激光表面熱處理是指利用激光束高能量產(chǎn)生的熱效應(yīng)對金屬材料表面進(jìn)行熱處理的一項新技術(shù)。該技術(shù)的工作過程是：用激光照射零件表面，可加熱至臨界相變溫度以上，移去激光束后，該表面迅速冷卻自行淬火。這在提高金屬表面的耐磨性、耐腐蝕性、耐疲勞性和沖擊性等方面，都取得明顯的效果。激光處理的優(yōu)點是無污染，且屬局部表面處理， 壓力小、變形小，因而有廣闊的應(yīng)用前景。



激光表面處理特點是加熱速度快，溫度高，無氧化，變形小，晶粒超細(xì)化，疲勞強度高，可以實現(xiàn)自冷淬火，特別適用于局部熱處理，如尺寸很小的工件、不通孔的底部等用普通熱處理加熱很難實現(xiàn)的部位，并可以配置在生產(chǎn)線上。

激光熱處理在汽車行業(yè)應(yīng)用極為廣泛，在許多汽車關(guān)鍵件上，如缸體、缸套、 曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。在大型機車制造業(yè)中，激光熱處理的應(yīng)用，大大提高了機車的壽命，主要用于機車大型曲軸的激光熱處理、機車柴油機缸套和機車主簧片的激光熱處理。全國各地建立了不同規(guī)模的激光加工中心，可為各行業(yè)機器零件進(jìn)行激光熱處理。激光表面熱處理裝置主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備及安全防護(hù)裝置所組成。



激光表面處理分類

根據(jù)材料的不同種類，調(diào)節(jié)激光功率密度、激光輻照時間等工藝參數(shù)，增加一定的氣氛條件，可進(jìn)行激光表面淬火(相變硬化)、激光表面熔凝、激光表面合金化等激光表面處理。其特點如下：

1、激光表面淬火，主要通過相變硬化，提高表面硬度和耐磨性；

2、激光表面熔凝，主要通過在高功率密度激光束作用下，材料表面快速熔化并激冷，獲得極細(xì)晶粒組織，顯著提高硬度和耐磨性；

3、激光表面合金化，利用多種方法，將添加元素置于基材表面(或吹人合金化氣體)，在保護(hù)氣氛下，激光將二者同時加熱熔化，獲得與基材冶金結(jié)合的特殊合金層。


激光表面熱處理的特點

1)加熱和冷卻速度高。

2)高硬度。激光淬火層的硬度比常規(guī)淬火層提高15%-20%，可獲得極細(xì)的馬氏體晶粒。淬火硬度與加熱溫度有關(guān)，與保溫時間無關(guān)。硬化帶的部分重疊會產(chǎn)生明顯回火使硬度降低。硬化層較淺，與加熱時間的平方根成正比，通常為0.3~0.5mm。用lkW的激光器掃描時層深可達(dá)1mm，用6kW的激光器掃描時層深可達(dá)2mm。當(dāng)要求淬火深度時，要嚴(yán)格控制掃描速度和功率密度的變化，以防止元件表面軟化。

3)變形小。激光淬火表面有很大的殘余壓力（可達(dá)4000MPa），有利于提高疲勞強度。由于加熱層薄，加熱速度快，即使很復(fù)雜的元件，變形也非常小。

4)表層顯微組織。由于激光加熱速度極快，相變在很大的過熱度下進(jìn)行，形核率很大。因加熱時間又很短，碳原子的擴散及晶粒的長大受到限制，所以得到的奧氏體晶粒小而不均勻。冷卻速度也比使用任何淬火劑都快，因而易得到隱針或細(xì)針馬氏體組織。另外，經(jīng)激光輻射加熱進(jìn)行淬火的硬化層，從表面沿深度方向，溫度呈遞減分布，金屬中第二相隨著溫度的遞減，其熔解過程的特征在淬火組織中均能表現(xiàn)出來。


激光表面熱處理中注意事項

1)工件的黑化處理

一般情況下金屬將使波長為10.6 μm，激光的絕大部分被反射，黑化處理是充分利用激光能量最經(jīng)濟適用的方法。黑化處理主要有涂碳法、膠體石墨法和磷酸鹽法等，其中磷酸鹽法最好，其吸收率可達(dá)80%~ 90%，膜厚僅為5μm，具有較好的防銹性，處理后不用清除即可用來裝配。

2)激光束模式

激光熱處理的目的是希望獲得一個矩形的硬化斷面，使其在磨損過程中始終保持硬化帶的面積基本不變，因而要求激光束為矩形，而且光斑中的功率保持基本均勻或邊緣稍高。為此，一種方法是采用光學(xué)方法使激光束變成所需的形式；另一種方法是依靠調(diào)節(jié)激光器的諧振腔，使得光束中的功率密度較為均勻，還可獲得較高輸出功率。

3)焦距選擇與焦深

激光熱處理多要求淬火帶的寬度在2mm以上，應(yīng)該選用長焦距的透鏡和聚焦反射鏡，一般為2mm左右。在激光處理中焦深也是一個非常重要的參數(shù)，焦距越大焦深也越大。在焦深很大時，零件的復(fù)雜形狀或較大的離焦對激光熱處理無明顯影響。