近些年來隨著激光技術的發展，激光表面強化熱處理技術在生產和生活中得到了廣泛的應用并引 起了科研工作者的興趣。本文就查閱的文獻在激光熱處理的特點、優缺點、設備、工藝及其原理以及激光熱處理的應用和影響因素等幾個方面談談激光表面強化技術熱處理的現狀和應用。
一、 歷史 激光的出現是近代物理學的一個重大進展。自1960年第一臺激光器問世以來，受到各國的重視，發展迅速，在軍事、工業、農業、醫學和科學技術等方面都開展了廣泛地研究與應用。雖早在第一臺激光器誕生后不久就開始了小功率激光熱處理試驗，但直到1968年才第一次在熱處理生產中使用。激光在金屬熱處理方面取得成功，可以認為是激光技術應用第二階段的開始。1974年芝加哥夏開(sciaky)兄弟有限公司的西曼()在美國金屬學會舉行的熱處理會議上作了報告，并首次展出了一臺10千瓦工業激光熱處理設備。1975年7月《美國機械師”雜志上刊登了一篇“激光在金屬加工中”的特別報告，列舉了42種市場上供應的激光金屬加工設備，其中用于熱處理的有9種，最大功率達20千瓦。1975年5月美國《金屬進展》雜志報道，在沙基諾(Saginaw)汽車轉向器齒輪公司，有15臺0.5~1千瓦激光熱處理設備，每天處理零件約30000個。
二、 激光及激光熱處理特點2.1激光特點 1．高方向性：一般光源(如電燈等)是向四面八方均勻地發光。而激光有非常高的方向性，光束的發射角可小于一個到幾個毫弧度，可認為輸出的光束是平行的。 2．高亮度性：激光器發的光束非常強，并能聚成極小的光點，這種光點所照射的地方，在不到千分之一秒的時一間內，就能產生幾百萬度的高溫。 3．高單色性:激光器發的光是非常純凈的單一顏色，而普通光的成分是十分復雜的，包含有可見光，紫外線和紅外線等。如把現在所有濾波技術都用在普通光也得不到象激光那樣的單色。 2.2激光熱處理的特點[1] 由于激光具有分散性小，強度高，單色性高及相干性好等特性，給激光熱處理帶來以下 特點： 1．加熱速度極快，0.5秒可達760℃(據介紹，對薄片金屬加熱可達106℃/秒)。遠遠超過火焰加熱和感應加熱，.可實現自冷淬硬。加熱速度不受零件磁性變化的影響。節省能量， 變形很小。 2．激光熱處理的光學系統焦距深長，在焦點每邊75毫米以內，功率密度相同。要加熱的零件表面到加熱器的距離，不象感應加熱那樣要求嚴格。在一定范圍內，對變截面的長軸類零件、不同直徑零件或表面凹凸不齊的零件，可使用同一加熱器進行處理。 3．使用足夠的功率密度能在短時間內把零件表面熔化一薄層。在這種條件下，碳、氮、硼、鉻和鋁等合金元素都可立即滲人該熔融層。而零件表面精度不受太大損害，心部性能不受任何影響。而不必象一般化學熱處理需將零件整個加熱，既浪費能量、損害零件心部性能，又變形大，周期長。 4．激光加熱也便于實現定點局部硬化。 5．一個激光器可分出幾個光束，進行多工位處理。 6．便于采用數字控制或計算機控制，實現自動化生產。
三、激光熱處理優點缺點3.1優點 在熱處理領域中，激光表面硬化處理是一項很值得重視的新技術，它有著下列許多優點: 1．碳鋼或鑄鐵可進行表面相變硬化或表面熔化一凝固硬化處理，操作簡單，硬度可到HRC邪一65或更高，深度達0.1~2.。毫米，可提高耐磨性等。 2．低成本材料可以簡易地進行表面合金化處理，來代替滲碳、擴散滲層、氣相沉積等復雜的工藝，能大大簡化工序，縮短時間。合金成分可達到很高(達百分之幾十)，層深可根據需要調節。還可以在薄片零件表面上合金化。并且可以在同一工件的不同部位，根據需要進行不同成分的合金化。 3．處理層厚度可調，并均勻，即使零件截面很不均勻，也沒有什么影響。 4．變形很小，當硬化深度小于0.25毫米時，一般沒有可查覺的變形。 5．表面光潔:能使處理面上的優異性能的表層充分保存下來，因此工件可在精加工后進行激光熱處理。 6．有些工件的部分，用其他方法熱處理是辦不到的，或是很困難的，但用激光熱處理就很容易解決，例如工件的盲孔底部或工件深孔的內壁等。 7．能利用表面圖案式黑化，進行精密圖形的硬化處理。 8．能利用激光束加熱使表面熔化，兼能修補小的外皮缺陷。 9．因其加熱和冷卻非常迅速，故熱影響區非常小。 10．處理速率快，10千瓦激光熱處理裝置的工作效率可達火焰淬火和高頻感應淬火的水平。 11．能量是由光束照射傳給工件的，屬于無接觸加熱，工件不受玷污。 12．操作簡單，容易實現自動化。 13．能精密地控制光束能量和機械動作等，所以處理結果重復性好。黑化是為了使工件表面的反射率降低，以提高光能的吸收。黑化的方法有金屬氧化法、磷化法、涂石墨膜法等。 14．不需噴水等，能自行淬火。 15．無論是在大氣中、真空或其它特殊氣氛中都可進行。 16．由于聚焦的激光束焦深大，最大可達75毫米，雖然工件有的外形雜，凹凸程度較大，也可通過激光熱處理得到均勻的硬化層。 17．通用性好：一種裝備能適應許多種尺寸及形狀不同的零件。 18．可在工作臺上采用電磁或真空吸盤來固定零件。 19．一臺大功率激光器可供幾個或兒套工作臺使用，管理方便。 20．可排人流水線，進行連續工作。 21．因可僅處理工件的必須處理的部位，故可以節約能量和合金用量等。 22．激光熱處理中，不產生煙霧等有害氣體或物質。噪聲很低，不輻射X光，熱輻射也極少，不會造成公害。對激光保護容易，能大大改善勞動條件。 3.2缺點 1．激光熱處理只是一種表面處理方法，事先仍必須進行常規的熱處理，以獲得適當的心部性能。 2．熱處理工件的層深較薄，不能用在承受重負荷的大工件上。 3．對大型工件的處理是困難的，或效率太低而不合算。 4．激光熱處理對工件的表面有要求，須進行黑化，雖然它對精密圖案硬化有利，但增加工序。 5．激光表面合金化，雖然較其它方法有很多優越性，但仍常需予熱及長時間高溫的后處理，工序繁多，操作也很復雜。 6．大功率激光器的體積太大，須用特種玻璃制成，有些零件容易損壞，使用和維護應特別注意。7．大功率激光器的價格目前仍太貴。目前國外激光器可以分成四級，其功率分別為1、3、5、15kw，他們的設備投資分別為十萬、二十五萬、三十二萬、七十五萬美元。 8．激光器的電一光能量轉換效率太低，對用電來說還不經濟。
四、裝置及激光光束 4.1設備 為一合兩工位激光熱處理設備的工作狀態。一臺完整的設備由以下幾部分組成： 1．激光器—產生激光的光源。在熱處理中使用的主要是二氧化碳連續波激光器。激光器本身由三個部分組成：工作介質：CO2激光器的工作介質是CO2和He、N2等輔助氣體組成的混合氣。激勵裝置：氣體激光器通常用外加電源使激光管中的工作介質放電進行激勵。諧振腔：全反射鏡和部分反射鏡構成諧振腔，它們之間是工作介質。 2．功率調節裝置—功率變換可由人工、數字或計算機控制，能在0.1秒鐘之內完成，輸出功率可穩定在3%以內。 3．光束導向系統—包括兩個擺動鏡，分別控制掃描的長度和寬度，一個固定反射鏡用以使光束對準工件，望遠鏡可用來調節光束的大小。 4．操作臺。 5．控制臺。 6．安全防護—具有一定功率的激光，能給人體以致命的損傷。因此，激光熱處理設備必須有可靠的防護措施和安全自鎖裝置
一、 歷史 激光的出現是近代物理學的一個重大進展。自1960年第一臺激光器問世以來，受到各國的重視，發展迅速，在軍事、工業、農業、醫學和科學技術等方面都開展了廣泛地研究與應用。雖早在第一臺激光器誕生后不久就開始了小功率激光熱處理試驗，但直到1968年才第一次在熱處理生產中使用。激光在金屬熱處理方面取得成功，可以認為是激光技術應用第二階段的開始。1974年芝加哥夏開(sciaky)兄弟有限公司的西曼()在美國金屬學會舉行的熱處理會議上作了報告，并首次展出了一臺10千瓦工業激光熱處理設備。1975年7月《美國機械師”雜志上刊登了一篇“激光在金屬加工中”的特別報告，列舉了42種市場上供應的激光金屬加工設備，其中用于熱處理的有9種，最大功率達20千瓦。1975年5月美國《金屬進展》雜志報道，在沙基諾(Saginaw)汽車轉向器齒輪公司，有15臺0.5~1千瓦激光熱處理設備，每天處理零件約30000個。
二、 激光及激光熱處理特點2.1激光特點 1．高方向性：一般光源(如電燈等)是向四面八方均勻地發光。而激光有非常高的方向性，光束的發射角可小于一個到幾個毫弧度，可認為輸出的光束是平行的。 2．高亮度性：激光器發的光束非常強，并能聚成極小的光點，這種光點所照射的地方，在不到千分之一秒的時一間內，就能產生幾百萬度的高溫。 3．高單色性:激光器發的光是非常純凈的單一顏色，而普通光的成分是十分復雜的，包含有可見光，紫外線和紅外線等。如把現在所有濾波技術都用在普通光也得不到象激光那樣的單色。 2.2激光熱處理的特點[1] 由于激光具有分散性小，強度高，單色性高及相干性好等特性，給激光熱處理帶來以下 特點： 1．加熱速度極快，0.5秒可達760℃(據介紹，對薄片金屬加熱可達106℃/秒)。遠遠超過火焰加熱和感應加熱，.可實現自冷淬硬。加熱速度不受零件磁性變化的影響。節省能量， 變形很小。 2．激光熱處理的光學系統焦距深長，在焦點每邊75毫米以內，功率密度相同。要加熱的零件表面到加熱器的距離，不象感應加熱那樣要求嚴格。在一定范圍內，對變截面的長軸類零件、不同直徑零件或表面凹凸不齊的零件，可使用同一加熱器進行處理。 3．使用足夠的功率密度能在短時間內把零件表面熔化一薄層。在這種條件下，碳、氮、硼、鉻和鋁等合金元素都可立即滲人該熔融層。而零件表面精度不受太大損害，心部性能不受任何影響。而不必象一般化學熱處理需將零件整個加熱，既浪費能量、損害零件心部性能，又變形大，周期長。 4．激光加熱也便于實現定點局部硬化。 5．一個激光器可分出幾個光束，進行多工位處理。 6．便于采用數字控制或計算機控制，實現自動化生產。
三、激光熱處理優點缺點3.1優點 在熱處理領域中，激光表面硬化處理是一項很值得重視的新技術，它有著下列許多優點: 1．碳鋼或鑄鐵可進行表面相變硬化或表面熔化一凝固硬化處理，操作簡單，硬度可到HRC邪一65或更高，深度達0.1~2.。毫米，可提高耐磨性等。 2．低成本材料可以簡易地進行表面合金化處理，來代替滲碳、擴散滲層、氣相沉積等復雜的工藝，能大大簡化工序，縮短時間。合金成分可達到很高(達百分之幾十)，層深可根據需要調節。還可以在薄片零件表面上合金化。并且可以在同一工件的不同部位，根據需要進行不同成分的合金化。 3．處理層厚度可調，并均勻，即使零件截面很不均勻，也沒有什么影響。 4．變形很小，當硬化深度小于0.25毫米時，一般沒有可查覺的變形。 5．表面光潔:能使處理面上的優異性能的表層充分保存下來，因此工件可在精加工后進行激光熱處理。 6．有些工件的部分，用其他方法熱處理是辦不到的，或是很困難的，但用激光熱處理就很容易解決，例如工件的盲孔底部或工件深孔的內壁等。 7．能利用表面圖案式黑化，進行精密圖形的硬化處理。 8．能利用激光束加熱使表面熔化，兼能修補小的外皮缺陷。 9．因其加熱和冷卻非常迅速，故熱影響區非常小。 10．處理速率快，10千瓦激光熱處理裝置的工作效率可達火焰淬火和高頻感應淬火的水平。 11．能量是由光束照射傳給工件的，屬于無接觸加熱，工件不受玷污。 12．操作簡單，容易實現自動化。 13．能精密地控制光束能量和機械動作等，所以處理結果重復性好。黑化是為了使工件表面的反射率降低，以提高光能的吸收。黑化的方法有金屬氧化法、磷化法、涂石墨膜法等。 14．不需噴水等，能自行淬火。 15．無論是在大氣中、真空或其它特殊氣氛中都可進行。 16．由于聚焦的激光束焦深大，最大可達75毫米，雖然工件有的外形雜，凹凸程度較大，也可通過激光熱處理得到均勻的硬化層。 17．通用性好：一種裝備能適應許多種尺寸及形狀不同的零件。 18．可在工作臺上采用電磁或真空吸盤來固定零件。 19．一臺大功率激光器可供幾個或兒套工作臺使用，管理方便。 20．可排人流水線，進行連續工作。 21．因可僅處理工件的必須處理的部位，故可以節約能量和合金用量等。 22．激光熱處理中，不產生煙霧等有害氣體或物質。噪聲很低，不輻射X光，熱輻射也極少，不會造成公害。對激光保護容易，能大大改善勞動條件。 3.2缺點 1．激光熱處理只是一種表面處理方法，事先仍必須進行常規的熱處理，以獲得適當的心部性能。 2．熱處理工件的層深較薄，不能用在承受重負荷的大工件上。 3．對大型工件的處理是困難的，或效率太低而不合算。 4．激光熱處理對工件的表面有要求，須進行黑化，雖然它對精密圖案硬化有利，但增加工序。 5．激光表面合金化，雖然較其它方法有很多優越性，但仍常需予熱及長時間高溫的后處理，工序繁多，操作也很復雜。 6．大功率激光器的體積太大，須用特種玻璃制成，有些零件容易損壞，使用和維護應特別注意。7．大功率激光器的價格目前仍太貴。目前國外激光器可以分成四級，其功率分別為1、3、5、15kw，他們的設備投資分別為十萬、二十五萬、三十二萬、七十五萬美元。 8．激光器的電一光能量轉換效率太低，對用電來說還不經濟。
四、裝置及激光光束 4.1設備 為一合兩工位激光熱處理設備的工作狀態。一臺完整的設備由以下幾部分組成： 1．激光器—產生激光的光源。在熱處理中使用的主要是二氧化碳連續波激光器。激光器本身由三個部分組成：工作介質：CO2激光器的工作介質是CO2和He、N2等輔助氣體組成的混合氣。激勵裝置：氣體激光器通常用外加電源使激光管中的工作介質放電進行激勵。諧振腔：全反射鏡和部分反射鏡構成諧振腔，它們之間是工作介質。 2．功率調節裝置—功率變換可由人工、數字或計算機控制，能在0.1秒鐘之內完成，輸出功率可穩定在3%以內。 3．光束導向系統—包括兩個擺動鏡，分別控制掃描的長度和寬度，一個固定反射鏡用以使光束對準工件，望遠鏡可用來調節光束的大小。 4．操作臺。 5．控制臺。 6．安全防護—具有一定功率的激光，能給人體以致命的損傷。因此，激光熱處理設備必須有可靠的防護措施和安全自鎖裝置
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