一、 激光淬火概述

激光淬火工艺是利用激光将材料表面加热到奥氏体相变点以上，伴随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质。相对于感应淬火、火焰淬火，渗碳淬火工艺，激光淬火淬硬层均匀，硬度更高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要像感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制。因此在很多工业领域中，激光淬火工艺正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，特别适合高精度要求的零件表面处理。

二、激光淬火设备

采用iLAM-D-1004激光淬火成套设备进行实验，设备如图1所示，其主要配置如下：6轴KUKA机器人，3000WLaserline半导体激光器，激光淬火头光斑尺寸调节范围为3.5mm*3.5mm-21mm*21mm，此外系统配备双色红外测温仪，900-1500℃闭环温控软件。

图1 iLAM-D-1004激光淬火成套设备

设备参数

三、双色测温仪

图2 淬火激光头分解图

　　图2的第5部分为双色测温仪，Laser Line AutoZoom双向调节整形模块，其适用于中高功率工业应用的淬火头，可调整的且能量分布均匀的矩形光斑，可应用于各种尺寸的零件表面处理。可变光斑镜组可通过对马达驱动对匀化过的方形光斑进行长度的调整。内置的电机驱动可选择标准0-10V模拟量控制，供电需求：24V/3A；镜头可选配红外高温计，实现温度闭环控制。
   可调光斑范围：

图3 可调光斑范围图

四、温度闭环控制

 
    温度闭环控制LASCON®是一款用于温控激光加工的激光控制器软件。 通过双色测温仪来检测加工温度，主要的应用包括，激光淬火，微硬化和激光焊接（特别是塑料的激光焊接）以及任何导致工件温度升高的工艺，如感应加热。 LASCON®控制，优化和监督激光工艺。 使用简单的激光工艺脚本编程语言，LASCON®能够决定好的和差的激光器处理并可以轻松地在激光支持的生产中挑选出不良部件。软件支持LPC04控制器等专门开发的硬件组件，集成高速红外高温计，激光加工头，校准单元和适配器。轻松集成到机器和工厂设备中。 整个软件包分为不同的单元，通过TCP / IP协议进行通信。

　　材料淬火原理是将材料加热至临界温度Ac1（738℃）或Ac3（912℃）以上某一温度，并保温一段时间，使材料组织全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的速度快速冷却至室温进行马氏体转变。可以知道，激光淬火温度对淬火质量明显有比较重要的影响，而淬火温度是由淬火工艺参数决定，不同的淬火工艺参数决定不同的淬火温度，淬火温度也是重复淬火工艺较为直观的参数，因此，激光淬火过程中，通常采用红外监测实时测量材料淬火温度，将淬火温度控制在比较合理的范围内，通过温度闭环反馈系统去实时调节激光淬火工艺参数（主要调节激光功率），将淬火温度稳定在合适数值。

        实验材料为预硬化塑料模具钢2738，预硬硬度29-33HRC，此材料主要应用在大型塑胶模具、模架上，如汽车保险杠、电视机外壳模具等。

　　根据激光淬火前期相关文献资料调研，进行初步实验设计，淬火形式为单道淬火，将激光光斑尺寸10mm*10mm、光斑扫描速度10mm/s，设为定值，忽略实验基材尺寸大小对淬火质量的影响，默认实验材料对激光的吸收率为100%，通过设定不同的淬火温度去检测材料的淬火硬度及淬硬层深度变化，同时，通过温控软件转换可以实时计算并显示激光器实际出光功率。

表1　 工艺参数

图5单道淬火

由图5可以看到6组参数下的淬火表面情况，1#和2#淬火后表面氧化较浅，淬火温度低，能明显看到基材打磨时留下的痕迹，且1#单道淬火宽度偏小；3#、4#与5#淬火后表面氧化中等，基本覆盖基材打磨时留下来的痕迹，淬火温度适中；6#淬火后表面氧化严重，存在表面起皮现象，淬火温度偏高。

六、 表面硬度检测

    采用里氏硬度计测量淬火硬度，具体测量数值如表2所示。从硬度值可以知道，1#淬火温度明显不足，淬火硬度低且波动较大；2#淬火硬度均值52.9HRC且硬度值波动小，但根据预硬化塑料模具钢2738的材料特性，淬火硬度可以达55HRC以上，很明显，2#淬火温度略微不足；3#、4#、5#、6#淬火硬度值均在55HRC以上，且5#淬火硬度接近60HRC，硬度波动范围在1HRC左右；综合淬火表面状况及淬火硬度，初步认为在10mm*10mm光斑、10mm/s光斑扫描速度下，淬火温度合理范围为1200℃-1400℃，相对应的激光功率密度范围为1680-1980W/cm2，激光面能量密度范围为840-990J/cm2，其中5#淬火工艺参数为本次实验最优参数。

表2 实验1硬度检测

七、淬硬层深度

截取淬火单道横截面，制备金相试样，采用4%硝酸酒精溶液对截面进行腐蚀，通过维氏硬度计测试，可以知道淬硬层有效深度即为从淬火表面至单道淬火热影响区分界线，其中4#试样有效淬硬深度为0.9mm，如图6所示，从基材至淬硬层表面的硬度值如表3所示。

图6 4#试样维氏硬度测试50X

表3 4#试样维氏硬度值

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