專利名稱：激光表面淬火淬硬層深度均勻性控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域的方法及其裝置，具體是一種激光表面淬火淬硬層深度均勻性控制方法及其裝置。
背景技術(shù)：
激光表面淬火是利用激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其溫度超過相變點以上達到奧氏體狀態(tài)，當(dāng)激光束移走后材料表面快速冷卻從而形成馬氏體淬硬層的表面熱處理過程。激光表面淬火時，激光束發(fā)散角很小、指向性好，能夠通過導(dǎo)光系統(tǒng)對材料表面進行精確的局部淬火；激光加熱速度快，又是瞬間局部加熱淬火，熱影響區(qū)小，工件變形很?。豢焖偌訜?、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，是一種無污染綠色環(huán)保熱處理工藝。與感應(yīng)淬火、火焰淬火等其它表面淬火工藝相比，激光表面淬火淬硬層均勻、硬度高、工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡容易控制，易于實現(xiàn)自動化。尤其重要的是激光淬火前后工件的變形幾乎可以忽略，特別適合高精度要求的零件表面處理。因此，在很多工業(yè)領(lǐng)域中，激光表面淬火正逐步取代感應(yīng)淬火和化學(xué)熱處理等傳統(tǒng)工藝。激光表面淬火時，淬硬層深度以及淬硬層深度在掃描方向上的均勻性都對零件表面的使用性能影響很大。因此，控制淬硬層深度及其均勻性是激光表面淬火工藝研究的重要內(nèi)容。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，激光表面淬火時多采用調(diào)整掃描速度或者激光功率的方法來控制淬硬層深度。王清波等在《金屬熱處理》2005年第30卷第2期81-83頁在題為《38CrMoAl鋼激光淬火研究》的論文中述及一種激光表面淬火淬硬層深度的控制方法， 在激光功率和離焦量一定的情況下，通過增加掃描速度，使得金屬表面受激光輻照時間縮短、吸收能量降低，金屬表面被加熱到相變溫度以上的區(qū)域減少，從而減小淬硬層深度。岳云等在《激光技術(shù)》2010年第34卷第4期514-516頁題為《激光表面處理1. 6% C超高碳鋼的組織與性能》的論文中也述及一種光表面淬火淬硬層深度的控制方法，在其它參量不變的情況下，通過增加激光功率，使得金屬表面吸收能量增加，金屬表面被加熱到相變溫度以上的區(qū)域增加，從而增大淬硬層深度。不論是采用調(diào)整掃描速度來控制淬硬層深度的方法，還是采用還是調(diào)整激光功率來控制淬硬層深度的方法，材料表面的實際溫度不受監(jiān)控， 容易使得金屬表面被過度加熱甚至達到熔點，從而出現(xiàn)熔凝層或者過熱層。同時，這兩種控制方法，都無法補償激光表面淬火過程中由于冷熱狀態(tài)不同等因素引起的淬硬層深度金屬表面的不均勻性，往往是冷態(tài)區(qū)域淬硬層深度小，而熱態(tài)區(qū)域淬硬層深度大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種激光表面淬火淬硬層深度均勻性控制方法及其裝置，使沿厚度方向溫度超過相變點達到奧氏體狀態(tài)并快速冷卻形成馬氏體淬硬層的區(qū)域的深度在金屬表面每一點相當(dāng)，并且激光表面淬火時既容易調(diào)控淬硬層深度，又保證金屬表面不出現(xiàn)熔凝層或者過熱層，且大大改善由于冷熱狀態(tài)不同引起的淬硬層深度在掃描方向上的不均勻性問題。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種激光表面淬火淬硬層深度均勻性控制方法，通過紅外增強CCD攝像機拍攝淬火過程中加熱區(qū)域的溫度場圖像，根據(jù)溫度場圖像分析得到實際加熱峰值溫度，并通過閉環(huán)控制反饋調(diào)控激光功率將實際加熱峰值溫度調(diào)整至激光表面淬火前設(shè)定的加熱峰值溫度，當(dāng)設(shè)定的加熱峰值溫度與激光的移動速度為定值時，實現(xiàn)淬硬層深度在金屬表面均勻一致。所述的激光為半導(dǎo)體激光，其光斑為矩形光斑，能量密度在慢軸上為頂帽分布、快軸上為高斯分布。所述的根據(jù)溫度場圖像分析得到實際加熱峰值溫度是指紅外增強CXD攝像機拍攝的加熱區(qū)域的灰度圖像，即溫度場圖像，按灰度值轉(zhuǎn)換成溫度值后構(gòu)造的加熱區(qū)域的溫度圖像，其中灰度值最小的位置即為峰值溫度區(qū)域，其對應(yīng)的溫度即加熱峰值溫度。所述的設(shè)定的加熱峰值溫度選取奧氏體相變溫度與材料熔點之間。所述的激光功率，其調(diào)整取決于實際加熱峰值溫度和設(shè)定加熱峰值溫度之間的誤差當(dāng)實際加熱峰值溫度高于設(shè)定加熱峰值溫度時，降低激光功率；當(dāng)實際加熱峰值溫度小于設(shè)定加熱峰值溫度時，增加激光功率；當(dāng)兩者相等時，保持激光功率；調(diào)整激光功率的幅度由實際加熱峰值溫度和設(shè)定加熱峰值溫度之間的誤差按PID算法決定。所述的PID算法是指按實際加熱峰值溫度和設(shè)定加熱峰值溫度之間偏差信號的比例(P)、積分(I)和微分(D)三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對激光器輸出功率的控制量。本發(fā)明涉及上述方法的控制裝置，包括控制模塊以及分別與之相連接的紅外增強CCD攝像機和激光器，其中控制模塊從紅外增強CCD攝像機中得到熔池圖像并輸出功率控制指令至激光器，激光器的輸出端和紅外增強CCD攝像機的鏡頭分別正對基板上的待處理區(qū)域。所述的紅外增強CXD攝像機采用特殊濾光片過濾可見光和激光，經(jīng)校正后，拍攝圖像的灰度值可反映相應(yīng)點的溫度值。所述的控制模塊包括串行通訊單元、模擬信號輸出單元、人機界面單元、計算機信號處理單元，其中串行通訊單元與紅外增強CXD攝像機相連接并傳輸熔池圖像信息至計算機信號處理單元，模擬信號輸出單元與激光器相連接并傳輸激光器輸出功率的控制量信號，計算機信號處理單元實現(xiàn)PID算法計算激光器輸出功率的控制量信號，人機界面單元實現(xiàn)加熱峰值溫度的設(shè)定。所述的激光器為焦點為矩形光斑，能量密度在慢軸上為頂帽分布、快軸上為高斯分布；激光器輸出功率可通過0-10V的模擬信號進行線性調(diào)整，模擬信號為OV時激光器輸出為0，模擬信號為IOV時激光器輸出為最大額定功率。上述裝置通過先設(shè)定加熱峰值溫度，當(dāng)激光束以一定功率照射到金屬表面時，紅外增強CCD攝像機拍攝加熱區(qū)域的溫度場，獲得實際加熱峰值溫度。如果實際加熱峰值溫度高于設(shè)定加熱峰值溫度時，降低激光功率；如果實際加熱峰值溫度小于設(shè)定加熱峰值溫度時，增加激光功率；當(dāng)兩者相等時，保持激光功率。這一溫度反饋控制系統(tǒng)，通過激光功率的調(diào)整來補償金屬表面冷熱狀態(tài)不同等因素引起的溫度差別，使得淬火區(qū)域內(nèi)的實際加熱峰值溫度趨于一致。設(shè)定加熱峰值溫度通常取在奧氏體相變溫度與材料熔點之間，避免了金屬表面出現(xiàn)熔凝層或者過熱層。在掃描速度為一定值時，調(diào)整設(shè)定加熱峰值溫度可方便地調(diào)節(jié)淬硬層深度，增加設(shè)定加熱峰值溫度值，淬硬層深度增加；在設(shè)定加熱峰值溫度為一定值時，調(diào)整掃描速度便可方便地調(diào)整淬硬層深度，增加掃描速度，淬硬層深度降低；在加熱峰值溫度設(shè)定值和掃描速度均固定時，可使得淬硬層深度在金屬表面均勻一致。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括⑴引入溫度反饋控制系統(tǒng)，避免了金屬表面淬火區(qū)域出現(xiàn)熔凝層或者過熱層；( 在設(shè)定加熱峰值溫度為一定值時，調(diào)整掃描速度便可方便地調(diào)整淬硬層深度；C3)本發(fā)明可以在同一掃描速度下獲得淬硬層深度均勻一致的淬硬層。


圖1為本發(fā)明原理示意圖。圖2為實施例中實際加熱峰值溫度和激光功率的控制曲線示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例涉及的控制裝置包括控制模塊2以及分別與之相連接的紅外增強CCD攝像機3和激光器4，其中控制模塊2從紅外增強CCD攝像機3中得到熔池圖像并輸出功率控制指令至激光器4，激光器4的輸出端和紅外增強CCD攝像機3的鏡頭分別正對基板5上的待處理區(qū)域1。所述的紅外增強CXD攝像機3采用特殊濾光片過濾可見光和激光，經(jīng)校正后，拍攝圖像的灰度值可反映相應(yīng)點的溫度值。所述的控制模塊2包括串行通訊單元、模擬信號輸出單元、人機界面單元、計算機信號處理單元，其中串行通訊單元與紅外增強CCD攝像機相連接并傳輸熔池圖像信息至計算機信號處理單元；模擬信號輸出單元與激光器相連接并傳輸激光器輸出功率的控制量信號；計算機信號處理單元實現(xiàn)PID算法計算激光器輸出功率的控制量信號；人機界面單元實現(xiàn)加熱峰值溫度的設(shè)定。所述的激光器4的技術(shù)參數(shù)要求為焦點為矩形光斑，能量密度在慢軸上為頂帽分布、快軸上為高斯分布；激光器輸出功率可通過0-10V的模擬信號進行線性調(diào)整，模擬信號為OV時激光器輸出為0，模擬信號為IOV時激光器輸出為最大額定功率。如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為150mmX60mmX10mm(長X寬X厚)的模具鋼；在計算機上設(shè)定加熱峰值溫度為1250°C，半導(dǎo)體激光器輸出的激光束6的焦點尺寸為 7. OmmX 1. 5mm，激光束6焦點位于工件表面；當(dāng)激光束6以1. 3m/min的掃描速度輻照工件表面后，在激光束6掃描過的區(qū)域形成淬火區(qū)。如圖2所示，激光表面淬火過程中，紅外增強CXD攝像機檢測的工件表面實際加熱峰值溫度基本上被控制在1250°C ；開始階段，工件處于冷態(tài)，需要較大的激光功率來確保工件表面實際加熱峰值溫度達到1250°C，隨著工件被加熱成熱態(tài)，激光功率逐漸降低至1. 15KW ；淬硬層深度為0. 8mm，掃描方向上均勻一致，沒有出現(xiàn)由掃描起點開始逐漸增加的現(xiàn)象。實施例2如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為150mmX60mmX10mm(長X寬X厚)的模具鋼；在計算機上設(shè)定加熱峰值溫度為1350°C，半導(dǎo)體激光器輸出的激光束6的焦點尺寸為 7. OmmX 1. 5mm，激光束6焦點位于工件表面；當(dāng)激光束6以1. 3m/min的掃描速度輻照工件表面后，在激光束6掃描過的區(qū)域形成淬火區(qū)。如圖2所示，激光表面淬火過程中，紅外增強CXD攝像機檢測的工件表面實際加熱峰值溫度基本上被控制在1350°C ；開始階段，工件處于冷態(tài)，需要較大的激光功率來確保工件表面實際加熱峰值溫度達到1350°C，隨著工件被加熱成熱態(tài)，激光功率逐漸降低至 1. 25KW ；淬硬層深度為1. 0mm，掃描方向上均勻一致，沒有出現(xiàn)由掃描起點開始逐漸增加的現(xiàn)象。實施例3如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為150mmX60mmX10mm(長X寬X厚)的模具鋼；在計算機上設(shè)定加熱峰值溫度為1400°C，半導(dǎo)體激光器輸出的激光束6的焦點尺寸為 7. OmmX 1. 5mm，激光束6焦點位于工件表面；當(dāng)激光束6以1. 3m/min的掃描速度輻照工件表面后，在激光束6掃描過的區(qū)域形成淬火區(qū)。如圖2所示，激光表面淬火過程中，紅外增強CCD攝像機檢測的工件表面實際加熱峰值溫度在1400°C上下波動，激光功率也大幅波動；觀察到淬火后的工件表面有部分熔化的痕跡，表明實際加熱峰值溫度達到了工件熔點以上，設(shè)定加熱峰值溫度太高。淬硬層深度為1. 1mm，在掃描方向上均勻一致，沒有出現(xiàn)由掃描起點開始逐漸增加的現(xiàn)象。實施例4如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為150mmX60mmX10mm(長X寬X厚)的模具鋼；在計算機上設(shè)定加熱峰值溫度為1350°C，半導(dǎo)體激光器輸出的激光束6的焦點尺寸為 7. OmmX 1. 5mm，激光束6焦點位于工件表面；當(dāng)激光束6以0. 15m/min的掃描速度輻照工件表面后，在激光束6掃描過的區(qū)域形成淬火區(qū)。激光表面淬火過程中，紅外增強CCD攝像機檢測的工件表面實際加熱峰值溫度基本上被控制在1350°C ；開始階段，工件處于冷態(tài)，需要較大的激光功率來確保工件表面實際加熱峰值溫度達到1350°C，隨著工件被加熱成熱態(tài)，激光功率逐漸降低至IKW ；淬硬層深度為1. 2mm，在掃描方向上均勻一致，沒有出現(xiàn)由掃描起點開始逐漸增加的現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種激光表面淬火淬硬層深度均勻性控制方法，其特征在于，通過紅外增強CCD攝像機拍攝淬火過程中加熱區(qū)域的溫度場圖像，根據(jù)溫度場圖像分析得到實際加熱峰值溫度，并通過閉環(huán)控制反饋調(diào)控激光功率將實際加熱峰值溫度調(diào)整至激光表面淬火前設(shè)定的加熱峰值溫度，當(dāng)設(shè)定的加熱峰值溫度與激光的移動速度為定值時，實現(xiàn)淬硬層深度在金屬表面均勻一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的激光為半導(dǎo)體激光，其光斑為矩形光斑，能量密度在慢軸上為頂帽分布、快軸上為高斯分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的根據(jù)溫度場圖像分析得到實際加熱峰值溫度是指紅外增強CCD攝像機拍攝的加熱區(qū)域的灰度圖像，即溫度場圖像，按灰度值轉(zhuǎn)換成溫度值后構(gòu)造的加熱區(qū)域的溫度圖像，其中灰度值最小的位置即為峰值溫度區(qū)域，其對應(yīng)的溫度即加熱峰值溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的設(shè)定的加熱峰值溫度選取奧氏體相變溫度與材料熔點之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的激光功率，其調(diào)整取決于實際加熱峰值溫度和設(shè)定加熱峰值溫度之間的誤差當(dāng)實際加熱峰值溫度高于設(shè)定加熱峰值溫度時，降低激光功率；當(dāng)實際加熱峰值溫度小于設(shè)定加熱峰值溫度時，增加激光功率；當(dāng)兩者相等時，保持激光功率；調(diào)整激光功率的幅度由實際加熱峰值溫度和設(shè)定加熱峰值溫度之間的誤差按PID算法決定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的PID算法是指按實際加熱峰值溫度和設(shè)定加熱峰值溫度之間偏差信號的比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對激光器輸出功率的控制量。
7.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法的控制裝置，其特征在于，包括控制模塊以及分別與之相連接的紅外增強CXD攝像機和激光器，其中控制模塊從紅外增強CXD攝像機中得到熔池圖像并輸出功率控制指令至激光器，激光器的輸出端和紅外增強CCD攝像機的鏡頭分別正對基板上的待處理區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征是，所述的紅外增強CCD攝像機采用特殊濾光片過濾可見光和激光，經(jīng)校正后，拍攝圖像的灰度值可反映相應(yīng)點的溫度值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征是，所述的控制模塊包括串行通訊單元、模擬信號輸出單元、人機界面單元、計算機信號處理單元，其中串行通訊單元與紅外增強CCD 攝像機相連接并傳輸熔池圖像信息至計算機信號處理單元，模擬信號輸出單元與激光器相連接并傳輸激光器輸出功率的控制量信號，計算機信號處理單元實現(xiàn)PID算法計算激光器輸出功率的控制量信號，人機界面單元實現(xiàn)加熱峰值溫度的設(shè)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征是，所述的激光器為焦點為矩形光斑，能量密度在慢軸上為頂帽分布、快軸上為高斯分布，激光器輸出功率可通過0-10V的模擬信號進行線性調(diào)整，模擬信號為OV時激光器輸出為0，模擬信號為IOV時激光器輸出為最大額定功率。
全文摘要
一種材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域的激光表面淬火淬硬層深度均勻性控制方法及其裝置，通過紅外增強CCD攝像機拍攝淬火過程中加熱區(qū)域的溫度場圖像，根據(jù)溫度場圖像分析得到實際加熱峰值溫度，并通過閉環(huán)控制反饋調(diào)控激光功率將實際加熱峰值溫度調(diào)整至激光表面淬火前設(shè)定的加熱峰值溫度，當(dāng)設(shè)定的加熱峰值溫度與激光的移動速度為定值時，實現(xiàn)淬硬層深度在金屬表面均勻一致。本發(fā)明使沿厚度方向溫度超過相變點達到奧氏體狀態(tài)并快速冷卻形成馬氏體淬硬層的區(qū)域的深度在金屬表面每一點相當(dāng)，并且激光表面淬火時既容易調(diào)控淬硬層深度，又保證金屬表面不出現(xiàn)熔凝層或者過熱層，且大大改善由于冷熱狀態(tài)不同引起的淬硬層深度在掃描方向上的不均勻性問題。
文檔編號G05D23/19GK102358914SQ20111023518
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者張悅, 張軻, 李瑞峰, 李鑄國, 黃堅 申請人:上海交通大學(xué)