一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法技术

本发明专利技术提供了一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法，包括：根据工件模型，规划热处理强化区域，设计强化单元；调控混合光斑的尺寸，使得混合光斑能够覆盖一个完整的强化单元；划分强化单元组；采用双光束激光依次扫描强化单元组中的所有强化单元，依据实时温度数据实时调节双光束激光器参数，完成该强化单元组的控制加热阶段；再通过双光束激光的多次辐照来闭环调节该强化单元组中所有强化单元的冷却速度，完成该强化单元组的可控相变阶段；之后遍历所有强化单元组，即完成整个工件的热处理。本发明专利技术在保证大深度强化层和硬相

【技术实现步骤摘要】
一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法


[0001]本专利技术属于金属材料表面强韧化领域，特别涉及一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法。

技术介绍

[0002]近年来中国铁路的飞速发展，积极推动了区域经济的高质量发展，并引领沿线产业的转型升级。随着我国铁路大提速和主干线建设项目的启动，运输速度和运输强度的大幅度提高，轮轨摩擦副的运行条件越来越恶劣，造成钢轨的损伤越来越严重。为此，世界主要国家正在积极开展钢轨用新型金属材料的研发工作。考虑到新材料从研发到应用需要漫长的时间，而且更换钢轨将带来巨额的开销，因此，采用表面强韧化技术去提高现用钢轨的使用寿命是最经济可行的方案。
[0003]申请号为200710012480.3的中国专利技术专利提出了一种铁路高速重轨激光淬火硬化工艺，即利用宽带积分镜技术将圆形光斑转变成矩形光斑，通过矩形激光束沿钢轨表面的扫描，获得深度为0.5～1mm的强化层，以提高钢轨的表面硬度、耐磨损性能和服役寿命。但是，这种钢轨表面激光全面积淬火由于表层区域的全马氏体组织，引起疲劳裂纹扩展速率增大，给铁路运行带来一定的安全隐患。为此，申请号为201110034682.4的专利提出了一种用于钢轨表面强化处理的在线激光淬火工艺，即利用脉冲半导体激光器在钢轨表面选区扫描，获得呈网格状分布、组织为马氏体的激光淬火点，从而实现软相与影响的复合，使钢轨具有良好的强韧性，显著提高钢轨的使用寿命。但是，无论是钢轨表面激光全面积淬火，还是激光选区淬火，均存在强化层比较薄的问题。为了解决这一难题，申请号为201910469216.5的专利提出了基于激光
‑
感应热源的钢轨表面功能梯度强化层制备方法，即利用感应
‑
激光复合淬火工艺大幅度提高强化层的深度。但是，感应
‑
激光复合淬火工艺由于感应加热工艺的局限性，常常会存在温控精度低、广泛适用性差、热变形严重、热源指向性差等问题。与此同时，申请号为201310187715.8的专利提出多次激光辐照加热方法来提高强化层深度，即激光能量输入导致的热传导过程是短加热时间、多次叠加方式注入到工件表面，使得金属基体吸收的激光能量累积增加、热传导深度增大。但是，上述专利均未涉及强化层的宏观形貌和微观组织的调控，即未解决强化层中心
‑
边缘深度差较大、强化层为高硬度全马氏体组织且无法调控的问题。
[0004]因此，一种兼具硬相
‑
软相复合、大深度强化层、强化层组织可调控、强化层中心
‑
边缘深度差较小特点的钢轨表面强化方法还未见报道，也是当前钢轨服役寿命和性能提升所亟需的关键技术。

技术实现思路

[0005]基于上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法；该方法在保证大深度强化层和硬相
‑
软相复合的前提下，能够解决钢轨和道岔组件在激光强化过程中强化层组织不可控、强化层中心
‑
边缘深度差较大的问题。
[0006]为了达到以上目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法，包括如下步骤：
[0008](1)根据工件模型，规划工件上的热处理强化区域，并设计强化单元；所述强化单元在热处理强化区域内以阵列形式排布；
[0009](4)调控混合光斑的尺寸，使得混合光斑能够覆盖一个完整的强化单元；所述混合光斑为双光束激光器输出的包含有中芯光束与外环光束的混合光束在工件上的辐照光斑；
[0010](5)将所有强化单元划分为若干个强化单元组，每个强化单元组内包含有N个强化单元，要求N大于等于1；
[0011](4)采用双光束激光依次扫描某个强化单元组中的所有强化单元，实时测量工件表面混合光斑辐照区域温度场，并依据实时温度数据实时调节双光束激光器参数，使得工件表面温度始终在预设的温度范围内波动，直至达到预设的加热时间，即完成该强化单元组的控制加热阶段；
[0012](5)针对已完成控制加热阶段的强化单元组，根据强化层的组织要求，通过双光束激光的多次辐照来闭环调节该强化单元组中所有强化单元的冷却速度，使得该强化单元组按照预设的温度
‑
时间冷却曲线实现相结构转变，即完成该强化单元组的可控相变阶段；
[0013](6)按照步骤(4)～(5)的方法，遍历所有的强化单元组，即完成整个工件的热处理。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0015](1)本专利技术利用双光束调制扫描的温控激光热处理方法实施强化单元的控制加热和控制冷却，实现对强化层微观组织的可控加工。在强化单元的加热和冷却过程中，同轴高温计将实时监测激光辐照区域的表面温度，混合光斑将根据高温计的测试结果实时调整激光功率、脉冲频率和脉宽，促使强化层获得理想的加热温度、保温时间和冷却路径，从而调控强化层中不同相的含量，而且可以获得大深度的强化层。
[0016](2)本专利技术所采用的双光束激光器，其中芯光斑和外环光斑的激光功率、脉冲频率和脉宽等参数是可以单独调控的，利用基于同轴高温计的温度闭环调控系统，在保证中芯光束与外环光束的辐照区域实时温度趋于一致的基础之上，通过延长外环光束的出光时间，可以解决传统强化层中心
‑
边缘深度差较大的难题。
[0017](3)本专利技术通过混合光斑的自适应尺寸调整与振镜的高速跳转，可以将钢轨和道岔组件的激光淬火强化速度由之前的2米/小时提高至10米/小时。一方面，本专利技术基于微透镜阵列光束整形机理，开发出混合光斑实时双向尺寸调控系统，保证混合光斑可以基于强化阵列的特征分布自动匹配合适的光斑尺寸，以适用于任意尺寸规格钢轨和道岔的激光选区淬火。另一方面，在某一强化单元的激光辐照间隙，利用振镜的高速跳转可以实现多个强化单元的同步加工。
附图说明
[0018]图1为双光束调制扫描的温控激光热处理过程的结构示意图；
[0019]图2为实施例1中强化单元排布形式的示意图；
[0020]图3为实施例2中强化单元排布形式的示意图；
[0021]图4为实施例3中强化单元排布形式的示意图。
具体实施方式
[0022]下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。
[0023]如图1所示，本专利技术提供了一种双光束调制扫描的温控激光热处理加工头，包含准直镜1、微透镜阵列、合束镜8、高温计9、振镜10和CCD工业智能相机11，所述微透镜阵列包括第一微透镜2、第二微透镜3、第三微透镜4、第四微透镜5、第一聚焦镜6和第二聚焦镜7。
[0024]第一微透镜2、第二微透镜3与第一聚焦镜6光轴相互平行，拥有相同的汇聚方向，三者构成光斑长度方向的成像型微透镜阵列匀化系统，通过调控第一微透镜2与第二微透镜3之间的距离，可以实现光斑长度方向上的尺寸变化。同理，第三微透镜4和第四微透镜5与第二聚焦镜7光轴相互平行，也拥有相同的汇聚方向，三者构成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双光束调制扫描的温控激光热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据工件模型，规划工件上的热处理强化区域，并设计强化单元；所述强化单元在热处理强化区域内以阵列形式排布；(2)调控混合光斑的尺寸，使得混合光斑能够覆盖一个完整的强化单元；所述混合光斑为双光束激光器输出的包含有中芯光束与外环光束的混合光束在工件上的辐照光斑；(3)将所有强化单元划分为若干个强化单元组，每个强化单元组内包含有N个强化单元，要求N大于等于1；(4)采用双光束激光依次扫描某个强化单元组中的所有强化单元，实时测量工件表面混合光斑辐照区域温度场，并依据实时温度数据实时调节双光束激光器参数，使得工件表面温度始终在预设的温度范围内波动，直至达到预设的加热时间，即完成该强化单元组的控制加热阶段；(5)针对已完成控制加热阶段的强化单元组，根据强化层的组织要求，通过双光束激光的多次辐照来闭环调节该强化单元组中所有强化单元的冷却速度，使得该强化单元组按照预设的温度
‑
时间冷却曲线实现相结构转变，即完成该强化单元组的可控相变阶段；(6)按照步骤(4)～(5)的方法，遍历所有的强化单元组，即完成整个工件的热处理。2.根据权利要求1所述的双光束调制扫描的温控激光热处理方法，其特征在于，所述工件模型为已有的待热处理工件设计模型或实际获取的待热处理工件实物模型。3.根据权利要求1所述的双光束调制扫描的温控激光热处理方法，其特征在于，所述强化单元的特征包括图形形状、图形尺寸和排布方式。4.根据权利要求1所述的双光束调制扫描的温控激光热处理方法，其特征在于，步骤(2)中混合光斑为双向尺寸可调的矩形...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洁，屠飞越，曹宇，刘文文，朱德华，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：