CN110948137A - 制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝”。本文所公开的主题涉及制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝。一种制造金属焊丝的方法包括用金属粉末填充模具(100)，该金属粉末填充模具(100)内的一个或多个狭窄的细长管(140)，以及热处理填充有金属粉末的管(140)，从而在每个管(140)内形成固体金属焊丝。

Description

制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝
技术领域
本文所公开的主题涉及制造金属焊丝的方法。更具体地，本文所述的各个方面涉及通过热处理金属粉末填充的模具来制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝。
背景技术
焊丝是一种细长的金属棒，通过集中热源(例如，等离子体电弧、激光束等)来将其熔化用于将金属件熔合在一起(即，焊接)的目的。可以商购获得多种类型和分类的焊丝。不同的焊接作业和基体金属材料需要适合于应用的相应焊丝。焊丝可具有广泛的机械性能、电弧行为、质量和成本。一旦确定了合适的焊丝类型，重要的是针对该应用选择正确的焊丝直径和合适的焊丝化学组成。然而，商购获得的焊丝通常是仅以标准直径以及标准化学组成提供的。
在考虑一些最新的焊接技术诸如脉冲激光焊接和微等离子体/钨惰性气体(TIG)焊接时，需要非标准小直径的焊丝。此外，在某些应用中，具有非标准化学组成的焊丝可能是有益的。此类焊丝不可商购获得，或者非常昂贵。如果可获得，这些焊丝的表面质量通常较差(例如，圆度差/低、表面粗糙度差/高)，或者由于与获得所期望的表面质量需要返工(例如，后加工工艺)相关的成本增加而非常昂贵。
发明内容
公开了制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝。在本公开的第一方面，一种制造金属焊丝的方法包括：用金属粉末填充模具，该金属粉末填充模具内的一个或多个狭窄的细长管；以及热处理填充有金属粉末的一个或多个管，从而在每个管内形成固体金属焊丝。
该方法的热处理可形成包括两种或更多种金属的金属合金的金属焊丝。热处理可包括烧结热处理。
由该方法所得的金属焊丝可具有以下属性中的一种或多种且无需返工就能获得此类属性：至少0.8的圆度(理想圆度为1.0)，不超过2.5微米(μm)的平均表面粗糙度(Ra)，以及在0.1毫米(mm)至1.0毫米(mm)±0.05毫米(mm)范围内的直径。
在本公开的第二方面，公开了一种金属焊丝，其中该金属焊丝具有至少0.8的圆度(理想圆度为1.0)，并且具有不超过2.5微米(μm)的平均表面粗糙度(Ra)，并且其中该金属焊丝包括具有两种或更多种金属的金属合金。该金属焊丝还可具有在0.1毫米(mm)至1.0毫米(mm)±0.05毫米(mm)范围内的直径。该金属焊丝还可具有这些圆度、表面粗糙度和直径值且不经受返工。
附图说明
从结合描绘本公开的各种实施方案的附图对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：
图1示出了在制造本公开的金属焊丝的方法中使用的示例模具的侧视图。
图2示出了在图1的模具的顶部和底部之间延伸的单个管束的示意图。
图3示出了图1的模具的放大顶视图，具体地，示出了图1的模具的顶部的顶视图。
应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
本文所公开的主题涉及制造金属焊丝的方法。更具体地，本文所述的各个方面涉及通过热处理金属粉末填充的模具来制造金属焊丝的方法以及由此形成的金属焊丝。
如上所述，既需要具有小直径(例如低至0.1毫米(mm))的焊丝，又需要可由通常不被用于商购获得的焊丝中的化学组成(例如通常是脆性金属合金)制造的焊丝，并且还需要此类焊丝具有所期望的优异表面质量，例如高圆度(例如，至少0.8)和低表面粗糙度(例如，Ra≤2.5μm)。本公开的各个方面包括经由热处理金属粉末填充的模具来制造金属焊丝的方法，其中可生产小直径焊丝并且可使用金属粉末的非常规化学组成。本公开的各方面还包括所得的金属焊丝，其具有高圆度和低表面粗糙度，且无需执行后加工工艺(返工)就能获得此类属性。可使用多种模具构型制造多种类型、分类和尺寸的焊丝，同时仍遵循本公开的实质。
图1示出了在本公开的制造方法中使用的模具100的侧视图，模具100具有顶部110和底部120，其中多个管束130在顶部110和底部120之间延伸。模具100可包括陶瓷或任何耐热(高温)材料，例如氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或其混合物，或者完全由这些材料构成。
图2是给定管束130a的示意图，其中多个狭窄的细长管140包含在该管束中。管束130以及管140可由与模具100相同的材料构成。给定管140可具有任何所期望形状的横截面几何形状，例如圆形、椭圆形、扁平带形等，其中圆形横截面几何形状是焊丝的最典型形状并在图2的管140中用于说明目的。
具有上述横截面几何形状的每个管140还具有所述横截面几何形状的内径150。内径150可为0.1毫米(mm)至5毫米(mm)。内径150可根据要使用的焊接应用和/或焊接工艺而变化。每个管140还可具有100毫米(mm)至1000毫米(mm)的长度160。长度160可根据要使用的应用和/或工艺类似地变化。每个管140在其长度160上可具有5％或更小的直度偏差。最后，每个管140具有内表面，该内表面优选地具有不超过1.6微米(μm)的平均表面粗糙度(Ra)。
图3是图1的模具100的放大顶视图，具体地，是模具100的顶部110的顶视图。如从图3中可以看出，可从顶部110进入其中具有多个中空狭窄的细长管140的多个管束130以用于本文所述的填充目的。本公开的制造金属焊丝的方法包括用金属粉末填充模具100，使得金属粉末填充模具100的至少一个狭窄的细长管140。金属粉末可具有20微米(μm)至150微米(μm)的平均粒度。在用金属粉末填充模具100期间，可使模具100经受轴向运动(即，上下运动)以增加金属粉末的颗粒的堆积密度。该轴向运动还可在填充模具100之后进行，或者可在填充模具100期间和之后进行。轴向运动可以低频率进行，例如1赫兹(Hz)至10赫兹(Hz)。轴向运动可由直接或间接附接到模具100的运动装置产生。运动装置可以是能够产生所期望的轴向运动的任何装置，例如振动装置诸如气动、电子或超声振动器。
在用金属粉末填充模具100之后，使管140(现已填充)经受热处理，使得在每个管140内形成固体金属焊丝。该热处理可以是烧结热处理。在特定的温度范围和特定的保持时间下实现金属粉末颗粒的烧结，温度范围和保持时间两者主要取决于所用金属粉末的化学组成。
更具体地，最高热处理温度应该总体上低于金属粉末的液相线温度或低于金属粉末的主要组分的液相线温度。另一方面，最低热处理温度仍然需要足够高以允许颗粒在合理的时间量内烧结在一起。该保持时间被确定为足以允许足够的颗粒烧结在一起以在每个管140内形成固体金属焊丝的时间量。例如，镍基和钴基耐热合金的典型烧结温度介于1100℃至1300℃之间，并且其保持时间(烧结时间)可为6小时至12小时。烧结热处理可在防止或抑制金属粉末氧化的气氛、例如在真空下或在惰性气体气氛(例如，氩气(Ar)、氦气(He)、氮气(N2)等))中进行。
在热处理(例如，烧结)完成后，形成一根或多根固体金属焊丝。这些所得的焊丝可具有至少0.8的圆度，其中理想(完美)圆度表示为值1.0。所得的焊丝还可具有不超过2.5微米(μm)的表面粗糙度(Ra)。此外，所得的焊丝在该焊丝长度上可具有不超过5％的直度偏差(在轴向方向上)。所得的焊丝还可具有在0.1毫米(mm)至1.0毫米(mm)范围内且公差为例如±0.05毫米(mm)的直径。所得的焊丝的这些特性(例如，圆度、表面粗糙度、直度和直径)可通过本公开的方法获得且无需任何后加工工艺(返工)，从而降低了制造时间和成本。制造这些直径的焊丝的常规方法通常需要耗时且昂贵的返工才能获得所述的特性。
此外，本公开的方法还能够生产为具有两种或更多种金属的金属合金的金属焊丝。该金属可包括碳(C)、铁(Fe)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mb)、锰(Mn)、钇(Y)和铬(Cr)。所选择的金属的混合物取决于焊接应用和类型以及被焊接的基体材料的性质。可通过本公开的方法由通常不用于商购获得的焊丝中的化学组成(例如，通常是脆性金属合金)来生产焊丝。制造焊丝的常规方法通常无法由此类脆性高合金材料来生产焊丝。这是本公开的方法的又一个优点。
在本公开的方法的一个实施方案中，该方法可包括在焊丝的端部处或焊丝的端部附近形成标识件。此类标识件可用作指示例如焊丝类型或组成的标签。例如，此类标识件可用颜色编码。该标识件可以是在焊丝的端部处/附近形成的插头(例如，多孔陶瓷插头)。该标识件可以是通过将陶瓷粉末与金属粉末在即将形成的焊丝的端部处/附近混合而一体形成的焊丝部分。
通过本公开的方法生产的焊丝可用于任何现有技术的焊接工艺，包括但不限于气体金属弧焊接、气钨焊接、激光焊接、弧丝喷涂工艺等。本公开的丝可用于修复工作或用于新的/初始焊接工作。由于本公开的丝的化学组成是可定制的，因此可生产焊丝以满足特定的应用需要，例如，产生具有与被修复部件相同的材料属性的修复或者在修复时产生具有改进属性的修复。
无论用于本公开的丝的焊接工艺或本公开的丝的化学组成如何，本公开都提供更快且成本更低的制造工艺，该工艺可生产更高质量(例如，优异的圆度、表面粗糙度和直度)的焊丝并且无需返工(例如磨削)就可生产这种高质量的小直径丝。这不像常规技术，常规技术生产的焊丝可能非常昂贵(部分原因是生产后需要返工)，通常质量较差，在焊丝直径方面受到限制并且在化学组成方面也受到限制。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。

Claims (14)

1.一种制造金属焊丝的方法，包括：
用金属粉末填充模具(100)，所述金属粉末填充所述模具(100)内的一个或多个狭窄的细长管(140)；以及
热处理填充有所述金属粉末的所述一个或多个管(140)，从而在每个管(140)内形成固体金属焊丝。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具(100)包括耐热材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末具有20微米(μm)至150微米(μm)的平均粒度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中每个管(140)具有内径(150)为0.1毫米(mm)至5毫米(mm)的横截面几何形状。
5.根据权利要求1所述的方法，其中每个管(140)在所述管(140)的长度(160)上具有5％或更小的直度偏差。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个管(140)的内表面具有不超过1.6微米(μm)的平均表面粗糙度(Ra)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述热处理包括烧结热处理，所述烧结热处理具有低于所述金属粉末的液相线温度的最高温度、被选择用于实现所述金属粉末的颗粒的烧结的最低温度、以及被选择用于实现在每个管(140)内形成所述固体金属焊丝的保持时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述烧结热处理在真空下或在惰性气体气氛中进行。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属焊丝在所述金属焊丝的长度(160)上具有5％或更小的直度偏差。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属焊丝包括选自碳(C)、铁(Fe)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mb)、锰(Mn)、钇(Y)和铬(Cr)的两种或更多种金属的金属合金。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括在填充所述模具(100)期间或在填充所述模具(100)之后或在填充所述模具(100)期间以及填充所述模具(100)之后执行所述模具(100)的轴向运动，从而增加所述金属粉末的颗粒的堆积密度。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述金属焊丝的端部处或附近形成标识件。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属焊丝具有
至少0.8的圆度，理想圆度为1.0；
不超过2.5微米(μm)的平均表面粗糙度(Ra)；和
在0.1毫米(mm)至1.0毫米(mm)范围内的直径。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述金属焊丝未经受返工。
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