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激光表面熱處理技術的工業應用特點

激光技術是本世紀60年代初誕生,而且發展極為迅速的一門高新技術。它的發展與滲透,帶動了其它學科和技術的發展,激光技術已成為本世紀高新技術產業的主要支柱之一。

??激光加工技術是激光技術在工業中的主要應用,激光加工技術加速了對傳統加工工業的改造,提供了現代工業加工技術的新手段,影響很大。激光加工是指用高功率激光束對工業用零部件進行切割、熱處理、焊接、打孔等等,與傳統加工方法相比,激光加工的特點是:激光束能量高度集中,加工區域小,因而熱變形小,加工質量高、精度高,加工件不受尺寸、形狀限制,不需冷卻介質,而且無污染,噪聲小,勞動強度低,效率高。激光加工技術的產業化正在我國興起。

??一、激光熱處理技術的特點

??激光表面熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法,它可以對材料實現相變硬化(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,產生用其它表面淬火達不到的表面成分、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,因此,其穿透能力極強。激光的穿透能力是由其能量大孝功率密度強弱、時間長短而決定。當功率密度為103W/cm2~107W/cm2時,以103℃/s~107℃/s加熱速度把金屬表面加熱到僅低于熔點的臨界轉變溫度,其表面迅速奧氏體化,然后急速自冷淬火,冷卻速度可達1.7×104℃/s,金屬表面迅速被強化,這就是激光相變硬化。

??激光熱處理的顯著特點是:具有高速加熱,高速冷卻,獲得的組織細密、硬度高、耐磨性能好;淬火部位可獲得大于400kgf/mm2的殘余壓應力,有助于提高疲勞性能;還可以進行局部選擇性淬火,通過對多光斑尺寸的控制,更適合其它熱處理方法無法勝任的管孔、深溝、微區、夾角和刀具刃口等局部區域的硬化;激光可以遠距離傳送,可以實現一臺激光器多工作臺同時使用,采用計算機編程實現對激光熱處理工藝過程的控制和管理,實現生產過程的自動化。

??二、激光熱處理在工業上的應用及發展

??由于激光熱處理有相當明顯的優點,解決了傳統金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術難題,在國內外受到了高度重視,激光熱處理得到了迅速的發展。

??大功率CO2激光器從70年代起發展很快,先進工業國家大功率CO2激光器已產品化、系列化。我國從“七五”以后相繼研制成功了千瓦級至萬瓦級大功率CO2多模激光器。隨著大功率激光器的發展,用激光就可以實現各種形式的表面處理。它是引起材料組織結構變化的冶金過程,其加熱時間在10-3s~10-7s的范圍內,功率密度為每平方毫米大于0.1 kW。它的應用極為廣泛,幾乎一切金屬表面熱處理都可以應用。目前應用比較多的有汽車、冶金、石油、重型機械、農業機械等存在嚴重磨損的機器行業,以及航天、航空等高技術產品。

??激光熱處理在汽車行業應用極為廣泛,在許多汽車關鍵件上,如:缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、排氣閥、閥座、搖臂、鋁活塞環槽等幾乎都可以采用激光熱處理。例如,美國通用汽車公司用十幾臺千瓦級CO2激光器,對換向器殼內壁局部硬化,日產3萬套,提高工效四倍。我國采用大功率CO2激光器對汽車發動機進行缸孔內壁強化處理,可延長發動機大修里程到15萬公里以上,一臺汽缸等于三臺不經處理的汽缸。

??激光熱處理過的缸體、缸套淬硬帶的耐磨性大幅度提高,未淬硬帶可增加儲油,改善潤滑性能我國拖拉機發展快,不斷推出新品牌,但拖拉機用內燃機缸體、缸套壽命短,損壞嚴重,維修量很大,西安內燃機配件廠在國家科委的幫助下,首先建起了柴油機缸套激光熱處理生產線,年產60萬只,壽命延長10000小時。

??缸體激光熱處理設備及生產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,從而得到細微的接近均勻的表層組織,對于某些共晶合金,還可得到非晶態表層,具有極好的抗腐蝕性能,例如,在柴油發動機鑄鐵閥座上進行鉻基表面涂覆,可獲得良好的不銹鋼表面。

??激光熱處理在大型機車制造業已被采用,大大提高了機車壽命,主要是機車大型曲軸的激光熱處理和機車柴油機缸套和機車主簧片的激光熱處理。模具的制造工藝復雜,精度要求高,形狀各異,應用廣泛,但往往因模具的壽命短而加大了成本,返修也很困難。用激光對模具表面進行熱處理,已逐漸被認識和被采用,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越性,各種大功率CO2激光熱處理機不斷問世。有些大型企業不惜代價引進國外先進設備,如大連機車車輛廠引進德國6000W CO2激光器用于大型曲軸熱處理生產線等。與此同時,國產的大功率CO2激光熱處理設備銷售每年也成倍增長,激光熱處理生產線在各地相繼發展起來。

??目前比較成功的例子有大連機車車輛廠用于機車曲軸、缸套、立簧片的激光熱處理生產線;西安內燃機廠柴油機缸套激光熱處理生產線;北京內燃機及首都汽車公司的汽車發動機缸套激光熱處理生產線;長春汽車制造廠激光熱處理生產線。同時全國各地還建立了不同規模的激光加工中心,為各行業機器零件進行激光熱處理。

??三、開發激光熱處理的新應用,促進激光加工產業化

??激光是一門高新技術,應用領域很廣。激光熱處理的技術關鍵有三:高功率的激光器;多自由度的加工設備并與計算機配套;不同應用的激光熱處理工藝。經過我國激光科技人員十幾年的努力,這三個方面都有了很快的發展,為激光熱處理技術的推廣創造了條件。近幾年來,激光產業以兩位數的速度增長,高于國際激光產業發展的速度,也高于全國工業增長的速度,可見其前景是遠大的。

??激光熱處理技術的應用在我國尚不普遍,主要是人們對激光技術的應用,還存在不同程度的神秘化和偏見。激光技術、激光熱處理應用推廣宣傳不夠,缺乏實踐。因此應盡快把激光技術的科研成果,特別是激光熱處理技術面向經濟、面向市場、面向全社會,主要是為工業企業服務,不斷推廣,擴大其應用。

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

??可以毫不夸張的說,激光熱處理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、實驗。激光熱處理中心可以完成這些工作,并以快的速度發展其應用。例如,在不斷發展的汽車、拖拉機修理行業中,激光熱處理已經取得非常好的應用效果。

??可以預言,激光加工技術,特別是激光熱處理技術的發展和應用必將加速我國的激光產業化進程。 


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