[发明专利]激光表面淬火淬硬层深度均匀性控制方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种材料表面处理技术领域的方法及其装置，具体是一种激光表面淬火淬硬层深度均匀性控制方法及其装置。

背景技术

激光表面淬火是利用激光束快速加热钢铁材料表面，使其温度超过相变点以上达到奥氏体状态，当激光束移走后材料表面快速冷却从而形成马氏体淬硬层的表面热处理过程。激光表面淬火时，激光束发散角很小、指向性好，能够通过导光系统对材料表面进行精确的局部淬火；激光加热速度快，又是瞬间局部加热淬火，热影响区小，工件变形很小；快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺。与感应淬火、火焰淬火等其它表面淬火工艺相比，激光表面淬火淬硬层均匀、硬度高、工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，特别适合高精度要求的零件表面处理。因此，在很多工业领域中，激光表面淬火正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。激光表面淬火时，淬硬层深度以及淬硬层深度在扫描方向上的均匀性都对零件表面的使用性能影响很大。因此，控制淬硬层深度及其均匀性是激光表面淬火工艺研究的重要内容。

经对现有技术文献的检索发现，激光表面淬火时多采用调整扫描速度或者激光功率的方法来控制淬硬层深度。王清波等在《金属热处理》2005年第30卷第2期81-83页在题为《38CrMoAl钢激光淬火研究》的论文中述及一种激光表面淬火淬硬层深度的控制方法，在激光功率和离焦量一定的情况下，通过增加扫描速度，使得金属表面受激光辐照时间缩短、吸收能量降低，金属表面被加热到相变温度以上的区域减少，从而减小淬硬层深度。岳云等在《激光技术》2010年第34卷第4期514-516页题为《激光表面处理1.6％C超高碳钢的组织与性能》的论文中也述及一种光表面淬火淬硬层深度的控制方法，在其它参量不变的情况下，通过增加激光功率，使得金属表面吸收能量增加，金属表面被加热到相变温度以上的区域增加，从而增大淬硬层深度。不论是采用调整扫描速度来控制淬硬层深度的方法，还是采用还是调整激光功率来控制淬硬层深度的方法，材料表面的实际温度不受监控，容易使得金属表面被过度加热甚至达到熔点，从而出现熔凝层或者过热层。同时，这两种控制方法，都无法补偿激光表面淬火过程中由于冷热状态不同等因素引起的淬硬层深度金属表面的不均匀性，往往是冷态区域淬硬层深度小，而热态区域淬硬层深度大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种激光表面淬火淬硬层深度均匀性控制方法及其装置，使沿厚度方向温度超过相变点达到奥氏体状态并快速冷却形成马氏体淬硬层的区域的深度在金属表面每一点相当，并且激光表面淬火时既容易调控淬硬层深度，又保证金属表面不出现熔凝层或者过热层，且大大改善由于冷热状态不同引起的淬硬层深度在扫描方向上的不均匀性问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种激光表面淬火淬硬层深度均匀性控制方法，通过红外增强CCD摄像机拍摄淬火过程中加热区域的温度场图像，根据温度场图像分析得到实际加热峰值温度，并通过闭环控制反馈调控激光功率将实际加热峰值温度调整至激光表面淬火前设定的加热峰值温度，当设定的加热峰值温度与激光的移动速度为定值时，实现淬硬层深度在金属表面均匀一致。

所述的激光为半导体激光，其光斑为矩形光斑，能量密度在慢轴上为顶帽分布、快轴上为高斯分布。

所述的根据温度场图像分析得到实际加热峰值温度是指：红外增强CCD摄像机拍摄的加热区域的灰度图像，即温度场图像，按灰度值转换成温度值后构造的加热区域的温度图像，其中灰度值最小的位置即为峰值温度区域，其对应的温度即加热峰值温度。

所述的设定的加热峰值温度选取奥氏体相变温度与材料熔点之间。

所述的激光功率，其调整取决于实际加热峰值温度和设定加热峰值温度之间的误差：当实际加热峰值温度高于设定加热峰值温度时，降低激光功率；当实际加热峰值温度小于设定加热峰值温度时，增加激光功率；当两者相等时，保持激光功率；调整激光功率的幅度由实际加热峰值温度和设定加热峰值温度之间的误差按PID算法决定。

所述的PID算法是指：按实际加热峰值温度和设定加热峰值温度之间偏差信号的比例(P)、积分(I)和微分(D)三个环节的不同组合计算出对激光器输出功率的控制量。