近些年來(lái)隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光表面強(qiáng)化熱處理技術(shù)在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用并引 起了科研工作者的興趣。本文就查閱的文獻(xiàn)在激光熱處理的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)、設(shè)備、工藝及其原理以及激光熱處理的應(yīng)用和影響因素等幾個(gè)方面談?wù)劶す獗砻鎻?qiáng)化技術(shù)熱處理的現(xiàn)狀和應(yīng)用。

     一、 歷史 激光的出現(xiàn)是近代物理學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展。自1960年第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，受到各國(guó)的重視，發(fā)展迅速，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)技術(shù)等方面都開(kāi)展了廣泛地研究與應(yīng)用。雖早在第一臺(tái)激光器誕生后不久就開(kāi)始了小功率激光熱處理試驗(yàn)，但直到1968年才第一次在熱處理生產(chǎn)中使用。激光在金屬熱處理方面取得成功，可以認(rèn)為是激光技術(shù)應(yīng)用第二階段的開(kāi)始。1974年芝加哥夏開(kāi)(sciaky)兄弟有限公司的西曼()在美國(guó)金屬學(xué)會(huì)舉行的熱處理會(huì)議上作了報(bào)告，并首次展出了一臺(tái)10千瓦工業(yè)激光熱處理設(shè)備。1975年7月《美國(guó)機(jī)械師”雜志上刊登了一篇“激光在金屬加工中”的特別報(bào)告，列舉了42種市場(chǎng)上供應(yīng)的激光金屬加工設(shè)備，其中用于熱處理的有9種，最大功率達(dá)20千瓦。1975年5月美國(guó)《金屬進(jìn)展》雜志報(bào)道，在沙基諾(Saginaw)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器齒輪公司，有15臺(tái)0.5~1千瓦激光熱處理設(shè)備，每天處理零件約30000個(gè)。

      二、 激光及激光熱處理特點(diǎn)2.1激光特點(diǎn) 1．高方向性：一般光源(如電燈等)是向四面八方均勻地發(fā)光。而激光有非常高的方向性，光束的發(fā)射角可小于一個(gè)到幾個(gè)毫弧度，可認(rèn)為輸出的光束是平行的。 2．高亮度性：激光器發(fā)的光束非常強(qiáng)，并能聚成極小的光點(diǎn)，這種光點(diǎn)所照射的地方，在不到千分之一秒的時(shí)一間內(nèi)，就能產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。 3．高單色性:激光器發(fā)的光是非常純凈的單一顏色，而普通光的成分是十分復(fù)雜的，包含有可見(jiàn)光，紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)等。如把現(xiàn)在所有濾波技術(shù)都用在普通光也得不到象激光那樣的單色。 2.2激光熱處理的特點(diǎn)[1] 由于激光具有分散性小，強(qiáng)度高，單色性高及相干性好等特性，給激光熱處理帶來(lái)以下 特點(diǎn)： 1．加熱速度極快，0.5秒可達(dá)760℃(據(jù)介紹，對(duì)薄片金屬加熱可達(dá)106℃/秒)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)火焰加熱和感應(yīng)加熱，.可實(shí)現(xiàn)自冷淬硬。加熱速度不受零件磁性變化的影響。節(jié)省能量， 變形很小。 2．激光熱處理的光學(xué)系統(tǒng)焦距深長(zhǎng)，在焦點(diǎn)每邊75毫米以?xún)?nèi)，功率密度相同。要加熱的零件表面到加熱器的距離，不象感應(yīng)加熱那樣要求嚴(yán)格。在一定范圍內(nèi)，對(duì)變截面的長(zhǎng)軸類(lèi)零件、不同直徑零件或表面凹凸不齊的零件，可使用同一加熱器進(jìn)行處理。 3．使用足夠的功率密度能在短時(shí)間內(nèi)把零件表面熔化一薄層。在這種條件下，碳、氮、硼、鉻和鋁等合金元素都可立即滲人該熔融層。而零件表面精度不受太大損害，心部性能不受任何影響。而不必象一般化學(xué)熱處理需將零件整個(gè)加熱，既浪費(fèi)能量、損害零件心部性能，又變形大，周期長(zhǎng)。 4．激光加熱也便于實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)局部硬化。 5．一個(gè)激光器可分出幾個(gè)光束，進(jìn)行多工位處理。 6．便于采用數(shù)字控制或計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

     三、激光熱處理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)3.1優(yōu)點(diǎn) 在熱處理領(lǐng)域中，激光表面硬化處理是一項(xiàng)很值得重視的新技術(shù)，它有著下列許多優(yōu)點(diǎn): 1．碳鋼或鑄鐵可進(jìn)行表面相變硬化或表面熔化一凝固硬化處理，操作簡(jiǎn)單，硬度可到HRC邪一65或更高，深度達(dá)0.1~2.。毫米，可提高耐磨性等。 2．低成本材料可以簡(jiǎn)易地進(jìn)行表面合金化處理，來(lái)代替滲碳、擴(kuò)散滲層、氣相沉積等復(fù)雜的工藝，能大大簡(jiǎn)化工序，縮短時(shí)間。合金成分可達(dá)到很高(達(dá)百分之幾十)，層深可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。還可以在薄片零件表面上合金化。并且可以在同一工件的不同部位，根據(jù)需要進(jìn)行不同成分的合金化。 3．處理層厚度可調(diào)，并均勻，即使零件截面很不均勻，也沒(méi)有什么影響。 4．變形很小，當(dāng)硬化深度小于0.25毫米時(shí)，一般沒(méi)有可查覺(jué)的變形。 5．表面光潔:能使處理面上的優(yōu)異性能的表層充分保存下來(lái)，因此工件可在精加工后進(jìn)行激光熱處理。 6．有些工件的部分，用其他方法熱處理是辦不到的，或是很困難的，但用激光熱處理就很容易解決，例如工件的盲孔底部或工件深孔的內(nèi)壁等。 7．能利用表面圖案式黑化，進(jìn)行精密圖形的硬化處理。 8．能利用激光束加熱使表面熔化，兼能修補(bǔ)小的外皮缺陷。 9．因其加熱和冷卻非常迅速，故熱影響區(qū)非常小。 10．處理速率快，10千瓦激光熱處理裝置的工作效率可達(dá)火焰淬火和高頻感應(yīng)淬火的水平。 11．能量是由光束照射傳給工件的，屬于無(wú)接觸加熱，工件不受玷污。 12．操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 13．能精密地控制光束能量和機(jī)械動(dòng)作等，所以處理結(jié)果重復(fù)性好。黑化是為了使工件表面的反射率降低，以提高光能的吸收。黑化的方法有金屬氧化法、磷化法、涂石墨膜法等。 14．不需噴水等，能自行淬火。 15．無(wú)論是在大氣中、真空或其它特殊氣氛中都可進(jìn)行。 16．由于聚焦的激光束焦深大，最大可達(dá)75毫米，雖然工件有的外形雜，凹凸程度較大，也可通過(guò)激光熱處理得到均勻的硬化層。 17．通用性好：一種裝備能適應(yīng)許多種尺寸及形狀不同的零件。 18．可在工作臺(tái)上采用電磁或真空吸盤(pán)來(lái)固定零件。 19．一臺(tái)大功率激光器可供幾個(gè)或兒套工作臺(tái)使用，管理方便。 20．可排人流水線(xiàn)，進(jìn)行連續(xù)工作。 21．因可僅處理工件的必須處理的部位，故可以節(jié)約能量和合金用量等。 22．激光熱處理中，不產(chǎn)生煙霧等有害氣體或物質(zhì)。噪聲很低，不輻射X光，熱輻射也極少，不會(huì)造成公害。對(duì)激光保護(hù)容易，能大大改善勞動(dòng)條件。 3.2缺點(diǎn) 1．激光熱處理只是一種表面處理方法，事先仍必須進(jìn)行常規(guī)的熱處理，以獲得適當(dāng)?shù)男牟啃阅堋?2．熱處理工件的層深較薄，不能用在承受重負(fù)荷的大工件上。 3．對(duì)大型工件的處理是困難的，或效率太低而不合算。 4．激光熱處理對(duì)工件的表面有要求，須進(jìn)行黑化，雖然它對(duì)精密圖案硬化有利，但增加工序。 5．激光表面合金化，雖然較其它方法有很多優(yōu)越性，但仍常需予熱及長(zhǎng)時(shí)間高溫的后處理，工序繁多，操作也很復(fù)雜。 6．大功率激光器的體積太大，須用特種玻璃制成，有些零件容易損壞，使用和維護(hù)應(yīng)特別注意。7．大功率激光器的價(jià)格目前仍太貴。目前國(guó)外激光器可以分成四級(jí)，其功率分別為1、3、5、15kw，他們的設(shè)備投資分別為十萬(wàn)、二十五萬(wàn)、三十二萬(wàn)、七十五萬(wàn)美元。 8．激光器的電一光能量轉(zhuǎn)換效率太低，對(duì)用電來(lái)說(shuō)還不經(jīng)濟(jì)。

       四、裝置及激光光束 4.1設(shè)備 為一合兩工位激光熱處理設(shè)備的工作狀態(tài)。一臺(tái)完整的設(shè)備由以下幾部分組成： 1．激光器—產(chǎn)生激光的光源。在熱處理中使用的主要是二氧化碳連續(xù)波激光器。激光器本身由三個(gè)部分組成：工作介質(zhì)：CO2激光器的工作介質(zhì)是CO2和He、N2等輔助氣體組成的混合氣。激勵(lì)裝置：氣體激光器通常用外加電源使激光管中的工作介質(zhì)放電進(jìn)行激勵(lì)。諧振腔：全反射鏡和部分反射鏡構(gòu)成諧振腔，它們之間是工作介質(zhì)。 2．功率調(diào)節(jié)裝置—功率變換可由人工、數(shù)字或計(jì)算機(jī)控制，能在0.1秒鐘之內(nèi)完成，輸出功率可穩(wěn)定在3%以?xún)?nèi)。 3．光束導(dǎo)向系統(tǒng)—包括兩個(gè)擺動(dòng)鏡，分別控制掃描的長(zhǎng)度和寬度，一個(gè)固定反射鏡用以使光束對(duì)準(zhǔn)工件，望遠(yuǎn)鏡可用來(lái)調(diào)節(jié)光束的大小。 4．操作臺(tái)。 5．控制臺(tái)。 6．安全防護(hù)—具有一定功率的激光，能給人體以致命的損傷。因此，激光熱處理設(shè)備必須有可靠的防護(hù)措施和安全自鎖裝置