CN111515537A - 用于混合式激光和电弧焊增材制造的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种混合式增材制造系统，其包括激光系统以及比如电弧焊型焊炬等增材制造工具。该工具被配置为接纳金属电极丝，通过电力供应器对该金属电极丝进行加热以形成用于沉积的熔滴，以通过构造连续的金属层来形成零件。该增材制造系统通过协调激光系统与电弧焊工艺而操作，其中该激光系统用于产生被施加到焊道的激光束，该电弧焊工艺为零件提供材料。可以将一定阈值的激光强度和/或功率应用于焊接熔池以使电弧稳定。通过该激光束，可以操纵电弧锥的位置，使得可以对进入熔池的能量进行重新分配。

Description

用于混合式激光和电弧焊增材制造的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是2019年2月5日提交的名称为“Systems and Methods for Hybrid Laserand Arc Welding Additive Manufacturing(用于混合式激光和电弧焊增材制造的系统和方法)”的美国临时专利申请号62/801,467的非临时专利申请，该美国临时专利申请通过援引以其全文并入本文。

背景技术

增材制造是以分层方式来沉积材料以将零件构造为特定几何形状的工艺。采用金属焊接技术来形成增材制造产品(即三维或3D打印)的传统系统必须使用大电流来产生足以使金属熔滴形成和沉积的电弧，这与气体保护金属极电弧焊(GMAW)技术相一致。所得到的熔滴将大量的热传递到下面各层，这样可能导致零件变形(比如下垂)。为了获得稳定的电弧，一些传统的电弧焊受到相对较低的焊接速度的限制。而且，对于比如钛的某些材料而言，电弧不稳定，导致焊道扭曲以及过多的飞溅物。进一步地，熔滴通常很大，几乎不可能实现精细的细节，尤其是考虑到在传统的焊接系统中产生电弧所需的高热。因此，需要改进的增材制造系统和技术，其允许更稳定的电弧形成、对金属沉积和零件形成的精细控制。

发明内容

本公开总体上涉及增材制造系统。特别地，混合式激光和电弧焊系统被配置为通过向基板施加激光功率以加热焊接熔池、并且经由电极丝向焊接熔池添加材料来执行增材制造以形成由电极丝组成的多层零件。更特别地，激光供给将热量引入焊接熔池中，从而增强了电极丝施加的电弧的稳定性。

结果，本文公开的混合式增材制造系统提供了更稳定、更经济的金属沉积技术，为更详细的分层零件提供了更精细的控制。

附图说明

图1展示了根据本公开的各方面的用于形成多层零件的混合式增材制造系统。

图2和图3展示了根据本公开的各方面的用于形成多层零件的示例混合式增材制造系统。

图4A和图4B展示了焊接熔池处的示例阴极光点。

图5展示了与图4A和图4B所展示的示例焊接工艺相对应的示例波形和示例焊道。

图6A和图6B展示了焊接熔池处的示例阴极光点。

图7展示了与图6A和图6B展示的示例焊接工艺相对应的示例波形和示例焊道。

图8A至图8C展示了根据本公开的各方面的阴极光点沿着焊接熔池的示例演变。

图9展示了与图8A至图8C展示的示例焊接工艺相对应的示例焊道。

图10展示了根据本公开的各方面的在焊接熔池处的示例阴极光点。

图11是根据本公开的各方面的用于图1-10所示类型的混合式增材制造系统的示例控制电路部件的图形表示。

附图不一定按比例绘制。在适当情况下，相似或相同的附图标记用于指代相似或相同的部件。

具体实施方式

本公开描述了用于通过增材制造技术来形成多层零件的系统和方法。特别地，混合式增材制造系统采用了激光系统以产生聚焦在焊接熔池上的激光束、以及电弧焊工艺以提供材料以通过将多个熔滴施加到一系列层中来构造零件。

增材制造可以描述这样的工艺：其中经由一种或多种成型技术使材料结合或固化以形成三维物体(其中材料比如以分层方式添加在一起)。例如，使用比如立体平版印刷(STL)或熔融沉积建模(FDM)等技术，使三维(3D)打印用于快速原型和增材制造二者。

通过增材制造技术，通常可以通过使用数字三维模型来形成几乎任何形状或几何形状的物体。对于某些产品的大量制造而言，用于形成物体的类似注射成型等传统技术可能比较便宜。相比之下，当生产较少零件时，增材制造可能更快、更灵活和/或比较便宜。因此，增材制造系统使设计者和制造商能够在较短时间内以更大的灵活性来生产零件和概念模型。因此，与传统加工工艺中从原料中去除材料不同，增材制造通常通过逐层地连续添加材料(例如，电极丝)根据计算机辅助设计(CAD)模型或增材制造文件格式(AMF)文件来构建三维物体。

金属增材制造(AM)或金属3D打印是根据数字模型制作3D固体金属物体的工艺。航空航天、汽车和医疗行业是引领者。与传统系统相比，金属AM通常节省时间、降低成本并且提高产品性能。例如，金属3D打印可以分类为粉末床熔合(PBF)和直接金属沉积(DMD)。

PBF可以生产具有相对较高的分辨率和复杂形状的零件。然而，PBF的沉积速率极低，大约为0.2千克/小时(即0.44磅/小时)。进一步地，PBF工艺的零件尺寸受到粉末床腔室尺寸的限制。

与PBF工艺相比，DMD可以生产大型结构/零件，但却是以相对较低的分辨率和简单的形状完成的。DMD工艺的沉积速率可以约为15千克/小时(即33磅/小时)。DMD工艺可以发起对任何形状或部分的下层基板的零件形成，并且在需要或不需要结构支撑的情况下在自由空间中构建。在DMD工艺中，可以使用比如粉末和/或丝等填充材料来形成零件。

在传统系统中，由于可用粉末材料的范围以及对系统进行准确控制以形成具有复杂和/或特定几何形状的零件的能力，送粉已经在DMD制造中得到最广泛的采用。然而，DMD成型工艺具有若干缺点，比如原料易受杂质影响、材料利用效率低、以及在应用过程中产生的漂浮颗粒对工作环境造成污染。在一些示例中，未熔化颗粒可能粘附到焊道表面，这样可能导致变形、引起局部腐蚀或其他不期望的影响。

作为DMD制作工艺的替代，可以用与电弧焊工艺类似的方式对材料进行送丝。送丝制造的特点是接近完全的材料利用率、相对较高的沉积速率。有利地，用于这种工艺的丝相对于粉末具有较低的成本，并且在将丝作为原材料保存的方面具有较低难度。然而，如本文所述，丝可能给予较少的材料选择。进一步地，通过送丝工艺制造的焊道的光整度和/或一致性通常优于通过送粉工艺制造的对应物，但是侧表面的变化(例如起伏度)可能更明显。

在示例中，航空航天工业的制造商已经将3D打印技术用于大型结构零件以希望减少原材料成本、减少加工工艺所花费的成本和时间、和/或缩短从零件请求到交付的准备时间。

已经研究了各种各样的材料，这些材料在航空航天和其他工业中具有优点以适应其操作所处的特别具有挑战性的条件和/或环境。在示例中，钛因其表现出低密度、高强度以及提高的耐腐蚀性等特征而被广泛用于航空航天工业。然而，钛的使用提出了多种不同的挑战。例如，原料钛坯的价格可能超过30美元/磅。相比之下，废钛(例如，从加工工艺中丢弃)的成本仅是原料钛的购买价格的一小部分。另外，由于金属去除速率慢和机床寿命短，钛的加工成本高。制造钛锻模的准备时间可能超过一年。进一步地，由于较长的设计周期，锻造设计通常为最坏情况下的材料厚度(例如，可能没有针对特定目的进行优化)。

这些挑战和其他挑战的结果是，“投入-产出(buy-to-fly)”比(例如，有用零件中所用材料的购置成本)相对较高，对于某些零件而言通常超过10:1，有时高达50:1或60:1。在锻造的情况下，由于原材料的成本较高并且相关的锻模昂贵且需要较长准备时间，因此投入-产出比通常仍超过7:1。

对于一些示例产品，许多航空航天分包商感兴趣的构建外形尺寸大约为0.5m x2.5m x 0.3m。对于这些和类似的尺寸要求，送丝DMD是有吸引力的选项。例如，对于送丝DMD，热源可以来自各种各样的来源(例如，电子束、激光、电弧等)，这样与其他技术相比允许更好地控制沉积工艺并且产生所期望的结果(例如，更精细的细节、更快的沉积速率、更少的变形等)。

采用金属焊接技术来形成增材制造产品(即3D打印)的传统系统必须使用大电流来产生足以使形成和沉积熔滴的电弧，这与典型的电弧焊技术相一致。结果是熔滴将大量的热传递到下面各层，这样可能导致变形(比如下垂)。进一步地，熔滴通常很大，从而几乎不可能实现精细的细节，尤其是考虑到在传统的焊接系统中产生电弧所需的高热。在一些示例中，所采用的电弧焊技术可以是例如气体保护金属极电弧焊(GMAW)技术、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、脉冲GMAW(P-GMAW)、等离子电弧焊(PAW)，仅举几个示例。

相比之下，所公开的混合式增材制造系统和工艺提供了对所产生的热量和沉积速率的精细控制。因此，与传统系统相比，可以采用更大范围的材料，比如钛、铜、金属合金等、以及更细口径的丝和/或具有各种熔化温度的丝。结果是基于来自一个或多个传感器的输入、操作特性和/或模型而动态施加金属丝，由此与通过传统系统形成的增材制造产品相比具有更高的沉积速率以及更少飞溅物和变形。

如关于若干附图更完整地描述的，混合式增材制造系统包括激光系统以及比如电弧焊型焊炬等增材制造工具。该工具被配置为接纳金属电极丝，通过电力供应器对该金属电极丝进行加热以形成用于沉积的熔滴，从而通过构造连续的金属层来形成零件。通过激光系统的协调来对增材制造系统进行操作，以产生向焊道施加的激光束以及为零件提供材料的电弧焊工艺。

在电弧焊工艺中，可以将一定阈值的激光强度和/或功率应用于焊接熔池以使电弧稳定。增加低功率激光器(例如，小于1000瓦)可以足以使电弧稳定。因此，混合式激光电弧焊解决方案的投资成本可以比纯激光焊接解决方案低得多。

通过激光束，可以操纵电弧锥位置，使得可以对进入熔池的能量进行重新分配。更多的能量可以去往焊缝侧部，而较少的能量可以集中在中央。通过使激光束以代表性振荡频率(例如，约25Hz)运动，使电弧形成进一步稳定。

例如，激光束的焦点朝向焊接熔池处、在电极丝的端头与基板接触的前边缘附近。例如，激光照射光点将阴极位置锁定在熔池中，从而使电弧稳定。如本文所公开的，在此有效区域内，激光束可以操纵电弧阴极位置以调节热输入、使电弧稳定并且控制焊道形成。例如，在对钛进行焊接时，增加激光能量用于促进电弧形成和/或控制阴极光点在焊池内的运动。因此，混合式激光和电弧焊工艺为钛增材制造提供了可能的解决方案。

因此，混合式增材制造工艺的峰值和本底电压曲线图比仅通过电弧焊工艺获得的峰值和本底电压曲线图更稳定。结果，焊道更直，并且该工艺形成更少的飞溅物。另外或可替代地，产生电弧混合式激光GMAW所需的平均电压小于传统GMAW工艺的平均电压。

在所公开的示例中，混合式增材制造系统包括：电弧焊工具，该电弧焊工具被配置为接纳丝电极并且将该丝电极的多个熔滴施加到包括多个层的零件，其中每个层包括一个或多个熔滴以构造该零件；激光系统，该激光系统在混合式增材制造操作或焊接操作过程中产生激光束并控制透镜以将激光束聚焦在基板上的焦点上，以使来自该电弧焊工具的电弧稳定。控制器被配置为调节对电弧焊工具或激光系统中的至少一个的功率。

在示例中，控制器被进一步配置为命令对激光系统或电弧焊工具中的一个或多个的位置或取向之一进行调节，以维持焊接熔池处的焦点与丝电极之间的阈值距离。在一些示例中，激光扫描仪与电弧焊工具之间的位置或取向是固定的。

在一些示例中，该丝电极的材料包括以下材料中的一种或多种：钛、铜、镁、或这些材料中的一种或多种的合金。在示例中，焦点对应于激光照射光点，以将阴极位置锁定在焊道中，从而使电弧稳定。

在一些示例中，焦点与丝电极之间的阈值距离在1mm与3mm之间。在示例中，用小于1000瓦的激光功率产生激光束。在一些示例中，激光系统调节激光系统的激光功率水平或振荡速度中的至少一个。

在示例中，激光系统进一步包括透镜，该透镜用于将激光束聚焦到焊接熔池上的焦点以产生热量，以有利于丝电极在进入焊接熔池时熔化。在一些示例中，控制器被进一步配置为基于距参考点的确定距离或指示丝电极相对于焊接熔池上的焦点的位置的反馈数据来调节焦点的位置。

在示例中，激光系统被配置为使激光束作为中空形状的光束围绕焦点进行扫描。在一些示例中，激光系统被配置为使激光束呈连续图案进行扫描。在示例中，控制器被配置为对激光功率水平、激光功率的光点尺寸或激光束的形状中的至少一项进行调节，以调节激光功率在焦点处的功率分布图。

在一些示例中，传感器包括光学传感器、激光扫描仪、红外传感器、超声传感器、机械传感器或热传感器中的一个或多个，以收集来自激光系统或电弧焊系统的一个或多个特性的信息。

在示例中，焦点的运动以及焊接熔池与激光系统之间的相对运动使得激光束在焊接熔池上勾画出叠加图案。在示例中，叠加图案是圆形、椭圆形、之字形、8字形、新月形、三角形、方形、矩形、非直线图案、非对称图案、中断图案或其任何组合中的一种。在一些示例中，送丝器被配置为将丝移入或移出焊接熔池。

在示例中，电弧焊工艺包括气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、脉冲GMAW(P-GMAW)或等离子电弧焊(PAW)中的一种。

在所公开的示例中，混合式增材制造系统包括：电弧焊工具，该电弧焊工具被配置为接纳丝电极并且施加该丝电极的多个熔滴以形成焊道以形成包括多个层的零件，其中每个层包括一个或多个熔滴以构造该零件；激光系统，该激光系统用于在混合式增材制造操作或焊接操作过程中将激光束聚焦在基板上的焦点上；以及控制器，该控制器被配置为基于来自该传感器的信息来命令对该激光系统或该电弧焊工具中的一个或多个的位置或取向之一进行调节，以使来自该电弧焊工具的电弧在该焊道中稳定在该焦点处。

在一些示例中，激光系统或电弧焊工具中的一个或多个的位置或取向控制焊道中的电弧阴极位置。在示例中，控制器被配置为对激光功率水平、激光功率的光点尺寸或激光束的形状中的至少一项进行调节，以调节激光功率在焦点处的功率分布图。

在一些示例中，传感器用于收集来自激光系统或电弧焊系统的一个或多个特性的信息，其中，传感器包括光学传感器、激光扫描仪、红外传感器、超声传感器、机械传感器或热传感器中的一个或多个。

如本文所使用的，如本文所用的术语“增材制造”是在计算机控制下使材料结合或固化以形成三维物体的制造工艺，其中以分层方式将材料添加在一起。

如本文所使用的，术语“焊接型功率”是指适合于焊接、等离子切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)的功率。如本文所使用的，术语“焊接型电力供应器”和/或“电力供应器”是指在向其施加功率时能够为焊接、等离子切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)提供功率的任何装置，包括但不限于逆变器、转换器、谐振电力供应器、准谐振电力供应器等、以及与其相关联的控制电路系统和其他辅助电路系统。

如本文所使用的，“电路”或“电路系统”包括任何模拟和/或数字部件、功率和/或控制元件(比如微处理器、数字信号处理器(DSP)、软件等)、分立部件和/或集成部件，或其多个部分和/或组合。

如本文所使用的，术语“脉冲焊接”或“脉冲MIG焊接”是指这样的技术：其中产生脉冲功率波形以控制到前进中的焊接熔池中的金属熔滴沉积。

如本文所使用的，术语“升压转换器”是在使电压升高的电路中使用的转换器。例如，升压转换器可以是一种逐步升压转换器(比如DC-DC电力转换器)，其可以在从其输入端(例如，从起动机电池)至其输出端(例如负载和/或附接的功率总线)使电流逐步降低的同时使电压逐步升高。这是一种开关模式电力供应器。

如本文所使用的，术语“降压转换器”(例如，逐步降压转换器)是指从其输入端至其输出端使电压逐步降低(例如，同时使电流逐步升高)的电力转换器。

如本文所使用的，术语“存储器”包括易失性和非易失性存储器，并且可以是阵列、数据库、列表等。

如本文所使用的，术语“焊炬”、“工具”或“焊接型工具”可以包括手持式焊炬或机器人焊炬、焊枪或用于形成焊接电弧的其他装置。

如本文所使用的，如本文所使用的术语“缓冲器”包括用于当丝方向反转时接纳丝并且当丝行进时提供丝的部件。

图1展示了用于执行混合式增材制造技术的示例电弧焊系统。如图1所示出的，电力供应器10和送丝器12经由导体或导管14耦接。在所展示的示例中，电力供应器10与送丝器12分离，使得送丝器可以被定位成与电力供应器相距一定距离、在焊接位置附近。然而，在一些示例中，送丝器可以与电力供应器10整合在一起。在这种情况下，导管14将在系统内部。在送丝器12与电力供应器10分离的示例中，在电力供应器和送丝器12上通常设置有端子，以允许将导体或导管耦接至系统，从而允许从电力供应器10向送丝器12提供电力和气体，并允许在这两个装置之间交换数据。

该系统被配置用于向增材制造工具或焊炬16提供丝、电力和保护气体。工具16可以有许多不同的类型，并且可以允许将焊丝42(例如，电极丝)和气体送到与基板或平台18相邻的位置，在该基板或平台18上，通过施加来自行进的丝42的金属熔滴形成包括层82的零件78。第二导体延伸到焊接工件，以便补全电力供应器与工件之间的电路。

焊接系统被配置用于由操作者和/或焊接顺序(比如经由电力供应器10上设置的操作者接口20)来选择数据设定。操作者接口20通常将被结合到电力供应器10的前面板中，并且可以允许对比如焊接工艺、要使用的丝的类型、电压和电流的设定等设定进行选择。特别地，该系统被配置用于允许利用穿过工具16引导的各种钢焊丝、铝焊丝或其他焊丝进行焊接。进一步地，该系统被配置用于采用具有各种横截面几何形状(例如，圆形、大致平坦、三角形等)的焊丝。将这些焊接设定传送到电力供应器内的控制电路22。该系统可以尤其适于实施针对某些电极类型而配置的焊接方案。

另外或可替代地，增材制造的工艺指令可以经由焊接顺序程序来提供，该焊接顺序程序比如存储在存储器上，与电力供应器10相关联的处理器/控制电路22可访问该存储器。在这种情况下，定序器可以采用存储的信息(例如，与所期望的产品配置和/或工艺相关联的信息，包括历史数据)和/或可由用户定制。例如，如关于图2更详细地描述的，同与零件78相对应的特定设计相关联的信息(例如，与零件78相关联的一个或多个三维模型和/或热分布图、材料特性、系统控制参数等)可以存储在存储器中和/或经由网络接口提供。因此，该信息可以用于对系统的操作进行控制，比如通过对来自电力供应器10、送丝器电机48、54、机器人系统72等的功率输出进行控制，以有利于零件78的形成。

以下更详细地描述的控制电路22进行操作以对焊接功率输出的产生进行控制，该焊接功率输出被供应给焊丝42以用于执行所期望的增材制造操作。在示例中，控制电路22可以适于调节脉冲MIG焊接方案，该焊接方案促进熔融金属到基板18的短路转移，以便构造零件78的多个层82而不会向零件78或焊丝42添加过多的能量。在“短路”模式下，熔融材料的熔滴在受焊接电弧加热的影响下在焊丝42上形成，并且通过焊丝42和行进的丝42的熔滴与层82之间的接触或短路而将这些熔滴周期性地传递到零件78。

以此方式，系统和/或控制电路22通过在增材制造工艺过程中对系统的一个或多个操作特性进行调节来控制零件78的形成。操作特性可以包括但不限于送丝器速度、送丝器方向、行进速度、功率输出、工艺模式、沉积路径、沉积顺序、焊炬角度等。

另外，(多个)传感器70可以测量与系统的操作相关联的操作参数(例如，电流、电压、电感、相位、功率、电感、速度、加速度、取向、位置等)。可以将感测到的操作特性(例如，电压、电流、温度、形状、速度等)提供给控制电路22或其他控制器(例如，控制电路32、与机器人系统72相关联的控制器等)以进一步控制增材制造工艺。

通常通过焊接线缆52将来自电力供应器的电力施加到丝电极42。同样地，保护气体通过送丝器和焊接线缆52送入。在焊接操作过程中，焊丝42朝向工具16行进穿过焊接线缆52的外皮。在工具16内，第二送丝器电机53包括辊可以设置有相关联驱动辊的辊54，可以调节该辊以提供期望的送丝速度和/或方向。

可以采用机器人系统72根据控制电路22、32以及例如来自(多个)传感器70的信息来调节工具16的运动和位置。在示例中，机器人系统72可以经由一条或多条线缆75与电力供应器10、送丝器12和/或工具16通信。因此，可以经由线缆75来提供和/或交换电力和/或信息以控制增材制造工艺。特别地，机器人系统72可以采用具有一个或多个致动器76(例如，伺服电机、接头等)的一个或多个臂74。以此方式，机器人系统72可以在焊接操作过程中以六个自由度命令对附接的工具16的精细控制，包括行进速度、工具位置、与零件78的距离等。机器人系统72可以包括用于感测操作特性的一个或多个传感器，该一个或多个传感器可以与控制电路22、32通信以进一步有利于零件78的形成。

在一些示例中，控制电路22、32可以向送丝器12、电力供应器10或机器人系统72提供信号以能够根据特定零件设计来开始和停止增材制造工艺。即，在工艺启动时，气体流动可以开始，丝可以行进，并且可以将电力施加到焊接线缆52并且通过工具16施加到行进的焊丝42。工件线缆和夹具58允许使从电力供应器开始通过焊炬、电极(丝)和零件78的电路闭合，以用于在操作过程中保持焊接电弧。

电弧焊系统允许基于先前的电流测量值和持续时间测量值来控制连续的电压水平和/或电流水平和/或脉冲持续时间，从而控制焊丝电极与行进的焊接熔池之间的短路事件的促进、发生、持续和中断。特别地，基于一个或多个之前的短路事件或短路事件的各方面(比如其持续时间)来调节波形的电流峰值。

控制电路22耦接至电力转换电路24。此电力转换电路24适于产生输出电力，比如在工具16处施加到焊丝42的脉冲波形。可以采用各种电力转换电路，包括斩波器、升压电路系统、降压电路系统、逆变器、转换器等。这种电路系统的配置可以是本领域中通常已知的和其本身已知的类型。电力转换电路24耦接至如箭头26指示的电力源。施加到电力转换电路24的电力可以源自电网，但是也可以使用其他电力源，比如由引擎驱动的发电机、电池、燃料电池或其他替代源产生的电力。图1中展示的电力供应器还可以包括接口电路28，该接口电路被配置用于允许控制电路22与送丝器12交换信号。

送丝器12包括耦接到接口电路28的互补接口电路30。在一些示例中，可以在两个部件上都提供多引脚接口，并且在接口电路之间延伸多导体线缆以允许在电力供应器10、送丝器12或电力供应器10和送丝器12两者上设定比如送丝速度、工艺、选择的电流、电压或功率水平等信息。

送丝器12还包括耦接到接口电路30的控制电路32。如下文描述的，控制电路32允许根据操作者的选择或存储的顺序指令来控制送丝速度，并且允许经由接口电路将这些设定反馈回给电力供应器。控制电路32耦接至送丝器上的操作者接口34，该操作者接口允许选择一个或多个焊接参数、特别是送丝速度。操作者接口还可以允许选择比如工艺、所使用的丝的类型、电流、电压或功率设定等焊接参数。控制电路32还可以耦接到气体控制阀36，该气体控制阀调节保护气体向焊炬的流动。通常，这种气体是在焊接时提供的，并且可以在焊接之前立即接通以及在焊接之后短时间内接通。施加到气体控制阀36的气体可以以加压瓶的形式提供，如附图标记38所表示的。

送丝器12包括用于在控制电路32的控制下将丝送入工具16并由此送入焊接应用的部件。例如，一个或多个焊丝卷轴40容纳在送丝器中。将焊丝42从卷轴上解绕，并且逐渐送入工具16。卷轴可以与离合器44相关联，该离合器在将丝送入工具时使卷轴脱离。也可以调节离合器44以保持最小摩擦水平以避免卷轴40自由旋转。第一送丝器电机46可以设置在壳体48内，该第一送丝器电机46与送丝辊47接合以将丝从送丝器12朝向工具16推进。

在图1的示例中，可移动缓冲器60可以包括第一部分62和第二部分64，其中第一部分和第二部分中的至少一个部分被配置用于响应于第一送丝器电机46与第二送丝器电机53之间的焊丝42的量的变化而相对于另一部分运动。传感器66(例如，一个或多个传感器)被配置用于感测第一部分与第二部分之间的相对运动或位移，并且将传感器数据提供给控制电路(例如，控制电路22、32)来响应地调节焊丝42的速度和/或方向。

在实践中，辊47中的至少一个机械耦接至电机，并且通过电机来进行旋转以驱动来自送丝器的丝，同时相配合的辊朝向丝偏压以保持两个辊与丝之间的良好接触。一些系统可能包括多个这种类型的辊。可以提供转速计50或其他传感器，以用于检测第一送丝器电机46、辊47或任何其他相关联部件的速度，以便提供实际送丝速度的指示。来自转速计的信号被反馈回至控制电路32，比如用于连续或周期性的监测、校准等。在一些示例中，系统包括用于使送丝装置旋转的丝卷轴电机，其可以类似地进行调节以增加或减少送丝器电机之间的丝的量。

在一些示例中，送丝器12可以被配置用于使焊丝42的方向反转。而且，尽管描述为使用两个送丝器和/或送丝器电机(例如，送丝器电机46和53)进行操作，但是该系统可以使用单个送丝单元进行操作，以在零件形成过程中使丝行进和/或反转行进。另外或可替代地，在一些示例中，一个送丝器可以被配置为使丝行进，而另一个送丝器被配置为使丝的方向反转。在此示例中，如本文所公开的，一个或多个控制电路(例如，控制电路22、32)协调两个送丝器的操作，以在增材制造系统中实施CSC焊接工艺。

还可以实施其他系统布置和输入方案。例如，焊丝可以从大容量储存容器(例如，滚筒)或从送丝器外部的一个或多个卷轴送入。类似地，丝可以从“卷轴枪”送入，其中卷轴安装在焊炬上或附近。如本文所述，可以经由送丝器上的、或电力供应器的操作者接口20上的、或上述两者上的操作者输入34来输入送丝速度设定。在对焊炬具有送丝速度调节的系统中，这可以是用于该设定的输入。

虽然关于电弧焊型系统进行了描述，但是所公开的系统可以结合各种技术来实施以执行增材制造工艺。在一个示例中，增材制造可以采用激光器来增加热量以有利于焊接熔池中材料(例如，电极丝42)熔化，以构造如关于本文提供的系统和方法所公开的分层零件。如所示出的，提供了激光系统61，该激光系统连接到电力供应器10以便从电力转换电路24供应电力、并且向控制电路22发送信息并从该控制电路接收信息。激光系统61控制激光发生器63产生激光束65以用于施加到零件78的一层或多层82。激光系统61被配置为与焊接工具16和控制系统72配合，以确保(例如，在使用钛丝的GMAW工艺中)在电弧中出现所期望的稳定性。

在图2和图3的示例中，激光束65聚焦在零件78上(例如，聚焦在零件上形成的焊接熔池上和/或零件的焊接熔池上)，以便增强电弧43的电弧稳定性。如图6至图10所展示的，施加激光束65通过在焊接熔池表面上引导与电弧焊相关联的阴极光点来使电弧43稳定。结果是在焊接熔池处得到受控制的热分布图，同时需要较低量的激光功率和电弧焊功率。这种低功率技术的益处的实现为增加的控制和沉积速率、特别是在采用钛(但也可以是铜、合金和其他金属材料)的增材制造工艺过程中。

尽管参考图2和图3描述了产生单个激光束的单激光系统，但是激光系统61可以被配置为产生两个或更多个激光束，这些激光束可以(同时或在不同的时间)被引导到零件78上的不同位置以进一步控制焊道形成。另外或可替代地，可以使用两个或更多个激光系统，每个激光系统被配置为产生一个或多个激光束以控制焊道形成。如图3所示，(当在焊接熔池/零件78与电极丝42之间形成电弧43时)振荡的激光束65的中心轴线67到电极丝的前端头之间的距离L从约0mm变为约2mm。如本文所公开的，在此有效区域内，激光束可以操纵电弧阴极位置以调节热输入、使电弧稳定并且控制焊道形成。

在一些示例中，电弧焊是在使钛结合时使用的常见且相对不太昂贵的技术。然而，基于钛的电弧焊工艺可能受到相对较低的焊接速度和/或较低的沉积速率的限制。尽管一些可用的技术(包括电弧焊)提供了更快的焊接和/或更高的沉积速率，但是在钛沉积过程中使用的电弧可能不稳定和/或造成过多的飞溅物。在图4A和图4B的示例中，图4A示出了在时间0.3秒时，阴极在熔池的前部附近，而在时间0.3936秒时，阴极运动到熔池的中部，并且熔池前部的阴极在减弱。阴极在焊接熔池中的不规则的运动使得例如在脉冲本底处调节电压变得困难。如图5所示，这样可以产生扭曲的焊道。阴极在熔池中的这种不规则的运动还可能影响熔滴的分离，导致飞溅物。

在焊接应用中已经使用了采用激光和电弧焊的混合式沉积技术，以用于解决这些问题和其他问题，同时提供增加的焊接速度和/或更深的焊接熔深。在对钛进行焊接时，增加激光能量用于促进电弧形成和/或控制阴极光点在焊池内的运动。因此，混合式激光和电弧焊工艺为钛增材制造提供了可能的解决方案。

在电弧焊工艺中，可以将一定阈值的激光强度和/或功率应用于焊接熔池以使电弧稳定。例如，光束尺寸越大，对于期望效果所需的激光功率越高。例如，针对使用钛或其他材料的低功率电弧焊工艺，施加约200瓦的激光功率的约0.6mm的光束尺寸可以有助于使电弧稳定。在一些示例中，具有约1000W的激光功率的约0.6mm的光束尺寸提供类似的稳定结果。进一步地，激光束的焦点朝向焊接熔池处、在电极丝的端头与基板接触的前边缘附近。例如，如图6A和图6B所示，激光照射光点将阴极位置锁定在熔池中，从而使电弧稳定。

图7示出了在没有接通激光和接通激光的情况下的电流和电压曲线图、以及通过混合式激光电弧焊工艺制成的钛焊道的焊道外观。图7示出了接通激光的效果，使得混合式工艺的峰值电压和本底电压曲线图比仅采用电弧焊的工艺更稳定。如图7所示，焊道更直(与图5的焊道相比)，并且该工艺造成更少的飞溅物。另外或可替代地，产生电弧混合式激光GMAW所需的平均电压小于传统的GMAW工艺所需的平均电压。所施加的电压的这种降低源于混合式激光GMAW系统由于激光所确定的一致的阴极光点位置而产生更规则的等离子柱长度的能力。

另外或可替代地，振荡的激光束可以控制熔池上的阴极光点。例如，可以选择激光束与电极丝在焊接熔池处的位置之间的距离以提高电弧稳定性。在示例中，激光束以约25Hz的频率振荡并且直径为约3mm。返回参考图3，(当在焊接熔池/零件78与电极丝42之间形成电弧43时)振荡的激光束65的中心轴线67到电极丝的前端头之间的距离L从约0mm变为约2mm。在此有效区域内，激光束可以操纵电弧阴极位置。

图8A至图8C示出了从左到右跟随激光束位置的电弧锥。因此，在熔池中对能量输入进行重新分配，在熔池中，用更多的能量来增强熔池侧部，而更少的能量输入到中心线。结果是焊道具有平整的外观和增强的润湿趾角，如图9所示。

然而，当激光束与电弧之间的距离太大时(例如，激光束与电极丝之间的距离L大于所期望的阈值距离、例如约2mm)，阴极光点将与激光照射光点分离，如图10所示。一旦激光束距离熔池中心太远，该距离就变得太大，因此到达激光光点所需的附加电弧柱长度使得熔池边缘周围的较为靠近的点成为优选的阴极附接点。因此，阴极光点将运动到多个多个更为靠近的邻近点，从而导致了不太稳定、较为反复无常的电弧工艺。

图11展示了如本文所公开的示例控制电路(比如控制电路22、32之一或两者)，其被配置为在图1-3中所展示的类型的系统中起作用。整体电路系统可以包括操作者接口20和34和/或接口电路28和30。例如，各种接口可以提供对操作参数的传送，这些操作参数包括用户输入和经由网络接口83的联网信息、以及来自下游部件(比如送丝器、焊炬/焊接工具以及各种传感器和/或致动器)的信息。

控制电路包括处理电路84，该处理电路本身可以包括一个或多个专用或通用处理器。处理电路84可以被进一步配置用于执行比如与特定增材制造零件的形成相对应的焊接顺序。处理电路84可以从存储在存储器电路86中的数据库88接收关于零件的信息和/或从联网计算机和/或用户输入接收该信息。基于该信息，处理电路84可以通过对增材制造工艺的实施进行计算来控制和/或协调系统部件的动作。

可以基于增材制造工艺的多个变量将各种模型与输入相关联。例如，三维模型的几何特征可以对应于与工艺和/或零件相关联的时间点和/或空间点。例如，与稍后施加的层相比，零件的第一层或基层可以对应更早的时间。热模型可以类似地对应于工艺时间线以及对应于该时间点处的三维模型的特征。焊接顺序还可以与模型同步以确保调节焊接操作来对应于模型的要求。

在示例中，热模型可以预期在其上施加丝熔滴的零件区域的温度。连同关于与该零件区域相关联的零件的几何特性的信息，处理电路84可以基于温度或几何特性中的至少一个来调节系统的一个或多个部件(例如，电力供应器、送丝器、机器人系统等)的操作特性。以这种方式，系统对用于形成零件的每个熔滴的形成和施加进行控制，包括熔滴的位置、与应用相关联的功率量和/或热量、应用工具(例如，焊炬16)的速度和方向、送丝速度和/或方向，其中多个熔滴被配置为构造该零件。

在一些示例中，传感器70包括激光传感器100，该激光传感器被配置用于在增材制造工艺过程中周期性地或连续地扫描零件。本次扫描可以被反馈到处理电路以与三维模型进行比较，从而确保正在形成的零件符合三维模型、和/或识别出变化。基于该比较，处理电路84可以调节系统的一个或多个操作特性以有利于零件的形成。

另外或可替代地，传感器70可以包括红外传感器102、超声传感器104、机械传感器106或热传感器108、光学传感器110，仅举几个示例。类似地，来自各种传感器的传感器数据可以被反馈到处理电路84以对操作特性进行分析和控制。

通过对各种系统的控制进行协调，增强了对零件形成的控制，并且对零件形成的控制可以包括更精细的细节，并且与传统金属沉积技术相关联的负面影响更少。在传统系统中(例如在那些采用钛作为原料的系统中)，需要高焊接功率来形成金属熔滴以构建焊缝。结果是在沉积位点处保持高水平热量，这样可能导致行进的丝的下垂以及位置不精确。进一步地，高功率水平通常迫使相对大量的金属以熔滴形式从电极逐出。因此，精细的细节超出了传统机器的能力。

相比之下，本文所公开的混合式增材制造系统采用激光系统和电弧焊工艺两者来施加金属熔滴以形成零件。结果，更大范围的材料可用于采用(即钛)的增材制造系统以及更薄、更详细的几何特征的施加。

在一些示例中，可以包括机器人系统控件90和/或机器人接口电路92的机器人系统72可以与电路系统的一个或多个部件(比如控制电路22、32)整合在一起。在其他示例中，机器人系统72的全部或一部分的位置可以远离电力供应器或送丝器之一或两者，并且经由机器人接口电路92和接口电路23、34、28、30、83中的一个或多个进行通信。

机器人系统72与处理电路84以及多个接口和存储器电路86通信。机器人控制系统90被配置为经由对机器人电机驱动电路98的控制来控制机器人臂74的操作，该机器人电机驱动电路控制机器人臂电机或致动器76。以这种方式，与由传感器、模型、输入等提供的数据相协调地对工具16的位置和/或取向进行控制。结果，通过对有助于零件形成的多个变量进行控制来形成零件的几何特征。

在一些示例中，激光系统与电弧焊工具之间的位置和/或取向是固定的。换句话说，(多个)控制器可以命令激光系统或电弧焊工具在它们之间保持预定的或阈值的距离或角度。在一些示例中，采用机械或其他物理结构来保持激光系统与电弧焊工具之间的固定关系。所保持的距离和/或固定的关系限制了为实现所期望的焊接而确定的多个工艺变量(例如，输出功率特性、送丝速度等)。

另外或可替代地，接口中的一个或多个(例如，接口电路28、30；操作者接口20、34)可以提供与系统的操作参数相对应的信息。在此示例中，可以由送丝器电机中的一个或多个来提供操作参数信息(比如电流汲取、电压、功率、电感、送丝速度、送丝加速度、送丝器电机角度、扭矩、位置等)，该信息可以由处理电路84来分析以便间接确定一个或多个操作特性。不管是否结合使用传感器70和/或66，都可以实施此工艺以实现类似结果。

在一些示例中，处理电路84包括计时器、速度传感器、或可以提供关于增材制造工艺的信息(比如所消耗的丝的量、对制造工艺的预期进展的估计等)的其他传感器。另外或可替代地，控制电路22、32可以被配置为监测和/或调节与电力供应器相关联的功率输出特性(例如，电流、电压、功率、相位等)。

为对(例如，与操作电压、电流、功率、温度、形状、速度等相关联的)调整作出决定而采用的特定阈值量以及响应于某个决定通过控制电路实现的变化的量可以基于传感器数据、在混合式增材制造操作过程中分析的趋势数据、基于来自类似焊接系统的联网信息、操作者输入通过特别针对焊接操作的焊接顺序而被确定，通过控制混合式增材制造工艺的算法确定，或者通过上述各者的任意组合来确定。

处理电路84被进一步配置为控制激光系统控制电路94以及激光系统61和激光发生器63。处理电路84向激光系统控制电路提供控制信号，以响应于与这两个送丝器电机之间的丝的量相对应的信息而进行调节。特别地，传感器70可以监测激光系统、电弧焊工具16、电力供应器输出和/或零件78的一个或多个特性(例如，焊接熔池尺寸、形状、温度、电极丝的位置和/或阴极光点在焊接熔池上的位置等)并且向处理电路84提供数据以进行分析和确定。

处理电路84还将与存储器电路86相关联，该存储器电路可以由一种或多种类型的永久和临时数据存储器组成，这类数据存储器比如用于提供实现的焊接顺序、存储三维模型和热模型、存储操作特性，存储焊接设定、存储错误日志等。可以通过参照和/或比较来自先前的增材制造操作的历史数据来进行操作特性的调节，这些历史数据也可以存储在存储器电路86中。例如，可以在基于类似的增材制造操作的历史分析的所存储的数据的基础上进行调节。历史数据可以对应于例如操作参数、其他传感器数据、用户输入、以及与趋势分析、阈值、与特定操作模式相关联的简况等相关的数据等，并且可以存储在处理电路84可访问的比较表、列表、库等中。

尽管针对某些电弧焊技术进行了描述，但是可以使用脉冲波形以及恒定电压喷射、脉冲和/或短路焊接技术。另外或可替代地，焊接熔池上的激光束轨迹的几何形状或其他形状可以不同，包括但不限于圆形、矩形等。

此外，激光束的振荡频率与激光束的脉冲频率和/或丝熔滴分离频率一起作用(例如，同步或以其他方式协调)，以实现最稳定的工艺和所期望的焊接。在一些示例中，激光束的脉冲频率和丝熔滴分离频率被另外或可替代地同步或以其他方式协调。

如本文所公开的，混合式增材制造系统提供了显著优于传统技术的优势。例如，通过本文所述的混合式增材制造系统和方法，提供了相对较高的沉积速率和焊接速度。进一步地，尽管沉积速率增加，但仍然形成了更少的飞溅物和更直的焊道。与传统电弧焊系统相比，电弧更稳定。由于执行混合式增材制造工艺所需的功率较低，因此热输入少于传统电弧焊工艺。结果是焊缝变形最小，热影响区更小，这样提供了改善的焊道外观和沉积特性。另外，所得的改善的系统有益于增材制造实践中的竖直零件/壁的形成。

可以用硬件、软件和/或硬件和软件的组合来实现本方法和系统。示例实施方式包括专用集成电路和/或可编程控制电路。

如本文所使用的，术语“电路”和“电路系统”是指物理电子部件(即，硬件)以及可以配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定的处理器和存储器在执行第一一行或多行代码时可以构成第一“电路”，而在执行第二一行或多行代码时可以构成第二“电路”。如本文所使用的，“和/或”是指列表中由“和/或”连接的项中的任何一项或多项。例如，“x和/或y”是指三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”是指“x和y之一或两者”。作为另一示例，“x、y和/或z”是指七元素集{(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”。如本文所使用的，术语“示例性”是指用作非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，术语“例如(e.g.,)”和“例如(forexample)”引出一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所使用的，当电路系统包括某一执行功能所必需的硬件和代码(如果有必要)时，电路系统“可操作”以执行该功能，而不管该功能的执行是被禁用还是被启用(例如，通过用户可配置的设定，出厂调节等)。

尽管已经参考某些实施方式描述了本方法和/或系统，但是本领域技术人员将理解，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。例如，所公开示例的框和/或部件可以被组合、划分、重新布置和/或以其他方式修改。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本方法和/或系统不限于所公开的特定实施方式。相反，本方法和/或系统将包括无论是从字面上还是在等同物原则下都落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种混合式增材制造系统，包括：

电弧焊工具，所述电弧焊工具被配置为接纳丝电极并且将所述丝电极的多个熔滴施加到包括多个层的零件，每个所述层包括一个或多个熔滴以构造所述零件；

激光系统，用于：

产生激光束；并且

在混合式增材制造操作或焊接操作过程中，控制透镜将所述激光束在基板上聚焦在焦点上，以使来自所述电弧焊工具的电弧在焊接熔池处稳定下来；以及

控制器，所述控制器被配置为调节给予所述电弧焊工具或所述激光系统中的至少一个的功率。

2.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述控制器被进一步配置为命令对所述激光扫描仪或所述电弧焊工具中的一个或多个的位置或取向之一进行调节，以在所述焊接熔池处保持所述焦点与所述丝电极之间的阈值距离。

3.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述激光扫描仪与所述电弧焊工具之间的位置或取向是固定的。

4.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述丝电极的材料包括以下材料中的一种或多种：钛、铜、镁、或这些材料中的一种或多种材料的合金。

5.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述焦点对应于激光照射光点，用以将阴极位置锁定在焊道中，从而使所述电弧稳定。

6.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述焦点与所述丝电极之间的所述阈值距离在1mm与3mm之间。

7.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，用小于1000瓦的激光功率产生所述激光束。

8.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述激光系统调节所述激光系统的激光功率水平或振荡速度中的至少一个。

9.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述激光系统进一步包括透镜，所述透镜用于将所述激光束在焊接熔池上聚焦到焦点以产生热量，以有利于所述丝电极在进入所述焊接熔池时熔化。

10.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述控制器被进一步配置为基于距参考点的确定距离或指示在所述焊接熔池上所述丝电极相对于所述焦点的位置的反馈数据来调节所述焦点的位置。

11.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述激光系统被配置为使所述激光束作为中空形光束或以连续图案的方式围绕所述焦点进行扫描。

12.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，进一步包括对激光功率水平、所述激光功率的光点尺寸或所述激光束的形状中的至少一项进行调节，以调节所述激光功率在所述焦点处的功率分布图。

13.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，进一步包括传感器，所述传感器包括光学传感器、激光扫描仪、红外传感器、超声传感器、机械传感器或热传感器中的一个或多个，以收集来自所述激光系统或所述电弧焊系统的一个或多个特性的信息。

14.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述焦点的运动以及所述焊接熔池与所述激光系统之间的相对运动导致所述激光束在所述焊接熔池上勾画出叠加图案，并且其中，所述叠加图案是圆形、椭圆形、之字形、8字形、新月形、三角形、方形、矩形、非直线图案、非对称图案、中断图案、或其任何组合中的一种。

15.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，进一步包括送丝器，所述送丝器被配置为将所述丝移入或移出所述焊接熔池。

16.如权利要求1所述的混合式增材制造系统，其中，所述电弧焊工艺包括气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、脉冲GMAW(P-GMAW)或等离子电弧焊(PAW)中的一种。

17.一种混合式增材制造系统，包括：

电弧焊工具，所述电弧焊工具被配置为接纳丝电极并且施加所述丝电极的多个熔滴以形成焊道以形成包括多个层的零件，每个所述层包括一个或多个熔滴以构造所述零件；

激光系统，所述激光系统用于在混合式增材制造操作或焊接操作过程中将激光束在基板上聚焦到焦点上；以及

控制器，所述控制器被配置为基于来自所述传感器的信息来命令对所述激光系统或所述电弧焊工具中的一个或多个的位置或取向之一进行调节，以使来自所述电弧焊工具的电弧在所述焊道中稳定在所述焦点处。

18.如权利要求17所述的混合式增材制造系统，其中，所述激光系统或所述电弧焊工具中的一个或多个的位置或取向用于控制所述焊道中的电弧阴极位置。

19.如权利要求17所述的混合式增材制造系统，其中，所述控制器被配置为对激光功率水平、所述激光功率的光点尺寸或所述激光束的形状中的至少一项进行调节，以调节激光功率在所述焦点处的功率分布图。

20.如权利要求17所述的混合式增材制造系统，进一步包括传感器，所述传感器用于收集来自所述激光系统或所述电弧焊系统的一个或多个特性的信息，其中，所述传感器包括光学传感器、激光扫描仪、红外传感器、超声传感器、机械传感器或热传感器中的一个或多个。

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