淺談激光淬火.doc

精品文檔淺談激光淬火摘 要:激光淬火技術是一項高新技術，因其與傳統淬火技術相比具有加工精度高、加工變形小、加工柔性好、無污染、噪音小等優(yōu)點，使其在輪船、汽車等許多工業(yè)生產部門得到廣泛應用。文章敘述了激光淬火的原理、工藝特點、應用以及激光淬火的研究現狀與發(fā)展趨勢。關鍵詞:激光淬火; 工藝特點；研究現狀；發(fā)展趨勢Discussion of Laser Quenching Abstract：Laser quenching technology is a high and new technologyCompared 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 departmentMechanism,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 progress0 前言1960年世界上第一臺激光器的誕生，將激光引入科學研究領域，從此光學技術迅猛發(fā)展，以激光作為“光工具”的新興制造技術開始登上歷史舞臺，引領制造技術進入激光制造的新時代1。激光因其具有高亮度、高單色性、高方向性和高相干性四大特性，給激光加工帶來了一些其它加工方法所不具備的特性2。由于激光加工屬于無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此無機械變形；在激光加工過程中，用激光束代替了刀具，因此無“刀具”磨損，無“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，對非激光照射部位沒有或影響極小，因此其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小或無需加工3；激光束易于導向、聚焦以及實現方向變換，極易與數控系統配合對復雜工件進行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法；生產效率高，加工質量穩(wěn)定可靠，經濟效益和社會效益好。激光加工的優(yōu)越性使其成為激光應用中最有發(fā)展前途的領域，現在己開發(fā)出20多種激光加工技術4，激光淬火技術就是激光加工中研究較早、進展較快、應用較廣的一種新工藝，已廣泛用于材料的表面強化中，并且應用領域在不斷地擴大。1 激光淬火的原理及特點激光淬火技術是近年來迅速發(fā)展起來的一項高新技術，激光淬火又稱激光相變硬化,是指鐵基合金在固態(tài)下經受激光照射,使表層以極快的速度(升溫速度可達105-106 /s)被迅速加熱至奧氏體化狀態(tài)(但低于熔化溫度),當激光停止照射后,處于冷態(tài)的基體使其表面迅速冷卻(冷卻速度可達105/s)而進行自冷淬火,從而使激光加熱形成高溫奧氏體轉變成馬氏體，實現激光相變硬化5。激光淬火由于加熱速度快，易使金屬表面過熱，并且冷卻速度也快，碳來不及擴散因而使殘留奧氏體增加。隨著奧氏體向馬氏體的轉變，得到高碳馬氏體，從而提高了淬火硬度。激光淬火原理圖如圖1。圖1 激光淬火原理圖由于金屬材料表面對激光輻射能量的吸收能力與激光的波長、材料的溫度和性質，以及材料表面狀態(tài)密切相關，為提高材料表面對激光的吸收率，需要對表面進行預處理。預處理方法主要包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴(刷)涂料法和鍍膜法等6。激光淬火與傳統表面淬火方法相比，淬火質量最高。由于加熱和冷卻的速度極快，淬火過程中的過熱度和過冷度均特別大，淬火后得到超細的晶體組織。據報道，即使是未熔化碳化物。其尺寸可以下降50左右，使淬火的金屬層產生了細晶強化，既提高了強度、硬度，又增加塑性、韌性；還有，在極快加熱條件下形成的奧氏體，不管是表層，還是里層，奧氏體晶粒都沒有孕育長大的機會。彌散的奧氏體晶粒，形成彌散的馬氏體，使組織具有晶格強化的同時具有彌散強化效果。在激光淬火的強化效果中，馬氏體相變硬化占總體硬化效果的60以上，由于奧氏體形成快，碳原子無法擴散，奧氏體的含碳量極不均勻，相變后有些形成針片狀馬氏體，有些形成板條狀馬氏體，因此激光淬火得到的馬氏體是由針片狀馬氏體和板條狀馬氏體混合組成，位錯密度比傳統淬火高，位錯強化作用強，另外，殘余奧氏體因相變硬化來不及釋出而產生固熔強化。在上述各種強化機理的共同作用下，激光淬火層的硬度、耐磨性比傳統淬火的好，塑性韌性比傳統淬火的高。激光淬火可控性比傳統表面淬火好，既可控制淬火區(qū)的形狀、大小和在工件上的部位，又可控制淬硬層的深度，這在零件易變形，或結構比較復雜，或需選擇局部進行處理等常規(guī)淬火難以勝任場合下的零件表面硬化處理中具有獨特優(yōu)勢。激光淬火與感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火等常規(guī)淬火方法的比較如表1、圖27所示。表1 激光淬火和常規(guī)淬火的比較 圖2 激光淬火與常規(guī)淬火比較激光淬火技術與常規(guī)淬火方法相比，激光淬火熱處理技術有如下優(yōu)點8：（1）可獲得質量優(yōu)良的高精度硬化層。硬度比常規(guī)淬火提高15%-20%。鑄鐵經淬火后耐磨性可提高3-4倍，并且淬火深度可以精確控制。（2）僅在工件的關鍵部位作局部的、薄的表層加熱，輸入工件的熱量少，節(jié)能效果好。（3）熱處理變形小，無機械變形，適合于高精度零件處理，可作為材料和零件的最后處理工序。這是由于激光功率密度高，與零件上某點的作用時間很短，故零件的熱變形區(qū)和整體的變化小。對于長形工件、薄壁工件而言，此優(yōu)點尤為突出。（4）由于光束照射工件，屬于無接觸加熱，又是自冷淬火，所以此技術是潔凈的熱處理。（5）加工柔性好，適用面廣。可以利用靈活的導光系統隨意將激光導向處理部位，從而可方便地處理深孔、內孔、盲孔和凹槽等難加工區(qū)域和空間非常小的局部區(qū)域。（6）沒有明顯的機械作用力和工具損耗，噪聲小，污染小，無公害處理方式，勞動條件好。（7）工藝周期短，生產效率高，成本低，整個工藝過程可以采用計算機進行控制，自動化程度高，可納入生產流水線，易于批量生產。以上特點都是常規(guī)熱處理工藝望塵莫及的，同時也是其他先進熱處理工藝難以達到的，但這并不意味著激光表面淬火可以全部取代其他的表面熱處理技術。作為表面局部硬化處理，激光硬化處理具有其獨特的優(yōu)點，可適用于其他硬化技術所不能完成或難于實現的某些零件及其局部部位的表面硬化處理。2 激光淬火的應用及研究現狀1971年美國通用汽車公司首次成功進行了激光熱處理實驗，到1974年該公司將激光相變硬化工藝用于實際生產，自此誕生了激光表面處理技術。以后激光表面處理成為一種新興材料表面處理技術，尤其是進入20世紀80年代以后，大功率工業(yè)激光器和輔助設備的制造技術同益提高9，各種激光表面處理技術逐漸成熟，使得這種技術的工業(yè)應用和深入研究日益活躍和廣乏10。在諸多的激光表面處理技術中，激光淬火技術是研究最廣泛、工業(yè)應用占有比例最大的一種。由于其具有相當明顯的優(yōu)越性，能夠解決很多傳統熱處理工藝所不能解決或難以解決的問題，因此激光淬火技術得到了迅速的發(fā)展和應用。主要涉及交通、紡織運輸、航空航天、精密儀器、重型機械的制造等11；處理的零件種類包括汽車、摩托車和輪船等的發(fā)動機氣缸體內壁、凸輪軸、曲軸、轉向器殼體、齒輪、機床導軌、刀具刃口、油管螺紋等，在諸多的應用中，尤其以在汽車制造業(yè)內的應用最為活躍，創(chuàng)造的經濟價值最大。1974年英國通用汽車公司采用激光淬火處理技術處理汽車轉向器殼體內腔，耐磨性較原工藝提高10倍以上，而費用比高頻淬火或氮化減少了45。國內的一些單位也將激光淬火應用于汽車行業(yè)，例如西安內燃機配件廠在“七五、“八五期間與華中理工大學合作建成6條缸套熱處理生產線，耐磨性比各種合金鑄鐵缸套及中頻淬火缸套提高42，與之相配活塞耐磨性提高30以上12。激光淬火在汽車工業(yè)中的廣泛應用，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，大大提高了零部件的壽命，取得了較好的經濟效型13。如圖3所示。 圖3 汽車激光淬火示意圖近幾年激光淬火在模具制造方面也發(fā)揮了它的優(yōu)勢。模具形狀各異，制造精度和材料性能要求高，工藝復雜，但我國缺少具有特殊性能要求的鋼種，如耐高溫等。況且目前我國國內加工條件限制，一些要求高硬度的模具只得精加工到尺寸后再進行淬火、回火處理，對大型、精密復雜的模具，控制熱處理變形及防止開裂的問題也很突出。采用激光淬火對模具進行熱處理，變形小，靈活可控，不受模具形狀以及尺寸的限制，能顯著改善耐磨性能，提高表面硬度和使用壽命，對生產實踐有極大的實用價值。在激光淬火技術的研究方面，國內外的學者最初集中于探討激光淬火處理鐵基材料，從而改變和改善材料性能的機理，他們對激光淬火處理低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、鑄鐵等都做了大量的研究14，目前對鐵基材料的激光相變硬化機理基本上已經弄清楚。近年來，隨著激光淬火技術實際應用的同趨廣泛，從面向生產實踐的角度，研究人員又做了大量探索工藝參數的實驗和理論研究工作。一方面通過實驗，探求生產條件下工藝參數的選取，并得到相當多能夠指導生產實踐的有價值的工藝參數。另一方面通過建立符合要求的溫度場，對其進行數值求解甚至動態(tài)仿真，利用溫度場的數值計算結果估算硬化層深度，或者又反推算激光淬火的工藝參數，其結果也可以指導生產實踐15。后一種方法只要通過少量驗證實驗證明數值計算結果在激光相變硬化過程中的適用性，大量的工藝參數篩選工作由計算機來進行，大大節(jié)省了人力、物力和時間，因此近兩年伴隨著汁算機技術的高速發(fā)展，對激光淬火過程的數值計算和動態(tài)仿真成為國內外一個熱點。隨著激光淬火技術的不斷推廣應用，工業(yè)化生產對設備可靠性、穩(wěn)定性和精確性的要求越來越高。鑒于此研究人員丌展了對激光器光腔結構、光學元件及冷卻技術、表面吸收涂層種類及噴涂技術、復雜零件淬火加工用數控機床的研究以及為了滿足大規(guī)模工業(yè)化生產，對激光設備的各個零部件標準化、模塊化設計等的研究，不斷地促進激光淬火設備的發(fā)展16。3 激光淬火存在的問題激光淬火技術從開始應用到現在，已經歷了四十多年的發(fā)展歷程，應用領域在不斷擴大。但是由于這項工藝的技術含量較高，工藝過程中的影響因素很多，設備費用昂貴，除了對形狀簡單、工藝基本定型且批量較大的工件可以專門建立生產線，并可獲得穩(wěn)定的加工質量外，在形狀較為復雜的工件中應用仍存在不少問題17。由于激光的特性，激光加工系統一般都伴有冷卻裝置和供氣裝置，這些裝置是通過水管和氣管的形式與激光頭相連。這就要求在淬火的過程中，激光頭的擺動幅度不能過大，以防水管和氣管發(fā)生斷裂、損壞等。同時，由于激光束能產生極高的能量密度和功率密度，足以融化世界上的任何金屬和非金屬，因此在加工時要特別注意安全問題，激光頭不能擺動過大，以防對人身安全以及財產安全造成損害。理論上激光頭的擺角為，但在實際生產中，激光頭的活動幅度越小越好，這樣就增加了形狀復雜工件淬火處理的難度。激光淬火加工系統采用計算機進行全面數控，與之配套的數控系統用來控制工件與激光頭的相對位置，按照一定的加工要求，由計算機軟件驅動工作臺或激光頭進行一定規(guī)律的運動，同時可對加工系統中的有關部件進行實時控制，如光閘的開關，冷卻系統的狀態(tài)等。數控系統的自動化程度高，加工柔性好，精度高，易于實現控制，但在激光淬火熱處理時，數控系統的控制也同樣會存在一些問題。現有的激光淬火系統由于采用的是數控機械加工用的控制機，是面向機加工的，只能對具有直線、圓弧這樣簡單輪廓曲線的工件，或者特定輪廓曲線的工件進行加工，但卻無法完成對任意曲線輪廓的工件進行激光淬火熱處理。主要原因在于激光加工系統的控制軟件有缺陷，在激光淬火的過程中，對激光頭與工件的相對運動位置與狀態(tài)不能進行準確的計算與控制，特別是保證激光頭總要在零件的法線方向，且激光光斑在工件的表面勻速運動。由此看來，激光淬火還是一種成本高、控制復雜但性能特殊的熱處理技術。但是，由于激光淬火技術具有許多獨特的優(yōu)點，它仍是一項具有廣泛應用前景的高新技術。隨著激光淬火理論和工藝研究的逐步深入，以及計算機控制技術的不斷發(fā)展18，適用各種情況的激光淬火實時控制系統的研究成為激光淬火熱處理的首要任務。4 激光淬火的發(fā)展趨勢激光淬火作為一種熱處理工藝，自二十世紀六十年代誕生以來，以其獨特的優(yōu)勢受到了科技界的廣泛關注和工業(yè)界的重視，應用范圍不斷擴大。當前，世界已進入信息時代，機械制造業(yè)正在向信息化邁進，肩負著各行各業(yè)、各種尖端技術所需設備和器件的制造任務，任務重，難度大，要求高，傳統制造技術往往無能為力，只有期待新技術，關注其發(fā)展。激光淬火技術正是這樣一種新技術，因此它的發(fā)展趨勢受到廣泛關注19。激光淬火經過幾十年的發(fā)展，主要零件及常用金屬材料的激光淬火工藝已經比較成熟。目前主要在工藝參數優(yōu)化、提高生產效率、創(chuàng)新熱處理方法和非常規(guī)零件形狀、零件材料處理等方面開展工作。1優(yōu)化激光淬火工藝參數，提高淬火質量和效率激光淬火從開發(fā)之初到現在，一直在進行參數優(yōu)化。開始只停留在感性階段，憑直覺或經驗進行優(yōu)化。發(fā)展到現在，逐漸進入理性階段，建立參數優(yōu)化理論，開發(fā)應用工具等。在激光淬火參數優(yōu)化研究中，吳剛博士在理論方面作了許多工作，提出了質量控制總體決策框架模型；建立了三維硬化層分布快速模擬的有效方法；探討了激光掃描工藝參數變化對層深及硬度影響的敏感性，并對實驗結果進行了詳細的理論分析，給出了合理解釋；提出了通過合理選擇Pv組合、采用分段變速掃描工藝以改善的激光硬化層分布整體均勻性的可行方法；建立了以層深、表面硬度和硬化層分布均勻性為綜合目標掃描工藝及參數優(yōu)化決策框架模型，提出了具體優(yōu)化方法；開發(fā)了激光相變硬化模擬與參數優(yōu)化的可視化程序模塊。激光淬火參數優(yōu)化影響因數多，涉及的面廣，理論有待完善并接受實踐的檢驗，許多實用工具有待開發(fā)，利用計算機控制，實現自動化，還有許多工作要做。2 積極采取措施，提高生產效率(1)開發(fā)高效的激光吸收涂料，提高激光淬火效率金屬材料對激光的吸收率直接影響激光淬火的效率，在材料表面制備激光吸收涂層來提高激光吸收率的方法是行之有效的方法之一，劉文今、張光鈞、鄒昌谷等先后對激光吸收涂層進行了研究，其中張光鈞研究員進行了長達十多年的研究，制備了具有自主知識產權的納米氧化物吸收涂料，取得了吸收率達94的好成績。激光吸收涂料吸收率與被吸收激光的波長、材料的成分、結構等有關。另外，涂料還應有好的環(huán)保性能、經濟性能、工藝性能，影響因素很多，要制備高效的激光吸收涂料，仍然期待科技工作者的努力。(2)應用吸收率高的激光，提高激光淬火效率常用的CO2激光的波長為10.6m，照射一般金屬材料時反射損失能量多。比c02激光波長短得多的準分子激光（波長193351nm），照射普通材料(金屬、玻璃、陶瓷、塑料等)，大部分被吸收，但目前只能處理微米級，還滿足不了工件的要求。(3)隨著激光技術的發(fā)展，應用大功率的激光，提高掃描速度，或大光斑甚至全淬火區(qū)照射的方法，提高生產率將成為現實。3創(chuàng)新激光淬火技術，如滲碳+激光淬火，激光淬火+激光沖擊強化，激光熔覆等強化金屬零件表層的新技術、新方法不斷涌現。據報道，QT8002球墨鑄鐵經激光淬火+沖擊復合強化處理后，比單純激光淬火的力學性能好，其中硬度提高18，耐磨性提高100，殘余壓應力區(qū)加深1.68mm。目前，我國激光淬火技術雖然得到了飛速的發(fā)展，但從總體來說還處于相對落后的水平。激光器質量、激光淬火工藝、導光系統以及高速傳動和精密定位系統等方面的技術不夠先進，是制約我國激光淬火技術發(fā)展的關鍵難題20。為了更快更好地發(fā)展我國的激光淬火技術，使之迅速趕上世界先進水平，應當制訂長遠的戰(zhàn)略發(fā)展目標，把制約激光加工技術發(fā)展的關鍵難題作為科學研究的主攻方向，同時進行具有規(guī)模效益的產業(yè)化發(fā)展，還要具有良好的政策和外部環(huán)境。一些發(fā)達國家的經驗和做法，也是可以借鑒的。比如，日本對激光淬火技術的研究開發(fā)，是建立工業(yè)界、大學和政府聯合開發(fā)體制，在重要領域由國家選定目標，集中國家、企業(yè)界和高等學府的優(yōu)勢，共同研究開發(fā)激光淬火技術21,22。美國和歐洲發(fā)達國家政府都專門撥款用于研究開發(fā)激光淬火技術，許多實力雄厚的跨國公司，也競相投資開展激光加工技術研究，以提高其產品的市場競爭力23。如果可以在技術上獲得優(yōu)先，在產品上重視產業(yè)化及規(guī)?；a技術的研究，強化工藝技術，規(guī)范化生產，注重質量及可靠性，大力提升激光淬火技術的競爭水平，不斷創(chuàng)新，那么我國激光淬火技術必將在新環(huán)境和新技術中獲得成功，并在激光淬火技術領域取得突飛猛進的進步和發(fā)展。參考文獻1 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