專利名稱：一種激光淬火方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光表面強(qiáng)化處理技術(shù),涉及一種基于掃描振鏡的重復(fù)掃描激光淬火方法及裝置，本發(fā)明特別適用于大尺寸金屬工件的激光表面淬火處理。
背景技術(shù)：
激光淬火技術(shù)，又稱激光熱處理或者激光相變硬化工藝，是采用激光束輻照金屬工件，使其表層溫度高于奧氏體化溫度Ta。激光束移去后，基體材料由于未直接受熱，因此仍然處于常溫狀態(tài)，其快速的熱傳導(dǎo)作用使激光加熱區(qū)域的冷卻速度大于淬火的臨界冷卻速度，并使激光作用過(guò)的區(qū)域溫度迅速降到馬氏體相變溫度以下，從而在工件表面形成馬氏體組織的硬化層。由于激光淬火冷卻速度快，不需要水或油等冷卻介質(zhì)，因此該工藝屬于自冷淬火工藝過(guò)程。一般而言，激光淬火工藝分為兩類，一類是激光作用下，金屬表面不發(fā)生熔化、只發(fā)生固態(tài)相變的淬火工藝過(guò)程，又稱為激光相變硬化工藝，或激光熱處理工藝，其基本特點(diǎn)是確保激光輻照過(guò)程中金屬表面的最高溫度低于熔點(diǎn)溫度Tm，因此激光淬火的工藝參數(shù)(包括激光功率、光斑尺寸、掃描速度等)必須選擇得當(dāng)；另一類是激光作用下表面發(fā)生熔化的淬火過(guò)程，稱為激光熔凝淬火工藝，此時(shí)金屬表面的溫度可以超過(guò)其熔點(diǎn)。由于激光熔凝淬火工藝使得工件表面發(fā)生熔化，因此可以使用更高的激光功率，更慢的掃描速度，硬化層深度也比單純的激光淬火工藝要深。但是，激光熔凝淬火工藝將嚴(yán)重改變金屬材料的表面粗糙度，因此在一些精度要求高、不允許后續(xù)機(jī)加工的狀態(tài)下，該工藝的使用將受到限制。有時(shí)候，由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，或者工藝參數(shù)存在波動(dòng)，激光淬火時(shí)金屬工件表面會(huì)發(fā)生局部微熔，只需要稍微拋光或者打磨就可以去掉微熔層，因此一般仍然將其歸結(jié)為激光淬火工藝。如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，本發(fā)明中后文所述的激光淬火都是指金屬材料基本不發(fā)生熔化或者只發(fā)生局部微熔的固態(tài)相變硬化工藝。激光淬火 硬化層深度不僅與所采用的激光功率、掃描速度、光斑尺寸等工藝參數(shù)有關(guān)，而且和金屬的 熱傳導(dǎo)特性、淬透性等參數(shù)有關(guān)。對(duì)于特定的金屬材料而言，其奧氏體化溫度Ta和熔點(diǎn)溫度Tm基本穩(wěn)定，只是隨著整體成分均勻性和顯微組織的波動(dòng)而有所變化。一般而言，激光淬火時(shí)金屬工件中由于激光工藝參數(shù)和熱傳導(dǎo)過(guò)程決定的高于奧氏體化溫度Ta的傳導(dǎo)深度就對(duì)應(yīng)著激光淬火硬化層的深度。激光淬火硬化層深度不僅與所采用的激光淬火工藝參數(shù)有關(guān)，還和金屬基體的熱傳導(dǎo)過(guò)程特別是材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)密切相關(guān)，由激光淬火工藝參數(shù)和基體的熱傳導(dǎo)特性共同決定。實(shí)際激光淬火加工時(shí)，激光輸出的方式包括連續(xù)輸出掃描淬火或者脈沖輸出掃描淬火兩種方式?，F(xiàn)有的激光掃描淬火工藝不管是連續(xù)激光淬火還是脈沖激光淬火，其傳熱過(guò)程可以用點(diǎn)狀連續(xù)固定熱源的熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行分析，其熱傳導(dǎo)溫度方程為:聊興企)]式(I)
權(quán)利要求
1.一種激光淬火方法，該方法將激光束通過(guò)掃描振鏡后輻照到工件表面，激光束對(duì)每個(gè)加工單元進(jìn)行間歇式重復(fù)輻照，使工件表面的激光淬火區(qū)域高于工件材料的奧氏體化溫度，但始終低于其工件材料的熔點(diǎn)，并利用激光多次重復(fù)加熱的累積熱效應(yīng)形成激光淬火層，并達(dá)到所需硬化層深度；所述加工單元是指在不移動(dòng)振鏡位置和工件位置的情況下，將激光束通過(guò)掃描振鏡后輻照到工件表面并一次連續(xù)作用于工件表面的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光淬火方法，其特征在于，該方法通過(guò)控制激光淬火工藝參數(shù)完成激光淬火，激光淬火工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、光斑尺寸、掃描周期和掃描次數(shù)等，其中，掃描周期是指設(shè)定的激光束對(duì)一個(gè)加工單元的一次連續(xù)輻照加熱時(shí)間與一次間隙時(shí)間之和；掃描次數(shù)是指使一個(gè)淬火單元達(dá)到所需硬化層深度進(jìn)行重復(fù)掃描的次數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光淬火方法，其特征在于，當(dāng)需要淬火單元連續(xù)填充才能覆蓋整個(gè)待淬火區(qū)域時(shí) ，所述激光淬火工藝參數(shù)還包括相對(duì)移動(dòng)速度，它是指光束從一個(gè)淬火單元向另一個(gè)淬火單元移動(dòng)的速度。所述激光淬火方法包括重復(fù)掃描激光淬火方法和重復(fù)掃描式飛行激光淬火方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任一所述的重復(fù)掃描激光淬火方法，其特征在于，該方法包括下述具體步驟: (1)設(shè)工件上淬火單元總數(shù)為N，當(dāng)前處理的淬火單元在工件上的序號(hào)為j，淬火周期為T，一個(gè)淬火單元內(nèi)所需的掃描次數(shù)為Q，實(shí)際掃描次數(shù)的參量為q ； 淬火周期T是指一個(gè)淬火單元內(nèi)的掃描次數(shù)與掃描周期的乘積；淬火單元是指在一個(gè)淬火周期T內(nèi)激光束在工件表面輻照的加工單元的集合； 令j = I, q = I ;并且在整個(gè)激光淬火過(guò)程中一個(gè)加工單元內(nèi)的激光能量分布基本均勻一致； (2)經(jīng)過(guò)掃描振鏡后的激光束輻照到第j個(gè)淬火單元的起始位置，并記錄該時(shí)間點(diǎn)為七㈧所述激光束對(duì)淬火單元中的每一個(gè)加工單元進(jìn)行一次掃描，完成后進(jìn)入(3); (3)判斷q是否等于設(shè)定的掃描次數(shù)Q，如果是，則第j個(gè)淬火單元淬火完畢，即第j個(gè)淬火單元中所包含的所有加工單元發(fā)生激光相變硬化，并達(dá)到所設(shè)計(jì)的硬化層深度，然后轉(zhuǎn)入步驟⑷；如果否，令q = q+1，設(shè)當(dāng)前時(shí)間為t,掃描周期Tb,當(dāng)t-td = Tb時(shí),轉(zhuǎn)入步驟(2)； (4)判斷j是否等于N。如果是，則說(shuō)明所包含的所有淬火單元發(fā)生激光相變硬化，形成激光淬火硬化區(qū)域，并達(dá)到所設(shè)計(jì)的硬化層深度，然后轉(zhuǎn)入步驟(5);如果否，令j = j+1，轉(zhuǎn)入步驟(2); (5)結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的重復(fù)掃描式飛行激光淬火方法，設(shè)工件上淬火單元總數(shù)為N，當(dāng)前處理的淬火單元的序號(hào)為j，設(shè)淬火單元所需的掃描次數(shù)為Q，淬火周期為T，實(shí)際掃描次數(shù)的參量為q ;設(shè)定工件與機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括振鏡)之間的相對(duì)移動(dòng)速度為V，振鏡輸出激光束的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)速度為-V ;其中，淬火周期T是指一個(gè)淬火單元內(nèi)的掃描次數(shù)與掃描周期的乘積，淬火單元是指在一個(gè)淬火周期T內(nèi)激光束在工件表面輻照的加工單元的集合；(I)令 j = I，q = I ;(2)激光束經(jīng)過(guò)掃描振鏡后輻照到第j個(gè)淬火單元的起始位置，并記錄此開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)為h ;所述激光束按照設(shè)計(jì)的加工單元和設(shè)定的掃描速度對(duì)第j個(gè)淬火單元內(nèi)的各加工單元進(jìn)行單次掃描的同時(shí)，還以速度-V進(jìn)行飛行反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，完成后進(jìn)入(3);在激光掃描過(guò)程中一個(gè)加工單元內(nèi)的激光能量分布基本均勻一致； (3)判斷q是否等于設(shè)定的掃描次數(shù)Q，如果是，則第j個(gè)淬火單元淬火完畢，即該淬火單元中所包含的所有加工單元發(fā)生激光相變硬化，并達(dá)到所設(shè)計(jì)的硬化層深度，然后轉(zhuǎn)入步驟(4);如果否,令q = q+1，設(shè)當(dāng)前時(shí)間為t,設(shè)定掃描周期為Tb,當(dāng)t-td = Tb時(shí),轉(zhuǎn)入步驟⑵； 對(duì)淬火單元進(jìn)行一次掃描的時(shí)間正好等于一個(gè)掃描周期Tb，則激光束立即從最后一個(gè)加工單元跳轉(zhuǎn)到第一個(gè)加工單元，跳轉(zhuǎn)距離等于公式IV在Tb時(shí)刻計(jì)算的飛行補(bǔ)償跳轉(zhuǎn)距離，并開(kāi)始對(duì)淬火單元進(jìn)行下一次重復(fù)掃描飛行激光淬火，如果還沒(méi)有到達(dá)一個(gè)掃描周期Tb，則需要等待，當(dāng)滿足t-h = Tb時(shí)才開(kāi)始下一次重復(fù)掃描式飛行激光淬火過(guò)程； (4)判斷j是否等于N，如果是，則所有淬火單元均淬火完畢，即所有淬火單元均發(fā)生激光相變硬化，形成激光淬火硬化層，并達(dá)到所設(shè)計(jì)的硬化層深度；然后進(jìn)入步驟(5)，否則，令j = j+1，轉(zhuǎn)入步驟(2)； (5)結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一所述的激光淬火方法，其特征在于，當(dāng)激光功率為300-30000W時(shí)，光斑尺寸為0.5-60mm,掃描速度為100-10000mm/s，加工單元尺寸為0.2-60000mm2,掃描次數(shù)為2-10000，激光加熱時(shí)間L為1-lOOOOms，加工間隙時(shí)間t2為Ι-lOOOOms，淬火周期 T 為 2-200000ms。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至5所述的激光淬火方法，其特征在于，當(dāng)激光功率為1000-20000時(shí)，光斑尺寸為l_30mm，掃描速度為300-8000mm/s，加工單元尺寸為1-30000mm2，掃描次數(shù)為2-5000，激光加熱時(shí)間&為Ι-lOOOms，加工間隙時(shí)間t2為Ι-lOOOms，淬火周期T為2-20000mso
8.根據(jù)權(quán)利要求2至5所述的激光淬火方法，其特征在于，當(dāng)激光功率為1500-15000W時(shí)，光斑尺寸為2-15mm，掃描速度為300-7000mm/s，加工單元尺寸為10-15000mm2，掃描次數(shù)為2-3000，激光加熱時(shí)間為l_500ms，加工間隙時(shí)間t2為l_500ms，淬火周期T為2-10000mso
9.根據(jù)權(quán)利要求2至5所述的激光淬火方法，其特征在于，當(dāng)激光功率為2000-10000W時(shí)，光斑尺寸為3-10mm，掃描速度為300-5000mm/s，加工單元尺寸為15-10000mm2，掃描次數(shù)為2-1000，激光加熱時(shí)間&為l-300ms，加工間隙時(shí)間t2為l-300ms，淬火周期T為2-6000mso
10.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述激光 淬火方法的裝置，該裝置包括激光器、控制系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置和掃描振鏡； 激光器通過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)與掃描振鏡實(shí)現(xiàn)光路連接；控制系統(tǒng)與激光器、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置和掃描振鏡為電信號(hào)連接，控制其工作，機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)掃描振鏡或者工件隨之運(yùn)動(dòng)。
11.一種權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述掃描振鏡采用前置聚焦掃描振鏡形式或后置f- Θ型聚焦掃描振鏡；所述激光器是光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、YAG激光器、碟片式激光器或者CO2激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光淬火方法及其裝置。本發(fā)明方法利用掃描振鏡的快速跳轉(zhuǎn)將現(xiàn)有激光淬火工藝中單次加熱改變?yōu)槎啻紊踔粮哳l次重復(fù)掃描加熱，激光能量輸入導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)過(guò)程是短加熱時(shí)間、多次疊加方式注入到工件表面，它使得金屬基體吸收的激光能量累積增加，熱傳導(dǎo)深度也累積增大。裝置包括激光器、控制系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置和掃描振鏡。即使當(dāng)工藝參數(shù)選用較高的激光功率時(shí)，由于掃描速度高并有掃描間歇存在，使金屬的表面溫度始終控制在熔點(diǎn)以下，使得熱量能夠有效地、不斷地從工件表面擴(kuò)展到工件內(nèi)部，從而在避免金屬表面熔化的前提下，提高工件表面的奧氏體化區(qū)域的深度，并顯著提高激光淬火效率。
文檔編號(hào)C21D1/09GK103215411SQ20131004736
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者曾曉雁, 胡乾午, 鄭寅嵐, 蔣明, 李重洋, 任昭, 李昆 申請(qǐng)人:武漢新瑞達(dá)激光工程有限責(zé)任公司, 華中科技大學(xué)