一種經(jīng)由具有不同長度的橫向激光掃描線(S1?S8)的圖案(LP)使熔體前沿(55)圍繞彎曲行進路徑(20)行進的方法。多個區(qū)域帶(B1?B8)在構(gòu)思上劃分彎曲路徑的寬度。多個橫向掃描線在所述熔體前沿上以提供相對一致功率密度的預(yù)定均勻性在帶中分布激光功率。掃描線可從彎曲路徑的較小彎曲的側(cè)面(24)朝向路徑的較大彎曲的側(cè)面(22)延伸通過具有最大區(qū)域的帶（B4或B8）。掃描線(S1,S8)中的至少一個可橫穿所有帶。其它掃描線較短并且以變化的距離延伸至內(nèi)部帶（B1?B3或B1?B7）中，從而在帶上歸一化功率密度。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)大體涉及材料
，并且更具體地涉及在材料表面上掃描能量束以產(chǎn)生行進熔體前沿，并且更具體地涉及采用橫向于行進路徑的在長度上不同的掃描線在彎曲行進路徑上光柵化激光束以提供均勻表面加熱。
技術(shù)介紹
為了增材制造和為了諸如耐磨堆焊、腐蝕覆蓋、整修或包覆目的，在表面上使用的激光束光學掃描來熔化或燒結(jié)材料。向表面提供均勻功率（和/或能量或者熱）分布以確保襯底的最小且一致熔化、并且因此低度且均勻的稀釋通常是有價值的。低度稀釋對于耐磨堆焊、腐蝕覆蓋的應(yīng)用或?qū)φ薨玻ㄓ绕洳捎靡蚱湟子谄屏讯y以焊接的材料）是重要的。均勻功率分布還對表面的均勻相變硬化是重要的。對于寬廣區(qū)域的包覆、凹槽的形成和復(fù)雜表面（例如齒輪齒）的硬化，本專利技術(shù)人在二十世紀八十年代后期開發(fā)出由尤其波狀外形的凸輪搖擺的定制光學器件（例如鏡子）。這樣的馬達驅(qū)動的激光鏡已由能夠在三維中移動光束的高級檢流計驅(qū)動的光學器件取代。
結(jié)合機器人技術(shù)，這樣的光學器件在汽車零件制造中用于點焊。還采用這樣的光學器件實施光柵化激光包覆。這樣的光學器件具有存在兩種常見光柵模式—“擺動（wobble）”和“標準（normal）”。在擺動光柵中，當從側(cè)面觀察時，光束遵循類似于螺旋彈簧的突出部的路徑。光束在掃描線的端部處花費更多時間，從而導致在這樣的位置施加更多功率并在中心施加較少功率的襯底的功率分布。這可導致在側(cè)面處過度熔化，從而產(chǎn)生不一致表面性能。
標準光柵解決與擺動光柵相關(guān)聯(lián)的過度熔化問題。采用標準光柵，在周期性向前增量的情況下從左到右實施掃描。向前增量與從左到右運動相比幾乎是瞬時的，因此功率分布在所暴露區(qū)域上幾乎是均勻的。
雖然標準掃描解決掃描的兩個側(cè)面處的過度熔化問題，但其它問題依然存在。即，標準掃描為筆直線性路徑提供均勻功率，但在路徑彎曲或例如轉(zhuǎn)彎處，轉(zhuǎn)彎處的外部邊緣處的向前增量與轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)部邊緣處的向前增量相比必須相對大，以便在較大半徑處覆蓋較大的周向距離。這導致在所處理區(qū)域上不均勻的功率密度。
附圖說明
根據(jù)附圖在以下描述中解釋本專利技術(shù)，附圖示出：
圖1是待被激光加熱的彎曲表面路徑的頂視圖。
圖2是沿著圖1的彎曲路徑的開始部分行進的激光掃描線的圖案的頂視圖，其為清晰而被拉直。
圖3示出圖2的圖案可如何圍繞彎曲表面路徑行進。
圖4示出使用重疊掃描的圖3的圖案。
圖5示出圍繞彎曲路徑的圖4的圖案的重復(fù)。
圖6示出為了改善的均勻性而對掃描線長度的調(diào)節(jié)。
圖7示出具有較高帶分辨率的另一實施例。
圖8示出使用掃描線的一半數(shù)量的與圖6中的功率密度比相同的實施例。
具體實施方式
專利技術(shù)人意識到，具有變化長度的橫向掃描線的某些圖案可在掃描行進的彎曲路徑的寬度上沿著行進熔體前沿提供更均勻的功率密度。為了一致表面性質(zhì)，這將熔體前沿維持在最佳溫度范圍中。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，功率（例如焦耳/秒或瓦特）和能量（例如瓦特-秒或焦耳）的概念在控制熔體前沿時都很重要，因為待被加熱的材料將經(jīng)由傳導、對流和輻射自然地分散能量。例如，對于恒定功率，當每單位區(qū)域更多能量遞送至粉末和襯底的給定深度時，將發(fā)生襯底的更多熔化（稀釋）。而且，對于移動能量束的每單位面積的恒定能量來說，當更多功率遞送至粉末和襯底的給定深度時，將發(fā)生襯底的更多熔化（稀釋）。該其原因在于，每單位面積較大能量遞送速率（功率）增強更多熔化，因為其壓倒襯底將熱傳導開的能力。（這可視為類似于單個大海洋波比具有等效總能量的許多較小波在海岸上穿透更遠）。為論述簡單，詞語“功率”在本文中用于包括功率和/或能量的概念兩者（就其影響熔體前沿的控制而言）。
圖1示出將由能量束（諸如激光）加熱的材料的表面區(qū)域。其包括彎曲路徑20，彎曲路徑20具有內(nèi)部第一側(cè)面22，內(nèi)部第一側(cè)面22具有比外部第二側(cè)面24小的曲率半徑（更急劇曲率）。這兩個側(cè)面可以是圍繞中心點26的內(nèi)部22和外部24同心弧，或者其可以是其它曲線，諸如橢圓或不規(guī)則曲線。彎曲路徑20在垂直于一個或兩個側(cè)面22,24的線處開始30和結(jié)束32。在該實例中，線30和32從中心26與半徑對齊。彎曲路徑20的寬度可在構(gòu)思上細分成區(qū)域帶B1-B4，其可具有均等寬度。在該實例中，這些帶與側(cè)面22,24同心。這些帶分別具有作為行進路徑20的總區(qū)域的百分比的不同區(qū)域。例如，在R1=2,R2=4,R3=6,R4=8和R5=10的相對半徑的情況下，圍繞彎曲路徑的總區(qū)域的帶區(qū)域百分比近似為：B1=12%,B2=21%,B3=29%和B4=38%。
本文中，“較大曲率”或“較大彎曲的”意指更急劇彎曲或具有相對較小的曲率半徑。“較小曲率”意味著較小急劇彎曲或具有較大曲率半徑。本文中，“橫向掃描線”意指離垂直于掃描行進路徑20的一個或兩個側(cè)面22,24小于20度的掃描線。
橫向掃描線40,42,44,46的線性序列示出為沿著筆直路徑50行進向前增量41,43,45,47。這為清晰而被簡化，因為掃描可重疊，如稍后所示。激光束可具有由圓的直徑表示的預(yù)定的光束寬度和預(yù)定的功率。雖然示出為分立圓，但將理解，激光可脈沖化以在這樣的分立圓中傳遞能量，或者其可連續(xù)以便以特定掃描速度（諸如1/4m/s）每一時間每一面積傳遞給定量的能量（由每一圓表示）。激光可沿著增量線較快移動，諸如3m/s。如果掃描線40-46的線性行進通過將每個連續(xù)掃描線與半徑R5對齊來圍繞彎曲路徑20繼續(xù)并纏繞，則功率密度將不均勻。這由徑向掃描線52例示。其在每個帶B1-B4中具有八個圓中的兩個圓，因此25%的功率施加至每個帶。但帶B1僅具有彎曲路徑20的總區(qū)域的12%，而B4具有總區(qū)域的38%，因此帶的功率密度不均勻。如果這樣類型的掃描線圍繞彎曲路徑20重復(fù)，則功率密度(W/m2)在內(nèi)部帶和外部帶之間相差因數(shù)3((25/12)/(25/38)=3.1)，如下表中所示。在彎曲路徑的寬度上的功率密度的該寬變化沿著熔體前沿產(chǎn)生大溫度范圍，從而導致不一致的表面性能，如表1中所示。
帶功率%區(qū)域%功率% / 帶區(qū)域%B125122.08B225211.19B325290.86B425380.66表1。
圖2表示圖1的彎曲路徑20的開始部分，就好像其為清晰而被拉直。示出開始線30。具有不同長度的橫向掃描線S1-S8的序列形成圖案，其更接近正比于帶B1-B4的相應(yīng)區(qū)域提供功率。沿著其長度LP在該圖案（或整個彎曲路徑20的子圖案）中施加的總功率由40個圓表示。這些圓中的四個或10%的功率在帶B1中。這些圓中的八個或20%的功率在帶B2中。這些圓中的十二個或30%的功率在帶B3中。這些圓中的十六個或40%的功率在帶B4中。此功率分布更接近地匹配帶B1-B4的相應(yīng)區(qū)域，如表2中所示。
帶功率%區(qū)域%功率% / 帶區(qū)域%B110120.83B220210.95B330291.03B440381.05表2。
在該實例中，最壞情況是B1和B4之間小于27%的差(1.05/0.83=1.265)。
圖3示出圖2的掃描線S1-S8的圖案可如何圍繞彎曲路徑20纏繞，并從該路徑的起點30到終點32重復(fù)多次。在其它實施例中，在熔體前沿的方向行進大約較小角度（例如大約僅45度彎曲）的情況下本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種方法，所述方法包括：在材料表面上沿著一系列掃描線掃描激光束；使所述掃描線在彎曲路徑中行進，其中每個掃描線橫向于所述彎曲路徑；形成具有不同長度的多個所述掃描線的圖案，所述圖案在劃分所述彎曲路徑的寬度的多個區(qū)域帶上遞送所述光束的功率；其中遞送至每個帶的功率的區(qū)域密度沿著所述圖案的長度在所述帶中的每兩個之間變化小于35%。
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2013.12.19 US 14/1336961.一種方法，所述方法包括：
在材料表面上沿著一系列掃描線掃描激光束；
使所述掃描線在彎曲路徑中行進，其中每個掃描線橫向于所述彎曲路徑；
形成具有不同長度的多個所述掃描線的圖案，所述圖案在劃分所述彎曲路徑的寬度的多個區(qū)域帶上遞送所述光束的功率；
其中遞送至每個帶的功率的區(qū)域密度沿著所述圖案的長度在所述帶中的每兩個之間變化小于35%。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述彎曲路徑的第一側(cè)面具有比第二側(cè)面更大的曲率，并且所述方法還包括形成所述掃描線，其中所述光束在所述圖案中的每個掃描線上到達所述第二側(cè)面，并且在所述圖案中的一些掃描線上不到達所述第一側(cè)面。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括形成所述掃描線圖案，其中所述圖案中的總掃描時間根據(jù)每個帶相對于所述圖案的總區(qū)域的區(qū)域百分比在所述帶中分配。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述彎曲路徑的第一側(cè)面具有比第二側(cè)面更大的曲率，所述帶從所述第一側(cè)面到所述第二側(cè)面具有連續(xù)較大的相應(yīng)區(qū)域，并且所述方法還包括形成所述掃描線圖案，其中與穿過所述帶中具有較小相應(yīng)區(qū)域的其它帶相比，所述圖案的所述掃描線中的更多穿過所述帶中具有較大相應(yīng)區(qū)域的帶。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述彎曲路徑的第一側(cè)面和第二側(cè)面包括相應(yīng)徑向內(nèi)部和外部同心弧，所述區(qū)域帶在所述弧之間包括相等徑向?qū)挾鹊耐膸В⑶宜鰣D案的所述掃描線在小于10度內(nèi)與所述弧的連續(xù)間隔的半徑對齊。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述連續(xù)間隔的半徑以在所述掃描線的徑向外部端部處重疊所述激光束的掃描寬度至少1/10的角向距離均勻間隔。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述掃描線在交替方向上循序地行進，并且通過增量線從端部連接到端部，所述增量線從所述圖案中的每個掃描線的終點將所述激光束移動到所述圖案中的下一掃描線的起點。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述圖案的子圖案中的每個掃描線具有橫向于所述彎曲路徑的不同長度，并且重復(fù)所述子圖案以形成所述圖案。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述圖案在所述區(qū)域帶中的區(qū)域最小一個中開始和結(jié)束。
10.一種方法，其包括：
以預(yù)定的掃描速率在掃描行進路徑的較大彎曲的側(cè)面和較小彎曲的側(cè)面之間連續(xù)地沿著一系列掃描線中的每...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：GJ布魯克，
申請(專利權(quán))人：西門子能源公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US
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