烟台华恒节能金属表面处理工程--高速激光淬火

一、什么是激光淬火

激光淬火是一种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。

例如采用激光淬火齿面，其加热冷却速度很高，工艺周期短，不需要外部淬火介质。具有工件变形小、工作环境洁净、处理后不需要磨齿等精加工，且被处理齿轮尺寸不受热处理设备尺寸限制等特优点。

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。

激光淬火的目标是通过局部淬火使材料表面得到耐磨损和耐腐蚀的防护层。其优势在于可以选择将一定的热量输入到需要淬火的区域，即使构件结构复杂，也可以在不使其他区域铁素体发生相变的情况下，灵活地实现部分区域淬火。激光淬火一般不会引起材料翘曲，不需要通过额外的办法来校正工件的变形。

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。不需要像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。但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。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、激光淬火的技术特质

1. 加热速度快，可依靠自身冷却而淬火，能获得超细晶粒组织。

激光淬火技术的加热速度极度快，可达 105～106℃／s。由于加热速度快，过热度大，相变驱动力大，奥氏体形核数目剧增，扩散均匀化来不及进行，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大，奥氏体中碳含量相似的微观区域变小。随后的快冷过程中，不同微观区域内马氏体形成温度有很大差异，从而产生细小马氏体组织。这种快速加热和冷却的过程使得激光淬火能够获得超细晶粒组织。

2. 内应力小，畸变极小。

激光淬火过程中，由于激光束扫描面积很小，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的工件变形很小。同时，激光淬火后工件表层获得极细小的板条马氏体和孪晶马氏体的混合组织，且位错密度，这也有助于减小内应力和畸变。

3. 表面粗糙度低，不需精加工。

对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行激光淬火，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。在激光淬火过程中，由于加热和冷却速度极快，有效控制了材料表面的氧化和脱碳现象，了工件的表面质量。

4. 可控制加热部位，如对微孔、沟槽等局部淬火。

由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对工件表面进行的局部淬火。可以非常地加工形状复杂的工件，如小凹槽、盲孔、小孔、薄壁零件等部位，或对同一部位的不同位置进行不同的处理。

5. 清洁、，不需要水或油等冷却介质。

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，是一种绿色环保热处理工艺。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，依靠从表面到内部的热传导进行自冷淬火，无需冷却介质，不仅清洁，还能节省能源。

6. 淬火硬度比常规方法高，淬火层组织细密、强韧性好。

激光淬火后，工件表层获得细小的马氏体组织，表面硬度高。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）。淬火层组织细密，强韧性好，具有很高硬度的同时又具有一定的韧性，耐磨性提高了 50％，工件使用寿命提高了几倍甚至十几倍。

三、激光淬火对金属硬度的提升原理

激光束加热金属表面层，使其温度迅速升高到相变点以上，然后利用材料内部的快速导热作用使表面快速冷却。在高温作用下，金属晶格中的碳原子改变位置（奥氏体化），一旦激光束离开，该位置周围材料使灼热表面层很快冷却下来。由于快速冷却，金属晶格产生马氏体，马氏体是一种硬度的金属结构，从而提高材料的硬度。

具体来说，激光淬火技术可对各种金属零件进行表面强化，其目标是通过局部淬火使材料表面得到耐磨损和耐腐蚀的防护层。在激光淬火过程中，激光束在大多数情况下将金属表面层加热到接近熔点，即大约 900 至 1400℃。表面达到所需要的温度时，激光束离开此位置，继续向前前进，沿着新进方向持续加热工件表面。在高温的作用下，金属晶格中的碳原子改变其位置（奥氏体化）。一旦激光束离开某位置，该位置周围的材料就使灼热的表面层很快冷却下来，这种现象称之为 “自淬火”。由于快速冷却，金属晶格不会恢复到原始形状，而是产生马氏体。转化为马氏体就能提高材料的硬度。

激光淬火工艺只需相对较小的功率密度，同时，应在同一平面上对工件进行加工，使激光束可以照射到尽量大的平面上。目前常用的是正方形的照射面，扫描镜组也用于激光淬火工艺，使圆形的光斑的激光束非常快地来回移动，在工件表面形成功率密度基本上均匀的一条线，可以生成宽度大 60mm 的硬化轨迹。

对于不同的金属材料，要想获得更大的表面硬化深度，则周围的体积越大，从而可以将热量快速导出，使硬化区可以足够快速地冷却。例如，激光硬化达成的碳钢外层硬化深度通常为 0.1 - 1.5mm，在某些材料上可以做到 2.5mm 或更大。

四、激光淬火的设备组成

用于激光淬火的设备有半导体光纤输出激光器、光纤激光器、全固态激光器，其中半导体光纤输出激光器在淬火领域应用广。

激光器的选用要考虑光束质量、功率稳定性、可靠性、维护性、操作方便性等方面内容。具体来说：

• 光束质量：激光器输出好的光束质量，包括电光转换率、光纤数值孔径，以及模式及模的稳定性。良好的光束质量能确保激光在淬火过程中均匀加热材料表面，实现的淬火效果。

• 功率稳定性：激光器输出功率稳定性至关重要。稳定的功率输出可以淬火过程中温度的均匀性，从而获得均匀的淬硬层。

• 可靠性：激光器应具有高的可靠性，能满足工业加工环境下的连续工作。在实际生产中，设备的可靠性直接影响生产效率和产品质量。

• 维护性：良好的维护性意味着设备有故障诊断和连锁功能，当出现问题时能够及时发现并进行处理，减少停机时间。

• 操作方便性：操作简单方便的激光器可以降低操作人员的工作难度，提高工作效率。

目前市场上有的可以应用于激光淬火的设备主要包括以下几种：

• 光纤激光器：应用较广，将电流通过模块转换成激光，再由光纤引到淬火头上。淬火头内置有用于光束整形的积分镜，将激光整合成条形均匀激光光斑，从淬火头射出。

• 半导体光纤输出激光器：如锐科光纤输出半导体激光器，具有电 — 光转换（超过 50%）、工作寿命长（超过 10 万小时）、能够直接电调制、易于集成、体积小、结构紧凑、成本更低等优势。高功率光纤输出半导体激光器主要应用于淬火、熔覆领域。在淬火应用中，激光是金属部件进行淬火的理想热源，可以在保持基材的冶金性能不变的前提下提升零件的耐磨性。

• 横流二氧化碳激光器：工作气体沿光轴垂直方向快速流动，保持低气压状态，确保高功率输出。选择时应考虑光束质量、输出功率稳定性和可靠性等因素。

激光淬火设备还包括加工机床和机器人等部分：

• 加工机床：激光加工机床的加工范围可达 5.5 米长、2.6 米直径，特殊工件的加工范围更大。机床采用双悬臂加工系统，支持多工位激光加工。配备六轴四联动数控系统，能够对复杂形状的工件进行精密激光加工。

• 机器人：可选国外和国产六轴机器人，可实现异形曲面和多角度加工。

五、激光淬火的实际应用

激光淬火技术在实际应用中展现出了强大的优势，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。

在提高轧辊、导卫、齿轮等易损件的使用寿命方面，激光淬火技术效果显著。例如在轧辊的淬火应用中，激光淬火技术采用高能激光束对轧辊表面进行快速加热，使其温度迅速升高到相变点以上，然后利用材料内部的快速导热作用使表面快速冷却，从而实现表面相变硬化。激光淬火技术可以形成一定深度的硬化层，大型轧辊表面激光熔凝淬火的大淬硬层深度可以达到 2 毫米以上。经过激光淬火处理的轧辊表面硬度可以显著提高，从原来的 HRC50 左右提高到 HRC65 以上，甚至更高，这种硬度的提升有助于提高轧辊的耐磨性和使用寿命。同时，通过优化激光功率、扫描速度等参数，可以实现淬火层的均匀性，确保轧辊在整个工作面上的性能一致。对于槽壁、小孔、盲孔以及腔筒内壁等特殊部位，激光淬火技术也能进行有效处理，满足局部硬化的需求。

在汽车模具方面，激光淬火技术也发挥了重要作用。对于拉延模具，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。常规的火焰淬火或感应淬火会使工件产生较大的热变形，导致模具精度无法，而采用激光淬火方式，工件变形极小，甚至无变形，不需增加其他工艺手段即可达到质量要求。对于镶件表面淬火，汽车模具上的切边模的切边镶件刃口和整形模的整形镶件整形部位，常规火焰淬火后镶件变形大，需进行淬火后的去变形二次加工，工件制作周期长，且淬火硬度难控制。而激光淬火可以有效地控制镶件变形和硬度不合格的问题，实现了精加工后淬火的制造工艺，有效提升了加工效率，节约了加工成本。与传统的火焰淬火相比，采用激光淬火可以优化模具加工工艺，既避免了去变形加工工序，又提升了精加工的效率。同时，采用激光淬火方式的模具型面变形很小、硬度均匀，能获得良好的模具表面质量，满足客户对模具表面质量的要求。

总之，激光淬火技术在提高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。随着技术的不断发展和应用领域的不断拓展，激光淬火技术必将在更多的工业领域发挥重要作用。

六、激光淬火的优势总结

激光淬火具有诸多显著优势，使其在零件表面处理中脱颖而出。

，工件变形小。激光淬火过程中，由于激光束扫描面积很小，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的工件变形很小。这对于要求的零件来说至关重要，能够确保零件在淬火后仍能保持原有的尺寸和形状精度。

其次，工作环境洁净。激光淬火是一种绿色环保热处理工艺，不需要水或油等冷却介质，不会产生废水、废气等污染物，保持了工作环境的清洁。

再者，处理后不需要磨齿等精加工。对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行激光淬火，表面粗糙度基本不变，无需后续机械加工就可以满足实际工况的需求，节省了加工时间和成本。

此外，激光淬火硬度高。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）。淬火层组织细密，强韧性好，具有很高硬度的同时又具有一定的韧性，耐磨性提高了 50％，工件使用寿命提高了几倍甚至十几倍。

同时，加热层深度和加热轨迹容易控制。可以通过调整激光工艺参数，控制加热层深度和加热轨迹，满足不同零件的淬火需求。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