一种激光淬火方法及装置的制作方法

文档序号:3343446阅读:376来源:国知局
专利名称:一种激光淬火方法及装置的制作方法
技术领域
本发明属于激光表面强化处理技术,涉及一种基于扫描振镜的重复扫描激光淬火方法及装置,本发明特别适用于大尺寸金属工件的激光表面淬火处理。
背景技术
激光淬火技术,又称激光热处理或者激光相变硬化工艺,是采用激光束辐照金属工件,使其表层温度高于奥氏体化温度Ta。激光束移去后,基体材料由于未直接受热,因此仍然处于常温状态,其快速的热传导作用使激光加热区域的冷却速度大于淬火的临界冷却速度,并使激光作用过的区域温度迅速降到马氏体相变温度以下,从而在工件表面形成马氏体组织的硬化层。由于激光淬火冷却速度快,不需要水或油等冷却介质,因此该工艺属于自冷淬火工艺过程。一般而言,激光淬火工艺分为两类,一类是激光作用下,金属表面不发生熔化、只发生固态相变的淬火工艺过程,又称为激光相变硬化工艺,或激光热处理工艺,其基本特点是确保激光辐照过程中金属表面的最高温度低于熔点温度Tm,因此激光淬火的工艺参数(包括激光功率、光斑尺寸、扫描速度等)必须选择得当;另一类是激光作用下表面发生熔化的淬火过程,称为激光熔凝淬火工艺,此时金属表面的温度可以超过其熔点。由于激光熔凝淬火工艺使得工件表面发生熔化,因此可以使用更高的激光功率,更慢的扫描速度,硬化层深度也比单纯的激光淬火工艺要深。但是,激光熔凝淬火工艺将严重改变金属材料的表面粗糙度,因此在一些精度要求高、不允许后续机加工的状态下,该工艺的使用将受到限制。有时候,由于工艺参数选择不当,或者工艺参数存在波动,激光淬火时金属工件表面会发生局部微熔,只需要稍微抛光或者打磨就可以去掉微熔层,因此一般仍然将其归结为激光淬火工艺。如果没有特殊说明,本发明中后文所述的激光淬火都是指金属材料基本不发生熔化或者只发生局部微熔的固态相变硬化工艺。激光淬火 硬化层深度不仅与所采用的激光功率、扫描速度、光斑尺寸等工艺参数有关,而且和金属的 热传导特性、淬透性等参数有关。对于特定的金属材料而言,其奥氏体化温度Ta和熔点温度Tm基本稳定,只是随着整体成分均匀性和显微组织的波动而有所变化。一般而言,激光淬火时金属工件中由于激光工艺参数和热传导过程决定的高于奥氏体化温度Ta的传导深度就对应着激光淬火硬化层的深度。激光淬火硬化层深度不仅与所采用的激光淬火工艺参数有关,还和金属基体的热传导过程特别是材料的热传导系数密切相关,由激光淬火工艺参数和基体的热传导特性共同决定。实际激光淬火加工时,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。现有的激光扫描淬火工艺不管是连续激光淬火还是脉冲激光淬火,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:聊兴企)]式(I)
权利要求
1.一种激光淬火方法,该方法将激光束通过扫描振镜后辐照到工件表面,激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照,使工件表面的激光淬火区域高于工件材料的奥氏体化温度,但始终低于其工件材料的熔点,并利用激光多次重复加热的累积热效应形成激光淬火层,并达到所需硬化层深度;所述加工单元是指在不移动振镜位置和工件位置的情况下,将激光束通过扫描振镜后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域。
2.根据权利要求1所述的激光淬火方法,其特征在于,该方法通过控制激光淬火工艺参数完成激光淬火,激光淬火工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑尺寸、扫描周期和扫描次数等,其中,扫描周期是指设定的激光束对一个加工单元的一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和;扫描次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度进行重复扫描的次数。
3.根据权利要求1所述的激光淬火方法,其特征在于,当需要淬火单元连续填充才能覆盖整个待淬火区域时 ,所述激光淬火工艺参数还包括相对移动速度,它是指光束从一个淬火单元向另一个淬火单元移动的速度。所述激光淬火方法包括重复扫描激光淬火方法和重复扫描式飞行激光淬火方法。
4.根据权利要求1、2或3中任一所述的重复扫描激光淬火方法,其特征在于,该方法包括下述具体步骤: (1)设工件上淬火单元总数为N,当前处理的淬火单元在工件上的序号为j,淬火周期为T,一个淬火单元内所需的扫描次数为Q,实际扫描次数的参量为q ; 淬火周期T是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积;淬火单元是指在一个淬火周期T内激光束在工件表面辐照的加工单元的集合; 令j = I, q = I ;并且在整个激光淬火过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致; (2)经过扫描振镜后的激光束辐照到第j个淬火单元的起始位置,并记录该时间点为七㈧所述激光束对淬火单元中的每一个加工单元进行一次扫描,完成后进入(3); (3)判断q是否等于设定的扫描次数Q,如果是,则第j个淬火单元淬火完毕,即第j个淬火单元中所包含的所有加工单元发生激光相变硬化,并达到所设计的硬化层深度,然后转入步骤⑷;如果否,令q = q+1,设当前时间为t,扫描周期Tb,当t-td = Tb时,转入步骤(2); (4)判断j是否等于N。如果是,则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化,形成激光淬火硬化区域,并达到所设计的硬化层深度,然后转入步骤(5);如果否,令j = j+1,转入步骤(2); (5)结束。
5.根据权利要求1、2或3所述的重复扫描式飞行激光淬火方法,设工件上淬火单元总数为N,当前处理的淬火单元的序号为j,设淬火单元所需的扫描次数为Q,淬火周期为T,实际扫描次数的参量为q ;设定工件与机械运动机构(包括振镜)之间的相对移动速度为V,振镜输出激光束的补偿运动速度为-V ;其中,淬火周期T是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积,淬火单元是指在一个淬火周期T内激光束在工件表面辐照的加工单元的集合;(I)令 j = I,q = I ;(2)激光束经过扫描振镜后辐照到第j个淬火单元的起始位置,并记录此开始时间点为h ;所述激光束按照设计的加工单元和设定的扫描速度对第j个淬火单元内的各加工单元进行单次扫描的同时,还以速度-V进行飞行反向补偿运动,完成后进入(3);在激光扫描过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致; (3)判断q是否等于设定的扫描次数Q,如果是,则第j个淬火单元淬火完毕,即该淬火单元中所包含的所有加工单元发生激光相变硬化,并达到所设计的硬化层深度,然后转入步骤(4);如果否,令q = q+1,设当前时间为t,设定扫描周期为Tb,当t-td = Tb时,转入步骤⑵; 对淬火单元进行一次扫描的时间正好等于一个扫描周期Tb,则激光束立即从最后一个加工单元跳转到第一个加工单元,跳转距离等于公式IV在Tb时刻计算的飞行补偿跳转距离,并开始对淬火单元进行下一次重复扫描飞行激光淬火,如果还没有到达一个扫描周期Tb,则需要等待,当满足t-h = Tb时才开始下一次重复扫描式飞行激光淬火过程; (4)判断j是否等于N,如果是,则所有淬火单元均淬火完毕,即所有淬火单元均发生激光相变硬化,形成激光淬火硬化层,并达到所设计的硬化层深度;然后进入步骤(5),否则,令j = j+1,转入步骤(2); (5)结束。
6.根据权利要求2至5中任一所述的激光淬火方法,其特征在于,当激光功率为300-30000W时,光斑尺寸为0.5-60mm,扫描速度为100-10000mm/s,加工单元尺寸为0.2-60000mm2,扫描次数为2-10000,激光加热时间L为1-lOOOOms,加工间隙时间t2为Ι-lOOOOms,淬火周期 T 为 2-200000ms。
7.根据权利要求2至5所述的激光淬火方法,其特征在于,当激光功率为1000-20000时,光斑尺寸为l_30mm,扫描速度为300-8000mm/s,加工单元尺寸为1-30000mm2,扫描次数为2-5000,激光加热时间&为Ι-lOOOms,加工间隙时间t2为Ι-lOOOms,淬火周期T为2-20000mso
8.根据权利要求2至5所述的激光淬火方法,其特征在于,当激光功率为1500-15000W时,光斑尺寸为2-15mm,扫描速度为300-7000mm/s,加工单元尺寸为10-15000mm2,扫描次数为2-3000,激光加热时间为l_500ms,加工间隙时间t2为l_500ms,淬火周期T为2-10000mso
9.根据权利要求2至5所述的激光淬火方法,其特征在于,当激光功率为2000-10000W时,光斑尺寸为3-10mm,扫描速度为300-5000mm/s,加工单元尺寸为15-10000mm2,扫描次数为2-1000,激光加热时间&为l-300ms,加工间隙时间t2为l-300ms,淬火周期T为2-6000mso
10.一种实现权利要求1所述激光 淬火方法的装置,该装置包括激光器、控制系统、导光系统、机械运动装置和扫描振镜; 激光器通过导光系统与扫描振镜实现光路连接;控制系统与激光器、机械运动装置和扫描振镜为电信号连接,控制其工作,机械运动装置带动扫描振镜或者工件随之运动。
11.一种权利要求10所述的装置,其特征在于,所述扫描振镜采用前置聚焦扫描振镜形式或后置f- Θ型聚焦扫描振镜;所述激光器是光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器、碟片式激光器或者CO2激光器。
全文摘要
本发明公开了一种激光淬火方法及其装置。本发明方法利用扫描振镜的快速跳转将现有激光淬火工艺中单次加热改变为多次甚至高频次重复扫描加热,激光能量输入导致的热传导过程是短加热时间、多次叠加方式注入到工件表面,它使得金属基体吸收的激光能量累积增加,热传导深度也累积增大。装置包括激光器、控制系统、导光系统、机械运动装置和扫描振镜。即使当工艺参数选用较高的激光功率时,由于扫描速度高并有扫描间歇存在,使金属的表面温度始终控制在熔点以下,使得热量能够有效地、不断地从工件表面扩展到工件内部,从而在避免金属表面熔化的前提下,提高工件表面的奥氏体化区域的深度,并显著提高激光淬火效率。
文档编号C21D1/09GK103215411SQ20131004736
公开日2013年7月24日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者曾晓雁, 胡乾午, 郑寅岚, 蒋明, 李重洋, 任昭, 李昆 申请人:武汉新瑞达激光工程有限责任公司, 华中科技大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1