同激光源的激光焊接系统嵌套光纤管和变焦透镜的示意图，所述激光源光耦合至光纤管的芯层和外侧的熔覆光层，以便有选择性地变更在焊接过程中所使用的激光束。
[0039]为了便于理解，尽量使用相同的标号来指示附图中共有的相同元件。
【具体实施方式】
[0040]在思考以下说明后，本领域技术人员能够清晰认识到，在通过激光束焊接来熔覆涡轮机部件(例如性能劣化的高温合金涡轮机轮叶和导叶)的激光熔覆系统或方法中，能够轻易地利用本发明的教导。通过预先对部件进行扫描(优选采用动态实时、非接触三维空间扫描)并把获得的空间扫描数据与部件的规格尺寸数据对比来确定焊接/熔覆路径，包括熔覆施加轮廓。确定被扫描部件的熔覆焊接路径是否使其尺寸符合规格尺寸数据。激光焊接装置优选与熔覆填料分布装置协作按焊接路径进行焊接，以施加所需的熔覆轮廓。
[0041]在本文所述的一些实施例中，对被焊部件进行焊后非接触三维尺寸扫描，并把焊后扫描尺寸数据与规格尺寸数据对比。优选通过焊前/焊后三维尺寸扫描在实时反馈回路中动态修改焊接路径和/或熔覆轮廓施加。在此优选的示例性方式中，焊接模式是动态确定的，并根据在焊接过程发生的瞬时变化实时调整。这种瞬时变化的例子包括但不局限于在焊接过程中发生部件热变形、部件表面和焊接装置移动和/或错位、焊接路径被误导、或者产生焊接缺陷(例如孔隙和/或裂纹)。
[0042]焊接过程是通过从焊接激光向填料和基底传递光能来完成的，该光能把填料作为填料层熔合到基底上，而不会导致基底发生热老化。在此处所述的实施例中，通过根据部件表面拓扑改变光能的传递以便向基底和填料传递一致的能量，能够避免部件基底发生热老化。在本发明的实施例中，在焊接过程中，通过以下的一个或多个手段，可实现一致的能量传递:改变所述基底和焊接激光束的相对移动速度；改变激光功率输出；使焊接激光束和所述基底相互之间形成光栅状扫描；沿焊接模式路径使所述基底和焊接激光束彼此相对平移和摆动；改变填料的组成、引入速度或分散模式；或使用控制系统在闭环反馈回路中监测能量传递，并根据监测的能量传递改变能量传递速率。本发明的实施例能随着激光焊接过程的进行实时或连续地获取尺寸数据，而不受激光焊接过程中产生的烟气状况和/或紫外线发射的影响。
[0043]图1、图2A和图2B中示出了自动化激光熔覆系统15的一个示例性实施例。涡轮机部件(例如高温合金涡轮机轮叶20)与虚线所示的新轮叶的所需叶尖规格尺寸20s相比具有性能劣化的破损叶尖表面20a。更具体地说，在图2B中，焊接激光束摆动扫描680上游的叶尖凹槽部分20A具有比规格宽度ds窄的实测尺寸宽度dA。沉积在破损叶尖表面20A上的粉末填料通过焊接激光束摆动扫描680熔合到部件基底的叶尖表面上。光束680的连续的光栅式激光焊接道次构成侧向接合的沉积带21-23，从而形成连续填料沉积层D，该沉积层的宽度dD稍宽于规格宽度ds。通常，在轮叶的焊后检查成功完成后，需要通过已知的金属加工过程(例如研磨)来去除多余宽度。箭头W表示激光束680相对于基底20的定向运动。然后，基底相对于激光束680的定向运动与箭头W所示的方向相反。在优选实施例中，激光焊接过程沿定义的路径在W方向上连续、动态地实时进行。
[0044]图3(以及图4和图5中所示的同尺寸详图)是自动化激光熔覆系统15的一个示例性实施例的示意图，该自动化激光熔覆系统结合有用于待熔覆部件基底20的工作台30、焊前扫描激光轮廓测定仪50、激光焊接系统60、填料分布装置70、以及可选的焊后扫描激光轮廓测定仪80 ;更具体地说，熔覆系统15包括工作台30，涡轮机轮叶20或其它涡轮机部件基底附到该工作台30上。可选的工作台运动控制系统35用于在如图所示的X、Y和Z坐标系中或任何其它的单轴或多轴坐标系中移动工作台30。以虚线示意性地示出(图1)的熔覆系统门架40可选地结合至门架运动控制系统45，以便在所示的Χ、Υ和Z坐标系中或任何其它单轴或多轴坐标系中移动工作台30。运动控制系统45和/或35用于实现门架40与基底20之间的相对运动，以便在基底表面上形成焊接熔覆图案。
[0045]门架40包括用于获取基底20的三维尺寸数据的焊前非接触激光轮廓测定仪50、产生焊接激光束680的激光焊接装置60、以及用于有选择性地在基底表面上沉积填料F的填料分布系统70，填料F最终被焊接激光束熔化，从而形成固结沉积带D。可选的焊后非接触激光轮廓测定仪80获取焊后尺寸数据。熔覆系统15在控制器90的控制下工作，控制器90优选具有人机界面(HMI)，以便操作人员监视、控制和变更焊接装置和其焊接方法。填料分布系统70的构造和操作在上文所提及的美国专利申请13/611，144中说明。填料分布装置70有助于填料在整个焊接模式路径上的均匀分布:不论是通过已知的熔覆系统和方法产生的一系列顺次沉积的焊道，还是由上文中提及的美国专利申请13/611,034中所述的激光焊接系统60和其方法执行的多维光栅式连续焊接模式。
[0046]图1和图3示意性地示出了门架40、激光焊接装置60和填料分布装置70。焊接装置60是美国专利申请13/611，034中所披露的那类连续路径焊接激光熔覆焊接装置。如图2Α所示，熔覆系统15包括工作台30，涡轮机部件基底20 (例如高温合金材料涡轮机轮叶或导叶)附在工作台30上。可选的工作台运动控制系统35用于在如图所示的Χ、Υ和Z坐标系中或任何其它的单轴或多轴坐标系中移动工作台30。填料分布系统70粉末状填料F，该填料适合于以多维(在此为二维)模式焊接基底20的表面，使其与焊接装置60的光栅状扫描模式相配。例如，若基底是高温合金，则填料常常是相同合金或相容合金的粉末。分布系统70的填料供送速度由填料驱动系统735控制，该填料驱动系统735可为电动机驱动装置。分布系统70可具有自己的独立运动控制系统736，该系统736用于相对于基底20移动倾倒填料粉末施加区。填料分布系统装置70的构造将在激光焊接装置60的系统综述之后更详细说明。
[0047]焊接装置60具有激光器，该激光器具有可选的变焦dF透镜系统641或功率输出dP，其提供激光束680的光能源，用于加热基底20表面和填料F。焊接系统60还具有移动反射镜系统650，该反射镜系统650具有反射镜660，能够在相应的驱动装置662、664和666的控制下进行单轴移动或多轴移动，图中所示为俯仰轴T、平扫轴P和转动轴R。驱动装置662,664和666可为已知构造的电动运动控制系统的一部分，或者结合在受已知的控制器90控制的已知的检流计中。可替代地，激光束可被以单轴(或多轴)运动的多个反射镜拦截，以实现每个上述的轴运动。
[0048]控制器90可为独立控制器、可编程逻辑控制器或个人电脑。控制器90还可控制工作台30运动控制系统35、门架40运动控制系统45、粉末填料分布系统70驱动装置735和/或可选的粉末填料分布系统驱动装置运动控制系统736、和/或激光器640的变焦dF和/或功率输出dP之中的一个或多个。与控制器90连通的已知的开环和/或闭环反馈回路可与驱动装置35、45、735、736、662-666、dF或dP之中的一个或多个关联。还可在闭环反馈回路中监测激光束光能向基底和填料的传递，从而控制器可根据监测的能量传递速率来改变能量传递速率。可以使用人机界面(HMI)来监视焊接操作和/或提供进行焊接操作的指导。
[0049]在操作焊接系统60时，激光器640的输出激光束680从一个反射镜660 (或多个反射镜)反射，进而反射到部件基底20上，这会向基底和填料F传递光能。基底20和填料F吸收传递的光能，以熔化填料，浸润基底表面，并把熔化的填料和基底表面彼此熔合，从而形成固结沉积带D。请参考图3和图4，基底20和激光束680通过工作台驱动系统35、门架驱动系统45和/或移动反射镜系统650驱动装置662、664、666之中的一个或多个与控制系统90的结合沿平移路径彼此相对移动，以形成连续焊接熔覆层或沉积层D。当移动反射镜系统650结合在商售激光检流计系统中时，可通过移动检流计反射镜660 (或多个反射镜)进行相对平移和摆动来改变基底20和激光束680之间的相对运动以及激光光能的传递速率。激光束680和基底20/填料F之间的相对运动在平移运动的前沿(例如，图4和图5中的焊接线21的右侧前沿)保持连续的熔融焊接线，从而实现使用已知的无摆动激光熔覆系统无法达到的熔合一致性。
[0050]在任何激光束聚焦区吸收的焊接激光器680的光能随聚焦时长成比例变化。以非限定性例子举例来说，激光束680的聚焦时长和与之成正比的吸收能量可通过以下方式改变:(i)激光束680可平行于焊接平移路径21摆动或横贯焊接平移路径21从一边到另一边(例如211)摆动；(ii)可改变摆动或平移速度；和(iii)可连续地或通过脉冲调制改变激光功率强度dP或焦点dF。因此，通过动态改变激光束680的聚焦时长，可沿焊接线平移路径改变向基底和填料F传递能量的速率，从而在整个焊层内保持一致的能量传递，而不论是否有局部拓扑变化。
[0051]如图3和图4所示，熔覆层可包括一层光栅型直线焊道21或多个相邻直线焊道21、22和23的二维焊道阵列。每个焊道的平移方向可按如图所示的方式顺次反转。对于每个焊道21、22和23，每个焊道的摆动方向可完全处于平移方向(211、221和231)的横向。可以增加正对以前道次的侧面的摆动持续时间，以确保熔合。可通过沿进出图4的方向(WpWn、Wm)顺次交叠多层来施加多个彼此重叠的熔覆层，或者甚至把平移的方向变为不同于左右方向，例如变为与左右方向成90度的方向。所有这些多维光栅状扫描模式都需要预先地或随着激光束在填料和基底上的聚焦在基底表面上均匀分布填料。填料分布系统70有助于填料在具体熔覆操作所需的任何尺寸的多维焊接模式“覆盖区”上的均匀分布。
[0052]在图5和图6中，填料分布系统70在图4所示的激光束680光栅状扫描模式平移路径21方向和摆动路径211方向箭头的前方分布填充粉末材料F。在此实施例中，填料分布系统70随着激光束680沿行进方向W移动。可替代地，激光束680和填料分布系统70可保持在彼此相对固定的位置，而基底20沿相对于箭头W的反方向移动。
[0053]图5还示出了在功能上与激光焊接系统60相似的已知激光轮廓测定仪50和80内的主要部件的更详细构造。轮廓测定仪50、