摘要

對于深沖模具哟旗、塑鑄模具和承載工具以及其它生產(chǎn)工具所需的表面處理闸餐，早在上世紀(jì)80年代中期矾芙，人們就很想運用激光技術(shù)來實現(xiàn)剔宪。

隨著激光加工系統(tǒng)技術(shù)和激光表面處理工藝的不斷發(fā)展粱储，制造業(yè)界對于金屬工具和模具的制造要求也在提高，于是人們逐步地對于激光表面處理方式表示認(rèn)可剑学。加工工藝水平高的激光淬硬技術(shù)發(fā)展走在前面膨溃，緊跟其后的是激光熔覆技術(shù)湘都，在生產(chǎn)工具制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，包括工具修復(fù)和在金屬表面涂覆加強層（例如對刀刃和已磨損零部件的修復(fù)）。與常規(guī)熔覆方法相比危号，激光熔覆方法的優(yōu)勢在于：工件與熔覆層之間的熔接非常精密外莲；對工件的熱輸入很低偷线，因而工件上無任何變形声邦；熔覆層的強度很高摆舟；可以制造很薄的熔覆層盏檐；可以實現(xiàn)刀刃熔覆胡野。

關(guān)鍵詞：激光淬硬找塌，激光熔覆鸥萌，激光系統(tǒng)技術(shù)

1壹霍、引言

其實，自上世紀(jì)80年代中期以來坎谱，人們就已經(jīng)知道把激光技術(shù)應(yīng)用于金屬工具和模具的表面處理具有明顯優(yōu)勢[1念婶，2分搞，3]挑宠。當(dāng)時亿汞，激光淬硬技術(shù)從大學(xué)實驗室到工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化就已經(jīng)開始了疗我∥饪悖可是麦牺，在過去較長的一段時間里剖膳，要實現(xiàn)激光表面處理的工業(yè)應(yīng)用策睛，因投資費用偏高，所以沒有能夠突破通向工業(yè)應(yīng)用的障礙衡服。激光表面處理系統(tǒng)技術(shù)闪割，當(dāng)時也沒有達到工業(yè)應(yīng)用要求的水平免砖，制造業(yè)的用戶也沒有能夠接受粪业。

現(xiàn)在，人們已經(jīng)習(xí)慣于運用激光淬硬技術(shù)纸赦，例如為了提高承載工具的耐磨性而進行激光淬硬牵巾，對切削刀具的刀刃、鉗刃醇电、卷邊槽接觸表面赂牍、塑鑄模具封閉部位、深拉工具半徑范圍等實施強化[圖1a]君板，人們對于激光淬硬技術(shù)應(yīng)用掌握得也不錯[4歪架，5股冗，6]。這些年來和蚪，能夠滿足激光淬硬需要的激光加工系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化[7]止状。通常的淬火硬度值在HRC57 – HRC62范圍, 淬火深度高達2 mm。

在上世紀(jì)90年代攒霹，緊跟著發(fā)展起來在生產(chǎn)工具制造業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景的第二項激光技術(shù)怯疤，乃是激光熔覆[圖1b]  [8，9催束，10]集峦。

圖1.  應(yīng)用于材料表面處理的激光技術(shù)
a）激光淬硬：硬跡斷面圖
b）激光熔覆：厚熔跡斷面圖

激光熔覆技術(shù)應(yīng)用舉例：沖壓模具和塑鑄模具的改性，在軟基材料表面制作堅硬耐磨層抠刺，對塑鑄模具封閉部位進行修復(fù)塔淤，對切削刀刃的精良成型。然而速妖，激光熔覆是一種涉及多項技術(shù)參數(shù)的復(fù)雜加工方法高蜂，加工過程中涉及輸送添加料問題。激光熔覆層的最小厚度為0.2 mm, 最大厚度為1.6 mm索王。

從經(jīng)濟上考慮丢华，激光淬硬和激光熔覆這兩種功能，應(yīng)當(dāng)是有可能結(jié)合在同一個激光系統(tǒng)对番。本文著重介紹激光淬硬/熔覆雙功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路码署。

2、關(guān)于激光器與光束特性選擇

從圖2可以看出每缎，激光淬硬和激光熔覆的技術(shù)參數(shù)明顯不同朝财，除了最大的激光功率都采用4 kW之外，找不到一項相同的技術(shù)參數(shù)镀匈。激光淬硬需要寬度為60 mm的長方形光斑染窝，而激光熔覆只需要直徑為3 mm的圓形光斑反没。淬硬作業(yè)不需要工作氣體砰洗，而熔覆時特別是在金屬粉進給時，總是需用氣體作為屏蔽缺员。

早在1998年穿桃，我們就解答了關(guān)于選用什么類型的激光器來集成激光激光淬硬系統(tǒng)的問題，當(dāng)時就已能夠從市場上買到高功率的光纖導(dǎo)光二級管激光器了弯囊。二極管激光器的激光波長比二氧化碳激光器和其它固體激光器的波長要短痰哨，被加工的固體材料對于較短波長的激光能量的吸收效果最好。從前用較長波長激光做淬硬處理時匾嘱，先要在工作表面涂覆一層吸收膜〗锔現(xiàn)在用較短波長激光就不必再預(yù)先涂吸收膜了早抠。而且，為生產(chǎn)二極管激光器的投資較少撬讽，這種激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高蕊连，使日常的運行費用低。不過二極管激光器的初期產(chǎn)品的輸出光束質(zhì)量不好游昼，輸出光束值為100 mm×mrad甘苍，要把聚焦度限制在幾毫米且要用光纖來導(dǎo)光，是不可能的『嫱悖現(xiàn)在载庭，高功率二極管激光器輸出光束值已經(jīng)達到40 mm×mrad，接近于固體激光器輸出光束值廊佩，因此使光纖導(dǎo)光方式變得先進囚聚，讓激光熔覆和激光焊接也能夠采用二極管激光器。圖2給出了運用二極管激光器進行激光淬硬/熔覆時的技術(shù)參數(shù)之比較痴坦。

圖2. 激光淬硬/熔覆技術(shù)的不同參數(shù)

3撑葡、專用激光機頭

適用于激光淬硬和熔覆兩項功能的關(guān)鍵部件是專用的激光機頭，通過機頭上相關(guān)部件的快捷變換彭理，就能夠適應(yīng)激光淬硬或激光熔覆作業(yè)的需要艾抠。圖3示出了ERLASER專用機頭的最初型式，適合于關(guān)節(jié)臂機器人系統(tǒng)的激光淬硬/熔覆作業(yè)凝顿。

采用光纖導(dǎo)光方式惑妒，能夠保障在焦斑位置得到均勻的光強分布，而不取決于激光器本身產(chǎn)生光束的光強分布菌菇。因此泛驰，在一臺激光機床系統(tǒng)里能夠用到的加工技術(shù)參數(shù)，很容易轉(zhuǎn)換到類型相同的其它激光機床使用浪顽。

圖3. 適合于激光淬硬/熔覆作業(yè)需要的ERLASER機頭部件

激光改性需用的淬硬方式寺帽，是在達到了奧氏體溫度、退火時間足夠短的情況下進行东悔。有些鋼合金要求淬硬溫度接近于熔點凸协，這有可能受到另外所謂高溫脆裂的限制，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種熱脆裂結(jié)構(gòu)帶來的危險汗捡。

參考文獻[4]羅列了適合于各種鋼材的臨界溫度淑际。激光淬硬時必須對工件溫度進行控制，使溫度允差保持在一個很窄的范圍：+/- 20K扇住。在激光機頭上連接一個光纖耦合的紅外雙波段高溫計和一個激光輸出功率微控器春缕。用高溫計實時測量工件溫度，高溫計裝用一個特制的分光鏡，它反射激光锄贼，同時傳導(dǎo)來自工件表面的熱輻射票灰。這樣，工件表面溫控區(qū)就是激光束對工件的作用區(qū)宅荤。在一個閉環(huán)方式中米间，激光功率的大小受到控制，從而保障穩(wěn)定的激光淬硬條件膘侮，實現(xiàn)恒定的硬度值和硬化深度屈糊。

只用一個激光機頭就能實施淬硬和熔覆作業(yè)。機頭功能變換容易琼了，如圖4所示：更換聚焦鏡和噴嘴潦故，裝上或卸下送粉器。只需幾分鐘就能完成從淬硬作業(yè)改變?yōu)槿鄹沧鳂I(yè)键切。熔覆用的離軸金屬粉噴嘴借助于一個快捷卡口接頭實現(xiàn)安裝庐穴。為了這兩種功能，采用一個交叉噴嘴保護聚焦鏡龙喂，使之不受煙霧或其它生產(chǎn)性輻射的傷害蝇硅。利用一個安全鎖緊器能夠判斷聚焦鏡是否已被裝入、實際在用的是何種聚焦鏡秧梨。能夠產(chǎn)生長方形光斑的聚焦鏡由若干個微小的平面反射鏡構(gòu)成翁漠。

圖4. （從左到右）：
圖4之左：裝有交叉噴嘴的激光淬硬機頭
圖4之中：為了不同的功能更換聚焦鏡
圖4之右：裝有離軸金屬粉噴嘴的激光熔覆機頭

4、激光機床概念

根據(jù)已經(jīng)取得的科研成果和對機床部件的改進妻行，埃爾拉斯公司已經(jīng)開發(fā)出兩種思路的舆焕、高度集成的激光機床設(shè)備。

圖5汉疮，RELASER HARD+CLAD激光淬硬/熔覆機床系統(tǒng)以關(guān)節(jié)臂機器人為基礎(chǔ)（關(guān)節(jié)臂伸縮范圍3m棍详，直線軸移動范圍4m）。

如圖5所示丛剿，標(biāo)準(zhǔn)機床系統(tǒng)的構(gòu)成以關(guān)節(jié)臂機器人系統(tǒng)為基礎(chǔ)冒萄，適合于柔性化作業(yè)，主要用于激光淬硬作業(yè)橙数，但是對于大多數(shù)激光熔覆任務(wù)的完成也能提供足夠高的精度尊流。二合一的標(biāo)準(zhǔn)機床系統(tǒng)的構(gòu)成，包括一個光纖導(dǎo)光二極管激光器（其典型輸出功率為4 kW）商模；安裝在直線軸上的一個關(guān)節(jié)臂機器人以便擴大加工范圍：一個金屬粉輸送器以便輸入熔覆需要的添加劑奠旺；以及一個激光機頭。

如果采用龍門系統(tǒng)的激光機床施流，則對于激光熔覆更為適合，且有更高的精度，對于激光精密焊接也具有更高的精度瞪醋。與關(guān)節(jié)臂機器人系統(tǒng)中所用的相同的主要部件忿晕，在龍門系統(tǒng)中被集成為一個獨立系統(tǒng)，這種獨立系統(tǒng)適用于汽車白車身制造需用的沖壓工具的加工（工作空間尺寸特殊银受，見圖6）践盼。

圖6. 用于激光淬硬和熔覆的龍門系統(tǒng)組成

圖6所示的龍門系統(tǒng)激光加工設(shè)備的立體空間為X：6.3m, Y：2.3m， Z：1.2m宾巍，裝有整體式軌道系統(tǒng)的受控載荷工作臺因摸，方便于放入龍門系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)成完整的加工系統(tǒng)。這種龍門機床適用于生產(chǎn)工具和模具制造的需要叭蜂，定位精度和路徑重復(fù)精度分別在 ±0.1mm范圍侦滩，當(dāng)然還可能提高精度。

在龍門系統(tǒng)中配備的激光機頭在加工時的運動軸向示于圖7唬研，配有兩個轉(zhuǎn)軸（C假祝，和C2）和一個傾斜軸B，激光機頭可以裝配到任何笛卡爾坐標(biāo)龍門系統(tǒng)中用于3D加工作業(yè)尼削。

埃爾拉斯公司不斷提升激光機頭的功能虎内，并不限于僅僅使用激光淬硬和熔覆功能的機頭，其它兩種新型激光機頭如圖8所示静瞄。

圖7. 龍門系統(tǒng)激光機頭的運動軸向

圖8. 埃爾拉斯新型激光機頭

1）如圖8中間圖所示诅挖，裝有同軸金屬粉噴嘴的熔覆機頭

2）如圖8右圖所示，裝有觸覺式探頭的激光機頭能夠在加工之前實測加工區(qū)的真實數(shù)據(jù)蓄惫。

2009年秋以來懒潘，埃爾拉斯的龍門機床系統(tǒng)已被德國的多家汽車制造廠家的模具車間所采用。

5互墓、操作系統(tǒng)的編程控制和工藝參數(shù)

由于對包括壓模和沖模在內(nèi)的模具進行激光淬硬和熔覆時必尼，一般都要處理批量級的尺寸數(shù)據(jù)，所以要求諸如關(guān)節(jié)臂機器人之類的激光加工系統(tǒng)的編程控制必要具有很高的效能篡撵。下面判莉，按照工作效率從低到高的順序，列出三種不同可采取的編程控制方法育谬。

編程控制方法之一：借助于機器人控制盤和手動示教探頭券盅，對工作表面需作淬火的行跡實施逐點測定，提供淬火編程數(shù)據(jù)膛檀。通常在執(zhí)行定制的加工任務(wù)中運用這種方法锰镀，但比較費時。

編程控制方法之二：運用一個與6D鼠標(biāo)連接的編程傳感器以產(chǎn)生淬火行徑咖刃，就是由操作者把已經(jīng)置于作業(yè)中心位置（TCP）的激光機頭沿著工件上標(biāo)明的區(qū)域移動（見圖9）泳炉。這樣，操作系統(tǒng)沿著激光束引導(dǎo)的方向進行測量，以便得知自動計算出的工作距離花鹅。這種方法較為經(jīng)濟氧腰。設(shè)定編程控制點可有兩個辦法供選用：產(chǎn)生等距離的辦法或人機對話程序的操作系統(tǒng)可以辨別定位控制點和淬火控制點的設(shè)定。為了能夠?qū)幊炭刂七M行試運行呐缸，可以采取對RC-program程序（向前和向后）進行逐級逐點地核查三钦。

圖9.  運用6D鼠標(biāo)和人機對話程序進行編程控制

編程控制方法之三：最為有效辦法是根據(jù)工件的3D-CAD-data數(shù)據(jù)（例如：iges格式數(shù)據(jù)）資料，運用TopLas 3D軟件進行離線編程（見圖10）疫谱。在工件尚未送達加工工位之前就提前做好包括下列內(nèi)容的準(zhǔn)備事項：

● 輸入工件的3D-CAD-data數(shù)據(jù)

● 通過對工件形狀尺寸的分析（例如為熔覆所需的等距曲線進行計算）做堂，以便對激光淬硬或熔覆的行跡進行預(yù)先編程。

● 對激光淬硬或熔覆進行仿真嚣惭，包括在加工范圍之內(nèi)的避碰測定和工件位置的確定虽趋。

● 在工件被送達加工工位以后的工作順序是：

● 借助于示教數(shù)據(jù)，將工件與激光加工設(shè)備之間的相對位置找準(zhǔn)皂汞。

● 將工件的定位數(shù)據(jù)輸送到TopLas 3D竣篷，并與工件數(shù)據(jù)調(diào)準(zhǔn)，生成適用于諸如KUKA機器人使用的RC-program程序熄晕，并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸送到KUKA-controller傲丹，以便RC-program程序最終被啟動, 以實現(xiàn)激光加工試運行。

圖10. 常用的激光淬硬作業(yè)采用TopLas 3D軟件實現(xiàn)離線編程

為了方便于操作ERLASER激光淬硬/熔覆機床尔网，機床設(shè)備都配備了既適合淬硬也適合熔覆的高級參數(shù)化工具和工藝方法酬俯。本世紀(jì)初，埃爾拉斯公司研發(fā)成功了適用于激光淬硬機床第一代ERLASER HARD作業(yè)的數(shù)據(jù)庫顷歌。由于激光熔覆工藝要復(fù)雜得多锰蓬，埃爾拉斯公司已經(jīng)為此開展了基礎(chǔ)性研究工作，己經(jīng)取得了適合應(yīng)用的研究成果眯漩。

ERLASER型號的機床系統(tǒng)芹扭，都裝備了適用激光淬硬/熔覆所需的數(shù)據(jù)庫等高級參數(shù)化工具。21世紀(jì)初赦抖，埃爾拉斯研成功第一代ERLASER激光淬硬設(shè)備需用的數(shù)據(jù)庫舱卡。由于激光熔覆工藝更為復(fù)雜，埃爾拉斯緊接著進行了一系列的熔覆功能性研究队萤。

6轮锥、結(jié)束語

對于工業(yè)生產(chǎn)上使用的深沖模具和塑鑄模具進行激光淬硬或熔覆之類的表面處理，人們承認(rèn)具有廣泛的應(yīng)用潛力要尔，而且已有越來越多的產(chǎn)業(yè)人士接受激光表面處理解決方案舍杜，人們對于激光表面處理的工藝和程序控制方法已有更深刻的了解，用戶的具體需求也更能得到滿足赵辕。埃爾拉斯激光表面處理設(shè)備具有以下優(yōu)越性既绩。

?設(shè)備的組成采用二極管激光器和關(guān)節(jié)臂機器人娶停，降低了造價。

?在采用離線編程軟件的情況下鹤曼，縮短了編程時間入撇，離線編程軟件的運用榨狐，使得周旋于模具上的時間大大減少暇创。

?由于采用了溫度控制手段，由于采用了既適合激光淬硬又適合激光熔覆所需金屬粉饋送器（共軸的或側(cè)向送粉噴嘴）的通過數(shù)據(jù)庫支持的作業(yè)咱漱，因而使表面處理的工藝技術(shù)得到了提高屈腻。

?激光表面處理設(shè)備的部件和軟件的各項改進，使批量化的表面處理變得更加經(jīng)濟温履， 也更加高效姑王。

7. 參考文獻
[1] Amende, W.: H?rten von Werkstoffen und Bauteilen des Maschinenbaus mit dem
Hochleistungslaser. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1985
[2] Bach, J.; Damaschek, R.; Geissler, E.; Bergmann,H.W.: Laserumwandlungsh?rten von
verschiedenen St?hlen. HTM 46 (1991) 2
[3] Messer, K.; Bergmann, H.W.: Stand des Laserstrahlh?rtens. HTM 52 (1997) 2
[4] Müller, K.: Werkstoffkundliche Qualifizierung des Randschichth?rtens mit
Laserstrahlung. Dissertation Uni Bayreuth, Herbert Utz Verlag, München, 1999
[5] Stiele, H.; Dierken, R.: Laserstrahlh?rten von Werkzeugen mittels Nd:YAG- und
Hochleistungsdiodenlasern. In: Workshop ?Hochleistungslaser in der Produktion –
Anwendungen und Potentiale einer neuen Lasergeneration? 18./19.05.99 IPT Aachen,
Aachen (1999)
[6] Dierken, R.; Gropp, S.: Laser Hardening by High-Power-Diode-Lasers – Advantages
and Possibilities. In: Materials Week 25. - 28.09.2000 München (2000)
[7] Hoffmann, P.; Dierken, R.: Recent Developments of System Technology for Surface
Treatment. In: Geiger, M. et al. [Hrsg.]: Laser Assisted Netshape Engineering – Proc. Of
the 7th LANE 2007
[8] Gasser, A., Stromeyer, R.: Hingezaubert: Laser-Auftragsschwei?en im Werkzeugbau,
nAIXus GmbH, 1998
[9] Schneider, M.: Laser Cladding with Powder. Twente (Netherlands), University,
Dissetation, 1998
[10] Kelbassa, I.: Qualifizieren des Laserstrahlauftragschwei?ens von BLISKS aus Nickelund
Titanbasislegierungen. Aachen, Technische Hochschule, Dissertation, 2006

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