使用消耗品和热源与焊接熔池的方法和系统技术方案

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。

Methods and systems for using consumables and heat sources and welding pools

A system and method for controlling filler wires and/or heat sources are provided. The system comprises a high-intensity energy source configured to heat at least one workpiece to form a melting pool on the surface of at least one workpiece. The filler wire feeder is configured to deliver the filler wire to the molten pool, and the travel direction controller is configured to advance the high strength energy and the filler wire in the travel direction to deposit the filler wire on at least one workpiece. The system also includes a controller configured to move the filler wire and/or the energy source in at least a first direction during the feeding and propulsion of the filler wire. At least the first direction is controlled to obtain the desired shape, contour, height, size, or mixture of the weld beads formed by the molten pool.

【技术实现步骤摘要】
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。
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。
技术介绍
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专利技术的实施例相比较，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。
技术实现思路
本专利技术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。所要求保护的本专利技术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专利技术的示例性实施例，本专利技术的上述和/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专利技术的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本专利技术，而不旨在以任何方式限制本专利技术的范围。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，但本专利技术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，本专利技术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，以用于精确焊接并本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2017.05.22 US 15/601,550;2017.07.13 US 15/648,7221.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·阿什，
申请(专利权)人：林肯环球股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US