JP2018001275A - ステンレス鋼用途のための溶接波形 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス鋼用途のための溶接波形を提供する。【解決手段】バイアスを付加されたＡＣ溶接波形が、同じ溶接消費材料を用い、標準のＤＣ溶接波形を用いて達成されるものよりも上に、オーステナイト系ステンレス鋼の靱性レベルを向上させるよう利用される。【選択図】図４

Description

優先権の主張
本出願は、２０１６年６月２８日出願の米国仮特許出願第６２／３５５，３６７号明細書に対する優先権を主張するものであり、その開示の全てを、本明細書中で引用して完全に組み込む。

本明細書中に説明する発明は、一般に、ステンレス鋼を溶接するための方法に関する。

現代社会は、大方、その他の技術の進歩よりも鋼の開発に多くの恩恵を被っている。これは、我々が時代全体にそれらの冶金学上の特性によって名称を付けている事実から、すなわち、青銅器時代、鉄器時代等から明らかである。過去１世紀において、鋼の研究及び生産は、高い発電型の温度において巧みな強度及び靱性を有する一方で、依然として比較的低品質で（Ｃｒ１．２５重量％、Ｍｏ０．５重量％）フェライト系の鋼を作成してきた。一方で、冷間使用は、普通炭素鋼及び低合金鋼の弱点である。十分な耐割れ性（靱性）を有し、極低温に耐えることができる適切な低合金鋼は、更に開発される必要がある。かかる合金は、フェライトの結晶相が、合金系に左右され、低温において延性−脆性遷移を受けるため、可能ですらない恐れがある。従って、主にオーステナイト結晶相を有するステンレス鋼及びニッケル系鋼が、低温・極低温用途に対して用いられている。多くの場合、溶接及び製造規則は、溶接金属組成を厳しく規制することによって、溶着物において低い割合のフェライトを保証する特殊オーステナイト系ステンレス鋼を必要としている。

現在、サブマージアーク溶接は、ステンレス鋼をアーク溶接するための最も生産性の高い方法のうちの１つであるが、名目上一致するサブマージアーク溶接金属の靱性は、特にこれらの低温において、基材の靱性よりも通常かなり低い。これにより、コンポーネント及び容器設計者は、これらの低靱性溶接に対応するよう、設計において妥協する必要がある。また、製造業者は、高価で、極めて厳密な化学成分に対する消費材料を購入する必要がある。更に、製造業者は、十分な靱性レベルを得るために、それらの溶接手順を厳格に管理しなければならない。

極低温におけるオーステナイト系ステンレス鋼の靱性は、従来の溶接プロセスを用いる場合にフェライト含有量に敏感であるため、ＡＳＭＥ ＢＰＶＣ．ＶＩＩＩ．１−２０１５ ＵＨＡ−５１（ａ）（３）（−ａ）（−１）に挙げられるようなオーステナイト系ステンレス溶加材に対するフェライト番号要件が存在する。しかし、本発明のステンレス鋼波形を有する３１６Ｌ溶加材のサブマージアーク溶接は、従来のＤＣ溶接を用いる３１６ＬＣＦ等のより高価で管理されたフェライト番号電極による溶接と比較して、改良された波形を用いる従来の３１６Ｌ電極による溶接の場合に、同等或いはそれ以上の靱性を有することが可能であることを証明した。

本発明の例示的な実施形態によれば、ステンレス鋼上で溶接プロセスを実行するための溶接出力を生成する溶接電源であって、溶接出力は、ＡＣ溶接波形に従う溶接出力電流及び溶接出力電圧のうちの少なくとも１つを有する溶接電源と、溶接波形に従って溶接電源を制御して所望のマイナス効果（数式１を参照）を有する溶接出力を生成するコントローラとを含む、サブマージアーク溶接システムが説明される。例示的な実施形態において、所望の溶接効果は１００未満である。しかし、他の例示的な実施形態において、マイナス効果は負の数であってもよく、例えば、それは−１００〜１００の範囲にあってもよい。更に例示的な実施形態において、マイナス効果は−１００〜０の範囲にあってもよい。加えて、本発明の実施形態は、１，０００アンペア等の高電流溶接作業において用いられてもよく、かかる実施形態において、マイナス効果は−７００〜１００の範囲にあってもよく、更なる実施形態において、−７００〜０の範囲にあってもよい。更に例示的な実施形態において、マイナス効果は−８０〜８０の範囲にあってもよく、他の実施形態において、溶接効果は−８０〜０の範囲にある。この範囲は、ＳＡＷ式の溶接用途において３００〜４００アンペアの範囲にある溶接の場合に、目に見えて改良された力学的性質を提供することができる。

更に開示するのは、溶接の例示的な方法であって、例えば、５以上１０以下のフェライト番号を有する高フェライト番号電極が、あたかもそれが５未満のフェライト番号を有する低く管理されたフェライト番号電極であるかのように、極低温用途のステンレス鋼を溶接するために用いられるサブマージアーク溶接システムにより、極低温用途に用いるために溶接される、ステンレス鋼でできた母材を提供するステップと、非標準のＡＣ溶接波形に従って、溶接出力電流及び溶接出力電圧のうちの少なくとも１つを有する溶接出力を生成する溶接電源を提供するステップと、溶接波形に従って溶接電源を制御して溶接出力を生成するコントローラであって、溶接出力は１００未満のマイナス効果を有するコントローラを提供するステップと、サブマージアークフラックス及び１０以下のフェライト番号を有する３０８Ｌ又は３１６Ｌ電極を用いる、前記溶接波形を用いて母材上で溶接を行うステップであって、前記結果の溶接が−３２０°Ｆ（−１９５．６℃）において４０フィートポンドを超える靱性を有するステップと、を含む方法である。

本発明は、ある特定の部品及び部品の配置において物理的な形態を取ってもよく、その好ましい実施形態を、明細書において詳細に説明し、これに関する部分を形成する添付図面において図示する。

例示的なサブマージアーク溶接システムを示す図である。 シェフラー状態図を示す図である。 本溶接システムの溶接波形の１つの例示的な実施形態を示す図である。 本溶接システムの溶接波形の別の例示的な実施形態を示す図である。 本溶接システムの溶接波形の別の例示的な実施形態のグラフを示す図である。 ３１６Ｌ電極を用いる場合の溶接エネルギー吸収に関するマイナス効果の関係を表すチャートを示す図である。 ３１６ＬＣＦ電極を用いる場合の溶接エネルギー吸収に関するマイナス効果の関係を表すチャートを示す図である。 Ｓｕｕｔａｌａ図を示す図である。 横方向膨張（ｍｍ）対フェライト番号のプロットを示す図である。 横方向膨張（ｍｍ）対シャルピーエネルギー（Ｊ）のプロットを示す図である。 横方向膨張（ｍｍ）対フェライト番号のプロットを示す図である。 本明細書中に説明する例示的なプロセスと比較した従来プロセスの溶着速度を示す図である。

本発明のシステム及び方法の例示的な実施形態を、ここで説明する。実施例及び図は、説明するためだけのものであり、特許請求の範囲の適用範囲及び精神によって判断される本発明を制限することを意味しない。特に、本明細書中に説明する発明の例示的な実施形態を、サブマージアーク溶接システムに関する文脈内で検討する一方で、本発明の実施形態は、本発明の精神及び適用範囲から逸脱することなく、ＧＭＡＷ、ＧＴＡＷ等のような公知の他の溶接システムと共に使用されてもよいため、それらの検討は例示的なものである。特に、サブマージアーク溶接システムを用いる以下の実施形態の検討は、例示的であり、限定するものではないことを意図する一方で、本発明の実施形態を採用でき、動作及び構造が周知である他のシステムは、効率のために本明細書中に説明する必要はない。

本明細書中で定義するように、数式１に示す「マイナス効果」は、電流及び電圧、それらのピーク振幅、並びに、プラス及びマイナスに帯電した領域で費やされる時間の影響を考慮した、個々の波形の総計の負バイアスを表している。

ここで、
Ｂ＝電極がプラスに帯電される時間のパーセンテージ、
Ｉ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電流、
Ｉ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電流、
Ｖ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電圧、
Ｖ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電圧である。

ステンレス鋼は、幅広い設計基準を満足させることができる工学材料である。それらは、優れた耐食性、高温での強度、極低温での靱性、及び製作特性を呈し、また、幅広い民生、商用、及び産業用途に対して選択される。ステンレス鋼製品、部品、又は機器の製造において、製造業者は主要な接合方法として溶接を採用している。ステンレス鋼は溶接可能な材料であり、溶接継手は、最適な耐食性、強度、及び製造経済性を提供できる。

定義上、ステンレス鋼は、ステンレス鋼がこのように高く評価される耐食特性を与えるクロムを１０％以上含有する鉄ベースの合金である。クロム量は増加させてもよく、また、特定の最終用途又は製造要件を満たすよう、他の合金元素が添加又は調整されてもよい。ステンレス鋼の溶接中、溶接部に隣接する下地金属の温度は、微細構造の変化が生じるレベルに達する。これらの変化が生じる程度、及び完成した溶接物に対する影響は、耐腐食性及び力学的性質の観点から、合金成分、厚さ、溶加材、継手設計、溶接方法、及び溶接工の技能に左右される。

溶接金属の微細構造は、凝固割れに対する脆弱性に強く影響を及ぼす。全体的にオーステナイト系の微細構造を有する溶接金属は、オーステナイト系基材内に幾つかのデルタ又は遊離フェライトを含有する溶接金属よりも、凝固割れを促進する条件に対する感受性がかなり高い。従って、可能な限り、フェライト含有オーステナイト系溶接組織が用いられる。シェフラー状態図は、特定の溶接金属組成がデルタフェライトを含んでいるかどうか、及びそのおおよそのパーセンテージを判断するために用いられる。割れを防ぐために溶着物内にどのくらいの量のフェライトが必要かに関して、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｕｎｃｉｌによれば、両ＡＳＭＥ及びＮＲＣは、凝固割れを防ぐために、原子力作業で用いられる溶接消費材料に対して最低５ＦＮ、そして、何らかのマルチパス溶接においては最低３ＦＮの方針を採用している。図８に示すように、高いＣｒ_ｅｑ／Ｎｉ_ｅｑ値が、高いＦＮ番号に相当している。従って、発明によるより高いフェライト電極を用いることにより、Ｓｕｕｔａｌａ図に示す約１．５Ｃｒ_ｅｑ／Ｎｉ_ｅｑの割れ閾値から離れている。

この発明は、サブマージアーク溶接（「ＳＡＷ」）を用いる低温用途のためのステンレス鋼の溶接、並びに、他の種類の溶接技法に関する。すなわち、本発明の実施形態は、金属を溶融させるために必要とされる熱を、溶接ワイヤ（固体金属又はコアード）と母材との間に流れる電流によって生成する方法を採用している。周知の通り、サブマージアーク溶接において、溶接ワイヤの先端、アーク、及び母材の溶接領域は、粒状鉱物フラックスの層で覆われる。目に見えるアークはなく、スパーク又はスパッタもない。溶接用フラックスは、ホッパ管を通して連続的に供給され、溶接部の少し先のシームの上にそれ自体を連続的に拡散させ、そのうちの一部が溶融して被覆するスラグを形成する。フラックスは、溶接部を大気とのから保護する。少量のフラックスが溶融する。この溶融した部分は幾つかの役目を果たす。それは、溶接表面を完全に覆って、大気ガスが金属を汚染しないよう防ぎ、不純物と結合し、表面に遊動することによって溶鋼から不純物を除去させる。溶融池との溶融フラックスの相互作用は、また、ある特定の合金元素を溶接に添加するための手段であってもよい。

図１は、例示のサブマージアーク溶接システム１００を示している。サブマージアーク溶接システムの構造、構成、及び動作は周知されているため、本明細書中でそれらを詳細に検討しない。同様に、ＧＭＡＷ、ＧＴＡＷ等のような他のシステムも周知されているため、また、本明細書中でそれらも詳細に検討しない。図１に示すように、システム１００は、サブマージアーク溶接、又は他の溶接プロセスのために用いられてもよい何らかの公知の種類の電源であってもよい電源１１０を含んでいる。電源１１０は、公共電力系統からのような入力電力を、溶接用の電流及び電圧を有する出力溶接波形に変換するために、整流器、ブースト、バックブースト、又はバック回路、ＰＷＭ、インバータ等のような電力変換コンポーネントを用いてもよい。この生成された溶接信号は、溶接ケーブル、溶接トーチ等を介して溶接作業に対して出力される。かかる溶接用電力供給の構成、設計、及び動作は周知されており、本明細書中で詳細に説明する必要はない。電源は、電源１１０の動作を制御及び／又は調節する制御システム１２０を内部に有するか、それに結合されてもよい。明確にするため、制御システム１２０は独立したコンポーネントとして図１に示されているが、公知の通り、制御システム１２０は、電源１１０の内部にあってもよい。制御システム１２０の動作及び構成は周知であり、適切な、又は、所望の溶接出力を提供するよう、電源１１０を制御するＣＰＵ、コントローラ等を含んでいてもよい。すなわち、制御システム１２０は、所望の波形に従って溶接信号を整形し、出力するＰＷＭ又はインバータ等の電力出力コンポーネントに結合されてもよい。本明細書中に説明する種類のような制御システムは周知であり、それらの使用及び動作を、本明細書中で詳細に説明する必要はない。制御システム１２０は、また、ソース１３０から消費材料／ワイヤ１３１を供給する（公知の構成を有する）ワイヤ供給装置１４０にも結合されてもよい。ワイヤ１３１は、溶接作業のために溶接電流／信号をワイヤ１３１に伝える公知の構成の溶接トーチ１５０に提供される。サブマージアーク溶接において、溶接用フラックスは、フラックスホッパシステム１６０を介して提供される。図１に示すシステム１００は、本発明の溶接システムを例示的に示すことを目的とし、無論、当業者は、他の溶接システム及びシステム構成が本発明の例示的な実施形態と共に用いられてもよいことを理解するであろう。例えば、他と同様に、フラックス回収システムが用いられてもよく、システムはＧＴＡＷ又はＧＭＡＷ型のシステムであってもよい。加えて、本明細書中に説明する例示の溶接システムの制御及び動作は、公知であり、当該技術の範囲内にある。例えば、制御システムが溶接作業からのフィードバック、並びにユーザ入力情報を受信及び利用し、この情報を用いて、所望の波形を提供するよう電源の溶接出力を制御することは、公知である。このため、制御システム１２０の構成及び動作は、本明細書中で詳細に説明する必要はない。例えば、制御システム１２０が、ユーザインターフェース（溶接パラメータの入力用）、コントローラ、ＣＰＵ、メモリ等を有していてもよいことは、公知である。これらのコンポーネントは、所望通りに溶接波形の出力を制御するため、及び、本明細書中でより完全に説明するような所望のマイナス効果を達成するために用いられる。

再度、本発明の実施形態は異なる種類の溶接作業と共に用いられてもよいが、以下の実施例は、サブマージアーク溶接に関して検討する。サブマージアーク溶接とステンレス鋼を溶接するために用いられる他のプロセスとの相違は、度合いの相違である。サブマージアーク溶接は、他のプロセスよりもはるかに高い実効入熱を用いることができ、より遅い凝固及び冷却特性を有している。サブマージアーク溶接において、溶接ヘッド（例えば、図１のトーチ１５０）は、溶接用開先に沿って金属を徐々に溶着させ、ワイヤを溶接部に供給し、溶接電流を溶接ワイヤに伝達する３種類の機能を実行するために用いられる。フラックスは、ヘッドに直接取り付けられるか、管状材料によってヘッドに接続されるか、どちらか一方のホッパから供給される。裸ワイヤ又はコアード電極が、直線長で、或いは、コイル又はロッドリールに取り付けられたロッドから、若しくは供給パックから溶接ヘッドに供給される。

全体としてのオーステナイト系ステンレス鋼及び３つの最も有名なオーステナイト系ステンレス鋼、３０８Ｌ、３０９Ｌ、及び３１６Ｌの組成範囲を表１に示す。

液化天然ガス（「ＬＮＧ」）に対する需要の増大により、ＬＮＧ施設の建設が全世界で増加している。面倒な使用条件に耐えるよう、オーステナイト系ステンレス鋼を含む様々な材料が選択されている。ＬＮＧ施設の建設及び製作には、必然的に、−１６０℃未満での稼動又は−１９６℃まで降下する設計温度を受ける３０４Ｌ又は３１６Ｌオーステナイト系ステンレス鋼を通常含む配管の溶接が関係する。３０４Ｌ及び３１６Ｌは、最も幅広く用いられている耐食合金の中に入り、急で、温度依存性の延性−脆性遷移を示す下級合金フェライト鋼とは異なり、本来靱性であり、最低温度における突発的な脆性破壊に対する耐性の利点を有している。３０４Ｌは、通常、３０８Ｌ溶加材を用いて溶接され、３１６Ｌは、通常、３１６Ｌ溶加材を用いて溶接される。

フェライト番号及び含有量は、これまで、ある特定の点まで、フェライトが増加するにつれて、靱性が低下することを示す一般的な傾向と共に、３０８Ｌ及び３１６Ｌ溶接金属の靱性に関する役割を果たすよう公知であった。図２は、オーステナイトの形態的位相スタビライザが、グラフの縦座標として示される当量のニッケル式によって示される一方で、フェライトスタビライザが、グラフの横座標として示される当量のクロム式によって示される基本的なシェフラー状態図を示す。フェライトは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の冷却中の凝固割れを回避することにおいて重要である。「状態図」は、オーステナイト及びフェライト安定化要素の効果を比較することによって組成からフェライト濃度を予測するために用いられる。シェフラー状態図と、また、デロング状態図も、オーステナイト系ステンレス鋼溶接において位相平衡を予測する元々の方法である。

「ニッケル当量」はオーステナイト安定化要素のために計算され、「クロム当量」はフェライト安定化要素のために計算される。それらは、オーステナイト、フェライト、マルテンサイト（及びそれらの混合物）の位相が存在すべき組成の相当面積を示す、図の軸として用いられる。ニッケル及びクロム当量は、以下の式を用いる。
Ｎｉ_（ｅｑ）＝％Ｎｉ＋（３０×％Ｃ）＋（０．５×％Ｍｎ）
Ｃｒ_（ｅｑ）＝％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋（１．５×％Ｓｉ）＋（０．５×％Ｎｂ）

「管理されたフェライト」等級の電極は、３０８Ｌ及び３１６Ｌ等級として分類される。しかし、それらの組成は、低いフェライト溶着物を確保するため、より厳格に管理される。図２のシェフラー状態図は、様々な合金及び溶接部の結果として生じる位相分布を推定するために用いられる。ＡＳＭＥ Ｂｏｉｌｅｒ ａｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｄｅ，Ｓｅｃｔｉｏｎ ＶＩＩ，ＵＨＡ−５１（ａ）（３）（−ａ）（−１）は、３１６Ｌ溶接用溶加材は５以下のフェライト番号を有していなければならず、３０８Ｌ溶接用溶加材は４〜１４の範囲のフェライト番号を有していなければならないことを規定している。５ＦＮ未満を達成するために、３１６Ｌ電極組成は、それが図２の「５Ｆ」線の下に行かないように管理されなければならない。同様に、３０８Ｌ溶加材に対して、組成は、正しいフェライト番号を生じるよう厳しく管理されなければならない。従って、「管理されたフェライト」電極は、より厳格なＦＮ要件に準拠するよう製造及び販売されている。しかし、これらの電極は、作成され、エンドユーザによって採用されるにはコストが高く、それらは、結果として、微細構造内の少量のフェライトに起因し、Ｓｕｕｔａｌａ図によって示す凝固割れのリスクがより高い溶接金属を生じる。図８参照。

ＬＮＧ施設において用いられるオーステナイト系ステンレス鋼が直面する設計温度は変動する可能性があるが、試験を簡略化し、容易にするため、シャルピー衝撃試験は、通常、−１９６℃で実施され、その理由は、この試験温度が液体窒素内での冷却によって都合よく得られるためである。靱性は、割れることによって吸収される衝撃エネルギーに比例し、横方向膨張は、シャルピー試験片の変形又は破断延性の測定値である。最も一般的に特定される靱性要件は、シャルピー横方向膨張に基づく。ＡＳＭＥ規則（例えば、プロセス配管のためのＡＳＭＥ Ｂ３１．３）で見られる−１９６℃での０．３８ｍｍ横方向膨張に対するこの要件は、頻繁に引用されている。

一般に、フェライトのパーセンテージが増加するにつれて、溶接の靱性は低下する。一般に、横方向膨張がフェライト含有量に対してグラフ化される場合、０．３８ｍｍ横方向膨張は、約４．５ＦＮまでより上のフェライト含有量では保証されないことに留意されたい。

用語「極性」は、電源端子に関する電極の電気接続を説明するために用いられる。直流（ＤＣ）では、電極が正端子に接続されると、極性は直流棒プラス（ＤＣＥＰ又はＤＣ＋）として指定される。電極が負端子に接続されると、極性は直流棒マイナス（ＤＣＥＮ又はＤＣ−）として指定される。交流（ＡＣ）が用いられる場合、極性は、プラスからマイナスへ、また、その逆も同様に変化する。従来のＡＣ出力は、半サイクル毎に極性を変化させ、プラス及びマイナス極性帯において費やされた時間及び各帯域におけるピークの大きさの両方で対称であり、往々にして正弦波の形をしている。ＡＣ出力により、溶接電流は、プラスの流れからマイナスの流れに、そして、再度戻って交番する。

本発明の実施形態は、電流及び／又は電圧がプラス極性とマイナス極性との間で交差することを示すよう、交流（ＡＣ）となる波形を説明する。これらの波形が、時間又はゼロ点周辺の振幅において対称であるか、いかなる意味においても対称であることでさえも意図しない。むしろ、波形は、ゼロの両側でより多くの時間又は大きさを費やしてもよい。用語ＡＣの使用により、溶接波形を従来の対称ＡＣ波形と似ている１つに制限することなく、むしろ、間隔を置いてゼロ点と交差する極めて複雑な波形であってもよいことは、正しく認識することができる。

波形は、ゼロ点を横断する平滑な遷移を提供するような方法で整形されてもよく、平滑な溶接アークを提供し、融合不良又はスラグ巻込み等の溶接欠陥を最小化するよう、電流及び電圧波形に対して異なる形状があってもよい。

マイナス範囲における時間は、溶接アークにおける電子流の変化を伴い、溶接を作成できる速度を増加する、溶融池への溶加材の溶融の増加を伴う。プラス範囲における時間は、接合される金属への溶込みの増加を伴う。各範囲における波形の形状は、これらの利点を提供するために操作されてもよい。発明において用いられる波形は、高い溶着速度と、従来のＤＣ＋又は従来のＡＣ溶接を用いる同じ溶接電流に対する生産性とを提供する。

図３は、本発明の一部として溶接電源によって出力される波形の例示的な実施形態を示している。波形は、溶接ワイヤが陰極と陽極との間で切り替えられる交流波形の形を取っている。溶接波形は、何パーセントの時間がプラス電流極性において溶接ワイヤによって費やされるかを制御するように、溶接プロセスのオペレータによって部分的に制御されてもよい。例えば、図３は５０％平衡の波形を示している。５０％平衡とは、ワイヤが５０％の時間、正に帯電されていることを意味する。１００％平衡はＤＣ＋信号に相当し、０％平衡はＤＣ−信号に相当する。図３に示すように、例示的な溶接電流３００及び対応する電圧３５０が示されている。電流波形は、複数のプラス３１０及びマイナス３２０のパルスを有する。ここで、それぞれのパルスはそれぞれのピーク電流レベルを有する。幾つかの実施形態において、ピーク電流レベルは同じアンペア数（異なる極性ではあるが）を有していてもよいが、他の実施形態において、ピークレベルは異なっていてもよい。また、例示的な実施形態に示すように、それぞれのパルスは少なくとも２つの異なる電流傾斜率を有している。例えば、図示の通り、プラス及びマイナスパルスのそれぞれは、電流が０閾値を通過した後に第１の電流傾斜率（傾き）を有しており、次いで、各パルスは、電流がそれぞれのピークに到達するまで、電流が遅い傾斜率（傾き）に遷移する遷移点（それぞれ、３１１／３２１）を有している。図示の通り、幾つかの例示的な実施形態において、電流がピークレベルに向かって増加し、図示の通り、それらそれぞれのピークレベルから０閾値まで達することの両方のように、パルスは電流傾き遷移点を有している。幾つかの例示的な実施形態において、遷移レベルは、電流が増加及び減少することの両方と同じ電流レベルにある一方で、他の実施形態において、それらは異なる電流レベルにある。更に例示的な実施形態において、プラス及びマイナスパルスのそれぞれに対する遷移レベルは、同じ相対遷移電流レベル（異なる極性ではあるが）にあるのに対して、他の実施形態において、遷移レベルは、プラスパルスとマイナスパルスとの間で異なっていてもよい。更に、追加の例示的な実施形態において、各パルスは、電流傾斜率が第３の傾斜率に変化する追加の遷移レベルを有していてもよい。更に、例示的な実施形態において、プラスパルスのそれぞれにおけるそれぞれの第１及び第２の傾斜率は、同じ大きさであってもよい。しかし、他の実施形態において、それらは異なっていてもよい。例えば、幾つかの実施形態において、プラス及びマイナスパルスのそれぞれにおける第１の傾斜率は、同じ（例えば、０アンペアから遷移レベルまで）であってもよいが、プラスパルスにおいて、第２の傾斜率（遷移からピークまで）は第１の大きさを有し、マイナスパルスにおける第２の傾斜率は、所望の波形性能及び本明細書中に説明するようなマイナス効果に応じて、遷移からマイナスピークまで（大きさで）より大きいか、より小さい傾斜率のどちらか一方を有していてもよい。

本発明の例示的な実施形態において、遷移レベルは１００〜３５０アンペアの範囲にあってもよいのに対して、他の例示的な実施形態において、レベルは、１５０〜３００アンペアの範囲にあってもよい。更に、例示的な実施形態において、遷移レベルは、各パルスのピーク電流レベルの１０〜３５％の範囲にあってもよい。例えば、プラスピーク電流が９００アンペアであった場合、遷移点３１１はピーク電流の１０〜３５％の範囲にあってもよいのに対して、マイナスピーク電流が８００アンペアであった場合、遷移点３２１はピーク電流の１０〜３５％の範囲にあってもよい。他の実施形態において、遷移点は、各ピーク電流の１５〜３０％の範囲にあってもよい。

更に、図３に示す実施形態において、各プラス及びマイナスパルスのそれぞれの持続時間は同じであるが、しかし、他の実施形態において、そうでなくてもよい。例えば、幾つかの実施形態において、プラスパルスの持続時間はマイナスパルスの持続時間よりも長く、逆の場合も同様である。同様に、幾つかの例示的な実施形態において、各パルスにおけるピークレベルの持続時間は同じである（パルスの相対的な持続時間に関係なく）か、又は、それらは異なっていてもよい。例えば、幾つかの実施形態において、マイナスピーク持続時間は、プラスピーク持続時間よりも長くてもよく、又は、逆の場合も同様である。

例示的な実施形態において、溶接波形に対するマイナス効果は、１つの理想的なサイクルである、波形の理想完全サイクルによって定義されてもよい。しかし、他の実施形態において、マイナス効果は複数のサイクルにわたって決定されてもよい。本発明の例示的な実施形態において、所望のマイナス効果は、溶接作業の全体の間に達成／得られ、すなわち、溶接作業に対する平均的なマイナス効果は所望のマイナス効果にある。すなわち、所定の溶接作業にわたって利用される溶接波形の全体の間に、所望のマイナス効果（例えば、−１００）が達成される。しかし、他の溶接作業において、所望のマイナス効果は、溶接作業の一部の間にしか達成されない。例えば、幾つかの例示的な実施形態において、溶接作業に対する溶接波形は、少なくとも第１の部分及び第２の部分を有し、ここで、第１の部分は所望のマイナス効果を有するが、第２の部分は有していない。幾つかの例示的な実施形態において、第１の部分は、溶接作業の全持続時間の３５〜９５％の範囲にあってもよい。他の例示的な実施形態において、第１の部分は、全持続時間の４５〜８５％の範囲にあってもよい。溶接たまりが比較的小さいそれらの溶接作業において、波形の所望のマイナス効果部分の持続時間全体は、たまりが大きいそれらの溶接作業におけるよりも短くてもよい。

図４は、７５％平衡による電流波形４００を示している。これは、ワイヤが７５％の時間、正に帯電されていることを意味する一方で、図５は、２５％平衡による電流波形５００を示している。これは、ワイヤが２５％の時間、正に帯電されていることを意味する。

溶接オペレータによって直接変更されてもよい他の波形変数は、オフセット及び周波数を含んでいてもよい。オフセットは、波形がプラス又はマイナス電流方向にシフトすることを可能にする。例えば、プラスオフセットは、ピークプラス電流を増加させ、ピークマイナス電流を低下させる原因となる一方で、ＲＭＳ電流を維持する。周波数は、波形のサイクルタイムを制御する。特定の波形構造を本明細書中の実施例において示す一方で、本発明の実施形態は、これらの波形に制限されないことに留意されたい。他の溶接波形形状及び構造が、本発明の精神又は適用範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態と共に用いられてもよい。しかし、例示的な実施形態において、所望のマイナス効果を達成するには、波形は負の電力バイアスを有していなければならない。

本発明の例示的な実施形態において、所望のマイナス効果は、ユーザによって電力供給部（例えば、図１を参照）に溶接作業のための設定点又は制御点として入力されてもよい。かかる実施形態において、電力供給部は、所望のマイナス効果が達成されることを確実にするよう、溶接波形（公知の方法及びプロセスと一致する）を制御する。これは、パルスのマイナス及び／又はプラスピークの持続時間及び／又は大きさを調整することによって行われてもよい。他の例示的な実施形態において、電力供給部は、溶接波形のマイナス効果を決定し、電力供給部のディスプレイ上でユーザに決定されたマイナス効果を表示するために、コントローラ／プロセッサを利用してもよい。かかるディスプレイ及びプロセッサ／コンピュータは公知であり、図１で検討した例示的な電力供給部上で実装されてもよいため、この詳細は、本明細書中で詳細に説明する必要はない。ユーザは、従って、入力システム及び／又は電力供給部上のディスプレイを用いて、所望のマイナス効果が与えられた波形に対して計算／決定されるまで、波形の態様を調整してもよい。所望のマイナス効果が与えられた波形により達成されると、溶接プロセスが開始されてもよい。無論、幾つかの実施形態において、電力供給部は、これらの計算を行い、結果を表示することができるが、他の実施形態において、個々の／独立型コンピュータ等が、所望の効果が達成されるまで、与えられた波形のマイナス効果を解析するために用いられてもよく、次いで、ユーザは、所望の溶接波形が達成されるまで、その波形を電力供給部に入力してもよい。

図６及び７は、溶接のエネルギー吸収（ｆｔ−ｌｂで測定）に関する波形のマイナス効果を変化させる効果を示している。マイナス効果が低下するにつれて、溶接の靱性は増加する。幾つかの例示的な実施形態において、溶接波形の極性平衡は、ＤＣマイナスに向かってバイアスをかけられ、例えば、マイナス効果は１００未満である。かかる波形の一実施例を図５に示す。

極性を変化させる波形を採用することにより、溶接金属の酸素濃度が低下し、波形のマイナス効果を低下させることにより、溶接金属の冷却速度が増加する。これらの組み合わせは、他の変数と共に、低温において高いノッチ靱性を提供する結果としての溶接金属微細構造の原因となると想定される。エンドユーザに対する値は自明である。３１６Ｌ電極は、３１６ＬＣＦ電極よりも極めて安価であり、更に、上級溶接金属に匹敵する物理的特性が達成可能である。発明は、また、同じエネルギー入力により溶接を高速に行う高いワイヤ供給速度の恩恵を受け、従って、労力及び電力を節約する。例えば、本発明の幾つかの例示的な実施形態は、同じエネルギー入力を有する従来の溶接プロセスよりも最大３０％高速なワイヤ供給速度率を達成できる。

例えば、図１２に示すように、従来のＤＣ＋波形を用いる場合は、電流が５５０アンペア、ワイヤ供給速度１００インチ／分、又は、溶着速度が２１．３ｌｂ／時であった。しかし、電極プラス極性において２５％持続時間を有し、本明細書中に説明するようなマイナス効果を有する本発明の例示的な波形を用いる場合、１３５インチ／分のワイヤ供給速度が達成できる。これは、既知の方法に勝る大幅な向上である。

標準のステンレス鋼消費材料に対するデータが、１００未満のマイナス効果を有していない先行技術の波形を用いて、図１０においてデータ化されている。オーステナイト系ステンレス溶接金属において、シャルピー靱性と横方向膨張との間に関係が存在することが見て取れる。

図１１に示すように、フェライト番号は、また、１００未満のマイナス効果を有していない先行技術の波形を用いて、−１９６℃（−３２０°Ｆ）におけるフラックスワイヤ溶着物の靱性への効果も有している。これは、標準の３０８Ｌ／３１６Ｌ電極両方、並びに、３０８ＬＣＦ／３１６ＬＣＦ型に対する平均データにより示している。

増加したマイナス効果を有するＡＣ波形を１００未満に（又はそれよりも低く）シフトすることによって、「Ｌ」電極（６以上１０以下のフェライト番号）が、あたかもそれらが、低いフェライト番号（通常、４．２以上５．１以下）を有するより管理された「ＬＣＦ」型であるかのように実行するよう、作成された。

発明を、ある特定の実施形態を参照して説明してきたが、様々な変更が行われてもよく、発明の適用範囲から逸脱することなく、均等物が代用されてもよいことは、当業者によって理解されるであろう。加えて、多くの変形例が、特定の状況又は材料を、その適用範囲から逸脱することなく発明の教示に適合させるよう、作成されてもよい。従って、発明は開示した特定の実施形態に限定されないことを意図しているが、発明が、添付特許請求の範囲の適用範囲内に入る全ての実施形態を含むことを意図している。

１００ サブマージアーク溶接システム
１１０ 電源
１２０ 制御システム
１３０ ソース
１３１ 消費材料／ワイヤ
１４０ ワイヤ供給装置
１５０ 溶接トーチ
１６０ フラックスホッパシステム
３００ 溶接電流
３１０ プラスパルス
３１１ 遷移点
３２０ マイナスパルス
３２１ 遷移点
３５０ 電圧
４００ 電流波形
５００ 電流波形

Claims (20)

1. アーク溶接システムであって、
   ステンレス鋼上で溶接プロセスを実行するための溶接出力を生成する溶接電源であって、前記溶接出力はＡＣ溶接出力電流を有する溶接電源と、
   前記溶接電源を制御して前記溶接出力を生成する、前記溶接電源に結合されるコントローラと、を備え、前記ＡＣ溶接出力電流の極性平衡は、ＤＣマイナスに向かってバイアスをかけられ、以下の数式１に従う、１００未満のマイナス効果を有し、
   

   

   ここで、
   Ｂ＝電極がプラスに帯電される時間のパーセンテージ、
   Ｉ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電流、
   Ｉ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電流、
   Ｖ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電圧、そして、
   Ｖ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電圧である、
   アーク溶接システム。
2. 前記マイナス効果は−７００〜１００の範囲にある、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マイナス効果は−７００〜０の範囲にある、請求項１に記載のシステム。
4. 前記マイナス効果は−１００〜１００の範囲にある、請求項１に記載のシステム。
5. 前記マイナス効果は−１００〜０の範囲にある、請求項１に記載のシステム。
6. 前記マイナス効果は−８０〜８０の範囲にある、請求項１に記載のシステム。
7. 前記マイナス効果は−８０〜０の範囲にある、請求項１に記載のシステム。
8. 前記溶接出力はサブマージアーク溶接出力である、請求項１に記載のシステム。
9. アーク溶接システムであって、
   ステンレス鋼上で溶接プロセスを実行するための溶接出力を生成する溶接電源であって、前記溶接出力は第１の溶接出力部分及び第２の溶接出力部分を有し、前記第１の出力部分がＡＣ溶接出力電流を有する、溶接電源と、
   前記溶接電源を制御して前記溶接出力を生成する、前記溶接電源に結合されるコントローラと、を備え、前記ＡＣ溶接出力電流の極性平衡は、ＤＣマイナスに向かってバイアスをかけられ、以下の数式１に従う、−７００〜１００の範囲にあるマイナス効果を有し、
   

   

   ここで、
   Ｂ＝電極がプラスに帯電される時間のパーセンテージ、
   Ｉ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電流、
   Ｉ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電流、
   Ｖ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電圧、そして、
   Ｖ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電圧であり、
   前記第１の部分は、前記溶接出力の全持続時間の３５〜９５％の範囲にある、
   アーク溶接システム。
10. 前記第１の部分は、前記溶接出力の全持続時間の４５〜８５％の範囲にある、請求項９に記載のシステム。
11. アーク溶接の方法であって、
    溶接電源から溶接出力を生成するステップであって、前記溶接出力がＡＣ溶接出力電流を有するステップと、
    前記ＡＣ溶接出力電流の極性平衡がＤＣマイナスに向かってバイアスをかけられるように、前記溶接出力を制御するステップと、
    前記ＡＣ溶接出力電流の少なくとも一部分が、以下の数式１に従う、１００未満のマイナス効果を有するように、前記溶接出力を制御するステップと、を含み、
    

    

    ここで、
    Ｂ＝電極がプラスに帯電される時間のパーセンテージ、
    Ｉ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電流、
    Ｉ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電流、
    Ｖ_ｐ，ｐ＝電極プラス領域におけるピーク電圧、そして、
    Ｖ_ｐ，ｎ＝電極マイナス領域におけるピーク（絶対）電圧である、
    方法。
12. 前記マイナス効果は−７００〜１００の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
13. 前記マイナス効果は−７００〜０の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
14. 前記マイナス効果は−１００〜１００の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
15. 前記マイナス効果は−１００〜０の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
16. 前記マイナス効果は−８０〜８０の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
17. 前記マイナス効果は−８０〜０の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
18. 前記溶接出力はサブマージアーク溶接出力である、請求項１１に記載の方法。
19. 前記部分は、前記溶接出力の全持続時間の３５〜９５％の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
20. 前記部分は、前記溶接出力の全持続時間の４５〜８５％の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
    

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