激光淬火
激光表面淬火-李凤辉
激光表面淬火1 引言激光淬火又称为激光相变硬化，是指以高能密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体，经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。
热量从工件表面向基体内部快速传导，表面得以急剧冷却（冷却速度可达104℃∕ｓ甚至106℃∕ｓ），实现自冷淬火。
2 激光表面淬火的优缺点由于激光相变硬化加热及冷却都是在快速下进行的，所以使得激光相变硬化与常规热处理有许多不同之处。
⑴激光淬火比普通淬火硬度高，耐磨性好，对于低、中碳钢效果更为明显。
⑵激光淬火变形小，热影响区小。
⑶由于激光淬火是自冷，因而不用淬火介质，不必清洗，无污染，生产环境好。
⑷硬化层深度可以控制。
⑸因为光的传递方便，所以可实现自动化生产。
⑹可任意选淬火部位，对零件任一局部可施行淬火，只要光照到的部位均可处理。
尽管激光是一先进技术，有许多优点，但也存在一些不利因素和一定局限性。
⑴设备较贵，一次投资大，对操作人员要求较高。
⑵淬火前表面要增加一预处理工序。
⑶大面积淬火时，扫描带之间有软带，硬度不连续。
⑷光电转化效率还较低。
⑸硬化层深度较浅。
3 激光表面淬火工艺3.1 激光淬火表面预处理由于一般钢铁零件是是在精加工后才强化处理的，表面光亮，对激光的反射率很高，吸收激光能量的能力很低，因此待处理工件表面必须经过表面预处理，以提高激光能量的利用率。
通常采用黑化处理，即在零件表面得到一层对光具有高吸收率的黑色薄膜。
磷化法：用磷酸锰或磷酸锌为主的溶液浸渍零件（可加温），在表面得到深灰色的绒状薄膜，膜厚约10μｍ，CO2激光吸收率可由激光表面的10％～15％提高到70％～95％。
这种黑化处理仅适用于低碳钢、中碳钢和铸铁，对高合金钢（如不锈钢）效果不好。
炭素法：用炭素墨汁或或石墨－粘结济溶液涂在零件表面。
这种方法可用在任何材料上，还可进行局部涂敷。
这种涂层吸收率为90％左右，对材料有一定增碳作用。
激光淬火
一、概述激光淬火技术及应用激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。
激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。
与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。
尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。
激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm范围之间。
对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。
激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。
获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。
激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。
该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。
为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。
现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。
激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益。
近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用二、激光淬火的特点质量优势技术特质适用材料实际应用1．淬火零件不变形激光淬火的热循环过程快中碳钢大型轴类2．几乎不破坏表面粗糙度采用防氧化保护薄涂层模具钢各种模具3．激光淬火不开裂精确定量的数控淬火冷作模具钢模具、刃具4．对局部、沟、槽淬火定位精确的数控淬火中碳合金钢减振器5．激光淬火清洁、高效不需冷却介质铸铁材料发动机汽缸6．淬火硬度比常规方法高淬火层组织细密、强韧性好高碳合金钢大型轧辊三、组成部分● 激光器目前，用于激光淬火的设备主要是横流CO2激光器，该激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内有较低的气体温度，从而保证高功率输出，光束模式为多模输出。
7.18 激光淬火工艺讲解
2.4 影响激光淬火效果的因素
工艺因素 （1）光斑直径：影响淬火层宽度； （2）激光功率、扫描速度：淬火层深度 一般激光淬火使用的功率密度≤104W/cm2(过高导致材料熔化）
图6 激光淬火表面层不同位置的硬度分布
图7 淬火硬化层深度与扫描速度的关系
（3）淬火前预处理：影响吸收率 磷化、黑化或涂覆红外能量吸收材料，其中黑化方法简单可
4. 作业思考题
1）激光淬火的机理与材料的常规热处理机理是否相同？ 2）与材料的常规淬：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解激光表面淬火的原理和工艺特点。
2.激光表面淬火介绍
2.1 激光淬火的概念 激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加
热到相变点以上但低于熔点，依靠金属材料自身传导快速冷却 达到淬火的目的，其实质是马氏体相变硬化。
图5 共析钢的等温转变和连续转变图
2.3 激光淬火的特点
（1）激光淬火后工件获得的马氏体晶粒更细，位错密度更高，强 度比常规淬火提高5%-20%；
（2）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小； （3）热处理的柔性好，可对深孔、凹槽等进行局部硬化； （4）工艺周期短，生产效率高，容易实现自动化； （5）激光淬火无需冷却介质，对环境污染小。
行：胶体石墨和含碳黑的涂料刷涂到工件表面，可提高吸收率达 90%以上。
表1 激光表面淬火应用实例
图8 激光淬火处理齿轮内齿 (40Cr)
图9 激光淬火处理炮管内堂 （38CrNi3MoV)
图10 船用缸套的激光淬火处理
3. 小结
本次课介绍了激光淬火的机理、特点和应用，激光淬 火比传统热处理获得的淬硬层硬度更高。
图1 激光的不同热作用与强化类型
激光熔覆 激光淬火
激光熔覆激光淬火
激光熔覆和激光淬火都是金属表面处理技术中常见的方法，它们在提高材料表面性能方面具有重要作用。
首先，让我们来谈谈激光熔覆。
激光熔覆是一种通过高能密度激光束瞬间熔化金属表面，然后在凝固过程中形成涂层的表面处理方法。
这种方法可以在基体材料表面形成具有优异性能的涂层，如耐磨、耐蚀、高温等特性。
激光熔覆的优点包括熔覆层与基体材料结合强度高、熔覆层成分可调、熔覆过程对基体影响小等。
接下来是激光淬火。
激光淬火是利用激光束对金属表面进行快速加热和冷却，以达到提高材料表面硬度和强度的目的。
激光淬火的优点在于可以实现局部淬火，避免了整体淬火可能导致的变形和裂纹问题，同时可以在保持材料核心韧性的情况下提高表面硬度。
从工艺原理来看，激光熔覆注重在金属表面形成一层具有特定性能的涂层，而激光淬火则是通过快速冷却改变金属的组织结构来提高表面硬度。
两种方法都可以显著提高金属材料的表面性能，但选择哪种方法取决于具体的应用场景和要求。
总的来说，激光熔覆和激光淬火都是重要的金属表面处理技术，它们在提高材料表面硬度、耐磨性、耐蚀性等方面发挥着重要作用，对于提高材料的使用寿命和性能具有重要意义。
激光淬火技术的原理与应用
激 光 加 工 技 术
§7.2
图7-12 熔覆层的截面示意图
6.激光熔覆层的宽度主要决定于光斑直径；而激光熔覆层的厚度与送粉量、扫 描速度、功率密度等参数密切相关。
激 光
7.常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、以及上述合金与
表 面 改
碳化物(WC、TiC、SiC等)，颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶 瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。
§7.2
激
光
表
面
改
性
技
术
图7-11 同步送料法激光熔覆示意图
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7.2.3 激光熔覆技术
第
5.评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层厚度、宽度、形状系数(宽度／厚
七 度)、稀释率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区深度及变形程度等。典型熔
章
覆层的截面示意图见图7-12
性
技
术
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7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
第
4.图7-5所示为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线
七
章
5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为
激 光
CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但两者 中影响淬硬性能的主要基本相同
加
1) 材料成分：是通过材料的淬硬性和淬透
性
技
术
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 表 面 改 性 技 术
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§7.2
第 七 章 激 光 加 工 技 术
现代激光淬火知识
现代激光淬火知识
现代激光淬火是一种利用激光技术对金属表面进行淬火处理的方法。
激光淬火具有高效、快速、高精度和可控性好等特点，广泛应用于各种金属材料的淬火加工和表面改性。
激光淬火的原理是利用激光束高能量密度的特点，使材料表面迅速加热到临界温度以上，并迅速冷却，使材料表面形成具有高硬度和耐磨性的相，从而提高材料的硬度、强度和耐磨性。
激光淬火的优点主要体现在以下几个方面：
1. 高效快速：激光淬火的加工速度快，一般情况下只需要几秒钟，大大节约了淬火处理时间。
2. 可控性好：激光淬火可以对激光功率、扫描速度、淬火时间等参数进行精确控制，能够根据材料的特性和要求进行定制化加工。
3. 表面硬化：激光淬火可以使材料表面硬度提高几倍甚至几十倍，同时还能提高材料的抗疲劳性能和抗弯曲性能。
4. 高精度：激光淬火能够实现对复杂形状零件的加工，并可以实现局部淬火，避免了整体淬火带来的零件形状变化和变形的问题。
5. 应用广泛：激光淬火适用于各种金属材料，包括钢、铸铁、铝合金等。
总的来说，现代激光淬火技术在提高材料硬度、强度和耐磨性方面具有独特的优势，被广泛应用于制造业中的零部件加工和表面改性等领域。
激光淬火的原理、特点及发展现状
激光淬火的原理、特点及发展现状激光淬火的原理激光淬火主要是用来处理铁基材料，其基本机理是通过高能激光束(103 -104W/cm2)扫描工件表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，然后通过热传导使周围材料温度以极快的速度升高到奥氏体相变温度以上、熔点以下，再通过材料基体的自冷却作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度而快速冷却，从而完成相变硬化。
由于激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力，进而可以大大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能，延长工件的使用寿命。
激光淬火的特点激光淬火技术与其他热处理技术，如高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点。
①无需使用外加材料，就可以显著改变被处理材料表面的组织结构，大大改善工件的性能。
激光淬火过程中的急热急冷过程使得淬火后，马氏体晶粒极细、位错密度相对于常规淬火更高，进而大大提高材料性能。
②处理层和基体结合强度高。
激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层表面也是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。
②被处理工件变形极小，适合于高精度零件处理，可作为材料和零件的最后处理工序。
这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短(0.0 1-1 s)，故零件的热变形区和整体变化都很小。
④加工柔性好，适用面广。
从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等局部区域。
改性层厚度与激光淬火中工艺参数息息相关，因此可根据需要调整硬化层深浅，一般可达0.1-l mm。
⑤工艺简单优越。
激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小、污染小、无公害、劳动条件好。
激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生`产，易于批量生产, 效率很高，经济效益显著。
激光淬火的应用和研究现状1965年Kokope发现了45钢激光打孔后可获得极高硬度的马氏体，19 71年美国`通用汽车公司首次成功进行了激光热处理实验，到1974年该公司已将激光相变硬化工艺用于实际生产，自此诞生了激光表面处理技术。
激光淬火知识点总结
激光淬火知识点总结激光淬火的工艺原理激光淬火是利用激光束高能量的瞬时性加热，使材料表面迅速升温到过温度，然后通过冷却淬火，使表面层产生相变，从而获得高强度、高硬度和高耐磨性。
激光淬火的工艺原理包括以下几个方面：1. 光热效应：激光束对材料表面的能量聚焦，使材料表面温度迅速升高，达到相变温度以上，造成局部的超淬质组织。
2. 瞬时性：激光淬火的加热时间极短，热输入高能量密度，迅速升温和降温，形成高强度和高硬度表面。
3. 相变效应：激光加热后迅速冷却，形成奥氏体和马氏体的相变，产生高强度和高硬度的组织结构。
激光淬火的设备激光淬火的设备一般包括激光器、光学系统、工件夹持系统和工艺控制系统等部分。
激光器是激光淬火的关键设备，激光器的类型通常有固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。
光学系统用于对激光进行聚焦和整形，使激光能量能够集中到工件表面，工艺控制系统用于对激光加工参数进行实时监控和调节，以实现激光淬火工艺的精确控制。
激光淬火的工艺控制激光淬火的工艺控制包括激光参数、工件预处理、冷却介质和淬火温度等方面。
激光参数包括激光功率、激光脉冲宽度、激光脉冲频率等，这些参数对激光加工过程中的温度分布和物相变化有重要影响。
工件预处理包括表面清洁和除氧化层等，保证激光在工件表面有效加热，冷却介质包括气体、液体或固体，用于对加热后的工件进行迅速冷却，以稳定组织结构和性能。
激光淬火的应用激光淬火广泛应用于工具、模具、轴承、齿轮、汽车零部件等金属材料的表面强化和改性处理，获得高硬度、高耐磨性和高疲劳强度的表面层，提高材料的使用寿命和性能。
同时，在航空航天、船舶制造和兵器装备等领域也得到了广泛的应用。
激光淬火的发展趋势随着制造业对材料性能要求的不断提高，激光淬火作为一种先进的表面强化处理技术，具有广阔的应用前景。
激光淬火的发展趋势主要包括以下几个方面：1. 高能激光源和光学系统的发展，提高激光淬火的加工效率和加工质量。
2. 激光参数的精确控制和优化设计，获得更高的淬火效果和性能提升。
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某传动设备有限公司齿轮齿根激光淬火
技术方案
齿轮齿根激光淬火技术方案
一、待处理工件情况
某传动设备有限公司是一家研发、生产及维修机械及传动装置的公司，其公司现有两个内齿轮经过感应加热淬火处理，但齿根部分淬火程度不够，强度不够，需进行二次激光淬火进行性能强化，齿轮如下图所示：
二、淬火要求
1、对齿轮的齿根进行淬火，淬火不影响齿根以外的其它部位；
2、淬火深度在1mm左右；
三、激光淬火可行性分析
1、采用激光熔覆手段修复工艺可行性分析：
1）激光淬火能量密度集中，淬火深度大，总热输入量小，淬火后基本不会造成待修复件基体变形；
2）激光淬火相比传统方式，同样可以获得性能优良的淬火结果，下图是我司激光淬火处理后45钢轴类件的金相图片和硬度。
未淬火的基材组织主要是有珠光体+铁素体，硬度较低，而淬火后的组织主要有马氏体和参与奥氏体组成，硬度有了很大提高。
从表1可以看出未淬火的45钢硬度为HV250左右，而经过激光淬火后，硬度提高到HV760左右。
足以说明激光淬火的有效性。
图3-未淬火基材的金相组织图4-淬火后的金相组织
表1 45钢试样测试的硬度值
3）我司拥有随行打磨机器人进行自动打磨，并与多家大型机加企业有长期合作关系，可以满足该件的表面机加处理。
2、我公司技术条件
1）我公司团队在铁基、钴基、镍基等材料的激光熔覆中大量技术积累，并拥有多种成熟的激光熔覆工艺，以及进行金属材料激光淬火的技术条件；
2）我公司从低功率1KW到高功率10KW激光器熔覆系统共四套可以满足不同零件尺寸的修复需求；成套的现场修复系统包括：激光器、高精度6轴工业机器人、送粉器、水冷机、控制软件系统、其它配件备件。
经初步研究评估采用4KW熔覆设备可以满足修复。
托轮现场修复
图8-送粉3d打印成形图9-精细熔覆效果图10-快速熔覆效果3）我公司有丰富的厂内及现场修复经验，并有许多成功案例，涵盖航天、铁路、石油化工、水泥等行业，且受到客户的一致好评。
3、本项目技术评估
本项目中涉及的齿轮是42CrMo钢，是一种常用的轴类、齿轮类高强度钢，具有较好的淬透性，且对于齿轮齿根不易淬透的产品，很适合用激光淬火的方式进行局部处理。
根据之前我司的45钢激光淬火处理结果来看，本项目具有较好的可行性。
四、修复技术路线
1）现场检测：采用现场无损检测手段(着色检测)确定基材近表层是否存在的缺陷； 2）表面预处理：用丙酮冲洗去除检测液、油污、杂物，防止基材不干净导致裂纹、未淬透等问题。
3）设备安装调试、激光淬火：
A 、设备安装对环境要求：380V 工业电、环境湿度小于80%；
B 、将表面处理过的试验件按照设计好的淬火工艺进行淬火处理，切块，制作金相试样，观察其金相组织是否发生转变，测试硬度值，直至达到要求，确认淬火工艺；
C 、根据齿轮待淬火区域形状，规划淬火路径，编写程序；
D 、将齿轮表面处理干净，按照确认合理的淬火工艺对产品进行淬火处理。
4）检测和交付：检测尺寸和缺陷，通过无损检测手段进行探伤确保淬火后无裂纹等缺陷，对淬火后的尺寸进行检测，检测合格后，交付给客户。
检测评估
表面预处理 激光淬火
实时监控
测量
机器人执行 清洗
无损检测
基材成分测定
淬火工艺设计
工艺调试及试验件检测
五、客户收益
采用激光淬火技术对齿轮的齿根进行处理，可以有效解决传统淬火时齿轮齿根淬不透的问题，提升齿根的强度和硬度，改善其在使用中性能，避免断齿的现象，提高齿轮的使用寿命，从而达到节约时间和经济成本的效果。