CN112522478A - 一种高速激光点状热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，包括脉冲激光器，所述脉冲激光器用于对工件进行表面热处理，输出的激光脉冲宽度小于0.1秒，所述脉冲激光器的脉冲占空比为10％‑80％；聚焦头，位于所述脉冲激光器的出口侧，用于对所述脉冲激光器发射的激光聚焦；安装座，用于安装所述脉冲激光器及所述聚焦头；工作台，用于固定所述工件，控制所述工件运动。本发明的技术方案通过采用脉冲宽度τ＜0.1秒的高速激光对工件进行点状热处理，可以避免连续热处理过程中的搭接，有效避免热应力搭接，使工件易于形成过饱和固溶体、介稳相、甚至非晶态等特殊的材料结构，应用领域广泛。

Description

一种高速激光点状热处理装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种高速激光点状热处理装置。

背景技术

激光表面热处理技术利用激光作为热源，加热材料表面，通过与其它技术的合作，达到对材料表面改性的目的。采用激光表面处理的过程中，激光需要聚焦到比较小的光斑从而保证足够高的功率密度。当需要对一定比较大的面积进行表面处理时，就需要利用激光光斑对表面进行多次多道扫描，这其中就会出现连续扫描道之间的搭接区域。搭接区会出现回火软化现象，同时多道连续热处理会逐渐积累温度，形成累积的热应力分布，从而很容易出现微裂纹。

专利号(CN100417746C)，专利名称(一种分布式激光点状合金化方法)，该技术采用脉冲激光照射材料表面，在脉冲激光照射的过程中加热激光脉冲光斑区域，从而形成点状(圆形或椭圆形)的加热区，在加热同时加入合金粉末，当激光脉冲结束时，即在表面形成一个合金化的点。当下一个激光脉冲来临前，工件已经通过适当的方式移动到下一个位置，因此下一个激光脉冲照射的区域与上一个脉冲所形成的合金化区是分开的。重复这个操作，采用多个激光脉冲，可以在材料表面形成周期性的激光合金化点。这个采用点状合金化的方法，可以避免连续热处理过程中的搭接问题，也可以有效地避免热应力的积累。

上述专利内容规定了激光脉冲的宽度τ为0.1≤τ≤1.0s，这种限制使该技术只能进行比较慢速度的激光表面加热，这也是这种方法只能适用于激光合金化的原因，但绝大部分的激光热处理工艺都要求激光加热的速度远大于上述专利的要求，例如激光淬火和熔凝技术，就要求快速加热表面，只有快速加热表面，才能减小热影响区域，从而在被加热表面冷却过程中保证足够高的冷却速度，而只有冷却速度足够高，才能够在冷却过程中形成过饱和固溶体、介稳相、甚至非晶态等特殊的材料结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速激光点状热处理装置，该高速激光点状热处理装置能够通过快速的加工过程在表面形成各种过饱和固溶体、介稳相、甚至非晶态等特殊的材料结构，从而大大拓展激光加工的性能。

本发明提供一种高速激光点状热处理装置，包括：脉冲激光器，所述脉冲激光器用于对工件进行表面热处理，输出的激光脉冲宽度小于0.1秒，所述脉冲激光器的脉冲占空比为10％-80％；聚焦头，位于所述脉冲激光器的出口侧，用于对所述脉冲激光器发射的激光聚焦；安装座，用于安装所述脉冲激光器及所述聚焦系统；工作台，用于固定所述工件，控制所述工件运动。

进一步地，所述脉冲激光器为可通过外部控制调制脉冲输出的脉冲激光器。

进一步地，所述脉冲激光器的脉冲占空比为10％-50％。

进一步地，所述脉冲激光器为采用外机械开关调制的连续激光器。

进一步地，所述外机械开关为机械斩光盘、机械多棱镜或机械偏摆镜，所述机械斩光盘的转动轴与连续激光的照射方向平行，所述机械斩光盘上均匀开设有通光孔，所述通光孔位于同一圆周上，所述机械多棱镜的转动轴与连续激光的照射方向垂直，所述机械多棱镜用于反射连续激光，所述机械多棱镜的一侧设有不少于两个接收镜，所述接收镜用于接收并通过所述机械多棱镜反射的连续激光，所述机械偏摆镜的固定轴与连续激光的照射方向垂直，所述机械偏摆镜的驱动控制装置为电机、检流计或压电陶瓷，所述机械偏摆镜的一侧设有不少于两个接收镜，所述接收镜用于接收并通过所述机械偏摆镜反射的连续激光。

进一步地，所述安装座为机械臂或滑动导轨，所述脉冲激光器照射在所述工件上形成的热处理斑点为点状圆形或椭圆形。机械臂或滑动导轨控制脉冲激光器直线运动或多轴曲线运动。

进一步地，所述聚焦头包括球面聚焦镜，所述球面聚焦镜用于生成圆形激光聚焦斑点，所述圆形激光聚焦斑点在所述工件上形成的所述热处理斑点为点状圆形。

进一步地，所述聚焦头还包括不同高度的X向柱面镜和Y向柱面镜，所述X向柱面镜和所述Y向柱面镜用于精准调节椭圆形激光聚焦斑点的长轴长度和短轴长度。

进一步地，所述工件为回转体零件，所述工件高速旋转运动，所述脉冲激光器沿所述工件的轴线方向运动，所述回转体零件的端部连接有编码器，所述编码器用于检测所述工件的位置，所述编码器的信号输出端与所述脉冲激光器的控制系统连接，所述控制系统用于控制所述脉冲激光器的启停和激光脉冲宽度。编码器可以检测工件的旋转位移，与沿工件轴线移动的脉冲激光器配合，可以对工件某一位置，例如芯轴类零件的中间位置进行加强的热处理，编码器也可以配合齿轮箱或丝杠，直接测量工件的旋转位移和直线位移，反馈给脉冲激光器。

进一步地，所述脉冲激光器对所述工件的加热区表面上覆有金属粉末，用于进行激光合金化或激光熔覆等工艺。

本发明的技术方案通过采用脉冲宽度τ＜0.1秒的高速激光，对工件进行点状热处理，设置占空比10％-80％或10％-50％，可以避免连续热处理过程中的搭接，有效避免热应力积累，同时还具有圆点状的控制调节方式，可以将激光因工件的运动造成的非圆形斑点，通过预先调整激光束的形态，使留在工件表面的热处理斑点为圆形斑点，还设计有编码器，实现工件的特定部位的热处理，在进行点状热处理的同时，对工件表面送粉，可以进行合金化或者表面熔覆等处理工艺，因为本装置采用高速激光，所以加热速度快的同时，冷却速度也很高，易于形成过饱和固溶体、介稳相、甚至非晶态等特殊的材料结构，应用领域广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的总体示意图；

图2为本发明的回转类工件工作示意图；

图3为本发明的机械斩光盘示意图；

图4为本发明的机械多棱镜示意图；

图5为本发明的机械偏摆镜示意图；

图6为本发明中工件表面的热处理斑点图；

图7为本发明中形成圆形斑点的示意图；

图8为图7中的椭圆形激光斑点的示意图；

图9为本发明中精确聚焦斑点形状的示意图；

图10为本发明中配合编码器对工件定位后的热处理斑点图。

附图标记说明：

1-脉冲激光器及聚焦头、2-采用外机械开关调制的连续激光器及聚焦头、3-工件、4-安装座、5-工作台、6-机械斩光盘、601-通光孔、7-机械多棱镜、8-机械偏摆镜、9-热处理斑点、10-球面聚焦镜、11-X向柱面镜、12-Y向柱面镜、13-编码器、14-连续激光、15-脉冲激光、16-聚焦镜。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，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"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。

此外，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所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图2、图6-图10所示：

本发明提供一种高速激光点状热处理装置，包括脉冲激光器，所述脉冲激光器用于对工件进行表面热处理，输出的激光脉冲宽度小于0.1秒，所述脉冲激光器的脉冲占空比为10％-80％可变；聚焦系统，位于所述脉冲激光器的出口侧，用于对所述脉冲激光器发射的激光聚焦；安装座，用于安装所述脉冲激光器及所述聚焦系统；工作台，用于固定所述工件，控制所述工件运动。由于所用激光脉冲宽度小于0.1秒，故激光脉冲宽度非常窄，因此激光对材料表面的加热过程非常快，在热处理过程中所产生的热影响区也很小，脉冲过后材料被加热的区域通过冷的基体冷却的速度非常快，在此过程中会形成一些包括但不限于的特殊的材料结构，例如过饱和固溶体、介稳相、甚至非晶态等。脉冲激光器及聚焦头的脉冲形式为重复频率的脉冲，重复进行脉冲热处理，采用多个激光脉冲，可以在材料表面形成周期性的激光热处理斑点9，当这些热处理斑点9有效地覆盖材料表面时，就达到了激光热处理表面的目的。

脉冲激光器为可调制脉冲输出的脉冲激光器。可调制脉冲输出的脉冲激光器相比固定脉冲的激光器，能够根据检测装置对工件位置的检测信号发射脉冲激光和关闭激光脉冲，使工件3按照设计要求进行热处理。

安装座4为机械臂或滑动导轨，脉冲激光器及聚焦头1照射在工件上形成的热处理斑点为点状圆形或椭圆形。当然，机械臂或者滑动导轨仅是一种常规的安装控制方式，主要是为了帮助脉冲激光器及聚焦头1运动，调整脉冲激光器及聚焦头1的位置，这种运动可以是普通的直线移动，也可以是数控式的多轴曲线移动，这种机械臂已经被广泛应用，此处不再详述，其他能够起到此类作用的装置皆可，在脉冲激光照射过程中，激光加热工件3表面，同时工件3并不停止运动(工件3可以一个稳定的速度连续运动)，由于激光脉冲很窄，同时具有占空比，所以虽然工件3连续运动，激光脉冲照射的区域并不会被明显拉长成为椭圆，从而形成点状圆形或椭圆形的加热区。

如图7所示：工件3高速直线运动或高速旋转运动，脉冲激光器及聚焦头1固定，聚焦头包括球面聚焦镜10，球面聚焦镜10用于生成圆形激光聚焦斑点，圆形激光斑点在工件3上形成的热处理斑点9为点状圆形。当工件3运动速度较高，且激光脉冲的占空比也较高，可能使激光脉冲照射的区域在沿工件运动方向拉长，这时，将激光聚焦为椭圆形，再配合工件3的运动，在激光脉冲结束时留在工件3表面的则正好是圆形的热处理斑点9，当然，对于需要椭圆形热处理斑点9的工件3表面，这种情况下可以直接采用圆形激光束。

如图8所示：设聚焦光斑在工件3运动方向的宽度为b，在工件3运动方向上需要的两热处理点中心间距为B，脉冲的占空比为P，则在脉冲作用的时间内光斑在工件3表面移动的距离为P×B，理论上说激光脉冲在工件3运动方向作用长度为b+P×B，但由于工件3的移动造成在工件3运动方向上前后两头的作用时间比较短，最终的实际热处理点在这个方向上的尺寸小于这个长度，实际的作用长度在b和b+P×B之间，可以根据实际工艺实验确定，当合理选择聚焦镜，则能够控制聚焦光斑在工件3上形成的光斑为圆形或椭圆形。

如图9所示：工件3高速直线运动或高速旋转运动，脉冲激光器及聚焦头1固定，聚焦头上不同高度位置设有X向柱面镜11和Y向柱面镜12，X向柱面镜11和Y向柱面镜12用于精准调节激光聚焦斑点束的长轴长度和短轴长度。

如图9所示：由于实际的热处理点因为工件3连续运动的原因有加长，当严格要求热处理点是圆形时，需要事先将光斑聚焦成扁的椭圆形。假设光斑在垂直于工件3运动方向上的长度为a，则要求a>b。实现聚焦扁圆形光斑的方法很多，最简单的办法是采用两个方向的柱面镜分别聚焦，采用两个柱面镜在x和y两个方向分别聚焦的系统。如果入射光束的发散角为θ，则在x方向聚焦后的光斑长度为a＝θ×f1，在y方向聚焦后的光斑长度为b＝θ×f2。由于f1>f2，所以结果有a>b，具体的参数比可以通过选择合适的f1和f2获得。

如图2和图10所示：工件3为回转体零件，工件3高速旋转运动，脉冲激光器及聚焦头1沿工件3的轴线方向运动，回转体零件的端部连接有编码器13，编码器13用于检测工件3的位移，这个位移可以是旋转位移，也可以是配合齿轮箱或丝杠得到的直线位移，编码器13的信号输出端与脉冲激光器1的控制系统连接，控制系统用于控制脉冲激光器1的启停和激光脉冲宽度。当对回转体零件处理时，工件3连续旋转，而激光脉冲以稳定的频率进行处理，这时可以将激光聚焦头安装在一个连续直线运动的平台上，激光热处理聚焦头沿圆柱形工件3的轴线方向直线运动，而工件3连续旋转，这样在圆柱形工件3的外表面形成连续的螺旋线分布的热处理点分布，这种连续的运动形式要求对旋转的工件3的方位进行检测，一般可以采用编码器13检测工件3的方位，与激光脉冲的输出配合，可以保证需要的点分布形式，配合编码器13的应用，可以在工件3的不同部位采用不同的脉冲间隔，从而在工件3的不同区域生成不同的热处理点分布形式和密度。

脉冲激光器及聚焦头1与高速旋转工件3间形成的热处理斑点9，有交叉间隔分布或者对齐分布两种形式，如果采用对齐分布，根据激光热处理点的大小和圆柱形工件3的直径，将热处理点阵均匀地分配到圆柱的圆周上，当安置在圆柱体轴上的编码器13信号检测到需要热处理的位置时，将发射激光脉冲的信号发送给激光器，激光器即发射激光脉冲，完成一圈的热处理后重复在相应的编码器13信号位置处进行热处理，则整个圆柱面上就会形成对齐并规则的热处理点阵，如果需要进行交叉点阵的热处理，则同样根据激光热处理点的大小和圆柱形工件3的直径，将热处理点阵均匀地分配到圆柱的圆周上。当安置在圆柱体轴上的编码器13信号检测到需要热处理的位置时，将发射激光脉冲的信号发送给激光器，激光器即发射激光脉冲，完成第一圈的热处理后，在下一圈处理时在上一圈脉冲位置的两编码器13信号之间发送发射脉冲信号，则下一圈所处理的脉冲正好处于与上一圈交叉的位置上，重复上述过程直至所有面积处理完成，整个圆柱面上就会形成交叉的规则热处理点阵。

如图10所示：配合编码器13的应用，可以在工件3的不同部位采用不同的脉冲间隔，从而在工件3的不同区域采用不同的热处理点分布形式和密度。例如轧辊类工件，工作时最受力的是中间部位，那么在进行热处理时可以在中间部分采用比较密集的点阵分布，而在两端则采用比较稀疏的分布，编码器可13以检测工件3的旋转位移，与沿工件轴线移动的脉冲激光器及聚焦头1配合，可以对工件3某一位置，例如芯轴类零件的中间位置进行热处理，编码器13也可以配合齿轮箱或丝杠，直接测量工件的旋转位移和直线位移，反馈给脉冲激光器及聚焦头1，对工件特定位置进行热处理。

脉冲激光器及聚焦头1对工件3的加热区表面上覆有金属粉末，用于进行激光合金化或激光熔覆等工艺。。在激光脉冲加热的同时如果不加入任何粉末，则形成点状的激光淬火或熔凝，如果加入少量的合金粉末，即在表面形成一个合金化的点，如果加入合适的金属粉末，就可以形成激光熔覆区。

实施例2

如图3-图5所示：

本实施例与实施例1的不同之处在于，不直接使用脉冲激光器，而使用采用外机械开关调制的连续激光器配合聚焦头，将连续激光14转变为脉冲激光15，其他部分与实施例1相同，此处不再赘述；

本发明提供一种高速激光点状热处理装置，包括采用外机械开关调制的连续激光器，用于对工件3进行表面热处理，采用外机械开关调制的连续激光器输出激光脉冲宽度小于0.1秒的高速激光，并照射到工件3上，且脉冲占空比为10％-50％可变；聚焦头，位于采用外机械开关调制的连续激光器的出口侧，用于对其发射的激光聚焦；安装座4，用于安装采用外机械开关调制的连续激光器和聚焦头；工作台5，用于固定工件3，并控制工件3运动。

采用外机械开关调制的连续激光器及聚焦头2的脉冲占空比为10％-50％可变。脉冲形式为重复频率的脉冲，当占空比小于等于50％，下一个激光脉冲到来前，工件3已经通过连续不停的运动移动到了下一个位置，因此下一个激光脉冲照射的区域自动地与上一个脉冲所形成的热处理区是分开的，重复进行脉冲热操作，采用多个激光脉冲，可以在材料表面形成周期性的激光热处理斑点9，当这些热处理斑点9有效地覆盖材料表面时，就达到了激光热处理表面的目的。

外机械开关为机械斩光盘6、机械多棱镜7或机械偏摆镜8，用于将连续激光14调制成为脉冲激光15。机械斩光盘6的转动轴与连续激光14的照射方向平行，机械斩光盘上均匀开设有通光孔601，通光孔601位于同一圆周上，机械多棱镜7的转动轴与连续激光的照射方向垂直，机械多棱镜7用于反射连续激光，机械多棱镜7的一侧设有不少于两个接收镜16，接收镜16用于接收并通过机械多棱镜7反射的连续激光，机械偏摆镜8的固定轴与连续激光的照射方向垂直，机械偏摆镜8的一侧设有两个接收镜16，接收镜16用于接收并通过机械偏摆镜8反射的连续激光。

这些机械开关主要是基于周期性的机械运动。图3中，连续激光束直接穿过一个旋转的斩光盘，间断的通光孔601将连续激光束切割成脉冲串，不通光区域的激光则被反射到一侧的反射镜中，再经过反射后，又形成一束脉冲激光；在图4中，连续旋转的多棱镜在旋转过程中将照射到多棱镜上的连续激光束在空间上一定角度范围内重复性的扫描，在其扫描的路径上放置两个以上的接收镜16，则当反射光照射到每个接收镜16上时，即给接收镜16输送了一个脉冲，连续旋转的多棱镜给几个接收镜16上各输送了一串激光脉冲，这样一束连续激光就被分成了多束脉冲激光，采用这种方案每一路所获得的脉冲激光的占空比随着所分光路数的增加而减小。图5所示为一个通过偏摆镜形成脉冲激光的过程，偏摆镜的驱动可以是高速响应的电机，也可以是检流计，还可以是压电陶瓷，不论采用哪种机械偏摆机构，只要偏摆的启动速度尽量快即可。

本装置在使用时，对于实施例1，脉冲宽度τ＜0.1秒，因此属于高速激光加工，因此当工件3进行热处理时，脉冲激光器1以小于0.1秒的脉冲宽度快速发射激光，照射到工件3表面，同时工件3不停止运动，因为脉冲宽度小，所以尽管工件3处于运动状态，激光在工件3表面留下的热处理斑点9仍然近似为圆形，经过多次重复的点状热处理后，即成功对工件3进行热处理，另外，本装置还设计了编码器13和脉冲激光器1配合，用编码器13检测工件3位置，进而控制脉冲激光器1，对工件3的部分位置进行热处理，如果本装置使用过程中，同时对工件3表面送入合金粉末或金属粉末，还能够同时对工件3进行合金化处理和表面熔覆；

对于实施例2，与实施例1的不同在于所采用的脉冲激光器1的不同，且脉冲占空比一定小于50％。实施例2中，脉冲激光器为采用外机械开关的连续激光器，配合外部机械开关，同样达到了脉冲激光的效果，外部机械开关可以是机械斩光盘6、机械多棱镜7或机械偏摆镜8等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，包括：

脉冲激光器，所述脉冲激光器用于对工件进行表面热处理，输出的激光脉冲宽度小于0.1秒，所述脉冲激光器的脉冲占空比为10％-80％可变；

聚焦头，位于所述脉冲激光器的出口侧，用于对所述脉冲激光器发射的激光聚焦；

安装座，用于安装所述脉冲激光器及所述聚焦头；

工作台，用于固定所述工件，控制所述工件运动。

2.根据权利要求1所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述脉冲激光器为可通过外部控制调制脉冲输出的脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述脉冲激光器的脉冲占空比为10％-50％可变。

4.根据权利要求3所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述脉冲激光器为采用外机械开关调制的连续激光器。

5.根据权利要求4所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述外机械开关为机械斩光盘、机械多棱镜或机械偏摆镜，所述机械斩光盘上均匀开设有用于通过激光的通光孔，所述机械多棱镜的后方设有不少于两个接收镜，所述机械偏摆镜的后方设有两个接收镜，所述接收镜用于通过被所述机械多棱镜或所述机械偏摆镜反射的激光。

6.根据权利要求2或5所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述安装座为机械臂或滑动导轨，所述脉冲激光器照射在所述工件上形成的热处理斑点为点状圆形或椭圆形。

7.根据权利要求6所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述聚焦头包括球面聚焦镜，所述球面聚焦镜用于生成圆形激光聚焦斑点，所述圆形激光聚焦斑点在所述工件上形成的所述热处理斑点为点状圆形。

8.根据权利要求6所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述聚焦头还包括不同高度的X向柱面镜和Y向柱面镜，所述X向柱面镜和所述Y向柱面镜用于精准调节激光聚焦斑点的长轴长度和短轴长度。

9.根据权利要求6所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述工件为回转体工件且高速旋转运动，所述脉冲激光器沿所述工件的轴线方向运动，所述工件的端部连接有编码器，所述编码器用于检测所述工件的位移，所述编码器的信号输出端与所述脉冲激光器的控制系统连接，所述控制系统用于控制所述脉冲激光器的启停和激光脉冲宽度。

10.根据权利要求1所述的一种高速激光点状热处理装置，其特征在于，所述脉冲激光器对所述工件的热处理位置覆有金属粉末，所述金属粉末用于激光合金化或激光熔覆。

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