0801-周紫雁-激光四个技术的应用

1、激光淬火技术的应用对模具表面进行处理的主要目的在于提高表而的硬度、耐磨性和耐蚀性，激光表而强化 技术的应用，在很大程度上提髙了模具的表而性能。对于提髙大型模具使用寿命和减少精密 模具的热处理变形，激光表而强化技术有着极大的技术优势,主要包括激光表而淬火和激光 表面熔覆。激光表面淬火是一种利用高能量激光束扫描工件使被扫描的区域表面硬化的技术。其基 本原理为用一左能量密度(103105Wcm2)的激光照射工件，使被照射的表层区域被急速加 热至相变点以上，熔点以下的温度，此时工件基体仍处于冷态，加热区与基体之间存在很大 的温度梯度，当激光束停止照射时，由于热传导的作用，加热区会急速冷却(106108

2、°Cs) 而发生马氏体转变，使工件表层实现相变硬化。.激光淬火的特点(1) 激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿 色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。(2) 由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火, 所以被处理的模具变形很小。(3) 由于激光朿发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精 确的局部淬火。(4) 激光表而淬火的硬化层深度一般为0.30.7mm,使貝应用受到一定的限制。2. 工艺参数的选择影响激光淬火质量的工艺参数是多方而的，主要有激光功率、扫描速 度、光斑尺寸

3、、光朿能量分布状态、吸光涂层种类与厚度等。衡量激光淬火质量的主要指标 包括硬化层深度、宽度、硬度及硬化层表面粗糙度。其之间主要关系有以下几点：(1) 激光在单位时间上作用于模具的功率密度(即比功率E),将决过激光淬火的效果。激 光淬火所需的比功率E为102-104Wcm2 SO比功率E由激光功率P、扫描速度V、光斑 尺寸D决泄，即E=P V-ID-IO(2) 1 102-104Wcm2 s的困，功率密度的增加、扫描速度减小、将使模具的硬化层深 度、硬度及硬化层表而粗糙度增加。如果功率过大，扫描速度太慢，即比功率太大，超出上 述囤，会造成工件表面熔化、烧损：反之，硬度和硬化层深度会达不到技术要求

4、。(3) 激光淬火硬化层宽度由光斑尺寸决立。大而积淬火必须进行多道扫描。宽带扫描比 窄带扫描效率高。(4) 光束能量分布主要影响硬化层深度、宽度及组织的均匀性。它由光朿模式及导光系 统决左。通常，应根据设备的实际情况调整到最佳状态，以保证硬化层的均匀性。(5) 吸光涂层种类及厚度会影响工件对激光能量的有效吸收。目前应用较为成熟的吸光 涂层有磷酸盐涂层、含胶体石墨涂层、氧化物涂层等。在覆盖工件表而的前提下，涂层厚度 越薄越均匀，则效果越好。3. 应用实例汽车大型覆盖件模具一般用合金铸铁制造。合金铸铁的特性不宜进行整体热处理，传统 工艺采用火焰淬火，其淬火硬度为40-5OHRCO改用激光淬火，模具

5、表而硬度可提髙到55 65HRC,硬化层有效深度为0.50.7mm,模具耐磨性大大提高，零件拉伤问题得到有效控 制，模具在线维修率控制在4%以下。以前每批生产完成后均需对拉深模进行大而积推磨， 现只是需要进行简单维护保养便可。激光溶凝技术的的应用激光熔凝是利用高功率密度的激光在极短的时间与金属交互作用，将金属表 面局部区域瞬时加热到相当高的温度并使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸 热和传热过程使熔化的金属表层快速凝固，从而改变零件表层组织和性能。山于 这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度 也高于常规淬火的硬度。这种技术提高了金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、

6、 耐蚀性及强度和高温性能等。激光熔凝技术主要用于处理工件表面缺陷，如铸造裂纹、砂眼等，其工作原 理是利用高能量、高密度的激光束使存在缺陷的金属材料快速达到熔点以上，金 属材料快速熔化之后，停止激光扫描，工件随后自冷快速凝固。激光扫描后，熔 化表层通过母体快速冷却形成极细的亚稳相、过饱和相以至非晶体组织，既减少 了金属表面材料的化学偏析，乂提高了工件的表面强度、耐磨性以及抗腐蚀性， 融合了表层裂纹及存在的微孔缺陷。该技术可用于各种铸造加工件的缺陷处理， 特别是大型铸造件的表面铸造缺陷处理。工件外形尺寸较大、吨位重，因表面的 一点缺陷而报废确实可惜，而利用激光熔凝技术修复后完全可以满足工件性能要

7、求，减少工件报废数量，降低备件制作成本。激光熔凝淬火是采用激光熔融金属表面，激光束移开后，熔融的金属直接从 液态淬硕为固态，形成表面硬化层的工艺。由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化, 实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激 光熔凝淬硬层深度比前者更深。激光淬火与熔凝处理的共同特点是，不需要改变材料的成分，主要利用轧棍材 料自身的特性，发生马氏体相变来强化轧辗表面。进行激光淬火与熔凝淬火前， 需要预先涂覆一层吸光涂料来增强轧轮表面对激光的吸收率。对于激光熔凝处理 来说，所使用的涂料还应该起到使激光熔池流平与造渣的作用。因此，涂料的配 方对于激光工艺的顺利实施以及硬面

8、层组织与性能的影响至关重要。华工激光经 过多年的探索，研究开发出激光淬火与熔凝淬火的系列吸光涂料，使各类材质激 光淬火时淬硬层分布均匀。特别是激光熔凝淬火涂料中，添加有吸光及熔池流平 的物质，熔凝淬火后淬硬层光滑、平整，只要少量加工，就可以获得平整的表面。 因此，特别适合各种轧轨的激光表面强化处理。应用案例一华工激光生产的双悬臂多功能数控激光加工机床该激光加工机床可以满足冶金行业各种型号轧棍（包括带钢轧輕、型材轧轨、 棒线材轧辘等）不同部位的表面强化与修复处理。还可以满足剪刃、圆盘锯、导 位等易损件零件的表面强化与修复要求。激光毛化技术的应用由于激光毛化技术的特殊性，其对轧辘、冷轧生产、冷轧成

9、品均产生其他毛化方法无法 替代的积极的影响。1 激光毛化工艺可显著提高轧辘使用寿命分析毛化加工原理和轧制工艺，可容易 理解激光毛化轧辘使用寿命的提高主要是通过以下三个途径实现的。（1）表而改性与细晶强化作用激光毛化时，辘而作用区材料由于熔凝速度非常快（加 热速度可达106109°Cs,冷却速度2205°Cs,远高于水淬），可以形成超细晶（深亚微米至 纳米级）甚至非晶组织，其硬度可超过HV900 （HRC67）,远高于常规淬火所能达到的程度， 高硬度的表面组织有利于提高馄面的耐磨损能力。（2）毛化形貌的耐磨作用激光毛化后，轮而形貌发生变化，毛化加工形成的微坑和 凸包均布于牡面

10、。这种偲面形貌既有利于改善轧制时馄与板间的摩擦状态，又有利于保持良 好的润滑条件。均匀分布的微坑还可以起到收集磨粒、防止它们磨损轧馄和擦伤板而的作用。（3）表而应力松驰的韧化作用为了提高其使用寿命，通常要对冷轧工作辘进行表而 淬火处理。要求的硬度愈髙，由马氏体相变导致的体积膨胀效果愈严重，产生的残余压应力 也愈大。压应力过大，容易导致辘而爆裂，反而危害轧馄的使用，因而是有害的。用激光方 法毛化这种轧馄，其表层激光辐照区域的材料由于熔凝时的热胀冷缩作用会产生残余拉应 力。X光应力测左结果表明，当激光辐照区域（微坑）的密度达到一泄程度时，这种均匀分布 的拉应力确实可以有效地松弛轧辘表层中原有的强残

11、余压应力，从而使轧辘表而得到韧化。激光毛化辘所轧制钢带表而粗糙度Ra的变化情况为，轧制初期（约为轧制量的 15%）,表而粗糙度下降较快，以后趋缓，这主要与激光毛化馄表而形貌有关。在激光毛化 偲初用阶段，凸起部分的尖峰钝化得较快，在使用一段时间以后，凸起部分比较钝，相应激 光毛化辘的磨损量减小。而凸起部分尖邮髙度以及凸坑形状等都可以通过改变毛化工艺加以 控制，因而在使用激光毛化馄时，不会因粗糙度值变化过大而使轧制条件发生较大改变。激光毛化轧辘的使用寿命随冷轧压下率、冷带材质及其硬度的不同而有所不同。工 业应用表明，冷轧工作馄经激光毛化加工后，其使用效果和使用寿命有明显的提髙。在20 辘森吉米尔轧

12、机上用其冷轧低碳钢板，激光毛化轧馄的寿命比普通轧辘髙3倍以上：在普通 二馄轧机上用激光毛化轧辘冷轧髙强度（CbM800 MPa）65Mn弹簧钢，英寿命是普通轧馄的 23倍：用苴平整退火低碳软钢板，其使用寿命可较普通轧馄提高2倍以上，有的甚至达 到10倍，这取决于对产品表而粗糙度的控制围。2.提高产品使用性能改善深冲性能激光毛化板由于有较低的摩擦系数和既有良好的润滑能力又易于 收集磨粒的理想微坑，因而具有优良的冲压性能。在相同成型条件下，具有相同表而粗糙度 的薄板中，激光毛化板有最好的冲压流动性。分析认为：激光毛化板面微坑沟槽中晶粒的位 错密度很高，原滑移线不能开动，促使苴他晶粒开始滑移，正是板

13、而微坑（塑性变形区）对滑 移的这种阻塞和弥散作用，延缓了微裂纹的萌生和发展，从而使板材的延伸率提髙。对同种 材料的喷丸毛化板和激光毛化板的力学性能测试表明，激光毛化板的屈服强度降低了 6 7% ,拉伸强度提高了 47% ,总延伸率提高了 610% ,激光毛化板更有利于冲压成形。 对SPCe比较（吉普车厂测试）,激光毛化钢板屈服强度下降2030 MPa,抗拉强度提高2IMPa, 延伸率提髙10%以上：近年来，新一代的干电池外壳逐渐改用薄板冲压而成。这种壳生产 率高、使用效果好，但冲压难度大，对钢板性能的要求苛刻。采用激光毛化技术开发出电池 壳专用激光毛面带钢，英冲压效果良好。钢铁公司08F激光毛

14、化精密带钢（厚0. 24mm）在电 池生产中，产品深径比达到了 4.8。（2）提髙涂装性能和鲜映度由于澈光毛化加工的精确造形作用，激光毛化板表面粗 糙度均匀、很少波度，更利于均匀附着涂覆材料，因此苴漆面光亮度明显高于喷丸毛化板。 激光毛化的轧馄表而可保留较大的平坦光亮部份(最大可达60%),使轧制出的钢板的板而平 坦度高，提髙了带钢表而的光洁度和涂漆后的鲜映度。在相同粗糙度和相同涂漆工艺的情况 下，激光毛化板的映像淸晰度一般要比喷丸毛化板髙35个百分点。冷轧薄板厂激光毛化 板涂镀性能：磷化膜厚差减小50%,均匀性好，附着力强：电泳底漆膜厚度提髙40%,偏 差下降50%：而漆光亮度DOl值提髙2

15、4个点值。(3) 改善抗摩擦性能用低碳钢板进行的平而拉拔摩擦试验结果表明：无论是在润滑 还是在干摩擦条件下，激光毛而钢板的摩擦系数均低于同材质喷丸毛面钢板。干摩擦时，喷 丸毛而板的摩擦系数随拉拔速度提髙而增加,激光毛而板在同样条件下的摩擦系数则略呈下 降趋势。在润滑条件下，两种板的摩擦系数均随拉拔速度升高而降低，但激光板的下降趋势 更显著。这些表明激光板的表面形貌有更好的动态润滑能力。在相同轮廓高度，激光毛面板 比喷丸毛而板有更大的承载截而积。这表明，激光毛面板表而凸包比较墩厚圆滑，冲压时不 易被擦伤产生磨粒，即激光毛而板有更强的抗擦伤能力。而激光毛化钢板表面的小凹坑互不 连通，有利于冲压成形

16、时储油和捕捉金属碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整。(4) 新板型的开发。激光毛化钢板表而粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节 用大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，生产出并种汽车用板、家电用板、轻工 用板、防伪板、印花板、造币板、异而织构板、特制花纹板、激光乌泽板等。激光合金化技术的应用机床研究所魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心憎床托板，在生 产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提髙34倍。大学、工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及 泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻 丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了 很好的效果。拨叉，料道使用寿命提髙10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高23 倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果， 头道环槽的侧隙仅为0.11mm,如果减去0.04005mm的原始侧隙，则环槽最大磨损疑仅 有0.07mm°所以激光表而合金化用于