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>>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)。相對于感應淬火、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，易于實現(xiàn)自動化，不需要像感應淬火那樣根據(jù)不同的零件尺寸設計相應的感應線圈，對大型零件的加工也無須受到滲碳淬火等化學熱處理時爐膛尺寸的限制。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淬火和化學熱處理等傳統(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。

>>激光淬火設備

采用iLAM-D-1004激光淬火成套設備進行實驗，設備如圖1所示，其主要配置如下：6軸KUKA機器人，3000WLaserline半導體激光器，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)配備雙色紅外測溫儀，900-1500℃閉環(huán)溫控軟件。

圖1 iLAM-D-1004激光淬火成套設備

設備參數(shù)

>>雙色測溫儀

圖2 淬火激光頭分解圖

圖2的第5部分為雙色測溫儀，Laser Line AutoZoom雙向調(diào)節(jié)整形模塊，其適用于中高功率工業(yè)應用的淬火頭，可調(diào)整的且能量分布均勻的矩形光斑，可應用于各種尺寸的零件表面處理?？勺児獍哏R組可通過對馬達驅(qū)動對勻化過的方形光斑進行長度的調(diào)整。內(nèi)置的電機驅(qū)動可選擇標準0-10V模擬量控制，供電需求：24V/3A；鏡頭可選配紅外高溫計，實現(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

>>溫度閉環(huán)控制

圖4 溫度閉環(huán)控制界面圖

 
 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。 通過雙色測溫儀來檢測加工溫度，主要的應用包括，激光淬火，微硬化和激光焊接（特別是塑料的激光焊接）以及任何導致工件溫度升高的工藝，如感應加熱。 LASCON?控制，優(yōu)化和監(jiān)督激光工藝。 使用簡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，激光加工頭，校準單元和適配器。輕松集成到機器和工廠設備中。 整個軟件包分為不同的單元，通過TCP / IP協(xié)議進行通信。

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行馬氏體轉(zhuǎn)變。可以知道，激光淬火溫度對淬火質(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)測實時測量材料淬火溫度，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)去實時調(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。

實驗材料為預硬化塑料模具鋼2738，預硬硬度29-33HRC，此材料主要應用在大型塑膠模具、模架上，如汽車保險杠、電視機外殼模具等。

根據(jù)激光淬火前期相關(guān)文獻資料調(diào)研，進行初步實驗設計，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，設為定值，忽略實驗基材尺寸大小對淬火質(zhì)量的影響，默認實驗材料對激光的吸收率為100%，通過設定不同的淬火溫度去檢測材料的淬火硬度及淬硬層深度變化，同時，通過溫控軟件轉(zhuǎn)換可以實時計算并顯示激光器實際出光功率。

表1　 工藝參數(shù)

注：激光器滿功率3000W

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留下的痕跡，且1#單道淬火寬度偏小；3#、4#與5#淬火后表面氧化中等，基本覆蓋基材打磨時留下來的痕跡，淬火溫度適中；6#淬火后表面氧化嚴重，存在表面起皮現(xiàn)象，淬火溫度偏高。

>>表面硬度檢測

    采用里氏硬度計測量淬火硬度，具體測量數(shù)值如表2所示。從硬度值可以知道，1#淬火溫度明顯不足，淬火硬度低且波動較大；2#淬火硬度均值52.9HRC且硬度值波動小，但根據(jù)預硬化塑料模具鋼2738的材料特性，淬火硬度可以達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，硬度波動范圍在1HRC左右；綜合淬火表面狀況及淬火硬度，初步認為在10mm*10mm光斑、10mm/s光斑掃描速度下，淬火溫度合理范圍為1200℃-1400℃，相對應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)為本次實驗最優(yōu)參數(shù)。

表2 實驗1硬度檢測

>>淬硬層深度

截取淬火單道橫截面，制備金相試樣，采用4%硝酸酒精溶液對截面進行腐蝕，通過維氏硬度計測試，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#試樣維氏硬度測試50X

表3 4#試樣維氏硬度值