CN103817455A - 用于焊接应用的自调节焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于焊接应用的自调节焊丝，具体公开了自调节焊丝、制造这些自调节焊丝的方法和加热结合工序(例如气体保护金属极电弧焊或激光钎焊)以及使用这些自调节焊丝的其他工序。所述焊丝具有适于在结合工序中用作结合材料的金属或金属合金的芯以及形状记忆合金的外层，所述外层可以连续或者不连续(例如一个或多个纵向带)环绕芯的外部。自调节焊丝的形状记忆合金在其奥氏体相下被“训练”成直的焊丝形状。在使用自调节焊丝的工序中，自调节焊丝的弯曲端部通过将所述自调节焊丝加热到高于所述形状记忆合金的奥氏体相变温度的温度来矫直。

Description

用于焊接应用的自调节焊丝
技术领域
本发明涉及焊接和结合方法以及用于这种方法的材料和物品。在另一个方面，本发明涉及关于焊丝等的对准的工序。
背景技术
本节提供有助于理解本发明但不一定是现有技术的信息。
经常也称为金属惰性气体(MIG)焊接的气体保护金属极电弧焊(GMAW)是使用连续、自耗焊接或填充焊丝作为电极的电弧焊工序。在金属惰性气体电弧焊接中，自耗焊丝电极穿过焊枪或焊炬并且穿出焊炬接触末端，所述自耗焊丝由诸如铜合金的导电金属制成。施加在接触末端与待焊接金属工件之间的电位导致焊丝中的电流，所述电流支持焊丝端部与金属工件之间的电弧。通过气体或气体混合物-经常为惰性气体混合物的流动来保护电弧使其与大气隔离，其中金属通过电弧从自耗焊丝电极传送到工件。激光钎焊也将填充焊丝供给到焊接部位，在所述焊接部位通过引导激光辐照来熔化焊丝。焊丝熔滴将两个工件之间的接缝桥接。
弯曲的焊丝以及焊丝与工件的错位通常在电弧焊接、激光钎焊、电弧钎焊、使用填充焊丝的TIG焊接以及使用填充焊丝的其他结合工序或加热工序期间发生。焊丝相对于焊缝的错位可导致结合工序不稳定并且导致焊接质量变差。因此，通常需要手动调节来使弯曲的焊丝变直，从而使生产延期。例如当焊丝穿过孔时或当焊丝被焊接到一起时，弯曲的焊丝以及焊丝与工件的错位在其他工序中也可导致产生问题。
发明内容
本节提供本发明的总体描述，而非其全部范围或所有特征的全面公开。
本发明公开了自调节焊丝、制造这些自调节焊丝的方法和加热结合工序(例如气体保护电弧焊、激光钎焊、电弧焊、TIG焊接以及其他结合工序)以及诸如线间焊接和热量可用于矫直或对准这些自调节焊丝的穿线操作的其他工序。所述焊丝具有金属或金属合金-例如适于在结合工序中用作结合材料的金属或金属合金的芯以及形状记忆合金的外层。所述外层可具有任何构造，例如它可以是包覆层、绕芯螺旋卷绕的连续带、网状物或诸如形状记忆合金的一个或多个纵向带的不连续层。自调节焊丝的形状记忆合金在其奥氏体相中在训练温度下被“训练”成直的焊丝形状；在该工序中，焊丝被加热到高于其奥氏体相变温度的温度，从而通过形状记忆合金恢复到其被训练的直的焊丝形状来将自调节焊丝的任何弯曲矫直。
所述自调节焊丝可通过将形状记忆合金层施加或固定到金属或金属合金-例如结合金属或金属合金的芯上来制成，例如通过将连续层或者形状记忆合金的一个或多个纵向带施加或固定到金属或金属合金(这些金属或金属合金通常不是形状记忆合金并且可以是例如结合金属或金属合金以便制成具有结合金属或其他金属或金属合金的芯和形状记忆合金的外层的复合材料)的芯的外部。具有结合材料或其他金属的芯以及形状记忆合金的外层的复合材料可受到进一步成形操作-例如拉拔，从而获得期望的最终自调节焊丝的横截面形状和横截面大小(例如直径或宽度)。无论连续或不连续环绕焊丝或带的外周，外层(包括包覆层、网状物、编制物、螺旋带)可具有各种规则或不规则的形状和厚度，并且可具有规则和不规则地改变的厚度。具有结合金属或金属合金芯以及形状记忆合金外层(例如，包覆层或外部纵向带)的最终焊丝随后通过将所述焊丝加热到高于形状记忆合金的马氏体到奥氏体相变温度(在本说明书中它还被简称为“相变温度”或“奥氏体相变温度”)并且使加热的焊丝长度保持直的状态直到它冷却到低于奥氏体到马氏体相变温度而被训练成直的焊丝形状。如果自调节焊丝在形状记忆合金处于其马氏体相时是弯曲的，那么当所述自调节焊丝在其被使用的加热工序(例如，结合工序或对准工序)期间被加热到高于相变温度时会再次变直。
本发明进一步公开了一种自调节焊丝在结合两个金属工件时用作填充物的热结合工序。在该结合工序中，自调节焊丝达到高于形状记忆合金的马氏体到奥氏体相变温度的温度，从而导致自调节焊丝的弯曲被矫直。在各种实施方式中，该结合工序是气体保护金属极电弧焊工序，在所述工序中自调节焊丝被馈送穿过焊炬并且送出焊炬接触末端。电位被施加在接触末端与待焊接金属工件之间，从而导致自调节焊丝中的电流将焊丝加热以使焊炬的温度高于形状记忆合金的相变温度，从而导致焊丝中的弯曲被矫直。
在其他实施方式中，热源被用于通过将焊丝加热到高于形状记忆合金的马氏体到奥氏体相变温度的温度来矫直自调节焊丝的端部或一部分，从而导致所述焊丝被矫直并且使所述焊丝能够适当地定位或对准。
“一个”、“所述”、“至少一个”和“一个或多个”可互换地用于指示存在至少一个物品；除非在上下文中另外清楚地指出，否则可以存在多个这种物品。在包括所附权利要求的本申请中参数(例如，质量或条件)的所有数值，将理解为在所有情况下都通过术语“大约”改变(无论“大约”是否在所述数值前实际出现)。“大约”指示所述数值允许一定程度的稍微不准确(其中有些接近于精确值；大致或合理地接近于所述值；几乎)。如果由“大约”带来的不准确在所属领域没有被理解为具有这种普通意义，那么在此使用的“大约”指示至少可源于测量和使用这种参数的普通方法的变化。另外，所公开的范围包括对所有值以及整个范围内的进一步划分范围的公开。
术语“包括”、“包含”和“具有”是开放性的包括并且因此确定所述物品的存在，但是不排除其他物品的存在。如在本申请中使用的，术语“或”包括两个或更多个相关联的被列举物品中的一个或任何以及所有组合。当术语第一、第二、第三等用于将各种物品彼此区别时，这些名称仅为方便起见而不是限制所述物品。
方案1. 一种具有金属或金属合金的芯和形状记忆合金的外层的自调节焊丝。
方案2. 如方案1所述的自调节焊丝，其中所述外层绕着所述芯的外周是连续的。
方案3. 如方案1所述的自调节焊丝，其中所述外层由附接到所述芯的形状记忆合金的一个或多个纵向带来提供。
方案4. 如方案1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述形状记忆合金是从下述各种晶系的物质组成的集合中选出的成分：Cu-Al-Ni，14-14.5wt.%的Al和3-4.5wt.%的Ni；Cu-Sn,大约15at.%的Sn；Cu-Zn，38.5／41.5wt.%的Zn；Cu-Zn-X(其中X=Si、Al或Sn)；Fe-Pt，大约25at.%的Pt；Fe-Mn-Si；Co-Ni-Al；Co-Ni-Ga；Ni-Fe-Ga；各种浓度的Ti-Pd；Ni-Ti(大约55at.%的Ni)；Ni-Ti-Nb；Ni-Mn-Ga。
方案5. 如方案1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述形状记忆合金是从下述一种或多种金属构成的合金组成的集合中选出的成分：锌、铜、金、铁、铝和镍，并且可选地具有其他金属。
方案6. 如方案5所述的自调节焊丝，其中所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：铜锌铝镍合金、铜铝镍合金、镍钛合金、铁镍合金、铁锰硅合金和铜锌合金。
方案7. 如方案1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述芯是钢并且所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：Fe-Ni合金和Fe-Mn-Si合金。
方案8. 如方案1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述芯是铝并且所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：Ti-Ni合金和Cu-Zn合金。
方案9. 一种矫直如方案1至8中任一项所述的自调节焊丝的弯曲端部的方法，其中所述自调节焊丝具有训练的奥氏体相的直的形状；所述方法包括将所述自调节焊丝加热到高于奥氏体相变温度的温度从而将所述自调节焊丝矫直到其训练的直的形状。
方案10. 如方案9所述的方法，进一步包括定位和对准矫直的焊丝。
方案11. 一种使用如方案1至8中任一项所述的自调节焊丝来热结合两个金属物品的方法，其中所述自调节焊丝在其奥氏体相下被训练成直的形状，所述方法包括将所述自调节焊丝熔化到所述两个金属物品之间的接缝中，其中所述自调节焊丝的弯曲随着所述自调节焊丝被加热到高于奥氏体相变温度的温度而矫直。
方案12. 如方案11所述的方法，其中所述方法是气体保护金属极电弧焊方法。
方案13. 如方案11所述的方法，其中所述方法是激光焊接方法。
方案14. 如方案11至13中任一项所述的方法，其中所述金属物品每个都彼此独立并且具有从下述各项组成的集合中选出的材料：碳钢、高强度低合金钢、不锈钢、铝、铜以及镍合金。
方案15. 如方案11至13中任一项所述的方法，其中使用了至少一种下述组合：
(a)(1)形状记忆合金，所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：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Zn；和Cu-Zn-X(其中X=Si、Al或Sn)以及（2）芯和金属物品中的至少一种，所述芯和金属物品中的至少一种是从下述各项组成的集合中选出的成分：铜合金和铝合金；
(b)Fe-Mn-Si的形状记忆合金以及从包括钢的集合中选出的芯和金属物品中的至少一种；
(c)含有大约55at.%的Ni的Ni-Ti的形状记忆合金以及芯和金属物品中的至少一种，所述芯和金属物品中的至少一种是从下述各项组成的集合中选出的成分：镍基合金、铝合金、钢和铸铁；以及
(d)Ni-Ti-Nb的形状记忆合金以及芯和金属物品中的至少一种，所述芯和金属物品中的至少一种是从下述各项组成的集合中选出的成分：镍基合金、铝合金、钢和铸铁。
方案16. 一种在搭接缝中结合两个金属工件的方法，所述方法包括加热如方案1至8中任一项所述的自调节焊丝，其中所述自调节焊丝在奥氏体相下被训练成直的形状，将所述自调节焊丝加热到高于其奥氏体相变温度的温度从而使弯曲的自调节焊丝矫直，随后将该焊丝在所述工件之间的搭接缝中对准。
方案17. 一种将方案1至8中任一项所述的自调节焊丝的端部焊接到第二焊丝的端部的方法，所述方法包括加热所述自调节焊丝，其中所述自调节焊丝在奥氏体相下被训练成直的形状，将所述自调节焊丝加热到高于其奥氏体相变温度的温度从而使弯曲的自调节焊丝矫直，随后将矫直的自调节焊丝的端部与所述第二焊丝的端部抵接并且将所述端部焊接到一起。
方案18. 如方案17所述的方法，其中所述自调节焊丝和所述第二焊丝的端部通过电容储能凸焊来焊接。
方案19. 如方案17或方案18所述的方法，其中所述自调节焊丝从下述各项组成的集合中选出：
(a)具有镍芯和形状记忆合金层的自调节焊丝，该形状记忆合金层从下述各项组成的集合中选出：Ni-Fe-Ga、Ni-Ti、Ni-Ti-Nb和Ni-Mn-Ga；
(b)具有铜芯和形状记忆合金层的自调节焊丝，该形状记忆合金层从下述各项组成的集合中选出：Cu-Al-Ni、Cu-Zn和Cu-Zn-X；以及
(c)具有不锈钢芯和形状记忆合金层的自调节焊丝，该形状记忆合金层从下述各项组成的集合中选出：Fe-Pt和Fe-Mn-Si。
方案20. 一种用于使焊丝穿过孔口的方法，包括：
提供如方案1-8中任一项所述的自调节焊丝，其中所述自调节焊丝在其奥氏体相下被训练成直的形状；
通过将所述焊丝加热到高于其奥氏体相变温度的温度来矫直所述自调节焊丝的弯曲端部；
使所述矫直的端部穿过孔口。
通过下面的详细描述和说明性的具体示例，本发明的进一步的应用领域将变得清楚。
附图说明
附图示出了选定实施方式而不是说明书中描述的所有可能的实施型式或变型。
图1a和1b是自调节焊丝的示例性实施方式的剖视图；
图2是使用图1a和1b的自调节焊丝的GMAW系统的实施方式的示意性前视图；
图3是用于图2的GMAW系统的焊炬喷嘴的立体图；
图4示出了在GMAW工序开始时加热自调节焊丝的代表性响应；
图5是用于自调节焊丝的示例性实施方式的恢复应力与温度的图表；
图6示出了在激光焊接工序开始时加热自调节焊丝的代表性响应；以及
图7是用于图1a和1b的自调节焊丝的电容储能凸焊（capacitor discharge projection welding）的构造的示意图。
具体实施方式
下面详细描述了示例性的非限制性实施方式。
图1a和1b示出了用于自调节焊丝的两个示例构造。自调节焊丝10a具有适于用作结合材料-例如焊接或填充材料的金属或金属合金的芯12以及形状记忆合金的包覆或外层14。图1a的外层14是连续环绕芯12的外周的层或包覆层。层14大体上为环绕并且邻近芯12的外表面的筒状或管状。自调节焊丝10b也具有适于用作结合材料-例如焊接或填充材料的金属或金属合金的芯12，但形状记忆合金的外层16是不完全环绕所述芯12的外周的层。在各种实施方式中，虽然没有完全覆盖芯12的外周，但是外层16可以比图1b所示覆盖得更多或更少。图1b示出了由形状记忆合金的单个纵向带形成的不完全外层16，但是在各种其他实施方式中，不完全外层16可由形状记忆合金的多个纵向带形成，所述多个纵向带的覆盖量小于芯12的全部表面并且可彼此邻近或间隔开。形状记忆层或带可以或可以不沿着它们的长度、圆周或宽度具有均匀厚度；并且所述形状记忆合金带可以或可以不相对于彼此具有均匀厚度(当自调节焊丝具有多于一个的形状记忆合金带时)。
图1a和1b示出了具有大体上圆形横截面的示例性自调节焊丝。在其他实施方式中，自调节焊丝可具有很宽范围的横截面，包括其他普通几何形状-例如椭圆形、正方形、矩形或其他多边形横截面外周形状以及不规则横截面形状，所有这些横截面都可具有不会沿着焊丝长度变化的均匀宽度或直径或者可具有沿着焊丝长度规则(例如，以正弦曲线)或不规则变化的非均匀宽度或直径。外层(例如，包覆层或带)可具有各种规则或不规则的形状和厚度，包括网状、编制、螺旋带以及厚度规则或不规则变化的层。当使用形状记忆合金的包覆层时，所述包覆层可以是如图1a所示的连续层或者是网状物或具有孔或间断部的其他层。在另一个变型中，一个或多个带可以螺旋地或以螺旋方式卷绕芯。无论是连续的还是网状的，卷绕芯的包覆层或者层优选地紧密配合在芯上或附接到芯。
适于用作GMAW自耗电极材料或者适于其他热结合工序的芯的导电金属和金属合金的非限制性示例包括例如铁、铁碳合金、铜和铜合金。下面在表格1中示出了进一步的示例。铁碳合金可包括其他合金元素，并且作为非限制性示例，铁碳合金包括钢。在各种示例性实施方式中，电极材料可以是诸如低碳钢、低合金钢、中碳钢或不锈钢的钢。
自调节焊丝还具有形状记忆合金的外层(无论是否连续环绕芯或作为一个或多个带或其他非连续构造)，例如层14或层16。形状记忆合金是在马氏体相与奥氏体相之间根据温度进行可逆的无扩散相变的合金。形状记忆合金具有低温或马氏体相以及高温母相或奥氏体相。形状记忆合金可在其较高温度的奥氏体相被训练成具有永久形状。如果被训练的形状记忆合金随后在处于马氏体相时变形，那么随着它被加热，变形的形状记忆合金将转变成母相或奥氏体相，从而返回到其永久形状。转变开始时的温度经常称为奥氏体反应开始温度(As)；这种现象完成时的温度被称为奥氏体反应结束温度(Af)。为了公开本发明的目的，Af 将称为马氏体到奥氏体相变温度或相变温度。在受热时形状记忆合金恢复其永久形状的马氏体到奥氏体相变温度可通过稍微改变合金成分以及通过热处理来调节。形状恢复过程可在仅几度的范围或更宽的温度范围内发生，并且转变的开始或结束可根据期望的应用和合金成分被控制在一度或两度之内。
适当的形状记忆合金的非限制性示例是锌、铜、金、铁、铝或镍的合金，并且可选择性地具有其他金属。具体的非限制性示例包括铜锌铝镍合金、铜铝镍合金、镍钛合金、铁镍合金、铁锰硅合金和铜锌合金。
表格1列出了形状记忆合金与焊丝芯材料的组合的非限制性示例。如表格1中的示例所示，当自调节焊丝用于热结合工序-例如焊接工序时，芯通常与使用它的工件基体具有相同或类似的金属成分。在一个这种示例中，当基体是钢时，芯可以是下述钢：具有相同合金成分的钢或根据需要具有选定的更高或更低含量的合金以产生具有期望特征或特性的焊接的钢。然而，芯可替代性地为不同于工件基体的金属或合金，并且这种情形的一个非限制性示例是在焊接铸铁基体时使用具有镍基芯的自调节焊丝。
表格1.适用于焊丝芯和对应基体的形状记忆合金类型
形状记忆合金 焊丝芯和对应基体
Cu-Al-Ni，14-14.5wt.%（重量百分比）的Al并且3-4.5wt.%的Ni 铜合金、铝合金、镍基合金
Cu-Sn 大约15at.%（原子百分比）的Sn 铜合金、铝合金
Cu-Zn 38.5/41.5wt.%的Zn 铜合金、铝合金
Cu-Zn-X(X=Si,Al,Sn) 铜合金、铝合金
Fe-Pt 大约25at.%的Pt 钢、铸铁
Fe-Mn-Si 钢、镍基合金
Co-Ni-Al 钴合金、钛合金、镍基合金
Co-Ni-Ga 钴合金、钛合金、镍基合金
Ni-Fe-Ga 镍基合金、钢、铸铁
各种浓度的Ti-Pd 钛合金
Ni-Ti(～55%Ni) 镍基合金、钛合金、铝合金、钢、铸铁
Ni-Ti-Nb 镍基合金、钛合金
  铝合金、钢、铸铁
Ni-Mn-Ga 镍基合金、铝合金、钢、铸铁
作为非限制性示例，形状记忆合金可使用真空电弧熔化或感应熔化、通过铸造制成，以使合金中的杂质最少化并且确保合金金属的良好混合。铸锭可随后被热轧成较长的区段，并随后拉拔成焊丝，所述焊丝可随后被展平来形成护套或包覆层或被构形或附接成沿着芯12的外侧的纵向带或者另一构造。形状记忆合金的带可以不涉及将材料拉拔成焊丝的其他方式形成。
自调节焊丝10a可通过多种公知方法中的任何方法来制成。在一个示例中，金属或金属合金芯可通过焊丝拉拔工序制成，在该工序之后形状记忆合金可随后作为包覆层、护罩或沿着芯的长度的一个或多个带来设置在芯上。在类似于US3702497中描述的方法的第一种示例性方法中，可绕适于用作结合材料的金属或金属合金的芯12来挤制结合形状记忆合金的包覆层或外层14，随后可进一步将其拉拔成期望的最终直径从而产生自调节焊丝10a。在第二种示例性方法中，形状记忆合金的带首先被弯曲来形成开口管。在被钨极惰性气体(TIG)焊接来使管形成为绕芯12的外层14之前，适于用作结合材料的金属或金属合金的焊丝被插入管中以形成芯12并且使用滚子将管闭合。惰性气体可以是例如氩气。如果期望，可使用进一步的拉拔和热处理来将两种材料结合。在类似于美国专利申请No.US2006/0076336中描述的方法的第三种示例性方法中，适于用作结合材料的金属或金属合金的带被弯曲以形成具有对接缝或搭接缝的芯12，并且形状记忆合金制成的第二带作为外层14环绕包装芯12。如图1a所示，包装好的外层14可被紧密包装成没有间隙。还能构想到的是，如图1b所示，由形状记忆合金制成的第二带可在芯12上形成不完全层16。包装好的带可随后被拉拔成期望直径，用于最终的自调节焊丝10a或10b。如果期望，可通过轧制来替代拉拔步骤。可用于将一个或多个形状记忆合金的带16施加到导电金属或金属合金电极材料的芯12上的再一个示例性方法是使用滚轧机将所述一个或多个带16挤压到芯12上，同样之后也是将焊丝拉拔成用于自调节焊丝的期望直径。
如某些特定实施方式的示例，从Fe-Ni和Fe-Mn-Si合金中选择的形状记忆合金可以在钢芯12上形成外层14或一个或多个带16；从Ti-Ni和Cu-Zn合金中选择的形状记忆合金可以在自调节焊丝的铝合金芯12上形成外层14或一个或多个带16。可以通过组合如表格1的各行中所示的材料来制成其他特定自调节焊丝。
继续论述图1a和图1b的示例性构造，形状记忆合金在高于形状记忆合金的马氏体到奥氏体相变温度的温度下被训练成直的焊丝形状。相变温度低于热结合工序期间达到的结合温度，从而在热结合工序期间达到所述相变温度时，自调节焊丝的任何弯曲都会通过形状记忆合金返回其被训练的直焊丝形状的动作而被矫直。
形状记忆合金可以在它结合到自调节焊丝中之前、期间或之后被训练。在训练成直的形状之后，自调节焊丝的形状记忆合金层、一个或多个带可经历一个或多个冷加工工序-例如拉拔、卷绕或非期望变形为临时形状。当在热结合工序期间自调节焊丝被加热时，达到和超过相变温度的形状记忆合金的热引发形状恢复力将自调节焊丝矫直，从而使其回到直的永久形状。可以使用用于训练形状记忆合金的任何各种公知的特定方法。在这样一种例如用于Ti-Ni形状记忆合金的常见方法中，在任何期望的冷加工(例如使形状记忆合金形成为焊丝或带并且可选择地将形状记忆合金附接到芯金属或金属合金)之后，该形状记忆合金在400-500℃下被加热一个从几分钟到几小时的时间段(“保存”时间)。Ti-Ni形状记忆合金随后被例如用水淬火。较长的保存时间产生较高的相变温度。在特定示例中，通过加热到500℃并且在该温度下保持30分钟而被处理的Ti-50.7Niat.%合金具有大约32℃的相变温度。例如，可在热处理炉中执行所述加热。作为另一个示例，Ti-Ni形状记忆合金还可通过在800℃下退火而被训练，随后所述Ti-Ni形状记忆合金可被冷加工成期望的焊丝形状，随后在淬火之前焊丝可通过在200-300℃下加热从几分钟到几十分钟的保存时间而受到低温训练。在训练形状记忆合金的工序的另一个示例中，所述工序可与具有高于50.5at.%的Ni含量的Ti-Ni形状记忆合金一起使用，所述形状记忆合金可在800-1000℃的温度下被时效处理，随后快速冷却到大约400℃的训练温度并且在淬火之前在该训练温度下保持几个小时。在进一步的示例中，CuZnAl合金可被冷加工，随后在800-850℃下训练大约10分钟，接着在大约150℃的温度下在油中淬火大约2分钟。如果在训练之前仅有部分自调节焊丝，那么形状被训练的形状记忆合金在训练之后在金属或金属合金芯上形成外层。使用的特定训练工序将取决于诸如特定形状记忆合金的因素并且可通过例行实验来优化。
就具有一个或多个形状记忆合金纵向带的自调节焊丝而言，自调节焊丝可具有下述直径或宽度：从大约0.8mm至大约2mm的最大直径或宽度；在较小的范围中，直径或宽度可以从大约1mm 至大约1.8mm或从大约1mm至大约1.5mm。金属或金属合金结合材料的芯可具有从大约0.6mm至大约1.6mm的直径或宽度；在较小范围中，芯可具有从大约0.7mm至大约1.5mm或从大约0.8mm至大约1.4mm的直径或宽度。包覆层、一个或多个带或者形状记忆合金的其他层可具有从大约0.2mm至大约0.4mm的厚度。形状记忆合金的恢复力(可通过特定形状记忆合金成分、变形程度以及温度来确定)被选定为超过芯对变形的抵抗力。因此，制造自调节焊丝使用的形状记忆合金的材料以及形状记忆合金的数量可基于下述因素来确定：芯材料、可能发生的弯曲程度以及在使用期间焊丝可达到的温度。例如，因为铝合金的芯与钢相比具有相对低的变形抵抗力，所以具有铝合金芯的自调节焊丝的形状记忆合金层的厚度可比具有钢芯的焊丝小。制造特定应用的自调节焊丝时使用的形状记忆合金的特定类型和厚度可以通过这些因素或通过直接实验来确定。在一个特定示例中，具有0.8mm直径的铝合金芯可以通过具有0.4mm厚度的形状记忆带来容易地矫直。
自调节焊丝10用作热结合工序-例如焊接或激光钎焊中的结合或填充焊丝，在所述热结合工序中焊丝熔化到两个或更多个金属物品或工件之间的接缝中。熔化的焊丝材料焊接或钎焊金属物品。
自调节焊丝10可用于气体保护金属极电弧焊(GMAW)工序，在该工序中自调节焊丝10被用作自耗焊丝电极。在用作电极的自调节焊丝10与待焊接的工件之间形成电弧。在气体保护金属极电弧焊中，自耗电极通常为正极而工件为负极。图2是GMAW系统的示意性正视图，图中具体示出了焊炬、功率源、自调节送丝单元以及保护气体源容器。GMAW系统具有带喷嘴22的焊炬(或焊枪)21、功率源23、构造成供给自调节焊丝10到所述焊炬21的送丝单元24以及保护气体源26。焊炬21可以定向成使焊炬末端与预定位工件27之间保持一致距离。自调节送丝单元24包括卷绕自调节焊丝10的焊丝滚筒28。由功率源23驱动的送丝轮30将自调节焊丝10从焊丝滚筒28拉出并且推动自调节焊丝10穿过送丝管32到达焊炬21。
如图2和3所示，焊炬喷枪22包括电激励的接触端38，所示电激励的接触端38轴向地对准在喷枪22内部并且构造成通过接触自调节焊丝10而供电。形成电弧的焊接功率是通过连接在焊炬21与工件27之间的功率源23供应的。焊炬21通过接触端38传送功率到自调节焊丝10，所述自调节焊丝10用作自耗电极。接触端38通过接触表面与自调节焊丝10形成电接触。接触表面可延伸接触端38的长度或可仅在接触端38的一部分长度上延伸。施加在用作电极的已供电自调节焊丝10与工件27之间的电压产生中间电弧。
工件包括待焊接的接合部。在焊接工序期间，自调节焊丝10被由其内电阻产生的热量以及从电弧传来的热量所熔化。熔滴从自调节焊丝传送到工件27。穿过电弧间隙携带到工件27上的自调节焊丝的熔滴在工件27上形成熔池，所述熔池随着金属固化而形成焊缝。金属传送的模式取决于下述操作参数：例如焊接电流、电压、焊丝大小、焊丝速度、电极伸出长度以及保护气体保护成分。金属传送的公知模式包括短路、熔滴传送、轴向喷洒传送、脉冲喷洒传送以及旋转电弧喷洒传送。在一个实施方式中，在自调节焊丝电极与工件之间维持大体上恒定的弧电压。在另一个实施方式中，电极与工件之间的电压可以是脉冲的。在一个实施方式中，弧电压大于15V。在其他实施方式中，弧电压在大约15V与大约50V之间或在大约15V与大约40V之间。焊接电流可以从大约50安培到高达大约600安培或者从大约50安培到高达大约500安培。电弧的热量也可熔化工件的一部分，从而有助于熔池的形成。可以通过将电极以与电极熔化同样快的速度送入电弧来在自调节焊丝电极的熔化端与熔池之间维持大体上均匀的电弧长度。焊接电流可适应于自调节焊丝10被馈送经过焊枪21的速率。
来自气体源26的保护气体通过保护气体扩散器36扩散以便保护焊接区域使其与大气气体隔离。保护气体形成保护电弧及熔化的熔池的电弧等离子体。适当的保护气体的非限制性示例是二氧化碳、氩气、氦气、氧气、氢气和氮气；而且这些气体的混合物也可用作保护气体。优选的保护气体成分通常取决于工件的金属。
工件可以是例如钢、铸铁、铝合金、铜合金、镍基合金、钛合金和钴合金中的任一种。
图4示出了在GMAW工序开始时加热由形状记忆合金制成的自调节焊丝的代表性响应。图中示出了送丝管32和喷嘴22内部的自调节焊丝的一部分。自调节焊丝的端部34延伸出喷嘴22。在GMAW工序开始之前，端部34弯曲并且自调节焊丝处在低于相变温度的温度(例如，自调节焊丝可以处于室温)。在该示例中，端部34的中心线沿着线β，而直焊丝的中心线将沿着线α，从而端部34以角度θ弯曲。随着GMAW工序开始，自调节焊丝的端部34被加热。因为作为GMAW工序的一部分所述自调节焊丝将被加热到其熔点，所以自调节焊丝的端部34在焊接工序中最终被加热到高于其相变温度的温度。通过这样加热，端部34被加热到高于其奥氏体相变温度的温度，使得自调节焊丝的任何弯曲都被形状记忆合金矫直。随着自调节焊丝的端部34经过其相变温度，由所述端部34的形状记忆合金引发的恢复力将超过变形的金属或金属合金芯的抵抗力，并且随后矫直所述自调节焊丝，使得焊丝端部34从其沿着线β的位置移动到沿着线α的直的位置。
图5是提供使用TiNi形状记忆合金的自调节焊丝的一个示例的图表。该图表具有以摄氏度为单位的温度的x轴40以及以MPa为单位的恢复力的y轴42。虚线44标记铝芯12的屈服强度。图中绘制了应变为2%、4%和6%的线。不同应变代表自调节焊丝的不同弯曲程度。图5的图表示出了就可矫直自调节焊丝的恢复应力而言，对于作为自调节焊丝的一部分的相同的形状记忆合金来说应变越高则恢复应力就越高。
自调节焊丝还可用于结合金属的其他加热工序。用于结合金属的其他加热工序的一个示例是激光焊接或激光钎焊。激光可用于生成光能，所述光能可在材料中的一个位置被吸收从而产生执行焊接操作必须的热能。通过使用电磁光谱的可见或红外部分中的光能，可利用光学将能量从其能量源导引到待焊接材料，从而可以需要的精度进行聚焦和导引能量。在移除了施加的光能之后，熔化的材料固化并且随后开始缓慢冷却到环境材料的温度。激光焊接系统通常包括激光源、光束传送系统和工作站。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激光都可用于对接缝和搭接(重叠)缝的接缝焊接和点焊。固态激光(其包括Nd:YAG、Nd:Glass和类似激光)经常用于例如那些需要将集成电路点焊或光束引线焊接到基体上的薄膜互连电路上的低等到中等功率应用、以及类似应用中。在激光焊接中，激光束施加到两个待结合的金属工件在接缝处会合的位置处的顶表面上。与此同时，自调节焊丝被插入接缝的顶表面并且熔化以形成焊接。
在激光焊接或激光钎焊工序开始时具有弯曲端部的自调节焊丝可通过用激光加热而被加热到高于其奥氏体相变温度，从而导致所述自调节焊丝返回到如图6所示的训练的未弯曲形状。图6示出了在激光焊接工序开始时加热由形状记忆合金制成的自调节焊丝110的代表性响应。图6示出了在送丝管132内部的自调节焊丝110的一部分。自调节焊丝的端部134延伸出喷嘴122。在激光焊接工序开始之前，端部134在低于马氏体到奥氏体相变温度的温度下(例如，在室温下)弯曲。在该示例中，端部134具有沿着线β的中心线的初始位置，所述端部134从具有沿着线α的中心线的垂直位置以角度θ弯曲。在激光焊接工序开始时，自调节焊丝10的端部134通过激光150被加热到高于训练的形状记忆合金的奥氏体相变温度的温度。加热到高于相变温度导致弯曲端部134被矫直到其沿着线α的训练的直的位置。这种自调节焊丝110的端部134的受热矫直便于将焊丝准确置入接缝中。可以通过送丝单元-例如图2所示的送丝单元24来馈送自调节焊丝。自调节焊丝的直径和馈送速率将取决于接缝处的金属工件之间的间隙、金属工件的厚度以及它们的具体成分。随着金属工件越厚或者间隙越大，需要的自调节焊丝的直径就越大，但是馈送速率可能降低。
类似地，如果焊丝的端部弯曲，那么将两个金属工件在搭接缝中结合的工序可能经历对准问题。在将两个工件通过搭接缝结合时，自调节焊丝可通过被加热(例如通过激光)到高于其相变温度而再次被矫直。
自调节焊丝可同样用于使用焊丝的其他焊接和结合工序，以及用于对准非常重要的其他工序-包括钎焊、TIG焊接、线间焊接以及热量可用于矫直或对准这些自调节焊丝的穿线操作。
图7示出了自调节焊丝用于线间焊接的实施方式。在许多技术领域中进行金属丝端部的焊接。例如，在无线技术领域，可以结合高熔点稀有金属丝和有色金属丝或者可以结合不同有色金属丝(例如镍线和铜线、银线和镍线、不锈钢线和镍线等)。其他技术领域也依赖金属丝端部的焊接，所述金属丝可具有相同成分或不同成分。在每种情形中，可以在考虑所使用的金属或金属合金的情况下来选定形状记忆合金。对于镍线芯，可以优选Ni-Fe-Ga、Ni-Ti、Ni-Ti-Nb、Ni-Mn-Ga的形状记忆合金层。对于铜线芯，可以优选Cu-Al-Ni、Cu-Zn、Cu-Zn-X的形状记忆合金层。对于不锈钢线芯，可以优选Fe-Pt、Fe-Mn-Si的形状记忆合金层。在各种焊接方法中，最常见的结合方法是电容储能凸焊，其中焊丝末端的对准对于成功结合也非常关键。如图7所示，第一自调节焊丝210的端部234被焊接到第二自调节焊丝310的端部334。焊丝端部234与334的对准是能够进行恰当焊接的关键。在焊接之前，端部234和334中的至少一个是弯曲的并且通过被加热到高于其马氏体到奥氏体相变温度而矫直，从而导致弯曲的端部恢复其训练的直的形状。在焊接工序中，当开关250闭合时，变压器252使电流通过导电体254、256流经端部234和334，所述导电体254、256不仅用于固定待焊接的两条线，而且还可将电流输送到所述线。导电体254、256例如可以是铜。在一个实施方式中，端部234和334中弯曲的一个通过下述方式矫直：将该端部电连接到导电体254和256并且闭合开关250来通过电阻加热到高于其相变温度而矫直该端部。
自调节焊丝还可在用于矫直弯曲的金属线端部的其他工序中使用，例如在金属线必须穿过孔口的应用中。在这种工序中，自调节焊丝的弯曲端部首先被加热到高于其马氏体到奥氏体相变温度从而导致弯曲端部恢复其训练的直的形状，随后矫直的端部被穿过孔口。
为了举例说明和详细描述的目的，提供了前面对某些实施方式的描述。所述描述并非用以穷尽或限制本发明。特定实施方式的单个元件或特征通常不限于这些特定实施方式，相反，即使没有具体地示出或描述，其也可在适用时进行互换并且可用于选定的实施方式。所述元件和特征也可以多种方式改变。这些变型不应被认为偏离了本发明，并且所有这些改型将包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种具有金属或金属合金的芯和形状记忆合金的外层的自调节焊丝。
2.如权利要求1所述的自调节焊丝，其中所述外层绕着所述芯的外周是连续的。
3.如权利要求1所述的自调节焊丝，其中所述外层由附接到所述芯的形状记忆合金的一个或多个纵向带来提供。
4.如权利要求1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述形状记忆合金是从下述各种晶系的物质组成的集合中选出的成分：Cu-Al-Ni，14-14.5wt.%的Al和3-4.5wt.%的Ni；Cu-Sn,大约15at.%的Sn；Cu-Zn，38.5／41.5wt.%的Zn；Cu-Zn-X(其中X=Si、Al或Sn)；Fe-Pt，大约25at.%的Pt；Fe-Mn-Si；Co-Ni-Al；Co-Ni-Ga；Ni-Fe-Ga；各种浓度的Ti-Pd；Ni-Ti(大约55at.%的Ni)；Ni-Ti-Nb；Ni-Mn-Ga。
5.如权利要求1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述形状记忆合金是从下述一种或多种金属构成的合金组成的集合中选出的成分：锌、铜、金、铁、铝和镍，并且可选地具有其他金属。
6.如权利要求5所述的自调节焊丝，其中所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：铜锌铝镍合金、铜铝镍合金、镍钛合金、铁镍合金、铁锰硅合金和铜锌合金。
7.如权利要求1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述芯是钢并且所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：Fe-Ni合金和Fe-Mn-Si合金。
8.如权利要求1至3中任一项所述的自调节焊丝，其中所述芯是铝并且所述形状记忆合金是从下述各项组成的集合中选出的成分：Ti-Ni合金和Cu-Zn合金。
9.一种矫直如权利要求1至8中任一项所述的自调节焊丝的弯曲端部的方法，其中所述自调节焊丝具有训练的奥氏体相的直的形状；所述方法包括将所述自调节焊丝加热到高于奥氏体相变温度的温度从而将所述自调节焊丝矫直到其训练的直的形状。
10.一种使用如权利要求1至8中任一项所述的自调节焊丝来热结合两个金属物品的方法，其中所述自调节焊丝在其奥氏体相下被训练成直的形状，所述方法包括将所述自调节焊丝熔化到所述两个金属物品之间的接缝中，其中所述自调节焊丝的弯曲随着所述自调节焊丝被加热到高于奥氏体相变温度的温度而矫直。
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