具有均匀功率密度分布的弯曲表面路径的光栅激光熔化

摘要

一种经由具有不同长度的横向激光扫描线(S1?S8)的图案(LP)使熔体前沿(55)围绕弯曲行进路径(20)行进的方法。多个区域带(B1?B8)在构思上划分弯曲路径的宽度。多个横向扫描线在所述熔体前沿上以提供相对一致功率密度的预定均匀性在带中分布激光功率。扫描线可从弯曲路径的较小弯曲的侧面(24)朝向路径的较大弯曲的侧面(22)延伸通过具有最大区域的带（B4或B8）。扫描线(S1,S8)中的至少一个可横穿所有带。其它扫描线较短并且以变化的距离延伸至内部带（B1?B3或B1?B7）中，从而在带上归一化功率密度。

说明书

技术领域

本发明大体涉及材料技术领域，并且更具体地涉及在材料表面上扫描能量束以产生行进熔体前沿，并且更具体地涉及采用横向于行进路径的在长度上不同的扫描线在弯曲行进路径上光栅化激光束以提供均匀表面加热。

背景技术

为了增材制造和为了诸如耐磨堆焊、腐蚀覆盖、整修或包覆目的，在表面上使用的激光束光学扫描来熔化或烧结材料。向表面提供均匀功率（和/或能量或者热）分布以确保衬底的最小且一致熔化、并且因此低度且均匀的稀释通常是有价值的。低度稀释对于耐磨堆焊、腐蚀覆盖的应用或对整修包覆（尤其采用因其易于破裂而难以焊接的材料）是重要的。均匀功率分布还对表面的均匀相变硬化是重要的。对于宽广区域的包覆、凹槽的形成和复杂表面（例如齿轮齿）的硬化，本发明人在二十世纪八十年代后期开发出由尤其波状外形的凸轮摇摆的定制光学器件（例如镜子）。这样的马达驱动的激光镜已由能够在三维中移动光束的高级检流计驱动的光学器件取代。

结合机器人技术，这样的光学器件在汽车零件制造中用于点焊。还采用这样的光学器件实施光栅化激光包覆。这样的光学器件具有存在两种常见光栅模式—“摆动（wobble）”和“标准（normal）”。在摆动光栅中，当从侧面观察时，光束遵循类似于螺旋弹簧的突出部的路径。光束在扫描线的端部处花费更多时间，从而导致在这样的位置施加更多功率并在中心施加较少功率的衬底的功率分布。这可导致在侧面处过度熔化，从而产生不一致表面性能。

标准光栅解决与摆动光栅相关联的过度熔化问题。采用标准光栅，在周期性向前增量的情况下从左到右实施扫描。向前增量与从左到右运动相比几乎是瞬时的，因此功率分布在所暴露区域上几乎是均匀的。

虽然标准扫描解决扫描的两个侧面处的过度熔化问题，但其它问题依然存在。即，标准扫描为笔直线性路径提供均匀功率，但在路径弯曲或例如转弯处，转弯处的外部边缘处的向前增量与转弯处的内部边缘处的向前增量相比必须相对大，以便在较大半径处覆盖较大的周向距离。这导致在所处理区域上不均匀的功率密度。

附图说明

根据附图在以下描述中解释本发明，附图示出：

图1是待被激光加热的弯曲表面路径的顶视图。

图2是沿着图1的弯曲路径的开始部分行进的激光扫描线的图案的顶视图，其为清晰而被拉直。

图3示出图2的图案可如何围绕弯曲表面路径行进。

图4示出使用重叠扫描的图3的图案。

图5示出围绕弯曲路径的图4的图案的重复。

图6示出为了改善的均匀性而对扫描线长度的调节。

图7示出具有较高带分辨率的另一实施例。

图8示出使用扫描线的一半数量的与图6中的功率密度比相同的实施例。

具体实施方式

发明人意识到，具有变化长度的横向扫描线的某些图案可在扫描行进的弯曲路径的宽度上沿着行进熔体前沿提供更均匀的功率密度。为了一致表面性质，这将熔体前沿维持在最佳温度范围中。

本领域的技术人员将理解，功率（例如焦耳/秒或瓦特）和能量（例如瓦特-秒或焦耳）的概念在控制熔体前沿时都很重要，因为待被加热的材料将经由传导、对流和辐射自然地分散能量。例如，对于恒定功率，当每单位区域更多能量递送至粉末和衬底的给定深度时，将发生衬底的更多熔化（稀释）。而且，对于移动能量束的每单位面积的恒定能量来说，当更多功率递送至粉末和衬底的给定深度时，将发生衬底的更多熔化（稀释）。该其原因在于，每单位面积较大能量递送速率（功率）增强更多熔化，因为其压倒衬底将热传导开的能力。（这可视为类似于单个大海洋波比具有等效总能量的许多较小波在海岸上穿透更远）。为论述简单，词语“功率”在本文中用于包括功率和/或能量的概念两者（就其影响熔体前沿的控制而言）。

图1示出将由能量束（诸如激光）加热的材料的表面区域。其包括弯曲路径20，弯曲路径20具有内部第一侧面22，内部第一侧面22具有比外部第二侧面24小的曲率半径（更急剧曲率）。这两个侧面可以是围绕中心点26的内部22和外部24同心弧，或者其可以是其它曲线，诸如椭圆或不规则曲线。弯曲路径20在垂直于一个或两个侧面22,24的线处开始30和结束32。在该实例中，线30和32从中心26与半径对齐。弯曲路径20的宽度可在构思上细分成区域带B1-B4，其可具有均等宽度。在该实例中，这些带与侧面22,24同心。这些带分别具有作为行进路径20的总区域的百分比的不同区域。例如，在R1=2,R2=4,R3=6,R4=8和R5=10的相对半径的情况下，围绕弯曲路径的总区域的带区域百分比近似为：B1=12%,B2=21%,B3=29%和B4=38%。

本文中，“较大曲率”或“较大弯曲的”意指更急剧弯曲或具有相对较小的曲率半径。“较小曲率”意味着较小急剧弯曲或具有较大曲率半径。本文中，“横向扫描线”意指离垂直于扫描行进路径20的一个或两个侧面22,24小于20度的扫描线。

横向扫描线40,42,44,46的线性序列示出为沿着笔直路径50行进向前增量41,43,45,47。这为清晰而被简化，因为扫描可重叠，如稍后所示。激光束可具有由圆的直径表示的预定的光束宽度和预定的功率。虽然示出为分立圆，但将理解，激光可脉冲化以在这样的分立圆中传递能量，或者其可连续以便以特定扫描速度（诸如1/4m/s）每一时间每一面积传递给定量的能量（由每一圆表示）。激光可沿着增量线较快移动，诸如3m/s。如果扫描线40-46的线性行进通过将每个连续扫描线与半径R5对齐来围绕弯曲路径20继续并缠绕，则功率密度将不均匀。这由径向扫描线52例示。其在每个带B1-B4中具有八个圆中的两个圆，因此25%的功率施加至每个带。但带B1仅具有弯曲路径20的总区域的12%，而B4具有总区域的38%，因此带的功率密度不均匀。如果这样类型的扫描线围绕弯曲路径20重复，则功率密度(W/m²)在内部带和外部带之间相差因数3((25/12)/(25/38)=3.1)，如下表中所示。在弯曲路径的宽度上的功率密度的该宽变化沿着熔体前沿产生大温度范围，从而导致不一致的表面性能，如表1中所示。

带功率%区域%功率% / 带区域%B125122.08B225211.19B325290.86B425380.66

表1。

图2表示图1的弯曲路径20的开始部分，就好像其为清晰而被拉直。示出开始线30。具有不同长度的横向扫描线S1-S8的序列形成图案，其更接近正比于带B1-B4的相应区域提供功率。沿着其长度LP在该图案（或整个弯曲路径20的子图案）中施加的总功率由40个圆表示。这些圆中的四个或10%的功率在带B1中。这些圆中的八个或20%的功率在带B2中。这些圆中的十二个或30%的功率在带B3中。这些圆中的十六个或40%的功率在带B4中。此功率分布更接近地匹配带B1-B4的相应区域，如表2中所示。

带功率%区域%功率% / 带区域%B110120.83B220210.95B330291.03B440381.05

表2。

在该实例中，最坏情况是B1和B4之间小于27%的差(1.05/0.83=1.265)。

图3示出图2的扫描线S1-S8的图案可如何围绕弯曲路径20缠绕，并从该路径的起点30到终点32重复多次。在其它实施例中，在熔体前沿的方向行进大约较小角度（例如大约仅45度弯曲）的情况下，则子图案S1-S8无需重复或可重复较少次数。此为清晰而被简化，因为光束圆直径通常在扫描线处重叠，如稍后所示。在该实例中，每个扫描线S1-S8从扫描行进路径20的中心26与半径对齐。在非圆形弯曲路径中，这些扫描线可与法向于内部弯曲侧面22和/或外部弯曲侧面24的线对齐。扫描线中的任何扫描线或全部扫描线沿着曲线的这样的半径或法线的完美对齐不是必要的。这些扫描线中的一些可在小于20度内与该半径或法线对齐，但尤其小于其10或5度。当扫描行进时，横向对齐维持横跨弯曲路径20的宽度的湿熔体池。

图4示出图3的扫描线S1-S8的图案，其中在扫描的径向外部端部处在扫描宽度（光束斑圆直径；例如焦点）上重叠。重叠可以是扫描宽度上的2/3或扫描宽度上的至少1/10。相邻扫描的重叠由于扫描的径向或法向线的对齐会聚而朝向内部带B1增加。图5示出图4的扫描线S1-S8的图案围绕弯曲路径20的重复，其维持一致的横向熔体前沿55。

图6示出带中的功率密度差可如何通过扫描线长度的更精细调节来进一步减小或消除。此处，扫描线长度并不限于激光斑直径的倍数，因此扫描线S6和S7已延长以重叠到带B1中。扫描线S4和S5已延长以重叠到带B2中。这使得所述扫描线的不同长度完全归一化在不同带B1-B4中的每一带区域施加的功率。带中的功率密度的完美均匀性在下表3中示出。然而，在两个带的每个组合之间的功率密度中小于35%、但尤其小于10%或5%的差是可接受的。

带功率%区域%功率% / 带区域%B110101.00B220201.00B330301.00B440401.00

表3。

图7示出扫描路径20的总区域上的功率密度变化可如何通过较精细带B1-B8减少。此处，增量线54无需法向于扫描线，因此连续扫描线可如图所示具有各个地不同长度。激光束可在增量54,56期间通电或断开。如果通电，则增量线和次数包括在功率密度计算中。通过调节扫描线S1-S8的不同长度，功率密度可在弯曲路径20的宽度上高度归一化。

图8示出具有与图6中相同的功率密度比例（假设增量在两种情况下断开）、但具有仅扫描线S1-S4的一半数量的实施例。此图案比图6中将光束更早返回到内部带，并且因此更早更新（refresh）熔体前沿的内部端部。

本文中的扫描图案可使用计算机辅助设计来设计并使用计算机辅助制造技术来应用。当靠近边缘包覆时，沿着该边缘施加较低功率密度对防止靠近该受限散热器的过度熔化是有用的。此可采用靠近该边缘的较少扫描增量和/或改变扫描线距该边缘的间隔来完成。相反地，当包覆靠近壁时，可在路径的该侧面上提供额外的短扫描以提高抵抗该较大散热器的熔化。

尽管本文中已示出并描述本发明的各种实施例，但将显而易见的是这样的实施例仅以实例方式提供。可在不偏离本文的发明的情况下作出许多变化、改变和替换。因此，旨在本发明仅由所附权利要求书的精神和范围限制。