專利名稱：熱處理組件以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于利用激光能量改變一基體的設(shè)定區(qū)域的一種熱處理組件和一種方法。
背景技術(shù)：
多種利用激光器和利用激光能量處理基體的熱處理組件為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。利用激光器處理基體的一個缺點是，一旦該激光器以激光束發(fā)射激光能量，便難以將能量約束在待處理區(qū)域。該激光能量被基體吸收后具有通過基體材料被傳導(dǎo)到直接暴露于激光能量的區(qū)域之外部分的趨勢。該傳導(dǎo)使其難以精確控制處理區(qū)域。已知的激光處理系統(tǒng)還利用一作用于該待處理區(qū)域的相對較窄的激光束，以控制對所期望區(qū)域的激光能量的應(yīng)用。該窄光束方法一般需要以從頂部到底部成行地從一邊到另一邊掃描區(qū)域的形式，形成多路徑(稱為柵掃描)。該方法復(fù)雜并且成本高，特別是當有多個待掃描區(qū)域時，仍然不能解決激光能量在邊界附近發(fā)散到期望的目標區(qū)域以外的傳導(dǎo)控制問題。
圖1和圖2顯示了利用現(xiàn)有技術(shù)的方法處理過的基體10、12的剖視圖。該基體10、12，當被激光器處理后，圖示中被剖切并安裝，以觀察該基體10、12的改變。每個基體10、12包括一水平表面14和豎直表面16。該基體10、12被處理以硬化該水平表面14，而同時該豎直表面16未被硬化。激光能量被聚焦于水平表面14上，但一旦該基體10、12吸收激光能量，產(chǎn)生的熱量從水平表面14傳導(dǎo)至豎直表面16。熱能的傳導(dǎo)造成豎直表面16的硬化，這有害于基體10、12的使用。如圖1、圖2所示，該處理區(qū)域從水平表面14朝向豎直表面16傾斜向下。
圖1中的基體10可以是，例如，一鋼制活塞，待硬化的該水平表面14可以是該鋼制活塞上的槽。該鋼制活塞的豎直表面16，如果不斷地受應(yīng)力，作為期望區(qū)域之外熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的被熱處理和硬化的結(jié)果，可能會引起疲勞并出現(xiàn)故障?，F(xiàn)有技術(shù)的圖2顯示了另外一個例子，該例子中提供了一作為基體12的鐵制刮油環(huán)，具有一待處理的水平表面14。同樣地，熱能從水平表面14被傳導(dǎo)至豎直表面16，該豎直表面16被有害地硬化。和上述原因相同，將豎直表面硬化是不利的。
該技術(shù)領(lǐng)域中的方法和組件的再一個不利之處在于，該基體在被處理后具有扭曲的趨勢。該基體的表面區(qū)域受到應(yīng)力作用，以致當該區(qū)域的處理增加該應(yīng)力后，該基體被扭曲。例如，一活塞圈因該活塞圈的形狀而具有應(yīng)力。當該活塞環(huán)利用相關(guān)現(xiàn)有的方法和組件被處理后，該活塞圈具有彎曲并被扭曲的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于改變基體的設(shè)定區(qū)域的熱處理組件。該組件，包括一激光器，操作為發(fā)射激光能量，一基體，具有一設(shè)定區(qū)域，該設(shè)定區(qū)域暴露于所述激光能量以更改所述基體的所述設(shè)定區(qū)域，以及一工具，設(shè)置為在臨近所述設(shè)定區(qū)域可移動接觸所述基體。該工具具有一比所述基體更大的熱傳導(dǎo)率。該工具將基體吸收自激光器的熱能從所述設(shè)定區(qū)域傳導(dǎo)出去。
本發(fā)明還提供了一種改變基體的設(shè)定區(qū)域的方法。該方法包括提供基體，提供工具，將該工具設(shè)置成與該基體可移動接觸并鄰近該設(shè)定區(qū)域。該將熱能從該基體傳導(dǎo)出去，并防止對該設(shè)定區(qū)域之外區(qū)域的改變。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供的組件和方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。特別地，本發(fā)明利用該工具通過將熱能從基體傳導(dǎo)出去以限制對基體的改變。因此，熱能精確地改變設(shè)定區(qū)域，而不改變不期望的基體的其他部分。參照以上描述的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明保證了很少或沒有不期望的豎直表面的改變的發(fā)生。僅僅是被期望區(qū)域被硬化，這降低了基體出現(xiàn)故障的可能性。該工具還節(jié)省了改變期望區(qū)域所要求的時間和成本。該激光器在掃描時不需要精確控制，并且該區(qū)域可以用單路徑光線型激光器處理。本發(fā)明進一步包括該工具最小化地減少了基體因處理而造成的扭曲。


本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點通過以下更詳細的描述和相應(yīng)的附圖，將會被更容易地理解。其中
圖1是利用現(xiàn)有技術(shù)處理的基體的剖視圖；圖2是利用現(xiàn)有技術(shù)處理的另一種基體的剖視圖；圖3是按照本發(fā)明具有柱形工具的熱處理組件的透視圖；圖4是按照本發(fā)明具有大致為矩形的工具的熱處理組件的透視圖；圖5是圖3中所示的具有被改變的水平表面的基體的剖視圖；圖6是圖4中所示的具有被改變的水平表面的基體的剖視圖。
具體實施例方式
圖3中顯示了一熱處理組件20。該熱處理組件20包括一激光器22，一基體24以及一工具26。該激光器22直接朝向基體24和工具26發(fā)射激光能量28?；w24吸收該激光能量28，熱能改變基體24?；w可以多種方法被改變，例如，但不局限于，蝕刻(etching)、標刻(marking)、退火(annealing)、彌散硬化(precipitation hardening)或類似方法。
根據(jù)激光器的類型，不同激光器22發(fā)射具有不同的波長的激光能。激光器22可以是固態(tài)激光器、氣體激光器、準分子激光器、染料激光器或者半導(dǎo)體激光器。作為示例的固態(tài)激光器包括，但不局限于，紅寶石型激光器和釹釔鋁石榴石型激光器(Nd:YAG)。該Nd:YAG激光器典型地產(chǎn)生波長約為1064納米的激光能量28。作為示例的氣體激光器包括，但不限于，氦型激光器和二氧化碳型激光器。二氧化碳型激光器典型地產(chǎn)生波長約為10.6微米的激光能量28。作為示例的準分子激光器包括，但不限于，活性氣體和惰性氣體型激光器。染料激光器利用復(fù)合有機染料作為激發(fā)介質(zhì)，可包括，但不限于，羅丹明6G(rhodamine 6G)。半導(dǎo)體激光器包括二極管型激光器。在該優(yōu)選的實施例中，激光器22為二極管型激光器，具有從500瓦到10千瓦的功率，優(yōu)選500瓦到5千瓦功率，更優(yōu)選地，具有從800瓦到2千瓦的功率。二極管型激光器可從Nuvonyx和Rofin-Sinar購得。
激光器22可以光束(圖未示)或激光光線30的形式發(fā)射激光能量28。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認識到，光束稀并且窄，而光線30寬并且濃。激光光線30與光束相比，掃描時可覆蓋更大的區(qū)域，盡管利用光束掃描鏡—例如galvo鏡(galvo mirror)的窄光束也可達到類似效果。優(yōu)選地，激光22以激光光線30發(fā)射激光能量28。該激光光線30具有從500納米到1000納米的波長，優(yōu)選從650到900納米，更優(yōu)選從750到850納米。該優(yōu)選的二極管型激光器22產(chǎn)生波長約808納米的激光能量。激光光線30優(yōu)選地具有從0.1毫米到1毫米的寬度和從5毫米到20毫米的長度。更優(yōu)選地，激光光線30具有約1/2微米的寬度和約10-12微米的長度。
基體24具有一暴露于該激光能量28的待改變的設(shè)定區(qū)域32。例如，該設(shè)定區(qū)域32可包括基體24的整個表面或僅一部分表面。該設(shè)定區(qū)域32還包括該基體24的暴露邊緣34，如圖4和圖5所示。該設(shè)定區(qū)域32可以是任何尺寸，可位于該基體的任何位置；但是，典型地有一鄰近設(shè)定區(qū)域的對應(yīng)區(qū)域33是不被改變的。優(yōu)選地，基體24由不同于工具26的材料形成。基體24可以是任何待被改變的金屬材料，但基體24優(yōu)選為含鐵的材料?；w24根據(jù)基體24的應(yīng)用可以為各種形狀和尺寸。基體24的示例包括，但不局限于，活塞環(huán)，電極，發(fā)動機缸體，制動盤，或類似物。圖3顯示了一板狀基體24，具有一外部前表面36并大致呈矩形。該前表面36確定了設(shè)置于其上的多個孔。圖4顯示了一條狀基體24，具有一外部前表面36并大致呈矩形。
工具26包括銅材料、金材料、銀材料或鋁材料中的至少一種。優(yōu)選地，工具26包括銅材料或鋁材料，最優(yōu)選地，包括銅材料。根據(jù)基體24的應(yīng)用，工具26可以是多種形狀和尺寸。典型地，工具26根據(jù)設(shè)定區(qū)域32和保持不變區(qū)域33的尺寸來定尺寸。也就是說，工具26根據(jù)基體24的形狀可以具有不同的形狀，只要該工具26能夠在設(shè)定區(qū)域32和非處理區(qū)域33之間的邊界可移動接觸。
工具26具有大于基體24的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率的不同，允許工具26從設(shè)定區(qū)域32將在基體24中產(chǎn)生的熱能傳導(dǎo)出去。優(yōu)選地，工具26的熱傳導(dǎo)率大于150W/mK，更優(yōu)選地，大于200W/mK。銅材料具有400W/mK的熱傳導(dǎo)率，鋁材料具有235W/mK的熱傳導(dǎo)率。
為使工具26有效地將熱能從基體24傳導(dǎo)出去，該工具26應(yīng)當吸收很少或不吸收激光能量28。工具26具有比基體24更大的反射率，優(yōu)選地，具有在1000納米波長至少65％的反射率。銅材料在1000納米波長具有90％的反射率，鋁材料在1000納米波長具有71％的反射率。工具26優(yōu)選地具有一平行于該基體24外表面的外表面，以阻止激光能量28被基體24吸收。工具26的平行表面將能量28從基體24反射出去。
在操作中，工具26被設(shè)置為與基體24可移動接觸，并鄰近該設(shè)定區(qū)域32。激光器22朝向基體24和工具26發(fā)射激光能量28。激光器22沿設(shè)定區(qū)域32掃描。如果利用光束型激光器，那么激光器22可能會重復(fù)地掃描期望區(qū)域，直到激光器22掃描完整個區(qū)域，例如，柵掃描?？蛇x地，以及優(yōu)選地，如果采用激光光線型激光器，那么激光器可能以單一路徑掃描，不僅覆蓋設(shè)定區(qū)域32，也可能會覆蓋被工具26屏蔽的鄰近區(qū)域33。優(yōu)選地，激光光線30足夠長，從而以單一路徑覆蓋設(shè)定區(qū)域32。但是，激光器22可掃描多條路徑以覆蓋設(shè)定區(qū)域32。
到達基體24的激光能量28在基體24的應(yīng)用區(qū)域(設(shè)定區(qū)域32)被吸收并產(chǎn)生熱能。越過設(shè)定區(qū)域32覆蓋到鄰近區(qū)域33的應(yīng)用激光能量28被覆蓋的工具26反射或屏蔽，由此，鄰近區(qū)域33不受直接應(yīng)用的激光能量28的影響?；w24具有處理前的微結(jié)構(gòu)(例如在暴露于激光能量28之前的微結(jié)構(gòu))。設(shè)定區(qū)域32的加熱導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)在暴露后的一個期望的變化(例如預(yù)處理區(qū)域32具有與基體24的其它部分處理前微結(jié)構(gòu)不同的處理后的微結(jié)構(gòu))，而鄰近區(qū)域33的微結(jié)構(gòu)從熱能28的開始應(yīng)用到基體24保持不變。由于應(yīng)用熱能，隨著熱能28在設(shè)定區(qū)域32的積累，熱量有自然的趨勢穿過基體24向鄰近區(qū)域33傳導(dǎo)，該鄰近區(qū)域33較冷并可能形成低能量熱沉(heat sink)。但是，該傳導(dǎo)路徑被設(shè)置的與鄰近區(qū)域33可移動接觸的工具所中斷。該工具26選擇為具有大于基體24的熱傳導(dǎo)率，尤其大于臨近區(qū)域33的熱傳導(dǎo)率。當熱量到達鄰近區(qū)域33時，被工具26吸收出基體24外，從而保護了鄰近區(qū)域不被熱能改變。本發(fā)明通過利用工具26由此精確控制穿過基體24的熱能的傳導(dǎo)路徑，即將該工具設(shè)置為與鄰近區(qū)域33可移動接觸，熱量遠離設(shè)定區(qū)域32和鄰近區(qū)域33的邊界區(qū)域而傳導(dǎo)，以將激光能量的應(yīng)用效果限制在設(shè)定區(qū)域32。
當設(shè)定區(qū)域32包括暴露的邊緣34時，例如圖3中環(huán)繞孔38的邊緣和圖4中相鄰面的角部，工具26可設(shè)置為緊鄰暴露邊緣34，并優(yōu)選地與豎直表面46相接觸。具有相對較高材料傳導(dǎo)率的工具26用于將熱能傳導(dǎo)出基體，并阻止在邊緣34以及豎直表面46附近的能量積累，從而保護了這些區(qū)域不被熱能改變。
在圖3所示的實施例中，工具26包括可移動插入和/或嵌入基體24的孔38的四個金屬柱40。該板的設(shè)定區(qū)域32為該板的外部前表面36。工具26設(shè)置為直接與孔38的壁相接觸，并用以將熱量從孔38的壁表面?zhèn)鲗?dǎo)出去，以保護這些表面不被所施加的熱能改變。該板未受屏蔽的前表面36被加熱并且被所施加的熱能改變，可形成被熱能硬化的熱影響區(qū)域36，同時孔38未受影響的區(qū)域保持他們原先的加熱處理前的狀態(tài)，因此具有比熱處理區(qū)域36較小的硬度。
圖5是沿圖3中5-5線的剖視圖。圖5顯示了基體24被處理后的顯微圖。該基體24具有被處理的設(shè)定區(qū)域32，圖示為一水平表面44，以及未被處理的基體24的其他部分33。該設(shè)定區(qū)域32具有被改變的微結(jié)構(gòu)，而其它部分33的微結(jié)構(gòu)保持不變。進一步地，基體24的豎直表面46未被改變，因為工具26將熱量從豎直表面46傳導(dǎo)出去。被改變區(qū)域32朝向邊緣34與工具26和基體24的接觸處向上傾斜。
在圖4所示的實施例中，工具26具有一槽42，其形狀為可容置矩形條狀物。該條狀物的設(shè)定區(qū)域32為該條狀物的暴露表面，而側(cè)邊為不被處理的區(qū)域33。工具26將熱量從側(cè)邊傳導(dǎo)出去以限制其他表面的改變。
圖6是沿圖4中6-6線的剖視圖。圖6顯示了基體24被處理后的顯微圖。同樣地，設(shè)定區(qū)域32為水平表面44，工具26與豎直表面46相接觸。改變的區(qū)域32限制到水平表面44，同時豎直表面46被工具防護而不受所施加熱量的影響。如看到的那樣，改變區(qū)域朝向邊緣34以及基體24和工具26的接觸部彎曲向上。
當激光器22掃描基體24和工具26后，基體24和工具26被分離。隨后基體24可根據(jù)基體24的特殊需要被制作完成。本發(fā)明的一個優(yōu)點是它可使用較低等級的合金作為基體材料從而代替較高等級的合金，因為基體需要較高等級合金特性的部分可由該區(qū)域的目標熱處理而產(chǎn)生，同時周緣部分保持不受影響。另外，可能存在需要基體的一些部分具有高硬度的應(yīng)用，而同時這樣的高硬度對緊鄰該期望的高硬度區(qū)域的部分是有害的。根據(jù)本發(fā)明，較高硬度的特性可通過對激光熱能的目標應(yīng)用在期望的區(qū)域產(chǎn)生，同時鄰近的較低硬度的區(qū)域可通過工具的防護避免被熱能改變。
顯而易見地，根據(jù)以上教導(dǎo)，本發(fā)明的許多修改和變形是可能的。本發(fā)明在所附屬的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以實施為不同于以上描述的其他方式。
權(quán)利要求
1.一種熱處理組件，包括一激光器，用來發(fā)射激光能量；一基體，具有一設(shè)定區(qū)域，該設(shè)定區(qū)域暴露于所述激光能量以更改所述基體的所述設(shè)定區(qū)域；以及一工具，設(shè)置為在鄰近所述設(shè)定區(qū)域可移動接觸所述基體，并具有一比所述基體更大的熱傳導(dǎo)率，以將熱能從所述設(shè)定區(qū)域傳導(dǎo)出去。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述基體由不同于于所述工具的材料形成。
3.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述工具具有大于150W/mK的熱傳導(dǎo)率。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述工具具有大于所述基體的反射率。
5.如權(quán)利要求4所述的組件，其特征在于，所述工具在1000納米波長時具有至少65％的反射率。
6.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述基體進一步限定為一含鐵的材料。
7.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述設(shè)定區(qū)域具有一微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)作為暴露于所述激光能量的結(jié)果而被改變。
8.如權(quán)利要求7所述的組件，其特征在于，所述設(shè)定區(qū)域進一步包括一暴露的邊緣。
9.如權(quán)利要求8所述的組件，其特征在于，所述工具設(shè)置為緊鄰所述暴露的邊緣，以將對所述微結(jié)構(gòu)的改變限制在所述設(shè)定區(qū)域，以及阻止在所述邊緣附近的熱能積累。
10.如權(quán)利要求7所述的組件，其特征在于，所述設(shè)定區(qū)域吸收所述激光能量并產(chǎn)生改變所述微結(jié)構(gòu)的熱能。
11.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述工具具有一平行于所述基體所述外表面的外表面。
12.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述工具包括銅材料、金材料、銀材料或鋁材料中的至少一種。
13.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述激光器進一步限定為一二極管型激光器。
14.如權(quán)利要求13所述的組件，其特征在于，所述二極管型激光器發(fā)射產(chǎn)生所述激光能量的激光光線。
15.如權(quán)利要求14所述的組件，其特征在于，所述激光光線具有一從500納米到1000納米的波長。
16.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征在于，所述激光光線的寬度在0.1到1毫米之間以及長度在5毫米到20毫米之間。
17.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述激光器的功率在500瓦到10千瓦之間。
18.一種利用來自激光器的激光能量改變一基體的設(shè)定區(qū)域的方法，包括以下步驟提供一具有一設(shè)定區(qū)域的基體，該設(shè)定區(qū)域暴露于該激光能量；提供一熱傳導(dǎo)率比該基體更大的工具；以及將該工具設(shè)置成與該基體可移動接觸并鄰近該設(shè)定區(qū)域，以將熱能從該設(shè)定區(qū)域傳導(dǎo)出去，并限制該基體在設(shè)定區(qū)域之外的改變。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括從該激光器朝向該基體以及工具發(fā)射該激光能量以改變該設(shè)定區(qū)域的步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，進一步包括沿該設(shè)定區(qū)域掃描該激光器的步驟。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，進一步包括在該激光器被掃描后分離該基體和該工具的步驟。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，掃描該激光器的步驟進一步限定為在一單一路徑上沿該設(shè)定區(qū)域掃描該激光器。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，發(fā)射該激光能量的步驟進一步限定為從一二極管型激光器以激光光線發(fā)射該激光能量。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，發(fā)射該激光光線的步驟進一步限定為發(fā)射具有從0.1到1毫米寬度以及從5毫米到20毫米長度的激光光線。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，發(fā)射該激光光線的步驟進一步限定為發(fā)射具有從500納米到1000納米波長的激光光線。
26.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，發(fā)射該激光能量的步驟進一步限定為發(fā)射具有從500瓦到10千瓦功率的激光能量。
27.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，提供該具有設(shè)定區(qū)域的基體的步驟進一步包括提供具有一暴露邊緣的設(shè)定區(qū)域的步驟，該暴露邊緣緊鄰該工具，以使該工具阻止熱能在該邊緣附近積累。
28.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，將該工具設(shè)置為與該基體可移動接觸的步驟進一步限定為將該工具嵌入該基體中。
29.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，提供該工具的步驟進一步限定為提供具有一熱傳導(dǎo)率大于150W/mK的工具。
30.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，提供該工具的步驟進一步限定為提供具有一反射率大于該基體的工具。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，提供該工具的步驟進一步限定為提供在1000納米具有至少65％反射率的工具以反射該激光光線。
32.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，提供該工具的步驟進一步限定為提供包括銅材料、金材料、銀材料或鋁材料中至少一種的工具。
33.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，提供該基體的步驟進一步限定為提供一含鐵材料的基體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱處理組件。該熱處理組件包括一激光器(22)，一基體(24)以及一工具(26)。該激光器發(fā)射直接朝向該基體和該工具的激光能量。該基體吸收該激光能量并在基體內(nèi)產(chǎn)生改變該基體的熱能。該工具設(shè)置為與該基體可移動接觸，以將熱能從基體傳導(dǎo)出去，從而限制基體的改變。優(yōu)選地，該工具具有比基體更大的熱傳導(dǎo)率，更優(yōu)選地，為銅材料、金材料、銀材料或鋁材料。
文檔編號B23K26/00GK101052494SQ200580037773
公開日2007年10月10日 申請日期2005年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者沃倫·博伊德·萊恩托恩, 克里斯多佛·巴格諾爾 申請人:費德羅-莫格爾公司