专利名称：用于使用多种热源来进行复合焊接的方法和设备的制作方法
技术领域：
本申请涉及用于在金属片(或块)之间的接合处将多个金属片(或块)焊接在一起的方法和设备。
背景技术：
近来已商业化的激光电弧复合焊接是一种通常结合了激光束焊接与气体保护金属极电弧焊接来将两个金属片(或块)焊接在一起的方法，例如，在金属片(或块)之间的接合处的同侧上同时将激光束和电弧两者引向一个焊接区，以产生凝固后形成焊缝的常见的金属熔池。如图Ia中所示，现有技术设备可以通过以下操作来完成此复合焊接将来自激光器10 (其可以包括激光谐振器和相关联的光学器件)的激光束输出10’和来自气体保护金属极电弧焊机12的电弧输出12’引向接合处14的第一侧14a处以便将第一金属片(或块)16a焊接到第二金属片(或块)16b，从而形成接合处。与常规电弧焊接技术相比较，激光 电弧复合焊接可以增加焊接速度和焊接熔深两者。然而，如图Ib中所示，与接合处的相对的第二侧14b相对照，所得焊缝18可在接合处14的为激光束输出10’和电弧输出12’起作用侧的第一侧14a上得到更进一步的加强。具体来说，焊缝18可能并未从第一侧14a到第二侧14b完全延伸穿过接合处14。另外，在焊缝18未到达接合处14的第二侧14b时，焊缝的第二部分18b可能会远远薄于接合处的第一侧14a上的焊缝的第一部分18a。使接合处两侧上的焊缝变得更为对称的一个尝试曾是在接合处14的第一侧14a上操作上文所述的激光复合焊机，随后将所述激光复合焊机移动到接合处的第二侧14b或翻转金属片(或块)16a、16b以将激光束输出10’和电弧输出12’引导至接合处的第二侧。如图Ic中所示，首先在接合处14的第一侧14a上操作激光复合焊机，并且然后在接合处的第二侧14b上操作激光复合焊机可能会产生接合处两侧上都得到加强的焊缝18’。由于这个焊缝18’更充分并且更完整地从接合处14的第一侧14a延伸至接合处14的第二侧14b，这可以提供强度和审美优势两者，所以焊缝18’可能更合乎需要。然而，移动激光复合焊机或旋转金属片(或块)和使用焊接装备连续进行两遍焊接所需的额外时间是不合需要的。一种已开发的替代方法是将激光复合焊机提供在接合处的每一侧上。这种实施方案避免了要求将金属片(或块)或激光复合装备从一侧移动到另一侧的缺点。此外，在这种情况下，焊接诱发的扭曲或变形可能少于上文提及的两遍连续焊接方法中出现的扭曲或变形。然而，这种解决方法使用了第二激光器。由于用于完成激光复合焊接操作的激光器可能会非常昂贵，所以在接合处上操作两个单独的激光复合焊机可能不合需要。因此，此项技术中存在改进焊接设备和相应焊接方法的需求。
发明内容
本公开在一方面中描述了一种在金属片(或块)之间的接合处将多个金属片(或块)焊接在一起的方法，所述接合处可以包括角度接合处。所述方法包括将来自高能量密度热源的第一输出引导至接合处的第一侧以产生由第一金属熔池环绕的穿孔，该金属熔池从接合处的第一侧大体朝向接合处的第二侧延伸，并且同时将来自电弧焊接热源的第二输出引导至接合处的第二侧以产生邻近于接合处的第二侧的第二金属熔池。引导第一输出以使得穿孔延伸到第二金属熔池，借此第二金属熔池通过所述穿孔与第一金属熔池接合以产生共用金属熔池，该共用金属熔池凝固后形成从第一侧穿过接合处延伸到第二侧的焊缝。在一些实施方案中，高能量密度热源可以包括激光器、电子束枪或等离子电弧焊炬。在一些实施方案中，电弧焊接热源可以包括气体保护钨极电弧焊炬、气体保护金属极电弧焊炬、药芯焊丝电弧焊炬、埋弧焊矩或等离子电弧焊炬。在一些实施方案中，分别来自高能量密度热源和电弧焊接热源的第一输出和第二输出中的至少一个可以是不连续的。所述方法可以进一步包括引导第一输出和第二输出以使得第一输出和第二输出相对于彼此形成非零入射角。在另外的实施方案中，所述方法进一步包括将来自第二电弧焊接热源的可能不连续的第三输出引导至接合处的第一侧。来自第二电弧焊接热源的第三输出产生第三金属熔池，所述第三金属熔池至少可以与第一金属熔池接合以在接合处的第一侧上形成共用金属熔池的一部分。另外，来自高能量密度热源的第一输出可以滞后于或领先于来自第二电弧 焊接热源的第三输出。另外，在一些实施方案中，金属片(或块)中的第一金属片(或块)上的第一接合表面和金属片(或块)中的第二金属片(或块)上的第二接合表面相对于彼此界定角度，以使得两者之间存在间隙。所述角度可以由金属片(或块)中的一个金属片(或块)上的倒角来界定。此外，可以将第一输出引导穿过间隙以促使所述第一输出更进一步穿透接合处。而且，共用金属熔池可以至少部分地填充所述间隙。本公开在另一方面描述了一种被配置成在金属片(或块)之间的接合处将多个金属片(或块)焊接在一起的焊接设备。所述设备包括高能量密度热源，所述高能量密度热源被配置成将第一输出引导至接合处的第一侧以产生由第一金属熔池环绕的穿孔，该第一金属熔池从接合处的第一侧大体朝向接合处的第二侧延伸。所述设备进一步包括电弧焊接热源，所述电弧焊接热源被配置成同时将第二输出引导至接合处的第二侧以产生邻近于第二侧的第二金属熔池。引导第一输出以使得穿孔延伸到第二金属熔池，借此第二金属熔池通过穿孔与第一金属熔池接合以产生共用金属熔池，该共用金属熔池凝固后形成从第一侧穿过接合处延伸到第二侧的焊缝。本公开在另一方面描述了一种焊接第一金属片(或块)与第二金属片(或块)之间的角度接合处的方法，其中第一金属片(或块)具有大体水平的上表面，而第二金属片(或块)具有大体水平的下表面，其中第二金属片(或块)的大体水平下表面的至少部分邻接第一金属片(或块)的上表面以形成角度接合处。所述方法包括将来自高能量密度热源的第一输出引导至角度接合处的第一侧以产生由第一金属熔池环绕的穿孔，该第一金属熔池从角度接合处的第一侧大体朝向角度接合处的第二侧延伸；以及同时将来自电弧焊接热源的第二输出引导至角度接合处的第二侧以产生邻近于第二侧的第二金属熔池。引导第一输出以使得穿孔延伸到第二金属熔池，借此第二金属熔池通过穿孔与第一金属熔池接合以产生共用金属熔池，该共用金属熔池凝固后形成从第一侧穿过角度接合处延伸到第二侧的焊缝。
已经概括地描述了一些实施方案，现将参考附图，所述附图并未按比例绘制，并且在附图中图Ia示出了在接合处的第一侧上操作的具有激光器和气体保护金属极电弧焊机的现有技术复合焊接设备；图Ib示出了在接合处的第一侧上操作图Ia中所示的现有技术复合焊接设备可能导致的焊接接合处；图Ic示出了在接合处的两侧上操作图Ia中所示的现有技术复合焊接设备可能导致的焊接接合处；图2a示出了包括第一金属片(或块)和第二金属片(或块)的T形接合处； 图2b示出了被配置成焊接图2a的接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图2c示出了在图2a的接合处上操作来自图2b的焊接设备可能导致的焊接接合处；图3a示出了包括第一金属片(或块)和第二金属片(或块)的转角接合处；图3b示出了被配置成焊接图3a的接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图4a示出了包括第一金属片(或块)和第二金属片(或块)的偏斜T形接合处，其中第二金属片(或块)向右倾斜；图4b示出了被配置成焊接图4a的接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图5a示出了包括第一金属片(或块)和第二金属片(或块)的偏斜T形接合处，其中第二金属片(或块)向左倾斜；图5b示出了被配置成焊接图5a的接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图6a示出了包括第一金属片(或块)和第二金属片(或块)的偏斜转角接合处，其中第二金属片(或块)向右倾斜；图6b示出了被配置成焊接图6a的接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图7a示出了包括第一金属片(或块)和第二金属片(或块)的偏斜转角接合处，其中第二金属片(或块)向左倾斜；图7b示出了被配置成焊接图7a的接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图8示出了被配置成焊接对接接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源；图9a示出了被配置成焊接接合处的焊接设备的示意图，所述焊接设备包括在接合处的第一侧上的高能量密度热源和在接合处的第二侧上的电弧焊接热源，并且进一步包括在接合处的第一侧上的第二电弧焊接热源；图9b示出了在接合处上操作来自图9a的焊接设备可能导致的焊接接合处；
图IOa示出了图9a的设备，其中所述设备被配置成在接合处上使用包括第一接合表面的第一金属片(或块)和包括第二接合表面和第三接合表面的第二金属片(或块)来进行操作，其中第一接合表面与第二接合表面相对于彼此界定角度以使得两者之间存在间隙，并且其中第三接合表面与第一接合表面大体平行；图IOb示出了具有包括第一接合表面的第一金属片(或块)和包括第二接合表面的第二金属片(或块)的接合处，其中第一接合表面与第二接合表面相对于彼此界定角度；图IOc示出了具有包括第一接合表面的第一金属片(或块)和包括第二接合表面和第三接合表面的第二金属片(或块)的接合处，其中第一接合表面与第二接合表面相对于彼此界定角度以使得两者之间存在间隙，并且其中第一接合表面与第三接合表面相对于彼此界定角度以使得两者之间存在间隙；图Ila示出了图2b的焊接设备的俯视图，其中将第一输出和第二输出在同一时间大体引向接合处的相同区域；图Ilb示出了图2b的焊接设备的俯视图，其中第一输出领先于第二输出； 图Ilc示出了图2b的焊接设备的俯视图，其中第一输出滞后于第二输出；图12示出了图9a的焊接设备的俯视图，其中第三输出领先于第一输出；图13示出了在接合处将多个金属片(或块)焊接在一起的方法的实施方案的流程图；以及图14示出了以大体水平配置将角度接合处焊接在一起的方法的实施方案的流程图。
具体实施例方式现将参考示出一些实施方案而非所有实施方案的附图在下文中对用于焊接的设备和方法进行更为完整的描述。实际上，本发明的开发项能够以许多不同的形式来体现，并且不应解释为受限于本文所阐述的实施方案；事实上，这些实施方案是为了使本公开符合适用的法律要求而提供。全文中相同的数字表示相同的元件。图2a示出了进行定位以便于形成接合处114的第一金属片(或块)116a和第二金属片(或块)116b。图2b示出了被配置成在接合处114处将第一金属片(或块)116a和第二金属片(或块)116b焊接在一起的焊接设备100的相应实施方案。焊接设备100包括被配置成将第一输出110’引导至接合处的第一侧114a的高能量密度热源110。第一输出110’由此产生由包括来自第一金属片(或块)116a和/或第二金属片(或块)116b的金属的第一金属熔池120a环绕的穿孔122 (其可以替代地称为通道)。穿孔122和第一金属熔池120a两者都从接合处114的第一侧114a大体朝向接合处的第二侧114b延伸。第一金属熔池120a可以包括通过使用来自高能量密度热源110的第一输出110’加热第一金属片(或块)116a和第二金属片(或块)116b而产生的蒸汽和/或液体。另外，可以在一些实施方案中添加填充材料来馈入到第一金属熔池120a中，以便于形成较大的焊缝。所述设备可以同时将来自电弧焊接热源112的第二输出112’引导至接合处114的第二侧114b以产生邻近于第二侧的第二金属熔池120b。另外，引导来自高能量密度热源110的第一输出110’以使得穿孔122延伸到第二金属熔池120b，以使得所述穿孔可以与第二金属熔池的下部进行连接。因此，第二金属熔池120b可以通过穿孔122与第一金属熔池120a接合以产生大致延伸穿过接合处114的共用金属熔池120。在共用金属熔池120凝固时，如图2c中所示，所述共用金属熔池可以形成从第一侧114a穿过接合处114完全延伸到接合处114的第二侧114b的焊缝 118。因此，可以避免使用传统激光复合焊接可能会经历的形成完全穿过接合处的焊缝时的问题(例如，激光束通过电弧时的激光能量损失)。具体来说，穿孔可以改善第一金属熔池与第二金属熔池之间的流体流动，以便于产生更稳定的共用金属熔池。因此，可以实现从接合处的一侧延伸到另一侧的较厚的焊缝。另外，如上文关于现有技术所述，在无需在接合处的两侧上提供高能量密度热源的情况下，一次性就可以产生延伸穿过接合处的焊缝。此夕卜，通过将第一输出和第二输出提供在接合处的相对侧上以使得第一输出被引导而使穿孔延伸到第二金属熔池，可能会出现由电弧焊接热源产生的电弧的热机械稳定化，所述热机械稳定化可以促成产生具有较少焊缝缺陷的更坚固且更精确的焊缝。因此，可以使用相对较快的焊接速度。也可以通过优化包括激光束的对齐、接合处位置和电弧焊炬在内的焊接 参数来获得所需的焊缝轮廓。高能量密度热源110可以包括呈第一输出110’形式的多种不同的高能量密度热源。举例来说，高能量密度热源110可以包括产生激光束第一输出110’的激光器。在另一实施方案中，高能量密度热源110可以包括产生电子束第一输出110’的电子束枪。在另一实施方案中，高能量密度热源110可以包括产生转移型等离子电弧第一输出110’的等离子电弧焊炬。然而，可以使用高能量密度热源110的另外的实施方案，只要它们可以产生穿过接合处114的穿孔122即可。另外，电弧焊接热源112可以包括多种不同的热源。举例来说，电弧焊接热源112可以包括产生电弧第二输出112’的气体保护金属极电弧焊(GMAW)炬。具体来说，GMAW炬可以包括金属惰性气体(MIG)焊炬或金属活性气体(MAG)焊炬，并且在一些实施方案中，金属转移可以涉及熔滴转移、短路转移、喷雾转移或脉冲喷雾转移。在其它实施方案中，电弧焊接热源112可以包括能够以转移模式或非转移模式操作的气体保护钨极电弧焊(GTAW)炬、药芯焊丝电弧焊(FCAW)炬、埋弧焊(SAW)矩或等离子电弧焊(PAW)炬。然而，多种其它类型的焊炬可以用作电弧焊接热源112。另外，在一些实施方案中，电弧焊接热源112可以使用或可以不使用保护气体或送丝器。因此，总的来说，电弧焊接热源112可以包括已知类型的焊接装置中的许多种，只要焊接装置能够产生第二金属熔池120b即可。在一些实施方案中，电弧焊接热源112可以包括如上文所述的诸如等离子电弧焊炬的高能量密度热源，只要其产生第二金属熔池120b即可。因此，就区别特征来看，电弧焊接热源112至少产生第二金属熔池120b，而高能量密度热源110至少产生第一金属熔池120a和穿孔122。除了由上文所述的高能量密度热源110产生的第一输出110’的不同类型和由上文所述的电弧焊接热源112产生的第二输出112’的不同类型，第一输出和/或第二输出还可以是连续的或不连续的。举例来说，第一输出110’取决于所使用的高能量密度热源110的类型和应用可以是连续波、脉冲式的、离焦的、聚焦的、摆动的、裂开的或拉长的。另外，在一些实施方案中，可以使用多种高能量密度热源110和/或多种电弧焊接热源112。焊接在一起的金属片(或块)之间的接合处可以包括许多不同的配置。在一些实施方案中，金属片(或块)可以形成角度接合处。如本文中使用的角度接合处指代T形接合处114 (参见图2a至图2c)、转角接合处214 (参见图3a至图3b)、偏斜T形接合处314 (参见图4a至图4b和图5a至图5b)、偏斜转角接合处414 (参见图6a至图6b和图7a至图7b)和其它接合处，其中两个或更多个金属片(或块)接合以使得所述金属片(或块)相对于彼此产生角度。在所述接合处偏斜时，所述接合处可在各种方向上偏斜，诸如图4a至图4b和图6a至图6b中所示的向右偏斜或如图5a至图5b和图7a至图7b中所示的向左偏斜。在角度接合处114、214、314、414如图2a、3a、4a、5a、6a和7a中所示而定向时，第一金属片(或块)116a、216a、316a、416a 具有大体水平的上表面 116a’、216a’、316a’、416a’，而第二金属片(或块)116b、216b、316b、416b具有大体水平的下表面116b’、216b’、316b’、416b’，其中第二金属片(或块)的大体水平下表面的至少部分邻接第一金属片(或块)的上表面以形成角度接合处。在这些实施方案中，如图2b、3b、4b、5b、6b和7b中所示，焊接设备100、200、300、400可以进行定向以使得来自高能量密度热源110、210、310、410的第一输出110’、210’、310’、410’可以被引导，从而使穿孔122、222、322、422延伸到刚好在由来自电弧焊接热源112、212、312、412的第二输出112’、212’、312’、412’产生的第二金属熔池 120b、220b、320b、420b 的下部中的点 122，、222，、322，、422，。因此，第二金属熔池 120b、 220b、320b、420b可以与第一金属熔池120a、220a、320a、420a接合以形成共用金属熔池120、220、320、420。然而，上文所述的实施方案仅是用于接合处的焊接位置的一些实例。举例来说，可以使用金属片(或块)的平焊位置(称为“1F”)、横焊位置(称为“2F”)和仰焊位置(称为“4F”)的各种组合。在其中对接合处进行不同定向的其它配置中和在其中接合处不是角度接合处的实施方案中，仍然可对第一输出和第二输出进行定向以使得第一输出和第二输出相对于彼此形成非零入射角。如本文中使用的非零入射角并不意欲限于第一输出和第二输出直接相交的情况，这是因为在如下文将描述的一些实施方案中，第一输出与第二输出可以领先或滞后于彼此。事实上，这一术语进一步包括其中通过穿过接合处的横截面来看，第一输出与第二输出相对于彼此大体界定角度的实施方案。与将第一输出直接引向第二金属熔池相比较，其中第一输出与第二输出形成非零入射角的配置可能是优选的，这是因为所述配置有利于避免第一输出吹散第二金属熔池。具体来说，第二金属熔池可以提供相对较大且较坚固的焊缝，所以可以引导第一输出以使得所述第一输出不会迫使第二金属熔池远离接合处。因此，在一些实施方案中，可以引导第一输出以使得穿孔延伸到第二金属熔池的熔合区边界。在一些其它实施方案中，穿孔可以延伸到第二金属熔池的底部，或穿孔可以延伸到第二金属熔池的下部，以便于避免吹散第二熔池。第一输出具有的强度可以使得所述第一输出大致仅到达第二金属熔池的边界而未完全延伸穿过所述边界。可以使用本发明的实施方案焊接各种其它类型的接合处，诸如图8中所示的对接接合处514。在这个实施方案中，可以对第一金属片(或块)516a和第二金属片(或块)516b进行焊接以使得所述金属片(或块)的末端接合在一起，从而形成对接接合处514。然而，被配置成焊接对接接合处514的焊接设备500可大体上保持不变，其中高能量密度热源510将第一输出510’引导至对接接合处514的第一侧514a以产生由从对接接合处的第一侧大体朝向对接接合处的第二侧514b延伸的第一金属熔池520a环绕的穿孔522。所述焊接设备500可以同时将来自电弧焊接热源512的第二输出512’引导至对接接合处514的第二侧514b以产生邻近于对接接合处的第二侧的第二金属熔池520b。因此，第一金属熔池520a与第二金属熔池520b可以接合以借助穿孔522形成共用金属熔池520。如上文已描述，焊接设备的实施方案包括高能量密度热源和电弧焊接热源。然而，如上文所提及，一些实施方案可以进一步包括两个或更多个电弧焊接热源。如图9a所示，在这些实施方案中，与上文关于仅包括一个高能量密度热源和一个电弧焊接热源的焊接设备的实施方案所描述的方式相同的方式，高能量密度热源910可以将第一输出910’引导至第一金属片(或块)916a和第二金属片(或块)916b之间的接合处914的第一侧914a，并且电弧焊接热源912可以将第二输出912’引导至接合处的第二侧914b。然而，图9a中示出的焊接设备900进一步包括将第三输出928’引导至接合处914的第一侧914a的第二电弧焊接热源928。与来自高能量密度热源的第一输出和来自前文所论述的焊接设备的实施方案的电弧焊接热源的第二输出一样，来自第二电弧焊接热源928的第三输出928’可以是不连续的或连续的。类似地，第二电弧焊接热源928可以包括电弧焊接装置的各种实施方案，所述电弧焊接装置诸如上文关于电弧焊接热源所描述的GTAW、GMAff, FCAff, SAff或PAW炬。第三输出928’可以形成第三金属熔池920c，所述第三金属熔池920c可以与第一金属熔池920a和第二金属熔池920b组合以形成共用金属熔池920。共用金属熔池920由 此可以凝固以形成如图9b所示的焊缝918，所述焊缝918与由不具有第二电弧焊接热源的焊接设备100产生的焊缝118 (例如，参见图2c)相比可以在接合处914的第一侧914a上包括更多材料。因此，如图9a所示的焊接设备900在以下应用中可能是优选的，在这些应用中，诸如出于强度或审美目的，跨越从第一侧914a至第二侧914b的接合处914的宽度的更为对称的焊缝是合乎需要的。另外，第一输出910’能够以与所述第一输出使第二输出912’和第二金属熔池920b稳定的方式类似的方式而使第三输出928’和第三金属熔池920c稳定。焊接设备的实施方案也可以焊接接合处，其中在接合处相邻的金属片(或块)的表面至少部分地彼此形成角度。在一些实施方案中，金属片(或块)中的第一金属片(或块)上的第一接合表面和金属片(或块)中的第二金属片(或块)上的第二接合表面相对于彼此界定角度，以使得两者之间存在间隙。图IOa至图IOc中示出了这些实施方案的实施例。图IOa示出了被配置成焊接接合处614的焊接设备600的实施方案。接合处614包括第一金属片(或块)616a和第二金属片(或块)616b。第一金属片(或块)616a包括第一接合表面616a’,并且第二金属片(或块)616b包括第二接合表面616b’和第三接合表面616b”。如图所不,第一金属片(或块)616a与第二金属片(或块)616b可以对齐以使得第一接合表面616a’与第二接合表面616b’相对于彼此界定角度，从而使得所述两个接合表面之间存在间隙624。可以将高能量密度热源610进行瞄准以使得第一输出610’被引导穿过间隙624,并且可以如前文所述将第二输出612猫准在接合处614的相对侧处。在一些实施方案中，将第一输出610’瞄准穿过间隙624可能是合乎需要的，这是因为高能量密度热源610可能需要较小的功率。在一些实施方案中，焊接设备600可以进一步包括来自第二电弧焊接热源928的第三输出928’，以便辅助使用共用熔池来完全填充间隙624。在这些实施方案中，来自高能量密度热源的第一输出610’可以稍微领先或滞后于第三输出928’，以降低高能量密度热源操作所需的功率电平。如图IOa中所示，第二金属片(或块)616b上的第三接合表面616b”可以进行配置以使得所述第三接合表面与第一金属片(或块)616a上的第一接合表面616a’大体平行。然而，并不是其中形成接合处的表面至少部分地彼此形成角度的接合处的所有实施方案都具有这个特征。举例来说，图IOb示出了接合处714的实施方案，其中第二金属片(或块)716b不包括第三接合表面。事实上，间隙724形成在第一金属片(或块)716a上的第一接合表面716a’与第二金属片(或块)716b上的第二接合表面716b’之间。在一个替代实施方案中，如图IOc所示，接合处814可以界定一个以上的间隙。举例来说，图IOc中的实施方案界定了第一金属片(或块)816a上的第一接合表面816a’与第二金属片(或块)816b上的第二接合表面816b’之间的间隙824，并且进一步界定了所述第一接合表面与第二金属片(或块)上的第三接合表面816b”之间的第二间隙826。因此，第二间隙826可以大体位于第二金属片(或块)816b的与间隙824相对的侧上。两个间隙824和826在一些实施方案中可以具有相同的轮廓。然而，在一些其它实施方案中，所述两个间隙可以具有不同轮廓。在这个实施方案中，电弧焊接热源可以引导第二输出朝向第二间隙，以使得第二金属熔池被容纳在所述第二间隙中。将第二金属熔池容纳在第二间隙中可以提供审美方面的优势，并且第二间隙也可以用以使第二金属熔池保持在适当的位置，同时也可以降低第一输出所需的功率电平，这是因为由第一输出产生的穿孔具有较短的穿透距离。在一些实施方案中，形成各个间隙的角度可以由第一金属片(或块)或第二金属片 (或块)上的倒角来界定。倒角可以由诸如剪切边、激光切割边、单斜边、等离子切割边或双斜边的多种制造技术来产生。在其它实施方案中，界定间隙的角度可以通过使方边的金属片(或块)偏斜而抵住另一个金属片(或块)来产生。在这些实施方案中，第一金属片(或块)与第二金属片(或块)将不会完全彼此垂直。另外，虽然角度在上文中被大体描述为由第二金属片(或块)形成，但在替代实施方案中，第一金属片(或块)可以界定角度，诸如在第一金属片(或块)包括倒角时。在其它实施方案中，第一金属片(或块)和第二金属片(或块)都可以包括界定角度的特征。举例来说，第一金属片(或块)和第二金属片(或块)两者都可以包括各自的倒角。此外，虽然上文示出和描述的接合表面被大体描述为包括平面，但在替代实施方案中，所述接合表面可能是曲面。此外或替代地，每个接合表面可以包括多个区段，以使得间隙由多个角度来界定。无论特定特征是否包括角度和相应间隙，每个上文所描述的实施方案都意欲包括在如前文所述的取决于接合处定向的大体水平的含义内。因此，例如，虽然图IOc中所示的接合处814的第二接合表面816b’和第三接合表面816b”并不完全水平，但这种配置意欲包括在上文所述的大体水平的含义内。如上文所述，可以同时将第一输出和第二输出引导至接合处。本文中的同时指代多种配置，其中在同一时间将第一输出和第二输出引导至接合处，但不必在同一时间沿焊接方向将所述输出引向接合处的相同部分处。举例来说，图Ila示出了被配置成沿机器方向130焊接接合处114的图2b的焊接设备100的俯视图。沿机器方向130焊接可以涉及移动焊接设备100或移动金属片(或块)116a、116b中一个操作或两个操作。如图所示，可以引导来自高能量密度热源110的第一输出110’和来自电弧焊接热源112的第二输出112’以使得所述第一输出和所述第二输出沿机器方向130大体对齐,从而使得所述第一输出和所述第二输出在同一时间被大体引向接合处114的相同部分处。因此，如从上方可看到，穿孔122被大体引向第二金属熔池120b的中心。然而，图Ilb示出了来自图2b的焊接设备100的实施方案，其中第一输出110’沿机器方向130领先于第二输出112’。相反，图Ilc示出了来自图2b的焊接设备100的实施方案，其中第一输出110’沿机器方向130滞后于第二输出112’。在其它实施方案中,第一输出110’最初可以滞后于第二输出112’，但然后所述第二输出可以在稍后的焊接中领先于第一输出，或者可能出现相反的状况。举例来说，这可能是高能量密度热源110以快于电弧焊接热源112的速度沿接合处114行进的情况，或反之亦然。因此，利用焊接设备100同时将第一输出110’和第二输出112’引导至接合处114处的各种配置是可能的。应注意，在图Ila至图Ilc中不出的所有三个实施方案中,第一输出110’在沿机器方向与由第二输出112’产生的第二金属熔池120b重叠的位置处产生穿孔122，以使得所述第二金属熔池可以与第一金属熔池120a接合以形成共用金属熔池120。
对于图IOa中示出的焊接设备900来说，与上文所述的焊接设备100类似，将第一输出910’、第二输出912’和第三输出928’同时引导至接合处914处的各种配置也是可能的。因此，在各种配置中，第一输出910’可以领先于或滞后于第二输出912’，第三输出928’可以领先于或滞后于所述第二输出，而所述第三输出可以沿焊接接合处的机器方向930领先于或滞后于所述第一输出。举例来说，图12中示出了焊接设备900的俯视图。在这个实施方案中，第一输出910’滞后于第三输出928’。这个实施方案可以允许来自高能量密度热源910的第一输出910’将由第二电弧焊接热源912提供的第三金属熔池920c推入穿孔922中。通过将第三金属熔池920c推入穿孔922中，这可以有助于将所述第三金属熔池与第一金属熔池920a和第二金属熔池920b接合以形成共用金属熔池920。因此，可以促进产生坚固的焊缝。上文的描述大体集中于设备的实施方案。然而，也提供了相关联的方法的实施方案。图13示出了将多个金属片(或块)一起焊接在金属片(或块)之间的接合处的方法的一个实施方案。所述方法包括在操作1102处将来自高能量密度热源的第一输出引导至接合处的第一侧。如方框1104处所指示，高能量密度热源在一些实施方案中可以包括激光器、电子束枪，或在一些实施方案中包括PAW炬。第一输出由此如方框1106所指不产生由从第一侧大体朝向接合处的第二侧延伸的第一金属熔池环绕的穿孔。虽然在操作1102处引导第一输出，但所述方法进一步包括在操作1108处同时将来自电弧焊接热源的第二输出引导至接合处的第二侧。如方框1110处所指示，电弧焊接热源在一些实施方案中可以包括GTAW、GMAW、FCAW、SAW，或在一些实施方案中包括PAW炬。如方框1112处所指示，第二输出由此产生邻近于第二侧的第二金属熔池。另外，在方框1114处引导第一输出以使得穿孔延伸到第二金属熔池。由此，在方框1116处，第二金属熔池通过穿孔与第一金属熔池接合。因此，在方框1118处，所述方法产生凝固后形成从第一侧穿过接合处延伸到第二侧的焊缝的共用金属熔池。在所述方法的一些实施方案中，如方框1120处所指示，接合处可以包括角度接合处。此外，在一些实施方案中，如方框1122处所指示，金属片(或块)中的第一金属片(或块)上的第一接合表面和金属片(或块)中的第二金属片(或块)上的第二接合表面可以相对于彼此界定角度，以使得两者之间存在间隙。如方框1124处所示，所述角度可以由金属片(或块)中的一个金属片(或块)上的倒角来界定。另外，如方框1126处所指示，可以引导第一输出穿过间隙。在一些实施方案中，如方框1128处所指示，共用金属熔池可以至少部分地填充间隙。而且，在一些实施方案中，所述方法可以包括操作1130 :引导第一输出和第二输出以使得所述第一输出与所述第二输出相对于彼此形成非零入射角，或如上文所述可以将第一输出引导至第二金属熔 池的下部处以避免吹散所述第二金属熔池。在另外的实施方案中，所述方法可以进一步包括如方框1134处所指示的操作1132:将来自第二电弧焊接热源的第三输出引导至接合处的第一侧，从而产生第三金属熔池。如方框1136处所示，第三金属熔池由此可以至少与第一金属熔池接合以形成共用金属熔池。另外，在一些实施方案中，如方框1138处所指示，第一输出滞后于或领先于第三输出。在第一输出滞后于第三输出时，所述第一输出可以将第三金属熔池推入穿孔中。与电弧焊接热源一样，第二电弧焊接热源可以包括GTAW、GMAW、FCAW、SAW或PAW炬。另外，如方框1140处所指示，第一输出、第二输出和/或第三输出可以是不连续的。此外，图14示出了焊接第一金属片(或块)与第二金属片(或块)之间的角度接合处的方法的一个实施方案，其中第一金属片(或块)具有大体水平的上表面，而第二金属片(或块)具有大体水平的下表面，并且其中第二金属片(或块)的大体水平下表面的第一片的至少部分邻接第一金属片(或块)的上表面以形成角度接合处。如上文所述的角度接合处可以包括T形接合处、转角接合处、偏斜T形接合处、偏斜转角接合处和其中两个金属片(或块)接合以使得所述金属片(或块)相对于彼此产生角度的其它接合处。所述两个金属片(或块)在一些情况下可以具有或可以不具有所述金属片(或块)之间的小间隙。所述方法包括在操作1202处将来自高能量密度热源的第一输出引导至角度接合处的第一侧。第一输出由此如方框1206处所指示产生在从第一侧大体朝向角度接合处的第二侧延伸的穿孔中的第一金属熔池。虽然在操作1202处引导第一输出，但所述方法进一步包括在操作1208处同时将来自电弧焊接热源的第二输出引导至角度接合处的第二侧。如方框1212处所指示，第二输出由此产生邻近于角度接合处的第二侧的第二金属熔池。另外，可以如方框1214处所指示引导第一输出以使得穿孔延伸到刚好在第二金属熔池的下部中的一点。这可以避免吹散第二金属熔池，诸如在将第一输出引导至第二金属熔池的中心处或上部处时可能发生所述状况，同时还允许第二金属熔池与第一金属熔池之间的流体流通。由此，在方框1216处，第二金属熔池通过穿孔与第一金属熔池接合。因此，如方框1218处所指示，这就产生凝固后形成从第一侧穿过接合处延伸到第二侧的焊缝的共用金属熔池。相应地，也提供了尤其是与焊接角度接合处相关的方法。这些实施方案所属领域的技术人员将联想到会得益于前文描述及相关附图中所呈现教义的许多修改方案和其它实施方案。因此，应理解，各种修改方案和其它实施方案意图包括在随附权利要求书的范围内。虽然本文中采用了特定术语，但所述特定术语以普通意义和描述性意义使用而不用于限制目的。
权利要求
1.一种在金属片(或块)之间的接合处将多个金属片(或块)焊接在一起的方法，其包括 将来自高能量密度热源的第一输出引导至所述接合处的第一侧，以产生由第一金属熔池环绕的穿孔，所述第一金属熔池从所述接合处的所述第一侧大体朝向所述接合处的第二侧延伸；以及 同时将来自电弧焊接热源的第二输出引导至所述接合处的所述第二侧以产生邻近于所述第二侧的第二金属熔池， 其中引导所述第一输出以使得所述穿孔延伸到所述第二金属熔池， 借此所述第二金属熔池通过所述穿孔与所述第一金属熔池接合以产生共用金属熔池，所述共用金属熔池凝固后形成从所述第一侧穿过所述接合处延伸到所述第二侧的焊缝。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述高能量密度热源包括激光器。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述高能量密度热源包括电子束枪。
4.如权利要求I所述的方法，其中所述高能量密度热源包括等离子电弧焊炬。
5.如权利要求I所述的方法，其中所述接合处包括角度接合处。
6.如权利要求I所述的方法，其进一步包括引导所述第一输出和所述第二输出以使得所述第一输出与所述第二输出相对于彼此形成非零入射角。
7.如权利要求I所述的方法，其中所述第一输出和所述第二输出中的至少一个是不连续的。
8.如权利要求I所述的方法，其进一步包括将来自第二电弧焊接热源的第三输出引导至所述接合处的所述第一侧以产生第三金属熔池。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述金属片(或块)中的第一金属片(或块)上的第一接合表面与所述金属片(或块)中的第二金属片(或块)上的第二接合表面相对于彼此界定一个角度，以使得所述第一接合表面与所述第二接合表面之间存在间隙。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述角度是由所述金属片(或块)中的一个金属片(或块)上的倒角来界定。
11.如权利要求9所述的方法，其中将所述第一输出引导穿过所述间隙。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述共用金属熔池至少部分地填充所述间隙。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述第三金属熔池至少与所述第一金属熔池接合以形成所述共用金属熔池。
14.如权利要求8所述的方法，其中来自所述高能量密度热源的所述第一输出滞后于来自所述第二电弧焊接热源的所述第三输出。
15.如权利要求8所述的方法，其中来自所述高能量密度热源的所述第一输出领先于来自所述第二电弧焊接热源的所述第三输出。
16.如权利要求8所述的方法，其中所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出中的至少一个是不连续的。
17.如权利要求I所述的方法，其中所述电弧焊接热源包括气体保护钨极电弧焊炬。
18.如权利要求I所述的方法，其中所述电弧焊接热源包括气体保护金属极电弧焊炬。
19.如权利要求I所述的方法，其中所述电弧焊接热源包括药芯焊丝电弧焊炬。
20.如权利要求I所述的方法，其中所述电弧焊接热源包括等离子电弧焊炬。
21.如权利要求I所述的方法，其中所述电弧焊接热源包括埋弧焊炬。
22.一种被配置成在金属片(或块)之间的接合处将多个金属片(或块)焊接在一起的焊接设备，其包括 高能量密度热源，其被配置成将第一输出引导至所述接合处的第一侧，以产生由第一金属熔池环绕的穿孔，所述第一金属熔池从所述接合处的所述第一侧大体朝向所述接合处的第二侧延伸； 电弧焊接热源，其被配置成同时将第二输出引导至所述接合处的所述第二侧以产生邻近于所述第二侧的第二金属熔池， 其中引导所述第一输出以使得所述穿孔延伸到所述第二金属熔池， 借此所述第二金属熔池通过所述穿孔与所述第一金属熔池接合以产生共用金属熔池，所述共用金属熔池凝固后形成从所述第一侧穿过所述接合处延伸到所述第二侧的焊缝。
23.一种焊接第一金属片(或块)与第二金属片(或块)之间的角度接合处的方法，其中所述第一金属片(或块)具有大体水平的上表面，而所述第二金属片(或块)具有大体水平的下表面，其中所述第二金属片(或块)的所述大体水平的下表面的至少部分邻接所述第一金属片(或块)的所述上表面以形成所述角度接合处，所述方法包括 将来自高能量密度热源的第一输出引导至所述角度接合处的第一侧，以产生由第一金属熔池环绕的穿孔，所述第一金属熔池从所述角度接合处的所述第一侧大体朝向所述角度接合处的第二侧延伸；以及 同时将来自电弧焊接热源的第二输出引导至所述角度接合处的所述第二侧以产生邻近于所述第二侧的第二金属熔池， 其中引导所述第一输出以使得所述穿孔延伸到所述第二金属熔池， 借此所述第二金属熔池通过所述穿孔与所述第一金属熔池接合以产生共用金属熔池，所述共用金属熔池凝固后形成从所述第一侧穿过所述角度接合处延伸到所述第二侧的焊缝。
全文摘要
一种焊接接合处(120a、120b)的方法，其包括将来自高能量密度热源(110)(诸如，激光器)的第一输出(110’)引导至所述接合处的第一侧(114a)。所述方法进一步包括将来自电弧焊接热源(112)(诸如，气体保护金属极电弧焊炬)的第二输出(112’)引导至所述接合处的第二侧(114b)。所述第一输出(110’)产生由金属熔池环绕的穿孔，该金属熔池从所述接合处的所述第一侧(114a)朝向所述接合处的所述第二侧(114b)延伸。在一些实施方案中，也可以将来自第二电弧焊接热源的第三输出引向所述接合处的所述第一侧(114a)处。由所述电弧焊接热源产生的第二金属熔池与所述第一金属熔池和第三金属熔池接合以形成凝固后形成焊缝的共用金属熔池。
文档编号B23K28/02GK102762332SQ201180009887
公开日2012年10月31日 申请日期2011年2月10日 优先权日2010年2月18日
发明者D·林 申请人:依赛彼集团公司