激光淬火工藝及應(yīng)用研究

■ 甄延波，程良，常森，岳佳宏，李玲，孟璇

近年來，我公司研制生產(chǎn)的型號(hào)產(chǎn)品主要包括宇航系列發(fā)射平臺(tái)、導(dǎo)彈武器地面設(shè)備等，各型號(hào)產(chǎn)品中很多零部件產(chǎn)品由于使用環(huán)境特殊，對(duì)產(chǎn)品表面硬度（淬硬層）或局部硬度（淬硬層）有特殊要求，所以需要對(duì)產(chǎn)品表面或局部進(jìn)行表面淬火。但因中高頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器制作難以滿足形狀較為復(fù)雜的淬火部位（如圖1所示產(chǎn)品淬火部位燕尾槽、S形槽形狀），且采用目前公司內(nèi)表面淬火方法不容易保證產(chǎn)品淬硬層深度1mm左右的技術(shù)要求。

激光淬火技術(shù)作為一種新型的熱處理工藝，與傳統(tǒng)表面淬火技術(shù)相比，具有加熱速度快、所得組織細(xì)密、淬硬性高、不變形等特點(diǎn)，并且技術(shù)適用性廣，不受感應(yīng)器制作難度的限制。本文首先將對(duì)激光淬火工藝技術(shù)作一詳細(xì)說明，其次對(duì)工廠生產(chǎn)的缸筒進(jìn)行了局部激光淬火，最后提出了生產(chǎn)中存在的主要問題及一些改進(jìn)措施。

1.激光淬火工藝研究

（1）激光淬火原理 激光淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束作為熱源照射在待處理工件表面，使其需要硬化部位溫度瞬間急劇上升而形成奧氏體，隨后經(jīng)快速冷卻獲得晶粒細(xì)的馬氏體或其他組織的淬硬層過程的熱處理加工技術(shù)。

（2）激光淬火技術(shù)特點(diǎn) 激光淬火和工廠現(xiàn)有的中高頻感應(yīng)淬火、滲碳淬火相比，有以下特點(diǎn)：

圖1 異形面產(chǎn)品示意

第一，功率密度高、加熱速度極快，零件變形極小，且可以通過熱處理工藝來控制變形，工件處理后不需要修磨，可以作為零件精加工的最后一道工序。

第二，可以對(duì)形狀復(fù)雜零件；如不通孔、內(nèi)孔、小槽、薄壁零件等進(jìn)行處理或局部處理，也可根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的處理?？梢钥朔哳l淬火因受感應(yīng)器限制難以對(duì)形狀復(fù)雜零件進(jìn)行表面淬火、加熱區(qū)域難以控制、薄壁零件淬火易開裂的問題；對(duì)大型零件的加工也無需受到滲碳淬火等化學(xué)熱處理時(shí)爐膛尺寸的限制。

第三，通用性強(qiáng)。由于激光聚焦深度大，淬火時(shí)對(duì)零件的尺寸、大小及表面都沒有嚴(yán)格的限制。而現(xiàn)有的中高頻感應(yīng)淬火對(duì)各種零件都得制作合適的感應(yīng)器。

第四，對(duì)于某些淬火溫度較高的不銹鋼零件，其淬火溫度和熔點(diǎn)溫度很接近，在使用感應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)品局部表面淬火時(shí)很容易燒傷夾角或不規(guī)則部位，導(dǎo)致零件報(bào)廢，而激光淬火則不受此限。

第五，激光淬火冷卻速度很快，不需要水或油等冷卻介質(zhì)，是清潔、高效的環(huán)保淬火工藝。

第六，表面淬硬層組織細(xì)，硬度高，耐磨性好，能滿足淬硬層深度較淺（一般在0.3～2.0mm）表面淬火產(chǎn)品。

（3）工藝參數(shù)及其相互關(guān)系 激光淬火是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的快速加熱、快速冷卻的淬火過程。激光淬硬層的尺寸參數(shù)（淬硬層寬度、淬硬層深度、表面粗糙度）和性能參數(shù)（表面硬度、耐磨性、組織變化）取決于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、掃描速度、材料的特性（成分、原始狀態(tài)）和材料表面預(yù)處理情況等，同時(shí)也與被處理零件的幾何形狀和尺寸以及激光作用區(qū)的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。在其他工藝因素不變的條件下，其主要工藝參數(shù)激光器輸出功率P、掃描速度v和作用在材料表面上的光斑尺寸D，三者的綜合作用直接反映了激光淬火過程的保溫溫度及其保溫時(shí)間。3個(gè)參數(shù)對(duì)激光表面淬火效果的影響關(guān)系為：淬硬層深度與激光功率成正比，與光斑大小和掃描速度成反比。另外，還應(yīng)考慮各參數(shù)值的選擇范圍，D不能過大，v不能過小，以免冷卻速度過低，不能實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。反之，當(dāng)激光輸出功率過大時(shí)，容易造成表面熔化，影響表面的幾何形狀。奧氏體的轉(zhuǎn)變臨界溫度與材料的熔點(diǎn)之比值越小，允許產(chǎn)生相變的溫度范圍越大，硬化層深度就越深。除此之外，硬化帶的掃描花樣（圖形）和硬化面積比例、硬化帶的寬窄以及激光作用區(qū)吹送氣體狀況、光路系統(tǒng)以及光束焦距等均會(huì)對(duì)激光淬火質(zhì)量有一定的影響。

（4）激光淬火掃描方式 激光淬火的掃描方式有圓形或矩形光斑的窄帶掃描和線形光斑的寬帶掃描。窄帶掃描的硬化帶寬度與光斑直徑相近，一般在5mm以內(nèi)。對(duì)于要求大面積硬化時(shí)，必須逐條地進(jìn)行掃描，掃描帶之間需要重疊，重疊部分將留下回火軟化帶。回火軟化帶的寬度與光斑特性有關(guān)，一般均勻矩形光斑產(chǎn)生的回火軟化帶較小。為了減少軟化帶的不良影響，需采用寬帶掃描技術(shù)。寬帶掃描將聚焦的圓光斑變成線光斑，掃描寬度大為提高。

（5）激光淬火區(qū)預(yù)處理 在產(chǎn)品激光淬火前，工件表面粗糙度值很小，在淬火中會(huì)嚴(yán)重影響材料表面對(duì)激光光能的吸收率。因此，在激光淬火前需要對(duì)待處理工件表面進(jìn)行預(yù)處理。表面預(yù)處理方法很多，包括磷化法、提高表面粗糙法、氧化物涂料法、黑色涂料法等，其中最常用的是磷化法、黑色涂料法和氧化物涂料法，如表1所示。

2.缸筒局部淬火應(yīng)用情況

缸筒材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMoV，熱處理技術(shù)要求：①外徑φ100.14mm±0.05mm處硬度≥50HRC，淬硬層深度（淬硬層深度定義為從表面以下硬度在35HRC以上的厚度）1～1.5mm。②表面不可有熔化、裂紋、變形等缺陷。③產(chǎn)品表面不可碰劃傷。缸筒外形形狀及尺寸如圖2所示。

（1）設(shè)備名稱 激光多功能加工系統(tǒng)，設(shè)備型號(hào)為RC-LMS-4000-D-R。

（2）激光淬火前準(zhǔn)備 清洗缸筒工件表面的油污、雜質(zhì)等，并確保激光淬火部位表面外觀質(zhì)量；缸筒激光淬火部位表面粗糙度較高，表面均勻涂上SiO2激光吸光涂料，減小缸筒表面激光的發(fā)射來保證激光的吸收率；缸筒激光淬火前烘干涂層，為后續(xù)激光淬火做準(zhǔn)備；檢驗(yàn)設(shè)備的工作狀態(tài)，保證淬火過程中設(shè)備的正常運(yùn)行。

（3）選定工藝參數(shù) 所使用激光加工系統(tǒng)為半導(dǎo)體激光器。工藝參數(shù)選擇為：最大輸出功率P=4kW，掃描速度v=25mm/s，光斑寬度B=10mm。

（4）激光淬火后淬硬區(qū)的硬度 將激光表面淬火過的試樣，沿掃描中心帶切開，制備金相試樣。用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試（載荷：200gf，保載時(shí)間10s）。經(jīng)激光淬火區(qū)硬度測(cè)試后，激光淬火硬度與深度關(guān)系如表2所示。從表中可知：激光淬火后距試料表面0.2mm處硬度為55.4HRC，距試料表面1.4mm處硬度為28.4HRC，由表中數(shù)據(jù)可看出：試料表面硬度由表到里硬度呈下降趨勢(shì)，但硬度降幅幅度較小，從淬硬層深1.2mm處開始硬度急劇下降，到1.4mm處硬度已為缸筒基體硬度。距表面1.3mm處，試料硬度值為36.6HRC，而根據(jù)缸筒淬硬層硬度技術(shù)條件要求（＞35HRC），缸筒試料淬硬層深度應(yīng)為1.3mm，激光淬火后表面硬度為55.4HRC，符合缸筒圖樣所提熱處理淬硬層硬度、深度技術(shù)條件。

表1 常用黑化處理方法

圖2 缸筒外形形狀及尺寸

表2 激光淬火硬度與深度關(guān)系

（5）缸筒表面外觀質(zhì)量 激光淬火后，缸筒淬火區(qū)無明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，表面粗糙度值較低，經(jīng)磁粉無損檢測(cè)后表面無微小裂紋現(xiàn)象。并經(jīng)專業(yè)的檢測(cè)手段檢測(cè)缸筒淬火區(qū)沒有變形缺陷產(chǎn)生。

從產(chǎn)品外觀質(zhì)量要求和熱處理淬硬層深度、硬度方面都符合圖樣要求。

3.激光淬火中存在的主要問題及改進(jìn)措施

（1）激光淬火生產(chǎn)中存在的主要問題 根據(jù)激光淬火工藝研究中工藝參數(shù)及其內(nèi)在聯(lián)系可知：在激光淬火生產(chǎn)過程中操作人員對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)準(zhǔn)確控制、要求嚴(yán)格，不可避免會(huì)出現(xiàn)工藝穩(wěn)定性較差情況發(fā)生。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是光斑功率密度及激光不均勻性影響淬火工藝的穩(wěn)定性；光斑形狀對(duì)淬硬層均勻性的影響；激光淬火中大面積淬硬層難以保證；工件初始狀態(tài)對(duì)激光淬火質(zhì)量的影響。

（2）提高激光淬火生產(chǎn)的一些改進(jìn)措施 在使用激光淬火加工系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，必須優(yōu)化控制淬火過程中的各種因素來保證激光淬火工藝的穩(wěn)定性。在精確控制激光功率、掃描速度、光斑尺寸等工藝因素的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品淬火前技術(shù)人員可根據(jù)產(chǎn)品材料熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、熔點(diǎn)、相變臨界溫度以及產(chǎn)品淬火部位外形形狀，將影響因素預(yù)先輸入智能監(jiān)測(cè)工藝過程系統(tǒng)。在淬火過程中，操作人員根據(jù)智能系統(tǒng)控制中心顯示的各種參數(shù)變化規(guī)律信息，來實(shí)時(shí)控制激光器、光學(xué)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)的準(zhǔn)確運(yùn)行，從而完成淬火的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)激光淬火產(chǎn)品高質(zhì)量的目的。如圖3所示，傳感器1～4分別監(jiān)控激光器輸出光束的功率及功率密度分布、光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀態(tài)、工件表面激光輻照區(qū)的溫度變化及工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 激光淬火過程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

4.結(jié)語

目前，激光淬火技術(shù)的研究、開發(fā)、應(yīng)用還處于上升階段，在形狀較為復(fù)雜的工件中仍存在一些問題。但是，激光淬火是一新型的熱處理前沿技術(shù)，采用此技術(shù)可以解決傳統(tǒng)表面淬火難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)。并且在淬火生產(chǎn)中，不需要任何冷卻介質(zhì)，符合國內(nèi)外熱處理行業(yè)規(guī)定的“少無氧化生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)”的環(huán)保發(fā)展目標(biāo)要求，在今后國內(nèi)鋼鐵冶金、汽車、國防建設(shè)、航天航空等領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。