激光表面热处理

1)加热和冷却速度高。

2)高硬度。激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15%-20%，可获得极细的马氏体晶粒。淬火硬度与加热温度有关，与保温时间无关。硬化带的部分重叠会产生明显回火使硬度降低。硬化层较浅，与加热时间的平方根成正比，通常为0.3~0.5mm。用lkW的激光器扫描时层深可达1mm，用6kW的激光器扫描时层深可达2mm。当要求淬火深度时，要严格控制扫描速度和功率密度的变化，以防止元件表面软化。

3)变形小。激光淬火表面有很大的残余压力（可达4000MPa），有利于提高疲劳强度。由于加热层薄，加热速度快，即使很复杂的元件，变形也非常小。

4)表层显微组织。由于激光加热速度极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。因加热时间又很短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小而不均匀。冷却速度也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。另外，经激光辐射加热进行淬火的硬化层，从表面沿深度方向，温度呈递减分布，金属中第二相随着温度的递减，其熔解过程的特征在淬火组织中均能表现出来。

1)工件的黑化处理

一般情况下金属将使波长为10.6 μm，激光的绝大部分被反射，黑化处理是充分利用激光能量最经济适用的方法。黑化处理主要有涂碳法、胶体石墨法和磷酸盐法等，其中磷酸盐法最好，其吸收率可达80%~ 90%，膜厚仅为5μm，具有较好的防锈性，处理后不用清除即可用来装配。

2)激光束模式

激光热处理的目的是希望获得一个矩形的硬化断面，使其在磨损过程中始终保持硬化带的面积基本不变，因而要求激光束为矩形，而且光斑中的功率保持基本均匀或边缘稍高。为此，一种方法是采用光学方法使激光束变成所需的形式；另一种方法是依靠调节激光器的谐振腔，使得光束中的功率密度较为均匀，还可获得较高输出功率。

3)焦距选择与焦深

激光热处理多要求淬火带的宽度在2mm以上，应该选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，一般为2mm左右。在激光处理中焦深也是一个非常重要的参数，焦距越大焦深也越大。在焦深很大时，零件的复杂形状或较大的离焦对激光热处理无明显影响。

激光表面处理特点是加热速度快，温度高，无氧化，变形小，晶粒超细化，疲劳强度高，可以实现自冷淬火，特别适用于局部热处理，如尺寸很小的工件、不通孔的底部等用普通热处理加热很难实现的部位，并可以配置在生产线上。

激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多汽车关键件上，如缸体、缸套、 曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。在大型机车制造业中，激光热处理的应用，大大提高了机车的寿命，主要用于机车大型曲轴的激光热处理、机车柴油机缸套和机车主簧片的激光热处理。全国各地建立了不同规模的激光加工中心，可为各行业机器零件进行激光热处理。激光表面热处理装置主要由激光器、导光系统、加工机床、控制系统、辅助设备及安全防护装置所组成。

根据材料的不同种类，调节激光功率密度、激光辐照时间等工艺参数，增加一定的气氛条件，可进行激光表面淬火(相变硬化)、激光表面熔凝、激光表面合金化等激光表面处理。其特点如下：

1、激光表面淬火，主要通过相变硬化，提高表面硬度和耐磨性；

2、激光表面熔凝，主要通过在高功率密度激光束作用下，材料表面快速熔化并激冷，获得极细晶粒组织，显著提高硬度和耐磨性；

3、激光表面合金化，利用多种方法，将添加元素置于基材表面(或吹人合金化气体)，在保护气氛下，激光将二者同时加热熔化，获得与基材冶金结合的特殊合金层。

激光热处理的金属表面一般都经过机械加工，表面粗糙度较小，其对激光的反射率很高。在激光热处理前，应对淬火表面进行预处理，以提高其吸光率。对处理表面进行除油、除锈、清洗、干燥之后，在表面预置吸光涂层（黑化），其方法有磷化、喷（刷）涂料、提高表面粗糙度、氧化、镀膜等；涂层要薄，厚度均匀，对激光吸收率高（90%以上），有良好的热传导性能，与金属附着性好，在一定温度下不分解、不蒸发，淬火后易清洗去除或不需去除就能使用。

激光加工技术简介

激光热处理（激光相变硬化、激光淬火）是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上,从而提高起抗磨性,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命。

激光加工技术作用

激光热处理技术与其它热处理如高频淬火,渗碳,渗氮等传统工艺相比,具有以下特点：

1.无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构.处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm 。

2.处理层和基体结合强度高.激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性。

3.被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。

4．加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

激光热处理过程中，激光束停止扫描后，随时用肉眼或低倍放大镜观察激光淬火带表面状态，宏观判断淬火带表面质量。微观分析应取淬火带横截面为观察面，用金相显微镜，在放大100倍下检测淬火硬化层深度（mm）和宽度（mm）。激光淬火硬化层深度一般在1mm以下。钢铁材料激光淬火金相组织主要为马氏体。应采用显微硬度法检测淬火层硬度，根据样品的性质、厚度及淬火层深度选择负荷值。