CN104822484A - 启动以及使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的用于焊接的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种焊接或接合工件(115,115A,115B,W)的方法和系统(100,1200,1400,1700)，所述方法和系统(100,1200,1400,1700)采用创建焊接熔池(P)的高强度能量源以及至少一条阻性填充焊丝(140)，所述阻性填充焊丝(140)被加热到处于或接近其熔化温度并且被沉积到焊接熔池(P)中。监测电路用来避免填充焊丝和工件之间的电弧产生。

Description

启动以及使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的用于焊接的方法和系统

本申请是美国专利申请No.13/212,025的部分继续申请并且要求所述美国专利申请No.13/212,025的优先权，所述美国专利申请No.13/212,025是美国专利申请No.12/352,667的部分继续申请并且要求所述美国专利申请No.12/352,667的优先权。所述美国专利申请No.13/212,025和No.12/352,667的全部内容通过引用被并入本文。

发明领域

本发明涉及根据权利要求1的焊接方法和根据权利要求10的焊接系统。某些实施方案涉及填充焊丝熔覆应用以及焊接和接合应用。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、表面硬化(hard-facing)熔覆、接合以及焊接应用中的任一个。

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供应器来电阻加热(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。延伸部分被电阻加热，以使延伸部分靠近或达到熔点并且接触焊接熔池。钨电极可以被用于加热和熔化工件以形成焊接熔池。电源供应器提供电阻熔化(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

本发明的目标是克服限制和缺点。本发明进一步的目标是最小化电弧出现的风险。该问题通过根据权利要求1的焊接方法以及通过根据权利要求10的焊接系统来解决。进一步的实施方案是从属权利要求的主题。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、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个。所述方法包括通过电源在至少一条阻性填充焊丝和工件之间施加感测电压，以及将所述至少一条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条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条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条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。

从如下的说明书和附图，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。

附图简要描述

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；

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；

图6和图6A图示说明被用来执行焊接操作的本发明的另外的示例性实施方案；

图7、图7A和图7B图示说明用本发明焊接的附加的示例性实施方案；

图8图示说明同时将接头的两侧接合的另外的示例性实施方案；

图9图示说明用本发明焊接的另一个示例性实施方案；

图10图示说明用多种激光器和焊丝焊接接头的本发明的另一个示例性实施方案；

图11A至图11C描绘与本发明的实施方案一起使用的导电嘴(contact tip)的示例性实施方案；

图12图示说明根据本发明的实施方案的热焊丝电源供应器系统；

图13A-C图示说明由本发明的示例性实施方案创建的电压和电流波形；

图14图示说明根据本发明的示例性实施方案的另一种焊接系统；

图15图示说明由本发明的实施方案创建的焊接熔池的示例性实施方案；

图16A至图16F图示说明根据本发明的实施方案的焊接熔池和激光束使用的示例性实施方案；

图17图示说明根据本发明的另一个示例性实施方案的焊接系统；

图18图示说明可以被用在本发明的实施方案中的斜坡下降(ramp down)电路的示例性实施方案；

图19图示说明根据本发明的排烟管口的示例性实施方案；

图20A图示说明使用电弧焊接工艺的薄壁焊接工艺的结果；以及

图20B图示说明使用本发明的薄壁焊接工艺的示例性实施方案的结果。

具体描述

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头的紧密配合的(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，如本文所使用的，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、表面硬化熔覆，以及接合/焊接应用中的任一个。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。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。另外，甚至如果白光或石英灯激光器类型的系统具有足够的能量，可以使用它们。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。激光子系统包括可操作地相互连接的激光装置120和激光电源供应器130。激光电源供应器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条阻性填充焊丝140，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(contact tube)160以及热焊丝电源供应器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供应器170的电流来电阻加热，该热焊丝焊接电源供应器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，热焊丝焊接电源供应器170是脉冲直流(DC)电源，然而交流(AC)或其他类型的电源供应器也是可能的。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焊接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。电源供应器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条或更多条焊丝。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，以致激光束110和焊丝140沿工件115有效地行进。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中示出的，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供应器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。因此，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供应器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可以为热焊丝电源供应器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在至少一条阻性填充焊丝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供应器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，将至少一条阻性填充焊丝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，感测何时至少一条阻性填充焊丝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供应器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)关闭到至少一条阻性填充焊丝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，以施加通过至少一条阻性填充焊丝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供应器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、表面硬化或焊接/接合应用中的一个。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)和至少一条阻性填充焊丝140，以致至少一条阻性填充焊丝140的远侧端引导该高强度能量源(例如，激光装置120)或者与该高强度能量源(例如，激光装置120)一致，从而当至少一条阻性填充焊丝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，热焊丝电源供应器170提供电流至热焊丝140。

在步骤320中，感测何时至少一条阻性填充焊丝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，该远侧端可以开始从焊丝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。当然，在其他实施方案中，焊丝140可以不示出任何可感知的箍缩(pinching)而是将以连续的方式流入熔池同时维持几乎恒定的到熔池中的截面。

在步骤330中，响应于感测至少一条阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件115的接触，关闭(或者至少大幅度减少，例如，减少95％)通过至少一条阻性填充焊丝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命令热焊丝电源供应器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，感测何时至少一条阻性填充焊丝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，响应于感测至少一条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条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继续。

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将命令热焊丝电源供应器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的电流朝向预定的输出电流水平450斜坡上升(见斜坡425)。根据本发明的实施方案，从设置点值440开始斜坡上升。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。当电流逐渐地斜坡上升时，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将命令热焊丝电源供应器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命令热焊丝电源供应器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作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，将一条或更多条阻性填充焊丝朝向该工件输送。何时该一条或更多条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。基于该一条或更多条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条或更多条阻性填充焊丝的加热电流。该施加的高强度能量和该一条或更多条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。

在另外的示例性实施方案中，本发明的系统和方法被用于焊接或接合操作。上面讨论的实施方案集中于在熔覆操作中填充金属的使用。然而，本发明的方面可以用在焊接和接合应用中，其中使用焊接操作并且使用填充金属将工件接合。尽管针对熔覆填充金属，上面描述的实施方案、系统和方法与下面更全面地描述的在焊接操作中采用的实施方案、系统和方法类似。因此理解的是，除非另外说明，在以下讨论中上面的讨论普遍适用。另外，以下讨论可以包括对图1至图5的参考。

已知的是，在焊接操作中，焊接/接合操作典型地将多个工件接合在一起，其中填充金属与工件金属中的至少一些相结合来形成接头。由于期望增加焊接操作中的产品生产量，一直存在对这样的更快的焊接操作的需求，所述焊接操作并不产生具有不合标准的质量的焊缝。另外，需要提供这样的系统，所述系统可以在不利的环境状况下(例如，在遥远的工作场所)迅速地焊接。如下面所描述的，本发明的示例性实施方案提供超过现有焊接技术的显著的优点。这样的优点包括，但不限于，减少的导致工件轻度变形的总热量输入、非常高的焊接行进速度、非常低的飞溅率、没有保护措施(shielding)的焊接、以高的速度焊接电镀的或盖覆的材料而几乎没有或没有飞溅，以及以高的速度焊接复合(complex)材料。

相比于弧焊，在本发明的示例性实施方案中，使用被盖覆的工件非常高的焊接速度可以被获得，所述被盖覆的工件使用弧焊方法典型地要求显著的准备工作并且是慢得多的焊接工艺。作为实施例，下面的讨论将集中于焊接镀锌工件。金属镀锌被使用来增加金属的抗腐蚀性，并且在许多工业应用中是符合期望的。然而，镀锌工件的常规焊接可能是有问题的。具体地，在焊接期间，镀锌结构(galavaniztion)中的锌蒸发，并且随着熔池凝固该锌蒸气可能发生被困在焊接熔池中的情况，造成孔隙度。该孔隙度不利地影响焊接接头的强度。由于该原因，现有的焊接技术要求去除镀锌结构的第一步，或者在较低的处理速度下并且以某种水平的缺陷通过镀锌结构焊接——这是低效的并且导致延迟，或者要求焊接过程缓慢进行。通过放慢所述过程，焊接熔池保持熔融更长一段时间，以允许蒸发的锌逸出。然而，由于所述慢速度，生产率是低的，并且到焊缝中的总热量输入可能是高的。可以导致类似问题的其他盖覆物包括但不限于：涂料、冲模润滑剂(stamp lubricants)、搪玻璃(glass linings)、渗铝盖覆物(aluminizd coatings)、表面加热处理、氮化或碳化处理、熔敷处理，或者其他蒸发的盖覆物或材料。如下面所述的，本发明的示例性实施方案消除这些问题。

转到图6和图6A，代表性的焊接搭接接头被示出。在该图中两个被盖覆的(例如镀锌)工件W1/W2用搭接缝接合。所述搭接接头表面601和603以及工件W1的表面605最初用盖覆物覆盖。在典型的焊接操作中(例如MIG)，使被覆盖的表面605的部分形成熔融。这是由于标准焊接操作的熔深的典型的深度。由于表面605被熔化，表面605上的盖覆物蒸发，但是由于表面605与焊池(weld pool)的表面的距离大，随着焊池凝固，气体可能被困住。用本发明的实施方案这种情况不会出现。

如图6和6A中示出的，激光束110从激光装置120被引导到焊接接头，具体地被引导到表面601和603。激光束110具有熔化焊缝表面的部分来创建熔池601A和603A的能量密度，所述激光束110创建总的焊接熔池。另外，如前面描述的电阻加热的填充焊丝140被引导到焊接熔池，以提供焊道所需要的填充材料。不同于大多数焊接工艺，在所述焊接工艺期间，填充焊丝140接触并且陷入焊接熔池。这是由于该工艺不使用焊接电弧来转移填充焊丝140，而是简单地将填充焊丝熔化到焊接熔池中。

由于填充焊丝140被预热至处于或接近其熔点，填充焊丝140在焊接熔池中的存在将不会明显地冷却或凝固熔池，并且快速消耗到焊接熔池中。填充焊丝140的总的操作和控制如前面对于熔覆实施方案所描述的。

由于激光束110能够被精确地聚焦并引导到表面601/603，熔池601A/603A的熔深的深度可以被精确地控制。通过仔细控制该深度，本发明的实施方案防止表面605的任何不必要的熔透或熔化。由于表面605不过度熔化，表面605上的任何盖覆物不蒸发并且不发生被困在焊接熔池中的情况。另外，焊接接头601和603的表面上的任何盖覆物易于通过激光束110蒸发并且在焊接熔池凝固之前允许该气体逸出焊接区。考虑的是，使用气体排出系统来帮助去除任何蒸发的盖覆材料。

由于焊接熔池熔深的深度可以被精确控制，焊接被盖覆的工件的速度能够大大增加，同时显著最小化或消除孔隙度。一些弧焊系统可以获得良好的焊接行进速度，但是在较高的速度下比如孔隙度和飞溅的问题可能出现。在本发明的示例性实施方案中，非常高的行进速度可以被获得，其中几乎没有或没有孔隙度或飞溅(如本文讨论的)，并且实际上对于许多不同类型的焊接操作，超过50英寸/分钟的行进速度能够易于被获得。本发明的实施方案可以获得超过80英寸/分钟的焊接行进速度。另外，其他实施方案可以获得在100至150英寸/分钟的行进速度，其中如本文讨论的具有最少的或没有孔隙度或飞溅。当然，所获得的速度将依据工件性质(厚度和组成)和焊丝性质(例如，直径)，但是当使用本发明的实施方案时，在许多不同的焊接和接合应用中这些速度是容易获得的。另外，这些速度可以在具有100％二氧化碳保护气体时被获得，或者在根本没有保护措施时被获得。附加地，这些行进速度可以被获得而无需在创建焊接熔池和焊接之前去除任何表面盖覆物。当然，考虑的是，更高的行进速度可以被获得。此外，由于到焊缝中的降低的热量输入，对于更薄的工件115可以获得这些高速度，由于必须保持低热量输入以避免变形，所述更薄的工件115典型地具有更慢的焊接速度。本发明的实施方案不仅可以获得上面描述的高行进速度，其中几乎没有或没有孔隙度或飞溅，它们还可以获得具有低的掺合物(admixture)的非常高的沉积速率。具体地，本发明的实施方案可以获得10磅/小时或者更高的沉积速率，无需保护气体并且几乎没有或没有孔隙度或飞溅。在一些实施方案中沉积速率在10至20磅/小时范围内。

在本发明的示例性实施方案中，这些极高的行进速度被获得，其中几乎没有或没有孔隙度并且几乎没有或没有飞溅。焊缝的孔隙度可以通过检测焊道的截面和/或长度来确定，以判定孔隙率。截面孔隙率是在给定截面中的孔隙的总面积相比于在该点的焊接接头的总截面面积。长度孔隙率是在给定单位长度焊接接头中的孔的总累计长度。本发明的实施方案可以获得上面所描述的具有0至20％之间的截面孔隙度的行进速度。因此，没有气泡或腔的焊道将具有0％的孔隙度。在其他示例性实施方案中，截面孔隙度可以是在0至10％范围内，并且在另一个示例性实施方案中可以是在2至5％范围内。理解的是，在一些焊接应用中，一些水平的孔隙度是可接受的。另外，在本发明的示例性实施方案中，焊接的长度孔隙度是在0至20％范围内，并且可以是0至10％。在进一步的示例性实施方案中长度孔隙率是在1至5％范围内。因此，例如，可以在盖覆材料中生成这样的焊缝，所述焊缝具有2至5％范围内的截面孔隙度和1至5％的长度孔隙率。

此外，本发明的实施方案可以以上面所判定的行进速度焊接，其中几乎没有或没有飞溅。在导致焊接熔池的液滴溅到焊接区之外时，飞溅发生。当焊缝飞溅发生时，可能危害焊接的质量并且可能导致生产延迟，因为典型地在焊接工艺之后焊缝飞溅必须被清洗使其脱离工件。因此，以没有飞溅的高速度焊接有很大好处。本发明的实施方案能够以其中飞溅系数在0至0.5范围内的上述高行进速度来焊接，其中飞溅系数是给定行进距离X上的飞溅的重量(以mg计)相比于相同距离X上所消耗的填充焊丝140的重量(以Kg计)。就是说：

飞溅系数＝(飞溅重量(mg)/所消耗的填充焊丝重量(Kg))

距离X应该是考虑到焊接接头的代表性抽样的距离。就是说，如果距离X太短(例如0.5英寸)，则可能不是焊缝的代表性距离。因此，飞溅系数为0的焊接接头对于距离X上所消耗的填充焊丝会没有飞溅，并且飞溅系数为2.5的焊缝对于2Kg所消耗的填充焊丝具有5mg的飞溅。在本发明的示例性实施方案中，飞溅系数是在0至1范围内。在进一步的示例性实施方案中，飞溅系数是在0至0.5范围内。在本发明的另一示例性实施方案中，飞溅系数是在0至3范围内。应该注意的是，本发明的实施方案可以在使用或者不使用任何外部保护措施时获得上面描述的飞溅系数范围——所述外部保护措施包括保护气体或者焊剂保护(flux shielding)。此外，当焊接未被盖覆或被盖覆的工件(包括在焊接操作之前没有去除镀锌结构的镀锌的工件)时，上面的飞溅系数范围可以被获得。

对于焊接接头有许多方法测量飞溅。一种方法可以包括“飞溅船(spatter boat)”的使用。对于这样的方法，代表性的焊缝抽样被放置在具有足够的尺寸来捕获所有或几乎所有由焊道产生的飞溅的容器。容器或容器的部分(例如顶部)可以随焊接工艺移动来确保飞溅被捕获。典型地，船由铜制成，因此飞溅不会粘到表面。代表性的焊接在容器的底部之上被执行以使在焊接期间所产生的任何飞溅将落到容器中。在焊接期间，所消耗的填充焊丝的量被监测。在完成焊接之后，飞溅船将由具有足够精度的装置称重，以确定在容器焊接之前的重量和焊接之后的重量之间的差值(如果有的话)。这个差值表征飞溅的重量并且然后由以Kg计的所消耗的填充焊丝的量来除。可替换地，如果飞溅没有粘到船上，飞溅可以本身被移除且称重。

如前面描述的，激光装置120的使用允许精确地控制焊接熔池的深度。此外，激光器120的使用允许容易调整焊接熔池的尺寸和深度。这是由于激光束110能够易于聚焦/散焦或者非常容易使其光束强度改变。由于这些能力，在工件W1和W2上的热量分布能够被精确地控制。这种控制允许创建非常窄的焊接熔池以用于精确焊接以及最小化在工件上的焊接区的尺寸。在最小化不受焊道影响的工件的区域方面这种控制也提供优势。具体地，邻近焊道的工件的区域将具有来自焊接操作的最小的影响，在弧焊操作中通常不是这样的情况。

在本发明的示例性实施方案中，在焊接工艺期间光束110的形状和/或强度可以被调整/改变。例如，在工件上的某些地方改变熔深的深度或者改变焊道的尺寸可能是必要的。在这样的实施方案中，在焊接工艺期间光束110的形状、强度和/或尺寸可以被调整来提供焊接参数所需要的改变。

如上面描述的，填充焊丝140与激光束110对相同的焊接熔池起作用。在示例性实施方案中，填充焊丝140与激光束110在相同的位置对焊接熔池起作用。然而，在其他示例性实施方案中，填充焊丝140可以在与激光束远离的位置对相同的焊接熔池起作用。在图6A中示出的实施方案中，在焊接操作期间，填充焊丝140尾随(trail)光束110。然而，那不是必要的，因为填充焊丝140可以被安置在领先的位置。就这一点而言，本发明不被限制，因为填充焊丝140可以被安置在相对于光束110的其他位置，只要填充焊丝140与光束110对相同的焊接熔池起作用。

上面描述的实施方案对于具有比如镀锌结构的盖覆物的工件被描述。然而，本发明的实施方案还可以被用在不具有盖覆物的工件上。具体地，上面描述的相同的焊接工艺可以与未盖覆工件一起使用。这样的实施方案获得与上面描述的关于被盖覆的金属的相同的性能特性。

另外，本发明的示例性实施方案不限于焊接钢工件，而也可以——如下面将要被进一步描述的——被用于焊接铝或更复杂的金属。

本发明的另一个有利的方面与保护气体有关。在典型的弧焊操作中，保护气体或保护焊剂被用来防止空气中的氧和氮或者其他有害元素与焊接熔池相互作用以及金属转移。这样的干扰对焊缝的质量和外观可能是有害的。因此，在几乎所有弧焊工艺中，通过使用外部供应的保护气体、由具有焊剂在其上的焊条(例如，手工焊条、焊剂芯焊条等)的消耗或者通过外部供应的粒状焊剂(例如，埋弧焊)创建的保护气体来提供保护。另外，在比如焊接特殊化金属或焊接镀锌工件的一些焊接操作中，必须采用特殊的保护气体混合物。这样的混合物可能是极其昂贵的。另外，当在极端环境中焊接时，运输大量保护气体到施工位置(比如在管线)通常是困难的，或者风倾向于将保护气体吹离电弧。另外，近年来排烟系统的使用已经发展起来。虽然这些系统倾向于去除烟，但是如果它们被放置在太接近焊接操作的地方它们还倾向于带走保护气体。

本发明的益处包括当焊接时能够使用最少量的保护气体或者不使用保护气体。可替换地，本发明的实施方案允许使用通常不能够被用于特定的焊接操作的保护气体。这在下面被进一步讨论。

当用弧焊工艺焊接典型的(未盖覆的)工件时，保护措施——无论其形式——被要求。已经发现当用本发明的实施方案焊接时，不要求保护措施。就是说不需要使用保护气体、粒状焊剂以及自保护焊条。然而，不同于弧焊工艺，本发明产生有质量的焊缝。就是说，上面描述的焊接速度可以被获得而无需使用任何保护措施。这是现有弧焊工艺不可能实现的。

在典型的弧焊工艺期间，填充焊丝的熔滴通过焊接电弧从填充焊丝被转移到焊接熔池。没有保护措施，在转移期间熔滴的整个表面被暴露于空气并且如此倾向于获取空气中的氮和氧并且将氮和氧递送到焊接熔池。这是不符合期望的。

由于本发明不使用熔滴或者类似的工艺将填充焊丝递送到焊缝，填充焊丝不被同样多地暴露于空气。因此，在许多焊接应用中不要求使用保护措施。如此，本发明的实施方案不仅可以以几乎没有或没有孔隙度或飞溅来获得高焊接速度，其还可以不使用保护气体来获得高焊接速度。

不必要使用保护措施，在焊接期间将排烟管口设置在更接近焊接接头的位置是可能的，由此提供更高效且有效的排烟。当保护气体被采用时，将排烟管口放置在这样的位置以使其不干扰保护气体的作用是必要的。由于本发明的优势，不存在这样的限制，并且排烟可以被优化。例如，在本发明的示例性实施方案中，激光束110被激光护罩(shroud)组件1901保护，所述激光护罩组件1901保护来自激光器120的光束接近工件115的表面。这种情况的代表可见图19。在操作期间护罩1901(以剖面被示出)保护光束110免受干扰并且提供附加的安全性。此外，护罩可以被耦合到排烟系统1903，所述排烟系统1903将任何焊接烟带离焊接区。因为实施方案能够被使用而无需保护气体，护罩1901可以被安置为非常接近焊缝来直接将烟带离焊接区。实际上护罩1901可以被这样安置，以致其在焊缝之上的距离Z在0.125至0.5英寸范围内。当然，可以使用其他距离但是必须注意不妨碍焊接熔池或者不显著削弱护罩1901的效果。由于排烟系统1903在焊接工业中通常是被理解且已知的，因此它们的构造和操作本文将不详细讨论。尽管图19示出护罩1901仅保护光束110，当然可能的是，护罩1901可以被这样构造以使其包围焊丝140的至少一部分和导电嘴160。例如，可能的是，护罩1901的底部开口足够大来几乎覆盖整个焊接熔池，或者甚至比焊接熔池更大，以增加排烟。

在被用来焊接被盖覆的工件(比如镀锌工件)的本发明的示例性实施方案中，可以采用便宜得多的保护气体。例如，100％CO₂保护气体可以被用于焊接许多不同的材料，包括低碳钢。当焊接比如不锈钢、双炼钢(duplex steel)以及超级双炼钢的更复杂的金属时也是如此，所述更复杂的金属能够仅在100％氮气保护气体下被焊接。在典型的弧焊操作中，不锈钢、双炼钢或超级双炼钢的焊接要求更复杂的保护气体的混合物，所述混合物可能是特别昂贵的。本发明的实施方案允许仅在100％氮气保护气体下焊接这些钢。另外，其他实施方案可以使这些钢被焊接而无需保护措施。在用于镀锌材料的典型的焊接工艺中，必须使用特殊的混合保护气体，比如氩/CO₂共混物(blend)。这种类型的气体需要被使用，部分由于在正常弧焊期间，在焊接区中存在阴极和阳极。然而，如上面说明的并且下面进一步说明的，没有焊接电弧，并且如此，在焊接区中没有阳极或阴极存在。因此，由于没有电弧并且没有熔滴转移，填充金属从空气获取有害元素的机会大大降低。应该注意的是，尽管本发明的许多实施方案允许不使用保护措施(如保护气体)焊接，但是在焊缝上方可以使用气体流动来去除来自焊接区的蒸气或污染物。就是说，考虑的是，在焊接期间空气、氮气、CO₂或其他气体可以被吹到焊缝上方以便将污染物从焊接区去除。

除了能够以高速度焊接被盖覆的材料，本发明的实施方案还可以被使用来以显著降低的热影响区(“HAZ”)焊接双相(dual-phase)钢。双相钢是兼具铁素体和马氏体微结构的高强度钢，由此允许钢具有高强度和良好的可成形性。由于双相钢的本质，双相钢焊缝的强度被热影响区的强度限制。热影响区是围绕焊接接头(不包括填充金属)的区，所述区由焊接工艺显著加热，以致其微结构由于弧焊工艺被不利地改变。在已知的弧焊工艺中由于电弧等离子体的尺寸和到焊接区中的高热量输入，热影响区是相当大的。由于热影响区是相当大的，热影响区成为焊缝的强度限制部分。如此，因为使用高强度焊条是不必要的，所以弧焊工艺典型地使用低碳钢填充焊丝140来焊接这样的接头(例如，ER70S-6或ER70S-3型焊条)。此外，由于这个原因设计者必须有策略地将双相钢中的焊接接头设置在高压结构(比如在汽车车架、保险杠、发动机摇台等)之外。

如上面描述的，激光装置120的使用在熔池的创建中提供高水平的精确度。由于这种精确度，围绕焊道的热影响区可以被保持非常小，或者热影响区对于工件的总体作用可以被最小化。实际上，在一些实施方案中，工件的热影响区可以几乎被消除。这是这样被完成的，即通过将激光束110的焦点仅维持在熔池被创建的工件的部分上。通过显著降低热影响区的尺寸，基底金属的强度没有像如果使用弧焊工艺那样多地被削弱。如此，热影响区的存在或位置不再是设计焊接的结构的限制因素。本发明的实施方案允许使用更高强度的填充焊丝，因为不是热影响区，而是工件的组成和强度以及填充焊丝的强度可以是在结构设计中的驱动因素。例如，本发明的实施方案现在允许使用具有至少80ksi屈服强度的焊条，比如ER80S-D2型焊条。当然，这种焊条意图是示例性的。此外，由于有比来自弧焊更少的总热量输入，熔池的冷却速率将会更快，这意味着相对于现有的焊丝，所使用的填充焊丝的化学组成和性质可以是更精简的，但是可以给出等同的或更好的性能。

另外，本发明的示例性实施方案可以被用来以显著降低的保护要求焊接钛。已知当用弧焊工艺焊接钛时，需要非常小心来确保可接受的焊缝被创建。这是由于在焊接工艺期间钛具有与氧气反应的强亲和性。钛与氧气之间的反应生成二氧化钛，如果二氧化钛在焊池中存在其可能显著降低焊接接头的强度和/或延展性(ductility)。由于这个原因，当电弧焊接钛时，必要的是提供大量的尾随的(trailing)保护气体，来不仅保护电弧还保护尾随的熔池在熔池冷却时免受空气的影响。由于由弧焊产生的热量，焊接熔池可以是特别大的并且在很长段时间内保持熔融，由此要求大量的保护气体。本发明的实施方案显著降低材料被熔融并快速冷却的时间，因此对于这种额外的保护气体的需要被降低。

如上面说明的，激光束110可以被仔细地聚焦来显著降低到焊接区的总热量输入，并且由此显著降低焊接熔池的尺寸。由于焊接熔池较小，焊接熔池更快冷却。如此，不需要尾随的保护气体，而仅在焊缝处保护。另外，由于上面讨论的类似的原因，当焊接钛时，飞溅系数大大降低而焊接速率增加。

现在转到图7和7A，留隙焊根(open root)型焊接接头被示出。留隙焊根接头通常被用来焊接厚的板和管并且可以通常在遥远的且环境恶劣的位置出现。有若干焊接留隙焊根接头的已知的方法，包括保护的金属极弧焊(SMAW)、气体保护钨极弧焊(GTAW)、气体保护金属极弧焊(GMAW)、焊剂芯弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)以及自保护焊剂芯弧焊(FCAW-S)。这些焊接工艺具有各种缺点，包括需要保护、速度限制、产生熔渣等。

因此，本发明的实施方案大大提高这些类型的焊缝能够被执行的效率和速度。具体地，能够消除或者大大降低保护气体的使用，并且熔渣的产生能够被完全消除。此外，具有最少的飞溅和孔隙度的高速焊接可以被获得。

图7和图7A示出通过本发明的示例性实施方案焊接的代表性的留隙焊根焊接接头。当然，本发明的实施方案可以被用来焊接各种各样的焊接接头，不仅是搭接或留隙焊根型接头。在图7中，在工件W1/W2之间，间隙705被示出，并且每个相应工件分别具有成角度的表面701/703。正如上面讨论的，本发明的实施方案使用激光装置120来在表面701/703上创建精确的熔池，并且如上面描述的，被预热的填充焊丝(未示出)被分别沉积到熔池中。

实际上，本发明的示例性实施方案不限于将单个填充焊丝引导到每个相应的焊接熔池。因为在本文所描述的焊接工艺中没有焊接电弧产生，多于一条填充焊丝可以被引导到任何一个焊接熔池。通过增加到给定的焊接熔池的填充焊丝的数量，焊接工艺的整体沉积速率可以被显著地增加而不需要在热量输入上的显著增加。因此，考虑的是，留隙焊根焊接接头(比如在图7和图7A中示出的类型)可以以单个焊道被填充。

另外，如图7中示出的，在本发明的一些示例性实施方案中，多个激光束110和110A可以被用来同时熔化焊接接头中的多于一个位置。这可以用若干方式实现。在图7中示出的第一实施方案中，分束器121被使用并且被耦合到激光装置120。分束器121对于了解激光装置的人员是已知的，而本文不需要详细讨论。分束器121将来自激光装置120的光束分成两个(或更多个)分开的光束110/110A并且可以将它们引导到两个不同的表面。在这样的实施方案中，多个表面可以同时被照射，为焊接提供进一步的精确度和准确度。在另一个实施方案中，分开的光束110和110A中的每个可以被单独的激光装置创建，以致每个光束从其自己的专用装置发出。

在这样的实施方案中，使用多个激光装置，焊接操作的许多方面可以被改变来适应不同的焊接需要。例如，由单独的激光装置产生的光束可以具有不同的能量密度；可以具有不同的形状，和/或在焊接接头处的不同的截面面积。具有这种灵活性，焊接工艺的方面可以被更改并且定制来满足所需要的任何具体焊缝参数。当然，这还可以使用单个激光装置和分束器121实现，但是使用单个激光源，所述灵活性中的一些可能被限制。另外，本发明不限于单个或者两个激光器配置，因为考虑的是可以根据期望使用任何数量的激光器。

在另外的示例性实施方案中，光束扫描装置可以被使用。这样的装置在激光或光束发出领域是已知的，并且被使用来在工件表面之上以一模式扫描光束110。用这样的装置，扫描速率和模式，以及停留时间，可以被用来以期望的方式加热工件115。另外，能量源(例如，激光器)的输出功率可以根据期望被调节来创建期望的熔池构造(formation)。附加地，在激光器120之内采用的光学器件(optics)可以基于期望的操作和接头参数被最优化。例如，线(line)和积分器光学器件可以被用来产生聚焦的线光束用于宽范围的焊接或熔敷操作或者积分器可以被用来产生具有均匀的功率分布的正方形/长方形光束。

图7A描绘本发明的另一个实施方案，其中单个光束110被引导到留隙焊根接头来熔化表面701/703。

由于激光束110和110A的精确度，光束110/110A可以仅聚焦到表面701/703上而远离间隙705。因为这个原因，熔穿(melt-through)(其通常会通过间隙705引起)可以被控制，这大大提高背侧焊道(间隙705的底表面处的焊道)的控制。

在图7和7A中的每个中，在工件W1和W2之间存在间隙705，所述间隙705以焊道707填充。在示例性实施方案中，该焊道705由激光装置(未示出)创建。因此，例如，在焊接操作期间，第一激光装置(未示出)将第一激光束(未示出)引导到间隙705，来以激光焊道707将工件W1和W2焊接到一起，同时第二激光装置120将至少一个激光束110/110A引导到表面701/703来创建焊接熔池，其中一条或多条填充焊丝(未示出)被沉积来完成焊接。如果间隙足够小，间隙焊道707可以仅通过激光器创建，或者如果间隙705这样要求，间隙焊道707可以通过使用激光器和填充焊丝创建。具体地，添加填充金属来适当地填充间隙705可能是必要的，并且因此应该使用填充焊丝。该间隙焊道705的创建类似于上面对于本发明的各种示例性实施方案所描述的那个方面。

应该注意的是，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焊接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，以贯穿焊接工艺创建并且保持稳定的焊接熔池，并且也达到所期望的焊接熔深。例如，针对一些应用，激光器应该具有“穿透(keyhole)”被焊接的工件的能力。这意味着激光器应该具有足够的功率来完全地熔透工件，同时在激光器沿工件行进时保持所述熔深水平。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使用，但这可能变得非常昂贵。当然，注意的是使用分束器121或者多个激光器也可以被用在其他类型的焊接接头中，并且可以被用在比如图6和图6A中示出的那些搭接接头中。

图7B描绘本发明的另一个示例性实施方案，在该实施方案中，窄槽、深留隙焊根接头被示出。当电弧焊接深接头(深度大于1英寸)时，当槽的间隙G是窄的时焊接接头的底部可能是困难的。这是由于将保护气体有效递送到这样的深槽中是困难的，并且槽的窄壁可能导致对焊接电弧的稳定性的干扰。由于工件典型地是含铁材料，接头的壁可能磁干扰焊接电弧。由于这个原因，当使用典型弧焊过程时，槽的间隙G需要足够宽以使电弧保持稳定。然而，槽越宽，需要越多填充金属来完成焊接。由于本发明的实施方案不要求保护气体并且不使用焊接电弧，这些问题被最小化。这允许本发明的实施方案高效地且有效地焊接深、窄槽。例如，在本发明的示例性实施方案中，其中工件115具有大于1英寸的厚度，间隙宽度G在填充焊丝140的直径的1.5至2倍范围内，并且侧壁角度在0.5至10度范围内。在示例性实施方案中，这样的焊接接头的根部焊道熔深可以具有在1至3mm范围内的间隙RG与在1/16至1/14英寸范围内的边沿面(land)。因此，深留隙焊根接头可以被更快焊接而使用比正常弧焊工艺更少的填充材料。另外，由于本发明的方面将更少的热量引入焊接区，嘴160可以被设计以便利到焊接熔池更接近的递送来避免接触侧壁。就是说，可以使嘴160更小并且构造为具有窄结构的绝缘引导部分。在另外的示例性实施方案中，可以使用平移装置或机制来跨焊缝的宽度移动激光器和焊丝，来同时焊接接头的两侧。

如图8中示出的，对接型(butt-type)接头可以用本发明的实施方案焊接。在图8中，齐平的(flush)对接型接头被示出，然而考虑的是在焊接接头的上表面和底表面上具有V-缺口槽的对接型接头也可以被焊接。在图8中示出的实施方案中，在焊接接头的两侧的两个激光装置120和120A被示出，每个各自创建其自己的焊接熔池801和803。如同图7和图7A，被加热的填充焊丝没有被示出，因为在示出的视图中他们尾随在激光束110/110A后面。

当用已知的电弧技术焊接对接型接头时，可能有显著的“电弧偏吹”的问题，当由焊接电弧产生的磁场彼此干扰以致电弧导致彼此不规律移动时，所述“电弧偏吹”的问题出现。另外，当两个或更多个电弧焊接系统被使用来在相同的焊接接头上焊接时，可能有由各自的焊接电流干扰导致的显著的问题。附加地，由于弧焊方法的熔深的深度(部分归因于高热量输入)，可以在焊接接头的两侧用电弧焊接的工件的厚度被限制。就是说，这样的焊接不能在薄工件上完成。

当用本发明的实施方案焊接时，这些问题被消除。由于不使用焊接电弧，没有电弧偏吹干扰或者焊接电流干扰问题。另外，由于能够通过使用激光器精确控制热量输入和熔深的深度，可以同时在焊接接头的两侧焊接更薄的工件。

本发明的另外的示例性实施方案在图9中被示出。在该实施方案中，两个激光束110和110A被使用——彼此成一直线——来创建独特的焊缝轮廓。在示出的实施方案中，第一光束110(从第一激光装置120发出)被用来创建第一部分的焊接熔池901，所述第一部分的焊接熔池901具有第一截面面积和深度，同时第二光束110A(从第二激光装置(未示出)发出)被用来创建第二部分的焊接熔池903，所述第二部分的焊接熔池903具有不同于第一部分的第二截面面积和深度。当期望使焊道的一部分比焊道的其余部分具有更深深度的熔深时，该实施方案可以被使用。例如，如图9中示出的，熔池901比焊接熔池903形成得更深并且更窄，所述焊接熔池903形成得更宽并且更浅。当深的熔深水平在工件相遇处被需要而对于焊接接头的整个部分是不期望的时，这样的实施方案可以被使用。

在本发明的另外的示例性实施方案中，第一熔池903可以是为接头创建焊缝的焊接熔池。该第一熔池/接头用第一激光器120和填充焊丝(未示出)创建，并且形成合适的熔深的深度。在该焊接接头形成之后，发出第二激光束110A的第二激光器(未示出)在接头之上经过来创建具有不同的轮廓的第二熔池903，其中该第二熔池被用来沉积如上面实施方案所讨论的某种熔覆物。这种熔覆物将使用第二填充焊丝被沉积，所述第二填充焊丝具有不同于第一填充焊丝的化学组成和性质。例如，本发明的实施方案可以被用来在接头被焊接之后不久或立即将抗腐蚀熔敷层置于焊接接头之上。该焊接操作还可以用单个激光装置120实现，其中光束110在第一光束形状/密度和第二光束形状/密度之间振荡来提供期望的焊接熔池轮廓。因此，不必要采用多个激光装置。

如上面说明的，在焊接工艺期间，工件上的抗腐蚀盖覆物(比如镀锌结构)被去除。然而，为了抗腐蚀的目的使焊接接头再次被盖覆可能是符合期望的，并且因此第二光束110A和激光器可以被用来在接头901的顶部上添加抗腐蚀熔覆物903，比如熔敷层。

由于本发明的各种优势，通过焊接操作容易地接合不类似的金属也是可能的。使用弧焊工艺，用弧焊工艺接合不类似的金属是困难的，因为不类似的材料以及所要求的填充材料的化学组成和性质可能导致开裂的和劣质的焊缝。当试图将具有非常不同的熔化温度的铝和钢弧焊在一起时，或者尝试将不锈钢焊接到低碳钢时，由于它们不同的化学组成和性质，尤其是这样。然而，用本发明的实施方案，这样的问题被缓解。

图10描绘本发明的示例性实施方案。尽管V型接头被示出，就这一点而言，本发明不被限制。在图10中两个不类似的金属被示出在焊接接头1000处被接合。在该实施例中，两个不类似的金属是铝和钢。在该示例性实施方案中，两个不同的激光源1010和1020被采用。然而，不是所有实施方案中要求两个激光装置，因为单个装置能够被振荡来提供熔化两种不同材料的必要的能量——这将在下面被进一步讨论。激光器1010发出光束1011，所述光束1011向钢工件被引导，并且激光器1020向铝工件发出光束1021。由于各自工件中的每个由不同金属或合金制成，它们具有不同的熔化温度。如此，相应激光束1011/1021中的每个在焊接熔池1012和1022处具有不同的能量密度。由于不同能量密度，相应的焊接熔池1012和1022中的每个能够被维持在适当的尺寸和深度。这还防止具有较低的熔化温度的工件(例如铝)中的过多的熔深以及热量输入。在一些实施方案中，至少由于焊接接头，不需要具有两个分开的、不连续的焊接熔池(如图10中示出的)，而是单个焊接熔池可以用两个工件形成，其中工件中的每个的熔化的部分形成单个焊接熔池。另外，如果工件具有不同化学组成和性质，但是具有类似的熔化温度，使用单光束来同时照射两个工件是可能的，其中理解的是一个工件将比另一个熔化更多。另外，如上面简要描述的，使用单个能量源(如激光装置120)来辐射两个工件是可能的。例如，激光装置120可以使用第一光束形状和/或能量密度来熔化第一工件，并且随后振荡/变化到第二光束形状和/或能量密度来熔化第二工件。光束特性的振荡和改变应该以这样的速率被完成，所述速率足以确保两个工件的适当的熔化被维持，以至于在焊接工艺期间一个或多个焊接熔池被保持稳定和一致。其他单光束实施方案可以使用具有这样的形状的光束110，所述形状提供到一个工件中的比另一个工件更多的热量输入来确保每个工件的充分熔化。在这样的实施方案中，对于光束截面的光束的能量密度可以是均匀的。例如，光束110可以具有梯形或三角形形状，以至于由于光束的形状，到一个工件中的总热量输入将少于另一个。可替换地，一些实施方案可以使用在其截面上具有不均匀的能量分布的光束110。例如，光束110可以具有长方形形状(以使其对两个工件起作用)，但是光束的第一区域将具有第一能量密度，并且光束110的第二区域将具有不同于第一区域的第二能量密度，所以两个区域中的每个可以适当地熔化各自的工件。作为实施例，光束110可以具有第一区域，所述第一区域具有熔化钢工件的高能量密度，而第二区域将具有熔化铝工件的较低的能量密度。

在图10中，两个填充焊丝1030和1030A被示出，每个分别被引导到焊接熔池1012和1022。尽管图10中示出的实施方案采用两个填充焊丝，但是就这一点而言本发明不被限制。如上面关于其他实施方案所讨论的，考虑的是，取决于期望的焊缝参数(比如期望的焊道形状和沉积速率)可以仅使用一条填充焊丝，或者可以使用多于两条填充焊丝。当单个焊丝被采用时，其可以被引导到共同的熔池(由两个工件的熔化部分形成)，或者焊丝可以仅被引导到熔化部分中的一个以整合到焊接接头中。因此，例如，在图10中示出的实施方案中，焊丝可以被引导到熔化部分1022，所述熔化部分1022将随后与熔化部分1012结合用于形成焊接接头。当然，如果单个焊丝被采用，其应该被加热到允许焊丝在其被陷入的部分1022/1012中熔化的温度。

因为不类似的金属被接合，填充焊丝的化学组成和性质应该被选择来确保焊丝能够与被接合的金属充分结合。此外，一条或多条填充焊丝的组成应该被这样选择，以使其具有适合的熔化温度，所述熔化温度允许填充焊丝在较低温度的焊接熔池中熔化并且被消耗。实际上，考虑的是多种填充焊丝的化学组成和性质可以是不同的以获得适当的焊缝化学组成和性质。当两个不同的工件具有这样的材料组成时，尤其是这种情况，其中材料之间将出现最小掺和。在图10中，较低温度焊接熔池是铝焊接熔池1012，并且如此，一条或多条填充焊丝1030(A)被这样配制以便在类似的温度下熔化，以至于它们能够易于在熔池1012中被消耗。在上面的实施例中，使用铝和钢工件，填充焊丝可以是具有类似于工件的熔化温度的熔化温度的基于硅青铜、镍铝青铜或铝青铜的焊丝。当然，考虑的是填充焊丝组成应该被选择来匹配期望的机械和焊接性能性质，而同时提供类似于要被焊接的工件中的至少一个的熔化特性的熔化特性。

图11A到图11C描绘可以被采用的嘴160的各种实施方案。图11A描绘嘴160，所述嘴160在构造和操作上非常类似于正常弧焊导电嘴。在如本文中描述的热焊丝焊接期间，加热电流从电源供应器170被引导到导电嘴160，并且从嘴160被传递到焊丝140中。随后电流经由焊丝140与工件W的接触通过焊丝被引导到工件。如本文中描述的，该电流加热焊丝140。当然，电源供应器170可以不直接耦合到导电嘴(如示出的)，而可以耦合到焊丝输送器150，所述焊丝输送器150将电流引导到嘴160。图11B示出本发明的另一个实施方案，其中嘴160由两个部件160和160’构成，以使电源供应器170的负端子耦合到第二部件160’。在这样的实施方案中，加热电流从第一嘴部件160流动到焊丝140，并且随后到第二嘴部件160’中。如本文描述的，在部件160和160’之间通过焊丝140的电流导致焊丝加热。图11C描绘另一个示例性实施方案，其中嘴160包含感应线圈1110，所述感应线圈1110导致嘴160和焊丝140经由感应加热来加热。在这样的实施方案中，感应线圈1110可以与导电嘴160被一体制成，或者可以围绕嘴160的表面被盘绕。当然，只要嘴将需要的加热电流/功率递送到焊丝140，以至于焊丝能够获得焊接操作期望的温度，其他配置可以被用于嘴160。

本发明的示例性实施方案的操作将被描述。如上面讨论的，本发明的实施方案采用高强度能量源和加热填充焊丝的电源供应器两者。该工艺的每个方面将依次被讨论。注意的是以下描述和讨论不意图取代或替代关于前面讨论的熔覆实施方案的前面提供的任何讨论，而是意图补充与焊接或接合应用有关的那些讨论。为了接合和焊接的目的，前面关于熔覆操作的讨论也被并入。

用于接合/焊接的示例性实施方案可以类似于图1中示出的示例性实施方案。如上面讨论的，热焊丝电源供应器170被提供，所述热焊丝电源供应器170提供加热电流到填充焊丝140。电流从导电嘴160(所述导电嘴160可以是任何已知的构造)传递到焊丝140，并且随后到工件中。该电阻加热电流导致在嘴160和工件之间的焊丝140达到处于或接近被采用的填充焊丝140的熔化温度的温度。当然，填充焊丝140的熔化温度将依据焊丝140的尺寸和化学组成和性质来变化。从而，在焊接期间填充焊丝的所期望的温度将依据焊丝140来变化。如将在下面被进一步讨论的，针对填充焊丝的所期望的操作温度可以是到焊接系统中的数据输入，以使在焊接期间所期望的焊丝温度被保持。在任何情况下，焊丝的温度应该是这样的，以使焊丝在焊接操作期间被消耗到焊接熔池中。在示例性实施方案中，当焊丝进入焊接熔池时，填充焊丝140的至少一部分是固态的。例如，当填充焊丝进入焊接熔池时，填充焊丝的至少30％是固态的。

在本发明的示例性实施方案中，热焊丝电源供应器170供应电流，所述电流将填充焊丝的至少一部分保持在其熔化温度的75％或以上的温度。例如，当使用低碳钢填充焊丝140时，焊丝在它进入熔池之前的温度可以是大约1600°F，而焊丝具有大约2000°F的熔化温度。当然，理解的是，各自的熔化温度和所期望的操作温度将至少依据填充焊丝的合金(alloy)、组成、直径以及输送率来变化。在另一个示例性实施方案中，电源供应器170将填充焊丝的一部分保持在它的熔化温度的90％或以上的温度。在进一步的示例性实施方案中，焊丝的部分被保持在这样的焊丝温度，所述焊丝温度是在它的熔化温度的95％或以上。在示例性实施方案中，焊丝140将具有从加热电流被赋予的点到焊丝140和熔池的温度梯度，其中熔池的温度高于加热电流输入点的温度。使焊丝140的最热温度在处于或接近焊丝进入熔池的点以促进焊丝140的有效熔化是符合期望的。因此，上面所述的温度百分比在焊丝处于或接近焊丝进入熔池的点时被测量。通过将填充焊丝140保持在靠近或处于它的熔化温度的温度，焊丝140容易被熔化到或消耗到由热源/激光器120创建的焊接熔池中。就是说，当焊丝140与熔池接触时，焊丝140是在不导致显著地使焊接熔池骤冷(quench)的温度。由于焊丝140的高温，焊丝在它与焊接熔池接触时迅速地熔化。具有这样的焊丝温度是合乎期望的，所述焊丝温度使得焊丝没有在焊池中降到最低(bottom out)-与焊池的未熔化的部分接触。这样的接触可以不利地影响焊接的质量。

如之前所描述的，在一些示例性实施方案中，焊丝140的完全熔化可以只通过焊丝140进入熔池而变得更为方便。然而，在其他示例性实施方案中，焊丝140可以通过熔池和作用于焊丝140的一部分上的激光束110被完全地熔化。在本发明再其他的实施方案中，激光束110可以帮助焊丝140的加热/熔化，以使光束110有助于焊丝140的加热。然而，因为许多填充焊丝140由可以为反射性的材料制成，如果反射性的激光类型被使用，焊丝140应该被加热到这样的温度，以使它的表面反射性被降低，以允许光束110有助于焊丝140的加热/熔化。在这种配置的示例性实施方案中，焊丝140和光束110在焊丝140进入熔池的点处相交。

还如前面关于图1所讨论的，电源供应器170和控制器195控制到焊丝140的加热电流，以致在焊接期间，焊丝140与工件维持接触，并且没有电弧产生。与弧焊技术相反，当用本发明的实施方案焊接时，电弧的存在可能造成显著的焊接缺陷。因此，在一些实施方案中(如上面讨论的那些)，在焊丝140和焊接熔池之间的电压应该被维持在0伏特或接近0伏特——这表明焊丝与工件/焊接熔池短路或者接触。

然而，在本发明的其他示例性实施方案中，提供这样的水平的电流，以至于0伏特以上的电压水平被获得而不创建电弧是可能的。通过使用更高的电流值，维持焊条140在更高水平的温度并且更接近焊条的熔化温度是可能的。这允许焊接过程更快进行。在本发明的示例性实施方案中，电源供应器170监测电压，并且当电压达到或者接近0伏特以上某点的电压值时，电源供应器170停止到焊丝140的电流以确保没有电弧被创建。归因于被使用的焊条140的类型，电压阈值水平将典型地，至少部分变化。例如，在本发明的一些示例性实施方案中，阈值电压水平处于或低于6伏特。在另一个示例性实施方案中，阈值水平处于或低于9伏特。在另外的示例性实施方案中，阈值水平处于或低于14伏特，并且在附加的示例性实施方案中；阈值水平处于或低于16伏特。例如，当使用低碳钢填充焊丝时，电压的阈值水平将是较低的类型，而在电弧被创建之前，用于不锈钢焊接的填充焊丝能够应对更高的电压。

在另外的示例性实施方案中，电压被维持在操作范围内，而不是维持低于阈值的电压水平，比如上面的内容。在这样的实施方案中，维持高于最小量的电压是符合期望的，以确保足够高的电流来维持填充焊丝处于或接近其熔化温度但是低于电压水平以使没有焊接电弧被创建。例如，电压可以被维持在1至16伏特范围内。在另外的示例性实施方案中，电压被维持在6至9伏特范围内。在另一个实施例中，电压被维持在12和16伏特之间。当然，期望的操作范围可能受到被用于焊接操作的填充焊丝140的影响，以致至少部分基于所使用的填充焊丝或所使用的填充焊丝的特性选择被用于焊接操作的范围(或阈值)。在使用这样的范围时，所述范围的下限被设置为填充焊丝能够被充分消耗到熔池中的电压，并且所述范围的上限被设置为这样的电压以使电弧的创建被避免。

如前面描述的，当电压超过期望的阈值电压时，加热电流被电源供应器170切断，以使没有电弧被创建。本发明的此方面将在下面被进一步讨论。

在上面描述的许多实施方案中，电源供应器170包含电路，所述电路被用来监测并且维持如上面描述的电压。这样类型的电路的构造对于本行业中的那些人员是已知的。然而，传统地，这样的电路已经被用来维持高于用于弧焊的某阈值的电压。

在另外的示例性实施方案中，加热电流还可以被电源供应器170监测和/或调节。除了监测电压、功率或者某水平的电压/安培数特性，这可以作为可替换方案被完成。就是说，电流可以被维持在期望的一个或多个水平，来确保焊丝140被维持在合适的温度——用于在焊接熔池中的适当的消耗，但是仍低于电弧产生电流水平。例如，在这样的实施方案中，电压和/或电流被监测来确保两者中任一或者两者都在规定的范围内或者低于期望的阈值。随后电源供应器调节被供应的电流来确保没有电弧被创建，而期望的操作参数被维持。

在本发明的再另外的示例性实施方案中，加热功率(V×I)还可以通过电源供应器170被监测并调节。具体地，在这样的实施方案中，加热功率的电压和电流被监测以被维持在期望的水平或在期望的范围。因此，电源供应器不仅调节到焊丝的电压或电流，还能够调节电流和电压两者。这样的实施方案可以提供对焊接系统的提高的控制。在这样的实施方案中，到焊丝的加热功率可以被设置为阈值上限水平或者最佳操作范围，以使功率被维持在低于阈值水平或者在期望的范围之内(类似于上面关于电压讨论的那个实施方案)。再次，阈值或范围设置将基于填充焊丝的特性以及被执行的焊接，并且可以至少部分基于所选择的填充焊丝。例如，可以确定的是对于具有0.045”的直径的低碳钢焊条的最佳功率设置是在1950至2,050瓦特范围内。电源供应器将调节电压和电流，以使功率保持在该操作范围内。类似地，如果功率阈值被设置在2000瓦特，电源供应器将调节电压和电流，以使功率水平不超过但是接近该阈值。

在本发明的另外的示例性实施方案中，电源供应器170包含电路，所述电路监测加热电压的变化率(dv/dt)、电流的变化率(di/dt)以及功率的变化率(dp/dt)。这样的电路通常被称为预告电路并且他们的大体构造是已知的。在这样的实施方案中，电压、电流和/或功率的变化率被监测，以致如果变化率超过某阈值，到焊丝140的加热电流被关闭。

在本发明的示例性实施方案中，电阻变化(dr/dt)也被监测。在这样的实施方案中，在导电嘴和熔池之间的焊丝中的电阻被监测。在焊接期间，随着焊丝升温，其开始缩颈(neck down)并且具有形成电弧的趋势，在此期间焊丝中的电阻成指数增加。当此增加被检测到时，如本文描述的，电源供应器的输出被关闭来确保电弧不被创建。实施方案调节电压、电流或两者，来确保焊丝中的电阻被维持在期望的水平。

在本发明的另外的示例性实施方案中，当阈值水平被检测到时，不是切断加热电流，而是电源供应器170将加热电流降低到非电弧产生水平。这样的水平可以是本底电流水平，其中如果焊丝与焊接熔池分开，将没有电弧产生。例如，本发明的示例性实施方案可以具有50安培的非电弧产生电流水平，其中一旦电弧产生被检测到或预测到，或者(上面讨论的)阈值上限被达到，在预定量的时间(例如，1至10ms)内或者直至被检测到的电压、电流、功率和/或电阻下降到低于阈值上限，电源供应器170将加热电流从其操作水平下降到非电弧产生水平。该非电弧产生阈值可以是电压水平、电流水平、电阻水平和/或功率水平。在这样的实施方案中，通过在电弧产生事件期间维持电流输出(即使在低水平)，其可以导致更快恢复到加热电流操作水平。

在本发明的另一个示例性实施方案，电源供应器170的输出被控制，以致在焊接操作期间没有实质性电弧被创建。在一些示例性焊接操作中，电源供应器可以被这样控制，以致在填充焊丝140和熔池之间没有实质性电弧被创建。众所周知的是在填充焊丝140的远侧端和焊接熔池之间的物理间隙之间电弧被创建。如上面描述的，本发明的示例性实施方案通过保持填充焊丝140与熔池接触防止这种电弧被创建。然而，在一些示例性实施方案中微弱电弧(insubstantial arc)的存在将不危害焊缝的质量。就是说，在一些示例性焊接操作中，短持续时间的微弱电弧的创建将不造成将危害焊缝质量的热量输入水平。在这样的实施方案中，如本文关于完全避免电弧所描述的，焊接系统和电源供应器被控制并操作，但是电源供应器170被这样控制，以致就电弧被创建的程度而言，电弧是微弱的。在一些示例性实施方案中，电源供应器170被这样操作，以致被创建的电弧具有小于10ms的持续时间。在其他示例性实施方案中，所述电弧具有小于1ms的持续时间，并且在其他示例性实施方案中，所述电弧具有小于300μs的持续时间。在这样的实施方案中，这样的电弧的存在不危害焊缝质量，因为所述电弧不将实质性热量输入传到焊缝中或者导致显著飞溅或孔隙度。因此，在这样的实施方案中，电源供应器170被这样控制，以致就电弧被创建的程度而言，在持续时间中电弧保持微弱以至于不危害焊缝质量。如本文关于其他实施方案所讨论的相同的控制逻辑和部件可以被使用在这些示例性实施方案中。然而，对于阈值上限，电源供应器170可以使用对电弧创建的检测，而不是对低于预定的或预测的电弧创建点的阈值点(电流、功率、电压、电阻的阈值点)的检测。这样的实施方案可以允许焊接操作更接近其极限操作。

由于期望填充焊丝140是在不断短路的状态(不断接触焊接熔池)电流倾向于以慢速率衰减。这是由于在电源供应器、焊接线缆和工件中存在的电感。在一些应用中，迫使电流以更快的速率衰减，以使在焊丝中的电流以高的速率降低可能是必要的。一般地，电流能够降低得越快，对接合方法的更好控制将被获得。在本发明的示例性实施方案中，在检测阈值被达到或超过之后，电流的斜坡下降时间是1毫秒。在本发明的另一个示例性实施方案中，电流的斜坡下降时间是300微秒或更少。在另一个示例性实施方案中，电流的斜坡下降时间是300微秒或更少。在另一个示例性实施方案中，斜坡下降时间在300至100微秒范围内。

在示例性实施方案中，要获得这样的斜坡下降时间，斜坡下降电路被引入到电源供应器170，当电弧被预测到或者检测到时，所述斜坡下降电路帮助减少斜坡下降时间。例如，当电弧被检测到或者被预测到时，斜坡下降电路开启，所述斜坡下降电路将电阻引入电路。例如，所述电阻可以是这样的类型，所述类型在50微秒内将电流降低到低于50安培。这样的电路的简化的实施例在图18中被示出。电路1800具有被放入焊接电路的电阻器1801和开关1803，以致当电源供应器运作并且提供电流时，开关1803是关闭的。然而，当电源供应器停止供应功率(以防止电弧的创建或者当电弧被检测到时)，开关开启，迫使感应电流通过电阻器1801。电阻器1801大大增加电路的电阻并且以更快的速度降低电流。这样的电路类型在焊接行业中是众所周知的，可以找到的是由俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司制造的Power焊接电源供应器，所述Power焊接电源供应器并入表面张力过渡技术(“STT”)。STT技术在美国专利Nos.4866247、5148001、6051810和7109439中被一般地描述，所述专利通过引用被全部并入本文。当然，这些专利一般地讨论使用公开的电路来确保电弧被创建并维持——本行业内的技术人员能够容易地调适这样的系统以确保没有电弧被创建。

上面的讨论可以参照图12来进一步理解，在图12中示例性焊接系统被描绘(应该注意的是，为清楚起见，激光系统未被示出)。系统1200被示出，所述系统1200具有热焊丝电源供应器1210(其可以是类似于在图1中被示出为170的电源供应器的类型)。电源供应器1210可以是已知的焊接电源供应器构造，例如逆变器型电源供应器。因为这样的电源供应器的设计、操作以及构造是已知的，它们将不在本文被详细讨论。电源供应器1210包含使用者输入装置1220，所述使用者输入装置1220允许使用者输入数据，包括但不限于，焊丝送进速度、焊丝类型、焊丝直径、所期望的功率水平、所期望的焊丝温度、电压和/或电流水平。当然，其他输入参数可以按照需要被使用。使用者界面1220被耦合到CPU/控制器1230，所述CPU/控制器1230接收使用者输入数据并且使用该信息来创建针对电源模块1250的所需要的操作设置点或范围。电源模块1250可以是任何已知的类型或构造，包括逆变器型或变压器型模块。

CPU/控制器1230可以以任何数量的方式(包括使用查找表)来确定所期望的操作参数。在这样的实施方案中，CPU/控制器1230使用输入数据(例如，焊丝输送速度、焊丝直径以及焊丝类型)来确定输出所期望的电流水平(以适当地加热焊丝140)以及阈值电压或功率水平(或者可接受的电压或功率的操作范围)。这是因为将焊丝140加热到适当温度所需要的电流将是至少基于输入参数的。就是说，铝焊丝140可以具有比低碳钢焊条低的熔化温度，并且因此需要较少的电流/功率来熔化焊丝140。附加地，较小直径的焊丝140将需要比较大直径的焊条少的电流/功率。同样，随着焊丝输送速度增加(并且沉积速率相应地增加)，熔化焊丝所需要的电流/功率水平将更高。

类似地，输入数据将通过CPU/控制器1230被使用来确定用于操作的电压/功率阈值和/或范围(例如，功率、电流和/或电压)，以使电弧的创建被避免。例如，对于具有0.045英寸的直径的低碳钢焊条，可以具有6至9伏特的电压范围设置，其中电源模块1250被驱动来维持在6至9伏特之间的电压。在这样实施方案中，电流、电压和/或功率被驱动来维持6伏特的最小值——这确保电流/功率足够高以适当地加热焊条，并且保持电压处于或低于9伏特来确保没有电弧被创建，以及焊丝140的熔化温度没有被超过。当然，其他设置点参数(比如电压、电流、功率或电阻率变化)也可以根据期望通过CPU/控制器1230设置。

如所示出的，电源供应器1210的正端子1221被耦合到热焊丝系统的导电嘴160，并且电源供应器的负端子被耦合到工件W。因此，加热电流通过正端子1221被供应到焊丝140，并且通过负端子1222返回。这样的配置是众所周知的。

当然，在另一个示例性实施方案中，负端子1222还可以被连接到嘴160。因为电阻加热可以被用来加热焊丝140，所以嘴可以是这样的构造(如图11中示出的)，其中负端子和正端子1221/1222两者都被耦合到导电嘴140来加热焊丝140。例如，导电嘴160可以具有二元(dual)构造(如图11B中示出的)，或者使用感应线圈(如图11C中示出的)。

反馈感测引线1223也被耦合到电源供应器1210。该反馈感测引线可以监测电压并且将检测到的电压递送到电压检测电路1240。电压检测电路1240将检测到的电压和/或检测到的电压变化率传递到CPU/控制器1230，所述CPU/控制器1230相应地控制模块1250的操作。例如，如果检测到的电压低于期望的操作范围，CPU/控制器1230命令模块1250增加其输出(电流、电压和/或功率)直至检测到的电压在期望的操作范围内。类似地，如果检测到的电压处于或高于期望的阈值，CPU/控制器1230命令模块1250切断到嘴160的电流，以至于电弧不被创建。如果电压下降到低于期望的阈值，CPU/控制器1230命令模块1250供应电流或电压，或两者，来继续焊接过程。当然，CPU/控制器1230还可以命令模块1250维持或供应期望的功率水平。

注意的是检测电路1240和CPU/控制器1230可以与图1中示出的控制器195具有类似的构造和操作。在本发明的示例性实施方案中，抽样率/检测率是至少10KHz。在其他示例性实施方案中，检测率/抽样率在100至200KHz范围内。

图13A-C描绘在本发明的实施方案中使用的示例性的电流和电压波形。这些波形中的每个将依次被讨论。图13A示出这样的实施方案的电压和电流波形，在所述实施方案中，在电源供应器输出被重新打开之后——在电弧检测事件之后，填充焊丝140触及焊接熔池。如所示出的，电源供应器的输出电压在低于确定的阈值(9伏特)的某个操作水平，并且随后在焊接期间增加到此阈值。操作水平可以是基于(前面讨论的)各种输入参数确定的水平，并且可以是设置的操作电压、电流和/或功率水平。所述操作水平是对于给定焊接操作的电源供应器170的期望的输出，并且要提供期望的加热信号到填充焊丝140。在焊接期间，可能发生能够导致电弧的创建的事件。在图13A中，所述事件导致电压增加，使其增加到A点。在A点电源供应器/控制电路达到9伏特阈值(所述阈值可以是电弧检测点或简单地是预定的阈值上限，所述阈值上限可以低于电弧创建点)，并且关闭电源供应器的输出，导致电流和电压下降到在B点的降低的水平。电流下降的斜率可以通过包括斜坡下降电路被控制(如本文讨论的)，所述斜坡下降电路帮助快速降低由系统感应产生的电流。B点的电流和电压水平可以是预定的，或者它们可以在预定的持续时间之后及时被达到。例如，在一些实施方案中，不仅电压(或电流或功率)的阈值上限被设置用于焊接，较低的非电弧产生水平也被设置。该较低水平是较低的电压、电流或功率水平，其中在所述电压、电流或功率水平确保电弧不能够被创建，以致重新打开电源供应器是可接受的，并且将没有电弧被创建。具有这样的较低水平允许电源供应器快速地重新打开，并且确保没有电弧被创建。例如，如果焊接的电源供应器设置点被设置在2000瓦特，其中具有11伏特的电压阈值，此较低的功率设置可以被设置在500瓦特。因此，当电压阈值上限(取决于实施方案也可以是电流或功率阈值)被达到时，输出被降低到500瓦特。(此较低的阈值还可以是较低的电流或电压设置，或者也可以是两者)。可替换地，不设定较低检测限，可以使用计时电路，以在设置的持续时间之后转而开始供应电流。在本发明的示例性实施方案中，这样的持续时间可以在500至1000ms范围内。在图13A中，C点代表输出再次被供应到焊丝140的时间。注意的是在B点和C点之间示出的延迟可以是故意延迟的结果或者可以仅仅是系统延迟的结果。在C点，电流再次被供应来加热填充焊丝。然而，由于填充焊丝还未触及焊接熔池，电压增加而电流不增加。在D点，焊丝与熔池接触，并且电压和电流回(settle back)到期望的操作水平。如所示出的，电压在D处接触之前可以超过阈值上限，当电源具有高于操作阈值的OCV水平的OCV水平时，这可能发生。例如，这种更高的OCV水平可以是在电源供应器中由其设计或制造造成的上限设置。

图13B与上面描述的图类似，只是当电源供应器的输出增加时，填充焊丝140接触焊接熔池。在这样的情况下，或者焊丝从未离开焊接熔池，或者焊丝在C点之前与焊接熔池接触。图13B示出C点和D点在一起，因为当输出被重新打开时，焊丝与熔池接触。因此，电流和电压两者都增加到在E点处的期望的操作设置。

图13C是这样的实施方案，其中在输出被关闭(A点)和被重新打开(B点)之间几乎没有或没有延迟，并且焊丝在B点之前的某时与熔池接触。所描绘的波形可以在上面描述的实施方案中被使用，其中较低的阈值被设置，以致当较低的阈值被达到时，无论是电流、功率或电压，输出被重新打开而几乎没有或没有延迟。注意的是该较低的阈值设置可以使用与本文描述的操作阈值上限或范围相同或类似的参数被设置。例如，这种较低的阈值可以基于焊丝组成、直径、输送速度或本文描述的各种其他参数被设置。这样的实施方案可以最小化在返回焊接期望的操作设置点中的延迟，并且可以最小化在焊丝中可能出现的任何颈缩。颈缩的最小化帮助最小化创建电弧的机会。

图14描绘本发明的又另一个示例性实施方案。图14示出与图1中示出的实施方案类似的实施方案。然而，为清楚起见，某些部件和连接未被描绘。图14描绘系统1400，其中热传感器1410被用来监测焊丝140的温度。热传感器1410可以是能够检测焊丝140的温度的任何已知的类型。传感器1410可以与焊丝140接触或者可以被耦合到嘴160，以检测焊丝的温度。在本发明的进一步示例性实施方案中，传感器1410是使用激光或红外光束而不接触焊丝140的类型，所述激光或红外光束能够检测小目标(例如填充焊丝的直径)的温度。在这样的实施方案中，传感器1410被这样设置，以使焊丝140的温度可以在焊丝140的伸出处(其是在嘴160的端部和焊接熔池之间的某点处)被检测。传感器1410还应该被这样设置，以使针对焊丝140的传感器1410不感测焊接熔池温度。

传感器1410被耦合到感测和控制单元195(关于图1所讨论的)，以使温度反馈信息可以被提供到电源供应器170和/或激光电源供应器130，以致系统1400的控制可以被最优化。例如，电源供应器170的功率或电流输出可以至少基于来自传感器1410的反馈被调整。就是说，在本发明的实施方案中，使用者可以输入所期望的温度设定(针对给定的焊缝和/或焊丝140)，或者感测和控制单元可以基于其他使用者输入数据(焊丝输送速度、焊条类型等等)设置所期望的温度，并且随后感测和控制单元195将控制至少电源供应器170来保持所述所期望的温度。

在这样的实施方案中，这样解释焊丝140的加热是可能的，所述焊丝140的加热可以在焊丝进入焊接熔池之前由于作用于焊丝140的激光束110的缘故而发生。在本发明的实施方案中，焊丝140的温度可以仅通过控制焊丝140中的电流经由电源供应器170来控制。然而，在其他实施方案中，焊丝140的加热中的至少一些可以来自入射到焊丝140中的至少一部分上的激光束110。如此一来，单独来自电源供应器170的电流或功率可以不表征焊丝140的温度。如此，传感器1410的使用可以有助于通过电源供应器170和/或激光电源供应器130的控制来调节焊丝140的温度。

在另外的示例性实施方案中(同样在图14中被示出)，温度传感器1420被引导来感测焊接熔池的温度。在该实施方案中，焊接熔池145的温度也被耦合到感测和控制单元195。来自传感器1420的反馈被用于计算所期望的焊丝140的温度并且由此控制至少感应加热电源供应器170的输出。然而，在另一个示例性实施方案中，传感器1420可以被直接耦合到激光电源供应器130。来自传感器1420的反馈被用来控制来自激光电源供应器130/激光器120的输出。就是说，激光束110的能量密度可以被更改来确保获得期望的焊接熔池温度。

在本发明的再另外的示例性实施方案中，不是向熔池引导传感器1420，其可以向邻近焊接熔池的工件的区域被引导。具体地，确保到邻近焊缝的工件的热量输入被最小化可以是符合期望的。传感器1420可以被安置来监测该温度敏感区域，以致邻近焊缝阈值温度不被超过。例如，传感器1420可以监测工件温度并且基于感测到的温度降低光束110的能量密度。这样的配置会确保邻近焊道的热量输入不会超过期望阈值。这样的实施方案可以被用在其中到工件中的热量输入是严格的精密焊接操作中。

在本发明的另一个示例性实施方案中，感测和控制单元195可以被耦合到输送力检测单元(未示出)，所述输送力检测单元被耦合到焊丝输送机构(未示出，但见图1中的150)。输送力检测单元是已知的，并且在焊丝140被输送到工件115时检测施加于焊丝140的输送力。例如，这样的检测单元可以监控由焊丝输送器150中的焊丝输送马达施加的转矩。如果焊丝140经过熔融焊接熔池没有完全熔化，它将接触工件的固态部分，并且这样的接触将导致输送力增加，因为马达将试图保持设置的输送率。在力/转矩上的这种增加可以被检测到并且被传递(relay)到控制装置195，所述控制装置195使用该信息来调整到焊丝140的电压、电流和/或功率，以确保焊丝140在熔池中的适当熔化。

注意的是在本发明的一些示例性实施方案中，焊丝不是被不断输送到焊接熔池中，而是基于期望的焊缝轮廓可以间歇地这样做。具体地，本发明的各种实施方案的通用性允许操作装置或控制单元195根据期望启动和停止输送焊丝140到熔池中。例如，有许多不同类型的复杂焊缝轮廓和几何结构，所述类型可能具有要求使用填充金属(焊丝140)的焊接接头的一些部分，以及不要求使用填充金属的相同接头或者在相同的工件上的其他部分。如此，在焊缝的第一部分期间，控制单元195可以仅操作激光器120，来导致所述接头的该第一部分的激光焊接，但是当焊接操作达到焊接接头的第二部分时(所述第二部分需要使用填充金属)，控制器195使得电源供应器170和焊丝输送器150开始将焊丝140沉积到焊接熔池。随后，当焊接操作达到第二部分的结尾时，焊丝140的沉积可以被停止。这允许创建具有从一个部分到下一个部分显著变化的轮廓的连续焊缝。与具有许多不连续的焊接操作相反，这样的能力允许工件在单个焊接操作中被焊接。当然，许多不同变化可以被实施。例如，焊缝可以具有三个或更多个区别部分，所述区别部分要求具有变化的形状、深度和填充要求的焊缝轮廓，以致在每个焊缝部分中激光器和焊丝140的使用可以不同。此外，附加的焊丝也可以根据需要增加或去除。就是说，第一焊缝部分可以仅需要激光焊接，而第二部分仅要求使用单个填充焊丝140，并且焊缝的最后部分要求使用两个或更多个填充焊丝。可以使控制器195有能力控制各种系统部件来在连续焊接操作中获得这样的变化的焊缝轮廓，以致在单个焊道中连续焊道被创建。

图15描绘当根据本发明的示例性实施方案焊接时典型的焊接熔池P。如前面描述的，激光束110在工件W的表面上创建熔池P。焊接熔池具有长度L，所述长度L依据光束110的能量密度、形状和运动。在本发明的示例性实施方案中，光束110在离焊接熔池的后(trailing)边缘距离Z处被引导到熔池P。在这样的实施方案中，高强度能量源(例如，激光器120)会导致其能量直接入射(impinge)填充焊丝140，以致能量源120不熔化焊丝140，而是焊丝140由于其与焊接熔池接触而完成其熔化。熔池P的后边缘可以一般地被限定为熔池结束以及所创建的焊道WB开始其凝固的点。在本发明的实施方案中，距离Z是熔池P的长度L的50％。在另外的示例性实施方案中，距离Z在熔池P的长度L的40至75％范围内。

如图15中示出的，填充焊丝140在光束110后面(在焊接的行进方向上)对熔池P起作用。如所示出的，在熔池P的后边缘前面距离X处焊丝140对熔池起作用。在示例性实施方案中，距离X在熔池P的长度的20至60％范围内。在另一个示例性实施方案中，距离X在熔池P的长度L的30至45％范围内。在其他示例性实施方案中，焊丝140和光束110在熔池P的表面或之上一点处相交，以致在焊接工艺期间光束110中的至少一些入射焊丝140。在这样的实施方案中，激光束110被用来帮助熔化焊丝140用于在熔池P中沉积。如果焊丝140太冷而不能在熔池P中快速消耗，使用光束110来帮助熔化焊丝140，帮助防止焊丝140使熔池骤冷。然而，如前面所述的，在一些示例性实施方案中(如图15中示出的)，能量源120和光束110不明显地熔化填充焊丝10的任何部分，因为所述熔化由焊接熔池的热量完成。

在图15中示出的实施方案中，焊丝140尾随光束110并且与光束110成一直线。然而，本发明不限于此配置，因为焊丝140可以(在行进方向上)领先。另外，使焊丝140与光束在行进方向上成一直线不是必要的，而只要在熔池中适合的焊丝熔化发生，焊丝可以从任何方向入射熔池。

图16A到图16F描绘具有被描绘的激光束110的覆盖区域(footprint)的各种熔池P。如所示出的，在一些示例性实施方案中，熔池P具有圆形的覆盖区域。然而，本发明的实施方案不限于此配置。例如，考虑的是熔池也可以具有椭圆形或其他形状。

另外，在图16A-16F中，光束110被示出具有圆形截面。再次，就这一点而言本发明的其他实施方案不被限制，因为光束110可以具有椭圆形、长方形或者其他形状，以便有效地创建焊接熔池P。

在一些实施方案中，激光束110可以关于焊接熔池P保持静止。就是说，在焊接期间光束110关于熔池P保持在相对一致的位置。然而，如图16A-16D中例证地，其他实施方案不限于这样的方式。例如，图16A描绘这样的实施方案，其中光束110围绕焊接熔池P以圆形模式平移。在该图中光束110这样平移，以致在光束110上的至少一点与熔池的中心C始终重叠。在另一个实施方案中，使用圆形模式但是光束110不接触中心C。图16B描绘这样的实施方案，其中光束沿单条直线来回平移。取决于期望的熔池P形状，这种实施方案可以被用于拉长或者加宽熔池P。图16C描绘这样的实施方案，其中两种不同的光束截面被使用。第一光束截面110具有第一几何形状并且第二光束截面110’具有第二截面。这样的实施方案可以被用来在熔池P中的一点增加熔深，同时仍维持较大的熔池尺寸——如果需要的话。这种实施方案可以通过使用激光镜头和光学器件通过改变光束形状用单个激光器120实现，或者可以通过使用多个激光器120实现。图16D描绘在熔池P中以椭圆形模式平移的光束110。再次，这样的模式可以被用来根据需要拉长或者加宽焊接熔池P。其他光束110平移可以被用来创建熔池P。

图16E和图16F描绘使用不同光束强度的工件W和熔池P的截面。图16E描绘浅的更宽的熔池P，所述熔池P由更宽的光束110创建，而图16F描绘更深且窄的焊接熔池P——典型地被称为“穿透孔”。在这种实施方案中，光束这样聚焦以致其焦点接近工件W的上表面。用这样的聚焦，光束110能够熔透工件的整个深度，并且帮助在工件W的底表面上创建背焊道BB。在焊接期间光束强度和形状基于焊接熔池的期望的性质被确定。

激光器120可以通过任何已知的方法和装置移动、平移或操作。由于激光器的运动和光学器件是众所周知的，它们将不在本文中被详细讨论。图17描绘根据本发明的示例性实施方案的系统1700，其中在操作器件激光器120可以被移动并且使其光学器件(比如其透镜)改变或调整。该系统1700将感测和控制单元195耦合到马达1710和光学驱动单元1720两者。马达1710移动或平移激光器120，以致在焊接期间光束110相对于焊接熔池的位置被移动。例如，马达1710可以来回平移光束110，以圆形模式将其移动等。类似地，光学驱动单元1720接收来自感测和控制单元195的指令来控制激光器120的光学器件。例如，光学驱动单元1720可以导致光束110的焦点相对于工件的表面移动或改变，由此改变熔深或焊接熔池的深度。类似地，光学驱动单元1720可以导致激光器120的光学器件改变光束110的形状。如此，在焊接期间，感测和控制单元195控制激光器120和光束110，来在操作期间维持和/或更改焊接熔池的性质。

如上面参照图7B所讨论的，与本发明一致的热焊丝激光焊接允许窄间隙焊接，所述窄间隙焊接过去仅用电弧型焊接工艺或仅用激光焊接工艺进行会是困难的。除了上面所讨论的优点之外，本发明的热焊丝激光焊接允许薄壁工件(例如，小于10mm)的焊接，该焊接利用传统的电弧焊接工艺进行是不太可能的。当焊缝深度在长度上长于材料的厚度时，尤其是这样。例如，如图20A所示，接头深度长于各自的工件115A/115B的厚度。就是说，在本发明的示例性实施方案中，接头深度或焊道深度(在长度上)深于工件中的至少一个的厚度，并且在其他实施方案中，焊道深于两个工件的厚度。然而，电弧工艺(例如GMAW)由于在这样的工艺中所需要的额外的填充材料而倾向于具有宽的焊接熔池以及可以使工件变形的更高的热量输入。这是因为电弧工艺需要宽的间隙以提供保护气体并且防止焊槽的含铁侧壁如上面所讨论的与电弧干扰。熔化额外的填充材料所需要的热量输入可以使薄壁工件变形。

在电弧焊接工艺中试图使接头间隙变窄可以导致其他问题。例如，如图20A所示，在电弧型工艺中焊接熔池可以桥接接头而没有进行深熔透，这可以在已完成的接头中导致应力梯级(stress riser)。此外，同样在图20A中所示出的，当接合薄壁工件115A和115B时，电弧型工艺可以具有宽的焊帽，这会使其难以确定焊缝的深度。典型地，工件115B上的可见热线(heat line)116提供焊接熔池的熔透的深度的指示，即，焊接接头的底部的指示。然而，在典型的电弧焊接工艺(例如GMAW工艺)中，宽的焊帽将覆盖薄的工件(例如工件115B)的外边缘。工件的顶部外边缘对应于焊接接头的顶部。不知道工件115B的顶部外边缘的位置(即，焊接接头的顶部)，将难以知道熔透的深度。

尽管上面的缺点针对热量输入并且焊帽尺寸可以在仅用激光的焊接工艺中被控制，仅用激光的工艺具有其他的缺点。例如，在仅用激光的焊接工艺中，激光相比于在熔敷型工艺中是更聚焦的，以提供强度来熔化工件并且形成焊接熔池。然而，工件典型地必须被非常紧地配合，例如，典型地小于1mm间隙。否则，激光将发射通过接头中的间隙和/或由激光形成的焊接熔池将不能够桥接间隙。

如在图20B上所示出的，与本发明一致的热焊丝激光焊接工艺可以克服上面所讨论的缺点。此外，因为这是热焊丝激光工艺，几乎没有或没有与工艺相关联的飞溅并且不需要保护气体。激光器和热焊丝的设置和控制将类似于在图7B中关于激光器120和热焊丝140所示出的设置和控制。因此，热焊丝激光系统的设置和控制将不进一步被讨论。转到图20B，工件115A和115B被布置有窄间隙GP。间隙GP取决于焊道的桥接能力，所述焊道通过工件115A和115B以及热填充焊丝140的熔化被形成。然而，考虑的是，间隙GP将具有平均间隙宽度，所述平均间隙宽度是在焊丝140的直径的1至3倍的范围内。在其他示例性实施方案中，平均间隙宽度将是在焊丝140的直径的1至2倍的范围内。一般地，平均间隙宽度指的是针对接头的深度的、接头的各自的侧壁之间的平均距离。在本发明的示例性实施方案中，激光器120和热焊丝140将提供这样的焊接熔池，所述焊接熔池近似是热焊丝140的直径的两倍。进一步地，由于本发明的实施方案的属性(上面所讨论的)，本发明的工艺可以具有这样的熔透深度，所述熔透深度是在热焊丝140的直径的4至10倍的范围内，而在本发明的其他示例性实施方案中，熔深可以是在热焊丝140的直径的6至10倍的范围内。应该注意的是，尽管上面的讨论指的是“熔透”深度，这也被理解为包括堆积深度。例如，如图20A所示，由于工件之间间隙的存在，激光不必熔透工件的全部深度，而是如所示出的，被利用来在接头间隙中堆积焊道。因为一些实施方案将堆积接头，与完全切割通过工件相反，相比于使用激光来穿透(keyhole)工件，这将需要较少的激光能量。进一步地，由于本发明的实施方案的优点，工件的厚度可以是相当薄的。例如，如图20B所示，工件115A和115B可以在焊接接头处具有4至15mm范围内的厚度，并且在一些实施方案中可以是在4至10mm的范围内而不导致可观的变形。这样的厚度将是针对焊接接头的深度的、在焊接接头处的工件(一个或多个)的平均厚度，并且可以或可以不是针对焊接接头的整个长度的厚度。因此，本发明的示例性实施方案可以提供具有非常窄的间隙宽度但具有深的熔深的焊接接头，该焊接接头不能通过传统的焊接操作来获得。

如图20B所示，上面所描述的热焊丝激光工艺产生很好地进入接头的焊根的焊缝熔深，并且使用比典型的电弧焊接工艺少的填充材料和热量输入来形成坚固的接头。此外，沉积率和焊丝送进速度与传统的电弧焊接工艺是可比较的。例如，考虑的是，基于焊接参数，大于100ipm(英寸每分钟)的行进速度以及大于400ipm的焊丝送进速度可以被获得。进一步地，检验焊缝是较容易的，因为焊帽没有如在电弧型工艺中那样覆盖薄壁工件115B的顶部边缘。因为工件115B的顶部外边缘是可见的，接头的顶部(顶边缘)和接头的底部(热线116)之间的距离可以被容易地测量。

为清楚起见，在图1、图14和图17中的每个中，激光电源供应器130、热焊丝电源供应器170以及感测和控制单元195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  系统                          240  步骤

110  激光束                        250  步骤

110A 激光束                        260  步骤

115  工件                          310  步骤

115A 工件                          320  步骤

115B 工件                          330  步骤

116  热线                          340  步骤

120  激光装置                      350  步骤

120A 激光装置                      410  电流波形

121  分束器                        411  点

125  方向                          412  点

130  电源供应器                    425  斜坡

140  填充焊丝                      430  时间间隔

150  填充焊丝输送器                440  设置点值

160  导电管                        450  输出电流水平

170  电源供应器                    510  电流波形

180  动作控制器                    511  点

190  机器人                        512  点

195  电流控制子系统                520  电流波形

200  启动方法                      525  加热电流水平

220  步骤                          530  时间间隔

230  步骤                          601  接搭接头表面

                                   601A 熔池

603  接搭接头表面                  1230 CPU/控制器

603A 熔池                          1240 电压检测电路

605  表面                          1250 电源模块

701  成角度的表面                  1400 系统

703  成角度的表面                  1410 传感器

705  间隙                          1420 传感器

707  焊道                          1700 系统

801  焊接熔池                      1710 马达

803  焊接熔池                      1720 光学驱动单元

901  焊接熔池                      1800 电路

903  焊接熔池                      1801 电阻器

1000 焊接接头                      1803 开关

1010 激光源                        1901 激光护罩组件

1011 光束                          1903 排烟系统

1012 焊接熔池                      A    点

1020 激光源                        B    点

1021 激光束                        BB   背焊道

1022 焊接熔池                      C    点/中心

1030 填充焊丝                      D    点

1030A 填充焊丝                     E    点

1110 线圈                          L    长度

1200 系统                          P    熔池

1210 电源供应器                    WB   焊道

1220 使用者输入                    X    距离

1222 负端子                        Z    距离

1223 感测引线

Claims (15)

1.一种焊接方法，所述焊接方法包括：

利用至少一个高强度激光能量源在留隙焊根焊接接头中创建焊接熔池；

利用来自电源的焊丝加热信号将至少一条填充焊丝加热至一温度，以使当所述填充焊丝与所述焊接熔池接触时所述填充焊丝在所述焊接熔池中熔化；

将所述填充焊丝引导到所述焊接熔池，以使所述填充焊丝在焊接操作期间保持与所述焊接熔池接触；

监测来自所述填充焊丝加热信号的反馈；

当所述反馈达到上限阈值时关闭所述填充焊丝加热信号，以使没有电弧在所述填充焊丝和所述焊接熔池之间产生；以及

开启所述填充焊丝加热信号来继续加热所述填充焊丝，

其中所述留隙焊根焊接接头由至少两个工件创建，所述至少两个工件之间具有平均间隙，所述平均间隙是在所述填充焊丝的直径的1至3倍的范围内，并且所述留隙焊根焊接接头的深度是在所述填充焊丝的直径的4至10倍的范围内。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述留隙焊根焊接接头的所述深度是在所述填充焊丝的直径的6至10倍的范围内。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述平均间隙是在所述填充焊丝的直径的1至2倍的范围内。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中在所述留隙焊根焊接接头处所述工件中的至少一个的厚度是在4至15mm的范围内。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中焊接的行进速度是至少100ipm。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中所述焊丝加热信号将所述填充焊丝加热至所述填充焊丝的熔化温度的90％或以上。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述阈值是电压阈值。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述电压阈值是16伏特或以下。

9.如权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中所述至少一个高强度能量源是激光器。

10.一种焊接系统(100,1200,1400,1700)，所述焊接系统(100,1200,1400,1700)包括：

至少一个高强度能量源，所述至少一个高强度能量源向多个工件(115,115A,115B,W)引导高强度能量，以在留隙焊根焊接接头中创建焊接熔池(P)；

加热电源，所述加热电源将焊丝加热信号提供到至少一条填充焊丝(140)，以将所述至少一条填充焊丝(140)加热至一温度，以使当所述填充焊丝(140)与所述焊接熔池(P)接触时所述填充焊丝(140)在所述焊接熔池(P)中熔化；以及

焊丝送进机构(150)，所述焊丝送进机构(150)将所述填充焊丝(140)推进到所述焊接熔池(P)，以使所述填充焊丝(140)在焊接操作期间保持与所述焊接熔池(P)接触；

其中所述加热电源监测来自所述填充焊丝(140)加热信号的反馈；并且当所述反馈达到上限阈值时关闭所述填充焊丝(140)加热信号，以使没有电弧在所述填充焊丝(140)和所述焊接熔池(P)之间产生，并且其中所述加热电源开启所述填充焊丝(140)加热信号以继续加热所述填充焊丝(140)，并且

其中所述留隙焊根焊接接头由至少两个工件(115,115A,115B,W)创建，所述至少两个工件(115,115A,115B,W)之间具有平均间隙(705)，所述平均间隙(705)是在所述填充焊丝(140)的直径的1至3倍的范围内，并且所述留隙焊根焊接接头的深度是在所述填充焊丝(140)的直径的4至10倍的范围内。

11.如权利要求10所述的系统(100,1200,1400,1700)，其中所述留隙焊根焊接接头的所述深度是在所述填充焊丝(140)的直径的6至10倍的范围内，和/或其中所述平均间隙(705)是在所述填充焊丝(140)的直径的1至2倍的范围内。

12.如权利要求10或11所述的系统(100,1200,1400,1700)，其中在所述留隙焊根焊接接头处所述工件(115,115A,115B,W)中的至少一个的厚度是在4至15mm的范围内。

13.如权利要求10至12中的任一项所述的系统(100,1200,1400,1700)，其中焊接的行进速度是至少100ipm。

14.如权利要求10所述的系统(100,1200,1400,1700)，其中所述焊丝加热信号将所述填充焊丝(140)加热至所述填充焊丝(140)的熔化温度的90％或以上。

15.如权利要求10至14中的任一项所述的系统(100,1200,1400,1700)，其中所述阈值是电压阈值，和/或其中所述电压阈值是16伏特或以下。