激光热处理技术的工业应用

激光热处理技术的工业应用

  激光技术是本世纪60年代初诞生，而且发展极为迅速的一门高新技术。它的发展与渗透，带动了其它学科和技术的发展，激光技术已成为本世纪高新技术产业的主要支柱之一。 

　　激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用，激光加工技术加速了对传统加工工业的改造，提供了现代工业加工技术的新手段，影响很大。激光加工是指用高功率激光束对工业用零部件进行切割、热处理、焊接、打孔等等，与传统加工方法相比，激光加工的特点是:激光束能量高度集中，加工区域小，因而热变形小，加工质量高、精度高，加工件不受尺寸、形状限制，不需冷却介质，而且无污染，噪声小，劳动强度低，效率高。激光加工技术的产业化热处理正在我国兴起。

　　一、激光热处理技术的特点

　　激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对材料实现相变硬化(或称做表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火)、表面合金化等表面改性处理，产生用其它表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。

　　激光具有单色性、相干性、方向性和高能量密度四大特点，因此，其穿透能力极强。激光的穿透能力是由其能量大孝功率密度强弱、时间长短而决定。当功率密度为103W/cm2～107W/cm2时，以103℃/s～107℃/s加热速度把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，冷却速度可达1.7×104℃/s，金属表面迅速被强化，这就是激光相变硬化。

　　激光热处理时相对于传统热处理设备的显著特点是:具有高速加热，高速冷却，获得的组织细密、硬度高、耐磨性能好;淬火部位可获得大于400kgf/mm2的残余压应力，有助于提高疲劳性能;还可以进行局部选择性淬火，通过对多光斑尺寸的控制，更适合其它热处理方法无法胜任的管孔、深沟、微区、夹角和刀具刃口等局部区域的硬化;激光可以远距离传送，可以实现一台激光器多工作台同时使用，采用计算机编程实现对激光热处理工艺过程的控制和管理，实现生产过程的自动化。

　　二、激光热处理在工业上的应用及发展

　　由于激光热处理有相当明显的优点，解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题，在国内外受到了高度重视，激光热处理得到了迅速的发展。

　　大功率CO2激光器从70年代起发展很快，先进工业国家大功率CO2激光器已产品化、系列化。我国从“七五”以后相继研制成功了千瓦级至万瓦级大功率CO2多模激光器。随着大功率激光器的发展，用激光就可以实现各种形式的表面处理。它是引起材料组织结构变化的冶金过程，其加热时间在10- 3s～10-7s的范围内，功率密度为每平方毫米大于0.1 kW。它的应用极为广泛，几乎一切金属表面热处理都可以应用。目前应用比较多的有汽车、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。

　　激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多汽车关键件上，如:缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。例如，美国通用汽车公司用十几台千瓦级CO2激光器，对换向器壳内壁局部硬化，日产3万套，提高工效四倍。我国采用大功率CO2激光器对汽车发动机进行缸孔内壁强化处理，可延长发动机大修里程到15万公里以上，一台汽缸等于三台不经处理的汽缸。

　　激光热处理过的缸体、缸套淬硬带的耐磨性大幅度提高，未淬硬带可增加储油，改善润滑性能我国拖拉机发展快，不断推出新品牌，但拖拉机用内燃机缸体、缸套寿命短，损坏严重，维修量很大，西安内燃机配件厂在国家科委的帮助下，首先建起了柴油机缸套激光热处理生产线，年产60万只，寿命延长10000 小时。

　　缸体激光热处理设备及生产线激光涂覆与激光合金化工艺相似，但不同的是不另外加入合金，使金属表面融化随即冷却凝固，从而得到细微的接近均匀的表层组织，对于某些共晶合金，还可得到非晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能，例如，在柴油发动机铸铁阀座上进行铬基表面涂覆，可获得良好的不锈钢表面。

　　激光热处理在大型机车制造业已被采用，大大提高了机车寿命，主要是机车大型曲轴的激光热处理和机车柴油机缸套和机车主簧片的激光热处理。模具的制造工艺复杂，精度要求高，形状各异，应用广泛，但往往因模具的寿命短而加大了成本，返修也很困难。用激光对模具表面进行热处理，已逐渐被认识和被采用，可成倍的提高模具的寿命，又不受形状和尺寸的限制。

　　激光热处理过的曲轴由于激光热处理越来越显示其优越性，各种大功率CO2激光热处理机不断问世。有些大型企业不惜代价引进国外先进设备，如大连机车车辆厂引进德国6000W CO2激光器用于大型曲轴热处理生产线等。与此同时，国产的大功率CO2激光热处理设备销售每年也成倍增长，激光热处理生产线在各地相继发展起来。

　　目前比较成功的例子有大连机车车辆厂用于机车曲轴、缸套、立簧片的激光热处理生产线;西安内燃机厂柴油机缸套激光热处理生产线;北京内燃机及首都汽车公司的汽车发动机缸套激光热处理生产线;长春第一汽车制造厂激光热处理生产线。同时全国各地还建立了不同规模的激光加工中心，为各行业机器零件进行激光热处理。

　　三、开发激光热处理的新应用，促进激光加工产业化

　　激光是一门高新技术，应用领域很广。激光热处理的技术关键有三:高功率的激光器;多自由度的加工设备并与计算机配套;不同应用的激光热处理工艺。经过我国激光科技人员十几年的努力，这三个方面都有了很快的发展，为激光热处理技术的推广创造了条件。近几年来，激光产业以两位数的速度增长，高于国际激光产业发展的速度，也高于全国工业增长的速度，可见其前景是远大的。

　　激光热处理技术的应用在我国尚不普遍，主要是人们对激光技术的应用，还存在不同程度的神秘化和偏见。激光技术、激光热处理应用推广宣传不够，缺乏实践。因此应尽快把激光技术的科研成果，特别是激光热处理技术面向经济、面向市场、面向全社会，主要是为工业企业服务，不断推广，扩大其应用。

　　为了达到这一目的，建立专用的激光热处理生产线固然重要，然而建立多功能的激光加工中心，为更多的中小企业服务，更不可少。在美国、欧洲和日本就有这种加工中心800多家，我国不少城市近几年也建立了相类似的激光加工中心，服务于各行各业，起到了很好的示范作用，也创造了可观的经济效益和社会效益。

　　可以毫不夸张的说，激光热处理几乎可以解决金属表面热处理的所有问题，只是工艺要不断的摸索、探讨、实验。激光热处理中心可以完成这些工作，并以最快的速度发展其应用。例如，在不断发展的汽车、拖拉机修理行业中，激光热处理已经取得非常好的应用效果。

　　可以预言，激光加工技术，特别是激光热处理技术的发展和应用必将加速我国的激光产业化进程，对传统电炉、燃气炉、燃油炉热处理有深远的影响。

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