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浅谈激光淬火

发布时间：2014-08-12 09:19:39 来源：文档文库

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浅谈激光淬火

摘要:激光淬火技术是一项高新技术，因其与传统淬火技术相比具有加工精度高、加工变形小、加工柔性好、无污染、噪音小等优点，使其在轮船、汽车等许多工业生产部门得到广泛应用。文章叙述了激光淬火的原理、工艺特点、应用以及激光淬火的研究现状与发展趋势。

关键词:激光淬火; 工艺特点；研究现状；发展趋势

Discussion of Laser Quenching

Abstract：Laser quenching technology is a high and new technology．Compared with the traditional methods of quenching，it has a lot of advantages，such as high precision，small deformation，no pollution，little noise，So it is applied to steamboat，automotive，lots of production department．

Mechanism,technology features,application and reality of laser quenching technology and research progress of laser quenching technology were discussed in the paper.

Keywords:laser quenching;technology feature;reality;research progress

0 前言

1960年世界上第一台激光器的诞生，将激光引入科学研究领域，从此光学技术迅猛发展，以激光作为“光工具”的新兴制造技术开始登上历史舞台，引领制造技术进入激光制造的新时代[1]。激光因其具有高亮度、高单色性、高方向性

和高相干性四大特性，给激光加工带来了一些其它加工方法所不具备的特性[2]。

由于激光加工属于无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；在激光加

工过程中，用激光束代替了刀具，因此无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工

件；激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小或无需加工[3]；激光束易于导向、聚焦以及实现方向变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光加工的优越性使其成为激光应用中最有发展前途的领域，现在己开发出20多种激光加工技术[4]，激光淬火技术就是激光加工中研究较早、进展较快、应用较广的一种新工艺，已广泛用于材料的表面强化中，并且应用领域在不断地扩大。

1 激光淬火的原理及特点

激光淬火技术是近年来迅速发展起来的一项高新技术，激光淬火又称激光相变硬化,是指铁基合金在固态下经受激光照射,使表层以极快的速度(升温速度可达105-106 ℃/s)被迅速加热至奥氏体化状态(但低于熔化温度),当激光停止照射后,处于冷态的基体使其表面迅速冷却(冷却速度可达105℃/s)而进行自冷淬火,从而使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化[5]。激光淬火由于加热速度快，易使金属表面过热，并且冷却速度也快，碳来不及扩散因而使残留奥氏体增加。随着奥氏体向马氏体的转变，得到高碳马氏体，从而提高了淬火硬度。激光淬火原理图如图1。

图1 激光淬火原理图

由于金属材料表面对激光辐射能量的吸收能力与激光的波长、材料的温度和性质，以及材料表面状态密切相关，为提高材料表面对激光的吸收率，需要对表面进行预处理。预处理方法主要包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷(刷)涂料法和镀膜法等[6]。

激光淬火与传统表面淬火方法相比，淬火质量最高。由于加热和冷却的速度极快，淬火过程中的过热度和过冷度均特别大，淬火后得到超细的晶体组织。据报道，即使是未熔化碳化物。其尺寸可以下降50％左右，使淬火的金属层产生了细晶强化，既提高了强度、硬度，又增加塑性、韧性；还有，在极快加热条件下形成的奥氏体，不管是表层，还是里层，奥氏体晶粒都没有孕育长大的机会。弥散的奥氏体晶粒，形成弥散的马氏体，使组织具有晶格强化的同时具有弥散强化效果。在激光淬火的强化效果中，马氏体相变硬化占总体硬化效果的60％以上，由于奥氏体形成快，碳原子无法扩散，奥氏体的含碳量极不均匀，相变后有些形成针片状马氏体，有些形成板条状马氏体，因此激光淬火得到的马氏体是由针片状马氏体和板条状马氏体混合组成，位错密度比传统淬火高，位错强化作用强，另外，残余奥氏体因相变硬化来不及释出而产生固熔强化。在上述各种强化机理的共同作用下，激光淬火层的硬度、耐磨性比传统淬火的好，塑性韧性比传统淬火的高。激光淬火可控性比传统表面淬火好，既可控制淬火区的形状、大小和在工件上的部位，又可控制淬硬层的深度，这在零件易变形，或结构比较复杂，或需选择局部进行处理等常规淬火难以胜任场合下的零件表面硬化处理中具有独特优势。激光淬火与感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火等常规淬火方法的比较如表1、图2[7]所示。

表1 激光淬火和常规淬火的比较

图2 激光淬火与常规淬火比较

激光淬火技术与常规淬火方法相比，激光淬火热处理技术有如下优点[8]：

（1）可获得质量优良的高精度硬化层。硬度比常规淬火提高15%-20%。铸铁经淬火后耐磨性可提高3-4倍，并且淬火深度可以精确控制。

（2）仅在工件的关键部位作局部的、薄的表层加热，输入工件的热量少，节能效果好。

（3）热处理变形小，无机械变形，适合于高精度零件处理，可作为材料和零件的最后处理工序。这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短，

故零件的热变形区和整体的变化小。对于长形工件、薄壁工件而言，此优点尤为

突出。

（4）由于光束照射工件，属于无接触加热，又是自冷淬火，所以此技术是洁净的热处理。

（5）加工柔性好，适用面广。可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等难加工区域和空间非常小的局部区域。

（6）没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小，污染小，无公害处理方式，劳动条件好。

（7）工艺周期短，生产效率高，成本低，整个工艺过程可以采用计算机进行控制，自动化程度高，可纳入生产流水线，易于批量生产。

以上特点都是常规热处理工艺望尘莫及的，同时也是其他先进热处理工艺难

以达到的，但这并不意味着激光表面淬火可以全部取代其他的表面热处理技术。

作为表面局部硬化处理，激光硬化处理具有其独特的优点，可适用于其他硬化技

术所不能完成或难于实现的某些零件及其局部部位的表面硬化处理。

2 激光淬火的应用及研究现状

1971年美国通用汽车公司首次成功进行了激光热处理实验，到1974年该公

司将激光相变硬化工艺用于实际生产，自此诞生了激光表面处理技术。以后激光

表面处理成为一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入20世纪80年代以后，大

功率工业激光器和辅助设备的制造技术同益提高[9]，各种激光表面处理技术逐渐成熟，使得这种技术的工业应用和深入研究日益活跃和广乏[10]。

在诸多的激光表面处理技术中，激光淬火技术是研究最广泛、工业应用占有

比例最大的一种。由于其具有相当明显的优越性，能够解决很多传统热处理工艺

所不能解决或难以解决的问题，因此激光淬火技术得到了迅速的发展和应用。主

要涉及交通、纺织运输、航空航天、精密仪器、重型机械的制造等[11]；处理的零件种类包括汽车、摩托车和轮船等的发动机气缸体内壁、凸轮轴、曲轴、转向器壳体、齿轮、机床导轨、刀具刃口、油管螺纹等，在诸多的应用中，尤其以在汽车制造业内的应用最为活跃，创造的经济价值最大。1974年英国通用汽车公司采用激光淬火处理技术处理汽车转向器壳体内腔，耐磨性较原工艺提高10倍以上，

而费用比高频淬火或氮化减少了4／5。国内的一些单位也将激光淬火应用于汽车

行业，例如西安内燃机配件厂在“七五"、“八五"期间与华中理工大学合作建成

6条缸套热处理生产线，耐磨性比各种合金铸铁缸套及中频淬火缸套提高42％，

与之相配活塞耐磨性提高

30％以上[12]。激光淬火在

汽车工业中的广泛应用，

如缸套、曲轴、活塞环、

换向器、齿轮等零部件的

热处理，大大提高了零部

件的寿命，取得了较好的

经济效型[13]。如图3所示。

图3 汽车激光淬火示意图

近几年激光淬火在模具制造方面也发挥了它的优势。模具形状各异，制造精

度和材料性能要求高，工艺复杂，但我国缺少具有特殊性能要求的钢种，如耐高

温等。况且目前我国国内加工条件限制，一些要求高硬度的模具只得精加工到尺

寸后再进行淬火、回火处理，对大型、精密复杂的模具，控制热处理变形及防止

开裂的问题也很突出。采用激光淬火对模具进行热处理，变形小，灵活可控，不

受模具形状以及尺寸的限制，能显著改善耐磨性能，提高表面硬度和使用寿命，

对生产实践有极大的实用价值。

在激光淬火技术的研究方面，国内外的学者最初集中于探讨激光淬火处理铁

基材料，从而改变和改善材料性能的机理，他们对激光淬火处理低碳钢、中碳钢、

高碳钢、合金钢、铸铁等都做了大量的研究[14]，目前对铁基材料的激光相变硬化机理基本上已经弄清楚。

近年来，随着激光淬火技术实际应用的同趋广泛，从面向生产实践的角度，

研究人员又做了大量探索工艺参数的实验和理论研究工作。一方面通过实验，探

求生产条件下工艺参数的选取，并得到相当多能够指导生产实践的有价值的工艺

参数。另一方面通过建立符合要求的温度场，对其进行数值求解甚至动态仿真，

利用温度场的数值计算结果估算硬化层深度，或者又反推算激光淬火的工艺参

数，其结果也可以指导生产实践[15]。后一种方法只要通过少量验证实验证明数值计算结果在激光相变硬化过程中的适用性，大量的工艺参数筛选工作由计算机来进行，大大节省了人力、物力和时间，因此近两年伴随着汁算机技术的高速发展，对激光淬火过程的数值计算和动态仿真成为国内外一个热点。

随着激光淬火技术的不断推广应用，工业化生产对设备可靠性、稳定性和精

确性的要求越来越高。鉴于此研究人员丌展了对激光器光腔结构、光学元件及冷

却技术、表面吸收涂层种类及喷涂技术、复杂零件淬火加工用数控机床的研究以

及为了满足大规模工业化生产，对激光设备的各个零部件标准化、模块化设计等

的研究，不断地促进激光淬火设备的发展[16]。

3 激光淬火存在的问题

激光淬火技术从开始应用到现在，已经历了四十多年的发展历程，应用领域在不断扩大。但是由于这项工艺的技术含量较高，工艺过程中的影响因素很多，

设备费用昂贵，除了对形状简单、工艺基本定型且批量较大的工件可以专门建立

生产线，并可获得稳定的加工质量外，在形状较为复杂的工件中应用仍存在不少

问题[17]。

由于激光的特性，激光加工系统一般都伴有冷却装置和供气装置，这些装置

是通过水管和气管的形式与激光头相连。这就要求在淬火的过程中，激光头的摆

动幅度不能过大，以防水管和气管发生断裂、损坏等。同时，由于激光束能产生

极高的能量密度和功率密度，足以融化世界上的任何金属和非金属，因此在加工

时要特别注意安全问题，激光头不能摆动过大，以防对人身安全以及财产安全造

成损害。理论上激光头的摆角为，但在实际生产中，激光头的活动幅度越小越好，这样就增加了形状复杂工件淬火处理的难度。

激光淬火加工系统采用计算机进行全面数控，与之配套的数控系统用来控制

工件与激光头的相对位置，按照一定的加工要求，由计算机软件驱动工作台或激

光头进行一定规律的运动，同时可对加工系统中的有关部件进行实时控制，如光

闸的开关，冷却系统的状态等。数控系统的自动化程度高，加工柔性好，精度高，

易于实现控制，但在激光淬火热处理时，数控系统的控制也同样会存在一些问题。

现有的激光淬火系统由于采用的是数控机械加工用的控制机，是面向机加工的，

只能对具有直线、圆弧这样简单轮廓曲线的工件，或者特定轮廓曲线的工件进行

加工，但却无法完成对任意曲线轮廓的工件进行激光淬火热处理。主要原因在于

激光加工系统的控制软件有缺陷，在激光淬火的过程中，对激光头与工件的相对

运动位置与状态不能进行准确的计算与控制，特别是保证激光头总要在零件的法

线方向，且激光光斑在工件的表面匀速运动。

由此看来，激光淬火还是一种成本高、控制复杂但性能特殊的热处理技术。

但是，由于激光淬火技术具有许多独特的优点，它仍是一项具有广泛应用前景的

高新技术。随着激光淬火理论和工艺研究的逐步深入，以及计算机控制技术的不

断发展[18]，适用各种情况的激光淬火实时控制系统的研究成为激光淬火热处理的

首要任务。

4 激光淬火的发展趋势

激光淬火作为一种热处理工艺，自二十世纪六十年代诞生以来，以其独特的优势受到了科技界的广泛关注和工业界的重视，应用范围不断扩大。当前，世界已进入信息时代，机械制造业正在向信息化迈进，肩负着各行各业、各种尖端技术所需设备和器件的制造任务，任务重，难度大，要求高，传统制造技术往往无能为力，只有期待新技术，关注其发展。激光淬火技术正是这样一种新技术，因此它的发展趋势受到广泛关注[19]。

激光淬火经过几十年的发展，主要零件及常用金属材料的激光淬火工艺已经比较成熟。目前主要在工艺参数优化、提高生产效率、创新热处理方法和非常规零件形状、零件材料处理等方面开展工作。

1．优化激光淬火工艺参数，提高淬火质量和效率

激光淬火从开发之初到现在，一直在进行参数优化。开始只停留在感性阶段，凭直觉或经验进行优化。发展到现在，逐渐进入理性阶段，建立参数优化理论，开发应用工具等。在激光淬火参数优化研究中，吴刚博士在理论方面作了许多工作，提出了质量控制总体决策框架模型；建立了三维硬化层分布快速模拟的有效方法；探讨了激光扫描工艺参数变化对层深及硬度影响的敏感性，并对实验结果进行了详细的理论分析，给出了合理解释；提出了通过合理选择P—v组合、采用分段变速扫描工艺以改善的激光硬化层分布整体均匀性的可行方法；建立了以层深、表面硬度和硬化层分布均匀性为综合目标扫描工艺及参数优化决策框架模型，提出了具体优化方法；开发了激光相变硬化模拟与参数优化的可视化程序模块。

激光淬火参数优化影响因数多，涉及的面广，理论有待完善并接受实践的检验，许多实用工具有待开发，利用计算机控制，实现自动化，还有许多工作要做。

2．积极采取措施，提高生产效率

(1)开发高效的激光吸收涂料，提高激光淬火效率

金属材料对激光的吸收率直接影响激光淬火的效率，在材料表面制备激光吸收涂层来提高激光吸收率的方法是行之有效的方法之一，刘文今、张光钧、邹昌谷等先后对激光吸收涂层进行了研究，其中张光钧研究员进行了长达十多年的研究，制备了具有自主知识产权的纳米氧化物吸收涂料，取得了吸收率达94％的好成绩。

激光吸收涂料吸收率与被吸收激光的波长、材料的成分、结构等有关。另外，涂料还应有好的环保性能、经济性能、工艺性能，影响因素很多，要制备高效的激光吸收涂料，仍然期待科技工作者的努力。

(2)应用吸收率高的激光，提高激光淬火效率

常用的CO2激光的波长为10.6µm，照射一般金属材料时反射损失能量多。比c02激光波长短得多的准分子激光（波长193—351nm），照射普通材料(金属、玻璃、陶瓷、塑料等)，大部分被吸收，但目前只能处理微米级，还满足不了工件的要求。

(3)随着激光技术的发展，应用大功率的激光，提高扫描速度，或大光斑甚至全淬火区照射的方法，提高生产率将成为现实。

3．创新激光淬火技术，如渗碳+激光淬火，激光淬火+激光冲击强化，激光熔覆等强化金属零件表层的新技术、新方法不断涌现。据报道，QT800—2球墨铸铁经激光淬火+冲击复合强化处理后，比单纯激光淬火的力学性能好，其中硬度提高18％，耐磨性提高100％，残余压应力区加深1.68mm。

目前，我国激光淬火技术虽然得到了飞速的发展，但从总体来说还处于相对

落后的水平。激光器质量、激光淬火工艺、导光系统以及高速传动和精密定位系

统等方面的技术不够先进，是制约我国激光淬火技术发展的关键难题[20]。

为了更快更好地发展我国的激光淬火技术，使之迅速赶上世界先进水平，应当制订长远的战略发展目标，把制约激光加工技术发展的关键难题作为科学研究

的主攻方向，同时进行具有规模效益的产业化发展，还要具有良好的政策和外部

环境。一些发达国家的经验和做法，也是可以借鉴的。比如，日本对激光淬火技

术的研究开发，是建立工业界、大学和政府联合开发体制，在重要领域由国家选

定目标，集中国家、企业界和高等学府的优势，共同研究开发激光淬火技术[21,22]。

美国和欧洲发达国家政府都专门拨款用于研究开发激光淬火技术，许多实力雄厚

的跨国公司，也竞相投资开展激光加工技术研究，以提高其产品的市场竞争力[23]。

如果可以在技术上获得优先，在产品上重视产业化及规模化生产技术的研

究，强化工艺技术，规范化生产，注重质量及可靠性，大力提升激光淬火技术的

竞争水平，不断创新，那么我国激光淬火技术必将在新环境和新技术中获得成功，

并在激光淬火技术领域取得突飞猛进的进步和发展。

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