激光熱處理技術(shù)的應(yīng)用

由于激光熱處理有相當(dāng)明顯的優(yōu)點，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)國家大功率CO2激光器已產(chǎn)品化、系列化。我國從“七五”以后相繼研制成功了千瓦級萬瓦級大功率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)變化的冶金過程，其加熱時間在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、重型機械、農(nóng)業(yè)機械等存在嚴(yán)重磨損的機器行業(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：美國通用汽車公司用十幾臺千瓦級CO2激光器，對換向器殼內(nèi)壁局部硬化，日產(chǎn)3萬套，提高工效四倍。我國采用大功率CO2激光器對汽車發(fā)動機進(jìn)行缸孔強化處理，可延長發(fā)動機大修里程到15萬公里以上，一臺汽缸等于三臺不經(jīng)處理的汽缸。

激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對金屬實現(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:

1.無需使用外加材料,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。

激光熱處理過程中，激光束停止掃描后，隨時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，也應(yīng)考慮工藝的可操作性，生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益等。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，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的距離）。淬火表面吸收的能量取決于激光功率；激光束對淬火表面的作用時間取決于掃描速度；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)過機械加工，表面粗糙度較小，其對激光的反射率很高。在激光熱處理前，應(yīng)對淬火表面進(jìn)行預(yù)處理，以提高其吸光率。對處理表面進(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。

激光熱處理在大型機車制造業(yè)已被采用，大大提高了機車壽命，主要是機車大型曲軸的激光熱處理和機車柴油機缸套和機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。用激光對模具表面進(jìn)行熱處理，已逐漸被認(rèn)識和被采用，可成倍的提高模具的壽命，又不受形狀和尺寸的限制。激光熱處理過的曲軸由于激光熱處理越來越顯示其優(yōu)越性，各種大功率CO2激光熱處理不斷問世。有些大型企業(yè)不惜代價引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，如大連機車車輛廠引進(jìn)德國6000W CO2激光器由于大型曲軸熱處理生產(chǎn)線等。與此同時，國產(chǎn)大功率CO2激光熱處理設(shè)備銷售每年也成倍增長，激光熱處理生產(chǎn)線在各地相繼發(fā)展起來。比較成功的例子有大連機車車輛廠由于機車曲軸、缸套、立簧片的激光熱處理生產(chǎn)線；西安內(nèi)燃機廠柴油機缸套激光熱處理生產(chǎn)線；北京內(nèi)燃機及首都汽車公司的汽車發(fā)動機缸套激光熱處理生產(chǎn)線；長春第一汽車制造廠激光熱處理生產(chǎn)線。同時全國各地建立了不同規(guī)模的激光加工中心。

激光表面處理特點是加熱速度快，溫度高，無氧化，變形小，晶粒超細(xì)化，疲勞強度高，可以實現(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。在大型機車制造業(yè)中，激光熱處理的應(yīng)用，大大提高了機車的壽命，主要用于機車大型曲軸的激光熱處理、機車柴油機缸套和機車主簧片的激光熱處理。全國各地建立了不同規(guī)模的激光加工中心，可為各行業(yè)機器零件進(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金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對金屬實現(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：

1.無需使用外加材料,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裝配。

2)激光束模式

激光熱處理的目的是希望獲得一個矩形的硬化斷面，使其在磨損過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非常重要的參數(shù)，焦距越大焦深也越大。在焦深很大時，零件的復(fù)雜形狀或較大的離焦對激光熱處理無明顯影響。