CN113720841A - 一种激光淬火质量监测方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光淬火质量监测方法及其应用，属于激光表面强化技术领域。该方法具体为：调节成像器件参数，使激光光斑和氧化物亮点在成像器件上能够进行区分，然后利用成像器件获得激光加工区域的图像；根据图像确定氧化物亮点的占比面积；判断上述参数是否全部满足预设条件，若是，则判定激光淬火质量合格，若否，则判定激光淬火质量不合格。本发明利用微熔氧化物的亮度高于工件表面光斑的亮度这一特点，提出对成像组件的参数进行优化，通过上述参数有效监测评判激光淬火质量，可以实时监测天气条件、环境温度差异、钢轨表面状态和不同锈蚀程度对激光淬火质量的影响，并提供定量评断依据，以便于实时修正工艺参数，实现高质量激光淬火。

Description

一种激光淬火质量监测方法及其应用
技术领域
本发明属于激光表面强化技术领域，更具体地，涉及一种激光淬火质量监测方法及其应用。
背景技术
激光淬火是一种高功率短时加热的淬火过程，工件表面需要达到较高的温度，同时工件表面基本不发生熔化。钢轨表面进行点阵激光淬火时，要求激光光斑内的能量密度分布均匀。如果光斑内的温度不均匀，会因为局部温度过高，产生熔化现象，造成淬火质量差。钢轨的含碳量为0.64wt％-0.77wt％，其奥氏体化温度范围727℃-1400℃。通常，钢轨激光淬火的温度达到1300℃时，可以在保证钢轨表面不熔化的前提下，实现较大深度的固态相变淬火，提高耐磨性。在1300℃的温度下进行钢轨激光淬火时，工件表面会出现氧化物的局部熔化现象，这种熔化的氧化皮在工件表面形成微凸起。当这种凸起的区域很小时，去掉氧化皮，可以发现工件表面平整，几乎没有熔化；反之，当这种凸起的区域较大时，会造成工件表面明显熔化变形。实际应用中发现，工件表面出现氧化物微凸起的钢轨试样，其淬火质量好，表现为硬度高，淬火深度大；反之，工件表面不出现氧化物微凸起的试样，其硬度较低，淬火深度较浅。
从本质上来说，光斑内出现微熔现象的初期阶段是由于氧化皮的局部熔化造成的；微熔现象进一步发展，就会造成工件表面金属的熔化，这是需要避免的。工件表面出现局部微熔现象的原因有以下几个方面：①激光能量不均匀，造成局部温度高；②工件表面存在局部沟槽，造成对激光的高吸收引起金属熔化；③传热作用和温度聚集效应引起的局部温度升高造成金属熔化。激光淬火时，由于上述原因工件表面出现局部高温，并产生氧化膜。氧化膜的形成进一步提高了对激光的吸收率，使局部的温度进一步升高，造成氧化物熔化。研究表明，570℃以上，铁由内向外的氧化层物相依次为：FexO、Fe3O4和Fe2O3。氧化物中，四氧化三铁(Fe3O4)的熔点为1597℃，氧化铁(Fe2O3)的熔点为1550℃，氧化亚铁(FeO)的熔点为1369℃。X射线分析结果表明，激光淬火温度为1100℃时，工件表面氧化物的总量超过基体金属α-Fe的衍射峰，并且氧化物的具体含量也发生变化，表现为Fe2O3衍射峰下降，Fe3O4和FeO衍射峰迅速上升。
钢轨在线激光淬火工艺受环境因素影响较大，虽然采用相同的工艺参数，但是，天气条件影响、环境温度差异、钢轨表面状态和锈蚀程度的不同，都会造成激光淬火质量的变化。而钢轨点阵激光淬火方法往往采用脉冲激光加热方式，激光功率反馈法难以准确控制质量。因此，有必要开发一种全新的激光淬火质量检测评价方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光淬火质量监测方法及其应用，旨在解决现有的激光淬火工艺不稳定，无法实时判断淬火质量的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种激光淬火质量监测方法，该方法具体为：
S1调节成像器件参数，使激光光斑和氧化物亮点在成像上能够进行区分；
S2待完成激光淬火后，利用所述成像器件获得激光加工区域的图像，并根据该图像确定氧化物亮点的占比面积；
S3判断步骤S2获得的氧化物亮点的占比面积是否满足预设条件，若是，则判定激光淬火质量合格，若否，则判定激光淬火质量不合格。
作为进一步优选的，步骤S1中，调节成像器件参数的方法包括调节成像器件的曝光量或者增加减光片。
作为进一步优选的，步骤S1中，所述成像器件为CCD传感器，该成像器件的监测方式为同轴监测式或旁轴监测式。
作为进一步优选地，步骤S2中，对获得的图像进行二值化处理，获得灰度图像，并根据该灰度图像确定氧化物亮点的占比面积。
作为进一步优选地，步骤S2中，利用下式计算氧化物亮点的占比面积β，
β＝P/S
式中，P为氧化物亮点的总面积，S为激光加工区域中淬火班的面积。
作为进一步优选的，步骤S3中，氧化物亮点的占比面积β的预设条件为B1≤β≤B2，B1的取值范围为0.1％～0.5％，B2的取值范围为3％～10％。
按照本发明的另一方面，提供了上述激光淬火质量监测方法在钢轨激光淬火中的应用。
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.本发明根据氧化物微熔引起的亮点亮度高于工件表面光斑的亮度这一特点，提出对成像组件的参数进行优化，从而实现氧化物亮点与激光光斑在成像上的区分，同时考虑到激光淬火过程中氧化物亮点的占比面积将会直接影响到激光淬火的深度和硬度，通过该参数能够有效监测激光淬火质量，提高激光淬火工艺的稳定性，并且可以实时监测天气条件、环境温度差异、钢轨表面状态和不同锈蚀程度对激光淬火质量的影响，并提供定量判定依据，以便于实时修正工艺参数，实现高质量激光淬火；
2.尤其是，本发明通过对预设条件进行优化，能够在保证淬火深度和硬度的同时避免工件被破坏，有效提高激光淬火质量监测的准确性和有效性；
3.此外，本发明提供了将激光淬火质量监测方法应用于钢轨激光淬火中，能够有效提高钢轨激光淬火的稳定性，保证淬火质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光淬火质量监测方法的原理图；
图2是本发明实施例中激光淬火完成后的工件实物图，其中(a)为激光加工功率900W，(b)为激光加工功率1000W，(c)为激光加工功率1100W；
图3是本发明实施例中获得的激光加工区域图像示意图，其中(a)为氧化物亮点占比面积β＝0％，(b)为氧化物亮点占比面积β＝0.6％，(c)为氧化物亮点占比面积β＝6.4％。
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。
如图1所示，本发明提供了一种激光淬火质量监测方法，该方法具体为：
S1调节成像器件的曝光量或者增加减光片，使激光光斑和氧化物亮点在成像上能够进行区分；
S2待完成激光淬火后，即激光淬火时间t大于等于淬火需要时间τ，利用成像器件获得激光加工区域的图像，并根据该图像确定氧化物亮点的占比面积，因氧化物亮点的占比面积将会直接影响到激光淬火的深度和硬度，故通过该参数可以有效监测激光淬火质量；
S3判断步骤S2获得的氧化物亮点的占比面积是否满足预设条件，若是，则判定激光淬火质量合格，若否，则判定激光淬火质量不合格；
具体地，计算激光加工区域中淬火斑的面积S和n个氧化物亮点的总面积P，根据β＝P/S获得氧化物亮点的占比面积；同时，图像中氧化物亮点的占比面积β的预设条件为B1≤β≤B2，氧化物亮点的占比面积过小会造成硬度较低，淬火深度较浅，但是占比面积过大则会导致样品受损。经过长期试验探索研究确定，B1的取值范围为0.1％～0.5％，B2的取值范围为3％～10％，进一步优选的，氧化物亮点的占比面积β的预设条件为0.5％≤β≤5％，该范围内淬火质量最佳。
进一步，成像器件为CCD传感器，监测方式为同轴监测式或旁轴监测式。鉴于CCD传感器的相对辐照度值与光源照度值之间为线性关系，成像器件优选基于COMS的CCD传感器。
同时，对获得的图像进行二值化处理，获得灰度图像，其中淬火光斑的灰度值为Q1，氧化物亮点的灰度值为Q2，设定淬火光斑的灰度变化差值下限为ΔQ1，其灰度变化差值上限为ΔQ2，则Q2的范围为：(Q1+ΔQ1)～(Q1+ΔQ2)。
按照本发明的另一方面，提供了上述激光淬火质量监测方法在钢轨激光淬火中的应用。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步具体说明。
将本发明提供的激光淬火质量监测方法在U71Mn钢轨激光淬火中应用。采用CCD图像传感器获得200*200像素(8mm*8mm视场)，三组工艺参数，只有激光功率不同，激光功率分别为900、1000W、1100W，激光光斑直径6mm，定点激光淬火时间均为0.8s，得到的淬火结果如图2所示。
激光淬火质量监测方法包括下述具体步骤：
(1)设CCD的取景框为200*200像素，视场尺寸为8mm*8mm；CCD传感器显示图像的灰度范围为0-255，调节CCD的曝光量或采用减光片，使淬火光斑在CCD上的灰度值Q1为204；使氧化物亮点在CCD上的灰度值为Q2，ΔQ＝26，则Q2≥230，Q2实际取值范围为230-250；
(2)按照设定的参数开始激光淬火，设光斑中氧化物亮点的数量为n，激光淬火时间的变量为t，完成淬火需要的时间为τ；
(3)当t≥τ时计算工件上淬火斑的面积S，设氧化物亮点数为n，计算n个氧化物亮点的总面积P，令β＝P/S；β为氧化物亮点在光斑中的占比面积，其下限值为B1＝0.5％，上限值为B2＝5％；
(4)判断0.5％≤β≤5％是否满足，如果是，说明氧化物亮点占比面积满足要求，进入下一步；否则，氧化物亮点占比面积不合格，重新调整激光淬火参数，并转入步骤(2)；
(5)结束。
计算结果如图3所示，淬火斑面积为26.18mm2，工艺参数1的亮点面积之和为0，亮点占比面积β为0(图3a)，淬火硬度为38HRC，硬度太低不合格。工艺参数2的亮点面积之和为0.16mm2，亮点占比面积β为0.6％(图3b)，淬火硬度为62HRC，合格。工艺参数3的亮点面积之和为1.68mm2，亮点占比面积β为6.4％，淬火硬度为63HRC，氧化物熔化面积太大，不合格。
本领域的技术人员容易理解，以上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 (7)

1.一种激光淬火质量监测方法，其特征在于，该方法具体为：
S1调节成像器件参数，使激光光斑和氧化物亮点在成像上能够进行区分；
S2待完成激光淬火后，利用所述成像器件获得激光加工区域的图像，并根据该图像确定氧化物亮点的占比面积；
S3判断步骤S2获得的氧化物亮点的占比面积是否满足预设条件，若是，则判定激光淬火质量合格，若否，则判定激光淬火质量不合格。
2.如权利要求1所述的激光淬火质量监测方法，其特征在于，步骤S1中，调节成像器件参数的方法包括调节成像器件的曝光量或者增加减光片。
3.如权利要求1所述的激光淬火质量监测方法，其特征在于，步骤S1中，所述成像器件为CCD传感器，该成像器件的监测方式为同轴监测式或旁轴监测式。
4.如权利要求1～3任一项所述的激光淬火质量监测方法，其特征在于，步骤S2中，对获得的图像进行二值化处理，获得灰度图像，并根据该灰度图像确定氧化物亮点的占比面积。
5.如权利要求4所述的激光淬火质量监测方法，其特征在于，步骤S2中，利用下式计算氧化物亮点的占比面积β，
β＝P/S
式中，P为氧化物亮点的总面积，S为激光加工区域中淬火班的面积。
6.如权利要求4所述的激光淬火质量监测方法，其特征在于，步骤S3中，氧化物亮点的占比面积β的预设条件为B1≤β≤B2，B1的取值范围为0.1％～0.5％，B2的取值范围为3％～10％。
7.如权利要求1～6任一项所述的激光淬火质量监测方法在钢轨激光淬火中的应用。
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