激光淬火技術(shù)作為一種新型的熱處理工藝，與傳統(tǒng)表面淬火技術(shù)相比，具有加熱速度快、所得組織細(xì)密、淬硬性高、不變形等特點(diǎn)，并且技術(shù)適用性廣，不受感應(yīng)器制作難度的限制。

1.激光表面淬火工藝研究

（1）激光表面淬火原理

激光表面淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束作為熱源照射在待處理工件表面，使其需要硬化部位溫度瞬間急劇上升而形成奧氏體，隨后經(jīng)快速冷卻獲得晶粒細(xì)的馬氏體或其他組織的淬硬層過(guò)程的熱處理加工技術(shù)。

（2）激光表面淬火技術(shù)特點(diǎn)

激光淬火和工廠現(xiàn)有的中高頻淬火、滲碳淬火相比，有以下特點(diǎn)：

第一，功率密度高、加熱速度極快，零件變形極小，且可以通過(guò)熱處理工藝來(lái)控制變形，工件處理后不需要修磨，可以作為零件精加工的最后一道工序。

第二，可以對(duì)形狀復(fù)雜零件；如盲孔、內(nèi)孔、小槽、薄壁零件等進(jìn)行處理或局部處理，也可根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的處理?？梢钥朔哳l淬火因受感應(yīng)器限制難以對(duì)形狀復(fù)雜零件進(jìn)行表面淬火、加熱區(qū)域難以控制、薄壁零件淬火易開(kāi)裂的問(wèn)題；對(duì)大型零件的加工也無(wú)需受到滲碳淬火等化學(xué)熱處理時(shí)爐膛尺寸的限制。

第三，通用性強(qiáng)。由于激光聚焦深度大，淬火時(shí)對(duì)零件的尺寸、大小及表面都沒(méi)有嚴(yán)格的限制。而現(xiàn)有的中高頻淬火對(duì)各種零件都得制作合適的感應(yīng)器。

第四，對(duì)于某些淬火溫度較高的不銹鋼零件，其淬火溫度和熔點(diǎn)溫度很接近，在使用感應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)品局部表面淬火時(shí)很容易燒傷夾角或不規(guī)則部位，導(dǎo)致零件報(bào)廢，而激光表面淬火則不受此限。

第五，激光淬火冷卻速度很快，不需要水或油等冷卻介質(zhì)，是清潔、高效的環(huán)保淬火工藝。

第六，表面淬硬層組織細(xì)，硬度高，耐磨性好，能滿(mǎn)足淬硬層深度較淺（一般在0.3~2.0mm）表面淬火產(chǎn)品。

（3）工藝參數(shù)及其相互關(guān)系

激光表面淬火是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的快速加熱、快速冷卻的淬火過(guò)程。激光淬硬層的尺寸參數(shù)（淬硬層寬度、淬硬層深度、表面粗糙度）和性能參數(shù)（表面硬度、耐磨性、組織變化）取決于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、掃描速度、材料的特性（成分、原始狀態(tài)）和材料表面預(yù)處理情況等，同時(shí)也與被處理零件的幾何形狀和尺寸以及激光作用區(qū)的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。在其他工藝因素不變的條件下，其主要工藝參數(shù)激光器輸出功率P、掃描速度V和作用在材料表面上的光斑尺寸D，三者的綜合作用直接反映了激光淬火過(guò)程的保溫溫度及其保溫時(shí)間。3個(gè)參數(shù)對(duì)激光表面淬火效果的影響關(guān)系為：淬硬層深度與激光功率成正比，與光斑大小和掃描速度成反比。

另外，還應(yīng)考慮各參數(shù)值的選擇范圍，D不能過(guò)大，V不能過(guò)小，以免冷卻速度過(guò)低，不能實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。反之，當(dāng)激光輸出功率過(guò)大時(shí)，容易造成表面熔化，影響表面的幾何形狀。奧氏體的轉(zhuǎn)變臨界溫度與材料的熔點(diǎn)之比值越小，允許產(chǎn)生相變的溫度范圍越大，硬化層深度就越深。除此之外，硬化帶的掃描花樣（圖形）和硬化面積比例、硬化帶的寬窄以及激光作用區(qū)吹送氣體狀況、光路系統(tǒng)以及光束焦距等均會(huì)對(duì)激光表面淬火質(zhì)量有一定的影響。

（4）激光表面淬火掃描方式

激光淬火的掃描方式有圓形或矩形光斑的窄帶掃描和線(xiàn)形光斑的寬帶掃描。窄帶掃描的硬化帶寬度與光斑直徑相近，一般在5mm以?xún)?nèi)。對(duì)于要求大面積硬化時(shí)，必須逐條地進(jìn)行掃描，掃描帶之間需要重疊，重疊部分將留下回火軟化帶。回火軟化帶的寬度與光斑特性有關(guān)，一般均勻矩形光斑產(chǎn)生的回火軟化帶較小。為了減少軟化帶的不良影響，需采用寬帶掃描技術(shù)。寬帶掃描將聚焦的圓光斑變成線(xiàn)光斑，掃描寬度大為提高。

（5）激光表面淬火區(qū)預(yù)處理

在產(chǎn)品激光淬火前，工件表面粗糙度值很小，在淬火中會(huì)嚴(yán)重影響材料表面對(duì)激光光能的吸收率。因此，在激光淬火前需要對(duì)待處理工件表面進(jìn)行預(yù)處理。表面預(yù)處理方法很多，包括磷化法、提高表面粗糙法、氧化物涂料法、黑色涂料法等，其中最常用的是磷化法、黑色涂料法和氧化物涂料法，如表1所示。

表1 常用黑化處理方法

2.激光淬火中存在的主要問(wèn)題及改進(jìn)措施

（1）激光淬火生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題

根據(jù)激光表面淬火工藝研究中工藝參數(shù)及其內(nèi)在聯(lián)系可知：在激光淬火生產(chǎn)過(guò)程中操作人員對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)準(zhǔn)確控制、要求嚴(yán)格，不可避免會(huì)出現(xiàn)工藝穩(wěn)定性較差情況發(fā)生。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是光斑功率密度及激光不均勻性影響淬火工藝的穩(wěn)定性；光斑形狀對(duì)淬硬層均勻性的影響；激光表面淬火中大面積淬硬層難以保證；工件初始狀態(tài)對(duì)激光淬火質(zhì)量的影響。

（2）提高激光淬火生產(chǎn)的一些改進(jìn)措施

在使用激光淬火加工系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，必須優(yōu)化控制淬火過(guò)程中的各種因素來(lái)保證激光淬火工藝的穩(wěn)定性。在精確控制激光功率、掃描速度、光斑尺寸等工藝因素的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品淬火前技術(shù)人員可根據(jù)產(chǎn)品材料導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、熔點(diǎn)、相變臨界溫度以及產(chǎn)品淬火部位外形形狀，將影響因素預(yù)先輸入智能監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程系統(tǒng)。在淬火過(guò)程中，操作人員根據(jù)智能系統(tǒng)控制中心顯示的各種參數(shù)變化規(guī)律信息，來(lái)實(shí)時(shí)控制激光器、光學(xué)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)的準(zhǔn)確運(yùn)行，從而完成淬火的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)激光表面淬火產(chǎn)品高質(zhì)量的目的。如圖3所示，傳感器1～4分別監(jiān)控激光器輸出光束的功率及功率密度分布、光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀態(tài)、工件表面激光輻照區(qū)的溫度變化及工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 激光淬火過(guò)程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

4.結(jié)語(yǔ)

目前，激光淬火技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用還處于上升階段，在形狀較為復(fù)雜的工件中仍存在一些問(wèn)題。但是，激光淬火是一新型的熱處理前沿技術(shù)，采用此技術(shù)可以解決傳統(tǒng)表面淬火難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)。并且在淬火生產(chǎn)中，不需要任何冷卻介質(zhì)，符合國(guó)內(nèi)外熱處理行業(yè)規(guī)定的“少無(wú)氧化生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)”的環(huán)保發(fā)展目標(biāo)要求，在今后國(guó)內(nèi)鋼鐵冶金、汽車(chē)、國(guó)防建設(shè)、航天航空等領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。