CN112111628A - 一种激光淬火质量均匀性控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光淬火质量均匀性控制方法及装置，该装置包括激光淬火头；温度探测器，用于探测工件表面位于淬火区的温度；以及位置调节机构连接，所述激光淬火头和所述温度探测器通过所述位置调节机构相连，所述位置调节机构调节所述温度探测器的探头焦点与所述激光淬火头的激光加工点至重合的位置。具体应用过程为：步骤一：应用检测装置采集激光淬火工艺参数，构建工件表面温度/扫描速度和工件表面质量的关系模型；步骤二：在激光淬火加工中，基于所构建的模型，实时监控工件表面位于淬火区的温度，根据监控的数据实施调节激光设备的输出功率，控制工件淬火区表面温度的温差在所设定的阈值范围内。

Description

一种激光淬火质量均匀性控制方法及装置

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种激光淬火质量均匀性控制方法及装置。

背景技术

低碳钢材料因含碳量低、淬硬性差，传统淬火方法无法显著提高其表面性能。激光淬 火作为重要的激光表面处理技术，以高能密度的激光束辐照工件局部表面，使之迅速积聚 激光能量，以10⁵～10⁶℃/s的速度瞬间升温至奥氏体相变点与熔点的温度区间，后自激冷 却发生马氏体相变，大幅提升材料表面硬度及耐磨性，进而提高零部件的使用寿命。但在 零部件激光淬火批量加工过程中，仍存在淬火表面硬度以及硬化层深的一致性无法保证的 问题，致使零部件表面质量降低，进而制约零部件使用寿命的提升。

导致激光淬火表面质量均匀性变差有两方面原因：一方面，由于在产业化批量生产时， 激光器能量衰减、光学器件老化致使实际输出功率低于设定功率，从而达不到预期淬火效 果所规定的表面温度，通常条件下，无法实现实时反馈与及时调整；另一方面，大尺寸工 件表面油漆及锈蚀引起的表面能量吸收(温度)异常，导致批量加工过程中工件的表面硬 度与硬化层深度等指标的一致性无法满足，工件表面质量均匀性无法保证，零部件使用寿 命大幅下降，严重制约激光淬火技术产业化发展。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种激光淬火温度在线检测装置和应用。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种激光淬火温度在线检测装置，包括激光淬火头；

温度探测器，用于探测工件表面位于淬火区的温度；

以及位置调节机构连接，所述激光淬火头和所述温度探测器通过所述位置调节机构相 连，所述位置调节机构调节所述温度探测器的探头焦点与所述激光淬火头的激光加工点至 重合的位置。

作为本发明的进一步改进，所述位置调节机构包括转动连接杆，第一调节旋钮和第二 调节旋钮，所述转动连接杆的一端与所述激光淬火头固定相连，另一端通过垂直连接的所 述第一调节旋钮和所述第二调节旋钮连接所述温度探测器。

作为本发明的进一步改进，所述转动连接杆包括第一连杆和第二连杆，所述的第一连 杆和所述第二连杆通过角度调节旋钮连接。

作为本发明的进一步改进，所述的第一调节旋钮与所述的转动连接杆垂直连接，所述 的第二调节旋转与所述的第一调节旋钮垂直相连，所述温度探测器与所述的第一调节旋钮 垂直相连。

作为本发明的进一步改进，所述的激光淬火头与所述的温度探测器共面设置，两者所 在的平面垂直于激光扫描方向。

本发明还提供了一种应用以上装置在对工件进行淬火加工过程中实施对工件表面加 工金属层的均匀化质量控制的方法，包括以下步骤：

步骤一：应用检测装置采集激光淬火工艺参数，构建工件表面温度/扫描速度和工件表 面质量的关系模型；

步骤二：在激光淬火加工中，基于所构建的模型，实时监控工件表面位于淬火区的温 度，根据监控的数据实施调节激光设备的输出功率，控制工件淬火区表面温度的温差在所 设定的阈值范围内。

作为本发明的进一步改进，所构建的模型与具有同一种材质的加工件相对应。

作为本发明的进一步改进，所构建的模型包括表面温度-扫描速度-硬度关系模型和温 度-扫描速度-硬化层深度关系模型，步骤二中，首先根据工件的对硬度和硬化层的要求结 合构建的模型先确定加工过程中工件表面应控制的温度和扫描速度，之后确定激光设备的 初始功率。

作为本发明的进一步改进，所述步骤二中对输出功率的调节是在扫描速度保持恒定的 基础上实施的，包括：

当工件表面温度的温差在所设定的阈值范围内，维持激光设备的输出功率；

当工件表面温度的温差超出所设定的阈值范围，调节激光设备的输出功率，直至温度 探测的工件表面温度在监控的范围内。。

本发明的有益效果：基于本发明的在线检测装置实时检测的淬火工艺参数，一方面可 以利用所采集的工艺参数构建与工件质量相关的关系模型，进一步的在淬火加工过程中， 基于所建立的模型，检测加工过程中的工艺条件的变化，调节设备直至工艺条件对应的质 量要求，解决因设备或工件自身因素导致的表面硬度及淬硬层深度不一致的问题，实现激 光淬火过程质量均匀性控制。

附图说明

图1为本发明激光淬火温度在线检测装置结构示意图；

图2为位置调节机构的结构示意图；

图3为本发明所采用的控制激光淬火件表面质量均匀性的控制流程图；

图4为同一激光输出功率调节下，不同扫描速度下与表面中心温度的关系图；

图5为应用本发明的方法对工件修正前后工件表面温度变化的模拟示意图；

图6为采用本发明的发明所加工的工件的表面质量结果图，(a)表面宏观加工效果对 比，(b)硬化层金相形貌；

其中：1-机械手，2-激光淬火头，3-位置调节机构，4-温度探测器，5-激光束斑，6-转 动连接杆，601-第一连杆，602-第二连杆，7-第一调节旋钮，8-第二调节旋钮，9-角度调节 旋钮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进 行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示的检测装置，该装置连接在激光淬火设备中智能机械手1上，主要包括激 光淬火头2、温度探测器4，其中温度探测器4采用的是红外温度探测头，其测温范围250℃ ～1800℃，测温精度±2℃，信号探测响应时间1ms。两者通过位置调节机构3连接，保 证探测头与淬火头全程的协同运动，同时所述位置调节机构3调节所述温度探测器4的探 头焦点与所述激光淬火头2的激光加工点至重合的位置，保证准确的获取淬火区加工件表 面的准确温度。另外为了保证位置的稳定性，优选的是将所述的激光淬火头2与所述的温 度探测器4调节至共面设置的位置，并且该平面垂直于激光扫描方向的前提下，再调节探 头焦点和激光点的重合。

如图1-2所示，所述位置调节机构3调节包括转动连接杆6，第一调节旋钮7和第二调节旋钮8，所述转动连接杆6的一端与所述激光淬火头2固定相连，另一端通过垂直连 接的所述第一调节旋钮7和所述第二调节旋钮8连接所述温度探测器4，其中所述转动连 接杆6包括第一连杆601和第二连杆602，所述的第一连杆601和所述第二连杆602通过 角度调节旋钮9连接。调节重合点的具有过程为：首先将温度探测器4旋至第一调节旋钮 7前端的固定螺纹中、探头前端镜片距离光斑区域约200mm，其次转动第一调节旋钮7， 使探头轴向与激光扫描方向垂直并固定旋钮，将第一调节旋钮7对应的刻度数记为A₁；其 次转动平行扫描方向的第二调节旋钮8，并观察显示界面的温度示数，当出现最大值时， 将该温度值记为T_max1，固定旋钮并将刻度记为A₂；最后转动角度调节旋钮9，当界面显示 温度为最大值时，将该温度值记为T_max2，固定旋钮并将刻度记为A₃。

之后该装置将温度探测器4探测的温度数据并结合激光淬火头2的扫描数据输入到激 光设备的控制系统中，控制系统应用所采集的工艺参数数据构建与工件质量相关的工艺模 型，以便于应用于后期激光淬火的修正，为温度异常提供了调整的指导基础，从而实现质 量均匀性控制。之后基于所构建的模型，在激光淬火加工过程中，通过对所工件质量的要 求反过来对应于工件表面的温度，通过监测工件的表面温度是否与所构建的模型中的温度 相对应，调节激光装置的输出功率。

如图3所示，应用上述装置实施对激光淬火加工件表面质量均匀性控制的具体过程：

步骤一：在该实施例中，以低碳钢Q345B为激光淬火原材料，激光淬火工艺参数中激 光功率分别选择3000W、3500W、4000W，扫描速度范围选择4mm/s～32mm/s，其间隔 为2mm/s，之后采用以上装置，通过机械手1调节探头焦点位置的激光束斑5正好落在工 件表面，形成淬火区，并在线采集淬火区的温度数据，所采集的不同扫描速度下工件表面 中心温度。如图4所示为在激光功率3000W的条件下所获得表面中心温度随扫描速度变化 的关系图。测试前需要了解清楚工件的外形尺寸，对工件的表面的每一个位置进行点位标 定，使其具有唯一确定的三维坐标点。并且在完成对工件的三维坐标位置设定的基础上规 划激光淬火头的运行路径，以上设定是为了对采集的数据进行位置标定。在完成激光加工 后对工件的质量进行测试，并将各个位置所包括的工艺参数数据和工件质量数据一一对应起来，并将所有组的数据采用曲面拟合分析构建关系模型。

其中，所测试的工件质量数据为表面硬度(HB)与硬化层深度(H)，前者通过超声波硬度计测得，硬化层深度采用金相显微镜中的测量工具测得，每个点在明确温度和扫描数据的前提下，各个点至少测试五次，之后选取平均值。

步骤二：之后将该模型应用于对低碳钢Q345B材质(同一材质)的大尺寸工件表面激 光淬火加工的指导。具体实践过程中，根据工件外形尺寸特点，在确定激光淬火头2运行姿态及扫描路径后执行激光淬火处理。处理时，(1)先根据加工件表面承受工况条件提出性能需求，例如本实施例中要求淬火层表面硬度大于340HBW，硬化层深度为0.76mm。 (2)基于步骤一所构建的工艺参数—表面硬度/硬化层深度关系模型，确立激光淬火表面 温度与扫描速度。在本实例中扫描速度为12mm/s，对应的表面平均温度为1150℃，之后 基于此进一步确定初始的激光功率为3500W。淬火过程中，温度探测器4实时采集温度信 号，当探测的温度与1150℃的差值超出设定的阈值时，调节设备的激光功率直至采集的温 度在设定的范围内。其中，所述的阈值数据的设定需要考虑设备的合理波动所引起的合理 范围的温差，以避免频繁的调节设备的输出功率所引起的设备的损坏，通常设定的阈值范 围为±50℃以内。

由图4可以看出，在保持激光功率P不变的情况下，工件表面温度T和扫描速度c 是呈反比关系的，也就是说T＝P/c。该公式可以转换为P＝kcT(k为修正系数)，在加工过 程中，保持扫描速度c不变，那么工件表面温度T和激光功率P是呈直线的关系。这种关 系对于老化的器件依旧使用，在调控的过程中以在线检测装置的监控值为准实时调控激光 功率，减少了器件老化的影响。对于工件出现表面存在锈蚀及油污的情况时，如图5所示， 工件表面的温度会迅速的降低，超出设定的阈值范围，激光设备接受到温度异常的信号后 会及时调节输出功率，待表面温度在1150℃附近仅产生微小波动时停止调整。

如图6所示为工件加工效果对比图，可见表面温度在线修正后工件宏观表面质量一致 性较好。在工件表面选取5处不同位置进行取样，通过金相显微镜测得工件激光淬火总硬 化层深度平均为0.758±0.016mm，表面硬度平均为346±12HBW，满足工件预期加工要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员 应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明 的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化 和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等 效物界定。

Claims (9)

1.一种激光淬火温度在线检测装置，其特征在于：包括激光淬火头；

温度探测器，用于探测工件表面位于淬火区的温度；

以及位置调节机构连接，所述激光淬火头和所述温度探测器通过所述位置调节机构相连，所述位置调节机构调节所述温度探测器的探头焦点与所述激光淬火头的激光加工点至重合的位置。

2.根据权利要求1所述的一种激光淬火温度在线检测装置，其特征在于：所述位置调节机构包括转动连接杆，第一调节旋钮和第二调节旋钮，所述转动连接杆的一端与所述激光淬火头固定相连，另一端通过垂直连接的所述第一调节旋钮和所述第二调节旋钮连接所述温度探测器。

3.根据权利要求2所述的一种激光淬火温度在线检测装置，其特征在于：所述转动连接杆包括第一连杆和第二连杆，所述的第一连杆和所述第二连杆通过角度调节旋钮连接。

4.根据权利要求2所述的一种激光淬火温度在线检测装置，其特征在于：所述的第一调节旋钮与所述的转动连接杆垂直连接，所述的第二调节旋转与所述的第一调节旋钮垂直相连，所述温度探测器与所述的第一调节旋钮垂直相连。

5.根据权利要求1所述的一种激光淬火温度在线检测装置，其特征在于：所述的激光淬火头与所述的温度探测器共面设置，两者所在的平面垂直于激光扫描方向。

6.应用权利要求1-5任一项所述的检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：应用检测装置采集激光淬火工艺参数，构建工件表面温度/扫描速度和工件表面质量的关系模型；

步骤二：在激光淬火加工中，基于所构建的模型，实时监控工件表面位于淬火区的温度，根据监控的数据实施调节激光设备的输出功率，控制工件淬火区表面温度的温差在所设定的阈值范围内。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所构建的模型与具有同一种材质的加工件相对应。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所构建的模型包括表面温度-扫描速度-硬度关系模型和温度-扫描速度-硬化层深度关系模型，步骤二中，首先根据工件对硬度和硬化层的要求结合构建的模型先确定加工过程中工件表面应控制的温度和扫描速度，之后确定激光设备的初始功率。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述步骤二中对输出功率的调节是在扫描速度保持恒定的基础上实施的，包括：

当工件表面温度的温差在所设定的阈值范围内，维持激光设备的输出功率；

当工件表面温度的温差超出所设定的阈值范围，调节激光设备的输出功率，直至温度探测的工件表面温度在监控的范围内。

Images