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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Schweiß- und Fügeverfahren und Artikel, die bei solchen Verfahren verwendet werden. Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf Verfahren, die eine Ausrichtung von Drähten und dergleichen mit sich bringen.
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EINFÜHRUNG IN DIE OFFENBARUNG
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Dieser Abschnitt enthält Informationen, die hilfreich für das Verständnis der Erfindung, aber nicht unbedingt Stand der Technik sind.
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Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen (MSG, engl. GMAW von Gas Metal Arc Welding), das auch Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) genannt wird, ist ein Lichtbogenschweißverfahren unter Verwendung eines kontinuierlichen, abschmelzenden Schweiß-, Zusatz- oder Fülldrahtes als Elektrode. Beim Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen durchläuft die Abschmelzdrahtelektrode eine Schweißpistole oder einen Schweißbrenner und tritt aus einer Brennerkontaktspitze aus, die aus einem leitenden Metall, wie Kupferlegierungen, hergestellt ist. Ein elektrisches Potenzial, das zwischen der Kontaktspitze und dem zu schweißenden Metallwerkstück angelegt wird, führt zu einem Strom in dem Draht, der einen Lichtbogen zwischen dem Drahtende und einem Metallwerkstück stützt. Der Lichtbogen wird von der Atmosphäre durch eine Strömung eines Gases oder eines Gasgemisches, häufig eines inerten Gasgemisches, abgeschirmt, wobei Metall durch den Lichtbogen von der Abschmelzdrahtelektrode auf das Werkstück übertragen wird. Laserlöten führt ebenfalls einer Schweißstelle einen Zusatzdraht zu, wo er durch direkte Laserbestrahlung geschmolzen wird. Die Tropfen von geschmolzenem Draht überbrücken einen Fuge zwischen zwei Werkstücken.
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Verbogene Drähte und Draht-zu-Werkstück-Fehlausrichtung treten häufig beim Lichtbogenschweißen, Laserlöten, Löten, Lichtbogenlöten und anderen Fügeverfahren oder Thermofusionsverfahren, die Zusatzdraht verwenden, auf. Die Fehlausrichtung des Drahts in Bezug auf die Schweißnaht kann einen instabilen Schweiß- und Fügeprozess verursachen und zu schlechter Schweißqualität führen. Daher sind häufig manuelle Einstellungen nötig, um den verbogenen Draht zu begradigen, was die Produktion verzögert. Verbogene Drähte und Draht-zu-Werkstück-Fehlausrichtung können bei anderen Verfahren ein Problem sein, zum Beispiel wenn Draht durch ein Loch gefädelt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Dieser Abschnitt liefert vielmehr eine allgemeine Zusammenfassung und keine umfassende Offenbarung des vollen Umfangs der Erfindung oder all ihrer Merkmale.
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Offenbart ist eine Drahtvorschubeinrichtung, die durch Wärme aktiviert werden kann, um Draht, der durch die Vorschubeinrichtung hindurchtritt, zu begradigen. Die Drahtvorschubeinrichtung weist eine Vorschubeinheit auf, die einen Draht durch ein Drahtvorschubrohr drückt. Entweder umfasst das Drahtvorschubrohr eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung, die zumindest an einem distalen Ende sein kann, wo der Draht das Rohr verlässt, oder das Drahtvorschubrohr weist ein angebrachtes, überlappendes oder eingefügtes Verlängerungsteilstück auf, das eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst und sich über ein distales Ende des Drahtvorschubrohrs hinaus erstreckt, wobei das Verlängerungsteilstück einen Einlass und einen Auslass für den Draht aufweist, und das Verlängerungsteilstück eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst. Die Zweiwege-Formgedächtnislegierung des distalen Endes oder Verlängerungsteilstücks des Drahtvorschubrohrs nimmt bei Erwärmung über eine Martensit-zu-Austenit-Phasenübergangstemperatur eine trainierte Form mit einem Durchgang mit engeren Durchmesser für den Draht an, der Druck auf den Draht ausübt oder diesen biegt, um den Draht zu begradigen. Wenn die Drahtvorschubeinrichtung ein Teil einer Schweißvorrichtung ist, kann das Verlängerungssegment das Drahtvorschubrohr und einen Schweißbrenner oder eine Schweißpistole überbrücken.
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Weiter offenbart ist ein Verfahren mit einem Vorschieben von Draht mit der Drahtvorschubeinrichtung durch das Drahtvorschubrohr und ein optionales Verlängerungssegment; Erhitzen des Drahtvorschubrohrs oder Verlängerungssegments auf eine Temperatur über die Martensit-zu-Austenit-Phasenübergangstemperatur der Formgedächtnislegierung, was bewirkt, dass das Drahtvorschubrohr oder das Verlängerungssegment, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, eine trainierte Form annimmt, die eine engere Öffnung für den hindurchtretenden Draht aufweist; wobei die Verengung der Öffnung Druck ausübt, um eine Biegung in dem Draht zu begradigen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ein thermisches Fügeverfahren sein, bei dem ein Draht nach Verlassen der Drahtvorschubeinrichtung in seiner begradigten Form als Zusatzstoff beim Fügen von zwei Werkstücken verwendet werden kann. Das Fügeverfahren kann ein MSG-Verfahren sein, bei dem das Begradigen des Drahts bei der Positionierung des Drahts bei dem Fügeverfahren hilft. In anderen Ausführungsformen kann das Verfahren einen weiteren Schritt eines Ausrichtens oder Positionierens des begradigten Drahts umfassen. ”Begradigt” und ”begradigen”, beziehen sich darauf, dass der Draht gerader bezogen auf den ursprünglichen, verbogenen Abschnitt des Drahts gemacht wird; der Draht braucht nicht buchstäblich gerade sein, nachdem er dem offenbarten Begradigungsverfahren unterzogen worden ist, aber der Winkel der Biegung in dem Draht liegt näher bei 0° mit Bezug auf die Vorschubrichtung des Drahts im Vergleich mit bevor auf diesen durch das Drahtvorschubrohr oder das Verlängerungssegment, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, eingewirkt wurde.
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Zusätzlich zum Bewirken, dass das Drahtvorschubrohr oder das Verlängerungssegment seine trainierte Form in der Austenitphase annimmt, wärmt Wärme von dem erwärmten Drahtvorschubrohr oder Verlängerungssegment den Draht zu einem gewissen Ausmaß vor, was dazu dienen kann, die Verfahrensqualität bei einem thermischen Verbindungsverfahren zu verbessern.
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”Ein/e/er/es/en”, ”der”, ”die”, ”das”, ”zumindest ein/e/er/es/en” und ”ein/e/er/es/en oder mehrere/n” werden austauschbar verwendet, um anzuzeigen, dass zumindest einer von den Gegenstand vorhanden ist. Es kann eine Mehrzahl solcher Gegenstände vorhanden sein, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes an. Alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung einschließlich der beigefügten Ansprüche, sind so zu verstehen, dass sie unter allen Umständen durch den Begriff ”etwa” modifiziert werden können, ob nun ”etwa” vor dem Zahlenwert tatsächlich auftritt oder nicht. ”Etwa” gibt an, dass der angeführte Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit in dem Wert, annähernd oder ziemlich nahe an dem Wert; nahezu). Wenn die Ungenauigkeit, die durch ”etwa” vorgesehen ist, in der Technik nicht anders als mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden wird, dann gibt ”etwa”, wie hier verwendet zumindest Schwankungen an, die sich aus gewöhnlichen Methoden zur Messung und Verwendung dieser Parameter ergeben können. Außerdem umfasst die Offenbarung von Bereichen eine Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche im gesamten Bereich.
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Die Begriffe ”umfasst”, ”umfassend”, ”einschließlich” und ”mit”, sind inklusive und spezifizieren damit das Vorhandensein der angeführten Gegenstände, schließen aber das Vorhandensein von anderen Gegenständen nicht aus. Wie in dieser Beschreibung verwendet, umfasst der Begriff ”oder” eines oder beliebige und alle Kombinationen von zwei oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Gegenstände. Wenn die Begriffe erste, zweite, dritte usw. verwendet werden, um verschiedene Gegenstände voneinander zu unterscheiden, werden diese Bezeichnungen lediglich der Zweckmäßigkeit halber verwendet und beschränken die Gegenstände nicht.
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Weitere Anwendungsgebiete werden aus der detaillierten Beschreibung und den folgenden veranschaulichenden spezifischen Beispielen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen veranschaulichen ausgewählte Ausführungsformen, aber nicht alle möglichen Implementierungen oder Varianten, die in dieser Offenbarung beschrieben sind.
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1 veranschaulicht schematisch einen Abschnitt eines Drahtvorschubrohrs, das einen Draht enthält;
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2 veranschaulicht eine Veränderung in einem Bereich des Drahtvorschubrohrs von 1, wenn es über seine Martensit-zu-Austenit-Übergangstemperatur erwärmt wird;
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3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer Drahtvorschubeinrichtung, bei der ein Drahtvorschubrohr ein Verlängerungssegment an einem Ende aufweist;
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4 veranschaulicht eine Änderung des Verlängerungssegments, wenn es über seine Martensit-zu-Austenit-Übergangstemperatur erwärmt wird;
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5 ist ein schematischer Aufriss einer Ausführungsform eines MSG-Systems mit einem Drahtvorschubrohr; und
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6 ist eine weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Brennerdüse für das MSG-System von 5.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es folgt eine ausführliche Beschreibung von beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsformen.
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Die Drahtvorschubeinrichtung weist ein Drahtvorschubrohr oder eine Verlängerung an einem distalen Ende des Drahtvorschubrohrs auf, das bzw. die eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, die trainiert ist, um einen kleineren oder engeren Innendurchgang in seiner bzw. ihrer Austenitphase im Vergleich zu seinem bzw. ihrem Innendurchgang in seiner bzw. ihrer Martensitphase aufzuweisen. Formgedächtnislegierungen sind Legierungen, die eine Fähigkeit zeigen, zu einer zuvor definierten Form und/oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Zweiwege-Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenübergänge zwischen einer Martensitphase bei niedrigerer Temperatur und einer Austenitphase bei höherer Temperatur zu durchlaufen, in welchen ihre Abmessungen oder Formen als Funktion der Temperatur verändert werden. Zweiwege-Formgedächtnis-Legierungen weisen eine trainierte Form in der Martensitphase und eine trainierte Form in der Austenitphase auf. Die trainierte Form in der Austenitphase ist ein Rohr mit einer engeren inneren Öffnung (z. B. engerem Durchmesser, wenn das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist) als der Durchmesser des Rohres, wenn die Zweiwege-Formgedächtnislegierung in ihrer trainierten Form in der Martensitphase ist. Die Innenöffnung des Drahtvorschubrohrs in seiner Austenitphase soll eine knapp größere Größe als die des Drahts aufweisen, so dass, wenn das Rohr schmaler wird, wenn es in die Austenitphase der Zweiwege-Smart-Material-Legierung erwärmt wird, die Rohrwand Druck gegen eine Biegung in dem Draht innerhalb des Rohres ausübt, um die Biegung zumindest teilweise zu begradigen.
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Die Form in der Martensitphase und die Form in der Austenitphase können während der Herstellung des Drahtvorschubrohrs oder des Verlängerungssegments eingestellt werden. Wenn das Drahtvorschubrohr oder Verlängerungssegment, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, in der Martensitphase ist und erwärmt wird, beginnt es sich in die Konfiguration in der Austenitphase zu verändern, in der sie einen engeren Durchgang für den Draht aufweist. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn das Drahtvorschubrohr oder Verlängerungssegment, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, in der Austenitphase ist und abgekühlt wird, beginnt es sich, in die Konfiguration in der Martensitphase zu verändern, in welcher es einen breiteren Durchmesser aufweist, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird die Martensit-Endtemperatur (Mf) genannt. Im Allgemeinen kann der Austenit-zu-Martensit-Übergang hervorgerufen werden, indem zugelassen wird, dass Wärme an die umliegende Luft oder Umgebung dissipiert wird. Ein geeigneter thermischer Aktivierungsstimulus ist einer, der einen Betrag aufweist, um Transformationen zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken.
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Ein Artikel, der aus der Zweiwege-Formgedächtnislegierung hergestellt ist, wechselt zwischen seiner trainierten Form in der Martensitphase und seiner trainierten Form in der Austenitphase mit höherer Temperatur, wenn seine Temperatur zunimmt. Die Zweiwege-Formgedächtnislegierungen des Drahtvorschubrohrs oder Verlängerungssegments werden trainiert, um in der Austenitphase einen kleineren Innendurchgang, z. B. einen engeren Durchmesser, aufzuweisen. Der engere Durchgang wird gewählt, um Druck auf eine Biegung oder Biegungen in einem Draht auszuüben, der durch das Rohr oder das Verlängerungssegment vorgeschoben wird, um eine Biegung in dem Draht dahingehend zu begradigen, dass er so gerade ist, dass der Winkel der Biegung in dem Draht näher bei 0 Grad mit Bezug auf die Vorschubrichtung des Drahts liegt, im Vergleich mit bevor auf diesen durch das Drahtvorschubrohr oder das Verlängerungssegment, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, eingewirkt worden ist. Das Drahtvorschubrohrsegment oder Verlängerungssegment kann in seiner erwärmten Austenitphase mit einem engeren Durchgang gehalten werden, während Draht durchgeführt wird.
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Intrinsische und extrinsische Zweiwege-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch einen Formübergang beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase sowie einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase aus. Ein intrinsisches Zweiwege-Formgedächtnisverhalten muss in dem Formgedächtnismaterial durch thermomechanische Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung oder eine Oberflächenmodifikation wie etwa Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, den Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedertemperatur- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über eine hohe Zahl von thermischen Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekte zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung kombinieren, welche einen Einweg-Effekt mit einem weiteren Element zeigen, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form des Verbundmaterials wiederherzustellen.
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Die Phasenübergangstemperatur für die Zweiwege-Formgedächtnislegierung kann durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt, und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
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Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, ohne Einschränkung, Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-, Kupfer-Titan-Nickel- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Abmessung, des Elastizitätsmoduls, des Dämpfungsvermögens und dergleichen. Im typischen Gebrauch zeigen Formgedächtnislegierungen einen Modulanstieg von etwa dem 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung (Wiederherstellung der pseudoplastischen Verformung, die induziert wird, wenn sie in der martensitischen Phase vorliegt) von bis zu 8% (abhängig von dem Betrag an Vordehnung), wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenübergangstemperatur erwärmt werden.
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Die Drahtvorschubeinrichtung weist eine Vorschubeinheit auf, die einen Draht durch ein Drahtvorschubrohr drückt. 1 und 2 veranschaulichen eine erste Ausführungsform der Drahtvorschubeinrichtung, bei der das Drahtvorschubrohr ein distales Ende umfasst, wo der Draht das Rohr verlässt, und zumindest das distale Ende eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst. 1 zeigt einen Endabschnitt des Drahtvorschubrohrs 12, das ein distales Ende zwischen Punkt 14 und Punkt 16, der sich am Ende des Vorschubrohrs 12 befindet, aufweist. In 1 weist der Draht 10 in dem Bereich zwischen Punkt 14 und 16 eine Biegung auf. Zumindest der Abschnitt des Drahtvorschubrohrs 12 zwischen Punkten 14 und 16 umfasst eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung.
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Der Abschnitt des Drahtvorschubrohrs 12 zwischen Punkten 14 und 16 in 1, der eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, ist in seiner Martensitkonfiguration bei niedriger Temperatur gezeigt. 2 veranschaulicht eine Änderung des Bereichs des Drahtvorschubrohrs von 1 zwischen Punkten 14 und 16, wenn es über seinen Martensit-Austenit-Übergang erwärmt wird. Wenn die Formgedächtnislegierung des Drahtvorschubrohrs in ihrer Austenitphase erwärmt wird, nimmt sie eine trainierte Form an, die einen kleineren Innendurchgang als der Innendurchgang in ihrer Martensitphase aufweist. Die Innenöffnung des Drahtvorschubrohrs 12 in seiner Austenitphase weist eine knapp größere Größe als die des Drahts auf, so dass, wenn sich die Öffnung bei der Annahme seiner trainierten Form in der Austenitphase verengt, die Rohrwand Druck gegen die Biegung in dem Draht in dem Rohr ausübt, um die Biegung zu begradigen. Der begradigte Draht kann leichter positioniert oder ausgerichtet werden.
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Die Länge des Drahtvorschubrohrs, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, kann variieren. Das Drahtvorschubrohr kann die Zweiwege-Formgedächtnislegierung entlang seiner gesamten Länge oder nur entlang eines Teils seiner Länge aufweisen. Bei einem Verfahren zur Verwendung des Drahtvorschubrohrs, um einen begradigten Draht bereitzustellen, kann die gesamte oder nur einen Teil der Länge des Drahtvorschubrohrs, das die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, auf seine trainierte Form in der Austenitphase erwärmt werden, die einen engeren Durchgang aufweist.
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Die 3 und 4 veranschaulichen eine alternative Ausführungsform, bei der die Verlängerung 18, die eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, an einem distalen Ende des Drahtvorschubrohrs 12 angebracht ist. Die Verlängerung 18, die die Zweiwege-Formgedächtnislegierung umfasst, ist trainiert worden, um eine trainierte Form in ihrer Austenitphase mit einem kleineren Innendurchgang aufzuweisen, als ihn der Innendurchgang in ihrer Martensitphase aufweist. 3 zeigt die Verlängerung 18, die das Drahtvorschubrohr 12 und einen Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißbrenner 22 überbrückt. Wenn der Schweißvorgang begonnen wird, wird die Verlängerung 18 über ihren Martensit-Austenit-Phasenübergang erwärmt, so dass, wie in 4 gezeigt ist, der Innendurchgang des Verlängerung 18 enger wird, was bewirkt, dass die Wand der Verlängerung 18 Druck gegen eine Biegung in dem Draht 10 ausübt und diese begradigt. Dies macht es einfacher, das Ende des Drahts 10, der den Schweißbrenner 22 verlässt, zu positionieren oder auszurichten.
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Draht, der kontinuierlich in einem Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren (MSG) geliefert wird, wird als eine Abschmelzdrahtelektrode verwendet. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen dem Draht, der als Elektrode wirkt, und dem zu schweißenden Werkstück gebildet. Beim Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen ist die Abschmelzelektrode normalerweise positiv und das Werkstück ist negativ.
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5 ist ein schematischer Aufriss eines MSG-Systems, wobei ein Brenner, eine Stromversorgung, eine selbstjustierende Drahtvorschubeinheit und ein Schutzgasversorgungstank besonders veranschaulicht sind. Das MSG-System weist einen Brenner (oder eine Schweißpistole) 21 mit einer Düse 22, eine Stromversorgung 23, eine Drahtvorschubeinheit 24, die konfiguriert ist, um einen Draht 10 zu dem Brenner 21 vorzuschieben, und eine Schutzgasversorgung 26 auf. Der Schweißbrenner 21 kann ausgerichtet werden, um einen gleichbleibenden Brennerspitze-Arbeitsabstand von vorpositionierten Werkstücken 27 aufrechtzuerhalten. Die Drahtvorschubeinheit 24 umfasst eine Drahtspule 28 aus gewickeltem Draht 10. Drahtvorschubräder 30, die durch Stromversorgung 23 angetrieben werden, ziehen den Draht 10 von der Drahtspule 28 ab und drücken den Draht 10 durch das Drahtvorschubrohr 12 zu dem Schweißbrenner 21.
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Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, umfasst die Schweißbrenner-Pistolendüse 22 eine elektrisch beaufschlagte Kontaktspitze 38, die axial innerhalb der Pistolendüse 22 ausgerichtet und ausgestaltet ist, um durch Kontaktieren des Drahtes 10 zu laden. Schweißenergie, um den Lichtbogen zu bilden, wird von der Stromversorgung 23, die zwischen den Schweißbrenner 21 und das Werkstück 27 eingekoppelt ist, zugeführt. Der Schweißbrenner 21 überträgt durch die Kontaktspitze 38 Energie auf den Draht 10, der als eine Abschmelzelektrode wirkt. Die Kontaktspitze 38 stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Draht 10 über eine Kontaktfläche her. Die Kontaktfläche kann sich über die Länge der Kontaktspitze 38 erstrecken oder kann sich über nur einen Teil der Länge der Kontaktspitze 38 erstrecken. Die angelegte Spannung zwischen dem geladenen Draht 10, der als Elektrode wirkt, und dem Werkstück 27 erzeugt eine dazwischen liegenden elektrischen Lichtbogen.
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Das Werkstück umfasst eine zu schweißende Fügestelle. Während des Schweißvorgangs wird der Draht 10 durch die Wärme, die durch seinen Innenwiderstand erzeugt wird, und Wärme, die von dem Lichtbogen übertragen wird, geschmolzen. Geschmolzene Tröpfchen von dem Draht werden auf das Werkstück 27 überführt. Die Tropfen aus geschmolzenem Draht, die über den Lichtbogenspalt zu dem Werkstück 27 transportiert werden, bilden ein Schweißbad an dem Werkstück 27, das eine Schweißperle oder Schweißnaht bildet, wenn das Metall erstarrt. Die Art der Metallübertragung ist von den Betriebsparametern, wie Schweißstrom, Schweißspannung, Drahtgröße, Drahtgeschwindigkeit, Elektrodenverlängerung und der abschirmenden Schutzgaszusammensetzung abhängig. Die bekannten Arten der Metallübertragung umfassen Kurzschluss, kugelförmige Übertragung, axiale Sprühübertragung, Impulssprühübertragung und Rotationslichtbogen-Sprühübertragung. In einer Ausführungsform wird eine im Wesentlichen konstante Lichtbogenspannung zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück aufrechterhalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück gepulst sein. In einer Ausführungsform ist die Lichtbogenspannung größer als 15 V. In anderen Ausführungsformen liegt die Lichtbogenspannung zwischen etwa 15 V und etwa 50 V oder zwischen etwa 15 V und etwa 40 V. Der Schweißstrom kann von etwa 50 Ampere bis etwa 600 Ampere oder von etwa 50 Ampere bis etwa 500 Ampere liegen. Die Wärme des Bogens kann auch einen Teil des Werkstücks schmelzen, was zur Ausbildung eines Schweißbades beiträgt. Es kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Lichtbogenlänge zwischen dem schmelzenden Ende der Drahtelektrode und dem Schweißbad durch Vorschieben der Elektrode in den Lichtbogen so schnell, wie er schmilzt, aufrechterhalten werden. Der Schweißstrom kann an die Geschwindigkeit, mit der der Draht 10 durch die Schweißpistole 21 vorgeschoben wird, angepasst werden.
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Schutzgas von der Gasversorgung 26 wird durch einen Schutzgasdiffusor 36 verteilt, um den Schweißbereich vor Atmosphärengasen zu schützen. Das Schutzgas bildet eine Lichtbogenplasma, das den Lichtbogen und das Schweißbad abschirmt. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Schutzgase sind Kohlendioxid, Argon, Helium, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff; Gemische von diesen können als das Schutzgas verwendet werden. Die bevorzugte Schutzgaszusammensetzung hängt im Allgemeinen von dem Metall des Werkstücks ab.
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Das Werkstück kann zum Beispiel ein jedes von Stählen, Gusseisen, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Legierungen auf Nickel-Basis, Titanlegierungen und Kobalt-Legierungen sein.
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Die Drahtvorschubeinrichtung und das Verfahren sind ausführlich im Kontext eines Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahrens beschrieben worden, aber sie sind bei vielen weiteren Anwendungen nützlich, einschließlich andere Fügeverfahren und andere Verfahren, bei denen Draht durch ein Drahtvorschubrohr oder ein Verlängerungssegment zur Verwendung bei dem Verfahren geliefert werden kann. Nicht einschränkende weitere Beispiele für Verfahren, bei denen Draht durch ein Drahtvorschubrohr oder Verlängerungssegment aus einer Zweiwege-Smart-Material-Legierung hindurchtreten kann, um vor dem Gebrauch begradigt zu werden, umfassen Laserlöten, Lichtbogenlöten, WIG-Schweißen mit Zusatzdraht, Löten und andere Fügeverfahren oder thermische Verfahren, die Zusatzdraht verwenden.
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Ein Beispiel eines weiteren thermischen Verfahrens zum Fügen von Metall ist Laserschweißen oder Laserlöten. Ein Laser kann angewandt werden, um Lichtenergie zu erzeugen, die an einer Stelle in Materialien absorbiert werden kann, wodurch die Wärmeenergie produziert wird, die erforderlich ist, um den Schweißvorgang durchzuführen. Durch die Verwendung von Lichtenergie in sichtbaren oder infraroten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums kann Energie von ihrer Quelle auf das zu schweißende Material unter Verwendung von Optiken gelenkt werden, die die Energie mit dem erforderlichen Ausmaß an Genauigkeit fokussieren und lenken können. Nachdem die aufgebrachte Lichtenergie weggenommen ist, erstarrt das geschmolzene Material und beginnt dann, langsam auf die Temperatur des umgebenden Materials abzukühlen. Laserschweißsysteme bestehen in der Regel aus einer Laserquelle, einem Strahlabgabesystem und einem Arbeitsplatz. Kohlendioxid (CO2) und Nd:YAG (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) sind zwei Laserquellen oder Lasermedien, die für Laserschweißanwendungen verwendet werden können. Sowohl YAG- als auch CO2-Laser können zum Nahtschweißen und Punktschweißen von sowohl Stoßverbindungen und als auch Lapp-(Überlapp-)verbindungen verwendet werden. Festkörperlaser (die Nd:YAG, Nd:Glas und ähnliche Laser umfassen) werden häufig in Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Leistung angewendet, wie jene, die zum Punktschweißen oder Beam-Lead-Schweißen von integrierten Schaltungen an Dünnschichtverbindungsschaltungen auf einem Substrat und ähnlichen Anwendungen erforderlich sind. Beim Laserschweißen wird ein Laserstrahl auf eine obere Fläche aufgebracht, wo sich zwei zu fügende Metallwerkstücke an einer Fügestelle treffen. Gleichzeitig wird der selbstjustierende Draht in die obere Fläche der Fügestelle eingeführt und geschmolzen, um eine Schweißnaht zu bilden.
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Ähnlich kann ein Verfahren, das zwei Metallwerkstücke in einem Überlappverbindung fügt, ein Ausrichtungsproblem haben, wenn das Ende des Schweißdrahts verbogen ist. Der Draht kann wieder begradigt werden, indem er durch das Drahtvorschubrohr oder die Verlängerung geführt wird, die über seine bzw. ihre Martensit-zu-Austenit-Phasenübergangstemperatur erwärmt wird, um eine engere Öffnung anzunehmen, so dass die Wand des Rohres oder der Verlängerung Druck auf den Draht ausübt, um den Draht zu begradigen. Der begradigte Draht wird dann beim Fügen von zwei Werkstücken mit einer Überlappverbindung verwendet.
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Die Drahtvorschubeinrichtung kann ebenfalls verwendet werden, um Draht bei anderen Schweiß- und Fügeverfahren, die Draht verwenden, und bei anderen Verfahren, bei denen die Ausrichtung wichtig ist, abzugeben, einschließlich Lichtbogenlöten, Lichtbogenschweißen, Löten, Draht-zu-Draht-Schweißen und Drahteinfädeln, bei denen Wärme verwendet werden kann, um den Durchgang des Drahtvorschubrohrs oder der Erweiterung zu verengen und somit die Drähte zu begradigen.
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Die vorstehende Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen ist zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken vorgesehen worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung einschränken. Einzelne Bauelemente oder Merkmale einer besonderen Ausführungsformen sind im Allgemeinen nicht auf diese besondere Ausführungsform begrenzt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Selbige kann auch auf vielerlei Weisen verändert werden. Derartige Abwandlungen sind nicht als eine Abweichung von der Erfindung anzusehen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang der Erfindung enthalten sein.
