熱處理中激光技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

激光技術(shù)是本世紀(jì)60年代初誕生，而且發(fā)展極為迅速的一門高新技術(shù)。它的發(fā)展與滲透，帶動(dòng)了其它學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)已成為本世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要支柱之一。 

　　激光加工技術(shù)是激光技術(shù)在工業(yè)中的主要應(yīng)用，激光加工技術(shù)加速了對(duì)傳統(tǒng)加工工業(yè)的改造，提供了現(xiàn)代工業(yè)加工技術(shù)的新手段，影響很大。激光加工是指用高功率激光束對(duì)工業(yè)用零部件進(jìn)行切割、熱處理、焊接、打孔等等，與傳統(tǒng)加工方法相比，激光加工的特點(diǎn)是:激光束能量高度集中，加工區(qū)域小，因而熱變形小，加工質(zhì)量高、精度高，加工件不受尺寸、形狀限制，不需冷卻介質(zhì)，而且無污染，噪聲小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率高。激光加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化正在我國(guó)興起。

　　一、激光熱處理技術(shù)的特點(diǎn)

　　激光熱處理是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對(duì)材料實(shí)現(xiàn)相變硬化(或稱做表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火)、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其它表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。

　　激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度四大特點(diǎn)，因此，其穿透能力極強(qiáng)。激光的穿透能力是由其能量大孝功率密度強(qiáng)弱、時(shí)間長(zhǎng)短而決定。當(dāng)功率密度為103W/cm2～107W/cm2時(shí)，以103℃/s～107℃/s加熱速度把金屬表面加熱到僅低于熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度，其表面迅速奧氏體化，然后急速自冷淬火，冷卻速度可達(dá)1.7×104℃/s，金屬表面迅速被強(qiáng)化，這就是激光相變硬化。

　　激光熱處理的顯著特點(diǎn)是:具有高速加熱，高速冷卻，獲得的組織細(xì)密、硬度高、耐磨性能好;淬火部位可獲得大于400kgf/mm2的殘余壓應(yīng)力，有助于提高疲勞性能;還可以進(jìn)行局部選擇性淬火，通過對(duì)多光斑尺寸的控制，更適合其它熱處理方法無法勝任的管孔、深溝、微區(qū)、夾角和刀具刃口等局部區(qū)域的硬化;激光可以遠(yuǎn)距離傳送，可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光器多工作臺(tái)同時(shí)使用，采用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熱處理工藝過程的控制和管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。

　　二、激光熱處理在工業(yè)上的應(yīng)用及發(fā)展

　　由于激光熱處理有相當(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術(shù)難題，在國(guó)內(nèi)外受到了高度重視，激光熱處理得到了迅速的發(fā)展。

　　大功率CO2激光器從70年代起發(fā)展很快，先進(jìn)工業(yè)國(guó)家大功率CO2激光器已產(chǎn)品化、系列化。我國(guó)從“七五”以后相繼研制成功了千瓦級(jí)至萬瓦級(jí)大功率CO2多模激光器。隨著大功率激光器的發(fā)展，用激光就可以實(shí)現(xiàn)各種形式的表面處理。它是引起材料組織結(jié)構(gòu)變化的冶金過程，其加熱時(shí)間在10- 3s～10-7s的范圍內(nèi)，功率密度為每平方毫米大于0.1 kW。它的應(yīng)用極為廣泛，幾乎一切金屬表面熱處理都可以應(yīng)用。目前應(yīng)用比較多的有汽車、冶金、石油、重型機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等存在嚴(yán)重磨損的機(jī)器行業(yè)，以及航天、航空等高技術(shù)產(chǎn)品。

　　激光熱處理在汽車行業(yè)應(yīng)用極為廣泛，在許多汽車關(guān)鍵件上，如:缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環(huán)槽等幾乎都可以采用激光熱處理。例如，美國(guó)通用汽車公司用十幾臺(tái)千瓦級(jí)CO2激光器，對(duì)換向器殼內(nèi)壁局部硬化，日產(chǎn)3萬套，提高工效四倍。我國(guó)采用大功率CO2激光器對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸孔內(nèi)壁強(qiáng)化處理，可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)大修里程到15萬公里以上，一臺(tái)汽缸等于三臺(tái)不經(jīng)處理的汽缸。

　　激光熱處理過的缸體、缸套淬硬帶的耐磨性大幅度提高，未淬硬帶可增加儲(chǔ)油，改善潤(rùn)滑性能我國(guó)拖拉機(jī)發(fā)展快，不斷推出新品牌，但拖拉機(jī)用內(nèi)燃機(jī)缸體、缸套壽命短，損壞嚴(yán)重，維修量很大，西安內(nèi)燃機(jī)配件廠在國(guó)家科委的幫助下，首先建起了柴油機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線，年產(chǎn)60萬只，壽命延長(zhǎng)10000 小時(shí)。

　　缸體激光熱處理設(shè)備及生產(chǎn)線激光涂覆與激光合金化工藝相似，但不同的是不另外加入合金，使金屬表面融化隨即冷卻凝固，從而得到細(xì)微的接近均勻的表層組織，對(duì)于某些共晶合金，還可得到非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能，例如，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵閥座上進(jìn)行鉻基表面涂覆，可獲得良好的不銹鋼表面。

　　激光熱處理在大型機(jī)車制造業(yè)已被采用，大大提高了機(jī)車壽命，主要是機(jī)車大型曲軸的激光熱處理和機(jī)車柴油機(jī)缸套和機(jī)車主簧片的激光熱處理。模具的制造工藝復(fù)雜，精度要求高，形狀各異，應(yīng)用廣泛，但往往因模具的壽命短而加大了成本，返修也很困難。用激光對(duì)模具表面進(jìn)行熱處理，已逐漸被認(rèn)識(shí)和被采用，可成倍的提高模具的壽命，又不受形狀和尺寸的限制。

　　激光熱處理過的曲軸由于激光熱處理越來越顯示其優(yōu)越性，各種大功率CO2激光熱處理機(jī)不斷問世。有些大型企業(yè)不惜代價(jià)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，如大連機(jī)車車輛廠引進(jìn)德國(guó)6000W CO2激光器用于大型曲軸熱處理生產(chǎn)線等。與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)的大功率CO2激光熱處理設(shè)備銷售每年也成倍增長(zhǎng)，激光熱處理生產(chǎn)線在各地相繼發(fā)展起來。

　　目前比較成功的例子有大連機(jī)車車輛廠用于機(jī)車曲軸、缸套、立簧片的激光熱處理生產(chǎn)線;西安內(nèi)燃機(jī)廠柴油機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線;北京內(nèi)燃機(jī)及首都汽車公司的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套激光熱處理生產(chǎn)線;長(zhǎng)春第一汽車制造廠激光熱處理生產(chǎn)線。同時(shí)全國(guó)各地還建立了不同規(guī)模的激光加工中心，為各行業(yè)機(jī)器零件進(jìn)行激光熱處理。

　　三、開發(fā)激光熱處理的新應(yīng)用，促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)化

　　激光是一門高新技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。激光熱處理的技術(shù)關(guān)鍵有三:高功率的激光器;多自由度的加工設(shè)備并與計(jì)算機(jī)配套;不同應(yīng)用的激光熱處理工藝。經(jīng)過我國(guó)激光科技人員十幾年的努力，這三個(gè)方面都有了很快的發(fā)展，為激光熱處理技術(shù)的推廣創(chuàng)造了條件。近幾年來，激光產(chǎn)業(yè)以兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)，高于國(guó)際激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度，也高于全國(guó)工業(yè)增長(zhǎng)的速度，可見其前景是遠(yuǎn)大的。

　　激光熱處理技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)尚不普遍，主要是人們對(duì)激光技術(shù)的應(yīng)用，還存在不同程度的神秘化和偏見。激光技術(shù)、激光熱處理應(yīng)用推廣宣傳不夠，缺乏實(shí)踐。因此應(yīng)盡快把激光技術(shù)的科研成果，特別是激光熱處理技術(shù)面向經(jīng)濟(jì)、面向市場(chǎng)、面向全社會(huì)，主要是為工業(yè)企業(yè)服務(wù)，不斷推廣，擴(kuò)大其應(yīng)用。

　　為了達(dá)到這一目的，建立專用的激光熱處理生產(chǎn)線固然重要，然而建立多功能的激光加工中心，為更多的中小企業(yè)服務(wù)，更不可少。在美國(guó)、歐洲和日本就有這種加工中心800多家，我國(guó)不少城市近幾年也建立了相類似的激光加工中心，服務(wù)于各行各業(yè)，起到了很好的示范作用，也創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　可以毫不夸張的說，激光熱處理設(shè)備幾乎可以解決金屬表面熱處理的所有問題，只是工藝要不斷的摸索、探討、實(shí)驗(yàn)。激光熱處理中心可以完成這些工作，并以最快的速度發(fā)展其應(yīng)用。例如，在不斷發(fā)展的汽車、拖拉機(jī)修理行業(yè)中，激光熱處理已經(jīng)取得非常好的應(yīng)用效果。

　　可以預(yù)言，激光加工技術(shù)，特別是激光熱處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用必將加速我國(guó)的激光產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。