[发明专利]一种棒状试样表面激光淬火方法

说明书

技术领域：

本发明涉及对棒状试样表面进行激光淬火的新方法，具体应用于小直径(8～20mm范围内)棒状试样表面的激光淬火。同时也可以用于大直径的棒状试样和平板试样的表面激光淬火。

技术背景：

激光表面淬硬是通过激光的高密度能量将材料表面金属迅速加热到奥氏体化状态，随后主要依靠材料基体良好的导热性能将热量迅速传导并散发掉，从而使材料表面快速冷却，以达到淬火的目的。对于大直径的棒状工件，通常采用螺旋线型激光淬火方案(如图1所示)进行表面处理。但对于直径较小的棒状工件，由于其体积小，热容量不高，在热功率较大的CO₂激光器下，如果使用这种方案，前后两道次之间的热量极不容易散失，会在小工件基体上造成局部热量集中，导致基体热量和温度过高，不仅使材料表面不能快速冷却，而且还有可能使表面发生局部熔化。这样不仅前后两道次之间有着严重的热影响，达不到表面淬硬的目的，而且会影响基体的性能和零件表面质量。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种棒状试样表面激光淬火方法，该方法可以避免各激光加工道次之间的热影响，使热量能尽可能快地散失，不至在工件表面集中；从而保证工件表面不仅达到淬硬的要求，而且获得良好的外观质量。

本发明具体提供了一种棒状试样表面激光淬火方法，其特征在于：

每一个激光加工道次的轨迹均为在棒状试样表面平行于棒状试样对称轴的直线；

依序的每两个激光加工道次为一组，其轨迹关于棒状试样对称轴对称。

本发明棒状试样表面激光淬火方法中，激光加工道次之间最好不要搭接。

本发明棒状试样表面激光淬火方法能很好地对直径在8～20mm之间的小型棒状试样进行表面淬硬。

本发明棒状试样表面激光淬火方法中，激光功率密度为110～220W/mm²，扫描速度在20～50mm/s之间。

本发明棒状试样表面激光淬火方法中，最好使用连续二氧化碳激光器，激光淬火涂料为清华大学研制的TH-1激光淬火涂料。

本发明的发明人对淬硬层表面到工件中心的硬度进行了测试，其结果如图5所示。淬硬层的硬度明显高于基体硬度，说明材料表面得到了淬硬。而基体中心附近的硬度与淬火前相比几乎没有变化，说明激光加工所施加的热量没有对基体产生热影响，表明直线对称式激光淬火方案可以很好地散失激光加工时吸收的热量。激光加工后工件的良好外观和淬硬效果说明直线对称式激光淬火方案是一个成功和可行的激光加工方案，尤其适合于小直径棒状工件。

附图说明：

图1为常用的螺旋式激光表面淬火方式，v＝d/(2π/w)＝wd/2π，v为扫描过程中试样的纵向进给速度，d为光斑直径，V_扫为扫描速度；

图2为旋转装置的示意图，图中1试棒、2卡盘、3电动机、4床身；

图3为对称式表面直线型加工方案示意图；

图4为表面对称式直线型淬火的零件的宏观与微观金相；

图5为端面硬度点的分布及其测量结果。

具体实施方式：

直线对称式加工方案的简单旋转装置如图2所示，其具体加工细节如图3所示。激光头发出激光后沿着棒状工件的Z轴方向以扫描速度V移动，完成第一道次的激光淬火。此时激光器会暂时停止，卡盘旋转180度，使与第一道次相对称的下一个表面向上，激光回过来对这一个表面进行表面淬火。这样第一个表面就有足够充足的时间释放所吸收的热量，可以得到很高的表面冷却速度。第二道次加工的表面在其关于Z轴对称的位置上，这样两次激光淬火后材料所吸收的热量在基体上得到均匀的分布，不会在某个局部产生集中。同时整个工件的未加工表面都会保持在一个较低的温度，可以让加工表面的热量迅速地传导给未经加工的表面和已经加工完并已散失了热量的表面，从而保证了每一道次激光淬火都可以得到较快的冷却速度，避免了相邻淬火道次之间的相互热影响。接下来的第三道次和第四道次与第一道次相隔90度，关于Z轴对称，依此类推，可进行以下道次的淬火。这些工作可根据棒状工件直径的大小，预先编写好计算机程序，由计算机来指导激光器自动执行。

实施例1

工件尺寸Φ8×200mm，材料40CrNiMo，激光淬硬工艺条件：光斑直径3mm，激光功率800W，扫描速度20mm/s，采用连续二氧化碳激光器，激光淬火涂料为清华大学研制的TH-1激光淬火涂料。

结果得到深0.7mm的全马氏体淬硬层，工件表面光滑。

实施例2