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上海海事大学硕士学位论文 y 1 0 0 8 5 2 2 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 摘要 激光相变硬化是一个多参数综合的工艺过程，人们难以用实验的方法 直接测量其瞬时温度分布，也就导致了很难对影响相变硬化层深的诸因素 做出定量的分析。随着近代计算技术的发展，可望借助先进的计算机技术， 对影响相变硬化层深的诸因素做出定量的分析。 激光相变硬化工艺参数对硬化效果具有十分重要的影响。本文通过大 量的试验数据和理论分析来研究工艺参数( 扫描速度和功率) 与硬化效果 ( 硬化层深和硬化层分布均匀性) 的关系。激光相变硬化层分布的均匀性 是生产和研究中追求的目标之一。激光相变硬化层分布不均匀性主要体现 在横截面内硬化层形貌和纵截面内进、出端差异。在理论分析和实验研究 的基础上，本文提出了激光变速扫描方法，使得激光相变硬化层的均匀性 得到较好的改善；并利用m a t l a b 数值积分工具箱( n u m e r ic 8 li n t e g r a t i o i l t o o l b o x ) 和偏微分方程工具箱( p d et o o l b o x ) 开发了激光相变硬化模拟 与优化程序。 激光相变硬化模拟与优化程序共分为四大模块：激光相变硬化纵截面 层深模拟程序：激光相变硬化横截面层深模拟程序；激光相变硬化纵截面 层深优化程序；激光相变硬化横截面层深优化程序。激光相变硬化模拟与 优化程序与v b 相链结，通过v b 简捷的图形用户界面( 9 u i ) 操作，能够快速、 方便地进行激光相变硬化模拟与优化计算。实验表明：模拟与优化计算结 果比较准确。 关键词：激光，相变硬化，工艺参数，硬化层 卜海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工岂参数优化研究 a b s t r a c t l a s e rtr a n s f or m a t i e nh a r d e n i n gi sat e c h n i c a lm u l t i - p a r a m e t er s y n t h e t i c p r o c e s s ，w h i c hi sav e r yd i f f i c u i tp r o c e s st ou s ef o rm e a s ur i n gt r a n s i e n t t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i 0 1 3d ir e c t l yb ye x p e r i m e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n i ti sa l s ov e r yd i f f i c u l tt oq u a n t i f yt h o s ef a c t or sw h i c ha f f e c tt h el a y e rt h i c k n e s so f t h em e t a l l o gr a p h i c c h a n g e s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc o m p u r er t e c h n o i o g y i ti sn e wm u c he a s i e rt oq u a n t i f yt h e s ef a c t o r s p ar a m e t er so fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh ar d e n i n gar ev er y i m p o r t a n tt ot h e i n d u r a t i o n se f f e c t i nt h i st h e s i s ，w ea t t e m p tt of i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p ar a m e t e r sa n de f f e c t i ti si m p o r t a n tt oo b t a i nau n f o r mh ar d e n e dc a s ei no ur r e s e a r c ha n dm a n u f a c t ur e ，w h i c hm a i n l yi n d i c a t e st h ed i f f er e n c eb e t w e e nt h e i n p u t - o u t p u ta r e a s b a s e do ne x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea u t h o r p r o p o s e dt h epr o c e s s i n gm e t h o do fl a s e rs c a n n i n gw i t hc h a n g i n gs p e e db ys t a g e ， w h i c hi m p r o v e st h eh e m o g e n e i t yo ft h eh ar d e n e dl a y e r ；a n dd e v e l o p e dap r o gr a m o fl a s ert r a n s f or m a t i o nh a r d e n i n g8 i m u f a t i n ga n do p t i m i z i n gb yt h eu s eo ft h e n u m er i c a ii n t e gr a t i o nt o o l b o xa n dp d et o o l b o xo fm a t l a b t h epr o g r a mo fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gs i m u l a t i n ga n do p t i m i z i n g i n c l u d e sf o urm o d u l e s ：l a s ert r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gs i m u l a t i n gm o d u l eo f i o n g i t u d i n a lc r o s ss e c t i o n l a s ert r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gs i m u l a t i n gm o d u i eo f i a t er a lc r o s ss e c t i o n 。l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh ar d e n i n go p t i m i z i n gm o d u l eo f i o n g i t u d i n a lc r o s ss e c t i o n a n dl a s ert r a n s f or m a t i o nh a r d e n i n go p t i m i z i n g m o d u l eo fl a t er a lc r o s ss e c t i o n t h ep r o gr a mo fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g s i m u l a t i n ga n do p t i m i z i n g ，c o n n e c t i n gw i t hv b ，c a nc a l c u l a t eq u i c k l ya n de a s i l y t h r o u g hg r a p h i c a lu s e ri n t er f a c eo fv b e x p e r i m e n t ss h e w e dt h a tt h e c a i c u l a t i o n sh a v ew o r k e do u tr i g h t k e y w o r d s ：l a s e r t r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r h ar d e n e dc a s e y a nz h a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d ir e c t e db yp r o f s o n gg u a n g m i n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特, 男c l d n 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的声明并表示t i l i t 意。 作者签名：睡艇 日期：蕴： ：! 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部或部分内容，也可以采用影印、缩印或者其他复印手段保留 论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名群导师签名 日期：皇：兰：竺 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 1 1 激光加工技术综述 第1 章绪论 激光加工技术是通过激光束与物质相互作用以实现对材料( 包括金属 与非金属) 进行切割、焊接、打孔、表面处理及微加工等目的的一种先进 制造技术，它涉及到光、机、电、材料及检测控制等多门学科“”1 。 激光加工对传统工业的改造发挥着越来越显著的作用，目前它已广泛 应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门， 对提高产品质量、劳动生产率、自动化水平、无污染程度，减少材料消耗 等都起着重要作用。 作为二十世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的 支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视，激 光产业必将成为二十一世纪世界工业的骨干产业。 1 1 1激光加工技术的应用领域 随着激光加工技术的快速发展，其应用范围越来越广，加工形式多种 多样。就其本质来讲，激光加工实质是激光与材料的相互作用，从这个角 度出发，激光加工可分为以下几种类型： ( 1 ) 激光相变硬化：激光相变硬化是激光束照射材料表面，表面温度 迅速上升，材料奥氏体化，当激光束离开后，材料表面的能量迅速向内部 传递，表面层急剧冷却，从而转变成马氏体，形成表面硬化层。激光相变 硬化主要用于改善金属工件表面耐磨等性能。 ( 2 ) 激光焊接：激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射 到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。激光焊接技术具有溶池 净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料问的焊接。在激 光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士 和美国等。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达8 0 m m ，最小为0 0 5 用胛， 正朝着低成本、高质量的方向发展。常用于汽车车身厚薄板、汽车零件、 上海海事大学硕士学位论文基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和 变形的器件，其应用范围正在向其他行业普及。目前使用的激光器有y a g 激光器、c o 。激光器和半导体泵浦激光器。 ( 3 ) 激光合金化与激光熔覆：激光合金化与激光熔覆是激光束扫描金 属工件表面，使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快速熔化再凝固， 共同形成硬化层。激光合金化是材料表面局部改性的新方法，适用于航空 航天、兵器、核工业、汽车制造等需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能 的零件上。 ( 4 ) 激光切割：激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑， 将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞，并使光束与材料相对移动， 实现连续孔洞的窄切缝。与计算机控制的自动设备结合，激光束具有无限 的仿形切割能力，切割轨迹修改方便：通过预先在计算机内设计，进行众 多复杂零件整张板排料，可实现多零件同时切割，节省材料。用于各种金 属零件和特殊材料的切割，如圆形锯片、亚克力、弹簧垫片，2 m m 以下的 电子机件用铜板、金属网板、钢管、镀锡铁板、磷青铜、电木板、薄铝台 金、石英玻璃、硅橡胶、1 册咀下氧化铝陶瓷片以及航天工业使用的钛合 金等。目前使用的激光器有y a g 激光器和c o ：轴流激光器。 ( 5 ) 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、屯子仪表、 化工等行业。激光打孔的迅速发展主要体现在：打孔用y a g 激光器的平均输 出功率已经可以达到8 0 0 一1 0 0 0 f ，o 国内目前比较成熟的激光打孔的应 用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、 飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以y a g 激光器、c 0 。激光器为主，也有些准分子激光器、同位素激光器和半导体 泵浦激光器。 ( 6 ) 激光快速成型：激光快速成型是将激光加工技术和计算机数控技 术及柔性制造技术相结合而形成，多用于模具和模型行业。目前使用的激 光器多以y a 6 激光器和c o ：激光器为主。 ( 7 ) 其他激光加工：激光加工在其他领域中的应用有激光超精细加工、 激光微型机械加工、激光法制各纳米粉材料、激光非晶化等。 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 1 1 2 激光加工的特点 激光加工是一种无接触加工，加工速度快，无噪声，激光的聚焦和照 射位置都比较容易控制，因此激光加工具有高效、优质、清洁、灵活、加 工范围广、经济效益好、易于进行自动化控制、实现柔性加工和智能加工 等无可争议的优势。与传统加工相比，激光加工有很多特点： ( 1 ) 加工精度高。激光加工时，激光束只照射到工件表面的局部区域， 由于工件与激光束之间的相对移动速度快，工件表面局部区域只是瞬时吸 收很大热量，产生很高温升，该局部区域相对整个工件表面是很小的，因 此热影响区小，工件基本无变形，加工精度高。激光加工常可以省去后续 加工，从而大大节省了时间和费用。 ( 2 ) 加工适应性强。几乎对所有的材料都能加工，包括某些传统方法 无法加工的各种高强度、高硬度、高熔点的材料，脆性和软性等特殊材料。 因此、激光加工广泛应用于汽车、电子电器、航空航天、冶金、机械制造 等行业。 ( 3 ) 加工效率高。由于激光加工过程中激光束与工件表面不直接接触， 不会产生工件间的摩擦，无切削阻力，加工速度快，因而生产效率高，同 时无噪声无污染，有利于环保。 ( 4 ) 加工灵活性高。激光束可以在大气中传播，能量损失极小，容易 实现远程操作，而且其导向和聚焦性能好，可根据不同的加工要求，得到 不同的光斑尺寸和功率密度，还可借助分光镜等光学系统，实现一机多工 位同时加工或分时异地加工。 ( 5 ) 激光加工没有反冲力，工件安装机构大大简化，容易实现复杂形 状零件的加工及加工的自动化。 1 1 3激光加工技术的发展 目前，激光加工在各个应用领域都得到了迅速发展”“。例如：激光 切割方面，薄金属板的二维和三维激光切割，包括空间曲线的切割技术已 获得应用；非金屑的激光切割已有一定发展；新的激光切割技术如水冷激 光切割、高功率c o 。激光切害0 等不断出现，这些新技术有些已应用于工业 生产，有些则具有良好的应用前景。激光焊接在汽车工业中应用广泛，如 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 车身部件及组装采用激光焊接，逐步取代了传统的电阻点焊；激光焊接在 电子工业中也得到应用，采用y a g 激光焊接显像管电子枪已用于生产；另 外，激光焊接集成电路引线、继电器、微机键盘字键等均已获得成功。 在国外，美国、日本和德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界 激光产业发展水平。这三国在世界激光加工产业的市场份额分别为：美国 ( 包括北美) 占5 5 ，欧洲占2 2 ，日本和太平洋地区占2 3 。 我国在“六五”至“十五”期间对激光技术的基础研究进行了大力的 投入，已经在北京、上海、武汉三地形成中国激光研究、应用的三足鼎立 之势。中国光电子协会提出的国家激光产业发展战略是：以世界激光产业 发展趋势和国内外市场为导向，以国内建设和人民生活急需的重要项目为 龙头，集中力量，发挥优势，重点突破，组织和建立多种投资体制的产业 集团，逐步形成规模生产，加速激光产品商品化、产业化和国际化进程， 争取在2 0 1 0 年国内激光产品销售额达到4 0 0 亿元。中国激光产业应尽快进 行地区性、全国性的兼并重组，组建大激光产业集团，才能抵御国外激光 企业的挑战。 我国目前从事激光器及激光应用设备生产的厂家达5 0 0 多家，其中有 5 个国家级的激光技术研究中心，1 0 多个研究机构，全国有2 1 个省、市、 地区生产和销售激光产品，主要分布在湖北、上海、江苏和北京。 我国科技部提出的近期激光项目设想是：把握激光技术发展中的新机 遇，利用产业结构调整和科研体制改革带来的有利条件，以激光加工技术 为重点，在“攻关键技术、抓示范应用、建推广体系”这三个有机结合的 层次上，重点解决激光产业化的关键技术、重点制造业中急需的激光加工 集成装备以及激光技术推广应用的服务体系等，使我国激光加工朝高稳定、 整体化、智能化、柔性化方向发展，从而促进传统产业技术升级和激光产 业的发展。 由此我们可以看出：激光加工是二十一世纪最具竞争力的先进加工技 术。随着我国对激光加工技术重视程度不断提高、对其投资力度不断加大， 激光加工技术在中国的发展前景将是十分广阔的。 1 2 课题的研究背景 激光相变硬化技术是激光加工技术中起步较早、发展较为成熟的一项 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 高新技术，国内外有关学者在这方面开展了大量的研究，取碍了一批重要 研究成果，并已广泛应用于各种机械零件的表面强化。但从已有的国内外 研究成果及其实际应用可以发现，该技术仍存在一些不足之处，有待于作 进一步深入研究。其中，以下两方面的问题显得尤为重要和迫切“2 “： 1 激光相变硬化温度场数学模型 激光相变硬化是利用高能激光束扫描零件表面，引起零件表层材料发 生急剧温度变化从而实现材料的相变硬化。零件内温度场分布状况对相变 硬化结果具有决定性影响。因此，建立准确的温度场数学模型，对激光相 变硬化结果的预测与控制具有十分重要的意义，也一直是该领域的研究热 点。在已建立的各种数学模型中，为大多数学者所接受的是移动激光束扫 描下零件内部三维瞬态温度场分布模型。相对于其它数学模型，该数学模 型与实际情况比较吻合，但仍不能准确反映激光束扫描进出端边界的实际 温度场和硬化层分布情况，预测进出端边界与其它部位处的硬化效果所存 在的显著差异，从而采取切实有效的工艺方法提高硬化质量。 2 激光相变硬化应用软件 尽管激光相变硬化技术是一项较为成熟的高新技术，但在其推广应用 方面，无论是深度还是广度，都还很不够。究其原因，除了受传统热处理 理念的束缚、激光加工设备的昂贵、技术人员的素质要求较高、宣传推广 的力度不足等方面因素外，缺乏集激光相变硬化工艺、加工结果预测、工 艺参数优化、数控技术、自动编程、通讯技术于体的通用性较强的激光 相交硬化应用软件，以降低对加工操作人员的技能要求、减少工前试验时 间、保证零件加工质量、提高激光加工效率，不能不说是一个重要原因。 根据现有资料可知，目前国内尚无这方面研究成果的报导。国外虽已有学 者研制出一个激光相变硬化应用软件，但由于所采用的温度场数学模型过 于简单，还无法给出硬化层分布的全部参数，无法模拟相变硬化层的分布， 也无法根据给定的层深要求优化激光工艺参数，因而在功能上比较欠缺， 实用价值不高。 1 3 课题的来源 本课题来自上海市高等学校科学技术发展基金项目计算机辅助激光 相变硬化预测与控制及其应用软件的开发，该项目的主要研究内容是：在 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 建立较完善的激光相变硬化温度场数学模型和开发相应的通用性较强的应 用软件这两个方面开展重点研究，开发适用于激光相变硬化预测与控制的 计算机应用软件。 该软件具有的功能有：( 1 ) 对于常用金属材料，建立激光相变硬化处 理数据库，避免大量的重复实验，保证加工质量的稳定性和可靠性；( 2 ) 根 据给定的层深要求，能自动确定最佳的激光扫描参数，获得理想的硬化效 果；( 3 ) 根据给定的扫描参数，能迅速、准确地计算硬化层相关参数，模 拟显示硬化层分布；( 4 ) 对不同参数工件的激光相变硬化效果实现自动模 拟和优化。 1 4 本文研究内容 激光相变硬化的两项主要指标是表面硬度和硬化层深，它们都与激光 工艺参数有着密切的关系。在实验时，为了获得预期的硬化效果，往往需 要不断地对参数值进行调整，经过尝试多种组合以获取一组比较合适的工 艺参数。这种方法虽然可行，但其工作量之大是显而易见的。另外，在试 验时对于工艺参数的选取也主要靠经验和主观的推理判断，试验的结果受 到了除工艺参数以外的很多因素的影响。因此开发一套对工艺参数的选取 具有辅助作用和对硬化效果具有预测功能的系统是非常有意义的。 本文的主要工作是： ( 1 ) 研究激光相变硬化工艺参数( 激光功率和扫描速度等) 对工件横 截面相变硬化层形状及层深的影响规律及其优化方法。 ( 2 ) 研究激光相变硬化工艺参数( 激光功率和扫描速度等) 对工件纵 截面相变硬化层分布均匀性及层深的影响规律及其优化方法。 ( 3 ) 开发出基于w i n d o w s 环境下以硬化层分布均匀性为目标的激光相 变硬化工艺参数优化模型及应用软件。 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 第2 章激光相变硬化 2 1 激光相变硬化原理、特点及适用范围 2 1 1 激光相变硬化原理 激光相变硬化是激光热处理技术中研究最多并获得应用最多的技术， 与传统热处理相比有显著质量提高和经济效益。 当激光功率密度为1 03 1 0 6 w e 矿时，以1 03 1 06 c 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 速白冷淬火，冷却速度可达1 7 1 0 4 c s ，金属表面迅速被强化，这就是 激光相变硬化“1 。 激光加热相变完成时间很短，同时加热区的温度梯度很大，因而金属 材料中碳化物的溶解和溶入奥氏体中的碳以及合金元素扩散再分布的情 况，在激光加热区不同部位之间有很大的差异，即导致奥氏体成分的不均 匀性。激光快速加热相变的极大过热度造成相变驱动力很大，使奥氏体的 形核数目增多，短时间内完成相变又使得相变形核的临界半径很小，既可 在原品界和亚晶界形核，也可在相界面和其他晶体缺陷处形核。 同时，瞬间加热后的急冷使得超细晶奥氏体来不及长大，因而激光相 变的产物必将获得超细的晶粒度和相变组织。激光相变硬化后的马氏体组 织形态一般为极细的板条马氏体和孪晶马氏体。其中，板条马氏体比常规 热处理多，这种组织中的位错密度相当高，且随着功率密度的增加，平均 位错密度也增加，板条马氏体为位错胞状亚结构。同样由于快热快冷的原 因，使得激光相变硬化后的残余奥氏体量增加，碳在奥氏体中的含量由于 来不及扩散而滞留，随着奥氏体向马氏体的转变，获得高碳马氏体，从而 提高了硬度。 由于激光相变硬化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、抗氧化等性能，延长工件的使用寿命。 上海海事太学硕士学位论文基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 2 1 2 激光相变硬化特点 激光相变硬化后的金属中存在的相和组织组成物与一般表面淬火相 同，马氏体、渗碳体( 碳化物) 、残余奥氏体n 。以钢为例，由于激光加 热时使各层所能达到的温度有所不同，所以，激光作用区具有层状结构。 通常其组织结构有两层：第一层为相变硬化区，它的下边界决定于加热到 爿。温度，由于不同点的温度不同，所以此层中有的得到充分淬火，也有的 不能充分淬火，因此该层的特点是沿深度方向上组织很不均匀：表面处有 马氏体和残留奥氏体，它来自均匀奥氏体的冷却，但靠近原始金属基体处 其组织来自不均匀奥氏体的冷却。因此，此处除马氏体外，还有原始组织： 亚共析钢中的铁素体或过共析钢中的渗碳体。第二层为过渡区，其加热温 度在a ，a 。之间，在冷却后形成。这层组织的组成主要是马氏体和原始 组织。 金属材料经激光淬火处理后可以获得高于常规淬火2 0 的超高硬度。 近年来，国内外众多学者对激光相变硬化机理进行了广泛深入研究，提出 了多种观点，虽然目前尚无一致的见解，但是一般认为激光相变硬化所获 得的超高硬度是由多种因素综合强化的结果“。激光相变硬化本质上仍为 马氏体相变硬化，马氏体相变硬化对高硬度的获得起决定作用，其硬度效 应可占总的6 0 以上。马氏体的硬度取决于马氏体中的碳含量而和合金元 素的关系不大。由激光加热的特点可知，其奥氏体化温度大大高于常规淬 火，此时奥氏体碳含量将远远高于常规淬火时的碳含量。通过x 射线衍射 分析得出g c r l5 钢激光淬火处理后马氏体含碳量约为0 9 ，而常规淬火时 约为0 5 。其他强化因素如组织细化、固溶强化、残余应力等的作用也不 容忽略。 激光相变硬化与常规硬化处理工艺比较，其发展历史很短，但从已取 得的效果来看，激光相变硬化具有很多独特的优点”： ( 1 ) 由于加工速度极快，可使工件表层组织达到超细化，淬火后其硬 度、耐磨性、疲劳强度显著高于常规淬火处理。 ( 2 ) 应力畸变极小，淬火部位及淬硬层深度均可精确控制。但是硬化 层深度较浅，一般在1 删以下。 ( 3 ) 由于是自冷淬硬，工件表面光洁，无须再行加工。 ( 4 ) 能对工件的拐角、沟槽、盲孔底部、深孔、长孔内壁等部位，只 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 要激光能够照射到，均可进行淬火硬化。 ( 5 ) 生产效率高、成本低，可实现自动化生产。 2 1 3 激光相变硬化适用范围 激光相变硬化是一种局部的表面处理方法，尽管与其他一些表面处理 方法和常规处理方法比较，有其独特的优点，但是激光相变硬化也有其局 限性和弱点。 可进行激光相变硬化的零件按照形状分类如下： ( 1 ) 平面类零件。这类零件主要包括各类导轨、刀片、叶片以及板状 零件等，主要提高硬度、耐磨性、红硬性及抗疲劳性。 ( 2 ) 圆环类零件。这类零件包括活塞环、汽缸涨圈、油封座、进气门、 各类轴承环等，这类零件以提高硬度和耐磨性为目的。 ( 3 ) 套筒类零件。主要有汽车、拖拉机、船舶等发动机缸套或缸体、 气阀导管、各类衬套和各类泵筒等。这类零件主要以提高内表面的硬度和 耐磨性为目的。 ( 4 ) 轴类零件。这类零件主要是各种轴类、长杆导柱等，在其轴面或 轴肩处进行激光相变硬化处理可提高硬度和耐磨性。 ( 5 ) 异形类零件。这类零件品种较多，如齿轮、模具、刀具、离合器 连接件、花键套等。这类零件的处理部位多数是曲线或小局部面积，也是 以提高硬度和耐磨性为主要目的。 ， 可进行激光相变硬化的零件按照材料分类主要包括铸铁、碳钢、低合 金高强度钢、工具钢、不锈钢等。 2 2 激光相变硬化工艺 2 2 1 工件的预处理 激光相变硬化主要用于处理铁基材料的工件或试样，所以在利用激光 对金属材料进行热处理时，需要采取一定的措施提高工件表面对光能的吸 收率。通常采用磷化处理、覆盖涂层处理、布儒斯特吸收和应用辅助激光 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 照射等方法。其中，前两者应用较为广泛“”，。 1 、磷化 磷化是一种通过化学或电化学反应在工件表面形成磷酸盐化学转化膜 的过程，所形成的磷酸盐化学转化膜称之为磷化膜，这些磷化膜的组成包 括磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁等。形成磷化膜的目的是提高金属表面的能量 吸收率，可达8 0 左右。 钢铁的磷化处理工序为：将磷酸盐配成一定浓度的溶液，在一定温度 下将工件置于其中浸泡一定时间后，在工件表面就能生成一定厚度的磷化 膜。磷化层的粒度可粗可细，粒度的粗细可以通过控制溶液的浓度、温度 和浸泡时间来达到。其工艺简单，成本低，生产效率高，对零件尺寸改变 小，形成的磷化膜均匀细致，得到了相对广泛的应用，适用于大量生产的 场合。但是磷化处理也会带来一些缺陷：磷化后的工件激光处理后，在表 面会出现微裂纹；磷化表面经激光处理后工件表面粗糙度增加，以增加 0 9 7 2 5 5 o n ；并且对于某些工件，由于使用环境的限制，在激光相变硬 化处理后，必须要将涂层清洗或去除干净，但是磷化膜的去除非常困难。 2 、覆盖涂层法 覆盖涂层法是激光处理前在工件表面涂一层能量吸收层，来提高工件 表面的能量吸收率。近年来国内外研究人员已经开发研制了提高工件表面 能量吸收率的各种能量吸收层，其中比较有代表性的有黑色涂料和氧化物。 覆盖涂层法相对于磷化处理的一个显著优点是可以有选择地在工件表 面覆盖吸收层，并且涂层的去除较为容易，因此将吸光涂料用于激光淬火 预处理是一种极有前途的方法。但用于大规模自动化生产需解决如下问题： 寻找合适的吸收涂层；如何使得涂层在待处理表面覆盖均匀；如何 实现自动化喷涂等问题。 无论是磷化法还是覆盖涂层法，其本质都是在工件表面增加一层能量 吸收层，为了便于对比各吸收层的能量吸收率，表2 一l 给出了部分类型表 面层对1 0 6 p m 波长激光的能量反射率。 表2 1 钢表面吸收层对c 0 ：激光反射率的典型值 砂纸打磨喷砂 表面层磷化处理氧化高温油漆 石磨二硫化钼 ( i 硎j( 5 0 脚) 反射率9 2 72 3 1 05 2 322 7l02 1 8 上海海事大学硕士学位论文基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 2 2 2 激光相变硬化工艺方法 激光相变硬化工艺方法包括以下几方面内容： ( 1 ) 特定零件的特定扫描工艺方法 针对特定零件的扫描工艺，是以实现预期硬化目标为主要目的，针对 零件具体结构、形状和尺寸，合理制定相应工艺方法。例如齿轮激光相变 硬化的几种工艺方法：轴向分齿扫描、周向连续扫描及偏置分段扫描等工 艺。 ( 2 ) 硬化带形状的合理分布 这方面的工艺方法包括：为得到表面硬度分布均匀的硬化带，确定合 适的搭接量；为了改善润滑效果、提高耐磨性，而合理设计硬化面积以及 硬化带分布形式，例如螺旋型、正弦曲线型扫描轨迹等。 总之激光相变硬化工艺方法与零件类型、工作条件以及设备条件与性 能等直接相关，形式多样，在加工时视情况而定。 2 2 3 激光相变硬化工艺参数 在激光相变硬化过程中，影响激光相变硬化效果的因素大体可归纳为 三大类即：激光器件的影响、基体材料及原始状态的影响、硬化过程工艺 参数的影响。激光器件的影响主要包括激光束模式、模式稳定性、光斑形 状、光斑能量密度分布状态、波长、输出功率的稳定性等。基体材料及原 始状态的影响主要包括基体材料的化学成分、几何形状、几何尺寸、表面 状态和原始组织等。工艺参数的影响主要包括光斑尺寸、激光功率、扫描 速度、扫描方式及表面预处理状态等。 激光相变硬化工艺参数主要是激光器输出功率、扫描速度和作用在材 料表面上的光斑尺寸，三者的综合作用直接反映了硬化过程的温度及其保 温时间。激光相变硬化层深度与三个主要参数的关系为： 激光相变硬化层深度( h ) 。c 死丽素等考 ( 2 - 1 ) 从式( 2 1 ) 可以看出：激光相变硬化层深正比于激光功率，反比于光 斑尺寸和扫描速度。作用于材料表面的功率密度和照射时问是影响激光相 变硬化质量的决定因素，三个参数可相互补偿，经适当的选择和调整可获 上海海事大学硕士学位论文基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 得相近的硬化效果。 激光功率密度取决于激光器输出的激光作用于材料表面的有效功率和 光斑尺寸的大小”，光斑尺寸的大小是由调整聚焦镜至材料表面的距离而 获得的光斑面积尺寸。激光功率密度等于平均光斑面积上的激光功率，即 q o = p a ，因此在制定激光相变硬化工艺参数时，必须首先确定三个参数， 即：激光功率、光斑尺寸和扫描速度。 表2 - 2 几种常用材料连续激光淬火工艺参数及其结果 激光功率扫描速度硬化深度硬度 材料 金相组织 各注 ( w )( m 州j )( m m )( h v ) 板条马氏体+ 少量针状马涂料：碳素 2 07 0 019o 34 7 6 8 氏体墨汁 预处理：磷 4 5l o o o14 7o 4 577 0 8细针状马氏体 化 t l o5 0 q3 i0 6 58 4 l隐针马氏体+ f e ，c 涂料：碳素 t l o a12 0 0l o 9o 3 89 2 6 隐晶马氏体 墨汁 板条马氏体和片状马氏体 4 0 c r1 0 0 01 80 2 8 o 6 77 0 7 7 6 混合组织 细针状马氏体和隐晶马氏 4 2 c r m o1 5 266 0 2 02 16 4 2 8 3 0 体 2 0 c r m n t i1 0 0 02 50 3 2 4 0 3 94 6 2 5 35 涂料：碳索 g c r l 5 l2 0 0l g0 4 59 4 l隐晶马氏体 墨汁 9 s i c r1 0 0 015o 1 5 6 o 2 7 6 577 9 1 5 表层粗马氏体，底层隐针 5 0 c r v( 1 5 0 03 2 3 4 7 20 35 04 7 6 6 5 6 7 h r e 马氏体 淬火组织，芯部原始晶粒 w 1 8 c r 4 v1 0 0 0150 5 189 27 10 0 0变为l0 级，淬火层的晶粒 宦1 1 l2 级，马氏体变细 ( 1 ) 激光功率。在激光相变硬化过程中，当其他条件一定时，激光功 率越大，所获得的硬化层深就越深。 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 ( 2 ) 光斑大小。光斑尺寸的大小靠调整离焦量而获得，因而在工作中 也以离焦量作为工艺参数，光斑尺寸的大小直接影响硬化层的带宽。同时 在相同激光功率和扫描速度条件下，光斑尺寸越大，功率密度越低，硬化 层就越浅。反之，光斑尺寸越小，功率密度越高，硬化层就越深。 ( 3 ) 扫描速度。扫描速度直接反映激光束在材料表面上的作用时间， 在激光功率密度一定和其他条件相同时，扫描速度越低，激光在材料表面 上作用的时间就越长，温度就越高，材料表面就易熔化，硬化层深就越大。 反之，扫描速度越快，硬化层就越薄。 综合上述影响因素，在确定激光相变硬化工艺参数时，首先要分析被 加工零件的材料特性、使用条件等，以便明确技术条件、产品质量要求， 从而决定硬化工艺种类和硬化层的硬度、深度、宽度，并由此考虑选用宽 带或窄带激光以及激光扫描的图形和位置等。其次，根据工件的形状、特 点，凭借经验预定工艺参数，通过试验得出符合产品要求的最佳工艺。在 确定工艺参数时不应忽略表面预处理的影响，同时也要考虑工艺的可操作 性、生产效率及经济效益。表2 2 列出了几种常用材料连续激光淬火工艺 参数及其结果。 2 3 激光相变硬化的基础设备 激光表面淬火的基础设备，主要指激光器、加工机床、导光聚焦系统 等。经过三十多年的迅速发展，目前激光器种类繁多，并且还在不断地涌 现新的激光器。但是，适用于激光表面淬火的激光器，当前主要还是高功 率c o ：激光器。c o ：激光器由c k n p a t e l 于1 9 6 4 年研究成功，当初它 的功率只有l m w , 效率只有0 0 0 0 1 ，是不起眼的器件。但是它很快获得显 著的发展，研制了各种型号，且功率和效率都增大了。现在能生产功率为 9 0 k y 、效率超过1 0 的c 0 。激光器。c o 。是三原子分子，其结构为中间有一 个碳原子，两边各有一个氧原子。这种分子当放电产生电子的碰撞而提供 能量时，就被激发而振动。所谓的c 0 。激光器并不是说振荡器内只有c o 。， 而是c o ：、n ：和h e 的混合气体。n ：和h e 这两种气体，它们起的是激励c 0 。 的作用，使得功率显著增加。通常这三种气体的比例为3 1 0 、l0 4 0 、 8 7 5 0 ，h e 量最多。 c o ：激光器的特点主要有： 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 ( 1 ) 高功率： ( 2 ) 高效率； ( 3 ) 高光束质量。 这些特点都是激光相变硬化时所需要的。c 0 ：激光器发射出的激光波长 为1 0 6 朋，输出方式为连续和脉冲。一般广泛应用于材料的表面改性加 工领域，如激光相变硬化、激光表面熔覆等。 若要完成激光加工操作，必须要有激光束与被加工工件之间的相对运 动。在这一过程中不但要求光斑相对工件按要求的轨迹运动，而且要求 自始至终激光光轴垂直被加工表面。这就必须要有加工机床的存在。加工 机床按用途可分为通用加工机和专用加工机，前者用途面很广，能完成的 各种动作较多；后者则针对某类特定加工对象而设计制造的设备。 导光聚焦系统简称导光系统，它是将激光束传输到工件被加工部位的 设备。根据加工工件的形状、尺寸圾性能要求，经激光束功率测量及反馈 控制、光束传输、放大、整形、聚焦，通过可见光同轴瞄准系统，将被加 工部位找准，实现各种类型的激光精细加工。导光系统主要包括：光束质 量监控设备、光闸系统、扩束望远镜，可见光同轴瞄准系统、光传输转向 系统和聚焦系统。 本文实验基于上海海事大学激光应用研究室的千瓦级激光加工系统。 所用的激光器为h j 一2 0 0 0 型激光器，最大功率2 千瓦，配备聚焦镜、宽带 组合镜及转镜等多种光束处理系统，可满足不同的加工需要。 2 4 激光相变硬化的应用和研究现状 正是由于激光相变硬化在金属加工方面的诸多优点，使得它成为了一 种新兴材料表面处理技术，尤其是进入二十世纪8 0 年代以后，大功率工业 激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术逐渐成熟， 使得这种技术的工业应用和深入研究日益活跃和广泛”“6 ” 23 。其应用涉 及交通运输、纺织机械、重型机械、精密仪器的制造等；处理的零件种类 包括汽车、摩托车和轮船等的发动机气缸体( 套) 内壁、曲轴、凸轮轴、 转向器壳体、齿轮、机床导轨，油管螺纹，刀具刃口等，在诸多的应用中， 尤以在汽车制造业内的应用最为活跃，创造的经济价值最大。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 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 环槽等几乎都可以采用激光热处理。 在国外，早在1 9 7 4 年美国通用汽车公司就开始采用激光相变硬化技术 处理汽车转向器壳体内腔( 可锻铸铁) ，并且于二十世纪8 0 年代建成17 条激光表面相变处理生产线，日处理3 3 0 0 0 件，耐磨性较原工艺提高近1 0 倍；意大利菲亚特公司采用h p l l o 型激光器处理发动机气缸内壁，取消了 缸套，降低了油耗，节省了成本；德国奥格斯保一纽伦堡机械制造有限公 司所建立的激光相变硬化生产线，对大型发动机缸套进行激光相变硬化， 硬化带有交叉网纹式、螺旋式和正弦波式，大大提高缸套耐磨性：除此以 外还有日本丰田公司、美国的福特公司等，也相继将激光表面强化技术应 用到汽车制造业中。 激光技术在我国虽然起步较晚，但发展态势迅猛，国内目前将激光淬 火技术应用于汽车加工等的单位也不少，其中影响较大的有：( 1 ) 西安内 燃机配件厂采用国产1 2 k wc o ：激光处理设备处理汽车与拖拉机缸套，结 果使用寿命提高约4 0 ，成本降低2 0 ，使汽车缸套大修期由1 0 1 5 万蛔 达到3 0 万斤用；拖拉机缸套的使用寿命达到8 0 0 0h 以上；( 2 ) 北京内燃机 集团和大恒公司等单位合作建有年处理约数万台发动机缸体的c 0 。激光热 处理生产线，提高了生产效率；( 3 ) 大连机车车辆厂于19 9 5 年10 月建成 我国的第一条c 型缸套激光处理生产线，该厂还拥有用于机车曲轴、缸套、 立簧片的激光热处理生产线；( 4 ) 长春一汽集团建立有自己的热处理生产 线，对c a l 4 1 汽车发动机气缸体进行处理，取消了缸套、大修里程提高到 2 0 l o5 蛔；( 5 ) 青岛中发激光技术有限公司采用激光网格工艺加工发动机 缸孔，曲轴等零件表面，寿命提高3 5 倍；( 6 ) 中国第一汽车制造厂采用 2 c o 。激光处理器处理2 3 5 1 组合机镶钢导轨，结果耐磨性、硬度远高 于高频淬火的h t 2 0 0 灰铸铁。 实际上国内目前应用激光热处理生产线提高本企业产品性能的单位远 不止上述几家，全国各地几乎都有不同规模的激光加工中一t z , ，为各行业机 器零件进行激光热处理。 就激光相变硬化的研究领域而言，其在各个方面都得到了开展，包括 激光淬火强化机理和组织的研究、温度场及相变硬化区尺寸的计算、对激 光淬火中光热转换材料的研究、激光加常规复合处理、典型零件的相变硬 化工艺研究、激光淬火与计算机辅助等方面。 l 、激光相变硬化的强化机理和组织的研究。重庆大学对g e t l 5 钢经激 光淬火后引起高硬度的原因用光学金相、扫描和透射电镜、x 光衍射仪、 上海海事大学硕士学位论文 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究 俄歇分析仪及电子探针作了系统的试验研究，提出g c r l5 钢激光相变硬化 机理：以马氏体相变强化为主，马氏体很细，位错密度很高；残余奥 氏体显著强化；晶粒超细化和碳化物细化及弥散分布；上海工程技术大 学研究了硼铸铁的激光热处理，研究表明：硼铸铁经激光处理后，磨损值 降低4 5 7 。激光热处理提高硼铸铁耐磨性的原因是激光硬化层的高硬度 及合理的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭。 2 、激光相变硬化的温度场及相变硬化区尺寸的计算。为了实现激光相 变硬化工艺的计算机控制，早日达到实际应用，需要解决两个问题：快 速计算；减少计算与