用于在激光電弧混合工藝期間感應(yīng)加熱消耗品的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于在激光電弧混合工藝期間感應(yīng)加熱消耗品的方法和系統(tǒng)
[0001]本申請要求美國臨時(shí)專利申請N0.61/668，836的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時(shí)專利申請N0.61/668，836的全部內(nèi)容通過引用被并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1和5的用于感應(yīng)加熱消耗品的系統(tǒng)，并且涉及根據(jù)權(quán)利要求10和13的用于感應(yīng)加熱消耗品的方法。某些實(shí)施方案涉及在熔覆(overlaying)、焊接以及接合應(yīng)用中感應(yīng)加熱填充焊絲。更特別地，某些實(shí)施方案涉及在用于釬焊(brazing)、熔敷(cladding)、堆焊(building up)、填充、表面硬化(hard-facing)熔覆(overlaying)、接合以及焊接應(yīng)用中的任一個(gè)的組合填充焊絲送進(jìn)和能量源系統(tǒng)中，至少使用感應(yīng)加熱來加熱填充焊絲的系統(tǒng)和方法。
技術(shù)背景
[0003]傳統(tǒng)的填充焊絲焊接方法(例如，氣體保護(hù)鎢極弧焊(GTAW)填充焊絲方法)可以提供增加的沉積率、高質(zhì)量焊縫沉積以及超過單獨(dú)傳統(tǒng)弧焊速度的焊接速度。在這樣的焊接操作中，引導(dǎo)焊炬的填充焊絲可以由單獨(dú)的電源來電阻加熱(resistance-heated)。焊絲通過導(dǎo)電管被朝向工件送進(jìn)并且延伸超過所述管。延伸部分是被電阻加熱的，以有助于填充物的熔化。鎢電極可以被用于加熱和熔化工件以形成熔池。電源提供電阻熔化(resistance-melt)填充焊絲所需的大部分能量。在某些情況下，焊絲送進(jìn)可能會滑脫(slip)或出現(xiàn)故障(falter)，并且焊絲中的電流可能會導(dǎo)致在焊絲末端和工件之間產(chǎn)生電弧。這樣的電弧的額外的熱量可能會導(dǎo)致焊穿和飛濺。
[0004]通過將常規(guī)的、傳統(tǒng)的以及已提出的手段與如在本申請的其余部分中參照附圖所闡述的本發(fā)明的實(shí)施方案相比，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說這樣的手段的進(jìn)一步的局限性和缺點(diǎn)將會變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的問題是避免焊穿和飛濺，和/或避免焊絲送進(jìn)可能會滑脫或出現(xiàn)故障，以及焊絲中的電流可能會導(dǎo)致在焊絲末端和工件之間產(chǎn)生電弧。該問題通過根據(jù)權(quán)利要求I和5的用于感應(yīng)加熱消耗品的系統(tǒng)以及通過根據(jù)權(quán)利要求10和13的用于感應(yīng)加熱消耗品的方法來解決。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明的實(shí)施方案包括在填充焊絲被添加到熔池以用于焊接操作時(shí)使用感應(yīng)加熱來加熱填充焊絲的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括高強(qiáng)度能量源和送進(jìn)器系統(tǒng)，所述高強(qiáng)度能量源被配置來加熱至少一個(gè)工件以創(chuàng)建熔池，所述送進(jìn)器系統(tǒng)包括被配置來將消耗品送進(jìn)到熔池的焊絲送進(jìn)器。所述系統(tǒng)還包括感應(yīng)系統(tǒng)，所述感應(yīng)系統(tǒng)接收消耗品并且在一段消耗品進(jìn)入熔池之前感應(yīng)加熱那部分消耗品。
[0006]所述方法包括加熱至少一個(gè)工件來創(chuàng)建熔池以及將消耗品送進(jìn)到熔池。所述方法還包括在一段消耗品進(jìn)入熔池之前感應(yīng)加熱那部分所述消耗品。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括至少在將感應(yīng)加熱應(yīng)用到填充焊絲的同時(shí)將來自高強(qiáng)度能量源的能量施加到所述工件，以加熱所述工件。所述高強(qiáng)度能量源可以包括激光裝置、等離子弧焊(PAW)裝置、氣體保護(hù)鎢極弧焊(GTAW)裝置、氣體保護(hù)金屬極弧焊(GMAW)裝置、焊劑芯弧焊(FCAW)裝置以及埋弧焊(SAW)裝置中的至少一個(gè)。根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的方法的進(jìn)一步實(shí)施方案，溫度被保持在所述消耗品的所述熔化溫度的90%或以上。根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方案，溫度被保持在所述消耗品的所述熔化溫度的95%或以上。
[0007]從如下的說明書、權(quán)利要求書和附圖，所要求保護(hù)的本發(fā)明的這些和其他特點(diǎn)以及圖示說明的本發(fā)明的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)將會被更加完整地理解。
[0008]附圖簡要說明
[0009]通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會更加明顯，在所述附圖中:
[0010]圖1圖示說明組合填充焊絲送進(jìn)器和能量源系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的功能性示意方框圖，所述系統(tǒng)用于釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆以及焊接應(yīng)用中的任一個(gè)；
[0011]圖2是本發(fā)明的示例性感應(yīng)加熱系統(tǒng)的圖示表征；
[0012]圖3是本發(fā)明的示例性感應(yīng)加熱系統(tǒng)的另一圖示表征；
[0013]圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的示例性釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆或焊接系統(tǒng)的圖示表征；
[0014]圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的示例性釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆或焊接系統(tǒng)的進(jìn)一步圖示表征；
[0015]圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的示例性釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆或焊接系統(tǒng)的附加圖示表征；以及
[0016]圖7是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的另一示例性焊絲加熱系統(tǒng)的圖示表征。
[0017]詳細(xì)描沭
[0018]現(xiàn)在將在下面通過參照所附的附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。所描述的示例性實(shí)施方案意圖幫助理解本發(fā)明，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相似的參考編號在通篇中涉及相似的要素。
[0019]已知的是，在焊接操作中，焊接/接合操作典型地將多個(gè)工件接合在一起，其中填充金屬與工件金屬中的至少一些相結(jié)合來形成接頭。由于期望增加焊接操作中的產(chǎn)品生產(chǎn)量，一直存在對這樣的更快的焊接操作的需求，所述焊接操作并不產(chǎn)生具有不合標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量的焊縫。這對于使用類似技術(shù)的熔敷/表面化(surfacing)操作來說也是如此。注意的是，盡管以下討論中的許多將涉及“焊接”操作和系統(tǒng)，但本發(fā)明的實(shí)施方案并不僅限于接合操作，而是可以被類似地用于熔敷、釬焊、熔覆等類型的操作。另外，需要提供這樣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以在不利的環(huán)境狀況下(例如，在遙遠(yuǎn)的工作場所)迅速地焊接。如下面所描述的，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案提供超過現(xiàn)有焊接技術(shù)的顯著的優(yōu)點(diǎn)。這樣的優(yōu)點(diǎn)包括，但不限于，減少的導(dǎo)致工件輕度變形的總熱量輸入、非常高的焊接行進(jìn)速度、非常低的飛濺率、沒有保護(hù)措施(shielding)的焊接、以高的速度焊接電鍍的或蓋覆的材料而幾乎沒有或沒有飛派，以及以高的速度焊接復(fù)合(complex)材料。
[0020]圖1圖示說明組合填充焊絲送進(jìn)器和能量源系統(tǒng)100的示例性實(shí)施方案的功能性示意方框圖，所述系統(tǒng)100用于執(zhí)行釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆以及接合/焊接應(yīng)用中的任一個(gè)。系統(tǒng)100包括激光子系統(tǒng)130/120，所述激光子系統(tǒng)130/120能夠?qū)⒓す馐?10聚焦到工件115上，以加熱工件115。激光子系統(tǒng)是高強(qiáng)度能量源，并且激光束110具有熔化部分工件115來創(chuàng)建熔池(即，焊接熔池145)的能量密度。激光子系統(tǒng)可以是任何類型的高能量激光源，包括但不限于二氧化碳、NdiYAG, Yb-片(disk)、YB-光纖、光纖傳遞或直接二極管激光器系統(tǒng)。進(jìn)一步地，甚至如果白光或石英激光器類型的系統(tǒng)具有足夠的能量，可以使用它們。系統(tǒng)的其他實(shí)施方案可以包括起到高強(qiáng)度能量源作用的電子束、等離子弧焊子系統(tǒng)、氣體保護(hù)鎢極弧焊子系統(tǒng)、氣體保護(hù)金屬極弧焊子系統(tǒng)、焊劑芯弧焊子系統(tǒng)以及埋弧焊子系統(tǒng)中的至少一個(gè)。下面的說明書將反復(fù)地涉及激光系統(tǒng)、光束和電源供應(yīng)器，然而，應(yīng)該理解的是，這種涉及是示例性的，因?yàn)槿魏胃邚?qiáng)度能量源可以被使用。例如，高強(qiáng)度能量源可以提供至少500W/cm2。激光子系統(tǒng)包括可操作地彼此連接的激光裝置120和激光電源供應(yīng)器130。激光電源供應(yīng)器130提供功率來操作激光裝置120。
[0021]應(yīng)該注意的是，高強(qiáng)度能量源(例如本文所討論的激光裝置120)應(yīng)該是具有足夠的功率來為所期望的焊接操作提供必需的能量密度的類型。就是說，激光裝置120應(yīng)該具有足夠的功率，以貫穿焊接工藝創(chuàng)建并且保持穩(wěn)定的焊接熔池，并且也達(dá)到所期望的焊接熔深。例如，針對一些應(yīng)用，激光器應(yīng)該具有“穿透(keyhole) ”被焊接的工件的能力。這意味著激光器應(yīng)該具有足夠的功率來完全地熔透工件，同時(shí)在激光器沿工件行進(jìn)時(shí)保持所述熔深水平。示例性激光器應(yīng)該具有IkW至20kW范圍內(nèi)的功率容量，并且可以具有5kW至20kW范圍內(nèi)的功率容量。更高功率的激光器可以被利用，但這可以變得非常昂貴。
[0022]系統(tǒng)100還包括熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)，所述熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)包括填充焊絲送進(jìn)器150、感應(yīng)管160以及感應(yīng)加熱電源供應(yīng)器170。熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)能夠提供至少一個(gè)阻性填充焊絲140，以在靠近激光束110處與工件115接觸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，感應(yīng)加熱電源供應(yīng)器170是交流(AC)電源供應(yīng)器，所述交流(AC)電源供應(yīng)器提供具有適合于被加熱的填充焊絲140的輸出頻率的AC電流。如圖2所圖示說明的，感應(yīng)管160容納感應(yīng)線圈1110，所述感應(yīng)線圈1110接收來自電源供應(yīng)器170的AC電流。AC電流通過線圈1110的流動創(chuàng)建交替的磁場，所述磁場在焊絲140中引起循環(huán)渦流，所述渦流隨后加熱焊絲140。在一些示例性實(shí)施方案中，感應(yīng)線圈1110由銅管制成并且可以由循環(huán)水冷卻。然而，本發(fā)明不受材料的選擇以及對感應(yīng)線圈1110的冷卻的限制，只要填充焊絲140獲得所期望的溫度。感應(yīng)線圈1110可以與管160是一體的或者可以繞管160的表面來盤繞。當(dāng)然，感應(yīng)管160/感應(yīng)線圈1110的配置不是限制性的，并且其他配置可以被使用，只要填充焊絲140獲得針對焊接操作的所期望的溫度。
[0023]在操作期間，填充焊絲140由被可操作地連接到感應(yīng)管160的感應(yīng)加熱電源供應(yīng)器170來感應(yīng)加熱。焊絲140從填充焊絲送進(jìn)器150通過感應(yīng)管160被朝向工件115送進(jìn)，并且延伸超過感應(yīng)線圈160。焊絲140被這樣感應(yīng)加