CN118048511A - 使用能量束进行加热的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于对金属板材物体进行热处理的方法，包括使用能量束(2)加热物体(100)的至少一个选定部分的步骤。将光束(2)投射到所述物体(100)的表面上以便在物体上产生主光斑(2A)，根据扫描图案在二维上重复扫描光束以便在物体上建立有效光斑(21)，有效光斑具有二维能量分布。有效光斑(21)相对于所述物体(100)的表面移位，以逐渐加热物体的所述至少一个选定部分。扫描图案包括多个互连的弯曲区段。

Description

使用能量束进行加热的方法和系统
本申请是申请日为2019年12月20日、申请号为2019800906731，以及发明名称为“使用能量束进行加热的方法和系统”的中国发明专利申请的分案申请。
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(例如，激光束)的能量束引导到物体上来加热物体。例如，本领域公知的是，通过将材料加热到低于其熔化温度的高温，并随后使其淬火(即足够快地冷却以形成硬马氏体)来使诸如钢(例如，中碳钢)之类的含铁材料硬化。可以在炉中或通过感应加热进行加热，并且可以通过施加冷却流体(例如水或与其它组分混合的水)来进行冷却。也已知使用诸如光束的能量束来执行某些硬化处理，例如关于诸如曲轴的复杂产品的硬化处理。曲轴具有复杂的表面，并且在使用期间对耐磨性有非常高的要求。例如，WO-2014/037281-A2解释了如何使用激光束来例如硬化曲轴的轴颈的表面，而不产生邻近油润滑孔的区域的过热。还可以通过与WO-2014/037281-A2所教导的方法和系统一致的方法和系统来热处理其它物体，其内容通过引用并入本文。WO-2014/037281-A1特别讨论了如何通过将光束投射到工件的表面上以在表面上产生主光斑来选择性地加热工件，根据扫描图案在二维上重复扫描该光束以在工件的表面上建立有效光斑，该有效光斑具有二维能量分布。相对于工件的表面移动该有效光斑以逐渐加热工件的选定部分。在一些实施例中，有效光斑的二维能量分布在有效光斑相对于工件表面的移动期间被动态地调整。
WO-2015/135715-A1，其内容通过引用并入本文，特别讨论了在这种激光硬化技术的背景中，如何使用不同的扫描图案。例示的实施例包括具有彼此垂直的区段的扫描图案。一个例示的实施例具有大致成形为“数字8”的扫描图案。
已经发现，如WO-2014/037281-A1和WO-2015/135715-A1中所建议的使用能量束的加热技术可用于除了用来工件硬化之外的其它应用。例如，WO-2016/026706-A1(其内容通过引用并入本文)教导了如何将该技术用于增材制造。WO-2016/146646-A1(其内容通过引用并入本文)教导了如何将该技术用于板状金属的热处理。其它应用包括例如用于接合物体的两个或更多部件的物体的焊接，如WO-2018/054850-A1中所述，其内容通过引用并入本文。
已经发现在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点。
WO-2013/167240-A1公开了一种用于激光焊接的方法和装置，其涉及叠加在光束沿着要建立焊缝的轨迹的基本运动上的激光束的二维扫描运动。
WO-2016/180736-A1公开了涉及使用激光束的扫描所产生的有效光斑的激光热处理的实例。
发明内容
上述专利申请公开了各种扫描图案，例如，包括多条平行线的扫描图案，以及有效光斑遵循涉及方向突然改变的路径的扫描图案，该方向的突然改变对应于图案中的尖角，例如，如WO-2015/135715-A1中描述和例示的一些实施例中所示的方向改变90度。
在许多实际实现方式中，以高频重复扫描图案，例如以大于10Hz的频率重复，例如，大于25Hz、大于100Hz等。可以使用扫描仪来执行扫描，所述扫描仪通过使用于反射光束的机械构件(例如反射镜或类似元件)移位来操作。例如，可以使用通过电控驱动根据一个或多个轴线选择性地移位的反射镜或类似构件来扫描激光光束。通常，可以使用所谓的检流计扫描仪。现在，虽然扫描仪在过去几十年中有了显著的改进，但是高扫描速度仍然涉及困难。涉及速度和/或方向的突然变化的扫描图案的高重复率可能是不可能的或需要非常昂贵的设备。这可以在使用高功率光束的工业应用中更是如此，例如具有几个kW的功率水平的光束，需要使用相对较重的反射镜。
而且，即使扫描仪理论上能够以给定的频率执行给定的扫描图案，加速和减速也可能涉及可能最终损坏扫描仪的应变和扭矩，特别是如果扫描要执行相当长的时间(这在工业应用中是经常的情况)。而且，如果扫描仪被驱动接近于其理论动态极限，则更有可能发生诸如偏离要由光束遵循的图案的处理错误。这种处理错误可能对质量和生产率产生严重后果。因此，为了能够在工业上使用给定的工艺，必须使严重的处理错误的发生最小化。
本发明的第一方面涉及一种用于加热物体的至少一个选定部分的方法，包括以下步骤：
将能量束投射到所述物体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以便在表面上建立有效光斑，所述有效光斑具有二维能量分布，
使所述有效光斑相对于所述物体的表面移位以逐渐加热所述物体的所述至少一个所选部分；
其中，所述扫描图案包括多个互连的弯曲区段。
因此，与诸如WO-2015/135715-A1中已知的“数字8”图案相反，或与WO-2014/037281-A2的图9中已知的具有形成闭环的八个直的区段的图案，每个区段与两个相邻区段形成尖角相反，本发明的方法使用包括多个弯曲部分(curved portions)或多个弯曲区段(curved segments)的扫描图案。弯曲区段可以通过其它弯曲区段和/或直的区段互连。
在本文中，提到扫描图案及其形状是指主光斑在被投射到基本上垂直于光束的平坦表面(例如，在x-y平面中)上时所遵循的二维扫描图案，而不是主光斑在物体表面上实际遵循的图案；例如，表面可以包括在三维中明显影响主光斑实际遵循的轨迹的锐曲率或弯折。也就是说，“扫描图案”指的是光束所遵循的图案，而不是主光斑在光束投射到其上的所述物体的物理表面上实际遵循的图案。这种区别是重要的，因为与扫描仪的动态极限相关的主要是扫描仪执行的光束扫描。
措辞“弯曲区段”是指其中沿扫描图案的切线存在连续变化，但没有任何切线不明确的“尖锐边缘”的区段。
有效光斑相对于所述物体的表面的移位可以根据合适的轨迹进行。即，根据扫描图案扫描真实/主光斑，即在任何给定时刻由光束产生的光斑，以创建有效光斑，并且该有效光斑根据轨迹移位。因此，组合或叠加两种类型的运动：主光斑根据扫描图案的运动和有效光斑根据轨迹的运动，在本发明的一些实施例中，这可以是简单的直线，并且在其它实施例中，这可以具有更多或更少复杂的形状，例如包括一个或多个曲线。
术语“二维能量分布”是指例如，在沿扫描图案的光束的一次扫描期间由能量束施加的能量在有效光斑上分布的方式。当有效光斑被投射到非平面部分或区域，例如弯曲部分或弯曲区域(例如具有弯折的部分或区域)时，术语“二维能量分布”指的是能量如何沿着和跨越物体表面分布，也就是说，指的是当有效光斑被投射到物体表面上时沿着和跨越有效光斑的能量分布。
该方法允许对物体表面的实质区域进行相对快速的加热，这是因为有效光斑可具有实质大小，例如大于主光斑大小(面积)的4，10，15，20或25倍。因此，在温度和持续时间方面，加热物体的特定区域或区域至所需的程度比通过简单地使主光斑在整个区域上移动(例如，遵循正弦或曲折图案或直线)来执行加热的情况更快地完成。使用具有相对大的面积的有效光斑允许高生产率，同时仍然允许表面的相关部分或多个部分被加热相对大的时间量，由此允许例如具有较小的侵蚀性的加热而不影响生产率。
主光斑可以具有基本上小于有效光斑的面积的面积。例如，在本发明的一些实施方案中，至少在该加工的一部分期间，主光斑的大小小于4mm2，例如小于3mm2。主光斑的大小可以在加工期间改变，以便在质量和生产率方面优化物体的每个特定部分被热处理的方式。
另一方面，使用通过根据扫描图案在二维上重复扫描主光斑而创建的有效光斑使得能够建立具有所选择的二维能量分布的有效光斑，所述二维能量分布基本上独立于所使用的特定光学器件(透镜、反射镜等)，并且所述二维能量分布可以被定制和适于从不同的角度提供增强的或优化的加热，包括完成热处理的速度(例如，以每分钟cm2或以每小时终止单位)和质量。例如，可以分配热量，使得有效光斑的前部具有比后部更高的能量密度，从而减少达到表面的期望温度所需的时间，而后部可以用于将加热保持足够的时间以达到期望的深度和/或质量，从而优化有效光斑相对于物体表面的移位速度，而不放弃热处理的质量。另外，例如，可以根据物体的特性相对于有效光斑的侧面调整二维能量分布，以便在邻近物体的边缘或物体中的开口的区域(此处由于热传递而冷却较慢)中施加较少的热量，或者以便在例如由于最近发生的加热已经具有相对高温的区域中施加较少的热量。此外，有效光斑可以根据物体的三维形状来调整，例如，以使加热适应被加热区域中的物体的曲率、宽度等，以及适应待加热的物体的部分的构造。有效光斑的形状和/或二维能量分布可以在需要时调整，从而使加工适应在任何给定时刻将被加热的物体的特定部分。在本发明的一些实施例中，考虑到例如周围区域的排热能力，二维能量分布可以根据物体上的相应照射部位而变化。在本发明的一些实施例中，二维能量分布可以在考虑到产品的不同区域中物体的期望特性(例如对硬度、刚性、柔软性、延展性等的不同要求)的情况下变化。
另外，使用通过在两个维度上扫描主光斑而创建的有效光斑，在例如使系统适应于要生产的不同物体方面增加了灵活性。例如，可以减少或消除替换或调整所涉及的光学器件的需要。通过仅仅调整控制主光斑的扫描的软件，从而控制有效光斑的二维能量分布，可以更频繁地至少部分地执行调整。
在许多用于使用能量束加热物体的现有技术系统中，在每一时刻被加热的区域基本上对应于由光束投射到表面上的主光斑。即，在许多现有技术的装置中，在每一时刻被加热的区域具有基本上对应于主光斑的大小的大小，并且被加热的轨迹的宽度基本上对应于主光斑在垂直于主光斑被移位的方向的方向上的宽度，这又由光束的源和用于对其成形的装置来确定，例如，在激光的情况下，通过所使用的激光源和光学器件来确定。有时，通过附加地例如垂直于轨迹摆动光束来使轨迹变宽。
当然，本发明不排除以传统方式利用主光斑进行部分加热操作的可能性。例如，主光斑可以被移动以进行与要被加热的区域的轮廓或外形对应的加热，或者进行被加热的物体的某些细节的加热，而上述有效光斑可以被用于进行物体的其它部分或区域的加热，诸如要被加热的区域的内部或主要部分。本领域技术人员将根据诸如生产率和需要仔细定制待加热区域的轮廓或待加热物体的某一部分等问题来选择将使用有效光斑而不是主光斑来进行加热的程度。例如，可以使用主光斑来勾勒待加热的区域的轮廓，而使用有效光斑来加热所勾勒的区域内的表面。在本发明的一些实施例中，在该过程中，可以修改扫描图案以减小有效光斑的大小，直到其最终对应于主光斑，反之亦然。
也就是说，不需要使用有效光斑来执行在加工期间必须发生的所有加热。然而，至少部分的加工是使用上述有效光斑执行的。例如，可以优选的是，在将光束施加到物体的至少50％、70％、80％或90％的时间期间，施加光束以建立如上所述的有效光斑，即，通过根据扫描图案重复扫描主光斑，该扫描叠加在有效光斑相对于物体的移动上，即，沿着轨迹进行。
加热可用于任何类型的热处理，例如表面硬化、焊接、固化等。该物体可以是任何适当形式的任何适当种类的物体，包括粉末形式或类似形式，这通常可以是在增材制造的背景下的情况。例如，该物体可以是板状金属物体或任何其他种类的物体。该物体可以是金属或任何其它材料。物体不一定是一个单独的工件，而是可以包括几个部分，例如，两个或更多个部分通过全部或部分由光束进行的加热而焊接在一起。因此，术语“物体”不应被狭义地解释。物体的表面可以包括开口或空隙。例如，这可以在表面包括与不同物体有关的部分时发生，其中物体之间可能存在空间。例如，这通常是当两个部分要焊接在一起时的情况，其中一个部分可以与另一个部分相隔开，以与要在其中建立焊缝的界面的至少一部分相对应。在一些实施例中，表面是平坦的，而在其他实施例中，表面具有三维形状。
例如，可以使用一个或多个基本扫描图案布局作为起点。这种布局可用于通过根据对于给定处理所期望的内容重新成形和重新确定基本布局的尺寸来定义一个或多个扫描图案。例如，可以通过相对于坐标系固定所选布局的控制点的位置来执行成形和尺寸确定。二维能量分布进一步通过诸如扫描速度和/或光束功率之类的附加参数来确定，在本发明的一些实施例中，可以相对于扫描图案的不同区段(例如，由控制点确定的区段)来不同地设置。可以将不同的扫描图案和/或不同的参数(例如光束功率和扫描速度)分配给将由有效光斑遵循的轨迹的不同部分。
在本发明的一些实施例中，对应于扫描图案的所有点的扫描图案的切线是明确的。也就是说，扫描图案不具有任何“尖角”或“尖锐弯折(sharp bend)”，例如在现有技术的扫描图案中，其中一个直的区段跟随另一个直的区段，如上所述。因此，根据本发明的这些实施例，不存在这样的“尖锐弯折”，这有助于显著降低扫描仪的机械部件在高速操作时所遭受的应力。
在本发明的一些实施例中，扫描图案不包括任何直的区段。例如，曲线可以是例如由一组控制点定义的样条曲线。例如，曲线可以是由这些控制点定义的插值曲线或近似曲线。考虑到物体的特征，使用控制点来定义曲线可以是实际的，以允许操作者为有效光斑定义期望的能量分布。如上所述，可以使用这种控制点对基本图案布局进行重新成形和尺寸调整。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括弯曲区段和直的区段，并且所有弯曲区段的总长度大于所有直的区段的总长度。也就是说，所有弯曲区段的长度之和大于所有直的区段的长度之和，存在至少一个弯曲区段和一个直的区段。已经发现，相当量的弯曲区段可用于建立提供足够的表面覆盖的图案，同时使扫描仪的部件的运动中的突然变化最小化。现在，有时直的区段可用于使弯曲区段互连。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括至少一个点，在该点处扫描图案的一个区段与扫描图案的另一个区段交叉。已经发现，这种涉及的扫描图案具有一个或多个与一个或多个其它区段交叉的区段，有助于实现期望的和复杂的二维能量分布，而不需要在扫描期间突然和意外地改变光束移动的方向。
在本发明的一些实施例中，对应于与另一个区段交叉的至少一个第一区段，光束沿着第一区段的移动速度在第一点处(第一区段与其他区段在第一点处交叉)比在远离第一点的第二点处更高。如果光束的移动速度在整个扫描图案中都是恒定的，则可以在光束彼此交叉或彼此靠近地通过的位置施加更多的热量。如果这不是期望的，则可以调节光束沿着扫描图案的移动的速度，从而定制二维能量分布并避免在扫描图案的区段彼此交叉或彼此靠近地通过的某些位置中过度施加能量。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括多个瓣叶(lobe)，例如两个、三个、四个或更多个瓣叶。已经发现，使用具有多个瓣叶(所述瓣叶以弯曲形状为特征)的扫描图案可用于实现可灵活确定的能量分布，而不会使光束沿着扫描图案的轨迹发生任何急剧变化。在一些实施例中，一个或多个瓣叶(例如所有瓣叶)，是闭合的，其意味着相应瓣叶由完全围绕区域的扫描图案的一部分限定。已经发现使用弯曲的瓣叶适合于提供有效光斑，该有效光斑有效地加热相对较大的区域，同时需要相对较短的扫描图案的总长度(即在沿着扫描图案的一次扫过期间主光斑所遵循的路径的长度)。每个瓣叶的轮廓优选围绕瓣叶内的至少一个点大于180度，更优选大于270度，例如大于300度，例如大于330度。
这并不意味着扫描图案必须在整个热处理过程中具有瓣叶，然而，在这些实施例中，上述瓣叶必须在加工的至少一部分期间存在，例如在加工持续时间的10％、50％、90％或更多期间存在。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括至少三个瓣叶，例如至少四个、五个或六个瓣叶。
在本发明的一些实施例中，瓣叶的数目和/或瓣叶的形状在有效光斑相对于所述物体的表面移位时变化。修改瓣叶的数目和/或瓣叶的形状可用于使二维能量分布适应物体沿着有效光斑遵循的轨迹的变化，例如，以适应开口、空隙、更热敏的子部分、需要更高能量输入的部分等。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括样条曲线或由样条曲线组成。样条曲线是允许用户经由接口设计和控制包括相对复杂曲线的曲线的形状的数学表示。用户可以例如经由接口定义一组点，然后计算机设备可以构建遵循该一组点的曲线，通常称为控制点。有时，通过控制点的曲线被称为“插值曲线”，而接近控制点但不一定通过控制点的曲线称为“近似曲线”。已经发现，这种方法允许用户通过选择二维平面上的点来设计适当的扫描图案。然后可以使用例如合适的计算机软件建立没有任何尖角的平滑曲线。
因此，使用样条曲线可以促进创建合适的扫描仪友好的扫描图案，包括非对称扫描图案。
在本发明的一些实施例中，有效光斑的二维能量分布在有效光斑相对于所述物体的表面移位期间被动态调整。由此，能够实现有效光斑对当前被加热的物体的区域的调整。措辞动态调整(dynamic adaptation)旨在表示在有效光斑移动期间可动态地发生调整的事实。可以使用不同的装置来实现这种动态调整，其中一些在下面提到。例如，在本发明的一些实施例中，可以操作扫描系统以实现动态调整(例如，通过调整电流镜或其他扫描装置的操作，以修改扫描图案和/或修改主光斑沿着扫描图案或沿着其一个或多个区段或部分的速度)，和/或可以调整束功率和/或主光斑的大小。开环或闭环控制可用于控制动态调整。动态调整可以影响能量在有效光斑的给定区域内分布的方式，和/或有效激光光斑的实际形状，并因此影响在任何给定时刻被加热的区域的形状(不考虑主光斑正在移动的事实，仅考虑有效光斑)。例如，有效光斑的长度和/或宽度可以在加工期间动态地调整。因此，通过这种动态调整，二维能量分布可以相对于物体表面的不同部分是不同的。
在本发明的一些实施例中，例如通过以下方式调整有效光斑(21)的二维能量分布：
-例如通过选择性地接通和关断光束(这包括在其源处中断光束，以及其他选项，例如通过例如用快门干扰光束的路径来中断光束，以及它们的组合)来调整光束(2)的功率。例如，当使用诸如光纤激光器的激光器时，激光光束可以非常快速地接通和断开，从而使得能够通过在遵循扫描图案的同时接通和关断激光光束来获得期望的能量分布。因此，可以通过在扫描图案的某些线路或部分线路期间开启激光光束来实现加热。例如，可以采用像素化的方法，根据该方法，在扫描图案的不同部分或区段期间由激光器的接通/关断状态来确定二维能量分布。
和/或
-例如通过调整扫描图案的大小和/或形状，例如通过改变瓣叶的形状和/或瓣叶的数目来调整扫描图案，仅给出一些示例。
和/或
-通过调整主光斑沿着扫描图案的至少一部分移动的速度。
即，二维能量分布可以通过例如调整光束的功率(例如，通过在不同功率状态之间(例如在接通和关断之间)切换)，和/或通过调整扫描图案(例如，添加或省略区段，或修改区段的取向，或将图案完全改变成另一个)和/或通过调整光束沿着扫描图案(例如沿着其一个或多个区段)移动的速度来进行调整。在不同的手段之间进行选择以调整二维能量分布可以基于诸如以下情况来进行：基于设备的在光束的功率状态之间快速改变的能力；以及基于扫描仪的修改要遵循的图案和/或主光斑沿着扫描图案移动的速度的能力。
在本发明的一些实施例中，在不接通和关断光束的情况下和/或在保持光束的功率基本恒定的同时，沿着所述扫描图案移动光束。这使得能够在不考虑设备(诸如激光设备)的在不同功率水平之间切换(例如在接通和关断之间切换)的能力的情况下以高速执行扫描，并且使得能够使用可能不允许在功率水平之间非常快速切换的设备。而且，它提供了对可用输出功率(即设备在功率方面的容量)的有效利用。因此，扫描速度和/或扫描图案的调整通常可以优于光束功率的调整。
在本发明的一些实施例中，在主光斑沿着扫描图案的移位期间和/或在有效光斑相对于所述物体的表面的移位期间，光束的焦点和/或主光斑的大小被动态地调整。在本发明的一些实施例中，光束的焦点在主光斑沿着扫描图案的移位期间和/或在有效光斑相对于物体的移位期间被动态地调整。例如，当使用激光束时，沿着光轴的激光焦点可以在加工期间被动态地修改，例如，以便在主激光光斑沿着扫描图案移位时和/或在有效激光光斑相对于所述物体的表面移位时改变或保持主激光光斑的大小。例如，当主光斑在所述物体的表面上移动时，光学焦点可被调整以保持主光斑的大小不变(例如，以补偿激光源或扫描仪与所述物体的表面上的主激光光斑的位置之间的变化距离)。
在本发明的一些实施例中，主光斑的大小在主光斑沿着扫描图案的移位期间和/或在有效光斑相对于所述物体的表面的移位期间被动态地调整，以便修改二维能量分布和/或有效光斑的大小。
在一些实施例中，在所述方法的至少一个阶段期间，
所述有效光斑包括具有比所述有效光斑的后部(trailing portion)更高的能量密度的前部，
或者
所述有效光斑包括具有比所述有效光斑的后部更低的能量密度的前部，
或者
所述有效光斑包括具有比所述有效光斑的前部和后部更高的能量密度的中部，
或者
有效光斑具有在整个有效光斑中基本上不变的能量密度。
在本发明的一些实施例中，该方法在将能量束投射到物体表面之前，包括以下步骤：
a)建立多个扫描图案；以及
b)将所述扫描图案中的不同扫描图案分配给将由有效光斑在所述物体的表面上遵循的轨迹的不同部分；
其中，所述有效光斑相对于所述物体的表面移位以逐渐加热所述物体的所述至少一个选定部分的步骤包括：使所述有效光斑沿着所述轨迹移位并改变所述扫描图案，使得在所述轨迹的每个部分处，所述有效光斑由遵循分配给轨迹的相应部分的扫描图案的光束产生。
在本发明的一些实施例中，通过以下步骤建立至少一个扫描图案：
-指定多个控制点；
-以由所述控制点定义的样条曲线的形式建立扫描图案；
-可选地，将不同的参数值分配给曲线的不同部分，该参数值指示与曲线的相应部分相关的激光功率和/或扫描速度。
在本发明的一些实施例中，主光斑根据扫描图案以第一平均速度相对于所述物体的表面移位，并且其中有效光斑以第二平均速度相对于所述物体的表面移位，第一平均速度实质上高于第二平均速度，例如至少是第二平均速度的5倍，10倍，50倍或100倍。这里，术语“第一平均速度”是指投射到所述物体的表面上的扫描图案的长度除以主光斑完成沿扫描图案的一次扫描所需的时间，而术语“第二平均速度”是指有效光斑在表面上遵循的轨迹的长度除以有效光斑完成轨迹所需的时间。主光斑沿扫描图案的高速减小了在主光斑沿扫描图案的每次扫描期间有效光斑内的温度波动。如果与诸如WO-2016/118555-A1中已知的现有技术布置相比，这是概念上的差异，其中公开了使用激光束的激光焊接，激光束在二维上扫描，与该激光束沿工件的基本相对运动叠加。虽然WO-2016/118555-A1涉及“图8图案”，但是该图8图案不对应于根据本发明的扫描图案，因为激光源和表面之间的相对运动是以与根据“图8图案”的主光斑的速度相同或相似量级的速度进行的，如例如图3和说明书的相关部分所证明的。也就是说，没有建立有效光斑，而是主光斑遵循一般路径，同时在一般路径的两侧描画出某种瓣叶。
附加地，或者可替代地，根据扫描图案扫描光束，使得光束以大于10Hz、优选大于25Hz、更优选大于100Hz的频率重复扫描图案。在本发明的一些实施例中，根据扫描图案扫描光束，使得光束以大于10Hz、25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、150Hz、200Hz或300Hz的频率(即，每秒的扫描图案的重复次数)重复扫描图案。高重复率可适于减少或防止在每个扫描周期之间(即在光束沿着扫描图案的每次扫描之间)由有效光斑加热的区域中的非期望的温度波动。在本发明的一些实施例中，扫描图案保持不变，并且在本发明的其他实施例中，扫描图案在沿着扫描图案的光束的部分或全部扫描之间被修改。
附加地或可替代地，有效光斑的大小大于主光斑的大小的4倍，优选大于主光斑的大小的10倍，更优选是主光斑的大小的至少25倍。在本发明的一些实施例中，有效光斑的大小(即面积)，例如在加工期间有效光斑的平均大小或在加工的至少一个时刻期间有效光斑的大小，例如在加工期间有效光斑的最大大小，大于主光斑大小的4倍，10倍，15倍，20倍或25倍。例如，在本发明的一些实施例中，可以使用具有大约3mm2大小的主光斑来创建具有大于10mm2的大小的有效光斑，例如大于50mm2或大于100mm2的有效光斑。有效光斑的大小可以在加工期间动态地修改，但是通常可以优选大的平均大小以提高生产率，并且大的最大大小可以用于在至少部分加工期间提高生产率。
该方法可以在诸如计算机的电子控制装置的控制下执行。
在本发明的一些实施例中，能量束是激光光束。由于合适扫描系统的成本、可靠性和可用性等问题，激光光束通常是优选的。在本发明的一些实施例中，至少在加工的一部分期间，激光光束的功率高于1kW，例如高于3kW、高于4kW、高于5kW或高于6kW。传统上，当扫描主激光光斑以逐渐加热待热处理的区域时，经常使用具有相对低输出功率的激光器。例如，EP-600-A2建议光束功率为600W。这是因为在该现有技术中，在某一时刻正在加热表面部分的激光光斑对应于具有相对较小表面积的主光斑。因此，优选低功率输出以避免过热。根据本发明，激光的功率可以分布在有效激光光斑上，该有效激光光斑的表面积基本上大于主激光光斑的表面积。也就是说，通过本方法，基于产生更大的有效激光光斑，可以使用更高的功率，由此可以提高生产率。
在本发明的一些实施例中，在有效光斑相对于所述物体的表面的移位期间，响应于能量束与被有效光斑加热的所述物体的表面的一部分之间的至少一个角度的变化，和/或响应于与主光斑遵循的轨迹的方向的至少一个变化，来动态地调整有效光斑的二维能量分布，例如，以使二维能量分布，包括有效光斑的形状和大小以及有效光斑内的二维能量分布，适应表面中的曲率和/或弯折，和/或适应表面相对于扫描仪定向的角度的变化，和/或适应主光斑所跟随的方向的变化(例如，作为轨迹中的曲线或弯折的结果)。
在本发明的一些实施例中，响应于能量束和被有效光斑加热的所述物体的表面的一部分之间的角度的至少一个变化，和/或响应于轨迹的轨线中的至少一个变化，来调整能量束的功率、扫描图案和主光斑沿着扫描图案的至少一部分移动的速度中的至少一个。
因此，本发明的教导可用于当有效光斑在曲面上移动时、在物体的弯折部分上移动时、或当有效光斑从物体的第一部分或区域移动到与第一部分或区域成一定角度放置的另一部分或区域时等时,充分控制加热。这可以非常有用，以便例如当被加热的物体是先前在例如压机中成形(例如，热成形)、使得表面具有或多或少带有曲线和/或弯折等的复杂形状的物体时，确保良好的加热质量。这通常是例如金属板材车辆部件的情况。类似地，有效光斑可以根据轨迹的方向“转动”，例如，使得具有更高能量密度的前缘也将在有效光斑遵循的轨迹中的曲线期间和之后保持在有效光斑的头部。在一些实施例中，轨迹是沿着两个部件要彼此连接的界面区域的焊接轨迹。
本发明的另一方面涉及一种用于加热物体的至少一个选定部分的系统，该系统包括
用于支撑物体的装置，以及
用于产生能量束并将能量束投射到所述物体的表面上的装置。
该系统包括用于在至少两个维度上扫描能量束的扫描仪。该系统被布置，例如被编程，用于实施如上所述的方法。在本发明的一些实施例中，系统包括用于通过使扫描仪和/或物体移位来在扫描仪和物体之间产生相对运动的装置。
本发明的另一方面涉及一种对系统进行编程的方法，所述系统包括用于产生能量束的装置和用于在至少两个维度上扫描能量束的扫描仪。在一些实施例中，该系统是如上所述的系统，适合并且适用于执行如上所述的方法。编程方法包括以下步骤：
-对系统进行编程，以指示扫描仪根据第一扫描图案来扫描能量束；
-检测指示不同于所述第一扫描图案的第二扫描图案的数据，所述第二扫描图案是当所述系统按编程操作时所述能量束遵循的扫描图案；
-基于指示第二扫描图案的数据对系统进行重新编程，例如，以便指示扫描仪根据第二扫描图案进行更多的操作。在一些实施例中，扫描仪是检流计扫描仪。在一些实施例中，扫描仪包括被配置成偏转能量束的两个或更多个扫描反射镜或其他反射元件。例如，指示第二扫描图案的数据可以包括源自扫描仪的编码器(例如，指示扫描仪的反射镜或类似物的实际移动的编码器)的数据。
因此，根据该方法，包括扫描仪的系统可以最终以更好地反映扫描仪的实际操作的方式被编程。因此，当操作时，扫描仪可以承受较小的操作应力。这用于将扫描仪在其操作极限(例如，迫使扫描仪以高速遵循包括突变的扫描图案)下操作时倾向于出现的对扫描仪的损坏或操作故障类型的风险最小化。可以尽可能频繁地重复检测指示能量束遵循的扫描图案的数据的步骤以及对系统/扫描仪进行重新编程的步骤，以确保具有扫描仪的系统最终以与其实际操作基本一致的方式被编程，从而将操作应力最小化。已经发现，这种对系统进行编程的方式可以与上述加热方法完全兼容，或者至少与其中一些加热方法完全兼容，包括具有多个瓣叶的操作。措辞“指示扫描仪根据第二扫描图案进行更多的操作”意在表示对扫描仪的新指令比原始指令更好地对应于扫描仪的实际操作。
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。所述附图形成说明书的不可分割的一部分并示出了本发明的实施例，其不应被解释为限制本发明的范围，而应被解释为可如何实施本发明的示例。附图包括以下图：
图1A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1B-1F示意性地示出了在对工件的不同部分进行热处理期间的图1A的系统。
图2示意性地示出了由包括四个瓣叶的扫描图案产生的有效激光光斑。
图3A-3C示意性地示出了当硬化油润滑孔周围的区域时有效激光光斑的能量分布如何被调整。
图4是根据本发明实施例的用于粉末床融合的系统的示意性透视图。
图5是根据本发明实施例的用于焊接的系统的示意性透视图。
图6示出了本发明的实施例，该实施例包括用于相对于经受热处理的物体移位扫描仪的装置。
图7A和7B是示出根据本发明的一个可能的实施例的方法的示意性俯视图，该方法用于沿着部分弯曲的轨迹进行焊接。
图8A-8B是对包括扫描仪的系统进行编程例如以实施本发明的方法的一种可能方式的原理的示意图。
图8C是示出该方法的步骤的流程图。
图9示出了根据本发明的一些实施例可以使用的扫描图案的一个示例。
图10A-10C示出根据本发明的一些实施例可以使用的其他扫描图案。
具体实施方式
图1A示意性地示出了根据本发明的一个可能的实施例的系统，在这种情况下用于对诸如用于车辆的支柱的金属板材物体进行热处理。系统包括激光设备1，用于产生激光束2，以及包括扫描仪3，扫描仪3包括用于在水平(X-Y)平面中二维扫描激光束2的两个反射镜或类似物。在本发明的一些实施例中，用于产生激光束的设备可以是适合于产生具有相对高功率含量(例如1kW或更大)的激光束的设备。合适设备的一个例子是阿帕奇光电(IPGPhotonics)的YLS-6000-CT型镱激光系统，标称功率为6kW。
该系统还包括用于保持或支撑工件100的装置(图1A中未示出)；在所示实施例中，工件用于车身支柱，例如所谓的中柱。例如，支柱或支柱工件可以是具有非常高硬度的工件，如本领域已知的，通过热压金属板材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2被投射到工件上的希望提供降低的硬度的区域中，例如，以建立在冲击的情况下优选发生变形的区域。
传统上，这有时通过将具有一定宽度的激光束一次基本上扫过需要降低硬度的区域(典型地对应于跨越支柱的条带或带)来实现。然而，根据本发明的本实施例，激光束(以及光束投射在工件上的主激光光斑)遵循图1A中示意性示出的具有多个瓣叶的扫描图案以相对较高的速度重复扫描，从而形成图1A中示出为方形的有效光斑21。这是使用扫描仪3实现的。该有效光斑21按照例如跨越支柱的预定轨迹相对于工件100的表面移位；在图1A中，箭头指示有效光斑21能够如何例如相对于工件的表面平行于系统的X轴移位。
有效光斑21根据轨迹的移位同样可以通过扫描仪3来实现，和/或由于扫描仪或相关设备例如沿着轨迹(图1A中未示出)(例如平行于X轴和/或Y轴延伸的轨迹)的移位来实现。也可以通过使工件100相对于扫描仪的位置移位，或者通过这些移位手段的组合来实现。
有效光斑及其二维能量分布可以在有效光斑沿着轨迹移位期间被动态地调整。例如，考虑到图1A，有效光斑的宽度(沿Y轴)可在其跨越工件的移位期间进行调整，使得经受热处理的轨迹的宽度在跨越工件时变化。有效光斑的其它特征也可进行调整，以优化热处理，例如，建立硬度降低的区域，从而提供工件的期望性能(例如，在用于车辆的结构部件的情况下，用以提供在冲击之后的弯曲方面的期望性能)。
图1B和1C示意性地示出了如何调整有效光斑21的宽度以对工件100的两个轨迹或区段100A和区段100B分别进行热处理，这两个轨迹或区段具有不同的宽度并且相对于激光源(即扫描仪)以两个基本不同的角度延伸。图1D和1E示意性地示出了有效光斑能够如何沿着工件的区段(该区段具有沿着轨迹变化的宽度)100B移位，由此例如有效光斑在垂直于其沿着区段的移位(即，垂直于有效光斑所遵循的轨迹)的方向上的宽度能够在该移位期间被动态地调整。图1D和1E示意性地示出了在有效光斑沿着轨迹移动期间能够如何调整二维能量分布，使得有效光斑例如在沿着轨迹的弯曲部分移动时通过调整其在X-Y平面中的取向来使其取向适应轨迹中的曲线。
由于能够使有效光斑内的二维能量分布以及有效光斑的形状和大小进行调整的灵活性，使二维能量分布也适用于复杂的表面(例如在压力机中成形以具有预定三维构造的金属板材工件的表面)是相对容易的。例如，图1F示出了如何应用有效光斑来提供对轨迹的热处理，该轨迹包括用于车辆的支柱的两个部分100A和100B，其中所述两个部分相对于激光源以不同角度布置并且通过弯折100C分开。有效光斑的形状和有效光斑内的二维能量分布—即，投射到所述物体的表面上时沿着和跨越有效光斑的能量分布—可适应于例如待加热区域的宽度、所述待加热区域的三维形状(以便例如考虑弯折100C)、所述区域的不同部分相对于激光光束的取向，等等。
在本发明的一些实施例中，系统可以包括用于沿光轴动态地调整主光斑的大小(例如，以修改二维能量分布和/或有效光斑21的大小)和/或激光光束的焦点的装置5。这使得能够在主激光光斑沿着扫描图案移位时和/或在有效光斑21相对于所述物体的表面移位时控制(例如改变或保持)主激光光斑的大小。例如，当主光斑在所述物体的表面上移动时，光学焦点可适于保持主光斑的大小不变(例如，以补偿扫描仪和所产生的物体上的主激光光斑的位置之间的变化的距离)。例如，在本发明的一些实施例中，用于动态调整激光束的焦点的装置可以包括可从SCANLAB AG(www.scan.de)获得的聚焦单元。
上面讨论的具体实施例涉及金属板材的热处理，但是相同的原理可应用于其它种类的热处理，例如工件的选择性硬化、增材制造、焊接、激光熔覆等。例如，本发明的教导可用于增强现有技术的焊接方法，例如由WO-2018/054850-A1教导的焊接方法。另外，虽然所示实施例使用激光，但是其他实施例可以使用其他种类的能量束。
如上所述，已经发现提供包括弯曲部分或区段的扫描图案通常是可行的，并且优选地，扫描图案在一个区段和另一个区段之间仅有少量或没有尖锐过渡，即，在图案中没有尖锐的“角”。可以优选的是，扫描图案没有或基本上没有点缺少明确的曲线切线。在图2中示意性地示出了这种类型的扫描图案的一个例子，其中通过使主光斑2A沿着包括四个瓣叶221、222、223、224的“四叶三叶草状”扫描图案22移位来产生有效激光光斑21。瓣叶可以具有相同或不同的形状和/或大小。瓣叶的形状、大小、数量和取向，以及其它参数(例如主光斑1A沿着不同瓣叶和/或瓣叶的各部分的速度和/或对应于不同瓣叶和/或瓣叶的各部分的光束的功率水平)，可以用于确定和控制二维能量分布，并且这些参数可以在操作期间被动态地调整。由于主光斑2A所遵循的曲线是光滑的并且没有任何尖锐的弯折或拐角，所以扫描仪所承受的应力可以保持相对低。因此，可以以相对较高的速度执行扫描，而不会达到或接近扫描仪的动态极限，从而也提高了系统的耐久性和可靠性。为了避免有效激光光斑21内的不希望的温度波动，最好以相对较高的频率重复扫描图案。
有效光斑内的能量分布部分地由扫描图案的形状决定，但是其他参数(例如主光斑沿着扫描图案行进的速度)也可以影响能量分布。例如，在与图2所示类似的扫描图案中，其中扫描图案的多个区段围绕扫描图案的中心彼此交叉，优选地，沿着扫描图案中区段彼此交叉或彼此接近的那些部分以比例如在远离所述区域的那些部分(例如，图2所示的扫描图案的前部和后部)更高的速度扫描主光斑2A。
图3A-3C示意性地示出了如何在如WO-2014/037281-A2中所讨论的用于硬化曲轴轴颈的方法的背景中使用本发明。更具体地，图3A-3C示出了扫描图案如何调整以适应油润滑孔。油润滑孔101位于曲轴的轴颈102的表面上，并且所述表面在平行于曲轴的旋转轴线的第一方向上延伸，并且在第二周向方向W上延伸。在图3A中，使用具有功率密度较高的前部和功率密度较低的后部的大致相当于矩形的有效光斑21。这例如可以使用如在图3A的顶部示意性示出的具有四个瓣叶的“四叶三叶草”扫描图案22来实现。例如，由于曲轴绕其纵向轴线旋转，有效光斑21沿轴颈在轴颈的圆周方向移动。
如图3B中示意性示出的，当有效光斑21由于有效光斑和轴颈表面之间的相对运动而接近油润滑孔101时，能量分布基本上通过至少调整扫描图案以减小朝向前部的中心的功率或能量密度来进行调整，从而避免邻近油润滑孔101的区域的过热。这里，有效激光光斑大致上为U形。这例如可以通过如图3B中示意性示出的具有两个瓣叶221和222的扫描图案22来实现。随后，一旦油润滑孔101已经通过有效光斑21的前部，则在前部处的原始能量分布被恢复，而在后部处的能量分布通过减小朝向后部的中心的能量或功率密度来进行调整，以适应油润滑孔101。这里，有效光斑21大致上采用如在图3C的顶部示意性示出的倒U形，该倒U形可以通过基本上倒转图3B的扫描图案获得。
也就是说，当油润滑孔101通过有效光斑21时，通过调整包括扫描图案的参数，以及可选地，调整与扫描图案的不同区段对应的主光斑的速度的其他参数，来调整能量分布。通过这些调整，与施加到远离所述油润滑孔的待硬化的表面的能量相比，可以将更少的能量施加到与油润滑孔相邻的更热敏的区域。油润滑孔周围的区域可以被硬化，而不会伤害邻近油润滑孔的更热敏的子区域；U形有效激光光斑的横向部分用于硬化油润滑孔侧的区域。由于图3A-3C中所示的限定扫描图案的曲线的平滑形状，与现有技术中涉及方向突然改变的扫描图案的解决方案相比，例如当从一个直的区段过渡到另一个直的区段时，可以避免或减少对扫描仪的机械物品(例如扫描镜)突然大幅加速或减速的需要。
图4示出了如何在增材制造的背景下，例如在SLS系统的背景下应用本发明，所述SLS系统用于从以粉末形式供应的构建材料(例如金属粉末)生产物体。系统300包括激光设备1，用于产生如上所述的激光束2，该激光设备包括扫描仪3，该扫描仪3包括用于在水平(X-Y)平面中对激光束2进行二维扫描的两个反射镜或类似物。该系统还包括用于分配构建材料的装置，该装置包括具有顶表面301的台状装置，该顶表面301具有两个开口302，构建材料通过该两个开口302从两个进给盒303进料。在顶表面301的中心有一个附加的开口，该开口与平台304相对应地设置，平台304在垂直方向上(即平行于系统的Z轴线)可移动。粉末从盒303供应并沉积在平台304的顶部。反向旋转的粉末找平辊305用于在具有均匀厚度的层306中分配粉末。
激光束投射到平台304顶部上的构建材料层306上，以在选定区或区域311中熔合构建材料，该区或区域311对应于所生产的物体的横截面。一旦该区域311中的构建材料被熔合，平台被降低与每层构建材料的厚度相对应的距离，使用辊305施加新的构建材料层306，并且重复该过程，这次是根据与新的层相对应的要制造的物体的横截面。
根据本发明的本实施例，激光束(和光束投射在构建材料上的主激光光斑)遵循如在图4中示意性示出的形状为限定四个瓣叶的没有弯折的曲线的扫描图案以相对较高的速度进行重复扫描，从而产生有效激光光斑21，如在图4中示出的方形。显然，可以使用任何其它合适的扫描图案，例如具有不同数目的瓣叶的扫描图案。这是使用扫描仪4实现的。该有效激光光斑21例如与多条平行线平行地按照所限定的轨迹移位。在图4中，箭头指示有效激光光斑21可如何例如平行于系统的X轴进行移位。图4示出了有效激光光斑21在平行于X轴的前次扫描期间，待融合区域311的部分311A如何被融合，而另一部分311B仍在等待被融合。在熔融之后，平台304将被降低，并且将施加粉末状的新的构建材料层。根据轨迹的有效激光光斑21的移位同样可以通过扫描仪3实现，和/或由于扫描仪或相关设备例如沿着轨迹(图4中未示出)(例如平行于X轴和/或Y轴延伸的轨迹)的移位来实现。由于扫描图案的平滑形状，可以在不达到扫描仪的动态极限或不危害扫描仪的耐久性或可靠性及其性能的情况下实现高扫描速度。
图5示意性地示出了根据本发明的一个可能的实施例的用于焊接的系统。在该实施例中，该系统包括用于产生能量束2的设备1和包括用于在水平(X-Y)平面中对光束2进行二维扫描的两个反射镜或类似物的扫描仪3。在本发明的一些实施例中，系统可以包括用于动态地调整主光斑的大小(例如，以修改二维能量分布和/或有效激光光斑21的大小)和/或沿着光轴的光束的焦点的装置5。这使得能够在主光斑沿着扫描图案移位时和/或在有效光斑21相对于界面区域移位时控制(例如改变或保持)主光斑的大小。例如，当主光斑在界面区域的表面上移动时，光学焦点可被调整以保持主光斑的大小不变(例如，以补偿扫描仪和主光斑在界面区域上的位置之间的变化的距离)。
该系统还包括用于保持或支撑待焊接在一起的两个金属部分401和402的装置(图5中未示出)。光束2投射到界面区域403上，在界面区域403中两个部分401和402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。这通过如上所述的通过光束的实际光斑或主光斑的二维扫描产生有效光斑21来实现。该有效光斑21沿图5中的箭头示意性示出的轨迹404扫过，以便熔化如上所述的两个部分的配合部分。通过固化，产生焊缝或接缝405。也就是说，根据本发明的该实施例，遵循具有光滑形状的扫描图案(该扫描图案示意性地示出为四个瓣叶，但可以使用任何其他合适的扫描图案)以相对较高的速度重复扫描光束(和光束投射在界面区域上的主光斑)，从而形成有效光斑21，在图5中示出为方形。这通过使用扫描仪3来实现。例如，如图5所示，该有效光斑21根据轨迹404与系统的X轴平行地移位。
有效激光光斑21沿着轨迹的移位同样可以通过扫描仪3来实现，和/或通过扫描仪或相关设备例如沿着轨迹(图中未示出)(例如平行于X轴延伸的轨迹)的移位来实现。也可以通过例如使部分401和402相对于扫描仪的位置移位来实现。
如上所述，二维能量分布可以适合于要执行的任务的特定条件。例如，可以制造非对称有效光斑以适应两个部分401和402之间的厚度差异，和/或不同的材料(例如，一个部分401可以是一种材料，而另一个部分402可以是另一种材料)。例如，两个部分可以是不同的金属，例如不同的金属合金，并且需要不同的加热来以适当的方式将两个部分焊接在一起，具有高质量的焊缝和/或有效地利用能量。在这种情况下，可以优选非对称能量分布，以便在其中一个部分上与另一个部分上有区别地施加能量。而且，在有效光斑沿着轨迹移位期间，有效光斑及其二维能量分布可以被动态地调整。
图6示意性地示出了根据本发明的一个可能的实施例的加工头(processinghead)500能够如何包括扫描仪3，其中该扫描仪3被布置成相对于诸如要经受热处理的金属板材物体100的物体(在这种情况下是用于车辆的支柱)进行移位。加工头500通过连杆502连接到致动器501。在本发明的这个实施例中，移位基于平行机械手概念。然而，可以使用任何其它合适的加工头移位装置，例如机器人臂等。在本发明的一些实施例中，是被制造的物体相对于加工头进行移位。而且，可以使用这两种方法的组合。在图6中，金属板材工件100由示意性示出的支撑装置503支撑。
图7A和7B示意性地图示了用于在轨迹的直的部分处使用的扫描图案的四个瓣叶221-224能够如何被重新定向和调整以遵循弯曲的轨迹。所示的实施例涉及激光焊接，但是相同的原理可应用于有效光斑必须遵循非直线轨迹的任何其它合适的应用。在图7A和图7B所示的示例性实施例中，具有弯曲的配合部分的两个部分401和402对应于界面区域403沿着包括弯曲部分的轨迹404焊接在一起。如图7A中示意性示出的，在弯曲轨迹的直的部分，扫描图案具有四个瓣叶221-224。在有效光斑21沿着轨迹404的弯曲部分移动期间，有效光斑的径向内部21A处的速度低于径向外部21B处的速度。如在图7B中示意性示出的，可以通过调整或取消径向内瓣叶224来动态地调整二维能量分布以补偿该速度差异。而且，二维能量分布的调整可用于在沿着轨迹的每一点处使有效光斑21与轨迹的方向(即，基本上与弯曲轨迹的切线)适当地对准。
图8A示意性地示出了包括扫描仪3的系统如何被编程以操作扫描仪，使得激光光束2遵循与WO-2015/135715-A1中公开的扫描图案一致的扫描图案22'(在彼此跟随的区段之间方向改变90度)。如上所述，迫使扫描仪相应地以非常高的速度操作可导致扫描仪达到其操作极限。这可能最终导致扫描仪不能严格遵循编程的扫描图案：扫描仪的反射镜的实际移动可能不同于严格编程的反射镜的移动，特别是在将要发生方向上的90度变化的点处，从而导致拐角被圆化。图8B示意性地示出了一个可能的扫描图案22”，当被编程为以高速遵循图8A的扫描图案22'时，激光光束实际上遵循该扫描图案22”。
根据一个实施例，例如通过使用跟踪扫描仪的反射镜的实际移动的解码器来检测实际扫描图案。一旦检测到反射镜遵循的实际移动，相应的数据可以被用于重新编程扫描仪3，以便不是根据原始扫描图案22'，而是根据扫描图案22”，或者根据或多或少相似的扫描图案来操作。以这种方式，可以减小扫描仪所承受的操作应力。该过程可以重复几次，直到在编程的扫描图案和激光光束所遵循的实际的扫描图案之间达到期望的一致性。
图8C的流程图包括第一步骤S1，在该步骤中，系统被编程以使扫描仪(理论上)操作，从而使激光光束遵循第一扫描图案22'，例如仅涉及相对于彼此以90度取向的直的区段的扫描图案。在步骤S2中，系统按程序操作，并收集来自扫描仪3的编码器31的数据，从而确定扫描仪的实际操作，其结果是遵循不同于第一扫描图案22'的第二扫描图案22”。在步骤S3中，这些数据被用于重新编程扫描仪，例如，以指示其遵循第二扫描图案22”或类似的扫描图案。然后，如果需要的话，可以重复步骤S2和S3，直到编程的扫描图案与激光光束遵循的实际扫描图案的差异在一定范围内，计算被认为是方便的。
图9示出了具有四个瓣叶221、222、223、224的扫描图案。该扫描图案是通过根据双轴(X，Y)坐标系设置基本的或原始的图案布局(例如，基于四个样条曲线，每个瓣叶一个样条曲线)的瓣叶的尺寸而创建的。通过参照坐标系定义基本图案布局的多个控制点的位置，已经建立了瓣叶的尺寸和取向。这些控制点的位置在图9表格的“X”列和“Y”列中定义。已经估计或计算了每个区段(定义为两个连续控制点之间的扫描图案的部分)的长度，并在表中的“L”列中指示。在一次扫描期间施加到每个区段的能量由光束功率、扫描速度和区段的长度确定。利用这些数据，可以估计或计算由扫描图案确定的二维扫描所创建的整个有效光斑的能量分布。通过改变一个或多个参数(扫描图案、扫描速度、光束功率……)，可以改变二维能量分布。因此，根据不同的需要，例如针对不同的应用和物体，考虑物体沿着将由有效光斑遵循的轨迹的变化特性(和/或所希望的加热)(例如，要被加热的轨迹的变化宽度，更多热敏部分的存在等)来定制二维能量分布是容易的。可以使用一个或多个基本布局来建立能够在物体的加热期间保持固定和/或动态变化的扫描图案。例如，图9所示的扫描图案适合于建立一有效光斑，该有效光斑的一端对应的能量密度较高，因此当有效光斑沿图9中的箭头所示的方向行进时，在有效光斑的前缘提供较高的能量密度。
图10A-10C示出不同扫描图案22的示例。箭头仅仅指示这种扫描图案可以行进的方向的示例。通过使用基本图案布局，例如基于用于创建李萨若斯图案或类似图案的程序，并通过根据关于图9已经说明的内容确定控制点220相对于坐标系(未示出)的位置，来建立扫描图案。例如，在图10A所示的扫描图案的情况下，当沿箭头所示方向行进时，有效光斑的前缘处的较高能量密度例如可以通过与扫描图案的后部对应的扫描速度比与前部对应的扫描速度更高来获得。如上所述，可以将这些或其他扫描图案中的一个或多个分配给沿着物体(将对应于轨迹进行加热)的轨迹的不同部分，和/或可以将扫描图案上的不同能量分布分配给轨迹的不同部分，例如，以便例如根据图3A-3C中示意性示出的原理，在有效光斑沿着轨迹行进时动态地调整有效光斑的二维能量分布。
应当注意的是，上面讨论并在相应附图中示出的不同的特定扫描图案绝不是用于表示对于所描述的目的是足够的或优化的扫描图案。它们仅旨在示意性地说明使用根据本发明的扫描图案并根据在每个特定时刻选择的特定二维能量分布来调整它们的概念，以便以期望的方式产生加热。本领域技术人员通常将使用仿真软件和试错方法来选择合适的扫描图案。在本文中，术语“包括”及其派生(例如“包含”等)不应理解为排除意义，即，这些术语不应被解释为排除所描述和定义的内容可以包括其他元素、步骤等的可能性。
另一方面，本发明显然不限于这里描述的具体实施例，而是还包括本领域技术人员可以考虑到的在如权利要求书中限定的本发明的一般范围内的任何变型(例如，关于材料、大小、部件、构造等的选择)。

Claims (20)

1.一种用于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(2)投射到所述物体(100；102；306；401,402)的表面上，以便在所述表面上产生主光斑(2A)，并根据扫描图案(22)在二维上重复扫描所述光束，以便在所述表面上建立有效光斑(21)，所述有效光斑具有二维能量分布；
使所述有效光斑(21)相对于所述物体(100)的所述表面移位，以逐渐加热所述物体的所述至少一个选定部分；
其中，所述扫描图案包括多个互连的弯曲区段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述扫描图案的所有点对应地定义所述扫描图案(22)的切线。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述扫描图案不包括任何直的区段。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述扫描图案包括弯曲区段和直的区段，并且其中所有弯曲区段的总长度大于所有直的区段的总长度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扫描图案(22)包括至少一个点，所述扫描图案的一个区段与所述扫描图案的另一个区段在所述点处交叉。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对应于与另一个区段交叉的至少一个第一区段，所述光束沿着所述第一区段的移动速度在所述第一区段与所述另一个区段交叉的第一点处比在远离所述第一点的第二点处高。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扫描图案包括多个瓣叶(221、222、223、224)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述扫描图案包括至少三个瓣叶。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，当所述有效光斑(21)相对于所述物体的所述表面移位时，所述瓣叶的数目和/或所述瓣叶的形状是变化的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扫描图案包括样条曲线或由样条曲线组成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述有效光斑(21)的所述二维能量分布在所述有效光斑(21)相对于所述物体的所述表面的位移期间被动态地调整。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述有效光斑(21)的所述二维能量分布的调整通过以下方式执行：
-调整所述光束(2)的功率，例如通过选择性地接通和关断所述光束来进行调整，和/或
-调整所述扫描图案，和/或
通过调整所述主光斑(2A)沿所述扫描图案的至少一部分移动的速度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光束的焦点和/或所述主光斑的大小在所述主光斑(2A)沿着所述扫描图案的位移期间和/或在所述有效光斑(21)相对于所述物体的所述表面的位移期间被动态地调整。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在将所述能量束(2)投射到所述物体的表面上之前的步骤：
a)建立多个扫描图案(22)；以及
B)将所述扫描图案中的不同扫描图案分配给将由所述有效光斑(21)在所述物体的所述表面上遵循的轨迹的不同部分；
其中，使所述有效光斑(21)相对于所述物体的所述表面移位以逐渐加热所述物体的所述至少一个选定部分的步骤包括：使所述有效光斑沿着所述轨迹移位并改变所述扫描图案，使得在所述轨迹的每个部分处，所述有效光斑(21)由遵循分配给所述轨迹的相应部分的所述扫描图案(22)的所述光束产生。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过以下步骤建立至少一个扫描图案：
-指定多个控制点；
-以由所述控制点定义的样条曲线的形式建立扫描图案；
-可选地，将不同的参数值分配给所述曲线的不同部分，所述参数值指示与所述曲线的相应部分相关的激光功率和/或扫描速度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中
-所述主光斑根据所述扫描图案以第一平均速度在所述物体的所述表面上移位，并且其中所述有效光斑相对于所述物体的所述表面以第二平均速度移位，所述第一平均速度实质上高于所述第二平均速度，例如至少是所述第二平均速度的5倍、10倍、50倍或100倍；
和/或
-其中根据所述扫描图案扫描所述光束，使得所述光束以大于10Hz、优选大于25Hz、更优选大于100Hz的频率重复所述扫描图案；
和/或
-其中所述有效光斑(21)的大小为所述主光斑的大小的4倍以上，优选为所述主光斑的大小的10倍以上，更优选为所述主光斑的大小的25倍以上。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述能量束(2)是激光光束。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述有效光斑(21)相对于所述物体(100)的表面移位期间，响应于所述能量束(2)与被所述有效光斑(21)加热的所述物体的所述表面的一部分之间的角度的至少一个变化，和/或响应于所述主光斑遵循的轨迹的方向的至少一个变化，动态地调整所述有效光斑(21)的所述二维能量分布。
19.一种用于加热物体(100)的至少一个选定部分的系统，所述系统包括
用于支撑物体的装置(4)，以及
用于产生能量束(2)和将所述能量束投射到所述物体的表面上的装置；
其中所述系统包括扫描仪(3)，所述扫描仪(3)用于在至少两个维度上扫描所述能量束；以及
其中，所述系统被布置成执行根据前述权利要求中任一项的方法。
20.一种对系统进行编程的方法，所述系统包括用于产生能量束的装置和用于在至少两个维度上扫描所述能量束的扫描仪(3)，所述方法包括以下步骤：
－对所述系统进行编程(S1)以指示所述扫描仪(3)根据第一扫描图案(22')扫描所述能量束；
－检测(S2)指示与所述第一扫描图案(22')不同的第二扫描图案(22”)的数据，所述第二扫描图案(22”)是当所述系统按编程操作时所述能量束(2)遵循的扫描图案(22”)；
－基于指示所述第二扫描图案(22”)的数据，对所述系统重新编程(S3)。
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