CN116426721B - 一种曲面的激光淬火方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种曲面的激光淬火方法、装置，该曲面的激光淬火方法包括以下步骤：S1：在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比；S2：根据激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布；S3：根据激光能量分布对工件执行激光淬火。本发明通过在满足激光能量密度一致的前提下，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比，以使得曲面不同位置的淬火硬度和硬层深度相同，即使得曲面淬火硬度、深度保持均匀一致；此外根据计算所得的激光能量配比以编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布，能够大量减少淬火搭接带。

Description

一种曲面的激光淬火方法、装置
技术领域
本发明涉及激光淬火技术领域，具体为一种曲面的激光淬火方法、装置。
背景技术
激光淬火是利用激光头的高能激光束照射到工件表面，使表层温度迅速升高至相变点之上(低于熔点)，由于金属良好的导热性，当激光束移开后，通过工件快速的自激冷却，材料表层组织由奥氏体转变为马氏体，实现材料的相变硬化。
随着大功率激光器技术的逐渐成熟，目前使用的激光淬火加工头，基本上是固定长度的线条形光斑，从而成倍增加单位时间扫描加工的面积，极大提高淬火加工效率。然而，对于工件的曲面上的不同点，其对应的激光离焦量、入射角度、能量密度都是不一样的，无法得到硬度均匀的淬火面，故而现有技术为采用在一定离焦范围内分区分块淬火，打补丁拼接，最终实现整个表面淬火。
现有上述曲面的激光淬火方法存在以下技术问题：激光离焦量的不同，激光入射角度的不同，曲面不同位置的淬火硬度和硬层深度不同，导致曲面淬火不均匀；此外存在大量重叠淬火搭接带，也即是淬火软带。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种曲面的激光淬火方法、装置，能够解决上述技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供如下一技术方案：一种曲面的激光淬火方法，包括以下步骤：
S1：在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比；
S2：根据激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布；
S3：根据激光能量分布对工件执行激光淬火。
优选的，在步骤S1之前还包括步骤S1a：对工件进行3D扫描以得到曲面轮廓。
优选的，在步骤S1中，具体为根据曲面轮廓上曲面不同位置的斜率以及尺寸，以得到曲面不同位置的面积。
优选的，在步骤S1中，曲面不同位置对应所需的激光能量配比＝激光能量密度*曲面不同位置的面积。
优选的，在步骤S1中，曲面不同位置对应所需的激光能量E＝垂直作用于曲面不同位置的能量e/cosθ，其中θ为曲面不同位置的法线的倾斜角。
优选的，步骤S3具体为：利用多个激光头，根据激光能量分布对工件执行激光淬火。
为解决上述技术问题，本发明提供如下另一技术方案：一种曲面的激光淬火装置，包括：
计算模块，用于在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比；
编辑模块，用于根据激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布；
激光头，用于根据激光能量分布对工件执行激光淬火。
优选的，该曲面的激光淬火装置还包括扫描模块，用于对工件进行3D扫描以得到曲面轮廓。
优选的，计算模块具体用于根据曲面轮廓上曲面不同位置的斜率以及尺寸，以得到曲面不同位置的面积。
优选的，计算模块具体为根据以下公式进行计算：曲面不同位置对应所需的激光能量配比＝激光能量密度*曲面不同位置的面积。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种曲面的激光淬火方法、装置，具备以下有益效果：本发明通过在满足激光能量密度一致的前提下，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比，以使得曲面不同位置的淬火硬度和硬层深度相同，即使得曲面淬火硬度、深度保持均匀一致；此外根据计算所得的激光能量配比以编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布，能够大量减少淬火搭接带(如果在单道扫描宽度覆盖范围内的曲面，则不存在淬火搭接带)。
附图说明
图1为本发明一种曲面的激光淬火方法的步骤流程图；
图2为本发明一种曲面的激光淬火装置的结构框图；
图3为本发明激光入射的示意图；
图4为本发明每个激光头对应一个区块的示意图；
图5为本发明能量密度线的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供一种曲面的激光淬火方法，包括以下步骤：
S1：在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比。
此外，优选的，在该步骤S1之前还包括步骤S1a：对工件进行3D扫描以得到曲面轮廓。
进一步的，在该步骤S1中，具体为根据曲面轮廓上曲面不同位置的斜率以及尺寸，以得到曲面不同位置的面积。
激光能量密度即激光头照射在工件一面积上的激光能量，可根据具体作业需要进行预设。在该步骤S1中，曲面不同位置对应所需的激光能量配比＝激光能量密度*曲面不同位置的面积。
S2：根据激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布。
在该步骤S2中，为根据上述步骤S1所计算得到的曲面不同位置对应所需的激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布，即编辑分割线上的激光光斑以形成一条满足激光能量密度一致要求的能量分布的光斑。
S3：根据激光能量分布对工件执行激光淬火。
在该步骤S3中，为利用激光头，根据上述步骤S2编辑所得的激光能量分布对工件执行激光淬火，以得到淬火硬度和深度均匀的曲面淬火效果。本发明具体可利用现有技术的激光头进行激光淬火，激光器通过光纤与激光头进行连接以发出激光束，此处不作过多限制。
优选的，该步骤S3具体可为：利用多个激光头，根据激光能量分布对工件执行激光淬火；通过使用多个激光头以提高淬火效率。
此外，本发明还提供一种曲面的激光淬火装置，包括：计算模块12、编辑模块13以及激光头14。
计算模块12，用于在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比。
编辑模块13，用于根据上述计算模块12所计算的激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布。
激光头14，用于根据上述编辑模块13所编辑的激光能量分布对工件执行激光淬火。
此外，本发明的曲面的激光淬火装置还可包括扫描模块11，用于对工件进行3D扫描以得到曲面轮廓。
上述计算模块12具体用于根据上述扫描模块11所扫描的曲面轮廓上曲面不同位置的斜率以及尺寸，以得到曲面不同位置的面积。
进一步的，上述计算模块12具体为根据以下公式进行计算：曲面不同位置对应所需的激光能量配比＝激光能量密度*曲面不同位置的面积。
优选的，激光头14的数量为多个，多个激光头14用于根据激光能量分布对工件执行激光淬火。
请参阅图3-5，曲面上每个点对应的入射光分解为沿法线方向和垂直于法线方向(即平行于切线方向)，其中，沿法线方向是作用于淬火的有效光，垂直于法线方向的是无效光，本发明所要解决的就是如何保证每个位置沿法线方向上的激光能量密度是一致的，也就是说，只要沿法线方向上的激光能量密度一致，淬火就均匀，具体通过以下方式实现：
(1)多个激光头：将曲面按斜率大小划分为n个区块，类似于积分，区块分割得越细，激光能量分布越精确；每个激光头对应一个区块。
(2)扫描振镜：更进一步，使用振镜扫描激光加工头，根据计算得到的激光能量配比数据，通过实时调节激光输出功率，或者调节激光停留时间，在曲面不同位置施以相应的激光能量，从而使曲面每个点上获得的激光能量密度一致。
此外，在步骤S1中，还可利用以下公式计算：曲面不同位置对应所需的激光能量E＝垂直作用于曲面不同位置的能量e/cosθ，其中θ为曲面不同位置的法线的倾斜角。应理解，曲面不同位置对应所需的激光能量E即激光头发出的能量，其与上述激光能量配比相对应；而垂直作用于曲面不同位置的能量e则与上述激光能量密度相对应，e为已知值，θ可由曲面不同位置的切线斜率求得。
例如图3所示，曲面A点处的切线为L，垂直作用于曲面A点处的能量为e1，θ1为A点处法线的倾斜角，A点处激光头发出的能量为E1，则E1＝e1/cosθ1；垂直作用于曲面B点处的能量为e2，θ2为B点处法线的倾斜角，B点处激光头发出的能量为E2，则E2＝e2/cosθ2。也就是说，e1＝E1*cosθ1，e2＝E2*cosθ2，可以理解，随着曲面不同位置切线斜率的变化，θ(例如上述θ1、θ2)相应变化，曲面不同位置对应所需的激光能量E(例如上述E1、E2)也相应变化，从而使得垂直作用于曲面不同位置的能量e(例如上述e1、e2)为一个恒定不变的值，即使得曲面上各点的激光能量密度为一个恒定不变的值。
与现有技术相比，本发明提供了一种曲面的激光淬火方法、装置，具备以下有益效果：本发明通过在满足激光能量密度一致的前提下，计算出曲面不同位置对应所需的激光能量配比，以使得曲面不同位置的淬火硬度和硬层深度相同，即使得曲面淬火硬度、深度保持均匀一致；此外根据计算所得的激光能量配比以编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布，能够大量减少淬火搭接带(如果在单道扫描宽度覆盖范围内的曲面，则不存在淬火搭接带)。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种曲面的激光淬火方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出所述曲面不同位置对应所需的激光能量配比；
S2：根据所述激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布；
S3：根据所述激光能量分布对所述工件执行激光淬火；
所述步骤S3具体为：利用多个激光头，根据所述激光能量分布对所述工件执行激光淬火；其中，将曲面按斜率大小划分为n个区块，每个激光头对应一个区块；
在所述步骤S1中，具体为根据所述曲面轮廓上曲面不同位置的斜率以及尺寸，以得到所述曲面不同位置的面积；
在所述步骤S1中，所述曲面不同位置对应所需的激光能量配比=所述激光能量密度*所述曲面不同位置的面积；
在步骤S1中，所述曲面不同位置对应所需的激光能量E=垂直作用于所述曲面不同位置的能量e/cosθ，其中θ为所述曲面不同位置的法线的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的曲面的激光淬火方法，其特征在于：在所述步骤S1之前还包括步骤S1a：对所述工件进行3D扫描以得到曲面轮廓。
3.一种采用权利要求1-2任一项所述的曲面的激光淬火方法的曲面的激光淬火装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于在满足激光能量密度一致的前提下，根据工件的曲面不同位置的斜率以及尺寸，计算出所述曲面不同位置对应所需的激光能量配比；
编辑模块，用于根据所述激光能量配比，编辑激光扫描路径的各分割线上的激光能量分布；
激光头，用于根据所述激光能量分布对所述工件执行激光淬火；
具体的，利用多个激光头，根据所述激光能量分布对所述工件执行激光淬火；其中，将曲面按斜率大小划分为n个区块，每个激光头对应一个区块。
4.根据权利要求3所述的曲面的激光淬火装置，其特征在于，还包括：扫描模块，用于对所述工件进行3D扫描以得到曲面轮廓。
5.根据权利要求4所述的曲面的激光淬火装置，其特征在于：所述计算模块具体用于根据所述曲面轮廓上曲面不同位置的斜率以及尺寸，以得到所述曲面不同位置的面积。
6.根据权利要求5所述的曲面的激光淬火装置，其特征在于：所述计算模块具体为根据以下公式进行计算：所述曲面不同位置对应所需的激光能量配比=所述激光能量密度*所述曲面不同位置的面积。
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