CN103667607B - 一种基于扫描振镜的激光淬火方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于扫描振镜的激光淬火装置，包括：可水平移动的工作台以及安装在工作台上的夹具、活动装置、扫描振镜和激光器；扫描振镜通过活动装置安装在工作台上，并设置于夹具的上方；激光器通过光纤缆与扫描振镜连接。本发明采用扫描振镜控制激光光束在工件待加工表面运动，结构简单，设备价格低廉，体积细小，操作简单，激光运动精度高。

Description

一种基于扫描振镜的激光淬火方法及装置

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体是一种激光辅助钻孔方法及装置。

背景技术

激光表面改性是提高金属材料表面性能的一种有效途径，激光淬火是目前研究较多且应用最成功的一种，具有冷却速度快，热影响区小，容易实现自动化等优点。激光淬火作为一种非常有效的表面强化方法，在工业领域得到广泛的运用。

现有技术中，激光淬火的装置主要采用能在水平方向两轴运动的XY移动工作台，以及可上下运动的固体激光器或者CO₂激光器，实现激光光束相对于工件表面的三轴运动。由于激光光斑直径小，激光光束的运动距离小，需要配以高精度和高响应的运动控制系统来完成，设备价格昂贵，体积庞大，操作复杂，激光运动精度难以控制。尤其是对一些外表形状不规则的零件的淬火，现有技术中的装置难以满足要求。

不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于扫描振镜的激光淬火方法及装置，采用扫描振镜控制激光光束在工件待加工表面运动，具备设备结构简单，成本低廉，体积小巧，易于操作、激光运动精度高的优点。

为达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种基于扫描振镜的激光淬火方法，包括以下步骤：

S1、激光定位，将工件固定于扫描振镜的下方，对需要进行激光淬火的工件待加工表面进行定位，并调整好扫描振镜与工件待加工表面的距离；

S2、激光淬火，开启激光，利用扫描振镜控制激光光束按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在工件待加工表面进行扫描运动，使激光光束扫描到工件全部待加工的表面；

S3、冷却，激光扫描完成后，关闭激光，静置较短时间使工件冷却至常温后，将工件取出。

进一步的，所述扫描振镜的焦长不小于10mm。

进一步的，所述激光的功率为100W-400W，光斑大小为1mm-5mm，离焦量为40mm-100mm，扫描速度为10mm/s-25mm/s。

进一步的，所述激光光束与工件待加工表面的夹角为85°-95°。

进一步的，所述扫描振镜与工件待加工表面的距离始终保持不变。

一种基于扫描振镜的激光淬火装置，包括：可水平移动的工作台以及安装在工作台上的夹具、活动装置、扫描振镜和激光器；扫描振镜通过活动装置安装在工作台上，并设置于夹具的上方；激光器通过光纤缆与扫描振镜连接。

进一步的，所述激光器为光纤激光器；激光器上设有功率调节模块和激光控制开关。

进一步的，所述基于扫描振镜的激光淬火装置还包括控制器；所述控制器用于控制扫描振镜，从而控制激光光束的扫描运动；控制器还用于控制激光器的功率调节模块及控制开关。

进一步的，所述控制器为工控机。

进一步的，所述活动装置为丝杆平台或工业机械手。

本发明所提供的一种基于扫描振镜的激光淬火方法及装置，采用扫描振镜控制激光光束在工件待加工表面运动，结构简单，设备价格低廉，体积细小，操作简单，激光运动精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于扫描振镜的激光淬火装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、工件              2、工作台                            3、夹具

4、活动装置          5、扫描振镜                          6、激光器

7、光纤缆

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明提供一种基于扫描振镜5的激光淬火方法，包括以下步骤：

S1、激光定位，将工件1固定于扫描振镜5的下方，对需要进行激光淬火的工件1待加工表面进行定位，并调整好扫描振镜5与工件1待加工表面的距离；

S2、激光淬火，开启激光，利用扫描振镜5控制激光光束按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在工件1待加工表面进行扫描运动，使激光光束扫描到工件1全部待加工的表面；

S3、冷却，激光扫描完成后，关闭激光，静置较短时间使工件1冷却至常温后，将工件1取出。

所述扫描振镜5的焦长不小于10mm。焦长的最小值决定了工件1被加工表面与扫描振镜5的最小距离，为避免工件1被加工表面与扫描振镜5的距离过小，导致激光能量过于集中而熔化工件1；同时，本发明基于扫描振镜5的激光淬火方法是通过控制扫描振镜5以控制激光光束的偏移角度，一旦工件1被加工表面与扫描振镜5的距离过小，会导致激光光束照射在工件1被加工表面的光斑移动困难。为了便于激光光束的移动，扫描振镜5的焦长应设定一个安全范围。

作为优选，所述激光的功率为100W-400W，光斑大小为1mm-5mm，离焦量为40mm-100mm，扫描速度为10mm/s-25mm/s。

激光淬火的工艺中，激光的功率是影响淬火工艺性能的重要参数。激光的功率过高，会导致激光能量过高，容易烧伤甚至熔化工件1；激光的功率过低，会导致激光能量不足，使工件1被加工表面得不到充分的加热，达不到淬火的效果。因此，本发明的优选激光功率为100W-400W。

激光的光斑大小也是影响激光淬火工艺的重要参数之一。光斑太小，激光能量过于集中，容易烧伤甚至熔化工件1；光斑太大，激光能量分散，对工件1被加工表面的加热不足，达不到淬火的效果。因此，本发明的优选激光光斑大小为1mm-5mm。

工业上，采用激光的加工或处理工艺中，通常需要一定的离焦量。因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。因此，本发明的优选激光离焦量为40mm-100mm。

激光的扫描速度也是影响激光淬火工艺的重要参数之一。激光扫描速度过慢，容易使工件1被加工表面对激光能量吸收过多，导致工件1烧伤甚至熔化；激光扫描速度过快，容易使工件1被加工表面对激光能量吸收不充分，达不到淬火的效果。因此，本发明的优选激光扫描速度为10mm/s-25mm/s。

作为优选，所述激光光束与工件1待加工表面的夹角为85°-95°。本发明基于扫描振镜5的激光淬火方法，是采用扫描振镜5控制激光光束进行一定角度的偏移，从而实现激光光束的扫描运动。显然地，激光光束与工件1被加工表面的夹角不可能永远保持垂直。为了确保激光光束的能量能较好地传递至工件1被加工的表面，激光光束与工件1待加工表面的夹角优选为85°-95°。

所述扫描振镜5与工件1待加工表面的距离始终保持不变。显然地，在激光淬火的过程中，激光光束的焦点位置以及离焦量是恒定的，为保证工件1被加工表面吸收的能量恒定，扫描振镜5与工件1待加工表面的距离应始终保持不变。

请参阅图1，本发明还提供一种基于扫描振镜5的激光淬火装置，包括：可水平移动的工作台2以及安装在工作台2上的夹具3、活动装置4、扫描振镜5和激光器6；扫描振镜5通过活动装置4安装在工作台2上，并设置于夹具3的上方；激光器6通过光纤缆7与扫描振镜5连接。

工作平台和夹具3，用于将工件1固定。工作平台是可水平移动的，因此在工件1固定后，能在一定范围内对固定好的工件1进行水平移动，便于工件1在水平位置上的调整，在激光对工件1被加工表面进行定位时有重要作用。

活动装置4，用于调整扫描振镜5与工件1的相对位置。在本实施例中，作为优选，活动装置4采用上下升降的丝杆平台。通过自动或手动的方式调整丝杆平台，可调节扫描振镜5与工件1被加工表面的距离。

扫描振镜5，用于控制激光光束的偏移角度，从而控制激光光束的扫描运动。

作为优选，所述激光器6为光纤激光器6；激光器6上设有功率调节模块和激光控制开关。激光器6用于激发出激光，激光通过光纤缆7传递到扫描振镜5。激光器6上的功率调节模块，是为了便于对不同工件1材料进行不同的激光功率设置。激光控制开关，是为了便于配合激光淬火过程中的激光开关控制。

所述基于扫描振镜5的激光淬火装置设有控制器。控制器用于控制扫描振镜5，从而控制激光光束的扫描运动；控制器也能控制激光器6的功率调节模块及控制开关。控制器对本发明基于扫描振镜5的激光淬火装置起重要的控制作用，是本发明实现自动化操作的重要模块。在自动化程度较高的场合，甚至能控制连接扫描振镜5与工作台2的活动装置4，进一步控制扫描振镜5的运动。作为优选，所述控制器为工控机。工控机是工业上常用的控制系统，具备易于控制，成本较低的优点。

本发明基于扫描振镜5的激光淬火装置的工作过程与上述基于扫描振镜5的激光淬火的方法相同，在此不再赘述。

实施例二

本实施例与实施例一的唯一区别在于：活动装置4采用工业机械手。工业机械手活动灵活，比起丝杆平台单纯的升降运动，工业机械手的自动化程度更高。通过控制器对工业机械手进行控制，能实现工业机械手的全自动操作。尤其对于形状较复杂的零件进行激光淬火的过程中，本实施例的方案更为完善。

对于本实施例中基于扫描振镜5的激光淬火装置的工作原理及方法，与实施例一完全相同，在此不再赘述。

下面将提供两组实验数据，以说明本发明提供的基于扫描振镜5的激光淬火方法的显著有益效果。

实验1：

本实验中，工件1采用45#钢；工件1尺寸50mmX20mmX100mm；激光的功率为200W；离焦量为40mm；激光的搭接率为40%；扫描速度为16mm/s。

进行激光淬火前，表面的硬度为160HB。采用本发明基于扫描振镜5的激光淬火方法进行激光淬火后，工件1表面的硬度可以达到267HB，比淬火前，表面硬度提高了66.9%，硬化效果明显。

实验2：

本实验中，工件1采用40Cr；工件1尺寸50mmX20mmX100mm；激光的功率为200W；离焦量为40mm；激光的搭接率为50%；扫描速度为20mm/s。

用本发明基于扫描振镜5的激光淬火方法进行激光淬火后，放进加热炉中，快速升温到500℃左右，保温半小时，再随炉冷却，以消除试块表面过大的内应力，然后再对工件1进行后续处理。

实验前工件1的硬度为175HB。采用上述工艺处理后，，工件1表面的硬度可以达到261HB，比淬火前，表面硬度提高了49.1%，硬化效果显著。

需要说明的是，上述实验数据均是对本发明激光辅助钻孔方法的实验参考，并不能因此而限定本发明激光辅助钻孔方法的具体应用范围。

本发明所提供的一种基于扫描振镜5的激光淬火方法及装置，采用扫描振镜5控制激光光束在工件1待加工表面进行扫描运动，从而使激光对工件1待加工表面进行激光淬火工艺。相对于现有技术，本发明设备结构简单，成本低廉，体积细小。同时，本发明操作简单，激光运动精度高，激光运动轨迹可控性强，容易实现自动化。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于扫描振镜的激光淬火方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、激光定位，将工件固定于扫描振镜的下方，对需要进行激光淬火的工件待加工表面进行定位，并调整好扫描振镜与工件待加工表面的距离；

S2、激光淬火，选择光纤激光器，使其发出的激光的功率为100W-400W，光斑大小为1mm-5mm，离焦量为40mm-100mm，扫描速度为10mm/s-25mm/s，开启激光，利用扫描振镜控制激光光束按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在工件待加工表面进行扫描运动，使激光光束扫描到工件全部待加工的表面；

S3、冷却，激光扫描完成后，关闭激光，静置较短时间使工件冷却至常温后，将工件取出。

2.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光淬火方法，其特征在于：所述扫描振镜的焦长不小于10mm。

3.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光淬火方法，其特征在于：所述激光光束与工件待加工表面的夹角为85°-95°。

4.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光淬火方法，其特征在于：所述扫描振镜与工件待加工表面的距离始终保持不变。

5.一种基于扫描振镜的激光淬火装置，其特征在于，包括：可水平移动的工作台以及安装在工作台上的夹具、活动装置、扫描振镜和激光器，所述激光器发出的激光的功率为100W-400W，光斑大小为1mm-5mm，离焦量为40mm-100mm，扫描速度为10mm/s-25mm/s；扫描振镜通过活动装置安装在工作台上，并设置于夹具的上方；激光器通过光纤缆与扫描振镜连接。

6.根据权利要求5所述的基于扫描振镜的激光淬火装置，其特征在于：所述激光器为光纤激光器；激光器上设有功率调节模块和激光控制开关。

7.根据权利要求5所述的基于扫描振镜的激光淬火装置，其特征在于：还包括控制器；所述控制器用于控制扫描振镜，从而控制激光光束的扫描运动；控制器还用于控制激光器的功率调节模块及控制开关。

8.根据权利要求7所述的基于扫描振镜的激光淬火装置，其特征在于：所述控制器为工控机。

9.根据权利要求5所述的基于扫描振镜的激光淬火装置，其特征在于：所述活动装置为丝杆平台或工业机械手。