079激光表面淬火的应用(精)
激光淬火技术工艺介绍及应用
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。
一：激光淬火的特点
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、不需要水或油等冷却介质、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。
二：激光淬火工业应用实例
激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。
适用材料为中、高碳钢，铸铁。
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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。
浅析激光淬火技术在汽车模具中的应用
浅析激光淬火技术在汽车模具中的应用■尧军，陈平摘要：介绍了激光淬火的工作原理及构造特点，研究了激光淬火技术在汽车模具拉延模以及切边、翻边镶件中的应用情况，以火焰淬火和激光淬火技术作对比研究和实践，进而深入分析了激光淬火技术对模具制造工艺的优化以及对模具表面质量的影响。
关键词：激光淬火；拉延模淬火；镶件淬火；工艺优化；表面质量激光淬火淬硬层均匀，硬度高，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，不需要像感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应器，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。
经过近几年的技术研究，目前，我公司已掌握激光淬火关键技术，并应用于汽车覆盖件模具的表面处理。
1.激光淬火的工作原理激光淬火主要原理是金属材料中自由电子吸收激光光子能量，温度升高到共析点以上、熔点以下，发生固态相变反应，通过基体传热实现自冷淬火，在零部件表面有限深度内发生的固态相变的过程。
图1为我公司激光3D双工位淬火设备，主要由大功率激光器、六轴机器手、激光传输和聚焦系统、光学加工头以及控制系统等组成。
光源采用行业先进激光器，经光束耦合器耦合后采用柔性光纤传输，光束波长在970~1070n m之间，光束质量约为4.3m m·m r a d，设备输出功率在2000~6000W，输出光斑直径为0.2~4mm，光束宽度约为20m m。
光学系统由准直、聚焦、光束整形等元件及监控系统组成；机床由六轴机器人和辅助机构（线性导轨）构成，轨道行程为4m，机械手运动直径约8m。
可采用离线编程系统、示教编程和专家编程等方法完成复杂形状零件的三维轨迹规划、编程以及运动程序的生成。
2.激光淬火应用于模具淬火（1）拉延模具淬火根据拉延模具成形的特点，与板料接触的凸R位置和板料流动较大的面需要有高的耐磨性，即高硬度。
如图2所示，拉延模型面上的凸R一般都需要进行淬火处理。
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
激光表面淬火的应用
激光表面淬火在模具制造业中的应用
3、经激光热处理的 GCr15,轴承钢中的位错密度很高 ,而在残留奥氏体中也有同 样的位错密度,因此,激光淬火能获得超高硬度。
4、对W18Cr4V高速钢进行激光表面淬火,相变硬化层的硬度峰值为HV946,红硬性 比常规淬火高出 80度,经640度回火后硬度峰值达 HV1003，耐磨性比常规热处理
激光表面淬火的应用 5
应用案例
1）发动机缸体（缸套）表面淬火，热轧钢板剪切机刃口淬火，与可 使缸体耐磨性提高同等未处理的刃口相比寿命提高一倍左右； 2）钢坯切割锯片齿部淬火，65Mn材料表面硬度达50HRC；
激光表面淬火的应用 5
应用案例
3）机床导轨淬火，大幅度提高表面硬度和耐磨性； 4）齿轮齿面淬火，提高接触疲劳强度及耐磨性； 5）发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火； 6）各种刀具刃口激光淬火。
激光表面淬火在模具制造业中的应用
激光表面热处理是一种周期短，无污染，无噪声的绿色热处理工艺，为提高 模具使用寿命创造了有利条件，并取得了较为可观的经济效益。 1）10钢激光淬火，其表面硬度大幅度提高，可以达到HV700，而常规
淬火的低碳马氏体硬度只有380HV；
2）对Cr12模具钢进行激光淬火，晶粒明显细化，经金相分析，该 材料原始组织的晶粒度为12级，而经激光淬火硬化后为15级；
提高1～2.8倍，刀具的切削性能提高2倍以上。
课程小结
1.激光表面淬火的优势。 2.激光表面淬火的应用很广泛。
作业布置
1、激光表面淬火有什么优势？ 作业 2、简述激光表面淬火的应用。
感谢您的观看！
大型齿轮的激光表面淬火
1
激光表面淬火的应用 2
激光表面淬火特别适合高精度要求零件的表面热处理。
激光表面处理技术
常规淬火硬度高5%~20%, 可获得极细的硬 化层组织。
( 3) 由于激光加热速度快, 因而热影响区小, 淬火应力及变形小。一股认为激光淬火处理几乎不产生变形, 而且相变硬化可以使表面产生大于4 000 MPa 的压应力, 有助 于提高零件的疲劳强度; 但厚度小于5mm 的零件其变形仍不 可忽视。
激光表面熔敷
激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金 粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化, 光束移开后自激冷却的一种表面强化方法。
激光表面熔敷特点
( 1) 冷却速度快(高达106 K/s)，组织具有快 速
凝固的典型特征； ( 2) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一
般 小于5%)，与基体呈冶金结合；
激光表面处理技术优 点
( 5) 通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理 较厚的板材；
( 6) 由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的 安全，因此要致力于发展安全设施。
激光表面处理技术
美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载 齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。
----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 ----飞机主传动装置的传动齿轮 用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后 研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。 ----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比 氮化处理快14倍，且所得到的硬化层比经过 10～20h氮化处理的硬化层还厚，质量优 良，几乎无变形。
下优点:
激光表面处理技术优 点
( 1) 能量传递方便，可以对被处理工件表面有 选择的局部强化；
( 2) 能量作用集中，加工时间短，热影响区小， 激光处理后，工件变形小；
激光表面处理技术优 点
( 3) 处理表面形状复杂的工件，而且容易实 现自动化生产线；
激光加工技术及其应用(精)
激光加工技术及其应用概述:激光加工(Laser Beam Machining,简称LBM是指利用能量密度非常高的激光束对工件进行加工的过程。
激光几乎能加工所有材料,例如,塑料、陶瓷、玻璃、金属、半导体材料、复合材料及生物、医用材料等。
在1960年12月,出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。
1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。
1966年,科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。
此外,还有输出能量大、功率高,而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。
与传统加工技术相比,激光加工技术有以下特点(1激光功率密度大,工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化,即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等也可用激光加工;(2、激光头与工件不接触,不存在加工工具磨损问题;(3、工件不受应力,不易污染;(4、可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工;(5、激光束的发散角可小于1毫弧,光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级,因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工;(6、激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合,实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度;(7、在恶劣环境或其他人难以接近的地方,可用机器人进行激光加工。
2.基本原理激光被广泛应用是因为它具有的单色波长、同调性和平行光束等3大特性。
科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质,使其原子的电子达到受激发的高能量状态。
当这些电子要回复到平静的低能量状态时,原子就会射出光子,以放出多余的能量。
这些被放出的光子又会撞击其它原子,激发更多的原子产生光子,引发一连串的连锁反应,并且都朝同一个方前进,进而形成集中的朝向某一方向的强烈光束。
由此可见,激光几乎是一种单色光波,频率范围极窄,又可在一个狭小的方向内集中高能量,所以利用聚焦后的激光束可以穿透各种材料。
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。
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提高1～2.8倍，刀具的切削性能提高2倍以上。
课程小结
1.激光表面淬火的优势。 2.激光表面淬火的应用很广泛。
作业布置
1、激光表面淬火有什么优势？ 作业 2、简述激光表面淬火的应用。
感谢您的观看！
激光表面淬火的应用 5
应用案例
1）发动机缸体（缸套）表面淬火，热轧钢板剪切机刃口淬火，与可 使缸体耐磨性提高同等未处理的刃口相比寿命提高一倍左右； 2）钢坯切割锯片齿部淬火，65Mn材料表面硬度达50HRC；
激光表面淬火的应用 5
应用案例
3）机床导轨淬火，大幅度提高表面硬度和耐磨性； 4）齿轮齿面淬火，提高接触疲劳强度及耐磨性； 5）发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火； 6）各种刀具刃口激光淬火。
1.难以进入热处理炉的大型工件； 2.仅需对沟、槽、孔、边、刃口等局部表面热处理的工件；
3.常规热处理难以处理到的位；
4.常规热处理工艺易产生裂纹的零件； 5.常规热处理达不到硬度要求的零件。
激光表面淬火的应用 4
激光表面淬火在齿轮零件热处理中的应用
1.从激光淬火齿面硬度、硬化层深度以及抗点蚀疲劳强度等性能指标
看，激光淬火完全可以取代常规的齿轮渗碳工艺；
2.激光淬火工艺采用了常用普通中碳钢代替昂贵的合金渗碳钢，有效 地降低了生产成本，产生了良好的经济效益；
激光表面淬火的应用 4
激光表面淬火在齿轮零件热处理中的应用
3.激光淬火解决了常规齿轮渗碳工艺中存在的变形难题，省去了后面的磨 齿工艺，而且提高了成品率，进一步降低了成本。
激光表面淬火在模具制造业中的应用
激光表面热处理是一种周期短，无污染，无噪声的绿色热处理工艺，为提高 模具使用寿命创造了有利条件，并取得了较为可观的经济效益。 1）10钢激光淬火，其表面硬度大幅度提高，可以达到HV700，而常规
淬火的低碳马氏体硬度只有380HV；
2）对Cr12模具钢进行激光淬火，晶粒明显细化，经金相分析，该 材料原始组织的晶粒度为12级，而经激光淬火硬化后为15级；
激光表面淬火在模具制造业中的应用
3、经激光热处理的 GCr15,轴承钢中的位错密度很高 ,而在残留奥氏体中也有同 样的位错密度,因此,激光淬火能获得超高硬度。
4、对W18Cr4V高速钢进行激光表面淬火,相变硬化层的硬度峰值为HV946,红硬性 比常规淬火高出 80度,经640度回火后硬度峰值达 HV1003，耐磨性比常规热处理
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。
激光表面淬火的优势
（1）功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质。
（2）淬硬层均匀，硬度高。
（3）工件变形小，易于实现自动化。
激光表面淬火的应用
激光淬火技术可以对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模 具等零件进行表面强化。 其适用材料为中、高碳钢，铸铁。如激光强化的铸铁发 动机汽缸，其硬度提高到 HB680 ，使用寿命提高 2 ～ 3 倍。激 光表面淬火后的潜水艇、飞机等重载大齿轮能够解决常规热 处理带来的齿轮变形过大及噪音问题。
激光表面淬火的应用
课程：工程材料基础 主讲人： 黄丽娟
教学目标
掌握激光表面淬火技术的应用。
激光表面淬火
激光表面淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身 冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。
激光表面淬火
激光表面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
大型齿轮的激光表面淬火
1
激光表面淬火的应用 2
激光表面淬火特别适合高精度要求零件的表面热处理。
如对大型齿轮的齿面、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加工情况的需要。
大型轴颈的激光表面淬火
激光表面淬火的应用 3
激光表面淬火适用与各类特殊零件的热处理