提升汽车钢板强度的激光淬火工艺的制作方法

本发明涉及淬火工艺，尤其涉及一种提升汽车钢板强度的激光淬火工艺。

背景技术：

激光淬火是激光加工领域中的重要组成部分，它是以高能量激光束迅速扫描工件，在其表面极薄的一层小区域内快速吸收能量而使温度上升，达到相变温度，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，使工件表面相变硬化。激光淬火较常规淬火具有加工速度快、工艺周期短、生产效率高、无需淬火介质等特点。

激光淬火技术与传统的表面淬火技术相比，得到的硬化层组织较细，硬度高于常规淬火的硬度。激光淬火得到的马氏体是由针状马氏体和板条状马氏体混合组成的，位错密度比传统的表面淬火要高，位错强化作用也会增强。

中国专利公告号：cn205528896u公开的一种板类工件激光淬火装置中提到了对于板类加工的装置，从该装置的介绍中得知，其改进之处是：利用冷却气体管道，在板类工件安装平台上方对待淬火板类工件进行吹气。实践证明，冷却效果差，且风冷对于激光器的功率提高有限制，从而影响了对不同钢板和不同厚度的淬火效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：设计一种能够对不同厚度钢板进行高效淬火，实现钢板激光淬火后得到局部完全马氏体组织的一种提升汽车钢板强度的激光淬火工艺。

本发明的工艺包括以下步骤：

（1)将钢板放置于水槽支架上，使钢板下表面与冷却水面接触，并使钢板维持在水平面以上的厚度为钢板总厚度的50%至70%，冷却水的冷却速度≥30℃/s；

（2)氧化碳激光加工器加工功率：设置为(钢板厚度/1.6mm)*1200w；

（3)扫描振镜与钢板表面距离：130mm，激光辐照方向：垂直于钢板；

（4)扫描振镜采用水平扫描一次行程，扫描速度：200mm/min，激光扫描宽度：0到15mm；

所述的钢板的四周边缘被夹持装置或磁铁吸附装置固定。

所述的水槽中有喷水头，喷涌出的冷却水流正对于扫描振镜行走路径所在的钢板下表面。

本发明有益效果：

工艺整体上采用钢板下表面与水面接触的高效水冷的方式，充分利用钢板热传导特性，提高淬火效果，只需要扫描1次，从而可以提高激光加工器加工效率，实现对钢板局部激光淬火得到马氏体组织的有效性，兼顾激光能耗和淬火效果。

附图说明

附图1：本发明的淬透深度为0.4mm的硬度测试结果曲线。

附图2：本发明完全淬透的硬度测试结果曲线。

附图3：激光淬火前后单向拉伸应力-应变曲线对比图（单位gpa，延伸率x100%）。

具体实施方式

以淬火对象：汽车钢板之一的冷轧硼钢板母材（22mnb5），厚度在0.8-2.5mm之间选取1.6mm的钢板，抗拉强度为490mpa左右，硬度为180-200hv（维氏硬度）。

①将钢板水平放置于水槽支架上，将冷却水注入冷却水槽中，使钢板下表面与水面接触，并使维持在水平面以上的厚度为钢板总厚度的50%至70%；

②设置二氧化碳激光加工器加工功率：设置为(钢板厚度/1.6mm)*1200w，扫描振镜扫描速度：200mm/min，激光扫描宽度：0到15mm；

③扫描振镜行走路径采用水平行走，冷却水的冷却速度≥30℃/s，激光扫描次数：1次，振镜与工件表面距离：130mm，激光辐照方向：垂直于钢板。

钢板上表面进行激光淬火，下表面时刻与冷却水部保持相接触，确保淬火热量快速传导扩散，控制激光加工器根据指定路径对钢板上表面进行选择性激光淬火来实现母材强度提升目的，淬火后可在钢板局部获得完全马氏体组织，对线切割获得标准拉伸试件进行单向拉伸试验，制作金相试块进行维氏硬度测试可知，如图1淬透深度仅为0.4mm的硬度测试结果中，被激光淬透的部分硬度可达到530hv左右，没有淬透的部分依旧是钢板原有的硬度。

图2所示：完全淬透后的钢板抗拉强度可提高至原始母材铁素体组织的3倍甚至以上（1500-1650mpa左右），硬度可达到500-530hv（维氏硬度）。此外，图3的拉伸试验曲线对比进一步表明，利用本实验方法，激光淬火后钢板单向拉伸应力-应变曲线明显比激光淬火前的母材更好。

实验证明，在激光淬火中，若加热量充足的情况，并且钢板冷却速度达到30甚至40℃/s以上才能得到完全马氏体组织，而空冷速度较低，只有10℃/s，无法获得马氏体组织，只能获得贝氏体组织。

为了在水冷效果下提高激光功率，但又要保证钢板不会局部加热导致热形变，所以最好使钢板的四周边缘被夹持装置固定。夹持装置可以是常见的长条金属块通过螺丝螺母拧固后上下咬合式结构。

冷却速度：试验表明常温下冷却水的冷却速度≥30℃/s，冷却速度只有大于该值，激光加热后硼钢板发生相变才能获得马氏体组织，冷却速度越快越好。因此水槽中设有喷水头，涌出的冷却水流正对于扫描振镜行走路径所在的钢板下表面。试验测得室温23℃时，使高温状态下的钢板从900℃降低至150℃时水的平均冷却速度为75℃/s，某一时刻的冷却速度峰值甚至可达为180℃/s。下表1进一步将本发明方法中单侧水冷与扫描速度200mm/min相配合下的激光淬火效果与现有技术对比，说明其进步性。

当应用本发明方法针对一些厚度较大的钢板进行激光淬火时，方法中让钢板维持在水平面以上的厚度为钢板总厚度的50%至70%变得尤为重要，当使用公式(钢板厚度/1.6mm)*1200w计算得到二氧化碳激光加工器加工功率为3000w以上时，对应厚度的钢板被激光淬火后所得到的马氏体组织深度到达临界值，若浸入冷却水中的厚度没有达到30%至50%，则会出现钢板上下表面淬火程度不一致无法获得完全马氏体组织的负面情况，若钢板满足浸入深度，则实验表明实际马氏体组织会比原本的深度临界值多5%到15%。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的基本工艺，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：

技术总结
一种提升汽车钢板强度的激光淬火工艺，将钢板水平放置于水槽支架上，使钢板下表面与水面接触，并维持在水平面以上的厚度为钢板总厚度的50%至70%；设置二氧化碳激光加工器加工功率为(钢板厚度/1.6mm)*1200W，扫描振镜扫描速度：200mm/min，激光扫描宽度：0到15mm；扫描振镜行走路径采用水平行走，冷却水的冷却速度≥30℃/s，激光扫描次数：1次，扫描振镜与加工工件间距：130mm，激光辐照方向：垂直于钢板。该方法能够对不同厚度钢板进行高效淬火，实现钢板激光淬火后得到完全马氏体组织或一定深度的马氏体组织，兼顾激光能耗和淬火效果。

技术研发人员：郑玉卿;朱西产;马志雄
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2017.05.25
技术公布日：2017.10.13