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作者：Alexander Kranhold, Sebastian Becker

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

激光束遠(yuǎn)程硬化在工業(yè)領(lǐng)域變得越來越重要，通過使用該技術(shù)可以開發(fā)新作業(yè)和應(yīng)用。與傳統(tǒng)的硬化方法相比，激光束遠(yuǎn)程硬化可以顯著提高生產(chǎn)率。提高組件的可達(dá)到性和高重復(fù)率，減少循環(huán)時(shí)間，這在汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)中扮演了一個(gè)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(shù)的在線適應(yīng)。Scansonic的一項(xiàng)開發(fā)，即允許通過使用智能傳感器，以及用于加工窗口擴(kuò)展和加工穩(wěn)定的新方法----實(shí)現(xiàn)了激光硬化的調(diào)節(jié)，從而顯著提高質(zhì)量。

激光束遠(yuǎn)程硬化的原理

原則上，激光束遠(yuǎn)程硬化屬于表面硬化方法，碳含量高于0.2％的鐵質(zhì)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(diǎn)溫度下加熱表面層。組件表面在進(jìn)料方向被加熱，使碳原子在金屬基質(zhì)中重新定位。當(dāng)TCP向前移動(dòng)時(shí)，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(kuò)散，金屬基體不能恢復(fù)到原始形態(tài)。這會(huì)產(chǎn)生馬氏體，一種非常硬而脆的金屬結(jié)構(gòu)。

圖1顯示了一個(gè)系統(tǒng)在兩塊集成電路板加工過程中，可以允許加工參數(shù)的精確調(diào)整。它使系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前材料條件，調(diào)節(jié)激光功率和集成掃描儀的橫向速度。

由于實(shí)時(shí)溫度控制，該加工經(jīng)常超過所需的硬化溫度，但同時(shí)低于熔融溫度。因此，結(jié)構(gòu)上需要的鋒利的孔或切邊不會(huì)因?yàn)檫_(dá)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(nèi)，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(dǎo)的可能性實(shí)現(xiàn)加工，并且硬化可以很好地適應(yīng)于部件的幾何形狀。因此，復(fù)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(yīng)硬化，根據(jù)每個(gè)工件的幾何形狀需要新的感應(yīng)器。此外，由于激光束的強(qiáng)聚焦性，激光器可以進(jìn)行局部有限的硬化。

激光硬化的經(jīng)濟(jì)可行性有著一個(gè)決定性優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行加工，只有達(dá)到傳送狀態(tài)所需的尺寸和形狀時(shí)，才會(huì)發(fā)生硬化。由于大量有目的性的熱量輸入，與感應(yīng)硬化相比，組件的變形可以忽略不計(jì)。

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圖2

所謂自淬火的優(yōu)點(diǎn)，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(jié)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過工件的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。橫向掃描運(yùn)動(dòng)沿軸向工作，并覆蓋表面上的兩個(gè)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(jié)構(gòu)。

一個(gè)深度1mm的硬化案例，是通過使用光學(xué)散焦來產(chǎn)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(chǎn)生缺陷。

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圖3

所選擇的機(jī)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(gè)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(xiàn)，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(xiàn)。工具中心點(diǎn)的工件溫度通過使用高溫計(jì)可以實(shí)現(xiàn)，它與光學(xué)系統(tǒng)的光束路徑是同軸耦合在一起。根據(jù)控制原理，測量所得溫度現(xiàn)在與設(shè)定值匹配。一旦出現(xiàn)與設(shè)定值偏離，橫向掃描運(yùn)動(dòng)速度以及激光功率都要調(diào)整。

通過在光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡上的集成自動(dòng)對焦來實(shí)現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生清潔的硬化效果，因?yàn)橥ǔ２皇褂么慊鸾橘|(zhì)，因此不會(huì)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(nèi)或難以觸及區(qū)域，孔或凹槽，都是可能實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還包括易變形的部件。與感應(yīng)淬火相反，激光束作為一個(gè)非成型工具。

從經(jīng)濟(jì)角度來看，通過激光進(jìn)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(hù)的加工零件，在硬化處理后馬上獲得，可以進(jìn)一步加工，無需進(jìn)行各種后續(xù)處理。由于不再需要長時(shí)間的預(yù)熱，加工時(shí)間更短，并且可以非常快速和準(zhǔn)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(xiàn)有的生產(chǎn)加工中。激光束本身采用光學(xué)光纖可以實(shí)現(xiàn)光束導(dǎo)向選擇，可以安裝在生產(chǎn)鏈外側(cè)。對于該過程，僅需要留些空間給激光加工光學(xué)，以及用于允許工件和激光束之間運(yùn)動(dòng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。

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(zhǔn)確設(shè)定的熱量輸入對所需表面的選擇性硬化，可以導(dǎo)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(xué)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(gè)光學(xué)器件還可以與半導(dǎo)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(yīng)用，常用的光纜的光纖直徑為600μm芯徑。為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加工運(yùn)動(dòng)，激光光學(xué)或者工件都安裝在導(dǎo)向機(jī)器上，根據(jù)應(yīng)用而定。以激光腔形式的激光安全裝置對于這種生產(chǎn)技術(shù)至關(guān)重要。

前景

未來的重點(diǎn)肯定在于技術(shù)的進(jìn)步，根據(jù)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(xué)器件，以及沒有激光束振蕩的更簡單的系統(tǒng)。另一個(gè)主要問題和對工藝的有用的適應(yīng)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(xué)改變，根據(jù)圓形光斑或線條光斑。

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