激光淬火

激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。

中文名：激光淬火

概念：使材料表面硬化的淬火技术

优点：工艺周期短

1、定义

采用激光淬火齿面，其加热冷却速度很高，工艺周期短，不需要外部淬火介质.具有工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要磨齿等精加工，且被处理齿轮尺寸不受热处理设备尺寸的限制等独特优点.

1.1　质量优势

激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。

1.2技术特质

激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm范围之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。

激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。

1.3适用材料

激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益。近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。

2、实际应用

激光淬火应用案例

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移动图册，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高2~3倍。

齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件.为了提高齿轮的承载能力，需对齿轮进行表面硬化处理.而传统的齿轮硬化处理工艺，如渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等存在两个主要问题：即热处理后变形较大和不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层，从而影响齿轮的使用寿命.

3、历史和发展

早在1980年，美国军事技术研究实验处的应用技术实验室就对齿轮的激光硬化调查结果作过一个广播节目报道，并由芝加哥伊利诺理工学院研究所承担了齿轮的激光硬化研究项目.

该所的Altegott同贝尔飞机制造公司的Patel合作发表了一篇题为《直齿圆柱齿轮激光表面硬化MM&T》的论文，公布了实验结果：对激光表面硬化处理后和经渗碳处理后的AMS（美国航空材料规范）6265正齿轮的抗胶合寿命与齿的弯曲强度的比较表明，激光硬化代替渗碳处理在航空器件中的AMS6265齿轮能得到显著的经济效果，有效硬化深度为0.66～0.86mm，单件成本降低了37%～78%.八十年代末，美国加州机电研究所的JamesFLewis用5kW激光器对大型花键轴进行激光淬火，在扫描速度4.32～7.62mm/s，光斑直径6.35～7.62mm的条件下，获得淬火硬度HRC59，深度0.762～0.864mm的淬硬层.美国军方研究所用激光淬火潜水艇、飞机等重载大齿轮，解决常规热处理引起齿轮变形过大及噪音问题.激光淬火的齿轮包括AH－64直升机辅助动力装置的行星齿轮及飞机主传动装置的传动齿轮.由于激光硬化后不需要研磨，故可大大降低生产成本，提高生产率.

相对而言，国内在这方面的研究起步较晚，远未达到能够工业化应用的程度，究其原因主要有以下几点：

①由于历史原因，我国激光器及零部件生产水平较低,激光器是一种集光、机、电等多种学科和技术于一体的高科技产品.在我国现有的工业水平上，元器件的生产不过关，导致激光器光学模式不好，稳定性和可靠性不高，不能满足工厂条件下长期稳定地工作，而进口激光器又价格昂贵;

②由于激光加工涉及到多种学科，国内缺乏一批高水平的技术力量对激光加工工艺进行综合研究，并且对激光设备二次开发的研究也得不到深入，工业界难以看到激光加工的优越性；

③激光加工设备的费用一次性投入较大，多数单位对其带来的经济效益认识不足，致使在使用时较为谨慎；

④国内多数企业对传统热处理工艺带来的工业污染和环境保护不够重视，而对激光淬火这门清洁工艺的优越性认识不足.目前，国内从事这方面研究的有长春光学精密机械学院、天津纺织工学院和上海海运学院等单位，分别就齿轮激光、淬火的激光扫描方式、机理及工艺参数优化等技术进行了研究，并取得了一定的成果.这些单位所开展的齿轮激光淬火研究工作所采用的齿轮模数一般较大(m>=5)，且由于实际生产中所采用的激光导光系统和预处理涂层等的不同导致在实验室里得出的工艺参数很难直接在实际批量生产中应用，即加工工艺参数的可移植性丧失.因而研究成果在实用性方面还有不小的差距.

4、激光淬火的特点

1．淬火零件不变形激光淬火的热循环过程快中碳钢大型轴类

2．几乎不破坏表面粗糙度采用防氧化保护薄涂层模具钢各种模具

3．激光淬火不开裂精确定量的数控淬火冷作模具钢模具、刃具

4．对局部、沟、槽淬火定位精确的数控淬火中碳合金钢减振器

5．激光淬火清洁、高效不需要水或油等冷却介质铸铁材料发动机汽缸

6．淬火硬度比常规方法高淬火层组织细密、强韧性好高碳合金钢大型轧辊

7.激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。

8.由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小。

9.由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确的局部淬火。

10.激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～1.5mm。

5、激光淬火设备组成

5.1激光器

目前，用于激光淬火的设备主要是横流CO2激光器，该激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内有较低的气体温度，从而保证高功率输出，光束模式为多模输出。

激光器的选用要考虑以下几方面内容：

1．激光器输出好的光束质量，包括模式及模的稳定性。

2．激光器输出功率稳定性。

3．激光器应具有高的可靠性，应能满足工业加工环境下的连续工作。

4．激光器本身应具有良好的维护性，有故障诊断和连锁功能；

5．操作简单方便。

6．设备销售厂商的经济和技术能力，可信程度。一定要避免因小失大。

7．设备易损件补充来源是否有保障，供应渠道是否畅通。

5.2机床

激光加工机床的加工的基本尺寸范围为：长5.5米，直径Φ2.6米。特殊工件，可加工的尺寸范围更大。本激光加工机床为双悬臂加工系统，可进行多工位的激光加工。

6、总结

（1）从激光淬火齿面硬度、硬化层深度以及抗点蚀疲劳强度等性能指标看，激光淬火完全可以取代常规的齿轮渗碳工艺.

（2）激光淬火工艺采用了常用普通中碳钢代替昂贵的合金渗碳钢，从而有效地降低了生产成本，产生了良好的经济效益.

（3）激光淬火解决了常规齿轮渗碳工艺中存在的变形难题，这不仅省去了后面的磨齿工艺，而且提高了成品率，从而进一步降低了成本.

（4）为了使此项技术能在工业中得到广泛应用，在研制性能可靠的工业用大功率激光器的同时，必须进行齿轮激光表面处理专家系统的研制和开发，激光处理实现工艺参数的计算机自动优化、处理过程的计算机仿真模拟和实时监控，以及热处理后表面组织结构和性能的计算机预测，做到齿轮激光淬火过程的易操作性，实现复杂形状和人工智能化的表面处理.