CN106670675A - 抗破裂和断裂的焊接接头及焊接工艺 - Google Patents

抗破裂和断裂的焊接接头及焊接工艺 Download PDF

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Abstract

一种焊接接头包括第一材料的第一部件和不同于第一材料的延性第二材料的第二部件。第一部件的平坦面邻接第二部件的平坦面。“V”形焊接凹槽创建在第一部件中，并在第一部件的基本上平坦凹槽面在第二部件的端面下方与由第二部件的平坦面界定的平面相交的地方界定第一凹槽端部。狭槽创建在第二部件的平坦面中的凹槽端部下方并具有封闭端，该封闭端面朝第二部件的端面并且以相对于狭槽的中心纵向轴线测得的角度延伸远离第二部件的平坦面。

Description

抗破裂和断裂的焊接接头及焊接工艺
技术领域
本公开涉及焊接接头几何构形，并且具体涉及用于不同金属焊接的抗破裂和断裂的焊接接头的设计及工艺。
背景技术
本部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景信息，并且可以或可以不构成现有技术。
在典型的机动车辆中，某些部件在过去一直紧固在一起，例如，诸如，差速器环形齿轮和差速器座架。由于该两个物件的材料的差异，过去已决定紧固这些部件。环形齿轮通常设置为齿轮钢，且差速器座架由于其复杂的几何构形而通常设置为铸铁。过去一直试图通过将这样的两个部件焊接在一起来降低此组件的重量和装配成本。由于这些合金在物理和冶金性质方面存在差异，当焊接接头在焊接之后快速冷却时，第一部件和第二部件的材料之间的接合线处的残余应力以及因此带来的焊接根部的位置处的残余应力可导致焊接接头由于焊接引发的脆性金相组织和残余应力而引发破裂，该破裂通常在焊接根部处开始并且沿着延性铸铁材料焊接受热区(HAZ)扩展。基部延性铁强度越高，焊接接头对延性铁HAZ中形成焊接根部破裂就越敏感。这样的焊接根部破裂可导致焊接接头过早失效。
因此，需要一种缓解焊接具有不同冶金和物理性质的部件时出现的焊接根部破裂和接头断裂的焊接接头设计。
发明内容
根据本公开的几个方面，焊接接头包括第一材料的第一部件和不同于该第一材料的延性铁第二材料的第二部件。第一部件的平坦面邻接第二部件的平坦面。“V”或半“V”形焊接凹槽创建在第一部件中，且在第一部件的基本上平坦凹槽面在第二部件的端面下方与由第二部件的平坦面界定的平面相交的地方界定第一凹槽端部。在第二部件的平坦面中的凹槽端部下方界定狭槽，狭槽具有面朝第二部件的端面的封闭端部。
根据其他方面，狭槽的深度的范围在约2.0mm至6.0mm之间。
根据其他方面，在狭槽的中心纵向轴线与由第二部件的平坦面界定的平面相交的地方确定狭槽的深度。
根据其他方面，狭槽的宽度的范围在约1.0mm至3.0mm之间。
根据其他方面，狭槽以在约10度至约70度的范围中的角度从第二部件的平坦面延伸出，该角度相对于狭槽的中心纵向轴线测得。
根据其他方面，凹槽面定向为与第二部件的面成角度α，该角度α在约10度至约50度之间变化。
根据其他方面，第二“V”或半“V”形焊接凹槽创建在第二部件中，且在第二部件的基本上平坦凹槽面与定向为基本上垂直于第二部件的端面的平面相交的地方界定第二凹槽端部。
根据其他方面，第二部件的平坦凹槽面定向为与定向为基本上垂直于第二部件的端面的平面成角度δ，该角度δ在约5度至约45度之间的范围中。
根据其他方面，斜壁将第一凹槽端部与第二凹槽端部接合。
根据其他方面，斜壁定向为与第二凹槽端部相交并且定向为平行于第二部件的端面的平面成角度ε。
根据其他实施例，第一凹槽端部定位在相对于部件端面的第一深度处，且第二凹槽端部定位在相对于部件端面的第二深度处；其中该第二深度大于该第一深度，第二凹槽端部由此界定焊接接头的低点。
根据其他方面，第二凹槽端部完全定位在第二部件中。
根据其他方面，第二凹槽端部以范围在约3.0mm至3.5mm之间的尺寸被完全地移位至第二部件中，该尺寸从第二部件的平坦面测得。
从本文提供的描述将会清楚其他特征、优点和应用领域。应当理解的是，描述和具体实例仅仅旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅仅出于说明的目的，并且不试图以任何方式来限制本公开的范围。图中的部件不一定按比例绘制，反而重点强调说明本公开的原理。另外，在图中，相同参考标记指代全部视图中的对应部分。附图说明
图1是根据本公开的一个方面的焊接接头的横截面前视图；
图2是使用图1的焊接接头的完整焊接的横截面前视图；
图3是根据本公开的另一个方面的焊接接头的横截面前视图；
图4是使用图2的焊接接头设计的完整焊接的横截面前视图；
图5是根据本公开的原理的使用焊接接头焊接的差速器组件的左前侧透视图；以及
图6是在图5的截面6处截取的横截面前视图。
具体实施方式
以下描述仅仅具有示例性本质，而不旨在限制本公开、应用或用途。
现在参考附图，图1中示出本公开的第一方面的焊接接头10。焊接接头10创建在具有不同材料性质的部件(诸如例如由钢材料(诸如齿轮钢)制成的第一部件12和例如由铸铁(诸如延性铁)制成的第二部件14)之间。第一部件12和第二部件14是由不同材料制成，“V”或半“V”形焊接凹槽填满了最少含有18％镍的填充剂金属，因此第一部件12与第二部件14之间诸如通过焊接操作得到的连接界定了不同金属焊接接头。
为了创建焊接接头10，首先通过仅从第一部件12去除材料来创建半“V”形焊接凹槽16。这可诸如通过切割或研磨操作从由第二部件14的部件端面18界定的平面向下至第一凹槽端部20去除第一部件12中的材料来实现，该第一凹槽端部20界定在创建于第一部件12中的基本上平坦凹槽面22与由第二部件14的未改型平坦面24界定的平面相交的位置。根据几个方面，凹槽面22定向为与第二部件14的未改型平坦面24成角度α。角度α可在约10度至约50度之间变化。根据几个方面，除了去除材料以创建“V”形焊接凹槽16的位置以外，第二部件14的面24通常邻接第一部件12的平坦面26。
半“V”形焊接凹槽16具有在第一凹槽端部20处测得低于端面18或与端面18相对的深度“A1”，并且具有在端面18的高度处从由面24、26的接合处界定的平面测得的最大宽度“B”。根据几个方面，深度“A1”可在约2.0mm至10.0mm之间变化。独立于半“V”形焊接凹槽16，以第二部件14的延性材料在第一凹槽端部20背离端面18的一侧上创建凹槽或焊接根部应力释放狭槽28，其中狭槽28的封闭端“CE”向上指向端面18。狭槽28具有可介于约2.0mm至6.0mm之间的范围中的深度“C”并且具有可介于约1.0mm至3.0mm之间的范围中的直径或宽度“D”。狭槽28以向上(如图1中观察到)指向端面18的角度β从面24延伸至第二部件14中，根据几个方面，这界定了从约10度至最多约70度之间的范围中的角度，该角度是相对于狭槽28的中心纵向轴线30测得。狭槽28的深度“C”是从纵向轴线30与由面24界定的平面相交的位置测得。
参考图2并且再次参考图1，通过使用激光焊接光束或电弧焊枪(在下文通常称为焊接电源34)将焊接填充剂材料熔化在半“V”形焊接凹槽16中来创建将第一部件12接合至第二部件14的完整焊接32。根据几个方面，焊接电源34将电弧、等离子体光束或激光束(在下文通常称为激光束36)引导朝向第一凹槽端部20。激光束36相对于第二部件14的平坦面24倾斜地定向。根据几个方面，激光束36定向为基本上平行于凹槽面22。根据其他方面，激光束36定向为与由第二部件14的平坦面24界定的平面成角度α，该角度α在介于约5度至约40度之间的范围中。
激光束36的角度定向α确保创建紧邻第一部件12的凹槽面22的HAF38和创建紧邻第二部件14的面24的HAF40相配合以创建位于第二部件14内的焊接根部42。焊接根部42位于第二部件14中达到约2.0mm至5.0mm的延伸尺寸“E”，其是从第二部件14的面24测得。焊接根部42因此位于第二部件14的材料内，并且根据几个方面，因此位于延性材料内达到深度“A2”，其是进入第二部件14中并且大于交叉点(CP1)处的深度“A3”，该交叉点(CP1)界定在焊接32与第一部件12的材料与第二部件14的材料之间的面24和面26的相交平面处的接合线交叉的位置。焊接根部42的深度“A2”因此大于深度“A1”和深度“A3”二者。第一部件12中在第一方向44上引发的应力和第二部件14中在相反第二方向46上引发的应力(趋向于使部件12、14的组件变形)由通过狭槽28的路径和焊接根部42的位置而部分释放，从而将破裂引发应力线48引导朝向CP1并且远离焊接根部，其中焊接32归因于其高的延性而具有高的抗破裂性、与第一部件12和第二部件14的材料之间的接合线交叉，由此缓解了延性铁HAZ中的焊接根部破裂的开始。本公开的焊接根部42的位置和设计因此防止破裂开始或沿着第二部件14传播。
进一步参考图3并且再次参考图1至图2，示出本公开的第二方面的焊接接头50。类似于焊接接头10，焊接接头50创建在具有不同材料性质的部件(诸如例如由齿轮钢制成的第一部件52和例如由延性铸铁材料制成的第二部件54)之间。第一部件52和第二部件54是由不同材料制成，因此第一部件52与第二部件54之间诸如通过焊接操作得到的连接界定了不同金属焊接接头。
为了创建焊接接头50，首先通过去除第一部件52和第二部件54中的每一个中的材料来创建改型“V”形焊接凹槽56。这可诸如通过切割或研磨操作向下去除第一部件52的部件端面58中的材料直至凹槽端部60来实现，该凹槽端部60界定在创建于第一部件52中的基本上平坦凹槽面62与通过将第一部件52和第二部件54的第一面66和第二面68邻接而界定的平面64相交的位置。根据几个方面，凹槽面62定向为与平面64成角度γ，其可基本上等于关于图1示出并描述的角度α。根据几个方面，凹槽端部60定位在基本上与焊接接头10的凹槽端部20相同的位置处，从而允许待进一步改型的焊接接头10的几何体创建焊接接头50。
如上所述，改型“V”形焊接凹槽56还能够通过去除第二部件54中的材料所致，从而创建相对于垂直延伸通过第二凹槽端部74的平面72倾斜地定向的基本上平坦凹槽面70，其中平面72定向为基本上垂直于端面18并且平行于平面64。根据几个方面，凹槽面70定向为与平面72成角度δ，其在约5度至约45度之间的范围中。斜壁76将凹槽端部60接合至第二凹槽端部74。根据几个方面，斜壁76定向为与相交于第二凹槽端部74相交并且定向为平行于第二部件54的部件端面88的平面78成角度ε。根据几个方面，角度ε小于界定在凹槽面62与相交于凹槽端部60相交并且定向为平行于部件端面58的平面79之间的角度μ。角度μ是角度γ的互补角。
凹槽端部60定位在相对于部件端面58的深度“F”处。第二凹槽端部74定位在相对于部件端面58的深度“G”处。根据几个方面，深度“G”大于深度“F”，因此第二凹槽端部74界定改型“V”形焊接凹槽56的低点。第二凹槽端部74还以约1.0mm至6.0mm的延伸尺寸“H”而被完全地移位至第二部件54中，“H”从第二部件54的平坦面68测得。
类似于紧邻焊接凹槽22的狭槽28，独立于“V”形焊接凹槽56，在第二凹槽端部74背离端面84的一侧上创建凹槽或焊接根部应力释放狭槽80。狭槽80可具有介于约2.0mm至6.0mm之间的范围中的深度“J”，并且可具有介于约1.0mm至3.0mm之间的范围中的直径或宽度“K”。狭槽80创建在第二部件54的延性材料中并且以角度θ从面68延伸至第二部件54中，根据几个方面，该角度θ界定了介于约10度至最多约70度之间的范围中的角度，该角度是相对于狭槽80和平面64的中心纵向轴线82测得。狭槽80的深度“J”是从纵向轴线82与由面68界定的平面相交的位置测得。如将参考图4更详细地讨论，第一部件52中在第一方向86上引发的应力和第二部件54中在相反第二方向88中引发的应力(趋向于使第一部件52和第二部件54的组件变形)由狭槽80以及“V”形焊接凹槽56的几何体部分释放。
现在参考图4并且再次参考图1至3，通过使用类似于焊接电源34(诸如激光束)的焊接源将焊接填充剂材料熔化在改型“V”形焊接凹槽56中来创建将第一部件52接合至第二部件54的完整焊接90。根据几个方面，将激光束92引导朝向第二凹槽端部74。激光束92相对于第二部件54的平坦凹槽面70倾斜地定向。根据几个方面，激光束92可定向为基本上平行于凹槽面62。根据其他方面，激光束92可定向为与延伸通过第二凹槽端部74的平面72成约10度的最小角度ω。
激光束92的角度定向ω和第二凹槽端部74延伸至第二部件54中的位置确保创建紧邻第一部件52的凹槽面62的HAF94和创建紧邻第二部件54的凹槽面70的HAF96相配合以创建基本上位于第二部件54内的焊接根部98。焊接根部98以约1.0mm至6.0mm的延伸尺寸“H”(参考图3所述)的最小值定位在第二部件54中，该延伸尺寸从第二部件54的面68测得。类似于上文关于图2讨论的焊接32，界定为焊接根部98的焊接90的根部因此落在第二部件54的材料内，且根据几个方面，因此落在延性材料内、位于进入第二部件54的深度大于交叉点(CP2)的位置处，该交叉点(CP2)是在焊接90与第一部件52的材料与第二部件54的材料之间的接合线(面66与面68的相交平面处)的位置。
继续参考图3和图4，由于焊接根部98和交叉点CP2的位置，第一部件52中在第一方向86上引发的应力和第二部件54中在相反第二方向88上引发的应力(趋向于使部件52、54的组件变形)由狭槽80和焊接根部98的位置而部分释放，从而将破裂引发应力线100引导朝向CP1并且远离焊接根部，其中焊接50归因于其高的延性而具有高的抗破裂性、与第一部件52和第二部件54的材料之间的接合线交叉，由此缓解了延性铁HAZ中的焊接根部破裂的开始。本公开的焊接根部98的位置和设计因此防止破裂开始或沿着第二部件54传播。
参考图5并且再次参考图1至图4，在示例性应用中，本公开的焊接接头设计可用于接合差速器组件102的不同金属部件。差速器组件102包括焊接至座架106的环形齿轮104。环形齿轮104可由齿轮钢设置而成。座架106归因于其复杂几何体而可能由延性铸铁材料设置而成以提供内部空间来引入内部行星齿轮组件108。
参考图6并且再次参考图1至图5，为了将环形齿轮104焊接至座架106，可使用用于创建完工焊接110的焊接接头10和用于创建完工焊接112的焊接接头50中的每一个。另外，配置上类似于应力释放狭槽28的应力释放狭槽114定位紧邻完工焊接110。形成为半圆形状(取代应力释放狭槽28的长孔形状)的应力释放腔体116定位紧邻完工焊接112。应力释放狭槽114和应力释放腔体116二者均创建在座架106的面118中。类似于焊接根部42的焊接根部120和类似于焊接根部98的焊接根部122二者也均位于座架106的延性材料内。应注意的是，本公开的焊接接头10、50的应用无需使相邻部件的表面共平面。例如，环形齿轮104的表面124背离座架106的表面126移位(并非与该表面126共平面对准)。
本公开的描述仅仅具有示例性本质，且不脱离本发明的主旨的变化旨在属于本发明的范围。这些变化不应被视为脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种焊接接头，其包括：
第一材料的第一部件和不同于所述第一材料的延性第二材料的第二部件，所述第一部件的平坦面邻接所述第二部件的平坦面；
“V”形焊接凹槽，其创建在所述第一部件中，并在所述第一部件的基本上平坦凹槽面在所述第二部件的端面下方与由所述第二部件的所述平坦面界定的平面相交的地方界定第一凹槽端部；以及
狭槽，其创建在所述第二部件的所述平坦面中的所述凹槽端部下方，所述狭槽具有面朝所述第二部件的所述端面的封闭端部。
2.根据权利要求1所述的焊接接头，其中所述狭槽的深度的范围在约2.0mm至6.0mm之间。
3.根据权利要求2所述的焊接接头，其中在所述狭槽的中心纵向轴线与由所述第二部件的所述平坦面界定的平面相交的地方确定所述狭槽的所述深度。
4.根据权利要求1所述的焊接接头，其中所述狭槽以在约10度至约70度的范围中的角度从所述第二部件的所述平坦面延伸出，所述角度相对于所述狭槽的中心纵向轴线测得。
5.根据权利要求1所述的焊接接头，其中所述凹槽面定向为与所述第二部件的所述面成角度α，所述角度α在约10度至约50度之间变化。
6.根据权利要求1所述的焊接接头，其进一步包括：第二“V”形焊接凹槽，其创建在所述第二部件中，并在所述第二部件的基本上平坦凹槽面与定向为基本上垂直于所述第二部件的所述端面的平面相交的地方界定第二凹槽端部。
7.根据权利要求6所述的焊接接头，其中所述第二部件的所述平坦凹槽面定向为与定向为基本上垂直于所述第二部件的端面的所述平面成角度δ，所述角度δ在约5度至约45度之间的范围中。
8.根据权利要求6所述的焊接接头，其进一步包括：将所述第一凹槽端部与所述第二凹槽端部接合的斜壁。
9.根据权利要求8所述的焊接接头，其中所述斜壁定向为与所述第二凹槽端部相交并且定向为平行于所述第二部件的所述端面的平面成角度ε。
10.根据权利要求6所述的焊接接头，其中：
所述第一凹槽端部定位在相对于所述部件端面的第一深度处；以及
所述第二凹槽端部定位在相对于所述部件端面的第二深度处；
其中所述第二深度大于所述第一深度，所述第二凹槽端部由此界定所述焊接接头的低点。
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