作者:Markus A. Ruetering, 德國(guó)Laserline公司
利用激光對(duì)材料的硬化是一個(gè)快速增長(zhǎng)的專業(yè)領(lǐng)域，因?yàn)樗訌?qiáng)了耐磨性，延長(zhǎng)了部件壽命，提高了材料的強(qiáng)度和疲勞極限。
為了增加鋼材料的硬度，基本上在硬化過(guò)程中有三個(gè)必要的步驟：第一步是加熱材料；第二步是在一定時(shí)間(停留時(shí)間)溫度一定程度上保持在高于硬化溫度的水平；第三步是該部件的快速冷卻，通常稱為淬滅。停留時(shí)間期間，通常溫度在1333°F(723℃)以上，α鐵(鐵素體)變?yōu)?gamma;鐵(奧氏體)。奧氏體比鐵素體可以溶解更高量的碳。停留時(shí)間過(guò)后迅速冷卻該材料導(dǎo)致碳冷凍成細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生體心四方結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)被稱為馬氏體，和非晶體結(jié)構(gòu)代表了硬材料。
今天，硬度是用洛氏(HRC)、維氏(HV)和布氏(HB)測(cè)量的，最常用的是HV和HRC。這些都是基于一個(gè)部件到一個(gè)反體的滲透阻力。一個(gè)測(cè)試樣本在規(guī)定的時(shí)間與力度下，會(huì)在部件上留下標(biāo)記，然后被測(cè)量。材料的HRC值范圍在50至60之間，有時(shí)可略高于60。
馬氏體是在特定材料上下溫度范圍之間形成的。冷卻速度越高，材料中出現(xiàn)的馬氏體就越多。馬氏體，基于它的晶體結(jié)構(gòu)，增加了部件的體積，這可能導(dǎo)致塊件的破裂、拉伸和損壞，它需要在硬化加工后得到一定量的返工，實(shí)現(xiàn)硬化部件的規(guī)定的機(jī)械測(cè)量。在已知的幾乎所有工業(yè)的硬化技術(shù)中--例如，爐箱硬化、火焰硬化和感應(yīng)硬化—銑削、成形和打磨是在硬化后的必要步驟。因此，不必要材料的去除，工具的磨損，和硬化之前附加材料加起來(lái)形成了高成本。
一個(gè)符合成本效益的加工
使用激光硬化能夠減少上述的成本因素。然而，因?yàn)榧す庥不兴木窒?，并不能被用于每一種應(yīng)用。下面將以實(shí)例討論激光硬化與其它硬化工藝的區(qū)別。
第一個(gè)例子如圖1所示 - 這是一個(gè)21噸的物件在爐中加熱以硬化。在這里，創(chuàng)造馬氏體結(jié)構(gòu)，必須考慮到沉淀輸入部件的能量總和與所需要的快速降溫。另外，也要考慮到必要的返工以及能源和碳排放的成本。然而，使用此種硬化工藝最有可能的原因是這樣一個(gè)大的物件在工業(yè)使用中要求深度硬化。
圖一： 21 噸重的齒輪的硬化案例。(來(lái)源:克利夫蘭Härterei Reese Bochum 公司與Horsburgh & Scott)
硬化是從表面施加到內(nèi)部的，并且硬化的深度取決于采用的技術(shù)。換句話說(shuō)，不同的深度的硬化都有其對(duì)應(yīng)的工藝。在圖1所示的實(shí)例需要幾英寸的硬化深度，而激光限制在0.03-0.08”之間。然而，有限的硬化深度可成為必要的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗幌駹t箱、火焰、感應(yīng)硬化，在硬狀態(tài)下需要銑削。一家德國(guó)OEM使用了不同的硬化技術(shù)，聲稱從感應(yīng)硬化換成激光硬化后，僅僅通過(guò)減少了在硬狀態(tài)的機(jī)加工就可以節(jié)省20％的生產(chǎn)總成本。
激光硬化的示意圖在圖2中顯示。聚焦的激光束慢慢移到工件上將其快速加熱，停留時(shí)間期間保持溫度在硬化水平以上，并允許該部分在激光束移走后自動(dòng)淬滅。使用銳利的激光束，溫度上升與下降的時(shí)間是定制的，包括功能表面的選擇性加熱。因此，避免了失真，不需要返工或減少到最低程度，而且不需要特定的冷卻介質(zhì)，由于熱傳導(dǎo)，少量的能量很輕易進(jìn)入了零件里。后者導(dǎo)致自動(dòng)淬滅效應(yīng);而不需要煙霧劑，水或者氣體，這樣可以節(jié)省成本。
圖二：機(jī)械部件的激光硬化
光纖耦合半導(dǎo)體激光器
這種激光源通常使用2千瓦以上的功率，且行業(yè)中已經(jīng)有使用15千瓦甚至更高的激光源。最高效的是采用平頂能量分布（甚至在所有方向上）的激光，波長(zhǎng)允許光束被所處理的金屬高吸收。這一切就需要光纖耦合高功率半導(dǎo)體激光器，這也是Laserline公司的核心研發(fā)及產(chǎn)品。
圖三：Laserline半導(dǎo)體激光器的平頂能量分布
半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)范圍在900至1100納米，允許激光在金屬中得到很好地被吸收。而且半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)比一般激光器高出10％到15％，此外一般激光器還不具備平頂能量分布。
在整個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更快速度和更精確的生產(chǎn)，從而也節(jié)省了時(shí)間。
激光硬化不限于小零件或精細(xì)構(gòu)件;甚至對(duì)更大的部件以及重型部件都有幫助。用戶可能會(huì)認(rèn)為硬化深度僅有0.06”是不夠的，但以最快的加熱和淬滅，硬度更高，磨損更低，因此，即使是大的部件也應(yīng)該考慮激光。從Laserline公司的客戶--德國(guó)的ALOtec Dresden GmbH (ALOtec)和捷克LaserThermspol.s.r.o.(LaserTherm)得到的一些例子將會(huì)在下面的章節(jié)介紹。兩家公司都為即將購(gòu)買(mǎi)系統(tǒng)的客戶提供硬化車(chē)間作業(yè)及一攬子解決方案。
Less Distortion with Laser Hardening激光硬化失真更小
LaserTherm涉及到加工部件的重型車(chē)床，尺寸最大為12×4×1立方米(40×13×3立方英尺),需要大于1毫米(0.04”)深度、660HV(58 HRC）的硬化。常規(guī)方法中，例如感應(yīng)和火焰硬化要求測(cè)量值0.08-0.12”和硬化深度0.12-0.20”。
“我們已經(jīng)看到在傳統(tǒng)方式下每碼長(zhǎng)度超過(guò)0.08”的失真，”LaserTherm總經(jīng)理Ond?ejSoukup說(shuō)。
在將有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果組合后，11.9碼以上長(zhǎng)度的失真可以減少到0.1”。
“由于我們根據(jù)FEM(有限元算法)的計(jì)算得到的失真為0.12”，應(yīng)用于軟狀態(tài)下預(yù)加工車(chē)床，它完美彌補(bǔ)了不足而且不用再次返工。”Soukup說(shuō)。
在此應(yīng)用案例的激光硬度高達(dá)700 HV（60.1 HRC），特定的深度為0.04”、硬度超過(guò)660 HV。
LaserTherm的另一個(gè)例子是一個(gè)起重機(jī)的重型軸環(huán)。圖4顯示了起重機(jī)和所討論的齒輪的位置。輪子直徑超過(guò)14英寸，重量5.3公噸。該材料是一種42CrMo4，由于其有4.2％的碳成分，可以進(jìn)行有效的激光硬化。只有大于0.2％碳成分的材料才可以考慮使用激光。
圖4：起重機(jī)與將被硬化的樞軸位置
圖5展示了激光硬化加工。六個(gè)小時(shí)內(nèi)，齒輪的齒被硬化到超過(guò)520HV的硬度，深度達(dá)到0.08”，表面硬度超過(guò)600 HV。圖6顯示的是齒輪橫截面的結(jié)果?；牡目梢?jiàn)硬度僅為幾乎3毫米（0.12”）的深度。半導(dǎo)體激光器的光斑大小由放大均質(zhì)鏡片控制的，來(lái)自Laserline另一款產(chǎn)品。該光學(xué)鏡片允許光斑大小從最小的8×8 mm2到最大50×50mm2 - 總是將光斑保持平頂分布以及能量的均勻分布。這使LaserTherm得以將完美的光斑大小應(yīng)用到所有的幾何形狀并制造出無(wú)瑕疵的產(chǎn)品。
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圖5：起重機(jī)樞軸的激光硬化
圖6：起重機(jī)樞軸硬化結(jié)果
Soukup說(shuō)，“高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)可用于許多重工業(yè)領(lǐng)域，以使機(jī)械部件的制造更加有效，并提高其整體質(zhì)量和生產(chǎn)效能”。
激光硬化可適用于許多幾何結(jié)構(gòu)
除了LaserTherm，ALOtec也使用了來(lái)自Laserline的半導(dǎo)體激光器。ALOtec的公開(kāi)樣件覆蓋了從齒條、蝸桿軸、蝸輪齒輪、齒輪軸、齒輪和小齒輪軸，到錐齒輪、鏈輪和離合器凹槽。為了便于討論，我們選擇了三個(gè)例子：錐齒輪(圖7)，蝸桿軸(圖8)和鏈輪(圖9)。對(duì)于所有的這些部件，低失真，精準(zhǔn)位置的硬化，深度為0.02?0.08”，并在所有樣品中實(shí)現(xiàn)硬度60 HRC，這是在沒(méi)有冷卻劑情況下激光硬化的結(jié)果。傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)施部分樣件的硬化，而且其他非激光應(yīng)用的成本會(huì)更昂貴。
圖7：硬化后的錐齒輪
錐齒輪實(shí)現(xiàn)了0.075”的硬化深度，每塊葉片需要55秒，只需要2千瓦的激光功率。失真是沒(méi)法測(cè)量到的，沒(méi)有返工，齒輪在硬化前已被加工至最終測(cè)量結(jié)果。用變焦鏡組，ALOtec可以把光斑調(diào)至適應(yīng)齒輪的大小。
蝸桿軸的組成是由一個(gè)自由六軸機(jī)器人和一個(gè)附加轉(zhuǎn)動(dòng)軸構(gòu)成。ALOtec在把激光與熱能用于材料方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)。必須考慮的是，要避免已經(jīng)硬化的部分與其它熱處理區(qū)域重疊。一旦所用材料的溫度達(dá)到300°F甚至更高，馬氏體將開(kāi)始分解。撞擊表面兩次將會(huì)產(chǎn)生軟化部分。
圖8：蝸桿軸，選擇性硬化
激光硬化的優(yōu)點(diǎn)在于，激光硬化可以具有選擇性。所以機(jī)器人或系統(tǒng)的操作者可以確保不會(huì)發(fā)生重疊。使用變焦鏡組和并配合匹配光斑大小的功率也給我們的客戶提供了新的選擇。在過(guò)去，功率局限于4千瓦，因此光斑大小被限制在大約40×10 mm2，但Laserline現(xiàn)在提供的激光器高達(dá)25千瓦，并且在其實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到40千瓦甚至更高。在這樣的高功率下，光斑就可以做得較大，在過(guò)去必須是兩條路線，現(xiàn)在熱量只需要通過(guò)一條路徑，寬度為4英寸已成為可能。這避免了在重疊部分的軟化區(qū)。有了最高40千瓦激光器作為功率的保證，更多的應(yīng)用正成為可能，而激光器也正在占據(jù)更多的市場(chǎng)份額。
激光硬化是一個(gè)溫度引導(dǎo)的過(guò)程，強(qiáng)烈建議采用閉環(huán)溫度來(lái)控制加工，諸如高溫計(jì)或基于攝像的系統(tǒng)。這種閉環(huán)溫度引導(dǎo)的應(yīng)用允許精確硬化部件，如圖9中的鏈輪。
圖9: 激光硬化后的鏈輪
設(shè)置和編程通常是一個(gè)交鑰匙解決方案的其中為期三天試運(yùn)營(yíng)的一部分。
“今天的半導(dǎo)體激光器僅僅是硬化系統(tǒng)里的黑匣子，二極管的保修期長(zhǎng)達(dá)五年，不到三個(gè)小時(shí)安裝完成，并且有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，”ALOtec的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Hensel博士說(shuō)到。
結(jié)論
有了激光硬化，設(shè)計(jì)師、工程師以及管理人員、操作員在生產(chǎn)車(chē)間可以選擇優(yōu)化他們的熱處理加工。處理后的返工可以避免或減少到一個(gè)打磨加工。激光可以選擇性硬化，避免失真和高水平的測(cè)量值。半導(dǎo)體激光器本身可以適應(yīng)幾乎所有的幾何形狀并且具有最合適的光束和波長(zhǎng)，并結(jié)合無(wú)可比擬的電光轉(zhuǎn)換效率，以減少生產(chǎn)中的碳排放。最后，這些激光器可以通過(guò)光纖引導(dǎo)成為多功能靈活的工具，它可以與機(jī)器人和CNC相結(jié)合，現(xiàn)有的硬件可以升級(jí)。
關(guān)于作者：
Markus A. Ruetering，在德國(guó)威德?tīng)柕膽?yīng)用科學(xué)大學(xué)學(xué)習(xí)物理工程，并有工學(xué)碩士學(xué)位。1989年，他加入了激光制造商羅芬公司。從1989年到1992年，他從事固態(tài)激光器的研發(fā)并擔(dān)任各類銷售職位。2011年，他加入總部設(shè)在德國(guó)Mülheim-Kärlich的激光源制造商Laserline并擔(dān)任銷售經(jīng)理。www.laserline.de.
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