專利名稱：使用混合式激光工藝的覆層應用方法和設備的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及將金屬覆層聯(lián)結到金屬襯底表面。
背景技術：
覆層可出于許多原因而被應用到襯底。在一種或多種類型的覆層中，襯底是金屬，且覆層是類似的或者不同的金屬。將金屬覆層聯(lián)結到金屬襯底典型地需要一起熔融覆層和金屬襯底的表面，以便形成熔融金屬池，且容許該池來冷卻和凝固。覆層應用工藝的結果是金屬覆層穩(wěn)固地固定到金屬襯底上。存在許多關于覆層應用工藝的變量，諸如熱輸入、覆層寬度和覆層沉積速率。大體上，這些變量必須保持在某些窗帶(window)內，以便防止固定的覆層中的缺陷，諸如不均勻性和點蝕。這些變量中的一些可彼此不一致。例如，提高覆層沉積速率典型地需要高的 熱輸入，這可導致形成開裂。不幸的是，這些缺陷中的一些可能要求重新加工或者扔棄。因此，如果可以提高覆層沉積速率而不在固定的覆層中引起缺陷，則這在覆層應用技術中將是可以滿意地接受的。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種用于將金屬覆層固定到金屬基底的方法。該方法包括利用加熱裝置加熱金屬覆層和金屬基底的表面，以便產生具有疊蓋在金屬基底中的熔融金屬基底材料上的熔融金屬覆層的熔融金屬池；利用導入熔融金屬池的激光束來穩(wěn)定熔融金屬池的溫度梯度；以及冷卻熔融金屬池來將凝固的覆層固定到金屬基底。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于將金屬覆層應用到金屬基底上的設備。該設備包括加熱裝置，其構造為加熱覆層和金屬基底的表面，以產生具有疊蓋在金屬基底中的熔融金屬基底材料上的熔融金屬覆層的熔融金屬池；和激光器，其構造成將激光束導入熔融金屬池來穩(wěn)定熔融金屬池的溫度梯度。根據(jù)結合附圖得到的以下描述，這些和其它優(yōu)點和特征將變得更加明顯。


在說明書結論部分處的權利要求中特別指出且明確地要求保護被視作本發(fā)明的主題。根據(jù)結合附圖得到的以下詳細描述，本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點顯而易見，在附圖中，相同的元件以相同的方式編號，其中圖I和2示出了用于將金屬覆層聯(lián)結到金屬基底的、具有加熱裝置和激光器的混合式激光器頭的示例性實施例；圖3-5描繪了將覆層聯(lián)結到金屬基底的方面，其中激光束和電弧焊炬對齊到垂直于應用覆層的方向的相同的平面；圖6-9描繪了使用圖2中所公開的技術聯(lián)結到金屬基底的覆層的方面；圖10和11顯示了一個實施例，其中來自激光器的激光束與來自加熱裝置的電弧在沿著覆層應用方向排列的平面中對齊；圖12和13顯示了一個實施例，其中來自加熱裝置的電弧在覆層應用方向中領先于來自激光器的激光束；圖14-16顯示了在U-形路徑中的、覆層到金屬基底的連續(xù)應用；圖17和18顯示了混合式頭的一個實施例，其中激光束領先于電弧，且相對于覆層應用方向從電弧沿橫向偏移；圖19和20顯示了混合式頭的一個實施例，其中電弧領先于激光束，且激光束相對于覆層應用的方向從電弧沿橫向偏移；圖21和22顯不了在激光束領先以及落后于電弧且相對于覆層應用的方向從電弧
圖23和24顯示了用于將金屬覆層連續(xù)地應用到金屬基底上的曲折路徑；圖25和26顯示了非連續(xù)地在多個單方向路徑中將金屬覆層應用到金屬基底上；圖27和28顯示了用于將金屬覆層應用到金屬基底上的電弧和激光束的兩種幾何形狀；圖29顯示了光束分裂器和聯(lián)接到激光器的控制器的一個示例性實施例；以及圖30呈現(xiàn)了用于將金屬覆層應用到金屬基底的方法的一個實例。參照附圖，通過實例，該詳細描述闡述了本發(fā)明的實施例，以及優(yōu)點和特征。部件列表10混合式覆層應用頭(混合式頭)2金屬基底3金屬覆層11加熱裝置12激光器20熔融金屬池130光束分裂器132控制器140 方法141-143 步驟
具體實施例方式公開了用于將金屬覆層聯(lián)結到金屬襯底或基底的技術的示例性實施例。該技術使得更寬的覆層帶能夠以比現(xiàn)有技術方法更快的覆層沉積速率應用到金屬基底，且還仍然提供均勻的覆層表面而不會增加缺陷。包括設備和方法的這些技術要求利用用于熔融金屬覆層和金屬基底的混合式頭來將金屬覆層聯(lián)結到金屬基底?；旌鲜筋^包括加熱裝置和激光器。加熱裝置，諸如用于焊接的加熱裝置，用于熔融覆層和金屬基底的表面，以在金屬基底的表面上產生熔融金屬池。在熔融金屬池中，熔融的覆層疊蓋在熔融的基底材料上。激光器產生被導入熔融金屬池以穩(wěn)定熔融金屬的溫度的激光束。該激光束具有足夠的功率來穩(wěn)定該激光束周圍的溫度梯度(即，減少溫度變化)。熔融金屬池的穩(wěn)定的溫度使得覆層沉積速率能夠比現(xiàn)有技術覆層工藝得到提高，并且仍然在凝固時提供均勻的覆層表面。此外，與現(xiàn)有技術覆層工藝相比，溫度梯度的穩(wěn)定提供了更寬的覆層。混合式頭優(yōu)于用于應用覆層的現(xiàn)有焊接技術的優(yōu)點包括由于熔融金屬池的穿透深度而關于金屬基底有覆層的較少的變形和較少的稀釋。該技術提供了混合式頭中的加熱裝置和激光器的多種布置，以及可用來在基底上沉積覆層的多種路徑?，F(xiàn)在可對圖I做出參照，圖I顯示了稱為混合式頭10的混合式覆層-應用頭10的一個不例性實施例。與金屬基底2—起,在圖I中顯不了混合式頭10的簡化表不,而與金屬基底2和金屬覆層3 —起,在圖2中顯不了原型混合式頭10的圖形?；旌鲜筋^10包括加熱裝置11和激光器12。在一個或多個實施例中，加熱裝置11是焊接型焊炬頭。焊接型焊炬頭的非限制性實施例包括用于如下焊接的焊炬頭鎢電極惰性氣體保護焊(GTAW)，其也稱為鎢極惰性氣體保護(TIG)焊；氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)，其也稱為金屬焊絲惰性氣體保護(MIG)焊或者熔化極活性氣體保護焊(MAG);埋弧焊(SAW);等離子弧焊(PAW)；··以及焊劑芯電弧焊(FCAW)。利用焊接型焊炬頭，覆層大體以絲的形式供應，該絲利用產生熔融金屬池的電弧來熔融。在一個或多個實施例中，激光器12是工業(yè)激光器，其具有足夠的功率來限制跨過由加熱裝置11產生的熔融金屬池的溫度梯度，但是不會功率過大，使得激光束將不會在金屬基底2中產生比熔融金屬池的深度更深的鍵孔。在一個或多個實施例中，激光器12具有足夠的功率來在金屬覆層3以選定的速率沉積在金屬基底2上時保持熔融金屬池的表面面積?？闪私?，覆層沉積的速度和熔融金屬池的大小與溫度僅僅是可用于確定激光器12的所需的功率輸出的一些因素。激光器12的非限制性實施例包括Nd = YAG激光器，CO2激光器，盤式激光器，纖維激光器，或者具有足以穩(wěn)定熔融金屬池的溫度梯度的功率的任何類型的激光諧振器。參照圖1，激光器12可定向成以便在金屬基底2上沉積覆層3時領先于加熱裝置11。備選地，加熱裝置11可定向成在覆層應用工藝中領先于激光器12?，F(xiàn)在可對圖3-5做出參照，圖3-5顯示了來自激光器12的激光束以及來自加熱裝置11的電弧，它們對齊到垂直于覆層應用方向的同一平面上。可了解，在覆層應用工藝期間，金屬基底2可相對于混合式頭10運動，或者混合式頭10可相對于金屬基底2運動。圖3示出了與電弧對齊的激光束的側視圖。圖4示出了熔融金屬池20上的激光束和電弧的鳥瞰圖。激光束自電弧沿橫向偏移距離L。圖5示出了激光束和電弧的側視圖。在圖5中，覆層應用方向朝向觀察者?，F(xiàn)在可對圖6-9做出參照，圖6-9示出了使用圖3-5中所公開的實施例(在激光束與電弧之間具有不同的偏移L)來應用覆層的結果。激光器12的功率是兩千瓦。加熱裝置11是MIG焊炬，其具有覆層材料對焊炬的300英寸每分鐘的供給設置以及25V的電壓設置。覆層3應用到基底2的速度是四十英寸每分鐘。MIG焊炬所使用的氣體是Ar+2%02。金屬基底2是304不銹鋼而金屬覆層3是308不銹鋼。在圖6中，間距L是5. 0mm。獲得了覆層3的兩個單獨的焊珠。在MIG焊炬電弧和激光束之間沒有發(fā)生相互作用，從而在激光束下產生第一熔融金屬池，而在MIG焊炬電弧下產生第二熔融金屬池。獲得了激光束下的均勻的覆層焊珠，而MIG焊炬電弧下的覆層焊珠呈現(xiàn)塊。在圖7中，間距L是4. Omm,且獲得一個覆層焊珠，但具有覆層3的塊。在圖8中，間距L是2. 5mm且與L為4. Omm時相比獲得具有較少的覆層3塊的一個覆層焊珠。在圖9中，間距L是I. Omm，且所得的覆層焊珠在覆層束的激光束側上具有均勻的表面，這表不僅在橫向方向上與電弧對齊的激光束不能產生均勻的覆層表面?，F(xiàn)在可對圖10和11做出參照，它們顯示了一個實施例，其中來自激光器12的激光束與來自加熱裝置11的電弧在沿覆層應用方向排列的平面中對齊。在圖10和11的實施例中，激光器12在覆層應用方向上領先于加熱裝置11。圖10示出了側視圖，其中激光束領先電弧縱向距離S。圖11示出了鳥瞰圖，該鳥瞰圖顯示了激光束沖擊在由MIG焊炬電弧產生的熔融金屬池20上?，F(xiàn)在可對圖12和13做出參照，圖12和13顯示了一個實施例，該實施例類似于圖10和11中描繪的實施例，但是其中來自加熱裝置11的電弧在覆層應用方向上領先于來自激光器12的激光束。圖12顯示了側視圖而圖5B顯示了鳥瞰圖。 現(xiàn)在可對圖12和13做出參照，它們顯示了在U-形路徑中將金屬覆層3連續(xù)地應用到金屬基底2，其可顯示以上所提到的兩種情況(激光領先和電弧領先)。圖14顯示了混合式激光器頭運動的U-形路徑的鳥瞰圖，而圖15顯示了該路徑的側視圖。圖16顯示了在激光束在路徑的一個分支中領先而電弧在路徑的另一分支中領先的情況下在U-形路徑中應用覆層3的結果。該結果顯示了應用的覆層的表面在兩個分支以及在分支之間的U形過渡部中都是均勻的。在圖14-16的實施例中，激光器功率為兩千瓦，而MIG焊炬設置是300英寸每分鐘的覆層材料供給和25V的電壓設置，將覆層應用在金屬基底上的速度是40英寸每分鐘，MIG氣體為Ar+2% O2，而金屬基底2為304不銹鋼，且覆層3為308不銹鋼?，F(xiàn)在可對圖17和18做出參照，其顯示了混合式頭10的實施例，其中，激光束沿縱向領先于MIG電弧，而相對于覆層應用的方向自MIG電弧沿橫向偏移。在圖17和18中，激光束領先MIG電弧縱向距離S，且沿橫向偏移距離L。圖17顯示了側視圖，而圖18顯示了鳥瞰圖?，F(xiàn)在可對圖19和20做出參照，它們顯示了一個實施例，該實施例類似于圖17和18中描繪的實施例，但是其中來自加熱裝置11的電弧在覆層應用方向上領先于來自激光器12的激光束。圖19顯示了側視圖，而圖20顯示了鳥瞰圖?，F(xiàn)在可對圖21和22做出參照，它們顯示了以2. 5mm的恒定的縱向間距S、使用圖17-20所示的混合式頭10進行連續(xù)覆層應用的結果。圖21中所示的應用的覆層是以具有
4.5mm的橫向偏移L的混合式頭10應用的。圖21中的應用的覆層呈現(xiàn)出點蝕。圖22中所示的應用的覆層是利用具有2. 5mm的橫向偏移L的混合式頭應用的。圖22中的應用的覆層呈現(xiàn)出沒有圖21中所示的點蝕的均勻的表面。各圖21和22中所示的連續(xù)應用的覆層是在激光束在U-形路徑的一個分支中領先于電弧而電弧在該路徑的另一個分支中領先于激光束的情況下應用的。在圖16和21-22中所顯示的應用的覆層以U-形路徑應用。可了解，金屬覆層3可使用其中激光束可領先或者落后于電弧的其它路徑形狀應用到金屬基底2上。在一個或多個實施例中，路徑形狀包括平行的分支，其中在分支之間具有九十度的過渡部。在一個或多個實施例中，在混合式頭10在路徑的直的平行的分支中應用覆層3時，激光束和電弧之間的縱向距離S可為零，其中在分支之間的過渡部中，激光束領先或落后于電弧。可了解，混合式頭10可構造成以便通過直的分支和/或通過曲線而相對于覆層應用方向保持激光束和電弧的恒定的幾何形狀。還可了解，可使用混合式頭10將覆層3應用于管道。為了將覆層3應用于管道，混合式頭10可構造成以便保持恒定的線性運動，而管道同時以恒定的速率旋轉，使得覆層金屬可累積在管道的外徑上。圖23和24顯示了用于將金屬覆層3應用在金屬基底2上的曲折路徑。圖23顯示了側視圖，而圖24顯示了鳥瞰圖。利用曲折路徑，覆層3可不停止地應用在金屬基底2上。圖25和26顯示了用于將金屬覆層3應用在金屬基底2上的多個單方向路徑。圖25顯示了側視圖，而圖26顯示了鳥瞰圖。該多個單方向路徑要求覆層應用頻繁的開始和終止。圖27和28顯示了其中混合式頭10的幾何形狀相對于金屬基底2保持固定的實施例。該固定的幾何形狀的結果是電弧的沖擊區(qū)域和激光束的沖擊區(qū)域的幾何形狀相對于 金屬基底2保持固定。在圖27中，激光束在第一分支中領先于電弧，而電弧在第二分支中領先于激光束。在過渡部中，電弧和激光束之間的縱向偏移為零。在圖28中，在第一、第二和第三分支中電弧和激光束之間的縱向偏移為零，而在過渡部中激光束領先于電弧。可了解，混合式頭10可構造成相對于金屬基底2轉動或者旋轉，以便使混合式頭10的幾何形狀相對于覆層應用方向(即，相對于各個分支和過渡部)保持固定。以上顯示了使用具有沖擊在熔融金屬池20上的足夠的功率的激光束將穩(wěn)定池20的溫度梯度，以使得能增大金屬覆層3在金屬基底2上的應用速率，以及使得能相對于現(xiàn)有技術覆層應用工藝增大覆層應用寬度?？闪私?，可使用多個激光束來沖擊在熔融金屬池20的多個區(qū)域上，以改進對溫度梯度的限制。多個束可源自于分裂從一個激光器發(fā)出的激光束或者源自于使用多個激光器?？闪私?，激光器12可構造成進行振蕩，以使得激光束沖擊在熔融金屬池20的多個區(qū)域上。圖29顯示了光學地聯(lián)接到激光器12且構造成將從激光器12發(fā)出的激光束分成沖擊在熔融金屬池20上的兩個或者更多個激光束的光束分裂器130的示例性實施例。此外，圖29顯示了聯(lián)接到激光器12上的控制器132的示例性實施例。該控制器包括諸如電子器件、傳感器和伺服機構的構件，它們構造成使激光器12和所發(fā)出的在熔融金屬池20的多個區(qū)域上的激光束振蕩。圖14呈現(xiàn)了用于將金屬覆層固定到金屬基底的方法140的一個實例。該方法140要求(步驟141)利用加熱裝置加熱金屬基底的表面和金屬覆層，以產生疊蓋在金屬基底中的金屬基底材料上的覆層的熔融金屬池。此外，該方法140要求(步驟142)利用導入熔融金屬池的激光束穩(wěn)定熔融金屬池的溫度梯度。步驟142可包括使激光束相對于加熱裝置的電弧沿橫向和/或沿縱向偏移。此外，該方法140要求(步驟143)冷卻熔融金屬池來將凝固的覆層固定到金屬基底上。利用冠詞“一”或者“一個”介紹了實施例的元件。這些冠詞意圖表示存在一個或者多個元件。用語“包括”和“具有”意圖為包括性的，使得可存在除了所列出的元件之外的另外的元件。當與一列至少兩個用語一起使用時，連詞“或”意圖表示任何用語或者用語的組合。用語“第一”和“第二”用來區(qū)分元件，而不用來表示特定的順序。用語“聯(lián)接”涉及一個構件或者直接到聯(lián)接到另一構件上，或者通過一個或多個中間構件間接聯(lián)接到另一構件上。雖然結合僅有限數(shù)量的實施例詳細描述了本發(fā)明，但是應當容易理解，本發(fā)明不限于這樣的公開的實施例。相反，可修改本發(fā)明以結合此前未描述但是與本發(fā)明的精神和范圍相稱的任何數(shù)量的變型、 改變、替換或等效布置。另外，雖然描述了本發(fā)明的多種實施例，但是將理解，本發(fā)明的方面可僅包括所描述的實施例中的一些。因此，本發(fā)明不應視為由前述描述限制，而是僅由所附的權利要求的范圍限制。
權利要求
1.一種用于將金屬覆層(3)固定到金屬基底(2)上的方法，所述方法包括 利用加熱裝置(11)加熱金屬覆層(3)和金屬基底(2)的表面，以便產生具有疊蓋在所述金屬基底(2)中的熔融金屬基底材料上的熔融金屬覆層的熔融金屬池(20)； 利用導入所述熔融金屬池(20)的激光束來穩(wěn)定所述熔融金屬池(20)的溫度梯度；以及 冷卻所述熔融金屬池(20)來將所述金屬覆層(3)固定到所述金屬基底(2)上。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述加熱裝置(11)使用電弧來產生所述熔融金屬池(20)。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光束在與應用所述金屬覆層(3)的方向平行的方向上沿縱向從所述電弧偏移距離S。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光束在與應用所述金屬覆層(3)的方向垂直的方向上自所述電弧沿橫向偏移距離L。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述激光束具有足夠的功率來在所述金屬覆層(3)應用到所述熔融金屬池(20)時保持所述熔融金屬池(20)的恒定表面積。
6.一種用于將金屬覆層(3)應用到金屬基底(2)上的設備，所述設備包括 加熱裝置(11)，構造成加熱金屬覆層(3)和所述金屬基底(2)的表面，以便產生具有疊蓋在所述金屬基底(2)中的熔融金屬基底(2)材料上的熔融金屬覆層(3)的熔融金屬池(20);和 激光器(12)，構造成將激光束導入所述熔融金屬池(20)，以穩(wěn)定所述熔融金屬池(20)的溫度梯度。
7.根據(jù)權利要求6所述的設備，其特征在于，所述加熱裝置(11)構造成建立電弧來產生所述熔融金屬池(20)。
8.根據(jù)權利要求6所述的設備，其特征在于，所述設備構造成使得所述加熱裝置(11)和所述激光器(12)相對于所述金屬基底(2)的定向保持固定的幾何形狀。
9.根據(jù)權利要求6所述的設備，其特征在于，所述設備構造成使得所述加熱裝置(11)和所述激光器(12)相對于應用所述金屬覆層(3)的方向保持固定的幾何形狀。
10.根據(jù)權利要求6所述的設備，其特征在于，所述加熱裝置(11)和所述激光器(12)構造成在管道旋轉的同時沿著所述管道沿縱向運動，以將所述金屬覆層(3)螺旋地沉積在所述管道的外表面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用混合式激光工藝的覆層應用方法和設備。公開了一種用于將金屬覆層(3)固定到金屬基底(2)上的方法。該方法包括利用加熱裝置(11)加熱金屬覆層(3)和金屬基底(2)的表面，以產生具有疊蓋在金屬基底(2)中的熔融金屬基底材料上的熔融金屬覆層的熔融金屬池(20)；利用導入熔融金屬池(20)的激光束來穩(wěn)定熔融金屬池(20)的溫度梯度；以及冷卻熔融金屬池(20)來將凝固的覆層固定到金屬基底(2)上。
文檔編號C23C24/10GK102677042SQ201210079498
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權日2011年3月15日
發(fā)明者B·L·托利森, D·E·?？? S·C·科蒂林加姆, 崔巖, 林德超 申請人:通用電氣公司