激光表面处理技术解析

激光表面处理技术是指一定功率密度的激光束以一定的扫描速度照射到工件的工作面上，在很短时间内，使被处理表面由于吸收激光的能量而急剧升温，当激光束移开时，被处理表面由基材自身传导而迅速冷却，使之发生物理、化学变化，从而形成具有一定性能的表面层，提高材料表面的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等。

激光用于表面处理有其独特的优点，金属对激光的吸收系数高达10⁵～10⁶cm^-1，吸收过程发生在其表面0.01～0.1μm厚的薄层内。激光表面处理的深度取决于由表面向内部热扩散的距离，其值很小，且易于控制。激光光斑的功率密度大，可准确地引导至模具表面的不同部位，或在一定区域扫描。对工件表面作局部处理，功率密度可准确控制，输入模具的能量小，模具的变形小，处理后表面可不再进行机械加工或只需少量机械加工。此外，激光没有化学污染，易于传输、切换和自动控制。

激光表面处理工艺包括相变硬化、熔凝、涂覆、合金化、非晶化和微晶化、冲击强化等。

激光加热表面淬火后，工件表层获得极细小的板条马氏体和孪晶马氏体的混合组织，且位错密度极高，表层硬度比淬火+低温回火提高20%，即使是低碳钢也能提高一定的硬度。

激光淬火硬化层深度一般为0.3～1mm，硬化层硬度值一致。随工件正常相对接触摩擦运动，表面虽然被磨去，但新的相对运动接触面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不会发生常规表面淬火层由于接触磨损，磨损随之加剧的现象，耐磨性提高了50%，工件使用寿命提高了几倍甚至十几倍。

激光加热表面淬火最佳的原始组织是调质组织，淬火后零件变形极小，表面质量很高，特别适用于拐角、沟槽、不通孔底部及深孔内壁的热处理，而这些部位是其他表面淬火方法极难做到的。

利用高功率密度激光束（激光具有高达10⁶W/cm²的功率密度，一般适用范围为10³～10⁶W/cm²）进行表面热处理的方法称为激光热处理。激光热处理的特点是：能量集中，故可对工件表面施行选择性处理；能量利用率高，加热极为迅速并靠自激冷冷却；畸变极小，从而可大大的减少后续加工工时；特别是利用高能束可以对材料的表面实现相变硬化、微晶化、冲击加热硬化、覆层镀层合金化等多种表面改性处理，产生用其他表面加热淬火强化难于达到的表面成分、组织、性能的改变。

激光热处理一般采用功率为千瓦级的连续工作CO₂激光，通常的激光热处理装置见图5-11。激光热处理的关键设备是激光器，目前工业中应用最多的是500W级纵向直流放电CO₂激光器，其性能如下：额定输出功率450W，输出功率范围200～800W，光束直径ϕ4mm，发散角小于2×10^-3rad。

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图5-11 激光热处理装置示意

利用激光照射事先经过黑化处理的工件表面，使表面薄层快速加热到相变温度以上（低于熔点）。光束移开后通过自激冷却即可实现表面淬火硬化。用于激光表面淬火的功率密度为10³～10⁶W/cm²。由于加热工件表面温度及穿透深度均与激光照射持续时间的平方根成正比，因此，当激光束功率及光斑尺寸确定后，通过改变激光束的扫描速率，就可以控制工件表面温度与加热层深度。

激光淬火的基本工艺参数是：激光器的输出功率、光斑尺寸、扫描速度（或工件移动速度），其次还有材料对光的吸收率等。

激光淬火钢件表层可获得极细的马氏体，合金钢硬化区组织为极细板条或针状马氏体、未溶碳化物及少量残留奥氏体，激光硬化区与基体交界区呈现复杂的多向组织。

激光表面淬火与高频感应及火焰加热表面淬火相比较，前者受热及冷却区域极小，因之畸变极小、残余应力小，且由于毫无氧化、脱碳作用，淬火表面更加光亮洁净，从而可在最终精加工工序以后进行。利用激光加热表面淬火还可以解决工件拐角、沟槽、不通孔、深孔内壁等用其他热处理方法很难解决的强化问题。

激光表面热处理可改善模具表面硬度、耐磨性、热稳定性、抗疲劳性和临界断裂韧度等力学性能，是提高模具寿命的有效途径之一。例如GCr15钢制轴承保持架冲孔用的冲孔凹模，经常规处理后的使用寿命为1.12万次，经激光硬化处理后的寿命达2.8万次。GCr15钢制挤压孔边用的压坡模，经激光处理后，可连续冲压6000件，而按常规热处理工艺处理后，最高使用寿命为3000件。

目前，国内激光热处理已经应用于生产实践。GCr15钢制冲孔模经激光强化处理后，其使用寿命提高了2倍，硅钢片模具经处理后，使用寿命提高了10倍。

激光表面强化技术主要包括激光淬火、激光熔凝硬化、激光合金化、激光熔覆等。