0801激光四个技术的应用

激光淬火技术的应用对模具表面进行处理的主要目的在于提高表面的硬度、耐磨性和耐蚀性，激光表面强化技术的应用，在很大程度上提高了模具的表面性能。对于提高大型模具使用寿命和减少精密模具的热处理变形，激光表面强化技术有着极大的技术优势,主要包括激光表面淬火和激光表面熔覆。激光表面淬火是一种利用高能量激光束扫描工件使被扫描的区域表面硬化的技术。其基本原理为用一定能量密度(103～105W/cm2)的激光照射工件，使被照射的表层区域被急速加热至相变点以上，熔点以下的温度，此时工件基体仍处于冷态，加热区与基体之间存在很大的温度梯度，当激光束停止照射时，由于热传导的作用，加热区会急速冷却(106～108℃/s)而发生马氏体转变，使工件表层实现相变硬化。1.激光淬火的特点(1)激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。(2)由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小。(3)由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确的局部淬火。(4)激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～0.7mm，使其应用受到一定的限制。2.工艺参数的选择影响激光淬火质量的工艺参数是多方面的，主要有激光功率、扫描速度、光斑尺寸、光束能量分布状态、吸光涂层种类与厚度等。衡量激光淬火质量的主要指标包括硬化层深度、宽度、硬度及硬化层表面粗糙度。其之间主要关系有以下几点：(1)激光在单位时间上作用于模具的功率密度(即比功率E)，将决定激光淬火的效果。激光淬火所需的比功率E为102～104W/cm2·s。比功率E由激光功率P、扫描速度V、光斑尺寸D决定，即E=P·V-1·D-1。(2)在102～104W/cm2·s的范围内，功率密度的增加、扫描速度减小、将使模具的硬化层深度、硬度及硬化层表面粗糙度增加。如果功率过大，扫描速度太慢，即比功率太大，超出上述范围，会造成工件表面熔化、烧损；反之，硬度和硬化层深度会达不到技术要求。(3)激光淬火硬化层宽度由光斑尺寸决定。大面积淬火必须进行多道扫描。宽带扫描比窄带扫描效率高。(4)光束能量分布主要影响硬化层深度、宽度及组织的均匀性。它由光束模式及导光系统决定。通常，应根据设备的实际情况调整到最佳状态，以保证硬化层的均匀性。(5)吸光涂层种类及厚度会影响工件对激光能量的有效吸收。目前应用较为成熟的吸光涂层有磷酸盐涂层、含胶体石墨涂层、氧化物涂层等。在覆盖工件表面的前提下，涂层厚度越薄越均匀，则效果越好。3.应用实例汽车大型覆盖件模具一般用合金铸铁制造。合金铸铁的特性不宜进行整体热处理，传统工艺采用火焰淬火，其淬火硬度为40～50HRC。改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化层有效深度为0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件拉伤问题得到有效控制，模具在线维修率控制在4%以下。以前每批生产完成后均需对拉深模进行大面积推磨，现只是需要进行简单维护保养便可。激光溶凝技术的的应用激光熔凝是利用高功率密度的激光在极短的时间内与金属交互作用，将金属表面局部区域瞬时加热到相当高的温度并使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传热过程使熔化的金属表层快速凝固，从而改变零件表层组织和性能。由于这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度也高于常规淬火的硬度。这种技术提高了金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性及强度和高温性能等。激光熔凝技术主要用于处理工件表面缺陷，如铸造裂纹、砂眼等，其工作原理是利用高能量、高密度的激光束使存在缺陷的金属材料快速达到熔点以上，金属材料快速熔化之后，停止激光扫描，工件随后自冷快速凝固。激光扫描后，熔化表层通过母体快速冷却形成极细的亚稳相、过饱和相以至非晶体组织，既减少了金属表面材料的化学偏析，又提高了工件的表面强度、耐磨性以及抗腐蚀性，融合了表层裂纹及存在的微孔缺陷。该技术可用于各种铸造加工件的缺陷处理，特别是大型铸造件的表面铸造缺陷处理。工件外形尺寸较大、吨位重，因表面的一点缺陷而报废确实可惜，而利用激光熔凝技术修复后完全可以满足工件性能要求，减少工件报废数量，降低备件制作成本。激光熔凝淬火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。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。激光毛化技术的应用由于激光毛化技术的特殊性，其对轧辊、冷轧生产、冷轧成品均产生其他毛化方法无法替代的积极的影响。１.激光毛化工艺可显著提高轧辊使用寿命分析毛化加工原理和轧制工艺，可容易理解激光毛化轧辊使用寿命的提高主要是通过以下三个途径实现的。(1)表面改性与细晶强化作用激光毛化时，辊面作用区材料由于熔凝速度非常快（加热速度可达l06～109℃/s，冷却速度≥105℃/s，远高于水淬），可以形成超细晶(深亚微米至纳米级)甚至非晶组织，其硬度可超过HV900（HRC67)，远高于常规淬火所能达到的程度，高硬度的表面组织有利于提高辊面的耐磨损能力。(2)毛化形貌的耐磨作用激光毛化后，辊面形貌发生变化，毛化加工形成的微坑和凸包均布于辊面。这种辊面形貌既有利于改善轧制时辊与板间的摩擦状态，又有利于保持良好的润滑条件。均匀分布的微坑还可以起到收集磨粒、防止它们磨损轧辊和擦伤板面的作用。(3)表面应力松驰的韧化作用为了提高其使用寿命，通常要对冷轧工作辊进行表面淬火处理。要求的硬度愈高，由马氏体相变导致的体积膨胀效果愈严重，产生的残余压应力也愈大。压应力过大，容易导致辊面爆裂，反而危害轧辊的使用，因而是有害的。用激光方法毛化这种轧辊，其表层激光辐照区域的材料由于熔凝时的热胀冷缩作用会产生残余拉应力。X光应力测定结果表明，当激光辐照区域(微坑)的密度达到一定程度时，这种均匀分布的拉应力确实可以有效地松弛轧辊表层中原有的强残余压应力，从而使轧辊表面得到韧化。激光毛化辊所轧制钢带表面粗糙度Ra的变化情况为，轧制初期（约为轧制量的15%），表面粗糙度下降较快，以后趋缓，这主要与激光毛化辊表面形貌有关。在激光毛化辊初用阶段，凸起部分的尖峰钝化得较快，在使用一段时间以后，凸起部分比较钝，相应激光毛化辊的磨损量减小。而凸起部分尖峰高度以及凸坑形状等都可以通过改变毛化工艺加以控制，因而在使用激光毛化辊时，不会因粗糙度值变化过大而使轧制条件发生较大改变。激光毛化轧辊的使用寿命随冷轧压下率、冷带材质及其硬度的不同而有所不同。工业应用表明，冷轧工作辊经激光毛化加工后，其使用效果和使用寿命有明显的提高。在2O辊森吉米尔轧机上用其冷轧低碳钢板，激光毛化轧辊的寿命比普通轧辊高3倍以上；在普通二辊轧机上用激光毛化轧辊冷轧高强度(σb≥800MPa)65Mn弹簧钢，其寿命是普通轧辊的2～3倍；用其平整退火低碳软钢板，其使用寿命可较普通轧辊提高2倍以上，有的甚至达到10倍，这取决于对产品表面粗糙度的控制范围。2.提高产品使用性能(1)改善深冲性能激光毛化板由于有较低的摩擦系数和既有良好的润滑能力又易于收集磨粒的理想微坑，因而具有优良的冲压性能。在相同成型条件下，具有相同表面粗糙度的薄板中，激光毛化板有最好的冲压流动性。分析认为：激光毛化板面微坑沟槽中晶粒的位错密度很高，原滑移线不能开动，促使其他晶粒开始滑移，正是板面微坑(塑性变形区)对滑移的这种阻塞和弥散作用，延缓了微裂纹的萌生和发展，从而使板材的延伸率提高。对同种材料的喷丸毛化板和激光毛化板的力学性能测试表明，激光毛化板的屈服强度降低了6～7%，拉伸强度提高了4～7%，总延伸率提高了6～10%，激光毛化板更有利于冲压成形。对SPCC比较(北京吉普车厂测试)，激光毛化钢板屈服强度下降2O～30MPa，抗拉强度提高2lMPa，延伸率提高1O％以上；近年来，新一代的干电池外壳逐渐改用薄板冲压而成。这种壳生产率高、使用效果好，但冲压难度大，对钢板性能的要求苛刻。采用激光毛化技术开发出电池壳专用激光毛面带钢，其冲压效果良好。鞍山钢铁公司08F激光毛化精密带钢(厚0．24mm)在电池生产中，产品深径比达到了4.8。(2)提高涂装性能和鲜映度由于激光毛化加工的精确造形作用，激光毛化板表面粗糙度均匀、很少波度，更利于均匀附着涂覆材料，因此其漆面光亮度明显高于喷丸毛化板。激光毛化的轧辊表面可保留较大的平坦光亮部份(最大可达60％)，使轧制出的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。在相同粗糙度和相同涂漆工艺的情况下，激光毛化板的映像清晰度一般要比喷丸毛化板高3～5个百分点。天津冷轧薄板厂激光毛化板涂镀性能：磷化膜厚差减小5O％，均匀性好，附着力强；电泳底漆膜厚度提高4O％，偏差下降5O％；面漆光亮度DOI值提高2～4个点值。(3)改善抗摩擦性能用低碳钢板进行的平面拉拔摩擦试验结果表明：无论是在润滑还是在干摩擦条件下，激光毛面钢板的摩擦系数均低于同材质喷丸毛面钢板。干摩擦时，喷丸毛面板的摩擦系数随拉拔速度提高而增加，激光毛面板在同样条件下的摩擦系数则略呈下降趋势。在润滑条件下，两种板的摩擦系数均随拉拔速度升高而降低，但激光板的下降趋势更显著。这些表明激光板的表面形貌有更好的动态润滑能力。在相同轮廓高度，激光毛面板比喷丸毛面板有更大的承载截面积。这表明，激光毛面板表面凸包比较墩厚圆滑，冲压时不易被擦伤产生磨粒，即激光毛面板有更强的抗擦伤能力。而激光毛化钢板表面的小凹坑互不连通，有利于冲压成形时储油和捕捉金属碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整。(4)新板型的开发。激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节范围大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，生产出各种汽车用板、家电用板、轻工用板、防伪板、印花板、造币板、异面织构板、特制花纹板、激光乌泽板等。激光合金化技术的应用北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高3～4倍。重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了很好的效果。拨叉，料道使用寿命提高10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2～3倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果，头道环槽的侧隙仅为0.11mm，如果减去0.04～0.05mm的原始侧隙，则环槽最大磨损量仅有0.07mm。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。激光熔覆与合金化技术可对各种大型轴类零件如电机与发电机组转子、各种模具、轧辊、大型曲轴与连杆等零件进行表面强化与修复。还可以对铝合金、铜合金工件激光熔覆。激光熔覆应用范例：激光