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(yè)領域變得越來越重要，通過使用該技術可以開發(fā)新作業(yè)和應用。與傳統(tǒng)的硬化方法相比，激光束遠程硬化可以顯著提高生產率。提高組件的可達到性和高重復率，減少循環(huán)時間，這在汽車行業(yè)的設計中扮演了一個主要角色，對于許多金屬加工業(yè)的中型企業(yè)來說也非常重要，這是在未來保持競爭力的途徑。

迄今為止，激光系統(tǒng)很少用于硬化。即使要使用，也沒有必要的控制系統(tǒng)提供給加工參數的在線適應。Scansonic的一項開發(fā)，即允許通過使用智能傳感器，以及用于加工窗口擴展和加工穩(wěn)定的新方法----實現了激光硬化的調節(jié)，從而顯著提高質量。        

激光束遠程硬化的原理

原則上，激光束遠程硬化屬于表面硬化方法，碳含量高于0.2％的鐵質材料特別適用于這一過程。對于要硬化的部件，激光束通常在材料熔點溫度下加熱表面層。組件表面在進料方向被加熱，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(qū)域，這就是所謂的自淬火。 在高冷卻速度下，可以防止碳擴散，金屬基體不能恢復到原始形態(tài)。這會產生馬氏體，一種非常硬而脆的金屬結構。

圖1顯示了一個系統(tǒng)在兩塊集成電路板加工過程中，可以允許加工參數的精確調整。它使系統(tǒng)能夠根據當前材料條件，調節(jié)激光功率和集成掃描儀的橫向速度。

由于實時溫度控制，該加工經常超過所需的硬化溫度，但同時低于熔融溫度。因此，結構上需要的鋒利的孔或切邊不會因為達到了所需的深度（最大2mm）而熔化。為此，在中等速度0.2 ... 1.5米/分鐘范圍內，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。

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，并且硬化可以很好地適應于部件的幾何形狀。因此，復雜的輪廓可以硬化，具有高度的靈活性。其它表面硬化方法，如感應硬化，根據每個工件的幾何形狀需要新的感應器。此外，由于激光束的強聚焦性，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決定性優(yōu)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，只有達到傳送狀態(tài)所需的尺寸和形狀時，才會發(fā)生硬化。由于大量有目的性的熱量輸入，與感應硬化相比，組件的變形可以忽略不計。

圖2

所謂自淬火的優(yōu)點，通過部件體積、外表面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桿。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，并覆蓋表面上的兩個連續(xù)的凹槽。圖3所示的縱向剖面示出了表面邊緣處的硬化結構。

一個深度1mm的硬化案例，是通過使用光學散焦來產生，激光束在部件上覆蓋范圍從3.3mm增加到5.7mm。這里，通過熔化邊緣沒有產生缺陷。

圖3

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

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，它與光學系統(tǒng)的光束路徑是同軸耦合在一起。根據控制原理，測量所得溫度現在與設定值匹配。一旦出現與設定值偏離，橫向掃描運動速度以及激光功率都要調整。

通過在光學系統(tǒng)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）。

該系統(tǒng)會產生清潔的硬化效果，因為通常不使用淬火介質，因此不會發(fā)生表面污染。工件的選擇性硬化，比如具有多維彎曲向內或難以觸及區(qū)域，孔或凹槽，都是可能實現的，同時還包括易變形的部件。與感應淬火相反，激光束作為一個非成型工具。

從經濟角度來看，通過激光進行熱處理也具有優(yōu)勢。高效率由系統(tǒng)的高度靈活性所賦予，即使對于小批量的尺寸也是如此。加工后的零件，無磨損的和低成本維護的加工零件，在硬化處理后馬上獲得，可以進一步加工，無需進行各種后續(xù)處理。由于不再需要長時間的預熱，加工時間更短，并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松地被整合到現有的生產加工中。激光束本身采用光學光纖可以實現光束導向選擇，可以安裝在生產鏈外側。對于該過程，僅需要留些空間給激光加工光學，以及用于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(huán)境影響也屬于一個優(yōu)點。

通過激光硬化，為客戶的工件提供激光硬化加工，可為他帶來效益。采用準確設定的熱量輸入對所需表面的選擇性硬化，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

用于激光硬化的光學系統(tǒng)RLH-A可以配套固態(tài)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。這個光學器件還可以與半導體激光器一起使用，其波長范圍為930 nm至1100 nm。對于這種表面處理的應用，常用的光纜的光纖直徑為600μm芯徑。為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于這種生產技術至關重要。

前景

未來的重點肯定在于技術的進步，根據用戶需求提供各種可用系統(tǒng)。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系統(tǒng)。另一個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。

作者：

Alexander Kranhold, MBE

?

Sebastian Becker, M.Sc.

參考文獻

[1] Laser hardening of power train components

[Daimler AG, Christian Elsner, EALA2013, 02.20.2013]

[2] Internal examinations of laser hardening,

Laser Application Center, Scansonic MI GmbH, 2014