CN112159885B - 一种低碳钢表面硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低碳钢硬化表面方法，先对待处理表面进行清理，祛除油漆、油污与锈蚀等覆层以及表面残留金属颗粒、低熔点物质等杂质，保证表面清洁度；然后使用激光对低碳钢表面进行硬化处理，激光束与待加工表面偏移角θ=70‑85°；激光功率P=2000W‑6000W，扫描速度v=8‑32mm/s，搭接率10‑30%，离焦量d=d0±30mm，其中d0为激光焦点处离焦量；激光光斑宽度W=1‑5mm；使用机械臂搭载激光加工头。本发明提出采用机械臂搭载激光加工头直接强化处理低碳钢的方法及面向低碳钢材料激光直接强化参数匹配原则与判定标准，实现低碳钢材料的高效低成本表面硬化处理，解决大尺寸、大吨位、复杂异构件表面快速强化处理的难题。

Description

一种低碳钢表面硬化方法
技术领域
本发明涉及一种低碳钢表面硬化方法，属于表面处理技术领域。
背景技术
低碳钢由于其具有韧性好、可焊性强、成本低等优点，在机械制造、工程机械等领域广泛应用；特别在高频振动的作业过程中，低碳钢材料所制备的作业机具的优势显得尤为突出，如压路机、摊铺机等工程机械。通过调研发现大部分低碳钢作业机具的表面失效往往出现在早期，并随着使用时间的增加，材料表面的失效速率逐渐降低并趋于平稳。由此可见，低碳钢零件表面的早期寿命很大程度上决定了其使用寿命。通常采用表面强化处理技术以提升材料表面性能，以延长低碳钢零件早期失效时间。针对低碳钢的表面强化技术，除了采用元素渗入或渗入后淬火等技术，目前尚无简单高效低成本的表面方法，特别是针对大吨位、大尺寸、复杂结构的零件，因此，亟需探索一种更为有效的方法来提升低碳钢表面质量。
发明内容
目的：为了解决现有技术中低碳钢表面硬化成本高、工艺复杂、效率低以及针对大尺寸、大吨位、异形曲面低碳钢零件难以高效处理的难题，本发明提供一种低碳钢表面硬化方法。
激光表面强化处理，是一种以高能密度的激光束照射工件表面，使基体被快速加热与冷却，产生非平衡相变与凝固组织的一种工艺过程。激光表面强化处理主要包括激光淬火与激光熔凝两种工艺，该工艺特点是无需额外添加任何金属元素和材料，利用材料的相变强化、固溶强化及细晶强化等机理来提升材料表面性能。相比于传统热处理技术，激光强化处理具有更高的表面硬度、塑性、韧性；此外，激光具有柔性好的特点，强化处理过程不受零件的形状、尺寸大小、吨位、处理区域的制约，同时对硬化层深度上具有良好的可控性，更容易实现工业自动化与批量生产。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种低碳钢表面硬化方法，具体地，使用激光对低碳钢表面进行硬化处理，激光束与待加工表面偏移角θ=70-85°；
激光功率P=2000W-6000W，扫描速度v=8-32mm/s，搭接率10-30%，离焦量d=d0±30mm，其中d0为激光焦点处离焦量。
进一步地，对低碳钢表面激光硬化处理前，先对待处理表面进行清理，祛除油漆、油污与锈蚀等覆层以及表面残留金属颗粒、低熔点物质等杂质，保证表面清洁度。
进一步地，发射激光束的激光加工头安装在六轴机械臂上，六轴机械臂通过机械臂底座设于加工平台上，六轴机械臂与控制器连接；所述激光加工头位于低碳钢表面上方。
进一步地，待加工面为平面时，激光束与待加工平面偏移角θ=70-85°。
进一步地，待加工面为曲面时，激光束与待加工曲面的切平面偏移角θ=70-85°。
进一步地，所述激光光斑为矩形光斑，光斑长度L=10-40mm，宽度W=1-5mm。
进一步地，所述激光能量密度E≥7J/mm2，单位区域的作用时间t=W/v≤0.3s，W为激光光斑宽度，v为扫描速度。
进一步地，能量密度7J/mm2≤E≤16.67J/mm2，达到表面淬火强化效果，形成激光淬火表面。
进一步地，能量密度E≥16.67J/mm2，达到表面熔凝强化效果，形成激光熔凝表面。
有益效果：本发明提供的一种低碳钢表面硬化方法，解决了低碳钢材料淬透性差、淬火难度大的难题，同时具有成本低、工艺流程简单、效率高等优势；本发明方法制备的硬化层硬度范围为300-430HB，较基体提升50%-150%，硬化深度覆盖0.1-1.5mm，可满足不同表面硬度与硬化层的需求。本发明的激光加工头搭载在机械臂，可满足大尺寸、大吨位、异形构件表面或局部区域的快速强化需求。
附图说明
图1为本发明方法中激光加工头所搭载的机械臂示意图；
图2为激光束与待加工平面的位置示意图；
图3为激光束与待加工曲面的位置示意图；
图4为激光淬火矩形光斑示意图；
图5为未激光处理时低碳钢材料表面（a）显微组织图；
图6为激光处理后低碳钢材料表面（b）显微组织图；
图7为实施例1激光强化处理Q345B淬火层截面图；
图8为实施例2激光强化处理Q235熔凝层截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
在对低碳钢材料激光强化处理前，首先对待处理表面进行清理，祛除油漆、油污与锈蚀等覆层以及表面残留金属颗粒、低熔点物质等杂质，保证表面清洁度。
机械臂搭载激光加工头的装置如图1所示，激光加工头1安装在六轴机械臂2上，六轴机械臂2通过机械臂底座3设于加工平台上，六轴机械臂2与控制器连接，通过程序控制实现激光加工头1的运动轨迹，满足激光加工头1不同姿态、不同运行轨迹的运动需求；所述激光加工头1位于低碳钢表面上方。在对一些大尺寸、大吨位或复杂异构件进步表面处理时，机械臂底座可与滑轨装置配合，实现水平滑动，满足激光加工头所需的运动轨迹。
加工平面件时，保证激光束4与待加工平面51偏移角θ=70-85°，如图2所示；加工轴类件或异形构件时，保证激光束4与待加工曲面52的切平面54偏移角θ=70-85°，如图3所示。
利用高能激光束直接作用在低碳钢材料表面，通过工艺参数调整与优化，如：激光功率P=2000W-6000W，扫描速度v=8-32mm/s，搭接率10-30%，离焦量d=d0±30mm，其中d0为激光焦点处离焦量，实现铁素体转变为板条状马氏体，如图5、图6所示。
激光光斑为矩形，矩形激光光斑长度L=10-40mm，宽度W=1-5mm，如图4所示。
激光能量密度E=P/(L*v)≥7J/mm2，单位区域的作用时间t=W/v≤0.3s，W为激光光斑宽度，v为扫描速度。能量密度7J/mm2≤E≤16.67J/mm2，达到表面淬火强化效果，形成激光淬火表面；能量密度E≥16.67J/mm2，达到表面熔凝强化效果，形成激光熔凝表面。
控制工艺参数的合理性，形成具有一定表面硬度与硬化深度硬化层，强化表面硬度达300-430HB，硬化深度达到0.1-1.5mm。
实施例1
针对Q345B低碳钢，选择功率4000W，扫描速度14mm/s，激光光斑30*2mm，离焦量130mm，搭接率10%，偏移角θ=80°，单位区域的作用时间t=0.143，在Q345B表面形成淬火硬化层，表面硬度达320-380HB，淬火硬化深度h1达0.89mm，如图7所示。
实施例2
针对Q235低碳钢，选取功率2000W，扫描速度8mm/s，激光光斑12*1mm，离焦量110mm，搭接率20%，偏移角θ=80°，单位区域的作用时间t=0.125s，在Q235表面形成熔凝硬化层，表面硬度达350-420HB，熔凝硬化深度h2达1.36mm，如图8所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低碳钢表面硬化方法，其特征在于：
使用激光对低碳钢表面进行硬化处理，激光束与待加工表面偏移角θ=70-80°；
激光功率P=4000W-6000W，扫描速度v=8-32mm/s，搭接率20-30%，离焦量d=d0±30mm，其中d0为激光焦点处离焦量；
激光能量密度E≥7J/mm2，单位区域的作用时间t=W/v≤0.3s，W为激光光斑宽度，v为扫描速度；
能量密度7J/mm2≤E≤16.67J/mm2，达到表面淬火强化效果，形成激光淬火表面；
能量密度E≥16.67J/mm2，达到表面熔凝强化效果，形成激光熔凝表面。
2.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面硬化方法，其特征在于：对低碳钢表面激光硬化处理前，先对待处理表面进行清理，祛除油漆、油污与锈蚀覆层以及表面残留金属颗粒、低熔点物质杂质，保证表面清洁度。
3.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面硬化方法，其特征在于：发射激光束的激光加工头安装在六轴机械臂上，六轴机械臂通过机械臂底座设于加工平台上，六轴机械臂与控制器连接；所述激光加工头位于低碳钢表面上方。
4.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面硬化方法，其特征在于：待加工面为平面时，激光束与待加工平面偏移角θ=70-80°。
5.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面硬化方法，其特征在于：待加工面为曲面时，激光束与待加工曲面的切平面偏移角θ=70-80°。
6.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面硬化方法，其特征在于：所述激光光斑为矩形光斑，光斑长度L=10-40mm，宽度W=1-5mm。
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