CN114891995A - 一种动态控制激光淬火参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温度场激光表面硬化方法，具体涉及一种动态控制激光淬火参数的方法，解决现有激光淬火的激光淬火参数确定较为复杂，每种激光淬火参数对应的工艺通用性差；且不同零件均需要重新确定激光淬火参数，造成加工时间和成本增加，影响激光淬火工作效率的技术问题。本发明提供一种动态控制激光淬火参数的方法，依据实时监测的激光淬火区域温度，调节激光淬火参数；利用单一变量的P‑T控制规则，或者单一变量的v‑T控制规则，可以精确控制输入的激光能量，抵消待淬火基质的尺寸、形状结构、升温状态及冷却条件等各种其他因素对激光淬火区域温度的影响。

Description

一种动态控制激光淬火参数的方法

技术领域

本发明涉及一种基于温度场激光表面硬化方法，具体涉及一种动态控制激光淬火参数的方法。

背景技术

激光淬火是通过高能激光束(103～105W/cm2)扫描工件表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，然后通过热传导，使工件周围材料温度以极快的速度升高到相变温度以上，再通过基体的自冷却作用快速冷却，完成相变硬化。激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使其获得比常规激光淬火更优良的机械性能。

由于激光淬火是局部的高能激光淬火，激光淬火区域的温度对零件的尺寸、形状结构、升温状态及冷却条件等的影响非常敏感，随着激光束的移动，激光淬火区域温度波动很大；因此，合适的激光淬火参数的确定非常复杂。一般根据实际生产条件和经验设定激光淬火参数的范围，并对激光淬火区域进行分段，再反复试验找出最合适的激光淬火参数组合投入使用。由于激光淬火过程涉及因素太多，每种激光淬火参数组合，仅适用于某一工况条件/工序中，导致其工艺移植性很差(通用性差)，已有的工艺参数只能作为参考，每一种零件都必须重新试验，并得出激光淬火参数，这样势必造成浪费大量的时间和成本，进而影响激光淬火的工作效率。因此找到一种简单可控，又可以推广的激光淬火参数控制方法十分必要。

发明内容

为了解决现有激光淬火的激光淬火参数确定较为复杂，每种激光淬火参数对应的工艺通用性差；且不同零件均需要重新确定激光淬火参数，造成加工时间和成本增加，影响激光淬火工作效率的技术问题，本发明提供了一种动态控制激光淬火参数的方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种动态控制激光淬火参数的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、建立激光淬火参数P/v与激光淬火区域温度T的关系式，拟合获得拟合方程式

式中：k₁、k₂、k₃分别为拟合方程式的系数，由待淬火基质决定，P为激光功率密度，v为激光扫描速度；

S2、确定激光淬火参数

随激光淬火区域温度T变化的规则

2.1)定义初始时刻激光淬火区域温度T₀；

2.2)采集激光淬火在t时刻的激光淬火区域温度为T_t；

2.3)根据步骤1获得的拟合方程式，计算激光淬火在t+1时刻的拟合方程式为：

式中：A、B、C均为t+1时刻激光淬火参数

的系数；

2.4)固定激光扫描速度v，根据步骤3.3)获得的拟合方程式，可得单一变量的P-T控制规则为

式中：A1、B1、C1均为单一变量P-T控制规则P(t)的系数；

或者，固定激光功率密度P，根据步骤S3.3)获得的拟合方程式，可得单一变量的v-T控制规则为

式中：A2、B2、C3均为单一变量v-T控制规则v(t)的系数，D为常数；

S3、激光淬火

将步骤2.4)中，获得的单一变量的P-T控制规则，或单一变量的v-T控制规则输入基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统的控制器中，并在控制器中设定需要的初始时刻激光淬火区域温度T₀，实时采集激光淬火区域温度T，实现激光淬火的动态控制。

进一步地，S1中，所述k₁取值为-4.95208，k₂取值为0.19148，k₃取值为0.00385，则拟合方程式为

进一步地，步骤2.3)中，所述A取值为-4.95208，B取值为0.19148，C取值为0.00385，则拟合方程式调节为：

进一步地，步骤2.4)中，所述A1取值为-0.5942496，B1取值为0.0229776，C1取值为0.000462，则单一变量的P-T控制规则为

进一步地，步骤2.4)中，所述A2取值为-4.95208，B2取值为0.19148，C2取值为0.00385，D取值为4500，则单一变量的v-T控制规则为

进一步地，S1具体为：

1.1)通过调节激光淬火区域温度T，获得不同激光淬火区域温度对应的激光淬火参数；

1.2)建立激光淬火区域温度T与激光淬火参数

的关系式

1.3)利用数据的非线性拟合方法拟合f(T)，获得拟合方程式

式中：k₁、k₂、k₃分别为拟合方程式的系数，由待淬火基质决定。

进一步地，S2中，采用红外测温仪监测激光淬火区域温度T。

进一步地，S1中，待淬火基质为钢制大平板。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明根据激光淬火区域温度场的分布特点，提供了一种动态控制激光淬火参数的方法，该方法依据实时监测的激光淬火区域温度，调节激光淬火参数；利用单一变量的P-T控制规则，或者单一变量的v-T控制规则，可以精确控制输入的激光能量，抵消待淬火基质的尺寸、形状结构、升温状态及冷却条件等各种其他因素对激光淬火区域温度的影响。

2、本发明动态控制激光淬火参数的方法，不但可以获得硬度均匀的激光淬火硬化层，还可以简单地推广到各种不同的零件上。

附图说明

图1为本发明动态控制激光淬火参数的方法实施例一中，不同激光淬火区域温度对应的激光淬火参数曲线示意图；

图2为本发明实施例一基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统示意图；

图3为本发明实施例二基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统示意图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本发明一种动态控制激光淬火参数的方法，基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统，包括以下步骤：

步骤一：搭建基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统；

将红外测温仪搭载在激光器上，使红外测温仪随激光器出射的激光束移动而移动，红外测温仪始终监测同一激光淬火区域。

激光淬火作业中，红外测温仪将激光淬火区域温度的实时测量值输入自定义规则控制器，自定义规则控制器输出调节后的功率密度值到激光器。

或者，将红外测温仪搭载在激光器上，使红外测温仪随激光器出射的激光束移动而移动，红外测温仪始终监测同一激光淬火区域。

激光淬火作业中，红外测温仪将激光淬火区域温度的实时测量值输入自定义规则控制器，自定义规则控制器输出调节后的激光扫描速度值到机械控制机构。

步骤二：确定实时激光淬火参数

随监测的激光淬火区域温度T变化而变化的规则。

在待淬火基质上(无限大平板上)进行激光淬火时，理论上随着激光淬火的持续进行，待淬火基质的温度保持不变，激光淬火区域温度T只与激光输入的能量W有关，不随时间而改变，即T＝f(W)；又因为

其中，P为激光功率密度，v为激光扫描速度，因此

也可以转化成

在待淬火基质进行激光淬火的实际过程中，待淬火基质的升温很少，可以近似认为其温度保持不变，对其进行激光淬火区域温度T和激光淬火参数

的对应关系实验，可以获得拟合曲线，其对应的拟合公式为：

而在具体待淬火基质的激光淬火过程中，受待淬火基质尺寸和形状的影响，激光束扫描前进方向会存在不同程度的热量累积，导致激光淬火区域温度T逐渐升高；

光淬火开始时刻t₀，使用初始时刻激光淬火参数

(即初始工艺

)，P₀为初始时刻激光功率密度，v₀为初始时刻激光扫描速度，获得的初始时刻激光淬火区域温度为T₀；

激光淬火进行到t时刻时，激光淬火区域温度为T_t，激光淬火区域温度T_t升高ΔT_t，可知ΔT_t＝T₀-T_t，待淬火基质热量累积导致的激光淬火区域温度升高可以等效为激光输入了ΔW的能量，因此在t+1时刻，将激光淬火参数

下调

可以使得激光淬火区域温度保持一定程度的稳定，即t+1时刻的激光淬火参数

应调节为：

式中，P_t为t时刻的激光功率密度，v_t为t时刻的激光扫描速度；

可以根据实际生产情况，当固定激光功率密度P时，可得单一变量的v-T控制规则为

或者，固定激光扫描速度v，可得单一变量的P-T控制规则为

步骤三：将步骤二确定的实时控制激光淬火参数的单一变量的P-T控制规则，或者，单一变量的v-T控制规则输入基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统的控制器中，并设定需要的初始时刻激光淬火区域温度T₀，启动基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统，调节后的激光淬火参数引起激光淬火区域温度的改变，即可获得均匀的激光淬火效果，完成激光淬火参数

的动态控制；由红外测温仪测量后进入下一周期的循环。

其中，步骤2可以根据不同待淬火基质的材料、生产条件和红外测温仪类型，对公式中的系数k₁、k₂、k₃进行调整。

如下为本发明的两个具体实施例，用于对上述方法进行说明。

实施例一

本实施例，对导轨进行激光淬火，选取导轨为55号钢制大平板，激光光斑尺寸为0.2ⅹ0.6cm，将激光扫描速度恒定为1cm/s，在激光淬火过程中依据实时监测的激光淬火区域温度调节激光功率密度。

步骤1：如图2所示，搭建基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统；

将红外测温仪搭载在激光器顶部，随激光束的移动而移动，始终监测同一激光淬火区域。将激光淬火区域温度的实时测量值输入自定义规则的控制器，自定义规则的控制器将此刻的激光功率密度值输出到激光器。

步骤2：如图1所示，固定激光扫描速度V，确定实时激光功率随监测的激光淬火区域温度变化而变化的规则为：

步骤3：将确定的实时控制激光淬火单一变量的P-T控制规则输入自定义规则的控制器，并设定需要的激光淬火区域温度T₀＝1300℃，启动基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统，改变的激光淬火参数引起激光淬火区域温度的改变，获得均匀的激光淬火效果，完成激光淬火参数的动态控制。由红外测温仪测量后进入下一周期的激光淬火。

本实施例中，只要激光淬火区域温度偏离设定温度就进行调节，根据控制器的型号不同，调节频率为控制器0.1-0.01s不等。

实施例二

对导轨进行激光淬火，材料55号钢制大平板，激光光斑尺寸为0.2ⅹ0.6cm，将激光功率恒定为540W，在激光淬火过程中依据实时监测的激光淬火区域温度调节扫描速度。

步骤1：如图3所示，搭建基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统；

将红外测温仪搭载在激光器上，使红外测温仪随激光器出射的激光束移动而移动，红外测温仪始终监测同一激光淬火区域。

激光淬火作业中，红外测温仪将激光淬火区域温度的实时测量值输入自定义规则控制器，自定义规则控制器输出调节后的激光扫描速度值到机械控制机构。

步骤2：固定激光功率密度P，确定实时扫描速度随监测的激光淬火区域温度变化而变化的规则为：

步骤3：将确定的实时控制激光淬火单一变量的V-T控制规则输入基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统，并设定需要的激光淬火区域温度T₀＝1300℃，启动基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统，改变的激光淬火参数引起温度的改变，获得均匀的激光淬火效果，完成激光淬火参数的动态控制。由红外测温仪测量后进入下一周期的激光淬火。

Claims (8)

1.一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立激光淬火参数P/v与激光淬火区域温度T的关系式，拟合获得拟合方程式

式中：k₁、k₂、k₃分别为拟合方程式的系数，由待淬火基质决定，P为激光功率密度，v为激光扫描速度；

S2、确定激光淬火参数

随激光淬火区域温度T变化的规则

2.1)定义初始时刻激光淬火区域温度T₀；

2.2)采集激光淬火在t时刻的激光淬火区域温度为T_t；

2.3)根据步骤1获得的拟合方程式，计算激光淬火在t+1时刻的拟合方程式为：

式中：A、B、C均为t+1时刻激光淬火参数

的系数；

2.4)固定激光扫描速度v，根据步骤3.3)获得的拟合方程式，可得单一变量的P-T控制规则为

式中：A1、B1、C1均为单一变量P-T控制规则P(t)的系数；

或者，固定激光功率密度P，根据步骤S3.3)获得的拟合方程式，可得单一变量的v-T控制规则为

式中：A2、B2、C3均为单一变量v-T控制规则v(t)的系数，D为常数；

S3、激光淬火

将步骤2.4)中，获得的单一变量的P-T控制规则，或单一变量的v-T控制规则输入基于温度场监控动态控制激光淬火参数系统的控制器中，并在控制器中设定需要的初始时刻激光淬火区域温度T₀，实时采集激光淬火区域温度T，实现激光淬火的动态控制。

2.根据权利要求1所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于：S1中，所述k₁取值为-4.95208，k₂取值为0.19148，k₃取值为0.00385，则拟合方程式为

3.根据权利要求2所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于：步骤2.3)中，所述A取值为-4.95208，B取值为0.19148，C取值为0.00385，则拟合方程式调节为：

4.根据权利要求3所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于：步骤2.4)中，所述A1取值为-0.5942496，B1取值为0.0229776，C1取值为0.000462，则单一变量的P-T控制规则为

5.根据权利要求3所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于：步骤2.4)中，所述A2取值为-4.95208，B2取值为0.19148，C2取值为0.00385，D取值为4500，则单一变量的v-T控制规则为

6.根据权利要求4或5所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于，S1具体为：

1.1)通过调节激光淬火区域温度T，获得不同激光淬火区域温度对应的激光淬火参数；

1.2)建立激光淬火区域温度T与激光淬火参数

的关系式

1.3)利用数据的非线性拟合方法拟合f(T)，获得拟合方程式

式中：k₁、k₂、k₃分别为拟合方程式的系数，由待淬火基质决定。

7.根据权利要求6所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于：S2中，采用红外测温仪监测激光淬火区域温度T。

8.根据权利要求7所述的一种动态控制激光淬火参数的方法，其特征在于：S1中，所述待淬火基质为钢制大平板。

Images