用于对工件的表面进行激光硬化的方法和系统与流程

本发明涉及通过激光使比如钢铁的黑色金属材料的产品，例如曲轴，的表面硬化的领域。

背景技术：

本领域中所熟知的是通过下述方法对黑色金属材料比如中碳钢进行硬化：在材料的熔融温度之下将材料加热至高温，然后对其进行淬火，即，使其足够迅速地冷却以形成硬马氏体。能够在炉子中进行加热或者通过感应加热进行加热，并且能够通过冷却液——比如，水或者混合有其他成份的水——进行冷却。

通常，仅仅是表面需要硬化。表面硬化增大了材料的耐磨性，并且有时也能够使用表面硬化来增大由残余的压缩应力所引起的疲劳强度。表面硬化能够被用于对在使用中将经受大量水的表面——例如，轴承表面，比如，曲轴的轴颈表面——进行硬化。

激光表面硬化是采用高能量激光作为热源来对基片的表面进行硬化的表面处理方法。已知的是，使用激光实现表面硬化，例如参见：

-F.Vollertsen等人于2005年6月在Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2005 Munich发表的“State of the art of Laser Hardening and Cladding(激光硬化和覆层的现有技术状况)”；

-M.Seifert等人在Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004发表的“High Power Diode Laser Beam Scanning in Multi-Kilowatt Range(数千瓦特范围内的高功率二极管激光束扫描)”；

-S.Safdar等人在2006年8月的Journal of Manufacturing Science and Engineering(《制造科学与工程杂志》)的第128卷第659-667页上发表的“An Analysis of the Effect of Laser Beam Geometry on Laser Transformation Hardening(激光束几何结构对激光相变硬化的影响的分析)”；

-H.Hagino等人在Precision Engineering(《精密工程》)的2010年第34期第446-452页上发表的“Design of a computer-generated hologram for obtaining a uniform hardened profile by laser transformation hardening with a high-power diode laser(通过以大功率二极管激光的激光相变硬化来得到统一硬化轮廓的计算机产生的全息图的设计)”；

-US-4313771-A；

-DE-4123577-A1；

-EP-1308525-A2；

-EP-2309126-A1；

-JP-2008-202438-A；

-JP-S61-58950-A；

-US-4797532-A。

使用用于表面硬化的激光包括若干优点：激光束基本上不依赖于工件，容易控制，不需要真空，并且不产生燃烧产物。而且，由于激光束通常仅局部地加热金属产品或工件，因此工件的其余部分可以作为散热部分来确保迅速冷却，这也被称为自淬火：工件内部的冷却构成十分大的散热部分以通过以足够快的速率而热传导至内部来对热表面进行淬火，以允许在表面形成马氏体。因此，能够消除对于外部冷却介质如冷却液的需要。

在金属硬化过程中使用激光作为热源的一个问题在于，硬化区域的宽度受到激光点的尺寸的限制。已知的是，使用光学器件改变光点的形状例如以提供具有或多或少地均匀的密度分布的大致矩形的光点。作为替代性方案，能够使用扫描装置(比如，与驱动装置相关联的扫描镜)使光点在轨道上重复地移动，使得热源能够被考虑为沿着轨道移动的矩形热源。

尽管激光硬化具有优点，但通常并不使用激光硬化，因为人们认为，有关该技术的许多实际的应用，生产率将不会足够高，并且因为难以实现：待加热的所有部分将被加热至期望的程度。正确的加热对于确保在必要深度中完成硬化和回火而不会引起由于过热而造成的损害来说是必要的。

例如，曲轴(发动机的将往复线性活塞运动转化为旋转的部分)是通常被认为是难以通过激光进行硬化的复杂的产品。图1中示出了曲轴的示例。曲轴1000是锻造或铸造的钢产品，其具有两个或更多个居中定位的同轴的柱形轴颈1001(也被称为“主轴颈”)以及一个或更多个偏置的柱形曲柄销轴颈1002(也被称为“杆轴颈”)主轴颈1001和杆轴颈1002被形成大致垂直于轴颈的表面而延伸的壁1005的配重物和腹板分开。产品的复杂的形状能够使其难以用激光束正确地“扫描”表面；硬化的轨道或区域可能具有不同的宽度和/或不对称和/或设置在不同平面中(这是具有壁1005和轴颈1001和1002的表面的情况)。因此，如今，聚合物基水淬火过程之后的高频率感应加热经常被用于曲轴的硬化。然而，这个过程尽管被证明为获得期望的硬化是有用的，但包括某些缺点。例如，用于通过感应产热的感应器必须根据曲轴的特定设计进行设计，这降低了灵活性：使感应机器适于新型曲轴可能是耗时且昂贵的。此外，就加热曲轴所需的能量达到期望的程度而言，通过感应来加热是昂贵的。此外，从环境的角度来看，由于所需的大量冷却液的使用，因此冷却过程是复杂的、昂贵的且具有挑战性的。此外，必须小心地控制比如冷却液温度和流量的参数，以确保正确的硬化过程。

因此，就灵活性、环保性、能量消耗及费用而言，使用激光作为热源能够是有吸引力的替代方案。

DE-10 2005 005 141-B3公开了一种用于对曲轴的轴颈的表面进行激光硬化的方法。根据该方法，在用激光对相应的轴颈加热期间使用六轴工业机器人保持曲轴并且然后使曲轴围绕主轴颈的轴线以及围绕杆轴颈的轴线旋转。因此，通过使用工业机器人的运动的能力，能够使激光源与激光束所投射至的表面之间的距离保持不变。

此外，US-2004/0244529-A1教示了使用激光对曲轴的小区域进行硬化。在这个实例中，使用激光来对多个间隔开的部分进行硬化，其中，部分的大小在待硬化的区域上发生变化。在对具有间隔开的部分的曲轴的仅一小部分进行硬化的情况下，不需要考虑其他更为热敏感的部分的过热。

DE-3905551-A1教示了一种用于对曲轴的表面进行硬化的系统，其中，激光束投射到曲轴上，并且其中，激光束与曲轴之间存在相对运动，使得激光束将随后投射到曲轴额不同部分上。激光束中的功率或功率分布根据曲轴的各部分的几何结构以及根据激光束的期望的穿透深度来调整。由DE-3905551-A1所教示的方法的问题在于，可能不允许高生产率。为了得到硬化层的足够深度(在马达工业中，就有效的硬化深度而言，需要至少800μm、1000μm、1500μm、2000μm或者甚至3000μm的一般硬化深度，并且通常需要100％转化的马氏体直到200μm或更深的深度为止)，将表面的某一部分的温度升高是不够的，但必须使能量施加足够长时间以不但对表面进行加热，还对表面下面的材料进行加热，以达到足够深度。由于表面不需要过度加热，为了获得期望的穿透力，最好的解决方案不是简单地增大激光束的功率大小，而是增加激光束施加于相关区域的时间。在DE-3905551-A1中公开的系统中，其中，激光束保持固定并且施加于特定区域，在主轴颈或杆轴颈的主要部分上得到足够热和穿透力显然将需要大量时间。因此，DE-3905551-A1可以描述一种适于对曲轴的表面的非常特殊的部分进行硬化但不适于对轴颈的一般表面进行硬化的方法。

此外，EP-1972694-A2着重于使用一个或更多个激光器对曲轴的特殊部分即倒角部分的硬化。激光被定向到待硬化的部分，并且曲轴旋转。所公开的方法能够包括预热步骤、主要加热步骤以及后加热步骤。显然，在发生曲轴旋转的同时，激光辐射保持不变。EP-1972694-A2没有涉及曲轴的表面更为热敏感的部分的过热的风险。

US-2004/0108306-A1确认了汽车制造商使用感应加热过程对曲轴的支承部——即，主轴颈和杆轴颈的表面——进行硬化的过程，同时，利用机械轧制过程轧制倒角以提高压缩应力。然而，根据US-2004/0108306-A1这些过程被称为是成本高、费时，导致不均匀性并且需要回火过程的油润滑孔具有开裂倾向。US-2004/0108306-A1教示了通过激光的倒角加热处理，其目的在于，消除了对机械轧制过程的需要。提出了通过使用光学高温计来控制闭环温度。提出了使用可控制的x、y机构来保持激光器与倒角之间的固定的加热距离。

S.M.Shariff等人在SAE 2009-28-0053(SAE International)上发表的“Laser Surface Hardening of a Crankshaft(曲轴的激光表面硬化)”讨论了针对所提到的不同位置处的200μm以上的硬化深度以及500HV-600HV的硬度的曲轴的激光表面硬化。该文献提到了由于降低的散热效果以及边缘处的热的累积所造成的孔周缘处的熔融问题。其中说明，能够通过选择合适的开始位置并且在容许的范围内改变过程参数来降低孔边缘处的预热效果来解决问题。

激光硬化还没有变得更频繁地使用在复杂产品比如曲轴的环境中的一种原因在于，人们认为，难以实现部分的正确加热，即，难以得到足够的热来确保正确的硬化(通常，经硬化的层需要具有下述有效硬化深度：至少800μm或更深，比如，至少1000μm、1500μm、2000μm或更深，和/或其特征在于，100％转化的马氏体直到比如200μm或更深的深度为止)，同时，避免了敏感部分过热。例如，在比如图1的曲轴的实例中，必须注意有关与油润滑孔1003相对应的轴颈的加热的方面，并且优选地还必须注意有关倒角1004的方面。例如，如果在轴颈的旋转期间大的激光点简单地投射到轴颈的表面以对整个表面进行加热，并且如果旋转速度和激光束的功率保持不变以使得表面的每个部分接收等量的能量，并且如果这个能量足以使表面的主要部分得到足够热量来产生期望的硬化，则油润滑孔的边缘处的加热可能变得过度，因此损害所述边缘。这同样能够发生在通常为底切的倒角处，如果过热，则存在可能受到损坏的边界。

技术实现要素：

本发明的第一方面涉及一种用于对工件的表面进行激光硬化的方法，该工件包括至少一个待被硬化的表面区域，该方法包括：

使来自激光源的激光束投射到所述表面区域上，以在所述表面区域上产生激光点(即，可以被称为实际激光点)；

在工件的表面与激光源之间产生相对运动(例如，通过使工件和/或激光源移位；这种移位可以在本发明的一些实施方式中包括例如工件的旋转)，从而允许激光点随后被投影到所述表面区域的不同部分上；

在所述相对运动期间，使激光束依循扫描图案在所述表面区域的相应部分上沿两个维度进行反复扫描，以在所述表面区域上产生二维等效或有效激光点，所述有效激光点具有能量分布。这种能量分布将取决于诸如实际激光点的功率、扫描图案、以及激光点沿扫描图案的不同部分或区段扫描的速度之类的参数。

由于所述相对运动，所述有效激光点如在对曲轴的轴颈进行硬化的情况下例如沿第一方向——沿曲轴的轴颈的周向方向——沿所述表面区域行进。

这种布置由同一申请人在国际专利申请PCT/EP2013/067949中公开，其内容通过引用并入本文。这种布置的优点在于其尤其在有效激光点沿待被硬化的表面区域行进的同时通过例如调整诸如扫描图案的布局(比如扫描图案的区段的数目、方位和/或长度)和/或激光点沿扫描图案、比如沿扫描图案的不同部分或区段移位的速度之类的上述参数中的一个或更多个参数来允许沿着有效激光点及横跨有效激光点的能量分布被动态地调整。例如，在有效激光点的沿着待被硬化的表面区域的相对移动正在发生时，不同的速度可以被分配至不同的区段，并且扫描图案的布局和/或分配给一个或更多个区段的速度可以被修改。从而，能量分布可以适于考虑某些更热敏子区域。这种更热敏子区域的典型示例是与曲轴的轴颈的油润滑孔相邻的区域。

根据本发明的该方面，扫描图案包括至少三个区段，并且所述激光束的扫描执行成使得所述激光束或实际激光点依循所述区段中的至少一个区段比所述激光束或实际激光点依循所述区段中的至少另一区段更频繁。这种布置的优点在于其增强了灵活性以及扫描图案可以用于提供适当的并且无论何时需要时的对称或大致对称的能量分布的方式。例如，所述区段中的一个区段可以被用作由激光点当在两个其他区段之间移动时依循的路径或桥，使得激光点在扫描图案的不同部分(例如末尾部和起始部)之间的转移可以使用扫描图案的用于转移的区段(比如中间区段)来执行，从而转移通常可以在不关闭激光束和在需要这种对称时不使二维能量分布的对称扭曲的情况下执行。

在本发明的一些实施方式中，扫描图案包括沿第一方向一条接一条地分布的至少三条基本上平行的直线或曲线，所述线大致沿第二方向延伸，其中，所述至少三条线包括沿所述第一方向一条接一条地布置的起始线、至少一条中间线和结尾线，其中，所述激光束的扫描执行成使得所述激光束或实际的激光点依循所述中间线比所述激光束依循所述起始线和/或所述结尾线更频繁。也就是说，例如，激光束依循所述中间线通常是激光束依循所述起始线和所述结尾线的平均两倍，例如，激光束可以每次从起始线朝向结尾线或从结尾线朝向起始线移动时沿中间线行进。也就是说，中间线或线可以作为由实际激光点当在起始线与结尾线之间移动时依循的一种桥。

这种布置已被发现是实用且易于实现的，并且已经发现，适当的能量分布通常可以通过调整扫描速度而基本上不调整激光束的功率来获得。另外，可以修改激光束在扫描期间的功率，以调整能量分布，但功率的快速切换不总是可能或期望的，并且具有处于低功率水平或在大部分扫描周期中关闭的激光束可能意味着激光的容量的次优利用。因此，通常需要用完全处于开通状态的激光束进行操作，以充分利用可用功率。

常常希望使用以此方式——也就是说，沿与沿线延伸的方向不同比如垂直的方向一条接一条——布置的三条或更多条线，以实现有效激光点的不仅在沿着线的方向上而且在其他方向上的大幅度延伸，以使有效激光点足够用于将相当宽的表面部分加热到足够高的温度，并在足够的时间将温度保持在所需水平，同时允许有效激光点以足够的速度行进，从而允许高生产率。因此，有效激光点的在两个维度上的大幅度延伸通常是优势。

在本发明的一些实施方式中，扫描图案包括至少三条基本上平行的线或区段，所述线或区段沿第一方向——比如沿有效激光点在硬化过程期间行进的方向——一条接一条地分布，所述线沿第二方向——比如沿与第一方向垂直的方向——延伸。在本发明的一些实施方式中，所述至少三条线包括沿所述第一方向一条接一条地布置的起始线、至少一条中间线和结尾线，并且所述激光束的扫描执行成使得所述激光点根据下述顺序沿所述线进行扫描：所述激光点遵照所述顺序在依循所述起始线之后依次依循所述中间线、所述结尾线、所述中间线和所述起始线。

上面的定义并不意味着扫描必须开始于起始线，但只表示激光点追踪或依循扫描图案的上述线所遵循的顺序。此外，这并不排除介于依循上述线中的一些线或所有线之间(比如之前或之后)，有效激光点可以依循其他线，比如连接起始线、结尾线和中间线和/或额外的中间线的线。

也就是说，在这些实施方式中，在沿着起始线移动后，激光点在又沿起始线移动之前总是依循所述中间线两次。而更直接的方法可能已经进行扫描，使得激光点在所述结尾线之后直接返回到所述起始线，已经发现，根据本发明的这些实施方式的所依循的顺序适于实现关于沿所述第一方向延伸的对称轴线的对称能量分布。

在本发明的一些实施方式中，扫描图案包括多个所述中间线。线的数量可以由操作员或过程设计者或设备设计者根据例如实际激光点的尺寸和有效激光点的例如在第一方向上的所需延伸来选择。例如，线的最小数目可以是三条线，但是在许多实际实现中，可以在计数起始线、结尾线和中间线时使用较多数目的线，比如四、五、六、十条或更多条线。在本发明的一些实施方式中，在有效的激光点沿待被硬化的表面区域行进时，线的数目被修改以修改能量分布。

在本发明的一些实施方式中，激光点以沿所述至少一条中间线比沿所述起始线和结尾线更高的速度移位。这通常是优选的以至少在硬化过程的一部分或大部分期间实现在所述第一方向的适当的能量分布。激光点在沿中间线移动时或至少在沿中间线中的一条线或一些线移动时的较高速度补偿了下述事实：激光点沿所述中间线移动通常是沿起始线和结尾线移动的两倍。例如，在本发明的一些实施方式中，沿中间线的激光点的速度可以是沿起始线和/或结尾线的激光点的速度的大约两倍。对于不同的中间线，速度可以不同。各线的速度可以按照在第一方向上的所希望的能量分布来选择。现在，在有效激光点沿待被硬化的表面区域行进的同时有效激光点沿着扫描图案的不同线或区段移位的速度可以动态地修改，例如，以调整能量分布从而避免更热敏子区域过热。

在本发明的一些实施方式中，扫描图案还包括在起始线、结尾线和中间线的端部之间沿所述第一方向延伸的线，其中，所述激光点在所述起始线、所述中间线和所述结尾线之间移动时依循沿所述第一方向延伸的所述线。在本发明的一些实施方式中，激光点至少在部分硬化过程中以沿着沿第一方向延伸的所述线比沿着所述起始线和所述结尾线更高的速度移位。

在本发明的一些实施方式中，激光点在无需切换激光束开关的情况下和/或在保持激光束的功率基本上恒定的同时沿所述扫描图案移位。这使得能够以高速度进行扫描而没有考虑到激光的能力，以在不同功率水平之间比如打开和关闭之间进行切换，并且使得能够使用可能不会允许功率水平之间非常快速的切换的激光设备。此外，提供了可用输出功率、即激光设备在电力方面的能力的有效利用。

在本发明的一些实施方式中，工件是曲轴。

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，所述曲轴包括具有第一宽度的至少第一轴颈和具有第二宽度的至少第二轴颈，所述第二宽度大于所述第一宽度，所述轴颈中的每个轴颈均包括待被硬化的表面区域，所述表面区域沿与所述轴颈的周向方向对应的第一方向以及沿与所述曲轴的旋转轴线平行的第二方向延伸。该方法包括：

A)在所述方法的至少一个阶段或硬化曲轴的过程的阶段期间，同时使来自第一激光源的激光束和来自第二激光源的激光束投射到所述第二轴颈的所述表面区域上；以及

B)在所述方法或过程的至少另一阶段期间，使来自所述第一激光源的激光束投射到所述第一轴颈的所述表面区域上，而同时使来自所述第二激光源的激光束投射到曲轴的另一部分(比如，另一轴颈，比如另一第一轴颈)上，所述曲轴可以是相同或不同的曲轴。

根据本发明的该第二方面，使用两个激光源/束是有利的，是因为其允许在硬化过程期间使用可用激光功率方面的效率的增加。如果只使用一个激光，则有必要使用具有足够功率的激光以允许激光提供具有适于硬化曲轴的表面的能量分布的有效激光点，并且该有效激光点具有下述尺寸：在具有第二宽度的轴颈——即，待被硬化的最宽的轴颈——的主要部分上延伸同时在另一方面也可沿周向方向充分延伸以允许有效激光点沿所述周向方向的足够高的行进速度——由于以上讨论的相对运动——而同时允许轴颈的相关部分加热足够长的时间，而没有过度的非期望的能量波动。这种激光是可用的，但问题是具有这种能力和功率的激光在用于硬化具有第一宽度、即最小宽度的轴颈的表面时可能无法被有效地使用。也就是说，例如，在诸如图1的轴颈之类的轴颈的情况下，适于通过自身以有效方式和以意味着高生产率的速度硬化杆轴颈(其是主要轴颈的大约两倍宽)的表面的激光将在用于硬化主要轴颈时以次最佳的方式使用。

因此，使用两个激光源——这两个激光源可以被适配成使得其容量/功率足以使每个激光源根据每单位时间完成的轴颈可用于具有第一宽度(较小宽度)的轴颈的以所期望的速度的充分且有效的硬化，并且其可以一起用于以期望的速度硬化具有第二宽度(较大的一者)的轴颈——允许更有效地利用可用的激光功率。当每个有效激光点的二维能量分布通过使激光点沿扫描图案扫描来确定时，这同样可以应用于扫描设备：两个较小或较简单的扫描图案可以组合以形成所需的能量分布，以使得在使用仅一个激光和相关联的扫描装置的情况下将需要更大或更复杂的扫描图案。

在本发明的一些实施方式中，该方法包括：

A)在所述方法的至少一个阶段期间，使来自第一激光源的激光束投射到所述第二轴颈的所述表面区域上，以在所述表面区域上产生有效激光点，所述有效激光点在待被硬化的所述表面区域的第一部分上沿所述第二方向延伸，以及

使来自第二激光源的另一激光束投射到所述第二轴颈的所述表面区域上，以在所述表面区域上产生有效激光点，所述有效激光点在待被硬化的所述表面区域的第二部分上沿所述第二方向延伸，

其中，所述第一部分和所述第二部分一起在待被硬化的所述表面区域的主要部分上延伸；

B)在所述方法的至少另一阶段期间：使来自所述第一激光源的激光束投射到所述第一轴颈的所述表面区域上，以在所述表面区域上产生有效激光点，所述有效激光点在待被硬化的所述表面区域的主要部分上沿所述第一方向延伸；

在所述方法的两个所述阶段期间，

在所述曲轴的所述表面与所述激光源之间沿所述周向方向产生相对移动，以随后使所述有效激光点沿所述周向方向投射到所述表面区域的不同部分上；

所述有效激光点具有二维能量分布。

该二维能量分布可以是固定的，或者其可以例如动态地适于容纳更多或更少的热敏子区域。例如，有效的激光点可以通过使实际激光点沿两个维度在所述表面区域的相应部分上依循扫描图案扫描而建立，以便在所述表面区域上产生二维等效或有效激光点，所述有效激光点具有取决于诸如扫描速度(激光点沿扫描图案的不同部分或区段移动的速度)、激光点的功率和功率沿扫描图案的变化、扫描图案的布局、激光点的尺寸之类的参数的二维能量分布。这些参数中的一个或更多个参数可以在有效激光点围绕各个轴颈的圆周行进的同时动态地调整，以在例如有效激光点靠近热敏区域、比如与油润滑孔相邻的区域时适应能量分布。这个概念以及相关的概念由同一申请人在国际专利申请PCT/EP2013/067949中公开，其内容通过引用并入本文。

在本发明的一些实施方式中，第一部分被放置成大致邻近所述第二部分，而在两个部分之间没有任何实质重叠。例如，重叠可以小于5％、10％、20％或30％；重叠可以在一些实施方式中为零或几乎为零。

在本发明的其他实施方式中，第一部分和第二部分彼此基本上重叠。例如，重叠可以超过70％、80％或90％，比如100％。

也就是说，第一部分和第二部分可以是单独的非重叠部分，但第一部分和第二部分也可以彼此重叠。在本发明的一些实施方式中，第一部分和第二部分在空间上基本重叠或完全重叠。重要的是，这两个激光束的共同作用产生在第一方向和第二方向上具有足够的延伸的总共两维的能量分布，并且能量分布根据每单位面积施加的功率具有足够的能量密度以允许轴颈被有效地硬化并且具有质量(例如，在有效激光点内没有过多的非期望的能量波动)并且有效激光点沿周向方向以足够的速度行进，以实现关于每小时产品的高生产率。

在本发明的一些实施方式中，在该方法的至少一个阶段期间，来自第一激光源的激光束投射到一个曲轴的轴颈上，而来自第二激光源的激光束投射到另一曲轴的轴颈上。在许多情况下，曲轴将具有将在利用可用激光功率的效率方面次优的许多轴颈。例如，当两个激光源被用于一起硬化更宽的轴颈并且分开硬化较窄的轴颈时，当较窄的轴颈的数目不是偶数时，在硬化轴颈的一个顺序或步骤期间，一个激光源将保持闲置。例如，在如同图1的曲轴的情况下，存在四个宽杆轴颈但可以存在5个较窄的主轴颈。两个激光源可以同时用于硬化每个杆轴颈，并且可以单独用于硬化不同的主轴颈，使得两个主轴颈可以被同时硬化。然而，在硬化主轴颈中的四个主轴颈之后，第五个主轴颈将保持，并且激光源中的一个激光源足以使其硬化。为提高效率，代替剩余空闲的其他激光源然后可以用于硬化第二曲轴的主轴颈。这可以用来附加地提高设备的使用效率。

在本发明的一些实施方式中，在所述方法的至少一个阶段期间，具有所述第一宽度的两个轴颈在一个步骤中被硬化，并且具有所述第二宽度的一个轴颈在第二步骤中被硬化，所述步骤一个接着一个，而在所述两个步骤之间没有所述激光源与所述曲轴之间的沿所述第二方向的任何相对运动。这可以加快该过程，是因为其可以减少两个步骤之间的时间。

在本发明的一些实施方式中，所述表面区域包括至少一个更热敏子区域和至少一个较不热敏子区域，其中，所述能量分布适应成使得所述能量分布在更热敏子区域、比如与曲轴的油润滑孔相邻的区域中与在较不热敏子区域中不同，以防止所述更热敏子区域的过热。

本发明的另一方面涉及一种用于对至少两个曲轴的表面区域、比如轴颈的表面区域进行硬化的方法，该方法包括：

在所述方法或过程的至少一个阶段期间，同时使用来自第一激光源的激光束和来自第二激光源的激光束例如通过将激光束施加至曲轴的相同轴颈或不同轴颈来硬化所述曲轴中的第一曲轴；以及

在所述方法的至少另一阶段期间，使用来自所述第一激光源的激光束来硬化所述曲轴中的所述第一曲轴并且同时使用来自所述第二激光源的激光束来硬化所述曲轴中的第二曲轴。

这已经被发现有利之处在于用于增加灵活性和效率、减少或避免激光设备的任何空闲时间。一个或更多个激光源因此可以在多个曲轴之间共享。这在具有诸如曲轴之类的结构的产品的情况下尤其有利，其中，曲轴具有涉及常常具有不同宽度的多个轴颈的复杂布局。

在本发明的一些实施方式中，该方法包括，在所述方法或过程的至少一个阶段期间，同时使用来自第一激光源的激光束和来自第二激光源的激光束来硬化所述曲轴中的所述第一曲轴，而使用来自第三激光源的激光束来硬化所述曲轴中的所述第二曲轴。

本发明的又一方面涉及一种用于硬化工件的表面区域的设备，该设备包括布置成将有效激光点投射到所述表面区域上的至少一个激光源以及用于在所述表面区域与所述有效激光点之间产生相对运动使得所述有效激光点沿着所述表面区域移动以随后并逐步将所述表面区域的不同部分加热至适于硬化的温度的装置。该设备布置成——例如，通过适当编程的控制系统——操作以执行上述方法中的一个或更多个方法。

在本发明的一些实施方式中，该设备包括至少两个激光源并布置成用于在对曲轴的轴颈的表面进行硬化的方法的一个阶段中通过将来自所述两个激光源的激光束施加至所述轴颈来硬化一个轴颈并且在所述方法的另一阶段中通过将来自所述激光源中的第一激光源的激光束施加至所述轴颈中的一个轴颈以及将来自所述激光源中的另一激光源的激光束施加至所述轴颈中的另一个轴颈来硬化两个轴颈。

在本发明的一些实施方式中，机器、设备或系统可以包括两个或更多个激光源，所述两个或更多个激光源布置成在硬化过程的至少一个阶段期间对至少两个曲轴进行操作。例如，该机器可以包括至少三个激光源，所述至少三个激光源布置成使得在硬化过程的至少一个阶段期间，来自这三个激光源中的两个激光源的激光束用于硬化曲轴中的第一曲轴，并且来自所述激光源中的一个激光源的激光束用于硬化所述曲轴的第二曲轴，而在硬化过程的至少另一阶段期间，来自这三个激光源中的一个激光源的激光束用于硬化曲轴的第一曲轴，并且来自所述激光源中的两个激光源的激光束用于硬化所述曲轴的第二曲轴。

在本发明的一些实施方式中，在有效激光点施加到表面区域上的时间的大部分时间(例如至少50％、75％、90％、95％或更多)，有效激光点在周向方向上具有至少5mm、优选地至少7mm、更优选地至少10mm、并且甚至更优选地至少15mm、20mm、30mm或更多比如至少50mm的宽度(或线性延伸，沿着轴颈的表面的曲率)。使用周向方向上——即，在激光源与轴颈的表面之间产生的相对运动的方向上——的足够延伸，使得可以将待被硬化的表面区域的每个部分加热足够的时间，同时在相当短的时间内完成硬化过程。也就是说，有效激光点的在周向方向上的足够延伸使得可以以相对较高的速度进行相对移动，同时实现足够的穿透或硬化深度，而无需使用过高的温度。为此，有效激光点的在周向方向上的实质宽度可以是优选的。当然，在所使用的激光的功率方面的容量与通过有效激光点覆盖的表面区域之间取得平衡，是因为可用功率必须足以提供区域的充分加热。已经发现，当沿第一方向对具有轴颈——轴颈的宽度大约是一厘米或几厘米——的汽车曲轴工作并且利用具有几千瓦比如3至4千瓦的范围内的输出功率的激光时，有效光点可以例如在周向方向上具有大约1厘米的宽度，而激光与轴颈的表面之间的线性相对速度可以是大约60厘米/分钟。对于许多工业目的，被认为激光束应具有至少3千瓦、优选地更多、比如6千瓦的功率。

在本发明的一些实施方式中，所述有效激光点是通过使激光束沿第一方向和沿第二方向——包括在这两个方向之间的方向，也就是说，与第一方向和第二方向倾斜的方向，例如沿直的或弯曲的路径或线——反复依循激光点以扫描速度移位的扫描图案扫描而获得的等效或虚拟激光点，使得在扫描周期的二维能量分布通过所述扫描速度、所述扫描图案、激光点的尺寸、激光束的功率以及激光束内的功率分布来确定。因此，这些参数中的一个或更多个参数可以被用来动态地调整二维能量分布。这使得能够在激光源与工件表面之间的相对移位过程期间——也就是说，例如在曲轴绕其纵向轴线旋转的过程期间——容易地调整和修改有效激光点的大小和形状以及有效激光点内的二维能量分布，从而调整二维能量分布以避免更热敏子区域比如邻近油润滑孔的区域的过热。在本发明的一些实施方式中，能量分布的调整通过调整所述扫描速度、扫描图案、激光点的尺寸、激光束的功率以及激光束内的功率分布中的至少一者来执行，使得所述能量分布在加热所述较不热敏子区域时与在加热包括与油润滑孔相邻的区域的所述更热敏子区域时不同，以避免与油润滑孔相邻的所述区域的过热。在本发明的一些实施方式中，能量分布的调整通过调整激光束的功率，例如，通过在激光点沿扫描图案的扫描过程中打开及关闭激光束来进行。例如，在使用激光例如光纤激光时，激光束可以被非常迅速地开启和关闭，从而使得能够通过在依循扫描图案时打开及关闭激光束来获得所希望的能量分布。因此，加热可以通过在扫描图案的线中的某些线或部分期间开启激光束来实现。

在本发明的一些实施方式中，能量分布的调整可以通过在激光点沿扫描图案的扫描过程中调整扫描速度来(进一步)进行。对于固定的激光束功率，更高的速度意味着施加较少的能量，反之亦然。

在本发明的一些实施方式中，扫描以足够高的扫描速度进行，使得在所述有效激光点内的点处的温度波动在温度的局部最大值与伴随的局部最小值之间具有小于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℃的幅度。在这种情况下，振荡的振幅是指温度曲线的局部最大值和最小值之间的反复变化的振幅，但不包括初始实质加热至在有效激光点的前缘处的最大温度，并随后冷却至有效激光点的后缘处的低温。为了适当的硬化，希望金属快速达到足够高的温度，并且金属随后保持在所述足够高的温度下合理的时间量，而没有所述温度的大幅度波动，因为这样的波动可能不利地影响硬化的质量。超过10、25、50、75、100、150、200或300赫兹的扫描速度(即，每秒的扫描图案的重复)可以是适当的，以防止被加热点的温度在光点通过激光束在下一个扫描周期中再加热之前下沉太多。充分硬化需要一定的最低温度，并且如果期望的硬化深度是被快速达到的，则高温是优选的。然而，过高的温度可以由于例如晶粒尺寸的增长而不利地影响质量。因此，折衷温度已被发现，并且与该温度的偏差应尽可能小。因此，以每秒周期计算的高扫描速度可以是优选的以降低温度波动或振荡的振幅。

在本发明的一些实施方式中，所述能量分布在所述有效激光点的前部或前缘处比在所述有效激光点的后部或后缘处具有更高的能量密度，使得由有效激光点扫过的区域首先接纳具有较高平均功率的激光照射，并且随后接纳具有更低平均功率的激光照射。这增加了效率，原因在于用于硬化的适当的温度被迅速达到，以便减小有效激光点必须施加至某一区域以达到要求的硬化深度期间的时间。因此，这需要较少的时间来完成例如轴颈的表面的硬化。

在本发明的一些实施方式中，该方法包括将在所述较不热敏子区域中与在所述更热敏子区域中不同的扫描图案用于所述有效激光点内的激光束的步骤。

在本发明的一些实施方式中，该方法包括通过调整扫描速度来调整所述能量分布使得其在所述更热敏子区域中的所述有效激光点的至少一部分中与在所述较不热敏感子区域中的所述有效激光点的至少一部分中不同的步骤。

在本发明的一些实施方式中，所述有效激光点包括具有选择成用于将工件的表面部分加热至硬化温度的能量分布和密度的前部、具有选择成允许加热表面部分的冷却以进行淬火的能量分布和密度(比如非常低的能量密度，比如零功率或接近零功率)的中间部分、以及具有选择成用于加热淬火部分以产生其回火的能量分布和密度的后部。通常，许多工件比如曲轴除需要硬化之外还需要回火，以便减小硬度、提高延展性并降低脆性。对于回火，工件将被加热至通常比用于硬化的温度低的温度。当已经使用激光处理硬化工件时，可以在炉或烘箱中发生回火，但也可以应用与用于硬化的激光处理类似的激光处理来进行回火，但具有不同的能量密度和/或分布。例如，在曲轴的情况下，回火可以通过在硬化周期之后施加回火周期来发生。例如，在硬化轴颈360度之后，有效激光点可以围绕轴颈或沿轴颈再次移动，此时用于使轴颈回火。然而，通过使用包括下述的有效激光点也可以在相同的周期或过程步骤中提供硬化和回火：前部，该前部用于将工件的表面加热到期望的硬化温度并且用于将表面保持在所述温度下足够的时间以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，比如基本为0W/cm²的能量或功率密度以允许加热部分冷却，从而产生淬火或自淬火；以及后部，该后部具有能量分布和密度以将淬火部分根据需要重新加热至回火所需的程度。以此方式，为了产生淬火和回火两者，可以通过使曲轴绕其旋转轴线旋转一次来足以让有效激光点扫过待被处理一次的表面，例如，在曲轴的轴颈的表面的情况下。

在本发明的包括激光束或激光点沿和/或在工件的一部分上的扫描的上述不同方面中，这种扫描可以执行成使得激光点反复依循包括多个区段的扫描图案，并且其中，影响所述二维能量分布的至少一个参数值与例如存储在控制系统的存储器中的所述区段中的每个区段相关联，以每次在激光点沿所述区段移动时用于调整与各个区段对应的操作。所述至少一个参数值可以在操作期间动态地适应，使得所述至少一个参数值在有效激光点加热所述更热敏子区域而非在加热所述较不热敏子区域时对于所述区段中的至少一个区段是不同的。例如，对于给定区段的不同参数值(或参数值的组合)可以存储在不同的存储器位置，并且根据正在被加热的子区域，该参数值可以从一个存储器位置或者从另一个存储器位置离开。然而，这仅仅是一个示例，并且其他实施方式也在本发明的范围之内。已发现分段扫描图案的使用以使得容易地找到并执行适于曲轴的具体设计的能量分布。通过调整影响二维能量分布的一个或更多个参数，很容易修改能量分布以例如应用与工件的更热敏部分、比如曲轴的油润滑孔的边缘周围的区域对应的较少功率/能量。因此，操作者可以通过将不同值分配至与每个区段对应的特定参数来限定不同的能量分布，并且通过在对工件的一部分比如曲轴的轴颈的表面进行硬化期间的不同能量分布之间进行切换，可以实现足够的硬化同时避免热敏感部的局部过热。分段扫描图案的使用和参数值基于每个区段的分配使得例如通过几个试验和误差测试容易地找到合适的值。例如，为容纳油润滑孔，分配给某些区段的值可以在有效激光点到达工件的相应子区域时被选择以减少邻近所述油润滑孔的能量施加。

参数值可以指示扫描速度、激光点的尺寸、激光束的功率、激光束内的功率分布、相应区段的长度和相应区段的取向中的至少一者。在本发明的许多实施方式中，激光束的功率和/或扫描速度可以是优选的参数。

在本发明的上述方面的一些实施方式中，该方法包括在有效激光点到达所述表面区域的先前硬化部分、比如到达曲轴的轴颈的通过使有效激光点围绕轴颈沿周向方向移位硬化的先前硬化部分时降低有效激光点的前部处的能量密度。由此，可以防止轴颈的已加热且已硬化的部分的过度加热。在本发明的一些实施方式中，有效激光点的前缘处的功率/能量密度仅仅是减小的但有效激光点例如在周向方向上围绕轴颈继续行进，以出于使硬化部分回火的目的将硬化部分再加热至一定程度。在本发明的其他实施方式中，该方法包括下述步骤：当有效激光点到达所述表面区域的先前硬化部分、比如到达曲轴的轴颈的通过使有效激光点绕轴颈沿周向方向移位而硬化的先前硬化部分时，中断所述有效激光点在所述有效激光点的前部处的运动，而所述有效激光点的后部继续沿所述周向方向移动，从而逐步减小所述有效激光点在所述周向方向上的尺寸，直到所述有效激光点消失。也就是说，有效激光点在到达先前硬化部分时基本上停止，即，例如，前缘停止并且后缘赶上前缘，从而完成硬化循环。

在这两种情况下，如果有效激光点由区段、比如扫描图案的区段组成，则该方法的实现基本上可以是有利的。在其前缘处开始的有效激光点的减少或消除可以通过调整所述区段处的能量密度来实现，比如通过降低光束的功率和/或增大扫描速度，和/或通过简单地取消或重新布置的段来实现。因此，结合激光束的双维扫描的使用来创建有效激光点的分段方式提供了灵活性并且对于本领域技术人员而言容易地处理，例如，在对曲轴的轴颈沿周向方向进行激光硬化的情况下，有效激光点到达轨道的先前硬化部分。

上述的不同方面每当彼此兼容时可以相互结合。

附图说明

为了使说明书完整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主要部分并且图示了实施本发明的不同方法，这些不同方法不应当被解释成限制本发明的范围，而仅仅是作为如何实现本发明的示例。附图包括以下各图：

图1为本领域中已知的曲轴的示意性立体图。

图2为根据本发明的一种可能的实施方式的系统的示意性立体图。

图3为根据本发明的一种可能的实施方式的激光源1的一部分和工件的一部分的示意性正视图。

图4A至图4C示意性地图示了当对曲轴的油润滑孔的周围的区域进行硬化时如何调整有效激光点的能量分布。

图5A和图5B为硬化过程的两个不同时刻的工件的一个部段的示意性俯视图，其中，有效激光点通过使用多边形扫描图案来形成。

图6示意性地图示了通过包括多条平行线的扫描图案形成的有效激光点。

图7A和图7B图示了包括多条平行线的一种可能的扫描图案。

图8A和图8B图示了根据本发明的实施方式的用于形成有效激光点的扫描图案。

图9A和图9B图示了根据本发明的另一实施方式的用于形成有效激光点的扫描图案。

图10A至图10C示意性地图示了如何能够使用两个激光源对曲轴的轴颈进行硬化。

图11A和图11B示意性地图示了来自两个激光源的激光束如何能够在曲轴的轴颈的表面上提供有效激光点。

图12A和图12B示意性地图示了在本发明的一种可能的实施方式中装置或系统如何能够包括能够在两个或更多个曲轴之间共用的两个或更多个激光器。

具体实施方式

图2图示了根据本发明的一种可能的实施方式的系统。该系统包括容纳激光源1的框架结构，激光源1安装在激光托架11上，激光托架11通过第一激光托架驱动装置12——例如，通过伺服电机或者任何其他合适的驱动装置——能够在与系统的竖向的Z轴线平行的竖向方向上移位。另一方面，激光源1还能够通过第二激光托架驱动装置13——比如，另一伺服电机或者其他合适的驱动装置——平行于系统的水平X轴线沿着水平轨道14而被水平地驱动。

另一方面，系统包括两个工件托架20，每个工件托架能够容纳两个水平的工件1000(在本实施方式中，工件是曲轴)，并且包括驱动装置(未示出)，用于使每个工件沿中心轴线(在本实施方式中，中心轴线对应于穿过曲轴的主轴颈的中心的纵向轴线)旋转，所述轴线平行于系统的X轴线。另一方面，每个工件托架20与工件托架驱动装置21(比如，伺服电机或者任何其他合适的驱动装置)相关联，该工件托架驱动装置21设置成使工件托架平行于系统的Y轴线、垂直于X轴线而水平地移位。

引用水平方向和竖向方向仅用于简化说明，并且轴线的其他取向显然是可能的并且在本发明的范围内。

在这种情况下，首先使用激光源1对在工件托架20中的第一个工件托架中的工件1000中的一个工件的表面的相关部分进行硬化，然后，使用激光源1对在工件托架20中的所述第一个工件托架中的其他工件1000的表面的相关部分进行硬化，并且然后，使激光源1沿着轨道14移动以面向工件托架20中的第二个工件托架，用于对设置在所述第二个工件托架中的工件1000的表面进行硬化。在激光源1在工件托架中的第二个工件托架中的工件上操作的同时，工件托架中的第一个工件托架中的工件能够卸载并且由将被激光源处理的新的工件替换，反之亦然。

显然，存在许多可替代的可能性。例如，每个工件托架可能仅具有一个工件，或者每个工件托架可能具有两个以上的工件。每个工件托架可能具有一个激光源(即，第二激光源托架及其对应的激光源能够被附加至轨道14)。此外，如图2中的布置或者其变型的若干种布置能够平行放置。而且，每个激光托架11能够设置有一个以上的激光源1，使得工件托架中的多个工件能够同时经受激光硬化处理。激光源的数量、工件托架的数量和工件的数量之间的关系能够被选择为使系统的较贵部件的使用最优化，并且例如通过在不停止系统的操作的情况下允许工件的加载和卸载来使生产率最优化。在本发明的一些实施方式中，能够使用多个激光源将激光束同时导向相同的曲轴，例如，同时作用于曲轴的不同轴颈上或者曲轴的相同轴颈上。

在本发明的一些实施方式中，当工件是具有主轴颈1001和杆轴颈1002的曲轴1000时，在曲轴的主轴颈1001的热处理期间，在主轴颈的表面是圆形的并且围绕曲轴的旋转轴线对称的情况下，激光源在Z轴线方向上不移动并且工件托架在Y轴线方向上不移动。在本发明的一些实施方式中，如果需要沿着主轴颈在X轴线方向上的完全延伸施加激光加热处理，则可以存在激光源和/或工件沿着X轴线的运动。这取决于激光源的功率容量以及扫描装置(未示出)的容量以使激光束在X轴线方向上移位。如果激光束能够横跨主轴颈1001的全部沿着主轴颈1001在X轴线方向上的延伸的路径扫描，则例如在曲轴的主轴颈1001中的一个主轴颈的热处理期间，但仅在从一个轴颈的处理转换至另一个轴颈的处理时，可以不需要使激光源1在X轴线方向上移位；这同样适用于例如曲轴的杆轴颈1002的热处理。

然而，在杆轴颈1002的热处理期间，杆轴颈1002的中心轴线自主轴颈的中心轴线径向移位，在工件托架20中的相应的曲轴工件1000的旋转期间，激光源1平行于Z轴线而竖向地移动，并且工件托架2平行于Y轴线而水平地移动，以保持激光源(比如，激光源的扫描装置的输出部，或者透镜的表面)与激光束投射到其上的表面之间的恒定距离。在本发明的其他实施方式中，曲轴能够平行于Z轴线和Y轴线移动。此外，或者替代性地，激光源能够设置成能够平行于Z轴线和Y轴线移动。

第一激光托架驱动装置12和第二激光托架驱动装置13的操作以及工件托架驱动装置21的操作和用于使工件托架20中的工件1000旋转的驱动装置的操作通过电子控制装置比如计算机、计算机系统或PLC(未在图2中示出)来控制。

激光源1包括设置成用于改变激光束的方向的扫描系统。这种扫描系统在本领域中是众所周知的，并且通常包括一个或更多个扫描镜，扫描镜的角度能够在计算机的控制下根据扫描函数——比如，正弦函数、三角函数等——而进行变化。能够使用一轴扫描系统(例如，具有能够绕一个轴线枢转的扫描镜的扫描系统，或类似物)来扫描平行于X轴线——即，由于工件1000的旋转，垂直于工件1000的表面相对于光源1的运动方向——的激光束。横跨表面的相关部分的迅速扫描因此能够形成使X方向上的延伸比不扫描的光点的延伸更大的虚拟的光点：因此，原始光点被转化为更宽的虚拟光点(在X方向上具有更大的延伸)，但由于激光束的功率分布在更大面积上，因此具有较小的功率密度。

关于两轴扫描系统(例如，关于具有双轴向镜或者两个单轴向镜的扫描系统)，激光束能够在两个方向上——例如，一方面，平行于X轴线，并且另一方面，平行于Y轴线，以及两个方向的组合——移动。因此，除了扫描相对于激光源而与表面的运动方向垂直的表面之外，即，除了扫描“沿着”轴颈在X轴线方向上的表面的表面扫描之外，激光束还能够扫描其运动方向——即，平行于Y轴线——上的表面；因此，也能够沿着轴颈的周向方向扫描曲轴的轴颈的表面。此外，激光束能够描绘组合X方向和Y方向上的运动的路径。因此，激光束能够遵循具有如矩形、椭圆形、梯形等的复杂形状的路径。激光点能够在表面上扫描以形成在Y(或W)方向(例如，通过遵循矩形边界内的折曲图案或者通过遵循所述边界内的多个分开的线)上具有较大高度的虚拟填充的矩形，或者重复地描画矩形的边缘或任何其他几何形状的轮廓。因此，使用扫描系统的容量能够形成在X方向上和Y或W方向上均具有期望的延伸和形状的虚拟激光点或等效激光点。在所谓的XYZ扫描仪的情况下，除了X和Y方向上的运动的可能性之外，还设置有聚焦透镜，该聚焦透镜能够通过多种驱动装置而在Z方向上移位，由此允许激光点的尺寸的动态调节。因此，光点的位置和光点的尺寸两者均能够被控制并且被调整为使硬化过程最优化。此外，作为替代性方案或者除了聚焦透镜等的位移之外，激光点的尺寸能够通过使激光源平行于Z轴线移动、使用第一激光托架驱动装置来控制并且调整。此外，系统能够包括用于改变激光点内的功率分布的装置，如从例如上述的DE-3905551-A1可知。

图3示意性地图示了激光源1，激光源1包括示意性地图示的两轴扫描系统3，两轴扫描系统3基于双轴向镜或者两个单轴向镜，并且设置成使入射激光束2在平行于X轴线的竖向平面中以及平行于Y轴线的竖向平面中偏斜；角度α表示在平行于X轴线的竖向平面中的最大扫描，并且角度β表示在平行于Y轴线的竖向平面中的最大扫描。图3示意性地图示了激光源1安置于工件的上方，并且更具体地，安置于曲轴的主轴颈1001的上方，主轴颈1001包括油润滑孔1003，并且主轴颈1001在工件托架(未示出)中沿着由箭头所指示的方向旋转。图3中示意性地图示了由于激光束的扫描能够被激光点扫描到的部分或部段1006。因此，使用这种激光源，投射到工件的顶部上的小激光点能够通过在部段1006内以高速重复地扫描具有任何期望形成的图案大的虚拟或等效光点替代，其中，部段1006是通过扫描系统根据角度α和角度β所允许的最大扫描所确定的。因此，替代了用激光束加热单个小光点，能够在通过用激光束扫描较大区域的时间间隔期间加热所述较大区域(但是，区域的每个单元的功率较小)。或者，换句话说：替代了通过使用例如适当的固定光学器件来提供大光点(比如，大的矩形光点)，能够通过在较大区域上扫描较小光点或者功率更密集的光点来获得相应的功率分布。这包括一个重要的优点：根据表面的不同部分的不同特征，例如，根据热敏感性和过热损害的风险，通过调整扫描图案、扫描运动的速度、激光束的功率和/或光点的尺寸，向表面的不同部分提供动态地施加不同量的能量的可能性。例如，能够选择扫描图案、扫描速度、光束功率和/或激光点尺寸(并且在硬化过程期间动态调整)，以限制施加至位于油润滑孔附近或者底切倒角附近的表面的加热能量的量。为了获得足够的硬化深度和质量，重复地并且优选地以下述高频率执行扫描：比如高于10Hz，或者更优选地高于50Hz、100Hz、150Hz、200Hz或250Hz，以避免加热区域内温度的大幅度波动。

图4A至图4C示出了如何能够将有效激光点的能量分布调整为适于油润滑孔。油润滑孔1003定位在曲轴的轴颈的表面中，并且所述表面在第一方向W——即，周向方向——以及在平行于曲轴的旋转轴线的第二方向上延伸。在图4A中，使用具有呈高功率密度的前部5A和呈低功率密度的后部5B的大致矩形的等效激光点5。然而，如图4B中所示，当由于曲轴的表面与光源之间发生相对运动——例如由于曲轴绕其纵向轴线旋转——，油润滑孔1003靠近有效激光点时，通过朝向前部5A的中央减小功率或能量密度来大幅调整能量分布，以避免与油润滑孔1003相邻的区域过热。在这里，有效光点大致是U形的。然后，在油润滑孔1003经过前部5A时，恢复前部处的初始能量分布，而后部5B处的能量分布通过朝向后部的中央减小功率或能量密度而被调整为适于油润滑孔1003。在这里，有效激光点5大致采用反向U形，如图4C中所示。即，在油润滑孔通过有效激光点的同时，调整能量分布，以与将远离所述油润滑孔进行硬化的表面所施加的能量相比，向与油润滑孔相邻的更为热敏感的区域施加更少的能量。能够对油润滑孔周围的区域进行硬化，而不损害与油润滑孔相邻的更为热敏感的子区域；U形的有效激光点的横向部分用于使油润滑孔的侧边处的区域硬化。图4A至图4C中图示的能量分布中的变化能够例如通过调整扫描图案和/或通过调整激光束功率沿着扫描图案分布的方式(例如，在扫描图案的不同区段期间通过调整激光束打开及切断的方式)、和/或通过调整与扫描图案的不同区段相对应的扫描速度等而获得。

简单的扫描图案可以包括简单的图案或多边形，如图5A和图5B中示意性地图示，图5A和图5B为硬化过程的两个不同阶段期间的曲轴的一部分的俯视图，即，曲轴的主轴颈1001的俯视图。在图5A和图5B中，扫描图案几乎在曲轴的整个宽度——大致从倒角1004中的一个倒角至另一个倒角——上延伸。扫描图案被设计成指示与更为远离油润滑孔1003的热敏感性较低的子区域或区域(参见图5A)相比，油润滑孔1003周围的更为热敏感的子区域(参见图5B)中的较低功率密度。此外，例如，由于底切倒角的使用，与倒角1004相邻的区域被认为是热敏感区域。因此，扫描图案设置成也在所述区域中提供较低功率密度；这通过使用梯形扫描图案来获得，由此，与使用矩形扫描图案的情况相比，以大致恒定的扫描速度，在倒角附近将收到较少能量。代替使用梯形图案，能够使用仅两条平行线，比如，图5A和图5B中示出的梯形的顶部线和底部线。

现在，不考虑是否使用仅两条平行线，或者这两条线是否相互连接以形成如图5A和图5B中示出的多边形，这种方法的问题在于，实际的激光点的尺寸限制多边形的高度，即，在比如图5A和图5B中的一者情况下，多边形的周向方向上的高度，或者周向方向上的两条平行线之间的距离。重要的是，在加热的大部分期间，在有效激光点内加热材料所达到的温度基本不变，以避免可能负面地影响硬化过程的质量的波动。因此，通过实际激光点的直径而使多边形的高度在一定程度上受到限制。然而，通常期望，有效激光点在行进的方向——即，在图5A和图5B中图示的情况下为周向方向——上具有很大程度延伸：这是由于为了确保足够的硬化深度，待硬化的表面的每个点应当在被有效激光点加热的区域内保持足够长时间。另一方面，为了实现就单位每小时而言的高生产率，有效激光点应当尽可能快地行进。因此，需要有效激光点沿行进的方向的很大程度延伸。

为了给定实际的激光点的尺寸，有效激光点沿行进的方向的很大程度延伸能够通过提供包括两条以上的线的扫描图案来实现，所述两条以上的线设置成沿行进方向前后排列，如图6中示意性地图示，其中，有效激光点5通过在垂直于第一方向W——即，有效激光点与待硬化的表面区域之间的相对运动的方向——的第二方向上延伸的多条平行线产生。

这种扫描图案能够通过在与有效激光点行进的第一方向垂直的第二方向上重复地扫描实际的激光点来产生，从而使激光束每个扫描步骤之间的第一方向上移位小距离，以追踪多条平行线。当实际的激光点已经完成了扫描图案时，将转向其初始位置并且在一次执行扫描图案。优选地，扫描所发生的频率高，以避免有效激光点5内的不期望的温度波动。

激光束在激光束朝向将遵循的新的线移位，和/或在完成扫描图案的结尾线与转向扫描图案的起始线之间移位的同时，激光束能够被切断。然而，打开激光束以及切断激光束需要时间，并且可能降低扫描频率。此外，在切断激光束期间的时间是有关用于加热的激光的有效使用丧失的时间。

图7A和图7B图示了一种可能的扫描图案，该扫描图案包括扫描图案的三条主线a-c(如图示的连续的线)和图示了激光点在所述线之间遵循的路径的加热的线。在图7B中，箭头示意性地图示了实际的激光点在遵循扫描图案的同时在待硬化的表面上行进的方式。

现在，这个扫描图案包括热分布将不是对称的问题。相同的情况适用下述情况：在图案的端部处，当完成结尾线c时(即，图7B中从线c的箭头的头部)，激光束竖向地返回线a。

关于W轴线更加对称的能量分布能够通过如图8A和图8B中的每一附图所示的扫描图案获得，同样地包括三条平行线a-c，这三条平行线a-c通过由实际的激光点在这些线之间移动时所遵循的线d相互连接。如图7B中所图示的，从起始线a的开始的激光束行进如下：a–d1–b–d2–c–d3–b–d4。

也就是说，每当实际的激光点行进通过起始线和结尾线时，实际的激光点沿着中间线b行进两次：实际的激光点沿着起始线a和结尾线c行进一次，则实际的激光点每次沿着中间线b行进两次。因此，能够获得关于W轴线——即，关于周向方向——完全对称的扫描图案。

沿着W轴向分布的能量能够通过调整例如线a与线c之间的距离以及激光束沿着线行进的速度来设定。通过调整速度和/或扫描图案，在不打开及切断激光束的情况下，或者在没有大幅改变激光束的功率的情况下，能够动态地调整能量分布。例如，如果能量在整个有效激光点上大体均匀地分布，则激光束能够沿着中间线b以比沿着起始线a和结尾线c更高的速度行进。例如，沿着线b的实际的激光点的速度能够为沿着线a和线c的实际的激光点的速度的两倍。在本发明的一些实施方式中，沿着线d1-d4的有效激光点的速度还能够远远大于沿着线a和线c的有效激光点的速度。

因此，能量分布的调整能够通过调整线比如起始线、结尾线和中间线a-c以及通过调整沿着扫描图案的不同区段a-d(包括d1-d4)的激光点的速度来实现。在有效激光点沿着待硬化的表面区域——比如，曲轴的轴颈的周围——行进的同时，区段的分布和区段的速度能够动态地变化，以调整能量分布来避免更为热敏感的子区域——比如，与有润滑孔、底切倒角相邻的子区域——、或者有效激光点在其围绕待硬化的表面区域的圆周行进的端部处的预先硬化的区域——比如，曲轴的轴颈表面——过热。此外，在有效激光点沿着待硬化的表面行进期间，能够通过添加或删除区段来调整扫描图案。

相同的原理能够应用于其他扫描图案，比如，图9A和图9B中的包括附加的中间线b的扫描图案。在这里，实际的激光点s遵循路径：a–d1–b-d2–b–d3–c–d4–b–d5–b–d6。

图10A至图10C示意性地图示了两个激光器或激光源1和1A能够被用于对曲轴的表面或轴颈进行硬化，例如，这能够在曲轴具有不同宽度的轴颈时是有利的。图10A至图10C的曲轴1000包括具有第一宽度的主轴颈1001和具有第二宽度的杆轴颈1002，其中，第二宽度例如约为第一宽度的两倍。在图10A中，来自激光源1和1A的激光束2和2A均分别施加于杆轴颈，使得能够使用这些激光源的组合功率和扫描容量在待硬化的表面上提供适于对杆轴颈的有效且迅速硬化的组合的有效激光点。在硬化过程的另一阶段中，两个主轴颈将被同时硬化，通过一个单独的激光源对这两个主轴颈中的每个主轴颈进行硬化，如图10B和图10C中所图示的。图11A和图11B示出了分别通过第一激光束2和第二激光束2A来加热的部分P和PA如何能够或多或少地重叠。大部分重叠的部分优选地能够使硬化的均匀性最优化，并且避免了两个部分相遇处的边界效应的任何风险。然而，如图10A所指示的，就待硬化的区域在第二方向上——即，沿着曲轴的轴线——的延伸而言，有时可能有利的是，让激光束中的每个激光束仅对待硬化的区域的一部分进行硬化。这有时可能有助于在不使激光源或曲轴在所述第二方向上移位的情况下能够对曲轴的多个轴颈相继地硬化，同时，克服曲轴的配重物以及其他径向突出的部分可能与激光束发生干涉的问题。观察图10A至图10C时容易理解的是：在图10A中，第一激光束2施加至杆轴颈1002的部分P，并且第二激光束2A施加至杆轴颈1002的部分PA，与图11A相一致，部分P和部分PA大致并排布置，并且彼此之间基本没有重叠。在图10B和图10C中，在不使激光源或曲轴平行于曲轴的旋转轴线移位的情况下，激光束被重新定向为投射在两个主轴颈1001上。

在本发明的一些实施方式中，在两个或更多个曲轴之间能够共用两个或更多个激光源，由此增强激光源和可提供的激光功率的使用的灵活性和有效使用。例如，图12A和图12B图示了一种可能的布置，其中，机器或系统被设置成对两个或更多个曲轴同时硬化。在所示的布置中，机器包括分别与扫描装置3相关联的三个激光源1、1A和1B。在硬化过程的至少一个阶段期间(图12A)，使用来自这三个激光源中的两个激光源(1，1A)的激光束2、2A对曲轴中的第一个曲轴进行硬化(图12A图示了如何使用这些激光源1、1A来一起对曲轴的杆轴颈1002进行硬化)，并且使用来自所述激光源1B中的一个激光源的激光束2B对所述曲轴中的另一个曲轴进行硬化(图12A图示了如何使用激光束2B对主轴颈1001进行硬化)，而在硬化过程的至少另一个阶段期间(图12B)，使用来自这三个激光源1中的一个激光源的激光束2对曲轴中的第一个曲轴(也就是，图12B中的曲轴的主轴颈1001)进行硬化，并且使用来自所述激光源1A、1B中的两个激光源的激光束2A、2B对所述曲轴中的另一个曲轴(在图12B中图示的阶段是曲轴的杆轴颈)进行硬化。即，多个曲轴之间共用一个或过多个激光源能够被用于优化设备的使用并且减小昂贵激光设备的空转时间，从而提高效率和生产率。

本说明书中使用的附图标记：

1,1A,1B 激光源

2,2A,2B 激光束

3 扫描系统

5 有效激光点

5A 有效激光点的前部

5B 有效激光点的后部

11 激光托架

12 用于激光源的竖向运动的第一激光托架驱动装置

13 用于激光源的水平运动的第二激光托架驱动装置

14 用于激光源的运动的水平轨道

20 工件托架

21 工件托架驱动装置

1000 曲轴

1001 主轴颈

1002 杆轴颈

1003 油润滑孔

1004 倒角

1005 垂直于轴颈的表面

1006 能够被激光束扫描的区域或部段

a,b,c,d1,d2,d3,d4,d5,d6 扫描图案的区段

X,Y,Z 空间中的方向

W 周向方向

P,PA 曲轴的轴颈的部分

在本文献中，术语“有效激光点”指的是激光束有效地投射到以照亮并且加热该区域的区域。有效激光点能够是通过使用光学仪器转化原始的激光束以对激光点定形状并且将功率以期望的方式分布在有效激光点上而获得的激光点，或者通过下述方式获得的虚拟的或等效的激光点：依循扫描图案迅速地且重复地扫描激光束以将激光束重复地施加于相同区域或大致相同的区域，使得该激光束的加热效果与在使用大致相同固定的激光束的情况下的激光束的加热效果相同，该大致相同固定的激光束具有与在一个扫描周期期间横跨虚拟的或等效的激光点的功率分布相对应的功率分布。在这里，术语“迅速地”的意思是扫描速度远远大于激光源与曲轴的表面之间的例如在周向方向上的相对运动的速度，使得表面区域的待硬化的部分被激光点重复地加热。例如，通常，扫描速度能够被选定为使得例如实现每秒至少10、50或100扫描周期。优选地，当有效激光点是通过在待硬化的表面上重复扫描实际的或真实的激光点而获得的虚拟的或等效的激光点时，这种扫描优选地发生在二维空间中，并且在所述维度中的任意维度中——例如，在平行于曲轴的旋转轴线的方向上以及在曲轴的轴颈的周向方向上——的虚拟的激光点的尺寸优选地是所述维度中的实际或真实的激光点的尺寸的至少2倍、3倍、4倍、5倍、10倍、20倍或更多倍。例如，可能优选的是，在有效激光点施加到表面区域上的时间的至少50％期间，有效激光点在周向方向上具有下述宽度：至少5mm，优选地至少7mm，更优选地至少10mm以及甚至更优选地至少15mm、20mm、30mm或更大，比如至少50mm。这种很大程度上延伸能够提供高生产率，连同足够的硬化深度。

术语扫描优选地意在指示激光束的运动，并且扫描图案优选地意在指示在固定表面——即，不考虑激光源与工件的表面之间的相对运动——上激光束将依循的图案。

通常，已处理的区域或区段的增长通过下述方式获得：通过有效激光点与待硬化的表面之间的相对运动，通过有效激光点与所述表面相对于彼此移动，例如，在曲轴的情况下，通过使曲轴旋转。为了获得足够的硬化深度，例如，1000μm或更深的实例硬化深度，优选的是，待硬化的表面区域的几乎每个部分保持在有效激光点的区域内持续足够长的时间，比如，通常例如在曲轴轴颈的情况下是0.5秒至5秒，比如，1秒至3秒，不仅使得表面温度将足够高，而且使得工件被充分加热以达到需要的深度。增大激光束的功率密度并不能代替足够的加热时间，因为表面区域不应该过热，这是因为可能对工件造成损坏。因此，表面温度应当在适当的范围内持续足够的时间。因此，需要有效激光点的大致尺寸，在一个维度中以便提供硬化轨道的足够宽度(例如，以便覆盖曲轴的轴颈的大致整个宽度)，并且在另一个维度中以便允许有效激光点与待硬化的表面之间的相对较高的速度(因此提供了高生产率)，同时，允许待硬化的部分在有效激光点内保持足够长时间，以获得期望的或所需的硬化深度。

在本文献中，术语“曲轴”优选地指的是发动机的将往复线性活塞运动转化为旋转的部分，例如，指的是在内燃发动机中使用的那种曲轴，比如，在诸如卡车、汽车以及摩托车之类的多种类型的机动车辆中使用的曲轴。

在本文献中，硬化深度优选地指的是有效硬化深度，其优选地指的是从硬化实例的表面至保持指定等级的硬度的最远点之间垂直距离。例如，所述等级能够在40-55HRC的范围内，优选地为45HRC。在曲轴的领域中，期望等级的硬度通常会考虑钢的碳含量所确定，但一般的等级是45HRC。在本文献的上下文中，以及在关于曲轴的轴颈的硬化方面中，至少1000μm、2000μm或3000μm的硬化深度是优选的。

另一有益方面可以为直到能够观察到100％转化为马氏体的等级或深度，在本文献的上下文中，以及在关于曲轴的轴颈的硬化方面中，这个深度优选地能够为至少200μm、300μm、500μm、800μm、1000μm或更深。

当使用以区段形式的扫描图案时，每秒至少300区段的扫描速度能够为优选的，例如，每秒至少600区段、1000区段、5000区段以及10000区段能够为更优选的，优选地，与至少10Hz、更优选地至少50Hz、甚至更优选地至少100Hz或200Hz的扫描图案重复频率相结合。

尽管已经参照曲轴的表面硬化描述了本发明，但本发明的范围并不限制于曲轴的表面处理。

在本文中，术语“包括”及其派生词(比如，“包括有”等)不应当被理解为具有排除含义，即，不应当将这些术语解释成排除了所描述和定义的内容可能包括其他要素、步骤等的可能性。

另一方面，本发明显然并不限制于本文中所描述的特定实施方式，而是还包括本领域中的任何技术人员可能考虑到的在如权利要求所限定的本发明的总体范围内的任何变化(例如，关于对材料、尺寸、部件、构型等的选择)。