CN103987484A

CN103987484A - 使用激光束在gmaw焊接中建立气体的焊后激光释放的设备及方法

Info

Publication number: CN103987484A
Application number: CN201280060007.1A
Authority: CN
Inventors: P·E·丹尼; S·R·彼得斯
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-08-13
Also published as: BR112014008069A2; DE202012012934U1; US20130087543A1; JP2014531325A; WO2013050863A1

Abstract

一种系统(700)和方法被提供，其中工件(W)以具有最小孔隙度和飞溅的高速度被焊接。在实施方案中，工件(W)利用电弧焊工艺被焊接来创建焊接熔池(WP)并且焊接熔池(WP)在电弧焊操作的下游由能量束(111)照射，以致获得高焊接速度。高能量热源(108，109)被安置在焊接操作的下游来将能量输入到焊接熔池(WP)中，以改变焊接熔池(WP)的形状或特征来优化焊道形状和/或焊道质量。

Description

使用激光束在GMAW焊接中建立气体的焊后激光释放的设备及方法

优先权

本发明是2011年10月6日递交的美国专利申请No.13/267,641的部分继续申请，该美国专利申请No.13/267,641公开的全部内容通过引用被并入本文。

发明背景

发明领域

本发明的系统和方法涉及焊接和接合，并且更具体地涉及覆盖材料(coated material)的焊接和接合。

相关技术描述

许多焊接结构被用在需要表面覆层来防止腐蚀的环境中。例如，当钢材被暴露到环境中时，钢材上锌的熔敷(通过镀锌或镀锌退火)通常被用来保护钢材免遭腐蚀。在材料被焊接到适当位置之后给材料镀锌是非常困难的，并且如此一来，大部分钢部件在焊接之前被镀锌。然而，焊接覆盖材料可能是困难的工艺，因为覆层可能干扰焊接工艺并且降低焊接的质量。例如，在镀锌中锌由于焊接电弧的热量被蒸发并且这个蒸发可能导致显著的飞溅或者可能在焊接中被陷在焊接熔池中导致孔隙度。由于这个原因，覆盖材料的焊接与焊接未覆盖材料相比相当地慢。

发明内容

本发明的实施方案包括利用电弧焊工艺焊接至少一个工件的装备及方法，以使液态焊接熔池从所述至少一个工件被创建并且所述焊接在行进方向被执行。同样，相对于所述行进方向，能量束被引导到所述电弧焊工艺下游的所述焊接熔池的表面，以使所述能量束将热能施加到所述焊接熔池来更改所述焊接熔池的形状。由所述工艺创建的焊接接头具有不多于30％的截面孔隙度和不多于30％的长度孔隙度。进一步的实施方案从下面的描述、附图和/或权利要求书中是可推理的。

附图的简要说明

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：

图1是由电弧焊工艺制成的焊接接头的图示表征；

图2A至图2C是依据本发明的示例性实施方案的清洗操作的图示表征；

图3A至图3B是依据本发明的示例性实施方案制成的焊接接头的图示表征；

图4是根据本发明的实施方案制成的焊接接头的进一步的示例性实施方案的图示表征；

图5是根据本发明的焊接系统的示例性实施方案的图示表征；

图6是焊接系统的一部分的示例性实施方案的图示表征；

图7是本发明的焊接系统的另一示例性实施方案的图示表征；

图8是本发明的焊接系统的进一步的示例性实施方案的图示表征；

图9是依据本发明的示例性实施方案的一体焊头单元的图示表征；

图10是本发明的附加示例性实施方案的图示表征；

图11是使用图10的示例性实施方案的焊接操作的图示表征；

图12是由图10的示例性实施方案形成的焊接熔池的图示表征；

图13是本发明的另一示例性焊接系统的图示表征；以及

图14是依据本发明的又另一示例性实施方案的焊接系统的图示表征。

示例性实施方案的详细描述

现在将在下面通过参照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。

图1描述典型的焊接搭接接头，其中第一工件W1被部分地放置在第二工件W2的顶部并且所述两个工件以焊道WB被焊接。在焊接工业中，这种类型的连接通常被称为搭接接头。搭接接头在汽车工业中是常见的。除了搭接接头之外，本发明的实施方案也可以焊接多种不同类型的接头，包括：角接接头、榫接接头、对接接头等等。如图1所示，工件中的至少一个在要被焊接的表面上具有覆层C1/C2，其中覆层相比于工件具有不同的材料组成。作为实施例，这个覆层可以是防腐蚀覆层，例如镀锌。因为工件被覆盖，彼此接触的工件表面S1和S2在其上也具有覆层。在焊接期间，焊接电弧等离子的热量使得覆层C1/C2蒸发。典型地，没有被工件的重叠覆盖的被蒸发覆层C1/C2通过烟雾排出或简单地散逸从焊接区被移除，以使蒸气不干扰焊接。然而，在接触表面S1/S2上的覆层C1/C2由于焊道WB导致的熔深的典型深度也被蒸发。然而，来自接触表面S1/S2的被蒸发覆层在焊接期间远离焊接熔池的表面，并且如此一来必须行进通过熔池来试图在焊道凝固之前逃离焊接熔池。然而，如果焊接速度太快，在被蒸发覆层可以逃离之前熔池凝固。这在焊道中导致孔隙度。当气泡在焊接熔池中留下拖尾，所述拖尾未在气泡之后关闭时，这种孔隙度可能特别地糟糕。由逃离的被蒸发覆层产生的腔可以显著地降低焊缝的质量。

由于关于孔隙度的这些问题，覆盖工件(coated work piece)的焊接相比于未覆盖工件的焊接必须显著地减慢。慢的步速可以为蒸发覆层提供足够的时间来逃离焊接熔池。然而，这些慢的速度趋向于增加输入到焊缝中的热量并且减小焊接操作的整体速度和效率。例如，当焊接镀锌的钢材时，对于具有大约1/16in(16量规)厚度的工件，典型的行进速度是15至25in/min。可替换地，焊工已经经常不得不研磨或用砂纸打磨来使覆层脱离工件，这也是消耗时间且劳动密集型的操作。

如较早所讨论的，常用覆层是用于抗腐蚀的镀锌。然而，可以导致类似问题的其他覆层包括但不限于：涂料、冲压润滑剂(stamping lubricant)、玻璃衬里(glass lining)、镀铝覆层、表面热处理、氮化或碳化处理、包层处理，或者其他蒸发覆层或材料。

图2A至图2C描述清洗系统100的示例性实施方案，所述清洗系统100使用电源供应器108和高能量热源109来在工件W的表面处引导束111，以烧蚀覆层C使其脱离烧蚀区102。烧蚀区102是随后的焊缝将被置于其上的区域，并且一般地由在工件W表面上环绕束111的行进长度和宽度的矩形区域限定。在本发明的示例性实施方案中，热源是激光器109(如附图中所示)。然而，其他实施方案不限于使用激光器，并且可以使用其他类型的热源。另外，可以使用许多不同类型的激光器，并且由于对烧蚀或移除覆层相对低的温度要求，使用非常高能量的激光器或热源不是必需的。这样的激光器/热源系统(包括热源109和电源供应器108)是已知的并且不需要在本文被详细描述。

在示例性实施方案中，束111的能量密度和焦点不应该太强烈以致基本上熔化位于下面的工件W，因为这样的熔化可能干扰电弧焊工艺。在本发明的示例性实施方案中，可以使用具有10W至10kW功率水平的激光器109。在其他示例性实施方案中，激光束111将具有至少10⁵W/cm²的功率密度以及不多于5ms的互作用时间。在一些实施方案中，互作用时间应该是在1至5ms范围内。激光器(或热源)的强度和互作用时间应该是这样的，以使基础材料的可观熔化应该被避免。因为所需要来烧蚀或移除覆层的热量典型地不高，这个清洗工艺相比于焊接工艺本身将不再影响焊接接头的热量影响区。激光器可以是任何已知类型的激光器，包括但不限于二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器、Yb-盘(Yb-disk)激光器、YB-纤维激光器、纤维递送的或直接二极管的激光器系统。进一步地，如果具有足够的能量，甚至可以使用白光或石英激光器类型的系统。系统的其他实施方案可以使用其他类型的高能量源，所述高能量源能够蒸发工件表面上的覆层，并且可以包括作为高强度能量源的电子束、等离子电弧焊子系统、气体保护钨极弧焊子系统、气体保护金属极弧焊子系统、药芯焊丝弧焊子系统以及埋弧焊子系统中的至少一个。然而，如果使用更高能量源，它们的能量密度和热量必须被控制，以致仅蒸发覆层的至少一部分但是基本上不熔化或损伤位于下面的工件。

在本发明实施方案中采用的激光器可以是但不限于：连续波激光器、脉冲激光器、Q开关激光器或者具有足够的峰值功率和能量密度来执行所期望的清洗操作的其他类型的激光器。来自激光器109的束11可以由光学器件或电源供应器108控制来提供束截面，所述束截面可以是圆形的、矩形的、方形的、椭圆形的或者其他所期望的形状。进一步地，分束器可以被用来在表面上提供多条束或冲击点(impact spot)。束也可以被扫描或以其他方式被操控来针对给出的互作用时间在表面上提供所期望的功率分布，以获得所期望的清洗。

在烧蚀期间，热源109由电源供应器108供电并且在表面处发出束111。注意的是，纵观本申请，热源109也将被称为“激光器”，但是如上面所陈述的，本发明的实施方案不是仅限于激光器的使用，而是“激光器”仅被用作示例性实施方案的讨论。在移除期间，激光器109发出束111，所述束111冲击工件表面来烧蚀或移除覆层C。如图2A所示，束111在烧蚀区102从工件表面移除全部覆层C，但是基本上不熔化工件——这意味着没有工件材料的熔池被创建在工件的表面。烧蚀区102的宽度和长度是依据要被执行的焊接，并且覆层的移除可以发生在焊接之前的任何时间。

如图2A所示，束111在移除工艺期间横贯烧蚀区102来回振荡，同时工件通过马达在行进方向移动。然而，本发明的实施方案在这方面不受限制，因为激光器可以在行进方向移动而工件保持静止。进一步地，在其他实施方案中，束111不必被平移。例如，束111可以在表面处具有这样的宽度，以使它烧蚀全部宽度的烧蚀区，其中不是必须振荡。本发明的实施方案在这方面不受限制。

在本发明的进一步的实施方案中，束111移除全部厚度的覆层C是不要求的。在一些焊接操作中，可以仅必需来移除部分量的覆层以获得可接受的焊缝。例如，在一些焊接操作中，最小水平的孔隙度是可接受的。如此一来，加快工艺可以仅必需烧蚀工件W上直至50％厚度的覆层。在其他示例性实施方案中，可以需要烧蚀直至75％厚度的覆层。

如图2B和图2C所示，在一些示例性实施方案中，不必需以所述束烧蚀全部面积的烧蚀区102。如上面所陈述的，一些焊接操作将产生具有最小水平孔隙度的可接受的焊道。由于这个原因，可以不必需移除在区域102的所有覆层C。因此，在本发明的一些示例性实施方案中，激光器109和束111可以移除小于整个烧蚀区域102的一定面积的覆层C。如图2B所示，束111移除覆层以使腔104(呈槽的形状)被创建在覆层C。在这个实施方案中，整个清洗操作快于移除所有覆层C。另外，在覆层中的槽104的创建有助于在焊接期间便利被蒸发覆层从焊接区移除。具体地，如图2B所示，槽可以延伸到工件W的端部，以使当另一工件被放置在工件W上用于焊接时，槽将在两个工件之间形成腔。这些腔为被蒸发覆层提供离开路径，以使最小量的被蒸发覆层会进入或试图通过焊接熔池。因此，通过在覆层C上创建槽或腔，整个烧蚀工艺可以更快(因为较少的材料将被移除)，同时仍然允许高速度和低孔隙度的焊缝。在本发明的示例性实施方案中，束111从烧蚀区102面积的至少40％移除覆层C。在其他示例性实施方案中，束111从烧蚀区102面积的至少65％移除覆层C。

图2C描述另一实施方案，其中束111腔106在工件W的焊接表面上的覆层C中。腔106可以是任何形状或尺寸来有助于降低被蒸发覆层的量，所述被蒸发覆层进入或试图通过焊接熔池逃离。

图3A和图3B依据本发明的实施方案描述覆层已被移除之后的工件W1和W2。如可以看到的，表面S1和S2在焊接区不再具有完整/初始量的覆层。在这些附图中完整量的覆层C1/C2已被移除，但是如上面所描述的，在一些实施方案中，完整的移除可以是不必需的。当这些工件现在被焊接时(图3B)，焊道的熔深未产生蒸发的覆层材料，并且因此允许增加焊接操作的速度而不增加飞溅或孔隙度。例如，本发明的实施方案可以在具有1/16"至3/16"范围内的厚度的覆盖的钢材料上获得具有上面所描述的孔隙度和飞溅水平的至少50in/min的焊接速度。在一些实施方案中，速度是在50至100in/min范围内，并且在其他实施方案中速度是在70至100in/min范围内。在一些实施方案中，当同时移除覆层及焊接时可以获得这些速度。

在上面所讨论的实施方案中，在焊接操作之前工件在一些点处由激光器109清洗。这个清洗操作相比于焊接操作可以发生在不同的工作站，但是也可以与焊接站相一致地发生来增加操作效率。另外，清洗可以与焊接操作同时发生。

上面的实施方案已讨论了工件W上表面覆层的移除和/或烧蚀。然而，本发明的其他实施方案可以使用激光器109和束111在焊接之前更改覆层的性能或化学组成。在一些实施方案中，可以不必需移除或烧蚀覆层，但是必需改变其组成或改变其性能。例如，已知的是，涂料中的碳氢化合物可以干扰电弧焊工艺，然而涂料的其他组分是不作为有问题的。如此一来，激光器109和束111可以被用来烧掉来自涂料的碳氢化合物，因此改变其组成，然而涂料的整个厚度可以基本上保持与烧蚀之前一样。因此，其他实施方案可以被用来改变覆层的性能或组成而不是移除它。当然，这种工艺可以通过使用如本文所描述的类似的特征、性能、程序以及装备来采用，以用于覆层的移除。

图4描述焊接操作，其中覆层(一层或多层)在紧接接头焊接之前被照射。具体地，在较上的图中，束111在接头处被引导以使束111熔入到接头中来蒸发/移除工件W1/W2上的覆层的至少一些。在一些实施方案中，在这个工艺期间激光焊道401可以被创建，其由工件W1和W2中的每个中的部分的熔化来创建。当然，束111的熔深深度应该被控制以使工件基本上不受危害。因为在这个部位的覆层在照射期间将被蒸发，至少一些孔隙可能存在于焊道401。然而，在这个实施方案中，紧接束照射，在接头处进行电弧焊操作(较下的图)。电弧焊工艺创建电弧焊道403，这消耗激光焊道401的至少一些，并且由于这个随后的电弧焊操作到了任何存在于束焊道401的孔隙的程度，以致孔隙将已通过电弧焊道403逃离。因此，在一些示例性实施方案中，激光清洗和电弧焊可以同时发生。这样的实施方案可以显著地提高焊接操作的效率。

在上面所讨论的实施方案中的任何一个中，因为激光器109要从表面移除几乎所有或所有的覆层，本发明的实施方案可以获得之前在焊接覆盖材料时不可能已经获得的焊接速度。例如，本发明的实施方案可以以达到未覆盖材料焊接速度的速度获得覆盖材料的焊接速度。因为电弧焊系统是一般地已知的，这样的独立系统不需要在本文被描述或解释。

进一步地，不仅可以获得更高的焊接速度，而且焊接速度可以以最小水平的孔隙度和飞溅来获得。焊缝的孔隙度可以通过检测焊道的截面和/或长度来确定，以判定孔隙率。截面孔隙率是在给定截面中的孔隙的总面积相比于在该点的焊接接头的总截面面积。长度孔隙率是在给定单位长度焊接接头中的孔的总累计长度。本发明的实施方案可以获得上面所描述的具有0至30％之间的截面孔隙度的行进速度。因此，没有气泡或腔的焊道将具有0％的孔隙度。在其他示例性实施方案中，截面孔隙度可以是在5至20％范围内，并且在另一示例性实施方案中可以是在0至10％范围内。理解的是，在一些焊接应用中，一些水平的孔隙度是可接受的。进一步地，在本发明的示例性实施方案中，焊接的长度孔隙度是在0至30％范围内，并且可以是5至20％。在进一步的示例性实施方案中长度孔隙率是在0至10％范围内。因此，例如，可以在覆盖材料中生成这样的焊缝，所述焊缝具有0至10％范围内的截面孔隙度和0至10％的长度孔隙率。

另外，相比于焊接覆盖材料(其中在焊接期间在适当位置具有覆层)的现有方法，本发明的实施方案可以以上面所判定的行进速度焊接，其中几乎没有或没有飞溅。在导致焊接熔池的液滴溅到焊接区之外时，飞溅发生。当焊缝飞溅发生时，可能危害焊接的质量并且可能导致生产延迟，因为典型地在焊接工艺之后焊缝飞溅必须被清洗使其脱离工件。因此，以没有飞溅的高速度焊接有很大好处。本发明的实施方案能够以其中飞溅系数在0至3范围内的上述高行进速度来焊接，其中飞溅系数是给定行进距离X上的飞溅的重量(以mg计)相比于相同距离X上所消耗的填充焊丝140的重量(以Kg计)。就是说：

飞溅系数＝(飞溅重量(mg)/所消耗的填充焊丝重量(Kg))

距离X应该是考虑到焊接接头的代表性抽样的距离。就是说，如果距离X太短(例如0.5英寸)，则可能不是焊缝的代表性距离。因此，飞溅系数为0的焊接接头对于距离X上所消耗的填充焊丝会没有飞溅，并且飞溅系数为2.5的焊缝对于2Kg所消耗的填充焊丝具有5mg的飞溅。在本发明的示例性实施方案中，飞溅系数是在0至3范围内。在进一步的示例性实施方案中，飞溅系数是在0至1范围内。在本发明的另一示例性实施方案中，飞溅系数是在0至0.5范围内。应该注意的是，本发明的实施方案在焊接覆盖材料时可以获得上面所描述的飞溅系数范围，其中在焊接操作期间覆层保持在工件上，同时获得通常仅在未覆盖工件上可获得的高速度。

对于焊接接头有许多方法测量飞溅。一种方法可以包括“飞溅船(spatter boat)”的使用。对于这样的方法，代表性的焊缝抽样被放置在具有足够的尺寸来捕获所有或几乎所有由焊道产生的飞溅的容器。容器或容器的部分(例如顶部)可以随焊接工艺移动来确保飞溅被捕获。典型地，船由铜制成，因此飞溅不会粘到表面。代表性的焊接在容器的底部之上被执行以使在焊接期间所产生的任何飞溅将落到容器中。在焊接期间，所消耗的填充焊丝的量被监测。在完成焊接之后，飞溅船将由具有足够精度的装置称重，以确定在容器焊接之前的重量和焊接之后的重量之间的差值(如果有的话)。这个差值表征飞溅的重量并且然后由以Kg计的所消耗的填充焊丝的量来除。可替换地，如果飞溅没有粘到船上，飞溅可以本身被移除且称重。

图5依据本发明的示例性实施方案描述焊接系统500，其中清洗和焊接操作同时发生。具体地，系统500包含为焊条103供应电弧焊波形的焊接电源供应器101。焊条103经由焊丝送进系统107通过导电嘴105被引导到工件W。这个电弧焊系统可以是任何已知类型的电弧焊系统，包括但不限于气体保护金属极弧焊(GMAW)。未示出的是经常在电弧焊中使用的惰性气体或烟雾排出系统。电源供应器101在焊条103和工件W之间创建焊接电弧，以使焊条103沉积到焊道中。如上面所描述的，激光器109以束照射工件W的覆层，以在焊接之前移除或烧蚀覆层。束111的能量水平是这样的，以使工件W没有可观的熔化。束111的形状/截面将按需要在焊接之前提供覆层的充分烧蚀/移除。

图6依据本发明的实施方案描述焊接系统的方面。如所示出的，电弧焊在烧蚀操作之后的距离Z发生。在本发明的示例性实施方案中，距离Z是在0.5至6英寸范围内。在其他示例性实施方案中，距离Z是在0.5至3.5英寸范围内。当然，在其他实施方案中，焊接立即发生在烧蚀操作之后是不要求的。事实上，激光烧蚀可以发生在另一工作站。

图7依据本发明描述焊接系统200的另一示例性实施方案。在这个系统200中蒸气排出系统201和管口203被并入。管口203被安置以使它可以从焊接区移除任何被蒸发的覆层材料。这将防止蒸气污染焊缝或以其他方式干扰对于焊接操作可能需要的任何保护。在所示的实施方案中，管口被耦合到激光器109以使管口203笼罩激光束111。在示例性实施方案中，管口203的端是在工件表面之上0.125至0.5英寸范围内的距离X处。距离X不应该干扰焊接操作，但是应该足够来在烧蚀期间移除被蒸发的覆层的至少一些。同样在图4中所示出的是保护气体供应器205和管口207，以将保护气体递送到焊缝。这样的系统是一般地已知的并且在本文将不被详细讨论。

图8描述本发明的另一示例性实施方案。系统300采用系统控制器301，所述系统控制器301至少耦合焊接电源供应器101与激光器电源供应器108，以使这些部件的操作被同步。这样的实施方案可以允许这些部件在启动、焊接及停止期间的方便的同步。另外，控制器301可以允许激光器电源供应器108或焊接电源供应器101中的任何一个或两个在焊接操作期间调整。就是说，控制器301可以引导激光器电源供应器108针对焊接的第一部位来为激光束提供第一功率密度，并且然后针对焊接的第二部位提供第二功率密度(这是不同的)。当然，功率密度可以保持相同，但是烧蚀区域或区的尺寸可以按需要来改变。类似地，烧蚀模式也可以按需要从焊接接头的第一部位到第二部位改变。例如，要被焊接的焊接接头在单个焊接操作期间可以具有变化的参数。因此，控制器301可以适当地控制激光器和焊接操作。例如，在焊接期间关闭激光器或改变激光器的能量水平或束形状可以是可期望的。控制器301将允许这些改变发生在焊接期间。进一步地，在一些示例性实施方案中，激光器109可以如所期望的在焊接期间由马达303移动或振荡。类似地，激光器109的光学器件可以在焊接期间由光学器件控制器305改变。这增加了系统300的灵活性并且允许在单个焊接操作中焊接复杂的焊接接头。例如，激光器可以以足够的速率来回振荡以使单条束111可以足够地烧蚀多个表面，而不是使用两条束来烧蚀至少两个焊接表面。类似地，激光器的光学器件可以被控制来在焊接期间改变束111的形状或束密度。

应该注意的是，尽管控制器301在图8中被描述为分开的部件，控制器可以被制成为与焊接电源供应器101或激光器电源供应器108中的任何一个一体(以及是一分开的部件)。

在另一示例性实施方案中，温度传感器307被安置来在束冲击区域和电弧焊操作之间的点处感知工件W表面的温度。传感器307被耦合到控制器301以使控制器301可以监测工件W表面的温度，以确保工件在烧蚀工艺期间没有过热。因此，如果表面温度太高，控制器301将调整激光器电源供应器108来降低束111的能量/功率密度。这将防止工件过热或过早熔化。

在另一示例性实施方案中，图8所示出的传感器307可以是光谱传感器，所述光谱传感器能够确定覆层(例如锌，涂料等等)已被移除。这样的光谱传感器可以包括激光诱导等离子光谱传感器或激光诱导击穿光谱传感器。例如，传感器307可以是使用光或激光束检测材料的存在的光谱传感器。在本发明的实施方案中，传感器307可以被校准来感知位于下面的基础材料(例如钢材)，以确保覆层正在被充分地烧蚀。到这样的程度，即检测到不充分的覆层烧蚀正在发生，系统经由控制器301可以适当地调整烧蚀。进一步地，传感器307也可以从烧蚀羽流中检测光谱线来确定烧蚀羽流(plume)(来自覆层的移除)是适当的。

同样应该注意的是，尽管图8描述清洗和焊接操作在工件W上同时发生，实施方案不限于此。具体地，在本发明的其他示例性实施方案中，系统200，300或500可以被实现，其中清洗操作与焊接操作分离，但是仍然还如所描述地被控制。就是说，考虑的是，清洗操作发生在工作单元的第一站，并且工件(一个或多个)被传递到焊接操作发生的工作单元的第二站(以机器人方式或以手动方式)。事实上，在系统300中，系统控制器301可以从第一站到第二站调配被清洗工件的传递。

图9描述可以用于本发明的示例性实施方案的一体焊头。在这个实施方案中，焊头600包括壳体结构601，所述壳体结构601耦合且包含焊接导电嘴105和激光器109的至少一部分来将束111引导到工件W。这样的壳体601在束和焊接电弧之间固定距离Z并且可以被用来简化焊接操作。在一些实施方案中，壳体601还包含蒸气排出管口203，以便利任何被蒸发覆层的移除。未示出的是也可以被耦合到壳体601的保护气体管口或焊接烟雾排出管口。在其他实施方案中，温度传感器307也可以被耦合到壳体601并且被安置，以使温度传感器307感知束111和电弧焊之间的工件W的表面。针对具体的焊接操作，壳体601可以具有按需要的结构或配置。例如，壳体601可以具有保护束111和焊接电弧免遭外部影响和污染的罩(未示出)，其中罩延伸到非常接近工件的表面。进一步地，壳体601可以在电弧和束111之间具有物理分隔器603，以防止任何污染且防止任何蒸气排出无意地从电弧焊操作移除保护气体。分隔器603可以延伸到非常接近工件表面。

本发明的进一步的示例性实施方案在图10至图14被描述，这在下面被详细讨论。在这些实施方案中，激光束111被引导到电弧焊操作下游的焊接熔池WP，以致将附加的热能施加到焊接熔池WP。附加的热能以熔融状态维持焊接熔池，所述熔融状态久于通常在电弧焊工艺期间会发生的熔融状态。通过以熔融状态保持焊接熔池较长的一段时间，在熔池中的任何被蒸发材料将具有更多的时间逃离焊接熔池并且仍然允许熔池在逃离的气泡周围关闭，以形成具有降低的孔隙度的焊接接头。如之前所解释的，电弧焊覆盖材料可以导致在焊接接头中的被蒸发材料的捕获。这是因为焊接熔池在气泡可以完全逃离之前凝固。然而，在本发明的这些实施方案中，焊接熔池被保持熔融较长的一段时间，为任何被捕获的气体逃离以及熔池在逃离的气体周围关闭给予更多的时间。如下面所讨论的，本发明的实施方案通过以激光束照射焊接熔池来完成这个操作，以将附加的热能施加到焊接熔池。

现转到图10，示例性系统700被示出。系统700包含类似于之前至少关于图5所描述的那些的部件，并且以类似的方式被操作和控制(如此一来，这些部件的详细讨论将不在这里重复)。然而，如图10所示，激光器109和束111被安置在炬105之后的跟随位置，以使束111被引导到焊接熔池WP的下游部分。束111具有一能量密度，所述能量密度足够来将热量施加到焊接熔池WP来以熔融状态维持熔池WP，所述熔融状态长于通常在电弧焊操作之后的情况下会是的熔融状态。就是说，束111的能量应该是这样的，以使从束111提供的热量在与存在于熔池WP中的热量组合时延伸焊接熔池WP的长度，以使被捕获的气体可以在焊接操作期间逃离。除了调整束111的能量密度之外，本发明的示例性实施方案也可以调整束111与熔池WP的互作用时间。就是说，本发明的实施方案也可以调整束111的尺寸和移动(行进速度)，以使束111互作用时间提供所期望的能量输入到WP中来获得所期望的结果。因此，本发明的实施方案可以使用上面及本文所描述的控制方法论来不仅控制束的能量密度，而且控制互作用时间——包括但不限于束尺寸、截面、行进/移动速度等等。在本发明的示例性实施方案中，互作用时间应该不多于5ms。在另一示例性实施方案中，互作用时间应该不多于3.5ms。

由于这个原因，本发明的实施方案可以获得类似于关于图1至图9所讨论的实施方案的性能属性。就是说，在图10至图14中所表征的实施方案可以获得上面所讨论的类似的孔隙度、飞溅、速度以及熔敷率性能属性，除了如与焊接之前烧蚀工件相反的，束111正在照射焊接熔池的下游侧之外。

在本发明的示例性实施方案中，束111具有10⁵W/cm²以下的功率密度。在示例性实施方案中，功率密度是在按期望保持表面熔融的水平，并且不通过熔池和工件产生小孔。

图11和图12描述示例性焊接操作和以本发明的实施方案创建的焊接熔池。如图11所示，束111在电弧焊操作下游的激光斑LS处照射焊接熔池WP。未示出的是保护气体的使用，然而本发明的实施方案可以利用在本领域是一般地已知的保护气体。

图12描述焊接期间焊接熔池WP自上而下的视图。接近焊接熔池WP前边缘的是电弧斑AS，所述电弧斑AS是在焊接熔池WP上焊接电弧接触焊接熔池WP的斑。在稳定的焊接操作期间，电弧斑AS在焊接操作进行时相对于焊接熔池WP的边界典型地保持静止。电弧斑AS的下游是激光斑LS，其也冲击焊接熔池WP。在一些示例性实施方案中，激光斑LS在焊接期间相对于电弧斑AS保持静止，以使两者之间的相对定位保持为恒定。然而，在其他示例性实施方案中，激光斑LS在焊接操作期间可以被移动，以在焊接期间照射焊接熔池WP的不同部分。在图12所示出的实施方案中，激光斑LS在电弧斑AS之后以圆形的模式移动。当然，也可以使用其他模式。例如，在其他示例性实施方案中，斑LS可以按需要针对所期望的熔池的形状和长度横贯熔池的宽度和/或沿熔池的长度来扫描。例如，可以期望来增加熔池的长度或创建具体的熔池形状。如此一来，斑LS的互作用时间可以通过改变扫描模式和/或斑LS的移动速度来控制。这可以得到的是，在焊接熔池上具有非均匀的能量输入。例如，在一些实施方案中，可期望的是，在焊接熔池的后(trailing)边缘处相比于接近前(leading)边缘处具有较少的热量输入。如此一来，斑LS可以被控制来通过改变束的能量和/或互作用时间提供非均匀的热量输入到焊接熔池中。

在本发明的示例性实施方案中，相比于焊接熔池WP，可期望的是保持激光斑LS相对地小。这将有助于防止焊接熔池WP被激光束111无意地加宽。例如，在本发明的示例性实施方案中，激光斑LS具有在焊接期间焊接熔池WP的宽度Y的5％至35％范围内的直径。在其他示例性实施方案中，激光斑LS具有在焊接期间焊接熔池WP的宽度Y的10％至25％范围内的直径。这样的直径允许足够的热量输入到焊接熔池中，而没有不必要地加宽焊接熔池WP的宽度。应该注意的是，尽管在附图中示出具有圆形的截面的激光斑LS，本发明在这方面不受限制，因为其他斑的形状可以被利用，包括方形的、矩形的等等。如果非圆形的形状被使用，激光斑的直径将是与被利用的激光斑具有相同面积的圆的直径。在本发明的其他实施方案中，斑LS可以具有直至焊接熔池宽度的100％的宽度。

同样如图12所示出的是焊接熔池的延长度。在不使用激光束111时，焊接熔池将具有第一焊接熔池长度WP1，这会是仅在焊接操作且没有附加的外部热量被提供到熔池时的焊接熔池WP的长度。激光束111的使用将焊接熔池WP延长到第二长度WP2，所述第二长度WP2长于第一长度WP1。在本发明的实施方案中，激光束111进行这个操作而不增加焊接熔池WP的宽度Y。焊接熔池的第二长度WP2应该是这样的，以使被捕获的气体在焊接期间有机会逃离焊接熔池WP。然而，焊接熔池的第二长度WP2不应该达到这样的程度，以致附加的热量输入可观地危害所创建的焊接接头的完整性。在本发明的示例性实施方案中，第二焊接熔池长度WP2比第一焊接熔池长度长不多于50％。在进一步的示例性实施方案中，第二焊接熔池长度WP2是在比第一焊接熔池长度WP1长20％至45％范围内。这样的实施方案对于被捕获的气体给予足够的时间逃离而不过度地加热焊接熔池。

同样在图12所示出的是激光斑LS与焊接熔池的边缘及电弧斑AS之间的关系。如上面所陈述的，在一些示例性实施方案中，激光束111在焊接熔池WP的宽度Y上没有产生增加。因此，在一些实施方案中，合乎期望的是确保激光斑LS在焊接期间没有太靠近焊接熔池WP的边缘。在本发明的实施方案中，激光斑LS被安置(无论其是否正在移动)以使在激光斑LS和熔池WP的边缘之间维持最小距离X。在本发明的实施方案中，距离X是焊接熔池WP的宽度Y的不少于10％。在其他示例性实施方案中，距离X是焊接熔池宽度的不少于20％。当然，在其他实施方案中，斑LS可以靠近焊接熔池的的侧以使距离X接近为0，但是斑LS的互作用时间和/或能量密度应该是这样的以使焊接熔池没有被无意加宽。在又另一示例性实施方案中，激光可以被散焦来使焊接熔池变平和/或展开。例如，激光束可以被散焦来使熔池变平以避免创建或劣质或狭窄的焊道。在这些实施方案中的一些，被散焦的激光的覆盖范围可以与焊接熔池重叠并且冲击工件(一个或多个)的非焊接熔池部分。

进一步地，在本发明的一些实施方案或使用应用中，可能合乎期望的是确保束111和/或来自束的热量在焊接操作期间没有冲击电弧。在这样的实施方案中，激光斑LS在电弧斑AS之后维持最小距离Z。在本发明的实施方案中，距离Z是焊接熔池WP的长度WP2的不少于10％。在其他示例性实施方案中，距离Z是不少于25％，并且在进一步的示例性实施方案中，距离Z是在10％至45％范围内。一般地，电弧斑AS是焊接熔池上焊接电弧与焊接熔池WP接触的区域。无论电弧斑AS和激光斑LS之间的关系是否是合乎期望的，所述关系可以取决于将被焊接的材料和将被采用的焊接工艺，但是对于本发明的所有实施方案或者实施方案的应用来讲不是必需的。

图13描述本发明的另一示例性系统800。系统800具有类似于图8所示的系统300的部件及构造。如此一来，这些部件的讨论不在这里重复。然而，在图13所示的系统800中，焊炬105是在激光器109和束111的上游。再次，在这个实施方案中，如上面所讨论的，束111冲击焊接熔池WP来将能量施加到焊接熔池。同样在图13中所示出的是被耦合到系统控制器301的温度传感器307。传感器307和控制器301的操作类似于关于图8所讨论的操作。然而，在系统800中，传感器307在焊接期间感知焊接熔池WP的温度来确定要在熔池WP处被引导的束111的能量水平。在示例性实施方案中，对于给出的焊接操作，熔池温度在控制器301中被设定，所述熔池温度被控制器301用来经由束111维持所期望的熔池温度。例如，如果所检测的熔池温度高，束能量将被降低，反之如果所检测的温度低，束111的能量被增加来提供所需要的能量到熔池中以按需要增加熔池长度。

进一步地，在本发明的其他示例性实施方案中，系统800(或类似的系统)可以被用来控制焊道WB的平整度(flatness)。因此，系统800可以被用来控制输入到熔池中的热量以控制焊道的轮廓/平整度。系统800可以监测输入到焊接熔池WP的热量来确定焊道轮廓并且控制系统来获得所期望的焊道轮廓。例如，激光束的互作用时间/能量密度可以被控制来获得所期望的焊道轮廓。在进一步的实施方案中，传感器307可以是能够检测焊道形状(高度、宽度、长度等等)的传感器，例如视觉传感器。因此，焊道的形状可以被用来控制激光器的操作以获得所期望的形状。这样的传感器是一般地已知的并且可以包括视觉传感器和/或热敏传感器。

在本发明的另一示例性实施方案中，传感器307被安置在束111的下游，以检测熔池的后部分或邻近焊接熔池WP的焊道的部位的温度。在这样的实施方案中，传感器307可以被安置来检测在焊接电弧的下游一设定距离处的工件W表面的温度。在一个示例性实施方案中，传感器307被安置来在焊接期间检测焊接熔池边缘的温度。基于所感知的温度，控制器301控制激光器109的能量输出，以确保正确的温度被传感器307检测，这表明焊接熔池WP具有正确的尺寸和温度。例如，传感器307被安置来确定在离焊接电弧一设定距离处的工件的表面温度，其中期望的是，在检测点处的工件表面被期望处于熔融状态。如果所检测的温度低于温度设定值，这表明焊接熔池WP可能没有足够长，控制器301向电源供应器108发信号来增加束能量111以增加能量到熔池WP中，以获得所期望的长度。类似地，如果所检测的温度太高，控制器301导致激光能量将被降低。

从激光器109和束111到焊接熔池WP的热量输入的控制可以以许多不同的方式来获得。就是说，本发明的实施方案可以使用多种控制方法论来改变从束111的热量输入。实施例可以包括以下中的任何一个或组合：(1)使束111脉动和/或改变束111的脉冲率来改变热量输入；(2)改变束的截面形状或尺寸来在束接触熔池时改变束111的能量密度；(3)增加或减少束111的能量密度，其中不改变束的形状；以及(4)相对于焊接电弧改变束111的位置或移动。

在其他示例性实施方案中，其他类型的传感器可以被用来控制激光器109的输出。例如可以使用视觉传感器，所述视觉传感器检测从熔融的焊接熔池WP到凝固的焊道WB的过渡，以使束111被控制以致在熔池和焊道之间的过渡部位以离焊接电弧所期望的位置或距离被维持。被用来监测焊接熔池形状的光学系统是一般地已知的并且不需要在本文被详细讨论。进一步地，可以使用线扫描系统(作为示例性系统)，所述线扫描系统在熔池的表面上识别孔的存在，并且基于孔的检测，可以控制从激光器的热量输入。在其他实施方案中，焊缝监测软件/系统可以被用来监测焊缝的孔隙度/质量。这样的系统的实施例是来自美国俄亥俄州克里夫兰市的林肯电气公司的Weld Score^TM质量监测系统。在进一步的示例性实施方案中，线扫描系统也可以被用来在由熔池产生的最终焊道中检测孔的存在/数量，并且基于孔的检测(例如，超过阈值量)激光器可以被控制来更改熔池以降低所检测的孔的数量。这样的系统可以是结构光(激光线)系统，所述结构光(激光线)系统针对孔或孔隙度扫描凝固后的焊道表面，并且然后基于来自这个系统的反馈，可以更改工艺来在焊道中降低孔隙度。例如，可以更改激光互作用时间。

在本发明的示例性实施方案中，控制器301利用的设定值(无论温度或其他类型)基于焊接输入信息被确定。例如，本发明的实施方案可以使用焊接电流、行进速度、焊丝送进速度、焊接功率、焊接电压、耗材类型以及工件类型(例如低碳钢、不锈钢等等)中的至少一个来为操作确定设定值。设定值可以基于状态表的使用或经由算法或任何其他方法来选择以创建所期望的设定值。在焊接期间，所检测的反馈与设定值相比来控制激光器109的输出，以确保获得所期望的焊接熔池WP。例如，使用者将信息输入到焊接电源供应器101和/或系统控制器301中，这可以包括上面关于焊接操作所描述的信息。在控制器301中，控制算法、状态表、查找表等等确定焊接熔池WP必须具有设定的温度和/或在焊接电弧下游一距离处是熔融状态，以确保焊接熔池具有允许获得本发明的好处的长度。在焊接期间，传感器307以这样的距离监测熔池和/或工件表面来确保所期望的设定值被维持。如果来自传感器307的反馈(例如温度读数)与所期望的设定值不一致，则控制器301导致束111的特征或激光器109的操作改变以获得所期望的设定值。

图14描述本发明的附加焊接系统900，其中至少两条激光束111和111'被用于焊接操作。就是说，系统900包括第一激光器109和第二激光器109'。第一激光器109被耦合到第一激光器电源供应器108并且如本文所描述的被操作来在焊接之前照射工件，并且第二激光器109'被耦合到第二激光器电源供应器108'并且如本文所描述的被操作来照射焊接熔池WP。在这样的实施方案中，两条激光束111和111'一起工作，以有助于最小化孔隙度和飞溅同时增施加操作的焊接速度，这样的实施方案可以被用来获得本文所描述的性能水平，但是针对两个激光器109和109'的使用来分配所需的激光能量密度。同样如图14所示，多个传感器307和307'可以被用在焊接电弧的每一侧上，并且与本文所描述的传感器的讨论一致地被操作来控制激光器109和109'的输出。

同样注意的是，利用焊接电弧下游的激光器的本发明的示例性实施方案可以在构造和操作上类似于图7和图9所示的实施方案，除了上面关于图10至图14所描述的束111正在照射焊接熔池之外。

应该注意的是，在本发明中所描述的搭接接头焊缝意图作为本发明的实施方案是示例性的，本发明的实施方案可以被用来焊接许多不同类型的焊接接头。有许多不同类型的焊接接头，所述焊接接头可以在焊道导致被蒸发覆层的捕获，并且本发明的实施方案也可以针对那些类型的焊接接头来调适和采用。

尽管本发明已经参照其示例性实施方案被具体地示出和描述，但本发明不限于这些实施方案。本领域的普通技术人员将理解的是，其中可以进行形式和细节上的各种改变而不脱离如由随后的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

参考标号：

100 清洗系统 600 焊头

101 焊接电源供应器 601 壳体结构

102 烧蚀区 603 物理分隔器

103 焊条 700 系统

104 洞 800 系统

105 导电嘴 900 附加焊接系统

106 腔 AS 电弧斑

107 焊丝送进系统 C 覆层

108 电源供应器 C1 覆层

108' 第二激光器电源供应器 C2 覆层

109 高能量热源 LS 激光斑

109' 第二激光器 S1 接触表面

111 束 S2 接触表面

111' 激光束 W 工件

200 焊接系统 W1 第一工件

201 蒸气排出系统 W2 第二工件

203 管口 WB 焊道

205 保护气体供应器 WP 焊接熔池

207 管口 WP1 第一长度

300 系统 WP2 第二长度

301 系统控制器 X 给定行进距离

303 马达 Y 宽度

305 光学器件控制器 Z 距离

307 温度传感器

307' 多个传感器

401 激光焊道

403 电弧焊道

500 焊接系统

Claims

1.一种焊接方法，所述焊接方法包括：

利用电弧焊工艺焊接至少一个工件，以使液态焊接熔池从所述至少一个工件被创建，其中所述焊接在行进方向被执行；以及

相对于所述行进方向，将能量束引导到所述电弧焊工艺下游的所述焊接熔池的表面，以使所述能量束将热能施加到所述焊接熔池来更改所述焊接熔池的形状；

其中由所述焊接和引导步骤创建的焊接接头具有不多于30％的截面孔隙度和不多于30％的长度孔隙度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述能量束是具有不多于10⁵W/cm²功率密度的激光束。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述能量束在所述焊接期间相对于所述电弧焊工艺被移动。

4.如权利要求1至3中的一项所述的方法，其中所述能量束在所述焊接熔池处具有宽度，所述宽度是在所述焊接熔池最大宽度的5％至35％范围内。

5.如权利要求1至4中的一项所述的方法，其中所述焊接熔池具有总长度，所述总长度比单独由所述电弧焊工艺创建的焊接熔池长不多于50％。

6.如权利要求1至5中的一项所述的方法，其中在所述焊接熔池的边缘和所述焊接熔池上由所述能量束创建的斑的边缘之间的最小距离是在焊接期间所述焊接熔池最大宽度的不少于10％。

7.如权利要求1至6中的一项所述的方法，其中在所述焊接熔池上由所述能量束创建的斑的边缘和由所述电弧焊工艺创建的在所述焊接熔池上的电弧斑之间的最小距离是所述焊接熔池最大长度的不少于10％。

8.如权利要求1至7中的一项所述的方法，还包括感知所述焊接熔池的表面和所述工件的表面中的至少一个的温度，并且响应所述感知的温度改变所述能量束的操作。

9.如权利要求1至8中的一项所述的方法，还包括检测由所述焊接和引导步骤创建的焊道的形状，以及响应所述检测的形状改变所述能量束的操作。

10.如权利要求1至9中的一项所述的方法，还包括在所述焊接熔池和由所述焊接熔池形成的焊道中的至少一个的表面检测孔隙度，以及响应所述检测的孔隙度改变所述能量束的操作。

11.如权利要求1至10中的一项所述的方法，其中所述能量束具有不多于5ms的互作用时间。

12.如权利要求1至11中的一项所述的方法，其中在所述焊接期间所述工件在要被焊接的所述工件的表面上具有覆层。

13.如权利要求1至12中的一项所述的方法，其中所述截面孔隙度和所述长度孔隙度中的至少一个不多于10％。

14.一种焊接系统，所述焊接系统包括：

电弧焊电源供应器，所述电弧焊电源供应器被耦合到电弧焊炬，用于在工件上执行电弧焊操作来创建焊接接头，其中在所述电弧焊操作期间焊接熔池被创建；以及

能量束电源供应器，所述能量束电源供应器被耦合到能量束源，所述能量束源在行进方向在所述电弧焊操作下游的所述焊接熔池的表面处引导能量束，

其中所述能量束具有足够来将热能施加到所述焊接熔池的能量密度和/或互作用时间；并且

其中所述系统创建具有不多于30％的截面孔隙度和不多于30％的长度孔隙度的焊接接头。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述能量束是具有不多于10⁵W/cm²功率密度的激光束。

16.如权利要求14或15所述的系统，还包括能量束移动装置，所述能量束移动装置在焊接期间相对于所述电弧焊工艺移动所述能量束。

17.如权利要求14至16中的一项所述的系统，其中所述能量束在所述焊接熔池处具有宽度，所述宽度是在所述焊接熔池最大宽度的5％至35％范围内。

18.如权利要求14至17中的一项所述的系统，其中所述焊接熔池具有总长度，所述总长度比单独由所述电弧焊工艺创建的焊接熔池长不多于50％。

19.如权利要求14至18中的一项所述的系统，其中在所述焊接熔池的边缘和在所述焊接熔池上由所述能量束创建的斑的边缘之间的最小距离是在焊接期间所述焊接熔池最大宽度的不少于10％。

20.如权利要求14至19中的一项所述的系统，其中在所述焊接熔池上由所述能量束创建的斑的边缘和由所述电弧焊操作创建的在所述焊接熔池上的电弧斑之间的最小距离是所述焊接熔池最大长度的不少于10％。

21.如权利要求14至20中的一项所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器感知所述焊接熔池的表面和所述工件的表面中的至少一个的温度，并且其中响应所述感知的温度改变所述能量束的操作。

22.如权利要求14至21中的一项所述的系统，还包括检测装置，所述检测装置被安置为邻近所述电弧焊操作，所述检测装置检测从所述焊接熔池创建的焊道的形状，并且其中响应所述检测的形状改变所述能量束的操作。

23.如权利要求14至22中的一项所述的系统，还包括表面孔隙度检测装置，所述表面孔隙度检测装置在所述焊接熔池和由所述焊接熔池形成的焊道中的至少一个的表面检测孔隙度，并且其中响应所述检测的孔隙度改变所述能量束的操作。

24.如权利要求14至23中的一项所述的系统，其中所述能量束具有不多于5ms的互作用时间。

25.如权利要求14至24中的一项所述的系统，其中在所述焊接期间所述工件在要被焊接的所述工件的表面上具有覆层。

26.如权利要求14至25中的一项所述的系统，其中所述截面孔隙度和所述长度孔隙度中的至少一个是不多于10％。