CN115837504A

CN115837504A - 具有功能涂层的焊接电极

Info

Publication number: CN115837504A
Application number: CN202211150081.4A
Authority: CN
Inventors: B·纳拉亚南; 维韦克·森古普塔; 大卫·B·拉塞尔; 斯蒂芬·法拉赫; 周以俭
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2023-03-24
Also published as: EP4151357A1; JP2023046302A; KR20230042585A; US20230089614A1; CA3175022A1; MX2022011689A

Abstract

所披露的技术总体上涉及焊接电极，并且更特別是涉及具有功能涂层的可消耗焊接电极。在一方面，焊接电极包含具有基体金属组成的芯焊丝和覆盖该芯焊丝的至少一部分的两个或更多个涂层。该两个或更多个涂层包含导电涂层，除了铜(Cu)之外或者不同于铜，该导电涂层还包括一种或多种导电元素或化合物。该两个或更多个涂层另外包含附加功能涂层，该附加功能涂层包括一种或多种适配用于改变由焊接电极所形成的熔滴的表面张力的附加元素或化合物。在另一方面，一种制造焊接电极的方法包括提供具有基体金属组成的芯焊丝以及形成两个或更多个涂层层。

Description

具有功能涂层的焊接电极

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年9月21日提交的题为“WELDING ELECTRODE WITH FUNCTIONALCOATINGS[具有功能涂层的焊接电极]”的美国临时申请号63/261,462的权益，其内容特此通过引用以其整体并入。

背景

技术领域

所披露的技术总体上涉及焊接电极，并且更特别是涉及在芯焊丝(core wire)上具有功能涂层的可消耗焊接电极。

背景技术

各种焊接技术利用充当焊接金属的来源的可消耗焊接电极。例如，在金属电弧焊中，当在可消耗焊接电极(充当朝向工件前进的一个电极)与工件(充当另一个电极)之间施加电压时产生电弧。电弧熔化金属焊丝的尖端，由此产生沉积到工件上以形成焊接金属或焊道的熔融金属电极的熔滴。

对焊接技术的技术和经济要求在复杂性上持续增长，其中对更高的制造灵活性的需要和对更高的机械性能的需要共存。另外，焊接金属的一个性能参数的优化可能损害另一个性能参数。一些焊接技术旨在通过改进耗材(例如，通过改进可消耗电极的物理设计和/或组成)来解决这些竞争性要求。所披露的技术解决对具有功能涂层的改进的可消耗焊接电极的需要。

发明内容

在第一方面，焊接电极包含具有基于铁(Fe)的基体金属(base metal)组成的实心芯焊丝和形成在该实心芯焊丝上的导电涂层。除了铜(Cu)之外或者不同于铜，该导电涂层还包括一种或多种导电元素或化合物。该焊接电极另外包含形成在该导电涂层上并包括元素锑(Sb)和一种或多种Sb氧化物中的一者或两者的附加功能涂层。

在第二方面，焊接电极包含具有基于铁(Fe)的基体金属组成的实心芯焊丝和覆盖该芯焊丝的至少一部分的两个或更多个涂层。该两个或更多个涂层包含形成在该实心芯焊丝上的导电涂层，除了铜(Cu)之外或者不同于铜，该导电涂层还包括一种或多种导电元素或化合物。该两个或更多个涂层另外包含具有形成在该导电涂层上的多孔结构并包括锑(Sb)的附加功能涂层。

附图说明

图1示出了可以与根据本文所披露的实施例的可消耗电极结合使用的电弧焊接系统。

图2示出了使用根据本文所披露的实施例的可消耗电极的焊接工艺。

图3示出了根据实施例的药皮式焊接可消耗电极(covered welding consumableelectrode)。

图4A示出了根据实施例的包含两个或更多个涂层的药皮式焊接可消耗电极。

图4B示出了根据实施例的包含三个或更多个涂层的药皮式焊接可消耗电极。

图5示出了根据实施例的制造药皮式焊接可消耗电极的方法。

图6A示出了使用常规可消耗电极所形成的焊接金属。

图6B示出了使用根据实施例的具有功能涂层的可消耗电极所形成的焊接金属。

具体实施方式

一些焊接电极具有两个主要部件：芯焊丝或棒以及药皮(covering)或涂层。芯包括焊接金属的基体合金元素。涂层可以包括提供各种功能的各种材料。例如，涂层尤其可以用于提供：焊接金属的保护、电弧的稳定化、焊接金属的合金元素的各种物理特性、熔渣的助熔(slag for fluxing)、焊接金属中气窝的减少、提高的导电性或绝缘性、对环境的保护、进料的润滑和美观等。

一些传统的实心焊丝在焊丝的表面上涂覆有包含铜的涂层，以增强焊丝和焊接喷嘴的导电性和耐腐蚀性，以及减少与进料软管或焊接喷嘴的摩擦。然而，在焊接工艺期间，一些铜可能不期望地熔化到焊接点中。焊接点的铜污染可能导致“铜开裂”或降低焊接接头的机械特性，尤其是在低温下的冲击韧性和伸长率。铜也氧化成铜颗粒并逸出到空气中，其在吸入时对人类健康有害。铜涂层焊丝的生产也可能产生废酸和环境污染。因此，需要一种涂层焊丝，其至少减少或消除来自焊接电极的涂层中的铜，同时保持其功能益处。

为了解决这些和其他需要，本文所披露的实施例涉及一种焊接电极，其包含具有基体金属组成的芯焊丝和覆盖芯焊丝的至少一部分的两个或更多个涂层。该两个或更多个涂层包含导电涂层，除了铜(Cu)之外或者不同于铜，该导电涂层还包括一种或多种导电元素或化合物。该两个或更多个涂层另外包含附加功能涂层，该附加功能涂层包括一种或多种适配用于改变由焊接电极所形成的熔滴的表面张力的附加元素或化合物(熔融焊接金属表面张力改性剂)。

用于用具有功能涂层的电极焊接的电弧焊接工艺

电弧焊是用于接合金属的几种熔合工艺之一。通过施加强烈的热量，将两个零件之间的接头处的金属熔化并引起直接地或更通常地与中间熔融填充金属混杂。

可以与本文所披露的实施例结合使用的电弧焊系统100示出于图1中。将包括AC或DC电源和控制器的电源系统110通过工作电缆114连接至待焊接的工件102，并通过“热”电缆连接至使得与焊接电极106电接触的电极夹持器118。当通电电路与电极尖端接触工件102并缩回、但仍紧密接触时，在工件102与焊接电极106之间的间隙上产生电弧。电弧可以在焊接电极106(其可以是充当一个电极(例如，DC中的阳极(+))的可消耗电极)与工件102(其充当另一个电极(例如，DC中的阴极(-)))之间产生。在电弧引发之后，维持等离子体108，该等离子体含有中性和电离的气体分子，以及已被电弧汽化的金属焊丝的材料的中性和带电的簇或熔滴。焊接电极106朝向工件102推进，并且金属焊丝的熔滴沉积到工件上，从而形成焊道或焊接金属。电弧可以在尖端处产生高达约6500°F的温度。该热量熔化工件102和焊接电极106两者，从而产生熔融金属池，有时称为“弧坑”。当弧坑沿接头移动时，其在电极后面凝固。在冷却并凝固时，产生冶金结合。由于接合是金属的混杂物，最终的焊接件可以具有与工件102的零件的金属相当的或基本上相同的机械特性，例如，强度。这与接合的非熔合工艺(例如，软钎焊、硬钎焊等)形成了显著的对比，在非熔合工艺中，基体材料的机械和物理特性在接头处可能与工件102不可比。

在高温下金属倾向于与空气中的元素-氧和氮发生化学反应。当熔池中的金属与空气接触时，可能形成氧化物和氮化物，这可能不利地影响焊接接头的强度和韧性。因此，一些电弧焊接工艺提供了用气体、蒸气和/或熔渣的防护性保护覆盖电弧和熔池的一些手段。这被称为电弧保护。这种保护使熔融金属与空气的接触减少或最小化。保护也可以改进焊接点。实例是助焊剂(flux)，其可以包括用于焊接金属的脱氧剂。

在焊接中，电弧不仅提供熔化电极和基体金属所需的热量，而且在某些条件下还必须提供将熔融金属从电极的尖端运送至工件的手段。存在几种用于金属转移的机制。实例包括表面张力转移和喷射电弧，在表面张力转移中，熔融金属的熔滴接触熔融金属池并通过表面张力被拉入熔融金属池中，在喷射电弧中，熔滴在电极尖端处通过电夹(electricpinch)从熔融金属喷射，将熔滴推进至熔池中。

当电极106是如本文所披露的可消耗电极时，尖端在电弧的热量下熔化，并且熔滴分离并通过电弧柱运送至工件102。其中根据本文所描述的实施例的电极被熔化以成为焊接点的一部分的电弧焊被描述为金属电弧焊。这与碳或钨(TIG)焊接相反，在碳或钨(TIG)焊接中没有熔滴被迫穿过间隙并到达工件上。填充金属从单独的焊条或焊丝熔化到接头中。由电弧所产生的更多热量以可消耗电极传递至焊池。这产生更高的热效率和更窄的热影响区。

电弧焊可以用其中电极为正极(DCEP)或负极(DCEN)的直流电流(DC)或交流电流(AC)进行。电流和极性的选择取决于工艺、电极的类型、电弧气氛、以及被焊接的金属。

在使用可消耗电极的工艺中，电极或焊丝熔化以提供填充间隙的添加金属，从而形成使两个金属工件接合的焊接接头。使用可消耗电极的焊接工艺包括有保护的金属电弧焊(SMAW)、气体金属电弧焊(GMAW)或金属惰性气体(MIG)焊接、药芯电弧焊(FCAW)、金属芯电弧焊(MCAW)和埋弧焊(SAW)等。使用可消耗焊接电极的焊接工艺可以在直流电极接正(DCEP)模式、直流电极接负(DCEN)模式或交流(AC)模式下进行。在DCEP模式下，使用直流电流，并且将焊丝连接到电源的正极端子，并且待焊接的(多个)工件或(多个)板连接到负极端子，在DCEN模式下焊接时相反。在AC模式下，焊丝和(多个)工件或(多个)板根据频率在周期中从接正切换到接负。用作正极的端子可以被称为阳极，并且用作负极的端子可以被称为阴极。在下文中，描述了根据实施例的可以用氧化物涂覆焊丝实施的各种基于可消耗电极的焊接工艺。

图2示出了气体金属电弧焊(GMAW)工艺200，有时称为金属惰性气体(MIG)焊接工艺，其可以与本文所披露的实施例结合使用。GMAW工艺使用用于填充金属的连续实心焊丝电极106和用于保护的外部供应气体(典型地来自高压气缸)。电极106可以是低碳钢，并且可以涂覆有根据各种实施例的涂层薄层，该涂层薄层可以包括两个或更多个包含导电涂层和附加功能涂层的涂层，该附加功能涂层适配用于改变由焊接电极所形成的熔滴的表面张力(熔融焊接金属表面张力改性剂)。当电弧108撞击在电极106与工件102之间时，电极106和工件102的表面两者都蒸发以形成转移至工件102的表面的金属小球，从而形成包括药皮式电极106的金属和工件102的金属的焊池204。可以将焊接机设置为DC正极性。通常为二氧化碳或二氧化碳和氩气的混合物的保护气体防护熔融金属免受大气的影响。保护气体流过焊枪和电缆组件并与焊丝一起流出焊枪喷嘴，以保护并防护熔融的焊池。熔融金属如果暴露于大气，则可以对来自大气的氧、氮和氢具有非常高的反应性。根据各种实施例，被配置用于以上所描述的各种焊接工艺(例如，GMAW)的焊接电极包含具有基体金属组成的芯焊丝和覆盖该芯焊丝的至少一部分的两个或更多个涂层。如本文所描述的，该两个或更多个涂层包含导电涂层，除了铜(Cu)之外或者不同于铜，该导电涂层还包括一种或多种导电元素或化合物。该两个或更多个涂层另外包含附加功能涂层。该附加功能涂层包括一种或多种适配用于改变由焊接电极所形成的熔滴的表面张力的附加元素或化合物。

图3示出了根据各种实施例的焊接可消耗电极300。电极300包含芯焊丝304和涂层308。芯焊丝304可以包括合适的碳钢，例如，用于GMAW的低碳钢，其涂覆有涂层308以为所得焊接金属提供合金元素，以及各种附加的非合金功能性，如本文所描述的。本文所披露的芯焊丝304和涂层308的化学元素和化合物可以基于组成元素是否作为焊接金属的合金的一部分被掺入来区分。在下文中，基本上掺入所得焊接金属中的元素可以称为合金元素，而基本上不掺入所得焊接金属中用于起到其他功能(诸如熔渣或气体形成或电弧稳定化)的元素可以称为非合金元素。

图4A和4B分别示出根据一些其他实施例的药皮式焊接可消耗电极400A和400B。电极400A和400B包含芯焊丝304和涂层308，并且除了电极400A和400B包含多个涂层之外，电极400A和400B以与图3中所示出的电极300A类似的方式配置。作为示例，电极400A包含两个涂层308，包括第一涂层308A和第二涂层308B。电极400B包含多个涂层308，包含第一涂层308A、第二涂层308B和第三涂层308C。另外，虽然未示出，但根据其他实施例的多个涂层可以包括n个涂层，包括第一至第n个涂层。

如以上所描述的，焊接金属可以包括工件的凝固金属以及可消耗电极的金属。因为由于熔融工件的掺入而导致的焊接金属中的元素的稀释或浓缩的量可以显著变化，除非另外指明，因此如本文所披露的焊接金属中的各种元素和化合物的重量百分比是指如果从工件中没有发生稀释或浓缩则将会获得的未稀释的焊接金属的那些。

仍然参考图3和4A-4B，芯焊丝304包括碳钢组成，例如，低碳钢组成。根据各种实施例的碳钢组成包括Fe和以大于杂质水平的浓度的C、Cr、Ni、Mo、V、Cu、Mn和Si中的一种或多种。在一些实施例中，芯焊丝304包括低合金钢组成，包括按重量计约1.5％至5％的合金元素含量。可以存在可以以杂质水平存在的附加元素。如本文所描述的，杂质水平是指未有意引入但仍然存在的元素的重量百分比，其通常可以小于0.05％。未有意添加但仍然存在于芯焊丝304中的杂质包括S、P、Al、Cu、N、Cr、Ni、Mo、V、Nb和Ti。芯焊丝304的重量的余量可以是Fe。

仍然参照图4A-4B，涂层308包括导电涂层和附加功能涂层，该导电涂层除了铜(Cu)之外或不同于铜还包括一种或多种导电元素或化合物，该附加功能涂层包括一种或多种适配用于改变由焊接电极所形成的熔滴的表面张力的附加元素或化合物。如本文所描述的，电极400A(图4A)的第一和第二涂层308A、308B中的任一个或电极400B(图4B)的第一、第二和第三涂层308A、308B和308C中的任一个可以是以任何顺序的导电层或附加功能层。因此，虽然根据实施例的导电涂层可以被称为电极400A、400B的第一涂层308A，其是多个涂层308的最内部涂层，但是应理解，导电涂层也可以是电极400A、400B的第二涂层308B，或电极400B的第三涂层308C。类似地，虽然根据实施例的附加功能涂层可以被称为电极400A、400B的第一涂层308A，其是多个涂层308的最内部涂层，但是应理解，附加功能涂层也可以是电极400A、400B的第二涂层308B，或电极400B的第三涂层308C。

导电涂层

根据各种实施例，第一、第二和第三涂层308A、308B、308C(图4A或4B)中的任一个是包括选自由镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铬(Cr)、铂(Pt)、银(Ag)、石墨、石墨烯、氧化石墨烯和钛(Ti)组成的组的一种或多种导电元素或化合物的导电涂层。

根据各种实施例，导电涂层用于向电极400A、400B提供相当大的导电性，使得在焊接期间通过电极400A和400B的电流的相当大的量(例如，>10％、>30％、>50％、>70％、>90％或由这些值中的任何所限定的范围内的值)流过第一涂层308A。在一些实施例中，该一种或多种导电元素或化合物以使得焊接电极400A、400B相对于没有导电元素或化合物的芯焊丝304具有更低电阻的量和形式存在。

在一些实施例中，该一种或多种导电元素或化合物在没有Cu作为导电涂层的一部分或作为多个涂层308中的任一个的一部分的情况下存在。即，在一些实施例中，该一种或多种导电元素或化合物可以避免使用Cu作为涂层的一部分的需要，例如用于提供必要的导电性，并且可以从多个涂层308中省略Cu。在一些其他实施例中，在除了Cu作为导电涂层的一部分或作为多个涂层308中的任一个的一部分之外，存在该一种或多种导电元素或化合物。即，在一些实施例中，该一种或多种导电元素或化合物可以补充Cu作为相同或不同涂层的一部分，例如，用于提供必要的导电性。

该一种或多种导电元素或化合物可以极大地减少或消除对铜作为传统涂层电极焊丝中的涂层的一部分的需要。因此，根据实施例，该一种或多种导电元素或化合物可以在没有Cu的情况下或除了Cu之外存在。当除了Cu之外存在时，该一种或多种导电元素以超过该一种或多种导电元素或化合物和Cu的合并总和的50at.％、60at.％、70at.％、80at.％、90at.％、或在由这些值中的任何所限定的范围内的值的量存在。因此，降低的Cu含量可以有利地降低焊接点的铜开裂的不利影响。

当存在时，Cu以超过焊丝的重量的0.0005wt.％、0.0010wt.％、0.0020wt.％、0.0050wt.％、0.010wt.％、0.020wt.％、0.050wt.％、0.10wt.％、0.20wt.％、0.5wt.％、或由这些值中的任何所限定的范围内的值的量存在。

附加功能涂层

根据各种实施例，第一、第二和第三涂层308A、308B、308C(图4A或4B)中的任一个是包含熔融焊接金属表面张力改性剂的附加功能涂层，如以下所描述的。

可以部分地通过焊接金属的熔滴的表面张力来确定各种生产率参数，诸如用于形成焊接金属的行进速度。为了提供所期望的熔融焊接金属表面张力，根据一些实施例，附加功能涂层包括熔融焊接金属表面张力改性剂。熔融焊接金属表面张力改性剂包括适配用于改变由焊接电极400A、400B所形成的焊接金属的熔滴的表面张力的一种或多种附加元素或化合物。根据各种实施例，适配用于改变表面张力的该一种或多种附加元素或化合物选自由镉(Cd)、汞(Hg)、镓(Ga)、铟(In)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)和钋(Po)组成的组。

适配用于改变熔融焊接金属的表面张力的该一种或多种附加元素或化合物可以改变(例如降低)熔融焊接金属熔滴的表面张力，使得熔滴以相对于由没有适配用于改变熔融焊接金属的表面张力的该一种或多种附加元素或化合物的参比电极所形成的金属熔滴更快的速率与电极分离。熔滴的尺寸可以与在凝固的焊接金属或工件上所形成的熔滴的平衡接触角相关，如通过称为杨氏方程(Young-Dupré equation)的关系所定义的。如果将熔融焊接金属之间的固-气界面能由γ_SG表示，固-液界面能由γ_SL表示，并且液-气界面能(即表面张力)由γ_LG表示，则平衡接触角θ_C由这些量通过以下杨氏方程确定：

γ_SG-γ_SL-γ_LG cosθ_C＝0

换言之，接触角由粘附力(希望维持与固体接触的液体)和液体内的内聚力(内部内聚力和表面张力两者)的平衡建立。液体与固体之间粘附力的增加或液体内内聚力(表面张力)的降低将导致更大的润湿性和更小的接触角。对于更大的行进速度，更低的表面张力可能是有利的，因为熔融焊接金属减小了熔滴尺寸以及改进了工件或凝固的焊接金属的润湿性。例如，由根据实施例的电极所形成的平均熔滴尺寸可以减小30％、40％、50％、60％、或由添加这些元素的任何这些值所限定的范围内的值。相对于在相同焊接条件下由除了存在表面张力改性元素之外与焊接电极相同的参考焊接电极所形成的参考熔滴，由焊接电极所形成的熔滴的表面张力降低了10％、20％、30％、40％、50％或更多。可以减小平均熔滴尺寸和表面张力，使得用于使用根据实施例的焊接电极形成焊接金属的行进速度相对于用于使用在没有适配用于改变熔融焊接的表面张力的该一种或多种附加元素或化合物的情况下的焊接电极形成焊接金属的行进速度可以高30％、40％、50％、60％或更多。

诸位发明人已经发现，适配用于改变熔融焊接金属的表面张力的该一种或多种附加元素或化合物可以协同地并同时地减少在焊接金属上形成的熔渣或残余氧化物或硅酸盐岛的量。氧化物岛可能难以去除并使焊接金属的视觉外观劣化。氧化物或硅酸盐岛去除的相对容易度可以与在焊接金属上所形成的氧化物或硅酸盐岛的平衡接触角有关，如通过称为杨氏方程的关系所定义的。如果将固-气界面能由g_SG表示，固-液界面能由g_SL表示，并且液-气界面能(即表面张力)由g_LG表示，则平衡接触角q_C也由这些量通过以上所定义的杨氏方程确定。即，虽然可以应用相同的方程，但是相关的界面是硅酸盐岛与下面的焊接金属之间的界面。

根据实施例，适配用于改变熔融焊接金属的表面张力的该一种或多种附加元素或化合物以使得在由焊丝所形成的焊接金属上所形成的二氧化硅岛的体积相对于在由没有适配用于改变熔融焊接的表面张力的该一种或多种附加元素或化合物的情况下的芯焊丝所形成的焊接金属上所形成的二氧化硅岛的体积降低至少30％、40％、50％、60％或更多的量和形式存在。

根据各种实施例，该一种或多种导电元素或化合物和附加元素或化合物中的每一种以超过焊丝的重量的0.0005wt.％、0.0010wt.％、0.0020wt.％、0.0050wt.％、0.010wt.％、0.020wt.％、0.050wt.％、0.10wt.％、0.20wt.％、0.5wt.％、1.0wt.％、2.0wt.％、5.0wt.％、或由这些值中的任何所限定的范围内的值的量存在。

因此，焊丝包含具有基于铁或钢组成(例如，低碳钢组成)的芯焊丝，该组分包括Fe和以大于杂质水平的浓度的C、Mn、Si、Ni、Mo、Cr和V中的一种或多种、一种或多种导电元素或化合物、以及附加元素或化合物。本文中的芯焊丝是指具有基本上均匀的组成的实心焊丝。

参考图4B，在一些实施例中，第一、第二和第三涂层308A、308B和308C中的两个被配置为导电涂层。例如，第一和第三涂层308A和308C可以是相同或不同的导电涂层，并且可以由被布置为附加功能涂层的第二涂层308B插入。

还参考图4B，在一些其他实施例中，第一、第二和第三涂层308A、308B和308C中的两个被配置为附加功能涂层。例如，第一和第三涂层308A和308C可以是相同或不同的附加功能涂层，并且可以由被布置为导电涂层的第二涂层308B插入。

参照图3和图4A-4B，根据各种实施例，芯焊丝304可以具有1/16英寸(1.6mm)、3/32英寸(2.5mm)、1/8英寸(3.2mm)、5/32英寸(4.0mm)、3/16英寸(5.0mm)的直径，或由这些值中的任何所限定的范围内的直径，例如3.2mm。芯焊丝304可以具有250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm的长度，或由这些值中的任何所限定的范围内的长度。涂层308可以具有1-1.5mm、1.5-2.0mm、2.0-2.5mm、2.5-3.0mm的厚度，或由这些值中的任何所限定的范围内的厚度，例如1.2mm。仅作为实例，具有3.2mm的芯焊丝直径和1.2mm的涂层厚度的电极可以具有5.6mm的总直径；以及具有4.0mm的芯焊丝直径和1.35mm的涂层厚度的电极可以具有6.7mm的总直径。根据各种实施例，涂层308可以具有基于电极300的总重量10％-15％、15％-20％、20％-25％、25％-30％、30％-35％、35％-40％、或由这些值中的任何所限定的范围内的值的重量百分比。

在具体实施例中，将附加功能涂层308B形成在导电涂层308A上。当附加功能涂层308B包括熔融焊接金属表面张力改性剂时，其包括元素锑(Sb)和一种或多种Sb氧化物中的一者或两者。该一种或多种Sb氧化物可以呈四氧化二锑(Sb₂O₄)、三氧化锑(Sb₂O₃)、五氧化二锑(Sb₂O₅)、十三氧化六锑(Sb₆O₁₃)和黄锑华(Sb₃O₆(OH))中的一种或多种的形式存在。这些氧化物的亚化学计量氧化物也是可能的。

诸位发明人已经发现，出于本文所描述的各种原因，通过电化学沉积技术形成包括Sb的附加功能涂层308B是特别有利的。本文所描述的包括涂覆有两个或更多个功能涂层的实心芯焊丝的电极结构对于电沉积是特别有利的，因为下面的实心芯焊丝304或导电涂层308A可以充当相关电化学反应的有效电极。这与例如当芯由粉末形成时(例如，在金属芯电极中)在其中芯可能不连续或不充分导电的电极形成对比。

诸位发明人已经进一步发现，通过电化学沉积形成包括Sb的附加功能涂层308B可以是特别有利的，因为它可以在宏观和微观水平两者上提供对组成的高度控制。特别地，电沉积允许形成元素锑(Sb)和一种或多种Sb氧化物中的一者或两者。在一个具体实例中，作为实例，可以将包括Sb和一种或多种Sb氧化物的颗粒的附加功能涂层通过酒石酸锑的恒电流还原来沉积。使用此类电沉积技术，可以形成包括元素锑(Sb)和/或一种或多种Sb氧化物中的一者或两者的复合膜。可以控制Sb和/或Sb氧化物的相对量，使得所得Sb/Sb氧化物混合物的总组成可以具有0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、或由这些值中的任何所限定的范围内的值的Sb:O比率。

在一些实施例中，所得膜可以是元素Sb和Sb氧化物的均匀混合物。在一些其他实施例中，所得附加功能涂层308B可以包括岛、畴、晶粒或颗粒，这些岛、畴、晶粒或颗粒可以包括元素Sb和/或Sb氧化物中的任何一种或多种。作为一个实例，元素Sb和Sb氧化物的相对量，例如，元素Sb颗粒和Sb氧化物颗粒的相对量，可以通过控制电极/电解质界面处的局部pH来控制。具有涂覆有导电涂层(例如，Cu涂层)的实心芯焊丝的焊接电极的中间产物可以充当这些电化学反应中的电极。不受任何理论束缚，虽然Sb在低pH下是热力学稳定的，但在更高pH值下有利于Sb₂O₃的形成。因此，通过控制电极/电解质界面处的pH，附加功能涂层可以具有受控量的Sb颗粒和一种或多种Sb氧化物颗粒。此外，取决于电极/电解质界面处的pH的初始pH，可以控制附加功能涂层308B以具有主要或更富含元素Sb和Sb氧化物中的一种或另一种的初始成核层。使用这些和其他方法，可以将元素Sb颗粒与Sb氧化物颗粒的重量比控制为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或由这些值中的任何所限定的范围内的值。

诸位发明人已经进一步发现，通过电化学沉积形成包括Sb的附加功能涂层308B可以是特别有利的，这提供了对附加功能涂层的形貌的控制。特别地，诸位发明人已经发现用亚微米颗粒形成涂层可以是有利的，这可以在宏观和微观水平两者上提供对所得涂层的形貌的高度控制。通过控制下面的导电涂层的表面条件，例如，在实心芯焊丝上所形成的Cu涂层，可以在元素Sb和Sb氧化物的电化学沉积中控制成核密度。例如，通过提供更粗糙的下伏表面，可以获得更高密度的核，从而导致岛、畴、晶粒或颗粒的更小的平均尺寸。岛、畴、晶粒或颗粒的平均尺寸可以小于1000nm、800nm、600nm、400nm、200nm、100nm、50nm、20nm、10nm，或是由这些值中的任何所限定的范围内的值。

岛、畴、晶粒或颗粒可以具有受控的形状和平均尺寸以及尺寸分布，使得所得附加功能涂层308B具有受控的孔隙率。出于多种原因，包括物理外观、与上覆涂层的改进的粘附和下面的材料的受控暴露等，受控的孔隙率可以是有利的。例如，可以将孔隙率(定义为空体积与涂层的总体积的比率)控制为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或由这些值中的任何所限定的范围内的值。

另外，在一些实施例中，附加功能涂层308B可以是不连续的、片状的或以其他方式形成以部分地覆盖下面的实心芯焊丝304或导电涂层308A。部分覆盖在某些情况下可以是有益的，例如，有益于优化焊丝的表面摩擦和行进速度。例如，当下面的导电涂层308A诸如Cu涂层具有相当更低的摩擦时，可以期望部分地暴露导电涂层308A。可以将表面覆盖率(定义为被附加功能涂层308B覆盖的下面的材料(例如，导电涂层308A)的表面积与下面的材料的总表面积之比)控制为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或由这些值中的任何所限定的范围内的值。

诸位发明人已经发现，为了改进Sb的表面张力降低效果，同时降低Sb对所得焊接金属的机械特性具有有害影响的可能性，可以有利地配置焊丝使得受控量的Sb成为焊接金属的一部分。根据实施例，与焊接金属成为合金的焊接电极中的Sb的量可以小于焊丝中存在的Sb的总量的60％、50％、40％、30％、20％，例如焊丝中存在的Sb的总量的25％-60％。被掺入焊接金属中的相对少量的Sb可以归因于以上所描述的附加功能涂层308B的各种特征，包括元素Sb和Sb氧化物两者的存在，这可以通过电化学沉积实现。例如，通过控制元素Sb与Sb的氧化物的比率，可以挥发不同量的Sb。以下表1示出了实验制造的焊丝中Sb的实验原子％和所得焊接金属中Sb的检测原子％。如所示出的，焊丝中0.009％-0.024％的Sb导致所得焊接金属中0.004％-0.010％的Sb。

表1

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制造涂层电极的方法

图5示出了根据实施例的在芯焊丝上形成两个或更多个涂层的方法500。方法500包括提供510具有基体金属组成的芯焊丝304(图4A、4B)和调节520芯焊丝的表面以为了形成两个或更多个涂层作准备。方法500包括形成530第一涂层308A(图4A、4B)，该第一涂层包含导电涂层(包括除了铜(Cu)之外或不同于铜的一种或多种导电元素或化合物)和附加功能涂层之一。在形成530第一涂层308A之后，方法500进行到对第一涂层308A的表面进行后调节540。方法500另外包括形成550包含导电涂层和附加功能涂层中的另一个的第二涂层308B(图4A、4B)。在形成550第二涂层308B之后，方法500进行到对第二涂层308B的表面进行后调节560。

在一些实施例中，方法500任选地进行以形成540第三涂层308C(图4B)。在一些实施例中，第三涂层308C可以是包括除了铜(Cu)之外或不同于铜的一种或多种导电元素或化合物的第二导电涂层。在一些其他实施例中，第三涂层308C可以是不同于第一功能涂层的第二附加功能涂层。

如以上所描述的，电极400A(图4A)的第一和第二涂层308A、308B中的任一个或电极400B(图4B)的第一、第二和第三涂层308A、308B和308C中的任一个可以被布置为以任何顺序的导电涂层或附加功能涂层。

方法500可以在生产线中执行，该生产线包括用于提供510芯焊丝的装载站、用于调节520芯焊丝的表面调节站、拉延站、用于形成530第一涂层的第一涂覆站、用于对第一涂层的表面进行后调节540的第一后调节站、用于形成550第二涂层的第二涂覆站、用于对第二涂层的表面进行后调节560的第二后调节站、用于形成570第三涂层的第三涂覆站、以及用于对第三涂层的表面进行后调节580的第三后调节站。

提供510芯焊丝包括提供包含以上所描述的基体金属组成(例如，钢组成，诸如低碳钢组成)的芯焊丝304(图3、4A-4B)。调节520芯焊丝的表面包括在清洁站清洁芯焊丝的表面。在一个示例性实施例中，清洁站使用清洁和/或涂覆剂以清洁材料的外表面。

在清洁之后，材料移动至拉延站。拉延站包括至少一个模具。在一个示例性实施例中，拉延站包括一系列模具，其中每个模具具有比前一模具连续更小的开口。可以将润滑剂(例如，粉末润滑剂)添加至这些模具中以促进芯焊丝通过这些模具并减少这些模具上的磨损。当芯焊丝通过拉延站时，材料的直径可以通过塑性变形逐渐减小至期望尺寸。在一些实施例中，拉延工艺使用拉延皂，其可以是硬脂酸盐，例如，硬脂酸钙、硬脂酸钠等。这些皂有助于拉延工艺。在拉延步骤之后，芯焊丝可以进一步通过酸槽以进一步清洁引入的芯焊丝并为了在其上形成一个或多个涂层作准备。在清洁之后，焊丝上所期望的Ca范围将使得焊丝可以进一步用于涂覆。Ca含量可以从焊丝的0.0005wt％至1wt％变化，以形成用于进一步涂覆的优化表面。

在调节520芯焊丝的表面之后，方法500进行到形成530第一涂层308A(图4A、4B)，该第一涂层包含导电涂层(包括除了铜(Cu)之外或不同于铜的一种或多种导电元素或化合物)和附加功能涂层(例如，本文所描述的含Sb涂层)之一。

在各种实施例中，形成530第一涂层包括例如在包括所期望的涂层配方的焊丝镀槽中的湿法涂覆。湿法涂覆工艺可以经由化学/电化学或机械/物理方法进行。化学方法可以是置换反应、溶胶-凝胶薄膜方法、电镀或化学镀覆等。在机械/物理方法中，使用粘结剂将涂层粘附至焊丝表面。

在形成530第一涂层308A之后，方法500进行到对第一涂层308A的表面进行后调节540。在一些实例中，后调节540包括使用例如在线加热进行固化。在线加热通过传导、对流、辐射、或焦耳加热等实现。加热可以是电/电阻加热、感应加热、由火焰或热空气加热、激光加热、等离子体加热等。

方法500另外包括形成550包含导电涂层和附加功能涂层中的另一个的第二涂层308B(图4A、4B)。在各种实施例中，形成550第二涂层包括例如在包括所期望的涂层配方的焊丝镀槽中的湿法涂覆。湿法涂覆工艺可以经由化学/电化学或机械/物理方法进行。化学方法可以是置换反应、溶胶-凝胶薄膜方法、电镀或化学镀覆等。在机械/物理方法中，使用粘结剂将涂层粘附至焊丝表面。

当存在时，方法500包括形成(多个)附加涂层308C(图4B)，该工艺可以类似于形成530、550第一和/或第二涂层308A、308B。

应理解，在一些实施方式中，导电涂层和附加功能涂层中的一者或两者包含多个孔隙，其中这些孔隙至少部分地填充有不同于导电涂层和具有这些孔隙的附加功能涂层的材料。当存在时，具有多孔结构可以有利于改进不同层之间的粘附。

在形成550第二涂层308B之后，方法500进行到对第二涂层308B的表面进行后调节560。在一些实施例中，后调节560包括通过精整/抛光模具。当最终涂层包含金属涂层诸如Cu涂层时，抛光模具使焊丝表面平滑、去除过量的铜并使焊丝看起来均匀且有光泽等效果。模具可以是多晶金刚石模具或碳化钨模具。

图6A示出了使用常规可消耗电极所形成的焊接金属。图6B示出了使用根据实施例的具有功能涂层的可消耗电极所形成的焊接金属。图6A和6B中用于形成焊接金属的这两个可消耗电极具有相同的组成，除了这些功能涂层。特别地，图6B中所示出的焊接金属使用具有导电涂层和附加功能涂层的电极形成，该导电涂层包括一种或多种导电元素，该导电元素包括铜(Cu)，该附加功能涂层形成在导电涂层上并包括元素锑(Sb)和一种或多种Sb氧化物。如以上关于图4A所描述的，由于硅酸盐岛与焊接金属之间的接触角增加，使用根据实施例的可消耗电极所形成的焊接金属具有显著减少量的硅酸盐岛。例如，如所示出的，所覆盖的焊接金属的表面积具有

除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求中，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(including)”等应以包含性的含义来解释，而不是排他性的或详尽的；即，在“包括但不限于”的意义上。如本文通常使用的，词语“联接的”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。同样地，如本文通常使用的，词语“连接的”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应当指代本申请整体而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，上述具体实施方式中使用单数或复数的词语还可以分别包括复数或单数。词语“或”涉及两个或更多个条目的列表，该词语涵盖该词语的所有以下解释：列表中的任何条目、列表中的所有条目、以及列表中的条目的任何组合。

此外，除非另外具体地规定，或在所使用的上下文内以其他方式理解，本文使用的条件语言(除其他外，如“可以(can)”、“能够(could)”、“也许(might)”、“可能(may)”、“例如(e.g.)”、“例如(for example)”、“比如(such as)”等)一般旨在传达的是某些实施例包括某些特征、元素和/或步骤、而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件语言一般不旨在暗示：这些特征、元素和/或陈述对于一个或多个实施例来说是无论如何都需要的，或这些特征、元素和/或陈述是否被包括在任何特定实施例中或是否有待在任何特定实施例中执行。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过举例的方式呈现，并且并不旨在限制本披露范围。实际上，本文所描述的新颖装置、方法和系统可以以各种其他形式来实施；此外，在不背离本披露精神的情况下，可以对本文所述方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，虽然以给定的布置来呈现框，但是替代性实施例可以用不同的部件和/或电路拓扑来执行类似的功能，并且可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改一些框。这些框中的每一个都可以用各种不同的方式来实施。上述不同实施例的要素和作用的任何合适的组合都可以被组合以提供另外的实施例。上文所描述的各种特征和过程可以彼此独立地实施，或者可以各种方式来组合。本披露的特征的所有可能的组合和子组合旨在落入本披露的范围内。

Claims

1.一种焊接电极，其包含：

具有基于铁(Fe)的基体金属组成的实心芯焊丝；

导电涂层，其形成在该实心芯焊丝上并且除了铜(Cu)之外或者不同于铜还包括一种或多种导电元素或化合物，以及

附加功能涂层，其形成在该导电涂层上并且包括元素锑(Sb)和一种或多种Sb氧化物中的一者或两者。

2.如权利要求1所述的焊接电极，其中，相对于在相同焊接条件下从除了Sb的存在之外与该焊接电极相同的参考焊接电极所形成的参考熔滴，该焊接电极中Sb的总量有效地将由该焊接电极所形成的熔滴的表面张力降低10％或更多。

3.如权利要求2所述的焊接电极，其中，Sb的总量是该焊丝的0.0005重量％-2重量％。

4.如权利要求1所述的焊接电极，其中，该附加功能涂层包含含有该元素Sb和该一种或多种Sb氧化物的亚微米颗粒。

5.如权利要求4所述的焊接电极，其中，该亚微米颗粒包含元素Sb颗粒和Sb₂O₃颗粒。

6.如权利要求4所述的焊接电极，其中，该附加功能涂层是多孔层，其包含在相邻的这些亚微米颗粒之间所形成的多个孔。

7.如权利要求6所述的焊接电极，其中，这些孔暴露下面的这些导电涂层。

8.如权利要求2所述的焊接电极，其中，该焊接电极被配置成用于以相对于用于在使用除了Sb或一种或多种Sb氧化物的存在之外与该焊接电极相同的该参考焊接电极的相同焊接条件下形成参考焊接金属的行进速度高30％或更多的行进速度形成焊接金属。

9.如权利要求1所述的焊接电极，其中，该一种或多种导电元素或化合物选自由镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铬(Cr)、铂(Pt)、银(Ag)、石墨、石墨烯、氧化石墨烯和钛(Ti)组成的组。

10.如权利要求9所述的焊接电极，其中，该一种或多种导电元素或化合物存在于没有Cu的该导电涂层中。

11.如权利要求9所述的焊接电极，其中，除了Cu之外，该一种或多种导电元素或化合物以超过该一种或多种导电元素或化合物和Cu的合并总和的90原子％的量存在。

12.如权利要求3所述的焊接电极，其中，该焊接电极被配置成使得使用该焊接电极所形成的焊接金属在其中掺入该焊丝中存在的Sb的总量的25％-60％。

13.一种焊接电极，其包含：

具有基于铁(Fe)的基体金属组成的实心芯焊丝；以及

覆盖该实心芯焊丝的至少一部分的两个或更多个涂层，其中该两个或更多个涂层包含：

导电涂层，其形成在该实心芯焊丝上，包括除了铜(Cu)之外或者不同于铜的一种或多种导电元素或化合物，以及

附加功能涂层，其包括锑(Sb)并具有多孔结构并形成在该导电涂层上。

14.如权利要求13所述的焊接电极，其中，相对于在相同焊接条件下并且由除了Sb的存在之外与该焊丝相同的参考焊丝所形成的参考焊接金属上所形成的参考氧化物岛的接触角，存在于该焊接电极中的Sb的总量是有效地使由该焊丝所形成的焊接金属上所形成的氧化物岛的接触角增加10％或更多的量。

15.如权利要求14所述的焊接电极，其中，该焊丝中Sb的总量是0.0005重量％-2重量％。

16.如权利要求13所述的焊接电极，其中，该Sb呈元素Sb和一种或多种Sb氧化物的形式。

17.如权利要求16所述的焊接电极，其中，该附加功能涂层包含含有该元素Sb和该一种或多种Sb氧化物的亚微米颗粒。

18.如权利要求17所述的焊接电极，其中，这些亚微米颗粒包含元素Sb颗粒和Sb₂O₃颗粒。

19.如权利要求17所述的焊接电极，其中，这些亚微米颗粒部分地覆盖该导电涂层，使得该导电涂层的部分暴露在相邻的这些亚微米颗粒之间。

20.如权利要求13所述的焊接电极，其中，该Sb的总量以这样的量和形式存在于该焊接电极中：使得在由该焊丝所形成的焊接金属上所形成的二氧化硅岛的体积相对于在使用除了Sb的存在之外与该焊接电极相同的参考焊接电极在相同焊接条件下所形成的参考焊接金属上所形成的参考二氧化硅岛的体积低至少50％。

21.如权利要求13所述的焊接电极，其进一步包含在该芯焊丝与该两个或更多个涂层层之间的界面区域处的钙(Ca)，其量是该焊丝的重量的0.0005wt.％-1wt.％。