JP4859620B2 - 高強度用途におけるガース溶接用のガスレス・プロセス及びシステム - Google Patents
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Description
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−20℃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。
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。
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。
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。
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。
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、414を越え483[MPa](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552[MPa](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−20℃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。
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。
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。
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552[MPa](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−20℃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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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483[MPa](約70[ksi])の降伏強さと約19.05[mm](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552[MPa](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−20℃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。
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、7.62[mm](0.30インチ)よりも短く、更なる実施形態では5.08[mm](0.20インチ)よりも短く、そして、今一つの実施形態では2.54[mm](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。
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。
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。
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。
「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。
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。
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。
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
Claims (40)
- 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前記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、プロセス中の平均アーク長さが7.62[mm]以下である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、
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であって、前記溶接プロセスでは、前記溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続いており、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスを制御する制御ステップと、
を備え、
溶接部が少なくとも483[MPa]の降伏強さを有しており、
前記ショートアーク溶接プロセス中は、何等の外部からのシールドも用いられることがない、
ことを特徴とする方法。 - 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1に記載の方法であって、
前記降伏強さは少なくとも552[MPa]であることを特徴とする方法。 - 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483[MPa]の引張強さを有していることを特徴とする方法。 - 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621[MPa]の引張強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記溶接部が、−20℃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1に記載の方法であって、
前記溶接部が、−40℃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4に記載の方法であって、
前記ワークピースはパイプであることを特徴とする方法。 - 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5.08[mm]以下であることを特徴とする方法。 - 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2.54[mm]以下であることを特徴とする方法。 - 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前記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、プロセス中の平均アーク長さが7.62[mm]以下である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、
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であって、前記溶接プロセスでは、前記溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続いており、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルス制御する制御ステップと、
を備え、
溶接部が少なくとも483[MPa]の引張強さを有し、前記ワークピースはパイプであり、
前記ショートアーク溶接プロセス中は、何等の外部からのシールドも用いられることがない、
ことを特徴とする方法。 - 請求項13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13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13に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも483[MPa]の引張強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも621[MPa]の引張強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
前記溶接部が、−20℃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13に記載の方法であって、
前記溶接部が、−40℃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13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13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5.08[mm]以下であることを特徴とする方法。 - 請求項13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2.54[mm]以下であることを特徴とする方法。 - 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前記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、プロセス中の平均アーク長さが7.62[mm]以下である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、
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であって、前記溶接プロセスでは、前記溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続いており、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスを制御する制御ステップと、
を備え、
溶接部が、−20℃で少なくとも60[J]のシャルピーVノッチ靱性を有しており、
前記ショートアーク溶接プロセス中は、何等の外部からのシールドも用いられることがない、
ことを特徴とする方法。 - 請求項23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23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23に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも483[MPa]の降伏強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも552[MPa]の降伏強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも483[MPa]の引張強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載の方法であって、
前記溶接部が少なくとも621[MPa]の引張強さを有していることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載の方法であって、
前記溶接部が、−40℃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27に記載の方法であって、
前記ワークピースはパイプであることを特徴とする方法。 - 請求項23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5.08[mm]以下であることを特徴とする方法。 - 請求項23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2.54[mm]以下であることを特徴とする方法。 - 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、プロセス中の平均アーク長さが7.62[mm]以下である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、
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であって、前記溶接プロセスでは、前記溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続いており、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスを制御する制御ステップと、
を備え、
溶接部が少なくとも483[MPa]の降伏強さを有しており、
前記ショートアーク溶接プロセス中は、何等の外部からのシールドも用いられることがない、
ことを特徴とする溶接方法。 - 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、プロセス中の平均アーク長さが7.62[mm]以下である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、
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であって、前記溶接プロセスでは、前記溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続いており、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスを制御する制御ステップと、
を備え、
溶接部が少なくとも552[MPa]の降伏強さを有し、前記ワークピースはパイプであり、
前記ショートアーク溶接プロセス中は、何等の外部からのシールドも用いられることがない、
ことを特徴とする溶接方法。 - 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、プロセス中の平均アーク長さが7.62[mm]以下である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、
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であって、前記溶接プロセスでは、前記溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続いており、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスを制御する制御ステップと、
を備え、
溶接部が、−20℃で少なくとも60[J]のシャルピーVノッチ靱性を有しており、
前記ショートアーク溶接プロセス中は、何等の外部からのシールドも用いられることがない、
ことを特徴とする溶接方法。 - セルフシールド溶接棒と共に使用する溶接装置であって、
溶接されるべきワークピースに向かって前記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、
前記ショートアーク溶接システムのコントローラは、溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続く前記溶接システムを、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスをもたらすように制御し、
前記ショートアーク溶接システムは、少なくとも483[MPa]の降伏強さを有する溶接部を創り出すように制御され、
前記ショートアーク溶接システムは、ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さを7.62[mm]以下に維持する、
ことを特徴とする溶接装置。 - セルフシールド溶接棒と共に使用する溶接装置であって、
溶接されるべきワークピースに向かって前記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、
前記ショートアーク溶接システムのコントローラは、溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続く前記溶接システムを、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスをもたらすように制御し、
前記ショートアーク溶接システムは、少なくとも552[MPa]の降伏強さを有する溶接部を創り出すように制御され、
前記ワークピースはパイプであり、
前記ショートアーク溶接システムは、ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さを7.62[mm]以下に維持する、
ことを特徴とする溶接装置。 - セルフシールド溶接棒と共に使用する溶接装置であって、
溶接されるべきワークピースに向かって前記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、
前記ショートアーク溶接システムのコントローラは、溶融パルスの後に低電流のトランスファサイクルが続く前記溶接システムを、
前記溶融パルスの終末と前記トランスファサイクル期間中の短絡の発生との間の実際の時間を測定し、
前記溶融パルスの終末と前記短絡の発生との間の時間に対する望ましい値を設定し、
前記測定された実際の時間と前記設定された望ましい値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、
ことにより前記溶融パルスをもたらすように制御し、
前記ショートアーク溶接システムは、−20℃で少なくとも60[J]のシャルピーVノッチ靱性を有する溶接部を創り出すように制御され、
前記ショートアーク溶接システムは、ショートアーク溶接プロセス中の平均アーク長さを7.62[mm]以下に維持する、
ことを特徴とする溶接装置。
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