本申請要求美國專利申請?zhí)?4/336,215的2014年7月21日的提交日的權(quán)益，該美國專利申請通過引用結(jié)合于本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及接合過程，并且更具體而言，涉及用于在接合過程期間使熔池成形的過程。

背景技術(shù)：

已知用于接合材料的各種過程，所述接合材料可以共同地表示兩個(gè)或更多個(gè)基底的接合，以及一個(gè)或多個(gè)基底的修復(fù)或增強(qiáng)。例如，傳導(dǎo)焊接和鍵孔焊接是用于材料接合的已知過程。如圖1中所示，在鍵孔焊接中，基底10的一部分的整個(gè)厚度可通過能量源12熔化成熔池14。以這種方式，通過基底10的熔池14的整個(gè)厚度形成鍵孔16。當(dāng)過程沿焊縫的行進(jìn)方向橫過時(shí)，熔池14及相關(guān)聯(lián)的鍵孔16也沿焊接方向18橫過基底10。隨著鍵孔前進(jìn)，熔池14的熔融材料在鍵孔16之后凝固成焊道（weld bead）20。在所示實(shí)施例中，在熔池周圍提供惰性氣體21，以防止基底或其他工藝材料的氧化，并且（可能利用補(bǔ)充氣體）抑制在表面處形成任何等離子體。在傳導(dǎo)焊接中，能量源12提供不足以形成如圖1中所示的鍵孔16的能量的量。代替形成鍵孔，熱從基底10的表面?zhèn)鲗?dǎo)到基底10中。

在熔池形成期間可能出現(xiàn)許多問題。第一個(gè)問題涉及對有問題的元素和成分的分離。第二個(gè)問題涉及集中的拉伸應(yīng)力。第三個(gè)問題涉及特別是對于鍵孔焊接而言的空隙的滯留。對于偏析，要理解的是，在凝固的過程期間，焊池形狀極大地影響對焊縫裂紋的易受性（susceptibility）。凝固晶粒法向于固-液界面（沿最大溫度梯度的方向）生長，并且以相對于鄰接的固體最優(yōu)選的晶粒取向外延生長。這樣的形狀和晶粒取向可以顯著地影響開裂。

對于線性固液界面的淚滴形焊池，在焊池的每一側(cè)上形成平行排列的晶粒（如在2D中觀察到的）。在3D中觀察，晶粒也大致垂直于錐體的側(cè)面形成。晶粒在焊縫中心線（凝固的最后位置）處終止其凝固。這樣的晶粒也趨于相對較大，這是因?yàn)檠啬谭较颍◤拿總€(gè)線性側(cè)）沒有變化，并且優(yōu)選取向的晶?？梢院唵蔚厥顾鼈冏陨沓蚝缚p中心線延伸。

低熔點(diǎn)元素（例如，硫和磷）和類似成分（例如低共熔體之類的化合物）在凝固的最后點(diǎn)處自然地集中。已知這些成分會(huì)加重凝固裂紋，因?yàn)樗鼈兛赡軣o法承受最終凝固的應(yīng)力。參照圖2，在淚滴形的焊池22的情況下，這樣的成分32在焊縫中心線30處偏析并且散布在相對較少和粗糙的晶界上。這種偏析預(yù)期會(huì)導(dǎo)致焊縫凝固裂紋。

此外，由于拉伸應(yīng)力并且由于易于開裂的微結(jié)構(gòu)，可能發(fā)生開裂。假定除了影響促進(jìn)后面的易于開裂的微結(jié)構(gòu)的偏析之外，焊池形狀還影響對于無裂紋凝固而言重要的應(yīng)力分布。焊縫中的應(yīng)力集中是復(fù)雜的，并且取決于許多因素，但可能最重要的因素包含熱管理。鄰接凝固熔體的固體金屬的拘束對于這種應(yīng)力管理而言是非常重要的。例如，完全拘束的基底需要凝固熔體來承受所有的收縮應(yīng)力。替代性的，非約束的基底適應(yīng)收縮應(yīng)變，并且遠(yuǎn)不容易開裂。因此，需要能夠分散這種應(yīng)力的過程。

此外，要理解的是，鍵孔模式激光焊接的開始和終止需要（相應(yīng)地）從焊接的傳導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變成鍵孔模式再轉(zhuǎn)變成傳導(dǎo)模式。也就是說，當(dāng)激光束首先被引導(dǎo)到基底時(shí)，它首先產(chǎn)生淺熔池。平移和進(jìn)一步的能量輸送形成貫通截面的鍵孔。這種形成涉及熔體的湍流運(yùn)動(dòng)并且易于產(chǎn)生缺陷，例如孔隙。在焊接終止時(shí)，貫通截面穿的透過渡到部分穿透，并且熔融金屬所圍繞的孔過渡到淺熔池。在這樣的過渡中涉及的熔融幾何變化易于捕獲焊縫缺陷。

更進(jìn)一步地，在鍵孔焊接中，熔池14的特征可以在于由于能量的集中和焊接過程的速度而導(dǎo)致的基底10中的高的深度與寬度（高寬）比。由于鍵孔16的高的高寬比和焊接的速度，在遠(yuǎn)離熔池表面的熔池14的深度的中點(diǎn)附近可能形成空隙（孔隙）。在孔能夠行進(jìn)到熔池表面之前，空隙可被捕獲在凝固的熔池中。這種效應(yīng)由于淚滴形狀（圖2）的存在而放大，這為缺陷逸出提供了較少的區(qū)域。與鍵孔焊接相比，傳導(dǎo)焊接提供了一般更淺且更寬的熔池，但仍然可具有如本文所述的淚滴形熔池。

附圖說明

根據(jù)附圖在下面的描述中解釋本發(fā)明，這些附圖示出了：

圖1圖示了典型的現(xiàn)有技術(shù)的鍵孔焊接過程的鍵孔的形成；

圖2圖示了通過圖1的現(xiàn)有技術(shù)過程形成的淚滴形熔池的頂視圖；

圖3A-3B圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的具有固/液界面的輪廓形狀的熔池；

圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的用于形成成形的熔池（contoured melt pool）的焊接過程；

圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的過程中的第一能量源和第二能量源的行進(jìn)路徑；

圖6圖示了用于本發(fā)明的一個(gè)方面中的二合一光纖（two-in-one fiber）；

圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的通過對熔池的邊緣施加附加的能量而形成的熔池；

圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的形成成形的熔池的能量施加；

圖9A-9D圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的曲線和曲面（curviplanar）熔池（圖9C和圖9D）以及現(xiàn)有技術(shù)的熔池（圖9A-9B）的形成。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的各方面涉及相對于已知的過程在例如鍵孔焊接或傳導(dǎo)焊接過程之類的接合過程中強(qiáng)烈影響熔池的形狀的過程和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于焊接的過程，其包括對基底施加第一量的能量和第二量的能量，以有效地提供包括曲線和曲面的固/液界面的熔池。如本文將描述的，例如，相對于更加淚滴形的熔池，所述成形的熔池減少了在熔池的深度內(nèi)和沿熔池的寬度的中心線的工件偏析和應(yīng)力集中，以及降低了熔池中空隙滯留的可能性。

更具體而言，利用曲線和曲面的固/液界面，在熔池的每一側(cè)上形成高度變化的排列的晶粒（grain）。晶粒趨于朝向向前行進(jìn)方向彎曲。這樣的晶粒也趨于相對較小，這是因?yàn)樵谀谭较蛏洗嬖谶B續(xù)變化，并且優(yōu)選取向的晶粒引發(fā)（initiate）次優(yōu)選取向的晶粒并相對于次優(yōu)選取向的晶粒具有優(yōu)勢。此外，不期望的工件可能遍布整個(gè)凝固焊縫和/或許多細(xì)晶粒邊界。由此降低了焊接凝固裂紋的傾向。

此外，要理解的是，雖然熔池形狀可能不直接影響與凝固熔體鄰接的固體金屬的拘束（restraint），但熔池形狀可能會(huì)影響所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力的方向和集中（concentration），該拉伸應(yīng)力通常與拘束結(jié)合導(dǎo)致開裂。重要的是這種應(yīng)力不集中而是分散的。本文所述過程的另一個(gè)關(guān)鍵益處在于熔池形狀控制和過程熱管理可導(dǎo)致分散這種應(yīng)力。

此外，本文所述的焊縫形狀控制過程可以改善對深透焊縫缺陷的規(guī)避。例如，緊隨深透焊縫施加過程能量可以使熔池成形為以使得湍流最小化的方式從鍵孔模式轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)模式焊接。這種轉(zhuǎn)變可以有效地避免夾雜物和空隙的產(chǎn)生，和/或增強(qiáng)空隙排出到熔池的表面并在該表面上消散的機(jī)會(huì)。

在特定實(shí)施例中，在熔池外部加熱基底，以有意地降低熔池的冷卻速率或凝固速率，并且至少在熔池的后緣區(qū)域處有效地?cái)U(kuò)寬熔池（相對于沒有在熔池外加熱的步驟的過程）。在其他實(shí)施例中，形成熔池的內(nèi)部區(qū)域被加熱以便影響熔池的形狀。在任一種情況下，熔池在后緣區(qū)域處的加寬例如在待移除的熔池內(nèi)為污染物或空隙產(chǎn)生更多的區(qū)域，以及減少如圖2中所示的沿熔池的中心線的工件（artifact）偏析（segregation）。所產(chǎn)生的工件偏析減少的凝固焊道在凝固時(shí)將顯著更強(qiáng)。

作為示例，參照圖3A-3B，示出了處于基底105上的熔池100，該熔池100相對于上述現(xiàn)有技術(shù)的淚滴形熔池22（在圖3中以虛線示出）加寬。圖3A由2D的頂視圖示出了熔池100，而圖3B示出了熔池100的深度（D）中的輪廓形狀102。在熔池100和基底105與熔池100相鄰的固體部分之間示出了曲面的固/液界面103。圖3A中的實(shí)線表示具有輪廓形狀102的熔池100的周緣104。在某些實(shí)施例中，熔池100至少在熔池100的后緣區(qū)域106處設(shè)置有輪廓形狀102。如本文所使用的，術(shù)語“后緣區(qū)域”是指熔池100的后半部，例如熔池100的設(shè)置在延伸穿過中點(diǎn)108（橫向于行進(jìn)方向）的豎直平面與熔池100的最后部點(diǎn)110之間的任何區(qū)域。然而，要理解的是，熔池的在后緣區(qū)域106之前的區(qū)域（前緣區(qū)域127）也可以通過本文所述的過程來擴(kuò)寬。在任何情況下，通過相對于現(xiàn)有技術(shù)過程的增加的擴(kuò)寬形狀和/或輪廓形狀，在凝固發(fā)生時(shí)，工件114將不會(huì)朝向中心線112偏析，而是替代地將繞熔池100的周緣更均勻地分布，如圖3A中所示。因此，在凝固時(shí)，基底避免了通常由工件的中心線偏析造成的弱化。

設(shè)想了各種過程，以在基底105上產(chǎn)生具有本文所述和圖3A-3B中所示的輪廓形狀102的熔池100。下面將描述若干過程；然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不因此限于任何特定實(shí)施例。僅作為示例，本文所述的過程可以被用于邊緣對邊緣地接合兩個(gè)基底，修復(fù)一個(gè)或多個(gè)基底，增強(qiáng)一個(gè)或多個(gè)基底（通過例如在熔池之前或其中添加附加的超合金粉末），或者作為將較小基底構(gòu)建成較大組件的方式。

參照圖4，示出了形成至少具有如下后緣區(qū)域106的熔池100的示例性焊接過程，即：該后緣區(qū)域106具有輪廓形狀102（圖3）。要理解的是，熔池通常連續(xù)地前進(jìn)通過基底105，從而產(chǎn)生焊縫。因此，圖4表示在一定時(shí)間點(diǎn)處的熔池的形成，其中，該熔池之后的區(qū)域可能已被熔化并再凝固，并且該熔池之前的區(qū)域尚未被能量源接觸。

在所示實(shí)施例中，第一能量源116向基底105提供第一量的能量118。在某些實(shí)施例中，第一量的能量118可足以形成穿過基底105的鍵孔120和鍵孔120周圍的熔池100。在其他實(shí)施例中，第一量的能量118僅形成熔池100，但不形成鍵孔120，如在傳導(dǎo)焊接中的情況下。在任何情況下，如果沒有采取其他動(dòng)作，則通過第一量的能量118提供的熔池100可能不具有最佳的形狀，例如具有諸如圖2中所示的淚滴形狀22。

為了提供具有輪廓形狀102的熔池100，可以利用第二能量源122，以便在熔池100的寬度（W）之外輸送第二量的能量124，以給后緣區(qū)域106提供如圖3A-3B中所示的輪廓形狀102。替代性地，第一量的能量118和第二量的能量124可以由相同的能量源提供。例如，第一能量源116可以與瞬時(shí)引導(dǎo)向遠(yuǎn)程位置的不同量的能量快速地時(shí)間共享，例如通過編程的振鏡（galvanometer）驅(qū)動(dòng)的掃描激光束光學(xué)器件的振蕩。在一個(gè)實(shí)施例中，第二量的能量124被施加在熔池100的寬度（W）之外的區(qū)域中。例如，第二量的能量124可以被施加于在基底105中形成的熔池100的相對側(cè)中的一個(gè)或多個(gè)上的區(qū)域132，如下面將進(jìn)一步詳細(xì)說明并且如圖5中所示的。在某些實(shí)施例中，第二量的能量124也被施加在熔池100的寬度（W）內(nèi)，這也可以使熔池100變寬和成形。

在該實(shí)施例中，第二量的能量124加熱寬度（W）之外的區(qū)域，但是其本身不足以熔化區(qū)域132中的基底。然而，要理解的是，來自熔池100的熱可足以熔化基底105的一部分，特別是在熔池100的周緣處。對熔池100的寬度（W）之外的區(qū)域的加熱增加了熔池100周圍的基底105的溫度，并且因此，例如沿焊縫的行進(jìn)方向，有效地降低了熔池的再凝固速率。此外，繞熔池100的冷卻速率降低因?yàn)橥ㄟ^降低冷卻速率而有效地影響、例如擴(kuò)寬（相對于沒有這種側(cè)加熱的過程）熔池100的后緣區(qū)域106的形狀。通過控制第二量的能量124的施加模式，可以形成熔池100的輪廓形狀102。在一個(gè)實(shí)施例中，第二量的能量124被選擇成將基底105和附近的凝固沉積物加熱到低于其熔化溫度的從1℃至300℃的溫度。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一能量源116和第二能量源122（無論是不同的還是時(shí)間共享的單一源）可以沿基底105的長度共同沿焊接方向128移動(dòng)。替代性地，基底105可以相對于可呈靜止的能量源116、122沿焊接方向128移動(dòng)。

此外，第一能量源116和第二能量源122可以沿彼此相同的方向移動(dòng)。在另一實(shí)施例中，如圖5中所示，一個(gè)能量源116可沿第一方向移動(dòng)，并且第二能量源122可沿不同的第二方向移動(dòng)。例如，如圖5中所示，第一能量源116可沿焊接方向128移動(dòng)，而第二能量源122可沿橫向于焊接方向128的方向130移動(dòng)。以這種方式，可以維持第一能量源116的正常行進(jìn)速度，而第二能量源122可以跟隨第一能量源116，以在例如區(qū)域132的熔池100的寬度（W）之外的區(qū)域處加熱基底105，以控制熔池的冷卻速率，如本文所述。如圖所示，預(yù)期第二能量源122還可以加熱熔池100的內(nèi)部區(qū)域。

在一個(gè)實(shí)施例中，區(qū)域132是設(shè)置在熔池100的兩個(gè)側(cè)部123上的區(qū)域，所述側(cè)部在熔池100的前緣和后緣之間限定和延伸。與熔池100相鄰的待加熱的區(qū)域132中的任一個(gè)的尺寸可以是實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果所需的任何尺寸，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將可容易地確定。

在某些實(shí)施例中，如圖5中所示，沿焊接方向128施加第一量的能量，并且以Z字形模式134施加第二量的能量124，但第一能量源116和/或第二能量源122的移動(dòng)可以遵循任何其他合適的模式。

在某些實(shí)施例中，為了獲得能量的差異施加，第一量的能量118具有比第二量的能量124大的功率密度和/或頻率，使得第一量的能量118有效地形成熔池100，而第二量的能量124加熱至少熔池的寬度（W）之外的區(qū)域，如圖5中所示。

在其他實(shí)施例中，與第二量的能量124相比，以更長的持續(xù)時(shí)間或以更頻繁的間隔來施加第一量的能量118以實(shí)現(xiàn)期望的效果。要理解的是，第一量的能量118和第二量的能量124的施加順序沒有限制。例如，如在第二能量源122在形成熔池100的前緣之后施加第二量的能量124的情況下，可以在開始施加第一量的能量118之后施加第二量的能量124。替代性地，例如，第一量的能量118可以與第二量的能量124同時(shí)施加或在施加第一量的能量118之后施加。此外，能量的施加在輸送上可以是連續(xù)的或脈沖式的。

上述實(shí)施例描述了使用兩個(gè)能量源116、122來形成具有輪廓形狀102的熔池100。然而，要理解的是，可以利用更少或更多數(shù)量的能量源。在一個(gè)實(shí)施例中，利用單能量源。在特定實(shí)施例中，單能量源與激光光纖一起被用于在基底上提供一個(gè)或多個(gè)能量束。參照圖6，例如，二合一光纖135可以與例如第一能量源116之類的單能量源組合使用，以提供具有輪廓形狀102的熔池100。如圖6中所示，例如，二合一光纖135包括內(nèi)芯136和圍繞內(nèi)芯136的外環(huán)138。二合一光纖可從Trumpf, Inc.（Plymouth Township，Ml）商購獲得。在一個(gè)實(shí)施例中，二合一光纖135提供通過內(nèi)芯136的第一量的能量118和通過光纖135的外環(huán)138的第二量的能量124。以這種方式，第一量的能量118可以有效地在基底105中形成熔池100，如本文所述。此外，利用單能量源，第二量的能量124可以接觸熔池100的寬度（W）之外的區(qū)域，例如區(qū)域132，以便至少在該熔池100的后緣區(qū)域106處減少熔池100的凝固，如本文所述。

不同的第一和第二量的能量的產(chǎn)生可以如上所述來實(shí)現(xiàn)，例如通過以比通過環(huán)138的第二量的能量更大的強(qiáng)度或更長的持續(xù)時(shí)間來施加通過芯136的第一量的能量118。在特定實(shí)施例中，例如，鍵孔120（圖4）和相鄰的熔池100可通過行進(jìn)通過內(nèi)芯136的第一量的能量118來形成，并且鍵孔120和熔池100之外的寬度可通過行進(jìn)通過外環(huán)138的第二量的能量124來加熱。

現(xiàn)在參照圖7，其示出了可通過施加第一量的能量118來形成在基底105中的熔池100，并且第二量的能量124在熔池100的寬度（W）之外將能量施加于基底105，以便如本文所述（圖5）至少在熔池100的后緣區(qū)域106處減少熔池100的凝固。此外，在這方面，附加量的能量144可以在例如位置146的熔池100內(nèi)遠(yuǎn)離寬度（W）的中心線112的任何位置處施加于熔池100，如圖7中所示。附加的能量144還有效地在熔池100的側(cè)部123的邊緣148處加熱熔池，并且至少在邊緣148處降低熔池100的凝固速率。在一個(gè)實(shí)施例中，邊緣148至少包括熔池100的后緣區(qū)域106的邊緣。通過將附加的熱施加于后緣區(qū)域106的至少邊緣148，使后緣區(qū)域106保持相對較熱，這導(dǎo)致后緣區(qū)域106以與熔池100的前緣區(qū)域基本上相同的速率冷卻（或者比不施加附加能量的情況下接近）。這可以導(dǎo)致有利地影響凝固材料的形狀，這例如是通過提供基本上對稱和橢圓形的凝固熔池（2D）以及球形、橢圓體或類似表面形狀的固/液界面（3D）。

在一個(gè)實(shí)施例中，第三能量源150施加附加量的能量144，如圖7中所示，而第一能量源116施加第一量的能量118，并且第二能量源122施加第二量的能量124，如先前所解釋的（圖5）。替代性地，可以由來自第一能量源116和/或第二能量源122的時(shí)間共享的能量來施加附加能量144。附加量的能量144可以按照任何合適的模式來施加，例如，按照橫向于中心線112的Z字形模式。替代性地，可以沿焊接方向128（圖4）施加附加量的能量144。

在某些實(shí)施例中，第二量的能量124和附加能量144（如果施加）可以側(cè)向運(yùn)動(dòng)振蕩，或者甚至沿期望的方向（例如，128和/或130）進(jìn)入和離開它們相應(yīng)的源所處理的平面振蕩，以進(jìn)一步細(xì)化凝固晶粒，并使?jié)撛诘钠鑫铮╯egregant）或工件114從中心線112散開。在任何情況下，對第一量的能量118施加附加的能量被認(rèn)為導(dǎo)致焊接應(yīng)力的重定向和均勻化，否則該焊接應(yīng)力會(huì)在單一源、單向過程能量施加的情況下集中。此外，如本文所解釋的附加能量施加可促進(jìn)一定程度的焊接后應(yīng)力消除熱處理。

在又一實(shí)施例中，預(yù)期可以在不在熔池100的寬度（W）之外施加熱的情況下形成具有如下輪廓形狀102的熔池100，即：該輪廓形狀102具有曲線和/或曲面的固/液界面。例如，第一能量源118施加能量以形成熔池100的至少前緣區(qū)域，而第二能量源122施加能量以形成熔池的后緣區(qū)域106，如關(guān)于圖5所示和所解釋的。然而，在這種情況下，第一和第二能量都不施加在熔池的寬度（W）之外的基底上，但仍然有效地提供圖3A-3B中所示的輪廓形狀102。

例如，第一量的能量118和第二量的能量124可以各自按照同心的模式來施加，如圖8中所示。該模式中的任何一條路徑都可能與另一條路徑重疊。此外，盡管每條路徑被示出為在某一時(shí)間點(diǎn)處在一定方向上是基本上線性的，但是應(yīng)當(dāng)理解，能量的施加不限于此。還可以設(shè)想在相關(guān)聯(lián)的能量源或基底沿特定方向移動(dòng)時(shí)沿任何方向的側(cè)向移動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，將第二量的能量124施加到比第一量的能量118要大的程度。例如，第二量的能量124可以相對于第一量的能量118以更長的持續(xù)時(shí)間，以更頻繁的間隔來施加，和/或施加至更大的表面區(qū)域。

如之前提到的，在本文所述的任何過程中，期望提供具有曲線和/或曲面的固/液界面的熔池100。術(shù)語“曲線（curvilinear）”是指彎曲的線，并且術(shù)語“曲面（curviplanar）”是指彎曲的面。“曲面”還意味著不存在與熔池的平面相關(guān)聯(lián)的直線（在下文中例如在錐形或圓柱形的情況下可能具有的直線）。因此，如圖9A和圖9C中所示，在工藝平面（2D）上從上往下觀察的熔池能夠示出直的（線性）150或彎曲的（圓形、橢圓形或類似形狀（曲線152））固/液界面線。在一個(gè)方面，本文所述的過程提供了曲線的固/液界面。

此外，如果能夠以3D方式（例如，通過多位置X射線等）來觀察熔池100，則固/液界面的表面可以表示面154。如果面154是錐形156（如由淚滴形的焊池可預(yù)期的）（參見圖9B），則它將具有如在橫截面中觀察相對直的側(cè)面，并且晶粒158將朝向共同的焊縫中心線生長。如果該面是例如由橢圓形的焊池將預(yù)期到的曲面160，則其側(cè)面將是彎曲的，并且晶粒158將必須具有多個(gè)定向以從固/液界面生長，如圖9D中所示。因此，本發(fā)明的各方面提供了具有一定固體/界面的熔池，該熔池還具有曲面的固/液界面。

要理解的是，可以控制通過任何施加的能量產(chǎn)生的熔體的深度，以便在熔池的深度內(nèi)提供期望的形狀。例如，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，這可以通過控制能量施加的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如控制脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖持續(xù)時(shí)間、頻率和/或其他任何合適的參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，熔池100僅包括最?。ㄈ绻嬖冢┑钠矫嬉后w/固體界面。在特定實(shí)施例中，不存在熔池100的平面液體/固體界面。

對于本文所述的過程而言，基底105可包括將受益于本文所述的過程的任何材料。在某些實(shí)施例中，基底105包括超合金材料。術(shù)語“超合金”在本文中如它在本領(lǐng)域中通常使用的方式來使用，即是指即使在高溫下也表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐蠕變的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。超合金通常包括高的鎳或鈷含量。示例性超合金包括但不限于以如下商標(biāo)和品牌名稱來銷售的合金，即：Hastelloy，Inconel合金（例如，IN 738、IN 792、IN 939）、Rene合金（例如，Rene N5、Rene 41、Rene 80、Rene 108、Rene 142、Rene 220）、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、262、X45、PWA 1483和CMSX（例如，CMSX-4）單晶合金、GTD 111、GTD 222、MGA 1400、MGA 2400、PSM 116、CMSX-8、CMSX-10、PWA 1484、IN 713C、Mar-M-200、PWA 1480、IN 100、IN 700、Udimet 600、Udimet 500以及鋁化鈦等。替代性地，基底105可包括陶瓷材料。

形成熔池100并加熱熔池100的寬度（W）或周緣126之外的區(qū)域132的一個(gè)或多個(gè)能量源可以是足以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)的任何合適的能量源。在一個(gè)實(shí)施例中，例如源116、122中的任一者或兩者的所述一個(gè)或多個(gè)能量源可以是激光能量源。要理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠識(shí)別參數(shù)并且理解以什么方式來改變參數(shù)，以便提供如本文所述的具有期望的形狀的熔池100。這樣的參數(shù)可以包括但不限于功率密度、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖間隔、頻率、二合一光纖的使用、能量源的數(shù)量、混合（例如，等離子體和激光）源的使用、源和基底之間的間距等。

在本文所述的任何實(shí)施例中，要理解的是，可以根據(jù)需要來控制熔池100的深度，并且因此，控制基底105的熔化。如上文提到的，預(yù)期熔池100的一部分（例如，如圖3A中所示的區(qū)域140）相對于熔池100的其余部分從基底105的頂表面起可具有較短的深度。以這種方式，熔池100可具有曲線和曲面的固/液界面，以便改善工件的間隙和來自熔池100的孔隙。

在某些實(shí)施例中，通過所述一個(gè)或多個(gè)能量源施加于基底105的能量的量以某種方式非均勻地施加或者包括功率梯度。例如，形成熔池100的能量源可以特定的預(yù)定功率密度開始熔化，該功率密度在預(yù)定的時(shí)間間隔期間逐漸增加以形成鍵孔和/或熔池。這具有減少湍流的可能性，所述湍流通常造成缺陷，例如孔或其他不期望的夾雜物。

此外，盡管熔池100的輪廓形狀102從頂視圖被示出為是相對橢圓形的形狀，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于此。預(yù)期的是，可以形成其他形狀，并且熔池100不具有淚滴形狀22，使得工件114不會(huì)如圖2中所示沿熔池100的中心線30偏析。此外，本文所提供的熔池形狀可以是相對于淚滴形熔池沿中心線提供減小的應(yīng)力以及提供孔隙在再凝固之前從熔池逸出的更大可能性的任何一種。

為了執(zhí)行本文所描述的方法，可以設(shè)置與至少所述一個(gè)或多個(gè)能量源直接或無線通信的一個(gè)或多個(gè)控制器。例如，在圖4中，控制器142被示出為與第一能量源116和第二能量源122通信。所述一個(gè)或多個(gè)控制器可以利用用于控制能量源的軟件/硬件來編程或可以具有用于控制能量源的軟件/硬件。因此，所述一個(gè)或多個(gè)控制器被配置為執(zhí)行用于調(diào)整參數(shù)的計(jì)算機(jī)可讀指令，所述參數(shù)例如如上所述的功率密度、脈沖持續(xù)時(shí)間、頻率以及能量源或基底的行進(jìn)方向等。在某些實(shí)施例中，設(shè)置例如溫度傳感器的一個(gè)或多個(gè)傳感器來監(jiān)測熔化過程。所述一個(gè)或多個(gè)傳感器也與控制器142通信。因此，所述一個(gè)或多個(gè)控制器142可以包括用于從所描述的一個(gè)或多個(gè)傳感器接收信息的一個(gè)或多個(gè)輸入，所述信息例如基底上的溫度或過程位置周圍的應(yīng)力分布等。

控制器142可以包括：例如，包括微處理器的專用計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制器、可編程邏輯控制器、離散邏輯電路或其他合適的控制裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器142包括輸入通道、存儲(chǔ)器、輸出通道和計(jì)算機(jī)。如本文所使用的，術(shù)語“計(jì)算機(jī)”可以包括處理器、微控制器、微型計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、專用集成電路以及其他可編程電路。存儲(chǔ)器可以包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或存儲(chǔ)設(shè)備，例如軟盤、光盤只讀存儲(chǔ)器（CD-ROM）等。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器142包括用于執(zhí)行本文所述的方法的任何方面或用于控制本文所述的系統(tǒng)的任何方面的計(jì)算機(jī)可讀指令。

本文所述的過程可在適當(dāng)?shù)闹竸l件下進(jìn)行，以為熔池100屏蔽大氣氧。在某些實(shí)施例中，本文所述的過程可在氬氣或其他惰性氣體（通過附圖標(biāo)記21示出）的流動(dòng)流存在于熔池100之上的情況下進(jìn)行，所述氬氣或其他惰性氣體為熔池100屏蔽大氣氧，如圖1中所示。

在其他實(shí)施例中，可以將如美國公開的專利申請?zhí)?013/0136868（其全部內(nèi)容在此通過引用結(jié)合于本文中）中所述的尺寸和組成的助焊劑粉末引入到基底和/或熔池上，以類似地為熔池屏蔽大氣氧。使用助焊劑粉末具有多種與之相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，包括在熔池的頂表面處形成熔渣層，這有助于從熔池帶走污染物并且使本身隔離以及控制散熱，從而影響焊池的形狀和應(yīng)力。此外，如果本文所述的任何過程將被用作增材制造過程，則添加材料可以是超合金粉末的形式，所述超合金粉末被施加于熔池或在熔池形成之前施加，如U.S. 2013/0136868中所述。

雖然本文已示出和描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但將顯而易見的是，這樣的實(shí)施例僅作為示例提供?？梢宰鞒鲈S多變型、改變和替換，而不脫離本文中的發(fā)明。因此，本發(fā)明意在僅通過所附權(quán)利要求的精神和范圍來限制。