浅谈激光热处理技术

0.前言

激光热处理是一种表面热处理技术。即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。激光淬火效果：激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度分布激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢，铸铁。激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高2～3倍。

1.激光热处理技术的特点及原理

1.1激光热处理的特点

（1）生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。

（2）一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。

（3）依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质而冷却特性优异。

（4）与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。

（5）可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局部强化。

（6）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。

（7）配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。

（8）在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。其应用的潜力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。

（9）低碳环保，无需冷却介质，无废气废水排放。

1.2激光热处理的原理

激光热处理分为激光硬化、激光熔覆和激光合金化。

（1）激光硬化（激光淬火）主要分为两种工艺：激光相变硬化、激光熔覆硬化。激光相变硬化是以高能量的激光束快速扫描工作，使被照射的金属或合金表面温度一极快速度升到高于相变点而低于熔化温度。当激光束离开被照射部位是，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件的表面相变硬化。这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度亦高于常规淬火的硬度。激光熔凝硬化是以很高的激光功率密度，在极短的时间内与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固。激光熔化凝固硬化得到的是铸态组织，其硬度较高，耐磨性亦较好。激光淬火能使材料表面呈超细化组织结构，无表面热变形，硬度提高30%-50%。

（2）激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，使基材表面形成于基体冶金结合的熔覆层。粉末容量由送粉系统进行控制，熔覆层的厚度可调，并可多层重熔。工作熔覆后在经过机械加工，从而达到修复局部损伤工件的目的。

（3）激光合金化也是利用高能密度的激光束所产生的快速熔凝过程，在基材表面形成与基材相互熔合的、且具有完全不同成分与性能的合金覆层。它与激光熔覆的差异仅在于：激光熔覆中熔层材料完全为熔化，而基材熔化层极薄，因而对覆层的成分影响极小：而激光合金化则是在基材的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基的新的合金层，因此对材料性能改善的程度更好，应用范围也明显扩展。

3.激光热处理在工业上的应用及发展

由于激光热处理有相当明显的优点，解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技 术难题，在国内外受到高度重视，激光热处理得到迅速的发展。大功率 co2 激光器从 70 年代起发展很快，先进的工业国家大功率 co2 激光器已产品化、系列化。我国从“七五”以 后相继研制成功了千瓦级万瓦级大功率 co2 多模激光器。随着大功率激光器的发展，用激 光就可以实现各种形式的表面处理。 它是引起材料组织结构变化的冶金过程， 其加热时间在 10-3s～10-7s 的范围内，功率密度为每平方毫米大于 0.1kw。它的应用极为广泛，几乎 一切金属表面热处理都可以应用。目前应用比较多的有汽车、冶金、石油、重型机械、农业 机械等存在严重磨损的机器行业，以及航天、航空等高技术产品。

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、派启发、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。例如：美国通用汽车公司用十几台千瓦级co2激光器，对换向器壳内壁局部硬化，日产3万套，提高工效四倍。我国采用大功率co2激光器对汽车发动机进行缸孔强化处理，可延长发动机大修里程到 15 万公里以上，一台汽缸等于三台不经处理的汽缸。

激光热处理在大型机车制造业已被采用，大大提高了机车寿命，主要是机车大型曲轴的激光热处理和机车柴油机缸套和机车主簧片的激光热处理。 它们的模具制造工艺复杂， 精度要求高，形状各异，应用广泛，但往往因模具的寿命短而加大了成本，返修也很困难。用激光对模具表面进行热处理，已逐渐被认识和被采用，可成倍的提高模具的寿命，又不受形状和尺寸的限制。激光热处理过的曲轴由于激光热处理越来越显示其优越性， 各种大功率co2 激光热处理不断问世。 有些大型企业不惜代价引进国外先进设备，如大连机车车辆厂引进德国 6000wco2激光器由于大型曲轴热处理生产线等。与此同时，国产大功率co2 激光热 处理设备销售每年也成倍增长， 激光热处理生产线在各地相继发展起来。目前比较成功的例 子有大连机车车辆厂由于机车曲轴、缸套、立簧片的激光热处理生产线；西安内燃机厂柴油 机缸套激光热处理生产线；北京内燃机及首都汽车公司的汽车发动机缸套激光热处理生产线；长春第一汽车制造厂激光热处理生产线。同时全国各地建立了不同规模的激光加工中心，为各行业机器零件进行激光热处理。

4.开发激光热处理的新应用，促进激光加工产业化

激光是一门高新技术，应用领域很广。激光热处理的技术关键有：高功率的激光器； 多自由度的加工设备并与计算机配套； 不同应用的激光热处理工艺。 经过我国科技人员十几 年的努力，这三方面都有了很快的发展，为激光热处理技术的推广创造了条件。近几年来， 激光产业以两位数的速度增长， 高于国际激光产业发展的速度， 也高于全国工业增长的速度， 可见其前景是远大的。

激光热处理技术的应用在我国尚不普遍，主要是人们对激光技术的应用还存在不同程度 的神秘化和偏见。激光技术、激光热处理应用推广宣传不够，缺乏实践。因此应尽快把激光 技术的科研成果，特别是激光热处理技术面向经济、面向市场、面向全社会，主要是为工业 企业服务，不断推广，扩大其应用。为了达到这一目的，建立专业的激光热处理生产线固然 重要，然而建立多功能的激光加工中心， 为更多的中小企业服务， 更不可少。 在美国、欧洲、日本就有这种加工中心 800 多家，我国不少城市进几年也建立了相类似的激光加工中心，服务于各行各业，起到了很好的示范作用，也创造了可观的经济效益和社会效益。可以毫不 夸张的说，激光热处理几乎可以解决金属表面热处理的所有问题，只是工艺要不断的摸索、探讨、实验。激光热处理中心可以完成这些工作，并以最快的速度发展其应用。例如，在不 断发展的汽车、拖拉机修理行业中，激光热处理已经取得非常好的应用效果。可以预言，激光加工技术，特别是激光热处理技术的发展和应用必将加速我国的激光产业化进程。