专利名称：焊条顶端的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及焊接领域，特别涉及具有改进焊缝形成性能的棒状焊条。
背景技术：
电弧焊领域中，焊接方法的主要类型是使用实心焊丝的气保护金属电弧焊(GMAW)或者使用金属芯焊丝的气保护金属电弧焊(GMAW-C)、气体保护药芯电弧焊(FCAW-G)、自保护药芯电弧焊(FCAW-S)、保护金属电弧焊(SMAW)以及埋弧焊(SAW)。这些方法中，使用实心或者金属芯焊丝的气保护金属电弧焊正日益用于连接和堆焊金属元件。由于该类型的焊接方法具有提高的生产率和通用性，因此，其变得日益普及。这种在生产率和通用性方面的提高来自于气保护金属电弧焊(GMAW & GMAW-C)中焊条的连续性，其具有超过保护金属电弧焊(SMAW)的相当高的生产率。而且，这些焊条形成带有非常少熔渣的非常漂亮的焊缝，这样就节省了用于清洁焊缝以及去除熔渣的时间和成本，而这是其它焊接工艺所常见的问题。在埋弧焊中，在裸金属焊条和加工金属之间通过电弧加热以产生结合。焊接被颗粒或者可熔金属或者焊药所覆盖。通过在焊药下点燃电弧以启动焊接操作，从而产生熔化周围焊药的热量，这样焊药形成表面下的导电池，其通过持续的电流来保持液态。焊条的末端和直接在其下的加工件被熔化，熔化的填料金属从焊条上沉积到加工件上。熔化的填料金属替代焊药池并形成焊接。在保护金属电弧焊中，通过焊药涂层而不是焊药的松散粒状层来获得保护。在药芯焊条中，焊药包含在金属鞘中。
在焊接领域中，以往在开发以预定方式发挥功能的具有预定焊药组分的焊药组合物方面，花费了许多的精力。已经开发了大量组合物用作电弧焊的焊药，用于一般的焊接焊料和用于在金属芯上或金属鞘中形成涂层。在电弧焊中使用焊药来控制电弧稳定性，调节焊接金属组成，并提供保护免受空气污染。通常通过调节焊药的组成来控制电弧稳定性。因此，希望在焊药混合物中具有能够很好地起到等离子电荷载体作用的物质。焊药也通过在金属中提供更易熔的杂质以及优先于金属与这些杂质结合且形成熔渣的物质来调节焊接金属组成。也可以加入其它材料来降低熔渣熔点，提高熔渣的流动性，并作为焊药颗粒的粘结剂。
在使用棒状焊条焊接中所遇到的一个问题就是焊接金属中产生的孔隙，尤其在焊接过程的开始。在使用棒状焊条的焊接过程开始，传递到焊条顶端的热量起初是相对低的，然后增加很快。结果，在焊接过程的开始，某些棒状焊条熔化，并且传递到加工件上开始形成焊缝。尽管在焊条顶端的初始热量足以熔化棒状焊条的内部焊丝杆，但该初始热量也不足以对在焊条上的涂层进行充分加热，该涂层在焊接操作中提供保护气体。涂层产生的保护气体在焊接金属周围提供一种环境，其抑制或防止氧气和氮气溶解在焊接金属中，该溶解的气体可以随后在焊接金属冷却的过程中被排出。这些气体从焊接金属的排出导致在焊接金属的孔隙，其然后导致劣化的焊缝。结果，在焊接的开始，传递到加工件上的金属具有不可接受的大量孔隙，导致焊缝质量的下降。2004年5月6日递交的美国专利No.10/840,701公开一种棒状焊条来解决与棒状焊条相关的孔隙问题，在此引入作为参考。
使用棒状焊条焊接所遇到的另一个问题是在焊接过程开始的熔池控制。这是在垂直向下位置焊接时特别关注的一个问题。典型地，在焊接过程的开始焊条丝不容易熔化，从而在焊接过程开始的焊缝质量是很少符合标准的。
使用现有技术的棒状焊条，在焊接过程开始焊缝孔隙和熔池控制的问题，基于这种现状，仍然存在对于一种棒状焊条的需要，其可以在整个焊接过程中形成高质量的焊缝。
发明内容
本发明涉及焊条，特别地，涉及一种焊条，其至少在焊接过程中为焊接金属部分地提供保护。本发明的焊条尤其涉及棒状焊条，但是，本发明也可以应用于其他类型的焊条。焊条包括涂层组合物，其在焊接过程中至少部分地保护焊接金属免受氧气和氮气的影响。焊条也包括位于焊条终端区域的终端涂层材料。涂层组合物典型地是用于自保护棒状焊条，该焊条由带有涂层组合物的金属杆形成；但是，该焊条涂层也可以用于其他类型焊条(例如，药芯焊条等)的表面和/或其内部。该涂层组合物包括焊药组合物。涂层组合物的焊药组合物和终端涂层材料包括一种或更多彼此不同的独特组分。终端涂层材料配制成部分抑制或防止在焊接操作开始形成的焊缝中发生的孔隙问题。焊药组合物部分配制成产生保护气体，至少部分保护焊接金属免受空气的影响。
在本发明的另一和/或替代方面，选择金属杆的成分使得其至少接近匹配希望的焊接金属成分。典型地，当焊接铁基加工件(例如，碳钢、不锈钢等)时，金属杆主要包含铁；但是，焊接棒的成分包括不同类型金属从而得到特别的焊缝成分。金属杆典型地是实心金属杆；但是，金属杆也可以是有芯金属杆。如果金属杆含有芯，该芯可以是空的，也可以包含一种或更多合金剂，包含一种或更多焊药剂，或者包含一种或更多焊药和/或合金剂(例如，涂层成分)。
在本发明的另一和/或替代方面，涂层组合物包括粘合剂、一种或更多传导材料、以及一种或更多焊接金属保护化合物。涂层组合物的组分包括金属氧化物(例如，氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化铬、氧化铁、氧化镁、氧化铌、氧化钾、二氧化硅、氧化钠、氧化锡、氧化钛、氧化钒、氧化锆等)，金属碳酸盐(例如，碳酸钙等)，金属氟化合物(例如，氟化钡、氟化铋、氟化钙、氟化钾、氟化钠、铁氟龙(Teflon)等)，和/或金属合金剂(例如，铝、硼、钙、碳、铬、铁、锰、镍、硅、钛、锆等)，这些与粘合剂一起使用。在本发明的一个非限制性实施方式中，配制粘合剂以确保涂层组合物在焊丝杆的外表面。在本发明的另一和/或非限制性实施方式中，粘合剂包括硅酸盐(例如，硅酸钠、硅酸钾等)；但是，也可以使用其他或附加的粘合剂。硅酸盐粘合剂的例子在美国专利No.4,103,0677；4,131,784；4,208,563；4,355,224；4,741,974和5,300,754以及2003年6月9日递交的美国专利申请No.11/457,502中公开，所有这些在此引入作为参考。可以理解的是，也可以使用其他类型的粘合剂，例如但不限制于在美国专利No.4,103,067和4,662,952中公开的粘合剂，其在此引入作为参考。硅酸盐粘合剂是常用的，因为1)它们在使用条件下对分解的抗性，2)它们的粘结强度，3)它们以相对高速率被挤压的性能，4)当干燥时它们形成硬膜的性能，5)它们的易处理性，6)它们被捏合和与其他组分混和的性能，7)它们廉价的材料成本，等等。硅酸盐的使用也可以促进焊接程序，例如但不限制于，提高焊接过程中电弧稳定性，有利于形成低熔点组分，有利于调节熔渣的熔化/凝固范围。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，涂层组合物被涂覆和/或挤压在焊丝杆的外表面上。在涂层组合物中含有的材料通常加入液体粘合剂并且然后被捏合连接适于进行随后的挤压。捏合混合物通常形成“熔渣”，其在存储以及使用混合物加压负载进行挤压操作的时候有利于进行处理。在焊丝杆上涂层组合物的塑性至少由粘合剂组合物部分控制。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，涂覆的焊丝通常被切开，然后干燥切开焊丝上的涂层组合物。为了获得均匀的干燥而没有裂纹，涂层组合物的干燥通常在大约100～150℃低温起点进行，并且控制湿度。该干燥步骤通常伴随着一个或更多在较低湿气下高温干燥步骤，取决于涂层组合物的自身状况。在本发明的进一步和/或替代非限制性实施方式中，粘合剂至少占干燥后涂层组合物重量百分之一(1％)。该非限制性实施方式的一方面，粘合剂占干燥后涂层组合物的1～80％重量。在本发明的进一步和/或替代非限制性实施方式中，涂层组合物包括一种或更多传导电流的传导材料，以有利于焊条终端的熔化。通常，传导材料为小粒子，以有利于传导材料在粘合剂中的分散。这些传导材料包括，但不限于，石墨、钛、铁和/或铁合金(例如，Fe-Al，Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Ti等)、铝，等；但是，可以理解的是，也可以使用其他或替代的传导材料。传导材料的平均粒径一般是大约40～300目，典型地大约100～250目；但是，也可以使用其他尺寸。该非限制性实施方式的一方面，传导材料是干燥后涂层组合物的0.1～80％重量。在本发明的进一步和/或替代非限制性实施方式中，至少一种焊接金属保护化合物包括气体生成化合物，其在焊接操作中产生保护气体。该气体生成化合物通常在焊接操作中分解并且释放出至少部分保护焊接金属的气体(例如，CO2生成化合物，氟生成化合物，等)。该非限制性实施方式的一方面，使用气体生成化合物时，其是干燥后涂层组合物的大约0.1～75％重量。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，涂层组合物包括一种或更多合金剂有利于形成带有希望成分的焊接金属。该非限制性实施方式的一方面，当使用合金剂时，其是干燥后涂层组合物的大约0.1～75％重量。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，涂层组合物包括一种或更多熔渣改性剂。在本发明的另一和/或非限制性实施方式中，涂层组合物包括一种或更多电弧改性剂。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，涂层组合物包括一种或更多烟雾生成改性剂。
在本发明的另一和/或替代方面，终端涂层材料1)具有不同于涂层组合物的成分，以及2)位于焊条终端区域。终端涂层材料至少被部分涂覆1)在金属杆的终端，2)在金属杆终端区域的金属杆的外侧表面，和/或3)在金属杆终端区域的涂层组合物的至少一部分表面上。在本发明的一个非限制性实施方式中，终端涂层材料至少部分配制使得有利于在焊条终端和加工件之间形成和维持电弧，尤其在焊接程序的初始。在本发明的一个非限制性实施方式中，终端涂层材料包括一种或更多电传导材料。该电传导材料用于在终端涂层材料中或通过终端涂层材料至少部分传导电流，从而有利于位于焊条和加工件之间在电弧初始时焊条终端的熔化。在一旦电弧形成时，电传导材料也可以用于维持焊条和加工件之间的电弧。通常电传导材料以小颗粒状提供从而有利于电传导材料在终端涂层材料中的分散。电传导材料粒子的平均粒径通常不大于100目，典型地大约200～400目；但是，也可以使用其他尺寸。电传导材料包括一种或更多材料，例如但不限制于，石墨、镁、钛、铁和/或铁合金(例如，Fe-Al，Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Ti等)、铝，等。该非限制性实施方式的一方面，电传导材料是终端涂层材料干燥前的大约0.5～70％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约1～60％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约5～50％重量，还更典型地是终端涂层材料干燥前的大约6～40％重量，甚至更典型地是终端涂层材料干燥前的大约10～30％重量；但是，可以理解的是，也可以使用其他重量百分比。在本发明的进一步和/或替代非限制性实施方式中，终端涂层材料包括一种或更多粘合剂确保和/或粘结终端涂层材料的组分于金属杆上和/或金属杆上的涂层组合物上。该非限制性实施方式的一方面，在终端涂层材料中的一种或更多粘合剂是终端涂层材料在干燥前的大约0.5～70％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约1～60％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约5～50％重量，还更典型地是终端涂层材料干燥前的大约10～55％重量，甚至更典型地是终端涂层材料干燥前的大约20～40％重量；但是，也可以使用其他重量百分比。一种或更多粘合剂包括多种化合物。一种或更多粘合剂组合物可以与在涂层组合物中使用的一种或更多粘合剂相同或不同。在粘合剂的一个非限制性配方中，一种或更多粘合剂可以包括一种或更多硅酸盐(例如，硅酸钠、硅酸钾等)。在一个非限制性配方中，粘合剂包括硅酸钠和硅酸钾的重量比是大约0.1～10∶1，典型地大约0.5～2∶1，更典型地大约1∶1。在粘合剂的另一和/或替代配方中，一种或更多粘合剂包括二氧化硅的微乳液。二氧化硅可以是纯态和/或非纯态。非纯态二氧化硅的例子包括但不限制于石英、长石、云母、黑云母、橄榄石、角闪石、白云母、辉石和/或其他二氧化硅的来源。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，终端涂层材料在终端涂层材料干燥前包括液体组分。该液体组分是与一种或更多粘合剂无关的液体。液体组分通常用于将终端涂层材料的组分分散到溶液中，这样终端涂层材料可以用于焊条中。一般，液体组分主要包括水，但是，也可以使用其他和/或附加的液体。液体有助于悬浮终端涂层材料的粒子和/或有利于终端涂层材料在焊条上的应用。该非限制性实施方式的一方面，液体组分是终端涂层材料干燥前的0.1～80％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约5～70％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约20～65％重量，还更典型地是终端涂层材料干燥前的大约30～60％重量，甚至更典型地是终端涂层材料干燥前的大约40～55％重量；但是，也可以使用其他重量百分比。
在本发明的另一和/或替代方面，终端涂层材料包括增稠剂以有利于终端涂层组合物的一种或更多组分的悬浮。增稠剂包括多种化合物，例如但不限制于，淀粉(例如，葛粉、玉米淀粉等)、粉渣、凝胶(例如琼脂等)、松香、粘土、硅石、纤维素增稠剂(例如，羧甲基钠纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、微晶纤维素等)、树胶(纤维素羧甲醚、黄原胶、瓜尔豆胶、阿拉伯胶等)、凝胶、水状胶体、藻酸盐、角叉(菜)胶、胶质等。在一个非限制性实施方式中，在使用增稠剂时，包括CMC。当使用增稠剂时，一种或更多增稠剂在终端涂层材料中的含量通常是终端涂层材料在干燥前的大约0.05～20％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约0.5～10％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约1～5％重量；但是，也可以使用其他重量百分比。
在本发明的另一和/或替代方面，终端涂层材料包括一种抗湿气富集试剂来降低被终端涂层材料吸取湿气的速度。在终端涂层材料的高浓度的湿气会导致氢进入焊接金属，引起焊接金属的氢致开裂和/或焊接金属的孔隙问题。在一种非限制性实施方式中，终端涂层组合物中含有锂化合物(例如氢氧化锂等)。当使用一种或更多抗湿气富集抗试剂成分时，通常是终端涂层材料干燥前的0.01～10％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约0.05～5％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约0.1～2％重量；但是，也可以使用其他重量百分比。
在本发明的另一和/或替代方面，终端涂层材料包括一种或更多化合物，其在焊接过程的初始至少部分保护焊接金属。这种保护的机制包括但不限于，至少部分地增加在加工件上形成的和/或传递到加工件上的金属液滴的表面张力，和/或至少在加工件上形成和/或传递到加工件上金属滴周围部分地形成保护环境。增加表面张力的机制包括但不限于，较大尺寸液滴的形成，传导到加工件上焊条终端的熔化金属的形成。这些较大的液滴减少氧气和/或氮气混入到熔化金属混的量，从而减少形成的焊缝的孔隙问题。形成保护环境的机制包括但不限于，1)形成的熔化金属液滴的至少部分涂层中有一种材料，该材料抑制或防止氧气和/或氮气渗透进入加工件上的液滴和/或熔化金属，和/或2)保护气体在形成的液滴和/或沉积的焊接金属周围释放。在一种非限制性实施方式中，终端涂层组合物包括氟化合物。一种非限制性氟化合物包括但不限于，Na3AlF6。Na3AlF6的来源包括冰晶石。该非限制性实施方式的另一和/或替代方面，当使用该一种或更多化合物用来至少部分地保护焊接金属时，通常是终端涂层材料干燥前的0.05～60％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约1～55％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约2～50％重量，还更典型地是终端涂层材料干燥前的大约4～45％重量；但是，也可以使用其他重量百分比。一种或更多保护化合物的平均粒径通常不大于100目，典型地大约150～400目；但是，也可以使用其他尺寸。
在本发明的另一和/或替代方面，终端涂层材料包括着色剂来改变终端涂层材料的颜色。在某些应用中，希望终端涂层材料接近匹配焊条上的涂层组合物。在另外应用中，希望终端涂层材料的颜色不同于焊条上的涂层组合物。终端涂层材料可以使用不同颜色来在视觉上说明焊条的一种或更多性能，例如但不限于，1)焊条包括终端涂层材料的情况，2)终端涂层材料的完整性，3)终端涂层材料的类型，4)焊条的类型，5)焊条上涂层组合物的类型，6)焊条中焊丝杆的类型，等。可以使用多种不同类型的着色剂(例如，碳黑、二氧化钛、氧化铁等)。可以使用的一种着色剂是二氧化钛。二氧化钛典型地向使用的终端涂层材料中加入白色颜料，从而降低终端涂层材料的颜色。可以理解的是，可以使用另一和/或附加着色剂从而获得终端涂层材料的广泛多种颜色。该非限制性实施方式的一方面，当使用着色剂时，通常是终端涂层材料干燥前的大约0.01～15％重量，典型地是终端涂层材料干燥前的大约0.05～10％重量，更典型地是终端涂层材料干燥前的大约0.1～8％重量，甚至更典型地是终端涂层材料干燥前的大约0.2～5％重量；但是，也可以使用其他重量百分比。该一种或更多着色剂的平均粒径通常不大于100目，典型地大约150～400目；但是，也可以使用其他尺寸。
本发明的另一和/或替代方面，终端涂层材料在涂层组合物施用到焊丝杆之前和/或之后施用于焊条上。在本发明的一个非限制性实施方式中，至少部分终端涂层材料在施用涂层组合物之后施用于焊条上。当涂层组合物至少部分施用后涂层材料施用于焊条时，终端涂层材料通常在涂层组合物至少部分干燥后施用；但是，这不是必须的。在本发明另一和/或替代非限制性实施方式中，终端涂层材料可以通过不同方法施加到焊条上，例如但不限于，喷雾涂布、浸渍、滚动、刷涂等。可以使用一种或更多涂层方法将一种或更多终端涂层材料的涂层涂覆在焊条上。终端涂层材料通常施加到焊接杆的顶端从而充分覆盖或者涂覆焊接杆的顶端。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，终端涂层材料的涂布厚度至少为大约0.0001英寸，典型地为大约0.0005～0.5英寸；但是，也可以使用其他厚度。在本发明的另一和/或替代非限制性实施方式中，终端涂层材料的涂层从焊条终端起始的平均长度通常为至少0.01英寸，典型地为大约0.05～1英寸，更典型地为大约0.05～0.5英寸，甚至更典型性为大约0.075～0.4英寸；但是，也可以使用其他长度。
在本发明的另一和/或替代方面，处理焊丝的终端以至少部分去除和/或斜切焊接杆的顶端。焊接杆的斜角或锥形顶端有利于在焊接程序开始电弧的“热启动”。由于在焊接杆顶端锥形区域焊接杆较小的横截面，在电弧启动时电流密度更大。更大的电流密度有利于电弧的“热启动”，也有利于焊接金属熔池控制的建立，尤其当在垂直向下方向焊接时。焊接杆顶端的处理可以通过一个或更多步骤完成，例如但不限于，砂纸打磨、碾磨、切割等。焊接杆的顶端被处理的区域从焊接杆的顶端测量，典型地小于1.5英寸，典型地为大约0.1～1英寸，更典型地为0.2～0.5英寸；但是，也可以使用其他长度。最大量的焊接杆是锥形的，通常至少为焊接杆最大宽度或直径的至少约10％，典型地为焊接杆最大宽度的15～80％，更典型地为焊接杆最大宽度的25～60％；但是，也可以使用其他尺寸。在焊接杆上锥形可以是均匀的或者变化的。典型地，锥形是充分均匀的锥形。当焊接杆顶端成锥形或被斜切时，斜切角度为大约15～80°，典型地大约20～50°；但是，也可以使用其他角度。在非限制性设计中，焊接杆具有大约0.126～0.177英寸的直径(3.2～4.5mm)，并且焊接杆的顶端成锥形，这样顶端具有大约0.0625～0.125英寸的直径，并且锥形从焊接杆顶端的0.31～0.44英寸开始。
在本发明的另一和/或替代方面，在焊丝杆终端区域的终端涂层材料和/或涂层组合物可以施加和/或处理以至少部分形成焊接杆的斜切或锥形终端区域；但是，这不是必须的。当终端涂层材料和/或涂层组合物被处理以形成斜切或锥形时，这种斜切或锥形是通过一种或更多方法获得的，例如但不限于，砂纸打磨、碾磨、切割、溶解等。终端涂层材料和/或涂层组合物的部分或全部可以形成斜切终端区域。锥形的角度可以是一致或不一致。当终端涂层材料和/或涂层组合物成锥形或者斜切时，斜切角度为大约15～85°，典型地大约30～75°；但是，也可以使用其他角度。当终端涂层材料和/或涂层组合物涂覆在焊接杆的斜切或锥形区域时，终端涂层材料和/或涂层组合物的锥形角度可以与焊接杆顶端的锥形角度相同或不同。另外，当终端涂层材料和/或涂层组合物涂覆在焊接杆的斜切或锥形区域时，焊接杆的整个锥形部分用终端涂层材料进行涂覆，或者焊接杆的锥形部分的一部分用终端涂层材料进行涂覆。在一个非限制性结构中，焊接杆的整个锥形部分是用涂层组合物涂覆的，并且涂层组合物的至少一部分是用终端涂层材料涂覆的。在另一非限制性结构中，焊丝杆的锥形区域的一部分是用涂层组合物涂覆的，并且杆的锥形区域的终端部分是用终端涂层材料涂覆的。在该结构中，某种终端涂层材料可以在涂层组合物的一部分上面进行涂覆。在该特定结构中，终端涂层材料通常涂覆2～85％的焊接杆锥形部分的外表面，典型地5～50％的焊接杆锥形部分的外表面，更典型地5～30％的焊接杆锥形部分的外表面；但是，也可以使用其他覆盖百分比。当焊接杆锥形部分的外表面没有完全被终端涂层材料涂覆时，焊接杆锥形部分外表面的其余部分通常被涂层组合物涂覆。在另一个非限制性结构中，涂层组合物在焊接焊丝锥形区域的焊接杆上至少部分不是锥形的。没有在焊接杆锥形区域成锥形的涂层组合物部分，导致涂层组合物用量与焊接杆用量之间较大的比例，从而得到较高浓度的、电弧稳定的、气体保护的焊药组合物，在焊接过程的开始为焊接金属提供稳定性和保护。
本发明的一个主要目的是为焊缝提供增强的保护，尤其在焊接程序的开始。
本发明的另一和/或替代目的是提供消耗型焊条，其减少焊缝中的孔隙，尤其在焊接程序的开始。
本发明的另一和/或替代目的是提供消耗型焊条，其有利于焊接电弧的“热启动”。
本发明的另一和/或替代目的是提供消耗型焊条，其包括至少在焊条终端的终端涂层材料，其有利于在焊条和加工件之间形成电弧。
本发明的进一步和/或替代目的是提供消耗型焊条，其包括不同于焊条涂层组合物的终端涂层材料。
本发明的进一步和/或替代目的是提供消耗型焊条，其包括终端涂层材料，其具有的颜色不同于金属杆和/或金属杆的涂层组合物的外部颜色。
这些和其他目的以及优点将通过本发明与现有技术之间区别的讨论以及结合附图中所示的优选实施方式而更加明显。
图1是现有技术棒状焊条的终端部分的放大截面图，该焊条在金属杆上带有焊药涂层。
图2是另一现有技术棒状焊条的终端部分的放大截面图，该焊条在金属杆上带有焊药涂层以及连接在金属杆终端的石墨塞。
图3是本发明棒状焊条的终端部分的放大截面图。
具体实施例方式
现在引用附图详细说明，其中说明只是用于示例本发明的优选实施方式，而不是用于限制本发明，图1表示现有技术棒状焊条10的较低截面部分。该棒状焊条包括实心金属杆12和涂覆在金属杆外表面的焊药涂层14。焊药涂层通常包括粘合剂，其使得焊药剂16和/或金属合金剂18黏附到金属杆上。焊药剂的组分通常包括金属氧化物(例如，氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化铬、氧化铁、氧化镁、氧化铌、氧化钾、二氧化硅、氧化钠、氧化锡、氧化钛、氧化钒、氧化锆等)，金属碳酸盐(例如，碳酸钙等)，和/或金属氟化合物(例如，氟化钡、氟化铋、氟化钙、氟化钾、氟化钠、铁氟龙等)。金属合金剂包括多种金属(例如，铝、硼、钙、碳、铁、锰、镍、硅、钛、锆等)。焊药涂层和/或金属合金剂的特定组分通常取决于要使用的焊接方法的类型和/或焊接的加工件类型以及形成的焊缝的成分。棒状焊条的终端区域如锥形20所示；但是，这不是必须的。
参考图2，显示另一现有技术棒状焊条30的较低截面部分。棒状焊条包括实心金属杆32和涂覆在金属杆外表面的焊药涂层34。焊药涂层通常包括粘合剂，其使得焊药剂36和/或金属合金剂38黏附到金属杆上。棒状焊条的终端区域如锥形40所示；但是，这不是必须的。石墨塞42通过粘合剂44黏附在棒状焊条的终端。该石墨塞通常用于帮助启动在棒状焊条和加工件之间的电弧。
参考图3，显示本发明的棒状焊条50。棒状焊条50包括金属杆52，其可以是实心金属杆或有芯金属杆。金属杆通常是3.2mm、4mm或者4.5mm直径的杆；但是，也可以使用其他尺寸。金属杆的外表面用涂层材料54涂覆。该涂层材料包括粘合剂，其使得焊药剂56和/或金属合金剂58黏附到金属杆上。涂层材料在金属杆上的平均厚度典型地是大约0.05～0.2英寸；但是，也可以使用其他厚度。金属杆的终端区域显示为锥形60。该锥形具有角度α典型地为大约25～45°；但是，也可以使用其他角度。包括锥形的焊接杆顶端的长度L典型地为大约0.1～1英寸，更典型地为大约0.25～0.5英寸；但是，也可以使用其他长度。焊接杆顶端的宽度W典型地为大约0.01～0.25英寸，更典型地为大约0.07～0.11英寸；但是，也可以使用其他宽度。锥形终端区域的长度L与宽度W的比值典型地为大约1.5～10∶1，更典型地为2～6.5∶1；但是，也可以使用其他比值。金属杆的锥形终端设计为有利于焊接过程开始阶段电弧的“热启动”。
如图3所示，涂层材料54涂覆锥形终端的所有或者部分。典型地当金属杆52用涂层材料54涂覆时(例如挤压过程等)，全部锥形终端60被涂层材料涂覆。在涂层材料施加到金属杆上之后，焊条的前面和后面终端经过通常处理以从焊条上去除某些涂层材料。如图3所示，处理(例如刷、磨、溶解等)焊条的前面以去除某些涂层材料并且暴露位于金属杆锥形部分顶端的金属杆的小部分。典型地只有1～50％金属杆的锥形部分被暴露，更典型地大约5～40％金属杆的锥形部分被暴露，甚至更典型地10～30％金属杆的锥形部分被暴露；但是，也可以使用其他暴露百分比。处理焊条前面终端的涂层材料之后，终端涂层材料70施加到焊条的前面终端上。典型地，终端涂层材料通过浸渍方法施加到焊条上；但是，也可以采用其他或附加的方法(例如刷涂、喷涂等)。如图3所示，终端涂层材料全部涂覆没有用涂层材料54涂覆的金属杆锥形部分；但是，这不是必须的。终端涂层材料也公开具有锥形角度β；但是，这不是必须的。当终端涂层成锥形时，角度β典型地为大约45～89°，更典型地为大约60～85°；但是，也可以使用其他角度。所示终端涂层材料部分地涂覆在涂层材料54一部分的其他表面上；但是，这不是必须的。终端涂层材料包括颜料以将终端涂层材料的颜色与涂层材料的颜色混和，或者使得终端涂层材料与涂层材料区别。
典型地，终端涂层材料只占锥形长度L的5～80％，更典型地占锥形长度L的10～60％；但是，也可以使用其他量。如图3所示，涂层材料54在锥形60区域内不成锥形；但是，希望在该区域的涂层材料使用某些锥形。
终端涂层材料70具有不同于涂层材料54的组分。终端涂层材料主要配制成有利于在焊接过程的开始阶段在焊条终端和加工件之间形成电弧。涂层材料主要设计为在焊接过程中向焊接金属提供电弧稳定性、保护气体、脱氧剂、熔渣形成剂、熔渣改性剂和/或合金金属。终端涂层材料、终端涂层材料形状、涂层材料、涂层材料形状、焊接杆成分以及焊接杆形状的联合效果是形成具有低孔隙率的焊接金属以及在某种场合下低氢含量。
已经发现在焊接过程的开始的时候，在焊接过程开始的所提供的焊接金属的量不足以隔离空气中的水、氧气和氮气，从而导致这些组分在焊接过程中溶解到焊接金属中。当焊接金属冷却时，氧气和氮气释放到大气中，从而引起焊缝中孔隙问题，其包括焊缝的质量和/或强度问题，空气中的湿气可以增加焊接金属中氢含量。
终端涂层材料70配制成有利于电弧的启动，这样在焊接过程的开始阶段焊接杆将适当熔化并开始形成焊缝。终端涂层材料包括粘合剂和电传导材料。电传导材料有利于电流传导到焊条的顶端，其导致在焊接过程中焊条的加热和熔化。电传导材料典型地是石墨；但是，也可以使用其他或附加的传导材料。电传导材料的平均粒径需要足够小，这样其可以保持悬浮直到终端涂层材料应用到焊接焊条上。典型地，电传导材料的平均粒径为大约100～250目。粘合剂用于将电传导材料固定在棒状焊条的终端。粘合剂典型地是硅酸钾和硅酸钠的组合；但是，也可以使用其他或附加的粘合剂。粘合剂也可以包括减少终端涂层材料湿气富集的化合物。一种这样的化合物是氢氧化锂。终端涂层材料包括增稠剂，其用于维持电传导材料在终端涂层材料中的悬浮。一种可以使用的增稠剂是CMC；但是，也可以使用其他或附加的增稠剂。终端涂层材料也可以包括气体生成化合物，在焊接程序起始时为焊接金属提供某种保护。一种这样的化合物是氟化合物；但是，也可以使用其他或附加的化合物。终端涂层材料可以包括颜料从而改变终端涂层材料的颜色。在干燥前终端涂层材料的通常配方按照重量百分比如下所示电传导材料5～50粘合剂10～60颜料 0～10气体生成材料 0～50抗湿气富集试剂0～10增稠剂0～10水20～75
终端涂层材料干燥前的更特定实施例按照重量百分比如下所示实施例1电传导材料10～40粘合剂15～50颜料 0～8气体生成材料 0～45抗湿气富集试剂0～5增稠剂0～8水30～60实施例2电传导材料10～30粘合剂20～40颜料 0～4气体生成材料 0～45抗湿气富集试剂0～2增稠剂0～5水40～55实施例3石墨 10～30硅酸钾5～30硅酸钠5～30颜料 0～4氟化合物 0～45锂化合物 0～2CMC 0～5水40～55
实施例4石墨10～30硅酸钾 10～25硅酸钠 10～25颜料0～4氟化合物0～45锂化合物0.1～1CMC 0.2～5水 40～55如图3所示，涂层材料54的厚度在焊接杆的锥形60区域中增加。涂层材料54在焊接杆该区域中增加的厚度导致由于涂层材料增加的量而保护气体生成的量也增加。保护气体增加的量有利于保护焊接金属免受大气中不利气体的影响，从而减少孔隙，并且潜在地，减少焊接金属中的氢含量。
图3中所示的终端涂层材料可以与涂层材料具有相近的颜色，或者可以与涂层材料具有不同的颜色。当终端涂层材料使用不同的颜色时，该颜色可以用于识别焊条的一种或更多性能(例如，焊条的类型、焊条成分等)。终端涂层材料中颜料的使用可以获得终端涂层材料所希望的颜色。
在涂层材料施加后而焊药涂层完全干燥之前，终端涂层材料典型地施加于棒状焊条；但是，终端涂层材料也可以在涂层材料干燥后施加。在一个特定制备方法中，焊丝杆预先切断，焊丝杆的顶端由研磨机形成锥形。焊丝杆然后直接转向涂层组合物，涂层组合物挤出包围在焊丝杆的外表面。在杆后端的涂层组合物通过研磨机去除，形成凹槽端，并且在焊丝杆前端的一部分涂层材料也被去除。然后，焊丝杆暴露的前端用终端涂层材料浸和/或刷。然后，刷和/或研磨终端涂层材料，形成锥形的末端；但是，这不是必须的。在施加终端涂层材料后，干燥涂覆的焊丝杆从而实质上去除涂层材料和终端涂层材料中所有的水。在干燥过程后，在容器中密封和/或包裹棒状焊条，防止在棒状焊条储存的时候吸收湿气。
对于本领域技术人员来说，本发明所讨论的这些实施方式及其变化，以及其它实施方式，根据这里所公开的内容是显而易见的并且有启示的，其中显然需要理解的是，上面描述的内容只是为了对本发明进行举例说明而不是作为限制。
权利要求
1.一种焊条，包括具有前部顶端的金属芯、至少部分涂覆在所述金属芯外表面上的涂层材料以及涂覆在金属芯前部顶端区域至少一部分上的终端涂层材料，所述涂层材料包括气体生成化合物，其在焊接过程中提供保护，所述终端涂层材料包括粘合剂和电传导材料的小颗粒，所述小颗粒具有的平均粒径为大约100～400目，所述终端涂层材料具有不同于所述涂层材料的成分。
2.如权利要求1所述的焊条，其中所述金属芯是实心金属杆。
3.如权利要求1或2所述的焊条，其中所述金属芯包括主要部分的铁。
4.如权利要求1～3任一项所述的焊条，其中所述电传导材料包括石墨、金属或者其组合。
5.如权利要求1～4任一项所述的焊条，其中所述电传导材料占所述终端涂层材料的0.5～70％重量。
6.如权利要求1～5任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料包括气体生成化合物，用于在焊接过程中提供保护。
7.如权利要求6所述的焊条，其中所述气体生成化合物是含氟化合物。
8.如权利要求6或7所述的焊条，其中所述气体生成材料包括Na3AlF6。
9.如权利要求1～8所述的焊条，其中所述终端涂层材料包括抗湿气富集试剂。
10.如权利要求9所述的焊条，其中所述抗湿气富集试剂包括锂化合物。
11.如权利要求1～10任一项所述的焊条，其中所述粘合剂包括至少一种硅酸盐化合物。
12.如权利要求1～11任一项所述的焊条，其中所述粘合剂包括硅酸钾和硅酸钠，重量比为0.1～10∶1。
13.如权利要求1～12任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料包括增稠剂。
14.如权利要求13所述的焊条，其中所述增稠剂包括纤维素化合物。
15.如权利要求1～14任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料与涂层组合物具有不同的颜色。
16.如权利要求1～15任一项所述的焊条，其中所述焊杆的所述前部顶端成锥形。
17.如权利要求16所述的焊条，其中成锥形的前部顶端的前部是用所述终端涂层材料进行涂覆，所述成锥形的前部顶端的其余部分至少是用选自所述涂层材料、所述终端涂层材料或者其组合中的一种材料进行部分涂覆。
18.如权利要求1～17任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料只是部分涂覆在所述焊条上。
19.如权利要求18所述的焊条，其中所述终端涂层材料具有最多大约一英寸的纵向涂层长度。
20.如权利要求1～19任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料5～50粘合剂10～60颜料 0～10气体生成材料 0～50抗湿气富集试剂0～10增稠剂0～10水20～75。
21.如权利要求1～19任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物石墨 10～30硅酸钾5～30硅酸钠5～30颜料 0～4氟化合物 0～45锂化合物 0～2CMC 0～5水40～55。
22.如权利要求1～19任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料10～40粘合剂15～50颜料 0～8气体生成材料 0～45抗湿气富集试剂0～5增稠剂0～8水30～60。
23.如权利要求1～19任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料10～30粘合剂20～40颜料 0～4气体生成材料 0～45抗湿气富集试剂0～2增稠剂0～5水40～55。
24.如权利要求1～19任一项所述的焊条，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物石墨 10～30硅酸钾10～25硅酸钠10～25颜料 0～4氟化合物 0～45锂化合物 0.1～1CMC 0.2～5水40～55。
25.一种形成具有减少孔隙的焊缝的方法，包括a.提供一种焊条，其由具有前部顶端的金属芯、至少部分涂覆在所述金属芯外表面上的涂层材料以及涂覆在金属芯的前部顶端区域至少一部分上的终端涂层材料组成，所述涂层材料包括气体生成化合物，其在焊接过程中提供保护，所述终端涂层材料包括粘合剂和小分子电传导材料，所述小分子具有平均粒径为大约100～400目，所述终端涂层材料具有不同于所述涂层材料的组合物；以及b.将电流施加到所述焊条上，使得至少部分熔化所述焊条的一端，从而导致所述金属芯的熔化部分至少部分形成焊缝，所述终端涂层材料的至少一种组分增强在所述焊条和加工件之间电弧的形成。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述金属芯是实心金属杆。
27.如权利要求25或26所述的方法，所述其中所述金属芯包括主要部分的铁。
28.如权利要求25～27所述的方法，其中所述电传导材料包括石墨、金属或者其组合。
29.如权利要求25～28任一项所述的方法，其中所述电传导材料占所述终端涂层材料的0.5～70％重量。
30.如权利要求25～29任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料包括气体生成化合物，用于在焊接过程中提供保护。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述气体生成化合物是含氟化合物。
32.如权利要求30或31所述的方法，其中所述气体生成材料包括Na3AlF6。
33.如权利要求25～32任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料包括抗湿气富集试剂。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述抗湿气富集试剂包括锂化合物。
35.如权利要求25～34任一项所述的方法，其中所述粘合剂包括至少一种硅酸盐化合物。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述粘合剂包括硅酸钾和硅酸钠，重量比为0.1～10∶1。
37.如权利要求25～36任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料包括增稠剂。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述增稠剂包括纤维素化合物。
39.如权利要求25～38任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料与涂层组合物具有不同的颜色。
40.如权利要求25～39任一项所述的方法，包括将所述焊杆的前部顶端成锥形的步骤。
41.如权利要求25～40任一项所述的方法，包括用所述终端涂层材料涂覆所述锥形的前部顶端的前部，以及用选自所述涂层材料、所述终端涂层材料或者其组合中的一种材料涂覆所述锥形的前部前端的其余部分的步骤。
42.如权利要求25～41任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料只是部分涂覆在所述焊条上。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述终端涂层材料具有最多大约一英寸的纵向涂层长度。
44.如权利要求25～43任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料5～50粘合剂10～60颜料 0～10气体生成材料 0～50抗湿气富集试剂0～10增稠剂0～10水20～75。
45.如权利要求25～43任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物石墨 10～30硅酸钾5～30硅酸钠5～30颜料 0～4氟化合物 0～45锂化合物 0～2CMC 0～5水40～55。
46.如权利要求25～43任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料10～40粘合剂15～50颜料 0～8气体生成材料 0～45抗湿气富集试剂0～5增稠剂0～8水30～60。
47.如权利要求25～43任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料10～30粘合剂20～40颜料 0～4气体生成材料 0～45抗湿气富集试剂0～2增稠剂0～5水40～55。
48.如权利要求25～43任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物石墨 10～30硅酸钾10～25硅酸钠10～25颜料 0～4氟化合物 0～45锂化合物 0.1～1CMC 0.2～5水40～55。
49.一种形成焊条的方法，包括a.提供具有前部顶端的金属丝；b.将涂层材料至少部分施加到所述金属丝的外表面上，所述涂层材料包括气体生成化合物，其在焊接过程中提供保护；c.将终端涂层材料至少部分施加到金属丝的前部顶端区域，所述终端涂层材料包括粘合剂和电传导材料的小颗粒，所述小颗粒具有平均粒径为大约100～400目，所述终端涂层材料具有不同于所述涂层材料的组合物；以及d.干燥所述涂层材料和所述终端涂层材料。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述施加所述涂层材料的步骤至少部分是挤出方法。
51.如权利要求49或50所述的方法，其中所述施加所述终端涂层材料的步骤至少部分是浸渍方法、刷涂方法、喷涂方法、滚涂方法或者其组合。
52.如权利要求49～51任一项所述的方法，包括将所述金属杆的所述前部顶端成锥形的步骤。
53.如权利要求52所述的方法，其中将所述金属杆的所述前部顶端成锥形的步骤是在施加所述涂层材料的步骤之前。
54.如权利要求49～53任一项所述的方法，包括在施加所述终端涂层材料的步骤之前，从所述焊杆的锥形顶端的一部分去除所述涂层材料的步骤。
55.如权利要求49～54任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料5～50粘合剂10～60颜料 0～10气体生成材料 0～50抗湿气富集试剂0～10增稠剂0～10水20～75。
56.如权利要求49～54任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物石墨10～30硅酸钾 5～30硅酸钠 5～30颜料0～4氟化合物0～45锂化合物0～2CMC 0～5水 40～55。
57.如权利要求49～54任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料 10～40粘合剂 15～50颜料0～8气体生成材料0～45抗湿气富集试剂 0～5增稠剂 0～8水 30～60。
58.如权利要求49～54任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物电传导材料 10～30粘合剂 20～40颜料0～4气体生成材料0～45抗湿气富集试剂 0～2增稠剂 0～5水 40～55。
59.如权利要求49～54任一项所述的方法，其中所述终端涂层材料在干燥前具有如下重量百分比组合物石墨10～30硅酸钾 10～25硅酸钠 10～25颜料0～4氟化合物0～45锂化合物0.1～1CMC 0.2～5水 40～55。
全文摘要
一种焊条，包括金属芯和含有焊药化合物的涂层材料，该涂层材料至少部分涂覆在所述金属芯的外表面上。该焊条的顶端成锥形并且成锥形顶端的一部分具有终端涂层材料，其包括电传导材料。
文档编号B23K9/02GK1880005SQ20061005742
公开日2006年12月20日 申请日期2006年3月15日 优先权日2005年6月13日
发明者兰道尔·M.博特, 乔纳森·斯特灵·奥格波恩 申请人:林肯环球公司