CN114173435A - 一种激光源高温热处理装置及热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光源高温热处理装置及热处理方法，包括控制系统、激光发射器、金属腔；激光发射器并联若干激光照射头，金属腔的上方为均布有N个激光照射头的半球形固定座，金属腔的侧面也设有照射头。金属箱内部设有固定杆，固定杆上装有通过调节按钮控制的移动平台，待加热物体放置在移动平台上。根据物体性质和需要加热的程度，在控制系统上选择参加工作的激光照射头的位置和个数，调节按钮控制移动平台上升使待加热物体靠近工作中的激光照射头，并做旋转运动，使物体均匀受热。这样解决了传统加热炉加热不均匀、升温慢、工作空间过大，对透明物体加热效果不理想的问题，保证安全加热的情况下，提升了激光高温热处理的效果。

Description

一种激光源高温热处理装置及热处理方法

技术领域

本发明涉及激光加热技术领域，具体为一种激光源高温热处理装置及热处理方法。

背景技术

随着工业的快速发展，航空航天、金属冶炼、实验室研发等对加热技术的要求越来越高。热处理技术在近些年不断地有所突破和发展，经历了由传统电加热到微波能加热以及两种加热方式的结合使用。

传统电加热炉分为普通热传递加热炉、金属或合金丝加热炉两种。其加热原理为热传导、对流以及辐射，期间存在温度梯度，使被加热元件加热不均匀，出现局部过热的现象；同时，其温度想要达到所要求的工作温度需要很长时间，并且加热温度具有局限性，超过一定温度的加热，该方式将无能为力。例如，普通热传递加热炉的加热温度普遍也只能达到800℃，金属或合金丝加热炉虽然可以将加热温度提高到1150℃，但是达到工作温度需要8小时左右。

针对上述加热方式所存在的问题，科研者又发明了微波能加热炉。其作为一种新型的加热方式，与传统电加热方式相比，其属于无温度梯度的加热方式，可以使被加热元件受热均匀；同时，缩短了加热时间，既节省能量又可以提高加热效率。但是这种加热方式也存在许多缺陷。例如，微波加热对于透明型物质等不良热导体，也会使其内部产生较大的温度梯度，致使物质加热不均匀而出现裂缝；也会产生电磁辐射，长期接触会影响人的身体健康，尤其是给心脏及眼睛造成不可修复的伤害。同时，该加热炉设备复杂且昂贵，还需专业人士护理维修，加重了经济上的负担，给实际应用带来了极大的不便。在当前时期，微波加热技术现在还处于研发阶段，技术不够完善与成熟，工业上微波能加热应用很少。

将上述两种加热方式结合制备了传统微波混合加热炉，虽然其结合了两种加热方式的优点，但是其缺点也是显而易见的。例如，传统微波混合加热炉的加热金属丝必须采用耐高温的金属合金磁性材料，这就导致对炉体本身材料要求特别严格，一旦损坏很难更换维修，所需成本较大。同时加热室体积大，使用不便，热量损失多，能效不高，造成能量的浪费。因此，当务之急，在工业热处理、实验室热处理等研究技术领域急需要一种能够对绝大部分物质在短时间内均匀加热，并对受热物质本身性质不会产生大的影响，加热室体积小，能效高而且安全的一种新型加热模式。

目前，激光作为一种新光源，具有单色性、好的方向性和高的能量密度等独特的性质。激光加热是将材料放入激光室内，控制激光输出功率的大小，使放出高能密度的激光束照射到材料上，从而让材料在短暂时间内温度升高。激光加热缩短了加热的时间、提高了工作效率；能使加热温度要求较高的材质，其加热温度一开始就能达到1700℃以上；可加热那些较难被微波能加热的绝缘体物质。然而，现有激光加热装置基本是通过控制输出功率来对材料进行加热，故而无法达到精确控温的目的；而且在对材料进行高温加热时，极易使被加热材料氧化变质；同时，激光的光斑较小，而其又决定了能量分布，故容易使得被加热材料局部温度过高，而无法达到均匀控温的效果。例如专利CN109900738A公开的基于大功率激光器加热材料的装置及方法中，虽然公开了用光束整形器和激光对准平台配合激光器对物体进行加热，并用辐射换能板来辅助调节加热效果；但是仍不能实现对于整个物体各表面的同时加热，并且其测温系统的结构及控制较为复杂，成本较高，同时该装置对于加热箱体的空间利用率也较低。因此需要一种热处理装置可以对大多数种类的物体进行各表面同步、均匀的加热，且能耗小、成本较低，结构和操作相对简单。

发明内容

本发明提供一种激光源高温热处理装置及热处理方法，解决了上述传统加热炉加热不均匀、升温速度慢、能耗高、工作空间过大，对透明物体加热效果不理想的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种激光源高温热处理装置，包括封闭的金属腔、激光发射器、冷却装置，还包括控制系统，控制系统分别与金属腔、激光发射器和冷却装置连接，激光发射器上连接有第一激光照射组，第一激光照射组中包括彼此并联的N个激光照射头；金属腔的上方设有固定座，固定座为半球形，第一激光照射组的N个激光照射头均匀分布在固定座上；金属腔内部设有用于放置待加热物体的移动平台，金属腔外部设有调节按钮，所述调节按钮与移动平台连接，用于控制移动平台运动。

第一激光照射组中多个激光照射头的设置让加热源分布均匀，并且不同照射角度的多个激光照射头使激光汇聚到托盘上面的待加热物体上，进一步提高了均匀加热效果；通过激光管连接，与激光发射器并联的激光照射头可以同时工作或单独工作，激光照射头发出的激光照射到待加热的物体表面使物体在短时间内温度升高。进一步地，控制系统包括配电箱和工控电脑，工控电脑分别连接并控制着激光发射器和金属箱，通过控制系统控制每个激光发射器的发射强度，激光光斑能够均匀分布于待加热物体的表面，从而实现均匀升温。为了加热不同工作温度范围的物体，可通过控制系统调节激光发射器的参数、调整移动平台的位置等方式最终实现可加热的温度范围为400～2200℃。调节按钮控制移动平台相较于移动激光照射头的方式安全性较高，并且装置的结构简单，更容易实现。

优选的，还包括第二激光照射组，所述第二激光照射组包括彼此并联的不少于一个照射头，分别倾斜设置在金属腔的侧面；所述照射头通过激光管与激光发射器连接，且发出光线的终点均落在位于移动平台上的待加热物体上。第二激光照射组中的照射头可以与位于固定座上的第一激光照射组共同作用于待加热物体，补充了位于固定座上第一激光照射组的照射盲区，扩大了待加热物体同时受热的范围，进一步保证均匀加热的效果。

第一激光照射组中的N个激光照射头在固定座上呈圆周阵列排布。即，若干个激光照射头在球型固定座的顶部绕着固定座的最高点，围绕成圆形、等距分布。圆周阵列的排布方式能够让激光线路较全面、均匀地覆盖待加热物体表面，在待加热物体的体积较大或者形状不规则的情况下，这些激光照射头可以从不同的角度分别照射待加热物体的不同部位，当它们同时工作即可实现对整个待加热物体的均匀加热。

移动平台的底部两侧对称设有连接耳；还包括两根水平设置的、互相平行的固定杆，固定杆穿过连接耳的通孔，两端与金属腔内壁固定。位于移动平台底部的底座通过设置在两侧的连接耳与固定杆连接，保证了移动平台在金属腔内部的稳定性，使其上的待加热物体能够更平稳地接受高温热处理。

优选的，金属腔的一侧安装有可开合的挡板，挡板上开有窗口，所述窗口处安装有耐高温玻璃，所述耐高温玻璃的范围与移动平台的位置相适应；对应的金属腔的开口处四周固定有密封圈。设置可开合的挡板便于操作人员放入、取出待测物，也便于检修维护金属腔内部的其他零部件，并通过装有透明的耐高温玻璃的窗口观察内部物体在加热时的状态。金属腔的开口处四周固定有密封圈，可开合的挡板关闭后密封圈的存在可以保证金属腔的良好密封性，减缓了外界空气进入后内部待加热物质氧化的程度。

优选的，移动平台的上部安装有托盘；所述调节按钮包括总开关以及被总开关控制的旋转旋钮、上升按钮和下降按钮；托盘上安装有温度传感器，还包括设置在金属腔外部的温度显示屏，温度传感器与温度显示屏连接，温度设定钮、温度显示屏与总开关连接。托盘增大了放置待加热物体的面积，让待加热物体更平稳地置于移动平台上。总开关打开即发出移动平台可以调整的信号，旋转旋钮、上升按钮和下降按钮分别作用于移动平台，灵活地控制移动平台，使待加热物体的不同表面都能够受到激光的照射，受热更加均匀。温度传感器提供金属腔内部物体的温度信息；温度设定钮与激光发射器通过计算机程序控制，通过设定的温度，自动调整激光发射器的功率，并将物体的实时温度经温度传感器测量后传输到温度显示屏上，操作人员也可通过调节温度设定钮达到精确控制温度的目的。

金属腔内的侧壁上方设置有压力传感器，与安装在金属腔外部的压力显示表连接。金属腔内的压力变化因此能够被实时监控，便于操作人员及时调整，提高了加热过程中的安全性。

金属腔的外侧开设有连接口，连接口通向金属腔内部；还包括气泵，气泵的软管与连接口连接。工作时既可以通过连接气泵来实现抽真空处理，以防止待加热物体高温氧化，也可以通入特定气体保护待加热物体。

优选的，金属腔的内壁设有隔热层，该隔热层可以为氧化铝陶瓷纤维隔热层，隔绝内部高温对金属腔及设置在金属腔外部的各类机器的影响。

本发明还提供了一种激光源高温热处理方法，具体的方案为：一种激光源高温热处理方法，设置一个用于激光源高温热处理的金属腔，在金属腔上方设置的半球形固定座上均布有N个激光照射头，并在金属腔内部有用于放置待加热物体的移动平台；将金属腔与一个气泵连通，使加热过程中的金属腔内部隔绝氧气；金属腔和激光发射器均与控制系统连接，操作设在金属腔外部的温度设定钮以确定工作温度，该工作温度的信号传递给控制系统使激光发射器产生相应的输出功率，通过激光管分别传输给激光照射头，N个激光照射头同时或者分别单独工作；操作设在金属腔外部的调节按钮控制移动平台上升并旋转，待加热物体全面、均匀地受到激光照射头的加热达到热处理所需要的高温。

加热原理：与激光发射器并联的多个激光照射头可以同时或者单独工作，激光照射头发出的激光照射到物质表面使物质在短时间内温度升高，通过控制每个激光照射头的发射强度，激光的光斑能够均匀分布在位于移动平台上的物质表面，从而实现待加热物体均匀升温。为了加热不同工作温度范围的物质，可通过调节金属腔外部的温度设定钮进而调控参与工作的激光源参数来实现，最终实现可加热的温度范围为400～2200℃。

使用方法：将待加热的物体装入托盘，关闭挡板，通过调节按钮调控移动平台上升到合适的加热位置，同时打开气泵抽空金属腔或者通入保护性的气体，调整温度参数，启动激光加热器后，激光照射到待加热的物体表面，开启旋转旋钮使移动平台匀速旋转，物质开始均匀加热，过程中观察温度显示屏并调节温度设定钮，将温度控制在需要的工作温度并保温，从而实现材料的热处理过程。

与现有技术相比，本发明的实质性特点在于：

（1）在结构上：采用多个不同发射角度的激光照射头同时或者分别工作，可以灵活地跟待加热物体的材质和形态选择合适的激光照射头，能够更全面、均匀地进行加热；半圆形的激光照射头固定座的设计既便于实现安装多个不同角度的激光照射头，有助于托盘中的物体被更全面地照射，提高了加热的效率。

（2）在方法上：升温速度快、精确控温、节能效果显著及能对绝大多数物质加热的激光源高温热处理装置，用于满足工业、实验室等对物质热处理的要求。能够充分发挥激光技术在现代产业中的优势，利用激光具有的高能量、高功率、高效率等优势，弥补了传统加热和微波加热的升温速度慢、温度上限低、高能耗等方面的不足之处。相比于传统加热炉及微波加热炉来说，因为其多个加热角度且旋转待加热物体进行加热的方式，使加热速度由原来的几小时缩短到十几分钟到几十分钟以内，很大程度上缩短了加热时间，进而极大地提高了工作效率；同时多个激光照射头作用使加热温度上限由原来的1150℃提高到2200℃。而且这种方式对加热的材料和样品没有特殊要求，其能加热的物体几乎涵盖了生活和工业上的所有材料，从而大大拓宽激光加热的应用范围，快速推动激光加热的大众化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种激光源高温热处理装置的整体三维图。

图2为本发明一种激光源高温热处理装置的气泵示意图。

图3为本发明一种激光源高温热处理装置的金属腔的结构示意图。

图4为本发明一种激光源高温热处理装置的工控电脑示意图。

图5为本发明一种激光源高温热处理装置的激光发射器示意图。

图中标号：1.气泵、2.气泵开关、3.软管、4.总开关、5.密封圈、6.真空阀、7.温度设定钮，8.温度显示屏、9.排气阀、10.压力显示表、11.压力传感器、12.固定座、13.第一激光照射头、14.第二激光照射头、15.第三激光照射头、16.第四激光照射头、17.第五激光照射头，18.第六激光照射头、19.第七激光照射头、20.激光管、21.金属腔、22.挡板、23.窗口，24.托盘、25.固定杆、26.旋转旋钮、27.下降按钮、28.上升按钮、29.移动平台、30.温度传感器、31.隔热层、32.工控电脑、33.配电箱、34.激光发射器、35.冷却装置。

具体实施方式

下面将结合附图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，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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

如附图所示，一种激光源高温热处理装置，包括封闭的金属腔21、激光发射器34、冷却装置35，控制系统。控制系统包括工控电脑32和配电箱33，配电箱33与工控电脑32连接，而工控电脑32连接并控制着与金属腔21、激光发射器34和冷却装置35；激光发射器34上通过激光管20并联有第一激光照射组和第二激光照射组，其中第一激光照射组包括第二激光照射头14、第三激光照射头15、第四激光照射头16、第五激光照射头17和第六激光照射头18，第二激光照射组包括第一激光照射头13和第七激光照射头19，七个激光照射头分别连接七条激光管20，在金属腔21上安装一个激光管收集器，将七根激光管20整齐地排列收纳。

金属腔21的上方设有固定座12，固定座12为半球形，其中第一激光照射组的五个激光照射头呈圆周阵列均匀分布在固定座12上；第二激光照射组安装在金属腔21四周的竖直面上，如图，金属腔21的左、右两个侧面分别倾斜设置第一激光照射头13和第七激光照射头19，第一激光照射组和第二激光照射组中的激光照射头的终点都指向金属腔21内部。

金属腔21的内壁贴附有隔热层31，内壁上设置有压力传感器11；腔内空间中架设两根固定杆25，在固定杆25上稳定地设有用于放置待加热物体的移动平台29；移动平台29上安装有托盘24，该托盘24用耐高温材料氧化铝陶瓷制成，托盘24上安装有温度传感器30。

金属腔21外部的设有调节按钮，调节按钮包括总开关4以及被总开关4控制的旋转旋钮26、上升按钮28和下降按钮27。调节按钮与移动平台29连接，用于在放入待加热物体后控制移动平台29上、下运动以及旋转待加热物体，使其均匀加热。此外，还有同设在金属腔21外部的温度设定钮7、温度显示屏8和压力显示表10，温度传感器30与温度设定钮7、温度显示屏8连接，而压力传感器11与压力显示表10连接，这些设备均由总开关4控制启动，对待加热物体的温度以及金属腔21内部的气压进行实时的观测和控制。

为了便于取放待加热物体，金属腔21外部还安装有可开合的挡板22，与金属腔21铰接；挡板22对应的金属腔21开口周围固定一圈橡胶制成的密封圈5，保证挡板22闭合时金属腔21的良好密封性。挡板22上还可以开设钢化玻璃材质的窗口23，操作人员可以通过窗口实时观察待加热物体的状态，也可以在内部的移动平台29故障时及时停机，保护待加热物体以及该热处理装置。

该套激光源高温热处理装置还包括外设的气泵1和冷却装置35。气泵1的软管3通向金属腔21内部，在加热时操作人员打开气泵1上的气泵开关2选择抽真空或者通入保护性气氛，同时对应打开设在金属腔21上的真空阀6或者排气阀9，并观察由内壁的压力传感器11传输给金属腔21外部的压力显示表10的读数，及时进行调整，使金属腔21的内部保持气压平衡。激光发射器34采用He-Ne激光发射器，与之配套的冷却装置35为在激光发射器34工作时启动，用于保护激光发射器34等设备在工作时的正常温度。

总开关4控制金属腔21上各装置的工作启停进程：即在打开总开关4时，若对温度进行设置，则可调节温度设定按钮7；若要使待加热物体旋转以均匀加热，可调节旋转旋钮26；若要调节待加热物体在金属腔21内部距离各个激光照射头的高度，可调节上升按钮28或下降按钮27；同时在压力显示表10和温度显示屏8上还可随时观察金属腔21内部的压力和被加热物体的温度。温度传感器30将待加热物体的温度反馈给温度显示屏8，操作者可通过温度设定按钮7，将温度设置为工作温度，工控电脑32进而控制激光发射器34的输出功率，选择合适个数和位置的激光照射头参与工作以实现对待加热物体的均匀加热。

具体地，对待加热物体进行高温热处理时，将待加热物体放入移动平台29的托盘24中，关闭挡板22，打开总开关4，启动气泵1、配电箱33、工控电脑32，对应气泵1的状态打开排气阀9或者真空阀6，直至金属腔21内部的空气完全排除。操作上升按钮28使移动平台29到达合适的位置，再通过温度设定钮7设置所需的温度；启动激光发射器34及冷却装置35，设定的温度通过工控电脑32传递给激光发射器34，使其选择输出相应的功率并选择例如，仅开启第一激光照射组中的第二激光照射头14、第三激光照射头15、第四激光照射头16、第五激光照射头17和第六激光照射头18，或者同时开启全部七个激光照射头，或者在开启第一激光照射组中的五个激光照射头的同时选择开启第二激光照射组中的第一照射头13或者第七激光照射头19的其中一个，或者选择第一激光照射组中的一个或者多个激光照射头配合第二激光照射组等多种组合方式，对物体进行加热；操作人员调整旋转旋钮26，让移动平台29旋转，进而待加热物体均匀受热。

通过温度显示屏8和窗口23观察待加热物体的状态，达到所需的热处理效果后关闭激光发射器34使所有激光照射头停止工作，调节旋转旋钮26、上升按钮28、下降按钮27让托盘24上的物体回到便于取出的位置，打开真空阀6或排气阀9，均衡金属腔21内部压力后取出加热好的物体，关闭总开关4。

该激光源高温热处理装置采用半圆形的固定座12上均匀布置可以单独或者同时工作的第二激光照射头14、第三激光照射头15、第四激光照射头16、第五激光照射头17和第六激光照射头18，并配合安装在金属腔21侧面的第一激光照射头13和第七激光照射头19，对位于金属腔21内的物体均匀加热，加热的功率通过设置在待加热物体底部的温度传感器30传输给工控电脑32，工控电脑32进而控制激光发射器34的输出功率，保持应有的工作温度，让待加热物体快速、安全地实现高温处理。相较于之前的激光源高温热处理炉的工作效率有了明显提高，加热更均匀，成本降低并且待加热物体的种类范围也有所扩大。

最后应说明的是：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实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种激光源高温热处理装置，其特征在于：包括封闭的金属腔、激光发射器、冷却装置，还包括控制系统，

所述控制系统分别与金属腔、激光发射器和冷却装置连接，所述激光发射器上连接有第一激光照射组，所述第一激光照射组中包括彼此并联的N个激光照射头；

所述金属腔的上方设有固定座，所述固定座为半球形，所述第一激光照射组的N个激光照射头均匀分布在固定座上；

金属腔内部设有用于放置待加热物体的移动平台，金属腔外部设有调节按钮，所述调节按钮与移动平台连接，用于控制移动平台运动。

2.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：还包括第二激光照射组，所述第二激光照射组包括彼此并联的不少于一个照射头，分别倾斜设置在金属腔的侧面；所述照射头通过激光管与激光发射器连接，且发出光线的终点均落在位于移动平台上的待加热物体上。

3.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：所述第一激光照射组中的N个激光照射头在固定座上呈圆周阵列排布。

4.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：所述移动平台的底部两侧对称设有连接耳；还包括两根水平设置的、互相平行的固定杆，所述固定杆穿过连接耳的通孔，两端与金属腔内壁固定。

5.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：所述金属腔的一侧安装有可开合的挡板，所述档板上开有窗口，所述窗口处安装有耐高温玻璃，所述耐高温玻璃的范围与移动平台的位置相适应；对应的金属腔的开口处四周固定有密封圈。

6.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：所述移动平台的上部安装有托盘；所述调节按钮包括总开关以及被总开关控制的旋转旋钮、上升按钮和下降按钮；所述托盘上安装有温度传感器，还包括设置在金属腔外部的温度显示屏，所述温度传感器与温度显示屏连接，所述温度设定钮、温度显示屏与总开关连接。

7.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：所述金属腔内的侧壁上方设置有压力传感器，与安装在金属腔外部的压力显示表连接。

8.根据权利要求1所述的激光源高温热处理装置，其特征在于：所述金属腔的外侧开设有连接口，所述连接口通向金属腔内部；还包括气泵，所述气泵的软管与连接口连接。

9.一种激光源高温热处理方法，其特征在于：设置一个用于激光源高温热处理的金属腔，在金属腔上方设置的半球形固定座上均布有N个激光照射头，并在金属腔内部有用于放置待加热物体的移动平台；将金属腔与一个气泵连通，使加热过程中的金属腔内部隔绝氧气；

金属腔和激光发射器均与控制系统连接，操作设在金属腔外部的温度设定钮以确定工作温度，该工作温度的信号传递给控制系统使激光发射器产生相应的输出功率，通过激光管分别传输给激光照射头，N个激光照射头同时或者分别单独工作；

操作设在金属腔外部的调节按钮控制移动平台上升并旋转，待加热物体全面、均匀地受到激光照射头的加热达到热处理所需要的高温。

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