CN104507617A - 对熔敷操作进行边缘处理的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于在熔敷、堆焊以及表面硬化应用中的任一个中对沉积层(117)进行边缘处理的系统和方法被提供。系统包括高强度热源，所述高强度热源加热工件并且创建熔池(145)。系统还包括焊丝送进器(150)，所述焊丝送进器(150)将焊丝(140)送进到熔池(145)。焊丝在熔池中熔化并且创建与熔池的结合，以在工件(115)上形成沉积层。系统进一步包括边缘处理系统，所述边缘处理系统具有射出激光束(110；220；320)的至少一个激光器(120；220；320)，所述激光束(110；220；320)入射在沉积层(117)的表面区域和边缘区域中的至少一个上，以更改沉积层。激光器通过以下中的至少一种来更改沉积层，即熔化和蒸发表面区域和/或边缘区域的至少一部分。

Description

对熔敷操作进行边缘处理的方法和系统
优先权
本申请要求美国临时专利申请No.61/679,465的优先权，所述美国临时专利申请No.61/679,465的全部内容通过引用被并入本文。
技术领域
某些实施方案涉及在用于熔敷(cladding)、堆焊(building up)以及表面硬化(hard-facing)熔覆(overlaying)应用中的任一个的系统和方法中进行边缘处理(edging)。更特别地，某些实施方案涉及用于在熔敷、堆焊以及表面硬化熔覆应用中的任一个中改变/更改盖覆材料的边缘轮廓的系统和方法。
发明背景
传统的熔敷方法使用粉末或焊丝来在基材之上提供熔敷材料层。熔敷层可以为基材(即，工件)提供保护，如，例如耐腐蚀和耐磨。一种传统的熔敷工件的方法使用气体保护钨极弧焊(GTAW)方法来添加熔敷层。钨电极被用来创建电弧并且熔化一些工件而创建熔池，同时，以例如焊丝形式的熔敷材料被引入到熔池。焊丝可以使用单独的电源供应器来电阻加热(resistance-heated)。焊丝通过导电管被朝向工件送进并且延伸超过所述管。熔敷材料被熔化，并且它与工件在界面处形成冶金结合(metallurgical bond)。因为将会有工件材料到熔敷材料中的一些稀释，熔敷材料的附加层可能需要在“纯”熔敷层被形成并且最佳保护(例如，耐腐蚀和/或耐磨)被获得之前被施加上。
如上面所叙述的，焊丝和一部分工件被熔化来形成冶金结合。因为在许多应用中，没有机制来将熔池限制到固定的区域或边界，熔敷层的边缘将倾向于在工件之上流动，并且一旦被冷却，边缘可能是粗糙的和/或不规则的。尽管激光熔敷提供对熔池更好的控制，但使用传统的熔敷方法在熔敷层上得到所期望的边缘轮廓仍然是困难的。
通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。
发明内容
为了解决所述问题来在熔敷层上得到所期望的边缘轮廓(特别地，当使用传统熔敷方法时)，本发明包括分别根据权利要求1和8的用于在熔敷、堆焊以及表面硬化熔覆应用中的任一个中改变/更改盖覆材料的边缘轮廓的系统和方法。优选实施方案在从属权利要求中被公开。进一步的优选实施方案被公开，其中所述沉积层的所述形成以及所述沉积层的所述更改由所述系统以单个焊道来执行，其中所述沉积层的所述形成以及所述沉积层的所述更改由所述系统以分开的焊道来执行。根据本发明，系统包括高强度热源，所述高强度热源加热工件并且创建熔池。系统还包括焊丝送进器，所述焊丝送进器将焊丝送进到熔池。焊丝在熔池中熔化并且创建与熔池的结合，以在工件上形成沉积层。系统进一步包括边缘处理系统，所述边缘处理系统具有射出激光束的至少一个激光器，所述激光束入射在沉积层的表面区域和边缘区域中的至少一个上，以更改沉积层。激光器通过以下中的至少一种来更改沉积层，即熔化和蒸发表面区域和/或边缘区域的至少一部分。
根据本发明的方法包括加热工件来创建熔池并且将焊丝送进到熔池。焊丝在熔池中熔化并且创建与熔池的结合，以在工件上形成沉积层。方法还包括将至少一束激光束入射在沉积层的表面区域和边缘区域中的至少一个上，以更改沉积层。激光束通过以下中的至少一种来更改沉积层，即熔化和蒸发表面区域和/或边缘区域的至少一部分。
所述方法还包括至少在应用加热电流的流动的同时将来自高强度能量源的能量施加到所述工件，以加热所述工件。所述高强度能量源可以包括激光装置、等离子弧焊(PAW)装置、气体保护钨极弧焊(GTAW)装置、气体保护金属极弧焊(GMAW)装置、焊剂芯弧焊(FCAW)装置以及埋弧焊(SAW)装置中的至少一个。
从如下的说明书、权利要求书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。
附图简要说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：
图1图示说明组合焊丝送进器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统用于熔敷、堆焊以及表面硬化熔覆应用中的任一个；
图2图示说明熔敷层在宽度方向上的剖视图；
图3图示说明可以与图1的系统一起使用的边缘处理系统的示例性实施方案的功能性示意方框图；
图4图示说明可以与图1的系统一起使用的边缘处理系统的示例性实施方案；
图5A-5C图示说明示例性熔敷边缘轮廓；以及
图6图示说明能量源和边缘处理系统的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统用于熔敷、堆焊以及表面硬化熔覆应用中的任一个。
详细描述
现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。
图1图示说明组合焊丝送进器和能量源系统100的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统100用于执行熔敷、堆焊以及表面硬化熔覆应用中的任一个。系统100包括激光子系统130/120，所述激光子系统130/120能够将激光束110聚焦到工件115上，以加热工件115并且创建焊接熔池145。激光子系统是高强度能量源。激光子系统可以是任何类型的高能量激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-片(disk)、YB-光纤、光纤传递或直接二极管激光器系统。进一步地，甚至如果白光或石英激光器类型的系统具有足够的能量，可以使用它们。系统的其他实施方案可以包括起到高强度能量源作用的电子束、等离子弧焊子系统、气体保护钨极弧焊子系统、气体保护金属极弧焊子系统、焊剂芯弧焊子系统以及埋弧焊子系统中的至少一个。
下面的说明书将反复地涉及激光系统、光束和电源供应器，然而，应该理解的是，这种涉及是示例性的，因为任何高强度能量源可以被使用。例如，高强度能量源可以提供至少500W/cm2。然而，更重要地是，高强度能量源(例如本文所讨论的激光装置120)应该是具有足够的功率来为所期望的熔敷、堆焊和/或熔覆操作提供必需的能量密度的类型。就是说，激光装置120应该具有足够的功率，以贯穿熔敷/堆焊/熔覆工艺创建并且保持稳定的熔池。示例性激光器应该具有1kW至20kW范围内的功率容量，并且可以具有5kW至20kW范围内的功率容量。更高功率的激光器可以被利用，但这可以变得非常昂贵。
如图1所图示说明的，激光子系统130/120包括可操作地彼此连接的激光装置120和激光电源供应器130。激光电源供应器130提供功率来操作激光装置120。激光装置120允许对焊接熔池145的尺寸和深度的精确控制，因为激光束110可以容易被聚焦/去焦或者具有非常容易被改变的它的光束强度。一般而言，熔池145仅应该足够深来提供熔敷材料(即，焊丝140)和基底工件115之间的合适的冶金结合。取决于材料，合适的冶金结合可以为大约几微米(μm)。通过精确控制激光器120，激光束110可以针对较快的熔敷操作来创建宽的、浅的熔池以及将工件115上的热影响区的尺寸最小化。
系统100还包括焊丝送进器子系统，所述焊丝送进器子系统能够提供至少一个阻性焊丝140(熔敷材料)，以在靠近激光束110处与工件115接触。当然，理解的是，关于本文的工件115，熔池145被认为是工件115的一部分，因此涉及到与工件115接触包括与焊接熔池145接触。焊丝送进器子系统包括焊丝送进器150、导电管(contact tube)160以及焊丝电源供应器170。在操作期间，焊丝140由来自电源供应器170的电流来电阻加热，所述电源供应器170被可操作地连接在导电管160和工件115之间。根据本发明的实施方案，电源供应器170是可以提供DC脉冲的直流(DC)电源供应器，然而交流(AC)或其他类型的电源供应器也是可能的。
电源供应器170、焊丝送进器150以及激光电源供应器130可以被可操作地连接到感测和控制单元195。控制单元195可以控制焊接操作。例如，为了控制熔敷材料的沉积率，控制单元195可以经由焊丝送进器150来控制焊丝送进速度。在一些实施方案中，控制单元195可以经由电源供应器170来控制焊丝温度，以使焊丝140熔化并且与工件115的熔化部分形成结合，但随后迅速冷却以限制结合界面处的稀释的量。进一步地，在一些实施方案中，控制单元195还可以经由激光电源供应器130来控制焊接熔池温度。控制单元195可以接收这样的输入，例如被电源供应器130和170使用的功率、导电管160处的电压、通过熔敷焊丝的加热电流、针对焊丝的所期望的和实际的温度、熔池的温度等等。2011年8月17日递交并且2011年12月8日公开的、题为“启动和使用用于焊接的组合填充焊丝送进和高强度能量源的方法和系统(Method And System To Start And Use CombinationFiller Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding)”的申请No.13/212,025，其全部内容通过引用被并入，公开包括示例性监测和控制算法的示例性感测和控制单元，所述感测和控制单元可以被并入本发明。从而，为简洁起见，控制和感测单元195的操作将不被进一步讨论。
在操作期间，焊丝140由电源供应器170预加热到或接近它的熔点。一旦焊丝140接触熔池145，焊丝140熔化并且与熔化的工件115材料混合。因为熔池145的深度被保持到形成冶金结合所需要的最小值，仅一小部分的焊丝140将与焊接熔池145混合。一旦被熔化并且被冷却，焊丝140在工件115的顶部形成熔敷层117。通过限制结合界面，熔敷层117的表面本质上为纯熔敷材料并且将提供所期望的保护，例如耐腐蚀、耐磨等等。图2图示说明工件115的顶部上的熔敷层117的宽度的剖视图。如图2所图示说明的，熔敷层117的边缘可以是粗糙的和不规则的，因为熔化的焊丝140将由于重力或者由于被用来沉积该层的操作而流动。此外，由于在熔敷层117被沉积时的不均匀冷却，熔覆层117的顶部可能是不规则的。如果电弧型高强度能量源被用来沉积熔敷材料，则这些不规则可以变得更加明显。
在本发明的一些示例性实施方案中，如图3所图示说明的，图1的熔敷系统将包括边缘处理系统(例如激光器220和/或320)，以改变/更改熔敷层117的边缘。激光器220/320分别由电源供应器230/330供电，并且射出光束210/310至熔敷层117的每侧。激光器220/320可以融化和/或蒸发熔敷层117的边缘至所期望的轮廓。如由马达下面的箭头所示出的，激光器220/230可以在熔覆层117的宽度方向上分别通过马达225/325来移动。马达225/325定位激光器220/320，以使光束210/310入射在需要被熔化/蒸发的各自的边缘的部分上。在一些实施方案中，马达225/325可以这样定位激光器220/320，以使光束210/310可以覆盖熔敷层117的整个表面以及边缘(如果需要的话)。例如，如果熔敷表面需要被平滑或重新成形，每束激光束210/310可以覆盖熔覆层表面的50％至100％(包括边缘)，以按照需要熔化或蒸发表面。在一些实施方案中，代替马达225/325(或除此之外)，适当的光学器件(未示出)可以被用来定位激光束210、310，以覆盖熔敷层117的边缘和/或表面。在其他实施方案中，对熔覆层表面和边缘100％覆盖的单个激光器(220或320)可以被使用。例如，在不必对熔覆层117同时边缘处理的情况下，单束激光束可以是更简练的。
在一些实施方案中，激光器220/320被这样操作，以使激光束210/310在熔覆层117由系统100沉积时更改边缘的轮廓。就是说，熔覆层117的沉积以及熔敷表面和/或边缘的处理以单个焊道(pass)来完成。当然，激光器220/230充分地跟踪熔敷操作，以使对于沉积的熔覆层117而言有足够的时间来在激光束210/310执行边缘处理之前至少部分地凝固(参见图4，图4示出跟踪激光器120的激光器220)。在一些实施方案中，冷却空气可以被用来在沉积之后迅速地冷却熔覆层117。在其他实施方案中，激光束210/310仅在熔敷层117已经被沉积之后在熔敷边缘和/或表面之上扫描。就是说，熔覆层117的边缘处理和/或表面处理以与熔敷沉积焊道分开的方式完成。
在本发明的示例性实施方案中，激光束210/310的功率和/或焦点可以被调整，以使只有熔敷的薄层被熔化/蒸发。这样的激光束210/310的“精密”控制允许改变边缘轮廓而不影响工件115或熔敷层117的主要部分。当然，当被期望时，激光束210/310的功率和/或焦点还可以被调整来熔化/蒸发大部分的熔敷边缘。可替换地，或除了控制焦点之外，激光束210/310可以被这样脉冲化，以使在每个脉冲期间，预先确定量的能量被转移到熔敷边缘/表面。随后，每个激光脉冲将熔化/蒸发预先确定量的熔敷材料。当然，激光束强度、激光脉冲的频率、马达225/325(或光学器件)的速度、焊丝送进速度中的任何组合可以被用来创建所期望的熔敷轮廓。
例如，如图5A所示，熔覆层117以其圆弧形边缘(点线)并且延伸超过所期望的熔敷层轮廓(实线)的方式被沉积。在这种情况下，阴影区需要被移除。在示例性实施方案中，马达225/325(和/或光学器件)将在阴影部分之上定位激光器220/320，并且光束210/310将在阴影部分之上扫描，以移除不合期望的材料。当然，使用本发明，其他边缘轮廓是可能的。例如，在图5B中，熔敷边缘具有阶梯式轮廓。在这种情况下，为了产生轮廓的每个台阶，激光束210/310的强度、激光脉冲的频率、马达225/325的速度等等可以按照需要来变化。上面操作的实施例涉及通过移除熔敷材料来改变熔敷轮廓。然而，本发明还可以被用来提供“修整(finishing)”接触，其中薄层被熔化和/或蒸发。例如，如图5C所示，边缘以及熔敷表面是粗糙的和不规则的。本发明的激光束210/310可以如上面所讨论的被调整/脉冲化来熔化和/或蒸发表面的薄层，以移除粗糙部分而留下修整后的平滑表面。因此，在示例性实施方案中，激光器可以被用来在熔覆层的沉积之后提供抛光或修整步骤，并且这可以几乎紧接在熔敷工艺之后来完成。
在一些示例性实施方案中，所需要的只是熔敷层117的表面部分在熔敷操作之后形成熔融，以允许表面(其可能比所期望的粗糙)变平坦并且变得更平滑。这可以通过简单地让重力提供变平或平滑的力来实现，但也可以通过使用机械装置(例如平滑刀片(blade))来获得，以平滑表面和/或移除多余材料来提供所期望的表面粗糙度和/或形状。另外，可以期望的是，熔覆层117不是具有平滑表面而是具有一系列低谷和高峰的被开槽(grooved)或开凿(gouged)的表面。在这样的实施方案中，激光器(一个或多个)可以被用来在熔敷层117中创建槽，并且激光器(一个或多个)可以被用来使熔覆层的一部分形成熔融，以使机械装置可以创建所期望的形状和/或槽。
在本发明的示例性实施方案中，激光器220/230可以基于熔敷操作来选择性地操作。例如，当多排熔敷材料以邻近彼此的方式被沉积以在工件上形成熔敷层时，边缘处理激光器可以被选择性地操作，因为邻近之前被沉积的那排的熔敷排边缘可能不需要边缘处理。
上面所讨论的实施方案一般地使用两个激光器，一个边缘一个。然而，如图6所图示说明的，本发明可以使用一个激光器并且同时更改两个边缘。为简洁起见，仅相关的区别将被讨论。如图6所示，激光器420和光学器件440被用来提供激光束410和415，所述激光束410和415分别入射在熔覆层边缘上。光学器件440可以被调整，以使激光束410/415可以如由箭头所指示的，在熔覆层的宽度方向上来移动。在图6的示例性实施方案中，电弧型装置450代替激光器被用作热源，以用于创建熔池145(未示出)，并且如果需要的话，用于熔化焊丝140(未示出)。
在上面的实施方案中，为清楚起见，各种电源供应器和控制单元被分开示出。然而，在本发明的实施方案中，这些部件可以被一体制成为单个焊接系统。本发明的方面不需要将上面各个所讨论的部件保持为分开的物理单元或独立的结构。
尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
参考编号：
100  能量源系统
110  激光束
115  工件
117  熔覆层或沉积层
120  激光器或激光装置
130  激光电源供应器
140  焊丝
145  熔池(melt puddle)或熔池(molten puddle)
150  焊丝送进器
160  导电管
170  电源供应器
195  控制单元
210  激光或射出光束
220  激光器
225  马达
230  激光器
310  激光或出射光束
320  激光器
325  马达
410  激光束
415  激光束
420  激光器
440  光学器件
450  电弧型装置

Claims (15)

1.一种用于在熔敷、堆焊以及表面硬化应用中的任一个中对沉积层进行边缘处理的系统，所述系统包括：
高强度热源，所述高强度热源加热工件(115)并且创建熔池(145)；
焊丝送进器(150)，所述焊丝送进器(150)将焊丝(140)送进到所述熔池，所述焊丝在所述熔池中熔化并且创建与所述熔池的结合，以在所述工件(115)上形成所述沉积层(117)；以及
边缘处理系统，所述边缘处理系统包括射出激光束(110；210；310；410；415)的至少一个激光器(120；220；320；420)，所述激光束(110；210；310；410；415)入射在所述沉积层(117)的表面区域和边缘区域中的至少一个上，以通过以下中的至少一种来更改所述沉积层(117)，即熔化和蒸发所述表面区域和所述边缘区域中的所述至少一个的至少一部分。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：
电源供应器(170)，所述电源供应器(170)供应加热电流通过一段所述焊丝(140)，以将所述一段所述焊丝加热到或接近所述焊丝的熔化温度。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述边缘处理系统包括定位系统，以在所述沉积层的宽度方向上定位每束所述至少一个激光器的所述激光束的入射点。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述定位系统包括光学系统和机电系统中的至少一个，以执行所述入射点的所述定位。
5.如权利要求3或4所述的系统，其中每束所述激光束的所述入射点可以被定位为在所述宽度方向上覆盖所述沉积层的50％至100％。
6.如权利要求3至5中的任一项所述的系统，其中，对于所述至少一个激光器中的每个而言，焦点、强度、激光脉冲的频率以及所述定位的速度中的至少一个是可调整的，以控制被熔化或蒸发的所述沉积层的量。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述高强度热源是激光器或电弧型热源。
8.一种用于在熔敷、堆焊以及表面硬化应用中的任一个中对沉积层进行边缘处理的方法，所述方法包括：
加热工件来创建熔池；
将焊丝送进到所述熔池，所述焊丝在所述熔池中熔化并且创建与所述熔池的结合，以在所述工件上形成所述沉积层；以及
将至少一束激光束入射在所述沉积层的表面区域和边缘区域中的至少一个上，以通过以下中的至少一种来更改所述沉积层，即熔化和蒸发所述表面区域和所述边缘区域中的所述至少一个的至少一部分。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
供应加热电流通过一段所述焊丝，以将所述一段所述焊丝加热到或接近所述焊丝的熔化温度。
10.如权利要求8或9所述的方法，还包括：
在所述沉积层的宽度方向上定位每束所述至少一束激光束的入射点。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述入射点的所述定位包括使用光学系统和机电系统中的至少一个。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中每束所述激光束的所述入射点可以被定位为在所述宽度方向上覆盖所述沉积层的50％至100％。
13.如权利要求10至12中的任一项所述的方法，还包括：
对于所述至少一束激光束中的每束而言，调整焦点、强度、脉冲的频率以及所述定位的速度中的至少一个，以控制被熔化或蒸发的所述沉积层的量。
14.如权利要求8至13中的任一项所述的方法，其中所述沉积层的所述形成以及所述沉积层的所述更改以单个焊道或以分开的焊道来执行。
15.如权利要求8至13中的任一项所述的方法，其中创建所述熔融的所述加热包括使用激光器或使用电弧型热源。
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