CN110997218A - 同轴激光热丝头 - Google Patents

Abstract

一种激光处理头包括连接到电源的第一(116)和第二(118)接触点。电源产生电流以流过第一和第二接触点之间的电极丝(112)以加热电极丝。激光源产生具有足以至少部分熔化电极丝的激光功率的一个或多个激光束(108A、108B)。同轴激光头将一个或多个激光束聚焦在工件(114)上的一个或多个焦点(110)处，以至少部分地熔化电极丝。

Description

同轴激光热丝头

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2017年6月9日提交的美国临时专利申请序列号62/517,781的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

焊接是一种历史上是有成本效率的接合方法的工艺。焊接是在其芯部简单地结合两片母体材料的方式。激光焊接是一种通过使用激光来接合多片金属的焊接技术。该光束提供集中热源，能够精确控制热输入和高焊接速度，生成具有低热输入和小的热影响区域的焊接处。在各种应用中，可能需要填充金属用于不同目的，例如填充间隙、增强接合、覆盖基底表面、构建物体，或用作缓冲介质。可以通过预沉积层或通过进给粉末或丝将填充材料带入熔池中。由于时间要求和形成复杂形状物体的困难，预沉积成层在所有应用中不是优选的。由于粉末注射方法提供的灵活性和精确性，该方法被广泛使用。

丝进给是较不常见但有前途的技术，例如在大结构的沉积中。与使用粉末的增材制造相比，丝进给提供了几个优点，包括接近总材料利用率，良好的偏离位置公差，高沉积速率，更清洁的工作环境，更安全的操作和低材料成本。在一些示例中，丝由焊接工具提供并且由工件处提供的电力(换言之，冷丝)熔化。在其它示例中，在应用到工件之前，丝被预热以增加丝的温度。

在一些示例中，来自激光束的功率用于在焊接操作期间熔化丝，这可以为激光应用提供扩展的机会。然而，丝通常横向进给到熔池中，这使得处理方向依赖于需要丝和激光束的严格对准。因此，需要一种克服预热和激光技术的挑战但又结合了其优点的系统。

发明内容

本公开总体上涉及与焊接处理头一起使用的丝预热系统、方法和装置。更具体地，本公开涉及一种激光焊接处理头，该激光焊接处理头能够将连续进给的电极丝预热以用于采用同轴激光头的激光焊接系统。如本文所述，同轴激光头定义为与中心丝进给系统一起用于焊接的激光头。

在公开的示例中，提供了一种激光处理头，其包括连接到电源的第一接触点和连接到电源的第二接触点，电源配置为产生电流以流过第一接触点和第二接触点之间的电极丝以加热电极丝。激光源配置为产生具有足以至少部分地熔化电极丝的激光功率的一个或多个激光束。以及同轴激光头，其配置为将一个或多个激光束聚焦在工件上的一个或多个焦点处，以至少部分地熔化电极丝。

在一些示例中，电极丝与第一接触点和第二接触点都电接触。

在示例中，焦点对应于电极丝与工件接触的位置。

在一些示例中，电源包括控制器，该控制器配置为控制流过第一和第二接触点之间的电极丝的电流水平，以调节电极丝中的加热水平。在示例中，控制器进一步配置为从电流反馈回路中的传感器接收电流测量值并基于电流反馈回路控制电流水平。在一些示例中，该电源包括控制器，该控制器配置为从电压反馈回路中的传感器接收第一和第二接触点之间的电压测量值；以及基于电压反馈回路控制电压水平。

在示例中，同轴激光头配置为围绕一个或多个焦点将一个或多个激光束扫描为中空锥形束。在一些示例中，同轴激光头配置为以连续图案扫描一个或多个激光束。在示例中，同轴激光头配置为将一个或多个激光束中的激光束分开成两个或多个光束；以及将两个或多个光束朝向焦点聚焦。在一些示例中，同轴激光头配置为通过以多个图案中的一个或多个围绕焦点移动激光功率而在焦点处生成多个加热分布中的一个。在示例中，多个图案包括圆形、椭圆形、锯齿形、8字形、月牙形、三角形、正方形、矩形、非线性图案、非对称图案、暂停或其任意组合。

在一些示例中，处理头配置为使用电极丝执行增材制造操作。

在另一个公开的示例中，提供了一种执行增材制造、焊接或包覆工艺的方法。该方法包括在电源处产生电流以流过第一接触点和第二接触点之间的电极丝以加热电极丝；在激光源处产生一个或多个激光束，一个或多个激光束共同具有足以至少部分地熔化电极丝的激光功率；以及通过激光源将一个或多个激光束聚焦在工件上的一个或多个焦点处，在该焦点处电极丝与工件接触以至少部分地熔化电极丝。

在一些示例中，该方法还包括由控制器控制流过电极丝的电流水平，以响应于电压反馈信号来调节电极丝中的加热水平。

在示例中，该方法还包括通过电源基于电极丝的沉积速率调节电极丝的热值。

在一些示例中，该方法还包括调整激光功率水平，激光功率的光点尺寸或一个或多个激光束的形状中的至少一个，以调整焦点处的激光功率的功率分布。

在又一公开的示例中，激光焊接系统包括丝进给机以将电极丝驱动到处理头，该处理头包括第一接触点和第二接触点。一个或多个电源连接到第一和第二接触点两者，一个或多个电源配置为产生电流以流过第一接触点和第二接触点之间的电极丝以加热电极丝；以及向电极丝提供电力以经由第一接触点或第二接触点在电极丝与工件之间生成电弧。激光源配置为产生具有足以至少部分地熔化电极丝的激光功率的一个或多个激光束。以及同轴激光头，其配置为将一个或多个激光束聚焦在工件上的一个或多个焦点处，以至少部分地熔化电极丝。

在一些示例中，丝加热器配置为在沿着电极丝的丝进给路径的第一和第二接触点之前或之后的位置处加热电极丝。

在示例中，控制器配置为在沿着填充丝的丝进给路径的第一和第二接触点之前或之后的位置处选择性地加热电极丝。

在一些示例中，激光源配置为选择工件处的激光功率点或激光功率分布的形状以对应于多个热分布中的一个。

在示例中，激光源包括配置为聚焦激光功率的光学设备，该光学设备包括分束器、反射镜、光纤、透镜和衍射光栅中的一个。

在一些示例中，电弧箝位模块耦合到第一接触点和第二接触点，电弧箝位模块配置为向控制器提供与第一接触点和第二接触点处的电压或电流相关联的反馈信号；以及响应于来自控制器的基于反馈信号的控制信号，重定向电流的至少一部分以流过电弧箝位模块。

附图说明

图1示出了根据本公开的方面的用于焊接系统的示例激光处理头。

图2A和2B示出了根据本公开的方面的示例性激光焊接系统的功能图。

图3示出了根据本公开的方面的用于焊接系统的示例激光处理头控制。

图4是表示根据本公开的方面的采用图1-3的激光处理头的示例方法的流程图。

图5A到5D示出了根据本公开的方面的示例性激光扫描图案。

附图不是按比例绘制的。在适当的情况下，在附图中使用相同或相似的附图标记来表示相似或相同的元件。

具体实施方式

本公开涉及一种激光焊接处理头，该激光焊接处理头能够将连续进给的电极丝预热以用于采用同轴激光头的激光焊接系统中。这里公开的示例系统和方法采用同轴激光头来产生多个激光束(即一个或多个)并将其聚焦到工件上的一个或多个焦点位置上。焦点对应于形成焊接熔池的电极丝的接触点。例如，来自激光束的功率以及在热丝进给的情况下的预热能量用于在焊接操作期间熔化电极丝。激光束熔化电极所需的功率至少部分地由电极丝的预热水平确定。例如，电极丝被预热到低于电极丝的熔化温度的水平。因此，与例如熔化冷丝所需的功率相比，应用到预热的丝上的激光功率将减小。

在一些传统应用中，将丝横向进给到熔池，这使得处理方向依赖于丝和激光束的严格对准。在本公开中，提供了一种具有中心丝进给系统的同轴激光头。同轴激光头通过不同的应用实现了复杂形状物体的激光处理，将两个工作轴简化为一个轴，并且减少了丝布置位置和相对激光束的角度等控制参数的数量。此外，丝上的预热方法独立于基底或熔池条件，提供非常稳定的过程。

在一些示例中，同轴激光头可以产生作为恒定的连续激光束的激光功率，其中一些示例产生作为脉冲激光的激光功率。激光束可被分开，使得两个或多个激光束可被聚焦在与焊接熔池相关联的一个或多个焦点处。在示例中，当电极丝通过激光处理头移动到工件时，同轴激光头可以绕与电极丝共线的轴旋转。

激光发生器和电极丝的对准提供了优于非对准系统的优点，例如采用远离电极丝和/或偏离中心轴的激光的激光焊接系统。激光发生器在同轴激光头和电极丝中的相对定位提供了紧凑的设备，其保持用于将电极丝沉积到焊接接头的简单且可预测的轴。因此，所公开的激光处理头的方向和角度允许接近挑战性的焊接(例如，用于紧密拐角、小空间中的焊接，或被工件的其它部分遮蔽等)，这对于传统的非对准焊接系统来说是困难的或不可能的。

此外，非对准系统需要复杂的建模以确保激光功率和电极丝在同一焦点处与工件接触。例如，在非对准系统中丝布置、应用角度、行进方向以及机械臂的物理定位将增加提供一致的焊接质量所需的变量和处理功率的数量。

另外，与冷丝系统相比，预热电极丝使得系统能够在焊接工艺期间增加沉积速率，以及减少形成焊接所需的激光功率。例如，冷丝工艺的常见问题包括对实验条件的敏感性和工艺参数的严格公差。热丝提供了冷丝的替代物，其能够增强沉积工艺的稳定性和生产率。激光能量可用于熔化基底表面以形成冶金结合。预热丝还可以释放作用在丝上的铸造力，该铸造力软化丝以减小作用在丝和焊炬上的反冲力。激光热丝技术导致总的更有效的能量利用，并且其增加了沉积速率，其可以比冷丝或粉末高多达三倍。

为了促进对所要求保护的技术的原理的理解并呈现其当前理解的最佳操作模式，现在将参考附图中示出的示例，并且将使用特定语言来描述这些示例。然而，应当理解，并不旨在由此限制所要求保护的技术的范围，所说明的设备中的这些改变和进一步修改以及所说明的所要求保护的技术的原理的这种进一步应用被认为是所要求保护的技术所涉及的领域的技术人员通常会想到的。

如这里所使用的，词语“示例性”意味着用作示例、实例或说明。这里描述的示例不是限制性的，而是仅仅是示例性的。应当理解，所描述的示例不必被解释为比其他示例优选或有利。此外，术语“示例”不要求本公开的所有示例包括所讨论的特征、优点或操作模式。

如在此使用的，丝进给焊接类型系统是指能够执行焊接(例如，气体金属电弧焊接(GMAW)、气体钨电弧焊接(GTAW)等)、钎焊、包覆、堆焊和/或其他工艺的系统，其中填充金属由进给到工作位置(例如，电弧或焊接熔池)的丝提供。

如本文所用，焊接型电源是指当向其施加电力时能够提供焊接、包覆、等离子切割、感应加热、激光(包括激光焊接和激光包覆)、碳弧切割或刨削和/或电阻预热的任何设备，包括但不限于变压器-整流器、逆变器、转换器、谐振电源、准谐振电源、开关模式电源等，以及与其相关的控制电路和其它辅助电路。

如本文所用，预热是指在焊接电弧和/或在电极丝的行进路径中沉积之前加热电极丝。

一些公开的示例描述了“从”和/或“到”电路和/或电源中的位置传导的电流。类似地，一些公开的示例描述了经由一个或多个路径“提供”电流，该路径可以包括一个或多个导电或部分导电的元件。用于描述电流传导的术语“从”，“到”和“提供”不需要电流的方向或极性。相反，对于给定的电路，这些电流可以在任一方向上传导或具有任一极性，即使提供或说明了示例电流极性或方向。

图1示出了示例激光处理头100的功能图，该激光处理头可以与焊炬集成。该处理头100连接到一个或多个电源，以为连续进给的电极丝112提供预热功率和/或激光功率。电极丝112可以是“冷”丝或“热”丝(例如预热的)，以用于增材制造、焊接和/或钎焊操作。

处理头100包括支撑同轴激光头104的基座102。同轴激光头104围绕与电极丝112共线的轴配置。电极丝112通过焊炬内的丝导向装置120被引导到工件114。在图1的示例中，电极丝112经由丝导向装置120朝向工件114被驱动穿过处理头100。同轴激光头104可包括激光源(例如，图3的激光源170)以及一个或多个透镜106A、106B或其它光学设备，以引导来自同轴激光头104的一个或多个激光束108A、108B聚焦在工件114上的一个或多个焦点位置110上。例如，焦点位置110可以对应于电极丝112的接触点。因此，来自激光束108A、108B的功率可用于在焊接操作期间熔化电极丝112。激光束108A、108B可以聚焦在工件114上以生成熔融材料池。通过电极丝112与熔池(例如熔池)的接触导致电极丝112熔化到熔池中。

在一些示例中，同轴激光头104可以提供作为恒定的、连续激光束的激光功率。另外地或可替代地，同轴激光头104提供脉冲激光束和/或任何其它期望的激光分布。可以从协调控制器和/或激光源来控制激光功率的特定量、脉冲束的频率和/或与激光功率的应用相关联的其它控制参数。

尽管图1示出了两个透镜106A、106B，但是同轴激光头104可以配置有单个透镜或两个或多个透镜。在一些示例中，同轴激光头104的透镜配置为绕轴线旋转，例如通过同轴激光头104的旋转。在一些示例中，可以连续地产生由透镜引导的激光束，从而提供限定“中空”内部的大致锥形的激光分布，该“中空”内部导致激光功率在焦点位置110处聚焦。在其它示例中，激光束能够以一系列规则或不规则定时的脉冲产生。在一些示例中，单个激光束可以被一个或多个光学元件分开，例如反射镜、分束器、光栅或其它合适的设备。同轴激光头104可以配置为例如将分开激光束的每个光束聚焦在焦点110处。

在公开的示例中，激光源由一个或多个功率转换器供电以熔化丝114。在一些示例中，独立于激光源使用电弧焊接操作或与激光源一起使用电弧焊接操作来熔化丝114。电弧焊接功率可以与为激光源供电的功率转换器分开提供，或者与另一个功率转换器分开提供。

在示例中，处理头100可以包括一个或多个预热设备。在图1的示例中，第一接触点116和第二接触点118可以连接到一个或多个功率转换器(参见例如图2B)以使电流通过第一和第二接触点116、118之间的丝112的一部分。电流电阻加热丝112，提高丝112的热值(例如，焓、温度等)。这样，丝112在与工件114接触之前被预热。因此，熔化预热的丝114(例如，通过熔池)所需的激光功率的量减小。接触点可包括适于传导电信号的任何种类的材料和/或设备(例如，金属触点、焊接接触尖端、电刷等)。

在一些示例中，可以使用另外的和/或替代的预热设备。在一些示例中，预热设备可以沿着至处理头的丝进给路径定位(例如，靠近送丝机)。在其它示例中，预热设备可与处理头100集成。例如，第三和/或第四接触点可包括在处理头100内或沿丝进给路径的另一位置处，以电阻性地加热丝112。另外地或可替代地，可以包括电阻加热线圈124，该电阻加热线圈124配置为辐射足以升高经由丝导向装置120与丝112相关联的热值的热量。一个示例包括使用镍铬铁合金、铂和/或其它合适的材料构造电阻加热线圈124，以将电极丝112从丝进给源同时物理地支撑和/或引导到焊枪，并同时加热电极丝112。加热线圈124可以由一个或多个功率转换器(例如，图2B的示例电源132的功率转换器140-144)加热。电极丝112由加热线圈124加热，使得电极丝112在到达工件114时具有升高的温度(例如，增加的焓值)。

在一些示例中，电阻加热系统(例如，使用第一和第二接触点116、118)和辐射加热线圈124可集成到一个处理头100中，使得可响应于一个或多个输入(例如，沉积速率、丝类型、温度、焊接类型操作等)通过一个或多个加热模式来动态地调整丝112的加热分布。加热模式可由控制器(例如，图2B的控制器152)控制，使得两者均由单个功率转换电路供电(例如，图2B的第二功率转换器142可替代地为每一加热模式供电)。另外地或可替代地，每个加热模式可以由各自的功率转换电路供电(例如，第二功率转换器142为电阻加热器供电，而第三功率转换器144为辐射加热线圈124供电)。

参照图2A，示出了示例焊接类型系统，其中机器人92用于使用焊接工具136焊接工件114，例如是图示的弯曲颈(即鹅颈设计)焊炬(或者，当处于手动控制下时，手持式焊炬)，通过焊接设备90经由导管93向所述焊炬输送电力。

图2B是包括电源132的焊接类型系统130的示例实现的框图。在一些示例中，焊接类型系统130配置为执行增材制造、焊接和/或钎焊操作。示例电源132为焊接应用供电并控制焊接应用。在一些示例中，电源132直接向焊炬136提供输入功率。在一些示例中，焊炬136包括具有激光同轴头104的处理头100，如图1所示。在所示示例中，焊接电源132配置为向焊接操作和/或预热操作供电。示例焊接电源132还配置为向一个或多个焊接附件提供电力，例如送丝机134、感应加热器等，该送丝机134将电极丝112供应到用于各种焊接应用(例如GMAW焊接、焊剂芯电弧焊接(FCAW))的焊炬136。如图所示，送丝机134包括用于保持电极丝112的辊的卷轴135。辊135将丝112从卷轴135经由丝路径168驱动到焊炬136。

电源132接收主功率138(例如，来自AC或DC电网、发动机/发电机组、电池，或其他能量产生或储存设备，或其组合)，调节主功率，并且根据系统的需求向一个或多个焊接设备和/或预热设备提供输出功率。主功率138可从非现场位置供应(例如，主功率可源自电网)。在图1的示例中，焊接电源132包括功率转换器140、142和144，每个功率转换器140、142和144可以包括变压器、整流器、开关等，能够根据系统的需求(例如，特定的焊接工艺和方案)将主功率转换为AC和/或DC输出功率。功率转换器140-144将输入功率(例如，主功率138)转换为焊接型激光功率和/或用于预热电极丝低电压功率。

在一些示例中，功率转换器140-144配置为将主功率138转换为焊接型激光功率和预热功率输出两者。然而，在其他示例中，功率转换器140-144中的每一个都适于将主功率转换为焊接激光功率输出和预热功率中的一个。电源132可以采用任何合适的功率转换系统或机构来产生和提供焊接功率和预热功率这两者。尽管图示为单个电源132，但是在一些示例中，提供了多个电源，例如向一个或多个转换电路140-144和/或送丝机134、焊接工具136、预热设备等中的一个或多个提供电力。

电源132配置为经由电缆和/或控制臂162连接到焊接型工具(例如焊炬136)，以传输功率，发送和/或接收信息，和/或控制焊炬的移动。电极丝112可用于在工件114上进行焊接。在一些焊接环境中，工件114配置为经由电缆164与电源132连接。送丝机134经由丝进给路径168提供电极丝112，送丝机134配置为经由电缆166向电源132发送信息和/或从电源132接收信息。

在一些示例中，功率转换器140-144位于电源132中。在一个示例中，第一功率转换器140配置为输出用于激光和/或电弧焊接操作的焊接型激光功率。第二功率转换器142可以配置为向预热系统(参见例如图1)输出功率。在一些示例中，第一功率转换器140和第二功率转换器142配置为例如根据所识别的焊接操作从控制器152接收命令和/或信息。例如，第二功率转换器142可以沿着丝路径向预热设备提供功率，例如在处理头100内。为了熔化丝112以形成焊接，预热丝112需要较少的激光功率。

在其他示例中，系统130配置为在沿着丝路径的位置处(例如在送丝机134与处理头100之间)加热丝112。除了位于焊炬13内的接触点之外，两个或多个接触点和/或加热线圈可以位于处理头100之前，例如在送丝机134上或附近。另外的或可替代的接触点和/或加热线圈可以由控制器152控制，以与送丝机134、焊炬136和处理头100一起操作。例如，控制器152可以接收关于系统的输出或其他特性的信息(例如，反馈)。作为响应，控制器152可以调节系统的参数，例如激光功率、预热功率、丝进给速度等。

在图2B所示的系统的示例实施中，第一功率转换器140配置为提供焊接激光功率，例如在激光源处产生激光功率(参见例如图3)。在一个示例中，第二功率转换器142配置为连接到第一接触点116和第二接触点118。第二功率转换器142可以配置为提供信号(例如，在0-14伏之间)以电阻性地加热第一接触点116和第二接触点118之间的电极丝112。在所公开的示例中，第一功率转换器140和第二功率转换器142配置为协作，提供电阻热以及激光功率。

在一些示例中，第三功率转换器144为电极丝112提供另外的和/或可替代的预热。例如，第三功率转换器144可以在处理头100中(例如，向加热线圈124)或在沿着丝路径的不同位置处(例如，在丝112的尖端处或附近)提供额外的预热功率。

焊接电源132还包括用户接口148。控制器152从用户接口148接收输入，通过该输入，用户可以选择工艺和/或输入期望的参数(例如，电压、电流、特定的脉冲或非脉冲焊接方案、预热能量或功率等)。用户接口148可以使用任何输入设备来接收输入，例如经由小键盘、键盘、按钮、旋钮、触摸屏、语音激活系统、无线设备、远程处理器等。此外，控制器152基于用户的输入以及基于其他当前操作参数来控制操作参数。具体地，用户接口148可以包括用于向操作者呈现、示出或指示信息的显示器150。控制器152还可以包括通信电路，用于与系统中的其它设备通信数据，例如送丝机134。例如，在一些情况下，电源132与焊接系统内的其它焊接设备无线通信。此外，在一些情况下，电源132使用有线连接与其它焊接设备通信。

控制器152包括至少一个控制焊接电源132的操作的控制器或处理器154。控制器152接收和处理与系统的性能和需求相关联的多个输入。处理器154可以包括一个或多个微处理器，例如一个或多个“通用”微处理器，一个或多个专用微处理器和/或ASIC、FPGA和/或任何其它类型的处理设备。例如，处理器154可以包括一个或多个数字信号处理器(DSP)。

在一些示例中，控制器152控制预热水平和焊接激光功率水平，并且响应于用户对预热水平的改变来修改焊接激光功率水平。另外地或可替代地，预热水平和/或焊接激光功率水平可以由用户根据目标热输入、目标预热功率水平和/或预热功率与焊接类型激光功率之间的目标比率来指定。

在一些示例中，第一功率转换器140连接到接触点，例如第一接触点116和/或第二接触点118，以生成通过丝112和工件114的预热路径。

示例控制器152包括一个或多个存储器，一个或多个存储设备156。存储设备156(例如，非易失性存储器)可包含ROM、闪存、硬盘驱动器和/或任何其它合适的光学、磁性和/或固态存储媒体和/或其组合。存储设备156存储数据(例如，对应于焊接应用的数据)、指令(例如，执行焊接工艺的软件或固件)和/或任何其它适当的数据。用于焊接应用的存储数据的示例包括焊炬的姿态(例如，取向)、接触点与工件之间的距离、电压、电流、焊接设备设置等。

存储设备156可包括易失性存储器(例如随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器(例如只读存储器(ROM))。存储设备156可存储各种信息且可用于各种目的。例如，存储设备156可存储处理器154执行的处理器可执行指令158(例如，固件或软件)。另外，用于各种焊接工艺的一个或多个控制方案，连同相关联的设置和参数，可以连同配置为在操作期间提供特定输出(例如，启动丝进给、使气体流动、捕获焊接电流数据、检测短路参数、确定飞溅量)的代码一起被存储在存储设备156中。

焊炬136和控制器152之间的通信可以基于各种类型的电力线通信方法和技术来实现。这样，焊接电缆162可被用于从焊接电源132向焊炬136提供焊接激光功率，并通过电缆166向送丝机134供电。另外地或可替代地，焊接电缆162和电缆166可用于分别向/从焊炬136和送丝机134发送和/或接收数据通信。

控制器152通过电缆166接收送丝机134发送的数据，控制器152通过焊接电缆162将数据发送到焊炬136。控制器152能够从送丝机134的位置远程配置电源132和/或通过电源132使用送丝机134发送的焊接电压反馈信息补偿焊接电压。在一些示例中，当焊接电流流过焊接电路时(例如，在焊接类型操作期间)和/或在焊接电流已经停止流过焊接电路之后(例如，在焊接类型操作之后)，控制器152经由焊接电路接收通信。这种通信的示例包括当焊接电流流过焊接电路时在远离电源132(例如送丝机134)的设备处测量的焊接电压反馈信息。

在示例焊接系统130中，传感器146可以配置为包括电压感测引线以测量用于预热电极丝112的两个接触点116、118之间的电压降。控制器152通过将测量电压与目标电压水平进行比较，通过评估测量电压的时间导数和/或积分，和/或通过统计分析(例如，平均值、标准偏差、均方根(RMS)值、最小值、最大值等)来监测加热异常。另外地或可替代地，控制器152监测电压在长期历史上(例如，在秒，分钟和/或小时上)的稳定性。另外地或可替代地，控制器152通过电源132监测预热电流、预热功率、预热热含量或焓，和/或预热电路阻抗。

在一个示例中，传感器146是焓测量电路，其配置为确定施加到工件114的焓。由电源132施加到工件114的焓是由预热电源(例如，第二功率转换器142)引入到电极丝112的焓和由激光电源(例如，第一功率转换器140)引入的焓之和。示例测量电路可以基于测量的预热电流或电极的预热部分两端的电压降来确定焓。控制器152接收来自传感器146的信号，并基于所确定的焓和要施加到工件114的目标焓来控制预热电流。

例如，控制器152可以基于由焊接电源132施加的焊接激光功率来减小预热电流，以保持施加到工件114的恒定焓。焊接电源132可以基于例如接触点到工作距离的变化提供可变功率。

丝112的尖端和工件114之间的距离的改变可以变化。在示例中，反馈信号可表示接触点与工件114之间的测量参数(例如，电压)的变化。在一些示例中，反馈信号可表示接触点116与工件114之间的电压。电位的改变可以指示接触点116和工件114之间的距离的改变。可结合预热系统提供反馈信号，使得可使用提供加热的相同接触点(例如，接触点116、118中的一者或两者)来测量接触点与工件1144之间的电压。另外地或可替代地，反馈信号可以经由不使用预热的系统中的接触点来提供(例如，当不使用预热功能时，或者在不使用预热的系统和/或焊接工艺中)。

在一些其它示例中，包覆系统使用电极丝的电阻预热和激光能量源来布置包覆。激光束可以散焦，并且在包覆操作期间不存在焊接电弧。

在一些焊接和/或包覆的情况下，焊接电弧可以通过将丝112和工件114之间的电压箝位到小于引弧电压的电压箝位系统(例如电弧箝位模块169)来控制。这种箝位系统可以包括二极管和/或晶体管。

这里使用的电弧箝位模块169是指通过提供替代电弧的电流路径来限制焊接型电源132的输出电压的模块，从而消除、防止电弧形成或以其它方式控制电弧。电弧箝位模块169可以是无源的，其中它在没有控制的情况下操作，或者是有源的，其中它响应于一个或多个控制信号而操作。

电弧箝位控制模块151可用于控制电源132和/或电弧箝位模块169的功率转换电路(例如，140、142、144)。例如，引线和/或电路可以连接到接触点116、118中的一个或两个和/或连接到电弧箝位模块169，以向电弧箝位控制模块151提供反馈信号，并且电弧箝位控制模块151响应于该反馈来控制到电弧箝位模块169的输出。可以使用包括电流和/或电压传感器的反馈电路。可以响应于从这些和/或其他传感器(例如，传感器146)测量的电流和/或电压来控制电弧箝位模块169。

在一个示例中，电弧箝位模块169可以包括TVS和/或多个二极管，其被布置为使得电弧箝位模块169两端的电压降将电弧中的电流限制在电弧箝位模块169两端的期望电压。如本文所用，TVS或瞬态电压抑制器包括经设计以对突然或瞬时过电压条件作出反应的模块或设备。

在操作中，电弧箝位模块169从电弧箝位控制模块151接收信息，以控制电弧两端的电压和/或通过提供备选电流路径来控制通过电弧的电流。电弧箝位模块169可以防止电压或电流上升到预定阈值水平以上，和/或控制丝和工件之间的电弧或短路。例如，电弧箝位模块169可以重定向电流的流动，使得来自电源113的部分或全部电流绕过具有电极丝112的现有路径，使得电压和/或电流水平不超过阈值。

该控制可以基于用户输入、内置程序和应用数据、电流和电压反馈、温度反馈或其组合。此外，可以实现闭环控制(使用反馈信号)以实现期望的箝位电压。例如，可以从实际箝位电压和目标或参考箝位电压导出误差信号，使得当箝位电压反馈信号超过参考电压时，误差信号驱动来自控制器的响应。

如在本系统中使用的，电弧箝位模块169可以防止过电压条件和/或杂散电流损坏同轴激光头104和/或焊接工具136的组件。

在一些示例中，同轴激光头104可用于执行金属增材制造和/或添加金属涂布。例如，涂布系统或增材制造系统使用丝预热和激光来构建层状组合物。

在一些示例中，焊接电源132包括连接到控制器152以预热丝112的用户接口148。用户接口148使焊接系统130的用户能够调节预热水平或提供与预热水平(例如，焊接型工艺、丝进给速度、电极类型等)相关联的另外或可替代指令。控制器152接收经由接口148选择的指令(例如，预热水平或穿透水平)，并控制电源132以改变预热水平。控制器152还可以基于所选择的预热水平来控制电源132以调节激光焊接功率的一个或多个方面，以改善在所选择的预热水平下的性能。控制器152配置为基于用于焊接的目标总热量输入、行进速度、目标焊道宽度或目标穿透深度中的至少一个来控制预热功率。

在一些示例中，传感器146可以进一步包括电压感测引线以测量电极丝112的预热部分两端的电压。电压感测引线可以耦合到例如两个接触点116、118、丝导向装置120、送丝机134、焊炬136中的扩散器和/或任何其它基本上电等效的点。控制器152使用预热控制回路来控制预热电源132，所述预热控制回路使用经由引线感测的电压和由电源132输出的电流来保持到电极丝112的区段的命令功率输入、电流输入、电压输入、焓和/或阻抗。在一些示例中，预热控制回路接收与电流和/或电压相关联的信息作为反馈信号，且使用命令的预热电压与经由感测引线感测的电压之间的误差来调节预热电流、预热电压和/或预热功率。

图3示出了处理头100可操作地连接到电源132的示例。在图3的示例中，第一功率转换器140连接到激光发生器171，激光发生器171包括容纳在基座102和激光同轴头104内的激光源170，以为透镜106A、106B提供功率。激光源170向光学器件174提供激光束108。光学器件174还可以通过聚焦在一个或多个光学器件172A和172B上来引导激光束108。光学器件174和光学器件172A和172B可以配置为将激光功率聚焦在焦点110处的任何类型的合适光学器件，例如棱镜、光纤、光栅、分束器、半反射镜，或其任何组合。

第二功率转换器142配置为将正引线连接到第一接触点116并且将负引线连接到接触点118，以便电阻性地预热两个接触点116、118之间的电极丝112的部分。另外地或可替代地，传感器146可以监测和/或测量系统的一个或多个特性(例如，热、焓、电流、电压、丝进给速度等)。传感器146可配置为向控制器154提供所获取的信息，控制器154可响应于此所述而调整系统130的一个或多个变量。尽管在图3中示出电源136侧面地连接到同轴头100，但是在一些示例中，用于激光和预热的功率可以由穿过臂162的导体提供，并且完全与同轴头100集成并封装在同轴头100内。

图4是表示示例方法180的流程图，例如实现为机器可读指令158，其可以由控制器152执行以控制焊接操作和/或焊接电极丝112的预热。下面参考图1和2描述示例方法180。

在框182，功率转换器140-144中的一个或多个产生电流以流过第一接触点116和第二接触点118之间的电极丝112，从而加热电极丝112。在方框184，一个或多个功率转换器140-144为一个或多个激光束108A、108B产生功率，一个或多个激光束108A、108B共同具有足以至少部分熔化电极丝112的激光功率。在框186处，例如通过激光同轴头104将一个或多个激光束108A、108B聚焦在工件114上的一个或多个焦点110处，在该焦点处电极丝112与工件114接触以至少部分地熔化电极丝112。

图5A至5D示出如本文所述的激光束108相对于电极丝112的各种配置。例如，图5A示出激光束108扫描围绕电极丝112的大致圆形路径。同轴头136可以围绕由电极丝112限定的中心轴线旋转以生成具有中空中心的激光锥(例如，围绕电极丝112扫描以在工件114上体现激光束108的环点)。

尽管激光束108示出为具有与电极丝112的外径基本匹配的内径，但是在一些示例中，路径的半径可以变化并且可以采取其他几何形状(例如椭圆形)。此外，激光束108可体现不均匀的能量分布，使得圆形形状的一部分在激光束108扫描圆形时可接收比另一较低能量部分相对较高的能量。

图5B中所示的示例表示配置为围绕电极丝112的一部分(例如，呈半球形)扫描电弧的两个激光束108。图5C示出了指向围绕电极丝112的四个点的多个激光束108。激光束108中的一个或多个可固定在电极丝112处的特定点上，或可配置为围绕电极丝112扫描，例如响应于所监测的参数(例如，温度、电极丝112相对于工件114的位置等)。图5D示出了朝向电极丝112的中心点聚焦的多个激光束108。

尽管示出了激光束的特定数量、取向、扫描位置、相对于电极丝直径的光点尺寸，和/或扫描路径，但是附图仅仅表示了在本公开的范围内的多个和各种实现。

例如，激光束108可以扫描具有相关能量分布的椭圆形，该相关能量分布从相对较高能量的中心前进到较低能量的外部。宽矩形形状可类似地具有从相对较高能量中心部分前进到较低能量输出部分的能量分布。在一些示例中，矩形图案可在相对的平行侧上具有两个相对较高能量的边缘。线性形状可以具有从相对较高能量部分(例如在该线的中心处或在该线的末端处)前进到较低能量部分的能量分布。此外，一个或多个图案可以彼此叠加，每个图案具有不同的能量分布，以在工件114处获得期望量的能量和/或加热分布。

这里描述的激光处理头提供了许多优点。在采用所描述的系统、装置和方法时，可以更容易地围绕单个中心轴线调节焊炬的位置。因此，可以执行焊接的方向大大增强，同时激光束功率与电极丝紧密地聚焦在工件上。此外，与冷丝相比，热丝的沉积速率增加。变化的和动态的加热模式还为预热提供了更加定制和响应快的解决方案。此外，可以消除诸如丝布置位置和相对于激光束的角度之类的参数，从而为焊接工艺提供较少的变量。此外，纺丝和/或编织丝有利于材料在熔池内混合和散布。这控制了穿透并用于细化焊缝和/或结构的微观结构。

如这里所使用的，术语“电路(circuit)”和“电路(circuitry)”指的是物理电子组件(即硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)，其可以配置硬件，由硬件执行，或者以其他方式与硬件相关联。如本文中所使用，例如，特定处理器和存储器在执行第一一个或多个代码行时可包括第一“电路”，且在执行第二一个或多个代码行时可包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”是指列表中通过“和/或”连接的任何一个或多个项目。例如，“x和/或y”表示三元素集合{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两个”。作为另一示例，“x，y和/或z”表示七元素集合{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x，y和/或z”是指“x，y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性”意指充当非限制性示例、实例或说明。如本文所用，术语“例如”和“如”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明。

虽然已经参考某些实现描述了本方法和/或系统，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本公开的教导。例如，可以组合、划分、重新安排和/或以其他方式修改所公开示例的系统、块和/或其他组件。因此，本方法和/或系统不限于所公开的特定实现。相反，本方法和/或系统将包括落入所附权利要求的范围内的所有实现，无论是字面上的还是在等同原则下的。

Claims (22)

1.一种激光处理头，包括：

连接到电源的第一接触点；

连接到所述电源的第二接触点，所述电源配置为产生电流以流过所述第一接触点和所述第二接触点之间的电极丝以加热所述电极丝；

激光源，所述激光源配置为产生具有足以至少部分地熔化所述电极丝的激光功率的一个或多个激光束；以及

同轴激光头，所述同轴激光头配置为将所述一个或多个激光束聚焦在工件上的一个或多个焦点处，以至少部分地熔化所述电极丝。

2.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述电极丝与所述第一接触点和所述第二接触点两者电接触。

3.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述焦点对应于所述电极丝与所述工件接触的位置。

4.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述电源包括控制器，所述控制器配置为控制流过所述第一接触点和所述第二接触点之间所述电极丝的电流水平，以调节所述电极丝中的加热水平。

5.如权利要求4所述的激光处理头，其中所述控制器进一步配置为从电流反馈回路中的传感器接收电流测量值并基于所述电流反馈回路来控制所述电流水平。

6.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述电源包括控制器，所述控制器配置为：

从电压反馈回路中的传感器接收所述第一接触点和所述第二接触点之间的电压测量值；以及

基于所述电压反馈回路控制电压水平。

7.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述同轴激光头配置为围绕所述一个或多个焦点将所述一个或多个激光束扫描为中空锥形束。

8.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述同轴激光头配置为以连续图案扫描所述一个或多个激光束。

9.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述同轴激光头配置为：

将所述一个或多个激光束中的激光束分开成两个或多个光束；以及

将所述两个或多个光束朝向所述焦点聚焦。

10.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述同轴激光头配置为通过以多个图案中的一个或多个围绕所述焦点移动所述激光功率而在所述焦点处生成多个加热分布中的一个。

11.如权利要求10所述的激光处理头，其中所述多个图案包括圆形、椭圆形、锯齿形、8字形、月牙形、三角形、正方形、矩形、非线性图案、非对称图案、暂停或其任意组合。

12.如权利要求1所述的激光处理头，其中所述处理头配置为使用所述电极丝执行增材制造操作。

13.一种执行增材制造、焊接或包覆工艺的方法，所述方法包括：

在电源处产生电流以流过第一接触点和第二接触点之间的电极丝以加热所述电极丝；

在激光源处产生一个或多个激光束，所述一个或多个激光束共同具有足以至少部分地熔化所述电极丝的激光功率；以及

通过所述激光源将所述一个或多个激光束聚焦在工件上的一个或多个焦点处，在所述焦点处所述电极丝与所述工件接触以至少部分地熔化所述电极丝。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括由控制器控制流过所述电极丝的电流水平，以响应电压反馈信号调节所述电极丝中的加热水平。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括通过所述电源基于所述电极丝的沉积速率调节所述电极丝的热值。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括调节激光功率水平、所述激光功率的光点尺寸或所述一个或多个激光束的形状中的至少一个，以调节所述焦点处的所述激光功率的功率分布。

17.一种激光焊接系统，包括：

送丝机，所述送丝机用于将电极丝驱动到处理头，所述处理头包括第一接触点和第二接触点；

一个或多个电源，所述一个或多个电源连接到所述第一接触点和所述第二接触点两者，所述一个或多个电源配置为：

产生电流以流过所述第一接触点和所述第二接触点之间的所述电极丝以加热所述电极丝；以及

向所述电极丝提供电力以经由所述第一接触点或所述第二接触点在所述电极丝与所述工件之间生成电弧；

激光源，所述激光源配置为产生具有足以至少部分地熔化所述电极丝的激光功率的一个或多个激光束；以及

同轴激光头，所述同轴激光头配置为将所述一个或多个激光束聚焦在所述工件上的一个或多个焦点处，以至少部分地熔化所述电极丝。

18.如权利要求17所述的激光焊接系统，进一步包括丝加热器，所述丝加热器配置为在沿着所述电极丝的丝进给路径的所述第一接触点和所述第二接触点之前或之后的位置处加热所述电极丝。

19.如权利要求17所述的激光焊接系统，进一步包括控制器，所述控制器配置为沿着填充丝的丝进给路径在所述第一接触点和所述第二接触点之前或之后的位置处选择性地加热所述电极丝。

20.如权利要求17所述的激光焊接系统，其中所述激光源配置为用于选择所述工件处的激光功率点或激光功率分布的形状以对应于多个热分布中的一个。

21.如权利要求17所述的激光焊接系统，其中所述激光源包括配置为聚焦所述激光功率的光学设备，所述光学设备包括分束器、反射镜、光纤、透镜和衍射光栅中的一个。

22.如权利要求17所述的激光焊接系统，进一步包括耦合至所述第一接触点和所述第二接触点的电弧箝位模块，所述电弧箝位模块配置为：

向所述控制器提供与所述第一接触点和所述第二接触点处的电压或电流相关联的反馈信号；以及

响应于来自所述控制器的基于所述反馈信号的控制信号，重定向所述电流的至少一部分以流过所述电弧箝位模块。

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