CN111286584A - 用于激光氮化处理金属表面的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光氮化处理金属表面的系统，包括配气阀组、氮气气源、激光发生器、激光头、激光控制器和总控计算机。本发明还公开了一种用于激光氮化处理金属表面的方法，按照以下步骤进行：S1：识别待处理工件的材质；S2：清洗工件表面；S3：在激光辐照点周围形成氮气环幕；S4：激光辐照点辐照激光，直至形成氮化层；S5：调整激光头的位置，并返回步骤S3。采用以上技术方案，具有生产周期短、成本低、氮化层与基体结合牢固、工件变形小、氮化层厚、操作简单、工人素质要求不高等优点。

Description

用于激光氮化处理金属表面的系统及方法

技术领域

本发明涉及金属表面氮化处理技术领域，具体涉及一种用于激光氮化处理金属表面的系统及方法。

背景技术

金属表面氮化处理技术是将工件放入大量活性氮原子的介质中，在一定温度与压力下，把氮原子渗入工件表面，形成富氮硬化层的热处理工艺，不仅能使工件表面有更高的硬度和耐磨性，还能提高工件的抗疲劳能力以及抗腐蚀能力。

目前，现有的金属表面氮化处理技术包括气体氮化、液体氮化和离子氮化三种方式。

气体氮化是将工件放入一个密封空间内，通入氨气，加热到500-580℃保温几个小时到几十个小时，不仅时间长，而且如果待金属为普通碳钢，在氮化层中形成纯氮化铁，当加热到较高温度时，易于分解聚集粗化，不能获得高硬度和高耐磨性。

液体氮化它是一种较新的化学热处理工艺，温度不超过570℃，处理时间短，仅1-3h，而且适用范围广，无需专用钢材，氮化层中的氮铁化合物层厚度比较薄，仅仅只有0.01-0.02mm。液体氮化虽然有很多优点，但由于溶盐反应有毒性，影响操作人员身体健康，废盐也不好处理，因此推广与应用受到诸多限制。

离子氮化是将零件放到离子氮化的真空室内，氮化的零件接高压直流电源的阴极，电炉外壳接直流高压电源的阳极，当向真空容器内充入氨气，使容器内压强保持200-1000PA之间，在阴极和阳极间加800-1000伏直流电压，氨气就会电离，这种气体经电离作用后，产生带正电的氮阳离子[N+]和带负电的阴离子[N-]，形成了一个等离子区。在等离子区内，氮的正离子在高压电场加速下，快速冲向阴极，轰击清洗需氮化的零件表面，将动能转变为热能，还由于氮离子转变成氮原子时，又放出大量的热能并发出很亮的淡紫色光，另外电压降落在工件附近时也产生热量，这三种热量将零件加热到需要氮化温度。在这种温度下，氮离子与零件金属表面发生化学反应，氮原子渗入到零件表面并扩散到内部，形成了氮化层。离子氮化具有生产周期短，零件表面硬度高，能控制氮化层脆性等优点，但是，离子氮化炉生产制造工艺要求很高，所用材料也很讲究，电气控制技术含量很高，对操作人员的整体要求高，不仅成本居高不下，而且人员和配套的要求也极高。

因此，继续开发一种生产周期短、成本低、氮化层与基体结合牢固、工件变形小、氮化层厚、操作简单、工人素质要求不高的全新氮化处理设备和方法。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种用于激光氮化处理金属表面的系统及方法。

其技术方案如下：

一种用于激光氮化处理金属表面的系统，其要点在于，包括配气阀组、氮气气源、激光发生器、激光头、激光控制器和总控计算机，在所述激光头上安装有用于向工件吹出氮气的气嘴总成，所述氮气气源、配气阀组和气嘴总成通过管路依次连通，所述配气阀组能够在总控计算机的控制下调节气嘴总成吹出氮气的流量，所述激光发生器通过光纤与激光头连接，所述激光控制器能够在总控计算机的控制下调节激光发生器，以调节激光头发射激光的参数。

采用以上结构，激光辐照时间短，输入的能力少，热循环过程快，使工件氮化处理完成后热变形小，复合层淬硬深度易于满足技术要求；氮化处理完成工件的表面质量高，表面硬度平均可达≥700Hv；能够定向处理工件的表面，对工件需要增强的表面进行处理，对周围未处理的表面无任何影响，同时不受工件形状、大小等因素的影响；能快速加热和冷却工件，不需要淬火介质，生产效率极高；不需要真空、预热等条件，系统设备简单，安全系数高，工人操作简单，劳动强度低；无“三废”产生，满足环保要求；总控计算机能够根据待处理工件的材质，适应性地控制配气阀组和激光控制器，适用范围广，可以用于众多金属表面的氮化处理。

作为优选：所述总控计算机与激光控制器和配气阀组之间通过无线或有线的方式进行数据传输。以上方式能够灵活地根据实际需求进行选择。

作为优选：所述气嘴总成包括氮气喷嘴和气嘴上接头，所述氮气喷嘴包括气嘴基座和气嘴外套，所述气嘴基座包括基座主体以及设置在基座主体前端部的基座内套，该气嘴基座中具有沿前后方向贯穿基座主体和基座内套的气嘴激光通道，所述气嘴外套外套在基座内套上，该气嘴外套与基座内套之间形成至少一个氮气出气通道，所述基座主体上设置有至少一个用于向对应氮气出气通道输送氮气的氮气进气通道，各个氮气进气通道的出气口分别与对应氮气出气通道的进气口连通，所述气嘴外套前端部的内壁与基座内套前端部的外壁之间形成圆环形的氮气喷出孔，该氮气喷出孔环绕在气嘴激光通道出口的周围，并与各个氮气出气通道的出气口连通，所述基座主体通过气嘴上接头安装在激光头上，所述气嘴上接头中具有前后贯穿的接头激光通道，该接头激光通道与气嘴激光通道同轴连通。现有的用于吹送氮气的氮气喷嘴具有不同的结构形式和配置方式，一般分为在激光通道旁设置单个或多个喷出孔两种形式。但是，在实际运用中发现，无论上述哪种形式，气孔缝隙中容易串入周边环境的空气，导致激光熔池内的氮气纯度不足，生成的氮化层硬度和耐磨性等性能不满足要求，影响激光氮化处理的质量。因此通过以上结构，氮气喷出孔呈圆环结构，能够喷出环幕般的氮气，不再存在传统单孔或多孔结构的气孔缝隙，使周边环境的空气难以串入，保证了金属表面激光熔池内以及周边金属表面氮气的高浓度和高压力，以维持氮气在金属表面激光熔池内以及周边金属表面的稳定性，从而能够稳定地生成性能优良的氮化层(硬度高、稳定性高、耐温性好、耐腐蚀性好)，确保了激光加工的质量。

作为优选：所述氮气出气通道为一个，且或为锥筒形结构，或为圆筒形结构，该氮气出气通道环绕在气嘴激光通道的周围。采用以上结构，进一步保证氮气喷出孔能够稳定地喷出环幕般的氮气，避免空气串入，确保激光加工质量。

作为优选：所述氮气出气通道为前小后大的锥筒形结构。采用以上结构，使喷出的氮气更为集中，能够有效排出金属表面激光熔池内的空气，保证金属表面激光熔池内氮气的高纯度。

作为优选：所述氮气出气通道靠近氮气喷出孔的部分为缩颈加压段，该缩颈加压段的间隙宽度朝着靠近氮气喷出孔的方向逐渐减小。采用以上结构，起到汇聚和增压的效果，进一步保证金属表面激光熔池内氮气的高纯度。

作为优选：所述基座主体上设置有若干与对应氮气进气通道进气口接通的气管接头，各个气管接头分别通过气管与配气阀组连通。采用以上结构，简单可靠，易于连接。

一种用于激光氮化处理金属表面的方法，其要点在于，按照以下步骤进行：

S1：识别待处理工件的材质，制定工件的清洗和氮化处理的策略；

S2：清洗工件表面；

S3：向工件表面待进行激光辐照的一个激光辐照点吹氮气，排除气嘴总成与工件之间的空气，使该激光辐照点周围形成氮气环幕；

S4：将氮气的流量调整为适应于该工件材质的流量，同时使激光辐照点周围保持氮气环境，然后激光头向该激光辐照点辐照激光，直至形成氮化层；

S5：调整激光头的位置，对准相邻的激光辐照点，并返回步骤S3，直至辐照完成工件表面的全部激光辐照点。

采用以上方法，总控计算机能够根据待处理工件的材质，适应性地通过控制配气阀组控制氮气喷出孔喷出氮气的流量以及通过激光控制器控制激光器发射激光的光斑直径、扫描功率和扫描速度等参数，适用范围广，可以用于众多金属表面的氮化处理，在相应合理的参数下，经激光辐照分解的氮原子与经激光加热熔化的工件表面发生了冶金结合，生成了氮化相，同时由于激光的自冷硬化特性的加持，在工件表面形成了激光氮化淬火的复合层。

作为优选：步骤S2中，或采用激光清洗工件的表面，或采用化学试剂清洗工件的表面。以上方式能够灵活地根据实际需求进行选择。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、激光辐照时间短，输入的能力少，热循环过程快，使工件氮化处理完成后热变形小，复合层淬硬深度易于满足技术要求；

2、氮化处理完成工件的表面质量高，表面硬度平均可达≥700Hv；

3、能够定向处理工件的表面，对工件需要增强的表面进行处理，对周围未处理的表面无任何影响，同时不受工件形状、大小等因素的影响；

4、能快速加热和冷却工件，不需要淬火介质，生产效率极高；

5、不需要真空、预热等条件，系统设备简单，安全系数高，稳定可靠，同时易于工人操作，对工人素质要求低，劳动强度低；

6、无“三废”产生，满足环保要求；

7、总控计算机能够根据待处理工件的材质，适应性地控制配气阀组和激光控制器，适用范围广，可以用于众多金属表面的氮化处理。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为氮气喷嘴的结构示意图；

图3为气嘴总成的结构示意图；

图4为气嘴总成的内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于激光氮化处理金属表面的系统，主要包括配气阀组A、氮气气源B、激光发生器C、激光头D、激光控制器E和总控计算机F，在激光头D上安装有用于向工件吹出氮气的气嘴总成G，氮气气源B、配气阀组A和气嘴总成G通过管路依次连通，配气阀组A能够在总控计算机F的控制下调节气嘴总成G吹出氮气的流量，激光发生器C通过光纤与激光头D连接，激光控制器E能够在总控计算机F的控制下调节激光发生器C，以调节激光头D发射激光的参数。其中，总控计算机F激光控制器E和配气阀组A之间可以采用无线传输的方式进行数据传输，也可以采用有线传输的方式进行数据传输。

请参见图2-图4，气嘴总成G包括氮气喷嘴和气嘴上接头7，氮气喷嘴包括气嘴基座1和气嘴外套2。

请参见图2和图4，气嘴基座1包括一体成型的基座主体11和基座内套12，其中，基座内套12设置在基座主体11的前端部。并且，气嘴基座1中具有沿其中心轴线方向贯穿的气嘴激光通道1a，即气嘴激光通道1a沿前后方向贯穿基座主体11和基座内套12。气嘴外套2套装在基座内套12的外部，气嘴外套2与基座内套12之间形成至少一个氮气出气通道3，基座主体11上设置有至少一个用于向对应氮气出气通道3输送氮气的氮气进气通道11a，各个氮气进气通道11a的出气口分别与对应氮气出气通道3的进气口连通，气嘴外套2前端部的内壁与基座内套12前端部的外壁之间形成圆环形的氮气喷出孔4，氮气喷出孔4环绕在气嘴激光通道1a出口的周围，并与各个氮气出气通道3的出气口连通，基座主体11上设置有若干与对应氮气进气通道11a进气口接通的气管接头5，各个气管接头5分别通过气管6与气源连通。

气源通过气管6将氮气输入到氮气进气通道11a中，再由氮气进气通道11a输入到氮气出气通道3中，最终由呈圆环结构的氮气喷出孔4吹出，即能够喷出环幕般的氮气，不再存在传统单孔或多孔结构的气孔缝隙，使周边环境的空气难以串入，保证了金属表面激光熔池内以及周边金属表面氮气的高浓度和高压力，以维持氮气在金属表面激光熔池内以及周边金属表面的稳定性，从而能够稳定地生成性能优良的氮化层(硬度高、稳定性高、耐温性好、耐腐蚀性好)，确保了激光加工的质量。

本实施例中，氮气出气通道3为一个，且或为锥筒形结构，或为圆筒形结构，氮气出气通道3环绕在气嘴激光通道1a的周围。进一步地，为了使喷出的氮气更为集中，能够有效排出金属表面激光熔池内的有害气体，保证金属表面激光熔池内氮气的高纯度，氮气出气通道3优选采用前小后大的锥筒形结构。

相应的，氮气进气通道11a为多个，且沿周向均匀分布在基座主体11中，各个氮气进气通道11a的进气口分别与对应的气管接头5连通，出气口则均与氮气出气通道3连通。

请参见图4，氮气出气通道3靠近氮气喷出孔4的部分为缩颈加压段3a，缩颈加压段3a的间隙宽度朝着靠近氮气喷出孔4的方向逐渐减小，从而起到汇聚和增压的效果，进一步保证金属表面激光熔池内氮气的高纯度。

请参见图4，基座主体11的前端为基座连接段11b，基座连接段11b的外周面上加工有外螺纹，气嘴外套2的后端为外套连接段2a，外套连接段2a的内壁上加工有能够与外螺纹螺纹配合的内螺纹。采用这样的设计，易于拆装，既便于形成圆筒形或锥筒形的氮气出气通道，又能够根据实际需求更换不同的气嘴外套2，以调节氮气出气通道3的结构参数。并且，外套连接段2a与基座连接段11b通过台阶11c限位配合，简单可靠。

请参见图3和图4，基座主体11通过气嘴上接头7安装在激光头D上，气嘴上接头7中具有前后贯穿的接头激光通道7a，该接头激光通道7a与气嘴激光通道1a同轴连通，从而保证激光束的稳定通过。并且，气嘴上接头7的后端部具有用于与激光头连接的法兰盘7b，以便于与激光头快速连接。

一种用于激光氮化处理金属表面的方法，按照以下步骤进行：

S1：识别待处理工件的材质，制定工件的清洗和氮化处理的策略。具体地说，识别待处理工件的材质后，总控计算机F能够制定相应的清洗和氮化处理的策略，比如低碳钢和铬钢的氮化处理策略就不同，尤其是发射激光的参数(光斑直径、扫描功率和扫描速度等)不同。

S2：清洗工件表面。具体地说，或采用激光清洗工件的表面，或采用化学试剂清洗工件的表面，甚至可以采用纯物理的方式(例如抛丸等)对工件表面进行清洗。本实施例优选采用激光清洗的方式，既无需额外设备，又高效环保。

S3：向工件表面待进行激光辐照的一个激光辐照点吹氮气，排除气嘴总成G与工件之间的空气，使该激光辐照点周围形成氮气环幕，避免混入空气。

S4：将氮气的流量调整为适应于该工件材质的流量，同时使激光辐照点周围保持氮气环境，然后激光头D向该激光辐照点辐照激光，直至形成氮化层。例如低碳钢和铬钢的氮化处理过程对氮气的流量要求就不相同。

S5：调整激光头D的位置，对准相邻的激光辐照点，并返回步骤S3，直至辐照完成工件表面的全部激光辐照点。

实施例1：激光头D发射出的激光光斑为直径0.4-1mm的圆形光斑，扫描功率为2000-4000W，连续扫描速度为100-200mm/min。在该条件下，氮气采用工业氮气或者高纯氮，优选高纯氮。氮气的通入速度为30-80L/min，输出压力为1.5-2MPa；经激光照射分解的氮原子与经激光加热熔化的表面发生了冶金结合，生成了氮化相，同时由于激光的自冷硬化特性的加持，在工件表面形成了激光氮化淬火的复合层。

通过激光氮化淬火复合工艺处理的工件表面形成了氮化淬火复合层的厚度为0.2-3mm，表面质量较好，无氧化脱碳等缺陷。通过显微硬度计测试，该氮化淬火复合层的表面硬度达650HV-800HV，耐磨性提高了50％以上。

实施例2：激光头D发射出的激光光斑为边长2-4mm的方形光斑，扫描功率为6000W，连续扫描速度为50mm/min、80mm/min、100mm/min、150mm/min共三组，分别验证400mm²。在该条件下，氮气采用工业高纯氮。氮气的通入速度为60-100L/min，输出压力为0.5-1MPa；经激光照射分解的氮原子与经激光加热熔化的表面发生了冶金结合，生成了氮化相，同时由于激光的自冷硬化特性的加持，在工件表面形成了激光氮化淬火的复合层。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：包括配气阀组、氮气气源、激光发生器、激光头、激光控制器和总控计算机，在所述激光头上安装有用于向工件吹出氮气的气嘴总成，所述氮气气源、配气阀组和气嘴总成通过管路依次连通，所述配气阀组能够在总控计算机的控制下调节气嘴总成吹出氮气的流量，所述激光发生器通过光纤与激光头连接，所述激光控制器能够在总控计算机的控制下调节激光发生器，以调节激光头发射激光的参数。

2.根据权利要求1所述的用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：所述总控计算机与激光控制器和配气阀组之间通过无线或有线的方式进行数据传输。

3.根据权利要求1所述的用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：所述气嘴总成包括氮气喷嘴和气嘴上接头，所述氮气喷嘴包括气嘴基座和气嘴外套，所述气嘴基座包括基座主体以及设置在基座主体前端部的基座内套，该气嘴基座中具有沿前后方向贯穿基座主体和基座内套的气嘴激光通道，所述气嘴外套外套在基座内套上，该气嘴外套与基座内套之间形成至少一个氮气出气通道，所述基座主体上设置有至少一个用于向对应氮气出气通道输送氮气的氮气进气通道，各个氮气进气通道的出气口分别与对应氮气出气通道的进气口连通，所述气嘴外套前端部的内壁与基座内套前端部的外壁之间形成圆环形的氮气喷出孔，该氮气喷出孔环绕在气嘴激光通道出口的周围，并与各个氮气出气通道的出气口连通，所述基座主体通过气嘴上接头安装在激光头上，所述气嘴上接头中具有前后贯穿的接头激光通道，该接头激光通道与气嘴激光通道同轴连通。

4.根据权利要求3所述的用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：所述氮气出气通道为一个，且或为锥筒形结构，或为圆筒形结构，该氮气出气通道环绕在气嘴激光通道的周围。

5.根据权利要求4所述的用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：所述氮气出气通道为前小后大的锥筒形结构。

6.根据权利要求4所述的用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：所述氮气出气通道靠近氮气喷出孔的部分为缩颈加压段，该缩颈加压段的间隙宽度朝着靠近氮气喷出孔的方向逐渐减小。

7.根据权利要求3所述的用于激光氮化处理金属表面的系统，其特征在于：所述基座主体上设置有若干与对应氮气进气通道进气口接通的气管接头，各个气管接头分别通过气管与配气阀组连通。

8.一种用于激光氮化处理金属表面的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

S1：识别待处理工件的材质，制定工件的清洗和氮化处理的策略；

S2：清洗工件表面；

S3：向工件表面待进行激光辐照的一个激光辐照点吹氮气，排除气嘴总成与工件之间的空气，使该激光辐照点周围形成氮气环幕；

S4：将氮气的流量调整为适应于该工件材质的流量，同时使激光辐照点周围保持氮气环境，然后激光头向该激光辐照点辐照激光，直至形成氮化层；

S5：调整激光头的位置，对准相邻的激光辐照点，并返回步骤S3，直至辐照完成工件表面的全部激光辐照点。

9.根据权利要求8所述的用于激光氮化处理金属表面的方法，其特征在于：步骤S2中，或采用激光清洗工件的表面，或采用化学试剂清洗工件的表面。

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