激光束遠程硬化_激光技術_激光百科

作者：Alexander Kranhold, Sebastian Becker

單位：Scansonic MI GmbH, Rudolf-Baschant-Str. 2, 13086 Berlin

激光束遠程硬化在工業(ye) 領域變得越來越重要，通過使用該技術可以開發新作業(ye) 和應用。與(yu) 傳(chuan) 統的硬化方法相比，激光束遠程硬化可以顯著提高生產(chan) 率。提高組件的可達到性和高重複率，減少循環時間，這在汽車行業(ye) 的設計中扮演了一個(ge) 主要角色，對於(yu) 許多金屬加工業(ye) 的中型企業(ye) 來說也非常重要，這是在未來保持競爭(zheng) 力的途徑。

迄今為(wei) 止，激光係統很少用於(yu) 硬化。即使要使用，也沒有必要的控製係統提供給加工參數的在線適應。Scansonic的一項開發，即允許通過使用智能傳(chuan) 感器，以及用於(yu) 加工窗口擴展和加工穩定的新方法----實現了激光硬化的調節，從(cong) 而顯著提高質量。

激光束遠程硬化的原理

原則上，激光束遠程硬化屬於(yu) 表麵硬化方法，碳含量高於(yu) 0.2％的鐵質材料特別適用於(yu) 這一過程。對於(yu) 要硬化的部件，激光束通常在材料熔點溫度下加熱表麵層。組件表麵在進料方向被加熱，使碳原子在金屬基質中重新定位。當TCP向前移動時，周圍的材料將冷卻輻射區域，這就是所謂的自淬火。在高冷卻速度下，可以防止碳擴散，金屬基體(ti) 不能恢複到原始形態。這會(hui) 產(chan) 生馬氏體(ti) ，一種非常硬而脆的金屬結構。

圖1顯示了一個(ge) 係統在兩(liang) 塊集成電路板加工過程中，可以允許加工參數的精確調整。它使係統能夠根據當前材料條件，調節激光功率和集成掃描儀(yi) 的橫向速度。

由於(yu) 實時溫度控製，該加工經常超過所需的硬化溫度，但同時低於(yu) 熔融溫度。因此，結構上需要的鋒利的孔或切邊不會(hui) 因為(wei) 達到了所需的深度（最大2mm）而熔化。為(wei) 此，在中等速度0.2 ... 1.5米/分鍾範圍內(nei) ，通常有必須的相對較大的光斑直徑（Øspot3.5 ... 15毫米）。激光功率在900W和5KW之間。

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圖1

工件上難以觸及的地方可以通過光束引導的可能性實現加工，並且硬化可以很好地適應於(yu) 部件的幾何形狀。因此，複雜的輪廓可以硬化，具有高度的靈活性。其它表麵硬化方法，如感應硬化，根據每個(ge) 工件的幾何形狀需要新的感應器。此外，由於(yu) 激光束的強聚焦性，激光器可以進行局部有限的硬化。

激光硬化的經濟可行性有著一個(ge) 決(jue) 定性優(you) 點，就是可以硬化最終完成和形成的部件。工件可以在軟條件下進行加工，隻有達到傳(chuan) 送狀態所需的尺寸和形狀時，才會(hui) 發生硬化。由於(yu) 大量有目的性的熱量輸入，與(yu) 感應硬化相比，組件的變形可以忽略不計。

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圖2

所謂自淬火的優(you) 點，通過部件體(ti) 積、外表麵和核心之間的溫度梯度，確保了在激光硬化期間的最佳和無缺陷的硬化結果。

在圖2和圖3中，展示了具有徑向凹槽的軸杆。該部件的硬化過程中的進給運動是通過工件的旋轉實現。橫向掃描運動沿軸向工作，並覆蓋表麵上的兩(liang) 個(ge) 連續的凹槽。圖3所示的縱向剖麵示出了表麵邊緣處的硬化結構。

一個(ge) 深度1mm的硬化案例，是通過使用光學散焦來產(chan) 生，激光束在部件上覆蓋範圍從(cong) 3.3mm增加到5.7mm。這裏，通過熔化邊緣沒有產(chan) 生缺陷。

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圖3

所選擇的機器人速度為(wei) 6 mm/s，對自淬火有正麵影響。圖4中的圖示出了部件各個(ge) 深度所測量到的硬度值。

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圖4

隨著部件邊緣處的熱量增加，邊緣熔化很可能出現，但是通過降低激光功率和掃描速度的平行增加可以防止出現。工具中心點的工件溫度通過使用高溫計可以實現，它與(yu) 光學係統的光束路徑是同軸耦合在一起。根據控製原理，測量所得溫度現在與(yu) 設定值匹配。一旦出現與(yu) 設定值偏離，橫向掃描運動速度以及激光功率都要調整。

通過在光學係統的準直透鏡上的集成自動對焦來實現Z方向（垂直）的垂直偏移，由此可以跟蹤激光光斑中的水平（TCP）。

該係統會(hui) 產(chan) 生清潔的硬化效果，因為(wei) 通常不使用淬火介質，因此不會(hui) 發生表麵汙染。工件的選擇性硬化，比如具有多維彎曲向內(nei) 或難以觸及區域，孔或凹槽，都是可能實現的，同時還包括易變形的部件。與(yu) 感應淬火相反，激光束作為(wei) 一個(ge) 非成型工具。

從(cong) 經濟角度來看，通過激光進行熱處理也具有優(you) 勢。高效率由係統的高度靈活性所賦予，即使對於(yu) 小批量的尺寸也是如此。加工後的零件，無磨損的和低成本維護的加工零件，在硬化處理後馬上獲得，可以進一步加工，無需進行各種後續處理。由於(yu) 不再需要長時間的預熱，加工時間更短，並且可以非常快速和準確地改變工藝溫度。

激光硬化工作站可以輕鬆地被整合到現有的生產(chan) 加工中。激光束本身采用光學光纖可以實現光束導向選擇，可以安裝在生產(chan) 鏈外側(ce) 。對於(yu) 該過程，僅(jin) 需要留些空間給激光加工光學，以及用於(yu) 允許工件和激光束之間運動的裝置。

通過部件的自淬火和廢水或油的排放，以及非常高能量效率的激光工藝，降低環境影響也屬於(yu) 一個(ge) 優(you) 點。

通過激光硬化，為(wei) 客戶的工件提供激光硬化加工，可為(wei) 他帶來效益。采用準確設定的熱量輸入對所需表麵的選擇性硬化，可以導致不同尺寸較小和較輕的組件平行，增加其耐磨性。

激光加工的條件

用於(yu) 激光硬化的光學係統RLH-A可以配套固態激光器使用，也包括1030nm的波長碟片激光器，1064nm的YAG激光器以及1070nm的光纖激光器。這個(ge) 光學器件還可以與(yu) 半導體(ti) 激光器一起使用，其波長範圍為(wei) 930 nm至1100 nm。對於(yu) 這種表麵處理的應用，常用的光纜的光纖直徑為(wei) 600μm芯徑。為(wei) 了實現相應的加工運動，激光光學或者工件都安裝在導向機器上，根據應用而定。以激光腔形式的激光安全裝置對於(yu) 這種生產(chan) 技術至關(guan) 重要。

前景

未來的重點肯定在於(yu) 技術的進步，根據用戶需求提供各種可用係統。包括例如：具有二維掃描組件的光學器件，以及沒有激光束振蕩的更簡單的係統。另一個(ge) 主要問題和對工藝的有用的適應是可變光束或聚焦成形。由此，TCP上的激光光斑可以被衍射光學改變，根據圓形光斑或線條光斑。

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