激光熱處理的技術(shù)特點(diǎn)、原理及應(yīng)用:
1、特點(diǎn)：高速加熱，高速冷卻，獲得的組織細(xì)密、硬度高、耐磨性能好；淬火部位可獲得大于400kgf/mm2的殘余壓應(yīng)力，有助于提高疲憊性能；還可以進(jìn)行侷部選擇性淬火，通過(guò)對(duì)多光斑尺寸的控制，更適合其它熱處理方法無(wú)法勝任的管孔、深溝、微區(qū)、夾角和刀具刃口等侷部區(qū)域的硬化；激光可以遠(yuǎn)距離傳送，可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光器多工作臺(tái)同時(shí)使用，采用計(jì)算(duo1 gong1 zuo1 tai2 tong2 shi2 shi3 yong4 _cai3 yong4 ji4 suan4)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熱處理工藝過(guò)程的控制和治理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。
2、原理：激光的穿透能力極強(qiáng)，當(dāng)把金屬表面加熱到僅低于熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其表面迅速奧氏體化，然后急速自冷淬火，金屬表面迅速被強(qiáng)化，即激光相變硬化。激光熱處理就是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，對(duì)材料實(shí)現(xiàn)相變硬化、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其它表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。
3、應(yīng)用：隨著大功率CO2激光器的發(fā)展，用激光就可以實(shí)現(xiàn)各種形式的表面處理，許多汽車(chē)要害件，如：缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、排氣門(mén)、閥座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。美國(guó)通用汽車(chē)公司用十幾臺(tái)千瓦級(jí)CO2激光器，對(duì)轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)壁侷部硬化，日產(chǎn)3萬(wàn)套，提高工效四倍；中國(guó)采用大功率CO2激光器對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)化處理，可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)大修里程到15萬(wàn)公里以上；激光熱處理過(guò)的缸(wan gong li yi shang _ji guang re chu li guo de gang)體、缸套淬硬帶的耐磨性大幅度提高，未淬硬帶可增加儲(chǔ)油，改善潤(rùn)滑性能。
缸體激光熱處理設(shè)備及生產(chǎn)線(xiàn)激光涂覆與激光合金化工藝相似，但不同的是不另外加入合金，使金屬表面融化隨即冷卻凝固，從而得到細(xì)微的接近均勻的表層組織，對(duì)于某些共晶合金，還可得到非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能，例如，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵閥座上進(jìn)行鉻基表面涂覆，可獲得良好的不銹鋼表面。
激光熱處理技術(shù)已在我國(guó)得到了一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，他在壓縮機(jī)中成功的例子很多，舉例如下。
1 激光毛化冷軋輥
為了生產(chǎn)沖壓或深沖壓用的優(yōu)質(zhì)毛面薄鋼板，軋鋼廠(chǎng)需要對(duì)工作軋輥表面進(jìn)行毛化處理。以往軋輥毛化的方法是噴丸處理，但難以精確控制軋輥表面的形貌和粗糙度，為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外均做了大量研究。中科院力學(xué)所研究成功軋輥激光毛化技術(shù)[45]。軋輥激光毛化技術(shù)又稱(chēng)激光織構(gòu)化，出自于Texturing the Roughness of Work Rolls by Means of Laser Pulses。
軋輥激光毛化技術(shù)可以精確控制所加工軋輥表面的形貌和粗糙度，軋制生產(chǎn)的激光毛面鋼板具有優(yōu)良的沖壓成形性能和涂漆光亮度，其塑性變形能力有所改善，明顯優(yōu)于同材質(zhì)的光面板和噴丸毛面板。激光毛化技術(shù)可以在毛化的同時(shí)，使激光作用區(qū)的材料獲得超常硬度，給軋面帶來(lái)超常的強(qiáng)韌化效果，延長(zhǎng)軋輥使用壽命。軋制低碳鋼板的激光輥壽命是普通輥的3～5倍；冷軋65Mn鋼的激光輥壽命是普通輥的2～3倍；平整軋制低碳沖壓用毛面板的激光輥壽命比普通輥的提高5～10倍。此外激光毛化加工也可改善軋輥使用性能，由于優(yōu)化摩擦條件，軋制時(shí)不易打滑和粘連，軋制速度可提高一倍以上，消除板卷退火粘結(jié)現(xiàn)象，可進(jìn)一步優(yōu)化軋制參數(shù)，甚至可用激光輥實(shí)現(xiàn)異步軋制。通常大面積的激光處理采用連續(xù)掃描，由線(xiàn)及面地進(jìn)行，此時(shí)存在掃描帶重疊造成回火軟帶和掃描帶不重疊所致表面各向異性的問(wèn)題。為此，提出用脈沖激光離散熔凝處理代替激光連續(xù)掃描工藝。軋輥的激光毛化技術(shù)就是脈沖激光離散熔凝處理技術(shù)的成功的應(yīng)用。
冷軋輥的激光毛化技術(shù)已在我國(guó)獲得一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。1990年3月中科院力學(xué)所在中國(guó)大恒、北京吉普汽車(chē)、首鋼鋼研所協(xié)作下，開(kāi)展YAG激光毛化冷軋輥工藝攻關(guān)，至1992年6月研制成功第一臺(tái)可用于帶鋼規(guī)模生產(chǎn)的YAG激光毛化冷軋輥實(shí)驗(yàn)裝置。1992年8月開(kāi)始用于秦皇島龍騰精密帶鋼公司生產(chǎn)，1994年3套大、中、小型YAG激光毛化冷軋輥成套設(shè)備分別在天津市冷軋薄板廠(chǎng)、鞍山帶鋼廠(chǎng)、無(wú)錫遠(yuǎn)方帶鋼廠(chǎng)投產(chǎn)。僅一年時(shí)間，天津冷軋薄板廠(chǎng)近十萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)激光毛化板投放市場(chǎng)，使我國(guó)繼比利時(shí)、日本、德國(guó)之后世界上第四個(gè)掌握激光毛化冷軋輥新技術(shù)并用于規(guī)模生產(chǎn)的國(guó)家。1995年華中理工大學(xué)、武鋼、武漢重機(jī)合作研制成功CO2激光毛化冷軋輥裝備并試軋了300t CO2激光毛化鋼板。上述成果說(shuō)明了激光毛化技術(shù)和裝備及其工業(yè)應(yīng)用是我國(guó)激光熱處理產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合獲得巨大成功的一個(gè)突出例子，值得推廣。
2 熱軋輥的激光強(qiáng)化
廣州富通公司是一家民營(yíng)高科技企業(yè)，于1994年開(kāi)始進(jìn)行激光加工技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作，已開(kāi)發(fā)成功GFT激光多功能加工機(jī)床[47]，用來(lái)對(duì)冶金大宗消耗件和其他各類(lèi)機(jī)械零件進(jìn)行激光表面改性和修復(fù)，1998年4月取得冶金工業(yè)部的鑒定證書(shū)。其中對(duì)熱軋輥的處理取得如下效果：
軋輥名稱(chēng)材質(zhì)處理前處理后表面硬度(HRC)軋鋼量／t表面硬度HRC軋鋼量／t壽命對(duì)比65070Mn2鋼2590057～601800提高一倍500CrMo球鐵20700551300提高80%450CrMo球鐵37700571100提高55%300CrNiMo冷硬鑄鐵 1000 1500提高50%
目前該企業(yè)主要產(chǎn)品GFT激光熱處理機(jī)已進(jìn)入新疆八鋼和邯鋼、萊鋼、濟(jì)鋼、玉柴等大中型企業(yè)，市場(chǎng)前景良好。
3 汽缸體和缸套內(nèi)壁的激光強(qiáng)化
汽缸體和缸套的激光強(qiáng)化是激光熱處理技術(shù)在我國(guó)最早獲得實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例。目前激光缸套的生產(chǎn)企業(yè)以西安內(nèi)燃機(jī)配件廠(chǎng)為代表[48]，該廠(chǎng)1990年10月建成全國(guó)第一條缸套激光熱處理生產(chǎn)線(xiàn)，至1998年底已建成24條激光熱處理生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)120萬(wàn)只激光缸套，耐磨性比普通缸套提高25%～30%以上，使缸套壽命從6000～8000h提高到10000h以上，同時(shí)具有優(yōu)越的配副性和抗拉缸性能，還可配用任何材質(zhì)的活塞環(huán)，與之相匹配的活塞環(huán)的壽命可提高30%～46%以上，并且可縮短初期磨合時(shí)間。而已在汽車(chē)修理行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用的激光強(qiáng)化裝備以青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司的產(chǎn)品較多[49]，該公司已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了5種型號(hào)的激光強(qiáng)化機(jī)，市場(chǎng)信譽(yù)良好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該公司產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)近80家汽車(chē)大修廠(chǎng)、鏜缸磨軸廠(chǎng)、缸套廠(chǎng)、大專(zhuān)院校和科研院所使用，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
4 各種機(jī)械零部件局部表面的激光強(qiáng)化
上海工程技術(shù)大學(xué)在對(duì)球鐵的激光熱處理進(jìn)行系統(tǒng)深入研究基礎(chǔ)上與中國(guó)迅達(dá)電梯公司上海電梯廠(chǎng)緊密合作，研制成功電梯正弦輪V型槽面的激光強(qiáng)化技術(shù)[50]，經(jīng)瑞士迅達(dá)電梯公司多次派專(zhuān)家進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，確認(rèn)完全符合質(zhì)量要求，自1991年以來(lái)，已將此工藝列入中國(guó)迅達(dá)公司的生產(chǎn)工藝，已累計(jì)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)1200萬(wàn)元，發(fā)展前景良好。
勝利油田鉆井工藝研究院自1993年以來(lái)，為油田鉆采作業(yè)解決了一系列關(guān)鍵零件的激光強(qiáng)化問(wèn)題。已投入生產(chǎn)的零件有：①組合抽油泵缸套的激光淬火；②整筒泵泵筒(長(zhǎng)7m，內(nèi)徑56～83mm)的激光淬火機(jī)床研制及激光處理工藝開(kāi)發(fā)；③鉆井、修井用的27／8″鉆桿接頭的激光強(qiáng)化；④高壓柱塞泵柱塞的激光陶瓷合金化。
天津修船技術(shù)研究所1997年建成激光加工中心，已為船舶行業(yè)的壓縮機(jī)缸體、船用發(fā)電機(jī)組大模數(shù)齒輪、船用主機(jī)大直徑缸套、減速器齒輪進(jìn)行激光強(qiáng)化，還成功地解決了食品機(jī)械大直徑QT700-2曲軸主軸頸和偏心軸頸的激光強(qiáng)化工藝。
中科院沈陽(yáng)金屬腐蝕研究所在對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片激光熔覆修復(fù)取得成功的基礎(chǔ)上，把激光熔覆技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用朝產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
還有不少已取得重要突破的項(xiàng)目,可以預(yù)期，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，尤其是制造業(yè)的發(fā)展，激光熱處理技術(shù)及其裝備的研究、開(kāi)發(fā)將會(huì)得到更深入的發(fā)展及更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
激光熱處理技術(shù)及其裝備的研究、開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)激光熱處理的發(fā)展起了一定的促進(jìn)作用，今后將繼續(xù)在組織學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)、決策咨詢(xún)、可行性研究和促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合等方面作出努力。
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