專利名稱：用于使用多種熱源來進行復(fù)合焊接的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于在金屬片(或塊)之間的接合處將多個金屬片(或塊)焊接在一起的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
近來已商業(yè)化的激光電弧復(fù)合焊接是一種通常結(jié)合了激光束焊接與氣體保護金屬極電弧焊接來將兩個金屬片(或塊)焊接在一起的方法，例如，在金屬片(或塊)之間的接合處的同側(cè)上同時將激光束和電弧兩者引向一個焊接區(qū)，以產(chǎn)生凝固后形成焊縫的常見的金屬熔池。如圖Ia中所示，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備可以通過以下操作來完成此復(fù)合焊接將來自激光器10 (其可以包括激光諧振器和相關(guān)聯(lián)的光學(xué)器件)的激光束輸出10’和來自氣體保護金屬極電弧焊機12的電弧輸出12’引向接合處14的第一側(cè)14a處以便將第一金屬片(或塊)16a焊接到第二金屬片(或塊)16b，從而形成接合處。與常規(guī)電弧焊接技術(shù)相比較，激光 電弧復(fù)合焊接可以增加焊接速度和焊接熔深兩者。然而，如圖Ib中所示，與接合處的相對的第二側(cè)14b相對照，所得焊縫18可在接合處14的為激光束輸出10’和電弧輸出12’起作用側(cè)的第一側(cè)14a上得到更進一步的加強。具體來說，焊縫18可能并未從第一側(cè)14a到第二側(cè)14b完全延伸穿過接合處14。另外，在焊縫18未到達接合處14的第二側(cè)14b時，焊縫的第二部分18b可能會遠遠薄于接合處的第一側(cè)14a上的焊縫的第一部分18a。使接合處兩側(cè)上的焊縫變得更為對稱的一個嘗試曾是在接合處14的第一側(cè)14a上操作上文所述的激光復(fù)合焊機，隨后將所述激光復(fù)合焊機移動到接合處的第二側(cè)14b或翻轉(zhuǎn)金屬片(或塊)16a、16b以將激光束輸出10’和電弧輸出12’引導(dǎo)至接合處的第二側(cè)。如圖Ic中所示，首先在接合處14的第一側(cè)14a上操作激光復(fù)合焊機，并且然后在接合處的第二側(cè)14b上操作激光復(fù)合焊機可能會產(chǎn)生接合處兩側(cè)上都得到加強的焊縫18’。由于這個焊縫18’更充分并且更完整地從接合處14的第一側(cè)14a延伸至接合處14的第二側(cè)14b，這可以提供強度和審美優(yōu)勢兩者，所以焊縫18’可能更合乎需要。然而，移動激光復(fù)合焊機或旋轉(zhuǎn)金屬片(或塊)和使用焊接裝備連續(xù)進行兩遍焊接所需的額外時間是不合需要的。一種已開發(fā)的替代方法是將激光復(fù)合焊機提供在接合處的每一側(cè)上。這種實施方案避免了要求將金屬片(或塊)或激光復(fù)合裝備從一側(cè)移動到另一側(cè)的缺點。此外，在這種情況下，焊接誘發(fā)的扭曲或變形可能少于上文提及的兩遍連續(xù)焊接方法中出現(xiàn)的扭曲或變形。然而，這種解決方法使用了第二激光器。由于用于完成激光復(fù)合焊接操作的激光器可能會非常昂貴，所以在接合處上操作兩個單獨的激光復(fù)合焊機可能不合需要。因此，此項技術(shù)中存在改進焊接設(shè)備和相應(yīng)焊接方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本公開在一方面中描述了一種在金屬片(或塊)之間的接合處將多個金屬片(或塊)焊接在一起的方法，所述接合處可以包括角度接合處。所述方法包括將來自高能量密度熱源的第一輸出引導(dǎo)至接合處的第一側(cè)以產(chǎn)生由第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔，該金屬熔池從接合處的第一側(cè)大體朝向接合處的第二側(cè)延伸，并且同時將來自電弧焊接熱源的第二輸出引導(dǎo)至接合處的第二側(cè)以產(chǎn)生鄰近于接合處的第二側(cè)的第二金屬熔池。引導(dǎo)第一輸出以使得穿孔延伸到第二金屬熔池，借此第二金屬熔池通過所述穿孔與第一金屬熔池接合以產(chǎn)生共用金屬熔池，該共用金屬熔池凝固后形成從第一側(cè)穿過接合處延伸到第二側(cè)的焊縫。在一些實施方案中，高能量密度熱源可以包括激光器、電子束槍或等離子電弧焊炬。在一些實施方案中，電弧焊接熱源可以包括氣體保護鎢極電弧焊炬、氣體保護金屬極電弧焊炬、藥芯焊絲電弧焊炬、埋弧焊矩或等離子電弧焊炬。在一些實施方案中，分別來自高能量密度熱源和電弧焊接熱源的第一輸出和第二輸出中的至少一個可以是不連續(xù)的。所述方法可以進一步包括引導(dǎo)第一輸出和第二輸出以使得第一輸出和第二輸出相對于彼此形成非零入射角。在另外的實施方案中，所述方法進一步包括將來自第二電弧焊接熱源的可能不連續(xù)的第三輸出引導(dǎo)至接合處的第一側(cè)。來自第二電弧焊接熱源的第三輸出產(chǎn)生第三金屬熔池，所述第三金屬熔池至少可以與第一金屬熔池接合以在接合處的第一側(cè)上形成共用金屬熔池的一部分。另外，來自高能量密度熱源的第一輸出可以滯后于或領(lǐng)先于來自第二電弧 焊接熱源的第三輸出。另外，在一些實施方案中，金屬片(或塊)中的第一金屬片(或塊)上的第一接合表面和金屬片(或塊)中的第二金屬片(或塊)上的第二接合表面相對于彼此界定角度，以使得兩者之間存在間隙。所述角度可以由金屬片(或塊)中的一個金屬片(或塊)上的倒角來界定。此外，可以將第一輸出引導(dǎo)穿過間隙以促使所述第一輸出更進一步穿透接合處。而且，共用金屬熔池可以至少部分地填充所述間隙。本公開在另一方面描述了一種被配置成在金屬片(或塊)之間的接合處將多個金屬片(或塊)焊接在一起的焊接設(shè)備。所述設(shè)備包括高能量密度熱源，所述高能量密度熱源被配置成將第一輸出引導(dǎo)至接合處的第一側(cè)以產(chǎn)生由第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔，該第一金屬熔池從接合處的第一側(cè)大體朝向接合處的第二側(cè)延伸。所述設(shè)備進一步包括電弧焊接熱源，所述電弧焊接熱源被配置成同時將第二輸出引導(dǎo)至接合處的第二側(cè)以產(chǎn)生鄰近于第二側(cè)的第二金屬熔池。引導(dǎo)第一輸出以使得穿孔延伸到第二金屬熔池，借此第二金屬熔池通過穿孔與第一金屬熔池接合以產(chǎn)生共用金屬熔池，該共用金屬熔池凝固后形成從第一側(cè)穿過接合處延伸到第二側(cè)的焊縫。本公開在另一方面描述了一種焊接第一金屬片(或塊)與第二金屬片(或塊)之間的角度接合處的方法，其中第一金屬片(或塊)具有大體水平的上表面，而第二金屬片(或塊)具有大體水平的下表面，其中第二金屬片(或塊)的大體水平下表面的至少部分鄰接第一金屬片(或塊)的上表面以形成角度接合處。所述方法包括將來自高能量密度熱源的第一輸出引導(dǎo)至角度接合處的第一側(cè)以產(chǎn)生由第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔，該第一金屬熔池從角度接合處的第一側(cè)大體朝向角度接合處的第二側(cè)延伸；以及同時將來自電弧焊接熱源的第二輸出引導(dǎo)至角度接合處的第二側(cè)以產(chǎn)生鄰近于第二側(cè)的第二金屬熔池。引導(dǎo)第一輸出以使得穿孔延伸到第二金屬熔池，借此第二金屬熔池通過穿孔與第一金屬熔池接合以產(chǎn)生共用金屬熔池，該共用金屬熔池凝固后形成從第一側(cè)穿過角度接合處延伸到第二側(cè)的焊縫。


已經(jīng)概括地描述了一些實施方案，現(xiàn)將參考附圖，所述附圖并未按比例繪制，并且在附圖中圖Ia示出了在接合處的第一側(cè)上操作的具有激光器和氣體保護金屬極電弧焊機的現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合焊接設(shè)備；圖Ib示出了在接合處的第一側(cè)上操作圖Ia中所示的現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合焊接設(shè)備可能導(dǎo)致的焊接接合處；圖Ic示出了在接合處的兩側(cè)上操作圖Ia中所示的現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合焊接設(shè)備可能導(dǎo)致的焊接接合處；圖2a示出了包括第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)的T形接合處； 圖2b示出了被配置成焊接圖2a的接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖2c示出了在圖2a的接合處上操作來自圖2b的焊接設(shè)備可能導(dǎo)致的焊接接合處；圖3a示出了包括第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)的轉(zhuǎn)角接合處；圖3b示出了被配置成焊接圖3a的接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖4a示出了包括第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)的偏斜T形接合處，其中第二金屬片(或塊)向右傾斜；圖4b示出了被配置成焊接圖4a的接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖5a示出了包括第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)的偏斜T形接合處，其中第二金屬片(或塊)向左傾斜；圖5b示出了被配置成焊接圖5a的接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖6a示出了包括第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)的偏斜轉(zhuǎn)角接合處，其中第二金屬片(或塊)向右傾斜；圖6b示出了被配置成焊接圖6a的接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖7a示出了包括第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)的偏斜轉(zhuǎn)角接合處，其中第二金屬片(或塊)向左傾斜；圖7b示出了被配置成焊接圖7a的接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖8示出了被配置成焊接對接接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源；圖9a示出了被配置成焊接接合處的焊接設(shè)備的示意圖，所述焊接設(shè)備包括在接合處的第一側(cè)上的高能量密度熱源和在接合處的第二側(cè)上的電弧焊接熱源，并且進一步包括在接合處的第一側(cè)上的第二電弧焊接熱源；圖9b示出了在接合處上操作來自圖9a的焊接設(shè)備可能導(dǎo)致的焊接接合處；
圖IOa示出了圖9a的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置成在接合處上使用包括第一接合表面的第一金屬片(或塊)和包括第二接合表面和第三接合表面的第二金屬片(或塊)來進行操作，其中第一接合表面與第二接合表面相對于彼此界定角度以使得兩者之間存在間隙，并且其中第三接合表面與第一接合表面大體平行；圖IOb示出了具有包括第一接合表面的第一金屬片(或塊)和包括第二接合表面的第二金屬片(或塊)的接合處，其中第一接合表面與第二接合表面相對于彼此界定角度；圖IOc示出了具有包括第一接合表面的第一金屬片(或塊)和包括第二接合表面和第三接合表面的第二金屬片(或塊)的接合處，其中第一接合表面與第二接合表面相對于彼此界定角度以使得兩者之間存在間隙，并且其中第一接合表面與第三接合表面相對于彼此界定角度以使得兩者之間存在間隙；圖Ila示出了圖2b的焊接設(shè)備的俯視圖，其中將第一輸出和第二輸出在同一時間大體引向接合處的相同區(qū)域；圖Ilb示出了圖2b的焊接設(shè)備的俯視圖，其中第一輸出領(lǐng)先于第二輸出； 圖Ilc示出了圖2b的焊接設(shè)備的俯視圖，其中第一輸出滯后于第二輸出；圖12示出了圖9a的焊接設(shè)備的俯視圖，其中第三輸出領(lǐng)先于第一輸出；圖13示出了在接合處將多個金屬片(或塊)焊接在一起的方法的實施方案的流程圖；以及圖14示出了以大體水平配置將角度接合處焊接在一起的方法的實施方案的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)將參考示出一些實施方案而非所有實施方案的附圖在下文中對用于焊接的設(shè)備和方法進行更為完整的描述。實際上，本發(fā)明的開發(fā)項能夠以許多不同的形式來體現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受限于本文所闡述的實施方案；事實上，這些實施方案是為了使本公開符合適用的法律要求而提供。全文中相同的數(shù)字表示相同的元件。圖2a示出了進行定位以便于形成接合處114的第一金屬片(或塊)116a和第二金屬片(或塊)116b。圖2b示出了被配置成在接合處114處將第一金屬片(或塊)116a和第二金屬片(或塊)116b焊接在一起的焊接設(shè)備100的相應(yīng)實施方案。焊接設(shè)備100包括被配置成將第一輸出110’引導(dǎo)至接合處的第一側(cè)114a的高能量密度熱源110。第一輸出110’由此產(chǎn)生由包括來自第一金屬片(或塊)116a和/或第二金屬片(或塊)116b的金屬的第一金屬熔池120a環(huán)繞的穿孔122 (其可以替代地稱為通道)。穿孔122和第一金屬熔池120a兩者都從接合處114的第一側(cè)114a大體朝向接合處的第二側(cè)114b延伸。第一金屬熔池120a可以包括通過使用來自高能量密度熱源110的第一輸出110’加熱第一金屬片(或塊)116a和第二金屬片(或塊)116b而產(chǎn)生的蒸汽和/或液體。另外，可以在一些實施方案中添加填充材料來饋入到第一金屬熔池120a中，以便于形成較大的焊縫。所述設(shè)備可以同時將來自電弧焊接熱源112的第二輸出112’引導(dǎo)至接合處114的第二側(cè)114b以產(chǎn)生鄰近于第二側(cè)的第二金屬熔池120b。另外，引導(dǎo)來自高能量密度熱源110的第一輸出110’以使得穿孔122延伸到第二金屬熔池120b，以使得所述穿孔可以與第二金屬熔池的下部進行連接。因此，第二金屬熔池120b可以通過穿孔122與第一金屬熔池120a接合以產(chǎn)生大致延伸穿過接合處114的共用金屬熔池120。在共用金屬熔池120凝固時，如圖2c中所示，所述共用金屬熔池可以形成從第一側(cè)114a穿過接合處114完全延伸到接合處114的第二側(cè)114b的焊縫 118。因此，可以避免使用傳統(tǒng)激光復(fù)合焊接可能會經(jīng)歷的形成完全穿過接合處的焊縫時的問題(例如，激光束通過電弧時的激光能量損失)。具體來說，穿孔可以改善第一金屬熔池與第二金屬熔池之間的流體流動，以便于產(chǎn)生更穩(wěn)定的共用金屬熔池。因此，可以實現(xiàn)從接合處的一側(cè)延伸到另一側(cè)的較厚的焊縫。另外，如上文關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)所述，在無需在接合處的兩側(cè)上提供高能量密度熱源的情況下，一次性就可以產(chǎn)生延伸穿過接合處的焊縫。此夕卜，通過將第一輸出和第二輸出提供在接合處的相對側(cè)上以使得第一輸出被引導(dǎo)而使穿孔延伸到第二金屬熔池，可能會出現(xiàn)由電弧焊接熱源產(chǎn)生的電弧的熱機械穩(wěn)定化，所述熱機械穩(wěn)定化可以促成產(chǎn)生具有較少焊縫缺陷的更堅固且更精確的焊縫。因此，可以使用相對較快的焊接速度。也可以通過優(yōu)化包括激光束的對齊、接合處位置和電弧焊炬在內(nèi)的焊接 參數(shù)來獲得所需的焊縫輪廓。高能量密度熱源110可以包括呈第一輸出110’形式的多種不同的高能量密度熱源。舉例來說，高能量密度熱源110可以包括產(chǎn)生激光束第一輸出110’的激光器。在另一實施方案中，高能量密度熱源110可以包括產(chǎn)生電子束第一輸出110’的電子束槍。在另一實施方案中，高能量密度熱源110可以包括產(chǎn)生轉(zhuǎn)移型等離子電弧第一輸出110’的等離子電弧焊炬。然而，可以使用高能量密度熱源110的另外的實施方案，只要它們可以產(chǎn)生穿過接合處114的穿孔122即可。另外，電弧焊接熱源112可以包括多種不同的熱源。舉例來說，電弧焊接熱源112可以包括產(chǎn)生電弧第二輸出112’的氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)炬。具體來說，GMAW炬可以包括金屬惰性氣體(MIG)焊炬或金屬活性氣體(MAG)焊炬，并且在一些實施方案中，金屬轉(zhuǎn)移可以涉及熔滴轉(zhuǎn)移、短路轉(zhuǎn)移、噴霧轉(zhuǎn)移或脈沖噴霧轉(zhuǎn)移。在其它實施方案中，電弧焊接熱源112可以包括能夠以轉(zhuǎn)移模式或非轉(zhuǎn)移模式操作的氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)炬、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)炬、埋弧焊(SAW)矩或等離子電弧焊(PAW)炬。然而，多種其它類型的焊炬可以用作電弧焊接熱源112。另外，在一些實施方案中，電弧焊接熱源112可以使用或可以不使用保護氣體或送絲器。因此，總的來說，電弧焊接熱源112可以包括已知類型的焊接裝置中的許多種，只要焊接裝置能夠產(chǎn)生第二金屬熔池120b即可。在一些實施方案中，電弧焊接熱源112可以包括如上文所述的諸如等離子電弧焊炬的高能量密度熱源，只要其產(chǎn)生第二金屬熔池120b即可。因此，就區(qū)別特征來看，電弧焊接熱源112至少產(chǎn)生第二金屬熔池120b，而高能量密度熱源110至少產(chǎn)生第一金屬熔池120a和穿孔122。除了由上文所述的高能量密度熱源110產(chǎn)生的第一輸出110’的不同類型和由上文所述的電弧焊接熱源112產(chǎn)生的第二輸出112’的不同類型，第一輸出和/或第二輸出還可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。舉例來說，第一輸出110’取決于所使用的高能量密度熱源110的類型和應(yīng)用可以是連續(xù)波、脈沖式的、離焦的、聚焦的、擺動的、裂開的或拉長的。另外，在一些實施方案中，可以使用多種高能量密度熱源110和/或多種電弧焊接熱源112。焊接在一起的金屬片(或塊)之間的接合處可以包括許多不同的配置。在一些實施方案中，金屬片(或塊)可以形成角度接合處。如本文中使用的角度接合處指代T形接合處114 (參見圖2a至圖2c)、轉(zhuǎn)角接合處214 (參見圖3a至圖3b)、偏斜T形接合處314 (參見圖4a至圖4b和圖5a至圖5b)、偏斜轉(zhuǎn)角接合處414 (參見圖6a至圖6b和圖7a至圖7b)和其它接合處，其中兩個或更多個金屬片(或塊)接合以使得所述金屬片(或塊)相對于彼此產(chǎn)生角度。在所述接合處偏斜時，所述接合處可在各種方向上偏斜，諸如圖4a至圖4b和圖6a至圖6b中所示的向右偏斜或如圖5a至圖5b和圖7a至圖7b中所示的向左偏斜。在角度接合處114、214、314、414如圖2a、3a、4a、5a、6a和7a中所示而定向時，第一金屬片(或塊)116a、216a、316a、416a 具有大體水平的上表面 116a’、216a’、316a’、416a’，而第二金屬片(或塊)116b、216b、316b、416b具有大體水平的下表面116b’、216b’、316b’、416b’，其中第二金屬片(或塊)的大體水平下表面的至少部分鄰接第一金屬片(或塊)的上表面以形成角度接合處。在這些實施方案中，如圖2b、3b、4b、5b、6b和7b中所示，焊接設(shè)備100、200、300、400可以進行定向以使得來自高能量密度熱源110、210、310、410的第一輸出110’、210’、310’、410’可以被引導(dǎo)，從而使穿孔122、222、322、422延伸到剛好在由來自電弧焊接熱源112、212、312、412的第二輸出112’、212’、312’、412’產(chǎn)生的第二金屬熔池 120b、220b、320b、420b 的下部中的點 122，、222，、322，、422，。因此，第二金屬熔池 120b、 220b、320b、420b可以與第一金屬熔池120a、220a、320a、420a接合以形成共用金屬熔池120、220、320、420。然而，上文所述的實施方案僅是用于接合處的焊接位置的一些實例。舉例來說，可以使用金屬片(或塊)的平焊位置(稱為“1F”)、橫焊位置(稱為“2F”)和仰焊位置(稱為“4F”)的各種組合。在其中對接合處進行不同定向的其它配置中和在其中接合處不是角度接合處的實施方案中，仍然可對第一輸出和第二輸出進行定向以使得第一輸出和第二輸出相對于彼此形成非零入射角。如本文中使用的非零入射角并不意欲限于第一輸出和第二輸出直接相交的情況，這是因為在如下文將描述的一些實施方案中，第一輸出與第二輸出可以領(lǐng)先或滯后于彼此。事實上，這一術(shù)語進一步包括其中通過穿過接合處的橫截面來看，第一輸出與第二輸出相對于彼此大體界定角度的實施方案。與將第一輸出直接引向第二金屬熔池相比較，其中第一輸出與第二輸出形成非零入射角的配置可能是優(yōu)選的，這是因為所述配置有利于避免第一輸出吹散第二金屬熔池。具體來說，第二金屬熔池可以提供相對較大且較堅固的焊縫，所以可以引導(dǎo)第一輸出以使得所述第一輸出不會迫使第二金屬熔池遠離接合處。因此，在一些實施方案中，可以引導(dǎo)第一輸出以使得穿孔延伸到第二金屬熔池的熔合區(qū)邊界。在一些其它實施方案中，穿孔可以延伸到第二金屬熔池的底部，或穿孔可以延伸到第二金屬熔池的下部，以便于避免吹散第二熔池。第一輸出具有的強度可以使得所述第一輸出大致僅到達第二金屬熔池的邊界而未完全延伸穿過所述邊界。可以使用本發(fā)明的實施方案焊接各種其它類型的接合處，諸如圖8中所示的對接接合處514。在這個實施方案中，可以對第一金屬片(或塊)516a和第二金屬片(或塊)516b進行焊接以使得所述金屬片(或塊)的末端接合在一起，從而形成對接接合處514。然而，被配置成焊接對接接合處514的焊接設(shè)備500可大體上保持不變，其中高能量密度熱源510將第一輸出510’引導(dǎo)至對接接合處514的第一側(cè)514a以產(chǎn)生由從對接接合處的第一側(cè)大體朝向?qū)咏雍咸幍牡诙?cè)514b延伸的第一金屬熔池520a環(huán)繞的穿孔522。所述焊接設(shè)備500可以同時將來自電弧焊接熱源512的第二輸出512’引導(dǎo)至對接接合處514的第二側(cè)514b以產(chǎn)生鄰近于對接接合處的第二側(cè)的第二金屬熔池520b。因此，第一金屬熔池520a與第二金屬熔池520b可以接合以借助穿孔522形成共用金屬熔池520。如上文已描述，焊接設(shè)備的實施方案包括高能量密度熱源和電弧焊接熱源。然而，如上文所提及，一些實施方案可以進一步包括兩個或更多個電弧焊接熱源。如圖9a所示，在這些實施方案中，與上文關(guān)于僅包括一個高能量密度熱源和一個電弧焊接熱源的焊接設(shè)備的實施方案所描述的方式相同的方式，高能量密度熱源910可以將第一輸出910’引導(dǎo)至第一金屬片(或塊)916a和第二金屬片(或塊)916b之間的接合處914的第一側(cè)914a，并且電弧焊接熱源912可以將第二輸出912’引導(dǎo)至接合處的第二側(cè)914b。然而，圖9a中示出的焊接設(shè)備900進一步包括將第三輸出928’引導(dǎo)至接合處914的第一側(cè)914a的第二電弧焊接熱源928。與來自高能量密度熱源的第一輸出和來自前文所論述的焊接設(shè)備的實施方案的電弧焊接熱源的第二輸出一樣，來自第二電弧焊接熱源928的第三輸出928’可以是不連續(xù)的或連續(xù)的。類似地，第二電弧焊接熱源928可以包括電弧焊接裝置的各種實施方案，所述電弧焊接裝置諸如上文關(guān)于電弧焊接熱源所描述的GTAW、GMAff, FCAff, SAff或PAW炬。第三輸出928’可以形成第三金屬熔池920c，所述第三金屬熔池920c可以與第一金屬熔池920a和第二金屬熔池920b組合以形成共用金屬熔池920。共用金屬熔池920由 此可以凝固以形成如圖9b所示的焊縫918，所述焊縫918與由不具有第二電弧焊接熱源的焊接設(shè)備100產(chǎn)生的焊縫118 (例如，參見圖2c)相比可以在接合處914的第一側(cè)914a上包括更多材料。因此，如圖9a所示的焊接設(shè)備900在以下應(yīng)用中可能是優(yōu)選的，在這些應(yīng)用中，諸如出于強度或?qū)徝滥康?，跨越從第一?cè)914a至第二側(cè)914b的接合處914的寬度的更為對稱的焊縫是合乎需要的。另外，第一輸出910’能夠以與所述第一輸出使第二輸出912’和第二金屬熔池920b穩(wěn)定的方式類似的方式而使第三輸出928’和第三金屬熔池920c穩(wěn)定。焊接設(shè)備的實施方案也可以焊接接合處，其中在接合處相鄰的金屬片(或塊)的表面至少部分地彼此形成角度。在一些實施方案中，金屬片(或塊)中的第一金屬片(或塊)上的第一接合表面和金屬片(或塊)中的第二金屬片(或塊)上的第二接合表面相對于彼此界定角度，以使得兩者之間存在間隙。圖IOa至圖IOc中示出了這些實施方案的實施例。圖IOa示出了被配置成焊接接合處614的焊接設(shè)備600的實施方案。接合處614包括第一金屬片(或塊)616a和第二金屬片(或塊)616b。第一金屬片(或塊)616a包括第一接合表面616a’,并且第二金屬片(或塊)616b包括第二接合表面616b’和第三接合表面616b”。如圖所不,第一金屬片(或塊)616a與第二金屬片(或塊)616b可以對齊以使得第一接合表面616a’與第二接合表面616b’相對于彼此界定角度，從而使得所述兩個接合表面之間存在間隙624?？梢詫⒏吣芰棵芏葻嵩?10進行瞄準(zhǔn)以使得第一輸出610’被引導(dǎo)穿過間隙624,并且可以如前文所述將第二輸出612貓準(zhǔn)在接合處614的相對側(cè)處。在一些實施方案中，將第一輸出610’瞄準(zhǔn)穿過間隙624可能是合乎需要的，這是因為高能量密度熱源610可能需要較小的功率。在一些實施方案中，焊接設(shè)備600可以進一步包括來自第二電弧焊接熱源928的第三輸出928’，以便輔助使用共用熔池來完全填充間隙624。在這些實施方案中，來自高能量密度熱源的第一輸出610’可以稍微領(lǐng)先或滯后于第三輸出928’，以降低高能量密度熱源操作所需的功率電平。如圖IOa中所示，第二金屬片(或塊)616b上的第三接合表面616b”可以進行配置以使得所述第三接合表面與第一金屬片(或塊)616a上的第一接合表面616a’大體平行。然而，并不是其中形成接合處的表面至少部分地彼此形成角度的接合處的所有實施方案都具有這個特征。舉例來說，圖IOb示出了接合處714的實施方案，其中第二金屬片(或塊)716b不包括第三接合表面。事實上，間隙724形成在第一金屬片(或塊)716a上的第一接合表面716a’與第二金屬片(或塊)716b上的第二接合表面716b’之間。在一個替代實施方案中，如圖IOc所示，接合處814可以界定一個以上的間隙。舉例來說，圖IOc中的實施方案界定了第一金屬片(或塊)816a上的第一接合表面816a’與第二金屬片(或塊)816b上的第二接合表面816b’之間的間隙824，并且進一步界定了所述第一接合表面與第二金屬片(或塊)上的第三接合表面816b”之間的第二間隙826。因此，第二間隙826可以大體位于第二金屬片(或塊)816b的與間隙824相對的側(cè)上。兩個間隙824和826在一些實施方案中可以具有相同的輪廓。然而，在一些其它實施方案中，所述兩個間隙可以具有不同輪廓。在這個實施方案中，電弧焊接熱源可以引導(dǎo)第二輸出朝向第二間隙，以使得第二金屬熔池被容納在所述第二間隙中。將第二金屬熔池容納在第二間隙中可以提供審美方面的優(yōu)勢，并且第二間隙也可以用以使第二金屬熔池保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，同時也可以降低第一輸出所需的功率電平，這是因為由第一輸出產(chǎn)生的穿孔具有較短的穿透距離。在一些實施方案中，形成各個間隙的角度可以由第一金屬片(或塊)或第二金屬片 (或塊)上的倒角來界定。倒角可以由諸如剪切邊、激光切割邊、單斜邊、等離子切割邊或雙斜邊的多種制造技術(shù)來產(chǎn)生。在其它實施方案中，界定間隙的角度可以通過使方邊的金屬片(或塊)偏斜而抵住另一個金屬片(或塊)來產(chǎn)生。在這些實施方案中，第一金屬片(或塊)與第二金屬片(或塊)將不會完全彼此垂直。另外，雖然角度在上文中被大體描述為由第二金屬片(或塊)形成，但在替代實施方案中，第一金屬片(或塊)可以界定角度，諸如在第一金屬片(或塊)包括倒角時。在其它實施方案中，第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)都可以包括界定角度的特征。舉例來說，第一金屬片(或塊)和第二金屬片(或塊)兩者都可以包括各自的倒角。此外，雖然上文示出和描述的接合表面被大體描述為包括平面，但在替代實施方案中，所述接合表面可能是曲面。此外或替代地，每個接合表面可以包括多個區(qū)段，以使得間隙由多個角度來界定。無論特定特征是否包括角度和相應(yīng)間隙，每個上文所描述的實施方案都意欲包括在如前文所述的取決于接合處定向的大體水平的含義內(nèi)。因此，例如，雖然圖IOc中所示的接合處814的第二接合表面816b’和第三接合表面816b”并不完全水平，但這種配置意欲包括在上文所述的大體水平的含義內(nèi)。如上文所述，可以同時將第一輸出和第二輸出引導(dǎo)至接合處。本文中的同時指代多種配置，其中在同一時間將第一輸出和第二輸出引導(dǎo)至接合處，但不必在同一時間沿焊接方向?qū)⑺鲚敵鲆蚪雍咸幍南嗤糠痔?。舉例來說，圖Ila示出了被配置成沿機器方向130焊接接合處114的圖2b的焊接設(shè)備100的俯視圖。沿機器方向130焊接可以涉及移動焊接設(shè)備100或移動金屬片(或塊)116a、116b中一個操作或兩個操作。如圖所示，可以引導(dǎo)來自高能量密度熱源110的第一輸出110’和來自電弧焊接熱源112的第二輸出112’以使得所述第一輸出和所述第二輸出沿機器方向130大體對齊,從而使得所述第一輸出和所述第二輸出在同一時間被大體引向接合處114的相同部分處。因此，如從上方可看到，穿孔122被大體引向第二金屬熔池120b的中心。然而，圖Ilb示出了來自圖2b的焊接設(shè)備100的實施方案，其中第一輸出110’沿機器方向130領(lǐng)先于第二輸出112’。相反，圖Ilc示出了來自圖2b的焊接設(shè)備100的實施方案，其中第一輸出110’沿機器方向130滯后于第二輸出112’。在其它實施方案中,第一輸出110’最初可以滯后于第二輸出112’，但然后所述第二輸出可以在稍后的焊接中領(lǐng)先于第一輸出，或者可能出現(xiàn)相反的狀況。舉例來說，這可能是高能量密度熱源110以快于電弧焊接熱源112的速度沿接合處114行進的情況，或反之亦然。因此，利用焊接設(shè)備100同時將第一輸出110’和第二輸出112’引導(dǎo)至接合處114處的各種配置是可能的。應(yīng)注意，在圖Ila至圖Ilc中不出的所有三個實施方案中,第一輸出110’在沿機器方向與由第二輸出112’產(chǎn)生的第二金屬熔池120b重疊的位置處產(chǎn)生穿孔122，以使得所述第二金屬熔池可以與第一金屬熔池120a接合以形成共用金屬熔池120。
對于圖IOa中示出的焊接設(shè)備900來說，與上文所述的焊接設(shè)備100類似，將第一輸出910’、第二輸出912’和第三輸出928’同時引導(dǎo)至接合處914處的各種配置也是可能的。因此，在各種配置中，第一輸出910’可以領(lǐng)先于或滯后于第二輸出912’，第三輸出928’可以領(lǐng)先于或滯后于所述第二輸出，而所述第三輸出可以沿焊接接合處的機器方向930領(lǐng)先于或滯后于所述第一輸出。舉例來說，圖12中示出了焊接設(shè)備900的俯視圖。在這個實施方案中，第一輸出910’滯后于第三輸出928’。這個實施方案可以允許來自高能量密度熱源910的第一輸出910’將由第二電弧焊接熱源912提供的第三金屬熔池920c推入穿孔922中。通過將第三金屬熔池920c推入穿孔922中，這可以有助于將所述第三金屬熔池與第一金屬熔池920a和第二金屬熔池920b接合以形成共用金屬熔池920。因此，可以促進產(chǎn)生堅固的焊縫。上文的描述大體集中于設(shè)備的實施方案。然而，也提供了相關(guān)聯(lián)的方法的實施方案。圖13示出了將多個金屬片(或塊)一起焊接在金屬片(或塊)之間的接合處的方法的一個實施方案。所述方法包括在操作1102處將來自高能量密度熱源的第一輸出引導(dǎo)至接合處的第一側(cè)。如方框1104處所指示，高能量密度熱源在一些實施方案中可以包括激光器、電子束槍，或在一些實施方案中包括PAW炬。第一輸出由此如方框1106所指不產(chǎn)生由從第一側(cè)大體朝向接合處的第二側(cè)延伸的第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔。雖然在操作1102處引導(dǎo)第一輸出，但所述方法進一步包括在操作1108處同時將來自電弧焊接熱源的第二輸出引導(dǎo)至接合處的第二側(cè)。如方框1110處所指示，電弧焊接熱源在一些實施方案中可以包括GTAW、GMAW、FCAW、SAW，或在一些實施方案中包括PAW炬。如方框1112處所指示，第二輸出由此產(chǎn)生鄰近于第二側(cè)的第二金屬熔池。另外，在方框1114處引導(dǎo)第一輸出以使得穿孔延伸到第二金屬熔池。由此，在方框1116處，第二金屬熔池通過穿孔與第一金屬熔池接合。因此，在方框1118處，所述方法產(chǎn)生凝固后形成從第一側(cè)穿過接合處延伸到第二側(cè)的焊縫的共用金屬熔池。在所述方法的一些實施方案中，如方框1120處所指示，接合處可以包括角度接合處。此外，在一些實施方案中，如方框1122處所指示，金屬片(或塊)中的第一金屬片(或塊)上的第一接合表面和金屬片(或塊)中的第二金屬片(或塊)上的第二接合表面可以相對于彼此界定角度，以使得兩者之間存在間隙。如方框1124處所示，所述角度可以由金屬片(或塊)中的一個金屬片(或塊)上的倒角來界定。另外，如方框1126處所指示，可以引導(dǎo)第一輸出穿過間隙。在一些實施方案中，如方框1128處所指示，共用金屬熔池可以至少部分地填充間隙。而且，在一些實施方案中，所述方法可以包括操作1130 :引導(dǎo)第一輸出和第二輸出以使得所述第一輸出與所述第二輸出相對于彼此形成非零入射角，或如上文所述可以將第一輸出引導(dǎo)至第二金屬熔 池的下部處以避免吹散所述第二金屬熔池。在另外的實施方案中，所述方法可以進一步包括如方框1134處所指示的操作1132:將來自第二電弧焊接熱源的第三輸出引導(dǎo)至接合處的第一側(cè)，從而產(chǎn)生第三金屬熔池。如方框1136處所示，第三金屬熔池由此可以至少與第一金屬熔池接合以形成共用金屬熔池。另外，在一些實施方案中，如方框1138處所指示，第一輸出滯后于或領(lǐng)先于第三輸出。在第一輸出滯后于第三輸出時，所述第一輸出可以將第三金屬熔池推入穿孔中。與電弧焊接熱源一樣，第二電弧焊接熱源可以包括GTAW、GMAW、FCAW、SAW或PAW炬。另外，如方框1140處所指示，第一輸出、第二輸出和/或第三輸出可以是不連續(xù)的。此外，圖14示出了焊接第一金屬片(或塊)與第二金屬片(或塊)之間的角度接合處的方法的一個實施方案，其中第一金屬片(或塊)具有大體水平的上表面，而第二金屬片(或塊)具有大體水平的下表面，并且其中第二金屬片(或塊)的大體水平下表面的第一片的至少部分鄰接第一金屬片(或塊)的上表面以形成角度接合處。如上文所述的角度接合處可以包括T形接合處、轉(zhuǎn)角接合處、偏斜T形接合處、偏斜轉(zhuǎn)角接合處和其中兩個金屬片(或塊)接合以使得所述金屬片(或塊)相對于彼此產(chǎn)生角度的其它接合處。所述兩個金屬片(或塊)在一些情況下可以具有或可以不具有所述金屬片(或塊)之間的小間隙。所述方法包括在操作1202處將來自高能量密度熱源的第一輸出引導(dǎo)至角度接合處的第一側(cè)。第一輸出由此如方框1206處所指示產(chǎn)生在從第一側(cè)大體朝向角度接合處的第二側(cè)延伸的穿孔中的第一金屬熔池。雖然在操作1202處引導(dǎo)第一輸出，但所述方法進一步包括在操作1208處同時將來自電弧焊接熱源的第二輸出引導(dǎo)至角度接合處的第二側(cè)。如方框1212處所指示，第二輸出由此產(chǎn)生鄰近于角度接合處的第二側(cè)的第二金屬熔池。另外，可以如方框1214處所指示引導(dǎo)第一輸出以使得穿孔延伸到剛好在第二金屬熔池的下部中的一點。這可以避免吹散第二金屬熔池，諸如在將第一輸出引導(dǎo)至第二金屬熔池的中心處或上部處時可能發(fā)生所述狀況，同時還允許第二金屬熔池與第一金屬熔池之間的流體流通。由此，在方框1216處，第二金屬熔池通過穿孔與第一金屬熔池接合。因此，如方框1218處所指示，這就產(chǎn)生凝固后形成從第一側(cè)穿過接合處延伸到第二側(cè)的焊縫的共用金屬熔池。相應(yīng)地，也提供了尤其是與焊接角度接合處相關(guān)的方法。這些實施方案所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將聯(lián)想到會得益于前文描述及相關(guān)附圖中所呈現(xiàn)教義的許多修改方案和其它實施方案。因此，應(yīng)理解，各種修改方案和其它實施方案意圖包括在隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。雖然本文中采用了特定術(shù)語，但所述特定術(shù)語以普通意義和描述性意義使用而不用于限制目的。
權(quán)利要求
1.一種在金屬片(或塊)之間的接合處將多個金屬片(或塊)焊接在一起的方法，其包括 將來自高能量密度熱源的第一輸出引導(dǎo)至所述接合處的第一側(cè)，以產(chǎn)生由第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔，所述第一金屬熔池從所述接合處的所述第一側(cè)大體朝向所述接合處的第二側(cè)延伸；以及 同時將來自電弧焊接熱源的第二輸出引導(dǎo)至所述接合處的所述第二側(cè)以產(chǎn)生鄰近于所述第二側(cè)的第二金屬熔池， 其中引導(dǎo)所述第一輸出以使得所述穿孔延伸到所述第二金屬熔池， 借此所述第二金屬熔池通過所述穿孔與所述第一金屬熔池接合以產(chǎn)生共用金屬熔池，所述共用金屬熔池凝固后形成從所述第一側(cè)穿過所述接合處延伸到所述第二側(cè)的焊縫。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述高能量密度熱源包括激光器。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述高能量密度熱源包括電子束槍。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述高能量密度熱源包括等離子電弧焊炬。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述接合處包括角度接合處。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其進一步包括引導(dǎo)所述第一輸出和所述第二輸出以使得所述第一輸出與所述第二輸出相對于彼此形成非零入射角。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一輸出和所述第二輸出中的至少一個是不連續(xù)的。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其進一步包括將來自第二電弧焊接熱源的第三輸出引導(dǎo)至所述接合處的所述第一側(cè)以產(chǎn)生第三金屬熔池。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述金屬片(或塊)中的第一金屬片(或塊)上的第一接合表面與所述金屬片(或塊)中的第二金屬片(或塊)上的第二接合表面相對于彼此界定一個角度，以使得所述第一接合表面與所述第二接合表面之間存在間隙。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述角度是由所述金屬片(或塊)中的一個金屬片(或塊)上的倒角來界定。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中將所述第一輸出引導(dǎo)穿過所述間隙。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述共用金屬熔池至少部分地填充所述間隙。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第三金屬熔池至少與所述第一金屬熔池接合以形成所述共用金屬熔池。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中來自所述高能量密度熱源的所述第一輸出滯后于來自所述第二電弧焊接熱源的所述第三輸出。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中來自所述高能量密度熱源的所述第一輸出領(lǐng)先于來自所述第二電弧焊接熱源的所述第三輸出。
16.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一輸出、所述第二輸出和所述第三輸出中的至少一個是不連續(xù)的。
17.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述電弧焊接熱源包括氣體保護鎢極電弧焊炬。
18.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述電弧焊接熱源包括氣體保護金屬極電弧焊炬。
19.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述電弧焊接熱源包括藥芯焊絲電弧焊炬。
20.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述電弧焊接熱源包括等離子電弧焊炬。
21.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述電弧焊接熱源包括埋弧焊炬。
22.一種被配置成在金屬片(或塊)之間的接合處將多個金屬片(或塊)焊接在一起的焊接設(shè)備，其包括 高能量密度熱源，其被配置成將第一輸出引導(dǎo)至所述接合處的第一側(cè)，以產(chǎn)生由第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔，所述第一金屬熔池從所述接合處的所述第一側(cè)大體朝向所述接合處的第二側(cè)延伸； 電弧焊接熱源，其被配置成同時將第二輸出引導(dǎo)至所述接合處的所述第二側(cè)以產(chǎn)生鄰近于所述第二側(cè)的第二金屬熔池， 其中引導(dǎo)所述第一輸出以使得所述穿孔延伸到所述第二金屬熔池， 借此所述第二金屬熔池通過所述穿孔與所述第一金屬熔池接合以產(chǎn)生共用金屬熔池，所述共用金屬熔池凝固后形成從所述第一側(cè)穿過所述接合處延伸到所述第二側(cè)的焊縫。
23.一種焊接第一金屬片(或塊)與第二金屬片(或塊)之間的角度接合處的方法，其中所述第一金屬片(或塊)具有大體水平的上表面，而所述第二金屬片(或塊)具有大體水平的下表面，其中所述第二金屬片(或塊)的所述大體水平的下表面的至少部分鄰接所述第一金屬片(或塊)的所述上表面以形成所述角度接合處，所述方法包括 將來自高能量密度熱源的第一輸出引導(dǎo)至所述角度接合處的第一側(cè)，以產(chǎn)生由第一金屬熔池環(huán)繞的穿孔，所述第一金屬熔池從所述角度接合處的所述第一側(cè)大體朝向所述角度接合處的第二側(cè)延伸；以及 同時將來自電弧焊接熱源的第二輸出引導(dǎo)至所述角度接合處的所述第二側(cè)以產(chǎn)生鄰近于所述第二側(cè)的第二金屬熔池， 其中引導(dǎo)所述第一輸出以使得所述穿孔延伸到所述第二金屬熔池， 借此所述第二金屬熔池通過所述穿孔與所述第一金屬熔池接合以產(chǎn)生共用金屬熔池，所述共用金屬熔池凝固后形成從所述第一側(cè)穿過所述角度接合處延伸到所述第二側(cè)的焊縫。
全文摘要
一種焊接接合處(120a、120b)的方法，其包括將來自高能量密度熱源(110)(諸如，激光器)的第一輸出(110’)引導(dǎo)至所述接合處的第一側(cè)(114a)。所述方法進一步包括將來自電弧焊接熱源(112)(諸如，氣體保護金屬極電弧焊炬)的第二輸出(112’)引導(dǎo)至所述接合處的第二側(cè)(114b)。所述第一輸出(110’)產(chǎn)生由金屬熔池環(huán)繞的穿孔，該金屬熔池從所述接合處的所述第一側(cè)(114a)朝向所述接合處的所述第二側(cè)(114b)延伸。在一些實施方案中，也可以將來自第二電弧焊接熱源的第三輸出引向所述接合處的所述第一側(cè)(114a)處。由所述電弧焊接熱源產(chǎn)生的第二金屬熔池與所述第一金屬熔池和第三金屬熔池接合以形成凝固后形成焊縫的共用金屬熔池。
文檔編號B23K28/02GK102762332SQ201180009887
公開日2012年10月31日 申請日期2011年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者D·林 申請人:依賽彼集團公司