[发明专利]一种低碳钢表面硬化方法

说明书

本发明公开了一种低碳钢硬化表面方法，先对待处理表面进行清理，祛除油漆、油污与锈蚀等覆层以及表面残留金属颗粒、低熔点物质等杂质，保证表面清洁度；然后使用激光对低碳钢表面进行硬化处理，激光束与待加工表面偏移角θ=70‑85°；激光功率P=2000W‑6000W，扫描速度v=8‑32mm/s，搭接率10‑30%，离焦量d=d₀±30mm，其中d₀为激光焦点处离焦量；激光光斑宽度W=1‑5mm；使用机械臂搭载激光加工头。本发明提出采用机械臂搭载激光加工头直接强化处理低碳钢的方法及面向低碳钢材料激光直接强化参数匹配原则与判定标准，实现低碳钢材料的高效低成本表面硬化处理，解决大尺寸、大吨位、复杂异构件表面快速强化处理的难题。

技术领域

本发明涉及一种低碳钢表面硬化方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

低碳钢由于其具有韧性好、可焊性强、成本低等优点，在机械制造、工程机械等领域广泛应用；特别在高频振动的作业过程中，低碳钢材料所制备的作业机具的优势显得尤为突出，如压路机、摊铺机等工程机械。通过调研发现大部分低碳钢作业机具的表面失效往往出现在早期，并随着使用时间的增加，材料表面的失效速率逐渐降低并趋于平稳。由此可见，低碳钢零件表面的早期寿命很大程度上决定了其使用寿命。通常采用表面强化处理技术以提升材料表面性能，以延长低碳钢零件早期失效时间。针对低碳钢的表面强化技术，除了采用元素渗入或渗入后淬火等技术，目前尚无简单高效低成本的表面方法，特别是针对大吨位、大尺寸、复杂结构的零件，因此，亟需探索一种更为有效的方法来提升低碳钢表面质量。

发明内容

目的：为了解决现有技术中低碳钢表面硬化成本高、工艺复杂、效率低以及针对大尺寸、大吨位、异形曲面低碳钢零件难以高效处理的难题，本发明提供一种低碳钢表面硬化方法。

激光表面强化处理，是一种以高能密度的激光束照射工件表面，使基体被快速加热与冷却，产生非平衡相变与凝固组织的一种工艺过程。激光表面强化处理主要包括激光淬火与激光熔凝两种工艺，该工艺特点是无需额外添加任何金属元素和材料，利用材料的相变强化、固溶强化及细晶强化等机理来提升材料表面性能。相比于传统热处理技术，激光强化处理具有更高的表面硬度、塑性、韧性；此外，激光具有柔性好的特点，强化处理过程不受零件的形状、尺寸大小、吨位、处理区域的制约，同时对硬化层深度上具有良好的可控性，更容易实现工业自动化与批量生产。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低碳钢表面硬化方法，具体地，使用激光对低碳钢表面进行硬化处理，激光束与待加工表面偏移角θ=70-85°；

激光功率P=2000W-6000W，扫描速度v=8-32mm/s，搭接率10-30%，离焦量d=d₀±30mm，其中d₀为激光焦点处离焦量。

进一步地，对低碳钢表面激光硬化处理前，先对待处理表面进行清理，祛除油漆、油污与锈蚀等覆层以及表面残留金属颗粒、低熔点物质等杂质，保证表面清洁度。

进一步地，发射激光束的激光加工头安装在六轴机械臂上，六轴机械臂通过机械臂底座设于加工平台上，六轴机械臂与控制器连接；所述激光加工头位于低碳钢表面上方。

进一步地，待加工面为平面时，激光束与待加工平面偏移角θ=70-85°。

进一步地，待加工面为曲面时，激光束与待加工曲面的切平面偏移角θ=70-85°。

进一步地，所述激光光斑为矩形光斑，光斑长度L=10-40mm，宽度W=1-5mm。

进一步地，所述激光能量密度E≥7J/mm²，单位区域的作用时间t=W/v≤0.3s，W为激光光斑宽度，v为扫描速度。