CN116529014A - 激光增材钎焊的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种激光增材钎焊的系统及方法。所述方法包括形成与工件上的目标区域隔开的熔化区域，且根据参考表面的温度相应地调节熔化区域与目标区域之间的间隙。所述系统可配置为在真空炉外进行现场激光增材钎焊，因此可适用于广泛的应用，包括大型结构的维修和再制造。

Description

激光增材钎焊的系统及方法

本申请优先权要求自新加坡专利申请号10202010248S，其内容完全并入此处。

技术领域

本发明涉及钎焊，更具体地涉及用于再制造的激光增材钎焊。

背景技术

传统的钎焊包括火焰钎焊和感应钎焊。待连接的组件通过热气火焰加热或通过感应线圈的电阻加热。在要连接的组件上或两个组件之间放置一个比组件熔点低的填充金属。这些组件被有意地加热，以避免在组件的不同部分具有突兀的温度梯度，同时提供足够高的温度使填充金属熔化并在两个组件之间流动。当熔化的填充金属冷却并凝固时，它形成了两个组件之间的连接。传统钎焊方法相对耗时且耗能，仅在无法进行焊接时采用。例如，传统钎焊是将飞机零件放置在真空炉内进行的。真空炉需要排空到10^-6托，并加热到1000摄氏度以上的稳定炉温。尽管维修或再制造的组件尺寸较大，但传统的航空航天钎焊仍在真空炉内进行，因为少量空气可能导致严重的氧化并导致接头质量不符合航空工业的严格标准。

发明内容

一方面，本发明提供了一种激光增材钎焊工件的方法，该方法包括：提供激光束；输送填充粉末的轨迹与激光束在熔化区域相交，使得至少一部分填充粉末在熔化区域形成熔体，并使得熔体具有从熔化区域到工件中目标区域的熔体轨迹；并根据在工件上感测到的温度而改变熔化区域与目标区域之间的间隙宽度。

根据上述的方法，填充粉末通过钎焊头输送，熔化区域通过提供钎焊头与工件之间的相对位移来移动。

根据上述任何一种的方法，其中改变间隙宽度包括通过将熔化区域远离目标区域的位置移动来增加间隙宽度，以响应于工件上感测到的温度升高。

根据上述任何一种的方法，其中温度是在工件的参考表面上感测的，所述参考表面是从目标区域和与目标区域相距一定距离的工件部分中选取的。

根据上述任何一种的方法，其中通过将熔化区域远离目标区域，以保持所感测到的温度低于参考温度。

根据上述任何一种的方法，其中所述的参考温度对应于以下之一：工件的熔化温度或再结晶温度和一般环境温度。

根据上述任何一种的方法，还包括：提供至少从熔化区域延伸至目标区域的局部惰性气体氛围。

根据上述任何一种的方法，还包括：提供具有层流特征的惰性气体氛围，其中熔体轨迹位于惰性气体氛围中。

根据上述任何一种的方法，其中在熔体轨迹的任何点处，熔体的所有侧面都被惰性气体包围。

根据上述任何一种的方法，其中熔体轨迹相对于垂直轴是倾斜的。

根据上述任何一种的方法，其中熔体间歇性地沉积在目标区域。或者，熔体连续地沉积在目标区域。填充粉末可以具有与工件熔点相似的熔点。填充粉末可以从与工件材料相似的材料中选择。

一种激光增材钎焊工件的方法，该方法包括：确定工件轮廓上的多个目标区域；并在上述多个目标区域中的相应位置依次沿轮廓移动钎焊头。其中钎焊头被配置为提供激光束并输送填充材料，其中在响应于多个目标区域中的选定区域所感测到的温度时，该选定区域的间隙宽度可以相应迭代地变化。

根据上述任何一种方法，控制系统被配置为在处理时间内迭代地变化间隙宽度，并根据来自以下组的至少一个参数来变化间隙宽度，所述组包括熔体沉积速率、激光功率、轮廓和工件的至少一个传热系数。

另一方面，用于激光增材钎焊工件的系统，该系统包括：温度传感器，用于感测工件参考表面的温度；钎焊头，用于沿着纵向轴线提供激光束，所述钎焊头被配置为提供填充粉末，输送填充粉末的轨迹与激光束在熔化区域相交，以使至少一些填充粉末在熔化区域形成熔体，并使熔体具有从熔化区域到工件上的目标区域的熔体轨迹，其中熔化区域和目标区域之间间隔一个间隙宽度；以及与温度传感器和钎焊头连接的控制系统，其中控制系统被配置为根据上述任何一项可控地变化间隙宽度。

根据上述任何一种方法的系统，还包括与控制系统和钎焊头连接的机械臂，所述机械臂被配置为通过将钎焊头从工件上移开而使熔化区域相对于目标区域发生位移。

根据上述任何一种方法的系统，其中控制系统配置为在感测到的工件温度低于参考温度时，增加间隙宽度。

根据上述任何一种方法的系统，还包括配置为提供局部惰性气体氛围的惰性气体供应，以使熔体轨迹位于局部惰性气体氛围中。

根据上述任何一种方法的系统，还包括配置为输送填充粉末的填充材料供给。

根据上述任何一种方法的系统，还包括配置为获取工件处感测温度的红外传感器。

根据上述任何一种方法的系统，还包括配置为映射工件轮廓的三维扫描仪。

本发明还涉及一种系统，其中钎焊头包括：定义具有第一开口的激光通道的外壳，激光束配置为通过激光通道和第一开口进行定向；放置在激光通道的径向外部的填充材料通道，以使输送填充粉末的轨迹与激光束在熔化区域相交，其中轨迹从熔化区域延伸为熔体轨迹；放置在靠近第一开口并与其流体通信的存储腔；以及一个惰性气体进口，配置为将惰性气体输送到存储腔中，以形成从第一开口延伸到整个熔体轨迹的局部惰性气体氛围。

附图说明

图1是根据一种实施例的激光钎焊系统示意图；

图2是本发明的一种实施例的激光增材钎焊方法流程图；

图3是本发明的另一种实施例的方法流程示意图；

图4是根据本发明的另一种实施例的激光增材钎焊系统示意图；

图5A是图4系统处于工作状态的部分示意图；

图5B是更详细的视图显示熔体穿过间隙的轨迹；

图6A和6B分别示意性地说明了本方法中不同方向上的钎焊头；

图7是本发明的另一种实施例的激光增材钎焊系统示意图；

图8展示出一种实施例中的钎焊头；

图9是图8钎焊头的部分剖面图；

图10是图8钎焊头的另一张剖面图。

具体实施方式

本发明中对“一个实施例”、“另一个实施例”或“一个实施形式”(或类似术语)的引用表示描述的特定特征、结构或特点适用于至少一个实施例。因此，本发明中在各个地方出现的“在一个实施例中”或“在一个实施形式中”或类似术语并不一定都是指相同的实施例。此外，所述的特定特征、结构或特点可以以任何适当的方式在一个或多个实施例中组合。在以下描述中，提供了许多具体细节，以便全面了解实施例。熟悉相关技术的人士将认识到，各种实施例可以省略其中一个或多个具体细节，或使用其他方法、组件、材料等的情况下进行。在其他情况下，为避免混淆，可能不会显示或详细描述某些或所有已知的结构、材料或操作，以避免混淆。

本发明中使用“示例”一词表示“作为示例、实例或说明”。在此描述的任何实施方式中，被描述为“典型”的实施方式不一定比其他实施方式更优选或更有利。在本文中，“一个”这样的单数形式可以被解释为包括复数形式“一个或多个”，除非上下文明确表示另外的含义。

本发明和权利要求中使用“第一”和“第二”等术语仅出于简洁和清晰的目的，并不一定意味着优先级或顺序，除非上下文要求。术语“大约”和“近似”用于一个陈述的数值包括精确值和合理的差异，这将由技术人员理解。术语“一般”和“实质上”也应以类似的方式理解，除非另有规定。

术语“激光增材钎焊”和“激光钎焊”在本发明中可互换使用，指的是本发明的一种过程，在该过程中，填充材料，如填充粉末，通过激光束熔化或流动，并将填充材料增材制造到工件的目标区域。目标区域可以是两种不同材料之间的界面，或工件中(同种或异种材料的一个或多个工件)的不连续处(例如裂纹、孔洞、磨损表面等。激光增材钎焊可用于异种材料的连接(例如铝合金与钢的连接，或金属与陶瓷的连接)。激光增材钎焊还可用于相对有针对性的工作，例如修复或再制造。

本发明的一种激光增材钎焊系统100如图1所示。该系统(100)包括一个钎焊头(110)，用于将激光束(212)定向到熔化区域(92)并根据激光增材钎焊的方法(800，见图2)向熔化区域中加入填充粉末。钎焊头与机械臂(510)相连接。机械臂被配置为支撑、定位和/或移动钎焊头，以响应控制系统(500)的指令。在系统的工作状态下，机械臂被配置为保持钎焊头的位置或重新定位钎焊头。在工作状态下，钎焊头相对于目标区域(96)被定位，以使熔化区域与目标区域之间存在一个间隙(94)，其具有间隙宽度。

目标区域(96)可以通常定义为填充材料要沉积在工件上/内的区域。在某些情况下，目标区域是工件中的不连续处(90)。在其他情况下，目标区域可以是两个或多个部分(统称为工件)之间要形成的接头。目标区域也可以被定义为一个单元沉积区域，并根据熔体沉积到工件的速率来确定。可以定义一个目标平面(95)来参照目标区域或工件，以定义熔化区域和目标区域之间的间隙宽度。在本发明中，“目标区域”和“目标平面”这两个术语可以互换使用，“间隙”和“间隙宽度”这两个术语也可以互换使用，除非上下文另有规定。

该系统(100)包括一个温度传感器(610)，用于感测工件(90)参考表面(97)处的温度(810)。在某些示例中，参考表面由目标区域(96)的一部分定义。在其他示例中，参考表面由与目标区域间隔一定距离的工件的另一部分定义。控制系统(500)与温度传感器(610)和机械臂(510)相连。控制系统被配置为控制机械臂，并根据从感测到的参考表面获得的温度或温度变化来操作钎焊头。该系统可配置为适应大型工件或大型结构，并可在一般环境条件或室温和大气压下操作。一般环境温度指的是没有任何有意的改变或控制的正常室温。大气压指的是工件周围的气压，没有任何有意的改变或控制。有意的控制可以包括使用真空炉、加热室、加压惰性气体室、气体部分抽真空并替换为惰性气体的室等。本发明的激光增材钎焊方法可以在受控环境外执行，即不使用真空炉或真空室。这样可以节省时间和能源。该系统(100)的优点是适用于各种各样工件。例如，工件的尺寸可以比系统的物理尺寸大得多，并放置在一般环境中，例如位于机库中的飞机面板。本方法可以在参考表面所感测到的温度接近或等于一般环境温度下进行，其中所述的参考表面与目标区域相距一定距离并在标准大气压下暴露于空气中。

在某些实施例中，控制系统(500)被配置为响应于在参考表面(97)上感测到的温度而增加间隙宽度(94)。控制系统可以被配置为通过将熔化区域(92)从目标区域(96)移开来增加间隙宽度，以响应于在工件上感测到的温度升高。在某些实施例中，控制系统配置为在感测到的工件温度低于参考温度时，增加间隙宽度。在某些实施例中，控制系统被配置为基于至少一个参数来确定新的间隙宽度(820)，该至少一个参数包括在参考表面上感测到的温度或温度变化。控制系统可以被配置为响应于目标区域的温度，通过移开熔化区域以维持参考表面的温度低于参考温度。通过将熔化区域从目标区域移开，可以使感测到的温度低于参考温度。系统(100)可以被配置为通过迭代调整间隙宽度(94)来执行激光增材钎焊过程，以响应在目标区域(96)感测到的温度；将激光束(212)对准熔化区域(92)；将填充粉末在熔化区域内熔化以形成熔体(138)；并将熔体沉积在目标区域(96)上。间隙被配置为可调节，以响应目标区域的温度，使温度保持在参考值以下。控制系统可以被配置为控制机械臂，使机械臂将钎焊头从目标平面移开，从而导致熔化区域远离目标平面或目标区域，以响应参考表面的温度高于参考温度。控制系统可以被配置为，当确定间隙宽度时，向机械臂发送命令，以便重新定位钎焊头，使熔化区域和目标平面之间分开一个更新的间隙宽度。如果控制系统确定熔化区域和目标平面之间的间隙宽度在可接受的间隙宽度值范围内，则钎焊头可以处在相同位置。或者，如果控制系统确定熔化区域和目标平面之间的间隙宽度在可接受的间隙宽度值范围内，并且如果需要将钎焊头移动到新的目标区域，则钎焊头可以在同时保持当前间隙宽度不变的情况下移动到新的目标区域。或者，控制系统可以配置为改变或保持间隙宽度的情况下，重新定位钎焊头的方向。在某些示例中，控制系统配置为根据感测到的参考表面的温度和至少一个其他参数来确定目标间隙宽度。可以从以下参数中选择至少一个其他参数的示例，包括：工件材料和填充材料的参考温度特性，参考表面的温度变化速率，钎焊头的方向，填充粉末的轨迹(1301)，熔体的轨迹(1302)以及目标区域的物理尺寸。

在某些实施例中，控制系统被配置为调整间隙，即沿纵向轴(120)改变间隙宽度，以使在工件处感测到的温度向参考值调整，直到感测到的温度低于参考值(参考温度)。控制系统可以通过迭代地调整间隙，以不断或定期获取目标区域的温度来进行动态调整。控制系统被配置为动态确定熔化区域和目标平面之间的相对位移，或动态确定理想的间隙宽度，考虑到其他参数，例如沉积速率、激光功率、表面轮廓等。例如，参考值可以对应于工件材料的再结晶温度，或目标区域材料的再结晶温度。术语“再结晶温度”是指在给定材料和加工条件下发生再结晶或微观组织变化的温度。再结晶温度可能不是恒定的温度，并且可能取决于加热时间、材料是合金还是单质金属、工件之前受到的冷加工量、晶粒尺寸等因素。作为仅用于说明目的的非限制性示例，参考值可以被定义为再结晶温度的因子(例如，再结晶温度的80％)，或在另一个非限制性示例中，参考值可以被定义为比再结晶温度低15℃(摄氏度)。在另一个示例中，参考值可以通过动态计算来确定，考虑到一个或多个参数，诸如熔体沉积速率、激光功率、目标区域的表面轮廓、传热系数等。在某些实施例中，目标区域可保持在再结晶温度以下。作为另一个非限制性的示例，参考温度可以被定义为与目标区域材料熔点相对应的值。作为另一个非限制性的示例，参考值可以被定义为熔点的因子(例如，目标区域材料之一的熔点的50％)。在另一个非限制性的示例中，参考值可以定义为比熔点低100℃(摄氏度)。在另一个非限制性的示例中，参考值可以定义为比熔点高100℃(摄氏度)，用于涉及工件熔化的激光熔覆或沉积。在某些示例中，参考温度对应于一般环境温度。

图4说明了系统(100)的另一种实施方式，工件(90)可通过工作台(530)来支撑或稳定。工作台也可以选择性地配置为移动工件(90)。控制系统(500)还可以包括一个运动控制模块(520)，配置为控制机械臂(510)和/或工作台(530)中的任意一个或两个，以便控制钎焊头和目标平面或目标区域之间的相对运动或相对位移。也就是说，控制系统配置为通过控制熔化区域和工件之间的相对位移来控制熔化区域和目标区域之间的间隙宽度(94)。通过提供钎焊头和工件之间的相对位移，可以使熔化区域移位。控制系统(500)可以包括温度采集模块(540)，该模块配置为从一个或多个温度传感器(610)接收温度测量值(620)。控制系统(500)可以包括一个激光控制模块(550)，该模块被配置为控制激光源(210)。在操作中，激光源(210)沿着纵向轴(120)向目标区域(96)提供激光束(212)。控制系统(500)可以配置为控制填充粉末供应模块(310)。控制系统(500)可以配置为控制气体供应模块(410)。控制系统可以采用一个或多个计算设备、控制器或处理器(560)的形式。在本发明中，“控制系统”、“计算设备”、“控制器”和“处理器”这些术语是为了简洁起见而可互换使用的。

参考图5A和图5B，显示了钎焊头(110)的部分横截面，其中定义了一个存储腔(144)。当系统(100)处于工作状态时，激光束(212)沿着类似纵向定向的通道(114)的纵向轴(120)方向移动。激光束通过第一开口(116)朝向工件(90)的目标区域(96)离开钎焊头。激光束通过一个包括透镜(150)的聚焦系统在焦点(214)处聚焦。在某些实施例中，激光束的焦点对应于熔化区域(92)，即熔化区域的位置可以由焦点的位置定义。在某些示例中，透镜相对于钎焊头固定，使得焦点随钎焊头同步移动。当机械臂(510)相对于目标平面(95)移动钎焊头时，可以相应地改变焦点的位置和对应熔化区域的位置。在某些示例中，可以通过移动透镜或焦点相对于目标区域来调整熔化区域与目标区域之间的间隙(94)。在其他实施例中，透镜相对于钎焊头是可移动的，使得焦点是可移动的。该间隙允许目标区域在下一次熔体(138)沉积之前稍微冷却。这有助于减轻工件中热影响区的形成。

在操作中，激光束沿纵向轴线朝向目标区域或目标平面移动。同时，填充粉末沿一个或多个轨迹(130)投射或传递到激光束或钎焊头外的纵向轴线，或最终到达目标区域或目标平面。轨迹(130)可以描述为粉末轨迹(1301)导向熔化区(92)，以及从熔化区域(92)延伸到目标区域(96)或目标平面(95)的熔体轨迹(1302)。系统(100)被配置为填充粉末的轨迹在熔化区域与激光束(212)或纵向轴线相交。控制系统被配置为控制钎焊头，使填充材料至少部分熔化以在熔化区域形成熔体，并且熔体沿着熔体轨迹穿过间隙(间隙宽度)到达目标区域。

熔化区域(92)可被定义为一个体积(三维)空间，其中填充粉末被激光束(212)加热，并至少有一部分填充粉末被熔化。熔化区域可以定义一个体积大小和体积形状。附图中熔化区域被示意为规则形状，但实际上，熔化区域的体积大小和体积形状可能是不规则的，在激光增材钎焊操作过程中是动态变化的。在实际应用中，激光束的焦点(214)可以被用作估计位置，对应于熔化区域(92)的位置。在实际的维修或再制造操作中，工件上的目标区域可能包括孔洞或裂纹。例如，在激光增材钎焊过程中，目标区域(96)随着填充材料向目标区域沉积而在其物理几何形状上发生变化。目标平面(95)可以被定义为参考平面，用于定义目标区域与熔化区域之间的间隙宽度(94)。目标平面可以被定义为与纵向轴线(120)垂直且与目标区域(96)的一部分重合的平面。目标区域是指钎焊接头形成或填充材料熔体用于填补工件中的不连续处或连接多个工件的区域(不一定是连续或平坦的)，例如作为维修或再制造操作的一部分。

在激光增材钎焊过程中，工件(90)在目标区域(96)或其附近的温度也在动态变化。随着熔体(138)沿着从熔化区域到目标平面或目标区域延伸的熔体轨迹(1302)穿过间隙，熔体开始冷却，使目标区域不像熔化区域(92)那样受到高温的影响。目标区域不会持续受到加热。目标区域最主要的热量来源来自熔体(138)的间歇性滴落。如图3所示，本方法(700)可选地包括间歇性地将熔体沉积(或间隔引入)于目标区域(740)，例如，通过在熔化区域和目标区域之间提供间隙。根据本发明的实施例，无需在真空炉内进行激光增材钎焊方法。因此，工件的其他部分不会被有意加热至超过目标区域的温度，使得工件的其余部分可以作为散热器，并使目标区域保持相对较低的温度，从而基本上避免了热影响区的相关问题。一方面，目标区域可以被描述为具有间歇性的冷却期(其中从目标区域的热传导更为显着)和加热期(当熔体被沉积在目标区域上/内时)。工件上形成热影响区(HAZ)的相关风险可以减轻。其中一个结果是可以选择更高功率的激光设置并有机会以更高的生产量运行，因为热影响区的相关问题不再占主导地位。可选地，激光束在整个操作过程中可以保持恒定功率。

填充粉末的选择取决于工件的材料。填充粉末可以包括具有基本均匀晶粒尺寸的粉末状填充材料。或者，填充粉末可具有不均匀的晶粒尺寸。在某些示例中，填充粉末是从具有远低于工件熔点的材料中选择的。根据本发明的其他实施例，填充粉末可以从具有接近或类似于目标区域中工件熔点的材料中选择。控制系统被配置为根据填充粉末的熔点、目标区域中工件的熔点以及参考表面上感测到的温度来确定可接受的间隙宽度范围和极限。控制系统被配置为响应性地改变钎焊头和工作台的相对位移或位置，以使实际或当前的间隙宽度在可接受的间隙宽度范围内。在将熔体沉积到/在目标区域之前，可以变化间隙宽度，或者可以在激光增材钎焊操作期间定期或连续地变化间隙宽度。与传统方法相比，本方法中目标区域中热影响区(HAZ)的影响较小。同时，通常与突兀温度梯度相关的问题被避免。因此，本方法可以选择更多种类的填充材料，包括选择具有与工件材料相近熔点的填充粉末。本发明的方法因此可使成品具有改进的材料或结构同质性。在本实施例的某些示例中，填充材料可以从类似于工件的材料中选择。填充粉末可以具有接近于工件的熔点。例如，填充粉末的熔点与工件的熔点之间的差异可能小于100℃。填充粉末可以选择与工件材料相似的材料。

根据本发明的某些实施例，图3的方法(700)可选地包括以可控的轨迹(750)提供填充粉末。填充粉末可以在惰性气体等载体气体的帮助下以可控的轨迹(130)提供。为了清晰起见，图5A和图5B未显示所有可能的轨迹。本发明中关于轨迹或一条轨迹的引用应理解为适用于多条轨迹。填充粉末通过粉末轨迹(1301)投射通过/进入熔化区域(92)中。在熔化区域，激光至少将部分填充粉末熔化，形成多个熔体或熔滴(138)。熔体沿着熔体轨迹(1302)，最终被沉积到目标区域(96)中。熔体(在熔化区域和目标区域之间)的轨迹(1302)可以与纵向轴线(120)基本对齐。例如，当纵向轴线基本上是垂直轴时，系统可以被配置为提供与垂直轴线基本平行的熔体轨迹，例如，通过重力和/或载气体的辅助。在其他示例中，如图6A和图6B所示，纵向轴线可能相对于垂直轴线呈角度偏移(倾斜)，其轨迹(130)也会相应地有所变化。

可选地，根据图3的实施例，该方法包括提供与目标区域(96)相距一定距离的熔化区域(92)，其中熔化区域完全处于惰性气体(760)的氛围(140)内。控制系统(500)可以被配置为提供惰性气体的供应，以饱和钎焊头(110)中的存储腔(144)，并提供形成从钎焊头到目标区域的层流惰性气体流氛围(140)。在操作中，例如图5B所示，熔化区域在惰性气体氛围内。熔化区域(92)完全被惰性气体氛围(140)所包围。熔化区域和目标区域之间的间隙(94)也完全位于惰性气体氛围内，以使熔体(138)始终被惰性气体氛围所包围，即使熔体朝目标区域移动时也是如此。目标区域(96)相对于惰性气体氛围和惰性气体流速配置，使得目标区域完全被惰性气体覆盖或包围。换言之，局部的惰性气体氛围(140)被提供以同时覆盖熔化区域(92)和目标区域(96)，局部的惰性气体氛围至少从熔化区域延伸至目标区域。惰性气体的供给是形成氛围，而不是作为薄层或薄幕被提供。换句话说，惰性气体被配置为靠近熔化区(92)和目标区(96)的局部惰性气体氛围(140)。可以选择各种气体。惰性气体的非限制性示例包括氩气用于钛工件，氮气用于不锈钢工件等。

在某些示例中，该系统(100)被配置为在传递填充粉末之前提供局部惰性气体氛围(140)。最好是，该系统通过惰性气体饱和从钎焊头到目标区域之间的空间，从可能的填充粉末或熔体的轨迹(130)中排出正常的大气气体(一般环境空气)。当该方法在真空室外执行的情况下，局部惰性气体氛围将被一般环境空气包围。最好，局部惰性气体氛围是惰性气体的层流流动。惰性气体的流动可以被可控制地连续提供到存储腔144中，流量由控制系统控制，形成以层流为特征的惰性气体氛围，熔体轨迹位于惰性气体氛围或局部惰性气体氛围中。在熔体轨迹的任何点上，熔体的四周都被惰性气体包围。

响应间隙宽度的调整，控制系统被配置相应地调整惰性气体的输送，使熔体(138)从其形成(通过填充粉末的熔化)到其在工件目标区域中的沉积中都处于惰性气体的流动氛围中。可选地，惰性气体的流量可以增加或减少。在一些示例中，填充粉末和/或熔体的轨迹被预测为基本向下时，可以选择密度高于一般环境空气的惰性气体。局部气体氛围还可以用于冷却目标区域，以缓解热影响区的影响，并防止或减少氧化。

图6A和6B展示了系统(100)的实施例在现场设置中部署，即在真空炉外。在图6A的示例中，目标区域(96)位于工件(90)的侧表面上。填充粉末以可控的轨迹(130)投射。轨迹(130)通过熔化区域(92)投射进行熔化，穿过间隙(94)并延伸到目标区域(96)。由于目标区域朝向一般水平方向，轨迹(130)的轴线(136)相对于垂直轴线(98)是倾斜的，形成它们之间的角度(138)。控制系统(500)被配置为根据目标平面的方向来控制轨迹(130)。作为非限制性示例，控制轨迹可以包括通过控制机械臂来改变钎焊头的位置和/或方向，通过控制填充材料供应来改变轨迹的速度，通过控制气体供应来改变惰性气体氛围的体积大小等。此外，控制轨迹还可以进一步考虑熔化区域和目标区域间的相对位置，以及轨迹上的外部因素或干扰，例如惰性气体氛围引起的引力效应或空气阻力。由于熔体的轨迹或路径基本水平，因此局部惰性气体氛围可以由与一般环境空气密度相似的惰性气体形成。

在图6B的示例中，目标区域(96)位于工件(90)的底部，使得传统设备相对难以接近目标区域(96)。填充粉末以可控的轨迹(130)投射，轨迹穿过熔化区域(92)，穿过间隙(94)，并继续到目标区域(96)。为简洁起见，无论目标区域的方向如何，熔体(138)都被称为沉积在目标区域(96)上。在这种情况下，目标区域朝向一般向下。控制系统将轨迹(130)相对于垂直轴(98)设置为倾斜的，形成它们之间的角度(138)。控制系统(500)被配置为基于目标平面的方向确定轨迹(130)。局部惰性气体氛围可以由与一般环境空气密度相似或更低的惰性气体形成。

本发明涉及一种便携式系统的实施例，参见图7。该系统(100)包括温度传感器(610)。该系统包括：红外(IR)传感器(612)，配置为通过红外波路径(600)测量目标区域的温度；沿红外波路径设置的红外滤光片(614)，用于过滤杂散的红外波；用于改变红外波路径强度的光圈(616)；以及配置为过滤不良辐射的激光滤光片(618)。为简洁起见，本文中所使用的术语“红外传感器”可能指适用于探测或感测目标区域温度的一个或多个装置(包括装置组合)，例如但不限于红外相机、红外温度传感器、热电偶等。可以提供镜片(216)，以引导来自激光源(210)的激光束(212)通过透镜(150)聚焦在熔化区域(92)内。在某些实施例中，可以提供三维激光扫描仪(630)，并配置成映射或以其他方式获得工件的轮廓。控制系统可以配置为确定需要修复工件的轮廓上的多个目标区域。控制系统可以配置为使钎焊头沿着工件的轮廓移动，并在各自的多个目标区域之间进行连续激光增材钎焊。在响应于多个目标区域中的选定区域所感测到的温度时，该选定区域的间隙宽度可以相应迭代地变化。如果目标区域之间的条件不同，则可以为每个目标区域确定不同的参考温度。可以为多个目标区域中的每一个定义不同的参考表面，例如，各自的目标区域也可以用作温度感测的参考表面。除了在处理时间内反复进行的温度测量之外，控制系统还可以考虑多个目标区域中每一个的物理轮廓，并相应地在每个目标区域中变化间隙宽度。控制系统可以配置为根据以下至少一个因素在处理时间内迭代地改变间隙宽度：熔体沉积速率，激光功率，轮廓，以及工件的至少一个传热系数。

一种钎焊头(110)的实施例将通过图8至10进行更详细的描述。钎焊头包括定义激光通道(114)的外壳(112)，用于通过其中传递激光束(212)。激光通道具有第一开口(116)和第二开口(118)。激光通道定义纵轴或通道轴(120)。激光束可以通过第二开口提供到激光通道，并且可以配置使激光束通过第一开口退出激光通道。激光通道可以被配置为激光束在沿着通道轴(纵向轴)方向通过激光通道的至少一部分。激光通道中设置了一个聚焦元件，例如透镜(150)，用于聚焦激光束。激光束被配置为在焦点聚焦。分隔器(160)，例如透明于激光束的保护玻璃片，可以被放置在激光通道中，以将激光通道密封成至少两个部分(144，146)，以便在第一开口(116)旁提供存储腔(144)。分隔器被配置为允许激光束通过，同时提供配置为累积气体的存储腔。换句话说，分隔器被配置成防止存储腔(144)与激光通道(146)的其余部分之间进行流体通信。

所述外壳(112)还包括一个惰性气体进气口(142)，该进气口进行与存储腔(144)和激光通道(114)的液体通信。惰性气体进气口可以连接到气体供应，以向激光通道提供惰性气体，更具体地说，是为了将惰性气体供应到存储腔中。存储腔被配置为使惰性气体首先在存储腔中积聚，并促进从第一开口到至少整个熔体轨迹(1302)一直延伸到目标区域(96)的局部惰性气体氛围的形成。

钎焊头(110)还可以包括填充材料通道(134)和至少一个与填充材料通道相连的填充材料进口(132)。填充材料通道形成于外壳(112)中，并与激光通道(114)隔离。填充材料通道可以配置为环形通道，放置于至少部分激光通道的径向外。一对填充材料进口可以分别放置于外壳的相对侧，以便在退出钎焊头之前，可以在环形通道内形成涡流。涡流有助于将填充粉末投射到或通过熔化区域(92)以形成继续沿其轨迹沉积到工件上的熔体。

本发明的方法和系统使得激光钎焊可以在一般环境条件下进行，而无需提供受控环境。也就是说，本方法可以用于现场维修或再制造。该系统可以配置为便携式系统，可以将其带到需要维修的产品或结构上，而不是将产品或结构拆解成适合放入真空炉中的工件，或者将工件放置于真空炉进行钎焊。换句话说，激光增材钎焊可以在工件的现存位置进行，无需将工件运输到其他地方。工艺的便携性具有独特的优点，能够在不需要拆卸、运输或重新定位的情况下对大型工件进行激光增材钎焊。可以理解的是，工艺的便携性消除了工件尺寸和工件位置的限制。本方法和系统为激光增材钎焊在更多情况下的使用开辟了道路，例如在造船厂的船壳上，在核电站的压力容器上或在机库中的飞机机身上。如上所述，本发明中的激光增材钎焊工艺可以用于朝向地平线倾斜的目标区域。工件的重新定位是可选的。因此，激光增材钎焊可以在更复杂的轮廓上执行，例如需要精细控制的机翼，或难以进入的区域。

本文中所描述的所有示例，无论是设备、方法、材料还是产品，仅用于说明和帮助理解，不旨在限制或详尽阐述。普通技术人员可以进行各种更改和调整，而不偏离所声明的发明范围。

Claims (24)

1.一种激光增材钎焊工件的方法，该方法包括：

提供激光束；

沿一轨迹输送填充粉末，所述轨迹与激光束在熔化区域相交，使得至少一部分填充粉末在熔化区域形成熔体，并使得熔体具有从熔化区域到工件上的目标区域的熔体轨迹；以及

根据在工件上感测到的温度而改变熔化区域和目标区域之间的间隙宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充粉末通过钎焊头进行输送，以及通过提供钎焊头与工件之间的相对位移来移动熔化区域。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，改变间隙宽度包括：响应于在工件上感测到的温度升高，通过将熔化区域远离于目标区域移动来增加间隙宽度。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述温度是在工件的参考表面上感测的，所述参考表面选取自目标区域和与目标区域相距一定距离的工件的一部分中的一者。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将熔化区域远离于目标区域移动，以保持所感测到的温度低于参考温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的参考温度对应于以下之一：工件的熔化温度或再结晶温度，以及一般环境温度。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

提供一局部惰性气体氛围，该氛围至少从熔化区域延伸到目标区域。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

提供具有层流特征的惰性气体氛围，其中所述熔体轨迹位于惰性气体氛围中。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在熔体轨迹的任何点处，熔体的所有侧面都被惰性气体包围。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，熔体轨迹相对于垂直轴是倾斜的。

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，熔体间歇性地沉积在目标区域中。

12.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，熔体连续地沉积在目标区域中。

13.根据权利要求1至12的任一项所述的方法，其特征在于，填充粉末的熔点与工件的熔点接近。

14.根据权利要求1至12的任一项所述的方法，其特征在于，填充粉末选自与工件材料相似的材料。

15.一种激光增材钎焊工件的方法，该方法包括：

沿着工件轮廓确定多个目标区域；和

在对多个目标区域相继执行根据权利要求1至10中任一项所述方法的之间，使钎焊头沿着轮廓移动，其中钎焊头被配置为提供激光束并提供填充材料，并且响应于在多个目标区域中选定的区域内感测到的温度，相应迭代地变化该选定的区域的间隙宽度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，控制系统被配置为在处理时间内迭代地变化间隙宽度，其中所述间隙宽度根据以下至少一个参数而变化：熔体沉积速率、激光功率、轮廓和工件的至少一个传热系数。

17.一种用于激光增材钎焊工件的系统，该系统包括：

温度传感器，用于感测工件的参考表面的温度；

钎焊头，用于沿纵向轴提供激光束，所述钎焊头被配置为沿一轨迹提供填充粉末，所述轨迹在熔化区域中与激光束相交，以使至少一部分填充粉末在熔化区域中形成熔体，并使熔体具有从熔化区域到工件上的目标区域的熔体轨迹，所述熔化区域和目标区域之间间隔一间隙宽度；以及

与温度传感器和钎焊头相连的控制系统，其中所述控制系统被配置为根据权利要求1的方法以可控方式变化所述间隙宽度。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括与控制系统和钎焊头相连的机械臂，其中所述机械臂被配置为通过使钎焊头远离于工件移动而使熔化区域相对于目标区域发生位移。

19.根据权利要求17或18所述的系统，其特征在于，控制系统配置为在感测到的工件温度低于参考温度时，增加间隙宽度。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的系统，其特征在于，还包括一惰性气体供应装置，配置为提供局部惰性气体氛围，使熔体轨迹位于局部惰性气体氛围中。

21.根据权利要求17至20中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括填充材料供应装置，用于提供填充粉末。

22.根据权利要求17至21中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括红外传感器，用于获取在工件处感测到的温度。

23.根据权利要求17至22中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括三维扫描仪，用于映射工件的轮廓。

24.根据权利要求17至23中的任一项所述的系统，其特征在于，钎焊头包括：

外壳，具有第一开口以定义出激光通道，激光束被配置为通过激光通道和第一开口进行定向；

位于激光通道的径向外侧的填充材料通道，以使输送填充粉末的轨迹与激光束在熔化区域相交，其中所述轨迹从熔化区域延伸为熔体轨迹；

存储腔，位于第一开口附近并与第一开口流体连通；以及

惰性气体进口，配置为将惰性气体输送到存储腔中，以形成从第一开口延伸经过整个熔体轨迹的局部惰性气体氛围。