一种基于水导激光的金属表面淬火系统及方法

摘要

本发明提供一种基于水导激光的金属表面淬火系统及方法，包括激光器、光路系统、激光耦合装置，所述光路系统、激光耦合装置沿激光的传输方向依次同轴设置；还包括工作台单元和高压供液系统，所述工作台单元包括可X/Y/Z向移动的工作台，安装于工作台上可放置工件的水槽；所述高压供液系统的进水端连接至水槽，出水端连接至耦合腔输出无级调压高压水流。本发明提出一种基于水导激光的金属表面淬火系统及方法，可形成稳定反流型缩流激光水束，获得较长的水束稳定段，能减小水束工作距离对工件位置的限制，可更好地实现复杂曲面工件表面淬火。

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面淬火技术领域，具体涉及一种基于水导激光的金属表面淬火系统及方法。

背景技术

水导激光加工是利用微细水射流引导激光束对材料进行加工的先进加工技术，基于激光在水和空气两相介质中发生全反射的原理，将耦合了高能激光的水束光纤引导到加工表面，激光灼烧工件表面，同时水束快速冷却加工表面和冲刷加工残渣，减少热应力产生的不良影响。

淬火是将钢温度升高到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度，保温一段时间，使之全部奥氏体化，然后以较快的冷却速度冷却，使奥氏体含碳量降低到Ms以下得到马氏体的热处理工艺。

激光淬火是利用高能的激光光束辐射到金属表面，使金属快速升温到相变点以上，由于金属自身内部的热传导作用，表层温度快速向低温基体散发，得到马氏体的热处理工艺。激光淬火工艺将水导激光加工有效应用于淬火工艺，激光淬火与传统的淬火工艺相比，得到的马氏体更小更紧密。且激光淬火不需对整个工件加热，工艺过程中能耗少，引起的热变形小，更适合于精密零件加工。

现有激光淬火装置，由于透镜的聚焦影响，工件需要调整到合适的光斑直径范围，垂直方向的工作距离短；在热处理复杂的曲面时，激光光斑在工件表面能量分布不均匀，导致淬火后曲面的强度不均匀，影响工件的品质和稳定性。

发明内容

本发明提出一种基于水导激光的金属表面淬火系统及方法，可形成稳定反流型缩流激光水束，获得较长的水束稳定段，能减小水束工作距离对工件位置的限制，可更好地实现复杂曲面工件表面淬火。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种基于水导激光的金属表面淬火系统，包括激光器、光路系统、激光耦合装置，所述光路系统、激光耦合装置沿激光的传输方向依次同轴设置；所述光路系统包括上下放置扩束镜组和聚焦凸透镜，扩束镜组包括上部的凹透镜和下部的凸透镜，各透镜通过三轴旋转镜架定位；所述激光耦合装置包括耦合腔，以及分别设于耦合腔上下两端的光学窗口、喷嘴，光学窗口与喷嘴上下对应；还包括工作台单元和高压供液系统，所述工作台单元包括可X/Y/Z向移动的工作台，安装于工作台上可放置工件的水槽；所述高压供液系统的进水端连接至水槽，出水端连接至耦合腔输出无级调压高压水流。

上述方案中，激光进入光路系统，由凹透镜、凸透镜组成的扩束镜组扩束后，由聚焦凸透镜聚焦，聚焦形成的小光斑穿过耦合腔内的薄液层后耦合到水束中，对工件进行淬火加工。采用扩束镜组、聚焦凸透镜构成的聚焦光路，光斑直径小，便于激光在水束中全反射实现耦合。且系统配置高压供液系统，高压供液系统可使耦合腔体内形成稳定的薄水层，并形成稳定反流型缩流水束。水束与激光耦合后形成的稳定反流型缩流激光水束，具有较长的水束稳定段，具有较长的工作距离，能减小水束工作距离对工件位置的限制。

为实现稳定的高压供液，所述高压供液系统包括由水箱、吸水泵、蓄能器I、压力计、流量计，压力计依次连接构成的主供液回路，所属主供液回路的出水管路连接至耦合腔输出稳定的高压水流，进水管路连接至水槽；所述压力计的出水口与水箱之间设置溢流阀构成调压回路。

进一步的，所述吸水泵与蓄能器I之间并联设有增压回路，所述增压回路包括依次设置的叶片泵、蓄能器II、电磁换向阀、双作用增压缸，叶片泵的进水端、电磁换向阀的回水端连接至水箱。

进一步的，所述喷嘴螺纹可拆卸连接于耦合腔体底部，喷嘴采用具有较好反射性能的蓝宝石或工具钢制作。

进一步的，所述工作台包括从上至下叠加的X轴滑台、Y轴滑台和Z轴滑台，水槽固接于X轴滑台的滑动端随其滑动，各轴滑台采用丝杆滑台机构，滑台电机通过控制单元驱动。

一种基于水导激光的金属表面淬火方法，包括以下步骤：

S1：将工件装夹固定于工作台单元的水槽上。

S2：打开高压供液系统输出无级调压高压水流，高压水流经耦合腔形成稳定薄水层，并由喷嘴射出稳定水束。

S3：待水束稳定后，打开激光器输出0-1w的低功率激光，确定光液是否耦合成功，若未耦合成功，调整光路系统直至耦合成功。

S4：关掉激光器，调整工作台Z向位移，使工件到达稳定水束的工作距离，调节X向位移和Y向位移，使水束到达热处理的工作位。

S5：在10w～500w中选择合适的热处理高功率激光，打开激光器输出高功率激光，光束经过耦合腔内形成的薄液层到达喷嘴口，在满足全反射耦合条件后，随着稳定水束到达工件表面。

S6：通过控制单元控制工作台单元X向和Y向位移，以100mm/s～800mm/s的扫描速度移动，直至热处理完待处理表面。

S7：关掉激光器，再关掉高压液压系统，待工件完全冷却后取出工件。

S8：通过控制单元，将工作台单元回到初始工作位。

本发明的优点与效果是：

1、本发明利用水导激光中激光能量密度大、水束冷却快的特性，将水导激光应用于金属表面淬火工艺。激光可使金属表面快速升温，同时由于水束的冷却作用，金属表面可快速冷却，此条件下在金属表面生成的马氏体更细小致密，效果远好于传统淬火。且采用激光对金属表面加热，激光只需要辐射到金属表面，不需要对工件整体加热处理，较传统淬火工艺能耗少，能量利用率高。

2、本发明设置可提供稳定无级调压高压水流的高压供液系统，可使耦合腔体内形成稳定的薄水层，并形成稳定反流型缩流激光水束，能形成较长的水束稳定段，具有较长的工作距离。结合水导激光淬火引起的热应力变形小的性能，本系统可以对一些普通激光无法处理的复杂曲面进行局部淬火。

3、本发明设置的高压供液系统，在出水路上增设调压回路和增压回路，可实现稳定连续的增压，使高压供液系统具有液压高、脉动小的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于水导激光的金属表面淬火系统的结构示意图。

图号标识：1、激光器，2、光路系统，21、扩束镜组，211、凹透镜，212、凸透镜，22、聚焦凸透镜，3、激光耦合装置，31、耦合腔，32、光学窗口，33、喷嘴，4、工作台单元，41、工作台，42、水槽，5、高压供液系统，51、水箱，52、吸水泵，53、蓄能器I，54、压力计，55、流量计，56、溢流阀，57、调压回路，571、叶片泵，572、蓄能器II，573、电磁换向阀，574、双作用增压缸，6工件。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于水导激光的金属表面淬火系统，如附图1所示，其主体包括激光器1、光路系统2、激光耦合装置3、工作台单元4、高压供液系统5。激光器1固定于上方，光路向下传输。光路系统2、激光耦合装置3、工作台单元4依次同轴设于光路传输方向。

光路系统2包括沿光路传输方向依次设置的凹透镜211、凸透镜212、聚焦凸透镜22，各透镜通过三轴旋转镜架定位，可调节X/Y/Z三轴的位移。凹透镜211、凸透镜212构成扩束镜组21，扩束镜组21可先对光束进行扩展，再聚焦得到更小的焦点，有利于改善光束的准直特性，减小光束的直径。经扩束镜组21后的光束再经过聚焦凸透镜22，可获得小直径光斑，便于与水束耦合。

激光耦合装置3主体包括耦合腔31、光学窗口32、喷嘴33，光学窗口32固定于耦合腔31上端中部的安装孔内，蓝宝石材料制作的喷嘴33螺纹可拆卸连接于耦合腔31下端中部的安装孔内，喷嘴直径选取50μm～500μm。激光可依次穿过光学窗口32、耦合腔31内薄液层，于喷嘴33处与水束耦合形成激光水束。

工作台单元4包括可X/Y/Z向移动的工作台41，安装于工作台41上的水槽42，水槽42中部设置用于放置工件6的平台。激光水束对工件进行淬火，水束冲刷加工表面后被水槽42收集。工作台41包括从上至下叠加的X轴滑台、Y轴滑台和Z轴滑台，所述Y轴滑台可移动地设置在Z轴滑台上，X轴滑台可移动地设置在Y轴滑台上，水槽42固接于X轴滑台的滑块随其运动，滑台电机通过控制单元驱动实现位移。

如附图1所示，高压供液系统5由水箱51、吸水泵52、蓄能器I53、压力计42、流量计55、高精密过滤器58构成的主供液回路，高精密过滤器58、吸水泵52、蓄能器I53、压力计42、流量计55依次设于出水管路上，出水管路连接至耦合腔31输出稳定的高压水流。回水管路连接水槽42和水箱51，并设有高精密过滤器58过滤掉水中的杂质，防止堵塞喷嘴和实现水的循环利用。水箱51的设置高度低于水槽42，槽内水可流入水箱51被水箱收集。

压力计54的出水口与水箱51之间设置溢流阀56，通过与主供液回路的结合可构成调压回路。溢流阀可调节系统流量，避免系统水压超过限定范围损坏系统中元件。

吸水泵52与蓄能器I53之间并联设有增压回路57，增压回路57包括依次设置的叶片泵571、蓄能器II572、电磁换向阀573、双作用增压缸574，叶片泵571的进水端、电磁换向阀573的回水端连接至水箱51。电磁换向阀573采用三位四通M型电磁换向阀，启动平稳。双作用增压缸574的活塞不断往复运动，两端交替输出高压水流，利于实现液压系统的连续增压。吸水泵571采用变频器实现无极压力调节，通过叶片泵571和双作用增压缸574给水流进行加压，其压力可实现0-60MPa的工作范围调节。

蓄能器II572吸收叶片泵571产生的液压脉动，蓄能器I53吸收吸水泵52产生的液压脉动，以及减缓双作用增压缸574换向时产生的液压冲击，有利于输出稳定高压水流。

高压供液系统5可输出无级调压高压水流至耦合腔内形成稳定的薄水层，水束与激光耦合后形成的稳定反流型缩流激光水束，稳定的激光水束具有较长的水束稳定段，有较长工作距离，能减小水束工作距离对工件位置的限制。

一种基于水导激光的金属表面淬火方法，采用上述一种基于水导激光的金属表面淬火系统，具体淬火方法包括以下步骤：

S1：将工件装夹固定于工作台单元4的水槽42上。

S2：打开高压供液系统5输出无级调压高压水流，高压水流经耦合腔31形成稳定薄水层，并由喷嘴33射出稳定水束。

S3：待水束稳定后，打开激光器输出0-1w的低功率激光，确定光液是否耦合成功，若未耦合成功，调整光路系统2直至耦合成功。

S4：关掉激光器1，调整工作台Z向位移，使工件到达稳定水束的工作距离，调节X向位移和Y向位移，使水束到达热处理的工作位。

S5：在10～500w中选择合适的热处理高功率激光，激光光束的波长可以选择为1064nm或者532nm。打开激光器1输出高功率激光，光束经过耦合腔31内形成的薄液层到达喷嘴口，在满足全反射耦合条件后，随着稳定水束到达工件表面。

S6：通过控制单元控制工作台单元4的X向和Y向位移，以100mm/s～800mm/s的扫描速度移动，直至热处理完待处理表面。

S7：关掉激光器1，再关掉高压液压系统5，待工件完全冷却后取出工件。

S8：通过控制单元，将工作台单元4回到初始工作位。

以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。