MX2010014218A - Alambre de soldadura con revestimientos de perovskita. - Google Patents

Alambre de soldadura con revestimientos de perovskita.

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Abstract

Se reduce la resistencia eléctrica entre un alambre de soldadura usado para soldadura de arco y la punta de contacto de la pistola de soldar a través de la cual pasa al proporcionar en las superficies del alambre de soldadura un conductor sólido que comprende una perovskita eléctricamente conductora u otro sólido conductor en partículas, eléctricamentre conductor, térmicamente estable.

Description

ALAMBRE DE SOLDADURA CON REVESTIMIENTOS DE PEROVSKITA Antecedentes y Breve Descripción Los alambres de soldadura utilizados de manera común para GMAW (Soldadura de Arco Metálico con Gas) y SAW (Soldadura por Arco Sumergido) llevan de manera común un recubrimiento metálico de cobre (revestimiento) para reducir la fricción y la resistencia eléctrica entre el alambre de soldadura y la punta de contacto de la pistola de soldar a través de la cual pasa el alambre de soldadura. En contraste, alambres de soldadura FCAW (Soldadura con Arco con Núcleo de Fundente) llevan de modo común un lubricante de alimentación de alambre que comprende un lubricante sólido tal como MoS2, WS2, grafito y/o PTFE (Teflón) para este propósito. Un aglutinante tal como aceite vegetal, aceite mineral, aceite sintético o cera de petróleo está incluido en el lubricante de alimentación de alambre para fines de adhesión y para mejorar la capacidad de alimentación, es decir, la facilidad de extracción del alambre desde su recipiente de suministro y la alimentación del alambre a través de la punta de contacto sin enmarañamiento. Los estabilizadores de arco, que son comúnmente jabones o detergentes que contienen sodio o potasio, etcétera, también pueden ser disueltos y/o dispersados en el aglutinante. Véanse, por ejemplo, Kokai (Solicitud no Examinada de Patente Japonesa) 2004-034131, Kokai 08-257788, Kokai 2002-219595, Kokai 2002-239779, U.S. 6,337,144 y Kokai 2003-039191, las descripciones de las cuales están incorporadas aquí mediante referencia.
El objeto de la presente invención es un alambre de soldadura con las características de la reivindicación 1. Las modalidades preferidas del alambre se describen en reivindicaciones dependientes y se discuten en la descripción. Objetos adicionales de la invención son una composición de revestimiento de alambre de soldadura de la reivindicación 10 y la soldadura con arco de la reivindicación 15. De acuerdo con esta invención, la resistencia eléctrica entre un alambre de soldadura y la punta de contacto de la pistola de soldar sed reduce de modo sustancial al proporcionar sobre la superficie del alambre de soldadura un sólido conductor eléctricamente conductor, térmicamente estable en forma de partículas finas. Se considera que el resultado será la estabilidad mejorada del arco y que se incrementará la vida útil de la punta de contacto.
Por lo tanto, esta invención en sus aspectos más amplios proporciona un alambre de soldadura para uso en soldadura de arco que comprende un sustrato de alambre de soldadura y un conductor sólido en las superficies del sustrato de alambre de soldadura, el conductor sólido que comprende un sólido en partículas eléctricamente conductor, térmicamente estable. En particular el conductor sólido es una perovskita.
En una modalidad particular, esta invención proporciona un alambre de soldadura que comprende un sustrato de alambre de soldadura y un revestimiento de alambre sobre las superficies externas del sustrato de alambre de soldadura, el revestimiento de alambre que comprende un lubricante sólido, un conductor sólido que comprende un sólido en partículas eléctricamente conductor, térmicamente estable, y un aglutinante.
Además, esta invención proporciona también un revestimiento de alambre de soldadura mejorado que comprende un lubricante sólido, un conductor sólido que comprende un sólido en partículas eléctricamente conductor, térmicamente estable, y un aglutinante.
BREVE DESCRIPCI'PON DE LOS DIBUJOS Las Figuras 1A, 2A, 3A y 4A son fotomicrografías de secciones axiales de cuatro diferentes puntas de contacto de pistola para soldar usadas en ciertas pruebas de soldadura experimental conducidas de acuerdo con el siguiente Ejemplo 1 y los Ejemplos Comparativos A-C de esta especificación; Figura 1A a D: DESGASTE DE PUNTA DE CONTACTO - EJEMPLO COMPARATIVO A; Figura 2A a D: DESGASTE DE PUNTA DE CONTACTO - EJEMPLO COMPARATIVO B; Figura 3A a D: DESGASTE DE PUNTA DE CONTACTO - EJEMPLO COMPARATIVO C; Figura 4A a D: DESGASTE DE PUNTA DE CONTACTO - EJEMPLO 1; Figura 5: Gráfica de Caja: Caída de Voltaje a Partir del Contacto para el Alambre de Soldadura y Figura 6: Gráfica de Caja: Caída de Voltaje a Partir del Contacto para el Alambre de Soldadura.
Las Figuras 1B, 2B, 3B y 4B¡ 1C, 2C, 3C y 4C; y 1D, 2D, 3D y 4D son fotomicrografías de secciones transversales radiales respectivas tomadas en diferente ubicación en las cuatro puntas de contacto de pistola para soldar diferentes de estos ejemplos funcionales; La Figura 5 es una representación gráfica de los resultados obtenidos en estos ejemplos funcionales en términos de caída de voltaje y la varianza en la caída de voltaje; y La Figura 6 es una representación gráfica similar a la Figura 5, la Figura 6 que ilustra los resultados obtenidos en los Ejemplos 2 y 3 y los Ejemplos Comparativos D-G de esta especificación.
DESCRIPCIÓN DETALLADA De acuerdo con esta invención, se proporciona un sólido eléctricamente conductor, térmicamente estable en forma de partículas finas en las superficies de un alambre de soldadura usado para soldadura de arco a fin de reducir la resistencia eléctrica entre el alambre de soldadura y la punta de contacto de la pistola de soldar a través de la cual pasa el alambre de soldadura.
Sustrato de Alambre Esta invención es aplicable para cualquier tipo de alambre de soldadura previamente utilizado, o que se pueda usar en el futuro, en cualquier tipo de proceso de soldadura con arco que incluye aunque no se limita a GMAW (Soldadura de Arco Metálico con Gas), SAW (Soldadura por Arco Sumergido) y FCAW (Soldadura de Arco con Núcleo de Fundente). El alambre de soldadura hecho para GMAW y SAW de acuerdo con esta invención será, de modo más común, un alambre metálico de núcleo sólido, es decir, un alambre que comprende una masa sólida de metal de composición esencialmente uniforme, el cual está "limpio", es decir, no está recubierto con ningún tipo de lubricante, aglutinante u otro ingrediente incluido de manera común en los revestimientos convencionales de alambre de soldadura, y "sin revestir", es decir, sin revestimiento ni recubierto de otra manera con cobre o cualquier otro metal o aleación metálica ("alambre metálico desnudo"). Dichos alambres están hechos, de modo más común, a partir de acero al carbono (dulce), aunque pueden hacerse también a partir de una variedad de otros metales y aleaciones metálicas tales como aceros inoxidables que incluyen aceros inoxidables austeníticos, martensíticos, ferritico y dúplex, aleaciones CTE bajas tales como Invar and Kovar, y super-aleaciones en base a níquel tales como Inconel, etcétera. Además, también pueden ser revestidos con cobre o cualquier otro metal, si se desea, aunque generalmente esto no es necesario de acuerdo con la presente invención. De forma similar, también pueden ser revestidos con lubricantes de alimentación convencionales y otros ingredientes convencionales como ocurriría, por ejemplo, si el sustrato de alambre al cual se aplica la composición de revestimiento de alambre de la invención es un "alambre metálico desnudo" comercialmente disponible común que de modo normal lleva algún tipo de lubricante de alimentación de alambre. Por lo tanto, el objeto de la invención es un alambre de soldadura, en donde el alambre de soldadura tiene un núcleo sólido y está esencialmente libre de revestido de cobre y, de forma opcional el conductor sólido en la superficie del alambre tiene una conductividad eléctrica de por lo menos aproximadamente 50 S/cm a 800°C, y en donde el conductor sólido es una perovskita.
De manera normal, el alambre de soldadura para GMAW tendrá un diámetro de aproximadamente 1/16 de pulgada (~1.6 mm) o menos, en tanto que el alambre de soldadura para SAW tendrá un diámetro de aproximadamente 1/16 de pulgada (-1.6 mm) o menos. Es común el alambre de soldadura SAW con diámetros de por lo menos aproximadamente 2 mm, por lo menos aproximadamente 3 mm, e incluso por lo menos aproximadamente 4 mm.
Un objeto adicional de la presente invención es un alambre de soldadura, en donde el alambre de soldadura tiene un núcleo de fundente. Cuando esta invención se usa para hacer alambres de soldadura con núcleo de fundente, cualquier tipo de fundente de soldadura puede estar incluido en el núcleo del alambre. Aunque dichos alambres de soldadura con núcleo de fundente normalmente no estarán revestidos, pueden ser recubiertos con cobre o cualquier otro metal o aleación metálica, según se desee.
Lubricante Sólido y Aglutinante Aunque el conductor sólido de esta invención puede ser utilizado solo, normalmente será combinado con otros materiales aplicados de modo común a las superficies de alambre de soldadura metálico desnudo para mejorar la lubricidad, la capacidad de alimentación, la estabilidad de arco y/u otras propiedades. Asi, por ejemplo, en ciertas modalidades de esta invención el conductor sólido puede ser una parte de un revestimiento de alambre de soldadura que incluye un lubricante en partículas sólido tal como M0S2, WS2, ZnO (normalmente junto con WS2), grafito y/o PTFE (Teflón) asi como un aglutinante tal como aceite vegetal, aceite mineral, aceite sintético, cera de petróleo o similar. Para este propósito, en esta invención se puede emplear cualquier lubricante sólido que se haya utilizado previamente, o que pueda ser utilizado en el futuro, para mejorar la lubricidad entre un alambre de soldadura y el equipo a través del cual es alimentado. De modo similar, en esta invención se puede usar cualquier aglutinante que se haya utilizado de manera previa, o que se pueda usar a futuro, para promover la adhesión entre las partículas sólidas y las superficies del alambre de soldadura al cual se adhieren. Véanse los diferentes documentos de patente nacional y extranjera citados con anterioridad para una descripción extensiva de los diferentes tipos de lubricantes sólidos y aglutinantes usados de modo común para elaborar lubricantes de alimentación convencionales.
En otras modalidades de esta invención, el conductor sólido puede ser combinado con un aglutinante adecuado, como se describió con anterioridad, también sin que esté presente un lubricante sólido.
Además de los lubricantes sólidos y aglutinantes descritos con anterioridad, otros ingredientes incluidos en lubricantes de alambre de soldadura convencionales como estabilizadores de arco y similares también pueden ser incluidos en los revestimientos de revestimientos de alambre de soldadura de esta invención.
Conductor Sólido De acuerdo con esta invención, la resistencia eléctrica entre un alambre de soldadura usado para soldadura de arco y las punta de contacto de la pistola de soldar se reduce durante la soldadura al proporcionar en las superficies del alambre de soldadura un conductor sólido que comprende un sólido eléctricamente conductor, térmicamente estable en forma de partículas finas. En este contexto, "térmicamente estable" significa que el conductor sólido se mantiene sólido (por ejemplo, no se funde) y, además, esencialmente no es reactivo en el aire a 1 ,200° C, como se determinó mediante TGA (Análisis Gravimétrico Térmico) de acuerdo con ASTM E2550-07. Los conductores sólidos que son térmicamente estables a 1 ,350°C, 1 ,500°C, e incluso 1 ,600°C, son de mayor interés. A este respecto véase, por ejemplo, Shimizu et al., Wear Mechanism in Contact Tube, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 11, No. 1 , 2006, pp 94-105, que indica que el grafito oxida en las temperaturas de soldadura y por tanto no es "térmicamente estable" en el contexto de esta descripción.
Además de ser térmicamente estables, los conductores sólidos usados en esta invención también son eléctricamente conductores. En este contexto, "eléctricamente conductor" significa que el conductor sólido tiene una conductividad eléctrica, s, de por lo menos 10 S/cm (Siemens por centímetro) a 800°C, como se determinó mediante ASTM B193-02. Los conductores sólidos con conductividades eléctricas a 800°C por lo menos de aproximadamente 50 S/cm, por lo menos de aproximadamente 75 S/cm y por lo menos de aproximadamente 90 S/cm son de mayor interés. Están considerados los conductores sólidos con conductividades eléctricas at 800° C por lo menos de aproximadamente 200 S/cm, por lo menos de aproximadamente 300 S/cm, por lo menos de aproximadamente 400 S/cm, por lo menos de aproximadamente 500 S/cm, e incluso de por lo menos aproximadamente 1000 S/cm.
Como un resultado del suministro de un sólido eléctricamente conductor, térmicamente estable conductor en las superficies de un alambre de soldadura de acuerdo con esta invención, se reduce la resistencia eléctrica entre el alambre de soldadura usado y la punta de contacto de la pistola de soldar a través de la cual pasa el alambre de soldadura durante la soldadura con arco. Se considera que esto, a su vez, resulta en una reducción correspondiente en el calentamiento Joule de la punta de contacto. Esto conducirá a una reducción significativa en la velocidad de desgaste de la punta de contacto debido al calentamiento excesivo, y por tanto un incremento correspondiente en la vida útil de la punta de contacto. Esto, a su vez, es un beneficio significativo en la soldadura robótica en donde el "tiempo de paro" es muy costoso.
Cualquier material sólido que sea térmicamente estable y eléctricamente conductor, y que pueda ser proporcionado también en forma de partículas finas, puede ser utilizado como el conductor sólido de esta invención. El tamaño de partícula del conductor sólido no es crítico y, de modo esencial, se puede utilizar cualquier tamaño de partícula. Hablando de manera general, el tamaño de partícula del conductor sólido será suficientemente grande de modo que se adherirá a la superficie de sustrato del alambre con el aglutinante particular seleccionado y suficientemente grande de modo que el costo de obtención del conductor sólido no se volverá prohibitivamente elevado. En términos prácticos, esto significa que el tamaño de partícula promedio del conductor sólido normalmente será de aproximadamente 40 mieras o menos, en particular 40 mieras hasta 1 nm (nanómetro). De modo más preferible es de 40 mieras hasta 0,1 mieras. Los tamaños de partícula promedio en el orden de aproximadamente 20 mieras o menos, aproximadamente 10 mieras o menos, aproximadamente 5 mieras o menos o incluso 2 mieras o menos son de mayor interés.
Además, en tanto que cualquier sólido térmicamente estable que tiene una conductividad eléctrica, s, por lo menos de aproximadamente 10 S/cm (Siemens por centímetro) a 800°C puede ser usado como el conductor sólido de esta invención, aquellos que exhiben conductividades eléctricas, s, por lo menos de aproximadamente 25 S/cm at 800° C son de mayor interés, mientras que aquellos que exhiben conductividades eléctricas, s, por lo menos de aproximadamente 50 S/cm, por lo menos de aproximadamente 75 S/cm, o incluso de por lo menos aproximadamente 100 S/cm, a 800°C son aún de mayor interés. Están considerados sólidos térmicamente estables con conductividades eléctricas aún mayores, tales como de por lo menos aproximadamente 200 S/cm, por lo menos de aproximadamente 300 S/cm, por lo menos de aproximadamente 400 S/cm, por lo menos de aproximadamente 500 S/cm, por lo menos de aproximadamente 700 S/cm, o inclusive por lo menos de aproximadamente 1,000 S/cm, a 800°C. Véase, el Cuadro 1 a continuación que identifica sólidos térmicamente estables particulares con conductividades eléctricas en estos niveles e incluso más elevados.
Una clase de materiales sólidos que pueden ser utilizados para este propósito son las perovskitas eléctricamente conductoras. "Perovskita" se refiere a un grupo general de óxidos metálicos mezclados cristalinos cuyas fórmulas químicas básicas siguen el patrón AB03. Los cationes-A comunes en perovskitas; en particular de la fórmula ABOx, x es 2.5-3.2, de mayor preferencia x es 3; son tierras raras, tierras alcalinas, álcalis y otros cationes grandes tales como Pb + 2 y B¡ + 3, con los siguientes cationes que son más comunes en particular, en donde A es por lo menos un elemento seleccionado a partir del grupo que consta de: Na + , K+, b + , Ag + , Ca + 2, Sr + 2, Ba + 2, Pb + 2, La + 3, Pr+3, Nd + 3, Bi + 3,Ce+ 4 y Th + 4. Los cationes-B comunes en perovskitas incluyen: Li + , Cu + 2, Mg + 2, Ti + 3, V + 3, Cr + 3, Mn + 3, Fe + 3, Co + 3, Ni*3, Rh + 3, Ti+ 4, Mn+ 4, Ru+ , R+ 4, Nb+ 5, Ta+ 5, Mo+ 6 y W+ 6.
Se puede considerar la estructura cristalina de las perovskitas como un cubo primitivo, con los cationes-A grandes que ocupan la parte media del cubo, los cationes-B más pequeños que ocupan las esquinas, y los aniones de oxígeno que ocupan el centro de los bordes del cubo. La estructura es estabilizada por la coordinación 6 del catión-B (octaedro) y 12 del catión-A. Se puede considerar que el paquete de los iones de los iones A y O juntos forma una disposición empacada cerrada cúbica, en donde los iones B ocupan una cuarta parte de los orificios octaédricos.
Aunque un cubo primitivo es la estructura idealizada, las diferencias en radio entre los cationes A y B puede alterar la estructura para un número de las diferentes distorsiones, de las cuales la inclinación es la más común. Con la inclinación de la perovskita, el octaedro B06 gira a lo largo de uno o más ejes para acomodar la diferencia.
Las estructuras de perovskita complejas pueden contener dos o más cationes-A diferentes, dos o más cationes-B diferentes, o ambos. Esto resulta normalmente en variantes ordenadas y desordenadas. Dichos cristales de perovskita complejos pueden exhibir también un exceso estequiométrico o deficiencia de átomos de oxígeno, en especial cuando el cristal contiene múltiples cationes-A (o cationes-B) que tienen diferentes estados de valencia de unos a otros. Por lo tanto, las perovskitas complejas también pueden ser consideradas como correspondientes a la fórmula Ai. XA xBi.yB yOz, en donde z puede variar sobre y bajo 3 para satisfacer los estados de valencia de los otros elementos presentes. Obsérvese también que, en ocasiones, las perovskitas complejas son descritas con fórmulas tales como YiBa2Cu307.5 en la cual el subíndice de oxígeno varía alrededor de 6, en vez de 3 como en el caso de AB03. Sin embargo, esto es meramente semántico, ya que Y Ba2Cu306 es equivalente a Yo-sBa-i Cu1.503.
Para una descripción general de las perovskitas, véanse Tejuca, et al., Properties and Applications of Perovskite-ty pe Oxides, © Marcel Dekker, Inc., New York, 1993; Bhyiyan, "TOPICAL REVIEW, Solution-derived Textured Oxide Thin Films-A Review," Su-perconductivity Science Technology, Vol. 19, Institute of Physics Publishing, January 4, 2006; H. Kamimura, Theory of Copper Oxide Superconductors, 2005, Springer-Verlag , Berlín; Pena, Chemical Structures of Performance of Perovskite Oxides, Chem. Rev., 101 (7), 1981-2018, 2001 , 10.1021 /cr980129f S0009-2665(98)001129-0, Web Reléase Date: May 31, 2001; y McEvoy, Materials for High-temperature Oxygen reduction in Solid Oxide Fuel Cells, Journal of Materials Science , Vol. 36, pp 1087-1091 , 2001.
Al ser cerámicas, las perovskitas son térmicamente estables. Además, muestran conductividades eléctricas de amplia variación. Algunas son dieléctricas, es decir, eléctricamente aislantes, aunque otras conducen electricidad como los metales. Muchas son semiconductores, es decir, sólidos cuyas conductividades eléctricas normalmente están entre aquellas de un dieléctrico y un conductor aunque pueden ser controladas en un amplio rango, ya sea permanente o dinámicamente.
Las perovskitas eléctricamente conductoras son bien conocidas y usadas en un número de diferentes aplicaciones eléctricas en donde se requiere de la buena conductividad eléctrica a altas temperaturas. Por ejemplo, son ampliamente utilizadas para formar los cátodos de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Véase por ejemplo, el artículo de McEvoy mencionado con anterioridad.
Una clase interesante de perovskitas para este propósito se describe como correspondiente a la fórmula ABOx, en donde A es por lo menos uno de La, Ce, Pr, Sm, Nd, Gd y Y; B es por lo menos uno de Ga, Mg, Mn, Fe, Cr, Co, Cu, Zn y Ni; y x es 2.5-3.2; en donde A puede, de forma opcional, ser parcialmente sustituido con uno o más de Sr, Ba y Ca. En este contexto, "parcialmente sustituido" significa que hasta 50 átomo % de los átomos A pueden ser reemplazados por los sustitutos indicados, en tanto que se conserva la relación de la cantidad total de átomos A más los sustitutos para la cantidad total de átomos B. Son de interés las perovskitas de este tipo en el cual A es sustituida con por lo menos 5 átomo %, por lo menos 10 átomo %, o incluso por lo menos 15 átomo %t, de los sustitutos indicados.
Los ejemplos particulares de perovskitas eléctricamente conductoras incluyen todas aquellas perovskitas que se han descrito, o puedan ser descritas en el futuro, como es útil en la elaboración de electrodos para celdas de combustible de óxido sólido. Los ejemplos incluyen LaMn03, CaMn03, LaNi03, LaCo03, LaCr03, etcétera. Es de particular interés LaMn03 impurificado con estroncio. Otros ejemplos incluyen LaAI03, GdFe03, SrTi03, BaCe03, BaxSrLxTi03, BaZr03, BaSn03, BaZr0.35Ti0.65e3, Lai.xCax n03l LaN¡03, (Pb1Sr)T¡03l [Pb(Sco.5Nbo.5)]xTii-x03, Pb^Ca.TiOa, PbTi03, Pb(Yb, Nb)T¡03, PbZr03, Pb(ZriTi)03 y SrRu03. También es bien sabido que estos materiales pueden ser impurificados con una amplia variedad de diferentes elementos de impurificación que incluyen aunque no se limitan a, Y, Hg, TI y los elementos de lantánido (La a Yb). Véase, por ejemplo, el artículo de Bhyiyan antes citado.
Ejemplos específicos adicionales de perovskitas útiles, incluyendo sus conductividades eléctricas, se establecen en el siguiente Cuadro 1 : Cuadro 1 Perovskitas Seleccionadas que Incluyen Conductividades Eléctricas a 800°C en Siemens/Centímetro * Conductividad Eléctrica a 600°C " Conductividad Eléctrica a 700°C Además de las perovskitas, otros materiales sólidos eléctricamente conductores, térmicamente estables susceptibles a ser suministrados en forma de partículas finas pueden ser empleados como los conductores sólidos de esta invención. Los ejemplos incluyen los niquelatos de lantano como los mostrados en la Solicitud Publicada de los Estados Unidos 2007/0184324 y los materiales que exhiben la estructura de pirocloro (A2B207) tales como La2Zr207, Gd2Zr207iEu2Nb207, Gd2Nb207, Sm2Nb207, Ho2Nb207, Y3Nb07 y Yb3Nb07.
La cantidad de conductor sólido en las superficies del sustrato de alambre puede variar ampliamente y, de manera esencial, puede emplearse cualquier cantidad. En general, se utilizará suficiente conductor sólido para suministrar una notable reducción en la resistencia eléctrica entre el alambre de soldadura y la punta de contacto de la pistola de soldar a través de la cual pasa durante la soldadura aunque no demasiado de modo que se dificulte el manejo del alambre de soldadura. Por lo tanto, se pueden usar cargas de conductor sólido en el orden de 0.001 hasta 10 gms/m2 de área de superficie de alambre, o 0.01 hasta 1 gm/m2, o incluso 0.05 a 0.5 gm/m2.
En ciertas modalidades de esta invención como se indicó con anterioridad, el conductor sólido se combina con un aglutinante orgánico líquido o sólido tal como aceite vegetal, aceite mineral, aceite sintético o cera de petróleo en una cantidad adecuada para propósitos de adhesión sin que esté presente un lubricante sólido. En este caso, el revestimiento de alambre de soldadura proporcionado de esta manera puede ser considerado por contener de modo normal aproximadamente 1 hasta 50% en peso de conductor sólido, de forma más común aproximadamente 2 hasta 25% en peso de conductor sólido, aproximadamente 5 hasta 15% en peso de conductor sólido, o incluso aproximadamente 7 hasta 13% en peso de conductor sólido, en base al peso del revestimiento de alambre completo. El alambre de soldadura comprende además un aglutinante en la superficie del sustrato del alambre de soldadura, en donde en particular el aglutinante es un aceite vegetal, aceite mineral, aceite sintético, cera de petróleo o mezcla de los mismos.
En otras modalidades de esta invención como se indicó antes, el revestimiento de alambre de soldadura incluirá tanto el conductor sólido de esta invención así como un lubricante sólido como MoS2l WS2, grafito, ZnO y/o PTFE (Teflón). En estos casos, el conductor sólido de esta invención puede estar presente en una relación en peso tan baja como de 1:10 hasta una tan elevada como de 10:1, con base en el peso del lubricante sólido. Son posibles relaciones en peso relativas de 5:1 hasta 1 :5, 2:1 hasta 1:2, 1.5:1 hasta 1:1.5 e incluso aproximadamente 1 :1. De modo normal, dichos revestimientos incluirán también un aglutinante orgánico líquido o sólido tal como aceite vegetal, aceite mineral, aceite sintético o cera de petróleo en una cantidad adecuada para fines de adhesión. En este caso, se puede considerar que el revestimiento de alambre de soldadura contiene aproximadamente 1 hasta 20% en peso de lubricante sólido y aproximadamente 1 hasta 20% en peso de conductor sólido térmicamente estable, con base en el peso del revestimiento de alambre completo. Son de mayor interés aquellos revestimientos de alambre de soldadura que contienen aproximadamente 4 hasta 15 % en peso de lubricante sólido y aproximadamente 4 hasta 15 % en peso de conductor sólido térmicamente estable. Incluso son de mayor interés los revestimientos de alambre de soldadura que contienen aproximadamente 6 hasta 11% en peso de lubricante sólido y aproximadamente 6 hasta 11% en peso de conductor sólido térmicamente estable. El conductor sólido de mayor preferencia es una perovskita como se describió con anterioridad.
En general, dichas composiciones (es decir, con o sin lubricante sólido) contendrán de modo normal aproximadamente 60 hasta 98% en peso aglutinante, de forma más común aproximadamente 70 hasta 92% en peso aglutinante, e incluso aproximadamente 78 hasta 88% en peso aglutinante, con base en el peso del revestimiento de alambre completo.
Además, el objeto de la presente invención es el uso de un alambre de soldadura de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 9 para soldadura de arco un objeto.
EJEMPLOS A fin de describir de forma más completa esta invención, se condujeron los siguientes ejemplos funcionales.
En cada ejemplo, se soldó un alambre de soldadura metálico desnudo de acero dulce sólido de 0.045 de pulgadas (-1.1 mm) de diámetro en la posición 1F ("lecho-en-placa") para formar una soldadura en una placa de 0.375 de pulgada (-9.5 mm) de espesor de acero dulce granallado utilizando una máquina de soldadura automática PowerWave 455 disponible de Lincoln Electric de Cleveland, Ohio. El alambre de soldadura fue alimentado a través de la máquina a una velocidad de 450 pulgadas por minuto (-1143 cm/m¡n.), en tanto que la máquina fue operada a un voltaje constante de 31 Voltios y un amperaje de aproximadamente 340 Amperes, utilizando una saliente constante de 0.75 de pulgada (-19.1 mm).
Cada prueba de soldadura tuvo una duración de 60 segundos. Después, la punta de contacto de la pistola de soldar fue retirada de la máquina y seccionada axial y radialmente de manera que la superficie de contacto de la punta de contacto, es decir, la superficie del orificio en la punta de contacto a través de la cual pasa el alambre de soldadura, en el extremo externo de la punta de contacto podría ser inspeccionada de manera visual. Además, una de las secciones fue grabada también con un agente adecuado de modo que también se podría determinar visualmente la m icroestructura de la aleación que forma la punta de contacto en esta ubicación.
Se realizaron por lo menos cuatro, y en ocasiones cinco, operaciones para cada ejemplo, con la operación más representativa para cada Ejemplo que es seleccionada para discusión posterior: EJEMPLO COMPARATIVO A En este ejemplo, el alambre de soldadura usado fue un alambre de soldadura de acero dulce revestido con cobre convencional con un lubricante de alimentación orgánico en base a agua utilizado de manera común en alambre de soldadura revestido con cobre ("lubricante de cobre estándar" o "lubricante de cobre"). Los resultados obtenidos se muestran en las fotomicrografías de las Figuras 1A, 1B, 1C y 1D.
Como se muestra en las Figuras 1A, la cual es una sección transversal axial, se produce una cicatriz de desgaste relativamente corta de ~1 mm de longitud. Entretanto, las Figuras 1B y 1C, que son secciones radiales a través de esta cicatriz de desgaste, muestran que las cantidades de cobre adicional, las cuales se derivan presumiblemente a partir del revestimiento de cobre del alambre de soldadura, se depositan en la superficie de contacto de la punta de contacto.
Finalmente, la Figura 1D, la cual es una sección axial similar a la Figura 1B que muestra la micro-estructura de la aleación que forma la punta de contacto, ilustra una estructura de grano pequeño, esencialmente uniforme a través de la masa metálica que define la superficie de contacto. Esto indica que la temperatura de la punta de contacto, en el punto de contacto eléctrico durante la soldadura, no excedió el punto de ablandamiento de la aleación de cobre que forma la punta de contacto.
EJEMPLO COMPARATIVO B En este ejemplo, el alambre de soldadura usado fue el mismo alambre de soldadura de acero dulce utilizado en el EJEMPLO COMPARATIVO A excepto que se omitió su revestimiento de cobre. Además, este alambre de soldadura fue revestido con un lubricante de alimentación orgánico no acuoso usado de modo común en el alambre de soldadura de acero desnudo (sin revestimiento de cobre) que comprende una mezcla de aceites sintéticos comercialmente disponibles y un estabilizador de arco comercialmente disponible ("lubricante de alambre desnudo estándar" o "lubricante de alambre desnudo"). Los resultados obtenidos se muestran en las fotomicrografías de las Figuras 2A, 2B, 2C y 2D.
Como se muestra en las Figuras 2A, se produjo una cicatriz de soldadura de ~5 mm de longitud, indicando de esta manera que un se afectó un área mucho mayor de la punta de contacto que lo que ocurrió en el EJEMPLO COMPARATIVO A. Entretanto, las Figuras 2B y 2C muestran que, a través del área de esta cicatriz de soldadura, se produjo una superficie de contacto desbastada de aproximadamente 10 pm de espesor, la cual se considera que se debe no solamente a la remoción de cobre sino también a la deposición de una capa relativamente continua de acero fundido en esta área.
Finalmente, la Figura 2D muestra que se produjeron granos grandes en el metal de la punta de contacto en esta área, indicando de esta manera que la temperatura de la punta de contacto en esta ubicación excedió el punto de ablandamiento del metal.
EJEMPLO COMPARATIVO C En este ejemplo, el mismo alambre de soldadura usado en el EJEMPLO COMPARATIVO B (sin revestimiento de cobre aunque recubierto con lubricante de alambre desnudo estándar) fue revestido con una mezcla que comprende 5.0% en peso de WS2 en partículas, 1.7% en peso de ZnO en partículas y 2.5% en peso de grafito en partículas dispersado en 90.8% en peso de un aglutinante orgánico que comprende el lubricante de alambre desnudo estándar antes mencionado.
Como se muestra en la Figura 3A, se produjo una cicatriz de soldadura de ~2 mm de longitud, indicando de este modo que el área de la punta de contacto que resultó afectada fue mayor que en el EJEMPLO COMPARATIVO A aunque menor que en el EJEMPLO COMPARATIVO B. La Figura 3A muestra también que algunas pequeñas partículas de un material desconocido se depositaron en la superficie de contacto fuera de, aunque cerca de, el área de la cicatriz de desgaste. Entretanto, las Figuras 3B y 3C muestran que la superficie de contacto se mantuvieron lisas y libres de cualquier material agregado tal como la capa de acero desbastada del alambre metálico desnudo del EJEMPLO COMPARATIVO B.
Finalmente, la Figura 3D muestra algunos granos grandes que están presentes en la microestructura del metal que forma la superficie de contacto, indicando así por lo menos parte del calentamiento localizado por encima del punto de ablandamiento en estas áreas.
Ejemplo 1 En este ejemplo, el mismo alambre de soldadura usado en el EJEMPLO COMPARATIVO B (sin revestimiento de cobre aunque recubierto con lubricante de alambre desnudo estándar) fue revestido con una mezcla que comprende 8.4% en peso de WS2 en partículas y 8.4% en peso de un conductor sólido "LSM" que comprende una perovskita de la fórmula (Lao.85Sro.i5)o.98 n03 que tiene un tamaño de partícula promedio de 20 mieras y una conducti idad eléctrica a 800°C de aproximadamente 100 S/cm dispersado en 83.2% en peso de un aglutinante orgánico que comprende el lubricante de alambre desnudo estándar mencionado con anterioridad.
Como se muestra en la Figura 4A, se produjo una cicatriz de soldadura de ~5 mm de longitud, indicando así que el área de punta de contacto que resultó afectada fue casi tan grande como aquella que se presentó en el EJEMPLO COMPARATIVO B en el cual se probó un alambre metálico desnudo. Sin embargo, las Figuras 4B y 4C muestra que la superficie de contacto permaneció lisa y libre de cualquier material agregado de una manera muy similar a los Ejemplos Comparativos A y C. Además, la Figura 4D muestra que incluso menos granos grandes estuvieron presentes en la microestructura del metal que forma la superficie de contacto con relación al EJEMPLO COMPARATIVO C en el cual de utilizó un lubricante sólido convencional, indicando de este modo que la cantidad de calentamiento localizado por encima del punto de ablandamiento que se presentó en este Ejemplo fue menor que aquella que ocurrió en el EJEMPLO COMPARATIVO C.
Al comparar las Figuras 1B, 1C, 2B, 2C, 3B, 3C, 4B y 4C, se puede ver que, en términos de evitar la generación de una superficie de contacto desbastada, el alambre de soldadura de esta invención (Ejemplo 1) funciona de manera igualmente adecuada que el alambre de soldadura del EJEMPLO COMPARATIVO C (sin revestimiento/lubricante sólido + lubricante de alambre desnudo) y mejor que el alambre de soldadura del EJEMPLO COMPARATIVO B (sin revestimiento/lubricante de alambre desnudo). Además, funciona tan bien como el alambre de soldadura revestido con cobre /lubricante de cobre del EJEMPLO COMPARATIVO A. Además, mediante comparación de las Figuras 1 D, 2D, 3D y 4D, se puede ver que, en términos de evitar el daño microestructural a la superficie de la punta de contacto, el alambre de soldadura de esta invención (Ejemplo 1) esencialmente funciona tan bien como el revestimiento de cobre convencional/lubricante de cobre de EJEMPLO COMPARATIVO A y mejor que los alambres de soldadura del EJEMPLO COMPARATIVO B (sin revestimiento/lubricante de alambre desnudo) y el EJEMPLO COMPARATIVO C (sin revestimiento/lubricante sólido + lubricante de alambre sólido).
Mediciones de Resistencia Eléctrica Para demostrar adicionalmente el efecto de la presente invención, se midió la caída de voltaje entre el alambre de soldadura y la punta de contacto durante cada operación de prueba de soldadura de 60 segundos de los ejemplos funcionales anteriores y se registró a una velocidad de recolección de datos de 600 Hz. Es decir, para cada operación de prueba de cada ejemplo, se midió y registró automáticamente la caída de voltaje por medio de la computadora 600 veces por segundo, produciendo de este modo 36,000 puntos de datos por operación de prueba de 60 segundos. Entones, se combinaron todos los puntos de datos para las cuatro o cinco operaciones de prueba de cada Ejemplo para proporcionar todos los puntos de datos para cada ejemplo, es decir, 146,000 o 180,000 puntos de datos por Ejemplo dependiendo de si se efectuaron cuatro o cinco operaciones de prueba para ese ejemplo. Los datos fueron analizados después para determinar la caída de voltaje media, las caídas de voltaje en los percentiles 25to y 75to y la varianza entre los percentiles 25to y 75to. Además, los puntos de datos estadísticamente insignificantes fueron identificados en niveles de voltaje superiores a 150% del nivel percentil 75to y menos del 66.7% del nivel percentil 25to. Se calculó también la generación de calor Joule para cada Ejemplo funcional de acuerdo con la fórmula: P = I x V, en donde P = Calor Joule generado, en Watts, I = Corriente, en Amperes, y V = Voltaje, en Voltios Los resultados son reportados en el siguiente Cuadro 2 y se presentan visualmente en la Figura 5: Cuadro 2 Caída de Voltaje a Partir de Alambre de Soldadura para Punta Contacto A partir del Cuadro 2 y de la Figura 5 se puede ver que, en términos de caída de voltaje media y calor generado, el alambre de soldadura de la invención del Ejemplo 1 tuvo un desempeño tan bueno como o mejor que el alambre de soldadura revestido con cobre/lubricante de cobre del EJEMPLO COMPARATIVO A y significativamente mejor que los alambres de soldadura del EJEMPLO COMPARATIVO B (sin revestimiento/lubricante de alambre desnudo) y el EJEMPLO COMPARATIVO C (sin revestimiento/lubricante sólido + lubricante de alambre desnudo). Esto sugiere que el alambre de soldadura de la invención por lo menos tendrá un desempeño tan bueno como el alambre de soldadura revestido con cobre/lubricante de cobre convencional, y significativamente mejor que el alambre revestido con lubricante sólido convencional, en términos de evitar el DESGASTE DE PUNTA DE CONTACTO a través de calentamiento Joule excesivo y por tanto vida útil mejorada de la punta de contacto.
El Cuadro 2 y la Figura 5 muestran también que la varianza entre los niveles de voltaje percentil 25to y 75to generados cuando se usó el alambre de soldadura de la invención fue por lo menos tan buena como aquella del alambre de soldadura revestido con cobre/lubricante de cobre convencional del EJEMPLO COMPARATIVO A y significativamente mejor que los valores correspondientes para los alambres de soldadura convencionales del EJEMPLO COMPARATIVO B (sin revestimiento/lubricante de alambre desnudo) y del EJEMPLO COMPARATIVO C (sin revestimiento/lubricante sólido + lubricante de alambre desnudo). Ya que el tamaño del arco creado durante la soldadura de arco es directamente proporcional al voltaje aplicado neto, esta varianza relativamente pequeña en los niveles de voltaje generados por el alambre de soldadura de la invención sugiere que se desempeñará por lo menos tan bien como el revestimiento de cobre/lubricante de cobre convencional del EJEMPLO COMPARATIVO A y mejor que el alambre de soldadura del EJEMPLO COMPARATIVO C (sin revestimiento/lubricante sólido + lubricante de alambre desnudo) en términos de estabilidad de arco.
Por lo tanto, los datos de resistencia eléctrica determinados de manera analítica inmediatamente antes descritos, cuando se consideran en combinación con la evidencia visual de la reducción de desgaste descrita con anterioridad en relación con el Ejemplo 1 y los Ejemplos Comparativos A-C, demuestra que el alambre de soldadura de la invención se desempeña por lo menos tan bien como un alambre de soldadura revestido con cobre/lubricante de cobre convencional, y significativamente mejor que el alambre revestido con lubricante sólido convencional, en términos de reducir la generación de calor Joule en la punta de contacto, evitando el daño físico y microestructural a la punta de contacto, y manteniendo la estabilidad de arco. Esto, a su vez, sugiere que el alambre de soldadura de la invención exhibirá una vida útil tan buena como aquella del alambre de soldadura revestido con cobre convencional y significativamente mejor que aquella del alambre de soldadura revestido con lubricantes de alimentación sólidos convencionales.
Ejemplo 2 y 3 y Ejemplos Comparativos D a G.
A fin de mostrar que los resultados mejorados proporcionados por esta invención son independientes del aglutinante orgánico particular utilizado, se repitieron el Ejemplo 1 y EJEMPLO COMPARATIVO B en una serie de experimentos, algunos utilizando como el aglutinante orgánico el mismo lubricante de alambre desnudo estándar utilizado en el Ejemplo 1 y el EJEMPLO COMPARATIVO B anteriores y otros utilizando un lubricante de alambre desnudo diferente como el aglutinante orgánico, en particular Mobil Velocite Oil No. 10 disponible de Exxon Mobile Corporation de Fairfax, Virginia, el cual es un producto no acuoso que se considera es un aceite base severamente refinado que contiene aditivos mejoradores de estabilidad. Además, se efectuaron también los siguientes cambios adicionales: la soldadura se efectuó a aproximadamente 250 Amperes a lo largo de una trayectoria de alimentación de 15 pies con un giro de 180° a mitad de la distancia en lugar de 340 Amperes a lo largo de una trayectoria de alimentación recta de 6-8 pies, la soldadura se efectuó durante 300 segundos a 350 rpm y 31.7V, los datos fueron recolectados a 750 Hz, se omitió el lubricante de alimentación orgánico que recubre entre el sustrato de alambre desnudo y el revestimiento de alambre de soldadura de esta invención, el conductor sólido de perovskita LSM utilizado se obtuvo a partir de una fuente diferente y tuvo un tamaño de partícula de ~2µ en lugar de ~20µ, y los revestimientos de alambre de soldadura de esta invención se hicieron a partir de 1 gm de conductor sólido de perovskita LSM dispersado en 10 mililitros del aglutinante orgánico que se prueba.
Entretanto, a fin de demostrar la capacidad de repetición de estas pruebas, se condujeron dos experimentos de control de otro modo idénticos en días diferentes utilizando alambres revestidos con cobre idénticos a aquellos usados en el EJEMPLO COMPARATIVO A anterior (revestimiento de cobre /lubricante de cobre) soldados bajo las mismas condiciones que se emplearon en esta serie de pruebas.
Como en el caso del Ejemplo 1 y el EJEMPLO COMPARATIVO B, la caída de voltaje entre el alambre de soldadura y la punta de contacto durante cada operación de prueba de soldadura fue medida, registrada y analizada para determinar la caída de voltaje media, las caídas de voltaje en los percentiles 25to y 75to, la varianza entre los percentiles 25to y 75to, y la generación de calor Joule. Los resultados obtenidos son reportados en los siguientes Cuadros 3-5 y presentados visualmente en la Figura 6. En estos cuados, "Lubricante 1" se refiere al lubricante de alambre desnudo estándar usado como el aglutinante orgánico en el Ejemplo 1 y los Ejemplos Comparativos A y B anteriores, en tanto que "Lubricante 2" se refiere al Aceite Mobil Velocite No. 10.
Cuadro 3 de Voltaje a Partir del Alambre de Soldadura para Punta de Contacto Cuadro 4 Corriente de Soldadura Cuadro 5 A partir de los Cuadros 3-5 y la Figura 6 se puede ver que los resultados obtenidos a partir de los dos experimentos de control, los Ejemplos Comparativos D y E, aunque muy similares, no son idénticos. Por tanto, la varianza entre estos dos ejemplos indica el grado de error experimental inherente en estas pruebas.
Ahora, mediante comparación de los resultados obtenidos por los Ejemplos 2 y 3 como se reportó en los Cuadros 3-5 y como se presenta visualmente en la Figura 6, se puede ver que estos resultados son virtualmente idénticos ya que la varianza entre estos resultados está dentro del error experimental indicado por los Ejemplos Comparativos D y E. Por ejemplo, la diferencia entre el calentamiento de resistencia medio producido en los Ejemplos 2 y 3 (37.1-35.6 = 1.5 Watt) es menor que la diferencia entre el calentamiento de resistencia medio producido en los Ejemplos Comparativos D y E (45.5-43.1 = 2.4 Watt). Esto indica que, en lo que se refiere a la generación de calor, los resultados obtenidos a partir de los Ejemplos 2 y 3 están dentro del error experimental de estas pruebas, y por tanto son idénticos.
Por otra parte, la varianza entre los niveles de voltaje de percentil 25to y 75to generados cuando se utilizó el Lubricante 2 (Mobil Velocite Oil No. 10) fue ligeramente mejor que la varianza de voltaje obtenida cuando se empleó el Lubricante 1 (lubricante de alambre desnudo estándar usado en el Ejemplo 1 anterior). Estos resultados muestran que el Lubricante 2 (Mobil Velocite Oil No. 10) es al menos tan bueno como el Lubricante 1 (lubricante de alambre desnudo estándar usado en el Ejemplo 1 anterior) en términos de los resultados ventajosos obtenidos por esta invención.
Aunque solamente se han descrito con anterioridad algunas modalidades de esta invención, se apreciará que se pueden hacer varias modificaciones sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. Todas esas modificaciones están destinadas a ser incluidas dentro del alcance de la presente invención, el cual sólo está limitado por las siguientes reivindicaciones:

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Alambre de soldadura para uso en soldadura de arco que comprende un sustrato del alambre de soldadura y un conductor sólido en las superficies del sustrato del alambre de soldadura, el conductor sólido que comprende un sólido en partículas eléctricamente conductor, térmicamente estable.
2. El alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conductor sólido tiene una conductividad eléctrica por lo menos de aproximadamente 50 S/cm a 800°C.
3. El alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el conductor sólido es una perovskita.
4. El alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la perovskita corresponde a la fórmula ABOx, en donde 1. ) A es por lo menos un elemento seleccionado a partir de tierra rara, tierra alcalina, álcali, Pb + 2 y Bi + 3, y B es por lo menos un elemento seleccionado a partir de Li*, Cu + 2, Mg + 2, TV3, V+3, Cr+3, Mn + 3, Fe + 3, Co + 3, Ni + 3, Rh + 3, Ti + 4, Mn + 4, Ru + 4, Pt + \ Nb + 5, Ta*5, Mo + 6 y W + 6; o 2. ) A es por lo menos uno de la, Ce, Pr, Sm, Nd, Gd y Y, B es por lo menos uno de Ga, Mg, Mn, Fei Cr, Co, Cu, Zn y Ni, x es 2.5-3.2, en donde A es, de manera opcional, parcialmente sustituido con uno o más de Sr, Ba y Ca.
5. El alambre de soldadura de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un aglutinante en las superficies del sustrato del alambre de soldadura.
6. El alambre de soldadura de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende un sustrato del alambre de soldadura y una composición de revestimiento de alambre de soldadura en las superficies externas del sustrato del alambre de soldadura, la composición de revestimiento de alambre de soldadura que comprende un lubricante sólido, un sólido eléctricamente conductor, térmicamente estable conductor en forma de partículas, y un aglutinante.
7. El alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la composición de revestimiento de alambre de soldadura comprende 1 a 20% en peso de lubricante sólido y 1 a 20% en peso de conductor sólido térmicamente estable.
8. El alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 6 a 7, caracterizado porque el lubricante sólido es por lo menos uno de MoS2, WS2, ZnO, grafito y PTFE (Teflón).
9. El alambre de soldadura de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el conductor sólido tiene un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 20 mieras o menos.
10. Una composición de revestimiento de alambre de soldadura que comprende un lubricante sólido, un sólido eléctricamente conductor, térmicamente estable conductor en partículas sólidas, y un aglutinante.
11. La composición de revestimiento de alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, que comprende 1 a 20% en peso de lubricante sólido y 1 a 20% en peso conductor de sólido térmicamente estable.
12. La composición de revestimiento de alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 10 u 11 , caracterizada porque el lubricante sólido es por lo menos uno de MoS2, WS2, ZnO, grafito y PTFE (Teflón).
13. La composición de revestimiento de alambre de soldadura de conformidad con la reivindicación 10 u 11 , caracterizada porque el conductor sólido tiene una conductividad eléctrica por lo menos de aproximadamente 50 S/cm a 800°C.
14. La composición de revestimiento de alambre de soldadura de conformidad con una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizada porque el conductor sólido es una perovskita.
15. Soldadura de arco de un objeto utilizando el alambre de soldadura de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 9.
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