專利名稱：一種采用yag激光器淬火處理金屬針布的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于紡紗機械(如梳理機等)用金屬針布(亦稱齒條)的淬火系統，特別是涉及一種采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統和方法。
背景技術：
說明書附圖2、圖3為根據行業標準所繪金屬針布。圖中h1、h2、h6、b1、b2、b3、P、α、γ等參數代號，以及金屬針布的標準和金屬針布本身各部分的結構組成，可查中華人民共和國行業標準《梳理機用齒條術語和定義·FZ/T90081-95》、《梳理機用齒條FZ/T93038-95》以及國際標準《紡織機械與附件-金屬針布齒條·ISO99031991》。
圖2、圖3所示金屬針布用于紡紗機械如梳理機，包卷在相關部位的滾筒表面，對加工對象(如純棉、麻、絹絲、動物絨毛等各種天然纖維及合成纖維)進行梳理，起到抓取、開松、除雜、握持、分梳、均混、轉移、凝聚等作用。為了充分發揮這些作用，要求金屬針布的齒部具有足夠的強度，齒尖和棱邊棱角具有良好的鋒利度，并盡量具有較好的耐磨性；同時，為了使金屬針布在使用時便于包卷于滾筒表面，其基部及齒根部位必須具有足夠的塑性。
金屬針布一般加工工藝方法是將經拉拔、熱處理的球化退火狀態規格鋼絲進行軋制成型加工成坯片(截面形狀如圖3)，然后對坯片進行沖切成鋸齒形(如圖2)，再經退火、齒部淬火、回火、表面處理、卷裝等工序完成成品。齒部淬火質量的優劣對金屬針布在最終使用中的壽命和梳理效果十分重要，即齒部淬火質量將嚴重影響金屬針布的耐磨性(影響金屬針布耐磨性的因素還有制造金屬針布的材質等)。
現有的金屬針布齒部淬火方式主要有兩種。一種是火焰淬火方式，即在生產線上采用噴嘴噴出的火焰對連續進給中的金屬針布半成品(已沖齒)進行淬火，如中國專利號ZL 93106917，專利名稱“金屬針布的淬火方法”。另一種是高頻感應淬火方式，即在生產線上采用高頻感應線圈對連續進給中的金屬針布半成品(已沖齒)進行淬火，如中國專利號ZL 00135446，專利名稱“金屬齒條的生產工藝”。這兩種淬火方式的缺點是無法精確定位齒部加熱位置，齒尖部位加熱程度不均勻。引起的后果是齒部淬火質量(硬度和金相組織)不穩定，淬硬層位置偏差大，從而影響金屬針布的使用壽命。
本發明將激光淬火應用于金屬針布的齒部淬火。激光淬火使用的激光器有二氧化碳激光器和YAG激光器兩種。由于金屬針布的原材料一般采用中、高碳鋼和專用合金鋼，它對二氧化碳激光的吸收效果不好，為了提高對二氧化碳激光的吸收效果，需要預先對它進行黑化處理。而金屬針布對YAG激光的吸收效果很好，無須對它進行預處理。所以本發明采用YAG激光器。

發明內容
本發明的目的在于克服上述已有金屬針布淬火技術無法精確定位齒部加熱的位置，造成齒尖部位加熱程度不均勻，而引起的齒部淬火質量不穩定的缺點；為了有效地解決因金屬針布齒部淬火質量不穩定而影響產品使用壽命的問題，從而提供一種能獲得超常耐磨金屬針布的YAG激光淬火系統和方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統(包括光學系統、定位冷卻系統和控制柜；總體結構如圖1所示)，具體包括安裝在上工作臺4上的YAG激光器1、擴束鏡2、45°入射全反鏡3；及導光筒5、調節圈6、聚焦頭7和控制柜12，YAG激光器與控制柜12內的激光電源電聯接；其特征在于所述的YAG激光器1的光路前方順序安置一擴束鏡2、45°入射全反鏡3，經45°入射全反鏡3的反射光通過上工作臺4的臺面開有一通光孔進入導光筒5，導光筒5的上端口與上工作臺4的通光孔通過法蘭連接，導光筒5的下端口與調節圈6通過螺紋連接，調節圈6與聚焦頭7通過螺紋連接，彼此用螺釘固定；在導光筒5的下端口與調節圈6上刻有刻度；上工作臺4通過四個可調支腳固定在下工作臺9上；下工作臺9通過四個可調支腳固定地基上，一帶調節器的可在水平方向平移的定位裝置8與裝有淬火劑的冷卻箱10固定在下工作臺9上，聚焦頭7處于兩者中間的位置，金屬針布11固定在定位裝置8的活動機構上，金屬針布11的另一端穿過冷卻箱10。
一控制柜12安放在地面上，控制柜12內安裝有激光器電源和用于控制激光器冷卻水的溫度控制器、壓力控制器、水位開關、水箱和水泵電機；用于控制冷卻箱10的繼電控制電路。
所述的擴束鏡2和45°入射全反鏡3均可安裝在一光學調節架上。
所述的定位裝置8包括限定機構、活動機構和調節器。限定機構固定在下工作臺9上，它限制活動機構移動，使其只能在水平面上垂直于金屬針布進給方向的方向平移；活動機構通過活動頂板、螺釘和彈簧夾緊金屬針布，夾緊力可通過螺釘和彈簧調節；調節器由兩顆螺釘和兩根彈簧組成，并在限定機構和活動機構上刻有刻度。
所述的聚焦頭7包括一圓筒內安裝一聚焦鏡，在聚焦鏡下面的保護鏡，在圓筒下端口固定一漏斗形的保護氣體噴嘴，它是一種氣路結構，氣路與會聚激光束同軸設置。
還包括在控制柜12內安裝其它常規光閘控制、激光功率檢測、系統故障檢測保護和遠程控制的繼電控制電路。
所述的冷卻箱10上面還裝有一臺攪拌器，攪拌器與控制柜12內安裝繼電控制電路電聯接；攪拌器用于攪拌淬火劑，使其溫度均勻，淬火劑用于輔助冷卻經激光淬火的金屬針布。
還包括在上工作臺4上安裝一光路防護罩，以防灰塵污染光路上的光學器件。
本發明提供的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的方法，包括以下步驟(1)在生產線上安裝以上本發明的YAG激光淬火系統，將金屬針布半成品(已沖齒)安裝在定位裝置8的活動機構上；(2)根據待處理的金屬針布的工藝參數確定激光電源的電流I(對應光斑的功率P)、調節圈6的刻度L(對應光斑直徑φ)、金屬針布的移動速度v及定位裝置8刻度S；其中被處理材料的齒部淬火層所要達到的硬度，由以下的因素決定激光光斑功率密度E＝P/(π×(φ/2)2)，和激光照射時間t＝φ/v，其中v為金屬針布的移動速度；(3)啟動金屬針布生產線上的進給裝置，使金屬針布的按移動速度v移動；(4)開啟激光器電源，從激光器發出的連續YAG激光束，經擴束鏡擴束和45°入射全反鏡反射，再經聚焦鏡聚焦在金屬針布的齒部形成一高能量密度的光斑，通過調節激光電源的電流可調節光斑的功率P；通過調節裝有金屬針布半成品的定位裝置8刻度S，移動金屬針布的位置可調節針布上的光斑位置；通過調節調節圈6達到上下調節聚焦頭與金屬針布的距離，從而調節針布上的光斑直徑φ；調節E和t，可以使不同類型的金屬針布經激光淬火后達到需要的硬度要求；該光斑的能量被齒部吸收；就可對連續進給中的金屬針布半成品(已沖齒)進行淬火處理了；(4)停機時先關激光器電源停止激光輸出，再停生產線上的進給裝置，以免激光將金屬針布燒壞。
所述的各工藝參數的調節范圍為I7～24A，對應P0～200W；L0～45mm，對應φ0.3～5mm；v0～12m/min；S0～10mm。
激光淬火是以高能量密度的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金以極快的速度升到高于相變點而低于熔化的溫度。當激光束離開被照射部位時，由于熱傳導的作用，處于冷態的基體使其迅速冷卻而自冷；當工件基體較薄不能迅速自冷時可輔助冷卻，從而實現表面相變硬化。由于此過程在快速加熱和快速冷卻下進行，因此得到的硬化層組織較細，硬度高于常規淬火的硬度。
激光淬火是金屬表面局部快速淬火工藝的一種新技術，主要用于強化工件的表面，可以提高金屬材料或工件的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性、強度和耐高溫性能；同時，工件基體仍保持較好的韌性，使工件機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度大的特點。激光淬火可以大幅度提高產品質量，延長產品壽命，具有顯著的經濟效益。
本發明的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統和方法與現有的淬火方式相比，具有以下優點1、由于聚焦在齒部的光斑位置和光斑大小都可精確調節，故可精確定位齒部加熱位置，從而避免現有金屬針布整體火焰和高頻等淬火方式無法精確定位(齒部加熱太淺或太深，而齒底及基部也受到了一定程度的加熱淬火)的缺點。由于光斑可調至很小(≤0.2mm)，故可對尺寸較小的齒部(齒深h6最小僅為0.4mm左右)位置精確加熱。采用本發明獲得的金屬針布與普通金屬針布相比，齒尖硬度分布更均勻、合理，而齒底及基部硬度保持不變，具有更好的韌性。
2、由于激光束對金屬針布齒部的加熱速度更快，加熱后冷卻速度也更快(除激光直射部位外其他區域為冷態，加熱部位極易自冷卻)，因此齒部淬火后可得到理想的金相組織(即由原球狀珠光體轉變為細針狀馬氏體組織)。齒尖部位經激光淬火后硬度可達到800HV～950HV。因此，采用本發明獲得的金屬針布與普通金屬針布相比，齒尖金相組織即隱針馬氏體組織更細小、均勻，碳化物(硬的質點)呈彌散分布，彌散度更大，故耐磨性更優越。
3、由于激光淬火具有齒部加熱位置可精確定位、加熱功率可調節等特點，而且無須對工件進行預處理，故能適應不同鋼種(中碳鋼、高碳鋼、專用合金鋼等)的金屬針布的淬火。
采用本發明YAG激光器淬火處理系統和方法處理后獲得的金屬針布比普通金屬針布具有更高的耐磨性，在使用中有利于提高對纖維的梳理效果(如減少棉結雜質等)，明顯提高使用壽命，延長使用中的磨針周期，適應了紡紗機械高效化(高速高產)以及對紡紗質量要求日益提高的發展需要。


下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明圖1是本發明的總體結構示意圖。
圖2表示金屬針布的正面形狀，其中h6為齒深，P為齒距，α為前角，γ為齒背角。
圖3表示金屬針布的截面形狀，其中h1為總高，h2為基部高，b1為基部寬，b2為齒部寬，b3為齒頂寬。
圖4中標出了A-齒部、B-齒根、C-基部3個區域，并標出了淬火后的D-淬硬層、E-過渡層、F-齒尖。淬硬層在齒部下方邊緣大致呈下凸弧形狀，H表示淬硬深度；過渡層在淬硬層下邊緣外均勻分布。過渡層很小，其硬度低于淬硬層。齒根和基部二個區域不會受到加熱，硬度值不變，保持有利于包卷的韌性。
圖5中的縱坐標為齒深百分比(與右邊齒形對應)，橫坐標為淬火后的硬度值即維氏顯維硬度，圖中曲線1代表普通金屬針布的淬火曲線，曲線2代表采用本專利獲得的金屬針布的淬火曲線。由圖中可知采用本專利獲得的金屬針布的硬度比普通金屬針布更高，變化快得多。
圖面說明1-YAG激光器；2-擴束鏡； 3-45°入射全反鏡；4-上工作臺； 5-導光筒； 6-調節圈；7-聚焦頭； 8-定位裝置； 9-下工作臺；10-冷卻箱； 11-金屬針布；12-控制柜。
具體實施例方式
實施例1參考圖1結合本實施例詳細說明整個系統由光學系統、定位冷卻系統和控制柜等三部分組成的結構。
本實施例的YAG激光器1是市場上購買的、采用燈泵浦結構，激光輸出功率0至200W連續可調的，包括全反鏡及調整架、聚光腔、輸出鏡及調整架、光閘及激光功率測頭等。該YAG激光器1與控制柜內的激光器電源電聯接，在激光器電源的激勵下產生YAG激光；激光器1的光閘用于控制激光的開關；激光功率測頭用于實時激光功率監測。所述的光路包括YAG激光器1的輸出光路前方順序安置帶調節架的擴束鏡2、安裝在調整架上的45°入射全反鏡3，該光學調節架安裝在工作臺4的平臺上；上工作臺4通過四個支腳固定在下工作臺9上，以保證兩工作臺固定不動。上工作臺4的臺面上開有一與導光筒5直徑相同的通光孔，導光筒5的上端口與上工作臺4的通光孔通過法蘭連接，下端口與調節圈6通過螺紋連接，(調節圈6可以是照相機上使用的調節圈)通過螺紋可調節；調節圈6與聚焦頭7通過螺紋連接，彼此用螺釘固定，其中聚焦頭7包括一鋁金屬做的圓筒內安裝一聚焦鏡，在聚焦鏡下面的保護鏡，在圓筒下端口固定一漏斗形的鋁的保護氣體噴嘴，它是一種氣路結構，氣路與會聚激光束同軸設置；它的作用是隔斷聚焦鏡與激光在金屬針布上的作用點的通道，使聚焦鏡免受污染。氣流引入處在保護鏡的下面，從該氣路噴嘴射出的氣流用于阻隔激光作用金屬產生的煙氣及空氣中的粉塵等污染物以保護保護鏡不被污染，保護氣體采用壓縮空氣。擴束鏡2用于對激光束擴束準直；45°入射全反鏡3用于轉折光束的傳輸方向(將水平方向轉折為垂直方向)。導光筒5用于45°入射全反鏡3與聚焦頭7的光路連接；調節圈6用于調節上工作臺4的平臺與聚焦頭7之間的距離，從而可調節聚焦在齒部的光斑大??；定位冷卻系統包括機械工業上使用的定位裝置8與冷卻箱10。定位裝置8與冷卻箱10固定在下工作臺9的平臺上；下工作臺9通過四個支腳固定地基上，以保證本淬火系統相對金屬針布生產線固定不動。定位裝置8用于金屬針布的水平方向定位(在水平面上垂直金屬針布的運動方向可調節，從而可調節聚焦在齒部的光斑位置)。冷卻箱10內裝有淬火劑(油或水混合)，上面裝有一臺攪拌器。淬火劑用于輔助冷卻經激光淬火的金屬針布；攪拌器用于攪拌淬火劑，使其溫度均勻。
其中定位裝置8是一種機械工業常規的定位裝置，它包括限定機構、活動機構和調節器。限定機構固定在下工作臺9上，它限制活動機構移動，使其只能在水平面上垂直于金屬針布進給方向的方向平移；活動機構通過活動頂板、螺釘和彈簧夾緊金屬針布，夾緊力可通過螺釘和彈簧調節；調節器由兩顆螺釘和兩根彈簧組成，并在限定機構和活動機構上刻有刻度。
控制柜12放在地面上?？刂乒癜ɡ鋮s系統、激光電源和其他繼電控制電路等。冷卻系統包括溫度控制器、壓力控制器、水位開關、水箱和水泵電機等，用于激光器的冷卻；激光電源用于給激光器供電；其他繼電控制電路包括光閘控制、激光功率檢測、系統故障檢測保護(水過溫、水欠壓、缺水和水泵過載等)和遠程控制等。
還包括在上述的實施例中的上工作臺4前后還可有兩端板，上面有一罩，以防灰塵污染內部的光學器件。
從激光器發出的連續YAG激光束，經擴束鏡擴束和45°入射全反鏡反射，再經聚焦鏡聚焦，在金屬針布的齒部形成一高能量密度的光斑，該光斑的能量被齒部吸收后就可達到淬火的目的，可以使不同類型的金屬針布經激光淬火后達到需要的硬度要求(800HV～950HV)。
實施例2本實施例是在實施例1的YAG激光器淬火處理金屬針布的系統來處理型號為AC2030×01550的20系列錫林針布的方法，包括以下步驟將圖1的所示的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統(實施例1的)安裝在生產線上；把確定好要處理的金屬針布安裝在系統的定位裝置8的活動機構上；2.根據待處理的金屬針布的工藝參數確定激光電源的電流I(對應光斑的功率P)、調節圈6的刻度L(對應光斑直徑φ)、金屬針布的移動速度v及定位裝置8的刻度S；3.啟動金屬針布生產線上的進給裝置，使金屬針布的按移動速度v移動；通過調節激光電源的電流可調節光斑的功率P；通過水平調節定位裝置8上的調節器可調節針布上的光斑位置；通過調節調節圈6可上下調節聚焦頭與金屬針布的距離，從而調節針布上的光斑直徑φ；激光光斑功率密度E＝P/(π×(φ/2)2)。激光照射時間t＝φ/v，其中v為金屬針布的移動速度。調節E和t，可以使不同類型的金屬針布經激光淬火后達到需要的硬度要求；4.開啟光閘，有YAG激光輸出，就可對連續進給中的金屬針布半成品(已沖齒)進行淬火；本實施例中對型號為AC2030×01550的20系列錫林針布進行了處理，具體工藝參數為I11.8A，對應P73W；L0mm，對應φ0.3mm；v0～7m/min；S2mm；5.停機時先關光閘停止激光輸出，再停生產線上的進給裝置，以免激光將金屬針布燒壞。
淬火結果如圖5所示，其金屬針布經過淬火處理后的結構如圖4所示。
采用本實施例獲得的金屬針布比普通金屬針布具有更高的耐磨性，在使用中有利于提高對纖維的梳理效果(如減少棉結雜質等)，明顯提高使用壽命，延長使用中的磨針周期，適應了紡紗機械高效化(高速高產)以及對紡紗質量要求日益提高的發展需要。
權利要求
1.一種采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，包括安裝在上工作臺4上的YAG激光器1、擴束鏡2、45°入射全反鏡3；及導光筒5、調節圈6、聚焦頭7和控制柜12，YAG激光器與控制柜12內的激光電源電聯接；其特征在于所述的YAG激光器1的光路前方順序安置一擴束鏡2、45°入射全反鏡3，經45°入射全反鏡3的反射光通過上工作臺4的臺面開有一通光孔進入導光筒5，導光筒5的上端口與上工作臺4的通光孔通過法蘭連接，導光筒5的下端口與調節圈6通過螺紋連接，調節圈6與聚焦頭7通過螺紋連接，彼此用螺釘固定；在導光筒5的下端口與調節圈6上刻有刻度；上工作臺4通過四個可調支腳固定在下工作臺9上；下工作臺9通過四個可調支腳固定地基上，一帶調節器的可在水平方向平移的定位裝置8與裝有淬火劑的冷卻箱10固定在下工作臺9上，聚焦頭7處于兩者中間的位置，金屬針布11固定在定位裝置8的活動機構上，金屬針布11的另一端穿過冷卻箱10；一控制柜12安放在地面上，控制柜12內安裝有激光器電源和用于控制激光器冷卻水的溫度控制器、壓力控制器、水位開關、水箱和水泵電機；用于控制冷卻箱10的繼電控制電路。
2.按權利要求1所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，其特征在于還包括在控制柜12內安裝其它常規光閘控制、激光功率檢測、系統故障檢測保護和遠程控制的繼電控制電路。
3.按權利要求2所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，其特征在于所述的系統故障檢測保護包括水過溫、水欠壓、缺水和水泵過載控制電路。
4.按權利要求1所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，其特征在于所述的定位裝置8包括限定機構、活動機構和調節器。限定機構固定在下工作臺9上，它限制活動機構移動，使其只能在水平面上垂直于金屬針布進給方向的方向平移；活動機構通過活動頂板、螺釘和彈簧夾緊金屬針布，夾緊力可通過螺釘和彈簧調節；調節器由兩顆螺釘和兩根彈簧組成。在限定機構和活動機構上刻有刻度。
5.按權利要求1或2所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，其特征在于所述的冷卻箱10上面還裝有一臺攪拌器。
6.按權利要求1或2所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，其特征在于還包括在上工作臺4上安裝一光路防護罩。
7.按權利要求1或2所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，其特征在于所述的聚焦頭7包括一圓筒內安裝一聚焦鏡，在聚焦鏡下面的保護鏡，在圓筒下端口固定一漏斗形的保護氣體噴嘴，它是一種氣路結構，氣路與會聚激光束同軸設置。
8.一種在權利要求1所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統中進行金屬針布處理的方法，包括以下步驟(1)首先在生產線上安裝一臺權利要求1所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統，將金屬針布半成品安裝在具有水平微調的定位裝置8的活動機構上；(2)根據待處理的金屬針布的工藝參數確定對應光斑功率P的激光電源的電流I、對應光斑直徑φ的調節圈6的刻度L、金屬針布的移動速度v及具有水平微調的定位裝置8的刻度S；其中被處理材料的齒部淬火層所要達到的硬度，由以下的因素決定激光光斑功率密度E＝P/(π×(φ/2)2)，和激光照射時間t＝φ/v，其中v為金屬針布的移動速度；(3)啟動金屬針布生產線上的進給裝置，使金屬針布的按移動速度v移動；(4)開啟激光器電源，從激光器發出的連續YAG激光束，經擴束鏡擴束和45°入射全反鏡反射，再經聚焦鏡聚焦在金屬針布的齒部形成一高能量密度的光斑，通過調節激光電源的電流可調節光斑的功率P；通過調節裝有金屬針布半成品的定位裝置8的刻度S，移動金屬針布的位置可調節針布上的光斑位置；通過調節調節圈6達到上下調節聚焦頭與金屬針布的距離，從而調節針布上的光斑直徑φ；調節E和t，可以使不同類型的金屬針布經激光淬火后達到需要的硬度要求；該光斑的能量被齒部吸收；就可對連續進給中的金屬針布半成品(已沖齒)進行淬火處理了；(5)停機時先關激光器電源停止激光輸出，再停生產線上的進給裝置。
9.按權利要求8所述的采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統中進行金屬針布處理的方法，其特征在于所述的各工藝參數的調節范圍為I7～24A，對應P0～200W；L0～45mm，對應φ0.3～5mm；v0～12m/min；S0～10mm。
全文摘要
本發明涉及采用YAG激光器淬火處理金屬針布的系統和方法。該系統包括YAG激光器的光路順序安置擴束鏡、全反鏡，經反射的光通過上工作臺上的通光孔進入導光筒，導光筒另一端口與調節圈連接，調節圈與聚焦頭連接；上工作臺固定在下工作臺上，下工作臺固定于地上；定位裝置與冷卻箱固定在下工作臺上，聚焦頭處于兩者中間的位置，金屬針布固定在定位裝置的活動機構上，金屬針布的另一端穿過冷卻箱；控制柜安放在地，控制柜內安裝有激光器電源和其它繼電控制電路。開啟激光器電源，從激光器輸出的連續YAG激光束，經擴束鏡擴束、全反鏡反射再經聚焦鏡聚焦在金屬針布的齒部，形成一高能量密度的光斑，該光斑的能量被齒部吸收即對金屬針布進行淬火處理了。
文檔編號C21D9/26GK1594606SQ0315707
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月12日 優先權日2003年9月12日
發明者王紅才, 彭林華, 章燕, 楊燕寧, 覃志康, 陳海濤, 繆恭仁 申請人:中國科學院力學研究所