用于金属片材的热处理的方法和系统与流程

本发明涉及金属片材的热处理，例如在金属制品中使用或用于金属制品的金属片材，例如用在车辆、诸如机动车辆的结构化部件中。

背景技术：

本领域已知使金属经受热处理。例如，本领域公知的是通过如下处理使诸如钢(例如，中碳钢)的铁质材料硬化：将材料加热至高的温度，该高的温度低于材料的熔融温度)；随后，对材料淬火，即使得材料足够迅速地冷却以形成硬马氏体。加热可以在炉中进行或通过感应加热进行，而冷却可以通过施加冷却流体、诸如水或混合有其它组分的水来进行。还已知使用激光来执行一些硬化过程，例如，与复杂产品、诸如曲轴相关的硬化过程。曲轴具有复杂表面，并且对使用中的耐磨性具有非常高的要求。例如，wo-2014/037281-a2解释了激光射束如何可用于曲轴的轴颈的表面的硬化，而又不会对油润滑孔的邻近区域产生过热。

还已知对金属片材和金属片材部件施加热处理，以便例如在硬度、刚度、柔软度和/或延展性方面为它们提供期望的性质。例如，在机动车辆领域中，已知用金属片材生产许多部件，包括车身的结构化部件，诸如支柱、轨道和底板摇杆，并且制造步骤通常包括用于热处理的步骤，用以在硬度、柔软度、延展性方面为部件提供期望的特性。通常，这些特性选取为提供在碰撞的情况下的期望性能，以便最小化对车辆的乘客造成严重伤害的风险。

de-102013008494-a1公开了一种用于生产金属车辆部件的方法，该方法包括如下步骤：在第一加热工位中，局部加热金属片材工件；在第一成形工位中，使用用于工件冷成形的工具使工件成形；以及在第二加热工位中，加热所成形工件，以为所述工件提供期望的机械特性。结果表明，由此可以提供用于车辆的高强度部件，这些部件的特征在于其延展性至少在一些区域中因在第二工位中的加热而得到增强。为在碰撞情况中提供足够的性能，这是期望的。

de-102011118285-a1同样公开了对金属车辆部件的热处理，更具体地，是对铝合金的半成品或成品进行热处理，以便提供在碰撞情况中的期望性能。这是通过使成品或半成品在选定区域中经受热处理以增加该区域中的延展性来实现。de-102011118285-a1建议通过感应加热，但也提到使用激光器或气体燃烧器进行加热的选项。

de-102011054866-a1解释了在本领域中已知的如何通过使工件热成形，来生产高强度钢部件，由此将工件加热到奥氏体化温度以上，在压力机中成形，并且冷却淬火。结果表明，高的强度会致使难以对硬化物体上进行进一步的操作，诸如建立穿孔。de-102011054866-a1通过如下方式解决该问题：执行成形步骤，使得某些区域突出，然后可以在单独的步骤中移除突出部分。

ep-2570205-a1教导了金属片材或板式片材如何在压力机中成形为具有允许选定的加热和/或冷却的布置，诸如在硬度和/或延展性方面为成形物体的选定区域提供期望的特性。

us-8847126-b2教导了热压和硬化，其中通过使用电磁辐射来加热，以及应用板构件来屏蔽、吸收和/或反射所施加的电磁波，使不同区域被不同地加热。

us-8480163-b2教导了设有两个弱部分的车辆中心支柱。其说明，这能够通过避免对这些部分淬火而获得。这可以通过在制造期间调整冷却水冷却构件的不同部分的方式来实现。

us-7070228-b2涉及一种冲压成形制品，诸如中心支柱等，该制品具有特征在于不同硬度水平的区域。us-7070228-b2专注于感应硬化。

在金属片材产品的领域中，在成形阶段硬化金属片材似乎是众所周知的，以在产品的不同选定部位、区域或部分中提供不同的且选定的硬度水平。然而，这似乎经常需要对使用的器械或硬件的复杂设计，并且需要例如在以不同硬度为特征的区域或部分的分布方面修改产品及其特性，这通常需要明显改变使用的硬件。

us-2002/0069945-a1教导了一种制造用于汽车车身构造的结构化零件的方法，该方法包括通过感应加热及随后冷却进行硬化。

us-2012/0237387-a1教导了如何使用例如激光为钢构件提供较小机械阻力的部分。

us-8272681-b2教导了可如何将轮廓部件设置为一些区域被硬化，而其它区域不被硬化。其中建议，使用激光对于金属片材半成品的相对较小的空间定界区域的加热是有用的。

de-102004023579-a1教导了加热硬钢部件以产生更软区域，以便允许在组装部件时，使用诸如焊接的常规组装方式。可以使用激光器以产生加热。

us-2010/0086803a-a1教导了如何使用激光射束来对热成形且加压硬化的金属部进行热处理，以便促进弯折。

wo-2012/156084a-a1教导了一种用于热处理特别是用于机动车辆的、可硬化的金属片材部件的方法。该方法包括：在成形工具中对金属片材部件进行加压硬化，从所述成形工具中移除金属片材部件，以及通过使用激光射束对金属片材部件的预定子部位局部地回火，而形成所述金属片材部件的局部限定的软部位。

de-102010049330-a1教导了车辆的轮廓部件如何成形，以及它们随后如何用激光而经历热处理，其中通过加热且然后冷却而硬化这些部分。

ep-2541093-a1和ep-2565489-a1涉及使用激光对车辆中的冲击吸收构件进行热处理。

jp-6-226479-a讨论了前支柱部分和中心支柱部分的对接焊接等。软化的部分通过在金属片材的周边部分附近使用激光射束进行软化处理来提供。

us-8555507-b2教导了如何通过激光热处理，为通过热冲压形成的刚性车辆部件提供具有较低刚度的部位，从而改进碰撞吸收性能。

wo-2012/025171-a1同样涉及使用激光或感应加热对车辆的型材部件进行热处理。

ep-2561946-a1教导了使用二极管激光射束，将热冲压的车辆部件中的局部化区转换成在碰撞情况下的能量吸收区。

fr-2825375-a1教导了使用感应或二极管激光，对结构化金属片材进行局部硬化。

在金属的传统激光热处理中，激光射束通常在要处理的区域上扫描一次。在上述文献us-2012/0237387-a1的图7中示出了典型示例，其中钢板相对于激光源移动，使得建立多个经热处理的轨道，且宽度对应于激光射束的宽度。

ep-1308525-a2和us-4797532-a教导了如何通过将待加热的表面和激光射束在一个方向上的相对运动与在垂直于所述第一方向的另一个方向上的前后运动组合，使得投射的激光光斑在工件的表面上跟随正弦曲线或曲折的路径，可以实现比激光射束的宽度宽得多的轨道的激光加热。

在us-2005/0237895-a1中提出了类似的内容。

另一方面，ep-0965516-a1在第五轮板的选定部分的激光硬化的背景下，教导了使用光学器件来建立激光射束的期望横截面，包括在横截面上的功率的分布。

de-3905551-a1在曲轴的硬化的背景下，教导了使用光学器件来使激光射束的横截面上的功率分布适应被硬化的表面的几何结构。

在热处理金属片材物体的背景下，包括平坦的金属片材件或板、从辊供应的金属片材，以及使用例如热或冷冲压工艺和工具从金属片材成形的物体，被加热的部位有时布置为具有基本恒定宽度的带或条。这适用于硬化以及回火，例如，对预先硬化的物体进行回火，以建立其中材料更软和/或更具延展性的选定区域。然而，即使如此，以相同的方式加热整个轨道可能是次优的，例如在轨道的起始及结尾处，其中由于热传导，冷却不同于在轨道的中部的冷却。这同样适用于在工件的表面构造中存在变化的情况，例如由于存在突起、弯曲、孔等。此外，当使用能量射束加热物体时，例如由于物体的形状、诸如由于存在弯曲、弯折、相对于彼此以一定角度布置的部分等，在射束与被加热的表面部分之间的角度的变化可能引起热处理的困难或次优质量。

us-2009/0272464-a1涉及晶粒取向的电气片材，并且讨论了激光烧制以引入用于磁畴控制的残余应力。

us-2003/0132208-a1讨论了激光微机械加工，其采用快速转向镜以将具有一聚焦光斑尺寸的激光光斑以期望图案在基板上移动，以移除基板上的、比聚焦光斑尺寸大的目标区域。

技术实现要素：

本发明的第一方面涉及一种用于对金属片材物体进行热处理的方法，该方法包括使用能量射束加热物体的至少一个选定部分的步骤；

其中所述射束被投射到物体的表面上以在物体上产生主光斑，所述射束根据第一扫描图案在二维上重复扫描，以便在物体上建立有效光斑，所述有效光斑具有二维能量分布，并且

其中所述有效光斑相对于物体的表面移位，以逐渐加热物体的所述至少一个选定部分。也就是说，在一给定时刻，通过主光斑的二维扫描产生的有效光斑加热所述选定部分的部分，并且有效光斑在物体的表面上移位，直到该选定部分已经如期望地被加热。

金属片材物体可以是任何种类的金属片材物体，这些物体包括来自辊的金属片材的一部分、用于在稍后阶段成形为特定金属片材物体或工件的金属片材坯料、已经使用例如冷冲压/成形或热冲压/成形在例如压力机或工具中成形的金属片材部件、包括有通过例如焊接、螺钉、螺栓或其它手段等互连的一个或多个金属片材部分及可选地其它元件的部件。

在本发明的许多实施例中，能量射束是电磁辐射的射束，例如是激光射束。可以使用例如wo-2014/037281-a2中描述的任何技术来创建和调整有效光斑，该文献通过引用并入本文。而wo-2014/037281-a2的描述主要集中于曲轴的轴颈的激光硬化上，并且在很大程度上集中于避免油润滑孔的相邻区域的过热的具体问题，已经发现，其中公开的关于激光射束扫描的原理也可以应用于金属片材的热处理，包括诸如选择性地减小预先硬化的工件的部分的硬度-例如，通过回火-的任务。虽然传统上，已经认为使用常规的热处理方式，诸如在待加热表面的一部分上简单地扫描能量射束，是足够的，但是当提到对金属片材的诸如局部硬化和/或回火的热处理时，发现本发明在灵活性、控制和速度方面提供了改进。

有效光斑相对于金属片材物体的表面的移位可以根据第二扫描图案来执行。也就是说，实际/主光斑、即在任何给定时刻由射束产生的光斑根据第一扫描图案扫描，以产生有效光斑，并且该有效光斑可以根据第二扫描图案移位。因此，组合或覆盖了两种类型的移动：主光斑根据第一扫描图案的移动，以及有效光斑根据第二扫描图案的移动，其在本发明的一些实施例中可以是简单的直线。

术语“二维能量分布”是指例如在射束沿着第一扫描图案的一次扫描期间，能量射束施加的能量在有效光斑上的分布方式。当有效光斑投射到非平面部分或部位、诸如弯曲部分或部位诸如弯折构造的部分或部位时，术语“二维能量分布”指能量沿着且横跨物体表面的分布方式，即，指射束在投射到物体表面上时，沿着且横跨有效光斑的能量分布。

由于有效光斑可以具有相当大的尺寸，诸如，例如大于主光斑的尺寸(面积)的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍，本发明允许对金属片材表面的大部分部位进行相对快速的加热。因此，与仅使主光斑在整个区域上例如跟随正弦曲线或曲折的图案或跟随直线移位以执行加热相比，将金属片材物体的一定区域或部位就温度和持续时间而言加热到期望的程度能够更迅速地完成。使用具有相对较大面积的有效光斑允许高生产率，同时仍然允许表面的一个或多个相关部分被加热相对大量的时间，从而在不损害生产率的情况下允许例如不太侵蚀性的加热。

主光斑的面积可以比有效光斑的面积小得多。例如，在本发明的一些实施例中，至少在过程中的一部分期间，主光斑的尺寸小于4mm²，诸如小于3mm²。在过程期间，主光斑的尺寸可以修改，以便就质量和生产率而言，优化对物体的每个具体部分的热处理的方式。

另一方面，使用通过根据第一扫描图案在二维中重复地扫描主光斑而产生的有效光斑，使得可以建立具有选定的二维能量分布的有效光斑，该二维能量分布基本独立于所使用的具体光学器件(透镜、反射镜等)，并且该二维能量可以从不同视角、包括热处理的完成速度(例如，以cm²/分钟计，或以终结单元/小时计)和质量来修剪和调整，用以提供对金属片材的增强的或优化的加热。例如，热可以分布成使得有效光斑的前部的能量密度比尾部高，从而增大达到期望的表面温度的速度，而尾部可用以维持加热足够的时间以达到期望的深度和/或质量，从而优化有效光斑能够相对于物体表面移位的速度，同时又不放弃热处理的质量。此外，例如根据物体的特性，可以关于有效光斑的侧面对二维能量分布进行调整，以便在因热传递而冷却较慢的、物体边缘或物体中开口的附近区域中施加较少热，或在例如由于最近已发生加热而已经构建有相对高温度的部位中施加较少热。此外，例如可以根据物体的三维形状来调整有效光斑，以使加热适应于物体中被加热部位的弯曲部、宽度等，且适应于物体中被加热部分的构造。可以在需要时，对有效光斑的形状和/或二维能量分布进行调整，从而使过程在任一给定时刻适应于物体中待加热的具体部分。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，所述二维能量分布可以根据物体上的相应的照射部位而变化。在本发明的一些实施例中，可以考虑到在产品的不同区域中的期望产品特性，例如对硬度、刚度、柔软性、延展性等的不同要求，而改变二维能量分布。

另外，就例如系统适应于不同待生产物体而言，使用通过在二维上扫描主光斑产生的有效光斑增大了灵活性。例如，可以减少或消除对替换或调整所涉及光学器件的需要。至少部分地通过仅调整控制主光斑的扫描且因此控制有效光斑的二维能量分布的软件，可以更频繁地进行调整。

表述“第一扫描图案”并不意味着，在产生有效光斑时主光斑必须始终跟随同一扫描图案，而仅旨在将用于产生有效光斑的、主光斑的扫描图案与有效光斑相对于经历热处理的物体移位或扫描的图案区别开来；有效光斑跟随的扫描图案常常被称为第二扫描图案。

在本发明的许多实施例中，主光斑根据第一扫描图案移位的速度或平均速度明显高于有效光斑相对于物体表面移位的速度。主光斑沿第一扫描图案的高速度降低了在主光斑沿着第一扫描图案的每次扫描期间，在有效光斑内的温度波动。

在与金属片材的热处理相关的已知现有技术系统中，每一时刻被加热的部位基本对应于射束投射到表面上的主光斑。也就是说，在现有技术布置中，每一时刻被加热的部位的尺寸大致对应于主光斑的尺寸，并且被加热的轨道的宽度大致对应于主光斑的、在与主光斑的移位方向垂直的方向上的宽度，而该宽度又由激光器和所使用的光学器件确定。

当然，本发明并不排除以常规方式执行用主光斑操作的热处理的一部分的可能性。例如，主光斑可以移位，以对应于要加热的区域的外形或轮廓执行加热，或执行对被加热物的一些细节部的加热，而上述有效光斑可以用来对表面的其它部分或区域执行加热，例如要加热的区域的内部或主要部分。技术人员将根据一些方面，诸如生产率以及对仔细修整要加热区域的轮廓或正经历热处理的物体的某一部分的需要，来选择将使用有效光斑而非使用主光斑来执行加热的范围。例如，可以使用主光斑来勾勒要加热的区域，而有效光斑用于加热所勾勒的区域内的表面。在本发明的一些实施例中，在该过程期间，可以修改第一扫描图案以减小有效光斑的尺寸，直到有效光斑最终对应于主光斑，以及反之亦然。

也就是说，不需要使用有效光斑来执行在物体的热处理期间必须发生的所有加热。然而，使用上述有效光斑执行热处理中的至少一部分处理。例如，优选的是，在射束施加到金属片材物体期间的时间中的至少50％、70％，80％或90％期间，施加射束以建立如上所述的有效光斑，也就是说，通过根据第一扫描图案反复地扫描主光斑。

在本发明的一些实施例中，在有效光斑相对于物体表面的移位期间，动态地调整有效光斑的二维能量分布。因此，可以完成使有效光斑适应于当前被加热物体的部位或区域的调整。表述“动态调整”旨在表示事实：在有效光斑的移位期间，动态可以动态地发生。可以使用不同的手段来实现这种动态调整，其中一些手段在下面提到。例如，在本发明的一些实施例中，可以操作扫描系统以实现所述动态调整(例如，调整电反射镜或其它扫描装置的操作，以便修改第一扫描图案和/或主光斑沿着扫描图案或沿着其一个或多个部段或部分的速度)，和/或可以调整主光斑的射束功率和/或尺寸。开环或闭环控制可以用于控制所述动态调整。所述动态调整可以影响能量在有效光斑的给定部位内的分布方式，和/或有效激光光斑的实际形状，并因此影响在任一给定时刻被加热的部位的形状(忽略主光斑正移动的事实，仅考虑有效光斑)。例如，在该过程期间，可以动态调整有效光斑的长度和/或宽度。

在本发明的一些实施例中，调整射束的功率，例如通过选择性地接通和关断射束，而执行对有效光斑的二维能量分布的调整。这包括在射束的源处中断射束，及其它选项，诸如，通过例如用挡板干涉射束的路径来中断射束，以及它们的组合。例如，当使用诸如光纤激光器的激光器时，可以非常快速地接通和关断激光射束，从而使得可以通过在跟随扫描图案的情况下接通和关断激光射束，获得期望的能量分布。因此，可以在扫描图案的一些线或线的一些部分期间，通过接通激光射束来实现加热。例如，可以采用像素化方案，根据该方法，在第一扫描图案的不同部分或部段期间，通过激光器的通/断状态来确定二维能量分布。

在本发明的一些实施例中，通过调整第一扫描图案，实现有效光斑的二维能量分布。

在本发明的一些实施例中，通过调整主光斑沿着第一扫描图案的至少一部分的移动速度，来执行有效光斑的二维能量分布的调整。

也就是说，通过调整例如射束的功率，例如通过在不同功率状态之间切换，诸如在通断之间切换；和/或通过调整扫描图案，例如，添加或留空部段，或修改部段的取向，或者将图案完全改变为另一图案；和/或通过调整射束沿着扫描图案、诸如沿其一个或多个部段的移动速度，可以调整所述二维能量分布。在调整所述二维能量分布的不同手段之间的选择可以是基于一些情况进行，诸如设备在射束功率状态之间快速改变的能力，以及基于扫描器修改将要跟随的图案和/或修改主光斑沿着扫描图案的移动速度的能力。

在本发明的一些实施例中，在主光斑沿着第一扫描图案的移位期间和/或在有效光斑相对于所生产物体的移位期间，动态地调整射束的焦点。例如，当使用激光射束时，沿着光轴的激光焦点可以在过程期间被动态地修改，例如，以便在主激光光斑沿着第一扫描图像移位的同时和/或在有效激光光斑相对于物体表面移位的同时，改变或维持主激光光斑的尺寸。例如，可以调整光学焦点，使得在主光斑在物体表面上移动的同时维持主光斑的大小恒定(例如，为补偿激光源或扫描器与主激光光斑在物体表面上的位置之间的变化的距离)。

在本发明的一些实施例中，在主光斑沿着第一扫描图案的移位期间和/或在有效光斑相对于物体表面移位期间，动态地调整主光斑的尺寸，以便修改有效光斑的二维能量分布和/或尺寸。

在本发明的一些实施例中，在该方法的至少一个阶段期间，有效光斑包括的前部比有效光斑的尾部具有更高的能量密度(当期望快速到达某一温度，且之后提供足够的能量输入以例如以将材料保持在所需温度下一定时间量时，这一布置是优选的)，或者有效光斑包括的前部比有效光斑的尾部具有更低的能量密度(当期望在使材料达到某一温度之前首先对材料预热一段时间时，该布置可以是优选的)。在本发明的一些实施例中，有效光斑包括的中间部比有效光斑的前部和尾部具有更高的能量密度。在本发明的一些实施例中，有效光斑具有大致均一的能量分布，其中在整个有效光斑上具有大致恒定的能量密度。

如上所述，可以在执行该方法的同时动态地调整所述二维能量分布，例如以使所述二维能量分布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，主光斑沿着第一扫描图案的中间速度或平均速度大致高于有效光斑相对于物体表面移位的中间速度或平均速度。例如，主光斑沿着第一扫描图案的平均速度优选地是有效光斑相对于物体移位的平均速度的至少十倍高、更优选地至少100倍高。主光斑的高速度降低了在主光斑沿着第一扫描图案的一次扫描期间，在有效光斑内的温度波动。

在本发明的一些实施例中，射束根据所述第一扫描图案扫描，以使所述射束以大于10、25、50、75、100、150、200或300hz的频率(即，所述扫描图案的每秒重复数)重复所述第一扫描图案。在各扫描循环之间，即在射束在沿着第一扫描图案的每次扫描之间，高的重复率可以适合于降低或防止在有效光斑加热的部位中的不期望温度波动。在本发明的一些实施例中，第一扫描图案保持恒定，而在本发明的其它实施例中，在射束沿第一扫描图案的一些或全部扫描之间，修改第一扫描图案。

在本发明的一些实施例中，有效光斑的尺寸(即，面积)，诸如有效光斑在过程期间的平均尺寸或有效光斑在该过程中的至少一个时刻期间的尺寸，诸如有效光斑在该过程中的最大尺寸，大于主光斑的尺寸的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的尺寸的主光斑来产生具有大于10mm²、例如大于50或100mm²或更大的尺寸的有效光斑。在过程期间，有效光斑的尺寸可以动态修改，但为提高生产率，大的平均尺寸通常可以是优选的，并且在该过程中的至少一部分期间，大的最大尺寸对于提高生产率会是有用的。

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，第一扫描图案是包括多条线的多边形扫描图案。例如，第一扫描图案可以诸如三角形、正方形或矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等的多边形。所述多边形不需要是完美的多边形，例如在一些实施例中，构成多边形的线可能或多或少地弯曲，并且在这些线相交处的、多边形的边缘可以被圆化，等等。

在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括多条线，诸如多条直线或曲线，在本发明的一些实施例中，这些直线或曲线布置为大致相互平行。在本发明的一些实施例中，这些线有两条、三条、四条或更多条。

在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括至少三个部段，并且能量射束的所述扫描被执行为使得所述射束或光斑跟随所述部段中的至少一个部段比它跟随所述部段中的至少另一部段更为频繁。这种布置是有利的，因为它增强了可以使用扫描图案来提供足够的且(在需要时)对称的或大致对称的能量分布的灵活性和方式。例如，一个所述部段可以在射束在两个其它部段之间移动时用作射束所跟随的路径或桥接部，以便由射束投射的光斑在第一扫描图案的不同部分(例如，终点和起点)之间的传送可以将扫描图案的部段(诸如，中间部段)用于传送来执行，据此通常可以在不关断射束且不会使二维能量分布的对称性(当期望这种对称性时)失真的情况下进行传送。

在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括沿第一方向彼此前后分布的至少三条大致平行的直线或曲线，所述线大体沿第二方向延伸，其中所述至少三条线包括在所述第一方向上一条接一条布置的第一线、至少一条中间线和最后线，其中射束的所述扫描被执行为使得所述射束或光斑跟随所述中间线比所述射束跟随所述第一线和/或所述最后线更频繁。也就是说，例如，射束平均而言跟随所述中间线的频率可以是它跟随所述第一线和所述最后线的频率的两倍，例如，在每次射束从第一线朝最后线移动时，它可以沿着中间线行进，反之亦然。也就是说，当投射斑点在第一线与最后线之间移动时，一条或多条中间线可以用作由投射斑点跟随的一种桥接部。

已经发现，这种布置是实用的且易于实现，并且已经发现，通常可以通过调整扫描速度并且基本上不调整射束的功率来获得足够的能量分布。也可以在扫描期间修改射束的功率，以便修整能量分布，但是功率的快速切换并不总是可能的或能够期望的，并且使得射束、诸如激光射束在扫描周期中的大部分期间处于低功率水平或关断可能意味着对设备能力的次优化使用，这在将设备、诸如激光设备用于金属片材物体的热处理时会是严重的缺点。因此，常常期望以射束完全处于接通状态来进行操作，以充分利用可用功率。

常常期望使用以这种方式布置的三条或更多条线，即这些线在不同于、诸如垂直于这些线的延伸方向的方向上彼此前后布置，以便不仅在沿着所述线的方向上、而且在其它的方向上实现有效光斑的大量延伸，以便使有效光斑足以将足够宽的部位加热到足够高的温度，并且在充足的时间上将该温度维持在一个或多个期望水平，同时允许有效光斑以相对高的速度行进，从而允许高生产率。因此，有效光斑在两个维度上的大量延伸通常是有利的。

在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括至少三条大致平行的线或部段，这些线或部段在第一方向上、诸如在有效光斑在过程期间的行进方向上彼此前后分布，所述线沿第二方向、诸如沿第一方向的垂直方向延伸。在本发明的一些实施例中，所述至少三条线包括在所述第一方向上彼此前后布置的第一线、至少一条中间线和最后线，并且射束扫描被执行为使得投射的光斑沿着所述线根据一序列扫描，根据该序列，所述光斑在跟随所述第一线之后，依次跟随所述中间线、所述最后线、所述中间线和所述第一线。

上述定义并不意味着扫描必须以第一线开始，而是仅表明射束跟踪或跟随扫描图案的上述线所根据的顺序。而且，它不排除在跟随以上指示的一些线或全部线的中间(诸如之前或之后)，射束可以跟随其它的线，诸如将第一线、最后线和中间线互连的线，和/或附加的中间线。

也就是说，在这些实施例中，在沿着第一线移动之后，射束通常跟随所述中间线两次，之后再次沿着第一线移动。尽管更为直接的方法可能是执行扫描，使得在所述最后线之后，射束及其投射的光斑直接返回到所述第一线，但是已经发现，根据本发明的这些实施例所跟随的顺序适于实现围绕在所述第一方向上延伸的对称轴线的对称能量分布。

在本发明的一些实施例中，扫描图案包括多条所述中间线。这些线的数目可以由操作员或过程设计者或设备设计者根据例如由射束投射的主光斑的尺寸以及有效光斑例如在第一方向上的期望延伸来选择。例如，在一些实施例中，线的最小数目可以是三条线，但是在许多实际实施方式中，当对第一线、最后线和中间线进行计数时，可以使用更大数目的线，诸如四条线、五条线、六条线、十条线或更多条线。在本发明的一些实施例中，修改线的数目以修改能量分布，同时有效光斑沿着要发生对金属片材材料的加热的表面区域行进。

在本发明的一些实施例中，主光斑沿着所述至少一条中间线以比沿着所述第一线和最后线以更高的速度移位。这通常是优选的，以便至少在过程的一部分或大部分期间，在所述第一方向上实现足够的能量分布。当沿着中间线移动时，或者至少当沿着中间线中的一条或一些线移动时，射束的更高速度补偿这一事实：射束沿着所述中间线移动的频率是它沿着第一线和最后线移动的频率的两倍。例如，在本发明的一些实施例中，主光斑沿着中间线的速度可以是主光斑沿着第一和/或最后线的速度的大约两倍。对于不同的中间线，速度可能是不同的。可以根据在第一方向上的期望能量分布来选择针对每条线的速度。现在，有效光斑沿着扫描图案的不同线或部段的移动速度可以在有效光斑沿着要发生对金属片材材料的加热的区域行进的情况下被动态地修改，例如用以调整能量分布以最优化进行该过程的方式，例如以便提高例如硬化和/或回火的产品质量。

在本发明的一些实施例中，扫描图案还包括沿所述第一方向在第一线的端部、最后线的端部和中间线的端部之间延伸的线，从而当主光斑在所述第一线、所述中间线和所述最后线之间移动时，主光斑跟随在所述第一方向上延伸的线。在本发明的一些实施例中，至少在过程中的一部分期间，主光斑沿着在第一方向上延伸的所述线的移位速度比沿着所述第一线和所述最后线的移位速度高。

在本发明的一些实施例中，射束沿着所述第一扫描图案移位，而不接通和关断射束和/或同时维持射束的功率基本恒定。这使得可以高速地执行扫描，而不考虑设备、诸如激光设备的能力，以在不同功率水平之间、诸如在通断之间切换，并且使得可以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，它提供对可用输出功率的有效利用，即对设备在功率方面的能力的有效利用。

在本发明的一些实施例中，能量射束是激光射束。由于合适扫描系统的、诸如成本、可靠性和可用性的问题，激光射束通常是优选的。在本发明的一些实施例中，至少在过程中的部分期间，激光射束的功率高于1kw，诸如高于3kw，高于4kw，高于5kw或高于6kw。传统地，当扫描主激光光斑以逐渐加热待热处理的区域时，经常使用具有相对较低输出功率的激光器。例如，在上述ep-1308525-a2中，建议600w的射束功率。这是因为在该现有技术的参考文献中，在一定时刻加热表面部分的激光光斑对应于具有相对小的表面面积的主光斑。因此，为避免过热，较低功率输出会是优选的。根据本发明，激光器的功率可以分布在表面面积明显大于主激光光斑的表面面积的有效激光光斑上。也就是说，以现在的方法，基于创建更大的有效激光光斑，可以使用更高功率，从而可以提高生产率。

在本发明的一些实施例中，第一扫描图案可以根据wo-2014/037281-a2的教导(例如，根据与其图9-11相关的教导)来实现。

在本发明的一些实施例中，该物体是车身部件，诸如结构化部件，例如支柱，诸如所谓的b柱或中心支柱。上述方法对促进优化对车辆部件的选定部分的加热是有用的，例如用以使一些区域硬化，或使一些部位回火。例如，使用本发明的方法，先前硬化的物体或部位的一个或多个部分可以被软化，也就是说变得不那么硬。该方法使得可以轻松地修整发生加热的方式，从而优化该方式，并使该方式适应于具体产品及产品的期望特性，而不需要任何复杂光学器件。基本上，可以通过调整软件，特别是控制使激光射束移位的扫描器的软件来执行调整。

在本发明的一些实施例中，该物体是先前至少部分硬化的物体，并且使用能量射束来加热物体的至少一个选定部分的步骤被执行为例如通过对所述部分(其可以是预先硬化的部分)进行回火，来降低该物体的至少一部分的硬度。例如，可以在热冲压或热成形步骤(这也称为“加压硬化”)中已被热成形和硬化的金属片材物体，诸如结构化车辆部件，诸如车辆支柱，可以根据本发明的方法进行热处理，从而可以通过控制有效激光光斑的二维能量分布，根据需要对其调整以适应于表面的布局及适应于将被热处理的部分的几何结构，来控制加热。因此，可以实现高生产率和质量，而不需要复杂的光学器件，同时系统具有高度灵活性，并且易于适应新产品或产品变化，诸如允许具有降低硬度的部分的新分布。热处理可用于降低物体的一个或多个部件上的硬度。例如，在车辆部件的情况下，具有降低硬度的区域可用于确保在冲击的情况下，以某种方式发生变形，或允许执行某些组装操作，或用以在事故之后利于切割部件，等等。

在本发明的一些实施例中，物体是结构化车辆部件，并且使用能量射束来加热物体的至少一个选定部分的步骤被执行，以建立至少一个在碰撞情况下的优选变形区。例如，具有高硬度的车辆支柱部件可以在某些区域中根据本发明进行处理，由此建立更软或更具延性的部分，从而大致预先确定在碰撞的情况下或在车辆翻转且一侧着地或上下颠倒着地时将发生变形的方式。

在本发明的一些实施例中，在有效光斑相对于物体表面移位期间，响应于能量射束与被有效光斑加热的物体表面的一部分之间的角度的至少一个改变，动态地调整有效光斑的二维能量分布，例如，调整所述二能量分布，包括有效光斑的形状和大小以及在有效光斑内的二维能量分布，以使其适应于表面中的弯曲部和/或弯折部，和/或适应于表面相对于扫描器的取向角度的变化。

在本发明的一些实施例中，响应于能量射束与由有效光斑加热的物体表面的一部分之间的角度中的至少一个变化，调整能量射束的功率、第一扫描图案和主光斑沿第一扫描图案的至少一部分的移动速度中的至少一项。

因此，当有效光斑在物体的弯曲表面上方、在物体的弯折部分上方移动时，或者当有效光斑从物体的第一部分或区域向与所述第一部分或区域成角度地布置的另一部分或区域等移动时，本发明的教导可以用于充分地控制加热。这可能是非常有用的，以便例如当被加热的物体是先前已经在例如压力机中成形(例如，热成形)的物体时，确保加热的良好质量，使得表面构造为具有弯曲部和/或弯折部等的更复杂或不太复杂的形状。对于例如金属片材的车辆部件，情况通常如此。

本发明提供了加热过程的增强的灵活性和控制，这是由于可以调整有效激光光斑的二维能量分布的方式，而不需要修改或替换所涉及的光学器件。

本发明的另一方面涉及一种对金属片材物体进行热处理的系统，该系统包括用于支撑金属片材制物体的装置，以及用于产生能量调整、诸如激光射束并且用于将能量射束投射到物体表面上的装置。该系统包括用于在至少两个维度上扫描能量射束的扫描器。该系统被布置为、诸如编程为用于执行上述方法。在本发明的一些实施例中，该系统包括用于通过使扫描器和/或物体移位以产生扫描器与物体之间的相对运动的装置。

附图说明

为了完成描述并且为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图形成说明书的一体部分，并且示出了本发明的实施例，本发明的实施例不应被解释为限制本发明的范围，而是作为可如何执行本发明的示例。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-1e示意性地示出了在工件的不同部分的热处理期间的图1a的系统。

图2示意性地示出了由包括多条平行线的扫描图案产生的有效激光光斑。

图3a和图3b示出了包括多条平行线的一种可能的扫描图案。

图4a和图4b示出了根据本发明的实施例的用于产生有效激光光斑的扫描图案。

图5a和图5b示出了根据本发明的另一实施例的用于产生有效激光光斑的扫描图案。

图6a-6c示出了根据本发明的其它实施例的扫描图案。

图7示意性地示出了根据本发明的一个可能实施例的有效光斑。

图8示意性地示出了根据本发明的替代实施例的有效光斑的构造。

图9示出了本发明的实施例，其包括用于将扫描器相对于经受热处理的物体移位的装置。

图10a和图10b示意性地示出了具有带弯曲部或弯折部的表面的工件的热处理的两个阶段。

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实施例的系统，用于对金属片材物体、诸如车辆的支柱进行热处理。该系统包括用于产生激光射束2的激光设备1，并且包括扫描器3，该扫描器3包括两个反射镜等以用于在水平(x-y)平面中二维扫描激光射束2。在本发明的一些实施例中，用于产生激光射束的设备可以是适于产生具有相对高的功率储量(例如，1kw或更大)的激光射束的设备。合适装置的一个示例是由ipgphotonics公司制造的、额定功率为6kw的镱激光系统模型yls-6000-ct。

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，该工件用于车身支柱，诸如所谓的中心支柱。支柱或支柱工件例如可以是具有非常高硬度的工件，如本领域中已知的那样，其通过热压金属片材模板以赋予其期望的形状、然后冷却工件以产生淬火而获得。激光射束2投射到工件上的希望提供降低的硬度的区域中，例如用以建立在冲击情况下优选发生变形的区域。

传统上，这有时通过基本上将具有一定宽度的激光射束在期望降低的硬度的部位(通常对应于横跨支柱的条或带)上扫描一次来执行。然而，根据本发明的实施例，跟随第一扫描图案(图示为与图1a中的y轴线平行地延伸的一组线)以相对高的速度重复扫描激光射束(以及射束投射在构建材料上的主激光光斑)，从而产生图1a中例示为正方形的有效激光光斑21。这使用扫描器3实现。这个有效激光光斑21根据第二扫描图案移位，例如横跨支柱移位；在图1a中，箭头表示有效激光光斑21如何可以例如与系统的x轴线平行地移位。

根据第二扫描图案的、有效激光光斑21的移位同样可以由扫描器3实现，和/或由于扫描器或相关联的设备例如沿轨道(在图1a中未示出)的移位而实现，所述轨道例如是与x轴线和/或y轴线平行延伸的轨道。也可以通过使工件100相对于扫描器的位置移位来实现。

在有效激光光斑沿着第二扫描图案移位期间，可以动态地调整有效激光光斑及其二维能量分布。例如，考虑到图1a，有效激光光斑(沿着y轴线)的宽度可以在其横跨工件的移位期间被调整，使得经受热处理的轨道的宽度横跨工件变化。也可以调整有效激光光斑的其它特征，以优化热处理，例如，建立硬度减小的区域，以便为工件提供期望的性能(例如，在用于车辆的结构化部件的情况，用以在冲击之后的弯折方面提供期望的性能)。

图1b和图1c示意性地示出了如何能够在宽度上调整有效激光光斑21，以便分别对工件100的两个轨道或部段100a、100b执行热处理，这两个轨道或部段具有不同的宽度，并且相对于激光源(扫描器)以两个大致不同的角度延伸。图1d示意性地示出了可以如何使有效激光光斑沿着具有沿着轨道变化的宽度的、工件的部段100b移位，据此例如，有效激光光斑在与其沿着该部段的移位垂直的方向上的宽度可以在该移位期间动态地被调整。

由于在能够调整有效激光光斑内二维能量分布以及有效激光光斑的形状和大小方面的灵活性，相对容易调整二维能量分布以适应于复杂表面，诸如已经在压力机中成形为具有预定三维构造的金属片材工件的那些复杂表面。例如，图1e示出了如何施加有效激光光斑，以便为车辆支柱的包括两个部分100a、100b的轨道提供热处理，其中所述两个部分相对于激光源以不同角度布置并且以弯折部100c隔开。有效激光光斑的形状和在有效激光光斑内的二维能量分布，即沿着并且横跨如投射在物体表面上的有效光斑的能量分布，可以被调整以例如适应于要被加热的部位的宽度、要被加热的所述部位的三维形状(例如，考虑到弯折部100c)、所述部位的不同部分相对于激光射束的取向，等等。

在本发明的一些实施例中，系统可以包括用于动态地调整主光斑的尺寸(例如，以便修改有效激光光斑21的二维能量分布和/或尺寸)和/或激光射束沿着光轴的焦点的装置5。这使得可以当使主激光光斑沿着第一扫描图案移位时和/或当使有效激光光斑21相对于物体表面移位时，控制(诸如，改变或维持)主激光光斑的尺寸。例如，能够调整光学焦点，以在主光斑在物体表面上移动时保持主光斑的尺寸恒定(例如，用以补偿扫描器与主激光光斑在正生产物体上的位置之间的变化的距离)。例如，在本发明的一些实施例中，用于动态调整激光射束的焦点的装置包括可从scanlabag(www.scanlab.de)获得的聚焦单元。

已经发现，提供包括在有效激光光斑的行进方向(即，有效激光光斑与物体表面之间的相对运动的方向)上一条接一条布置的多于两条线的扫描图案可以通常是实际的，诸如在图2中示意性地所示，其中有效激光光斑21由沿与有效激光光斑相对于物体表面移位的方向垂直的方向(该方向在图2中用箭头表示)延伸的多条平行线形成。这些线可以具有相同或不同的长度，并且相继的线之间的空间是可用于控制二维能量分布的参数之一。

这样的扫描图案可以通过在有效激光光斑的行进方向的垂直方向上重复地扫描主激光光斑、在各扫描步骤之间使激光射束移动一小段距离以便跟踪二条、三条或更多条平行线而产生。一旦主激光光斑已经完成扫描图案，它将返回到其原始位置，并且再一次执行扫描图案。这一情况的发生频率优选为高的，以避免在有效激光光斑21内的不期望温度波动。

在激光射束朝将被跟随的一条新线移动时和/或在完成扫描图案的最后线并且返回到扫描图案的第一线之间，激光射束可以被关断。然而，接通和关断激光射束需要时间，并且会减慢扫描频率。此外，激光射束被关断期间的时间是在有效利用激光器进行加热方面损失的时间。

图3a和图3b示出了一种可能的扫描图案，其包括扫描图案的三条主线a-c(图示为连续线)以及示出由激光光斑在所述线之间跟随的路径的阴影线。在图3b中，箭头示意性地示出了主激光光斑在表面上行进的方式。

现在，这种扫描图案涉及的问题在于热分布将不对称。这同样适用于如下情况：如果在图案的结束处，当完成最后线c(即，从图3b中的线c的箭头的头部)时，激光射束沿竖直方向返回到线a。

关于与有效激光光斑的移位方向平行的轴线的更对称的能量分布，可以利用如图4a和图4b所示的扫描图案获得，其同样地包括以线d互连的三条平行线a-c，当主激光光斑在三条平行线之间移动时跟随所述线d。如图4b所示，从第一线a开始，激光射束以如下方式行进：a-d1-b-d2-c-d3-b-d4。

也就是说，主激光光斑沿着中间线b行进的频率是它行进通过第一线和最后线的两倍：对于每次主激光光斑沿着第一线a和最后线c行进，主激光光斑沿着中间线b行进两次。由此，相对于与有效激光光斑的行进方向平行的轴线，能够获得完全对称的扫描图案。

沿着该轴线的能量分布可以通过调节例如线a-c之间的距离和激光射束沿着这些线的行进速度来设定。通过调节所述速度和/或扫描图案，可以动态地调整能量分布，而无需接通或关断激光射束，或者基本不改变激光射束的功率。例如，如果能量在整个有效激光光斑中大致均等地分布，则激光射束可以沿着中间线b比沿着第一线a和最后线c以更高的速度行进。例如，主激光光斑沿着线b的速度可以是主激光光斑沿着线a和c的速度的两倍。在本发明的一些实施例中，有效激光光斑沿着线d1-d4的速度也可以大致高于有效激光光斑沿着线a和c的速度。

因此，通过调整这些线的分布，诸如第一线、最后线和中间线a-c之间的分布，并且通过调整主激光光斑沿着扫描图案的不同部段a-d(包括d1-d4)的速度，能够实现能量分布的修整。可以在有效激光光斑相对于正被加热的金属片材物体的表面移动时，动态地修改这些部段的分布和主激光光斑沿着这些部段的速度，从而调整二维能量分布。此外，可以通过在有效激光光斑的行进期间添加或删除部段，来调整扫描图案。

相同的原理可以应用于其它的扫描图案，例如图5a和图5b的扫描图案，其包括附加的中间线b。这里，主激光光斑跟随的路径是：a-d1-b-d2-b-d3-c-d4-b-d5-b-d6。

图6a-6c示出了一些替代扫描图案。例如，第一扫描图案可以是多边形，诸如三角形(参见图6a)、矩形(参见图6b)或八边形(参见图6c)。

图7示意性地示出了根据本发明一可能实施例的有效光斑21。该有效光斑具有大致矩形的构造，具有高度和宽度。图中顶部处的箭头示出了有效光斑21相对于物体表面移位的方向。

通过跟随包括五条平行线的扫描图案，扫描由射束投射的主光斑2a而获得有效光斑21，这五条平行线由有效光斑21内的成排箭头所指示。在该实施例中，有效光斑的前部21a提供对材料的一定预热，并且尾部21c设置为减慢冷却过程。对材料的主要加热发生在有效光斑21的中央部21b处，即在前部21a与尾部21c之间。

图8示意性地示出了通过使主光斑跟随具有六条线a、b、c的扫描图案而产生的有效激光光斑21，其中每条线包括五个部段或像素(a1、a0、b1、b0、c1)。对于每个部段，根据在该过程期间可动态改变的期望能量分布，激光射束被接通(部段或像素a1、b1、c1)或断开(部段或像素a0、b0)。因此，图8的布局因此表示一6x5像素化，并且可以容易地用可商购的激光器和扫描系统获得。使用允许快速通/断切换的激光器，例如光纤激光器，可以在预定扫描频率上增大扫描图案的像素数。对于特定扫描频率，例如50hz或100hz或更高，可实现的线的数目将尤其取决于所使用的扫描装置。

作为简单地接通或关断激光射束的替代或补充，还可以使用其它激光射束功率状态，即在最大功率与零(或接近零)功率之间的不同功率水平。对应于不同部段的功率状态可以存储在存储器中，并且在过程期间被动态地修改，以便例如调整能量分布以适应于金属片材物体的三维构造，适应于将被热处理的轨道的期望宽度，等等。这种分段或像素化的方法是非常实用的，并且允许用户通过尝试功率状态的不同组合、即在不同的部段处射束应具有的功率，直到找到提供期望结果的组合，而发现沿着及横跨有效激光光斑的适当能量分布。如果激光器允许在不同功率状态或功率水平之间进行快速切换，则每秒可以完成大量的部段，从而允许足够高的扫描图案重复速率，以避免扫描图案的相继重复之间的明显温度波动，同时容纳合理数量的部段。例如，当激光器允许每秒1000次功率状态改变时，100hz的扫描图案重复频率可以与具有10个部段的扫描图案组合。作为改激光射束的功率状态或功率水平的替代或补充，可以调整扫描速度，以使其在与不同部段或像素的对应性上不同。

图9示意性地示出了根据本发明一可能实施例，处理头200可以如何包括布置成相对于要经历热处理的金属片材物体100、本示例中的车辆支柱被移位的扫描器3。处理头200通过连杆301连接到致动器300。在本发明的该实施例中，所述移位是基于平行操纵器的构思。然而，可以使用任何其它合适的处理头移位装置，例如机器人臂等。在本发明的一些实施例中，是正在生产的物体相对于处理头移位。此外，可以使用这两种方法的组合。在图9中，金属片材工件100由示意性地示出的支撑装置4支撑。

图10a和图10b示意性地示出了例如已经在压力机中成形之后构造有弯曲部或弯折部的表面的工件100的热处理。对于金属片材的车辆部件，情况通常是如此。箭头示意性地示出了能量射束2和有效光斑如何相对于物体表面移动，例如通过将扫描器3相对于工件100移位，通过将工件100相对于扫描器3移位，或者这些手段的组合。当有效光斑到达工件的弯折部时，能量射束2与物体表面之间的入射角存在有变化。为了维持正在发生的加热的特性，可能期望调整有效光斑的二维能量分布。图10a和图10b示意性地示出了如何能够以如下方式实现这一点：通过例如修改扫描图案，例如通过减小扫描图案的延伸程度，以便增大在与射束垂直的、被射束扫描的部位中的功率密度。图10a和图10b示意性地示出了如何以如下方式修改扫描图案：减小能量射束扫描的部位的延伸，即从图10a中的相当宽的扫描区域2′减小到图10b中的更窄的扫描区域2″。而且不仅如此：能够适当地选取和调整在有效光斑内的能量分布，以适应于在有效光斑的不同部分内的表面的弯曲部，从而以最佳方式执行加热。这仅仅是如何调整二维能量分布以适应于被加热表面的变化以及如何能够使用本发明的教导以用于更复杂或不太复杂表面的热处理的一个示例：调整有效光斑内的和/或在由能量射束在垂直于射束的平面中扫过的部位内的二维能量分布，调整例如扫描图案、能量射束在扫描图案的不同部段期间的功率，和/或主光斑沿着扫描图案的不同部段的速度。所有这些可以通过软件实现，而不需要复杂且可调整的光学器件。

在本文中，术语“包括”及其派生词(诸如“包含”等)不应被理解为排除的含义，即不应将这些术语解释为排除所描述和所定义的事物可能包括其它元素、步骤等的可能性。

另一方面，本发明显然不限于本文所述的具体实施例，而是如在权利要求中限定的本发明的一般范围内，涵盖本领域的技术人员可考虑到的任何变型(例如，关于材料、尺寸、部件、构造等的选择)。