[發明專利]一種基于水導激光的金屬表面淬火系統及方法

在審

• 申請號: 202011625046.4
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112831629A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 龍芋宏;黃平;周遼;焦輝;黃宇星;梁恩;張光輝;張振杰
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 黃瑋

本發明提供一種基于水導激光的金屬表面淬火系統及方法，包括激光器、光路系統、激光耦合裝置，所述光路系統、激光耦合裝置沿激光的傳輸方向依次同軸設置；還包括工作臺單元和高壓供液系統，所述工作臺單元包括可X/Y/Z向移動的工作臺，安裝于工作臺上可放置工件的水槽；所述高壓供液系統的進水端連接至水槽，出水端連接至耦合腔輸出無級調壓高壓水流。本發明提出一種基于水導激光的金屬表面淬火系統及方法，可形成穩定反流型縮流激光水束，獲得較長的水束穩定段，能減小水束工作距離對工件位置的限制，可更好地實現復雜曲面工件表面淬火。

技術領域

本發明涉及金屬表面淬火技術領域，具體涉及一種基于水導激光的金屬表面淬火系統及方法。

背景技術

水導激光加工是利用微細水射流引導激光束對材料進行加工的先進加工技術，基于激光在水和空氣兩相介質中發生全反射的原理，將耦合了高能激光的水束光纖引導到加工表面，激光灼燒工件表面，同時水束快速冷卻加工表面和沖刷加工殘渣，減少熱應力產生的不良影響。

淬火是將鋼溫度升高到臨界溫度Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上溫度，保溫一段時間，使之全部奧氏體化，然后以較快的冷卻速度冷卻，使奧氏體含碳量降低到Ms以下得到馬氏體的熱處理工藝。

激光淬火是利用高能的激光光束輻射到金屬表面，使金屬快速升溫到相變點以上，由于金屬自身內部的熱傳導作用，表層溫度快速向低溫基體散發，得到馬氏體的熱處理工藝。激光淬火工藝將水導激光加工有效應用于淬火工藝，激光淬火與傳統的淬火工藝相比，得到的馬氏體更小更緊密。且激光淬火不需對整個工件加熱，工藝過程中能耗少，引起的熱變形小，更適合于精密零件加工。

現有激光淬火裝置，由于透鏡的聚焦影響，工件需要調整到合適的光斑直徑范圍，垂直方向的工作距離短；在熱處理復雜的曲面時，激光光斑在工件表面能量分布不均勻，導致淬火后曲面的強度不均勻，影響工件的品質和穩定性。

發明內容

本發明提出一種基于水導激光的金屬表面淬火系統及方法，可形成穩定反流型縮流激光水束，獲得較長的水束穩定段，能減小水束工作距離對工件位置的限制，可更好地實現復雜曲面工件表面淬火。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案解決上述問題：

一種基于水導激光的金屬表面淬火系統，包括激光器、光路系統、激光耦合裝置，所述光路系統、激光耦合裝置沿激光的傳輸方向依次同軸設置；所述光路系統包括上下放置擴束鏡組和聚焦凸透鏡，擴束鏡組包括上部的凹透鏡和下部的凸透鏡，各透鏡通過三軸旋轉鏡架定位；所述激光耦合裝置包括耦合腔，以及分別設于耦合腔上下兩端的光學窗口、噴嘴，光學窗口與噴嘴上下對應；還包括工作臺單元和高壓供液系統，所述工作臺單元包括可X/Y/Z向移動的工作臺，安裝于工作臺上可放置工件的水槽；所述高壓供液系統的進水端連接至水槽，出水端連接至耦合腔輸出無級調壓高壓水流。

上述方案中，激光進入光路系統，由凹透鏡、凸透鏡組成的擴束鏡組擴束后，由聚焦凸透鏡聚焦，聚焦形成的小光斑穿過耦合腔內的薄液層后耦合到水束中，對工件進行淬火加工。采用擴束鏡組、聚焦凸透鏡構成的聚焦光路，光斑直徑小，便于激光在水束中全反射實現耦合。且系統配置高壓供液系統，高壓供液系統可使耦合腔體內形成穩定的薄水層，并形成穩定反流型縮流水束。水束與激光耦合后形成的穩定反流型縮流激光水束，具有較長的水束穩定段，具有較長的工作距離，能減小水束工作距離對工件位置的限制。

為實現穩定的高壓供液，所述高壓供液系統包括由水箱、吸水泵、蓄能器I、壓力計、流量計，壓力計依次連接構成的主供液回路，所屬主供液回路的出水管路連接至耦合腔輸出穩定的高壓水流，進水管路連接至水槽；所述壓力計的出水口與水箱之間設置溢流閥構成調壓回路。

進一步的，所述吸水泵與蓄能器I之間并聯設有增壓回路，所述增壓回路包括依次設置的葉片泵、蓄能器II、電磁換向閥、雙作用增壓缸，葉片泵的進水端、電磁換向閥的回水端連接至水箱。