用于使用能量束加热的方法和系统技术方案

一种加热物体的选定部分的方法包括以下步骤：将能量束(1)投射到物体(100)的表面上，并且根据扫描图案(11A,11B)重复地扫描该束，以便在该表面上建立有效斑点(12A,12B)，并且沿着轨迹(101)移位有效斑点(12A,12B)以逐渐地加热物体的选定部分(102)。选定部分(102)在沿着轨迹(101)的第一位置处具有第一宽度(W1)且在沿着轨迹(101)的第二位置处具有第二宽度(W2)。第二宽度(W2)小于第一宽度(W1)的75%。扫描图案以与第一位置相对应的第一频率且以与第二位置相对应的第二频率重复，第二频率大于第一频率的60%并且小于第一频率的140%。第一频率的60%并且小于第一频率的140%。第一频率的60%并且小于第一频率的140%。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用能量束加热的方法和系统


[0001]本专利技术涉及使用诸如激光束的能量束加热物体。

技术介绍

[0002]通过将能量束(诸如光束，例如激光束)导向到物体上来加热物体是在本领域中已知的。例如，通过将材料加热到低于其熔融温度的高温并且随后将其淬火(也就是说，使其足够快速地冷却以形成坚硬的马氏体)来硬化诸如钢(例如，中碳钢)的含铁材料是在本领域中众所周知的。加热可在熔炉中或通过感应加热进行，并且冷却可通过施加冷却流体(诸如水或与其它成分混合的水)进行。使用诸如光束的能量束来例如对于诸如曲轴的复杂产品执行特定的硬化过程也是已知的。曲轴具有复杂的表面和在使用期间对耐磨性非常高的要求。例如，WO
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A2解释了激光束如何可用于例如曲轴的轴颈的表面的硬化，而不会在油润滑孔附近的区域产生过热。其它物体也可通过与由WO
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A2教导的方法和系统一致的方法和系统热处理，该WO
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A2的内容以引用方式并入本文中。WO
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A1尤其讨论了如何可通过将束投射到工件的表面上来选择性地加热工件，以便在表面上产生主斑点，该束根据扫描图案在两个维度上重复地扫描，以便在工件的表面上建立有效斑点，该有效斑点具有二维能量分布。该有效斑点相对于工件的表面移位，以逐渐地加热工件的选定部分。在一些实施例中，有效斑点的二维能量分布在有效斑点相对于工件的表面的移位期间被动态地调适。
[0003]WO
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A1尤其讨论了在用于激光硬化的这种技术的背景下如何可使用不同的扫描图案，该WO
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A1的内容以引用方式并入本文中。图示实施例包括具有垂直于彼此的区段的扫描图案。一个图示实施例的特征在于基本上成形为“数字8”的扫描图案。
[0004]已经发现，如在WO
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A1和WO
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A1中提出的用于使用能量束加热的技术可用于除工件的硬化之外的其它应用。例如，WO
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A1教导了如何可将该技术用于增材制造，该WO
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A1的内容以引用方式并入本文中。WO
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A1教导了如何可将该技术用于金属板的热处理，该WO
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A1的内容以引用方式并入。另外的应用包括物体的焊接，例如，用于连结物体的两个或更多个部件，如WO
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A1中所述，该WO
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A1的内容以引用方式并入本文中。
[0005]已经发现，上述专利申请中描述的技术在灵活性、适应性、产品质量和生产率方面具有显著的优势。
[0006]确定合适的扫描图案和与其相关联的参数可涉及使用经验测试(诸如试错测试)、模拟、计算或它们的组合，所述参数诸如扫描速率(也就是说，由激光束投射的斑点沿着扫描图案和沿着其不同部分或区段移动的速度)、激光束功率、激光斑点大小以及有效斑点沿着其在被处理物体的表面上所遵循的轨迹或路径的速度。
[0007]常常希望某些产品特征沿着由有效斑点热处理的轨迹保持恒定。例如，如在WO
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A2中讨论的激光硬化的情况下，沿着轨迹的恒定硬化深度常常是期望的。类
似的考虑适用于许多其它应用，诸如激光软化、激光焊接等。
[0008]在诸如曲轴的轴颈的激光硬化和许多其它应用的许多应用中，有效斑点在沿着其轨迹移动时保持基本上恒定的宽度，以便提供工件的这样的热处理部分，即，该热处理部分在从其开始到其结束的其整个延伸上，例如一直沿着曲轴的轴颈的圆周(仅为了给出一示例)，具有基本上恒定的宽度。在如WO
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A1中公开的金属板部件的热处理的情境下，另一个示例可为车辆支柱的一部分的激光软化，以在车辆支柱中形成具有恒定宽度的软化带，例如，以形成在碰撞的情况下将普遍发生变形的区域，或者车辆支柱可更容易地被切穿的区域。

技术实现思路

[0009]然而，有时可能希望提供对具有基本上沿着由有效斑点将遵循的轨迹变化的宽度的部分或条的热处理，例如，提供硬化或软化材料的或多或少复杂的图案、焊缝、诸如在增材制造的背景中的熔融粉末的固结物质等。
[0010]在这种情况下，通常优选的是，热处理的基本特性沿着轨迹保持基本上恒定，除了在沿着轨迹的加热部分或条的宽度中的以上提及的变化之外。例如，在激光硬化的情况下，通常希望硬化的深度沿着轨迹保持恒定。
[0011]计算对于达到某个硬化深度所必要的能量可包括确定待加热的体积、温度将被升高的量、材料的比热容等。因此，例如，为了将具有某个宽度的部分硬化到某个深度，可确定轨迹的每单位长度必要的辐射能量，从而为确定由具有某个功率的束产生的有效斑点将沿着轨迹移位的速度提供基础。要考虑的附加方面包括有效斑点内的能量分布，例如，是否选择具有比尾随部分更高能量密度的前导部分，仅为了给出一示例。因此，一种方法可基于例如为扫描图案的前导部分和尾随部分建立能量流量(以J/m2计)，并且随后确定有效斑点的适当速度和激光束的功率。可通过模拟和/或试错测试来验证所选择的扫描图案、束功率、主斑点沿着扫描图案的不同部分(诸如沿着前导区段和尾随区段)的速度以及有效斑点沿着轨迹的速度，直到已经确定参数的合适组合。
[0012]当待加热部分具有沿着轨迹变化的宽度时，例如，通过以具有相对于参考宽度减小或增加的宽度的一个或多个区段为特征，一种确保基本上恒定性能的方式(例如，在硬化深度、软化、焊缝深度等方面)存在于操作中，使得能量流量(以J/m2计)在沿着轨迹的不同区段或子部分处保持基本上恒定，同时扫描图案的宽度调适成对应于在每个特定时刻经受热处理的相应子部分的宽度。例如，待加热部分的宽度中超过X%的变化可能需要有效斑点的宽度中的相应减小，以及因此扫描图案中的相应变化，包括扫描图案的宽度的变化，从而考虑到主激光斑点的宽度或直径，即在每个特定点处投射到被处理的一个表面或多个表面上的激光斑点的宽度或直径。
[0013]本专利技术的第一方面涉及一种加热物体的至少一个选定部分的方法，包括以下步骤将能量束投射到物体的表面上，以便在该表面上产生主斑点，并且根据扫描图案在两个维度上重复地扫描该束，以便在该表面上建立有效斑点(其也可称为虚拟斑点，通过主斑点的二维扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1. 一种加热物体的至少一个选定部分的方法，包括以下步骤将能量束(1)投射到所述物体(100)的表面上，以便在所述表面上产生主斑点(10)，并且根据扫描图案(11A, 11B)在两个维度上重复地扫描所述束，以便在所述表面上建立有效斑点(12A, 12B)，所述有效斑点具有二维能量分布，以及沿着所述物体(100)的所述表面上的轨迹(101)移位所述有效斑点(12A, 12B)，以逐渐地加热所述物体的选定部分(102)；其中，所述选定部分(102)在沿着所述轨迹(101)的第一位置处具有第一宽度(W1)，且在沿着所述轨迹(101)的第二位置处具有第二宽度(W2)；其中，所述束(1)根据所述扫描图案(11A, 11B)被扫描，使得所述扫描图案由所述束以与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一频率，且以与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二频率重复，并且其中，所述第一频率和所述第二频率两者都大于10 Hz，其中，所述第二宽度(W2)小于所述第一宽度(W1)的75%，并且其中，所述第二频率大于所述第一频率的60%并且小于所述第一频率的140%。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二宽度(W2)小于所述第一宽度(W1)的60%，诸如小于所述第一宽度(W1)的50%。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二频率大于所述第一频率的70%，诸如大于所述第一频率的75%、80%、85%或90%。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二频率小于所述第一频率的130%，诸如小于所述第一频率的125%、120%、115%或110%。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述有效斑点(12A)在沿着所述轨迹(101)的所述第一位置处时，所述主斑点(10)沿着所述扫描图案的平均速度比当所述有效斑点(12B)在沿着所述轨迹(101)的所述第二位置处时显著更高。6.根据权利要求5所述的方法，其中，当所述有效斑点(12A)在沿着所述轨迹(101)的所述第一位置处时，所述主斑点(10)沿着所述扫描图案的所述平均速度比当所述有效斑点(12B)在沿着所述轨迹(101)的所述第二位置处时高至少10%。7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述有效斑点(12A)在沿着所述轨迹(101)的所述第一位置处时，所述主斑点(10)沿着所述扫描图案的所述平均速度比当所述有效斑点(12B)在沿着所述轨迹(101)的所述第二位置处时高至少20%，诸如至少高30%、高50%或高100%。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效斑点的特征在于到与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的所述物体的所述表面上的第一辐射能量流量以及到与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的所述物体的所述表面上的第二辐射能量流量，所述第二辐射能量流量不大于所述第一辐射能量流量的110%，并且不小于所述第一辐射能量流量的90%。9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一频率和所述第二频率两者都大于25 Hz，诸如大于80 Hz，诸如大于80 Hz且小于150 Hz，诸如大于80 Hz且小于120 Hz。10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效斑点(12A, 12B)的所述二维能量分布的调适包括通过以下方式调适所述二维能量分布
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通过调适所述扫描图案(11A, 11B)来修改所述有效斑点(12)的宽度，和
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调适所述主斑点(10)沿着所述扫描图案移动的所述平均速度。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述能量束(1)具有与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一平均功率和与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二平均功率，所述第二平均功率比所述第一平均功率小至少10%。12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效斑点(12A, 12B)以与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一速度(V1)并以与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二速度(V2)沿着所述轨迹移位，所述第二速度(V2)不同于所述第一速度(V1)。13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效斑点在平行于所述轨迹的方向上具有这样的长度(L1, L2)，即所述长度(L1, L2)在与所述第一位置相对应的情况下比在与所述第二位置相对应的情况下小。14. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述有效斑点(12A, 12B)以与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一速度(V1)并以与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二速度(V2)沿着所述轨迹移位，所述第二速度(V2)不同于所述第一速度(V1)。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二速度(V2)高于所述第一速度(V1)，并且其中，所述能量束(1)具有与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一平均功率和与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二平均功率，所述第二平均功率与所述第一平均束功率基本上相同。16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二速度(V2)低于所述第一速度(V1)，并且其中，所述能量束(1)具有与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一平均功率和与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二平均功率，所述第二平均功率比所述第一平均功率小至少10%。17. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述有效斑点在平行于所述轨迹的方向上具有这样的长度(L1, L2)，即所述长度(L1, L2)在与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的情况下比在与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的情况下小。18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述有效斑点(12A, 12B)以与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一速度(V1)并以与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二速度(V2)沿着所述轨迹移位，其中，所述第二速度(V2)高于所述第一速度(V1)。19. 一种加热物体的至少一个选定部分的方法，包括以下步骤将能量束(1)投射到所述物体(100)的表面上，以便在所述表面上产生主斑点(10)，并且根据扫描图案(11A, 11B)在两个维度上重复地扫描所述束，以便在所述表面上建立有效斑点(12A, 12B)，所述有效斑点具有二维能量分布，以及沿着所述物体(100)的所述表面上的轨迹(101)移位所述有效斑点(12A, 12B)，以逐渐地加热所述物体的选定部分(102)；其中，所述选定部分(102)在沿着所述轨迹(101)的第一位置处具有第一宽度(W1)且在沿着所述轨迹(101)的第二位置处具有第二宽度(W2)；其中，所述束(1)根据所述扫描图案(11A, 11B)被扫描，使得所述扫描图案由所述束以与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一频率，且以与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二频率重复，并且其中，所述第一频率和所述第二频率两者都大于10 Hz，
其中，所述能量束(1)具有与沿着所述轨迹的所述第一位置相对应的第一平均功率和与沿着所述轨迹的所述第二位置相对应的第二平均功率，所述第二平均功率小于所述第一平均功率。20. 一种加热物体的至少一个选定部分的方法，包括以下步骤将能量束(1)投射到所述物体(100)的表面上，以便在所述表面上产生主斑点(10)，并且根据扫描图案(11A, 11B)在两个维度上重复地扫描所述束，以便在所述表面上建立有效斑点(12A, 12B)，所述有效斑点具有二维...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：艾西塔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：