KR20230042585A - 기능성 코팅을 구비한 용접봉 - Google Patents
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Abstract
개시된 기술은 일반적으로는 용접봉에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 기능성 코팅을 구비한 소모 용접봉에 관한 것이다. 일 양태에서, 용접봉은 베이스 금속 조성을 갖는 코어 와이어와, 상기 코어 와이어의 적어도 일부분을 피복하는 2개 이상의 코팅을 포함한다. 상기 2개 이상의 코팅은 구리(Cu)에 더하여 또는 구리(Cu) 이외에 하나 이상의 전기 전도성 요소 또는 화합물을 갖는 전기 전도성 코팅을 포함한다. 상기 2개 이상의 코팅은 추가적으로, 용접봉으로부터 형성되는 용융적의 표면 장력을 바꾸도록 되어 있는 하나 이상의 추가 요소 또는 화합물을 갖는 추가 기능성 코팅을 포함한다. 다른 양태에서, 용접봉을 제조하는 방법은, 상기 베이스 금속 조성을 갖는 상기 코어 와이어를 제공하는 단계와, 상기 2개 이상의 코팅 층을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 2021년 9월 21일자로 출원되고, 명칭이 "WELDING ELECTRODE WITH FUNCTIONAL COATINGS"인 미국 가출원 제63/261,462호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
개시된 기술은 일반적으로 용접 전극, 보다 구체적으로는, 코어 와이어 상에 기능성 코팅을 갖는 소모성 용접 전극에 관한 것이다.
다양한 용접 기술은, 용접 금속의 공급원으로서의 역할을 하는 소모성 용접 전극을 이용한다. 예를 들어, 금속 아크 용접에서, 공작물을 향해서 전진하는 하나의 전극으로서의 역할을 하는 소모성 용접 전극과, 다른 전극으로서의 역할을 하는 공작물 사이에 전압이 인가될 때, 전기 아크가 생성된다. 아크는 금속 와이어의 선단부를 용융시키고, 그에 따라 공작물 상에 침착되는 용융 금속 전극의 액적(droplet)을 생성하여, 용접 금속 또는 용접 비드를 형성한다.
더 높은 제조 유연성에 대한 필요성 및 더 뛰어난 기계적 성능에 대한 필요성이 모두 요구되면서, 용접 기술에 관한 기술적 요구 및 경제성에 대한 요구가 점점 더 복잡해지고 있다. 또한, 용접 금속의 하나의 성능 매개변수를 최적화하면 다른 성능 매개변수가 손상될 수 있다. 일부 용접 기술은, 소모품을 개선함으로써, 예를 들어 소모성 용접 전극의 물리적 설계 및/또는 조성물을 개선함으로써, 이러한 상충되는 요구들을 해결하는 것을 목적으로 하고 있다. 개시된 기술은 기능성 코팅을 갖는 개선된 소모성 용접 전극의 필요성을 해결한다.
제1 양태에서, 용접 전극은 철(Fe)계 기본 금속 조성물을 갖는 솔리드 코어 와이어(solid core wire) 및 솔리드 코어 와이어 상에 형성된 전기 전도성 코팅을 포함한다. 전기 전도성 코팅은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함한다. 용접 전극은, 전기 전도성 코팅 상에 형성되고 원소 안티몬(Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 부가적인 기능성 코팅을 추가로 포함한다.
제2 양태에서, 용접 전극은 철(Fe)계 기본 금속 조성물을 갖는 솔리드 코어 와이어 및 코어 와이어 중 적어도 일부를 덮는 둘 이상의 코팅을 포함한다. 둘 이상의 코팅은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는, 솔리드 코어 와이어 상에 형성된 전기 전도성 코팅을 포함한다. 둘 이상의 코팅은, 전기 전도성 코팅 상에 형성되고 안티몬(Sb)을 포함하는 다공성 구조물을 가지는 부가적인 기능성 코팅을 추가로 포함한다.
도 1은 본원에 개시된 실시형태에 따른 소모성 전극과 함께 사용될 수 있는 아크 용접 시스템을 도시한다.
도 2는 본원에 개시된 실시형태에 따른 소모성 전극을 이용하는 용접 프로세스를 도시한다.
도 3은 실시형태에 따른 피복형 용접 소모성 전극(covered welding consumable electrode)을 도시한다.
도 4a는 실시형태에 따른, 둘 이상의 코팅을 포함하는 피복형 용접 소모성 전극을 도시한다.
도 4b는 실시형태에 따른, 셋 이상의 코팅을 포함하는 피복형 용접 소모성 전극을 도시한다.
도 5는 실시형태에 따른, 피복형 용접 소모성 전극을 제조하는 방법을 도시한다.
도 6a는 통상적인 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속을 도시한다.
도 6b는 실시형태에 따른 기능성 코팅을 갖는 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속을 도시한다.
도 2는 본원에 개시된 실시형태에 따른 소모성 전극을 이용하는 용접 프로세스를 도시한다.
도 3은 실시형태에 따른 피복형 용접 소모성 전극(covered welding consumable electrode)을 도시한다.
도 4a는 실시형태에 따른, 둘 이상의 코팅을 포함하는 피복형 용접 소모성 전극을 도시한다.
도 4b는 실시형태에 따른, 셋 이상의 코팅을 포함하는 피복형 용접 소모성 전극을 도시한다.
도 5는 실시형태에 따른, 피복형 용접 소모성 전극을 제조하는 방법을 도시한다.
도 6a는 통상적인 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속을 도시한다.
도 6b는 실시형태에 따른 기능성 코팅을 갖는 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속을 도시한다.
일부 용접 전극은 2개의 주요 구성요소(코어 와이어 또는 봉(rod) 및 커버링 또는 코팅)를 갖는다. 코어는 용접 금속의 기본 합금 원소를 포함한다. 코팅은 다양한 기능을 하는 다양한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅은, 무엇보다도 다음을 제공하는 역할을 할 수 있다: 예를 들어, 용접 금속의 차폐, 아크의 안정화, 다양한 물리적 특성을 위한 용접 금속용 합금 원소, 플럭싱을 위한 슬래그, 용접 금속의 가스 포켓 감소, 증가된 전기 전도도 또는 절연, 환경으로부터의 보호, 공급을 위한 윤활, 그리고 매력적인 외관 등.
일부 일반적인 솔리드 용접 와이어는, 와이어 및 용접 노즐의 전기 전도도 및 내식성을 향상시키고, 공급 호스 또는 용접 노즐과의 마찰 감소를 위해서, 와이어의 표면 상에 구리를 포함하는 코팅으로 코팅된다. 그러나, 용접 프로세스 중에, 구리의 일부가 바람직하지 못하게 용접부 내로 용융될 수 있다. 용접부의 구리 오염은 "구리 균열"을 유발할 수 있거나, 용접 조인트의 기계적 특성, 특히 저온에서의 충격 인성 및 연신율을 감소시킬 수 있다. 구리는 또한 구리 입자로 산화되고 공기 중으로 빠져나가며, 이를 흡입할 경우, 인간의 건강에 해롭다. 또한, 구리 코팅된 용접 와이어의 생산은 폐기 산을 생성하여 환경을 오염시킬 수 있다. 따라서, 기능적인 이점을 유지하면서도 용접 전극의 코팅으로부터 구리를 적어도 감소시키거나 제거하는 코팅된 와이어가 필요하다.
이러한 필요성 및 기타 필요성을 해결하기 위해서, 본원에 개시된 실시형태는, 기본 금속 조성물을 갖는 코어 와이어 및 코어 와이어의 적어도 일부를 덮는 둘 이상의 코팅을 포함하는 용접 전극에 관한 것이다. 둘 이상의 코팅은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅을 포함한다. 둘 이상의 코팅은, 용접 전극으로부터 형성된 용융 액적의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물(용융 용접 금속 표면 장력 개질제)을 포함하는 부가적인 기능성 코팅을 추가로 포함한다.
기능성 코팅을 갖는 전극을 이용하여 용접하기 위한 아크 용접 프로세스
아크 용접은 금속들을 접합하기 위한 여러 융합 프로세스 중 하나이다. 강한 열을 인가함으로써, 두 개 부품 사이의 조인트에 위치되는 금속이 용융되고 (직접적으로, 또는 보다 일반적으로, 중간의 용융 필러 금속과 함께) 혼합된다.
본원에 개시된 실시형태와 관련하여 사용될 수 있는 아크 용접 시스템(100)이 도 1에 도시되어 있다. AC 또는 DC 전원 및 제어부를 포함하는 전원 시스템(110)이, 작업 케이블(114)에 의해서, 용접되는 공작물(102)에 연결되어 있고, "핫(hot)" 케이블에 의해서 전극 홀더(118)에 연결되어 있으며, 이러한 전극 홀더는 용접 전극(106)과 전기적으로 접촉되어 있다. 여자된 회로(energized circuit) 및 전극 선단부가 공작물(102)과 접촉되고 회수되지만, 여전히 밀접 접촉 상태일 때, 아크가 공작물(102)과 용접 전극(106) 사이의 갭에 걸쳐 생성된다. 전기 아크는, 하나의 전극(예를 들어, DC에서 애노드(+))으로서의 역할을 하는 소모성 전극일 수 있는 용접 전극(106)과, 다른 전극(예를 들어, DC에서 캐소드(-))으로서의 역할을 하는 공작물(102) 사이에서 생성될 수 있다. 아크의 개시 후에, 중성 및 이온화된 가스 분자뿐만 아니라 아크에 의해서 증발된 금속 와이어 재료의 중성 및 대전된 클러스터 또는 액적을 포함하는, 플라즈마(108)가 유지된다. 용접 전극(106)은 공작물(102)을 향해서 전진하고, 금속 와이어의 용융 액적이 공작물 상에 침착되며, 그에 의해서 용접 비드 또는 용접 금속을 형성한다. 아크는 선단부에서 약 6500℉ 정도로 높은 온도를 생성할 수 있다. 이러한 열은 공작물(102) 및 용접 전극(106) 모두를 용융시켜, "크레이터(crater)"로 종종 지칭되는 용융 금속의 용탕(pool)을 생성한다. 전극이 조인트를 따라서 이동함에 따라, 크레이터가 전극의 뒤쪽에서 응고된다. 냉각 및 응고 시에, 야금학적 결합이 생성된다. 결합이 금속들의 혼합물이기 때문에, 최종 용접물은 공작물(102)의 부품들의 금속과 유사하거나 실질적으로 동일한 기계적 특성, 예를 들어 강도를 가질 수 있다. 이는, 기본 재료의 기계적 물리적 특성이 조인트에 위치되는 공작물(102)과 유사하지 않을 수 있는 비-융합 결합 프로세스(예를 들어, 납땜, 브레이징 등)와 특히 대비된다.
높은 온도의 금속은 공기 내의 원소(산소 및 질소)와 화학적으로 반응하는 경향이 있다. 용탕 내의 금속이 공기와 접촉될 때, 산화물 및 질화물이 형성될 수 있고, 이는 용접 조인트의 강도 및 인성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그에 따라, 일부 아크 용접 프로세스는 가스, 증기 및/또는 슬래그로 이루어진 보호 차폐부로 아크 및 용탕을 덮는 소정 수단을 제공한다. 이러한 것이 아크 차폐로 지칭된다. 이러한 차폐는 용융 금속이 공기와 접촉하는 것을 감소시키거나 최소화한다. 차폐는 또한 용접을 개선할 수 있다. 예로서, 용접 금속을 위한 탈산제를 포함할 수 있는 플럭스가 있다.
용접에서, 아크는 전극 및 기본 금속을 용융시키는 데 필요한 열을 제공할 뿐만 아니라, 특정 조건 하에서, 용융 금속을 전극의 선단부로부터 작업부까지 운반하는 수단을 또한 제공하여야 한다. 금속 전달을 위한 몇몇 메커니즘이 존재한다. 예에는, 용융 금속의 방울(drop)이 용융된 금속 용탕과 접촉되고 표면 장력에 의해서 용탕 내부로 끌어당겨지는 표면 장력 전달, 그리고 방울을 용탕으로 추진하는 전기 핀치(electric pinch)에 의해서 방울이 전극 선단부에 위치되는 용융 금속으로부터 토출되는 스프레이 아크가 포함된다.
전극(106)이 본원에 개시된 바와 같은 소모성 전극일 때, 선단부는 아크의 열로 용융되고, 용융된 액적이 탈착되고 아크 컬럼을 통해서 공작물(102)로 운반된다. 본원에 개시된 실시형태에 따른 전극이 용융되어 용접부의 일부가 되는 아크 용접은 금속-아크 용접으로 설명된다. 이는, 용융 액적이 갭에 걸쳐 그리고 작업부 상으로 강제되지 않는 탄소 또는 텅스텐(TIG) 용접과 대비된다. 필러 금속이 별도의 봉 또는 와이어로부터 조인트 내로 용융된다. 아크에 의해서 생성된 더 많은 열이 소모성 전극에 의해서 용접 용탕에 전달된다. 이는 더 높은 열 효율 및 더 좁은 열-영향 구역을 생성한다.
아크 용접은 양(DCEP) 또는 음(DCEN)의 전극을 갖는 직류(DC) 또는 교류(AC)로 수행될 수 있다. 전류 및 극성의 선택은 프로세스, 전극의 유형, 아크 대기, 및 용접되는 금속에 따라 달라진다.
소모성 전극을 이용하는 프로세스에서, 전극 또는 와이어가 용융되어 부가적인 금속을 제공하고, 이러한 부가적인 금속은 캡을 충진하여 2개의 금속 공작물을 결합시키는 용접 조인트를 형성한다. 소모성 전극을 사용하는 용접 프로세스는 차폐 금속 아크 용접(SMAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 금속 불활성 가스(MIG) 용접, 플럭스-코어드 아크 용접(FCAW), 금속 코어드 아크 용접(MCAW) 및 서브머지드 아크 용접(SAW) 등을 포함한다. 소모성 용접 전극을 이용하는 용접 프로세스는 DCEP(직류 역극성) 모드, DCEN(직류 정극성) 모드 또는 교류(AC) 모드로 실행될 수 있다. DCEP 모드에서, 직류가 사용되고, 와이어는 전원의 양의 단자에 연결되고 용접되는 공작물(들) 또는 판(들)은 음의 단자에 연결되고, DCEN 모드에서 용접할 때는 그 반대이다. AC 모드에서, 와이어 및 공작물(들) 또는 판(들)은 주파수에 따라 사이클에서 양으로부터 음으로 전환된다. 양의 전극으로서의 역할을 하는 단자는 애노드로 지칭될 수 있고, 음의 전극으로서의 역할을 하는 단자는 캐소드로 지칭될 수 있다. 이하에서, 실시형태에 따른 산화물-코팅된 용접 와이어로 구현될 수 있는 다양한 소모성 전극-기반의 용접 프로세스를 설명한다.
도 2는 본원에 개시된 실시형태와 함께 사용될 수 있는, 금속 불활성 가스(MIG) 용접 프로세스로 종종 지칭되는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 프로세스(200)를 도시한다. GMAW 프로세스는 필러 금속을 위한 연속적인 솔리드 와이어 전극(106) 및 차폐를 위한 (일반적으로 고압 실린더로부터의) 외부 공급 가스를 이용한다. 전극(106)은 연강일 수 있고, 여러 실시형태에 따른 얇은 코팅 층으로 코팅될 수 있고, 이러한 코팅 층은 전기 전도성 코팅 및 용접 전극으로부터 형성된 용융 액적의 표면 장력을 변경하도록 구성된 부가적인 기능성 코팅(용융 용접 금속 표면 장력 개질제)을 포함하는 둘 이상의 코팅을 포함할 수 있다. 아크(108)가 전극(106)과 공작물(102) 사이에서 타격할 때, 전극 및 공작물(102)의 표면 모두가 증발되어 공작물(102)의 표면으로 전달되는 금속의 용적(globule)을 형성하고, 그에 의해서 피복된 전극(106)의 금속 및 공작물(102)의 금속을 포함하는 용탕(204)을 형성한다. 용접 기계는 DC 양 극성을 위해서 셋업될 수 있다. 일반적으로 이산화탄소 또는 이산화탄소 및 아르곤의 혼합물인 차폐 가스가 용융 금속을 대기로부터 보호한다. 차폐 가스는, 용접 와이어와 함께, 건(gun) 및 케이블 조립체를 통해서 그리고 건 노즐의 외부로 유동하여 용융 용접 용탕을 차폐하고 보호한다. 용융 금속은 대기로부터의 산소, 질소, 및 수소에 대해서 매우 반응적일 수 있다(노출되는 경우). 여러 실시형태에 따라, 전술한 다양한 용접 프로세스, 예를 들어 GMAW를 위해서 구성된 용접 전극은 기본 금속 조성물을 가지는 코어 와이어 및 코어 와이어의 적어도 일부를 피복하는 둘 이상의 코팅을 포함한다. 본원에서 설명된 바와 같이, 둘 이상의 코팅은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅을 포함한다. 둘 이상의 코팅은 부가적인 기능성 코팅을 추가로 포함한다. 부가적인 기능성 코팅은 용접 전극으로부터 형성된 용융 액적의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물을 포함한다.
도 3은 여러 실시형태에 따른 용접 소모성 전극(300)을 도시한다. 전극(300)은 코어 와이어(304) 및 코팅(308)을 포함한다. 코어 와이어(304)는, 본원에서 설명된 바와 같이, 결과적인 용접 금속을 위한 합금 원소뿐만 아니라 다양한 부가적인 비-합금 기능을 제공하기 위한 코팅(308)으로 코팅된 적절한 탄소강, 예를 들어 GMAW를 위한 연강을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 코어 와이어(304) 및 코팅(308)의 화학적 원소 및 화합물은 구성 원소가 용접 금속의 합금의 일부로서 포함되는지 여부에 따라 구별될 수 있다. 이하에서, 결과적인 용접 금속에 실질적으로 통합되는 원소는 합금 원소로 지칭될 수 있는 반면, 슬래그 또는 가스 형성 또는 아크-안정화와 같은 다른 기능을 위한 역할을 하는, 결과적인 용접 금속에 실질적으로 통합되지 않는 원소는 비-합금 원소로 지칭될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 일부 다른 실시형태에 따른 피복형 용접 소모성 전극(400A 및 400B)을 각각 도시한다. 전극(400A 및 400B)은 코어 와이어(304) 및 코팅(308)을 포함하고, 전극(400A 및 400B)이 복수의 코팅을 포함한다는 것을 제외하고, 도 3에 도시된 전극(300A)과 유사한 방식으로 구성된다. 예로서, 전극(400A)은, 제1 코팅(308A) 및 제2 코팅(308B)을 포함하는 2개의 코팅(308)을 포함한다. 전극(400B)은, 제1 코팅(308A), 제2 코팅(308B), 및 제3 코팅(308C)을 포함하는 복수의 코팅(308)을 포함한다. 또한, 도시하지는 않았지만, 다른 실시형태에 따른 복수의 코팅은, 제1 코팅 내지 n번째 코팅을 포함하는, n개의 코팅을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 용접 금속은 소모성 전극의 금속뿐만 아니라 공작물의 응고된 금속을 포함할 수 있다. 용융 공작물의 통합으로 인한 용접 금속 내의 원소의 희석 또는 농축의 양이 상당히 달라질 수 있기 때문에, 달리 표시되지 않는 한, 본원에 개시된 바와 같은 용접 금속 내의 여러 원소 및 화합물의 중량%는, 공작물로부터의 희석 또는 농축이 발생되지 않는 경우에 얻어 질 수 있는 희석되지 않은 용접 금속의 중량%를 지칭한다.
도 3 그리고 도 4a 및 도 4b를 계속 참조하면, 코어 와이어(304)는 탄소강 조성물, 예를 들어 연강 조성물을 포함한다. 여러 실시형태에 따른 탄소강 조성물은 Fe, 및 불순물 레벨보다 높은 농도의 C, Cr, Ni, Mo, V, Cu, Mn 및 Si 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시형태에서, 코어 와이어(304)는 중량 기준으로 약 1.5% 내지 5%의 합금 원소 함량을 포함하는 저합금강 조성물을 포함한다. 불순물 레벨로 존재할 수 있는 부가적인 원소가 있을 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같이, 불순물 레벨은, 일반적으로 0.05% 미만일 수 있는, 의도적으로 도입되지 않았으나 그럼에도 불구하고 존재하는 원소의 중량%를 지칭한다. 코어 와이어(304)에 의도적으로 첨가되지 않았으나 그럼에도 불구하고 존재하는 불순물은 S, P, Al, Cu, N, Cr, Ni, Mo, V, Nb 및 Ti를 포함한다. 코어 와이어(304)의 중량의 나머지는 Fe일 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 계속 참조하면, 코팅(308)은 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅, 및 용접 전극으로부터 형성된 용융 액적의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물을 포함하는 부가적인 기능성 코팅을 포함한다. 본원에서 설명된 바와 같이, 전극(400A)(도 4a)의 제1 및 제2 코팅(308A, 308B) 중 어느 하나 또는 전극(400B)(도 4b)의 제1, 제2 및 제3 코팅(308A, 308B 및 308C) 중 어느 하나가, 임의의 순서로, 전기 전도성 층 또는 부가적인 기능성 층일 수 있다. 따라서, 실시형태에 따른 전기 전도성 코팅이 복수의 코팅(308)의 최내측 코팅인 전극(400A, 400B)의 제1 코팅(308A)으로 지칭될 수 있지만, 전기 전도성 코팅이 또한 전극(400A, 400B)의 제2 코팅(308B) 또는 전극(400B)의 제3 코팅(308C)일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 실시형태에 따른 부가적인 기능성 코팅이 복수의 코팅(308)의 최내측 코팅인 전극(400A, 400B)의 제1 코팅(308A)으로 지칭될 수 있지만, 부가적인 기능성 코팅이 또한 전극(400A, 400B)의 제2 코팅(308B) 또는 전극(400B)의 제3 코팅(308C)일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
전기 전도성 코팅
여러 실시형태에 따라, 제1, 제2 및 제3 코팅(308A, 308B, 308C)(도 4a 또는 4b) 중 임의의 하나는, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 백금(Pt), 은(Ag), 그라파이트, 그래핀, 그래핀 산화물 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅이다.
여러 실시형태에 따라, 전기 전도성 코팅은 실질적인 전기 전도도를 전극(400A, 400B)에 제공하는 역할을 하고, 그에 따라 용접 중에 전극(400A 및 400B)을 통과하는 전류의 상당한 양(예를 들어, >10%, >30%, >50%, >70%, >90% 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값)이 제1 코팅(308A)을 통해서 흐른다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, 용접 전극(400A, 400B)이 전기 전도 원소 또는 화합물이 없는 코어 와이어(304)에 비해서 낮은 전기 저항을 갖도록 하는 양 및 형태로 존재한다.
일부 실시형태에서, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, 전기 전도성 코팅의 일부로서의 또는 복수의 코팅(308) 중 임의의 코팅의 일부로서의 Cu가 없이, 존재한다. 즉, 일부 실시형태에서, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, 예를 들어 필요 전기 전도도를 제공하기 위해서, 코팅의 일부로서 Cu를 사용할 필요성을 제거할 수 있고, Cu는 복수의 코팅(308)으로부터 배제될 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, 전기 전도성 코팅의 일부로서의 또는 복수의 코팅(308) 중 임의의 코팅의 일부로서의 Cu에 추가로, 존재한다. 즉, 일부 실시형태에서, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, 필요 전기 전도도를 제공하기 위해서, 동일한 또는 상이한 코팅의 일부로서의 Cu를 보충할 수 있다.
하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은 통상적으로 코팅되는 전극 와이어에서 코팅의 일부로서의 구리의 필요성을 크게 감소시키거나 제거할 수 있다. 따라서, 실시형태에 따라, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, Cu가 없거나 또는 Cu에 추가로, 존재할 수 있다. Cu에 추가로 존재할 경우, 하나 이상의 전기 전도 원소는, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물 및 Cu의 조합된 합의 50 원자%, 60 원자%, 70 원자%, 80 원자%, 90 원자%, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값을 초과하는 양으로 존재한다. 감소된 Cu 함량은 용접부의 구리 균열의 부정적인 영향을 유리하게 감소시킬 수 있다.
존재할 경우, Cu는 용접 와이어의 중량의, 0.0005 중량%, 0.0010 중량%, 0.0020 중량%, 0.0050 중량%, 0.010 중량%, 0.020 중량%, 0.050 중량%, 0.10 중량%, 0.20 중량%, 0.5 중량%, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값을 초과하는 양으로 존재한다.
부가적인 기능성 코팅
여러 실시형태에 따라, 제1, 제2 및 제3 코팅(308A, 308B, 308C)(도 4a 및 도 4b) 중 어느 하나가, 후술되는 바와 같이, 용융 용접 금속 표면 장력 개질제를 포함하는 부가적인 기능성 코팅이다.
용접 금속을 형성하기 위한 이동 속력과 같은 다양한 생산성 매개변수가, 부분적으로, 용접 금속의 용융 액적의 표면 장력에 의해서 결정될 수 있다. 희망하는 용융 용접 금속 표면 장력을 제공하기 위해서, 일부 실시형태에 따라, 부가적인 기능성 코팅은 용융 용접 금속 표면 장력 개질제를 포함한다. 용융 용접 금속 표면 장력 개질제는, 용접 전극(400A, 400B)으로부터 형성된 용접 금속의 용융 액적의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물을 포함한다. 여러 실시형태에 따라, 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물은 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 갈륨(Ga), 인듐(In), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 및 폴로늄(Po)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
용융 용접 금속의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물은, 용융 액적이, 용융 용접 금속의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물을 가지지 않는 기준 전극으로부터 형성된 금속 액적보다 더 빠른 속도로, 전극으로부터 분리되도록, 용융 용접 금속 액적의 표면 장력을 변경할 수 있고, 예를 들어 감소시킬 수 있다. 액적의 크기는, 영-뒤프레(Young-Dupr
) 방정식으로 알려진 관계식에 의해서 정의되는 바와 같이, 응고된 용접 금속 또는 공작물 상에 형성된 액적의 평형 접촉각과 관련될 수 있다. 용융 용접 금속 사이의 고체-증기 계면 에너지가 γSG로, 고체-액체 계면 에너지가 γSL로, 그리고 액체-증기 계면 에너지(즉 표면 장력)가 γLG로 표시되는 경우, 평형 접촉각(θC)은 영-뒤프레 방정식에 의해서 이러한 양들로부터 결정된다:
다시 말해서, 접촉각은 접착력(액체가 고체와의 접촉을 유지하려고 하는 것)과 액체 내의 응집력(내부 응집력 및 표면 장력의 힘 모두)의 균형에 의해서 형성된다. 액체와 고체 사이의 접착력의 증가 또는 액체 내의 응집력(표면 장력)의 감소는 더 큰 습윤성 및 더 작은 접촉각을 초래할 것이다. 더 빠른 이동 속력을 위해서, 더 작은 표면 장력이 바람직할 수 있는데, 이는 액적 크기의 감소뿐만 아니라 용융 용접 금속에 의한 공작물 또는 응고된 용접 금속의 개선된 습윤성 때문이다. 예를 들어, 실시형태에 따른 전극으로부터 형성된 평균 액적 크기는, 이러한 원소의 첨가에 의해서, 30%, 40%, 50%, 60%, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값만큼 감소될 수 있다. 용접 전극으로부터 형성된 용융 액적의 표면 장력은, 표면 장력 개질 원소의 존재를 제외하고 용접 전극과 동일한 기준 용접 전극으로부터 동일 용접 조건 하에서 형성된 기준 용융 액적에 비해서 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 이상 감소된다. 평균 액적 크기 및 표면 장력이 감소될 수 있고, 그에 따라 실시형태에 따른 용접 전극을 이용하여 용접 금속을 형성하기 위한 이동 속력은, 용융 용접의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물이 없는 용접 전극을 이용하여 용접 금속을 형성하기 위한 이동 속력에 비해서, 30%, 40%, 50%, 60% 이상 더 빠를 수 있다.
본 발명자는, 용융 용접 금속의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물이, 용접 금속 상에 형성되는 슬래그 또는 잔류 산화물 또는 실리케이트 섬(silicate island)의 양을 상승적으로 그리고 동시에 감소시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 산화물 섬은 제거하기가 어려울 수 있고 용접 금속의 시각적 외관을 좋지 않게 만들 수 있다. 산화물 또는 실리케이트 섬의 상대적으로 용이한 제거는, 영-뒤프레 방정식으로 알려진 관계식에 의해서 정의되는 바와 같이, 용접 금속 상에 형성된 산화물 또는 실리케이트 섬의 평형 접촉각과 관련될 수 있다. 고체-증기 계면 에너지가 γSG로, 고체-액체 계면 에너지가 γSL로, 그리고 액체-증기 계면 에너지(즉 표면 장력)가 γLG로 표시되는 경우, 평형 접촉각(θC)은 또한 전술한 영-뒤프레 방정식에 의해서 이러한 양들로부터 결정된다. 즉, 동일한 방정식이 적용될 수 있지만, 관련 계면은, 실리케이트 섬과 그 아래의 용접 금속 사이의 계면이다.
실시형태에 따라, 용융 용접 금속의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물은, 용접 와이어로부터 형성된 용접 금속 상에 형성된 실리카 섬의 부피가, 용융 금속의 표면 장력을 변경하도록 구성된 하나 이상의 부가적인 원소 또는 화합물이 없는 코어로부터 형성된 용접 금속 상에 형성된 실리카 섬의 부피에 비해서, 적어도 30%, 40%, 50%, 60% 이상 더 작도록 하는 양 및 형태로 존재한다.
여러 실시형태에 따라, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물 및 부가적인 원소 또는 화합물의 각각은, 용접 와이어의 중량의, 0.0005 중량%, 0.0010 중량%, 0.0020 중량%, 0.0050 중량%, 0.010 중량%, 0.020 중량%, 0.050 중량%, 0.10 중량%, 0.20 중량%, 0.5 중량%, 1.0 중량%, 2.0 중량%, 5.0 중량%, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값을 초과하는 양으로 존재한다.
따라서, 용접 와이어는, Fe 및 C, Mn, Si, Ni, Mo, Cr 및 V 중 하나 이상, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물, 및 불순물 레벨을 초과하는 농도의 부가적인 원소 또는 화합물을 포함하는, Fe-계 또는 강 조성물, 예를 들어 연강 조성물을 갖는 코어 와이어를 포함한다. 코어 와이어는 본원에서 실질적으로 균질한 조성을 가지는 솔리드 와이어를 지칭한다.
도 4b를 참조하면, 일부 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3 코팅(308A, 308B, 308C) 중 2개가 전기 전도성 코팅으로 구성된다. 예를 들어, 제1 및 제3 코팅(308A 및 308C)은 동일하거나 상이한 전기 전도성 코팅일 수 있고, 부가적인 기능성 코팅으로 배치된 제2 코팅(308B)이 개재될 수 있다.
도 4b를 계속 참조하면, 일부 다른 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3 코팅(308A, 308B, 308C) 중 2개가 부가적인 기능성 코팅으로 구성된다. 예를 들어, 제1 및 제3 코팅(308A 및 308C)은 동일하거나 상이한 부가적인 기능성 코팅일 수 있고, 전기 전도성 코팅으로 배치된 제2 코팅(308B)이 개재될 수 있다.
도 3 그리고 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 여러 실시형태에 따라, 코어 와이어(304)는 1/16 인치(1.6 mm), 3/32 인치(2.5 mm), 1/8 인치(3.2 mm), 5/32 인치(4.0 mm), 3/16 인치(5.0 mm)의 직경, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 직경, 예를 들어 3.2 mm의 직경을 가질 수 있다. 코어 와이어(304)는 250 mm, 300 mm, 350 mm, 400 mm, 450 mm, 500 mm의 길이, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 길이를 가질 수 있다. 코팅(308)은 1 내지 1.5 mm, 1.5 내지 2.0 mm, 2.0 내지 2.5 mm, 2.5 내지 3.0 mm의 두께, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 두께, 예를 들어 1.2 mm의 두께를 가질 수 있다. 단지 예로서, 3.2 mm의 코어 와이어 직경 및 1.2 mm의 코팅 두께를 가지는 전극은 5.6 mm의 전체 직경을 가질 수 있고; 4.0 mm의 코어 와이어 직경 및 1.35 mm의 코팅 두께를 가지는 전극은 6.7 mm의 전체 직경을 가질 수 있다. 여러 실시형태에 따라, 코팅(308)은, 전극(300)의 총 중량을 기초로, 10 내지 15%, 15 내지 20%, 20 내지 25%, 25 내지 30%, 30 내지 35%, 35 내지 40%, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값의 중량%를 가질 수 있다.
특정 실시형태에서, 부가적인 기능성 코팅(308B)은 전기 전도성 코팅(308A) 상에 형성된다. 부가적인 기능성 코팅(308B)이 용융 용접 금속 표면 장력 개질제를 포함할 때, 이는 원소 안티몬 (Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 하나 이상의 Sb 산화물은 사산화이안티몬(Sb2O4), 삼산화안티몬(Sb2O3), 오산화안티몬(Sb2O5), 안티몬 헥시타트리디옥사이드(Sb6O13) 및 스티비코나이트(Sb3O6(OH)) 중 하나 이상의 형태로 존재할 수 있다. 이러한 산화물들의 아화학양론적 산화물이 또한 존재할 수 있다.
본 발명자는, 본원에서 설명된 다양한 이유로 전기화학적 침착 기술에 의해서 Sb를 포함하는 부가적인 기능성 코팅(308B)을 형성하는 것이 특히 유리할 수 있다는 것을 발견하였다. 둘 이상의 기능성 코팅으로 코팅된 솔리드 코어 와이어를 포함하는 본원에서 설명된 전극 구조물은 전착에서 특히 유리한데, 이는 하부 솔리드 코어 와이어(304) 또는 전기 전도성 코팅(308A)이 관련 전기화학적 반응을 위한 효과적인 전극으로서의 역할을 할 수 있기 때문이다. 이는, 예를 들어 금속-코어형 전극에서, 예를 들어 코어가 분말로 형성될 때, 코어가 불연속적일 수 있거나 비효율적으로 전기를 전달할 수 있는 전극과 대비된다.
본 발명자는 또한, 거시적 및 미시적 레벨 모두에서 조성을 높은 정도로 제어할 수 있기 때문에, Sb를 포함하는 부가적인 기능성 코팅(308B)을 전기화학적 침착에 의해서 형성하는 것이 특히 유리할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 전착은 원소 안티몬(Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물 중 하나 또는 둘 모두의 형성을 가능하게 한다. 하나의 특정 예에서, 예를 들어, 안티몬(Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물의 입자를 포함하는 부가적인 기능성 코팅이 안티모닐 타르트레이트의 정전류적 환원에 의해 침착될 수 있다. 그러한 전착 기술을 이용할 때, 원소 안티몬(Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 복합 필름이 형성될 수 있다. Sb 및/또는 Sb 산화물의 상대적인 양은, 결과적인 Sb/Sb 산화물의 혼합물의 전체 조성물이 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값의 Sb:O 비율을 갖도록, 제어될 수 있다.
일부 실시형태에서, 결과적인 필름은 원소 Sb 및 Sb 산화물의 균질한 혼합물일 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, 결과적인 부가적인 기능성 코팅(308B)은, 원소 Sb 및/또는 Sb 산화물 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있는 섬, 도메인, 그레인, 또는 입자를 포함할 수 있다. 일 예로서, 전극/전해질 계면에서 국소적 pH를 제어하는 것에 의해서, 원소 Sb 및 Sb 산화물의 상대적인 양, 예를 들어 원소 Sb 입자 및 Sb 산화물 입자의 상대적인 양이 제어될 수 있다. 전기 전도성 코팅, 예를 들어 Cu 코팅으로 코팅된 솔리드 코어 와이어를 가지는 용접 전극의 중간 제품이 이러한 전기화학적 반응에서 전극으로서의 역할을 할 수 있다. 어떠한 이론에도 구속되길 원치 않으면서, Sb가 낮은 pH에서 열역학적으로 안정적이지만, 더 높은 pH 값에서 Sb2O3의 형성이 바람직하다. 따라서, 전극/전해질 계면에서 pH를 제어함으로써, 부가적인 기능성 코팅은 제어된 양의 Sb의 입자 및 하나 이상의 Sb 산화물의 입자를 가질 수 있다. 또한, 전극/전해질 계면에서의 pH의 초기 pH에 따라, 원소 Sb 및 Sb 산화물 중 하나 또는 다른 하나에서 우세하거나 더 풍부한 초기 핵생성 층을 갖도록, 부가적인 기능성 코팅(308B)이 제어될 수 있다. 이러한 접근 방식 및 다른 접근 방식을 이용할 때, 원소 Sb 입자 대 Sb 산화물 입자의 중량비는 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값으로 제어될 수 있다.
본 발명자는, 부가적인 기능성 코팅의 형태에 대한 제어를 제공하는 전기화학적 침착 기술에 의해서 Sb를 포함하는 부가적인 기능성 코팅(308B)을 형성하는 것이 특히 유리할 수 있다는 것을 또한 발견하였다. 특히, 본 발명자는, 거시적 및 미시적 레벨 모두에서, 결과적인 코팅의 형태를 높은 정도로 제어할 수 있는, 미크론-이하의 입자를 갖는 코팅을 형성하는 것이 유리할 수 있다는 것을 발견하였다. 하부 전도성 코팅, 예를 들어 솔리드 코어 와이어 상에 형성된 Cu 코팅의 표면 조건을 제어함으로써, 원소 Sb 및 Sb 산화물의 전기화학적 침착에서 핵생성 밀도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 더 거친 하부 표면을 제공하는 것에 의해서, 더 큰 핵 밀도가 얻어질 수 있고, 그에 따라 섬, 도메인, 그레인 또는 입자의 더 작은 평균 크기를 초래할 수 있다. 섬, 도메인, 그레인 또는 입자의 평균 크기는 1000 nm, 800 nm, 600 nm, 400 nm, 200 nm, 100 nm, 50 nm, 20 nm, 10 nm 미만, 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값일 수 있다.
섬, 도메인, 그레인 또는 입자는 제어된 형상 및 평균 크기 및 크기 분포를 가질 수 있고, 그에 따라 결과적인 부가적인 기능성 코팅(308B)은 제어된 다공도를 갖는다. 제어된 다공도는, 예를 들어, 물리적 외관, 상부 코팅과의 개선된 접착, 및 하부 재료의 제어된 노출 등을 포함하는, 다양한 이유로 유리할 수 있다. 예를 들어, 코팅의 전체 부피에 대한 빈 부피의 비율로 정의되는 다공도는 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값으로 제어될 수 있다.
또한, 일부 실시형태에서, 부가적인 기능성 코팅(308B)은, 하부 솔리드 코어 와이어(304) 또는 전기 전도성 코팅(308A)을 부분적으로 덮도록, 불연속적으로, 패치형으로, 또는 다른 방식으로 형성될 수 있다. 부분적인 피복은, 예를 들어 용접 와이어의 표면 마찰 및 이동 속력을 최족화하기 위한 일부 특정 상황 하에서 유리할 수 있다. 예를 들어, Cu 코팅과 같은 하부 전기 전도성 코팅(308A)이 실질적으로 작은 마찰을 가질 때, 전기 전도성 코팅(308A)을 부분적으로 노출시키는 것이 바람직할 수 있다. 부가적인 기능성 코팅(308B)으로 덮인 하부 재료(예를 들어, 전기 전도성 코팅(308A))의 표면적 대 하부 재료의 전체 표면적의 비율로 정의되는 표면 피복 비율은 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 또는 이러한 값들 중 임의의 값에 의해서 규정되는 범위 내의 값으로 제어될 수 있다.
본 발명자는, Sb가 결과적인 용접 금속의 기계적 특성에 유해한 영향을 미칠 가능성을 줄이면서 Sb의 표면 장력-감소 효과를 개선하기 위해서, Sb의 제어된 양이 용접 금속의 일부가 되도록 용접 와이어를 구성하는 것이 유리할 수 있다는 것을 발견하였다. 실시형태에 따라, 용접 금속과 합금화되는 용접 전극 내의 Sb의 양은 용접 와이어 내에 존재하는 Sb의 총량의 60%, 50%, 40%, 30%, 20% 미만일 수 있고, 예를 들어 용접 와이어 내에 존재하는 Sb의 총량의 25 내지 60%일 수 있다. 용접 금속에 통합되는 비교적 적은 양의 Sb는, 전기화학적 침착에 의해서 가능할 수 있는 원소 Sb 및 Sb 산화물 모두의 존재를 포함하여, 전술한 부가적인 기능성 코팅(308B)의 다양한 특징에 기인할 수 있다. 예를 들어 원소 Sb 대 Sb 산화물의 비율을 제어함으로써, Sb의 가변적인 양을 휘발시킬(volatilize) 수 있다. 이하의 표 1은 실험적으로 제조된 용접 와이어 내의 Sb의 실험적 원자% 및 결과적인 용접 금속 내의 Sb의 검출된 원자%를 보여 준다. 기재된 바와 같이, 용접 와이어 내의 0.009 내지 0.024%의 Sb는 결과적인 용접 금속 내의 0.004 내지 0.010%의 Sb를 초래한다.
[표 1]
코팅된 전극의 제조 방법
도 5는 실시형태에 따라 2개 이상의 코팅을 코어 와이어 상에 형성하는 방법(500)을 도시한다. 방법(500)은 기본 금속 조성물을 갖는 코어 와이어(304)(도 4a, 도 4b)를 제공하는 단계(510), 및 둘 이상의 코팅을 형성하기 위한 준비에서 코어 와이어의 표면을 컨디셔닝하는 단계(520)를 포함한다. 방법(500)은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅, 및 부가적인 기능성 코팅 중 하나를 포함하는 제1 코팅(308A)(도 4a, 도 4b)을 형성하는 단계(530)를 포함한다. 제1 코팅(308A)을 형성하는 단계(530) 후에, 방법(500)은 제1 코팅(308A)의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(540)로 진행한다. 방법(500)은 전기 전도성 코팅 및 부가적인 기능성 코팅 중 다른 하나를 포함하는 제2 코팅(308B)(도 4a, 도 4b)을 형성하는 단계(550)를 추가로 포함한다. 제2 코팅(308B)을 형성하는 단계(550) 후에, 방법(500)은 제2 코팅(308B)의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(560)로 진행한다.
일부 실시형태에서, 방법(500)은 선택적으로 제3 코팅(308C)(도 4b)을 형성하는 단계(540)로 진행한다. 일부 실시형태에서, 제3 코팅(308C)은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도성 코팅 원소 또는 화합물을 포함하는 제2 전기 전도성 코팅일 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, 제3 코팅(308C)은 제1 기능성 코팅과 상이한 제2 부가적인 기능성 코팅일 수 있다.
전술한 바와 같이, 전극(400A)(도 4a)의 제1 및 제2 코팅(308A, 308B) 중 어느 하나 또는 전극(400B)(도 4b)의 제1, 제2 및 제3 코팅(308A, 308B 및 308C) 중 어느 하나가, 임의의 순서로, 전기 전도성 코팅 또는 부가적인 기능성 코팅으로서 배치될 수 있다.
방법(500)은, 코어 와이어를 제공하는 단계(510)를 위한 적재 스테이션, 코어 와이어를 컨디셔닝하는 단계(520)를 위한 표면 컨디셔닝 스테이션, 인발 스테이션, 제1 코팅을 형성하는 단계(530)를 위한 제1 코팅 스테이션, 제1 코팅의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(540)를 위한 제1 사후-컨디셔닝 스테이션, 제2 코팅을 형성하는 단계(550)를 위한 제2 코팅 스테이션, 제2 코팅의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(560)를 위한 제2 사후-컨디셔닝 스테이션, 제3 코팅을 형성하는 단계(570)를 위한 제3 코팅 스테이션, 제3 코팅의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(580)를 위한 제3 사후-컨디셔닝 스테이션을 포함하는 생산 라인에서 실행될 수 있다.
코어 와이어를 제공하는 단계(510)는, 전술한 기본 금속 조성물, 예를 들어 연강 조성물과 같은 강 조성물을 포함하는 코어 와이어(304)(도 3, 도 4a 및 도 4b)를 제공하는 단계를 포함한다. 코어 와이어의 표면을 컨디셔닝하는 단계(520)는 세정 스테이션에서 그 표면을 세정하는 단계를 포함한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 세정 스테이션은 재료의 외부 표면을 세정하기 위해서 세정제 및/또는 코팅제를 사용한다.
세정 단계 후에, 재료는 인발 스테이션으로 이동된다. 인발 스테이션은 적어도 하나의 다이를 포함한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 인발 스테이션은 일련의 다이를 포함하고, 각각의 다이는 연속적으로 이전 다이보다 더 작아지는 개구부를 갖는다. 윤활제(예를 들어, 분말 윤활제)를 다이에 부가하여, 다이를 통한 코어 와이어의 통과를 용이하게 하거나 다이의 마모를 줄일 수 있다. 코어 와이어가 인발 스테이션을 통과할 때, 소성 변형에 의해서 재료의 직경이 희망 치수까지 점진적으로 감소될 수 있다. 일부 실시형태에서, 인발 프로세스는, 스테아르산염, 예를 들어 칼슘 스테아르산염, 나트륨 스테아르산염 등일 수 있는 인발 소프(drawing soap)를 사용한다. 이러한 소프는 인발 프로세스를 보조한다. 인발 단계 후에, 유입 코어 와이어를 추가적으로 세정하고, 그 위에 하나 이상의 코팅을 형성하기 위한 준비를 위해서, 코어 와이어가 추가적으로 산 탱크를 통과할 수 있다. 세정 후에, 와이어 상의 희망 Ca 범위는, 와이어가 코팅을 위해서 더 사용될 수 있도록 하는 범위가 될 것이다. Ca 함량은 추가적인 코팅을 위한 최적화된 표면을 형성하기 위해서 와이어의 0.0005 중량%로부터 1 중량%까지 달라질 수 있다.
코팅(308)의 표면을 컨디셔닝하는 단계(520) 후에, 방법(500)은, 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅, 및 부가적인 기능성 코팅, 예를 들어 본원에서 설명된 Sb-함유 코팅 중 하나를 포함하는 제1 코팅(308A)(도 4a, 도 4b)을 형성하는 단계(530)로 진행한다.
여러 실시형태에서, 제1 코팅을 형성하는 단계(530)는, 예를 들어 희망 코팅 레시피(recipe)를 포함하는 와이어 도금 탱크 내에서 습식 코팅하는 단계를 포함한다. 습식 코팅 프로세스는 화학적/전기화학적 또는 기계적/물리적 프로세스를 통해서 실행될 수 있다. 화학적 프로세스는, 몇 가지 예를 나열하면, 변위 반응, 졸-겔 박막 프로세스, 전기 도금 또는 무전해 도금일 수 있다. 기계적/물리적 프로세스에서, 코팅은 결합제를 이용하여 와이어 표면에 부착된다.
제1 코팅(308A)을 형성하는 단계(530) 후에, 방법(500)은 제1 코팅(308A)의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(540)로 진행한다. 일부 예에서, 사후-컨디셔닝 단계(540)는 예를 들어 인라인 가열을 이용하여 경화하는 단계를 포함한다. 인라인 가열은 전도, 대류, 복사, 또는 주울 가열 등에 의해서 달성된다. 가열은 전기/저항 가열, 유도 가열, 불꽃 또는 고온 공기에 의한 가열, 레이저 가열, 플라즈마 가열 등일 수 있다.
방법(500)은 전기 전도성 코팅 및 부가적인 기능성 코팅 중 다른 하나를 포함하는 제2 코팅(308B)(도 4a, 도 4b)을 형성하는 단계(550)를 추가로 포함한다. 여러 실시형태에서, 제2 코팅을 형성하는 단계(550)는, 예를 들어 희망 코팅 레시피를 포함하는 와이어 도금 탱크 내에서 습식 코팅하는 단계를 포함한다. 습식 코팅 프로세스는 화학적/전기화학적 또는 기계적/물리적 프로세스를 통해서 실행될 수 있다. 화학적 프로세스는, 몇 가지 예를 나열하면, 변위 반응, 졸-겔 박막 프로세스, 전기 도금 또는 무전해 도금일 수 있다. 기계적/물리적 프로세스에서, 코팅은 결합제를 이용하여 와이어 표면에 부착된다.
존재할 경우, 방법(500)은, 제1 및/또는 제2 코팅(308A, 308B)을 형성하는 단계(530, 550)와 유사할 수 있는 부가적인 코팅(들)(308C)(도 4b)을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 전기 전도성 코팅 및 부가적인 기능성 코팅 중 하나 또는 둘 모두가 복수의 기공을 포함하고, 기공은 기공을 가지는 전기 전도성 코팅 및 부가적인 기능성 코팅과 다른 재료로 적어도 부분적으로 충진되는 것을 이해할 수 있을 것이다. 존재할 경우, 다공성 구조물을 가지는 것은 상이한 층들 사이의 접착을 개선하는 데 있어서 유리할 수 있다.
제2 코팅(308B)을 형성하는 단계(550) 후에, 방법(500)은 제2 코팅(308B)의 표면을 사후-컨디셔닝하는 단계(560)로 진행한다. 일부 실시형태에서, 사후-컨디셔닝 단계(560)는 마감/폴리싱 다이를 통과하는 단계를 포함한다. 최종 코팅이 Cu 코팅과 같은 금속 코팅을 포함할 때, 폴리싱 다이는, 여러 효과들 중에서도 특히, 와이어 표면을 매끄럽게 하고, 과다 구리를 제거하며, 와이어를 균일하고 반짝이게 보이게 한다. 다이는 다결정질 다이아몬드 다이 또는 텅스텐 탄화물 다이일 수 있다.
도 6a는 통상적인 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속을 도시한다. 도 6b는 실시형태에 따른 기능성 코팅을 갖는 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속을 도시한다. 도 6a 및 도 6b의 용접 금속을 형성하기 위해서 사용되는 2개의 소모성 전극은, 기능성 코팅을 제외하고, 동일한 조성을 갖는다. 특히, 도 6b에 도시된 용접 금속은, 구리(Cu)를 포함하는 하나 이상의 전기 전도 원소를 포함하는 전기 전도성 코팅, 및 전기 전도성 코팅 상에 형성되고 원소 안티몬(Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물을 포함하는 부가적인 기능성 코팅을 갖는 전극을 이용하여 형성되었다. 도 4a에 대해서 전술한 바와 같이, 실시형태에 따른 소모성 전극을 이용하여 형성된 용접 금속은, 실리케이트 섬과 용접 금속 사이의 증가된 접촉각으로 인해서, 크게 감소된 양의 실리케이트 섬을 갖는다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 피복된 용접 금속의 표면적은 갖는다.
문맥이 명백하게 달리 요구하지 않는 한, 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 단어 "포함한다(comprises/includes)", "포함하는(comprising/including)", 등은, 배타적이거나 완전하다는 의미에 대비되는 것으로서, 포함하는 의미로 해석되어야 하고, 즉, "포함하지만 그러한 것으로 제한하지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 일반적으로 사용된 바와 같은, 단어 "커플링된"은 직접 연결될 수 있거나 하나 이상의 중간 요소를 통해서 연결될 수 있는 둘 이상의 요소를 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은, 단어 "연결된"은 직접 연결될 수 있거나 하나 이상의 중간 요소를 통해서 연결될 수 있는 둘 이상의 요소를 지칭한다. 또한, 단어 "본원에서", "위", "아래에" 및 이와 유사한 의미를 지닌 단어는, 본원에서 사용될 때, 본원 전체를 지칭하는 것이고, 본원의 임의의 특정 부분을 지칭하지는 않는다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용하는 전술한 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용' 내의 단어는 각각 복수 또는 단수를 또한 포함할 수 있다. 둘 이상의 항목의 목록과 관련하여 단어 "또는"은, 다음 단어의 해석 모두를 포함한다: 목록 내의 임의의 항목, 목록 내의 모든 항목, 및 목록 내의 항목의 임의의 조합.
또한, 달리 구체적으로 명시되지 않거나, 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 특히, "할 수 있는"("can", "could", "might", "may", "e.g.", "예를 들어", “~와 같은” 등)과 같이 본원에서 사용된 조건부 언어는 일반적으로, 특정의 특징, 요소, 및/또는 상태를, 다른 실시형태는 포함하지 않지만, 특정 실시형태는 포함한다는 것을 전달하기 위한 것이다. 그에 따라, 그러한 조건부 언어는 일반적으로, 특징, 요소 및/또는 상태가 임의의 특별한 실시형태에 포함되거나 그러한 임의의 특별한 실시형태에서 실시되는지 여부, 또는 그러한 특징, 요소 및/또는 상태가 어떠한 방식으로든 하나 이상의 실시형태에서 요구된다는 것을 암시하기 위한 것이 아니다.
특정 실시형태가 설명되었지만, 이러한 실시형태는 단지 예로서 제시된 것이며, 본 개시 내용의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 사실상, 본원에서 설명된 신규 장치, 방법 및 시스템이 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고, 또한, 본 개시 내용의 사상으로부터 벗어나지 않고도, 본원에서 설명된 방법 및 시스템의 여러 가지 생략, 치환, 및 형태의 변화가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 블록들이 주어진 구성으로 제시되었지만, 대안적인 실시형태는 다른 구성요소 및/또는 회로 토폴로지로 유사한 기능을 수행할 수 있고, 일부 블록이 삭제, 이동, 부가, 세분화, 조합, 및/또는 수정될 수 있다. 이러한 블록의 각각은 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 전술한 여러 실시형태의 요소 및 작용의 임의의 적합한 조합을 조합하여 추가적인 실시형태를 제공할 수 있다. 전술한 여러 가지 특징 및 프로세스가 서로 독립적으로 구현될 수 있거나 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 본 개시 내용의 특징들의 모든 가능한 조합 및 하위-조합은 본 개시 내용의 범위에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (21)
- 철(Fe)계 기본 금속 조성물을 갖는 솔리드 코어 와이어;
상기 솔리드 코어 와이어 상에 형성되고 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅; 및
상기 전기 전도성 코팅 상에 형성되고 원소 안티몬(Sb) 및 하나 이상의 Sb 산화물 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 부가적인 기능성 코팅
을 포함하는 용접 전극. - 제1항에 있어서,
상기 용접 전극 내의 Sb의 총량은, 용접 전극으로부터 형성된 용융 액적의 표면 장력을, Sb의 존재를 제외하고 상기 용접 전극과 동일한 기준 용접 전극으로부터, 동일한 용접 조건에서 형성된, 기준 용융 액적에 비해서, 10% 이상 감소시키는 데 있어서 효과적인, 용접 전극. - 제2항에 있어서,
상기 Sb의 총량은 용접 와이어의 0.0005 내지 2 중량%인, 용접 전극. - 제1항에 있어서,
상기 부가적인 기능성 코팅은 원소 Sb 및 하나 이상의 Sb 산화물을 포함하는 미크론 이하의 입자를 포함하는, 용접 전극. - 제4항에 있어서,
상기 미크론 이하의 입자가 원소 Sb 입자 및 Sb2O3 입자를 포함하는, 용접 전극. - 제4항에 있어서,
상기 부가적인 기능성 코팅은, 미크론 이하의 입자들 중 인접 입자들 사이에 형성된 복수의 기공을 포함하는 다공성 층인, 용접 전극. - 제6항에 있어서,
상기 기공은 하부 전기 전도성 코팅을 노출시키는, 용접 전극. - 제2항에 있어서,
상기 용접 전극은, Sb 또는 하나 이상의 Sb 산화물의 존재를 제외하고 상기 용접 전극과 동일한 기준 용접 전극을 이용하여 동일 용접 조건 하에서 기준 용접 금속을 형성하는 이동 속력에 비해서, 30% 이상 더 빠른 이동 속력으로 용접 금속을 형성하도록 구성되는, 용접 전극. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 백금(Pt), 은(Ag), 그라파이트, 그래핀, 그래핀 산화물 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 용접 전극. - 제9항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은 Cu가 없는 전기 전도성 코팅 내에 존재하는, 용접 전극. - 제9항에 있어서,
상기 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물은, Cu에 추가로, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물 및 Cu의 조합된 합의 90 원자%를 초과하는 양으로 존재하는, 용접 전극. - 제3항에 있어서,
상기 용접 전극을 이용하여 형성된 용접 금속이 용접 와이어 내에 존재하는 Sb의 총량의 25 내지 60%를 포함하도록 상기 용접 전극이 구성되는, 용접 전극. - 철(Fe)계 기본 금속 조성물을 갖는 솔리드 코어 와이어; 및
상기 솔리드 코어 와이어의 적어도 일부를 덮는 둘 이상의 코팅으로서,
상기 솔리드 코어 와이어 상에 형성되고 구리(Cu)에 추가로 또는 구리 이외의, 하나 이상의 전기 전도 원소 또는 화합물을 포함하는 전기 전도성 코팅, 및
안티몬(Sb)을 포함하고 다공성 구조를 가지며 상기 전기 전도성 코팅 상에 형성되는 부가적인 기능성 코팅을 포함하는, 둘 이상의 코팅
을 포함하는 용접 전극. - 제13항에 있어서,
상기 용접 전극 내에 존재하는 Sb의 총량은, 상기 용접 와이어로부터 형성된 용접 금속 상에 형성된 산화물 섬의 접촉각을, 동일한 용접 조건 하에서 그리고 Sb의 존재를 제외하고 상기 용접 와이어와 동일한 기준 용접 와이어로부터 형성된 기준 용접 금속 상에 형성된 기준 산화물 섬의 접촉각에 비해서, 10% 이상 증가시키는 데 있어서 효과적인, 용접 전극. - 제14항에 있어서,
상기 용접 와이어 내의 Sb의 총량은 0.0005 내지 2 중량%인, 용접 전극. - 제13항에 있어서,
상기 Sb은 원소 Sb 및 하나 이상의 Sb 산화물의 형태인, 용접 전극. - 제16항에 있어서,
상기 부가적인 기능성 코팅은 원소 Sb 및 하나 이상의 Sb 산화물을 포함하는 미크론 이하의 입자를 포함하는, 용접 전극. - 제17항에 있어서,
상기 미크론 이하의 입자가 원소 Sb 입자 및 Sb2O3 입자를 포함하는, 용접 전극. - 제17항에 있어서,
상기 전기 전도성 코팅의 일부가 상기 미크론 이하의 입자들 중 인접 입자들 사이에서 노출되도록, 상기 미크론 이하의 입자가 상기 전기 전도성 코팅을 부분적으로 덮는, 용접 전극. - 제13항에 있어서,
상기 용접 와이어로부터 형성된 용접 금속 상에 형성된 실리카 섬의 부피가, Sb의 존재를 제외하고 상기 용접 전극과 동일한 기준 용접 전극을 이용하여 동일한 용접 조건 하에서 형성된 기준 용접 금속 상에 형성된 기준 실리카 섬의 부피에 비해서, 적어도 50%만큼 더 적어 지게 하는 양 및 형태로, Sb의 총량이 상기 용접 전극 내에 존재하는, 용접 전극. - 제13항에 있어서,
상기 코어 와이어와 상기 2개 이상의 코팅 층 사이의 계면 영역에서 상기 용접 와이어의 중량의 0.0005 내지 1 중량%의 양으로 칼슘(Ca)을 추가로 포함하는, 용접 전극.
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