激光表面淬火工艺应用实例

激光淬火技术作为一种新型的热处理工艺，与传统表面淬火技术相比，具有加热速度快、所得组织细密、淬硬性高、不变形等特点，并且技术适用性广，不受感应器制作难度的限制。本文首先将对激光淬火工艺技术作一详细说明，其次对工厂生产的缸筒进行了局部激光表面淬火，然后提出了生产中存在的主要问题及一些改进措施。

图1 异形面产品示意

1.激光表面淬火工艺研究

（1）激光表面淬火原理

激光表面淬火技术是利用聚焦后的激光束作为热源照射在待处理工件表面，使其需要硬化部位温度瞬间急剧上升而形成奥氏体，随后经快速冷却获得晶粒细的马氏体或其他组织的淬硬层过程的热处理加工技术。

（2）激光表面淬火技术特点

激光淬火和工厂现有的中高频淬火、渗碳淬火相比，有以下特点：

一，功率密度高、加热速度极快，零件变形极小，且可以通过热处理工艺来控制变形，工件处理后不需要修磨，可以作为零件精加工的后一道工序。

第二，可以对形状复杂零件；如盲孔、内孔、小槽、薄壁零件等进行处理或局部处理，也可根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。可以克服高频淬火因受感应器限制难以对形状复杂零件进行表面淬火、加热区域难以控制、薄壁零件淬火易开裂的问题；对大型零件的加工也无需受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制。

第三，通用性强。由于激光聚焦深度大，淬火时对零件的尺寸、大小及表面都没有严格的限制。而现有的中高频淬火对各种零件都得制作合适的感应器。

第四，对于某些淬火温度较高的不锈钢零件，其淬火温度和熔点温度很接近，在使用感应器进行产品局部表面淬火时很容易烧伤夹角或不规则部位，导致零件报废，而激光表面淬火则不受此限。

第五，激光淬火冷却速度很快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、高效的环保淬火工艺。

第六，表面淬硬层组织细，硬度高，耐磨性好，能满足淬硬层深度较浅（一般在0.3~2.0mm）表面淬火产品。

（3）工艺参数及其相互关系

激光表面淬火是一个错综复杂的快速加热、快速冷却的淬火过程。激光淬硬层的尺寸参数（淬硬层宽度、淬硬层深度、表面粗糙度）和性能参数（表面硬度、耐磨性、组织变化）取决于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、扫描速度、材料的特性（成分、原始状态）和材料表面预处理情况等，同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光作用区的热力学性质有关。在其他工艺因素不变的条件下，其主要工艺参数激光器输出功率P、扫描速度V和作用在材料表面上的光斑尺寸D，三者的综合作用直接反映了激光淬火过程的保温温度及其保温时间。3个参数对激光表面淬火效果的影响关系为：淬硬层深度与激光功率成正比，与光斑大小和扫描速度成反比。

另外，还应考虑各参数值的选择范围，D不能过大，V不能过小，以免冷却速度过低，不能实现马氏体转变。反之，当激光输出功率过大时，容易造成表面熔化，影响表面的几何形状。奥氏体的转变临界温度与材料的熔点之比值越小，允许产生相变的温度范围越大，硬化层深度就越深。除此之外，硬化带的扫描花样（图形）和硬化面积比例、硬化带的宽窄以及激光作用区吹送气体状况、光路系统以及光束焦距等均会对激光表面淬火质量有一些影响。

（4）激光表面淬火扫描方式

激光淬火的扫描方式有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。窄带扫描的硬化带宽度与光斑直径相近，一般在5mm以内。对于要求大面积硬化时，必须逐条地进行扫描，扫描带之间需要重叠，重叠部分将留下回火软化带。回火软化带的宽度与光斑特性有关，一般均匀矩形光斑产生的回火软化带较小。为了减少软化带的不良影响，需采用宽带扫描技术。宽带扫描将聚焦的圆光斑变成线光斑，扫描宽度大为提高。

（5）激光表面淬火区预处理

在产品激光淬火前，工件表面粗糙度值很小，在淬火中会严重影响材料表面对激光光能的吸收率。因此，在激光淬火前需要对待处理工件表面进行预处理。表面预处理方法很多，包括磷化法、提高表面粗糙法、氧化物涂料法、黑色涂料法等，其中较常用的是磷化法、黑色涂料法和氧化物涂料法，如表1所示。

表1  常用黑化处理方法

2.缸筒局部淬火应用情况

缸筒材质为合金结构钢35CrMoV，热处理技术要求：

①外径φ100.14mm±0.05mm处硬度≥50HRC，淬硬层深度（淬硬层深度定义为从表面以下硬度在35HRC以上的厚度）1～1.5mm。

②表面不可有熔化、裂纹、变形等缺陷。

③产品表面不可碰划伤。缸筒外形形状及尺寸如图2所示。

图2 缸筒外形形状及尺寸

（1）设备名称

激光多功能加工系统，设备型号为RC-LMS-4000-D-R。

（2）激光淬火前准备

清洗缸筒工件表面的油污、杂质等，并确保激光淬火部位表面外观质量；缸筒激光淬火部位光洁度较高，表面均匀涂上SiO2激光吸光涂料，减小缸筒表面激光的发射来保证激光的吸收率；缸筒激光淬火前烘干涂层，为后续激光淬火做准备；检验设备的工作状态，保证淬火过程中设备的正常运行。

（3）选定工艺参数

所使用激光加工系统为半导体激光器。工艺参数选择为：max输出功率P=4kW，扫描速度V=25mm/s，光斑宽度B=10mm。

（4）激光表面淬火后淬硬区的硬度

将激光表面淬火过的试样，沿扫描中心带切开，制备金相试样。用显微硬度计进行硬度测试（载荷：200gf，保载时间10s）。经激光表面淬火区硬度测试后，激光表面淬火硬度与深度关系如表2所示。从表中可知：激光表面淬火后距试料表面0.2mm处硬度为55.4HRC，距试料表面1.4mm处硬度为28.4HRC，由表中数据可看出：试料表面硬度由表到里硬度呈下降趋势，但硬度降幅幅度较小，侍从淬硬层深1.2mm处开始硬度急剧下降，到1.4mm处硬度已为缸筒基体硬度。距表面1.3mm处，试料硬度值为36.6HRC，而根据缸筒淬硬层硬度技术条件要求（＞35HRC），缸筒试料淬硬层深度应为1.3mm，激光表面淬火后表面硬度为55.4HRC，符合缸筒图样所提热处理淬硬层硬度、深度技术条件。

表2  激光表面淬火硬度与深度关系

（5）缸筒表面外观质量

激光表面淬火后，缸筒淬火区无明显的氧化脱碳现象，表面粗糙度值较低，经磁粉无损检测后表面无微小裂纹现象。并经专业的检测手段检测缸筒淬火区没有变形缺陷产生。

从产品外观质量要求和热处理淬硬层深度、硬度方面都符合图样要求。

3.激光淬火中存在的主要问题及改进措施

（1）激光淬火生产中存在的主要问题

根据激光表面淬火工艺研究中工艺参数及其内在联系可知：在激光淬火生产过程中操作人员对各项工艺参数准确控制、要求严格，不可避免会出现工艺稳定性较差情况发生。出现这一现象的原因主要是光斑功率密度及激光不均匀性影响淬火工艺的稳定性；光斑形状对淬硬层均匀性的影响；激光表面淬火中大面积淬硬层难以保证；工件初始状态对激光淬火质量的影响。

（2）提高激光淬火生产的一些改进措施

在使用激光淬火加工系统设备生产产品时，必须优化控制淬火过程中的各种因素来保证激光淬火工艺的稳定性。在精确控制激光功率、扫描速度、光斑尺寸等工艺因素的基础上，产品淬火前技术人员可根据产品材料导热系数、热扩散系数、熔点、相变临界温度以及产品淬火部位外形形状，将影响因素预先输入智能监测工艺过程系统。在淬火过程中，操作人员根据智能系统控制中心显示的各种参数变化规律信息，来实时控制激光器、光学系统、回转平台的准确运行，从而完成淬火的准确控制，实现激光表面淬火产品高质量的目的。如图3所示，传感器1～4分别监控激光器输出光束的功率及功率密度分布、光束转换系统的调节状态、工件表面激光辐照区的温度变化及工作台的运动状态。

图3  激光淬火过程实时控制系统

4.结语

目前，激光淬火技术的研究、开发、应用还处于上升阶段，在形状较为复杂的工件中仍存在一些问题。但是，激光淬火是一新型的热处理前沿技术，采用此技术可以解决传统表面淬火难以实现的技术目标。并且在淬火生产中，不需要任何冷却介质，符合国内外热处理行业规定的“少无氧化生产、绿色生产”的环保发展目标要求，在今后国内钢铁冶金、汽车、国防建设、航天航空等领域会发挥越来越重要的作用。

来源 热处理生态圈