[发明专利]一种激光淬火质量监测方法及其应用

说明书

本发明提供了一种激光淬火质量监测方法及其应用，属于激光表面强化技术领域。该方法具体为：调节成像器件参数，使激光光斑和氧化物亮点在成像器件上能够进行区分，然后利用成像器件获得激光加工区域的图像；根据图像确定氧化物亮点的占比面积；判断上述参数是否全部满足预设条件，若是，则判定激光淬火质量合格，若否，则判定激光淬火质量不合格。本发明利用微熔氧化物的亮度高于工件表面光斑的亮度这一特点，提出对成像组件的参数进行优化，通过上述参数有效监测评判激光淬火质量，可以实时监测天气条件、环境温度差异、钢轨表面状态和不同锈蚀程度对激光淬火质量的影响，并提供定量评断依据，以便于实时修正工艺参数，实现高质量激光淬火。

技术领域

本发明属于激光表面强化技术领域，更具体地，涉及一种激光淬火质量监测方法及其应用。

背景技术

激光淬火是一种高功率短时加热的淬火过程，工件表面需要达到较高的温度，同时工件表面基本不发生熔化。钢轨表面进行点阵激光淬火时，要求激光光斑内的能量密度分布均匀。如果光斑内的温度不均匀，会因为局部温度过高，产生熔化现象，造成淬火质量差。钢轨的含碳量为0.64wt％-0.77wt％，其奥氏体化温度范围727℃-1400℃。通常，钢轨激光淬火的温度达到1300℃时，可以在保证钢轨表面不熔化的前提下，实现较大深度的固态相变淬火，提高耐磨性。在1300℃的温度下进行钢轨激光淬火时，工件表面会出现氧化物的局部熔化现象，这种熔化的氧化皮在工件表面形成微凸起。当这种凸起的区域很小时，去掉氧化皮，可以发现工件表面平整，几乎没有熔化；反之，当这种凸起的区域较大时，会造成工件表面明显熔化变形。实际应用中发现，工件表面出现氧化物微凸起的钢轨试样，其淬火质量好，表现为硬度高，淬火深度大；反之，工件表面不出现氧化物微凸起的试样，其硬度较低，淬火深度较浅。

从本质上来说，光斑内出现微熔现象的初期阶段是由于氧化皮的局部熔化造成的；微熔现象进一步发展，就会造成工件表面金属的熔化，这是需要避免的。工件表面出现局部微熔现象的原因有以下几个方面：①激光能量不均匀，造成局部温度高；②工件表面存在局部沟槽，造成对激光的高吸收引起金属熔化；③传热作用和温度聚集效应引起的局部温度升高造成金属熔化。激光淬火时，由于上述原因工件表面出现局部高温，并产生氧化膜。氧化膜的形成进一步提高了对激光的吸收率，使局部的温度进一步升高，造成氧化物熔化。研究表明，570℃以上，铁由内向外的氧化层物相依次为：FexO、Fe₃O₄和Fe₂O₃。氧化物中，四氧化三铁(Fe₃O₄)的熔点为1597℃，氧化铁(Fe₂O₃)的熔点为1550℃，氧化亚铁(FeO)的熔点为1369℃。X射线分析结果表明，激光淬火温度为1100℃时，工件表面氧化物的总量超过基体金属α-Fe的衍射峰，并且氧化物的具体含量也发生变化，表现为Fe₂O₃衍射峰下降，Fe₃O₄和FeO衍射峰迅速上升。

钢轨在线激光淬火工艺受环境因素影响较大，虽然采用相同的工艺参数，但是，天气条件影响、环境温度差异、钢轨表面状态和锈蚀程度的不同，都会造成激光淬火质量的变化。而钢轨点阵激光淬火方法往往采用脉冲激光加热方式，激光功率反馈法难以准确控制质量。因此，有必要开发一种全新的激光淬火质量检测评价方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光淬火质量监测方法及其应用，旨在解决现有的激光淬火工艺不稳定，无法实时判断淬火质量的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种激光淬火质量监测方法，该方法具体为：

S1调节成像器件参数，使激光光斑和氧化物亮点在成像上能够进行区分；

S2待完成激光淬火后，利用所述成像器件获得激光加工区域的图像，并根据该图像确定氧化物亮点的占比面积；