雷射熱處理

縮寫LHT。也稱雷射淬火或雷射相變硬化，是以高能量雷射束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升高到相變點以上，雷射束離開被照射部位時，由於熱傳導作用，處於冷態的基體使其迅速冷卻而進行自冷淬火，得到較細小的硬化層組織，硬度一般高於常規淬火硬度。處理過程中工件變形極小，適用於其他淬火技術不能完成或難以實現的某些工件或工件局部部位的表面強化。雷射熱處理自動化程度較高，硬化層深度和硬化面積可控性好。該技術主要用於強化汽車零部件或工模具的表面，提高其表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性能等，如汽車發動機缸孔、曲軸、衝壓模具、鑄造型板等的雷射熱處理。雷射熱處理工藝流程為：預處理（表面清理及預置吸光塗層）雷射淬火（確定硬化模型及淬火工藝參數）- 質量檢測（巨觀及微觀檢測）。

基本介紹

• 中文名：雷射熱處理
• 外文名：laser heat treating
• 說明：是一種表面熱處理技術
• 特點：具有極高的功率密度
• 套用：搖臂、鋁活塞環槽等汽車零件加工

預處理

雷射熱處理的金屬表面一般都經過機械加工，表面粗糙度較小，其對雷射的反射率很高。在雷射熱處理前，應對淬火表面進行預處理，以提高其吸光率。對處理表面進行除油、除銹、清洗、乾燥之後，在表面預置吸光塗層（黑化），其方法有磷化、噴（刷）塗料、提高表面粗糙度、氧化、鍍膜等；塗層要薄，厚度均勻，對雷射吸收率高（90%以上），有良好的熱傳導性能，與金屬附著性好，在一定溫度下不分解、不蒸發，淬火後易清洗去除或不需去除就能使用。

雷射淬火

通過分析淬火零件的材料特性、使用條件、服役工況等因素，明確技術條件、產品質量要求，進而選擇雷射淬火硬化模型及確定雷射淬火工藝參數。同時，也應考慮工藝的可操作性，生產效率及經濟效益等。雷射束模式分為多模光束、低階模光束、基模光束，一般採用多模光束進行雷射熱處理。

根據單條雷射淬火頻寬度，雷射淬火帶形式有窄帶和寬頻之分；雷射淬火帶分布類型有直條型、螺旋型、正弦波型、交叉格線型、圓環型等，可根據需要選擇一種或多種複合分布類型進行雷射淬火。同時，應確定雷射淬火帶在淬火表面的分布位置以及硬化面積比率（雷射淬火帶總表面積與整個工作面表面積之比）。

雷射淬火工藝參數是雷射熱處理的關鍵環節。工藝參數主要是雷射功率、雷射光束掃描速度、聚焦鏡焦距、離焦量（淬火表面與光束焦點的距離）。淬火表面吸收的能量取決於雷射功率；雷射束對淬火表面的作用時間取決於掃描速度；光斑尺寸取決於聚焦鏡焦距和離焦量；雷射功率密度取決於雷射功率和光斑尺寸。一般雷射功率增加，淬火層深度增加；掃描速度增加，淬火層深度減少；離焦量增加，光斑尺寸增加，在一定範圍內，淬火層寬度增加。

雷射淬火質量檢測

雷射熱處理過程中，雷射束停止掃描後，隨時用肉眼或低倍放大鏡觀察雷射淬火帶表面狀態，巨觀判斷淬火帶表面質量。微觀分析應取淬火帶橫截面為觀察面，用金相顯微鏡，在放大100倍下檢測淬火硬化層深度（mm）和寬度（mm）。雷射淬火硬化層深度一般在1mm以下。鋼鐵材料雷射淬火金相組織主要為馬氏體。應採用顯微硬度法檢測淬火層硬度，根據樣品的性質、厚度及淬火層深度選擇負荷值。

技術特點

雷射熱處理是利用高功率密度的雷射束對金屬進行表面處理的方法，它可以對金屬實現相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性處理，產生用其大表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的改變。經雷射處理後，鑄鐵表面硬度可以達到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達HRC70度以上,從而提高起抗磨性,抗疲勞,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長其使用壽命.雷射熱處理技術與其它熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮等傳統工藝相比,具有以下特點:
1.無需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結構.處理後的改性層具有足夠的厚度,可根據需要調整深淺一般可達0.1-0.8mm .
2.處理層和基體結合強度高.雷射表面處理的改性層和基體材料之間是緻密的冶金結合,而且處理層表面是緻密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性.
3.被處理件變形極小，由於雷射功率密度高，與零件的作用時間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區和整體變化都很小。故適合於高精度零件處理，作為材料和零件的最後處理工序。
4．加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導光系統可隨意將雷射導向處理部分，從而可方便地處理深孔、內孔、盲孔和凹槽等，可進行選擇性的局部處理。

雷射熱處理

技術的套用

由於雷射熱處理有相當明顯的優點，解決了傳統金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術難題，在國內外受到高度重視，雷射熱處理得到迅速的發展。大功率CO2雷射器從70年代起發展很快，先進的工業國家大功率CO2雷射器已產品化、系列化。我國從“七五”以後相繼研製成功了千瓦級萬瓦級大功率CO2多模雷射器。隨著大功率雷射器的發展，用雷射就可以實現各種形式的表面處理。它是引起材料組織結構變化的冶金過程，其加熱時間在10-3s~10-7s的範圍內，功率密度為每平方毫米大於0.1kw。它的套用極為廣泛，幾乎一切金屬表面熱處理都可以套用。套用比較多的有汽車、冶金、石油、重型機械、農業機械等存在嚴重磨損的機器行業，以及航天、航空等高技術產品。

雷射熱處理技術

雷射熱處理在汽車行業套用極為廣泛，在許多汽車關鍵件上，如：缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、派啟發、閥座、搖臂、鋁活塞環槽等幾乎都可以採用雷射熱處理。例如：美國通用汽車公司用十幾台千瓦級CO2雷射器，對換向器殼內壁局部硬化，日產3萬套，提高工效四倍。我國採用大功率CO2雷射器對汽車發動機進行缸孔強化處理，可延長發動機大修里程到15萬公里以上，一台汽缸等於三台不經處理的汽缸。

技術的發展

雷射熱處理在大型機車製造業已被採用，大大提高了機車壽命，主要是機車大型曲軸的雷射熱處理和機車柴油機缸套和機車主簧片的雷射熱處理。它們的模具製造工藝複雜，精度要求高，形狀各異，套用廣泛，但往往因模具的壽命短而加大了成本，返修也很困難。用雷射對模具表面進行熱處理，已逐漸被認識和被採用，可成倍的提高模具的壽命，又不受形狀和尺寸的限制。雷射熱處理過的曲軸由於雷射熱處理越來越顯示其優越性，各種大功率CO2雷射熱處理不斷問世。有些大型企業不惜代價引進國外先進設備，如大連機車車輛廠引進德國6000W CO2雷射器由於大型曲軸熱處理生產線等。與此同時，國產大功率CO2雷射熱處理設備銷售每年也成倍增長，雷射熱處理生產線在各地相繼發展起來。比較成功的例子有大連機車車輛廠由於機車曲軸、缸套、立簧片的雷射熱處理生產線；西安內燃機廠柴油機缸套雷射熱處理生產線；北京內燃機及首都汽車公司的汽車發動機缸套雷射熱處理生產線；長春第一汽車製造廠雷射熱處理生產線。同時全國各地建立了不同規模的雷射加工中心。