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Applications 应用天地

激光热处理
动态光斑整形软件改善激光热处理

通过软件动态改变扫描激光束的参数，根据实际应用情况动态调节热量分布。

Jesus Dominguez, M. Angeles Montealegre

激 光硬化（也称激光淬火）金 a) Pattern b) Scanning speed (%) c) Laser power (%)
属的所面临的一项主要挑战
是 ：处理几何形状不规则的
≈ 100 ≈ 50
部件。当使用激光硬化不平整表面时，
如表面上具有锋利的边缘或小孔，遇
≈ 65 ≈ 65
到的挑战尤为突出。在这种情况下，
由于材料周围体积的差异，经常会出 ≈ 50 ≈ 100
现过热问题，最终导致处理结果无法
图1：图（a）定义了一种扫描模式，并给出了定制2D光束能量密度分布的两种方案：功率恒定、扫描速
接受。尽管有许多努力都试图弄清楚
度可变（b）和功率可变、扫描速度恒定（c）。
如何获得一致的激光热处理效果，但
通常情况下，设计和控制光束传送从 控制软件。下面的等式给出了参与激 光源。第二种方法也是首选的方法是：
而实现期望的热处理效果，仍然是一 光过程的主要工艺参数之间的关系， 通过不同的扫描速度，改变指定区域
项主要技术挑战。 以及 DSS 软件中考虑到的参数 ： 内每个部分被加热的时间。
其中一个重要问题是，加热区域 E = P/(Ø • V) 图 1 显示了对于一个给定的模式，
2
的宽度会受到聚焦光斑尺寸的限制。 其中，E（J/mm ）为沉积在单位 使用这两种技术（改变扫描速度和改
针对这个问题，一种解决方案是使用 面积上的能量，P（W）为激光功率， 变激光功率）产生的 2D 定制光束。
光学元件来调节光斑的形状，例如创 Ø（mm）为光斑直径，V（mm/s）为 从图 1 中可以观察到，两种情况下产
建一个矩形光斑，使其能量密度分布 扫描速度。 生的 2D 光束是相同的。图 1（b）和
更为均匀。 特定 2D 光束形状的定制和调节、 图 1（c）中分别显示了获得这两个等
作为一种替代方案，还可以使用 以提供增强的表面加热，可以通过 效光束的功率范围和扫描速度范围。
扫描光学元件在轨迹上重复移动光斑， DSS 软件以两种方式启动和控制。改 即使定制光束在两种情况下看起
以致于可以将热源看成是一个沿轨迹 变有效区域内激光能量密度分布的最 来都一样，硬化行为还是取决于被处
移动的矩形光源。扫描光学元件的使 直观的方法是 ：调整扫描模式内的激 理材料的属性和工艺参数（激光功率、
用，允许通过改变激光轨迹和改变参 光功率，这需要一个可快速调制的激 扫描速度和穿越速度）。如图 2 所示，
数（诸如确定区域内的扫描速度和 /
a) b) c)
或激光功率）来调整一个确定区域内
的激光功率密度分布。

Dynamic Spot Shaper软件
1 mm 1 mm 1 mm
Dynamic Spot Shaper (DSS) 是
2
图2：以相同的能量密度（107 J/mm ）在S 335钢上创建的三种不同的激光轨迹，所不同的是激光功率，分
Talens Systems 公司开发的一款新颖的 别为2kW、4kW和6kW。

24 Mar/ Apr 2018 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界