我國(guó)激光表面硬化技術(shù)近幾年才進(jìn)進(jìn)使用階段，但在某些領(lǐng)域還是空缺，本文闡述了作者與青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的多功能激光機(jī)及其控制系統(tǒng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸套、曲軸的激光表面硬化中的應(yīng)用。激光表面硬化也稱為激光熱處理。其原理是，用激光束作熱源照射發(fā)動(dòng)機(jī)待強(qiáng)化表面，使其表面被快速加熱至金屬相變溫度以上，當(dāng)激光離開(kāi)后，高溫表面的熱量迅速向金屬基體傳導(dǎo)而形成自淬，使處理后的表面層形成具有硬度很高的隱晶馬氏體，從而進(jìn)步零件的表面硬度、耐磨性及其使用壽命。

 
 

1.激光設(shè)備

 

    激光表面硬化設(shè)備包括三大部分：1.5kWCO2激光發(fā)生器、多功能激光加工機(jī)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

 

2.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大修的常規(guī)方法及缺陷

 

    發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，主要經(jīng)過(guò)鏜缸、磨軸處理，氣缸壁經(jīng)多次磨削后，表面硬度降低；曲軸軸頸由于磨損失圓，一般需要重新磨軸，換軸瓦。曲軸軸頸在多次磨削后表面硬度降低，不能滿足使用要求。因此，常規(guī)方法處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)大修周期變短。

 

3.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大修的激光處理工藝

 

     汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大修的激光處理工藝是常規(guī)大修工藝加上激光處理。激光熱處理一般安排在半精加工后進(jìn)行。由于常溫下金屬對(duì)波長(zhǎng)10.6μm的CO2激光反射率高達(dá)80%以上，經(jīng)過(guò)磨床加工的光潔表面其反射率更高，激光的反射將造成大量能量損失，因此，激光熱處理前需采用預(yù)敷吸光涂層的方法，以進(jìn)步零件表面對(duì)激光的吸收率。涂層能吸收電磁波中遠(yuǎn)紅外部分，各種金屬或非金屬氧化物、石墨、碳墨、磷酸鹽等都是較好的涂層材料。曲軸熱處理時(shí)，將其安裝在機(jī)床工作臺(tái)上用兩卡盤夾緊，將激光光斑直徑調(diào)到2～3mm，功率密度均勻，從而保證一定寬度的硬化條帶上的硬度均勻一致。激光頭裝配在托架上，托架安裝在機(jī)床橫梁上，因此，可實(shí)現(xiàn)激光頭上下方向的移動(dòng)和水平方向的移動(dòng)。將激光束定位在曲軸軸頸上方，工作臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)激光頭在水平方向運(yùn)動(dòng)，而托架沿橫梁移動(dòng)，從而在曲軸表面沿寬度方向掃描出具有一定外形的掃描線(線型由微機(jī)控制)。淬硬帶在軸頸上的覆蓋率(淬硬面積比)一般取30%～50%，曲軸的旋轉(zhuǎn)、激光頭的水平運(yùn)動(dòng)及合成運(yùn)動(dòng)均由程序控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。缸體熱處理時(shí)，將其裝在底部的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，缸體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，激光頭作上下運(yùn)動(dòng)。激光硬化處理過(guò)程的工藝參數(shù)主要有掃描速度、硬化面積比、硬化深度和加工表面粗糙度。這些參數(shù)取決于激光功率密度、掃描速度、材料的種類和表面涂層特性等。激光硬化帶截面的組織特征有2～4層，具體是多少層要由激光處理規(guī)范和材料成分而定。在高速加熱和冷卻時(shí)，一般可在鋼的表面觀察“白亮層”。由于激光束是按一定幾何軌跡在缸體內(nèi)壁進(jìn)行掃描，激光處理過(guò)的硬化帶構(gòu)成硬的骨架；未經(jīng)激光處理的地方，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，首先微量磨損，形成貯油結(jié)構(gòu)。這樣軟硬結(jié)合的缸體內(nèi)壁既進(jìn)步了耐磨性，又有良好的抗拉傷能力?；钊h(huán)在良好的潤(rùn)滑條件下工作，使用壽命大幅度進(jìn)步。對(duì)于曲軸軸頸，也具有同樣的原理。

 

4.實(shí)驗(yàn)對(duì)比及磨損量

 

①未經(jīng)處理的汽缸與經(jīng)過(guò)激光處理后的汽缸汽車跑車數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖1。

                                   

 

②經(jīng)600h臺(tái)架實(shí)驗(yàn)前后曲軸磨損量

 

      依據(jù)QC/T524-1999《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能　試驗(yàn)方法》、QC/T525-1999《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性　試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，將激光熱處理后的曲軸裝在492QA汽油機(jī)上，全速全負(fù)荷可靠性試驗(yàn)。經(jīng)600h臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)行了精密丈量，其磨損量見(jiàn)表。

 

                                        

 

     試驗(yàn)證實(shí)：激光表面處理的曲軸，經(jīng)600h臺(tái)架試驗(yàn)，耐磨性能良好，其最大磨損量為0.02mm，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的要求，可滿足2×105km大修期標(biāo)準(zhǔn)。