用热焊丝形成接头的方法
【专利摘要】连接工件的方法和系统被提供，其中高能量热源被用来在工件中创建分立的孔并且填充材料被沉积在分立的孔中，以创建将工件连接在一起的分开的紧固件。
【专利说明】用热焊丝形成接头的方法
[0001]优先权:本申请要求美国临时专利申请N0.61/668，808以及美国专利申请N0.13/790,061的优先权，所述美国临时专利申请N0.61/668，808以及美国专利申请N0.13/790,061的全部内容通过引用被并入本文。
【技术领域】
[0002]本发明涉及用于热焊丝处理的系统和方法。更具体地，本主题发明涉及用于在至少两个工件之间形成特殊化的接头的系统和方法，所述系统和方法使用热焊丝工艺来创建分立的连接(joining)部分。
【背景技术】
[0003]与电弧焊接方法不同，热焊丝工艺不使用在可消耗的焊丝和工件之间的电弧来将填充材料转移到熔池。更具体地，在热焊丝或填充焊丝工艺中，在焊丝和工件之间激光器(或其他高热源)加热并且熔化工件来形成熔池。填充焊丝被朝向工件和熔池推进。焊丝由单独的能量源(例如，焊机)来电阻加热(resistance-heated),以使焊丝接近或达到它的熔点并且接触熔池。加热的焊丝被送进到熔池中，用于执行热焊丝工艺。从而，填充焊丝到工件的转移通过简单地将填充焊丝熔化到熔池中而发生。这种工艺在连续焊接/盖覆(coating)焊道的形成上是已知的。
【发明内容】
[0004]本发明的实施方案提供在两个或更多个工件构件之间形成接头的系统和方法。在一个实施方案中，用于在至少部分地重叠第二工件的第一工件之间形成搭接焊缝的方法被提供。所述方法包括在第一工件形成穿透孔(keyhole)的第一部分；在第二工件形成所述穿透孔的第二部分；以及用设置在穿透孔中的填充焊丝执行热焊丝工艺，以在穿透孔内形成铆形件(rivet)。热焊丝工艺在填充焊丝和第一工件、第二工件及热焊丝工艺的熔池中的至少一个之间不在穿透孔内产生电弧。在可替换的实施方案中，热焊丝工艺在填充焊丝处使用与受控的电弧组合的激光束。然而，与之前的方法不同，没有连续的焊道被创建。
[0005]另一实施方案在至少部分地重叠第二工件的第一工件之间提供搭接接头。接头包括延伸通过所述第一和第二工件的穿透孔。穿透孔具有在第一工件的第一部分以及在第二工件的第二部分。在一个方面，第一部分被预先形成并且由所述第一工件的内表面限定。铆形件被形成在工件中；铆形件通过热焊丝工艺被形成在穿透孔内，以使铆形件是填充焊丝材料和第一工件及第二工件中的每个的基底材料的固态组合。在另一特定的实施方案中，第一和第二工件是不类似的材料。
[0006]从如下的说明书、权利要求书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。
_7]附图简要说明
[0008]通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中:
[0009]图1是形成示例性搭接焊接接头的热焊丝处理系统的图示说明视图；
[0010]图2是利用图1的系统的搭接焊接接头形成的详细视图；
[0011]图3A是在本主题的热焊丝工艺的实施方案中激光束的示意图；
[0012]图3B是使用图1的系统被形成在两个工件之间的搭接焊接接头中的图示说明铆形件的剖视图；
[0013]图4A是使用图1的系统用穿透孔的预先形成的部分被部分地形成的铆形件的剖视图；
[0014]图4B是铆形件的剖视图，所述铆形件使用图1的系统被形成在另一个被部分地预先形成的穿透孔内，以在不类似材料的两个工件之间形成搭接焊缝；
[0015]图5A是使用图1的系统在两个工件之间具有多个铆形件的搭接焊接接头的俯视的图示说明实施方案；
[0016]图5B是搭接焊接接头沿线VB-VB的剖视图。
[0017]详细描沭
[0018]现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。
[0019]图1所示出的是使用热焊丝工艺执行焊接或连接操作的代表性系统100。所示出的系统使用激光器作为热源，但实施方案并不限于激光器的使用，与本文的说明相一致，另一高能量热源可以被使用。系统100的进一步的细节在美国专利公开N0.2011/0297658中被示出和描述，所述美国专利公开N0.2011/0297658被附为证据A并且其全部内容通过引用被并入本文。
[0020]图2所示出的是在第一工件205和第二工件210之间形成搭接接头200的热焊丝系统100的详细视图。在本主题的搭接接头200中，第一工件205的一部分与第二工件210的一部分重叠并且接合(engage)，以限定重叠界面215。延伸通过工件的重叠区域和界面215的是穿透孔220。穿透孔由延伸通过第一工件205的第一部分220a和延伸通过第二工件210的第二部分220b来限定。如本文所使用的，术语“穿透孔(keyhole) ”意图意为延伸通过工件的全部厚度。
[0021]在一个实施方案中，穿透孔220通过激光束110熔化第一和第二工件205、210中的每个的基底材料来形成。更具体地，激光束110将第一能量密度(例如以单位面积的功率(如，瓦特/平方英寸——Wsq.1n.)来衡量)递送到第一工件205，以熔化基底材料并且在第一工件205形成开孔(aperture)或开口(opening)来限定穿透孔的第一部分220a。激光束110将第二能量密度递送到第二工件210，以熔化基底材料并且在第二工件210形成开孔或开口来限定穿透孔的第二部分220b。由激光束110递送的第一和第二能量密度，在一个方面可以依据要被熔化的基底材料。就是说，如果材料是相同的，能量密度可以是相同的。然而，如果要被连接的材料是不同的，或者具有不同的几何结构，能量密度可以是不同的，以实现各自工件的正确熔化。从而，在搭接接头形成的工艺中形成穿透孔220的一个方面中，根据熔化基底材料所需要的能量密度可以是相等的或不同的。如在图2的特定实施方案中所示出的，激光束110可以经由被耦合到光纤激光递送子系统112的适当的准直/聚焦光学器件115递送到工件。
[0022]在接头200的形成以及在穿透孔220的形成的第一实施方案中，激光束在穿透孔220内产生熔池116。随着熔池116的形成，如在图1中所看到的，填充焊丝120由焊丝送进器150送进并且经由被耦合到电源供应器(例如，如电源供应器150)的导电管160加热。所述加热可以经由电阻加热。再次参照图2，当填充焊丝120的远侧端被熔化或几乎被熔化时，填充焊丝120的远侧端被置为与熔池116接触，以将填充焊丝材料转移到穿透孔220内的熔池116。因为填充焊丝120的熔化的远侧端继续与熔池116接触，对于填充焊丝120的位置以及到填充焊丝120的电流和/或电压可以被这样控制，以防止在焊丝120和工件205、210之间的电弧的形成。从而，搭接焊接接头形成的一个特定的实施方案提供这样的方法，即不在焊丝120和工件205、210之间产生电弧来形成接头。
[0023]在本发明的示例性实施方案中，如图3A所示意性示出的，能量密度是变化的，以改变激光能量递送的深度，并且更特别地，减少激光保持熔池116所处的深度。从而，当激光深度被减少时，如图3B所示，工件205、210的基底材料和沉积在穿透孔220的填充材料混合并且凝固，以形成连续的铆形件230。在一个实施方案中，铆形件230是基本上为截头圆锥形的构造，所述铆形件230轴向延伸来限定通过工件205、210的铆形件轴Y_Y。从而，在一个方面，铆形件230从第一工件205的上表面朝向第二工件210的下表面以近侧到远侧的方向狭窄地一头逐渐减小(taper)。然而，铆形件230的其他形状可以被利用。例如，铆形件230可以具有柱形的形状，以使沿它的长度没有显著的一头逐渐减小。另外，铆形件230可以具有细长的形状，以使它的截面(当向下看顶部或底部或铆形件230时)是细长的。这样的形状可以包括椭圆形(ellipse)、卵形(oval)等等。所创建的铆形件的截面应该是这样的，以使它们针对具体的应用创建所期望的机械强度。
[0024]在本发明的示例性实施方案中，第一工件205和第二工件由相同的材料制成。然而，在其他实施方案中，它们可以是不同的材料。在所示出的实施方案中，激光束120从激光源和电源供应器130产生并且被递送到工件处的接头形成位置。第一能量密度(W/sq.1n.)被递送，以在第一工件形成穿透孔的第一部分。第二能量密度(W/sq.1n.)在开孔内被递送并且被递送到第二工件210，以形成穿透孔的第二部分。填充焊丝材料在开孔内被延伸。填充焊丝被耦合到电源170并且通过脉冲化的或AC波形被电阻加热到或接近它的熔化温度。填充焊丝可以以恒定的或变化的焊丝送进速率来送进。
[0025]在第二可替换的实施方案中，热焊丝工艺基本上类似于前面所描述的热焊丝工艺，除了该第二实施方案提供在填充焊丝120和工件205、210之间产生的电弧。更具体地，电源供应器170将信号递送到填充焊丝120，所述信号足够来在焊丝120和工件205之间形成电弧。从而，在焊丝120处形成的电弧可以与激光束110组合使用，以形成穿透孔220和/或在穿透孔内控制穿透孔220的深度和/或宽度或直径。在一个方面并且参照图1，送进器150与电源供应器170合作来将填充焊丝120的远侧端设置在离穿透孔220内的熔池116 一距离处，用填充焊丝载有的所期望的电压或电流来在穿透孔220内产生电弧。
[0026]可替换的实施方案被提供，其中穿透孔部分220a、220b中的一个或更多个在激光束I1的应用之前被预先形成。例如，图4A所示出的是由工件205的内表面222限定的预先形成的开孔，以预先限定第一穿透孔部分220a。开孔可以通过钻(drill)、冲压(punch)或材料移除的任何其他已知的形式被预先形成。所示出的是激光束110，所述激光束110延伸通过第一穿透孔部分220a，以对第二工件210的上表面起作用。激光束单独或与填充焊丝120组合供应能量密度，来以上面所描述的方式限定穿透孔的第二部分220b。铆形件230最初通过第二工件210的基底材料和填充材料120的混合和凝固被形成在第二穿透孔部分220b内。铆形件230通过将熔化或几乎熔化的填充材料混合到熔池116中被继续构建，以完成焊接接头200a的形成。熔池116的高度随激光束110能量密度的改变而变化。而且，当熔池116与焊丝120的填充材料混合时，内表面222可以熔化，以与熔池116混合并且凝固来形成铆形件230。
[0027]搭接焊接接头200b的一个特定的实施方案在图4B中被示出，其中工件205、210由不类似的材料制成。例如，底部或第二工件210可以由钢制成，而第一工件205可以由铝(Al)、锰(Mn)、铜(Cu)、陶瓷或其他材料制成。在一个示例性实施方案中，预先形成的开孔可以被形成在第一工件205并且由内表面222’限定。内表面222’包括第一部分222a’和第二部分222b’，所述第一部分222a’相对于平行于轴Y_Y的垂直线限定第一角度Θ1，所述第二部分222b’相对于平行于轴Y-Y的垂直线限定第二角度Θ2。使用前面所描述的热焊丝工艺，铆形件230被形成。近侧部分230a形成加大的头部230a，以与内表面222’的第一部分222a’接合并且熔合。从而，铆形件230和铆形件头部230a便利在铆形件230和工件205、210之间的机械连接。如在图4B中的实施方案所示出的，激光未完全穿透工件210而是差一点完全熔透。然而在其他实施方案中，激光束110可以完全穿透，因此导致另一头部部分形成在头部230a的对面。铆形件230的各种形状和材料可以被利用，以获得所期望的接头强度。
[0028]应该注意的是，尽管本文所描述的附图描绘搭接接头，本发明的实施方案可以在其他接头中被利用。同样应该注意的是，由于本发明的优点，在其他方式彼此发生化学反应的不类似的金属可以被连接。就是说，本发明的实施方案可以在工件205和210之间使用中性材料层或间隔件，并且铆形件230的材料可以是中性材料，以使在其他方式不可以被连接的不类似的材料可以通过本发明的实施方案被连接。
[0029]应该注意的是，如果工件205和210是相同或类似的材料，除了利用铆形件230的强度来连接工件之外，本发明的实施方案还可以使用所描述的热焊丝工艺来将工件焊接在一起。这将增加接头的机械结合。
[0030]在示例性实施方案中，其中工件205和210是不类似的，铆形件230的材料应该被这样选择，以使它提供所期望的强度并且在化学上以及在冶金上与要被连接的工件相容。在本发明的一些示例性实施方案中，铆形件230由这样的材料形成，所述材料在组成上与用于工件205/210的具有最低熔化温度的材料是可比较的。例如，如果铝与钢连接，铆形件230可以由铝这一成分来形成。这确保正确熔化铆形件230的材料所需要的热量输入将不导致工件中的任一个的不想要的熔化。例如，如果高熔化温度材料(例如，钢)被用于铆形件230，则它的熔化可以导致较低温度工件组分(铝)的不想要的熔化。铆形件230也可以如所期望的由不同于两个工件的组成制成。例如，铆形件230可以是铝而工件分别是钢和陶瓷。
[0031]在上面所描述的接头形成中的每个的一个方面，激光不是贯穿热焊丝工艺对填充焊丝起作用。在可替换的方面，激光不对填充焊丝起作用。针对激光作用于填充焊丝120的程度，到填充焊丝120的加热信号以及填充焊丝的送进率以所期望的方式被控制，以确保焊丝的正确熔化。根据工件的宽度，多个铆形件230可以被间隔开，以在工件205和210之间形成完整的搭接焊接接头200。图5A和图5B所示出的是多个铆形件230a、230b、230c，所述多个铆形件230a、230b、230c可以通过上面所描述的实施方案中的任何一个来形成，以在工件205、210之间形成搭接焊。
[0032]尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
[0033]参考编号:
[0034]100 系统230 铆形件
[0035]110 激光束230a多个铆形件
[0036]112 子系统230b多个铆形件
[0037]115 聚焦光学器件230c多个铆形件
[0038]116 熔池
[0039]120 填充焊丝Θ I 第一角度
[0040]130 电源供应器 Θ 2 第二角度
[0041]150 焊丝送进器 y_y 轴
[0042]160 导电管
[0043]170 电源
[0044]200 搭接接头
[0045]200a 焊接接头
[0046]200b 搭接焊接接头
[0047]205 第一工件
[0048]210 第二工件
[0049]215 重叠界面
[0050]220 穿透孔
[0051]220a 第一部分
[0052]220b 第二部分
[0053]222 内表面
[0054]222’ 内表面
[0055]222a’ 第一部分
[0056]222b’ 第二部分
【权利要求】
1.一种在至少两个工件(205,210)之间形成接头(200)的方法，所述方法包括: 将第一工件(205)与第二工件(210)接合，以在所述第一和第二工件中的每个之间创建接头; 将高能量热源引导到所述第一和第二工件(205,210) 二者，以在所述第一和第二工件(205,210)中的每个中形成多个穿透孔(220)，其中在所述第一和第二工件(205,210)中的每个中的所述穿透孔(220)彼此对准而创建多个穿透孔对； 将填充材料引导到所述多个穿透孔对中并且加热所述填充材料，从而使得所述填充材料在所述多个穿透孔对中熔化；以及 使用所述高能量热源和所述加热的填充材料中的每个来从包括至少所述填充材料的熔池(116)在所述多个穿透孔对中的每个对中创建固态紧固件， 其中所述穿透孔对中的每个对沿所述接头(200)被这样分布，以固定所述第一和第二工件(205，210)，但所述穿透孔对不彼此接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中当创建所述穿透孔对中的每个对时，递送激光束的步骤包括将具有第一强度的激光束递送到所述第一工件，以及将具有第二强度的激光束递送到所述第二工件，所述第二强度不同于所述第一强度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中形成所述紧固件中的每个的步骤包括控制所述熔池被保持在所述穿透孔对中的每个对中的深度，所述深度通过控制所述高能量热源的强度被控制。
4.如权利要求1至3中的一项所述的方法，其中递送填充焊丝的步骤包括将填充焊丝保持为与所述熔池连续接触。
5.如权利要求1至4中的一项所述的方法，其中所述紧固件能够具有通过所述第一和第二工件中的每个的一头逐渐减小的或柱形的形状。
6.一种在至少两个工件之间形成接头的方法，特别地根据权利要求1至5中的一项，所述方法包括: 将第一工件(205)与第二工件(210)接合，以在所述第一和第二工件(205,210)中的每个之间创建接头(200)； 在所述第一和第二工件(205，210)中的至少一个中形成多个穿透孔(220)； 在所述第一和第二工件(205，210)中的另一个形成中对应于所述穿透孔(220)中的每个的多个孔，以形成孔对； 将填充材料引导到所述多个孔对中的每个中并且加热所述填充材料，从而使得所述填充材料在所述多个孔对中熔化；以及 使用高能量热源和所述加热的填充材料中的每个来从包括至少所述填充材料的熔池(116)在所述多个孔对中的每个对中创建固态紧固件， 其中所述孔对中的每个对沿所述接头(200)被这样分布，以固定所述第一和第二工件，但所述孔对不彼此接触。
7.如权利要求1至6中的一项所述的方法，其中所述第一工件是与所述第二工件不同的材料。
8.如权利要求1至7中的一项所述的方法，其中所述高能量热源是激光束。
9.如权利要求1至8中的一项所述的方法，其中递送激光束的步骤包括将具有第一强度的激光束递送到所述第一工件，以及将具有第二强度的激光束递送到所述第二工件，所述第二强度不同于所述第一强度。
10.如权利要求1至9中的一项所述的方法，其中形成所述紧固件中的每个的步骤包括控制所述熔池被保持在所述孔对中的每个对中的深度，所述深度通过控制所述高能量热源的强度被控制。
11.如权利要求1至10中的一项所述的方法，其中递送填充焊丝的步骤包括将填充焊丝保持为与所述熔池连续接触。
12.如权利要求1至11中的一项所述的方法，其中所述紧固件能够具有一头逐渐减小的或柱形的形状。
13.如权利要求1至12中的一项所述的方法，其中所述填充材料具有与所述第一和第二工件中的每个不同的材料组成。
14.如权利要求11至13中的一项所述的方法，其中所述第一和第二工件中的一个是钢，并且所述第一和第二工件中的另一个是铝、陶瓷、锰以及铜。
15.如权利要求11至14中的一项所述的方法，其中所述紧固件中的每个具有中心线，并且在所述第一和第二工件中的一个具有第一一头逐渐减小的表面，所述第一一头逐渐减小的表面相对于所述中心线具有第一角度，并且在所述第一和第二工件中的另一个具有第二一头逐渐减小的表面，所述第二一头逐渐减小的表面相对于所述中心线具有第二角度，其中所述第一角度与所述第二角度不同。
【文档编号】B23K26/22GK104411445SQ201380036004
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年7月5日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】E·A·恩耶迪 申请人:林肯环球股份有限公司