1. 激光表面工程技術(shù)基本原理

激光表面工程技術(shù)是采用高能激光束對金屬表面進(jìn)行改性強(qiáng)化的激光加工技術(shù)，是表面處理工程領(lǐng)域發(fā)展得最快的方向，其主要工藝方法包括：激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等。

(1)激光相變淬火

激光相變淬火是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發(fā)生相變，形成馬氏體淬硬層的過程。激光淬火的功率密度高達(dá)103～104W/cm2，其加熱和和冷卻速度都非?？?。激光淬火不需要水或油等冷卻介質(zhì)，是一種清潔、高效的淬火工藝。與感應(yīng)淬火、火焰淬火、滲碳淬火工藝相比，激光淬火的硬度高（一般比感應(yīng)淬火高1-3 HRC），硬化層均勻，工件變形小，加熱區(qū)域和加熱軌跡容易控制，易于實(shí)現(xiàn)自動化。

(2)激光熔凝淬火

激光熔凝淬火技術(shù)是利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上, 由于基材內(nèi)部導(dǎo)熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固結(jié)晶的工藝過程。獲得的熔凝淬火組織非常致密，沿深度方向的組織依次為熔化-凝固層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材。激光熔凝層比激光淬火層的硬化深度更大、硬度更高，耐磨性也更好。該技術(shù)的不足之處在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞，一般需要后續(xù)機(jī)械加工才能恢復(fù)。為了降低激光熔凝處理后零件表面的粗糙度，減少后續(xù)加工量，本研究團(tuán)隊(duì)研制了專門的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度改善熔凝層的表面粗糙度，并且在冶金軋輥、導(dǎo)衛(wèi)等工件激光熔凝處理方面得到廣泛應(yīng)用。

(3)激光熔覆與合金化

激光熔覆與合金化技術(shù)是利用自動送粉器將合金粉末同步送到激光熔池中，使合金粉末與金屬基體同時熔化，形成金屬覆蓋層的工藝過程。與傳統(tǒng)的熱噴焊或者堆焊工藝相比，激光熔覆變形小，應(yīng)力低，對基體的稀釋率低，組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高，熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制，特別是熔覆層的成分可以根據(jù)工況的需求方便調(diào)節(jié)，因此非常適合工件表面的強(qiáng)化與修復(fù)。

(4) 激光淬火的特點(diǎn)

(5) 激光熔覆與合金化的特點(diǎn)

2. 多功能激光表面處理設(shè)備

激光表面工程技術(shù)使用的多功能激光熱處理設(shè)備，可以完成激光相變強(qiáng)化、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆等工作。在石化、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)，采用激光表面處理設(shè)備大幅增加了產(chǎn)品附加值，不僅用于新產(chǎn)品的制造和強(qiáng)化，還可以對磨損零件進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(1) 設(shè)備配置

激光器: #p#分頁標(biāo)題#e#一般為5kW橫流CO2激光器，最大輸出功率5.5kw?？梢愿鶕?jù)客戶需求選擇不同類型和功率的激光器。

大型多功能加工機(jī)床: 激光加工機(jī)床的加工尺寸范圍一般為：長5.5米，直徑Φ2.6米。對延伸形的特殊工件，可加工的尺寸范圍更大。本激光加工機(jī)床一般為懸臂加工系統(tǒng)，可進(jìn)行多工位的激光加工。

六軸四聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng): 本機(jī)床配置有六軸四聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，可以對復(fù)雜形狀工件進(jìn)行精密激光加工。也可根據(jù)客戶實(shí)際需求設(shè)計。

(2) 設(shè)備特點(diǎn):

根據(jù)應(yīng)用對象的不同，激光表面工程技術(shù)所對應(yīng)的成套設(shè)備有多種結(jié)構(gòu)形式，具備多種功能。目前常用的設(shè)備系統(tǒng)是基于CO2氣體激光器的多功能激光加工系統(tǒng)，其具有的顯著特點(diǎn)如下：

(1) 多功能激光熱處理設(shè)備可以進(jìn)行的激光表面處理技術(shù)包括：激光相變淬火、激光熔凝淬火、激光合金化和激光熔覆

(2) 華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研究室在激光加工技術(shù)和成套設(shè)備方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，所研制的激光加工設(shè)備在冶金、石化、機(jī)械制造、內(nèi)燃機(jī)、造紙、汽輪發(fā)電機(jī)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

(3) 華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研究室在激光熔覆專用合金粉末研制方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，研制的系列合金粉末包括：高韌性合金粉末、高耐磨合金粉末和耐高溫合金粉末等幾十種牌號，得到廣泛應(yīng)用。

(4) 華中科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研究室研制的激光熔覆自動送粉器具有精度高，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，已經(jīng)出口到美國通用電器公司。所研制的專用激光相變淬火和激光熔凝淬火涂料吸光率高、淬火效果好。

3. 新型激光熱處理裝備與應(yīng)用

新型激光器包括二極管激光器和光纖激光器，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、可以用光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。采用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的激光表面強(qiáng)化設(shè)備，可以對型面復(fù)雜的大型模具進(jìn)行三維精密淬火，確保模具的淬火質(zhì)量?；诙O管激光器及光纖激光器的多功能激光加工系統(tǒng)的應(yīng)用具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

(1) 基于二極管激光器及光纖激光器的多功能激光加工系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光、光纖激光的波長范圍為0.8～1.07μm，因此，金屬對這類激光的吸收率高于CO2激光，這類激光加工設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行成本較低，是激光表面工程領(lǐng)域新的應(yīng)用方向。

(2) 基于工業(yè)機(jī)器人的多功能激光加工設(shè)備

基于工業(yè)機(jī)器人的多功能激光加工設(shè)備，是與光纖傳輸?shù)男滦图す馄髋涮资褂玫脑O(shè)備，該激光加工系統(tǒng)對于復(fù)雜三維形狀的工件具有突出的技術(shù)優(yōu)勢，在大型模具激光淬火和激光熔覆修復(fù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

4. 激光表面工程技術(shù)典型應(yīng)用
 

激光表面處理技術(shù)作為一種清潔、高效、節(jié)能的表面處理方式，代表著表面處理技術(shù)的發(fā)展方向，其技術(shù)方法包括：激光固態(tài)相變強(qiáng)化、激光合金化強(qiáng)化和激光熔覆強(qiáng)化等，該技術(shù)在汽車、石化、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)齒輪、齒圈的激光淬火強(qiáng)化

(2)船用鋁合金活塞環(huán)槽激光合金化強(qiáng)化，柱塞激光熔凝淬火強(qiáng)化

(3)軋輥、曲軸激光淬火強(qiáng)化與激光熔覆強(qiáng)化

● 熱軋輥激光淬火后，硬度由HS40提高到HS85，使用壽命提高3倍。
● 瓦楞滾激光淬火后，硬度的均勻度為±0.5HRC。
● 高溫渦輪機(jī)葉片激光熔覆高溫耐磨合金，其使用壽命成倍提高。
● 長5000mm，直徑Φ500mm的大型不銹鋼軋輥軸頸，激光熔覆修復(fù)后軋輥長軸直線度公差只有0.03mm，激光熔覆修復(fù)幾乎不引起工件變形。

(4)大型主軸、汽輪機(jī)、渦輪機(jī)葉片激光熔覆修復(fù)

(5)模具激光淬火強(qiáng)化與激光熔覆修復(fù)

模具激光淬火的特點(diǎn)
 

(1) 模具激光淬火為空冷淬火，不需要水或油等冷卻介質(zhì)，激光淬火的模具清潔、高效。
(2) 激光淬火模具的淬硬層均勻，與常規(guī)淬火工藝相比，硬度高1-3 HRC。
(3) 激光淬火模具變形小。
(4) 激光淬火模具硬化層組織細(xì)密、強(qiáng)韌性好、不開裂。
(5) 激光淬火采用專用保護(hù)涂料，幾乎不破壞模具的表面粗糙度。
(6) 任何復(fù)雜形狀的模具都可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動化激光淬火，各種模具材料都可進(jìn)行激光淬火。

熱鍛模具激光熔覆的特點(diǎn)

(1) 激光熔覆制造的復(fù)合耐磨材料模具，使用壽命提高2倍以上。
(2) 激光熔覆制造的高溫耐磨材料模具，使用壽命提高3～5倍。