激光热处理在多种行业的广泛应用及其参数影响分析

自1960年美国休斯公司梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，人们就开始探索激光在材料加工领域的应用。随着高能量YAG激光器和CO₂激光器的出现，以及其性能的进一步稳定与提高，激光加工逐步成为一个新兴的高技术产业。激光加工是以激光为热源，通过激光束与材料发生相互作用。即利用高能量密度的激光束照射材料表面，将其加热、熔化、气化的一种无机械接触的加工方法。激光束可以被聚集成能量密度极高的微小光点，理论上功率密度可达10¹²W／cm²，因而几乎可以加工所有的金属和非金属材料，包含各种坚硬的高熔点材料。激光加工的应用范围十分广阔，已在机械、电子、汽车、航空航天、钢铁、造船、军工等行业获得较为广泛的应用。

激光表面处理主要包括激光相交硬化（LHT）也称为激光淬火、激光熔覆（LSC）、激光熔凝（LSM）、激光合金化（LSA）以及激光冲击硬化（LSH）等。激光表面处理是通过激光对材料表面进行加热、熔化或冲击后产生相互作用，使材料表面的成分、组织与性能发生所希望的变化，改善金属零件表面的机械与力学综合性能，从而达到提高零件的表面强度、耐磨性和耐蚀性，延长零件的使用寿命的目的。与常规表面处理技术相比较，激光表面技术除可获得高性能的金属表层外，还具有常规方法难以达到的优点，使得近年来各种激光表面处理方法不断得到快速发展，成为当今材料表面处理的重要发展方向之一。但是由于激光表面处理的过程十分复杂，激光与金属材料相互作用的机理还不完全清楚，不同材料之间又有很大差异，从目前的状况来看，激光表面处理技术离推广应用还有很大差距，针对应用过程中的一些关键技术问题开展研究，无疑对促进激光表面处理的应用具有重要的意义。

1.激光淬火工艺

激光表面淬火是激光表面处理技术中应用最早的一项技术，是一种快速、局部的淬火工艺。主要利用激光束扫描工件表面后，将材料表面温度快速加热到相变温度以上、熔点以下，并依靠工件基体本身的导热将热量迅速向基体内部传递，达到快速冷却淬火的目的。这一过程是通过固态自冷却淬火即固态相变重结晶，改变表面组织结构而产生强化效果，淬火后可获得一定厚度的硬化层。激光淬火适用材料范围非常广，可适用于各类钢材和铸铁材料的表面强化，一些有色金属如钛合金、铝合金、镁合金、锆合金也可以进行激光表面强化处理。利用灵活的导光系统可随意将激光导向需处理的局部表面，同一套激光加工设备可实现对各种类型完全不同的零件表面的处理。很容易解决大型零件局部表面和齿轮等形状复杂零件表面强化工艺的难题。激光淬火对提高机械零件的力学性能有其独特的效果，特别是它解决了常规热处理引起的变形和精度下降等问题，在应用中受到关注。

激光淬火的研究与发展主要分为理论与应用两个方面。在理论方面，国内外专家围绕激光淬火温度场模拟与层深预测、硬化层的耐磨性和疲劳强度、预处理涂层的研制与吸收率等方面开展了广泛研究。激光淬火快速加热与快速冷却的特点，使激光淬火表面具有比常规淬火更高的硬度与耐磨性，同时可使零件心部仍保持较好的韧性。国内外大量研究和应用实例表明，一般激光淬火硬化层硬度比常规淬火提高15％～20％，耐磨性也可明显提高。

在激光热处理中，相变硬化带的形状和硬化层深是一项综合性能指标，也是衡量激光淬火质量的主要因素，正确地估算和预测硬化层深和形状，具有重要实际意义。硬化层的形成与淬火过程的温度场直接相关，由于激光快速加热的特点，难以对激光淬火过程的温度场进行实时测量，因此国内外学者纷纷开展激光淬火温度场模拟和硬化层预测工作。王学峰等对激光淬火过程进行了数值模拟，该模型考虑了功率密度的影响，可进行基于层深的工艺参数优化。M.Soukieh等人建立了双层合金激光处理的数学模型，通过非单一材料热传导方程的求解可预测加热区域的温度场分布。J.M.Amado等人采用拉普拉斯变换边界单元方法，来解决高斯分布热源的瞬态热传导问题。马琨等人提出了一种激光热处理三维温度场内部边界条件模型，运用有限元方法，对激光热处理温度场进行数值模拟，该模型可以用于有限大工件硬化区域的预测。

我国从20世纪80年代开始率先对汽车发动机缸体、缸套等零件进行激光淬火研究，取得成功。激光淬火工艺的推广应用十分活跃，目前在汽车许多关键件上如曲轴、凸轮轴、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理；在复杂零件、重载与恶劣环境下的零件表面强化工艺与应用方面也取得了进展，如大型曲轴、大模数齿轮、长轴、大型轧辊、钻杆接头、叶片、泥浆泵的泵筒等零件的表面强化处理，拓展了激光淬火的应用范围。冶金轧辊激光强化处理工艺的大面积推广，将给轧钢厂带来巨大的经济效益。井下采油作业时，开采液体中含有大量的腐蚀性气体，再加上井底杂物磨粒的作用，使抽油泵简、钻具等零件的损坏经常发生，使用激光淬火后，寿命可成倍提高。激光淬火的应用领域不断拓展。激光热处理在汽车行业应用极为广泛，继而拓展到汽车行业以外的冶金、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。目前激光表面淬火在表面淬火行业的总产值中所占份额还不大，其应用还有很大的潜力。(www.xing528.com)

2.激光淬火存在问题分析

在激光淬火技术发展的短短20多年当中，人们在硬化层形成机理相关的理论研究和具体零件的应用方面都取得一些成果，但在围绕工艺参数优化与硬化层深预测、硬化层深、硬化层性能、预处理材料及其吸收率等方面还有许多关键问题有待进一步研究。

（1）参数对激光淬火硬化层的影响 由于激光热处理是一个十分复杂的过程，包含吸热、热传导、相变、冷却等过程，所以硬化层的形成是多因素综合的结果。主要参数涉及材料的热物性参数如相变温度、导热系数、比热容等，以及激光工艺参数如激光功率、光斑尺寸、扫描速度、材料表面的热吸收系数、光斑的空间能量分布等。研究表明，热处理结果的好坏完全依赖于这些处理参数的合理选择，对热处理过程合理控制。在参数优化与温度场模拟过程中，普遍将被处理的材料视为热物性参数与温度无关的各向同性的均匀介质，假设光斑为功率密度均匀分布的矩形，而且材料不同、预处理方法不同时，表面吸收系数大都按经验取为常数。尽管如此，计算、模拟过程仍非常复杂，且与实际结果并不完全吻合，制约了该项技术的应用和推广。李俊昌等人提出，材料表面预处理后，涂层对激光的吸收率是随着温度而变化的。随着计算机技术的发展，借助于计算机技术和有限元理论进行激光淬火热分析与模拟成为可能，可以便捷地实现功率、扫描速度、吸收系数等影响因素对硬化层的定量分析。

（2）齿轮的激光淬火 齿轮激光淬火后获得高于常规淬火的硬度和理想的硬化层分布，可明显提高耐磨性，而且变形很小，对齿轮的表面粗糙度的影响也很小，一般不需要再次磨削加工，在实际应用中均取得较好的效果，工艺也日渐成熟，日益受到人们的重视。从激光淬火齿轮硬化层性能来看，许多学者认为可以替代常规的渗碳等传统表面处理工艺，而且可大大降低生产成本，提高生产效率。但出于激光淬火技术发展的历史不长，到目前为止还没有激光淬火齿轮承载能力与疲劳极限的相关标准，也还缺乏与实际工况接近的激光淬火齿轮疲劳寿命试验研究。

（3）激光淬火的硬化层深度 激光淬火研究与应用中，人们对硬化层性能与硬化层深度十分关注，包括齿轮在内的金属零件激光淬火硬化层层深一般为1mm左右，大多数在0.6～0.8mm之间，而且实际应用取得理想的效果。但与常规表面处理相比，人们总是会提出硬化层深度过浅的问题。目前国内外还没有建立齿轮激光淬火硬化层深度与承载能力的理论计算标准或相关的换算标准，使得应用中缺乏相关的理论依据。所以人们对齿轮激光淬火所达到的层深是否能满足强度要求存有疑虑，国内外相关的研究也很少，从而影响了该项技术的推广应用。