第 5 章雷射熱處理技術

《第 5 章雷射熱處理技術》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第5章雷射熱處理技術5.1雷射淬火技術5.2雷射熔覆技術5.3雷射毛化技術5.4雷射表面合金化技術國外權威人士將雷射表面處理技術分為六種類型圖5.1雷射熱處理技術的分類技術方法功率密度/W．cm-2冷卻速度/℃．s-1作用區深度/mm雷射表面淬火104～105104～1060.2～3.0雷射表面熔覆104～106104～1060.2～1.0雷射表面合金化104～106104～1060.2～2.0雷射表面非晶化106～1010106～10100.01～0.10雷射表面熔凝處理104～106104～1060.1～1.0雷射表面衝擊強化109～

2、1012104～1060.02～0.20表5.1各種雷射熱處理技術的特點5.1雷射淬火技術5.1.1概　述雷射淬火在提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性質的同時，又可使其芯部仍保持較好的韌性，具有顯著的經濟效益，雷射淬火是一種具有很多優點的表面硬化處理。(1)強化效果好。(2)能夠獲得極細的硬化層組織，而且淬硬層深度可以控制。(3)變形小。(4)適應性廣泛且靈活。(5)熱處理週期短，生產效率高，成本低。(6)對環境無污染。5.1.2雷射淬火理論基礎一、技術參數對淬火層性質的影響雷射淬火的技術參數主要有三個：雷射輸出功率P、掃描速

3、度v和光斑大小D。技術參數P、v、D之間可以相互補償，在其他條件一定的情況下，雷射淬火硬化層深度H與P、v、D、E有如下關係（H正比於功率密度E，反比於掃描速度v）。（5.1）1.雷射功率P圖5.2雷射功率對硬化層深度的影響圖5.3雷射功率對表面硬度的影響2.掃描速度v圖5.4掃描速度與硬化層深度的關係圖5.5掃描速度與表面硬度的關係3.光斑大小D對於一定的聚焦雷射光束來講，處於焦點處的光斑尺寸最小，距離焦點越遠，D值越大，其E值越小，表面溫度越低，硬化層越淺。圖5.6透鏡式聚焦系統結構二、冷卻速度對硬化層硬度分佈的影響一般淬火在淬火時，工

4、件表面接觸溫度相對很低的冷卻介質，冷卻速度很快，冷卻方向是由表至裏的“導冷”，冷卻速度由表至裏存在由快到慢的下降梯度。因此，表面的硬度值最高，而芯部冷卻速度慢，硬度值最低。圖5.7一般淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意雷射淬火的冷卻方向是工件的內部向表面進行，正好與一般淬火的冷卻方向相反。局部表層的裏面雖然溫度低，但冷卻速度最快。表面雖然溫度最高，但冷卻速度最慢，最終形成硬化層的硬度值幾乎一樣，近似成“水平分佈”狀態。圖5.8雷射淬火的加熱方向、冷卻方向及溫度、冷卻速度、硬度分佈示意三、淬火後殘餘應力及變形1.殘餘應力殘

5、餘壓應力可以提高材料的可靠性和使用壽命，殘餘拉應力則將導致裂紋的產生及擴展。當溫度升高時，材料發生膨脹，其膨脹量和速度取決於加熱速度和加熱溫度。當溫度降低時，材料發生收縮。材料內部溫度分佈不均勻，所產生的變形也不均勻，導致其內部產生熱應力。在冷卻過程中，當奧斯田體發生麻田散體相變時，由於麻田散體密度小於奧散田的密度，因此在轉變過程中會發生體積膨脹。雷射相變硬化過程中，由於存在由表至裏的溫度梯度，冷卻時組織轉變不可能同時進行，麻田散體膨脹量的不同會導致相變應力的產生。可見，殘餘應力是由熱應力和相變應力共同作用的結果決定的。2.變形在雷射淬火過

6、程中，變形主要是由熱應力和相變應力綜合作用的結果。當應力大於材料的屈服點時，便會引起工件的變形。若應力大於材料的強度極限時，將會使工件產生裂紋。對於大多數工件來講，雷射硬化的區域只占整體零件表面的一小部份，其熱應力和相變應力對整體的變形驅動很小，所以只產生極小的變形量，且通常有組織相變產生的表面凸起和徑向跳動，變形量一般只有0.1mm左右，甚至更小。但是，對於厚度小於0.5mm的工件，變形問題不可忽視，一般要採取輔助冷卻等方法，才能保證獲得良好的效果。四、雷射淬火系統的組成雷射淬火系統包括雷射器、光路系統、雷射電源系統、冷卻系統、工作檯及控

7、制系統等部份。1.雷射器雷射器是整個系統的核心，對雷射器的要求是穩定、可靠。固體雷射器和氣體雷射器均可用於雷射熱處理，其中CO2雷射器和YAG雷射器應用最廣泛。在相同功率密度下，YAG雷射器比CO2雷射器的淬火深度要深一些，而且變形小。在熱處理效果上，500W的YAG雷射器可相當於1.5kW的CO2雷射器[7]。金屬雷射器及波長氬離子紅寶石YAGCO2488nm694nm1064nm10600nm鋁0.090.110.080.019銅0.560.170.100.015金0.580.07—0.017銥0.360.300.22—鐵0.680.6

8、4—0.035鉛0.380.350.160.045鉬0.480.480.400.027鎳0.400.320.260.3鈮0.580.500.320.036鉑0.210.150.1