本公开总体涉及金属加工应用，比如焊接和包覆应用。本公开尤其适用于热丝焊接和包覆应用。
背景技术：
已知各种焊接和包覆技术。粉末包覆的使用非常普遍，在粉末包覆中，采用激光来熔化工件上的粉末。
热丝焊接和热丝包覆是这样的工艺：其中通过使电流通过填料或送料金属丝来加热(通常是电阻加热)该金属丝。该金属丝一般在例如激光或等离子等大功率能量源之前或之后送入，该大功率能量源进一步熔化金属丝材料连同工件的基底金属，以产生焊接点或包覆层。典型情况下，能量源在工件上产生直径小于4毫米的光点或覆盖区。
填料金属丝的电阻加热减少了热丝被施加到其上的工件的基底金属所需的热量。此外，此举利用电阻加热，而非激光束加热，使大部分热进入包覆层，因此激光束以最少的量熔化基底金属。由此，减少了包覆层材料的稀释，提高了沉积率。有利地，加热金属丝可以清除其上的水分，所以当金属丝进入焊接/包覆熔池时不含孔隙、洁净，且质量显著优于冷丝。
使用热丝焊接，诸如气体保护钨极电弧焊("gtaw")，又称作钨极隋性气体("tig")焊接，倾向于更具零件相关性和产业相关性。例如，热丝tig广泛用于运输和发电产业。它在造船业中大规模应用，且用于改造大功率电厂的涡轮轴。热丝tig也用于包覆极大的阀门，比如石油工业中使用的阀门，其中，焊机利用高性能合金包覆阀体内部。
技术实现要素：
本文公开了一个或多个发明，这些发明可实现大表面积焊接、包覆或增材制造。这样便可实现更大的焊接、包覆或增材金属覆盖率和/或更快的焊接、包覆或增材制造工艺。
本文还公开了使用具有可变的能量分布的激光束覆盖区进行焊接、包覆和增材制造操作的发明。可变的能量分布可提供改进的熔融填料丝或送料丝的分配。
本文使用的金属加工操作是指焊接操作、包覆操作、增材制造操作，或前述各项的任何组合。除非另行具体注明，否则本文和所附权利要求中一般使用术语“金属加工设备”表示执行金属加工操作的任何焊接设备、任何包覆设备或任何增材制造设备，它可以是非热丝焊接设备、热丝焊接设备、非热丝包覆设备或热丝包覆设备。同样，除非另行具体注明，否则一般使用术语“金属加工工艺”表示任何焊接、包覆或增材制造工艺，工艺它可以是非热丝焊接工艺、热丝焊接工艺、非热丝包覆工艺或热丝包覆工艺。而且，本文中使用术语“光点”表示一个或多个高能量射束的入射面积或覆盖区。
热丝是填料丝或送料丝，在将该丝应用于金属加工操作中时，该丝通常以电阻式预加热。向金属丝或金属丝与工件施加大功率能量，以分别熔化金属丝或金属丝与工件的一部分。增材制造操作使用熔融金属丝来沉积金属以生产制品。增材制造工艺的一个例子是可被称作3d打印工艺的工艺。
在一个实施例中，本公开提供金属加工设备，该设备包括能量束(优选激光束)、发射器和光学系统，以对能量束进行整形以使其具有可控制的覆盖区。
在实施例中，覆盖区在焊接路径上的宽度大于4毫米。优选地，覆盖区具有圆形、矩形、三角形、环形，或椭圆形的形状。
在一个实施例中，一个或多个送料丝被送入宽覆盖区。在送丝工艺期间，该丝可以不摇晃方式被送入宽覆盖区，或以摇晃或摇摆方式被送入，比如以迂回或自旋运动。在一个实施例中，一个或多个能量束用宽覆盖区以不摇晃方式照射工件，或以摇晃或摇摆方式照射工件，以产生宽焊接熔池。
在一个实施例中，本公开提供金属加工设备，包括一个或多个能量束发射器，这些发射器被布置以照射工件，并在工件上入射一个或多个高能量光点；以及一个或多个送丝器，这些送丝器被配置以将一个或多个金属丝送至一个或多个光点，当该金属丝被能量束熔化时形成宽的熔融金属熔池。
在一个实施例中，该设备包括多个沿直线排列的能量束发射器。
在一个实施例中，光点的宽度方向与焊接路径正交。
在一个实施例中，焊接熔池的宽度方向与焊接路径成斜角。
在一个实施例中，该设备包括入射在工件上的两个或更多个连续高能光点。
在一个实施例中，该设备包括能量束发射器，该发射器发射宽能量束。
在一个实施例中，该设备包括多个能量束发射器，这些发射器发射具有大体相等的横截面和强度的能量束。
在一个实施例中，每个能量束发射器均为激光器。
在一个实施例中，该设备包括送丝器，该送丝器被配置以将带状丝送入。
在一个实施例中，该一个或多个送丝器包括电路系统以预热该一个或多个金属丝。
在一个实施例中，多个填料丝可具有可变化学成分，以便能够控制包覆层或焊缝的化学成分。
在一个实施例中，本公开提供一种方法，该方法包括：利用一个或多个能量束照射工件，且产生入射在工件上的一个或多个高能光点；相对于该一个或多个光点移动工件；且将一个或多个金属丝送至该一个或多个光点，且在该一个或多个光点处形成宽的熔融金属材料熔池，其中该熔池具有大于长度的宽度，该熔池长度在工件与该一个或多个光点之间的相对运动的第一方向上延伸，熔池宽度在与第一方向横交的第二方向上延伸，熔池宽度为4毫米或更大。
在一个实施例中，该方法包括利用能量束发射器照射工件，该能量束发射器发射具有矩形横截面的能量束。
在一个实施例中，该方法包括利用多个能量束发射器照射工件，这些能量束发射器沿一条线排列。
在一个实施例中，该方法包括将带状丝送至该一个或多个光点。
在一个实施例中，该方法包括将电流引导通过该一个或多个填料丝，以使填料丝在到达熔池时达到半液态。
在一个实施例中，该方法包括将一个或多个填料丝并行地送至单个宽光点。
在一个实施例中，该方法包括将带状丝送至沿直线排列的多个光点。
在一个实施例中，光点重叠。
在一个实施例中，能量束是激光束。
在一个实施例中，本公开提供金属加工设备，该设备包括：一个或多个激光器，这些激光器布置以照射工件，且将一个或多个高能光点入射在工件上；一个或多个送丝器，这些送丝器被配置以将一个或多个金属丝送至该一个或多个光点，且该金属丝在被该一个或多个能量束熔化时形成宽焊接熔池，该焊接熔池在与焊接路径方向横交的方向上具有宽度，该焊接熔池宽度大于焊接熔池在焊接路径方向上的长度；以及用于预热金属丝的电路系统，该宽度为4毫米或更大。
下文详细说明中参考附图阐述了实施例的这些和其他方面。
附图说明
图1以横截面图方式示出了基本的热丝焊接布置与工艺。
图2以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中使用多个金属丝。
图3以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中使用宽条带丝。
图4以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中使用具有矩形覆盖区的能量光点。
图5以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中使用成角度的焊接光点。
图6以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中使用相邻但阶梯状的焊接光点。
图7以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中将带状丝送至焊接熔池，用具有不同的强度和/或直径的多个能量束照射焊接熔池。
图8以平面图方式示出了体现本公开原理的焊接工艺，该焊接工艺中从同一喷嘴将多个金属丝送至焊接熔池，用具有相同或不同的强度和/或直径的多个能量束照射焊接熔池。
图9示出了用于控制多个送丝器与多个高能量源的控制示意图。
图10a至图10e示出了根据本文公开的原理的各种激光覆盖区，这些覆盖区可用于提供宽路径。
图11a至图11d示出了根据本文公开原理的各种相对功率分布，这些相对功率分布可沿宽路径覆盖区的横截面存在。
图12a至图12j示出了进一步的束横截面，这些束横截面可用于生成宽路径焊接、包覆，或增材制造覆盖区。
图13示出了移动或摇摆的金属丝被送入宽能量束覆盖区以获得宽路径焊缝、包覆层或沉积物。
图14示出了多个填料丝，这些填料丝被送入由移动或摇摆能量束照射的路径，以获得宽路径焊缝、包覆层或沉积物。
具体实施方式
本文参考附图中示出的实施例详细描述本公开，这些附图构成本文的一部分。在不脱离本公开精神或范围的前提下，可使用其他实施例和/或可进行其他更改。具体实施方式中描述的说明性的实施例并非意在限制本文提出的主题。
现将参考附图中示出的示例性实施例，且在本文中将使用专门用语对实施例进行描述。然而，将理解，此并非意欲限制本发明的范围。隶属于本领域并已拥有本公开的技术人员将认识到，本文所示的创新性特征的变更与进一步修改以及本文所示的发明原理的其他应用将被视作落在本公开的范围内。
在图1中，示出热丝激光器焊接工艺，其中可使用本公开的一个或多个原理。如图所示，金属工件10与送丝喷嘴/枪或炬12被定位以实现它们之间的相对运动。工件10代表任何适合工件的基底金属。喷嘴12相对于工件10的行进方向由箭头14指示。
应注意，相对行进方向不一定为直线的。工件10可围绕水平轴线旋转，例如管围绕其圆柱轴线旋转，或者工件10可围绕垂直轴线旋转，例如在水平面内安装并旋转的轮或盘。
在工艺稳定状态中，填料丝16朝向熔融焊池或熔池18地从喷嘴12送出。同时，熔池18由高能量源加热，在该情况下，高能量源为激光器21生成的聚焦激光束20，其进一步熔化金属丝16且在焊接工艺的情况下将金属工件10的一部分(即基底金属)熔化，以形成熔池18。
由于工件10相对于喷嘴12和高能量源20移动，则离开高能量束20的入射区域、由熔融丝和在焊接工艺的情况下由熔融工件金属组成的熔融金属冷却且凝固以形成包覆层，或在焊接工艺的情况下形成焊缝22。
在此说明性工艺中，保护气体24也通过喷嘴12被提供。
利用高能量源在工件上生成的高能量光点一般具有约3毫米直径。然而，本公开提供一个或多个实施例，其中生成相对于行进方向的更宽光点。
在图2中，示出焊接工艺，其中多个金属丝16a-16d从各个喷嘴12-12d被并行送至宽高能量光点26。在此实施例中，高能量束同样是激光束，但光点26的覆盖区是矩形的。此外，覆盖区在行进方向以外的方向上具有宽度w，该宽度w大于单个金属丝通常使用的宽度。在示出的实施例中，覆盖区跨过与行进方向正交的距离，该距离涵盖四个金属丝。
因而，宽焊缝或熔敷包覆层28基本上具有相同宽度w，且可具有宽路径特征。
如在图1的工艺中，在图2工艺中，金属丝16a-16b使用已知热丝电阻加热技术进行预热，且可以使用或可以不使用保护气体。
根据本文原理，金属丝16a-16d可使用相同或不同的功率电平进行预热。使用不同的独立功率电平能够独立控制金属丝，且能够控制所得到的焊缝或包覆层28的分布。
根据图3中所绘的其他原理，不是使用多个金属丝16a-16d，而是可使用由填料丝材料制成的单个扁平带状物30。适合的喷嘴32用于馈送扁平带状填料丝30。喷嘴32开口可为长方形或扁平形状以更好地适应带状物30的形状。使用单个带可横跨焊接或包覆路径实现更连续的填料材料沉积。
图3中还描绘了使用多个能量束34a到34d，例如激光束，以生成熔融熔池。光束的覆盖区36a-36d示出为重叠的，以便可在工件上提供最均匀的总高能量束光点。当然，为了提供不同尺寸的覆盖区和/或能级而对射束源的独立控制能够在所得到的沉积焊缝或包覆层中产生不同的分布。
在图4中，示出布置，其中多个填料丝40a-40c从各个喷嘴42a-42c被并行地送至高能量束斑点44的矩形覆盖区。在此布置中，高能量束源同样是激光器46，且光学系统48用于产生矩形覆盖区。这类光学系统被称为均质器，且均将光束重整为矩形形状，通常是正方形形状，并产生光束能量横跨其覆盖区的均质分配。位于德国米尔海姆-克尔利希的laserlinegmbh提供了一个示例。
此外，可从coherent,inc.购得激光束发射器和光学系统组合，该组合可有效产生此种受控制的形状，该公司将其宣传为使用其“顶帽”技术。在此技术中，使用两个鲍威尔透镜。鲍威尔透镜是非球面圆柱形透镜，该透镜有目的地使准直的高斯输入光束形成像差，以便能量高效地从光束中心重新分布到远场边缘。
根据本文公开的原理，有利地，所得到的覆盖区可具有不均匀的能量分布，以改进所得到的沉积焊缝或包覆层。在此方面，利用覆盖区中心比覆盖区边缘更冷的能量分布，例如从覆盖区中心到边缘在能级上具有线性、几何或指数变化的分布，熔融丝将容易更好地流动或分布到覆盖区边缘，且此可产生更均匀的焊缝、包覆层或沉积金属。
根据本文公开的原理，前述内容可例如在laserline光学设备中实现。在这些光学设备中，一个或多个透镜包括处于不同角度的大量反射表面。在透镜的制造中，这些表面，包括其角度，可被定制。凭借此种定制，可规定并实施能量分布，同时维持总体矩形覆盖区。
利用矩形覆盖区，形状可为正方形或非正方形，且可产生不同尺寸的覆盖区。一些适合的覆盖区测得为6毫米×6毫米、10毫米×5毫米，或12毫米×6毫米。可取得的测量值由激光束能量和光学系统设置确定。
在图10a到图10e中，描述其他激光覆盖区，且在图11a至图11d中，描述各种能量分布曲线。
利用矩形覆盖区，已取得了约25磅/小时的金属沉积率。这与常规设备中仅8磅/小时到10磅/小时的沉积率形成对比。这些更高的沉积率由更大的表面积而取得，当金属沉积时金属可流至该表面积。
在图5中，示出一种布置，其中多个填料丝50a-50e从各个喷嘴52a-52e中送出至由高能量束56a-56e产生的各个高能量光点54a-54e。虽然光点54a-54e的覆盖区示出为椭圆，但其可为任何适合的形状。
又如图所示，覆盖区54a-54e被定位以提供总体"v"形状，v的中点位于熔敷路径中点，且v的脚向路径后缘延伸。因此，v的中点形成路径的前缘点。
在图6中，示出一种布置，其中多个填料丝60a-60d从各个喷嘴62a-62d中送出至由高能量束66a-66d产生的各个高能量光点64a-64d。在此布置中，光点布置为阶梯状，其中光点64a和64b限定第一行，而光点64c和64d限定沿沉积路径与第一行错开的第二行。
在图7中，示出一种布置，其中带状填料丝70从喷嘴72中送出至由各个高能量束76a-76d产生的一行高能量光点74a-74d。在此布置中，高能量束入射点沿直线排列，该直线与沉积路径正交。光束的各覆盖区大小不同，且/或光束能级可变化以向焊缝或包覆层提供变化的分布。在此实施例中，光束示出为降序或升序地变化，然而，可使用任何次序。
在图8中，示出一种布置，其中多个填料丝80a-80d从宽喷嘴82中送出至由各个高能量束86a-86d产生的一行高能量光点84a-84d。在此布置中，高能量束入射点沿直线排列，该直线与沉积路径正交。能量束可具有相同能级或不同能级。光束的各覆盖区可具有相同或不同尺寸。同样，改变能级和/或覆盖区可改变沉积分布，如上文论述。
在前述实施例中，可测定的环境下的多个光点通过单个狭长光点，如结合图4所述。此外，可允许多个斑点重叠，如结合图3所述。重叠程度将至少部分地由光点的能级分布测定。
在图9中，示出控制布置的示意框图，其用于控制多个送丝器f1、f2……fn和多个高能量源eb1、eb2……ebm。送丝器和能量源可以具有相同数量或者不那样。
如图所示，控制电路系统900包括处理器或处理内核902和存储指令的存储器904，这些指令由处理器或处理内核902执行。处理器/处理内核902与由一个或多个子模块组成的输入/输出模块906通讯，这些子模块生成必要的控制信号，且接收来自送丝器和高能量源的任何反馈信号。输入/输出模块906则通过适合的电缆或链路908和910分别与各种送丝器和高能量源通讯。具体就送丝器而言，信号和命令可在适当情况下包括用于控制金属丝预热的适当信号。在此布置中，所需数量的金属丝的馈送可与适当数量的高能量源一起得到控制，以按所需分布实现沉积金属，如上文所述。
在图10a到10e中，示出各种激光/高能量覆盖区或光点，这些覆盖区或光点可由之前提到的laserline光学器件的适当定制来实现。除了正方形之外，这些形状可以是三角形，如图10a所示；菱形或两个三角形覆盖区的组合，如图10b所示；外罩或棒球本垒板形状，或矩形覆盖区和三角形覆盖区的组合，如图10b所示；两个三角形覆盖区的另一组合的箭头形状，如图10d所示。图10e示出两个或更多矩形覆盖区的组合的另一矩形形状。在图10a到图10e的每一图中，示出所得到的总体覆盖区的中线a-a，相对行进方向沿该中线a-a定位。此外，示出剖面线b-b，该剖面线b-b有益于结合图11a到图11d而讨论功率分布。
在图11a到图11d中，示出可跨过激光/高能量覆盖区的横截面b-b的各种能量分布，所选分布取决于所需结果。在图11a中，示出一种分布，该分布大致为椭圆体且关于中线a-a对称。在图11a中，功率在中线处比覆盖区外缘更低。
在图11b中，示出一种分布，该分布围绕中线a-a每一侧大致呈线性，中线处的功率低于在覆盖区边缘的功率。由于功率分布关于中线a-a对称，且中线各侧上有线性斜坡，因此总体形状呈"v"形。
在图11c中，示出一种分布，该分布一般也为椭圆且关于中线a-a对称，但相对于图11a中的分布是颠倒的。因此，总体印象是倒"u"形，其中在中线处的功率大于覆盖区边缘的功率。
在图11d中，示出一种分布，该分布相对于图11b分布是颠倒的。在该分布中，功率在中线处较大，且在边缘处较小。由于功率分布从中线处的对称线性倾斜，该分布具有“λ”符号的总体形状。
可以理解，可使用的不同分布仅由所实施的技术限制。因此，这些分布仅为代表性而非限制性意义。同样，可能产生的覆盖区也仅受所实施的技术限制。因此，所示出的覆盖区仅为代表性而非限制性意义。
在图12a到图12j中，示出更多光束横截面。图12a示出椭圆形状，具有从相对较高的能量中心部分到较低的能量外侧部分的能量分布。图12b示出宽矩形形状，具有从相对较高的能量中心部分到较低的能量外侧部分的能量分布。图12c示出正方形形状，具有从相对较高的能量中心部分到较低的能量外侧部分的能量分布。图12d示出正方形形状，在正方形相对两侧具有两个相对较高的能量边缘。图12e示出圆环形状。图12f示出圆形，具有从相对较高的能量中心部分到较低的能量外侧部分的能量分布。图12g示出线条形状，具有从相对较高的能量中心部分到较低的能量外侧部分的能量分布。图12h示出两个隔开的圆形，每个圆形具有从相对较高的能量中心部分到较低的能量外侧部分的能量分布。图12i示出线性形状，沿线性形状具有两个针尖形高能量光点。图12j示出正方形，在正方形角落处具有相对高能量针尖形光点，且正方形周长处的能级高于正方形中心的能级，但低于正方形角落处的能级。
如上所述，可获得宽路径焊缝、包覆层或沉积物，能量光点和一个或多个金属丝可在其上彼此相对移动。在图13中，金属丝1300以摇摆方式或螺旋方式移动，以便沿宽(在此图示中，为矩形)能量束光点1302的宽度方向移动。这样，仅需向射束光点馈送一个金属丝，便可以获得熔融丝的宽路径焊缝、包覆层或沉积物。在图14中，情况则相反。在图14中，多个填料丝1400以不摇晃的方式送至焊缝、包覆层或沉积物路径上，该路径由移动或摇摆的能量束光点1402照射。这样，可仅利用小射束光点来获得宽路径焊缝、包覆层或沉积物，且不需要金属丝移动机构。
该领域普通技术人员将容易理解上述原理如何用于焊接、包覆和增材制造操作和设备，以按照需要提供较宽的金属沉积物和变化的沉积物分布。
以上描述了所公开的实施例，使得本领域的任何技术人员就能够做出或使用本发明。这些实施例的各种修改对本领域的技术人员将容易显而易见，本文定义的一般原理可在不脱离本发明精神或范围的前提下应用于其他实施例。因此，本发明并非旨在限于本文所示实施例，而是被赋予符合以下权利要求以及本文公开原理和新颖特征的最大范围。