基于温度控制的半导体直接输出激光相变硬化研究本科论文

浙江工业大学硕士学位论文

硕士学位论文

论文题目：基于温度控制的半导体直接输出

激光相变硬化研究

作者姓名 指导教师

学科专业 机械工程 所在学院 机械工程学院

提交日期 2015年 4月

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摘要

浙江工业大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。

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日期： 年 月 日

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日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

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基于温度控制的半导体直接输出激光相变硬化研究

摘 要

随着半导体激光器功率的不断提高和光束质量的不断改善，半导体激光器在表面改性中的应用越来越广泛，同时直接输出的半导体激光器由于其输出波长较短，光电转化效率和材料吸收率较高等优势，已经大量应用于汽车、模具、五金、轻工、机械制造等众多行业。

激光相变硬化技术作为材料表面改性技术中的一个重要环节，解决了许多常规热处理工艺无法解决的难题，其技术优势越来越明显。然而，影响激光相变硬化工艺质量的因素很多，导致在实际应用中控制马氏体相变层质量的难度较大，从而制约了激光相变硬化技术的应用。

为了简化激光相变硬化工艺的探索，提高马氏体相变硬化层的质量，本文根据温度可控的激光加工工艺的需求，搭建了可以实现激光加工温度控制的大功率半导体直接输出激光加工平台。在该硬件平台的基础上，基于Labwindows/CVI的开发环境开发了可以实现激光加工各工艺参数数字化控制的LaserM主控软件；并且设计了用于激光加工过程中温度控制的模糊控制算法。

以所开发装备为实验平台，进行了常规的恒定激光功率输出模式和温度控制模式下的激光相变硬化的对比实验，该实验表明温度可控模式下的激光相变硬化层深度和硬度的一致性要优于常规的恒定激光功率输出模式；进行了温度可控模式下的激光相变硬化工艺的正交实验，实验结果表明，相变硬化层深度与控制温度和激光光斑宽度呈正相关，随着激光扫描速度的增加，硬化层深度先增大后减小；为了得到较深的硬化层深度，并且进一步探索扫描速度对激光相变硬化层深度的影响，又进行了温度控制模式下的激光相变硬化工艺优化实验，实验获得了硬化层深度为1.25mm左右的相变硬化层；对试样的金相组织分析表明，受冷却速度影响产生的激光相变硬化区成分、组织的差异是造成硬化层深度和硬度不同的原因。

为了进一步探索扫描速度和激光相变硬化控制温度对马氏体相变硬化层的影响，基于非平衡态的奥氏体转化温度和马氏体临界转化速度两个条件为马氏体生成的判断依据，建立了基于COMSOL Multiphysics软件的三维激光相变硬化数值分析模型，探讨了激光加工参数对硬化层深度的影响，与实验结果对比发现，该模型能够较为准确预测温度控制模式下的激光相变硬化层深度。

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摘要

关键词：相变硬化，半导体激光器，温度控制模式，硬化层深度

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RESEARCH OF SEMICONDUCTOR DIRECT OUTPUT LASER TRANSFORMATION HARDENING

BASED ON TEMPERATURE CONTROL

ABSTRACT

With the improvement of the semiconductor laser power and beam quality, the semiconductor lasers have been widely used in the application of surface modification. At the same time, direct output semiconductor laser has a lot of applications in automobile, mould, hardware, light industry, machinery manufacturing, and many other industries, because of its’ shorter output wavelength as well as its’ higher photoelectric conversion efficiency and material absorption rate.

Laser transformation hardening technology, as an important part in material surface modification, solves many problems that conventional heat treatment process can not solve, its technical advantage is more and more obvious. However, there are many factors affecting the quality of laser phase transformation hardening process, so it is difficult to control the quality of martensite phase transformation layer in the practical application, which restricted the application of laser transformation hardening technology.

In order to simplify the process of laser phase transformation hardening and improve the quality of the martensite phase transformation hardening layer, a semiconductor direct output laser processing system was built which can realize temperature control in laser process. On the basis of the hardware platform, LaserM master control software was developed based on Labwindows/CVI development environment, and fuzzy control algorithm was designed for temperature control in the process of laser processing. And then, the contrast experiment of laser phase transformation hardening was designed in the mode of constant laser power and temperature control. The experiment proved that the consistency of depth and hardness of the transformation hardening layer was better in the temperature control mode contrast to that in the constant laser power mode. Then a series of orthogonal experiments were designed in the mode of temperature control, which proved that the depth of transformation hardening layer was proportional to the set temperature and the width of the laser spot, and under the same laser transformation hardening control temperature, the hardening depth increased firstly and then decreased with the increase of the scanning speed. In order to get deeper depth of hardening, and further research the influence of scanning speed on the depth of hardening layer, laser transformation hardening optimization experiments were designed in temperature control mode. The depth of phase transformation

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摘要

hardening was up to 1.25 mm, and microstructure analysis of the samples showed that the composition of laser transformation hardening zone and the differences of organization impacted by cooling rate were the main reason caused the property difference in hardened layer.

In order to further research the influence of the scanning speed and control temperature on the depth of martensite phase transformation hardening layer, a three-dimensional laser transformation hardening simulation model was built with the COMSOL Multiphysics, using the determinant conditions based on non-equilibrium austenite transformation temperature and the martensitic critical conversion rate. Comparing with the experimental results, the model can predict the laser transformation hardening layer depth in laser hardening process accurately.

Key words: transformation hardening, semiconductor lasers, temperature control mode, hardening layer depth

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目 录

摘要 ......................................................................................................................................... III ABSTRACT ............................................................................................................................. V 第1章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1引言 .................................................................................................................................. 1 1.2半导体激光器的发展及系统开发背景 .......................................................................... 1 1.2.1半导激光器的发展 .................................................................................................... 1 1.2.2相关激光加工系统开发背景 .................................................................................... 2 1.3激光相变硬化综述及其研究现状 .................................................................................. 4 1.3.1激光相变硬化工艺的机理及特点 ............................................................................ 4 1.3.2激光相变硬化的研究现状 ........................................................................................ 6 1.4温度控制模式下激光相变硬化的提出 .......................................................................... 8 1.4.1激光加工温度的影响因素 ........................................................................................ 8 1.4.2温度控制的必要性 .................................................................................................... 9 1.5 主要研究内容及章节安排 .......................................................................................... 10 1.5.1 本文主要研究内容 ............................................................................................... 10 1.5.2 本文章节安排 ....................................................................................................... 10 第2章 温度可控的激光加工平台搭建 .............................................................................. 12 2.1温度可控的激光加工平台的特点 ................................................................................ 12 2.2系统的硬件构成 ............................................................................................................ 13 2.2.1熔池温度的检测和采集模块 .................................................................................. 14 2.2.2半导体直接输出激光系统 ...................................................................................... 15 2.2.3 WAGO通讯模块 ..................................................................................................... 16 2.2.4送粉模块 .................................................................................................................. 17 2.2.5机器人运动系统 ...................................................................................................... 19 2.3基于LABWINDOWS/CVI的LASERM软件开发 ............................................................ 19 2.3.1软件的平台选择 ...................................................................................................... 19 2.3.2系统软件的设计 ...................................................................................................... 20 2.4温度的模糊闭环控制算法的实现 ................................................................................ 25 2.5设备调试实验 ................................................................................................................ 29 2.5.1温度控制效果验证实验 .......................................................................................... 29 2.5.2温度控制模式的激光熔覆实验 .............................................................................. 30

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2.6本章小结 ........................................................................................................................ 31 第3章 温度控制模式下的激光相变硬化工艺探索.......................................................... 32 3.1温度控制与恒定激光功率模式的激光相变硬化对比实验 ........................................ 32 3.1.1实验方案 .................................................................................................................. 32 3.1.2实验结果 .................................................................................................................. 32 3.1.3实验分析 .................................................................................................................. 34 3.1.4实验小结 .................................................................................................................. 35 3.2温度控制模式下的激光相变硬化工艺特性实验研究 ................................................ 35 3.2.1实验方案 .................................................................................................................. 36 3.2.2实验结果 .................................................................................................................. 37 3.2.3实验分析 .................................................................................................................. 38 3.2.4实验小结 .................................................................................................................. 39 3.3温度控制模式下的硬化层优化实验研究 .................................................................... 39 3.3.1实验方案 .................................................................................................................. 40 3.3.2实验结果分析 .......................................................................................................... 40 3.3.3实验小结 .................................................................................................................. 42 3.4本章小结 ........................................................................................................................ 42 第4章 温度控制模式下硬化层深度的仿真 ........................................................................ 43 4.1COMSOL简介及仿真步骤 ............................................................................................... 43 4.2激光相变硬化的传热理论 ............................................................................................ 44 4.2.1热传导 ...................................................................................................................... 44 4.2.2热对流 ...................................................................................................................... 45 4.2.3热辐射 ...................................................................................................................... 46 4.3硬化层深度仿真模型的建立 ........................................................................................ 46 4.4模型的验证 .................................................................................................................... 48 4.5激光相变硬化层判定条件分析 .................................................................................... 50 4.6 仿真结果分析 ................................................................................................................ 51 4.6.1相同温度下不同扫描速度分析 .............................................................................. 51 4.6.2相同扫描速度下不同控制温度分析 ...................................................................... 53 4.7本章小结 ........................................................................................................................ 54 第五章 总结与展望 .............................................................................................................. 56 5.1全文总结 ........................................................................................................................ 56 5.2展望 ................................................................................................................................ 57 参考文献 .................................................................................................................................. 58

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目录

致谢 .......................................................................................................................................... 60 攻读学位期间参加的科研项目和成果 .................................................................................. 61

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第1章 绪 论

1.1 引言

随着科学技术的发展，各行业对机械零件性能要求越来越高。表面改性技术对于材料性能和质量的改善有及其重要的作用。近年来激光技术发展越来越快，激光作为一种快速加热的热源，在热处理中的作用逐渐凸显出来。多年来利用大功率激光器实现材料表面激光热处理已在实践中获得证实，激光热处理技术凭借着其特有的优越性在许多工业部门都得到了广泛的应用。

激光热处理主要包括激光相变硬化、激光熔覆、激光焊接以及激光合金化等多种工艺。其中，激光相变硬化技术的研究和应用较为普遍。其本质是通过大功率激光器对零件基体进行快速加热，然后在不需要冷却介质的情况下，通过零件的自冷却作用实现快速淬火。目前，激光相变硬化技术已在机械制造、石油机械、矿山机械、纺织、冶金、航空航天等领域得到了广泛应用和发展[1]。

1.2 半导体激光器的发展及系统开发背景

激光技术经历了40多年的高速发展，根据不同应用需求已经开发出种类繁多的激光器。大功率半导体激光器具有体积小、光电转化效率高、连续工作时间长、材料吸收率高等优点[2-4]，相比于二氧化碳激光器、YAG激光器等相比，更适用于材料的表面改性。

1.2.1 半导激光器的发展

自1962年半导体激光器问世以来，经过几十年的研究，半导体激光器的各项性能得到了很大的提高，其波长覆盖红外、红光到紫外光，其寿命由几百小时到几万小时，乃至百万小时，激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安,直到亚毫安，从最初的低温(77K)下运转，发展到室温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(列阵器件)[5-6]。

上世纪90年代中期，半导体激光器开始广泛应用到材料加工方面，使得大功率半导体激光器得到了快速发展，2000年德国成功研制了寿命在 1000小时，输出功率达 2000 W的半导体激光器，2005年德国laserline公司推出商用大功率半导体激光器，其

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第1章 绪 论

直接输出功率高达10000 W，光纤耦合输出功率达6000 W。我国大功率半导体激光器的应用和起步较晚，近年来也取得了巨大的进步，2008年炬光科技生产的连续和准连续大功率激光器，其功率可达5000 W，可输出毫米级的矩形和圆形光斑，光斑能量可近似平顶输出[7]。2011年王立军团队攻克千瓦级半导体激光器散热难题，开发了6700 W激光迭阵模块；同时解决了垂直腔面发射激光器大面积二维集成面阵需大电流驱动的难题,为千瓦至万瓦级高光束质量激光面阵开发及应用奠定了基础[8]。张志军等人[9]研制了2218 W的高亮度光纤耦合模块，可直接用于金属材料的焊接、熔覆等工业领域。2013年，德国DILAS公司发布了一款多bar条输出的直接半导体激光系统，如图1-1所示，输出波长980 nm，功率最高达3 KW，可用于激光相变硬化和激光熔覆等激光表面处理。

图1-1 DILAS公司的半导体直接输出激光器

1.2.2 相关激光加工系统开发背景

在激光加工装备的开发、应用方面，国外起步较早，进展非常迅速，在德国等一些发达国家的一些行业内形成了一定的产业链。

德国Laserline公司所研制的LDF系列光纤耦合半导体激光系统，输出功率1-15 KW，电光转换效率达50%，所提供的高质量激光光束，适用于工程设备或零部件的修复和热处理。通快公司开发了DePosition Line具有粉末输送器、粉末输送线和带有粉末喷嘴的加工镜组的激光熔覆专用系统，如图1-2所示，并集成了实时在线传感器系统以

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确保高质量的材料熔覆。爱尔兰Laser Age.Ltd.公司在与激光技术研究所等合作中，为了满足重大零部件再制造的需求，研究与开发了一套高柔性、高精度的半导体激光熔覆再制造装备，如图1-3所示，该系统可以用来修复那些具有重大价值、但不能运输或因经济原因而停工的工程设备或零部件[10]。B.Grnenwald等人采用高温计对激光加工过程温度进行检测并实现了闭环反馈控制，通过对熔覆过程的激光功率适时调整，保证了激光加工过程温度的稳定。美国密西根大学J.Mazumder[11]研究小组开发了DMD技术，并加入了DMD反馈控制系统，该系统已进入了商品化生产阶段，其反馈控制主要包括两个方面的控制，一方面是对熔覆高度进行控制，另外一个关键控制因素是对熔池进行闭环控制，它包括熔池的尺寸、温度。

图1-2 DePosition Line 激光熔覆专用系统 图1-3 Laser Age.Ltd.半导体激光熔覆装备

目前，国内的激光装备的开发虽然起步较晚，但是发展速度较快。国内武汉华工激光工程有限责任公司开发了机器人半导体激光移动修复系统，简单方便的实现了一键式操控[12]。湖南大学研发了一套高效率、高数字化及可移动的汽车覆盖件磨具激光表面强化和修复设备，该设备集成了3000 W的高功率半导体激光器、六轴机器人、检测控制系统、数据处理等模块，实现了异形曲面处理的创新性工艺以及机器人扫描路径的自动规划。姜淑娟，刘伟军[13]采用CCD摄像机完成熔池图像的采集，然后经计算机计算出加工温度，经PID-模糊控制实现加工过程温度的稳定性，实验表明该系统可以实现激光加工的实时控制，有效提高了产品的质量。此外，国内还有浙江工业大学、华中科技大学以及中科院长春光机所等国内大学和研究所也对半导体激光加工设备和工艺进行了深入的研究[14-15]。这些大学与研究所为我国半导体激光加工技术的发展做出了巨大贡献，缩小了与国外同行的差距，打破了国外的某些技术垄断。

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第1章 绪 论

1.3 激光相变硬化综述及其研究现状

1.3.1 激光相变硬化工艺的机理及特点

(1) 激光相变硬化机理

激光相变硬化是以激光作为热源的表面热处理，其相变硬化机制是当激光束扫描材料表面时，材料表面吸收激光能量后温度迅速达到极高（升温速度可达 103～106 ℃/s），此时材料内部仍然处于温度相对较低状态；激光束离开材料表面后，通过热传导，材料表面迅速把能量传递到材料内部，因此材料表层会以极高的冷却速度冷却，如此通过自身冷却进行淬火，达到材料表面相变硬化的目的[16]。根据上述硬化机制，激光相变硬化必须满足两个必要条件：①激光对某种材料加热后达到该材料的相变温度以上，而且必须控制在材料的熔点以下；②处理工件的冷却速度必须大于工件材料生成马氏体的临界冷却速度。在进行激光相变硬化时，Fe-Fe3C相图仍然是重要的理论依据。

图1-4为共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线。实际上激光相变硬化的过程为过冷奥氏体的连续转变过程，由于过冷奥氏体连续冷却转变图的测定比较困难，故常用等温转变图（也就是我们常说的C曲线）近似的分析连续冷却转变的过程[17]。

图1-4 共析钢的等温转变曲线

在常规淬火时，不同钢种的加热温度是不相同的。共析钢和亚共析钢的加热温度一般在Ac1+(30-70) ℃，亚共析钢的加热温度一般在Ac3+(30-70) ℃，使钢完全奥氏体化。

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然后在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在650-500 ℃的温度范围内，以高于生成马氏体的临界冷却速度的速度进行快速冷却，使之完全生成马氏体组织。而激光相变淬火时，由于激光加热升温速度高达104-106 ℃/S， 因此，相变过程并不完全遵循平衡相变的规律，当加热速度大于103-104 ℃/S时，奥氏体化开始温度和终了温度会明显向高温区移动[18-20]。为了获得较深的淬硬深度，试样表面加热温度允许更高一些，理论上其最高加热温度可以高到试样表面不产生熔化时的温度，这是因为整个的激光相变硬化过程是在极短的时间内完成的，这时相变温度点大大上移，且材料的晶粒在高温下几乎不会出现明显长大现象，即不会因试样过热而使激光相变硬化组织的性能下降，因此激光相变硬化的加热温度范围可以在较宽的范围内。对于奥氏体化的组织在进行自冷却的时候，必须满足冷却速度大于生成马氏体的临界冷却速度。在通常情况下，由于工件的自冷却作用产生的冷却速度大于生成马氏体的临界冷却速度，晶粒来不及长大，转化成针状或片状淬火马氏体组织。

试样的表面区域在激光的作用下产生快速热循环，在这个快速的极热极冷过程中，会产生较大的过热度，这使得奥氏体的形核数目大增；又因试样的快速自冷却作用使得晶粒来不及长大，转变成极细的淬火马氏体组织。另一方面激光相变硬化的优势还在于由于奥氏体转变为马氏体，使得试样较原先体积增大4% 左右，这导致试样表面的残余压应力增加。研究表明：晶粒的细化，马氏体的较高位错密度以及碳的固溶度高是激光相变硬化获得超高硬度性能的主要原因[21]。

(2) 激光相变硬化技术特点

传统的淬火工艺原理是把材料加热到一定的温度，在该温度下保持一定的时间，然后在某个介质的作用下给予一定的冷却速度来冷却材料，以实现材料的微观组织结构发生改变，从而达到材料性能改变的目的。激光相变硬化是快速加热、快速冷却的自淬火过程。传统的淬火方式有很多的缺点：工件变形量大、内应力大容易造成工件开裂，整体淬火后一般都要进行回火；用高温火焰加热工件表面随后水冷的淬火方式主要的缺陷是加热的温度不易控制、热输入量过大、淬火质量不稳定；还有高频加热淬火不适用于形状复杂的工件、所需设备昂贵。激光相变硬化技术是一种局部的表面改性技术，与传统的淬火处理方法相比，有其无可比拟的优势。

a.得到的组织晶粒细化，硬度高，其耐磨性也提高，一般不回火即能应用。通常比常规淬火得到的硬度提高 2 - 3倍，耐磨性提高3 - 4倍，同时硬化层的耐腐蚀性也大大提高，在不同的工艺参数下淬火硬化层深度通常为 0.2 - 1 mm ，因此工件被激光淬火

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