不能支持电弧的热焊丝消耗品的制作方法

不能支持电弧的热焊丝消耗品的制作方法
【专利摘要】用于在热焊丝应用(例如，钎焊、熔敷、堆焊、填充、熔覆、焊接以及接合应用)中使用填充焊丝(140,140A,140B,140C)的系统(100)和方法被提供。填充焊丝(140,140A,140B,140C)具有第一段，所述第一段具有每单位长度第一电阻。填充焊丝(140,140A,140B,140C)还具有第二段，所述第二段具有每单位长度第二电阻，所述每单位长度第二电阻高于每单位长度第一电阻。在热焊丝应用期间，填充焊丝的第二段被配置来在第一段之前熔化。在一些实施方案中，第一段的电阻率和第二段的电阻率是相等的，并且第二段具有小于第一段的截面面积的截面面积。在一些实施方案中，在第一段中的填充材料的电阻率和在第二段中的填充材料的电阻率是不同的。
【专利说明】不能支持电弧的热焊丝消耗品
[0001]本申请要求2012年7月6日递交的美国临时专利申请N0.61/668，849的优先权，所述美国临时专利申请N0.61/668，849的全部内容通过引用被并入本文。
发明领域
[0002]本发明涉及根据权利要求1的用于在热焊丝应用中使用的填充焊丝，涉及根据权利要求10的热焊丝系统，并且涉及根据权利要求14的使用热焊丝系统中的填充焊丝的方法。某些实施方案涉及在熔覆(overlaying)、焊接以及接合应用中使用的填充焊丝。更特别地，某些实施方案涉及在用于钎焊(brazing)、熔敷(cladding)、堆焊(building up)、填充、表面硬化(hard-facing)熔覆、接合以及焊接应用中的任一个的系统中，使用变化电阻的填充焊丝的系统和方法。
技术背景
[0003]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)可以提供增加的沉积率以及超过单独传统弧焊速度的焊接速度。在这样的焊接操作中，引导焊炬的填充焊丝可以由单独的电源来电阻加热(resistance-heated)。焊丝通过导电管被朝向工件送进并且延伸超过所述管。延伸部分是被电阻加热的，以有助于填充焊丝的熔化。鹤电极可以被用于加热和熔化工件以形成熔池。电源提供电阻熔化(resistance-melt)填充焊丝所需的大部分能量。在某些情况下，焊丝送进可能会滑脱(slip)或出现故障(falter)，并且焊丝中的电流可能会导致在焊丝末端和工件之间产生电弧。这样的电弧的额外的热量可能会引起导致不良的焊接质量的焊穿和飞溅。
[0004]通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。


【发明内容】

[0005]为了避免焊穿和/或为了提高焊接质量，本发明描述根据权利要求1的用于在热焊丝应用中使用的填充焊丝、根据权利要求10的热焊丝系统以及根据权利要求14的使用热焊丝系统中的填充焊丝的方法。本发明的进一步实施方案是从属权利要求的主题。本发明的实施方案包括在用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个的系统中，使用至少一个变化电阻的填充焊丝的系统和方法。填充焊丝具有第一段，所述第一段具有每单位长度第一电阻。填充焊丝还具有第二段，所述第二段具有每单位长度第二电阻，所述每单位长度第二电阻高于每单位长度第一电阻。在热焊丝应用期间，填充焊丝的第二段被配置来在第一段之前熔化。在一些实施方案中，第一段的电阻率和第二段的电阻率是相等的，并且第二段具有小于第一段的截面面积的截面面积。在一些实施方案中，在第一段中的填充材料的电阻率和在第二段中的填充材料的电阻率是不同的。根据本申请的问题还可以通过热焊丝系统来解决。系统包括高强度热源，所述高强度热源加热至少一个工件并且创建熔池。它进一步包括焊丝送进器和热焊丝电源供应器，所述焊丝送进器将填充焊丝送进到所述熔池，所述热焊丝电源供应器被可操作地连接到所述填充焊丝。热焊丝电源供应器供应加热电流通过所述填充焊丝，以加热所述填充焊丝。填充焊丝包括具有每单位长度第一电阻的第一段，以及具有每单位长度第二电阻的第二段，所述每单位长度第二电阻高于所述每单位长度第一电阻。在所述热焊丝应用期间，第二段被配置来在所述第一段之前熔化。根据系统的优选实施方案，在第一段中的填充材料的电阻率和在第二段中的填充材料的电阻率是不同的。
[0006]所述方法还包括至少在使用激光器加热至少一个填充焊丝的同时将来自高强度能量源的能量施加到所述工件，以加热所述工件。所述高强度能量源可以包括激光装置、等离子弧焊(PAW)装置、气体保护钨极弧焊(GTAW)装置、气体保护金属极弧焊(GMAW)装置、焊剂芯弧焊(FCAW)装置以及埋弧焊(SAW)装置中的至少一个。根据依据本发明的方法的优选实施方案，在第一段中的填充材料的电阻率和在第二段中的填充材料的电阻率是不同的。
[0007]从如下的说明书、权利要求书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。
[0008]附图简要说明
[0009]通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中:
[0010]图1图示说明组合填充焊丝送进器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个；
[0011]图2A-图2C图示说明可以在图1的系统中使用的填充焊丝的示例性实施方案；以及
[0012]图3图示说明组合填充焊丝送进器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个。
[0013]详细描沭
[0014]现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。
[0015]已知的是，在焊接操作中，焊接/接合操作典型地将多个工件接合在一起，其中填充金属与工件金属中的至少一些相结合来形成接头。由于期望增加焊接操作中的产品生产量，一直存在对这样的更快的焊接操作的需求，所述焊接操作并不产生具有不合标准的质量的焊缝。这对于使用类似技术的熔敷/表面化(surfacing)操作来说也是如此。注意的是，尽管以下讨论中的许多将涉及“焊接”操作和系统，但本发明的实施方案并不仅限于接合操作，而是可以被类似地用于熔敷、钎焊、熔覆等类型的操作。另外，需要提供这样的系统，所述系统可以在不利的环境状况下(例如，在遥远的工作场所)迅速地焊接。如下面所描述的，本发明的示例性实施方案提供超过现有焊接技术的显著的优点。这样的优点包括，但不限于，减少的导致工件轻度变形的总热量输入、非常高的焊接行进速度、非常低的飞溅率、没有保护措施(shielding)的焊接、以高的速度焊接电镀的或盖覆的材料而几乎没有或没有飞派，以及以高的速度焊接复合(complex)材料。
[0016]图1图示说明组合填充焊丝送进器和能量源系统100的示例性实施方案的功能性示意方框图，所述系统100用于执行钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆以及接合/焊接应用中的任一个。系统100包括高能量热源，所述高能量热源能够加热工件115来形成焊接熔池145。高能量热源可以是激光子系统130/120，所述激光子系统130/120包括可操作地相互连接的激光装置120和焊接熔池激光电源供应器130。激光器120能够将激光束110聚焦到工件115上并且电源供应器130提供功率来操作激光装置120。激光子系统130/120可以是任何类型的高能量激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-片(disk)、YB-光纤、光纤传递或直接二极管激光器系统。进一步地，甚至如果白光或石英激光器类型的系统具有足够的能量，可以使用它们。例如，高强度能量源可以提供至少500W/cm2。
[0017]下面的说明书将反复地涉及激光子系统130/120、光束110和焊接熔池激光电源供应器130，然而，应该理解的是，这种涉及是示例性的，因为任何高强度能量源可以被使用。例如，高能量热源的其他实施方案可以包括电子束、等离子弧焊子系统、气体保护钨极弧焊子系统、气体保护金属极弧焊子系统、焊剂芯弧焊子系统以及埋弧焊子系统中的至少一个。应该注意的是，高强度能量源(例如本文所讨论的激光装置120)应该是具有足够的功率来为所期望的焊接操作提供必需的能量密度的类型。就是说，激光装置120应该具有足够的功率，以贯穿焊接工艺创建并且保持稳定的焊接熔池，并且也达到所期望的焊接熔深。例如，针对一些应用，激光器应该具有“穿透(keyhole) ”被焊接的工件的能力。这意味着激光器应该具有足够的功率来完全地熔透工件，同时在激光器沿工件行进时保持所述熔深水平。示例性激光器应该具有lkW至20kW范围内的功率容量，并且可以具有5kW至20kW范围内的功率容量。更高功率的激光器可以被利用，但这可以变得非常昂贵。
[0018]系统100还包括热填充焊丝送进器子系统，所述热填充焊丝送进器子系统能够提供至少一个阻性填充焊丝140，以在靠近激光束110处与工件115接触。当然，理解的是，关于本文的工件115，熔池(即焊接熔池145)被认为是工件115的一部分，因此涉及到与工件115接触包括与焊接熔池145接触。热填充焊丝送进器子系统包括填充焊丝送进器150、导电管(contact tube) 160以及热焊丝电源供应器170。在操作期间，填充焊丝140由来自热焊丝焊接电源供应器170的电流来电阻加热，所述热焊丝焊接电源供应器170被可操作地连接在导电管160和工件115之间。在它进入工件115上的焊接熔池145之前，填充焊丝140的延伸部分由来自电源供应器170的电流加热，以使焊丝140在接触焊接熔池145之前接近或达到它的熔点。与大多数的焊接工艺不同，本发明将填充焊丝140熔化到焊接熔池145中而不是使用焊接电弧来将填充焊丝140转移到焊接熔池145中。因为填充焊丝140被加热到它的熔点或接近它的熔点，它在焊接熔池145中的出现将不会明显使熔池145冷却或凝固并且焊丝140被迅速地消耗到焊接熔池中。
[0019]根据本发明的实施方案，热焊丝焊接电源供应器170是脉冲直流(DC)电源，然而交流(AC)或其他类型的电源也是可能的。焊丝140通过导电管160从填充焊丝送进器150被朝向工件115送进，并且延伸超过管160。焊丝140的延伸部分是被电阻加热的，以使该延伸部分在接触到工件115上的熔池145之前接近或达到熔点。激光束110用于熔化工件115的基底金属的一些以形成熔池145，并且还可以帮助将焊丝140熔化到工件115上。电源供应器170提供电阻熔化填充焊丝140所需要的大部分能量。
[0020]因为在本文所描述的工艺中不需要焊接电弧来转移填充焊丝140，根据本发明的某些其他实施方案，送进器子系统150可以能够同时提供一个或更多个焊丝。例如，第一焊丝可以被用于表面硬化和/或为工件提供耐腐蚀性(corros1n resistance),而第二焊丝可以被用于对工件增加构造。此外，通过将多于一个填充焊丝引导到任何一个焊接熔池，焊接工艺的整体熔敷率可以被显著地增加而不需要在热量输入上的显著增加。因此，考虑的是，留隙焊根(open root)焊接接头可以以单个焊道被填充。
[0021]当然，填充焊丝140的熔化温度将依据焊丝140的尺寸和化学成分来变化。从而，在焊接期间填充焊丝的所期望的温度将依据焊丝140来变化。针对填充焊丝140的所期望的操作温度可以是到焊接系统中的数据输入，以使在焊接期间所期望的焊丝温度被保持。在任何情况下，焊丝140的温度应该是这样的，以使焊丝140在焊接操作期间被消耗到焊接熔池145中。
[0022]如上面所讨论的，填充焊丝140被熔化到焊接熔池145中而没有电弧。传统上，填充焊丝遍及焊丝的长度具有恒定的截面面积。这允许在焊丝140进入焊接熔池145之前对焊丝140的延伸部分的一致加热。然而，如果填充焊丝140由于过热的缘故而与焊接熔池145脱离接触或者如果当焊丝送进装置150将焊丝140送进到焊接熔池140时焊丝送进装置150滑脱或出现故障，电弧可能无意地形成。这样的电弧对焊接工艺而言是有害的，因为它可能由于焊穿和飞溅的缘故而不利地影响焊接质量。典型地，为了防止这样的脱离接触，具有复杂算法的控制单元被用来预测(predict)和控制通过填充焊丝140的电流。然而，本发明使用变化电阻的填充焊丝来防止(或退一步说最小化)焊丝140和工件115之间的电弧产生。不过，本发明的一些实施方案可以与这样的预测和控制算法组合使用。题为“启动和使用用于焊接的组合填充焊丝送进和高强度能量源的方法和系统(Method And SystemTo Start And Use Combinat1n Filler Wire Feed And High Intensity Energy SourceFor Welding)”并且其全部内容通过引用被并入的申请N0.13/212，025提供示例性预测和控制算法，所述预测和控制算法可以被并入感测和控制单元195，用于感测何时焊丝140将要与工件115接触。
[0023]通过使填充焊丝140的电阻变化，当来自电源供应器170的加热电流开始流动通过焊丝140时，焊丝140的某些部分将比其他部分更快加热。图2A图示说明可以在图1的系统中使用的填充焊丝140A的实施方案。填充焊丝140A为焊接工艺提供填充材料并且可以被盖覆有(或者包括材料)例如焊剂。填充焊丝140A具有范围为从最大值01至最小值D2的变化的外径。因此，填充焊丝140A的截面面积将从D1处的最大值变化到D2处的最小值。直径D1可以是在例如0.030英寸至0.095英寸之间的范围内。就是说，直径D1可以是标准的填充焊丝直径，例如0.030英寸、0.045英寸、0.052英寸、0.063英寸、0.068英寸等等(I英寸大约为2.54cm)。当然，填充焊丝140A可以基于填充焊丝性能和焊接系统而具有其他直径。如下面所进一步讨论的，直径D2将依赖于用来在位置D2处熔化填充焊丝140A的所期望的功率水平。
[0024]针对填充材料，假定电阻率(P )，沿焊丝140的任何给定长度⑴的电阻(R)为R=(P*l)/A，其中A是截面面积(即，A= ji/4*D2)。从该等式可以看出，电阻(R)与截面面积成反比而与长度(I)成正比。就是说，对于给定长度(I)的填充焊丝140A而言，电阻将随着截面面积减小而增加，而对于给定截面面积(A)而言，电阻(R)将随着长度(I)增加而增加。从而,在焊丝140A上的位置D1处，电阻R1 = (p ^1)/(11/4?2);而在焊丝140A上的位置 D2 处，电阻 R2 = (p*1)/(ji/4*D22)。
[0025]因此，如果填充材料的电阻率(P)被假定为一致的，填充焊丝140A的每单位长度电阻将在直径D1处处于它的最小值并且在直径D2处增加到它的最大值。因为填充焊丝140A的每单位长度电阻在直径D2处处于它的最高值，电阻加热的填充焊丝140A将由于流动通过焊丝140A的阻性加热电流而首先在该位置处熔化。在示例性实施方案中，直径D2被这样选择，以使填充焊丝140A将以这样的功率在位置D2处熔化，所述功率是在位置D1处熔化填充焊丝140A所需要的功率值的75% -95%。当然，在确定直径D2时，由于温度(因为加热电流)的缘故在填充焊丝140的电阻上的改变可能需要被考虑。
[0026]因此，在焊接工艺期间，电源供应器170将仅需要供应对于标准填充焊丝而言在位置D2处熔化填充焊丝140以及对于少量的填充焊丝(即，填充段142)而言进入焊接熔池145所典型需要的功率的75% -95%。因为填充段142以降低的功率水平熔化脱离到焊接熔池145中，在填充焊丝140A和工件115之间创建电弧的可能性被降低。在一些实施方案中，在焊接熔池145熔化并且吸收填充段142之前，当填充段142进入焊接熔池145时，填充段142的至少一部分可以是固态的。
[0027]在一些示例性实施方案中，激光装置120可以便利填充段142的熔化，因为激光器120允许对焊接熔池145的精确控制，包括对焊接熔池145的尺寸和深度的简单调整。这些调整是可能的，因为激光束110可以容易被聚焦/去焦，或者具有非常容易被改变的它的光束强度。由于这些能力，分布在工件115上的热量可以被精确地控制。这种控制允许焊接熔池145的创建，所述焊接熔池145可以接收未熔化的(或部分熔化的)填充段142并且熔化它。在本发明的示例性实施方案中，光束110的形状和/或强度可以在焊接工艺期间被调整/改变，以确保焊接熔池145完全熔化填充段142。例如，在焊接工艺期间，为了熔化填充段142，改变熔深或改变焊道的尺寸可能是必需的。在这样的实施方案中，光束110的形状、强度和/或尺寸可以在焊接工艺期间被调整，以提供焊接参数上所需要的改变。
[0028]如上面所描述的，填充段142与激光束110对相同的焊接熔池145起作用。在一些示例性实施方案中，填充段142可以远离激光束110对相同的焊接熔池起作用。然而，在其他示例性实施方案中，填充段142在与激光束110相同的位置对焊接熔池145起作用。在这样的实施方案中，激光束110本身可以被用来有助于填充段142的熔化。然而，因为许多填充焊丝由可以为反射性的材料制成，如果反射性的激光类型被使用，焊丝应该被加热到这样的温度，以使它的表面反射性被降低，以允许光束110有助于填充段142的加热/熔化。在这种配置的示例性实施方案中，填充段142和光束110在填充段142进入熔池145的点处相交。
[0029]对于任何给定的填充焊丝直径而言，填充段142的尺寸将由长度L确定，所述长度L是位置D2之间的距离。从而，与参数例如焊丝速度一起，长度L将有助于确定填充材料在操作期间的沉积率。填充段142的长度L可以基于这样的因素(例如，填充材料的类型、要被执行的焊接的类型以及焊接熔池145的温度——仅举几例)来确定。例如，在一些示例性实施方案中，长度L至少与直径D1 —样长。在进一步的示例性实施方案中，长度L是在直径D1的-25%至+25%范围内。与直径D1有关的长度L的范围是基于填充段在室温时的电阻。在示例性实施方案中，填充焊丝140A可以通过波形化(crimp)标准填充焊丝的圆周来获得直径D2而被制造。在一些实施方案中，填充焊丝140A可以在工厂被预先波形化。在其他实施方案中，当焊丝140A被送进到焊接熔池145时，填充焊丝140A通过例如焊丝送进器150来波形化。就是说，当焊丝140被送进以用于操作时，焊丝送进器150 (或一些其他机械装置)波形化焊丝140。这样的装置可以使用压缩力来如所期望地波形化焊丝140。在这样的实施方案中，长度L可以是到感测和控制单元195(见图1)的使用者输入，所述感测和控制单元195可以控制焊丝送进器150以及与输入数据相一致的波形化操作。可替换地，在其他示例性实施方案中，长度L可以通过感测和控制单元195基于焊接状况来自动调整。例如，焊丝送进器150可以包含转矩传感器(或类似的一些装置)，所述转矩传感器感测焊丝140接触焊接熔池的底部，并且基于来自该传感器的反馈，长度L和/或加热电流可以被改变，以确保焊丝140在熔池中的适当操作和熔化。当然，这些功能(即，使用者输入以及长度L的自动控制)可以被并入焊丝送进器150或其他合适的部件。
[0030]在上面的实施方案中，填充焊丝140A具有从D1和D2变化的圆形截面区域。然而，本发明不仅仅限于这种几何结构。例如,在图2B中，填充焊丝140B通过在焊丝140的相对侧上使填充焊丝140B产生凹口(notch)来形成。当然，本发明不受填充焊丝140的截面的形状限制，并且任何数量的不同的截面形状可以被使用，只要在填充焊丝的截面面积上存在变化。正是在截面面积上的这种变化改变各段之间的电阻率。进一步地，尽管填充段142在图2A中作为近似的球体被图示说明，但填充段142的形状不是限制性的。例如，在图2B中，填充段142作为近似的柱体被图示说明，所述柱体沿填充段142具有大约为D1的直径。然而，一般而言，使段142在焊接熔池145中的熔化最优化的填充物形状是期望的。如在上面的实施方案中，填充焊丝140B可以在工厂或者在焊接工艺期间通过焊丝送进器150 (或类似的部件)被预先产生凹口。
[0031]在上面的实施方案中，填充焊丝140A和140B中的电阻上的变化通过改变填充焊丝140的截面来实现。然而，本发明不仅仅限于改变截面面积。在本发明的一些示例性实施方案中，填充焊丝的截面可以保持恒定，而如图2C所图示说明的，电阻率通过改变填充焊丝140C中的填充材料的密度而被变化。在图2C中，填充焊丝140C的部分10中的填充材料(例如，由于较低的密度)具有比部分20中更高的电阻率(欧姆-米)。因此，对于给定的截面面积和填充焊丝而言，部分10将具有更高的每单位长度电阻并且将比部分20更快熔化。可替换地或此外，部分10中的填充材料可以具有与在部分20中不同的材料组成(以及电阻率)。因此，本发明的实施方案可以使用具有各种密度、构造、形状和/或材料组成的焊丝140，沿焊丝140的长度，所述材料组成使焊丝140的电阻率沿其长度而变化。这样的结构允许较低的加热电流的使用，这可以有助于避免焊接电弧的创建。
[0032]在本发明的示例性实施方案中，部分142具有这样的每单位长度电阻，所述每单位长度电阻是在比部分D2,10的每单位长度电阻低5%至45%的范围内。在其他示例性实施方案中，差别是在5%至25%的范围内。上面的范围是基于填充段在室温时的电阻值。
[0033]在上面的示例性实施方案中，填充焊丝被假定为实心的。然而，相同的原理应用于有芯的填充焊丝(有金属芯的或有焊剂芯的)或者盖覆有焊剂的焊丝。事实上，本发明的实施方案可以使用焊剂(有焊剂芯的或盖覆有焊剂的)来使焊丝140的电阻变化。就是说，本发明包括使用具有一致性能(与电弧焊接的消耗品一致)的实心焊丝芯或护层(sheath)的实施方案，其中附着(secure)于焊丝140金属体(part)的所选择的部分的焊剂的形状、几何结构和/或化学成分改变焊丝140在那些部分的电阻。
[0034]图3描绘本发明的又另一示例性实施方案。图3示出与图1中所示出的实施方案类似的实施方案。然而，为清楚起见，某些部件和连接未被描绘。图3描绘系统1400，其中热传感器1410被用来监控焊丝140的温度。填充焊丝140的电阻如上面所讨论的而变化，并且在一些实施方案中，可以是填充焊丝140AU40B和140C中的任何一个。热传感器1410可以是能够检测焊丝140的温度的任何已知的类型。传感器1410可以与焊丝140接触或者可以被耦合到尖端160，以检测焊丝的温度。在本发明的进一步示例性实施方案中，传感器1410是使用激光或红外光束而不接触焊丝140的类型，所述激光或红外光束能够检测小目标(例如填充焊丝的直径)的温度。在这样的实施方案中，传感器1410被这样设置，以使焊丝140的温度可以在焊丝140的伸出处(其是在导电管160的尖端的末端和焊接熔池145之间的一些点处)被检测。传感器1410还应该被这样设置，以使针对焊丝140的传感器1410不感测焊接熔池145的温度。
[0035]传感器1410被耦合到感测和控制单元195，以使温度反馈信息可以被提供到电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150，以致系统1400的控制可以被最优化。例如，电源供应器170的功率或电流输出可以至少基于来自传感器1410的反馈被调整。就是说，在本发明的实施方案中，使用者可以输入所期望的温度设定(针对给定的焊缝和/或焊丝140)，或者感测和控制单元可以基于其他使用者输入数据(填充焊丝直径、填充焊丝的最小截面面积、填充材料的电阻率、填充液滴的长度L、焊丝送进速度、焊条类型等等)设置所期望的温度，并且随后感测和控制单元195将至少控制电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150来保持所述所期望的温度。
[0036]在这样的实施方案中，这样解释焊丝140的加热是可能的，所述焊丝140的加热可以在焊丝进入焊接熔池145之前由于作用于焊丝140的激光束110的缘故而发生。在本发明的实施方案中，焊丝140的温度可以仅经由电源供应器170通过控制焊丝140中的电流来控制。然而，在其他实施方案中，焊丝140的加热中的至少一些可以来自入射到焊丝140中的至少一部分上的激光束110。如此一来，单独来自电源供应器170的电流或功率可以不表征焊丝140的温度。从而，传感器1410的利用可以有助于通过电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150的控制来调节焊丝140的温度。
[0037]在进一步的示例性实施方案中(同样在图3中被示出)，温度传感器1420被引导来感测焊接熔池145的温度。在该实施方案中，焊接熔池145的温度也被耦合到感测和控制单元195。然而，在另一示例性实施方案中，传感器1420可以被直接耦合到激光电源供应器130和/或焊丝送进器150。来自传感器1420的反馈可以被用来控制来自激光电源供应器130/激光器120的输出。就是说，激光束110的能量密度可以被更改，以确保所期望的焊接熔池温度被获得。传感器1420还可以被用来控制焊丝送进器150。例如，填充液滴142的长度(见图2A和图2B)可以基于焊接熔池145的温度被控制。
[0038]在本发明的另一示例性实施方案中，感测和控制单元195可以被耦合到送进力检测单元(未示出)，所述送进力检测单元被耦合到焊丝送进器150。送进力检测单元是已知的，并且在焊丝140被送进到工件115时检测施加于焊丝140的送进力。例如，这样的检测单元可以监控由焊丝送进器150中的焊丝送进马达施加的转矩。如果焊丝140经过熔融焊接熔池145没有完全熔化，它将接触工件115的固态部分，并且这样的接触将导致送进力增力口，因为马达将试图保持设置的送进率。在力/转矩上的这种增加可以被检测到并且被传递(relay)到控制单元195，所述控制单元195利用该信息来调整从电源供应器170到焊丝140的加热电流，以确保焊丝140在焊接熔池145中的适当熔化。该信息还可以被用来改变长度L到这样的程度，即在操作期间焊丝的任何成形操作被进行。
[0039]在图1和图3中，为清楚起见，激光电源供应器130、热焊丝电源供应器170、焊丝送进器150以及感测和控制单元195被分开示出。然而，在本发明的实施方案中，这些部件可以被一体制成为单个焊接系统。本发明的方面不需要将上面各个所讨论的部件保持为分开的物理单元或独立的结构。
[0040]尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
[0041]参考编号
[0042]10 部分145焊接熔池
[0043]10 部分150焊丝送进器
[0044]100系统160导电管
[0045]110光束170 (焊接)电源供应器
[0046]115工件195感测/控制单元
[0047]120激光器1400系统
[0048]130电源供应器 1410热传感器
[0049]140填充焊丝1420温度传感器
[0050]140A填充焊丝D1 直径
[0051]140B填充焊丝D2 直径
[0052]140C填充焊丝1，L长度
[0053]142填充段
【权利要求】
1.一种用于在热焊丝应用中使用的填充焊丝(140，140A，140B，140C)，所述填充焊丝(140，140A, 140B, 140C)包括: 具有每单位长度第一电阻的第一段；以及 具有每单位长度第二电阻的第二段，所述每单位长度第二电阻高于所述每单位长度第一电阻， 其中在所述热焊丝应用期间，所述第二段被配置来在所述第一段之前熔化。
2.如权利要求1所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中所述第一段的电阻率和所述第二段的电阻率是相等的，并且 其中所述第二段具有小于所述第一段的截面面积的截面面积。
3.如权利要求1或2所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中所述第二段以这样的功率水平熔化，所述功率水平是熔化所述第一段所需要的功率水平的75%至95%，和/或其中所述第一段的长度(L)是在所述第一段的直径的-25%至+25%范围内，和/或其中所述第一段的每单位长度电阻是在所述第二段的每单位长度电阻的5%至45%范围内。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中在所述第一段中的填充材料的电阻率和在所述第二段中的填充材料的电阻率是不同的。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中所述第二段的截面面积和所述第一段的截面面积是相等的。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中在所述第二段中的所述填充材料的密度和在所述第一段中的所述填充材料的密度是不同的。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中在所述第二段中的所述填充材料的材料组成和在所述第一段中的所述填充材料的材料组成是不同的。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中所述第二段以这样的功率水平熔化，所述功率水平是熔化所述第一段所需要的功率水平的75%至95%。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的填充焊丝(140，140A,140B, 140C)，其中所述第一段的每单位长度电阻是在所述第二段的每单位长度电阻的5%至45%范围内。
10.一种热焊丝系统(100)，所述系统(100)包括: 高强度热源，所述高强度热源加热至少一个工件(115)并且创建熔池(145)； 焊丝送进器，所述焊丝送进器将填充焊丝(140，140A, 140B, 140C)送进到所述熔池； 热焊丝电源供应器(170)，所述热焊丝电源供应器(170)被可操作地连接到所述填充焊丝(140，140A, 140B, 140C)，所述热焊丝电源供应器(170)供应加热电流通过所述填充焊丝(140，140A, 140B, 140C)，以加热所述填充焊丝(140，140A, 140B, 140C)， 其中所述填充焊丝(140，140A, 140B, 140C)包括， 具有每单位长度第一电阻的第一段，以及 具有每单位长度第二电阻的第二段，所述每单位长度第二电阻高于所述每单位长度第一电阻， 其中在所述热焊丝应用期间，所述第二段被配置来在所述第一段之前熔化。
11.如权利要求10所述的热焊丝系统(100)，其中当所述第一段进入所述熔池(145)时，所述第一段的至少一部分(10，20)是固态的，并且 其中所述熔池(145)熔化并且吸收所述第一段的所述部分(10，20)。
12.如权利要求10或11所述的热焊丝系统(100)，其中所述第一段的电阻率和所述第二段的电阻率是相等的，并且 其中所述第二段具有小于所述第一段的截面面积的截面面积。
13.如权利要求10至12中的任一项所述的热焊丝系统(100)，其中所述加热电流以这样的功率水平熔化所述第二段，所述功率水平是熔化所述第一段所需要的功率水平的75%至 95%。
14.一种使用热焊丝系统中的填充焊丝的方法，所述方法包括: 加热至少一个工件以具有熔池； 将填充焊丝送进到所述熔池； 对所述热焊丝电源供应器而言，供应加热电流来加热所述填充焊丝， 其中所述填充焊丝包括， 具有每单位长度第一电阻的第一段，以及 具有每单位长度第二电阻的第二段，所述每单位长度第二电阻高于所述每单位长度第一电阻， 其中在所述热焊丝应用期间，所述第二段被配置来在所述第一段之前熔化。
15.如权利要求18所述的方法，其中所述第一段的电阻率和所述第二段的电阻率是相等的，并且 其中所述第二段具有小于所述第一段的截面面积的截面面积。
【文档编号】B23K9/10GK104411448SQ201380036012
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年7月5日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】J·S·奥博恩 申请人:林肯环球股份有限公司