一种激光淬火装置及其水冷方法与流程

1.本发明涉及激光淬火技术领域，具体为一种激光淬火装置及其水冷方法。


背景技术：

2.激光表面淬火是高能激光束照射到工件表面，使表层温度迅速升高至相变点之上(低于熔点)，由于金属良好的导热性，当激光束移开后，通过工件快速的自激冷却，材料表层组织由奥氏体转变为马氏体，实现材料的相变硬化。
3.激光表面淬火具有以下主要特点：材料高速加热和高速冷却，加热速度可达104-109℃/s，冷却速度大于104℃/s；激光表面淬火件的硬度高，通常比常规淬火高5％～10％，淬火组织细小，硬化层深度约为0.2～1.5mm；由于加热和冷却速度快，热影响区小，对基材的性能及尺寸影响小；易于实现局部、非接触式处理，特别适于复杂精密零件的硬化加工；生产效率高，易实现自动化操作，无需冷却介质，对环境无污染。
4.由于激光淬火的诸多技术优势，激光淬火应用越来越广泛，同常规淬火相比，激光淬火变形很小且硬度高，但是对于一些精密工件和变形要求高的工件，也会有一点微小变形，就达不到要求了。特别是对于形状单薄的工件，淬火变形量往往超标，淬火硬度也达不到要求。
5.激光淬火中工件产生的变形，主要是来源于淬火过程形成的内应力，内应力分为热应力及组织应力，在激光淬火过程中主要是热应力变化而导致工件变形。激光淬火硬度与淬火过程中的冷却速度有着直接的关系，冷却速度越快，越有助于马氏体转变，淬火硬度也就越高。所以，激光淬火过程中的冷却速度直接影响着淬火变形量和淬火硬度。
6.目前市面上的激光淬火主要是依靠工件自身冷却和空气冷却，对于比较大的工件，冷却效果可以保证。但对于单薄工件，可提供热量转移的金属体积量小，靠金属自身冷却效果差，热应力变形大，达不到淬火要求。


技术实现要素：

7.(一)解决的技术问题
8.针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光淬火装置及其水冷方法，从加快激光淬火过程中的冷却入手，从而降低激光淬火过程中的热应力，提高淬火硬度。
9.(二)技术方案
10.为解决上述技术问题，本发明提供一技术方案：一种激光淬火装置，其特征在于，包括：承载连接件，可沿第一方向移动，设置在待加工工件的上方；激光头，设置在所述承载连接件中，用于朝所述待加工工件的淬火区域发射激光束以对所述待加工工件的淬火区域进行淬火；冷却水管，设置在所述承载连接件中，用于在所述激光头对所述待加工工件的淬火区域进行淬火之后，朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水，以对所述待加工工件的淬火区域进行冷却；压缩空气管，设置在所述承载连接件中，用于朝所述冷却水管的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中；干燥气体管，设置在所述承载
连接件中，用于喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面；测温系统，设置在所述承载连接件中，用于实时测量激光束照射到工件表面时的温度并反馈到激光淬火控制系统；控制系统，用于根据工件表面温度、激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定激光束扫描速度与激光淬火温度。
11.进一步的，所述压缩空气管设置在所述冷却水管和所述激光头之间，且所述压缩空气管朝向所述冷却水管方向倾斜。
12.进一步的，所述冷却水管设置在所述干燥气体管和所述压缩空气管之间。
13.进一步的，所述冷却水包括冷却油和切削液，所述压缩空气包括氮气、二氧化碳和惰性气体。
14.为解决上述技术问题，本发明提供另一技术方案：一种应用于上述激光淬火装置的水冷方法，其特征在于，该方法包括：在确定需要对待加工工件进行淬火作业时，根据激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定所述承载连接件朝第一方向移动的速度以及激光淬火时工件的表面温度；实时开启测温检测，将工件表面淬火温度传送到控制系统，并与给定的初始温度进行比对，根据比对偏差，实时调整激光头的扫描速度，当检测到物体表面温度达到系统初始给定的温度时，实时启动冷却水管喷水冷却；在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述干燥气体管朝所述冷却水管的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中。
15.进一步的，该方法还包括：在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述干燥气体管喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面。
16.进一步的，所述承载连接件中还设置有用于吸收烟尘的烟尘吸收组件，该方法还包括：在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述烟尘吸收组件工作以吸收淬火过程中的烟尘。
17.进一步的，所述待加工工件的下方可移动设置有用于回收冷却水的回收槽，其中所述回收槽设有呈漏斗状的入水口，该方法还包括：在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述回收槽跟随所述承载连接件同步移动，并保持所述回收槽处于所述冷却水管的正下方。
18.(三)有益效果
19.与现有技术相比，本发明提供了一种激光淬火装置及其水冷方法，具备以下有益效果：本发明通过在承载连接件中增加冷却水管，以通过水冷却的方式对淬火区域进行冷却，这样能够增加冷却速度，冷却效果好，降低淬火热应力，从而减小淬火过程中的变形，能够满足单薄的工件及变形要求高工件淬火的变形要求，同时随着冷却速度的加快，有助于马氏体转变，从而提高淬火硬度，另外，在承载连接件增加压缩空气管，能够朝冷却水管的喷水方向喷射压缩空气，以避免水流至激光头的激光束中，从而不影响淬火的正常作业。
附图说明
20.图1为本发明激光淬火装置的结构示意图；
21.图2为本发明激光淬火装置的水冷方法示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，本发明所公开的激光淬火装置包括承载连接件10、激光头11、压缩空气管12、冷却水管13、干燥气体管14、烟尘吸收组件15、测温系统和控制系统。
24.承载连接件10可沿第一方向a移动，其中承载连接件10设置在待加工工件20的上方。应理解，第一方向为需要对淬火区域加工的方向，可以是直线方向(如图1所示)，也可以旋转方向，具体需要根据实际情况而定。
25.激光头11设置在承载连接件10中，用于朝待加工工件20的淬火区域发射激光束以对待加工工件20的淬火区域进行淬火。应理解，在检测到激光头11处于待加工工件的正上方时，激光头11才会朝待加工工件20的淬火区域竖直向下发射激光束以对待加工工件20的淬火区域进行淬火。
26.冷却水管13设置在承载连接件10中，用于在激光头11对待加工工件20的淬火区域进行淬火之后，朝待加工工件20的淬火区域喷射冷却水，以对待加工工件20的淬火区域进行冷却。也就是说，激光头11对待加工工件20的淬火区域进行淬火之后，冷却水管13才会朝待加工工件20的淬火区域喷射冷却水，而在检测到冷却水管13处于待加工工件20的淬火区域的正上方时，冷却水管13才会对待加工工件20的淬火区域喷射冷却水。
27.应理解，由于激光头11和冷却水管13均是设置在承载连接件10中的，因此激光头11和冷却水管13是跟随承载连接件10同步移动的。
28.压缩空气管12设置在承载连接件10中，用于朝冷却水管13的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中，同时加快淬火表面冷却。也就是说，压缩空气管12所喷射的压缩空气能够将冷却水管13所喷射出的冷却水朝远离激光束方向流动，使得冷却水不会流到激光束中，不影响激光束的正常淬火。
29.在本实施例中，压缩空气管12设置在冷却水管13和激光头11之间，且压缩空气管12朝向冷却水管13方向倾斜，使得压缩空气管12所喷射的压缩空气朝淬火区域方向喷出。
30.应理解，在一些实施例中，压缩空气管12的数量有多个，多个压缩空气管12呈弧形状设置在激光头11的外侧，即多个压缩空气管12组成一面墙，一方面能够挡住水雾或流至激光束中，也能挡住冷却水流至激光束中。
31.干燥气体管14设置在承载连接件10中，用于喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面。
32.应理解，干燥气体管14是设置在承载连接件10的后端的(即激光头11设置在承载连接件10的前端)，而压缩空气管12所喷射的压缩空气会将烟尘、水雾和水朝远离激光头11方向流动(即朝向干燥气体管14方向流动)，而此时干燥气体管14所喷射出的干燥气体能够对水和水雾进行干燥。
33.优选地，冷却水管13设置在干燥气体管14和压缩空气管12之间。
34.在本实施例中，冷却水包括冷却油和切削液，而压缩空气包括氮气、二氧化碳和惰性气体。
35.测温系统设置在承载连接件10中，用于实时测量激光束照射到工件20表面时的温度并反馈到激光淬火控制系统。
36.控制系统用于根据工件20表面温度、激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定激光束扫描速度与激光淬火温度。也就是说，控制系统能够实时改变激光束的扫描速度以及激光的淬火温度。
37.进一步参考图2，本发明还公开一种激光淬火装置的水冷方法，该方法运用于图1的激光淬火装置，具体地，该方法包括以下步骤：
38.步骤s101：在确定需要对待加工工件20进行淬火作业时，根据激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定承载连接件10朝第一方向移动的速度以及激光淬火时工件的表面温度。
39.应理解，在一些实施例中，该方法还包括：在确定需要对待加工工件20进行淬火作业时，控制承载连接件10朝第一方向a移动，同时检测激光头11是否移动至待加工工件的淬火区域的上方，并在确定激光头11移动至待加工工件20的淬火区域的上方时，执行步骤s101中根据激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定承载连接件10朝第一方向移动的速度以及激光淬火时工件的表面温度的步骤。
40.步骤s102：实时开启测温检测，将工件20表面淬火温度传送到控制系统，并与给定的初始温度进行比对，根据比对偏差，实时调整激光头的扫描速度，当检测到物体表面温度达到系统初始给定的温度时，实时启动冷却水管13喷水冷却。
41.步骤s103：在冷却水管13朝待加工工件20的淬火区域喷射冷却水时，控制干燥气体管14朝冷却水管13的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中。
42.值得注意的是，在一些实施例中，该控制系统还会根据冷却水的水流量控制干燥气体管14所喷出的压缩空气的量，即冷却水的水流量与压缩空气的量是成正比例的，水流量越大压缩空气就越大。
43.进一步的，该激光淬火装置的水冷方法还包括：在检测到冷却水管13朝待加工工件20的淬火区域喷射冷却水时，控制干燥气体管14喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面。
44.应理解，在淬火过程中以及冷却水冷却淬火区域时会产生烟尘和水雾等，因此，在一些实施例中，该承载连接件10中还设置有用于吸收烟尘的烟尘吸收组件，而该激光淬火装置的水冷方法还包括：在检测到冷却水管13朝待加工工件20的淬火区域喷射冷却水时，控制烟尘吸收组件工作以吸收淬火过程中的烟尘。当然，该烟尘吸收组件设有烟雾浓度检测器，在烟雾浓度检测器检测到烟雾浓度达到预设值时才启动工作而吸收淬火过程中的烟尘。
45.应理解，在冷却水冷却过程中会残留有水和杂物，因此在一些实施例中，待加工工件20的下方可移动设置有用于回收冷却水的回收槽，其中回收槽设有呈漏斗状的入水口，而该激光淬火装置的水冷方法还包括：在检测到冷却水管13朝待加工工件20的淬火区域喷
射冷却水时，控制回收槽跟随承载连接件同步移动，并保持回收槽处于冷却水管13的正下方，使得可以通过回收槽回收残留的水及杂物。
46.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种激光淬火装置，其特征在于，包括：承载连接件，可沿第一方向移动，设置在待加工工件的上方；激光头，设置在所述承载连接件中，用于朝所述待加工工件的淬火区域发射激光束以对所述待加工工件的淬火区域进行淬火；冷却水管，设置在所述承载连接件中，用于在所述激光头对所述待加工工件的淬火区域进行淬火之后，朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水，以对所述待加工工件的淬火区域进行冷却；压缩空气管，设置在所述承载连接件中，用于朝所述冷却水管的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中；干燥气体管，设置在所述承载连接件中，用于喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面；测温系统，设置在所述承载连接件中，用于实时测量激光束照射到工件表面时的温度并反馈到激光淬火控制系统；控制系统，用于根据工件表面温度、激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定激光束扫描速度与激光淬火温度。2.根据权利要求1所述的激光淬火装置，其特征在于，所述压缩空气管设置在所述冷却水管和所述激光头之间，且所述压缩空气管朝向所述冷却水管方向倾斜。3.根据权利要求2所述的激光淬火装置，其特征在于，所述冷却水管设置在所述干燥气体管和所述压缩空气管之间。4.根据权利要求3所述的激光淬火装置，其特征在于，所述冷却水包括冷却油和切削液，所述压缩空气包括氮气、二氧化碳和惰性气体。5.一种应用于权利要求1-4的激光淬火装置的水冷方法，其特征在于，该方法包括：在确定需要对待加工工件进行淬火作业时，根据激光头功率、光斑形状、环境温度、加工工件材质、加工工件厚度、淬火变形控制量、淬火硬度以及深度要求，通过人工智能算法，初步给定所述承载连接件朝第一方向移动的速度以及激光淬火时工件的表面温度；实时开启测温检测，将工件表面淬火温度传送到控制系统，并与给定的初始温度进行比对，根据比对偏差，实时调整激光头的扫描速度，当检测到物体表面温度达到系统初始给定的温度时，实时启动冷却水管喷水冷却；在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述干燥气体管朝所述冷却水管的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中。6.根据权利要求1所述的激光淬火装置的水冷方法，其特征在于，该方法还包括：在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述干燥气体管喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面。7.根据权利要求6所述的激光淬火装置的水冷方法，其特征在于，所述承载连接件中还设置有用于吸收烟尘的烟尘吸收组件，该方法还包括：在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述烟尘吸收组件工作以吸收淬火过程中的烟尘。8.根据权利要求7所述的激光淬火装置的水冷方法，其特征在于，所述待加工工件的下
方可移动设置有用于回收冷却水的回收槽，其中所述回收槽设有呈漏斗状的入水口，该方法还包括：在所述冷却水管朝所述待加工工件的淬火区域喷射冷却水时，控制所述回收槽跟随所述承载连接件同步移动，并保持所述回收槽处于所述冷却水管的正下方。

技术总结
本发明公开了一种激光淬火装置，包括：承载连接件，设置在待加工工件的上方；激光头，用于朝淬火区域发射激光束以对淬火区域进行淬火；冷却水管，用于对淬火区域进行冷却；压缩空气管，用于朝冷却水管的喷水方向喷射压缩空气，以避免冷却水流反射至激光头的激光束中；干燥气体管，用于喷射出干燥气体，以吹掉工件表面的水并干燥工件表面；测温系统，用于实时测量激光束照射到工件表面时的温度并反馈到激光淬火控制系统；控制系统，用于根据工件表面的实时温度与理想温度的偏差，实时调整激光扫描速度。通过上述方式，本发明通过外加水冷却的方式对淬火区域进行冷却，大大增加冷却速度，减小淬火过程中的变形，能够满足单薄易变形工件的淬火要求。形工件的淬火要求。形工件的淬火要求。


技术研发人员：但堂咏
受保护的技术使用者：广州泰格激光技术有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/12