在电弧焊领域，电弧焊的三种主要类型是埋弧焊(SAW)、保护金 属极电弧焊(SMAW)和药芯焊条电弧焊(FCAW)。在埋弧焊中，接 合是通过用位于光焊丝(bare-metal electrode))和被焊接金属之间的电 弧加热而产生的。焊接过程用一种粒状或可熔材料或焊剂覆盖。焊接操 作开始于通过击打焊剂下面的电弧来产生热量以熔化周围的焊剂，这样 形成了一个表面之下的导电熔池，该熔池通过连续的电流而保持液态。 直接位于其下面的焊丝的端部和工件熔化，而熔化的填充金属从焊丝沉 积到工件上。熔融的填充金属取代了焊剂溶池而形成焊缝。在保护金属 极电弧焊中，保护是通过药皮(flux coating)取代焊剂的松散颗粒覆盖。 在药芯焊条中，焊剂包含在金属外壳内。
在焊接技术领域，在开发具有预定焊剂组分的类型的焊剂成分以便 以预定的方式执行方面已经花费了许多努力。已经开发了大量的在电弧 焊中用作焊剂的成分，其通常均可用作焊接焊剂，也可用作金属焊芯的 药皮或位于外壳之内。在电弧焊中，焊剂被用来控制电弧稳定性，改变 焊缝金属成分，并为防止空气污染提供保护。电弧稳定性典型通过改变 焊剂的成分来控制。因此，希望在焊剂混合物中具有起等离子电荷载体 的物质。焊剂也改变焊缝金属的成分，其通过在金属中提供更易熔融的 杂质和提供优先于金属与这些杂质结合的物质从而形成熔渣的方式来改 变焊缝金属的成分。具体来说，根据与之反应的化合物，所有的熔渣形 成的化合物可分成酸性或碱性。被认为最活跃的“碱性”物质是那些在 水溶液中的普通化学反应中形成碱性化合物的元素的化合物，如钙、镁 和钠。最活跃的“酸性”杂质是硅、钛、锆和铝的化合物。焊剂用较高 或较低比例的酸性或碱性化合物制备，其取决于所焊接金属的类型和金 属中的杂质。在某些情况下，可加入其它材料以降低熔渣的熔点，改善 熔渣的流动性，以及用作焊剂颗粒的粘接剂。
在焊接工业遇到的一个问题就是覆盖焊条的焊剂的水分吸收。在焊 接过程中，热量使水蒸发和分解，释放出可溶解进入金属中的氢气。在 应力状态下，在焊接金属中溶解的氢可能产生裂纹，该裂纹可能使焊缝 产生灾难性破坏。氢脆是一种由于氢的存在而在室温下产生的钢的延展 性减小和开裂敏感性增加的现象。在-100℃之上和150℃之下的温度区 间，在硬钢中存在足够的氢和应力，氢致裂纹就能在一定程度上产生。 因为在焊缝中几乎不可能避免产生这些应力。裂纹控制方法通常包括控 制焊缝中的氢含量、凝固的焊缝金属的显微结构、或上述两者。氢可以 从多个来源进入电弧焊气氛中，这些来源包括氧化物、焊条污染物和油。 氢的主要来源是焊剂和焊剂粘接剂中的水份。
粘接剂用于颗粒焊剂和焊条药皮中以保持焊剂系统的组分粘接在一 起和/或在正常操作过程中使金属芯的焊条药皮保持理想的形状。大部分 焊剂配方由碱性氧化物材料(焊剂)和通过硅酸钠和/或硅酸钾(水玻璃) 粘接在一起的添加剂组成。这些类型的粘接剂已在美国专利 US4,103,0677、US4,131,784、US4,208,563、US4,355,224、US4,741,974、 和US5,300,754中披露，所有文献在此结合并引用。这样的粘接剂特别有 用，因为其在使用状态下耐分解，并且因为这样的粘接剂被大量地添加 到焊剂成分中以在焊条生产过程中高速挤压而提供了足够的强度特性。 另外，硅酸钾或硅酸钠的特殊性能使其对焊条的制造具有吸引力。例如， 干燥特性使得用作药皮金属焊条粘接剂的液体硅酸盐通过水份的损失而 变成硬膜。在焊剂中使用硅酸盐能提高焊接过程中电弧的稳定性。焊剂 中的硅酸盐给焊剂提供了低熔点成分，其有助于调整渣的熔化/凝固范围。 硅酸盐容易处理和使用，因而用作焊剂粘接剂是合乎需要的。硅酸盐也 相对便宜，因而给焊剂成分增加很少的成本。硅酸钠和硅酸钾已经特别 有用，因为它们的特性提供了在药皮焊条制造中所希望的性能。对于将 液体硅酸钠加入到干粉配方，最终的混合物可能捏制成适于后续挤压的 稠度(consistency)。大部分混合的混合物典型形成为“坯料(slug)”， 其在储存过程中易于处理和易于对混合物加压进行挤压操作。目前，商 业生产的药皮焊条的相当大的部分是用挤压工艺生产的。焊条上药皮的 塑性通过焊剂混合物中的硅酸盐加入来稍微控制，但也可由其它成分如 可加入的或与硅土或煅烧粘土结合的生粘土或膨润土来影响。在焊条挤 压时，焊条变得相当坚固和耐压扁，焊条一离开模具就落在输送带上。 为了使没有裂纹的药皮得到均匀干燥，焊条上挤压的药皮的干燥是从约 100-150℃开始并在控制湿度的条件下完成的。根据药皮的性质，该干燥 步骤接着一个或多个较低湿度、较高温度的干燥步骤。焊条上干燥后药 皮的含水量的范围为在一些低氢焊条中小于0.2％，在纤维素类型焊条(例 如E6010、E6011等)中高达3-6％。
在高强度、低氢焊条中，硅酸钠和/或硅酸钾粘接剂不是非常令人满 意。硅酸钠和/或硅酸钾粘接剂非常吸湿和需要水分来保持完好和没有裂 纹。在焊接过程中，热量蒸发和分解水分，释放出可溶解进入焊缝金属 的氢气。在应力下，溶解的氢能够在焊缝金属中产生裂纹。由硅酸钠和/ 或硅酸钾粘接剂保持的水分量主要由干燥的温度来调节控制。已经知道， 硅酸盐的室温空气干燥对焊接中所使用的薄膜或粘接是不够的。在降低 失效可能性的努力中，目前可用的焊条在370-540℃或较高的温度下烘烤 以将焊剂中的水份减小到小于0.2％。维持该干燥程度在较高强度材料的 焊接中是重要的，这样的维持需要小心处理以避免在这些焊条的使用过 程中吸湿。虽然对于较低强度焊接金属药皮中的吸湿已经不是特别棘手， 但是目前低氢药皮的吸湿特性已使得其被强制地使用加热的烤箱来维持 药皮的干燥以限制吸湿。对于高强度焊接，因为例如在EXX18类型的焊 条中，药皮中硅酸盐的吸湿性质已经特别有害，水份含量必须保持低于 0.2％的水平。结果，这些焊条仅能在焊剂从空气中吸收水分之前使用有 限的时间，因而不得不重新烘烤以减小含水量。本领域中一些人的看法 是，低氢焊条在低温下不能成功地重新烘烤以充分地减小药皮的含水量。 同样地，本领域一些技术人员的看法是，避免焊缝金属氢吸收的最适当 的方法是在初次干燥后保持药皮的含水量为最小值。结果，已经对低氢 焊条的水份水平进行严格控制。
除了这些焊剂特别是埋弧焊焊剂吸收水分之外的另一个问题是，在 焊接过程中缺少含有二氧化碳的化合物。含有二氧化碳的化合物被加入 到一些埋弧焊焊剂中以在焊接过程中产生二氧化碳。增加电弧的稳定性 和通过从焊缝金属中排除或减小空气污染物特别是氮气，这些含有二氧 化碳的化合物能够提高焊剂的可操作性。在约540℃烘烤焊剂易于分解焊 剂中二氧化碳源，如碳酸钙。因此，焊剂成分的干燥时间必须被减小， 当需要一定的二氧化碳量时，以便不将二氧化碳从焊剂中排出；然而， 减小干燥时间将导致焊剂增加水份含量和焊剂较少凝固时间。
在540℃或较高温度烘烤焊剂消除水分的另一个问题是，几种焊剂组 份，比如可加入以提供焊缝金属合金化的金属粉末如铝、镁、钛等，将 在烘烤操作过程中氧化。金属粉末按要求加入以用于与将被焊接的各种 类型的金属或钢合金化。可以加入氟化物来降低工作温度下焊剂的粘度， 从而改变钢上熔融焊剂的流动性。灵活地选择加入焊剂中的金属粉末类 型而不是改变焊丝成分降低了焊条的成本。另外，焊剂系统中的一些材 料(例如高岭土等)与硅酸盐在高温下起反应。
已经开发了一些焊剂粘接剂来解决与硅酸钠和/或硅酸钾粘接剂相 关的问题。这些粘接剂中的两个在美国专利US 4,103,067和US 4,662,952 中公开，这两篇文献在此结合并引用。’952专利披露了一种焊剂粘接剂， 其从四烷基正硅酸盐(tetraalkylorthosilicate)、Si(OR)4、碱和碱土金属 盐的混合物中水解和聚合而成，其中R为-CH3、-C2H5或-C3H7。用此 粘接剂制成的焊剂包含一种碱-碱土金属硅酸盐、M2O.M’O.SiO2，其中M 是锂、钠、钾、或元素周期表第I族中的其它元素，M’为镁、钙、钡、或 元素周期表第II族中的其它元素，并且用此粘接剂制成的焊剂还可进一步 包含金属化合物。对于陶瓷粘接剂来说四烷基正硅酸盐是一种有机金属 化合物的前身。在焊剂粘接剂处理过程中，有机部分被除去并且不存在 于最终产品中。与硅酸钠和/或硅酸钾粘接剂不同，粘接剂包含均匀分布 的碱和碱土离子且不吸湿。这是使用四烷基正硅酸盐和存在能反应形成 CaO、MgO、BaO或其它碱土金属氧化物的化合物的结果。氧化物化合物 特别是钙化合物起稳定剂作用，使得烧结的粘接剂不吸湿。碱化合物特 别是钾显著地减小水玻璃的粘度，将烧结粘接剂所要求的温度降低到约 500-1100°F。’067专利披露了一种水解的有机硅酸盐(如乙基硅酸盐) 的粘接剂，其对水份水平基本上没有影响，且使得涂覆层在焊接之前抵 抗水份的吸收。水解乙基硅酸盐粘接剂减小了焊剂的吸湿性。水解有机 硅酸盐粘接剂可被用作硅酸钠和/或硅酸钾粘接剂的替代物或添加物。结 果，在惰性气体保护气氛下适当干燥到537℃，水解乙基硅酸盐转变成没 有水份的硅土，使焊剂具有较低的含水量。另外，粘接剂水份的吸收被 限制，因而这些焊条在没有水份过度吸收的情况下比普通商店所售的焊 条使用较长的时间。
虽然这些粘接剂已经解决了与硅酸钠和/或硅酸钾粘接剂相关的一 些水份吸收问题，但是在专利’952中披露的粘接剂仍然要求高温来凝固 (set)粘接剂。在专利’067中披露的粘接剂，虽然具有较低的凝固温度， 但是由于使用有机粘接剂而在焊剂中引入了氢。当在焊缝金属中试图获 得极低的氢水平时，这样加入的氢可能是有害的。考虑到现有技术的粘 接剂，仍然需要一种粘接剂，它具有低吸湿性、低凝固点温度和不会向 焊剂系统中引入氢。

本发明涉及焊剂，更具体地，涉及一种焊剂粘接剂，其能抵抗水的 吸收，并能用于粘接多种焊剂成分和/或金属合金添加剂。使用本发明新 粘接剂的焊剂系统能用于所有类型的焊接，如埋弧焊和金属保护金属极 电弧焊。该焊剂系统能涂覆在焊条上，能插入金属焊条的心部，和/或能 形成粒状焊剂。本发明的新粘接剂解决了现有焊剂系统中存在的关于现 有焊剂粘接剂必须高温存放的问题，和与焊剂粘接剂干燥后焊剂系统吸 收水分有关的问题。使用本发明新粘接剂的焊剂系统也克服了与在埋弧 焊接过程中将焊剂系统倾倒到工件上不均匀有关的问题和/或在将焊条形 成焊剂药芯焊条之前将焊剂系统倾倒到焊条上不均匀有关的问题。本发 明的新粘接剂包含了胶体粘接剂的使用，其成功地与焊剂系统中的多种 焊剂添加剂和/或金属合金添加剂粘接。所述胶体粘接剂能够在远比现有 硅酸盐粘接剂系统低的温度下得到干燥和凝固。一旦胶体粘接剂被干燥 并凝固，新粘接剂就抵抗水份的吸收，从而在长时间内维持焊剂系统的 低含水量。新粘接剂的较低干燥和凝固温度也允许在焊剂系统中使用大 数量的焊剂成分。如果焊剂系统包括碳酸盐和/或某些类型的金属，比如 但并不限于铝、镁和钛，现有的焊剂系统不能在超过649℃的温度下长时 间干燥。在超过649℃的干燥温度下，碳酸盐化合物将随着时间的过去而 分解，从而释放出二氧化碳，其在焊接操作中被用作保护气体。高的干 燥温度也导致了某些合金金属的氧化，从而防碍了这种金属在焊接过程 中作为焊缝金属中合金添加剂的使用。本发明新粘接剂较低的干燥和凝 固温度允许在焊剂系统中碳酸盐的使用，以及在焊剂系统中大量的金属 合金添加剂的使用。
在本发明的一个方面，本发明的新焊剂粘接剂包括一种由一种或多 种金属氧化物形成的胶体粘接剂。所述胶体粘接剂可组成焊剂系统中的 所有焊剂粘接剂，或仅构成焊剂系统焊剂粘接剂的一部分。在本发明的 一个实施例中，形成胶体粘接剂的金属氧化物包括二氧化硅。二氧化硅 可以是纯净的或不纯净的形态。不纯净形态的实例包括，但并不限于， 石英、长石、云母、黑云母、橄榄石、角闪石、白云母、辉石、和/或二 氧化硅的其它来源。在该实施例的一个方面，胶体粘接剂中二氧化硅的 至少约5％是纯净形态的二氧化硅。纯净二氧化硅的一种来源是由Kemira Chemicals销售的Indusil 508。在该实施例的另外的和/或可选方面，典型 地，胶体粘接剂中二氧化硅的至少约10％是纯净的二氧化硅，更典型地， 胶体粘接剂中二氧化硅的至少约20％是纯净的二氧化硅，仍然是典型地， 胶体粘接剂中二氧化硅的至少约30％是纯净的二氧化硅，甚至更典型地， 胶体粘接剂中二氧化硅的至少约40％是纯净的二氧化硅，甚至仍然是更 典型地，胶体粘接剂中二氧化硅的至少约50％是纯净的二氧化硅，更典 型地，胶体粘接剂中二氧化硅的至少约60％是纯净的二氧化硅，甚至更 典型地，胶体粘接剂中二氧化硅的至少约70％是纯净的二氧化硅，甚至 仍然是更典型地，胶体粘接剂中二氧化硅的至少约80％是纯净的二氧化 硅，甚至仍然是更典型地，胶体粘接剂中二氧化硅的至少约90％是纯净 的二氧化硅，甚至仍然是更典型地，胶体粘接剂中二氧化硅的约100％是 纯净的二氧化硅。在本发明另外的和/或可选的实施例中，胶体粘接剂中 固体颗粒的平均颗粒尺寸被选择得足够小，以达到胶体粘接剂的粘接效 果。已经发现，当使用足够小的颗粒时，被认为是由于布朗效应而产生 的在颗粒表面上的化学结合作用导致一种或多种焊剂成分被胶体粘接剂 结合在一起。在该实施例的一个方面，胶体粘接剂中颗粒的平均颗粒尺 寸约小于100纳米，典型地约小于70纳米，更典型地约小于60纳米，更典 型地约小于50纳米，更典型地约小于40纳米，更典型地约小于30纳米， 更典型地约小于20纳米，更典型地约小于10纳米，更典型地约0.5-10纳 米。在一个非限制的设计中，胶体粘接剂中固体颗粒的平均颗粒尺寸为 约1-30纳米，典型地约2-25纳米，更典型地约5-15纳米，更典型地约 5-10纳米。在本发明另外的和/或可选方面，胶体粘接剂具有一种液体成 分和一种固体颗粒成分。通常，该液体成分主要包括水；然而也能使用 附加的和/或可选的液体。所述液体用于悬浮所述固体颗粒，以便允许在 湿焊剂系统干燥过程中固体颗粒与焊剂系统中的成分结合。在本发明的 一个实施例中，液体基本上没有任何碳氢化合物。液体系统中碳氢化合 物的引入能在焊接过程中将氢引入焊缝金属中。在一些焊剂系统中，要 求从焊剂系统中减小或消除氢以达到焊接过程中所需的焊接熔池特性。 在本发明的一个方面，所述液体包含少于约10％的碳氢化合物，典型地 少于约5％的碳氢化合物，更典型地少于约2％的碳氢化合物，更典型地 少于约0.05％的碳氢化合物。在本发明另外的和/或可选的实施例中，胶 体粘接剂中的固体颗粒在胶体粘接剂干燥之前通常少于胶体粘接剂总重 量的约90％。在该实施例的一个方面，该固体颗粒少于胶体粘接剂总重 量的约60％，典型地少于胶体粘接剂总重量的约50％，更典型地少于胶 体粘接剂总重量的约45％，更典型地少于胶体粘接剂总重量的约40％， 更典型地不大于胶体粘接剂总重量的约35％，更典型地约为胶体粘接剂 总重量的5-35％，更典型地约为胶体粘接剂总重量的10-35％，更典型地 约为胶体粘接剂总重量的15-35％，更典型地约为胶体粘接剂总重量的 20-35％，更典型地约为胶体粘接剂总重量的25-35％。
在本发明另外的和/或可选的实施例中，胶体粘接剂能包含100％的焊 剂系统粘接剂或构成焊剂系统粘接剂的一部分。当胶体粘接剂是粘接剂 系统的一部分时，胶体粘接剂与其他粘接剂混合。这样的其他粘接剂可 包括，但并不限于，水玻璃(硅酸钾和/或硅酸钠)、硼酸、氧化硼铝(borox)、 可溶性碳酸盐、硝酸盐、oxillates或oxichlorides、各种类型的树脂、糖、 淀粉、琼脂、和/或类似物。在本发明的一个实施例中，当胶体粘接剂构 成总粘接剂的一部分时，胶体粘接剂通常与水玻璃结合。当胶体粘接剂 与水玻璃结合时，这两种成分典型构成了粘接剂的大部分，更典型地构 成了粘接剂的至少约60％，更典型地构成了粘接剂的至少约70％，更典 型地构成了粘接剂的至少约80％，更典型地构成了粘接剂的至少约90％， 更典型地构成了粘接剂的约100％。在另外的和/或可选的实施例中，当胶 体粘接剂构成了总粘接剂的一部分时，胶体粘接剂构成了总粘接剂的至 少约5％，典型地构成了总粘接剂的至少约10％，更典型地构成了总粘接 剂的至少约20％，更典型地构成了总粘接剂的至少约30％，更典型地构 成了总粘接剂的至少约40％，更典型地构成了总粘接剂的至少约50％， 更典型地构成了总粘接剂的至少约60％，更典型地构成了总粘接剂的至 少约70％，更典型地构成了总粘接剂的至少约80％，更典型地构成了总 粘接剂的至少约90％，更典型地构成了总粘接剂的至少约95％。
在本发明又一个和/或可选的方面，焊剂系统的新粘接剂是这样制定 的，即新焊剂粘接剂能在较低的温度下干燥和凝固，以便不会对焊剂系 统的一种或多种成分产生不利影响。许多现有技术的粘接剂系统要求粘 接剂在超过650℃(1200°F)的温度下长时间凝固。这样的高温典型地 会导致焊剂系统中几种金属合金氧化，和/或导致二氧化碳从焊剂系统中 的一种或多种碳酸盐中释放出来。焊剂系统中二氧化碳的释放导致在焊 接过程中由焊剂系统产生较少的保护气体。焊剂系统中一种或多种金属 合金的氧化导致氧化的金属合金在焊缝金属中不能被合金化，从而产生 少于所要求的焊缝金属成分。减小这些现有焊剂系统干燥的温度和/或时 间就减小了二氧化碳从这些焊剂系统中的释放量，和/或减小了在这些焊 剂系统中金属合金的氧化量；然而，这样的温度减小和/或干燥时间将导 致这些现有焊剂系统的粘接剂在干燥过程中不能充分地或适度地凝固。 这些现有焊剂系统的这种不完全凝固或干燥，将导致焊剂系统较高的含 水量，和/或导致在储存过程中焊剂系统较大程度的吸水。粘接剂的不适 度凝固也导致焊剂系统成分的较差粘接。已经建议了几种可选的粘接剂 系统，其包括能够在较低温度下凝固的有机化合物；然而，这样的有机 化合物将氢引入了焊剂系统，其在某些焊接应用中可能是不希望的。本 发明的新焊剂粘接剂通过一种独特的粘接剂系统克服了这些现有焊剂系 统过去的问题，该粘接剂系统可在比过去粘接剂充分低的温度下干燥和 凝固，且不要求包含碳氢化合物以在这样较低的温度下凝固粘接剂。另 外，新粘接剂能够被干燥以基本上消除焊剂系统的含水量，并在长时间 内维持焊剂系统的低含水量。在本发明的一个实施例中，在焊剂系统中 的粘接剂干燥和凝固过程中，焊剂系统被加热到约小于760℃(1400°F) 的温度。焊剂系统加热到一升高的温度是用于减小焊剂系统中的含水量， 和/或凝固焊剂系统的粘接剂。焊剂系统中含水量减小是所希望的，因为 水作为氢的来源，在特定类型的焊接操作过程中能够不利地影响焊缝金 属的性能。焊剂系统的低含水量在高强度钢焊缝形成中是特别希望的。 然而，有其它的焊接应用，对于所希望的焊缝，焊剂的含水量可显著地 高。在该实施例的一个方面，在干燥和/或凝固过程中，焊剂系统所受到 的温度约小于705℃(1300°F)，典型地约小于605℃(1200°F)，更 典型地约小于594℃(1100°F)，更典型地约小于538℃(1000°F)， 更典型地约小于482℃(900°F)。可以理解的是，可以使用显著较低的 温度和/或凝固温度。在另外的和/或可选的实施例中，焊剂系统中新粘接 剂的干燥和/或凝固时间在约250℃(480°F)温度之上约小于10小时，以 得到约小于1％重量百分比的含水量。在该实施例的一个方面，焊剂系统 中新粘接剂的干燥和/或凝固时间在超过约400℃(750°F)温度下约小于 8小时，典型地约小于5小时，更典型地约小于4小时。可以理解的是，可 以使用焊剂系统中的新粘接剂的较短和/或较长干燥和/或凝固时间。这样 的时间段典型地取决于焊剂系统所受到的温度、焊剂系统中的含水量、 粘接剂的凝固时间、和/或焊剂系统干燥之后所希望的焊剂系统含水量。 在本发明的其它的和/或可选的实施例中，在焊剂系统干燥和/或凝固之后 焊剂系统的含水量典型地约小于6％重量百分比，更典型地约小于3％重 量百分比，更典型地约小于1％重量百分比，更典型地约小于0.5％重量百 分比，更典型地约小于0.2％重量百分比。在焊剂系统干燥和/或凝固之后 焊剂系统的含水量典型地取决于所使用的电弧焊工艺的类型。用于高强 度钢焊接工艺的焊剂系统，要求其氢含量为极低的水平，焊剂系统的含 水量典型地约小于1％，更典型地约小于0.4％，更典型地约小于0.2％， 更典型地约小于0.15％。
在本发明又一个和/或可选的方面，本发明焊剂系统中所用的新粘接 剂显示了与过去焊剂系统相比改进的倾倒特性(pouring characteristics)。在 焊剂系统被干燥和/或凝固之后，焊剂系统典型地被粉碎(is ground)并随后 筛分(is screened)以用于埋弧焊接工艺和/或用于焊剂药芯焊条。典型地， 焊剂系统被粉碎并随后筛分获得约小于48目(mesh)的焊剂系统平均颗粒 尺寸，更典型地约小于80目，更典型地约小于100目。在埋弧焊工艺中， 粉碎的焊剂系统典型被倾倒到工件的槽中，随后受到电弧，金属丝熔化 以形成焊缝金属。在埋弧焊接过程中，当焊剂系统被倾倒到工件上时， 需要一定数量的焊剂系统，以在焊接过程中获得所希望的气体保护和/或 焊剂特性，从而得到所希望的焊缝质量。在过去，各种类型粉碎的焊剂 系统不均匀地倾倒，从而在焊接过程中产生焊缝质量不均匀的问题。类 似地，当焊剂药芯焊条形成时，在焊条形成有芯焊条之前，一定数量粉 碎的焊剂沉积在焊条上，其中焊剂系统充满焊条的芯部区域。倾倒到焊 条上的焊剂系统的均匀度是重要的，以便在焊条的长度方向上维持芯部 区域中焊剂的均匀数量。过去粉碎的焊剂系统在这样的倾倒均匀性上遇 到了困难，从而不利地影响了焊剂药芯焊条的质量。已经发现，在埋弧 焊操作中焊剂倾倒和/或通过将焊剂系统倾倒到焊条上以形成焊剂药芯焊 条过程中，在焊剂系统中使用胶体粘接剂将导致粉碎的焊剂系统具有改 进的流动性能。因而，本发明的焊剂系统克服了过去焊剂系统流动性问 题。
本发明的一个主要目的是提供一种根据本发明的改进的焊剂系统， 其包括一种胶体粘接剂。
本发明另外的和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其要求 较低的干燥和/或凝固温度，从而提供了焊剂系统中可使用的成分类型的 较大灵活性。
本发明另外的和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其在焊 剂系统干燥和/或凝固之后的长时间内抵抗水份的吸收。
本发明又一和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其在焊剂 系统粉碎之后显示了改进的流动性能。
本发明又一和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其包括一 种与其它粘接剂结合的胶体粘接剂，以提供一种具有较低凝固温度、改 进的流动性能、和/或长时间减小水份吸收的焊剂系统。
本发明又一和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其包括一 种胶体粘接剂，所述焊剂系统能用于埋弧焊接工艺、能涂覆到焊条上、 和/或能用于焊剂药芯焊条的焊芯。
本发明又一和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其包括一 种粘接剂，该粘接剂与焊剂系统的一种或多种成分化学地粘接在一起。
本发明另外的和/或可选的目的是提供一种改进的焊剂系统，其能够 挤压到金属焊条上以形成药皮金属焊条。
从本发明和现有技术之间区别的讨论和当考虑附图所示的优选实施 例时，本发明的这些和其他目的及优点将变得更明显。

图1是本发明胶体粘接剂系统的SiO2小颗粒将焊剂系统的两种焊剂 成分粘接在一起的示意图；
图2是本发明胶体粘接剂系统的SiO2小颗粒和水玻璃将焊剂系统的 两种焊剂成分粘接在一起的示意图；
图3示出了用于制造用于埋弧焊和/或焊剂药芯焊条的本发明焊剂系 统的流程图；
图4示出了用于制造本发明焊剂系统并随后形成药皮焊条的流程图；
图5A和5B示出了埋弧焊中将现有技术焊剂系统和本发明焊剂系统 倾倒到工件上的示意图；
图6示出了包含或缺少本发明新焊剂粘接剂的不同焊剂系统的水分 吸收的示意性图表。

现在更详细地参照附图，其中所显示的仅仅是为了表示本发明优选 实施例的目的，并非为了限制本发明的目的。图1示出了使用二氧化硅小 颗粒将焊剂系统的各种成分粘接在一起的示意图。焊剂系统的成分典型 地包括金属氧化物(例如氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化铬、氧化铁、 氧化镁、氧化铌、氧化钾、二氧化硅、氧化钠、氧化锡、氧化钛、氧化 钒、氧化锆等)、金属碳酸盐(如碳酸钙等)、金属氟化物(如氟化钡、 氟化铋、氟化钙、氟化钾、氟化钠、特氟隆等)、和/或金属合金添加剂 (如铝、硼、钙、碳、铁、锰、镍、硅、钛、锆等)。焊剂系统的具体 成分典型地取决于所用的焊接工艺(SAW、SMAW、FCAW)的类型和/ 或所焊接工件的类型。
如图1所示，二氧化硅颗粒充分小于焊剂成分10的颗粒。图1表示了 位于两个焊剂成分表面的小部分之间的三个二氧化硅小颗粒。二氧化硅 可来自于纯净的或非纯净的原料。典型地，大多数二氧化硅来源于纯原 料。典型地，二氧化硅颗粒具有约2-25纳米的平均颗粒尺寸，更典型地 具有约8纳米的平均颗粒尺寸。焊剂的平均颗粒尺寸典型地约400目(37 微米)或更大。因而，二氧化硅的颗粒尺寸典型充分地小于焊剂系统的 其它成分。例如，具有约400目平均颗粒尺寸的焊剂成分将大于具有约8 纳米平均颗粒尺寸的二氧化硅颗粒约4625倍。二氧化硅的粘接机理被认 为实质上是化学上的。认为小的二氧化硅颗粒被布朗力(Brownian force) 吸引到焊剂成分上。如图1所示，二氧化硅颗粒具有一个负电荷并被吸引 到焊剂成分10的正电荷表面上。这样，小二氧化硅颗粒不同地粘接到焊 剂成分上，而不是象传统的粘接剂那样将焊剂成分上诱陷到粘接剂颗粒 之间。小二氧化硅颗粒与任何相邻的正电荷焊剂成分(例如碱性和/或碱 土金属化合物)化学粘接。负电荷小颗粒与正电负金属氧化物的粘接能 够导致这种氧化物水解作用的减小。
现在参照图2，使用一种二氧化硅小颗粒形式的粘接剂和一种传统的 水玻璃粘接剂将两个焊剂成分的表面区域粘接在一起。所示的水玻璃颗 粒显著地大于二氧化硅颗粒。典型地，水玻璃颗粒至少100倍地大于二氧 化硅颗粒。水玻璃颗粒的粘接机理是多个水玻璃颗粒之间的焊剂成分的 捕捉。如上所述，所确信的二氧化硅小颗粒粘接机理是来自布朗效应的 电子吸引。已经发现，两种类型的粘接剂能够一起使用成功地将焊剂成 分粘接到一起。当二氧化硅小颗粒与水玻璃颗粒结合使用时，在焊剂系 统中水玻璃和二氧化硅颗粒的结合构成至少约70％的粘接剂重量百分 比，典型地至少约90％的粘接剂重量百分比。
现在参照图3，其示出了形成用于埋弧焊或用于充填焊剂药芯焊条焊 芯的焊剂系统的工艺。在步骤20中，准备或获得干混的焊剂成分和/或金 属合金添加剂。按要求调整焊剂成分和/或金属合金添加剂的尺寸。典型 地，焊剂成分和/或金属合金添加剂的平均尺寸约100-400目。然后，在 步骤22中，焊剂成分和/或金属合金添加剂与湿粘接剂混合以形成湿混合。 可理解的是，焊剂成分可首先与粘接剂混合，然后与金属合金添加剂混 合，或金属合金添加剂可首先与粘接剂混合，然后与焊剂成分混合，或 任何其他的混合顺序。粘接剂包括一种具有小二氧化硅颗粒的胶体粘接 剂。胶体粘接剂中的小颗粒可包括全部或部分二氧化硅颗粒。典型地， 在胶体粘接剂中小颗粒的重量百分比80％以上是二氧化硅颗粒。胶体粘 接剂中小颗粒的平均颗粒尺寸典型为2-25纳米，更典型地约8纳米。胶 体粘接剂的液体成分典型地构成胶体粘接剂约60-85％重量百分比，更 典型地构成胶体粘接剂约70％重量百分比。所述液体典型是水；然而， 也可使用其它的和/或附加的液体。粘接剂可由100％重量百分比的胶体粘 接剂组成以形成类似于图1所示的粘接剂方案，或可由部分胶体粘接剂和 部分一种或多种其它粘接剂组成以形成类似于图2所示的粘接剂方案。当 胶体粘接剂与一种或多种另外的粘接剂结合时，其它的粘接剂典型地包 括水玻璃。当形成粘接剂的一部分时，胶体粘接剂可构成粘接剂的约0.01 -99.99％重量百分比。当粘接剂主要由水玻璃和胶体粘接剂形成时，胶 体粘接剂典型地形成粘接剂的约5-75％重量百分比，更典型地约20-50 ％重量百分比。
在焊剂粘接剂中使用水玻璃具有几个优点，其包括但并不仅限于：
●水玻璃成分(Na2O和/或K2O)提高了电弧稳定性；
●水玻璃给焊剂系统提供了低熔点成分，其有助于调整焊接过程中
  焊渣的熔化/凝固范围；
●水玻璃易于处理和使用；
●水玻璃是一种低成本材料。
仅使用胶体作为粘接剂或胶体与水玻璃结合作为粘接剂的焊剂系统 克服了仅使用水玻璃作为粘接剂的焊剂系统的许多过去问题，比如，但 并非限制于：
●当水玻璃没有适度地处于高温(≥1400°F)时，焊剂系统将吸
  收大量的水分；
●水玻璃要求高的凝固温度，因而限制了焊剂系统中所能使用的成
  分类型；
●水玻璃包括钾和/或钠，其在一些焊剂系统配方中可能是不希望
  的；
●当焊剂粘接剂包括足够数量的水玻璃焊接不锈钢时，产生大量的
  六价铬烟气(hexavalent chromium fume)；    
●当粘接剂是水玻璃时，要求粉碎的焊剂系统的粗糙颗粒尺寸。
一旦粘接剂和焊剂成分和/或合金添加剂已经适度混合时，湿混合物 在干燥步骤24中干燥。湿混合物可通过任何常规的装置(如烤箱等)来 干燥。干燥温度典型地约800-1200°F(426-649℃)；然而，也能使用 较高或较低的温度。当焊剂系统包括碳酸盐、铝金属、镁金属和/或钛金 属时，干燥温度典型地不超过约1200°F(649℃)，以便减小从碳酸盐 分解的二氧化碳数量和/或减小铝金属、镁金属和/或钛金属的氧化量。粘 接剂的干燥温度能够低到200-600°F，以便蒸馏出湿混合物中的水分， 该低干燥温度仍然能够达到焊剂系统粘接所需的水分数量。干燥焊剂系 统直至获得所需或可接受的水分含量。对于用于高强度焊接的焊剂系统， 水分含量典型地被减小和维持低于约0.2％重量百分比。
一旦焊剂系统被干燥，粉碎焊剂系统然后筛分，以获得约32-200 目的焊剂系统平均颗粒尺寸；然而，也能使用其他的平均颗粒尺寸。粉 碎和筛分过程26是通过标准技术进行的，因而就不进一步描述了。含有 胶体粘接剂的焊剂系统可以被粉碎成比使用粘接剂如水玻璃、糖浆等的 现有焊剂系统较细或较小的颗粒尺寸。
通过图3所示工艺形成的焊剂系统可用作埋弧焊焊剂或包括在焊剂 药芯焊条的焊芯中。已经发现含有胶体粘接剂的焊剂系统与现有技术粘 接剂系统如用水玻璃粘接的焊剂系统相比具有改善的流动性能。如图5A 所示，现有技术焊剂系统通过分配器(dispenser)42以堆积(a pile)40的形式 分配在工件W上。这样的操作典型地发生在埋弧焊系统中，其中焊剂系 统被施加到所焊接的工件W上，然后产生电弧以熔化可消耗的焊条电极 和焊剂系统。在工件上堆积足够数量的焊剂系统，以实现所需的防护和/ 或保护焊接熔池避免与空气接触，以改变焊缝金属的性能等。如果不适 当数量(也就是太少或太多)的焊剂系统施加到工件上，可能产生不期 望的焊缝金属特性。如图5A所示，过去的焊剂系统不能从分配器均匀地 流动，因而导致焊剂系统在工件上的不均匀堆积。含有本发明胶体粘接 剂的焊剂系统显示了改进了的流动性能。如图5B所示，从分配器52的焊 剂系统的流动基本上是均匀的，从而在工件W上形成了一个基本上均匀 的焊剂系统堆积50。流动均匀性的类似优点也适用于焊剂药芯焊条的形 成。
表A示出了含有胶体粘接剂的几种焊剂系统与利用标准水玻璃粘接 剂的几种焊剂系统的水分蒸发结果。
                                         表A     MPU@ 80/801           900°F H2O          ％CO2  24小时   7天   原始   样品2   24小时后   @80/80   7天后   @80/80   原始样品   7天后   @80/80 Oerlikon OP121TT  0.11   0.34   0.014   0.064   0.173   -   1.171 Lincoln 880M  0.16   0.64   0.017   0.095   0.297   0.501   0.692 Lincoln 761  0.21   0.35   0.017   0.141   0.123   0.040   0.139 Lincoln 860  0.06   0.12   0.018   0.029   0.062   0.110   0.088 实验DCX6  0.02   0.06   0.014   0.024   0.039   0.220   0.209 实验DCX7  0.04   0.12   0.013   0.031   0.074   0.285   0.256 实验DCX8  0.06   0.23   0.014   0.048   0.141   0.146   0.227 实验DCX9  0.02   0.05   0.009   0.027   0.027   0.124   0.146
Oerlikon OP121TT、Lincoln 880M、Lincoln 761以及Lincoln 860所 标识的焊剂是商业上可利用的焊剂系统，其包括作为主要粘接剂的水玻 璃。实验DCX6、实验DCX7、实验DCX8和实验DCX9所标识的焊剂是除 了合金添加剂的含量已经改变之外，类似于一种或多种上述标识的标准 焊剂的焊剂系统。实验DCX6、实验DCX7和实验DCX9包括一种粘接剂， 其含有1/3的胶体氧化硅和2/3的水玻璃。实验DCX8与实验DCX7相同，但 是粘接剂不包括任何胶体氧化硅。所有上述焊剂均是埋弧焊焊剂，且在 -20+40目筛分，随后在80°F、80％相对湿度增湿之前进行1小时的修 复(recondition)。另外，所有上述焊剂在900°F下测试之前均在900°F下 修复1小时。原始样品显示的是修复之后、增湿之前的焊剂系统。所有实 验焊剂均在约1250°F下干燥。含有胶体粘接剂的焊剂系统与可商业利用 的焊剂系统相比显示了可接受的破损程度。
如表A所示，所有含有水玻璃作为主要粘接剂的焊剂系统在两个吸湿 测试过程中显示了显著的吸湿性。在粘接剂中含有与水玻璃结合的胶体 氧化硅的焊剂系统在测试过程中显示了非常小的吸湿性。不同焊剂的吸 湿性在图6中图表示出。另外，粘接剂中含有胶体氧化硅的焊剂系统基本 上在测试过程中在焊剂系统中保持相同数量的二氧化碳。在图6中示出了 表A中的结果，该结果揭示出含有胶体氧化硅的焊剂系统耐吸湿性要比不 含胶体氧化硅的粘接剂耐吸湿性强，并进一步揭示出了粘接剂中胶体氧 化硅在超过使用期时间所保留的焊剂系统二氧化碳量。
现在参照图4，其示出了用于形成药皮焊条的工艺。准备或获得焊剂 成分和/或金属合金添加剂的干混，步骤30。按要求调整焊剂成分和/或金 属合金添加剂的尺寸。典型地，焊剂成分和/或金属合金添加剂的平均尺 寸约为100-400目。然后在步骤32中将焊剂成分和/或金属合金添加剂与 湿粘接剂混合而形成湿混合物。可理解的是，焊剂成分可首先与粘接剂 混合，然后与金属合金添加剂混合，或金属合金添加剂可首先与粘接剂 混合，然后与焊剂成分混合，或任何其他的混合顺序。粘接剂包括一种 具有二氧化硅小颗粒的胶体粘接剂。该胶体粘接剂与上述胶体粘接剂相 同或类似。粘接剂可由100％重量百分比的胶体粘接剂组成以形成类似于 图1所示的粘接剂方案，或可由部分胶体粘接剂和部分一种或多种其它粘 接剂组成以形成类似于图2所示的粘接剂方案。当胶体粘接剂与一种或多 种另外的粘接剂粘接时，其它的粘接剂典型地包括水玻璃。当形成粘接 剂的一部分时，胶体粘接剂可构成粘接剂的约0.01-99.99％重量百分比。 当粘接剂主要由水玻璃和胶体粘接剂形成时，胶体粘接剂典型地形成粘 接剂的约5-75％重量百分比，更典型地约20-50％重量百分比。水玻璃 和/或其它具有胶体粘接剂的粘接剂的内含物典型地取决于所需的焊剂成 分。
一旦粘接剂和焊剂成分和/或合金添加剂已经完全混合，湿混合物在 坯块形成步骤34中形成一个坯块(billet)。所述坯块典型地形成为一个大圆 柱形构造，其直径约3-30英寸、高约10-40英寸，典型地直径为约12英 寸和高约14英寸。形成坯块的工艺是公知的，因而这里就不再叙述。然 后将坯块放入一个挤压机中，该挤压机就在工艺步骤36中所描述的焊条 的表面，挤压焊剂系统的一定控制数量。在焊条上挤压焊剂系统的挤压 机和工艺是公知的，因而这里不再叙述。其后，在工艺步骤38中，药皮 焊条被逐渐干燥。当药皮焊条缓慢地通过干燥室或烤箱时，所述干燥温 度典型地开始于一个较低的温度(例如65°F)，并逐渐增加温度到一个 最大温度(例如649°F)。可理解的是，可以使用较高或较低的干燥温 度。还可理解的是，在焊剂系统干燥过程中，干燥温度不是必须连续增 加，而是可以维持在相同的温度或周期性地减小温度。干燥时间典型地 为几个小时，且其通常取决于干燥之前焊剂系统中的含水量和干燥后所 要求的含水量。用于干燥的装置也是公知的，因而在此也不再描述。
总之，用胶体粘接剂形成的焊剂系统显示了超过过去粘接剂的几个 优点，比如，但并不限于：
●在干燥之后，新粘接剂具有极好的耐吸水性；
●新粘接剂可在较低的温度下干燥/凝固，这样允许在焊剂系统中
  使用较大量的焊剂成分；
●新粘接剂至少部分地通过化学过程与一种或多种焊剂成分粘接；
●新粘接剂可在低或高温下干燥/凝固；
●当新粘接剂涂覆在焊条表面上时，新粘接剂与焊条形成了一个强
  的结合；
●含有新粘接剂的焊剂系统耐开裂；
●新粘接剂可通过标准技术干燥和破碎；
●新粘接剂可与其它粘接剂结合或作为单独的粘接剂用于焊剂系
  统；
●新粘接剂减小了将较低熔点成分(例如硅酸钾和/或硅酸钠)加
  入到焊剂系统的需要；
●新粘接剂形成了一个具有改进流动性特性的焊剂系统；
●新粘接剂消除了使用有机粘接剂的需要，而有机粘接剂当要求较
  低干燥/凝固温度时，是被典型地使用的；
●新粘接剂可用于形成用于埋弧焊焊剂、涂覆到焊条上的焊剂、和
  /或在焊剂药芯焊条中使用的焊剂的焊剂系统；
●新粘接剂能减小焊剂系统中的氧化水解作用；
●新粘接剂能减小六价铬的形成，从而使得焊剂系统对环境更友
  好；
●使用新粘接剂的焊剂系统能够粉碎成更细的颗粒尺寸。
本发明所讨论的实施例以及其它实施例的这些和其它变形对于本领 域的技术人员是显而易见的并可从这里的描述中得到教导，因此显然可 理解的是，前述所描述的主题仅仅是作为本发明说明性的解释，而并非 是对本发明的限制。