焊丝输送装置及方法

摘要

公开丝输送装置，具有丝输送管以及推动丝穿过丝输送管的输送单元。丝输送管包含双向形状记忆合金，或丝输送管具有附接的、重叠或插入的延伸部分，延伸部分延伸超过丝输送管的远侧端部，延伸部分包含双向形状记忆合金。双向形状记忆合金具有处于马氏体相下具有用于丝的通道的训练形状；以及处于奥氏体相下具有比马氏体相通道窄的用于丝的通道的训练形状。当被加热至双向形状记忆合金的奥氏体相时，较窄通道施加压力以矫直丝中的弯曲部。

权利要求

1.一种丝输送装置，包括丝输送管以及推动丝穿过所述丝输送管的输送单元，其中所述丝输送管包含双向形状记忆合金，并且其中所述双向形状记忆合金具有处于马氏体相下的具有用于丝的通道的训练形状；以及处于奥氏体相下具有比马氏体相通道窄的用于丝的通道的训练形状。

2.根据权利要求1所述的丝输送装置，其中所述丝输送管的所述双向形状记忆合金至少位于所述丝输送管的远侧端部处，所述丝在所述远侧端部处离开所述丝输送管。

3.一种丝输送装置，包括丝输送管，推动丝穿过所述丝输送管的输送单元，其中所述丝输送管具有附接的、重叠或插入的延伸部分，所述延伸部分延伸超过所述丝输送管的远侧端部，所述延伸部分具有用于所述丝的进口和出口，其中所述延伸部分包含双向形状记忆合金，并且其中所述双向形状记忆合金具有处于马氏体相下具有用于丝的通道的训练形状；以及处于奥氏体相下具有比马氏体相通道窄的用于丝的通道的训练形状。

4.根据权利要求3所述的丝输送装置，其中所述延伸部分桥接在所述丝输送管与焊炬之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的丝输送装置，其中所述输送单元包括丝输送轮。

6.一种连结过程，包括通过以下步骤提供用于连结两个制品的丝：穿过根据权利要求1至3中任一项所述的丝输送装置输送丝；以及将所述双向形状记忆合金加热至高于其马氏体到奥氏体相变温度并且使通道变窄，通过变窄的通道施加压力以矫直所述丝中的弯曲部，从而有助于在所述连结过程中定位所述丝。

7.根据权利要求6所述的连结过程，其中连结过程选自包括以下各项的组：气体保护金属极弧焊、激光焊接、弧钎焊以及TIG焊接。

8.根据权利要求7所述的连结过程，其中激光焊接包括激光钎焊。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的连结过程，其中所述丝在加热步骤中被加热。

说明书

焊丝输送装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及焊接和连结方法以及用于此类方法的制品。在另一方面，本发明涉及包括对准丝等等的过程。

背景技术

[0002] 此部分提供有助于理解本发明但不必然是现有技术的信息。

[0003] 也称为金属极惰性气体保护（MIG）焊接的气体保护金属极弧焊（GMAW）是使用连续的可消耗焊丝或填丝作为电极的弧焊过程。在气体保护金属极弧焊中，可消耗丝电极穿过焊枪或焊炬并且穿出由导电金属像铜合金制成的焊炬触头。施加在触头与有待焊接的金属工件之间的电势在丝中产生电流，这在丝末端与金属工件之间架起电弧。在通过电弧使金属从可消耗丝电极过渡至工件的情况下，由气体流或气体混合物（通常是惰性气体混合物）流使电弧与大气屏蔽开。激光钎焊还将填丝输送至焊接位点，在焊接位点处，填丝通过直接激光辐照被熔化。熔化的丝的液滴桥接两个工件之间的接缝。

[0004] 在弧焊、激光钎焊、焊合、弧钎焊以及其他连结过程或使用填丝的热熔融过程中，弯曲丝以及丝与工件不对准是常发事件。丝相对于焊缝不对准可造成不稳定的焊接和连结过程并且导致焊接质量低劣。因此，通常需要手动调整以矫直弯曲丝，从而延迟生产。弯曲丝以及丝与工件不对准在其他过程中、例如在使丝穿过孔时也可能成问题。

发明内容

[0005] 此部分提供总体概述而不是对本发明完整范围或本发明所有特征的全面公开。

[0006] 公开一种丝输送装置，其可被热激活以矫直穿过输送装置的丝。丝输送装置具有推动丝穿过丝输送管的输送单元。丝输送管包含双向形状记忆合金，双向形状记忆合金可至少是在远侧端部处，丝在远侧端部处离开管；或丝输送管具有附接的、重叠或插入的包含双向形状记忆合金的延伸部分，延伸部分延伸超过丝输送管的远侧端部，延伸部分具有用于丝的进口和出口并且延伸部分包含双向形状记忆合金。当被加热至高于马氏体到奥氏体相变温度时，丝输送管远侧端部或延伸部分的双向形状记忆合金呈现具有用于丝的较窄直径通道的训练形状，通道按压丝中的弯曲部以矫直丝。当丝输送装置是焊接设备的一部分时，延伸部分可在丝输送管与焊炬或焊枪之间桥接。

[0007] 进一步公开一种过程，该过程包括：利用丝输送装置输送丝穿过丝输送管和可选的延伸部分；将丝输送管或延伸部分加热至高于形状记忆合金马氏体到奥氏体相变温度的温度，使得包含双向形状记忆合金的丝输送管或延伸部分呈现具有用于丝穿过的较窄开口的训练形状；其中开口变窄施加压力以矫直丝中的弯曲部。在各种实施例中，该过程可以是热连结过程，其中丝在以其矫直的形式离开丝输送装置之后用作连结两个工件的填料。该连结过程可以是气体保护金属极弧焊过程，其中矫直丝有助于在连结过程中定位丝。在其他实施例中，该过程可包括对准或定位矫直的丝的另外步骤。“矫直的”和“矫直”是指使丝相对于丝原始弯曲的部分更直；在经受所公开矫直过程之后，丝无需是精确笔直的，但是与受包含双向形状记忆合金的丝输送管或延伸部分作用之前相比，丝中的弯曲部相对于丝的输送方向的角度更接近0°。

[0008] 除了使得丝输送管或延伸部分呈现其奥氏体相训练形状之外，来自已加热丝输送管或延伸部分的热量将丝预加热至某种程度，这可用于提高热连结过程的过程质量。

[0009] “一”、“一个”、“所述”、“至少一个”以及“一个或多个”可互换地使用以指示：存在至少一个项目；可存在多个此项目，除非上下文另外清楚指示。本说明书、包括所附权利要求书中的所有参数（例如，数量或条件）数值应理解为在所有情况下由词语“大约”修饰，不论“大约”是否实际出现在数值之前。“大约”指示所陈述数值允许一些稍微不精确（在值上大约接近精确；近似或合理地接近该值；差不多）。如果由“大约”提供的不精确在本领域中无法以这种普通含义来理解，那么本文所用的“大约”至少指示可能由测量和使用此类参数的普通方法得出的变体。另外，对范围的公开包括对整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开。

[0010] 词语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包括性的并且因此指明所陈述项目的存在，但不排除其他项目的存在。如本说明书中所用，词语“或”包括相关联的所列出项目中的两个或更多个的一个或任何以及所有组合。当词语第一、第二、第三等用于将各种项目与彼此区分开时，这些指定仅为了方便而不限制项目。

[0011] 根据以下详细描述和示例性具体实例，适用性的另外领域将变得显而易见。

附图说明

[0012] 附图示出选定实施例但不是本公开所描述的所有可能实施方式或变体。

[0013] 图1示意性地示出容纳丝的丝输送管的一部分；

[0014] 图2示出图1的丝输送管的区域被加热至高于其马氏体到奥氏体转变温度时的变化；

[0015] 图3示出丝输送装置的替代实施例，其中丝输送管在一端处具有延伸部分；

[0016] 图4示出延伸部分被加热至高于其马氏体到奥氏体转变温度时的变化；

[0017] 图5是包括丝输送管的GMAW系统的实施例的示意正面图；以及

[0018] 图6是用于图5的GMAW系统的焊炬喷嘴的剖面透视图。

具体实施方式

[0019] 以下是对示例性、非限制性实施例的详细描述。

[0020] 丝输送装置具有包含双向形状记忆合金的丝输送管或在丝输送管的远侧端部处的延伸部分，丝输送管或延伸部分被训练成处于其奥氏体相下所具有的内部通道与其处于其马氏体相时的内部通道相比较小或较窄。形状记忆合金是在经受适当热刺激时显示出恢复至先前限定形状和/或尺寸的能力的合金。双向形状记忆合金能够在较低温度马氏体相与较高温度奥氏体相之间经历相变，其中它们的尺寸或形状随温度变化。双向形状记忆合金具有马氏体相训练形状和奥氏体相训练形状。奥氏体相训练形状是具有与管在双向形状记忆合金处于其马氏体相训练形状时的直径相比较窄的内部开口（例如，在管具有圆形横截面时，具有较窄直径）的管。丝输送管处于其奥氏体相时的内部开口的尺寸应恰好大于丝的尺寸，使得当管在被加热至双向智能材料合金的奥氏体相时变窄时，管壁按压在管内的丝中的弯曲部上以至少部分地矫直弯曲部。

[0021] 可在制造丝输送管或延伸部分期间设定马氏体相形状和奥氏体相形状。当包含双向形状记忆合金的丝输送管或延伸部分处于马氏体相并且被加热时，其开始改变成其中其具有用于丝的较窄通道的奥氏体相构型。这种现象起始时的温度通常称为奥氏体起始温度（AS）。这种现象完成时的温度叫做奥氏体结束温度（Af）。当包含双向形状记忆合金的丝输送管或延伸部分处于奥氏体相并且被冷却时，其开始改变成其中其具有较宽直径的马氏体相构型，并且这种现象起始时的温度称为马氏体起始温度（MS）。奥氏体结束转换成马氏体时的温度叫做马氏体结束温度（Mf）。一般来说，可通过允许热量消散到周围空气或环境来引起奥氏体到马氏体转变。合适的热激活刺激是具有引起马氏体相与奥氏体相之间的转换的大小的热激活刺激。

[0022] 在由双向形状记忆合金制成的制品的温度升高时，制品在其处于马氏体相时的训练形状与其处于较高温度奥氏体相时的训练形状之间改变。丝输送管或延伸部分的双向形状记忆合金被训练成在奥氏体相下具有较小内部通道，例如较窄直径。较窄通道被选择成对被输送穿过管或延伸部分的丝中的一个或多个弯曲部施加压力，以将丝中的弯曲部朝向笔直进行矫直，使得与受包含双向形状记忆合金的丝输送管或延伸部分作用之前相比，丝中的弯曲部相对于丝的输送方向的角度更接近0°。当丝被输送穿过时，可维持丝输送管部分或延伸部分处于其加热的奥氏体相下具有较窄通道。

[0023] 固有和非固有双向形状记忆材料的特征在于：在被加热时从马氏体相至奥氏体相的形状转变，以及在冷却时从奥氏体相回到马氏体相的另外形状转变。在形状记忆材料中，必须通过热机械处理引起固有双向形状记忆行为。此过程包括处于马氏体相时的材料的极端变形、在约束或负载下加热-冷却，或表面改性诸如激光退火、抛光或喷丸处理。一旦材料已经被训练成表现出双向形状记忆效应，低温状态与高温状态之间的形状改变则一般是可逆的并且持续经过高数量的热循环。相比之下，表现出非固有双向形状记忆效应的活性材料是复合材料或多组分材料，它们组合表现出单向效应的形状记忆合金成分与提供复原组合物原始形状的恢复力的另一元素。

[0024] 双向形状记忆合金的相变温度可通过稍微改变合金的组成以及通过热处理来调整。在例如镍钛形状记忆合金中，相变温度可从高于大约100℃改变至低于大约－100℃。形状复原过程在仅几个度数的范围内发生，并且取决于所需应用和合金组成，可将转换的起始或结束控制在一度或两度内。形状记忆合金的机械性质在跨越它们转换的温度范围内显著改变，从而通常提供具有形状记忆效应、超弹性效应以及高阻尼能力的系统。

[0025] 合适的形状记忆合金材料包括但不限于镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金（例如，铜锌合金、铜铝合金、铜金合金、铜钛镍合金以及铜锡合金）、金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁铂基合金、铁铂基合金、铁钯基合金等。这些合金可以是二元的、三元的或任何更高次元，只要合金组合物表现出形状记忆效应，例如尺寸、弹性模量、阻尼能力上的变化等。在通常使用中，当形状记忆合金被加热至高于它们的马氏体到奥氏体相变温度时，形状记忆合金表现出大约2.5倍的模量增加和高达大约
8%（取决于预应变的量）的尺寸变化（在处于马氏体相时引起的假塑性变形的复原）。

[0026] 丝输送装置具有推动丝穿过丝输送管的输送单元。图1和图2示出丝输送装置的第一实施例，其中丝输送管包括远侧端部（丝在远侧端部处离开管），并且至少远侧端部包含双向形状记忆合金。图1示出丝输送管12的具有位于点14与点16之间的远侧端部的端部部分，端部部分位于输送管12的端部处。在图1中，丝10在位于点14与16之间的区域中具有弯曲部。至少丝输送管12位于点14与16之间的部分包含双向形状记忆合金。

[0027] 图1中的丝输送管12位于点14与16之间的包含双向形状记忆合金的部分被示出为处于其较低温马氏体构型。图2示出图1中的丝输送管位于点14与16之间的区域内被加热至高于其马氏体到奥氏体转变时的变化。当丝输送管的形状记忆合金被加热至其奥氏体相时，丝输送管呈现所具有的内部通道小于其处于其马氏体相时的内部通道的训练形状。丝输送管12处于其奥氏体相时的内部开口的尺寸恰好大于丝的尺寸，使得当开口在呈现其奥氏体相训练形状时变窄时，管壁按压管内部的丝中的弯曲部以矫直该弯曲部。矫直的丝可更容易被定位或对准。

[0028] 丝输送管包含双向形状记忆合金的长度可改变。丝输送管可沿其整个长度或仅沿其长度的一部分包含双向形状记忆合金。在使用丝输送管提供矫直的丝的过程中，丝输送管包含双向形状记忆合金的所有或仅一部分长度可被加热至其具有较窄通道的奥氏体相训练形状。

[0029] 图3和图4示出可替代实施例，其中包含双向形状记忆合金的延伸部18附接至丝输送管12的远侧端部。包含双向形状记忆合金的延伸部18被训练成在其奥氏体相下具有训练形状，该训练形状所具有的内部通道小于延伸部处于其马氏体相下所具有的内部通道。图3示出桥接在丝输送管12与气体保护金属极弧焊炬22之间的延伸部18。当焊接过程开始时，延伸部18被加热至高于其马氏体到奥氏体相变，使得如图4所示，延伸部18的内部通道变窄，使得延伸部18的壁按压在矫直丝10中的弯曲部上并将其矫直。这使得更容易定位或对准离开焊炬22的丝10的末端。

[0030] 在气体保护金属极弧焊（GMAW）过程中连续递送的丝用作可消耗丝电极。在用作电极的丝与有待焊接的工件之间形成电弧。在气体保护金属极弧焊中，可消耗电极正常地是正的并且工件是负的。

[0031] 图5是GMAW系统的示意正视图，具体地示出焊炬、电源、自调整丝输送单元以及屏蔽气体供应罐。GMAW系统具有包括喷嘴22的焊炬（或焊枪）21、电源23、被配置用于向焊炬21输送丝10的丝输送单元24以及屏蔽气体供应器26。焊炬21可被定向以便维持与预定位工件27的一致的焊炬头到工件的距离。丝输送单元24包括缠绕丝10的丝盘28。由电源23供电的丝输送轮30从丝盘28牵拉丝10并且推动丝10穿过丝输送管12到达焊炬21。

[0032] 如图5和图6所示，焊炬枪喷嘴22包括在焊枪喷嘴22内部轴向对准并且被配置成通过接触丝10进行充电的通电触头38。用于形成电弧的焊接功率由连接在焊炬21与工件27之间的电源23供应。焊炬21通过触头38将功率传递至用作可消耗电极的丝10。导电嘴38通过接触表面与丝10进行电接触。接触表面可延伸触头38的长度或可在触头38的长度的仅一部分上延伸。在用作电极的带电丝10与工件27之间施加的电压产生居间电弧。

[0033] 工件包括有待焊接的接缝。在焊接过程期间，丝10由其内阻产生的热量以及从电弧传递的热量熔化。由丝熔化成的熔滴过渡至工件27。被携带跨越弧隙至工作27的熔化的丝的液滴在工件27上形成焊池，焊池在金属固化时形成焊珠。金属过渡模式取决于操作参数，如焊接电流、电压、丝尺寸、丝速度、电极延伸以及保护性气体屏蔽组成。已知的金属过渡模式包括短路、熔滴过渡、轴向喷射过渡、脉冲喷射过渡以及旋转弧喷射过渡。在一个实施例中，在丝电极与工件之间维持大致上恒定的电弧电压。在另一个实施例中，电极与工件之间的电压可以是脉冲式的。在一个实施例中，电弧电压大于15V。在其他实施例中，电弧电压在大约15V与大约50V之间或在大约15V与大约40V之间。焊接电流可以是从大约50安培直到大约600安培或从大约50安培直到大约500安培。电弧的热量还可熔化工件的一部分，从而促进焊池的形成。通过与电极熔化一样快地将电极输送至电弧中，可在丝电极的熔化末端与焊池之间维持大致一致的电弧长度。可使焊接电流适应丝10被输送穿过焊枪21的速度。

[0034] 来自气体供应器26的屏蔽气体由屏蔽气体扩散器36扩散以保护焊接区域远离大气气体。屏蔽气体形成屏蔽电弧和熔化的焊池的电弧等离子体。合适的屏蔽气体的非限制性实例是二氧化碳、氩、氦、氧、氢以及氮；这些气体的混合物可用作屏蔽气体。优选屏蔽气体组成一般取决于工件的金属。

[0035] 工件可以是例如以下各项中的任一者：钢、铸铁、铝合金、铜合金、镍基合金、钛合金以及钴合金。

[0036] 丝输送装置和方法已经在气体保护金属极弧焊过程的背景下得以详细描述，但它们在许多另外应用中是有用的，包括其他连结过程或其他过程，其中丝可被递送穿过丝输送管或延伸部分以用于加工。其中丝可穿过双向智能材料合金丝输送管或延伸部分以便在使用之前被矫直的过程的另外非限制性实例包括：利用填丝的激光钎焊、弧钎焊、TIG焊接、焊合以及使用填丝的其他连结过程或热过程。

[0037] 用于连结金属的另外热过程的一个实例是激光焊接或激光钎焊。激光可用于产生光能，光能可在一位置处被吸收到材料中，从而产生执行焊接操作必须的热能。通过使用电磁波谱的可见部分或红外线部分内的光能，可使用可以所需量的精确度聚焦并且引导能量的光学器件将能量从其来源引导到有待焊接的材料。在移除所施加光能之后，熔化的材料固化并且随后开始缓慢冷却至周围材料的温度。激光焊接系统通常包括激光源、射束递送系统以及工作站。二氧化碳（CO2）和Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）是可用于激光焊接应用的两种激光源或激光介质。YAG和CO2激光器二者可用于具有对接接头和搭接（叠接）接头的缝焊和点焊。固态激光器（其包括Nd:YAG、Nd:玻璃，以及类似激光器）通常用于低功率至中功率应用（诸如将集成电路点焊或梁式引线焊接至基板上的薄膜互连电路所需的那些），以及类似应用。在激光焊接中，将激光射束施加至有待连结的两个金属工件在接缝处相遇的顶部表面。同时，将自调整丝插入至接缝的顶部表面中并且熔化自调整丝以形成焊缝。

[0038] 类似地，如果焊丝的末端是弯曲的，则在搭接处连结两个金属工件的过程可能经历对准问题。可通过将丝穿过丝输送管或延伸部再次矫直丝，丝输送管或延伸部被加热至高于其马氏体到奥氏体相变温度以呈现较窄的开口，使得管或延伸部的壁按压丝以矫直丝。随后将矫直的丝用于通过搭接连结两个工件。

[0039] 丝输送装置同样可在使用丝的其他焊接和连结过程中以及其中对准重要的其他过程（包括弧钎焊、弧焊接、焊合、丝到丝焊接以及穿丝）中用于递送丝，其中热量可以用于使丝输送管或延伸部的通道变窄以矫直丝。

[0040] 已经出于说明和详细描述的目的提供某些实施例的以上描述。以上描述并不意欲是详尽的或限制本发明。特定实施例的单独元素或特征一般不限于该特定实施例，而是在可应用的情况下，单独元素或特征是可互换的并且可用于选定实施例中，即使该实施例未明确示出或描述。还可以许多方式改变本发明。这些变体不应被视为脱离本发明，并且所有这些修改意欲包括在本发明的范围内。