[发明专利]一种激光淬火方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于激光表面强化处理技术，涉及一种基于扫描振镜的重复扫描激光淬火方法及装置，本发明特别适用于大尺寸金属工件的激光表面淬火处理。 

背景技术

激光淬火技术，又称激光热处理或者激光相变硬化工艺，是采用激光束辐照金属工件，使其表层温度高于奥氏体化温度T_a。激光束移去后，基体材料由于未直接受热，因此仍然处于常温状态，其快速的热传导作用使激光加热区域的冷却速度大于淬火的临界冷却速度，并使激光作用过的区域温度迅速降到马氏体相变温度以下，从而在工件表面形成马氏体组织的硬化层。由于激光淬火冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，因此该工艺属于自冷淬火工艺过程。 

一般而言，激光淬火工艺分为两类，一类是激光作用下，金属表面不发生熔化、只发生固态相变的淬火工艺过程，又称为激光相变硬化工艺，或激光热处理工艺，其基本特点是确保激光辐照过程中金属表面的最高温度低于熔点温度T_m，因此激光淬火的工艺参数(包括激光功率、光斑尺寸、扫描速度等)必须选择得当；另一类是激光作用下表面发生熔化的淬火过程，称为激光熔凝淬火工艺，此时金属表面的温度可以超过其熔点。由于激光熔凝淬火工艺使得工件表面发生熔化，因此可以使用更高的激光功率，更慢的扫描速度，硬化层深度也比单纯的激光淬火工艺要深。但是，激光熔凝淬火工艺将严重改变金属材料的表面粗糙度，因此在一些精度要求高、不允许后续机加工的状态下，该工艺的使用将受到限制。有时候，由于工艺参数选择不当，或者工艺参数存在波动，激光淬火时金属工件表面会发生局部微熔，只需要稍微抛光或者打磨就可以去掉微熔层，因此一般仍然将其归结为激光淬火工艺。如果没有特殊说明，本发明中后文所述的激光淬火都是指金属材料基本不发生熔化或者只发生局部微熔的固态相变硬化工艺。 

激光淬火硬化层深度不仅与所采用的激光功率、扫描速度、光斑尺寸等工艺参数有关，而且和金属的热传导特性、淬透性等参数有关。对于特定的金属材料而言，其奥氏体化温度T_a和熔点温度T_m基本稳定，只是随着整体成分均匀性和显微组织的波动而有所变化。一般而言，激光淬火时金属工件中由于激光工艺参数和热传导过程决定的高于 奥氏体化温度T_a的传导深度就对应着激光淬火硬化层的深度。 

激光淬火硬化层深度不仅与所采用的激光淬火工艺参数有关，还和金属基体的热传导过程特别是材料的热传导系数密切相关，由激光淬火工艺参数和基体的热传导特性共同决定。 

实际激光淬火加工时，激光输出的方式包括连续输出扫描淬火或者脉冲输出扫描淬火两种方式。现有的激光扫描淬火工艺不管是连续激光淬火还是脉冲激光淬火，其传热过程可以用点状连续固定热源的热传导方程进行分析，其热传导温度方程为： 

T(R,t)=p2πλR[1-φ(R4at)]]]>式(1) 

式(1)中，R-某点距点热源的距离；T(R，t)-工件表面距离激光点热源距离为R处的温度；p-热源的有效功率；t-金属中的热传导时间；λ-金属的导热系数；a-金属的热扩散系数；φ(u)-或然率积分函数。 

当t＝∞时，可以认为是热源作用时间无限长，则φ(u)＝0，故距离激光点热源R处的极限温度T_sp为， 

Tsp=p2πλR]]>式(2)