“手工焊條(stick electrode)”是用于描述在SMAW焊接過程(焊條電弧焊)中使用的焊接焊條的類型的常見俗名。

圖1示出了在SMAW中使用的常規(guī)手工焊條的結構。如在此所示，手工焊條10采取由焊接填充金屬(例如軟鋼、鎳/鋼合金、鉻/鎳合金等)制成的實心的、基本上直的、基本上剛性的細長芯棒或條12的形式。芯棒12，典型為9至18英寸長并且直徑1/16至1/4英寸，限定了縱向表面14，即沿棒的長度延伸的表面，這些縱向表面覆蓋有焊劑成分的涂層16。用于包含在由手工焊條10制成的焊接金屬中的合金元素也可以包括在涂層16中。

如圖1進一步所示，手工焊條10限定旨在接合待焊接工件的遠端或“觸發(fā)”端18和旨在安裝在夾持組件(未示出)上的相反“夾持”端20，該夾持組件被連接到手工焊條10將與之一起使用的SMAW焊接機上。為此目的，將涂層16的一部分在夾持端20中從縱向表面14移除，如圖1中的22處所示。

在手工焊條10已經被安裝在連接到其焊接機的夾持組件中的適當位置之后，工件的焊接通過在手工焊條10的觸發(fā)端18的暴露的金屬尖端19與待焊接的工件的表面之間觸發(fā)電弧(即，產生電弧)開始。在SMAW中，這通過以下方式完成：沿著工件的表面滑動觸發(fā)端18的暴露的金屬尖端19以引發(fā)電流流動并且然后通過將二者稍微拉開而使觸發(fā)端18與工件之間的接觸快速斷開。如果適當?shù)剡M行，電流繼續(xù)在觸發(fā)端18與工件之間穿過將兩者分開的小空間流動。由該電流產生的強熱使周圍的大氣氣體電離，從而產生極亮的光，即電弧。如果觸發(fā)端18從工件太快地撤開，則電弧將根本不會產生或如果產生的話將幾乎立即熄滅。如果觸發(fā)端18從工件太慢地撤開，則它將使焊條熔化并從而粘結(即焊接)到工件上，在焊接工業(yè)中被稱為“熄弧(stubbing out)”。

與這種類型的SMAW焊接焊條相關的常見問題是觸發(fā)端18的暴露的金屬尖端19可能攜帶顯著的銹層。在制造中，涂層16通常以水性焊劑分散體的形式施加到棒12上，然后將如此形成的涂覆棒加熱以蒸發(fā)分散體的水并固化可能存在的任何粘合劑。通常會遇到高達1000°F的溫度。在這些升高的溫度下，并且在由于蒸發(fā)焊劑分散體的水而產生的蒸汽的存在下，金屬棒12的暴露的金屬尖端19容易氧化，因為它沒有被覆蓋任何類型的保護層。結果是，通常在該尖端上形成一層銹。不幸的是，這層銹可以阻止手工焊條10正常工作，因為它不僅阻止正在被焊接的工件與焊條10的觸發(fā)端18的暴露的金屬尖端19之間的緊密物理接觸，而且還因為其差的導電性。

為了解決這個問題，已經提出在其制造過程中將導電保護涂層24施加到焊條10的觸發(fā)端18的暴露的金屬尖端19上。為此目的，在施加水性焊劑分散體形成涂層16之后但在燒制如此形成的涂覆的棒之前，通常將顆粒狀石墨和無機粘合劑的水性分散體施加到該暴露的金屬尖端上。當然后燒制如此形成的改性棒時，在該石墨分散體中的水蒸發(fā)并且該分散體中的無機粘合劑熔融以形成粘性粘合劑，該粘性粘合劑將單個石墨顆粒保持在觸發(fā)端18的暴露金屬尖端19上的適當位置。水玻璃(硅酸鈉)通常被用作無機粘合劑，不僅因為其可以耐受燒制期間所涉及的高溫，而且還因為它可以防止在燒制過程中觸發(fā)端18的暴露的金屬尖端19的氧化。同時，石墨顆粒用于向保護涂層22提供導電性，這不僅是因為它們的高導電性，而且因為一旦開始焊接它們就容易分解形成良性副產物CO₂。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，通過形成保護涂層24金屬顆粒，優(yōu)選顆粒狀鋁和/或鎂，而不是在早期技術中使用的石墨顆粒來制造以上類型的改進的手工焊條。結果，已經發(fā)現(xiàn)可以基本上完全避免與使用如上所述的常規(guī)尖端受保護的手工焊條相關聯(lián)的某些問題，諸如在焊接開始過程中的過度驟燃(flare-up)。

因此，本發(fā)明提供了一種改進的尖端受保護的手工焊條，該手工焊條包括由焊接填充金屬制成的基本上剛性的細長金屬棒或金屬絲，該金屬棒或金屬絲限定了具有暴露的金屬尖端的觸發(fā)端、與該觸發(fā)端相反的近端以及在該觸發(fā)端與該近端之間延伸的側表面，該手工焊條進一步包括覆蓋該觸發(fā)端的暴露的金屬尖端的保護涂層，其中該保護涂層包含粘合劑和金屬顆粒。

在隨后的描述、附圖和權利要求中給出本發(fā)明的其他實施例、特征和方面。

詳細描述

手工焊條

在電弧焊工業(yè)中使用兩種基本類型的可消耗焊接焊條，連續(xù)焊條和手工焊條。

連續(xù)焊接焊條通常采用不確定長度(例如500英尺(約152米))的長金屬絲或金屬棒的形式，該焊條足夠柔性使得它可以纏繞在供給卷軸上用于在其長度的方向上連續(xù)或半連續(xù)送進。

相比之下，手工焊條通常采用具有適宜的預定長度(例如9至18英寸(約23至46cm))的相對短的棒或絲的形式。手工焊條被連讀地使用，即，使用第一手工焊條，直到它變得太短，此時將其丟棄，并且選擇新的手工焊條用于進一步使用。

可以用手使用手工焊條，在這種情況下，手工焊條被夾持到附接到握持在焊工手中的焊接電源上的夾持器中。手工焊條還可以與配備有夾持組件的焊接機一起使用，其中手工焊條可拆卸地安裝在這些夾持組件中。

手工焊條通?；旧鲜莿傂缘?。換句話說，它們通常太剛性而不能以連續(xù)焊條的方式纏繞在供給卷軸上。

手工焊條可以由沒有外部涂層的簡單、實心的金屬棒或金屬絲組成?；蛘呖梢栽谄渫鈧缺砻嫔显O置合適的涂層，例如在上述SMAW焊接焊條上發(fā)現(xiàn)的焊劑涂層和在某些類型的SMAW焊接焊條中還發(fā)現(xiàn)的纖維素材料。

手工焊條也可以由具有中空芯的金屬棒或金屬絲組成，該中空芯可以填充有合適的焊劑、用于與待形成的焊接金屬合金化的不同金屬顆?；蜻@兩者。

本發(fā)明適用于任何類型的手工焊條，無論是涂覆的還是未涂覆的，以及是否具有實心或中空芯。

為了方便起見，下面的披露內容結合在其外側表面上具有焊劑涂層的手工焊條來描述本發(fā)明。然而，應當理解本發(fā)明適用于任何類型的手工焊條，包括但不限于用于SMAW的那些。

棒基底

本發(fā)明的手工焊條的基礎或芯是金屬棒或金屬絲。當本發(fā)明的手工焊條采用圖1所示類型的SMAW焊條的形式時，該基礎還可以包括由合適的焊接填充金屬制成的實心的、基本上直的、基本上剛性的細長棒或條12。在其他實施例中，該基礎可以包括具有中空芯的金屬棒或金屬絲，該中空芯包含合適的填充材料例如焊劑、粉末金屬合金元素、陶瓷材料等。

任何類型的金屬都可以用于制造這種金屬棒或金屬絲基礎。實例包括軟鋼，各種鐵/鉻合金，例如304型、309型，各種鐵/鎳合金，例如SAE 2xxx，各種鎳/鉻合金，例如UNS N06600、N06601、N06603，各種鎳合金，例如UNS N10276、UNS N06600和UNS 07718，各種鋁合金，例如4043，各種鈦合金，例如ASTM B348等級1，ASTM B265等級2和ASTM B265等級12等。如在焊接領域中充分理解的，用于不同工件的非自熔焊接中的焊接填充金屬的特定類型和組成主要取決于制造待焊接工件的特定金屬的特性。這種技術在焊接領域是眾所周知的并且可以由熟練的焊接專業(yè)人員在具體情況基礎上容易地確定。

形成本發(fā)明的手工焊條的基礎的金屬棒或金屬絲的形狀和尺寸不是關鍵的并且可以使用制造用于電弧焊接的手工焊條有效的任何形狀或尺寸。然而，通常，該金屬棒或金屬絲將具有與常規(guī)的尖端受保護的手工焊條(例如上所述的那些)的芯棒相同的形狀和尺寸。因此，該金屬棒或金屬絲基礎典型地具有約9至18英寸(約23至46cm)的長度和約3/32至1/4英寸(約2.4至6.4mm)的直徑。如果希望的話，可以使用更長和更短的長度，以及更大和更小的直徑。例如，該金屬棒或金屬絲基礎的直徑可以小到1/16英寸(約1.6mm)或更小并且大到3/8英寸(約9.5mm)或更大。

而且，如在上述常規(guī)的尖端受保護的手工焊條的金屬棒或金屬絲基礎的情況下，本發(fā)明的手工焊條的金屬棒或金屬絲基礎限定了具有暴露的金屬尖端19的觸發(fā)端18、以及用于安裝在焊接機中或握持在手中的相反的近端20。

焊劑涂層

在其中本發(fā)明的手工焊條采取SMAW焊接焊條的形式的那些實施例中，該焊條還以與上述常規(guī)的尖端受保護的SMAW焊接焊條相同的方式在其外部縱向表面上包括焊劑涂層16。

用于制造常規(guī)的尖端受保護的SMAW焊接焊條的任何類型的焊劑成分都可用于制造本發(fā)明的SMAW焊接焊條的焊劑涂層16。實例包括各種氟化物例如CaF₂、Na₃AlF₆、NaF、K₃AlF₆，各種氧化物例如SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Mn₂O₃、Al₂O₃、Cr₂O₃、Fe₂O₃、CaCO3、Na2CO3、K2CO3，和各種金屬成分例如Fe、Al、Ti、Si、Mn、Mo、Ni、Cr和Mg。另外，焊劑涂層16任選地還可以包括有助于形成焊縫的化學組成的金屬合金粉末和化合物。

選擇用于形成本實施例的本發(fā)明的SMAW焊接焊條的焊劑涂層16的焊劑和其他成分的具體類型和量取決于制造待焊接工件的具體金屬、以及形成該SMAW焊接焊條的金屬棒或金屬絲基礎的焊接填充材料的組成以及有待制造的焊縫的目標化學組成。如在選擇用于本發(fā)明的特定應用中的特定焊接填充金屬的情況下，選擇用于形成本實施例的本發(fā)明的SMAW焊接焊條的焊劑涂層16的焊劑和其他成分的具體類型和量是基于在焊接領域中眾所周知的技術并且因此可以在具體情況基礎上由熟練的焊接專業(yè)人員容易地確定。

尖端保護涂層

根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的手工焊條10的觸發(fā)端18的尖端設置有由粘合劑和金屬顆粒組成的保護涂層24。

為此目的，可以使用由基本上任何金屬或金屬合金制成的顆粒，這些金屬或金屬合金的熔化溫度為至少1000°F(538℃)并且在空氣中在電弧焊通常遇到的溫度(例如6,500°F，3600℃)下很容易氧化。因此，例如，這些顆?？梢杂山饘僖约敖饘俸辖?選自堿土金屬粉末例如Mg、Ca、Sr和Ba)、過渡金屬(例如Ti、V、Cr、Mn、Fe、Cr、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo和Ag)、“其他金屬”(例如Al、Sn、Pb和Bi)以及準金屬(例如Sb和Te)制成。在這個背景下，特定金屬的合金將被理解為表示包含至少50wt.％的該金屬的合金。也可以使用這些金屬顆粒的混合物。

更通常地，這些金屬顆粒將由金屬以及金屬合金(選自堿土金屬粉末例如Mg和Ca、Sr)、過渡金屬(例如Va、Cr、Mn、Fe、Cr、Ni、Cu、Zr和Mo)以及“其他金屬”(例如Al、Sn、Pb和Bi)制成。也可以使用這些金屬顆粒的混合物。甚至更通常地，這些金屬顆粒將由選自Mg、Ca、Fe、Cr、Ni、Cu、Mo、Al、Sn、Pb和Bi的金屬以及金屬合金制成。同樣，也可以使用這些金屬顆粒的混合物。

尤其優(yōu)選由Mg形成的金屬和合金制成的金屬顆粒、由Al形成的金屬和合金制成的金屬顆粒、以及此類金屬顆粒的混合物。

更有趣的是由Al和包含至少80重量％的Al、更典型地至少90wt.％的Al的Al合金制成的金屬顆粒。還更有趣的是由Mg和包含至少80重量％Mg、更典型地至少90wt.％Mg的Mg合金制成的金屬顆粒。甚至更有趣的是由Al和Mg基金屬顆粒的混合物形成的金屬顆粒的批料，特別是其中Al基顆粒與Mg基顆粒的重量比為約0.2-7，更典型地為0.4-3.6，0.6-2.5，或甚至1.0-1.5的那些。

這些金屬顆粒的平均粒度典型地范圍在約10至600微米(0.001至0.060毫米)，更典型地約40至400微米(0.040至0.400毫米)，或甚至約100至325微米(0.100至0.325毫米)之間。關于最大平均粒度，如果平均粒度太大，則手工焊條根本不會引弧或將很難引弧。關于最小平均粒度，對最小平均粒度沒有技術約束。另一方面，對該最小值存在實際約束，因為這些金屬顆粒隨著它們的平均粒度變得越來越小而變得越來越成本高昂。

除了金屬顆粒，本發(fā)明的手工焊條10的保護涂層24還包括粘合劑。如在上面討論的常規(guī)的尖端受保護的手工焊條的情況下，本發(fā)明的手工焊條的粘合劑也希望地由水玻璃(硅酸鈉)制成，因為它可以耐受在燒制過程中涉及的高溫，并且另外防止在燒制過程中觸發(fā)端18的尖端氧化。此外，在開始焊接時其形成的分解產物不會污染所形成的焊接金屬的意義上，水玻璃基本上是良性的。盡管由于這些原因，水玻璃是優(yōu)選的無機粘合劑，但是還可以使用將會將保護涂層24的金屬顆粒粘合到棒或絲12的觸發(fā)端18的尖端上、將耐受燒制過程中遇到的溫度并且也可以不污染所形成的焊縫的任何其他無機物。實例包括硅酸鈣、硅酸鉀、硅酸鋰和膠體二氧化硅。

也可以使用有機粘合劑。實例包括糖蜜、蜂蜜、基于石油的粘合劑、基于動物和植物的膠。

用于形成保護涂層24的金屬顆粒和粘合劑的相對量可以廣泛變化，并且可以使用將實現(xiàn)本發(fā)明的目的的基本上任何相對量。因此，保護涂層24中的金屬顆粒的量將基于干重(即，忽略可能存在的任何水)通常為整個保護涂層的約5-50wt.％、更典型地約10-30wt.％、15-25wt.％或甚至18-20wt.％。相反，保護涂層24中的粘合劑的量將基于干重通常為整個保護涂層的約50-95wt.％、更典型地約70-90wt.％、75-85wt.％或甚至80-82wt.％。

本發(fā)明的手工焊條可以基本上與以上討論的常規(guī)的尖端受保護的手工焊條相同的方式制成。例如，在其中本發(fā)明的手工焊條采用SMAW焊接焊條的形式的那些實施例中，本發(fā)明的手工焊條可以通過以下方式制備：(1)將水性焊劑分散體施加到棒或絲12的縱向表面14上，(2)機械加工如此形成的涂覆的棒以除去夾持區(qū)域22中的這種涂層，并且如果希望的話，使觸發(fā)端18的尖端成斜面，(3)將形成保護涂層24的水性分散體施加到觸發(fā)端18的尖端上，并且然后(4)燒制如此形成的產物以使水從兩種分散體中蒸發(fā)并將相應的助熔劑和保護涂層粘合在適當位置。

在這方面，可以通過任何常規(guī)技術，包括浸漬、刷涂、輥涂、幕涂等，將形成保護涂層24的水性分散體施加到絲或棒12的觸發(fā)端18的尖端上。然而，最常見的是，它將通過用于制造常規(guī)的尖端受保護的SMAW焊接焊條的相同技術來施加，其中使用輥涂布裝置來連續(xù)并且自動地將適當量的這種分散體從合適的供應源轉移到移動穿過自動制造機器中的輥涂布裝置的連續(xù)棒或絲12的尖端上。為此，希望用于形成保護涂層24的水性分散體具有10-5000cps，更通常25-2000cps，或甚至50-400cps的密度。

從上述可以看出，本發(fā)明的手工焊條與以上討論的常規(guī)尖端受保護的手工焊條之間的主要區(qū)別在于，使用金屬顆粒而不是石墨顆粒來為保護涂層24提供導電性。

由于這種區(qū)別，與用于形成常規(guī)的尖端受保護的手工焊條的保護涂層24的石墨顆粒的量相比，通常使用少得多的量的金屬顆粒來形成本發(fā)明的手工焊條的保護涂層24。因此，例如，最典型地，將用于形成本發(fā)明的手工焊條的保護涂層24的金屬顆粒的量將基于干重為保護涂層24的約18至20wt.％、并且?guī)缀蹩偸?5wt.％或更少，更通常為保護涂層24的30wt.％或更少，或甚至25wt.％或更少。相比之下，用于形成常規(guī)的尖端保護的手工焊條的保護涂層24的石墨顆粒的量基于干重通常為保護涂層的約40wt.％。這意味著用于制造本發(fā)明的手工焊條的金屬顆粒的量最常見地為用于制造常規(guī)SMAW的石墨顆粒的量的約一半。

作為這種區(qū)別的結果，并且進一步因為金屬顆粒和石墨顆粒在其化學性質和相關反應方面的根本差異，通過本發(fā)明的手工焊條相對于其常規(guī)對應物實現(xiàn)了許多顯著優(yōu)點。

在這方面，在使用常規(guī)的尖端受保護的手工焊條，尤其是SMAW焊條過程中可能遇到的顯著問題是過度的驟燃。當首先用常規(guī)焊條觸發(fā)電弧時，保護涂層22中的所有石墨顆粒與空氣中的氧氣反應，導致產生CO₂。在該反應過程中，由于從固體石墨到氣態(tài)CO₂的轉變，發(fā)生非常大的體積增加。因為顆粒石狀墨如此迅速地氧化，并且由于這種非常快速的體積增加，并且由于使用相對較大量的石墨顆粒，因此產生比正常大得多的電弧。這種稱為“驟燃”的現(xiàn)象可能干擾適當?shù)暮附蛹夹g，這可能最終導致形成的焊縫中的缺陷。

通過本發(fā)明的手工焊條基本上完全避免了這個問題，因為使用少得多的量的金屬顆粒用于提供導電性。此外，金屬顆粒被認為比石墨顆粒更慢地氧化，并且另外，通過金屬顆粒、金屬氧化物的氧化形成的分解產物是固體而不是氣體。由于這些效應，并且進一步因為使用基本上更少量的金屬顆粒，基本上完全消除了驟燃。

本發(fā)明的手工焊條的另一個優(yōu)點是基本上完全消除了有害焊縫孔隙的可能性。盡管焊接專家在這個問題上存在一些爭論，但一些人認為當首次使用常規(guī)尖端受保護的焊接焊條時產生的焊縫展現(xiàn)出增加的焊縫孔隙，這是有害的。由于常規(guī)手工焊條在約1分鐘的正常焊接操作內被完全消耗，這可能代表嚴重的問題，因為每次使用新焊條時都會產生具有差的孔隙的焊縫。

根據(jù)本發(fā)明，還避免了這種焊縫孔隙問題，因為當使用本發(fā)明的手工焊條時，不會遇到這個問題的根本原因，即由于石墨反應形成CO₂而導致的不適當?shù)暮附蛹夹g。相反，如上所指出，用于本發(fā)明的手工焊條中的金屬顆粒氧化形成金屬氧化物，這些氧化物為固體而不是氣體。因為這些金屬氧化物與形成焊劑的金屬氧化物在化學上相似(如果不相同的話)，這些氧化物簡單地結合并且成為將通常在焊接操作過程中存在的熔融焊劑的一部分，例如在SMAW焊接焊條的情況下通過焊劑涂層16產生的焊劑。在任何情況下，因為當用本發(fā)明的手工焊條觸發(fā)電弧時不會產生過量的副產物氣體，所以不會遇到與常規(guī)焊條相關的焊接孔隙問題。

盡管以上已經描述了本發(fā)明的少數(shù)幾個實施例，應了解可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍下進行很多修改。所有此類修改旨在包括在將僅由以下權利要求限定的本發(fā)明的范圍內。

參考號

10 手工焊條

12 芯棒

14 縱向表面

16 焊劑涂層

18 觸發(fā)端

19 金屬尖端

20 夾持端

22 保護涂層

24 涂層