CN109355462A - 一种激光选区淬火的工艺方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光表面淬火处理技术领域，具体提供了一种激光选区淬火的工艺方法及装置，激光器与斩光盘同时沿着待加工件的表面移动，且斩光盘安装在激光束的光路上，斩光盘上设有通光孔，通过旋转斩光盘使得激光束间歇性通过通光孔并照射在工件表面，通过改变斩光盘的通光孔形状和分布，并控制斩光盘的旋转速度便可以对工件指定的局部区域进行淬火处理，从而获得不同分布的淬火区。该淬火工艺效率高且成本低，且装置简单灵活易操作，自动化程度高，且对大尺寸零件的激光表面淬火处理的适用性更高。

Description

一种激光选区淬火的工艺方法及装置
技术领域
本发明属于激光表面淬火处理技术领域，具体涉及一种激光选区淬火的工艺方法及装置。
背景技术
激光淬火技术，又称激光热处理或者激光相变硬化工艺，是采用激光束辐照金属工件，使其表层温度高于奥氏体化温度。激光束扫描结束后，依靠基体材料自身导热，使激光加热区域快速冷却，温度迅速降到马氏体相变温度以下，并在工件表面形成马氏体组织的硬化层。激光淬火冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，属于自冷淬火工艺过程。
传统的激光淬火工艺是使用一定宽度的激光光斑通过多道搭接将工件表面整体淬硬。存在的问题是表面淬硬层脆性较大，整个表面全部淬硬后存在较大的应力，在使用时容易开裂，抗疲劳性能不佳。为提高淬火层的抗疲劳性能，近来激光选区淬火工艺得到了广泛的关注。与传统的激光淬火工艺对工件表面整体淬硬不同，选区激光淬火工艺是对材料表面进行选择性硬化处理，即硬化区域不是覆盖整个硬化层，而是形成软、硬相间的复合硬化层，或者硬化阵列。这种方式能使金属材料表面兼有良好的耐磨性和强韧性。
目前有多种方式可以实现激光选区淬火，中国专利公开(公告)号：CN104212965A公开了一种钢轨表面在线激光宽带淬火方法，利用光纤激光器沿45度方向快速扫描钢轨的轮轨接触表面，形成间隔1-2mm离散的淬火带，得到组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体混合组织的激光淬硬层。中国专利公开(公告)号：CN107794364A公开了一种金属材料韧化处理方法通过高功率激光束、电子束对完成预处理的金属材料进行选区强韧化处理，在基体材料表面获得异质异构型增强相。中国专利公开(公告)号：CN102121217A公开了一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺。在钢轨表面涂敷一层吸光涂料，然后利用脉冲半导体激光器进行扫描。得到厚度为0.8mm，硬度为HV700的网格状淬火点。淬火点的面积为钢轨表面面积的50％-80％。中国专利公开(公告)号：CN2496915Y公开了一种激光表面相变硬化钢轨，利用激光束扫描形成连续或不连续的的淬火层，形状可以是点状、曲线状、网状或平面状。中国专利公开(公告)号：CN103215411A公开了一种激光淬火方法及装置，利用扫描振镜的快速跳转将现有激光淬火工艺中单次加热改变为多次甚至高频次重复扫描加热，实现钢轨表面的选区淬火强化。中国专利公开(公告)号：CN106893970A公开了一种使用激光渗碳强化处理铁路钢轨的方法，将碳粉悬浮液涂覆于钢轨表面，然后用激光渗碳处理在表面形成有一定规律分布的、具有组织紧密的、高硬度的仿生耦合渗碳单元。
以上公开的激光淬火技术，还存在着以下问题：(1)用机械扫描的方法获得离散的淬火区，需要激光光斑来回反复运动以及光闸的开闭来实现，加工的效率不高，并且淬火区的形状受到光斑尺寸的限制，选择有限；(2)使用高功率振镜快速跳转，虽然可以提高加工的效率，但是高功率振镜成本很高、控制系统复杂，应用受到了很多限制。
激光选区淬火也可以通过蒙板法来实现，即在工件表面铺设一层开有通光孔的蒙板。当激光束扫过时，有通光孔的位置工件表面被激光束照射，形成激光淬火层，没有通光孔的位置，激光被蒙板遮挡，保持原始状态。通过调整蒙板上通光孔的形状和尺寸，就可以获得不同形状的淬火区。蒙板法的优点是设备简单、成本低廉，不需要对现有的设备进行改造，只需要制作合适的蒙板铺设在工件表面即可。但是蒙板法的缺点也很明显，在加工过程中，需要蒙板和工件保持相对静止，当激光扫描结束后，要挪动蒙板到新的位置才能继续进行加工。挪动蒙板的操作很难实现自动化，当需要进行连续淬火加工时，如钢轨在线激光强化，固定蒙板法就显得不再适用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中激光选区淬火效率低的问题。
为此，本发明提供了一种激光选区淬火的工艺方法，包括：采用激光器对工件的表面进行扫描且在工件与激光器之间设置有斩光盘，所述激光器发出的激光束照射在斩光盘上，所述斩光盘与所述激光器相对工件同步移动，且所述斩光盘上设有供所述激光束穿过的通光孔；
在激光器工作过程中控制所述斩光盘绕自身轴线旋转以使所述激光束间歇性穿过所述通光孔并照射在所述工件表面上，并在激光束照射结束后快速冷却形成激光淬火层。
优选地，所述激光器相对工件表面以速度V沿着所述工件表面移动扫描的步骤具体包括：
控制所述激光器移动且保持工件固定不动，或控制工件移动且保持所述激光器固定不动。
优选地，所述斩光盘的材质包括铝或铜。
优选地，所述斩光盘中设有用于冷却介质流通散热的通道，所述冷却介质为油或水。
优选地，所述斩光盘上的通光孔包括多个，各所述通光孔均相对于所述斩光盘中心对应相同的圆心角。
优选地，所述激光器为光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器或CO2激光器。
优选地，所述通光孔为沿所述斩光盘中心对称的扇形通光孔。
本发明还提供了一种激光选区淬火的装置，其特征在于：包括激光器、电机及斩光盘，所述斩光盘上设有通光孔，所述激光器发出激光束照射在所述斩光盘上，且一部分激光束穿过通光孔照射至工件的表面上；
所述电机控制所述斩光盘绕所述斩光盘的中心轴旋转。
优选地，所述装置还包括冷却单元，所述冷却单元包括多通道旋转接头及冷却回路，所述冷却回路包括外连接管组和内连接管组，所述外连接管组的一端与冷却介质源头接通，所述斩光盘内设有与所述内连接管组的一端接通的通道，所述内连接管组的另一端与所述旋转接头的一端接通，所述旋转接头的另一端与所述外连接管组的另一端接通，所述内连接管组随着所述斩光盘一起旋转。
本发明的有益效果：本发明提供的这种激光选区淬火的工艺方法及装置，激光器与斩光盘同时沿着待加工件的表面移动，且斩光盘安装在激光束的光路上，斩光盘上设有通光孔，通过旋转斩光盘使得激光束间歇性通过通光孔并照射在工件表面，通过改变斩光盘的通光孔形状和分布，并控制斩光盘的旋转速度便可以对工件指定的局部区域进行淬火处理，从而获得不同分布的淬火区。该淬火工艺效率高且成本低，且装置简单灵活易操作，自动化程度高，且对大尺寸零件的激光表面淬火处理的适用性更高。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的结构示意图；
图2是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的工作原理图；
图3是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的斩光盘几何尺寸定义示意图；
图4是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的实施例1的斩光盘示意图；
图5是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的实施例1的工件淬火示意图；
图6是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的实施例2的斩光盘示意图；
图7是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的实施例2的工件淬火示意图；
图8是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的实施例3的斩光盘示意图；
图9是本发明激光选区淬火的工艺方法及装置的实施例3的工件淬火示意图。
附图标记说明：激光器1，电机2，多通道旋转接头3，冷却回路4，斩光盘5，激光束6，工件7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供了一种激光选区淬火的工艺方法，包括：
采用激光器1对工件7的表面进行扫描且在工件7与激光器1之间设置有斩光盘5，所述激光器1发出的激光束6照射在斩光盘5上，所述斩光盘5与所述激光器1相对工件7同步移动，且所述斩光盘5上设有供所述激光束6穿过的通光孔；
在激光器1工作过程中控制所述斩光盘5绕自身轴线旋转以使所述激光束6间歇性穿过所述通光孔并照射在所述工件7表面上，并在激光束6照射结束后快速冷却形成激光淬火层。
由此可知，如图1和图2所示，将旋转的斩光盘5安装在激光器1上，斩光盘5随着激光器1以相同的速度沿着工件7的表面向前运动，同时斩光盘5自身旋转。在斩光盘5上开设有通光孔，具体根据工件加工要求来设置通光孔的形状和分布。在加工过程中，随着斩光盘5的旋转，从激光器1发射出来的激光束6周期性的穿过通光孔照射在工件表面完成选取淬火操作。斩光盘5会改变激光束6的形状，将一定宽度的激光束6整形成离散的激光束6再照射到工件表面。激光束6照射区域的温度升高到工件7材料的奥氏体化温度以上，在激光束6照射结束后快速冷却形成激光淬火层，具体冷却方式可以是水冷或油冷，通过将加工完毕后的工件7取下放入冷却液中即可。被斩光盘5遮挡的区域，材料没有被激光束6照射到，这部分的性能的保持不变。
在激光淬火加工过程中，激光束6与斩光盘5以恒定的速率沿着工件7的表面向前扫描，当斩光盘5旋转时，在激光束6照射区产生一个向后的相对运动，选择合适的斩光盘转速，可以让斩光盘在激光束6照射区相对于工件表面静止，此时旋转的斩光盘5可以获得和固定的蒙板相同的遮光效果。具体操作时，将斩光盘5上内圈和外圈的通光孔都对应相同的圆心角，即激光通过所有通光孔的时间相同，以获得相同的淬火区形状。在激光照射区，斩光盘旋转的转动方向可以和激光扫描方向相同，也可以和激光扫描方向不同。
该工艺方法中，激光淬火的工艺参数分为两部分：斩光盘5工艺参数和激光淬火工艺参数。斩光盘5工艺参数包括通光孔形状、通光孔对应的圆心角、斩光盘转速和斩光盘半径等，激光淬火工艺参数包括激光器1的功率、扫描速度、光斑宽度等。其中斩光盘5的通光孔的形状决定了淬火区的形状，斩光盘旋转速度和扫描速度决定了淬火区的长度。
旋转斩光装置安装在激光头上，随激光器1一起运动，激光器1扫描速度2-40mm/s。激光器1的运动可以通过机械手或者数控机床来实现，也可以选择让激光器1固定，工件7运动。斩光盘5安装贴近工件表面，距离工件表面5-40mm。斩光盘5通过伺服电机驱动转动，斩光盘5的转速可调，转速范围1-20r/min。斩光盘5使用激光吸收率低，导热快的材料制作，如铝和铜。斩光盘5中加工有冷却水的流道，冷却水路4通过多通道旋转接头3和斩光盘5连接，对斩光盘实施冷却。激光器1可以选用光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器或者CO2激光器。激光功率200-10000W，光斑宽度5-50mm。
为了具体说明斩光盘5设计应满足的几何关系，图3列举了一种矩形淬火区和对应的斩光盘5，斩光盘5包含5个淬火单元(处于同一半径连线上，不同半径处的一组斩光盘通光孔构成淬火单元。当错位度为0时，每个淬火单元内的通光孔同时被激光照射)，每个淬火单元包含4个通光孔，通光孔错位度(为了让淬火区位置错开，让同一圆周上的通光孔绕圆心旋转一个相同的角度，该角度为错位度，错位后只影响通光孔被激光照射的先后，不会影响通光孔被激光照射的时间)为0。如图3(a)中斩光盘旋转一周，通过激光扫描可以得到图3(b)的淬火区形状，为了保证旋转斩光盘的内圈和外圈通光孔能获得相同的淬火区形状，通光孔应满足一下对应关系：
W‘1＝W1
W‘2＝W2
R＝L0+W‘
其中W‘1为通光孔宽度，W‘2为遮光区域的宽度，R为斩光盘半径，W为淬火区(光斑)宽度，L为淬火区长度，L0为斩光盘中心半径。
斩光盘5旋转方向如图3(a)所示，斩光盘5转速ω满足：
ω＝2πV/L
其中V为激光扫描速度，激光扫描方向如图3(b)所示。
每组淬火单元通光孔都对应相同的圆心角，其圆心角为θ1，间隔区域对应的圆心角为θ2，满足：
θ1＝2πl1/L
θ2＝2πl2/L
其中l1为淬火区长度，l2为间隔宽度。
为了让淬火区的位置互相错开，可以选择部分通光孔绕圆心旋转一定的角度，用错位度η表示，η应满足：
η＜(θ1+θ2)/2
对于其他形状的斩光盘，设斩光盘上一点坐标为(X′,y′)，在激光扫描形成的淬火层中对应的坐标为(x,y)，其坐标点满足的换算关系为：
其中L0为斩光盘中心半径，用来布置旋转轴和冷却水路，L为淬火区的长度，W为淬火区的宽度。
实施例1：
本实例采用半导体光纤传输激光器对42CrMo材料制成的滑轨表面进行激光选区淬火。激光淬火区离散分布，可以提高滑轨表面的耐磨性。同时淬火区之间没有淬火的区域硬度较低可以储油实现润滑的效果。
本实例采用光斑宽度50mm，激光功率8000W，激光扫描速度v＝10mm/s。使用的圆形斩光盘如图4所示，L0＝10，W＝50，L＝377，斩光盘转速ω＝0.167rad/s。通光孔为腰圆形，宽度5mm，长度15mm，每个淬火单元包含3个通光孔，淬火单元之间有η＝8°的错位。单道扫描可以得到50mm宽的淬火区，硬化层深度0.9mm，获得的硬化层形状如图5所示。
在现有工艺条件下，要得到如图5所示形状的淬火区，需要在工件表面固定一个和图5相同形状的蒙板。在淬火前将蒙板贴合在工件表面，使用50mm宽度的激光束从蒙板上方扫过，就可以在工件表面得到所需的图形。其缺点是每道扫描后需要将蒙板移动到新的位置再进行下一道扫描，无法实现连续加工。
本实例采用圆形斩光盘后，可以实现连续自动化加工，加工效率约为现有工艺的2-3倍。
本实例的具体实现过程可采用图1所示的形式，将圆形斩光盘5固定在激光镜头1的下方，通过伺服减速电机2驱动旋转。冷却水路4通过多通道旋转接头3和斩光盘5连接，对斩光盘实施冷却。激光束6通过斩光盘5时，被斩光盘分割成多道离散的光束照射到工件7上。斩光盘的工作过程如图2所示，激光以v＝10mm/s的速度向前扫描，斩光盘以转速ω＝0.167rad/s做逆时针旋转，斩光盘边缘的线速度和激光扫描速度大小相同方向相反，斩光盘的加工单元可以相对工件表面静止，实现和固定蒙板相同的遮光效果。并且斩光盘是随着激光镜头同步向前运动的，可以实现连续自动化加工，大幅提高加工的效率。
实施例2：
本实例采用半导体光纤传输激光器1对QT600大型球墨铸铁轧辊表面进行激光选区淬火。球墨铸铁轧辊的表面硬度较低，在使用过程中表面易磨损，传统的大面积激光淬火容易在轧辊表面形成贯穿性裂纹。而激光选区淬火选择性的将一部分表面硬化，减小了加工过程产生的热应力，同时高硬度的淬火区被低硬度的基材分割，在提高耐磨性的同时抑制了疲劳裂纹的产生和扩展，提高了球墨铸铁热轧辊的使用寿命。
本实例采用激光光斑宽度50mm，激光功率7000W，激光扫描速度v＝10mm/s，斩光盘如图6所示，L0＝30，W＝50，L＝100，斩光盘转速ω＝0.628rad/s。通光孔为长方形，宽度2mm，长度10.7mm，每4个通光孔构成一组，排列方向相差90度，每个淬火单元包含4组共16个通光孔，淬火单元之间没有错位。单道扫描可以得到50mm宽的淬火区，硬化层深度1.1mm，获得的硬化层形状如图7所示。
在现有工艺方法是使用小激光光斑，通过机械手运动扫描形成所需的图案。采用的优选的工艺参数如下：光斑尺寸4mm，激光功率800W，扫描速度12mm/s，单道扫描只能获得4mm宽的淬火区域，淬火深度1.0mm。现有工艺的主要缺点是：光斑小，加工效率较低，机械手往复运动需要消耗大量的时间；淬火区图案受到光斑尺寸限制，无法获得更细的线宽。
本实例的具体实现过程与实例1同理。通过使用旋转斩光盘，可以大幅提高光斑宽度和激光功率，提高加工效率。同时可以避免光斑宽度的限制，实现更细小的线宽。
本实例采用圆形斩光盘后，加工效率约为现有工艺的10倍。
实施例3：
本实例采用光纤激光器对U71Mn钢轨表面进行激光选区淬火。本实例采用光斑宽度35mm，激光功率6500W，激光扫描速度v＝15mm/s。使用的圆形斩光盘如图8所示，L0＝35，W＝35，L＝320，斩光盘转速ω＝0.294rad/s。通光孔为圆形，直径5mm，每个淬火单元包含3-4个通光孔，淬火单元之间有η＝5°的错位。单道扫描可以得到35mm宽的淬火区，硬化层深度0.7mm，获得的硬化层形状如图9所示。
在现有工艺方法是使用二氧化碳激光器，通过刀状斩光装置调制形成脉冲激光，激光功率2000W，光斑宽度8mm，扫描速度12mm/s。为了获得更加分散的硬化区，激光光斑宽度必须尽量小，加工效率受到限制。并且单道扫描只能形成一列点状淬火区，加工效率较低。
本实例的具体实现过程与实例1同理。通过使用旋转斩光盘来改变光束的形状，可以和35mm宽光斑配合，并且实现连续加工，大幅提高了加工效率。
本实例采用圆形斩光盘后，加工效率约为现有工艺的5倍。
本发明的有益效果：本发明提供的这种激光选区淬火的工艺方法及装置，激光器与斩光盘同时沿着待加工件的表面移动，且斩光盘安装在激光束的光路上，斩光盘上设有通光孔，通过旋转斩光盘使得激光束间歇性通过通光孔并照射在工件表面，通过改变斩光盘的通光孔形状和分布，并控制斩光盘的旋转速度便可以对工件指定的局部区域进行淬火处理，从而获得不同分布的淬火区。该淬火工艺效率高且成本低，且装置简单灵活易操作，自动化程度高，且对大尺寸零件的激光表面淬火处理的适用性更高。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光选区淬火的工艺方法，其特征在于，包括：
采用激光器(1)对工件(7)的表面进行扫描且在工件(7)与激光器(1)之间设置有斩光盘(5)，所述激光器(1)发出的激光束(6)照射在斩光盘(5)上，所述斩光盘(5)与所述激光器(1)相对工件(7)同步移动，且所述斩光盘(5)上设有供所述激光束(6)穿过的通光孔；
在激光器(1)工作过程中控制所述斩光盘(5)绕自身轴线旋转以使所述激光束(6)间歇性穿过所述通光孔并照射在所述工件(7)表面上，并在激光束(6)照射结束后快速冷却形成激光淬火层。
2.根据权利要求1所述的激光选区淬火的工艺方法，其特征在于，所述激光器(1)相对工件表面以速度V沿着所述工件表面移动扫描的步骤具体包括：
控制所述激光器(1)移动且保持工件固定不动，或控制工件移动且保持所述激光器(1)固定不动。
3.根据权利要求1所述的激光选区淬火的工艺方法，其特征在于：所述斩光盘(5)的材质包括铝或铜。
4.根据权利要求1所述的激光选区淬火的工艺方法，其特征在于：所述斩光盘(5)中设有用于冷却介质流通散热的通道，所述冷却介质为油或水。
5.根据权利要求1所述的激光选区淬火的工艺方法，其特征在于：所述斩光盘(5)上的通光孔包括多个，各所述通光孔均相对于所述斩光盘(5)中心对应相同的圆心角。
6.根据权利要求1所述的激光选区淬火的工艺方法，其特征在于：所述激光器(1)为光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器或CO2激光器。
7.根据权利要求1所述的激光选区淬火的工艺方法，其特征在于：所述通光孔为沿所述斩光盘(5)中心对称的扇形通光孔。
8.一种激光选区淬火的装置，其特征在于：包括激光器(1)、电机(2)及斩光盘(5)，所述斩光盘(5)上设有通光孔，所述激光器(1)发出激光束(6)照射在所述斩光盘(5)上，且一部分激光束(6)穿过通光孔照射至工件(7)的表面上；
所述电机(2)控制所述斩光盘(5)绕所述斩光盘(5)的中心轴旋转。
9.根据权利要求8所述激光选区淬火的装置，其特征在于：所述装置还包括冷却单元，所述冷却单元包括多通道旋转接头(3)及冷却回路(4)，所述冷却回路(4)包括外连接管组和内连接管组，所述外连接管组的一端与冷却介质源头接通，所述斩光盘(5)内设有与所述内连接管组的一端接通的通道，所述内连接管组的另一端与所述旋转接头(3)的一端接通，所述旋转接头(3)的另一端与所述外连接管组的另一端接通，所述内连接管组随着所述斩光盘(5)一起旋转。
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