雷射表面熱處理

雷射表面熱處理

利用雷射束高能量產生的熱效應對金屬材料表面進行熱處理的一項新技術。該技術的工作過程是:用雷射照射零件表面,可加熱至臨界相變溫度以上,移去雷射束後,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、耐疲勞性和衝擊性等方面,都取得明顯的效果。雷射處理的優點是無污染,且屬局部表面處理, 壓力小、變形小,因而有廣闊的套用前景。

基本介紹

  • 中文名:雷射表面熱處理
  • 外文名:Laser surface heat treatment
  • 目的:提高金屬表面的耐磨性、耐腐蝕性
  • 優點:無污染、壓力小、變形小
  • 特點:加冷卻速度高、高硬度
  • 分類:雷射表面淬火、雷射表面熔凝等
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雷射表面熱處理裝置構成

雷射表面處理特點是加熱速度快,溫度高,無氧化,變形小,晶粒超細化,疲勞強度高,可以實現自冷淬火,特別適用於局部熱處理,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的部位,並可以配置在生產線上。
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、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環槽等幾乎都可以採用雷射熱處理。在大型機車製造業中,雷射熱處理的套用,大大提高了機車的壽命,主要用於機車大型曲軸的雷射熱處理、機車柴油機缸套和機車主簧片的雷射熱處理。全國各地建立了不同規模的雷射加工中心,可為各行業機器零件進行雷射熱處理。雷射表面熱處理裝置主要由雷射器、導光系統、加工工具機、控制系統、輔助設備及安全防護裝置所組成。

雷射表面熱處理的特點

1)加熱和冷卻速度高。
2)高硬度。雷射淬火層的硬度比常規淬火層提高15%-20%,可獲得極細的馬氏體晶粒。淬火硬度與加熱溫度有關,與保溫時間無關。硬化帶的部分重疊會產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的雷射器掃描時層深可達1mm,用6kW的雷射器掃描時層深可達2mm。當要求淬火深度時,要嚴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。雷射淬火表面有很大的殘餘壓力(可達4000MPa),有利於提高疲勞強度。由於加熱層薄,加熱速度快,即使很複雜的元件,變形也非常小。
4)表層顯微組織。由於雷射加熱速度極快,相變在很大的過熱度下進行,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針馬氏體組織。另外,經雷射輻射加熱進行淬火的硬化層,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,其熔解過程的特徵在淬火組織中均能表現出來。

雷射表面處理分類

根據材料的不同種類,調節雷射功率密度、雷射輻照時間等工藝參數,增加一定的氣氛條件,可進行雷射表面淬火(相變硬化)、雷射表面熔凝、雷射表面合金化等雷射表面處理。其特點如下:
1、雷射表面淬火,主要通過相變硬化,提高表面硬度和耐磨性;
2、雷射表面熔凝,主要通過在高功率密度雷射束作用下,材料表面快速熔化並激冷,獲得極細晶粒組織,顯著提高硬度和耐磨性;
3、雷射表面合金化,利用多種方法,將添加元素置於基材表面(或吹人合金化氣體),在保護氣氛下,雷射將二者同時加熱熔化,獲得與基材冶金結合的特殊合金層。

雷射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,雷射的絕大部分被反射,黑化處理是充分利用雷射能量最經濟適用的方法。黑化處理主要有塗碳法、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80%~ 90%,膜厚僅為5μm,具有較好的防鏽性,處理後不用清除即可用來裝配。
2)雷射束模式
雷射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,因而要求雷射束為矩形,而且光斑中的功率保持基本均勻或邊緣稍高。為此,一種方法是採用光學方法使雷射束變成所需的形式;另一種方法是依靠調節雷射器的諧振腔,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
雷射熱處理多要求淬火帶的寬度在2mm以上,應該選用長焦距的透鏡和聚焦反射鏡,一般為2mm左右。在雷射處理中焦深也是一個非常重要的參數,焦距越大焦深也越大。在焦深很大時,零件的複雜形狀或較大的離焦對雷射熱處理無明顯影響。

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