激光表面淬火工藝應用實例

激光淬火

激光淬火技術是利用聚焦後的激光束進射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點以上，當激光移開後，由於仍處於低溫的內層材料的快速導熱作用，使受熱表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，進而實現工件的表面相變硬化。如大型軋輥表面激光熔凝淬火的最大淬硬層深度可以達到2毫米以上。具有加熱速度快、所得組織細密、淬硬性高、不變形等特點，並且技術適用性廣，不受感應器製作難度的限制。

激光表面淬火工藝研究

1

激光表面淬火原理

激光表面淬火技術是利用聚焦後的激光束作為熱源照射在待處理工件表面，使其需要硬化部位溫度瞬間急劇上升而形成奧氏體，隨後經快速冷卻獲得晶粒細的馬氏體或其他組織的淬硬層過程的熱處理加工技術。

2

激光表面淬火技術特點

激光淬火和工廠現有的中高頻淬火、滲碳淬火相比，有以下特點：

1

第一，功率密度高、加熱速度極快，零件變形極小。

2

第二，可以對形狀複雜零件進行處理或局部處理，也可根據需要在同一零件的不同部位進行不同的處理。

3

第三，通用性強。

4

第四，對於某些淬火溫度較高的不鏽鋼零件，其淬火溫度和熔點溫度很接近，在使用感應器進行產品局部表面淬火時很容易燒傷夾角或不規則部位，導致零件報廢，而激光表面淬火則不受此限。

5

第五，激光淬火冷卻速度快。

6

第六，表面淬硬層組織細，硬度高，耐磨性好，能滿足淬硬層深度較淺（一般在0.3~2.0mm）表面淬火產品。

3

工藝參數及其相互關係

激光表面淬火是一個錯綜複雜的快速加熱、快速冷卻的淬火過程。激光淬硬層的尺寸參數（淬硬層寬度、淬硬層深度、表面粗糙度）和性能參數（表面硬度、耐磨性、組織變化）取決於激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、掃描速度、材料的特性（成分、原始狀態）和材料表面預處理情況等，同時也與被處理零件的幾何形狀和尺寸以及激光作用區的熱力學性質有關。

另外，還應考慮各參數值的選擇範圍，D不能過大，V不能過小，以免冷卻速度過低，不能實現馬氏體轉變。反之，當激光輸出功率過大時，容易造成表面熔化，影響表面的幾何形狀。

4

激光表面淬火掃描方式

激光淬火的掃描方式有圓形或矩形光斑的窄帶掃描和線形光斑的寬頻掃描。

5

激光表面淬火區預處理

在產品激光淬火前，因為工件表面粗糙度值很小，在淬火中會嚴重影響材料表面對激光光能的吸收率，所以，在激光淬火前需要對待處理工件表面進行預處理。

表1 常用黑化處理方法

缸筒局部淬火應用情況

缸筒材質為合金結構鋼35CrMoV，熱處理技術要求：

外徑φ100.14mm±0.05mm處硬度≥50HRC，淬硬層深度（淬硬層深度定義為從表面以下硬度在35HRC以上的厚度）1～1.5mm。

表面不可有熔化、裂紋、變形等缺陷。

產品表面不可碰劃傷。缸筒外形形狀及尺寸如圖2所示。

圖2 缸筒外形形狀及尺寸

1

設備名稱

激光多功能加工系統，設備型號為RC-LMS-4000-D-R。

2

激光淬火前準備

清洗缸筒工件表面的油污、雜質等，並確保激光淬火部位表面外觀質量；缸筒激光淬火部位光潔度較高，表面均勻塗上SiO2激光吸光塗料，減小缸筒表面激光的發射來保證激光的吸收率；缸筒激光淬火前烘乾塗層，為後續激光淬火做準備；檢驗設備的工作狀態，保證淬火過程中設備的正常運行。

3

選定工藝參數

所使用激光加工系統為半導體激光器。工藝參數選擇為：最大輸出功率P=4kW，掃描速度V=25mm/s，光斑寬度B=10mm。

4

激光表面淬火後淬硬區的硬度

將激光表面淬火過的試樣，沿掃描中心帶切開，製備金相試樣。用顯微硬度計進行硬度測試（載荷：200gf，保載時間10s）。經激光表面淬火區硬度測試後，激光表面淬火硬度與深度關係如表2所示。

表2 激光表面淬火硬度與深度關係

5

缸筒表面外觀質量

激光表面淬火後，缸筒淬火區無明顯的氧化脫碳現象，表面粗糙度值較低，經磁粉無損檢測後表面無微小裂紋現象。

激光淬火中存在的主要問題及改進措施

1

激光淬火生產中存在的主要問題

出現這一現象的原因主要是光斑功率密度及激光不均勻性影響淬火工藝的穩定性；光斑形狀對淬硬層均勻性的影響；激光表面淬火中大面積淬硬層難以保證；工件初始狀態對激光淬火質量的影響。

2

提高激光淬火生產的一些改進措施

1、必須優化控制淬火過程中的各種因素來保證激光淬火工藝的穩定性。2、將影響因素預先輸入智能監測工藝過程系統。3、操作人員根據智能系統控制中心顯示的各種參數變化規律信息，來實時控制激光器、光學系統、迴轉平台的準確運行，從而完成淬火的準確控制，實現激光表面淬火產品高質量的目的。如圖3所示。

圖3 激光淬火過程實時控制系統

結語

目前，還處於上升階段。激光淬火現已成功地應用到冶金行業、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、剪刀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應用。在形狀較為複雜的工件中仍存在一些問題。但是，激光淬火是一新型的熱處理前沿技術，往後還要不斷地對激光淬火技術進行研究、開發和應用。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜誌

作者：甄延波、程良、常森、岳佳宏、李玲、孟璇

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！