埃尔拉斯激光表面处理技术 P. Hoffmann R. Dierken

摘要

对于深冲模具、塑铸模具和承载工具以及其它生产工具所需的表面处理，早在上世纪80年代中期，人们就很想运用激光技术来实现。

随着激光加工系统技术和激光表面处理工艺的不断发展，制造业界对于金属工具和模具的制造要求也在提高，于是人们逐步地对于激光表面处理方式表示认可。加工工艺水平高的激光淬硬技术发展走在前面，紧跟其后的是激光熔覆技术，在生产工具制造领域的应用越来越多，包括工具修复和在金属表面涂覆加强层（例如对刀刃和已磨损零部件的修复）。与常规熔覆方法相比，激光熔覆方法的优势在于：工件与熔覆层之间的熔接非常精密；对工件的热输入很低，因而工件上无任何变形；熔覆层的强度很高；可以制造很薄的熔覆层；可以实现刀刃熔覆。

关键词：激光淬硬，激光熔覆，激光系统技术

1、引言

其实，自上世纪80年代中期以来，人们就已经知道把激光技术应用于金属工具和模具的表面处理具有明显优势[1，2，3]。当时，激光淬硬技术从大学实验室到工业应用的转化就已经开始了。可是，在过去较长的一段时间里，要实现激光表面处理的工业应用，因投资费用偏高，所以没有能够突破通向工业应用的障碍。激光表面处理系统技术，当时也没有达到工业应用要求的水平，制造业的用户也没有能够接受。

现在，人们已经习惯于运用激光淬硬技术，例如为了提高承载工具的耐磨性而进行激光淬硬，对切削刀具的刀刃、钳刃、卷边槽接触表面、塑铸模具封闭部位、深拉工具半径范围等实施强化[图1a]，人们对于激光淬硬技术应用掌握得也不错[4，5，6]。这些年来，能够满足激光淬硬需要的激光加工系统已经实现了商业化[7]。通常的淬火硬度值在HRC57 – HRC62范围, 淬火深度高达2 mm。

在上世纪90年代，紧跟着发展起来在生产工具制造业具有广泛应用前景的第二项激光技术，乃是激光熔覆[图1b]  [8，9，10]。

图1.  应用于材料表面处理的激光技术
a）激光淬硬：硬迹断面图
b）激光熔覆：厚熔迹断面图

激光熔覆技术应用举例：冲压模具和塑铸模具的改性，在软基材料表面制作坚硬耐磨层，对塑铸模具封闭部位进行修复，对切削刀刃的精良成型。然而，激光熔覆是一种涉及多项技术参数的复杂加工方法，加工过程中涉及输送添加料问题。激光熔覆层的最小厚度为0.2 mm, 最大厚度为1.6 mm。

从经济上考虑，激光淬硬和激光熔覆这两种功能，应当是有可能结合在同一个激光系统。本文着重介绍激光淬硬/熔覆双功能系统结构设计的基本思路。

2、关于激光器与光束特性选择

从图2可以看出，激光淬硬和激光熔覆的技术参数明显不同，除了最大的激光功率都采用4 kW之外，找不到一项相同的技术参数。激光淬硬需要宽度为60 mm的长方形光斑，而激光熔覆只需要直径为3 mm的圆形光斑。淬硬作业不需要工作气体，而熔覆时特别是在金属粉进给时，总是需用气体作为屏蔽。

早在1998年，我们就解答了关于选用什么类型的激光器来集成激光激光淬硬系统的问题，当时就已能够从市场上买到高功率的光纤导光二级管激光器了。二极管激光器的激光波长比二氧化碳激光器和其它固体激光器的波长要短，被加工的固体材料对于较短波长的激光能量的吸收效果最好。从前用较长波长激光做淬硬处理时，先要在工作表面涂覆一层吸收膜。现在用较短波长激光就不必再预先涂吸收膜了。而且，为生产二极管激光器的投资较少，这种激光器的电光转换效率高，使日常的运行费用低。不过二极管激光器的初期产品的输出光束质量不好，输出光束值为100 mm×mrad，要把聚焦度限制在几毫米且要用光纤来导光，是不可能的。现在，高功率二极管激光器输出光束值已经达到40 mm×mrad，接近于固体激光器输出光束值，因此使光纤导光方式变得先进，让激光熔覆和激光焊接也能够采用二极管激光器。图2给出了运用二极管激光器进行激光淬硬/熔覆时的技术参数之比较。

图2. 激光淬硬/熔覆技术的不同参数

3、专用激光机头

适用于激光淬硬和熔覆两项功能的关键部件是专用的激光机头，通过机头上相关部件的快捷变换，就能够适应激光淬硬或激光熔覆作业的需要。图3示出了ERLASER专用机头的最初型式，适合于关节臂机器人系统的激光淬硬/熔覆作业。

采用光纤导光方式，能够保障在焦斑位置得到均匀的光强分布，而不取决于激光器本身产生光束的光强分布。因此，在一台激光机床系统里能够用到的加工技术参数，很容易转换到类型相同的其它激光机床使用。

图3. 适合于激光淬硬/熔覆作业需要的ERLASER机头部件

激光改性需用的淬硬方式，是在达到了奥氏体温度、退火时间足够短的情况下进行。有些钢合金要求淬硬温度接近于熔点，这有可能受到另外所谓高温脆裂的限制，人们已经发现这种热脆裂结构带来的危险。

参考文献[4]罗列了适合于各种钢材的临界温度。激光淬硬时必须对工件温度进行控制，使温度允差保持在一个很窄的范围：+/- 20K。在激光机头上连接一个光纤耦合的红外双波段高温计和一个激光输出功率微控器。用高温计实时测量工件温度，高温计装用一个特制的分光镜，它反射激光，同时传导来自工件表面的热辐射。这样，工件表面温控区就是激光束对工件的作用区。在一个闭环方式中，激光功率的大小受到控制，从而保障稳定的激光淬硬条件，实现恒定的硬度值和硬化深度。

只用一个激光机头就能实施淬硬和熔覆作业。机头功能变换容易，如图4所示：更换聚焦镜和喷嘴，装上或卸下送粉器。只需几分钟就能完成从淬硬作业改变为熔覆作业。熔覆用的离轴金属粉喷嘴借助于一个快捷卡口接头实现安装。为了这两种功能，采用一个交叉喷嘴保护聚焦镜，使之不受烟雾或其它生产性辐射的伤害。利用一个安全锁紧器能够判断聚焦镜是否已被装入、实际在用的是何种聚焦镜。能够产生长方形光斑的聚焦镜由若干个微小的平面反射镜构成。

图4. （从左到右）：
图4之左：装有交叉喷嘴的激光淬硬机头
图4之中：为了不同的功能更换聚焦镜
图4之右：装有离轴金属粉喷嘴的激光熔覆机头

4、激光机床概念

根据已经取得的科研成果和对机床部件的改进，埃尔拉斯公司已经开发出两种思路的、高度集成的激光机床设备。

图5，RELASER HARD+CLAD激光淬硬/熔覆机床系统以关节臂机器人为基础（关节臂伸缩范围3m，直线轴移动范围4m）。

如图5所示，标准机床系统的构成以关节臂机器人系统为基础，适合于柔性化作业，主要用于激光淬硬作业，但是对于大多数激光熔覆任务的完成也能提供足够高的精度。二合一的标准机床系统的构成，包括一个光纤导光二极管激光器（其典型输出功率为4 kW）；安装在直线轴上的一个关节臂机器人以便扩大加工范围：一个金属粉输送器以便输入熔覆需要的添加剂；以及一个激光机头。

如果采用龙门系统的激光机床，则对于激光熔覆更为适合，且有更高的精度，对于激光精密焊接也具有更高的精度。与关节臂机器人系统中所用的相同的主要部件，在龙门系统中被集成为一个独立系统，这种独立系统适用于汽车白车身制造需用的冲压工具的加工（工作空间尺寸特殊，见图6）。

图6. 用于激光淬硬和熔覆的龙门系统组成

图6所示的龙门系统激光加工设备的立体空间为X：6.3m, Y：2.3m， Z：1.2m，装有整体式轨道系统的受控载荷工作台，方便于放入龙门系统内构成完整的加工系统。这种龙门机床适用于生产工具和模具制造的需要，定位精度和路径重复精度分别在 ±0.1mm范围，当然还可能提高精度。

在龙门系统中配备的激光机头在加工时的运动轴向示于图7，配有两个转轴（C，和C2）和一个倾斜轴B，激光机头可以装配到任何笛卡尔坐标龙门系统中用于3D加工作业。

埃尔拉斯公司不断提升激光机头的功能，并不限于仅仅使用激光淬硬和熔覆功能的机头，其它两种新型激光机头如图8所示。

图7. 龙门系统激光机头的运动轴向

图8. 埃尔拉斯新型激光机头

1）如图8中间图所示，装有同轴金属粉喷嘴的熔覆机头

2）如图8右图所示，装有触觉式探头的激光机头能够在加工之前实测加工区的真实数据。

2009年秋以来，埃尔拉斯的龙门机床系统已被德国的多家汽车制造厂家的模具车间所采用。

5、操作系统的编程控制和工艺参数

由于对包括压模和冲模在内的模具进行激光淬硬和熔覆时，一般都要处理批量级的尺寸数据，所以要求诸如关节臂机器人之类的激光加工系统的编程控制必要具有很高的效能。下面，按照工作效率从低到高的顺序，列出三种不同可采取的编程控制方法。

编程控制方法之一：借助于机器人控制盘和手动示教探头，对工作表面需作淬火的行迹实施逐点测定，提供淬火编程数据。通常在执行定制的加工任务中运用这种方法，但比较费时。

编程控制方法之二：运用一个与6D鼠标连接的编程传感器以产生淬火行径，就是由操作者把已经置于作业中心位置（TCP）的激光机头沿着工件上标明的区域移动（见图9）。这样，操作系统沿着激光束引导的方向进行测量，以便得知自动计算出的工作距离。这种方法较为经济。设定编程控制点可有两个办法供选用：产生等距离的办法或人机对话程序的操作系统可以辨别定位控制点和淬火控制点的设定。为了能够对编程控制进行试运行，可以采取对RC-program程序（向前和向后）进行逐级逐点地核查。

图9.  运用6D鼠标和人机对话程序进行编程控制

编程控制方法之三：最为有效办法是根据工件的3D-CAD-data数据（例如：iges格式数据）资料，运用TopLas 3D软件进行离线编程（见图10）。在工件尚未送达加工工位之前就提前做好包括下列内容的准备事项：

● 输入工件的3D-CAD-data数据

● 通过对工件形状尺寸的分析（例如为熔覆所需的等距曲线进行计算），以便对激光淬硬或熔覆的行迹进行预先编程。

● 对激光淬硬或熔覆进行仿真，包括在加工范围之内的避碰测定和工件位置的确定。

● 在工件被送达加工工位以后的工作顺序是：

● 借助于示教数据，将工件与激光加工设备之间的相对位置找准。

● 将工件的定位数据输送到TopLas 3D，并与工件数据调准，生成适用于诸如KUKA机器人使用的RC-program程序，并将相关数据输送到KUKA-controller，以便RC-program程序最终被启动, 以实现激光加工试运行。

图10. 常用的激光淬硬作业采用TopLas 3D软件实现离线编程

为了方便于操作ERLASER激光淬硬/熔覆机床，机床设备都配备了既适合淬硬也适合熔覆的高级参数化工具和工艺方法。本世纪初，埃尔拉斯公司研发成功了适用于激光淬硬机床第一代ERLASER HARD作业的数据库。由于激光熔覆工艺要复杂得多，埃尔拉斯公司已经为此开展了基础性研究工作，己经取得了适合应用的研究成果。

ERLASER型号的机床系统，都装备了适用激光淬硬/熔覆所需的数据库等高级参数化工具。21世纪初，埃尔拉斯研成功第一代ERLASER激光淬硬设备需用的数据库。由于激光熔覆工艺更为复杂，埃尔拉斯紧接着进行了一系列的熔覆功能性研究。

6、结束语

对于工业生产上使用的深冲模具和塑铸模具进行激光淬硬或熔覆之类的表面处理，人们承认具有广泛的应用潜力，而且已有越来越多的产业人士接受激光表面处理解决方案，人们对于激光表面处理的工艺和程序控制方法已有更深刻的了解，用户的具体需求也更能得到满足。埃尔拉斯激光表面处理设备具有以下优越性。

•设备的组成采用二极管激光器和关节臂机器人，降低了造价。

•在采用离线编程软件的情况下，缩短了编程时间，离线编程软件的运用，使得周旋于模具上的时间大大减少。

•由于采用了温度控制手段，由于采用了既适合激光淬硬又适合激光熔覆所需金属粉馈送器（共轴的或侧向送粉喷嘴）的通过数据库支持的作业，因而使表面处理的工艺技术得到了提高。

•激光表面处理设备的部件和软件的各项改进，使批量化的表面处理变得更加经济， 也更加高效。

7. 参考文献
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