CN104785897A - 启动和使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的方法和系统 - Google Patents

启动和使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种启动和使用组合焊丝输送和能量源系统的方法和系统，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个。高强度能量被施加到工件上以加热所述工件。在所述施加的高强度能量处或就在所述施加的高强度能量前面，将一个或更多个阻性填充焊丝朝向所述工件输送。实现何时所述一个或更多个阻性填充焊丝的远侧端在所述施加的高强度能量处或靠近所述施加的高强度能量与所述工件接触的感测。基于所述一个或更多个阻性填充焊丝的所述远侧端是否与所述工件接触来控制到所述一个或更多个阻性填充焊丝的加热电流。所述施加的高强度能量和所述一个或更多个阻性填充焊丝以相对于彼此是固定的关系沿工件以相同的方向被移动。

Description

启动和使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的方法和系统
本申请是申请日为2009年12月23日、申请号为200980154441.4、发明名称为“启动和使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
某些实施方案涉及填充焊丝熔覆应用。更具体地，某些实施方案涉及启动和使用组合填充焊丝输送和能量源系统的系统和方法，用于钎焊、熔敷(cladding)、堆焊(buildingup)、填充以及表面硬化(hard-facing)熔覆应用中的任一个。
背景技术
传统的填充焊丝焊接方法(例如，气体保护钨极弧焊(GTAW)填充焊丝方法)提供增加的沉积率以及超过单独传统弧焊速度的焊接速度。引导焊炬的填充焊丝由单独的电源来电阻加热(resistance-heated)。焊丝通过导电管被朝向工件输送并且延伸超过所述管。延伸部分是被电阻加热的，以致延伸部分接近或达到熔点并且接触熔池。钨电极可以被用于加热和熔化工件以形成熔池。电源提供电阻熔化(resistance-melt)填充焊丝所需的大部分能量。在某些情况下，焊丝输送可能会滑脱(slip)或出现故障(faulter)，并且焊丝中的电流可能会导致在焊丝末端和工件之间产生电弧。这样的电弧的额外的热量可能会导致焊穿和飞溅。产生这样的电弧的风险在工艺开始时较高，其中焊丝初始地与工件接触很小部分(small point)。如果焊丝中的初始电流过高，该部分可能被烧掉，导致产生电弧。
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
本发明的实施方案包括启动和使用组合填充焊丝输送器和能量源系统的系统和方法。本发明的第一实施方案包括启动和使用组合焊丝输送和能量源系统的方法，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个。所述方法包括通过电源在至少一个阻性填充焊丝和工件之间施加感测电压，以及将所述至少一个阻性填充焊丝的远侧端朝向所述工件送进。所述方法还包括感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触。所述方法还包括响应于所述感测，在限定的时间间隔关闭到所述至少一个阻性填充焊丝的所述电源。所述方法还包括在所述限定的时间间隔结束时打开所述电源，以施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的加热电流。所述方法还包括至少在施加所述加热电流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。
本发明提供一种启动和使用组合焊丝输送和能量源系统的方法，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个，所述方法包括：通过电源在至少一个阻性填充焊丝和工件之间施加感测电压；将所述至少一个阻性填充焊丝的远侧端朝向所述工件送进；感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触；响应于所述感测，在限定的时间间隔关闭到所述至少一个阻性填充焊丝的所述电源；在所述限定的时间间隔结束时打开所述电源，以施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的加热电流；以及至少在施加所述加热电流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。
其中，所述方法还包括：沿所述工件移动所述高强度能量源和所述至少一个阻性填充焊丝，以致所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端引导所述高强度能量源或者与所述高强度能量源一致，从而当所述至少一个阻性填充焊丝被朝向所述工件输送时，来自所述高强度能量源和/或所述被加热的工件的能量将所述填充焊丝的所述远侧端熔化到所述工件上；感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触；响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，切断或至少减少通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流；感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触；以及响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，重新施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流。
其中，所述感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端与所述工件接触的步骤是通过下列内容实现的：测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的约零伏特的电位差。
其中，所述方法还包括：响应于所述感测，停止所述至少一个阻性填充焊丝的所述送进；在所述限定的时间间隔结束时，重新启动所述至少一个阻性填充焊丝的所述送进；以及在施加所述加热电流之前，确认所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端仍与所述工件接触。
其中，所述感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触的步骤是通过下列内容实现的：测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的电位差，通过所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件的电流，所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的电阻，以及通过所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件的功率中的一个的变化率；和/或所述感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触的步骤是通过下列内容实现的：测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的约零伏特的电位差。
其中，所述高强度能量源包括激光装置、等离子弧焊装置、气体保护钨极弧焊装置、气体保护金属极弧焊装置、焊剂芯弧焊装置以及埋弧焊装置中的至少一个。
本发明还提供一种启动和使用组合焊丝输送和能量源的系统，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个，所述系统包括：用于在至少一个阻性填充焊丝和工件之间施加感测电压的装置；用于将所述至少一个阻性填充焊丝的远侧端朝向所述工件送进的装置；用于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触的装置；用于响应于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触而在限定的时间间隔阻断通过所述至少一个阻性填充焊丝的电流的装置；用于在所述限定的时间间隔结束时施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的加热电流的装置；以及用于至少在施加所述加热电流的同时将高强度能量施加到所述工件的装置。
其中，所述系统还包括：用于沿所述工件移动所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝的装置，以致所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端引导所述施加的高强度能量或者与所述施加的高强度能量一致，从而当所述至少一个阻性填充焊丝被朝向所述工件输送时，所述施加的高强度能量和/或所述被加热的工件将所述填充焊丝的所述远侧端熔化到所述工件上；用于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触的装置；用于响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触而切断或至少减少通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流的装置；用于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触的装置；以及用于响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触而重新施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流的装置。
其中，所述用于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端与所述工件接触的装置包括用于测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的约零伏特的电位差的装置；和/或所述系统还包括：用于响应于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝第一次与所述工件接触而使所述至少一个阻性填充焊丝停止送进的装置；用于响应于所述限定的时间间隔的结束而使所述至少一个阻性填充焊丝重新送进的装置；以及用于在施加所述加热电流之前，确认所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端仍与所述工件接触的装置。
其中，所述用于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触的装置包括用于测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的电位差，通过所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件的电流，所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的电阻，以及通过所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件的功率中的一个的变化率的装置；和/或所述用于感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触的装置包括用于测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的约零伏特的电位差的装置。
本发明还提供一种用于实现熔覆应用的系统，所述熔覆应用包括钎焊、熔敷、堆焊以及表面硬化中的任一个，所述系统包括：高强度能量子系统，所述高强度能量子系统能够将高强度能量施加到工件上以加热所述工件；填充焊丝输送器子系统，所述填充焊丝输送器子系统能够提供至少一个阻性填充焊丝以在靠近所述施加的高强度能量处与所述工件接触；运动控制子系统，所述运动控制子系统能够沿所述工件以相同的方向移动所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝，以致所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝保持为相对于彼此是固定的关系；以及感测和电流控制子系统，所述感测和电流控制子系统能够感测何时所述至少一个阻性填充焊丝与所述工件接触并且响应于所述感测控制通过所述至少一个阻性填充焊丝的电流。
其中，所述系统能够提供启动方法，所述方法包括：通过电源在至少一个阻性填充焊丝和工件之间施加感测电压；将所述至少一个阻性填充焊丝的远侧端朝向所述工件送进；感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触；响应于所述感测，在限定的时间间隔关闭到所述至少一个阻性填充焊丝的所述电源；在所述限定的时间间隔结束时打开所述电源，以施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的加热电流；以及至少在施加所述加热电流的同时将所述高强度能量施加到所述工件，以加热所述工件。
其中，所述系统还能够提供启动之后的方法，所述启动之后的方法包括：沿所述工件移动所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝，以致所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端引导所述施加的高强度能量或者与所述施加的高强度能量一致，从而当所述至少一个阻性填充焊丝被朝向所述工件输送时，来自所述高强度能量子系统的所述施加的高强度能量和/或所述被加热的工件将所述填充焊丝的所述远侧端熔化到所述工件上；感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触；响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，切断或至少减少通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流；感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触；以及响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，重新施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流。
其中，所述感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的远侧端与所述工件接触的步骤是通过下列内容实现的：测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的约零伏特的电位差；和/或其中所述系统还能够提供进一步包括下列内容的所述启动方法：响应于所述感测，停止所述至少一个阻性填充焊丝的所述送进；在所述限定的时间间隔结束时，重新启动所述至少一个阻性填充焊丝的所述送进；以及在施加所述加热电流之前，确认所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端仍与所述工件接触。
其中，所述感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触的步骤是通过下列内容实现的：测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的电位差，通过所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件的电流，所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的电阻，以及通过所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件的功率中的一个的变化率；和/或所述感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触的步骤是通过下列内容实现的：测量所述至少一个阻性填充焊丝和所述工件之间的约零伏特的电位差。
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和实施方案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。
附图说明
图1图示说明组合填充焊丝输送器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个；
图2图示说明由图1的系统所使用的启动方法的实施方案的流程图；
图3图示说明由图1的系统所使用的启动之后的方法的实施方案的流程图；
图4图示说明与图3的启动之后的方法相关联的一对电压和电流波形的第一示例性实施方案；以及
图5图示说明与图3的启动之后的方法相关联的一对电压和电流波形的第二示例性实施方案。
具体实施方式
术语“熔覆(overlaying)”在本文以广义的方式被使用，并且可以涉及包括钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化的任何应用。例如，在“钎焊(brazing)”应用中，填充金属通过毛细作用被分布在接缝的紧密配合的(closely fitting)表面之间。然而，在“硬钎焊(braze welding)”应用中，填充金属被形成为流入空隙。然而，如文本所使用的，这两种技术都被广义地称为熔覆应用。
图1图示说明组合填充焊丝输送器和能量源系统100的示例性实施方案的功能性示意方框图，系统100用于实现钎焊、熔敷、堆焊、填充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，该激光子系统能够将激光束110聚焦到工件115上，以加热工件115。激光子系统为高强度能量源。该系统的其他实施方案可以包括起到高强度能量源作用的等离子弧焊子系统、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。激光子系统包括可操作地相互连接的激光装置120和激光电源130。激光电源130提供功率以操作激光装置120。
系统100还包括热填充焊丝输送器子系统，该子系统能够提供至少一个阻性填充焊丝140，以在靠近激光束110处与工件115接触。热填充焊丝输送器子系统包括填充焊丝输送器150、导电管160以及热焊丝电源170。在操作期间，引导激光束110的填充焊丝140由来自热焊丝焊接电源170的电流来电阻加热，该热焊丝焊接电源170可操作地连接于导电管160和工件115之间。根据本发明的实施方案，热焊丝焊接电源170是脉冲直流(DC)电源，然而交流(AC)或其他类型的电源也是可能的。焊丝140通过导电管160从填充焊丝输送器150被朝向工件115输送，并且延伸超过管160。焊丝140的延伸部分是被电阻加热的，以致该延伸部分在接触到工件上的熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于熔化工件115的基底金属的一些以形成熔池，并且还将焊丝140熔化到工件115上。电源170提供电阻熔化填充焊丝140所需的大部分能量。根据本发明的某些其他实施方案，输送器子系统可以能够同时提供一个或更多个焊丝。例如，第一焊丝可以被用于表面硬化和/或为工件提供耐腐蚀性(corrosion resistance)，而第二焊丝可以被用于对工件增加构造。
系统100还包括运动控制子系统，该子系统能够沿工件115以相同方向125(至少是相对而言)移动激光束110(能量源)和阻性填充焊丝140，以致激光束110和阻性填充焊丝140保持为相对于彼此是固定的关系。根据各种实施方案，工件115和激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际上移动工件115或通过移动激光装置120和热焊丝输送器子系统来实现。在图1中，运动控制子系统包括可操作地连接到机器人190的运动控制器180。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人可操作地连接(例如，机械地固定)到工件115，以在方向125上移动工件115，从而激光束110和焊丝140沿工件115有效地移动。根据本发明可替换的实施方案，激光装置110和导电管160可以被整合到单个头部(head)中。该头部可以通过可操作地连接到该头部的运动控制子系统沿工件115被移动。
总地来说，存在高强度能量源/热焊丝可以相对于工件被移动的数种方法。例如，如果工件是圆形的，高强度能量源/热焊丝可以为静止的并且该工件可以在该高强度能量源/热焊丝下被转动。可替换地，机器手或线性拖车(tractor)可以平行于该圆形工件移动，并且当该工件被转动时，该高强度能量源/热焊丝可以连续移动或者例如每次绕转进行一次调位，以熔覆该环形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圆形的，如图1中所示，该工件可以在高强度能量源/热焊丝下被移动。然而，机器手或线性拖车或者甚至是横梁式安装的支架可以被用于相对于工件移动高强度能量源/热焊丝头部。
系统100还包括感测和电流控制子系统195，该子系统195可操作地连接工件115和导电管160(即，有效地连接热焊丝电源170的输出)并且能够测量工件115和热焊丝140之间的电位差(即，电压V)以及通过工件115和热焊丝140的电流(I)。感测和电流控制子系统195可以能够进一步从所测量的电压和电流计算电阻值(R＝V/I)和/或功率值(P＝V*I)。一般而言，当热焊丝140与工件115接触时，热焊丝140与工件115之间的电位差为零伏特或者非常接近零伏特。因而，如在文本中稍后被详细描述的，感测和电流控制子系统195能够感测何时阻性填充焊丝140与工件115接触并且可操作地连接热焊丝电源170，以能够响应于该感测而进一步控制通过阻性填充焊丝140的电流。根据本发明的另一实施方案，感测和电流控制器195可以为热焊丝电源170的一体的部分。
根据本发明的实施方案，运动控制器180还可以可操作地连接激光电源130和/或感测和电流控制器195。以这种方式，运动控制器180和激光电源130可以相互通信，从而激光电源130知晓何时工件115正在运动，并且从而运动控制器180知晓激光装置120是否在工作状态(active)。类似地，以这种方式，运动控制器180与感测和电流控制器195可以相互通信，从而感测和电流控制器195知晓何时工件115正在运动，并且从而运动控制器180知晓热填充焊丝输送器子系统是否在工作状态。这样的通信可以用于协调系统100的各种子系统之间的活动。
图2图示说明图1的系统100所使用的启动方法200的实施方案的流程图。在步骤210中，通过电源170在至少一个阻性填充焊丝140和工件115之间施加感测电压。感测电压可以通过热焊丝电源170在感测和电流控制器195的命令下来施加。此外，根据本发明的实施方案，施加的感测电压并不提供足够的能量来大幅地加热焊丝140。在步骤220中，将至少一个阻性填充焊丝140的远侧端朝向工件115送进。该送进是由焊丝输送器150实现的。在步骤230中，感测何时至少一个阻性填充焊丝140的远侧端第一次与工件115接触。例如，感测和电流控制器195可以命令热焊丝电源170提供通过热焊丝140的非常低的电流水平(例如，3至5安培)。这样的感测可以通过下列内容来实现：感测和电流控制器195测量填充焊丝140(例如，通过导电管160)和工件115之间的约为零伏特(例如，0.4V)的电位差。当填充焊丝140的远侧端对工件115短路(即，与工件接触)时，填充焊丝140和工件115之间将不存在明显的(高于零伏特的)电压水平。
在步骤240中，响应于该感测，在限定的时间间隔(例如，数毫秒)关闭到至少一个阻性填充焊丝140的电源170。感测和电流控制器195可以命令电源170关闭。在步骤250中，在该限定的时间间隔结束时打开电源170，以施加通过至少一个阻性填充焊丝140的加热电流。感测和电流控制器195可以命令电源170打开。在步骤260中，至少在施加加热电流的同时将来自高强度能量源110的能量施加到工件115，以加热工件115。
作为一种选择，方法200可以包括响应于该感测停止焊丝140的送进，在限定的时间间隔结束时重新启动焊丝140的送进(即，重新送进)，以及在施加加热电流之前确认填充焊丝140的远侧端仍与工件115接触。感测和电流控制器195可以命令焊丝输送器150停止输送并且命令系统100等待(例如，数毫秒)。在这样的实施方案中，感测和电流控制器195可操作地连接焊丝输送器150，以命令焊丝输送器150开始和停止。感测和电流控制器195可以命令热焊丝电源170施加加热电流来加热焊丝140，并且再次朝向工件115输送焊丝140。
一旦启动方法被完成，系统100可以进入启动之后的操作模式，其中激光束110和热焊丝140被相对于工件115移动，以实现钎焊应用、熔敷应用、堆焊应用或者表面硬化应用中的一个。图3图示说明图1的系统100所使用的启动之后的方法300的实施方案的流程图。在步骤310中，沿工件115移动高强度能量源(例如，激光装置120)和至少一个阻性填充焊丝140，以致至少一个阻性填充焊丝140的远侧端引导该高强度能量源(例如，激光装置)或者与该高强度能量源(例如，激光装置120)一致，从而当至少一个阻性填充焊丝140被朝向工件115输送时，来自该高强度能量源(例如，激光装置120)(例如，激光束110)和/或被加热的工件115(即，工件115被激光束110加热)的能量将填充焊丝140的远侧端熔化到工件115上。运动控制器180命令机器人190相对于激光束110和热焊丝140移动工件115。激光电源130提供功率来操作激光装置120形成激光束110。当被感测和电流控制器195命令时，热焊丝电源170提供电流至热焊丝140。
在步骤320中，感测何时至少一个阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件115的接触(即，提供预告能力)。这样的感测可以由感测和电流控制器195内的预告电路测量下列内容中的一个的变化率来实现：填充焊丝140和工件115之间的电位差(dv/dt)，通过填充焊丝140和工件115的电流(di/dt)，填充焊丝140和工件115之间的电阻(dr/dt)，或者通过填充焊丝140和工件115的功率(dp/dt)。当变化率超过预先限定的值时，感测和电流控制器195正式地预测将要出现脱离接触。这样的预告电路在弧焊领域是公知的。
当焊丝140的远侧端由于加热的缘故变得高度熔融时，该远侧端开始从焊丝140箍断(pinch off)到工件115上。例如，在那时，因为随着焊丝的远侧端的箍断其截面快速减小，电位差或电压增加。因此，通过测量这样的变化率，系统100可以预知何时该远侧端将要箍断并脱离与工件115的接触。再有，如果完全脱离接触，感测和电流控制器195可以测量到显著大于零伏特的电位差(即，电压水平)。如果不采取步骤330中的措施，该电位差可以导致在焊丝140的新的远侧端和工件115之间形成电弧。
在步骤330中，响应于感测至少一个阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件115的接触，切断(或者至少大幅度减少，例如，减少95％)通过至少一个阻性填充焊丝140的加热电流。当感测和电流控制器195确定接触将要脱离时，控制器195命令热焊丝电源170切断(或者至少大幅度减少)提供至热焊丝140的电流。以这种方式，避免形成不必要的电弧，防止出现任何不期望的效果，例如，飞溅或焊穿。
在步骤340中，感测何时至少一个阻性填充焊丝140的远侧端由于焊丝140持续朝向工件115送进而再次与工件115接触。这样的感测可以通过以下内容来实现：感测和电流控制器195测量填充焊丝140(例如，通过导电管160)和工件115之间约为零伏特的电势差。当填充焊丝140的远侧端对工件115短路时(即，与工件接触)，填充焊丝140和工件115之间将不存在高于零伏特的明显的电压水平。本文所使用的表述“再次接触”是指这样的情形，其中焊丝140朝向工件115送进，并且焊丝140(例如，通过导电管160)和工件115之间所测量的电压大约为零伏特，而无论焊丝140的远侧端是否实际上完全从工件115箍断。在步骤350中，响应于感测至少一个阻性填充焊丝的远侧端再次与工件接触，重新施加通过至少一个阻性填充焊丝的加热电流。感测和电流控制器195可以命令热焊丝电源170重新施加加热电流以继续加热焊丝140。该过程可以在熔覆应用期间持续。
例如，图4分别图示说明与图3的启动之后的方法300相关联的一对电压和电流波形410和420的第一示例性实施方案。导电管160和工件115之间的电压波形410由感测和电流控制器195来测量。通过焊丝140和工件115的电流波形420由感测和电流控制器195来测量。
当阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件115的接触时，电压波形410的变化率(即，dv/dt)将超过预先确定的阈值，指示箍断将要发生(见波形410的点411处的斜率)。作为可替换的方案，通过填充焊丝140和工件115的电流的变化率(di/dt)，填充焊丝140和工件115之间的电阻的变化率(dr/dt)，或者通过填充焊丝140和工件115的功率的变化率(dp/dt)可以作为替代被用来指示箍断将要发生。这样的变化率预告技术在本领域是公知的。在那时，感测和电流控制器195将命令热焊丝电源170切断(或者至少大幅度减少)通过焊丝140的电流。
在一段时间间隔430之后(例如，在点412处电压水平回到约为零伏特)，当感测和电流控制器195感测填充焊丝140的远侧端再次与工件115良好接触时，感测和电流控制器195命令热焊丝电源170使通过阻性填充焊丝140的电流朝向预先确定的输出电流水平450斜坡增加(见斜坡425)。根据本发明的实施方案，从设定点值440开始斜坡增加。当能量源120和焊丝140相对于工件115移动时，以及当焊丝140由于焊丝输送器150而朝向工件115送进时，该过程重复。以这种方式，焊丝140的远侧端和工件115之间的接触在很大程度上被保持，并且防止在焊丝140的远侧端和工件115之间形成电弧。加热电流的斜坡帮助防止当不存在箍断情况或电弧情况时将电压的变化率无意中理解为这样的情况。由于加热电路中的电感，任何大的电流变化都可能会导致获得错误的电压读取值。当电流逐渐地斜坡增加时，电感效应被减少。
图5分别图示说明与图3的启动之后的方法相关联的一对电压和电流波形510和520的第二示例性实施方案。导电管160和工件115之间的电压波形510由感测和电流控制器195来测量。通过焊丝140和工件115的电流波形520由感测和电流控制器195来测量。
当阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件115的接触时，电压波形510的变化率(即，dv/dt)将超过预先确定的阈值，指示箍断将要发生(见波形510的点511处的斜率)。作为可替换的方案，通过填充焊丝140和工件115的电流的变化率(di/dt)，填充焊丝140和工件115之间的电阻的变化率(dr/dt)，或者通过填充焊丝140和工件115的功率的变化率(dp/dt)可以作为替代被用来指示箍断将要发生。这样的变化率预告技术在本领域是公知的。在那时，感测和电流控制器195将命令热焊丝电源170切断(或者至少大幅度减少)通过焊丝140的电流。
在一段时间间隔530之后(例如，在点512处电压水平回到约为零伏特)，当感测和电流控制器195感测填充焊丝140的远侧端再次与工件115良好接触时，感测和电流控制器195命令热焊丝电源170施加通过阻性填充焊丝140的加热电流(见加热电流水平525)。当能量源120和焊丝140相对于工件115移动时，以及当焊丝140由于焊丝输送器150而朝向工件115送进时，该过程重复。以这种方式，焊丝140的远侧端和工件115之间的接触在很大程度上被保持，并且防止在焊丝140的远侧端和工件115之间形成电弧。因为在这种情况下加热电流不是逐渐地成斜坡的，由于加热电路中的电感，特定的电压读取值当是无意的或错误的时可能会被忽视。
综上所述，公开了一种启动和使用组合焊丝输送和能量源系统的方法和系统，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个。高强度能量被施加到工件上以加热该工件。在施加的高强度能量处或就在施加的高强度能量前方，将一个或更多个阻性填充焊丝朝向该工件输送。何时该一个或更多个阻性填充焊丝的远侧端在施加的该高强度能量处或靠近施加的该高强度能量与该工件接触的感测被实现。基于该一个或更多个阻性填充焊丝的该远侧端是否与该工件接触来控制到该一个或更多个阻性填充焊丝的加热电流。该施加的高强度能量和该一个或更多个阻性填充焊丝以相对于彼此是固定的关系沿工件以相同的方向被移动。
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            330 步骤
110 激光束            340 步骤
115 工件              350 步骤
120 激光装置          410 电流波形
125 方向              411 点
130 激光电源          412 点
140 阻性填充焊丝      420 电流波形
150 焊丝输送器        425 斜坡
160 导电管            430 时间间隔
170 热焊丝电源        440 点值
180 运动控制器        450 输出电流水平
190 机器人            510 电流波形
195 电流控制子系统    511 点
200 启动方法          520 电流波形
210 步骤              525 加热电流水平
220 步骤              530 时间间隔
230 步骤
240 步骤
250 步骤
260 步骤
300 启动之后的方法
310 步骤
320 步骤

Claims (20)

1.一种用于实现熔覆应用的系统，所述熔覆应用包括钎焊、熔敷、堆焊以及表面硬化中的任一个，所述系统包括：
高强度能量子系统，所述高强度能量子系统将高强度能量施加到工件上以加热所述工件；
填充焊丝输送器子系统，所述填充焊丝输送器子系统提供至少一个阻性填充焊丝以在靠近所述施加的高强度能量处与所述工件接触；
运动控制子系统，所述运动控制子系统沿所述工件以相同的方向移动所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝，以致所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝保持为相对于彼此是固定的关系；以及
感测和电流控制子系统，所述感测和电流控制子系统提供感测信号来感测何时所述至少一个阻性填充焊丝与所述工件接触并且响应于所述感测控制通过所述至少一个阻性填充焊丝的电流。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述接触的所述感测的步骤包括感测所述阻性填充焊丝和所述工件之间的电压，并且
其中所述感测信号不大幅地加热所述阻性填充焊丝。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述感测和电流控制子系统在所述阻性填充焊丝与所述工件接触之后切断所述感测信号。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述感测和电流子系统在所述感测信号已经被切断之后的限定的时间间隔后控制所述电流。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述施加的高强度能量在所述工件上形成熔池。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述固定的关系是所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端引导所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端与所述施加的高强度能量一致中的一个。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述感测和电流子系统感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，并且
其中所述感测和电流子系统响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，切断或减少通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述电流。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述感测和电流子系统感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，并且
其中所述感测和电流子系统响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，重新施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述电流。
9.一种用于实现熔覆应用的系统，所述熔覆应用包括钎焊、熔敷、堆焊以及表面硬化中的任一个，所述系统包括：
高强度能量子系统，所述高强度能量子系统将高强度能量施加到工件上以加热所述工件；
填充焊丝输送器子系统，所述填充焊丝输送器子系统提供至少一个阻性填充焊丝以在靠近所述施加的高强度能量处与所述工件接触；
感测和电流控制子系统，所述感测和电流控制子系统提供感测信号来感测何时所述至少一个阻性填充焊丝与所述工件接触；以及
电源，所述电源响应于所述感测的步骤控制通过所述至少一个阻性填充焊丝的电流。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述感测信号是被发送通过所述至少一个阻性填充焊丝的低水平电流并且所述感测和电流控制子系统基于所述填充焊丝和所述工件之间的电位差确定何时发生所述接触。
11.如权利要求9所述的系统，还包括：
运动控制子系统，所述运动控制子系统沿所述工件以相同的方向移动所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝，以致所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝保持为相对于彼此是固定的关系。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述感测和电流控制子系统在所述阻性填充焊丝与所述工作接触之后切断所述感测信号。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述电源在所述感测信号被切断之后的限定时间间隔后控制所述电流。
14.如权利要求9所述的系统，其中所述施加的高强度能量在所述工件上形成熔池。
15.如权利要求11所述的系统，其中所述固定的关系是所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端引导所述施加的高强度能量和所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端与所述施加的高强度能量一致中的一个。
16.如权利要求9所述的系统，其中所述感测和电流子系统感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，并且
其中所述电源响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，切断或减少通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述电流。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述感测和电流子系统感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，并且
其中所述电源响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，重新施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述电流。
18.一种启动和使用组合焊丝输送和能量源系统的方法，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个，所述方法包括：
在至少一个阻性填充焊丝和工件之间施加感测信号；
将所述至少一个阻性填充焊丝的远侧端朝向所述工件送进；
基于所述感测信号确定何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触；
响应于所述确定，在限定的时间间隔切断所述感测信号；
在所述限定的时间间隔结束时施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的加热电流；以及
至少在施加所述加热电流的同时加热所述工件。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
使用高强度能量源来执行所述工件的所述加热；
沿所述工件移动所述高强度能量源和所述至少一个阻性填充焊丝，以致所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端引导所述高强度能量源或者与所述高强度能量源一致，从而当所述至少一个阻性填充焊丝被朝向所述工件输送时，来自所述高强度能量源和所述被加热的工件中的至少一个的能量将所述填充焊丝的所述远侧端熔化到所述工件上；
感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触；
响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端将要脱离与所述工件的接触，切断或减少通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流；
感测何时所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触；以及
响应于感测所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端再次与所述工件接触，重新施加通过所述至少一个阻性填充焊丝的所述加热电流。
20.如权利要求18所述的方法，还包括：
响应于所述确定，停止所述至少一个阻性填充焊丝的所述送进；
在所述限定的时间间隔结束时，重新启动所述至少一个阻性填充焊丝的所述送进；以及
在所述施加所述加热电流之前，确认所述至少一个阻性填充焊丝的所述远侧端仍与所述工件接触。
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