（物理电子学专业论文）激光淬火技术研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 激光淬火技术是近年来发展起来的一项高新技术，它利用高能激光束快速 扫描工件表面，光束能量被工件表面快速吸收而迅速升温，随后由于热传导作 用在瞬间自冷淬火，实现工件表面的激光相变硬化。由于激光淬火有许多优越 性，激光淬火技术被广泛应用于许多工业生产部门。其中尤其是汽车缸体的激 光网纹淬火技术在汽车行业获得广泛的应用。通过激光网纹淬火可大大提高缸 体的硬度和耐磨性，从而延长了汽车的使用寿命，为社会带来巨大的经济效益 和社会效益。 目前，我国汽车缸体的激光淬火技术与国外相比，仍有很大差距。研究开 发实用、可靠、工艺程序化、系统操作自动化的汽车缸体激光淬火系统成为主 要研究方向。) 本文分析了汽车缸体淬火技术的原理及其最新国内外发展动态，并详细阐 述了计算机控制激光淬火机的激光器、激光电源系统、水冷系统、光学系统、 计算机控制系统的硬件及软件设计。 文中激光淬火机采用5 0 a w 连续y a g 激光器，通过对激光器结构的合理 设计，提高了激光器的总体效率和激光器的稳定性。激光器电源主电路采用三 相半控桥式整流电路，以晶闸管为可控元件。通过控制晶闸管的导通角，可实 现激光功率的连续可调。计算机控制系统的硬件和软件设计是论文期间所完成 的主要工作，其主要内容包括： 改进了传统的菱形网纹形成方法，首次提出了横向头数与纵向头数的 新概念，突破了传统网纹加工的局限性，并推导出新的数学模型，完 成机床运动系统软件编制工作。 提出网纹局部加密技术，并编制出网纹局部加密软件。既解决了缸体 上端磨损严重的问题，又相对减少了缸体变形量。 研究出一种保证网纹重合精度的优化算法，首次提出了以牺牲高度精 度而保证网纹重合精度的新概念，很好地解决了网纹重合精度问题。 完成计算机控制系统的硬件设计，制作了接口卡电路板，并完成了接 口卡的调试工作。 全部软、硬件设计工作均配合整机实验调试成功，并已在生产实际中 应用。 主题词：激光淬火，y a g 激光器，计算机控制，汽车缸体，网纹淬火 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rq u e n c h i n gt e c h n i q u ei sa na d v a n c e dt e c h n i q u ed e v e l o p i n gr e c e n t l y u s i n gh i g h - e n e r g yi a s e rb e a mt os c a nt h es u r f a c eo fw o r k p i e c er a p i d l y w h e n t h ew o r k p i e c es u d a c ea b s o r b st h ee n e r g yo fi a s e rb e a mq u i c k l y i t s t e m p e r a t u r ew i l if a s tr a i s ea n dt h e nw i l lq u e n c hi t s e l fa to n c eb e c a u s eo ft h e t h e r m a id e f u s i o n a sar e s u l t t h es u r f a c ei sh a r d e n e dw i t hi a s e rb yc h a n g i n g m a t e r i a is t r u c t u r e l a s e rq u e n c h i n gt e c h n i q u ei sw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r yf o r i t sa d v a n t a g e s e s p e c i a l l yi nt h ei a s e rq u e n c h i n go fa u t o m o b i l ec y l i n d e rb l o c k h e a tt r e a t m e n to fa u t o m o b i l ec y l i n d e rb l o c ki m p r o v e se x t r e m e l yt h eh a r d n e s s a n da b r a s i v er e s i s t a n c eo ft h ea u t o m o b i l ec y l i n d e rb l o c k ，p r o l o n g si t ss e r v i c e l i r e a n dg a i n sg r e a ts o c i a ia n de c o n o m i cp r o f i t s c u 丌e n u y o u ri a s e rq u e n c h i n g t e c h n i q u ei ss t i l ib a c k w o r d e dt h a nt h a to ff o r e i g nc o u n t r y s oo u rm a i ns u b j e c t i st or e s e a r c ha n dd e v e l o paa p p l i e da n dr e l i a b l ei a s e rq u e n c h i n gs v s l e m w h i c hh a sp r o g r a m m e dc r a f ta n da u t o m a t e do p e r a t i n gs y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h ea u t o m o b i l ec y f i n d e rb l o c ki a s e r q u e n c h i n g ，a n dd e t a l i e dd e s c n b e dt h el a s e ni a s e rs u p p l y , c o o l i n gs y s t e m o 叫ls y s t e m ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o m p u t e rc o n t r o is y s t e mo f t h el a s e rq u e n c h i n gm a c h i n e t h em a c h i n eu s e sc o n t i n u o u s5 0 0 wy a gi a s e rw e l id e s i g n e dt oi m p r o v et h e g e n e r a ie 俪c i e n c ya n ds t a b i l i t y t h el a s e rs u p p l ya d o p t e dt h r e e - p h a s eh a l f - c o n t r o l l e db r i d g er e c t i f i e rc i r c u i ta n dr e g a r d e ds c ra sc o n t r o l l a b l ee l e m e n t w er e a l i z e dt h ec o n t i n u o u sa d j u s t m e n to fo u tp o w e rb yc o n t r o l l i n gt h es c r s a n g l eo ff l o w t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sw a ss u m m a r i z e da sf c l l l o w s ： i m p r o v i n gk a d i t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o do fm e c h t h ep a p e rf i r s t l yb r o u g h t f o r n a r dt w on e wd e s c r i p u o n s ：h o r i z o n t a ld i a m o n dn u m b e ra n dr e c i t a l d i a m o n dn u m b e r f u n h e r m o r e ，an e wm a t hm o d e lw a ss e tu p a n dt h e i i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a im e c hq u e n c h i n gw a sb r o k e n a tt h es a m et i m et h e t h e s i sw o r k e do u ts o f t w a r eo fm a c h i n e sm o t i o ns y s t e m ai o c a im e c ht e c h n i q u ew a sr e f i n e dw h i c hn o to n l yd e c r e a s e dt h es e r i o u s a b r a s i o no ft h et o po fa u t o m o b i l ec y l i n d e rb u ta l s or e l a t i v e l yr e d u c ej t s d e f o r m a t i o n t h es o f t w a r eo fl o c a im e c hw a sw o r k e do u ta sw e l l t oe n s u r et h ec o i n c i d e n c ep r e c i s i o no ft h em e c h a no p t i m i z a t i o na l g o r i s m w a sf o u n d e d ，i nw h i c hf i r s t l ym e n t i o n e ds u c han e wd e s c r i p t i o nt h a t s a c r i f i c e sh i g hp r e c i s i o nt oe n s u r et h ec o i n c i d e n c ep r e c i s i o no ft h em e c h u s i n gt h i sa l g o r i s mf a i r l ys o l v e dt h ep r o b l e mo fm e c h sc o i n c i d e n c ee r r o r d e s i g n e dt h eh a r d w a r eo fc o m p u t e rc o n t r o is y s t e m m a d ea ni n t e r f a c e c i r c u i tc a r da n dt e s t e di ts u c c e s s f u l l y t e s t e ds u c c e s s f u l l yt h ew h o l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ma n da p p l i e d t h e mt op r a c t i c a lm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：l a s e rq u e n c h i n g y a gl a s e r ，c o m p u t e rc o n t r o l ，a u t o m o b i l e c y l i n d e r , m e c hq u e n c h i n g 2 天津大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 激光淬火技术简介 自1 9 6 0 年发明第一台激光器以来，激光以其独有的特性展示在世人面前。 激光具有其它光源所难以达到的、极高的单色性和极好的相干性。由于激光极 好的空间相干性和方向性，可以将激光的巨大能量聚焦到直径为光波长量级的 光斑上，形成极高的能量密度。高能量密度的特性使激光加工成为可能。 1 9 6 4 1 9 6 5 年相继发明了c o ，、y a g 激光器，以后的激光器发展非常迅速， 各种实用化的y a g 激光器和c o ：激光器不断出现，为激光加工用于工业生产 提供了前提。伴随着激光束与物质的相互作用研究的发展，激光技术被广泛应 用于工农业生产、国防、科研、医疗和人民文化生活等各领域，展示了极好的 发展前景p l 一。 激光淬火技术是近年来迅速发展起来的一项高新技术，它利用高能量的激 光束快速扫描工件，光束能量( 功率密度1 0 3 1 0 5 w ，c m “，照射时间1 0 。一1 秒) 被表面极薄一层的小区域内快速吸收而使温度急剧升高c l l ( 升温速度可达 1 0 5 - 1 0 6 ，s 瑚) ，然后移开激光束，在瞬间实现自冷淬火，使激光加热形成的 高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化。激光淬火由于加热速度快，易 使金属表面过热，然后冷却速度也快，碳来不及扩散使残留奥氏体量增加。随 着奥氏体向马氏体的转变，得到高碳马氏体，从而提高了淬火硬度。 与普通淬火方法比较，激光淬火热处理技术有如下特点： 第一，可获得质量优良的高精度硬化层。硬度比常规淬火提高15 2 0 嘲， 铸铁经淬火后耐磨性可提高3 - 4 倍i r 。 第二，仅在工件的关键部位作局部的、薄的表层加热，输入工件的热量少， 节能效果好。 第三，热处理变形小。对长形工件、薄壁工件而言，此优点尤为突出。 第四，由于光束照射工件，属于无接触加热，又是自冷淬火，所以是洁净 的热处理。 第五，利用适当的光学装置，可对空间非常小的局部或者其它难加工区域 进行淬火闻。 第六，无公害处理方法，劳动条件好。 第七，工艺周期短，生产效率高，成本低，易实现计算机控制，自动化程 度高。 第八，淬火深度可精确控制。 由于激光淬火技术的优越性，激光淬火技术广泛应用于汽车、机车、机床、 模具及其配件、刀具、军工等许多工业部门圈。用以提高产品的硬度、耐磨性、 耐腐蚀性嘲以及其它机械性能，大大的提高了产品的质量，成倍地延长产品使 天津大学硕士学位论文 用寿命和降低成本州，取得了巨大的经济效益，其中尤其以汽车制造业中对汽 车缸体的淬火最为突出，汽车缸体的激光浮火技术成为近年来非常活跃的有前 途的淬火技术。 。 1 2 激光淬火系统组成 激光淬火时，激光束在物体表面扫描，可以是光束运动，也可以是工件运 动，或激光束和工件同时运动。工作时，要求光斑尺寸可调、功率或能量可调、 相对运动速度可调，以达到各种加工目的。 要完成以上功能，必须有完攘的激光淬火系统。激光淬火系统包括激光器、 光路系统、激光电源系统，冷却系统、工作台及其控制系统等部分组成。 一、激光器 激光器是整个系统的核心，对激光器的要求是稳定、可靠。固体激光器和 气体激光器均可用做激光热处理，其中c o ：激光器和y a g 激光器应用最为广 泛。c o ：激光器输出功率大，转换效率高，曾被广泛应用于激光热处理行业。 y a g 激光器作为固体激光器，与c o ：激光器相比，有其独有的优越性： ( 1 ) 输出波长短( 1 0 6 微米) ，是c 0 2 激光波长( 1 0 6 微米) 的1 1 0 。 由于波长短，容易被金属吸收m 。在相同功率密度下，y a g 激光器比c o ，激光 器的淬火深度要深一些。在热处理效果上，5 0 0 w 的y a g 激光器可相当于1 5 k w 的c o ：激光器，因此，无须表面涂层。 ( 2 ) 结构紧凑、牢固耐用、容易操作、运行成本低。 ( 3 ) 淬火工件变形小。 二、光路系统 工件 图1 1 激光淬火光路系统简图 光路系统是激光器和工件的连接部分，是激光加工设备的主要组成部分之 一，它的特性直接影响激光加工的性能。 通过光路系统将激光束从激光器输出端口引导至加工工件表面( 如图1 1 天津大学硕士学位论文 所示) ，并在加工部位获得所需光斑形状、尺寸及功率密度。光路系统还可用来 指示加上部位，由f 辟jf 激光加工的激光器上作在红外波段，为不可见光束， 为便于激光束对准加工部位，本系统采用可见的氮氖激光器同轴对准，以指示 激光加工部位，并便于整个光路系统的调整。 三、冷却 固体激光器工作时，绝大部分输入能量都转换为泵灯、工作物质和聚光器 温度升高的热能。工作物质温度过高时，会严重损害激光器的正常工作，对于 连续工作方式的激光器，必须采取适当冷却措施。通常采用蒸馏水或去离子水 作冷却液。 冷却系统一般包括水泵、热交换器及蓄水箱，热交换器的作用是将冷却装 置中循环冷却液的热能传递给其它传热介质。 四、工作台及控制系统 工作台是承载加工件的部分。加工件与激光束作相对运动而进行加工，因 此加工的精度在很大程度上决定于工作台的精度和激光束运动时可调节的精 度。与工作台相配合，有相应的控制系统，光束运动和工作台运动的调节都是 靠控制系统来控制的。控制系统控制激光束与工作台的相对位置，按加工要求 形成一定的轨迹。同时，可对加工机中有关部位进行控制。如光闸等。 1 3国内外发动机汽缸激光淬火技术发展动态 汽车发动机中汽缸或汽缸套的材质大多为灰铸铁或合金铸铁，其硬度为 1 8 0 2 5 0 h v ( 相当于2 0 一2 5h r c ) 啪，发动机缸筒内表面与活塞和活塞环形成 一对摩擦副，在发动机工作中条件最为恶劣，缸筒内表面的磨损决定发动机的 使用寿命，因此，提高发动机缸体和缸套的耐磨性是延长大修期、提高使用寿 命的关键。 汽车制造业是一个国家的重要支柱产业，国外汽车工业竞争激烈，为适应 竞争的需要，许多厂家都争先采用激光淬火这项新技术，不但解决了加工难度， 提高了产品质量，减少了加工工序。降低了生产成本，而且也显著提高了汽车 制造业水平。因此对缸体进行激光淬火将会带来巨大的经济效益和社会效益。 美国通用汽车公司是世界上最先将激光淬火用于工业生产的公司，将动力 转向装置外壳的内孔表面进行激光淬火，并取得了可喜的成果，工件的寿命比 未做激光处理的工件寿命延长了1 0 倍，省去大量精加工工时，其成本仅为高频 淬火的二分之一。福特公司于1 9 7 6 年将激光淬火技术引进发动机汽缸，使汽 缸壁的硬度提高到5 8 - 6 2 h r c m ，大大提高了其耐磨性及使用寿命。此后，许 多发达国家都效仿福特公司，用激光对发动机汽缸套进行淬火。 我国西安内燃机配件厂较早采用激光淬火的技术使缸套内壁硬化。使用寿 命比硼缸套提高2 5 ，配付性好，使活塞环配付寿命提高3 0 【3 l ，可延跃两个 6 天津大学硕士学位论文 大修期，由过去只能跑3 4 万公里提高到1 0 万公里以上。 早期的国内外激光淬火均采用c o ：激光，其工艺方式大多为大斑点慢扫描。 自近年来我国第一台5 0 0 wy a g 固体激光器问世，在国内首次将y a g 固体激 光用于发动机淬火的生产实践；并发展了一种小斑点快扫描的网纹状激光淬火 工艺，不仅避免了c o ，激光淬火引起的缸体变形大及由此引起的大的珩磨工作 量而且这种网纹淬火在缸鐾表面形成了以激光带为骨架的微油池，提高了活 塞环与汽缸壁间的润滑性能，显示了固体y a g 激光器激光淬火的优越性。 随着我国对汽车需求量的日益增长，汽车淬火工艺在我国汽车工业生产中， 具有广阔的发展前途。 我国激光热处理产业发展迅速，但与国外相比还有很大差距，主要表现在： 目前激光仪器设备技术水平较低，普遍尚未进入计算机控制。 质量不稳定。 应用开发研究不足，离实用性还有较大距离。 网纹状淬火工艺研究与发展尚不完善，网纹参数的程序选择灵活性小， 网纹重合精度也有待提高。 为实现我国激光热处理技术产业化，推动我国汽车工业的发展，必须研究 开发集先进性、实用性、可靠性、工艺程序化、系统操作自动化于一体的激光 淬火系统。 1 4 本文的目的及内容 如上所述，激光淬火技术在过去的三十年间，不断有新的发展。用激光对 汽车缸体内壁进行激光淬火，可大大提高其硬度、耐磨性以及它的机械性能， 从而极其显著地延长汽车的使用寿命，可以说，采用激光技术对缸体进行淬火， 不但降低了加工难度，提高了产品质量，而且减少了加工工序，降低了生产成 本，必将给社会和国家带来巨大的经济效益和社会效益。因此，激光淬火技术 具有广阔的发展前途。 为实现激光淬火技术的实用化，提高系统的性能，以适应时代发展的需要， 针对我国激光淬火技术不足之处，本文设计了一套完整的网纹控制软件，不仅 参数选择灵活方便，突破了以往网纹参数只有固定方案的局限性，而且采用精 密的控制算法，大大提高了网纹重合精度。同时将激光功率控制引入计算机控 制系统，对激光输出功率进行计算机控制，提高了整机的控制性能。通过本系 统提供的友好的用户界面，用户可根据自己需要输入参数，控制系统自动计算 并显示各种其它主要参数，为用户使用提供了极大的方便。 1 - s 本系统构成及性能指标 本课题中研制了一台高性能激光淬火机，该机由连续y a g 激光器、冷却系 统、激光电源、光学系统、计算机控制系统和主机等部分组成。基本结构如图 1 2 所示。 天津大学硕士学位论文 图1 - 2 激光淬火装置框图 1 反射镜2 部分反射镜3 激光器4 全反镜 5 操作面板6 主机电路7 计算机8 激光束升降杆 9 工件1 0 冷却装置1 1 。转台 激光器采用两只1 0 - k1 3 0 m m 的n d 3 * ；、限g 棒串接，激光功率连续可调。 光学系统包括激光扩束、4 5 度折光、聚焦等系统，激光器与扩束镜、4 5 度反 射镜同轴，加工方式采用激光束升降和工作台旋转相结合的方式。该机适应时 代发展的需要，性能稳定、优越，尤其是整机的控制系统，采用了先进的计算 机控制系统。不仅对工作台，激光束升降杆进行精确灵活的控制，大大改善其 控制性能。研究了一套完整的网纹计算、控制方案，提高了网纹重合精度，而 且将激光功率控制引入控制系统，对激光输出功率进行适时控制。提高了整机 控制性能。另外，控制系统还提供友好的用户界面，用户可根据自己需要输入 参数，控制系统自动计算并显示各种其它主要参数，为用户提供了极大的方便。 该机主要技术参数如下： 平均输出功率： 工作台旋转速度： x 轴纵向行程： z 轴升降速度： z 轴激光束升降行程： 5 0 0 ， 0 - 8r p s 连续可调 2 5 0 m m 0 2 0 0 0 m m s 连续可调 3 0 0 m m 天津大学硕t 学位论文 第二章激光淬火原理 2 1 激光淬火的工艺参数 激光淬火工艺参数主要有三个，即激光输出功率p ，光斑大小d 以及扫描 速度v 。此外，在激光作用区吹送气体的状况和导光系统以及光束焦距等均对 激光淬火的质量有影响。其中p 、d 的相互关系决定了作用于工件表面的激光 能量密度e ，o ，v 即是激光作用的时间t ，上述参数的实质是在单位面积和单位 时间材料实际吸收的激光能量，也就决定了工件表面激光作用区的温度场。 在其它条件一定的情况下，激光淬火硬化层深度h 与p 、d 、e 、v 有以下 关系嘲，1 1 0 l ： hx 兰：e | y ( 2 - 1 ) d 矿 工艺参数p 、d 、v 之间可以相互补偿，经适当调整可得到相当的硬化深度。 因此，制定激光淬火工艺，必须确定p 、d 、v 三个参数。 1 、激光的输出功率p 实际上，在相同的输出功率下，激光器输出激光的光束模式和功率稳定度 的不同都对激光淬火质量有很大影响。光强分布为高斯型的单模光束，其光斑 中心能量显著高于边缘，因而不利于均匀硬化，甚至发生中心区局部熔化。为 了使单模激光束实现能量均匀分布，必须对光束进行均匀处理。这就是说，激 光淬火易选用输出多模光束的激光器。课题中采用多模激光输出，激光的输出 功率可以随时任意连续可调，以满足不同的淬火要求。经过实验分析，一般情 况下，输出功率在2 5 0 3 5 0 w 就完全满足淬火要求，得到满意的淬火效果。 2 、光斑尺寸d 对一定的聚焦激光束来说，处于焦点的光斑尺寸最小；距离焦点愈远，d 值愈大，其e 值愈小，表面温度愈低，硬化层愈浅。聚焦激光束的焦深，以及 工件表面处于焦点之上或焦点之下的不同，也影响激光淬火的结果。课题中激 光淬火机采用透镜式聚焦系统，如图2 1 所示。 在热处理中为了获得较大的淬硬 面积，采用负离焦方式工作，使被加工件 位于透镜和焦点之间，这主要是因为：不 同的缸体，其半径不同，大约3 0 5 5 m m 之间。为了获得合适的功率密度，通常 采用离焦量在2 0 3 0 m m 之间，如果采用 正离焦，即焦点位于透镜和被加工件之间 4 5 度小转折镜距离焦点很近，或者正好 位于焦点上，极易造成转折镜表面的损图2 1 透镜式聚焦系统结构示意图 天津大学硕士学位论文 坏，而在负离焦状态，小转折镜上的光斑直径始终大于工件表面上光斑的卣行， 小转折镜表面激光功率低，不易损坏。 3 、扫描速度 当激光功率和光斑尺寸确定后，扫描速度越快，l 件吸收光能越少，硬化 层深度越溥。激光淬火机激光束运动速度连续可调，配合适当的激光功率和光 斑尺寸，能得到最佳的淬火效果mi ”。 4 、淬火深度 按我国汽车行业公认的指标，汽车发动机汽缸在缸径磨损量大于等于01 5 时就要进行大修，大修时汽缸的珩磨加工余量一般为0 ，1 0 0 2 0 m m 【 1 1 即可。 实践中，激光淬火前预留的珩磨余量均小于0 1 0 m m 。这样，淬硬层的深度有 o 1 5 m m 就已经满足使用要求了，如果过深，则容易产生微熔及缸体变形加大。 2 2 激光淬火网纹 对汽车缸体进行淬火时，工作台与激光束相对运动，使激光束在缸体内表 面快速扫描，形成特定的硬化带图案。如图2 - 2 所示。 图2 2 缸体的激光淬火 目前，国内外汽车缸体的激光淬火硬化网纹图案有多种形式，包括螺旋纹， 正弦波以及菱形网纹等，其中以菱形交叉网纹效果最佳，因而也广泛采用。将 缸体内壁展开，网纹如图2 - 3 所示。网纹的参数主要包括网纹周长、高度、头 数、角度等： 1 ) 网纹的横向长度l ：网纹横向长度即缸体的周长，由缸体的半径r 决定。 2 ) 淬火网纹的高度h ：由用户根据实际情况来决定。 3 ) 网纹角度口：即网纹斜线与水平方向的夹角。 4 ) 淬火头数n ：为整体激光淬火轨迹在缸体端转折的次数： 5 ) 淬火面积比：即激光淬火网纹有效面积与缸体内壁有效面积之比。由淬火 1 0 天津大学硕士学位论文 头数、网纹宽度和网纹夹角共同决定。一般认为淬火面积在3 0 左右为宜， 少于此面积比则会影响汽缸使用寿命，而多于此面积比对于提高汽缸使用 寿命不很明显，而且，淬火面积比越大，引起的缸体变形也越大。 图2 - 3 一种n = 7 时菱形网纹示意图 l ：网纹的横向长度； h ；淬火网纹的高度； b ：网纹角度； n ：网纹头数 进行激光淬火时，首先在a 点开始出光，然后激光束上升，上升到b 点激 光束下降，因为在激光束升降过程中，转台带动缸体旋转因此，激光束在缸 体上扫描所形成的轨迹为一组斜线，如图2 3 中所示。当激光束到达b 点后下 降到c 点时，转台带动缸体恰好旋转一周，c 点与c 点在缸体上实际上为同一 点。激光束经多次升降后，最后到达图中所示的a i 点，即与起始点a 重合，形 成完整的网纹图案。 这种网格状的淬火轨迹。形成了软硬相间的组织结构啕。经过激光淬火的 网格是硬化区，未经过淬火的空白区是原来的组织，相对比较软，珩磨后，软 的组织即被磨损，从而形成了储油结构。如图2 - 4 所示。 2 图2 - 4 网纹淬火后的表面磨损 3 4 1 润滑油2 缸壁表面3 储油结构4 活塞环表面5 磨粒 在磨擦中，软组织的含油表面的油膜与硬组织表面的油膜连成一片，使摩 天律大学硕士学位论文 擦副成为油膜间隔型摩擦副，大大增加了表面抗磨损性能；另外，磨损下来的 磨粒或者随空气近来的磨粒较易嵌入软组织基体中，减少了表面划刮伤：缸体 内表面的软硬相间的网格状组织，具有一定的表面弹力，也就具有良好的抗拉 伤性能。因此经过网格状激光热处理的缸筒内表面具有相当高的耐磨损性能。 正是由于菱形网纹淬火的诸多优越性，目前，这种菱形网纹淬火图案应用 最为广泛。 天津大学硬士学位论文 第三章激光器及其电源设计 3 1 激光器的设计 y a g 固体激光器由工作物质、泵浦灯、聚光器、光学谐振腔、冷却装置等 部分组成。 ( 1 ) t 作物质是激光器的核心，它将泵浦灯中部分光能转换为相干光； ( 2 ) 泵浦灯为工作物质中的离子数反转提供光能； ( 3 ) 聚光腔使泵浦灯辐射的光能最大限度地、均匀地会聚至工作物质； ( 4 ) 谐振腔的作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大。它由全反射镜与 部分反射镜( 或称输出镜) 组成，激光由部分反射镜输出； ( 5 ) 冷却系统用于防止激光器件温升过高。 本系统中激光器工作物质为n d 3 + ：w g 激光棒，平均输出功率为5 0 0 w ， 要实现稳定的大功率激光输出，对激光器的整体设计提出了很高的要求。 一、谐振腔设计 为补偿工作物质的热透镜效应，许多y a g 大功率激光器设计采用凹凸热 不灵敏腔，这种腔的设计方法首先确定激光器的输出功率w ，根据此功率设计 相应的谐振腔参数，如凹一凸镜的半径，腔长等，按这种方法，虽然在激光器输 出功率为w 时有效地补偿了热效应，但不适用于大范围内功率调节。比如，激 光器按4 0 0 w 功率设计，若增大激光器输入功率，使之对应输出5 0 0 w 功率， 此时有可能输出功率反而下降。 激光淬火需要激光功率能连续可调，因此不适于用凹凸热不灵敏腔，热透 镜效应的危害主要表现在：使激光发散角加大，方向性变差：对单模工作的器 件影响较大，使单模体积缩小，单模输出降低。对激光淬火来说，采用的是激 光多模输出，热透镜效应，对淬火效果影响很小。而且，激光淬火对光束质量 的要求不是很高。因此，系统中激光谐振腔采用平行平面腔，其优点是得到的 输出光束方向性好，模体积较大。 二、聚光器设计 图3 - 1 聚光器结构设计 系统中采用侧面泵浦方式，由两只氪灯串联对激光棒进行泵浦，工作物质 为圆柱棒，氪灯为直管状。聚光器设计为紧包裹式，其结构如图3 1 所示。 将两只氪灯排放在激光棒的两侧，聚光器内壁表面与激光棒外表面或灯管 天津大学硕士学位论文 外壁间隔只有2 m m ，这种结构制作简单、体积小、效率也很高。 三、冷却方式 y a g 激光器工作时，总体效率只有百分之几，一般为百分之二到百分之四， 其余大部分输入能量都转换为泵灯、工作物质和聚光器温度升高的热能，也就 是说，欲得到5 0 0 w 的激光功率输出，将产生大约2 0 k w 的热能，工作物质温 升过高时，荧光谱线随之加宽，量子效率降低，会使激光器阈值升高，效率降 低，由于光泵浦不均匀及棒冷却不均匀等原因还会造成工作物质内部温度分布 不均匀，进而导致工作物质的各种热效应，影响光束的输出质量，泵灯的电极 和灯管温升严重时，会缩短灯的使用寿命后造成灯的损坏，聚光器温升过高时， 会引起反射表面损坏，为了维持激光器的正常工作，保证激光器的输出效率， 必须合理的设计冷却系统。 系统中采用全腔冷却方式，冷却液直接流经封闭的聚光器腔空间，同时冷 却激光棒、氪灯和聚光器，液体流速非常快，及时将大量的热量带走，有效地 降低了激光器的温度，提高了激光器的效率。 上述结构的激光器，实际应用中，效率高达百分之五左右，证明这种激光 器的设计是非常合理、有效的。 3 2 激光电源设计 本课题所研制的激光淬火机中。、r a g 激光器为连续工作方式，连续激光器 泵浦光源是氪弧灯，激光电源为氪灯提供充足而稳定的电功率输入，也就是要 求电源除了有足够大的功率外，其外特性要与灯的伏安特性相匹配；可以在规 定的范围内调节灯的辐射功率；保证灯以及激光器输出的辐射参数不随外界条 件的变化而变化。 本课题中设计的完整的连续电源包括灯的触发回路、主供电回路、辅助高 压回路。其基本框图如图3 2 所示。 a b c 图3 2 本系统激光电源结构框图 电源的主要工作过程如下：先加一触发高压，使灯内气体电离。由于氪灯 充气压较高，通常2 4 个大气压，故需较强的触发功率，而且多用可靠性较好 1 4 天津大学硕士学位论文 的外触发方式。灯内气体电离后，在辉光放电状态下，因氪灯的工作电压只有 5 0 0 - 6 0 0 v ，当触发电压使灯内气体电离时，尚不能使灯转入大电流弧光放电， 必须另加一辅助高压，以几十焦耳的能量向氪灯脉冲放电，协助完成由辉光放 电向弧光放电的转移。最后，由主电路提供连续、稳定、可调的直流输出。 3 2 1 激光器电源主电路 激光淬火机中所设计的激光电源主电路由三相半控桥式整流电路组成，采 用晶闸管作为可控元件。通过调节晶闸管s c r 的导通角来调节输出电压，以实 现激光输出功率的连续可调。 本系统中用三个共阴极组晶闸管与三个共阳极整流二极管构成三相半控桥 式整流电路，构成连续激光器电源主电路。其中晶闸管作电源开关控制元件， 通过调节s c r 的导通角调节输入电压，为泵浦灯提供连续、稳定、可调的直流 输入，见图3 3 。 a b c s c r ，scr,scril d ddj _ r 莎 z、t c ，、k 2。c 丁 0 r 2 r 6 。z 。_ j 一 峨 f zk d zi 岛z 图3 - 3 系统的激光电源主电路设计 在激光器电源主电路中，系统采用晶闸管为可控元件，为保证激光电源的 正常工作，设计了晶闸管保护电路，如图3 3 所示。 主电路工作时，在关断的晶闸管的阳极阴极间，如果加上急剧变化的电压， 正向电压变化率很大，很容易导致s c r 不用门极脉冲便能开通，使电路工作异 常。为了使电路工作正常，正向电压的上升率必须低于规定的极限值，一般情 况下取2 0 - 5 0 0 v ，u s 。为了保证s c r 的正常工作，本系统中在s c r 的两端并 联一个用r c 串联组成的吸收电路，如图3 - 4 所示。 尸上争 7 飞一 图3 - 4r c 吸收电路的接法 n 二二一 它的保护原理如下：若由于某种原因，在元件两端产生一瞬时过电压，电 容器被充电；当元件被触发导通时，电容将通过元件放电。如果充电电压足够 天津大学硕士学位论文 高放电时就会有足够大的电流流过元件，而使元件烧坏。串联电阻的作用就 是为了限制放电电流及放电时间，电阻的大小应使放电电流不大于元件所允许 的额定电流值。 当停止触发脉冲时，由于电感惯性所维持的电流维持了晶闸管的导通，主 电路电流切不断，因此在灯上并联l 续流二极管d 。 在整流装置的直流侧，采用阻容保护电路，以吸收整流器中漏磁场的电磁 能量。 3 - 2 2 触发、预燃电路设计 系统中激光电源工作时，灯的起动包括两个过程：一是触发预燃到辉光放 电状态；二是由辉光放电状态过渡到正常弧光放电。触发电路使用汽车点火线 圈，高压脉冲通过隔直电容去触发双灯的。灯触发时，预燃电流通过r ，j ，线 包流入灯使之预燃，再由j ，的触点控制j ：动作并自锁。当j 2 动作后，c 。通过 r ：、d ：对灯进行二次高压放电，使之转换成弧光放电( 既接通j 2 ，使激光器进 行连续弧光放电，然后j 断开，使预燃电源断开) 。 图3 5 激光电源触发预燃电路设计 6 e f 天津大学硕士学位论文 第四章激光淬火控制系统硬件设计 本激光淬火机的控制部分采用了先进的计算机和接口控制卡系统，不仅对 工作台，激光束升降杆进行精确灵活的控制，大大改善其控制性能，而且将激 光功率控制引入控制系统，对激光输出功率进行控制。由计算机控制激光束与 工作台的相对位置，按加工要求形成一定网纹的轨迹，同时，还可对加工机中 有关部位进行适时控制，如光闸等。这一章我们将着重介绍激光淬火机控制系 统的硬件设计。 4 1 控制系统硬件总体设计 在设计本系统的硬件电路时，主要遵循以下几个原则： 1 、设计基本硬件电路时综合考虑了元器件的性能，合理选择芯片及部件。 2 、充分发挥软件功能，尽量简化硬件的配置。 3 、采取必要的抗干扰措施，提高系统的抗干扰性。 为实现系统的控制功能，硬件系统总体设计如图4 1 所示。 接 计算机 口 ，l 扩展 1 插槽电 路 图4 1 硬件设计整体框图 以下各节将分别对各模块进行详细介绍。 天津大学硕士学位论文 4 - 2 接口电路的设计 接 _ j 电路是整个激光淬火机的控制系统设汁的核一c 、，课题中设计的接门控 制卡是基于j ：业标准结构i s a 总线的接口卡。计算机所有的控制功能都是通过 此接口号完成的。 、接口插槽 p c 之所以有扩展的能力及大量的外围支援，主要是它提供有标准的接几 扩展插槽可以作额外的硬件扩展用。本课题中的电路设计就是基于p c 丰机的 i s a 总线扩展的。i s a 总线标准最早用于p c a t 机，所以也称a t 总线，它是 对x t 总线的扩展，以适应8 1 6 位数据总线。 i s a 总线支持8 位或1 6 位的数据传输及2 4 位地址通道，在其扩充槽上， 除了x t 总线的6 2 个引脚外，又增设了3 6 个引脚1 13 。 i s a 扩充槽的外形及信号线布局如图4 2 所示。 肥! 墨o o 嘲庐o 谛日w w m 司 世磐掣些些驾四啦些型些坐些攀磐些些坐剖 图4 - 2 i s a 扩充槽的外形及信号线布局圈 天津大学硕士学位论文 i s a 总线按功能可分为五大部分，即时钟、数据总线、地址总线、控制总 线、电源与地线。 在控制系统接口卡的制作中，用到的i s a 总线扩展槽资源主要有：时钟 c l k 、数据总线s d 0 一s d 7 、地址总线a 0 一a 9 、控制总线的a e n 、i o r 、l o w 和i r q l 0 1 5 及电源与地线。 表4 1 示出所用信号线的输入，输出方向、工作电平及其功能说明 表4 1本系统所用i s a 总线资源简介 有效 类型信号名称 i o功能说明 电平 周期为1 2 5 n s 的系统时钟，经分频后，作为 时钟 c l ko u t 接口芯片8 2 5 3 的记数时钟频率 双向数据线0 - 7 位，为c p u 、i o 设备提供数 数据总线 s d 0 _ s d 7 i o 高 据。s d 0 为最低有效位 a e na e n 地址使能线 地址总线 o u t 高 a 0 诅9 地址线0 9 位，提供对i o 设备寻址 l o r i ，o低读命令 控制总线 i o wi ，o 低写命令 i r q l 0 1 5 l n 高 中断请求信号 电源与+ 5 v ，- 5 v ，+ 1 2 v ，- 1 2 v 电源 地线 地线 g n d 二、接口地址译码 系统所用p c 的l ，o 结构是属于独立式i o 寻址方式，用1 0 位地址线 ( a 0 一a 9 ) 进行译码，其寻址的范围为0 0 0 h 一3 f f h ，共有1 0 2 4 个i o 地址， 在这1 0 2 4 个地址中前半段( a 9 = 0 ，范围为0 0 0 h i f f h ) ，是属于主机板l ，o 译码，后半段( a 9 = 1 ，范围为2 0 0 h 一3 f f h ) ，则是用来做扩展插槽上的l ，o 译 码用。 接口卡的功能设计是从i o 地址加以扩展出来，整个接口卡上有许多不同 的i o 芯片，但任何时候只应有一种芯片与c p u 通信，接口卡上的各个芯片均 是通过数据总线来与c p u 做信息交换，各个数据总线均是并在一起，如图4 - 3 所示。因此，系统必须区分是要选取哪一个芯片进行通讯。这就需要有地址译 码线路。 如图4 - 3 所示，各个接口芯片本身均有一个芯片选择( c s ) 信号，一般为 低电平有效。如要选取芯片1 进行数据传送，则令芯片1 的控制信号有效。则 芯片1 的内部数据线会打开，而其它各个芯片因为控制信号无效于是内部呈现 高阻抗，与系统数据总线阻隔开，如图所示。 墨望丕堂堡主堂垡婆茎 一一 图4 - 3p c 与外设通讯示意图 而各个芯片的控制信号是由i o 地址线译码产生的。在图4 - 3 中就是由译 码线路产生芯片1 的选择信号( 低电位有效) ，再配合读写信号，于是将数据线 打开与系统总线取得联系。因此，在整个输入，输出接口设计中译码线路占有重 要地位。 常用的译码线路一般可利用与非门、译码器或者比较器组成。课题中自行 设计的接口卡译码线路采用了7 4 l s l 3 8 译码器以及比较器7 4 l s 6 8 8 完成片选 任务。其线路图如图4 4 所示。 译码器7 4 l s l 3 8 的a 、b 、c 称为输入选择线，用来选取y 0 - y 7 的8 条输 出线，低电位有效，任何时候的输出端只有一位是低电位，其余为高电位。例 如( c 、b 、a ) = ( 0 ，0 ，1 ) 则选取y 1 输出，y 1 引脚成为低电位，其余为高 电位。e 1 ，e 2 ，e 3 为门控信号，其中e 1 为高电平工作，e 2 、e 3 为低电平工 作，这些信号连同a 、b 、c 三条输入线可直接连到l ，o 地址线做译码线路设计 用。 7 4 l s 6 8 8 为8 位比较器，当各个相对应的位，输入分别对应相等则产生输 出。其中a 0 一a 7 分别接至比较器的p 输入端( i - o 一7 ) ，而另一组输入则经由 上拉电阻接至+ 5 v ，当相对应的五组d i p 开关o n 时则成为接地，变成低电位， 否则为高电位。于是只要是地址线是0 的话，将相对应的位开关o n ，则对应 一致使p = q 成立，由引脚1 9 送出低电位信号，结合7 4 l s 2 4 5 使能端，与7 4 l s l 3 8 共同完成片选任务。以此线路做设计的优点是i ，o 地址可以根据计算机接口的 使用，适当调整接口卡上的d i p