雷射淬火

雷射淬火是利用雷射將材料表面加熱到相變點以上，隨著材料自身冷卻，奧氏體轉變為馬氏體，從而使材料表面硬化的淬火技術。

基本介紹

• 中文名：雷射淬火
• 外文名：laser-quenching
• 概念：使材料表面硬化的先進淬火技術
• 優點：工藝周期短

定義

採用雷射淬火齒面，其加熱冷卻速度很高，工藝周期短，不需要外部淬火介質.具有工件變形小，工作環境潔淨，處理後不需要磨齒等精加工，且被處理齒輪尺寸不受熱處理設備尺寸的限制等獨特優點.

質量優勢

雷射淬火的功率密度高，冷卻速度快，不需要水或油等冷卻介質，是清潔、快速的淬火工藝。與感應淬火、火焰淬火、滲碳淬火工藝相比，雷射淬火淬硬層均勻，硬度高（一般比感應淬火高1-3HRC），工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡容易控制，易於實現自動化，不需要像感應淬火那樣根據不同的零件尺寸設計相應的感應線圈，對大型零件的加工也無須受到滲碳淬火等化學熱處理時爐膛尺寸的限制，因此在很多工業領域中正逐步取代感應淬火和化學熱處理等傳統工藝。尤其重要的是雷射淬火前後工件的變形幾乎可以忽略，因此特別適合高精度要求的零件表面處理。

技術特質

雷射淬硬層的深度依照零件成分、尺寸與形狀以及雷射工藝參數的不同，一般在0.3~2.0mm範圍之間。對大型齒輪的齒面、大型軸類零件的軸頸進行淬火，表面粗糙度基本不變，不需要後續機械加工就可以滿足實際工況的需求。

雷射熔凝淬火技術是利用雷射束將基材表面加熱到熔化溫度以上,由於基材內部導熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻並凝固結晶的工藝過程。獲得的熔凝淬火組織非常緻密，沿深度方向的組織依次為熔化-凝固層、相變硬化層、熱影響區和基材。雷射熔凝層比雷射淬火層的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。該技術的不足之處在於工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞，一般需要後續機械加工才能恢復。為了降低雷射熔凝處理後零件表面的粗糙度，減少後續加工量，華中科技大學配製了專門的雷射熔凝淬火塗料，可以大幅度降低熔凝層的表面粗糙度。進行雷射熔凝處理的冶金行業各種材料的軋輥、導衛等工件，其表面粗糙度已經接近雷射淬火的水平。

適用材料

雷射淬火現已成功地套用到冶金行業、機械行業、石油化工行業中易損件的表面強化，特別是在提高軋輥、導衛、齒輪、剪刃等易損件的使用壽命方面，效果顯著，取得了很大的經濟效益與社會效益。近年來在模具、齒輪等零部件表面強化方面也得到越來越廣泛的套用。

實際套用

雷射淬火技術可對各種導軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥、滾輪零件進行表面強化。適用材料為中、高碳鋼，鑄鐵。

雷射淬火的套用實例：雷射淬火強化的鑄鐵發動機汽缸移動圖冊，其硬度提高HB230提高到HB680，使用壽命提高2~3倍。

齒輪是機械製造行業中套用廣泛的零件.為了提高齒輪的承載能力，需對齒輪進行表面硬化處理.而傳統的齒輪硬化處理工藝，如滲碳、氮化等表面化學處理和感應表面淬火、火焰表面淬火等存在兩個主要問題：即熱處理後變形較大和不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從而影響齒輪的使用壽命.

雷射淬火的特點

1．淬火零件不變形、雷射淬火的熱循環過程快。

2．幾乎不破壞表面粗糙度 採用防氧化保護薄塗層。

3．雷射淬火不開裂、精確定量的數控淬火。

4．對局部、溝、槽淬火定位精確的數控淬火。

5．雷射 淬火清潔、高效、不需要水或油等冷卻介質。

6．淬火硬度比常規方法高 、淬火層組織細密、強韌性好。

7. 雷射淬火是快速加熱、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，是一種無污染綠色環保熱處理工藝，可以很容易實行對大型模具表面進行均勻淬火。

8. 由於雷射加熱速度快，熱影響區小，又是表面掃描加熱淬火，即瞬間局部加熱淬火，所以被處理的模具變形很小。

9. 由於雷射束髮散角很小，具有很好的指向性，能夠通過導光系統對模具表面進行精確的局部淬火。

10. 雷射表面淬火的硬化層深度一般為0.3～1.5mm。

雷射淬火設備組成

雷射器

用於雷射淬火的設備有半導體光纖輸出雷射器，光纖雷射器，全固態雷射器，其中半導體光纖輸出雷射器在淬火領域套用最廣。

雷射器的選用要考慮以下幾方面內容：

1． 雷射器輸出好的光束質量，電光轉換率，光纖數值孔徑，以及模式及模的穩定性。

2． 雷射器輸出功率穩定性。

3． 雷射器應具有高的可靠性，應能滿足工業加工環境下的連續工作。

4． 雷射器本身應具有良好的維護性，有故障診斷和連鎖功能；

5． 操作簡單方便。

6． 設備銷售廠商的經濟和技術能力，可信程度。一定要避免因小失大。

7． 設備易損件補充來源是否有保障，供應渠道是否暢通。

工具機

雷射加工工具機的加工的基本尺寸範圍為：長 5.5 米，直徑 Φ 2.6 米。特殊工件，可加工的尺寸範圍更大。本雷射加工工具機為雙懸臂加工系統，可進行多工位的雷射加工。

機器人

機器人可選國外和國產六軸機器人，可實現異形曲面和多角度加工。

總結

（1） 從雷射淬火齒面硬度、硬化層深度以及抗點蝕疲勞強度等性能指標看，雷射淬火完全可以取代常規的齒輪滲碳工藝.

（2） 雷射淬火工藝採用了常用普通中碳鋼代替昂貴的合金滲碳鋼，從而有效地降低了生產成本，產生了良好的經濟效益.

（3） 雷射淬火解決了常規齒輪滲碳工藝中存在的變形難題，這不僅省去了後面的磨齒工藝，而且提高了成品率，從而進一步降低了成本.

（4） 為了使此項技術能在工業中得到廣泛套用，在研製性能可靠的工業用大功率雷射器的同時，必須進行齒輪雷射表面處理專家系統的研製和開發，雷射處理實現工藝參數的計算機自動最佳化、處理過程的計算機仿真模擬和實時監控，以及熱處理後表面組織結構和性能的計算機預測，做到齒輪雷射淬火過程的易操作性，實現複雜形狀和人工智慧化的表面處理.