CN112662864B - 一种薄钢板的水下淬火方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄钢板的水下淬火方法，所述方法为：对基体表面进行抛光，清洗，去污；将预处理后的基体静置放置于水槽中，且基体上表面完全浸没在水中，用波长范围400～600nm的蓝/绿光激光对基体表面进行扫描，同时加以侧吹装置及时吹去激光淬火过程中产生的水蒸汽；本发明方法中激光透过水层照射在钢板上表面，薄钢板件温度快速升高使材料表面温度提高到奥氏体转变温度以上，薄钢板表面被加工处的热量被薄钢板上表面的水层吸收，冷却水吸收热量剧烈汽化，带走大量的热量，使薄钢板快速冷却，从而达到薄钢板外硬内韧的要求，同时降低对基体部分的热影响。

Description

一种薄钢板的水下淬火方法
技术领域
本发明涉及一种薄钢板的水下淬火方法。
背景技术
激光相变硬化是激光热处理中应用最广的一门技术，其原理是利用激光束照射到材料表面，使材料表面温度提高到奥氏体转变温度以上，熔点以下的温度范围，激光束离开被照射部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使被照射部位快速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织，实现材料表层的相变硬化。工件零件的自冷依赖于基体部分的热传导作用，但对于薄壁零件来说，其基体部分较薄较少，在激光淬火的过程中往往淬透甚至熔穿钢板，并且对未加工区域产生很大的热影响区，影响基体其他部分的性能。因此单纯的依靠传统淬火或者激光淬火很难对薄钢板淬火后使其心部保持淬火前的强韧性状态。
薄钢板的水下激光淬火方法主要是通过将薄钢板置于水下与传统的激光工艺调控相结合得以实现。其中对薄钢板的淬火方法国内外学者对其也展开了一系列的研究，如公开的文件(CN103388057)提出了一种水传导激光淬火的工艺，该方法提出将薄钢板上表面以下的部分浸于水下，仅露出上表面，以水作为导热介质来冷却基体。公开的文件(CN106191385)提出一种对薄板件激光淬火的方法，该文件的特点也是将薄钢板上表面以下的部分置于水中，同时对淬火区域分段扫描。以上两种方法都借助于水对基体的导热作用，但实际上激光淬火加工区域的上表面未与冷却水直接接触，水对基体的传热作用非常有限。因此需要更有效的工艺手段。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种水下激光淬火薄钢板的方法。本发明涉及对淬火层表面形貌，淬火层宽度深度，淬火影响区大小的调控等。利用激光器产生激光的热作用加热薄钢板使其产生相变硬化，同时将薄钢板放置于水下，通过控制水层厚度，水流状况，水的种类，水的温度以及激光器参数对淬火区表面形貌，淬火区深度宽度，热影响区大小进行调控。
通过对上述参数的调整使淬火层的表面形貌连续平直，且达到一定的淬硬层深度。通过调整不同厚度的水层厚度或者基板上表面水流的流动情况，及时带走由于激光淬火时产生的热量，改变激光淬火后薄钢板的冷却能力，同时可以更好的降低激光淬火时对基体的影响，热影响区显著减小。
本发明的技术方案如下：
一种薄钢板的水下淬火方法，所述方法包括如下步骤：
(1)预处理：对基体表面进行抛光，清洗，去污；
所述基体为厚度在1～4mm的钢板；
具体的，所述预处理为：对基体表面进行打磨至粗糙度Ra 6.3，用棉花蘸取酒精擦拭基体表面，去除表面油污；
(2)激光淬火：将预处理后的基体静置放置于水槽中，且基体上表面完全浸没在水中，用波长范围400～600nm的蓝/绿光激光对基体表面进行扫描，同时加以侧吹装置及时吹去激光淬火过程中产生的水蒸汽；
所述激光淬火过程中，激光工艺参数为：激光功率500～800W，扫描速度2～5mm/s，所用激光器光斑为矩形光斑，光斑尺寸4mm×4mm；
水层厚度，水流状况，所用水种类，水温的设置条件为：基体上表面与水面间的距离为水层厚度，水层厚度为1～8mm；水层可以流动或静止，通过对水流状态的更改并结合激光工艺参数来控制薄钢板硬化层深度，水层流动时采用与激光器扫描方向正交的流水，流速范围为0.1～0.5m/s；所用水为去离子水；原始水温不大于20℃，优选在5～20℃；
所述侧吹装置吹出的侧吹气为氩气，其流量为50L/min；所述侧吹装置可采用扁形喷口通过输气管与氩气瓶相连，利用这种喷口能产生稳定可靠的水平气流，吹去激光淬火过程中水层汽化所产生的蒸汽。
本发明的有益效果在于：
本发明采用将薄钢板置于水下的激光淬火方法，尤其采用去离子水作为冷却介质，减少水中杂质对激光的散射。去离子水与被加工区域上表面直接接触，尤其采用特定区域波段(400nm～600nm)的蓝绿色激光作为激光光源，减少水对激光能量的吸收。据相关文献研究可知，纯水对波长1064nm的红外激光的吸收率远大于波长532nm的绿色激光，400～600nm波段的蓝绿激光在纯水中的透射能力较强。由Beer-Lambert公式计算可得波长为532nm的激光在283mm的水下光程下激光被吸收了1％。
激光透过水层照射在钢板上表面，薄钢板件温度快速升高使材料表面温度提高到奥氏体转变温度以上，薄钢板表面被加工处的热量被薄钢板上表面的水层吸收，冷却水吸收热量剧烈汽化，带走大量的热量，使薄钢板快速冷却，从而达到薄钢板外硬内韧的要求，同时降低对基体部分的热影响。
附图说明
图1实施例1工艺条件下所得试样的横截面图。
图2实施例2工艺条件下所得试样的横截面图。
图3实施例3工艺条件下所得试样的横截面图。
图4实施例4工艺条件下所得试样的横截面图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
水下激光淬火所用基材为45#钢，机械加工成100×50×3mm的金属试样，表面经除油、除锈、打磨处理后，再用无水乙醇溶液清洗。在水槽底部放置两块支架作为支撑，将金属试样放置于支架上，避免金属试样与水槽底部直接接触。通过往水槽中添加适量的去离子水，使得金属试样上表面有一定的水层厚度。
在本实施例中控制水层厚度为2mm，水流方向与激光器扫描方向正交，水流速度0.1m/s，原始水温20℃，同时将侧吹装置水平放置。调整激光器激光功率为500W；扫描速度为2mm/s；侧吹装置流量为50L/min；光斑尺寸为4mm×4mm；激光器焦距为22mm；离焦量为5mm；气体保护装置氩气流量为10L/min，控制激光器进行单道扫描。
对实验后的试样进行切割，对横截面打磨抛光后用4％硝酸酒精溶液腐蚀，图1为上述工艺条件下得到的式样横截面图。
实施例2
该例将实施例1中的激光功率升高至800W，保证其他工艺参数与实施例1一致，得到试样硬化层截面图(图2所示)，对比图1可以发现在激光功率升高的情况下，淬火层宽度、淬火层深度有明显的增加。
实施例3
该例将实施例2中的水层厚度增至8mm，保证其他工艺参数与实施例2一致，得到试样硬化层截面图(图3所示)，对比图2可以知道水层过厚时淬火层厚度、淬火层宽度显著减小。
实施例4
该例将实施例2中的激光扫描速率调整为5mm/s，保证其他工艺参数与实施例2一致，得到试样的硬化层截面图(图4所示)，对比图2可以得知当提高扫描速度时，硬化层宽度和深度略有下降。
结合以上实例可以看出，以上不同参数下都能得到深浅不同的硬化层，从图中可以看出激光淬火层细小的针状马氏体组织，且硬化层与基体间几乎无热影响，可以达到对薄钢板外硬内韧的要求，说明了本发明薄钢板的水下淬火方法的可行性和有效性。

Claims (5)

1.一种薄钢板的水下淬火方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)预处理：对基体表面进行抛光，清洗，去污；
(2)激光淬火：将预处理后的基体静置放置于水槽中，且基体上表面完全浸没在水中，用波长范围400～600nm的蓝/绿光激光对基体表面进行扫描，同时加以侧吹装置及时吹去激光淬火过程中产生的水蒸汽；
激光淬火过程中，激光工艺参数为：激光功率500～800W，扫描速度2～5mm/s，所用激光器光斑为矩形光斑，光斑尺寸4mm×4mm；
水层厚度，水流状况，所用水种类，水温的设置条件为：基体上表面与水面间的距离为水层厚度，水层厚度为1～8mm；水层流动或静止，水层流动时采用与激光器扫描方向正交的流水，流速范围为0.1～0.5m/s；所用水为去离子水；原始水温不大于20℃。
2.如权利要求1所述薄钢板的水下淬火方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基体为厚度在1～4mm的钢板。
3.如权利要求1所述薄钢板的水下淬火方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预处理为：对基体表面进行打磨至粗糙度Ra 6.3，用棉花蘸取酒精擦拭基体表面，去除表面油污。
4.如权利要求1所述薄钢板的水下淬火方法，其特征在于，步骤(2)中，原始水温在5～20℃。
5.如权利要求1所述薄钢板的水下淬火方法，其特征在于，步骤(2)中，所述侧吹装置吹出的侧吹气为氩气，其流量为50L/min；所述侧吹装置采用扁形喷口通过输气管与氩气瓶相连，利用这种喷口能产生稳定可靠的水平气流，吹去激光淬火过程中水层汽化所产生的蒸汽。
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