥ）が伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である、補強剤と、
ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤であって、該合金のおよそ０．６ｗｔ％未満を占める、粒子制御剤と、
を含む、溶接合金。
【請求項２】
およそ０．９ｗｔ％未満のマンガンを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項３】
およそ０．２ｗｔ％〜およそ０．５ｗｔ％のマンガンを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項４】
およそ０．３ｗｔ％〜およそ０．４ｗｔ％のマンガンを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項５】
前記１つ又は複数の補強剤がニッケルを含み、前記溶接合金がおよそ５ｗｔ％未満のニッケルを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項６】
およそ０．５ｗｔ％〜およそ１ｗｔ％のニッケルを含む、請求項５に記載の溶接合金。
【請求項７】
前記１つ又は複数の補強剤が銅を含み、前記溶接合金がおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ２ｗｔ％の銅を含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項８】
およそ０．７ｗｔ％未満の銅を含む、請求項７に記載の溶接合金。
【請求項９】
前記１つ又は複数の補強剤が炭素を含み、前記溶接合金がおよそ０．１２ｗｔ％未満の炭素を含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項１０】
およそ０．０７ｗｔ％未満の炭素を含む、請求項９に記載の溶接合金。
【請求項１１】
前記１つ又は複数の補強剤がクロムを含み、前記溶接合金がおよそ０．８ｗｔ％未満のクロムを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項１２】
およそ０．２ｗｔ％未満のクロムを含む、請求項１１に記載の溶接合金。
【請求項１３】
前記１つ又は複数の粒子制御剤がチタンを含み、前記溶接合金がおよそ０．２ｗｔ％未満のチタンを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項１４】
およそ０．０４ｗｔ％〜およそ０．１６ｗｔ％のチタンを含む、請求項１３に記載の溶接合金。
【請求項１５】
前記１つ又は複数の粒子制御剤がジルコニウムを含み、前記溶接合金がおよそ０．２ｗｔ％未満のジルコニウムを含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項１６】
およそ０．０２ｗｔ％〜およそ０．１ｗｔ％のジルコニウムを含む、請求項１５に記載の溶接合金。
【請求項１７】
前記１つ又は複数の補強剤と前記１つ又は複数の粒子制御剤とがホウ素を含み、前記溶接合金がおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ０．０１ｗｔ％のホウ素を含む、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項１８】
前記溶接合金のＣＥがおよそ０．２未満である、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項１９】
前記溶接合金のＣＥがおよそ０．０７〜およそ０．１２である、請求項１８に記載の溶接合金。
【請求項２０】
前記１つ又は複数の粒子制御剤が前記合金のおよそ０．００２ｗｔ％超を占める、請求項１に記載の溶接合金。
【請求項２１】
溶接合金から溶接消耗物を形成することを含む方法であって、該溶接合金が、
およそ１ｗｔ％未満のマンガンと、
ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤であって、前記合金の炭素当量（ＣＥ）が伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である、補強剤と、
ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤であって、前記合金のおよそ０．６ｗｔ％未満を占める、粒子制御剤と、
を含む、方法。
【請求項２２】
前記方法が目的とするマンガン含量に従って前記溶接合金を形成することを含み、該目的とするマンガン含量がおよそ０．３５ｗｔ％のマンガンである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記溶接消耗物を形成することが、前記溶接合金をシースへと成形し、該シースに粒状フラックスを充填することによりチューブ状の溶接ワイヤを形成することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記粒状フラックスがマンガンを実質的に含まない、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記溶接消耗物を形成することが、前記溶接合金をソリッド溶接ワイヤへと成形することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ソリッド溶接ワイヤを好適な長さに切断することにより溶加棒を形成することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ソリッド溶接ワイヤを好適な長さに切断し、該長さをコーティングで覆うことにより電極棒を形成することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記コーティングがマンガンを実質的に含まない、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
鋼ワーク上に形成される溶着物であって、
およそ１ｗｔ％未満のマンガンと、
ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤であって、該溶着物の炭素当量（ＣＥ）が伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である、補強剤と、
ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤であって、該溶着物のおよそ０．６ｗｔ％未満を占める、粒子制御剤と、
を含む、溶着物。
【請求項３０】
前記溶着物の引張強度がおよそ７０ｋｓｉ以上である、請求項２９に記載の溶着物。
【請求項３１】
前記溶着物の降伏強度がおよそ５８ｋｓｉ以上である、請求項２９に記載の溶着物。
【請求項３２】
伸び率によって測定される前記溶着物の延展性が少なくともおよそ２２％である、請求項２９に記載の溶着物。
【請求項３３】
前記溶着物のシャルピーＶノッチ靭性が−２０°Ｆにておよそ２０ｆｔ−ｌｂｓ以上である、請求項２９に記載の溶着物。
【請求項３４】
前記鋼ワークが、軟鋼、炭素鋼、低合金鋼、又はそれらの組合せを含む構造用鋼ワークを含む、請求項２９に記載の溶着物。
【請求項３５】
前記溶着物のＣＥが０．２未満である、請求項２９に記載の溶着物。
【請求項３６】
前記１つ又は複数の粒子制御剤が、前記溶着物のおよそ０．００２ｗｔ％超を占める、請求項２９に記載の溶着物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１３年５月８日付けで出願された「低マンガン溶接電極のためのシステム及び方法（SYSTEMS AND METHODS FOR LOW-MANGANESE WELDING ELECTRODES）」と題される米国仮特許出願第６１／８２１，０６４号（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）の優先権を主張するものである。
【０００２】
本開示は概して、溶接合金に、より具体的にはガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、シールドメタルアーク溶接（ＳＭＡＷ）及びフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）等の溶接用の溶接消耗物（例えば、溶接ワイヤ及びロッド）に関するものである。
【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。いくつかの溶接法（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）、セルフシールドフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ−Ｓ）、及びサブマージアーク溶接（ＳＡＷ））には通例、溶接ワイヤの形の溶接消耗物が用いられる。他の溶接法（例えば、シールドメタルアーク溶接（ＳＭＡＷ）及びガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ））には、棒又はロッドの形の溶接消耗物を用いることができる。これらのタイプの溶接消耗物は一般に、溶加金属を供給することで、ワーク上に溶着物を形成することができる。
【発明の概要】
【０００４】
一実施の形態では、溶接合金は、およそ１ｗｔ％未満のマンガンと、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤とを含む。さらに、溶接合金の炭素当量（ＣＥ）値は、伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である。溶接合金は、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤も含み、溶接合金はおよそ０．６ｗｔ％未満の粒子制御剤を含む。
【０００５】
別の実施の形態では、方法は溶接合金から溶接消耗物を形成することを含み、溶接合金が、およそ１ｗｔ％未満のマンガンと、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤とを含む。さらに、溶接合金の炭素当量（ＣＥ）値は、伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である。溶接合金は、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤も含み、溶接合金はおよそ０．６ｗｔ％未満の粒子制御剤を含む。
【０００６】
別の実施の形態では、鋼ワーク上に形成される溶着物はおよそ１ｗｔ％未満のマンガンと、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の補強剤とを含む。さらに、溶着物の炭素当量（ＣＥ）値は、伊藤−別所炭素当量式に従っておよそ０．２３未満である。溶着物は、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム及びホウ素からなる群から選択される１つ又は複数の粒子制御剤も含み、溶着物はおよそ０．６ｗｔ％未満の粒子制御剤を含む。
【０００７】
本発明のこれらの特徴、態様及び利点並びに他の特徴、態様及び利点は、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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の１つ又は複数の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提示するために、実際の実施のあらゆる特徴を本明細書中で説明することはできない。当然のことながら、何らかの技術計画又は設計計画のような、任意のかかる実際の実施の発展において、開発者の特定の目的、例えばシステム関連及び事業関連の制約の順守を実現するために、実施時には多数の固有の判断を行わなければならず、これらの判断は一実施毎に異なる可能性がある。その上、当然のことながら、このような開発努力は、複雑かつ時間を要するにもかかわらず、本開示の利益を有する熟練者にとっては、設計、製作及び製造のルーチン的取組みであると考えられる。
【００１０】
本開示の様々な実施形態の要素を採用する際、数量を特定していない冠詞（the articles "a," "an," "the," and "said"）は、要素の１つ又は複数が存在することを意味するように意図されるものである。「構成する」、「含む」及び「有する」（"comprising," "including," and "having"）という用語は、包括的なものであり、また列挙した要素以
がら、本明細書中で使用する場合、「チューブ状の溶接電極」又は「チューブ状の溶接ワイヤ」という用語は、金属シースと粒状コア又は粉末状コアとを有する何らかの溶接ワイヤ又は溶接電極、例えば、メタルコアの又はフラックスコアの溶接電極を指し得るものである。本明細書中で使用する場合、「チューブ状」という用語は、円形、楕円形、矩形、多角形、又は任意の他の好適な形状を含む様々な形状の溶接ワイヤを含むことができると理解される。特定成分に関する「実質的に含まない（substantially free from/of）」という語句は、特定成分が微量濃度でしか存在していないか（例えば、およそ０．０１％未満、およそ０．００１％未満、又はおよそ０．０００１％未満）、又は全く存在していない（例えば、０ｗｔ％又は検出限度未満）ことを表すことができると理解される。
【００１１】
本実施形態は溶接用途に使用される合金（例えば、溶接消耗物）に関するものである。例えば、本開示の溶接合金は、いくつかの実施形態において、ソリッド溶接ワイヤ（例えば、ＧＭＡＷ用途又はＳＡＷ用途に用いられるもの）の形にすることができる。いくつかの実施形態では、開示の溶接合金をワイヤの形にし、或る長さに切断した後、フラックスで覆うことで、電極棒（例えば、ＳＭＡＷ用途のもの）を形成することができる。他の実施形態では、本開示の合金をチューブ状の溶接ワイヤのシースの形にし、シースに粒状コア材料を充填することで、フラックスコア溶接ワイヤ又はメタルコア溶接ワイヤ（例えば、ＦＣＡＷ−Ｇ用途又はＦＣＡＷ−Ｓ用途のもの）を得ることができる。いくつかの実施形態では、開示の溶接合金をワイヤの形にし、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）用途に使用されるロッドの長さに切断することができる。このようにして本開示の合金は多くの溶接消耗物の作製に有用なものとすることができると理解され得る。
【００１２】
特に本開示の溶接合金はマンガン含量が低い。より具体的には、開示の溶接合金の実施形態は、およそ２ｗｔ％未満のマンガン、例えばおよそ１．５ｗｔ％未満のマンガン、およそ１ｗｔ％未満のマンガン、およそ０．９ｗｔ％未満のマンガンを含むか、又は更には微量のマンガン含量しか含まない。したがって、以下で詳細に記載のように、開示の溶接合金により、他の溶接消耗物よりもマンガン含量がおよそ５％〜およそ９５％少ない溶接消耗物（例えば、溶接ワイヤ及びロッド）の作製が可能となり、これらの溶接消耗物により、低マンガン溶着物及び低マンガン溶接ヒュームの作製が可能となる。さらに、本開示の溶接合金は、構造用鋼（例えば、軟鋼、低合金鋼、炭素鋼、又は他の好適な構造用鋼）及び非構造用鋼（例えば、クロム−モリブデン鋼）の溶接に有用である。本開示の溶接合金は、マンガン含量が実質的により高い溶接消耗物を用いて形成された溶着物の特性に匹敵する又は溶着物の特性を上回る溶着物の特性（例えば、引張強度、降伏強度等）をもたらす。例えば、本実施形態により、溶着物が低マンガン含量であるにも関わらず、好適な引張強度（例えば、少なくとも７０キロポンド／平方インチ（ｋｓｉ））及び好適な靭性（例えば、−２０°Ｆにて少なくとも２０ｆｔ−ｌｂｓのシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）靭性）をもたらすマンガン含量がおよそ２ｗｔ％未満である溶着物の形成が可能となる。
【００１３】
さらに、本開示の溶接合金はいくつかの様々なタイプの溶接消耗物（例えば、溶加棒、電極棒、フラックスコアワイヤ、メタルコアワイヤ、又は固体電極）の作製に使用することができるが、いくつかの本実施形態はソリッド溶接ワイヤの形成に特に適している。一般にソリッド溶接ワイヤはフラックスコア溶接ワイヤよりも少ない溶接ヒュームを生じ、概してスラグがほとんど又は全くない清浄な溶着物が得られることが理解され得る。これに対して、フラックスコア溶接ワイヤは概してスラグ層を含む溶着物を形成し、このスラグ層は通例、溶接操作が完了した後に除去される。しかしながら、フラックスコア溶接ワイヤにより形成されるスラグ層の除去には、溶接後により多くのオペレータ時間が費やされる場合があるが、いくつかの実施形態では、このスラグ層は溶接中に溶接プールから不要な元素を除去するか又は不要な元素の濃度を低減するのに有利に働き、これにより得られる溶着物の化学的性質のより大きな制御をもたらすことができる。
【００１４】
以下に提示されるように、これらの溶着物の特性は、低マンガン含量にも関わらず１つ又は複数の補強剤（例えば、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素、及び／又はホウ素）と、１つ又は複数の粒子制御剤（例えば、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、及び／又はホウ素）とを溶接合金に含ませることにより達成される。換言すると、１つ若しくは複数の補強剤及び／又は１つ若しくは複数の粒子制御剤の添加により、低マンガンレベルにも関わらず、鋼ワーク（例えば、構造用鋼ワーク）を溶接する際に満足のいく溶着物の特性を達成することが可能となると考えられる。さらにいくつかの実施形態では、１つ又は複数の粒子制御剤（例えば、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、及び／又はホウ素）を溶接合金に含ませることが、相対的に低いマンガンレベルにも関わらず、鋼ワーク（例えば、構造用鋼ワーク）を溶接する際に溶着物の満足のいく機械的特性（例えば、靭性、引張強度等）を達成することができるように、より低いマンガンレベルに対して相補的にも働くと考えられる。さらに以下に詳細に述べられるように、成分（例えば、１つ又は複数の補強剤）は、溶接合金の炭素当量値（ＣＥ）が概しておよそ０．２３未満（例えば、およそ０．０７〜およそ０．１２）となるように好適な相対濃度にて溶接合金中に存在する。
【００１５】
溶接システム
図面を参照すると、図１は、本開示による溶接合金から製造された溶接電極（例えば、溶接ワイヤ又は溶接棒若しくはロッド）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ものである。本記述は特に図１に示されるＧＭＡＷシステム１０に着目したものであるが、本開示の溶接合金は、溶接ワイヤ又はロッド等の溶接消耗物を使用する多くの様々な溶接プロセス（例えば、ＦＣＡＷ−Ｓ、ＦＣＡＷ−Ｇ、ＧＴＡＷ、ＳＡＷ、又は同様の溶接プロセス）に有益であり得ると理解される。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は概して、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る。また溶接電源１２は、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にも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の動作時に消耗溶接ワイヤ（例えば溶接電極）を供給するとともに溶接トーチ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、溶接電源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。
【００１６】
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、又はそれらの組合せ）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出力電力又はＡＣ出力電力を供給する。例えばいくつかの実施形態では、電源３０は定電圧（ＣＶ）電源３０とすることができる。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ダー１４がさらに、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入力電力を直流棒プラス（ＤＣＥＰ）出力、直流棒マイナス（ＤＣＥＮ）出力、ＤＣ可変極性、パルスＤＣ又は可変平衡（例えば、平衡又は不平衡）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、チューブ状の溶接ワイヤ）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及び／又は溶接品質の改善）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。
【００１７】
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、シールドガス又はシールドガス混合物を１つ又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。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、アーク安定性を向上させ、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、アーク及び／又は溶接プールに供給することができる任意のガス又はガスの混合物（例えば、不活性ガス又は活性ガス）を指し得る。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。外部から供給されるシールドガスに依存することのないいくつかのＦＣＡＷ−Ｓ、ＳＭＡＷ及びＳＡＷシステム等の他の実施形態では、溶接システム１０はガス供給システム１６を備えていなくてもよい。このような実施形態では、溶接電極は、溶接操作中にワーク２２の表面付近において少なくとも一部分解することで、局所的なシールド雰囲気をもたらすフラックス（例えば、フラックスコア又はフラックスコーティング）を含むことができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、シールドガス流はシールドガス又はシールドガスの混合物（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）、水素（Ｈ2）、類似の好適なシールドガス、又はそれらの任意の混合物）とすることができる。例えば、シールドガス流（例えば、ガス導管３２を介して送達される）は、Ａｒ、ＣＯ2、Ａｒ／ＣＯ2混合物（例えば、７５％のＡｒ及び２５％のＣＯ2、９０％のＡｒ及び１０％のＣＯ2、９５％のＡｒ及び５％のＣＯ2等））、Ａｒ／ＣＯ2／Ｏ2混合物、Ａｒ／Ｈｅ混合物等を含むことができる。さらに、以下に詳細に記載されるように、いくつかのシールドガス（例えば、９０％のＡｒ／１０％のＣＯ2等のいくつかのＡｒ／ＣＯ2混合物）は溶接操作中に発生し得る溶接ヒュームの総量を低減することができることが理解され得る。例えばいくつかの実施形態では、シールドガス流はおよそ０％〜１００％のＣＯ2を含むことができ、シールドガス流の残りはアルゴン、ヘリウム又は別の好適なガスである。いくつかの実施形態では、３種以上のガス（例えば、三種混合物）を含むシールドガス流も本発明において企図される。さらにいくつかの実施形態では、シールドガス混合物は、およそ３５毎時立方フィート（ｃｆｈ）〜およそ５５ｃｆｈ（例えば、およそ４０ｃｆｈ）の速度でアークに供給することができる。
【００１９】
したがって、図示の溶接トーチ１８は概して、ワーク２２のＧＭＡＷを行うために、溶接ワイヤフィーダー１４から溶接ワイヤ、溶接電源１２から電力、及びガス供給システム１６からシールドガス流を受け取る。いくつかの実施形態では、溶接ワイヤフィーダー１４を定速溶接ワイヤフィーダー１４とすることができる。操作時、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近くに運ぶことができる。さらに、下述のように、溶接ワイヤの組成を調整することによって、得られる溶接部の化学的特性及び機械的特性を変えることができる。例えばいくつかの実施形態では、溶接ワイヤは、溶接プールに種をもたらす合金成分（例えば、ニッケル、モリブデン、ケイ素、炭素、又は他の好適な合金成分）を含むことができ、この合金成分は溶接部の機械的特性（例えば、強度及び靭性）に影響を与える。さらに、溶接ワイヤの成分のいくつかはアーク近くに更なるシールド雰囲気を提供し、アークの移行特性に影響を及ぼし、ワークの表面を清浄にするといったこともできる。
【００２０】
溶接合金組成物
以下で詳細に述べられるように、本開示の溶接合金は多くの成分を含むことができる。これらの成分を様々なカテゴリー（例えば、合金剤、補強剤、粒子制御剤、脱酸素剤等）にグループ分けすることができるが、いくつかの成分は溶接プロセス中において複合的役割を果たすことができると理解される。そのため、特定の役割を果たす特定成分の本明細書中の開示はその成分が溶接プロセス中において他の役割を果たす又は他の機能を果たすことを排除するものではないと理解され得る。例えば以下に記載のように、いくつかの実施形態では、開示の溶接合金は、好適な機械的特性（例えば、構造用鋼用途に好適な引張強度及び靭性）を有する溶着物を作製するために補強剤（すなわち、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素、ホウ素、又はそれらの組合せ）及び／又は粒子制御剤（すなわち、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ホウ素、又はそれらの組合せ）を含むことができる。
【００２１】
【表１】
2016523714.tif 000002
【００２２】
上記を考慮して、表１に本アプローチの実施形態による３つの溶接合金クラスＡ１、Ａ２及びＡ３についての化学組成（すなわち、重量パーセント範囲）を表す。溶接合金Ａ１は様々な成分について最も広い範囲を規定するものであり、そのため本開示の溶接合金の実施形態の最も広範なクラスを表すと理解され得る。さらに、溶接合金Ａ２及びＡ３は、概してＡ１クラス内に含まれ、そのため本開示の溶接合金の実施形態の成分のそれぞれについてより狭い範囲を規定する２つのサブクラス又は属を表す。範囲は表１の溶接合金クラスＡ１、Ａ２及びＡ３の成分について挙げられているが、当然のことながら、開示の範囲は特定のクラス、サブクラス又は実施形態に限定されない。実際、いくつかの実施形態では、任意の開示の成分は任意の開示の範囲又はその任意の部分範囲にて、表１のクラスＡ１、Ａ２及びＡ３に示される組合せだけでなく任意の組合せにおいて本アプローチの溶接合金の実施形態に包含され得る。例えば、本アプローチの溶接合金の実施形態は、およそ０ｗｔ％（又は微量のみ）のニッケル（表１においてＡ１に記載される）と、およそ０．０５ｗｔ％〜およそ０．１ｗｔ％の範囲のアルミニウム（表１においてＡ２に記載される）と、およそ０．０４ｗｔ％〜およそ０．０６ｗｔ％の範囲の炭素（表１においてＡ３に記載される）とを含むことができる。当然のことながら、いくつかの実施形態では、溶接合金中に存在する表１の元素のそれぞれは金属又は元素の形でのみ実質的に存在することができ、これは溶接合金が塩若しくは化合物（例えば、酸化物、水酸化物、塩化物等）を実質的に含むことができないか、又は溶接合金の外表面に少量の酸化物しか含むことができないことを意味している。さらに、表２に本開示の溶接合金の実施形態Ｅ１及びＥ２から製造される２つの例示的なソリッド溶接ワイヤの成分を挙げている。表２に示されるように、ソリッド溶接ワイヤの実施形態Ｅ１及びＥ２の特定成分は、概して表１に記載のクラスＡ１、Ａ２及びＡ３の１つ又は複数によって規定された範囲内にある重量パーセント値にて挙げられている。
【００２３】
【表２】
2016523714.tif 000003
【００２４】
表１に記載のように、本開示の溶接合金はおよそ０．０５ｗｔ％〜およそ２ｗｔ％のマンガンを含むことができる。マンガンの存在は一般に溶接合金を補強することができると理解され得る。しかしながら、本明細書中で使用される場合、「補強剤」という用語はマンガンを包含するという意味ではなく、むしろ開示の溶接合金の実施形態を用いて形成される溶着物に組み込まれ、低マンガン含量にも関わらず溶着物の機械的特性を改善する他の成分（例えば、ニッケル、コバルト、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素、及び／又はホウ素）を包含するものである。しかしながら、以下に述べられるように特定の溶接合金の実施形態の炭素当量（ＣＥ）を算出する際にはマンガン含量が考慮されることに留意されたい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、溶接合金は、およそ２ｗｔ％未満のマンガン（例えば、およそ１．８ｗｔ％未満、およそ１．６ｗｔ％未満、およそ１．４ｗｔ％未満、又はおよそ１．２ｗｔ％未満のマンガン）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金は、およそ１ｗｔ％未満のマンガン（例えば、およそ０．９ｗｔ％未満、およそ０．８ｗｔ％未満、およそ０．７ｗｔ％未満、およそ０．６ｗｔ％未満、およそ０．５ｗｔ％未満、又はおよそ０．４ｗｔ％未満のマンガン）を含むことができる。より具体的には、表１に示されるように、いくつかの実施形態では、溶接合金は、およそ０．３０ｗｔ％〜およそ０．４０ｗｔ％のマンガン（例えば、表２に表されるようにおよそ０．３８ｗｔ％のマンガン又はおよそ０．３９ｗｔ％のマンガン）、又はおよそ０．２ｗｔ％〜およそ０．５ｗｔ％のマンガンを含むことができる。他の実施形態では、溶接合金のマンガン含量は、例えばおよそ０．３０ｗｔ％未満、およそ０．２５ｗｔ％未満、およそ０．２０ｗｔ％未満、およそ０．１５ｗｔ％未満、およそ０．１０ｗｔ％未満、およそ０．０５ｗｔ％未満、又はほんの微量なレベルへと更に低減することができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のマンガン含量は、およそ０．１ｗｔ％を上回る、およそ０．２ｗｔ％を上回る、又はおよそ０．３ｗｔ％を上回る場合もあり得る。いくつかの実施形態では、溶接合金は特定の目的とするマンガン含量（例えば、０．３５ｗｔ％）に従って製造することができ、得られる溶接合金のマンガン含量を許容範囲（例えば、±２５％、±１０％、又は±５％）内にて特定の目的値に概ね等しくすることができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、溶接合金内のマンガン含量は溶接合金を用いて形成される溶着物の所望の引張強度に基づき規定することができる。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金は、０．９ｗｔ％以下のマンガンを含むことができ、引張強度がおよそ７０キロポンド／平方インチ（ｋｓｉ）〜９０ｋｓｉである溶着物を形成することが可能であり得る。更なる例としては、いくつかの実施形態では、溶接合金は１．４ｗｔ％以下のマンガンを含むことができ、引張強度がおよそ９０ｋｓｉ〜１２０ｋｓｉである溶着物を形成することが可能であり得る。
【００２７】
補強剤
上述のように、開示の溶接合金は、溶着物が低マンガン含量であるにも関わらず好適な機械的特性（例えば、引張強度、靭性）を有する溶着物を提供するために１つ又は複数の補強剤を含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の補強剤は、通例固相転移の温度をオーステナイトからフェライトへと下げ、及び／又は溶着物の形成中に転移温度をデルタフェライトからオーステナイトへと上げる（例えば、フェライト相を遅延させる）オーステナイト安定剤（例えば、ニッケル、炭素、銅、コバルト等）を含むことができる。加えて、いくつかの実施形態では、補強剤は、一般にオーステナイト安定剤とはみなされないが、本技法に従って得られる溶着物の機械的特性（例えば、引張強度、靭性）を依然改善することができるモリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素及びホウ素の内の１つ又は複数を付加的に又は代替的に含むことができる。溶接合金の実施形態に存在する補強剤の合わせた総量を、以下に詳細に述べられるように特定の炭素当量（ＣＥ）値又は範囲をもたらすように調整することもできると理解され得る。
【００２８】
表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ５ｗｔ％のニッケルを溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤として含む。いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ５ｗｔ％、およそ０．２ｗｔ％〜およそ４ｗｔ％、およそ０．３ｗｔ％〜およそ３ｗｔ％、およそ０．４ｗｔ％〜およそ２ｗｔ％、又はおよそ０．５ｗｔ％〜およそ１ｗｔ％のニッケルを含むことができる。より具体的には、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．６５ｗｔ％〜０．８５ｗｔ％のニッケル（例えば、表２に表されるようにおよそ０．７６ｗｔ％のニッケル又はおよそ０．７７ｗｔ％のニッケル）を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．３５ｗｔ％〜およそ０．４５ｗｔ％、又はおよそ１．７５ｗｔ％〜およそ２．７５ｗｔ％のニッケルを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のニッケル含量はおよそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．１ｗｔ％を上回る、およそ０．１５ｗｔ％を上回る、およそ０．２ｗｔ％を上回る、およそ５ｗｔ％未満、およそ０．０１ｗｔ％未満、又はおよそ０．００１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００２９】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ２ｗｔ％のコバルトを溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ２ｗｔ％、およそ０．０２ｗｔ％〜およそ１．５ｗｔ％、およそ０．０３ｗｔ％〜およそ１．０ｗｔ％、およそ０．０４ｗｔ％〜およそ０．８ｗｔ％、又はおよそ０．０５ｗｔ％〜およそ０．７ｗｔ％のコバルトを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のコバルト含量は、およそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．０５ｗｔ％を上回る、およそ２ｗｔ％未満、およそ０．７ｗｔ％未満、およそ０．０１ｗｔ％未満、又はおよそ０．００１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３０】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０．００１ｗｔ％〜およそ２ｗｔ％の銅を溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ０．７ｗｔ％、およそ０．００５ｗｔ％〜およそ０．４ｗｔ％、又はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．２ｗｔ％の銅（例えば、表２に表されるようにおよそ０．１５ｗｔ％の銅又はおよそ０．０１ｗｔ％未満の銅）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金の銅含量は、およそ０．０５ｗｔ％を上回る、およそ２ｗｔ％未満、およそ０．７ｗｔ％未満、およそ０．２ｗｔ％未満、又はおよそ０．０１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３１】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、０．００１ｗｔ％〜およそ０．１２ｗｔ％の炭素を溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤として含む。より具体的には、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０４ｗｔ％〜およそ０．０７ｗｔ％、又はおよそ０．０５ｗｔ％〜およそ０．０６ｗｔ％の炭素（例えば、表２に表されるようにおよそ０．０５ｗｔ％の炭素又はおよそ０．０５２ｗｔ％の炭素）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金の炭素含量は、およそ０．００１ｗｔ％を上回る、およそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．０４ｗｔ％を上回る、およそ０．１２ｗｔ％未満、およそ０．０７ｗｔ％未満、又はおよそ０．０６ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３２】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ１．５ｗｔ％のモリブデンを溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤（すなわち、非オーステナイト補強剤）として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ１ｗｔ％、又はおよそ０．００５ｗｔ％〜およそ０．５ｗｔ％のモリブデン（例えば、表２に表されるようにおよそ０．０１ｗｔ％のモリブデン）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のモリブデン含量は、およそ０．００１ｗｔ％を上回る、およそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．１ｗｔ％未満、又はおよそ１．５ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３３】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ０．８ｗｔ％のクロムを溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤（すなわち、非オーステナイト補強剤）として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．８ｗｔ％又はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．２ｗｔ％のクロム（例えば、０．０１ｗｔ％又は０．０４ｗｔ％のクロム）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のクロム含量は、およそ０．００１ｗｔ％を上回る、およそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．８ｗｔ％未満、およそ０．２ｗｔ％未満、又はおよそ０．１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３４】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ０．１ｗｔ％のバナジウムを溶着物の機械的特性を改善することができる補強剤（すなわち、非オーステナイト補強剤）として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０００５ｗｔ％〜およそ０．０９ｗｔ％、又はおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ０．０２５ｗｔ％のバナジウム（例えば、およそ０．００６ｗｔ％のバナジウム）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のバナジウム含量は、およそ０．００１ｗｔ％を上回る、およそ０．１ｗｔ％未満、およそ０．０３ｗｔ％未満、又はおよそ０．００１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３５】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０．１ｗｔ％〜およそ１．２ｗｔ％のケイ素を含む。ケイ素は本開示の溶接合金の実施形態の配合において２つ以上の役割を果たすことができることに留意されたい。例えば、ケイ素は溶接プールにて又は溶接プール付近で酸素含有種と反応することでスラグを発生させる脱酸素剤としての役割を果たすことができる。また一方、溶着物に残存する一部のケイ素は溶着物の機械的特性を改善する補強剤（すなわち、非オーステナイト補強剤）としての役割も果たすことができる。そのため、表１に開示されるケイ素範囲には、溶接中に、脱酸素により消費されるケイ素の部分と、補強剤として溶着物に組み込まれることになるケイ素の部分とが含まれている。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金は、およそ０．６５ｗｔ％〜およそ０．８５ｗｔ％のケイ素（例えば、表２に表されるようにおよそ０．７５ｗｔ％のケイ素又はおよそ０．７９ｗｔ％のケイ素）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のケイ素含量は、およそ０．１ｗｔ％を上回る、およそ０．６５ｗｔ％を上回る、およそ０．８５ｗｔ％未満、又はおよそ１．２ｗｔ％未満のものとすることができる。またケイ素含量は開示の溶接合金の実施形態の脱酸素成分に関して以下に述べている。
【００３６】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ０．０１ｗｔ％のホウ素を含む。すなわち、いくつかの実施形態では、ホウ素は溶接合金及び／又は得られる溶着物の特性に有害な影響を及ぼすことなく本アプローチの溶接合金の実施形態に含ませることができない。しかしながら、いくつかの実施形態では、ホウ素は得られる溶着物の機械的特性を改善するために少量含まれていてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０００１ｗｔ％〜およそ０．００１ｗｔ％のホウ素（例えば、表２に表されるように０．０００５ｗｔ％のホウ素又は０．００１ｗｔ％未満のホウ素）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のホウ素含量は、およそ０．０００１ｗｔ％を上回る、およそ０．００１ｗｔ％未満、又はおよそ０．０１ｗｔ％未満のものとすることができる。本明細書で述べられるように、ホウ素は補強剤及び粒子制御剤を兼ねるとみなすことができると理解され得る。すなわち、溶接合金の実施形態に存在するホウ素の量は概して、以下に述べられるように炭素当量値と粒子制御剤の総量との両方に寄与するものである。
【００３７】
炭素当量（ＣＥ）
上述のように、本アプローチの溶接合金の実施形態は概して、いくつかの成分、すなわちマンガン及び１つ又は複数の補強剤を、特定の炭素当量含有値（equivalent carbon content value）又は範囲をもたらすのに適したレベルで含む。例えば、開示の溶接合金の実施形態は、以下の式に基づく伊藤−別所法に従って求められる特定の炭素当量（ＣＥ）値又は範囲（重要な金属パラメータ、Ｐｃｍとしても知られている）を有する：
Ｅｑ．１  ＣＥ＝％Ｃ  ＋  ％Ｓｉ／３０  ＋  （％Ｍｎ＋％Ｃｕ＋％Ｃｒ）／２０  ＋  ％Ｎｉ／６０  ＋  ％Ｍｏ／１５  ＋  ％Ｖ／１０  ＋  ５×％Ｂ
（式中、元素パーセントはそれぞれ、溶接合金の総重量に対する重量パーセントにて与えられる）。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金は２ｗｔ％以下のマンガン含量（例えば、およそ１ｗｔ％未満又は０．３ｗｔ％〜０．４ｗｔ％のマンガン）と、およそ０．０５〜およそ０．２５のＣＥ（式１に従って求められる）とを有し得る。いくつかの実施形態では、溶接合金のＣＥ（式１に従って求められる）は、およそ０．２４未満、およそ０．２３未満、およそ０．２２未満、およそ０．２１未満、およそ０．２未満、およそ０．２〜およそ０．２３、又はおよそ０．０８〜およそ０．２３とすることができる。いくつかの実施形態では、チューブ状の溶接ワイヤ５０のＣＥ（式１に従って求められる）は所望の引張強度に基づき選択することができる。例えば、溶接合金は、およそ９０ｋｓｉ〜およそ１４０ｋｓｉ（例えば、およそ１００ｋｓｉ）の推定引張強度をもたらすように、およそ２ｗｔ％未満のマンガン含量（例えば、およそ１ｗｔ％未満、又はおよそ０．３ｗｔ％〜０．４ｗｔ％のマンガン）と、およそ０．２〜およそ０．２３のＣＥとを有することができる。より低い推定引張強度（例えば、およそ７０ｋｓｉ〜およそ８０ｋｓｉ）をもたらすように設計された他の実施形態は、およそ２ｗｔ％未満のマンガン含量（例えば、およそ１ｗｔ％未満又はおよそ０．３ｗｔ％〜０．４ｗｔ％のマンガン）と、０．２未満、例えばおよそ０．０７〜およそ０．１２のＣＥ値とを有することができる。
【００３８】
粒子制御剤
上記の表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、得られる溶着物の機械的特性（例えば、引張強度、靭性）を改善することができる１つ又は複数の粒子制御剤を含む。いくつかの実施形態では、これらの粒子制御剤はニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ホウ素及びそれらの組合せを含むことができる。したがって、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０２ｗｔ％〜およそ２．３ｗｔ％、およそ０．０２ｗｔ％〜およそ０．６ｗｔ％、およそ０．０５ｗｔ％〜およそ０．７ｗｔ％、又はおよそ０．０６ｗｔ％〜およそ０．６ｗｔ％の合わせた粒子制御剤を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金の合わせた粒子制御剤の含量は、およそ０．０２ｗｔ％を上回る、およそ０．０６ｗｔ％を上回る、およそ０．６ｗｔ％未満、又はおよそ０．５６ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００３９】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ０．１ｗｔ％のニオブを、溶着物の機械的特性を改善することができる粒子制御剤として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ０．１ｗｔ％、およそ０．００５ｗｔ％〜およそ０．０９ｗｔ％、又はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．０８ｗｔ％のニオブを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のニオブ含量はおよそ０．００１ｗｔ％を上回る、およそ０．１５ｗｔ％未満、およそ０．１２ｗｔ％未満、又はおよそ０．１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００４０】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ０．２ｗｔ％のタンタルを、溶着物の機械的特性を改善する粒子制御剤として含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．００１ｗｔ％〜およそ０．２ｗｔ％、およそ０．００５ｗｔ％〜およそ０．１５ｗｔ％、又はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．１ｗｔ％のタンタルを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のタンタルの含量はおよそ０．００１ｗｔ％を上回る、およそ０．２ｗｔ％未満、又はおよそ０．１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００４１】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．２ｗｔ％のチタンを含む。上で述べられているケイ素と同様に、チタンも溶接操作において２つ以上の役割を果たすことができることに留意されたい。例えば、チタンは、以下に述べられるように溶接プール付近で酸素含有種と反応することでスラグを発生させる脱酸素剤としての役割を果たすことができる。また一方、溶着物に残存するチタンは溶着物の機械的特性を改善することができる粒子制御剤としての役割も果たすことができる。そのため、表１に開示されるチタン範囲には、溶接中に、脱酸素により消費されるチタン（例えば、およそ６０％）と、溶着物に組み込まれることになるチタンとが含まれている。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金は、およそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．１８ｗｔ％、およそ０．０４ｗｔ％〜およそ０．１６ｗｔ％、又はおよそ０．０８ｗｔ％〜およそ０．１２ｗｔ％のチタンを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のチタン含量はおよそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．０８ｗｔ％を上回る、およそ０．２ｗｔ％未満、又はおよそ０．１６ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００４２】
同様に表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．２ｗｔ％のジルコニウムを含む。チタンと同様に、ジルコニウムも溶接操作において２つ以上の役割を果たすことができることに留意されたい。例えば、ジルコニウムは、以下に述べられるように溶接プール付近で酸素含有種と反応することでスラグを発生させる脱酸素剤としての役割を果たすことができる。また一方、溶接後に溶着物に残存するジルコニウムは溶着物の機械的特性を改善することができる粒子制御剤としての役割も果たすことができる。そのため、表１に開示されるジルコニウム範囲には、溶接中に、脱酸素により消費されるジルコニウム部分（例えば、およそ６０％）と、溶着物に組み込まれることになるジルコニウム部分とが含まれている。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金はおよそ０．０１ｗｔ％〜およそ０．１５ｗｔ％、又はおよそ０．０２ｗｔ％〜およそ０．１ｗｔ％のジルコニウムを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のジルコニウム含量はおよそ０．０１ｗｔ％を上回る、およそ０．０２ｗｔ％を上回る、およそ０．０４ｗｔ％を上回る、およそ０．１ｗｔ％未満、およそ０．０８ｗｔ％未満、又はおよそ０．０２ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００４３】
上述のように、溶接合金の実施形態に存在するホウ素の量は概して、炭素当量（ＣＥ）値と溶接合金中に存在する粒子制御剤の総量との両方に寄与するものである。表１に表されるように、開示の溶接合金の実施形態は概して、およそ０ｗｔ％（すなわち、無量又は微量）〜およそ０．０１ｗｔ％のホウ素を含む。例えば、いくつかの実施形態では、溶接合金は、およそ０．０００１ｗｔ％〜およそ０．００１ｗｔ％のホウ素（例えば、表２に表されるように０．０００５ｗｔ％のホウ素又は０．００１ｗｔ％未満のホウ素）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶接合金のホウ素含量はおよそ０．０００１ｗｔ％を上回る、およそ０．００１ｗｔ％未満、又はおよそ０．０１ｗｔ％未満のものとすることができる。
【００４４】
他の成分
さらに表１に表されるように、いくつかの実施形態では、ソリッド溶接合金は、脱酸素成分（例えば、チタン、ジルコニウム、アルミニウム及びケイ素）を指定の範囲で含むことができる。上述のように、いくつかの脱酸素成分は他の役割（例えば、補強剤、粒子制御剤）も果たすことができ、これらの成分は溶着物に組み込まれることになるこれらの成分の好適な部分がこれらの効果をもたらすことが可能なレベルで存在することができる。いくつかの実施形態では、アンチモンは本アプローチに有害な影響を及ぼすことなく含ませることができないが、他の実施形態では、アンチモン（例えば、最大０．２５ｗｔ％）は得られる溶着物の特性を微調整するのに有用であり得る。いくつかの実施形態では、開示の溶接合金の実施形態はおよそ８０ｗｔ％を上回る鉄（例えば、およそ８３ｗｔ％を上回る、およそ８４ｗｔ％を上回る、およそ９０ｗｔ％を上回る、およそ９５ｗｔ％を上回る、およそ９６ｗｔ％を上回る、およそ９７ｗｔ％を上回る、およそ９８ｗｔ％を上回る、およそ９９ｗｔ％を上回る鉄、又は残りの鉄）を含むことができる。
【００４５】
ＡＷＳ規格及び分類
溶接構造用鋼に関するいくつかの溶接電極（例えば、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ（ＡＷＳ）  Ａ５．１８  ＥＲ７０Ｓ−２規格に従って製造された溶接電極）は０．９ｗｔ％〜１．４ｗｔ％のマンガンを含有する。比較として、ＥＲ７０Ｓ−２ワイヤはおよそ０．３ｗｔ％〜およそ０．４ｗｔ％のマンガンを含む溶接合金の実施形態等の本アプローチのいくつかの溶接合金の実施形態よりもおよそ２倍〜およそ５倍多いマンガン含量を含有する。さらに、ＡＷＳ規格に基づくと、ＥＲ７０Ｓ−２ワイヤは０．１５ｗｔ％以下のニッケルを含んでいる。比較として、本アプローチのいくつかの実施形態（例えば、表１のサブクラスＡ２及びＡ３の実施形態）はＥＲ７０Ｓ−２ワイヤよりもおよそ４倍〜およそ６倍多いニッケル含量を含有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、開示の溶接合金はおよそ１ｗｔ％未満のマンガン（例えば、およそ０．９ｗｔ％以下のマンガン、およそ０．４ｗｔ％未満のマンガン）と、およそ０．１５ｗｔ％を上回るニッケル（例えば、およそ０．１６ｗｔ％を上回る、およそ０．１８ｗｔ％を上回る、およそ０．２ｗｔ％を上回る、およそ０．２５ｗｔ％を上回る、又はおよそ０．７５ｗｔ％を上回るニッケル）とを含有することができる。
【００４６】
当然のことながら、表１及び表２における処方は例示的な処方として与えられているに過ぎない。いくつかの実施形態では、本開示の低マンガン溶接合金を使用して、以下のＡＷＳ  Ａ５．２９、Ａ５．２０、及び／又はＡ５．３６規格の内の１つ又は複数の化学分析要件に従って溶接消耗物（例えば、ソリッド溶接ワイヤ、電極棒、又はチューブ状の溶接ワイヤ）を作製することができる：Ｅ７１Ｔ１−ＧＣ  Ｈ８（例えば、Hobart Brothers Company（オハイオ州トロイ）から入手可能なＥｌｅｍｅｎｔ（商標）  ７１Ｎｉ１Ｃと同様の溶着物の化学的性質及び機械的特性をもたらす）；Ｅ７１Ｔ１−ＧＭ  Ｈ８（例えば、Hobart Brothers Company（オハイオ州トロイ）から入手可能なＥｌｅｍｅｎｔ（商標）  ７１Ｎｉ１Ｍと同様の溶着物の化学的性質及び機械的特性をもたらす）；Ｅ７１Ｔ−１Ｃ  Ｈ８（例えば、Hobart Brothers Company（オハイオ州トロイ）から入手可能なＥｌｅｍｅｎｔ（商標）  ７１Ｔ１Ｃと同様の溶着物の化学的性質及び機械的特性をもたらす）；Ｅ７１Ｔ−１Ｍ  Ｈ８（例えば、Hobart Brothers Company（オハイオ州トロイ）から入手可能なＥｌｅｍｅｎｔ（商標）  ７１Ｔ１Ｍと同様の溶着物の化学的性質及び機械的特性をもたらす）；Ｅ８１Ｔ１−ＧＣ  Ｈ８（例えば、Hobart Brothers Company（オハイオ州トロイ）から入手可能なＥｌｅｍｅｎｔ（商標）  ８１Ｋ２Ｃと同様の溶着物の化学的性質及び機械的特性をもたらす）；及びＥ８１Ｔ１−ＧＭ  Ｈ８（例えば、Hobart Brothers Company（オハイオ州トロイ）から入手可能なＥｌｅｍｅｎｔ（商標）  ８１Ｋ２Ｍと同様の溶着物の化学的性質及び機械的特性をもたらす）。
【００４７】
溶接合金及び溶接消耗物の製造
ソリッド溶接電極を含む開示の溶接消耗物は、一般的な製鋼プロセス及び技法を用いて合金の形にすることができる出発材料又は原料の混合物から形成することができる。例えば、これらの出発材料として、鉄、鉄チタン粉末、鉄ジルコニウム粉末、アルミニウム粉末又はアルミナ、及び他の好適な出発材料を挙げることができる。例えば、いくつかの実施形態では、出発材料として、米国特許第６，６０８，２８４号及び同第８，１１９，９５１号（どちらもあらゆる目的のためにその全体が引用することにより本明細書の一部をなすものとする）に記載の１つ又は複数の材料（例えば、アンチモン、ガリウム）を挙げることができる。概して、様々な出発材料を炉内において加熱することで、溶融状態に達することができる。さらに、１つ又は複数の不純物（例えば、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、及び／又はケイ素の酸化物）をスラグとして混合物から除去することができる。したがって、溶接合金の形成中にいくつかの出発材料の一部が酸化され、スラグとして除去された後、得られる溶接合金の組成は表１に示されるクラスＡ１、Ａ２及びＡ３の１つ又は複数についての成分範囲に適合する。
【００４８】
形成したら、いくつかの実施形態では、溶接合金を（例えば、１つ又は複数の伸線ダイスを使用して）引き伸ばすことで、ソリッドワイヤ（例えば、ＧＭＡＷ、ＧＴＡＷ及びＳＡＷ用途に用いられるもの）の形にすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、ソリッドワイヤを細断し、コーティングで覆うことで電極棒を作製することができる。さらには、いくつかの実施形態では、溶接合金を平らにして、シースへと成形して、シースに粒状コア材料（例えば、フラックス）を充填することで、メタルコア又はフラックスコアのチューブ状の溶接ワイヤを作製することができる。またさらには、いくつかの実施形態では、溶接合金をワーク上に配して、めっきプロセスにより塗布することができる。フラックス及び／又はコーティング成分を含む溶接消耗物（例えば、電極棒及び／又はフラックスコアのチューブ状の溶接ワイヤ）の実施形態について、溶着物の化学的性質、溶着物の機械的特性、アークの特性等は、フラックス及び／又はコーティング成分の組成及び性質に基づき制御又は微調整することもできることが理解され得る。特に、いくつかの実施形態では、開示の溶接合金と併せて（例えば、ＳＭＡＷ電極棒に、フラックスコア電極内で、及びＳＡＷフラックスに）使用されるフラックス及び／又はコーティングには実質的に又は全くマンガンが含まれ得ない。
【００４９】
具体例によって、いくつかの実施形態では、開示の合金を使用することで、ＳＭＡＷ電極棒を製造することができる。一例として、開示の溶接合金からソリッドワイヤを製造し、細断して、フラックスでコーティングすることで、ＳＭＡＷに適した電極棒を作製することができる。この例では、本開示の溶接合金によって、上述の脱酸素剤（例えば、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、及び／又はケイ素）をアーク及び／又は溶着物に送達することが可能となる。いくつかの実施形態では、ＳＭＡＷ電極棒はＡＷＳ  Ａ５．１又はＡＷＳ  Ａ５．５に従うものとすることができ（例えば、Ｅｘｘ１８電極又はＥｘｘ１８−Ｙ電極に分類される）、マンガンを全く又は実質的に含まないフラックスコーティングを有することができる。いくつかの実施形態では、初めにソリッドワイヤセグメントを別の金属（例えば、堆積金属層又は金属箔）でコーティングした後に、フラックスコーティングを塗布することで、フラックスコーティングの接着性を改善させる、及び／又はいくつかのフラックス成分とソリッドワイヤコアとの間の相互作用を制限することができる。いくつかの実施形態では、フラックスコーティングは塩基性とすることができ（例えば、最低限の酸素を溶着物に与える）、使用前に安定化する（例えば、クロメート処理する（chromated））ケイ素金属粉末を含むことができる。
【００５０】
溶着物
表３に、表２のソリッド溶接電極の実施形態Ｅ１を用いて形成される溶着物についての予想される化学組成及び機械的特性を示す。表３に記載のように、いくつかの実施形態では、得られる溶着物は、１ｗｔ％以下のマンガン（例えば、およそ０．３ｗｔ％〜およそ０．４ｗｔ％のマンガン）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶着物は、溶着物を形成するのに使用される溶接合金のマンガン含量ベースでおよそ１．２５ｗｔ％未満、およそ１ｗｔ％未満、およそ０．９ｗｔ％未満、およそ０．８ｗｔ％未満、およそ０．７ｗｔ％未満、およそ０．６ｗｔ％未満、およそ０．５ｗｔ％未満、およそ０．４ｗｔ％未満、およそ０．３ｗｔ％未満、およそ０．２ｗｔ％未満、およそ０．１ｗｔ％未満、又はほんの微量のマンガンを含むことができる。
【００５１】
【表３】
2016523714.tif 000004
【００５２】
表３に示されるように、開示の溶接合金を用いて形成される例示的な溶着物は、１つ又は複数の補強剤（例えば、ニッケル、銅、炭素、モリブデン、クロム、バナジウム、ケイ素、及び／又はホウ素）と、１つ又は複数の粒子制御剤（例えば、ニオブ、タンタル、チタン、及び／又はジルコニウム）とを、マンガン含量がより低いにも関わらず溶着物が好適な機械的特性を有することができる特定濃度にて含むものである。シールドガスとして１００％のアルゴン及び本開示の溶接合金の溶加棒を使用したＴＩＧ溶接操作等のいくつかの溶接操作について、上で詳細に記載したように、溶着物の化学的性質は溶接合金の化学的性質と実質的に同じとすることができることが理解され得る。例えば、いくつかの溶接操作について、溶着物は表１のクラスＡ１、Ａ２又はＡ３により規定される範囲内にあるものとすることができ、溶接合金について上記された補強剤、粒子制御剤、炭素当量（ＣＥ）等の範囲のいずれかを含むものとすることができる。表３の溶着物Ｗ１、Ｗ２及びＷ３の形成に用いられるＧＴＡＷ操作等の他の溶接操作について、１つ又は複数の成分の量は（例えば、ベース金属の化学的性質又は酸化により）変わる場合があり、そのため開示の溶接合金から作製される溶接消耗物におけるこれらの成分レベルとは異なる場合がある。例えばいくつかの実施形態では、本開示の溶接合金の実施形態である溶接消耗物を用いて形成される溶着物には、およそ０．１２ｗｔ％未満の炭素含量（例えば、およそ０．７ｗｔ％未満の炭素）、およそ２ｗｔ％未満のマンガン含量（例えば、およそ１ｗｔ％未満、およそ０．９ｗｔ％未満、又はおよそ０．３ｗｔ％〜およそ０．４ｗｔ％のマンガン）、およそ１．２ｗｔ％未満のケイ素含量（例えば、およそ０．６ｗｔ％未満のケイ素）、およそ５ｗｔ％未満のニッケル含量（例えば、およそ１ｗｔ％未満、およそ０．８５ｗｔ％未満のニッケル）、およそ０．８ｗｔ％未満のクロム含量（例えば、およそ０．４ｗｔ％未満のクロム）、およそ１．５ｗｔ％未満のモリブデン含量（例えば、およそ０．０１ｗｔ％未満のモリブデン）、およそ０．１ｗｔ％未満のバナジウム含量（例えば、およそ０．０３ｗｔ％未満のバナジウム）、およそ２ｗｔ％未満の銅含量（例えば、およそ０．２ｗｔ％未満の銅）、およそ０．２ｗｔ％未満のチタン含量（例えば、およそ０．０６ｗｔ％未満のチタン）、およそ０．２ｗｔ％ジルコニウム未満のジルコニウム含量（例えば、およそ０．０２未満のジルコニウム）、およそ１ｗｔ％未満のアルミニウム含量（例えば、およそ０．０４ｗｔ％未満のアルミニウム）、およそ０．０１ｗｔ％未満のホウ素含量（例えば、およそ０．０００２ｗｔ％未満のホウ素）、およそ０．１ｗｔ％未満のニオブ含量（例えば、およそ０．００２ｗｔ％未満のニオブ）、及び／又はおよそ０．１ｗｔ％未満のタンタル含量（例えば、およそ０．００１ｗｔ％未満のタンタル）が含まれ得る。
【００５３】
さらに表３に、マンガン含量がより低いにも関わらず本開示の溶接合金の実施形態により可能となる機械的特性の例を示す。例えば表３に表されるように、開示の溶接合金の実施形態を用いて形成される溶着物は概して、マンガン含量がより低い（例えば、１ｗｔ％未満のマンガン）にも関わらず７０ｋｓｉ以上の引張強度を有する。いくつかの実施形態では、溶着物はおよそ７０ｋｓｉ〜８０ｋｓｉ、およそ８０ｋｓｉ〜９０ｋｓｉ、およそ９０ｋｓｉ〜１００ｋｓｉ、又はおよそ１００ｋｓｉ〜１４０ｋｓｉのようなより高い引張強度を有することができる。さらに表３に表されるように、開示の溶接合金の実施形態を用いて形成される溶着物は概して、５８ｋｓｉ以上の降伏強度を有する。いくつかの実施形態では、溶着物はおよそ５８ｋｓｉ〜およそ７５ｋｓｉのようなより高い降伏強度を有することができる。さらに表３に表されるように、開示の溶接合金の実施形態を用いて形成される溶着物は概して、−２０°Ｆにて２０フィートポンド（ｆｔ−ｌｂｓ）以上のシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）値を有する。いくつかの実施形態では、溶着物は３０ｆｔ−ｌｂｓを上回る、４０ｆｔ−ｌｂｓを上回る、５０ｆｔ−ｌｂｓを上回る、６０ｆｔ−ｌｂｓを上回る、又は７０ｆｔ−ｌｂｓを上回るようなより高いＣＶＮ値を有することができる。
【００５４】
本明細書において、本発明のいくつかの特徴だけが図示及び説明されてきたが、当業者には多くの変更及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及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。
【図１】
2016523714.tif 000005
【国際調査報告】
2016523714.tif 000006
2016523714.tif 000007
2016523714.tif 000008