一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备

技术领域

本发明涉及激光热处理技术领域，具体涉及一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备。

背景技术

激光表面热处理指的是利用激光束高能量产生的热效应对金属材料表面进行热处理的一项新技术。该技术的工作过程是：用激光照射零件表面，可加热至临界相变温度以上，移去激光束后，该表面迅速冷却自行淬火，这在提高金属表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性和冲击性等方面，都取得明显的效果。

现有的激光表面处理设备，通常采用单路低功率激光反复扫描零件表面，处理效率低，且激光的照射方向保持不变，移动或旋转加工工件实现激光照射位置的相对运动，在加工工件表面形成激光照射点的运动轨迹，精度受限于激光头的运动控制精度，且工件的状态控制不理想，更加使得激光表面热处理精度相对较低。为此，我们提出了一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，旨在解决现有的激光表面处理设备的激光照射方向保持不变，移动或旋转加工工件实现激光照射位置的相对运动，精度受限于激光头的运动控制精度，且工件的状态控制不理想，使得激光表面热处理精度较低的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备，包括内部中空的设备机箱，所述设备机箱的内腔中部通过水平设置的加工台板分隔为位于上部的激光热处理室和位于下部的排气室，设备机箱对应激光热处理室的相对侧壁上均安装有用于合金工件放取的设备上盖，激光热处理室中通过激光管支架安装有多个作为激光发生源的激光管，且激光管的下端对称设有用于聚焦和反射激光后对合金工件侧面进行外覆层补充激光热处理的聚光反射总成；

所述加工台板对应两个聚光反射总成位置侧壁上分别贯通安装有多个连通激光热处理室和排气室的气接管，设备机箱对应排气室位置的后壁上安装有多个排风口。

优选的，所述激光管为三层套管结构，最内层为用于高压放电的放电管，中间层为水净套管，水净套管内盛放有冷却液，最外层为储气套，储气套内盛放有高浓度CO2气体，且放电管与储气管通过回气管相连通，水净套管通过液冷管道与外部冷却介质源相连通，且液冷管道上设有作为驱动源的液体泵。

优选的，所述聚光反射总成包括两个对称安装于加工台板上端面的安装底板，且两个安装底板上端相向的一侧均平行安装有平移滑轨，平移滑轨上左右向滑动安装有呈“凹”形的平移座，平移座的下端安装有用于驱动平移座左右向移动的第一驱动件，平移座的上端中部设有相机固定架，相机固定架上设有用于聚焦激光的相机；

两个所述相机相背离的一侧均设有用于反射激光的三棱镜，且三棱镜转动安装在反射定位座上，且三棱镜的下端设有用于驱动三棱镜转动的第二驱动件，反射定位座通过紧固螺钉安装在安装底板上。

优选的，所述平移滑轨的两端均安装有用于限位的滑轨封头。

优选的，所述相机上设有用于接收激光的谐振腔，谐振腔的内部由全反镜和输出反射镜组成。

优选的，所述三棱镜背离相机一侧的侧壁上通过固定螺栓安装有气接头固定板，且气接头固定板上安装有用于通过软管连通气接管的气接头。

优选的，所述平移座的侧壁上端对称螺纹安装有用于调节相机固定架前后位置的纵向调节螺栓。

优选的，所述激光热处理室的内顶壁通过工字肋板安装有多个用于快速降温的风扇。

优选的，所述设备机箱的前壁上安装有用于紧急启停的急停开关、用于控制全部电源的启动开关以及用于控制激光管、聚光反射总成的多个分开关。

优选的，所述设备机箱对应排气室位置的前壁上设有通过电磁封闭合的封板和用于控制电磁封的封板开关。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备，具备以下有益效果：

1、本发明的合金材料零件作为工件放置于聚光反射总成之间，激光管启动，通过聚光反射总成以高能量密度的激光束快速的扫描合金工件,被照射的工件表面温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度,进而实现工件的表面相变硬化，光束能量被合金工件表面极薄的一层小区域快速吸收而使温度急剧升高，当激光束离开被照射部位时,由于热传导的作用,处于冷态的基体在瞬间实现合金工件自冷淬火，使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化表面处理，热处理变形小，无机械变形。

2、本发明的聚焦和扫描通过第一驱动件和第二驱动件的控制，调节相机与三棱镜之间的间距以及三棱镜的反射角度，进而实现对合金工件进行激光聚焦后的快速扫描，光束能量被合金工件表面极薄的一层小区域快速吸收而使温度急剧升高，然后移开激光束，在瞬间实现合金工件自冷淬火，使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化表面处理；

3、本发明的合金材料零件外覆层激光热处理后，可获得质量优良的高精度硬化层，硬度比常规淬火提高15％-20％，且可以仅在工件的关键部位作局部的、薄的表层加热，输入工件的热量少，节能效果好。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明立体结构图；

图2为本发明背面结构示意图；

图3为本发明侧面结构示意图；

图4为本发明图3中A-A结构剖视图；

图5为本发明中激光热处理室的内部结构示意图一；

图6为本发明中激光热处理室的内部结构示意图二；

图7为本发明中激光热处理室的内部结构正视图；

图8为本发明中聚光反射总成的立体结构图；

图9为本发明中聚光反射总成的结构俯视图。

图中：设备机箱1、加工台板101、激光热处理室102、排气室103、承脚2、设备上盖3、启闭把手4、观察玻璃5、激光管支架6、激光管7、聚光反射总成8、安装底板800、平移滑轨801、滑轨封头802、平移座803、相机固定架804、相机805、纵向调节螺栓806、谐振腔807、反射定位座808、三棱镜809、固定螺栓810、气接头固定板811、气接头812、气接管9、排风口10、工字肋板11、风扇12、启动开关13、封板开关14、急停开关15、封板16、分开关17。

具体实施方式

下面结合附图1-9和实施例对本发明进一步说明：

实施例1

一种合金材料零件的外覆层激光热处理设备，包括内部中空的设备机箱1，所述设备机箱1的内腔中部通过水平设置的加工台板101分隔为位于上部的激光热处理室102和位于下部的排气室103，设备机箱1对应激光热处理室102的相对侧壁上均安装有用于合金工件放取的设备上盖3，激光热处理室102中通过激光管支架6安装有多个作为激光发生源的激光管7，且激光管7的下端对称设有用于聚焦和反射激光后对合金工件侧面进行外覆层快速激光扫描热处理的聚光反射总成8，合金材料零件作为工件放置于聚光反射总成8之间，激光管7启动，通过聚光反射总成8以高能量密度的激光束快速的扫描合金工件，可以理解的是，需要激光热处理的部分可为整体也可为局部，适用性强，被照射的工件表面温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度,当激光束离开被照射部位时,由于热传导的作用,处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火,进而实现工件的表面相变硬化；

所述加工台板101对应两个聚光反射总成8位置侧壁上分别贯通安装有多个连通激光热处理室102和排气室103的气接管9，设备机箱1对应排气室103位置的后壁上安装有多个排风口10，排气室103内置有惰性气体源，排风口10用于排出空气，可以理解的是，气接管9上安装有气门阀，用于快速注入设备机箱1内惰性气体并排出空气，保证激光热处理室102内激光热处理时不会导致过度氧化和杂质附着，提高工件金属表面处理质量。

本实施例中，所述激光管7为三层套管结构，最内层为用于高压放电的放电管，中间层为水净套管，水净套管内盛放有冷却液，最外层为储气套，储气套内盛放有高浓度CO2气体，且放电管与储气管通过回气管相连通，水净套管通过液冷管道与外部冷却介质源相连通，外部冷却介质源置于排气室103中，且液冷管道上设有作为驱动源的液体泵，保证高压放电激发高浓度CO2气体产生波长10.6um的激光，用于合金工件的表面激光加热。

本实施例中，如图8-9所示，所述聚光反射总成8包括两个对称安装于加工台板101上端面的安装底板800，且两个安装底板800上端相向的一侧均平行安装有平移滑轨802，平移滑轨802上左右向滑动安装有呈“凹”形的平移座803，平移座803的下端安装有用于驱动平移座803左右向移动的第一驱动件，平移座803的上端中部设有相机固定架804，相机固定架804上设有用于聚焦激光的相机805；

两个所述相机805相背离的一侧均设有三棱镜809，三棱镜809用于反射激光并配合相机805的聚焦后实现快速扫描的，且三棱镜809转动安装在反射定位座808上，且三棱镜809的下端设有用于驱动三棱镜809转动的第二驱动件，反射定位座808通过紧固螺钉安装在安装底板800上；

可以理解的是，第一驱动件可为步进电机，第二驱动件为伺服电机，分别用于调节相机805与三棱镜809之间的间距以及三棱镜809的反射角度，进而实现对合金工件进行激光聚焦后的快速扫描，光束能量被合金工件表面极薄的一层小区域快速吸收而使温度急剧升高，然后移开激光束，在瞬间实现合金工件自冷淬火，使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化表面处理。

本实施例中，如图8-9所示，所述平移滑轨801的两端均安装有用于限位的滑轨封头802；所述相机805上设有用于接收激光的谐振腔807，谐振腔807的内部由全反镜和输出反射镜组成，全反镜一般以光学玻璃为基底，表面渡金膜，金膜反射镜在10.6um附近的反射率达98％以上；输出反射镜一般采用能透射10.6um辐射的红外线材料锗(Ge)为基底,在上面渡上多层介质膜而制成。

本实施例中，如图8-9所示，所述三棱镜809背离相机805一侧的侧壁上通过固定螺栓810安装有气接头固定板811，且气接头固定板811上安装有用于通过软管连通气接管9的气接头812，惰性气体的注入和含杂质空气的排出于三棱镜809处形成高透明度的空间，减少空气中杂质导致的激光散发和减弱，保证激光的折射和聚焦效果。

本实施例中，如图1、4和5所示，所述激光热处理室102的内顶壁通过工字肋板11安装有多个用于快速降温的风扇12，冷却速度加快，碳来不及扩散因而使残留奥氏体增加，随着奥氏体向马氏体的转变，得到高碳马氏体，从而提高了合金材料的淬火硬度。

本实施例中，如图1、4-6所示，所述设备机箱1的前壁上安装有用于紧急启停的急停开关15、用于控制全部电源的启动开关13以及用于控制激光管7、聚光反射总成8的多个分开关17，配合控制系统，便于实现对激光热处理设备的操控。

本实施例中，如图1-6所示，所述设备机箱1对应排气室103位置的前壁上设有通过电磁封闭合的封板16和用于控制电磁封的封板开关14，封板16的启闭用于更换和检修惰性气体源和外部冷却介质源。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，如图8-9所示，所述平移座803的侧壁上端对称螺纹安装有用于调节相机固定架804前后位置的纵向调节螺栓806，可以实现相机805位置的调节，保证激光的聚焦。

其他未描述结构参照实施例1。

根据本发明上述实施例的合金材料零件的外覆层激光热处理设备，合金材料零件作为工件放置于聚光反射总成8之间，激光管7启动，通过聚光反射总成8以高能量密度的激光束快速的扫描合金工件,被照射的工件表面温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度,进而实现工件的表面相变硬化，光束能量被合金工件表面极薄的一层小区域快速吸收而使温度急剧升高，当激光束离开被照射部位时,由于热传导的作用,处于冷态的基体在瞬间实现合金工件自冷淬火，使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化表面处理；

具体的聚焦和扫描过程为，通过第一驱动件和第二驱动件的控制，调节相机805与三棱镜809之间的间距以及三棱镜809的反射角度，进而实现对合金工件进行激光聚焦后的快速扫描，光束能量被合金工件表面极薄的一层小区域快速吸收而使温度急剧升高，然后移开激光束，在瞬间实现合金工件自冷淬火，使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化表面处理；

合金材料零件外覆层激光热处理后，可获得质量优良的高精度硬化层，硬度比常规淬火提高15％-20％，且可以仅在工件的关键部位作局部的、薄的表层加热，输入工件的热量少，节能效果好，热处理变形小，无机械变形。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。