TW201800164A

TW201800164A - 藉由添加式製造方法來製造的金屬線

Info

Publication number: TW201800164A
Application number: TW105141698A
Authority: TW
Inventors: 克里斯多福徐
Original assignee: 伊利諾工具工程公司
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2018-01-01
Also published as: CA3005367C; US20200316719A1; EP3389900A1; MX2018007500A; US20170173735A1; CN108367349A; EP3389900B1; CA3005367A1; CN108367349B; WO2017106131A1; TWI712458B; US10688596B2; US11691198B2

Abstract

揭露了用於使用添加式製造技術來實心金屬線的製造系統及方法。在一個實施例中，在透過形成或拉製模將細粉材料轉變成最終產品之前，以結實的形式或近淨形狀（例如近淨實心金屬線形狀）將細粉材料燒結或熔化或軟焊或冶金地結合至金屬條基板上。

Description

藉由添加式製造方法來製造的金屬線

此揭示案關於藉由添加式製造方法來製造的金屬線。

實心（solid）金屬線及管狀金屬線共存在市場中，因為各類型的金屬線有其本身的優點及缺點。

實心金屬線提供了成本優勢以及直徑、芯成分、沉積、螺旋線、鑄造、金屬線放置、饋送性、表面化學、弧特性等等上的一致性及準確度。然而，實心金屬線成本主要由大部分取決於規模經濟的綠條（green rod）成本所帶動，藉此使得製造商由於來自煉鋼廠之鋼坯原料的採購障礙而難以使用較小的批量來生產客製的實心金屬線。

管狀金屬線（其特徵為芯中堆集的或混雜的粉末及圍繞芯的金屬鞘）受益於針對較小的批量改變化學。然而，管狀金屬線在完成的直徑太小（例如0.030”或更少）時難以生產。來自褶疊薄鞘的加工硬化可能需要退火。對於位外焊接（out of position welding）而言，可能必須針對其增加的熔化速率及金屬轉移（metal transfer）行為發展協同的脈衝波形。在粉末密度、同質性、緊密性及鞘厚度上可能有變化，且可能將空氣及濕氣封閉在金屬線裡面。因此在金屬轉移及其他焊接特性上可能不如實心金屬線般地一致。減少的柱狀強度可能呈現了金屬線饋送挑戰。無縫的管狀金屬線克服了縫合的管狀金屬線的某些問題，例如用於銅鍍的均勻外表面及在定向上對於來自驅動輥壓力的變形不敏感。然而，由於縫的批料熔填及高頻率焊接且亦由於減輕加工硬化效應所需的批料退火操作，無縫金屬線需要更多成本來生產。管狀金屬線的一個問題特性是，存在著氣脹現象，在該現象中，金屬線末端處的熔態金屬在尺寸上增加而大於金屬線直徑且在分離之前混亂地懸垂在金屬線下方。（稱為球形轉移，大概是肇因於被封閉之空氣的擴展，其產生了不穩定性、較不集中的弧及淺的滲透。）另一問題是，瞬間熔化速率可能不如實心金屬線般地均勻，因為管狀金屬線芯中之粉末的緊密度或密度不如實心金屬線的整體金屬芯般地同質。進一步問題是實心鞘及粉末芯的不均勻加熱及熔化，其中外鞘可能首先熔化（有時是不對稱地），且其中讓芯材（例如鎢碳）掉進焊池且在固態形式下不熔化且在不被吸收進池的情況下跳出池表面。所需者為可經濟地以固態形式或客製化形式生產客製化學或成分之金屬線，以結合實心金屬線及管狀金屬線兩者之優點的系統及方法。

如請求項中所更完整地闡述的，提供了用於使用添加式製造方法來生產具有客製化學或成分的金屬線（例如實心金屬線、其他類型的金屬線）的方法及系統，該添加式製造方法如由圖式中的至少一者所繪示的及/或結合圖式中的至少一者來描述的。

依據本揭示案之某些實施例的態樣關於製造可消耗之熔填金屬的技術，該熔填金屬可用於焊接、接合、包層（cladding）、軟焊、表面堆焊、熔接硬面法及硬焊程序，舉例而言。熔填金屬可在某些類型的接合或表面處理中充當消耗性電極，或在其他類型的接合或表面處理中充當非電極熔填條。儘管圓形幾何形狀金屬線最常被使用，亦在實務上使用其他形狀（例如扁平或矩形的條帶或條）。因此，本揭示案中的用語「金屬線」廣泛地施用於圓角形狀金屬線以外的形狀，而本揭示案中的用語「焊接」廣泛地包括其他相關的程序。

本揭示案的某些實施例關於用於藉由添加式製造技術製造實心焊接金屬線的系統及方法。

本揭示案的某些實施例提供了添加式製造或三維（3D）列印（例如同燒結技術（包括選擇性雷射燒結及微感應燒結）使用）。這些燒結技術是基於壓實粉末及在不完全熔化粉末微粒的情況下藉由加熱及/或藉由施加壓力來形成實心塊體。例如，雷射及感應加熱可充當加熱源。可針對添加式製造採用其他熱源或程序（例如電子束、TIG、往復金屬線受控短路MIG、阻抗縫焊接、摩擦銲接及超音波焊接）。

某些實施例提供的是，在透過形成或拉製模將細粉材料轉變成最終產品之前，以結實的形式或近淨形狀（例如近淨實心金屬線形狀）將細粉材料燒結或熔化或軟焊至金屬條基板上。

圖1圖示用於藉由添加式製造技術來製造實心焊接線之系統及方法的實施例。系統100例如包括基板輸送系統110、材料源120及熱源130。在某些實施例中，材料源120供應及熱源130被整合成一個處理頭。參照圖1，基板輸送系統110例如包括一或更多個滑輪140，該等滑輪可包括電動驅動輥，該等滑輪被佈置為透過材料源120拉取金屬線基板150且將該金屬線基板拉取經過熱源130。在某些實施例中，材料源120例如包括一或更多個粉末床160。材料源120提供材料以供沉積在金屬線基板150上。熱源130例如包括一或更多個雷射170及一或更多個光學設備180（例如透鏡、鏡、濾波器等等）。熱源130被配置為提供協助經沉積材料在金屬線基板150上形成固體的熱。在某些實施例中，金屬線基板150周圍的壓力亦被控制以進一步促進將經沉積材料與金屬線基板150固結。

在某些實施例中，金屬線基板150包括金屬條作為基板。金屬條可為扁平或彎曲的。例如，金屬條可為扁帶、C形條、U形條、V形條或半圓形條。

在某些實施例中，材料源120可包括被配置為控制金屬線基板150上之粉末高度的壩或刮刷。壩可定位在熱源130前面或操作性地定位在該熱源前方。因為金屬線基板150可在其穿過粉末床160時改變方向，刮刷（或壩）可被佈置在相對應於金屬線基板150之移動的位置下。在一個實例中，刮刷（或壩）可為靜止的且在移動基板上方被設置到某個間隙，其中該間隙相對應於建立物高度。在另一實例中，圖1中的單一粉末床160可被分裂成單獨的粉末腔室，使得可在金屬線基板150的金屬條在熱源130（例如雷射）下方經過時針對各夾層而單獨管理各粉末床160的高度。

在某些實施例中，金屬線基板150可在被暴露於燒結熱源之前被預熱。在某些實施例中，可在不熔化粉末的情況下藉由感應、輻射熱等等來完成預熱階段。

在某些實施例中，佈置重力落下以施用粉末。在重力落下的情況下，以某個速率從移動金屬線基板150上方的進料斗施與粉末且在熱源130前方將粉末落下或帶饋送至金屬線基板150的移動輸送機上。可將捕集皿或床佈置在下方以供收集及回收過量的粉末。

在某些實施例中，熱源130可包括一或更多個雷射，且可佈置雷射功率分佈，使得建立物具有例如與下個建立層的寬度匹配的線或矩形形狀。其他波束圖樣（例如十字、星形、多邊形、環形、卵形、無限大符號、雙點、三點、四點等等）可用以控制固結速率、微結構、缺陷、不連續性及建立物的殘餘應力；及WIP金屬線的加工硬化及柱狀強度。可在不移動部件的情況下或藉由機械振盪光學件來光學地產生圖樣。雷射能量分佈可為高帽的、高斯的、多模的或其他的。可基於粉末的熔化溫度來控制雷射功率。例如，較高的粉末密度可用於金屬粉末，而較低的粉末密度可用於助焊劑化合物。在某些實施例中，熱源130可包括一或更多個微感應加熱頭，該等微感應加熱頭採用由一或更多個射頻電源供電的高頻感應加熱傳感器。感應加熱頭可包括磁通量集中器，該磁通量集中器被配置為施用空間緊密的磁場以將小的粒狀微粒/粉末以固態形式燒結至金屬線基板150的金屬基板或條上。

在某些實施例中，熱源130例如可包括一或更多個雷射170及一或更多個光學設備180（例如透鏡、鏡、濾波器等等）。在圖1中為了說明而簡化雷射170及光學設備180（其被配置為操控來自雷射170的雷射光束）。由熱源130所發射的雷射光束可經佈置，使其在金屬線在多次穿過材料源120而被逐步建立時在多個在製（WIP）金屬線之間被共用。在某些實施例中，光學設備180可例如包括以下中的一或更多者：反射體、透射體或反射接物聚焦透鏡；結構化的光圖樣投影；光束分離器；檢流計；鏡；及閉路伺服定位系統。在某些實施例中，光學設備180可合併可變準直器及/或縮放均勻器，以即時調整縮放及控制焦點位置及能量密度。在某些實施例中，雷射170及/或光學設備180是靜止的。在某些實施例中，雷射170及/或光學設備180在操作期間移動。例如，光學設備180可以週期性圖樣移動（例如週期地旋轉），使得雷射光束被引導至粉末床160或金屬線基板150的不同部分。光學設備180亦可例如包括光閥、孔、清洗氣體噴嘴、氣刀及蓋滑體。

在某些實施例中，金屬線振動或金屬線實際位置偵測器可被配置在要進行建立之金屬線表面處或附近，且可用以在刮刷/壩之前或之後，在將金屬線基板150暴露於熱源130之前感測金屬線位置。金屬線基板150的實際位置被發送至系統控制器，以指引光學設備180（例如光學件）將雷射瞄準於輸入的金屬線基板150處。實際金屬線位置可例如用於針對光束定位及聚焦之檢流鏡系統的反饋控制。500W至5kW的鐿光纖雷射可被配置為以點尺寸將細的金屬粉末熔融至基板上，該點尺寸與所需建立層的寬度相當。某些實施例設想使用其他雷射，例如包括盤形雷射、半導體雷射、二極體雷射、直接二極體雷射（例如TeraDiode（例如使用與自由空間光學件結合的波長光束）或同調的光束結合或並排光束結合，以增加光束亮度）、其他摻雜稀土元素的光纖雷射、雙包層光纖雷射、晶體雷射、Nd:YAG雷射、氣體雷射、CO₂ 雷射、連續波雷射、脈衝雷射、準分子雷射及飛秒雷射。可針對不同類型的金屬線材料、金屬線尺寸及其他金屬線性質選擇不同的雷射。

在操作時，依據某些實施例，由基板輸送系統110的滑輪140將金屬線基板150拉過材料源120的粉末床160。粉末床160可如三維（3D）列印中所使用地為粉末原料或床。粉末被沉積在金屬線基板150上。熱源130前面或前方的靜止的刮刷或壩藉由在金屬線基板150經過靜止刮刷或壩下方或附近時掃開或整平沉積於金屬線基板150上的粉末來控制粉末的高度或粉末位準。在金屬線基板150移動透過粉末床160時，光學設備180將雷射光束從雷射170聚焦至粉末床160中的一或更多個位置，以加熱沉積在金屬線基板150上的粉末。藉由控制熱、金屬線速度且可能控制壓力，沉積在金屬線基板150上的粉末被燒結或熔化或軟焊成實心金屬線形式。在某些實施例中，金屬線基板150可針對每次穿過粉末床160改變方向，連續的層以該等方向建立至金屬線基板150上。每一次，建立層的形狀逐步地改變成大約圓角的形狀或近淨形狀。可接著藉由將近淨形狀金屬線150穿過形成或拉製模來將近淨形狀的金屬線150轉變成最終產品金屬線。圖9圖示被拉過拉製模190（或在另一實施例中為拉製板）之近淨形狀金屬線150的實施例，以例如減少金屬線直徑、調整金屬線的形狀及形成最終的金屬線產品。儘管以最終產品的形式考慮，某些實施例設想烘烤及/或將塗層（例如銅）及/或電弧穩定劑（例如鉀或鈉）或其他步驟添加至最終金屬線產品以防止氧化及提供潤滑。

因為添加式製造之後的金屬線基板150是近淨形狀，可顯著減少來自後續拉製台的直徑減少量。其結果是，可在某些實施例中減少或消除硬化及退火程序。近淨形狀WIP金屬線在製造時較不可能使金屬線斷裂的情況下改良了高碳當量及/或高可硬化性之特殊合金及小直徑細線的可製造性。

圖2圖示使用金屬線原料之實心金屬線之添加式製造的另一實施例。在此實施例中，材料源120採用金屬線饋送系統200而非粉末床160來作為原料或添加式材料，或除了該粉末床以外採用該金屬線饋送系統來作為原料或添加式材料。金屬線饋送系統200可例如包括金屬線供應器210、饋送器220（例如驅動輪）及加熱器230。某些實施例設想使用條而非線來作為材料原料。可可選地採用另一熱源240。熱源240可例如為電阻式、電感式加熱器。圖2亦圖示的是，金屬線基板150的各通路具有其本身的金屬線饋送系統200及（可選地）其本身的熱源240。

在操作時，由饋送器220從金屬線供應器210拉取金屬線原料且將該金屬線原料饋送透過加熱器230或饋送到該加熱器附近以供沉積至金屬線基板150上。加熱器230提供熱以使用來自金屬線供應器210的金屬線在沉積至金屬線基板150上之前是「熱」的。在某些實施例中，加熱器230加熱金屬線基板150，使得金屬線原料在與金屬線基板150接觸時被熔化或結合。亦可能的是，圖2中之金屬線供應器210的四個實例是以允許彈性製造的不同成分製造，以供僅藉由編程來自金屬線供應器庫之金屬線供應器的選擇性組合就從相同的產品線生產不同化學WIP金屬線。

在某些實施例中，加熱器230是在從饋送器220往復饋送金屬線的情況下使用受控短路程序之焊接氣炬，以藉由從金屬線基板150升起沉積金屬線來拉製電弧及藉由將金屬線原料投進基板熔化池來形成短路的部件。在此情況下，在電弧出現時產生了大部分的熱。

在某些實施例中，例如，雷射、鎢惰性氣體（TIG）電弧或電漿弧可在從饋送器220饋送金屬線的情況下充當熱源以供應添加式材料。從饋送器220饋送的金屬線可為未經加熱的（亦即冷的金屬線），或替代性地，金屬線可被預熱（亦即熱的金屬線）。從饋送器220饋送的金屬線可為實心金屬線或在外面具有金屬鞘而在裡面具有粉末的管狀金屬線。

圖3圖示使用雷射金屬沉積（LMD）來添加地製造實心金屬線的實施例。LMD系統290具有共軸地供應雷射光束310、氣體320（例如遮護氣體）及粉末330的LMD頭300。可藉由氣體（或鼓風）及/或藉由朝向在LMD頭300下方移動之金屬線基板150的重力來輸送粉末330。LMD是使用高能量密度光束310（例如雷射光束）以在粉末330饋進熔化物時熔化金屬線基板150的程序。儘管圖示雷射光束310，某些實施例可使用其他熱源，例如電子束或電漿弧。粉末330熔化而形成被冶金地熔融至金屬線基板150的建立物。處理頭300一般具有錐形端，在該錐形端中，藉由氣體朝雷射光束310所聚焦的基板150輸送粉末330。頭300可被配置為將多個粉末噴口投射至基板150上。可以不同化學的粉末原料饋入各粉末噴口。圖3圖示四個LMD頭300的佈置。各頭300將新的層添加至金屬線基板或WIP上以供逐步進行建立。較佳地，在某些實施例中，以扁平定位將沉積材料熔融至WIP金屬線的末端上（例如WIP金屬線末端朝上），使得以朝下定位來輸送粉末330。粉末流動速率可例如取決於WIP金屬線尺寸及電射功率從1至100 g/分鐘而變化。在某些實施例中，可選用光纖雷射，而雷射功率的範圍可從500W至10kW。氣體流動速率的範圍可從2至10 L/分鐘。儘管圖3圖示共軸頭300的實施例，某些實施例提供的是，可從雷射光束側不共軸地供應粉末330或甚至相對於頭300外部地供應該粉末。

圖4圖示使用雷射金屬沉積（LMD）來添加地製造實心金屬線的另一實施例。建立物是在（或軸向地在）金屬線的一端上，而沉積速率或建立速率藉由輥而與收緊速率匹配，以從LMD處理頭移除WIP金屬線。儘管圖4繪示用於軸向列印金屬線的LMD，其中列印程序（例如同金屬線原料（或原料庫）使用電弧焊接程序之往復饋送金屬線的受控短路）亦是可能的。某些實施例同粉末原料或金屬線原料使用電子束直接製造或電子束添加式製造，以在真空中軸向列印WIP焊接金屬線。

圖5圖示WIP金屬線之雷射處理的實施例。在某些實施例中，雷射處理系統340被配置為在沒有粉末或材料源120的情況下更改金屬線基板150（例如WIP金屬線）的表面性質及/或幾何形狀。在某些實施例中，熱源用以將金屬條結合在一起及/或用以關閉WIP金屬線的接縫。系統340例如包括基板輸送系統110及熱源130。參照圖5，基板輸送系統110例如包括被佈置為將金屬線基板150拉過熱源130的一或更多個滑輪140。

在某些實施例中，熱源130例如包括一或更多個高能量密度光束熱源170（例如雷射）及一或更多個光學設備180（例如透鏡、鏡、濾波器等等）。熱源130可被配置為例如在沒有粉末的情況下更改金屬線基板150（例如WIP金屬線）的表面性質及/或幾何形狀。

在某些實施例中，一或更多個雷射170可例如用於表面標記及/或變形加工，以在金屬線被推送及/或拉取透過襯墊時（例如在焊接操作期間）減少金屬線及襯墊之間的摩擦或接觸力。雷射170可用以更改金屬線剛度（例如金屬線皺曲的傾向）、金屬線及襯墊之間的粗糙面對粗糙面接觸及摩擦係數，以改良金屬線對襯墊的壓力分佈，且因此例如在焊接操作期間改良金屬線可饋性。可饋性可例如受金屬線及襯墊之間的摩擦力或接觸力影響。

在某些實施例中，例如，雷射170可引起20-160 µm之範圍中的隆起線，其以及邊界潤滑減少了摩擦波動，這可在焊接操作時增加線路及氣炬尖端的壽命。在某些實施例中，雷射170（例如飛秒雷射）可誘發週期性表面奈米結構（LIPSS），其相較於平滑表面降低了摩擦係數。

在某些實施例中，雷射170可用於消去式微孔洞鑽鑿或微機械加工以在金屬線的外部上產生空腔，以可靠地保留適當量的表面添加劑（例如針對可饋性的電弧穩定劑（例如鉀或鈉）或潤滑劑，或用於在焊接期間要由金屬線供應設備（例如氣炬、饋送器、導管等等）中的化學感測器所偵測之金屬線識別的化學品）。

在某些實施例中，雷射170可用以使用某些圖樣引發殘餘應力（例如壓縮及/或張應力），使得可針對金屬線鑄造及螺旋線保留彈性/塑性變形。在保留足夠大的殘餘應力時，焊接金屬線可能在其離開焊接氣炬中的接觸尖端之後作出受設計的自旋運動且使得電弧自旋。

除了針對圖1-4所述的程序以外，某些實施例設想使用添加式程序的其他變體，例如包括冷噴霧、高速度氧化燃料噴霧、雙股金屬線電弧噴霧及使用粉末或金屬線的火焰噴霧。例如，在圖4中，可以冷噴霧/熱噴霧頭替換LMD頭300以供添加式地製造焊接金屬線。在冷噴霧中，可以250-500 psi之範圍中的壓力由4-15 kW的加熱器在400-600°C的範圍中預熱氣體（例如N₂ 、H₂ 或空氣），來以超音速使粉末微粒加速到達到WIP金屬線基板150上。某些實施例設想將冷噴霧與雷射光束結合，使得在粉末被噴灑之後，由雷射光束進一步加熱或燒結或熔化或軟焊建立物。

圖6圖示使用添加式製造技術來形成圓角實心金屬線之層之進展的實施例。例如，採用C形基板150。在第一次穿過材料源120時，第一層250被沉積且形成成具有較大橫截區域的實心WIP金屬線。在第二次透過時，第二層260被沉積且形成成具有又更大之區域的實心WIP金屬線。在之後透過時，第三層270及第四層280被沉積且形成成再更大的實心WIP金屬線。第三層270及第四層280例如被沉積及形成成圓角近淨金屬線形狀。

圖6中所繪示之層的進展為簡化的WIP金屬線進展。圖示了C形基板150，但某些實施例設想使用其他類型的基板（例如扁條）及使用拉製模來形成圓底形狀。某些實施例亦設想使用U形或V形基板150。儘管圖示四次透過，在實行時可能需要多或少於四次透過。例如，可使用十個夾層（其中各夾層增加0.1 mm）來產生1 mm的建立厚度。進一步地，某些實施例設想的是，各層可具有不同或客製的成分，而不是所有層皆具有均勻的成分。例如，針對圖1中的程序，各粉末床腔室160可具有不同的粉末混合物。例如，針對圖2-4，各金屬線原料可具有不同的金屬線化學或為不同的金屬線類型。

圖7圖示由添加式製造技術製造之金屬線的實施例，其中金屬線具有平滑及連續的外部皮膚及巢狀的內部。某些實施例設想使用其他形狀（例如三角形、四邊形、多邊形、弧形、曲線等等）而不是蜂巢形，或除了蜂巢形以外使用其他形狀。除了完全「實心」的金屬線以外，某些實施例設想使用添加式製造技術來製造在中間具有一或更多個空腔的多孔金屬線，同時針對高效的金屬線饋送維持平滑的外部（或皮膚）。在一個實施例中，可生產具有環狀橫截面的中空金屬線。

此類客製的、添加式地製造的金屬線可找到許多應用。例如，具有多孔內部的客製金屬線可用於氣體金屬弧焊（GMAW）焊接，且可在較高阻抗值的情況下增加電極延伸加熱效應；在減少熱輸入、減少錳煙氣及減少咬邊（undercut）的情況下增加沉積；改變電弧寬度/形狀/穩定性、熔池流動性、珠輪廓及滲透輪廓；缺陷及不連續的傾向；及可能減少噴霧過渡電流的門檻值，允許較低評級及較低成本的電源進行相同規格的基底金屬及工作循環的焊接及減少電力消耗。例如，可相較於具有完全實心內部的相同金屬線以更低的電流焊接較大外徑（OD）的多孔實心金屬線。可針對較廣的電弧（還有較低的焊接電流）為了抵抗皺曲而增加結構完整性來同內肋使用較大的OD直徑，以戲劇性地增加操作員技能容錯或裝配容差。某些實施例設想更精巧的內部結構（例如由實心壁分離的週期性中空隔室（例如蜂巢結構等等））而不是中空的內部，以針對後續的拉製程序或針對饋送程序增加結構剛度或穩定性。藉由改變內部的多孔性，可針對給定的長度及外徑調適阻抗值。

在某些實施例中，實心金屬線的多孔內部可充當氣體媒質的導管。在焊接應用中，氣體可為傳統遮護氣體，或為具有特殊添加物的輔助氣體以減少可擴散的水或減少鋁陰極清潔軌道，或為脈衝式壓力或恆定高壓氣體以供增加熔池沉陷及焊接滲透。由碳線作為導管供應的高壓空體或氣體可用於高效的碳弧熔刮或切割。

圖8圖示添加式地製造之金屬線的實施例，其中金屬線具有縱向的結構或成分的圖樣。在某些實施例中，可以相鄰的配置來佈置不同的材料源120，以在連續的層中生產縱向的結構或成分的圖樣。參照圖8，金屬線可包括以特定長度重複之區段A、B及C的縱向圖樣。區段A、B及C可例如表示三個不同的材料成分（例如化學成分）。此外，區段A、B及C可表示不同結構成分（例如實心的、巢狀的及中空的）。又進一步地，區段A、B及C可具有不同的物理性質（例如不同的熔點、不同的磁性、不同的密度、不同的質量、不同的導電性、不同的阻抗值等等）。

在一個實施例中，內部金屬線結構及/或材料成分包括以固定長度重複的圖樣。在某些應用中，例如，在金屬線在磁感測器或光學感測器下方移動時，該圖樣可用以感測實際的金屬線饋送速率。磁感測器可為非接觸式感測器來量測實際的金屬線速率。這與例如使用與金屬線接觸而壓住金屬線以感測金屬線速度的輥形成對比。

依據某些實施例之此類型金屬線的某些應用設想將焊接波形或雷射功率與由非接觸式磁或光學感測器所感測的內部金屬線結構同步，以改良電弧/雷射焊接中的金屬轉移、包層、熱線或冷線TIG或電漿以及與金屬線進行的硬焊。例如，添加式地製造的金屬線可具有有著高鋁合金含量之碳鋼成分的夾層，該夾層與低鋁合金之碳鋼成分的夾層交錯。可採用在往復饋送金屬線的情況下進行受控短路的焊接程序，使得在電弧階段燒掉或消耗高鋁夾層，而低鋁夾層在不經受電弧加熱的情況下被浸進短路中的焊池。在另一實例中，高矽夾層可與低矽夾層交錯，其中高矽夾層被供應為具有與具有較高熔池流動性（及更佳的趾的幾何形狀及疲乏壽命）的焊趾同步的氣炬編製或金屬線自旋，同時將整體的矽位準維持於金屬線化學規格。進一步地，在另一實例中，可將低麻田散體轉變（martensitic transformation）溫度化學金屬線的夾層或LTTW（例如10% Cr - 10% Ni）同步供應至焊趾，以於趾處誘發壓縮應力，且因此在不使整體金屬線超出用於碳鋼焊接的昂貴LTTW化學的情況下增加受焊接結構的疲乏壽命。亦設想金屬線圖樣及電弧特性/金屬轉移模式之間的其他同步，例如將電弧極性及電弧電流位準與金屬線中的可重複夾層同步。在同步的一個實例中，可在焊接期間在AC波形的「電極負」或正極性階段期間轉移昂貴合金元素（例如Ni、Ti、Mo、稀土金屬等等）的夾層，使得它們實質上被轉移成在不在電弧中燒毀的情況下焊接金屬。實心金屬線之內部或外部中的幾何特徵可被感測且用以傳訊至焊接電源（例如焊接電力供應源）以翻轉其輸出的極性。

粉末形式下之金屬的成本通常遠低於線圈（例如綠條）形式。可藉由節約實心金屬線熔填金屬製造中的原料來抵銷添加式製造裝備折舊成本的額外成本。

在某些實施例中，內部金屬線結構可包括「代碼」以供進行金屬線識別（例如金屬線直徑、金屬線類型等等）。代碼可為變化的內部結構、橫截區域或質量的幾何圖樣。在金屬線在磁感測器下方移動時，可讀取代碼以識別金屬線類型、金屬線直徑等等。

在某些實施例中，實心金屬線被製造為具有以不同於實心外部的化學製造的實心內芯，使得內部的熔化溫度實質低於外部的熔化溫度，以在其在GMAW電弧中熔化時減少「鉛筆」形的金屬線末端。這允許在遮護氣體中沒有氧氣或二氧化碳的情況下進行純氬遮護氣體GMAW焊接且還維持程序穩定性以達成所需的焊接延展性。

某些實施例提供沿金屬線的長度圖樣列印不同的金屬線化學。例如，某些實施例設想列印交替之低熔點成分金屬線「薄片」及高熔點金屬線片段的圖樣。在尾隨的低熔點金屬線薄片熔化時，前導的高熔點金屬線掉落進焊池，因此增加了熔化效率。例如，能量不浪費在試圖熔化高熔點金屬線使其可落進焊池。這藉由減少輸入進工件的熱改良了熱效率，且受益於增加的沉積速率。

某些實施例提供以先前不可能的實心金屬線形式製造金屬矩陣成分金屬線、奈米微粒金屬線及鎢碳包層金屬線。

儘管某些實施例設想的是，拉製程序發生在添加式金屬線建立程序之後，某些實施例並不如此受限。某些實施例設想將拉製程序（例如金屬線形成）與添加式程序混合，或設想交織它們。例如，在一次建立之後，可將WIP金屬線拉過拉製模（或拉製板）以針對下個建立夾層更準確地調整WIP金屬線的形狀。具體而言，輥模拉製或輥拉製可用以在減少加工硬化、拉製力、模磨損及金屬線斷裂的情況下，將近淨形狀金屬線從添加式製造程序轉變成完成的尺度的金屬線。可將拉製模淹沒在水中以供進行濕拉法。某些實施例提供的是，拉製模不具有圓孔而是具有一輪廓（例如中間形狀（具有扁平頂部），例如圖6中的形狀），該輪廓在拉製台中具有區塊或土耳其頭機（Turk's-head machine）。為了減少拉製力，某些實施例使用輥模拉製或輥拉製而不是固定的模來將剪摩擦力轉換成輥軋摩擦力。除了混合添加式沉積及拉製程序以外，某些實施例合併或混入對於添加式沉積建立程序是不可或缺的消去程序及/或熱處理程序（例如次間形成、冷卻程序、應力釋放程序及退火程序）。

某些實施例在添加式實心金屬線生產中提供原位度量衡、原位程序控制及原位品質控制。某些實施例提供在線非接觸式檢驗（例如包括雷射超音波）來針對內部整體性偵測體積多孔性，及針對WIP金屬線外部尺度及形狀提供微米量測，這可為添加式程序控制的部分。溫度感測器或高溫計攝影機可用以量測熔化區域的溫度及尺寸，且可決定熱梯度以供針對缺陷預測微結構及傾向。

某些實施例提供原位自診斷機構。可部署感應器來偵測雷射護罩透鏡清潔度狀態、洩漏諧振器、雷射焦點的徧移等等，以針對預防性維護提供警示。熱量計可用在添加式製造的區域中以供量測實際的雷射功率、功率密度、光束品質（例如光束參數積或BPP，或M² ）及供針對功率設定點進行檢查。若找到偏差，可觸發增加雷射功率設定點以進行匹配或關機以檢查光學件及光束供應。可使用功率位準感測器，且可針對潛在的關機及預防性維護而將金屬線可饋性及饋送力感應器內建進系統。

某些實施例提供建立例如有效地減少下拉次數的近淨形狀實心金屬線。在某些實施例中，該近淨形狀金屬線具有一多孔內部結構及一外部表面。在某些實施例中，該近淨形狀金屬線具有一氣密的外部。在某些實施例中，該近淨形狀金屬線具有不同成分或構成，該等不同成分或構成以該近淨形狀金屬線的一縱向方向重複。在某些實施例中，該近淨形狀金屬線具有不同物理性質，該等不同物理性質以該近淨形狀金屬線的一縱向方向重複。在某些實施例中，在一電弧或高能量密度光束中消耗該完成的實心金屬線以供進行焊接、硬焊或包層。在某些實施例中，在一電弧或高能量密度光束中消耗該完成的實心金屬線以供進行切割或熔刮。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的系統。該系統例如可包括被配置為沉積一材料及加熱該經沉積材料，以使用一近淨形狀金屬線的一軸向方向添加式地製造該近淨形狀金屬線的一LMD頭或一直接製造電子束或一電弧氣炬；一輸送系統，被配置為軸向地將該金屬線移開該雷射金屬沉積頭，其中該輸送系統及該雷射金屬沉積在速度上是匹配的；及一板組件或一模組件，被配置為將該近淨形狀金屬線的一直徑下拉成一完成的金屬線。在某些實施例中，該LMD頭被配置為共軸地提供一雷射光束、一材料及一遮護氣體。在某些實施例中，該近淨形狀金屬線軸向地建立。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的方法。該方法可例如包括以下步驟中的一或更多者：藉由一輸送器系統，將一金屬基板移動透過一材料源系統或移動到該材料源系統附近；在每次透過該材料源系統或每次在該材料源系統附近期間在該金屬基板上沉積一材料層；透過在每次透過該材料源系統或在該材料源系統附近之後在該金屬基板上燒結或熔化一經沉積材料的該層來進行建立；及藉由將該建立材料與該金屬基板一起拉過一拉製板組件或一拉製模組件來形成該完成的實心金屬線。在某些實施例中，沉積該材料層的該步驟包括：在每次透過一粉末床期間在該金屬基板上沉積一主要金屬粉末，該粉末床包括該主要金屬粉末，且其中該粉末床是該材料源系統的部件。在某些實施例中，沉積該材料層的該步驟包括：將一饋線饋至該金屬線基板及加熱該饋線及/或該金屬線基板，使得該饋線與該金屬線基板固結。在某些實施例中，沉積該材料層的該步驟包括：以該金屬線基板的一縱向方向以一重複圖樣沉積不同材料或成分。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的系統。該系統可例如包括：一輸送器系統，被配置為在一熱源下方移動一在製熔填金屬；一材料源系統，被配置為提供一源材料，藉由該熱源將該源材料添加至一基板或一先前結合的材料，以建立一近淨形狀實心金屬線；及一板組件或一模組件，被配置為下拉以確保該近淨形狀實心金屬線的一直徑或一橫截區域成為一完成的實心金屬線。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的系統。該系統可例如包括：一LMD頭或一電弧氣炬或一電子束，被配置為加熱一金屬基板及將一材料沉積至該經加熱金屬基板上，以添加式地製造一近淨形狀金屬線；一輸送系統，被配置為在該LMD頭或該電弧氣炬或該電子束下方移動該金屬基板；及一板組件或一模組件，被配置為將該近淨形狀金屬線的一直徑下拉成一完成的金屬線。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的系統。該系統可例如包括：一輸送器系統，被配置為在一熱源下方移動一金屬基板；一材料源系統，被配置為提供一金屬氧化物、一碳化物、一二氧化矽、或一助焊劑或一高溫奈米微粒，一或更多次地藉由該熱源將該等被提供物結合至該金屬基板以逐步增加該近淨形狀實心金屬線的一橫截區域；及一板組件或一模組件，被配置為允許將該近淨形狀實心金屬線平整成一完成的實心金屬線。在某些實施例中，該材料源系統可提供以下中的二或更多者：一金屬材料、一金屬氧化物、一碳化物、一二氧化矽、一助焊劑、高溫奈米微粒及其他非金屬材料。該板組件或該模組件可將該近淨形狀實心金屬線的直徑減少小於十個百分比。在某些實施例中，該板組件或該模組件在形成該完成的實心金屬線時可不實質減少該近淨形狀實心金屬線的該直徑。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的系統。該系統可例如包括一輸送器系統及一板組件或模組件。該輸送器系統可被配置為在一熱源下方移動在製（WIP）金屬線。該熱源可被配置為更改該WIP金屬線的一表面性質或一幾何形狀。該板組件或該模組件可被配置為將該WIP金屬線的一直徑下拉成一完成的實心金屬線。該熱源可例如包括一高能量密度光束熱源或一雷射。該熱源可被配置為在該WIP金屬線上提供表面標記或變形加工；提供微孔洞鑽鑿或微機械加工以在該WIP金屬線中產生空腔；及/或在該WIP金屬線中以特定圖樣引發殘餘應力。

某些實施例提供一一體建立或形成的金屬線、條帶或條。一或更多個實施例可包括以下中的一或更多者：一內部部分，被配置為多孔狀或具有一或更多個空腔；一內部部分，被配置為提供不連續的幾何圖樣；一內部部分，被配置為軸向或橫截地提供一化學或成分變化圖樣；一外部部分，被配置為提供空腔；一外部部分，被配置為具有平滑以外的表面紋理或奈米結構；該金屬線、該條帶或該條，被配置為提供壓縮或張力殘餘應力圖樣；該金屬線、該條帶或該條，被配置為提供剛度圖樣；該金屬線、該條帶或該條，被配置為提供彈性及塑性變形圖樣；及該金屬線、該條帶或該條，被配置為針對非接觸式或磁性地感測該金屬線饋送速率或針對一金屬線類型及一尺寸的代碼，以一圖樣提供一橫截區域的縱向變化。在某些實施例中，該金屬線、條帶或條並不具有粉末構成，或其中不藉由機械鋪層或鍛造來建立該金屬線、條帶或條。在某些實施例中，是使用添加式製造或三維（3D）列印來製造該金屬線、條帶、或條。在某些實施例中，是藉由一高能量密度光束作為一熱源來達成該金屬線、條帶或條的一或更多個性質。在某些實施例中，該金屬線、條帶或條被配置為熔填金屬以供進行焊接、接合、包層、軟焊或硬焊。

某些實施例提供一種用於製造一金屬線或一焊接型熔填金屬線的方法。該方法可包括以下步驟中的一或更多者：沉積一粉末、一金屬線或一條作為一原料；以一高能量密度光束加熱該原料；及將該原料熔融成一WIP金屬線。在某些實施例中，該高能量密度光束包括以下中的一或更多者：一雷射光束、一電子束及一電漿弧。在某些實施例中，該高能量密度光束用以熔融該金屬線的該外部接縫。在某些實施例中，該實心金屬線的該內部被一體地結合在一起，且不包括一鬆的粉末。

儘管已參照某些實施方式描述本方法、程序及系統，將由本領域中具技藝者瞭解的是，可在不脫離本方法、程序及系統之範圍的情況下作出各種改變及替代等效物。此外，可作出許多更改以將特定情況或材料適應於本揭示案的教示而不脫離其範圍。因此，所欲者為，本方法、程序及系統不要限於特定所揭露的實施方式，而是本方法、程序及系統將包括落在隨附請求項之範圍內的所有實施方式。

100‧‧‧系統
110‧‧‧基板輸送系統
120‧‧‧材料源
130‧‧‧熱源
140‧‧‧滑輪
150‧‧‧金屬線基板
160‧‧‧粉末床
170‧‧‧雷射
180‧‧‧光學設備
190‧‧‧拉製模
210‧‧‧金屬線供應器
220‧‧‧饋送器
230‧‧‧加熱器
240‧‧‧熱源
250‧‧‧第一層
260‧‧‧第二層
270‧‧‧第三層
280‧‧‧第四層
290‧‧‧LMD系統
300‧‧‧LMD頭
310‧‧‧高能量密度光束
320‧‧‧氣體
330‧‧‧粉末
340‧‧‧雷射處理系統
A‧‧‧區段
B‧‧‧區段
C‧‧‧區段

圖1圖示依據本揭示案在移動的條基板上進行基於粉末之進料3D列印的實施例。

圖2圖示依據本揭示案在移動的條基板上進行基於金屬線之進料3D列印的實施例。

圖3圖示依據本揭示案以雷射金屬沉積（LMD）來添加式製造實心金屬線的實施例。

圖4圖示依據本揭示案以LMD來添加式製造實心金屬線的實施例。

圖5圖示依據本揭示案之在製（work-in-progress, WIP）金屬線處理的實施例。

圖6圖示依據本揭示案的實施例，在進一步拉製及熱處理階段以生產完成的金屬線之前，從原始條到近淨形狀（near-net shape）之建立層的進行。

圖7圖示依據本揭示案在外部及經結構化的內部（作為用於說明的實例，例如蜂巢結構）中具有實心皮膚之經列印金屬線的實施例。

圖8圖示依據本揭示案具有內部結構變化或成分變化之縱向圖樣之經列印金屬線的實施例。

圖9圖示依據本揭示案透過拉製模來拉製之近淨形狀之金屬線的實施例。

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100‧‧‧系統

110‧‧‧基板輸送系統

120‧‧‧材料源

130‧‧‧熱源

140‧‧‧滑輪

150‧‧‧金屬線基板

160‧‧‧粉末床

170‧‧‧雷射

180‧‧‧光學設備

Claims

一種用於製造一焊接型熔填金屬線的系統，包括：一輸送器系統，被配置為在一熱源下方移動一在製熔填金屬；一材料源系統，被配置為提供一源材料，藉由該熱源將該源材料添加至一基板或一先前結合的材料，以建立一近淨形狀實心金屬線；及一板組件或一模組件，被配置為下拉以確保該近淨形狀實心金屬線的一直徑或一橫截區域成為一完成的實心金屬線。
如請求項1所述之系統，其中藉由該板組件或該模組件將該近淨形狀實心金屬線的該直徑減少小於十個百分比。
如請求項1所述之系統，其中該基板或該先前結合的材料包括一金屬條。
如請求項1所述之系統，其中該基板或該先前結合的材料包括一粉末、一助焊劑、一金屬線或一條。
如請求項1所述之系統，其中該輸送器系統包括移動該基板或該先前結合的材料的一或更多個滑輪。
如請求項1所述之系統，其中該輸送器系統包括一或更多個電動驅動輥。
如請求項1所述之系統，其中該熱源包括以下中的一或更多者：一雷射源、一感應加熱源、一電子束源及一電弧。
如請求項1所述之系統，其中在一電弧或高能量密度光束中消耗該完成的實心金屬線以供進行焊接、硬焊或包層。
如請求項1所述之系統，其中在一電弧或高能量密度光束中消耗該完成的實心金屬線以供進行切割或熔刮。
如請求項1所述之系統，其中該輸送器系統連續地或週期性地移動該基板或該先前結合的材料。
如請求項1所述之系統，其中該材料源系統包括一粉末床，其中該輸送器系統多次將該基板或該先前結合的材料移動透過該粉末床，且其中每次透過該粉末床使得一材料層以粉末形式沉積在該基板或該先前結合的材料上。
如請求項1所述之系統，其中該熱源將該經沉積的金屬層及一非金屬材料燒結或熔化至該基板或該先前結合的材料上。
如請求項1所述之系統，其中該材料源系統包括一金屬線饋送系統，且其中該金屬線饋送系統向該基板或該先前結合的材料提供一饋線，使得該饋線熔化且與該基板或該先前結合的材料固結。
如請求項1所述之系統，其中該近淨形狀金屬線具有一多孔內部結構及一外部表面。
如請求項1所述之系統，其中該近淨形狀金屬線具有一氣密的外部。
如請求項1所述之系統，其中該近淨形狀金屬線具有不同成分或構成，該等不同成分或構成以該近淨形狀金屬線的一縱向方向重複。
如請求項1所述之系統，其中該近淨形狀金屬線具有不同物理性質，該等不同物理性質以該近淨形狀金屬線的一縱向方向重複。
如請求項1所述之系統，其中該近淨形狀金屬線具有不同物理結構，該等不同物理結構以該近淨形狀金屬線的一縱向方向重複。
如請求項1所述之系統，其中該基板或該先前結合的材料一開始為一C形、U形或扁平金屬條。
如請求項1所述之系統，其中該源材料包括了包括以下中之一或更多者的金屬或金屬氧化物粉末：鐵、鈮、釩、鋯、鈦、鉬、硼、稀土金屬、鋁、鎳、鎂、錳及鉻。
如請求項1所述之系統，其中該源材料包括了包括以下中的一或更多者的一非金屬材料：一電弧穩定劑及一遮護劑。
如請求項21所述之系統，其中該電弧穩定劑包括鉀及鈉中的一或兩者，或其中該遮護劑包括石灰石及矽鐵中的一或兩者。
如請求項1所述之系統，其中該焊接型熔填金屬線用於以作為一能源的一電弧、一雷射、一電子束或摩擦進行焊接、接合、硬焊、軟焊或包層。
如請求項1所述之系統，其中該材料系統包括被配置為沉積該源材料及加熱該經沉積材料，以使用一近淨形狀金屬線的一軸向方向添加式地製造該近淨形狀金屬線的一雷射金屬沉積（LMD）頭或一電子束或一電弧氣炬，且其中該輸送系統被配置為軸向將該金屬線移開該LMD頭或該電子束或該電弧氣炬，其中該LMD頭或該電子束或該電弧氣炬及該輸送系統在速度上是匹配的。
如請求項24所述之系統，其中藉由該拉製板組件或該拉製模組件將該近淨形狀實心金屬線的該直徑減少小於十個百分比。
如請求項24所述之系統，其中該LMD頭被配置為共軸地提供一雷射光束、該源材料及一遮護氣體。
如請求項24所述之系統，其中該近淨形狀金屬線軸向地建立。
如請求項1所述之系統，其中該材料系統包括被配置為加熱該基板或該先前結合的材料及將該源材料沉積至該經加熱金屬基板或該經加熱的先前結合的材料上，以添加式地製造一近淨形狀金屬線的一雷射金屬沉積（LMD）頭或一電子束或一電弧氣炬，且其中該輸送系統被配置為在該LMD頭或該電弧氣炬或該電子束下方移動該基板或該先前結合的材料。
如請求項1所述之系統，其中該熱源被配置為更改該在製熔填金屬建立物的一表面性質或一幾何形狀。
如請求項29所述之系統，其中該熱源被配置為在該在製熔填金屬建立物上提供表面標記或變形加工。
如請求項29所述之系統，其中該熱源被配置為提供微孔洞鑽鑿或微機械加工以在該在製熔填金屬建立物中產生空腔。
如請求項29所述之系統，其中該熱源被配置為在該在製熔填金屬建立物中以特定圖樣引起殘餘應力。
如請求項1所述之系統，其中該材料源系統被配置為提供一金屬氧化物、一碳化物、一二氧化矽、一助焊劑或一高溫奈米微粒，一或更多次地藉由該熱源將該等被提供物結合至該基板以建立該近淨形狀實心金屬線。
如請求項33所述之系統，其中該材料源系統被配置為提供一金屬材料及以下中的一或更多者：該金屬氧化物、該碳化物、該二氧化矽、該助焊劑、高溫奈米微粒及其他非金屬材料。
如請求項34所述之系統，其中該板組件或該模組件在形成該完成的實心金屬線時並不實質減少該近淨形狀實心金屬線的該直徑。