激光熔凝技术应用技术

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

2、.)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： 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

3、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

4、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0.22.0mm ,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温度梯度大，模具不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， 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

5、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0.12.0mm 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

6、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

7、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

8、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。女口 FC2

9、5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HV80095Q 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HV400950 ,具有良好的的耐磨性。o1012深度/mm处理条件几种灰口铸铁激光表而处理后组织的磨料磨扌员率対L匕(3 )白口铸铁： 具有

10、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0.4m

11、m凝层深度为500 m织为细马氏体，残余奥氏体，铁素体及未熔碳化物。3. AI-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AI-13Si和AI-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106C/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

12、可冷压近30%50% 能多次弯曲1800,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 *P$%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

13、属材料表层性能。激光毛化技术的应用激光毛化就是采用高重频的高能激光束使辊面材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直径为一百微米量级，深度为几十微米量级的微坑。其实，人们曾使用过不同的技术途径使 辊面毛化，例如喷丸、电火花等。图1, 2分别是喷丸毛化板和电火花毛化板的表面形貌。显然，它们的微坑不是孤立的，其间存在有微沟道，板面在深冲时，表面润滑油容易被挤压、流失，板面大变形区易起皱开裂。激光毛化克服了上述缺点： 板面上分布着密度很高而且彼此分立的毛化坑，能有效保存润滑油，犹如在板面覆盖了一层微小的液体轴承，使板材成型时材料易于流动，不仅能减少起皱开裂现象，而且能提高板材深冲成型性能；其次，YAG激光

14、束通过柔性的光纤导出，并可利用电子技术方便地进行调节与控制，可以按照任务需要实现各种不同的结构、形貌。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106109C/s，冷却速度105C /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

15、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

16、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

17、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20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 (d b800 MPa)65Mn弹簧钢，其寿命是普通轧辊的 23 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. 对冷轧生产的作用毛化辊的应用最初是在平整机上。由于毛化辊增加了轧辊与轧件间的摩擦，有利于防止“打滑”，从而使轧件能均匀变形，获得力学性能一致的产品，并使轧件表面获得所要求的光

18、洁度(粗糙度)。随着激光毛化技术的提高，轧辊的耐磨性及轧辊的毛化工效都得到了提高，使轧机工作辊毛化成为了可能， 对冷轧生产带来了积极作用。(1) 避免轧制时“粘钢”“粘钢”现象常出现在大压下、高轧速的情况下，特别是生产薄带时， 轧件与轧辊的相对滑动，产生局部高温， 在轧件表面形成不规则的剥落，影响产品质量。根据轧辊与轧件接触表面摩擦的特征，可分为干摩擦、半干摩擦、吸附润滑摩擦、液体摩擦四种状态，产生粘 钢的原因是因为在压力加工过程中，在辊与钢带接触表面内没有任何润滑介质薄膜存在，而处于直接接触状态产生干摩擦。因此消除粘钢就是要使轧辊与钢带接触表面上在高速、高压状态下能够有均匀而良好的润滑层，也

19、就是在带钢表面上形成均匀致密的一层油膜。在较高速轧制过程中，高压下的金属质点要得到强迫延伸，光辊轧制使其将油膜拉开，很难在轧辊与钢带接触面上形成一层油膜，激光毛化辊由于在表面上存在均匀致密的凹坑，这些凹坑起了 “储油器”的作用，它们将轧制油连续带入变形区，而不会象光辊轧制那样把轧制油挤走。激光毛辊辊面密封式的凹坑在轧制中能有效地将润滑油带入轧制变形区，起着储油和冷却的作用，能明显改善冷轧的润滑及冷却条件，有利于材料的流动。 轧辊与钢带之间始终保持着良好的润滑环境和冷却条件，轧辊与钢带之间形成一层油膜，油膜中的反作用力还能促使它们在离开变形区后迅速分离，避免了粘辊，使得钢带表面质量得到明显改善。

20、(2) 提高轧制速度和压下率由于激光毛化辊改善了润滑条件，避免了 “粘钢”现象，因而可实现高速和大压下轧制。在精密带生产实践中，使用激光毛化辊可提高轧制速度45%左右。同时，道次压下量也得到提高，加上轧辊使用寿命的提高，使生产效率得以提高。(3) 减轻轧制“横纹”“横纹”是轧制不稳定时，轧辊和轧件产生滑动， 在轧件表面产生的振动纹痕，当轧速较高、压下量较大、张力较大时更易出现。而使用激光毛化辊能显著减轻轧制“横纹”，改 善表面质量。分析认为：激光毛化轧辊凸包可以增加轧辊与钢带之间的摩擦，使钢带与工作辊之间接触面发生了变化，从而改善了钢带与工作辊之间的接触条件，减少了轧辊与所轧钢带之间的相对滑动

21、。由于激光毛化辊使轧制平稳，减少了因轧制振动引起的钢带表面的横纹 缺陷。(4) 消除退火产生的“粘连”在生产薄带(W 0.5mm )时，由于卷取张力过大或板型较差，极易在退火时因局部温度过高而使钢带产生“粘连”，轻则影响产品质量，严重的会造成报废。 为消除这一缺陷，许多厂家在退火前增加了一道重卷工序，给生产带来不便。而在退火前最后道次利用激光毛化辊轧制，改善钢带层与层之间的接触状态，可有效地消除退火产生的“粘连”，这在连轧机组上使用尤为方便。(5) 改善轧件表面质量冷轧带钢的表面质量要求是：冷加工材表面应光洁，不允许有裂 纹、分层、折叠、疤痕、锈蚀、划痕、氧化皮、麻点、起皮、毛刺等影响使用的缺

22、陷存在。当用激光毛化辊轧制带有表面缺陷的钢带时，毛辊与钢带表面相接触， 使得辊面上的凸包在钢带表面上形成微坑，即形成毛面，这些微坑将钢带表面缺陷分割、细化、切断、摊开。随 着轧制的不断进行，此过程不断演变，钢带表面缺陷则不断地变小、变浅、变少，直到最后 被部分或完全消除。另外，激光毛辊表面的凹坑还能收集轧制过程中形成的金属颗粒，减少钢带表面划伤，改善表面质量。实践表明，激光毛化轧辊能有效减少轧制过程中钢带表面的 划伤，提咼产品质量，并可以消除半成品钢带表面一般性划伤、压入等表面缺陷，为挽救废品，提高成材率提供了一个新方法。(6) 在普通冷带轧机上实现异步轧制异步轧制的特点是中性点处于上、下辊的

23、不同位置，在大小不等的中性角之间造成摩擦力的反向，其所对应的变形区就是轧辊对金属的“搓轧区。在搓轧区中，两轧辊对带钢的剪切应力使摩擦力由变形阻力转化为促进带钢变形的动力。 这种剪切变形条件是常规同步轧制所没有的，它可使轧制力较大幅度降低，也就是说，对同样的轧机和轧材而言，异步轧制可获得更大的压下量和更好的产品精度。实验表明，在表面比较粗糙的轧辊上进行轧制时，润滑剂的种类对摩擦因数没有太大影响，而起决定作用的是轧辊表面的粗糙度和压缩量。在压缩量一定的情况下，摩擦因数的改变则取决于弹性和塑性 接触时的表面粗糙度。利用激光毛化方法实现并精确控制辊面粗糙度是能够利用激光辊实现 异步轧制的基本条件。 由

24、于激光毛化辊微坑具有的连续润滑和对碎屑的搜集作用，使板带表面划伤减少。同时利用的激光毛化辊辊径和转速相同，只是表面粗糙度不同， 避免了由于不同辊径或转速所造成的轧机振动，消除了钢带表面横纹。实验中，道次压下率达到50%可提高轧程中总变形量，减少道次数，有效提高生产效率，同时板型也得到改善。3. 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

25、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67%,拉伸强度提高了 47%，总延伸率提高了 610% ,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2O30 MPa,抗拉强度提高2IMPa,延伸率提高1C%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08

26、F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35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

27、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激光熔覆与合金化技术是利用自动送粉器将合金粉末同步送到激 光