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激光表面处理技术的应用
上传时间:2019/5/15  点击数:
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        光表面处理技术是在上世纪70年代大功率激光器出现后,迅速发展起来的一项光、机、电一体化高新技术。这种工艺具有淬硬效果好、自动化程度高、操作简单、能耗低、效率高、工件变形极小和基本无废品等一系列优点。利用激光对零件表面进行处理,可改变零件表面的物理结构、化学成分和金相组织,从而改变零件表面的抗磨损性、耐腐蚀性和抗疲劳性等,可有效解决许多常规热处理难以解决的问题。目前在工程机械的零件加工和修理工艺中,常用的激光表面处理技术有激光热处理、激光熔覆以及激光清洗等。

1.激光热处理

激光热处理是利用高功率、高密度激光束对金属进行表面处理,它可以对材料实现相变硬化(或称作表面淬火、表面重熔淬火)、表面合金化等表面改性处理,其基本原理是用高能激光束对工件表面进行扫描,已经扫描部分的材料表面急骤升温到相变温度,激光束离开后,扫描加热的部分又很快被母体冷却而形成自淬火,其淬火部分的结构组织呈超细化,硬度比淬火前提高约2.5倍,并得到0.21 mm深的淬火层,从而使工件的耐磨性能提高35倍。

激光淬火可以对发动机的汽缸、活塞环、轮轴等关键零件进行处理,以大幅度提高其使用性能。在经激光热处理后,不必再进行后续处理,可直接送到装配线上安装。美国通用汽车公司率先采用激光热处理技术直接硬化发动机汽缸内壁,大大提高了汽缸的耐磨性,改善了汽缸与活塞环的配合性,减轻了活塞环的磨损。长春第一汽车制造厂等大型企业都有自己的激光热处理生产线。

对于用合金铸铁制造的大型覆盖件模具,传统工艺采用火焰淬火,其淬火硬度为4050 HRC。改用激光淬火后,模具表面硬度可提高到5565 HRC,硬化层有效深度为0.50.7 mm,模具耐磨性能大大提高,维修率可控制在4%以下。

激光热处理具有如下优点:激光淬火处理后的工件表面硬度比常规淬火高5%20%,可获得极细的硬化层组织;由于激光加热速度快,因而热影响区小,又是表面扫描加热淬火,所以被处理的零件变形很小;淬火部位可获得的残余压应力大,有助于提高疲劳性能;激光硬化工艺周期短,生产效率高,工艺过程易实现计算机控制,自动化程度高,可纳入生产流水线;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,容易实现对大型模具表面进行均匀淬火;可以对形状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理,也可对同一零件不同部位进行不同的激光硬化处理。如图2所示。


2.激光熔覆

激光熔覆的研究工作始于20世纪70年代,1981年成功地应用于喷气发动机叶轮片。激光熔覆是利用高能的激光束在金属表面辐照,使涂覆材料熔化、扩展,与基体结合并迅速凝固,在基材表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。

激光熔覆技术适用于需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。应用该技术处理模具表面(见图3),既可以对己加工成坯的制造模具进行表面改性,也可以对成形模具进行表面修复。应用激光熔覆技术,可以有效提高金属材料的硬度、屈服强度、疲劳强度、疲劳裂纹扩展抗力和磨损疲劳寿命等性能。对设备的易磨损或易腐蚀零件采用激光熔覆,可使其表面产生耐磨、耐蚀、耐热等综合性能的熔覆层,大大延长零件使用寿命;在保证原零件尺寸和材料性能的条件下,可以有效地修复磨损零件表面的裂痕、崩角、密封边,实现废旧零件的再利用。采用激光熔覆修复的齿轮轴如图4所示。

与堆焊﹑喷镀、热喷涂和喷焊等传统的表面处理技术相比,激光熔覆具有以下优点:熔覆层与基体可以形成牢固结合,界面结合强度高;对基材的热影响小,引起的变形小,自动化程度高;激光熔覆属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或形成常规处理无法得到的新相;激光束的功率、位置和形状等能够精确控制,易实现选区甚至微区熔覆修复;熔覆层的稀释率小,可精确控制,熔覆层成分具有可设计性;激光融覆技术是无接触形处理,能实现自动化和柔性加工。


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,如不锈钢、铍铜、铝合金及钛合金等。

激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度,速度比无激光照射快1 000倍,对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。使用该技术还可使电镀层的牢固度提高1001 000倍。

激光上釉技术对于材料改性很有发展前途,其成本低,容易控制和复制,有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术,在控制组织、提高表面耐磨和耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。

3.激光清洗

应用高能激光脉冲去除零部件表面污物是激光技术在表面处理中的又一用途。其清洗机理有二:一是直接利用激光加热污物,使之气化挥发(或瞬间受热膨胀)并被蒸汽带离模具基体表面;二是在高能量密度、高频率脉冲激光作用下,污物层内产生分裂应力而与模具基体脱离。与传统的喷砂清洗方法相比,激光清洗具有清洗速度快、不损伤模具表面、在线清洗等优点。激光清洗技术的采用,可大大减少加工件的微粒污染,提高精密件的成品率。

激光表面处理技术是一门发展快的新技术,正朝着智能化、集成化方向发展。将其与计算机数控技术有机结合起来,利用CAD等相关技术,可以突破传统的设计和制造模式,大大改进制造和再制造工艺。

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