激光熔凝技术的应用1 

激光淬火技术的应用

1. 激光表面淬火技术原理

激光淬火，也称激光热处理、激光硬化，即利用聚焦后的激光束快速加热金属材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的一种高新技术，分为激光相变硬化、激光熔凝硬化和激光冲击硬化三种工艺方法。

2.技术特点

（1.）激光淬火马氏体晶粒更细、位错密度更高，硬度更高，耐磨性更好。

（2.）变形极小，甚至无变形，适合于高精度零件处理，部分场合可作为材科和零件的最后处理工序。

(3.)无需回火，淬火表面得到压应力，不易产生裂纹。

(4.)如工柔牲好，适用面广，可方便地处理大尺寸工件和沟、槽、深孔、内孔、盲孔等局部区域。

(5)可根据需要调整硬化层深浅。

(6.)硬度梯度非常小，硬度基本不随激光硬化层深变化而变化。

(7.)适合的材料广泛，包括各种中高碳钢、工具钢、模具钢以及铸铁材料等。 (8.)加工过程自动化控制，工期短，质量稳定。 (9.)低碳环保，无需冷却介质，无废气废水排放。

3.技术参数

适合材质：各类中高碳钢、铸铁

淬火硬度：一般可比感应淬火高1-5HRC 淬火深度：0.1-1.2mm

4.应用领域

激光淬火技术解决了许多常规热处理工艺无法解决的难题，已大量应用于冶金、汽车、模具、五金、轻工、机械制造等行业。适合各类型零件的热处理： (1.)难以进入热处理炉的大型工件。

(2.)仅需对沟、槽、孔、边、刃口等局部表面进行热处理的工件。 (3.)常规热处理工艺难以处理到的部位。 (4.)对热处理变形量要求高的精密零件。 (5.)铸铁工件表面的热处理。

(6.)常规热处理工艺易产生裂纹的零件。 (7.)常规热处理工艺达不到硬度要求的零件。

近年来激光熔覆用于模具修复的技术发展较快。激光能量密度高，受热范围小，可以熔覆各种金属材料，如S136、718、2344、NAK80、8407、不锈钢、铍铜、铝合金及钛合金等。熔覆层无砂眼、气孔，与基体形成冶金结合，结合强度高、不容易脱落，可对模具进行修补裂痕、崩角、磨痕修补等。目前，应用于激光熔覆技术的设备主要是连续CO2激光器和脉冲YAG激光器。连续CO2激光器多用于大型模具的修复(如5CrNiMo和H13钢模具)，不适于微小尺寸的修复。脉冲YAG激光器光斑直径能聚焦到0.2～2.0mm，在精密模具的修复中，脉冲YAG激光器具有许多优于连续CO2激光器的良好性能。(1)YAG激光器与光纤的藕合效率高，便于远距离操作，易于实现激光加工的柔性化。(2)脉冲YAG激光器有着更多的可控参数(脉冲频率、脉宽以及脉冲能量等)，有利于提高加工工艺的性能。(3)脉冲YAG

激光器高重复频率工作时的效果更好，加热速度极快，冷却速度极快，温度梯度大，模具不易变形坍塌。

激光（相变）淬火和激光熔凝淬火

激光（相变）淬火技术是利用聚焦后的激光束入射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。激光淬火原理与感应淬火、火焰淬火技术相同。但是其技术特点是，所使用的能量密度更高，加热速度更快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制，易于实现自动化，因此可以在很多工业领域中逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。激光淬火可以使工件表层0.1～2.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。

激光熔凝淬火则是采用激光熔融金属表面，激光束移开后，熔融的金属直接从液态淬硬为固态，形成表面硬化层的工艺。由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深。

在激光输出功率为3.5kw时，大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到 2毫米以上。激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取决于激光加工的工艺参数，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。

激光淬火与熔凝处理的共同特点是，不需要改变材料的成分，主要利用轧辊材料自身的特性，发生马氏体相变来强化轧辊表面。进行激光淬火与熔凝淬火前，需要预先涂覆一层吸光涂料来增强轧辊表面对激光的吸收率。对于激光熔凝处理来说，所使用的涂料还应该起到使激光熔池流平与造渣的作用。因此，涂料的配方对于激光工艺的顺利实施以及硬面层组织与性能的影响至关重要。华工激光经过多年的探索，研究开发出激光淬火与熔凝淬火的系列吸光涂料，使各类材质激光淬火时淬硬层分布均匀。特别是激光熔凝淬火涂料中，添加有吸光及熔池流平的物质，熔凝淬火后淬硬层光滑、平整，只要少量加工，就可以获得平整的表面。因此，特别适合各种轧辊的激光表面强化处理。

应用案例－华工激光生产的双悬臂多功能数控激光加工机床

该激光加工机床可以满足冶金行业各种型号轧辊（包括带钢轧辊、型材轧辊、棒线材轧辊等）不同部位的表面强化与修复处理。还可以满足剪刃、圆盘锯、导位等易损件零件的表面强化与修复要求。

激光熔凝技术的应用

一、 激光熔凝

激光熔凝又称激光晶粒细化， 它是利用比激光相变硬化更高的激光能量 （~105w/cm2） ， 使金属表面快速熔化并造成熔化金属与基体之间很大的温度梯度， 激光移开后， 熔化金属快速凝固， 表面获得极细或超细的组织结构， 表面成分偏析减少， 表层的缺陷与微裂纹可被熔合， 同时， 通过液态自淬火快速凝固可形成较深的硬化层。激光熔凝的主要目的是提高硬度和耐磨性能， 其应用范围包括： 1. 铸铁熔凝处理

铸铁是激光熔凝最理想的材料， 处理后可使夹杂物溶解， 在熔化区获得细枝晶组织。和微细的金属间化合物， 从而提高硬度、 耐磨、 耐蚀性能。如 FC25铸铁2kW的CO2激光辐照后， 其表面 0.7mm是熔凝层， 表面硬度可达1000HV， 强化层深度约 2mm。下面列出几种铸铁熔凝层的硬度及耐磨性。

（1） 灰口铸铁： 具有 HV250. 硬度的珠光体基体和片状石墨铸铁， 经激光表面熔凝处理后， 组织为含有马氏体的细小的白口铸铁型凝固组织， 硬度为HV800~950， 磨料磨损性能大为提高。

（2 ） 球墨铸铁： 具有HV180 硬度的铁素体基体球墨铸铁， 经激光表面熔化处理后， 组织主要为含马氏体的细小的白口铸铁型凝固组织， 硬度为HV400~950 ， 具有良好的的耐磨性 。

（3 ） 白口铸铁： 具有HV670 的白口铸铁、 经激光表面熔凝处理后， 组织细化生成马氏体相， 组织形态没变， 硬度提高到HV800 以上， 且对抗磨料磨损有良好影响。

（4 ） 硅铸铁： 含约 6.0%Si， 约2.5%C 的铁素体基体加片状石墨铸铁， 硬度为HV240的硅铸铁， 经激光溶凝处理后， 得到细小的凝固组织， 其最高硬度可超过HV1000 ， 耐磨性得到很大提高。 2.具钢激光熔凝处理 具钢激光熔凝处理， 可使碳化物很快溶解并随后产生细小而弥散分布的碳化物， 从而提高红硬性与刀具使用寿命， 高速钢刀具激光熔凝与常规热处理后的硬度的比较。处理工艺； 刀具先经常规淬火与回火处理， 再用钕脉冲激光器进行熔凝处理， 激光功率为 7J 光斑直径为 0.4mm凝层深度为 500μm织为细马氏体，残余奥氏体， 铁素体及未熔碳化物。 3.Al-Si 合金激光熔凝处理

在汽车及其相关工业中， 铝硅合金广泛用作铸造合金， 尤其是Al-13Si和Al-8Si-3Cu，这些合金通过硅和初生铝相的共晶析出得以强化， 此时的初生硅相是粗大的， 通过熔凝处理可产生细小的共晶组织， 且均匀分布， 从而改善了Al-Si合金性能。 二、 激光上釉

激光上轴又称激光非晶化， 由于熔化层的急冷速度高达 106℃/S不及形成晶核进行结

晶， 并抑制了熔体的外延长大， 形成类似玻璃状的非晶态组织 （称之为金属玻璃） 这种材料具有各向同性的力学性能， 如铁系非晶态的强度极限可达到 4000MPa， 且塑性也好， 室温下可冷压近 30%~50%， 能多次弯曲 180o， 对裂纹等缺陷敏感性很小， 此外，金属材料激光非晶化处理后， 表面耐腐蚀， 抗氧化， 耐磨性大为提高。 三、 激光冲击硬化

激光冲击硬化是利用高峰值功率密度的激光束和工件材料的相互作用产生的强应力波， 冲击金属表面使其产生塑性变形， 提高力学性能的一项技术。工艺处理过程首先是将待冲击工件部位涂上黑漆， 并用石英玻璃薄片贴合在试件待冲击区域， 以形成透明的保护层。在激光辐照下， 由于瞬间的高温， 黑漆蒸发为气体并形成冲击波， 传入工件内部， 其瞬间的压力峰值可达 *\左右， 在高压力作用下， 工件表面产生塑性变形， 形成残余压应力， 表面微观结构发生变化， 位错密度增加，从而改变金属材料表层性能。