CN113549737B - 一种多光束激光淬火方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束激光淬火方法以及装置，属于激光淬火领域，采用接续递进加热选区激光淬火方式将多个激光束辐照到工件表面，通过多光束的局部摆动，使每个激光束在不同加热位置上对不同淬火单元进行接续式递进加热，在激光淬火过程中，淬火单元按照线性排列的方式连续运动，淬火单元被递进式持续加热，由于热量累积而使温度逐渐升高，并在最后的激光加热位置达到规定的奥氏体相变温度和淬火深度，通过控制激光淬火工艺参数完成激光淬火。本发明还提供了多光束激光淬火装置。本发明方法可以大幅度提高激光淬火的生产效率，本发明的装置结构巧妙，使用灵活，能实现高效率激光淬火。

Description

一种多光束激光淬火方法与装置

技术领域

本发明属于激光表面强化处理技术，涉及一种多光束激光淬火方法与装置。

背景技术

选区激光淬火可以在工件表面形成“软基体+硬化区”的复合结构，使工件具有高耐磨性和高韧性的良好匹配。工件激光淬火的前提条件是保证淬火单元在给定的激光功率下，按照给定的时间完成淬火过程。

当淬火单元图案和尺寸确定后，对于图案数量极其多，或者尺寸较小的淬火单元，提高生产效率和淬火精准性，是需要考虑的新问题。

当淬火单元图案和尺寸确定后，为了提高生产效率，要求采用多束激光进行选区激光淬火作业。对于尺寸较小的淬火单元，采用多光束进行选区激光淬火作业时，由于光头尺寸较大，需要在激光加工光结构、排列方式和淬火原理方面进行创新设计，以适应高效率在线生产的要求。

因此，需要开发一种新型的多光束激光淬火方法与装置，以提高淬火效率和淬火的精确性。

发明内容

为了解决现有选区激光淬火技术生产效率低的问题，本发明提供了一种接续递进加热选区激光淬火方法，该方法可以大幅度提高激光淬火的生产效率；本发明还提供了实现该方法的装置，装置结构巧妙，使用灵活，能实现高效率激光淬火。

为实现上述目的，本发明提供了一种多光束激光淬火方法，采用接续递进加热选区激光淬火方式将多个激光束辐照到工件表面，通过多光束的局部摆动，使每个激光束在不同加热位置上对不同淬火单元进行接续式递进加热，在激光淬火过程中，淬火单元按照线性排列的方式连续运动，淬火单元被递进式持续加热，由于热量累积而使温度逐渐升高，并在最后的激光加热位置达到规定的奥氏体相变温度和淬火深度，实现淬火，其中，所述淬火单元是指激光束通过激光加工头后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域。

进一步的，通过控制激光淬火工艺参数完成激光淬火，激光淬火工艺参数包括激光束数量、激光功率、扫描速度、光斑尺寸、间隔距离、辐照周期和辐照次数，其中，

间隔距离是指两个相邻淬火单元之间的距离；

辐照周期是指设定的激光束在相邻两个加热位置之间摆动时一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和；

辐照次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度需要重复辐照的次数；

扫描速度是指激光束由于偏转运动导致的在工件表面获得的运动速度。

进一步的，其包括如下步骤：

(1)定义参数含义和初始条件，具体为，设工件上淬火单元总数为M，当前处理的淬火单元在工件上的序号为g，激光束的数量为K，当前辐照工件的激光束序号为η，激光束的移动距离为δ，淬火周期为T，一个淬火单元所需辐照的次数为K，实际辐照次数的序数为i，淬火速度为V，淬火速度V是指形成并控制多束激光的激光加工头相对工件的运动速度，激光加工头相对工件的运动方向为X方向，序号为η的激光束在X轴上的初始辐照位置为X₀+(η-1)*δ，在X轴上的极限辐照位置为X₀+η*δ，其中，第一个激光束在X轴上的初始辐照位置为X₀；激光束的移动距离δ在数值上与两个相邻淬火单元之间的间隔距离相等，每个淬火单元在X轴上的直线间隔距离相等；激光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置时一次连续辐照的加热时间为t₁，激光束从极限辐照位置快速返回到初始辐照位置时的一次间隙时间为t₂，t₂远小于t₁，辐照周期T_b是指激光束一次连续辐照加热时间t₁与一次间隙时间t₂之和；淬火周期T是辐照周期T_b与辐照次数K的乘积；

则T_b＝t₁+t₂，T＝K*T_b，V＝δ/T_b；

令g＝0，η＝1，i＝η，并且设整个激光淬火过程中每个淬火单元内的能量分布均匀一致；

(2)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行初始淬火模式，记录该时间点为t₀，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动，此时，序号大于η的激光束关闭，设当前时间为t，辐照周期T_b，当t-t₀＝T _b时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，进入(3)；

所述初始淬火模式是辐照光束从1个增加到K个的过程中的递进加热淬火方式，初始淬火模式在η＝K以后结束，并完成对第一个淬火单元的淬火过程；

(3)判断i是否等于设定的辐照次数K，如果是，则第1个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令g＝g+1，然后转入步骤(4)；如果否，令η＝η+1，转入步骤(2)；

(4)经过激光加工头后输出的K个激光束处于各自的初始辐照位置，执行正常淬火模式，并记录该时间点为t₀；设当前时间为t，K个激光束开始对应辐照K个淬火单元并随着淬火单元的移动一起移动；当t-t₀＝T_b时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，令g＝g+1，W₂＝M-K，则第g个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；

(5)判断g是否等于W₂，如果是，则第M-K个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令i＝1，η＝K-i，进入步骤(6)；否则，转入步骤(4)；

(6)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行尾部淬火模式，并记录该时间点为t₀；设当前时间为t，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动；此时，序号小于i的激光束关闭；当t-t₀＝T_b时，令P＝M-K+i，则第P个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度；

所述尾部淬火模式是辐照光束从K个减少到1个的过程中特有的递进加热淬火方式，尾部淬火模式在η＝1以后结束，并完成对第M个淬火单元的淬火过程；

(7)判断g是否等于M，如果是，则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(8)；如果否，令i＝i+1，g＝g+1，转入步骤(6)；

(8)结束。

进一步的，多个激光束组成一个激光束组，在一个激光束组中相邻两个激光束的前一个激光束极限辐照位置的中心点与后一个激光束初始辐照位置的中心点相同。

进一步的，在正常淬火模式下，一次加热的淬火单元数量与一个激光束组中包括的激光束的数量相同。

按照本发明的又一个方面，还提供一种多激光淬火装置，其包括激光器组、控制单元、导光单元、机械运动单元和激光加工头阵列，其中，

激光器组用于发射出进行激光淬火的激光束，导光单元连接激光器组和激光加工头阵列，激光加工头阵列包括多个呈阵列分布的激光加工头，导光单元用于将激光器发射出的激光束导引至多个激光加工头上，激光加工头用于将接受到的激光按照设定的角度入射至工件的指定位置，机械运动单元用于实现工件相对淬火激光发生相对运动，实现淬火激光相对工件的扫描运动，激光加工头与机械运动单元相连接，以能在机械运动单元驱动下调整淬火激光，控制单元分别与激光器组、机械运动单元和激光加工头阵列相电连接，以能用于调节激光参数和控制激光淬火过程。

进一步的，机械运动单元为平板车或多关节机器人，用于承载整个工件或者整个激光加工头阵列，以能实现工件相对淬火激光的运动，多个激光加工头的结构相同，激光加工头包括偏转镜、偏转镜支架和旋转轴，偏转镜设置在偏转镜支架上，偏转镜用于调整入射自身的激光束的出射角度，偏转镜支架与旋转轴相连，机械运动单元还包括偏转镜电机，偏转镜电机设置在激光加工头的主体结构上，其与旋转轴相连，以能驱动旋转轴从而带动偏转镜偏转角度，进而实现淬火激光对淬火单元的移动。

进一步的，激光加工头阵列中，多个激光加工头的多个输出光束按照中心轴线对称倾斜分布，各激光加工头的偏转镜在ZOX坐标系内的偏转角度从大到小依次为γ1、γ2、······、γn，以使多个输出光束辐照工件表面的多个淬火单元，每个淬火单元之间相隔间隔，γn的角度小于20°，n为激光加工头的数目。

进一步的，激光加工头包括聚焦镜、反射镜和保护镜，其中，入射至激光加工头的激光束依次经过聚焦镜、反射镜、偏转镜和保护镜后出射至工件上，偏转镜和反射镜相平行，反射镜的反射面与ZOY坐标系中光头座垂直右侧面的夹角为α，偏转镜的反射面与ZOY坐标系中光头座垂直右侧面的夹角为β，在激光加工头的输入光束与输出光束平行时，α角与β角相等，在ZOY坐标系中，α角或β角度范围为20°～30°。

进一步的，激光器为光纤激光器、半导体激光器、碟片式激光器或YAG激光器，导光单元为光纤传输系统或为光学镜片组组成的硬光路系统，导光单元将激光器组的激光束传输至多个激光加工头的入光口。

本发明采用接续式递进加热选区激光淬火方法，将现有激光淬火工艺中的单束激光淬火方式改变为多束激光淬火方式，其特点是：一方面对多个激光淬火单元同时加热可以提高生产效率；另一方面通过激光束的局部跟踪移动使得机械装置可以很容易地实现相对工件的匀速运动，这种激光淬火的生产方式类似印刷的运动方式，而常规选区激光淬火生产要实现印刷式的运动方式，其机械结构的运动过程会非常复杂。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用多个激光束对多个淬火单元进行激光淬火，在同一个时间段内能同时对多个单元进行淬火，激光加热方式为接续式递进加热，采用的激光束数量越多，淬火生产的效率越高。可以采用一列式多激光束淬火方式，也可以采用两列以上的多激光束淬火方式，该激光淬火方式非常灵活，可设计性强，根据实际工程需要调整，非常具有实际工程价值。

(2)将现有的单激光束加热淬火工艺转变为多激光束接续式递进加热激光淬火工艺，通过选择合适的工艺参数，这些工艺参数包括激光功率、激光束数量、扫描速度、淬火速度、光斑尺寸、间隔距离、辐照周期和辐照次数等，使得接续加热的激光总能量在最后一个激光束加热后所导致的工件表面最高温度达到金属材料的奥氏体相变温度，然后实现淬火硬化。该方法还可以根据需要选择排列的全部激光束进行接续递进加热淬火，也可以只选择其中的若干个激光束进行接续递进加热淬火。因此，可以选择的工艺参数范围和工艺方法比较多，可以满足不同工况条件的需要。

(3)本发明提供的接续式递进加热激光淬火工艺，其光斑尺寸和间隔距离可以根据工件的实际要求，在较宽的范围内调整，以适应不同工况的要求。

(4)采用多激光束局部跟踪移动进行淬火的方式，使得机械装置可以很容易地实现相对工件的匀速运动，避免了选区激光淬火中机械装置因为运动时的频繁启停造成的运动滞后，有效提高了激光淬火的生产效率。

(5)本发明方法在相同激光功率的条件下，可以显著提高激光淬火的深度；或者采用更多数量的激光束和更高的激光功率，在相同的淬火时间内和相同的硬化层深度条件下大幅提高激光淬火效率。因此，本发明能够突破现有激光淬火工艺(单束激光淬火工艺)条件下激光束数量少、激光功率和淬火速度低的限制，解决现有激光淬火硬化层深度有限、生产效率低等技术问题。

(6)本发明装置中的偏转镜可以实现光束的局部快速跟踪加热，使得本发明方法可以实现多激光束的快速选区激光淬火，还可以采用高功率激光束进一步提高激光淬火生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例的激光加工头的结构示意图。

图2本发明实施例的激光加工头的偏转镜的结构示意图。

图3为本发明实施例的多激光加工头阵列的结构示意图。

图4为本发明实施例的多光束激光淬火原理示意图。

图5为本发明实施例的多列式多激光束淬火装置原理示意图。

图6为本发明实施例的多光束激光淬火装置原理示意图。

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，以下结合附图及实施例，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具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明装置中，结合偏转镜的高速扫描功能，可以实现光束的局部快速跟踪加热，还可以采用高功率激光束提高激光淬火生产效率。

为了更清晰地说明本发明的实施方式，在此将本发明相关术语定义如下：

淬火单元：是指激光束通过激光加工头后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域。所述淬火单元的尺寸基本等于工件表面激光光斑的尺寸。一个淬火单元内的激光能量分布应基本均匀一致。

辐照周期：是指激光束对一个淬火单元内激光光斑尺寸范围内的工件表面进行一次连续辐照加热时间(t₁)与一次间隙时间(t₂)之和，记为T_b。在t₁时间内，激光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置，并一次连续辐照一个淬火单元；在t₂时间内，激光束从极限辐照位置快速返回到初始辐照位置；通常t₂远小于t₁，其中，前一个激光束极限辐照位置的中心点与后一个激光束初始辐照位置的中心点相同。

辐照次数：是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度需要重复辐照的次数，记为K。

淬火周期：是指对一个淬火单元的辐照次数(T_b)与辐照周期(K)的乘积，记为T。

扫描速度：是指激光束由于偏转镜转动导致的在工件表面获得的运动速度。

淬火速度：是指激光加工头相对工件的运动速度，记为V。激光加工头相对工件的运动方向定义为X方向。

本发明中，在一个淬火单元内的激光能量分布基本均匀一致，多光束淬火依靠间隔接续式激光加热产生的累积热效应并通过热传导的方式形成激光淬火层，并达到所需深度，正常淬火阶段每次处理的淬火单元数量与激光束的数量相同，淬火单元的温度从第一个辐照光束开始逐渐升高，到最后一个辐照光束结束后达到奥氏体相变的温度并实现淬火硬化。

本发明多光束接续递进加热激光淬火方法可以采用下述具体过程实现：

(1)设工件上淬火单元总数为M，当前处理的淬火单元在工件上的序号为g，激光束的数量为K，当前辐照工件的激光束序号为η，激光束的移动距离为δ，淬火周期为T，一个淬火单元所需辐照的次数为K，实际辐照次数的序数为i，淬火速度为V；

淬火速度V是指激光加工头相对工件的运动速度；激光加工头相对工件的运动方向为X方向；

序号为η的激光束在X轴上的初始辐照位置为X₀+(η-1)*δ，在X轴上的极限辐照位置为X₀+η*δ，其中，第一个激光束在X轴上的初始辐照位置为X₀；激光束的移动距离δ在数值上与两个相邻淬火单元之间的间隔距离相等，每个淬火单元在X轴上的直线间隔距离相等；

激光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置时一次连续辐照的加热时间为t₁；激光束从极限辐照位置快速返回到初始辐照位置时的一次间隙时间为t₂，通常t₂远小于t₁；其中，前一个激光束极限辐照位置的中心点与后一个激光束初始辐照位置的中心点相同；

辐照周期T_b是指激光束一次连续辐照加热时间t₁与一次间隙时间t₂之和；

淬火周期T是辐照周期T_b与辐照次数K的乘积；

则T_b＝t₁+t₂，T＝K*T_b，V＝δ/T_b；

令g＝0，η＝1，i＝η；并且在整个激光淬火过程中每个淬火单元内的能量分布基本均匀一致；

(2)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行初始淬火模式，并记录该时间点为t₀；η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动；此时，序号大于η的激光束关闭；设当前时间为t，辐照周期T_b，当t-t₀＝T _b时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，进入(3)；

所述初始淬火模式是辐照光束从1个增加到K个的递进加热淬火方式的起始阶段，初始淬火模式在η＝K以后结束，并完成对第一个淬火单元的淬火过程；

(3)判断i是否等于设定的辐照次数K，如果是，则第1个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令g＝g+1，然后转入步骤(4)；如果否，令，η＝η+1，转入步骤(2)；

(4)经过激光加工头后输出的K个激光束处于各自的初始辐照位置，执行正常淬火模式，并记录该时间点为t₀；设当前时间为t，K个激光束开始对应辐照K个淬火单元并随着淬火单元的移动一起移动；当t-t₀＝T_b时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，令g＝g+1，W₂＝M-K，则第g个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；

(5)判断g是否等于W₂，如果是，则第(M-K)个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令i＝1，η＝K-i，进入步骤(6)；否则，转入步骤(4)；

(6)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行尾部淬火模式，并记录该时间点为t₀；设当前时间为t，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动；此时，序号小于i的激光束关闭；当t-t₀＝T_b时，令P＝M-K+i，则第P个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度；

所述尾部淬火模式是辐照光束从K个减少到1个的递进加热淬火方式的收尾阶段，尾部淬火模式在η＝1以后结束，并完成对第M个淬火单元的淬火过程；

(7)判断g是否等于M，如果是，则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(8)；如果否，令i＝i+1，g＝g+1，转入步骤(6)；

(8)结束

上述步骤(1)，入射到激光加工头的激光束本发明称之为输入光束，输入光束的能量分布模式可以是高斯模式或平顶模式，平顶模式的激光束有利于保证淬火硬化层深度和硬度的均匀性，提高激光淬火的质量。经过激光加工头后辐照到工件表面的激光束本发明称之为输出光束，正常淬火状态下本发明一次加热的淬火单元数量与所述输出光束的数量相同。

步骤(2)，所述激光束按照设定的工艺参数进行辐照，所述工艺参数包括：激光功率、激光束序号、扫描速度、光斑尺寸、间隔距离、淬火单元内的激光作用时间t₁和间歇时间t₂等。

本发明的激光加工头结构如图1所示，包括聚焦镜23、反射镜24、偏转镜电机25、偏转镜支架26、偏转镜27、旋转轴273和保护镜29；其中，反射镜24的反射面与ZOY坐标系中光头座垂直右侧面28的夹角为α，偏转镜27的反射面与ZOY坐标系中光头座垂直右侧面28的夹角为β；在要求输入光束3’与输出光束3平行时，α角与β角相等，为了减小输入光束3’与输出光束3之间的间距，要求α角(或β角)小于45°，在ZOY坐标系中，α角(或β角)的优选角度范围为20°～30°；在要求输入光束3’与输出光束3不平行时，α角与β角可以不相等；偏转镜27的结构如图2所示，包括偏转镜片271、镜片座272和旋转轴273；输入光束3’经过聚焦镜23和偏转镜27后辐照在工件5的淬火单元4上；其中，偏转镜电机25驱动偏转镜27在ZOX坐标系内绕旋转轴273转动，转角为γ(如图3)；在偏转镜的快速偏转驱动下，带动激光束进行跟踪移动加热，移动距离为相邻两个淬火单元的间隔距离δ。

本发明的多激光加工头阵列的结构如图3所示，10个激光加工头分别为第一激光加工头2-1、第二激光加工头2-2、第三激光加工头2-3、第四激光加工头2-4、第五激光加工头2-5、第六激光加工头2-6、第七激光加工头2-7、第八激光加工头2-8、第九激光加工头2-9、第十激光加工头2-10，10个激光加工头对应输出10个输出光束，10个输出光束分别为第一输出光束3-1、第二输出光束3-2、第三输出光束3-3、第四输出光束3-4、第五输出光束3-5、第六输出光束3-6、第七输出光束3-7、第八输出光束3-8、第九输出光束3-9、第十输出光束3-10，10个输出光束按照中心点P对称倾斜分布，各激光加工头的偏转镜在ZOX坐标系内的偏转角度分别为第一偏转角γ1、第二偏转角γ2、第三偏转角γ3、第四偏转角γ4、第五偏转角γ5、第六偏转角γ6、第七偏转角γ7、第八偏转角γ8、第九偏转角γ9、第十偏转角γ10。使上述10个输出光束辐照工件表面的10个淬火单元，每个淬火单元之间的间隔距离为δ；γ10的优选角度小于20°，此时光斑尺寸在X方向的增加量小于6％，对激光淬火质量的影响不明显。

本发明的多光束激光淬火过程如图4所示，正常淬火阶段10个输出光束对10个淬火单元进行辐照，10个淬火单元分别为第一淬火单元4-1a、第二淬火单元4-2a、第三淬火单元4-3a、第四淬火单元4-4a、第五淬火单元4-5a、第六淬火单元4-6a、第七淬火单元4-7a、第八淬火单元4-8a、第九淬火单元4-9a、第十淬火单元4-10a、第十一淬火单元4-11a。淬火单元的间隔距离为δ；淬火速度为V，激光加工头相对工件的运动方向为X方向；在一个辐照周期T_b的加热时间t₁之内，输出光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置，移动距离为δ；在一个辐照周期T_b的间隙时间t₂之内，输出光束关闭并从极限辐照位置快速回到初始辐照位置，移动距离也为δ，通常t₂远小于t₁，其中，前一个输出光束极限辐照位置的中心点与后一个输出光束初始辐照位置的中心点相同；

步骤(2)所述初始淬火模式为：

(1)经过激光加工头后的输出光束3-1在t₁时间内对4-1a淬火单元进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₁时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；

(2)经过激光加工头后的输出光束3-1和输出光束3-2在t₁时间内对4-1a＇和4-2a淬火单元进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₂时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；其中，本步骤的4-2a淬火单元就是上述第一步骤中移动过来的4-1a淬火单元；4-1a＇淬火单元是本步骤中新增加的淬火单元。

(3)重复上述步骤，直至第(10)步。第(10)步骤如下：经过激光加工头后的十个输出光束在t₁时间内对十个淬火单元进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₂时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；其中，本步骤的4-11a淬火单元完成了淬火程序，其为上述第一步骤中移动过来的4-1a淬火单元。

步骤(4)所述正常淬火模式为：

经过激光加工头后的十个输出光束在t₁时间内对十个淬火单元进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₂时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；此时第十一淬火单元4-11a完成淬火硬化；正常淬火模式每个辐照周期后完成一个淬火单元的淬火，淬火速度是单束激光淬火的10倍以上。

步骤(6)所述尾部淬火模式为：

(1)输出光束3-1关闭，经过激光加工头后的其它九个输出光束在t₁时间内对第二至第十淬火单元4-2a～4-10a淬火单元进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₁时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；此时第十一淬火单元4-11a完成淬火硬化；

(2)输出光束3-1和输出光束3-2关闭，经过激光加工头后的其它八个输出光束在t₁时间内对4-3a～4-10a淬火单元进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₁时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；此时第十一淬火单元4-11a完成淬火硬化；

(3)重复上述步骤，直至进行到第(10)步骤：其它输出光束关闭，第十输出光束3-10在t₁时间内对第十淬火单元4-10a进行一次连续加热，并从初始辐照位置移动到极限辐照位置，完成后关闭激光束并在t₁时间内快速返回到初始辐照位置；工件的移动速度为V；此时，第十一淬火单元4-11a完成淬火硬化。

本发明可以采用单列式多激光束淬火方式，也可以采用两列以上的多激光束淬火方式。本发明多列式多激光束淬火装置结构如图5所示，在ZOX坐标系调整反射镜24的夹角α，同时调整偏转镜27的夹角β，使第一列激光加工头2a、第二列激光加工头2b和第三列激光加工头2c一共三列激光加工头对应输出第一光束组3a、第二光束组3b和第三光束组3c，三束光束组各自偏转一个角度，分别对应第一角度θ1、第二角度θ2和第三角度θ3，且在工件表面形成淬火单元的间隔距离均为δ；多列式多激光束接续加热选区激光淬火方法可以进一步提高激光淬火的效率。

本发明方法的关键在于通过接续式递进加热方法，将选区激光淬火的非连续淬火过程改变为准连续的淬火过程，可以采用更高的激光功率、更高的淬火速度进行激光淬火，并在确保工件表面不发生明显熔化的前提下获得更大深度的硬化层。实际工程中，可以根据所需淬火工件的材料种类，用途及所使用激光器的种类及功率来选择合适的工艺参数

本发明方法采用的激光器可以是光纤激光器、半导体激光器、碟片式激光器或YAG激光器。

机械机构6可以是普通平板车、数控平板车、钢轨激光淬火车、或多关节机器人(机械臂)等运动机构，根据实际加工的要求机械机构可以采用单轴或多轴联动形式。

导光系统1可以是光纤传输系统，也可以是由光学镜片组组成的硬光路导光系统。导光系统1将激光器组8的激光束传输至激光加工头2的入光口。

图6为本发明实施例的多光束激光淬火装置原理示意图，结合该图可知，本发明装置的使用过程为：

步骤一，将多个激光加工头2按阵列排布，并调整到工件5的上方，通过导光单元1将激光器组8输出的激光束传导至激光加工头2的入光口。

步骤二，在不输出激光束的前提下，确认经过激光加工头的激光按照编程设计的参数(包括激光功率、光斑尺寸、辐照次数、t₁、t₂、辐照周期)获得的淬火单元是否与设计相符合。

步骤三，确认激光淬火工艺参数，开启激光器组8；

步骤四，在控制单元7的控制下机械机构6相对工件5按照速度V匀速运动；多个激光加工头2的多个输出光束3照射到工件表面的多个淬火单元4进行递进加热选区激光淬火；

步骤五，重复步骤三至步骤四，直到遍历工件表面的所有淬火单元，在工件表面得到激光相变淬火层

本发明可以对大型模具、机床导轨和钢轨等工件进行激光淬火强化，并显著提高激光淬火的效率和激光淬火的深度。

实施例1：选区多光束激光淬火工艺在钢轨激光淬火中的应用。

本实施例采用光纤激光器对U71Mn材料的钢轨进行选区阵列式激光淬火，从十台激光器输出十束激光，每束激光的功率为850W，所述十束激光在工件上的光斑尺寸均为Φ7mm，淬火单元之间的间隔距离δ为10mm，淬火单元的尺寸和阵列与输入激光束光斑的阵列相同。t₁为0.1s，t₂为0.001s，辐照次数为10，淬火周期为1.01s，淬火深度0.85mm。其中，淬火运动方式为匀速运动，淬火速度为5940.6mm/min，

常规激光淬火方法采用单光束对单个淬火单元进行单次连续激光淬火，激光功率1100W，光斑直径Φ7mm，淬火单元之间的间隔距离δ为10mm。淬火时间为1.0s，得到的淬火深度0.83mm。其中，淬火运动方式为不断启停的运动模式，实际淬火速度为360mm/min。

对本工件而言，本实施例十个光斑淬火效率是现有工艺的16.5倍，淬火深度约为现有工艺的1.02倍。

本发明采用区间排列多激光加工头的方式进行选区激光淬火，将现有激光淬火工艺中的单束激光淬火方式改变为多光束接续递进加热的淬火方式，通过控制多光束对淬火单元的淬火功率、加热时间、间隔距离和辐照次数，在单位时间内增加注入的激光总能量并使工件表面的多个淬火单元快速升温，并在最后一个加热位置完成相变硬化，多光束依靠间隔接续式激光加热产生的累积热效应并通过热传导的方式获得更高的生产效率和更深的硬化层。

本发明提供的接续式递进加热选区激光淬火方法，将现有单束激光加热方式改变成多束激光加热方式，改变了现有激光淬火工艺加热和传热的过程，既可以避免因为采用高功率密度激光淬火时容易导致金属材料表面发生熔化、硬化层深度浅等现象，可以显著提高激光淬火的深度，又可以有效地解决现有激光淬火工艺生产效率低的技术难题。本发明还可以采用多列式多激光束阵列同时对多列多个淬火单元进行激光淬火，进一步提高激光淬火的效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多光束激光淬火方法，其特征在于，采用接续递进加热选区激光淬火方式将多个激光束辐照到工件表面，通过多光束的局部摆动，使每个激光束在不同加热位置上对不同淬火单元进行接续式递进加热，在激光淬火过程中，淬火单元按照线性排列的方式连续运动，淬火单元被递进式持续加热，由于热量累积而使温度逐渐升高，并在最后的激光加热位置达到规定的奥氏体相变温度和淬火深度，实现淬火，

其中，所述淬火单元是指激光束通过激光加工头后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域，

通过控制激光淬火工艺参数完成激光淬火，激光淬火工艺参数包括激光束数量、激光功率、扫描速度、光斑尺寸、间隔距离、辐照周期和辐照次数，其中，

间隔距离是指两个相邻淬火单元之间的距离；

辐照周期是指设定的激光束在相邻两个加热位置之间摆动时一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和；

辐照次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度需要重复辐照的次数；

扫描速度是指激光束由于偏转运动导致的在工件表面获得的运动速度，

其包括如下步骤：

(1)定义参数含义和初始条件，具体为，设工件上淬火单元总数为M，当前处理的淬火单元在工件上的序号为g，激光束的数量为K，当前辐照工件的激光束序号为η，激光束的移动距离为δ，淬火周期为T，一个淬火单元所需辐照的次数为K，实际辐照次数的序数为i，淬火速度为V，淬火速度V是指形成并控制多束激光的激光加工头相对工件的运动速度，激光加工头相对工件的运动方向为X方向，序号为η的激光束在X轴上的初始辐照位置为X₀+(η-1)*δ，在X轴上的极限辐照位置为X₀+η*δ，其中，第一个激光束在X 轴上的初始辐照位置为X₀；激光束的移动距离δ在数值上与两个相邻淬火单元之间的间隔距离相等，每个淬火单元在X轴上的直线间隔距离相等；激光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置时一次连续辐照的加热时间为t₁，激光束从极限辐照位置快速返回到初始辐照位置时的一次间隙时间为t₂，t₂远小于t₁，辐照周期T_b是指激光束一次连续辐照加热时间t₁与一次间隙时间t₂之和；淬火周期T是辐照周期T_b与辐照次数K的乘积；

则T_b＝t₁+t₂，T＝K*T_b，V＝δ/T_b；

令g＝0，η＝1，i＝η，并且设整个激光淬火过程中每个淬火单元内的能量分布均匀一致；

(2)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行初始淬火模式，记录该时间点为t₀，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动，此时，序号大于η的激光束关闭，设当前时间为t，辐照周期T_b，当t-t₀＝T_b时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，进入(3)；

所述初始淬火模式是辐照光束从1个增加到K个的过程中的递进加热淬火方式，初始淬火模式在η＝K以后结束，并完成对第一个淬火单元的淬火过程；

(3)判断i是否等于设定的辐照次数K，如果是，则第1个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令g＝g+1，然后转入步骤(4)；如果否，令η＝η+1，转入步骤(2)；

(4)经过激光加工头后输出的K个激光束处于各自的初始辐照位置，执行正常淬火模式，并记录该时间点为t₀；设当前时间为t，K个激光束开始对应辐照K个淬火单元并随着淬火单元的移动一起移动；当t-t₀＝T_b时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，令g＝g+1，W₂＝M-K，则第g个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；

(5)判断g是否等于W₂，如果是，则第M-K个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令i＝1，η＝K-i，进入步骤(6)；否则，转入步骤(4)；

(6)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行尾部淬火模式，并记录该时间点为t₀；设当前时间为t，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动；此时，序号小于i的激光束关闭；当t-t₀＝T_b时，令P＝M-K+i，则第P个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度；

所述尾部淬火模式是辐照光束从K个减少到1个的过程中特有的递进加热淬火方式，尾部淬火模式在η＝1以后结束，并完成对第M个淬火单元的淬火过程；

(7)判断g是否等于M，如果是，则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(8)；如果否，令i＝i+1，g＝g+1，转入步骤(6)；

(8)结束。

2.如权利要求1所述的一种多光束激光淬火方法，其特征在于，多个激光束组成一个激光束组，在一个激光束组中相邻两个激光束的前一个激光束极限辐照位置的中心点与后一个激光束初始辐照位置的中心点相同。

3.如权利要求2所述的一种多光束激光淬火方法，其特征在于，在正常淬火模式下，一次加热的淬火单元数量与一个激光束组中包括的激光束的数量相同。

4.一种实现如权利要求1-3之一所述方法的多激光淬火装置，其特征在于，其包括激光器组、控制单元、导光单元、机械运动单元和激光加工头阵列，其中，

激光器组用于发射出进行激光淬火的激光束，导光单元连接激光器组和激光加工头阵列，激光加工头阵列包括多个呈阵列分布的激光加工头，导光单元用于将激光器发射出的激光束导引至多个激光加工头上，激光加工头用于将接受到的激光按照设定的角度入射至工件的指定位置，机械运动单元用于实现工件相对淬火激光发生相对运动，实现淬火激光相对工件的扫描运动，激光加工头与机械运动单元相连接，以能在机械运动单元驱动下调整淬火激光，控制单元分别与激光器组、机械运动单元和激光加工头阵列相电连接，以能用于调节激光参数和控制激光淬火过程。

5.如权利要求4所述的一种多激光淬火装置，其特征在于，机械运动单元为平板车或多关节机器人，用于承载整个工件或者整个激光加工头阵列，以能实现工件相对淬火激光的运动，

多个激光加工头的结构相同，激光加工头包括偏转镜、偏转镜支架和旋转轴，偏转镜设置在偏转镜支架上，偏转镜用于调整入射自身的激光束的出射角度，偏转镜支架与旋转轴相连，

机械运动单元还包括偏转镜电机，偏转镜电机设置在激光加工头的主体结构上，其与旋转轴相连，以能驱动旋转轴从而带动偏转镜偏转角度，进而实现淬火激光对淬火单元的移动。

6.如权利要求5所述的一种多激光淬火装置，其特征在于，激光加工头阵列中，多个激光加工头的多个输出光束按照中心轴线对称倾斜分布，各激光加工头的偏转镜在ZOX坐标系内的偏转角度从大到小依次为γ1、γ2、······、γn，以使多个输出光束辐照工件表面的多个淬火单元，每个淬火单元之间相隔间隔为δ，γn的角度小于20°，n为激光加工头的数目。

7.如权利要求6所述的一种多激光淬火装置，其特征在于，激光加工头包括聚焦镜、反射镜和保护镜，其中，入射至激光加工头的激光束依次经过聚焦镜、反射镜、偏转镜和保护镜后出射至工件上，反射镜的反射面与ZOY坐标系中光头座垂直右侧面的夹角为α，偏转镜的反射面与ZOY坐标系中光头座垂直右侧面的夹角为β，在激光加工头的输入光束与输出光束平行时，α角与β角相等，在ZOY坐标系中，α角或β角度范围为20°～30°。

8.如权利要求7所述的一种多激光淬火装置，其特征在于，激光器为光纤激光器、半导体激光器、碟片式激光器或YAG激光器，

导光单元为光纤传输系统或为光学镜片组成的硬光路系统，导光单元将激光器组的激光束传输至多个激光加工头的入光口。

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