一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置及方法与流程

本发明涉及表面激光淬火技术领域，尤其涉及一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置及方法。

背景技术：

激光淬火也称为激光相变硬化，是一种应用于金属表面热处理技术。其主要过程就是利用高能量密度的激光辐照具有相变点的铁碳合金表面，金属表面温度急速上升达到相变点以上，产生奥氏体组织，而后通过工件自身热传导快速冷却获得细小马氏体的高硬化层。激光淬火不需要水或油等冷媒冷却，是一种自淬火工艺技术，加工形式灵活、高效，得到的金属表面的硬度、抗磨损、抗疲劳性能都很大程度的改善，并被广泛应用于现代工业领域当中。

但是，在现有激光淬火工艺技术中，当需要淬火的工件表面大于激光光斑或需要进行大面积的淬火时，就需要采用多道扫描的方法对工件表面进行淬火。而在进行多道激光扫描时，相邻的两条硬化带会存在一定程度的搭接，前一道激光硬化带的部分区域会被与其相邻的后一道激光二次加热，已经形成的马氏体组织在被二次加热后转化为硬度较低的回火马氏体，因此，经过多道扫描淬火的工件会存在回火软带，从而造成淬火硬化层的不均匀。对于轴承这种表面硬度要求一致性高的工件，局部软化区域的情况不允许的。同时现有的激光淬火方法大都是利用工件在工作台上的平移或转动来实现淬火的过程，这类方法存在淬火效率低、光斑轨迹变换形式不够灵活多样，对曲面型工件表面适用性不好。且采用的多是激光器直接发射的原始光斑，光斑能量分布中间高边缘低，致使淬火层深不均匀等局限性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明目的在于，提供了一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置及方法，以解决多道扫描淬火的工件存在回火软带，淬火硬化层不均匀，淬火层深不均匀的问题。

(二)技术方案

针对上述所要解决的技术问题，本发明提供了一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置，该装置包括激光器1、光束传输系统2、激光加工头7和机械手臂8，激光器1发出的激光光束依次经过光束传输系统2、激光加工头7到达轴承工件9，机械手臂8控制激光加工头7的平移和旋转，使到达轴承工件9的激光光斑能够覆盖轴承工件9的整个表面，其中：

所述激光加工头7包括第一透镜3、第二透镜4、扫描振镜5和平场聚焦透镜6，激光器1发出的激光光束经过光束传输系统2进入激光加工头7后，在激光加工头7中依次经过第一透镜3和第二透镜4到达扫描振镜5，被扫描振镜5反射改变方向后透过平场聚焦透镜6到达轴承工件9。

其中，所述激光器1是千瓦级连续激光器，其输出功率1～10kW可调。

其中，所述第一透镜3和第二透镜4组成透镜组，对激光光束进行整形，将圆形激光整形成矩形光斑，光斑能量由近高斯分布改为平顶分布。

其中，所述扫描振镜5能够旋转一定角度，并配合机械手臂8控制激光加工头7的平移和旋转，使光斑在轴承工件9表面移动，实现对轴承工件9整个表面的线性来回高速扫描，扫描速度V在1000mm/min～10000mm/min。

其中，所述平场聚焦透镜6用于对激光光束进行聚焦，在轴承工件9表面得到激光聚焦后的矩形光斑；不同焦距的平场聚焦透镜，在轴承工件9表面得到的矩形光斑的宽度不同，矩形光斑的宽度为D，激光扫描搭接间距为H，则H/D的比值与扫描宽度W成反比，H/D的比值选择范围在50％～80％。

针对上述所要解决的技术问题，本发明还提供了一种轴承表面无回火软带的激光淬火方法，应用于所述的激光淬火装置，该方法包括：

机械手臂8将激光加工头7定位于轴承工件9表面焦距处上方；

激光器1发出的激光光束依次经过光束传输系统2、激光加工头7到达轴承工件9，机械手臂8控制激光加工头7的平移和旋转，使到达轴承工件9的激光光斑按预设的方式沿着轴承工件9表面曲面进行扫描；

轴承工件9被激光扫描后的区域自行冷却至常温，完成淬火。

其中，所述机械手臂8将激光加工头7定位于轴承工件9表面焦距处上方以后，还包括：

选择适当焦距的平场聚焦透镜6，以确保矩形光斑激光淬火横向最大的幅面宽度和单次加工范围。

其中，所述到达轴承工件9的激光光斑按预设的方式沿着轴承工件9表面曲面进行扫描，是通过计算机程序控制实现的，其中激光按预设的方式沿着轴承表面曲面完成扫描包括两种方式，当淬火面积在平场聚焦透镜6范围内时，采用激光区域扫描、工件不动的加工方式；当淬火面积超出平场聚焦透镜6范围时，激光做线性来回扫描，工件以一定的相对速度沿与线性扫描垂直的方向运动，工件相对激光加工头7运动速度等于HV/W，H为激光扫描搭接间距，V为光斑在轴承工件9表面线性来回高速扫描的扫描速度，W为扫描宽度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的轴承表面无回火软带的激光淬火装置及方法，能够有效地对轴承表面进行大面积的无回火软带、均匀硬化、宽幅面的淬火，淬火层深可达1～6mm，一次处理幅宽可达100mm，硬度偏差在±5HRC以内，可以实现快速、灵活、高质量的轴承表面淬火处理。

附图说明

图1为本发明提供的一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置示意图；

图2为本发明的一具体实施例的激光线性扫描方式图；

图3为本发明的一具体实施例的激光区域扫描方式图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置示意图，该激光淬火装置包括激光器1、光束传输系统2、激光加工头7和机械手臂8，激光器1发出的激光光束依次经过光束传输系统2、激光加工头7到达轴承工件9，机械手臂8控制激光加工头7的平移和旋转，其中，激光加工头7包括第一透镜3、第二透镜4、扫描振镜5和平场聚焦透镜6，激光器1发出的激光光束经过光束传输系统2进入激光加工头7后，在激光加工头7中依次经过的第一透镜3和第二透镜4到达扫描振镜5，被扫描振镜5反射改变方向后透过平场聚焦透镜6到达轴承工件9。

如图1所示，激光器1为功率1～8kW可调的连续激光器，由激光器1发射的激光，经过光束传输系统2，入射到第一透镜3上，经第一透镜3出射的光束入射到第二透镜4上，经过第二透镜4出射的光束入射到扫描振镜5上，经过扫描振镜5反射的光束入射到平场聚焦透镜6上，经过平场聚焦透镜6聚焦后的光束辐照在轴承工件9表面上实现矩形光斑激光淬火。其中，第一透镜3与第二透镜4将近高斯分布的圆形激光光斑整形匀化为平顶分布的矩形光斑，通过调节扫描振镜5来控制激光加工运动，调节扫描振镜5的扫描频率与幅度来调节激光的线性扫描速度和扫描线宽，以控制矩形光斑激光淬火区域的幅面宽。第一透镜3，第二透镜4，扫描振镜5，和平场聚焦透镜6都包含在激光加工头7内。机械手臂8与激光加工头7相连接，通过机械手臂8来控制激光加工头7的平移和旋转，从而控制激光光束的灵活移动并作用在待淬火的工件表面。矩形光斑线阵列10为矩形光斑快速扫描后形成的视觉上的线光斑。

本发明的另一方面提供一种轴承表面无回火软带的激光淬火方法，通过上述轴承表面无回火软带的激光淬火装置来实现，具体地包括如下步骤：

S1：机械手臂8将激光加工头7定位于轴承工件9表面焦距处上方。

其中，所述机械手臂8将激光加工头7定位于轴承工件9表面焦距处上方以后，还包括：

选择适当焦距的平场聚焦透镜6，以确保矩形光斑激光淬火横向最大的幅面宽度和单次加工范围。

S2：激光器1发出的激光光束依次经过光束传输系统2、激光加工头7到达轴承工件9，机械手臂8控制激光加工头7的平移和旋转，使到达轴承工件9的激光光斑按预设的方式沿着轴承工件9表面曲面进行扫描。

其中，所述到达轴承工件9的激光光斑按预设的方式沿着轴承工件9表面曲面进行扫描，是通过计算机程序控制实现的，其中激光按预设的方式沿着轴承表面曲面完成扫描包括两种方式，当淬火面积在平场聚焦透镜6范围内时，采用激光区域扫描、工件不动的加工方式；当淬火面积超出平场聚焦透镜6范围时，激光做线性来回扫描，工件以一定的相对速度沿与线性扫描垂直的方向运动，工件相对激光加工头7运动速度等于HV/W，H为激光扫描搭接间距，V为光斑在轴承工件9表面线性来回高速扫描的扫描速度，W为扫描宽度。

其中，激光的功率是决定矩形光斑激光淬火硬化层深度的一关键因素。激光的功率过高，会导致热量过多引起工件表面熔化，而激光功率过低，工件达不到相变点以上温度，工件淬火失败。本发明中激光功率范围在1000W～10000W。

图2为本发明的一具体实施例的激光线性扫描方式图，其中，当淬火面积在平场聚焦透镜6范围内时，激光在扫描振镜5控制下沿某方向线性扫描，同时，设定程序使得机械手臂沿着线性光斑扫描的垂直方向以一定的速度HV/W移动，形成“之”字形扫描线，其中，H为激光扫描搭接间距，V为扫描速度，W为扫描宽度，扫面速度是决定激光淬火效果的一关键因素，扫描速度过低，第二道激光淬火与前道激光淬火区域的时间差超出马氏体相变临界时间期限，软带出现；扫描速度过高，淬火深度变小，不能达到理想的矩形光斑激光淬火效果。通过调节扫描振镜5的扫描频率和幅度值，以确定线性扫描速度V以及激光扫描搭接间距H。在本方法中，选用较高的扫描速度1000mm/min～10000mm/min，因为在合适的激光扫描速度下，当前一道激光扫描后，相邻的后一道激光扫描会快速跟上，这样，两道相邻的扫描带之间的搭接区域在经过前一道激光扫描后没来得及冷却就会被后一道激光再次扫描。

同时为确保淬火层的深度均匀性和加工效率，在多道搭接选择恰当的两道之间的搭接率，本发明中激光扫描搭接间距H与矩形激光宽度D的比值，选取H/D值在50％～80％之间。

图3为本发明的一具体实施例的激光区域扫描方式图，其中，激光区域扫描，工件不动。此时，线性扫描速度V，激光扫描搭接间距H，矩形激光宽度D。设定程序使得机械手臂以一定的速度V移动。在本方法中，同样地，选用较高的扫描速度1000mm/min～10000mm/min，并且，同样地，选取H/D值在50％～80％之间。

利用大功率连续激光，将其光斑整形成平顶分布的矩形光斑，通过扫描振镜系统实现聚焦后高速线性排列扫描，并通过机械手臂控制激光头的移动，实现对轴承表面大面积的激光淬火。采用矩形光斑快速扫描的方式，矩形光斑的方法可以保证注入材料的能量密度均匀性，从而可以保证硬化深度均匀性。通过控制光斑在材料表面轴线方向上快速扫描，形成激光光斑宽度远大于激光光源的线光斑视觉效果，其宽度刚好可以覆盖零件淬火宽度，之后在径向偏移一定的距离H，重复上述扫描路径，从而可以实现对整个工件材料表面的深度硬化。由于这种扫描的激光淬火方法扫描速度极快，在对工件进行第二道淬火扫描时，其扫描速度超过前道马氏体相变临界冷却速度，即扫描时第一道材料的组织仍处于奥氏体形态，在进行第三道扫描时，其热影响区温度已经不足以影响第一道组织的相变，这样就避免了回火马氏体组织的形成，通过这种由点到线再到面的矩形光斑激光淬火方法很好的解决了搭接造成的回火现象。

S3：轴承工件9被激光扫描后的区域自行冷却至常温，完成淬火。

冷却之后的工件便形成马氏体组织，如此，便可避免回火软带的产生，得到硬度均匀的淬火层。

激光的功率，激光的扫描速度，光束的聚焦大小、搭接率等都是决定矩形光斑激光淬火效果的关键因素。根据轴承工件实际情况，综合以上因素选择适当的激光功率，线性扫描速度、线宽、扫描方式与搭接率等参数，对轴承内表面曲面进行激光淬火，避免了传统搭接方法出现的回火软带的出现，淬火硬化层深度可达1～6mm，一次性处理幅宽可达100mm，可实现轴承表面大面积的无软带、超硬化层深、宽幅面的激光淬火效果。

应当说明的是，上述实施例只是本发明的一种具体实施方式，本领域技术研究人员可以对其中相关器件的类型、结构、大小、数量进行修改或替换，本方法可以实现轴承表面曲面的矩形光斑激光淬火，亦可以应用于其他工件表面曲面、平面的激光淬火。但均为本发明所涉及采用的方式，从而实现轴承表面激光淬火。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。