一种变功率多道次高斯激光离散硬化系统及加工方法

技术领域

本发明涉及激光表面强化处理技术，特别涉及一种变功率多道次高斯激光离散硬化系统及加工方法。

背景技术

激光硬化，采用能量密度高达10

实现离散激光硬化的方法主要采用X/Y轴联动控制与开关的激光束逐步辐照协同完成。其中，开关的激光束通常采用脉冲激光，现有技术采用一种短脉冲激光对基材表面进行硬化，激光脉宽为50ns～800ns，激光功率为10W～100W；或将连续激光束改变为脉冲激光的方式，前者的激光的能量密度不如连续激光，淬硬深度有限，后者对运动控制系统精度要求较高。常规的机床运动速度一般较低，激光束作用时间相对较长，为了控制材料表面尽可能不发生熔化，所输入的激光束功率和能量密度均不能太高，但却限制了激光淬硬层深度的增加。

此外，激光器的输出光束为强度分布不均匀的高斯光束，这可能导致当局部温度过高时产生不良的烧蚀效应。为了解决这个问题，传统的方法采用光束整形技术将高斯光束变形为具有均匀强度分布的平顶光束，这涉及非球面透镜、镜子、反射器、衍射光学元件和其他设备。然而，这些光学设备所涉及的复杂加工技术、高成本和有限寿命。高功率和高质量的激光器将对这些光学设备造成重大负担，这不仅增加了额外的设备投资成本，还限制了该技术的应用。因此，在使用原始的高斯光束进行离散激光硬化时如何改善表面完整性至关重要。

为此，现有技术提出了一种多次辐照激光淬火方法及装置，采用多次辐照加热结合转镜的快速扫描功能将现有激光淬火工艺中的单次改成多次加热，使得激光能量以短时间，多次叠加方式注入工件表面，有助于控制温度始终保持在熔点以下，并显著提高激光淬火深度。但是，受限于重复定位精度，激光停留在同一位置间歇多次辐照，延长了工件需要加工的时间，降低了激光淬火的生产效率。

又如，文章中公开了一种降温多循环快速热处理的钢热处理方法，通过两个循环对初始组织粗大的AISI 5140钢进行快速热处理，第一个循环在925℃下加热以实现完全奥氏体化，第二次循环使用815℃，进一步细化晶粒。其优点是进一步细化了晶粒度，提高了材料的机械性能，其缺点是传统热处理耗时长，效率低。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种变功率多道次高斯激光离散硬化系统及加工方法，改变激光停留在同一位置间歇多次硬化的加工方式，实现对同一位置的动态多次激光硬化，提高激光淬火的生产效率和硬化深度；此外通过变功率的加工方法，不仅对规避负面热效应积累有着积极作用，还能进一步细化材料硬化区的晶粒度，提升材料的机械性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种变功率多道次高斯激光离散硬化系统，包括光源模块，光学模块，运动模块和控制模块；

所述光源模块用于产生连续激光；所述连续激光经光学模块辐照在工件表面；所述运动模块用于控制待加工工件的移动；

所述控制模块包括激光控制单元和运动控制单元；

所述激光控制单元根据待加工工件材料参数、连续激光的参数和待加工形貌参数，确定加工形貌所需的连续激光参数Laser-control和离焦量FD；所述激光控制单元将加工形貌所需的连续激光参数Laser-control输入光源模块，将离焦量FD输入运动模块。

所述运动控制单元根据待加工形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control，并将平动控制指令集Move-control输入运动模块。

进一步，所述激光控制单元根据待加工材料参数和待加工形貌，确定连续激光参数Laser-control，具体为：

通过材料属性参数、加工参数、待加工形貌参数与连续激光作用时间t

所述连续激光作用时间t

得到的连续激光参数Laser-control为：

其中：f

进一步，所述激光控制单元根据待加工工件材料参数、连续激光的参数和待加工形貌参数，确定加工形貌所需的离焦量FD，具体为：

所述激光控制单元根据硬化斑直径或条纹宽度d

其中：α为聚焦镜偏转角度；σ为焦平面上末端激光焦点光斑直径修正系数；FD

进一步，当加工形貌为点状形貌时，所述运动控制单元根据点状形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control

其中：N

进一步，当加工形貌为条状形貌时，所述运动控制单元根据条状形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control

其中：L

一种变功率多道次高斯激光离散硬化系统的加工方法，包括如下步骤：

根据待加工材料参数、连续激光的参数和待加工形貌，确定连续激光参数集Laser-control和离焦量FD；根据待加工形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control；

所述控制模块控制所述光源模块输出硬化加工所需要的连续激光参数Laser-control，所述控制模块根据离焦量FD控制运动模块移动，连续激光通过光学模块，聚焦在材料表面，对第n

进一步，根据变动功率函数递减的第rep次的激光加工功率ΔP＝f

其中：ΔP

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化系统，通过调控连续激光功率配合工作台的运动，实现对金属材料进行硬化加工，能够尽可能的减少熔化区域面积，提高激光硬化质量，控制加工形貌，提高加工效率。

2.本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化系统，利用平台移动可实现3种典型的连续激光硬化加工模式，实现连续激光的充分应用，完善了激光硬化的多样性。

3.本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化系统的加工方法，硬化区域几何参数可以通过改变运动参数调控，以工艺参数数据为基础，建立激光硬化区域几何参数与激光参数的映射关系，能够满足不同金属对硬化区域的技术要求。

4.本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化系统的加工方法，通过变功率的加工方法，实现对加工后材料性能的改善；通过多道次的加工方法，不仅有效规避了负面热效应累积，还能提高材料的硬化质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化系统的系统原理图。

图2为本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化加工方法示意图。

图3为本发明所述的高斯激光离散硬化系统的控制原理图。

图4为本发明所述的激光控制单元的控制原理图。

图5为本发明所述的运动控制单元的控制原理图。

图6为本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化加工方法的流程图。

图7为步骤S2和步骤S3的详细流程图。

图8为条状模式加工方法示意图。

图9为网状模式加工方法示意图。

图中：

1-光源模块；1-1-连续激光器；1-2-水冷机；2-光学模块；2-1-反射镜；2-2-聚焦镜；2-3-防护镜；3-运动模块；4-控制模块；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图3所示，本发明所述的变功率多道次高斯激光离散硬化系统，包括光源模块1，光学模块2，运动模块3和控制模块4；

所述光源模块1包括连续激光器1-1和水冷机1-2，用于产生连续激光；所述连续激光经光学模块2辐照在工件表面；所述光学模块2包括反射镜2-1、聚焦镜2-2和防护镜2-3；

所述运动模块3包括X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台，用于控制待加工工件的移动；所述控制模块4包括激光控制单元4-1和运动控制单元4-2；

如图4所示，所述激光控制单元4-1根据待加工工件材料参数、连续激光的参数和待加工形貌参数，确定加工形貌所需的连续激光参数Laser-control和离焦量FD；所述激光控制单元根据待加工材料参数和待加工形貌，确定连续激光参数Laser-control，具体为：

通过材料属性参数、加工参数、待加工形貌参数与连续激光作用时间t

所述连续激光作用时间t

得到的连续激光参数Laser-control为：

其中：f

所述激光控制单元根据待加工工件材料参数、连续激光的参数和待加工形貌参数，确定加工形貌所需的离焦量FD，具体为：

所述激光控制单元根据硬化斑直径或条纹宽度d

其中：α为聚焦镜偏转角度；σ为焦平面上末端激光焦点光斑直径修正系数；FD

如图5所示，所述激光控制单元4-1将加工形貌所需的连续激光参数Laser-control，将离焦量FD输入运动模块3。

所述运动控制单元4-2根据待加工形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control，并将平动控制指令集Move-control输入运动模块3。

当加工形貌为点状形貌时，所述运动控制单元根据点状形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control

其中：N

当加工形貌为条状形貌时，所述运动控制单元根据条状形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control

其中：L

实施例1

在实施例1中，P＝300W为初始激光功率，k＝44W/(m·K)为材料的导热系数，ρ＝7.84×10

得到的连续激光参数Laser-control为：

根据硬化斑直径d

其中：α为聚焦镜偏转角度；σ为焦平面上末端激光焦点光斑直径修正系数；As

所述运动控制单元根据点状形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control

其中：L

实施例1的加工方法，如图2、图6和图7所示，包括如下步骤：

S1：根据待加工材料参数、连续激光的参数和待加工形貌，确定连续激光参数集Laser-control和离焦量FD；根据待加工形貌几何分布参数确定平动控制指令集Move-control

S2：设定加工形貌的硬化区域分段加工行数n

S3：对加工件第n

S3-1：所述控制模块控制所述光源模块输出硬化加工所需要的连续激光参数Laser-control，所述控制模块4根据离焦量FD控制运动模块3移动，连续激光通过光学模块，聚焦在材料表面。

S3-2：根据变功率函数ΔP＝f

实例中所述的递减激光功率函数，具体为：

递减函数

即计算为

S3-4：在点状模式下，完成第n

S3-5：n

S3-6：判断是否完成第n

若n

若n

S3-7：工作台运动，激光焦点返回单列初始位置，n

S4：判断是否完成第n

若rep＜Rep，则执行S3，

若rep＝Rep，则执行S5；

S5：连续激光暂停输出，通过工作台的移动使激光焦点移动到第n

S6：rep＝1，n

S7：判断是否完成全部加工形貌的激光硬化：

若n

若n

S8：工件加工完成，以此关闭激光器，水冷机，控制电压。

如图8和图9所示，若实施例中加工形貌为条状或网状形貌时，用S3-8至S3-10替换上面的S3-4～S3-7，具有为：

S3-8：在条状或网状形貌下，在连续激光输出同时，控制模块4向运动模块3发送Move-control

S3-9：激光焦点运动到横向方向(x方向)末端，连续激光暂停输出；

S3-10：工作台运动，激光焦点返回单行初始位置，rep＝rep+1，执行S4；

若为网状形貌，则执行S7后，将样品旋转90°，再次进行条状形貌加工，结束后则完成加工。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。