激光热处理在工业上的应用及发展

激光热处理的原理

（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。

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。