CN104822849A - 用于对工件的表面进行激光硬化的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种对工件的表面区域例如曲轴的轴颈的表面进行激光硬化的方法，包括：在工件的表面与激光源之间产生相对移动，以使激光光斑能够相继被投射至所述表面区域的不同的部分上，并且在所述相对移动期间，重复扫描激光束(2)，以在所述表面区域上产生二维等效有效激光光斑(5)。调节该有效激光光斑的能量分布，使得在对热较敏感的子区域例如润滑油孔邻近区域中与在对热较不敏感的子区域中所述能量分布不同，从而防止对所述对热较敏感的子区域过度加热。

Description

用于对工件的表面进行激光硬化的方法及系统
技术领域
本发明涉及通过激光对含铁材料(例如，钢铁)的产品(例如，曲轴)进行表面硬化的领域。
背景技术
本领域中众所周知的是，通过将材料加热至较高温度(低于该材料的融化温度)，随后对该材料进行淬火，也就是说，使该材料足够快速地冷却以足以形成硬马氏体(martensite)，来硬化含铁材料例如中碳钢。加热可以在熔炉内或通过感应加热来进行，而冷却可以通过应用冷却液(例如，水或混合有其他成分的水)来进行。
通常，仅表面需要进行硬化。表面硬化增大了材料的耐磨损性，并且有时候也可以用于增大由残余压应力引起的疲劳强度。表面硬化可以用于硬化在使用时将会经受严重磨损的表面，例如，支承表面，如曲轴的轴颈表面。
激光表面硬化是将高能量激光用作热源以硬化基体表面的表面处理方法。使用激光来实现表面硬化是已知的，参见，例如：
-“F.Vollertsen,et al.,“State of the art of Laser Hardening andCladding”,Proceedings of the Third International WLT-Conferenceon Lasers in Manufacturing 2005Munich,June 2005”；
-“M.Seifert,et al.,“High Power Diode Laser Beam Scanning inMulti-Kilowatt Range”,Proceedings of the 23rd InternationalCongress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004”；
-“S.Safdar,et al.,“An Analysis of the Effect of Laser Beam Geometryon Laser Transformation Hardening”,Journal of ManufacturingScience and Engineering,Aug.2006,Vol.128,pp.659-667”；
-“H.Hagino,et al.,”Design of a computer-generated hologram forobtaining a uniform hardened profile by laser transformationhardening with a high-power diode laser”,Precision Engineering 34(2010),pp.446-452”；
-US-4313771-A；
-DE-4123577-A1；
-EP-1308525-A2；
-EP-2309126-A1；
-JP-2008-202438-A；
-JP-S61-58950-A；
-US-4797532-A。
将激光用于表面硬化具有若干优点：激光束基本独立于工件，容易控制；不需要真空；并且不会产生燃烧产物。另外，由于激光束通常仅局部地加热金属产品或工件，所以工件的其余部分可以用作散热器，确保快速冷却，这也称为自淬火：冷的工件内部等同于足够大的散热器，用于通过以足够高的速率向内部导热来使热表面淬火，从而使得在表面处能够形成马氏体。因此，可以避免需要外部冷却介质，例如冷却液。
在金属硬化处理中将激光用作热源所涉及的一个问题是，硬化区域的宽度受限于激光光斑的尺寸。已知，使用光学器件来修改光斑的形状，例如，以提供具有差不多均匀的强度分布的大致矩形光斑。作为选择，可以使用扫描装置(例如，与驱动装置关联的扫描镜)在轨道上重复移动光斑，使得可以将热源认为是沿轨道移动的矩形源。
尽管存在这些优点，但却通常不使用激光硬化，这是因为人们认为对于该技术的很多实际应用而言生产率不够高，并且因为难以实现将要加热的所有的部件加热至所期望的程度。正确的加热是必不可少的，从而确保以必要的深度实现硬化和钢化，但是却不会由过热而造成损坏。
例如，曲轴(发动机的将往复式线性活塞运动转化成旋转的部件)是经常被认为难以通过激光硬化的复杂产品。图1中示出了曲轴的示例。曲轴1000为锻造或铸造的钢铁产品，其具有两个或更多个位于中心的同轴圆柱形轴颈1001(也称为“主轴颈”)以及一个或更多个偏置圆柱形曲轴梢轴颈1002(也称为“连杆轴颈”)，主轴颈1001与连杆轴颈1002通过形成壁1005的配重和梁腹(web)分隔开，壁1005基本垂直于轴颈的表面延伸。复杂形状的产品会使得难以使用激光束正确地“扫描”表面；要硬化的轨道或区域可以具有不同的宽度和/或是不对称的和/或被布置在不同的平面中(这正是壁1005与轴颈1001和轴颈1002的表面的情况)。因此，如今，在高频率感应加热之后使用基于聚合物的水淬火处理被频繁地用于曲轴的硬化。然而，虽然证实该处理对于实现所期望的硬化是有用的，但是该处理具有一些缺点。例如，必须根据曲轴的具体设计来设计用于通过感应引起加热的感应体，这减少了灵活性：使感应机器适应一种新的曲轴可能会耗时且成本高。另外，就将曲轴加热至期望的程度所需要的能量而言，通过感应加热成本高。另外，由于需要使用大量的冷却液，所以冷却处理复杂、成本高并且从环境的角度受到挑战。另外，必须仔细控制参数，例如冷却液温度和流量，以确保正确的硬化处理。
因此，就灵活性、环境友好性、能量消耗和成本而言，使用激光作为热源的硬化可会是有吸引力的选择。
DE-10 2005 005 141-B3公开了一种用于对曲轴的轴颈表面进行激光硬化的方法。根据该方法，在使用激光对各个轴颈进行加热期间，六轴工业机器人用于握持曲轴，并且随后用于绕主轴颈的轴并且绕连杆轴颈的轴旋转曲轴。因此，通过使用工业机器人的移动性能，激光源与激光束所投射的表面之间的距离能够保持恒定。
另外，US-2004/0244529-A1教导使用激光来硬化曲轴的较小区域。在这种情况下，使用激光来硬化多个分隔的部分，其中，这些部分的范围随着要硬化的区域而变化。由于仅对曲轴的具有这些分隔的部分的较小部分进行硬化，所以不需要担心对其他更热敏感部分过度加热。
DE-3905551-A1教导了一种用于硬化曲轴表面的系统，其中，激光束投射至曲轴上，并且其中，在光束与曲轴之间存在相对移动，使得光束随后将投射至曲轴的不同部分上。根据曲轴的相应部分的几何形状并且根据激光束穿透的期望深度来调节光束的功率或功率分布。由DE-3905551-A1教导的方法的问题在于，其可能不允许高产率。为了获得足够深的硬化层(在机动车工业中，就有效层深度而言，通常需要至少800微米、1000微米、1500微米、2000微米或甚至3000微米的硬化深度，并且常常期望直到200微米或更大的深度都具有100％转换的马氏体)，升高表面的特定部分的温度是不够的，而且能量要被施加足够长的时间，使得不仅加热表面而且加热表面以下直至足够深度的材料。由于并不期望对表面过度加热，所以为了实现期望的穿透，最佳方案不是简单地增大激光束的功率量，而是增大对相关区域进行激光加热的时间。在DE-3905551-A1中所公开的系统中，其中，激光束保持静止并且被施加至特定区域，使主轴颈或连杆轴颈的大部分获得足够的加热和穿透看起来将需要大量的时间。因此，DE-3905551-A1可能描述了一种适于硬化曲轴的表面的非常具体的部分但不适于硬化轴颈的一般表面的方法。
另外，EP-1972694-A2关注于使用一个或更多个激光器来硬化曲轴的特定部分，即圆角部分。激光射向要硬化的部分上并且曲轴进行旋转。所公开的方法可以包括预加热步骤、主加热步骤和后期加热步骤。明显的是，曲轴的旋转发生时，激光照射保持恒定。EP-1972694-A2没有涉及对曲轴表面的更热敏感部分过度加热的风险。
US-2004/0108306-A1认为，汽车制造商使用感应加热处理来硬化曲轴的轴承即主轴颈和连杆轴颈的表面，同时利用机械轧制处理来轧制圆角以提高压应力。然而，根据US-2004/0108306-A1，这些处理被认为是资本密集型、时间密集型，导致不均匀，并且在需要回火处理的润滑油孔中具有裂纹倾向。US-2004/0108306-A1教导了一种通过激光进行的圆角热处理，其目的是消除对机械轧制处理的需要。提出了使用光学高温计进行的封闭环温度控制。提出了将可控x,y机制用于保持激光器与圆角之间的固定加热距离。
“S.M.Shariff,et al.,“Laser Surface Hardening of a Crankshaft”,SAE 2009-28-0053(SAE International)”讨论了对曲轴的激光表面硬化，其目的是在所提及的不同位置处硬度为500HV至600HV的在200微米以上的硬化层深度。该文档提及了在孔周围由于散热作用减小并且热累积在边缘处而造成融化的问题。据称，可以通过选择适当的开始位置并且在允许范围内变化处理参数来减少孔边缘处的预加热作用来处理该问题。
激光硬化仍未被频繁地用于复杂产品例如曲轴中的一个原因在于，认为激光可能难以实现对部件的正确加热，即，充分加热以确保正确硬化(通常，硬化层必须具有至少800微米或更大的有效层深度，例如，至少1000微米、1500微米、2000微米或更大，并且/或者直到例如200微米或更大的深度为止都以100％转换的马氏体为特征)，同时避免对敏感部分过度加热。例如，在曲轴例如图1的曲轴的情况下，必须注意与润滑油孔1003一致地对轴颈进行加热，另外，可选地，注意圆角1004的加热。例如，如果在轴颈旋转期间将大的激光光斑简单地投射在轴颈的表面上以加热整个表面，并且如果旋转速度和激光束的功率保持恒定使得表面的每个部分接收等量的能量，并且如果该能量足以实现对表面的大部分的充分加热以产生期望的硬化，则在润滑油孔的边缘处加热可能是过度的，从而损坏所述边缘。在圆角处可以发生相同情况，这种情况通常是底切(undercut)；因此，如果过度加热则边缘可能遭受损坏。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种对曲轴的轴颈的表面进行激光硬化的方法，所述轴颈包括要硬化的表面区域，所述表面区域沿与曲轴的旋转轴(X)平行的第一方向并且沿与轴颈的圆周方向(W)对应的第二方向延伸，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述至少一个对热较敏感的子区域包括曲轴的润滑油孔邻近区域，该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上，以在所述表面区域上产生有效激光光斑，所述有效激光光斑沿所述第一方向延伸过要硬化的所述表面区域的大部分(例如，延伸过要硬化的表面区域的50％以上、75％以上、85％以上或者90％或95％以上，例如，99％以上或甚至100％，并且如果未超过100％，则特别要超过要硬化的表面区域(例如，其中期望有效层硬化深度是(例如)至少800微米或更大的表面区域)的大部分)；
在曲轴的表面与激光源之间产生沿所述圆周方向的相对移动，以便将有效激光光斑沿圆周方向相继地或逐渐地投射至所述表面区域的不同部分上；
所述有效激光光斑的特征为二维能量分布(就激光束的能量或功率如何在有效激光光斑内进行分布而言)。
该方法还包括调节所述能量分布使得所述能量分布在加热所述对热较不敏感的区域时与在加热包括润滑油孔邻近区域的所述对热较敏感的区域时不同，以便避免对所述润滑油孔邻近区域过度加热。从而，通过进行所述调节，可以实现对要硬化的表面区域的有效且充分的加热，而不会过度加热或损坏例如润滑油孔的边缘。
在本发明的一些实施例中，在将有效激光光斑施加在表面区域上的大部分时间(例如，至少50％、75％、90％或更多)期间，有效激光光斑沿圆周方向的宽度(或者沿轴颈的表面的弯曲部分的线性延伸)为至少5毫米，优选地，至少7毫米，更优选地，至少10毫米，并且甚至更优选地，至少15毫米、20毫米、30毫米或更大例如至少50毫米。使用沿圆周方向——也就是说，沿在激光源与轴颈的表面之间产生的相对移动的方向——的足够的延伸，使得可以以足够的时间来加热要硬化的表面区域的每个部分，而同时在合理的短时间内完成硬化处理。也就是说，有效激光光斑沿圆周方向的充分延伸，使得可以在不使用过高的温度来实现足够的穿透或硬化深度的同时以相对高的速度进行相对移动。为此，有效激光光斑沿圆周方向的大宽度是优选的。当然，由于可用功率必须足以提供对区域的充分加热，所以在所使用的激光的功率方面的性能与有效激光光斑所覆盖的表面区域之间必须达成一种平衡。已经发现，当对具有在第一方向上宽度是一厘米或几厘米量级的轴颈的汽车曲轴进行操作并且使用输出功率在几kW例如3-4kW的范围内的激光器时，有效光斑可以例如具有1厘米量级的沿圆周方向的宽度，同时，激光器与轴颈表面之间的线性相对速度可以为60厘米/分钟的量级。为了许多工业目的，认为激光束应当具有至少3kW，优选地，更大，例如6kW的的功率。
在本发明的一些实施例中，所述有效激光光斑是通过以扫描速度沿第一方向和沿第二方向——包括这两个方向之间的方向，也就是说，与第一方向和第二方向偏斜的方向，例如，沿直的或弯曲的路径或线——重复地遵循激光光斑沿其移动的扫描图案扫描激光束而获得的等效激光光斑或虚拟激光光斑，使得在扫描循环期间的二维能量分布通过所述扫描速度、所述扫描图案、激光光斑的大小、激光束的功率以及激光束中的功率分布来确定。因此，可以使用这些参数中的一个或更多个参数来动态地调节二维能量分布。这使得在激光源与工件的表面之间的相对移动期间——也就是说，例如，在曲轴绕其纵轴旋转期间——可以容易地调节和修改有效激光光斑的大小和形状以及有效激光光斑内的二维能量分布，从而调节二维能量分布，以便避免过度加热对热较敏感的子区域例如润滑油孔邻近区域。在本发明的一些实施例中，通过调节所述扫描速度、扫描图案、激光光斑的大小、激光束的功率以及激光束内的能量分布中的至少一个来进行对能量分布的调节，使得在加热所述对热较不敏感的子区域时与在加热包括润滑油孔邻近区域的所述对热较敏感的子区域时所述能量分布不同，以便避免对所述润滑油孔邻近区域过度加热。在本发明的一些实施例中，通过调节激光束的功率，例如，通过在沿扫描图案扫描激光光斑期间接通和关断激光束来执行对能量分布的调节。例如，当使用激光器例如光纤激光器时，可以非常快速地接通和关断激光束，因此，使得可以在激光束遵循扫描图案的同时通过接通和关断激光束来获得期望的能量分布。因此，可以通过在扫描图案的线中的某些线或某些部分期间接通激光束来实现加热。
在本发明的一些实施例中，通过在沿扫描图案扫描激光光斑期间以可选的方式调节激光束的功率至少部分地控制能量分布，从而以每秒至少300次，更优选地，每秒至少600次，更优选地，每秒至少1000次，更优选地，每秒至少5000次，并且甚至更优选地，每秒至少10000次将激光束以可选的方式设置成多个可用功率状态中的一个。术语“功率状态”是指激光束具有预定平均功率的状态，使得不同的功率状态对应于例如激光束的不同功率水平，例如，0kW、1kW、4kW、5kW、6kW、9kW和10kW。例如，在本发明的一些实施例中，可以存在两种功率状态，即，激光束接通时的“接通”状态以及激光束被关断时的“关断”状态即零功率(或接近零功率)状态。然而，也可以使用任何其他可用的功率状态，即，其中平均功率高于零但是低于激光束的最大功率的功率状态。例如，如果激光束的最大功率为10kW，则可以存在与0kW和10kW对应的两种功率可用状态，和/或可以存在与中间值例如2kW、4kW、5kW、6kW和/或8kW对应的可用功率状态。表述“可用”是指使用正在使用的激光器装备可以实现的功率状态的情形。表述“设置成”并不意味着每秒必须一定有这么多次状态的实时变化(例如，几个相邻的片段可以具有为其分配的相同功率状态，使得在从一个片段推进至下一个片段时不需要改变激光器的功率)，而是表示激光器被布置成能够在任何适当的时候例如遵照控制系统所提供的指令来这么多次的改变功率状态。从而，可以以每秒300片段或像素、每秒600片段或像素、每秒1000片段或像素、每秒5000片段或像素或每秒10000片段或像素地实现能量分布的分段或“像素化”，在每个片段或像素期间或者至少在所述片段或像素的一部分期间，激光束具有如由为所述片段或像素分配的功率状态确定的平均功率。例如，当使用50Hz的频率重复遵循扫描图案时，可以通过为沿扫描图案分布的6个、12个、20个、100个或200个片段或像素分配的功率状态——分别对应于每秒300个、600个、1000个、5000个和10000个片段或像素——来确定沿扫描图案的能量分布。针对相同像素每秒的速率和针对100Hz的扫描速度，将会分别由扫描图案的3个、6个、10个、50个和100个片段或像素来确定能量分布。通常，优选的是，使用至少6个片段或像素，也就是说，例如，扫描图案可以包括两行，每行具有三个片段，每个片段具有为其分配的功率状态。显然，当在不同的功率状态之间变化时，会存在过渡时间段，在该过渡时间段中，激光束的功率不同于由先前的功率状态和新的功率状态确定的功率，例如，在激光束沿扫描图案扫描期间，光束功率可能增大或减小，使得从一个片段过渡至下一个片段时功率曲线中存在斜坡。
该方法——即，在扫描图案的不同的片段或像素处改变光束的功率——提供了在能量分布上的高灵活性并且使得易于建立能量分布并且易于动态地修改能量分布，从而避免对例如润滑油孔的边缘过度加热。分段或像素化的方法还使得易于通过使用试探试验，调节为不同片段分配的功率状态直至实现合适的加热方式来寻找合适的能量分布方式。在使用合适的激光器例如商用光纤激光器时能够高速地进行不同功率状态之间的切换。光纤激光器可能比其他可用激光器更昂贵，但是由于用于控制在例如“接通”状态与“关断”状态之间的切换或者在其他功率状态/功率水平之间的切换所需的时间短而可能是有利的。这样的激光器的接通/关断或关断/接通切换时间可以短于1毫秒，例如0.1毫秒或更短。
在本发明的这些实施例中的一些实施例中，扫描图案可以包括多个片段，所述片段中的每个片段在给定时刻具有为其分配的所述可用功率状态中的一个。为所述片段中的至少一个片段分配的功率状态在加热对热较不敏感的子区域期间与在加热包括润滑油孔邻近区域的对热较敏感的子区域期间可以不同。也就是说，例如，当有效激光光斑接近润滑油孔时，可以通过修改为某些片段或所有片段分配的功率状态来动态地调节能量分布。
可选地或附加地，可以通过在沿扫描图案扫描激光光斑期间调节扫描速度来(进一步)进行对能量分布的调节。针对固定的激光束功率，更高的速度意味着施加更少的能量，而更低的速度意味着施加更多的能量。
在本发明的一些实施例中，以足够高的速度进行扫描，使得在所述有效激光光斑内的点处的温度振荡的幅度小于200℃，优选地，小于150℃，更优选地，小于100℃，并且甚至更优选地，小于50℃。在本文中，振荡的幅度是指温度曲线的局部最大值与局部最小值之间的重复变化的幅度，不包括在有效激光光斑的前边缘处加热至最大温度的初始大量加热以及在有效激光光斑的后边缘处冷却至较低的温度的后续冷却。对合适的硬化而言，期望的是，金属快速地达到足够高的温度，并且随后金属在合理的时间内都保持在所述足够高的温度，而所述温度没有大的波动，因为这样的波动对硬化的质量有不利的影响。大于10Hz、25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、150Hz、200Hz或300Hz的扫描速度(即，每秒对扫描图案的重复率)会适合于防止被加热的光斑的温度在该光斑在下一扫描循环期间被激光束再次加热之前下降过多。合适的硬化需要特定最小温度并且如果要快速达到期望的硬化深度，则高温度是优选的。然而，过高的温度会由于例如晶粒尺寸增大而对质量有不利的影响。因此，必须找到折衷温度，并且与该温度的偏差应当尽可能小。因此，就每秒的循环而言的高扫描速度会是优选的，以减小温度波动或振荡的幅度。
在本发明的一些实施例中，所述有效激光光斑中的能量分布使得沿第一方向朝向有效激光光斑的端部比沿所述第一方向朝向所述有效激光光斑的中心施加更多的能量。已经发现，由于热能在曲轴中被吸收并且分布的方式，朝向有效激光光斑的横向端部施加更多的能量有助于获得厚度基本均匀的硬化层，也就是说，基本矩形横截面而不是其中硬化层朝向所述横向端部非常薄并且朝向其中心按照一条曲线缓慢增大的横截面。然而，应当注意避免对轴颈的端部处的底切或圆角过度加热。
在本发明的一些实施例中，所述能量分布的特征在于，在所述有效激光光斑的前部或前边缘处的能量密度比在所述有效激光光斑的后部或后边缘处能量密度更高，使得被有效激光光斑扫描的区域首先接收具有更高平均功率的激光照射并且随后接收具有更低平均功率的激光照射。这种方式提高效率之处在于，快速地达到用于硬化的合适温度，从而减少为了实现所需的硬化深度而将有效激光光斑施加至特定区域的时间。因此，完成对例如轴颈的表面的硬化需要更少的时间。
在本发明的一些实施例中，该方法包括将有效激光光斑施加至润滑油孔的沿所述第一方向的两侧面上的所述表面区域的步骤，所述润滑油孔以倾斜的方式朝内延伸，使得所述润滑油孔不在所述侧面中的第一侧面下延伸而是在所述侧面中的第二侧面下延伸，其中，有效激光光斑被调节成向所述侧面中的第一侧面上比向所述侧面中的第二侧面上施加更多的能量。由于在所述侧面的第二侧面下存在润滑油孔，所以在所述侧面处散热效果较低。因此，最好对该处比另一侧面施加更少的能量，在另一侧面中不存在这样的润滑油孔使得热量更好的耗散。以这种方式中，优化了对加热能量的使用并且使过度加热的风险最小化。也就是说，根据本发明的这些实施例，不仅要注意要硬化的表面，还要注意工件的与润滑油孔对应的子表面结构。
在本发明的一些实施例中，有效激光光斑在所述对热较不敏感的子区域中具有第一形状，并且在达到润滑油孔时被调节成大致具有U形，并且在离开润滑油孔时被调节成大致具有倒置的U形，或者在到达润滑油孔(1003)时被调节成大致具有倒置的U形并且在离开所述润滑油孔(1003)时被调节成大致具有U形，并且其中，所述第一形状可选地大致为矩形形状或三角形形状。术语“U”和“倒置的U”是指在润滑油孔“从上方”靠近时的情形。基本上，适用于对轴颈的整个表面提供相当均匀的加热的大致矩形、梯形或三角形有效激光光斑可能不适合于加热润滑油孔周围。因此，有效激光光斑可以假设为大致“U”形(包括“V”形或类似形状)，“U”形状用于在实质上不直接加热润滑油孔或其边缘的情况下容纳润滑油孔，并且然后“U”形可以被倒置，以便使得润滑油孔在润滑油孔或其边缘没有被有效激光光斑直接加热的情况下离开。可以通过修改扫描图案的形状和/或通过改变为扫描图案的一个或更多个部分或片段分配的功率状态来实现有效激光光斑的形状的变化。例如，当使用包括多条线、每条线包括多个片段的扫描图案时，可以通过改变为一条或更多条线的中心部分的一个或更多个片段分配功率状态——例如，通过为所述片段分配关断状态，或者通过为所述片段分配与激光束的低水平功率对应的功率状态——来实现“U”形有效激光光斑。
本发明的另一方面涉及一种对曲轴的轴颈的表面进行激光硬化的方法，所述轴颈包括要硬化的表面区域，所述表面区域沿与曲轴的旋转轴平行的第一方向并且沿与轴颈的圆周方向对应的第二方向延伸，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述至少一个对热较敏感的子区域包括润滑油孔邻近区域，该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上；
在曲轴的表面与激光源之间产生沿所述圆周方向的相对移动，以使激光束沿圆周方向被相继投射至所述表面区域的不同部分上，从而硬化要硬化的表面区域的圆周片段；
以及沿所述第一方向移动激光束，以增大所述圆周片段沿所述第一方向的延伸，直到已经完成对要硬化的所述表面区域的硬化为止。
该方法包括与在激光源与曲轴的表面之间的相对移动同步地调节所述激光束将能量施加至所述曲轴上的方式，从而对包括润滑油孔邻近区域的所述对热较敏感的子区域比对所述对热较不敏感的子区域施加更少的能量，以便避免对润滑油孔邻近区域过度加热。
根据本发明的这一方面，进行对表面区域的硬化，使得硬化首先在所述表面区域的沿所述第一方向的一端处发生，并且随后朝向要硬化的表面区域的另一端延伸，直到所有的表面区域已经被硬化为止。该方法的优点在于，在硬化结尾处，与已经硬化的区域没有交叠。这减少了与对已经被硬化的区域重新加热和过度退火相关联的问题的风险。
在本发明的一些实施例中，在曲轴的表面与激光源之间产生沿所述圆周方向的相对移动的步骤包括，例如，以大于3000rpm或6000rpm的速度高速旋转曲轴。这会有助于避免当前被加热的区域内的温度大幅波动。
在本发明的一些实施例中，该方法包括如下步骤：将多于一个的激光束同时施加至所述表面区域上，以便使用相应的有效激光光斑同时加热轴颈的圆周片段的沿圆周方向的多个部分或扇区。例如，来自轴颈的相对侧的两个激光束可以同时照射并且因此加热两个部分或扇区，两个部分或扇区均是轴颈的高达180度的圆周或环形片段。因此，与使用仅一个激光束来加热仅一个这样的部分或扇区的情况相比，为了防止被加热区域内的过大温度振荡需要更低的曲轴旋转速度。
在本发明的一些实施例中，该方法包括施加能量以加热润滑油孔的沿所述第一方向的两侧面上的所述表面区域的步骤，所述润滑油孔以倾斜的方式向内延伸，使得所述润滑油孔不在所述侧面的第一侧面下延伸而是在所述侧面的第二侧面下延伸，其中，该方法包括对所述侧面的第一侧面比对所述侧面的第二侧面施加更多的能量。因此，如上面所解释的，能量的使用被优化并且使过度加热的危险最小化。
在本发明的一些实施例中，该方法包括如下步骤：以第一速度提供有效激光光斑沿轴颈的圆周方向的移动(通过例如通过绕曲轴的纵轴旋转曲轴来移动激光束和/或曲轴)以重复加热所述轴颈的圆周部分，并且以小于所述第一速度的第二速度沿所述第一方向移动有效激光光斑，从而在使先前加热的圆周部分冷却的同时加热新的圆周部分，以提供自淬火，从而逐步增大轴颈的被硬化的圆周片段的大小。也就是说，通过有效激光光斑与轴颈表面之间沿圆周方向的快速相对移动，可以将轴颈的环形片段加热至期望的硬化温度并且在没有过大的温度振荡的情况下将所述温度保持足够长的时间，以便提供硬化，并且由于沿第一方向的移动，硬化片段沿所述第一方向扩展，直到完成对轴颈的实质上整个表面的硬化为止。
在本发明的一些实施例中，以偏离中心的方式将有效激光光斑投射至轴颈上。这会有助于使激光光斑更大，有时候这对于更好的分布热量是有用的。另外，当由于激光束射在激光光斑的前边缘和后边缘处的表面上的不同入射角度，所以激光光斑的前边缘比后边缘会具有更高的功率密度时该方法是有用的。如本文中所述，这可以缩短表面达到期望的温度所需要的时间。该方法可以例如与固定光器件组合使用以提供大致方形或矩形的激光光斑。使激光束偏离中心还具有优点：减少了由背向反射而引起的损坏或故障的风险。
本发明的另一方面涉及一种对工件的表面进行激光硬化的方法，工件包括要硬化的至少一个表面区域，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上，以便在所述区域上产生激光光斑；
在工件的表面与激光源之间产生相对移动，从而使得激光光斑能够相继被投射至所述表面区域的不同部分上；
在所述相对移动期间，使激光束沿两个维度重复地扫描过所述表面区域的相应部分，以在所述表面区域上产生二维等效有效激光光斑或虚拟有效激光光斑，所述有效激光光斑具有能量分布；
其中，调节所述能量分布以使所述能量分布在对热较敏感的子区域与对热较不敏感的子区域中的能量分布不同，从而防止对所述对热较敏感的子区域过度加热。
在本发明的一些实施例中，该方法包括：沿在有效激光光斑内的扫描图案扫描激光束并且沿所述扫描图案修改激光束的功率，以便以可选的方式通过沿所述扫描图案接通和关断激光束来获得所述能量分布。
在本发明的一些实施例中，通过在沿扫描图案扫描激光光斑期间以可选的方式调节激光束的功率来控制能量分布，从而以每秒至少300次，更优选地，每秒至少600次，更优选地，每秒至少1000次，更优选地，每秒至少5000次，甚至更优选地，每秒至少10000次，将激光束以可选的方式设置成多个可用功率状态中的一个。例如，扫描图案可以包括多个片段，所述片段中的每个片段具有为其分配的所述可用功率状态中的一个，并且为所述片段中的至少一个分配的功率状态可以被选择成在对热较不敏感的子区域中与在对热较敏感的子区域中不同。也就是说，在处理期间可以动态地修改为片段中的一个片段、一些片段或多个片段分配的功率状态，以避免对例如润滑油孔的边缘过度加热或者对轴颈的已硬化的部分的过度重新加热等。
如上面所解释的，术语“功率状态”是指激光束具有预定平均功率例如“接通”或“关断”或者最大值与零之间的功率水平(或关断至零)的状态。表述“可用”是指使用正在使用的激光器装备能够实现功率状态的情形。表述“设置成”并不意味着每秒必须有这么多次状态的实时变化，而是表示激光器被布置成能够在任何适当的时候例如遵循控制系统所提供的指令来改变功率状态。从而，可以以每秒300片段或像素、每秒600片段或像素、每秒1000片段或像素、每秒5000片段或像素或每秒10000片段或像素地实现能量分布的分段或“像素化”。例如，在50Hz的扫描频率下，每秒300片段可适应具有六个(6)片段的扫描图案。如上所述，当在不同的功率状态之间发生变化时，可以存在过渡时间段，在该过渡时间段中，激光束的功率不同于由先前的功率状态和新的功率状态确定的功率，例如，在激光束沿扫描图案扫描期间，可以增大或减小光束功率，使得从一个片段过渡至下一个片段的过渡时功率曲线中存在斜坡。
对于给定的扫描频率，激光在不同的功率状态之间切换的性能越高，可以用于创建扫描图案的片段或像素的数量越大。例如，在允许以每秒1000次的速度在功率水平之间切换的激光源的情况下，100Hz的扫描频率可以与包括10个片段的扫描图案一起使用，在操作期间可以为所述10个片段中的每个片段分配期望的功率状态并且对其进行调节，以防止过度加热对热敏感的部分例如曲轴的润滑油孔的边缘。
在本发明的一些实施例中，该方法包括下述步骤：在所述对热较敏感的子区域中与在所述对热较不敏感的子区域中相比，在所述有效激光光斑内激光束使用不同的扫描图案。
在本发明的一些实施例中，该方法包括下述步骤：通过调节扫描速度来调节所述能量分布，使得在所述对热较敏感的子区域中与在所述对热较不敏感的子区域中相比，在所述有效激光光斑的至少一部分中的能量分布不同。
在本发明的一些实施例中，所述有效激光光斑包括：前部，该前部具有为了将工件的表面部分加热至硬化温度而选择的能量分布和能量密度；中间部分，该中间部分具有为了使加热的表面部分能够冷却以淬火而选择的能量分布和能量密度(例如，非常低的能量密度，例如零功率或接近零功率)；以及后部，该后部具有为了加热被淬火的部分以使其产生回火而选择的能量分布和能量密度。一般地，很多工件例如曲轴除硬化之外还需要回火，以便减小硬度、增强延展性和减少脆性。对回火而言，工件被加热至通常低于用于硬化的温度的温度。当已经使用激光处理硬化工件时，可以在熔炉或锅炉中进行回火，但是还可以对该工件施加与用于硬化的激光处理相似但是具有不同的能量密度和/或能量分布的激光处理来进行回火。例如，在曲轴的情况下，可以通过在硬化周期之后施加回火周期来进行回火。例如，在360度硬化轴颈之后，有效激光光斑可以再次绕轴颈或沿轴颈移动，这次是用于使轴颈回火。然而，还可以在同一周期或处理步骤中通过使用有效激光光斑来提供硬化和回火，有效激光光斑包括：前部，该前部用于将工件表面加热至期望的硬化温度并且用于将该表面保持在所述温度足够的时间，以便获得期望的硬化深度；中间部分，该中间部分具有低能量密度例如基本0W/cm2的能量密度或功率密度，从而使被加热的部分冷却以便产生淬火或自淬火；以及后部，该后部具有根据需要将被淬火的部分重新加热至回火所需要的程度的能量分布和密度。在这种方式下，为了产生淬火和回火二者，例如，在曲轴的轴颈的表面的情况下，通过绕曲轴的旋转轴再次旋转曲轴来使有效激光光斑扫描要再次处理的表面是足够的。
在本发明的一些实施例中，通过遵循包括多条线例如直线或曲线的图案在工件上重复扫描激光束来建立有效激光光斑，其中，所述线优选地基本平行，并且其中，扫描以扫描频率进行重复，并且其中，所述多条线中的每条线包括多个片段或多个像素，该方法包括为所述片段中的每个片段分配预定的激光束功率值，以将激光束的输出功率以可选的方式设置成在所述片段中的一些片段处与在所述片段的其他片段处相比具有不同水平。为片段分配激光束功率可以包括规定对于所述片段中的选定片段激光束应当处于“接通”而对于所述片段中的其他片段激光束应当处于“关断”，这可以通过在扫描期间接通和关断激光器来实现。因此，容易地实现了像素化的能量分布。该方法可以用于提供在例如通过绕轴旋转工件来沿要加热的表面扫描有效激光光斑的同时可以容易地被改变的期望能量分布，。在本发明的一些实施例中，该扫描频率为至少50Hz(使得扫描激光束从而每秒完成虚拟激光光斑至少50次)，并且优选地至少100Hz，并且所述多条线包括至少两条线，优选地，至少3条线，更优选地，至少4条线例如5-10条线，并且每条线包括至少3个片段，优选地，至少5个片段，并且更优选地，至少10个片段例如10-20个片段。这种布置可以适用于以足够的细节并且以足够的频率建立期望的能量分布，以避免在扫描周期期间在扫描图案内的光斑的过大温度波动。允许快速的通-断切换的激光器例如光纤激光器的使用使得有可能以相对高的扫描频率例如50Hz以上的扫描频率来实现大量的片段或像素。每个片段可以具有为其分配的光束功率状态，该光束功率状态表示在所述片段或所述片段的一部分期间激光束的期望功率，并且在硬化处理期间可以动态地修改为片段分配的功率状态，以便例如避免过度加热对热较敏感的子区域。也就是说，通过调节为片段分配的功率状态，可以调节有效激光光斑的能量分布。
在包括沿着和/或跨过工件的一部分扫描激光束或激光光斑的本发明的上述不同方面中，可以进行该扫描以使得激光光斑重复遵循包括多个片段的扫描图案，并且其中，例如存储在控制系统的存储器中的影响所述二维能量分布的至少一个参数值与所述片段中的每个片段关联，以便用于在每次激光光斑沿所述片段移动时对应于相应的片段来调节操作。在操作期间可以动态地调节所述至少一个参数值，使得当有效激光光斑加热对热较敏感的子区域时与当该有效激光光斑加热所述对热较不敏感的子区域时针对所述片段中的至少一个片段的所述至少一个参数值是不同的。例如，对于给定片段，可以在不同的存储器位置存储不同的参数值(或者参数值的组合)，并且根据正在加热的子区域可以从一个存储器位置或者从另一存储器位置取出该参数值。然而，这仅为示例，并且其他实现方式也在本发明的范围内。已经发现，使用分段的扫描图案易于发现并实现适合于特定设计的曲轴的能量分布。通过调节影响二维能量分布的一个或更多个参数，易于修改能量分布，以便例如对应于工件的对热较敏感的部分例如曲轴的润滑油孔的边缘周围的区域施加较少的功率/能量。因此，操作员可以通过对应于每个片段为特定参数分配不同的值来限定不同的能量分布，并且通过在对工件的一部分例如曲轴的轴颈表面进行硬化期间在不同的能量分布之间切换能够实现适当的硬化并同时避免局部过度加热对热敏感部分。使用分段的扫描图案并且逐个片段分配参数值使得易于例如使用少量试验测试找到合适的值。例如，为了适应润滑油孔，当有效激光光斑到达工件的对应的子区域时，可以选择为特定片段分配的值，以减少在所述润滑油孔附近施加的能量。
参数值可以指示扫描速度、激光光斑的大小、激光束的功率、激光束内的能量分布、对应片段的长度和对应片段的取向中的至少一个。在本发明的许多实施例中，激光束的功率和/或扫描速度可以为优选参数。参数的选择可以取决于一些因素例如激光束能够在不同的功率水平(例如，接通/关断或在不同的中间功率水平之间)之间切换的速度，并且取决于扫描系统在逐片段的扫描速度上实现快速且受控的改变的程度。当使用允许快速且受控地改变输出功率的激光器时，激光束的功率可以有利地用作确定能量分布的参数中的至少一个。
该方法可以包括针对每个片段存储将对应的至少一个参数值存储在存储器中的步骤，其中，针对至少一个片段，在所述存储器中存储至少两个不同的值，当加热对热较不敏感的子区域时使用第一值并且当加热对热较敏感的子区域时使用第二值。因此，与不同的二维能量分布对应的参数值可以存储在不同的存储器位置中，并且控制系统根据正在加热对热较敏感的子区域还是正在加热对热较不敏感的子区域来使用一个存储器位置中的参数值或者另一存储器位置中的参数值。因此，当使系统和方法适合于新种类的曲轴时，操作者可以通过设计扫描图案和参数值来设计一组不同的能量分布，例如，设计在加热曲轴的轴颈的主要部分期间要使用的第一能量分布，当有效激光光斑接近具有润滑油孔的子区域时要使用的第二能量分布以及当有效激光光斑离开具有润滑油孔的子区域时要使用的第三能量分布。因此，可使二维能量分布图案容易地适合于考虑例如轴颈的宽度以及润滑油孔的大小和/或位置。
例如，可以以每秒至少300片段，优选地，每秒至少600片段，更优选地，每秒至少1000片段，更优选地，每秒至少5000片段，并且甚至更优选地，每秒至少10000片段的平均速度来进行扫描。以高频率重复扫描图案可以优选高扫描速度，以便一方面避免在被加热的区域中在每个扫描周期之间的过大温度波动，而同时允许足够高数量的片段以便提供二维能量分布的灵活性。例如，使用每秒300片段的扫描速度，可以以50Hz的频率重复具有六个片段或像素的扫描图案。大量的片段或像素对于增大能量分布尽可能适合于要硬化的表面的特性的可能性是有用的，从而扫描图案的高频率重复减少了每个扫描周期之间在正被加热的区域内的不期望的温度波动的风险。
在本发明的上述方面的一些实施例中，该方法包括下述步骤：当有效激光光斑到达所述表面区域的先前被硬化的部分例如到达曲轴的轴颈的通过使有效激光光斑沿圆周方向绕轴颈移动来硬化的先前被硬化的部分时，减少有效激光光斑的前部处的能量密度。从而，可以防止对轴颈的已经被加热和被硬化的部分过度加热。在本发明的一些实施例中，仅减少了有效激光光斑的前边缘处的功率/能量密度，但有效激光光斑例如沿圆周方向绕轴颈继续移动，以便将被硬化的部分重新加热至特定程度，以便使其回火。在本发明的其他实施例中，该方法包括下述步骤：当有效激光光斑到达所述表面区域的先前被硬化的部分例如到达曲轴的轴颈的通过使有效激光光斑沿圆周方向绕轴颈移动来硬化的先前被硬化的部分时，在所述有效激光光斑的前部处中断所述有效激光光斑的移动，而所述有效激光光斑的后部沿所述圆周方向继续移动，从而，逐渐减小所述有效激光光斑沿所述圆周方向的大小，直到所述有效激光光斑消失为止。也就是说，有效激光光斑在到达先前硬化的部分时基本停止，也就是说，例如，前边缘停止并且后边缘追上前边缘，完成硬化周期。
在两种情况下，如果有效激光光斑由片段例如扫描图案的片段组成，则实质上可以便于该方法的实现。可以通过调节所述片段处的能量密度例如通过减小光束的功率和/或增大扫描速度和/或通过简单地取消或重新布置片段来实现在效激光光斑的前边缘开始的对有效激光光斑的减小或取消。因此，例如，在沿圆周方向对曲轴的轴颈进行激光硬化的情况下，有效激光光斑到达轨道的先前硬化的部分，将分段方法与激光束的二维扫描的使用结合以创建有效激光光斑，提供了灵活性并且使得技术人员易于处理。
本发明的另一方面涉及一种对工件例如中碳钢的工件例如曲轴的表面进行激光硬化的方法；提及“表面”并不意味着整个表面都必须硬化；例如，在曲轴的情况下，表面的一部分例如一个或更多个轴颈的表面和/或与轴颈相邻的壁的表面被硬化就足够了。
工件包括要硬化的至少一个表面区域(例如，曲轴的一个或更多个主轴颈和/或一个或更多个连杆轴颈的表面，以及/或者曲轴的壁表面)，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域(例如，在曲轴的情况下，正好在润滑油孔周围的区域，和/或靠近底切圆角的边缘的区域；此处，该材料的缺乏降低了散热性能并且意味着增大了过度加热的风险；另外，尖锐的边缘比轴颈的剩余部分的平滑且规则表面更可能被过度加热损坏)和至少一个对热较不敏感的子区域(例如，在曲轴的情况下，轴颈的表面的离所述润滑油孔和/或离所述底切圆角更远的部分，其中，不存在边缘和孔洞意味着过度加热的风险降低)。
该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上，以便在所述区域上产生激光光斑；
在工件表面与激光源之间产生相对移动(例如，通过使工件绕X轴旋转和/或沿垂直于所述X轴的Y轴和/或Z轴移动该工件和/或激光源)，从而使得激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上(也就是说，取决于在激光源以及扫描装置将激光光斑投射在所述表面区域的特定部分上的每个时刻处工件与激光源根据例如所述X、Y和Z轴的相对位置，例如，并且取决于扫描装置是将一维移动提供至所述区域的线(具有与激光光斑直径、长度或宽度对应的粗度)上还是将二维移动提供至例如该区域的基本矩形部上)；
在所述相对移动期间，使激光束扫描过所述区域的相应部分。仅以一维的方式或者以两维的方式执行扫描，其中，对于一维，例如，相对于激光源位置平行于工件的旋转轴和/或垂直于工件表面的移动方向，对于二维，因此遵循路径或图案(例如矩形图案、椭圆形图案、三角形图案、梯形图案、六边形图案、八边形图案等)或者填充由这样的图案绘出轮廓的区域，所述填充例如通过沿和/或跨所述部分来回进行曲折或三角形扫描或者通过沿多条线例如基本平行的线扫描激光束。术语“扫描激光束”应当被理解成意思是使用一些种类的光学扫描装置或类似物(例如一个或更多个扫描镜)来移动激光束自身。
执行扫描，使得使得激光光斑在表面区域上遵循扫描图案或路径。
根据本发明的这一方面，在扫描图案的一部分中与在扫描图案的另一部分中，
(i)扫描速度；和/或
(ii)激光束功率；和/或
(iii)激光光斑大小
中的至少一个不同，从而避免在对热较敏感的子区域中对工件过度加热(或减小在对热较敏感的子区域中对工件过度加热的风险)。
因此，与在对热较不敏感的子区域相比，在对热较敏感的子区域中，扫描速度可以更高，并且/或者可以减小激光束功率，并且/或者可以增大激光光斑区域——这些可以通过例如移动聚焦透镜来实现，从而，与在所述对热较不敏感的区域中相比，在所述对热较敏感的区域中，减少了每单位表面积传递至工件的能量的量。
在本发明的一些实施例中，所述扫描图案包括多个片段，并且为所述片段中的每个片段分配：
(i)扫描速度；和/或
(ii)激光束功率；和/或
(iii)激光光斑大小
关于所述片段中的至少一个片段与所述片段中至少另一片段相比，以不同的方式选择所述扫描速度、激光束功率和激光光斑大小中的至少一个。
片段可以为直的或者弯曲的，并且可以形成多边形或任何其他几何图形。其可以形成在扫描期间由激光光斑重复遵循的闭合曲线或者由激光光斑沿两个方向重复遵循的开口曲线。片段可以是短的并且甚至可以包括这样的点，在该点，激光束被选择成在特定时间内停滞不前。因此，通过为每个片段分配在扫描期间影响能量传递至表面的至少一个参数值，可以实现热传递和加热的适当分布。例如，在由计算机控制的扫描系统中，该方法使得操作者易于沿扫描图案尝试不同的能量传递曲线，并且通过反复试验来获得用于特定产品例如用于特定曲轴的合适能量传递曲线。另外，该方法在计算机模拟系统中可以容易地实现，使得可以使用不同的能量传递曲线进行试验，修改一个或更多个片段的扫描速度、激光束功率和/或激光光斑大小，并且甚至修改扫描图案的几何布局，直到获得对工件提供足够的加热的某个合适能量传递曲线。可以设置计算机输入装置，该输入装置允许对扫描图案(例如，通过调节片段的长度)，和/或扫描速度，和/或激光束功率和/或激光光斑大小进行变化。当然，也可以并入其他参数。
例如，与在更远离所述对热敏感的子区域的两个邻近片段中相比，在更靠近对热较敏感的子区域的片段中可以选择更高的扫描速度。例如，在曲轴的情况下，在处理的一些阶段实际上将经过一个或更多个润滑油孔的一个或两个片段，比邻近的两个片段，可以选择更高的扫描速度。沿激光光斑遵循的路径使不同的片段使用不同的扫描速度的优点在于，可以使用商用扫描装置容易地实现。
在本发明的一些实施例中，在靠近对热较敏感的子区域的片段中比在更远离所述对热敏感的子区域的两个邻近片段中所选激光束功率更低。例如，在曲轴的情况下，在处理的一些阶段，实际上将会经过润滑油孔——或者将会被润滑油孔经过——的一个或两个片段，比邻近的片段，可以选择更高的扫描速度并且/或者可以选择更低的激光束功率。
在本发明的一些实施例中，在更靠近对热较敏感的子区域的片段中比在更远离所述对热敏感的子区域的两个邻近片段中，可以选择具有更大面积的激光光斑。因此，通过在激光束遵循的路径的特定部分期间“离焦”，每单位表面积的功率密度将会变得更小，这对于避免对小的热敏感区域(例如与曲轴的润滑油孔对应的区域)过度加热是有用的。
在本发明的这一方面的一些实施例中，在工件的表面相对于激光源移动时——例如，每次图案或片段到达或离开对热较敏感的子区域，为一个或更多个片段分配的
(i)扫描速度；和/或
(ii)激光束功率；和/或
(iii)激光光斑大小；
被修改至少一次。因此，例如，在处理期间，例如，在片段中的一个或更多个片段到达对热较敏感的区域例如到达或靠近曲轴的润滑油孔时，并且还在所述片段或片段离开所述对热较敏感的子区域时，可以修改与片段中的一个或更多个片段对应的扫描速度、和/或激光束功率、和/或激光光斑大小。在这种方式中，能够容易地对工件的所有区域根据这些区域的热敏感性合理地优化热处理。
本发明的这一方面可以另外包括步骤：对电子控制装置例如个人计算机、PLC等编程，以通过为所述片段中的每个片段分配
(i)至少一个扫描速度；和/或
(ii)至少一个激光束功率；和/或
(iii)至少一个激光束大小
来控制该激光束。
在本发明的一些实施例中，扫描图案具有几何形状(例如，由片段限定)，其中，所述扫描图案的所述几何形状在工件表面相对于激光源移动时被修改至少一次。例如，在处理的一个阶段，例如，在工件的一次旋转期间，例如，在润滑油孔接近表面区域的被扫描的部分时，可以简单地省略一个或更多个片段，以避免过度加热对热较敏感的子区域，或者可以修改扫描图案以减小一个或更多个区域中的功率密度。
本发明的另一方面涉及一种对工件的表面(例如，中碳钢的工件，例如，曲轴；提及“表面”并不意味着整个表面都必须硬化；例如，在曲轴的情况下，表面的一部分例如一个或更多个轴颈的表面和/或与轴颈相邻的壁的表面被硬化就足够了)进行激光硬化的方法，工件包括要硬化的至少一个表面区域(例如，曲轴的一个或更多个主轴颈和/或一个或更多个连杆轴颈的表面以及曲轴的壁表面)。表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域(例如，在曲轴的情况下，正好在润滑油孔周围的区域，和/或靠近底切圆角的边缘的区域；此处，该材料的缺乏降低了散热性能并且意味着增大了过度加热的风险；另外，尖锐边缘比轴颈的剩余部分的光滑且规则表面更可能被过度加热损坏)和至少一个对热较不敏感的子区域(例如，在曲轴的情况下，轴颈的表面的离所述润滑油孔和/或离所述底切圆角更远的部分，其中，不存在边缘和孔洞意味着过度加热的风险降低)。该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上，以便在所述表面区域上产生激光光斑；
在工件表面与激光源之间产生相对移动(例如，通过使工件绕X轴旋转和/或沿垂直于所述X轴的Y轴和/或Z轴移动该工件和/或激光源)，从而使得激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上(也就是说，取决于在激光源以及扫描装置将激光光斑投射在所述区域的特定部分上的每个时刻处工件与激光源根据例如所述X、Y和Z轴的相对位置，例如，并且取决于扫描装置是将一维移动提供至所述区域的线(具有与激光光斑直径、长度或宽度对应的粗度)上还是将二维移动提供至例如该区域的基本矩形部上)；
在所述相对移动期间，使激光束扫描过所述表面区域的相应部分(仅以一维的方式或者以两维的方式执行扫描，其中，对于一维，例如，相对于激光源位置平行于工件的旋转轴和/或垂直于工件表面的移动方向，对于二维，因此遵循图案(例如矩形图案、椭圆形图案、三角形图案、梯形图案、六边形图案、八边形图案等)或者填充由这样的图案绘出轮廓的区域，所述填充例如可以通过沿和/或跨所述区域来回进行曲折或三角形扫描或者通过追踪多条线例如多条平行线。术语“扫描激光束”应当被理解成意思是使用一些种类的光学扫描装置或类似物(例如一个或更多个扫描镜)来移动激光束自身)；
其中，进行扫描，使得激光光斑在区域上遵循扫描图案或路径，扫描图案具有几何配置。
根据本发明的这一方面，在表面区域与激光源的相对移动期间，扫描图案的几何配置被修改至少一次。例如，扫描图案可以包括多个片段，并且可以简单地省略一个或更多个片段，以避免过度加热对热较敏感的子区域，或者可以修改图案以减少一个或更多个区域中的功率密度。因此，例如，在曲轴的情况下，当在激光源与工件的表面的相对移动期间一个或更多个润滑油孔接近被扫描的区域时，例如可以通过减少路径的能量密度，也就是说，通过分离片段，和/或通过省略一个或更多个片段来调节扫描图案。例如，可以省略一个片段，将最初闭合的弯曲扫描图案变成开口曲线扫描图案，从而，激光光斑可以来回追踪所述开口曲线扫描图案；如果省略的片段与润滑油孔的位置对应，则将不会有助于加热润滑油孔的边缘。
本发明的另一方面涉及一种对工件(例如，含铁材料例如中碳钢的工件，例如曲轴)的表面进行激光硬化的方法，工件包括至少一个要硬化的表面区域(例如，在曲轴的情况下，曲轴的一个或更多个主轴颈和/或一个或更多个连杆轴颈的表面，以及/或者曲轴的壁表面)，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域(例如，在曲轴的情况下，正好在润滑油孔周围的区域，和/或靠近底切圆角的边缘的区域；此处，该材料的缺乏降低了散热性能并且意味着增大了过度加热的风险；另外，尖锐边缘比轴颈的剩余部分的光滑且规则表面更可能被过度加热损坏)和至少一个对热较不敏感的子区域(例如，在曲轴的情况下，轴颈的表面的离所述润滑油孔和/或离所述底切圆角更远的部分，其中，不存在边缘和孔洞意味着过度加热的风险降低)。
该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上，以便在所述区域上产生激光光斑；
在工件表面与激光源产生相对移动(例如，通过使工件绕X轴旋转和/或沿垂直于所述X轴的Y轴和/或Z轴移动工件和/或激光源)，从而使得激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上(也就是说，取决于在激光源以及扫描装置将激光光斑投射在所述区域的特定部分上的每个时刻处工件与激光源根据例如所述X、Y和Z轴的相对位置，例如，并且取决于扫描装置是将一维移动提供至所述区域的线(具有与激光光斑直径、长度或宽度对应的粗度)上还是将二维移动提供至例如该区域的基本矩形部上)；
在所述相对移动期间，使激光束扫描国所述表面区域的相应部分(仅以一维的方式或者以两维的方式执行扫描，其中，对于一维，例如，相对于激光源位置平行于工件的旋转轴和/或垂直于工件表面的移动方向，对于二维，因此遵循图案(例如矩形图案、椭圆形图案、三角形图案、梯形图案等)或者填充由这样的图案绘出的轮廓的区域，所述填充例如可以通过沿和/或跨所述区域来回进行曲折或三角形扫描或者通过使激光束遵循包括多条线例如平行线的图案。术语“扫描激光束”应当被理解成意思是使用一些种类的光学扫描装置或类似物(例如一个或更多个扫描镜)来移动激光束自身；在XYZ扫描仪的情况下，除可沿X方向和Y方向移动光斑之外，将离焦透镜设置成通过一些种类的驱动装置可以沿Z方向移动，从而，使得动态调节激光光斑的大小；从而，光斑的位置和光斑大小二者均可以被控制并且适用于优化硬化处理)；
并且调制激光束。
根据本发明的这一方面，当激光光斑处于所述对热较敏感的子区域中时与当激光光斑处于所述对热较不敏感的子区域中时以不同的方式调制激光束，以便防止对工件的相应部分过度加热。更具体地：
A-在功率上调制激光束(例如，使得当激光光斑处于所述对热较敏感的子区域中时比当激光光斑处于所述对热较不敏感的子区域中时光束功率更低；调制功率甚至可以包括将功率暂时减小至零或接近零)；
和/或
B-在扫描速度上调制激光束(例如，使得当激光光斑处于所述对热较敏感的子区域中时比当激光光斑处于所述对热较不敏感的子区域中时激光光斑更快速地移动过工件的表面；调制扫描速度甚至可以包括暂时停止激光束的移动)；
和/或
C-在激光束的扫描图案上调制激光束，使得对于所述对热较敏感的子区域与对于所述对热较不敏感的子区域激光光斑遵循不同的扫描图案(因此，对于对热较敏感的子区域，可以选择减少在例如曲轴的润滑油孔或底切圆角的例如边缘处过度加热的风险的扫描图案)；
和/或
D-在激光束的激光光斑大小上调制激光束，使得对于所述对热较敏感的子区域与对于所述对热较不敏感的子区域激光光斑大小不同(例如，更大)(因此，对于对热较敏感的子区域，可以使用在例如曲轴的润滑油孔或底切圆角的边缘处减少加热的光斑大小。例如通过使激光束离焦来增大光斑大小减少了激光光斑的没单位表面积的功率量)。
因此，在本发明的所有这些方面中，并且在硬化曲轴的支承表面——即，主轴颈和连杆轴颈的表面——的情况下，可以将激光束聚焦至所述轴颈中的一个轴颈上，并且然后可以使光束扫描国所述轴颈并且/或者所述轴颈的一部分。另一方面，通过激光源与曲轴的表面之间的相对移动，可以扫描曲轴的整个圆周。现在，替代使用光学装置来产生例如大尺寸的方形或矩形激光光斑，可以使用更小的光斑，例如，宽度在轴颈的宽度的量级的激光光斑，然后使该更小的光斑扫描过轴颈。在这种方式中，对光束就扫描速度、功率、扫描图案和/或激光光斑大小而言的调制允许热处理适合于表面的不同部分的特性，例如，适合于例如在曲轴的情况下润滑油孔和圆角的区域的热敏感性。因此，替代通过简单地将大的激光光斑施加至表面并且例如通过旋转工件使表面相对于激光源移动来仅以相同的方式处理表面的所有的部分(与DE-102005005141-B3中提出的类似)，可以使用较小的光斑并且可以进行扫描和调制，使得表面的不同的部分接收不同量的能量，以便获得对所有部分的充分加热，而同时避免对特定部分过度加热。通过调制光束，可以以不同的方式处理表面的不同部分。例如，可以在靠近润滑油孔的区域中修改扫描图案，以防止润滑油孔的边缘遭受过度加热。另外，或者作为备选，可以减小光束的强度，和/或增大速度，和/或通过离焦或通过调节激光束入射到表面的入射角来增大激光光斑的大小，以便防止发生过度加热。因此，替代对要均匀硬化的整个表面区域进行加热，可以关注减小在区域例如润滑油孔周围的区域和/或靠近底切圆角的区域中过度加热的风险。在这些区域中，材料的缺少减小了从受热表面传导出的热通量，并且这这意味着大大增大了过度加热的风险；另外，这些区域的尖锐边缘比轴颈的其他部分的平滑表面更可能因过度加热而遭受损坏。
因此，通过修改这些参数中的一个或更多个参数，可以减少过度加热的风险。
当使用本发明的上述方面中的任何方面时并且特别是当通过沿一个或两个方向扫描激光束来创建等效有效激光光斑或虚拟有效激光光斑时，技术人员可以使用计算机模拟和/或实际试探试验，以确定适用于每个特定曲轴设计的调制技术。因此，使系统适合于新种类的曲轴仅需要软件上的改变，例如，通过引入新的扫描速度曲线、激光强度曲线、扫描图案和/或光斑大小，例如为扫描图案的不同片段分配这些参数的不同值。这使得在试探模拟期间并且还在现实操作期间易于进行试探模拟并且易于动态修改扫描图案及相关参数(例如，使用高温计和相关软件以及合适的基于反馈的控制)，以实现适当的性能。事实上，针对一种曲轴选择的光束调制技术或能量分布方法通过考虑到尺寸上的变化以及例如润滑油孔的位置上的变化常常可以容易地适应于另一种曲轴。因此，该技术比基于感应加热的技术更灵活。通过使用本发明的实施例，调节可以基本上属于对软件的调节而非对硬件的调节。
例如，调制选择方式A、B、C和D中的任何一个可以单独使用，或者A可以与B或C一起使用，或者B可以与C一起使用，或者A和B和C可以一起使用，并且D可以可选地与上述组合中的任何组合一起使用。因此，本发明的上述不同的方面提供了用于使对工件的激光加热适合于不同的工件设计的极灵活的平台，大大减少了调节硬件的需要；这意味着超越对工件例如曲轴的感应加热的另一重要的优点。例如，可以基于实际考虑例如不同种类的激光器和扫描系统所涉及的成本、改变扫描速度和/或激光束功率强度的能力、改变扫描图案的能力——例如，取决于所使用的是单轴扫描系统还是双轴扫描系统——等来选择A、B、C和D之中的一个或更多个选项。
该调制方法不仅对防止润滑油孔以及圆角和底切处的过度加热是有用的，在工件的情况下也是有用的，关于该工件，整个圆周例如曲轴的轴颈的圆周都要硬化：当几乎整个360度的圆周已经经受热处理时，激光束再次接近已经被硬化并且不应当被再次大量加热的区域；通过适当地调制激光束(就速度、扫描图案、功率和/或光斑大小而言，并且/或者通过调节有效激光光斑例如虚拟激光光斑或等效激光光斑内的能量分布)，在圆周的首先被加热的部分与最后被加热的部分之间的该边界区域中，也可以实现合适的加热。
本发明的另一方面涉及一种对工件(例如，含铁材料例如中碳钢的工件，例如，曲轴)的表面进行激光硬化的方法，工件包括要硬化的至少一个表面区域(例如，曲轴的一个或更多个主轴颈和/或一个或更多个连杆轴颈的表面)。该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面区域上，因此在所述表面区域上产生激光光斑；
在工件表面与激光源之间产生相对移动(例如，通过使工件绕X轴旋转和/或沿垂直于所述X轴的Y轴和/或Z轴移动该工件和/或激光源)，从而使得激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上(也就是说，取决于在激光源以及扫描装置将激光光斑投射在所述表面区域的特定部分上的每个时刻处工件与激光源根据例如所述X、Y和Z轴的相对位置，例如，并且取决于扫描装置是将一维移动提供至所述区域的线(具有与激光光斑直径、长度或宽度对应的粗度)上还是将二维移动提供至例如该区域的基本矩形部上)；
在所述相对移动期间，使激光束扫描过所述区域的相应部分(仅以一维的方式或者以两维的方式执行扫描，其中，对于一维，例如，平行于工件的旋转轴，对于二维，因此遵循图案(例如矩形图案、椭圆形图案、三角形图案、梯形图案等)或者通过在这样的图案的边界内例如以弯曲的方式移动激光束来填充这样的图案。术语“扫描光束”应当被理解成意思是指使用一些种类的光学扫描装置或类似物(例如一个或更多个扫描镜)来移动激光束自身)；
其中，进行加热，使得工件的表面的进入激光束扫描的区域的部分首先接收具有更高平均功率的激光照射并且随后接收具有更低平均功率的激光照射。这可以通过提供前部具有更高扫描密度和后部具有更低扫描密度的扫描图案来实现，使得激光光斑在所述前部中比在所述后部中每单位面积保持更大的时间，从而要处理的表面部分首先进入前部并且随后进入后部。术语平均功率要被理解为在整个扫描周期期间每个表面积的功率平均量。实现该目标的另一种方式为通过以至少部分地偏离中心的方式投射激光束，使得激光束以小于90度的角度入射在表面上。使激光束偏离中心还具有优点：减少了由于背向反射而引起的损坏或故障的风险。
本发明的另一方面涉及一种对工件(例如，含铁材料例如中碳钢的工件，例如，曲轴)的具有基本圆形横截面的一部分的表面(例如，曲轴的主轴颈或连杆轴颈的表面)进行激光硬化的方法。该方法包括：
将激光束从激光源投射到所述表面上，因此在所述表面上产生激光光斑；
在工件表面与激光源之间产生相对移动(例如，通过绕X轴旋转工件和/或沿垂直于所述X轴的Y轴和/或Z轴移动该工件和/或激光源)，从而使得激光光斑相继被投射至所述表面的沿所述表面的圆周的不同部分上。
根据本发明的这一方面，激光束被以偏离中心的方式——也就是说，激光束的中心不与穿过所述圆形横截面的中心的线准直——投射至表面上。这可以有助于使激光光斑更大，有时候这有助于更好的分布热量。另外，当由于激光束射在激光光斑的前边缘和后边缘处的表面上的不同入射角度，所以激光光斑的前边缘比后边缘会具有更高的功率密度时，该方法是有用的。如上所述，这可以缩短表面达到期望的温度所需要的加热时间。该方法可以例如用于与提供基本方形或矩形激光光斑的固定光器件组合。另外，使激光束偏离中心还具有优点：减少了由于背向反射而引起的损坏或故障的风险。
本发明的另一方面涉及一种对工件的一部分表面进行激光硬化的方法，该方法包括：
将激光束从激光源投射至所述表面上，因此在所述表面上产生激光光斑；
在工件的表面与激光源之间产生相对移动，从而使得激光光斑相继被投射至所述表面的不同部分上。激光束沿不垂直于所述表面的方向——优选地，与所述表面形成小于70度例如小于60度或者甚至小于45度的角——投射至表面上。这可以有助于增大激光光斑的大小并且因此减少每单位表面积的功率量，并且针对表面与激光源之间的给定相对速度增大激光光斑与表面上的给定点之间交互时间。这可以有助于增大硬化层的深度。
本发明的另一方面涉及一种对工件(例如，中碳钢的工件例如曲轴)的表面进行激光硬化的方法。该方法包括：
将激光从激光源投射至要加热的表面区域上。
根据本发明的这一方面，激光被投射(同时或相继或按顺序)至第一表面区域上并且投射至大致垂直于所述第一表面区域延伸的第二表面区域上。该方法包括将激光束分成具有s偏振的第一激光束分量，和具有p偏振的第二激光束分量，并且将所述第一激光束分离用于加热所述第一表面区域并且将所述第二激光束分离用于加热所述第二表面区域。在这种方式中，功率吸收与入射角之间的关系和该关系取决于偏振的方式可以用于增强加热效率。
在本发明的所有上述方面中，在工件与激光源之间产生相对移动的步骤可以包括使工件绕旋转轴(可以与系统的所谓的X轴平行)旋转，使得激光光斑可以到达要硬化的整个圆周表面区域。例如，曲轴可以绕穿过主轴颈的中心的纵轴旋转。
另外，在工件与激光源之间产生相对移动的步骤可以包括沿垂直于所述旋转轴的第一方向(例如，平行于Y轴)并且沿垂直于所述旋转轴的第二方向(例如，平行于Z轴)产生相对移动。在这种方式中，激光源与要处理的表面之间的距离可以保持恒定，另外在偏离中心放置的项目——例如，曲轴的绕主轴颈的中心轴旋转的连杆轴颈——的情况下：如果该主轴与系统的X轴对应，则与激光源之间产生沿其他两个方向例如Y轴和Z轴的相对移动可以有助于确保激光源与要处理的表面之间的距离保持恒定。例如，可以通过移动工件(例如，水平地)来产生沿所述第一方向的移动，并且可以通过移动激光源(例如，竖直地)来产生沿所述第二方向的移动。另外，可选地，激光源可平行于所述旋转轴移动。因此，激光源可以例如相继被用于作用在曲轴的不同的轴颈上。
在本发明的许多实施例中，工件可以为具有多个润滑油孔的曲轴。
本发明的另一方面涉及一种对曲轴表面进行激光硬化的方法，曲轴包括主轴颈、连杆轴颈和润滑油孔。该方法包括：
将激光束从激光源投射至要硬化的曲轴的表面上，以在所述表面上产生激光光斑，并且通过旋转所述曲轴(例如，绕对应于主轴颈的中心轴的轴)来相对于激光源移动表面。
根据本发明的这一方面，在所述曲轴旋转期间，激光束根据预定扫描图案扫描过轴颈的表面的至少一部分，以便加热表面。进行扫描以便对所述表面的对热较敏感的子区域比对热较不敏感的子区域施加更少的能量。术语预定不排除在操作期间基于来自某种温度传感器或温度相机的反馈以预定方式和/或根据控制系统来动态调节扫描图案的可能性。
例如，可以在使激光束的功率保持基本恒定并且调节扫描速度和/或扫描图案(即，激光束在表面上遵循的图案或路径)的情况下进行扫描，以便对所述表面的对热较敏感的子区域比对热较不敏感的子区域施加更少的能量。在本发明的其他方面中，在使扫描图案保持基本恒定并且调节扫描速度和/或光束功率的情况下进行扫描，以便例如通过动态地调节与扫描图案的片段对应的激光束的接通-关断状态，对所述表面的对热较敏感的子区域比对热较不敏感的子区域施加更少的能量。在本发明的一些实施例中，对热较敏感的区域包括润滑油孔的邻近区域以及/或者曲轴的轴颈的轴端部处的圆角的邻近的区域。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括多个片段，并且为所述片段中的每个片段分配光束功率状态，以便对应于每个片段将激光束的功率设置成与所述功率状态对应的功率水平。激光器被布置成根据所述光束功率状态的需要改变激光束的功率，使得光束功率如由所述功率状态确定的那样在一些片段中与在其他片段中相比会不同。激光光斑沿扫描图案的扫描优选地以每秒至少300片段，优选地，每秒至少600片段，更优选地，每秒至少1000片段，更优选地，每秒至少5000片段，甚至更优选地，每秒至少10000片段的速度进行，并且以至少10Hz，更优选地，至少50Hz，甚至更优选地，至少100Hz的频率重复扫描图案。因此，可以实现扫描图案的分段或像素化，其允许根据例如正在被扫描的区域的热敏感性来调节正被加热的区域的功率分布或能量分布，而同时以高频率重复扫描图案，从而减小当前被加热的区域内的温度波动。
在本发明的许多实施例中，激光源包括光纤激光器，例如从“接通”状态切换到“关断”状态或者从“关断”状态切换到“接通”状态需要大约100微秒或更少时间的光纤激光器等。光纤激光器通常比产生用于硬化目的的足够功率的光束的其他种类的激光器例如二极管激光器更昂贵，并且技术人员可能因此不愿意使用光纤激光器来硬化工件例如曲轴。然而，光纤激光器允许快速的接通和关断切换，并且因此可以特别用于在光束遵循有效激光光斑上的预定扫描图案时通过接通和关断激光器来获得足够的能量分布，以便沿等效激光光斑的线和/或在等效激光光斑的子区域或像素内分布能量。另外，光纤激光器产生质量高并且直径相对较小的光束，使得聚焦激光光斑与光束的出口之间的焦距可以较大，在扫描镜等的移动会更小时进行扫描的情况下，还在激光束在复杂对象例如曲轴的表面上进行扫描的情况(其中，配重和壁可以表示具有短焦距的激光束的障碍物)下，这会是有利的。
本发明的另一方面涉及一种对工件的表面的至少一部分进行硬化的系统，该系统包括激光源以及用于在工件表面与激光源之间产生相对移动的装置。在本发明的一些实施例中，激光源设置有或者关联于用于使激光器沿一个方向或两个方向扫描过工件的表面的一部分的扫描装置。系统还包括用于控制该系统的操作的电子控制装置例如计算机、计算机系统、PLC等。
根据本发明的该方面，电子控制装置被布置成操作该系统，以便执行根据上述方面中的任何方面的方法。
通过修改参数，例如扫描图案的几何配置(即，图案的路径的几何配置)、和/或扫描速度、和/或激光束功率、和/或激光光斑大小、和/或甚至参数例如激光束入射在要硬化的表面上的波长或入射角，系统提供了用于沿要硬化的表面或经过要硬化的表面加热的灵活性。可以对试验工件进行试探试验或者可以通过使用计算机模拟，并且操作者可以动态地修改参数(例如，片段的长度和位置/取向、针对每个片段的扫描速度、激光束在每个片段处的功率等)的值，直到获得了提供可接受的硬化特性却没有过度劣化对热较敏感的区域或项目的参数组合。
本发明的另一方面涉及一种计算机程序以及存储计算机程序的信息载体(例如，任何合适种类的存储装置或电信号)，该计算机程序包括程序指令，该程序指令当在系统中被执行时用于执行本发明的以上方面中的任何方面的方法。
本发明的另一方面涉及一种用于对曲轴的轴颈的表面进行激光硬化的设备，所述轴颈包括至少两个定位在中心的主轴颈以及至少一个偏置的连杆轴颈，其中，该设备包括：
曲轴支承，该曲轴支承被布置成支承曲轴，并且以可选的方式，被布置成使曲轴绕曲轴的纵轴旋转；
至少一个激光源，该至少一个激光源被布置成将激光束投射至曲轴的轴颈上，以在所述轴颈上产生激光光斑；
其中，所述激光源包括用于沿两个方向扫描激光束的双向扫描装置，以在所述轴颈的所述表面上建立二维扫描图案。二维扫描图案的使用使得可以通过使在要硬化的表面上重复扫描激光光斑来创建有效激光光斑，所述有效激光光斑沿平行于曲轴的纵轴的方向具有足够的延伸，以便允许在曲轴绕其纵轴的一个单个旋转或者有效激光光斑绕轴颈的单个360度扫描期间加热曲轴的整个轴颈，并且所述有效激光光斑沿对应于曲轴的圆周方向的另一方向具有足够的延伸，以便允许在实现期望的硬化深度的足够的时间期间进行加热，而同时能够以足够的速度旋转曲轴，从而获得以每小时的曲轴数而言的合适的生产率。沿两个方向的该扫描可以例如与将扫描图案划分成多个片段(为该多个片段分配不同功率水平)结合，以便获得在设备的操作期间可以动态调节的能量分布，从而避免过度加热热敏感子区域例如润滑油孔邻近区域。
在本发明的一些实施例中，所述曲轴支承和所述激光源相对于彼此沿垂直于所述纵轴的至少两个不同方向移动，以便使得在所述曲轴绕纵轴旋转期间连杆轴颈与激光源之间的距离恒定，所述连杆轴颈关于所述纵轴偏置。
例如，所述激光源可以沿第一方向移动，优选地，垂直地移动，并且所述曲轴支承可以沿第二方向移动，优选地，水平地移动，所述第一方向和所述第二方向二者均垂直于所述纵轴。在本发明的一些实施例中，激光源还可以平行于曲轴的所述纵轴移动，以便相继作用在曲轴的多个轴颈上。激光源可以包括适合于快速的通/断切换和/或在不同的光束功率水平之间快速切换的激光器例如光纤激光器或其他激光器，例如，以便在激光光斑遵循具有片段(为片段分配了不同功率状态，即，期望的功率水平)的扫描图案时适应功率水平之间的快速切换。
该设备可以包括控制单元，该控制单元包括存储与所述扫描图案关联的参数值的存储器，所述参数值包括多组参数值，所述参数值中的第一组参数值确定所述曲轴的轴颈上的第一二维能量分布，并且所述参数值中的第二组参数值确定所述轴颈上的第二二维能量分布。控制系统可以被布置成在硬化曲轴的轴颈的大部分期间应用所述第一组参数值，并且当润滑油孔邻近区域被加热时应用第二组参数值。明显地，可以存在其他组参数值。因此，例如，在曲轴绕曲轴的纵轴旋转期间，可以动态地调节二维能量分布，以便避免过度加热对热较敏感的子区域。参数值可以包括上述参数值(包括光束功率和扫描速度)中的任何参数值。
控制单元可以被布置成：通过在曲轴绕其纵轴旋转期间与对应于二维扫描图案的对热较敏感的子区域出现在例如由所述二维扫描图案覆盖的区域内或附近同步以可选方式应用存储在所述存储器中的所述第一组参数值和所述第二组参数值，以及可选的另一组参数值来控制硬化处理。也就是说，当要加热润滑油孔邻近区域时，即，当(例如)润滑油孔在曲轴旋转期间到达激光束当前正扫描的区域时，控制单元可以(例如)改变二维能量分布。
在本发明的一些实施例中，所述扫描图案可以是包括多个片段的分段扫描图案，为每个片段分配了所述参数值中至少一个参数值。所述至少一个参数值可以指示扫描速度、激光光斑的大小、激光束的功率、激光束内的能量分布、对应片段的长度以及对应片段的取向中的至少一个。例如，对扫描速度(即，激光光斑沿片段的速度)和/或激光束的功率的适当选择能够用于确定由扫描图案覆盖的区域上的能量分布。以上阐述了用于实现动态变化的能量分布和用于使该动态变化的能量分布适用于曲轴的分段方法的优点中的一些优点。
在本发明的一些实施例中，该设备可以布置成以每秒至少300片段，优选地，每秒至少600片段，更优选地，每秒至少1000片段，更优选地，每秒至少5000片段，并且甚至更优选地，每秒至少10000片段的平均速度来进行扫描。如上所述，每秒大量的片段可以用于将扫描图案与适当量的片段例如六个或更多个，与短周期时间(即，扫描的高重复率，例如，50Hz或更大)结合。
本发明的另一方面涉及一种对工件的表面区域进行硬化的机器或设备。术语“表面区域”要被广义的理解：表面区域是指工件的表面的一部分，或者指工件的整个表面；表面区域可以例如指曲轴的轴颈的表面，或者指所述表面的一部分。明显地，机器可以用于对工件的多于一个的表面区域进行硬化，例如，在曲轴的情况下，机器可以被布置成硬化主轴颈和/或连杆轴颈中的若干或所有的表面或大多数表面。表面区域(或者表面区域中的至少一个)包括至少一个对热较不敏感的子区域和至少一个对热较敏感的子区域。
该设备包括：激光源，该激光源被布置成将有效激光光斑投射至表面区域上(例如，通过将配置有期望的横截面的光束简单地投射至表面区域上，或者通过在表面区域上沿扫描图案扫描“真实”激光光斑来创建虚拟有效激光光斑或等效有效激光光斑)；以及装置，该装置用于在所述表面区域与所述有效激光光斑之间产生相对移动(在本发明的一些实施例中，这些装置包括或包含用于使工件绕轴旋转以便绕工件的一部分例如绕曲轴的轴颈扫描有效激光光斑的装置)，以使所述有效激光光斑沿所述表面区域移动，以便相继地并且逐渐地将所述表面区域的不同部分或不同部件加热至适于硬化的温度。也就是说，当有效激光光斑例如沿曲轴的轴颈的圆周方向沿所述表面区域或者沿轴颈的纵向方向沿这样的轴颈——从轴颈一端朝向轴颈另一端——前进时，有效激光光斑逐渐加热新的部分，而同时使得先前加热的部分冷却，从而使得淬火发生。有效激光光斑被布置成具有二维能量分布的特征，例如，能量可以跨或沿有效激光光斑差不多均匀地分布，或者可以在所述有效激光光斑的一些区域中的表面比在所述有效激光光斑的其他区域中的表面施加更多的能量/功率。
该设备还包括控制系统，例如，用于控制设备的操作的包括一个或更多个可编程装置的电子控制系统，其中，所述控制系统被布置成修改所述二维能量分布，使得在所述对热较敏感的子区域与在所述对热较不敏感的子区域中能量分布不同。从而，可以优化对表面区域的加热，以便在要硬化的所述表面区域的所有表面区域或大部分表面区域实现期望的硬化深度和质量，防止过度加热对热较敏感的子区域，而同时使得充分加热对热较不敏感的子区域。术语“对热较敏感”和“对热较不敏感”要被广义地理解并且通常是指由于其特性而应当通过所述有效激光光斑接收更少能量或更多能量的不同表面区域。例如，对热较不敏感的子区域相比于对热较敏感的区域可以是需要更多的能量以达到期望的硬化的区域，对热较敏感的区域应当接收更少的能量，例如，以避免损坏或简单地因为例如由于工件结构达到期望的硬化所需的热量较少。
提及激光源意味着存在至少一个激光源，但是不排除存在其他的激光源，其他的激光源用于结合地形成有效激光光斑和/或产生多个不同的有效激光光斑。
在本发明的一些实施例中，所述至少一个对热较敏感的子区域包括：
-表面区域中的孔例如润滑油孔邻近区域；
和/或
-圆角，例如底切圆角；
和/或
-表面区域的先前被硬化的部分，例如，有效激光光斑沿对象(例如曲轴的圆柱形轴颈)的圆周到达360度轨迹的端部处的部分。
对热较不敏感的子区域可以例如对应于曲轴的轴颈的远离润滑油孔和/或远离圆角和/或远离先前已被硬化的部分的表面。
在本发明的一些实施例中，该设备被配置成或编程成进行操作，使得所述有效激光光斑具有一定大小并且以一定速度沿所述表面区域移动，使得在所述有效激光光斑沿所述表面区域移动的至少一部分期间，优选地，在所述有效激光光斑沿所述表面区域的移动的至少50％期间，并且更优选地，在所述有效激光光斑沿所述表面区域的移动的至少90％期间，并且甚至更优选地，在所述有效激光光斑沿所述表面区域的移动的100％期间，所述表面区域内被所述有效激光光斑加热的部分被加热至少0.5秒，优选地，至少1秒。已经发现，对于很多应用，这可有助于实现足够深度的硬化层。可以期望足够长的加热时间，以使得热量充分传入材料中。可以适用于例如对曲轴的轴颈的硬化的时间是至少0.5秒或1秒，可选地，小于5秒或甚至小于3秒，实现了足够的热量传入以达到例如自动化工业中通常要求的硬化深度，而不需要会对硬化的质量造成负面影响的高温，例如接近或超过工件的材料的融化温度的温度。在本发明的这些实施例中的一些实施例中，有效激光光斑在有效激光光斑沿表面区域移动的方向(例如，当有效激光光斑例如通过使所述曲轴绕曲轴的纵轴旋转而绕所述轴颈以圆周的方式移动时，沿曲轴的轴颈的圆周方向)上的大小为至少5毫米，优选地，至少7毫米，更优选地，至少10毫米，并且甚至更优选地，至少15毫米、20毫米、30毫米或更大，例如至少50毫米。要硬化的每个部分被加热足够的时间(例如，至少0.5秒或至少1秒)的需要限制了有效激光光斑沿要硬化的表面区域行进的速度。当有效激光光斑具有直径或宽度在仅几毫米量级的激光光斑典型大小时，所需的加热持续时间将意味着激光光斑必须以非常低的速度沿要硬化的表面区域行进，这不利地影响例如以每小时的工件数而言的生产率。因此，使用在有效激光光斑沿要硬化的表面区域行进的方向上具有更大长度或宽度的有效激光光斑可以增大生产率，因为有效激光光斑可以以更高的速度移动而仍然允许足够的加热时间。
在本发明的一些实施例中，该设备被布置成通过产生所述有效激光光斑的多个片段来产生所述有效激光光斑，所述多个片段包括至少六个片段，控制系统被布置成通过根据为所述片段分配的参数值以可选的方式修改所述片段的能量密度和/或能量分布(也就是说，在特定时间间隔期间，例如，在扫描图案的片段情况下，扫描周期，对应于每个片段的能量)来修改二维能量分布，所述参数值存储在所述控制系统的存储器中。如上所述，所以分段方法意味着重要的优势，例如，原因是可以灵活性和简单性，能够灵活并简单地创建不同的能量分布图案，以使对表面区域的加热适合于表面区域的特性。例如，如果使用六个片段——布置成两行，每行包括三个片段——的简单的图案，当有效激光光斑接近设置在正被加热的曲轴的轴颈的中部的润滑油孔时减小中心片段中的一个片段或两个片段的功率，与施加至轴颈的表面的周围部分的能量相比，可以减少施加至所述润滑油孔附近的能量，从而减小过度加热润滑油孔邻近区域的风险而同时保持对远离润滑油孔的表面(例如，远离润滑油孔的边缘的润滑油孔的侧面)的充分硬化。大量的片段可以使得将二维能量分布非常精确地适应于正被硬化的表面的热敏感性特性。可以例如以片段的行和列的阵列的形式布置所述片段。
在本发明的一些实施例中，激光源包括扫描装置，该扫描装置被布置成二维扫描所述激光源的激光束，其中，控制系统被布置成遵循扫描图案(在分段有效激光光斑的情况下，在本发明的许多实施例中，扫描图案可以包括所述多个片段)沿两个方向扫描激光束，以便产生所述有效激光光斑，其中，以至少10Hz，优选地，至少50Hz，更优选地，至少100Hz，并且甚至更优选地，至少200Hz的重复率重复所述扫描图案。扫描所述激光束以沿表面区域或跨表面区域移动小激光光斑，从而产生所述更大的有效激光光斑，其优势在于，其提供了所述有效激光光斑的能量分布的巨大的灵活性。另一方面，扫描图案的高重复率允许：
-相对大尺寸的有效激光光斑，例如，一个或更多个平方厘米，从而另一方面，允许激光光斑的沿与有效激光光斑的移动方向垂直的方向的相对大的宽度。例如，在硬化曲轴的轴颈的情况下，其中，有效激光光斑沿圆周方向移动，有效激光光斑沿跨所述轴颈的方向(即，沿曲轴的纵向方向)具有相对大的宽度，使得有效激光光斑可以跨轴颈的大部分宽度或所有宽度延伸，使得轴颈的整个表面区域通过使有效激光光斑绕轴颈通过一次来加热。另一方面，同时，有效激光光斑的在有效激光光斑沿要硬化的表面区域移动的方向上的大小也可以足够大，以允许相对高速度的移动与足够的加热持续时间相组合，如上所述。
-同时，避免当前正被加热的区域内的过大的温度波动，上述推理的优点在于：高重复率确保了被加热的部分在其先前加热所允许的温度下降过多之前可以被重新加热。
扫描图案可以是形成环的相邻片段的形式，或者是多条线例如平行线的形式，或者扫描图案可以具有任何其他合适的配置。调节二维能量分布可以包括调节片段中的一些片段或所有片段的长度和/或位置。
在本发明的一些实施例中，所述参数值指示与扫描图案的片段对应的光束功率水平和/或光束的扫描速度。因此，可以通过为每个片段分配的光束功率值和/或扫描速度来确定在有效激光光斑沿要硬化的所述表面区域移动的每个特定时刻处通过加热要施加的二维能量分布。如上所述，在一个选项、另一选项或这两个选项之间的选择可以取决于例如激光源的和扫描系统的特性。在本发明的其他实施例中，参数值可以指示对应片段的位置或长度。另外，如上所述，也可以存在其他选项，并且可以组合使用这些选项中的一个或更多个选项。
在本发明的一些实施例中，对该设备进行编程，以对曲轴的至少一个轴颈进行硬化，其中，对该设备进行编程，以产生所述有效激光光斑，所述有效激光光斑沿曲轴的纵向延伸过曲轴的所述轴颈的50％以上，优选地，延伸75％以上、延伸过85％以上或延伸过90％或95％以上，例如延伸过99％以上或甚至100％，并且如果未超过100％，则特别要超过要硬化的表面区域的大部分，例如，其中期望有例如至少800微米或更大的有效激光硬化深度的表面区域。本技术中众所周知的是使用小的激光光斑来硬化曲轴的表面的非常具体的部分。然而，本发明允许以一个单个扫描或者几个扫描来硬化主要表面(例如，曲轴的轴颈的一般表面)，同时，根据表面区域的正被加热的部分的特性来调节加热，考虑例如润滑油孔和/或其他对热较敏感的子区域的存在。
在本发明的一些实施例中，控制系统包括被布置成存储多个数据组的存储器，所述数据组中的每个数据组指示所述有效激光光斑的二维能量分布，其中，所述设备被配置成，在所述有效激光光斑沿所述表面区域移动时，通过在有效激光光斑被投射至所述对热较不敏感的子区域上时使用所述多个数据组中的一个数据组来来操作激光源，或者通过在有效激光光斑被投射至所述对热较敏感的子区域上时使用所述多个数据组中的另一数据组来操作激光源，来调节有效激光光斑的二维能量分布。因此，当使设备适应于特定产品例如特定曲轴时，操作者可以针对曲轴的不同部分设计适当的能量分布，例如，针对轴颈的远离润滑油孔的部分的第一二维能量分布，并且针对润滑油孔邻近区域的一个或更多个不同的二维能量分布，在控制系统的存储器中存储对应的参数组，并且对控制系统编程，从而在所述有效激光光斑绕轴颈或沿轴颈移动的同时，与润滑油孔和需要调节加热被执行的方式的其他区域的出现同步，动态地修改有效激光光斑的能量分布。
本发明的另一方面涉及一种对工件例如曲轴的至少一个表面区域进行激光硬化的方法，该方法包括：使用上述设备将工件的所述表面区域加热至用于硬化的温度的步骤；以及使所述表面区域的被加热的部分冷却以产生淬火的步骤。
本发明的另一方面涉及一种包括多个轴颈的曲轴，所述轴颈中的至少一个轴颈具有通过根据本发明的上述方面中的一个方面的方法硬化的表面。
本发明的另一方面涉及用于对曲轴的轴颈进行激光硬化的如上述设备的一种设备进行编程的方法，该方法包括步骤：
为多个片段(例如，激光光斑遵循以建立所述有效激光光斑的扫描图案的片段)分配与能量分布有关的参数值例如激光束功率和/或扫描速度和/或片段的长度和/或片段的取向，以便创建多个数据组，每个数据组对应于被投射至要硬化的表面区域上并且沿所述表面区域移动的有效激光光斑的特定二维能量分布，
存储所述数据组，并且
对该设备进行编程，以通过根据所述数据组中的用于加热所述表面区域的对热较不敏感的子区域的至少一个数据值来调节所述能量分布，并且通过根据所述数据组中的用于加热所述表面区域中的对热较敏感的子区域的至少另一个数据组来调节所述能量分布，与有效激光光斑沿所述表面区域的移动同步地调节所述有效激光光斑的所述能量分布。如上所述，分段方法使得技术人员易于建立、试用并选择合适的二维能量分布并且将合适的二维能量分布分配至要硬化的区域中的不同子区域，例如，将特定数据组分配至润滑油孔周围的区域，并且将其他特定数据组分配至与曲轴的先前被硬化的部分交叠的区域。
在本发明的一些实施例中，该方法包括步骤：在创建数据组的步骤之后，在屏幕上计算并显示二维能量分布。在许多情况下，显示可以帮助本领域技术人员确定所选择的二维数据组(对应于为片段例如扫描图案的片段分配参数值的特定分配)是否可能对曲轴的对应部分提供合适的加热。其中，纯粹的数学方法和计算机可以用于计算为片段分配参数值的最优分配，显示是技术人员手中的有用工具。
已经发现，所使用的适合激光器可以是提供高光束功率(例如，光束的功率在2kW至10kW的范围(在该范围中包括上限和下限)内)的那些激光器。这样的激光器可以例如特别适用于对曲轴的表面硬化。
通常，使用这种激光器，并且为了对例如曲轴的表面进行表面硬化，投射至要硬化的表面上的激光光斑可以优选地具有从2毫米至5毫米范围内的直径，例如，3毫米。使用2kW至10kW激光束的这种光斑被认为适合于对曲轴的表面进行硬化。
经常优选地进行硬化，以在可选地不包括对热较敏感的子区域附近和/或硬化区域的端部的边缘处的硬化区域中实现有效硬化层深度为至少800微米或更大(例如，至少1200微米或至少1500微米或甚至2000微米或更大)的硬化层。这些硬化深度适用于例如曲轴。认为，使用具有在2kW至10kW范围内的功率的激光，将激光束施加至曲轴约2分钟至6分钟(准确时间将取决于例如光束功率、要硬化的表面区域以及层的深度的特征)能够实现这些硬化深度；通过并行处理若干曲轴，可以大大减少周期时间：例如，通过并行处理两个或三个曲轴，通常可以实现1分钟量级的周期时间。所需要的深度通常可以在从800微米至2000微米或更大的范围内。
调节扫描图案和其他参数例如光束的功率、激光光斑的大小、扫描速度和/或激光束的入射角使得可以增大激光束与特定区域之间的交互时间，这可以有助于增大硬化层的深度。例如，如果给定图案沿激光源与要硬化的表面之间的相对移动的方向延展，和/或如果激光束与表面之间的入射角减小(例如，通过使光束关于具有圆形截面的部分的表面偏离中心，或者使光束关于平坦表面倾斜)，则可以增大光束与表面上的给定点之间的交互的持续时间，这可以有助于增大硬化层的深度。
扫描速度(即，由扫描系统在要硬化的表面上扫描激光光斑的速度)可以沿如上所述的扫描图案或路径变化，但是平均扫描速度通常会在从2000毫米/秒到8000毫米/秒的范围内；当使用了功率在从2kW至10kW的范围内的激光束时，这样的扫描速度可以适合于对曲轴进行表面硬化。
明显地，上述不同的方面可以彼此组合，只要彼此兼容即可。
附图说明
为了完成描述并且为了提供对本发明的更好的理解，提供了一组附图。所述附图形成描述的必需部分并且例示了执行本发明的不同的方式，所述附图不应当被理解为限制本发明的范围，而仅作为本发明可如何执行的示例。附图包括以下示图：
图1是现有技术中已知的曲轴的示意性透视图；
图2是根据本发明的一个可能实施例的系统的示意性透视图；
图3是根据本发明的一个可能实施例的激光源的一部分以及工件的一部分的示意性正视图；
图4A和图4B是图3的实施例中的工件的一部分在硬化处理的不同时刻的示意性俯视图；
图5A和图5B是工件的一部分在根据本发明的所述实施例的变形的硬化处理的不同时刻的示意性俯视图；
图6A、图6B、图6C和图6D是具有功率密度更高的前部和功率密度更低的至少一个后部的虚拟激光光斑的示意性俯视图；
图7A和图7B是图3中所示的布局的变形在X-Z平面中的两个示意性横截面侧视图；
图8示意性地例示了在本发明的一些实施例中可以用作激光源的一部分的起偏器；
图9示意性地例示了计算机系统以及存储在所述计算机系统和/或由所述计算机系统产生的扫描图案；
图10示意性地例示了在所述计算机系统内的存储器位置；
图11示意性地例示了根据本发明的可选实施例的在所述计算机系统内的存储器位置；
图12A至图12C示意性地例示了当硬化润滑油孔周围的区域时如何调节有效激光光斑的能量分布；
图13示意性地例示了根据本发明的一些实施例可以如何考虑润滑油孔的延伸；
图14A和图14B示意性地例示了正在被加热的区域的表面温度根据激光束扫描有效激光光斑的频率的振荡幅度；
图15A和图15B示意性地例示了如何应用有效激光光斑以通过硬化轴颈的环形段来产生对曲轴的轴颈的硬化；
图16A、图17A和图18A表示分别针对按照图16B和图16C、图17B和图17C以及图18B和图18C的扫描图案计算的有效激光光斑的能量分布或功率分布；
图16B、图17B和图18B示意性地例示了不同扫描图案的片段的布置，并且图16C、图17C和图18C示意性地例示了为图案的不同片段分配的不同的扫描速度；以及
图19A至图19C示意性地例示了有效激光光斑到达轨道的先前硬化的部分。
具体实施方式
图2例示了根据本发明的一个可能实施例的系统。该系统包括容纳安装在激光器托架11上的激光源1的框架结构，激光器托架11通过第一激光器托架驱动装置12——例如通过伺服电机或任何其他合适的驱动装置——可在竖直方向上(平行于系统的竖直轴Z)移动。另一方面，激光源1还可以通过第二激光器托架驱动装置13——例如另一伺服电机或其他合适的驱动装置——沿着水平轨道14，平行于系统的水平X轴被水平地驱动。
另一方面，系统包括两个工件托架20，每个工件托架能够平行容纳两个工件1000(在本实施例中，工件为曲轴)，并且包括用于沿中心轴(在本实施例中，中心轴对应于穿过曲轴的主轴颈的中心的纵轴)旋转每个工件的驱动装置(未示出)；所述轴与系统的X轴平行。另一方面，每个工件托架20与工件托架驱动装置21(例如，伺服电机或任何其他合适的驱动装置)关联，工件托架驱动装置21被布置成平行于系统的Y轴且垂直于X轴水平地移动工件托架。
提及水平方向和竖直方向仅用于简化说明，并且轴线的任何其他取向显然是可能的并且在本发明的范围内。
在目前的情况下，首先，激光源1用于硬化工件托架20中的第一工件托架中的工件1000中的一个工件的表面的相关部分，然后，激光源1用于硬化工件托架20中的所述第一工件托架中的另一工件1000的表面的相关部分，并且然后，激光源1沿轨道14移动以面向工件托架20中的第二工件托架以用于硬化布置在第二工件托架中的工件1000的表面。当激光源1对在工件托架中的第二工件托架中的工件进行操作时，工件托架中的第一工件托架中的工件可以卸下，并且由要通过激光源来处理的新工件替代，反之亦然。
明显地，存在许多选择的可能性。例如，每个工件托架中可以仅存在一个工件，或者每个工件托架中可以存在多于两个工件。每个工件托架可以存在一个激光源(也就是说，第二激光源托架及其对应的激光源可以添加至轨道14)。另外，每个激光器托架11可以设置有多于一个激光源1，使得工件托架中的若干工件可以同时经受激光硬化处理。可以选择激光源的数目、工件托架的数据以及工件的数目之间的关系，以优化对系统的更昂贵的部分的使用，并且例如通过允许在不停止系统操作的情况下装载和卸载工件来优化生产率。在本发明的一些实施例中，多个激光源可用于将激光束同时射向同一曲轴，例如，以同时作用在曲轴的不同的轴颈上或者作用在曲轴的相同的轴颈上。
在本发明的一些实施例中，当工件为具有主轴颈1001和连杆轴颈1002的曲轴1000时，在对曲轴的主轴颈1001进行热处理期间，激光源不沿Z轴方向移动并且工件托架不沿Y轴方向移动，原因是围绕曲轴的旋转轴的主轴颈表面是环形的并且是对称的。在本发的一些实施例中，如果需要沿着主轴颈的在X轴方向上的整个延伸施加激光热处理，则可以存在激光源和/或工件沿X轴的移动。这取决于激光源的功率性能并且取决于扫描装置(未示出)在X轴方向移动激光束的性能。如果激光束可以沿主轴颈1001在X轴方向上的整个延伸扫描整个主轴颈1001的路径，则在对例如曲轴的主轴颈1001中的一个主轴颈1001进行热处理期间可能不需要沿X轴方向移动激光源，而是仅在从对一个轴颈的处理切换至对另一个轴颈的处理时需要；同样的方式应用于对例如曲轴的连杆轴颈1002的热处理。
然而，在对连杆轴颈1002进行热处理期间，连杆轴颈1002的中心轴在径向上偏离主轴颈的中心轴，在工件托架20中的相应的曲轴工件1000进行旋转期间，激光源1平行于Z轴竖直移动，并且工件托架2平行于Y轴水平移动，以便使激光源(例如，激光源的扫描装置的输出，或者透镜的表面)与激光束所投射的表面之间的距离保持恒定。在本发明的其他实施例中，可以平行于Z轴和Y轴移动曲轴。另外，或者可选地，激光源可以被布置成平行于Z轴和Y轴移动。
可以由电子控制装置例如计算机、计算机系统或PLC(图2中未示出)来控制第一激光器托架驱动装置12和第二激光器托架驱动装置13的操作以及工件托架驱动装置21和用于旋转工件托架20中的工件1000的驱动装置的操作。
在本发明的一些实施例中，激光源1包括扫描系统，布置该扫描系统以改变激光束的方向。这样的扫描系统在现有技术中是众所周知的，并且常常包括一个或更多个扫描镜，扫描镜的角度可以在计算机的控制下根据扫描函数例如正弦函数、三角函数等来改变。单轴扫描系统(例如，具有可绕一个轴枢转的扫描镜的扫描系统，或类似扫描系统)可以用于扫描平行于X轴——也就是说，垂直于工件1000的表面相对于光源1由于工件1000的旋转而产生的移动的方向——的激光束。快速扫描过表面的相关部分可以因此产生一个虚拟光斑，该虚拟光斑沿X方向的延伸远大于没有扫描的情况下光斑的延伸：因此，原始光斑被转变成更宽的虚拟光斑(沿X方向具有更大的延伸)，但由于光束功率被分布在更大面积上而具有更小的功率密度。
在双轴扫描系统的情况下(例如，在具有双轴镜或两个单轴镜的扫描系统的情况下)，激光束可以沿两个方向移动，例如，一方面，平行于X轴，另一方面，平行于Y轴，以及平行于X轴与平行于Y轴的组合。因此，除了垂直于表面相对于激光源的移动方向来扫描表面之外，也就是说，除沿X轴方向“沿”轴颈的表面来扫描表面之外，激光束还可以沿表面的移动方向——即，平行于Y轴——扫描表面；从而，还可以沿轴颈的圆周方向扫描曲轴的轴颈的表面。另外，激光束可以描述结合了沿X方向和沿Y方向的移动的路径(也就是说，在沿圆周W方向被投射至曲轴的环形轴颈上时，例如，图12A至图12B)。从而，光束可以遵循具有复杂形状例如矩形、椭圆形、梯形等的路径。激光光斑可以扫描在表面上，以形成实质高度沿Y(或W)方向的虚拟填充矩形(例如，通过遵循矩形边界内的弯曲图案，或者通过遵循所述边界内的多个单独的线)，或者重复地描绘出矩形或任何其他几何形状的边缘。因此，使用扫描系统的性能，可以创建均沿X方向或者沿Y或Z方向、具有期望延伸或形状的虚拟有效激光光斑或等效有效激光光斑。在所谓的XYZ扫描仪的情况下，除可能沿X方向和Y方向移动之外，聚焦透镜被设置成可以通过某种驱动装置沿Z方向移动，从而使得能够动态调节激光光斑的大小。从而，光斑的位置和光斑的大小二者可以被控制并调节成优化硬化处理。另外，作为聚焦透镜的移动等的备选或者附加，可以通过使用第一激光托架驱动装置平行于Z轴移动激光源来控制并调节激光光斑的大小。另外，如从例如上述DE-3905551-A1所知的，系统可以包括用于改变激光光斑内的功率的分布的装置。
图3示意性地例示了包括示意性地例示的双轴扫描系统3的激光源1，双轴扫描系统3基于双轴镜或两个单轴镜并且被布置成在平行于X轴的竖直平面中并且在平行于Y轴的竖直平面中偏转入射激光束2；角α表示在平行于X轴的竖直平面中的最大扫描，并且角β表示在平行于Y轴的平面中的最大扫描。图3示意性地例示放置在工件上方——并且，更具体地，曲轴的主轴颈1001的上方——的激光源1，主轴颈1001包括润滑油孔1003并且在由箭头表示的方向上在工件托架(未示出)中旋转。图3中示意性地例示的是由于激光束的扫描由激光光斑扫描到的部分或部位1006。因此，使用这种激光源，投射至工件顶部的小激光光斑可以由更大的虚拟激光光斑或等效激光光斑来代替，更大的虚拟激光光斑或等效激光光斑通过在部位1006内高速地重复扫描具有任何期望形状的图案来获得，部位1006由扫描系统根据角α和角β而允许的最大扫描来确定。因此，不是使用激光束加热单一的一个小光斑，而是在使用激光束扫描所述区域的时间间隔期间可以加热更大的区域(但是单位面积上功率更小)。或者，换言之：不是通过使用例如合适的固定光器件来提供大的光斑(例如，大的矩形光斑)，而是可以通过在更大的区域上扫描更小的且功率更大的光斑扫来实现对应的功率分布。这涉及一个重要的优点：这提供了根据表面的不同部分的不同特性(例如，根据对热的敏感性和过度加热的损坏风险)通过调节扫描图案、扫描移动的速度、光束的功率和/或光斑的大小向表面的不同部分动态地施加不同量的能量的可能性。例如，可以选择扫描图案、扫描速度、光束功率和/或激光光斑大小(并且在硬化处理期间动态地调节)，以便限制施加至润滑油孔附近或底切圆角附近的表面的热能的量。为了获得适当的硬化深度和质量，重复地并且最好是以较高频率——例如，大于10Hz，更优选地，大于50Hz、100Hz、150Hz、200Hz或250Hz——来进行扫描，以便避免被加热区域内温度的较大波动。
图4A和图4B是曲轴的一部分即曲轴的主轴颈在硬化处理的两个不同阶段期间的俯视图。曲轴在工件托架(未示出)中沿箭头所示的方向旋转。
在图4A中，附图标记2A表示扫描图案：激光光斑遵循基本矩形路径2A；在可选的实施例中，激光光斑在基本矩形的区域2A内(例如)遵循矩形区域2A内的弯曲图案或其他图案进行扫描，以便填充矩形，也就是说，以便对矩形的整个表面产生影响。在两种情况下，高速地进行扫描，使得结果是，激光束从加热透镜投射至工件1001的表面上基本等效于在激光束分别以中空矩形2A或填充矩形2A的形式投射的情况下将会实现的加热。在图4A中，激光束扫描的区域是对热较不敏感的子区域，因为工件在所述区域中是实心的。
现在，在图4B中，润滑油孔1003到达可以由激光束扫描的部位或部分。紧邻润滑油孔1003的区域为对热较敏感的区域，由于润滑油孔的边缘可能因过度加热而损坏，并且由于孔内无金属降低了工件在该区域的散热性能。因此，如果激光束以与激光束被投射至例如图4A中的对热较不敏感的区域上的方式相同的方式投射至紧邻润滑油孔1003的区域，则可能发生过度加热，对润滑油孔1003的边缘造成损坏。
因此，在本发明的该实施例中，在工件处于图4B所示的情形中时使用不同的扫描图案2B：在这种情况下，激光束遵循更大的矩形2B的形状的路径，或者遵循分别填充描绘出所述更大矩形2B的区域的弯曲图案或多个平行线。这表明来自激光束的功率散布在更大的区域，因此降低了过度加热的风险。换言之：对激光束的就扫描图案而言的调制在图4B所示的情形下与在图4A所示的情形下不同，以便降低过度加热的风险。
明显地，不需要使用矩形图案或弯曲图案填充矩形：本领域技术人员可自由使用她或他认为最方便的图案。例如，在使用允许对激光束进行快速的通/断切换的光纤激光器或其他激光器时，可以使用包括多个平行线的图案，并且线之间的距离在扫描对热较不敏感的区域或子区域时可以小于在扫描对热较敏感的区域或子区域时。或者，更优选地，线之间的距离可以保持基本恒定，但是可以调节沿线的光束功率和/或扫描速度，使得在对热较敏感的区域中相比于在对热较不敏感的区域中，扫描速度更高和/或激光束功率更低。另外，可以使用这些方法的组合。针对沿多个平行线的扫描而言，在本发明的许多实施例中，可以使用多边形镜。作为修改激光光斑所遵循的图案或路径的附加或备选，技术人员可以选择修改激光束的功率和/或激光束的扫描速度和/或激光光斑的大小和/或激光光斑内的功率分布，从而以可接受的敏感区域(例如，曲轴的润滑油孔1003的边缘)劣化水平来实现适当的硬化。这种措施也可以用在其他敏感区域，例如底切圆角或硬化轨道的端部处的区域——即，主要是这样的区域：在工件几乎旋转360度时激光束所接近的先前被其加热但实质上不应当被重新加热的区域——以便防止会导致不可接受的硬化下降的过度回火效应。
图5A和图5B为曲轴的一部分即曲轴的主轴颈1001在根据本发明的可选实施例的硬化处理的两个不同阶段期间的俯视图。图4A和图4B中所指示的内容已作必要的修正(mutatis mutandis)。在图5A和图5B中，扫描图案几乎在轴颈的整个宽度上延伸，实质上从圆角1004中的一个圆角到另一圆角。如在图4A和图4B中一样，扫描图案被设计成表示在润滑油孔1003周围的对热较敏感的子区域(参见图5B)相比于在远离润滑油孔的对热较不敏感的子区域或区域(参见图5A)功率密度更低；在这种情况下，当扫描润滑油孔1003周围的区域时，该扫描图案通过高度更大的梯形扫描图案来实现。
然而，在这种情况下，例如，由于使用底切圆角，还认为圆角1004邻近区域是热敏感区域。因此，扫描图案被布置成在那个区域也提供更低的能量密度；该扫描图案通过使用梯形扫描图案来实现，从而，在扫描速度基本恒定的情况下，在圆角附近将会接收到比在使用矩形扫描图案的情况时更少的能量。
与图4A和图4B的实施例的情况类似，激光束可以遵循图5A或图5B所示的梯形2C和梯形2D的轮廓，或者可以覆盖或填充梯形，例如，遵循所述梯形内的弯曲路径或梯形内的多条线。
对技术人员而言明显的是，这些参数仅为示例，并且技术人员在使方法和系统适应特定工件设计时可以在无穷多个可能图案中进行选择。
图6A为具有矩形截面并且具有功率密度更高的前部2E和具有功率密度更低的后部2F的虚拟激光光斑5的俯视图。虚拟激光光斑通过遵循覆盖了矩形区域的弯曲图案重复地扫描更小的真实激光光斑来实现。在这种情况下，通过在矩形区域的第一部分中使用多个复杂弯曲图案并且在矩形区域的第二部分中使用较不复杂的弯曲图案来获得更高的功率密度。箭头指示工件表面相对于虚拟激光光斑移动的方向。在这种方式中，工件的要加热的部分将首先受虚拟激光光斑的前边缘影响，并且因此在每单位表面积上将接收到相对大量的功率。这促进了快速加热，在激光硬化的情况下，快速加热意味着工件的这一部分将会快速达到奥氏体化处理温度范围。这意味着针对给定激光束功率和要加热的表面的给定移动速度，相比于功率被均匀地分布在虚拟激光光斑的情况，工件的被加热区域可以更长的时间地保持在奥氏体化处理温度范围或奥氏体化处理温度范围以上：使得功率均匀分布，表面达到奥氏体化处理温度区域将会需要更长时间。
图6B例示了其中激光光斑不使用弯曲图案而是遵循多条平行线来形成(虚拟或等效)有效激光光斑5的可选实施例。与其中激光束功率更低和/或扫描速度更高的具有更低功率密度的后部2F相比，在具有更高功率密度的前部2E处，激光束的功率更高和/或沿着这些线的扫描速度更低。在这种方式中，在整个有效激光光斑5上可以获得期望的能量分布。可以使用任何其他种类的扫描图案而不使用线，以提供期望的二维能量分布。使用允许对激光束进行快速的通/断切换和/或对功率进行快速改变的激光器，可以使用允许非常准确的能量分布、可以根据要硬化的表面的特性来调节的非常复杂的图案，例如，以便在对热较敏感的区域或面积例如靠近曲轴的润滑油孔的区域或面积施加更少的能量。例如，通过使用“像素”方法，根据期望的二维能量分布加热非常具体的子区域。为了沿平行线快速扫描，如现有技术中已知的，可以使用多边形镜。
图6C例示了包括三个不同的部分的有效激光光斑5，这三个不同部分，即，包括扫描图案的多条线的第一部分2H，没有任何这样的线的第二部分2I，以及包括扫描图案的多条线的第三部分2J。第一部分2H可以可选地包括具有更高能量密度的前子部2E和具有更低能量密度的后子部2F。另一方面，第一部分2I中的能量密度可以高于第三部分2J中的能量密度，相应地，第三部分2J中的能量密度可以高于第二部分2I中的能量密度，其中，第二部分2I中的能量密度可以为零或接近零。有效激光光斑5可以通过这样的方式来获得：沿着扫描图案的所有线重复地扫描、在线的不同片段中调节激光束的扫描速度和/或光束功率和/或通/断切换，以便根据期望的功率分布或能量分布来分布能量。由于在第二部分中不发生加热，扫描图案的第一部分2H可以被选择成使工件的表面温度尽可能快地达到高温度例如以1400℃量级(由于前子部2E处的高能量密度)，并且保持该温度足够的时间，以实现期望的硬化深度(通过适当地选择第一部分2H的在有效激光光斑与工件表面之间的相对移动的方向上的长度，考虑所述相对移动的速度)，第二部分2I可以允许通过冷却被加热的部分的淬火，例如自淬火，并且第三部分2J特征在于适用于将工件加热至例如400℃～500℃量级的温度以使硬化区域回火的扫描图案、扫描速度和光束功率。以这种方式，在有效激光光斑5在要硬化和回火的表面上进行移动或扫描的一个单个步骤期间可以相继进行硬化和回火。这可以用于加速完成硬化和回火的续发事件。(表面要加热至的温度取决于工件的材料，例如，取决于所使用的钢铁的种类及其成分。所提及的值1400℃仅是示例。)
图6D示意性地例示了具有六条线51的扫描图案，每条线包括五个片段或像素51A、51B。针对每个片段，根据在硬化处理期间可以动态地变化的期望的能量分布来接通(片段或像素51A)或断开(片段或像素51B)激光束。因此，图6D的布局从而表示6×5像素，并且可以易于使用商用激光器和扫描装置来获得。对于预定扫描频率，使用允许进行快速通/断切换的激光器例如光纤激光器可以增加扫描图案的像素的数目。对于特定扫描频率，例如50Hz或100Hz或更大，可以实现的线的数目将还取决于所使用的扫描装置。
作为简单地接通和断开激光束的备选或附加，可以使用其他激光束功率状态，即，最大功率与零(或接近于零)的功率之间的不同功率水平。与不同的片段对应的功率状态可以存储在存储器中，并且在硬化处理期间进行动态地修改，以便例如通过在必要时降低被分配至片段中的一个或更多个片段的功率水平来减小润滑油孔邻近区域中的能量密度。该分段的或像素化的方法非常实用并且允许用户通过尝试功率状态的不同组合——即，光束在不同的片段处应当具有的功率——直到发现一种提供期望的结果的组合为止来找到在整个有效激光光斑上的合适能量分布。如果激光器允许在不同的功率状态或功率水平之间进行快速的切换，则每秒可以完成的大量的片段，使扫描图案具有足够高的重复速率，以避免大的温度波动，而同时适合合理数量的片段。例如，在激光器允许功率状态每秒变化1000次时，100Hz的扫描图案重复频率可以与具有10个片段的扫描图案组合。
图7A为图3中所示的系统的变形中的主轴颈1001的横截面图。此处，激光源相对于主轴颈1001的沿X轴的对称的竖直平面轻微偏置。这意味着激光束在扫描β角时将会以在约为90度的情况下的角γ1与在基本小于90度的情况下的角γ2之间的不同角度到达工件表面。如果扫描速度和扫描图案在整个扫描中为常数，并且如果光束的功率同样保持恒定，则这意味着每单位表面积的功率密度在前边缘处(也就是说，在扫描期间旋转体的表面进入激光束扫描的区域的位置)将会更高，原因在于角γ1更大，而在后边缘处每单位表面积的功率密度更小，原因在于角γ2更小。如关于图6A所阐述，该布置可以有助于表面温度快速地到达奥氏体化处理温度区域。
图7B示出了其中激光束保持稳定或者仅在平行于X轴的竖直平面中即根据图3的角α进行扫描的可选布置。在这种情况下，激光束相对于对称的平面的偏离位置表明激光束以基本小于90度的角γ入射至表面。这可以具有两个作用：首先，光斑区域将变大，这也是有益的，原因是这使激光束功率在更大的面积上展开。另外，如果激光束(在Y轴的方向上)的厚度不是小到可以忽略，则在光斑的前边缘处在激光束与工件表面的入射角与在光斑的后边缘处的对应角之间将会存在差异。这意味着可以实现当表面进入光斑时由于前边缘处功率密度更高而对表面快速加热的上述作用。该实施例可以例如有利地使用固定光器件提供基本矩形的激光光斑。另外或可选地，该构思可以与平行于X轴的一维扫描结合，建立宽度对应于激光光斑的直径或宽度并且长度对应于平行于X轴的激光束的扫描的虚拟矩形。
为了增大激光光斑的大小，当要硬化的表面区域是平坦的或者是非环形的时可以采用类似的方法：可以将激光束投射在平坦区域上，使激光束并不垂直于所述平坦区域。
有时候，期望硬化除非激光处于非常小的角度否则就难以达到的表面。例如，在曲轴的情况下，从主轴颈和连杆轴颈的表面基本垂直延伸的壁表面1005常常几乎平行于从布置(例如图2中的这一布置)中的激光源1发射的光束。这往往会降低这些表面的功率吸收率，并且使得对这些表面的硬化更难和/或更耗能：相对于表面以小角度接收的激光在吸收上往往劣于以大角度例如90度——即，垂直于所述表面——接收的激光。
然而，吸收还取决于偏振。因此，如果对于一种偏振(s或p)，在激光束垂直入射至表面(即，相对于表面为90度)时功率被更好的吸收，则在激光束以小角度例如接近零的角度——即，光束的方向几乎与表面一致——入射至表面时，对相反偏振的功率的吸收更高。在工件例如曲轴的情况下，其中，壁有时候相当大并且被相对较短的轴颈分离，布置(例如图2的这一布置)，至少对于壁的接近轴颈的部分，将会以相对较小的角度将激光束投射至壁1005上。
图8例示了可以用作激光源1的一部分的偏振系统4：其包括分束偏振器41，例如偏振棱镜，其将入射激光束分成s偏振光束2’和p偏振光束2”的偏振光，这两种偏振光束中的一种可以用于硬化例如主轴颈1001和连杆轴颈1002的表面，并且这两种偏振光束中的另一种可以用于硬化壁1005的表面。镜42、43和44可以用于将s偏振光束2’和p偏振光束2”重新调整成基本平行。
图9示意性地例示了具有计算机输入装置101例如键盘和/或鼠标以及计算机屏幕102的计算机装置或系统100，例如个人计算机或其他可编程设备或装置。在屏幕上例示了扫描图案2G。在这种情况下，扫描图案为包括多个片段即片段a、片段b、片段c、片段d、片段e、片段f、片段g和片段h的多边形。在所例示的实施例中，片段形成多边形，即，八边形。然而，可以使用更大数量或更小数量的片段，并且片段中的一些片段或所有片段可以是弯曲的而不是直的，并且可以以其他方式例如，多条差不多平行的线来分布片段。计算机系统可以被布置成使得操作者，例如，通过使用鼠标或其他输入装置，例如，通过在屏幕上移动光标，可以改变图案的布局。作为选择，可以使用触摸感应屏幕，使得用户能够通过接触片段从而改变其位置、取向和/或长度来操纵图案的形状。图案的形状表示当扫描要硬化的表面(例如)以创建具有二维能量分布的虚拟有效激光光斑或等效有效激光光斑时激光光斑将描述的路径。
在屏幕上，还存在多条线A-H，多条线中的每条线分别对应于片段a至片段h中的一个片段。所述线A-H中的每条线表示激光光斑的与片段a-h中的对应的一个片段相关的一个特性，例如，扫描速度范围。在所例示的实施例中，每条线近旁的箭头指示为所述片段选择的具体扫描速度，即，激光光斑在遵循扫描图案的情况下沿对应片段行进的速度。在目前的情况下，最高的扫描速度被分配给片段c和片段g，稍低的扫描速度被分配给片段a和片段e，更低的扫描速度被分配给片段b、片段d、片段h和片段f。在本发明的其他实施例中，作为对不同的片段分配不同的扫描速度的附加或备选，例如，通过根据期望的能量分布针对不同的片段来选择激光束处于“通”或“断”或者处于另一可用功率状态(例如，最大功率的10％、25％、50％、75％或90％)，可以为不同的片段分配不同的激光束功率。片段可以指示扫描光斑的中心所遵循的路线，并且扫描光斑可以例如具有与片段a和片段c的长度的一半对应的直径。如果这样，则每次光斑完成由片段a-h确定的路线时，所述片段内的整个区域以及一直到与激光光斑的直径的一半对应的距离为止的所述片段外侧的一部分区域被激光器直接加热。
可以使用八边形2G来代替在图4和图5的实施例中的矩形2A/2B或者梯形2C/2D。在这种情况下，例如，片段c和片段g中的较高的扫描速度可以减少对润滑油孔1003的区域中的加热，并且片段a和片段e中增大的速度可以有助于防止过度加热底切圆角1004的区域。另外，可以对计算机系统进行编程，以便在扫描远离润滑油孔的区域时使用一种图案2G，而在扫描与润滑油孔邻近——或者包括润滑油孔——的区域时使用另一种图案(例如，具有不同的片段和/或不同取向的片段的图案，和/或将不同速度或不同光束功率分配给片段中的一些片段或所有片段的图案)。例如，可以使用具有相同轮廓的片段，但是在片段c和片段g处根据是否正在扫描润滑油孔周围的区域而具有不同速度(和/或光束功率)。
该系统可以与高温计一起使用，以允许(例如)通过根据结果执行对实验工件的激光硬化并且修改一个或更多个片段的扫描图案(形状、扫描速度、激光束强度、激光光斑大小等)来对扫描图案2G进行实验和误差调节。另外，或者作为一种选择，计算机系统100可以设置有模拟软件，以模拟将由所选图案2G和被分配给不同片段a-h的扫描速度(和/或其他参数，例如激光束功率、激光光斑大小等)引起的加热，使得在短时间内，用户可以发现看起来有用的图案配置。模拟的结果可以例如显示在屏幕102上。然后，用户可以动态地修改图案2G和被分配给不同片段的参数，并且观察产生的加热。该工具会有助于容易地发现用于给定工件设计的具有被分配给不同片段的合适参数的合适扫描图案的工程设计。
例如，这种系统可以有利地用于通过如下方式找到给定曲轴的一个或多个合适扫描图案：例如，通过动态地调节图案的参数(例如，通过加长或缩短片段来调节图案的形状和尺寸)和/或与每个片段关联的参数例如激光光斑速度(例如，通过修改扫描速度)、功率(例如，通过修改激光束的功率内容)和/或功率强度(例如，通过改变激光光斑的大小，例如，通过聚焦，例如，通过移动聚焦透镜，或者通过改变激光束与表面之间的入射角)。在本发明的一些实施例中，也可以调节激光束内的功率分布。在本发明的一些实施例中，可以选择特定扫描图案，例如与图6D中的一个一致的扫描图案，并且可以通过选择要分配给每个片段51A、51B的光束功率和/或扫描速度来建立对能量分布的调节。
已经发现，使用这种对扫描图案的基于片段的定义，使得一方面通过增大和/或减小片段的数量和/或片段的长度和/或修改片段取向和/或位置来创建图案轮廓，并且为每个片段选择和分配与不同的功率或能量相关的参数值，例如扫描速度、光束功率和/或光斑大小值，使得要加热的表面的不同部分易于获得合适的加热。可以适当地处理对热较敏感的子区域例如曲轴的润滑油孔1003邻近区域，例如：
-通过对对热较敏感的区域和对对热较不敏感的区域使用同样的扫描图案(就光斑遵循的路径而言)，但是，例如，通过选择所选片段具有较高的扫描速度(和/或较低的光束功率等)，调节其他参数，以便防止对对热较敏感的区域的过度加热；在图9的情况下，增大片段c和片段g处的速度将会有助于减少对放置在轴颈的中央、根据图案2G进行扫描的激光束所穿过的润滑油孔1003处的过度加热；在图6D的情况下，为线51的中心片段51B中的一些片段分配低(例如，零或接近零)的光束功率也会有助于防止对沿图6D中的箭头所指示的方向穿过图案的中心位置的润滑油孔处的过度加热。
-通过针对不同的子区域使用不同组的扫描图案和相关联的参数值；例如，在曲轴旋转期间，可以如图5A指示的那样扫描轴颈，但是扫描图案具有图9的布局；当润滑油孔1003到达或接近表面的正被扫描的部分时，可以修改与片段c和片段g相关联的速度值，使得激光束以较高的速度扫描这些片段，因此减少对润滑油孔邻近区域过度加热的风险。
-通过改变图案的形状，例如通过修改片段的长度和取向并且甚至通过省略片段。例如，在工件的整个旋转期间或者在扫描工件的与润滑油孔相邻或包括润滑油孔的区域时，可以省略扫描图案2G的片段g；在这种情况下，激光光斑可以遵循从片段h，经过片段a、片段b、片段c、片段d、片段e并且直到片段f为止的路径，并且然后沿相反方向返回，也就是说，经过片段f、片段e、片段d、片段c、片段b和片段a，直到到达片段h的端部为止。
因此，计算机系统基于分段扫描图案提供对激光束的控制，其中，可以将(例如)
-扫描速度(即，激光光斑沿其路径移动的速度)，
-激光束功率，和/或
-激光光斑大小
的不同值分配给不同的片段，可以用于调节扫描图案以为表面提供最优的能量分布和最优的加热，以便于在减少对敏感部分的损坏或减少敏感部分损坏风险的情况下适当加热表面。上述说明主要涉及扫描速度，但是，明显地，也可以通过修改激光束的功率或者功率密度——例如通过离焦，例如通过移动透镜——来修改加热。然而，对于当前存在的许多激光器和扫描装置而言，修改速度可以是优选选择。当使用允许快速的通/断切换或快速改变光束功率(例如，许多光纤激光器当前需要约100微秒以在“接通”和“关断”之间改变)的激光器时，例如通过接通和关断激光器来修改激光束的功率越来越成为受关注的选择；由于趋向于切换时间更短，该选择甚至更受关注。
为了提供虚拟激光光斑(例如，通过快速扫描遵循图9的图案2G的区域，或者分段有效激光光斑，例如图6D中的一个有效激光光斑)，必须以高频率即高速度进行扫描。例如，在实际实施例中，激光束可以在例如8毫秒的时间段内完成沿片段a-h的扫描周期；通常，例如，当使用通/断切换较慢的二极管激光器或者其他激光器时，足够快速地修改光束功率以使光束功率在每个片段和各个片段处处于合适水平可能是困难且昂贵的；通常更实际的是在商用扫描系统的性能范围内修改扫描速度。然而，根据激光器切换功率水平的性能，调制光束功率会是优选的。
图9的扫描图案的特征在于一组互连的片段。然而，根据所使用的激光器和/或扫描装置的种类，也可以使用非互连的片段。例如，扫描图案可以包括多条线或点或像素；当使用允许快速的通/断切换的激光器例如光纤激光器时，这种扫描图案常常是优选的。从而，可以使用非常复杂且精细的图案，使得能够在正被扫描的区域中非常准确地选择能量分布。因此，系统可以调整成精确提供需要考虑热敏感区域(例如曲轴中的例如润滑油孔)的存在的能量分布。
图10示意性地例示与计算机系统100关联的第一计算机存储区域110和第二计算机存储区域120，每个存储区域包括具有多个列的存储矩阵，每个列包括被分配给扫描图案2G的片段a-h中的每个片段的存储位置。所述列可以包括以下数据：
扫描图案片段列111和扫描图案片段列121中的数据，其可以限定图案的形状，即，片段的布置(例如，每个片段的起始点和结束点)。
扫描速度列112和扫描速度列122中的数据，其可以针对每个片段限定与该片段关联的扫描速度，即，激光光斑沿扫描图案或扫描路径的对应片段移动的速度。
光束功率列123和光束功率列133中的数据，其可以针对每个片段限定光束功率，即，当激光束沿对应的片段移动时光束的功率。
光斑大小列114和光斑大小列124中的数据，其可以针对每个片段限定当激光光斑沿对应的片段移动时激光光斑的大小。通过聚焦/离焦激光束，例如通过移动机动聚焦透镜或通过平行于系统的Z轴移动激光源，可以改变光斑的大小并因此改变每单位表面积的功率密度。这也可以通过修改激光束入射在表面上的角度，例如通过如在例如图7A和图7B中提示的来偏置激光束，来实现。
在本发明的一些实施例中，仅存在在这些计算机存储区域中的一个计算机存储区域，即，在整个处理过程中，速度、光束功率和光斑大小会是恒定的。在其他实施例中，存在在这些存储区域中的两个或更多个存储区域，并且指示器130可以用于在工件1000表面与激光源2之间相对移动期间动态地修改扫描：例如，当润滑油孔1003接近表面的被扫描的部分时，通过第一存储区域110限定的第一扫描图案(具有针对，例如，扫描速度、激光束功率、激光光斑大小和/或入射角的一组相关联的参数值，)可以由通过第二存储区域120限定的第二扫描图案(具有针对扫描速度、激光束功率和/或激光光斑大小等的一组相关联的参数值)代替，以便防止对润滑油孔的边缘的过度加热。例如，与第一扫描图案相比，与在扫描期间将被润滑油孔穿过的片段相关联的第二扫描图案可以具有更高的扫描速度，和/或更低的激光束功率，和/或更大的激光光斑大小。
在本发明的一些实施例中，可以存在列111至列114中的仅一个列或一些列，或者可以存在更多个的列，其指定与处理的其他方面有关的数据。在本发明的一些实施例中，在不同的片段或图案之间改变扫描速度、激光光斑大小和激光束功率中的仅一个或两个。在一些实施例中，由于激光光斑遵循的路径以及与激光光斑关联的参数值在整个处理中保持恒定，所以可以存在仅一个存储区域110。
图11示意性地例示根据本发明的可选实施例的两个计算机存储区域，其中，每个计算机存储区域即存储区域140、存储区域150包括多个存储位置141，每个存储位置141对应于要扫描的区域的像素或片段。每个存储位置可以包括指示激光器功率的功率状态值(例如，指示激光器的接通状态或关断状态的值)或者指示特定功率水平的值。因此，当使激光束在要扫描的区域扫描时(例如，通过使激光束遵循在所述区域上延伸的多个平行线)，可以根据对应的存储位置的值来接通或关断激光束。在本发明的一些实施例中，每个存储器位置可以对应于扫描图案的“线”，并且在本发明的其他实施例中，每个存储位置可以对应于线的一部分或一个片段，使得可以实现像素化能量分布(在图6D中给出了具有这样的分段的或像素化的能量分布的扫描图案的示例)。将要扫描的区域像素化或细分成子片段(具有被分配给它们的不同激光器功率水平(例如，导通/关断和/或中间功率水平))的精细程度可以取决于诸如扫描速度和激光器的通/断切换性能的特征。正如在图10中例示的实施例的情况下，指示器130可以用于在一种扫描图案与另一种扫描图案之间切换，因此根据正被扫描的区域的特性来调节能量分布，例如，以便考虑到润滑油孔的存在。
由图11表示的20×20像素化仅作为示例，并且行的数量和每行的像素的数量可以使用任何其他合适的数量。例如，可以由扫描装置的速度和扫描频率(即，扫描图案重复的频率)来限制线的数目，并且对于给定的扫描频率和线数目，可以由激光器的通/断切换性能来限制像素数目或者每条线的像素数目。例如，在需要100微秒接通并且需要100微秒关断——即，一个通/断周期为200微秒——并且使用100Hz的扫描频率和5条线的扫描图案来完成有效虚拟激光光斑的激光器的情况下，每条线的像素数目可以大约是10个。
图12A至图12C示出了可以如何调节有效激光光斑的能量分布以适合润滑油孔。润滑油孔1003位于曲轴的轴颈的表面中，并且所述表面在平行于曲轴的旋转轴的第一方向并且在第二圆周方向W上延伸。在图12A中，使用基本矩形的等效有效激光光斑5，其前部2E具有更高的功率密度，其后部2F具有更低的功率密度。然而，如图12B中所示，当润滑油孔1003由于归因于例如曲轴绕其纵轴旋转的在曲轴表面与激光源之间的相对移动而接近有效激光光斑时，实质上通过针对前部2E的中心减少功率密度或能量密度来调节能量分布，以便避免过度加热润滑油孔1003邻近区域。此处，有效激光光斑大致为U形。随后，一旦润滑油孔1003已经通过前部2E，则恢复前部处的原始能量分布，而且通过针对后部的中心减小能量密度或功率密度来调节后部2F处的能量分布以适合润滑油孔1003。此处，有效激光光斑5大致采用倒置U形(在本发明的一些实施例中，倒置U形可使用在图6D中的一个实施例的线中的片段或像素，并且调节被分配至不同片段的功率状态从而提供对应形状的有效激光光斑来获得)。也就是说，在润滑油孔经过有效激光光斑时，调节能量分布，使得对与润滑油孔相邻的对热较敏感的区域施加的能量少于对远离所述润滑油孔的要硬化表面施加的能量。可以在不硬化与润滑油孔相邻的对热较敏感的子区域的情况下硬化润滑油孔周围的区域；U形有效激光光斑的外侧部分用于硬化润滑油孔的旁边的区域。如图12A至图12C所例示的能量分布上的变化可以(例如)通过调节扫描图案和/或通过调节光束功率沿扫描图案分布的方式(例如，通过调节其中激光束在扫描图案的不同片段期间被接通/关断的方式)，和/或通过根据扫描图案的不同片段调节扫描速度等来获得。
图13示意性地例示如何通过对润滑油孔的未设置在润滑油孔上的侧面1003A施加更多的能量5A并且对润滑油孔的设置在润滑油孔上的侧面1003B——即，润滑油孔延伸进曲轴的本体所朝向的这一侧面——施加较少的能量来调节能量分布以将润滑油孔1003的倾斜考虑在内。这可以例如通过正确地选择被分配给扫描图案的不同片段的功率状态来实现。施加能量的这种差异考虑了下述事实：由于图13中存在朝右向下延伸的润滑油孔而造成导热材料缺少，导热材料缺少降低了将施加至润滑油孔1003的右侧的热量从被加热区域传导出去的性能。对两侧施加相同量的能量将基本上意味着能量浪费，原因在于将会在图13的润滑油孔的右侧1003B处产生比左侧1003A更厚的硬化层；然而，当该需要满足硬化层的最小厚度要求时，硬化层的最薄部分必须满足要求。因此，使润滑油孔1003的右侧的硬化层很厚就满足客户设定的要求而言毫无意义，并且仅表示能量的浪费。另外，对两侧施加相同量的能量意味着增大了对两侧中的一侧过度加热的风险。该风险由于下述事实而增大：润滑油孔的内壁与要硬化的轨道的表面之间的角在润滑油孔朝其延伸的这一侧较尖锐，也就是说，该角在润滑油孔的右侧比在左侧更尖锐，这意味着边缘在右侧较尖锐，增大了过度加热的情况下损坏的风险。
如上所指示，可最好快速地进行扫描，以便避免温度过大波动。当沿二维扫描图案——即，沿多条平行线——重复扫描激光束以形成等效激光光斑或虚拟激光光斑时，工件的部分在该部分仍然处于所述扫描图案内时被重复加热。实际激光光斑当在整个虚拟激光光斑上被重复扫描时，重复加热表面的不同光斑，并且因此这些光斑被加热至最大温度，并且在这些光斑每次被加热之后，这些光斑往往会冷却直到在激光束沿扫描图案的下个扫描期间——即，在扫描的下一个周期期间——再次加热为止。期望使在局部温度最大值与局部温度最小值之间的这些波动保持尽可能小。为此，高的扫描速度和扫描频率是优选的。图14A和图14B示意性地例示了使用固定扫描图案和功率的在曲轴上进行的测试的结果。在图14A的情况下，使用50Hz的扫描频率(即，激光束每秒遵循完整的扫描图案50次)。可以看出，在达到最大温度之后，局部最大值与最小值之间的波动幅度大于100℃，实际上，接近200℃。这样可能会有问题，因为这意味着过度加热的风险以及/或者硬化不充分或硬化深度不够的风险。
图14B示意性地例示了在与如图14A的条件相同但是扫描频率是250Hz的条件下进行的测试的结果。此处，可以观察对应于曲线的粗度的在局部最大值与局部最小值之间的温度振荡如何具有基本小于100℃的幅度。
图15A和图15B示意性地例示可以如何将有效激光光斑5应用于曲轴的具有润滑油孔1003和底切圆角1004的轴颈1001，以便加热轴颈的环形片段1001A的例如30度至180度的部分。由于有效激光光斑沿轴颈的圆周方向W延伸不大于180度，为了加热整个环形片段，可以使轴颈绕其旋转轴X旋转，并且/或者可以使激光源相对于曲轴移动。加热可以在图15A所示的轴颈1001的接近底切圆角的一个侧端开始，并且例如，可以旋转轴颈以便加热整个圆周，从而将环形片段1001A加热至足够的温度并且加热持续足够的时间以确保所需要的硬化深度。为了硬化轴颈的整个表面，例如，通过平行于X轴移动激光源或者通过使用扫描镜平行于X轴移动光束，在平行于旋转轴X的方向上，沿轴颈逐渐移动有效激光光斑5。因此，被加热的环形片段1001A沿所述方向延伸，并且先前被加热的部分会开始冷却，从而实现淬火。在图15B中，可以观察有效激光光斑如何移过轴颈的主要部分、加热该部分并且在继续移动时使得该部分淬火。移动有效激光光斑直到其到达图15的右端处的圆角为止。在圆角1004附近调节并且还与润滑油孔1003一致地调节能量分布，以防止对这些部分过度加热。以这种方式进行硬化的优点在于，由于在从轴颈的一端到另一端的方向上，即，沿平行于轴颈的旋转轴X的第一方向上，并且并非在圆周方向W上，发生硬化区域的生长，所以不存在对已经硬化的区域的重新加热。也就是说，从左至右，而不是在圆周方向上发生硬化。因此，基本不存在所不期望的重新加热的风险以及对已经硬化的表面区域的过度回火的风险。
当在圆周方向硬化轴颈的表面时，通常必须特别注意重叠的区域，即，其中有效激光光斑将要完成其沿在圆周方向上的轨道的移动时到达先前被硬化的部分的区域。通常应当避免将先前被硬化的部分重新加热至高的温度，例如用于硬化的温度。图19A至图19C例示了与图12A至图12C中的这一布置相似的布置，但并不使用润滑油孔，而是激光光斑正在接近的对热较敏感的子区域对应于轴颈的先前被硬化的部分1001B。在本实施例中，如图19A中示意性地示出的，有效激光光斑由一组片段构成(与图6D中的一个相似)，并且在有效激光光斑的前边缘到达先前被加热的部分1001B时，例如通过对应于第一行中的片段将激光器设置成“关断”状态来取消第一行中的片段(参见图19B)。在图19C中，取消其他行的片段，从而有效激光光斑在圆周方向上收缩。也就是说，在遇到先前硬化的部分1001B时，有效激光光斑在其前边缘或前部处逐渐被取消，从而后边缘或后部赶上所述前部，直到有效激光光斑消失为止。
在本发明的其他实施例中，不取消有效激光光斑，但是减小有效激光光斑的整体功率/能量。因此，有效激光光斑可以再次绕轴颈行进，将表面加热至适于回火的温度。
在本发明的其他实施例中，可以使用多个激光源同时加热环形片段的若干部，例如，以便同时加热整个360度的环形片段1001A。如上所述，这减少了为了避免可能不利地影响硬化质量的温度波动而快速旋转曲轴的需要。曲轴的非常高速度的旋转实现起来可能会较昂贵，并且可能使得调节有效激光光斑或光斑的能量分布以防止对快速移动的润滑油孔邻近区域的过度加热更困难。
本发明因此对激光表面硬化提供了极其灵活的方法，因此对于例如具有在热传递敏感性方面有实质上不同的特性和/或在例如硬化层的深度方面有实质上不同的需求的表面的工件的激光硬化会非常有用。
可以使用来自高温计和例如PID控制的反馈来操作该系统。
下面是本发明如何根据其一个实际实施例来实现的示例。
图16A、图17A和图18A表示分别按照图16B和图16C、图17B和图17C以及图18B和图18C的扫描图案计算的在有效激光光斑上的功率分布或能量分布。扫描图案是上面讨论的图9中例示的类型，即，扫描图案包括八个片段，用户可以重新布置八个片段的位置、取向和长度，并且用户可以针对该八个片段选择和调节与参数值例如激光束的功率和/或沿扫描图案投射激光光斑的速度有关的一个或更多个功率/能量。在此示例中，使用恒定功率，并且逐个片段来调节片段的速度。如上所述，计算机系统100可以设置有计算/模拟软件，以计算/模拟将根据所选图案2G和根据被分配给不同片段a-h的扫描速度(和/或其他参数，例如激光束功率、激光光斑大小等)产生的热量分布和/或能量分布，使得用户可以在短时间内发现看起来有用的图案配置。所计算的能量分布例如图16A、图17A和图18A中的那些能量分布可以显示在屏幕102上，以帮助用户估计能量分布是否合适。
图16A、图17A和图18A示出基于图16B、图17B、图18B和图16C、图17C和图18C中的特定图案和特定速度针对下面的值计算的在有效激光光斑上的所计算的能量分布/功率分布：
d1-d12表示根据例示的示例的图案的尺寸；以下为根据本示例的以毫米为单位的值：
d1＝16；d2＝2.8；d3＝3.1；d4＝3.9；d5＝7；d6＝1.4；d7＝0.4；d8＝13；d9＝5.1；d10＝6；d11＝2.8；d12＝0.2。
v1-v10表示被分配给扫描图案的不同部分的扫描速度；以下为根据本示例的以毫米/秒为单位的值：
v1＝3600；v2＝8000；v3＝4600；v4＝3500；v5＝6000；v6＝5500；v7＝3600；v8＝8000；v9＝5430；v10＝8000；v11＝5500。
在图16A、图17A和图18A中示出了对应的功率分布或能量分布。图16A至图16C涉及适用于加热曲轴的轴颈的在平行于曲轴的纵轴的方向上横跨轴颈，远离润滑油孔，处于对热较不敏感的子区域中的表面的图案。因此，图16A至图16C中的图案和速度可以用于如图12A中例示的情形一样的那样的情形。图17A至图17C例示了当有效激光光斑接近润滑油孔时例如当有效激光光斑处于如图12B中例示的位置时采用“U形”或类似形状的图案和在有效激光光斑上的对应能量分布。此处，考虑图9中例示的扫描图案，已经消除中心片段中的一个片段例如根据图9的片段“c”，以避免对与润滑油孔相邻的热敏感区域过度加热。在对应的方式中，图18A至图18C例示了当有效激光光斑将要离开润滑油孔邻近区域即处于以图12C中例示的位置为例的位置时的能量分布和扫描图案。
通过该配置并且施加在低碳(0.40％)钢(类型1538MV)的轴颈上提供直径为3.4毫米的激光光斑的激光束，实现了具有1毫米纯马氏体层的2.5毫米的有效硬化层深度(硬度＞HRC 45)。激光束的功率为2700瓦，并且轴颈是宽度为21毫米的主轴颈。当除激光束的功率被设置到2400瓦并且扫描图案的宽度被减小至14毫米之外，使用基本相同的设置和值来硬化宽度为19毫米的连杆轴颈的表面时，也得到相似的结果。在这两种情况下，有效激光光斑在圆周方向上以168毫米/分钟的速度沿表面移动。
在扫描图案的中心相对于要硬化的轴颈的中心偏置(与图7中所指示的一致)的情况下应用该扫描图案：偏置(在垂直于包括激光源和轴颈的纵向中心轴的平面的方向上)对于半径是34.45毫米的主轴颈为31毫米，并且对于半径为28.45毫米的连杆轴颈为25.2毫米。由于偏置，有效激光光斑的被投射在轴颈上的总面积将会大于在没有偏置的情况下投射在轴颈上的总面积。
本说明书中所使用的附图标记：
1：激光源
2：激光束
2’：s偏振激光束
2”：p偏振激光束
2A：由激光束扫描的路径，或者由激光束扫描的区域
2B：由激光束扫描的路径，或者由激光束扫描的区域
2C：由激光束扫描的路径，或者由激光束扫描的区域
2D：由激光束扫描的路径，或者由激光束扫描的区域
2E：虚拟矩形激光光斑的具有更高功率密度的部分
2F：虚拟矩形激光光斑的具有更低功率密度的部分
2G：扫描图案；由激光束扫描的路径
2H：有效激光光斑的具有适于硬化的功率密度的部分
2I：有效激光光斑的具有适于淬火的功率密度的部分
2J：有效激光光斑的具有适于回火的功率密度的部分
3：扫描系统
4：偏振系统
5：有效激光光斑
5A、5B：在倾斜润滑油孔周围的能量分布
11：激光器托架
12：用于激光源的竖直移动的第一激光器托架驱动装置
13：用于激光源的水平移动的第二激光器托架驱动装置
14：针对激光源的移动的水平轨道
20：工件托架
21：工件托架驱动装置
41：偏振器
42：镜
43：镜
44：镜
51：扫描图案的线
51A：“接通”片段或像素
51B：“关断”片段或像素
100：计算机系统
101：计算机输入装置
102：计算机屏幕
110：第一计算机存储区域
111：扫描图案片段列
112：扫描速度列
113：光束功率列
114：光斑大小列
120：第二计算机存储区域
121：扫描图案片段列
122：扫描速度列
123：光束功率列
124：光斑大小列
130：指示器
140：第一计算机存储区域
141：用于存储像素值(通/断)的存储位置
150：第二计算机存储区域
151：用于存储像素值(通/断)的存储位置
1000：曲轴
1001：主轴颈
1001A：主轴颈的表面的被加热/硬化的环形片段
1001B：轴颈的先前硬化的部分
1002：连杆轴颈
1003：润滑油孔
1003A、1003B：轴颈的处于润滑油孔的开口的旁边处的部分
1004：圆角
1005：垂直于轴颈的表面
1006：可以被激光束扫描的区域或部分
a、b、c、d、e、f、g、h：扫描图案的片段
A、B、C、D、E、F、G、H：速度指示
α、β、γ、γ1、γ2：说明书中提及的角
X、Y、Z：空间方向
W：圆周方向
d1-d12：扫描图案的不同直径的指示，以毫米为单位
v1-v11：与扫描图案的不同的片段对应的扫描速度的指示，以毫米/秒为单位
在本文中，术语“有效激光光斑”是指激光束被有效地投射至其上以便对其进行照射并加热的区域。有效激光光斑可以是通过使用光器件变换原始激光束以便以期望的方式形成激光光斑并且以便以期望的方式将功率分布在有效激光光斑上而获得的激光光斑，或者通过遵循扫描图案快速且重复扫描激光束以便将激光束重复地施加于相同区域或基本相同的区域而获得的虚拟激光光斑或等效激光光斑，使得激光束的加热效果与在使用功率分布对应于在一个扫描周期期间在整个虚拟激光光斑或等效激光光斑上的功率分布的静止激光束的情况下的加热效果基本相同。此处，术语“快速地”意味着扫描速度远大于激光源与曲轴的表面之间的例如在圆周方向上的相对移动的速度，使得表面区域的要硬化的部分被激光光斑重复加热。例如，通常，可以选择扫描速度，使得例如实现每秒至少10、50或100个扫描周期。优选地，在有效激光光斑是通过使实际或真实激光光斑重复扫描要硬化的表面区域而获得的虚拟激光光斑或等效激光光斑时，该扫描优选地在两个方向上发生，并且虚拟激光光斑在所述方向中的任何方向的大小优选地为实际激光光斑或真实激光光斑在所述方向上例如在平行于曲轴的旋转轴的方向上或者在曲轴的轴颈的圆周方向上的大小的至少2、3、4、5、10、20倍或更大倍数。术语扫描优选地意在表示激光束的移动，并且扫描图案优选地意在指示激光束在静止表面上将会遵循的图案，即，不考虑激光源与工件表面之间的相对移动。
一般地，通过有效激光光斑与要硬化的表面之间的相对移动、通过有效激光光斑与所述表面相对于彼此移动——例如，在曲轴的情况下，通过旋转曲轴——来实现被处理的区域或片段的生长。为了实现足够的硬化深度，例如，1000微米或更大的表面硬化深度，优选地是，使得要硬化的表面区域的每个部分保持在有效激光光斑的区域内足够的时间量，例如，通常，在曲轴轴颈的情况下，0.5秒至5秒，例如1秒至3秒，使得不仅表面温度将会足够高，还使得工件被充分地加热至需要的深度。增大激光束的功率密度不是足够的加热时间的替代品，原因在于表面区域不应当被过度加热，因为这会损坏工件。因此，表面温度应在合适的范围内保持足够的时间。因此，期望有大尺寸的效激光光斑，其在一个方向上提供足够宽的硬化轨道(例如，以便基本上覆盖曲轴的轴颈的整个宽度)，并且在另一方向上允许在有效激光光斑与要处理的表面之间的高相对速度(因此提供高生产率)，而同时使得要硬化的部分在有效激光光斑内保持足够的时间，以便实现期望的或要求的硬化深度。
在本文中，术语“曲轴”优选地是指发动机的将往复式线性活塞运动转化成旋转的部件，例如，是指在内燃机例如在各种类型的车辆例如卡车、汽车或摩托车中使用的那些内燃机中使用的那种曲轴。
在本文中，硬化深度优选地是指有效硬化层深度，有效硬化层深度优选地是指从硬化层的表面到保持特定的硬化程度的最远点的垂直距离。所述程度可以在例如40-55HRC的范围内，优选地，45HRC。在曲轴领域中，通常考虑钢铁的碳含量来确定期望的硬化程度，但是通常程度为45HRC。在本文档的上下文中并且在关于对曲轴的轴颈的硬化的上下文中，优选的是至少1000微米、2000微米或3000微米的硬化深度。
另一个感兴趣的方面可以是可以观察到100％转换的马氏体所达的水平或深度。在本文的上下文以及在与对曲轴的轴颈的硬化有关的上下文中，该深度优选地为至少200微米、300微米、500微米、800微米、1000微米或更大。
在使用分段的扫描图案时，优选的会是每秒至少300片段的扫描速度，从而，更优选会是例如每秒至少600片段、每秒至少1000片段、每秒至少5000片段和每秒至少10000片段的速度，优选地，与至少10Hz的扫描图案重复频率组合，更优选地，至少50Hz，甚至更优选地，至少100Hz或200Hz。
虽然几次参照对曲轴的表面硬化来描述本发明，但是本发明的范围并不意味着限于对曲轴的表面处理。
在本文中，不应当在排他的意义上理解术语“包括(comprises)”及其变形(例如“comprising”等)，也就是说，不应当将这些术语理解为排除这种可能性，即，所描述和限定的内容可以包括其他元件、步骤等。
另一方面，本发明明显地不限于本文中所描述的一个或更多个具体实施例，而且还包括本领域技术人员可以考虑的在权利要求所限定的一般范围内的本发明的任何变形(例如，关于材料、尺寸、成分、配置等的选择)。

Claims (82)

1.一种对曲轴(1000)的轴颈(1001,1002)的表面进行激光硬化的方法，所述轴颈包括要硬化的表面区域，所述表面区域沿与所述曲轴的旋转轴(X)平行的第一方向并且沿与所述轴颈的圆周方向(W)对应的第二方向延伸，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述至少一个对热较敏感的子区域包括所述曲轴的润滑油孔(1003)邻近区域，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，以在所述表面区域上产生有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)，所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)沿所述第一方向延伸过要硬化的所述表面区域的大部分；
在所述曲轴(1000)的所述表面与所述激光源(1)之间产生沿所述圆周方向的相对移动，以使所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)沿所述圆周方向被相继投射至所述表面区域的不同部分上；
所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)的特征为二维能量分布；
其中，所述方法包括调节所述能量分布，使得所述能量分布在加热所述对热较不敏感的子区域时与在加热包括所述润滑油孔(1003)邻近区域的所述对热较敏感的子区域时不同，从而避免对所述润滑油孔(1003)邻近区域的过度加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)施加至所述表面区域的时间的至少50％期间，所述有效激光光斑沿所述圆周方向(W)的宽度为至少5毫米，优选地，至少7毫米，更优选地，至少10毫米，并且甚至更优选地，至少15毫米、20毫米、30毫米或更大，例如至少50毫米。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)是通过以扫描速度沿所述第一方向和所述第二方向重复遵循所述激光光斑沿其移动的扫描图案扫描所述激光束(2)而获得的等效激光光斑，使得在扫描周期期间的所述二维能量分布由所述扫描速度、所述扫描图案、所述激光光斑的大小、所述激光束的功率以及所述激光束内的功率分布来确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述能量分布的调节通过调节下述项中的至少一项来进行：
所述扫描速度，
所述扫描图案，
所述激光光斑的大小，
所述激光束的功率，以及
所述激光束内的功率分布，
使得所述能量分布在加热所述对热较不敏感的子区域时与在加热包括所述润滑油孔(1003)邻近区域的所述对热较敏感的子区域时不同，从而避免对所述润滑油孔(1003)邻近区域的过度加热。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过调节所述激光束(2)的功率，例如，通过在所述激光光斑沿所述扫描图案扫描期间接通或关断所述激光束(2)来进行对所述能量分布的调节。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，通过在沿所述扫描图案扫描所述激光光斑期间以可选的方式调节所述激光束的功率来控制所述能量分布，从而以每秒至少300次，优选地，每秒至少600次，更优选地，每秒至少1000次，更优选地，每秒至少5000次，并且甚至更优选地，每秒至少10000次，将所述激光束以可选的方式设置成多个可用功率状态中的一个。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述扫描图案包括多个片段(51A，51B；a，b，c，d，e，f，g，h)，所述片段中的每个片段具有为其分配的所述可用功率状态中的一个状态，并且其中，为所述片段中的至少一个片段分配的所述功率状态在加热所述对热较不敏感的子区域期间与在加热包括所述润滑油孔(1003)邻近区域的所述对热较敏感的子区域期间不同。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，通过在沿所述扫描图案扫描所述激光光斑期间调节所述扫描速度来进行对所述能量分布的调节。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法，其中，以足够高的扫描速度进行所述扫描，使得在所述有效激光光斑内的点处在温度的局部最大值与随后的局部最小值之间的温度振荡的幅度小于200℃，优选地，小于150℃，更优选地，小于100℃，并且甚至更优选地，小于50℃。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)中的所述能量分布使得沿所述第一方向(X)朝向所述有效激光光斑的端部比沿所述第一方向(X)朝向所述有效激光光斑的中心施加更多的能量。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述能量分布特征在于，所述有效激光光斑的前部(2E)处比所述有效激光光斑的后部(2F)处能量密度更高，使得被所述有效激光光斑扫描的区域首先接收具有更高平均功率的激光照射并且随后接收具有更低平均功率的激光照射。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括步骤：将所述有效激光光斑施加至润滑油孔(1003)的沿所述第一方向的两侧面上的所述表面区域，所述润滑油孔(1003)以倾斜的方式朝内延伸，使得所述润滑油孔(1003)不在所述侧面的第一侧面(1003A)下延伸而是在所述侧面的第二侧面(1003B)下延伸，其中，将所述有效激光光斑调节成对所述侧面的所述第一侧面(1003A)比对所述侧面的所述第二侧面(1003B)施加更多的能量。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效激光光斑(5)在所述对热较不敏感的子区域中具有第一形状，并且在到达润滑油孔(1003)时被调节成大致具有U形并且在离开所述润滑油孔(1003)时被调节成大致具有倒置的U形，或者在到达润滑油孔(1003)时被调节成大致具有倒置的U形并且在离开所述润滑油孔(1003)时被调节成大致具有U形，并且其中，所述第一形状可选地大致为矩形形状或三角形形状。
14.一种对曲轴(1000)的轴颈(1001,1002)的表面进行激光硬化的方法，所述轴颈包括要硬化的表面区域，所述表面区域沿平行于所述曲轴的旋转轴(X)的第一方向并且沿与所述轴颈的圆周方向(W)对应的第二方向延伸，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述至少一个对热较敏感的子区域包括润滑油孔(1003)邻近区域，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上；
在所述曲轴(1000)的所述表面与所述激光源(1)之间产生沿所述圆周方向的相对移动，以使所述激光束沿所述圆周方向被相继投射至所述表面区域的不同部分上，从而硬化要硬化的所述表面区域的圆周片段(1001A)；
沿所述第一方向移动所述激光束，以增大所述圆周片段(1001A)沿所述第一方向的所述延伸，直到已经完成对要硬化的所述表面区域的硬化为止；
其中，所述方法包括：与在所述激光源与所述曲轴的所述表面之间的所述相对移动同步地调节所述激光束将能量施加至所述曲轴上的方式，从而对包括润滑油孔(1003)邻近区域的所述对热较敏感的子区域比在所述对热较不敏感的子区域中施加更少的能量，以避免对所述润滑油孔(1003)邻近区域过度加热。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述在所述曲轴(1000)的所述表面与所述激光源(1)之间产生沿所述圆周方向的相对移动的步骤包括例如以大于3000rpm的速度例如以大于6000rpm的速度高速旋转所述曲轴。
16.根据权利要求14和15中任一项所述的方法，包括步骤：将多于一个的激光束(2)同时施加至所述表面区域上，以便使用相应的有效激光光斑(5)同时加热所述轴颈的圆周片段的多个部分。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，包括步骤：施加能量以加热润滑油孔(1003)的沿所述第一方向的两侧面上的所述表面区域，所述润滑油孔(1003)以倾斜的方式朝内延伸，使得所述润滑油孔(1003)不在所述侧面的第一侧面(1003A)下延伸而是在所述侧面的第二侧面(1003B)下延伸，其中，所述方法包括对所述侧面的所述第一侧面(1003A)比对所述侧面的所述第二侧面(1003B)施加更多的能量(5A)。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，包括步骤：以第一速度提供所述有效激光光斑(5)沿所述轴颈(1001，1002)的所述圆周方向的移动以重复加热所述轴颈的圆周部分，并且以小于所述第一速度的第二速度沿所述第一方向移动所述有效激光光斑，从而在使先前加热的圆周部分冷却的同时加热新的圆周部分，以提供自淬火，从而逐渐增大所述轴颈的被硬化的圆周片段(1001A)的大小。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以偏离中心的方式将所述有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)投射至所述轴颈上。
20.一种对工件的表面进行激光硬化的方法，所述工件包括要硬化的至少一个表面区域，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，以在所述区域上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的所述表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，以使所述激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上；
在所述相对移动期间，使所述激光束(2)沿两个维度重复地扫描过所述表面区域的相应部分，以在所述表面区域上产生二维等效有效激光光斑(2A，2B，2C，2D，5)，所述有效激光光斑具有能量分布；
其中，调节所述能量分布以使所述能量分布在对热较敏感的子区域中与在对热较不敏感的子区域中不同，从而防止对所述对热较敏感的子区域过度加热。
21.根据权利要求20所述的方法，包括沿所述有效激光光斑(5)内的扫描图案扫描所述激光束并且沿所述扫描图案修改所述激光束的功率，以便以可选的方式通过沿所述扫描图案接通和关断所述激光束来获得所述能量分布。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，通过在沿所述扫描图案扫描所述激光光斑期间以可选的方式调节所述激光束的功率来控制所述能量分布，从而以每秒至少300次，更优选地，每秒至少600次，更优选地，每秒至少1000次，更优选地，每秒至少5000次，并且甚至更优选地，每秒至少10000次，将所述激光束以可选的方式设置成多个可用功率状态中的一个。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述扫描图案包括多个片段(51A，51B；a，b，c，d，e，f，g，h)，所述片段中的每个片段具有为其分配的所述可用功率状态中的一个状态，并且其中，为所述片段中的至少一个片段分配的所述功率状态在所述对热较不敏感的子区域中与在所述对热较敏感的子区域中不同。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，包括步骤：在所述对热较敏感的子区域中与在所述对热较不敏感的子区域中相比，在所述有效激光光斑内所述激光束使用不同的扫描图案。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，包括步骤：通过调节所述扫描速度来调节所述能量分布，使得在所述对热较敏感的子区域中与在所述对热较不敏感的子区域中相比，在所述有效激光光斑的至少一部分中的所述能量分布不同。
26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效激光光斑(5)包括：前部(2H)，所述前部(2H)具有为了将所述工件的表面部分加热至硬化温度而选择的能量分布和能量密度；中间部分(2I)，所述中间部分(2I)具有为了使被加热的表面部分冷却以淬火而选择的能量分布和能量密度；以及后部(2J)，所述后部(2J)具有为了加热被淬火的部分以使其产生回火而选择的能量分布和能量密度。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过遵循包括多条线(51)的图案在所述工件上重复扫描所述激光束来创建所述有效激光光斑，其中，所述线优选地基本平行，并且其中，所述扫描以扫描频率进行重复，并且其中，所述多条线中的每条线包括多个片段(51A，51B)，所述方法包括为所述片段中的每个片段分配预定的激光束功率值，以将所述激光束的所述输出功率以可选的方式设置成在所述片段中的一些片段处与在所述片段中的其他片段处具有不同的水平。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述扫描频率为至少50Hz，优选地，至少100Hz，其中，所述多条线包括至少两条线，优选地，至少3条线，更优选地，至少4条线，例如5条线至10条线，并且其中，每条线包括至少3个片段(51A，51B)，优选地，至少5个片段，并且更优选地，至少10个片段，例如10个片段至20个片段。
29.根据权利要求3或20所述的方法，其中，扫描所述激光束被执行，使得所述激光光斑重复地遵循包括多个片段(51A，51B；a，b，c，d，e，f，g，h)的扫描图案，并且其中，影响所述二维能量分布的至少一个参数值与所述片段中的每个片段关联，并且其中，在操作期间动态地调节所述至少一个参数值，使得当所述有效激光光斑在加热所述对热较敏感的子区域时与当所述有效激光光斑在加热所述对热较不敏感的子区域时相比，针对所述片段中的至少一个片段的所述至少一个参数值不同。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述至少一个参数值指示扫描速度、所述激光光斑的大小、所述激光光斑的功率、所述激光束内的功率分布、对应的片段的长度以及对应的片段的取向中的至少一个。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述至少一个参数值指示与所述片段对应的所述激光束的功率。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，包括步骤：针对每个片段将对应的至少一个参数值存储在存储器中，其中，针对至少一个片段在所述存储器中存储至少两个不同的参数值，当加热所述对热较不敏感的子区域时使用第一参数值，并且当加热所述对热较敏感的子区域时使用第二参数值。
33.根据权利要求29至32中任一项所述的方法，其中，以每秒至少300片段，优选地，每秒至少600片段，更优选地，每秒至少1000片段，更优选地，每秒至少5000片段，并且甚至更优选地，每秒至少10000片段的平均速度进行所述扫描。
34.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括步骤：当所述有效激光光斑到达所述表面区域的先前被硬化的部分例如到达曲轴的轴颈(1001,1002)的通过使所述有效激光光斑沿圆周方向(W)绕所述轴颈移动来硬化的先前被硬化的部分(1001B)时，减少所述有效激光光斑(5)的前部处的所述能量密度。
35.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括步骤：当所述有效激光光斑到达所述表面区域的先前被硬化的部分例如到达曲轴的轴颈(1001,1002)的通过使所述有效激光光斑沿圆周方向(W)绕所述轴颈移动来硬化的先前被硬化的部分(1001B)时，在所述有效激光光斑的前部处中断所述有效激光光斑的移动，而所述有效激光光斑的后部沿所述圆周方向继续移动，从而逐渐减小所述有效激光光斑沿所述圆周方向的大小，直到所述有效激光光斑消失为止。
36.一种对工件的表面进行激光硬化的方法，所述工件包括至少一个要硬化的表面区域，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，以在所述区域上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的所述表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，从而使所述激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上；
在所述相对移动期间，使所述激光束(2)扫描过所述区域的相应部分；
其中，进行所述扫描，使得所述激光光斑在所述表面区域上遵循扫描图案(2G)，
所述方法的特征在于，在所述扫描图案的一部分中与在所述扫描图案的另一部分中，
(i)扫描速度；和/或
(ii)激光束功率；和/或
(iii)激光光斑大小
中的至少一个不同，从而避免在所述对热较敏感的子区域中对所述工件过度加热。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述扫描图案(2G)包括多个片段(a，b，c，d，e，f，g，h；51A，51b)，并且其中，为所述片段中的每个片段分配：
(i)扫描速度；和/或
(ii)激光束功率；和/或
(iii)激光光斑大小；
从而，关于所述片段中的至少一个片段与所述片段中的至少另一片段相比，以不同的方式选择所述扫描速度、所述激光束功率以及所述激光光斑大小中的至少一个。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述扫描速度被选择成在更接近对热较敏感的子区域的片段(c，g；a，e)中比在更远离所述热敏感子区域的两个相邻的片段(b，d；h，f)中更大。
39.根据权利要求37或38中所述的方法，其中，所述激光束功率被选择成在更接近对热较敏感的子区域的片段(c，g；a，e)中比在更远离所述热敏感子区域的两个相邻的片段(b，d；h，f)中更低。
40.根据权利要求37至39中任一项所述的方法，其中，所述激光光斑大小被选择成在更接近对热较敏感的子区域的片段(c，g；a，e)中比在更远离所述热敏感子区域的两个相邻的片段(b，d；h，f)中具有更大的面积。
41.根据权利要求28至40中任一项所述的方法，其中，在所述工件(1000)的表面相对于所述激光源(1)移动时，为所述片段中的一个或更多个片段分配的
(i)扫描速度；和/或
(ii)激光束功率；和/或
(iii)激光光斑大小
被修改至少一次。
42.根据权利要求37至38中任一项所述的方法，包括步骤：对电子控制装置(100)进行编程，以用于通过为所述片段(a，b，c，d，e，f，g，h)中的每个片段分配
(i)至少一个扫描速度；和/或
(ii)至少一个激光束功率；和/或
(iii)至少一个激光光斑大小
来控制所述激光束。
43.根据权利要求36至42中任一项所述的方法，其中，所述扫描图案(2G)具有几何形状，其中，在所述工件(1000)的表面相对于所述激光源(1)移动时，所述扫描图案(2G)的所述几何形状被修改至少一次。
44.一种对工件的表面进行激光硬化的方法，所述工件包括至少一个要硬化的表面区域，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，以在所述表面区域上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，从而使所述激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上；
在所述相对移动期间，使所述激光束(2)扫描过所述表面区域的相应部分；
其中，进行所述扫描，使得所述激光光斑在所述区域上遵循扫描图案(2A，2B，2C，2D，2E，2F，2G)，所述扫描图案具有几何配置，
所述方法的特征在于，
在所述表面区域与所述激光源之间的所述相对移动期间，所述扫描图案的几何配置被修改至少一次。
45.一种对工件的表面进行激光硬化的方法，所述工件包括至少一个要硬化的表面区域，所述表面区域包括至少一个对热较敏感的子区域和至少一个对热较不敏感的子区域，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，以便在所述表面区域上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，以使所述激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上；
在所述相对移动期间，使所述激光束(2)扫描过所述区域的相应部分
并且调制所述激光束(2)；
所述方法的特征在于，
当所述激光光斑处于所述对热较敏感的子区域时与当所述激光光斑处于所述对热较不敏感的子区域时以不同的方式调制所述激光束(2)，从而防止对所述工件的相应部分过度加热；
其中，
A-在功率上调制所述激光束；
和/或
B-在扫描速度上调制所述激光束；
和/或
C-在所述激光束的扫描图案上调制所述激光束，使得对于所述对热较敏感的子区域与对于所述对热较不敏感的子区域所述激光光斑遵循不同的扫描图案(2B，2D)；
和/或
D-在所述激光束的激光光斑大小上调制所述激光束，使得对于所述对热较敏感的子区域与对于所述对热较不敏感的子区域所述激光光斑大小不同。
46.一种对工件的表面进行激光硬化的方法，所述工件包括至少一个要硬化的表面，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，由此在所述表面区域上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，以使所述激光光斑相继被投射至所述表面区域的不同部分上；
在所述相对移动期间，使所述激光束(2)扫描过所述区域的相应部分；
所述方法的特征在于，
进行加热，使得所述工件的表面的进入被所述激光束扫描的区域的部分首先接收平均功率更高的激光照射，并且随后接收平均功率更低的激光照射。
47.一种对工件的具有基本环形截面的一部分的表面进行激光硬化的方法，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面区域上，由此在所述表面上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，以使所述激光光斑相继被投射至所述表面的沿所述表面的圆周的不同部分上；
所述方法的特征在于，
以偏离中心的方式将所述激光束投射至所述表面上。
48.一种对工件的一部分的表面进行激光硬化的方法，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至所述表面上，由此在所述表面上产生激光光斑；
在所述工件(1000)的表面与所述激光源(1)之间产生相对移动，以使所述激光光斑相继被投射至所述表面的不同部分上；
所述方法的特征在于，
沿不垂直于所述表面的方向将所述激光束投射至所述表面上，优选地，所述激光束与所述表面在所述激光束与所述表面之间的入射点处形成小于70度的角。
49.一种对工件的表面进行激光硬化的方法，所述方法包括：
将激光从激光源(1)投射至要加热的表面区域上，
所述方法的特征在于，所述激光被投射至第一表面区域(1001,1002)以及基本垂直于所述第一表面区域延伸的第二表面区域(1005)上，
其中，所述方法包括：将激光束(2)分成具有s偏振的第一激光束分量(2’)以及具有p偏振的第二激光束分量(2”)，并且将所述第一激光束分量用于加热所述第一表面区域(1001，1002)，并将所述第二激光束分量用于加热所述第二表面区域(1005)。
50.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述工件(1000)与所述激光源(1)之间产生相对移动包括使所述工件绕旋转轴旋转，使得所述激光光斑可以到达要硬化的整个圆周的表面区域。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，在所述工件(1000)与所述激光源(1)之间产生相对移动包括产生沿垂直于所述旋转轴的第一方向以及沿垂直于所述旋转轴的第二方向的相对移动，其中，沿所述第一方向的所述移动通过移动所述工件来产生，并且其中，沿所述第二方向的所述移动通过移动所述激光源来产生，并且其中，可选地，所述激光源(1)能够平行于所述旋转轴移动。
52.根据权利要求20至51中任一项所述的方法，其中，所述工件为具有多个润滑油孔(1003)的曲轴(1000)。
53.一种对曲轴的表面的进行硬化的方法，所述曲轴(1000)包括主轴颈(1001)、连杆轴颈(1002)和润滑油孔(1003)，所述方法包括：
将激光束(2)从激光源(1)投射至要硬化的轴颈(1001,1002)的表面上，以在所述表面上产生激光光斑，并且通过旋转所述曲轴使所述表面相对于所述激光源(1)移动；
所述方法的特征在于，
在所述轴颈旋转期间，所述激光束(2)根据预定的扫描图案(2A，2B，2C，2D，2E，2F，2G)扫描过所述轴颈的表面的至少一部分，以加热所述表面，
并且特征在于，
进行所述扫描，以向对热较敏感的子区域比向对热较不敏感的子区域施加更少的能量。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，在使所述激光束的所述功率保持基本恒定并且调节所述扫描速度和/或所述扫描图案的情况下进行所述扫描，以向所述对热较敏感的子区域比向所述对热较不敏感的子区域施加更少的能量。
55.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，在使所述扫描图案保持基本恒定并且调节所述扫描速度和/或所述激光束功率的情况下，例如，通过对应于所述扫描图案的片段(51A，51B)动态地调节所述激光束的接通/关断状态，来进行所述扫描，以向所述表面的对热较敏感的子区域比向所述表面的对热较不敏感的子区域施加更少的能量。
56.根据权利要求53所述的方法，其中，所述扫描图案包括多个片段，并且其中，为所述片段中的每个片段分配光束功率状态，以便对应于每个片段将所述激光束的功率设置成与所述功率状态对应的功率水平，并且其中，所述激光器被布置成根据所述光束功率状态的需要改变所述激光束的功率，并且其中，以每秒至少300片段，优选地，每秒至少600片段，更优选地，每秒至少1000片段，更优选地，每秒至少5000片段，并且甚至更优选地，每秒至少10000片段的速率进行所述扫描，其中，以至少10Hz——优选地，至少50Hz，更优选地，至少100Hz——的频率重复所述扫描图案，并且其中，对应于所述对热较敏感的子区域与对应于所述对热较不敏感的子区域为所述片段中的至少一个分配的功率状态不同。
57.根据权利要求53至56中任一项所述的方法，其中，所述对热较敏感的子区域包括所述润滑油孔(1003)邻近区域和/或所述曲轴的轴颈的轴端部处的圆角(1004)邻近区域。
58.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光源包括光纤激光器。
59.一种用于对工件(1000)的表面的至少一部分进行硬化的系统，所述系统包括激光源(1)和用于在所述工件(1000)的表面与所述激光源(1)之间产生相对移动的装置，所述系统还包括用于控制所述系统的操作的电子控制装置(100)，
所述系统的特征在于，
所述电子控制装置(100)被布置成操作所述系统，以便执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
60.一种计算机程序，包括程序指令，所述程序指令当在根据权利要求59的系统中被执行时用于执行权利要求1至58中任一项所述的方法。
61.一种信息载体，所述信息载体存储根据权利要求60所述的计算机程序。
62.一种用于对曲轴(1000)的轴颈的表面进行激光硬化的设备，所述曲轴(1000)包括至少两个定位在中心的主轴颈(1001)以及至少一个偏置的连杆轴颈(1002)，其中，所述设备包括：
曲轴支承(20)，所述曲轴支承(20)被布置成支承所述曲轴，并且以可选的方式，被布置成使所述曲轴绕所述曲轴的纵轴旋转；
至少一个激光源(1)，所述至少一个激光源(1)被布置成将激光束(2)投射至所述曲轴(1000)的轴颈上，以在所述轴颈上产生激光光斑；
其中，所述激光源包括双向扫描装置(3)，所述双向扫描装置(3)用于沿两个方面扫描所述激光束，以在所述轴颈的表面上创建二维扫描图案。
63.根据权利要求62所述的设备，其中，所述曲轴支承(20)和所述激光源(1)能够相对于彼此沿垂直于所述纵轴的至少两个不同方向移动，以使得在所述曲轴绕所述纵轴旋转期间所述连杆轴颈(1002)与所述激光源(1)之间距离恒定，所述连杆轴颈关于所述纵轴偏置。
64.根据权利要求63所述的设备，其中，所述激光源(1)能够沿第一方向(Z)移动，优选地，竖直地移动，并且其中，所述曲轴支承(20)能够沿第二方向(Y)移动，优选地，水平地移动，所述第一方向和所述第二方向二者均垂直于所述纵轴。
65.根据权利要求64所述的设备，其中，所述激光源(1)还能够平行于所述曲轴的纵轴移动。
66.根据权利要求62至65中任一项所述的设备，包括控制单元(100)，所述控制单元(100)包括存储与所述扫描图案关联的参数值的存储器，所述参数值包括多组参数值，所述参数值中的第一组参数值确定所述曲轴的轴颈上的第一二维能量分布，并且所述参数值中的第二组参数值确定所述轴颈上的第二二维能量分布。
67.根据权利要求66所述的设备，其中，所述控制单元(100)被布置成：通过在所述曲轴绕其纵轴旋转期间与对热较敏感的子区域相应出现在所述二维扫描图案内同步以可选方式应用存储在所述存储器中的所述第一组参数值和所述第二组参数值以及可选的另一组参数值来控制所述硬化处理。
68.根据权利要求66或67所述的设备，其中，所述扫描图案为包括多个片段(a，b，c，d，e，f，g，h；51A，51B)的分段扫描图案，并且其中，为每个片段分配所述参数值中的至少一个参数值，其中，所述至少一个参数值指示扫描速度、所述激光光斑的大小、所述激光束的功率、所述激光束内的功率分布、对应片段的长度以及对应片段的取向中的至少一个。
69.根据权利要求68所述的设备，被布置成以每秒至少300片段，优选地，每秒至少600片段，更优选地，每秒至少1000片段，更优选地，每秒至少5000片段，并且甚至更优选地，每秒至少10000片段的平均速度来进行所述扫描。
70.一种用于对工件(1000)的表面区域进行硬化的设备，所述表面区域包括至少一个对热较不敏感的子区域和至少一个对热较敏感的子区域，所述设备包括：激光源(1)，所述激光源(1)被布置成将有效激光光斑投射至所述表面区域上；以及装置(12，13，21)，所述装置(12，13，21)用于在所述表面区域与所述有效激光光斑之间产生相对移动，以使所述有效激光光斑沿所述表面区域移动，以便相继地并逐渐地将所述表面区域的不同部分加热至适于硬化的温度，其中，所述有效激光光斑被布置成具有二维能量分布的特征，所述设备还包括用于控制所述设备的操作的控制系统(100)，其中，所述控制系统被布置成修改所述二维能量分布，以使所述二维能量分布在所述对热较敏感的子区域中与在所述对热较不敏感的子区域中不同。
71.根据权利要求70所述的设备，其中，所述至少一个对热较敏感的子区域包括：
-所述表面区域中的孔例如润滑油孔(1003)邻近区域；
和/或
-圆角(1004)，例如，底切圆角；
和/或
-所述表面区域的先前被硬化的部分，例如，所述有效激光光斑沿对象例如曲轴(1000)的圆柱形轴颈(1001,1002)的圆周到达360度轨迹的端部处的部分。
72.根据权利要求70至71中任一项所述的设备，被配置成进行操作，使得所述有效激光光斑具有一定大小并且以一定速度沿所述表面区域移动，使得在所述有效激光光斑沿所述表面区域的所述移动的至少一部分期间，优选地，在所述有效激光光斑沿所述表面区域的所述移动的至少50％期间，并且更优选地，在所述有效激光光斑沿所述表面区域的所述移动的至少90％期间，并且甚至更优选地，在所述有效激光光斑沿所述表面区域的所述移动的100％期间，所述表面区域内的被所述有效激光光斑加热的部分被加热至少0.5秒，优选地，至少1秒，并且其中，所述有效激光光斑在所述有效激光光斑沿所述表面区域移动的方向上的大小为至少5毫米，优选地，至少7毫米，更优选地，至少10毫米，并且甚至更优选地，至少15毫米、20毫米、30毫米或更大例如至少50毫米。
73.根据权利要求70至72中任一项所述的设备，被布置成通过产生所述有效激光光斑的多个片段(a，b，c，d，e，f，g，h；51A，51B)来产生所述有效激光光斑，所述多个片段包括至少六个片段，所述控制系统被布置成通过根据为所述片段分配的参数值以可选择的方式修改所述片段的所述能量密度和/或所述能量分布来修改所述二维能量分布，所述参数值存储在所述控制系统的存储器中。
74.根据权利要求73所述的设备，其中，所述激光源包括扫描装置，所述扫描装置被布置成二维扫描所述激光源的激光束，其中，所述控制系统被布置成遵循包括所述多个片段的扫描图案沿两个方向扫描所述激光束，以产生所述有效激光光斑，其中，所述扫描图案以至少10Hz，优选地，至少50Hz，更优选地，至少100Hz，并且甚至更优选地，至少200Hz的重复率重复。
75.根据权利要求74所述的设备，其中，所述参数值指示与所述扫描图案的对应片段对应的所述光束的光束功率水平和/或扫描速度。
76.根据权利要求70至72中任一项所述的设备，其中，所述激光源包括扫描装置，所述扫描装置被布置成二维扫描所述激光源的激光束，其中，所述控制系统被布置成沿两个方向扫描所述激光束，以便产生遵循扫描图案的所述有效激光光斑，其中，所述扫描图案以至少10Hz，优选地，至少50Hz，更优选地，至少100Hz，并且甚至更优选地，至少200Hz的重复率重复。
77.根据权利要求70至76中任一项所述的设备，对所述设备进行编程，以对曲轴的至少一个轴颈进行硬化，其中，对所述设备进行编程，以产生所述有效激光光斑，使得所述有效激光光斑延伸过所述曲轴的轴颈的50％以上，优选地，延伸过所述曲轴轴颈的75％以上。
78.根据权利要求70至77中任一项所述的设备，其中，所述控制系统包括被布置成存储多个数据组(111-114；121-124；141；151)的存储器(110,120；140,150)，所述数据组中的每个数据组指示所述有效激光光斑的二维能量分布，其中，所述设备被配置成，在所述有效激光光斑沿所述表面区域移动时，通过在所述有效激光光斑被投射至所述对热较不敏感的子区域上时使用所述多个数据组中的一个数据组来操作所述激光源，并且通过在所述有效激光光斑被投射至所述对热较敏感的子区域上时使用所述多个数据组中的至少另一数据组来操作所述激光源，来调节所述有效激光光斑的二维能量分布。
79.一种对工件例如曲轴的至少一个表面区域进行激光硬化的方法，包括：使用根据权利要求68至76中任一项所述的设备将所述工件的所述表面区域加热至用于硬化的温度的步骤，以及使所述表面区域的被加热的部分冷却以便产生淬火的步骤。
80.一种包括多个轴颈的曲轴，所述轴颈中的至少一个轴颈具有已经通过根据权利要求1至58和79中任一项所述的方法硬化的表面。
81.一种对用于对曲轴的轴颈进行激光硬化的根据权利要求62至78中任一项所述的设备进行编程的方法，包括步骤：
为多个片段(a，b，c，d，e，f，g，h；51A，51B)分配与能量分布有关的参数值，例如，激光束功率和/或扫描速度和/或片段的长度和/或片段的取向，以便创建多个数据组，每个数据组对应于被投射至要硬化的表面区域上并且沿所述表面区域移动的有效激光光斑的特定二维能量分布，
存储所述数据组，并且
对所述设备进行编程，以通过根据所述数据组中的用于加热所述表面区域的对热较不敏感的子区域的至少一个数据组来调节所述能量分布，并且通过根据所述数据组中的用于加热所述表面区域中的对热较敏感的子区域的至少另一个数据组来调节所述能量分布，与所述有效激光光斑沿所述表面区域的移动同步地调节所述有效激光光斑的所述能量分布。
82.根据权利要求81所述的方法，包括步骤：在所述创建数据组的步骤之后，在屏幕(102)上计算并显示对应的二维能量分布。
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