用于焊接之前覆蓋材料的激光清洗的設(shè)備和方法
【專利摘要】一種系統(tǒng)(200；300；500)和方法被提供，其中覆蓋工件(W)以具有最小孔隙度和飛濺的高速度被焊接。在焊接操作中，工件上的覆層(C)在被焊接之前由高能量熱源(109)移除或燒蝕，以致獲得高焊接速度。高能量熱源(109)被安置在焊接操作的上游，以蒸發(fā)或移除工件(W)上的表面覆層的至少一部分。
【專利說明】用于焊接之前覆蓋材料的激光清洗的設(shè)備和方法
[0001]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的系統(tǒng)和方法涉及焊接和接合，并且更具體地涉及覆蓋材料(coatedmaterial)的焊接和接合。
[0003]相關(guān)技術(shù)描述
[0004]許多焊接結(jié)構(gòu)被用在需要表面覆層來防止腐蝕的環(huán)境中。例如，當(dāng)鋼材被暴露到環(huán)境中時(shí)，鋼材上鋅的熔敷(通過鍍鋅或鍍鋅退火)通常被用來保護(hù)鋼材免遭腐蝕。在材料被焊接到適當(dāng)位置之后給材料鍍鋅是非常困難的，并且如此一來，大部分鋼部件在焊接之前被鍍鋅。然而，焊接覆蓋材料可能是困難的工藝，因?yàn)楦矊涌赡芨蓴_焊接工藝并且降低焊接的質(zhì)量。例如，在鍍鋅中鋅由于焊接電弧的熱量被蒸發(fā)并且這個蒸發(fā)可能導(dǎo)致顯著的飛濺或者可能在焊接中被陷在焊接熔池中導(dǎo)致孔隙度。由于這個原因，覆蓋材料的焊接與焊接未覆蓋材料相比相當(dāng)?shù)芈?br>
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的實(shí)施方案包括焊接的裝備和方法，其中高能量束被引導(dǎo)到要被焊接的工件的覆蓋表面，其中所述覆蓋表面具有覆層，所述覆層相比于所述工件具有不同組成。所述覆層的至少一部分以所述高能量束被燒蝕來移除所述覆層的至少一些，其中所述燒蝕基本上不熔化所述工件。然后所述工件利用電弧焊工藝被焊接，以使所創(chuàng)建的焊接接頭具有O至30%范圍內(nèi)的截面孔隙度、O至30%范圍內(nèi)的長度孔隙度以及O至3范圍內(nèi)的飛濺系數(shù)，其中飛濺系數(shù)是對于一定長度的所述焊接接頭以mg計(jì)的焊縫飛濺重量與以kg計(jì)的所消耗的填充金屬重量的比值。
[0006]附圖簡要說明
[0007]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:
[0008]圖1是由電弧焊工藝制成的焊接接頭的圖示表征；
[0009]圖2A至圖2C是依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的清洗操作的圖示表征；
[0010]圖3A至圖3B是依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案制成的焊接接頭的圖示表征；
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制成的焊接接頭的進(jìn)一步的示例性實(shí)施方案的圖示表征；
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的焊接系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的圖示表征；
[0013]圖6是焊接系統(tǒng)的一部分的不例性實(shí)施方案的圖不表征；
[0014]圖7是本發(fā)明的焊接系統(tǒng)的另一示例性實(shí)施方案的圖示表征；
[0015]圖8是本發(fā)明的焊接系統(tǒng)的進(jìn)一步的示例性實(shí)施方案的圖示表征；以及
[0016]圖9是依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的一體焊頭單元的圖示表征。
[0017]示例性實(shí)施方案的具體描述[0018]現(xiàn)在將在下面通過參照附圖描述本發(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]圖1描述典型的焊接搭接接頭，其中第一工件Wl被部分地放置在第二工件W2的頂部并且所述兩個工件以焊道WB被焊接。在焊接工業(yè)中，這種類型的連接通常被稱為搭接接頭。搭接接頭在汽車工業(yè)中是常見的。除了搭接接頭之外，本發(fā)明的實(shí)施方案也可以焊接多種不同類型的接頭，包括:角接接頭、榫接接頭、對接接頭等等。如圖1所示，工件中的至少一個在要被焊接的表面上具有覆層C1/C2，其中覆層相比于工件具有不同的材料組成。作為實(shí)施例，這個覆層可以是防腐蝕覆層，例如鍍鋅。因?yàn)楣ぜ桓采w，彼此接觸的工件表面SI和S2在其上也具有覆層。在焊接期間，焊接電弧等離子的熱量使得覆層C1/C2蒸發(fā)。典型地，沒有被工件的重疊覆蓋的被蒸發(fā)覆層C1/C2通過煙霧排出或簡單地散逸從焊接區(qū)被移除，以使蒸氣不干擾焊接。然而，在接觸表面S1/S2上的覆層C1/C2由于焊道WB導(dǎo)致的熔深的典型深度也被蒸發(fā)。然而，來自接觸表面S1/S2的被蒸發(fā)覆層在焊接期間遠(yuǎn)離焊接熔池的表面，并且如此一來必須行進(jìn)通過熔池來試圖在焊道凝固之前逃離焊接熔池。然而，如果焊接速度太快，在被蒸發(fā)覆層可以逃離之前熔池凝固。這在焊道中導(dǎo)致孔隙度。當(dāng)氣泡在焊接熔池中留下拖尾，所述拖尾未在氣泡之后關(guān)閉時(shí)，這種孔隙度可能特別地糟糕。由逃離的被蒸發(fā)覆層產(chǎn)生的洞可以顯著地降低焊縫的質(zhì)量。
[0020]由于關(guān)于孔隙度的這些問題，覆蓋工件(coated work piece)的焊接相比于未覆蓋工件的焊接必須顯著地減慢。慢的步速可以為蒸發(fā)覆層提供足夠的時(shí)間來逃離焊接熔池。然而，這些慢的速度趨向于增加輸入到焊縫中的熱量并且減小焊接操作的整體速度和效率。例如，當(dāng)焊接鍍鋅的鋼材時(shí)，對于具有大約l/16in(16量規(guī))厚度的工件，典型的行進(jìn)速度是15至25in/min?？商鎿Q地，焊工已經(jīng)經(jīng)常不得不研磨或用砂紙打磨來使覆層脫離工件，這也是消耗時(shí)間且勞動密集型的操作。
[0021]如較早所討論的，常用覆層是用于抗腐蝕的鍍鋅。然而，可以導(dǎo)致類似問題的其他覆層包括但不限于:涂料、沖壓潤滑劑(stamping lubricant)、玻璃襯里(glass lining)、鍍鋁覆層、表面熱處理、氮化或碳化處理、包層處理，或者其他蒸發(fā)覆層或材料。
[0022]圖2A至圖2C描述清洗系統(tǒng)100的示例性實(shí)施方案，所述清洗系統(tǒng)100使用電源供應(yīng)器108和高能量熱源109來在工件W的表面處引導(dǎo)束111，以燒蝕覆層C使其脫離燒蝕區(qū)102。燒蝕區(qū)102是隨后的焊縫將被置于其上的區(qū)域，并且一般地由在工件W表面上環(huán)繞束111的行進(jìn)長度和寬度的矩形區(qū)域限定。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，熱源是激光器109(如附圖中所示)。然而，其他實(shí)施方案不限于使用激光器，并且可以使用其他類型的熱源。另外，可以使用許多不同類型的激光器，并且由于對燒蝕或移除覆層相對低的溫度要求，使用非常高能量的激光器或熱源不是必需的。這樣的激光器/熱源系統(tǒng)(包括熱源109和電源供應(yīng)器108)是已知的并且不需要在本文被詳細(xì)描述。
[0023]在示例性實(shí)施方案中，束111的能量密度和焦點(diǎn)不應(yīng)該太強(qiáng)烈以致基本上熔化位于下面的工件W，因?yàn)檫@樣的熔化可能干擾電弧焊工藝。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，可以使用具有IOW至IOkW功率水平的激光器109。在其他示例性實(shí)施方案中，激光束111將具有至少105W/cm2的功率密度以及不多于5ms的互作用時(shí)間。在一些實(shí)施方案中，互作用時(shí)間應(yīng)該是在I至5ms范圍內(nèi)。激光器(或熱源)的強(qiáng)度和互作用時(shí)間應(yīng)該是這樣的，以使基礎(chǔ)材料的可觀熔化應(yīng)該被避免。因?yàn)樗枰獊頍g或移除覆層的熱量典型地不高，這個清洗工藝相比于焊接工藝本身將不再影響焊接接頭的熱量影響區(qū)。激光器可以是任何已知類型的激光器，包括但不限于二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器、Yb-盤(Yb-disk)激光器、YB-纖維激光器、纖維遞送的或直接二極管的激光器系統(tǒng)。進(jìn)一步地，如果具有足夠的能量，甚至可以使用白光或石英激光器類型的系統(tǒng)。系統(tǒng)的其他實(shí)施方案可以使用其他類型的高能量源，所述高能量源能夠蒸發(fā)工件表面上的覆層，并且可以包括作為高強(qiáng)度能量源的電子束、等離子電弧焊子系統(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)、藥芯焊絲弧焊子系統(tǒng)以及埋弧焊子系統(tǒng)中的至少一個。然而，如果使用更高能量源，它們的能量密度和熱量必須被控制，以致僅蒸發(fā)覆層的至少一部分但是基本上不熔化或損傷位于下面的工件。
[0024]在本發(fā)明實(shí)施方案中采用的激光器可以是但不限于:連續(xù)波激光器、脈沖激光器、Q開關(guān)激光器或者具有足夠的峰值功率和能量密度來執(zhí)行所期望的清洗操作的其他類型的激光器。來自激光器109的束11可以由光學(xué)器件或電源供應(yīng)器108控制來提供束截面，所述束截面可以是圓形的、矩形的、方形的、橢圓形的或者其他所期望的形狀。進(jìn)一步地，分束器可以被用來在表面上提供多條束或沖擊點(diǎn)(impact spot)。束也可以被掃描或以其他方式被操控來針對給出的互作用時(shí)間在表面上提供所期望的功率分布，以獲得所期望的清洗。
[0025]在燒蝕期間，熱源109由電源供應(yīng)器108供電并且在表面處發(fā)出束111。注意的是，縱觀本申請，熱源109也將被稱為“激光器”，但是如上面所陳述的，本發(fā)明的實(shí)施方案不是僅限于激光器的使用，而是“激光器”僅被用作示例性實(shí)施方案的討論。在移除期間，激光器109發(fā)出束111，所述束111沖擊工件表面來燒蝕或移除覆層C。如圖2A所示，束111在燒蝕區(qū)102從工件表面移除全部覆層C，但是基本上不熔化工件——這意味著沒有工件材料的熔池被創(chuàng)建在工件的表面。燒蝕區(qū)102的寬度和長度是依據(jù)要被執(zhí)行的焊接，并且覆層的移除可以發(fā)生在焊接之前的任何時(shí)間。
[0026]如圖2A所示，束111在移除工藝期間橫貫燒蝕區(qū)102來回振蕩，同時(shí)工件通過馬達(dá)在行進(jìn)方向移動。然而，本發(fā)明的實(shí)施方案在這方面不受限制，因?yàn)榧す馄骺梢栽谛羞M(jìn)方向移動而工件保持靜止。進(jìn)一步地，在其他實(shí)施方案中，束111不必被平移。例如，束111可以在表面處具有這樣的寬度，以使它燒蝕全部寬度的燒蝕區(qū)，其中不是必須振蕩。本發(fā)明的實(shí)施方案在這方面不受限制。
[0027]在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案中，束111移除全部厚度的覆層C是不要求的。在一些焊接操作中，可以僅必需來移除部分量的覆層以獲得可接受的焊縫。例如，在一些焊接操作中，最小水平的孔隙度是可接受的。如此一來，加快工藝可以僅必需燒蝕工件W上直至50%厚度的覆層。在其他示例性實(shí)施方案中，可以需要燒蝕直至75%厚度的覆層。
[0028]如圖2B和圖2C所示，在一些示例性實(shí)施方案中，不必需以所述束燒蝕全部面積的燒蝕區(qū)102。如上面所陳述的，一些焊接操作將產(chǎn)生具有最小水平孔隙度的可接受的焊道。由于這個原因，可以不必需移除在區(qū)域102的所有覆層C。因此，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方案中，激光器109和束111可以移除小于整個燒蝕區(qū)域102的一定面積的覆層C。如圖2B所示，束111移除覆層以使腔104(呈槽的形狀)被創(chuàng)建在覆層C，因此提供不同覆層厚度的第一部位(102A)和第二部位(102B)。在這個實(shí)施方案中，整個清洗操作快于移除所有覆層C。另外，在覆層中的槽104的創(chuàng)建有助于在焊接期間便利被蒸發(fā)覆層從焊接區(qū)移除。具體地，如圖2B所示，槽可以延伸到工件W的端部，以使當(dāng)另一工件被放置在工件W上用于焊接時(shí)，槽將在兩個工件之間形成腔。這些腔為被蒸發(fā)覆層提供離開路徑，以使最小量的被蒸發(fā)覆層會進(jìn)入或試圖通過焊接熔池。因此，通過在覆層C上創(chuàng)建槽或腔，整個燒蝕工藝可以更快(因?yàn)檩^少的材料將被移除)，同時(shí)仍然允許高速度和低孔隙度的焊縫。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，束111從燒蝕區(qū)102面積的至少40%移除覆層C。在其他示例性實(shí)施方案中，束111從燒蝕區(qū)102面積的至少65%移除覆層C。
[0029]圖2C描述另一實(shí)施方案，其中束111腔106在工件W的焊接表面上的覆層C中。腔106可以是任何形狀或尺寸來有助于降低被蒸發(fā)覆層的量，所述被蒸發(fā)覆層進(jìn)入或試圖通過焊接熔池逃離。
[0030]圖3A和圖3B依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案描述覆層已被移除之后的工件Wl和W2。如可以看到的，表面SI和S2在焊接區(qū)不再具有完整/初始量的覆層。在這些附圖中完整量的覆層C1/C2已被移除，但是如上面所描述的，在一些實(shí)施方案中，完整的移除可以是不必需的。當(dāng)這些工件現(xiàn)在被焊接時(shí)(圖3B)，焊道的熔深未產(chǎn)生蒸發(fā)的覆層材料，并且因此允許增加焊接操作的速度而不增加飛濺或孔隙度。例如，本發(fā)明的實(shí)施方案可以在具有1/16"至3/16"范圍內(nèi)的厚度的覆蓋的鋼材料上獲得具有上面所描述的孔隙度和飛濺水平的至少50in/min的焊接速度。在一些實(shí)施方案中，速度是在50至100in/min范圍內(nèi)，并且在其他實(shí)施方案中速度是在70至100in/min范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)同時(shí)移除覆層及焊接時(shí)可以獲得這些速度。
[0031]在上面所討論的實(shí)施方案中，在焊接操作之前工件在一些點(diǎn)處由激光器109清洗。這個清洗操作相比于焊接操作可以發(fā)生在不同的工作站，但是也可以與焊接站相一致地發(fā)生來增加操作效率。另外，清洗可以與焊接操作同時(shí)發(fā)生。
[0032]上面的實(shí)施方案已討論了工件W上表面覆層的移除和/或燒蝕。然而，本發(fā)明的其他實(shí)施方案可以使用激光器109和束111在焊接之前更改覆層的性能或化學(xué)組成。在一些實(shí)施方案中，可以不必需移除或燒蝕覆層，但是必需改變其組成或改變其性能。例如，已知的是，涂料中的碳?xì)浠衔锟梢愿蓴_電弧焊工藝，然而涂料的其他組分是不作為有問題的。如此一來，激光器109和束111可以被用來燒掉來自涂料的碳?xì)浠衔铮虼烁淖兤浣M成，然而涂料的整個厚度可以基本上保持與燒蝕之前一樣。因此，其他實(shí)施方案可以被用來改變覆層的性能或組成而不是移除它。當(dāng)然，這種工藝可以通過使用如本文所描述的類似的特征、性能、程序以及裝備來采用，以用于覆層的移除。
[0033]圖4描述焊接操作，其中覆層(一層或多層)在緊接接頭焊接之前被照射。具體地，在較上的圖中，束111在接頭處被引導(dǎo)以使束111熔入到接頭中來蒸發(fā)/移除工件Wi/W2上的覆層的至少一些。在一些實(shí)施方案中，在這個工藝期間激光焊道401可以被創(chuàng)建，其由工件Wl和W2中的每個中的部分的熔化來創(chuàng)建。當(dāng)然，束111的熔深深度應(yīng)該被控制以使工件基本上不受危害。因?yàn)樵谶@個部位的覆層在照射期間將被蒸發(fā)，至少一些孔隙可能存在于焊道401。然而，在這個實(shí)施方案中，緊接束照射，在接頭處進(jìn)行電弧焊操作(較下的圖)。電弧焊工藝創(chuàng)建電弧焊道403，這消耗激光焊道401的至少一些，并且由于這個隨后的電弧焊操作到了任何存在于束焊道401的孔隙的程度，以致孔隙將已通過電弧焊道403逃離。因此，在一些示例性實(shí)施方案中，激光清洗和電弧焊可以同時(shí)發(fā)生。這樣的實(shí)施方案可以顯著地提高焊接操作的效率。
[0034]在上面所討論的實(shí)施方案中的任何一個中，因?yàn)榧す馄?09要從表面移除幾乎所有或所有的覆層，本發(fā)明的實(shí)施方案可以獲得之前在焊接覆蓋材料時(shí)不可能已經(jīng)獲得的焊接速度。例如，本發(fā)明的實(shí)施方案可以以達(dá)到未覆蓋材料焊接速度的速度獲得覆蓋材料的焊接速度。因?yàn)殡娀『赶到y(tǒng)是一般地已知的，這樣的獨(dú)立系統(tǒng)不需要在本文被描述或解釋。
[0035]進(jìn)一步地，不僅可以獲得更高的焊接速度，而且焊接速度可以以最小水平的孔隙度和飛濺來獲得。焊縫的孔隙度可以通過檢測焊道的截面和/或長度來確定，以判定孔隙率。截面孔隙率是在給定截面中的孔隙的總面積相比于在該點(diǎn)的焊接接頭的總截面面積。長度孔隙率是在給定單位長度焊接接頭中的孔的總累計(jì)長度。本發(fā)明的實(shí)施方案可以獲得上面所描述的具有O至30%之間的截面孔隙度的行進(jìn)速度。因此，沒有氣泡或洞的焊道將具有O %的孔隙度。在其他示例性實(shí)施方案中，截面孔隙度可以是在5至20 %范圍內(nèi)，并且在另一示例性實(shí)施方案中可以是在O至10%范圍內(nèi)。理解的是，在一些焊接應(yīng)用中，一些水平的孔隙度是可接受的。進(jìn)一步地，在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，焊接的長度孔隙度是在O至30%范圍內(nèi)，并且可以是5至20%。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施方案中長度孔隙率是在O至10%范圍內(nèi)。因此，例如，可以在覆蓋材料中生成這樣的焊縫，所述焊縫具有O至10%范圍內(nèi)的截面孔隙度和O至10%的長度孔隙率。
[0036]另外，相比于焊接覆蓋材料(其中在焊接期間在適當(dāng)位置具有覆層)的現(xiàn)有方法，本發(fā)明的實(shí)施方案可以以上面所判定的行進(jìn)速度焊接，其中幾乎沒有或沒有飛濺。在導(dǎo)致焊接熔池的液滴濺到焊接區(qū)之外時(shí)，飛濺發(fā)生。當(dāng)焊縫飛濺發(fā)生時(shí)，可能危害焊接的質(zhì)量并且可能導(dǎo)致生產(chǎn)延遲，因?yàn)榈湫偷卦诤附庸に囍蠛缚p飛濺必須被清洗使其脫離工件。因此，以沒有飛濺的高速度焊接有很大好處。本發(fā)明的實(shí)施方案能夠以其中飛濺系數(shù)在O至3范圍內(nèi)的上述高行進(jìn)速度來焊接，其中飛濺系數(shù)是給定行進(jìn)距離X上的飛濺的重量(以mg計(jì))相比于相同距離X上所消耗的填充焊絲140的重量(以Kg計(jì))。就是說:
[0037]飛濺系數(shù)=(飛濺重量(mg) /所消耗的填充焊絲重量(Kg))
[0038]距離X應(yīng)該是考慮到焊接接頭的代表性抽樣的距離。就是說，如果距離X太短(例如0.5英寸)，則可能不是焊縫的代表性距離。因此，飛濺系數(shù)為O的焊接接頭對于距離X上所消耗的填充焊絲會沒有飛濺，并且飛濺系數(shù)為2.5的焊縫對于2Kg所消耗的填充焊絲具有5mg的飛濺。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，飛濺系數(shù)是在O至3范圍內(nèi)。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施方案中，飛濺系數(shù)是在O至I范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案中，飛濺系數(shù)是在O至0.5范圍內(nèi)。應(yīng)該注意的是，本發(fā)明的實(shí)施方案在焊接覆蓋材料時(shí)可以獲得上面所描述的飛濺系數(shù)范圍，其中在焊接操作期間覆層保持在工件上，同時(shí)獲得通常僅在未覆蓋工件上可獲得的高速度。
[0039]對于焊接接頭有許多方法測量飛濺。一種方法可以包括“飛濺船(spatter boat) ”的使用。對于這樣的方法，代表性的焊縫抽樣被放置在具有足夠的尺寸來捕獲所有或幾乎所有由焊道產(chǎn)生的飛濺的容器。容器或容器的部分(例如頂部)可以隨焊接工藝移動來確保飛濺被捕獲。典型地，船由銅制成，因此飛濺不會粘到表面。代表性的焊接在容器的底部之上被執(zhí)行以使在焊接期間所產(chǎn)生的任何飛濺將落到容器中。在焊接期間，所消耗的填充焊絲的量被監(jiān)測。在完成焊接之后，飛濺船將由具有足夠精度的裝置稱重，以確定在容器焊接之前的重量和焊接之后的重量之間的差值(如果有的話)。這個差值表征飛濺的重量并且然后由以Kg計(jì)的所消耗的填充焊絲的量來除。可替換地，如果飛濺沒有粘到船上，飛濺可以本身被移除且稱重。
[0040]圖5依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案描述焊接系統(tǒng)500，其中清洗和焊接操作同時(shí)發(fā)生。具體地，系統(tǒng)500包含為焊條103供應(yīng)電弧焊波形的焊接電源供應(yīng)器101。焊條103經(jīng)由焊絲送進(jìn)系統(tǒng)107通過導(dǎo)電嘴105被引導(dǎo)到工件W。這個電弧焊系統(tǒng)可以是任何已知類型的電弧焊系統(tǒng)，包括但不限于氣體保護(hù)金屬極弧焊(GMAW)。未示出的是經(jīng)常在電弧焊中使用的惰性氣體或煙霧排出系統(tǒng)。電源供應(yīng)器101在焊條103和工件W之間創(chuàng)建焊接電弧，以使焊條103沉積到焊道中。如上面所描述的，激光器109以束照射工件W的覆層，以在焊接之前移除或燒蝕覆層。束111的能量水平是這樣的，以使工件W沒有可觀的熔化。束111的形狀/截面將按需要在焊接之前提供覆層的充分燒蝕/移除。
[0041]圖6依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案描述焊接系統(tǒng)的方面。如所示出的，電弧焊在燒蝕操作之后的距離Z發(fā)生。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，距離Z是在0.5至6英寸范圍內(nèi)。在其他示例性實(shí)施方案中，距離Z是在0.5至3.5英寸范圍內(nèi)。當(dāng)然，在其他實(shí)施方案中，焊接立即發(fā)生在燒蝕操作之后是不要求的。事實(shí)上，激光燒蝕可以發(fā)生在另一工作站。
[0042]圖7依據(jù)本發(fā)明描述焊接系統(tǒng)200的另一示例性實(shí)施方案。在這個系統(tǒng)200中蒸氣排出系統(tǒng)201和管口 203被并入。管口 203被安置以使它可以從焊接區(qū)移除任何被蒸發(fā)的覆層材料。這將防止蒸氣污染焊縫或以其他方式干擾對于焊接操作可能需要的任何保護(hù)。在所示的實(shí)施方案中，管口被耦合到激光器109以使管口 203籠罩激光束111。在示例性實(shí)施方案中，管口 203的端是在工件表面之上0.125至0.5英寸范圍內(nèi)的距離X處。距離X不應(yīng)該干擾焊接操作，但是應(yīng)該足夠來在燒蝕期間移除被蒸發(fā)的覆層的至少一些。同樣在圖4中所示出的是保護(hù)氣體供應(yīng)器205和管口 207，以將保護(hù)氣體遞送到焊縫。這樣的系統(tǒng)是一般地已知的并且在本文將不被詳細(xì)討論。
[0043]圖8描述本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案。焊接系統(tǒng)300采用系統(tǒng)控制器301，所述系統(tǒng)控制器301至少耦合焊接電源供應(yīng)器101與激光器電源供應(yīng)器108，以使這些部件的操作被同步。這樣的實(shí)施方案可以允許這些部件在啟動、焊接及停止期間的方便的同步。另外，控制器301可以允許激光器電源供應(yīng)器108或焊接電源供應(yīng)器101中的任何一個或兩個在焊接操作期間調(diào)整。就是說，控制器301可以引導(dǎo)激光器電源供應(yīng)器108針對焊接的第一部位來為激光束提供第一功率密度，并且然后針對焊接的第二部位提供第二功率密度(這是不同的)。當(dāng)然，功率密度可以保持相同，但是燒蝕區(qū)域或區(qū)的尺寸可以按需要來改變。類似地，燒蝕模式也可以按需要從焊接接頭的第一部位到第二部位改變。例如，要被焊接的焊接接頭在單個焊接操作期間可以具有變化的參數(shù)。因此，控制器301可以適當(dāng)?shù)乜刂萍す馄骱秃附硬僮?。例如，在焊接期間關(guān)閉激光器或改變激光器的能量水平或束形狀可以是可期望的?？刂破?01將允許這些改變發(fā)生在焊接期間。進(jìn)一步地，在一些示例性實(shí)施方案中，激光器109可以如所期望的在焊接期間由馬達(dá)303移動或振蕩。類似地，激光器109的光學(xué)器件可以在焊接期間由光學(xué)器件控制器305改變。這增加了系統(tǒng)300的靈活性并且允許在單個焊接操作中焊接復(fù)雜的焊接接頭。例如，激光器可以以足夠的速率來回振蕩以使單條束111可以足夠地?zé)g多個表面，而不是使用兩條束來燒蝕至少兩個焊接表面。類似地，激光器的光學(xué)器件可以被控制來在焊接期間改變束111的形狀或束密度。
[0044]應(yīng)該注意的是，盡管控制器301在圖8中被描述為分開的部件，控制器可以被制成為與焊接電源供應(yīng)器101或激光器電源供應(yīng)器108中的任何一個一體(以及是一分開的部件)。
[0045]在另一示例性實(shí)施方案中，溫度傳感器307被安置來在束沖擊區(qū)域和電弧焊操作之間的點(diǎn)處感知工件W表面的溫度。傳感器307被耦合到控制器301以使控制器301可以監(jiān)測工件W表面的溫度，以確保工件在燒蝕工藝期間沒有過熱。因此，如果表面溫度太高，控制器301將調(diào)整激光器電源供應(yīng)器108來降低束111的能量/功率密度。這將防止工件過熱或過早熔化。
[0046]在另一示例性實(shí)施方案中，圖8所示出的傳感器307可以是光譜傳感器，所述光譜傳感器能夠確定覆層(例如鋅，涂料等等)已被移除。這樣的光譜傳感器可以包括激光誘導(dǎo)等離子光譜傳感器或激光誘導(dǎo)擊穿光譜傳感器。例如，傳感器307可以是使用光或激光束檢測材料的存在的光譜傳感器。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，傳感器307可以被校準(zhǔn)來感知位于下面的基礎(chǔ)材料(例如鋼材)，以確保覆層正在被充分地?zé)g。到這樣的程度，即檢測到不充分的覆層燒蝕正在發(fā)生，系統(tǒng)經(jīng)由控制器301可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整燒蝕。進(jìn)一步地，傳感器307也可以從燒蝕羽流中檢測光譜線來確定燒蝕羽流(plume)(來自覆層的移除)是適當(dāng)?shù)摹?br>
[0047]同樣應(yīng)該注意的是，盡管圖8描述清洗和焊接操作在工件W上同時(shí)發(fā)生，實(shí)施方案不限于此。具體地，在本發(fā)明的其他示例性實(shí)施方案中，系統(tǒng)200，300或500可以被實(shí)現(xiàn)，其中清洗操作與焊接操作分離，但是仍然還如所描述地被控制。就是說，考慮的是，清洗操作發(fā)生在工作單元的第一站，并且工件(一個或多個)被傳遞到焊接操作發(fā)生的工作單元的第二站(以機(jī)器人方式或以手動方式)。事實(shí)上，在系統(tǒng)300中，系統(tǒng)控制器301可以從第一站到第二站調(diào)配被清洗工件的傳遞。
[0048]圖9描述可以用于本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的一體焊頭。在這個實(shí)施方案中，焊頭600包括殼體結(jié)構(gòu)601，所述殼體結(jié)構(gòu)601耦合且包含焊接導(dǎo)電嘴105和激光器109的至少一部分來將束111引導(dǎo)到工件W。這樣的殼體601在束和焊接電弧之間固定距離Z并且可以被用來簡化焊接操作。在一些實(shí)施方案中，殼體601還包含蒸氣排出管口 203，以便利任何被蒸發(fā)覆層的移除。未示出的是也可以被耦合到殼體601的保護(hù)氣體管口或焊接煙霧排出管口。在其他實(shí)施方案中，溫度傳感器307也可以被耦合到殼體601并且被安置，以使溫度傳感器307感知束111和電弧焊之間的工件W的表面。針對具體的焊接操作，殼體601可以具有按需要的結(jié)構(gòu)或配置。例如，殼體601可以具有保護(hù)束111和焊接電弧免遭外部影響和污染的罩(未示出)，其中罩延伸到非常接近工件的表面。進(jìn)一步地，殼體601可以在電弧和束111之間具有物理分隔器603，以防止任何污染且防止任何蒸氣排出無意地從電弧焊操作移除保護(hù)氣體。分隔器603可以延伸到非常接近工件表面。
[0049]應(yīng)該注意的是，在本發(fā)明中所描述的搭接接頭焊縫意圖作為本發(fā)明的實(shí)施方案是示例性的，本發(fā)明的實(shí)施方案可以被用來焊接許多不同類型的焊接接頭。有許多不同類型的焊接接頭，所述焊接接頭可以在焊道導(dǎo)致被蒸發(fā)覆層的捕獲，并且本發(fā)明的實(shí)施方案也可以針對那些類型的焊接接頭來調(diào)適和采用。
[0050]盡管本發(fā)明已經(jīng)參照其示例性實(shí)施方案被具體地示出和描述，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施方案。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，其中可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變而不脫離如由隨后的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。[0051]參考標(biāo)號
[0052]100清洗系統(tǒng)303馬達(dá)
[0053]101焊接或電弧電源供應(yīng)器305光學(xué)器件控制器
[0054]102燒蝕區(qū)或燒蝕區(qū)域307溫度傳感器
[0055]102A第一部位401焊道
[0056]102B第二部位403焊道
[0057]103焊條500焊接系統(tǒng)
[0058]104槽600焊頭
[0059]105導(dǎo)電嘴601殼體結(jié)構(gòu)
[0060]106腔603物理分隔器
[0061]107送進(jìn)系統(tǒng)C覆層或覆蓋表面
[0062]108電源供應(yīng)器Cl覆層
[0063]109熱源或激光器或高能量束源 C2覆層 [0064]110炬S表面
[0065]111束SI接觸表面
[0066]200焊接系統(tǒng)S2接觸表面
[0067]201蒸氣排出系統(tǒng)W工件
[0068]203管口Wl第一工件
[0069]205保護(hù)氣體供應(yīng)器W2第二工件
[0070]207管口WB焊道
[0071]300系統(tǒng)X距離
[0072]301系統(tǒng)控制器Z距離
【權(quán)利要求】
1.一種焊接方法，所述焊接方法包括: 將高能量束引導(dǎo)到要被焊接的工件的覆蓋表面，其中所述覆蓋表面具有覆層，所述覆層相比于所述工件具有不同組成； 以所述高能量束燒蝕所述覆層的至少一部分以移除所述覆層的至少一些，其中所述燒蝕基本上不熔化所述工件； 利用電弧焊工藝焊接所述工件，以使由所述電弧焊工藝創(chuàng)建的焊接接頭具有O至30%范圍內(nèi)的截面孔隙度、O至30%范圍內(nèi)的長度孔隙度，并且優(yōu)選地，具有O至3范圍內(nèi)的飛濺系數(shù)，其中飛濺系數(shù)是對于一定長度的所述焊接接頭以mg計(jì)的焊縫飛濺重量與以kg計(jì)的所消耗的填充金屬重量的比值，并且其中更優(yōu)選地，所述截面孔隙度和所述長度孔隙度中的每個是在O至10%范圍內(nèi)且所述飛濺系數(shù)是在O至I范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高能量束是激光束，特別地，所述激光束具有至少105W/cm2的功率密度并且在所述燒蝕步驟期間具有不多于5ms的互作用時(shí)間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述覆層是鋅。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燒蝕步驟移除所述覆層厚度的一部分，優(yōu)選地直至所述覆層厚度的75%。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述燒蝕發(fā)生在所述覆蓋表面上的燒蝕區(qū)域，以使在所述燒蝕步驟之后所述燒蝕區(qū)域的第一區(qū)域或部位具有第一覆層厚度，所述第一覆層厚度大于所述燒蝕區(qū)域的第二區(qū)域或部位的第二覆層厚度，特別地，其中在所述第二區(qū)域所有所述覆層在所述燒蝕步驟期間被移除。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第二區(qū)域或部位是所述燒蝕區(qū)域的至少40%，或者區(qū)域是所述燒蝕區(qū)域的至少65%。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述燒蝕發(fā)生在所述覆蓋表面上的燒蝕區(qū)域，以使燒蝕模式被創(chuàng)建在所述覆層，其中所述模式具有峰和谷，以使所述峰具有比所述谷大的覆層厚度，特別地，其中在所述燒蝕區(qū)域的所有所述谷被定向來與所述工件的邊緣相交，以致允許從所述燒蝕步驟被蒸發(fā)的覆層在所述焊接步驟期間被引導(dǎo)遠(yuǎn)離所述焊接接頭。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述高能量束在焊接工藝中以0.5至6英寸范圍內(nèi)的距離在所述焊接步驟的所述覆蓋表面上游被引導(dǎo)。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述高能量束的功率密度、所述高能量束的尺寸以及由所述高能量束創(chuàng)建的燒蝕模式中的至少一個從第一性能到第二性能改變，以在所述工件的所述焊接期間改變所述燒蝕步驟的參數(shù)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在所述燒蝕步驟之后監(jiān)測所述表面，以及基于所述監(jiān)測調(diào)節(jié)所述高能量束的功率密度或尺寸中的至少一個，特別地，其中在所述監(jiān)測步驟期間所述表面的溫度被監(jiān)測。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中第二工件的第二覆蓋表面也由所述高能量束在所述燒蝕步驟期間燒蝕。
12.—種焊接方法，所述焊接方法包括: 將高能量束引導(dǎo)到要被焊接的工件的覆蓋表面，其中所述覆蓋表面具有覆層，所述覆層相比于所述工件具有不同組成；以所述高能量束改變所述覆層的至少一部分的化學(xué)組成，其中所述高能量束基本上不熔化所述工件； 利用電弧焊工藝焊接所述工件，以使由所述電弧焊工藝創(chuàng)建的焊接接頭具有O至30%范圍內(nèi)的截面孔隙度、O至30%范圍內(nèi)的長度孔隙度以及O至3范圍內(nèi)的飛濺系數(shù)，其中飛濺系數(shù)是對于一定長度的所述焊接接頭以mg計(jì)的焊縫飛濺重量與以kg計(jì)的所消耗的填充金屬重量的比值。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述覆層是涂料并且所述涂料的碳?xì)浠衔镌谒龈淖儾襟E期間從所述涂料被移除，以改變所述涂料的所述化學(xué)組成。
14.一種焊接系統(tǒng)(200，300，500)，所述焊接系統(tǒng)(200,300,500)包括: 電弧焊電源供應(yīng)器(101)，所述電弧焊電源供應(yīng)器(101)被耦合到電弧焊炬(110)，用于在覆蓋工件(W，W1，W2)上執(zhí)行電弧焊操作來創(chuàng)建焊接接頭；以及 高能量束電源供應(yīng)器(108)，所述高能量束電源供應(yīng)器(108)被耦合到熱源或高能量束源(109)，所述熱源或高能量束源(109)在所述工件的覆蓋表面(S)或覆層(C)處引導(dǎo)高能量束(111)，其中所述高能量束(111)在所述電弧焊炬(110)的所述覆蓋表面(S)上游被引導(dǎo)； 其中，所述高能量束(111)具有足夠來從所述工件移除所述覆層(C)的至少一部分的能量密度，但是基本上不熔化所述工件(W，W1，W2);并且 其中所述電弧焊電源供應(yīng)器(101)提供具有O至30%范圍內(nèi)的截面孔隙度、O至30%范圍內(nèi)的長度孔隙度以及O至3范圍內(nèi)的飛濺系數(shù)的焊接接頭，其中飛濺系數(shù)是對于一定長度的所述焊接接頭以mg計(jì)的焊縫飛濺重量與以kg計(jì)的所消耗的填充金屬重量的比值。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括控制所述高能量束電源供應(yīng)器(108)的操作的系統(tǒng)控制器(301) ，以使所述高能量束(111)在燒蝕區(qū)域(102)創(chuàng)建第一部位和第二部位，其中在所述第一部位(102A)的所述覆層的厚度大于在所述第二部位(102B)的所述覆層的厚度。
【文檔編號】B23K9/16GK103974796SQ201280059967
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年10月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月6日
【發(fā)明者】P·E·丹尼 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司