CN103255267B - 激光淬火方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光淬火方法，包括采用激光机淬火；淬火后进行低温去应力退火，将工件加热到500℃之后保温，再随炉冷却；所述激光机淬火的工艺参数为：功率为300~400W，电流为65~80A，频率为45~50Hz，脉宽为5ms，扫描速度为20mm/s，本发明还公开了一种专门用于本发明方法的设备。采用本发明，能使工件的硬度提高5%-15%，表面质量更好，更平整，淬透层的组织更加均匀，能消除由于内应力过大而引起的裂缝和组织不均匀，同时工件的硬度下降较小。

Description

激光淬火方法及设备

技术领域

本发明涉及一种激光表面改性技术，尤其涉及一种钢材表面的激光淬火技术。

背景技术

自激光器问世以来，已经在很多行业都获得重要的应用，激光加工已不再仅是一种科学实验，它已经进入工业生产领域。激光淬火是一个非常活跃的领域，并取得了一定的成果。激光淬火能强化零件的表面，可以提高金属材料的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。

激光淬火就是利用聚焦后的高能量密度大的激光束快速扫描钢铁材料表面，热能通过传导使周围材料急速升温至奥氏体相变点以上、熔点以下的温度，停止加热后因材料基体的自冷作用，使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度急速冷却，从而完成相变硬化．激光淬火过程中存在很大的过热度和过冷度，使得淬硬层的晶粒超细、位错密度极高且在表层形成压应力，从而提高了工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀及抗氧化等性能，延长了工件的使用寿命。

激光淬火技术与传统的表面淬火技术相比，得到的硬化层组织较细，硬度高于常规淬火的硬度。激光淬火得到的马氏体是由针状马氏体和板条状马氏体混合组成的，位错密度比传统的表面淬火要高，位错强化作用也会增强。淬火效果比常规淬火大大增强。

  激光淬火一般都使用二氧化碳激光机，但是二氧化碳激光机产生的激光光波波长较长，二氧化碳激光机产生的光波不仅光波能量较少，而且工件对光波的吸收要比固体激光机少很多，所以一般用二氧化碳激光机需要在工件表面涂覆一层吸光涂层，这样会在淬透层引入杂质，同时也使被加工表面变得粗糙。

发明内容

本发明提供一种激光淬火方法，能大大提高被加工工件表面质量，其步骤包括：（1）采用激光机淬火；（2）淬火后进行低温去应力退火，将工件加热到500℃之后保温，再随炉冷却。

 本发明使用的是脉冲激光机，激光的波形是不连续的，所以要调节合适的激光工艺参数为：淬火的功率为300W-400W，电流大小为65A-80A，频率为45Hz-50Hz，脉宽5ms，扫描速度为20mm/s。

适当提高激光的频率和脉宽，减少激光的电流，能使激光功率波形变得平整，从而能提高工件表面粗糙度，同时也能得到合适的淬透层深度。

进一步地，激光的扫描搭接率为40%~50%。

本发明方法采用两到三次淬火的方法，每次扫描速度方向都不相同。

进一步地，第二次扫描速度为30mm/s以上，第三次扫描速度比第二次扫描速度大5~10mm/s。

进一步地，第二次、第三次扫描的搭接率为30%~40%。

本发明的淬火工件厚度不能低于5mm。激光功率很大，能使工件表面瞬间奥氏体化，要是工件厚度太低，是激光能量不能顺利从表面传导下去，从而使工件表面熔化，不但改变工件的尺寸，工件的质量变差。

本发明使用的是脉冲固体Nd：YAG激光机，选用的是瑞通公司生产的LWS-500型激光焊接机，这种激光机的产生的激光波长为1.064微米，比二氧化碳激光机产生的激光波长要短一个数量级，所以这种激光机产生的激光能量高，而且工件对激光的吸收率要比二氧化碳激光机高很多，使用这种激光机淬火，工件表面不需要涂覆吸光材料，能使淬透层没有杂质。

本发明使用的激光机的聚焦镜采用聚焦镜的焦距为16mm，聚焦镜离工件的加工表面距离为16mm。这样方便加工，同时能使激光的能量都汇聚到一个3mm的光斑上，得到很高的激光密度，加工质量得到很大提高。工作台放上导热能力强的金属，有利于工件传热，避免在大规模淬火时，工件的温度过高，烧蚀工件，并且能增加工件的冷却速度，得到更细的淬透层组织。

实施本发明，具有如下有益效果：

      相比一般的淬火方法，本发明能使工件的硬度提高5%-15%，表面质量更好，更平整；能很好的消除搭接带的回火软化问题，使工件的硬度更均匀，淬透层深度更加均匀；在淬火后进行去应力退火，使淬透层的组织更加均匀，能消除由于内应力过大而引起的裂缝和组织不均匀，同时工件的硬度下降较小；使用固体Nd：YAG激光机不仅光波能量高，工件对它的吸收率也高，一般不需要涂覆吸光层，效率得到了提高。

附图说明

图1是激光淬火装置的示意图；

图2是单道激光扫描后，718模具钢试块截面的扫描电子显微镜的BES图；

图3是718模具钢淬透层的显微组织（400+）。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明的淬火装置包括激光器1、反射灯2、激光头3及工作台4，工件5放置于工作台4上。

反射灯2将所述激光器1发出的激光束改变方向送入激光头3中，并由激光头3将光束汇聚对放置于所述工作台4上的工件5进行淬火加工。

图2为单道激光扫描后试块截面的SEM图，由图可知试块淬透层的截面形状为月弯形。这是因为光斑的能量分布在径向呈高斯分布，从而使光斑的中间能量高，边缘能量较低，从而使淬透层两边的深度较浅，中间比较深。当两道搭接时，在两边会出现回火软化带，回火软化带使工件硬度、耐磨性和耐腐蚀性能变得不均匀。本发明为了最大限度减少大面积淬火时出现的回火软化区，总共进行两到三次淬火，每次淬火的扫描速度方向都不相同，适当增大第二次和第三次的扫描速度，减少搭接率，这样不仅能大大减少回火软化带，同时使工件淬透层深度变均匀，提高了淬火的硬度，使工件淬火表面变的更加光滑平整。多次淬火能为了避免多次扫描对工件表层的熔化和烧蚀，适当增大扫描速度，减少搭接率。

淬火完成后718模具钢的淬透层显微组织如图3所示。

下面结合具体的实施方式对本发明方案做进一步阐述。

实施例1

首先用线切割机把718模具钢材料切成15mm*15mm*10mm的试块，用砂纸打磨被加工表面，是被加工表面变得平整，并去掉表面的锈，然后用酒精放入超声波清洗机，用超声波清洗机去掉试块表面的油渍，清洗好后晾干备用。

调节激光的工艺参数为：电流75A，频率为50Hz脉宽为5ms，调节激光头的高度，使工件表面到聚焦镜距离为16mm，激光的扫描速度为20mm/s。

然后用相同的功率，搭接率为30%，用30mm/s的扫描速度，沿与第一次扫描速度垂直的方向对试块再进行一次扫描。

把淬火后的试块放进加热炉中，快速升温到520度，保温半小时，再随炉冷却，然后再对工件进行后续处理。

把淬火后的试块先在硬度计上测量硬度，测量五次，取平均值。在光学显微镜下观察淬透层的显微组织如图3。

淬火后试块的硬度达到了60HR，硬度得到很大的提高，淬透层深度达到394微米。由显微组织图可以看出，淬火后的组织均匀，得到了细小的马氏体组织。

激光淬火相比常规淬火不仅硬度高，能得到组织细小的晶粒，而且加工时热处理区域小，淬火应力较少；另一方面还可以对形状复杂的零件和不能用其他常规方法处理的零件进行局部硬化。

本发明对试块进行两次淬火，比常规的激光淬火方法得到的硬度更高，表面粗糙度更好，淬透层深度更加均匀，能消除回火软化带对工件质量的影响。在进行淬火后，对试块进行去应力退火，比常规的激光淬火方法效果更好，不仅硬度更高，组织更加均匀致密，能大大消除内应力引起的微观裂纹。

实施例2

按实施例1的方法制备好45刚的试块，然后调节激光工艺参数为：电流70A，频率为50Hz脉宽为5ms，调节激光头的高度，使工件表面到聚焦镜距离为16mm，激光的扫描速度为20mm/s。因为45钢的奥氏体化温度要比718模具钢低80度左右，所以要使组织相变需要的能量要比718模具钢的稍少，所以可以把电流调低一点。

然后用相同的功率，搭接率为30%，用25mm/s的扫描速度，沿与第一次扫描速度垂直的方向对试块再进行一次扫描。

把淬火后的试块放在加热炉中快速升温到520度，然后保温半小时，然后随炉冷却。

用洛氏硬度计测量淬火后45钢试块的淬透层的硬度，淬透层的硬度达到了57HR。硬度比未淬火的45钢的硬度高了80%。

以上所述是本发明的优选实施方式，条件允许的情况下，可以对淬火工件进行喷砂处理，不仅可以使工件表面更清洁，而且可以使工件表面有一定程度的粗糙度，出现毛面，这样能增加工件对激光能量的吸收。激光淬火时，还可以用氮气做保护气体，能有效地减少工件表面的氧化，通氮气的气管应该放在沿扫描方向的前方，而且气流量不应该太大，以免氮气在熔池上产生气压，从而影响淬火后的表面质量。通氮气的气管应沿被加工表面倾斜30到60度角，并固定在激光头上，随激光头做同步运动。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光淬火方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用激光机淬火，激光的扫描搭接率为40％～50％，淬火的次数为2～3次；

(2)淬火之后对工件的淬火区域进行2～3次扫描，每一次的扫描方向不相同；

(3)淬火后进行低温去应力退火，将工件加热到500℃之后保温，再随炉冷却；

步骤(1)中所述激光机淬火的工艺参数为：功率为300～400W，电流为65～80A，频率为45～50Hz，脉宽为5ms，扫描速度为20mm/s。

2.根据权利要求1所述的激光淬火方法，其特征在于，第二次扫描速度为30mm/s以上，第三次扫描速度比第二次扫描速度大5～10mm/s。

3.根据权利要求1所述的激光淬火方法，其特征在于，第二次、第三次扫描的搭接率为30％～40％。

4.根据权利要求1所述的激光淬火方法，其特征在于，被加工的工件厚度大于5mm。

5.根据权利要求1所述的激光淬火方法，其特征在于，激光机聚焦镜与被加工工件的距离为16mm。