【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光热处理领域，具体涉及一种光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法。
技术介绍
1、齿轮作为减速机的核心传动零部件，应具备较高硬度的齿面和强韧性的齿轮心部。目前，常用的齿轮材料在实际生产中需要进行渗碳或渗氮等化学热处理，由于传统的化学热处理生产周期较长且装炉量较大，热处理后的材料常常出现硬化层深度偏薄、表面硬度偏低、产品质量不稳定等问题。因此，减速机制造厂商迫切希望配备一种适用于多规格齿轮激光淬火的方法，以代替传统热处理工艺，助推企业长期稳定的发展。
2、申请号为201910110698.5的专利采用激光淬火和喷丸复合处理，提高了齿根的残余压应力以及齿面的硬度值，从而有效地提高齿轮的服役性能。申请号为202210014405.5的专利采用激光对齿轮齿面进行激光扫描，同时对正在扫描的齿面的背面喷吹不活性冷却气体，经过处理后的齿面硬度达到甚至超过传统热处理的硬度，并获得了良好的机械性能。但是，上述专利在对齿轮进行激光淬火时，往往会因为搭接回火和背面回火问题，在处理层出现周期性的软化区域，导致处理层的硬度一致性较差，也直接影响了激光淬火构件的服役性能与使用寿命。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法。该光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法利用在长度和宽度方向上均可以调控的匀化双光束，对齿轮某一待加工齿的两个齿面进行无搭接、同步激光扫描淬火，彻底消除了齿轮激光淬火过程中所存在的搭接回火软化和背面回火软化效应，实
2、本专利技术是通过如下技术方案实现的：
3、一种光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，包括如下步骤：
4、(1)根据待加工齿轮的参数，确定匀化光斑的长度和宽度，要求匀化光斑长度能够完全覆盖齿轮的齿宽，当齿厚小于等于6mm时，匀化光斑宽度值设置为0.8～3mm；当齿厚大于6mm时，匀化光斑宽度值设置为0.1～0.8mm；
5、(2)将双光束激光热处理加工头安装在机械臂上，使其输出的两个匀化光斑聚焦在某个待加工齿的齿顶两侧；所述匀化光斑的长度和宽度需符合步骤(1)的要求；
6、所述双光束激光热处理加工头包括准直镜、分光镜、反射镜和两个微透镜阵列匀化系统，每个微透镜阵列匀化系统均包括由上至下依次设置的第一微透镜、第二微透镜、第三微透镜、第四微透镜、第一柱面聚焦镜、第二柱面聚焦镜和合束镜，以及与合束镜同轴设置的同轴高温计、用于驱动合束镜偏转的驱动电机和与驱动电机相连的编码器；
7、入射的高斯光束通过准直镜准直成平行光束，平行光束通过分光镜平均分为两束激光；其中一束沿着原方向继续向下传播，另一束通过反射镜的反射向下传播，由此形成两束平行光；之后，两束平行光分别入射至各自的微透镜阵列匀化系统进行长度和宽度方向的匀化整形处理，再经过柱面聚焦镜汇聚在匀化平面上，形成能量均匀分布的匀化光斑，最后通过合束镜聚焦；
8、(3)启动激光淬火处理，利用步骤(2)中获得的具有匀化光斑的双光束，对待加工齿的两个齿面沿垂直于齿宽方向，进行同步激光淬火扫描，并结合温控系统控制双光束辐照区域的表面加热温度保持在奥氏体相变区内；
9、激光淬火扫描的同时通过机械臂控制双光束激光热处理加工头的升降，以及通过驱动电机控制合束镜摆动，以保证在双光束扫描齿面的过程中，两侧的匀化光斑始终聚焦在齿面上；
10、(4)完成一个齿的双光束激光淬火后，对下一个齿面进行处理，重复(2)～(3)的操作步骤，直至完成所有齿的激光淬火处理。
11、优选的，步骤(1)中匀化光斑的长度比齿宽长0.5～2mm。
12、优选的，步骤(3)中利用同轴高温计检测光斑辐照区域内不少于两处位置的实时温度数据，将实时温度数据作为闭环控制的判断依据，制定温度闭环控制下的双光束激光扫描策略；根据两侧齿面测得的温度实时调控激光功率和扫描速度，光斑辐照区域的温度应在奥氏体相变区的某一区间，当表面温度高于该区间时，通过减小激光功率来降低表面温度；在齿厚大于等于20mm时，将扫描速度降低为初速度的70～90％。
13、优选的，步骤(3)中入射激光与加工齿面可调的夹角范围为38～90°。
14、优选的，步骤(3)中双光束激光淬火扫描顺序为沿齿顶到齿根，或者沿齿根到齿顶。
15、优选的，步骤(3)中两个合束镜的角度偏差对称度小于0.1mm，合束镜的偏转角度误差不超过0.1°。
16、优选的，步骤(3)中激光淬火处理前需要对齿面进行预处理，保证处理所得的齿面粗糙度在ra6.3-12.5之间。
17、优选的，步骤(3)中针对共析钢或亚共析钢的齿轮材料，光斑辐照区域的温度应在ac3以上30～140℃，针对过共析钢的齿轮材料，光斑辐照区域的温度应在ac1以上30～180℃。
18、优选的，步骤(3)中同轴高温计的测温精度≤0.5％，测温响应时间≤10ms。
19、本专利技术具有如下有益效果：
20、(1)本专利技术基于微透镜阵列整形匀化原理，并结合微透镜阵列间距的精准调控，获得光斑长度宽度可调的匀化双光束，而且该匀化双光束可以完全覆盖齿轮的齿宽，即光斑沿垂直于齿轮齿宽方向扫描，便可实现整个齿面的全面积激光淬火处理，彻底避免搭接扫描激光淬火处理，从而解决传统激光淬火技术所存在的搭接回火软化问题。
21、(2)本专利技术利用分光镜将准直光分为两路能量近似相等的双光束，两路激光都通过微透镜阵列进行光束整形匀化处理最终，获得两个双向尺寸可调的匀化光斑。一方面，匀化双光束可以对某一齿的两个齿面的对称位置处进行同步辐照，解决了传统齿轮激光淬火工艺所存在的背面回火软化问题；另一方面，本专利技术通过分光技术实现单台激光器的双光束激光淬火，替代了两台激光器协同加工的方法，显著降低了操控难度、设备成本和质量不稳定性。
22、(3)本专利技术在匀化光路后放置一块合束镜，通过改变合束镜的倾斜角度来调控两束激光的入射角度和间距，结合辐照表面温度闭环控制系统以及激光扫描速度的调节，最终实现多尺寸规格齿轮的表面均匀硬化处理。齿轮经过双光束激光淬火处理后，其表面硬度一致性偏差≤2hrc，处理层深度一致性≥95％。
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1.一种光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(1)中匀化光斑的长度比齿宽长0.5～2mm。
3.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中利用同轴高温计(11)检测光斑辐照区域内不少于两处位置的实时温度数据，将实时温度数据作为闭环控制的判断依据，制定温度闭环控制下的双光束激光扫描策略；根据两侧齿面测得的温度实时调控激光功率和扫描速度，光斑辐照区域的温度应在奥氏体相变区的某一区间，当表面温度高于该区间时，通过减小激光功率来降低表面温度；在齿厚大于等于20mm时，将扫描速度降低为初速度的70～90％。
4.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中入射激光与加工齿面可调的夹角范围为38～90°。
5.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中双光束激光淬火扫描顺序为沿齿顶到齿根，或者沿齿根到齿顶。
6.根据权利
7.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中激光淬火处理前需要对齿面进行预处理，保证处理所得的齿面粗糙度在Ra6.3-12.5之间。
8.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中针对共析钢或亚共析钢的齿轮材料，光斑辐照区域的温度应在Ac3以上30～140℃，针对过共析钢的齿轮材料，光斑辐照区域的温度应在Ac1以上30～180℃。
9.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中同轴高温计(11)的测温精度≤0.5％，测温响应时间≤10ms。
...【技术特征摘要】
1.一种光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(1)中匀化光斑的长度比齿宽长0.5～2mm。
3.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中利用同轴高温计(11)检测光斑辐照区域内不少于两处位置的实时温度数据，将实时温度数据作为闭环控制的判断依据，制定温度闭环控制下的双光束激光扫描策略；根据两侧齿面测得的温度实时调控激光功率和扫描速度，光斑辐照区域的温度应在奥氏体相变区的某一区间，当表面温度高于该区间时，通过减小激光功率来降低表面温度；在齿厚大于等于20mm时，将扫描速度降低为初速度的70～90％。
4.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处理方法，其特征在于，步骤(3)中入射激光与加工齿面可调的夹角范围为38～90°。
5.根据权利要求1所述的光斑尺寸可调式双光束激光热处...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈洁，屠飞越，胡勇强，李竞鸽，刘文文，曹宇，郑禹，赵超，杜王静，吴旭浩，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：
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