一种多光束激光淬火方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多光束激光淬火方法以及装置，属于激光淬火领域，采用接续递进加热选区激光淬火方式将多个激光束辐照到工件表面，通过多光束的局部摆动，使每个激光束在不同加热位置上对不同淬火单元进行接续式递进加热，在激光淬火过程中，淬火单元按照线性排列的方式连续运动，淬火单元被递进式持续加热，由于热量累积而使温度逐渐升高，并在最后的激光加热位置达到规定的奥氏体相变温度和淬火深度，通过控制激光淬火工艺参数完成激光淬火。本发明专利技术还提供了多光束激光淬火装置。本发明专利技术方法可以大幅度提高激光淬火的生产效率，本发明专利技术的装置结构巧妙，使用灵活，能实现高效率激光淬火。率激光淬火。率激光淬火。

【技术实现步骤摘要】
一种多光束激光淬火方法与装置


[0001]本专利技术属于激光表面强化处理技术，涉及一种多光束激光淬火方法与装置。

技术介绍

[0002]选区激光淬火可以在工件表面形成“软基体+硬化区”的复合结构，使工件具有高耐磨性和高韧性的良好匹配。工件激光淬火的前提条件是保证淬火单元在给定的激光功率下，按照给定的时间完成淬火过程。
[0003]当淬火单元图案和尺寸确定后，对于图案数量极其多，或者尺寸较小的淬火单元，提高生产效率和淬火精准性，是需要考虑的新问题。
[0004]当淬火单元图案和尺寸确定后，为了提高生产效率，要求采用多束激光进行选区激光淬火作业。对于尺寸较小的淬火单元，采用多光束进行选区激光淬火作业时，由于光头尺寸较大，需要在激光加工光结构、排列方式和淬火原理方面进行创新设计，以适应高效率在线生产的要求。
[0005]因此，需要开发一种新型的多光束激光淬火方法与装置，以提高淬火效率和淬火的精确性。

技术实现思路

[0006]为了解决现有选区激光淬火技术生产效率低的问题，本专利技术提供了一种接续递进加热选区激光淬火方法，该方法可以大幅度提高激光淬火的生产效率；本专利技术还提供了实现该方法的装置，装置结构巧妙，使用灵活，能实现高效率激光淬火。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种多光束激光淬火方法，采用接续递进加热选区激光淬火方式将多个激光束辐照到工件表面，通过多光束的局部摆动，使每个激光束在不同加热位置上对不同淬火单元进行接续式递进加热，在激光淬火过程中，淬火单元按照线性排列的方式连续运动，淬火单元被递进式持续加热，由于热量累积而使温度逐渐升高，并在最后的激光加热位置达到规定的奥氏体相变温度和淬火深度，实现淬火，其中，所述淬火单元是指激光束通过激光加工头后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域。
[0008]进一步的，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束数量、激光功率、扫描速度、光斑尺寸、间隔距离、辐照周期和辐照次数，其中，
[0009]间隔距离是指两个相邻淬火单元之间的距离；
[0010]辐照周期是指设定的激光束在相邻两个加热位置之间摆动时一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和；
[0011]辐照次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度需要重复辐照的次数；
[0012]扫描速度是指激光束由于偏转运动导致的在工件表面获得的运动速度。
[0013]进一步的，其包括如下步骤：
[0014](1)定义参数含义和初始条件，具体为，设工件上淬火单元总数为M，当前处理的淬火单元在工件上的序号为g，激光束的数量为K，当前辐照工件的激光束序号为η，激光束的
移动距离为δ，淬火周期为T，一个淬火单元所需辐照的次数为K，实际辐照次数的序数为i，淬火速度为V，淬火速度V是指形成并控制多束激光的激光加工头相对工件的运动速度，激光加工头相对工件的运动方向为X方向，序号为η的激光束在X轴上的初始辐照位置为X0+(η
‑
1)*δ，在X轴上的极限辐照位置为X0+η*δ，其中，第一个激光束在X轴上的初始辐照位置为X0；激光束的移动距离δ在数值上与两个相邻淬火单元之间的间隔距离相等，每个淬火单元在X轴上的直线间隔距离相等；激光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置时一次连续辐照的加热时间为t1，激光束从极限辐照位置快速返回到初始辐照位置时的一次间隙时间为t2，t2远小于t1，辐照周期T
b
是指激光束一次连续辐照加热时间t1与一次间隙时间t2之和；淬火周期T是辐照周期T
b
与辐照次数K的乘积；
[0015]则T
b
＝t1+t2，T＝K*T
b
，V＝δ/T
b
；
[0016]令g＝0，η＝1，i＝η，并且设整个激光淬火过程中每个淬火单元内的能量分布均匀一致；
[0017](2)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行初始淬火模式，记录该时间点为t0，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动，此时，序号大于η的激光束关闭，设当前时间为t，辐照周期T
b
，当t
‑
t0＝T b
时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，进入(3)；
[0018]所述初始淬火模式是辐照光束从1个增加到K个的过程中的递进加热淬火方式，初始淬火模式在η＝K以后结束，并完成对第一个淬火单元的淬火过程；
[0019](3)判断i是否等于设定的辐照次数K，如果是，则第1个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令g＝g+1，然后转入步骤(4)；如果否，令η＝η+1，转入步骤(2)；
[0020](4)经过激光加工头后输出的K个激光束处于各自的初始辐照位置，执行正常淬火模式，并记录该时间点为t0；设当前时间为t，K个激光束开始对应辐照K个淬火单元并随着淬火单元的移动一起移动；当t
‑
t0＝T
b
时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，令g＝g+1，W2＝M
‑
K，则第g个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；
[0021](5)判断g是否等于W2，如果是，则第M
‑
K个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令i＝1，η＝K
‑
i，进入步骤(6)；否则，转入步骤(4)；
[0022](6)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行尾部淬火模式，并记录该时间点为t0；设当前时间为t，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动；此时，序号小于i的激光束关闭；当t
‑
t0＝T
b
时，令P＝M
‑
K+i，则第P个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度；
[0023]所述尾部淬火模式是辐照光束从K个减少到1个的过程中特有的递进加热淬火方式，尾部淬火模式在η＝1以后结束，并完成对第M个淬火单元的淬火过程；
[0024](7)判断g是否等于M，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(8)；如果否，令i＝i+1，g＝g+1，转入步骤(6)；
[0025](8)结束。
[0026]进一步的，多个激光束组成一个激光束组，在一个激光束组中相邻两个激光束的前一个激光束极限辐照位置的中心点与后一个激光束初始辐照位置的中心点相同。
[0027]进一步的，在正常淬火模式下，一次加热的淬火单元数量与一个激光束组中包括的激光束的数量相同。
[0028]按照本专利技术的又一个方面，还提供一种多激光淬火装置，其包括激光器组、控制单元、导光单元、机械运动单元和激光加工头阵列，其中，
[0029]激光器组用于发射出进行激光淬火的激光束，导光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多光束激光淬火方法，其特征在于，采用接续递进加热选区激光淬火方式将多个激光束辐照到工件表面，通过多光束的局部摆动，使每个激光束在不同加热位置上对不同淬火单元进行接续式递进加热，在激光淬火过程中，淬火单元按照线性排列的方式连续运动，淬火单元被递进式持续加热，由于热量累积而使温度逐渐升高，并在最后的激光加热位置达到规定的奥氏体相变温度和淬火深度，实现淬火，其中，所述淬火单元是指激光束通过激光加工头后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域。2.如权利要求1所述的一种多光束激光淬火方法，其特征在于，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束数量、激光功率、扫描速度、光斑尺寸、间隔距离、辐照周期和辐照次数，其中，间隔距离是指两个相邻淬火单元之间的距离；辐照周期是指设定的激光束在相邻两个加热位置之间摆动时一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和；辐照次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度需要重复辐照的次数；扫描速度是指激光束由于偏转运动导致的在工件表面获得的运动速度。3.如权利要求2所述的一种多光束激光淬火方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)定义参数含义和初始条件，具体为，设工件上淬火单元总数为M，当前处理的淬火单元在工件上的序号为g，激光束的数量为K，当前辐照工件的激光束序号为η，激光束的移动距离为δ，淬火周期为T，一个淬火单元所需辐照的次数为K，实际辐照次数的序数为i，淬火速度为V，淬火速度V是指形成并控制多束激光的激光加工头相对工件的运动速度，激光加工头相对工件的运动方向为X方向，序号为η的激光束在X轴上的初始辐照位置为X0+(η
‑
1)*δ，在X轴上的极限辐照位置为X0+η*δ，其中，第一个激光束在X轴上的初始辐照位置为X0；激光束的移动距离δ在数值上与两个相邻淬火单元之间的间隔距离相等，每个淬火单元在X轴上的直线间隔距离相等；激光束从初始辐照位置移动到极限辐照位置时一次连续辐照的加热时间为t1，激光束从极限辐照位置快速返回到初始辐照位置时的一次间隙时间为t2，t2远小于t1，辐照周期T
b
是指激光束一次连续辐照加热时间t1与一次间隙时间t2之和；淬火周期T是辐照周期T
b
与辐照次数K的乘积；则T
b
＝t1+t2，T＝K*T
b
，V＝δ/T
b
；令g＝0，η＝1，i＝η，并且设整个激光淬火过程中每个淬火单元内的能量分布均匀一致；(2)经过激光加工头后输出的η个激光束处于各自的初始辐照位置，执行初始淬火模式，记录该时间点为t0，η个激光束开始对应辐照η个淬火单元并随着淬火单元一起移动，此时，序号大于η的激光束关闭，设当前时间为t，辐照周期T
b
，当t
‑
t0＝T
b
时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，进入(3)；所述初始淬火模式是辐照光束从1个增加到K个的过程中的递进加热淬火方式，初始淬火模式在η＝K以后结束，并完成对第一个淬火单元的淬火过程；(3)判断i是否等于设定的辐照次数K，如果是，则第1个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，令g＝g+1，然后转入步骤(4)；如果否，令η＝η+1，转入步骤(2)；(4)经过激光加工头后输出的K个激光束处于各自的初始辐照位置，执行正常淬火模
式，并记录该时间点为t0；设当前时间为t，K个激光束开始对应辐照K个淬火单元并随着淬火单元的移动一起移动；当t
‑
t0＝T
b
时，所述激光束的移动距离为δ，完成后关闭激光束，令g＝g+1，W2＝M
‑
K，则第g个淬火单元淬火完毕，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；(5)判断g是否等于W2，如果是，则第M
‑
K个淬火单元淬...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡乾午，吴细水，曾晓雁，徐其瑞，王邓志，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司，
类型：发明
国别省市：