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一、 激光淬火概述

激光淬火工藝是利用激光將材料表面加熱到奧氏體相變點(diǎn)以上，伴隨著材料自身冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使材料表面硬化的淬火技術(shù)。激光淬火的功率密度高，冷卻速度快，不需要水或油等冷卻介質(zhì)。相對(duì)于感應(yīng)淬火、火焰淬火，滲碳淬火工藝，激光淬火淬硬層均勻，硬度更高（一般比感應(yīng)淬火高1-3HRC），工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡容易控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需要像感應(yīng)淬火那樣根據(jù)不同的零件尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的感應(yīng)線圈，對(duì)大型零件的加工也無須受到滲碳淬火等化學(xué)熱處理時(shí)爐膛尺寸的限制。因此在很多工業(yè)領(lǐng)域中，激光淬火工藝正逐步取代感應(yīng)淬火和化學(xué)熱處理等傳統(tǒng)工藝。尤其重要的是激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略，特別適合高精度要求的零件表面處理。

二、激光淬火設(shè)備

采用iLAM-D-1004激光淬火成套設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)備如圖1所示，其主要配置如下：6軸KUKA機(jī)器人，3000WLaserline半導(dǎo)體激光器，激光淬火頭光斑尺寸調(diào)節(jié)范圍為3.5mm*3.5mm-21mm*21mm，此外系統(tǒng)配備雙色紅外測(cè)溫儀，900-1500℃閉環(huán)溫控軟件。

圖1 iLAM-D-1004激光淬火成套設(shè)備

設(shè)備參數(shù)

三、雙色測(cè)溫儀

圖2 淬火激光頭分解圖

　　圖2的第5部分為雙色測(cè)溫儀，Laser Line AutoZoom雙向調(diào)節(jié)整形模塊，其適用于中高功率工業(yè)應(yīng)用的淬火頭，可調(diào)整的且能量分布均勻的矩形光斑，可應(yīng)用于各種尺寸的零件表面處理?？勺児獍哏R組可通過對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)勻化過的方形光斑進(jìn)行長(zhǎng)度的調(diào)整。內(nèi)置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)可選擇標(biāo)準(zhǔn)0-10V模擬量控制，供電需求：24V/3A；鏡頭可選配紅外高溫計(jì)，實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。
   可調(diào)光斑范圍：

圖3 可調(diào)光斑范圍圖

四、溫度閉環(huán)控制

 
    溫度閉環(huán)控制LASCON?是一款用于溫控激光加工的激光控制器軟件。 通過雙色測(cè)溫儀來檢測(cè)加工溫度，主要的應(yīng)用包括，激光淬火，微硬化和激光焊接（特別是塑料的激光焊接）以及任何導(dǎo)致工件溫度升高的工藝，如感應(yīng)加熱。 LASCON?控制，優(yōu)化和監(jiān)督激光工藝。 使用簡(jiǎn)單的激光工藝腳本編程語言，LASCON?能夠決定好的和差的激光器處理并可以輕松地在激光支持的生產(chǎn)中挑選出不良部件。軟件支持LPC04控制器等專門開發(fā)的硬件組件，集成高速紅外高溫計(jì)，激光加工頭，校準(zhǔn)單元和適配器。輕松集成到機(jī)器和工廠設(shè)備中。 整個(gè)軟件包分為不同的單元，通過TCP / IP協(xié)議進(jìn)行通信。

　　材料淬火原理是將材料加熱至臨界溫度Ac1（738℃）或Ac3（912℃）以上某一溫度，并保溫一段時(shí)間，使材料組織全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的速度快速冷卻至室溫進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變?？梢灾?，激光淬火溫度對(duì)淬火質(zhì)量明顯有比較重要的影響，而淬火溫度是由淬火工藝參數(shù)決定，不同的淬火工藝參數(shù)決定不同的淬火溫度，淬火溫度也是重復(fù)淬火工藝較為直觀的參數(shù)，因此，激光淬火過程中，通常采用紅外監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)測(cè)量材料淬火溫度，將淬火溫度控制在比較合理的范圍內(nèi)，通過溫度閉環(huán)反饋系統(tǒng)去實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光淬火工藝參數(shù)（主要調(diào)節(jié)激光功率），將淬火溫度穩(wěn)定在合適數(shù)值。

        實(shí)驗(yàn)材料為預(yù)硬化塑料模具鋼2738，預(yù)硬硬度29-33HRC，此材料主要應(yīng)用在大型塑膠模具、模架上，如汽車保險(xiǎn)杠、電視機(jī)外殼模具等。

　　根據(jù)激光淬火前期相關(guān)文獻(xiàn)資料調(diào)研，進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，淬火形式為單道淬火，將激光光斑尺寸10mm*10mm、光斑掃描速度10mm/s，設(shè)為定值，忽略實(shí)驗(yàn)基材尺寸大小對(duì)淬火質(zhì)量的影響，默認(rèn)實(shí)驗(yàn)材料對(duì)激光的吸收率為100%，通過設(shè)定不同的淬火溫度去檢測(cè)材料的淬火硬度及淬硬層深度變化，同時(shí)，通過溫控軟件轉(zhuǎn)換可以實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示激光器實(shí)際出光功率。

表1　 工藝參數(shù)

圖5單道淬火

由圖5可以看到6組參數(shù)下的淬火表面情況，1#和2#淬火后表面氧化較淺，淬火溫度低，能明顯看到基材打磨時(shí)留下的痕跡，且1#單道淬火寬度偏??；3#、4#與5#淬火后表面氧化中等，基本覆蓋基材打磨時(shí)留下來的痕跡，淬火溫度適中；6#淬火后表面氧化嚴(yán)重，存在表面起皮現(xiàn)象，淬火溫度偏高。

六、 表面硬度檢測(cè)

    采用里氏硬度計(jì)測(cè)量淬火硬度，具體測(cè)量數(shù)值如表2所示。從硬度值可以知道，1#淬火溫度明顯不足，淬火硬度低且波動(dòng)較大；2#淬火硬度均值52.9HRC且硬度值波動(dòng)小，但根據(jù)預(yù)硬化塑料模具鋼2738的材料特性，淬火硬度可以達(dá)55HRC以上，很明顯，2#淬火溫度略微不足；3#、4#、5#、6#淬火硬度值均在55HRC以上，且5#淬火硬度接近60HRC，硬度波動(dòng)范圍在1HRC左右；綜合淬火表面狀況及淬火硬度，初步認(rèn)為在10mm*10mm光斑、10mm/s光斑掃描速度下，淬火溫度合理范圍為1200℃-1400℃，相對(duì)應(yīng)的激光功率密度范圍為1680-1980W/cm2，激光面能量密度范圍為840-990J/cm2，其中5#淬火工藝參數(shù)為本次實(shí)驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)。

表2 實(shí)驗(yàn)1硬度檢測(cè)

七、淬硬層深度

截取淬火單道橫截面，制備金相試樣，采用4%硝酸酒精溶液對(duì)截面進(jìn)行腐蝕，通過維氏硬度計(jì)測(cè)試，可以知道淬硬層有效深度即為從淬火表面至單道淬火熱影響區(qū)分界線，其中4#試樣有效淬硬深度為0.9mm，如圖6所示，從基材至淬硬層表面的硬度值如表3所示。

圖6 4#試樣維氏硬度測(cè)試50X

表3 4#試樣維氏硬度值

   激光淬火設(shè)備測(cè)試常見模具鋼視頻