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第 5 章 雷射熱處理技術. 5.1 雷射淬火技術 5.2 雷射熔覆技術 5.3 雷射毛化技術 5.4 雷射表面合金化技術. 國外權威人士將雷射表面處理技術分為六種類型. 圖 5.1 雷射熱處理 技術 的分類. 表 5.1 各種雷射熱處理 技術 的特點. 5.1 雷射淬火技術. 5.1.1 概 述 雷射淬火在提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性質的同時，又可使其芯部仍保持較好的韌性，具有顯著的經濟效益，雷射淬火是一種具有很多優點的表面硬化處理。 (1) 強化效果好。 (2) 能夠獲得極細的硬化層組織，而且淬硬層深度可以控制。
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第 5 章雷射熱處理技術 5.1 雷射淬火技術 5.2 雷射熔覆技術 5.3 雷射毛化技術 5.4 雷射表面合金化技術
國外權威人士將雷射表面處理技術分為六種類型國外權威人士將雷射表面處理技術分為六種類型 圖5.1 雷射熱處理技術的分類
5.1 雷射淬火技術 • 5.1.1 概 述 • 雷射淬火在提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性質的同時，又可使其芯部仍保持較好的韌性，具有顯著的經濟效益，雷射淬火是一種具有很多優點的表面硬化處理。 • (1)強化效果好。 • (2)能夠獲得極細的硬化層組織，而且淬硬層深度可以控制。 • (3)變形小。 • (4)適應性廣泛且靈活。 • (5)熱處理週期短，生產效率高，成本低。 • (6)對環境無污染。
5.1.2 雷射淬火理論基礎 • 一、技術參數對淬火層性質的影響 • 雷射淬火的技術參數主要有三個：雷射輸出功率P、掃描速度v和光斑大小D。 • 技術參數P、v、D之間可以相互補償，在其他條件一定的情況下，雷射淬火硬化層深度H與P、v、D、E有如下關係（H正比於功率密度E，反比於掃描速度v）。 • （5.1）
1.雷射功率P 圖5.2雷射功率對硬化層深度的影響
2.掃描速度v 圖5.4掃描速度與硬化層深度的關係
3.光斑大小D • 對於一定的聚焦雷射光束來講，處於焦點處的光斑尺寸最小，距離焦點越遠，D值越大，其E值越小，表面溫度越低，硬化層越淺。
二、冷卻速度對硬化層硬度分佈的影響 • 一般淬火在淬火時，工件表面接觸溫度相對很低的冷卻介質，冷卻速度很快，冷卻方向是由表至裏的“導冷”，冷卻速度由表至裏存在由快到慢的下降梯度。因此，表面的硬度值最高，而芯部冷卻速度慢，硬度值最低。
圖5.7 一般淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意圖5.7 一般淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意
雷射淬火的冷卻方向是工件的內部向表面進行，正好與一般淬火的冷卻方向相反。局部表層的裏面雖然溫度低，但冷卻速度最快。表面雖然溫度最高，但冷卻速度最慢，最終形成硬化層的硬度值幾乎一樣，近似成“水平分佈”狀態。雷射淬火的冷卻方向是工件的內部向表面進行，正好與一般淬火的冷卻方向相反。局部表層的裏面雖然溫度低，但冷卻速度最快。表面雖然溫度最高，但冷卻速度最慢，最終形成硬化層的硬度值幾乎一樣，近似成“水平分佈”狀態。
圖5.8 雷射淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意圖5.8 雷射淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意
三、淬火後殘餘應力及變形 • 1.殘餘應力 • 殘餘壓應力可以提高材料的可靠性和使用壽命，殘餘拉應力則將導致裂紋的產生及擴展。 • 當溫度升高時，材料發生膨脹，其膨脹量和速度取決於加熱速度和加熱溫度。當溫度降低時，材料發生收縮。材料內部溫度分佈不均勻，所產生的變形也不均勻，導致其內部產生熱應力。在冷卻過程中，當奧斯田體發生麻田散體相變時，由於麻田散體密度小於奧散田的密度，因此在轉變過程中會發生體積膨脹。雷射相變硬化過程中，由於存在由表至裏的溫度梯度，冷卻時組織轉變不可能同時進行，麻田散體膨脹量的不同會導致相變應力的產生。可見，殘餘應力是由熱應力和相變應力共同作用的結果決定的。
2.變形 • 在雷射淬火過程中，變形主要是由熱應力和相變應力綜合作用的結果。當應力大於材料的屈服點時，便會引起工件的變形。若應力大於材料的強度極限時，將會使工件產生裂紋。 • 對於大多數工件來講，雷射硬化的區域只占整體零件表面的一小部份，其熱應力和相變應力對整體的變形驅動很小，所以只產生極小的變形量，且通常有組織相變產生的表面凸起和徑向跳動，變形量一般只有0.1mm左右，甚至更小。但是，對於厚度小於0.5mm的工件，變形問題不可忽視，一般要採取輔助冷卻等方法，才能保證獲得良好的效果。
四、雷射淬火系統的組成 • 雷射淬火系統包括雷射器、光路系統、雷射電源系統、冷卻系統、工作檯及控制系統等部份。 • 1.雷射器 • 雷射器是整個系統的核心，對雷射器的要求是穩定、可靠。固體雷射器和氣體雷射器均可用於雷射熱處理，其中CO2雷射器和YAG雷射器應用最廣泛。 • 在相同功率密度下，YAG雷射器比CO2雷射器的淬火深度要深一些，而且變形小。在熱處理效果上，500W的YAG雷射器可相當於1.5kW的CO2雷射器[7]。
表5.2 室溫下常見金屬在特定雷射波長下的吸收率表5.2 室溫下常見金屬在特定雷射波長下的吸收率
表5.3室溫下常見金屬在特定雷射波長下的反射率表5.3室溫下常見金屬在特定雷射波長下的反射率
2.光路系統 • 光路系統是雷射器和工件的連接部份，是雷射加工設備的主要組成部份之一，它的特性直接影響雷射加工的性質。
5.1.3 發動機缸套雷射淬火 • 汽缸或汽缸套的材質多為灰鑄鐵或合金鑄鐵，其硬度為180～250HV（相當於20～25HRC）[7]，採用雷射淬火處理後，汽缸表面硬度可達800HV以上，耐磨性可提高1～3倍，發動機使用壽命提高20%～30%以上，可保證發動機的正常運行。 • 一、缸套淬火深度 • 依中國汽車行業公認的指標，汽車發動機汽缸在缸徑磨損量大於或等於0.15～0.20mm時就要進行大修。因此，雷射淬硬層的深度有0.15mm就已經滿足使用要求了，如果過深，則容易產生缸體變形[8]。
二、缸套淬火網紋 • 工作檯帶動工件進行旋轉運動，雷射光束進行垂直運動，使雷射光束在缸體內表面快速掃描，形成特定的硬化帶圖案。 • 雷射淬火硬化網紋圖案有多種形式，包括螺旋紋、正弦紋以及菱形網紋等，其中以菱形交叉網紋效果最佳。
網紋的參數主要包括網紋周長、高度、角度和頭數等，各參數說明如下：網紋的參數主要包括網紋周長、高度、角度和頭數等，各參數說明如下： • (1)網紋的橫向長度L：即缸體的周長，由缸體的半徑R決定。 • (2)淬火網紋的高度h：由缸套尺寸和實際需求來決定。 • (3)網紋角度：即網紋斜線與水平方向的夾角。 • (4)淬火頭數n：為整體雷射淬火軌跡在缸體一端轉折的次數。 • (5)淬火面積比：即雷射淬火網紋有效面積與缸體內壁有效面積之比，由淬火頭數、網紋寬度和網紋夾角共同決定，一般認為淬火面積在20%～30%左右為宜。
經過雷射淬火的網格是硬化區，未經過淬火的空白區是原來的組織，相對比較軟，可形成儲油結構，如圖5.14所示。經過雷射淬火的網格是硬化區，未經過淬火的空白區是原來的組織，相對比較軟，可形成儲油結構，如圖5.14所示。 • 在摩擦過程中，軟組織含油表面的油膜與硬組織表面的油膜連成一片，使摩擦副成為油膜間隔型摩擦副，大大增加了其表面抗磨損性質。同時，磨損下來的磨粒較易嵌入軟組織基地中，減少了表面劃刮傷。缸體內表面的軟硬相間的網格狀組織，具有一定的表面彈力，也具有良好的抗拉傷性質。
圖5.14網紋淬火後的表面磨損形成的儲油結構1—潤滑油，2—缸壁表面，3—儲油結構，4—活塞環表面，5—磨粒圖5.14網紋淬火後的表面磨損形成的儲油結構1—潤滑油，2—缸壁表面，3—儲油結構，4—活塞環表面，5—磨粒
三、雷射淬火組織及硬度 • Nd：YAG雷射淬火組織與CO2雷射淬火組織差別不大，淬火組織為較細的針狀麻田散體，原始組織中的片狀石墨仍然存在。YAG雷射硬化層的硬度達789～871HV，比CO2雷射淬火硬度略高。
5.1.4 齒輪的雷射淬火 • 傳統的齒面硬化處理如高頻淬火、滲碳、滲氮、液體氮碳共滲等，雖然能獲得硬齒面齒輪，但不同程度存在如下問題：淬火變形過大（如滲碳）、硬化層過淺（如氮化）、齒面硬化層分佈不均（如滲碳、高頻淬火、火焰淬火），而且處理後通常需要進行二次整形加工（磨齒），費用昂貴，如果變形過大磨削餘量不夠，還會導致齒輪報廢。 • 齒輪雷射淬火克服了上述傳統技術硬化層分佈不均、變形大等缺點。
一、齒輪雷射淬火的要求 • 如圖5.20所示，A處（齒根）為齒輪嚙合時產生最大彎曲應力的部位，該處極易產生疲勞裂紋，而導致疲勞斷裂。B處是產生表面接觸疲勞的部位，硬化處理時需要沿齒形淬硬至一定深度。C處的硬度（中心點硬度）低於A和B處時，就會產生殘餘壓應力，齒根的彎曲疲勞強度就會得到提高。D處緊靠A處，最好也進行淬火。
理想的硬化層為：沿著齒形均勻分佈，同時由於芯部硬度比表面的低，所以硬化層呈壓縮狀態，如圖5.21所示。這樣就可以在提高齒根的彎曲疲勞強度和齒面的接觸疲勞強度的同時，也能保持淬硬層的壓應力，而有利於提高齒輪的使用壽命。理想的硬化層為：沿著齒形均勻分佈，同時由於芯部硬度比表面的低，所以硬化層呈壓縮狀態，如圖5.21所示。這樣就可以在提高齒根的彎曲疲勞強度和齒面的接觸疲勞強度的同時，也能保持淬硬層的壓應力，而有利於提高齒輪的使用壽命。
二、齒輪雷射淬火的掃描方式 • 1.搭接掃描 • 當雷射光束沿齒廓掃描時，每一齒面在齒頂（漸開線QS部份）及齒根（過渡曲線RJ部份）各掃一次，才能使整個齒面全都淬硬，如圖5.22所示。
2.寬帶掃描 • 為了實現無軟化區較大面積的雷射淬火，用寬帶光束掃描系統，實現低功率密度、慢速掃描雷射淬火。齒輪採用寬帶雷射淬火，整個齒寬可一次處理完畢，避免雷射光束在齒面搭接。
三、齒輪雷射淬火後的硬度和變形 • 1.硬度 • 雷射淬火能在工件表面上產生硬化麻田散體，取得較好的表面淬火硬度。硬化層金相組織為極細的針狀麻田散體（圖5.24）。經雷射淬火處理後的齒面兩側硬度基本一致（硬度差可控制在小於3HRC），比一般熱處理約高15%～20%，硬化層深可控制在0.4～1.2mm範圍內，硬化層由表及裏硬度值幾乎一致（表5.5）。對於低碳鋼、低碳合金鋼，淬火硬度可達40HRC左右，中碳鋼（如45鋼）表面淬火硬度可達57HRC左右。齒面硬度分佈均勻，形態合理。 • 圖5.25是採用寬帶雷射光束處理齒輪得到的硬化層沿齒廓的分佈，硬化層形狀是均勻的。
2.變形 • 齒輪雷射淬火的變形量極小，可控制在微米量級。由於雷射淬火加熱速度極高，可達1000℃/s以上，相變溫度停留時間不到0.1s，因此熱影響區很小，再加上基體對微小的局部熱作用區變形具有很大的抑制作用，所以可將熱應力變形和相變變形控制在極小的範圍內，一般不會使原齒輪加工精度等級下降，表面粗糙度無明顯變化。
四、齒輪偏置量和變速掃描 • 1.齒輪偏置量 • 由於齒輪的齒廓是漸開線，因此必須使雷射光束光軸和齒輪的旋轉軸線保持一定的距離，才可以使整個齒面得到硬化。定義此距離為齒輪偏置量a，可以表示為 • （5.3） • 式中，d為光斑直徑，rb為基圓半徑，rk為漸開線上任意點K的極徑。
2.變速掃描 • 在齒輪處理的過程中，考慮到熱傳導對硬化效果的影響，應使雷射沿齒面由齒頂向齒根移動。此時，齒面上任意點K的掃描速度vk可以表示為 • （5.4） • 式中，a、rk含義同式，隨著雷射光束由齒面向齒根移動，掃描速度是不斷減小的。由於齒頂的熱容量較小，齒根的熱容量較大，在處理過程中常常發生齒頂熔化，而齒根尚未硬化的現象。因此必須採用變速掃描技術，進一步提高齒頂的掃描速度、降低齒根的掃描速度，以獲得滿意的處理效果。
