[發(fā)明專利]一種多次輻照激光淬火方法及裝置

有效

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• 申請日: 2013-05-20
• 公開（公告）號: CN103290176A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發(fā)明（設計）人: 曾曉雁;胡乾午;鄭寅嵐;蔣明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發(fā)明屬于激光表面強化處理技術，涉及一種多次輻照激光淬火方法及裝置。

背景技術

激光淬火技術具有冷卻速度快，不需要水或油等冷卻介質的特點，因此該工藝屬于自冷淬火工藝過程。

激光淬火硬化層深度與金屬的熱傳導特性、淬透性等參數有關，也與所采用的激光功率、輻照周期、掃描速度、光斑尺寸等工藝參數有關。對于特定的金屬材料而言，其奧氏體化溫度T_a和熔點溫度T_m基本穩(wěn)定，只是隨著整體成分均勻性和顯微組織的波動而有所變化。一般而言，激光淬火時金屬工件中由于激光工藝參數和熱傳導過程決定的高于奧氏體化溫度T_a的傳導深度就對應著激光淬火硬化層的深度。通常，激光加熱時間越長，或者所注入能量密度越高，或金屬材料對激光束的吸收率越高，或金屬材料的熱擴散系數越大，則金屬內部溫度越高，能夠達到奧氏體化溫度的表面區(qū)間越深，相應的激光淬火硬化層深度越大；當所需要淬火的材料確定后，激光硬化層深度與激光功率大小、光斑尺寸、功率密度及作用時間長短密切相關。

近年來，選區(qū)陣列式激光淬火工藝得到越來越廣泛的應用。與一般的激光淬火工藝要求對金屬工件的整個表面進行硬化處理不同，選區(qū)激光淬火工藝是根據工件性能要求，采用激光束對材料表面局部進行選擇性硬化處理，即硬化區(qū)域不是覆蓋整個硬化層，而是形成軟、硬相間的復合硬化層，或者硬化陣列。這種方式能使金屬材料表面兼有良好的耐磨性和強韌性。當前，實現選區(qū)陣列式激光淬火硬化工藝的方法很多，如采用多軸聯動控制激光束或者工件的運動方式逐步輻照完成，或者采用脈沖激光輸出與控制機床運動軌跡相結合的方式來實現。其中，脈沖激光淬火方式可以利用開關電源的關斷作用直接輸出脈沖激光，也可以利用斬光盤將連續(xù)激光束改變?yōu)槊}沖方式，后一種方式對激光淬火機床的控制系統(tǒng)精度要求較高。此外，選區(qū)陣列式激光淬火強化還可以采用連續(xù)激光通過掩模進行掃描，此時只有透過激光的部位能使金屬工件受熱淬火，而被掩模遮擋住的部位則無淬火效應，其特點是工藝簡單，不需要復雜的控制系統(tǒng)和編程過程，但是加工效率相對較低。必須指出，無論哪一種方式，現有激光淬火方式都是采用激光束單次輻照淬火方式進行的。

由于激光淬火工藝方法要求工件表面基本不發(fā)生熔化，而機床的運動速度一般較低，因此采用現有的激光束單次輻照加熱方式，無論是激光連續(xù)加熱淬火還是脈沖激光加熱淬火方式，所使用的激光功率和功率密度都不能太高，激光淬火速度也必須控制在較低的范圍內。加上金屬材料熱傳導特性和淬透性的限制，因此激光淬火硬化層深度相對較淺(一般低于1mm)，激光淬火生產效率無法有效提高。

因此，能否開發(fā)出新型的激光表面淬火技術與方法，大幅度提高選區(qū)陣列式激光淬火方法的速度和生產效率，成為該技術能否進一步擴大工業(yè)應用的關鍵技術難題之一。

發(fā)明內容

為了解決現有激光淬火技術生產效率較低和硬化層深度較淺的難題，本發(fā)明提供了一種多次輻照激光淬火方法，該方法可以大幅度提高激光淬火的生產效率和硬化層深度；本發(fā)明還提供了實現該方法的裝置。

本發(fā)明提供的一種激光淬火方法，該方法將激光束通過激光加工頭后輻照到工件表面，激光加工頭輸出的每個激光束對應工件上的一個加工單元，每個激光束對相應的加工單元進行間歇式多次輻照，使工件表面的激光淬火區(qū)域高于工件材料的奧氏體化溫度，但始終低于其工件材料的熔點，并利用激光多次重復加熱的累積熱效應形成激光淬火層，并達到所需硬化層深度；所述加工單元是指在不移動激光加工頭位置和工件位置的情況下，將激光束通過激光加工頭后輻照到工件表面并一次連續(xù)作用于工件表面的區(qū)域。

作為上述技術方法的改進，該方法通過控制激光淬火工藝參數完成激光淬火，激光淬火工藝參數包括激光功率、光斑尺寸、輻照周期和輻照次數等，其中，輻照周期是指設定的激光束對一個加工單元的一次連續(xù)輻照加熱時間與一次間隙時間之和；輻照次數是指使一個加工單元達到所需硬化層深度進行多次輻照的次數。

作為上述技術方法的進一步改進，當需要淬火單元連續(xù)填充才能覆蓋整個待淬火區(qū)域時，所述激光淬火工藝參數還包括相對移動速度，它是指光束從一個淬火單元向另一個淬火單元移動的速度；當采用激光束非定點輻照的方式進行激光淬火時，所述激光淬火工藝參數還包含掃描速度，掃描速度是指激光束由于掃描轉鏡轉動導致的在工件表面獲得的運動速度。

作為上述技術方法的更進一步改進，其特征在于，該方法包括下述具體步驟：