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0431-81702023
激光
激光热处理技术特点及工业应用全析

激光技术是本世纪60年代初诞生,而且发展极为迅速的一门高新技术。它的发展与渗透,带动了其它学科和技术的发展,激光技术已成为本世纪高新技术产业的主要支柱之一。激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用,激光加工技术加速了对传统加工工业的改造,提供了现代工?#23548;?#24037;技术的新手段,影响很大。激光加工是指用高功?#22987;?#20809;束对工业用零部件进?#26143;?#21106;、热处理、焊接、打孔等等,与传统加工方法相比,激光加工的特点是:激光束能量高度集中,加工区域小,因而热变形小,加工质量高、精度高,加工件不受尺寸、形状限制,不需冷却介质,而且无污染,噪声小,劳动强度低,效率高。激光加工技术的产业化正在我国兴起。

  一、激光热处理技术的特点

  激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法,它可以对材料实现相变?#19981;?或称做表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火)、表面合金化等表面改性处理,产生用其它表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。

  激光具有单色性、相干性、方向性和高能量密?#20154;?#22823;特点,因此,其穿透能力极强。激光的穿透能力是由其能量大孝功率密度强弱、时间长短而决定。当功率密度为103W/cm2~107W/cm2?#20445;?#20197;103℃/s~107℃/s加热速度把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度,其表面迅速?#29575;?#20307;化,然后急速自冷淬火,冷却速度可达1.7×104℃/s,金属表面迅速被强化,这就是激光相变?#19981;?

  激光热处理的显著特点是:具有高速加热,高速冷却,获得的组织细密、硬度高、耐磨性能好;淬火部位可获得大于400kgf/mm2的残余压应力,有助于提高疲劳性能;还可以进行局部选择性淬火,通过对多光斑尺寸的控制,更适合其它热处理方法无法胜任的管?#20303;?#28145;沟、微区、夹角和刀具刃口等局部区域的?#19981;?#28608;光可以远距离传送,可以实现一台激光器多工作台同时使用,采用计算机编程实现对激光热处理工?#23637;?#31243;的控制和管理,实现生产过程的自动化。

  二、激光热处理在工业上的应用及发展

  由于激光热处理有相当明显的优点,解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题,在国内外受到了高度重视,激光热处理得到了迅速的发展。

大功率CO2激光器从70年代起发?#36141;?#24555;,先进工业国家大功率CO2激光器已产品化、系列化。我国从“七五”以后相继研制成功了千瓦级至万瓦级大功率CO2多模激光器。随着大功?#22987;?#20809;器的发展,用激光就可以实现各?#20013;问?#30340;表面处理。它是引起材料组织结构变化的冶金过程,其加热时间在10-3s~10-7s的?#27573;?#20869;,功率密度为每平?#33014;?#31859;大于0.1kW。它的应用极为广?#28023;?#20960;乎一切金属表面热处理都可以应用。目前应用比较多的有汽车、冶金、石油、重型机械、农业机械?#21364;?#22312;?#29616;?#30952;损的机器行业,以及航天、航空等高技术产品。

  激光热处理在汽车行业应用极为广?#28023;?#22312;许多汽车关键件上,如:缸体、缸?#20303;?#26354;轴、凸?#31181;帷?#25490;气阀、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。例如,美国通用汽车公司用十几台千瓦级CO2激光器,对换向器壳内壁局部?#19981;?#26085;产3万套,提高工效四倍。我国采用大功率CO2激光器对汽车发动机进行缸孔内壁强化处理,可延长发动机大修里程到15万公里以上,一台汽缸等于三台不经处理的汽?#20303;?

  激光热处理过的缸体、缸?#29366;?#30828;带的耐磨性大幅度提高,未淬硬带可增加储油,改善润滑性能我国拖拉机发展快,?#27426;?#25512;出新品?#30130;?#20294;拖拉机用内燃机缸体、缸?#36164;?#21629;短,损坏?#29616;兀?#32500;修量很大,西安内燃机配件厂在国家科委的帮助下,首先建起了柴油机缸套激光热处理生产线,年产60万只,寿命延长10000小时。

  缸体激光热处理设备及生产线激光涂覆与激光合金化工艺相?#30130;?#20294;不同的是不另外加入合金,使金属表面融化随即冷却凝固,从而得到细微的接近均匀的表层组织,对于某些共晶合金,还可得到非晶态表层,具有极好的抗腐蚀性能,例如,在柴?#22836;?#21160;机铸铁阀座上进行铬基表面涂?#29627;?#21487;获得良好的不锈?#30452;?#38754;。

  激光热处理在大型机车制造业已被采用,大大提高了机车寿命,主要是机车大型曲轴的激光热处理和机车柴油机缸套和机车主?#21892;?#30340;激光热处理。

  模具的制造工艺复杂,精度要求高,形状各异,应用广?#28023;?#20294;往往因模具的寿命短而加大了成本,返修也很困难。用激光对模具表面进行热处理,已逐渐被认识和被采用,可成倍的提高模具的寿命,又不受形?#26149;统?#23544;的限制。

  激光热处理过的曲轴由于激光热处理越来越显示其优越性,各种大功率CO2激光热处理机?#27426;?#38382;世。?#34892;?#22823;型企业不惜代价引进国外先进设备,如大连机车车辆厂引进德国6000WCO2激光器用于大型曲轴热处理生产线等。与?#36865;保?#22269;产的大功率CO2激光热处理设备销售每年也成?#23545;?#38271;,激光热处理生产线在各地相继发展起来。

目前比较成功的例子有大连机车车辆厂用于机?#30331;?#36724;、缸?#20303;?#31435;?#21892;?#30340;激光热处理生产线;西安内燃机厂柴油机缸套激光热处理生产线;?#26412;?#20869;燃机及首?#35745;?#36710;公司的汽车发动机缸套激光热处理生产线;长春第一汽车制造厂激光热处理生产线。同时全国各地还建立了不同规模的激光加工?#34892;模?#20026;各行业机器零件进行激光热处理。

  三、开发激光热处理的新应用,促进激光加工产业化

  激光是一门高新技术,应用领域很广。激光热处理的技术关键有三:高功率的激光器?#27426;?#33258;由度的加工设备并与计算机配套;不同应用的激光热处理工艺。经过我国激光科技人员十几年的努力,这三个方面都有了很快的发展,为激光热处理技术的推广创造了条件。近几年来,激光产业以两位数的速度增长,高于国?#22987;?#20809;产业发展的速度,也高于全国工业增长的速度,可见其前景是远大的。

  激光热处理技术的应用在我国尚不普遍,主要是人们对激光技术的应用,还存在不同程度的神秘化?#25512;?#35265;。激光技术、激光热处理应用推广宣传不够,缺乏?#23548;?#22240;此应尽快把激光技术的科研成果,特别是激光热处理技术面向经济、面向市场、面向全社会,主要是为工业企业服务,?#27426;?#25512;广,扩大其应用。

  为了达到这一目的,建立专用的激光热处理生产线固然重要,?#27426;?#24314;立多功能的激光加工?#34892;模?#20026;更多的?#34892;?#20225;业服务,更不可少。在美国、?#20998;?#21644;日本就有这种加工?#34892;?00多家,我国不少城市近几年也建立了相类似的激光加工?#34892;模?#26381;务于各行各业,起到了很好的示范作用,也创造了可观的经济效益和社会效益。

  可以毫不夸张的说,激光热处理几乎可以解决金属表面热处理的所有问题,只是工艺要?#27426;?#30340;摸索、探讨、实验。激光热处理?#34892;?#21487;以完成这些工作,并以最快的速度发展其应用。例如,在?#27426;?#21457;展的汽车、拖拉机修理行业中,激光热处理已经取得非常好的应用效果。

  可以预言,激光加工技术,特别是激光热处理技术的发?#36141;?#24212;用必将加速我国的激光产业化进程。


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