發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)以及一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的焊接方法。特定實(shí)施例涉及填充焊絲熔覆(overlaying)應(yīng)用以及焊接和接合應(yīng)用。更具體地，特定實(shí)施例涉及一種開啟和使用組合填充焊絲送進(jìn)和能源系統(tǒng)以用于釬焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合和焊接應(yīng)用中的任一種的系統(tǒng)和方法。

技術(shù)背景

傳統(tǒng)的填充焊絲焊接方法(例如，氣體保護(hù)鎢極弧焊(GTAW)填充焊絲方法)提供與單獨(dú)的傳統(tǒng)弧焊的熔敷速率和焊接速度相比有所增加的熔敷速率和焊接速度。引領(lǐng)焊炬的填充焊絲是由獨(dú)立的電源電阻加熱的。該焊絲穿過導(dǎo)電管朝向工件被送進(jìn)并且延伸到該管之外。該延伸部在其接近熔池時(shí)可以被電阻加熱。鎢電極可以用于加熱和熔化該工件以便形成焊接熔池。該電源提供電阻熔化填充焊絲所需的大部分能量。在一些情況下，焊絲送進(jìn)可能滑移或發(fā)生故障(faulter)，并且焊絲中的電流可能導(dǎo)致在該焊絲的尖端與該工件之間出現(xiàn)電弧。這種電弧的額外熱量可能導(dǎo)致燒穿、飛濺和不良的表面質(zhì)量。這種電弧出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)在該過程開始時(shí)是較大的，在該過程開始時(shí)焊絲初始地在小點(diǎn)處與工件進(jìn)行接觸。如果焊絲中的初始電流過高，該點(diǎn)可能被燒掉，從而導(dǎo)致電弧出現(xiàn)。另外，已知的系統(tǒng)在將鋁接合到鋼方面具有很大困難。

通過常規(guī)、傳統(tǒng)和所提出的方法與本申請的其余部分中參照附圖闡述的本發(fā)明的實(shí)施例相比較，這些方法的進(jìn)一步的局限性和缺點(diǎn)對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言將變得明顯。

說明書

為了克服這些限制和缺點(diǎn)，描述了一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)以及一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的焊接方法。本發(fā)明的其他實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明的實(shí)施例包括一種開啟和使用組合填充焊絲送進(jìn)器和能源系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的一個(gè)第一實(shí)施例包括一種開啟和使用組合焊絲送進(jìn)和能源系統(tǒng)以用于釬焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接和接合應(yīng)用中的任一種的方法。該方法包括：經(jīng)由一個(gè)電源在至少一根電阻填充焊絲與一個(gè)工件之間施加一個(gè)感測電壓，并且將該至少一根電阻填充焊絲的一個(gè)遠(yuǎn)端朝向該工件推進(jìn)。該方法進(jìn)一步包括：感測該至少一根電阻填充焊絲的遠(yuǎn)端何時(shí)首次與該工件接觸。該方法還包括：響應(yīng)于該感測，在一個(gè)限定時(shí)間間隔內(nèi)對該至少一根電阻填充焊絲關(guān)閉該電源。該方法進(jìn)一步包括：在該限定時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)接通該電源，以便施加通過該至少一根電阻填充焊絲的加熱電流的流動。該方法還包括：至少在施加該加熱電流的流動時(shí)，將來自一個(gè)高強(qiáng)度能源的能量施加到該工件以便加熱該工件。該高強(qiáng)度能源可以包括以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：激光裝置、等離子體弧焊(PAW)裝置、氣體保護(hù)鎢極弧焊(GTAW)裝置、氣體保護(hù)金屬弧焊(GMAW)裝置、焊劑芯弧焊(FCAW)裝置、以及埋弧焊(SAW)裝置。本發(fā)明的方法還用于接合異種材料，諸如將鋁接合到鋼上。

在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種焊接系統(tǒng)包括至少一個(gè)高強(qiáng)度能源，該至少一個(gè)高強(qiáng)度能源用以在具有一個(gè)復(fù)合層的一個(gè)工件的一個(gè)窄接頭上的一個(gè)根部焊道的過程中形成一個(gè)焊接熔池。該系統(tǒng)包括一個(gè)焊絲送進(jìn)器，該焊絲送進(jìn)器將一根填充焊絲推進(jìn)到該焊接熔池。一個(gè)填充焊絲電源在該填充焊絲與該焊接熔池接觸時(shí)提供一個(gè)填充焊絲加熱信號以便加熱該填充焊絲。該系統(tǒng)還包括一個(gè)控制器，該控制器用以控制一個(gè)焊縫斜出(weld ramp out)過程，這樣使得當(dāng)熔融熔池推進(jìn)到一個(gè)現(xiàn)有根部焊道焊縫的一個(gè)起點(diǎn)時(shí)，該控制器控制該至少一個(gè)高強(qiáng)度能源來實(shí)現(xiàn)降低該至少一個(gè)高強(qiáng)度能源的能量輸出和減少該至少一個(gè)高強(qiáng)度能源與該焊接熔池之間的一個(gè)相互作用時(shí)間中的至少一項(xiàng)。該控制器還控制該焊絲送進(jìn)器來減小焊絲送進(jìn)速度抑或停止該填充焊絲的推進(jìn)。該控制器進(jìn)一步控制該填充焊絲電源來減小該填充焊絲加熱信號的功率電平抑或停止到達(dá)該填充焊絲的該填充焊絲加熱信號。此外，該焊縫斜出過程被控制，這樣使得在完成該根部焊道之后，一個(gè)根部焊道焊縫在該現(xiàn)有根部焊道焊縫的該起始點(diǎn)處或附近的一個(gè)區(qū)域中的厚度是在該根部焊道焊縫的一個(gè)剩余部分的標(biāo)稱根部焊道厚度的100％至130％的范圍內(nèi)。

在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種焊接方法包括：使用至少一個(gè)高強(qiáng)度能源來形成一個(gè)焊接熔池，并且在具有一個(gè)復(fù)合層的一個(gè)工件的一個(gè)窄接頭上焊接一個(gè)根部焊道。該方法還包括：將一根填充焊絲推進(jìn)到該焊接熔池，并且在一根填充焊絲與該焊接熔池接觸時(shí)加熱該填充焊絲。該方法進(jìn)一步包括：當(dāng)該熔融熔池推進(jìn)到一個(gè)現(xiàn)有根部焊道焊縫的一個(gè)起點(diǎn)時(shí)，控制一個(gè)焊縫斜出過程。該焊縫斜出過程的控制包括降低該至少一個(gè)高強(qiáng)度能源的能量輸出和減少該至少一個(gè)高強(qiáng)度能源與該焊接熔池之間的一個(gè)相互作用時(shí)間中的至少一項(xiàng)。該控制還包括減小該填充焊絲的焊絲送進(jìn)速度抑或停止該填充焊絲的推進(jìn)。該控制進(jìn)一步包括減小該填充焊絲加熱信號的功率電平抑或停止該填充焊絲的加熱。此外，該焊縫斜出過程被控制，這樣使得在完成該根部焊道之后，一個(gè)根部焊道焊縫在該現(xiàn)有根部焊道焊縫的該起始點(diǎn)處或附近的一個(gè)區(qū)域中的厚度是在該根部焊道焊縫的一個(gè)剩余部分的標(biāo)稱根部焊道厚度的100％至130％的范圍內(nèi)。

所要求保護(hù)的本發(fā)明的這些和其他特征及其所示實(shí)施例的細(xì)節(jié)將從以下說明書和附圖得到全面理解。

附圖簡要說明

圖1示出了一種用于釬焊、包覆、堆焊、填充、以及表面硬化熔覆應(yīng)用中的任一種的組合填充焊絲送進(jìn)器和能源系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例的功能性示意框圖；

圖2示出了圖1系統(tǒng)所使用的一種啟動方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；

圖3示出了圖1系統(tǒng)所使用的一種啟動后方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；

圖4示出了與圖3的啟動后方法相關(guān)聯(lián)的一對電壓和電流波形的第一示例性實(shí)施例；

圖5示出了與圖3的啟動后方法相關(guān)聯(lián)的一對電壓和電流波形的第二示例性實(shí)施例；

圖6和圖6A示出了本發(fā)明的用于執(zhí)行一個(gè)焊接操作的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例；

圖7、圖7A和圖7B示出了利用本發(fā)明的焊接的另外的示例性實(shí)施例；

圖8示出了同時(shí)接合一個(gè)接頭的兩側(cè)的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例；

圖9示出了利用本發(fā)明的焊接的另一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖10A示出了本發(fā)明的利用多個(gè)激光器和焊絲來焊接一個(gè)接頭的另一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖10B-10C示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的一個(gè)鋁到鋼焊接接頭；

圖11A至11C描繪了與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用的導(dǎo)電嘴(contact tip)的示例性實(shí)施例；

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)熱絲電源系統(tǒng)；

圖13A-13C示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例所形成的電壓和電流波形；

圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的另一個(gè)焊接系統(tǒng)；

圖15示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所形成的一個(gè)焊接熔池的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖16A至16F示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的焊接熔池和激光束利用的示例性實(shí)施例；

圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的一個(gè)焊接系統(tǒng)；

圖18示出了可以在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的一個(gè)斜降電路的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)煙霧抽引管嘴的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖20示出了本發(fā)明的進(jìn)一步的焊接系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖21示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)焊接操作的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖22A-22C示出了本發(fā)明的焊接系統(tǒng)所利用的電流波形的示例性實(shí)施例；

圖23示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)焊接操作的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖24示出了可以與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用的電流波形的另一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖25示出了可以與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用的另一個(gè)焊接操作的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖25A示出了可以與圖25所示的實(shí)施例一起使用的電流波形的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖26示出了使用并排弧焊接操作的進(jìn)一步的焊接操作的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖27示出了本發(fā)明的另外的焊接操作的一個(gè)示例性實(shí)施例；

圖28示出了本發(fā)明的使用磁轉(zhuǎn)向的一個(gè)焊接操作的另外的示例性實(shí)施例；并且

圖29至圖31示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例在具有一個(gè)復(fù)合層的一個(gè)工件中形成一個(gè)根部焊道；并且

圖32和圖33示出了使用本發(fā)明的示例性實(shí)施例示例性地完成圖31所示的根部焊道。

詳細(xì)說明

術(shù)語“熔覆”在此以廣義方式使用并且可以指代任何應(yīng)用，包括釬焊、包覆、堆焊、填充和表面硬化。例如，在“釬焊”應(yīng)用中，一種填充金屬經(jīng)由毛細(xì)作用被分布在一個(gè)接頭的緊密配合表面之間。然而，在“銅焊”應(yīng)用中，該填充金屬被使得流動到一個(gè)間隙中。然而，如在此所使用的，兩種技術(shù)廣義上被稱為熔覆應(yīng)用。

圖1示出了一種用于執(zhí)行釬焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆和接合/焊接應(yīng)用中的任一種的組合填充焊絲送進(jìn)器和能源系統(tǒng)100的一個(gè)示例性實(shí)施例的功能性示意框圖。系統(tǒng)100包括一個(gè)激光子系統(tǒng)，該激光子系統(tǒng)能夠使一個(gè)激光束110聚焦到一個(gè)工件115上從而對工件115加熱。該激光子系統(tǒng)是高強(qiáng)度能源。該激光子系統(tǒng)可以是任何類型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-盤、YB-光纖、光纖遞送或直接二極管激光系統(tǒng)。進(jìn)一步地，如果白光或石英激光型系統(tǒng)具有充分的能量，甚至也可以使用這些系統(tǒng)。該系統(tǒng)的其他實(shí)施例可以包括用作高強(qiáng)度能源的電子束、等離子體弧焊子系統(tǒng)、氣體保護(hù)鎢極弧焊子系統(tǒng)、氣體保護(hù)金屬弧焊子系統(tǒng)、焊劑芯焊絲弧焊子系統(tǒng)、以及埋弧焊子系統(tǒng)中的至少一者。以下說明將重復(fù)提到激光系統(tǒng)、光束和電源，然而，應(yīng)當(dāng)理解，這種引用是示例性的，因?yàn)榭梢允褂萌魏胃邚?qiáng)度能源。例如，高強(qiáng)度能源可以提供至少500W/cm²。該激光子系統(tǒng)包括彼此操作性地連接的一個(gè)激光裝置120和一個(gè)激光器電源130。激光器電源130提供用于操作激光裝置120的功率。

系統(tǒng)100還包括一個(gè)熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)，該熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)能夠提供至少一根電阻填充焊絲140來在激光束110附近與工件115進(jìn)行接觸。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，通過在此引用工件115，熔融熔池被認(rèn)為是工件115的部分，因此對與工件115的接觸的引用包括與熔池的接觸。該熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)包括一個(gè)填充焊絲送進(jìn)器150、一個(gè)導(dǎo)電管160、以及一個(gè)熱絲電源170。在操作過程中，引領(lǐng)激光束110的填充焊絲140由來自操作性地連接在導(dǎo)電管160與工件115之間的熱絲焊接電源170的電流電阻加熱。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，盡管交流(AC)或其他類型的電源也是可能的，熱絲焊接電源170是脈沖直流(DC)電源。焊絲140從填充焊絲送進(jìn)器150穿過導(dǎo)電管160朝向工件115被送進(jìn)并且延伸到該管160之外。焊絲140的延伸部被電阻加熱，這樣使得該延伸部在接觸該工件上的焊接熔池之前接近或達(dá)到熔點(diǎn)。激光束110用于使工件115的基底金屬中的一些基底金屬熔化，以便形成焊接熔池并且還使焊絲140熔化到工件115上。電源170提供電阻熔化填充焊絲140所需的大部分能量。根據(jù)本發(fā)明的某些其他實(shí)施例，該送進(jìn)器子系統(tǒng)可能能夠同時(shí)提供一根或多根焊絲。例如，一根第一焊絲可以用于表面硬化和/或向該工件提供耐腐蝕性，并且一根第二焊絲可以用于向該工件添加結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)100進(jìn)一步包括一個(gè)運(yùn)動控制子系統(tǒng)，該運(yùn)動控制子系統(tǒng)能夠使激光束110(能源)和電阻填充焊絲140沿著工件115在相同方向125上移動(至少在相對意義上)，這樣使得激光束110和電阻填充焊絲140保持處于彼此固定的關(guān)系。根據(jù)不同實(shí)施例，工件115與激光器/焊絲組合之間的相對運(yùn)動可以通過實(shí)際地移動工件115或通過移動激光裝置120和該熱絲送進(jìn)器子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在圖1中，該運(yùn)動控制子系統(tǒng)包括操作性地連到一個(gè)機(jī)器人190上的一個(gè)運(yùn)動控制器180。運(yùn)動控制器180控制機(jī)器人190的運(yùn)動。機(jī)器人190操作性地連接(例如，以機(jī)械方式固定)到工件115上從而使工件115在方向125上移動，這樣使得激光束110和焊絲140沿著工件115有效地行進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)替代性實(shí)施例，激光裝置110和導(dǎo)電管160可以被整合到單個(gè)頭中。該頭可以經(jīng)由操作性地連接到該頭上的一個(gè)運(yùn)動控制子系統(tǒng)來沿著工件115移動。

總體上，存在可以使一個(gè)高強(qiáng)度能源/熱絲相對于一個(gè)工件移動的若干種方法。如果該工件是圓的，那么例如，該高強(qiáng)度能源/熱絲可以是靜止的，并且該工件可以在該高強(qiáng)度能源/熱絲下旋轉(zhuǎn)?？商娲兀粋€(gè)機(jī)器人臂或線性牽引機(jī)可以平行于該圓形工件移動，當(dāng)該工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，該高強(qiáng)度能源/熱絲可以連續(xù)地移動或者每個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)位一次以便(例如)熔覆該圓形工件的表面。如果該工件是扁平的或至少不是圓的，則該工件可以如圖1中所示在該高強(qiáng)度能源/熱絲下被移動。然而，一個(gè)機(jī)器人臂或線性牽引機(jī)或甚至安裝在梁上的滑架可以用于使一個(gè)高強(qiáng)度能源/熱絲頭相對于該工件移動。

系統(tǒng)100進(jìn)一步包括一個(gè)感測和電流控制子系統(tǒng)195，該感測和電流控制子系統(tǒng)操作性地連接到工件115和導(dǎo)電管160上(即，有效地連接到熱絲電源170的輸出端上)并且能夠測量工件115與熱絲140之間的電勢差(即，電壓V)和通過它們的電流(I)。感測和電流控制子系統(tǒng)195可以進(jìn)一步能夠從測量電壓和測量電流計(jì)算出電阻值(R＝V/I)和/或功率值(P＝V*I)?？傮w上，當(dāng)熱絲140與工件115接觸時(shí)，熱絲140與工件115之間的電勢差為零伏特或者非常接近零伏特。其結(jié)果是，如在此稍后更詳細(xì)描述的，感測和電流控制子系統(tǒng)195能夠感測電阻填充焊絲140何時(shí)與工件115相接觸并操作性地連接到熱絲電源170上，從而進(jìn)一步能夠響應(yīng)于該感測而控制通過電阻填充焊絲140的電流流動。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，感測和電流控制子系統(tǒng)195可以是熱絲電源170的組成部分。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，運(yùn)動控制器180可以進(jìn)一步操作性地連接到激光器電源130和/或感測和電流控制器195上。以此方式，運(yùn)動控制器180和激光器電源130可以彼此通信，這樣使得激光器電源130知道工件115什么時(shí)候正在運(yùn)動，并且這樣使得運(yùn)動控制器180知道激光裝置120是否是活動的。類似地，以此方式，運(yùn)動控制器180與感測和電流控制器195可以彼此通信，這樣使得感測和電流控制器195知道工件115什么時(shí)候正在運(yùn)動，并且這樣使得運(yùn)動控制器180知道該熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)是否是活動的。此類通信可以用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)100的不同子系統(tǒng)之間的活動。

圖2示出了圖1系統(tǒng)100所使用的一種啟動方法200的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。在步驟210中，經(jīng)由一個(gè)電源170在至少一根電阻填充焊絲140與一個(gè)工件115之間施加一個(gè)感測電壓。熱絲電源170可以在感測和電流控制器195的命令下施加該感測電壓。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所施加感測電壓不提供對絲140進(jìn)行顯著加熱的足夠能量。在步驟220中，將至少一根電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端朝向工件115推進(jìn)。該推進(jìn)由焊絲送進(jìn)器150執(zhí)行。在步驟230中，感測至少一根電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端何時(shí)首次與工件115接觸。例如，感測和電流控制器195可以命令熱絲電源170提供非常低電平的電流(例如，3到5安培)來通過熱絲140。這種感測可以通過感測和電流控制器195測量填充焊絲140(例如，經(jīng)由導(dǎo)電管160)與工件115之間的約零伏特(例如，0.4V)的電勢差來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)填充焊絲140的遠(yuǎn)端短路連接到工件115上(即，與該工件相接觸)時(shí)，填充焊絲140與工件115之間可能不存在顯著的電壓電平(高于零伏特)。

在步驟240中，響應(yīng)于該感測，在一個(gè)限定時(shí)間間隔(例如，若干毫秒)內(nèi)對至少一根電阻填充焊絲140關(guān)閉電源170。感測和電流控制器195可以命令電源170關(guān)閉。在步驟250中，在該限定時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)接通電源170，以便允許施加通過至少一根電阻填充焊絲140的加熱電流的流動。感測和電流控制器195可以命令電源170接通。在步驟260中，至少在施加該加熱電流的流動時(shí)，將來自一個(gè)高強(qiáng)度能源110的能量施加到工件115以便加熱工件115。

作為一個(gè)選項(xiàng)，該方法200可以包括：響應(yīng)于該感測而停止推進(jìn)焊絲140，在該限定時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)重新開始推進(jìn)焊絲140(即，再推進(jìn))，并且在施加該加熱電流的流動之前驗(yàn)證填充焊絲140的遠(yuǎn)端仍然與工件115接觸。感測和電流控制器195可以命令送絲器150停止送進(jìn)并且命令系統(tǒng)100等待(例如，若干毫秒)。在此類實(shí)施例中，感測和電流控制器195操作性地連接到送絲器150上以便命令送絲器150開啟和停止。感測和電流控制器195可以命令熱絲電源170施加該加熱電流以便加熱焊絲140并且再次將焊絲140朝向工件115送進(jìn)。

一旦該啟動方法完成，系統(tǒng)100就可以進(jìn)入一種啟動后操作模式，在該啟動后操作模式中，相對于工件115移動激光束110和熱絲140以便執(zhí)行以下各項(xiàng)中的一項(xiàng)：釬焊應(yīng)用、包覆應(yīng)用、堆焊應(yīng)用、表面硬化應(yīng)用、或焊接/接合操作。圖3示出了圖1系統(tǒng)100所使用的一種啟動后方法300的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。在步驟310中，沿一個(gè)工件115移動一個(gè)高強(qiáng)度能源(例如，激光裝置120)和至少一根電阻填充焊絲140，這樣使得至少一根電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端引領(lǐng)該高強(qiáng)度能源(例如，激光裝置120)或與其重合，這樣使得當(dāng)至少一根電阻填充焊絲140朝向工件115被送進(jìn)時(shí)，來自該高強(qiáng)度能源(例如，激光裝置120)和/或被加熱的工件115(即，工件115被激光束110加熱)的能量(例如，激光束110)使填充焊絲140的遠(yuǎn)端熔化到工件115上。運(yùn)動控制器180命令機(jī)器人190相對于激光束110和熱絲140移動工件115。激光器電源130提供用于操作激光裝置120形成激光束110的功率。熱絲電源170在由感測和電流控制器195命令時(shí)向熱絲140提供電流。

在步驟320中，感測至少一根電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端何時(shí)將要與工件115脫離接觸(即，提供預(yù)感能力)。這種感測可以通過感測和電流控制器195內(nèi)的一個(gè)預(yù)感電路測量填充焊絲140與工件115之間的電勢差(dv/dt)、通過它們的電流(di/dt)、它們之間的電阻(dr/dt)、或通過它們的功率(dp/dt)中的一者的變化速率來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)該變化速率超過一個(gè)預(yù)定義值時(shí)，感測和電流控制器195正式預(yù)測脫離接觸將要發(fā)生。用于弧焊的此類預(yù)感電路在本領(lǐng)域中是眾所周知的。

當(dāng)焊絲140的遠(yuǎn)端由于加熱而變得高度熔融時(shí)，該遠(yuǎn)端可以開始從焊絲140上箍斷(pinch off)到工件115上。例如，在那時(shí)，因?yàn)殡S著焊絲的遠(yuǎn)端的箍斷，其截面快速減小，所以電勢差或電壓增大。因此，通過測量這種變化速率，系統(tǒng)100可以預(yù)料該遠(yuǎn)端何時(shí)將要箍斷并且與工件115脫離接觸。另外，如果完全脫離接觸，感測和電流控制器195可以測量到顯著大于零伏特的電勢差(即，電壓電平)。如果不采取步驟330中的行動，此電勢差可能導(dǎo)致在焊絲140的新的遠(yuǎn)端與工件115之間形成電弧(這是所不希望的)。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，焊絲140可能并未顯示出任何相當(dāng)可觀的箍縮，但將寧可在維持到該熔池中的幾乎恒定的橫截面的同時(shí)以連續(xù)方式流動到熔池中。

在步驟330中，響應(yīng)于感測到至少一根電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端將要與工件115脫離接觸，關(guān)閉(或至少大大減小，例如，減小95％)通過至少一根電阻填充焊絲140的加熱電流的流動。當(dāng)感測和電流控制器195確定接觸將要脫離時(shí)，控制器195命令熱絲電源170切斷(或至少大大減小)供應(yīng)到熱絲140的電流。以此方式，避免形成不想要的電弧，從而防止發(fā)生任何所不希望的影響(諸如飛濺或燒穿)。

在步驟340中，感測少一根電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端何時(shí)由于焊絲140繼續(xù)朝向工件115推進(jìn)而再次與工件115進(jìn)行接觸。這種感測可以通過感測和電流控制器195測量填充焊絲140(例如，經(jīng)由導(dǎo)電管160)與工件115之間的約零伏特的電勢差來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)填充焊絲140的遠(yuǎn)端短路連接到工件115上(即，與該工件相接觸)時(shí)，填充焊絲140與工件115之間可能不存在高于零伏特的顯著的電壓電平。術(shù)語“再次進(jìn)行接觸”在此用于指代以下情況：其中焊絲140朝向工件115推進(jìn)，并且焊絲140(例如，經(jīng)由導(dǎo)電管160)與工件115之間的測量電壓是大約零伏特，無論焊絲140的遠(yuǎn)端實(shí)際上是否從工件115完全箍斷。在步驟350中，響應(yīng)于感測到該至少一根電阻填充焊絲的遠(yuǎn)端再次與該工件進(jìn)行接觸，重新施加通過該至少一根電阻填充焊絲的該加熱電流的流動。感測和電流控制器195可以命令熱絲電源170重新施加加熱電流以便繼續(xù)加熱焊絲140。此過程可以在該熔覆操作的持續(xù)時(shí)間內(nèi)持續(xù)。

例如，圖4示出了與圖3的啟動后方法300相關(guān)聯(lián)的一對電壓波形410和電流波形420(對應(yīng)地)的第一示例性實(shí)施例。電壓波形410是由感測和電流控制器195在導(dǎo)電管160與工件115之間測量的。電流波形420是由感測和電流控制器195穿過焊絲140與工件115測量的。

每當(dāng)電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端將要與工件115脫離接觸時(shí)，電壓波形410的變化速率(即，dv/dt)將超過一個(gè)預(yù)先確定的閾值，從而指示箍斷將要發(fā)生(見波形410的點(diǎn)411處的斜率)。作為替代方案，通過填充焊絲140和工件115的電流(di/dt)的變化速率、它們之間的電阻(dr/dt)的變化速率、或通過它們的功率(dp/dt)的變化速率可以替代地用于指示箍斷將要發(fā)生。此類變化速率預(yù)感技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，感測和電流控制器195將命令熱絲電源170關(guān)閉(或至少大大減小)通過焊絲140的電流流動。

當(dāng)感測和電流控制器195感測到填充焊絲140的遠(yuǎn)端在某一時(shí)間間隔430(例如，電壓電平在點(diǎn)412處下降回到約零伏特)之后再次與工件115進(jìn)行良好接觸時(shí)，感測和電流控制器195命令熱絲電源170使通過電阻填充焊絲140的電流流動朝向一個(gè)預(yù)定輸出電流電平450斜升(見斜坡425)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該斜升從設(shè)定點(diǎn)值440開始。當(dāng)能源120和焊絲140相對于工件115移動時(shí)并且當(dāng)焊絲140由于焊絲送進(jìn)器150而朝向工件115推進(jìn)時(shí)，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行。以此方式，焊絲140的遠(yuǎn)端與工件115之間的接觸在很大程度上得以維持，并且防止在焊絲140的遠(yuǎn)端與工件115之間形成電弧。加熱電流的斜變幫助防止當(dāng)不存在箍斷狀況或電弧狀形成況時(shí)無意中將電壓變化速率解釋成為此類狀況。由于加熱電路中的電感，任何大的電流變化可能致使得到錯(cuò)誤的電壓讀數(shù)。當(dāng)電流逐漸斜升時(shí)，電感效應(yīng)降低。

圖5分別示出了與圖3的啟動后方法相關(guān)聯(lián)的一對電壓波形510和電流波形520的第二示例性實(shí)施例。電壓波形510是由感測和電流控制器195在導(dǎo)電管160與工件115之間測量的。電流波形520是由感測和電流控制器195穿過焊絲140與工件115測量的。

每當(dāng)電阻填充焊絲140的遠(yuǎn)端將要與工件115脫離接觸時(shí)，電壓波形510的變化速率(即，dv/dt)將超過一個(gè)預(yù)先確定的閾值，從而指示箍斷將要發(fā)生(見波形510的點(diǎn)511處的斜率)。作為替代方案，通過填充焊絲140和工件115的電流(di/dt)的變化速率、它們之間的電阻(dr/dt)的變化速率、或通過它們的功率(dp/dt)的變化速率可以替代地用于指示箍斷將要發(fā)生。此類變化速率預(yù)感技術(shù)在本領(lǐng)域中是眾所周知的。在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，感測和電流控制器195將命令熱絲電源170關(guān)閉(或至少大大減小)通過焊絲140的電流流動。

當(dāng)感測和電流控制器195感測到填充焊絲140的遠(yuǎn)端在某一時(shí)間間隔530(例如，電壓電平在點(diǎn)512處下降回到約零伏特)之后再次與工件115進(jìn)行良好接觸時(shí)，感測和電流控制器195命令熱絲電源170施加通過電阻填充焊絲140的加熱電流的流動(見加熱電流電平525)。當(dāng)能源120和焊絲140相對于工件115移動時(shí)并且當(dāng)焊絲140由于焊絲送進(jìn)器150而朝向工件115推進(jìn)時(shí)，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行。以此方式，焊絲140的遠(yuǎn)端與工件115之間的接觸在很大程度上得以維持，并且防止在焊絲140的遠(yuǎn)端與工件115之間形成電弧。因?yàn)樵摷訜犭娏髟谶@種情況下不是逐漸斜變的，由于該加熱電路中的電感，某些電壓讀數(shù)可以作為是無意的或錯(cuò)誤的而被忽略。

綜上所述，披露了一種開啟和使用組合焊絲送進(jìn)和能源系統(tǒng)以用于釬焊、包覆、堆焊、填充和表面硬化熔覆應(yīng)用中的任一種的方法和系統(tǒng)。將高強(qiáng)度能量施加到一個(gè)工件上以便加熱該工件。在所施加高強(qiáng)度能量處或剛好在其前方，將一根或多根電阻填充焊絲朝向工件送進(jìn)。實(shí)現(xiàn)對該一根或多根電阻填充焊絲的遠(yuǎn)端何時(shí)在所施加高強(qiáng)度能量處或附近與該工件接觸的感測。基于該一根或多根電阻填充焊絲的遠(yuǎn)端是否與該工件接觸，控制到達(dá)該一根或多根電阻填充焊絲的加熱電流。所施加高強(qiáng)度能量和該一根或多根電阻填充焊絲以彼此固定的關(guān)系沿著該工件在相同方向上移動。

在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法被用于焊接或接合操作。以上所討論的實(shí)施例已經(jīng)聚焦于在熔覆操作中使用填充金屬。然而，本發(fā)明的多方面可以在其中使用焊接操作并且使用填充金屬來接合工件的焊接和接合應(yīng)用中使用。盡管涉及熔覆一種填充金屬，以上所描述的實(shí)施例、系統(tǒng)和方法類似于以下更全面描述的、焊接操作中所采用的實(shí)施例、系統(tǒng)和方法。因此，在以下討論中，應(yīng)當(dāng)理解，以上討論總體上適用，除非另行說明。進(jìn)一步地，以下討論可以包括對圖1至5的參考。

已知焊接/接合操作典型地在一個(gè)焊接操作中將多個(gè)工件接合在一起，在該焊接操作中，一種填充金屬與工件金屬的至少一些結(jié)合以便形成一個(gè)接頭。因?yàn)橄Ｍ黾雍附硬僮髦械目偵a(chǎn)量，一直需要不產(chǎn)生具有次等質(zhì)量的焊縫的更快焊接操作。此外，需要提供可以在不利環(huán)境條件下(諸如在遠(yuǎn)程工作地點(diǎn))快速焊接的系統(tǒng)。如以下所描述的，本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供超過現(xiàn)有焊接技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)。此類優(yōu)點(diǎn)包括但不限于：使工件產(chǎn)生低扭曲的減小的總熱量輸入、非常高的焊接行進(jìn)速度、非常低的飛濺速率、在缺少保護(hù)的情況下焊接、在幾乎沒有飛濺的情況下以高速焊接電鍍材料或涂布材料、以及以高速焊接復(fù)合材料。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，使用涂布工件可以獲得與弧焊相比非常高的焊接速度，這些涂布工件典型地要求大量的準(zhǔn)備工作并且顯著減緩使用弧焊方法的焊接過程。作為一個(gè)實(shí)例，以下討論將聚焦在焊接鍍鋅工件上。金屬的鍍鋅用于增強(qiáng)金屬的耐腐蝕性，并且在許多行業(yè)應(yīng)用中是所希望的。然而，鍍鋅工件的常規(guī)焊接可能是有問題的。確切地，在焊接過程中，鍍鋅層中的鋅蒸發(fā)，并且此鋅蒸汽隨著焊接熔池的固化而可能被截留在熔池中，從而造成孔隙率。這種孔隙率對焊接接頭的強(qiáng)度造成不利影響。因?yàn)檫@一點(diǎn)，現(xiàn)有焊接技術(shù)要求有移除鍍鋅層(galvanization)的第一步驟或要求以較低處理速度焊穿鍍鋅層而具有一定水平的缺陷—這是低效的并且導(dǎo)致延遲、或要求該焊接過程緩慢進(jìn)行。通過減慢該過程，該焊接熔池保持熔融持續(xù)較長的時(shí)間段，從而允許蒸發(fā)的鋅逃逸。然而，因?yàn)槁?，生產(chǎn)速率是緩慢的并且到達(dá)焊縫中的總熱量輸入可能是高的?？赡軐?dǎo)致類似問題的其他涂層包括但不限于：油漆、沖壓潤滑劑、玻璃襯里、鋁涂層、表面熱處理、氮化處理或碳化處理、包覆處理、或其他蒸發(fā)涂層或材料。如以下所解釋的，本發(fā)明的示例性實(shí)施例消除了這些問題。

轉(zhuǎn)到圖6和圖6A(對應(yīng)地是橫截面視圖和側(cè)視圖)，示出了一個(gè)代表性焊接搭接接頭。在此圖中，兩個(gè)涂布(例如，鍍鋅)工件W1/W2有待通過一個(gè)搭接焊縫來接合。搭接接頭表面601和603初始地與工件W1的表面605一樣覆蓋有涂層。在一個(gè)典型的焊接操作(例如，GMAW)中，被覆蓋表面605的多個(gè)部分被熔融。這是因?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)焊接操作的典型穿透深度。因?yàn)楸砻?05被熔化，表面605上的涂層蒸發(fā)，但因?yàn)楸砻?05與焊池的表面的距離很大，這些氣體可能在該焊池固化時(shí)被截留。通過本發(fā)明的實(shí)施例，這并沒有發(fā)生。

如圖6和圖6A所示，激光束110從激光裝置120被引導(dǎo)到焊接接頭，確切地是表面601和603。激光束110具有用于使這些焊接表面的多個(gè)部分熔化以形成熔融熔池601A和603A(這形成一個(gè)總體上的焊接熔池)的能量密度。進(jìn)一步地，一根填充焊絲140—如先前所描述地被電阻加熱—被引導(dǎo)到該焊接熔池，以便提供焊珠所需的填充材料。與大多數(shù)焊接過程不同，填充焊絲140在該焊接過程中與該焊接熔池進(jìn)行接觸并且被插進(jìn)該焊接熔池中。這是因?yàn)檫@個(gè)過程并不使用焊弧來過渡填充焊絲140，而是簡單地使該填充焊絲熔化到該焊接熔池中。

因?yàn)樘畛浜附z140被預(yù)加熱到處于或接近其熔點(diǎn)，該填充焊絲出現(xiàn)在該焊接熔池中將不會明顯地使該熔池冷卻或固化，并且被快速地消耗到該焊接熔池中。填充焊絲140的總體操作和控制如先前相對于這些熔覆實(shí)施例所描述的。

因?yàn)榧す馐?10可以被精確聚焦并引導(dǎo)到這些表面601/603，這些池601A/603A的穿透深度可以得到精確控制。通過仔細(xì)地控制這個(gè)深度，本發(fā)明的實(shí)施例防止表面605的任何所不必要的穿透或熔化。因?yàn)楸砻?05未被過度熔化，表面605上的任何涂層并不蒸發(fā)并且不會被截留在該焊接熔池中。進(jìn)一步地，焊接接頭601和603的表面上的任何涂層容易被激光束110蒸發(fā)，并且該氣體被允許在該焊接熔池固化之前從焊接區(qū)逃逸。在此考慮了可以利用一個(gè)氣體抽引系統(tǒng)來幫助移除任何蒸發(fā)的涂層材料。

因?yàn)榭梢跃_控制焊接熔池的穿透深度，可以在顯著最小化或消除孔隙率的同時(shí)大大提高焊接涂布工件的速度。一些弧焊系統(tǒng)可以達(dá)到良好的焊接行進(jìn)速度，但在較高速度下，可能出現(xiàn)問題，諸如孔隙率和飛濺。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，可以在幾乎沒有孔隙率或飛濺的情況下實(shí)現(xiàn)非常高的行進(jìn)速度(如在此所討論)，并且事實(shí)上對于許多不同類型的焊接操作，可以輕松達(dá)到超過50英寸/分鐘的行進(jìn)速度。本發(fā)明的實(shí)施例可以達(dá)到超過80英寸/分鐘的焊接行進(jìn)速度。進(jìn)一步地，如在此所討論的，其他實(shí)施例可以在具有極小或沒有孔隙率或飛濺的情況下達(dá)到在100至150英寸/分鐘的范圍內(nèi)的行進(jìn)速度。當(dāng)然，所達(dá)到的速度將隨工件特性(厚度和組成)和焊絲特性(例如，直徑)而變，但當(dāng)使用本發(fā)明的實(shí)施例時(shí)，這些速度在許多不同的焊接和接合應(yīng)用中是可容易達(dá)到的。進(jìn)一步地，這些速度可以在100％的二氧化碳保護(hù)氣體下達(dá)到，或可以在根本沒有保護(hù)的情況下達(dá)到。另外地，這些行進(jìn)速度可以在不在形成焊接熔池和焊接之前移除任何表面涂層的情況下達(dá)到。當(dāng)然，在此考慮了可以達(dá)到更高的行進(jìn)速度。此外，因?yàn)闇p小的到達(dá)焊縫中的熱量輸入，可以在較薄工件115中達(dá)到這些高速度，這些較薄工件因?yàn)楸仨毐３譄崃枯斎牒艿鸵员惚苊馀で湫偷鼐哂休^慢的焊接速度。本發(fā)明的實(shí)施例不僅可以在幾乎沒有孔隙率或飛濺的情況下達(dá)到以上所描述的高行進(jìn)速度，它們還可以在具有低摻和的情況下達(dá)到非常高的熔敷速率。確切地，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒有保護(hù)氣體并且?guī)缀鯖]有孔隙率或飛濺的情況下達(dá)到10lb/hr或更高的熔敷速率。在一些實(shí)施例中，該熔敷速率是在10lb/hr至20lb/hr的范圍內(nèi)。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，可以在幾乎沒有孔隙率并且?guī)缀鯖]有飛濺的情況下達(dá)到這些極其高的行進(jìn)速度。焊縫的孔隙率可以通過檢查焊珠的橫截面和/或長度以便識別孔隙比來確定。該橫截面孔隙比是一個(gè)給定橫截面中的總孔隙面積比該焊接接頭在該點(diǎn)處的總橫截面積。該長度孔隙比是焊接接頭的一個(gè)給定單位長度中的孔的總累計(jì)長度。本發(fā)明的實(shí)施例可以在0％與20％之間的橫截面孔隙率的情況下達(dá)到以上所描述的行進(jìn)速度。因此，沒有氣泡或空腔的焊珠將具有0％的孔隙率。在其他示例性實(shí)施例中，該橫截面孔隙率可以是在0％至10％的范圍內(nèi)，并且在另一個(gè)示例性實(shí)施例中可以是在2％至5％的范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解在一些焊接應(yīng)用中，某個(gè)電平的孔隙率是可接受的。進(jìn)一步地，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，該焊縫的長度孔隙率是在0％至20％的范圍內(nèi)，并且可以是0％至10％。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，該長度孔隙比是在1％至5％的范圍內(nèi)。因此，例如，可以產(chǎn)生具有在2％至5％的范圍內(nèi)的橫截面孔隙率以及為1％至5％的長度孔隙比的焊縫。

此外，本發(fā)明的實(shí)施例可以在幾乎沒有飛濺的情況下在以上所識別的行進(jìn)速度下進(jìn)行焊接。飛濺在致使該焊接熔池的熔滴飛濺到焊接區(qū)之外時(shí)發(fā)生。當(dāng)焊接飛濺發(fā)生時(shí)，它可能危害到焊縫的質(zhì)量，并且由于在焊接過程之后典型地必須將其從這些工件上清除掉而可能導(dǎo)致生產(chǎn)延遲。因此，在沒有飛濺的情況下以高速進(jìn)行焊接具有極大益處。本發(fā)明的實(shí)施例能夠在具有在0至0.5的范圍內(nèi)的飛濺系數(shù)的情況下在以上高行進(jìn)速度下進(jìn)行焊接，其中該飛濺系數(shù)是一個(gè)給定行進(jìn)距離X內(nèi)的飛濺的重量(以mg計(jì))比在該同一距離X內(nèi)的所消耗填充焊絲140的重量(以Kg計(jì))。即：

飛濺系數(shù)＝(飛濺重量(mg)/所消耗填充焊絲重量(Kg))

該距離X應(yīng)當(dāng)是允許對焊接接頭進(jìn)行代表性采樣的距離。也就是說，如果該距離X過短(例如，0.5英寸)，它可能不代表該焊縫。因此，具有為0的飛濺系數(shù)的焊接接頭對于針對距離X之上的所消耗填充焊絲將不具有飛濺，并且飛濺系數(shù)為2.5的焊縫針對2Kg的消耗填充焊絲具有5mg的飛濺。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，飛濺系數(shù)是在0至1的范圍內(nèi)。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，飛濺系數(shù)是在0至0.5的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，飛濺系數(shù)是在0至3的范圍內(nèi)或是在0至0.3的范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的實(shí)施例可以在使用任何外部保護(hù)或不使用任何外部保護(hù)情況下實(shí)現(xiàn)以上所描述的飛濺系數(shù)范圍，該外部保護(hù)包括保護(hù)氣體或焊劑保護(hù)。此外，當(dāng)焊接未涂布工件或涂布工件(包括鍍鋅工件—在無需在焊接操作之前移除鍍鋅層的情況下)達(dá)到以上飛濺系數(shù)范圍。

存在用于測量焊接接頭的飛濺的多種方法。一種方法可以包括使用“飛濺舟皿”。針對這種方法，代表性焊縫樣本被放置在具有足夠大小的容器中，以便捕獲由焊珠生成的所有、或幾乎所有的飛濺。該容器或容器部分(諸如頂部)可以隨焊接過程移動以便確保飛濺被捕獲。典型地，該舟皿由銅制成，所以飛濺不粘到表面。該代表性焊接在容器底部上執(zhí)行，這樣使得在焊接過程中所形成的任何飛濺將落入該容器中。在該焊接過程中，監(jiān)測消耗的填充焊絲量。在完成該焊縫之后，該飛濺舟皿將由具有充分準(zhǔn)確度的裝置稱重，以便確定容器的焊接前重量與焊接后重量之間的差異(如果存在)。此差異表示飛濺的重量并且隨后除以所消耗的填充焊絲量(以Kg計(jì))?？商娲兀绻w濺未粘到該舟皿上，可以將該飛濺移除并且單獨(dú)地稱重。

如先前所描述的，激光裝置120的使用允許精確控制焊接熔池的深度。此外，激光器120的使用允許容易地調(diào)整該焊接熔池的大小和深度。這是因?yàn)榧す馐?10可以容易地被聚焦/散焦，或非常容易地改變其光束強(qiáng)度。因?yàn)檫@些能力，工件W1和W2上的熱分布可以得到精確控制。這種控制允許形成非常窄的焊接熔池，以用于精確焊接并且最小化工件上的焊接區(qū)的大小。這還在使工件的不受焊珠影響的區(qū)域最小化方面提供優(yōu)點(diǎn)。確切地，這些工件鄰近該焊珠的這些區(qū)域?qū)⒂捎诤附硬僮鞫艿阶钌儆绊?，弧焊操作中的情況通常不是這樣。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，可以在該焊接過程中調(diào)整/改變光束110的形狀和/或強(qiáng)度。例如，在一個(gè)工件上的某些地方處，可能有必要改變穿透深度或改變焊珠的大小。在此類實(shí)施例中，可以在該焊接過程中調(diào)整光束110的形狀、強(qiáng)度、和/或大小，以便提供所需的焊接參數(shù)變化。

如以上所描述的，填充焊絲140與激光束110沖擊同一焊接熔池。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，填充焊絲140與激光束110沖擊焊接熔池的同一位置處。然而，在其他示例性實(shí)施例中，填充焊絲140可以遠(yuǎn)離該激光束地沖擊同一焊接熔池。在圖6A所示的實(shí)施例中，填充焊絲140在焊接操作過程中尾隨光束110。然而，那不是必要的，因?yàn)樘畛浜附z140可以被定位在前導(dǎo)位置中。本發(fā)明在此方面不受限制，因?yàn)樘畛浜附z140可以相對于光束110被定位在其他位置處，只要填充焊絲140與光束110沖擊同一焊接熔池即可。

以上所描述的實(shí)施例是相對于具有涂層(諸如，鍍鋅層)的工件描述的。然而，本發(fā)明的實(shí)施例也可以在沒有涂層的工件上使用。確切地，相同的以上所描述的焊接過程可以與未涂布工件一起利用。此類實(shí)施例達(dá)到如以上關(guān)于涂布金屬所描述的相同性能屬性。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的示例性實(shí)施例不限于焊接鋼工件，而是也可以用于焊接鋁或更復(fù)雜的金屬，如以下將進(jìn)一步描述的。

本發(fā)明的另一個(gè)有益方面涉及保護(hù)氣體。在典型的弧焊操作中，使用一種保護(hù)氣體或保護(hù)焊劑來防止大氣中的氧和氮、或其他有害元素與焊接熔池和金屬過渡相互作用。這種干擾對于焊縫的質(zhì)量和外觀可能是不利的。因此，在幾乎所有的弧焊過程中，通過使用以下各項(xiàng)來提供保護(hù)：外部供應(yīng)的保護(hù)氣體、通過消耗其上具有焊劑的焊條(例如，棒狀焊條、焊劑芯焊條等)所形成的保護(hù)氣體、或外部供應(yīng)的粒狀焊劑(例如，亞弧焊(sub-arc welding))。進(jìn)一步地，在一些焊接操作(諸如，焊接專門的金屬或焊接鍍鋅工件)中，必須采用一種特殊的保護(hù)氣體混合物。此類混合物可能是極其昂貴的。進(jìn)一步地，當(dāng)在極端環(huán)境中焊接時(shí)，通常難以將大量保護(hù)氣體運(yùn)輸?shù)焦ぷ鞯攸c(diǎn)(諸如，在流水線處)，或者風(fēng)傾向于將該保護(hù)氣體吹離電弧。進(jìn)一步地，煙霧抽引系統(tǒng)的使用近年來已有所增長。盡管這些系統(tǒng)傾向于移除煙霧，它們也傾向于抽走保護(hù)氣體(如果被放置成靠近該焊接操作的話)。

本發(fā)明的益處包括能夠在焊接時(shí)使用極少量的保護(hù)氣體或不使用保護(hù)氣體?？商娲?，本發(fā)明的實(shí)施例允許使用正常地將不能夠被用于特定焊接操作的保護(hù)氣體。這在下文進(jìn)行了進(jìn)一步討論。

當(dāng)利用弧焊過程來焊接典型工件(未涂布的)時(shí)，無論保護(hù)的形式如何都需要保護(hù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)利用本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行焊接時(shí)，不需要保護(hù)。也就是說，不需要使用保護(hù)氣體、粒狀焊劑以及自保護(hù)焊條。然而，不同于弧焊過程，本發(fā)明產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)焊縫(quality weld)。也就是說，可以在不使用任何保護(hù)的情況下達(dá)到以上所描述的焊接速度。這是利用先前弧焊過程所不能實(shí)現(xiàn)的。

在一個(gè)典型的弧焊過程中，填充焊絲的一滴熔融熔滴通過焊弧而從該填充焊絲過渡到焊接熔池。在沒有保護(hù)的情況下，該熔滴的整個(gè)表面在過渡過程中暴露于大氣，并且因此傾向于拾取大氣中的氮和氧并且將氮和氧遞送到該焊接熔池。這是所不希望的。

因?yàn)楸景l(fā)明并不使用熔滴(或類似過程)來向焊接遞送填充焊絲，該填充焊絲并不那么多地暴露于大氣。因此，在許多焊接應(yīng)用中，不需要使用保護(hù)。這樣，本發(fā)明的實(shí)施例不僅可以在幾乎沒有孔隙率或飛濺的情況下達(dá)到高焊接速度，它們還可以在不使用保護(hù)氣體的情況下達(dá)到高焊接速度。

在不用必須使用保護(hù)的情況下，有可能在焊接過程中將一個(gè)煙霧抽引管嘴定位成更靠近焊接接頭，從而提供更高效且有效的煙霧抽引。當(dāng)采用一種保護(hù)氣體時(shí)，必須將該煙霧抽引管嘴放置在一個(gè)位置處，這樣使得它不干擾該保護(hù)氣體的功能。因?yàn)楸景l(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)，不存在此類限制并且可以優(yōu)化煙霧抽引。例如，在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，激光束110受激光護(hù)套組件1901保護(hù)，該激光護(hù)套組件從激光器120到工件115的表面附近地庇護(hù)該光束。圖19中可以看見這種情況的表示。護(hù)套1901(以橫截面示出)在操作過程中保護(hù)光束110免受干擾并且提供另外的安全性。此外，該護(hù)套可以聯(lián)接到將任何焊煙從焊接區(qū)抽走的一個(gè)煙霧抽引系統(tǒng)1903上。因?yàn)閷?shí)施例可以在沒有保護(hù)氣體的情況下被利用，護(hù)套1901可以被定位成非?？拷摵缚p以便直接將煙霧從該焊接區(qū)抽走。事實(shí)上，護(hù)套1901可以被定位成使得其在該焊縫上方的距離Z在0.125至0.5英寸的范圍內(nèi)。當(dāng)然，可以使用其他距離，但必須注意不干擾該焊接熔池或不顯著減弱護(hù)套1901的有效性。因?yàn)闊熿F抽引系統(tǒng)1903通常是焊接行業(yè)中已了解的且已知的，在此將不再詳細(xì)討論它們的構(gòu)造和操作。盡管圖19示出護(hù)套1901僅保護(hù)光束110，護(hù)套1901當(dāng)然有可能被構(gòu)造成使得它包圍焊絲140和導(dǎo)電嘴160的至少一部分。例如，護(hù)套1901的底部開口有可能大得足以覆蓋幾乎整個(gè)焊接熔池或甚至大于該焊接熔池，以便增強(qiáng)煙霧抽引。

在本發(fā)明的用于焊接涂布工件(諸如，鍍鋅工件)的示例性實(shí)施例中，可以采用一種便宜很多的保護(hù)氣體。例如，可以使用100％的CO₂保護(hù)氣體以用于焊接許多不同的材料，包括低碳鋼。這在焊接更復(fù)雜的金屬(諸如，不銹鋼、雙煉鋼和超雙煉鋼)時(shí)也是如此，這些更復(fù)雜的金屬可以在僅100％的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體下被焊接。在典型的弧焊操作中，不銹鋼、雙煉鋼或超雙煉鋼的焊接需要可能相當(dāng)昂貴的更復(fù)雜的保護(hù)氣體混合物。本發(fā)明的實(shí)施例允許在僅100％的氮保護(hù)氣體下焊接這些鋼。進(jìn)一步地，其他實(shí)施例可以在沒有保護(hù)的情況下焊接這些鋼。在用于鍍鋅材料的典型焊接過程中，必須利用一種特殊的混合保護(hù)氣體，諸如氬/CO₂共混物。至少部分地因?yàn)樵谡５幕『高^程中在該焊接區(qū)中存在陰極和陽極，需要使用這種類型的氣體。然而，如以上所解釋以及以下進(jìn)一步解釋的，不存在焊弧，并且這樣在該焊接區(qū)中不存在陽極或陰極。因此，由于不存在電弧以及熔滴過渡，填充金屬從大氣拾取有害元素的可能性大大減小。應(yīng)當(dāng)注意，盡管本發(fā)明的許多實(shí)施例允許在不使用保護(hù)(像保護(hù)氣體)的情況下進(jìn)行焊接，可以在該焊縫之上利用氣體流以便將蒸汽或污染物從該焊接區(qū)移除。也就是說，在焊接過程中，考慮到可以在該焊縫之上吹出空氣、氮、CO₂、或其他氣體以便將污染物從該焊接區(qū)移除。

除能夠以高速焊接涂布材料之外，本發(fā)明的實(shí)施例還可以被利用來焊接雙相鋼而具有顯著減小的熱影響區(qū)(“HAZ”)。雙相鋼是一種高強(qiáng)度鋼，其具有鐵氧體和馬氏體微結(jié)構(gòu)兩者，因此允許這種鋼具有高強(qiáng)度和良好可成形性。因?yàn)殡p相鋼的本質(zhì)，雙相鋼焊縫的強(qiáng)度受熱影響區(qū)的強(qiáng)度限制。熱影響區(qū)是在焊接接頭周圍的區(qū)域(不包括填充金屬)，該區(qū)域因焊接過程而顯著被加熱，這樣使得其微結(jié)構(gòu)因?yàn)榛『高^程而不利地改變。在已知的弧焊過程中，因?yàn)殡娀〉入x子體的大小和到達(dá)焊接區(qū)中的高熱量輸入，熱影響區(qū)是相當(dāng)大的。因?yàn)樵摕嵊绊憛^(qū)相當(dāng)大，該熱影響區(qū)變成該焊縫的強(qiáng)度限制部分。這樣，由于不必使用高強(qiáng)度焊條，弧焊過程典型地使用低碳鋼填充焊絲140來焊接此類接頭(例如，ER70S-6或ER70S-3型焊條)。此外，因?yàn)檫@一點(diǎn)，設(shè)計(jì)師必須策略性地將雙相鋼中的焊接接頭定位在高應(yīng)力結(jié)構(gòu)之外，諸如定位在框架、緩沖器、發(fā)動機(jī)支座等之中。

如以上所討論的，激光裝置120的使用提供了形成焊接熔池方面的高精確度水平。因?yàn)檫@種精確度，可以保持圍繞焊珠的熱影響區(qū)非常小，或可以使該熱影響區(qū)對工件的整體影響最小化。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，可以幾乎消除工件的熱影響區(qū)。這通過將激光束110的焦點(diǎn)僅維持在工件的有待在其中形成熔池的這些部分上來實(shí)現(xiàn)。通過顯著減小該熱影響區(qū)的大小，基底金屬的強(qiáng)度受到的危害不如使用弧焊過程的情況那么大。這樣，該熱影響區(qū)的存在或位置不再是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的限制因素。因?yàn)槭枪ぜ慕M成和強(qiáng)度以及填充焊絲的強(qiáng)度而不是熱影響區(qū)可以是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的驅(qū)動因素，本發(fā)明的實(shí)施例允許使用較高強(qiáng)度的填充焊絲。例如，本發(fā)明的實(shí)施例現(xiàn)在允許使用具有至少80ksi屈服強(qiáng)度的焊條，諸如ER80S-D2型焊條。當(dāng)然，這種焊條旨在是示例性的。此外，因?yàn)橐虼藖碜曰『傅目偀崃枯斎胼^少，該熔池的冷卻速率將是較快的，這意味著與現(xiàn)有焊絲相比，所使用的這些填充焊絲的化學(xué)成分可以是更稀的但給出相等或更高的性能。

此外，本發(fā)明的示例性實(shí)施例可以用于在顯著降低的焊接要求下焊接鈦。已知在通過弧焊過程焊接鈦時(shí)，必須非常小心以便確保形成可接受的焊縫。這是因?yàn)樵谠摵附舆^程中，鈦具有與氧發(fā)生反應(yīng)的強(qiáng)親和性。鈦與氧之間的反應(yīng)形成二氧化鈦，二氧化鈦如果存在于焊接熔池中則可能顯著減小焊接接頭的強(qiáng)度和/或延展性。因?yàn)檫@一點(diǎn)，在焊接鈦時(shí)必須提供大量的尾隨保護(hù)氣體，以便在尾隨的熔融熔池冷卻時(shí)不僅將電弧還將熔池與大氣屏蔽開。因?yàn)橛苫『干傻臒崃?，該焊接熔池可能相?dāng)大并且保持熔融持續(xù)長時(shí)間段，因此需要大量的保護(hù)氣體。本發(fā)明的實(shí)施例顯著減少該材料被熔融并快速冷卻的時(shí)間，所以降低了對這種額外保護(hù)氣體的需要。

如以上所解釋的，激光束110可以被非常仔細(xì)地聚焦以便顯著減小到達(dá)該焊接區(qū)中的總熱量輸入，并且因此顯著減小該焊接熔池的大小。因?yàn)樵摵附尤鄢厥禽^小的，該焊接熔池的冷卻要快得多。這樣，不需要尾隨保護(hù)氣體，而是僅在焊縫處需要保護(hù)。進(jìn)一步地，出于以上討論的類似原因，在提高焊接速率的同時(shí)，大大減小了焊接鈦時(shí)的飛濺系數(shù)。

現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖7和圖7A，示出了一個(gè)開根型焊接接頭。開根接頭常常用于焊接厚的板和管道，并且常常在遠(yuǎn)程位置和環(huán)境困難的位置中發(fā)生。存在數(shù)種已知的焊接開根接頭的方法，包括手工電弧焊(SMAW)、氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW)、氣體保護(hù)金屬弧焊(GMAW)、焊劑芯弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)、以及自保護(hù)焊劑芯弧焊(FCAW-S)。這些焊接工藝具有不同的缺點(diǎn)，包括對保護(hù)的需要、速度限制、形成焊渣等。

因此，本發(fā)明的實(shí)施例大大提高了可以執(zhí)行這些類型的焊接的效率和速度。確切地，可以消除或大大減少保護(hù)氣體的使用，并且可以完全消除焊渣的生成。此外，可以在極小飛濺和孔隙率的情況下實(shí)現(xiàn)以高速進(jìn)行的焊接。

圖7和圖7A示出了通過本發(fā)明的示例性實(shí)施例焊接的代表性開根焊接接頭。當(dāng)然，本發(fā)明的實(shí)施例可以被利用來焊接多種多樣的焊接接頭，不只是搭接型接頭或開根型接頭。在圖7中，示出了在工件W1/W2之間的間隙705，并且每個(gè)對應(yīng)工件對應(yīng)地具有一個(gè)成角表面701/703。正如以上所討論的，本發(fā)明的實(shí)施例使用一個(gè)激光裝置120來在這些表面701/703上形成一個(gè)精確的熔融熔池，并且對應(yīng)地，一根預(yù)加熱填充焊絲(未示出)被熔敷到這些熔池中，如以上所描述的。

事實(shí)上，本發(fā)明的示例性實(shí)施例不限于將單根填充焊絲引導(dǎo)到每個(gè)對應(yīng)焊接熔池。因?yàn)樵谠诖怂枋龅暮附舆^程中不生成焊弧，多于一根填充焊絲可以被引導(dǎo)到任一個(gè)焊接熔池。通過增加到一個(gè)給定焊接熔池的填充焊絲的數(shù)目，該焊接過程的總?cè)鄯笏俾士梢栽跊]有顯著增加熱量輸入的情況下得到顯著增加。因此，考慮到可以在單個(gè)焊道中填充開根焊接接頭(諸如圖7和7A所示的類型)。

進(jìn)一步地，如圖7所示，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，多個(gè)激光束110和110A可以同時(shí)被利用來使該焊接接頭中的多于一個(gè)位置熔化。這可以用多種方式來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)第一實(shí)施例中，如圖7所示，一個(gè)光束分離器121被利用并且聯(lián)接到激光裝置120上。光束分離器121是了解激光裝置的技術(shù)人員已知的，并且在此不需要詳細(xì)討論。光束分離器121將來自激光裝置120的光束分成兩個(gè)(或更多個(gè))獨(dú)立光束110/110A，并且可以將它們引導(dǎo)到兩個(gè)不同的表面。在這種實(shí)施例中，多個(gè)表面可以同時(shí)被輻照，從而提供進(jìn)一步的焊接精確度和準(zhǔn)確度。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)獨(dú)立光束110和110A可以由一個(gè)獨(dú)立激光裝置形成，這樣使得每個(gè)光束是從其自己專用的裝置發(fā)射的。

在這種實(shí)施例中，使用多個(gè)激光裝置，可以改變焊接操作的許多方面以便適應(yīng)不同的焊接需要。例如，由這些獨(dú)立激光裝置生成的這些光束可以具有不同能量密度；在焊接接頭處可以具有不同形狀、和/或不同橫截面面積。利用此靈活性，可以修改并定制焊接過程的多方面以便滿足所需的任何特定焊接參數(shù)。當(dāng)然，這也可以通過利用單個(gè)激光裝置和一個(gè)光束分離器121來實(shí)現(xiàn)，但在使用該單個(gè)激光源的情況下，一些靈活性可能受到限制。進(jìn)一步地，本發(fā)明不限于單激光器配置抑或雙激光器配置，因?yàn)榭紤]到可以如所希望地使用任何數(shù)目的激光器。

在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，可以使用一個(gè)光束掃描裝置。此類裝置在激光或光束發(fā)射領(lǐng)域中是已知的，并且用于在工件的一個(gè)表面上以一種圖案來掃描光束110。通過此類裝置，可以用所希望的方式使用掃描速率和圖案以及停留時(shí)間來加熱工件115。進(jìn)一步地，能源(例如，激光器)的輸出功率可以如所希望地被調(diào)節(jié)以便形成所希望的熔池結(jié)構(gòu)。另外地，可以基于所希望的操作和接頭參數(shù)來優(yōu)化激光器120中所采用的光學(xué)器件。例如，可以利用線光學(xué)器件和積分器光學(xué)器件來提供用于廣泛的焊接或包覆操作的一個(gè)聚焦線光束，或可以使用一個(gè)積分器來產(chǎn)生具有均勻功率分布的一個(gè)方形/矩形光束。

圖7A描繪了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中單個(gè)光束110被引導(dǎo)到開根接頭以便使這些表面701/703熔化。

因?yàn)檫@些激光束110和110A的精確度，這些光束110/110A可以僅聚焦在這些表面701/703上并且遠(yuǎn)離間隙705。因?yàn)檫@一點(diǎn)，可以控制熔穿(這通常將通過間隙705掉落)，這大大改進(jìn)了對背側(cè)焊珠(在間隙705的底部表面處的焊珠)的控制。

在圖7和圖7A中的每一幅中，一個(gè)間隙705存在于這些工件W1與W2之間，該間隙填充有焊珠707。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，這個(gè)焊珠705是由一個(gè)激光裝置(未示出)形成的。因此，例如，在一個(gè)焊接操作過程中，一個(gè)第一激光裝置(未示出)將一個(gè)第一激光束(未示出)引導(dǎo)到間隙705以便利用焊珠707將工件W1和W2焊接在一起，而一個(gè)第二激光裝置120將至少一個(gè)激光束110/110A引導(dǎo)到這些表面701/703以便在一根或多根填充焊絲(未示出)被熔敷以便完成焊縫的位置處形成焊接熔池。如果該間隙是足夠小的，間隙焊珠707可以僅由一個(gè)激光器來形成，或者如果間隙705需要的話，該間隙焊珠可以通過使用一個(gè)激光器和一根填充焊絲來形成。確切地，可能必須添加填充金屬以便適當(dāng)?shù)靥畛溟g隙705，并且因此應(yīng)當(dāng)使用填充焊絲。這個(gè)間隙焊珠705的形成類似于以上相對于本發(fā)明的不同示例性實(shí)施例所描述的形成。

應(yīng)當(dāng)注意，這些高強(qiáng)度能源(諸如在此所討論的激光裝置120)應(yīng)當(dāng)是以下類型的：具有足以提供所希望的焊接操作所需的能量密度的功率。也就是說，激光裝置120應(yīng)當(dāng)具有足以在整個(gè)焊接過程中形成并維持一個(gè)穩(wěn)定焊接熔池并且還達(dá)到所希望的焊透深度的功率。例如，對于一些應(yīng)用來說，激光器應(yīng)當(dāng)具有對正被焊接的工件“形成鎖眼”的能力。這意味著該激光器應(yīng)當(dāng)具有足以完全穿透該工件、同時(shí)在該激光器沿著該工件行進(jìn)時(shí)維持穿透水平的功率。示例性激光器應(yīng)當(dāng)具有在1kW至20kW范圍內(nèi)的功率容量，并且可以具有在5kW至20kW范圍內(nèi)的功率容量。可以利用較高功率激光器，但可能變得非常昂貴。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)注意，光束分離器121或多個(gè)激光器的使用也可以在其他類型的焊接接頭中使用，并且可以在搭接接頭(諸如圖6和圖6A所示的那些)中使用。

圖7B描繪了本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例中，示出了一個(gè)狹窄凹槽、深開根接頭。當(dāng)弧焊深接頭(在深度上大于1英寸)時(shí)，當(dāng)該凹槽的間隙G狹窄時(shí)，可能難以焊接該接頭的底部。這是因?yàn)殡y以有效地將保護(hù)氣體遞送到這種深凹槽中，并且該凹槽的窄壁可能對焊弧的穩(wěn)定性造成干擾。因?yàn)樵摴ぜ湫偷厥呛F材料，該接頭的壁可能磁性地干擾焊弧。因?yàn)檫@一點(diǎn)，當(dāng)使用典型的弧焊程序時(shí)，該凹槽的間隙G需要是足夠?qū)挼模@樣使得該電弧保持穩(wěn)定。然而，該凹槽越寬，就需要越多的填充金屬來完成該焊縫。因?yàn)楸景l(fā)明的實(shí)施例不需要保護(hù)氣體并且不使用焊弧，這些問題得以最小化。這允許本發(fā)明的實(shí)施例高效地且有效地焊接深的、狹窄的凹槽。例如，在本發(fā)明的其中工件115具有大于1英寸的厚度的一個(gè)示例性實(shí)施例中，間隙寬度G是在填充焊絲140的直徑的1.5倍至2倍的范圍內(nèi)，并且側(cè)壁角是在0.5度至10度的范圍內(nèi)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，這種焊接接頭的根部焊道預(yù)備區(qū)(preparation)可以具有在1mm至3mm的范圍內(nèi)的一個(gè)間隙RG，具有在1/16英寸至1/4英寸的范圍內(nèi)的一個(gè)焊區(qū)。因此，與正常弧焊過程相比，可以更快地并且利用少得多的填充材料來焊接深開根接頭。進(jìn)一步地，因?yàn)楸景l(fā)明的多方面將少得多的熱量引入到焊接區(qū)中，嘴160可以被設(shè)計(jì)成促進(jìn)更靠近地遞送到焊接熔池以便避免與側(cè)壁接觸。也就是說，嘴160可以被制成是較小的并且被構(gòu)造為具有狹窄結(jié)構(gòu)的一個(gè)絕緣引導(dǎo)件。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，可以使用一個(gè)平移裝置或機(jī)構(gòu)來橫跨焊縫的寬度移動激光器和焊絲，以便同時(shí)焊接該接頭的兩側(cè)。

如圖8所示，可以利用本發(fā)明的實(shí)施例來焊接一個(gè)對接型接頭。在圖8中，示出了一個(gè)平齊的對接型接頭，然而考慮到也可以焊接在焊接接頭的上表面和底表面上具有v形缺口的對接型接頭。在圖8所示的實(shí)施例中，兩個(gè)激光裝置120和120A被示出為位于該焊接接頭的任一側(cè)上，各自對應(yīng)地形成其自己的焊接熔池801和803。像圖7和圖7A，這些加熱的填充焊絲未被示出，因?yàn)樗鼈兾搽S在所示視圖中的這些激光束110/110A之后。

當(dāng)利用已知的電弧技術(shù)來焊接對接型接頭時(shí)，關(guān)于“電弧偏吹”可能存在很大問題，“電弧偏吹”在焊弧所生成的磁場彼此干擾、這樣使得這些電弧導(dǎo)致彼此不規(guī)律地移動時(shí)發(fā)生。進(jìn)一步地，當(dāng)正使用兩個(gè)或更多個(gè)弧焊系統(tǒng)在同一焊接接頭上進(jìn)行焊接時(shí)，可能存在由對應(yīng)焊接電流的干擾所導(dǎo)致的很大問題。另外地，因?yàn)榛『阜椒ǖ拇┩干疃?，部分地由于高熱量輸入，可以利用電弧在焊接接頭的任一側(cè)上焊接的工件的厚度受到限制。也就是說，不能在薄工件上進(jìn)行這樣的焊接。

當(dāng)利用本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行焊接時(shí)，這些問題得以消除。因?yàn)闆]有利用焊弧，不存在電弧偏吹干擾或焊接電流干擾問題。進(jìn)一步地，因?yàn)橥ㄟ^使用激光器能夠?qū)崃枯斎牒痛┩干疃冗M(jìn)行精確控制，可以同時(shí)在焊接接頭的兩側(cè)上焊接薄得多的工件。

圖9中示出了本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)激光束110和110A被(彼此成一直線地)利用來形成一種獨(dú)特的焊縫輪廓。在所示實(shí)施例中，一個(gè)第一光束110(從一個(gè)第一激光裝置120發(fā)射)用于形成具有一個(gè)第一橫截面面積和深度的焊接熔池901的第一部分，而一個(gè)第二光束110A(從一個(gè)第二激光裝置—未示出—發(fā)射)用于形成具有一個(gè)第二橫截面面積和深度的焊接熔池903的第二部分，該第二橫截面面積和深度與該第一橫截面面積和深度不同。這個(gè)實(shí)施例可以在希望使焊珠的一部分具有比該焊珠的剩余部分更深的穿透深度時(shí)使用。例如，如圖9所示，熔池901被制成比被制成更寬且更淺的焊接熔池903更深且更狹窄。這種實(shí)施例可以在在這些工件相遇處需要一個(gè)深穿透水平、但該焊接接頭的整個(gè)部分不需要該深穿透水平時(shí)使用。

在本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，第一熔池903可以是形成接頭的焊縫的焊接熔池。這個(gè)第一熔池/接頭是利用一個(gè)第一激光器120和一根填充焊絲(未示出)形成的，并且被制成達(dá)到適當(dāng)?shù)拇┩干疃?。在制成這個(gè)焊接接頭之后，發(fā)射一個(gè)第二激光束110A的一個(gè)第二激光(未示出)在該接頭之上經(jīng)過，以便形成具有不同輪廓的一個(gè)第二熔池903，其中該第二熔池用于如關(guān)于以上實(shí)施例所討論地熔敷某種覆蓋層。這個(gè)覆蓋層將是使用一根第二填充焊絲來熔敷的，該第二填充焊絲具有與第一填充焊絲不同的化學(xué)成分。例如，本發(fā)明的實(shí)施例可以用于在焊接該接頭之后不久或立即地在該焊接接頭上放置一個(gè)耐腐蝕復(fù)合層。這個(gè)焊接操作也可以利用單個(gè)激光裝置120來完成，其中光束110在一個(gè)第一光束形狀/密度與一個(gè)第二光束形狀/密度之間振蕩以便提供所希望的焊接熔池輪廓。因此，沒有必要采用多個(gè)激光裝置。

如以上所解釋的，這些工件上的一個(gè)耐腐蝕涂層(諸如，鍍鋅層)在焊接過程中被移除。然而，可能希望出于耐腐蝕目的而再次涂覆焊接接頭，并且因此可以使用第二光束110A和激光來在接頭901的頂部上添加一個(gè)耐腐蝕覆蓋層903(諸如，復(fù)合層)。

因?yàn)楸景l(fā)明的不同優(yōu)點(diǎn)，也有可能經(jīng)由一個(gè)焊接操作容易地接合異種金屬。通過一個(gè)弧焊過程來接合異種金屬是困難的。這種困難是由于許多原因，包括與控制熱量輸入有關(guān)并且因此與焊接金屬的化學(xué)成分有關(guān)的問題，這些問題可能會導(dǎo)致所不希望的特性和缺陷，從而導(dǎo)致劣質(zhì)焊縫。當(dāng)試圖將具有非常不同的熔化溫度的鋁和鋼電弧焊接在一起時(shí)尤其如此，或當(dāng)嘗試將不銹鋼焊接到低碳鋼時(shí)尤其如此(因?yàn)槠洳煌幕瘜W(xué)成分)。然而，利用本發(fā)明的實(shí)施例，此類問題得以減輕。

圖10A描繪了本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例。盡管示出了一個(gè)V型接頭，本發(fā)明在此方面不受限制。在圖10中，兩種異種金屬被示出為在一個(gè)焊接接頭1000處被接合。在這個(gè)實(shí)例中，這兩種異種金屬是鋁和鋼。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，采用了兩個(gè)不同激光源1010和1020。然而，并非在所有實(shí)施例中都需要兩個(gè)激光裝置，因?yàn)閱蝹€(gè)裝置可以是振蕩的，以便提供使這兩種不同材料熔化所需的能量，這將在下文進(jìn)一步討論。激光器1010發(fā)射指向鋼工件的光束1011，并且激光器1020發(fā)射指向鋁工件的光束1021。因?yàn)閷?yīng)工件中的每一個(gè)是由不同的金屬或合金制成，它們具有不同的熔化溫度。這樣，對應(yīng)激光束1011/1021中的每一個(gè)在焊接熔池1012和1022處具有不同的能量密度。因?yàn)橄喈惖哪芰棵芏?，對?yīng)焊接熔池1012和1022中的每一個(gè)可以被維持在適當(dāng)?shù)拇笮『蜕疃忍?。這也防止在具有較低熔化溫度的工件(例如，鋁)中的過度穿透和熱量輸入。在一些實(shí)施例中，至少因?yàn)樵摵附咏宇^，不需要具有兩個(gè)獨(dú)立的、離散的焊接熔池(如圖10A所示)，而是可以通過兩個(gè)工件形成單個(gè)焊接熔池，其中每個(gè)工件的熔化部分形成單個(gè)熔池。進(jìn)一步地，如果這些工件具有不同的化學(xué)成分但具有類似的熔化溫度，有可能使用單個(gè)光束來同時(shí)輻照兩個(gè)工件，但應(yīng)當(dāng)理解，一個(gè)工件將比另一個(gè)更多地熔化。進(jìn)一步地，如以上簡單描述的，有可能使用單個(gè)能源(像激光裝置120)來輻照兩個(gè)工件。例如，一個(gè)激光裝置120可以使用一個(gè)第一光束形狀和/或能量密度來使第一工件熔化，并且隨后振蕩/改變到一個(gè)第二光束形狀和/或能量密度來使第二工件熔化。這些光束特征的振蕩和改變應(yīng)當(dāng)以足夠的速率來完成，以便確保兩個(gè)工件的適當(dāng)熔化得以維持，這樣使得一個(gè)或多個(gè)焊接熔池在焊接過程中保持穩(wěn)定且一致。其他單光束實(shí)施例可以利用具有一種形狀的一個(gè)光束110，該形狀向一個(gè)工件比向另一個(gè)提供更多的熱量輸入以便確保每個(gè)工件的充分熔化。在此類實(shí)施例中，對于該光束的橫截面來說，該光束的能量密度可以是均勻的。例如，光束110可以具有梯形或三角形形狀，這樣使得因?yàn)樵摴馐男螤?，到達(dá)一個(gè)工件中的總熱量輸入將小于另一個(gè)工件?？商娲?，一些實(shí)施例可以使用在其橫截面中具有不均勻能量分布的光束110。例如，光束110可以具有矩形形狀(這樣使得它沖擊兩個(gè)工件)，但該光束的一個(gè)第一區(qū)域?qū)⒕哂幸粋€(gè)第一能量密度，并且該光束110的一個(gè)第二區(qū)域?qū)⒕哂信c該第一區(qū)域不同的一個(gè)第二能量密度，所以每個(gè)區(qū)域可以適當(dāng)?shù)厥箤?yīng)工件熔化。作為舉例，光束110可以具有第一區(qū)域，該第一區(qū)域具有使鋼工件熔化的高能量密度，而第二區(qū)域?qū)⒕哂惺逛X工件熔化的較低能量密度。

在圖10A中，示出了兩根填充焊絲1030和1030A，每根被對應(yīng)地引導(dǎo)到一個(gè)焊接熔池1012和1022。盡管圖10所示的實(shí)施例正采用兩根填充焊絲，本發(fā)明在此方面不受限制。如以上相對于其他實(shí)施例所討論的，考慮到根據(jù)所希望的焊接參數(shù)(諸如，所希望的焊珠形狀和熔敷速率)，可以使用僅一根填充焊絲，或可以使用多于兩根焊絲。當(dāng)采用單根焊絲時(shí)，可以將它引導(dǎo)到一個(gè)公共熔池(由兩個(gè)工件的熔化部分形成)，或可以將該焊絲引導(dǎo)到這些熔化部分中的僅一個(gè)以便融入到該焊接接頭中。因此，例如，在圖10A所示的實(shí)施例中，可以將一根焊絲引導(dǎo)到熔化部分1022，該熔化部分隨后將與熔化部分1012結(jié)合以用于形成該焊接接頭。當(dāng)然，如果采用單根焊絲，應(yīng)當(dāng)將它加熱到允許該焊絲在其被浸入到的部分1022/1012中熔化的溫度。

因?yàn)榻雍袭惙N金屬，填充焊絲的化學(xué)成分應(yīng)當(dāng)被選擇成確保這些焊絲可以與所接合的金屬充分結(jié)合。此外，一根或多根填充焊絲的組成應(yīng)當(dāng)被選擇成使得它具有適合的熔化溫度，這允許填充焊絲在較低溫度焊接熔池的焊接熔池中熔化并消耗。事實(shí)上，考慮到多根填充焊絲的化學(xué)成分可以是不同的，以便獲得適當(dāng)?shù)暮缚p化學(xué)成分。當(dāng)兩個(gè)不同工件具有其中在這些材料之間將發(fā)生最少摻和的材料組成時(shí)，情況尤其是這樣。在圖10A中，該較低溫度焊接熔池是鋁焊接熔池1012，并且因此一根或多根填充焊絲1030(A)被配制以便在一個(gè)類似溫度下熔化，這樣使得它們可以容易地被消耗在熔池1012中。在以上實(shí)例中，使用鋁工件和鋼工件，這些填充焊絲可以是具有與工件的熔化溫度類似的熔化溫度的基于硅青銅、鎳鋁青銅或鋁青銅的焊絲。當(dāng)然，考慮到這些填充焊絲組成應(yīng)當(dāng)被選擇成匹配所希望的機(jī)械和焊接性能特性，而在同時(shí)提供與有待焊接的這些工件中的至少一個(gè)工件的熔化特征類似的熔化特征。

以下相對于圖10B至圖10C的討論涉及其中接合異種材料的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例。在以下所討論的實(shí)例中，這些異種材料是鋁和鋼。鋼可以是低碳鋼或不銹鋼中的任一種。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)接合不同材料時(shí)，希望使可能形成易碎焊縫的金屬間化合物的形成最小化。本發(fā)明的實(shí)施例通過采用在此描述的方法和系統(tǒng)來避免這一點(diǎn)。圖10B所示的焊接接頭是一種典型的搭接接頭配置，其中一個(gè)鋼工件1040被接合到一個(gè)鋁工件1041上。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)注意，盡管示出了一個(gè)搭接接頭，通過本發(fā)明的實(shí)施例可以形成/使用其他接頭類型。例如，也可以利用T形接頭、對接接頭、以及角接接頭。如先前所描述的，一個(gè)光束110被引導(dǎo)到該接頭區(qū)域以便在鋼1040上形成一個(gè)熔池。然而，不同于許多先前所討論的實(shí)施例，光束110僅被引導(dǎo)到鋼1040，以便在鋼1040上形成熔融熔池。在這個(gè)實(shí)施例中，這樣做是因?yàn)殇撆c鋁相比較高的熔化溫度。在一些示例性實(shí)施例中，使用該激光器來連續(xù)加熱鋼1040并且使熔池增長，直到該熔池接觸鋁工件1041為止。當(dāng)該熔池接觸鋁1041時(shí)，因?yàn)椴慌c光束110直接接觸，可以在達(dá)到鋼1040的足夠穿透的同時(shí)避免鋁的過度熔化或穿透。一旦該熔池與鋁1040進(jìn)行接觸，就使該熔池增長以便實(shí)現(xiàn)這兩種異種材料之間的充分的焊接接合。當(dāng)該熔池接觸鋁時(shí)，它使鋁熔化以便在鋁中獲得足夠的穿透，同時(shí)鋁有助于使該熔池淬火或冷卻?？梢钥刂乒馐?10以便向該熔池添加能量來如所希望地增加鋁和/或鋼穿透。這種過程還將有助于使鋁工件造成的熔池稀釋最小化，該熔池稀釋可能是不利的。盡管利用發(fā)明的實(shí)施例，到鋁1041中的一些穿透得以實(shí)現(xiàn)并且是所希望的，過度穿透和稀釋可能是所不希望的。圖10C描繪了示例性的完成的焊接接頭和焊珠。

總體上應(yīng)當(dāng)理解，焊接熔池中鋁和鋼的過度混合可能形成金屬間化合物或其他易碎微結(jié)構(gòu)，這可能導(dǎo)致一個(gè)易碎的焊接接頭。這通常是所不希望的。因此，本發(fā)明的實(shí)施例利用產(chǎn)生焊池/熔敷物的工藝和焊絲，該焊池/熔敷物具有在0.01％至16％范圍內(nèi)的鋁以及在0.01％至10％范圍內(nèi)的鐵。在其他示例性實(shí)施例中，鋁是在11％至14％的范圍內(nèi)并且鐵是在4％至8％的范圍內(nèi)。當(dāng)然，根據(jù)材料和焊接條件，其他范圍可以是可能的。然而，鋁和鐵兩者應(yīng)當(dāng)以某個(gè)量存在，以便確保實(shí)現(xiàn)結(jié)合—基底材料的至少一些已經(jīng)熔化，并且最小量應(yīng)當(dāng)被選擇來避免形成將使焊縫特性降級超過一個(gè)可接受范圍的任何相當(dāng)可觀的量的金屬間化合物。在一些示例性實(shí)施例中，以上所識別的較狹窄范圍確保充分的結(jié)合，同時(shí)避免形成相當(dāng)可觀的量的金屬間化合物。

熔池的增長可以用任何數(shù)目的不同方式來實(shí)現(xiàn)，包括：移動這些工件和/或激光束110；改變工件1040的光束輻照區(qū)的大??；以及增加到達(dá)該工件中的能量輸入以便使熔融熔池的區(qū)域增長。當(dāng)然，也可以利用以上各項(xiàng)的任何組合來實(shí)現(xiàn)所希望的穿透和焊珠形狀。在另外的實(shí)施例中，在該熔敷過程中還可以移動焊絲140以便致使熔池朝向鋁1041移動。

進(jìn)一步地，如在此所描述的，至少一根焊絲140在該焊接過程中被熔敷到熔池中。如討論以上，焊絲140應(yīng)當(dāng)具有與這些異種材料相容的組成。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，焊絲140具有一種組成，該組成具有在6.5％至11.5％范圍內(nèi)的鋁、在3％至7％范圍內(nèi)的鎳、在0.7％至3％范圍內(nèi)的錳、在2％至6％范圍內(nèi)的鐵，其中剩余百分比是銅。在本發(fā)明的另外的示例性實(shí)施例中，焊絲140具有一種組成，該組成具有在8％至10％范圍內(nèi)的鋁、在4％至6％范圍內(nèi)的鎳、在1％至2％范圍內(nèi)的錳、在2.5％至4.5％范圍內(nèi)的鐵，其中剩余百分比是銅。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，焊絲140具有一種組成，其具有9％的鋁、5％的鎳、1.5％的錳、3.5％的鐵，并且剩余部分是銅。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)注意，在此陳述的百分比和組成考慮到制造耗材的現(xiàn)實(shí)，并且由于各種雜質(zhì)而可能存在痕量的其他元素，等等。因此，在此引用的百分比和組成考慮到除銅之外，耗材的小百分比(痕量級)可能具有組成該耗材剩余部分的其他元素。在本發(fā)明的其他示例性實(shí)施例中，焊絲140可以具有一種組成，該組成具有在4％至7％范圍內(nèi)的鎳、在0％至2％范圍內(nèi)的錳，并且剩余百分比是銅，其中未故意地將鋁或鐵添加到該組成中并且不存在任何相當(dāng)可觀的量的鋁或鐵。在焊絲140的一些示例性實(shí)施例中，不存在錳。在示例性實(shí)施例中，焊絲140應(yīng)當(dāng)具有接近于鋼工件1040熔化溫度的熔化溫度。在一些示例性實(shí)施例中，焊絲140的熔化溫度是在鋼1040的熔化溫度加抑或減10％內(nèi)。在其他示例性實(shí)施例中，差值是在鋼的熔化溫度的5％內(nèi)。當(dāng)然，該熔化溫度將由耗材的組成以及可接受的焊接熔敷物化學(xué)成分指定。也就是說，在其中焊接熔敷物可以應(yīng)付較高量的特定材料(像鎳或鐵)的實(shí)施例中，具有較大的熔化溫度差異(divergence)可能是可接受的，因?yàn)楹附舆^程將能夠應(yīng)付較大的溫度而不會不利地影響焊縫質(zhì)量或焊接過程。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，鋁1041和鋼1040具有類似的厚度。然而，這不是所要求的，因?yàn)閷?shí)施例可以接合具有不同厚度的工件。

因?yàn)樵诖撕鸵陨纤枋龅姆椒?，本發(fā)明的實(shí)施例可以在鋁和鋼之間提供一個(gè)焊接接頭(不同于硬焊接頭)，其中穿透在鋼和鋁兩者中進(jìn)行。事實(shí)上，本發(fā)明的示例性實(shí)施例能夠以至少80ipm的焊接速度來焊接鋁和鋼。在一些示例性實(shí)施例中，在具有在0.035"至0.052"(英寸)范圍內(nèi)的直徑的焊絲140的情況下，可以實(shí)現(xiàn)在80ipm至130ipm范圍內(nèi)的焊接速度。當(dāng)然，也可以使用其他焊絲直徑。

盡管已經(jīng)使用單個(gè)光束110和單根焊絲140討論了圖10B和圖10C的實(shí)施例，但如在此另外描述的，可以使用多個(gè)光束和/或耗材。此外，在一些示例性實(shí)施例中，可以使用光束110來輻照鋁1041的一部分以便實(shí)現(xiàn)所希望的鋁1041的穿透、接頭形狀等。例如，光束110可以是振蕩的，以便如所希望地撞擊在鋁上。當(dāng)然，將需要適當(dāng)?shù)乜刂乒馐芰浚员悴贿^度穿透鋁1041。例如，光束110的能量可以在其沖擊鋁時(shí)被減少。當(dāng)然，也可以使用來自一個(gè)獨(dú)立激光器的獨(dú)立光束。

還應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，焊絲140像傳統(tǒng)焊接耗材一樣具有圓形橫截面。然而，本發(fā)明的實(shí)施例在此方面不受限制，并且可以使用其他形狀。例如，耗材140可以具有多邊形的、卵形的、橢圓形的或其他形狀中的任一種。進(jìn)一步地，耗材140也可以是帶型耗材。

進(jìn)一步地，像在此所討論的其他實(shí)施例一樣，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的焊接過程不需要利用保護(hù)氣體。在一些應(yīng)用中，保護(hù)氣體可以用于幫助減少氧化，但在許多應(yīng)用中它將不是必須的。

圖11A至11C描繪了可以采用的嘴160的不同實(shí)施例。圖11A描繪了在構(gòu)造和操作上非常類似于正?；『笇?dǎo)電嘴的一個(gè)嘴160。在如在此所描述的熱絲焊接過程中，加熱電流從電源170被引導(dǎo)到導(dǎo)電嘴160，并且從嘴160被傳遞到焊絲140中。該電流隨后經(jīng)由焊絲140與工件W的接觸而通過焊絲被引導(dǎo)到該工件。這個(gè)電流的流動加熱焊絲140，如在此所描述的。當(dāng)然，電源170可能并非如圖所示地直接聯(lián)接到該導(dǎo)電嘴上，而是可以聯(lián)接到將電流引導(dǎo)到嘴160的一個(gè)焊絲送進(jìn)器150上。圖11B示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中嘴160由兩個(gè)部件160和160'組成，這樣使得電源170的負(fù)極端子被聯(lián)接到第二部件160'上。在這種實(shí)施例中，加熱電流從第一嘴部件160流動到焊絲140，并且隨后流動到第二嘴部件160'中。通過位于部件160與160'之間的焊絲140的電流流動導(dǎo)致該焊絲變熱，如在此所描述的。圖11C描繪了另一個(gè)示例性實(shí)施例，其中嘴160包括一個(gè)感應(yīng)線圈1110，該感應(yīng)線圈導(dǎo)致嘴160和焊絲140經(jīng)由感應(yīng)加熱而被加熱。在這種實(shí)施例中，感應(yīng)線圈1110可以被制成與導(dǎo)電嘴160成整體，或可以圍繞嘴160的一個(gè)表面卷繞。當(dāng)然，其他配置可以用于嘴160，只要該嘴向焊絲140遞送所需的加熱電流/功率，這樣使得該焊絲可以達(dá)到該焊接操作所希望的溫度。

將描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的操作。如以上所討論的，本發(fā)明的實(shí)施例采用一個(gè)高強(qiáng)度能源和加熱填充焊絲的一個(gè)電源兩者。將依次討論這個(gè)過程的每個(gè)方面。應(yīng)當(dāng)注意，以下說明和討論并不旨在取代或替換先前相對于先前討論的熔覆實(shí)施例所提供的任何討論，而是旨在補(bǔ)充與焊接應(yīng)用或接合應(yīng)用有關(guān)的那些討論。先前關(guān)于熔覆操作進(jìn)行的討論也出于接合和焊接的目的而被合并。

用于接合/焊接的示例性實(shí)施例可以類似于圖1所示的實(shí)施例。如以上所描述的，提供了一個(gè)熱絲電源170，該熱絲電源向填充焊絲140提供加熱電流。該電流從導(dǎo)電嘴160(其可以具有任何已知的構(gòu)造)傳遞到焊絲140并且然后傳遞到工件中。這個(gè)電阻加熱電流引起位于嘴160與該工件之間的焊絲140達(dá)到處于或接近所采用的填充焊絲140的熔化溫度的溫度。當(dāng)然，填充焊絲140的熔化溫度將根據(jù)焊絲140的大小和化學(xué)成分而變化。相應(yīng)地，該填充焊絲在焊接過程中所希望的溫度將根據(jù)焊絲140而變化。如以下將進(jìn)一步討論的，該填充焊絲的所希望的操作溫度可以是輸入到焊接系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，這樣使得所希望的焊絲溫度在焊接過程中得以維持。在任何情況下，該焊絲的溫度應(yīng)當(dāng)使得該焊絲在焊接操作過程中被消耗到焊接熔池中。在示例性實(shí)施例中，在該填充焊絲140進(jìn)入該焊接熔池時(shí)，該焊絲的至少一部分是固態(tài)的。例如，在該填充焊絲進(jìn)入該焊接熔池時(shí)，該填充焊絲的至少30％是固態(tài)的。

在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，熱絲電源170供應(yīng)電流，該電流維持該填充焊絲的至少一部分處于或高于填充焊絲熔化溫度的75％。例如，當(dāng)使用低碳鋼填充焊絲140時(shí)，該焊絲在其進(jìn)入熔池之前的溫度可以是近似1,600華氏度，然而該焊絲具有大約2,000華氏度的熔化溫度。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，對應(yīng)熔化溫度和所希望的操作溫度將至少根據(jù)填充焊絲的合金、組成、直徑和送進(jìn)速率而變化。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，電源170將該填充焊絲的一部分維持在處于或高于填充焊絲熔化溫度的90％下。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，焊絲的多個(gè)部分被維持在處于或高于焊絲熔化溫度的95％的焊絲溫度下。在示例性實(shí)施例中，從加熱電流被施用到焊絲140的點(diǎn)到熔池，焊絲140將具有溫度梯度，其中在熔池處的溫度高于在加熱電流的輸入點(diǎn)處的溫度。令人希望的是在焊絲140進(jìn)入熔池的點(diǎn)處或附近具有焊絲的最熱溫度，以便促進(jìn)焊絲140的高效熔化。因此，以上陳述的溫度百分比應(yīng)當(dāng)是在焊絲進(jìn)入熔池所處的點(diǎn)處或附近在焊絲上測量的。通過將填充焊絲140維持在接近于或處于其熔化溫度的溫度下，焊絲140容易被熔化進(jìn)入或被消耗進(jìn)入熱源/激光器120所形成的焊接熔池中。也就是說，焊絲140具有當(dāng)焊絲140與熔池進(jìn)行接觸時(shí)不導(dǎo)致熔池顯著淬火的溫度。因?yàn)楹附z140的高溫，該焊絲在其與焊接熔池進(jìn)行接觸時(shí)快速熔化。令人希望的是具有焊絲溫度，這樣使得該焊絲在熔池中不會到達(dá)最底部—與焊池的未熔化部分進(jìn)行接觸。這樣的接觸可能不利地影響焊縫的質(zhì)量。

如先前描述的，在一些示例性實(shí)施例中，可以僅通過焊絲140進(jìn)入熔池中來促進(jìn)焊絲140完全熔化。然而，在其他示例性實(shí)施例中，焊絲140可以由熔池和沖擊在焊絲140的一部分上的激光束110的組合完全熔化。在本發(fā)明的另外的其他實(shí)施例中，焊絲140的加熱/熔化可以由激光束110來有助于，這樣使得光束110有助于焊絲140的加熱。然而，因?yàn)樵S多填充焊絲140是由可以反射的材料制成的，如果使用反射激光類型，焊絲140應(yīng)當(dāng)被加熱到一定溫度這樣使得其表面反射率減小，從而允許光束110有助于加熱/熔化焊絲140。在這種配置的示例性實(shí)施例中，焊絲140和光束110在焊絲140進(jìn)入熔池的點(diǎn)處相交。

又如先前相對于圖1所討論的，電源170和控制器195控制到達(dá)焊絲140的加熱電流，這樣使得在焊接過程中，焊絲140維持與工件接觸并且無電弧生成。與弧焊技術(shù)相反，在通過本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行焊接時(shí)存在電弧可能導(dǎo)致顯著的焊縫缺陷。因此，在一些實(shí)施例(如以上所討論的那些)中，焊絲140與焊接熔池之間的電壓應(yīng)當(dāng)被維持在0伏特處或附近，這指示該焊絲被短接到該工件/焊接熔池上或與其接觸。

然而，在本發(fā)明的其他示例性實(shí)施例中，可以提供處于這種電平的電流，這樣使得獲得高于0伏特的電壓電平而不形成電弧。通過利用較高電流值，有可能將焊條140維持在處于更高水平且更接近焊條的熔化溫度的溫度下。這允許該焊接過程更快地進(jìn)行。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，電源170監(jiān)測電壓，并且當(dāng)電壓達(dá)到或接近在高于0伏特的某個(gè)點(diǎn)下的電壓值時(shí)，電源170停止使電流流動到焊絲140以便確保不產(chǎn)生電弧。至少部分地由于所使用的焊條140的類型，電壓閾值電平典型地將會變化。例如，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，閾值電壓電平處于或低于6伏特。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，閾值電平處于或低于9伏特。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，閾值電平處于或低于14伏特，并且在另外的示例性實(shí)施例中；閾值電平處于或低于16伏特。例如，當(dāng)使用低碳鋼填充焊絲時(shí)，電壓的閾值電平將是較低類型的，而用于不銹鋼焊接的填充焊絲可以在形成電弧之前處理更高的電壓。

在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，不是維持電壓電平低于如上的閾值，而是電壓被維持在操作范圍內(nèi)。在這種實(shí)施例中，令人希望的是維持電壓高于最小量(確保足夠高的電流來維持填充焊絲處于或接近其熔化溫度)，但低于一定電壓電平，這樣使得不形成焊弧。例如，電壓可以被維持在1到16伏特范圍內(nèi)。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，電壓被維持在6到9伏特范圍內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)例中，電壓可以被維持在12到16伏特之間。當(dāng)然，所希望的操作范圍可以受到用于焊接操作的填充焊絲140的影響，這樣使得用于焊接操作的范圍(或閾值)是至少部分地基于所使用的填充焊絲或所使用的填充焊絲的特征來選擇的。在利用這種范圍時(shí)，范圍的底限被設(shè)定為填充焊絲可以被充分消耗在焊接熔池中所處的電壓，并且范圍的上限被設(shè)定為使得避免形成電弧的電壓。

如先前所描述的，當(dāng)電壓超過所希望的閾值電壓時(shí)，電源170切斷加熱電流，這樣使得不產(chǎn)生電弧。以下將進(jìn)一步討論本發(fā)明的這一方面。

在以上所描述的許多實(shí)施例中，電源170包括用于監(jiān)測和維持如以上所描述的電壓的電路。這種類型的電路的構(gòu)造對于本行業(yè)人員而言是已知的。然而，傳統(tǒng)上，此類電路已經(jīng)用于維持電壓高于用于弧焊的某一閾值。

在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，電源170還可以監(jiān)測和/或調(diào)節(jié)加熱電流。作為一個(gè)替代方案，除了監(jiān)測電壓、功率、或電壓/安培數(shù)特征的某一電平以外，這也可以完成。也就是說，該電流可以被維持在所希望的一個(gè)或多個(gè)電平下以便確保焊絲140被維持在適當(dāng)?shù)臏囟认隆员氵m當(dāng)?shù)叵脑谌鄢刂?，但還低于電弧生成電流電平。例如，在這種實(shí)施例中，電壓和/或電流被監(jiān)測以便確保一者或兩者在指定范圍內(nèi)或低于所希望的閾值。該電源隨后調(diào)節(jié)所供應(yīng)的電流，以便確保不形成電弧，但維持所希望的操作參數(shù)。

在本發(fā)明的又進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，電源170還可以監(jiān)測和調(diào)節(jié)加熱功率(V×I)。確切地，在此類實(shí)施例中，加熱功率的電壓和電流被監(jiān)測以便被維持在所希望的電平下、或被維持在所希望的范圍內(nèi)。因此，該電源不僅調(diào)節(jié)到達(dá)焊絲的電壓或電流，而且還可以調(diào)節(jié)電流和電壓兩者。這種實(shí)施例可以提供對焊接系統(tǒng)的改進(jìn)的控制。在此類實(shí)施例中，到達(dá)焊絲的加熱功率可以被設(shè)定為上閾電平或最優(yōu)操作范圍，這樣使得功率被保持低于閾值電平或在所希望的范圍內(nèi)(類似于以上關(guān)于電壓討論的范圍)。同樣地，閾值或范圍設(shè)置將基于填充焊絲和正在執(zhí)行的焊接的特征，并且可以至少部分地基于所選擇的填充焊絲。例如，可以確定具有0.045"直徑的一根低碳鋼焊條的最優(yōu)功率設(shè)置是在1950瓦特至2,050瓦特范圍內(nèi)。該電源將調(diào)節(jié)電壓和電流，這樣使得功率保持在這個(gè)操作范圍內(nèi)。類似地，如果功率閾值被設(shè)定在2,000瓦特，該電源將調(diào)節(jié)電壓和電流，這樣使得功率電平不超過但接近這個(gè)閾值。

在本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，電源170包括監(jiān)測加熱電壓(dv/dt)、電流(di/dt)和/或功率(dp/dt)的變化速率的電路。此類電路通常被稱為預(yù)感電路，并且它們的總體構(gòu)造是已知的。在此類實(shí)施例中，電壓、電流和/或功率的變化速率被監(jiān)測，這樣使得如果變化速率超過某一閾值，則到達(dá)焊絲140的加熱電流被關(guān)閉。

在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，還監(jiān)測電阻變化(dr/dt)。在這種實(shí)施例中，監(jiān)測位于導(dǎo)電嘴與熔池之間的焊絲中電阻。在焊接過程中，隨著焊絲變熱，該焊絲開始頸狀收縮并且具有形成電弧的趨勢，在此時(shí)間期間，該焊絲中的電阻以指數(shù)方式增大。當(dāng)檢測到此增大時(shí)，如在此描述的，電源的輸出被關(guān)閉以便確保不產(chǎn)生電弧。實(shí)施例調(diào)節(jié)電壓、電流、或兩者以便確保該焊絲中的電阻被維持在所希望的電平處。

在本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，電源170不是在檢測到閾值電平時(shí)關(guān)閉加熱電流，而是將加熱電流減小到無電弧生成電平。這種電平可以是背景電流電平，在該背景電流電平下，如果該焊絲與該焊接熔池分開，將不生成電弧。例如，本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例可以具有50安培的無電弧生成電流電平，其中一旦檢測或預(yù)測到電弧生成，或達(dá)到一個(gè)上閾(以上所討論的)，電源170就使加熱電流從其操作電平下降到無電弧生成電平，持續(xù)一個(gè)預(yù)先確定量的時(shí)間(例如，1ms至10ms)或直到所檢測的電壓、電流、功率、和/或電阻下降到低于該上閾為止。這個(gè)無電弧生成閾值可以是電壓電平、電流電平、電阻電平、和/或功率電平。在此類實(shí)施例中，通過在電弧生成事件過程中維持電流輸出—雖然處于低電平—可以導(dǎo)致較快恢復(fù)到加熱電流操作電平。

在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，電源170的輸出被控制，這樣使得在焊接操作過程中不形成實(shí)質(zhì)性電弧。在一些示例性焊接操作中，該電源可以被控制，這樣使得在填充焊絲140與熔池之間不形成實(shí)質(zhì)性電弧。總體上已知電弧是在一個(gè)物理間隙之間形成的，該物理間隙位于填充焊絲140的遠(yuǎn)端與焊接熔池之間。如以上所描述的，本發(fā)明的示例性實(shí)施例通過保持填充焊絲140與熔池接觸來防止形成此電弧。然而，在一些示例性實(shí)施例中，非實(shí)質(zhì)性電弧的存在將不危害焊縫的質(zhì)量。也就是說，在一些示例性焊接操作中，短持續(xù)時(shí)間的非實(shí)質(zhì)性電弧的形成將不導(dǎo)致將危害縫接質(zhì)量的熱量輸入水平。在此類實(shí)施例中，該焊接系統(tǒng)和該電源如在此所描述地關(guān)于完全避免電弧而被控制并操作，但電源170被控制，這樣使得在形成電弧的程度上，該電弧是非實(shí)質(zhì)性的。在一些示例性實(shí)施例中，電源170被操作，這樣使得所形成的電弧具有小于10ms的持續(xù)時(shí)間。在其他示例性實(shí)施例中，該電弧具有小于1ms的持續(xù)時(shí)間，并且在其他示例性實(shí)施例中，該電弧具有小于300μs的持續(xù)時(shí)間。在此類實(shí)施例中，因?yàn)殡娀〔⒉幌蚝缚p中施用顯著的熱量輸入或?qū)е嘛@著的飛濺或孔隙率，此類電弧的存在并不危害焊縫質(zhì)量。因此，在此類實(shí)施例中，電源170被控制，這樣使得在形成電弧的程度上，電弧在持續(xù)時(shí)間上被保持是非實(shí)質(zhì)性的，這樣使得焊縫質(zhì)量不受危害。與在此相對于其他實(shí)施例所討論相同的控制邏輯和部件可以在這些示例性實(shí)施例中使用。然而，對于閾值上限，電源170可以使用對電弧形成的檢測，而不是低于一個(gè)預(yù)先確定的或預(yù)測的電弧形成點(diǎn)的(電流、功率、電壓、電阻的)閾值點(diǎn)。這種實(shí)施例可以允許焊接操作更接近其限值地操作。

因?yàn)橄Ｍ畛浜附z140處于一種持續(xù)短接狀態(tài)(與焊接熔池持續(xù)接觸)，該電流傾向于以緩慢速率衰減。這是因?yàn)樵陔娫?、焊接電纜和工件中存在電感。在一些應(yīng)用中，可能必須迫使該電流以較快速率衰減，這樣使得焊絲中的電流以高速率減小?？傮w上，電流被減小的速度越快，對接合方法實(shí)現(xiàn)的控制將越好。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，在檢測到達(dá)到或超過一個(gè)閾值之后的電流的斜降時(shí)間是1毫秒。在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，該電流的斜降時(shí)間是300毫秒或更少。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，該斜降時(shí)間是在300微秒至100微秒的范圍內(nèi)。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)此類斜降時(shí)間，一個(gè)斜降電路被引入到電源170中，該斜降電路幫助減少預(yù)測或檢測到電弧時(shí)的斜降時(shí)間。例如，當(dāng)檢測抑或預(yù)測到電弧時(shí)，一個(gè)斜降電路斷開，這將電阻引入到該電路中。例如，該電阻可以是使電流流動在50微秒內(nèi)減小到低于50安培的類型。圖18中示出了這種電路的一個(gè)簡化實(shí)例。電路1800具有被放置到該焊接電路中的一個(gè)電阻器1801和一個(gè)開關(guān)1803，這樣使得當(dāng)該電源正操作并提供電流時(shí)，開關(guān)1803是閉合的。然而，當(dāng)該電源停止供應(yīng)功率(以便防止形成電弧或當(dāng)檢測到電弧時(shí))，該開關(guān)斷開，從而迫使感應(yīng)電流通過電阻器1801。電阻器1801大大增大該電路的電阻并且使電流以較快節(jié)奏減小。這種電路類型總體上是焊接行業(yè)中已知的，可見于俄亥俄州克利夫蘭的林肯電氣公司(The Lincoln Electric Company,of Cleveland,Ohio)所制造的Power焊接電源中，該電源結(jié)合了表面張力過渡技術(shù)(“STT”)。STT技術(shù)在通過引用以其全文結(jié)合在此的美國專利號4,866,247、5,148,001、6,051,810和7,109,439中總體上得到描述。當(dāng)然，這些專利總體上討論使用所披露的電路來確保形成并維持電弧—本行業(yè)的技術(shù)人員可以容易地適配這種系統(tǒng)以便確保不產(chǎn)生電弧。

可以參考圖12來進(jìn)一步理解以上的討論，其中描繪了一個(gè)示例性焊接系統(tǒng)。(應(yīng)當(dāng)注意，為了清晰，沒有示出激光系統(tǒng))。系統(tǒng)1200被示出為具有一個(gè)熱絲電源1210(該電源可以是與如圖1中所示的電源170類似的類型)。電源1210可以具有一種已知的焊接電源構(gòu)造，諸如逆變器式電源。因?yàn)榇祟愲娫吹脑O(shè)計(jì)、操作和構(gòu)造是已知的，本文中將不對它們進(jìn)行詳細(xì)討論。電源1210包括一個(gè)用戶輸入端1220，該用戶輸入端允許用戶輸入數(shù)據(jù)，包括但不限于：焊絲送進(jìn)速度、焊絲類型、焊絲直徑、所希望的功率電平、所希望的焊絲溫度、電壓和/或電流電平。當(dāng)然，可以根據(jù)需要利用其他輸入?yún)?shù)。用戶接口1220聯(lián)接到CPU/控制器1230上，該CPU/控制器接收用戶輸入數(shù)據(jù)并且使用此信息產(chǎn)生功率模塊1250所需的操作設(shè)定點(diǎn)或范圍。功率模塊1250可以是任何已知的類型或構(gòu)造的，包括逆變器式或變壓器式模塊。

CPU/控制器1230可以用任何數(shù)目的方式來確定所希望的操作參數(shù)，包括使用查找表。在這種實(shí)施例中，CPU/控制器1230利用輸入數(shù)據(jù)(例如，焊絲送進(jìn)速度、焊絲直徑和焊絲類型)來確定輸出端的所希望的電流電平(來適當(dāng)?shù)丶訜岷附z140)以及閾值電壓或功率電平(或電壓或功率的可接受的操作范圍)。這是因?yàn)閷⒑附z140加熱到適當(dāng)溫度所需的電流將至少基于輸入?yún)?shù)。也就是說，鋁焊絲140可以比低碳鋼焊條具有更低的熔化溫度，并且因此需要更少的電流/功率來熔化焊絲140。另外，直徑更小的焊絲140將比直徑更大的焊條需要更少的電流/功率。此外，隨著焊絲送進(jìn)速度增大(并且相應(yīng)地熔敷速率)，熔化焊絲所需的電流/功率電平將變高。

類似地，CPU/控制器1230將使用輸入數(shù)據(jù)來確定用于操作的電壓/功率閾值和/或范圍(例如，功率、電流和/或電壓)，這樣使得避免產(chǎn)生電弧。例如，對于具有0.045英寸直徑的低碳鋼焊條，可以具有6到9伏特的電壓范圍設(shè)置，其中功率模塊1250被驅(qū)動來將電壓維持在6到9伏特之間。在這種實(shí)施例中，電流、電壓和/或功率被驅(qū)動來維持為6伏特的最小值(這確保電流/功率足夠高從而適當(dāng)?shù)丶訜岷笚l)，并且保持電壓處于或低于9伏特以便確保不產(chǎn)生電弧并且不超過焊絲140的熔化溫度。當(dāng)然，其他設(shè)定點(diǎn)參數(shù)(諸如電壓、電流、功率或電阻速率變化)也可以由CPU/控制器1230根據(jù)希望來設(shè)定。

如圖所示，電源1210的一個(gè)正極端子1221聯(lián)接到該熱絲系統(tǒng)的導(dǎo)電嘴160上，并且該電源的一個(gè)負(fù)極端子聯(lián)接工件W上。因此，加熱電流通過正極端子1221被供應(yīng)到焊絲140，并且通過負(fù)極端子1222返回。這種配置是總體上已知的。

當(dāng)然，在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，負(fù)極端子1222也可以連接到嘴160上。由于可以使用電阻加熱來加熱焊絲140，該嘴可以具有一種構(gòu)造(如圖11所示)，其中負(fù)極端子1221和正極端子1222兩者可以聯(lián)接到導(dǎo)電嘴140上以便加熱焊絲140。例如，導(dǎo)電嘴160可以具有雙導(dǎo)電嘴構(gòu)造(如圖11B所示)，或使用一個(gè)感應(yīng)線圈(如圖11C所示)。

一條反饋感測引線1223也聯(lián)接到電源1210上。這條反饋感測引線可以監(jiān)測電壓并且將檢測到的電壓遞送到一個(gè)電壓檢測電路1240。電壓檢測電路1240將檢測到的電壓和/或檢測到的電壓變化速率傳達(dá)給CPU/控制器1230，該CPU/控制器相應(yīng)地控制模塊1250的操作。例如，如果檢測到的電壓低于所希望的操作范圍，則CPU/控制器1230指令模塊1250增加其輸出(電流、電壓、和/或功率)，直到檢測到的電壓處于所希望的操作范圍內(nèi)為止。類似地，如果檢測到的電壓處于或高于所希望的閾值，則CPU/控制器1230指令模塊1250切斷到達(dá)嘴160的電流流動，這樣使得不產(chǎn)生電弧。如果該電壓下降到低于所希望的閾值，則CPU/控制器1230指導(dǎo)模塊1250供應(yīng)電流或電壓、或兩者以便繼續(xù)進(jìn)行焊接過程。當(dāng)然，CPU/控制器1230還可以指令模塊1250維持或供應(yīng)所希望的功率電平。

應(yīng)當(dāng)注意，檢測電路1240和CPU/控制器1230可以具有與圖1中所示的控制器195類似的構(gòu)造和操作。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，采樣/檢測速率是至少10KHz。在其他示例性實(shí)施例中，檢測/采樣速率在100KHz到200KHz范圍內(nèi)。

圖13A-13C描繪了本發(fā)明的實(shí)施例中所利用的示例性電流和電壓波形。將依次討論這些波形中的每一個(gè)。圖13A示出了針對一個(gè)實(shí)施例的電壓和電流波形，其中填充焊絲140在電源輸出端在電弧檢測事件之后被重新接通之后觸碰焊接熔池。如圖所示，該電源的輸出電壓處于低于一個(gè)確定閾值(9伏特)的某個(gè)操作電平下，并且隨后在焊接過程中增大到此閾值。該操作電平可以是基于不同輸入?yún)?shù)(先前討論的)所確定的電平，并且可以是一個(gè)設(shè)定操作電壓、電流和/或功率電平。這個(gè)操作電平是針對一個(gè)給定焊接操作的所希望的電源170的輸出，并且將向填充焊絲140提供所希望的加熱信號。在焊接過程中，可能發(fā)生可以導(dǎo)致電弧形成的事件。在圖13A中，該事件造成電壓的增大，從而導(dǎo)致該電壓向點(diǎn)A增大。在點(diǎn)A處，該電源/控制電路達(dá)到9伏特閾值(它可以是一個(gè)電弧檢測點(diǎn)或僅是一個(gè)預(yù)先確定的上閾，它可以低于電弧形成點(diǎn))并且關(guān)閉該電源的輸出，從而導(dǎo)致電流和電壓下降到點(diǎn)B處的減小的電平。電流下降的斜率可以通過包括一個(gè)斜降電路(如在此所討論的)來控制，該斜降電路有助于使由系統(tǒng)電感所生成的電流快速減小。在點(diǎn)B處的電流電平或電壓電平可以是預(yù)先確定的，或它們是在一個(gè)預(yù)先確定的持續(xù)時(shí)間之后可以達(dá)到的。例如，在一些實(shí)施例中，不僅設(shè)定用于焊接的電壓(或電流或功率)的一個(gè)上閾，還設(shè)定一個(gè)低無電弧產(chǎn)生電平。這個(gè)低電平可以是一個(gè)低電壓、電流、或功率電平，在該低電壓、電流、或功率電平下，無電弧可以產(chǎn)生，這樣使得重新接通該電源是可接受的并且將不形成電弧。具有這種低電平允許該電源快速重新接通，并且確保不形成電弧。例如，如果用于焊接的一個(gè)電源設(shè)定點(diǎn)被設(shè)定在2,000瓦特，具有11伏特的一個(gè)電壓閾值，這個(gè)低功率設(shè)置可以被設(shè)定在500瓦特。因此，當(dāng)達(dá)到該電壓上閾(根據(jù)該實(shí)施例，它也可以是電流閾值或功率閾值)時(shí)，輸出被減小到500瓦特。(這個(gè)下閾也可以是低電流設(shè)置或低電壓設(shè)置、或兩者)。可替代地，不是設(shè)定一個(gè)檢測下限，而是可以利用一個(gè)計(jì)時(shí)電路來計(jì)時(shí)以便在一個(gè)設(shè)定持續(xù)時(shí)間之后開始供應(yīng)電流。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，這樣的持續(xù)時(shí)間可以在500ms至1000ms的范圍內(nèi)。在圖13A中，點(diǎn)C表示輸出被再次供應(yīng)到焊絲140的時(shí)間。應(yīng)當(dāng)注意，在點(diǎn)B與點(diǎn)C之間所示的延遲可以是故意延遲的結(jié)果，或可以僅是系統(tǒng)延遲的結(jié)果。在點(diǎn)C處，電流被再次供應(yīng)以便加熱填充焊絲。然而，因?yàn)樵撎畛浜附z還未觸碰焊接熔池，電壓增大而電流則不增大。在點(diǎn)D處，該焊絲與該熔池進(jìn)行接觸，并且電壓和電流調(diào)整回到所希望的操作電平。如圖所示，電壓可能在D處的接觸之前超過上閾，這可能在該電源所具有的OCV電平比操作閾值的電平高時(shí)發(fā)生。例如，這個(gè)較高的OCV電平可以是由于該電源的設(shè)計(jì)或制造而在該電源中設(shè)定的上限。

圖13B類似于以上所描述的圖，只是填充焊絲140在該電源的輸出增大時(shí)正在接觸焊接熔池。在這種情況下，該焊絲永不離開焊接熔池，或該焊絲在點(diǎn)C之前與焊接熔池相接觸。圖13B將點(diǎn)C和點(diǎn)D顯示在一起，因?yàn)楫?dāng)重新接通輸出端時(shí)，該焊絲與熔池相接觸。因此，電流和電壓兩者在點(diǎn)E處都增大到所希望的操作設(shè)置。

圖13C是一個(gè)實(shí)施例，其中在關(guān)閉輸出端(點(diǎn)A)與重新接通輸出端(點(diǎn)B)之間幾乎沒有延遲，并且焊絲在點(diǎn)B之前的某個(gè)時(shí)間與熔池相接觸。所描繪的波形可以在以上所描述的實(shí)施例中利用，在這些實(shí)施例中，一個(gè)下閾被設(shè)定成使得當(dāng)達(dá)到該下閾時(shí)—無論該下閾是電流、功率還是電壓—該輸出端幾乎沒有延遲地被重新接通。應(yīng)當(dāng)注意，可以使用與如在此所描述的操作上閾或范圍相同或類似的參數(shù)來設(shè)定這個(gè)下閾設(shè)置。例如，這個(gè)下閾可以基于在此所描述的焊絲組成、直徑、送進(jìn)速度、或不同其他參數(shù)來設(shè)定。這種實(shí)施例可以使返回到用于焊接的所希望操作設(shè)定點(diǎn)的延遲最小化，并且可以使在焊接中可能發(fā)生的任何頸狀收縮最小化。該頸狀收縮的最小化有助于使形成電弧的機(jī)會最小化。

圖14描繪了本發(fā)明的又另一個(gè)示例性實(shí)施例。圖14示出了與如圖1所示的實(shí)施例類似的一個(gè)實(shí)施例。然而，為了清晰，沒有描繪某些部件和連接。圖14描繪了一個(gè)系統(tǒng)1400，其中使用一個(gè)熱傳感器1410來監(jiān)測焊絲140的溫度。熱傳感器1410可以是能夠檢測焊絲140的溫度的任何已知類型。傳感器1410可以與焊絲140接觸或者可以聯(lián)接到嘴160上以便檢測該焊絲的溫度。在本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，傳感器1410是使用能夠檢測小物體(諸如填充焊絲的直徑，而不接觸焊絲140)的溫度的激光束或紅外束的類型。在這種實(shí)施例中，傳感器1410被定位成使得可以在焊絲140的伸出處(也就是說，在嘴160的末端與焊接熔池之間的某個(gè)點(diǎn)處)檢測焊絲140的溫度。傳感器1410還應(yīng)當(dāng)被定位成使得用于焊絲140的傳感器1410并不感測焊接熔池溫度。

傳感器1410聯(lián)接到感測和控制單元195(關(guān)于圖1所討論的)上，這樣使得溫度反饋信息可以被提供給電源170和/或激光器電源130，從而使得可以優(yōu)化對系統(tǒng)1400的控制。例如，電源170的功率或輸出電流可以至少基于來自傳感器1410的反饋來調(diào)整。也就是說，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用戶可以輸入一個(gè)所希望的溫度設(shè)置(針對一個(gè)給定焊接和/或焊絲140)，或者該感測和控制單元可以基于其他用戶輸入數(shù)據(jù)(焊絲送進(jìn)速度、焊條類型等)來設(shè)定一個(gè)所希望的溫度并且然后感測和控制單元195將至少控制電源170來維持那個(gè)所希望的溫度。

在這種實(shí)施例中，有可能將在焊絲140進(jìn)入焊接熔池之前由于沖擊該焊絲的激光束110而可能發(fā)生的焊絲140加熱考慮在內(nèi)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，焊絲140的溫度可以僅經(jīng)由電源170通過控制焊絲140中的電流來控制。然而，在其他實(shí)施例中，焊絲140的加熱的至少一些可以來自撞擊在焊絲140的至少一部分上的激光束110。如此，來自電源170的電流或功率單獨(dú)地不可以表示焊絲140的溫度。如此，利用傳感器1410可以幫助通過控制電源170和/或激光器電源130來調(diào)節(jié)焊絲140的溫度。

在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例(也在圖14中示出)中，一個(gè)溫度傳感器1420被引導(dǎo)來感測焊接熔池的溫度。在這個(gè)實(shí)施例中，該焊接熔池的溫度也聯(lián)接到感測和控制單元195上。然而，在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，傳感器1420可以直接聯(lián)接到激光器電源130上。來自傳感器1420的反饋用于控制來自激光器電源130/激光器120的輸出。也就是說，激光束110的能量密度可以被修改以便確保實(shí)現(xiàn)所希望的焊接熔池溫度。

在本發(fā)明的又進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，不是將傳感器1420引導(dǎo)在熔池處，該傳感器可以被引導(dǎo)在工件的鄰近焊接熔池的一個(gè)區(qū)域處。確切地，可能希望確保鄰近焊縫處的到工件的熱量輸入被最小化。傳感器1420可以被定位成監(jiān)測這個(gè)對溫度敏感的區(qū)域，這樣使得在鄰近焊縫處，不超過閾值溫度。例如，傳感器1420可以監(jiān)測工件溫度并且基于感測到的溫度來減小光束110的能量密度。這種配置將確保鄰近焊珠處的熱量輸入將不超過所希望的閾值。這種實(shí)施例可以在到工件中的熱量輸入很關(guān)鍵的精確焊接操作中利用。

在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，感測和控制單元195可以聯(lián)接到一個(gè)送進(jìn)力檢測單元(未示出)上，該送進(jìn)力檢測單元聯(lián)接到該送絲機(jī)構(gòu)(未示出，但見圖1中的150)上。該送進(jìn)力檢測單元是已知的并且檢測當(dāng)將焊絲140送進(jìn)到工件115時(shí)施加于該焊絲的送進(jìn)力。例如，這種檢測單元可以監(jiān)測由焊絲送進(jìn)器150中的一個(gè)焊絲送進(jìn)電動機(jī)所施加的力矩。如果焊絲140穿過熔融焊接熔池而沒有完全熔化，那么它將接觸該工件的一個(gè)固體部分，并且這樣的接觸將導(dǎo)致該送進(jìn)力隨著該電動機(jī)嘗試維持一個(gè)設(shè)定送進(jìn)速率而增大。力/力矩的這個(gè)增大可以被檢測并轉(zhuǎn)送到控制單元195，該控制單元利用此信息來調(diào)整到達(dá)焊絲140的電壓、電流和/或功率，以便確保焊絲140在熔池中的適當(dāng)熔化。

應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，焊絲不是被持續(xù)地送進(jìn)到焊接熔池中，而是可以基于所希望的焊縫輪廓間歇地這樣做。確切地，本發(fā)明的不同實(shí)施例的通用性允許操作員或控制單元195如所希望地開始和停止將焊絲140送進(jìn)到熔池中。例如，存在許多不同類型的復(fù)雜焊縫輪廓和幾何形狀，其可以具有焊接接頭的需要使用填充金屬(焊絲140)的一些部分、以及同一接頭或在同一工件上的不需要使用填充金屬的其他部分。這樣，在一個(gè)焊縫的一個(gè)第一部分過程中，控制單元195可以僅操作激光器120來引起對該接頭的這個(gè)第一部分進(jìn)行激光焊接，但當(dāng)該焊接操作到達(dá)該焊接接頭的一個(gè)第二部分時(shí)—其需要使用填充金屬—控制器195致使電源170和焊絲送進(jìn)器150開始將焊絲140熔敷到焊接熔池中。隨后，當(dāng)該焊接操作到達(dá)該第二部分的末端時(shí)，可以停止焊絲140的熔敷。這允許形成具有從一個(gè)部分到下一個(gè)部分顯著變化的輪廓的連續(xù)焊縫。與具有許多離散焊接操作相反，這種能力允許在單個(gè)焊接操作中焊接工件。當(dāng)然，可以實(shí)現(xiàn)許多變更。例如，一個(gè)焊縫可以具有三個(gè)或更多個(gè)相異的部分，從而需要具有變化的形狀、深度和填充要求的焊縫輪廓，這樣使得激光和焊絲140的使用在每個(gè)焊縫部分中可能是不同的。此外，也可以按需添加或移除另外的焊絲。也就是說，一個(gè)第一焊接部分可能僅需要激光焊接，而一個(gè)第二部分僅需要使用單根填充焊絲140，并且該焊縫的一個(gè)最終部分需要使用兩根或更多根填充焊絲?？刂破?95可以被使得能夠在一個(gè)連續(xù)焊接操作中控制不同系統(tǒng)部件以便實(shí)現(xiàn)這種變化的焊縫輪廓，這樣使得在單個(gè)焊道中形成一個(gè)連續(xù)焊珠。

圖15描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行焊接時(shí)的一個(gè)典型焊接熔池P。如先前所描述的，激光束110在工件W的表面中形成熔池P。該焊接熔池具有一個(gè)長度L，該長度隨光束110的能量密度、形狀和移動而變。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，光束110在與該焊接熔池P的后緣相距一個(gè)距離Z處被引導(dǎo)到該熔池。在此類實(shí)施例中，高強(qiáng)度能源(例如，激光器120)導(dǎo)致其能量直接撞擊在填充焊絲140上以使得能源120并不使焊絲140熔化，而是焊絲140因?yàn)槠渑c該焊接熔池相接觸來完成其熔化。熔池P的后緣總體上可以被限定為該熔融熔池結(jié)束并且所形成的焊珠WB開始其固化的點(diǎn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，距離Z是熔池P的長度L的50％。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，距離Z是在熔池P的長度L的40％至75％的范圍內(nèi)。

如圖15所示，填充焊絲140在焊接行進(jìn)方向上在光束110后面沖擊熔池P。如圖所示，焊絲140在熔池P的后緣之前的距離X處沖擊熔池P。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，距離X是在熔池P的長度的20％至60％的范圍內(nèi)。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，距離X是在熔池P的長度L的30％至45％的范圍內(nèi)。在其他示例性實(shí)施例中，焊絲140和光束110在熔池P的表面處或該熔池上方的一點(diǎn)處相交，這樣使得光束110的至少一些在焊接過程中撞擊在焊絲140上。在這種實(shí)施例中，激光束110被利用來幫助使焊絲140熔化以用于熔敷在熔池P中。使用光束110來幫助使焊絲140熔化有助于防止焊絲140在焊絲140太冷以致不能快速被消耗在熔池P中的情況下使熔池P淬火。然而，如先前所陳述的，在一些示例性實(shí)施例(如圖15所示)中，能源120和光束110并不使填充焊絲140的任何部分相當(dāng)可觀地熔化，因?yàn)槿刍峭ㄟ^該熔池的熱量來完成的。

在圖15所示的實(shí)施例中，焊絲140尾隨光束110并且與光束110成一直線。然而，本發(fā)明不限于這種配置，因?yàn)楹附z140可以是前導(dǎo)的(在行進(jìn)方向上)。進(jìn)一步地，不必使焊絲140在行進(jìn)方向上與光束成一直線，而是該焊絲可以從任何方向撞擊該熔池，只要在該熔池中發(fā)生適合的焊絲熔化即可。

圖16A至16F描繪了不同熔池P，其中描繪了激光束110的覆蓋區(qū)。如圖所示，在一些示例性實(shí)施例中，熔池P具有一個(gè)圓形覆蓋區(qū)。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于這種配置。例如，考慮到該熔池也可以具有橢圓形或其他形狀。

進(jìn)一步地，在圖16A-16F中，光束110被示出為具有一個(gè)圓形橫截面。同樣地，本發(fā)明的其他實(shí)施例在此方面不受限制，因?yàn)楣馐?10可以具有橢圓形、矩形或其他形狀，以便有效地形成焊接熔池P。

在一些實(shí)施例中，激光束110可以相對于焊接熔池P保持靜止。也就是說，光束110在焊接過程中相對于熔池P保持在一個(gè)相對一致的位置中。然而，其他實(shí)施例并不以這種方法受限制，如在圖16A-16D中舉例說明的。例如，圖16A描繪了一個(gè)實(shí)施例，其中光束110以一種圓形圖案圍繞焊接熔池P平移。在此圖中，光束110平移，這樣使得不論什么時(shí)候光束110上的至少一個(gè)點(diǎn)都與該熔池的中心C重疊。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用了一種圓形圖案，但光束110不接觸中心C。圖16B描繪了一個(gè)實(shí)施例，其中該光束沿單線來回平移。這個(gè)實(shí)施例可以用于根據(jù)所希望的熔池P形狀來使熔池P伸長或加寬。圖16C描繪了一個(gè)實(shí)施例，其中使用了兩個(gè)不同的光束橫截面。第一光束橫截面110具有一個(gè)第一幾何形狀，并且第二光束橫截面110'具有一個(gè)第二橫截面。這種實(shí)施例可以用于在熔池P中的一點(diǎn)處增加穿透，同時(shí)仍維持較大的熔池大小—如果需要的話。這個(gè)實(shí)施例可以利用單個(gè)激光器120借助于通過使用激光鏡頭和光學(xué)器件來改變光束形狀而完成，或可以通過使用多個(gè)激光器120來完成。圖16D描繪了以一種橢圓圖案使光束110在熔池P中平移。同樣地，這種圖案可以用于按需使焊接熔池P伸長或加寬?？梢岳闷渌馐?10平移來形成熔池P。

圖16E和16F描繪了使用不同光束強(qiáng)度的工件W和熔池P的橫截面。圖16E描繪了由一個(gè)較寬光束110形成的一個(gè)淺的較寬熔池P，而圖16F描繪了一個(gè)較深且狹窄的焊接熔池P—典型地被稱為“鎖眼”。在這個(gè)實(shí)施例中，該光束被聚焦，這樣使得其焦點(diǎn)在工件W的上表面附近。通過這種聚焦，光束110能夠穿透該工件的全深度并且有助于在工件W的底表面上形成一個(gè)背部焊珠BB。光束強(qiáng)度和形狀將基于焊接過程中所希望的焊接熔池特性來確定。

激光器120可以經(jīng)由任何已知方法和裝置來移動、平移或操作。因?yàn)榧す馄鞯囊苿雍凸鈱W(xué)器件是總體上已知的，本文中將不對它們進(jìn)行詳細(xì)討論。圖17描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的系統(tǒng)1700，其中在操作過程中，激光器120可以被移動并且使得其光學(xué)器件(諸如其鏡頭)得到改變或調(diào)整。這個(gè)系統(tǒng)1700將感測和控制單元195聯(lián)接到一個(gè)電動機(jī)1710和一個(gè)光學(xué)器件驅(qū)動單元1720兩者上。電動機(jī)1710移動或平移激光器120，這樣使得在焊接過程中移動光束110相對于焊接熔池的位置。例如，電動機(jī)1710可以來回平移光束110，以一種圓形圖案移動該光束等。類似地，光學(xué)器件驅(qū)動單元1720從感測和控制單元195接收指令，以便控制激光器120的光學(xué)器件。例如，光學(xué)器件驅(qū)動單元1720可以致使光束110的焦點(diǎn)相對于該工件的表面移動或改變，由此改變焊接熔池的穿透或深度。類似地，光學(xué)器件驅(qū)動單元1720可以致使激光器120的光學(xué)器件改變光束110的形狀。這樣，在焊接過程中，感測和控制單元195控制激光器120和光束110，以便在操作過程中維持和/或修改焊接熔池的特性。

在圖1、圖14和圖17中的每個(gè)圖中，為了清晰，分開地示出了激光器電源130、熱絲電源170以及感測和控制單元195。然而，在本發(fā)明的實(shí)施例中，這些部件可以被整合到單個(gè)焊接系統(tǒng)中。本發(fā)明的多方面不需要將以上單獨(dú)討論的部件作為分開的物理單元或獨(dú)立式結(jié)構(gòu)來維持。

如以上所描述的，該高強(qiáng)度能源可以是任何數(shù)目的能源，包括焊接電源。該高強(qiáng)度能源的一個(gè)示例性實(shí)施例在圖20中示出，該圖示出了與圖1所示的系統(tǒng)100類似的系統(tǒng)2000。系統(tǒng)2000的許多部件類似于系統(tǒng)100中的部件，并且因此將不再詳細(xì)討論它們的操作和利用。然而，在系統(tǒng)2000中，激光系統(tǒng)被一個(gè)弧焊系統(tǒng)(諸如GMAW系統(tǒng))替換。該GMAW系統(tǒng)包括一個(gè)電源2130、一個(gè)焊絲送進(jìn)器2150以及一個(gè)焊炬2120。一根焊條2110經(jīng)由焊絲送進(jìn)器2150和焊炬2120被遞送到一個(gè)熔融熔池。在此描述類型的GMAW焊接系統(tǒng)的操作是眾所周知的，并且在此不需要詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)注意，盡管關(guān)于所描繪的示例性實(shí)施例示出并討論了GMAW系統(tǒng)，本發(fā)明的示例性實(shí)施例也可以與以下各項(xiàng)一起使用：GTAW、FCAW、MCAW和SAW系統(tǒng)、包覆系統(tǒng)、釬焊系統(tǒng)、以及這些系統(tǒng)的組合等，包括使用電弧來幫助將耗材過渡到工件上的熔融熔池的那些系統(tǒng)。圖20中未示出可以根據(jù)已知方法使用的一種保護(hù)氣體系統(tǒng)或亞弧焊劑系統(tǒng)。

像以上所描述的激光系統(tǒng)一樣，電弧生成系統(tǒng)(它們可以用作高強(qiáng)度能源)用于形成熔融熔池，熱絲140使用如以上詳細(xì)描述的系統(tǒng)和實(shí)施例被添加到該熔融熔池。然而，通過電弧生成系統(tǒng)，如已知的，另外一種耗材2110也被添加到該熔池。這個(gè)另外的耗材增強(qiáng)了通過在此描述的熱絲過程提供的已經(jīng)提高的熔敷性能。以下將更詳細(xì)地討論這種性能。

進(jìn)一步地，如總體上已知的，電弧生成系統(tǒng)(諸如GMAW)使用高電流電平來在推進(jìn)的耗材與工件上的熔融熔池之間生成電弧。類似地，GTAW系統(tǒng)使用高電流電平來在焊條與耗材被添加到其中的工件之間生成電弧。如總體上已知的，許多不同的電流波形可以被用于GTAW或GMAW焊接操作，諸如恒定電流、脈沖電流等。然而，在系統(tǒng)2000的操作過程中，電源2130所生成的電流可能干擾電源170所產(chǎn)生的用于加熱焊絲140的電流。因?yàn)楹附z140鄰近電源2130所生成的電弧(因?yàn)樗鼈兏髯员灰龑?dǎo)到同一熔融熔池，類似于以上所描述的情況)，對應(yīng)電流可能彼此干擾。確切地，每個(gè)電流生成一個(gè)磁場，并且那些場可能彼此干擾并且不利地影響它們的操作。例如，該熱絲電流所生成的磁場可能干擾電源2130所生成的電弧的穩(wěn)定性。也就是說，在對應(yīng)電流無適當(dāng)控制且其間未進(jìn)行同步的情況下，競爭的磁場可能使電弧不穩(wěn)定并且因此使該過程不穩(wěn)定。因此，示例性實(shí)施例利用電源2130與170之間的電流同步來確保穩(wěn)定操作，這將在下文進(jìn)行進(jìn)一步討論。

圖21描繪了本發(fā)明的一個(gè)示例性焊接操作的更近視圖。如可以看見的，焊炬2120(它可以是示例性GMAW/MIG焊炬)通過使用電弧(如總體上已知的)來將耗材2110遞送到一個(gè)焊接熔池WP。進(jìn)一步地，熱絲耗材140根據(jù)以上所描述的任何實(shí)施例被遞送到焊接熔池WP。應(yīng)當(dāng)注意，盡管焊炬2120和嘴160在此圖中被分開示出，這些部件可以被整合到單個(gè)焊炬單元中，該焊接單元將耗材2110和140兩者遞送到該熔池。當(dāng)然，在利用整體式構(gòu)造的程度上，必須在該焊炬內(nèi)使用電隔離，以便在該過程中防止這些耗材之間的電流轉(zhuǎn)移。如上所述，由對應(yīng)電流所感生的磁場可能彼此干擾，并且因此本發(fā)明的實(shí)施例使對應(yīng)電流同步。同步可以經(jīng)由不同方法來實(shí)現(xiàn)。例如，可以使用感測和電流控制器195來控制電源2130和170的操作以便使這些電流同步?？商娲?，也可以利用一種主從關(guān)系，其中這些電源中的一個(gè)用于控制另一個(gè)的輸出。這些相關(guān)電流的控制可以通過多種方法(包括使用狀態(tài)表或算法)來實(shí)現(xiàn)，這些方法控制這些電源，這樣使得它們的輸出電流被同步以用于穩(wěn)定操作。這將相對于圖22A-22C來討論。例如，可以利用與美國專利公開號2010/0096373中所描述的系統(tǒng)和裝置類似的一種基于雙態(tài)的系統(tǒng)和裝置。于2010年4月22日公開的美國專利公開號2010/0096373通過引用以其全文結(jié)合在此。

圖22A-22C中的每一個(gè)描繪了示例性電流波形。圖22A描繪了一個(gè)示例性焊接波形(GMAW抑或GTAW)，其使用電流脈沖2202來幫助將熔滴從焊絲2110過渡到熔池。當(dāng)然，所示出的波形是示例性且具代表性的并且并不旨在是限制性的，例如，這些電流波形可以是用于脈沖噴射過渡、脈沖焊接、表面張力過渡焊接等的電流波形。熱絲電源170輸出一個(gè)電流波形2203，該電流波形也具有一系列脈沖2204來通過如以上大體描述的電阻加熱來加熱焊絲140。這些電流脈沖2204由具有較小電流電平的一個(gè)基值電平(background level)分開。如先前總體描述的，波形2203用于將焊絲140加熱到處于其熔化溫度處或附近，并且使用這些脈沖2204和背景通過電阻加熱來加熱焊絲140。如圖22A所示，來自對應(yīng)電流波形的這些脈沖2202和2204是同步的，這樣使得它們是彼此同相的。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，這些電流波形被控制，這樣使得如圖所示，這些電流脈沖2202/2204具有類似的或相同的頻率并且彼此同相。出人意料地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：使得這些波形同相產(chǎn)生穩(wěn)定且一致的操作，其中波形2203所生成的加熱電流并不顯著干擾電弧。

圖22B描繪了來自本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的波形。在這個(gè)實(shí)施例中，加熱電流波形2205被控制/同步，這樣使得脈沖2206以一個(gè)恒定相位角Θ與脈沖2202異相。在這種實(shí)施例中，該相位角被選擇成確保該過程的穩(wěn)定操作并且確保該電弧被維持在穩(wěn)定狀況下。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，相位角Θ是在30度至90度的范圍內(nèi)。在其他示例性實(shí)施例中，該相位角是0度。當(dāng)然，其他相位角可以被利用來獲得穩(wěn)定操作，并且可以是在0度至360度的范圍內(nèi)，而在其他示例性實(shí)施例中，該相位角是在0度和180度的范圍內(nèi)。

圖22C描繪了本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，其中熱絲電流2207與焊接波形2201同步，這樣使得這些熱絲脈沖2208是異相的，從而使得與焊接脈沖2202的相位角Θ是大約180度，并且這些熱絲脈沖2208僅出現(xiàn)在波形2201的背景部分2210的過程中。在這個(gè)實(shí)施例中，對應(yīng)電流并不是在同時(shí)達(dá)到峰值。也就是說，波形2207的這些脈沖2208在波形2201的對應(yīng)背景部分2210過程中開始和結(jié)束。

在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，焊接脈沖和熱絲脈沖的脈沖寬度是相同的。然而，在其他實(shí)施例中，這些對應(yīng)脈沖寬度可以是不同的。例如，當(dāng)使用GMAW脈沖波形與熱絲脈沖波形時(shí)，GMAW脈沖寬度是在1.5毫秒至2.5毫秒的范圍內(nèi)，并且熱絲脈沖寬度是在1.8毫秒至3毫秒的范圍內(nèi)，并且熱絲脈沖寬度大于GMAW脈沖寬度。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管加熱電流被示出為脈沖電流，對于一些示例性實(shí)施例，該加熱電流可以是恒定功率，如先前所描述的。該熱絲電流還可以是脈沖加熱功率、恒定電壓、有斜率輸出、和/或基于焦耳/時(shí)間的輸出。

如在此所解釋的，在兩個(gè)電流是脈沖電流的程度上，它們是應(yīng)當(dāng)被同步以便確保穩(wěn)定操作。存在可以用于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的許多方法，包括使用同步信號。例如，控制器195(它可以與電源170/2130中的任一個(gè)整合)可以設(shè)定一個(gè)同步信號來開啟脈沖電弧峰值，并且還設(shè)定熱絲脈沖峰值所希望的開啟時(shí)間。如以上所解釋的，在一些實(shí)施例中，這些脈沖將被同步以便在同時(shí)開啟，而在其他實(shí)施例中，同步信號可以將熱絲電流的脈沖峰值的開啟設(shè)定為在電弧脈沖峰值之后的某個(gè)持續(xù)時(shí)間，該持續(xù)時(shí)間將足以獲得該操作所希望的相位角。

圖23表示本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，利用了GTAW焊接/涂覆操作，其中一個(gè)GTAW焊炬2121和一根焊條2122形成一個(gè)電弧，耗材2120被遞送到該電弧中。同樣地，如圖所示，該電弧和熱絲140被遞送到同一熔池WP以便形成一個(gè)焊珠WB。GTAW實(shí)施例的操作與以上所描述操作的類似之處在于：電弧和熱絲140與同一熔池WP相互作用。同樣地，如同以上所描述的GMAW操作一樣，在GTAW操作中用于生成電弧的電流與用于熱絲操作的電流是同步的。例如，可以使用如圖22A至22C所示的脈沖關(guān)系。進(jìn)一步地，控制器195可以使用一個(gè)雙狀態(tài)表、或其他類似的控制方法來控制這些電源之間的同步。應(yīng)當(dāng)注意，耗材2120可以作為一根冷焊絲被遞送到焊縫，或者也可以是熱絲耗材。也就是說，兩個(gè)耗材2110和140都可以如在此所描述地被加熱?？商娲兀牟?120和140中的僅一個(gè)可以是如在此所描述的熱絲。

在以上所討論的GTAW或GMAW型實(shí)施例(包括使用其他電弧類型方法)中的任一個(gè)中，電弧相對于行進(jìn)方向被定位成是前導(dǎo)的。這在圖21和圖23中的每一個(gè)中示出。這是因?yàn)樵撾娀”挥糜趯?shí)現(xiàn)該或這些工件中的所希望的穿透。也就是說，該電弧被用于形成熔融熔池，并且實(shí)現(xiàn)該或這些工件中的所希望的穿透。隨后，跟在電弧過程之后的是熱絲過程，這在此進(jìn)行了詳細(xì)描述。添加熱絲過程向熔池添加了更多耗材140而無需另一個(gè)焊接電弧的另外熱量輸入(諸如在其中使用至少兩個(gè)電弧的一種傳統(tǒng)串聯(lián)MIG過程中)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可以在比已知串聯(lián)焊接方法少得多的熱量輸入下實(shí)現(xiàn)顯著的熔敷速率。

如圖21所示，熱絲140與電弧被插入在同一焊接熔池WP中，但以一定距離D尾隨在該電弧之后。在一些示例性實(shí)施例中，這個(gè)距離是在5mm至20mm的范圍內(nèi)，并且在其他實(shí)施例中，這個(gè)距離是在5mm至10mm的范圍內(nèi)。當(dāng)然，可以使用其他距離，只要焊絲140被送進(jìn)到與前導(dǎo)電弧所形成相同的熔融熔池中。然而，這些焊絲2110和140應(yīng)當(dāng)被熔敷在同一熔融熔池中，并且距離D應(yīng)當(dāng)是這樣以使得用于加熱焊絲140的加熱電流對電弧具有極小磁干擾?？傮w上，熔池(該電弧和該焊絲被共同引導(dǎo)到其中)的大小將取決于焊接速度、電弧參數(shù)、到達(dá)焊絲140的總功率、材料類型等，它們也是確定焊絲2110與140之間的所希望距離的因素。

應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)控制器195抑或電源170檢測或預(yù)測到電弧事件時(shí)，熱絲電流(例如，2203、2203、或2207)的操作類似于在此詳細(xì)描述的操作。也就是說，即使該電流是脈沖式的，如果形成或檢測到電弧，該電流也可以如在此描述地被切斷或最小化。此外，在一些示例性實(shí)施例中，背景部分2211具有低于焊絲140的電弧生成電平(這可以由控制器195基于用戶輸入信息來確定)的一個(gè)電流電平，并且不是在檢測到電弧時(shí)切斷熱絲電流，而是電源170可以使該電流下降到基值電平2211、持續(xù)一定持續(xù)時(shí)間或直到確定電弧熄滅或?qū)⒉话l(fā)生為止(如先前總體描述的)。例如，電源170可以跳過一個(gè)預(yù)先確定數(shù)目的脈沖2203/2205/2207，或只是不發(fā)出脈沖、持續(xù)一定持續(xù)時(shí)間，諸如10ms至100ms，在該時(shí)間之后電源170可以再次開啟這些脈沖來將焊絲140加熱到適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

如以上所陳述的，因?yàn)樵谕蝗鄢刂惺褂弥辽賰蓚€(gè)耗材140/2110，可以在與單個(gè)電弧操作的熱量輸入類似的熱量輸入下實(shí)現(xiàn)非常高的熔敷速率。這提供優(yōu)于串聯(lián)MIG焊接系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，這些串聯(lián)MIG焊接系統(tǒng)具有到達(dá)工件中的非常高的熱量輸入。例如，本發(fā)明的實(shí)施例可以在單個(gè)電弧的熱量輸入下容易地實(shí)現(xiàn)至少23lb/hr的熔敷速率。其他示例性實(shí)施例具有至少35lb/hr的熔敷速率。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，焊絲140和2110中的每一根的相同之處在于：它們具有相同的組成、直徑等。然而，在其他示例性實(shí)施例中，這些焊絲可以是不同的。例如，如特定操作所希望的，這些焊絲可以具有不同的直徑、焊絲送進(jìn)速度和組成。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，前導(dǎo)焊絲2110的焊絲送進(jìn)速度高于熱絲140的焊絲送進(jìn)速度。例如，前導(dǎo)焊絲2110可以具有450ipm的焊絲送進(jìn)速度，而尾隨的焊絲140具有400ipm的焊絲送進(jìn)速度。進(jìn)一步地，這些焊絲可以具有不同的大小和組成。事實(shí)上，因?yàn)闊峤z140不必行進(jìn)通過電弧以便被熔敷到熔池中，熱絲140可以具有典型地通過電弧并不良好過渡的材料/成分。例如，焊絲140可以具有因?yàn)殡娀《荒鼙惶砑拥降湫偷暮附雍笚l的碳化鎢或其他類似的表面硬化材料。另外地，前導(dǎo)焊條2110可以具有富含潤濕劑的一種組成，這些潤濕劑可以幫助使熔池濕潤以便提供所希望的焊珠形狀。進(jìn)一步地，熱絲140還可以包含將有助于保護(hù)熔池的焊渣元素。因此，本發(fā)明的實(shí)施例允許焊縫化學(xué)成分具有極大靈活性。應(yīng)當(dāng)注意，因?yàn)楹附z2110是前導(dǎo)焊絲，弧焊操作與該前導(dǎo)焊絲一起提供焊接接頭的穿透，其中該熱絲為該接頭提供另外的填充。

在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，電弧和熱絲的組合可以用于根據(jù)有待執(zhí)行的特定操作的要求和限制來平衡到達(dá)焊縫熔敷物的熱量輸入。例如，可以增加來自前導(dǎo)電弧的熱量以用于接合應(yīng)用，其中來自該電弧的熱量有助于獲得接合這些工件所需的穿透，并且該熱絲主要用于填充接頭。然而，在包覆或堆焊過程中，可以增大熱絲焊絲送進(jìn)速度以便最小化稀釋并增強(qiáng)堆焊。

進(jìn)一步地，因?yàn)榭梢允褂貌煌附z化學(xué)成分，可以形成在傳統(tǒng)上是通過兩個(gè)獨(dú)立焊道來實(shí)現(xiàn)的具有不同層的一個(gè)焊接接頭。前導(dǎo)焊絲2110可以具有一個(gè)傳統(tǒng)第一焊道所需的所要求的化學(xué)成分，而尾隨的焊絲140可以具有一個(gè)傳統(tǒng)第二焊道所需的化學(xué)成分。進(jìn)一步地，在一些實(shí)施例中，至少一根焊絲140/2110可以是帶芯焊絲。例如，熱絲140可以是具有鐵粉芯的帶芯焊絲，該鐵粉芯將所希望的材料熔敷到焊接熔池中。

圖24描繪了本發(fā)明的電流波形的另一個(gè)示例性實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，熱絲電流2403是與焊接電流2401(無論它是GMAW還是GTAW)同步的AC電流。在這個(gè)實(shí)施例中，該加熱電流的正脈沖2404與電流2401的脈沖2402同步，而加熱電流2403的負(fù)脈沖2405與該焊接電流的背景部分2406同步。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，同步可以是相反的：正脈沖2404與背景2406同步，并且負(fù)脈沖2405與脈沖2402同步。在另一個(gè)實(shí)施例中，在脈沖焊接電流與熱絲電流之間存在相位角。通過利用AC波形2403，該交流(并且因此交變磁場)可以用于幫助使電弧穩(wěn)定。當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以利用其他實(shí)施例。例如，在一種使用埋弧焊(SAW)操作的系統(tǒng)中，SAW電流波形可以是AC波形，并且熱絲電流波形是AC或脈沖DC功率波形，其中這些波形中的每一個(gè)是彼此同步的。

還應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的實(shí)施例可以在焊接電流是恒定或接近恒定的電流波形的情況下使用。在此類實(shí)施例中，加熱交流2403可以用于維持電弧的穩(wěn)定性。該穩(wěn)定性是由加熱電流2403所造成的恒定變化的磁場來實(shí)現(xiàn)的。

圖25描繪了本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，其中熱絲140被定位在兩個(gè)串聯(lián)弧焊操作之間。在圖25中，這些弧焊操作被描繪為GMAW型焊接，但也可以是GTAW、FCAW、MCAW或SAW型系統(tǒng)。在附圖中，前導(dǎo)焊炬2120聯(lián)接到一個(gè)第一電源2130上，并且經(jīng)由弧焊操作將一根第一焊條2110遞送到熔池。熱絲140(其如以上所討論地被熔敷)尾隨該前導(dǎo)電弧。使用一個(gè)第二電源2130'、一個(gè)第二焊炬2120'以及一根第二弧焊焊絲2110'進(jìn)行的一個(gè)尾隨的弧焊操作尾隨熱絲140。因此，該配置類似于串聯(lián)GMAW焊接系統(tǒng)的配置，但使得熱絲140被熔敷到焊炬2120與2120'之間的公共熔池中。這種實(shí)施例進(jìn)一步提高材料到熔池中的熔敷速率。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的實(shí)施例可以在單個(gè)操作中使用另外的焊接焊炬和/或熱絲耗材，并且不限于附圖所示的這些實(shí)施例。例如，不止熱絲可以用于在單個(gè)焊道過程中將另外的材料熔敷到熔池中。如以上所提及的，可以使用SAW過程，而不是在此總體上討論的GMAW過程。例如，圖25所示的實(shí)施例可以利用具有與這幅圖所示類似的配置的前導(dǎo)的和尾隨的SAW過程。當(dāng)然，將使用粒狀焊劑而不是保護(hù)氣體來保護(hù)電弧。在使用諸如SAW的其他焊接方法時(shí)，如以上所討論的總體方法或操作和控制是類似地可適用的。例如，圖25A描繪了如在此所描述的可以在SAW系統(tǒng)中與熱絲一起使用的示例性波形。如所描繪的，前導(dǎo)SAW電流波形2501是具有多個(gè)正脈沖2503和多個(gè)負(fù)脈沖2505的AC波形，而尾隨的SAW電流2521也是具有多個(gè)正脈沖2523和多個(gè)負(fù)脈沖2525的AC波形，其中尾隨的波形2521以相位角α與前導(dǎo)波形2501異相。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，相位角α是在90度至270度的范圍內(nèi)。還應(yīng)當(dāng)注意，在所示的實(shí)施例中，波形2501與2521之間的+/-偏移的不同之處在于：尾隨的波形2521與前導(dǎo)波形2501相比具有更大的負(fù)偏移。在其他示例性實(shí)施例，該偏移可以是相同的，或可以是反向的。熱絲電流2510以一個(gè)脈沖電流的形式示出，該脈沖電流具有由一個(gè)基值電平2513分開的多個(gè)正脈沖2511，其中波形2510具有與相位角α不同的偏移相位角θ。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，熱絲相位角θ是在45度至315度的范圍內(nèi)，但不同于相位角α。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管以上討論涉及SAW型操作，使用類似同步方法的其他示例性實(shí)施例可以具有GMAW、FCAW、MCAW、或GTAW型操作、或其組合。

如以上所陳述的，本發(fā)明的實(shí)施例可以大大增強(qiáng)材料到熔池中的熔敷，同時(shí)保持總熱量輸入低于傳統(tǒng)串聯(lián)系統(tǒng)。然而，一些示例性實(shí)施例可以形成高于傳統(tǒng)串聯(lián)方法的焊珠WB形狀。也就是說，焊珠WB傾向于更高地豎立在工件的表面上，并且不像串聯(lián)系統(tǒng)一樣多地潤開到焊珠WB的側(cè)部?？傮w上，這是因?yàn)闊峤z140將有助于在前導(dǎo)弧焊操作之后使熔池淬火。因此，本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例利用系統(tǒng)和部件來在焊接/涂覆操作過程中幫助使熔池加寬或潤開。

圖26描繪了一個(gè)示例性實(shí)施例，其中兩個(gè)GMAW焊炬2120和2120'并非被定位在一直線上，而是如圖所示地被定位在并排位置中，其中熱絲140尾隨在這兩個(gè)焊炬2120/2120'之后。在這個(gè)實(shí)施例中，具有處于并排配置的兩個(gè)GMAW電弧將使熔池WP加寬，并且有助于使該熔池潤開以便展平焊珠WB。如同其他實(shí)施例一樣，熱絲140尾隨該弧焊操作，并且可以在這些弧焊操作之后被定位在焊珠WB的中心線上。然而，熱絲140不必保持在中心線上，因?yàn)樵摕峤z可以在焊接操作過程中相對于該熔池振蕩或移動。

圖27描繪了另一個(gè)示例性實(shí)施例，其中在焊接熔池WP的任一側(cè)上使用激光器2720和2720'來幫助展開該熔池或有助于該熔池的濕潤。這些激光器2720/2720'各自對應(yīng)地在該熔池的側(cè)部上發(fā)射光束2710/2710'，以便將熱量添加到該熔池并且有助于使該熔池濕潤，這樣使得熔池形狀是所希望的。這些激光器2720/2720'可以是在此所描述的類型，并且可以如以上所描述地被控制。也就是說，這些激光器可以由控制器195或類似裝置控制，以便提供所希望的焊珠形狀。此外，不是使用兩個(gè)激光器來實(shí)現(xiàn)所希望的焊珠形狀，單個(gè)激光器可以與一個(gè)光束分離器一起使用，該光束分離器分離光束2710并且將這些分離的光束引導(dǎo)到焊接熔池上的適當(dāng)位置，以便實(shí)現(xiàn)所希望的焊珠形狀。應(yīng)當(dāng)注意，為了清晰目的，圖27中未描繪前導(dǎo)弧焊過程。

在進(jìn)一步的示例性實(shí)施例中，可以使用單個(gè)激光束2710，該單個(gè)光束正好在電弧過程的下游或熱絲140的下游(在行進(jìn)方向上)被引導(dǎo)到熔池，其中光束2710左右振蕩以便有助于展平該熔池。在此類實(shí)施例中，單個(gè)激光器2720可以被使用并引導(dǎo)到熔池的其中需要該激光器來幫助使該熔池濕潤的多個(gè)區(qū)域。激光器2720的控制和操作類似于以上相對于圖1等所描述的激光器120的控制和操作。

圖28描繪了本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，一根GTAW(或GMAW、FCAW、MCAW)焊條2801被用于弧焊過程，并且一個(gè)磁探針2803鄰近焊條2801被定位以便在焊接過程中控制該電弧的移動。探針2803從可以或可以不聯(lián)接到控制器195上的磁控制和電源2805接收電流，并且該電流致使由探針2803生成一個(gè)磁場MF。該磁場與電弧所生成的磁場相互作用，并且因此可以用于在焊接過程中移動該電弧。也就是說，該電弧可以在焊接過程中被左右移動。這種左右移動用于使熔池加寬并且有助于使該熔池濕潤，以便實(shí)現(xiàn)所希望的焊珠形狀。盡管為了清晰而未示出，該電弧之后跟著如在此所討論的熱絲耗材，以便為焊珠提供另外的填充。一個(gè)磁轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用和實(shí)現(xiàn)是焊接行業(yè)的技術(shù)人員總體上已知的，并且在此不需要進(jìn)行詳細(xì)描述。

當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，圖26和圖28中的任一個(gè)中的實(shí)施例(以及在此所描述的其他所示實(shí)施例)可以使用激光器2720來如在此所描述地幫助使熔池成形。

如先前所指示的，本發(fā)明的示例性實(shí)施例可以在許多不同焊接和接合操作中使用。那些接合操作可以包括許多不同類型的焊接應(yīng)用，包括管道焊接。事實(shí)上，本發(fā)明的實(shí)施例可以在其中管道工件可以具有包覆有耐腐蝕材料(諸如，鎳合金)的內(nèi)表面的管道焊接應(yīng)用中使用。當(dāng)此類管道隨后被焊接在一起(端對端)時(shí)，包覆材料中的焊縫必須保持有與該包覆材料的剩余部分相同的化學(xué)成分(用于防腐蝕)。因此，在復(fù)合層或“根部焊道”中的第一焊道是重要的，并且必須圍繞管道接頭的整個(gè)周長進(jìn)行并且如在此所描述地幾乎沒有孔隙率，在該焊接接頭的開始點(diǎn)/結(jié)束點(diǎn)處幾乎不包括孔隙率。這在以下進(jìn)行了更詳細(xì)描述。

總體上已知由于本質(zhì)上具有腐蝕性的“酸性”油和天然氣場的量，要求使用耐腐蝕復(fù)合管材以便允許獲得管線區(qū)段的延長的壽命。在許多情況下，在管材上的復(fù)合層是具有例如大約0.125英寸的相當(dāng)可觀的厚度的基于鎳的包覆材料(“Ni復(fù)合層”)。進(jìn)一步地，因?yàn)镹i復(fù)合層位于管道的內(nèi)表面上，兩個(gè)鄰接的管道區(qū)段的Ni復(fù)合層通過根部焊道來接合—因?yàn)檫@些管道區(qū)段是從外部焊接的。因?yàn)榻宇^的深度并且因?yàn)镹i復(fù)合層(該復(fù)合層應(yīng)當(dāng)保持完整)的存在，這種復(fù)合層呈現(xiàn)出對于常規(guī)焊接操作困難的根部焊道。尤其在該焊縫的結(jié)束點(diǎn)處存在這些困難，在該結(jié)束點(diǎn)處，該焊接與該焊縫的開端相互作用。為了在管道焊縫的末端處實(shí)現(xiàn)所希望的強(qiáng)度以及接頭幾何形狀和摻和，必須具有完全穿透。然而，通過常規(guī)焊接操作進(jìn)行這種穿透可能是困難的，并且導(dǎo)致焊縫中的諸如孔隙率和不完全熔接的缺陷。典型地，這些缺陷僅在完成該焊縫之后才被檢測到，并且導(dǎo)致顯著的修復(fù)成本和延遲。

如先前所解釋的，本發(fā)明的實(shí)施例可以顯著減小或消除孔隙率，并且可以用于深且窄的接頭，以便以高于當(dāng)前所使用的或?qū)崿F(xiàn)的速度來產(chǎn)生高質(zhì)量焊縫。參考圖29和圖30，其中圖29類似于先前所討論的圖7B。然而，如圖所示，一個(gè)復(fù)合層CL如圖所示位于工件115的一側(cè)上。該復(fù)合層CL具有厚度CLt。該復(fù)合層厚度CLt可以根據(jù)所使用的應(yīng)用而變化。在一些應(yīng)用中，該復(fù)合層厚度CLt可以是在0.060英寸至0.375英寸的范圍內(nèi)。當(dāng)如圖所示地接合工件115時(shí)，該復(fù)合層CL是該工件的經(jīng)由根部焊道焊縫RP接合的區(qū)域，該根部焊道焊縫具有根部焊道厚度RPt。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，標(biāo)稱根部焊道厚度RPt(其為“焊區(qū)”和所熔敷材料的厚度)是在復(fù)合層厚度CLt的厚度的100％至200％的范圍內(nèi)。根部焊道厚度(RPt)將是這樣以使得基底材料到該根部焊道中的稀釋將導(dǎo)致所熔敷材料中的可接受的化學(xué)成分。在控制所熔敷材料的化學(xué)成分的同時(shí)，該厚度RPt是這樣以使得該厚度確保鄰近的復(fù)合層CL被充分接合。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，耗材140具有一種材料，該材料可以適當(dāng)接合對應(yīng)的復(fù)合層CL并且提供所希望的接頭化學(xué)成分和強(qiáng)度。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，用相同耗材填充該接頭的剩余部分，而在其他示例性實(shí)施例中，可以將具有不同化學(xué)成分的耗材用于該接頭的剩余部分。

圖31和圖32描繪了使用本發(fā)明的不同實(shí)施例的一個(gè)示例性管道焊縫。如圖所示，如在此所描述，使用激光器120、光束110和耗材140，根部焊道焊縫開始于起始點(diǎn)處并且圍繞管道接頭前進(jìn)。圖32描繪了該接頭的橫截面，其示出了根部焊道RP，以及該過程在其在操作返回到起始點(diǎn)SP時(shí)接近完成該焊縫時(shí)的情況。為了清晰的目的，起始點(diǎn)SP是在接合過程開始時(shí)位于接頭根部上的光束110的幾何中心點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，該光束是成角度的，這樣使得該光束垂直于管道周長在光束沖擊點(diǎn)處的切線。然而，在其他示例性實(shí)施例中，光束110可以相對于法線被成角度成+/-30度。進(jìn)一步地，盡管這些圖將焊絲140描繪成處于“拖曳”模式(前導(dǎo))，在其他示例性實(shí)施例中，焊絲140可以尾隨光束110，即“推動”。在該過程返回到起始點(diǎn)時(shí)，熔池P在起始點(diǎn)SP處與根部焊道RP相接觸。推進(jìn)的熔池與現(xiàn)有根部焊道焊縫之間在起始點(diǎn)處的這種接觸和相互作用是傳統(tǒng)焊接過程中的眾多缺陷(即顯著孔隙率)的位置。然而，本發(fā)明的實(shí)施例能夠在沒有這些缺陷(例如，孔隙率)的情況下完成該根部焊道焊縫。確切地，在熔融熔池P到達(dá)或接近起始點(diǎn)SP時(shí)，該過程被控制以便最小化現(xiàn)有根部焊道焊縫RP的擾亂。確切地，當(dāng)熔池P到達(dá)起始點(diǎn)時(shí)，控制器195致使焊絲送進(jìn)器150停止將焊絲140送進(jìn)到該焊縫中。在其他示例性實(shí)施例中，焊絲送進(jìn)速度被減小而不是被停止。另外地，在一些實(shí)施例中，控制器195致使電源170停止加熱焊絲140，或在其他實(shí)施例中，使向焊絲140提供的加熱電流斜降。另外地，控制器195控制激光器電源130，以便減小激光束110能量密度，和/或減少激光束110在該接頭處的相互作用時(shí)間。光束110相互作用時(shí)間可以通過提高光束110的行進(jìn)速度來減少。通過減小光束的能量密度和/或減少其相互作用時(shí)間，由激光束110形成的鎖眼被帶到熔池的表面，從而使得到現(xiàn)有根部焊道RP焊接接頭中的總穿透較小。應(yīng)當(dāng)注意，還可以通過改變光束110的焦距來減小光束110的能量密度。這允許該焊縫在起始點(diǎn)處從根部焊道RP回縮(tapered out)，并且導(dǎo)致一個(gè)較淺的熔池。通過結(jié)合焊絲送進(jìn)速率的變化(其可以被減小到零)以及減少從光束110到熔池中的能量，本發(fā)明的實(shí)施例允許根部焊道RP的末端平滑地斜出且無缺陷(諸如孔隙率)。通過如以上所描述地控制該過程，在起始點(diǎn)處或附近的根部焊道厚度RPt在該根部焊道的剩余部分的標(biāo)稱根部焊道厚度RPt的100％至130％的范圍內(nèi)。也就是說，該過程被控制，這樣使得在該焊接過程結(jié)束時(shí)不存在材料的過度“凸起”，該凸起可能干擾任何隨后的焊接焊道。在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，(相對于工件115的中心C)在起始點(diǎn)的+/-5度范圍內(nèi)的根部焊道厚度RPt是在該焊縫的剩余部分的標(biāo)稱根部焊道厚度RPt的100％至130％的范圍內(nèi)。

該斜出過程的開始將取決于工件115的配置(管道的直徑、焊區(qū)厚度)、所使用的焊接參數(shù)(行進(jìn)速度、激光斑點(diǎn)大小、焊絲送進(jìn)等)以及起始斜坡程序(例如，該焊接斜升有多快)和結(jié)束斜坡程序(例如，該斜出過程斜降有多快)。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，控制器195控制該過程，這樣使得該斜出過程(以上描述)在光束110的幾何中心在(如相對于工件115的中心C測量的)起始點(diǎn)SP之前10度到起始點(diǎn)SP之后5度的范圍內(nèi)時(shí)開始。在其他示例性實(shí)施例中，該斜出過程在該光束的中心位于起始點(diǎn)SP之前2度至5度的范圍內(nèi)時(shí)開始。在其他示例性實(shí)施例中，該斜出過程在該光束的中心位于(如相對于工件115的中心C測量的)起始點(diǎn)SP的+/-0.5度至5度(即+/-0.5度至+/-5度)的范圍內(nèi)時(shí)開始。在其他示例性實(shí)施例中，該斜出過程在該光束的中心位于+/-0.5度至2度的范圍內(nèi)時(shí)開始。在其他示例性實(shí)施例中，該斜出過程在該光束110在根部處的幾何中心位于起始點(diǎn)SP處時(shí)開始。無論如何，該斜出過程應(yīng)當(dāng)被控制，這樣使得根部焊道的末端與根部焊道RP的開端平滑地接合，以便提供一個(gè)所希望的焊接接頭。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，光束110的能量密度被減小到處于光束110在根部焊道RP的整體焊接過程中的能量密度的25％至75％的范圍內(nèi)。也就是說，根部焊道RP在光束110的一個(gè)第一能量密度水平下被焊接，并且該斜出是在一個(gè)第二能量密度下被執(zhí)行，該第二能量密度小于該第一能量密度并且處于在該第一水平的50％至75％的范圍內(nèi)的水平下。這可以在其中行進(jìn)速度保持恒定或改變以便實(shí)現(xiàn)所希望的出口輪廓的實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。在其他示例性實(shí)施例中，光束110的能量密度可以從第一水平以一定速率斜降，該速率平滑地減小光束110的穿透深度并且提供一個(gè)所希望的出口輪廓。在其他示例性實(shí)施例中，該能量密度可以逐步地被減小。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，控制器195控制該過程，這樣使得在根部焊道RP的末端處的斜出是在越過起始點(diǎn)SP的0.0度至30度(角度A)的范圍內(nèi)完成的。在其他示例性實(shí)施例中，角度A是在越過起始點(diǎn)SP的5度至15度的范圍內(nèi)。

圖33描繪了根據(jù)以上所討論的實(shí)施例執(zhí)行的示例性焊接接頭橫截面的圖示，其中焊縫已完成。如可以看見的，該根部接頭的“焊區(qū)”典型地具有小于復(fù)合層CLt厚度的厚度。這樣做典型地是為了維持所希望的根部焊道組成，以便不危害復(fù)合層的耐腐蝕特性。如總體上所理解的，該“焊區(qū)”是工件115的對接抵靠一個(gè)相鄰工件的根部接頭部分在接合之前的厚度。如圖所示，該焊縫開始于起始點(diǎn)SP，在該起始點(diǎn)處，激光束110開始一個(gè)熔池并且隨后耗材140被浸到該熔池中以便開始接合過程。然而，因?yàn)樵摵缚p的開端涉及到達(dá)正常焊接參數(shù)和速度的斜升，可能在起始點(diǎn)SP處形成其中工件115未完全焊接的區(qū)域Z。隨后，如以上所描述的，當(dāng)該焊接過程到達(dá)起始點(diǎn)SP周圍時(shí)，以及當(dāng)它到達(dá)或接近起始點(diǎn)SP時(shí)，焊絲送進(jìn)速度被減小(或停止)以便不在起始點(diǎn)SP處將過多量的材料熔敷到該接頭中。如以上所陳述的，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，在起始點(diǎn)處或附近的根部焊道厚度(在圖33中被示為完成厚度Ft)是在該焊縫的剩余部分的標(biāo)稱根部焊道厚度RPt的100％至130％的范圍內(nèi)。然而，激光器110的功率應(yīng)當(dāng)是這樣以使得它可以在起始點(diǎn)SP處充分地穿透到該焊縫中，以便到達(dá)在起點(diǎn)處可能未被完全焊接的任何區(qū)域Z。這在防止過多材料的熔敷的同時(shí)確保了起始點(diǎn)區(qū)域處的完全焊接。因此，在示例性實(shí)施例中，激光器功率是在焊絲送進(jìn)速度被減慢或停止之后被減小的。焊絲送進(jìn)速度和激光器功率的控制將是這樣以使得該接頭沿其整個(gè)周邊(包括在起始點(diǎn)處)被完全焊接，并且起始點(diǎn)SP與根部焊道的末端之間的相互作用處的焊接接頭輪廓具有所希望的化學(xué)成分、強(qiáng)度和幾何形狀，這樣使得將不對任何隨后的填充焊道有物理干擾。本發(fā)明的實(shí)施例可以在高的速度速率下并且在幾乎沒有孔隙率的情況下容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，如先前所描述的。

進(jìn)一步地，應(yīng)當(dāng)注意，以上討論總體上涉及其中使用單個(gè)激光器和熱絲組件來焊接管道的整個(gè)周長的實(shí)施例。然而，其他示例性實(shí)施例在此方面不受限制。也就是說，本發(fā)明的實(shí)施例可以在同時(shí)使用多個(gè)組件來焊接一個(gè)管道(其中每個(gè)焊接頭單元在位置上徑向地遠(yuǎn)離彼此)的情況下使用。在此類實(shí)施例中，一個(gè)焊珠將由一個(gè)第一焊接頭開始(例如，形成一個(gè)起始點(diǎn))，并且一個(gè)第二、尾隨的焊接頭將如期而至并且完成該焊道。本發(fā)明的實(shí)施例能夠以此類配置來使用，因?yàn)槲搽S的焊接頭將如以上所解釋地執(zhí)行根部焊道斜出。

因此，相對于常規(guī)弧焊技術(shù)來說，本發(fā)明的實(shí)施例可以在缺陷顯著減少的情況下并且在顯著更高的速度下焊接高強(qiáng)度的復(fù)合工件(諸如管道)。也就是說，本發(fā)明的實(shí)施例可以在提供結(jié)構(gòu)上可靠且可接受的焊接接頭的同時(shí)，在先前在此所描述的速度和孔隙率水平下提供根部焊道復(fù)合管道/工件焊縫(以及無根部焊道焊縫)。當(dāng)然，如同本發(fā)明的所有示例性實(shí)施例一樣，工件或焊接頭/裝置抑或兩者可以相對于彼此移動以便實(shí)現(xiàn)焊接操作。

雖然已經(jīng)參考某些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出不同改變并且用等效物替換。此外，可以進(jìn)行許多修改以使具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的傳授內(nèi)容而不脫離其范圍。因此，本發(fā)明不旨在局限于所披露的具體實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落在本申請的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。

參考號

100 系統(tǒng)

110 激光束

110A 激光束

115 工件

120 激光裝置

120A 激光裝置

121 光束分離器

125 方向

130 電源

140 填充焊絲

150 填充焊絲送進(jìn)器

160 管/嘴

160' 嘴

170 電源

180 運(yùn)動控制器

190 機(jī)器人

195 控制子系統(tǒng)

200 啟動方法

210 步驟

220 步驟

230 步驟

240 步驟

250 步驟

260 步驟

300 啟動方法

310 步驟

320 步驟

330 步驟

340 步驟

410 波形

411 點(diǎn)

412 點(diǎn)

420 波形

425 斜坡

430 間隔

450 電流電平

510 波形

512 點(diǎn)

520 波形

525 電流電平

530 間隔

601 表面

601A 熔池

603 表面

603A 熔池

605 表面

701 表面

703 表面

705 間隙

707 焊珠

801 焊接熔池

803 焊接熔池

901 焊接熔池/接頭

903 焊接熔池/覆蓋層

1000 焊接接頭

1010 激光源

1011 光束

1012 焊接熔池

1020 激光源

1021 光束

1022 焊接熔池

1030 填充焊絲

1030A 填充焊絲

1040 工件

1041 工件

1110 感應(yīng)線圈

1200 系統(tǒng)

1210 電源

1220 用戶輸入端

1221 正極端子

1222 正極端子

1223 感測引線

1230 控制器

1240 電路

1250 功率模塊

1400 系統(tǒng)

1410 傳感器

1420 傳感器

1700 系統(tǒng)

1710 電動機(jī)

1720 驅(qū)動單元

1800 電路

1801 電阻器

1803 開關(guān)

1901 護(hù)套

1903 系統(tǒng)

2000 系統(tǒng)

2110 焊接焊條

2110' 焊絲

2120 焊炬

2120' 焊炬

2121 焊炬

2122 焊條

2130 電源

2130' 電源

2150 焊絲送進(jìn)器

2201 焊接波形

2202 脈沖

2203 波形

2204 脈沖

2205 波形

2206 脈沖

2207 熱絲電流

2208 熱絲脈沖

2210 背景部分

2211 背景部分

2401 焊接電流

2402 脈沖

2403 熱絲電流

2404 正脈沖

2405 負(fù)脈沖

2406 背景

2501 波形

2503 正脈沖

2505 負(fù)脈沖

2510 波形

2511 正脈沖

2513 基值電平

2521 電流

2523 正脈沖

2525 負(fù)脈沖

2710 發(fā)射光束

2720 激光器

2720' 激光器

2801 焊條

2803 磁探針

2805 電源

G 間隙寬度

L 長度

P 熔池

W1 工件

W2 工件

WB 焊珠

WP 焊接熔池

X 距離

Z 距離

α 相位角

Θ 相位角