激光表面強化技術

激光被引入表面硬化加工已經十余年。對于有選擇性的表面硬化加工，例如內溝槽的加工，激光表面硬化表現讓人耳目一新。最近以來，激光表面硬化被應用于各種零件加工，例如曲柄軸，活塞環，齒輪輪齒等。激光表面硬化技術[1]不同于傳統的感應淬火，火焰淬火。僅僅簡單地光學操作就能精確表達特定部位微結構，幾乎不產生失真，使得激光表面硬化技術得以普及。

激光表面淬火機理及其特點

激光表面淬火是以高能量(104～105W／cm2)的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快的速度升到高于相變點而低于熔化溫度。當激光束離開被照射部位時，由于熱傳導的作用，處于冷態的金屬基體使其迅速冷卻而實現自冷淬火(冷速可達104～106℃／s)，進而實現工件的表面相變硬化。由于加熱速度快和停留時間短，工件表層達到奧氏體化的深度較淺(淬硬厚度一般不超過1 mm)。所以得到的硬化層組織較細，硬度也高于常規表面淬火的硬度。

金屬材料在激光輻照下將發生組織變化，一般分為三個區域：激光熔化區、激光相變硬化區簡稱相變區和熱影響區。根據工件需要通過調整激光工藝參數可以產生激光熔化區，也可以不產生激光熔化區。通過目測金屬表層的外觀可區別這兩種不同工藝。              

激光相變硬化和普通淬火的組成相同，為馬氏體、碳化物、殘余奧氏體，但它的組織非常不均勻。由于加熱速度和冷卻速度極快，致使所獲得的各種組成晶粒細小，而且金相排列極不規則。細小的組織高度彌散分布的碳化物和大量存在的位錯，使得激光相變硬化組織具有此常規淬火更為優異的性能。如果激光功率密度高一點，就會增加一個激光熔化區，形成凝固硬化層見圖1.1，這是一種胞狀晶組織，熔化層內存在殘余奧氏體以及更細小(與未熔方式比)的馬氏體、碳化物，起到主要強化作用。對于中碳鋼或中碳合金鋼以上的鋼種，其硬度可達HRC60以上。激光熔化區的硬度和性能高于相變硬化區。在相變硬化層下都存在一熱影響區，它的組織一般為馬氏體+屈氏體+鐵素體，不完全淬火區它的硬比原始組織略高。

激光相變硬化有以下優點

(1)極快的加熱(104～106℃／s)和冷卻速度(106～108℃／s)，這比感應加熱的工藝周期短，通常只需約0.1s即可完成淬火，生產率高。

(2)可對工件局部表面進行激光淬火，且硬化層可精確控鍘，因而它是精密的節能型熱處理技術。激光淬火后工件變形小，幾乎無氧化脫碳現象，表面光潔度高，可作為工件加工的最后工序。

(3)激光淬火的硬度可比常規淬火提高15％～20％。

(4)可實現自冷淬火，不需水或油等淬水介質，避免了環境污染。

(5)工藝過程可自動控制。

激光淬火的工藝流程

激光淬火的工藝流程主要有以下工序：

(1)表面清洗。用汽油等清洗劑去除加工工件表面油污，便于均勻噴涂吸光涂層。

(2)噴涂激光涂料。用壓縮空氣噴槍或刷子均勻在零件表面上噴涂吸光涂層(涂料)。涂層厚度范圍在0.05～0.1 mm，目的是提高金屬表面對CO2激光的吸收率。

(3)烘干涂層。

(4)選定加工工藝參數。根據工件的工藝條件，以及要求激光淬火層的尺寸參數(硬化層寬度、深度、表面粗糙度)和性能參數(顯微硬度、耐磨性、組織變化)等要求來確定輻照到金屬表面的激光功率密度、掃描速度及冷卻方式等。

工程應用

激光淬火由于以上優點而得到較為廣泛的應用。發動機缸體表面淬火,可使缸體耐磨性提高3倍以上;熱軋鋼板剪切機刃口淬火與同等未處理的刃口相比壽命提高了一倍左右；而且激光表面淬火還應用在機床導軌淬火、齒輪齒面淬火、發動機曲軸的曲頸和凸輪部位局部淬火以及各種工具刃口激光淬火。美國通用汽車公司自1974 年首次將CO2激光器用于激光淬火以來,先后建立了17條激光熱處理生產線,每日可處理零件3萬件。該公司對易磨損的汽車轉向器齒輪內表面用激光處理出五條耐磨帶,克服了磨損問題,且基本無變形。我國也在積極進行激光淬火的研究和應用實踐[3]，天津渤海無線電廠采用美國820型1.5KW橫流CO2激光器對硅鋼片模具進行表面淬火, 大大提高了耐磨性,使用壽命提高了10倍。青島激光技工中心采用HJ-3KW級橫流CO2激光器, 對柴油機氣缸孔進行表面淬火取代了硼缸套, 耐磨效果優良,配副性優良,經濟效益顯著。                            

激光表面淬火技術的難點與前景

（1）光斑功率密度及不均勻性影響淬火工藝的穩定性激光束的功率密度分布是由光束的模式決定的, 根據激光理論, 激光束的模式主要取決于激光諧振腔的結構形式, 由于不同型號激光設備諧振腔的結構不相同, 輸出光束的模式也不相同。實驗研究表面, 兩種激光器在不同功率輸出時, 無論功率密度分布或是光斑外輪廓均發生明顯變化, 在激光對金屬材料進行淬火的情況下, 這種變化必然引起熱作用的差異, 因此, 不但這兩種設備之間的淬火工藝很難存在一種簡單的移植關系, 甚至對于同一臺設備, 由于光束的功率密度分布在形式及范圍上都隨光束功率發生變化, 即使在同一功率下, 有時也會由光學部件熱畸變或受污染等原因造成功率密度分布甚至光斑形狀的變化, 使淬火質量產生明顯的波動, 給工藝制定帶來極大的不便。

（2）光斑形狀對淬火層均勻性的影響在同一功率和掃描速度條件下, 如果光斑形狀及功率密度分布不同, 所獲得的激光淬火硬化帶形貌及力學性能可能有明顯的差別。近十多年來, 國內外研制出了不少光束變換系統, 然而, 在實際應用中, 許多工件需強化的區域并非平面, 考慮到工件的特殊形狀, 這種光斑事實上可能導致很不理想的結果。由于實際應用問題的千變萬化, 未來的光束轉換裝置就須根據實際需要變換出不同形式的功率密度分布。

（3）大面積激光淬火硬化層均勻性難以確保。實際應用中, 常遇到許多要求大面積均勻淬火的工件, 如塑料模具、齒輪、木材削片機飛刀等。由于激光光斑寬度有限, 只能進行搭接淬火,此時除了重復淬火區外, 還會出現淬火帶對前一淬火帶的回火作用, 而產生相應的硬度下降區其硬度低于常規淬火硬度。同時, 激光大面積淬火時, 當工藝控制參數恒定時, 每道淬火帶深度會逐步增加, 甚

至導致熔化現象, 這是由于工件溫度逐步升高的緣故。因此, 目前要實現激光大面積淬火的深度均勻性及硬度均勻性仍有較大的難度。

（4）工件初始狀態對激光淬火質量的影響，在其他工藝參數不變的情況下, 工件的初始狀態, 如工件的形狀、原始組織狀態、淬火區的邊界條件、表面粗糙度、表面吸光涂層等均對其激光淬火質量產生不容忽視的影響。在研究中發現帶刃口的工件如各種刀具、刃具在激光淬火時就極易造成刃口熔化現象, 這主要是由于刃口處熱傳導困難及表面能過大造成的。工件表面形狀對光束人射角人射角與工件表面法線的夾角影響很大, 因此影響淬火質量。原始組織為常規淬火或調質組織的工件,其激光淬火深度優于退火組織的激光淬火深度, 表面粗糙度的不同可導致淬火深度相差達30％。

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