铝基焊接电极的制作方法

铝基焊接电极
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年9月22日提交的标题为“aluminum-based welding electrodes[铝基焊接电极]”的美国临时专利申请号63/081,623，和于2020年10月13日提交的标题为“铝基焊接电极”的美国临时专利申请号63/090,867，以及于2021年9月2日提交的标题为“铝基焊接电极”的美国非临时专利申请号17/446,778的优先权权益，这些申请的内容通过援引以其全文并入本文。背景领域
[0002]
所披露的技术总体上涉及焊接，并且更具体地涉及铝基可消耗电极和使用其的焊接方法。相关技术的说明
[0003]
铝及其合金的工程用途继续增加，是因为这种独特材料具有各种有利特性。铝及其合金的有利特征包括重量轻、相对广泛的可调强度特性、极好的抗腐蚀性、导热率、反射率以及广泛可获得的形状和组合物 (仅举数例)。由于这些和其他特性，铝可以在从航空航天至热交换器、拖车制造以及最近的汽车车身面板和框架的许多应用中都是极好的选择。然而，焊接铝可能会带来独特的挑战，包括抑制焊接缺陷和改善焊接金属的性能。概述
[0004]
在一个方面，可消耗的焊接电极包括基底金属组合物和抑制污迹的金属，该基底金属组合物包含镁(mg)和按重量计至少70％的铝 (al)。在1600k或更高温度的平衡条件下，通过氧化抑制污迹的金属形成抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo)比通过氧化mg形成mgo 的δgo更负，使得抑制污迹的金属被配置为在由可消耗焊接电极形成的焊接金属表面上形成在热力学上比mgo更有利的抑制污迹的氧化物。抑制污迹的金属以按可消耗的焊接电极的重量计0.05％-0.50％的量存在。
[0005]
在另一个方面，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物和抑制污迹的金属，该基底金属组合物包含镁(mg)和按重量计至少70％的铝 (al)。该抑制污迹的金属选自由以下组成的组：钙(ca)、锶(sr)、钪 (sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱 (yb)、钬(ho)、铒(er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)、钆(gd)或其组合。抑制污迹的金属以化合物形式存在，该化合物形式选自氧化物、卤化物、氢氧化物、硫化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氮化物、亚硝酸盐、氮化物、碳化物、硼化物、铝化物、碲化物或其组合。
[0006]
在另一个方面，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物和抑制污迹的金属，该基底金属组合物包含镁(mg)和按重量计至少70％的铝 (al)。在1600k或更高温度的平衡条件下，通过氧化抑制污迹的金属形成抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo)比通过氧化mg形成mgo 的δgo更负，使得抑制污迹的金属被配置为在由可消耗焊接电极形成的焊接金属表面上形成在热力学上比mgo更有利的抑制污迹的氧化物。抑制污迹的金属以一定量存在，该量使得在形成焊接金属时，在该焊接金属上形成包含mgo的污迹层，其中该可消耗的
焊接电极被配置为抑制污迹层的形成，使得mgo层中mg的量为按该可消耗的焊接电极中mg的量的重量计小于10％。
[0007]
在另一个方面，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物和选自由以下组成的组的抑制污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍 (be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)、钆(gd)或其组合，该基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝。抑制污迹的金属以按重量计大于0.01％的量存在。
[0008]
在另一个方面，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物，该基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝，并且被布置成使得使用不含抑制污迹的金属的基底金属组合物形成焊接金属导致在其表面上形成污迹，这些污迹包括具有黑色、棕色或灰色的沉积层，该沉积层可在视觉上与成形的焊接金属的光反射体区分开来。可消耗的焊接电极另外包含选自由以下组成的组的抑制的污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱(yb)、钬 (ho)、铒(er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)、钆(gd)或其组合。抑制污迹的金属的存在形式和量使得使用可消耗的焊接电极形成的焊接金属相对于使用不含抑制污迹的金属的基底金属组合物形成的焊缝有更少量的在其上形成的污迹。
[0009]
在另一个方面，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物和选自由以下组成的组的抑制污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍 (be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱(yb)、钬 (ho)、铒(er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)、钆(gd)或其组合，该基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝。抑制污迹的金属被排列且以一定的量存在，该量使得具有黑色、棕色或灰色的沉积层相对于在相同焊接条件下，并且使用具有与可消耗的焊接电极(除了不含抑制污迹的金属)相同的尺寸和化学元素量的参考可消耗的焊接电极形成的焊接金属减少了按重量计至少10％，该沉积层可在视觉上与使用可消耗的焊接电极形成的焊接金属的光反射体区分开来。
附图说明
[0010]
图1a是使用常规的铝基焊丝生产的焊接金属的示例的照片。
[0011]
图1b是示出不完全熔合的焊接金属的截面图像。
[0012]
图2是铝保护金属电弧焊工艺的示意图。
[0013]
图3a是两个假想氧化反应的标准生成自由能变化(δgo)随温度变化的示意图。
[0014]
图3b是图3b所示的两个假想氧化反应的组合反应的标准生成自由能变化(δgo)随温度变化的示意图。
[0015]
图4a是根据实施例的实心焊丝的示意图，该实心焊丝具有在其中合金化以抑制污迹形成的抑制污迹的金属。
[0016]
图4b是根据实施例的固体焊丝的示意图，该固体焊丝具有混合在其中以抑制污迹形成的抑制污迹的金属化合物。
[0017]
图4c是根据实施例的经涂覆的实心焊丝的示意图，该焊丝被配置为抑制污迹形成。
[0018]
图4d是根据实施例的带芯焊丝的示意图，该带芯焊丝被配置为抑制污迹的形成。
[0019]
图5是展示了根据实施例的在铝焊接过程中减少污迹形成的方法的流程图。
[0020]
图6展示了根据实施例的气体保护金属电弧焊(gmaw)系统，该系统适于使用被配置为抑制污迹形成的焊丝的焊接铝。
具体实施方式
[0021]
铝的重量约为钢的三分之一。一立方英寸铝的重量为0.098 lbs./in3，而一立方英寸钢的重量为0.283lbs./in3。铝具有宽范围的强度特性，从13,000psi的纯铝的拉伸强度到90,000psi的最强热处理铝合金的拉伸强度变化。铝在许多环境中提供优异的抗腐蚀性。在铝表面形成的薄耐高温氧化物提供了保护屏障。铝的导热性是钢的五倍。铝会反射辐射热，并且铝的表面加工经常利用这一特征。由于铝的这些和其他有利特性，铝的工程应用在数量和复杂性上不断增加。相应地，焊接铝的挑战不断增加，包括抑制焊接缺陷和改善焊接金属的特性。一般来说，由于各种原因，认为铝具有比钢相对较低的可焊性，这些原因包括铝对大气气体的亲和性更高、热膨胀系数更高、导热性和导电性更高、刚性更低以及凝固温度范围更高等。铝合金的这些特征通常可能使得焊接铝更容易在焊接金属中形成缺陷。
[0022]
铝焊接的挑战之一是减少焊接金属上不希望的沉积物，即污迹。污迹是指可以在铝基焊接金属上或附近形成的浅灰色至黑色的材料层。图1a是使用常规的al基焊丝生产的示例焊接金属的图像。在所展示的焊接金属12中，焊接金属12本身总体上是亮的且有光泽，焊接金属本身没有灰色或黑色涂层。该图像还示出了在焊接金属12的任一侧上的约 1/16至1/8英寸宽的有光泽的清洁条纹14。清洁条纹14表示污迹已被去除的区域。该图像还示出了在清洁条纹14外边缘处的污迹16的线。污迹 16可能出现在起点、终点和拐角处。虽然所展示的污迹16是典型的，但在某些情况下，焊接金属本身的大部分可能被污迹覆盖。污迹可以是黑色、棕色或灰色，并且可以基本上不均匀地覆盖焊接金属的表面。
[0023]
由于各种原因，污迹的形成是不希望的。污迹的形成也可能伴随或导致焊接金属中的各种缺陷。图1b是焊接金属的示例金相截面图像，其示出了由箭头指示的这些缺陷之一，被称为未熔合(lof)缺陷。除了其他原因之外，焊接金属中的lof缺陷可能是由焊接在污迹上而没有充分的焊层间清洁造成的。除了会损害焊接金属的性能或导致其失效的此类缺陷之外，污迹还降低了焊接的视觉吸引力。此外，去除污迹需要进行焊层间清洁，这会导致生产率降低。此外，由于污迹包含含有al和mg 的焊丝合金元素的氧化物，因此污迹的形成导致这些元素损失到污迹中并且无法恢复。此外，可以使用钢丝刷手动地或使用电动方法去除污迹，这两种方法都很耗时且困难。由于这些和其他原因，需要减少或最小化在铝焊接过程中污迹的形成。使用铝基焊丝的电弧焊
[0024]
图2是根据实施例的金属电弧焊工艺中al基焊丝或电极的配置示意图。根据实施例，可以将al基焊丝6配置成抑制污迹形成。在展示的金属电弧焊中，例如气体-金属电弧焊(gmaw)中，在与一个电极4 (例如，阳极( ))电连接的可消耗的al基焊丝6与充当另一电极(例如，阴极(-))的工件2之间产生电弧。此后，维持等离子体8，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al基焊丝6的材料的中性和带电的簇或液滴。在焊接过程中，将可消耗的焊丝6朝向工件 2推进，并且所得的由al基焊丝6形成的熔融焊接金属液滴沉积到工件上，从而形成焊接金属或焊珠。
[0025]
al基焊丝6可以用于不同的电弧焊过程，包括可以采用固体电极焊丝(gmaw)或金属芯焊丝(gmaw-c)的气体-金属电弧焊过程。 al基焊丝6也可用于药芯电弧焊过程(fcaw)，其可以是气体保护的药芯电弧焊(fcaw-g)或自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)。al基焊丝6尤其还可以用于保护金属电弧焊(smaw)过程和埋弧焊(saw)过程。抑制污迹的铝基焊丝
[0026]
为了解决铝焊接的上述和其他挑战，根据实施例的焊丝被配置为在焊接金属形成期间基本上抑制污迹的形成。为了在焊接过程中抑制污迹的形成，根据实施例的焊丝6(图2)包括al基基底金属组合物和抑制污迹的金属，该al基基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝和镁 (mg)。基底金属组合物可以另外包括可以用于提供最终焊接金属所希望的特性的任何其他元素，包括可以与工件中的元素重叠的元素。如下文更详细讨论的，诸位发明人已经发现，有效的抑制污迹的金属包括能够形成氧化物的金属，与污迹中存在的氧化物相比，该氧化物形成更强的热力学驱动力。特别是，诸位发明人发现，能够形成相对于mgo具有更强的热力学驱动力的氧化物的金属在抑制污迹形成方面是有效的。
[0027]
热力学驱动力可以通过在平衡条件下抑制污迹的金属的氧化形成抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo)来预测。抑制污迹的元素可以选自由以下组成的组：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍(be)、钇 (y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒 (er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)和钆(gd)。有利地，根据实施例的焊丝显著减少焊接污迹的形成。替代性地，可以形成抑制污迹的氧化物来替代本领域已知的污迹。所得焊接金属可能不会受到污迹的不利影响，或者不利影响可能会显著减轻。例如，本领域已知的减少的焊接污迹进而能够减少或消除焊层间清洁，从而提高生产率。在多道焊接中，较低的焊接污迹可以减少或消除缺陷，如lof缺陷。根据实施例的焊丝还增加了焊丝中金属(包括al、zn和mg)的回收率。
[0028]
污迹的结构和组成取决于所用焊丝的化学组成。污迹可能包括焊丝中金属元素的一种或多种氧化物。例如，污迹可能包括al、mg和/ 或zn的氧化物。在一些示例性工艺中，污迹可能包括al、mg和/或zn 的层或颗粒，例如纳米颗粒。不受任何理论的束缚，污迹的颜色可以是棕色、灰色或黑色，这可以归因于颗粒的光散射。
[0029]
不受理论的束缚，焊接过程中金属蒸气的产生可以归因于爆炸式金属转移。在爆炸式金属转移过程中，可以观察到来自焊丝的大量蒸期和熔融金属液滴(称为飞溅)。爆炸式金属转移又取决于所使用的焊接类型和焊接液滴的温度。据信，大量的污迹可能由焊丝的蒸发金属元素形成。不受任何理论的束缚，据信从熔融焊丝中蒸发的mg导致形成大量具有上述的特征性棕色、灰色或黑色的污迹。虽然熔融焊接金属中的各种元素可以形成相应的氧化物，但mgo的物理结构可能使其特别容易形成污迹。特别地，mgo具有相对多孔的结构。因此，在液滴表面形成的多孔 mgo对于抑制mg从熔融焊接金属中蒸发可能是无效的。允许相对自由地蒸发的mg在焊接电弧中氧化，并且据信会导致沉积在焊接金属上和周围的污迹的形成。
[0030]
认识到污迹形成的这些属性，诸位发明人已经发现在焊丝中添加某些抑制污迹的元素可以显著减少或消除污迹的形成。根据各种实施例，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物和抑制污迹的金属，该基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝。如上所述，诸位发明人已经发现，有效的抑制污迹的金属包括能够形成氧化物的金属，与污迹中存在的氧
化物相比，该氧化物形成更强的热力学驱动力。诸位发明人进一步发现，相对于污迹中存在的一种或多种氧化物(例如mgo)形成的δgo，可以使用平衡条件下通过氧化抑制污迹的金属而形成抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo)来预测热力学驱动力。
[0031]
如本文所用，标准自由能变化(δgo)是指反应产物在其标准状态(包括1atm的压力)下的自由能总和与反应物在其标准状态下的自由能总和之差。诸位发明人已经发现δgo的比较。δgo可以表示为：δgo(t)＝δho(τ)-τδso(t)其中δho和δso是标准生成焓和熵变。
[0032]
不受任何理论的束缚，参考图3a和3b描述了相对于在焊接电极中含有的形成污迹的金属(例如mg)，具有更高的热力学氧化驱动力的抑制污迹的金属的识别。图3a是两个假想氧化反应的标准生成自由能变化(δgo)随温度变化的示意图。图3b是图3b所示的两个假想氧化反应的组合反应的标准生成自由能变化(δgo)随温度变化的示意图。图3a 示意性地示出了两个假想氧化反应，例如：2x o2＝2xo
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(i)以及y o2＝yo2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ii)
[0033]
从图3a可以看出，δho(ii)比δho(i)是更负，并且δso(ii)比δso(i)是更负。从反应(ii)中减去反应(i)得到y 2xo＝2x yo2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(iii)
[0034]
δgo随t的变化如图3b所示。低于平衡温度te，x和yo2 相对于y和xo是稳定的，而高于te则相反。在te下，x、y、xo和 yo2以它们的标准状态出现，彼此处于平衡状态。在te下的平衡(与任何平衡一样)是焓与熵考虑之间的折衷。由于δho(iii)是负值(等于δho(ii)
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δho(i))并且δso(iii)是负值(等于δso(ii)-δso(i))，当以x yo2出现时，系统x y o2具有最小的焓，并且当以y xo出现时具有最大的熵。在te下，δho(iii)等于tδso(iii)，并且因此δgo(iii)等于零。在低于te下，δgo(iii)的焓贡献大于熵贡献，并且因此δgo(iii)是负值，使得x yo2是稳定状态。在te以上情况正好相反，δgo(iii)是正值，并且y xo是稳定状态。因此，图3b示出，如果使用纯x作为还原剂来还原纯氧化物yo2以形成纯y和纯xo，那么在超过te的温度下还原会受到影响。
[0035]
仍然参照图3a和3b，y可以表示通常会形成污迹的形成污迹的金属(例如mg)，并且x可以表示抑制污迹的金属。同样，yo2可以表示形成污迹的金属的氧化物(例如mgo)，并且xo可以表示抑制污迹的金属的抑制污迹的氧化物。虽然两个反应(i)和(ii)表示的线不一定必须相交，但在它们相交的地方，形成熔融焊接金属和污迹的温度对应于大于te的温度。因此，相对于代表性形成污迹的δgo(ii)，代表性形成抑制污迹的氧化物的δgo(i)更负。诸位发明人已经发现，类似于上文关于图3a 和3b所讨论的考虑，应在等于或大于约1600k的温度下进行，以便这样的考虑提供实际焊接条件的准确指示。因此，根据各种实施例，在1600k 或更高温度的平衡条件下，通过氧化抑制污迹的金属形成抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo)比通过氧化mg形成mgo的δgo更负。因此，抑制污迹的金属被配置为在由可消耗的焊接电极形成的焊接金属表面上形成热力学上优于mgo的抑制污迹的氧化物。因此，可以形成抑制污迹的氧化物，而不是工业中已知的导致上述视觉和结构缺陷的污迹。如
本领域已知的，具有在其上形成的抑制污迹的氧化物以替代污迹的焊接金属可能不会遭受由mgo引起的上述缺陷，或者上述缺陷可以显著减轻。诸位发明人已经发现，比mgo相比，更具有负的氧化物形成δgo的抑制污迹的金属可以显著抑制液滴表面上mgo的形成。如上所述，mgo可以形成多孔层，并且在抑制mg从熔融焊接金属中蒸发和形成污迹方面是无效的。在如本文所述的抑制污迹的金属的存在下，可以在焊接金属上形成相对纯且连续(无孔)的抑制污迹的氧化物层，或可以在液滴表面上形成具有氧化镁的连续(无孔)复合氧化物层。使用根据实施例的焊接电极形成的焊接金属可以覆盖有一层基本上无孔的抑制污迹的氧化物。例如，根据实施例，焊接金属的表面积的小于20％、10％、5％、2％、1％或在由这些值中的任一个定义的范围内的值可能被孔占据。如此形成的抑制污迹的氧化物可以有效地抑制mg从熔融焊接金属中蒸发并形成污迹。
[0036]
作为对污迹形成的物理原因的进一步考虑，不受任何理论的束缚，污迹可能在焊接过程中由焊丝中汽化的金属元素的冷凝形成。因此，污迹的组成可能与焊丝中金属元素的沸点和/或基底金属组合物的沸点相关。因此，沸点相对低的元素更容易形成污迹。例如，铝的沸点是约2470℃，而镁和锌的沸点分别是1090℃和910℃。因此，当对焊丝中每种元素的量进行归一化时，当焊丝中所有元素都存在时，相对于铝，污迹可能具有相对较高量的镁和锌。考虑到这一点，根据一些实施例，希望抑制污迹的金属具有相对高的沸点。例如，抑制污迹的金属的沸点至少高于mg的沸点，并且任选地高于zn和al的沸点。
[0037]
诸位发明人已经发现，当以本文所述的量和形式存在时，抑制污迹的金属可以减少基底金属的蒸发金属元素的量。不受任何理论的束缚，这可以通过例如提高熔融基底金属的蒸发温度来实现。此外或替代地性，抑制污迹的元素可以在焊接期间形成保护涂层，使得基本上抑制基底金属组合物的元素的蒸发形成污迹。因此，在一些实施例中，使用根据实施例的可消耗的焊接电极形成的成形焊接金属在其表面上形成了抑制污迹的金属氧化物，该氧化物随后可以被除去。
[0038]
基底金属组合物可以具有根据由铝业协会(aluminalassociation，inc.)开发的四位数字系统的组成，以指定各种锻造铝合金类型。基底金属组合物可以包括以下之一，例如：
[0039]
认识到用于减少污迹的竞争氧化过程的这些属性，诸位发明人已经发现，以一定有效量添加某些抑制污迹的元素作为焊丝的一部分可以显著减少污迹的形成。根据各种实施例，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物和抑制污迹的金属，该基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝。
[0040]
基底金属组合物可以具有与待焊接的工件相似的组成。基底金属组合物可以包括本领域已知的、根据由铝业协会开发的四位数字系统的任何组成，以指定各种锻造铝合金类型。基底金属组合物可以包括以下中的一种或多种，例如：
[0041]
1xxx系列：这些是纯度为99％或更高的铝，主要用于电气和化学工业。这些合金通常因其导电性和/或耐腐蚀性而被使用。它们对热裂的敏感性很低。
[0042]
2xxx系列。铜是该组中的主要合金，经过适当的热处理后可以提供极高的强度。这些合金可能不会产生良好的耐腐蚀性，并且通常用纯铝或特殊合金铝包覆。这些合金用于飞机工业。
[0043]
3xxx系列。锰是该组中的主要合金元素，其是不可热处理的。锰含量可以低于约
2.0％。这些合金具有中等强度并且易于加工。这些中等强度的铝锰合金是相对抗裂的。
[0044]
4xxx系列。硅是该组中的主要合金元素。它可以以足够的量加入以显著降低熔点，并用于钎焊合金和焊接电极。该组中的大多数合金都是不可热处理的。
[0045]
5xxx系列。镁是该组中的主要合金元素，其是中等强度的合金。它们具有良好的焊接特性和良好的耐腐蚀性，但应限制冷加工量。这些更高强度的铝镁合金是最常见的结构铝板材和板材合金。该系列具有不可热处理的铝合金的最高强度。由于它们优异的耐腐蚀性，它们被用于化学储罐和压力容器以及结构应用、铁路车辆、自卸卡车和桥梁。
[0046]
6xxx系列。该组中的合金含有硅和镁，这使它们可以热处理。这些合金具有中等强度和良好的耐腐蚀性。该中等强度、可热处理系列主要用于汽车、管道、栏杆和结构挤压应用。
[0047]
7xxx系列。锌是该组中的主要合金元素。镁也包含在大多数这些合金中。它们一起形成了强度非常高的可热处理合金，用于飞机框架。该合金主要用于飞机工业。7xxx系列的可焊性在较高的铜等级中可能会受到损害，因为这些等级中的许多由于宽的熔化范围和低的固相线熔化温度而对裂纹敏感。它们广泛用于自行车车架和其他挤压应用。
[0048]
根据各种实施例，可消耗的焊接电极包含基底金属组合物，该基底金属组合物包含按重量计至少70％的铝和另外的元素，使得使用不含抑制污迹的金属的基底金属组合物形成的成形焊接金属在其表面上形成污迹，这些污迹包括具有黑色、棕色或灰色的沉积层，该沉积层可在视觉上与成形的焊接金属的光反射体区分开来。基于焊丝的总重量，根据本文披露的各种实施例的焊丝的基底金属组合物可以包括的mn的重量百分比是0.01％-0.02％、0.02％-0.05％、0.05％-0.10％、0.1％-0.2％、0.2％-0.5％、 0.5％-1.0％、1.0％-1.5％、1.5％-2.0％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，si的重量百分比是0.1％-0.2％、 0.2％-0.5％、0.5％-1.0％、1.0％-2.0％、2.0％-5.0％、5.0％-10％、10％-15％、 15％-20％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，fe的重量百分比是0.02％-0.05％、0.05％-0.10％、0.1％-0.2％、 0.2％-0.5％、0.5％-1.0％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，mg的重量百分比是0.1％-0.2％、0.2％-0.5％、 0.5％-1.0％、1.0％-2.0％、2.0％-5.0％、5.0％-10％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，cr的重量百分比是 0.01％-0.02％、0.02％-0.05％、0.05％-0.10％、0.1％-0.2％、0.2％-0.5％、 0.5％-1.0％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，cu的重量百分比是0.01％-0.02％、0.02％-0.05％、0.05％-0.10％、 0.1％-0.2％、0.2％-0.5％、0.5％-1.0％、1.0％-2.0％、2.0％-5.0％、5.0％-10％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，ti 的重量百分比是0.02％-0.05％、0.05％-0.10％、0.1％-0.2％、0.2％-0.5％、 0.5％-1.0％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；基于焊丝的总重量，zn的重量百分比是0.05％-0.10％、0.1％-0.2％、0.2％-0.5％、 0.5％-1.0％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值；以及，基于焊丝的总重量，al的重量百分比是70％-75％、70％-75％、75％-80％、 80％-85％、85％-90％、90％-95％、95％-99.9％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值，该值可以是焊丝或基底金属组合物的平衡。将理解的是，尽管污迹可能主要包含mg、al和zn，但它也可能包含基底金属中可能存在的任何其他元素。
[0049]
根据各种实施例，可消耗的焊接电极包含抑制污迹的金属，其存在形式和量使得使用根据实施例的可消耗的焊接电极形成的成形焊接金属相对于使用仅具有基底金属组合物而不含抑制污迹的金属的可消耗的焊接电极形成的成形焊缝具有更少量的在其上形成的污迹。例如，抑制污迹的金属被排列且以一定的量存在，该量使得具有黑色、棕色或灰色的沉积层相对于在相同焊接条件下，并且使用具有与可消耗的焊接电极 (除了不含抑制污迹的金属)相同的尺寸和化学元素量的参考可消耗的焊接电极形成的焊缝减少了按重量计至少10％，该沉积层在可视觉上与成形的焊接金属的光反射体区分开来。
[0050]
下表1示出了示例的抑制污迹的金属、相应的抑制污迹的氧化物和1600k下的δgo，基于这些可以在al焊接中基本上抑制污迹的形成。表1
[0051]
抑制污迹的金属选自由以下组成的组：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)、钆(gd)及其组合。如表1所示，对于这些抑制污迹的金属中的每一种，在计算温度为1600k或更高的平衡条件下，通过氧化抑制污迹的金属形成相应的抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo) 比通过氧化mg形成mgo的δgo更负。因此，抑制污迹的金属被配置为在由可消耗的焊接电极形成的焊接金属表面上形成热力学上优于mgo的抑制污迹的氧化物。
[0052]
在一些特定实施例中，抑制污迹的金属被配置为在平衡条件下，在1600k下，在《-192千卡(kcal)/克/配方重量(gfw)且》-215 kcal/gfw的标准吉布斯生成自由能(δgo)下形成抑制污迹的氧化物。在这些实施例中，抑制污迹的金属选自由以下组成的组：铍(be)、铪(hf)、铒(er)、锶(sr)、铈(ce)或其组合。
[0053]
在一些特定实施例中，抑制污迹的金属被配置为在平衡条件下，在≤-215kcal/gfw且》-225kcal/gfw的标准吉布斯生成自由能(δgo) 下形成抑制污迹的氧化物。在这些实施例中，抑制污迹的金属选自由以下组成的组：钆(gd)、镝(dy)、钍(th)、钐(sm)、镨(pr)、镱(yb) 或其组合。
[0054]
在一些特定实施例中，抑制污迹的金属被配置为在平衡条件下，在≤-225kcal/gfw的标准吉布斯生成自由能(δgo)下形成抑制污迹的氧化物。在这些实施例中，抑制污迹的金属选自由以下组成的组：镥 (lu)、钬(ho)、钙(ca)、铽(tb)、钪(sc)、铥(tm)、钇(y)、铕 (eu)或其组合。
[0055]
将理解的是，焊丝中存在的抑制污迹的金属的量应保持在相对少的量，但其量应足以有效且实质性地减少或抑制污迹的形成。因此，在一些实施例中，抑制污迹的金属的量超过1％、5％、10％、20％、50％、 100％、150％、200％，或者在由这些值中的任一个定义的范围内的值，该量为可存在于可消耗的焊接电极中的一种或多种上述形成污迹的元素的量，包括mg和/或zn。
[0056]
基于焊丝的总重量，焊丝可以包含一种或多种这些元素作为抑制污迹的金属，为0.01％-0.02％、0.02％-0.05％、0.05％-0.10％、0.1％-0.2％、 0.2％-0.5％、0.5％-1.0％、1.0％-1.5％、1.5％-2.0％、2.0％-2.5％、2.5％-3.0％、 3.0％-3.5％、3.5％-4.0％、4.0％-4.5％、4.5％-5.0％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的值，例如0.05％-0.50％。
[0057]
在一些实施例中，可消耗的焊接电极被配置为使得在形成焊接金属时，尽管存在抑制污迹的金属，但在焊接金属上形成包含mgo的污迹层。然而，因为可消耗的焊接电极被配置为抑制污迹层的形成，所以污迹层中mg的量可以保持相对小。类似地，当基底金属组合物进一步包含锌(zn)且污迹进一步包含zno时，可消耗的焊接电极被配置为使得污迹层中
zn的量可以保持相对小。例如，污迹层中的mg和/或zn的量可能小于可消耗的焊接电极中mg和/或zn的量的按重量计50％、30％、10％、 5％、1％，或者在由这些值中的任一个所定义的范围内的百分比。
[0058]
在这些实施例的一些中，抑制污迹的金属可以元素金属的形式存在。在这些实施例的一些其他实施例中，抑制污迹的金属可以以下形式存在：氧化物、卤化物、氢氧化物、硫化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氮化物、亚硝酸盐、氮化物、碳化物、硼化物、铝化物、碲化物或其组合。配置用于抑制污迹的焊接电极的结构
[0059]
图4a是根据实施例的实心焊丝40a的示意图，该实心焊丝被配置为抑制污迹的形成。在所示的实施例中，抑制污迹的金属可以与基底金属组合物形成合金，例如形成固溶体，使得所存在的抑制污迹的金属可以与如上所述的基底金属组合物的铝和其他金属元素形成金属键。在这些实施例中，可消耗的焊接电极是实心焊丝，其包含由基底金属组合物和抑制污迹的金属形成的均匀溶液或混合物，例如合金。
[0060]
图4b是根据一些其他实施例的实心焊丝40b的示意图，该实心焊丝被配置为抑制污迹的形成。与实心焊丝40a(图4a)不同，在图 4b所示的实施例中，抑制污迹的金属可以化合物的形式存在，例如氧化物、卤化物、氢氧化物、硫化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氮化物、亚硝酸盐、氮化物、碳化物、硼化物、铝化物、碲化物或其组合。在这些实施例中，可消耗的焊接电极是实心焊丝，其包含由基底金属组合物和抑制污迹的金属的化合物形成的不均匀混合物。抑制污迹的金属的化合物可能例如以分散在基底金属组合物的基体中的粉末形式存在。
[0061]
图4c是根据实施例的经涂覆的实心焊丝42的示意图，该焊丝被配置为抑制污迹的形成。图4d是根据实施例的带芯焊丝46的示意图，该带芯焊丝被配置为抑制污迹的形成。在这些实施例中，抑制污迹的金属可以与基底金属组合物化学和/或物理分离。例如，在焊丝42(图4c)中，抑制污迹的金属可以作为在由基底金属组合物形成的带芯焊丝43的外表面上形成的涂层44。涂层44可以包括适当形式(例如粉末形式)的元素、合金或化合物形式的抑制污迹的金属。替代地性，在图4d所示的实施例中，可消耗的焊丝46可以是包括芯48和鞘49的带芯焊丝，其中芯48包括例如呈粉末形式的抑制污迹的金属47，并且鞘49包括基底金属组合物。抑制污迹形成的方法
[0062]
图5是展示了根据实施例的在铝焊接过程中减少污迹形成的方法的流程图。该方法包括54，提供可消耗的焊接电极，该可消耗的焊接电极包含铝基基底金属组合物和抑制污迹的金属，其中在1600k或更高温度的平衡条件下，通过氧化抑制污迹的金属形成抑制污迹的氧化物的标准自由能变化(δgo)比通过氧化mg形成mgo的δgo更负，使得抑制污迹的金属被配置为在由可消耗焊接电极形成的焊接金属表面上形成在热力学上比mgo更有利的抑制污迹的氧化物。抑制污迹的金属可以选自由以下组成的组：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、镨(pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu)、铥(tm)、铪(hf)、钆(gd)或其组合。可消耗的焊接电极可以是根据上述实施例中的任一个。该方法另外包括 58，使用可消耗的焊接电极产生电弧以形成焊缝，其中电弧的峰值温度超过基底金属组合物的蒸发温度。例如，电弧温度足以从基底金属组合物中蒸
发出至少铝。图5所示的方法可以在任何合适的焊接工艺实施，包括下面通过示例的方式描述的气体-金属电弧焊工艺。
[0063]
在使用实心电极(gmaw)或金属芯电极(gmaw-c)的气体-金属电弧焊中，使用保护气体来对焊池和焊道提供保护以防止焊接过程中的大气污染。当使用固体电极时，它们与活性成分适当地形成合金，这些活性成分结合保护气体如上所述可以被设计来抑制污迹的形成，同时也提供低孔隙率或无孔隙焊缝，这些焊缝具有所得焊接金属的所希望的物理和机械特性。当使用金属芯电极时，一些活性成分(包括抑制污迹的金属) 可以被添加在带芯焊丝的芯中并被设计成提供与在固体电极情况下相似的功能。
[0064]
固体和金属芯电极被设计成在适当的气体保护下提供具有屈服强度、拉伸强度、延展性和冲击韧性的固体、基本无孔隙的焊接金属，以便在最终应用中令人满意地表现。这些电极还可以被设计成使焊接过程中产生的熔渣量最小化。对于一些应用，金属芯电极可以用作实心焊丝的替代品，以提高生产率。如本文所述，金属芯电极是指复合电极，这些复合电极具有至少部分地被填充且被金属外皮包围的芯。所述芯可以包括金属粉末和活性成分以有助于电弧稳定性、焊缝润湿和外观以及希望的物理和机械性能。制造金属芯电极是如下进行：混合芯材的成分并将其沉积在成型的条带内部，并且然后封闭并拉伸所述条带至最终的直径。对于一些应用，与固体电极相比，有芯电极可以提供增加的沉积速率和更宽的、相对一致的焊接渗透轮廓。如本文所述，金属芯电极(gmaw-c)是指具有芯的电极，所述芯的成分主要为金属。当存在时，所述芯中的非金属组分具有基于每个电极的总重量的小于5％、3％或1％的组合浓度。相对低的非金属组分可以将gmaw-c电极与下文更详细描述的药芯电弧焊电极区分开。gmaw-c电极的特征可以为：喷射电弧和高质量的焊接金属。
[0065]
与使用金属芯电极(gmaw-c)的气体-金属电弧焊类似，用于药芯电弧焊(fcaw、fcaw-s、fcaw-g)的电极也包括被壳包围的芯。也就是说，用于药芯电弧焊中的有芯电极具有至少部分地被填充且被金属外皮包围的芯，类似于以上所述的金属芯电极。然而，不同于金属芯电极 (gmaw-c)，用于药芯电弧焊(fcaw)的有芯电极另外包括熔剂，这些熔剂被设计成用于在焊接过程中对焊池和焊道提供保护免于大气污染，至少部分替代保护气体。用于药芯电弧焊中的有芯电极可以另外包括其他活性成分以有助于电弧稳定性、焊缝润湿和外观以及希望的物理和机械性能。在一个方面，药芯电弧电极可以通过芯中存在的非金属组分的量与金属芯电极区分开，这些非金属组分的组合浓度可以是基于每个电极的总重量小于5％、3％或1％。
[0066]
已经为药芯电极开发了大量的熔剂组合物来控制电弧稳定性，改变焊接金属组成，并提供保护免于大气污染。在药芯电极中，可以通过改变焊剂的组成来控制电弧稳定性。因此，可能令人希望的是在焊剂混合物中具有作为等离子体电荷载体很好地起作用的物质。在一些应用中，焊剂还可以通过使金属中的杂质更容易可熔并提供可以与这些杂质组合的物质来改变焊接金属组成。有时加入其他材料以降低熔渣熔点、改进熔渣的流动性、并充当焊剂颗粒的粘合剂。fcaw中使用的不同焊丝可以共享一些类似特性，例如，在焊缝上形成保护熔渣，使用拖曳角技术，能够以较高沉积速率在不适当位置或平坦和水平地焊接，能够处理板上相对较高量的污染物等。另一方面，存在不同类型的药芯电弧焊过程，即：自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)和气体保护的药芯电弧焊(fcaw-g)。
[0067]
图6示意性地展示了根据实施例的配置用于铝基焊丝的气体金属电弧焊(gmaw)系
统110的示例。gmaw系统110包括电源112、丝驱动组件114、保护气体供应系统116、用于传送电力的电缆组件118、卷轴124中的焊丝、以及保护气体源128中的被配置为被递送到待焊接工件120的保护气体。丝驱动组件114通常包括用于承载卷轴124的卷筒支架122，该卷轴包括连续可消耗丝电极以及驱动机构126，该驱动机构包括用于驱动焊丝从卷轴124穿过电缆组件118到达工件120的一个或多个驱动轮(未示出)。保护气体供应系统116通常包括保护气体源128以及与电缆组件118处于流体连通的气体供应导管130。如图6所展示的，电缆组件118通常包括细长柔性电缆132，该电缆的一端附接于电源112、丝驱动组件114和气体供应系统116，并且另一端附接于焊枪134。另外的实例1.一种可消耗的焊接电极，其包括：包含按重量计至少70％的铝的基底金属组合物；以及选自由以下组成的组的抑制污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪 (sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、锂(li)、镨 (pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镧(la)、镝(dy)、钐(sm)、钍 (th)、镥(lu)、铥(tm)或其组合，其中，该抑制污迹的金属以按重量计大于0.01％的量存在。2.一种可消耗的焊接电极，其包括：基底金属组合物，其包含按重量计至少70％的铝，并且被布置成使得使用不含抑制污迹的金属的基底金属组合物形成焊接金属导致在其表面上形成污迹，这些污迹包括具有黑色、棕色或灰色的沉积层，该沉积层可在视觉上与成形的焊接金属的光反射体区分开来；以及选自由以下组成的组的抑制污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪 (sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、锂(li)、镨 (pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镧(la)、镝(dy)、钐(sm)、钍 (th)、镥(lu)、铥(tm)或其组合，其中，该抑制污迹的金属的存在形式和量使得使用该可消耗的焊接电极形成的焊接金属相对于使用不含该抑制污迹的金属的基底金属组合物形成的焊缝具有更少量的在其上形成的污迹。3.一种可消耗的焊接电极，其包括：包含按重量计至少70％的铝的基底金属组合物；以及选自由以下组成的组的抑制污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪 (sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、锂(li)、镨 (pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镧(la)、镝(dy)、钐(sm)、钍 (th)、镥(lu)、铥(tm)或其组合，其中，该抑制污迹的金属被排列且以一定的量存在，该量使得具有黑色、棕色或灰色的沉积层相对于在相同焊接条件下，并且使用具有与该可消耗的焊接电极(除了不含该抑制污迹的金属)相同的尺寸和化学元素量的参考可消耗的焊接电极形成的焊接金属减少了按重量计至少10％，该沉积层可在视觉上与使用该可消耗的焊接电极形成的焊接金属的光反射体区分开来。4.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，使用该可消耗的焊接电极形成的成形焊接金属在其表面上形成了抑制污迹的金属的氧化物。5.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该基底金属组合物进
一步包含锌(zn)和镁(mg)中的一种或两种作为合金元素，用于在使用该可消耗的焊接电极形成的金属焊缝中与铝形成合金。6.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该抑制污迹的金属以基于该可消耗的焊接电极的总重量0.01-5.0wt.％的量存在。7.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该抑制污迹的金属以元素金属形式存在。8.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该抑制污迹的金属以化合物形式存在，该化合物形式选自氧化物、卤化物、氢氧化物、硫化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氮化物、亚硝酸盐、氮化物、碳化物、硼化物、铝化物、碲化物或其组合的化合物。9.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该可消耗的焊接电极被配置为使得当在焊接条件下存在于由可消耗的焊接电极形成的焊接金属上时，该污迹包含氧化铝。10.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该可消耗的焊接电极被配置为使得当在焊接条件下存在于由可消耗的焊接电极形成的焊接金属上时，该污迹包含氧化铝与氧化镁和氧化锌中的一种或两种。11.如实施例9-10之一所述的可消耗的焊接电极，其中，焊接条件是气体金属电弧焊接(gmaw)条件。12.如上述实施例中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该可消耗的焊接电极包括包含该基底金属组合物的带芯焊丝和包含围绕该带芯焊丝的抑制污迹的金属的涂层。13.如实施例1-12中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该可消耗的焊接电极是包括芯和鞘的带芯焊丝，其中该芯包含该抑制污迹的金属，并且该鞘包含该基底金属组合物。14.如实施例1-12中任一项所述的可消耗的焊接电极，其中，该可消耗的焊接电极是实心焊丝，该实心焊丝包含该基底金属组合物和该抑制污迹的金属的均匀混合物。15.一种焊接铝工件的方法，其包括：提供可消耗的焊接电极，其包含铝基基底金属组合物和选自由以下组成的组的抑制污迹的金属：钙(ca)、锶(sr)、钪(sc)、铍(be)、钇(y)、铽(tb)、铕(eu)、铈(ce)、锂(li)、镨(pr)、镱(yb)、钬(ho)、铒(er)、镧(la)、镝(dy)、钐(sm)、钍(th)、镥(lu) 和铥(tm)；以及使用该可消耗的焊接电极产生电弧以形成焊接金属，其中该电弧的峰值温度超过该基底金属组合物的蒸发温度。16.如实施例15所述的焊接方法，其中，可消耗的焊丝是如实施例 1-14中任一项所述。17.如实施例15或16所述的焊接方法，其进一步包括在由该基底金属组合物形成的焊接金属熔池上形成该抑制污迹的金属的氧化物。
[0068]
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，当在本技术中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应当指代本技术整体而不是本技术的任何特定部分。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。指两个或多个项的列表的单词“或”，该单词涵盖该单词的以下所有解释：列表中的项中的任何一个、列表中的所有项以及列表中的项的任何组合。
[0069]
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。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。
[0070]
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。