激光表面淬火淬硬层深度均匀性控制方法及其装置

摘要

一种材料表面处理技术领域的激光表面淬火淬硬层深度均匀性控制方法及其装置，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。本发明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。

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。

本发明涉及上述方法的控制装置，包括：控制模块以及分别与之相连接的红外增强CCD 摄像机和激光器，其中：控制模块从红外增强CCD摄像机中得到熔池图像并输出功率控制指 令至激光器，激光器的输出端和红外增强CCD摄像机的镜头分别正对基板上的待处理区域。

所述的红外增强CCD摄像机采用特殊滤光片过滤可见光和激光，经校正后，拍摄图像的 灰度值可反映相应点的温度值。

所述的控制模块包括：串行通讯单元、模拟信号输出单元、人机界面单元、计算机信号处 理单元，其中：串行通讯单元与红外增强CCD摄像机相连接并传输熔池图像信息至计算机信 号处理单元，模拟信号输出单元与激光器相连接并传输激光器输出功率的控制量信号，计算机 信号处理单元实现PID算法计算激光器输出功率的控制量信号，人机界面单元实现加热峰值温 度的设定。

所述的激光器为：焦点为矩形光斑，能量密度在慢轴上为顶帽分布、快轴上为高斯分布； 激光器输出功率可通过0-10V的模拟信号进行线性调整，模拟信号为0V时激光器输出为0， 模拟信号为10V时激光器输出为最大额定功率。

上述装置通过先设定加热峰值温度，当激光束以一定功率照射到金属表面时，红外增强 CCD摄像机拍摄加热区域的温度场，获得实际加热峰值温度。如果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；如果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。这一温度反馈控制系统，通过激光功率的调整来补偿 金属表面冷热状态不同等因素引起的温度差别，使得淬火区域内的实际加热峰值温度趋于一致。

设定加热峰值温度通常取在奥氏体相变温度与材料熔点之间，避免了金属表面出现熔凝层 或者过热层。在扫描速度为一定值时，调整设定加热峰值温度可方便地调节淬硬层深度，增加 设定加热峰值温度值，淬硬层深度增加；在设定加热峰值温度为一定值时，调整扫描速度便可 方便地调整淬硬层深度，增加扫描速度，淬硬层深度降低；在加热峰值温度设定值和扫描速度 均固定时，可使得淬硬层深度在金属表面均匀一致。

与现有技术相比，本发明的优点包括：(1)引入温度反馈控制系统，避免了金属表面淬火 区域出现熔凝层或者过热层；(2)在设定加热峰值温度为一定值时，调整扫描速度便可方便地 调整淬硬层深度；(3)本发明可以在同一扫描速度下获得淬硬层深度均匀一致的淬硬层。

附图说明

图1为本发明原理示意图。

图2为实施例中实际加热峰值温度和激光功率的控制曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的控制装置包括：控制模块2以及分别与之相连接的红外增强 CCD摄像机3和激光器4，其中：控制模块2从红外增强CCD摄像机3中得到熔池图像并输 出功率控制指令至激光器4，激光器4的输出端和红外增强CCD摄像机3的镜头分别正对基 板5上的待处理区域1。

所述的红外增强CCD摄像机3采用特殊滤光片过滤可见光和激光，经校正后，拍摄图像 的灰度值可反映相应点的温度值。

所述的控制模块2包括：串行通讯单元、模拟信号输出单元、人机界面单元、计算机信号 处理单元，其中：串行通讯单元与红外增强CCD摄像机相连接并传输熔池图像信息至计算机 信号处理单元；模拟信号输出单元与激光器相连接并传输激光器输出功率的控制量信号；计算 机信号处理单元实现PID算法计算激光器输出功率的控制量信号；人机界面单元实现加热峰值 温度的设定。

所述的激光器4的技术参数要求为：焦点为矩形光斑，能量密度在慢轴上为顶帽分布、快 轴上为高斯分布；激光器输出功率可通过0-10V的模拟信号进行线性调整，模拟信号为0V时 激光器输出为0，模拟信号为10V时激光器输出为最大额定功率。

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为150mmX60mmX10mm(长X宽X厚)的模具钢； 在计算机上设定加热峰值温度为1250℃，半导体激光器输出的激光束6的焦点尺寸为7.0 mm×1.5mm，激光束6焦点位于工件表面；当激光束6以1.3m/min的扫描速度辐照工件表面 后，在激光束6扫描过的区域形成淬火区。

如图2所示，激光表面淬火过程中，红外增强CCD摄像机检测的工件表面实际加热峰值 温度基本上被控制在1250℃；开始阶段，工件处于冷态，需要较大的激光功率来确保工件表 面实际加热峰值温度达到1250℃，随着工件被加热成热态，激光功率逐渐降低至1.15KW； 淬硬层深度为0.8mm，扫描方向上均匀一致，没有出现由扫描起点开始逐渐增加的现象。

实施例2

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为150mmX60mmX10mm(长X宽X厚)的模具钢； 在计算机上设定加热峰值温度为1350℃，半导体激光器输出的激光束6的焦点尺寸为7.0 mm×1.5mm，激光束6焦点位于工件表面；当激光束6以1.3m/min的扫描速度辐照工件表面 后，在激光束6扫描过的区域形成淬火区。

如图2所示，激光表面淬火过程中，红外增强CCD摄像机检测的工件表面实际加热峰值 温度基本上被控制在1350℃；开始阶段，工件处于冷态，需要较大的激光功率来确保工件表 面实际加热峰值温度达到1350℃，随着工件被加热成热态，激光功率逐渐降低至1.25KW； 淬硬层深度为1.0mm，扫描方向上均匀一致，没有出现由扫描起点开始逐渐增加的现象。

实施例3

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为150mmX60mmX10mm(长X宽X厚)的模具钢； 在计算机上设定加热峰值温度为1400℃，半导体激光器输出的激光束6的焦点尺寸为7.0 mm×1.5mm，激光束6焦点位于工件表面；当激光束6以1.3m/min的扫描速度辐照工件表面 后，在激光束6扫描过的区域形成淬火区。

如图2所示，激光表面淬火过程中，红外增强CCD摄像机检测的工件表面实际加热峰值 温度在1400℃上下波动，激光功率也大幅波动；观察到淬火后的工件表面有部分熔化的痕迹， 表明实际加热峰值温度达到了工件熔点以上，设定加热峰值温度太高。淬硬层深度为1.1mm， 在扫描方向上均匀一致，没有出现由扫描起点开始逐渐增加的现象。

实施例4

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为150mmX60mmX10mm(长X宽X厚)的模具钢； 在计算机上设定加热峰值温度为1350℃，半导体激光器输出的激光束6的焦点尺寸为7.0 mm×1.5mm，激光束6焦点位于工件表面；当激光束6以0.15m/min的扫描速度辐照工件表 面后，在激光束6扫描过的区域形成淬火区。

激光表面淬火过程中，红外增强CCD摄像机检测的工件表面实际加热峰值温度基本上被 控制在1350℃；开始阶段，工件处于冷态，需要较大的激光功率来确保工件表面实际加热峰 值温度达到1350℃，随着工件被加热成热态，激光功率逐渐降低至1KW；淬硬层深度为1.2 mm，在扫描方向上均匀一致，没有出现由扫描起点开始逐渐增加的现象。