[科普中国]-激光表面热处理

利用激光束高能量产生的热效应对金属材料表面进行热处理的一项新技术。该技术的工作过程是：用激光照射零件表面，可加热至临界相变温度以上，移去激光束后，该表面迅速冷却自行淬火。这在提高金属表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性和冲击性等方面，都取得明显的效果。激光处理的优点是无污染，且属局部表面处理， 压力小、变形小，因而有广阔的应用前景。

激光表面热处理装置构成激光表面处理特点是加热速度快，温度高，无氧化，变形小，晶粒超细化，疲劳强度高，可以实现自冷淬火，特别适用于局部热处理，如尺寸很小的工件、不通孔的底部等用普通热处理加热很难实现的部位，并可以配置在生产线上。

激光热处理在汽车行业应用极为广泛，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、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。在大型机车制造业中，激光热处理的应用，大大提高了机车的寿命，主要用于机车大型曲轴的激光热处理、机车柴油机缸套和机车主簧片的激光热处理。全国各地建立了不同规模的激光加工中心，可为各行业机器零件进行激光热处理。激光表面热处理装置主要由激光器、导光系统、加工机床、控制系统、辅助设备及安全防护装置所组成。1

激光表面热处理的特点1)加热和冷却速度高。

2)高硬度。激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15%-20%，可获得极细的马氏体晶粒。淬火硬度与加热温度有关，与保温时间无关。硬化带的部分重叠会产生明显回火使硬度降低。硬化层较浅，与加热时间的平方根成正比，通常为0.3~0.5mm。用lkW的激光器扫描时层深可达1mm，用6kW的激光器扫描时层深可达2mm。当要求淬火深度时，要严格控制扫描速度和功率密度的变化，以防止元件表面软化。

3)变形小。激光淬火表面有很大的残余压力（可达4000MPa），有利于提高疲劳强度。由于加热层薄，加热速度快，即使很复杂的元件，变形也非常小。

4)表层显微组织。由于激光加热速度极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。因加热时间又很短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小而不均匀。冷却速度也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。另外，经激光辐射加热进行淬火的硬化层，从表面沿深度方向，温度呈递减分布，金属中第二相随着温度的递减，其熔解过程的特征在淬火组织中均能表现出来。2

激光表面处理分类根据材料的不同种类，调节激光功率密度、激光辐照时间等工艺参数，增加一定的气氛条件，可进行激光表面淬火(相变硬化)、激光表面熔凝、激光表面合金化等激光表面处理。其特点如下：

1、激光表面淬火，主要通过相变硬化，提高表面硬度和耐磨性；

2、激光表面熔凝，主要通过在高功率密度激光束作用下，材料表面快速熔化并激冷，获得极细晶粒组织，显著提高硬度和耐磨性；

3、激光表面合金化，利用多种方法，将添加元素置于基材表面(或吹人合金化气体)，在保护气氛下，激光将二者同时加热熔化，获得与基材冶金结合的特殊合金层。3

激光表面热处理中注意事项1)工件的黑化处理

一般情况下金属将使波长为10.6 μm，激光的绝大部分被反射，黑化处理是充分利用激光能量最经济适用的方法。黑化处理主要有涂碳法、胶体石墨法和磷酸盐法等，其中磷酸盐法最好，其吸收率可达80%~ 90%，膜厚仅为5μm，具有较好的防锈性，处理后不用清除即可用来装配。

2)激光束模式

激光热处理的目的是希望获得一个矩形的硬化断面，使其在磨损过程中始终保持硬化带的面积基本不变，因而要求激光束为矩形，而且光斑中的功率保持基本均匀或边缘稍高。为此，一种方法是采用光学方法使激光束变成所需的形式；另一种方法是依靠调节激光器的谐振腔，使得光束中的功率密度较为均匀，还可获得较高输出功率。

3)焦距选择与焦深

激光热处理多要求淬火带的宽度在2mm以上，应该选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，一般为2mm左右。在激光处理中焦深也是一个非常重要的参数，焦距越大焦深也越大。在焦深很大时，零件的复杂形状或较大的离焦对激光热处理无明显影响。2

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学