CN103817453A - 用于焊接应用的自调节式包复丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于焊接应用的自调节式包复丝。公开的是自调节式金属丝，制造这些自调节式金属丝的方法，以及热连接过程(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式金属丝的其他过程。金属丝具有由适合在连接过程中用作连接材料的金属或金属合金构成的外层以及由形状记忆合金构成的芯材。外层围绕芯材的外部可以是连续或不连续的，例如一根或多根纵向条。自调节式金属丝中的形状记忆合金被“训练”为在其奥氏体相是直丝形状。在使用自调节式金属丝的过程中，通过将自调节式金属丝加热至形状记忆合金的奥氏体相变温度以上来矫直自调节式金属丝的弯曲端。

Description

用于焊接应用的自调节式包复丝
技术领域
本发明涉及焊接和连接方法以及在这些方法中使用的材料和物品。在另一方面，本发明涉及包括对准金属丝等的过程。
背景技术
本部分提供有助于理解本发明的信息，但是并不必然构成现有技术。
气体保护金属极电弧焊(GMAW)经常被称为金属惰性气体保护焊(MIG)，是一种将连续、可消耗的焊接金属丝或填料金属丝用作电极的电弧焊过程。在气体保护金属极电弧焊中，可消耗的金属丝电极穿过焊枪或焊炬并从由导电金属例如铜合金制成的焊炬导电嘴伸出。加在导电嘴和待焊接金属工件之间的电势在金属丝内产生电流，该电流支持金属丝末端和金属工件之间的电弧。电弧通过气体或气体混合物（通常是惰性气体混合物）流而与大气隔离，其中从可消耗的金属丝电极通过电弧将金属转移至工件。激光钎焊也是将填料金属丝送至焊接位置，在此通过直接的激光照射使金属丝熔化。熔融的金属丝滴桥接两个工件之间的连接部。
弯曲的金属丝以及金属丝与工件的不对准在电弧焊接、激光钎焊、电弧钎焊、使用填料金属丝的TIG焊接以及使用填料金属丝的其他连接过程或热加工过程期间是常见现象。金属丝相对于焊缝的不对准可能会造成不稳定的连接过程并且导致焊接质量不佳。因此，经常需要手动调节以矫直弯曲的金属丝，导致延误生产。弯曲的金属丝以及金属丝对工件的不对准在其他的过程中例如在将金属丝穿过小孔时或者在将金属丝焊接在一起时也会是一种问题。
发明内容
本部分提供概述而不是对本发明完整保护范围或其所有特征的全面公开。
公开的是自调节式金属丝，制造这些自调节式金属丝的方法，以及热连接过程(例如气体保护电弧焊、激光钎焊、电弧钎焊、TIG焊接和其他连接过程)还有其中可以利用热量来矫直或对准这些自调节式金属丝的其他过程例如金属丝到金属丝的焊接和穿丝等。金属丝具有由形状记忆合金构成的芯材以及由并非形状记忆合金例如适合在连接过程中用作连接材料的金属或金属合金构成的外层。外层可以具有任意结构，例如可以是包复层、螺旋缠绕芯材的连续条、网或者是非连续层例如由并非形状记忆合金的金属或金属合金构成的一根或多根纵向条。自调节式金属丝中的形状记忆合金被“训练”为在其奥氏体相的训练温度下是直丝形状；在使用过程中，金属丝被加热至其奥氏体相变温度以上以使自调节式金属丝的任何弯曲都通过由形状记忆合金所产生的恢复应力而被矫直，从而恢复其训练直丝形状。
自调节式金属丝可以通过将由金属或金属合金例如连接金属或金属合金构成的层加至或者固定至由形状记忆合金构成的芯材例如通过将由金属或金属合金构成的连续层或者一根或多根纵向条加至或者固定至由形状记忆合金构成的芯材外部以制作具有连接或其他金属或金属合金外层和形状记忆金属芯材的组合件而制成。外层或条中的金属或金属合金通常都不是形状记忆合金而可以是例如连接金属或金属合金。具有连接材料或者其他金属或金属合金的外层以及形状记忆合金芯材的组合件可以经历进一步的成形操作例如拉丝以获得用于成品自调节式金属丝的所需截面形状和截面尺寸(例如直径或宽度)。无论是连续还是不连续地围绕金属丝或条的圆周的外侧都可以有各种规则或不规则的形状和厚度，包括包复层、网、编织层、螺旋条，并且可以有规则或不规则变化的厚度。具有连接(或其他)金属或金属合金的外层(例如包复层或外部纵向条)以及形状记忆合金芯材的成品金属丝随后通过将金属丝加热至用于形状记忆合金的马氏体到奥氏体的相变温度(该温度在本说明书中也被简称为“相变温度”或“奥氏体相变温度”)以上并保持加热的金属丝的长度笔直直到其冷却至奥氏体到马氏体的转变温度以下为止而被训练为直丝形状。如果自调节式金属丝在形状记忆合金处于其马氏体相时被弯曲，那么自调节式金属丝在使用它的热加工过程(例如连接过程或对准过程)期间被加热至相变温度以上时会再次变直。
进一步公开了一种热连接过程，其中自调节式金属丝被用作连接两个金属工件的填料材料。在连接过程中，自调节式金属丝达到形状记忆合金的马氏体到奥氏体的相变温度以上的温度，这将促使自调节金属丝的弯曲变直。在不同的实施例中，连接过程是气体保护金属极电弧焊，其中自调节式金属丝被输送穿过焊炬并从焊炬导电嘴送出。电势被加在导电嘴和待焊接金属工件之间，促使自调节式金属丝内的电流将离开焊炬的金属丝加热至形状记忆合金相变温度以上的温度，结果是使弯曲的金属丝变直。矫直金属丝有助于连接过程期间将金属或金属合金置于合适的位置。
在另一些实施例中，热源被用于通过将金属丝加热至形状记忆合金的马氏体到奥氏体的相变温度以上，来使自调节式金属丝的端部或一部分变直，从而促使金属丝变直并且实现金属丝的正确定位或对准。
“一”、“一个”、“这个”、“至少一个”和“一个或多个”被用于可互换地表示存在至少一个所述项目；除非上下文清楚地另有说明，否则可以存在多个这样的项目。本说明书包括所附权利要求中参数(例如数量或状态)的所有数值在所有情况下都应被理解为由术语“大约”修饰，这与“大约”是否实际出现在所述数值之前无关。“大约”表示所述数值允许有一些微小的不精确性(与精确值之间具有一定的近似性；近似地或者合理地接近于所述数值；约等于)。另一方面，如果由“大约”提供的不精确性在本领域内没有被理解为具有该普通含义，那么如本文中所用的“大约”至少就表示在测量和使用这些参数的普通方法中可能出现的变化。另外，公开的范围包括公开的所有数值以及落在整个范围内的进一步细分的范围。
术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”都是包含在内的意思，并且因此明确了所述项目的存在而并不排除其他项目的存在。如本说明书中所用，术语“或”包括两种或多种相关列举项目的一种或者任意和全部的组合。在术语第一、第二、第三等被用于将不同的项目彼此区分时，这些指定仅仅是为了方便起见而并不是限制所述项目。
本发明还提供了如下方案：
方案1. 一种自调节式金属丝，具有由形状记忆合金构成的芯材以及由金属或金属合金构成的外层。
方案2. 如方案1所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述外层围绕芯材的圆周是连续的。
方案3. 如方案1所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述外层由连接至芯材的一根或多根由金属或金属合金构成的纵向条提供。
方案4. 如方案1至3中的任意一项所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述形状记忆合金是从由以下***组成的组中选出的一个：Cu-Al-Ni，14-14.5%重量的Al和3-4.5%重量的Ni；Cu-Sn，约15%原子的Sn；Cu-Zn，38.5/41.5%重量的Zn；Cu-Zn-X(其中X=Si,Al,或Sn)；Fe-Pt，约25%原子的Pt；Fe-Mn-Si；Co-Ni-Al；Co-Ni-Ga；Ni-Fe-Ga；各种浓度的Ti-Pd；Ni-Ti(约55%原子的Ni)；Ni-Ti-Nb；Ni-Mn-Ga***。
方案5. 如方案1至3中的任意一项所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述形状记忆合金是从由锌、铜、金、铁、铝和镍、任选地还有其他金属中的一种或多种金属的合金构成的组中选出的一个。
方案6. 如方案5所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述形状记忆合金是从由铜锌铝镍合金、铜铝镍合金、镍钛合金、铁镍合金、铁锰硅合金和铜锌合金构成的组中选出的一个。
方案7. 如方案1至3中的任意一项所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述外层是钢且所述形状记忆合金是从由Fe-Ni合金和Fe-Mn-Si合金构成的组中选出的一个。
方案8. 如方案1至3中的任意一项所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述外层是铝且所述形状记忆合金是从由Ti-Ni合金和Cu-Zn合金构成的组中选出的一个。
方案9. 一种矫直如方案1至8中的任意一项所述的自调节式金属丝的弯曲端的方法，其中，所述自调节式金属丝具有经训练的奥氏体相笔直形状；所述方法包括将所述自调节式金属丝加热至奥氏体相变温度以上由此将金属丝矫直为其经训练的笔直形状。
方案10. 如方案9所述的方法，进一步包括定位或对准被矫直的金属丝。
方案11. 一种利用如方案1至8中的任意一项所述的自调节式金属丝热连接两件金属制品的方法，其中，所述自调节式金属丝在其奥氏体相下被训练为笔直的形状，包括将所述自调节式金属丝熔化到两件金属制品之间的接缝内，其中，所述自调节式金属丝的弯曲随着自调节式金属丝被加热至奥氏体相变温度以上而矫直。
方案12. 如方案11所述的方法，其特征在于，所述方法是气体保护金属极电弧焊的方法。
方案13. 如方案11所述的方法，其特征在于，所述方法是激光焊接方法。
方案14. 如方案11至13中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述金属制品每一个都彼此独立地由从由碳钢、高强度低合金钢、不锈钢、铝、铜和镍合金组成的组中选出的材料构成。
方案15. 如方案11至13中的任意一项所述的方法，其特征在于，使用以下组合中的至少一种：
(a)(1)形状记忆合金是从由以下内容组成的组中选出的一个：Cu-Al-Ni，14-14.5%重量的Al和3-4.5%重量的Ni；Cu-Sn，约15%原子的Sn；Cu-Zn，38.5/41.5%重量的Zn以及Cu-Zn-X(其中X=Si,Al,或Sn)；并且(2)外层和金属制品中的至少一者是从由铜合金和铝合金构成的组中选出的一个；
(b)由Fe-Mn-Si构成的形状记忆合金并且外层和金属制品中的至少一者是从由钢构成的组中选出的一个；
(c)由Ni-Ti，约55%原子的Ni构成的形状记忆合金并且外层和金属制品中的至少一者是从由镍基合金、铝合金、钢和铸铁构成的组中选出的一个；以及
(d)由Ni-Ti-Nb构成的形状记忆合金并且外层和金属制品中的至少一者是从由镍基合金、铝合金、钢和铸铁构成的组中选出的一个。
方案16. 一种用搭接来连接两个金属工件的方法，包括将如方案1至8中的任意一项所述的自调节式金属丝加热至其奥氏体相变温度以上以矫直自调节式金属丝中的弯曲，其中，所述自调节式金属丝被训练成在其奥氏体相下为笔直的形状，然后在工件之间的搭接处对准金属丝。
方案17. 一种将如方案1至8中的任意一项所述的自调节式金属丝的末端焊接至第二金属丝末端的方法，包括将自调节式金属丝加热至其奥氏体相变温度以上以矫直自调节式金属丝中的弯曲，其中，所述自调节式金属丝被训练成在其奥氏体相下为笔直的形状，然后将矫直的自调节式金属丝末端与第二金属丝的末端相接并将两端焊接在一起。
方案18. 如方案17所述的方法，其特征在于，所述自调节式金属丝和第二金属丝的末端通过电容放电凸焊进行焊接。
方案19. 如方案17或方案18所述的方法，其特征在于，所述自调节式金属丝选自由以下内容的组成组：
(a)具有镍外层和形状记忆合金芯材的自调节式金属丝，所述形状记忆合金芯材选自由Ni-Fe-Ga、Ni-Ti、Ni-Ti-Nb和Ni-Mn-Ga构成的组；
(b)具有铜外层和形状记忆合金芯材的自调节式金属丝，所述形状记忆合金芯材选自由Cu-Al-Ni、Cu-Zn和Cu-Zn-X构成的组；以及
(c)具有不锈钢外层和形状记忆合金芯材的自调节式金属丝，所述形状记忆合金芯材选自由Fe-Pt和Fe-Mn-Si构成的组。
方案20. 一种用于将金属丝穿过孔口的方法，包括：
提供如方案1至8中的任意一项所述的自调节式金属丝，其中，所述自调节式金属丝被训练成在其奥氏体相下为笔直的形状；
通过将金属丝加热至其奥氏体相变温度以上来矫直自调节式金属丝中的弯曲端部；
将矫直的端部穿过孔口。
更多的可应用领域将根据以下的详细说明和图示的具体示例而变得易于理解。
附图说明
附图示出了选定的实施例而并不是在本公开中介绍的所有可行的实施方式或变形。
图1a和1b是自调节式金属丝说明性实施例的截面图；
图2是使用图1a和1b中自调节式金属丝的GMAW***实施例的示意图；
图3是用于图2中GMAW***的焊炬喷嘴的透视图；
图4示出了在GMAW过程开始时自调节式金属丝对热的示范性响应；
图5是用于自调节式金属丝说明性实施例的恢复应力和温度的曲线图；
图6示出了在激光焊接过程开始时自调节式金属丝对热的示范性响应；以及
图7是用于图1a和1b中自调节式金属丝的电容放电凸焊的结构示意图。
具体实施方式
以下是示范性的非限制性实施例的详细说明。
图1a和1b示出了用于自调节式金属丝的两种示例性结构。自调节式金属丝10a具有由例如适合用作连接材料譬如焊接或填料材料的金属或金属合金构成的芯材12以及由形状记忆合金构成的包复层或外层14。图1a中的外层14是连续围绕芯材12圆周的层或包复层。包复层14通常是围绕和邻接芯材12外表面的圆柱形或管形的形状。自调节式金属丝10b同样具有由形状记忆合金构成的芯材12，但是由适合用作连接材料例如焊接或填料材料的金属或金属合金构成的外层16是并未完全围绕芯材12周边的层。在不同的实施例中，外层16尽管并未完全覆盖芯材12的圆周，但是与图1b中所示相比可以覆盖更多或更少的芯材12。图1b示出了由单根金属或金属合金的纵向条构成的不完整外层16，但是在各种其他的的实施例中，不完整外层16可由并未覆盖芯材12全部表面并且可以彼此邻接或间隔开的多根金属或金属合金的纵向条构成。金属或金属合金的层或条沿其长度、圆周或宽度可以有也可以没有均匀厚度；并且(当自调节式金属丝具有多于一根金属或金属合金条时)金属或金属合金条相对于彼此可以有也可以没有均匀厚度。
图1a和1b示出了具有基本为圆形截面的示范性自调节式金属丝。在另一些实施例中，自调节式金属丝可以具有更大范围的截面，包括其他的常见几何形状例如椭圆形、方形、矩形或其他的多边形截面外周形状以及不规则的截面形状，所有这些形状都可以具有沿金属丝长度并无变化的均匀宽度或直径，或者可以具有沿金属丝长度规则变化(例如正弦变化)或不规则变化的不均匀宽度或直径。外层(例如包复层或条)可以有各种规则或不规则的形状和厚度，包括具有规则或不规则改变厚度的网、编织层、螺旋条以及层。在使用由金属或金属合金构成的包复层时，它可以如图1a所示是连续层，或者是具有孔或不连续性的网或其他层。在另一种变形中，一根或多根条可以被盘旋或螺旋地缠绕在芯材上。包复层无论是连续的还是网或者是缠绕在芯材上的层优选地都紧密贴合在形状记忆合金的芯材或者附接至形状记忆合金的芯材。
自调节式金属丝还具有由金属或金属合金构成的外层(连续地围绕芯材或作为一根或多根条或其他的非连续结构)例如层14或层16，其用于GMAW的可消耗电极时是导电的。适合用于外层作为GMAW可消耗电极材料或者用于其他热连接过程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。以下的表1中示出了更多示例。铁碳合金可以包括其他的合金元素，并且作为非限制性示例，铁碳合金包括钢。在不同的示例性实施例中，电极材料可以是钢例如低碳钢、低合金钢、中碳钢或不锈钢。
自调节式金属丝还具有由形状记忆合金构成的芯材12。形状记忆合金是在其马氏体相和奥氏体相之间表现出温度相关的可逆非扩散转变的合金。形状记忆合金具有低温相或马氏体相以及高温母相或奥氏体相。形状记忆合金可以在其较高温度的奥氏体相下被训练为具有永久形状。如果经过训练的形状记忆合金随后在马氏体相下变形，那么在将其加热时变形的形状记忆合金就会转变为母相或奥氏体相，恢复到永久形状。转变开始时的温度经常被称为奥氏体开始温度(As)；该现象结束时的温度被称为奥氏体结束温度(Af)。对于本发明的公开内容来说，Af将被称为马氏体到奥氏体的转变温度或相变温度。形状记忆合金受热时在此温度下恢复其永久形状的马氏体到奥氏体的转变温度可以通过略微改变合金的组成以及通过热处理来进行调节。形状恢复过程可以在仅有几度的范围内或者在更大的温度范围内进行，并且转变的开始或结束可以根据所需应用和合金组成被控制在一或两度以内。
合适的形状记忆合金的非限制性示例有锌、铜、金、铁、铝或镍的合金，可选地还有其他金属。具体地，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1列举了形状记忆合金与金属丝外层金属或金属合金组合的非限制性示例。如表1中的示例所示，当自调节式金属丝被用于热连接过程例如焊接过程时，外层通常具有与应用金属丝的工件基材相同或类似的金属组成。在这样的一个示例中，当基材为钢时，自调节式金属丝的外层可以是相同合金组成的钢或者是根据需要具有更高或更低的选定合金金属含量的钢以产生具有所需特性或性能的焊接部。但是，金属丝外层可以改为是与工件基材不同的金属或合金，并且这种情况的一个非限制性示例是在焊接铸铁基材时使用具有镍基外层的自调节式金属丝。
表1. 适合用于金属丝芯材和对应基材的形状记忆合金类型。
用于金属丝芯材的形状记忆合金 金属丝外层和对应基材
Cu-Al-Ni：14-14.5%重量的Al和3-4.5%重量的Ni 铜合金,铝合金,镍基合金
Cu-Sn：约15%原子的Sn 铜合金,铝合金
Cu-Zn：38.5/41.5%重量的Zn 铜合金,铝合金
Cu-Zn-X：(X=Si,Al,Sn) 铜合金,铝合金
Fe-Pt：约25%原子的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，形状记忆合金可以通过铸造、利用真空电弧熔融或感应熔融制成以使合金中的杂质最少并确保合金金属的良好混合。铸锭可以随后被热轧为较长的分段，随后被拉伸为构成芯材12的金属丝。金属或金属合金可以类似地被拉伸为细丝，随后压平以构成护套或包复层或者被成形或连接为纵向条或沿芯材12外侧的另一种结构。金属或金属合金条可以用不涉及将材料拉伸为金属丝的其他方式成形。
自调节式金属丝10a可以通过多种已知方法中的任何一种制成。在一个示例中，形状记忆合金芯材可以通过拉丝过程制成，此后即可将与连接或其他过程的金属或金属合金设置在芯材上作为沿芯材长度的包复层、护套或者一根或多根条。在第一种示范性方法中，类似于US3702497中介绍的方法，由适合用作连接材料的金属或金属合金构成的包复层或外层14可以围绕由形状记忆合金构成的芯材12挤压结合，随后可以进一步拉伸为所需成品直径以生产出自调节式金属丝10a。在第二种示范性方法中，适合用作连接材料的金属或金属合金条被首先弯曲以形成开口管。***由形状记忆合金构成的金属丝以构成芯材12并利用压辊将管封闭，此后进行钨极惰性气体(TIG)焊接以将管成形为围绕芯材12的外层14。惰性气体可以是例如氩气。如果需要，后续拉伸和热处理可以被用于结合这两种材料。在第三种示范性方法中，类似于US2006/0076336号美国专利申请中介绍的方法，形状记忆合金条被弯曲以形成具有对接或搭接缝的芯材12并且由适合用作连接材料的金属或金属合金制成的第二根条被缠绕在芯材12上作为外层14。缠绕的外层14可以紧密缠绕以如图1a所示不留下间隙。也可以设想由适合用作连接材料的金属或金属合金制成的第二根条可以如图1b所示构成芯材12上的不完整层16。缠绕的条可以随后被拉伸为用于成品自调节式金属丝10a或10b的期望直径。如果需要，拉伸步骤可以由辊压代替。可用于将由适合用作连接材料的金属或金属合金构成的一根或多根条16加至由形状记忆合金构成的芯材12的更进一步的示范性方法利用辊压机来将一根或多根条16挤压在芯材12上，然后同样是将金属丝拉伸为用于自调节式金属丝的期望直径。
作为某些具体实施例的示例，由选自Fe-Ni合金和Fe-Mn-Si合金的形状记忆合金构成的芯材12可以具有钢的外层14或者一根或多根条16；或者由选自Ti-Ni合金和Cu-Zn合金的形状记忆合金构成的芯材12可以具有铝合金的外层14或者一根或多根条16以用于自调节式金属丝。其他特定的自调节式金属丝可以通过组合如表1中各列所示的材料而制成。
以图1a和图1b中的示范性结构继续，形状记忆合金在高于形状记忆合金马氏体到奥氏体相变温度的训练温度下被训练为直丝形状。相变温度低于热连接过程期间达到的连接温度，以使得在热连接过程期间达到相变温度时，自调节式金属丝中的任何弯曲都通过形状记忆合金恢复到其训练直丝形状的动作而被矫直。
形状记忆合金可以在被加入自调节式金属丝之前、期间或之后被训练。在被训练为直线形状之后，自调节式金属丝的形状记忆合金芯材可以经历一个或多个冷加工过程例如拉伸、盘卷或不合需要的变形为临时形状。当自调节式金属丝在热连接过程期间被加热时，形状记忆合金达到和超过其相变温度时由加热引发的形状恢复作用力矫直自调节式金属丝以使其恢复到直线的永久形状。用于训练形状记忆合金的多种特定方法中的任何一种均可使用。在一种这样的用于Ti-Ni形状记忆合金的常用方法中，例如在任意所需的冷加工(例如将形状记忆合金成形为金属丝芯材并且可选地附接金属或金属合金外层)之后，形状记忆合金在400-500℃下被加热从几分钟到几小时的一段时间(“保持”时间)。Ti-Ni形状记忆合金随后例如用水进行淬火。保持时间越长，得到的相变温度就越高。在一个具体示例中，通过加热至500℃并保持该温度30分钟进行热处理的Ti-50.7Ni原子%合金具有约32℃的相变温度。加热例如可以在热处理炉中完成。作为另一个示例，Ti-Ni形状记忆合金也可以通过在800℃下退火进行训练，随后Ti-Ni形状记忆合金可以被冷加工为所需金属丝形状，随后金属丝可以在淬火之前先经历以200-300℃加热从几分钟到几十分钟的低温训练时段。在可以用于Ni含量高于50.5%原子的Ti-Ni形状记忆合金的又一个训练形状记忆合金的过程示例中，形状记忆合金可以在从800到1000℃的温度下熟化，然后快速冷却至约400℃的训练温度并在淬火之前保持处于训练温度几个小时。在进一步的示例中，CuZnAl合金可以被冷加工，随后在800-805℃下训练约10分钟，然后以约150℃的温度在油中淬火约2分钟。如果并未在训练之前制成自调节式金属丝，那么由金属或金属合金构成的外层可以在训练之后加至形状记忆合金芯材。使用的具体训练过程取决于多种因素例如特定的形状记忆合金并且可以通过例行试验进行最优化。
自调节式金属丝可以具有直径或宽度，或者在自调节式金属丝具有由外层金属或金属合金构成的一根或多根纵向条的情况下，具有的最大直径或宽度是从约0.8mm到约2mm；在较窄的范围内，直径或宽度可以是从约1mm到约1.8mm或者从约1mm到约1.5mm。由形状记忆合金构成的芯材可以具有从约0.6mm到约1.6mm的直径或宽度，在较窄的范围内，芯材可以具有从约0.7mm到约1.5mm或者从约0.8mm到约1.4mm的直径或宽度。包复层、一根或多根条或者其他的连接金属或金属合金层可以具有从约0.2mm到约0.4mm的一种或多种厚度。形状记忆合金的恢复作用力(可以由特定的形状记忆合金组成、变形程度和温度决定)被选择为超过外层的变形阻力。由此，用于形状记忆合金的材料以及制作自调节式金属丝时使用的形状记忆合金量可以根据外层的金属或金属合金以及可能产生的弯曲程度和金属丝在使用期间能够达到的温度进行选择。例如，铝合金与钢相比具有相对较低的变形阻力，形状记忆合金芯材的厚度对具有铝合金外层的自调节式金属丝来说可以小于具有钢外层的自调节式金属丝。制作用于特定应用的自调节式金属丝所用的形状记忆合金的具体类型和厚度可以根据这些因素或者通过直接试验来确定。在一个具体示例中，厚度为0.8mm的铝合金外层可以通过厚度为0.4mm的形状记忆芯材轻易矫直。
自调节式金属丝10在热连接过程例如电弧焊接或激光钎焊中可有效用作连接金属丝或填料金属丝，其中金属丝被熔化到两个或多个金属制品或工件之间的接缝中。熔化的金属丝材料焊接或钎接金属制品。
自调节式金属丝10可以在气体保护金属极电弧焊(GMAW)过程中使用，其中自调节式金属丝10被用作可消耗的金属丝电极。电弧在用作电极的自调节式金属丝10和待焊接工件之间形成。在气体保护金属极电弧焊中，可消耗电极通常为正极且工件为负极。图2是GMAW***的示意图，具体示出了焊炬、电源、自调节式金属丝输送单元和保护气体供应罐。GMAW***具有包括喷嘴22的焊炬(或焊枪)21、电源23、设置用于将自调节式金属丝10输送至焊炬21的金属丝输送单元24以及保护气体供应源26。焊炬21可以取向为与预定位工件27之间保持稳定的焊炬尖端至工件的距离。自调节式金属丝输送单元24包括缠绕自调节式金属丝10的金属丝盘28。由电源23供电的金属丝输送轮30从金属丝盘28拉出自调节式金属丝10并将自调节式金属丝10通过金属丝输送管32推送至焊炬21。
如图2和图3所示，焊炬的焊枪喷嘴22包括在焊枪喷嘴22内轴向对齐并且被设置用于通过接触自调节式金属丝10而充电的电激励导电嘴38。用于形成电弧的焊接电力由连接在焊炬21和工件27之间的电源23提供。焊炬21通过导电嘴38向用作可消耗电极的自调节式金属丝10传输电力。导电嘴38通过接触面与自调节式金属丝10形成电接触。接触面可以沿导电嘴38的长度延伸或者可以仅在导电嘴38的一部分长度上延伸。在用作电极的被充电的自调节式金属丝10和工件27之间施加的电压生成中间电弧。
工件包括待焊接的连接部。在焊接过程期间，自调节式金属丝10通过其内阻产生的热量和从电弧传输的热量而熔化。来自自调节式金属丝的熔化液滴被转移至工件27。横跨电弧间隙被携带到工件27的熔化自调节式金属丝液滴形成工件27上的熔池，这就在金属固化时形成了焊珠。金属转移模式取决于工作参数例如焊接电流、电压、金属丝尺寸、金属丝输送速度、电极伸出长度和保护气体的组成。已知的金属转移模式包括短路、熔滴转移、轴向喷射转移、脉冲喷射转移和旋转电弧喷射转移。在一个实施例中，基本恒定的电弧电压被保持在自调节式金属丝电极和工件之间。在另一个实施例中，电极和工件之间的电压可以脉冲调制。在一个实施例中，电弧电压大于15V。在另一些实施例中，电弧电压介于约15V到约50V之间或者约15V到约40V之间。焊接电流可以从约50安直至约600安或者从约50安直至约500安。电弧热量也可以熔化一部分工件以有助于形成熔池。通过以与熔化同样快的速度将电极送入电弧内即可在自调节式金属丝电极的熔化端和熔池之间保持基本均匀的电弧长度。焊接电流可以适应于输送自调节式金属丝10通过焊枪21的速率。
来自气源26的保护气体通过保护气扩散器36扩散以保护焊接区域免受大气中的气体影响。保护气体形成保护电弧和焊接熔池的电弧等离子体。合适的保护气体的非限制性示例有二氧化碳、氩气、氦气、氧气和氮气；这些气体的混合物也可以用作保护气体。优选的保护气体组成通常取决于工件中的金属。
工件例如可以是钢、铸铁、铝合金、铜合金、镍基合金、钛合金和钴合金中的任何一种。
图4示出了用形状记忆合金制成的自调节式金属丝在GMAW过程开始时对热的代表性响应。示出了金属丝输送管32和喷嘴22内的一部分自调节式金属丝10。自调节式金属丝的末端34伸到喷嘴22以外。在GMAW过程开始前，末端34被弯曲并且自调节式金属丝处在低于相变温度的温度下(例如自调节式金属丝可以处于室温下)。在该示例中，末端34的中心线沿直线β延伸，而直金属丝的中心线应该沿直线α延伸，因此末端34以角度θ弯曲。在GMAW过程开始后，自调节式金属丝的末端34被加热。自调节式金属丝的末端34由于作为GMAW过程的一部分要被加热至其熔点而最终在焊接过程中被加热至其相变温度以上。在这样加热时，末端34被加热至其奥氏体相变温度以上，使得自调节式金属丝中的任何弯曲都被形状记忆合金矫直。随着自调节式金属丝的末端34经过其相变温度，由其中的形状记忆合金引发的恢复应力就会超过变形的外层金属或金属合金的阻力，并因此矫直自调节式金属丝，以使金属丝末端34从其沿直线β的位置移动到沿直线α的笔直位置。
图5是提供了使用钛镍形状记忆合金的自调节式金属丝的一个示例的曲线图。曲线图具有以摄氏度为单位表示温度的x轴40和以MPa为单位表示恢复应力的y轴42。虚线44表示铝制外层的屈服强度。绘出了用于2%应变、4%应变和6%应变的线。不同的应变表示自调节式金属丝不同程度的弯曲。图5中的曲线图表明应变越大，与自调节式金属丝一部分相同的形状记忆合金用作能够矫直该自调节式金属丝的恢复应力的恢复应力也就越大。
自调节式金属丝也可以在用于连接金属的其他热加工过程中使用。用于连接金属的另一个热加工过程的示例是激光焊接或激光钎焊。激光器可以被用于生成能够在材料中的某一位置被吸收的光能，生成执行焊接操作所必需的热能。通过利用电磁波频谱的可见光或红外部分内的光能，能量可以利用光学器件从其来源引导至待焊接的材料，这样就能以所需的精确量聚焦和引导能量。在移除了施加的光能之后，熔化的材料固化并随后开始缓慢冷却至周围材料的温度。激光焊接***通常由激光源、光束输送***和工作站组成。二氧化碳(CO2)和Nd:YAG(钕掺杂钇铝石榴石)是可以用于激光焊接应用的两种激光源或激光介质。YAG和CO2激光器均可用于对接焊缝和搭接(重叠)焊缝的缝焊和点焊。固态激光器(包括Nd:YAG、Nd:玻璃和类似激光器)经常被用于低功率或中等功率应用中，例如点焊或梁式引线焊接集成电路到基板上的互连电路的薄膜上所需要的那些应用，以及类似应用。在激光焊接中，激光束被应用到要被连接的两个金属工件在连接处相遇的位置的顶面。与此同时，自调节式金属丝被***连接处的顶面内并熔化以形成焊接部。
在激光焊接或激光钎焊过程开始时具有弯曲末端的自调节式金属丝可以通过来自激光器的热量被加热至其奥氏体相变温度以上以使其如图6所示恢复到训练的未弯曲形状。图6示出了用形状记忆合金制成的自调节式金属丝110在激光焊接过程开始时对热的代表性响应。图6示出了金属丝输送管132内的一部分自调节式金属丝110。自调节式金属丝的末端134伸到喷嘴122以外。在激光焊接过程开始之前，末端134在低于奥氏体到马氏体相变温度的温度下(例如在室温下)弯曲。在该示例中，末端134具有沿直线β的中心线与本应具有沿直线α的中心线的正交位置成角度θ弯曲的初始位置。在激光焊接过程开始时，自调节式金属丝10的弯曲端134由激光器150加热至经训练的形状记忆合金的奥氏体相变温度以上的温度。加热至相变温度以上促使将弯曲端134矫直到其沿直线α的被训练的笔直位置。自调节式金属丝110末端134的这种利用加热的矫直有助于将金属丝准确置于连接处内。自调节式金属丝可以由金属丝输送单元例如图2中的金属丝输送单元24来输送。自调节式金属丝的直径和输送速率应取决于金属工件在接缝处的间隙、金属工件的厚度及其具体组成。金属工件被制作的越厚或者间隙被制作得越大，就要求自调节式金属丝的直径也就越大，但是输送速率可能有所减小。
类似地，以搭接连接两个金属工件的过程中，如果金属丝末端弯曲，那也可能会遇到对准问题。自调节式金属丝同样可以在用搭接连接两个工件中通过例如由激光器加热至其相变温度以上而得到矫直。
自调节式金属丝可以类似地在使用金属丝的其他焊接和连接过程中使用并且用于对准在其中很重要的其他过程，包括其中可以利用热量来矫直或对准这些自调节式金属丝的电弧钎焊、TIG焊接、金属丝到金属丝的焊接和穿丝等。
图7示出了一个实施例，其中在金属丝到金属丝的焊接中使用自调节式金属丝。金属丝末端的焊接可以在很多技术领域中完成。例如，在无线技术领域，高熔点的稀有金属金属丝和有色金属金属丝可以连接在一起或者异种有色金属金属丝也可以连接在一起(例如镍金属丝和铜金属丝，银金属丝和镍金属丝，不锈钢金属丝和镍金属丝等)。其他的技术领域同样依赖于金属丝末端的焊接，这些金属丝可以是相同的组成或不同的组成。在每一种情况下，形状记忆合金可以根据使用的金属或金属合金进行选择。对于镍外层，由Ni-Fe-Ga、Ni-Ti、Ni-Ti-Nb、Ni-Mn-Ga构成的形状记忆合金芯材可以是优选的。对于铜外层，由Cu-Al-Ni、Cu-Zn、Cu-Zn-X构成的形状记忆合金芯材可以是优选的。对于不锈钢外层，由Fe-Pt、Fe-Mn-Si构成的形状记忆合金芯材可以是优选的。在不同的连接方法中，最常用的连接方法是电容放电凸焊，其中对准金属丝尖端对于成功连接同样非常关键。如图7所示，第一自调节式金属丝210的末端234被焊接至第二自调节式金属丝310的末端334。对准金属丝末端234和334是允许进行正确焊接的关键。在焊接之前，末端234和334中至少有一个是弯曲的并通过加热至其马氏体到奥氏体的相变温度以上以促使弯曲端恢复其被训练的笔直形状而矫直。在焊接过程中，当开关250闭合时，变压器252促使电流经电导体254,256流过末端234和334，电导体不仅用于固定要焊接的两根金属丝，而且还能够向金属丝传导电流。电导体254,256例如可以是铜。在一个实施例中，其中端234和334中的弯曲的一个通过将该端电连接到电导体254和256以及闭合开关250以通过电阻加热该端部至其相变温度以上来矫直该末端。
自调节式金属丝也可以在需要矫直弯曲的金属丝末端例如必须将金属丝穿过孔口的其他过程中使用。在这样的过程中，自调节式金属丝的弯曲端首先被加热至其马氏体到奥氏体的相变温度以上以促使弯曲端恢复其训练的笔直形状，然后再将矫直的末端穿过孔口。
以上提供的某些实施例的介绍是为了进行解释和详细说明。不应将其理解为穷举或限制本发明。特定实施例中的各个要素或特征通常并不受限于特定的实施例，而是在可应用时即可互换并且能够在选定的实施例中使用，即使并未明确示出或表述也是如此。本发明也可以用多种方式加以变化。这样的变形不应被认为是背离了本发明，而且所有这样的修改都应被理解为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自调节式金属丝，具有由形状记忆合金构成的芯材以及由金属或金属合金构成的外层。
2.如权利要求1所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述外层围绕芯材的圆周是连续的。
3.如权利要求1所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述外层由连接至芯材的一根或多根由金属或金属合金构成的纵向条提供。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述形状记忆合金是从由以下***组成的组中选出的一个：Cu-Al-Ni，14-14.5%重量的Al和3-4.5%重量的Ni；Cu-Sn，约15%原子的Sn；Cu-Zn，38.5/41.5%重量的Zn；Cu-Zn-X(其中X=Si,Al,或Sn)；Fe-Pt，约25%原子的Pt；Fe-Mn-Si；Co-Ni-Al；Co-Ni-Ga；Ni-Fe-Ga；各种浓度的Ti-Pd；Ni-Ti(约55%原子的Ni)；Ni-Ti-Nb；Ni-Mn-Ga***。
5.如权利要求1至3中的任意一项所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述形状记忆合金是从由锌、铜、金、铁、铝和镍、任选地还有其他金属中的一种或多种金属的合金构成的组中选出的一个。
6.如权利要求5所述的自调节式金属丝，其特征在于，所述形状记忆合金是从由铜锌铝镍合金、铜铝镍合金、镍钛合金、铁镍合金、铁锰硅合金和铜锌合金构成的组中选出的一个。
7.一种利用如权利要求1至6中的任意一项所述的自调节式金属丝热连接两件金属制品的方法，其中，所述自调节式金属丝在其奥氏体相下被训练为笔直的形状，包括将所述自调节式金属丝熔化到两件金属制品之间的接缝内，其中，所述自调节式金属丝的弯曲随着自调节式金属丝被加热至奥氏体相变温度以上而矫直。
8.一种用搭接来连接两个金属工件的方法，包括将如权利要求1至6中的任意一项所述的自调节式金属丝加热至其奥氏体相变温度以上以矫直自调节式金属丝中的弯曲，其中，所述自调节式金属丝被训练成在其奥氏体相下为笔直的形状，然后在工件之间的搭接处对准金属丝。
9.一种将如权利要求1至6中的任意一项所述的自调节式金属丝的末端焊接至第二金属丝末端的方法，包括将自调节式金属丝加热至其奥氏体相变温度以上以矫直自调节式金属丝中的弯曲，其中，所述自调节式金属丝被训练成在其奥氏体相下为笔直的形状，然后将矫直的自调节式金属丝末端与第二金属丝的末端相接并将两端焊接在一起。
10.一种用于将金属丝穿过孔口的方法，包括：
提供如权利要求1至6中的任意一项所述的自调节式金属丝，其中，所述自调节式金属丝被训练成在其奥氏体相下为笔直的形状；
通过将金属丝加热至其奥氏体相变温度以上来矫直自调节式金属丝中的弯曲端部；
将矫直的端部穿过孔口。
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