用於焊接應用的自調節焊絲的製作方法

2023-06-07 03:10:06 2

用於焊接應用的自調節焊絲的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於焊接應用的自調節焊絲，具體公開了自調節焊絲、製造這些自調節焊絲的方法和加熱結合工序(例如氣體保護金屬極電弧焊或雷射釺焊)以及使用這些自調節焊絲的其他工序。所述焊絲具有適於在結合工序中用作結合材料的金屬或金屬合金的芯以及形狀記憶合金的外層，所述外層可以連續或者不連續(例如一個或多個縱向帶)環繞芯的外部。自調節焊絲的形狀記憶合金在其奧氏體相下被「訓練」成直的焊絲形狀。在使用自調節焊絲的工序中，自調節焊絲的彎曲端部通過將所述自調節焊絲加熱到高於所述形狀記憶合金的奧氏體相變溫度的溫度來矯直。
【專利說明】用於焊接應用的自調節焊絲
【技術領域】
[0001]本發明涉及焊接和結合方法以及用於這種方法的材料和物品。在另一個方面，本發明涉及關於焊絲等的對準的工序。
【背景技術】
[0002]本節提供有助於理解本發明但不一定是現有技術的信息。
[0003]經常也稱為金屬惰性氣體(MIG)焊接的氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)是使用連續、自耗焊接或填充焊絲作為電極的電弧焊工序。在金屬惰性氣體電弧焊接中，自耗焊絲電極穿過焊槍或焊炬並且穿出焊炬接觸末端，所述自耗焊絲由諸如銅合金的導電金屬製成。施加在接觸末端與待焊接金屬工件之間的電位導致焊絲中的電流，所述電流支持焊絲端部與金屬工件之間的電弧。通過氣體或氣體混合物-經常為惰性氣體混合物的流動來保護電弧使其與大氣隔離，其中金屬通過電弧從自耗焊絲電極傳送到工件。雷射釺焊也將填充焊絲供給到焊接部位，在所述焊接部位通過引導雷射輻照來熔化焊絲。焊絲熔滴將兩個工件之間的接縫橋接。
[0004]彎曲的焊絲以及焊絲與工件的錯位通常在電弧焊接、雷射釺焊、電弧釺焊、使用填充焊絲的TIG焊接以及使用填充焊絲的其他結合工序或加熱工序期間發生。焊絲相對於焊縫的錯位可導致結合工序不穩定並且導致焊接質量變差。因此，通常需要手動調節來使彎曲的焊絲變直，從而使生產延期。例如當焊絲穿過孔時或當焊絲被焊接到一起時，彎曲的焊絲以及焊絲與工件的錯位在其他工序中也可導致產生問題。

【發明內容】

[0005]本節提供本發明的總體描述，而非其全部範圍或所有特徵的全面公開。
[0006]本發明公開了自調節焊絲、製造這些自調節焊絲的方法和加熱結合工序(例如氣體保護電弧焊、雷射釺焊、電弧焊、TIG焊接以及其他結合工序)以及諸如線間焊接和熱量可用於矯直或對準這些自調節焊絲的穿線操作的其他工序。所述焊絲具有金屬或金屬合金-例如適於在結合工序中用作結合材料的金屬或金屬合金的芯以及形狀記憶合金的外層。所述外層可具有任何構造，例如它可以是包覆層、繞芯螺旋卷繞的連續帶、網狀物或諸如形狀記憶合金的一個或多個縱向帶的不連續層。自調節焊絲的形狀記憶合金在其奧氏體相中在訓練溫度下被「訓練」成直的焊絲形狀；在該工序中，焊絲被加熱到高於其奧氏體相變溫度的溫度，從而通過形狀記憶合金恢復到其被訓練的直的焊絲形狀來將自調節焊絲的任何彎曲矯直。
[0007]所述自調節焊絲可通過將形狀記憶合金層施加或固定到金屬或金屬合金-例如結合金屬或金屬合金的芯上來製成，例如通過將連續層或者形狀記憶合金的一個或多個縱向帶施加或固定到金屬或金屬合金(這些金屬或金屬合金通常不是形狀記憶合金並且可以是例如結合金屬或金屬合金以便製成具有結合金屬或其他金屬或金屬合金的芯和形狀記憶合金的外層的複合材料)的芯的外部。具有結合材料或其他金屬的芯以及形狀記憶合金的外層的複合材料可受到進一步成形操作-例如拉拔，從而獲得期望的最終自調節焊絲的橫截面形狀和橫截面大小(例如直徑或寬度)。無論連續或不連續環繞焊絲或帶的外周，外層(包括包覆層、網狀物、編制物、螺旋帶)可具有各種規則或不規則的形狀和厚度，並且可具有規則和不規則地改變的厚度。具有結合金屬或金屬合金芯以及形狀記憶合金外層(例如，包覆層或外部縱向帶)的最終焊絲隨後通過將所述焊絲加熱到高於形狀記憶合金的馬氏體到奧氏體相變溫度(在本說明書中它還被簡稱為「相變溫度」或「奧氏體相變溫度」)並且使加熱的焊絲長度保持直的狀態直到它冷卻到低於奧氏體到馬氏體相變溫度而被訓練成直的焊絲形狀。如果自調節焊絲在形狀記憶合金處於其馬氏體相時是彎曲的，那麼當所述自調節焊絲在其被使用的加熱工序(例如，結合工序或對準工序)期間被加熱到高於相變溫度時會再次變直。
[0008]本發明進一步公開了一種自調節焊絲在結合兩個金屬工件時用作填充物的熱結合工序。在該結合工序中，自調節焊絲達到高於形狀記憶合金的馬氏體到奧氏體相變溫度的溫度，從而導致自調節焊絲的彎曲被矯直。在各種實施方式中，該結合工序是氣體保護金屬極電弧焊工序，在所述工序中自調節焊絲被饋送穿過焊炬並且送出焊炬接觸末端。電位被施加在接觸末端與待焊接金屬工件之間，從而導致自調節焊絲中的電流將焊絲加熱以使焊炬的溫度高於形狀記憶合金的相變溫度，從而導致焊絲中的彎曲被矯直。
[0009]在其他實施方式中，熱源被用於通過將焊絲加熱到高於形狀記憶合金的馬氏體到奧氏體相變溫度的溫度來矯直自調節焊絲的端部或一部分，從而導致所述焊絲被矯直並且使所述焊絲能夠適當地定位或對準。
[0010]「一個」、「所述」、「至少一個」和「一個或多個」可互換地用於指示存在至少一個物
品；除非在上下文中另外清楚地指出，否則可以存在多個這種物品。在包括所附權利要求的本申請中參數(例如，質量或條件)的所有數值，將理解為在所有情況下都通過術語「大約」改變(無論「大約」是否在所述數值前實際出現)。「大約」指示所述數值允許一定程度的稍微不準確(其中有些接近於精確值；大致或合理地接近於所述值；幾乎)。如果由「大約」帶來的不準確在所屬領域沒有被理解為具有這種普通意義，那麼在此使用的「大約」指示至少可源於測量和使用這種參數的普通方法的變化。另外，所公開的範圍包括對所有值以及整個範圍內的進一步劃分範圍的公開。
[0011]術語「包括」、「包含」和「具有」是開放性的包括並且因此確定所述物品的存在，但是不排除其他物品的存在。如在本申請中使用的，術語「或」包括兩個或更多個相關聯的被列舉物品中的一個或任何以及所有組合。當術語第一、第二、第三等用於將各種物品彼此區別時，這些名稱僅為方便起見而不是限制所述物品。
[0012]方案1.一種具有金屬或金屬合金的芯和形狀記憶合金的外層的自調節焊絲。
[0013]方案2.如方案I所述的自調節焊絲，其中所述外層繞著所述芯的外周是連續的。
[0014]方案3.如方案I所述的自調節焊絲，其中所述外層由附接到所述芯的形狀記憶合金的一個或多個縱向帶來提供。
[0015]方案4.如方案I至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述形狀記憶合金是從下述各種晶系的物質組成的集合中選出的成分:Cu-Al-Ni, 14-14.5wt.%的麼1和3_4.5wt.%的 Ni ；Cu-Sn,大約 15at.% 的 Sn ;Cu_Zn，38.5 / 41.5wt.% 的 Zn ;Cu-Zn_X (其中 X=S1、Al或 Sn) ；Fe-Pt,大約 25at.% 的 Pt ；Fe-Mn-Si ;Co-Ni_Al ；Co-N1-Ga ；N1-Fe-Ga ;各種濃度的T1-Pd ；N1-Ti (大約 55at.% 的 Ni) ;N1-Ti_Nb ；N1-Mn-Ga0
[0016]方案5.如方案I至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述形狀記憶合金是從下述一種或多種金屬構成的合金組成的集合中選出的成分:鋅、銅、金、鐵、鋁和鎳，並且可選地具有其他金屬。
[0017]方案6.如方案5所述的自調節焊絲，其中所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分:銅鋅招鎳合金、銅招鎳合金、鎳鈦合金、鐵鎳合金、鐵猛娃合金和銅鋅
I=1-Wl O
[0018]方案7.如方案I至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述芯是鋼並且所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分:Fe-Ni合金和Fe-Mn-Si合金。
[0019]方案8.如方案I至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述芯是鋁並且所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分=T1-Ni合金和Cu-Zn合金。
[0020]方案9.一種矯直如方案I至8中任一項所述的自調節焊絲的彎曲端部的方法，其中所述自調節焊絲具有訓練的奧氏體相的直的形狀；所述方法包括將所述自調節焊絲加熱到高於奧氏體相變溫度的溫度從而將所述自調節焊絲矯直到其訓練的直的形狀。
[0021]方案10.如方案9所述的方法，進一步包括定位和對準矯直的焊絲。
[0022]方案11.一種使用如方案I至8中任一項所述的自調節焊絲來熱結合兩個金屬物品的方法，其中所述自調節焊絲在其奧氏體相下被訓練成直的形狀，所述方法包括將所述自調節焊絲熔化到所述兩個金屬物品之間的接縫中，其中所述自調節焊絲的彎曲隨著所述自調節焊絲被加熱到高於奧氏體相變溫度的溫度而矯直。
[0023]方案12.如方案11所述的方法，其中所述方法是氣體保護金屬極電弧焊方法。
[0024]方案13.如方案11所述的方法，其中所述方法是雷射焊接方法。
[0025]方案14.如方案11至13中任一項所述的方法，其中所述金屬物品每個都彼此獨立並且具有從下述各項組成的集合中選出的材料:碳鋼、高強度低合金鋼、不鏽鋼、鋁、銅以及鎳合金。
[0026]方案15.如方案11至13中任一項所述的方法，其中使用了至少一種下述組合:
(a)(I)形狀記憶合金，所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分:Cu-Al-Ni,14-14.5wt.% 的 Al 和 3-4.5wt.% 的 Ni ；Cu-Sn,15at.% 的 Sn ；Cu-Zn,38.5 /41.5wt.%的211 JPCu-Zn-X(其中X=S1、A1或Sn)以及(2)芯和金屬物品中的至少一種，所述芯和金屬物品中的至少一種是從下述各項組成的集合中選出的成分:銅合金和鋁合金；
(b)Fe-Mn-Si的形狀記憶合金以及從包括鋼的集合中選出的芯和金屬物品中的至少一
種；
(c)含有大約55at.%的Ni的N1-Ti的形狀記憶合金以及芯和金屬物品中的至少一種，所述芯和金屬物品中的至少一種是從下述各項組成的集合中選出的成分:鎳基合金、鋁合金、鋼和鑄鐵；以及
(d)N1-T1-Nb的形狀記憶合金以及芯和金屬物品中的至少一種，所述芯和金屬物品中的至少一種是從下述各項組成的集合中選出的成分:鎳基合金、鋁合金、鋼和鑄鐵。
[0027]方案16.—種在搭接縫中結合兩個金屬工件的方法，所述方法包括加熱如方案I至8中任一項所述的自調節焊絲，其中所述自調節焊絲在奧氏體相下被訓練成直的形狀，將所述自調節焊絲加熱到高於其奧氏體相變溫度的溫度從而使彎曲的自調節焊絲矯直，隨後將該焊絲在所述工件之間的搭接縫中對準。
[0028]方案17.—種將方案I至8中任一項所述的自調節焊絲的端部焊接到第二焊絲的端部的方法，所述方法包括加熱所述自調節焊絲，其中所述自調節焊絲在奧氏體相下被訓練成直的形狀，將所述自調節焊絲加熱到高於其奧氏體相變溫度的溫度從而使彎曲的自調節焊絲矯直，隨後將矯直的自調節焊絲的端部與所述第二焊絲的端部抵接並且將所述端部焊接到一起。
[0029]方案18.如方案17所述的方法，其中所述自調節焊絲和所述第二焊絲的端部通過電容儲能凸焊來焊接。
[0030]方案19.如方案17或方案18所述的方法，其中所述自調節焊絲從下述各項組成的集合中選出:
(a)具有鎳芯和形狀記憶合金層的自調節焊絲，該形狀記憶合金層從下述各項組成的集合中選出:N1-Fe-Ga、N1-T1、N1-T1-Nb 和 N1-Mn-Ga ；
(b)具有銅芯和形狀記憶合金層的自調節焊絲，該形狀記憶合金層從下述各項組成的集合中選出:Cu-Al-N1、Cu-Zn和Cu-Zn-X ；以及
(c)具有不鏽鋼芯和形狀記憶合金層的自調節焊絲，該形狀記憶合金層從下述各項組成的集合中選出=Fe-Pt和Fe-Mn-Si。
[0031]方案20.—種用於使焊絲穿過孔口的方法，包括:
提供如方案1-8中任一項所述的自調節焊絲，其中所述自調節焊絲在其奧氏體相下被訓練成直的形狀；
通過將所述焊絲加熱到高於其奧氏體相變溫度的溫度來矯直所述自調節焊絲的彎曲端部；
使所述矯直的端部穿過孔口。
[0032]通過下面的詳細描述和說明性的具體示例，本發明的進一步的應用領域將變得清
λ.Μ
/E.ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]附圖示出了選定實施方式而不是說明書中描述的所有可能的實施型式或變型。
[0034]圖1a和Ib是自調節焊絲的示例性實施方式的剖視圖；
圖2是使用圖1a和Ib的自調節焊絲的GMAW系統的實施方式的示意性前視圖；
圖3是用於圖2的GMAW系統的焊炬噴嘴的立體圖；
圖4示出了在GMAW工序開始時加熱自調節焊絲的代表性響應；
圖5是用於自調節焊絲的示例性實施方式的恢復應力與溫度的圖表；
圖6示出了在雷射焊接工序開始時加熱自調節焊絲的代表性響應；以及圖7是用於圖1a和Ib的自調節焊絲的電容儲能凸焊(capacitor dischargeprojection welding)的構造的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面詳細描述了示例性的非限制性實施方式。
[0036]圖1a和Ib示出了用於自調節焊絲的兩個示例構造。自調節焊絲IOa具有適於用作結合材料-例如焊接或填充材料的金屬或金屬合金的芯12以及形狀記憶合金的包覆或外層14。圖1a的外層14是連續環繞芯12的外周的層或包覆層。層14大體上為環繞並且鄰近芯12的外表面的筒狀或管狀。自調節焊絲IOb也具有適於用作結合材料-例如焊接或填充材料的金屬或金屬合金的芯12，但形狀記憶合金的外層16是不完全環繞所述芯12的外周的層。在各種實施方式中，雖然沒有完全覆蓋芯12的外周，但是外層16可以比圖1b所示覆蓋得更多或更少。圖1b示出了由形狀記憶合金的單個縱向帶形成的不完全外層16，但是在各種其他實施方式中，不完全外層16可由形狀記憶合金的多個縱向帶形成，所述多個縱向帶的覆蓋量小於芯12的全部表面並且可彼此鄰近或間隔開。形狀記憶層或帶可以或可以不沿著它們的長度、圓周或寬度具有均勻厚度；並且所述形狀記憶合金帶可以或可以不相對於彼此具有均勻厚度(當自調節焊絲具有多於一個的形狀記憶合金帶時)。
[0037]圖1a和Ib示出了具有大體上圓形橫截面的示例性自調節焊絲。在其他實施方式中，自調節焊絲可具有很寬範圍的橫截面，包括其他普通幾何形狀-例如橢圓形、正方形、矩形或其他多邊形橫截面外周形狀以及不規則橫截面形狀，所有這些橫截面都可具有不會沿著焊絲長度變化的均勻寬度或直徑或者可具有沿著焊絲長度規則(例如，以正弦曲線)或不規則變化的非均勻寬度或直徑。外層(例如，包覆層或帶)可具有各種規則或不規則的形狀和厚度，包括網狀、編制、螺旋帶以及厚度規則或不規則變化的層。當使用形狀記憶合金的包覆層時，所述包覆層可以是如圖1a所示的連續層或者是網狀物或具有孔或間斷部的其他層。在另一個變型中，一個或多個帶可以螺旋地或以螺旋方式卷繞芯。無論是連續的還是網狀的，卷繞芯的包覆層或者層優選地緊密配合在芯上或附接到芯。
[0038]適於用作GMAW自耗電極材料或者適於其他熱結合工序的芯的導電金屬和金屬合金的非限制性示例包括例如鐵、鐵碳合金、銅和銅合金。下面在表格I中示出了進一步的示例。鐵碳合金可包括其他合金元素，並且作為非限制性示例，鐵碳合金包括鋼。在各種示例性實施方式中，電極材料可以是諸如低碳鋼、低合金鋼、中碳鋼或不鏽鋼的鋼。
[0039]自調節焊絲還具有形狀記憶合金的外層(無論是否連續環繞芯或作為一個或多個帶或其他非連續構造)，例如層14或層16。形狀記憶合金是在馬氏體相與奧氏體相之間根據溫度進行可逆的無擴散相變的合金。形狀記憶合金具有低溫或馬氏體相以及高溫母相或奧氏體相。形狀記憶合金可在其較高溫度的奧氏體相被訓練成具有永久形狀。如果被訓練的形狀記憶合金隨後在處於馬氏體相時變形，那麼隨著它被加熱，變形的形狀記憶合金將轉變成母相或奧氏體相，從而返回到其永久形狀。轉變開始時的溫度經常稱為奧氏體反應開始溫度(As);這種現象完成時的溫度被稱為奧氏體反應結束溫度(Af)。為了公開本發明的目的，Af將稱為馬氏體到奧氏體相變溫度或相變溫度。在受熱時形狀記憶合金恢復其永久形狀的馬氏體到奧氏體相變溫度可通過稍微改變合金成分以及通過熱處理來調節。形狀恢復過程可在僅幾度的範圍或更寬的溫度範圍內發生，並且轉變的開始或結束可根據期望的應用和合金成分被控制在一度或兩度之內。
[0040]適當的形狀記憶合金的非限制性示例是鋅、銅、金、鐵、鋁或鎳的合金，並且可選擇性地具有其他金屬。具體的非限制性示例包括銅鋅鋁鎳合金、銅鋁鎳合金、鎳鈦合金、鐵鎳合金、鐵錳矽合金和銅鋅合金。
[0041]表格I列出了形狀記憶合金與焊絲芯材料的組合的非限制性示例。如表格I中的示例所示，當自調節焊絲用於熱結合工序-例如焊接工序時，芯通常與使用它的工件基體具有相同或類似的金屬成分。在一個這種示例中，當基體是鋼時，芯可以是下述鋼:具有相同合金成分的鋼或根據需要具有選定的更高或更低含量的合金以產生具有期望特徵或特性的焊接的鋼。然而，芯可替代性地為不同於工件基體的金屬或合金，並且這種情形的一個非限制性示例是在焊接鑄鐵基體時使用具有鎳基芯的自調節焊絲。
[0042]表格1.適用於焊絲芯和對應基體的形狀記憶合金類型
【權利要求】
1.一種具有金屬或金屬合金的芯和形狀記憶合金的外層的自調節焊絲。
2.如權利要求1所述的自調節焊絲，其中所述外層繞著所述芯的外周是連續的。
3.如權利要求1所述的自調節焊絲，其中所述外層由附接到所述芯的形狀記憶合金的一個或多個縱向帶來提供。
4.如權利要求1至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述形狀記憶合金是從下述各種晶系的物質組成的集合中選出的成分:Cu-Al-Ni，14-14.5wt.%的Al和3_4.5wt.%的Ni ；Cu-Sn,大約 15at.% 的 Sn ；Cu-Zn, 38.5 / 41.5wt.% 的 Zn ;Cu-Zn_X (其中 X=S1、A1 或 Sn)；Fe-Pt,大約 25at.% 的 Pt ；Fe-Mn-Si ;Co-Ni_Al ；Co-N1-Ga ；N1-Fe-Ga ;各種濃度的 T1-Pd ；N1-Ti (大約 55at.% 的 Ni) ； N1-T1-Nb ;N1-Mn_Ga。
5.如權利要求1至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述形狀記憶合金是從下述一種或多種金屬構成的合金組成的集合中選出的成分:鋅、銅、金、鐵、鋁和鎳，並且可選地具有其他金屬。
6.如權利要求5所述的自調節焊絲，其中所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分:銅鋅招鎳合金、銅招鎳合金、鎳鈦合金、鐵鎳合金、鐵猛娃合金和銅鋅合金。
7.如權利要求1至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述芯是鋼並且所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分:Fe-Ni合金和Fe-Mn-Si合金。
8.如權利要求1至3中任一項所述的自調節焊絲，其中所述芯是鋁並且所述形狀記憶合金是從下述各項組成的集合中選出的成分=T1-Ni合金和Cu-Zn合金。
9.一種矯直如權利要求1至8中任一項所述的自調節焊絲的彎曲端部的方法，其中所述自調節焊絲具有訓練的奧氏體相的直的形狀；所述方法包括將所述自調節焊絲加熱到高於奧氏體相變溫度的溫度從而將所述自調節焊絲矯直到其訓練的直的形狀。
10.一種使用如權利要求1至8中任一項所述的自調節焊絲來熱結合兩個金屬物品的方法，其中所述自調節焊絲在其奧氏體相下被訓練成直的形狀，所述方法包括將所述自調節焊絲熔化到所述兩個金屬物品之間的接縫中，其中所述自調節焊絲的彎曲隨著所述自調節焊絲被加熱到高於奧氏體相變溫度的溫度而矯直。
【文檔編號】B23K35/24GK103817455SQ201210462808
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月16日 優先權日:2012年11月16日
【發明者】張婧, 王培中, 楊上陸 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司