开启和使用组合填充焊丝送进和高强度能源以用于复合管内径的根部焊道焊接的焊接系统和方法与流程

发明领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的焊接系统以及一种根据权利要求10所述的焊接方法。特定实施例涉及填充焊丝熔覆(overlaying)应用以及焊接和接合应用。更具体地，特定实施例涉及一种开启和使用组合填充焊丝送进和能源系统以用于钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合和焊接应用中的任一种的系统和方法。

技术背景

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被送进并且延伸到该管之外。该延伸部在其接近熔池时可以被电阻加热。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，焊丝送进可能滑移或发生故障(faulter)，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、飞溅和不良的表面质量。这种电弧出现的风险在该过程开始时是较大的，在该过程开始时焊丝初始地在小点处与工件进行接触。如果焊丝中的初始电流过高，该点可能被烧掉，从而导致电弧出现。另外，已知的系统在将铝接合到钢方面具有很大困难。

通过常规、传统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发明的实施例相比较，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。

说明书

为了克服这些限制和缺点，描述了一种根据权利要求1所述的焊接系统以及一种根据权利要求10所述的焊接方法。本发明的其他实施例是从属权利要求的主题。本发明的实施例包括一种开启和使用组合填充焊丝送进器和能源系统的系统和方法。本发明的一个第一实施例包括一种开启和使用组合焊丝送进和能源系统以用于钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接和接合应用中的任一种的方法。该方法包括：经由一个电源在至少一根电阻填充焊丝与一个工件之间施加一个感测电压，并且将该至少一根电阻填充焊丝的一个远端朝向该工件推进。该方法进一步包括：感测该至少一根电阻填充焊丝的远端何时首次与该工件接触。该方法还包括：响应于该感测，在一个限定时间间隔内对该至少一根电阻填充焊丝关闭该电源。该方法进一步包括：在该限定时间间隔结束时接通该电源，以便施加通过该至少一根电阻填充焊丝的加热电流的流动。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。本发明的方法还用于接合异种材料，诸如将铝接合到钢上。

在另一个示例性实施例中，一种焊接系统包括至少一个高强度能源，该至少一个高强度能源用以在具有一个复合层的一个工件的一个窄接头上的一个根部焊道的过程中形成一个焊接熔池。该系统包括一个焊丝送进器，该焊丝送进器将一根填充焊丝推进到该焊接熔池。一个填充焊丝电源在该填充焊丝与该焊接熔池接触时提供一个填充焊丝加热信号以便加热该填充焊丝。该系统还包括一个控制器，该控制器用以控制一个焊缝斜出(weld ramp out)过程，这样使得当熔融熔池推进到一个现有根部焊道焊缝的一个起点时，该控制器控制该至少一个高强度能源来实现降低该至少一个高强度能源的能量输出和减少该至少一个高强度能源与该焊接熔池之间的一个相互作用时间中的至少一项。该控制器还控制该焊丝送进器来减小焊丝送进速度抑或停止该填充焊丝的推进。该控制器进一步控制该填充焊丝电源来减小该填充焊丝加热信号的功率电平抑或停止到达该填充焊丝的该填充焊丝加热信号。此外，该焊缝斜出过程被控制，这样使得在完成该根部焊道之后，一个根部焊道焊缝在该现有根部焊道焊缝的该起始点处或附近的一个区域中的厚度是在该根部焊道焊缝的一个剩余部分的标称根部焊道厚度的100％至130％的范围内。

在另一个示例性实施例中，一种焊接方法包括：使用至少一个高强度能源来形成一个焊接熔池，并且在具有一个复合层的一个工件的一个窄接头上焊接一个根部焊道。该方法还包括：将一根填充焊丝推进到该焊接熔池，并且在一根填充焊丝与该焊接熔池接触时加热该填充焊丝。该方法进一步包括：当该熔融熔池推进到一个现有根部焊道焊缝的一个起点时，控制一个焊缝斜出过程。该焊缝斜出过程的控制包括降低该至少一个高强度能源的能量输出和减少该至少一个高强度能源与该焊接熔池之间的一个相互作用时间中的至少一项。该控制还包括减小该填充焊丝的焊丝送进速度抑或停止该填充焊丝的推进。该控制进一步包括减小该填充焊丝加热信号的功率电平抑或停止该填充焊丝的加热。此外，该焊缝斜出过程被控制，这样使得在完成该根部焊道之后，一个根部焊道焊缝在该现有根部焊道焊缝的该起始点处或附近的一个区域中的厚度是在该根部焊道焊缝的一个剩余部分的标称根部焊道厚度的100％至130％的范围内。

所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所示实施例的细节将从以下说明书和附图得到全面理解。

附图简要说明

图1示出了一种用于钎焊、包覆、堆焊、填充、以及表面硬化熔覆应用中的任一种的组合填充焊丝送进器和能源系统的一个示例性实施例的功能性示意框图；

图2示出了图1系统所使用的一种启动方法的一个实施例的流程图；

图3示出了图1系统所使用的一种启动后方法的一个实施例的流程图；

图4示出了与图3的启动后方法相关联的一对电压和电流波形的第一示例性实施例；

图5示出了与图3的启动后方法相关联的一对电压和电流波形的第二示例性实施例；

图6和图6A示出了本发明的用于执行一个焊接操作的进一步的示例性实施例；

图7、图7A和图7B示出了利用本发明的焊接的另外的示例性实施例；

图8示出了同时接合一个接头的两侧的进一步的示例性实施例；

图9示出了利用本发明的焊接的另一个示例性实施例；

图10A示出了本发明的利用多个激光器和焊丝来焊接一个接头的另一个示例性实施例；

图10B-10C示出了根据本发明的示例性实施例的一个铝到钢焊接接头；

图11A至11C描绘了与本发明的实施例一起使用的导电嘴(contact tip)的示例性实施例；

图12示出了根据本发明的一个实施例的一个热丝电源系统；

图13A-13C示出了本发明的示例性实施例所形成的电压和电流波形；

图14示出了根据本发明的一个示例性实施例的另一个焊接系统；

图15示出了本发明的一个实施例所形成的一个焊接熔池的一个示例性实施例；

图16A至16F示出了根据本发明的实施例的焊接熔池和激光束利用的示例性实施例；

图17示出了根据本发明的另一个示例性实施例的一个焊接系统；

图18示出了可以在本发明的实施例中使用的一个斜降电路的一个示例性实施例；

图19示出了根据本发明的一个烟雾抽引管嘴的一个示例性实施例；

图20示出了本发明的进一步的焊接系统的一个示例性实施例；

图21示出了根据本发明的一个实施例的一个焊接操作的一个示例性实施例；

图22A-22C示出了本发明的焊接系统所利用的电流波形的示例性实施例；

图23示出了根据本发明的一个实施例的另一个焊接操作的一个示例性实施例；

图24示出了可以与本发明的实施例一起使用的电流波形的另一个示例性实施例；

图25示出了可以与本发明的实施例一起使用的另一个焊接操作的一个示例性实施例；

图25A示出了可以与图25所示的实施例一起使用的电流波形的一个示例性实施例；

图26示出了使用并排弧焊接操作的进一步的焊接操作的一个示例性实施例；

图27示出了本发明的另外的焊接操作的一个示例性实施例；

图28示出了本发明的使用磁转向的一个焊接操作的另外的示例性实施例；并且

图29至图31示出了根据本发明的示例性实施例在具有一个复合层的一个工件中形成一个根部焊道；并且

图32和图33示出了使用本发明的示例性实施例示例性地完成图31所示的根部焊道。

详细说明

术语“熔覆”在此以广义方式使用并且可以指代任何应用，包括钎焊、包覆、堆焊、填充和表面硬化。例如，在“钎焊”应用中，一种填充金属经由毛细作用被分布在一个接头的紧密配合表面之间。然而，在“铜焊”应用中，该填充金属被使得流动到一个间隙中。然而，如在此所使用的，两种技术广义上被称为熔覆应用。

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送进器和能源系统100的一个示例性实施例的功能性示意框图。系统100包括一个激光子系统，该激光子系统能够使一个激光束110聚焦到一个工件115上从而对工件115加热。该激光子系统是高强度能源。该激光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、光纤递送或直接二极管激光系统。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、气体保护钨极弧焊子系统、气体保护金属弧焊子系统、焊剂芯焊丝弧焊子系统、以及埋弧焊子系统中的至少一者。以下说明将重复提到激光系统、光束和电源，然而，应当理解，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。该激光子系统包括彼此操作性地连接的一个激光装置120和一个激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光装置120的功率。

系统100还包括一个热填充焊丝送进器子系统，该热填充焊丝送进器子系统能够提供至少一根电阻填充焊丝140来在激光束110附近与工件115进行接触。当然，应当理解，通过在此引用工件115，熔融熔池被认为是工件115的部分，因此对与工件115的接触的引用包括与熔池的接触。该热填充焊丝送进器子系统包括一个填充焊丝送进器150、一个导电管160、以及一个热丝电源170。在操作过程中，引领激光束110的填充焊丝140由来自操作性地连接在导电管160与工件115之间的热丝焊接电源170的电流电阻加热。根据本发明的一个实施例，尽管交流(AC)或其他类型的电源也是可能的，热丝焊接电源170是脉冲直流(DC)电源。焊丝140从填充焊丝送进器150穿过导电管160朝向工件115被送进并且延伸到该管160之外。焊丝140的延伸部被电阻加热，这样使得该延伸部在接触该工件上的焊接熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于使工件115的基底金属中的一些基底金属熔化，以便形成焊接熔池并且还使焊丝140熔化到工件115上。电源170提供电阻熔化填充焊丝140所需的大部分能量。根据本发明的某些其他实施例，该送进器子系统可能能够同时提供一根或多根焊丝。例如，一根第一焊丝可以用于表面硬化和/或向该工件提供耐腐蚀性，并且一根第二焊丝可以用于向该工件添加结构。

系统100进一步包括一个运动控制子系统，该运动控制子系统能够使激光束110(能源)和电阻填充焊丝140沿着工件115在相同方向125上移动(至少在相对意义上)，这样使得激光束110和电阻填充焊丝140保持处于彼此固定的关系。根据不同实施例，工件115与激光器/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际地移动工件115或通过移动激光装置120和该热丝送进器子系统来实现。在图1中，该运动控制子系统包括操作性地连到一个机器人190上的一个运动控制器180。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人190操作性地连接(例如，以机械方式固定)到工件115上从而使工件115在方向125上移动，这样使得激光束110和焊丝140沿着工件115有效地行进。根据本发明的一个替代性实施例，激光装置110和导电管160可以被整合到单个头中。该头可以经由操作性地连接到该头上的一个运动控制子系统来沿着工件115移动。

总体上，存在可以使一个高强度能源/热丝相对于一个工件移动的若干种方法。如果该工件是圆的，那么例如，该高强度能源/热丝可以是静止的，并且该工件可以在该高强度能源/热丝下旋转。可替代地，一个机器人臂或线性牵引机可以平行于该圆形工件移动，当该工件旋转时，该高强度能源/热丝可以连续地移动或者每个循环转位一次以便(例如)熔覆该圆形工件的表面。如果该工件是扁平的或至少不是圆的，则该工件可以如图1中所示在该高强度能源/热丝下被移动。然而，一个机器人臂或线性牵引机或甚至安装在梁上的滑架可以用于使一个高强度能源/热丝头相对于该工件移动。

系统100进一步包括一个感测和电流控制子系统195，该感测和电流控制子系统操作性地连接到工件115和导电管160上(即，有效地连接到热丝电源170的输出端上)并且能够测量工件115与热丝140之间的电势差(即，电压V)和通过它们的电流(I)。感测和电流控制子系统195可以进一步能够从测量电压和测量电流计算出电阻值(R＝V/I)和/或功率值(P＝V*I)。总体上，当热丝140与工件115接触时，热丝140与工件115之间的电势差为零伏特或者非常接近零伏特。其结果是，如在此稍后更详细描述的，感测和电流控制子系统195能够感测电阻填充焊丝140何时与工件115相接触并操作性地连接到热丝电源170上，从而进一步能够响应于该感测而控制通过电阻填充焊丝140的电流流动。根据本发明的另一个实施例，感测和电流控制子系统195可以是热丝电源170的组成部分。

根据本发明的一个实施例，运动控制器180可以进一步操作性地连接到激光器电源130和/或感测和电流控制器195上。以此方式，运动控制器180和激光器电源130可以彼此通信，这样使得激光器电源130知道工件115什么时候正在运动，并且这样使得运动控制器180知道激光装置120是否是活动的。类似地，以此方式，运动控制器180与感测和电流控制器195可以彼此通信，这样使得感测和电流控制器195知道工件115什么时候正在运动，并且这样使得运动控制器180知道该热填充焊丝送进器子系统是否是活动的。此类通信可以用于协调系统100的不同子系统之间的活动。

图2示出了图1系统100所使用的一种启动方法200的一个实施例的流程图。在步骤210中，经由一个电源170在至少一根电阻填充焊丝140与一个工件115之间施加一个感测电压。热丝电源170可以在感测和电流控制器195的命令下施加该感测电压。此外，根据本发明的一个实施例，所施加感测电压不提供对丝140进行显著加热的足够能量。在步骤220中，将至少一根电阻填充焊丝140的远端朝向工件115推进。该推进由焊丝送进器150执行。在步骤230中，感测至少一根电阻填充焊丝140的远端何时首次与工件115接触。例如，感测和电流控制器195可以命令热丝电源170提供非常低电平的电流(例如，3到5安培)来通过热丝140。这种感测可以通过感测和电流控制器195测量填充焊丝140(例如，经由导电管160)与工件115之间的约零伏特(例如，0.4V)的电势差来实现。当填充焊丝140的远端短路连接到工件115上(即，与该工件相接触)时，填充焊丝140与工件115之间可能不存在显著的电压电平(高于零伏特)。

在步骤240中，响应于该感测，在一个限定时间间隔(例如，若干毫秒)内对至少一根电阻填充焊丝140关闭电源170。感测和电流控制器195可以命令电源170关闭。在步骤250中，在该限定时间间隔结束时接通电源170，以便允许施加通过至少一根电阻填充焊丝140的加热电流的流动。感测和电流控制器195可以命令电源170接通。在步骤260中，至少在施加该加热电流的流动时，将来自一个高强度能源110的能量施加到工件115以便加热工件115。

作为一个选项，该方法200可以包括：响应于该感测而停止推进焊丝140，在该限定时间间隔结束时重新开始推进焊丝140(即，再推进)，并且在施加该加热电流的流动之前验证填充焊丝140的远端仍然与工件115接触。感测和电流控制器195可以命令送丝器150停止送进并且命令系统100等待(例如，若干毫秒)。在此类实施例中，感测和电流控制器195操作性地连接到送丝器150上以便命令送丝器150开启和停止。感测和电流控制器195可以命令热丝电源170施加该加热电流以便加热焊丝140并且再次将焊丝140朝向工件115送进。

一旦该启动方法完成，系统100就可以进入一种启动后操作模式，在该启动后操作模式中，相对于工件115移动激光束110和热丝140以便执行以下各项中的一项：钎焊应用、包覆应用、堆焊应用、表面硬化应用、或焊接/接合操作。图3示出了图1系统100所使用的一种启动后方法300的一个实施例的流程图。在步骤310中，沿一个工件115移动一个高强度能源(例如，激光装置120)和至少一根电阻填充焊丝140，这样使得至少一根电阻填充焊丝140的远端引领该高强度能源(例如，激光装置120)或与其重合，这样使得当至少一根电阻填充焊丝140朝向工件115被送进时，来自该高强度能源(例如，激光装置120)和/或被加热的工件115(即，工件115被激光束110加热)的能量(例如，激光束110)使填充焊丝140的远端熔化到工件115上。运动控制器180命令机器人190相对于激光束110和热丝140移动工件115。激光器电源130提供用于操作激光装置120形成激光束110的功率。热丝电源170在由感测和电流控制器195命令时向热丝140提供电流。

在步骤320中，感测至少一根电阻填充焊丝140的远端何时将要与工件115脱离接触(即，提供预感能力)。这种感测可以通过感测和电流控制器195内的一个预感电路测量填充焊丝140与工件115之间的电势差(dv/dt)、通过它们的电流(di/dt)、它们之间的电阻(dr/dt)、或通过它们的功率(dp/dt)中的一者的变化速率来实现。当该变化速率超过一个预定义值时，感测和电流控制器195正式预测脱离接触将要发生。用于弧焊的此类预感电路在本领域中是众所周知的。

当焊丝140的远端由于加热而变得高度熔融时，该远端可以开始从焊丝140上箍断(pinch off)到工件115上。例如，在那时，因为随着焊丝的远端的箍断，其截面快速减小，所以电势差或电压增大。因此，通过测量这种变化速率，系统100可以预料该远端何时将要箍断并且与工件115脱离接触。另外，如果完全脱离接触，感测和电流控制器195可以测量到显著大于零伏特的电势差(即，电压电平)。如果不采取步骤330中的行动，此电势差可能导致在焊丝140的新的远端与工件115之间形成电弧(这是所不希望的)。当然，在其他实施例中，焊丝140可能并未显示出任何相当可观的箍缩，但将宁可在维持到该熔池中的几乎恒定的横截面的同时以连续方式流动到熔池中。

在步骤330中，响应于感测到至少一根电阻填充焊丝140的远端将要与工件115脱离接触，关闭(或至少大大减小，例如，减小95％)通过至少一根电阻填充焊丝140的加热电流的流动。当感测和电流控制器195确定接触将要脱离时，控制器195命令热丝电源170切断(或至少大大减小)供应到热丝140的电流。以此方式，避免形成不想要的电弧，从而防止发生任何所不希望的影响(诸如飞溅或烧穿)。

在步骤340中，感测少一根电阻填充焊丝140的远端何时由于焊丝140继续朝向工件115推进而再次与工件115进行接触。这种感测可以通过感测和电流控制器195测量填充焊丝140(例如，经由导电管160)与工件115之间的约零伏特的电势差来实现。当填充焊丝140的远端短路连接到工件115上(即，与该工件相接触)时，填充焊丝140与工件115之间可能不存在高于零伏特的显著的电压电平。术语“再次进行接触”在此用于指代以下情况：其中焊丝140朝向工件115推进，并且焊丝140(例如，经由导电管160)与工件115之间的测量电压是大约零伏特，无论焊丝140的远端实际上是否从工件115完全箍断。在步骤350中，响应于感测到该至少一根电阻填充焊丝的远端再次与该工件进行接触，重新施加通过该至少一根电阻填充焊丝的该加热电流的流动。感测和电流控制器195可以命令热丝电源170重新施加加热电流以便继续加热焊丝140。此过程可以在该熔覆操作的持续时间内持续。

例如，图4示出了与图3的启动后方法300相关联的一对电压波形410和电流波形420(对应地)的第一示例性实施例。电压波形410是由感测和电流控制器195在导电管160与工件115之间测量的。电流波形420是由感测和电流控制器195穿过焊丝140与工件115测量的。

每当电阻填充焊丝140的远端将要与工件115脱离接触时，电压波形410的变化速率(即，dv/dt)将超过一个预先确定的阈值，从而指示箍断将要发生(见波形410的点411处的斜率)。作为替代方案，通过填充焊丝140和工件115的电流(di/dt)的变化速率、它们之间的电阻(dr/dt)的变化速率、或通过它们的功率(dp/dt)的变化速率可以替代地用于指示箍断将要发生。此类变化速率预感技术在本领域中是众所周知的。在那个时间点，感测和电流控制器195将命令热丝电源170关闭(或至少大大减小)通过焊丝140的电流流动。

当感测和电流控制器195感测到填充焊丝140的远端在某一时间间隔430(例如，电压电平在点412处下降回到约零伏特)之后再次与工件115进行良好接触时，感测和电流控制器195命令热丝电源170使通过电阻填充焊丝140的电流流动朝向一个预定输出电流电平450斜升(见斜坡425)。根据本发明的一个实施例，该斜升从设定点值440开始。当能源120和焊丝140相对于工件115移动时并且当焊丝140由于焊丝送进器150而朝向工件115推进时，这个过程重复进行。以此方式，焊丝140的远端与工件115之间的接触在很大程度上得以维持，并且防止在焊丝140的远端与工件115之间形成电弧。加热电流的斜变帮助防止当不存在箍断状况或电弧状形成况时无意中将电压变化速率解释成为此类状况。由于加热电路中的电感，任何大的电流变化可能致使得到错误的电压读数。当电流逐渐斜升时，电感效应降低。

图5分别示出了与图3的启动后方法相关联的一对电压波形510和电流波形520的第二示例性实施例。电压波形510是由感测和电流控制器195在导电管160与工件115之间测量的。电流波形520是由感测和电流控制器195穿过焊丝140与工件115测量的。

每当电阻填充焊丝140的远端将要与工件115脱离接触时，电压波形510的变化速率(即，dv/dt)将超过一个预先确定的阈值，从而指示箍断将要发生(见波形510的点511处的斜率)。作为替代方案，通过填充焊丝140和工件115的电流(di/dt)的变化速率、它们之间的电阻(dr/dt)的变化速率、或通过它们的功率(dp/dt)的变化速率可以替代地用于指示箍断将要发生。此类变化速率预感技术在本领域中是众所周知的。在那个时间点，感测和电流控制器195将命令热丝电源170关闭(或至少大大减小)通过焊丝140的电流流动。

当感测和电流控制器195感测到填充焊丝140的远端在某一时间间隔530(例如，电压电平在点512处下降回到约零伏特)之后再次与工件115进行良好接触时，感测和电流控制器195命令热丝电源170施加通过电阻填充焊丝140的加热电流的流动(见加热电流电平525)。当能源120和焊丝140相对于工件115移动时并且当焊丝140由于焊丝送进器150而朝向工件115推进时，这个过程重复进行。以此方式，焊丝140的远端与工件115之间的接触在很大程度上得以维持，并且防止在焊丝140的远端与工件115之间形成电弧。因为该加热电流在这种情况下不是逐渐斜变的，由于该加热电路中的电感，某些电压读数可以作为是无意的或错误的而被忽略。

综上所述，披露了一种开启和使用组合焊丝送进和能源系统以用于钎焊、包覆、堆焊、填充和表面硬化熔覆应用中的任一种的方法和系统。将高强度能量施加到一个工件上以便加热该工件。在所施加高强度能量处或刚好在其前方，将一根或多根电阻填充焊丝朝向工件送进。实现对该一根或多根电阻填充焊丝的远端何时在所施加高强度能量处或附近与该工件接触的感测。基于该一根或多根电阻填充焊丝的远端是否与该工件接触，控制到达该一根或多根电阻填充焊丝的加热电流。所施加高强度能量和该一根或多根电阻填充焊丝以彼此固定的关系沿着该工件在相同方向上移动。

在进一步的示例性实施例中，本发明的系统和方法被用于焊接或接合操作。以上所讨论的实施例已经聚焦于在熔覆操作中使用填充金属。然而，本发明的多方面可以在其中使用焊接操作并且使用填充金属来接合工件的焊接和接合应用中使用。尽管涉及熔覆一种填充金属，以上所描述的实施例、系统和方法类似于以下更全面描述的、焊接操作中所采用的实施例、系统和方法。因此，在以下讨论中，应当理解，以上讨论总体上适用，除非另行说明。进一步地，以下讨论可以包括对图1至5的参考。

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。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，本发明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。

在本发明的示例性实施例中，使用涂布工件可以获得与弧焊相比非常高的焊接速度，这些涂布工件典型地要求大量的准备工作并且显著减缓使用弧焊方法的焊接过程。作为一个实例，以下讨论将聚焦在焊接镀锌工件上。金属的镀锌用于增强金属的耐腐蚀性，并且在许多行业应用中是所希望的。然而，镀锌工件的常规焊接可能是有问题的。确切地，在焊接过程中，镀锌层中的锌蒸发，并且此锌蒸汽随着焊接熔池的固化而可能被截留在熔池中，从而造成孔隙率。这种孔隙率对焊接接头的强度造成不利影响。因为这一点，现有焊接技术要求有移除镀锌层(galvanization)的第一步骤或要求以较低处理速度焊穿镀锌层而具有一定水平的缺陷—这是低效的并且导致延迟、或要求该焊接过程缓慢进行。通过减慢该过程，该焊接熔池保持熔融持续较长的时间段，从而允许蒸发的锌逃逸。然而，因为慢速，生产速率是缓慢的并且到达焊缝中的总热量输入可能是高的。可能导致类似问题的其他涂层包括但不限于：油漆、冲压润滑剂、玻璃衬里、铝涂层、表面热处理、氮化处理或碳化处理、包覆处理、或其他蒸发涂层或材料。如以下所解释的，本发明的示例性实施例消除了这些问题。

转到图6和图6A(对应地是横截面视图和侧视图)，示出了一个代表性焊接搭接接头。在此图中，两个涂布(例如，镀锌)工件W1/W2有待通过一个搭接焊缝来接合。搭接接头表面601和603初始地与工件W1的表面605一样覆盖有涂层。在一个典型的焊接操作(例如，GMAW)中，被覆盖表面605的多个部分被熔融。这是因为一个标准焊接操作的典型穿透深度。因为表面605被熔化，表面605上的涂层蒸发，但因为表面605与焊池的表面的距离很大，这些气体可能在该焊池固化时被截留。通过本发明的实施例，这并没有发生。

如图6和图6A所示，激光束110从激光装置120被引导到焊接接头，确切地是表面601和603。激光束110具有用于使这些焊接表面的多个部分熔化以形成熔融熔池601A和603A(这形成一个总体上的焊接熔池)的能量密度。进一步地，一根填充焊丝140—如先前所描述地被电阻加热—被引导到该焊接熔池，以便提供焊珠所需的填充材料。与大多数焊接过程不同，填充焊丝140在该焊接过程中与该焊接熔池进行接触并且被插进该焊接熔池中。这是因为这个过程并不使用焊弧来过渡填充焊丝140，而是简单地使该填充焊丝熔化到该焊接熔池中。

因为填充焊丝140被预加热到处于或接近其熔点，该填充焊丝出现在该焊接熔池中将不会明显地使该熔池冷却或固化，并且被快速地消耗到该焊接熔池中。填充焊丝140的总体操作和控制如先前相对于这些熔覆实施例所描述的。

因为激光束110可以被精确聚焦并引导到这些表面601/603，这些池601A/603A的穿透深度可以得到精确控制。通过仔细地控制这个深度，本发明的实施例防止表面605的任何所不必要的穿透或熔化。因为表面605未被过度熔化，表面605上的任何涂层并不蒸发并且不会被截留在该焊接熔池中。进一步地，焊接接头601和603的表面上的任何涂层容易被激光束110蒸发，并且该气体被允许在该焊接熔池固化之前从焊接区逃逸。在此考虑了可以利用一个气体抽引系统来帮助移除任何蒸发的涂层材料。

因为可以精确控制焊接熔池的穿透深度，可以在显著最小化或消除孔隙率的同时大大提高焊接涂布工件的速度。一些弧焊系统可以达到良好的焊接行进速度，但在较高速度下，可能出现问题，诸如孔隙率和飞溅。在本发明的示例性实施例中，可以在几乎没有孔隙率或飞溅的情况下实现非常高的行进速度(如在此所讨论)，并且事实上对于许多不同类型的焊接操作，可以轻松达到超过50英寸/分钟的行进速度。本发明的实施例可以达到超过80英寸/分钟的焊接行进速度。进一步地，如在此所讨论的，其他实施例可以在具有极小或没有孔隙率或飞溅的情况下达到在100至150英寸/分钟的范围内的行进速度。当然，所达到的速度将随工件特性(厚度和组成)和焊丝特性(例如，直径)而变，但当使用本发明的实施例时，这些速度在许多不同的焊接和接合应用中是可容易达到的。进一步地，这些速度可以在100％的二氧化碳保护气体下达到，或可以在根本没有保护的情况下达到。另外地，这些行进速度可以在不在形成焊接熔池和焊接之前移除任何表面涂层的情况下达到。当然，在此考虑了可以达到更高的行进速度。此外，因为减小的到达焊缝中的热量输入，可以在较薄工件115中达到这些高速度，这些较薄工件因为必须保持热量输入很低以便避免扭曲而典型地具有较慢的焊接速度。本发明的实施例不仅可以在几乎没有孔隙率或飞溅的情况下达到以上所描述的高行进速度，它们还可以在具有低掺和的情况下达到非常高的熔敷速率。确切地，本发明的实施例可以在没有保护气体并且几乎没有孔隙率或飞溅的情况下达到10lb/hr或更高的熔敷速率。在一些实施例中，该熔敷速率是在10lb/hr至20lb/hr的范围内。

在本发明的示例性实施例中，可以在几乎没有孔隙率并且几乎没有飞溅的情况下达到这些极其高的行进速度。焊缝的孔隙率可以通过检查焊珠的横截面和/或长度以便识别孔隙比来确定。该横截面孔隙比是一个给定横截面中的总孔隙面积比该焊接接头在该点处的总横截面积。该长度孔隙比是焊接接头的一个给定单位长度中的孔的总累计长度。本发明的实施例可以在0％与20％之间的横截面孔隙率的情况下达到以上所描述的行进速度。因此，没有气泡或空腔的焊珠将具有0％的孔隙率。在其他示例性实施例中，该横截面孔隙率可以是在0％至10％的范围内，并且在另一个示例性实施例中可以是在2％至5％的范围内。应当理解在一些焊接应用中，某个电平的孔隙率是可接受的。进一步地，在本发明的示例性实施例中，该焊缝的长度孔隙率是在0％至20％的范围内，并且可以是0％至10％。在进一步的示例性实施例中，该长度孔隙比是在1％至5％的范围内。因此，例如，可以产生具有在2％至5％的范围内的横截面孔隙率以及为1％至5％的长度孔隙比的焊缝。

此外，本发明的实施例可以在几乎没有飞溅的情况下在以上所识别的行进速度下进行焊接。飞溅在致使该焊接熔池的熔滴飞溅到焊接区之外时发生。当焊接飞溅发生时，它可能危害到焊缝的质量，并且由于在焊接过程之后典型地必须将其从这些工件上清除掉而可能导致生产延迟。因此，在没有飞溅的情况下以高速进行焊接具有极大益处。本发明的实施例能够在具有在0至0.5的范围内的飞溅系数的情况下在以上高行进速度下进行焊接，其中该飞溅系数是一个给定行进距离X内的飞溅的重量(以mg计)比在该同一距离X内的所消耗填充焊丝140的重量(以Kg计)。即：

飞溅系数＝(飞溅重量(mg)/所消耗填充焊丝重量(Kg))

该距离X应当是允许对焊接接头进行代表性采样的距离。也就是说，如果该距离X过短(例如，0.5英寸)，它可能不代表该焊缝。因此，具有为0的飞溅系数的焊接接头对于针对距离X之上的所消耗填充焊丝将不具有飞溅，并且飞溅系数为2.5的焊缝针对2Kg的消耗填充焊丝具有5mg的飞溅。在本发明的示例性实施例中，飞溅系数是在0至1的范围内。在进一步的示例性实施例中，飞溅系数是在0至0.5的范围内。在本发明的另一个示例性实施例中，飞溅系数是在0至3的范围内或是在0至0.3的范围内。应当注意，本发明的实施例可以在使用任何外部保护或不使用任何外部保护情况下实现以上所描述的飞溅系数范围，该外部保护包括保护气体或焊剂保护。此外，当焊接未涂布工件或涂布工件(包括镀锌工件—在无需在焊接操作之前移除镀锌层的情况下)达到以上飞溅系数范围。

存在用于测量焊接接头的飞溅的多种方法。一种方法可以包括使用“飞溅舟皿”。针对这种方法，代表性焊缝样本被放置在具有足够大小的容器中，以便捕获由焊珠生成的所有、或几乎所有的飞溅。该容器或容器部分(诸如顶部)可以随焊接过程移动以便确保飞溅被捕获。典型地，该舟皿由铜制成，所以飞溅不粘到表面。该代表性焊接在容器底部上执行，这样使得在焊接过程中所形成的任何飞溅将落入该容器中。在该焊接过程中，监测消耗的填充焊丝量。在完成该焊缝之后，该飞溅舟皿将由具有充分准确度的装置称重，以便确定容器的焊接前重量与焊接后重量之间的差异(如果存在)。此差异表示飞溅的重量并且随后除以所消耗的填充焊丝量(以Kg计)。可替代地，如果飞溅未粘到该舟皿上，可以将该飞溅移除并且单独地称重。

如先前所描述的，激光装置120的使用允许精确控制焊接熔池的深度。此外，激光器120的使用允许容易地调整该焊接熔池的大小和深度。这是因为激光束110可以容易地被聚焦/散焦，或非常容易地改变其光束强度。因为这些能力，工件W1和W2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，以用于精确焊接并且最小化工件上的焊接区的大小。这还在使工件的不受焊珠影响的区域最小化方面提供优点。确切地，这些工件邻近该焊珠的这些区域将由于焊接操作而受到最少影响，弧焊操作中的情况通常不是这样。

在本发明的示例性实施例中，可以在该焊接过程中调整/改变光束110的形状和/或强度。例如，在一个工件上的某些地方处，可能有必要改变穿透深度或改变焊珠的大小。在此类实施例中，可以在该焊接过程中调整光束110的形状、强度、和/或大小，以便提供所需的焊接参数变化。

如以上所描述的，填充焊丝140与激光束110冲击同一焊接熔池。在一个示例性实施例中，填充焊丝140与激光束110冲击焊接熔池的同一位置处。然而，在其他示例性实施例中，填充焊丝140可以远离该激光束地冲击同一焊接熔池。在图6A所示的实施例中，填充焊丝140在焊接操作过程中尾随光束110。然而，那不是必要的，因为填充焊丝140可以被定位在前导位置中。本发明在此方面不受限制，因为填充焊丝140可以相对于光束110被定位在其他位置处，只要填充焊丝140与光束110冲击同一焊接熔池即可。

以上所描述的实施例是相对于具有涂层(诸如，镀锌层)的工件描述的。然而，本发明的实施例也可以在没有涂层的工件上使用。确切地，相同的以上所描述的焊接过程可以与未涂布工件一起利用。此类实施例达到如以上关于涂布金属所描述的相同性能属性。

进一步地，本发明的示例性实施例不限于焊接钢工件，而是也可以用于焊接铝或更复杂的金属，如以下将进一步描述的。

本发明的另一个有益方面涉及保护气体。在典型的弧焊操作中，使用一种保护气体或保护焊剂来防止大气中的氧和氮、或其他有害元素与焊接熔池和金属过渡相互作用。这种干扰对于焊缝的质量和外观可能是不利的。因此，在几乎所有的弧焊过程中，通过使用以下各项来提供保护：外部供应的保护气体、通过消耗其上具有焊剂的焊条(例如，棒状焊条、焊剂芯焊条等)所形成的保护气体、或外部供应的粒状焊剂(例如，亚弧焊(sub-arc welding))。进一步地，在一些焊接操作(诸如，焊接专门的金属或焊接镀锌工件)中，必须采用一种特殊的保护气体混合物。此类混合物可能是极其昂贵的。进一步地，当在极端环境中焊接时，通常难以将大量保护气体运输到工作地点(诸如，在流水线处)，或者风倾向于将该保护气体吹离电弧。进一步地，烟雾抽引系统的使用近年来已有所增长。尽管这些系统倾向于移除烟雾，它们也倾向于抽走保护气体(如果被放置成靠近该焊接操作的话)。

本发明的益处包括能够在焊接时使用极少量的保护气体或不使用保护气体。可替代地，本发明的实施例允许使用正常地将不能够被用于特定焊接操作的保护气体。这在下文进行了进一步讨论。

当利用弧焊过程来焊接典型工件(未涂布的)时，无论保护的形式如何都需要保护。已经发现当利用本发明的实施例进行焊接时，不需要保护。也就是说，不需要使用保护气体、粒状焊剂以及自保护焊条。然而，不同于弧焊过程，本发明产生优质焊缝(quality weld)。也就是说，可以在不使用任何保护的情况下达到以上所描述的焊接速度。这是利用先前弧焊过程所不能实现的。

在一个典型的弧焊过程中，填充焊丝的一滴熔融熔滴通过焊弧而从该填充焊丝过渡到焊接熔池。在没有保护的情况下，该熔滴的整个表面在过渡过程中暴露于大气，并且因此倾向于拾取大气中的氮和氧并且将氮和氧递送到该焊接熔池。这是所不希望的。

因为本发明并不使用熔滴(或类似过程)来向焊接递送填充焊丝，该填充焊丝并不那么多地暴露于大气。因此，在许多焊接应用中，不需要使用保护。这样，本发明的实施例不仅可以在几乎没有孔隙率或飞溅的情况下达到高焊接速度，它们还可以在不使用保护气体的情况下达到高焊接速度。

在不用必须使用保护的情况下，有可能在焊接过程中将一个烟雾抽引管嘴定位成更靠近焊接接头，从而提供更高效且有效的烟雾抽引。当采用一种保护气体时，必须将该烟雾抽引管嘴放置在一个位置处，这样使得它不干扰该保护气体的功能。因为本发明的这些优点，不存在此类限制并且可以优化烟雾抽引。例如，在本发明的一个示例性实施例中，激光束110受激光护套组件1901保护，该激光护套组件从激光器120到工件115的表面附近地庇护该光束。图19中可以看见这种情况的表示。护套1901(以横截面示出)在操作过程中保护光束110免受干扰并且提供另外的安全性。此外，该护套可以联接到将任何焊烟从焊接区抽走的一个烟雾抽引系统1903上。因为实施例可以在没有保护气体的情况下被利用，护套1901可以被定位成非常靠近该焊缝以便直接将烟雾从该焊接区抽走。事实上，护套1901可以被定位成使得其在该焊缝上方的距离Z在0.125至0.5英寸的范围内。当然，可以使用其他距离，但必须注意不干扰该焊接熔池或不显著减弱护套1901的有效性。因为烟雾抽引系统1903通常是焊接行业中已了解的且已知的，在此将不再详细讨论它们的构造和操作。尽管图19示出护套1901仅保护光束110，护套1901当然有可能被构造成使得它包围焊丝140和导电嘴160的至少一部分。例如，护套1901的底部开口有可能大得足以覆盖几乎整个焊接熔池或甚至大于该焊接熔池，以便增强烟雾抽引。

在本发明的用于焊接涂布工件(诸如，镀锌工件)的示例性实施例中，可以采用一种便宜很多的保护气体。例如，可以使用100％的CO₂保护气体以用于焊接许多不同的材料，包括低碳钢。这在焊接更复杂的金属(诸如，不锈钢、双炼钢和超双炼钢)时也是如此，这些更复杂的金属可以在仅100％的氮气保护气体下被焊接。在典型的弧焊操作中，不锈钢、双炼钢或超双炼钢的焊接需要可能相当昂贵的更复杂的保护气体混合物。本发明的实施例允许在仅100％的氮保护气体下焊接这些钢。进一步地，其他实施例可以在没有保护的情况下焊接这些钢。在用于镀锌材料的典型焊接过程中，必须利用一种特殊的混合保护气体，诸如氩/CO₂共混物。至少部分地因为在正常的弧焊过程中在该焊接区中存在阴极和阳极，需要使用这种类型的气体。然而，如以上所解释以及以下进一步解释的，不存在焊弧，并且这样在该焊接区中不存在阳极或阴极。因此，由于不存在电弧以及熔滴过渡，填充金属从大气拾取有害元素的可能性大大减小。应当注意，尽管本发明的许多实施例允许在不使用保护(像保护气体)的情况下进行焊接，可以在该焊缝之上利用气体流以便将蒸汽或污染物从该焊接区移除。也就是说，在焊接过程中，考虑到可以在该焊缝之上吹出空气、氮、CO₂、或其他气体以便将污染物从该焊接区移除。

除能够以高速焊接涂布材料之外，本发明的实施例还可以被利用来焊接双相钢而具有显著减小的热影响区(“HAZ”)。双相钢是一种高强度钢，其具有铁氧体和马氏体微结构两者，因此允许这种钢具有高强度和良好可成形性。因为双相钢的本质，双相钢焊缝的强度受热影响区的强度限制。热影响区是在焊接接头周围的区域(不包括填充金属)，该区域因焊接过程而显著被加热，这样使得其微结构因为弧焊过程而不利地改变。在已知的弧焊过程中，因为电弧等离子体的大小和到达焊接区中的高热量输入，热影响区是相当大的。因为该热影响区相当大，该热影响区变成该焊缝的强度限制部分。这样，由于不必使用高强度焊条，弧焊过程典型地使用低碳钢填充焊丝140来焊接此类接头(例如，ER70S-6或ER70S-3型焊条)。此外，因为这一点，设计师必须策略性地将双相钢中的焊接接头定位在高应力结构之外，诸如定位在框架、缓冲器、发动机支座等之中。

如以上所讨论的，激光装置120的使用提供了形成焊接熔池方面的高精确度水平。因为这种精确度，可以保持围绕焊珠的热影响区非常小，或可以使该热影响区对工件的整体影响最小化。事实上，在一些实施例中，可以几乎消除工件的热影响区。这通过将激光束110的焦点仅维持在工件的有待在其中形成熔池的这些部分上来实现。通过显著减小该热影响区的大小，基底金属的强度受到的危害不如使用弧焊过程的情况那么大。这样，该热影响区的存在或位置不再是焊接结构设计中的限制因素。因为是工件的组成和强度以及填充焊丝的强度而不是热影响区可以是结构设计中的驱动因素，本发明的实施例允许使用较高强度的填充焊丝。例如，本发明的实施例现在允许使用具有至少80ksi屈服强度的焊条，诸如ER80S-D2型焊条。当然，这种焊条旨在是示例性的。此外，因为因此来自弧焊的总热量输入较少，该熔池的冷却速率将是较快的，这意味着与现有焊丝相比，所使用的这些填充焊丝的化学成分可以是更稀的但给出相等或更高的性能。

此外，本发明的示例性实施例可以用于在显著降低的焊接要求下焊接钛。已知在通过弧焊过程焊接钛时，必须非常小心以便确保形成可接受的焊缝。这是因为在该焊接过程中，钛具有与氧发生反应的强亲和性。钛与氧之间的反应形成二氧化钛，二氧化钛如果存在于焊接熔池中则可能显著减小焊接接头的强度和/或延展性。因为这一点，在焊接钛时必须提供大量的尾随保护气体，以便在尾随的熔融熔池冷却时不仅将电弧还将熔池与大气屏蔽开。因为由弧焊生成的热量，该焊接熔池可能相当大并且保持熔融持续长时间段，因此需要大量的保护气体。本发明的实施例显著减少该材料被熔融并快速冷却的时间，所以降低了对这种额外保护气体的需要。

如以上所解释的，激光束110可以被非常仔细地聚焦以便显著减小到达该焊接区中的总热量输入，并且因此显著减小该焊接熔池的大小。因为该焊接熔池是较小的，该焊接熔池的冷却要快得多。这样，不需要尾随保护气体，而是仅在焊缝处需要保护。进一步地，出于以上讨论的类似原因，在提高焊接速率的同时，大大减小了焊接钛时的飞溅系数。

现转到图7和图7A，示出了一个开根型焊接接头。开根接头常常用于焊接厚的板和管道，并且常常在远程位置和环境困难的位置中发生。存在数种已知的焊接开根接头的方法，包括手工电弧焊(SMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、气体保护金属弧焊(GMAW)、焊剂芯弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)、以及自保护焊剂芯弧焊(FCAW-S)。这些焊接工艺具有不同的缺点，包括对保护的需要、速度限制、形成焊渣等。

因此，本发明的实施例大大提高了可以执行这些类型的焊接的效率和速度。确切地，可以消除或大大减少保护气体的使用，并且可以完全消除焊渣的生成。此外，可以在极小飞溅和孔隙率的情况下实现以高速进行的焊接。

图7和图7A示出了通过本发明的示例性实施例焊接的代表性开根焊接接头。当然，本发明的实施例可以被利用来焊接多种多样的焊接接头，不只是搭接型接头或开根型接头。在图7中，示出了在工件W1/W2之间的间隙705，并且每个对应工件对应地具有一个成角表面701/703。正如以上所讨论的，本发明的实施例使用一个激光装置120来在这些表面701/703上形成一个精确的熔融熔池，并且对应地，一根预加热填充焊丝(未示出)被熔敷到这些熔池中，如以上所描述的。

事实上，本发明的示例性实施例不限于将单根填充焊丝引导到每个对应焊接熔池。因为在在此所描述的焊接过程中不生成焊弧，多于一根填充焊丝可以被引导到任一个焊接熔池。通过增加到一个给定焊接熔池的填充焊丝的数目，该焊接过程的总熔敷速率可以在没有显著增加热量输入的情况下得到显著增加。因此，考虑到可以在单个焊道中填充开根焊接接头(诸如图7和7A所示的类型)。

进一步地，如图7所示，在本发明的一些示例性实施例中，多个激光束110和110A可以同时被利用来使该焊接接头中的多于一个位置熔化。这可以用多种方式来实现。在一个第一实施例中，如图7所示，一个光束分离器121被利用并且联接到激光装置120上。光束分离器121是了解激光装置的技术人员已知的，并且在此不需要详细讨论。光束分离器121将来自激光装置120的光束分成两个(或更多个)独立光束110/110A，并且可以将它们引导到两个不同的表面。在这种实施例中，多个表面可以同时被辐照，从而提供进一步的焊接精确度和准确度。在另一个实施例中，每个独立光束110和110A可以由一个独立激光装置形成，这样使得每个光束是从其自己专用的装置发射的。

在这种实施例中，使用多个激光装置，可以改变焊接操作的许多方面以便适应不同的焊接需要。例如，由这些独立激光装置生成的这些光束可以具有不同能量密度；在焊接接头处可以具有不同形状、和/或不同横截面面积。利用此灵活性，可以修改并定制焊接过程的多方面以便满足所需的任何特定焊接参数。当然，这也可以通过利用单个激光装置和一个光束分离器121来实现，但在使用该单个激光源的情况下，一些灵活性可能受到限制。进一步地，本发明不限于单激光器配置抑或双激光器配置，因为考虑到可以如所希望地使用任何数目的激光器。

在进一步的示例性实施例中，可以使用一个光束扫描装置。此类装置在激光或光束发射领域中是已知的，并且用于在工件的一个表面上以一种图案来扫描光束110。通过此类装置，可以用所希望的方式使用扫描速率和图案以及停留时间来加热工件115。进一步地，能源(例如，激光器)的输出功率可以如所希望地被调节以便形成所希望的熔池结构。另外地，可以基于所希望的操作和接头参数来优化激光器120中所采用的光学器件。例如，可以利用线光学器件和积分器光学器件来提供用于广泛的焊接或包覆操作的一个聚焦线光束，或可以使用一个积分器来产生具有均匀功率分布的一个方形/矩形光束。

图7A描绘了本发明的另一个实施例，其中单个光束110被引导到开根接头以便使这些表面701/703熔化。

因为这些激光束110和110A的精确度，这些光束110/110A可以仅聚焦在这些表面701/703上并且远离间隙705。因为这一点，可以控制熔穿(这通常将通过间隙705掉落)，这大大改进了对背侧焊珠(在间隙705的底部表面处的焊珠)的控制。

在图7和图7A中的每一幅中，一个间隙705存在于这些工件W1与W2之间，该间隙填充有焊珠707。在一个示例性实施例中，这个焊珠705是由一个激光装置(未示出)形成的。因此，例如，在一个焊接操作过程中，一个第一激光装置(未示出)将一个第一激光束(未示出)引导到间隙705以便利用焊珠707将工件W1和W2焊接在一起，而一个第二激光装置120将至少一个激光束110/110A引导到这些表面701/703以便在一根或多根填充焊丝(未示出)被熔敷以便完成焊缝的位置处形成焊接熔池。如果该间隙是足够小的，间隙焊珠707可以仅由一个激光器来形成，或者如果间隙705需要的话，该间隙焊珠可以通过使用一个激光器和一根填充焊丝来形成。确切地，可能必须添加填充金属以便适当地填充间隙705，并且因此应当使用填充焊丝。这个间隙焊珠705的形成类似于以上相对于本发明的不同示例性实施例所描述的形成。

应当注意，这些高强度能源(诸如在此所讨论的激光装置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，激光器应当具有对正被焊接的工件“形成锁眼”的能力。这意味着该激光器应当具有足以完全穿透该工件、同时在该激光器沿着该工件行进时维持穿透水平的功率。示例性激光器应当具有在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器，但可能变得非常昂贵。当然，应当注意，光束分离器121或多个激光器的使用也可以在其他类型的焊接接头中使用，并且可以在搭接接头(诸如图6和图6A所示的那些)中使用。

图7B描绘了本发明的另一个示例性实施例。这个实施例中，示出了一个狭窄凹槽、深开根接头。当弧焊深接头(在深度上大于1英寸)时，当该凹槽的间隙G狭窄时，可能难以焊接该接头的底部。这是因为难以有效地将保护气体递送到这种深凹槽中，并且该凹槽的窄壁可能对焊弧的稳定性造成干扰。因为该工件典型地是含铁材料，该接头的壁可能磁性地干扰焊弧。因为这一点，当使用典型的弧焊程序时，该凹槽的间隙G需要是足够宽的，这样使得该电弧保持稳定。然而，该凹槽越宽，就需要越多的填充金属来完成该焊缝。因为本发明的实施例不需要保护气体并且不使用焊弧，这些问题得以最小化。这允许本发明的实施例高效地且有效地焊接深的、狭窄的凹槽。例如，在本发明的其中工件115具有大于1英寸的厚度的一个示例性实施例中，间隙宽度G是在填充焊丝140的直径的1.5倍至2倍的范围内，并且侧壁角是在0.5度至10度的范围内。在一个示例性实施例中，这种焊接接头的根部焊道预备区(preparation)可以具有在1mm至3mm的范围内的一个间隙RG，具有在1/16英寸至1/4英寸的范围内的一个焊区。因此，与正常弧焊过程相比，可以更快地并且利用少得多的填充材料来焊接深开根接头。进一步地，因为本发明的多方面将少得多的热量引入到焊接区中，嘴160可以被设计成促进更靠近地递送到焊接熔池以便避免与侧壁接触。也就是说，嘴160可以被制成是较小的并且被构造为具有狭窄结构的一个绝缘引导件。在进一步的示例性实施例中，可以使用一个平移装置或机构来横跨焊缝的宽度移动激光器和焊丝，以便同时焊接该接头的两侧。

如图8所示，可以利用本发明的实施例来焊接一个对接型接头。在图8中，示出了一个平齐的对接型接头，然而考虑到也可以焊接在焊接接头的上表面和底表面上具有v形缺口的对接型接头。在图8所示的实施例中，两个激光装置120和120A被示出为位于该焊接接头的任一侧上，各自对应地形成其自己的焊接熔池801和803。像图7和图7A，这些加热的填充焊丝未被示出，因为它们尾随在所示视图中的这些激光束110/110A之后。

当利用已知的电弧技术来焊接对接型接头时，关于“电弧偏吹”可能存在很大问题，“电弧偏吹”在焊弧所生成的磁场彼此干扰、这样使得这些电弧导致彼此不规律地移动时发生。进一步地，当正使用两个或更多个弧焊系统在同一焊接接头上进行焊接时，可能存在由对应焊接电流的干扰所导致的很大问题。另外地，因为弧焊方法的穿透深度，部分地由于高热量输入，可以利用电弧在焊接接头的任一侧上焊接的工件的厚度受到限制。也就是说，不能在薄工件上进行这样的焊接。

当利用本发明的实施例进行焊接时，这些问题得以消除。因为没有利用焊弧，不存在电弧偏吹干扰或焊接电流干扰问题。进一步地，因为通过使用激光器能够对热量输入和穿透深度进行精确控制，可以同时在焊接接头的两侧上焊接薄得多的工件。

图9中示出了本发明的进一步的示例性实施例。在这个实施例中，两个激光束110和110A被(彼此成一直线地)利用来形成一种独特的焊缝轮廓。在所示实施例中，一个第一光束110(从一个第一激光装置120发射)用于形成具有一个第一横截面面积和深度的焊接熔池901的第一部分，而一个第二光束110A(从一个第二激光装置—未示出—发射)用于形成具有一个第二横截面面积和深度的焊接熔池903的第二部分，该第二横截面面积和深度与该第一横截面面积和深度不同。这个实施例可以在希望使焊珠的一部分具有比该焊珠的剩余部分更深的穿透深度时使用。例如，如图9所示，熔池901被制成比被制成更宽且更浅的焊接熔池903更深且更狭窄。这种实施例可以在在这些工件相遇处需要一个深穿透水平、但该焊接接头的整个部分不需要该深穿透水平时使用。

在本发明的进一步的示例性实施例中，第一熔池903可以是形成接头的焊缝的焊接熔池。这个第一熔池/接头是利用一个第一激光器120和一根填充焊丝(未示出)形成的，并且被制成达到适当的穿透深度。在制成这个焊接接头之后，发射一个第二激光束110A的一个第二激光(未示出)在该接头之上经过，以便形成具有不同轮廓的一个第二熔池903，其中该第二熔池用于如关于以上实施例所讨论地熔敷某种覆盖层。这个覆盖层将是使用一根第二填充焊丝来熔敷的，该第二填充焊丝具有与第一填充焊丝不同的化学成分。例如，本发明的实施例可以用于在焊接该接头之后不久或立即地在该焊接接头上放置一个耐腐蚀复合层。这个焊接操作也可以利用单个激光装置120来完成，其中光束110在一个第一光束形状/密度与一个第二光束形状/密度之间振荡以便提供所希望的焊接熔池轮廓。因此，没有必要采用多个激光装置。

如以上所解释的，这些工件上的一个耐腐蚀涂层(诸如，镀锌层)在焊接过程中被移除。然而，可能希望出于耐腐蚀目的而再次涂覆焊接接头，并且因此可以使用第二光束110A和激光来在接头901的顶部上添加一个耐腐蚀覆盖层903(诸如，复合层)。

因为本发明的不同优点，也有可能经由一个焊接操作容易地接合异种金属。通过一个弧焊过程来接合异种金属是困难的。这种困难是由于许多原因，包括与控制热量输入有关并且因此与焊接金属的化学成分有关的问题，这些问题可能会导致所不希望的特性和缺陷，从而导致劣质焊缝。当试图将具有非常不同的熔化温度的铝和钢电弧焊接在一起时尤其如此，或当尝试将不锈钢焊接到低碳钢时尤其如此(因为其不同的化学成分)。然而，利用本发明的实施例，此类问题得以减轻。

图10A描绘了本发明的一个示例性实施例。尽管示出了一个V型接头，本发明在此方面不受限制。在图10中，两种异种金属被示出为在一个焊接接头1000处被接合。在这个实例中，这两种异种金属是铝和钢。在这个示例性实施例中，采用了两个不同激光源1010和1020。然而，并非在所有实施例中都需要两个激光装置，因为单个装置可以是振荡的，以便提供使这两种不同材料熔化所需的能量，这将在下文进一步讨论。激光器1010发射指向钢工件的光束1011，并且激光器1020发射指向铝工件的光束1021。因为对应工件中的每一个是由不同的金属或合金制成，它们具有不同的熔化温度。这样，对应激光束1011/1021中的每一个在焊接熔池1012和1022处具有不同的能量密度。因为相异的能量密度，对应焊接熔池1012和1022中的每一个可以被维持在适当的大小和深度处。这也防止在具有较低熔化温度的工件(例如，铝)中的过度穿透和热量输入。在一些实施例中，至少因为该焊接接头，不需要具有两个独立的、离散的焊接熔池(如图10A所示)，而是可以通过两个工件形成单个焊接熔池，其中每个工件的熔化部分形成单个熔池。进一步地，如果这些工件具有不同的化学成分但具有类似的熔化温度，有可能使用单个光束来同时辐照两个工件，但应当理解，一个工件将比另一个更多地熔化。进一步地，如以上简单描述的，有可能使用单个能源(像激光装置120)来辐照两个工件。例如，一个激光装置120可以使用一个第一光束形状和/或能量密度来使第一工件熔化，并且随后振荡/改变到一个第二光束形状和/或能量密度来使第二工件熔化。这些光束特征的振荡和改变应当以足够的速率来完成，以便确保两个工件的适当熔化得以维持，这样使得一个或多个焊接熔池在焊接过程中保持稳定且一致。其他单光束实施例可以利用具有一种形状的一个光束110，该形状向一个工件比向另一个提供更多的热量输入以便确保每个工件的充分熔化。在此类实施例中，对于该光束的横截面来说，该光束的能量密度可以是均匀的。例如，光束110可以具有梯形或三角形形状，这样使得因为该光束的形状，到达一个工件中的总热量输入将小于另一个工件。可替代地，一些实施例可以使用在其横截面中具有不均匀能量分布的光束110。例如，光束110可以具有矩形形状(这样使得它冲击两个工件)，但该光束的一个第一区域将具有一个第一能量密度，并且该光束110的一个第二区域将具有与该第一区域不同的一个第二能量密度，所以每个区域可以适当地使对应工件熔化。作为举例，光束110可以具有第一区域，该第一区域具有使钢工件熔化的高能量密度，而第二区域将具有使铝工件熔化的较低能量密度。

在图10A中，示出了两根填充焊丝1030和1030A，每根被对应地引导到一个焊接熔池1012和1022。尽管图10所示的实施例正采用两根填充焊丝，本发明在此方面不受限制。如以上相对于其他实施例所讨论的，考虑到根据所希望的焊接参数(诸如，所希望的焊珠形状和熔敷速率)，可以使用仅一根填充焊丝，或可以使用多于两根焊丝。当采用单根焊丝时，可以将它引导到一个公共熔池(由两个工件的熔化部分形成)，或可以将该焊丝引导到这些熔化部分中的仅一个以便融入到该焊接接头中。因此，例如，在图10A所示的实施例中，可以将一根焊丝引导到熔化部分1022，该熔化部分随后将与熔化部分1012结合以用于形成该焊接接头。当然，如果采用单根焊丝，应当将它加热到允许该焊丝在其被浸入到的部分1022/1012中熔化的温度。

因为接合异种金属，填充焊丝的化学成分应当被选择成确保这些焊丝可以与所接合的金属充分结合。此外，一根或多根填充焊丝的组成应当被选择成使得它具有适合的熔化温度，这允许填充焊丝在较低温度焊接熔池的焊接熔池中熔化并消耗。事实上，考虑到多根填充焊丝的化学成分可以是不同的，以便获得适当的焊缝化学成分。当两个不同工件具有其中在这些材料之间将发生最少掺和的材料组成时，情况尤其是这样。在图10A中，该较低温度焊接熔池是铝焊接熔池1012，并且因此一根或多根填充焊丝1030(A)被配制以便在一个类似温度下熔化，这样使得它们可以容易地被消耗在熔池1012中。在以上实例中，使用铝工件和钢工件，这些填充焊丝可以是具有与工件的熔化温度类似的熔化温度的基于硅青铜、镍铝青铜或铝青铜的焊丝。当然，考虑到这些填充焊丝组成应当被选择成匹配所希望的机械和焊接性能特性，而在同时提供与有待焊接的这些工件中的至少一个工件的熔化特征类似的熔化特征。

以下相对于图10B至图10C的讨论涉及其中接合异种材料的进一步的示例性实施例。在以下所讨论的实例中，这些异种材料是铝和钢。钢可以是低碳钢或不锈钢中的任一种。应当理解，当接合不同材料时，希望使可能形成易碎焊缝的金属间化合物的形成最小化。本发明的实施例通过采用在此描述的方法和系统来避免这一点。图10B所示的焊接接头是一种典型的搭接接头配置，其中一个钢工件1040被接合到一个铝工件1041上。当然，应当注意，尽管示出了一个搭接接头，通过本发明的实施例可以形成/使用其他接头类型。例如，也可以利用T形接头、对接接头、以及角接接头。如先前所描述的，一个光束110被引导到该接头区域以便在钢1040上形成一个熔池。然而，不同于许多先前所讨论的实施例，光束110仅被引导到钢1040，以便在钢1040上形成熔融熔池。在这个实施例中，这样做是因为钢与铝相比较高的熔化温度。在一些示例性实施例中，使用该激光器来连续加热钢1040并且使熔池增长，直到该熔池接触铝工件1041为止。当该熔池接触铝1041时，因为不与光束110直接接触，可以在达到钢1040的足够穿透的同时避免铝的过度熔化或穿透。一旦该熔池与铝1040进行接触，就使该熔池增长以便实现这两种异种材料之间的充分的焊接接合。当该熔池接触铝时，它使铝熔化以便在铝中获得足够的穿透，同时铝有助于使该熔池淬火或冷却。可以控制光束110以便向该熔池添加能量来如所希望地增加铝和/或钢穿透。这种过程还将有助于使铝工件造成的熔池稀释最小化，该熔池稀释可能是不利的。尽管利用发明的实施例，到铝1041中的一些穿透得以实现并且是所希望的，过度穿透和稀释可能是所不希望的。图10C描绘了示例性的完成的焊接接头和焊珠。

总体上应当理解，焊接熔池中铝和钢的过度混合可能形成金属间化合物或其他易碎微结构，这可能导致一个易碎的焊接接头。这通常是所不希望的。因此，本发明的实施例利用产生焊池/熔敷物的工艺和焊丝，该焊池/熔敷物具有在0.01％至16％范围内的铝以及在0.01％至10％范围内的铁。在其他示例性实施例中，铝是在11％至14％的范围内并且铁是在4％至8％的范围内。当然，根据材料和焊接条件，其他范围可以是可能的。然而，铝和铁两者应当以某个量存在，以便确保实现结合—基底材料的至少一些已经熔化，并且最小量应当被选择来避免形成将使焊缝特性降级超过一个可接受范围的任何相当可观的量的金属间化合物。在一些示例性实施例中，以上所识别的较狭窄范围确保充分的结合，同时避免形成相当可观的量的金属间化合物。

熔池的增长可以用任何数目的不同方式来实现，包括：移动这些工件和/或激光束110；改变工件1040的光束辐照区的大小；以及增加到达该工件中的能量输入以便使熔融熔池的区域增长。当然，也可以利用以上各项的任何组合来实现所希望的穿透和焊珠形状。在另外的实施例中，在该熔敷过程中还可以移动焊丝140以便致使熔池朝向铝1041移动。

进一步地，如在此所描述的，至少一根焊丝140在该焊接过程中被熔敷到熔池中。如讨论以上，焊丝140应当具有与这些异种材料相容的组成。在本发明的示例性实施例中，焊丝140具有一种组成，该组成具有在6.5％至11.5％范围内的铝、在3％至7％范围内的镍、在0.7％至3％范围内的锰、在2％至6％范围内的铁，其中剩余百分比是铜。在本发明的另外的示例性实施例中，焊丝140具有一种组成，该组成具有在8％至10％范围内的铝、在4％至6％范围内的镍、在1％至2％范围内的锰、在2.5％至4.5％范围内的铁，其中剩余百分比是铜。在进一步的示例性实施例中，焊丝140具有一种组成，其具有9％的铝、5％的镍、1.5％的锰、3.5％的铁，并且剩余部分是铜。当然应当注意，在此陈述的百分比和组成考虑到制造耗材的现实，并且由于各种杂质而可能存在痕量的其他元素，等等。因此，在此引用的百分比和组成考虑到除铜之外，耗材的小百分比(痕量级)可能具有组成该耗材剩余部分的其他元素。在本发明的其他示例性实施例中，焊丝140可以具有一种组成，该组成具有在4％至7％范围内的镍、在0％至2％范围内的锰，并且剩余百分比是铜，其中未故意地将铝或铁添加到该组成中并且不存在任何相当可观的量的铝或铁。在焊丝140的一些示例性实施例中，不存在锰。在示例性实施例中，焊丝140应当具有接近于钢工件1040熔化温度的熔化温度。在一些示例性实施例中，焊丝140的熔化温度是在钢1040的熔化温度加抑或减10％内。在其他示例性实施例中，差值是在钢的熔化温度的5％内。当然，该熔化温度将由耗材的组成以及可接受的焊接熔敷物化学成分指定。也就是说，在其中焊接熔敷物可以应付较高量的特定材料(像镍或铁)的实施例中，具有较大的熔化温度差异(divergence)可能是可接受的，因为焊接过程将能够应付较大的温度而不会不利地影响焊缝质量或焊接过程。

在本发明的示例性实施例中，铝1041和钢1040具有类似的厚度。然而，这不是所要求的，因为实施例可以接合具有不同厚度的工件。

因为在此和以上所描述的方法，本发明的实施例可以在铝和钢之间提供一个焊接接头(不同于硬焊接头)，其中穿透在钢和铝两者中进行。事实上，本发明的示例性实施例能够以至少80ipm的焊接速度来焊接铝和钢。在一些示例性实施例中，在具有在0.035"至0.052"(英寸)范围内的直径的焊丝140的情况下，可以实现在80ipm至130ipm范围内的焊接速度。当然，也可以使用其他焊丝直径。

尽管已经使用单个光束110和单根焊丝140讨论了图10B和图10C的实施例，但如在此另外描述的，可以使用多个光束和/或耗材。此外，在一些示例性实施例中，可以使用光束110来辐照铝1041的一部分以便实现所希望的铝1041的穿透、接头形状等。例如，光束110可以是振荡的，以便如所希望地撞击在铝上。当然，将需要适当地控制光束能量，以便不过度穿透铝1041。例如，光束110的能量可以在其冲击铝时被减少。当然，也可以使用来自一个独立激光器的独立光束。

还应当注意，在本发明的一些示例性实施例中，焊丝140像传统焊接耗材一样具有圆形横截面。然而，本发明的实施例在此方面不受限制，并且可以使用其他形状。例如，耗材140可以具有多边形的、卵形的、椭圆形的或其他形状中的任一种。进一步地，耗材140也可以是带型耗材。

进一步地，像在此所讨论的其他实施例一样，根据本发明的实施例的焊接过程不需要利用保护气体。在一些应用中，保护气体可以用于帮助减少氧化，但在许多应用中它将不是必须的。

图11A至11C描绘了可以采用的嘴160的不同实施例。图11A描绘了在构造和操作上非常类似于正常弧焊导电嘴的一个嘴160。在如在此所描述的热丝焊接过程中，加热电流从电源170被引导到导电嘴160，并且从嘴160被传递到焊丝140中。该电流随后经由焊丝140与工件W的接触而通过焊丝被引导到该工件。这个电流的流动加热焊丝140，如在此所描述的。当然，电源170可能并非如图所示地直接联接到该导电嘴上，而是可以联接到将电流引导到嘴160的一个焊丝送进器150上。图11B示出了本发明的另一个实施例，其中嘴160由两个部件160和160'组成，这样使得电源170的负极端子被联接到第二部件160'上。在这种实施例中，加热电流从第一嘴部件160流动到焊丝140，并且随后流动到第二嘴部件160'中。通过位于部件160与160'之间的焊丝140的电流流动导致该焊丝变热，如在此所描述的。图11C描绘了另一个示例性实施例，其中嘴160包括一个感应线圈1110，该感应线圈导致嘴160和焊丝140经由感应加热而被加热。在这种实施例中，感应线圈1110可以被制成与导电嘴160成整体，或可以围绕嘴160的一个表面卷绕。当然，其他配置可以用于嘴160，只要该嘴向焊丝140递送所需的加热电流/功率，这样使得该焊丝可以达到该焊接操作所希望的温度。

将描述本发明的示例性实施例的操作。如以上所讨论的，本发明的实施例采用一个高强度能源和加热填充焊丝的一个电源两者。将依次讨论这个过程的每个方面。应当注意，以下说明和讨论并不旨在取代或替换先前相对于先前讨论的熔覆实施例所提供的任何讨论，而是旨在补充与焊接应用或接合应用有关的那些讨论。先前关于熔覆操作进行的讨论也出于接合和焊接的目的而被合并。

用于接合/焊接的示例性实施例可以类似于图1所示的实施例。如以上所描述的，提供了一个热丝电源170，该热丝电源向填充焊丝140提供加热电流。该电流从导电嘴160(其可以具有任何已知的构造)传递到焊丝140并且然后传递到工件中。这个电阻加热电流引起位于嘴160与该工件之间的焊丝140达到处于或接近所采用的填充焊丝140的熔化温度的温度。当然，填充焊丝140的熔化温度将根据焊丝140的大小和化学成分而变化。相应地，该填充焊丝在焊接过程中所希望的温度将根据焊丝140而变化。如以下将进一步讨论的，该填充焊丝的所希望的操作温度可以是输入到焊接系统中的数据，这样使得所希望的焊丝温度在焊接过程中得以维持。在任何情况下，该焊丝的温度应当使得该焊丝在焊接操作过程中被消耗到焊接熔池中。在示例性实施例中，在该填充焊丝140进入该焊接熔池时，该焊丝的至少一部分是固态的。例如，在该填充焊丝进入该焊接熔池时，该填充焊丝的至少30％是固态的。

在本发明的一个示例性实施例中，热丝电源170供应电流，该电流维持该填充焊丝的至少一部分处于或高于填充焊丝熔化温度的75％。例如，当使用低碳钢填充焊丝140时，该焊丝在其进入熔池之前的温度可以是近似1,600华氏度，然而该焊丝具有大约2,000华氏度的熔化温度。当然，应当理解，对应熔化温度和所希望的操作温度将至少根据填充焊丝的合金、组成、直径和送进速率而变化。在另一个示例性实施例中，电源170将该填充焊丝的一部分维持在处于或高于填充焊丝熔化温度的90％下。在进一步的示例性实施例中，焊丝的多个部分被维持在处于或高于焊丝熔化温度的95％的焊丝温度下。在示例性实施例中，从加热电流被施用到焊丝140的点到熔池，焊丝140将具有温度梯度，其中在熔池处的温度高于在加热电流的输入点处的温度。令人希望的是在焊丝140进入熔池的点处或附近具有焊丝的最热温度，以便促进焊丝140的高效熔化。因此，以上陈述的温度百分比应当是在焊丝进入熔池所处的点处或附近在焊丝上测量的。通过将填充焊丝140维持在接近于或处于其熔化温度的温度下，焊丝140容易被熔化进入或被消耗进入热源/激光器120所形成的焊接熔池中。也就是说，焊丝140具有当焊丝140与熔池进行接触时不导致熔池显著淬火的温度。因为焊丝140的高温，该焊丝在其与焊接熔池进行接触时快速熔化。令人希望的是具有焊丝温度，这样使得该焊丝在熔池中不会到达最底部—与焊池的未熔化部分进行接触。这样的接触可能不利地影响焊缝的质量。

如先前描述的，在一些示例性实施例中，可以仅通过焊丝140进入熔池中来促进焊丝140完全熔化。然而，在其他示例性实施例中，焊丝140可以由熔池和冲击在焊丝140的一部分上的激光束110的组合完全熔化。在本发明的另外的其他实施例中，焊丝140的加热/熔化可以由激光束110来有助于，这样使得光束110有助于焊丝140的加热。然而，因为许多填充焊丝140是由可以反射的材料制成的，如果使用反射激光类型，焊丝140应当被加热到一定温度这样使得其表面反射率减小，从而允许光束110有助于加热/熔化焊丝140。在这种配置的示例性实施例中，焊丝140和光束110在焊丝140进入熔池的点处相交。

又如先前相对于图1所讨论的，电源170和控制器195控制到达焊丝140的加热电流，这样使得在焊接过程中，焊丝140维持与工件接触并且无电弧生成。与弧焊技术相反，在通过本发明的实施例进行焊接时存在电弧可能导致显著的焊缝缺陷。因此，在一些实施例(如以上所讨论的那些)中，焊丝140与焊接熔池之间的电压应当被维持在0伏特处或附近，这指示该焊丝被短接到该工件/焊接熔池上或与其接触。

然而，在本发明的其他示例性实施例中，可以提供处于这种电平的电流，这样使得获得高于0伏特的电压电平而不形成电弧。通过利用较高电流值，有可能将焊条140维持在处于更高水平且更接近焊条的熔化温度的温度下。这允许该焊接过程更快地进行。在本发明的示例性实施例中，电源170监测电压，并且当电压达到或接近在高于0伏特的某个点下的电压值时，电源170停止使电流流动到焊丝140以便确保不产生电弧。至少部分地由于所使用的焊条140的类型，电压阈值电平典型地将会变化。例如，在本发明的一些示例性实施例中，阈值电压电平处于或低于6伏特。在另一个示例性实施例中，阈值电平处于或低于9伏特。在进一步的示例性实施例中，阈值电平处于或低于14伏特，并且在另外的示例性实施例中；阈值电平处于或低于16伏特。例如，当使用低碳钢填充焊丝时，电压的阈值电平将是较低类型的，而用于不锈钢焊接的填充焊丝可以在形成电弧之前处理更高的电压。

在进一步的示例性实施例中，不是维持电压电平低于如上的阈值，而是电压被维持在操作范围内。在这种实施例中，令人希望的是维持电压高于最小量(确保足够高的电流来维持填充焊丝处于或接近其熔化温度)，但低于一定电压电平，这样使得不形成焊弧。例如，电压可以被维持在1到16伏特范围内。在进一步的示例性实施例中，电压被维持在6到9伏特范围内。在另一个实例中，电压可以被维持在12到16伏特之间。当然，所希望的操作范围可以受到用于焊接操作的填充焊丝140的影响，这样使得用于焊接操作的范围(或阈值)是至少部分地基于所使用的填充焊丝或所使用的填充焊丝的特征来选择的。在利用这种范围时，范围的底限被设定为填充焊丝可以被充分消耗在焊接熔池中所处的电压，并且范围的上限被设定为使得避免形成电弧的电压。

如先前所描述的，当电压超过所希望的阈值电压时，电源170切断加热电流，这样使得不产生电弧。以下将进一步讨论本发明的这一方面。

在以上所描述的许多实施例中，电源170包括用于监测和维持如以上所描述的电压的电路。这种类型的电路的构造对于本行业人员而言是已知的。然而，传统上，此类电路已经用于维持电压高于用于弧焊的某一阈值。

在进一步的示例性实施例中，电源170还可以监测和/或调节加热电流。作为一个替代方案，除了监测电压、功率、或电压/安培数特征的某一电平以外，这也可以完成。也就是说，该电流可以被维持在所希望的一个或多个电平下以便确保焊丝140被维持在适当的温度下—以便适当地消耗在熔池中，但还低于电弧生成电流电平。例如，在这种实施例中，电压和/或电流被监测以便确保一者或两者在指定范围内或低于所希望的阈值。该电源随后调节所供应的电流，以便确保不形成电弧，但维持所希望的操作参数。

在本发明的又进一步的示例性实施例中，电源170还可以监测和调节加热功率(V×I)。确切地，在此类实施例中，加热功率的电压和电流被监测以便被维持在所希望的电平下、或被维持在所希望的范围内。因此，该电源不仅调节到达焊丝的电压或电流，而且还可以调节电流和电压两者。这种实施例可以提供对焊接系统的改进的控制。在此类实施例中，到达焊丝的加热功率可以被设定为上阈电平或最优操作范围，这样使得功率被保持低于阈值电平或在所希望的范围内(类似于以上关于电压讨论的范围)。同样地，阈值或范围设置将基于填充焊丝和正在执行的焊接的特征，并且可以至少部分地基于所选择的填充焊丝。例如，可以确定具有0.045"直径的一根低碳钢焊条的最优功率设置是在1950瓦特至2,050瓦特范围内。该电源将调节电压和电流，这样使得功率保持在这个操作范围内。类似地，如果功率阈值被设定在2,000瓦特，该电源将调节电压和电流，这样使得功率电平不超过但接近这个阈值。

在本发明的进一步的示例性实施例中，电源170包括监测加热电压(dv/dt)、电流(di/dt)和/或功率(dp/dt)的变化速率的电路。此类电路通常被称为预感电路，并且它们的总体构造是已知的。在此类实施例中，电压、电流和/或功率的变化速率被监测，这样使得如果变化速率超过某一阈值，则到达焊丝140的加热电流被关闭。

在本发明的一个示例性实施例中，还监测电阻变化(dr/dt)。在这种实施例中，监测位于导电嘴与熔池之间的焊丝中电阻。在焊接过程中，随着焊丝变热，该焊丝开始颈状收缩并且具有形成电弧的趋势，在此时间期间，该焊丝中的电阻以指数方式增大。当检测到此增大时，如在此描述的，电源的输出被关闭以便确保不产生电弧。实施例调节电压、电流、或两者以便确保该焊丝中的电阻被维持在所希望的电平处。

在本发明的进一步的示例性实施例中，电源170不是在检测到阈值电平时关闭加热电流，而是将加热电流减小到无电弧生成电平。这种电平可以是背景电流电平，在该背景电流电平下，如果该焊丝与该焊接熔池分开，将不生成电弧。例如，本发明的一个示例性实施例可以具有50安培的无电弧生成电流电平，其中一旦检测或预测到电弧生成，或达到一个上阈(以上所讨论的)，电源170就使加热电流从其操作电平下降到无电弧生成电平，持续一个预先确定量的时间(例如，1ms至10ms)或直到所检测的电压、电流、功率、和/或电阻下降到低于该上阈为止。这个无电弧生成阈值可以是电压电平、电流电平、电阻电平、和/或功率电平。在此类实施例中，通过在电弧生成事件过程中维持电流输出—虽然处于低电平—可以导致较快恢复到加热电流操作电平。

在本发明的另一个示例性实施例中，电源170的输出被控制，这样使得在焊接操作过程中不形成实质性电弧。在一些示例性焊接操作中，该电源可以被控制，这样使得在填充焊丝140与熔池之间不形成实质性电弧。总体上已知电弧是在一个物理间隙之间形成的，该物理间隙位于填充焊丝140的远端与焊接熔池之间。如以上所描述的，本发明的示例性实施例通过保持填充焊丝140与熔池接触来防止形成此电弧。然而，在一些示例性实施例中，非实质性电弧的存在将不危害焊缝的质量。也就是说，在一些示例性焊接操作中，短持续时间的非实质性电弧的形成将不导致将危害缝接质量的热量输入水平。在此类实施例中，该焊接系统和该电源如在此所描述地关于完全避免电弧而被控制并操作，但电源170被控制，这样使得在形成电弧的程度上，该电弧是非实质性的。在一些示例性实施例中，电源170被操作，这样使得所形成的电弧具有小于10ms的持续时间。在其他示例性实施例中，该电弧具有小于1ms的持续时间，并且在其他示例性实施例中，该电弧具有小于300μs的持续时间。在此类实施例中，因为电弧并不向焊缝中施用显著的热量输入或导致显著的飞溅或孔隙率，此类电弧的存在并不危害焊缝质量。因此，在此类实施例中，电源170被控制，这样使得在形成电弧的程度上，电弧在持续时间上被保持是非实质性的，这样使得焊缝质量不受危害。与在此相对于其他实施例所讨论相同的控制逻辑和部件可以在这些示例性实施例中使用。然而，对于阈值上限，电源170可以使用对电弧形成的检测，而不是低于一个预先确定的或预测的电弧形成点的(电流、功率、电压、电阻的)阈值点。这种实施例可以允许焊接操作更接近其限值地操作。

因为希望填充焊丝140处于一种持续短接状态(与焊接熔池持续接触)，该电流倾向于以缓慢速率衰减。这是因为在电源、焊接电缆和工件中存在电感。在一些应用中，可能必须迫使该电流以较快速率衰减，这样使得焊丝中的电流以高速率减小。总体上，电流被减小的速度越快，对接合方法实现的控制将越好。在本发明的一个示例性实施例中，在检测到达到或超过一个阈值之后的电流的斜降时间是1毫秒。在本发明的另一个示例性实施例中，该电流的斜降时间是300毫秒或更少。在另一个示例性实施例中，该斜降时间是在300微秒至100微秒的范围内。

在一个示例性实施例中，为了实现此类斜降时间，一个斜降电路被引入到电源170中，该斜降电路帮助减少预测或检测到电弧时的斜降时间。例如，当检测抑或预测到电弧时，一个斜降电路断开，这将电阻引入到该电路中。例如，该电阻可以是使电流流动在50微秒内减小到低于50安培的类型。图18中示出了这种电路的一个简化实例。电路1800具有被放置到该焊接电路中的一个电阻器1801和一个开关1803，这样使得当该电源正操作并提供电流时，开关1803是闭合的。然而，当该电源停止供应功率(以便防止形成电弧或当检测到电弧时)，该开关断开，从而迫使感应电流通过电阻器1801。电阻器1801大大增大该电路的电阻并且使电流以较快节奏减小。这种电路类型总体上是焊接行业中已知的，可见于俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司(The Lincoln Electric Company,of Cleveland,Ohio)所制造的Power焊接电源中，该电源结合了表面张力过渡技术(“STT”)。STT技术在通过引用以其全文结合在此的美国专利号4,866,247、5,148,001、6,051,810和7,109,439中总体上得到描述。当然，这些专利总体上讨论使用所披露的电路来确保形成并维持电弧—本行业的技术人员可以容易地适配这种系统以便确保不产生电弧。

可以参考图12来进一步理解以上的讨论，其中描绘了一个示例性焊接系统。(应当注意，为了清晰，没有示出激光系统)。系统1200被示出为具有一个热丝电源1210(该电源可以是与如图1中所示的电源170类似的类型)。电源1210可以具有一种已知的焊接电源构造，诸如逆变器式电源。因为此类电源的设计、操作和构造是已知的，本文中将不对它们进行详细讨论。电源1210包括一个用户输入端1220，该用户输入端允许用户输入数据，包括但不限于：焊丝送进速度、焊丝类型、焊丝直径、所希望的功率电平、所希望的焊丝温度、电压和/或电流电平。当然，可以根据需要利用其他输入参数。用户接口1220联接到CPU/控制器1230上，该CPU/控制器接收用户输入数据并且使用此信息产生功率模块1250所需的操作设定点或范围。功率模块1250可以是任何已知的类型或构造的，包括逆变器式或变压器式模块。

CPU/控制器1230可以用任何数目的方式来确定所希望的操作参数，包括使用查找表。在这种实施例中，CPU/控制器1230利用输入数据(例如，焊丝送进速度、焊丝直径和焊丝类型)来确定输出端的所希望的电流电平(来适当地加热焊丝140)以及阈值电压或功率电平(或电压或功率的可接受的操作范围)。这是因为将焊丝140加热到适当温度所需的电流将至少基于输入参数。也就是说，铝焊丝140可以比低碳钢焊条具有更低的熔化温度，并且因此需要更少的电流/功率来熔化焊丝140。另外，直径更小的焊丝140将比直径更大的焊条需要更少的电流/功率。此外，随着焊丝送进速度增大(并且相应地熔敷速率)，熔化焊丝所需的电流/功率电平将变高。

类似地，CPU/控制器1230将使用输入数据来确定用于操作的电压/功率阈值和/或范围(例如，功率、电流和/或电压)，这样使得避免产生电弧。例如，对于具有0.045英寸直径的低碳钢焊条，可以具有6到9伏特的电压范围设置，其中功率模块1250被驱动来将电压维持在6到9伏特之间。在这种实施例中，电流、电压和/或功率被驱动来维持为6伏特的最小值(这确保电流/功率足够高从而适当地加热焊条)，并且保持电压处于或低于9伏特以便确保不产生电弧并且不超过焊丝140的熔化温度。当然，其他设定点参数(诸如电压、电流、功率或电阻速率变化)也可以由CPU/控制器1230根据希望来设定。

如图所示，电源1210的一个正极端子1221联接到该热丝系统的导电嘴160上，并且该电源的一个负极端子联接工件W上。因此，加热电流通过正极端子1221被供应到焊丝140，并且通过负极端子1222返回。这种配置是总体上已知的。

当然，在另一个示例性实施例中，负极端子1222也可以连接到嘴160上。由于可以使用电阻加热来加热焊丝140，该嘴可以具有一种构造(如图11所示)，其中负极端子1221和正极端子1222两者可以联接到导电嘴140上以便加热焊丝140。例如，导电嘴160可以具有双导电嘴构造(如图11B所示)，或使用一个感应线圈(如图11C所示)。

一条反馈感测引线1223也联接到电源1210上。这条反馈感测引线可以监测电压并且将检测到的电压递送到一个电压检测电路1240。电压检测电路1240将检测到的电压和/或检测到的电压变化速率传达给CPU/控制器1230，该CPU/控制器相应地控制模块1250的操作。例如，如果检测到的电压低于所希望的操作范围，则CPU/控制器1230指令模块1250增加其输出(电流、电压、和/或功率)，直到检测到的电压处于所希望的操作范围内为止。类似地，如果检测到的电压处于或高于所希望的阈值，则CPU/控制器1230指令模块1250切断到达嘴160的电流流动，这样使得不产生电弧。如果该电压下降到低于所希望的阈值，则CPU/控制器1230指导模块1250供应电流或电压、或两者以便继续进行焊接过程。当然，CPU/控制器1230还可以指令模块1250维持或供应所希望的功率电平。

应当注意，检测电路1240和CPU/控制器1230可以具有与图1中所示的控制器195类似的构造和操作。在本发明的示例性实施例中，采样/检测速率是至少10KHz。在其他示例性实施例中，检测/采样速率在100KHz到200KHz范围内。

图13A-13C描绘了本发明的实施例中所利用的示例性电流和电压波形。将依次讨论这些波形中的每一个。图13A示出了针对一个实施例的电压和电流波形，其中填充焊丝140在电源输出端在电弧检测事件之后被重新接通之后触碰焊接熔池。如图所示，该电源的输出电压处于低于一个确定阈值(9伏特)的某个操作电平下，并且随后在焊接过程中增大到此阈值。该操作电平可以是基于不同输入参数(先前讨论的)所确定的电平，并且可以是一个设定操作电压、电流和/或功率电平。这个操作电平是针对一个给定焊接操作的所希望的电源170的输出，并且将向填充焊丝140提供所希望的加热信号。在焊接过程中，可能发生可以导致电弧形成的事件。在图13A中，该事件造成电压的增大，从而导致该电压向点A增大。在点A处，该电源/控制电路达到9伏特阈值(它可以是一个电弧检测点或仅是一个预先确定的上阈，它可以低于电弧形成点)并且关闭该电源的输出，从而导致电流和电压下降到点B处的减小的电平。电流下降的斜率可以通过包括一个斜降电路(如在此所讨论的)来控制，该斜降电路有助于使由系统电感所生成的电流快速减小。在点B处的电流电平或电压电平可以是预先确定的，或它们是在一个预先确定的持续时间之后可以达到的。例如，在一些实施例中，不仅设定用于焊接的电压(或电流或功率)的一个上阈，还设定一个低无电弧产生电平。这个低电平可以是一个低电压、电流、或功率电平，在该低电压、电流、或功率电平下，无电弧可以产生，这样使得重新接通该电源是可接受的并且将不形成电弧。具有这种低电平允许该电源快速重新接通，并且确保不形成电弧。例如，如果用于焊接的一个电源设定点被设定在2,000瓦特，具有11伏特的一个电压阈值，这个低功率设置可以被设定在500瓦特。因此，当达到该电压上阈(根据该实施例，它也可以是电流阈值或功率阈值)时，输出被减小到500瓦特。(这个下阈也可以是低电流设置或低电压设置、或两者)。可替代地，不是设定一个检测下限，而是可以利用一个计时电路来计时以便在一个设定持续时间之后开始供应电流。在本发明的示例性实施例中，这样的持续时间可以在500ms至1000ms的范围内。在图13A中，点C表示输出被再次供应到焊丝140的时间。应当注意，在点B与点C之间所示的延迟可以是故意延迟的结果，或可以仅是系统延迟的结果。在点C处，电流被再次供应以便加热填充焊丝。然而，因为该填充焊丝还未触碰焊接熔池，电压增大而电流则不增大。在点D处，该焊丝与该熔池进行接触，并且电压和电流调整回到所希望的操作电平。如图所示，电压可能在D处的接触之前超过上阈，这可能在该电源所具有的OCV电平比操作阈值的电平高时发生。例如，这个较高的OCV电平可以是由于该电源的设计或制造而在该电源中设定的上限。

图13B类似于以上所描述的图，只是填充焊丝140在该电源的输出增大时正在接触焊接熔池。在这种情况下，该焊丝永不离开焊接熔池，或该焊丝在点C之前与焊接熔池相接触。图13B将点C和点D显示在一起，因为当重新接通输出端时，该焊丝与熔池相接触。因此，电流和电压两者在点E处都增大到所希望的操作设置。

图13C是一个实施例，其中在关闭输出端(点A)与重新接通输出端(点B)之间几乎没有延迟，并且焊丝在点B之前的某个时间与熔池相接触。所描绘的波形可以在以上所描述的实施例中利用，在这些实施例中，一个下阈被设定成使得当达到该下阈时—无论该下阈是电流、功率还是电压—该输出端几乎没有延迟地被重新接通。应当注意，可以使用与如在此所描述的操作上阈或范围相同或类似的参数来设定这个下阈设置。例如，这个下阈可以基于在此所描述的焊丝组成、直径、送进速度、或不同其他参数来设定。这种实施例可以使返回到用于焊接的所希望操作设定点的延迟最小化，并且可以使在焊接中可能发生的任何颈状收缩最小化。该颈状收缩的最小化有助于使形成电弧的机会最小化。

图14描绘了本发明的又另一个示例性实施例。图14示出了与如图1所示的实施例类似的一个实施例。然而，为了清晰，没有描绘某些部件和连接。图14描绘了一个系统1400，其中使用一个热传感器1410来监测焊丝140的温度。热传感器1410可以是能够检测焊丝140的温度的任何已知类型。传感器1410可以与焊丝140接触或者可以联接到嘴160上以便检测该焊丝的温度。在本发明的进一步的示例性实施例中，传感器1410是使用能够检测小物体(诸如填充焊丝的直径，而不接触焊丝140)的温度的激光束或红外束的类型。在这种实施例中，传感器1410被定位成使得可以在焊丝140的伸出处(也就是说，在嘴160的末端与焊接熔池之间的某个点处)检测焊丝140的温度。传感器1410还应当被定位成使得用于焊丝140的传感器1410并不感测焊接熔池温度。

传感器1410联接到感测和控制单元195(关于图1所讨论的)上，这样使得温度反馈信息可以被提供给电源170和/或激光器电源130，从而使得可以优化对系统1400的控制。例如，电源170的功率或输出电流可以至少基于来自传感器1410的反馈来调整。也就是说，在本发明的一个实施例中，用户可以输入一个所希望的温度设置(针对一个给定焊接和/或焊丝140)，或者该感测和控制单元可以基于其他用户输入数据(焊丝送进速度、焊条类型等)来设定一个所希望的温度并且然后感测和控制单元195将至少控制电源170来维持那个所希望的温度。

在这种实施例中，有可能将在焊丝140进入焊接熔池之前由于冲击该焊丝的激光束110而可能发生的焊丝140加热考虑在内。在本发明的实施例中，焊丝140的温度可以仅经由电源170通过控制焊丝140中的电流来控制。然而，在其他实施例中，焊丝140的加热的至少一些可以来自撞击在焊丝140的至少一部分上的激光束110。如此，来自电源170的电流或功率单独地不可以表示焊丝140的温度。如此，利用传感器1410可以帮助通过控制电源170和/或激光器电源130来调节焊丝140的温度。

在进一步的示例性实施例(也在图14中示出)中，一个温度传感器1420被引导来感测焊接熔池的温度。在这个实施例中，该焊接熔池的温度也联接到感测和控制单元195上。然而，在另一个示例性实施例中，传感器1420可以直接联接到激光器电源130上。来自传感器1420的反馈用于控制来自激光器电源130/激光器120的输出。也就是说，激光束110的能量密度可以被修改以便确保实现所希望的焊接熔池温度。

在本发明的又进一步的示例性实施例中，不是将传感器1420引导在熔池处，该传感器可以被引导在工件的邻近焊接熔池的一个区域处。确切地，可能希望确保邻近焊缝处的到工件的热量输入被最小化。传感器1420可以被定位成监测这个对温度敏感的区域，这样使得在邻近焊缝处，不超过阈值温度。例如，传感器1420可以监测工件温度并且基于感测到的温度来减小光束110的能量密度。这种配置将确保邻近焊珠处的热量输入将不超过所希望的阈值。这种实施例可以在到工件中的热量输入很关键的精确焊接操作中利用。

在本发明的另一个示例性实施例中，感测和控制单元195可以联接到一个送进力检测单元(未示出)上，该送进力检测单元联接到该送丝机构(未示出，但见图1中的150)上。该送进力检测单元是已知的并且检测当将焊丝140送进到工件115时施加于该焊丝的送进力。例如，这种检测单元可以监测由焊丝送进器150中的一个焊丝送进电动机所施加的力矩。如果焊丝140穿过熔融焊接熔池而没有完全熔化，那么它将接触该工件的一个固体部分，并且这样的接触将导致该送进力随着该电动机尝试维持一个设定送进速率而增大。力/力矩的这个增大可以被检测并转送到控制单元195，该控制单元利用此信息来调整到达焊丝140的电压、电流和/或功率，以便确保焊丝140在熔池中的适当熔化。

应当注意，在本发明的一些示例性实施例中，焊丝不是被持续地送进到焊接熔池中，而是可以基于所希望的焊缝轮廓间歇地这样做。确切地，本发明的不同实施例的通用性允许操作员或控制单元195如所希望地开始和停止将焊丝140送进到熔池中。例如，存在许多不同类型的复杂焊缝轮廓和几何形状，其可以具有焊接接头的需要使用填充金属(焊丝140)的一些部分、以及同一接头或在同一工件上的不需要使用填充金属的其他部分。这样，在一个焊缝的一个第一部分过程中，控制单元195可以仅操作激光器120来引起对该接头的这个第一部分进行激光焊接，但当该焊接操作到达该焊接接头的一个第二部分时—其需要使用填充金属—控制器195致使电源170和焊丝送进器150开始将焊丝140熔敷到焊接熔池中。随后，当该焊接操作到达该第二部分的末端时，可以停止焊丝140的熔敷。这允许形成具有从一个部分到下一个部分显著变化的轮廓的连续焊缝。与具有许多离散焊接操作相反，这种能力允许在单个焊接操作中焊接工件。当然，可以实现许多变更。例如，一个焊缝可以具有三个或更多个相异的部分，从而需要具有变化的形状、深度和填充要求的焊缝轮廓，这样使得激光和焊丝140的使用在每个焊缝部分中可能是不同的。此外，也可以按需添加或移除另外的焊丝。也就是说，一个第一焊接部分可能仅需要激光焊接，而一个第二部分仅需要使用单根填充焊丝140，并且该焊缝的一个最终部分需要使用两根或更多根填充焊丝。控制器195可以被使得能够在一个连续焊接操作中控制不同系统部件以便实现这种变化的焊缝轮廓，这样使得在单个焊道中形成一个连续焊珠。

图15描绘了根据本发明的示例性实施例进行焊接时的一个典型焊接熔池P。如先前所描述的，激光束110在工件W的表面中形成熔池P。该焊接熔池具有一个长度L，该长度随光束110的能量密度、形状和移动而变。在本发明的一个示例性实施例中，光束110在与该焊接熔池P的后缘相距一个距离Z处被引导到该熔池。在此类实施例中，高强度能源(例如，激光器120)导致其能量直接撞击在填充焊丝140上以使得能源120并不使焊丝140熔化，而是焊丝140因为其与该焊接熔池相接触来完成其熔化。熔池P的后缘总体上可以被限定为该熔融熔池结束并且所形成的焊珠WB开始其固化的点。在本发明的一个实施例中，距离Z是熔池P的长度L的50％。在另一个示例性实施例中，距离Z是在熔池P的长度L的40％至75％的范围内。

如图15所示，填充焊丝140在焊接行进方向上在光束110后面冲击熔池P。如图所示，焊丝140在熔池P的后缘之前的距离X处冲击熔池P。在一个示例性实施例中，距离X是在熔池P的长度的20％至60％的范围内。在另一个示例性实施例中，距离X是在熔池P的长度L的30％至45％的范围内。在其他示例性实施例中，焊丝140和光束110在熔池P的表面处或该熔池上方的一点处相交，这样使得光束110的至少一些在焊接过程中撞击在焊丝140上。在这种实施例中，激光束110被利用来帮助使焊丝140熔化以用于熔敷在熔池P中。使用光束110来帮助使焊丝140熔化有助于防止焊丝140在焊丝140太冷以致不能快速被消耗在熔池P中的情况下使熔池P淬火。然而，如先前所陈述的，在一些示例性实施例(如图15所示)中，能源120和光束110并不使填充焊丝140的任何部分相当可观地熔化，因为熔化是通过该熔池的热量来完成的。

在图15所示的实施例中，焊丝140尾随光束110并且与光束110成一直线。然而，本发明不限于这种配置，因为焊丝140可以是前导的(在行进方向上)。进一步地，不必使焊丝140在行进方向上与光束成一直线，而是该焊丝可以从任何方向撞击该熔池，只要在该熔池中发生适合的焊丝熔化即可。

图16A至16F描绘了不同熔池P，其中描绘了激光束110的覆盖区。如图所示，在一些示例性实施例中，熔池P具有一个圆形覆盖区。然而，本发明的实施例不限于这种配置。例如，考虑到该熔池也可以具有椭圆形或其他形状。

进一步地，在图16A-16F中，光束110被示出为具有一个圆形横截面。同样地，本发明的其他实施例在此方面不受限制，因为光束110可以具有椭圆形、矩形或其他形状，以便有效地形成焊接熔池P。

在一些实施例中，激光束110可以相对于焊接熔池P保持静止。也就是说，光束110在焊接过程中相对于熔池P保持在一个相对一致的位置中。然而，其他实施例并不以这种方法受限制，如在图16A-16D中举例说明的。例如，图16A描绘了一个实施例，其中光束110以一种圆形图案围绕焊接熔池P平移。在此图中，光束110平移，这样使得不论什么时候光束110上的至少一个点都与该熔池的中心C重叠。在另一个实施例中，使用了一种圆形图案，但光束110不接触中心C。图16B描绘了一个实施例，其中该光束沿单线来回平移。这个实施例可以用于根据所希望的熔池P形状来使熔池P伸长或加宽。图16C描绘了一个实施例，其中使用了两个不同的光束横截面。第一光束横截面110具有一个第一几何形状，并且第二光束横截面110'具有一个第二横截面。这种实施例可以用于在熔池P中的一点处增加穿透，同时仍维持较大的熔池大小—如果需要的话。这个实施例可以利用单个激光器120借助于通过使用激光镜头和光学器件来改变光束形状而完成，或可以通过使用多个激光器120来完成。图16D描绘了以一种椭圆图案使光束110在熔池P中平移。同样地，这种图案可以用于按需使焊接熔池P伸长或加宽。可以利用其他光束110平移来形成熔池P。

图16E和16F描绘了使用不同光束强度的工件W和熔池P的横截面。图16E描绘了由一个较宽光束110形成的一个浅的较宽熔池P，而图16F描绘了一个较深且狭窄的焊接熔池P—典型地被称为“锁眼”。在这个实施例中，该光束被聚焦，这样使得其焦点在工件W的上表面附近。通过这种聚焦，光束110能够穿透该工件的全深度并且有助于在工件W的底表面上形成一个背部焊珠BB。光束强度和形状将基于焊接过程中所希望的焊接熔池特性来确定。

激光器120可以经由任何已知方法和装置来移动、平移或操作。因为激光器的移动和光学器件是总体上已知的，本文中将不对它们进行详细讨论。图17描绘了根据本发明的一个示例性实施例的系统1700，其中在操作过程中，激光器120可以被移动并且使得其光学器件(诸如其镜头)得到改变或调整。这个系统1700将感测和控制单元195联接到一个电动机1710和一个光学器件驱动单元1720两者上。电动机1710移动或平移激光器120，这样使得在焊接过程中移动光束110相对于焊接熔池的位置。例如，电动机1710可以来回平移光束110，以一种圆形图案移动该光束等。类似地，光学器件驱动单元1720从感测和控制单元195接收指令，以便控制激光器120的光学器件。例如，光学器件驱动单元1720可以致使光束110的焦点相对于该工件的表面移动或改变，由此改变焊接熔池的穿透或深度。类似地，光学器件驱动单元1720可以致使激光器120的光学器件改变光束110的形状。这样，在焊接过程中，感测和控制单元195控制激光器120和光束110，以便在操作过程中维持和/或修改焊接熔池的特性。

在图1、图14和图17中的每个图中，为了清晰，分开地示出了激光器电源130、热丝电源170以及感测和控制单元195。然而，在本发明的实施例中，这些部件可以被整合到单个焊接系统中。本发明的多方面不需要将以上单独讨论的部件作为分开的物理单元或独立式结构来维持。

如以上所描述的，该高强度能源可以是任何数目的能源，包括焊接电源。该高强度能源的一个示例性实施例在图20中示出，该图示出了与图1所示的系统100类似的系统2000。系统2000的许多部件类似于系统100中的部件，并且因此将不再详细讨论它们的操作和利用。然而，在系统2000中，激光系统被一个弧焊系统(诸如GMAW系统)替换。该GMAW系统包括一个电源2130、一个焊丝送进器2150以及一个焊炬2120。一根焊条2110经由焊丝送进器2150和焊炬2120被递送到一个熔融熔池。在此描述类型的GMAW焊接系统的操作是众所周知的，并且在此不需要详细描述。应当注意，尽管关于所描绘的示例性实施例示出并讨论了GMAW系统，本发明的示例性实施例也可以与以下各项一起使用：GTAW、FCAW、MCAW和SAW系统、包覆系统、钎焊系统、以及这些系统的组合等，包括使用电弧来帮助将耗材过渡到工件上的熔融熔池的那些系统。图20中未示出可以根据已知方法使用的一种保护气体系统或亚弧焊剂系统。

像以上所描述的激光系统一样，电弧生成系统(它们可以用作高强度能源)用于形成熔融熔池，热丝140使用如以上详细描述的系统和实施例被添加到该熔融熔池。然而，通过电弧生成系统，如已知的，另外一种耗材2110也被添加到该熔池。这个另外的耗材增强了通过在此描述的热丝过程提供的已经提高的熔敷性能。以下将更详细地讨论这种性能。

进一步地，如总体上已知的，电弧生成系统(诸如GMAW)使用高电流电平来在推进的耗材与工件上的熔融熔池之间生成电弧。类似地，GTAW系统使用高电流电平来在焊条与耗材被添加到其中的工件之间生成电弧。如总体上已知的，许多不同的电流波形可以被用于GTAW或GMAW焊接操作，诸如恒定电流、脉冲电流等。然而，在系统2000的操作过程中，电源2130所生成的电流可能干扰电源170所产生的用于加热焊丝140的电流。因为焊丝140邻近电源2130所生成的电弧(因为它们各自被引导到同一熔融熔池，类似于以上所描述的情况)，对应电流可能彼此干扰。确切地，每个电流生成一个磁场，并且那些场可能彼此干扰并且不利地影响它们的操作。例如，该热丝电流所生成的磁场可能干扰电源2130所生成的电弧的稳定性。也就是说，在对应电流无适当控制且其间未进行同步的情况下，竞争的磁场可能使电弧不稳定并且因此使该过程不稳定。因此，示例性实施例利用电源2130与170之间的电流同步来确保稳定操作，这将在下文进行进一步讨论。

图21描绘了本发明的一个示例性焊接操作的更近视图。如可以看见的，焊炬2120(它可以是示例性GMAW/MIG焊炬)通过使用电弧(如总体上已知的)来将耗材2110递送到一个焊接熔池WP。进一步地，热丝耗材140根据以上所描述的任何实施例被递送到焊接熔池WP。应当注意，尽管焊炬2120和嘴160在此图中被分开示出，这些部件可以被整合到单个焊炬单元中，该焊接单元将耗材2110和140两者递送到该熔池。当然，在利用整体式构造的程度上，必须在该焊炬内使用电隔离，以便在该过程中防止这些耗材之间的电流转移。如上所述，由对应电流所感生的磁场可能彼此干扰，并且因此本发明的实施例使对应电流同步。同步可以经由不同方法来实现。例如，可以使用感测和电流控制器195来控制电源2130和170的操作以便使这些电流同步。可替代地，也可以利用一种主从关系，其中这些电源中的一个用于控制另一个的输出。这些相关电流的控制可以通过多种方法(包括使用状态表或算法)来实现，这些方法控制这些电源，这样使得它们的输出电流被同步以用于稳定操作。这将相对于图22A-22C来讨论。例如，可以利用与美国专利公开号2010/0096373中所描述的系统和装置类似的一种基于双态的系统和装置。于2010年4月22日公开的美国专利公开号2010/0096373通过引用以其全文结合在此。

图22A-22C中的每一个描绘了示例性电流波形。图22A描绘了一个示例性焊接波形(GMAW抑或GTAW)，其使用电流脉冲2202来帮助将熔滴从焊丝2110过渡到熔池。当然，所示出的波形是示例性且具代表性的并且并不旨在是限制性的，例如，这些电流波形可以是用于脉冲喷射过渡、脉冲焊接、表面张力过渡焊接等的电流波形。热丝电源170输出一个电流波形2203，该电流波形也具有一系列脉冲2204来通过如以上大体描述的电阻加热来加热焊丝140。这些电流脉冲2204由具有较小电流电平的一个基值电平(background level)分开。如先前总体描述的，波形2203用于将焊丝140加热到处于其熔化温度处或附近，并且使用这些脉冲2204和背景通过电阻加热来加热焊丝140。如图22A所示，来自对应电流波形的这些脉冲2202和2204是同步的，这样使得它们是彼此同相的。在这个示例性实施例中，这些电流波形被控制，这样使得如图所示，这些电流脉冲2202/2204具有类似的或相同的频率并且彼此同相。出人意料地，已经发现：使得这些波形同相产生稳定且一致的操作，其中波形2203所生成的加热电流并不显著干扰电弧。

图22B描绘了来自本发明的另一个示例性实施例的波形。在这个实施例中，加热电流波形2205被控制/同步，这样使得脉冲2206以一个恒定相位角Θ与脉冲2202异相。在这种实施例中，该相位角被选择成确保该过程的稳定操作并且确保该电弧被维持在稳定状况下。在本发明的示例性实施例中，相位角Θ是在30度至90度的范围内。在其他示例性实施例中，该相位角是0度。当然，其他相位角可以被利用来获得稳定操作，并且可以是在0度至360度的范围内，而在其他示例性实施例中，该相位角是在0度和180度的范围内。

图22C描绘了本发明的另一个示例性实施例，其中热丝电流2207与焊接波形2201同步，这样使得这些热丝脉冲2208是异相的，从而使得与焊接脉冲2202的相位角Θ是大约180度，并且这些热丝脉冲2208仅出现在波形2201的背景部分2210的过程中。在这个实施例中，对应电流并不是在同时达到峰值。也就是说，波形2207的这些脉冲2208在波形2201的对应背景部分2210过程中开始和结束。

在本发明的一些示例性实施例中，焊接脉冲和热丝脉冲的脉冲宽度是相同的。然而，在其他实施例中，这些对应脉冲宽度可以是不同的。例如，当使用GMAW脉冲波形与热丝脉冲波形时，GMAW脉冲宽度是在1.5毫秒至2.5毫秒的范围内，并且热丝脉冲宽度是在1.8毫秒至3毫秒的范围内，并且热丝脉冲宽度大于GMAW脉冲宽度。

应当注意，尽管加热电流被示出为脉冲电流，对于一些示例性实施例，该加热电流可以是恒定功率，如先前所描述的。该热丝电流还可以是脉冲加热功率、恒定电压、有斜率输出、和/或基于焦耳/时间的输出。

如在此所解释的，在两个电流是脉冲电流的程度上，它们是应当被同步以便确保稳定操作。存在可以用于实现这一点的许多方法，包括使用同步信号。例如，控制器195(它可以与电源170/2130中的任一个整合)可以设定一个同步信号来开启脉冲电弧峰值，并且还设定热丝脉冲峰值所希望的开启时间。如以上所解释的，在一些实施例中，这些脉冲将被同步以便在同时开启，而在其他实施例中，同步信号可以将热丝电流的脉冲峰值的开启设定为在电弧脉冲峰值之后的某个持续时间，该持续时间将足以获得该操作所希望的相位角。

图23表示本发明的另一个示例性实施例。在这个实施例中，利用了GTAW焊接/涂覆操作，其中一个GTAW焊炬2121和一根焊条2122形成一个电弧，耗材2120被递送到该电弧中。同样地，如图所示，该电弧和热丝140被递送到同一熔池WP以便形成一个焊珠WB。GTAW实施例的操作与以上所描述操作的类似之处在于：电弧和热丝140与同一熔池WP相互作用。同样地，如同以上所描述的GMAW操作一样，在GTAW操作中用于生成电弧的电流与用于热丝操作的电流是同步的。例如，可以使用如图22A至22C所示的脉冲关系。进一步地，控制器195可以使用一个双状态表、或其他类似的控制方法来控制这些电源之间的同步。应当注意，耗材2120可以作为一根冷焊丝被递送到焊缝，或者也可以是热丝耗材。也就是说，两个耗材2110和140都可以如在此所描述地被加热。可替代地，耗材2120和140中的仅一个可以是如在此所描述的热丝。

在以上所讨论的GTAW或GMAW型实施例(包括使用其他电弧类型方法)中的任一个中，电弧相对于行进方向被定位成是前导的。这在图21和图23中的每一个中示出。这是因为该电弧被用于实现该或这些工件中的所希望的穿透。也就是说，该电弧被用于形成熔融熔池，并且实现该或这些工件中的所希望的穿透。随后，跟在电弧过程之后的是热丝过程，这在此进行了详细描述。添加热丝过程向熔池添加了更多耗材140而无需另一个焊接电弧的另外热量输入(诸如在其中使用至少两个电弧的一种传统串联MIG过程中)。因此，本发明的实施例可以在比已知串联焊接方法少得多的热量输入下实现显著的熔敷速率。

如图21所示，热丝140与电弧被插入在同一焊接熔池WP中，但以一定距离D尾随在该电弧之后。在一些示例性实施例中，这个距离是在5mm至20mm的范围内，并且在其他实施例中，这个距离是在5mm至10mm的范围内。当然，可以使用其他距离，只要焊丝140被送进到与前导电弧所形成相同的熔融熔池中。然而，这些焊丝2110和140应当被熔敷在同一熔融熔池中，并且距离D应当是这样以使得用于加热焊丝140的加热电流对电弧具有极小磁干扰。总体上，熔池(该电弧和该焊丝被共同引导到其中)的大小将取决于焊接速度、电弧参数、到达焊丝140的总功率、材料类型等，它们也是确定焊丝2110与140之间的所希望距离的因素。

应当注意，当控制器195抑或电源170检测或预测到电弧事件时，热丝电流(例如，2203、2203、或2207)的操作类似于在此详细描述的操作。也就是说，即使该电流是脉冲式的，如果形成或检测到电弧，该电流也可以如在此描述地被切断或最小化。此外，在一些示例性实施例中，背景部分2211具有低于焊丝140的电弧生成电平(这可以由控制器195基于用户输入信息来确定)的一个电流电平，并且不是在检测到电弧时切断热丝电流，而是电源170可以使该电流下降到基值电平2211、持续一定持续时间或直到确定电弧熄灭或将不发生为止(如先前总体描述的)。例如，电源170可以跳过一个预先确定数目的脉冲2203/2205/2207，或只是不发出脉冲、持续一定持续时间，诸如10ms至100ms，在该时间之后电源170可以再次开启这些脉冲来将焊丝140加热到适当的温度。

如以上所陈述的，因为在同一熔池中使用至少两个耗材140/2110，可以在与单个电弧操作的热量输入类似的热量输入下实现非常高的熔敷速率。这提供优于串联MIG焊接系统的显著优点，这些串联MIG焊接系统具有到达工件中的非常高的热量输入。例如，本发明的实施例可以在单个电弧的热量输入下容易地实现至少23lb/hr的熔敷速率。其他示例性实施例具有至少35lb/hr的熔敷速率。

在本发明的示例性实施例中，焊丝140和2110中的每一根的相同之处在于：它们具有相同的组成、直径等。然而，在其他示例性实施例中，这些焊丝可以是不同的。例如，如特定操作所希望的，这些焊丝可以具有不同的直径、焊丝送进速度和组成。在一个示例性实施例中，前导焊丝2110的焊丝送进速度高于热丝140的焊丝送进速度。例如，前导焊丝2110可以具有450ipm的焊丝送进速度，而尾随的焊丝140具有400ipm的焊丝送进速度。进一步地，这些焊丝可以具有不同的大小和组成。事实上，因为热丝140不必行进通过电弧以便被熔敷到熔池中，热丝140可以具有典型地通过电弧并不良好过渡的材料/成分。例如，焊丝140可以具有因为电弧而不能被添加到典型的焊接焊条的碳化钨或其他类似的表面硬化材料。另外地，前导焊条2110可以具有富含润湿剂的一种组成，这些润湿剂可以帮助使熔池湿润以便提供所希望的焊珠形状。进一步地，热丝140还可以包含将有助于保护熔池的焊渣元素。因此，本发明的实施例允许焊缝化学成分具有极大灵活性。应当注意，因为焊丝2110是前导焊丝，弧焊操作与该前导焊丝一起提供焊接接头的穿透，其中该热丝为该接头提供另外的填充。

在本发明的一些示例性实施例中，电弧和热丝的组合可以用于根据有待执行的特定操作的要求和限制来平衡到达焊缝熔敷物的热量输入。例如，可以增加来自前导电弧的热量以用于接合应用，其中来自该电弧的热量有助于获得接合这些工件所需的穿透，并且该热丝主要用于填充接头。然而，在包覆或堆焊过程中，可以增大热丝焊丝送进速度以便最小化稀释并增强堆焊。

进一步地，因为可以使用不同焊丝化学成分，可以形成在传统上是通过两个独立焊道来实现的具有不同层的一个焊接接头。前导焊丝2110可以具有一个传统第一焊道所需的所要求的化学成分，而尾随的焊丝140可以具有一个传统第二焊道所需的化学成分。进一步地，在一些实施例中，至少一根焊丝140/2110可以是带芯焊丝。例如，热丝140可以是具有铁粉芯的带芯焊丝，该铁粉芯将所希望的材料熔敷到焊接熔池中。

图24描绘了本发明的电流波形的另一个示例性实施例。在这个实施例中，热丝电流2403是与焊接电流2401(无论它是GMAW还是GTAW)同步的AC电流。在这个实施例中，该加热电流的正脉冲2404与电流2401的脉冲2402同步，而加热电流2403的负脉冲2405与该焊接电流的背景部分2406同步。当然，在其他实施例中，同步可以是相反的：正脉冲2404与背景2406同步，并且负脉冲2405与脉冲2402同步。在另一个实施例中，在脉冲焊接电流与热丝电流之间存在相位角。通过利用AC波形2403，该交流(并且因此交变磁场)可以用于帮助使电弧稳定。当然，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例。例如，在一种使用埋弧焊(SAW)操作的系统中，SAW电流波形可以是AC波形，并且热丝电流波形是AC或脉冲DC功率波形，其中这些波形中的每一个是彼此同步的。

还应当注意，本发明的实施例可以在焊接电流是恒定或接近恒定的电流波形的情况下使用。在此类实施例中，加热交流2403可以用于维持电弧的稳定性。该稳定性是由加热电流2403所造成的恒定变化的磁场来实现的。

图25描绘了本发明的另一个示例性实施例，其中热丝140被定位在两个串联弧焊操作之间。在图25中，这些弧焊操作被描绘为GMAW型焊接，但也可以是GTAW、FCAW、MCAW或SAW型系统。在附图中，前导焊炬2120联接到一个第一电源2130上，并且经由弧焊操作将一根第一焊条2110递送到熔池。热丝140(其如以上所讨论地被熔敷)尾随该前导电弧。使用一个第二电源2130'、一个第二焊炬2120'以及一根第二弧焊焊丝2110'进行的一个尾随的弧焊操作尾随热丝140。因此，该配置类似于串联GMAW焊接系统的配置，但使得热丝140被熔敷到焊炬2120与2120'之间的公共熔池中。这种实施例进一步提高材料到熔池中的熔敷速率。应当注意，本发明的实施例可以在单个操作中使用另外的焊接焊炬和/或热丝耗材，并且不限于附图所示的这些实施例。例如，不止热丝可以用于在单个焊道过程中将另外的材料熔敷到熔池中。如以上所提及的，可以使用SAW过程，而不是在此总体上讨论的GMAW过程。例如，图25所示的实施例可以利用具有与这幅图所示类似的配置的前导的和尾随的SAW过程。当然，将使用粒状焊剂而不是保护气体来保护电弧。在使用诸如SAW的其他焊接方法时，如以上所讨论的总体方法或操作和控制是类似地可适用的。例如，图25A描绘了如在此所描述的可以在SAW系统中与热丝一起使用的示例性波形。如所描绘的，前导SAW电流波形2501是具有多个正脉冲2503和多个负脉冲2505的AC波形，而尾随的SAW电流2521也是具有多个正脉冲2523和多个负脉冲2525的AC波形，其中尾随的波形2521以相位角α与前导波形2501异相。在本发明的示例性实施例中，相位角α是在90度至270度的范围内。还应当注意，在所示的实施例中，波形2501与2521之间的+/-偏移的不同之处在于：尾随的波形2521与前导波形2501相比具有更大的负偏移。在其他示例性实施例，该偏移可以是相同的，或可以是反向的。热丝电流2510以一个脉冲电流的形式示出，该脉冲电流具有由一个基值电平2513分开的多个正脉冲2511，其中波形2510具有与相位角α不同的偏移相位角θ。在一个示例性实施例中，热丝相位角θ是在45度至315度的范围内，但不同于相位角α。

应当注意，尽管以上讨论涉及SAW型操作，使用类似同步方法的其他示例性实施例可以具有GMAW、FCAW、MCAW、或GTAW型操作、或其组合。

如以上所陈述的，本发明的实施例可以大大增强材料到熔池中的熔敷，同时保持总热量输入低于传统串联系统。然而，一些示例性实施例可以形成高于传统串联方法的焊珠WB形状。也就是说，焊珠WB倾向于更高地竖立在工件的表面上，并且不像串联系统一样多地润开到焊珠WB的侧部。总体上，这是因为热丝140将有助于在前导弧焊操作之后使熔池淬火。因此，本发明的一些示例性实施例利用系统和部件来在焊接/涂覆操作过程中帮助使熔池加宽或润开。

图26描绘了一个示例性实施例，其中两个GMAW焊炬2120和2120'并非被定位在一直线上，而是如图所示地被定位在并排位置中，其中热丝140尾随在这两个焊炬2120/2120'之后。在这个实施例中，具有处于并排配置的两个GMAW电弧将使熔池WP加宽，并且有助于使该熔池润开以便展平焊珠WB。如同其他实施例一样，热丝140尾随该弧焊操作，并且可以在这些弧焊操作之后被定位在焊珠WB的中心线上。然而，热丝140不必保持在中心线上，因为该热丝可以在焊接操作过程中相对于该熔池振荡或移动。

图27描绘了另一个示例性实施例，其中在焊接熔池WP的任一侧上使用激光器2720和2720'来帮助展开该熔池或有助于该熔池的湿润。这些激光器2720/2720'各自对应地在该熔池的侧部上发射光束2710/2710'，以便将热量添加到该熔池并且有助于使该熔池湿润，这样使得熔池形状是所希望的。这些激光器2720/2720'可以是在此所描述的类型，并且可以如以上所描述地被控制。也就是说，这些激光器可以由控制器195或类似装置控制，以便提供所希望的焊珠形状。此外，不是使用两个激光器来实现所希望的焊珠形状，单个激光器可以与一个光束分离器一起使用，该光束分离器分离光束2710并且将这些分离的光束引导到焊接熔池上的适当位置，以便实现所希望的焊珠形状。应当注意，为了清晰目的，图27中未描绘前导弧焊过程。

在进一步的示例性实施例中，可以使用单个激光束2710，该单个光束正好在电弧过程的下游或热丝140的下游(在行进方向上)被引导到熔池，其中光束2710左右振荡以便有助于展平该熔池。在此类实施例中，单个激光器2720可以被使用并引导到熔池的其中需要该激光器来帮助使该熔池湿润的多个区域。激光器2720的控制和操作类似于以上相对于图1等所描述的激光器120的控制和操作。

图28描绘了本发明的另一个示例性实施例。在这个示例性实施例中，一根GTAW(或GMAW、FCAW、MCAW)焊条2801被用于弧焊过程，并且一个磁探针2803邻近焊条2801被定位以便在焊接过程中控制该电弧的移动。探针2803从可以或可以不联接到控制器195上的磁控制和电源2805接收电流，并且该电流致使由探针2803生成一个磁场MF。该磁场与电弧所生成的磁场相互作用，并且因此可以用于在焊接过程中移动该电弧。也就是说，该电弧可以在焊接过程中被左右移动。这种左右移动用于使熔池加宽并且有助于使该熔池湿润，以便实现所希望的焊珠形状。尽管为了清晰而未示出，该电弧之后跟着如在此所讨论的热丝耗材，以便为焊珠提供另外的填充。一个磁转向系统的使用和实现是焊接行业的技术人员总体上已知的，并且在此不需要进行详细描述。

当然，应当理解，图26和图28中的任一个中的实施例(以及在此所描述的其他所示实施例)可以使用激光器2720来如在此所描述地帮助使熔池成形。

如先前所指示的，本发明的示例性实施例可以在许多不同焊接和接合操作中使用。那些接合操作可以包括许多不同类型的焊接应用，包括管道焊接。事实上，本发明的实施例可以在其中管道工件可以具有包覆有耐腐蚀材料(诸如，镍合金)的内表面的管道焊接应用中使用。当此类管道随后被焊接在一起(端对端)时，包覆材料中的焊缝必须保持有与该包覆材料的剩余部分相同的化学成分(用于防腐蚀)。因此，在复合层或“根部焊道”中的第一焊道是重要的，并且必须围绕管道接头的整个周长进行并且如在此所描述地几乎没有孔隙率，在该焊接接头的开始点/结束点处几乎不包括孔隙率。这在以下进行了更详细描述。

总体上已知由于本质上具有腐蚀性的“酸性”油和天然气场的量，要求使用耐腐蚀复合管材以便允许获得管线区段的延长的寿命。在许多情况下，在管材上的复合层是具有例如大约0.125英寸的相当可观的厚度的基于镍的包覆材料(“Ni复合层”)。进一步地，因为Ni复合层位于管道的内表面上，两个邻接的管道区段的Ni复合层通过根部焊道来接合—因为这些管道区段是从外部焊接的。因为接头的深度并且因为Ni复合层(该复合层应当保持完整)的存在，这种复合层呈现出对于常规焊接操作困难的根部焊道。尤其在该焊缝的结束点处存在这些困难，在该结束点处，该焊接与该焊缝的开端相互作用。为了在管道焊缝的末端处实现所希望的强度以及接头几何形状和掺和，必须具有完全穿透。然而，通过常规焊接操作进行这种穿透可能是困难的，并且导致焊缝中的诸如孔隙率和不完全熔接的缺陷。典型地，这些缺陷仅在完成该焊缝之后才被检测到，并且导致显著的修复成本和延迟。

如先前所解释的，本发明的实施例可以显著减小或消除孔隙率，并且可以用于深且窄的接头，以便以高于当前所使用的或实现的速度来产生高质量焊缝。参考图29和图30，其中图29类似于先前所讨论的图7B。然而，如图所示，一个复合层CL如图所示位于工件115的一侧上。该复合层CL具有厚度CLt。该复合层厚度CLt可以根据所使用的应用而变化。在一些应用中，该复合层厚度CLt可以是在0.060英寸至0.375英寸的范围内。当如图所示地接合工件115时，该复合层CL是该工件的经由根部焊道焊缝RP接合的区域，该根部焊道焊缝具有根部焊道厚度RPt。在本发明的示例性实施例中，标称根部焊道厚度RPt(其为“焊区”和所熔敷材料的厚度)是在复合层厚度CLt的厚度的100％至200％的范围内。根部焊道厚度(RPt)将是这样以使得基底材料到该根部焊道中的稀释将导致所熔敷材料中的可接受的化学成分。在控制所熔敷材料的化学成分的同时，该厚度RPt是这样以使得该厚度确保邻近的复合层CL被充分接合。在本发明的示例性实施例中，耗材140具有一种材料，该材料可以适当接合对应的复合层CL并且提供所希望的接头化学成分和强度。在本发明的示例性实施例中，用相同耗材填充该接头的剩余部分，而在其他示例性实施例中，可以将具有不同化学成分的耗材用于该接头的剩余部分。

图31和图32描绘了使用本发明的不同实施例的一个示例性管道焊缝。如图所示，如在此所描述，使用激光器120、光束110和耗材140，根部焊道焊缝开始于起始点处并且围绕管道接头前进。图32描绘了该接头的横截面，其示出了根部焊道RP，以及该过程在其在操作返回到起始点SP时接近完成该焊缝时的情况。为了清晰的目的，起始点SP是在接合过程开始时位于接头根部上的光束110的几何中心点。应当注意，在本发明的示例性实施例中，该光束是成角度的，这样使得该光束垂直于管道周长在光束冲击点处的切线。然而，在其他示例性实施例中，光束110可以相对于法线被成角度成+/-30度。进一步地，尽管这些图将焊丝140描绘成处于“拖曳”模式(前导)，在其他示例性实施例中，焊丝140可以尾随光束110，即“推动”。在该过程返回到起始点时，熔池P在起始点SP处与根部焊道RP相接触。推进的熔池与现有根部焊道焊缝之间在起始点处的这种接触和相互作用是传统焊接过程中的众多缺陷(即显著孔隙率)的位置。然而，本发明的实施例能够在没有这些缺陷(例如，孔隙率)的情况下完成该根部焊道焊缝。确切地，在熔融熔池P到达或接近起始点SP时，该过程被控制以便最小化现有根部焊道焊缝RP的扰乱。确切地，当熔池P到达起始点时，控制器195致使焊丝送进器150停止将焊丝140送进到该焊缝中。在其他示例性实施例中，焊丝送进速度被减小而不是被停止。另外地，在一些实施例中，控制器195致使电源170停止加热焊丝140，或在其他实施例中，使向焊丝140提供的加热电流斜降。另外地，控制器195控制激光器电源130，以便减小激光束110能量密度，和/或减少激光束110在该接头处的相互作用时间。光束110相互作用时间可以通过提高光束110的行进速度来减少。通过减小光束的能量密度和/或减少其相互作用时间，由激光束110形成的锁眼被带到熔池的表面，从而使得到现有根部焊道RP焊接接头中的总穿透较小。应当注意，还可以通过改变光束110的焦距来减小光束110的能量密度。这允许该焊缝在起始点处从根部焊道RP回缩(tapered out)，并且导致一个较浅的熔池。通过结合焊丝送进速率的变化(其可以被减小到零)以及减少从光束110到熔池中的能量，本发明的实施例允许根部焊道RP的末端平滑地斜出且无缺陷(诸如孔隙率)。通过如以上所描述地控制该过程，在起始点处或附近的根部焊道厚度RPt在该根部焊道的剩余部分的标称根部焊道厚度RPt的100％至130％的范围内。也就是说，该过程被控制，这样使得在该焊接过程结束时不存在材料的过度“凸起”，该凸起可能干扰任何随后的焊接焊道。在本发明的一些示例性实施例中，(相对于工件115的中心C)在起始点的+/-5度范围内的根部焊道厚度RPt是在该焊缝的剩余部分的标称根部焊道厚度RPt的100％至130％的范围内。

该斜出过程的开始将取决于工件115的配置(管道的直径、焊区厚度)、所使用的焊接参数(行进速度、激光斑点大小、焊丝送进等)以及起始斜坡程序(例如，该焊接斜升有多快)和结束斜坡程序(例如，该斜出过程斜降有多快)。在本发明的示例性实施例中，控制器195控制该过程，这样使得该斜出过程(以上描述)在光束110的几何中心在(如相对于工件115的中心C测量的)起始点SP之前10度到起始点SP之后5度的范围内时开始。在其他示例性实施例中，该斜出过程在该光束的中心位于起始点SP之前2度至5度的范围内时开始。在其他示例性实施例中，该斜出过程在该光束的中心位于(如相对于工件115的中心C测量的)起始点SP的+/-0.5度至5度(即+/-0.5度至+/-5度)的范围内时开始。在其他示例性实施例中，该斜出过程在该光束的中心位于+/-0.5度至2度的范围内时开始。在其他示例性实施例中，该斜出过程在该光束110在根部处的几何中心位于起始点SP处时开始。无论如何，该斜出过程应当被控制，这样使得根部焊道的末端与根部焊道RP的开端平滑地接合，以便提供一个所希望的焊接接头。在本发明的示例性实施例中，光束110的能量密度被减小到处于光束110在根部焊道RP的整体焊接过程中的能量密度的25％至75％的范围内。也就是说，根部焊道RP在光束110的一个第一能量密度水平下被焊接，并且该斜出是在一个第二能量密度下被执行，该第二能量密度小于该第一能量密度并且处于在该第一水平的50％至75％的范围内的水平下。这可以在其中行进速度保持恒定或改变以便实现所希望的出口轮廓的实施例中实现。在其他示例性实施例中，光束110的能量密度可以从第一水平以一定速率斜降，该速率平滑地减小光束110的穿透深度并且提供一个所希望的出口轮廓。在其他示例性实施例中，该能量密度可以逐步地被减小。

在本发明的示例性实施例中，控制器195控制该过程，这样使得在根部焊道RP的末端处的斜出是在越过起始点SP的0.0度至30度(角度A)的范围内完成的。在其他示例性实施例中，角度A是在越过起始点SP的5度至15度的范围内。

图33描绘了根据以上所讨论的实施例执行的示例性焊接接头横截面的图示，其中焊缝已完成。如可以看见的，该根部接头的“焊区”典型地具有小于复合层CLt厚度的厚度。这样做典型地是为了维持所希望的根部焊道组成，以便不危害复合层的耐腐蚀特性。如总体上所理解的，该“焊区”是工件115的对接抵靠一个相邻工件的根部接头部分在接合之前的厚度。如图所示，该焊缝开始于起始点SP，在该起始点处，激光束110开始一个熔池并且随后耗材140被浸到该熔池中以便开始接合过程。然而，因为该焊缝的开端涉及到达正常焊接参数和速度的斜升，可能在起始点SP处形成其中工件115未完全焊接的区域Z。随后，如以上所描述的，当该焊接过程到达起始点SP周围时，以及当它到达或接近起始点SP时，焊丝送进速度被减小(或停止)以便不在起始点SP处将过多量的材料熔敷到该接头中。如以上所陈述的，在本发明的示例性实施例中，在起始点处或附近的根部焊道厚度(在图33中被示为完成厚度Ft)是在该焊缝的剩余部分的标称根部焊道厚度RPt的100％至130％的范围内。然而，激光器110的功率应当是这样以使得它可以在起始点SP处充分地穿透到该焊缝中，以便到达在起点处可能未被完全焊接的任何区域Z。这在防止过多材料的熔敷的同时确保了起始点区域处的完全焊接。因此，在示例性实施例中，激光器功率是在焊丝送进速度被减慢或停止之后被减小的。焊丝送进速度和激光器功率的控制将是这样以使得该接头沿其整个周边(包括在起始点处)被完全焊接，并且起始点SP与根部焊道的末端之间的相互作用处的焊接接头轮廓具有所希望的化学成分、强度和几何形状，这样使得将不对任何随后的填充焊道有物理干扰。本发明的实施例可以在高的速度速率下并且在几乎没有孔隙率的情况下容易地实现这一点，如先前所描述的。

进一步地，应当注意，以上讨论总体上涉及其中使用单个激光器和热丝组件来焊接管道的整个周长的实施例。然而，其他示例性实施例在此方面不受限制。也就是说，本发明的实施例可以在同时使用多个组件来焊接一个管道(其中每个焊接头单元在位置上径向地远离彼此)的情况下使用。在此类实施例中，一个焊珠将由一个第一焊接头开始(例如，形成一个起始点)，并且一个第二、尾随的焊接头将如期而至并且完成该焊道。本发明的实施例能够以此类配置来使用，因为尾随的焊接头将如以上所解释地执行根部焊道斜出。

因此，相对于常规弧焊技术来说，本发明的实施例可以在缺陷显著减少的情况下并且在显著更高的速度下焊接高强度的复合工件(诸如管道)。也就是说，本发明的实施例可以在提供结构上可靠且可接受的焊接接头的同时，在先前在此所描述的速度和孔隙率水平下提供根部焊道复合管道/工件焊缝(以及无根部焊道焊缝)。当然，如同本发明的所有示例性实施例一样，工件或焊接头/装置抑或两者可以相对于彼此移动以便实现焊接操作。

虽然已经参考某些实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出不同改变并且用等效物替换。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应本发明的传授内容而不脱离其范围。因此，本发明不旨在局限于所披露的具体实施例，而是本发明将包括落在本申请的范围内的所有实施例。

参考号

100 系统

110 激光束

110A 激光束

115 工件

120 激光装置

120A 激光装置

121 光束分离器

125 方向

130 电源

140 填充焊丝

150 填充焊丝送进器

160 管/嘴

160' 嘴

170 电源

180 运动控制器

190 机器人

195 控制子系统

200 启动方法

210 步骤

220 步骤

230 步骤

240 步骤

250 步骤

260 步骤

300 启动方法

310 步骤

320 步骤

330 步骤

340 步骤

410 波形

411 点

412 点

420 波形

425 斜坡

430 间隔

450 电流电平

510 波形

512 点

520 波形

525 电流电平

530 间隔

601 表面

601A 熔池

603 表面

603A 熔池

605 表面

701 表面

703 表面

705 间隙

707 焊珠

801 焊接熔池

803 焊接熔池

901 焊接熔池/接头

903 焊接熔池/覆盖层

1000 焊接接头

1010 激光源

1011 光束

1012 焊接熔池

1020 激光源

1021 光束

1022 焊接熔池

1030 填充焊丝

1030A 填充焊丝

1040 工件

1041 工件

1110 感应线圈

1200 系统

1210 电源

1220 用户输入端

1221 正极端子

1222 正极端子

1223 感测引线

1230 控制器

1240 电路

1250 功率模块

1400 系统

1410 传感器

1420 传感器

1700 系统

1710 电动机

1720 驱动单元

1800 电路

1801 电阻器

1803 开关

1901 护套

1903 系统

2000 系统

2110 焊接焊条

2110' 焊丝

2120 焊炬

2120' 焊炬

2121 焊炬

2122 焊条

2130 电源

2130' 电源

2150 焊丝送进器

2201 焊接波形

2202 脉冲

2203 波形

2204 脉冲

2205 波形

2206 脉冲

2207 热丝电流

2208 热丝脉冲

2210 背景部分

2211 背景部分

2401 焊接电流

2402 脉冲

2403 热丝电流

2404 正脉冲

2405 负脉冲

2406 背景

2501 波形

2503 正脉冲

2505 负脉冲

2510 波形

2511 正脉冲

2513 基值电平

2521 电流

2523 正脉冲

2525 负脉冲

2710 发射光束

2720 激光器

2720' 激光器

2801 焊条

2803 磁探针

2805 电源

G 间隙宽度

L 长度

P 熔池

W1 工件

W2 工件

WB 焊珠

WP 焊接熔池

X 距离

Z 距离

α 相位角

Θ 相位角