激光熱處理技術(shù)的發(fā)展

激光熱處理在大型機(jī)車制造業(yè)已被采用，大大提高了機(jī)車壽命，主要是機(jī)車大型曲軸的激光熱處理和機(jī)車柴油機(jī)缸套和機(jī)車主簧片的激光熱處理。它們的模具制造工藝復(fù)雜，精度要求高，形狀各異，應(yīng)用廣泛，但往往因模具的壽命短而加大了成本，返修也很困難。用激光對(duì)模具表面進(jìn)行熱處理，已逐漸被認(rèn)識(shí)和被采用，可成倍的提高模具的壽命，又不受形狀和尺寸的限制。激光熱處理過(guò)的曲軸由于激光熱處理越來(lái)越顯示其優(yōu)越性，各種大功率CO2激光熱處理不斷問(wèn)世。有些大型企業(yè)不惜代價(jià)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，如大連機(jī)車車輛廠引進(jìn)德國(guó)6000W CO2激光器由于大型曲軸熱處理生產(chǎn)線等。與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)大功率CO2激光熱處理設(shè)備銷售每年也成倍增長(zhǎng)，激光熱處理生產(chǎn)線在各地相繼發(fā)展起來(lái)。比較成功的例子有大連機(jī)車車輛廠由于機(jī)車曲軸、缸套、立簧片的激光熱處理生產(chǎn)線；西安內(nèi)燃機(jī)廠柴油機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線；北京內(nèi)燃機(jī)及首都汽車公司的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線；長(zhǎng)春第一汽車制造廠激光熱處理生產(chǎn)線。同時(shí)全國(guó)各地建立了不同規(guī)模的激光加工中心。

由于激光熱處理有相當(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術(shù)難題，在國(guó)內(nèi)外受到高度重視，激光熱處理得到迅速的發(fā)展。大功率CO2激光器從70年代起發(fā)展很快，先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家大功率CO2激光器已產(chǎn)品化、系列化。我國(guó)從“七五”以后相繼研制成功了千瓦級(jí)萬(wàn)瓦級(jí)大功率CO2多模激光器。隨著大功率激光器的發(fā)展，用激光就可以實(shí)現(xiàn)各種形式的表面處理。它是引起材料組織結(jié)構(gòu)變化的冶金過(guò)程，其加熱時(shí)間在10-3s~10-7s的范圍內(nèi)，功率密度為每平方毫米大于0.1kw。它的應(yīng)用極為廣泛，幾乎一切金屬表面熱處理都可以應(yīng)用。應(yīng)用比較多的有汽車、冶金、石油、重型機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等存在嚴(yán)重磨損的機(jī)器行業(yè)，以及航天、航空等高技術(shù)產(chǎn)品。

激光熱處理在汽車行業(yè)應(yīng)用極為廣泛，在許多汽車關(guān)鍵件上，如：缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、派啟發(fā)、閥座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。例如：美國(guó)通用汽車公司用十幾臺(tái)千瓦級(jí)CO2激光器，對(duì)換向器殼內(nèi)壁局部硬化，日產(chǎn)3萬(wàn)套，提高工效四倍。我國(guó)采用大功率CO2激光器對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸孔強(qiáng)化處理，可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)大修里程到15萬(wàn)公里以上，一臺(tái)汽缸等于三臺(tái)不經(jīng)處理的汽缸。

激光熱處理是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70度以上,從而提高起抗磨性,抗疲勞,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長(zhǎng)其使用壽命.激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮等傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點(diǎn):

1.無(wú)需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1-0.8mm .

2.處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性.

3.被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。

4．加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。

激光熱處理過(guò)程中，激光束停止掃描后，隨時(shí)用肉眼或低倍放大鏡觀察激光淬火帶表面狀態(tài)，宏觀判斷淬火帶表面質(zhì)量。微觀分析應(yīng)取淬火帶橫截面為觀察面，用金相顯微鏡，在放大100倍下檢測(cè)淬火硬化層深度（mm）和寬度（mm）。激光淬火硬化層深度一般在1mm以下。鋼鐵材料激光淬火金相組織主要為馬氏體。應(yīng)采用顯微硬度法檢測(cè)淬火層硬度，根據(jù)樣品的性質(zhì)、厚度及淬火層深度選擇負(fù)荷值。

通過(guò)分析淬火零件的材料特性、使用條件、服役工況等因素，明確技術(shù)條件、產(chǎn)品質(zhì)量要求，進(jìn)而選擇激光淬火硬化模型及確定激光淬火工藝參數(shù)。同時(shí)，也應(yīng)考慮工藝的可操作性，生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益等。激光束模式分為多模光束、低階模光束、基模光束，一般采用多模光束進(jìn)行激光熱處理。

根據(jù)單條激光淬火帶寬度，激光淬火帶形式有窄帶和寬帶之分；激光淬火帶分布類型有直條型、螺旋型、正弦波型、交叉網(wǎng)格型、圓環(huán)型等，可根據(jù)需要選擇一種或多種復(fù)合分布類型進(jìn)行激光淬火。同時(shí)，應(yīng)確定激光淬火帶在淬火表面的分布位置以及硬化面積比率（激光淬火帶總表面積與整個(gè)工作面表面積之比）。

激光淬火工藝參數(shù)是激光熱處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工藝參數(shù)主要是激光功率、激光光束掃描速度、聚焦鏡焦距、離焦量（淬火表面與光束焦點(diǎn)的距離）。淬火表面吸收的能量取決于激光功率；激光束對(duì)淬火表面的作用時(shí)間取決于掃描速度；光斑尺寸取決于聚焦鏡焦距和離焦量；激光功率密度取決于激光功率和光斑尺寸。一般激光功率增加，淬火層深度增加；掃描速度增加，淬火層深度減少；離焦量增加，光斑尺寸增加，在一定范圍內(nèi)，淬火層寬度增加。

激光熱處理的金屬表面一般都經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，表面粗糙度較小，其對(duì)激光的反射率很高。在激光熱處理前，應(yīng)對(duì)淬火表面進(jìn)行預(yù)處理，以提高其吸光率。對(duì)處理表面進(jìn)行除油、除銹、清洗、干燥之后，在表面預(yù)置吸光涂層（黑化），其方法有磷化、噴（刷）涂料、提高表面粗糙度、氧化、鍍膜等；涂層要薄，厚度均勻，對(duì)激光吸收率高（90%以上），有良好的熱傳導(dǎo)性能，與金屬附著性好，在一定溫度下不分解、不蒸發(fā)，淬火后易清洗去除或不需去除就能使用。

激光表面處理特點(diǎn)是加熱速度快，溫度高，無(wú)氧化，變形小，晶粒超細(xì)化，疲勞強(qiáng)度高，可以實(shí)現(xiàn)自冷淬火，特別適用于局部熱處理，如尺寸很小的工件、不通孔的底部等用普通熱處理加熱很難實(shí)現(xiàn)的部位，并可以配置在生產(chǎn)線上。

激光熱處理在汽車行業(yè)應(yīng)用極為廣泛，在許多汽車關(guān)鍵件上，如缸體、缸套、 曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。在大型機(jī)車制造業(yè)中，激光熱處理的應(yīng)用，大大提高了機(jī)車的壽命，主要用于機(jī)車大型曲軸的激光熱處理、機(jī)車柴油機(jī)缸套和機(jī)車主簧片的激光熱處理。全國(guó)各地建立了不同規(guī)模的激光加工中心，可為各行業(yè)機(jī)器零件進(jìn)行激光熱處理。激光表面熱處理裝置主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備及安全防護(hù)裝置所組成。

激光加工技術(shù)簡(jiǎn)介

激光熱處理（激光相變硬化、激光淬火）是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70度以上,從而提高起抗磨性,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長(zhǎng)其使用壽命。

激光加工技術(shù)作用

激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮等傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點(diǎn)：

1.無(wú)需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1-0.8mm 。

2.處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性。

3.被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。

4．加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。

1)工件的黑化處理

一般情況下金屬將使波長(zhǎng)為10.6 μm，激光的絕大部分被反射，黑化處理是充分利用激光能量最經(jīng)濟(jì)適用的方法。黑化處理主要有涂碳法、膠體石墨法和磷酸鹽法等，其中磷酸鹽法最好，其吸收率可達(dá)80%~ 90%，膜厚僅為5μm，具有較好的防銹性，處理后不用清除即可用來(lái)裝配。

2)激光束模式

激光熱處理的目的是希望獲得一個(gè)矩形的硬化斷面，使其在磨損過(guò)程中始終保持硬化帶的面積基本不變，因而要求激光束為矩形，而且光斑中的功率保持基本均勻或邊緣稍高。為此，一種方法是采用光學(xué)方法使激光束變成所需的形式；另一種方法是依靠調(diào)節(jié)激光器的諧振腔，使得光束中的功率密度較為均勻，還可獲得較高輸出功率。

3)焦距選擇與焦深

激光熱處理多要求淬火帶的寬度在2mm以上，應(yīng)該選用長(zhǎng)焦距的透鏡和聚焦反射鏡，一般為2mm左右。在激光處理中焦深也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，焦距越大焦深也越大。在焦深很大時(shí)，零件的復(fù)雜形狀或較大的離焦對(duì)激光熱處理無(wú)明顯影響。