CN114085957A - 一种机器人跟进式激光淬火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光表面热处理技术领域，具体涉及一种机器人跟进式激光淬火方法，改方法通过控制激光淬火工艺参数进行激光淬火，将高功率密度的激光束辐射到金属工件表面，激光淬火单元N1发射第一激光束对淬火对象表面进行激光淬火工作，第一激光束行径淬火对象时产生硬质化层，激光淬火单元N2发射第二激光束跟进第一激光束对硬质化层进行二次激光淬火工作；在激光淬火过程中，激光淬火单元N1所发射出的第一激光束和激光淬火单元N2所发射的第二激光束存在相隔区间，相隔相隔区间为重复淬火区间；本发明通过第一激光束第二激光束一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层，提高了激光淬火的效率。

Description

一种机器人跟进式激光淬火方法
技术领域
本发明涉及激光表面热处理技术领域，具体涉及一种机器人跟进式激光淬火方法。
背景技术
激光淬火技术，激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术；激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。
激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益。近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用
激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3～2.0mm范围之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。
激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。
而高频淬火是将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面或局部迅速加热(几秒钟内即可升温800～1000℃，心部仍接近室温)若干秒钟后迅速立即喷(浸)水冷却(或喷浸油冷却)完成浸火工作，使工件表面或局部达到相应的硬度要求。
但是不管是激光熔凝淬火技术、高频淬火技术，还是现有的激光淬火技术，淬火硬化层深度较浅(一般低于1mm)，淬火生产效率无法有效提高。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种机器人跟进式激光淬火方法，解决了现有的淬火技术，如激光熔凝淬火技术、高频淬火技术和激光淬火技术，淬火硬化层深度较浅以及淬火生产效率无法有效提高的问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种机器人跟进式激光淬火方法，改方法通过控制激光淬火工艺参数进行激光淬火，将高功率密度的激光束辐射到金属工件表面，所述激光淬火单元N1发射第一激光束对淬火对象表面进行激光淬火工作，所述第一激光束行径淬火对象时产生所述硬质化层，所述激光淬火单元N2发射第二激光束跟进第一激光束对所述硬质化层进行二次激光淬火工作；
在激光淬火过程中，所述激光淬火单元N1所发射出的第一激光束和所述激光淬火单元N2所发射的第二激光束存在相隔区间，所述相隔相隔区间为重复淬火区间。
更进一步地，所述方法包括以下步骤：
S1：对激光淬火对象的表面进行清洁，以确保其表面符合激光淬火要求。
S2：依据激光淬火的对象确定激光束的最大输出功率X，扫描速度Y，光斑尺寸Z。
S3：激光淬火单元N1和激光淬火单元N2依据输入的最大输出功率X，扫描速度Y，光斑尺寸Z对淬火对象进行淬火工作。
更进一步地，所述激光淬火工作时的参数包括激光的输出功率、扫描速度和光斑尺寸，所述激光的输出功率区间为300W-10000W，扫描速度为 200mm/s-5000mm/s，光斑尺寸为0.5mm-60mm。
更进一步地，所述跟进式激光淬火通过重复一次激光淬火工作，以提高激光淬火层的深度；所述激光淬火单元N1在淬火对象表面进行淬火工作时，高功率的第一激光束通过热传导不断注入淬火对象表面，第一激光束发出的能量时使淬火对象表面不断升温，使其表面的激光淬火区域温度始终高于淬火对象的奥氏体化温度Ta，但温度始终在淬火对象的熔点Tm之下。
更进一步地，所述激光淬火单元N2发射出第二激光束跟随所述第一激光束进行淬火工作时形成的硬质化层进行二次淬火工作，所述第一激光束将淬火对象表面不断升温使其表面温度达到此第一激光束所能加热到的最高温度，由于激光淬火单元N1或淬火对象根据程序移动，第一激光束加热的区域会随着能量源的移动而使淬火对象淬火区域温度下降，此时激光淬火单元N2发射出第二激光束跟进第一激光束对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束第二激光束一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层。
更进一步地，所述激光淬火单元N1和所述激光淬火单元N2同步移动，所述激光淬火单元N2调整角度以改变重复淬火区间的面积。
更进一步地，所述激光淬火加工过程中，激光输出的方式包括连续输出扫描淬火或者脉冲输出扫描淬火两种方式。其传热过程可以用点状连续固定热源的热传导方程进行分析，其热传导温度方程为：
Figure BDA0003327612150000031
式(1)中，R-某点距点热源的距离；T(R,t)-工件表面距离激光点热源距离为R处的温度；p-热源的有效功率；t-金属中的热传导时间；λ-金属的导热系数；a-金属的热扩散系数；φ(u)-或然率积分函数。
当t＝∞时，可以认为是热源作用时间无限长，则φ(u)＝0，故距离激光点热源R处的极限温度Tsp为：
Figure BDA0003327612150000032
或
Figure BDA0003327612150000041
式中Tsp与激光输入能量成正比，与距点热源的距离R的大小成反比。对于激光淬火工艺而言，Tsp显然不能够超过金属材料的熔点。由于形成激光硬化层的必要条件是该区域的温度超过奥氏体化温度，Tsp>Ta，因此激光淬火获得马氏体的前提条件是激光加热区域的温度Tsp的温度区间为：Tm>Tsp>Ta。
根据热传导方程式(1)和极限饱和状态的热传导方程式(2)或(3)，可以导出如下的结论：
①激光加热时间越长，或者所注入能量密度越高，或金属材料对激光束的吸收率越高，或金属材料的热扩散系数越大，则金属内部温度T(R,t)越高，能够达到奥氏体化温度的表面区间越深，相应的激光淬火硬化层深度(R) 越大；
②当所需要淬火的材料确定后，激光硬化层深度R与激光功率(p)大小、光斑尺寸、功率密度及作用时间长短密切相关。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过激光淬火单元N1发射高功率的第一激光束，使淬火对象表面的激光淬火区域温度始终高于淬火对象的奥氏体化温度Ta，但温度始终在淬火对象的熔点Tm之下，在激光淬火单元N1依据程序移动时，与其同步移动的激光淬火单元N2发射出第二激光束跟进第一激光束对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束第二激光束一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层，提高了激光淬火的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的装置原理结构示意图；
图2为本发明进行激光淬火是淬火对象淬火区域温度变化示意图；
图3为本发明激光淬火的步骤示意图；
图4为本实施例1中摆线软外齿显微硬度测试报告示意图；
图中的标号分别代表：1、激光淬火单元N1；2、激光淬火单元N2；3、第一激光束；4、第二激光束；5、硬质化层；6、重复淬火区间；7、淬火对象。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例的一种机器人跟进式激光淬火方法，包括一下步骤：
如图4所示，机器人摆线轮要求：有效硬化深度：＞0.45mm；硬度：在 0.4mm处硬度＞650HV；淬硬层深度≥0.3mm；硬化面积≥80％。
骤一：对机器人摆线轮的表面进行清洁，以确保其表面符合激光淬火要求。
步骤一：依据激光淬火的对象-机器人摆线轮确定激光束的最大输出功率1500W，扫描速度1200mm/min，光斑尺寸32mm。
步骤一：激光淬火单元N1在机器人摆线轮7表面进行淬火工作时，高功率的第一激光束3通过热传导不断注入机器人摆线轮7表面，第一激光束3 发出的能量时使机器人摆线轮7表面不断升温，使其表面的激光淬火区域温度温度始终高于机器人摆线轮7的奥氏体化温度Ta，但温度始终在机器人摆线轮7的熔点Tm之下；
激光淬火单元N2发射出第二激光束4跟随第一激光束3进行淬火工作时形成的硬质化层5进行二次淬火工作，第一激光束3将机器人摆线轮7表面不断升温使其表面温度达到此第一激光束3所能加热到的最高温度，由于激光淬火单元N1或机器人摆线轮7根据程序移动，第一激光束3加热的区域会随着能量源的移动而使机器人摆线轮淬火区域温度下降，此时激光淬火单元 N2发射出第二激光束4跟进第一激光束3对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束3第二激光束4一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层5。
检验结果：硬度为660～780HV，淬硬层深度为0.5～1mm，直径畸变≤± 0.03mm，硬化表面100％淬硬。
实施例2
本实施例的一种机器人跟进式激光淬火方法，包括一下步骤：
电磁离合器联结，材料为45钢，技术要求：硬度≥55HRC，淬硬层深度≥0.3mm，爪部直径畸变≤0.1mm，硬化面积≥80％。
步骤一：对电磁离合器联结的表面进行清洁，以确保其表面符合激光淬火要求。
步骤一：依据激光淬火的对象-电磁离合器联结确定激光束的最大输出功率1000W，扫描速度1000mm/min，光斑尺寸25mm。
步骤一：激光淬火单元N1在电磁离合器联结7表面进行淬火工作时，高功率的第一激光束3通过热传导不断注入电磁离合器联结7表面，第一激光束3发出的能量时使电磁离合器联结7表面不断升温，使其表面的激光淬火区域温度温度始终高于电磁离合器联结7的奥氏体化温度Ta，但温度始终在电磁离合器联结7的熔点Tm之下；
激光淬火单元N2发射出第二激光束4跟随第一激光束3进行淬火工作时形成的硬质化层5进行二次淬火工作，第一激光束3将电磁离合器联结7表面不断升温使其表面温度达到此第一激光束3所能加热到的最高温度，由于激光淬火单元N1或电磁离合器联结7根据程序移动，第一激光束3加热的区域会随着能量源的移动而使电磁离合器联结淬火区域温度下降，此时激光淬火单元N2发射出第二激光束4跟进第一激光束3对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束3第二激光束4一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层5。
检验结果：硬度为60～66HRC，淬硬层深度为0.4～0.8mm，直径畸变≤± 0.03mm，爪侧面100％淬硬。
实施例3
本实施例的一种机器人跟进式激光淬火方法，包括一下步骤：
花键套，材料为45钢，技术要求：硬度≥55HRC，个别点允许≥50HRC，淬硬层深度≥0.3mm，内径畸变≤0.05mm，硬化面积≥80％。
步骤一：对花键套的表面进行清洁，以确保其表面符合激光淬火要求。
步骤一：依据激光淬火的对象-花键套确定激光束的最大输出功率1000W，扫描速度1200mm/min，光斑尺寸15mm。
步骤一：激光淬火单元N1在花键套7表面进行淬火工作时，高功率的第一激光束3通过热传导不断注入花键套7表面，第一激光束3发出的能量时使花键套7表面不断升温，使其表面的激光淬火区域温度温度始终高于花键套7的奥氏体化温度Ta，但温度始终在花键套7的熔点Tm之下；
激光淬火单元N2发射出第二激光束4跟随第一激光束3进行淬火工作时形成的硬质化层5进行二次淬火工作，第一激光束3将花键套7表面不断升温使其表面温度达到此第一激光束3所能加热到的最高温度，由于激光淬火单元N1或花键套7根据程序移动，第一激光束3加热的区域会随着能量源的移动而使花键套淬火区域温度下降，此时激光淬火单元N2发射出第二激光束 4跟进第一激光束3对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束3第二激光束4一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层5。
检验结果：硬度为59～67HRC，淬硬层深度0.4～0.7mm，直径畸变为 0～0.03mm。
综上所述，本发明通过激光淬火单元N1发射高功率的第一激光束，使淬火对象表面的激光淬火区域温度始终高于淬火对象的奥氏体化温度Ta，但温度始终在淬火对象的熔点Tm之下，在激光淬火单元N1依据程序移动时，与其同步移动的激光淬火单元N2发射出第二激光束跟进第一激光束对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束第二激光束一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层，提高了激光淬火的效率。
以上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，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种机器人跟进式激光淬火方法，改方法通过控制激光淬火工艺参数进行激光淬火，将高功率密度的激光束辐射到金属工件表面，所述激光淬火单元N1(1)发射第一激光束(3)对淬火对象(7)表面进行激光淬火工作，所述第一激光束(3)行径淬火对象(7)时产生所述硬质化层(5)，所述激光淬火单元N2(2)发射第二激光束(4)跟进第一激光束(3)对所述硬质化层(5)进行二次激光淬火工作；
在激光淬火过程中，所述激光淬火单元N1(1)所发射出的第一激光束(3)和所述激光淬火单元N2所发射的第二激光束(4)存在相隔区间，所述相隔相隔区间为重复淬火区间(6)。
2.根据权利要求1所述的一种机器人跟进式激光淬火方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：对激光淬火对象(7)的表面进行清洁，以确保其表面符合激光淬火要求。
S2：依据激光淬火的对象确定激光束的最大输出功率X，扫描速度Y，光斑尺寸Z。
S3：激光淬火单元N1(1)和激光淬火单元N2(2)依据输入的最大输出功率X，扫描速度Y，光斑尺寸Z对淬火对象(7)进行淬火工作。
3.根据权利要求2所述的一种机器人跟进式激光淬火方法，其特征在于，所述激光淬火工作时的参数包括激光的输出功率、扫描速度和光斑尺寸，所述激光的输出功率区间为300W-10000W，扫描速度为200mm/s-5000mm/s，光斑尺寸为0.5mm-60mm。
4.根据权利要求1所述的一种机器人跟进式激光淬火方法，其特征在于，所述跟进式激光淬火通过重复一次激光淬火工作，以提高激光淬火层的深度；所述激光淬火单元N1(1)在淬火对象(7)表面进行淬火工作时，高功率的第一激光束(3)通过热传导不断注入淬火对象(7)表面，第一激光束(3)发出的能量时使淬火对象(7)表面不断升温，使其表面的激光淬火区域温度温度始终高于淬火对象(7)的奥氏体化温度Ta，但温度始终在淬火对象(7)的熔点Tm之下。
5.根据权利要求4所述的一种机器人跟进式激光淬火方法，其特征在于，所述激光淬火单元N2(2)发射出第二激光束(4)跟随所述第一激光束(3)进行淬火工作时形成的硬质化层(5)进行二次淬火工作，所述第一激光束(3)将淬火对象(7)表面不断升温使其表面温度达到此第一激光束(3)所能加热到的最高温度，由于激光淬火单元N1(1)或淬火对象(7)根据程序移动，第一激光束(3)加热的区域会随着能量源的移动而使淬火对象淬火区域温度下降，此时激光淬火单元N2(2)发射出第二激光束(4)跟进第一激光束(3)对还未降下来的温度区域进行二次淬火处理，使原本已降下来一部分的温度进行再加热，依靠第一激光束(3)第二激光束(4)一次间隙式的累加热效应使淬火区域获得更深的硬质化层(5)。
6.根据权利要求1所述的一种机器人跟进式激光淬火方法，其特征在于，所述激光淬火单元N1(1)和所述激光淬火单元N2(2)同步移动，所述激光淬火单元N2(2)调整角度以改变重复淬火区间(6)的面积。
7.根据权利要求1所述的一种机器人跟进式激光淬火方法，其特征在于，所述激光淬火加工过程中，激光输出的方式包括连续输出扫描淬火或者脉冲输出扫描淬火两种方式。其传热过程可以用点状连续固定热源的热传导方程进行分析，其热传导温度方程为：
Figure FDA0003327612140000021
式(1)中，R-某点距点热源的距离；T(R,t)-工件表面距离激光点热源距离为R处的温度；p-热源的有效功率；t-金属中的热传导时间；λ-金属的导热系数；a-金属的热扩散系数；φ(u)-或然率积分函数。
当t＝∞时，可以认为是热源作用时间无限长，则φ(u)＝0，故距离激光点热源R处的极限温度Tsp为：
Figure FDA0003327612140000022
或
Figure FDA0003327612140000023
式中Tsp与激光输入能量成正比，与距点热源的距离R的大小成反比。对于激光淬火工艺而言，Tsp显然不能够超过金属材料的熔点。由于形成激光硬化层的必要条件是该区域的温度超过奥氏体化温度，Tsp>Ta，因此激光淬火获得马氏体的前提条件是激光加热区域的温度Tsp的温度区间为：Tm>Tsp>Ta。
根据热传导方程式(1)和极限饱和状态的热传导方程式(2)或(3)，可以导出如下的结论：
①激光加热时间越长，或者所注入能量密度越高，或金属材料对激光束的吸收率越高，或金属材料的热扩散系数越大，则金属内部温度T(R,t)越高，能够达到奥氏体化温度的表面区间越深，相应的激光淬火硬化层深度(R)越大；
②当所需要淬火的材料确定后，激光硬化层深度R与激光功率(p)大小、光斑尺寸、功率密度及作用时间长短密切相关。
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