[发明专利]用于使用能量束加热物体的方法和系统

说明书

加热物体的一部分的方法包括以下步骤：将能量束(11)投射到物体(100；206)的表面上以便在表面上产生主光斑，并根据扫描图案在二维上重复扫描光束(11)，以便在表面上建立有效光斑(12)；相对于物体(100；206)的表面移动有效光斑(12)，以逐渐加热所述物体的所述至少一个选定部分，其中相对于所述物体(100；206)的表面移动所述有效光斑(12)包括遵循具有至少一个方向改变的轨迹(104)移动有效光斑。通过对应于至少一个方向改变来修改扫描仪(2)的操作来保持有效光斑与轨迹对准。

技术领域

本发明涉及使用诸如光束的能量束来加热物体。

背景技术

本领域已知通过将诸如光束(通常是激光束)的能量束引导到物体上来加热物体。这种加热在许多不同的工业过程中使用，例如在激光硬化、先前硬化区域的激光软化、增材制造、激光焊接和激光熔覆中。

传统上，出于这种目的，已经或多或少地使用固定光学器件(透镜、反射镜……)来建立具有选定横截面(例如，具有基本圆形或矩形横截面)的激光束。通常，目的是使激光束成形和聚焦，使得它沿着和横跨其横截面(至少在其撞击工件的地方)具有预定的功率分布或能量分布。有时优选相对均匀的能量分布，有时将更多的能量施加到所投射的激光光斑的某些部分而不是其它部分。例如，在一些实施方式中，前端部分具有比后端部分更高的能量密度等。

图1A示意性地示出了用于对板状金属物体(诸如用于车身的车柱)进行热处理的现有技术系统。该系统包括激光头1000，其将激光束1001(通常由放置在激光头外部的激光源产生)引导到工件100上。激光头1000包括用于对激光束进行正确成形和聚焦以在工件上投射具有期望形状和能量分布的激光光斑1002的装置。在所示的系统中，激光光斑基本上是矩形的。通过移动激光头1000、或者通过移动工件100或者这两者都移动，激光头1000通常可以根据图1A所示的X、Y和Z轴线相对于工件100移动。

例如，工件100可以是具有非常高硬度的工件，如本领域所公知的，通过热压板状金属模板以使其具有所需形状，然后冷却工件以产生淬火而获得。激光束1001在期望提供降低的硬度的区域中投射到工件上，例如，以建立在冲击的情况下容易发生变形的区域。图1A示意性地示出了如何通过将激光束1001基本上扫过希望降低硬度的区域(典型地对应于横跨车柱的带或带)来实现这一点。因此，可以获得与投射的激光光斑1002所遵循的路径对应的降低的硬度。在图1A中，激光光斑1002例如由于激光头1000和工件100之间的相对运动而沿X方向行进。激光头还经常包括用于在一个或两个方向上扫描激光束的装置，使得激光光斑1002沿着X轴线的位移可以由扫描仪产生。

图1B和1C示出了利用这种系统，激光光斑如何能够遵循包括曲线的工件上的轨迹104(由图1B和1C中的箭头示意性示出)。在图1B和1C中，弯曲轨迹基本上在X-Y平面中延伸。现在，如在图1B和1C中示意性示出的，这可能需要在X-Y平面中重新定向所投射的激光光斑1002，以便在沿着轨迹行进时保持与轨迹适当对准-例如与轨迹相切。如在图1C中示意性示出的，这通过围绕系统的Z轴线转动或枢转激光头1000来实现。因此，除了用于根据X轴线和Y轴线(并且可选地沿着Z轴线)移动激光光斑的装置之外，激光头和/或工件还具有进一步的自由度，即根据Z轴线的旋转。

图1D和1E示意性地示出了用于激光焊接待焊接在一起的两个金属部件101和102的现有技术系统。激光束投射到界面区域103上，其中两个部分101和102配合，即两个部分的表面彼此面对，使得两个部分可以焊接在一起。激光束产生激光光斑1002，激光光斑1002沿着图1D和1E中的箭头示意性地示出的轨迹104被扫过。通过沿轨迹逐渐移动激光光斑1002，两部分的配合部分逐渐熔化。通过固化，形成焊缝105。