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激光表面淬火工艺研究 2019-10-15

原理

技术又称激光表面热处理是利用聚焦后的激光束作为热源照射在待处理工件表面,使其需要硬化部位温度瞬间急剧上升而形成奥氏体,随后经快速冷却获得晶粒细的马氏体或其他组织的淬硬层过程的热处理加工技术。

技术特点

激光淬火和中高频淬火、渗碳淬火相比,有以下特点:

1.功率密度高、加热速度极快,零件变形极小,且可以通过热处理工艺来控制变形,工件处理后不需要修磨,可以作为零件精加工的最后一道工序;

2. 可以对形状复杂零件;如盲孔、内孔、小槽、薄壁零件等进行处理或局部处理,也可根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。可以克服高频淬火因受感应器限制难以对形状复杂零件进行表面淬火、加热区域难以控制、薄壁零件淬火易开裂的问题;对大型零件的加工也无需受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制;

3.通用性强。由于激光聚焦深度大,淬火时对零件的尺寸、大小及表面都没有严格的限制。而现有的中高频淬火对各种零件都得制作合适的感应器;

4.对于某些淬火温度较高的金属零件,其淬火温度和熔点温度很接近,在使用感应器进行产品局部表面淬火时很容易烧伤夹角或不规则部位,导致零件报废,而则不受此限;

5.激光淬火冷却速度很快,不需要水或油等冷却介质,是清洁、高效的环保淬火工艺;

6.表面淬硬层组织细,硬度高,耐磨性好,能满足淬硬层深度较浅(一般在0.3~2.0mm)表面淬火产品。

 边、孔激光淬火  薄壁激光淬火  凹槽激光淬火


工艺参数及其相互关系

激光淬火是一个错综复杂的快速加热、快速冷却的淬火过程。激光淬硬层的尺寸参数(淬硬层宽度、淬硬层深度、表面粗糙度)和性能参数(表面硬度、耐磨性、组织变化)取决于激光功率密度(激光功率、光斑尺寸)、扫描速度、材料的特性(成分、原始状态)和材料表面预处理情况等,同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光作用区的热力学性质有关。在其他工艺因素不变的条件下,其主要工艺参数激光器输出功率p、扫描速度v和作用在材料表面上的光斑尺寸d,三者的综合作用直接反映了激光淬火过程的保温温度及其保温时间。

激光淬火深度与主要的参数关系如下:

 激光表面淬火

从上式可看出,需考虑各参数值的选择范围,d不能过大,v不能过小,以免冷却速度过低,不能实现马氏体转变。反之,当激光输出功率过大时,容易造成表面熔化,影响表面的几何形状。奥氏体的转变临界温度与材料的熔点之比值越小,允许产生相变的温度范围越大,硬化层深度就越深。除此之外,硬化带的扫描花样(图形)和硬化面积比例、硬化带的宽窄以及激光作用区吹送气体状况、光路系统以及光束焦距等均会对激光表面淬火质量有一定的影响。



激光淬火扫描方式

激光淬火的扫描方式有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。窄带扫描的硬化带宽度与光斑直径相近,一般在5mm以内。对于要求大面积硬化时,必须逐条地进行扫描,扫描带之间需要重叠,重叠部分将留下回火软化带。回火软化带的宽度与光斑特性有关,一般均匀矩形光斑产生的回火软化带较小。为了减少软化带的不良影响,需采用宽带扫描技术。宽带扫描将聚焦的圆光斑变成线光斑,扫描宽度大为提高。


激光淬火适用范围

激光淬火技术的研究、开发、应用目前还处于上升阶段,在形状较为复杂的工件中仍存在一些问题。但是,激光淬火是一新型的热处理前沿技术,采用此技术可以解决传统表面淬火难以实现的技术目标。并且在淬火生产中,不需要任何冷却介质,符合国内外热处理行业规定的“少无氧化生产、绿色生产”的环保发展目标要求,适用于各类五金工具、剪切工具刃口、刀具刃口、阀门密封面、小型齿轮、小型模具、汽车配件、齿轮齿圈、机床导轨、电机轴、减速机轴等机械零件表面热处理。


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