用熱焊絲形成接頭的方法
【專利摘要】連接工件的方法和系統(tǒng)被提供，其中高能量熱源被用來在工件中創(chuàng)建分立的孔并且填充材料被沉積在分立的孔中，以創(chuàng)建將工件連接在一起的分開的緊固件。
【專利說明】用熱焊絲形成接頭的方法
[0001]優(yōu)先權(quán):本申請要求美國臨時專利申請N0.61/668，808以及美國專利申請N0.13/790,061的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時專利申請N0.61/668，808以及美國專利申請N0.13/790,061的全部內(nèi)容通過引用被并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用于熱焊絲處理的系統(tǒng)和方法。更具體地，本主題發(fā)明涉及用于在至少兩個工件之間形成特殊化的接頭的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法使用熱焊絲工藝來創(chuàng)建分立的連接(joining)部分。
【背景技術(shù)】
[0003]與電弧焊接方法不同，熱焊絲工藝不使用在可消耗的焊絲和工件之間的電弧來將填充材料轉(zhuǎn)移到熔池。更具體地，在熱焊絲或填充焊絲工藝中，在焊絲和工件之間激光器(或其他高熱源)加熱并且熔化工件來形成熔池。填充焊絲被朝向工件和熔池推進。焊絲由單獨的能量源(例如，焊機)來電阻加熱(resistance-heated),以使焊絲接近或達到它的熔點并且接觸熔池。加熱的焊絲被送進到熔池中，用于執(zhí)行熱焊絲工藝。從而，填充焊絲到工件的轉(zhuǎn)移通過簡單地將填充焊絲熔化到熔池中而發(fā)生。這種工藝在連續(xù)焊接/蓋覆(coating)焊道的形成上是已知的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的實施方案提供在兩個或更多個工件構(gòu)件之間形成接頭的系統(tǒng)和方法。在一個實施方案中，用于在至少部分地重疊第二工件的第一工件之間形成搭接焊縫的方法被提供。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；以及用設(shè)置在穿透孔中的填充焊絲執(zhí)行熱焊絲工藝，以在穿透孔內(nèi)形成鉚形件(rivet)。熱焊絲工藝在填充焊絲和第一工件、第二工件及熱焊絲工藝的熔池中的至少一個之間不在穿透孔內(nèi)產(chǎn)生電弧。在可替換的實施方案中，熱焊絲工藝在填充焊絲處使用與受控的電弧組合的激光束。然而，與之前的方法不同，沒有連續(xù)的焊道被創(chuàng)建。
[0005]另一實施方案在至少部分地重疊第二工件的第一工件之間提供搭接接頭。接頭包括延伸通過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。在一個方面，第一部分被預(yù)先形成并且由所述第一工件的內(nèi)表面限定。鉚形件被形成在工件中；鉚形件通過熱焊絲工藝被形成在穿透孔內(nèi)，以使鉚形件是填充焊絲材料和第一工件及第二工件中的每個的基底材料的固態(tài)組合。在另一特定的實施方案中，第一和第二工件是不類似的材料。
[0006]從如下的說明書、權(quán)利要求書和附圖，所要求保護的本發(fā)明的這些和其他特點以及圖示說明的本發(fā)明的實施方案的細(xì)節(jié)將會被更加完整地理解。
_7]附圖簡要說明
[0008]通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施方案，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會更加明顯，在所述附圖中:
[0009]圖1是形成示例性搭接焊接接頭的熱焊絲處理系統(tǒng)的圖示說明視圖；
[0010]圖2是利用圖1的系統(tǒng)的搭接焊接接頭形成的詳細(xì)視圖；
[0011]圖3A是在本主題的熱焊絲工藝的實施方案中激光束的示意圖；
[0012]圖3B是使用圖1的系統(tǒng)被形成在兩個工件之間的搭接焊接接頭中的圖示說明鉚形件的剖視圖；
[0013]圖4A是使用圖1的系統(tǒng)用穿透孔的預(yù)先形成的部分被部分地形成的鉚形件的剖視圖；
[0014]圖4B是鉚形件的剖視圖，所述鉚形件使用圖1的系統(tǒng)被形成在另一個被部分地預(yù)先形成的穿透孔內(nèi)，以在不類似材料的兩個工件之間形成搭接焊縫；
[0015]圖5A是使用圖1的系統(tǒng)在兩個工件之間具有多個鉚形件的搭接焊接接頭的俯視的圖示說明實施方案；
[0016]圖5B是搭接焊接接頭沿線VB-VB的剖視圖。
[0017]詳細(xì)描沭
[0018]現(xiàn)在將在下面通過參照所附的附圖描述本發(fā)明的示例性實施方案。所描述的示例性實施方案意圖幫助理解本發(fā)明，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相似的參考編號在通篇中涉及相似的要素。
[0019]圖1所示出的是使用熱焊絲工藝執(zhí)行焊接或連接操作的代表性系統(tǒng)100。所示出的系統(tǒng)使用激光器作為熱源，但實施方案并不限于激光器的使用，與本文的說明相一致，另一高能量熱源可以被使用。系統(tǒng)100的進一步的細(xì)節(jié)在美國專利公開N0.2011/0297658中被示出和描述，所述美國專利公開N0.2011/0297658被附為證據(jù)A并且其全部內(nèi)容通過引用被并入本文。
[0020]圖2所示出的是在第一工件205和第二工件210之間形成搭接接頭200的熱焊絲系統(tǒng)100的詳細(xì)視圖。在本主題的搭接接頭200中，第一工件205的一部分與第二工件210的一部分重疊并且接合(engage)，以限定重疊界面215。延伸通過工件的重疊區(qū)域和界面215的是穿透孔220。穿透孔由延伸通過第一工件205的第一部分220a和延伸通過第二工件210的第二部分220b來限定。如本文所使用的，術(shù)語“穿透孔(keyhole) ”意圖意為延伸通過工件的全部厚度。
[0021]在一個實施方案中，穿透孔220通過激光束110熔化第一和第二工件205、210中的每個的基底材料來形成。更具體地，激光束110將第一能量密度(例如以單位面積的功率(如，瓦特/平方英寸——Wsq.1n.)來衡量)遞送到第一工件205，以熔化基底材料并且在第一工件205形成開孔(aperture)或開口(opening)來限定穿透孔的第一部分220a。激光束110將第二能量密度遞送到第二工件210，以熔化基底材料并且在第二工件210形成開孔或開口來限定穿透孔的第二部分220b。由激光束110遞送的第一和第二能量密度，在一個方面可以依據(jù)要被熔化的基底材料。就是說，如果材料是相同的，能量密度可以是相同的。然而，如果要被連接的材料是不同的，或者具有不同的幾何結(jié)構(gòu)，能量密度可以是不同的，以實現(xiàn)各自工件的正確熔化。從而，在搭接接頭形成的工藝中形成穿透孔220的一個方面中，根據(jù)熔化基底材料所需要的能量密度可以是相等的或不同的。如在圖2的特定實施方案中所示出的，激光束110可以經(jīng)由被耦合到光纖激光遞送子系統(tǒng)112的適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直/聚焦光學(xué)器件115遞送到工件。
[0022]在接頭200的形成以及在穿透孔220的形成的第一實施方案中，激光束在穿透孔220內(nèi)產(chǎn)生熔池116。隨著熔池116的形成，如在圖1中所看到的，填充焊絲120由焊絲送進器150送進并且經(jīng)由被耦合到電源供應(yīng)器(例如，如電源供應(yīng)器150)的導(dǎo)電管160加熱。所述加熱可以經(jīng)由電阻加熱。再次參照圖2，當(dāng)填充焊絲120的遠(yuǎn)側(cè)端被熔化或幾乎被熔化時，填充焊絲120的遠(yuǎn)側(cè)端被置為與熔池116接觸，以將填充焊絲材料轉(zhuǎn)移到穿透孔220內(nèi)的熔池116。因為填充焊絲120的熔化的遠(yuǎn)側(cè)端繼續(xù)與熔池116接觸，對于填充焊絲120的位置以及到填充焊絲120的電流和/或電壓可以被這樣控制，以防止在焊絲120和工件205、210之間的電弧的形成。從而，搭接焊接接頭形成的一個特定的實施方案提供這樣的方法，即不在焊絲120和工件205、210之間產(chǎn)生電弧來形成接頭。
[0023]在本發(fā)明的示例性實施方案中，如圖3A所示意性示出的，能量密度是變化的，以改變激光能量遞送的深度，并且更特別地，減少激光保持熔池116所處的深度。從而，當(dāng)激光深度被減少時，如圖3B所示，工件205、210的基底材料和沉積在穿透孔220的填充材料混合并且凝固，以形成連續(xù)的鉚形件230。在一個實施方案中，鉚形件230是基本上為截頭圓錐形的構(gòu)造，所述鉚形件230軸向延伸來限定通過工件205、210的鉚形件軸Y_Y。從而，在一個方面，鉚形件230從第一工件205的上表面朝向第二工件210的下表面以近側(cè)到遠(yuǎn)側(cè)的方向狹窄地一頭逐漸減小(taper)。然而，鉚形件230的其他形狀可以被利用。例如，鉚形件230可以具有柱形的形狀，以使沿它的長度沒有顯著的一頭逐漸減小。另外，鉚形件230可以具有細(xì)長的形狀，以使它的截面(當(dāng)向下看頂部或底部或鉚形件230時)是細(xì)長的。這樣的形狀可以包括橢圓形(ellipse)、卵形(oval)等等。所創(chuàng)建的鉚形件的截面應(yīng)該是這樣的，以使它們針對具體的應(yīng)用創(chuàng)建所期望的機械強度。
[0024]在本發(fā)明的示例性實施方案中，第一工件205和第二工件由相同的材料制成。然而，在其他實施方案中，它們可以是不同的材料。在所示出的實施方案中，激光束120從激光源和電源供應(yīng)器130產(chǎn)生并且被遞送到工件處的接頭形成位置。第一能量密度(W/sq.1n.)被遞送，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.)在開孔內(nèi)被遞送并且被遞送到第二工件210，以形成穿透孔的第二部分。填充焊絲材料在開孔內(nèi)被延伸。填充焊絲被耦合到電源170并且通過脈沖化的或AC波形被電阻加熱到或接近它的熔化溫度。填充焊絲可以以恒定的或變化的焊絲送進速率來送進。
[0025]在第二可替換的實施方案中，熱焊絲工藝基本上類似于前面所描述的熱焊絲工藝，除了該第二實施方案提供在填充焊絲120和工件205、210之間產(chǎn)生的電弧。更具體地，電源供應(yīng)器170將信號遞送到填充焊絲120，所述信號足夠來在焊絲120和工件205之間形成電弧。從而，在焊絲120處形成的電弧可以與激光束110組合使用，以形成穿透孔220和/或在穿透孔內(nèi)控制穿透孔220的深度和/或?qū)挾然蛑睆?。在一個方面并且參照圖1，送進器150與電源供應(yīng)器170合作來將填充焊絲120的遠(yuǎn)側(cè)端設(shè)置在離穿透孔220內(nèi)的熔池116 一距離處，用填充焊絲載有的所期望的電壓或電流來在穿透孔220內(nèi)產(chǎn)生電弧。
[0026]可替換的實施方案被提供，其中穿透孔部分220a、220b中的一個或更多個在激光束I1的應(yīng)用之前被預(yù)先形成。例如，圖4A所示出的是由工件205的內(nèi)表面222限定的預(yù)先形成的開孔，以預(yù)先限定第一穿透孔部分220a。開孔可以通過鉆(drill)、沖壓(punch)或材料移除的任何其他已知的形式被預(yù)先形成。所示出的是激光束110，所述激光束110延伸通過第一穿透孔部分220a，以對第二工件210的上表面起作用。激光束單獨或與填充焊絲120組合供應(yīng)能量密度，來以上面所描述的方式限定穿透孔的第二部分220b。鉚形件230最初通過第二工件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內(nèi)。鉚形件230通過將熔化或幾乎熔化的填充材料混合到熔池116中被繼續(xù)構(gòu)建，以完成焊接接頭200a的形成。熔池116的高度隨激光束110能量密度的改變而變化。而且，當(dāng)熔池116與焊絲120的填充材料混合時，內(nèi)表面222可以熔化，以與熔池116混合并且凝固來形成鉚形件230。
[0027]搭接焊接接頭200b的一個特定的實施方案在圖4B中被示出，其中工件205、210由不類似的材料制成。例如，底部或第二工件210可以由鋼制成，而第一工件205可以由鋁(Al)、錳(Mn)、銅(Cu)、陶瓷或其他材料制成。在一個示例性實施方案中，預(yù)先形成的開孔可以被形成在第一工件205并且由內(nèi)表面222’限定。內(nèi)表面222’包括第一部分222a’和第二部分222b’，所述第一部分222a’相對于平行于軸Y_Y的垂直線限定第一角度Θ1，所述第二部分222b’相對于平行于軸Y-Y的垂直線限定第二角度Θ2。使用前面所描述的熱焊絲工藝，鉚形件230被形成。近側(cè)部分230a形成加大的頭部230a，以與內(nèi)表面222’的第一部分222a’接合并且熔合。從而，鉚形件230和鉚形件頭部230a便利在鉚形件230和工件205、210之間的機械連接。如在圖4B中的實施方案所示出的，激光未完全穿透工件210而是差一點完全熔透。然而在其他實施方案中，激光束110可以完全穿透，因此導(dǎo)致另一頭部部分形成在頭部230a的對面。鉚形件230的各種形狀和材料可以被利用，以獲得所期望的接頭強度。
[0028]應(yīng)該注意的是，盡管本文所描述的附圖描繪搭接接頭，本發(fā)明的實施方案可以在其他接頭中被利用。同樣應(yīng)該注意的是，由于本發(fā)明的優(yōu)點，在其他方式彼此發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的不類似的金屬可以被連接。就是說，本發(fā)明的實施方案可以在工件205和210之間使用中性材料層或間隔件，并且鉚形件230的材料可以是中性材料，以使在其他方式不可以被連接的不類似的材料可以通過本發(fā)明的實施方案被連接。
[0029]應(yīng)該注意的是，如果工件205和210是相同或類似的材料，除了利用鉚形件230的強度來連接工件之外，本發(fā)明的實施方案還可以使用所描述的熱焊絲工藝來將工件焊接在一起。這將增加接頭的機械結(jié)合。
[0030]在示例性實施方案中，其中工件205和210是不類似的，鉚形件230的材料應(yīng)該被這樣選擇，以使它提供所期望的強度并且在化學(xué)上以及在冶金上與要被連接的工件相容。在本發(fā)明的一些示例性實施方案中，鉚形件230由這樣的材料形成，所述材料在組成上與用于工件205/210的具有最低熔化溫度的材料是可比較的。例如，如果鋁與鋼連接，鉚形件230可以由鋁這一成分來形成。這確保正確熔化鉚形件230的材料所需要的熱量輸入將不導(dǎo)致工件中的任一個的不想要的熔化。例如，如果高熔化溫度材料(例如，鋼)被用于鉚形件230，則它的熔化可以導(dǎo)致較低溫度工件組分(鋁)的不想要的熔化。鉚形件230也可以如所期望的由不同于兩個工件的組成制成。例如，鉚形件230可以是鋁而工件分別是鋼和陶瓷。
[0031]在上面所描述的接頭形成中的每個的一個方面，激光不是貫穿熱焊絲工藝對填充焊絲起作用。在可替換的方面，激光不對填充焊絲起作用。針對激光作用于填充焊絲120的程度，到填充焊絲120的加熱信號以及填充焊絲的送進率以所期望的方式被控制，以確保焊絲的正確熔化。根據(jù)工件的寬度，多個鉚形件230可以被間隔開，以在工件205和210之間形成完整的搭接焊接接頭200。圖5A和圖5B所示出的是多個鉚形件230a、230b、230c，所述多個鉚形件230a、230b、230c可以通過上面所描述的實施方案中的任何一個來形成，以在工件205、210之間形成搭接焊。
[0032]盡管已經(jīng)參照某些實施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以進行各種改變并且等同方案可以被替代，而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，可以進行許多修改來使特定情形或材料適用于本發(fā)明的教導(dǎo)，而不偏離其范圍。因此，并不意圖將本發(fā)明限于所公開的特定實施方案，本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實施方案。
[0033]參考編號:
[0034]100 系統(tǒng)230 鉚形件
[0035]110 激光束230a多個鉚形件
[0036]112 子系統(tǒng)230b多個鉚形件
[0037]115 聚焦光學(xué)器件230c多個鉚形件
[0038]116 熔池
[0039]120 填充焊絲Θ I 第一角度
[0040]130 電源供應(yīng)器 Θ 2 第二角度
[0041]150 焊絲送進器 y_y 軸
[0042]160 導(dǎo)電管
[0043]170 電源
[0044]200 搭接接頭
[0045]200a 焊接接頭
[0046]200b 搭接焊接接頭
[0047]205 第一工件
[0048]210 第二工件
[0049]215 重疊界面
[0050]220 穿透孔
[0051]220a 第一部分
[0052]220b 第二部分
[0053]222 內(nèi)表面
[0054]222’ 內(nèi)表面
[0055]222a’ 第一部分
[0056]222b’ 第二部分
【權(quán)利要求】
1.一種在至少兩個工件(205,210)之間形成接頭(200)的方法，所述方法包括: 將第一工件(205)與第二工件(210)接合，以在所述第一和第二工件中的每個之間創(chuàng)建接頭; 將高能量熱源引導(dǎo)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)中的每個中形成多個穿透孔(220)，其中在所述第一和第二工件(205,210)中的每個中的所述穿透孔(220)彼此對準(zhǔn)而創(chuàng)建多個穿透孔對； 將填充材料引導(dǎo)到所述多個穿透孔對中并且加熱所述填充材料，從而使得所述填充材料在所述多個穿透孔對中熔化；以及 使用所述高能量熱源和所述加熱的填充材料中的每個來從包括至少所述填充材料的熔池(116)在所述多個穿透孔對中的每個對中創(chuàng)建固態(tài)緊固件， 其中所述穿透孔對中的每個對沿所述接頭(200)被這樣分布，以固定所述第一和第二工件(205，210)，但所述穿透孔對不彼此接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)創(chuàng)建所述穿透孔對中的每個對時，遞送激光束的步驟包括將具有第一強度的激光束遞送到所述第一工件，以及將具有第二強度的激光束遞送到所述第二工件，所述第二強度不同于所述第一強度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中形成所述緊固件中的每個的步驟包括控制所述熔池被保持在所述穿透孔對中的每個對中的深度，所述深度通過控制所述高能量熱源的強度被控制。
4.如權(quán)利要求1至3中的一項所述的方法，其中遞送填充焊絲的步驟包括將填充焊絲保持為與所述熔池連續(xù)接觸。
5.如權(quán)利要求1至4中的一項所述的方法，其中所述緊固件能夠具有通過所述第一和第二工件中的每個的一頭逐漸減小的或柱形的形狀。
6.一種在至少兩個工件之間形成接頭的方法，特別地根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項，所述方法包括: 將第一工件(205)與第二工件(210)接合，以在所述第一和第二工件(205,210)中的每個之間創(chuàng)建接頭(200)； 在所述第一和第二工件(205，210)中的至少一個中形成多個穿透孔(220)； 在所述第一和第二工件(205，210)中的另一個形成中對應(yīng)于所述穿透孔(220)中的每個的多個孔，以形成孔對； 將填充材料引導(dǎo)到所述多個孔對中的每個中并且加熱所述填充材料，從而使得所述填充材料在所述多個孔對中熔化；以及 使用高能量熱源和所述加熱的填充材料中的每個來從包括至少所述填充材料的熔池(116)在所述多個孔對中的每個對中創(chuàng)建固態(tài)緊固件， 其中所述孔對中的每個對沿所述接頭(200)被這樣分布，以固定所述第一和第二工件，但所述孔對不彼此接觸。
7.如權(quán)利要求1至6中的一項所述的方法，其中所述第一工件是與所述第二工件不同的材料。
8.如權(quán)利要求1至7中的一項所述的方法，其中所述高能量熱源是激光束。
9.如權(quán)利要求1至8中的一項所述的方法，其中遞送激光束的步驟包括將具有第一強度的激光束遞送到所述第一工件，以及將具有第二強度的激光束遞送到所述第二工件，所述第二強度不同于所述第一強度。
10.如權(quán)利要求1至9中的一項所述的方法，其中形成所述緊固件中的每個的步驟包括控制所述熔池被保持在所述孔對中的每個對中的深度，所述深度通過控制所述高能量熱源的強度被控制。
11.如權(quán)利要求1至10中的一項所述的方法，其中遞送填充焊絲的步驟包括將填充焊絲保持為與所述熔池連續(xù)接觸。
12.如權(quán)利要求1至11中的一項所述的方法，其中所述緊固件能夠具有一頭逐漸減小的或柱形的形狀。
13.如權(quán)利要求1至12中的一項所述的方法，其中所述填充材料具有與所述第一和第二工件中的每個不同的材料組成。
14.如權(quán)利要求11至13中的一項所述的方法，其中所述第一和第二工件中的一個是鋼，并且所述第一和第二工件中的另一個是鋁、陶瓷、錳以及銅。
15.如權(quán)利要求11至14中的一項所述的方法，其中所述緊固件中的每個具有中心線，并且在所述第一和第二工件中的一個具有第一一頭逐漸減小的表面，所述第一一頭逐漸減小的表面相對于所述中心線具有第一角度，并且在所述第一和第二工件中的另一個具有第二一頭逐漸減小的表面，所述第二一頭逐漸減小的表面相對于所述中心線具有第二角度，其中所述第一角度與所述第二角度不同。
【文檔編號】B23K26/22GK104411445SQ201380036004
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】E·A·恩耶迪 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司