CN108927600A - 使用消耗品和热源与焊接熔池的方法和系统 - Google Patents

使用消耗品和热源与焊接熔池的方法和系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于控制填充焊丝和/或热源的系统和方法。所述系统包括高强度能源，所述高强度能源被配置成用于加热至少一个工件以在所述至少一个工件的表面上形成熔融熔池。填充焊丝给送器被配置成用于将填充焊丝给送到所述熔融熔池中，并且行进方向控制器被配置成用于在行进方向上推进所述高强度能源和所述填充焊丝以将所述填充焊丝沉积在所述至少一个工件上。所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成用于在所述填充焊丝的所述给送和推进过程中在至少第一方向上移动所述填充焊丝和/或所述能源。控制至少所述第一方向以便获得由所述熔融熔池形成的焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。

Description

使用消耗品和热源与焊接熔池的方法和系统
优先权
这是2017年5月22日申请的美国专利申请序列号15/601,550的部分继续申请，该专利的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
特定实施例涉及在熔覆、焊接和接合应用中使用填充焊丝和/或热源。更具体地，特定实施例涉及在用于钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合和焊接应用中的任一种应用的系统和方法中控制填充焊丝和/或热源。
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)提供与单独的传统弧焊的熔敷速率和焊接速度相比有所增加的熔敷速率和焊接速度。引领焊炬的填充焊丝是由独立的电源电阻加热的。该焊丝穿过导电管朝向工件给送并且延伸到该管之外。延伸部分被电阻加热，这样使得延伸部分接近或达到熔点并且接触焊接熔池。钨电极可以用于加热和熔化该工件以便形成焊接熔池。该电源提供电阻熔化填充焊丝所需的大部分能量。在一些情况下，焊丝给送可能滑移或发生故障(falter)，并且焊丝中的电流可能导致在该焊丝的尖端与该工件之间出现电弧。这种电弧的额外热量可能导致烧穿和飞溅。另外，由于传统填充焊丝方法使用电弧将填充材料转移到焊缝，可能难以获得希望的焊接轮廓和/或控制焊接熔池的冷却速率。
通过将常规的、传统的和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
发明内容
本发明的实施例包括在用于钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接和接合应用中的任一种应用的系统和方法中控制焊丝。在一些实施例中，该方法包括利用高能量热源加热至少一个工件以在至少一个工件的表面上形成熔融熔池并且将填充焊丝给送到熔融熔池中。该方法还包括在行进方向上推进高能量热源和填充焊丝中的每一项以将填充焊丝沉积在至少一个工件上。在填充焊丝的给送和推进过程中，填充焊丝和/或热源在至少第一方向上移动，其中至少第一方向不同于行进方向。该方法进一步包括至少控制填充焊丝和/或热源在至少第一方向上的移动，以便获得由熔融熔池形成的焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。
在一些实施例中，系统包括高强度能源，该高强度能源被配置成用于加热至少一个工件以在该至少一个工件的表面上形成熔融熔池。填充焊丝给送器被配置成用于将填充焊丝给送到熔融熔池中。行进方向控制器被配置成用于在行进方向上推进高强度能源和填充焊丝中的每一项以将填充焊丝沉积在至少一个工件上。该系统还包括控制器，该控制器被配置成用于在填充焊丝的给送和推进过程中在至少第一方向上移动填充焊丝和/或能源，其中至少第一方向不同于所述行进方向。至少控制填充焊丝和/或能源在至少第一方向上的移动，以便获得由熔融熔池形成的焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。
该方法还包括：至少在施加该加热电流的流动时，将来自一个高强度能源的能量施加到该工件以便加热该工件。该高强度能源可以包括以下各项中的至少一项：激光器装置、等离子体弧焊(PAW)装置、气体保护钨极弧焊(GTAW)装置、气体保护金属弧焊(GMAW)装置、焊剂芯弧焊(FCAW)装置、以及埋弧焊(SAW)装置。
所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所展示的实施例的细节将从以下描述和附图中得到更全面理解。
附图简要说明
通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在附图中：
图1示出了一种用于钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合和焊接应用中的任一种应用的组合填充焊丝给送器和能源系统的示例性实施例的功能性示意框图；
图2A至图2C示出了一种控制可以由图1的系统使用的填充焊丝的方法；
图3A和图3B示出了一种控制可以由图1的系统使用的填充焊丝的方法；并且
图4A和图4B示出了一种控制可以由图1的系统使用的填充焊丝的方法。
图5A和图5B示出了一种用于控制图1的系统中的导电管的角移动和偏移移动的设备的示例性实施例的框图。
图6示出了可以由图1的系统执行的示例性编织图案。
具体实施方式
现在将参照附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明，而不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，类似参考号表示类似的要素。
已知焊接/接合操作典型地在一个焊接操作中将多个工件接合在一起，在该焊接操作中，一种填充金属与工件金属的至少一些结合以便形成一个接头。因为希望增加焊接操作中的总生产量，一直需要不产生具有次等质量的焊缝的更快焊接操作。对于使用类似技术的包覆/堆焊操作也是如此。应当注意，尽管下面的许多讨论将参考“焊接”操作和系统，但本发明的实施例不仅限于接合操作，而是可以类似地用于包覆、钎焊、熔覆等类型的操作。此外，需要提供可以在不利环境条件下(诸如在远程工作地点)快速焊接的系统。如以下所描述的，本发明的示例性实施例提供超过现有焊接技术的显著优点。此类优点包括但不限于：使用多个填充焊丝、调整焊接轮廓、控制焊接熔池的冷却速率、使工件产生低扭曲的减小的总热量输入、非常高的焊接行进速度、非常低的飞溅速率、在缺少保护的情况下焊接、在几乎没有飞溅的情况下以高速焊接电镀材料或涂布材料、以及以高速焊接复合材料。
图1示出了一种用于执行钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆和接合/焊接应用中的任一种的组合填充焊丝给送器和能源系统100的一个示例性实施例的功能性示意框图。系统100包括能够使激光束110聚焦到工件115上以加热工件115并形成焊接熔池145的激光器子系统130/120。该激光器子系统是高强度能源。该激光器子系统可以是任何类型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-盘、YB-光纤、光纤输送或直接二极管激光器系统。进一步地，如果白光或石英激光型系统具有充分的能量，甚至也可以使用这些系统。该系统的其他实施例可以包括用作高强度能源的电子束、等离子体弧焊子系统、钨极气体保护弧焊子系统、气体保护金属弧焊子系统、焊剂药芯焊丝弧焊子系统、和埋弧焊子系统中的至少一者。以下说明将重复提到激光器系统、射束和电源，然而，应理解的是，这种引用是示例性的，因为可以使用任何高强度能源。例如，高强度能源可以提供至少500W/cm2。
应当注意，这些高强度能源(诸如在此所讨论的激光器装置120)应当是以下类型的：具有足以提供所希望的焊接操作所需的能量密度的功率。也就是说，激光器装置120应当具有足以在整个焊接过程中形成并维持一个稳定焊接熔池并且还达到所希望的焊透深度的功率。例如，对于一些应用来说，激光应当具有对正被焊接的工件“形成锁眼”的能力。这意味着该激光应当具有足以完全穿透该工件、同时在该激光沿着该工件行进时维持穿透水平的功率。示例性激光应当具有在1kW至20kW范围内的功率容量，并且可以具有在5kW至20kW范围内的功率容量。可以利用较高功率激光，但可能变得非常昂贵。
该激光器子系统130/120包括彼此操作性地连接的激光器装置120和激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光器装置120的功率。激光器装置120允许精确控制焊接熔池145的尺寸和深度，因为激光束110可以容易地聚焦/去聚焦或者非常容易地改变其光束强度。因为这些能力，工件115上的热分布可以得到精确控制。这种控制允许形成非常窄的焊接熔池，以用于精确焊接并且最小化工件115上的焊接区的大小。
系统100还包括能够提供至少一根电阻填充焊丝140来在激光束110附近与工件115相接触的填充焊丝给送器子系统。当然，应当理解，通过在此引用工件115，熔融熔池即焊接熔池145被认为是工件115的部分，因此对与工件115的接触的引用包括与熔池145的接触。该填充焊丝给送器子系统包括填充焊丝给送器150、导电管160以及焊丝电源170。在操作过程中，填充焊丝140被来自操作性地连接在导电管160与工件115之间的电源170的电流电阻加热。根据本发明的实施例，尽管交流(AC)或其他类型的电源也是可以的，但电源170是脉冲直流(DC)电源。在一些示例性实施例中，填充焊丝140由电源170预热到其熔点或附近。因此，其在焊接熔池145中的存在将不会明显地冷却或凝固熔池145，并且填充焊丝145被快速消耗到焊接熔池145中。
电源170、填充焊丝给送器150、以及激光器电源130可以操作性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，诸如仅命名几例，焊丝给送速度、焊丝温度、以及焊接熔池温度。为实现这一点，控制单元195可以接收输入，诸如由电源130和170使用的电力、导电管160处的电压、通过(多根)填充焊丝的(多个)加热电流、(多根)填充焊丝的(多个)希望温度和实际温度等。2011年8月17日申请的名称为“Method And System To StartAnd Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source ForWelding”[开启和使用组合填充焊丝给送和高强度能源系统以用于焊接的方法和系统]的美国专利申请号13/212,025的全部内容通过援引并入，描述了示例性感测和控制单元，包括示例性检测和控制方法，这些可以并入本发明中。
在本发明的示例性实施例中，焊接轮廓，即焊接熔池145的形状和/或尺寸可以通过控制焊丝140相对于焊接熔池145的移动而改变。如图1所示，填充焊丝140在焊接熔池145中的冲击位置可以由控制导电管160的填充焊丝电动机1730控制。电动机1730移动或平移导电管160，这样使得在焊接过程中焊丝140相对于焊接熔池145的位置移动。在示例性实施例中，填充焊丝140与激光束110冲击焊接熔池145的同一位置处。在此类情况下，激光束110可以帮助熔化填充焊丝140。然而，在其他示例性实施例中，填充焊丝140可以远离激光束110冲击同一焊接熔池145。当然，当使用电弧加热子系统而不是激光器子系统时，填充焊丝140远离电弧冲击焊接熔池145。在一些示例性实施例中，填充焊丝电动机1730将控制导电管160，这样使得焊丝140在焊接熔池145内的移动与激光束110的移动相协调。就这一点而言，电动机1730可以操纵性地连接到感测和控制单元195并与其通信，和/或直接与激光器运动控制子系统1710/1720通信。激光器运动控制子系统1710/1720包括电动机1710和光学器件驱动单元1720。电动机1710移动或平移激光器120，这样使得在焊接过程中移动光束110相对于焊接熔池145的位置。也就是说，在激光束110和焊丝140在焊接过程期间相对于工件115移动(即，焊接方向(参见箭头111))时，激光束110也可以相对于焊接熔池145移动。例如，基于焊接参数，电动机1710可以使光束110与焊接方向成直线地来回地、沿着焊接的宽度前后地、以圆形图案、以椭圆形图案等平移。替代性地，或者除了移动激光束110之外，光学器件驱动单元1720可以控制激光器120的光学器件，这些光学器件控制激光束110的形状和/或强度。例如，光学器件驱动单元1720可以致使光束110的焦点相对于工件115的表面移动或改变，由此改变焊接熔池145的穿透或深度。在一些示例性实施例中，光学器件驱动单元1720可以致使激光器120的光学器件改变光束110的形状并因此改变焊接熔池145的形状。在2011年8月17日提交并且全部内容通过援引并入的名称为“Method And System ToStart And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy SourceFor Welding”[开启和使用组合填充焊丝给送和高强度能源系统以用于焊接的方法和系统]的美国专利申请号13/212,025中进一步讨论激光器运动控制子系统1710/1720的操作。
通过能够相对于熔池移动焊丝140，本发明的实施例能够调整熔池的形状、轮廓和高度，并且能够在焊接过程中获得希望的焊接熔池混合物。例如，如果焊接熔池145相对较大，则焊丝140的移动将允许焊丝140在焊接/包覆过程中相对均匀地沉积并分布在熔池145中。此外，可能需要在操作过程中的不同时间将140输送到熔池145的特定部分。本发明的实施例允许通过在适当的时间将焊丝140输送到熔池145中的适当位置来实现这一点。此外，通过在操作过程中使焊丝140相对于熔池移动，可以增强焊接熔池的混合。
在一些示例性实施例中，感测和控制单元195可以使使用电动机1730的焊丝140的移动与激光束110的移动同步。在示例性实施例中，如图2A和图2B所示，激光束110和焊丝140分别通过电动机1710和1730以圆形图案移动。焊丝140相对于光束110的相对位置可以由电动机1730调整，以确保在光束110和焊丝140在焊接方向上向前移动(参见箭头111)时，焊丝140在熔池145处于其最佳温度的点处撞击焊接熔池145。例如，如图2B所示，焊丝140将在光束110加热点X之后立即撞击焊接熔池145上的这个点。因此，本发明的实施例可以使焊丝140跟随光束110(或其他热源)的移动以优化焊丝140到熔池145中的吸收，这通常在图2C中示出。当然，最佳撞击点的准确时间可以根据焊接熔池145的温度、激光束110的强度、填充焊丝140的类型、填充焊丝140的给送速度等而变化。
另外，焊丝140和激光束110可以遵从其他图案，并且它们的移动不需要同步。例如，图3A和图3B示出了其中激光束110和填充焊丝140沿着单条线来回平移的实施例。取决于光束110和焊丝140跨焊接熔池145的宽度平移(图3A)还是与焊接熔池成直线地平移(图3B)，这些实施例可以用于取决于希望的焊缝形状在需要时拉长或加宽熔池145。当然，许多其他图案也是可能的。例如，光束110和焊丝140可以在焊接熔池145中以椭圆形图案而不是图2A和图2B中所示的圆形图案平移。当然，可以使用此类图案的任何组合来在需要时拉长或加宽焊接熔池145以获得希望的焊接轮廓。另外，在2011年8月17日提交并且全部内容通过援引并入的名称为“Method And System To Start And Use Combination Filler WireFeed And High Intensity Energy Source For Welding”[开启和使用组合填充焊丝给送和高强度能源系统以用于焊接的方法和系统]的美国专利申请号13/212,025提供了可以在本发明中使用的另外图案。
在一些实施例中，焊丝140的运动独立于激光束110的运动。也就是说，激光束110和焊丝140的图案不需要是相同的。例如，激光束110可以具有椭圆形图案，而焊丝140具有圆形或前后图案。在再其他实施例中，激光束110可以相对于焊接熔池145保持静止，并且仅焊丝140相对于焊接熔池145移动或平移。
在本发明的一些示例性实施例中，填充焊丝140可以用于控制焊接熔池145的冷却速率。例如，填充焊丝140可以比焊接熔池145冷，以便冷却并凝固焊缝。这种焊接系统在错位焊接中可以是有利的，因为焊接熔池145将在其可能下垂或溢出焊接接头之前开始冷却和凝固。然而，为了防止焊接熔池145内不希望的局部(或不均匀)冷却或凝固，电动机1730可以如以上讨论的移动焊丝140，以确保更冷的填充焊丝140均匀地散布在整个焊接熔池145中。相反，在一些焊接操作中，可能希望使填充焊丝140比焊接熔池145更热，以便防止焊接熔池145太快地冷却或凝固。再次，填充焊丝140可以由电动机1730移动以保持焊接熔池145的温度均匀。
在图2A至3B所示的实施例中，填充焊丝140在焊接操作过程中尾随光束110。然而，那不是必要的，因为填充焊丝140可以被定位在前导位置中。进一步地，不必使焊丝140在行进方向上与光束110成一直线，而是焊丝可以从任何方向撞击熔池，只要填充焊丝140与光束110冲击同一焊接熔池145即可。
在上面讨论的实施例中，仅使用一根填充焊丝。然而，本发明不限于将单根填充焊丝引导至焊接熔池145。与大多数焊接过程不同，填充焊丝140在焊接过程中与焊接熔池145进行接触并且被插进该焊接熔池中。这是因为这个过程并不使用焊弧来转化填充焊丝140，而是简单地使填充焊丝140熔化到焊接熔池145中。因为在在此所描述的焊接过程中不生成焊弧，多于一根填充焊丝可以被引导到任一个焊接熔池，即，给送子系统可以能够同时提供一根或多根填充焊丝。通过增加到一个给定焊接熔池的填充焊丝的数目，该焊接过程的总熔敷速率可以在没有显著增加热量输入的情况下得到显著增加。因此，考虑到可以在单个焊道中填充开根焊接接头。另外，连同填充焊丝的沉积速率，焊接的形状和特性可以在需要时通过使用另外的填充焊丝来改变。在使用多根填充焊丝并且如在此所述地加热两者的情况下，本发明的实施例可以针对每根焊丝利用单个电源170。
在一些示例性实施例中，如图4A和图4B所示，两根填充焊丝撞击焊接熔池145。其中使用两根或更多根填充焊丝的实施例类似于上面讨论的实施例。因此，为简洁起见，将仅讨论相关差异。如图4A和图4B所示，第二填充焊丝140'在宽度方向上与焊丝140成直线地撞击焊接熔池145。然而，这种配置不是限制性的，并且焊丝140'可以在焊接方向(参见箭头111)上与焊丝140成直线地撞击焊接熔池145。当然，焊丝140和140'不需要处于如图4A和图4B所示的尾随位置，并且焊丝140'或140或两者可以在焊接操作过程中处于引领位置。根据希望的焊接，焊丝140'可以由与焊丝140相同的材料构成，或者它可以由不同的材料构成。例如，焊丝140'可以用于表面硬化和/或为工件提供耐腐蚀性，而焊丝140可以用于向工件添加结构。
在一些示例性实施例中，焊丝140'可以由电动机以类似于如以上讨论的焊丝140的方式控制。例如，如图4A和图4B所示，焊丝140'由电动机(未示出)以顺时针图案移动，而焊丝140以逆时针图案移动。可以如以上谈论的控制焊丝140和140'的移动以实现希望的焊接形状。当然，焊丝不限于圆形图案或在相反方向(即，顺时针和逆时针)上移动。可以使用如以上谈论的图案的任何组合来控制焊丝140和140'以实现希望的焊接轮廓。
在一些实施例中，第二填充焊丝可以用于控制焊接145的温度。例如，可以基于焊接熔池145的希望温度控制第二填料的给送速率和/或温度。类似于上面讨论的示例性实施例，第二填充焊丝可以比焊接熔池温度更冷或更热，并且可以控制焊丝140'以确保焊接145的温度是均匀的。
在图1中，为了清晰，分开地示出了激光器电源130、热丝电源170、以及感测和控制单元195。然而，在本发明的实施例中，这些部件可以被整合到单个焊接系统中。本发明的多方面不需要将以上单独讨论的部件作为分开的物理单元或独立式结构来维持。
在一些示例性实施例中，焊丝给送子系统可以被配置成用于定向导电管160，这样使得填充焊丝140可以相对于焊接熔池145的表面成角度地进入焊接熔池145，并且相对于焊接接头凹槽侧向位移或偏移量。如图5A和图5B所见，导电管160可以被定向为使得焊丝140成竖直角度a和/或偏移量D进入焊接熔池。例如，导电管160可连接到或并入到机械臂210中，该机械臂在填充焊丝140进入焊接熔池145时调整该填充焊丝的取向。机械臂210可以被配置成用于在一个方向上旋转或定位导电管160，这样使得焊丝140以希望的竖直角度a和/或以偏移量D进入焊接熔池145，以便在填充焊丝140进入焊接熔池145时精确地控制该焊丝的位置和取向。可以手动地和/或经由机械臂210旋转或定位导电管160的竖直角度a，该机械臂可以例如由感测和控制单元195(参见图1)控制。类似地，可以手动地和/或经由机械臂210控制导电管160的侧向位移或偏移量D，该机械臂可以例如由感测和控制单元195控制。当然，机械臂210是示例性的，并且在需要时可以使用其他装置来设置和/或调整导电管160。
角度a可以在稍大于0度(即，稍微大于平行于焊接熔池145的顶表面的角度)至90度(即，焊丝140垂直于焊接熔池的表面进入焊接熔池145)之间的范围内变化。可以例如手动地和/或经由机械臂210和控制器195设置和/或调整角度a，以便获得由熔融熔池145形成的焊道WB(或包覆焊道)的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。另外，可以例如手动地和/或经由机械臂210和控制器195设置和/或调整角度a，以便获得填充焊丝140进入焊接熔池145中的希望穿透深度。例如，如果焊接熔池145的深度较浅或者焊接熔池145处于不会立即熔化填充焊丝140的温度，则可能需要小的角度a以防止填充焊丝140抵靠焊接接头的底部。如果希望更大的穿透深度，则角度a被设置为大角度。另外，填充焊丝140的希望穿透可以取决于填充焊丝140相对于热源的取向。例如，焊接熔池在热源前面通常比在热源正后面浅，因为焊接熔池刚开始在前面形成。相比之下，在热源后面完全形成焊接熔池145。因此，如果填充焊丝140在焊接熔池145完全形成的热源的后面进入焊接熔池145，则角度a可以被设置得更高以提供比填充焊丝140在焊接熔池145可以是浅的热源的前面进入焊接熔池145的情况下更大的穿透。因此，角度a可以基于填充焊丝140是在热源的前面、热源的后面还是两者间的某处进入焊接熔池145而不同。例如，如果焊接熔池是浅的和/或填充焊丝140被定向在热源的前面，则角度a可以被设置和/或调整为小角度，例如5度至30度、并且更优选地20度至30度。如果例如因为填充焊丝140在热源的后面，希望更大的穿透深度，则角度a可以被设置或调整为更大角度，例如45度至90度、并且更优选地60度至80度。
此外，基于焊丝140进入焊接熔池145的进入点与热源冲击焊接熔池145的点220之间的希望距离，可以例如手动地和/或经由机械臂210和控制器195设置和/或调整角度a。例如，较小的角度a允许填充焊丝140在更靠近点220的点处进入焊接熔池145，这可以允许填充焊丝140更快地熔化和/或允许焊接熔池145更快地冷却。另外，如果希望，则通过在更靠近焊接熔池更热的点220的点处进入焊接熔池145，可以减小或消除通过焊丝140的预热电流。填充焊丝140的角度a可以取决于各种参数，诸如填充焊丝的材料类型、工件的材料类型、焊接熔池的深度、焊接熔池的温度、焊道的希望形状、填充焊丝进入焊接熔池的进入点与热源之间的希望距离等。在一些实施例中，类似于上面讨论的实施例，在将填充焊丝140维持在希望角度a的同时，填充焊丝140可以在至少一个方向上移动，包括以下各项中的至少一个项：与行进方向111成直线的来回运动、横向于行进方向111的来回运动、圆形运动(顺时针或逆时针)、椭圆形运动(顺时针或逆时针)、z字形运动、以上的任何组合、或任何其他希望的运动。在一些实施例中，填充焊丝140的角度a的设置和/或调整可以与填充焊丝140在至少一个方向上的移动同步。在其他实施例中，填充焊丝140的角度a的设置和/或调整独立于填充焊丝140在至少一个方向上的移动。
当然，在一些实施例中，多于一根填充焊丝可以使其相应的角度a手动地和/或自动地调整到希望的值。相应角度a可以彼此相同或不同。例如，一根或多根填充焊丝可以具有小角度a，这样使得该(这些)填充焊丝可以被引导靠近点220，而(多根)其他填充焊丝可以具有大角度a并且被引导远离点220。填充焊丝可以任何希望的构型定向在高强度热源周围，例如在同一侧上、45度分开地定向、90度分开地定向、180度分开地定向、或者一些其他希望的取向。
相对于焊接熔池145的中心纵向轴线215的侧向位移或偏移量D允许调整填充焊丝材料在焊接熔池145中沉积的位置。基于焊丝140将被沉积在焊接熔池145中的位置，可以例如手动地和/或经由机械臂210和控制器195设置和/或调整偏移量D。例如，在用焊接接头的焊接操作中，偏移量D可以相对于焊接凹槽轴线。在包覆操作中，偏移量D可以相对于包覆层的中心纵向轴线。在示例性实施例中，可以基于工件和/或焊接凹槽接头中的偏差调整偏移量D。例如，如果来自提供焊缝的轮廓(例如，焊缝跟踪传感器)和/或工件的轮廓的传感器的反馈指示在焊接接头中存在偏差(例如，工件板中的一个工件板与工件的其他板相比已提升)，则感测和控制单元195可以被配置成用于使填充焊丝140进入焊接熔池145的位置偏置以校正偏差(例如，填充焊丝140进入焊接熔池的位置朝向未提升的板偏置适当偏移量D以补偿水平的差)。如果工件板正确对准，则偏移量可以为零，并且填充焊丝140沉积在焊接凹槽轴线上，即，不偏向一侧或另一侧。在包覆操作中，传感器可以提供被包覆的工件轮廓的反馈，并且对偏移量D进行适当调整，以考虑工件中的任何偏差或不规则性。另外，与角度a一样，也可以例如手动地和/或经由机械臂210和控制器195设置和/或调整偏移量D，以便获得由熔融熔池145形成的焊道(或包覆焊道)的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。
进一步地，当填充焊丝140相对于行进方向位于热源侧时，基于填充焊丝140进入焊接熔池145的进入点与点220之间的希望距离，可以例如手动地和/或经由机械臂210和控制器195设置和/或调整偏移量D。另外，与角度a一样，偏移量D可以取决于各种参数，诸如填充焊丝的材料类型、工件的材料类型、焊接熔池的深度、焊接熔池的温度、焊道的希望形状、填充焊丝进入焊接熔池的进入点与点220之间的希望距离等。在一些实施例中，类似于上面讨论的实施例，在将填充焊丝140的平均偏移量维持在希望偏移量D的同时，填充焊丝140可以在至少一个方向上移动，包括以下各项中的至少一项：与行进方向111成直线的来回运动、横向于行进方向111的来回运动、圆形运动(顺时针或逆时针)、椭圆形运动(顺时针或逆时针)、z字形运动、以上的任何组合、或任何其他希望的运动。在一些实施例中，填充焊丝140的偏移量D的设置和/或调整可以与填充焊丝140在至少一个方向上的移动同步。在其他实施例中，填充焊丝140的偏移量D的设置和/或调整独立于填充焊丝140在至少一个方向上的移动。
当然，在一些实施例中，多于一根填充焊丝可以使其偏移量D手动地和/或自动地调整到希望的值。基于填充焊丝的数量，相应偏移量D可以全部相同、全部彼此不同或者相同和不同的组合。例如，可以控制第一填充焊丝(或多根焊丝)使得平均地(多根)第一填充焊丝不具有位移，即相对于中心纵向轴线215成直线，而控制第二填充焊丝(或多根焊丝)使得平均地相对于中心纵向轴线215存在偏移量D。
在一些实施例中，当使用多于一根填充焊丝时，可以调整一根或多根填充焊丝的角度a和/或偏移量D，而(多根)其他填充焊丝的角度a和/或偏移量D位置保持在(多个)预定值。在一些实施例中，当高强度能源或填充焊丝仅在行进方向111上移动时，系统100可以被配置成使得高强度能源或填充焊丝中的另一者在至少一个方向上移动，其中该至少一个方向是以下各项中的至少一项：与行进方向111成直线的来回运动、横向于行进方向111的来回运动、圆形运动(顺时针或逆时针)、椭圆形运动(顺时针或逆时针)、z字形运动、以上的任何组合、或任何其他希望的运动。在一些实施例中，填充焊丝140的偏移量D和/或角度a的设置和/或调整可以与填充焊丝140和/或热源在相应的至少一个方向上的移动同步。在其他实施例中，填充焊丝140的偏移量D和/或角度a的设置和/或调整独立于填充焊丝140和/或热源在相应的至少一个方向上的移动。
另外，在其中使用多于一根填充焊丝的一些实施例中，至少一根填充焊丝的焊丝给送速度可以不同于(多根)其他填充焊丝的焊丝给送速度。因此，当使用多于一根填充焊丝时，至少一根填充焊丝的角度a、偏移量D和/或焊丝给送速度可以不同于(多根)其他填充焊丝的相应度角度a、偏移量D和/或焊丝给送速度。通过使用不同的角度a、偏移量D和/或焊丝给送速度，焊接熔池145的化学和/或焊道轮廓可以在需要时例如基于接头的类型来修改。在一些实施例中，对(多个)焊丝给送速度的控制可以与(多根)填充焊丝的角度a和/或偏移量D同步和/或与填充焊丝和/或热源在相应的至少一个方向上的移动同步。在其他实施例中，对(多个)焊丝给送速度的控制独立于填充焊丝和/或热源的角度a、偏移量D和/或在相应的至少一个方向上的移动。
在一些示例性实施例中，取决于焊接接头的类型，在热源和(多根)填充焊丝在行进方向111上移动时，热源和/或一根或多根填充焊丝以编织图案移动。编织图案在焊接凹槽中以预定图案移动热源和/或至少一根填充焊丝。例如，如图6所示，在焊接在行进方向111上前进时，热源(例如光束110)可以以编织图案225移动，该编织图案从焊接接头230的一个侧壁230A延伸到焊接接头230的另一侧壁230B(或者在执行包覆操作时从一个外侧包覆边缘到另一个外侧包覆边缘)。替代性地，或者除了热源之外，还可以控制至少一根填充焊丝例如填充焊丝140以遵循相应的编织图案。在图6的实施例中，编织图案225是三角波并且从一个侧壁230A延伸到另一个侧壁230B。当然，编织图案225是示例性的，并且编织图案不需要从一个侧壁或外部包覆边缘完全延伸到另一个侧壁或外部包覆边缘，即，编织图案可以不到一个侧壁/外部包覆边缘就停止或不到两个侧壁/边缘就停止。另外，编织图案类型可以是正弦波、三角波、方形阀、其任何组合、或者一些其他希望的图案。编织图案幅值将取决于焊接凹槽间隙和/或焊道或包覆焊道的希望轮廓。例如，可以使用更大的幅值来覆盖更大的焊接接头间隙和/或提供更平坦的焊道或包覆焊道。编织图案频率确定扫描速度，并因此确定热源和/或填充焊丝与焊接熔池之间在焊接熔池上的任何给定点的相互作用时间。一般来讲，更高频率将意味着热源和/或填充焊丝与焊接熔池之间的更少相互作用时间(即，更少热量从热源转移到焊接熔池，和/或针对给定的焊丝给送速度更少的填充材料从填充焊丝沉积在任何点)，并且更低频率将意味着热源和/或填充焊丝与焊接熔池之间的更多相互作用时间(即，更多热量从热源转移到焊接熔池，和/或针对给定的焊丝给送速度更多的填充材料从填充焊丝沉积在任何点)。另外，编织图案可以包括在编织图案路径上的一个或多个位置处的停留时间，其中在预定时间段内，热源和/或填充焊丝的扫描速度减慢到预定速度或者甚至暂停。例如，热源和/或填充焊丝的扫描可以在焊接凹槽的侧壁处减速或暂停，以便增加输入到焊缝的热量和/或增加沉积的填充材料的量以沿着侧壁形成更好的焊接。在执行包覆操作时，热源和/或填充焊丝的扫描可以在包覆层的外侧边缘处减速或暂停，以便增加输入到包覆层的热量和/或增加沉积的填充材料的量以提供更平坦的包覆焊道和/改变包覆层的轮廓。
在一些示例性实施例中，填充焊丝和/或热源在相应的至少一个方向上的移动可以与(多个)相应的编织图案叠加。即，当热源和/或填充焊丝被扫描以执行如以上讨论的编织图案时，热源和/或填充焊丝视情况而定分别以以下各项中的至少一项移动：与行进方向111成直线的来回运动、横向于行进方向111的来回运动、圆形运动(顺时针或逆时针)、椭圆形运动(顺时针或逆时针)、z字形运动、以上的任何组合、或任何其他希望的运动。热源和/或填充焊丝的编织图案和在相应的至少一个方向上的运动的组合提供在获得由熔融熔池形成的焊接/包覆焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物时的更大的灵活性。在一些实施例中，对填充焊丝和/或热源的编织图案的控制可以与(多根)填充焊丝的角度a和/或偏移量D同步和/或与填充焊丝和/或热源在相应的至少一个方向上的移动同步。在其他实施例中，对编织图案的控制独立于填充焊丝和/或热源的角度a、偏移量D和/或在相应的至少一个方向上的移动。
在一些实施例中，感测和控制单元195包括传感器(未示出)，该传感器向控制单元195提供关于焊道WB的轮廓、熔融熔池145的轮廓、焊缝的轮廓、和/或工件的轮廓的反馈。基于反馈，控制单元195可以动态地改变至少一个填充焊丝和/或热源的角度a、偏移量D、焊接操作的(多个)编织图案、(多个)焊丝给送速度、在相应的至少一个方向上的移动、或其组合，以便获得由熔融熔池形成的焊接焊道或包覆焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。提供焊接熔池、焊接焊道、焊接接头和/或工件的轮廓的反馈的传感器(例如焊缝跟踪传感器)在本领域中是已知的，并因此将不详细讨论。在一些实施例中，在焊接系统在行进方向上移动时，传感器例如焊缝跟踪传感器向控制单元195提供关于焊接接头的焊接接头间隙、厚度和/或取向的反馈，并且控制单元195可以动态地改变至少一个填充焊丝和/或热源的角度a、偏移量D、焊接操作的(多个)编织图案、(多个)焊丝给送速度、在至少一个方向上的移动、或其组合，以便获得由熔融熔池形成的焊接焊道或包覆焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。例如，如果来自焊缝跟踪传感器的反馈指示焊接间隙已变宽，则感测和控制单元195可以被配置成用于同步或独立地执行以下各项中的一项或多项：增大编织图案以确保焊接熔池145覆盖间隙，调整填充焊丝和/热源在至少一个方向上的移动以确保焊接熔池覆盖间隙，提高填充焊丝的焊丝给送速度以确保更多填充材料被添加到间隙，降低行进速度以确保间隙被覆盖，减小热源的强度以确保使得不存在吹穿，减小角度a以确保填充焊丝不那么深地穿透，和/或视情况而定调整偏移量D。相反，如果传感器反馈指示间隙已减小，则感测和控制单元195可以被配置成用于同步或独立地执行以下各项中的一项或多项：减小编织图案以确保焊接熔池145不超过间隙，调整填充焊丝和/热源在至少一个方向上的移动，降低填充焊丝的焊丝给送速度以确保更少填充材料被添加到间隙，提高行进速度以确保更少填充材料被添加到间隙，增加热源的强度以确保焊接熔池处于适当深度，增大角度a以确保填充焊丝具有适当穿透，和/或视情况而定调整偏移量D。接缝跟踪传感器在本领域中是已知的，并因此将不会详细讨论。
虽然已经参考某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且用等效物替换。此外，可以进行许多修改来使得具体的情况或材料与本发明传授内容相适配而不背离其范围。因此，所旨在的是本发明并不受限于所披露的这些具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (24)

1.一种控制填充焊丝的方法，所述方法包括：
利用高能量热源加热至少一个工件以在所述至少一个工件的表面上形成熔融熔池；
将填充焊丝给送到所述熔融熔池中；
在行进方向上推进所述高能量热源和所述填充焊丝中的每一项以将所述填充焊丝沉积在所述至少一个工件上；
在所述给送所述填充焊丝以及所述推进所述填充焊丝和所述高能量热源的过程中，在至少第一方向上移动所述填充焊丝和在至少第二方向上移动所述高能量热源中的至少一项，其中所述至少第一方向和所述至少所述第二方向中的每一项都不同于所述行进方向；
设置所述填充焊丝相对于所述熔融熔池的表面进入所述熔融熔池的进入角度以及所述填充焊丝相对于所述熔融熔池的纵向轴线的偏移量中的至少一项；以及
通过控制所述角度和所述偏移量中的至少一项的所述设置来控制所述填充焊丝在所述至少第一方向上的所述移动以及所述高能量热源在所述至少第二方向上的所述移动中的至少一项，以便获得由所述熔融熔池形成的焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述至少第一方向上的所述移动以及所述高能量热源在所述至少第二方向上的所述移动中的每一项包括以下各项中的至少一项：与所述行进方向成直线的来回运动、横向于所述行进方向的来回运动、圆形运动、椭圆形运动、以及z字形运动。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
在所述填充焊丝进入所述熔融熔池之前，将所述填充焊丝预热到所述填充焊丝的熔化温度或附近。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述高能量热源包括激光器，所述激光器将激光束引导到所述至少一个工件上以形成所述熔融熔池。
5.如权利要求2所述的方法，进一步包括使得所述填充焊丝和所述热源中的至少一项以编织图案进行扫描。
6.如权利要求5所述的方法，其中在所述编织图案过程中所述热源和所述填充焊丝中的所述至少一项的所述扫描包括在所述编织图案上的一个或多个位置处使得所述扫描减慢或暂停的停留时间。
7.如权利要求2所述的方法，进一步包括控制所述填充焊丝的焊丝给送速度以获得由所述熔融熔池形成的所述焊道的所述希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。
8.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
将第二填充焊丝给送到所述熔融熔池中；
在所述行进方向上推进所述第二填充焊丝以将所述第二填充焊丝沉积在所述至少一个工件上；
在所述给送所述第二填充焊丝以及所述推进所述第二填充焊丝的过程中在至少第三方向上移动所述第二填充焊丝，其中所述至少第三方向不同于所述行进方向；以及
设置所述第二填充焊丝相对于所述熔融熔池的所述表面进入所述熔融熔池的进入角度以及所述第二填充焊丝相对于所述熔融熔池的所述纵向轴线的偏移量中的至少一项；
其中所述控制以获得由所述熔融熔池形成的所述焊道的所述希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物进一步包括控制所述第二填充焊丝在所述至少第三方向上的所述移动，并且
其中所述第二填充焊丝在所述至少第三方向上的所述移动包括以下各项中的至少一项：与所述行进方向成直线的来回运动、横向于所述行进方向的来回运动、圆形运动、椭圆形运动、以及z字形运动。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括控制所述填充焊丝的第一焊丝给送速度和所述第二填充焊丝的第二焊丝给送速度中的至少一项，以便影响所述焊接熔池的化学和所述焊道的所述希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物中的至少一项。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述控制在所述至少第一方向上的所述移动和在所述至少第二方向上的所述移动中的至少一项与所述控制所述角度和所述偏移量中的至少一项的所述设置同步。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述控制在所述至少第一方向上的所述移动和在所述至少第二方向上的所述移动中的至少一项独立于所述控制所述角度和所述偏移量中的至少一项的所述设置。
12.如权利要求1所述的方法，基于来自传感器的反馈控制以下各项中的至少一项：所述填充焊丝在所述至少一个方向上的所述移动、所述高能量热源在所述至少第二方向上的所述移动、所述填充焊丝的焊丝给送速度、在所述行进方向上的行进速度、所述高能量热源的强度、所述填充焊丝的所述角度、以及所述填充焊丝的所述偏移量。
13.一种用于控制填充焊丝的系统，所述系统包括：
高强度能源，所述高强度能源被配置成用于加热至少一个工件以在所述至少一个工件的表面上形成熔融熔池；
填充焊丝给送器，所述填充焊丝给送器被配置成用于将填充焊丝给送到所述熔融熔池中；
行进方向控制器，所述行进方向控制器被配置成用于在行进方向上推进所述高强度能源和所述填充焊丝中的每一项以将所述填充焊丝沉积在所述至少一个工件上；以及
控制器，所述控制器被配置成用于在所述给送所述填充焊丝以及所述推进所述填充焊丝和所述高强度能源的过程中，在至少第一方向上移动所述填充焊丝和在至少第二方向上移动所述高强度能源中的至少一项，其中所述至少第一方向和所述第二方向中的每一项都不同于所述行进方向，
其中所述控制器被配置成用于设置所述填充焊丝相对于所述熔融熔池的表面进入所述熔融熔池的进入角度以及所述填充焊丝相对于所述熔融熔池的纵向轴线的偏移量中的至少一项，并且
其中所述控制器被配置成用于通过控制所述角度和所述偏移量中的至少一项的所述设置来控制所述填充焊丝在所述至少第一方向上的所述移动以及所述高强度能源在所述至少第二方向上的所述移动中的至少一项，以便获得由所述熔融熔池形成的焊道的希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述填充焊丝在所述至少第一方向上的所述移动以及所述高强度能源在所述至少第二方向上的所述移动中的每一项包括以下各项中的至少一项：与所述行进方向成直线的来回运动、横向于所述行进方向的来回运动、圆形运动、椭圆形运动、以及z字形运动。
15.如权利要求14所述的系统，进一步包括：
焊丝电源，所述焊丝电源被配置成用于在所述填充焊丝进入所述熔融熔池之前，将所述填充焊丝预热到所述填充焊丝的熔化温度或附近。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述高强度能源包括激光器，所述激光器被配置成用于将激光束引导到所述至少一个工件上以形成所述熔融熔池。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器被配置成用于使得所述填充焊丝和所述高强度能源中的至少一项以编织图案进行扫描。
18.如权利要求17所述的系统，其中在所述编织图案过程中所述热源和所述填充焊丝中的所述至少一项的所述扫描包括在所述编织图案上的一个或多个位置处使得所述扫描减慢或暂停的停留时间。
19.如权利要求14所述的系统，进一步包括控制所述填充焊丝的焊丝给送速度以获得由所述熔融熔池形成的所述焊道的所述希望形状、轮廓、高度、尺寸、或所述混合物。
20.如权利要求14所述的系统，进一步包括：
第二填充焊丝给送器，所述第二填充焊丝给送器被配置成用于将第二填充焊丝给送到所述熔融熔池中，所述行进方向控制器进一步被配置成用于在所述行进方向上推进所述第二填充焊丝以将所述第二填充焊丝沉积在所述至少一个工件上，
其中所述控制器被配置成用于在所述给送所述第二填充焊丝以及所述推进所述第二填充焊丝的过程中在至少第三方向上移动所述第二填充焊丝，其中所述至少第三方向不同于所述行进方向，
其中所述控制器被配置成用于设置所述第二填充焊丝相对于所述熔融熔池的所述表面进入所述熔融熔池的进入角度以及所述第二填充焊丝相对于所述熔融熔池的所述纵向轴线的偏移量中的至少一项，
其中所述控制以获得由所述熔融熔池形成的所述焊道的所述希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物进一步包括控制所述第二填充焊丝在所述至少第三方向上的所述移动，并且
其中所述第二填充焊丝在所述至少第三方向上的所述移动包括以下各项中的至少一项：与所述行进方向成直线的来回运动、横向于所述行进方向的来回运动、圆形运动、椭圆形运动、以及z字形运动。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述控制器被配置成用于控制所述填充焊丝的第一焊丝给送速度和所述第二填充焊丝的第二焊丝给送速度中的至少一项，以便影响所述焊接熔池的化学和所述焊道的所述希望形状、轮廓、高度、尺寸、或混合物中的至少一项。
22.如权利要求13所述的系统，其中所述控制器被配置成使得在所述至少第一方向上的所述移动和在所述至少第二方向上的所述移动中的至少一项与所述控制所述角度和所述偏移量中的至少一项的所述设置同步。
23.如权利要求13所述的系统，其中所述控制器被配置使得在所述至少第一方向上的所述移动和在所述至少第二方向上的所述移动中的至少一项独立于所述控制所述角度和所述偏移量中的至少一项的所述设置进行。
24.如权利要求13所述的系统，进一步包括传感器，所述传感器用于提供对所述熔融熔池、所述焊接焊道、焊接接头、以及所述工件中的至少一项的轮廓的反馈，
其中，基于所述反馈，所述控制器被配置成用于控制以下各项中的至少一项：在所述至少一个方向上的所述移动、在所述至少第二方向上的所述移动、所述填充焊丝的焊丝给送速度、在所述行进方向上的行进速度、所述高强度能源的强度、所述填充焊丝的所述角度、以及所述填充焊丝的所述偏移量。
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