CN103789720A - 一种通过双脉冲阶梯波形激光器提高激光氮化效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过双脉冲阶梯波形激光器提高激光氮化效果的方法，该方法通过使用双脉冲波形激光器和同轴环形送气口，将高纯氮气通过同轴环形送气口使其汇聚到激光工作区域，使用双脉冲阶梯波形激光器进行激光氮化，第一道脉冲波形激光器功率大于第二道脉冲波形激光器，呈阶梯状趋势。使用该双脉冲阶梯波形激光器，由于第二道脉冲波形激光功率低，能够降低金属件的冷却速度，避免温度降低过快使其在氮化的过程中产生气泡、裂纹等缺陷，提高了激光氮化质量，大大增加的金属件的耐磨和耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光氮化方法，特别是指一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，属于通过使用高能激光增加金属表面性能的领域。
背景技术
激光氮化是指利用高能激光在高纯氮气中对金属表面进行融化，使其表面形成一层氮化层，激光氮化过程升温很快，高能激光束流的热量输入导致熔化金属层与基材之间产生很大的温度梯度，随着激光束流离开熔化金属后，熔池发生快速冷凝，冷凝时温度梯度导致激光熔凝层内产生拉应力，当拉应力大于该温度下材料强度极限时，熔凝层金属即出现裂纹。高能激光经过后，基材表面温度迅速降低，导致气泡无法完全溢出。
传统的激光氮化过程中，一般使用连续波二氧化碳激光器，但是由于连续波二氧化碳激光器激光氮化后，氮化层表面粗糙不均匀，是一种表面粗化的过程，导致氮化层有气泡等缺陷，往往不能满足工业需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，通过该双脉冲阶梯波形激光器，由于第二道脉冲波形激光功率低，能够降低金属件的冷却速度，避免温度降低过快使其在氮化的过程中产生气泡、裂纹等缺陷，提高了激光氮化质量，大大增加的金属件的耐磨和耐腐蚀性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术的方案是：.一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，包括：通过使用双脉冲波形激光器和同轴环形送气口，将高纯氮气通过同轴环形口使其汇聚到激光工作区域，使其形成一个富氮区域，使用双脉冲阶梯波形激光器在富氮区域进行激光氮化，使其表面形成一层均匀的氮化层。
上述的双脉冲阶梯波形激光器，是通过两道激光进行激光氮化，第一道激光功率大一第二道激光功率，呈阶梯状趋势，两道激光中心间距为5cm。
上述的富氮区域是高纯氮气通过同轴环形送气口流出，汇集出形成的一个小规模高纯氮气区域。
上述的同轴环形送气口安装在激光头上，与激光通道同轴，下端呈环形状，上端有连接高纯氮气的接口，内部通道为向内呈斜坡状。
上述的第一道激光功率为400-800W，第二道激光功率为200-500W，氮化温度为400-600℃，氮化实际为5-10h，激光扫描速度为20-50mm/s。
上述的激光器为脉冲激光器。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
a.使用双脉冲阶梯波形激光器功率低，能够降低金属件的冷却速度，避免温度降低过快使其在氮化的过程中产生气泡、裂纹等缺陷，提高了激光氮化质量，大大增加的金属件的耐磨和耐腐蚀性能。
b.使用脉冲激光器，脉冲式激光器在加工过程中会对液态熔池带来类似扰流及搅动作用，会促进熔池中气泡的逸出。并且峰值功率越大，这种作用越为强烈，气孔率越低
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是双脉冲阶梯波形激光器激光氮化原理图；
图2是同轴环形送气口剖面图；
附图中：11.平面加工工作台；12.加工件；13.富氮区域；14.第二道脉冲阶梯波形激光头；15.第一道脉冲阶梯波形激光头；16.同轴环形送气口；21.同轴环形送气口进气端口；22.激光通道；23.同轴环形送气口出气端口；31.斜坡状送气通道。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述。
实施例1
一种通过双脉冲阶梯波形激光器提高激光氮化效果的方法，包括：
如图1、图2所示，对基材14进行预处理，除去表面的油污和杂志等，将其平放在加工工作台处11，通过使用双脉冲波形激光器和同轴环形送气口16，在第一道脉冲阶梯波形激光头15上安装同轴环形送气口16，将高纯氮气通入同轴环形送气口进气端口21，高纯氮气通过斜坡状送气通道31，从同轴环形送气口出气端口流出23，使其汇聚到激光工作区域，使其形成一个富氮区域13，使第一道脉冲阶梯波形激光在富氮区域进行激光氮化，使其表面形成一层均匀的氮化层，紧随着第二道脉冲阶梯波形激光，第一道激光功率为400W，第二道激光功率为200W，呈阶梯状趋势，两道激光中心间距为5cm。氮化温度为400℃，氮化时间为6h，两道激光扫描速度均为20mm/s。对氮化后的基材进行金相分析。
实施例2
一种通过双脉冲阶梯波形激光器提高激光氮化效果的方法，包括：
如图1、图2所示，对基材14进行预处理，除去表面的油污和杂志等，将其平放在加工工作台处11，通过使用双脉冲波形激光器和同轴环形送气口16，在第一道脉冲阶梯波形激光头15上安装同轴环形送气口16，将高纯氮气通入同轴环形送气口进气端口21，高纯氮气通过斜坡状送气通道31，从同轴环形送气口出气端口流出23，使其汇聚到激光工作区域，使其形成一个富氮区域13，使第一道脉冲阶梯波形激光在富氮区域进行激光氮化，使其表面形成一层均匀的氮化层，紧随着第二道脉冲阶梯波形激光，第一道激光功率为800W，第二道激光功率为500W，呈阶梯状趋势，两道激光中心间距为5cm。氮化温度为600℃，氮化时间为10h，两道激光扫描速度均为50mm/s。对氮化后的基材进行金相分析。
实施例3
普通激光氮化处理：对基材进行预处理除去表面的油污和杂志等，将其平放在加工工作台处，使用脉冲激光器和同轴环形送气口，将高纯氮气通过同轴环形口使其汇聚到激光工作区域，使其形成一个富氮区域，使用脉冲激光器在富氮区域进行激光氮化，使其表面形成一层均匀的氮化层。激光功率为800W，氮化温度为600℃，氮化时间为10h，两道激光扫描速度均为50mm/s。对氮化后的基材进行金相分析。
将实施例1、2使用双脉冲阶梯波形激光器激光氮化与实施例3普通激光氮化处理进行对比：
| 气泡 | 硬度 | |
| 实施例1 | 无 | 956HV |
| 实施例2 | 无 | 1026HV |
| 实施例3 | 较少 | 639HV |
以上所述的实施例仅为本发明的优选方案，并不用于限制本发明，对于所属领域的技术人员来说，本发明在上述所说的基础上，可以有各种更改和变化。在此无法对所有实施方式进行一一列举。凡在本发明原则之内，或者由本发明的精神所引申出的显而易见的变动均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，包括：通过使用双脉冲波形激光器和同轴环形送气口，将高纯氮气通过同轴环形口使其汇聚到激光工作区域，使其形成一个富氮区域，使用双脉冲阶梯波形激光器在富氮区域进行激光氮化，使其表面形成一层均匀的氮化层。
2.根据权利要求1所述的一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，其特征在于：所述的双脉冲阶梯波形激光器，是通过两道激光进行激光氮化，第一道激光功率大一第二道激光功率，呈阶梯状趋势，两道激光中心间距为5cm。
3.根据权利要求1-2所述的一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，其特征在于：所述的富氮区域是高纯氮气通过同轴环形送气口流出，汇集出形成的一个小规模高纯氮气区域。
4.根据权利要求1-3所述的一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，其特征在于：所述的同轴环形送气口安装在激光头上，与激光通道同轴，下端呈环形状，上端有连接高纯氮气的接口，内部通道为向内呈斜坡状。
5.根据权利要求1-4所述的一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，其特征在于：所述的第一道激光功率为400-800W，第二道激光功率为200-500W，氮化温度为400-600℃，氮化实际为5-10h，激光扫描速度为20-50mm/s。
6.根据权利要求1-5所述的一种通过双阶梯脉冲波形激光器提高激光氮化效果的方法，其特征在于：所述的激光器为脉冲激光器。
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