激光加工 第6章 激光表面处理技术_图文

1、第六章激光表面处理技术激光表面处理技术-原理激光表面处理技术,是研究金属材料及其制品在激光作用下组织和性质的变化规律,以及它在工业应用中所必须解决的工艺及装备。激光表面处理技术是涉及光学、材料科学与工程、机械与控制等多学科高新技术。激光表面处理技术是传统表面处理技术的发展和补充。激光表面处理技术-应用采用激光表面处理可以解决某些其他表面处理方法难以实现的技术目标。例如细长钢管内壁表面硬化,成型精密刀具刃部超高硬化,模具合缝线强化,缸体和缸套内壁表面硬化等等。采用激光热处理的经济效益显著优于传统热处理,例如汽车转向器壳体激光淬火(相变硬化和锯齿激光淬火等。激光表面处理技术-应用举例激光表面处理技

2、术在汽车行业应用极为广泛,在许多汽车关键件上,如:缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、派启发、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硬化,日产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缸。激光表面处理技术-应用举例激光表面处理技术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簧片的激光热处理。它们的模具制造工艺复杂,精度要求高,形状各异,应用广泛,但往往因模具的寿命短而加

3、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,又不受形状和尺寸的限制。激光表面处理技术-应用举例激光表面处理技术-应用举例激光表面处理技术应用-录像激光表面处理技术-分类激光相变硬化(淬火和退火激光熔凝激光熔覆和合金化激光冲击硬化等激光表面处理技术1激光淬火/覆照相变硬化-原理激光覆照相变硬化也叫激光表面淬火。它以高能密度的激光束快速照射材料表面,使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化为热能,使激光作用区的温度急剧上升到相变温度以上,形成奥氏体。此时工件基体仍处于冷态并与加热区之间的温度梯度极高。因此,一旦停止激光照射,加热区因急冷而实现工

4、件的自冷淬火。从而提高材料表面的硬度和耐磨性。激光表面处理技术1表面淬火/覆照相变硬化-应用激光覆照相变硬化一般采用大功率的二氧化碳连续激光器。目前已广泛应用到汽车发动机气缸、机床导轨及齿轮齿面的热处理中。激光表面处理技术1表面淬火/覆照相变硬化-优点加热速度、冷却速度快极快的加热速度(104106/s和冷却速度(106108/s,这比感应加热的工艺周期短,通常只需0.1s即可完成淬火,生产率极高。变形小、光洁度高仅对工件局部表面进行激光淬火,且硬化层可精确控制,因而它是精密的节能热处理技术。激光淬火后工件变形小,几乎无氧化脱碳现象,表面光洁程度高,故可成为工件加工的最后一道工序。硬度高、耐磨

5、性好激光淬火的硬度可比常规淬火硬度提高1520%。铸铁激光淬火后,其耐磨性可提高34倍。激光表面处理技术1表面淬火/覆照相变硬化-优点自冷淬火可实现自冷淬火,不需水或油等淬火介质,避免了环境污染。加工柔性高对工件的许多特殊部位,例如槽壁、槽底、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等,只要能将激光照射到位,均可实现激光淬火。自动化程度高工艺过程容易实现生产自动化。激光表面处理技术2激光表面合金化-原理激光表面合金化是在高能束激光的作用下,将一种或多种合金元素快速熔入基体表面,使母材与合金材料同时熔化,形成表面合金层,从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。换句话讲,它是一种利用激光改变金属或合金表面化学

6、成分的技术。激光表面处理技术2激光表面合金化-原理基材已熔凝的基材+合金激光束合金添加材料激光表面合金化-过程示意激光表面处理技术2激光表面处理技术2激光表面合金化-优点可以节约大量具有战略价值或贵重元素、形成具有特殊性能的非平衡相或非晶态、晶粒细化、提高合金元素的固熔度和改善铸造零件的成分偏析。激光表面处理技术3激光熔覆-原理基材涂覆层激光束涂覆材料激光熔覆与激光合金化的原理一致,它是利用激光在基体表面覆盖一层具有特定性能的涂覆材料。这类涂覆材料可以是金属和合金,也可以是非金属,还可以是化合物及其混合物。在涂覆过程中,涂覆层与基体表面通过熔合结合在一起,激光熔覆的方式与激光合金化相似。获得的

7、涂层可以提高材料表面的耐蚀、耐磨、耐热、减磨以及其他特性。激光表面处理技术3激光熔覆-原理与常规的表面涂覆工艺相比较,激光涂覆具有:涂层成分几乎不受基体成分的干扰和影响;涂层厚度可以准确控制;涂层与基体的结合为冶金结合,十分牢固,稀释度小;加热变形小,热作用区也很小;整个过程很容易实现在线自动控制。激光表面处理技术3激光熔覆-优点激光表面处理技术4激光冲击强化-原理工件表面涂上一层部透光材料(涂层,再覆盖一层透光材料(约束层;高功率密度短脉冲(纳秒级强激光透过约束层照射金属材料表面;涂层在极短时间内产汽化电离成高温高压的等离子体;由于约束层存在,等离子体的膨胀受限,产生向金属内部传播的强冲击波

8、,使金属材料表层发生塑性变形,形成激光冲击强化区;从而改善金属材料的机械性能。激光表面处理技术4激光冲击强化-原理图涂层激光表面处理技术4激光冲击强化-优点与其他激光表面处理比较,激光冲击处理的突出优点是没有向材料内部的热传递,因此没有热影响区。激光表面处理技术5激光熔凝-原理激光熔凝是将激光束加热工件表面熔化到一定深度,然后自冷使熔层凝固,获得较为细化的均质组织和所需性质的表面改性技术。已熔凝的基材激光束基材激光表面处理技术5激光熔凝-特点表面熔化时一般不添加任何合金元素,熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。在激光熔凝过程中,可以排除杂质和气体,同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。其熔层薄,热作用区小,对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有