用于使用高能源和热焊丝的增材制造的方法和系统的制作方法

用于使用高能源和热焊丝的增材制造的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种方法和系统，该方法和系统采用高强度能源制造工件(115)从而产生熔池(A)和至少一根电阻加热焊丝(140)，该至少一根电阻加热焊丝被加热到处于或接近其熔化温度并且作为熔滴(D)熔敷到该熔池中。
【专利说明】
用于使用高能源和热焊丝的増材制造的方法和系统
技术领域
[0001]某些实施例涉及增材制造应用。更具体地，某些实施例涉及一种使用组合式填充焊丝送进和能源系统用于增材制造应用的系统和方法。
背景
[0002]使用各种方法的增材制造的使用近来已经得到发展。然而，已知的方法具有各种缺点。例如，一些工艺使用通常缓慢的金属粉末并且会造成大量粉末浪费。使用基于电弧的系统的其他方法也缓慢并且不准许制造高精度的制品。因此，需要可以高速、并且高精度水平操作的增材制造工艺和系统。
[0003]通过这种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，常规、传统和所提出的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。

【发明内容】

[0004]为了以高操作水平和/或通过高精确水平制造增材，本发明提出根据权利要求1或7所述的增材制造系统和根据权利要求10所述的增材制造方法。优选的实施例可由从属权利要求中获得。根据进一步优选的实施例，所述高能装置可以在所述电流脉冲中的每个电流脉冲之间关掉所述高能放电，和/或所述电源可以使用电弧发生电压阈值并且保持所述峰值电流电平低于所述电弧发生电流阈值，和/或所述电源可以在所述焊丝的所述远端与所述熔池发生接触之前将开路电压提供至所述焊丝，和/或所述电源可以监测当所述焊丝与所述熔池接触时所述加热信号的电压并且将所述电压与电弧检测电压电平进行比较，和/或所述电源可以在检测到所述电压超过所述电弧检测电压电平之后关掉所述加热信号。本发明的实施例包括一种用于增材制造的系统和方法，其中，高能装置用高能放电照射工件的表面从而在该工件的表面上产生熔融熔池。送丝装置将焊丝送进到熔池，并且电源向焊丝供应加热信号，其中，该加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，这些电流脉冲中的每个电流脉冲在焊丝的熔敷到熔池中的远端上产生熔融熔滴。这些电流脉冲中的每个电流脉冲在送丝器引起焊丝的远端接触所述熔池之后达到峰值电流电平，并且该加热信号在这些电流脉冲中的该多个电流脉冲之间没有电流。该送丝器控制焊丝的移动，这样使得焊丝的远端在这些电流脉冲的后续峰值电流电平之间不与熔池接触，并且该电源控制加热电流，这样使得在这些电流脉冲期间，在焊丝与工件之间不产生电弧。
附图简要说明
[0005]通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中:
[0006]图1展示了本发明的增材制造系统的示例性实施例的示意性框图；
[0007]图2A至图2D展示了根据本发明的示例性实施例的熔滴熔敷过程；
[0008]图3展示了根据本发明的示例性实施例的熔滴熔敷过程的另一个视图；
[0009 ]图4A至图4B展示了可以与本发明的实施例一起使用的代表性电流波形；
[0010]图5展示了本发明的电压和电流波形的代表性实施例；
[0011]图6A和图6B展示了用于帮助熔滴熔敷的激光器的利用；
[0012]图7展示了根据本发明的方面的焊丝加热系统的示例性实施例；
[0013]图8A展示了可以与图7的系统一起使用的电流波形的示例性实施例；
[0014]图SB展示了本发明的示例性实施例的电流波形、电压波形、送丝速度和激光功率的示例性实施例；
[0015]图9展示了本发明的焊丝加热系统的另一个示例性实施例；
[0016]图10展示了使用多根焊丝的本发明的进一步的示例性实施例；
[0017]图11展示了本发明的系统的另一个示例性实施例;并且
[0018]图12展示了根据本发明的实施例的电源系统。
【具体实施方式】
[0019]现在将参考附图来在下面描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明、而不旨在以任何方式限制本发明的范围。类似参考号在所有附图中表示类似的要素。
[0020]术语“增材制造”在本文中以广义方式使用并且可以指代任何应用，包括建造、构造、或创造物体或部件。
[0021]图1展示了用于执行增材制造的组合式填充焊丝送进器和能源系统100的示例性实施例的功能性示意框图。系统100包括能够使激光束110聚焦到工件115上从而对工件115加热的激光器子系统。该激光器子系统是高强度能源。该激光器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、光纤输送或直接二极管激光器系统。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、钨极气体保护弧焊子系统、气体保护金属弧焊子系统、焊剂药芯焊丝弧焊子系统、和埋弧焊子系统中的至少一者。以下说明将重复提到激光器系统、射束和电源，然而，应理解的是，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。该激光器子系统包括彼此操作性地连接的激光器装置120和激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光器装置120的功率。
[0022]系统100还包括能够提供至少一根电阻填充焊丝140来与激光束110附近的工件115相接触的热填充焊丝送进器子系统。当然，应理解的是，通过在本文中引用工件115，熔融熔池被认为是工件115的一部分，因此对与工件115的接触的引用包括与熔池的接触。送丝器子系统包括填充焊丝送进器150、导电管160、和电源170。在操作过程中，填充焊丝140被来自操作性地连接在导电管160与工件115之间的电源170的电流电阻加热。根据本发明的实施例，尽管交流(AC)或其他类型的电源也是可以的，但电源170是脉冲直流(DC)电源。焊丝140从填充焊丝送进器150通过导电管160被朝着工件115送进并且延伸到该嘴160之夕卜。焊丝140的外延部分被电阻加热，这样使得外延部分在接触到工件上的熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于使工件115的基本金属中的某些基本金属熔化从而形成熔池并且还可以用于使焊丝140熔化到工件115上。电源170提供电阻熔化填充焊丝140所需的能量。如以下将进一步解释的，在一些实施例中，电源170提供所需的所有能量，而在其他实施例中，激光器或其他高能热源可以提供该能量中的一些能量。根据本发明的某些其他实施例，送进器子系统可能能够同时提供一根或多根焊丝。这将在以下进行更全面的讨论。
[0023]系统100进一步包括能够使激光束110(能源)和电阻填充焊丝140沿着工件115朝同一方向125移动(至少在相对意义上)的运动控制子系统，这样使得激光束110和电阻填充焊丝140彼此保持相对固定。根据各实施例，工件115与激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际移动工件115或通过移动激光器装置120和送丝器子系统来实现。在图1中，运动控制子系统包括操作性地连接至机器人190的运动控制器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)至工件115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。根据本发明的替代性实施例，激光器装置110和导电管160可以被集成到单个头中。该头可以经由操作性地连接至该头的运动控制子系统来沿着工件115移动。
[0024]通常，存在可以使高强度能源/焊丝相对于工件移动的若干种方法。如果工件是圆的，例如，高强度能源/焊丝可以是静止的，而工件可以在该高强度能源/焊丝下旋转。可替代地，机器人臂或线性牵引机可以平行于圆形工件移动，当工件旋转时，高强度能源/焊丝可以连续地移动或者每个循环转位一次以便(例如)覆盖圆形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圆的，则工件可以如图1中所示的在高强度能源/焊丝下移动。然而，机器人臂或线性牵引机或甚至安装射束的滑架可以用于使高强度能源/焊丝头相对于工件移动。
[0025]系统100进一步包括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至工件115和导电管160(即，有效地连接至电源170的输出端)并且能够测量工件115与焊丝140之间的电势差(S卩，电压V)和通过它们的电流(I)。感测和电流控制子系统195可能进一步能够从所测量的电压和电流计算电阻值(R = V/I)和/或功率值(P = V*I)。通常，当焊丝140与工件115接触时，焊丝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，如本文中稍后更详细描述的，感测和电流控制子系统195能够在电阻填充焊丝140与工件115接触和操作性地连接至电源170时进行感测，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可以是电源170的组成部分。
[0026]根据本发明的实施例，运动控制器180可以进一步操作性地连接至激光器电源130和/或感测和电流控制器195。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115什么时候运动，并且这样使得运动控制器180知道激光器装置120是否是活动的。类似地，以此方式，运动控制器180以及感测和电流控制器195可以彼此通信，这样使得感测和电流控制器195知道工件115什么时候运动，并且这样使得运动控制器180知道填充焊丝送进器子系统是否是活动的。这类通信可以用于协调系统100的各子系统之间的活动。
[0027]如众所周知的，增材制造是一种材料熔敷到工件上以便创造所期望的制造产品的工艺。在一些应用中，制品会是非常复杂的。然而，用于增材制造的已知方法和系统常常是缓慢的并且具有的性能有限。本发明的实施例通过提供高速和高准确度增材制造方法和系统解决了那些领域。
[0028]图1中所描绘的系统100是这类示例性系统，其中，焊丝140被重复熔化成熔滴并且熔敷到工件上，从而产生所期望的形状。图2A至图2D示例性描绘了这种工艺。如这些图中所示。如图2A中所示，工件的表面被激光束110(或其他热源)照射，而焊丝140不与工件接触。射束110在工件的表面上产生熔融熔池A。在大多数应用中，熔池A具有小面积，并且穿透水平将不是其他操作(如焊接或接合)所要求的穿透水平。相反，熔池A被产生为使工件的表面准备接收来自焊丝140的熔滴并且引起与该熔滴的充分粘结。因此，射束110的射束密度使得在工件上仅产生小熔池而不引起太多的热量输入到工件中或造成熔池太大。一旦产生熔池，随着焊丝被推进到熔池A，熔滴D形成在焊丝140的远端以便与熔池A相接触，见图2B。在接触之后，熔滴D熔敷到熔池A和工件上(见图2C)。重复这个过程以便创造期望的工件。在图2D中，示出了可选步骤，在该步骤中，在熔敷的熔滴D与焊丝140分离之后，射束110被引导在所熔敷的熔滴处。在这类实施例中，射束110可以用于使工件表面平滑和/或添加附加热量来允许熔滴D完全整合到工件上。进一步地，该射束可以用于提供工件的附加成形。
[0029]图3描绘了来自焊丝140的熔滴D的示例性熔敷过程。图3的左边缘上的图像描绘了焊丝140与工件相接触。电源170检测到这个接触，然后，该电源向焊丝140提供加热电流，以便将该焊丝加热到处于或接近焊丝140的熔化温度。用于检测工件与焊丝140之间的接触的检测电路可以被构造并且像焊接电源中所使用的已知检测电路一样操作，并且因此不需要在本文中提供对该电路操作和结构的详细解释。来自电源170的加热电流非常快速地斜升从而提供必要的能量来使熔滴D从焊丝140的末端熔化。然而，小心控制该电流，从而使得在焊丝140与工件之间不产生电弧。电弧的产生会证明对工件有破坏性并且因此不是令人期望的。因此，以为了防止形成电弧这类方式(以下进行了进一步解释)控制电流。
[0030]转回到图3，焊丝140与工件相接触并且电源170提供熔化电流(I)。在一些示例性实施例中，开路电压OCV可以在接触之前施加于焊丝140。在接触之后，电流快速斜升以便使焊丝140的末端熔化从而产生有待熔敷(2)的熔滴D。电流还引起焊丝140正好在熔滴D上方颈状收缩以便允许熔滴D与焊丝140分离(3)。然而，电流受到控制，这样使得当焊丝140颈状收缩时，电流被关闭或大大减小，从而使得当焊丝140与熔滴D分离时，焊丝140与工件之间不产生电弧(4)。在一些示例性实施例中，在熔滴D与焊丝140之间的连接断开期间和就在其之前，焊丝140可以缩回离开工件。因为熔滴D与熔池相接触，熔池的表面张力将会帮助使熔滴从焊丝140断离。一旦熔滴已经与焊丝140分离，焊丝140就被推进以重复该过程，从而熔敷另一个熔滴。焊丝140可以被推进到同一位置和/或下一个熔滴可以熔敷在任何期望的位置。
[0031]如之前讨论的，也可以在熔滴D已经熔敷在工件上之后利用激光束110在熔敷之后使工件平滑或以其他方式成形。此外，可以在熔敷过程中进一步利用射束110。也就是，在一些示例性实施例中，射束110可以用于向焊丝140添加热量从而帮助引起熔滴的形成和/或熔滴D与焊丝140的分离。这将在以下进一步讨论。
[0032]现在转到图4A和图4B，每个图描绘了本发明的示例性实施例可以利用的示例性电流波形。在图4A中，如可以看到的，波形400具有多个脉冲401，其中每个脉冲表示来自焊丝140的熔滴D的转移。电流脉冲401在焊丝140接触时开始。然后，电流使用斜升部分402增加到峰值电流电平401，该峰值电流电平就在焊丝140与熔滴D的分离之前发生。在这个实施例中，在斜升部分402过程中，电流不断增加从而引起熔滴形成和在分离之前焊丝发生颈状收缩。在熔滴D分离之前，电流在斜降部分404过程中快速减小，从而使得当发生分离时，不产生电弧。在图4A的波形400中，电流被切断并且下降到零。然而，在本发明的其他示例性实施例中，电流会下降到较低的分离电平而不需要被完全切断，直到发生分离。在这类实施例中，较低的分离电流电平将继续向焊丝140添加热量，从而帮助断开熔滴D。
[0033]图4B描绘了电流波形410的另一个示例性实施例。然而，在本实施例中，脉冲411具有利用多个不同斜坡速率区段的斜升部分402-如所示。在所示实施例中，在熔滴D分离之前，斜升部分402利用三个不同的斜坡速率402A、402B和402C。第一斜坡速率402A非常陡并且电流快速增加以便快速加热焊丝140，从而尽快开始熔化过程。在电流达到第一电平405之后，电流斜坡速率变成比第一斜坡速率更小的第二斜坡速率402B。在一些示例性实施例中，第一电流电平在脉冲的峰值电流电平413的35 %至60 %的范围内。斜坡速率402B小于初始斜坡速率402A以便帮助控制电流和防止形成电弧、或微电弧。在所示实施例中，第二斜坡速率被维持住直到熔滴D开始在焊丝140的远端形成。在所示实施例中，一旦熔滴D开始形成，电流斜坡速率就再次变成小于第二斜坡速率402B的第三斜坡速率402C。再次，斜坡速率的减少允许加强控制电流以便防止不注意产生电弧。如果电流增加太快，当检测到分离时会难以(因为各种问题，如系统电感)快速减小电流并且难以防止产生电弧。在一些示例性实施例中，第二斜坡速率与第三斜坡速率之间的过渡点407在脉冲411的峰值电流电平413的50%至80%的范围内。与图4A中的脉冲相同，当检测到熔滴分离时，电流显著减少，这将在以下进行更全面的解释。还应注意到，本发明的其他实施例可以使用不同的斜坡速率特征曲线而不脱离本发明的范围或精神。例如，这些脉冲可以具有两个不同的斜坡速率区段或者可以具有多于三个斜坡速率区段。此外，这些脉冲可以利用不断变化的斜升。例如，电流可以跟随反抛物曲线达到峰值电流电平，或者可以利用不同配置的组合，其中，恒定斜坡速率可以从焊丝接触开始使用直到第一电流电平405，并且然后可以从那点开始使用反抛物曲线。
[0034]如本文中所解释的，脉冲401/411的峰值电流电平将低于电弧发生电平，但在每个脉冲期间足以熔化掉熔滴D。本发明的示例性实施例可以利用不同的控制方法用于峰值电流电平。在一些示例性实施例中，峰值电流电平可以是由在增材制造之前输入的不同的用户输入参数所确定的峰值电流阈值。这类参数包括焊丝材料类型、焊丝直径、焊丝类型(药芯￥.实芯)和每英寸熔滴数(DP1)。当然，还可以利用其他参数。当接收到此输入信息时，电源170和/或控制器195可以利用不同的控制方法，如查找表，并且确定用于操作的峰值电流值。可替代地，电源170可以监测电源170的输出电流、电压、和/或功率以确定何时将会发生分离并且相应地控制电流。例如，可以监测(使用预感电路等等)dv/dt、di/dt和/dp/dt，并且当确定分离要发生时，关闭或减小电流。这将在以下进行更详细的说明。
[0035]以下讨论了本发明的示例性实施例的用途和操作。在增材制造过程开始时，电源170可以经由电源170在焊丝140与工件115之间施加感测电压。电源170可以根据感测和电流控制器195的命令来施加感测电压。在一些实施例中，所施加的感测电压不提供足够的能量来显著地加热焊丝140。在施加感测电压情况下，焊丝140的远端向工件115被推进。然后，激光器120发出射束110来加热工件115的表面并且产生熔池从而接收焊丝140。送丝器150执行该推进，并且当焊丝140的远端首先与工件115接触时，感测到与工件的接触。例如，控制器195可以命令电源170提供通过焊丝140的非常低的电流电平(例如，3到5安培)。该感测可以通过感测和电流控制器195测量焊丝140(例如，经由导电管160)与工件115之间的约零伏特(例如，0.4V)的电势差完成。当填充焊丝140的远端短路连接到工件115(即，与工件接触)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)。
[0036]在接触之后，电源170可以响应于该感测而在限定的时间间隔内(例如，若干毫秒)被关闭。然后，电源170可以在限定的时间间隔结束时返回来被打开，从而施加通过焊丝140的加热电流流动。并且，在感测到接触之后，射束110可以被关闭以便不向熔池或工件115添加太多热量。在一些实施例中，激光束110可以持续保持着，从而帮助熔滴D的加热和分离。这将在以下进行更详细的讨论。
[0037]在本发明的一些示例性实施例中，该过程可以包括响应于该感测而停止推进焊丝140、在限定的时间间隔结束时重新开始推进(S卩，重新推进)焊丝140、并且验证在施加加热电流流动之前、或者在施加加热电流和并且熔滴D形成之后填充焊丝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)。在这类实施例中，感测和电流控制器195操作性地连接至送丝器150以便命令送丝器150开始和停止。感测和电流控制器195可以命令电源170施加加热电流脉冲从而如上所述加热焊丝140，并且可以重复这个过程以便在工件上熔敷多个熔滴。
[0038]在操作过程中，高强度能源(例如，激光器装置120)和焊丝140可以沿着工件115移动从而按照所期望的那样提供熔滴。运动控制器180命令机器人190相对于激光束110和焊丝140移动工件115。激光器电源130提供用于操作激光器装置120形成激光束110的功率。在进一步的实施例中，激光器装置120包括光学器件，这些光学器件可以被调整成用于改变激光束110在工件的冲击表面上的形状。实施例可以使用射束形状来控制熔敷过程的形状，也就是通过使用矩形、椭圆或卵形形状的射束，可以形成相对窄的熔敷物，从而形成较薄的围壁结构。进一步地，射束形状可以用于在熔滴与耗材分离之后使熔敷物成形。
[0039]如以上讨论的，确定焊丝140与熔滴D之间将要发生断裂时，要关闭或大大减小脉冲电流。这可以用多种不同的方式完成。例如，这类感测可以通过感测和电流控制器195内的预感电路测量焊丝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完成。当变化速率超过预定义值时，感测和电流控制器195正式预测接触损耗将要发生。这类预感电路对于弧焊而言在本领域中是众所周知的，并且其结构和功能不需要在本文中进行详细描述。
[0040]当焊丝140的远端由于加热而变得高度熔化时，远端将会开始从焊丝140上箍断到工件115上。例如，那时，因为当焊丝的远端箍断时，其截面快速减小，所以电势差或电压增加。因此，通过测量这类变化速率，系统100可以预料远端何时将要箍断并且与工件115脱离接触。
[0041]如之前解释的，当感测到熔滴分离时，电源170可以关闭或大大减小电流。例如，在一些示例性实施例中，电流被减小到脉冲的峰值电流值的95%至85%的范围内。在示例性实施例中，这种电流减小在焊丝与熔池之间分离之前发生。
[0042]例如，图5展示了分别与本申请的增材制造工艺相关联的一对电压和电流波形510和520的示例性实施例。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通过焊丝140与工件115测量的。
[0043]无论何时焊丝140要与工件115脱离接触，电压波形510的变化速率(S卩，dv/dt)将超过预定阈值，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。这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将命令电源170关闭(或至少大大减小)通过焊丝140的电流流动。
[0044]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形成良好接触时，感测和电流控制器195命令电源170使通过电阻填充焊丝140的电流流动朝着预定输出电流电平550斜升(见斜坡525)。时间间隔530可以是预定时间间隔。根据本发明的实施例，斜升从设定点值540开始。当能源120和焊丝140相对于工件115移动时和当焊丝140由于送丝器150而朝着工件115推进从而在所期望的位置熔敷熔滴时，这个过程重复进行。以此方式，防止在焊丝140的远端与工件115之间形成电弧。加热电流的斜坡帮助防止当不存在这类状况时无意中将电压变化速率解释成为箍断状况或形成电弧状况。任何大的电流变化可能由于加热电路的电感而引起采用错误的电压读数。当电流逐渐斜升时，降低了电感效应。
[0045]如之前解释的，电源170向填充焊丝140提供加热电流。电流从接触尖端160流到焊丝140并且然后流到工件中。这个电阻加热电流引起尖端160与工件之间的焊丝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，达到填充焊丝140的熔化温度所需的热量将取决于焊丝140和化学成分而不同。相应地，在制造过程中达到焊丝的熔化温度的热量将取决于焊丝140而不同。如以下将进一步讨论的，填充焊丝的期望操作温度可以是输入到系统中的数据，从而使得在制造过程中维持期望的焊丝温度。在任何情况下，焊丝的温度应使得焊丝140可以将熔滴熔敷到熔池中。
[0046]在本发明的示例性实施例中，电源170供应引起焊丝140的远端的至少一部分处于在其熔化温度或高于其90 %的温度下的电流。例如，当使用具有大约2，000° F熔化温度的填充焊丝140时，焊丝接触时的焊丝温度可以为大致I，800° F。当然，应理解的是，对应的熔化温度和所期望的操作温度将至少根据填充焊丝140的合金、组成成分、直径和送进速率而不同。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焊丝的熔化温度或高于其95%的焊丝温度下。当然，在一些实施例中，焊丝的远端被加热电流加热至其熔化温度的至少99%。因此，当加热后的熔滴与激光产生的熔融熔池接触时，来自熔池的热量可以向焊丝140添加热量从而在焊丝140的末端完全产生熔融熔滴，从而使得当焊丝140被抽回时，熔滴粘附至熔池并且与其保持在一起。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，焊丝140容易被熔化进入或被消耗进入热源/激光器120产生的熔池中。也就是，焊丝140处于当焊丝140与熔池接触时不造成使熔池显著淬火的温度。因为焊丝140的高温，当与熔池接触时，焊丝快速熔化。在其他示例性实施例中，焊丝可以被加热到处于其熔化温度或高于其熔化温度的75%。然而，当加热到接近75%的温度时，将很可能的是，将需要附加热量来使显著熔化的熔滴转移。
[0047]如之前描述的，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可以被加热电流、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。也就是，焊丝140的加热/熔化可以由激光束110来帮助，这样使得射束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应被加热到的温度使得其表面反射率减小，从而允许射束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和射束110在焊丝140进入熔池的点处相交。图6A和图6B中示出了这种情况。
[0048]如图6A中所示，在一些示例性实施例中，射束110可以用于帮助熔滴D熔敷到工件115上。也就是，射束110可以用于向焊丝140的远端添加热量从而产生熔融熔滴。在这类实施例中，来自电源的加热电流可以保持在远低于电弧发生电平的电平下，从而确保将不会产生电弧但可以实现正确的熔滴转移。在这类实施例中，可以引导射束，这样使得其仅冲击熔滴D，或者在其他实施例中，射束110足够大、被成形或光栅化，其方式为该射束冲击熔滴的至少一部分和熔池的至少某个部分从而有助于向熔池添加热量以接收熔滴D。在射束110的能量密度的示例性实施例中，在该过程的这个阶段过程中，当该射束用于在工件115上产生熔池时，通常小于该射束的能量密度。
[0049]图6B描绘了本发明的其他示例性实施例，其中，在焊丝140处的射束110就在熔滴上方从而帮助其与焊丝分离。在这类实施例中，当感测到或确定焊丝140在熔滴上方颈状收缩，射束110被引导至焊丝，位于熔滴D与焊丝140之间的连接处，这样使得射束110帮助使两者分离。这类实施例帮助防止生成电弧，因为不需要使用加热电流来控制该分离。在一些示例性实施例中，射束110可以来自用于最初产生熔池的同一激光器120。然而，在其他实施例中，图6B中的射束还可以从也由控制器195控制的第二单独的激光器发出。因此，在这类实施例中，当控制器和/或电源检测到熔滴形成或熔滴D即将分离时，在激光束被引导向焊丝140以引起期望的分离的同时，电源170的输出电流可以下降。
[0050]现在转到图7，示出了加热系统700和接触尖端组件707的示例性实施例。通常应注意的是，本发明的实施例可以利用关于热焊丝或一些焊接系统已知的接触尖端160和电阻加热系统，而没有脱离本发明的精神或范围。然而，在其他示例性实施例中，可以利用如图7中所示的系统700。在这个系统700中，接触尖端组件由两个导电部分701和703组成，这些导电部分通过绝缘部分705相互电隔离，该绝缘部分可以由任何电介质材料制成。当然，在其他实施例中，只要尖端部分701和703与彼此电隔离，就不需要存在绝缘部分。系统700还包括切换电路710，该切换电路将电流路径切换到尖端部分701与工件115之间的电源170/切换离开该电源。在一些实施例中，可能令人期望的是在焊丝140不与工件115接触时在制造过程中将焊丝140维持在某个阈值温度。在焊丝140没有与工件115接触时(例如，在重新定位过程中)，不会有电流流过焊丝140，并且如此电阻加热将会停止。当然，残余热量将仍然存在，但会快速减退。这个实施例允许焊丝140被连续加热，即使其不与工件115接触。如所示，一条来自电源的引线联接至接触尖端组件707的上部部分703。在操作过程中，当焊丝140与工件接触时，切换器710被定位成使得电流路径从上部部分703开始、通过焊丝140和工件，从而返回到电源170(切换器710中的虚线)。然而，当熔滴D与焊丝140分离并且与工件115的接触断开时，切换器710被切换成使得电流路径从接触尖端部分703到接触尖端部分701并且回到电源170。这允许至少一些加热电流流过工件从而在某一本底加热电平下继续电阻加热焊丝。因为这类配置，焊丝可以被更快速地加热到其期望的熔敷水平。如果熔滴熔敷物之间已经有长持续时间，在该持续时间期间，焊丝可能冷却，则尤其是这种情况。因此，在示例性实施例中，当切换器710处于将电流引导通过工件的第一位置上(第一电流路径)时，电源170提供一个或多个电流脉冲(如本文中概括描述的)，并且然后，当该切换器处于将电流引导通过接触尖端的两个部分701/703从而在熔滴转移中间保持加热焊丝的第二位置上(第二电流路径)时，电源170提供本底电流或加热电流(其可以是例如恒定电流)。在一些实施例中，切换器可以在每个熔滴转移脉冲之间进行切换，而在其他实施例中，切换器可以在多个熔滴转移脉冲之后切换。在示例性实施例中，本底电流电平/加热电流电平被选择成将焊丝保持在期望的-非熔化-温度下的电平。如果温度太高，则会变得难以将焊丝推到熔池。在一些示例性实施例中，本底电流/加热电流在熔滴转移脉冲期间达到的峰值电流电平的10%至70%的范围内。
[0051]应注意的是，在图7中，切换器710被显示为在电源170外部。然而，这种描绘仅是为了清晰并且切换器可以在电源170内部。可替代地，切换器还可以在接触尖端组件707内部。绝缘部分705可以由任何绝缘类型材料制成或者可以仅是部件701和703之间的隔离性间隙。该切换器可以由控制器195(如所示)控制或者取决于期望的配置而可以直接由电源170控制。
[0052]在其他示例性实施例中，焊丝预加热装置可以被定位在组件707的上游，该焊丝预加热装置在焊丝进入尖端707之前对焊丝140进行预加热。例如，该预加热装置可以是感应加热装置，其不需要电流流过焊丝140来加热焊丝140。当然，也可以使用电阻加热系统。这个预加热装置可以用于将焊丝维持在如上所述的温度下。进一步地，预加热装置可以用于还在焊丝被熔敷之前从焊丝140中去除任何不期望的水分(当使用Ti时，这特别重要)。这类预加热系统是众所周知的并且不需要进行详细描述。预加热装置可以被设置成用于在焊丝140进入尖端组件707之前将该焊丝加热至预定温度，从而允许来自电源170的电流用于输送足够的电流来完成熔敷过程。应注意的是，预加热装置应将焊丝140加热到破坏焊丝140的水平，这样使得焊丝140可以被正确地推送通过尖端707。也就是，如果焊丝140太烫，则其会变得过于柔软，当被推送时，这可以破坏焊丝140的响应性。
[0053]图8A描绘了图7中的系统700可以使用的示例性制造电流波形800。在图8A中，基本电流波形800被显示为包括两个分量，脉冲部分801和本底部分803。脉冲部分由用于使如本文中所讨论的熔滴熔敷的电流脉冲组成。在这些脉冲期间，电流从尖端部分703被引导通过工件115。然而，在本底部分期间，电流从尖端部分703被引导至部分701从而当焊丝140不与工件115接触时加热该焊丝。当然，应注意的是，接触尖端部分701/703至如图7中所示的正电源端子与负电源端子的连接是示例性的，并且这些连接可以基于所期望的系统设置和性能而被颠倒。如之前所解释的，脉冲801之间的本底电流电平803用于将焊丝保持在熔滴熔敷物之间的所维持的温度。在本发明的一些示例性实施例中，本底电流将焊丝140保持在处于焊丝140的熔化温度的40 %至90 %的范围内的温度。在其他示例性实施例中，电流803将焊丝140保持在处于焊丝140的熔化温度的50%至80%的范围内的温度。
[0054]另外应注意的是，可能不期望或没必要在每个脉冲801之间不断地切换到本底电流。在高熔滴熔敷速率过程中，可能尤其是如此。也就是，在高熔滴熔敷速率过程中，焊丝140将在熔滴之间被维持在高温水平。因此，在一些示例性实施例中，仅在持续时间已经期满或者当熔滴脉冲之间的持续时间超过阈值时间时才发生到本底加热电流(如上所述)的切换。例如，在一些实施例中，如果脉冲之间的时间超过I秒，则系统700将使用如上所述的切换和本底加热电流。也就是，如果所利用的制造方法具有高于所确定的阈值频率的脉冲频率，则将使用以上切换。在本发明的示例性实施例中，这个阈值在脉冲之间的0.5秒到2.5秒范围内。在其他实施例中，系统700可以利用监测脉冲之间的时间的定时器(在控制器195和/或电源170内部)，并且如果该时间超过阈值量，则将利用上述切换和本底加热电流。例如，如果系统700确定脉冲之间的等待时间已经超过阈值时间限制(例如，I秒)，则将利用本底加热电流来将焊丝140保持在所期望的温度。这类实施例可以用在所设定的阈值时间已经期满的实施例中，也就是，在系统700确定时间限制已经期满时实时使用，或者可以在系统700预测到下一个脉冲在时间限制期满之前不会发生时使用。例如，如果系统700(例如，控制器195)确定下一个脉冲在时间限制期满之前不会发生(例如，由于工件115和/或焊丝140的移动)，则系统700可以立即发起上述切换和本底加热电流。在本发明的示例性实施例中，这个持续时间阈值在0.5秒到2.5秒范围内。
[0055]图SB描绘了本发明的示例性实施例可以用于熔敷如本文中所描述的熔滴的示例性波形。这些示例性波形是针对根据本发明的实施例的单个熔滴的转移。所示波形是针对激光功率810、送丝速度820、增材焊丝加热电流830、和电压840。应理解到，所描述的波形旨在是示例性的，并且本发明的其他实施例可以使用具有与本文中所示或所描述的不同特征的其他波形。如所示，熔滴转移周期在激光功率被引向工件的811开始，并且增加812到峰值激光功率水平813。在持续时间Tp之后，在点814，激光在工件上产生熔池。在这个点时，送丝器开始朝着熔池驱动增材焊丝。在于814产生熔池之后，送丝速度增加821到峰值送丝速度822。在本发明的示例性实施例中，送丝速度在与焊丝的远端与熔池821’接触时大致同一时间达到其峰值水平822ο然而，在其他示例性实施例中，送丝速度可以在焊丝接触之前达到其峰值水平822 ο如所示，在送丝过程开始的同时，开路电压施加于焊丝841，从而使得该焊丝在焊丝与熔池接触之前的某个点达到峰值电压电平842。并且，当焊丝与熔池接触时，加热电流830开始流动(在点831)，并且电压840开始下降843。电压下降到低于电弧检测电压848的水平844，高于该电弧检测电压时，确定将产生电弧。
[0056]在焊丝与熔池接触之后，激光功率810、送丝速度820和电流830被维持在其各自的峰值水平持续时间段Ta，在该时间段期间，焊丝的熔滴熔敷到熔池中。在熔敷时间段Ta期满(在815)之后，该熔敷时间段可以持续加热电源(例如，使用定时器电路)所控制的预定时间段，激光功率随着送丝速度823斜降816。在时间段Ta(顶点834)期满之后并且在激光功率和送丝速度减小时，加热电流830保持在其峰值电平833持续一段时间段。这帮助熔滴与焊丝分离。在熔滴添加期Ta之后，焊丝回缩期Tr开始。在电流830开始其斜降835(在点834开始)之后，送丝速度减小到零(在点827)并且送丝器被控制成以峰值回缩速度825缩回焊丝824。并且，在回缩期期间，电流830减小到回烧电流电平836，该回烧电流电平用于当焊丝从熔池中被抽出时提供焊丝的回烧。在焊丝回缩期Tr期间，电流830被维持在回烧电流电平836直到电压在点845处达到或超过电弧检测电压电平848，该电弧检测电压电平是由于焊丝与熔池分离引起的(导致电流下降和电压增加)。当达到电压电平848时，发起消弧例程847从而防止产生电弧。在这个时间期间，电压爬升到峰值电平846。
[0057]电弧检测电压电平848是电源和/或系统控制器用来确保回撤焊丝与工件之间不产生电弧的预定电平。电弧检测电压电平848由电源和/或系统控制器基于各项用户输入来设定，包括但不限于焊丝类型、焊丝直径、工件材料类型、输入的每英寸熔滴数、输入的每分钟熔滴数等。
[0058]当达到电弧检测电压电平848时(在点845)，电流830被电源切断(837)并且焊丝停止回缩(826)，并且当电流830和送丝速度820各自达到O时，熔滴转移周期在点817结束。在所示实施例中，激光功率810还被显示为在点817周期结束时被切断。在其他示例性实施例中，在达到电弧电压阈值848时(在点845)，激光功率810被切断。然后，针对多次熔滴熔敷来重复这个周期。
[0059]在一些示例性实施例中，(未示出)可以在熔滴转移周期(如图SB中所示)之间发起激光功率脉冲从而在熔滴转移中间帮助使工件平滑或以其他方式向工件添加能量。例如，可以在每个熔滴转移周期中间发起激光功率脉冲，或者在其他实施例中，根据需要，可以在η个熔滴转移周期之后发起激光功率脉冲。
[0060]图9描绘了本发明的另一个示例性系统900。系统900包括本底电源170’和脉冲电源170。除了本底加热电流是由单独的电源170 ’供应的之外，这个系统的操作与以上讨论的操作非常相似。因此，在一些实施例中，本底电源170’可以在制造过程中提供恒定加热电流并且没有必要提供以上讨论的切换。除了脉冲电源170的峰值输出电流由于电源170’提供的额外加热/电流而可以减小以外，该脉冲电源按照本文中另外描述的那样操作。在这类实施例中，脉冲电源170的控制或精度的水平可以得到提高。也就是，由于对电源170需求的电流较少，脉冲电源170可以更快地达到其峰值脉冲水平。当然，在减小电流时亦将如此。电源170/170’中的每个电源可以由控制器195控制，或者可以用主/从关系来配置，这是众所周知的。此外，尽管为了清晰而单独示出了这些电源，但它们可以被容纳在单个单元中而不脱离本发明的精神或范围。
[0061]并且，图9中示出了另一个接触尖端组件900，具有导电部分901和905以及绝缘部分903。在这个实施例中，导电部分905被配置成使得加热电流被传输尽可能靠近焊丝140的外露远端。这类配置帮助确保焊丝的加热保持尽可能靠近该远端，从而优化本底加热的效果。在进一步的实施例中，焊丝140的远端从接触尖端910的伸出量X保持为最小距离。如果伸出量X保持太长，则本底加热电流产生的加热效果会受到不利影响。因此，在一些示例性实施例中，伸出量X保持在0.1英寸到0.5英寸范围内。在其他示例性实施例中，伸出量保持在0.2英寸到0.4英寸范围内。进一步地，在附加示例性实施例中，为了获得本底加热产生的进一步益处，在熔滴脉冲之间，焊丝140被完全或几乎完全被缩回到接触尖端910中，这样使得伸出量X在O英寸到0.15英寸范围内。这类实施例能够将焊丝140的远端保持在所期望的本底加热温度而不使焊丝140的不靠近远端的其他部分过热。在其他示例性实施例中，伸出距离可以更大，特别是当使用更大直径的耗材时。例如，在一些示例性实施例中，伸出距离可以在0.75英寸到2英寸范围内。当然，在一些其他实施例中，可以利用更长的伸出量。
[0062]现在转到图10，描绘了另一个示例性系统1000，在该系统中，接触尖端组件1010能够将不只一根焊丝140/140’输送到工件115。在一些增材制造操作中，可能期望的是针对不同的制造部分利用不同的焊丝。系统1000允许取决于制造所期望的而在不同焊丝之间进行切换。尽管没有示出，但每根焊丝140/140’可以联接至其自己的送丝设备从而在制造过程中根据需要推进、缩回对应的焊丝140/140’。因此，在制造过程中，控制器195可以将接触尖端组件1010定位成使得适当的焊丝用于制造。例如，可能期望的是使用具有第一特性的第一耗材140建造底座，并且然后向那个底座添加使用具有不同特性的焊丝140’制作的层，从而实现所期望的制造结果。例如，基于所期望的制造参数，焊丝140/140’可以具有不同的大小、形状、和/或组成成分。还应注意的是，尽管接触尖端组件被显示为仅具有两根焊丝140/140’，但本发明的实施可以利用接触尖端组件、或将接触尖端分开从而提供任何数量的不同耗材。本发明的实施例在此方面不受限制。
[0063]此外，图10中的接触尖端组件1010被显示为使得焊丝140/140’彼此不绝缘。在这类实施例中，将适当的焊丝推进到工件115以便熔敷，并且如此，来自电源170的电流将被引导通过那根焊丝-从而引起熔敷。当焊丝要更换时，在另一根焊丝被缩回的同时推进另一根焊丝，这样使得电流路径现在通过另一根焊丝。在其他示例性实施例中，接触尖端组件1010可以被构造成使得焊丝140/140’彼此电隔离。在这类实施例中，可以利用像关于图7所讨论的切换。在一些示例性实施例中，激光束(图10中未示出)可以通过在两根焊丝之间被扫描来影响或以其他方式改变焊丝140与140 ’之间在熔池中的能量分布。
[0064]接触尖端组件1010相对于工件115的定位和移动可以通过任何数量的装置来实现。确切地，可以使用任何已知的机器人或运动控制系统而不脱离本发明的精神或范围。也就是，可以使用任何已知的装置或方法(包括机器人系统)来定位适当的焊丝140/140’，并且其可以由控制器195来控制。例如，接触尖端组件1010可以包括三根或更多根不同的焊丝并且可以类似于被旋转和定位成允许利用适当的工具的已知计算机数控(CNC)机加工头来构造和利用。这类系统和控制逻辑可以用在本发明的实施例中以提供所期望的焊丝的所期望的定位。
[0065]本发明的实施例使用的焊丝(或耗材)具有具体制造操作需要的大小和化学成分。典型地，焊丝具有圆形截面，其他实施例在此方面不受限制。其他示例性实施例可以基于制造方法和制造过程来利用具有非圆形截面的焊丝。例如，焊丝可以具有多边形、卵形、或椭圆形形状从而实现所期望的制造标准。圆形横截面焊丝可以具有在0.010英寸至0.045英寸范围内的直径。当然，如果期望，可以使用更大的范围(例如，高达5_)，但随着直径增加，熔滴控制可能变得更加困难。由于使用本文中所描述的激光器和加热控制方法，本发明的实施例可以提供非常精确的制造。利用更小直径焊丝的实施例尤其如此，如在0.010英寸至
0.020英寸范围内。通过使用这类小直径，可以实现大DPI(每英寸熔滴数)比，从而提供高度准确和详细的制造。焊丝的化学成分被选择成提供所制造的部件期望的特性。进一步地，所利用的焊丝可以具有实芯或金属芯配置。药芯焊丝可以用于产生复合材料构造。例如，可以使用具有铝护套和氧化铝芯的药芯焊丝。
[0066]应进一步注意的是，因为本文中所描述的工艺没有使用电弧，本发明的大多数应用将不需要任何种类的保护气体。然而，在一些应用中，可能期望的是使用保护气体来防止氧化，或者用于其他目的。
[0067]图11描绘了本发明的又另一个示例性实施例。图11示出了如图1所示的实施例类似的实施例。然而，为了清晰，没有描绘某些部件和连接。图1描绘了系统1100，其中，热传感器1110用于监测焊丝140的温度。热传感器1110可以是能够检测焊丝140的温度的任何已知类型。传感器1110可以与焊丝140接触或者可以联接至尖端160以便检测焊丝的温度。在本发明的进一步的示例性实施例中，传感器1110是使用能够检测小物体(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。在这类实施例中，传感器1110被定位成使得可以在焊丝140的伸出处检测焊丝140的温度，也就是，在尖端160的末端与熔池之间的某个点。传感器1110还应被定位成使得用于焊丝140的传感器1110不感测熔池温度。
[0068]传感器1110联接至感测和控制单元195(关于图1所讨论的)，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1100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1110的反馈被调整。也就是，在本发明的实施例中，用户可以输入期望的温度设置(针对给定的制造操作和/或焊丝140)或者感测和控制单元195可以基于其他用户输入数据(焊条类型等)来设定期望的温度并且然后感测和控制单元195将至少控制电源170来维持那个期望的温度。
[0069]在这类实施例中，可以解释在焊丝140进入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。在本发明的实施例中，焊丝140的温度仅经由电源170通过控制焊丝140中的电流来控制。然而，如以上解释的，在其他实施例中，焊丝140的加热的至少某部分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的电流或功率不可以单独表示焊丝140的温度。如此，利用传感器1110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。
[0070]在进一步的示例性实施例(也在图11中示出)中，温度传感器1120可以被引导来感测熔池的温度。在这个实施例中，熔池的温度还联接至感测和控制单元195。然而，在另一个示例性实施例中，传感器1120可以直接联接至激光器电源130。来自传感器1120的反馈用于控制激光器电源130/激光器120的输出。也就是，激光束110的能量密度可以被修正以确保实现所期望的熔池温度。
[0071]在本发明的又进一步的示例性实施例中，不是将传感器1120引导向熔池，该传感器可以被引导向工件115的与熔池相邻的区域。确切地，可能期望的是确保输入到与熔敷位置相邻的工件115的热量被最小化。传感器1120可以被定位成监测这个对温度敏感的区域，这样使得在熔敷位置相邻处，不超过阈值温度。例如，传感器1120可以监测工件温度和基于感测到温度减小射束110的能量密度。这类配置将确保在熔敷位置相邻处的热量输入不超过期望的阈值。这类实施例可以用在输入到工件中的热量非常重要的精确制造操作中。
[0072]在本发明的另一个示例性实施例中，感测和控制单元195可以联接至送进力检测单元(未示出)，该送进力检测单元联接至送丝机构(未示出，但见图1中的150)。送进力检测单元是已知的并且检测当使焊丝140送进至工件115时施加于该焊丝的送进力。例如，这类检测单元可以监测送丝器150中的送丝电机施加的扭矩，并且因此监测与焊丝140的远端和工件115的接触相关的参数。这与电流和/或电压监测相联系就可以用于在与熔池产生接触之后停止送丝，从而允许熔滴D分离。当然，如之前所指示的，控制器195可以只使用电压和/或电流感测来检测焊丝140与熔池之间的接触并且当接触时(如果期望的话)可以单独使用此信息来停止送丝。
[0073]在进一步的示例性实施例中，传感器1120可以用于检测工件上的熔池面积的大小。在这类实施例中，传感器1120可以是热量传感器或视觉传感器并且用于监测熔池的边缘，从而监测熔池的大小和/或位置。然后，控制器195使用检测到的熔池信息来控制如上所述的系统的操作。
[0074]以下内容提供了关于对本发明的各实施例可以使用的加热脉冲的控制的进一步讨论。如之前提到的，当焊丝140的远端与熔池/工件115接触时，两者之间的电压可以处于或接近O伏特。然而，在本发明的其他示例性实施例中，可以提供处于这类电平的电流，从而使得获得高于O伏特的电压电平而不产生电弧。通过利用更高的电流值，可以使焊丝140以更快的速率达到高温、更接近于焊条的熔化温度。这允许更快速地进行制造过程。在本发明的示例性实施例中，电源170监测电压，并且当电压在某个点达到或接近高于O伏特的电压值时，电源170停止将电流流动到焊丝140以确保不产生电弧。至少部分由于所使用的焊丝140的类型，电压阈值电平通常将会变化。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，并且在附加示例性实施例中；阈值电平处于或低于16伏特。例如，当使用低碳钢焊丝时，电压的阈值电平将是较低类型，而用于不锈钢制造的焊丝可以在产生电弧之前应付更高的电压。因此，这类系统可以监测电压并且通过将电压与电压设定点进行比较来控制加热电流，这样使得当电压超过、或预测将要超过电压设定点时，切断或减小电流。
[0075]在进一步的示例性实施例中，不是维持低于如上阈值的电压电平，电压维持在操作范围内。在这类实施例中，期望的是将电压维持在高于最小量，从而确保足够高的电流来将焊丝维持在或接近其熔化温度，但低于使得一定电压电平，这样使得不产生电弧。例如，电压可以被维持在I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。在另一个示例中，电压可以被维持在12到16伏特之间。当然，所期望的操作范围可以受到用于制造操作的焊丝140的影响，这样使得用于操作的范围(或阈值)至少部分基于所使用的焊丝或所使用的焊丝的特征来选择。在利用这类范围时，范围的底限被设定为焊丝可以充分熔敷在熔池中所在的电压，并且范围的上限被设定为使得避免产生电弧的电压。
[0076]如之前所描述的，当电压超过期望的阈值电压时，加热电流被电源170切断，这样使得不产生电弧。因此，在这类实施例中，可以基于预定或选择的斜坡速率(或多个斜坡速率)来驱动电流，直到达到电压阈值并且然后电流被切断或减小以防止形成电弧。
[0077]在上述许多实施例中，电源170包含用于监测和维持如上所述电压的电路。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，这类电路已经用于将电压维持在高于用于弧焊的某一阈值。
[0078]如之前解释的，加热电流还可以被电源170监测和/或调节。作为替代方案，除了监测电压、功率或电压的某一电平/安培数特征以外，这也可以完成。也就是，电流可以被驱动至、或维持在期望的电平以确保焊丝140被维持在适当的温度-以便正确熔敷在熔池中，但还是低于电弧发生电流电平。例如，在这类实施例中，电压和/或电流被监测以确保任一者或两者在指定范围内或低于期望的阈值。然后，电源170调节所供应的电流以确保不产生电弧，但维持所期望的操作参数。
[0079]在本发明的又进一步的示例性实施例中，加热功率(VXI)也可以被电源170监测和调节。确切地，在这类实施例中，用于加热功率的电压和电流被监测从而维持在期望的电平、或在期望的范围内。因此，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。在这类实施例中，至焊丝的加热功率可以被设定为阈值上限水平或最优操作范围，这样使得功率被保持在低于阈值水平或在期望的范围内(类似于以上关于电压讨论的范围)。再次，阈值或范围设置将基于焊丝和正在执行的制造的特征，并且可以至少部分到基于所选择的填充焊丝。例如，可以确定具有0.045”直径的低碳钢焊条的最优功率设置在1950至2，050瓦特范围内。电源将调节电压和电流，这样使得功率被驱动到这个操作范围。类似地，如果功率阈值被设定在2，000瓦特，则电源将调节电压和电流，从而使得功率水平不超过但接近这个阈值。
[0080]在本发明的进一步的实施例中，电源170包含监测加热电压(dv/dt)、电流(di/dt)和/或功率(dp/dt)的变化速率的电路。这类电路经常被称为预感电路，并且其一般构造是已知的。在这类实施例中，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，则至焊丝140的加热电流被关闭。
[0081 ]在本发明的其他示例性实施例，还监测电阻变化(dr/dt)。在这类实施例中，监测接触尖端与熔池之间的焊丝的电阻。如之前解释的，随着焊丝变热，其开始颈状收缩并且这会产生形成电弧的趋势，在此时间期间，焊丝的电阻以指数方式增加。当检测到此增加时，如上所述，电源的输出被关闭以确保不产生电弧。实施例调节电压、电流、或两者以确保焊丝的电阻被维持在期望的水平。
[0082]图12描绘了可以用于向焊丝140提供加热电流的示例性系统1200。(应注意的是，为了清晰，没有示出激光器系统)。系统1200被显示为具有电源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可以具有已知的焊接/加热电源构造，如逆变器式电源。因为这类电源的设计、操作和构造时已知的，本文中将不详细讨论它们。电源1210包含用户输入端1220，该用户输入端允许用户输入数据，包括但不限于:焊丝类型、焊丝直径、期望的功率水平、期望的焊丝温度、电压和/或电流电平。当然，可以根据需要利用其他输入参数。用户界面1220联接至接收用户输入数据并且使用此信息为功率模块1250产生所需操作设定点或范围的CPU/控制器1230。功率模块1250可以是任何已知的类型或构造，包括逆变器式或变压器式模块。应注意的是，还可以在控制器195上找出这些部件中的某个部件，如用户输入端1220。
[0083]CPU/控制器1230可以用任何数量的方式确定所期望的操作参数，包括使用查找表。在这类实施例中，CPU/控制器1230利用输入数据(例如，焊丝直径和焊丝类型)来确定输出端的期望的电流电平(适当地加热焊丝140)和阈值电压或功率水平(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，铝焊丝140可能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。此外，直径更小的焊丝140将需要比直径更大的焊丝更少的电流/功率。并且，随着制造速度增加(并且相应地熔敷速率)，熔化焊丝所需的电流/功率水平可能更尚O
[0084]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，这样使得避免产生电弧。例如，针对具有0.045英寸的低碳钢焊条，可以具有6到9伏特的电压范围，其中功率模块1250被驱动从而将电压维持在6到9伏特之间。在这类实施例中，电流、电压和/或功率被驱动从而维持6伏特最小值，其确保电流/功率足够高从而适当地加热焊条，并且将电压保持在或低于9伏特以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(电压、电流、功率、或电阻速率变化)也可以根据期望来由CPU/控制器1230设定。
[0085]如所示，电源1210的正极端子1221联接至系统的接触尖端160，而电源的负极端子联接至工件W。因此，加热电流通过正极端子1221被供应至焊丝140并且通过负极端子1222返回。这类配置是众所周知的。
[0086]反馈感测引线1223也联接至电源1210。这条反馈感测引线可以监测电压并且将检测到的电压输送到电压检测电路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相应地控制模块1250的操作的CPU/控制器1230。例如，如果检测到的电压低于期望的操作范围，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期望的操作范围内。类似地，如果检测到的电压处于或高于期望的阈值，则CPU/控制器1230指令模块1250切断到尖端160的电流流动，从而使得不产生电弧。如果电压下降到低于期望的阈值，则CPU/控制器1230指令模块1250供应电流或电压、或两者以继续进行制造过程。当然，CPU/控制器1230还可以指令模块1250维持或供应期望的功率水平。当然，可以利用类似的电流检测电路，而为了清晰没有示出。这类检测电路是众所周知的。
[0087]应注意的是，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ΙΟΚΗζ。在其他示例性实施例中，检测/采样速率在10KHz到200KHz范围内。
[0088]在图1和图11中的每个图中，为了清晰，单独示出了激光器电源130、电源170以及感测和控制单元195。然而，在本发明的实施例中，这些部件可以被集成到单个系统中。本发明的各方面不需要和单独物理单元或独立式结构一样维持单独讨论的部件。
[0089]在上述一些示例性实施例中，系统可以用这类方式用于组合如上所述的包覆和熔滴熔敷。也就是，在构造工件过程中，可以不一直要求具有高精度构造，例如，在创造支撑衬底过程中。在这个构造阶段，可以使用热焊丝包覆工艺。这类工艺(和系统)在美国第13/212，025号申请中进行了描述，该申请通过引用以其全文并入本文中。更确切地，本申请完全并入本文中，其程度为本申请描述了在包覆或其他类型的堆焊操作中使用热焊丝系统熔敷材料的系统、使用方法、控制方法等。然后，当期望更精确的熔敷方法来构造工件时，控制器195切换到如上所述的熔滴熔敷方法。控制器195可以控制本文中所描述的系统来根据需要利用熔滴熔敷和包覆熔敷工艺实现所期望的构造。
[0090]上述实施例可以实现高速熔滴熔敷。例如，本发明的实施例可以在I OHz到200Hz范围实现熔滴熔敷。当然，取决于操作参数，可以实现其他范围。在一些实施例中，取决于操作参数中的一些参数，熔滴熔敷频率可以高于200Hz。例如，直径较大的焊丝将通常使用小于200Hz的熔敷频率，而如在0.010英寸到0.020英寸范围内的直径较小的焊丝可以实现更快的频率。影响熔滴熔敷频率的其他因素包括激光功率、工件大小和形状、焊丝大小、焊丝类型、行进速度等。
[0091]联接至计算机的用户界面展示了一个用于支持本文中所描述的系统和方法的可能硬件配置，包括控制器195、或用于控制和/或操作本文中所描述的系统的类似系统。为了为本发明的不同方面提供附加上下文，以下讨论旨在提供对合适计算环境的简要、概括描述，在该计算环境中可以实现本发明的不同方面。本领域的技术人员将认识到，本发明还可以结合其他程序模块和/或作为硬件与软件的组合来实现。一般而言，程序模块包括执行具体任务或实现具体抽象数据类型的例程、程序、部件、数据结构等。
[0092]而且，本领域技术人员将意识到发明方法可以用其他计算机系统配置来实施，包括单处理器或多处理器计算机系统、微型计算机、大型计算机和个人计算机、手持式计算装置、基于微处理器的或可编程的消费性电子产品等等，它们中的每个可以被可操作地耦合到一个或更多个相关联的装置。本发明的这些展示出的方面还可以在其中由通过通信网络来链接的远程处理设备来执行某些任务的分布式计算环境中进行实践。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器存储设备二者中。
[0093]控制器195可以利用示例性环境用于实现本发明的不同方面，包括计算机，其中，该计算机包括处理单元、系统存储器和系统总线。系统总线将系统部件联接起来，包括但不限于将系统存储器联接至处理单元。该处理单元可以是多种不同可商购处理器中的任一种。双微处理器和其他多处理器架构也可以被用作处理单元。
[0094]系统总线可以是若干总线结构类型中的任一种，包括使用各种各样的可商购的总线架构中的任一种的存储器总线或存储器控制器、外围总线和局部总线。系统存储器可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。在ROM中存储了基本输入/输出系统(B1S)，其含有例如在启动期间帮助在计算机内的元件之间传送信息的基本例程。
[0095]控制器195可以进一步包括硬盘驱动器、磁盘驱动器(例如，用于从可移除磁盘读取或写入到其中)、以及光盘驱动器(例如，用于读取⑶-ROM盘或从其他光介质读取或写入到其中)。控制器195可以包括至少某一种形式的计算机可读介质。计算机可读介质可以是可以由计算机访问的任何可用的介质。举例来讲，但无限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括在任何方法或技术中实现的用于存储信息(如计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其他数据)的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、R0M、EEPR0M、闪存或其他存储器技术、CD-R0M、数字多功能盘(DVD)或其他光存储装置、或者可以用于存储所期望的信息且可以由联接至控制器195的用户界面访问的任何其他介质。
[0096]通信介质典型地将计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据表达为调制的数据信号，例如载波或其他传输机制的，并且包括任何信息传递介质。术语“调制的数据信号”是指一种以将信息编码在信号中的方式设定或改变了其一个或多个特征的信号。以举例而非限制的方式，通信介质包括有线介质(例如有线网络或直接有线连接)以及无线介质(例如声学的、RF、红外的以及其他无线介质)ο上述任何内容的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。
[0097]可以在驱动器和RAM中存储许多程序模块，包括操作系统、一个或多个应用程序、其他程序模块、以及程序数据。计算机中的操作系统或用户界面300可以是多种可商购操作系统中的任一种操作系统。
[0098]此外，使用者可以通过键盘和点击设备(例如，鼠标)将命令和信息录入到计算机中。其他输入设备可以包括麦克风、IR遥控器、轨迹球、笔输入设备、操纵杆、游戏板、数字化书写板、碟状卫星信号接收器(satellite dish)、扫描仪等。这些和其他录入设备通常是通过耦联到系统总线上的串行端口接口来连接处理单元的、但是也可以通过其他接口进行连接，例如并行端口、游戏端口、通用串行总线(“USB”)、IR接口和/或多种不同无线技术。也可以将监视器或其他类型的显示设备通过接口(例如，视频适配器)连接系统总线。还可以通过远程显示网络协议来实现可视输出，例如远程桌面协议、VNC、X-窗口系统(X-WindowSystem)等。除了可视输出之外，计算机典型地包括其他外围输出设备，例如扬声器、打印机等。
[0099]显示器可以与联接至控制器195的用户界面一起用于呈现从处理单元电子地接收的数据。例如，显示器可以是电子地呈现数据的LCD式、等离子体式、CRT式等监视器。可替换地或者除此之外，这种显示可以以硬拷贝格式(例如，打印机、传真、绘图机等)来呈现所接收到的数据。显示器可以用任何颜色呈现数据并且可以经由任何无线或硬线协议和/或标准来从用户界面接收数据。
[0100]可以以使用与一个或多个远程计算机(例如一个远程计算机(一个或多个))的逻辑和/或物理连接的网络环境来操作计算机。该(这些)远程计算机可以是工作站、服务器计算机、路由器、个人计算机、基于娱乐应用的微处理器、对等(peer)装置或其他普通网络节点，并且典型地包括相对于该计算机所描述的元件中的许多元件或所有元件。所描绘的逻辑连接包括局域网(LAN)以及广域网(WAN)。这类联网环境在办公室、企业范围的计算机网络、企业内部网以及互联网中是司空见惯的。
[0101]当在LAN联网环境下使用时，计算机通过网络接口或适配器连接本地网络。当在WAN联网环境下使用时，计算机典型地包括调制解调器、或连接到在LAN上的通信服务器、或者具有用于在WAN(例如因特网)上建立通信的其他器件。在联网的环境下，关于计算机所描绘的程序模块或者其部分可以是存储在远程存储器存储装置中的。应理解的是，本文描述的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间建立通信链接的其他手段。
[0102]尽管已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以进行多种不同改变并且可以替换等效方案，而不偏离本发明的范围。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所附权利要求书的范围内的所有实施例。
参考标号
100 系统405 第一电平
110 激光束410 波形
115 工件411 脉冲
120 激光装置413 电流电平
125 方向510 波形
130 电源512 点
140 焊丝520 波形
140’ 焊丝525 斜坡
150 送丝器或送丝装置530 时间间隔
160 导电管540 值
170 电源550 电平
170’ 本底电源700 系统
180 运动控制器701 部分
190 机器人703 部分
195 子系统705 绝缘部分
400波形707 尖端组件
401脉冲710 开关电路
402斜升部分801 脉冲 402A 斜坡速率 803 电流电平 402B 斜坡速率 810 激光功率 402C 斜坡速率 811 步骤
812步骤843 下降
813峰值激光功率水平844 电平814点845电弧检测电压电平
815步骤847消弧例程
816步骤848电弧检测电压电平
817点900示例性系统
820送丝速度901导电部分
821步骤903绝缘部分821’熔池905导电部分
822峰值送丝速度910接触尖端
823送丝速度1000示例性系统
824焊丝1010接触尖端组件
825峰值回缩速度1100系统
826步骤1110热传感器
827点1120温度传感器
830加热电流1200示例性系统
831点1210电源
833峰值电平1220用户输入端
834顶点1221正极端子
835步骤1222负极端子837电源1223感测引线
840电压1230CPU/控制器
841焊丝1240电压检测电路
842峰值电压电平1250功率模块A熔池
D熔滴
OCV开路电压
Ta熔滴添加期
Tr焊丝回缩期
X伸出量
【主权项】
1.一种增材制造系统(100)，包括: 一个高能装置，该高能装置以高能放电照射一个工件(115)的一个表面从而在所述工件的一个表面上产生一个熔融熔池(A)； 一个送丝装置，该送丝装置将焊丝(140)送到所述熔池；以及 一个电源(130)，该电源向所述焊丝供应一个加热信号，其中，所述加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述焊丝的熔敷到所述熔池中的远端上产生一个熔融熔滴(D)； 其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述送丝器引起所述焊丝的所述远端接触到所述熔池之后达到一个峰值电流电平， 其中，所述加热信号在所述多个电流脉冲中的所述多个电流脉冲之间没有电流； 其中，所述送丝器(150)控制所述焊丝的移动，使得所述焊丝的所述远端在所述电流脉冲的后续峰值电流电平之间不与所述熔池接触;并且 其中，所述电源控制所述加热电流，使得在所述多个电流脉冲期间，所述焊丝与所述工件之间不产生电弧。2.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述高能装置是激光器。3.如权利要求1或2所述的增材制造系统，其中，所述高能放电和用于所述焊丝的推进送丝速度各自在所述峰值电流电平的每个峰值电流电平的至少一部分期间处于峰值水平。4.如权利要求1至3中任一项所述的增材制造系统，其中，所述送丝器在所述熔滴的每个熔滴都熔敷到所述熔池中之后使得所述焊丝缩回。5.如权利要求1至4中任一项所述的增材制造系统，其中，所述电流脉冲包括在缩回期间提供的回烧电流电平。6.如权利要求1至5中任一项所述的增材制造系统，其中，所述高能放电中的至少一些高能放电被所述高能装置引导至所述焊丝，以便帮助产生所述熔滴。7.—种增材制造系统(100)，包括: 一个高能装置，该高能装置以高能放电照射一个工件(115)的一个表面从而在所述工件的一个表面上产生一个熔融熔池(A)； 一个送丝装置，该送丝装置将焊丝(140)送到所述熔池；以及 一个电源系统，该电源系统向所述焊丝供应一个加热信号，其中，所述加热信号包括一个第一部分和一个第二部分，所述第一部分包括至少一个电流脉冲，其中，所述至少一个电流脉冲在所述焊丝的被熔敷到所述熔池中的远端上产生一个熔融熔滴(D)，所述第二部分将加热电流提供至所述焊丝，并且其中，所述第一部分遵循一个第一电流路径并且所述第二部分遵循一个第二电流路径； 其中，所述至少一个电流脉冲在所述送丝器引起所述焊丝的所述远端接触到所述熔池之后达到一个峰值电流电平， 其中，所述送丝器(150)控制所述焊丝的移动，使得所述焊丝的所述远端在后续电流脉冲的后续峰值电流电平之间不与所述熔池接触； 其中，所述电源控制所述加热电流，使得在所述多个电流脉冲期间，所述焊丝与所述工件之间不产生电弧;并且 其中，所述电源在所述第一部分与所述第二部分之间中来回切换所述加热信号。8.如权利要求7所述的增材制造系统，进一步包括一个切换器，该切换器从所述第一电流路径切换至所述第二电流路径。9.如权利要求7或8所述的增材制造系统，其中，所述第二部分的所述加热电流使所述焊丝维持在所述焊丝的熔化温度的40 %至90 %范围内的温度。10.一种增材制造方法，所述方法包括: 以高能放电照射一个工件的一个表面从而在所述工件的一个表面上产生一个熔融熔池； 将焊丝送到所述熔池中；并且 向所述焊丝供应一个加热信号，其中，所述加热信号包括多个电流脉冲，并且其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述焊丝的熔敷到所述熔池中的远端上产生一个熔融熔滴； 其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲在所述焊丝的所述远端接触到所述熔池之后达到一个峰值电流电平， 其中，所述加热信号在所述多个电流脉冲中的所述多个电流脉冲之间没有电流； 其中，所述焊丝的移动使得所述焊丝的所述远端在所述电流脉冲的后续峰值电流电平之间不与所述熔池接触;并且 其中，所述加热电流被控制成使得在所述多个电流脉冲期间，所述焊丝与所述工件之间不产生电弧。11.如权利要求1O所述的增材制造方法，其中，在所述电流脉冲中的每个电流脉冲之间，所述高能放电是被关掉的。12.如权利要求10或11所述的增材制造方法，其中，所述峰值电流电平被保持低于一个电弧发生电流阈值。13.如权利要求10至12中任一项所述的增材制造方法，其中，在所述焊丝的所述远端与所述熔池发生接触之前将一个开路电压提供给所述焊丝。14.如权利要求10至13中任一项所述的增材制造方法，进一步包括监测当所述焊丝与所述熔池接触时所述加热信号的电压并且将所述电压与一个电弧检测电压电平进行比较。15.如权利要求10至14中任一项并优选地如权利要求14所述的增材制造方法，其中，在检测到所述电压超过所述电弧检测电压电平之后关掉所述加热信号。
【文档编号】B23K9/235GK105873711SQ201580003562
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月20日
【发明人】W·T·马修斯, P·E·丹尼, S·R·彼得斯
【申请人】林肯环球股份有限公司