第 5 章雷射熱處理技術.ppt

第5章雷射熱處理技術國外權威人士將雷射表面處理技術分為六種類型技術方法5.1雷射淬火技術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5.3雷射功率對表面硬度的影響2.掃描速度v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]。金屬金屬2.光路系統
光路系統是雷射器和工件的連接部份，是雷射加工設備的主要組成部份之一，它的特性直接影響雷射加工的性質。圖5.9雷射淬火系統光路組成簡圖圖5.10數控YAG雷射淬火機（天津大學）圖5.11CO2雷射淬火機（青島中發）5.1.3發動機缸套雷射淬火
汽缸或汽缸套的材質多為灰鑄鐵或合金鑄鐵，其硬度為180～250HV（相當於20～25HRC）[7]，採用雷射淬火處理後，汽缸表面硬度可達800HV以上，耐磨性可提高1～3倍，發動機使用壽命提高20%～30%以上，可保證發動機的正常運行。
一、缸套淬火深度
依中國汽車行業公認的指標，汽車發動機汽缸在缸徑磨損量大於或等於0.15～0.20mm時就要進行大修。因此，雷射淬硬層的深度有0.15mm就已經滿足使用要求了，如果過深，則容易產生缸體變形[8]。二、缸套淬火網紋
工作檯帶動工件進行旋轉運動，雷射光束進行垂直運動，使雷射光束在缸體內表面快速掃描，形成特定的硬化帶圖案。
雷射淬火硬化網紋圖案有多種形式，包括螺旋紋、正弦紋以及菱形網紋等，其中以菱形交叉網紋效果最佳。圖5.12缸套雷射淬火圖5.13缸套內壁展開圖案網紋的參數主要包括網紋周長、高度、角度和頭數等，各參數說明如下：
(1)網紋的橫向長度L：即缸體的周長，由缸體的半徑R決定。
(2)淬火網紋的高度h：由缸套尺寸和實際需求來決定。
(3)網紋角度：即網紋斜線與水平方向的夾角。
(4)淬火頭數n：為整體雷射淬火軌跡在缸體一端轉折的次數。
(5)淬火面積比：即雷射淬火網紋有效面積與缸體內壁有效面積之比，由淬火頭